基于PLC的铣床改造.doc

湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 I 摘摘 要要 该毕业设计首先介绍了可编程控制器 PLC 概念及优点 PLC 是面向用户的专用 工业控制计算机 它具有可靠性高 抗干扰能力强 编程直观简单 适应性好 功能 完善 接口功能强等一系列优点并广泛的用于工业控制中 而传统的继电器控制 因 其接触器触点受机械运动的影响 触点寿命受到限制 故障率高 可靠性不及 PLC 控 制 为此 提出用 PLC 对我们工业加工应用中广泛应用的 X62W 万能铣床的控制系统进 行改造 该设计详细地对以上两种机床的控制线路进行分析 并系统的介绍了利用 PLC 对这种机床进行改造方法和方案 其中重点讲述了 PLC 设计的方法和系统完成后的调 试 对 PLC 的选型和 PLC 的特性及使用环境也做了简单的介绍 最后通过模拟仿真实 验验证了该设计方案具有一定可行性和可操作性 关键词关键词 X62W 万能铣床 电气控制 PLC 可编程控制器 梯形图 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 II ABSTRACTABSTRACT Graduated from the Design introduced the first Programmable Logic Controller PLC and the merits of the concept PLC is a dedicated user orientedindustrialcontrol computer it has a high reliability strong anti interference ability simple and intuitive programming adaptability and improve the function interface and a series of strong features and advantages for a wide range of industrial control The traditional relay control because of their contacts by mechanical contact contactislimitedlifexpectancy the high failure rate less than the reliability of PLC control to that end the authors propose to use PLC in our industrial processing applications widely used the model of machine tools X62W universal milling machine the detailed design of the machine tool to control the line analysis system and introduced the use of PLC for the kind of machine tools and methods to carry out reform programs Which focus on the design of the PLC after the completion of the system and method of debugging the PLC and PLC selection and use of the characteristics of the environment have also done a brief introduction Finally through simulation experiments to verify the feasibility of a certain design and operational KeyKey wordswords X62W universal milling machine Electrical control PLC Programmable controller Terraced figure 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 III 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 1 目 录 1 引言 1 2 铣床特点及电气控制线路分析 4 2 1 铣床简介 4 2 2 X62W 万能铣床 4 2 3 电器元件设备 6 2 4 电力拖动特点及控制要求 8 2 5 电气控制线路 8 2 6 电气控制线路分析 10 2 6 1 主电路分析 10 2 6 2 控制电路分析 10 2 6 3 冷却和照明控制 14 3 方案论证 15 3 1 机床传统控制方式与 PLC 的比较 15 3 2 现代 PLC 控制即本系统的优点 15 3 3 改造方案的确定 16 4 X62W 万能铣床电气控制线路 PLC 的硬件改造 17 4 1 PLC 的基本定义和 PLC 的主要特点 17 4 1 1 PLC 的基本定义 17 4 1 2 PLC 的主要特点 