毕业设计(论文)基于MCGS的深孔钻组合机床PLC控制实训.doc

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1、摘要深孔钻是加工深孔的专用设备。钻深孔时为保证加工质量、提高工效,加工中钻头的冷却和定时排屑是需要解决的主要问题。传统的控制方案是采用继电器接触器控制与液压控制相结合的方法,由于进给次数多,且有快进、快退、工进等多种进给速度的变换,控制系统较复杂,大量的硬件系统接线使系统的可靠性降低,也间接的降低了设备的工作效率,影响了设备的加工质量。采用可编程控制器与液压相结合可以较好的解决这一问题,可大大的减少系统的硬件接线,提高了工作可靠性。而且在加工工艺改变时,只需要修改程序,就可适应新的加工要求,大大的提高了工作效率。关键词:PLC,深孔钻 ,分级进给 ,MCGS目录摘要11 深孔钻加工技术31.1

2、深孔与深孔加工技术31.2深孔加工的特点及应用32 MCGS组态软件简介42.1 MCGS组态软件的功能和特点42.2 MCGS组态软件的系统构成62.2.1 MCGS组态软件的整体结构62.2.2 MCGS工程的五大部分62.2.3 MCGS组态软件的工作方式73 控制方案设计93.1控制系统工作原理93.2机械结构103.3工艺过程及控制要求104 硬件设计124.1主电路设计124.2 控制电路设计124.3工程效果图155 PLC控制程序设计196 程序的运行、监视、调试26致谢27参考文献281 深孔钻加工技术1.1深孔与深孔加工技术深孔在机械制造业中,一般将孔深超过孔径5倍的圆柱孔

3、(内圆柱面)称为深孔。而孔深与孔径的比值,称之为“长径比”或“深径比”。相对而言,长径比不大于5倍的圆柱孔可称为“浅孔”。深孔直径的大小直接关系到加工的难度和采用的加工手段,所以生产实践中常常按照深孔直径的大小分别称呼为特大深孔(200mm以上),大深孔(65200mm),普通深孔(中等直径2065mm),小深孔(420mm),微小深孔(4mm以下)。一般而言特大深孔与微小深孔比中,小深孔的加工难度更大,但是由于科学技术是不断进步的,所以,划分仅用于行业内的沟通,并非严格的科学定义。深孔加工技术泛指用于深孔加工的工具设备(硬件)和加工原理,操作规程,操作技巧(软件)。在一般情况下,深孔加工技术

4、主要指用切削加工方法和磨料工具加工深孔的技术。随着科学技术的发展,20世纪涌现出了一批可用于深孔加工的特种加工技术,从而扩大了深孔加工技术的领域。1.2深孔加工的特点及应用从表象上看,深孔不过是浅孔的延长,深孔加工里当是浅孔加工方法的扩展应用,但实际上二者相差甚大。在各种零件中,长径比不超过5的孔随处可见,人所知的浅孔(孔)是构成大多数零件的不可缺少的要素。 进一步考察深孔,其主要功能有:1 在较长距离之间传输介质,并具有密封功能。2 在较长距离之间传输力或进行热交换。3 在较长距离两区域之间传输信息。4 精确导向。2 MCGS组态软件简介2.1 MCGS组态软件的功能和特点MCGS即监视与控

5、制通用系统,英文全称为Monitor and Control Generated System。MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件,具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。MCGS工控组态软件的功能和特点可归纳如下:1.概念简单,易于理解和使用。普通工程人员经过短时间的培训就能正确掌握、快速完成多数简单工程项目的监控程序设计和运行操作。用户可避开复杂的计算机软硬件问题,集中精力解决工程本身的问题,按照系统的规定,组态配置出高性能、高可靠性、高度专业化的上位机监控系统。2.功能齐全,便于方案设计。MCGS为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段,从设备驱

