ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 本 科 毕 业 设 计 论 文 专用镗床监控系统的设计 Design of the Special Boring Machine Supervision Control System 系（院）名称： 专业班级： 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 机械工程学院 07 级机制 1 班 索恩光 康博 讲师 2011 年 5 月 毕业设计（论文） 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的指导 下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的 地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为 获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提 供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了 谢意。 作 者 签 名： 指导教师签名： 日 日 期： 期： 使用授权说明 本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规 定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有 权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为 目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 目 录 中文摘要、关键词 ……………… ……… ……………… ……… ……………… ……1 英文摘要、关键词 ……………… ……… ……………… ……… ……………… ……2 引言 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 3 第 1 章 总体方案的设计 …………………………………………………………3 1.1 进给系统方案的确定 …………………………………………………………3 1.2 电气控制系统方案确定 ………………………………………………………6 第 2 章 液压系统的设计 …………… ……………… ……… ……………… ……7 2.1 2.2 2.3 液压传动系统的概述 ………………………………………………………7 液压传动系统的要求分析 …………………………………………………8 液压传动系统的回路设计及其工作原理 …………………………………9 2.3.1 液压传动系统的回路设计 ………………………………………………9 2.3.2 液压传动回路工作原理…………………………………………………10 第 5 章 联机调试 …………………………………………………………………38 结论 …………………………………………………………………………………39 致谢 …………………………………………………………………………………40 参考文献……………………………………………………………………………41 II 2 专用镗床监控系统的设计 摘要： 摘要：本设计是在了解专用镗床的控制要求和加工动作流程的基础上，完成了对专用镗床 监控组态系统的设计，利用可编程控制器实现对专用镗床动作的自动控制，而监控组态软 件 PCAuto3.62 实现对专用镗床加工过程的实时监控。 本设计说明书即是对专用镗床监控系统设计的阐述，其内容如下： 1．根据专用镗床的工作要求，分体总体方案； 2．根据进给系统的工作要求与动作分析，对专用镗床液压系统的设计； 3．根据控制系统所要达到的结果，分析其控制要求，对其控制系统的设计； 4．根据设计出的 PLC 电气控制原理图，编写其梯形图； 5．利用 PCAuto3.62 监控组态软件，对专用镗床的监控组态系统进行设计； 6．最后完成联机调试，直至程序通过。 关键词： 关键词：专用镗床 液压传动系统 电气控制系统 可编程控制器 监控组态 1 Design of the Special Boring Machine Supervision Control System Abstract：The design, which was based on the understanding of control requirements of special ： boring machine and processing procedures, was to complete the monitoring configuration system for special boring machines. The programmable logic controller was deployed to achieve automatic control of boring action. Monitor configuration software PCAuto3.62 was used to achieve the real-time monitoring process for special boring machines. This design specification illustrated the design of the monitoring