数控铣床控制系统设计.doc

专科毕业设计（论文）设计题目： 基于plc的x62w型铣床控制系统设计 系 部： 电气工程系 专 业： 电气自动化技术（工企业电气） 班 级： 工企电气091301 姓 名： 潘飞 学 号： 093905130128 指导教师： 马建峰 职 称 讲师 2012年6月 南京摘 要 本设计讲述了x62w万能铣床电气控制线路的工作原理，说明了plc改造的具体方法，从而可以提高整个电气控制系统的工作性能。铣床是用铣刀对工件进行铣削加工的机床。铣床除了能铣削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较刨床高。铣床自1818年创制以来，以极快的速度在发展，现如今已经进入了高度自动化的水平阶段，它替代了人工操作，大大的改善了工人的劳动条件，显著提高了劳动生产率，因此在机械制造和修理部门得到广泛的应用。通过这篇文章的叙述，可以使大家了解到x62w型万能铣床的电气控制系统的结构和plc控制的简单的工作原理。关键词 plc x62w铣床 电气系统控制abstract this design is about the x62w universal milling machine electrical control circuit principle of work, the plc transformation of the specific methods, which can improve the electrical control system performance. milling cutter on the workpiece is milling machine. in addition to the milling plane milling, groove, tooth, thread and spline shaft, but also more complex surface machining, higher efficiency than the planer. milling machine since 1818since the creation, in order to speed development, has now entered a high automation level, which replaces manual operation, greatly improved the conditions of labour, improve labor survival, therefore in the machinery manufacturing and repair departments are widely used. this article through narrative, can make people aware of x62w universal milling machine electrical control system structure and plc control principle, simple working principle.keywords plc x62w milling machine electrical control system目 录 1 绪论12 x62w型铣床22.1 w62x型铣床介绍22.2 w62x型铣床的机床特点22.3 w62x型铣床的控制要求32.4 控制分析42.4.1主轴电动机m1的控制52.4.2进给电动机m2的控制52.4.3工作台、圆台、变速冲动、工作台快速移动的控制63 x62w型铣床的plc控制73.1 plc简介73.1.1 plc定义73.1.2 plc的特点73.2 plc的选型83.3 x62w万能铣床plc控制i/o分配表93.4 x62w万能铣床plc控制系统外部接线93.5 x62w万能铣床plc控制梯形图以及分析10结 论13致 谢14参 考 文 献15第15页江苏海事职业技术学院2012届专科生毕业设计1 绪论 铣床是以各类电动机为动力的传动装置与系统的对象以实现生产过程自动化的技术装置。电气系统是其中的主干部分，在国民经济各行业中的许多部门得到广泛应用。