毕业设计（论文）-基于镗床的PLC设计.doc

I 目录目录 摘摘要要 错误 未定义书签 ABSTRACT 错误 未定义书签 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 1 PLC 控制技术的产生与发展 1 1 2 PLC 国内外的应用现状 1 1 3 PLC 的特点 2 1 4 PLC 控制系统的设计方法 4 1 4 1 PLC 控制系统设计基本内容 4 1 4 2 PLC 控制系统设计的一般步骤 4 1 5 我国机床行业的现状以及面临的问题 5 1 6 本章小结 6 第第 2 章章 系统方案的设计系统方案的设计 7 2 1 镗床的分类及选用 7 2 1 1 镗床的主要结构 8 2 1 2 镗床的运动形式 9 2 1 3 镗床对电器控制电路的要求 9 2 1 4 镗床的电力拖动的要求及控制特点 10 2 2 镗床原继电线路改造的必要性 10 2 2 1 镗床原继电线路的缺点 10 2 2 2 镗床继电线路改造方案的比较 11 2 3 镗床的 PLC 改造的思路 12 2 3 改造方案的确定 12 2 4 本章小结 13 第第 3 章章 镗床改造的硬件设计镗床改造的硬件设计 14 3 1 T68 型卧式镗床主电路以及控制电路及其分析 14 3 1 1 主电路的分析 14 3 1 2 镗床原有控制电路分析 15 3 1 3 辅助电路分析 17 3 2 主电动机的选型 18 3 2 1 双速电机简介 18 3 2 2 主电动机的选型 19 3 3 其他电气元件的选型 20 3 4 PLC 的选型与容量的确定 22 3 4 1 PLC 的选型 22 3 4 2 PLC 容量确定 24 3 4 3 I O 模块的选择 24 3 5 PLC 控制镗床运动的大致框图 25 3 6 PLC I O 分配表 26 3 7 PLC 的外部接线图 27 3 8 镗床的改造说明 28 3 8 本章小结 28 第第 4 章章 镗床改造的软件设计及调试镗床改造的软件设计及调试 29 4 1 PLC 编程语言的选择 29 4 2 PLC 软件设计方法 30 4 3 软件设计 31 4 4 系统调试 41 4 4 1 程序的仿真 41 4 4 2 PLC 仿真软件调试的监控结果 41 4 4 镗床的 PLC 改造注意的问题 42 4 5 本章小结 43 总总 结结 44 致谢致谢 45 参考文献参考文献 46 附录附录 A 48 附录附录 B 49 附录附录 C 50 第一章 绪论 1 第第 1 章章 绪论绪论 随 着 微 电子 技 术 控 制 技 术 及 信 息 技 术 的 不 断 发 展 PLC Programmable Lo gic Controller 即可编程逻辑控制器 控制技术也得到了迅速的发展 本章首先讲 述了 PLC 控制技术的产生 发展 国内外应用现状 与其他控制技术的区别 然后介 绍了基于 PLC 的磨线机控制系统的来源 研究背景 研究现状及研究意义 1 1 PLC 控制技术的产生与发展控制技术的产生与发展 广义来讲 可编程控制器也是一种计算机控制系统 只不过比一般的计算机具有 更强的与工业过程相连接的借口和更直接适用在控制要求的编程语言 所以PLC 与 计算机控制系统的组成非常相似 也具有中央处理单元 存储器 输入 输出借口 电 源等 PLC 的发展可分为三个阶段 第一阶段 70 年代中期 为实用化发展阶段 第 二阶段 70 年代末期 为成熟阶段 第三阶段 90 年代 为加速发展阶段 在这时期 内 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 PLC 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 PLC 成为当今增长速度最快的工业自动 化控制设备 1 2 PLC 国内外的应用现状国内外的应用现状 自动化正以超快速增长的趋势成为现代社会不可或缺的部分 也成为制造商快速 服务全球市场的关键 我国工业发展及自动化应用水平与工业发达国家相比有几十年的滞后 按目前的 经济形势分析 我国将迎来一个 PLC 市场高速增长的时期 基于中国经济稳定迅速增 长的现状 今后若干年内中国 PLC 市场将保持持续高速增长 相关数据显示 初步估 计目前在我国本土销售的 PLC 总量为 30 40 亿元人民币 不含随进口主设备配套的 PLC 年增长率为 15 20 巨大的市场需求为发展 PLC 业务提供了难得的历史机 遇 国内有实力的自动化公司应充分利用在市场 技术 行业影响和品牌等方面的积 累 大力拓展 PLC 业务 使国产 PLC 早日成为中国 PLC 市场的主要参与者之一 目前 PLC 的应用已不局限于传统制造领域 PLC 的控制技术在各行业已得到成 功的运用 在国内 杨健等人引进 PLC 控制技术 设计了水净化工艺控制系统 PLC 在该系统的水净化过程中控制加药加氯动作 实现了水处理系统的自动化 减轻了工 