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基于PLC的平面磨床自动控制系统的改造【5张CAD图纸和说明书】
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目 录1 绪论 .12 设计要求 .23 磨床的概述 .23.1 磨床介绍 .23.2 世界平面磨床发展趋势 .23.2.1 现代平面磨床的主要特点 .23.2.2 发展呈现四大变化 .33.2.3 根本在于设计创新 .44 可编程序控制器（PLC）的概况 .44.1 PLC 的系 统结构和基本工作原理 .44.1.1 PLC 的系 统结构 .44.1.2 PLC 的基本工作原理 .54.1.3 PLC 的主要功能 .64.2 PLC 的 应用设计步骤 .74.3 PLC 的选 型原则 .84.3.1 松下电工可编程序控制器产品-FP1-C24 介绍 .95 系统的总体设计 .115.1 改造平面磨床的步骤 .115.1.1 改造方案的确定 .115.1.2 改造的技术准备 .115.1.3 改造的实施 .125.2 用 PLC 改造 继电- 接触式控制系统的步骤 .135.3 控制线路控制改造要求 .145.4 原设备电器的工作原理 .145.4.1 平面磨床主要结构和运动形式 .145.4.2 电气控制线路分析 .155.5 分析控制对象，进行系统的硬件设计 .195.6 系统的软件设计 .206 磨床改造后的调试 .227 结束语 .231致谢 .23参考文献 .23附录 .2511 绪论现代工业生产中，中、小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高，传统的普通磨床已经越来越难以适应现代化生产的要求，制造业的竞 争已从早期降低劳动力成本、产品成本，提高企 业整体效率和质量的竟争，发 展到全面满足顾客要求、积极开发新产品的竟争，将面临知识技术产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，而对质量、性能的要求更高，同时社会对环境保护、绿色制造的意 识不断加强。因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得竟争和生存、发展的主要手段。计算机信息技术和制造自动化技术的结合越来越紧密，作为自动化柔性生产重要基础的数控机床在生产机床中所占比例将越来越多。但新机床购置费用高，且生产准备周期长。因此对原有机床的现代化改造显得尤为重要。而用 PLC 改造老机床有很多优点：节省资金，减少投资额，交 货 期短 机床的 PLC 改造，可大大减少资金的投入，同 购置新机床相比，一般可节省 60 % 80 % 的费用，改造费用低。特别是大型、特殊 设备尤为明显。一般大型机床改造，只需花新机床购置费的 1/3。即使将原机床的 结构进行彻底改造升 级，也只需花费购买新机床 60 % 的价格。 性能稳定可靠 因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度，且各部件已经长期磨合，使改造后的机床性能稳定可靠，质量好，可作为新设备继续长期使用。可充分体现企业自身的意愿 企业与改造人员可依照实际需要和机床长期使用的情况，在改造中提出对机床性能、操作与维修等方面的改进意见，有 权选择机械零部件、数控系统、电器 设备等的规格、型号、性能等。可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将机床改造成具有当今水平的设备。更有利于使用和维护 由于改造前机床已使用多年，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短、见效快。改造的机床一经安装好，就可实现 全负荷运转。 可以采用最新的控制技术，提高生产效率。可根据技术革新的 发展速度，及 时地提高生 产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。机床经改造后，即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高 37 倍。对复杂零件而言， 难度越高，功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用，而且可以缩短生产准备周期。提高 产品质量，降低 废品率，零件的加工精度高，尺寸分散度小，使装配方便灵活。因此,继电器本身固有的缺陷,给床的安全和经济运行带来了不利影响,用 PLC 对磨床的继电器式控制系统进行改造已是大势所趋 1 。所以我 们就以平面磨床改造来介绍一下。