随着电子技术的发展，可编程序逻辑（plc）控制器日益广泛的应用于机械、电子加工与设备电气改造中。铣床作为机械加工的通用设备在配件的生产中一直起着不可代替的作用。铣床操作维护方便，工作平稳可靠，运转费用低等特点，已成为当今生产中主要的设备之一。自动铣床控制系统的设计是一个很传统的课题，在当代，随着各种先进精确的控制仪器的出现，铣床控制的设计方案也越来越先进，各种参考文献也数不胜数。在我国7080年代大多数铣床中,大多数的开关量控制系统都是采用传统的继电器来控制的,也有相当一部分辅机系统是采用继电控制。因此,继电器本身固有的缺陷,给铣床的安全和经济运行带来了不利影响,用plc对铣床的继电器式控制系统进行改造已是大势所趋。 自动铣床的发展及现状：从上世纪80 年代起铣床制造业的发展虽有起伏但对自动控制技术和自动铣床床一直给予较大的关注。经过九五自动车床和加工中心包括自动铣床的产业化生产基地的形成，所生产的中档普及型自动铣床的功能性能和可靠性方面已具有较强的市场竞争力。但在中高档自动铣床方面与国外一些先进产品相比仍存在较大差距。这是由于欧美日等先进工业国家于80 年代先后完成了自动机床产业进程，其中一些著名机床公司致力于科技创新和新产品的研发引导着数控机床技术发展，如美国英格索尔公司和德国惠勒喜乐公司对用于汽车工业和航空工业高速数控铣床的发展日本牧野公司对高效精密加工中心所作的贡献，德国瓦德里希公司在重型龙门五面加工铣床方面的开发以及日本马扎克公司研发的车铣中心对高效复合加工的推进等等。相比之下，我国大部分数近代机床产品在技术处于跟踪阶段。挡铣床出国内外先进产品主要技术指标，由此可以看到效率精度和可靠性等方面均有明显差。 随着科学技术的不断发展，生产工艺的不断发展改进，特别是计算机技术的应用，新型控制策略的出现，不断改变着电气控制技术的面貌。在控制方法上，从手动控制发展到自动控制;在控制功能上，从简单控制发展到智能化控制；在操作上，从策重发展到信息化处理；在控制原理上，从单一的有触头硬接线继电器逻辑控制系统发展到以微处理器或微型计算机为中心的网络化自动控制系统。x62w铣床综合了计算机技术、微电子技术、检测技术、自动控制技术、智能技术、通信技术、网络技术等先进的科学技术成果。 x62w铣床是由普通机床发展而来。它集于机械、液压、气动、伺服驱动、精密测量、电气自动控制、现代控制理论、计算机控制等技术于一体，是一种高效率、高精度能保证加工质量、解决工艺难题，而且又具有一定柔性的生产设备。万能铣床的广泛应用，给机械制造业的生产方式、产品机构和产业机构带来了深刻的变化，其技术水平高低和拥有量多少，是衡量一个国家和企业现代化水平的重要标志。2 x62w型铣床2.1 w62x型铣床介绍 铣床通常用于加工零件的平面、斜面以及沟槽等，是一种比较精密的加工设备。铣床的种类较多，有立式铣床、卧式铣床、龙门铣床、仿形铣床以及各种专用类型铣床。x62w型卧式万能铣床是人们在生产中用得极为广泛的铣床之一。铣床的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分的代替人工操作，它能大大的改善工人的劳动条件，显著提高的提高生产劳动效率，加快实现工业的机械化和自动化的步伐。因而，受到各工业国家的重视，并投入大量的人力、物力加以研究和应用。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。通过此设计，可以使大家了解到x62w万能铣床的电气控制系统的结构和plc控制的原理，简单工作原理。 x62w型万能铣床的结构明了，是由床身、工作台、悬梁、刀杆支架、底座、横溜板和升降台等几个部分组成的。结构如图所示。（1-床身；2-主轴；3-刀杆；4-悬梁；5-刀杆挂脚；6工作台；7-回转盘；8-横溜板；9升降台；10-床身底座） 图1 铣床结构图 在铣床的顶部带有一个水平的导轨，上面安装了一个或者两个刀杆支架的悬梁。刀杆支架的一端是固定在主轴上面的，由主轴铣床工作，而另一端是用来支撑铣刀轴的一端。刀杆支架可以在悬梁上做水平方向的运动，而悬梁也可以在铣床的顶端的水平导轨上面来回的水平运动，这是为了安装不同的心轴。位于车床的前面是一个垂直导轨， 它是给以升降台升降用的。