人的劳动强度 取得了不错的效果 在裂纹检测领域 王建国等人设计的基于PLC 的裂纹检测台 很好的发挥了 PLC 控制系统的稳定性 智能化的优点 在太阳能开发 领域 耿立明等人成功设计了基于 PLC 的太阳能热水器控制系统 在该系统中 PLC 通过控制液位 电源的通断 采集温度和风压等数据实现了自动控制的功能 在煤炭 生产领域 吕书勇利用 PLC 控制技术的优点 设计的基于 PLC 的焦化备煤控制系统 实现了金马焦化厂备煤过程 满足了生产需要 提高了企业生产效率 在汽车轮毂等 转轴零件的检测中取得了良好效果 在垃圾处理领域 郭瑞国设计的基于PLC 的垃 圾焚烧炉控制系统 发挥了 PLC 控制系统稳定 可靠 便于操作 易于控制的优点 保证了垃圾焚烧炉安全经济运行 炉温稳定 尾气污染控制达标 在船舶领域 董猛 利用 PLC 控制技术抗干扰能力强 组成的控制系统硬件电路结构简单等特点 实现船 舶主机遥控系统的主要功能 设计了基于 PLC 的船舶主机遥控系统 特别适合于在中 小型船舶上应用 也可应用于在航船舶的主机遥控系统的改造设计中 在国外 D W Russell 在设计的工厂信息系统中 将 PLC 应用于采集 预处理并 传送实时数据给计算机 节约了成本 保证了系统的稳定性 收到了很好的效果 Atef A Ata 等人在机器人应用于颜色识别的研究中也成功引入了 PLC 技术 在生物研 究领域 Frederico 等人为了研究微生物在不同浓度氧气环境中的生长和生产情况 在 使用的带氧化功能的生物反应器中 PLC 被用来自动控制氧气的浓度 获得了成功的 应用 1 3 PLC 的特点的特点 在实际中 一般 PLC 功能的强弱与其 I O 点数的多少是相互关联的 即 PLC 的 功能越强 其可配置的 I O 点数越多 因此 通常我们所说的小型 中型 大型 PLC 除指其 I O 点数不同外 同时也表示其对应功能为低档 中档 高档 PLC 技术之所以高速发展 除了工业自动化的客观需要外 主要是因为它具有许 多独特的优点 它较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠 安全 灵活 方便 经 济等问题 主要有以下特点 一 可靠性高 抗干扰能力强 高可靠性是电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 的平均无故障工作时间则更长 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 二 配套齐全 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 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 第一章 绪论 3 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 三 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 四 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造 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 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 五 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 重量小于 150g 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 主要功能为 1 开关量控制功能 现代可编程序控制器可以取代传统的继电器 完成开关量的控制 可编程序控制 器中所有软继电器及其触点数量很多 可以实现各种简单和复杂的逻辑控制 2 模拟量控制 可编程序控制器中的微处理器 CPU 只处理数字量 可编程序控制器中配置了 A D 和 D A 转换模块 把现场输入的模拟量经 A D 转换后送微处理器处理 而微处理 器处理结果的数字量 经 D A 转换后 变换成模拟量控制被控设备 以完成对连续量 温度 压力 流量 液位和速度等 的控制 3 定时控制 可编程序控制器可以提供相当数量的定时器 定时时间可在较大范围内任意设定 使用非常灵活 方便 4 计数控制 可编程序控制器可以提供众多计数器 完全能满足生产过程的计数要求 5 步进控制 可编程序控制器设置了一定数量长度可变的移位寄存器 很容易满足各种步进控 制要求 6 数据处理 一般可编程序控制器都设置有四则混合运算指令 可以方便地对生产过程中的数 据进行处理 7 自诊断功能 可编程序控制器对电源 程序语法 动作状态等作自诊断 并用代码显示诊断结 果 在发生异常时能自动终止运作 8 定位控制 可编程序控制器中的轴定位模块可以组成开环或闭环定位控制系统 