（机械工程专业论文）基于PLC智能控制在镗床改造中的应用.pdf

幕十p l c 智能拧制“：镗床己5 造中的i 墨用 摘要 电子与信息技术的不断发展，给我国机床加工设备的现代化提供了强有力 的技术支持。为了充分发挥设备效能，迅速提升加工技术与精度，越来越多的企 业每年投入大量资金和技术对传统老式机床进行技术改造，取得了良好的效果。 用p l c 模块、变频驱动技术、操控监控设备等组成电气数字控制系统，以实现编 程输入、人机交互、自动化加工的控制方式，扩大加工能力，减少故障，提高效 率，已成为企业进行技术改造的有效途径。 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。 镗床除能完成镗孔工序外，在万能镗床上还可以进行镗、钻、扩、车及铣等工序。 因此，镗床的加工范围很广。 论文对t 6 8 型卧式镗床的结构和工作原理进行了介绍，通过镗床继电器控制 系统的分析，提出了基于p l c 改造的总体方案和框架设计。对系统的输入、输出 点进行统计，根据p l c 的选型相关规定和输入输出的总点数，选用日本三菱公司 生产的f x 2 n 4 8 m r 可编程序控制器。，分配了p l c 的i o 地址，设计出p l c 的外 接线图。介绍了p l c 常见的编程方法，采用逻辑代数设计方法，设计了t 6 8 镗床p l c 控制系统的程序。这种方法易学易用，成功率高，设计复杂的控制程序可以节约 大量的设计时间。通过g xs i m u l a t o r 6 一c 软件进行程序仿真，在此基础上，进行了 现场安装、调试。针对系统调试、安装以及运行过程中出现的问题，进行了分析， 提出了解决办法和注意的事项。从硬件和软件两个方面采取措施，提高p l c 控制系 统的抗干扰能力。 论文最后总结了课题研究的成果，结合作者的研究方向，讨论了课题中所用 到的编程与接口技术，并对未来的研究方向提出了进一步的展望与构想。 关键词：可编程控制器；梯形图；镗床；改造；调试 l l a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o na n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h et e c h n o l o g y s u s t a i nh a v ep r o v i d e df o ro u rm a c h i n et o o le q u i p m e n tm o d e r n i z a t i o n m o r ea n dm o r e f i n a n c i n ga n dt e c h n o 1o g y a r ep l o u g h i n t ot h et r a d i t i o nm a c h i n ef o re x e r t i n g e f f i c i e n c ya n dp r o m p t i n gp r e c i s i o nr a p i d l y ，a c q u i r ew e l li m p r e s s i o n n o wi tb e c o m e e f i c i e n c ya p p r o a c h f o r c o r p o r a t i o nr e c o n s t r t l c t i v e ，b yn u m e r ic o n t r o ls y s t e mc o m p o s i n gp l cm o d u l e f r e q u e n c ya n dc o n v e r s i o nc o n t r o la n di n s p e c t eq u i p m e n tc a r r yo u tp r o g r a m ei m p o r t a n da u t o m a t i z a t i on c o n t r o l ，t or e d u c et r o u b l ea n di m p r o v ee f f i c i e n c y b o r i n gm a c h i n ei st h ec o m m o nc o l di nt h eu s eo ft h ee q u i p m e n ti tm a i n l yf o r p r o c e s s i n gp r e c i s i o n ，r e q u i r eah i g h e rf i n i s ht h eh o l ea n dt h ed i s t a n c eb e t w e e ne a c h h o l ed e m a n d sam o r ep r e c i s ec o m p o n e n t s ( s u c ha ss o m ec a b i n e tp a r t s ) ，ap