在升降台上面的水平导轨上，装有可以前后（延平行主轴轴线方向）移动的溜板。溜板上面有个按钮可转动的回转盘，工作台就位于溜板上部的回转盘的导轨上做左右（垂直于主轴轴线方向）移动。工件是通过工作台上的t形槽来固定的。这样，安装在工作台方向的工件就可以在三个坐标六个方向调整位置进给。2.2 w62x型铣床的机床特点 (1) 能够完成很多一般机床难以加工的复杂型面的加工。 (2) 通过使用x62w铣床可以提高零件的加工精度。 (3) 通过使用x62w可以比普通机床提高2至3倍的生产效率，对复杂零件的加工，生产率可以提高十几倍甚至几十倍的生产效率。 (4) x62w型铣床具有柔性，只需更换程序，就可以适应不同品种及尺寸规格零件的自动加工。 (5) 很大的减轻了工人的劳动力。 万能铣床是一种高效率的加工机械,在机械加工和机械修理中得到广泛的应用，万能铣床的操作是通过手柄同时操作电气与机械,以达到机电紧密配合完成预定的操作,是机械与电气结构联合动作的典型控制,是自动化程度较高的组合机床。但是在电气控制系统中,故障的查找与排除是非常困难的,特别是在继电器接触式控制系统，由于电气控制线路触点多、线路复杂、故障率高、检修周期长,给生产与维护带来诸多不便,严重地影响生产。本文所述方案是对原来的继电器接触式模拟控制系统进行plc改造而成,经实际运行证明该plc控制系统无论是硬件还是软件,控制稳定可靠, 具有极高的可靠性与灵活性, 更容易维修,更能适应经常变动的工艺条件，取得了较好的经济效益。2.3 w62x型铣床的控制要求 铣床一般有顺铣和逆铣两种加工方式，所以铣床的主轴电机（m1）能够进行正转和反转。铣床的负载会影响铣刀的转速，因此铣床上会装有一个飞轮，但是其转速惯性比较大，使得主轴难以停下来，所以铣床主轴电机是通过电磁离合器制动来实现主轴精确停下来。 (1)铣床的工作台分六个方向的运行是通过一台电动机（m2）传动的。六个方向都有正向和反向运动，故电动机（m2）要求能进行正传和反转。在进行铣削的时候，工作台在同一时间内只能进行一个方向的运动，所以各个方向之间应该有互锁保护。 (2)在使用铣床的圆工作台时，圆工作台不能同时与其他方向一同运动，所以圆工作台应该与六个方向之间存在着互锁关系。(3)x62w型铣床是采用的机械变速的方法，它是通过改变变速箱的传动比来实现速度调节的。因此在变速的时候要求电动机要有冲动（点动控制）控制。 (4)x62w型铣床的主轴旋转和工作台时间的运作是有时间顺序的，这是为了避免打坏刀具或出现安全事故，所以在铣床加工结束前，进给运动必须在铣刀停转前停止运动。 (5)冷却泵是又一台独立的电机（m3）拖动。冷却泵是可以单独进行控制的。 图2 铣床电气控制图2.4 控制分析x62w型万能铣床的电气原理图。该线路总共可以分为三部分：主电路、控制电路、照明电路。表1 w62x型铣床电路中的部分原件及作用电气符号名称及功能电气符号名称及功能m1主轴电动机sq2进给变速冲动行程开关m2冷却泵电动机sq3工作台向前、下进给行程开关m3进给电动机sq4工作台向后、上进给行程开关km1主轴电动机接触器sq5工作台向左进给行程开关km2快速进给接触器sq6工作台向右进给行程开关km3、km4进给电动机正反转接触器t1照明变压器qs1电源开关t2整流变压器qs2冷却泵开关tc控制变压器sa1主轴换刀制动开关yc1主轴制动电磁离合器sa2圆工作台转换开关yc2、yc3快慢速进给电磁离合器sa3主轴换向开关fr1主轴电动机过载保护sa4照明灯开关fr2冷却泵电动机过载保护sb1、sb2主轴启动按钮fr3进给电动机过载保护sb3、sb4快速进给按钮fu1fu6短路保护sb5、sb6主轴停止按钮vc整流桥sq1主轴变速冲动行程开关el照明灯2.4.1主轴电动机m1的控制 主轴电动机m1由接触器km1来控制的，主轴的旋转方向一开始通过转换开关sa3来进行选择。通常在机床的两边都会有一个启动、停止按钮，便于操作。按下启动按钮sb1或者sb2时，接触器km1线圈得点自锁，主轴电动机m1开始运转。 按下停止按钮sb5或者sb6，动断出点sb5-1或者sb6-1断开，接触器km1失电，动合出点sb5-2或者sb6-2闭合，主轴制动电磁离合器yc1得点，主轴电动机停止运转。