维修电工 技师资格考评论文
论文题目：
基于PLC控制刨床工作台的系统设计
单位名称： 南 京 技 师 学 院
作 者： 陈飞宇
20##年 08 月 28 日
维修电工 技师资格考评论文
论文题目：
基于PLC控制刨床工作台的系统设计
作 者： 陈飞宇
职业技能鉴定等级： 技 师
单位名称： 南京技师学院
单位地址： 南京市栖霞区学海路29号
指导老师： 吴 佑 林
20##年 08 月 28 日
摘要
刨床是机械工业主要工作母之一，在工业生产中占有重要地位，早期刨床采用交流感应电动机拖动实现，六七十年代由于微电子科技的发展，出现了由晶闸管直接供电的直流调速系统拖动工作台的方案，但直流电动机本身结构上存在严重问题，他的机械接触式换向器不但结构复杂，而且容易出现故障。随着交流调速变频技术的发展，使得交流电动机拖动刨床工作台成为可能。
PLC（可编程控制器）是以微机技术为核心的通用工业控制装置，它功能强大，环境适应性高，可靠性高，编程简单，体积小，功耗低等优点，在短短几十年里得到迅猛发展，已经成为当代工业自动化得主要支柱之一。
本文则设计了一套使用PLC结合变频器控制刨床工作台的控制系统，首先介绍了基于PLC控制刨床工作台系统的工艺及相关控制要求以及设计PLC控制系统的方案思路，然后按照工艺要求对系统的硬件部分进行设计，对系统的软件部分进行反复的试验，最后设计出符合工艺要求的控制系统，来说明PLC在刨床工作台运行中的应用。
关键词：PLC 变频器 刨床工作台
目录
摘要………………………………………………………………………………………………1
前言………………………………………………………………………………………………1
第一章 刨床的概述 ……………………………………………………………………………2
1.1刨床的分类………………………………………………………………………………2
1.2 切削原理…………………………………………………………………………………2
1.3加工特点…………………………………………………………………………………3
第二章 系统控制要求 …………………………………………………………………………4
2.1 总体方案确定……………………………………………………………………………4
2.2 控制要求…………………………………………………………………………………4
2.3 变频器控制要求…………………………………………………………………………5
第三章 系统硬件设计 …………………………………………………………………………6
3.1 PLC简介…………………………………………………………………………………6
3.2 PLC选型…………………………………………………………………………………7
3.3变频器简介………………………………………………………………………………8
3.4 变频器选型………………………………………………………………………………9
第四章 系统软件设计…………………………………………………………………………10
4.1 I/O分配表………………………………………………………………………………10
4.2 外部接线图 ……………………………………………………………………………10
4.3 状态转移图 ……………………………………………………………………………11
4.4 梯形图 …………………………………………………………………………………12
4.5 变频器参数设定 ………………………………………………………………………15
第五章 运行调试………………………………………………………………………………16
5.1 硬件调试 ………………………………………………………………………………16
5.2 软件调试 ………………………………………………………………………………16
总 结……………………………………………………………………………………………17
致 谢……………………………………………………………………………………………18
参考文献 ………………………………………………………………………………………19
前言
刨床是用刨刀对工件的平面、沟槽或成形表面进行刨削的直线运动机床。使用刨床加工，刀具较简单，但生产率较低（加工长而窄的平面除外），因而主要用于单件，小批量生产及机修车间，在大批量生产中往往被铣床所代替。根据结构和性能，刨床主要分为牛头刨床、龙门刨床、单臂刨床及专门化刨床（如刨削大钢板边缘部分的刨边机、刨削冲头和复杂形状工件的刨模机）等。牛头刨床因滑枕和刀架形似牛头而得名，刨刀装在滑枕的刀架上作纵向往复运动，多用于切削各种平面和沟槽。龙门刨床因有一个由顶梁和立柱组成的龙门式框架结构而得名，工作台带着工件通过龙门框架作直线往复运动，多用于加工大平面（尤其是长而窄的平面），也用来加工沟槽或同时加工数个中小零件的平面。大型龙门刨床往往附有铣头和磨头等部件，这样就可以使工件在一次安装后完成刨、铣及磨平面等工作。单臂刨床具有单立柱和悬臂，工作台沿床身导轨作纵向往复运动，多用于加工宽度较大而又不需要在整个宽度上加工的工件。
本文选用PLC和变频器作为刨床工作台的控制部分，将二者有机结合，完成刨床工作台的功能运行，再从硬件和软件二大方面综合的分析刨床工作台控制功能。