r e c i s i o n m a c h i n et o o l s m a i n l yu s e df o rp r e c i s i o nm a c h i n i n gp a r t so nt h ec y l i n d r i c a lh o l e t h e s eh o l e so ft h ea x i sl i n eo f t e nr e q u i r e ss t r i c ta d h e r e n c et ot h ep a r a l l e lo rv e r t i c a l ， t h ed i s t a n c eb e t w e e ne a c ho t h e ra l s or e q u i r e sv e r ya c c u r a t e i t so r i g i n a lc o n t r o lc i r c u i t f o rt h er e l a yc o n t r o l ，c o n t a c tc o n t a c t s ，l i n e sc o m p l i c a t e d ，f a i l u r e s ，o p e r a t o r so fl a r g e m a i n t e n a n c et a s k s ，i no r d e rt oo v e r c o m et h e s es h o r t c o m i n g s ，r e d u c i n gt h ee q u i p m e n t f a i l u r er a t ea n di m p r o v ee f f i c i e n c yi nt h eu s eo ft h ee q u i p m e n t ，t h el i g h to ft h i s s i t u a t i o n ，w ew i t hp l cc o n t r o lo fi t sr e l a yc o n t r o lc i r c u i t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h et 6 8h o r i z o n t a l b o r i n gm a c h i n e 。t h r o u g ht h ea n a l y s i s o ft h et 6 8h o r i z o n t a lb o r i n gm a c h i n e s c o n t r o l l i n gs y s t e m ，d e s i g nas y s t e mo ft h ep l c c o n t r o lc i r c u i t ，t h es y s t e mi n p u ta n d o u t p u t ，s t a t i s t i c s s e l e c t i o no fj a p a n sm i t s u b i s h ic o m p a n y sf x 2 n 一4 8 m rp l c ，t h e d i s t r i b u t i o no ft h ep l ci oa d d r e s s ，t h ee x t e r n a lc i r c u i td e s i g np l c ，i d e n t i f i e dt h e p l ci 0w i r i n gd i a g r a m i ti n t r o d u c e s f a m i l i a rp r o g r a m m e rm e t h o d s a c c o r d i n g t ot h eb o r i n gm a c h i n ec o n t r o lr e q u i r e m e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c ss e to u tt h el o g i co f a l g e b r as h o w ，u s i n gl o g i cd e s i g nm e t h o d sl a d d e rd e s i g n t h i sm e t h o di s s i m p l e rt o l e a r na n dt ou s e ，h a sh i g h e rs u c c e s sr a t i o ，a n dc a ns a v et i m ei nd e s i g n i n gc o m p l e x c o n t r o l l i n gp r o g r a m m e r g xs i m u l a t o r 6 一ct h r o u g hap r o c e s ss i m u l a t i o ns o f t w a