为了更换刀片的方便，可旋转转换开关sa1，是的sa1-2闭合，yc1得电，主轴电动机m1受到制动停转。同时sa1-1断开，切断控制回路，以防换刀片的时候启动主动轴发生安全事故。主轴的幻想开关sa3的位置以及动作的说明图如下:表2 主轴换向开关sa3的位置以及动作元件正转停止反转sa3-1断开断开闭合sa3-2闭合断开断开sa3-3闭合断开断开sa3-4断开断开闭合 主轴在变速的时候，应该先将变速手柄，转动变速盘选择所需的的转速，然后快速将手柄推回原位。在手柄推拉过程中，凸轮瞬间压下弹簧杆使冲动开关sq1顺势动作，接触器km1线圈瞬时得电，以便于变速齿轮啮合。2.4.2进给电动机m2的控制 工作台纵向和升降进给控制。工作台的上下和前后进给运动由一个操纵手柄控制的，该操纵手柄有上下前后中间和零位5个位置，并且与sq3和sq4联动。进给手柄在上中下前后位置时的控制关系如下图所示。表3 进给手柄位置工作中在上、下、中、前、后及控制关系手柄位置位置开关动作电动机m2转向接触器动作工作台运动方向上sq4反转km4向上下sq3正传km3向下中停止停止前sq3正传km3向前后sq4反转km4向后 当手柄处于中间位置的时候，sq3和sq4都没有被压下去，工作台没有任何动作；当手柄调至向下或者向前的时候，位置开关sq3被触动，使得sq3-2断开，sq3-1闭合，km3线圈得电，电动机m2正转，从而带动工作台向前或者向下运动；当手柄处于向后或者向上的位置时，位置开关sq4被触动，使得sq4-2断开，sq4-1闭合，km4线圈得电，电动机m2反转带动工作台向后或者向上运动。2.4.3工作台、圆台、变速冲动、工作台快速移动的控制 （1）工作台的左右进给控制。工作台的控制开关sa2处于sa2-1和sa2-3的位置时，横向操作手柄控制工作台左右运动，这个操作手柄有三个位置，分别是：左、中、右。工作台左右运动时手柄位置关系如下图所示。表4 工作台左右进给手柄位置以及控制关系手柄的位置位置开关动作接触器动作电动机m2转向工作台运动方向左sq5km3正转向左中停止停止右sq6km4反转向右 当手柄调节至左边位置的时候，位置开关sq5被触动，使得sq5-2断开，动合触点sq5-1闭合，接触器km3线圈得电，电动机m2正转，从而带动工作台向左运动；当手柄调节至右边位置时，位置开关sq6被触动，使得sq6-2断开，动合触电sq6-1闭合，接触器km4线圈得电，电动机m2反转，从而带动工作台向右运动。 （2）圆工作台的回转运动控制。在运行这一程序之前，首先应该将转换开关sa2调节至接通状态，此时sa2-2接通，触点sa2-1和触点sa2-3断开。接触器km3线圈km3得电，电动机m2运转，通过转动轴带动工作台旋转运动。停止工作台运转时，要务必断开sa2，以保证工作台能在六个方向上运动。 （3）进给变速冲动控制。为了能是的齿轮啮合良好，进给变速需要瞬间点动，变速冲动是由变速手柄和冲动开关sq2来实现的。 （4) 工作台的快速移动控制。工作台的移动是通过电磁离合器yc3来实现的。进给时，电磁离合器yc2得电，电动机m2经过齿轮传动系统来控制工作台进给。按下按钮sb3或者sb4后，接触器km2得电，km2的动触点断开，电磁离合器yc2失电，同时km2的常开触点使得yc3得电，使电动机m2带动工作台按照选定的方向快速移动。3 x62w型铣床的plc控制3.1 plc简介3.1.1 plc定义 可变程序控制器plc是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的；它采用一类可编程序的存储器，用于其内部的存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术运算等操作指令，并通过数字、模拟式的输入、输出，控制各类型的机械或生产过程；可编程序控制器及其有关外围设备的设计，都要按照“易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充功能的原则”进行。由该定义可知：plc是一种由“事先存储的程序”来确定控制功能的工控类计算机。3.1.2 plc的特点 plc技术的独特有点，决定了plc会飞速的发展，plc能较好的解决工业领域中普遍关心的可靠、灵活、安全、方便、经济的问题。 