开题报告---基于PLC触摸屏和变频器的T68卧式镗床电气控制设计

1

文献综述

随着社会经济的迅速发展，现代加工技术的日益提高，对加工机床特别是工作母机的要求也越来越高。由此人们也将注意力集中到机床上来。数控技术是计算机技术、信息技术、现代控制技术等发展的产物，它的出现极大的推动了制造业的进步。机床的控制系统的优劣与机床的加工精度息息相关，特别是

PLC

广泛应用于控制领域后，已经显现出它的优越性。可编程控制器

PLC已广泛应用于各行各业的自动控制。在机械加工领域，机床的控制上更显示出其优点。

镗床是冷加工中使用比较普遍的设备它主要用于加工精度、光洁度要求较高的孔以及各孔间的距离要求较为精确的零件（如一些箱体零件）

，属于精密机床。主要用于加工工件上的精密圆柱孔。这些孔的轴心线往往要求严格地平行或垂直，相互间的距离也要求很准确。由于镗床的运动很多、控制逻辑复杂、相互连锁繁多，采用传统的继电器控制时，需要的继电器多、接线复杂，因此故障多维修困难，费工费时，不仅加大了维修成本，而且影响设备的功效。采用

PLC

控制可使接线大为简化，不但安装十分方便而且工作可靠、降低了故障率、减小了维修量、提高了功效。

2

选题背景及其意义

PLC

的国内外研究现状：在国内

PLC

生产厂

30

多家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产。

虽然我国在

PLC

生产方面比较弱，但在

PLC

应用方面，我国是很活跃的，

近年来每年约新投入

10

万台套

PLC

产品，年销售额

30

多亿人民币，应用的行业也很广。

在我国应用的

PLC，几乎涵盖了世界所有的品牌，呈现百花齐放的态势，

但从行业上分，有各自的势力范围。大中型集控系统采用欧美

PLC

居多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及

OEM

产品采用日本的

PLC

居多。欧美

PLC

在网络和软件方面具有优势，而日本

PLC

在灵活性和价位方面占优势。

我国的

PLC

供应渠道，主要有制造商、分销商（代理商）、系统集成商、OEM

用户、最终用户。其中，大部分

PLC

是通过分销商和系统集成商达到最终用户的。在国外也有许多著名的

PLC

公司如施耐德公司，Quantum、Premium、

Momentum

等；罗克韦尔（A-B

公司），SLC、MicroLogix、Control

Logix

等；

西门子公司，SIMATIC

S7-400/300/200

系列；

GE

公司；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等。

本课题将采用西门子公司

PLC

进行电气控制设计。西门子的S7-300

PLC采用模块化结构，具备高速（0.6~0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；具有一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少；其具备强大的通信功能，可通过编程软件Step

7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。

卧式镗床的控制电路为继电器控制，接触触点多、线路复杂、故障多、操作人员维修任务较大，为了克服以上缺点，降低设备故障率，提高设备使用效率，我们采用

PLC

控制其继电器控制电路。目的是使机床能快速响应动作，灵活可靠的完成生产任务，而故障率要相应降低。PLC

以内部的逻辑触点代替了继电器的机械触点，来控制机床的动作，逻辑触点与机械触点相比动作时间大大缩短，连接快而可靠，还有就是它的寿命比机械触点有很大幅度的增长，可达到几百万次到千万次。

3

研究内容

3.1镗床

镗床主要用于孔的精加工，可分为卧式镗床、落地镗床、坐标镗床和金钢镗床等。卧式镗床应用较多，它可以进行钻孔、镗孔、扩孔、铰孔及加工端平面等，使用一些附件后，还可以车削圆柱表面、螺纹，装上铣刀可以进行铣削。本毕业设计以T68卧式镗床为例。

3.2

T68型卧式镗床的基本工作原理

T68型卧式镗床共由两台三相异步电动机驱动，即主拖动电动机M1和快速移动电动机M2。熔断器FU1作电路总的短路保护，FU2作快速移动电动机和控制电路的短路保护。M1设置热继电器作过载保护，M2是短时工作，所以不设置热继电器。M1用接触器KM1和KM2控制正反转，接触器KM4和KM5作三角型一双星型变速切换，接触器KM3用作限制M1的制动电流。M2用接触器KM6和KM7控制正反转。