system of special boring machines, which reads as follows: (1) In accordance with the requirements of special boring machine, split the overall program; (2) In accordance with motion analysis and requirements of the work of feeding system, design the special boring machine hydraulic system; (3) According to the results achieved by the control system, analyze its control requirements to design its control system; (4) In accordance with the design of the PLC electrical control schematic diagram, compile the ladder diagram; (5) Design the monitoring configuration system of special boring machines with configuration software PCAuto3.62 ; (6) Finally, test online, until the procedure works. Key words: Special Boring; Machine; Hydraulic Drive System; Electrical Control Systems; Programmable Logic Controller; Supervision Control System 2 引 言 专用机床用于大批量生产中，具有自动化程度高、加工精度稳定。生产效率高、机床 机构简单、操作方便等优点；但当加工工件结构与尺寸改变时，须重新调整或者重新设计 制造机床，适用性差。其电控系统以往大多采用继电-接触器控制，而继电-接触器控制电 路由于使用了大量的机械触点，导致设备的响应速度慢、可靠性差。故障率高。接线复杂、 不便于调整和维修等。可编程控制器（PLC）的运用，其控制逻辑的软件设计功能可在很 大的程度上改善机床电控系统的柔性；同时，其可靠性得到明显增强，具有很好的社会和 经济效益。而其进给系统通常采用液压传动系统，为提高加工精度，主轴采用静压电机， 由静压电机拖动高压油泵产生静压油膜。 3 第1章 绪 论 专用机床用于大批量生产中，具有自动化程度高、加工精度稳定。生产效率高、机床 机构简单、操作方便等优点；但当加工工件结构与尺寸改变时，须重新调整或者重新设计 制造机床，适用性差。其电控系统以往大多采用继电-接触器控制，而继电-接触器控制电 路由于使用了大量的机械触点，导致设备的响应速度慢、可靠性差。故障率高。接线复杂、 不便于调整和维修等。可编程控制器（PLC）的运用，其控制逻辑的软件设计功能可在很 大的程度上改善机床电控系统的柔性；同时，其可靠性得到明显增强，具有很好的社会和 经济效益。而其进给系统通常采用液压传动系统，为提高加工精度，主轴采用静压电机， 由静压电机拖动高压油泵产生静压油膜。 1.1 设计任务 根据专用镗床的控制要求、各个电机的电气参数，设计其交流拖动电气系统、PLC 电 气控制系统及控制程序、液压传动系统，并利用监控组态软件完成监控系统的设计。 1.2 设计的主要内容 本设计先分析此专用镗床的控制要求，进行液压传动系统的设计，再确定 PLC 控制系 统的技术方案，进行 PLC 控制系统的硬件组态，完成具有镗孔和铰孔功能的 PLC 电气控 制系统原理图的设计及硬件选型工作。在 PLC 电气控制原理图的基础上，完成 PLC 控制 程序的设计。利用组态软件完成专用镗床监控系统的设计，然后完成组态软件和 PLC 的联 机调试工作，最终完成监控系统的设计。 需要完成的内容： 1．专用镗床液压传动系统原理图 1 份； 2．专用镗床电气原理图 1 份； 3．专用镗床 PLC 控制程序 1 份； 4．专用镗床监控组态仿线 专用镗床的概述 城市道路通行能力，是指通常道路条件与通常交通条件下，在单位时间内连续通过道 路的某一断面或一车道的最大车辆数。它包括路段通行能力和路口的通行能力。路段通行 力又分可能通行能力与设计通行能力，在城市一般道路与一般交通的条件下，并在不受平 4 面交叉口影响时，一条机动车道的可能通行能力按下式计算： N p = 3600 t1 （1-1） 式中： N p ——1 条机动车道的路段可能通行能力(pcu／h) t1 ——连续车流平均车头时距(s／pcu) 不受平面交叉口影响时，一条机动车道设计通行能力按下式计算： N m = acp ? N p 式中： N m ——1 条机动车道的设计通行能力(pcu／h) ac ——机动车道道路分类系数 受平面交叉口影响的机动车道设计通行能力应根据不同的计算行车速度、绿信比、交 叉口的平面布置等进行计算，由于篇幅所限，这里不再叙述。道路通行能力也称道路容量， 是道路的一种性能，是度量道路疏导车辆的能力。同时，它是道路设计的一项重要指标。 根据不同等性质的道路，通过对道路通行能力和设计小时交通量分析，可以确定道路的机 动车道数。同时，通过这种分析，可以确定道路的机动车道的缺陷，便于针对问题指出改 进道路通行能力的措施以及交通管理措施等。 （1-2） 5 第 2 章 总体方案的设计 总体方案的设计分为三个大步骤：进给系统的实现方案、控制系统的选择和组态监控 系统的设计。 2.1 进给系统方案的确定 专用镗床的加工工艺要求，要求频繁的换向，工件的夹紧与放松结构要求简单，容易 操作，达到很大的传速比，因有高精度的生产要求，这样就必须加工过程平稳。针对这些 特点，表 2.1 是几个传动进给实现方案的比较。 表 2.1 液压传动与其他传动方式的比较 性能 输出力 速度 质量功率比 响应性 负载引起特性变化 定位性 无级调速 远程操作 调整 信号变换 结构 管线配置 环境适应性 危险性 液压传动 大 较高 小 高 稍有 稍好 良好 良好 容易 困难 稍复杂 复杂 较好，但易燃 注意防火 可通过蓄能器完成 动力源失效时 若干动作 工作寿命 维护要求 一般 高 长 一般 一般 简单 较短 较高 有余量 不能工作 不能工作 气压传动 稍大 高 中等 低 很大 不良 较好 良好 稍困难 较困难 简单 稍复杂 好 几乎无 机械传动 较大 低 较小 中等 几乎无 良好 较困难 困难 稍困难 困难 一般 较简单 一般 无特别问题 电气传动 不太大 高 中等 高 几乎无 良好 良好 特别好 容易 容易 稍微复杂 不特别 不太好 注意漏电 6 价格 稍高 低 一般 稍高 与其他传动控制方式相比较，液压传动与控制技术的特点如下： 1．优点 （1）单位功率的重量轻。液压技术具有重量轻、体积小和出力大的突出特点，有利 于机械设备及其控制系统的微型化、小型化，并进行大功率作业。 （2）布局灵活方便。液压元件的布置不受严格的空间位置限制，容易按照机器的需 要通过管道实现系统中各部分的连接，布局安装具有很大的柔性，能构成其他方法难以组 成的复杂系统。 （3）调速范围大。通过控制阀，液压传动可以运行过程中实现液压执行器大范围的 调速，调速范围可达 2000。 2．缺点 （1）不能保证定比传动。由于液体的压缩性和泄漏等因素的影响，液压技术不能严 格保证定比传动。 （2）传动效率偏低。传动过程中需经两次转换，常有较多的能量损失，因此传动效 率偏低。 ① 工作稳定性易受温度影响。液压系统的性能对温度较为敏感，不宜在过高或过低 温度下工作，采用石油基液压油作传动介质时还需注意防火问题。 ② 造价较高。液压元件制造精度要求较高以防止和减少泄漏，所以造价较高。 ③ 故障诊断困难。液压元件与系统容易因液压油液污染等原因造成系统故障，且发 生故障不易诊断。 且组合机床是由通用部件和部分专用部件组成的高效、 专用、 自动化程度较高的机床。 能完成钻、扩、铰、镗、铣、攻螺纹等加工工序。动力滑台是组合机床的通用部件，它上 面安装着各种旋转刀具，常用液压或机械装置驱动滑台按一定得动作顺序循环完成进给运 动。 组合机床要求动力滑台空载时速度快、推力小；工进时速度慢、推力大，速度稳定； 速度换接平稳；功率利用合理、效率高、发热少。 这样综合比较，考虑到设计要求、经济费用、可靠性和安全性等因素，本设计方案选 用液压系统来控制进给传动系统。 2.2 电气控制系统方案的确定 20 世纪 20 年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定得逻辑关系 7 连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家熟悉的传统的继电器控制系统。 由于它结构简单、容易掌握、价格便宜，能满足大部分场合电气顺序逻辑控制的要求，因 此在工业控制领域中一直占据着主导地位。根据社会的发展，时代的要求，显然传统的继 电器控制系统已经不能满足于高速发展的工业需求，所以 20 世纪 70 年代，就逐渐出现了 可编程逻辑控制器（PLC） ，它能更多的发挥计算机的功能，不仅用逻辑编程取代了硬连线 逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能，使其真正成为一种电子计算机工业控制设 备。表 2.2 给出了传统的继电器控制系统与 PLC 的功能与特点的比较。 表 2.2 PLC 与传统继电器控制系统的比较 比较项目 传统继电器控制 通过对继电器进行硬件接线 控制功能的实现 完成相应的控制功能 需进行重新设计与接线，适应 对生产工艺变化的适应性 性差 性强 制要求 只需要对程序进行修改，适应 PLC 对 PLC 进行编程实现所需控 元器件多、触点多，易出现故 可靠性 障 采用大规模集成电路，绝大部 分是软继电器，可靠性高 具有种类齐全的扩展单元，扩 柔韧性和灵活性 差 展灵活 机械动作时间常数大，实时性 控制的实时性 差 控制柜体积大、笨重，安装施 占用空间与安装 工工作量大 使用寿命 复杂控制能力 价格 维护 易损，寿命短 极差 较低 复杂、工作量大 小 寿命长 很强 较高 工作量小 体积小、重量轻，安装工作量 微处理器控制，实时性非常好 从表 2.2 的比较，可以看出本设计使用 PLC 控制的优势远远高于传统继电器控制而且 比 CNC 系统对此种机床实际，因此本次设计使用 PLC 控制专用镗床监控系统。 按照设计的内容和要求，确定的专用镗床监控系统的总体方案如下： 8 专用镗床监控系统由 PC 机、PLC、专用镗床组成。PC 机作为上位机，从 PLC 读取数 据，完成专用镗床运行情况的监视功能，并向 PLC 发送镗床运行系统的启动或关闭指令； PLC 作为底层控制器用于完成对镗床自动与手动的铰孔与镗孔的动作控制及准确定位。 9 第 3 章 液压系统的设计 3.1 液压传动系统的概述 液压传动相对于机械传动来说是门新兴技术。