1 plc具有抗干扰能力强、可靠性高可靠性高、抗干扰能力强是plc最重要的特点之一。plc的平均无故障时间可以到达几十万小时，之所以有这么高的可靠性，是由于plc采用了一系列的硬件和软件的抗干扰设施。 （1）硬件方面。i/o通道采用了光电隔离，有效地抑制了外部的干扰源对plc的影响；对供电电源及线路采用多钟形式的滤波，从而消除或抑制了搞频率的干扰；对cpu等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁的干扰；对有些模块设置了连锁保护、自诊电路等等。 （2）软件方面。plc采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰导致的故障；在plc系统程序中设有故障检测和自诊程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定读写操作，一旦外界环境正常后，便可以恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。 2 plc编程简单、使用方便 目前，大多数plc采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。梯形图语言的电路符号和表达式与电气控制线路图相近，形象、只管，很容易让工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以在控制电路不变或改变很少的情况下，现场改变程序，所以使用灵活、方便。同时，plc编程器的操作和使用也很简单。 3 功能完善、通用性强现代plc不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有a/d和d/a转换、数值运算、数据处理、pid控制、通信联网等许多功能。同时，由plc产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置共用用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统。4 设计安装简单、维护方便 由于plc用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大大减少。plc的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。在维修方面，由于plc故障率非常低，维修工作量很少；而且plc具有很强的自诊功能，如果出现故障，可根据plc上的指示或编程上提供的故障信息，迅速查明原因，维修非常方便。 5 体积小、质量轻、能耗低 由于plc采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，因而是实现机电一体化的理想控制设备。3.2 plc的选型 根据设计要求得出：系统plc需要主轴启动、快速进给、主轴停止制动、主轴换刀制动、正常进给、圆台工作、主轴冲动、进给冲动、向下前进给、向上后进给、向左进给、向右进给等12个输入信号，而输出共需要7个输出信号。则选用三菱型号为fx2nmr机型。 fx2n系列是fx系列plc家族中比较先进的系列。由于fx2n系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、可是适应世界不同地区的电源以及满足单个需要的大量特殊更能模块，他可以为系统自动化应用提供最大的灵活和控制能力。为大量实际应用而开发的特殊功能开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要，模拟i/o，高速计数器。内置24v直流电源，24v、400ma直流电源可用于外围设备，如传感器或其他元件。快速断开端子块因为采用了优良的可维护性快速断开端子，即使接着电缆也可以更换单元。时钟功能和小时表功能在所有的fx2n的plc中都有实时时钟标准。时间设置和比较指令易于操作。小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。持续扫描功能为应用所需要的持续扫描时间定义操作周期在线程序编辑在线改变程序不会损失工作时间或者停止生产运转。