以控制加工 时定位运动 可变速定位运动 强制定位运动和自动找原点等 9 通信联网功能 某些控制系统需要多台可编程序控制器连接起来使用或由一台计算机与多台可编 程序控制器组成分布式控制系统 可编程序控制器配置的通信模块可以满足这些通信 联网要求 10 显示打印功能 可编程序控制器可以连接显示终端和打印机等外部设备 从而实现显示和打印功 能 1 4 PLC 控制系统的设计方法控制系统的设计方法 1 4 1 PLC 控制系统设计基本内容控制系统设计基本内容 1 考虑设计的控制系统是否需要双机热备用 这包括系统热备用 电源热备用 CPU热备用 数据线热备用等 根据系统对可靠性的要求设计 2 设计控制系统的电源供电系统 包括 I O电源和传感器电源 3 选择输入设备 按钮 操作开关 限位开关 传感器等 输出设备 继电器 接触器 信号灯等执行元件 以及由输出设备驱动的控制对象 电动机 电磁阀等 4 PLC的选择 PLC是PLC控制系统的核心部件 正确选择 PLC对于保证整个 控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用选择 PIC应包括机型的选择 容量的选 择 I O模块的选择 电耗模块的选择等 5 分配I O点 绘制I O连接图和电气施工图 6 设计控制程序 包括设计梯形图 语句表 即程序清单 或控制系统流程图 控制程序是控制整个系统工作的软件 是保证系统工作正常 安全 可靠的关键 控 制程序的设计必须经过反复调试 修改 直到满足要求为止 7 设计控制柜和控制箱 8 编制控制系统的技术文件 包括说明书 电气图 电气原理图 电器布置图 及电气安装图 I O连接图 I O端口分配表 程序图 如梯形图 及电气元件明细表等 第一章 绪论 5 1 4 2 PLC 控制系统设计的一般步骤控制系统设计的一般步骤 PLC控制系统的设计步骤如下 1 根据生产的工艺过程分析控制要求 如需要完成的动作 动作顺序 动作条 件 必须的保护和联锁等 操作方式 手动 自动 连续 单周期 单步等 对于较复 杂的控制系统 需绘制系统控制流程图 用以清楚地表明动作的顺序和条件 2 根据控制要求确定所需的用户输入 输出设备 据此确定 PLC的I O点数 分配PLC的I O点 做出PLC的I O端口表 3 选择PLC 设计I O连接图 4 进行PLC程序设计 编制程序清单 同时可进行控制台 柜 的设计和现场施 工 5 对程序进行离线检查和修改 然后在最小 PLC系统 只有电源和CPU构成的 系统 上在线模拟实际系统的各种可能运行情况 进行调试和修改 直到满足要求为止 6 安装测试 对于单机单控 CPU一般和强电系统一起安装在机旁控制柜中对 于大中型系统 配置可包括操作控制台 监控模拟屏 PLC主机柜 系统专用电源 待控制台 控制柜 控制箱及现场施工完成后 就可以进行联机调试 运行 首先 不接输出控制信号 利用输入信号来检查系统控制逻辑 其次 不通过控制逻辑 直接 置位输出控制 检查接线是否正确和执行机构是否正确动作 然后 进行整个控制系统 的联机调试 试运行 先空载后重载 如任何一个环节不满足要求 再回去修改程序 或检查接线 直到满足要求为比 7 编制技术文件 准备验收材料 8 组织验收 交付使用 1 5 我国机床行业的现状以及面临的问题我国机床行业的现状以及面临的问题 目前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 10 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 WTO 后 越来越明显的迹象表明 大陆正在成为 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 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 资金 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 有关资料表明 到 2002 年底 我国总共拥有机床约 400 万台 目前 拥有的旧机床数控化率不到 4 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 目前 部分中小型企业及高校仍广泛使用传统的继电器控制机床 这些机床经历 了比较长的历史 虽然它能在一定范围内满足单机和自动生产线的需要 但由于它的 电控系统是以继电器 接触器的硬连接为基础的 技术上比较落后 特别是其触点的 可靠性问题 直接影响了产品质量和生产效率 所以对机床的原有继电线路的改造是当务之急 1 6 本章小结本章小结 本章简单介绍了 PLC 的起源与发展 国内外现状和 PLC 的各种特点 以及 PLC 设计的介绍 最后针对我国机床行业的现状以及面临的问题 提出改造机床继电线路 的构想 是为下面机床的改造进行铺垫 第二章 镗床的基本结构 7 第第 2 章章 