6、动(数据采集)到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各个环节,均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用,用户只需根据工程作业的需要和特点,进行方案设计和组态配置,即可生成用户应用软件系统。3.实时性与并行处理。MCGS充分利用了Windows操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能,使PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。工程作业中,大量的数据和信息需要及时收集,即时处理,在计算机测控技术领域称其为实时性任务关键任务,如数据采集、设备驱动和异常处理等。另外许多工作则是非实时性的,或称为非时间关键任务,如画面显示,可在主机运行周期时间内插空进行。而像打印数据一类的工作,可运

7、行于后台,称为脱机作业。MCGS是真正的32位系统,可同时运行于Microsoft Windows95,98和Microsoft Windows NT平台,以线程为单位进行分时并行处理。4.建立实时数据库,便于用户分步组态,保证系统安全可靠运行。MCGS组态软件由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成。其中的“实时数据库”是整个系统的核心。在生成用户应用系统时,每一部分均可分别进行组态配置,独立建造,互不相干;而在系统运行过程中,各个部分都通过实时数据库交换数据,形成互相关联的整体。实时数据库是一个数据处理中心,是系统各个部分及其各种功能性构件的公用数据区。各个部件独立地

8、向实时数据库输入和输出数据,并完成自己的差错控制。5.设立“设备工具箱”,针对外部设备的特征,用户从中选择某种“构件”,设置于设备窗口内,赋予相关的属性,建立系统与外部设备的连接关系,即可实现对该种设备的驱动和控制。不同的设备对应于不同的构件,所有的设备构件均通过实时数据库建立联系,而建立时又是相互独立的,即对某一构件的操作或改动,不影响其它构件和整个系统的结构,从这一意义上讲,MCGS是一个“设备无关”的系统,用户不必因外部设备局部改动,而影响整个系统。6.“面向窗口”的设计方法,增加了可视性和可操作性。以窗口为单位,构造用户运行系统的图形界面,使得MCGS的组态工作既简单直观,又灵活多变。

9、用户可以使用系统的缺省构架,也可以根据需要自己组态配置,生成各种类型和风格的图形界面,包括DOS风格的图形界面、标准Windows风格的图形界面以及带有动画效果的工具条和状态条。7.利用丰富的“动画组态”功能,快速构造各种复杂生动的动态画面。以图象、图符、数据、曲线等多种形式,为操作员及时提供系统运行中的的状态、品质及异常报警等有关信息。用变化大小、改变颜色、明暗闪烁、移动翻转等多种手段,增强画面的动态显示效果。图元、图符对象定义相应的状态属性,即可实现动画效果。同时,MCGS为用户提供了丰富的动画构件,模拟工程控制与实时监测作业中常用的物理器件的动作和功能。每个动画构件都对应一个特定的动画功

10、能。如:实时曲线构件、历史曲线构件、报警显示构件、自由表格构件等。8.引入“运行策略”的概念。复杂的工程作业,运行流程都是多分支的。用传统的编程方法实现,既繁琐又容易出错。MCGS开辟了“策略窗口”,用户可以选用系统提供的各种条件和功能的“策略构件”,用图形化的方法构造多分支的应用程序,实现自由、精确地控制运行流程,按照设定的条件和顺序,操作外部设备,控制窗口的打开或关闭,与实时数据库进行数据交换。同时,也可以由用户创建新的策略构件,扩展系统的功能。2.2 MCGS组态软件的系统构成2.2.1 MCGS组态软件的整体结构MCGS组态软件(以下简称MCGS)由“MCGS组态环境”和“MCGS运行

11、环境”两个系统组成。两部分互相独立,又紧密相关。MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境,由可执行程序McgsSet.exe支持,其存放于MCGS目录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后,生成扩展名为.mcg的工程文件,又称为组态结果数据库,其与MCGS 运行环境一起,构成了用户应用系统,统称为“工程” 。MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境,由可执行程序McgsRun.exe支持,其存放于MCGS目录的Program子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。2.2.2 MCGS工程的五大部分MCGS