17 4 2 X62W 铣床 PLC 控制系统的分析 18 4 3 PLC 的选型及校验 18 4 4 PLC 的 I O 端口的分配 19 4 5 系统控制的安装设计 20 5 X62W 万能铣床电气控制线路 PLC 的软件改造 22 5 1 梯形图控制分析 22 5 1 1 主轴控制电路分析 23 5 1 2 进给控制电路分析 23 5 2 PLC 控制指令语句表 24 6 X62W 万能铣床 PLC 改造的测试实验 26 6 1 PLC 的模拟实验 26 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 2 6 2 改进后的 X62W 万能铣床空载实验 26 6 3 改进后的 X62W 万能铣床负载实验 26 7 PLC 控制与电气控制的区别 27 参考文献 28 致谢 29 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 1 1 引言 自从 1969 年第一台可编程控制器在美国问世以来 在工业控制中得到广泛的应用 近年来 我国在石油 化工 机械 轻工 发电 电子 橡胶 塑料加工等行业工艺 设备的电气控制中 越来越多地采用 PLC 机控制 并取得了显著的效果 深受各行业 的欢迎 铣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 随着电子技术的发展 可编程序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内燃机配件的生产中一直起着不可替代的作用 自动铣床具有工作平稳可靠 操作维护方便 运转费用低的特点 已成为现代生产中 的主要设备 自动铣床控制系统的设计是一个很传统的课题 现在随着各种先进精确 的诸多控制仪器的出现 铣床控制的设计方案也越来越先进 越来越趋于完美 在我 国 70 80 年代大多数铣床中 大多数的开关量控制系统都是采用继电器控制 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 表 1 以中挡铣床为例列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 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 2 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 一种新型的控制装置 一项先进的应用技术 总是根据工业生产的实际需要而 产生的 可编程序控制器产生以前 以各种继电器为主要元件的电气控制线路 承担 着生产过程自动控制的艰巨任务 可能有成百上千只各种继电器构成复杂的控制系统 需要用成千上万根导线连接起来 安装这些继电器需要大量的继电器控制柜 且占据 大量的空间 当这些继电器运行时 又产生大量的噪声 消耗大量的电能 为保证控 制系统的正常运行 需要安排大量的电气技术人员进行维护 有时某个继电器损坏 甚至某个继电器触头接触不良 都回影响整个系统的正常运行 如果系统出现故障 要进行检查排除故障又是非常困难的 全靠电气技术人员长期积累经验 尤其是在生 产工艺发生变化时 可能需要增加很多的继电器或继电器控制柜 重新接线或改线的 工作量很大 甚至需要重新设定控制系统 尽管如此 这种控制系统的功能仅仅局限 在能实现具有粗略定时 计数功能的顺序逻辑控制 因此 人们迫切需要一种新的工 业控制装置来取代传统的继电器控制系统 是电气控制系统工作更可靠 更容易维修 更能适应经常变化的生产工艺要求 可编程控制器 Programmable Controller 简称 PC 在办公自动化和工业自动化中 广泛使用的个人计算机 Personal Computer 也简称 PC 为了避免混摇 现在一般将 可编程序控制器简称为 PLC Programmable Logic Controller 随着可编程控制器在国 内的运用和推广 人们找到了万能铣床较理想的控制系统 即 PLC 控制系统 由于其 具有可靠性高 抗干扰能力强 维修检测方便等优点 适合于对万能铣床的控制 获 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 3 得广泛的推广 现在万能铣床已全部采用 PLC 控制 结束了近二十年使用继电控制的 历史 本文主要以该厂对 PLC 控制系统的研究 推广介绍可编程控器在万能铣床上的 应用 自从 1969 年第一台可编程控制器在美国问世以来 在工业控制中得到广泛的应用 近年来 我国在石油 化工 机械 轻工 发电 电子 橡胶 塑料加工等行业工艺 设备的电气控制中 越来越多地采用 PLC 机控制 并取得了显著的效果 深受各行业 的欢迎 1988 年开始将可编程序控制器应用在万能铣床上 至今使用情况一直良好 国外生产 PLC 的厂家很多 最著名的有美国 A B 公司和 GE FANUC 公司 日本的欧姆龙 公司和三菱公司 德国 AEG 公司和西门子公司 法国的 TE 公司 它们号称 PC 领域的 大雄 代表 PC 的最高水平 它们在中国都有各自的代理商 很容易买到其产品 国产 PLC 以小型为主 多数为仿制产品 I 0 点均在 128 点以下 主要厂家有上海工业自动 化仪表研究所 苏州电子计算机厂 北京机械工业自动化研究所 无锡华光电子工业 