系统方案的设计系统方案的设计 本章讲镗床的选用到镗床原有继电线路的分析 然后从 PLC 控制 传统继电器控 制和单片机控制的比较确定 PLC 的改造方案 2 1 镗床的镗床的分类及选用分类及选用 镗床是一种精密加工机床 主要用于加工精密的孔和各孔间相互位置要求较高的 零件 镗床按结构和被加工对象一般可分为 1 卧式镗床 这种机床应用广泛且比较经济 它主要用于箱体 或支架 类零件 的孔加工及其与孔有关的其 它加工面加工 2 坐标镗床 具有精密坐标定位装置的镗床 它主要用于位置精度要求较高的 孔系 也可用于精密坐标测量 样板划线 刻度等工作 3 精镗床 用金刚石或硬质合金等刀具 进行精密镗孔的镗床 4 深孔镗床 用于镗削深孔的镗床 5 落地镗床 工件安置在落地工作台上 立柱沿床身纵向或横向运动 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 在现代化生产中 T68 型卧式镗床应用最为广泛 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 根据任务要求所知 本设计 采用 T68 型卧式镗床 T68 型卧式镗床的主要技术参数如下表 2 1 表 2 1 T68 型卧式镗床的主要参数 名称数据名称数据 主轴直径 mm85工作台尺寸 长 宽 mm1000X800 主轴锥孔Morse 5工作台最大承载 kg2000 主轴转速 r min20 1000工作台横向行程 X mm850 主电机功率 kW6 5 8 0主轴箱垂直行程 Y mm757 主轴最大钻孔直径 mm65工作台纵向行程 Z 1080 带后立 柱 主轴最大镗孔直径 mm240主轴轴向行程 W mm600 平旋盘最大镗孔直径 mm450平旋盘滑块行程 U mm170 平旋盘转速 r min10 200 14 级 快速移动电动机功率 KW2 8 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 2 1 1 镗床的镗床的主要结构主要结构 T68 卧式镗床的结构如图 2 1 所示 主要由床身 前立柱 镗床架 后立柱 尾 座 下溜板 上溜板 工作台等部分组成 3 2 1 10 9 8 7 6 5 4 11 图 2 1 T68 卧式镗床结构示意图 1 床身 2 镗头架 3 前立柱 4 平旋盘 5 镗轴 6 工作台 7 后立柱 8 尾座 9 上溜板 10 下溜板 11 刀具溜板 床身是一个整体的铸件 在它的一端固定有前立柱 在前立柱的垂直导轨上装有 镗床架 镗床架可沿导轨垂直移动 镗床架上装有主轴 主轴变速箱 进给变速箱与 操纵机构等部件 切削刀具固定在镗轴前端的锥形孔里 或装在平旋盘的刀具溜板上 在镗削加工时 镗轴一面旋转 一面沿轴向作进给运动 平行盘只能旋转 装在其上 的溜板作径向进给运动 镗轴和平行盘轴径由各自的传动链传动 因此可以独自旋转 也可以不同转速同时旋转 在床身的另一端装有后立柱 后立柱可沿床身导轨在镗轴轴线方向调整位置 在 后立柱导轨上安装有尾座 用来支撑镗轴的末端 尾座与镗头架同时升降 保证两者 的轴心在同一水平线上 安装工件的工作台安放在床身中部的导轨上 它由下溜板 上溜板与可转动的工 作台组成 下溜板可沿床身导轨作纵向运动 上溜板可沿下溜板的导轨作横向运动 工作台相对于上溜板可作回转运动 第二章 镗床的基本结构 9 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 2 1 2 镗床的镗床的运动形式运动形式 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 所以运动形式分析如下 主运动 镗轴和平旋盘的旋转运动 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 工作台的纵向进给和横向进给 辅助运动 工作台的回转 后立柱的轴向移动 尾座的垂直移动及各部分的快速 移动等 2 1 3 镗床对电器控制电路的要求镗床对电器控制电路的要求 镗床的主运动与进给运动由同一台双速电动机 M1 拖动 各方向的运动由相应手 柄选择 各自的快速移动由另一台电动机 M2 拖动 上述运动对 T68 型卧式镗床运动 对电气控制电路的要求 1 主运动与进给运动由一台双速电动机拖动 高 低速可选择 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 2 主电机用低速时 可直接启动 但用高速时 则由控制线路先起动到低速 延 时后再自动转换到高速 以减少起动电流 3 主电动机要求正反转以及点动控制 4 主电动机应设有快速准确的停车环节 5 主轴变速应有变速冲动环节 6 快速移动电动机采用正反转点动控制方式 7 进给运动和工作台不平移动两者只能取一 必须要有互锁 2 1 4 镗床的电力拖动的要求及控制特点镗床的电力拖动的要求及控制特点 T68 型卧式镗床控制的基本要求 