12、组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成,每一部分分别进行组态操作,完成不同的工作,具有不同的特性。主控窗口:是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口,负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括:定义工程的名称,编制工程菜单,设计封面图形,确定自动启动的窗口,设定动画刷新周期,指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。设备窗口:是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备,注册设备驱动程序,定义连接与驱动设备用的数据变量。用户窗口:本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面,诸如:生成各种动画显示

13、画面、报警输出、数据与曲线图表等。实时数据库:是工程各个部分的数据交换与处理中心,它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量,作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。运行策略:本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序(ifthen脚本程序),选用各种功能构件,如:数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。2.2.3 MCGS组态软件的工作方式MCGS如何与设备进行通讯:MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备指令。设备驱动程序是由VB程序设计语言编写的DLL(动态连接库)文件,设备驱动程序中包

14、含符合各种设备通讯协议的处理程序,将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序,将数据传送到工程中各个部分,完成整个系统的通讯过程。每个驱动程序独占一个线程,达到互不干扰的目的。MCGS如何产生动画效果:MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性,如:一个长方形的动画属性有可见度,大小变化,水平移动等,每一种动画属性都会产生一定的动画效果。所谓动画属性,实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。然而,我们在组态环境中生成的画面都是静止的,如何在工程运行中产生动画效果呢?方法是:图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设

15、定栏,在该栏中设定一个与图形状态相联系的数据变量,连接到实时数据库中,以此建立相应的对应关系,MCGS称之为动画连接。当工业现场中测控对象的状态(如:储油罐的液面高度等)发生变化时,通过设备驱动程序将变化的数据采集到实时数据库的变量中,该变量是与动画属性相关的变量,数值的变化,使图形的状态产生相应的变化(如大小变化)。现场的数据是连续被采集进来的,这样就会产生逼真的动画效果(如储油罐的液面的升高和降低)。用户也可编写程序来控制动画界面,以达到满意的效果。MCGS如何实施远程多机监控:MCGS提供了一套完善的网络机制,可通过TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起,构成分布式网

16、络测控系统,实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。同时,可利用MCGS提供的网络功能,在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。分布式网络测控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。MCGS把各种网络形式,以父设备构件和子设备构件的形式,供用户调用,并进行工作状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置。如何对工程运行流程实施有效控制:MCGS开辟了专用的“运行策略”窗口,建立用户运行策略。MCGS提供了丰富的功能构件,供用户选用,通过构件配置和属性设置两项组态操作,生成各种功能模块(称为“用户策略”),使系统能够按照设定的顺序和条件,操作实时数据库,实现对动

17、画窗口的任意切换,控制系统的运行流程和设备的工作状态。所有的操作均采用面向对象的直观方式,避免了烦琐的编程工作。3 控制方案设计3.1控制系统工作原理在深孔加工中,钻孔深度与钻头直径之比往往在5倍以上。因此,在加工深孔的过程中,排屑与冷却成为主要的问题。而在深孔加工的过程中,采用分级进给的方法,可以使切屑顺利排出,钻头也可以得到较好的冷却。分级进给的加工方法是将被加工孔分为数段进行加工,每次加工只加工其中的一段距离。每次加工后,钻头就后退一定距离,并暂停一定时间。图3.1 工作示意图在图3.1中,SQ1、A为原位行程开关和挡铁,SQ2、B为工进行程开关和挡,SQ3、C为终点行程开关和挡铁,SP

18、1为工件夹紧完成压力继电器,SP2为工件放松完成压力继电器。开始运行后,液压电动机启动,拖动液压泵推动液压缸夹紧工件,工件夹紧后,SP1输入信号,动力头电动机启动,并快速进给。至挡铁B压下SQ2,动力头转为工进,冷却泵电动机启动,开始加工工件。由于是采用分级进给,所以需要用定时器对加工时间,后退距离和暂停时间进行控制。经过多次的分级循环加工,直至孔深达到要求。这时,挡铁C压下SQ3,动力头快速后退至挡铁A压下SQ1,动力头停于原位,并放松工件,至SP2发出放松完成的信号,整个系统停止运行,工作结束。3.2机械结构在机床运动过程中,机床动力头的旋转由电动机拖动,由接触器控制。动力头的进给运动由液