r et o s i m u l a t et h es c e n eb o r i n gm a c h i n ec o n t r o ls i m u l a t i o nd e b u g g i n g ，t ot r a n s f o r mt h e s y s t e mr e q u i r e m e n t s a n de f f e c t i v e o p e r a t i o n b yu s i n g h a r d w a r e a n ds o f t w a r e m e t h o d s ，i ti m p r o v e sa n t i d i s t u r b a n c ep e r f o r m a n c eo fp l cc o n t r o l l i n gs y s t e m 摹- i 二p l c 智能拧制“：镗床改造中的f i i 用 f i n a l l y ，t h ep a p e rs u m m a r i z e dr e s e a r c h a c h i e v e m e n t ，d i s c u s s e ds o f tr e s u e t e c l m i c i nr e s e a r c hs u b je c tc o m b i n ew i t ha u t t h o r ss p e c i a l t y ，p r o s p e c t e dt h ef u r t h e r s t u d yi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：p l c ；l a d d e r ；b o r i n gm a c h i n e ；t r a n s f o r m i n g ；d e b u g g i n g 幕十p l c 智能拧制神：镗床改造中的心用 插图索引 图2 1t 6 8 型卧式镗床结构示意图7 图2 2t 6 8 型卧式镗床电气控制电路图一9 图2 3p l c 工作过程1 4 图3 1t 6 8 镗床p l c 改造i o 接线图2 1 图4 1 绿灯常亮梯形图2 5 图4 2t 6 8 镗床梯形图2 8 图5 1 软件初始界面图3 3 图5 2 梯形图变换操作图3 5 图5 3 梯形图下载操作图3 5 图5 4 元件o n 操作图3 6 图5 5m 1 低速运行3 7 图5 6m 1 停车3 7 图5 7r c 滤波电路4 1 图6 1 滤波器和隔离变压器同时使用一4 3 图6 2 输入断有感性负载时的抗干扰措施4 4 图6 3 防感性负载干扰的措施4 4 图6 4 防大容量负载干扰措施4 5 图6 5 屏蔽电缆的处理一4 5 图6 6p l c 的接地4 6 图6 7 去抖梯形图一4 7 图6 8 采样输入梯形图4 7 图6 9 组合逻辑判断法。4 8 图6 10 超时判断法4 8 硕l 学位论文 附表索引 表2 1t 6 8 型卧式镗床电气元件符号及功能说明8 表2 2 各种改造方案的性能比较1 2 表2 3p l c 分类1 4 表3 1i o 点统计17 表3 2 输入技术指标19 表3 3 输出技术指标19 表3 4 功能技术指标1 9 表3 5 输入信号地址分配表2 0 表3 6 输出信号地址分配表2 1 表4 1 绿灯闪烁状态表2 4 表4 2i o 分配表一2 5 i x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 日期：- 吵年上月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密0 ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期： 。2 哆年，月7 日 日期：蠢衫年夕月吵日 硕l 学位论艾 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 随着国家经济的发展，企业实力的加强，国内很多企业为了加强自身的经济 效益和市场竞争力，相继进行了适合本企业特点的改造和结构升级，在众多的升 级改造中使用最多的就是可编程控制器。可编程控制器是一种为工业机械控制所 设计的专用计算机，在各种自动控制系统中有着广泛的应用，它是在继电器控制 和计算机控制基础上开发的产品，逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技 术、计算机技术，通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。早期的可编程控 制器在功能上只能进行逻辑控制，因而称为可编程程序逻辑控制器( p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ，简称p l c ) 6 j 。