1 为了适应各种工件的加工工艺要求 主轴旋转和进给都应有较大的调速范围 因此 该机床采用双速笼型异步电动机作为主拖动电动机 并采用机电联合调速 这 样既扩大了调速范围又使机床传动机构简化 2 进给传动和主轴及花盘旋转采用同一台电动机拖动 由于进给运动有几个方向 主轴轴向 花盘径向 主轴垂直方向 工作台横向 工作台纵向 所以要求电动机 能正反转 并有高 低速度选择 高速运转应先低速起动 各方向的进给应有电气联 锁 3 进给方向均能快速移动 因此 该机床采用另一台快速电动机 M2 拖动 正反 两个方向都能短时点动 4 为适应调整需要 要求主拖动电动机应能正反向点动 并且带有制动 2 2 镗床原继电线路改造的必要性镗床原继电线路改造的必要性 2 2 1 镗床原继电线路的缺点镗床原继电线路的缺点 在工业控制领域 为了实现弱点对强电的控制 使机械设备实现预期的要求 继 电器系统曾被广泛使用并占主导地位 继电控制系统是机床的重要组成部分 其技术 的先进与否 在很大程度上决定了整台机床的综合性能 对系统的可靠性要求越来越 高 虽然它具有结构简单 易学易懂 价格便宜的优点 但其控制过程是由硬件接线 的方式实现的 如果某一个继电器损坏 甚至仅仅是一对触点接触不良 就可能造成 系统的瘫痪 而故障的查找和排除又往往是困难的 需要花费很长的时间 如果产品 更新换代 则需要改变整个系统的控制周期 可见 继电气控制系统存在着可靠性低 适应性差的缺点 给人们在使用上带来很大的不便和遗憾 而机床作为工作母机 对电气的控制也有了很高的要求 必须有很强的抗干扰能 力 运行可靠 并且简化电气控制方式 提高机床电气的使用寿命 再者由于镗床的 运动很多 控制逻辑复杂 相互连锁繁多 采用传统的继电器控制时 需要的继电器 多 接线复杂 因此故障维修困难 费工费时 不仅加大了维修成本 而且影响设备 第二章 镗床的基本结构 11 的功效 镗床原有的继电线路面对日益复杂的控制功能已经显得无能为力 所以必须对镗 床的继电线路进行改造 2 2 2 镗床继电线路改造方案的比较 镗床继电线路改造方案的比较 目前有 3 种改造方案 传统继电器的更新 PLC 的改造和单片机的改造 传统继 电器的更新与 PLC 改造 单片机改造的比较分以下几个方面 如下表 2 2 表 2 2 各种改造方案性能比较 传统继电器控制线路的更新PLC单片机 组成原理单个继电器用连线实现逻辑工业专用微处理器构成 软件编程 以扫描方式 实现逻辑判断 以单片机组成 软件编 程 复杂程度需较多继电器连线复杂 繁 琐 简单 编程方便需外围配件 制作印刷 电路板 编程繁琐 设计周期较慢快慢 可靠性差好一般 功能及适应性差强强 可维护性复杂程度维护简单调试周期长 扩展性无硬件留有余量软件容易修改 扩展功 能十分方便 软件现场难以修改 根据上表的比较 体现了 PLC 改造的简易 可靠性高和精度高 所以本设计采用 PLC 改造镗床的控制线路 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 2 3 镗床的镗床的 PLC 改造的思路改造的思路 分析镗床的基本 结构 明确控制 要求 制定电气改造方 案 PLC改造方 案 确定输入 输出 设备信号的特点 PLC选型 PLC输入输出点 的分配 控制线路PLC的 改造 模拟调试 主轴电 机低速 正转 主轴电 机低速 反转 主轴电 机高速 正转 主轴电 机高速 反转 主轴变 速冲动 进给变 速冲动 进给电 机正转 进给电 机反转 调试成功 整理资料 上 交资料 程序调 试错误 Y N 图 2 2 镗床的 PLC 改造的思路 2 3 改造方案的确定改造方案的确定 1 原镗床的工艺加工方法不变 2 在保留主电路原有元件的基础上 不改变原控制系统电气操作方法 3 电气控制系统控制元件 包括按钮 行程开关 热继电器 接触器 作用 与原电气线路相同 第二章 镗床的基本结构 13 4 主轴和进给起动 制动 低速 高速和变速冲动的操作方法不变 5 改造原继电器控制中的硬件接线 改为 PLC编程实现 2 4 本章小结本章小结 本章开头进行了镗床的选型 然后简要介绍镗床结构以及运动形式 阐述了镗床 继电线路的缺点和镗床改造的必要性 并比较了各种镗床的改造方案 最后确定了镗 床的 PLC 改造方案 了解了镗床的工作原理以及运动形式为下面镗床 PLC 的改造提 供依据 第三章 镗床改造的硬件设计 第第 3 章章 镗床改造的硬件设计镗床改造的硬件设计 本章介绍镗床的硬件设计 开始根据镗床的参数和工作原理来选择电动机 然后 确定镗床的 I O 点 根据 I O 点选择 PLC 并画出 PLC 外部接线图 3 1 T68 型卧式镗床主电路以及控制电路及其分析型卧式镗床主电路以及控制电路及其分析 3 1 1 主电路的分析主电路的分析 FU1 FU2 KM1 KM2 KM3RR FR1 KM6 KM7 KM8 M1 KM4 KM5 M2 KS R QF 图3 1 镗床主电路图 如图 3 1 主电动机具有高速 