22 设计要求（1）PLC 容量和性能要与任务相适应， PLC 运行速度要满足实时控制的要求；（2）要有原平面磨床控制原理图、PLC 硬件接线图和梯形图（3）要有 PLC 的 I/O 接口地址分配表；（4）系统具 有 手 动 /自 动 转 换 、在 线 监 控 及 在 现 场 调 试 、驱动通风机的电机过热保护，故障报警等功能。3 磨床的概述3.1 磨床介绍磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。大多数的磨床是使用高速旋转的砂轮进行磨削加工，少数的是使用油石、砂 带等其他磨具和游离磨料进行加工，如珩磨机、超精加工机床、砂带磨床、研磨机和抛光机等。 磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬 质合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能 进行高效率的磨削，如强力磨削等。 随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增 长。 磨床是各类金属切削机床中品种最多的一类，主要类型有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、无心磨床、工具磨床等。3.2 世界平面磨床发展趋势当今平磨的发展趋势是转向成形、台阶、切入、快速抖 动、三维空间曲线表面磨削加工。可以说，平磨是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型。我国平磨制造厂应跳出传统的平面磨削的思维，转到曲线或轮廓等非平面磨削加工的思路上进一步发展，以形成我们自己特色的技术和产品.据不完全统计，不久前在美国芝加哥举行的国际制造技术展览会（IMTS）上有 20 多家平磨专业生产厂的 60 多台平面磨床以平磨实物形式参展，包括了欧、美、日及我国的主要平磨制造厂。有关专 家分析了此次参展的平面磨床的主要特点并预测今后平面磨床的发展趋势 3 。3.2.1 现代平面磨床的主要特点（1）从规格上看，以小型平磨为主。台面 宽 200mm 以下的几乎占 50%，小规格机床的运输及布展比较方便；国外平磨不分普通、精密、高精度的精度等3级，相对小规格机床，精度容易做得很高；在国 际市场上，中、小 规格平磨的潜在需求很大。（2）从控制上看，70% 以上的为数控型，有 单轴、双轴及三轴数控，最多达五轴控制，尤其是 400 以上的大规格机型，全 为数控型。由于技术水平的发展导致功能变化，平磨已从传统 的平面磨向成形磨转变，常规控制已难以实现功能的要求。数控平磨已形成一个市场潮流。（3）从功能上看，50% 以上的平磨不仅仅用于水平平面加工，而且转向成形、台阶 、切入、快速抖 动、三 维空间曲线等表面磨削加工，如 ELB、BLM 公司以平磨为基础变化而成的五轴联动磨削中心，可实现非平面型复杂曲面的磨削；Unison、Trutech 公司的柔性磨削系 统，可实现 成形、无心、外 圆、工具、轮廓等磨削工艺；还有裕福、 Parker 公司等的快速抖 动磨等，反映出平磨是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型。3.2.2 发展呈现四大变化 （1）高速、复合、高精度、高刚性仍是金切机床的发展主调，但又有新的变化。复合，已从原来的为复合而复合转为从实用高效考 虑为主，如 车、铣复合，车、铣、钻的复合，铣床和电火花的复合；从功能上看，复合型机床的 针对性很强，针对 某类零件考虑；从精度上看，定位精度 2m，重复定位精度1 m的机床已比比皆是；从主轴转速来看，8.2kW 主轴达 60000r/min，13kW 达42000r/min，高速已不是小功率主 轴的专有特征；从 刚性上看，已出现可加工60HRC 硬度材料的加工中心。（2）模块化的设计在机床制造中已应用得炉火纯青。横向系列、纵向系列、全系列、跨系列的模块化设计 ，无 论是大隈、牧野等为代表的日本机床，还是Haas、Cincinnati 等为代表的美国机床，外形上看好象完全一样，但功能则完全不同，所构成的模块很多则 是通用的。（3）全自动的概念已发生变化。传统的全自动机床是用一只气动或液动的机械手实现工件的自动上、下料，而现在采用真正意 义的多关节串联式机器人，来实现工件的上、下料，包括完工零件的堆放。控制的范围加大，组线的灵活性加强，同 时辅助配套的机械大大减少。（4）环保要求越来越高。在展出的展品中，绝大部分的机床产品都采用全封闭的罩壳，绝对没有切屑或切削液外溅的现象。另一方面，大量的工 业清洗机和切削液处理机系统的展出，亦同时反映现代制造业对环保越来越高的要求。43.2.3 根本在于设计创新（1）平磨是磨床类机床中发展潜力最大的机床。