PLC_在深空钻机床中的应用.doc

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1、PLC在深孔钻机床中的应用吴岳巢湖学院 物理与电子科学系，安徽 巢湖 摘要：在我国现代工业中，加工深孔需要深孔钻。传统的控制方案是采用继电器和接触器与液压控制相结合的方法，由于这种方法进给次数多，且需要快进、快退。多种进给速度的变换和控制系统需要和大量复杂的硬件系统接线，使系统的可靠性降低，同时也间接的降低了设备的工作效率，从而影响了设备的加工质量。现在的工业企业大多数采用可编程控制器与与液压相结合的方法，这种方法可以很好的解决这种问题。它能够大大的减少了系统的硬件磨损，同时提高了工作效率，然而加工时，钻头的冷却和定时排泄成为了主要问题。关键词： PLC深孔钻；分级进给；深空加工Applica

2、tion of PLC in Deep Hole Drilling Machine Wu Yue(Chaohu college physics and electronic industry department, anhui chaohu )Abstract: In our countrys modern industry, processing deep hole needs deep hole drilling. Traditional control scheme adopts the method of combination of relays ,contactors and hy

3、draulic control, because this method needs many times feeds, fast forward and fast rewind. Many kinds of feeding speed and control system of the transformation need a complex of hardware system connection, which makes the reliability of system reduced, but also indirectly reduces equipment work effi

4、ciency, thus it affects the equipment processing quality. Now most of industrial enterprises use programmable controller and the method which combines with hydraulic pressure, the method can solve this problem well. It can greatly reduce the system hardware wear and improve the work efficiency, howe

5、ver processing, drill cooling and timing excretion become the main problems. Keywords: PLC ;deep hole drilling ;grading feed ;deep space processing 1、深孔钻机床1.1 深孔钻机床简介深孔钻床是一种高精度、高效率、高自动化的深孔加工专用机床依靠先进的孔加工技术（枪钻、BTA钻、喷吸钻等）通过一次连续的钻削即可达到一般需钻、扩、铰工序才能达到的加工精度和表面粗糙度。加工孔孔径尺寸精度：IT7IT11；加工孔偏斜度：0.51/1000（加工孔深）；加工

6、孔表面光洁度：Ra0.26.3um。深孔加工，其钻孔深度与钻头直径之比往往在10倍以上，因此，在钻深孔过程中排屑和冷却成为主要问题，采用分级进给的加工方法，可以使切屑顺利排出，钻头也得到较好的冷却。分级进给的加工方法是将被加工孔的深度分为数段进行加工有别于传统的孔加工方式依靠特定的钻削技术（如枪钻、BTA钻、喷吸钻等）对长径比大于10的深孔孔系和精密浅孔进行钻削加工的的专用机床统称为深孔钻床。其代表着先进、高效的孔加工技术加工具有高精度、高效率和高一致性。每次进给仅加工其中一段深度，每次加工后，钻头就退出。深空加工有别于传统的孔加工方式依靠特定的钻削技术（如枪钻、BTA钻、喷吸钻等）对长径比大

7、于10的深孔孔系和精密浅孔进行钻削加工的的专用机床统称为深孔钻床。其代表着先进、高效的孔加工技术加工具有高精度、高效率和高一致性。 1.2 深孔加工技术简介深孔在机械制造业中一般将孔深超过孔径10倍的圆柱孔（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

8、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。深空操作技巧（软件）。在一般情况下深孔加工技术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。1.3 深孔加工特点（1）刀杆受孔径的限制直径小长度大造成刚性差强度低切削时易产生振动、波纹、锥度而影响深孔的直线度和表面粗糙度。（2） 在钻孔和扩孔时冷却润滑液在没有采用特殊装置的情况下难于输入到切削区使刀具耐用度降低而且排屑也困难。（3） 在深孔的加工过程中不能直接观察刀具切削情况只能凭工作经验听切削时的声音、看切屑、手摸振动与工件温度

9、、观仪表(油压表和电表)来判断切削过程是否正常。（4）切屑排除困难必须采用可靠的手段进行断屑及控制切屑的长短与形状以利于顺利排除防止切屑堵塞。（5）为了保证深孔在加工过程中顺利进行和达到应要求的加工质量应增加刀具内(或外)排屑装置、刀具引导和支承装置和高压冷却润滑装置。2、可编程控制器2.1可编程控制器的定义可编程控制器简称PC（英文全称：Programmable Controller）它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC

10、）相区别现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体易于扩展其功能的原则而设计。” 2.2可编程控制器的基本构成从结构上分PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PL

11、C包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块I/O模块、内存、电源模块、底板或机架这些模块可以按照一定规则组合配置。PLC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。基本构成为电源、CPU、存储器、输入与输出接口、功能模块、通信模块、底板或机架通信模块编程设备人机界面。图1：PLC的结构2.3 可编程控制器的特点（1）可靠性高抗干扰能力强 PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器仅剩下与输入和输出有关的少量硬件接线可减少到继电器控制系统的1/101/100因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电