公司中科院自动化研究所究上海香岛机电制造公司 一般只处理开关量 进行逻辑运 算 顺序运算 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 4 2 铣床特点及电气控制线路分析 2 1 铣床简介 铣床的种类很多 按照结构型式和加工性能的不同 可分为立式铣床 卧式铣床 仿形铣床 龙门铣床和专用铣床等 万能铣床是一种通用的多用途机床 它可以用圆柱铣刀 圆片铣刀 成型铣刀及 端面铣刀等工具对各种零件进行平面 斜面 螺旋面及成型表面的加工 还可以加装 万能铣头和圆工作台来扩大加工范围 目前 万能铣床常用的有两种 一种是卧式万 能铣床 铣头水平放置 型号为 X62W 另一种是立式万能铣床 铣头垂直放置 型号 为 X52K 这两种铣床结构大体相似 差别在于铣头的放置方向上 而工作台进给方式 主轴变速等都一样 电气控制线路经过系列化以后 也是一样的 只不过容量不同 型号意义 图 2 1 2 2 X62W 万能铣床 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 其 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 X62W 型万能铣床的结构主要由床身 主轴 刀杆 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 溜板上部有可移动的回转盘 工作台就在溜板上部回转盘上的导轨上 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 5 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 动铣刀的旋转运动时主运动 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 铣床的其他运动 如工作台的讯转运动则属于辅助运动 此外 由于回转盘可绕中心转过一个角度 通常是 45 因此工作台在水平面 上除了能在平行于或垂直于主轴轴线方向进给 还能在倾斜方向进给 可以加工螺旋 槽 故称万能铣床 X62W 万能铣床特点 1 能完成很多普通机床难以加工或者根本不能加工的复杂型面的加工 2 采用 X62W 铣床可以提高零件的加工精度 稳定产品的质量 3 采用 X62W 可以比普通机床提高 2 3 倍生产率 对复杂零件的加工 生产 率可以提高十几倍甚至几十倍 4 大大的减轻了工人的劳动强度 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 6 图 2 2 X62 万能铣床外形结构图 1 2 纵向工作台进给手动手轮和操纵手柄 3 15 主轴停止按钮 4 17 主 轴启动按钮 5 14 工作台快速移动按钮 6 工作台横向进给手动手轮 7 工作台升降进给手动摇把 8 自动进给变速手柄 9 工作台升降 横向进给手 柄 10 油泵开关 11 电源开关 12 主轴瞬时冲动手柄 13 照明开关 16 主轴调速转盘 2 3 电器元件设备 表 2 1 X62W 万能铣床电器元件明细表 代号名称 型号规格数量用途 M1 主轴电动机 JO2 51 47 5kw 380V 1450r min1 驱动主轴 M2 进给电动机 JO2 22 41 5kw 380V 1410r min1 驱动进给 M3 冷却泵电动机 JCB 22125 W 380V 2790r min1 驱动冷却泵 QS1 开关 HZ1 60 3J60A 500V1 总开关 QS2 开关 HZ1 10 3J10A 500V1 冷却泵开关 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 7 代号名称 型号规格数量用途 SA1 开关 HZ1 10 3J10A 500V1 换刀开关 SA2 开关 HZ1 10 3J10A 500V1 圆工作台开关 SA3 开关 HZ3 13360A 500V1 M1 换相开关 FU1 熔断器 RL1 6060A3 电源总保险 FU2 熔断器 RL1 155A1 整流电源保险 FU3 熔断器 RL1 155A1 直流电路保险 FU4 熔断器 RL1 155A1 控制回路保险 FU5 熔断器 RL1 151A1 照明保险 FR1 热继电器 JR0 4016A1 M1 过载保护 FR2 热继电器 JR10 100 5A1 M3 过载保护 FR3 热继电器 JR10 101 5A1 M2 过载保护 T2 变压器 BK 100380 36V1 整流电源 TC 变压器 BK 150380 100V1 控制回路电源 T1 变压器 BK 50380 24V1 照明电源 VC 整流器 2ZC 41 整流器 KM1 接触器 CJ0 20 20A 线圈电压 110V 1 主轴驱动 KM2 接触器 CJ0 10 10A 线圈电压 110V 1 快速进给 KM3 接触器 CJ0 10 10A 线圈电压 110V 1 M2 正转 KM4 接触器 CJ0 10 10A 线圈电压 110V 1 M2 反转 SB1 SB2按钮 LA2 绿色 2 M1 启动 SB3 SB4按钮 LA2 黑色 2 快速进给点动 SB5 SB6按钮 LA2 红色 2 停止 制动 YC1 电磁离合器 B1DL 1 主轴制动 YC2 电磁离合器 B1DL 1 正常进给 