在完成传统的平面磨削功能外，以平磨的床身、拖板、台面、磨头等大件为基础，可以演变成外圆、曲线、工具、无心等磨床，如 k.o.lee 公司的C1020N2 外圆磨床和 B6062PC2 工具磨的基础就是平磨。我国应在完成平磨规格系列的完善后，跳出传统 的平面磨削的思维转到曲线或轮廓等非平面磨削加工的思路上去进一步发展，形成具有我们自己特色的技术和产品。（2）模块化设计将是贯穿产品设计全过程的一条主线，无论是机床技术发展的潮流还是市场竞争的要求；无论是降低成本的需要，还是提高产品质量的需要，都要求我们在今后产 品的开发设计中，切 实做好模块化设计工作。（3）世界机床工业的发展，根本一点是设计创新理念的发展。传统的金属切削原理，用一种全新的现 代设计理念， 结合先进的控制技术，正在推 动机床技术发生重大变化4 可编程序控制器（PLC）的概况4.1 PLC 的系统结构和基本工作原理4.1.1 PLC 的系统结构目前 PLC 种 类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微 处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。主要包括中央处理单元 CPU、存 储器 RAM 和 ROM、输入输出接口电路、电源、I/O 扩展接口、外部 设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。 PLC 控制系统由输入量PLC输出量组成，外部的各种开关信号、模拟 信号、传感器检测的各种信号均作 为 PLC 的输入量，它们经 PLC 外部输入端子，作 为 PLC 的输出量 对外围设备进行各种控制。由此可见， PLC 的基本结 构有控制部分 输入和输出 组成。其中 PLC 各部分的作用如下： (1)中央处理器 1）诊断 PLC 电源、内部 电 路的工作状态及编制程序中的语法错误。 2）采集由现场输入装置送来的状态或数据，并送入 PLC 的寄存器中。 3）按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。 4）将存于寄存器中的处理结果送至输出端。 5）应各种外部设备的工作请求。 5(2)存储器 PLC 的存储器分 为两大部分： 一大部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序及其系统内部数据。 二大部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。 (3)输入输出接口 电路 PLC 通过输入 输出（I/O ）接口电路实现与外围设备的连接。输入接口通过PLC 的输入端子接受 现场输 入设备的控制信号，并将这些信号转换成 CPU 所能接受和处理的数字信号。 (4)电源 PLC 的电源是指将外部 输入的交流电经过整流、 滤波、 稳压等处理后转换成满足 PLC 的 CPU、存储器、输入输出接口等内部 电路工作所需要的直流电源电路或电源模块。 (5)输入输出 I/O 扩展接口 若主机单元的 I/O 点数不能满足输入输出点数需要时，可通过此接口用扁平电缆线将 I/O 扩展单元与主机单元相连接。图 1 PLC 结构示意图4.1.2 PLC 的基本工作原理 PLC 采用的是循 环扫描工作方式。对每个程序， CPU 从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令， 则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，6如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。PLC 的工作过程如图 1 所示。 （1）输入刷新阶段 在输入刷新阶段，CPU 扫描全部输入端口， 读取其状 态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口， 转入程序执行阶段。 （2）程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。 （3）输出刷新阶段 当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式 输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成 PLC的实际输出。 显然扫描周期的长短主要取决与程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每一个扫描周期只 进行一次 I/O 刷新，即每一个扫描周期 PLC 只对输入、输 出状态寄存器更新一次，故使系 统存在输入、 输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。