机电一体化系统设计课程设计-X62W万能铣床电气及PLC控制系统设计.doc

攀枝花学院本科毕业设计（论文） 攀枝花学院学生课程设计（论文）题 目： 机电一体化系统设计课程设计 X62W万能铣床电气及PLC控制系统设计学生姓名： 学 号： 所在院(系)： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 指 导 教 师： 职称： 2010年1月3日攀枝花学院教务处制 攀枝花学院本科学生课程设计任务书题目X62W万能铣床电气及PLC控制系统设计1、课程设计的目的专业课程综合训练目的是使学生通过对所学主要专业课的综合应用，基本掌握一般机床电气控制及PLC的设计的能力。综合运用所学的基础知识和技能，进一步提高学生的分析及解决问题能力，培养学生创新意识和创新能力，提高机床控制分析设计的总体意识和工程实践能力。2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）设计内容要求：（1）输入回路的设计；（2）(a8b$G 7p.l*l(T87能源环保论坛输出回路的设计；（3）扩展模块的选用；（4）PLC的网络设计；（5）软件编制。设计结束后提交4000字左右的课程设计论文;包含上述全部内容。3、主要参考文献1高学民.机床电气控制.山东：山东科学技术出版社2鲁远栋，冼进.PLC机电控制系统应用设计技术.电子工业出版社3齐占庆.机床电气控制技术.机械工业出版社4张万忠.可编程控制器入门与应用实例 （西门子S7-200系列）.中国电力出版社4、课程设计工作进度计划 内容学时总体方案分析8输入回路的设计8输出回路的设计30扩展模块的选用30PLC的网络设计8软件编制20合计3周指导教师（签字）日期年 月 日教研室意见：年 月 日学生（签字）： 接受任务时间： 年 月 日注：任务书由指导教师填写。课程设计（论文）指导教师成绩评定表题目名称评分项目分值得分评价内涵工作表现20%01学习态度6遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。02科学实践、调研7通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。03课题工作量7按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。能力水平35%04综合运用知识的能力10能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。05应用文献的能力5能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。06设计（实验）能力，方案的设计能力5能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。07计算及计算机应用能力5具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。08对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）10具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。成果质量45%09插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度5符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。10设计说明书（论文）质量30综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。11创新10对前人工作有改进或突破，或有独特见解。成绩指导教师评语指导教师签名： 年月日摘 要传统的机床控制系统都是采用继电器，接触器等硬件逻辑控制电路，不但接线复杂，而且容易出现故障，可靠性相对较差。与传统的继电器控制相比，PLC（可编程序控制器）具有可靠性高，柔性好，编程灵活，开发周期短以及故障自诊断等特点，特别适合应用于机床控制系统的开发和应用，通过使用PLC设计机床控制系统，可以减少强电元件器件数目，提高电气控制系统的稳定性和可靠性，从而提高产品品质和生产效率，目前，国内许多厂家的自动控制系统及加工机床都采用PLC代替继电器控制。本论文就X62W万能铣床的电气控制系统进行改造。