低速两种转速 在低速时 接触器 KM1 或 KM2 KM6 及电流较小的接触器 KM3 得电 主电路构成三角形联结 高速时 先作 低速启动 然后切换到 KM1 或 KM2 KM7 KM8 得电 KM6 断电 主电路构成 双星形联结 转速上升 制动时为反接制动 KM3 断开 接入限流电阻 主电动机的 运动通过传动机构分别带动主轴 工作台进给运动 快速移动电机 M2 可以正 反向旋转 通过手柄改变机械传动链 然后带动主轴 或工作台快速移动 15 3 1 2 镗床原有控制电路分析镗床原有控制电路分析 nnn FU3 SQ6 SQ5 FR1 SB5 SB1 KA1 SB2 KA2 SQ1 KA2 KA1 KA1KA2 KM3 KT SQ KA1 KA2 SQ3 SB5 KS 1 KS 2 SQ1 SQ3 SQ2 SQ4 SB3 KA1 KA2 SB4 KS 2 KM1 KM2 KTKT KM1KM2 KM7 KM1KM2 KM5 KM6 KM5 KM4 KM6 KM7 KM8KM4 KM5 SQ8 SQ7 KM3 FU4FU5 EL HL Q1 图 3 2 镗床原控制电路图 如图 3 2 原继电控制分析 1 主电动机的起动控制 主电动机的点动控制分为正转点动和反转点动 分别由点动按钮 SB3 和 SB4 控 制 按下正向点动按钮 SB3 时 接触器 KM1 得电吸合 KM1 的动合触点又使接触器 KM6 动作 因此三相电源经接触器 KM1 的主触点 限流电阻和接触器 KM6 的主触 点接通主电动机 M1 的定子绕组 使电动机在低速下正向旋转 松开按钮 SB3 电动 机断电停止 反转点动与正转点动的动作类似 不过需要按钮 SB4 和接触器 KM2 KM6 的触 点的动作配合实现 主电动机正向 反向旋转控制由按钮 SB1 和 SB2 操作 当要求电动机低速运动时 行程开关 SQ 触点处断开位置 SQ3 和 SQ1 为闭合状态 按下按钮 SB1 中间继电器 KA1 得电 KA1 有三组动合触点 第一组触点用来接通自锁回路 第二组触点使接触 器 KM3 得电动作 KM3 的主触点将限流电阻 R 短路 KM3 的辅助触点闭合 同时 第三章 镗床改造的硬件设计 第三组触点闭合将接触器 KM1 线圈自锁 KM1 触点的动作又使接触器 KM6 得电吸 合 由于 KM1 KM3 和 KM6 动作 主电动机在全电压 定子绕组三角形联结下直接 起动而低速运行 当要求电动机高速运行时 通过变速机构和机械动作 将行程开关 SQ 的常开触 点闭合 这时按下起动按钮 SB1 中间继电器 KA1 得电吸合 与低速运行一样 KM1 KM3 和 KM6 相继动作 使电动机在低速状态下直接起动 同时已经闭合的 KA1 的动合触点与 SQ 的动合触点接通了时间继电器的 KT 线圈 经 KT 延时后 KT 的动断延时断开触点打开 KM6 断电 KT 的延时动合触点闭合 使接触器 KM7 和 KM8 得电动作 KM7 和 KM8 的主触点将电动机的绕组联结成双星形并重新接入电源 电动机由低速转为高速旋转 反向旋转的起动过程与正向起动相同 但参与控制的电器为按钮 SB2 中间继电 器 KA2 时间继电器 KT 接触器 KM2 KM3 KM5 KM7 和 KM8 2 主电动机的反接制动控制 按下停止按钮 SB5 后 电动机的电源反接 则电动机在反接状态下迅速制动 在 电动机转速下降到速度继电器的复位转速时 速度继电器的触点自动切断控制电路 切断电动机的电源 电动机停止转动 当电动机正转时 则速度继电器的正转动合触点 KS 2 闭合 而动断触点 KS 2 断 开 当电动机反转时 速度继电器的反转动合触点 KS 1 闭合 为电动机在正转或反 转时的反接制动做好准备 以主电动机正转反接制动为例介绍电路的工作情况 主电动机低速正转时 则电 气元件 KA1 KM1 KM3 和 KM6 线圈通电吸合 速度继电器的动合触点 KS 2 闭合 按下停止按钮 SB5 SB5 的动断触点使 KA1 和 KM3 断电 KA1 触点断开 使 KM1 断电 切断主电动机的电源 按下 SB5 时 SB5 的动合触点闭合并接通了以下电路 电源线 SB5 触点 速度继电器常开触点 KS 2 接触器 KM1 的常闭触点 KM2 的线圈 电源线 所以使反转接触器 KM2 得电动作 KM2 动作后 KM2 的 动合触点接通了 KM2 线圈的自锁回路 当放开停止按钮 SB5 KM2 继续得电动作 KM2 的触点闭合代替了 KM1 的触点 使三相电源经过的主触点 限流电阻 R 和 KM6 主触点反接给电动机 电动机进行反接制动 当电动机的转速降低到速度继电器 的复位转速时 速度继电器的正转动合触点 KS 2 断开 切断了 KM2 的通电回路 KM6 断电释放 切断了电动机电源 电动机制动结束 反向旋转制动与正向旋转类似 此时参与控制的电气元器件是速度继电器KS 1 接触器 KM1 及 KM6 制动过程中 反接电流太大 所以必须接入限流电阻 R 接触器 KM3 