由此可 见，若 输入 变量在 I/O 刷新期间状态发生变化， 则本次扫描期间输 出会相应地发生变化。反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次 扫描输出不变，而要到下一次扫描的 I/O 刷新期间输出才会发生变化。这对 于一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成不利影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行，PLC 在一个工作周期的大部分 时间里实际上是外设隔离的。而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短 时的，由于系统响应较慢，往往要几个扫描周期才响应一次，而多次 扫描后，因瞬 间干 扰而引起的误操作将会大大减少，从而提高了系统的抗干 扰能力。但是 对于控制 时间要求较严格、响 应速度要求较快的系统，就需要精心 编制程序，必要 时 采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后等不良影响 7 。4.1.3 PLC 的主要功能（1）条件控制功能 条件控制（或称逻辑控制或顺序控制）功能是指用 PLC 的与、或、非指令取代继电器接触的串联、并 联极其他各种逻辑连接，进行开关控制。 （2）定时/记数控制功能 定时/记数控制功能指用 PLC 提供的定时器、 记数器指令实现对某种操作的定时或记数控制，以取代 时间继电器和记数继电器。 （3）数据处理功能 7数据处理功能是指 PLC 能进行数据传送、比 较、移位、数制转换、算术运算、逻辑 运算以及编码和译码 等操作。 （4）步进控制功能 步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。 （5）A/D 与 D/A 转换功能 A/D 与 D/A 转换功能是指通过 A/D、D/A 模块完成模拟量和数字量之间的转换。 （6）运动控制功能 运动控制功能是指通过高速记数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴运动控制。 （7）过程控制功能 过程控制功能是指通过 PLC 的 PID 控制指令或模块实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环 控制。 （8）扩展功能 扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元（即 I/O 扩展单元）模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高 PLC 的控制功能。 （9）远程 I/O 功能 远程 I/O 功能是指通过 I/O 单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与 PLC 主机相 连接， 进行 远程控制，接收 输入信号、传出输出信号。 （10）通信联网功能 通信联网功能是指通过 PLC 之间的联网、 PLC 与上位机的链接等， 实现远程 I/O 控制或数据交 换，以完成 较大规模系统的复杂控制。 （11）监控功能 监控功能是指 PLC 能监视系统各部分的进行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自 动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、记数器等设 定值或强制 I/O 状态。 4.2 PLC 的应用设计步骤PLC 控制系统 是以程序形式来体现其控制功能的，大量的工作时间将用在软件设计，即程序设计上。PLC 程序设计可遵循以下六步进行：（1）确定被控系统必须完成的动作及完成这些动作的顺序。8（2）分配输入输出设备 即确定哪些外围设备是送信号到 PLC，哪些外围设备是接受来自 PLC 信号的。并将 PLC 的输入输出口与之 进行分配。（3）设计 PLC 程序画出梯形图。 梯形图体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系。（4）实现用计算机对 PLC 的梯形图的直接编程。（5）对程序进行调试（模拟和现场）。（6）保存已完成的程序。显然，在建立一个 PLC 控制系 统时，必须首先把系 统需要的输入，输出数量确定下来，然后按需要确定各种控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的相互关系。确定控制上的相互关系之后，即可进行 编程的第二步-分配输入输出设备。