关键词 X62W，万能铣床，PLC，技术改造攀枝花学院本科毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTThe traditional machine control system are based on relays, contactors, and other hardware logic control circuit wiring only complex and prone to failure, reliability is relatively poor. Compared with the traditional relay control, PLC (programmable logic controller) with high reliability, flexible, flexible programming, short development cycle and the fault diagnosis and other characteristics, particularly suitable for machine tool control system development and application of design of machine tools through the use of PLC control systems, electrical components can reduce the high number of devices to improve the electrical control system stability and reliability, thereby improving product quality and production efficiency, at present, many domestic manufacturers of automatic control systems and machine tools are used PLC instead of relay control. This thesis X62W universal milling machine to transform the electrical control system. Keywords X62W，universal milling machine，PLC，transformation攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目录目 录摘要ABSTRACT1 X62W万能铣床简介61.1 铣床型号61.2 X62W型卧式万能铣床的基本结构61.3 X62W万能铣床电气元件明细表82 X62W万能铣床对电气控制系统的要求103 电气控制线路分析113.1 主电路分析113.2 控制电路分析114 PLC的选择144.1 X62W万能铣床电器位置图144.2 PLC的选择145 硬件电路设计155.1 PLC外部电路图155.2根据控制要求分配输入输出点166 PLC的控制软件设计186.1根据系统控制要求绘制梯形图186.2 PLC的控制软件设计指令表187 结束语20参考文献21攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 X62W万能铣床简介X62W万能铣床是一种通用的多用途机床，它可以进行平面、斜面、螺旋面及成型表面的加工，是一种较为精密的加工设备，它采用继电接触器电路实现电气控制。但是，在电气控制系统中，其线路触点多、线路复杂、故障率高、检修周期长，故障的查找与排除非常困难，给生产和维护带来诸多不便，严重地影响生产。随着工业自动化的发展，PLC专为工业环境应用而设计，其显著特点之一就是可靠性高，抗干扰能力强。将X62W万能铣床电气控制系统进行PLC改造，克服了以上缺点，降低了设备故障率，减少维护、维修的工作量，提高了整个电气控制系统的工作性能。1.1 铣床型号1.2 X62W型卧式万能铣床的基本结构（1-床身（立柱）、2-主轴、3-刀杆、4-悬梁、5-支架、6-工作台7-回转盘、8-横溜板、9-升降台、10-底座）图1 X62W万能铣床外部结构图X62W型万能铣床的外形结构如图1所示，它由床身、主轴、悬梁、刀杆支架、工作台、回转盘、横溜板、升降台、底座等几部分组成。在床身的前面有垂直导轨，升降台可沿着它上下移动。在升降台上面的水平导轨上，装有可在平行主轴轴线方向移动（前后移动）的溜板。溜板上部有可回转的回转盘，工作台就在溜板上部回转盘上的导轨上作垂直于主轴轴线方向移动（左右移动）。工作台上有T形槽用来固定工件。