19、压驱动,电液控制。由电动机拖动液压泵,为液压缸提供动力,它的快进,快退和工进均由直流电磁阀换向阀控制。当某一个线圈通电后,就一直保持当前的机械动作,直到线圈断电后另一动作的线圈通电为止。例如,当快进线圈通电时,动力头快速进给。线圈断电后,停止快速进给。或者,工进线圈通电,快进停止,并转为工进。工作台的放松,夹紧同样采用液压驱动,电液控制。为保证机床正确,安全的运行,在工作台上安装了压力继电器,用于检测工进是否夹紧。如果工作台上的工进没有夹紧,则动力头无法启动。以保证机床可以安全的运行。3.3工艺过程及控制要求如图3.1,机床的初始位置在原位。按下启动按钮后,将依次完成:夹紧工件 动力头快进 加

20、工工件 动力头快退 原位停止 放松工件。完成机的一个工作周期。机床动力头由快进转为加工工件,以及结束工件的加工,均由行程开关来控制。而在加工工件的过程中是采用的分级进给,所以需要用定时器来控制。为保证工作安全,在工作台上安装了压力继电器,以检测工件是否夹紧。只有在工件夹紧后,动力头才能进行进给运动。机床各电动机的起动停止,动力头的进给运动,工作台的夹紧放松由PLC控制,并按一定的顺序进行工作。为满足生产要求,PLC控制系统设置了两种工作方式,手动和自动工作方式。手动工作方式:利用按钮对的每一动作进行单独的控制。例如,按“快进”按钮,机床动力头快速前进。按“放松”按钮,工作台放松工件。自动工作方

21、式:按下起动按钮后,机床从原点开始运行,按自动运行控制程序进行工作。自动工作方式的工作流程图如图3.2所示。3.2 工作流程图4 硬件设计4.1主电路设计图4.1为主电路图。在机床硬件系统中,机床的所有动力均有电动机提供。主轴电动机为动力头提供动力。电动机拖动冷却泵为冷却系统提供动力。动力头的移动由电动机拖动液压泵,推动液压缸完成。整个系统共需M1、M2、M3三台电动机。图4.1 主电图在实际运行中,过负载、欠电压、断相等因素都可能造成电动机超过其负载,即广义上的过载。电动机的短时过载是允许的,但如果长时间过载,则会对电动机造成破坏,甚至烧毁电动机。因此需采取保护措施,目前比较常用的是热继电器

22、。在其工作过程中,可能出现短时间大电流的过载,热继电器无法起到有效的保护作用,可在电路中安装熔断器对其进行保护。4.2 控制电路设计各电动机使用交流接触器控制。其中接触器KM1、KM2、KM3分别控制M1、M2、M3。FR1、FR2、FR3为M1、M2、M3提供过负载保护。FU1、FU2、FU3为M1、M2、M3提供短路保护。PLC与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。PLC有许多I/O接口模块,包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其他一些特殊模块,使用时应根据它们的特点进行选择。根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时,应再增加 10%20%的

23、备用量,以便随时增加控制功能。对于一个控制对象,由于采用的控制方法不同或编程水平不同,I/O点数也应有所不同。表4.1,4.2列出了设备及电气元件所需的开关量的I/O点数。表4.1 输入地址分配表主轴电动机起动按钮SB1I0.0工件夹紧按钮SB7I1.1主轴电动机停止按钮SB2I0.1工件放松按钮SB8I1.2液压泵电动机起动按钮SB3I0.2夹紧完成压力继电器SP2I1.3液压泵电动机停止按钮SB4I0.3放松完成压力继电器SP1I1.4冷却泵电动机起动按钮SB5I0.4快进按钮SB9I1.5冷却泵电动机停止按钮SB6I0.5快退按钮SB10I1.6原位行程开关SQ1I0.6工进按钮SB11