12、气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术采用严格的生产工艺制造内部电路采取了先进的抗干扰技术具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障时间则更长。从PLC的机外电路来说使用PLC构成控制系统和同等规模的继电接触器系统相比电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一故障也就大大降低。此外PLC带有硬件故障自我检测功能出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。（2）硬件配套

13、齐全功能完善适用性强PLC发展到今天已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品并且已经标准化、系列化、模块化配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用用户能灵活方便地进行系统配置组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外现代PLC大多具有完善的数据运算能力可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

14、（3）易学易用深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机是面向工矿企业的工控设备。它接口容易编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 （4）容易改造系统的设计、安装、调试工作量小维护方便容易改造，PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律很容易掌握。对于复杂的控制系统梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC用存储逻辑代替接线逻辑大大减少了控制设备外部的接线

15、使控制系统设计及建造的周期大为缩短同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 （5）体积小重量轻能耗低以超小型PLC为例新近出产的品种底部尺寸小于100mm仅相当于几个继电器的大小因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。它的重量小于150g功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部是实现机电一体化的理想控制设备。2.4可编程控制器的发展历史 1969年美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制1971年日本开始生产可编程控制器德国英国

16、法国相继开展研发本国的可编程控制器并开始广泛使用。1974年我国开始研制我国的可编程控制器。早期的可编程控制器是为了取代继电器接触器控制系统而设计的由于开关量控制具有逻辑运算计时计数等顺序控制功能顾称为可编程逻辑控制器PLC。2.5可编程控制器的发展方向可编程序控制器诞生不久即显示了其在工业控制中的重要地位随着计算机和微电子技术的发展PLC 技术已逐渐走向成熟。今后可编程序控制器总的发展趋势是：高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能。具体表现在以下几个方面： （1）小型化、专用化、低成本低档PLC向微型、简易、价廉方向发展使之能以更优异的性能、更低廉的价格、更广泛地取代继电器控制系统

17、。 （2）大容量、高速度、多功能中、高档PLC向大容量、高速、多功能方向发展使之能取代工业控制微机的部分功能对大规模、复杂控制系统进行综合控制。 （3）模块化开发各种功能明确的专用扩展模块使专用化的复杂功能由专门模块来完成主机仅仅通过通讯设备向模块发布命令和测试状态从而更方便用户系统根据自己的要求构成需要的控制系统。（4）多样化、标准化生产PLC产品的各厂家都在大力度地开发自己的新产品以求占据市场的更大份额因此产品向多样化方向发展出现了欧、美、日多种流派。与此同时为了推动技术标准化的进程一些国际性组织如国际电工委员会(IEC)不断为PLC的发展制定一些新的标准如对各种类型的产品作一定的归纳或定

18、义或对PLC未来的发展制定一种方向或框架。（5）增强网络与通讯能力计算机与PLC之间以及各个PLC之间的联网和通讯的能力不断增强使用工业网络可以有效地节省资源、降低成本、提高系统可靠性和灵活性致使网络的应用有普遍化的趋势。2.6可编程控制器设计步骤系统设计的主要内容（1）拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定它是整个设计的依据；（2）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；（3）选定 PLC的型；（4）编制 PLC的输入 /输出分配表或绘制输入 /输出端子接线图；（5）根据系统设计的要求编写软件规格说明书然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计；（6）了解

19、并遵循用户认知心理学重视人机界面的设计增强人与机器之间的友善关系；（7）设计操作台和电气柜及非标准电器元部件；（ 8）编写设计说明书和使用说明书 ,下图2为PLC应用系统的开发流程图图2：PLC应用系统的开发流程图2.7可编程控制器型号选择PLC机型选择的基本原则是：在功能满足要求的前提下选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比最优的机型。通常做法是在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合建议选用整体式结构的PLC；其他情况则最好选用模块式结构的PLC；对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中一般其控制速度无须考虑因此选用带 A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能

20、的低档机就能满足要求；而在控制比较复杂控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等）可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机（其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分式控制系统以及整个工厂的自动化等）。根据不同的应用对象表1列出了PLC的几种功能选择。表1 ：PLC的功能选择序列号应用对象功能要求应用场合1 替代继电器继电器的输入/输出、逻辑线圈、定时器、计数器替代信输使用的继电器完成条件控制和时序控制功能2数字运算四则数学运算、开方、对数、函数计算等数学运算设定值控制四位调节定位控制和工程量单位运算3数据传送寄存器与数据表的相互传送数据库的生成信息管理诊断和

21、材料处理4矩阵功能逻辑与 逻辑或 异或 比较和移位等这些功能通常按位操作一般有设备诊断状态控制分类和报警处理5诊断功能PLC的诊断功能有内诊断和外诊断两种内诊断是PLC内部各种部件性能和功能的诊断外诊断是中央处理器与I/O信息交换的诊断6高级功能表与块的传送校验和双倍精度运算对数等逻辑与逻辑或异或比较和移位等PLC通信速度和方式与上位计算机的联网功能调制解调器等7串行接口一般小型以上的PLC都提供一个或一个以上串行标准接口以便连接打印机 计算机或另一台PLC一般小型以上的PLC都提供一个或一个以上串行标准接口以便连接打印机计算机或另一台PLC8通信功能现在PLC都能支持多种通信协议对通信的特殊