YC3 电磁离合器 B1DL 1 快速进给 SQ1 位置开关 LX3 11K 开启式 1 主轴冲动开关 SQ2 位置开关 LX3 11K 开启式进给冲动开关 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 8 代号名称 型号规格数量用途 SQ3 位置开关 LX3 131 单轮自动复位 SQ4 位置开关 LX3 131 单轮自动复位 SQ5 位置开关 LX3 11K 开启式 SQ6 位置开关 LX3 11K 开启式 M2 正 反转及联锁 2 4 电力拖动特点及控制要求 1 主轴电动机需要正反转 但方向的改变并不频繁 根据加工工艺的要求 有 的工件需要顺铣 电动机正转 有的工件需要逆铣 电动机反转 大多情况下是一 批或多批工件只用一种方向铣削 并不需要经常改变电动机的转向 因此 可用电源 相序转换开关实现主轴电动机的正反转 节省一个反向转动接触器 2 铣刀的铣削是一种不连续的切削 容易使机械传动系统发生振动 为了避免 这种现象 在主轴传动系统中装有惯性轮但在高速切削后 停车很费时间 故采用电 磁离合器制动 3 工作台既可以做六个方向上的进给 又可以在六个方向上快速移动 4 为了防止刀具和机床的损坏 要求只有主轴旋转后 才允许有进给运动 为 了减小加工工件表面的粗糙度 只有进给停止后主轴才能停止或同时停止 本机床在 电气上采用了主轴和进给同时停止的方式 但由于主轴运动的惯性很大 实际上就保 证了进给运动先停止 主轴运动后停止的要求 5 主轴运动和进给运动采用变速盘来进行速度选择 为保证变速齿轮进入良好 啮合状态 两种运动都要求变速后作瞬时点动 2 5 电气控制线路 X62w 万能铣床的电气控制线路 分为主电路 控制电路和照明的路三部分 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 9 图 2 3 X62W 原理图万能铣床电气控制电路图 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 10 2 6 电气控制线路分析 2 6 1 主电路分析 主电路中共有三台电动机 M1 是主电动机 拖动主轴带动铣刀进行铣削加工 M2 是工作台进给电动机 拖动升降台及工作台进给 M3 是冷却泵电动机 供应冷却液 每台电动机均有热继电器作过载保护 2 6 2 控制电路分析 1 主轴电动机的控制 控制线路中的启动按钮 SB1 和 SB2 是异地控制按钮 分别装在机床两处 方便操 作 SB5 和 SB6 是停止按钮 KM1 是主轴电动机 M1 的启动接触器 YC1 则是主轴制动用 的电磁离合器 SQ1 是主轴变速冲动的行程开关 主轴电动机是经过弹性联轴器和变速 机构的齿轮传动链来实现传动的 可使主轴获得十八级不同的转速 1 主轴电动机的启动 启动前先合上电源开关 QS1 再把主轴转换开关 SA3 扳到所需要的旋转方向 然后 按启动按钮 SB1 或 SB2 接触器 KM1 获电动作 其主触头闭合 主轴电动机 M1 启动 SA3 的功能见表 2 2 所示 正转时 SA3 2 SA3 3 两开关触点分别接通 反转时 SA3 1 SA3 4 分别接通 停止时都不接通 表 2 2 主轴转换开关位置表 2 主轴电动机的停车制动 当铣削完毕 需要主轴电动机 M1 停车时 按停止按钮 SB5 或 SB6 接触器 KM1 线圈断电 释放 电动机 M1 停电 同时由于 SB5 2 或 SB6 2 接通电磁离合器 YC1 对主轴电机进行制 动 当主轴停车后方可松开停止按钮 3 主轴换铣刀控制 主轴更换铣刀时 为避免主轴转动 造成 更换困难 应将主轴制动 方法是将转换 位 触 置 头 正转停止反转 SA3 1 SA3 2 SA3 3 SA3 4 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 11 开关 SA1 扳到换刀位置 常开触头 SA1 1 闭合 电磁离合器 YC1 获电 将电动机轴抱 住 同时常闭触头 SA1 2 断开 切断控制电路 机床无法运行 保证了人身安全 4 主轴变速时的冲动控制 主轴变速时的冲动控制 是利用变速手柄与冲动行程开关 SQ1 通过机械上的联动 机构进行控制的 将变速手柄拉开 啮合好的齿轮脱离 可以用变速盘调整所需要的转速 实质是 改变齿轮的传动比 然后将变速手柄推回原位 使变了传动比的齿轮组重新啮合 由 于齿与齿之间的位置不能刚好对上 因而造成啮合困难 若在啮合时齿轮系统冲动一 下 啮合将十分方便 当手柄推进时 手柄上装的凸轮将弹簧杆推动一下又返回 而 弹簧杆又推动一下位置开关 SQ1 SQ1 的常闭触头 SQ1 2 先断开 而后常开触头 SQ1 1 闭合 使接触器 KM1 通电吸合 电动机 M1 启动 但紧接着凸轮放开弹簧杆 SQ1 复位 常开触头 SQ1 1 先断开 常闭触头 SQ1 2 后闭合 电动机 M1 断电 此时并未采取制动 措施 故电动机 M1 产生一个冲动齿轮系统的力 足以使齿轮系统抖动 保证了齿轮的 顺利啮合 2 工作台进给电动机的控制 转换开关 SA2 是控制圆工作台的 在不需要圆工作台运动时 转换开关 SA2 扳到 断开 位置 此时 SA2 1 闭合 SA2 2 断开 SA2 3 闭合 当需要圆工作台运动时 将转换关 SA2 扳到 接通 位置 则 SA2 1 断开 SA2 2 闭合 SA2 