24、I1.7工进行程开关SQ2I0.7手动SA1I2.0终点行程开关SQ3I1.0自动SA2I2.1表4.2 输出地址分配表主轴电动机接触器KM1Q0.0工进直流电磁换向阀YV1-2Q0.5液压泵电动机接触器KM2Q0.2快退直流电磁换向阀YV2Q0.6冷却泵电动机接触器KM3Q0.3夹紧完成压力继电器YV3-1Q0.7快进直流电磁换向阀YV1-1Q0.4放松完成压力继电器YV3-2Q0.8在控制电路的设计中,首先要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。在整个控制系统中,所有控制电机、阀门接触器的动作,都是按照PLC的程序逻辑来完成的。为了保护PLC设备,PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接,而是通

25、过中间继电器去控制电机或者阀门的动作。在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器,其目的是为了实现系统中的强电和弱电之间的隔离,保护系统,延长系统的使用寿命,增强系统工作的可靠性。4.2 控制电路图图4.3 CPU226端子连接图4.3工程效果图3-3构件属性设置5 PLC控制程序设计6 程序的运行、监视、调试1 程序的运行当PLC工作方式开关在TERM或RUN位置时,操作STEP-micro/WIN32的菜单命令或快捷按钮都可以对CPU工作方式进行软件设计。2 程序的监视三种程序编辑器都可以在PLC运行监视程序执行的过程和各元件的状态及数据,这里介绍一下语句表监视运行的方法。在可编程控制

26、器里输入语句表程序,然后把PLC设置为运行模式,并把PLC的模拟运行监视器打开,观察程序和实际操作之间是否一致。3 动态调试结合程序监视运行的动态显示,分析程序运行的结果,以及影响程序运行的因素,然后,退出程序运行和监视状态,在STOP状态下对程序进行修改编辑,重新编译、下载、监视运行,如此反复修改调试,直到得到正确运行结果。致谢三年来,我认真地学习了专业课程基础知识,具有一定的设计理论基础和独立设计能力,由于课程设计的课题是一种整体性的,系统性的设计,我真的是很努力地在做,但还是感到力不从心,因而这次设计在深度和广度上都有一定的局限性,不过,我认为还是提高了认识,学到了东西。所以我要感谢所有

27、的任课老师,是您们的教育和培养,才使我学有所获。大学生活即将结束,我感到自己树立了正确的世界观、人生观、价值观。在此,我将感谢学院领导和各科老师,是他们教会我做人的道理。 他们劳心劳力,在他们的悉心指导下,我才得以完成毕业设计。另外,在整个设计的过程中,还得到了同组其他同学的真诚帮助,在此一并表示感谢!回顾这两年多的学习和生活,还有许多的朋友和同学在各个方面给予了我很多的帮助和支持,让我坚持到了最后。在此我要感谢所有关心和爱护我的人,今后我会继续努力,不辜负您们对我的期望!参考文献1 王峻.现代深孔加工技术.哈尔滨.哈尔滨工业出版社,20053 韩观昌、李连涛.小型无缝钢管生产.北京.冶金工业出版社,19904 王永华主编.现代电气及可编程控制技术.北京.北京航空航天大学出版社,2002 5 王兆义.可编程控制器原理及应用.北京.机械工业出版社,19936 俞云奎、罗耀华.可编程序调节器、控制器原理与应用哈尔滨.哈尔滨工程大学出版社,1997,57 王淑英主编.电气控制与PLC应用.北京.机械工业出版社,20058 李华.机械制造技术.北京.机械工业出版社,1996年9 廖常初可编程序控制器应用技术M重庆.重庆大学出版社,2001,7

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