随着技术的发展，其控制功能不断增强，可编 程程序控制器还可以进行算术运算，模拟量控制、顺序控制、定时、计数等，并 通过数字，模拟的输入、输出控制各种类型的机械生产过程。 目前，我国机械制造业存在大量的通用设备，在发展现代机械自动化技术时， 可以应用微电子技术改造这些已有通用设备，比如用数显、数控装置改造通用设 备，提高单机自动化程度，用可编程序控制器改造通用机床、专用机床、组合机 床及自动设备与半自动设备组成的生产线，这样可以把计算机功能完备、编程灵 活、适应性强的优点和继电器控制简单、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起 来【7 00 1 ，这是一条低成本、高效益，符合我国国情的机械自动化技术发展应用新 途径。 随着可编程控制器技术的发展，传统机械设备的控制柜逐渐被新一代的智能 化仪表所代替，对于日益复杂的控制功能，传统控制柜显得无能为力，而可编程 控制器具有可编程序的特点，运行时可以根据要求，选择控制算法、适应性强、 可编程控制器采用软件代替硬件的方法，可以简化线路，使控制设备的性能价格 比不断提高。 1 2 我国机床行业的现状和面临的问题 目l i 我国的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床， 而且半数以上是役龄在1o 年以上的旧机床。这些旧机床能耗高、效率低，用这种 装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高等问题。从而在 国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企 业的生存和发展。随着我国加入w t o 后，越来越明显的迹象表明，大陆正在成 皋于p l c 智能托；制l ：镗床改造中的一用 为“世界工厂”，我国的制造业面临着极大的机遇与挑战，不具有先进加工手段 的企业是不可能在今后的激烈市场竞争中生存下来的。 从企业面临的情况来看【7 。1l 】：一方面企业原有的机床老化，不能发挥其应有 效用，造成现有资产的浪费，另一方面企业又急需先进的加工设备来武装自己。 如何对待这些不能发挥效用或不能完全发挥效用的设备，使它们焕发新的生命力， 不仅仅是企业自身的问题，更关系到我国国民经济的可持续性发展。基于当代控 制技术的数字化、网络化的发展方向，对这些机床进行再设计和再制造，既节约 资源，减少投资，又可以提高企业的装备水平。随着科学技术的发展，旧有设备 或技术的淘汰，如何利用现有的资会，有效的进行企业的技术改造是一个带有普 遍性意义的问题。现在文献上大量介绍机床的数控化改造，可以肯定，数控化机 床在性能上比普通机床好，但相对而言，机床的数控化改造成本较高，改造周期 长，而且原来的机床要满足一定的要求才能进行数控化改造【_ 卜引。有关资料表明， 到2 0 0 2 年底，我国总共拥有机床约4 0 0 万台，目前拥有的旧机床数控化率不到 4 【8 。1 1 ，其余的都是普通机床，这么大量的旧普通机床要全部改造成数控机床显 然是不可能的。而且，对于一些单位，他们并不需要数控机床，只要普通机床就 可以满足生产制造的需求。机床的p l c 改造成本低、周期短，改造后电气控制系 统的可靠性、稳定性以及机床的功能都可以得到极大的提高，同时具备了很好的 可扩展性( 其中包括今后的数控化改造) ，是提高我国机床自动化程度的一个极 好的解决方案。 1 3 课题的来源 1 3 1 设备的概括 某冶金机械有限公司是集科研、设计、制造冶金设备、矿山机械、开卷机、 卷取机及卷筒为一体的专业公司，公司占地面积2 6 0 0 0 平方米，固定资产1 亿元。 公司拥有数控龙门加工中心、镗床、龙门铣等大型机械加工机床及深孔加工、耐 磨合金焊接等专用设备。年产值达2 5 亿元。作为一大型国有企业，有近五十年 的历史，其金工车间作为一个重要附属车间，拥有许多大型机械加工设备，担负 着全厂一些重要设备零件的加工制造任务，同时也对外承接加工业务。该厂有大 部分零件关键工序上的铣床是8 0 年代初期。镗床采用的是继电器控制系统，经过 2 0 多年的使用，大部分机床的控制系统的元件老化，而且所以故障率居高不下， 严重影响生产进度及生产质量，直接影响厂内效益、信誉及市场占有率，从而造 成不可估量的损失。 1 3 2 进行设备数控系统改造的必要性分析 根据日前该厂的现状，进行设备控制系统改造的原因是多方面的，但进行系 统改造的必要性可以从以下两点来说明，现论证如下： 1 设备现状 根据现在的生产管理模式，为加强资金流通基本上都实行“以销定产”，而 该厂是全国最大的矿山机械生产的专业厂家，随着我国矿山行业的发展，市场对 矿山机械的需求量大，加工任务紧。这就对设备能否正常运行提出了严峻的考验， 特别是一些主要工序的关键设备更是如此。然而由于长期使用，一些设备在生产 过程中停机的隐患大大增加，就其存在的问题分析如下： ( 1 ) 因长年使用产生了以下问题：原来的继电器控制回路接线复杂容易出故 障；继电器长期使用后常出现接头氧化、接触不良和线圈烧损等现象，经常发生 故障，可靠性很差。 ( 2 ) 时间继电器老化不稳定，时间参数需经常校正调整，机床电子元器件市 场上缺乏相应的配件。 ( 3 ) 维修费用高因故障率高，备件使用周期缩短，维修时的配件消耗增大， 增加了维修开支。 ( 4 ) 总体控制系统老化导致加工精度的降低。 2 工厂生产发展的需要 金工车间的加工任务十分繁重，一台大型设备停机一天至少会造成上千元的 损失，因此车间领导希望在最短的时间内解决这些问题。如果全部更换成新设备， 在时间和经济上都不允许。而且这些设备除了电气控制系统和部分液压系统容易 出问题外，它的机械性能还依然完好，如果直接淘汰更新显然会造成巨大的浪费。 因此，考虑性价比等多方面的因素决定对其进行改造。 综合以上原因可知要维持生产的正常运行，创造良好的经研效益，维持企业 的长远发展，设备控制系统改造是当务之急。 1 3 3 进行设备控制系统改造的可行性分析 1 可编程控制器的发展、特点及性能 从广义上来说，可编程控制器也是一种计算机控制系统，只不过它比一般的 计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语 言。所以p l c 与计算机控制系统的组成十分相似，也具有中央处理单元( c p u ) 、存 储器、输入输出( i o ) 接口、电源等。可编程控制器的发展分为三个阶段：第 一阶段( 七十年代中期) 为实用化发展阶段；第二阶段( 七十年代末期) 为成熟 阶段；第三阶段( 九十年代) 为加速发展阶段。在这一时期，各大公司进一步完 善原有产品，不断开发出新的产品系列，并加强联网功能以构成分布式控制系统。 在软件方面，可编程控制器不断向上端发展意与计算机兼容。因此，凭借其优异 的控制性能和快捷的柔性系统构成，使p l c 成为当今增长速度最快的工业自动化 皋十p l c 智能拧制礼镗床己5 ( 选中的7 二! 用 控制设备。其主要特点如下1 6 】： ( 1 )可靠性高、抗干扰能力强。高可靠性是p l c 最突出的特点之一，其平 均无故障时间可达几十万小时。 ( 2 )编程简单易学。p l c 编程大多采用类似与继电器控制电路的梯形图。 ( 3 )设计、安装容易、调试周期短，维护简单。p l c 已实现了产品的系列 化、标准化、通用化。设计者可在规格繁多、品种齐全的p l c 中选用性能价格比 高的产品。 ( 4 )模块品种丰富、通用性好、功能强大。除了单元式小型p l c 外，多数 采用模块式结构，并形成大、中、小系列产品。 ( 5 ) 体积小、能耗低。 2 编程控制器控制与传统的继电器控制的比较 ( 1 )控制方式。继电器控制是采用硬件接线实现的，即利用继电器机械触 点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑。它只能完成既定 的逻辑控制，连线多而复杂，且体积大，功耗大，一旦设计制造完成后，再想更 改十分困难。此外继电器触点数目有限，其灵活性和扩展性也很差。而p l c 采用 存储逻辑，通过改变程序很容易改变控制逻辑。 ( 2 )控制速度。继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作来实现控制，其动 作频率低，一般在几十毫秒，此外机械触点还会出现抖动现象。而p l c 动作则在 微秒级，内部还有严格的同步，不会出现抖动。 ( 3 ) 延时控制。继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作来实现延时。 但是，时间继电器定时精度不高，易受环境温度和湿度的影响，而p l c 用半导体 集成电路作定时器，精度高，且受环境影响小。 ( 4 )其它控制方式。继电器控制系统一般只能进行开关量的逻辑控制，且 没有记数功能。p l c 除了能进行开关量的逻辑控制外，还能对模拟量进行控制， 而且便于实现多种复杂控制。 ( 5 ) 设计与施工。用继电器实现一项控制工程，其设计、施工、调试必须 依次进行周期长，且修改困难工程大。而p l c 则可同时进行，十分方便。 ( 6 ) 可靠性与可维护性。继电器控制系统使用了大量的机械触点，连线多。 触点的丌闭会受到电弧的损坏，还有机械的磨损，寿命短，可靠性和可维护性都 差。而p l c 则极其容易。 3 可编程控制器发展的趋势 可编程控制器发展的趋势如下1 7 】： ( 1 ) 大型网络化。即今后的p l c 具有d c s 系统功能。 ( 2 ) 模块种类多样化。为了适应各种特殊功能要求，各种功能模块将层出不 穷。 弼! i j 学位论文 ( 3 ) 高可靠性。一些特定的环境和条件要求自动化系统有很高的可靠性，因 此自诊断技术、冗余技术、容错技术在p l c 中得到广泛的应用。 ( 4 ) 良好的兼容性。由于世界经济、技术的一体化，因此p l c 也朝满足国 际标准化的程度和水平发展。 ( 5 ) 小型化、低成本。