3 断开 SA2 的功 能如表 2 3 所示 表 2 3 圆工作台开关位 置 1 工作台纵向进给 工作台的左右 纵向 运动是由 工作台纵向操作 手柄 来控制 手柄有三个位置 向左 向右 零位 停止 其控制关系见表 2 4 当手柄扳到向左或 向右位置时 手柄有两个功能 一是压下位置开关 SQ5 或 SQ6 二是通过机械机构将电动机的传动链拨 向工作台下面的丝杠上 使电动机的动力唯一的地传 到该丝杠上 工作台在丝杠的带动下作左右进给 在工作台两端各设置一块挡铁 当 工作台纵向移动到极限位置时 挡铁撞动纵向操作手柄 使它回到中间位置 工作台 位 触 置 头 接通断开 SA2 1 SA2 2 SA2 3 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 12 停止运动 从而实现纵向运动的终端保护 a 工作台向右运动 表 2 4 工作台纵向进给开关位置 主轴电动机 M1 启动后 将操纵手柄向右扳 其联动机构压到位置开关 SQ5 常开触头 SQ5 1 闭合 常闭触头 SQ5 2 断开 接触器 KM3 通电吸 合 电动机 M2 正转启动 带动工作台向右进给 b 工作台向左进给 控制过程与向右相似 只是将操作手柄拨向 左 这时位置开关 SQ6 被压着 SQ6 1 被压着闭 合 SQ6 2 断开 接触器 KM4 通电吸合 电动机 反转 工作台向左进给 2 工作台升降和横向 前后 进给 操纵工作台上下和前后运动时用同一手柄完成的 该手柄有五个位置 即上 下 前 后和中间位置 当手柄扳向向上或向下时 机械上接通了垂直进给离合器 当手 柄扳向前或后时 机械上接通了横向进给离合器 手柄在中间位置时 横向和垂直进 给离合器均不接通 在手柄扳到向下或向前位置时 手柄通过机械联动机构使位置开关 SQ3 被压动 接触 器 KM3 通电吸合 电动机正转 在手柄扳到向上或向后时 位置开关 SQ4 被压动 接 触器 KM4 通电吸合 电动机反转 对应操纵手柄的五个位置 可列出与之对应的运动状态 见表 2 5 表 2 5 工作台横向与垂直操纵手柄功能 手柄 位置 工作台运动方向离合器接 通的丝杠 行程开关 动作 接触器 动作 电动机 运转 向上向上进给或快速向上垂直丝杠 SQ4KM4 M2 反转 向下向下进给或快速向下垂直丝杠 SQ3KM3 M2 正转 向前向前进给或快速向前横向丝杠 SQ3KM3 M2 正转 向后向后进给或快速向后横向丝杠 SQ4KM4 M2 反转 中间升降或横向停止横向丝杠 此五个位置是联锁的 各个方向的进给不 位 触 置 头 左停右 SQ5 1 SQ5 2 SQ6 1 SQ6 2 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 13 能同时接通 所以不可能同时传动紊乱的现象 a 工作台向上 下 运动 在主轴电机启动后 将操纵手柄扳到中间位置 把横向和升降操作手柄扳到向上 下 位置 其联动机构一方面接通垂直传动丝杠的离合器 令一方面它使位置开关 SQ4 SQ3 动作 KM4 KM3 获电 电动机 M2 反 正 转 工作台向上 下 运动 将 手柄扳回中间位置 工作台停止运动 b 工作台向前 后 运动 手柄扳到向前 后 位置 机械装置将横向传动丝杠的 离合器接通 同时压动位置开关 SQ3 SQ4 KM3 KM4 获电 电动机 M2 正 反 转 工作台向前 后 运动 c 联锁问题 单独对垂直和横向操作手柄而言 上下前后四个方向只能选择其一 绝不会出现 两个方向的可能性 但在操作这个手柄时 又将控制纵向的手柄拨动了 这时有两个 方向进给 将造成机床重大事故 所以必须联锁保护 从图 2 2 可以看出 若纵向手 柄扳到任一方向 SQ5 2 或 SQ6 2 两个位置开关中的一个被压开 接触器 KM3 或 KM4 立 刻失电 电动机 M2 停转 从而得到保护 同理 当纵向操作手柄扳到某一方向而选择了向左或向右进给时 SQ5 或 SQ6 被压 着 它们的常闭触头 SQ5 2 或 SQ6 2 是断开的 接触器 KM3 或 KM4 都由 SQ3 2 和 SQ4 2 接通 若发生误操作 使操作和横向操作手柄扳离了自己位置 而选择上 下 前 后某一方向的进给就一定使 SQ3 2 或 SQ4 2 断开 使 KM3 或 KM4 断电释放 电动机 M2 停转运转 避免了机床事故 3 进给变速冲动 和主轴变速一样 进给变速时 为使齿轮进入良好的啮合状态 也要做变速后的 瞬时点动 在进给变速时 只需将变速盘 在升降台前面 往外拉 使进给齿轮松开 待转动变速盘以后 将变速盘向里推 在推进时 挡块压动位置开关 SQ2 首先使常闭 触头 SQ2 2 断开 然后常开触头 SQ2 1 闭合 接触器 KM3 通电吸合 电动机 M2 启动 但它并未运转起来 位置开关 SQ2 已复位 首先断开 SQ2 1 而后闭合 SQ2 2 接触器 KM3 失电 电动机失电停转 这样以来 使电动机接通一下电源 齿轮系统产生一次抖 动 使齿轮啮合顺利进行 4 工作台的快速移动 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 14 为了提高劳动生产率 减少生产辅助时间 X62W 万能铣床在加工过程中 不做铣 削加工时 要求工作台快速移动 当进入铣削区时 要求工作台以原进给速度移动 安装好工件后 按下按钮 SB3 或 SB4 两地控制 接触器 