这样，安装在工作台上的工件就可以在三个坐标轴上的六个方向调整位置或进给。铣床主轴带动铣刀的旋转运动是主运动；铣床工作台的前后（横向）、左右（纵向）和上下（垂直）6个方向的运动是进给运动；铣床其他的运动，如工作台的旋转运动、在各个方向的快速移动则属于辅助运动。X62W型万能铣床是由三台电动机共同完成各种加工时的动作功能。M1为主轴电动机，M2为工作进给电动机，M3是冷却泵电动机。铣床的主要运动形式有主轴带刀具的旋转运动和工作台的进给运动，两种运动分别用2台电动机（M1、M2）拖动。主轴所带铣刀的旋转运动有顺铣和逆铣两种工作方式，工作台分为矩形和圆形两层结构，矩形工作台可实现工作台纵向、横向和垂直三种直线进给运动，对应左右、前后、上下6个移动方向，装有圆工作台的万能铣床还有回转运动。工作台进给电动机M2经机械传动链传动，由电磁离合器选择工作台的工进和快速进给，并由机械离合器接通相应方向的机械传动链，驱动工作台实现各方向的移动进给。M3为冷却泵电动机，它通过KM1来控制操作开停，如图所示。图2 一次回路图3 二次回路1.3 X62W万能铣床电气元件明细表表1 电气元件明细表符号名称型号规格件数作用M1主轴电动机Y132M4B3JO2-42-4/T2 5.5KW 1410r/min1推动铣刀主运动M2进给电动机Y90L4JO2-22-4/T2 1.5KW 1400r/min1拖动工作台进给M3冷却泵电动机JCB22JCB-22 0.125KW 2790r/min1拖动冷却泵KM1、KM2交流接触器CJ1O20 20A,110V2M1启动及制动KM3、KM4交流接触器CJ1O1010A,110V2M2正转及反转KM5交流接触器CJ1O1010A,110V1控制电磁铁YAKM6交流接触器CJ1O1010A,110V1M3启动T1控制变压器BK-150150VA 380V/110V1控制电路电源T2照明变压器BK-5050VA 380V/24V1照明电路电源SB1、2按钮LA2红色 5A2主轴停车制动SB3、4按钮LA2绿色 5A2主轴启动SB5、6按钮LA2黑色 5A2工作台快速移动SA1转换开关HZ110/E16三极1圆工作台转换SA2转换开关HZ110/E16三极工作台手动和自动转换SA3转换开关HZ110/E16三极冷却泵开关SA4转换开关HZ3-1331电源换向SQ1行程开关LX111K开启式1向右进给SQ2行程开关LX111K开启式1向左进给SQ3行程开关LX2131自动复位1向前、向下进给SQ4行程开关LX2131开启式1向后、向上进给SQ5行程开关LX311K开启式1工作台自动循环SQ6行程开关LX311K开启式1工作台变速冲动SQ7行程开关LX311K开启式1主轴变速冲动QS1转换开关HZ110/E26三极1电源总开关QS2纽子开关JC2与灯配套1照明开关FR1热继电器JRO4011.3A1M1过载保护FR2热继电器JR10103.5A1M2过载保护FR3热继电器JR10100.415A1M3过载保护FU1熔断器RL1-60熔体 30A3电源总短路保护FU2熔断器RL1-15熔体 10A3M2、M3短路保护FU3熔断器RL1-15熔体 6A1控制回路短路保护FU4熔断器RL1-15熔体 4A2照明回路短路保护SR速度继电器JY12A1主轴反接制动EL照明灯24V 40W 与开关配套1低压照明YA电磁铁MQ1-514拉力150N 线圈110V1工作台快速移动YC1电磁离合器B1DLIII1主轴制动YC2电磁离合器B1DLII1正常进给YC3电磁离合器B1DLII1快速进给R电阻ZB21.45W 15.4A2限制制动电流 2 X62W万能铣床对电气控制系统的要求（1）主轴与工作台各自采用单独的笼形异步电动机拖动。（2）主轴电动机M1是在空载时直接起动，为完成顺铣和逆铣，要求有正反转。可根据铣刀的种类预先选择转向，在加工过程中不变换转向。（3）工作台的纵向、横向和垂直三个方向的进给运动由一台进给电动机M2拖动，三个方向的选择由操作手柄改变传动链来实现。每个方向有正反向运动，要求M2能正反转。同一时间只允许工作台向一个方向移动，故三个方向的运动之间有连锁保护。（4）使用圆工作台时，要求圆工作台的旋转运动与工作台的上下、左右、前后三个方向的运动之间有连锁控制，即圆工作台旋转时，工作台不能向其他方向运动。（5）主轴旋转与工作台进给有先后顺序控制，即进给运动要在铣刀旋转之后才能进行，加工结束必须在铣刀停转前停止进给运动。（6）冷却泵电动机M3供给铣削时的冷却液，不受PLC控制，其他主控部分都应受PLC控制。