断电 3 主轴或进给变速时主电动机的瞬时点动控制 镗床变速控制的特点是主轴或进给变速时主电动机可以获得瞬时点动 以利于齿 17 轮进入正确的啮合 机床的主轴进给不仅可以在停车时进行 而且在机床运动中也可 以变速 当主轴变速时将变速孔盘拉出 使 SQ1 动断触点断开 KM3 也断电 在主回路 中接入限流电阻 R 且 KM3 触点断开 KM1 断电 使主电动机脱离电源 所以机床 可以在主电动机开动的情况下调速 电机能自动停止转动 这时旋转孔盘 选择好合 适的转速 将孔盘推入 如果滑移齿轮的齿和固定齿轮的齿发生顶撞时 则孔盘不能 退回原位 这时 SQ1 SQ2 没有受压 SQ1 动断触点闭合 SQ2 动断触点也闭合 接 通了瞬时点动控制电路 此时通电回路为 电源 行程开关 SQ1 速度继电器的 正转触点 KS 2 切断 行程开关 SQ2 常闭触点 KM2 动断触点 KM1 的线圈 电源线 使 KM1 的线圈通电动作 同时由于 SQ1 动断触点是闭合的 已经使 KM6 通电动作 所以主电动机经限流电阻 R 在低速下启动 电动机转动后 速度继电 器的动断触点转为断开 而正转动合触点 KS 2 转为闭合 使 KM1 线圈断电 KM2 线圈得电 主电动机又反接制动 当主电动机的转速制动到速度继电器的复位转速后 速度继电器的正转动断触点又转为闭合 接通了瞬时点动线路而重复上述过程 这样 的间歇性的起动与制动有利于电动机缓慢的旋转 有利于齿轮进入正确的啮合状态 孔盘一旦推入原位 行程开关 SQ1 和 SQ2 被压下 将 SQ1 的动断触点和 SQ2 的动断 触点断开 切断瞬时点动电路 这时 SQ1 的动合触点回复闭合 使 KM3 得电动作 KM3 的动合触点闭合又使 KM1 得电动作 主电动机在新的转速下又重新起动 在进给变速时 瞬时点动的控制原理和主轴变速时一样 不过行程开关 SQ3 和 SQ4 的触点在电路中的位置与 SQ1 和 SQ2 相同 4 主轴箱 工作台或主轴的快速移动 机床各部分的快速移动由快速手柄操纵配合快速电动机 M2 拖动来完成 快速手 柄扳到正向快速位置时 行程开关 SQ7 被压动 接触器 KM4 得电动作 快速移动电 动机 M2 正转 快速手柄扳到反向快速位置 行程开关 SQ8 被压动 接触器 KM5 得 电动作 快速移动电动机反转 5 主轴进刀与工作台互锁 为了防止机床或刀具的损坏 主轴箱和工作台的机动进给在电路上必须联锁 通 过行程开关 SQ5 和 SQ6 实现 同时有两种进给时 SQ5 和 SQ6 都被压下 切断了控制 回路电源 避免了机床或刀具的损坏 3 1 3 辅助电路分析辅助电路分析 T68 卧式镗床设有 36V 安全电压局部照明灯 EL 由开关 SA 手动控制 电路还设 有 6 3V 电源指示灯 HL 第三章 镗床改造的硬件设计 3 2 主电动机的选型主电动机的选型 根据镗床的工作原理 镗床的主运动和进给运动是由主电动机来拖动 所以主电 动机要选择双速笼型异步电动机 3 2 1 双速电机简介双速电机简介 双速电动机属于异步电动机变极调速 是通过改变定子绕组的连接方法达到改变 定子旋转磁场磁极对数 从而改变电动机的转速 根据公式 n1 60f p 可知异步电动机的同步转速与磁极对数成反比 磁极对数增 加一倍 同步转速 n1 下降至原转速的一半 电动机额定转速 n 也将下降近似一半 所以改变磁极对数可以达到改变电动机转速的目的 这种调速方法是有级的 不能平 滑调速 而且只适用于鼠笼式电动机 最常见的单绕组双速电动机 转速比等于磁极 倍数比 如 2 极 4 极 4 级 8 极 从定子绕组 接法变为 YY 接法 磁极对数从 p 2 变为 p 1 所以转速比 2 1 2 双速电机工作原理图如下图 3 3 图 3 3 双速电机原理图 QF FU1 FU2 SB1 FR EL SB2 KA KT KM2 KM3 KM3 KT KA KM1 KM2 KM3 KM1 KA KT FR KM3 KM1 KM2 V1 W1V2U1 U2W2 L1 L3 L2 19 3 2 2 主电动机的选型主电动机的选型 1 功率的选择 A 连续运行电动机功率的选择 对于连续运行的电动机 先算出生产机械的功率 所选用的电动机的额定功率等 于或大于生产机械的功率即可 B 短时运行电动机功率的选择 短时运行电动机的功率可以允许适当过载 设过载系数为 则电动机的额定功 率可以是生产机械所要求的功率的 2 种类和型式的选择 A 种类的选择 选择电动机的种类是从交流或直流 机械特性 调速与起动特性 维护及价格等 方面考虑 因为生产上常用的是三相交流点 如没有特殊要求 多采用交流电动机 由于三 相鼠笼式异步电动机结构简单 坚固耐用 工作可靠 价格低廉 维护方便 其缺点 是调速困难 功率因数较低 起动性能较差 因此 在要求机械特性较硬而无特殊要 求的一般生产机械的拖动 如水泵 通风机 运输机 传送带和机床都采用鼠笼式异 步电动机 B 结构形式的选择 在不同的工作环境 应采用不同结构形式的电动机 