图1

T68型卧式镗床实物图

1-

支承架

2-后立柱

3-工作台

4-主轴

5-平旋盘

6-径向刀架

7-前立柱

8-主轴箱

9-床身

10-下滑座

11-上滑座

图2

T68型卧式镗床各个部位

图3

T68型卧式镗床电气主回路

图3

T68型卧式镗床电气控制电路

图5

T68型卧式镗床电气控制原理图

3.3可编程序控制器

可编程序控制器简称为PLC，

是现代工业控制的基础部件，是工厂自动化

FA

（

Factory

Automation）

的支柱之一。

它是自动控制技术与通讯技术三者有机结合的产品，即工业专用计算机。它既有计算机控制系统的可编程特点（控制功能由软

件实现）

，又具有继电器控制系统的优良的抗电噪能力（适应工业控制的各种恶劣的工作环境）。PLC还具有很强的连网能力和很高的可靠性，不仅可以单机使用，而且可以与计算机结合组成集散式控制系统。即

PLC

聚集了结构简单、编程简单、可靠性高、性能价格比高、抗干扰能力强、通用灵活、体积小等一系列优点，使其在工业生产过程的自动化控制领域得到了越来越广泛的应用。

本课题中是利用PLC取代传统的继电器接触器在工业领域中占主导地位，去代替

T68

卧式镗床原有传统电气控制电路。

3.4

PLC的基本工作原理

PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式。

每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。

输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。

一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。

元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。

扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的。

由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。

表1

输入、输出设备及PLC的I/O元件配置

输入设备

PLC

输入继电器

代号

功能

SB6

M1的停止按钮

X0

SB1

M1的正转按钮

X1

SB2

M1的反转按钮

X2

SB3

M1的正转点动按钮

X3

SB4

M1的反转点动按钮

X4

SQ

高低速转换行程开关

X5

SQ1

主轴变速行程开关

X6

SQ2

主轴变速行程开关

X7

SQ3

进给变速行程开关

X10

SQ4

进给变速行程开关

X11

SQ5

工作台或主轴箱机动进给限位

X12

SQ6

主轴或花盘刀架机动进给限位

X13

SQ7

快速电动机M2正转限位

X14

SQ8

快速电动机M2反转限位

X15

FR

M1热继电器动合触点

X16

KS1

速度继电器正转触点

X17

KS2

速度继电器反转触点

X20

输出设备

PLC

输出继电器

代号

功能

KM1

M1的正转接触器

Y0

KM2

M1的反转接触器

Y1

KM3

限流电阻制动接触器

Y2

KM4

M2的正转接触器

Y3

KM5

M2的反转接触器

Y4

KM6

M1低速△接触器

Y5

KM7

M1高速YY接触器

Y6

KM8

M1高速YY接触器

Y7

3.5

变频器

本课题中拟采用西门子

PLC

控制

T68

镗床原有接触控制电路。根据原有的继电器控制电路图来设计

PLC

的控制梯形图，以实现卧式铣镗床的

PLC

控制。这种方法没有改变系统的外部特性，但却克服了机械动作中间继电器可靠性低、

维修困难等缺点。

对于操作人员来说，

除了控制系统的可靠性提高以外，

对于系统的操作没有什么区别，他们不用改变长期形成的操作习惯。对于

T68

主电路部分，

由于工作台随主轴都一台电机拖动，

故采用单台变频器代替原有主轴电机电路，在此课题中拟选用西门子变频器。变频器是将工频电源转换成任意频率、任意电压交流电源的一种电气设备，变频器的使用主要是调整电机的功率、实现电机的变速运行。变频器的组成主要包括控制电路和主电路两个部分，其中主电路还包括整流器和逆变器等部件。

3.6

变频器的基本工作原理

通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。

该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC）。变频器同时改变输出频率与电压，也就是改变了电机运行曲线上的n0，使电机运行曲线平行下移。