在分配了 PLC 的输入输出点，内部 辅助 继电器，定时器，计数器之后，就可以设计 PLC 程序画出梯形 图。在画梯形 图时 要注意每个从左边开始的逻辑行必须终止于一个继电器线圈或定时器，计数器，与实际的电路图不一样。梯形 图画好后便用编程 软件直接把梯形图输入计算机并下装到 PLC 进行模拟调试，修改直至符合控制要求，这便是程序设计 的整个过程。4.3 PLC 的选型原则当某一个控制任务决定由 PLC 来完成后， 选择 PLC 就成为最重要的事情。一方面要选择多大容量的 PLC ,另一方面是选择什么公司的 PLC 及外设。 对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的 I/O 点找出来，包括开关量 I/O 和模拟量 I/O 以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关 键，如果他 们之中既有交流 220V 的接触器、电磁阀，又有 24V 的指示灯，则最后选用的 PLC 的输出点数有可能大于实际电数。因 为 PLC 的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。所以一旦它 们是交流 220V 的负载负载使用。则直流 24V 的负载只能使用其他的 输出端了。 这样有可能造成 输出点浪费，增加成本。所以要尽可能选择相同等 级和种类的负载，比如使用交流 220V 的指示灯等。一般情况下继电器输 出的 PLC 使用最多，但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的 PLC 了。 对第二个问题，则有以下几个方面要考虑： （1）功能方面 所有 PLC 一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的 PLC 是否有能力控制任务。如 对 PLC 与 PLC、PLC 与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对 PLC 的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；或对 PLC 的位置控制有特殊要求等。这就要求用户对市场上流行的 PLC 品种有一个 详细的了解，以便做出正确的选择。 9（2）价格方面 不同厂家的 PLC 产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O 点数相当的 PLC 的价格能相差 40%以上。在使用 PLC 较多的情况下，这样 的差价当然是必须 考虑的因数。 PLC 主机选 定后，如果控制系统需要，则相应的配套模 块也就选定了。4.3.1 松下电工可编程序控制器产品-FP1 -C24 介绍经过从功能方面和价格方面两个方面的考虑，发现松下电工可编程序控制器产品 FP1-C24 比较适合。因 为它是一种功能很 强的小型机，在 设计的过程中采用先进的方法及组件使其通常只有在大型 PLC 中才具有的功能，且具有其他控制器所不具备的功能。 虽然是小型机，但是其功能较完善，性能价格比高，较适合改造要求。 现在就对 FP1-C24 的组成各部分和技 术性能做一个 简单介绍。在松下电工公司生产的 FP 系列产品中，FP1 属于小型 PLC 产品，其中 C24 是具有高级处理功能的型号。从型号可以看出 FP1-C24 可编程控制器的输入和输出点数（即 I/O 点）之和 为 24。（1）FP1-C24 的组成各部分如下：1）RS232 该口能于 PC 机通信编程，也可连接其他外围设备。 2）运行监视指示灯 当运行程序时，“RUN”指示灯亮； 当控制单元中止 执行程序 时，“PROG”指示灯亮； 当发生自诊 断错误时，“ERR”指示灯亮； 当检测到异常的情况 时 或出现“ Watchdog”定时故障时，“ALARM” 指示灯亮。 3）工作方式选择开关 工作方式选择开关共有 3 个工作方式档位，即“RUN”，“ REMOTE”和“PROG”。 “RUN”工作方式 当开关扳到这个档位时，控制单元运行程序。 “REMOTE”工作方式 在这个工作方式下，可以使用编程工具改变可编程控制器的工作方式为“RUN”或“PROG” 工作方式。 “PROG”工作方式 10在此方式下可以编辑程序。若在“RUN”工作方式下编辑程序，则按出错对待。可编 程控制器鸣响报警，提示编程者将方式选择 开关切换至“ PROG”工作方式。 输出端子 C24 形的 输出端子有 8 点。 该端子板为两头带螺钉 可拆卸的板。 直流电源输 出端子 在 FP1 系列主机内部均配有一个供 输入端使用的 24V 直流电源。 输入端子 C24 型的 输入端子有 16 点。 