KM2 通电吸合 它的一 个常开触头接通进给控制电路 另一个常开触头接通电磁离合器 YC3 常闭触头切断电 磁离合器 YC2 离合器 YC2 吸合将使齿轮系统和变速进给系统相联 而离合器 YC3 则是 快速进给变换用的 它的吸合 使进给传动系统跳过齿轮变速链 电动机可直接拖动 丝杠套 让工作台快速进给 进给的方向 仍由进给操作手柄来决定 当快速移动到 预订网站时 松开按钮 SB3 或 SB4 接触器 KM2 断电释放 YC3 断开 YC2 吸合 工作 台的快速移动停止 仍按原来方向做进给运动 3 圆工作台的控制 为了扩大机床的加工能力 可在机床上安装附件圆形工作台 这样可以进行圆弧 或凸轮的铣削加工 在拖动时 所有进给系统均停止工作 手柄放置在零位上 只让 圆工作台绕轴心回转 当工件在圆工作台安装好后 用快速移动方法 将铣刀和工件之间位置调整好 把圆工作台控制开关拨到 接通 位置 这个开关就是 SA2 此时 SA2 1 和 SA2 3 断开 SA2 2 闭合 当主电动机启动后 圆工作台即开始工作 其控制电路是 电源 SQ2 2 SQ3 2 SQ4 2 SQ6 2 SQ5 2 SA2 2 KM4 常闭 KM3 线圈 电源 接触器 KM3 通电吸合 电动机 M2 正转 该电机带动一根专用轴 使圆工作台绕轴心回转 铣 刀铣出圆弧 在圆工作台开动时 其余进给一律不准运动 若有误操作 拨动了两个 进给手柄中的任一个 则必然会使位置开关 SQ3 SQ6 中的某一个被压动 则其常闭触 头将断开 使电动机停转 从而避免了机床事故 圆工作台在运转过程中不要求调速 也不要求反转 按下主轴停按钮 SB5 或 SB6 主轴停转 圆工作台也停转 2 6 3 冷却和照明控制 冷却泵只有在主电动机启动后才能启动 所以主电路中将 M3 接在主接触器 KM1 触 头后面 另外又可以用开关 QS2 控制 机床照明由变压器 T1 供给 24V 安全电压 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 15 3 方案论证 3 1 机床传统控制方式与 PLC 的比较 铣床原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 而且经常出现故障 可靠性比较差 与传统的继电器控制相比 PLC 控制具有可靠性高 柔性好 开发周期短以及故障自诊断等特点 特别适合应用于机床的控制和故障诊断 系统 可以减少强电元件数目 提高电气控制系统的稳定性和可靠性 从而提高产品 的品质和生产效率 3 2 现代 PLC 控制即本系统的优点 随着今年来 PLC 技术的不断成熟与发展 它的优势越多的在社会各种领域得以应 用 本系统具体的应用表现于 1 PLC 具有很高的可靠性和很强的抗干扰能力 良好的自诊断功能 平均无故障 工作时间可达数万小时 当本系统电动机的台数较多时 其系统的继电器触点较多 易出现触点不良造成的故障等 用软件代替传统继电器的控制中的中间和时间继电器 仅剩下与输入和输出有关的少量硬件 从而使接线大大减少 连接的触点也大为减小 故障率也大大降低 2 丰富的 I O 接口模块可直接使其与控制现场的器件或设备 如按钮 行程开 关 传感器 电磁线圈等 连接 如本系统可将电机的控制信号经按钮直接输入 PLC 因其具 A D 转换功能 3 灵活性好 大部分 PLC 均采用模块化结构 就是整体式的 PLC 也有可扩展的 模块或扩展单元 即可根据控制的规模选择 模块式的 PLC 更能灵活的选择 诸如 CPU 电源 I O 等 即其可根据需要自行选配 本系统中选用的 I O 为 80 点的基本单 元 当控制的电机过多点数不够时 即可通过扩展模块或单元来增大控制能力 4 编程简单易学 PLC 大多采用梯形图作为主要编程语言 是面向用户的 其表 达方式类似于继电器控制系统图 与传统的电气图联系较大 很形象直观 可以说懂 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 16 电器图即可编写梯形图 而且已有可直接读出梯形的 PLC 编程器 甚至可免 PLC 编程 5 系统安装简单 维修方便 其使用时 只要将现场的各设备与 PLC 相应的 I O 端相连 即可运行 PLC 只有两三个接触器大小 直接按于控制柜即可 且具有运行和 故障的指示灯及指示装置 如每个 I O 点经指示灯 CPU 报告的错误信息经屏幕显示 综上 以 PLC 为控制系统的方案 其系统具有较高的简洁性 经济性及可靠性 3 3 改造方案的确定 1 不改变原控制系统电气操作方法 2 不改变原电气系统控制元件 包括行程开关 按钮 交流接触器 中间继电器 以 上元件的数量 作用均与原电气线路相同 3 原控制线路中热继电器仍用硬件控制 因过载使用几率较少 4 指示灯接线仍和原控制线路相同 5 原主轴和进给变速箱操作方法和结构不变 6 原铣床的工艺加工方法不变 7 只是将原继电器控制中的硬件接线改为用软件编程来替代 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 17 4 X62W 万能铣床电气控制线路 PLC 的硬件改造 4 1 PlC 的基本定义和 PLC 的主要特点 4 1 1 PLC 的基本定义 可编程控制器 Programmable Controller 是计算机家族中的一员 是为工业控制 应用而设计制造的 