因此变频器可以使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。

变频器具有调压、调频、稳压、调速等基本功能，应用了现代的科学技术，价格昂贵但性能良好，内部结构复杂但使用简单，所以不只是用于启动电动机，而是广泛的应用到各个领域，各种各样的功率、各种各样的外形、各种各样的体积、各种各样的用途等都有。随着技术的发展，成本的降低，变频器一定还会得到更广泛的应用。

3.6

触摸屏

触摸屏（touch

screen）又称为“触控屏”、“触控面板”，是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。主要应用于公共信息的查询、领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等。

3.7

触摸屏基本工作原理

本课题中拟采用海泰克触摸屏ADP6.0。

本触摸屏为电阻式触摸屏，电阻式触摸屏主要是利用压力感应进行控制。它的构成是显示屏及一块与显示屏紧密贴合的电阻薄膜屏。这个电阻薄膜屏通常分为两层，一层是由玻璃或有机玻璃构成的基层，其表面涂有透明的导电层；基层外面压着我们平时直接接触的经过硬化及防刮处理的塑料层，塑料层内部同样有一层导电层，两个导电层之间是分离的。当我们用手指或其他物体触摸屏幕的时候，两个导电层发生接触，电阻产生变化，控制器则根据电阻的具体变化来判断接触点的坐标并进行相应的操作。

图6

系统结构图

4

工作特色及其难点，拟采取的解决措施

4.1

工作特色及其难点

（1）

由于采用西门子PLC设备，

其电气控制的编程方面将使用梯形图来完成。

（2）

采用单台变频器代替卧式镗床原有主轴电机电路。

（3）

使用触摸屏进行操作，使操作得以简化。

（4）

独立完成整个T68卧式镗床的PLC电气控制的梯形图编程，将会是一个较大的挑战。

4.2

拟采取的解决措施

仔细研究《西门子PLC应用与设计教程》中机械手控制系统这一例子，利用技术中心的设备，图书馆和校园网丰富的论文资源进行调试和补充。

5

论文工作量及预期进度

2013年1月----

2013年2月：收集资料，确定设计系统总体方案，翻译有关外文资料及阅读技术文献，书写开题报告。

2013年1月----

2013年3月：学习西门子PLC及卧式镗床工作原理进行设计。

2013年2月----

2013年3月：进行方案论证。

2013年3月----

2013年4月：进行系统总体编程及调试。

2013年4月----

2013年5月：与硬件部分的整合。

2013年5月----

2013年6月：编写毕业论文。

2013年5月----

2013年6月：毕业答辩准备和答辩。

6

预期成果及其可能的创新点

预期成果：采用西门子

PLC

控制

T68

镗床原有接触控制电路,根据原有的继电器控制电路图来设计

PLC

的控制梯形图，以实现卧式铣镗床的

PLC

控制。

可能的创新点：利用PLC

内部的逻辑触点代替了继电器的机械触点，来控制机床的动作，逻辑触点与机械触点相比动作时间缩短，连接快，可靠性高，寿命长。

参考文献：

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FPGA,ASIC

and

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2005

[15]

Waterman,Steve

Digital

logic

simulation

and

CPLD

programming

2000

指导教师意见

指导教师签名：*年*月*日

评议小组意见

1、论文选题：□有理论意义；□有工程背景；□有实用价值；□意义不大。

2、论文的难度：□偏高；□适当；□偏低。

3、论文的工作量：□偏大；□适当；□偏小。

4、设计或研究方案的可行性：□好；□较好；□一般；□不可行。

5、学生对文献资料及课题的了解程度：□好；□较好；□一般；□较差。

6、学生在论文选题报告中反映出的综合能力和表达能力：

□好；□较好；□一般；□较差。

7、学生在论文选题报告中反映出的创新能力：

□好；□较好；□一般；□较差。

8、对论文选题报告的总体评价：□好；□较好；□一般；□较差

（在相应的方块内作记号“√”）

二级学院所确定评议小组名单

（3-5人）

组长：

、

组员：

、

、

、

单位盖章

主管领导签名：*年*月*日

评议结论

评议小组组长签名：

评议小组组员签名：*年*月*日