输入电压范围为直流 1224V 。该端子板为两头带螺钉可拆卸的板。 编程工具连 接插座（RS422 口） 可用此插座经专用外设电缆连接编程工具。 波特率选择 开关 有 19200bps 和 9600bps 两档，当可 编程控制器与外部 设备进行通信时，应根据不同的外设选定波特率。 电位器（V0 、V1） 这两个电位器可用螺丝刀进行手动调节，实现外部设定。当调节该电位器时，PLC 内部 对应的特殊数据寄存器 DT9040 和 DT9041 的内容在 0255 之间变化，相当与输入外部可调的模拟量。 C24 有两个（V0、V1）。 I/O 点状态指示灯和扩 展单元接口插座 用来指示输入/输出的通断状态，当某个 输入触点闭 合时，对应于这个触点编号的输入指示发光二极管点亮（下一排）； 当某个输出继电器接通时，对应这个输出继电器编号的输出指示发光二极管点亮（上一排）。扩展单 元接口插座用于连接 FP1 扩展单元及 A/D、D/A 转换单元、 链接单元。 （2）技术性能 FP1-C24 的主机 I/O 点数为 16/8；最大 I/O 点数为 104；运行速度为 1.6s/步；容量为 2720 步；基本指令数为 80；高级指令数为 111；内部继电器为 1008点；特殊内部继电器为 64 点；定时器/计数器为 144 点；数据寄存器为 1660 字；特殊数据寄存器为 70 字；索引寄存器为 2 字；主控指令为 32 点；跳转标记数为 64 点；步进数为 128 级；子程序个数为 16 个；中断个数为 9 个程序；输入滤波时间为 1128ms 10 。115 系统的总体设计5.1 改造平面磨床的步骤5.1.1 改造方案的确定 改造的可行性分析通过以后，就可以针对自动磨床床的现况确定改造方案，一般包括： （1）机械修理与电气改造相结合 一般来说，需进行电气改造的机床，都需进行机械修理。要确定修理的要求、范围 、内容；也要确定因电气改造而需进行机械 结构改造的要求、内容； 还要确定电气改造与机械修理、改造之间的交错时间要求。机械性能的完好是电气改造成功的基础。 （2）先易后难、先局部后全局 确定改造步骤时，应把整个电气部分改造先分成若干个子系统进行，如输入部分、逻辑部分、输出部分、面板控制与 强电部分等，待各系统基本成型后再互联完成全系统工作。这样 可使改造工作减少遗漏和差错。在每个子系统工作中，应 先做技术性较低的、工作量较大的工作，然后做技术性高的、要求精细的工作，使人的注意力能集中到关键地方。 （3）根据使用条件选择系统 针对平面磨床，确定它的环境、温度、湿度、灰尘、电源、光线，甚至有否鼠害等外界使用条件，这对选择电气系统的防护性能、抗干扰性能、自冷却性能、空气过滤性能等可提供正确的依据，使改造后的电气系统有了可靠的使用保证。当然，电 气系统的选择必须考虑成熟产品，性能合理、实用，有备件及维修支持，功能满足当前和今后若干年内的发展要求等。 （4）改造范围与周期的确定 有时数控机床电气系统改造，并不一定包含该机床全部电气系统，应根据科学的测定和分析决定其改造范围。改造的周期，根据 实际情况确定，考 虑因素有技术水平、准备工作充分程度、新系统大小与复 杂程度等。 5.1.2 改造的技术准备改造前的技术准备充分与否，很大程度上决定着改造能否取得成功。技术准备包括： （1）机械部分准备 12为配合电气改造而需进行的机械大修改造的测量、计算、设计、 绘图、零件制作等应先期完成。同时对 停机后需拆、改、加工的部分等 应事先规划完毕，提出明确要求，与整个改造工作衔接得当。 （2）新系统电气资料消化 新系统有许多新功能、新要求、新技术，因此改造前应熟悉技术资料，包括系统原理说明、线路图、PLC 梯形图及文本、安装调试说明、使用手册、 编程手册等。要有充裕的时间来 对上述资料进行翻译(进口系统)、消化、整理、核对，做到思路清晰，层次分明。 （3）新旧系统接口的转换设计 根据每台设备改造范围不同，需事先设计接口部分转换，若全部改造的，应设计机电转换接口、操作面板控制与配置、互联部分接点、参数测量点、维修位置等，要求操作与维修方便、合理， 线路走向通 顺、中小连接点少，强弱电干扰最小， 备有适当裕量等。局部改造的， 还需要考 虑新旧系统的性能匹配、电压极性与大小变换、安装位置、数模转换等，必要时需自行制作转换接口。 5.1.3 改造的实施准备工作就绪后，即可进入改造的实施阶段。 实施阶段内容按时间顺序分为： （1）原机床的全面保养 机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润 滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。其次， 应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。