（7）PLC能够完成对系统各部分的控制，包括主轴电动机的两处起停控制、变速冲动控制及制动控制；圆工作台单向运转控制；工作台进给变速冲动控制；工作台的纵向、横向和垂直三个方向移动；工作台快速进给控制。 3 电气控制线路分析3.1 主电路分析主轴电动机M1拖动主轴带动铣刀进行铣削加工，通过组合开关SA3来实现正反转；进给电动机M2通过操纵手柄和机械离合器的配合拖动工作台前后、左右、上下6个方向的进给运动和快速移动，其正反转由接触器KM3、KM4来实现；冷却泵电动机M3供应切削液，且当M1启动后，用手动开关QS2控制；3台电动机共用熔断器FU1作短路保护，3台电动机分别用热继电器FR1、FR2、FR3作过载保护。3.2 控制电路分析控制电路的电源由控制变压器TC输出110V电压供电。主轴电动机M1的控制主轴电动机M1采用两地控制方式，SB1和SB2是两组启动按钮，SB5和SB6是两组停止按钮。KM1是主轴电动机M1的启动接触器，YC1是主轴制动用的电磁离合器，SQ1是主轴变速时瞬时点动的位置开关。1）主轴电动机M1启动前，应首先选择好主轴的转速，然后合上电源开关QS1，再把主轴换向开关SA3扳到所需要的转向。按下启动按钮SB1（或SB2），接触器KM1线圈得电，KM1主触头和自锁触头闭合，主轴电动机M1启动运转，KM1常开辅助触头（9-10）闭合，为工作台进给电路提供了电源。按下停止按钮SB5（或SB6），SB5-1（或SB6-1）常闭触头分断，接触器KM1线圈失电，KM1触头复位，电动机M1断电惯性运转，SB5-2（或SB6-2）常开触头闭合，接通电磁离合器YC1，主轴电动机M1制动停转。2)主轴换铣刀时将转换开关SA1扳向换刀位置，这时常开触头SA1-1闭合，电磁离合器YC1线圈得电，主轴处于制动状态以便换刀；同时常闭触头SA1-2断开，切断了控制电路，保证了人身安全。3)主轴变速时，利用变速手柄与冲动位置开关SQ1，通过M1点动，使齿轮系统产生一次抖动，以便于齿轮顺利啮合，且变速前应先停车。进给电动机M2的控制工作台的进给运动在主轴启动后方可进行。工作台的进给可在3个坐标的6个方向运动，进给运动是通过两个操作手柄和机械联动机构控制相应的位置开关使进给电动机M2正转或反转来实现的，并且6个方向的运动是联锁的，不能同时接通。1）当需要圆形工作台旋转时，将开关SA2扳到接通位置，这时触头SA2-1和SA2-3断开，触头SA2-2闭合，电流经1013141520191718路径，使接触器KM3得电，电动机M2启动，通过一根专用轴带动圆形工作台作旋转运动。转换开关SA2扳到断开位置，这时触头SA2-1和SA2-3闭合，触头SA2-2断开，以保证工作台在6个方向的进给运动，因为圆形工作台的旋转运动和6个方向的进给运动也是联锁的。2）工作台的左右进给运动由左右进给操作手柄控制。操作手柄与位置开关SQ5和SQ6联动，有左、中、右三个位置，其控制关系见表2。当手柄扳向中间位置时，位置开关SQ5和SQ6均未被压合，进给控制电路处于断开状态；当手柄扳向左或右位置时，手柄压下位置开关SQ5或SQ6，使常闭触头SQ5-2或SQ6-2分断，常开触头SQ5-1或SQ6-1闭合，接触器KM3或KM4得电动作，电动机M2正转或反转。由于在SQ5或SQ6被压合的同时，通过机械机构已将电动机M2的传动链与工作台下面的左右进给丝杠相搭合，所以电动机M2的正转或反转就拖动工作台向左或向右运动。表2 工作台左右进给手柄位置及其控制关系手柄位置位置开关动作接触器动作电动机M2转向传动链搭合丝杠工作台运动方向左SQ5KM3正转左右进给丝杠向左中停止停止右SQ6KM4反转左右进给丝杠向右工作台的上下和前后进给运动是由一个手柄控制的。该手柄与位置开关SQ3和SQ4联动，有上、下、前、后、中5个位置，其控制关系见表3。当手柄扳至中间位置时，位置开关SQ3和SQ4均未被压合，工作台无任何进给运动；当手柄扳至下或前位置时，手柄压下位置开关SQ3使常闭触头SQ3-2分断，常开触头SQ3-1闭合，接触器KM3得电动作，电动机M2正转，带动着工作台向下或向前运动；当手柄扳向上或后时，手柄压下位置开关SQ4，使常闭触头SQ4-2分断，常开触头SQ4-1闭合，接触器KM4得电动作，电动机M2反转，带动着工作台向上或向后运动。当两个操作手柄被置定于某一进给方向后，只能压下四个位置开关SQ3、SQ4、SQ5、SQ6中的一个开关，接通电动机M2正转或反转电路，同时通过机械机构将电动机的传动链与三根丝杠（左右丝杠、上下丝杠、前后丝杠）中的一根（只能是一根）丝杠相搭合，拖动工作台沿选定的进给方向运动，而不会沿其他方向运动。