第一章刨床的概述
1.1刨床的分类
牛头刨床
适用于刨削长度不超过1000毫米的中小型零件。牛头刨床的特点是调整方便，但由于是单刃切削，而且切削速度低，回程时不工作，所以生产效率低，适用于单件小批量生产。刨削精度一般为IT9-IT7，表面粗糙度Ra值为6.3-3.2um,牛头刨床的主参数是最大刨削长度。
龙门刨床
龙门刨床主要加工大型工件或同时加工多个工件。与牛头刨床相比，从结构上看，其形体大，结构复杂，刚性好，从机床运动上看，龙门刨床的主运动是工作台的直线往复运动，而进给运动则是刨刀的横向或垂直间歇运动，这刚好与牛头刨床的运动相反。龙门刨床由直流电机带动，并可进行无级调速，运动平稳。龙门刨床的所有刀架在水平和垂直方向都可平动。
龙门刨床主要用来加工大平面，尤其是长而窄的平面，一般可刨削的工件宽度达1米，长度在3米以上。龙门刨床的主参数是最大刨削宽度。
插床
插床又叫立式刨床，主要是用来加工工件的内表面。它的结构与牛头刨床几乎完全一样，不同点主要是插床的插刀在垂直方向上作直线往复运动（切削运动），工作台除了能作纵、横方向的间歇进刀运动外，还可以在圆周房间上做间歇的回转进刀运动。
按传动方式的不同，刨床有机械传动和液压传动两类：有机械传动的牛头刨床、龙门刨床和插床；液压传动的牛头刨床和插床。
1.2切削原理
刨床是使刀具和工件之间产生相对的直线往复运动来达到刨削工件表面的目的。往复运动是刨床上的主运动。机床除了有主运动以外，还有辅助运动，也叫进刀运动，刨床的进刀运动是工作台（或刨刀）的间歇移动。
在刨床上可以刨削水平面、垂直面、斜面、曲面、台阶面、燕尾形工件、T形槽、V形槽，也可以刨削孔、齿轮和齿条等。如果对刨床进行适当的改装，那么，刨床的适应范围还可以扩大。
1.3加工特点
根据切削运动和具体的加工要求，刨床的结构比车床、铣床简单，价格低，调整和 操作也较方便。所用的单刃刨刀与车刀基本相同，形状简单，制造、刃磨和安装皆较方便。刨削的主运动为往复直线运动，反向时受惯性力的影响，加之刀具切入和切出时有冲击，限制了切削速度的提高。单刃刨刀实际参加切削的切削刃长度有限，一个表面往往要经过多次行程才能加工出来，基本工艺时间较长。刨刀返回行程时不进行切削，加工不连续，增加了辅助时间。
因此，刨削的生产率低于铣削。但是对于狭长表面(如导轨、长槽等)的加工，以及在龙门刨床上进行多件或多刀加工时，刨削的生产率可能高于铣削。刨削的精度可达IT9～IT8，表面粗糙度Ra值为3.2μm～1.6 μm。当采用宽刃精刨时，即在龙门刨床上用宽刃细刨刀以很低的切削速度、大进给量和小的切削深度，从零件表面上切去一层极薄的金属，因切削力小，切削热少和变形小，所以，零件的表面粗糙度Ra值可达1.6μm～0.4 μm，直线度可达0.02mm/m。宽刃细刨可以代替刮研，这是一种先进、有
效的精加工平面方法。
第二章系统控制要求
2.1总体方案确定
刨床工作台控制系统主要由PLC、变频器组成。可编程控制器PLC，完成系统逻辑控制部分。PLC负责处理各种信号的逻辑关系．从而向变频器发出启停等信号，同时变频器也将工作状态信号送给PLC，形成双向联络关系，PLC是系统的核心。变频器实现电机调速。
2.2 控制要求
1刨床工作台电动机由变频器拖动，实现程序控制速度。
2刨床的垂直进刀由一台步进电动机（模拟）控制每次进刀量，并设有进刀下限和回刀上限。
3刨刀的水平进刀由另一台步进电动机控制每次进刀量，并设有进刀左限和右限。
4垂直与水平进刀次数根据工件尺寸和硬度设计计数器次数控制。
5加工步骤为手动垂直与水平进刀至原点位置——启动——垂直进刀一次——工作程序运行一周——水平右进一次——工作程序运行一周——水平进刀次数（右限）到——垂直进刀一次——工作台程序运行一周——水平左进一次——工作台程序运行一周——水平进刀次数（左限）——垂直进刀次数（下限）到——回原位。
6原点为左限与上限位置，车刀在原点位置时，车刀指示灯亮。
7加工步骤及步进电动机（模拟）控制由PLC实现。
2.3 变频器控制要求
变频器控制速度如图2-1所示
图 2-1 程序控制速度图
第三章系统硬件设计
3.1 PLC的简介
可编程控制器是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是为工业控制应用而专门设计制造的。早期可编程控制器主要应用于逻辑控制，因此称作可编程逻辑控制器（Progammable Logic Controller），简称PLC。随着技术的发展，可编程控制器的功能已经大大超越了逻辑控制的范围，现今这种装置称作可编程控制器（Progammable Controller）。为了避免与个人计算机的简称PC相混淆，所以仍将可编程控制器简称为PLC。
可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
一、电源
可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
二、中央处理单元(CPU)
中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