小型p l c 的基本特点是价格低，便于机电一体化。 ( 6 ) 编程语言的高级化。除了梯形图、语句表、流程图外，一些p l c 还增 加了b a s i c ，c 等编程语言。 1 4 本人的主要工作 本课题研究的t 6 8 型卧式镗床是应用最为广泛的一种，其控制电路为继电器 控制，接触触点多、线路复杂、故障多、操作人员维修任务较大。针对这种情况， 用p l c 实现机床的智能化改造，重新设计电气控制系统，提高机床系统的稳定性 和加工精度。本文主要完成了以下主要工作： ( 1 ) 改造方案的研究。介绍了可编程控制器的由来、定义和发展情况；通过 对我国机床行业的现状分析，指出机床改造的必要性，提出用p l c 对普通机床进 行改造的设想。 ( 2 ) 设计方法的研究。详细讨论了p l c 控制系统设计内容和步骤，提出了 p l c 控制系统设计的原则，针对机床改造的特殊情况，总结并进一步完善了继电 器控制电路移植成p l c 梯形图的规则。 ( 3 ) 工程化应用。以t 6 8 型镗床的改造为例，介绍了p l c 控制系统的设计和 实现过程：分析了t 6 8 镗床电气控制系统的控制要求，根据控制要求进行总体方案 的设计；统计了系统的输入点和输出点，共有输入点15 个，输出点7 个；根据p l c 的选型原则，选用了日本三菱公司生产的f x 2 n 一4 8 m r 可编程序控制器，并对该型 号的p l c 的技术参数作了介绍；在介绍了p l c 的编程方法的基础上，选用了逻辑 严密的逻辑代数法编程，设计满足镗床控制要求的逻辑代数，并设计了梯形图； 为了提高控制系统的稳定性，对p l c 控制系统从软件和硬件两个方面进行了抗干 扰设计。 ( 4 ) 程序仿真、现场安装与调试。利用g xs i m u l a t o r 6 c 仿真软件进行了仿 真；在此基础上对p l c 改造进行了现场安装和调试，分析调试中出现的问题，提 出了解决方案，并解决了在调试中出现的问题。调试的结果表明了设计程序的正 确，达到预想的结果。 皋十p l c 智能拧制仃镗床己i 【造中的膨用 第2 章总体方案的拟定 2 1 原设备现状 2 1 1t 6 8 镗床简介 镗床是一种精密加工车床，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。这些要求都是钻 床难以达到的。而镗床本身刚性好，其可动部分在导轨上的活动间隙很小，而有 附加支撑，所以，能满足上述加工要求。 镗床能完成镗孔工序外，在万能镗床上还可以进行镗、钻、扩、绞、车及铣 等工序，因此，镗床的加工范围很广。 卧式镗床用于加工各种复杂的大型工件，如箱体、机体等，是一种功能很全 的机床。除了镗孔外，还可以进行钻、扩、绞孔以及车削内外螺纹、用丝锥攻丝、 车外圆柱面和端面。安装了端面铣刀与圆柱铣刀后，还可以完成铣削平面等多种 工作。因此，在卧式镗床上，工件一次安装后，即能完成大部分表面的加工，有 时甚至可以完成全部加工，这在加工大型及笨重的工件时，具有特别重要的意义。 1 镗床的结构 卧式镗床的外型结构如图2 1 所示。卧式镗床的床身是由整体的铸件制成， 床身的一端装有固定不动的前立柱，在前立柱的垂直导轨上装有镗头架，可以上 下移动。镗头架上集中了主轴部件、变速箱、进给箱与操纵机构等部件。切削刀 具安装在镗轴前端的锥孔里，或安装在平旋盘的刀具溜板上。在工作过程中，镗 轴一面旋转，一面沿轴向做进给运动。平旋盘只能旋转，装在上面的刀具溜板可 在垂直于主轴轴线方向的径向做进给运动。平旋盘主轴是空心轴，镗轴穿过其中 空部分，通过各自的传动链传动，因此可独立运动。在大部分工作情况下，使用 镗轴加工，只有在用车刀切削端面时才使用平旋盘。 卧式镗床后立柱上安装有尾架，用来夹持装在镗轴上的镗杆的末端。尾架可 随镗头架同时升降，并且其轴心线与镗头架轴心线保持在同一直线上。后立柱可 在床身导轨上沿镗轴轴线方向上做调整移动。 加工时，工件安放在床身中部的工作台上，工作台在溜板上面，上溜板下面 是下溜板，下溜板安装在床身导轨上，并可沿床身导轨移动。上溜板又可沿下溜 板上的导轨运动，工作台相对于上溜板可做回转运动。这样，工作台就可在床身 上做前、后、左、右任一个方向的直线运动，并可做回旋运动。再配合镗头架的 垂直移动，就可以加工工件上一系列与轴线相平行或垂直的孔。 i j | j ! l 学位论义 1 一床身：2 一尾架；3 - - 导轨；4 一后力柱；5 一工作台：6 一镗轴； 7 一前柱；8 一镗头架：9 一下溜板：1 0 一上溜板 图2 1t 6 8 型卧式镗床结构示意图 由以上分析，可将卧式镗床的运动归纳如下【1 2 1 4 】： 主运动：镗轴的旋转运动与平旋盘的旋转运动。 进给运动：镗轴的轴向进给，平旋盘刀具溜板的径向进给，镗头架的垂直进 给，工作台的横向进给与纵向进给。 辅助运动：工作台的回旋，后立柱的轴向移动及垂直移动。 2 镗床控制要求 镗床加工范围广，运动部件多，调速范围广，对电力拖动及控制提出了要求 如下【3 - 6 】1 1 1 钔。 ( 1 ) 主轴应有较大的调速范围，且要求恒功率调速，往往采用机电联合调速。 ( 2 ) 变速时，为使滑移齿轮能顺利进入正常齿合位置，应有低速或断续变速 冲动。 ( 3 ) 主轴能做正反转低速点动调整，要求对主轴电动机实现正反转及点动控 制。 ( 4 ) 为使主轴迅速、准确停车，主轴电动机应具有电气控制。 ( 5 ) 由于进给运动直接影响切削量，而切削量又与主轴转速、刀具、工件材 料、加工精度等因素有关，所以一般卧式镗床主运动与进给运动由一台电动机拖 动，由各自传动链传动。主轴与工作台除工作进给外，为缩短辅助时间，还应有 皋- j 二p l c 智能控制神：镗床改造中的一用 快速移动，有另一台快速移动电动机拖动。 ( 6 ) 由于镗床运动部件较多，应设置必要的连锁和保护，并使操作尽量集中。 3 继电器控制线路工作原理分析 t 6 8 卧式镗床是使用最为广泛的一种镗床，现以该型号镗床为例，分析卧式 镗床的电气控制线路。图2 2 所示为t 6 8 型卧式镗床电气控制电路图，它包括主 电路、控制电路、照明电路和指示电路，以及各种保护环节。表2 1 为t 6 8 型卧 式镗床电气元件符号及功能说明。 表2 1t 6 8 型卧式镗床电气元件符号及功能说明 ( 1 ) 主电路的分析 图2 2 所示的主电路有两台电动机。m 1 为主拖动双速电动机，由k m l 和k m 2 的主触点控制其正、反转，以带动主轴的旋转和进给。要求m 1 能正、反向运动、 点动，制动、高、低速调速，并有两极启动控制，保证主轴的旋转和进给量都有 足够的调节范围。当电动机定子绕组连接成三角形时为低速运行；当定子绕组连 接成双星形时为高速运行。m 2 为快速移动电动机，由k m 6 ，k m 7 的主触点来控 制其正、反转，通过不同的齿轮、齿条、丝杆的不同连接来完成各运动方向的快 速移动。因m 2 为短时间运行，故不需过载保护。q s 为总电源开关，熔断器f u l 、 f u 2 起主电路短路保护作用，热继电器f r 起主拖动电动机m 1 的过载保护作用。 t 6 8 卧式镗床采用电磁控制的机械制动装置，电路中的y b 是机械制动电磁铁线 仍! i 学位论文 圈，抱闸紧箍制动，电动机迅速停转。 需 m 毒 * - *世 幽4 h 毫 i r _ 一 幽 惶 幽 出 p 纂 受 口 寤； 州 m f 岖 m 0 - “ 一 粤1 二 圈罩罂 蚤 肇 赵 檗 出 钗 m i 奄 呕 h - 划 警客 苫 蚕 壬导 霄 磐 暴 鬈 州 ! 明 暴 州 - 箱 卷 赵 ：h l l 一 ：国 9 。 ，_ 卜 - _ 一 ，h 中 1 _ 一 ，_ 一 n ，一 o ，_ 一 卜 吲 n 一 匦留脚秦张扩脚帐犁情由副；崞一n式匦 皋十p l c 智能拧制4 ：镗床改造中的卜i 用 ( 2 ) 控制电路分析 1 ) 主拖动电动机m 1 的控制 主拖动电动机m 1 的控制由接触器k m l - - k m 5 、按钮s b l s b 5 、时间继电 器k t 、限位开关s q l 、s q 2 等组成。 低速启动控制。将变速手柄扳到低速挡，此时s q l 1 闭合、s q l 2 断开。压 下按钮s b 3 ，k m l 吸合并自锁，自锁回路由s b 5 、s b 4 的常闭触点及k m l 的辅 助触点组成。接触器k m l 的主触点闭合，为m 1 通电做好准备。k m l 的辅助动 合触点闭合，使接触器k m 3 得电，其主触点闭合，y b 获电，松开制动轮，k m 3 接通，k m 4 、k m 5 断开，使主电动机m 1 三角形( ) 连接，低速启动运转，接 触器k m 3 联锁断开。 高速启动控制。将变速手柄扳到高速挡，行程开关s q l 1 断开，s q l 2 闭合， 压下按钮s b 3 ，接触器k m l 闭合，时间继电器k t 通电闭合，k t 的瞬时触点马 上闭合，k m 3 吸合，主电动机m l 为三角形( ) 连接低速启动。时间继电器 k t 延时触点延时断开后，接触器k m 3 释放，m 1 切除三角形( x ) 连接，接触 器k m 3 的动断触点又闭合，接触器k m 4 、k m 5 吸合，制动轮保持释放状态，主 电动机m 1 以双星形( y y ) 连接高速启动，完成两极启动。反向运转时压下按钮 s b 2 ，工作过程和正向运转控制相同，不再重复分析。 主轴点动控制。主轴点动控制是在低速方式下进行的，点动控制时，压下点 动按钮s b 4 或s b 5 。点动按钮是复合按钮，其常闭触点断开，断开了k m l 或k m 2 的自锁回路。压住按钮s b 4 或s b 5 时，接触器k m l 或k m 2 吸合，k m 3 也吸合， y b 通电，制动轮松开，主电动机m 1 旋转。当松开按钮时，接触器k m l 、k m 2 及k m 3 即断电释放，主电动机m 1 停转，实现点动控制。 主轴的停止和制动。压下停止按钮s b l ，接触器k m l 或k m 2 则断电释放， 主轴电动机m 1 停止运转，并进行机械制动。