22、要求的用户 PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性能/价格比，广泛适用于一些小型控制系统。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点 。 3、深孔钻机床的工作原理图3中SQ1，A为原位行程开关与挡铁SQ2，B为转工进行程开关和挡铁SQ3和C为刀具退离工件后再转快进行程开关和挡铁SQ4，D为加工终点行程开关和挡铁SQ5，E为活动挡铁行程开关和挡帖开始时动力头快速和主轴工进两电动机起动动力头快速进给活动挡铁B随导杆前进至压下SQ2，动力头转入工进加工。加工期间挡铁期间B一直压住SQ

23、2而活动挡铁B沿着导杆、相对刀具作向后移动当加工至一定深度 （由时间控制）刀具快速退出工件进行排屑、冷却。在刀具退出时B由于无阻挡也随刀具后退直至C挡铁压下SQ3时动力头又转为快进此时快进达第一次工进的深度（时间继电器T0延时长开触头闭合）动力头又退回。经过多次分级循环直至钻孔深度达到要求为止。此时因控制时间未到时间继电器T0长开触点未动作动力头退回信号由终端挡铁压下SQ4发出。在动力头退回过程中当SQ4，压下时使电磁铁YA通电衔铁上升挡着活动挡铁B使它沿着导杆滑动回到原位 （即第一次转工进的位置）。这时挡铁E压下SQ5.复位电磁铁YA断电为下一个工件快进到此转工进的加工作准备。动力头退回原位

24、时压下SQ1动力头停在原位上整个工作过程结束。图3：PLC 工作示意图3.1PLC电路设计I/O地址分配表见表2表2: I/O地址分配表输入元件输出地址输出元件输出地址SB1停止按钮X0KM1线圈Y0SB2启动按钮X1KM2线圈Y1SB3回原位按钮X2KM3线圈Y2SQ1行程开关X3YA 线圈Y3SQ2行程开关X4SQ3行程开关X5SQ4行程开关X6SQ5行程开关X7SB4行程开关X10图4: PLC接线图图5：PLC梯形图电路的控制过程为：按下SB2， Y0(KM1)通电并自锁， 快速电动机正向起动， 动力头快速向前引进，当动力头离开原位，SQ1常闭触点闭合，Y2(KM3)通电并自锁，主轴电

25、动机也起动，当动力头快进压下SQ2时，Y0(KM1)断电，快速电动机停转并制动，主轴转入工进加工，SQ2常开触点闭合，时间继电器TO通电。TO达到延时时间，表明已加工至第一深度，Y1(KM2)通电并自锁，快速电动机反向起动，动力头快退至刀具离开工件，挡铁C压下SQ3，Y1(KM2)断电，Y0(KM1)通电，快速电动机正转，动力头又快进，至SQ2再次压下，又转入工进，多次重复上述过程，直到加工终点，终端挡铁D压下SQ4，复位电磁铁Y3(YA)通电，Y上的衔铁上升，挡住活动挡铁B，使其回到原位，同时M0通电，Y1(KM2)也通电，快速电动机反转，动力头快退，挡铁C下压SQ3时，由于M0仍通电，Y1

26、(KM2)不断电，动力头继续快退，直至挡铁E压下SQ5，M1通电，Y3(YA)断电，衔铁退回，活动挡铁B跟随动力头退回位(即第一次快进转工进的位置)， 动力头退回原位时，挡铁A压下SQ1，Y1(KM2)断电，整个工作循环结束。4、安装调试说明加工时， 每次加工深度由时间继电器TO设定的时间决定。本电路为适应各种材料的深度加工TO首次定为5 s，可根据需要任意调整TO的时间，每按下X10一次TO的时间增加0.1 ms。每按下X11一次TO的时间减少0.1 ms。使用者非常方便， 能有效提高工作效率。5、结语 通过两个月的努力，我终于把论文结束了，在这次论文的设计中，使我明白了PLC在深空钻中的应

27、用，PLC在深空钻机床中的应用能够提高深孔钻机床的工作效率，和加工工件的可靠性，PLC现在已经应用到我们生活中的各个方面，给我们的生活和工作带来了了方便，已经能够替代传统的电气控制系统，所以我认为PLC的应用的前景会更加光明。参考文献：1 程周.电气控制与PLC原理及应用(欧姆龙机型)M 电子工业出版社 2003.72 周美兰 周封.PLC电气控制与组态设计M 科学出版社 2003.5 3 赵良 罗剪 PLC控制技术在自动机床扩机中的应用J工业控制计算机1996年第5期4 范永胜 王珉.电气控制与PLC应用M 中国电力出版社 2004.85 王淑英主编 电气控制与PLC应用北京机械工业出版社6 廖常初 可编程序控制器应用技术M 重庆 重庆大学出版社20017 王峻现代深孔加工技术 哈尔滨 哈尔滨工业出版社20058 廖常初可编程序控制器应用技术M重庆.重庆大学出版社，2001，79 李华.机械制造技术.北京.机械工业出版社，1996年10 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，1997，5