这样既可对改造工作起指导 参考作用，又可在改造 结束时作对比分析用。 （2）保留的电气部分最佳化调整 若对电气系统作局部改造，则应对保留电气部分进行保养和最佳化调整。如强电部分的零件更换，电 机的保养， 变压器的烘干 绝缘， 污染的清洁，通风冷却装置的清洗，伺服驱动 装置的最佳化调整，老化电线电缆的更新， 连接件的紧固等等。只有对保留的 电气部分做好过细的最佳化调整工作，才能保证改造后的机床有较低的故障率。 （3）原系统拆除 原系统的拆除必须对照原图纸，仔细进行，及 时在图纸上作出标记，防止遗漏或过拆(局部改造情况下)。在拆的过程中也会发现一些新系统设计中的欠缺之处， 应及时补充与修正，拆下的系统及零件应分 门别类，妥善保管，以 备万一改造不成功或局部失败时恢复使用。还有一定使用价值的，可作其他机床备件用。切忌大手大脚，乱扔乱放。 13（4）合理安排新系统位置及布线 根据新系统设计图纸，合理进行新系统配置，包括箱体固定、面板安放、线路走向和固定、调整元器件位置、密封及必要装 饰 等。 连线工作必须分工明确，有人复查检验，以确保连线工艺规范、线径合适、正确无误、可靠美观。 （5）调试 调试必须按事先确定的步骤和要求进行。调试人员应头脑冷静，随时记录，以便发现和解决问题。调试 中首先试安全保护系统灵敏度，防止人身、 设备事故发生。 调试现场必须清理干 净，无多余物品；各运动坐标拖板处于全行程中心位置；能空载试验的，先空 载后加载；能模拟试验的，先模拟后实动；能手动的，先手动后自动。 5.2 用 PLC 改造继电-接触式控制系统的步骤用 PLC 改造 继电- 接触式控制系统， 应按以下步骤进 行：（1）了解系统改造的要求。用 PLC 替换原继电-接触式控制 电路，尽可能的留用原继电- 接触式控制系统中可用的元器件，在满足控制要求的情况下，尽可能的采用便宜的 PLC，要 预留一些输入，输出点，以备添加功能时使用。（2）了解原设备电器的工作原理。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，必需的保护和联锁等），操作方式（手动，自 动，连续，单周期，单 步等）。根据控制要求确定系统控制方案。根据系统构成方案和工艺要求确定系统运行方式（3）根据控制要求确定所需的用户输入设备（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）。据此确定 PLC 的 I/O 点数。分配 I/O 点，绘制 I/O 连接 图。（4）PLC 的选择 PLC 是控制系统的核心部件，正确选择 PLC 对保证整个控制系统的技术经济指标起着重要的作用。选择 PLC 应包括机型选择、容量选择、I/O 模块选择、）电源模 块选择等。（5）设计控制程序。控制程序是整个系统工作的软件，是保证系统安全、可靠的关键。因此控制系统 的程序应经过反复调试、修改，直到 满足要求为止。令编制控制系统的技术文件。（6）联机调试 如不满足要求，在返回修改程序或检查接线，直到满足要求为止。145.3 控制线路控制改造要求（1）成形平面磨床的砂轮采用液压驱动，其传动较平稳，磨削工件时精度高。（2）机床的电气控制部分采用 FP1-24 可编程序控制器,实现对机床的自动磨削、液压阀的控制及电磁吸 盘的控制。（3）动作要求：1）磨头的垂直进给。2）工作台的纵向进给。3）工作台的横向进给。以上三种运动均采用手动和自动两种控制方式。4）电磁吸盘不工作时可以手动调整机床。（4）为保证安全生产，电磁盘与工作台，拖板及磨 头垂直进给采用联锁控制装置，即电磁盘电流小于 1A 时，吸力不足时机床要停止工作。（5）电磁吸盘具有充、退磁功能。（6）冷却泵电机、吸尘电机为了方便运输可选用分离式插拔接头。（7）工作台的纵向运行较频繁，磨头的垂直进给要求精度较高，应采用接近开关。（8）编程控制器及电磁阀所需的是 220V 交流电源。 （9）能反映电源、砂轮电机、油泵电机、充磁 电源、充、退磁的工作情况，以及 PLC 内部 电源的指示。（10）由于所吸工件不同，要求电磁吸盘的电流可以调节，并且有显示。（11）电路中所有断路后能储存能量的电器要有保护。5.4 原设备电器的工作原理5.4.1 平面磨床主要结构和运动形式平面磨床主要由床身，垂直进给手轮，工作台，位置行程 挡块，砂轮修正器，横向进给手轮，拖板，磨头和驱动工作台手轮等部件 组成。此平面磨床共有四台电动机，砂轮电动机是主运动电动机，直接 带动 砂轮旋轮， 对工件进行磨削加工；砂轮升降电动机使拖板沿立柱导轨上下移动，用以调整砂轮位置；工作台和砂轮的往复运动是靠液压电动机进行液压传动的，液压传动较平稳，能实现无极调速，换向时惯 性小， 换向平稳；冷却泵电动机带动冷却泵供给砂轮和工件冷却液，同时利用冷却液带走磨下的铁屑 17 。155.4.2 电气控制线路分析M7120 平面磨床的电气控制线路包含：主电路，控制电路，电磁工作台控制电路及照明与指示灯电路四部分。