m 1 断电时制动电磁铁y b 线圈也断 电，由于弹簧的作用抱闸制动，电动机很快停止转动。 2 ) 主轴变速及进给变速的控制 主轴变速和进给变速的控制是在电动机m 1 运转时进行的。当主轴手柄拉出 时，行程限位开关s q 2 被压断开，使接触器k m 3 、k m 4 、k m 5 断电释放，主轴 电动机m 1 停止运转。主轴转速选好后推回调速手柄，行程开关s q 2 复位，m 1 自行启动工作。同理，进给变速时，拉出进给变速操纵手柄，s q 2 同样被压分断， m 1 停止转动，当进给量选好后，将变速手柄推回，s q 2 复位，主轴电动机m 1 自动工作。 当变速手柄推不上去时可来回推动，使手柄轴通过弹簧装置作用于行程开关 s q 2 ，使主轴电动机m 1 通断时进行冲动，这样便于齿轮齿合，变速完成后正常 运行工作。 硕i 学f 奠论义 3 ) 快速移动电动机m 2 的控制 机床各部分的快速移动由单独的电动机m 2 来拖动。由快速移动手柄压下限 位行程开关s q 5 或s q 6 使其闭合，接触器k m 6 或k m 7 吸合，电动机m 2 旋转 实现快速移动。 4 ) 机械和电气联锁保护 联锁行程开关s q 4 有一个机械结构和工作台及主轴箱进给操作手柄相连。操 作手柄处于“进给位置时，联锁行程开关s q 4 的常闭触头处于断开状态。行程 开关s q 3 也有个机械结构和主轴及花盘进给与操作手柄相连，当操作手柄处在 “进给”位置时，s q 3 的常闭触头也处于断开状态。这两个手柄在任一手柄处于 “进给”位置时，主轴电动机m i 和快速移动电动机m 2 均可启动。若两个手柄 同时扳到“进给”位置时，则联锁行程开关s q 3 和s q 4 的触头都处在断开状态， 切断控制电路，电动机m 1 和m 2 则无法启动，避免了在误操作时造成事故，起 到联锁保护作用。 2 1 2 原有继电器控制线路存在的问题 该厂的大部分的镗床是在该厂辉煌的8 0 年代购买的。该厂8 0 年代到9 0 年代， 产销两旺。由于经过2 0 多年的使用，存在的问题主要有：因长年使用产生了以下 问题：原来的继电器控制回路接线复杂容易出故障；继电器长期使用后常出现接头 氧化、接触不良和线圈烧损等现象，经常发生故障，可靠性很差；时间继电器老 化不稳定，时间参数需经常校正调整，机床电子元器件市场上缺乏相应的配件； 维修费用高因故障率高，备件使用周期缩短，维修时的配件消耗增大，增加了维 修开支；总体控制系统老化导致加工精度的降低。这些问题的存在是设备经常出 现停机，不能满足生产的需要。因此，我们决定用高性能价格比的自动控制系统 进行改造。但是改造可采用多种方案，如更新继电器控制线路、可编程控制器或 计算机( 单片机或工控机) 控制等，下面列表2 2 对各种方案进行了比较。通过对比 可以看出，采用可编程控制器构成的控制系统具有明显优势，因此，对t 6 8 镗床 改造采用可编程控制器控制方案。 皋于p l c 智能拧制“镗床改造中的i 用 2 2t 6 8 镗床控制系统改造总体技术方案 t 6 8 镗床的改造总方案是：对镗床的继电器接触器控制系统改为p l c 控制 系统。 2 2 1p l c 控制系统选型，方案拟定 一般来说，p l c 构成的控制系统可分为以下几种类型：p l c 构成单机控制系 统。这种控制系统的被控对象往往是一台设备或一条生产流水线，使用一台p l c 来实现被控对象的控制。 ( 1 ) p l c 构成单机控制系统。这种控制系统的被控对象往往是一台设备或 一条生产流水线，使用一台p l c 来实现被控对象的控制。 ( 2 ) p l c 构成的集中控制系统。这种控制系统的被控对象通常是数台设备 或数条生产流水线，使用一台p l c 控制多台被控设备。 ( 3 ) p l c 构成的分布式控制系统。这种控制系统的被控对象比较多，它们 分布在一个较大的区域内，相互之问的距离较远，且各被控对象之间要求经常地 交换信息。 ( 4 ) p l c 构成的远程i o 控制系统。这种控制系统适合于被控对象远离控制 室的场合，一个控制系统要设置多个远程i o 通道，要视被控对象的分散程度和 距离而定。 由于本台设备是单台设备且实行现场操作，所以选用p l c 构成的单机控制系 统。确定了系统的控制方式之后则可进行控制主机类型的选择，如何选择合适的 可编程序控制器涉及到多方面的问题。 2 2 2 可编程控制器( p l c ) 的介绍 1 p l c 由来和定义 2 0 世纪6 0 年代术，由于市场的需要，工业生产从大批量、少品种的生产方 式转变为小批量、多品种的生产方式。1 9 6 8 年美国通用汽车公司根据市场形势与 生产发展的需要对外公开招标，要求用新的电器控制装置取代继电器控制装置， 以适应改变生产程序的需要。该公司提出下面l o 项指标【j 。j ： ( 1 ) 编程方便，现场可修改程序； ( 2 ) 维修方便，采用插件式结构； ( 3 ) 可靠性高于继电器控制装置； ( 4 ) 数据可直接输入管理计算机中； ( 5 ) 输入