虽然从 17 世纪中叶帕斯卡提出静压传 递原理、18 世纪末英国制造出世界上第一台水压机算起，已有几百年的历史，但液压与气 压传动在工业上被广泛采用和有较大幅度的发展却是 20 世纪中期以后的事情。 根据专用镗床零件的加工技术要求，工件的夹紧与放松要求传动机构简单，工作台的 前进与后退要求换向频繁，并且到达操作方便的省力等要求，这样运用液压系统传动刚好 可以满足这样的要求，而且它比采用电动机的结构简单，大大减少了机械装置的使用，同 时它运行平稳。于是，专用镗床的进给系统和工件的夹紧依靠液压系统实现。另外，为了 提高加工精度，主轴才用静压轴承，有静压电机拖动高压油泵产生静压油膜。 由于此设计注重于 PLC 控制设计，液压系统的设计只定性的分析，不做定量的选择， 因此不进行整个液压系统的压力计算及其各个元器件的选型。 机床能进行镗孔加工，当更换刀具和改变进给速度时，又能进行铰孔加工。镗孔与铰 孔时的工作流程如图 3.1 所示。 （a）镗孔加工 图 3.1 加工动作流程图 （b）铰孔加工 根据此加工动作流程图与动作要求，就可以设计液压回路。 3.3 液压传动系统的回路设计及其工作原理 3.3.1 液压传动系统的回路设计 10 第 4 章 电气控制硬件系统的设计 经过总体方案里的论述，本设计的控制系统选择 PLC 控制是最合适的控制系统，以下 进行 PLC 的介绍，并对其选型，对整个主电路与控制电路的设计。 专用镗床 PLC 的控制系统主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。图 4.1 为 专用镗床 PLC 控制系统的基本结构图，主要硬件包括 PLC 主机及扩展、操作装置、行程 控制装置、安全装置、压力检测装置、拖动控制装置、进给控制装置及信号显示等。 操作装置 输 入 PLC 主机 及扩展模 块 输 拖动控制装置 出 进给控制装置 行程控制装置 信 安全装置 信 号 信号显示装置 号 压力检测装置 图 4.1 专用镗床 PLC 控制系统的基本结构图 系统控制核心为 PLC 主机，操纵装置、行程控制装置、安全装置、压力检测装置通过 PLC 输入接口送入 PLC，通过其内部程序来控制进给控制装置、拖动可控制装置、及信号 显示装置来实现专用镗床的各个动作。 4.1 PLC 的概述 可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术 发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便 等一系列的优点。特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户的青睐。 因而在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的三大支 柱之一。 11 结 论 本次设计在分析专用镗床控制系统的控制要求的基础上，采用 PC 机作为上位机，从 PLC 读取数据， 完成对专用镗床工作情况的监视功能， 并向 PLC 发送专用镗床运行系统的 启动或关闭指令；PLC 作为底层控制器用于完成对镗床镗孔与铰孔并进行自动和手动功能 的控制。 分别对专用镗床液压进给控制系统的原理图和 PLC 控制系统的电气原理图进行了 绘制。然后根据专用镗床控制系统的电气原理图和控制要求，完成了利用 STEP7—Micro/WIN32 编程软件对专用镗床控制系统的 PLC 梯形图的设计。最后，利用力 控组态软件 PCAuto3.62 对设计的程序进行联机仿真，验证了该监控系统能够准确的运行， 表明该监控系统能够应用于实际的镗床中。 12 致 谢 在康博老师的指导下，我顺利的完成了这次专用镗床监控系统毕业设计的全部内容。 首先感谢康老师这三个月以来对我的悉心指导，对设计进展的关注和设计思想的及时给予 相关的建议，并经常做出修改，更加完善我的设计，康老师一丝不苟的工作精神与严谨的 治学态度一直在此次设计中影响我，也必将成为我以后工作与学习的宝贵财富。 其次要感谢学校与学院的相关领导给于的大力支持，为我的毕业设计提供相关资料与 相关试验仪器。 再次要感谢与我一起在康老师的指导下做毕业设计的同学，如孙延强、屈志鹏等，虽 然题目不相同，但遇到问题大家那种相互讨论、相互研究的团队精神值得感动。 最后要感谢的是学校为能让我们顺利完成毕业设计所提供的实习场所，如安阳鑫盛机 床股份有限公司、安阳锻压机械工业有限公司和安阳第二机床有限公司，无论是动手还是 参观学习，都让我体会到理论与实践结合的重要行。 在这毕业之际，感谢我的母校对我大学四年来的培养，衷心祝愿母校芝麻开花节节高。 13 参考文献 [1] 贾晓敏.城市道路通行能力影响因素研究[D]．西安：长安大学硕士学位论文，2009. [2] 徐林.北京城市道路信号交叉口通行能力研究[D].北京：北京工业大学硕士学位论文，2009. [3] 邵敏华，邵显智，孙立军.对城市道路通行能力定义方法的探讨[J].交通与计算机，2005. [4] 马健霄，吕志英，王大明.城市道路通行能力分析与改善技术[J].南京林业大学学报，2001. [5]余敏.出版集团研究[M].北京:中国书籍出版社,2001. [6]辛希孟.信息技术与信息服务国际研讨会论文集：A 集[C].北京:中国社会科学出版社,1994. 14 附录 A：控制程序语句表 启动液压泵电机 LD O AN A = I1.0 Q0.7 I1.1 I3.5 Q0.7 启动静压电机 LD O AN A = I1.2 Q1.0 I1.3 I3.6 Q1.0 启动冷却泵电机 LD O AN = I1.4 Q1.1 I1.5 Q1.1 15