run/stop开关面板上运行/停止开关易于操作。运程维护远处的编程软件可以通过调制调解器来检测、上载或是卸载程序和数据密码保护使用一个八位数字密码保护您的程序。 fx2n32mr的plc机型，配合fx2n485bd内置扩展板，i/o总点数为：输入点数为24（x000x027）点，输出点数为24（y000y027），为继电器输出，交流电源、24v直流输入类型。它具有灵活的配置，除了满足特殊要求的大量特殊模块，6个基本单元中的每个单元可扩展256个i/o。有突出的寄存器容量，fx2n系列包括8k步内置ram寄存器，用一个寄存器盒可扩展到32ram。有丰富的元件资源，3072点辅助继电器，256点计时器，235点计数器，8000点数据存储器满足我的设计需要。3.3 x62w万能铣床plc控制i/o分配表x62w型万能铣床的plc控制i/o分配表如下图所示：表5 x62w型万能铣床的plc控制i/o分配表输入输出输入地址元件代号作用输出地址元件代号作用x000sb1、sb2主轴启动y000km1主轴电动机m1制动x001sb3、sb4快速进给y001km2快速进给控制x002sb5、sb6主轴停止制动y002km3进给电机m2正转x003sa1主轴换刀制动y003km4主轴冲动x004sa2-1正常进给y004yc1正常进给x005sa2-2圆台工作y005yc2快速进给x006sq1主轴冲动y006yc3x007sq2进给冲动x010sq3向下、前进给x011sq4向上、后进给x012sq5向左进给x013sq6向右进给3.4 x62w万能铣床plc控制系统外部接线图3 x62w万能铣床plc控制系统i外部接线图w62x万能铣床电气控制线路中的电源电路、主电路以及照明电路保持不变，在控制电路中，变压器tc的输出以及整流器vc的输出部分去掉。用可编程控制器改造后的plc硬界限，为了保证各种联锁功能，将sq1sq6,sb1sb6按照图3-1分别接入plc的输入端子，换刀开关sa1和圆形工作台转换开关sa2分别用其一对常开和常闭出头接入plc的输入端子。输出器件分两个电压等级，一个是接触器使用的110v电压，另一个是电磁离合器使用的36v直流电，这样也将plc的输出口分为两组连接点。3.5 x62w万能铣床plc控制梯形图以及分析图4 x62w万能铣床plc控制梯形图这个程序一共有8条支路，反映了原来的继电器电路中的各种逻辑内容。在第1条支路中，因sq1和sb5、sb6都采用了常闭触头分别接至x13、x2，那么x13、x2的常开触点闭合，按下启动按钮sb1或sb2时，x0常开触点闭合，y0、m0线圈得电并自锁，第3条支路中y0常开触点闭合，继电器m1线圈得电，其常开触点闭合，为第4条支路以下程序执行做好准备，保证了只有在主轴旋转之后才有进给运动的发生。y0的输出信号使主轴电动机m1启动运转。当按下停止按钮sb5或sb6时，x2的常开触点复位，y0线圈失电，主轴惯性运转，同时x3常开触点闭合，y4线圈得电接通电磁离合器yc1，主轴制动停转。 第2条支路表示了km2及yc3的工作逻辑，当按下快速移动按钮sb3或sb4时，x1常开触点闭合，则y1及y5线圈得电，km2常闭触头断开，电磁离合器yc2失电，yc3得电，工作台沿选定方向快速移动；松开sb3或sb4按钮，则yc2得电，yc3失电，快速移动停止。第4、5、6、8支路表示了工作台六个方向的进给、进给冲动及圆工作台的工作逻辑关系。当圆形工作台转换开关sa2动作，4、5支路中x5常开触点断开，第6条支路中x5常闭触头复位，m4及y2线圈得电，使km3线圈得电，电动机m2启动，圆形工作台旋转；当sa2复位时，m4、y2线圈失电，圆形工作台停止旋转。左右进给时，sq5或sq6被压合，x6常开触点复位，第5、6支路被分断，而x10或x11常开触点闭合，m2（其常开触点使y2线圈得电）或y3线圈得电，电动机m2正转或反转，拖动工作台向左或向右运动。同样，工作台上下、前后进给时，sq3或sq4被压合，x7常开触点复位，第5、6条支路被分断，m2或y3线圈得电，电动机m2正转或反转，拖动工作台按选定的方向（上、下、前、后中某一方向）作进给运动。该程序及plc的硬接线不仅保证了原电路的工作逻