三、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
四、输入输出接口电路
1．现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。
2．现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
五、功能模块
如计数、定位等功能模块。
六、通信模块
PLC具有以下鲜明的特点:
一、系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。
二、使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。
三、能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型
3.2 PLC的选型
本次设计采用了日本三菱公司的FX2N-48RM型号的PLC。
FX系列PLC拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点； FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；
FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。
除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。
3.3 变频器的简介
变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
在采用了变频器的交流抱动系统中，异步电动机的调速控制，是通过改变变频器的输出频率实现的。因此，可以通过控制变频器的输出频率，使电动机工作在较宽广的调速范围内：并可以达到提高运行效率的目的。
变频调速与其他调速方式相比有以下优点
1. 平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量，确保电机安全。
2. 在机械允许的情况下，可以提高变频器的输出频率来提高工作速度。
3. 无极调速，调速精度大大提高。
4. 电机正反向无需通过接触器切换
5. 非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制。
3.4变频器的选型
在变频器的选择上，我选用了三菱FR-A700系列变频器。
A700产品适用于各类对负载要求较高的设备，如起重、电梯、印包、印染、材料卷取及其它通用场合。三菱FR-A700系列变频器具有高水准的驱动性能。
具有独特的无传感器矢量控制模式，在不需要采用编码器的情况下可以使用各式各样的机械设备在超低速区域高精度的运转。
带转矩模式控制，并且在速度控制模式下可以使用转矩限制功能。
具有矢量控制功通能（带编码器），变频器可以实现位置控制和快响应、高精度的速度控制（零速控制，伺服锁定等）及转矩控制。
第四章系统软件设计
4.1 I/O分配表
4.2 外部接线图
图4-1 外部接线图
4.3 状态转移图
4．4 梯形图
4.5 变频器参数设定
1. 系统清零。
2. 设定pr.79（操作模式）为5（程序运行模式）。
3. 设定pr.200=0/2（电压/时间）。
pr.201=1、20、0: 00 pr.202=1、50、0: 05
pr.203=1、20、0: 25 pr.204=0、0、0: 32
pr.205=2、50、0: 38 pr.206=0、0、0: 53
4. pr.7=1 pr.8=1
第五章运行调试
5.1 硬件调试
在运行试验前应先检查所用元器件的好坏，对系统所用到得元器件进行仔细检查，用万用表测量元器件的接点有没有问题。在完成对元器件的检查后，再检查接线有没有问题，是否有接错线，漏接线，接点接线是否牢固等。
5.2 软件调试
在完成PLC编程后可先用PLC编程软件自带的逻辑测试功能进行模拟调试，发现编程中的错误，编程测试无误后可通电进行总体调试。
总结
本文介绍了PLC,变频器在刨床工作台控制系统中的应用。通过PLC，变频器结合组成的控制系统，达到了刨床工作台的控制要求，体现出了PLC在工业生产中的重要作用。我也希望通过这次设计，让更多的人了解到PLC得优点。
在这次设计中，收益最多的还是我自己，为了完成本次设计，我通过网络，书籍查阅相关资料，使我的知识面拓展开来。另外，也增强了我的解决问题的能力。本次设计还有的不足的地方，请各位老师指正。
致谢
本次毕业设计能够完成，我一个人是很难做到的，最要感谢的就是我的指导老师吴老师，在我遇到困难的时候，是吴老师帮助我解决了一个又一个问题，给我指明了设计的方向，提供给我试验的器材和场所，在此衷心的的感谢。
然后还要感谢我的同学们，他们有时候会给我提出启发性的建议，与我一起讨论，帮助我解决问题，同样感谢他们对我的帮助。
参考文献
1. 《变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术》 机械工业出版社
2. 《可编程控制器应用技术》 化学工业出版社