表3 工作台上、下、中、前、后进给手柄位置及其控制关系手柄位置位置开关动作接触器动作电动机M2转向传动链搭合丝杠工作台运动方向上SQ4KM4反转上下进给丝杠向上下SQ3KM3正转上下进给丝杠向下中停止停止前SQ3KM3正转前后进给丝杠向前后SQ4KM4反转前后进给丝杠向后左右进给手柄与上下前后手柄实行了联锁控制，如当把左右进给手柄扳向左时，若又将另一个进给手柄扳到向下进给方向，则位置开关SQ5和SQ3均被压下，触头SQ5-2和SQ3-2均分断，断开了接触器KM3和KM4的通路，电动机M2只能停转，保证了操作安全。3）6个进给方向的快速移动是通过两个进给操作手柄和快速移动按钮配合实现的。安装好工件后，扳动进给操作手柄选定进给方向，按下快速移动按钮SB3或SB4（两地控制），接触器KM2得电，KM2常闭触头分断，电磁离合器YC2失电，将齿轮传动链与进给丝杠分离；KM2两对常开触头闭合，一对使电磁离合器YC3得电，将电动机M2与进给丝杠直接搭合；另一对使接触器KM3或KM4得电动作，电动机M2得电正转或反转，带动工作台沿选定的方向快速移动。由于工作台的快速移动采用的是点动控制，故松开SB3或SB4，快速移动停止。4）进给变速时与主轴变速时相同，利用变速盘与冲动位置开关SQ2使M1产生瞬时点动，齿轮系统顺利啮合。 4 PLC的选择4.1 X62W万能铣床电器位置图X62W万能铣床电器位置图如下图。图4 X62W万能铣床电器位置图4.2 PLC的选择根据规划，为了实现上述万能铣床电气控制要求，选择日本三菱公司的FX1S-30MR型可编程控制器，该控制器30点输入输出，其中输入16点、输出14点，它的结构为输入输出一体化的组件型结构，安装和调试比较方便，具有较快的输入响应速度，并可以进行I/O口扩展。 5 硬件电路设计根据万能铣床电气控制要求，输入输出均为开关量，需要PLC检测的输入信号有6个按钮，2个选择开关，8个行程开关，共计16个。PLC输出控制信号有：3个电磁离合器，3个继电器，共6个。因此，选用FX1S-30MR（继电器输出，整体式）PLC能满足控制要求。5.1 PLC外部电路图通过对生产工艺的分析，并根据铣床对控制系统的要求，确定系统的输入点数为16个，输出点数为6个，输入回路采用外加220V交流供电，按照系统的要求，以按钮、行程开关、速度继电器及热继电器辅助触点、转换开关等开关量 为输入控制信号，经PLC控制输出，外部电路图如图5所示。为了保证各种联锁功能，将SQ1-SQ6，SB1-SB6按图示分别接入PLC的输入端，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触头接入PLC的输入端。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直流电压，这样也将PLC的输出口分两组连接点。图5 PLC外部接线图表4 现场信号与PLC软继电器对照表分类信号名称现场信号PLC线圈编号输入信号M1启动按钮SB1、SB2X0快速进给点动SB3、SB4X1停止制动按钮SB5、SB6X2SB5、SB6X3信号名称现场信号PLC线圈编号输入信号换刀开关SA1X4圆工作台开关SA2X5左右进给SQ5、SQ6X6上下前后进给SQ3、SQ4X7SQ3、SQ5X10SQ4、SQ6X11进给冲动SQ2X12主轴冲动SQ1X13输出信号主轴启动接触器KM1、KM2Y0、Y1M2正转接触器KM3Y2M2反转接触器KM4Y3正常进给电磁阀YC2COM主轴制动电磁阀YC1Y4快速进给电磁阀YC3Y55.2 根据控制要求分配输入输出点PLC的FX1S-30MR通道分配是根据其控制对象的特点和控制要求，将I/O的输入输出口与相应的电气设备相连,达到控制和检测的目的，具体的I/O分配如下表5，6所示。表5 X62W万能铣床控制系统地址表输入部分编号功能输入继电器SB1/SB2主轴电动机停止、制动按钮X000SB3/SB4主轴电动机启动按钮X001SB5/SB6快速进给按钮X002SA3-1正常进给转换开关X003SA3-2圆工作台进给转换开关X004SA2换刀制动X007SQ1工作台向右进给X011SQ2工作台向左进给X012SQ3工作台向下、向前进给X013SQ4工作台向上、向后进给X014SQ5主轴变速冲动开关X015SQ6进给变速冲动开关X016表6 X62W万能铣床控制系统地址表输出部分编号功能输入继电器KM1主轴电动机运行交流接触器Y000KM2进给电动机正转接触器Y001KM3进给电动机反转接触器Y002YC1主轴制动电磁离合器Y006YC2工作台工进电磁离合器Y007YC3工作台快进电磁离合器Y010 6 PLC的控制软件设计根据机床控制要求，进行PLC控制软件设计。在应用PLC进行设计过程中，运用了11个辅助继电器，