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 简称PLC 它主要用来代替继电器实现逻辑控制 随着技术的发展 这 种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围 因此 今天这种装置称作可编程控制 器 简称PC 但是为了避免与个人计算机 Personal Computer 的简称混淆 所以将可 编程控制器简称PLC 4 1 2 PLC 的主要特点 1 高可靠性 1 所有的I O接口电路均采用光电隔离 使工业现场的外电路与PLC内部电路之间 电气上隔离 2 各输入端均采用R C滤波器 其滤波时间常数一般为10 20ms 3 各模块均采用屏蔽措施 以防止辐射干扰 4 采用性能优良的开关电源 5 对采用的器件进行严格的筛选 6 良好的自诊断功能 一旦电源或其他软 硬件发生异常情况 CPU立即采用有 效措施 以防止故障扩大 7 大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统 使可靠性更 进一步提高 2 丰富的I O接口模块 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 18 PLC针对不同的工业现场信号 如 交流或直流 开关量或模拟量 电压或电 流 脉冲或电位 强电或弱电等 有相应的I O模块与工业现场的器件或设备 如 按 钮 行程开关 接近开关 传感器及变送器 电磁线圈 控制阀等直接连接 另外为 了提高操作性能 它还有多种人 机对话的接口模块 为了组成工业局部网络 它还 有多种通讯联网的接口模块 等等 3 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要 除了单元式的小型PLC以外 绝大多数PLC均采用模 块化结构 PLC的各个部件 包括CPU 电源 I O等均采用模块化设计 由机架及电缆 将各模块连接起来 系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合 4 编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式 对使用者来说 不需要具备计算机的专门知识 因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握 5 安装简单 维修方便 PLC不需要专门的机房 可以在各种工业环境下直接运行 使用时只需将现场 的各种设备与PLC相应的I O端相连接 即可投入运行 各种模块上均有运行和故障指 示装置 便于用户了解运行情况和查找故障 由于采用模块化结构 因此一旦某模块 发生故障 用户可以通过更换模块的方法 使系统迅速恢复运行 4 2 X62W 铣床 PLC 控制系统的分析 根据实际情况 在铣床的电气改造过程中 保留原有的机械操作不变 将原来继 电器控制的线路用 PLC 控制系统取代 按照 PLC 控制系统设计的一般步骤 X62W 铣床 PLC 控制系统属于典型的单机控制系统 输入 输出信号均为开关控制量 一般的继电 器输出型 PLC 就可以满足控制上的要求 又由于 X62W 铣床不属于大型机床 输入信号 传输距离不大 控制电路比较集中 不必采用单独的控制柜来安装电器元件 为了提 高整个系统的可靠性 安全性 考虑到系统的成本 系统的组织电动机正 反转及冷 却泵电动机部分控制将不采用 PLC 控制 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 19 4 3 PLC 的选型及校验 X62W 铣床电路中输入 输出及控制信号共有 28 个 其中输入信号 18 个 输出信号 10 个 实际使用时 系统的输入都为开关控制量 加上 10 15 的余量就可以了 并 无其他特殊控制模块的需要 故选用日本三菱公司的 FX2N 48MR 001 型 PLC AC 电源 24V 直流输入 继电器输出 输入点数 24 输出点数 24 FX2N 是 FX 系列中功能最强 速度最高的微型可编程序控制器 基本指令执行时每条指令高达 0 08 s 用户存储 器容量可扩展到 16K 步 I O 它的点最大可扩展到 256 点 可有多种特殊功能扩展 实 现多种特殊控制功能 PID 高速计数 A D D A 等 有多种 RS 232 RS 422 RS 485 串行通信模块或功能扩展板 可实现模拟量控制 位置控制和联网通信功能 可满 足机床 10 点输出 18 点输入的要求 PLC 的供电电源为隔离变压器提供 这样可以减 少电网波动或噪声对 PLC 的干扰 4 4 PLC 的 I O 端口的分配 表 4 1 I O 分配表 输入元件输入继电器作用输出元件输出继电器作用 SB1 SB2 X0 主轴启动按钮 KM1Y0 主轴启动 SB3 SB4 X1 快速点动按钮 KM2Y1 快速进给 SB5 SB6 X2 主轴停止按钮 KM3Y2 进给正转 SQ1X3 主轴变速开关 KM4Y3 进给反转 SQ2X4 进给变速开关 YC1Y4 主轴制动 SQ3X5 下前进给开关 YC2Y5 正常进给 SQ4X6 上后进给开关 YC3Y6 快速进给 SQ5X7 向左进给开关 HL1Y7 主轴工作指示 SQ6X10 向右进给开关 HL2Y10 主轴制动指示 SA1X11 