以保证安全可靠地运行 电 动机常用的结构形式有 开启式 防护式 封闭式和防爆式 3 电压和转速的选择 电动机电压等级的选择 要根据电动机的类型 功率以及使用地点的电压来决定 电动机的额定转速根据生产机械的要求而决定 一般采用尽量高转速的电动机 电动机性能数据表 3 1 如下 第三章 镗床改造的硬件设计 表 3 1 双速电机性能数据表 根据镗床的主要参数 在表 3 1 中选择主电动机为 YD132M 4 2 型 功率为 6 5 8KW 转速为 1460 2880r min 3 3 其他电气元件的选型其他电气元件的选型 1 快速移动电机的选型 根据镗床快速移动电机功率 2 8KW 选择快速移动电机 Y132S 6 型 功率为 3KW 电流 7 2A 转速 960r min 2 接触器的选型 接触器是用来接通和切断电动机或其它负载主电路的一种控制电器 接触器具有 强大的执行机构 大容量的主触头及迅速的熄灭电弧的能力 当系统发生故障时 能 根据故障检测元件所给出的动作信号 迅速可靠的切断电源 并有低压释放功能 用 于电机的控制及保护 根据国标选择 KM1 KM7 为 CJ20 16 20A 127V 3 热继电器的选择 热继电器是用于电动机或其它电气设备 电气线路的过载保护的保护电器 A 类型选择 一般情况下 可选用两相结构的热继电器 但当三相电压的均衡性较差 工作环 21 境恶劣或无人看管的电动机 宜选用三相结构的热继电器 对于三角形接线的电动机 应选用带断相保护装置的热继电器 B 热继电器额定电流选择 热继电器的额定电流应大于电动机额定电流 然后根据该额定电流来选择热继电 器的型号 C 热元件额定电流的选择和整定 热元件的额定电流应略大于电动机额定电流 当电动机启动电流为其额定电流的 6 倍及启动时间不超过 5S 时 热无件的整定电流调节到等于电动机的额定电流 当电 动机的启动时间较长 拖动冲击性负载或不允许停车时 热元件整定电流调节到电动 机额定电流的 1 1 1 15 倍 热继电器选择 JR 60 3 型 16 25V 4 熔断器的选择 熔断器是一种过电流保护电器 熔断器主要由熔体和熔管两个部分及外加填料等 组成 使用时 将熔断器串联于被保护电路中 当被保护电路的电流超过规定值 并 经过一定时间后 由熔体自身产生的热量熔断熔体 使电路断开 起到保护的作用 熔体额定电流的选择 由于各种电气设备都具有一定的过载能力 允许在一定条件下较长时间运行 而 当负载超过允许值时 就要求保护熔体在一定时间内熔断 还有一些设备起动电流很 大 但起动时间很短 所以要求这些设备的保护特性要适应设备运行的需要 要求熔 断器在电机起动时不熔断 在短路电流作用下和超过允许过负荷电流时 能可靠熔断 起到保护作用 熔体额定电流选择偏大 负载在短路或长期过负荷时不能及时熔断 选择过小 可能在正常负载电流作用下就会熔断 影响正常运行 为保证设备正常运 行 必须根据负载性质合理地选择熔体额定电流 1 单台直接起动电动机 熔体额定电流 1 5 2 5 电动机额定电流 2 多台直接起动电动机 总保护熔体额定电流 1 5 2 5 各台电动机电流之和 主电动机 5 速度继电器的选型 速度继电器是当转速达到规定值时触头动作的继电器 主要用于电动机反接制动 控制电路中 当反接制动的转速下降到接近零时能自动地及时切断电源 速度继电器 的结构如下所示 第三章 镗床改造的硬件设计 速度继电器结构图 转子是一块固定在轴上的永久磁铁 浮动的定子与转子同心 而且能独自偏摆 定子由硅钢片叠成 并装有笼型绕组 速度继电器的轴与电动机轴相连 电动机旋转 时 转子随之一起转动 形成旋转磁场 笼型绕组切割磁力线而产生感应电流 该电 流与旋转磁场作用产生电磁转矩 使定子随转子向转子的转动方向偏摆 定子柄推动 相应触头动作 定子柄推动触头的同时 也压缩反力弹簧 其反作用阻止定子继续转 动 当转子的转速下降到一定数值时 电磁转矩小于反力弹簧的反作用力矩 定子返 回原来位置 对应的触头恢复原始状态 调整反力弹簧的拉力即可改变触头动作的转 速 根据主电机的转速 1460 2880r min 所以选择 JY 1 型 PLC 主要技术数据如下 1 JY 1 速度控制继电器主要用于三相鼠笼式电动机的反接制动电路中 也可用在 异步电动机能耗制动电路中 作电动机停转后 自动切断直流电器 2 JY 1 速度控制断电器在连续工作制中 可靠地工作在 3000 转 分以下 在反 复短时工作制中 频繁起动 制动 每分钟应不超过 30 次 3 JY 1 速度控制继电器在继电器轴转速为 150 转 分左右时 即能动作 100 转 分以下触点恢复正常位置 3 4 PLC 的选型与容量的确定的选型与容量的确定 3 4 1 PLC 的选型的选型 机型选择基本原则在功能满足要求的前提下 保证可靠性 使用维护简便 应具 体考虑以下几个方面 1 结构上合理 安装要方便 根据物理结构 PLC 分为整体式和模块式 整体式常用于小型控制系统中 价格 1 转子 2 电动机轴 3 定子 4 笼型绕组