主轴换刀开关 HL3Y11 正常进给指示 SA2X12 圆工作台开关 HL4Y12 快速进给指示 FR1X13 主轴过载保护 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 20 FR2X14 冷却过载保护 FR3X15 进给过载保护 4 5 系统控制的安装设计 图 4 1 为 X62W 的主电路图 在 X62W 型万能铣床 PLC 控制接线图中 需要注意的 是 图 4 2 中对输入的常闭触点进行了处理 即常闭按钮改用常开按钮 热继电器的 常闭触点不变 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 21 图 4 1 X62W 万能铣床 PLC 控制接线图 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 22 图 4 2 X62W 万能铣床 PLC 控制接线图 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 23 5 X62W 万能铣床电气控制线路 PLC 的软件改造 5 1 梯形图控制分析 在 X62W 万能铣床 PLC 控制梯形图中 如图 5 1 回路 0 控制主轴启动 回路 9 控 制快速进给点动 回路 16 控制工作台分别作纵向 横向 垂直 变速等运动以及圆盘 运动 回路 41 控制主轴制动 回路 46 控制正常进给 回路 48 控制工作台快速进给 图 5 1 X62W 万能铣床 PLC 控制梯形图 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 24 5 1 1 主轴控制电路分析 1 主轴电动机启动 启动前先合上电源开关 QS1 再把主轴转换开关 SA3 扳到所需的旋转方向 然后按 启动按钮 SB1 或 SB2 X0 闭合 Y0 得电 KM1 工作 主轴的电动机运转 2 主轴电动机的停车制动 按主轴停止按钮 SB5 或 SB6 这时 X2 常闭断开 Y0 失电 KM1 断开 主轴电动 机失电作惯性运动 接着 X2 常开闭合 Y4 得电 电磁离合器 YC1 工作 对主轴进行制 动 待主轴停车后 松开 SB5 或 SB6 3 主轴换铣刀控制 SA1 是主轴换铣刀开关 需换刀时 将 SA1 扳到 换刀 位置 这时 X11 常闭断开 使 Y0 失电 KM1 断开 主轴电动机失电作惯性运动 接着 X11 常开闭合 Y4 得电 电 磁离合器 YC1 得电工作 对主轴进行制动 使基层无法运行 保证了人身安全 4 主轴变速冲动控制 主轴变速时的冲动控制是利用变速手柄与冲动行程开关 SQ1 通过机械上的联动机 构进行控制 变速时 扳操纵手柄使 SQ1 动作 这时 X3 常闭断开 断开自锁回路 X3 常开闭合 使 Y0 得电 KM1 工作 主轴电动机实现点动控制 转换开关 SA2 是控制 圆工作台的 在不需要圆工作台时 转换开关 SA2 扳到 断开 位置 此时 X12 常闭 闭合 常开断开 当需要圆工作台时 转换开关 SA2 扳到 接通 位置 此时 X12 常 闭断开 常开闭合 5 1 2 进给控制电路分析 1 工作台左 右 控制 主轴电动机启动后 将操纵手柄向左 右 扳 其联动机构压动位置开关 SQ5 SQ6 使 X7 X10 常闭断开 联锁保护 X7 X10 常开闭合 Y2 Y3 得电 KM2 KM3 工作 进给电动机实现正 反 转 通过相应传动装置拖动工作台向左 右运动 2 工作台下 前 上 后 控制 湖南电气职业技术学院毕业设计 论文 25 主轴电动机启动后 将操纵手柄分必然想下 前 上 后 扳 其联动机构压动 位置开关 SQ3 SQ4 使 X5 X6 常闭断开 联锁保护 X5 X6 常开闭合 Y2 Y3 得电 KM2 KM3 工作 进给电动机实现正 反 转 通过相应传动装置拖动工作台向下 前 上 后 运动 3 进给变速传动控制 与主轴变速原理一样 变速时只需将变速盘往外拉 使进给齿轮松开 待转动变 速盘选择好速度后 将变速盘向里推 在推进时 挡块压动位置开关 SQ2 使 X4 常闭 断开 断开自锁回路 X4 常开闭合 Y1 得电 KM2 工作 进给电动机实现点动控制 4 工作台快速移动控制 按下快速点动按钮 SB3 或 SB4 X1 接通 Y1 得电 KM2 动作 它的一个常开触 点接通进给控制电路 另一个则接通快速进给电磁离合器 YC3 常闭触点切断正常进给 电磁离合器 YC2 让工作台实现快速进给 松开 SB3 或 SB4 X1 断开 Y1 失电 此 时 YC3 失电 YC2 得电 工作台快速移动停止 仍按原方向作正常进给运动 5 圆工作台的控制 当需要加工螺旋槽时 应将工件安装在圆工作台上 调整好铣刀和工件之间的位 置 主轴电动机切断后 将开工 SA2 扳到 接通 位置 X12 常闭断开 联锁保护 X12 常开闭合 Y1 得电 KM2 工作 进给电动机通过相应传动装置拖动圆工作台开始工 作 值得注意的是 当圆工作台在运转过程中 既不要求调速 也不要求反转 5 2 PLC 控制指令语句表 表 5 1 X62W 万能铣床 PLC 控制指令语句表 0LDX00026ORB 1ORX00327ANB 2ORY00028ANIX015 3ANIX00229ANIY003 4 ANIX01130OUTY002 5ANIX01331MPP 6ANI