（1）主电路分析主电路共有四台电动机如图 1 所示，其中 M1 是液压电动机，实现工作台的往复运动；M2 是砂轮电动机，带动砂轮转动来完成磨削加工工件；M3 是冷却泵电动机；它们只要求单向旋转，分别用接触器 KM1，KM2 控制。冷却 泵电机 M3 只有在砂轮电机 M2 运转后才能运转。 M4 是砂轮升降电动机，用于磨削过程中调整砂轮与工件之间的位置。M1，M2，M3 是长期工作的，所以都装有 过载保护。M4 是短期工作的，不设有过载保护。整个线路有一 组总熔断器做短路保护，M1，M2 主电路分别由熔断器 FU2，FU3 做短路保护；变压器 TC 由熔断器 FU4 作短路保护，机床控制线路，指示电路，照明电路分别由 FU5，FU6，FU7 作短路保护，电磁工作台控制电路由熔断器 FU8 做短路保护。（2）控制电路分析1）液压泵电动机 M1 的控制合上总开关 QS 后，整流变压器一个副边输出 135 伏交流电压，经桥式整流器 VC 整流后得到直流电压，使电压继电器KUV 获电动 作，其常开触 头闭 合， 为启动电机作好准备。如果 KUV 不能正常可靠工作，各电机均无法运行，因 为平面磨床的工件靠直流 电磁吸盘的吸力将工件吸牢在工作台上，只有具备可靠的直流电压后，才允许启动砂轮和液压系统，以保 证安全。当 KUV 吸合后，按下启动 按钮 SB3，接触器 KM1 通电吸合并自锁，液压油泵电机 M1 启动运转，HL2 灯亮。若按下停止按钮 SB2，接触器 KM1 线圈断电释放， 电动机 MI 断电 停转 。2）砂轮电动机 M2 及冷却泵电动机 M3 的控制 按下起动按钮 SB5，接触器 KM2 线圈获电动作，砂 轮电动机 M2 启动运转。由于冷却泵电动机 M3 通过接插器 X1 和 M2 联动控制，所以 M2 和 M3 同时 启动运转，当不需要冷却时，可将插头拔出，按下停止按 钮 SB4 时，接触器 KM2 线圈断电释放， M2 与M3 同时 断电停转。两台电动机的热继电器 FR2 和 FR3 的常闭触头都串 联在 KM2 控制线路中，只要有一台电动机过载 ，就使 KM2 线圈失电。因冷却液循环使用，经常混有污垢杂质，很容易引起电动 机 M3 过载，故用热继电器 FR3 进行过载保护。16L123 M 13M 23M 3M 43QSFU1KM12KM34FRFRSB132KM42SB56KM4130FR1 23 4U5VW2UVWU2VWU1VW3456789620WSKUVMMK4PE272952130液压泵总开关级保护砂轮转动冷却泵砂轮升降 上升下降液压泵控制砂轮控制砂轮升降 上升 下降1234568图 2 主控电路173）砂轮升降电动机 M4 的控制，砂轮升降电动机只有在调整工件和砂轮之间位置时使用，所以用点 动控制，当按下点动按钮 SB6，接触器 KM3 线圈获电吸合， 电动机 M4 启动 正传，砂轮上升。达到所需位置时，松开 SB6，KM3线圈断电释放，电动机 M4 停转，砂轮停止上升。按下点动按钮 SB7，接触器KM4 线 圈获电吸合，电动 机 M4 启动反传，砂轮下降。达到所需位置时，松开SB7，KM4 线圈断电释放， 电动机 M4 停转，砂 轮停止下降。为防止电动机 M4的正反转线路同时接通，故在 对方线路中串入接触器 KM4 和 KM3 的常闭触头进行联锁控制。（3）电磁吸盘电路分析 电磁吸盘是固定加工工件的一种夹具。利用通电导体在铁心中产生的磁场吸牢铁磁材料的工件，以便加工。他与机械夹具比 较，具有加 紧迅速，不损伤工件，一次能吸牢若干个小工件，以及工件发热能自由伸 缩等优点，因而 电磁吸盘在平面磨床上用的十分广泛。电磁吸盘结构如图 3 所示 图 3 电磁吸盘结构电磁吸盘的外壳是钢制箱体，中部的芯体上绕有线圈，吸盘的盖板用钢板制成，钢 制盖板用非磁性材料如 铅锡合金隔离成若干小块。当线圈通上直流电后，吸盘 的芯体被刺化，产生磁 场，磁通便以芯体和工件作回路，工件被牢牢吸住 16 。电磁吸盘的控制电路包括整流装置、控制装置和保护装置三个部分，如图 4 所示。整流装置由变压 器 TR 和桥式整流器 VC 组成，供给 110 伏直流电源。控制装置由按钮 SB7、SB8、SB9 和接触器 KM5、KM6 组成。充磁过程如下：按下充磁按钮 SB8，接触器 KM5 线圈获电吸合，KM5 主触头闭合，电磁吸盘 YH 获电，工作台充磁吸住工件。同 时其自锁触头闭 合， 联锁触头断开。18磨削加工完毕，在取下加工好的工件时，先按 SB7，切断电磁吸盘 YH 的直流电源，由于吸盘和工件都有剩磁，所以需要对吸盘 和工件进行去磁。SB68KM512SB7FU4FU4KM51261414KM42911719850VA38/1TRVCCRXSXS1YH1332333331KM45KM6KUV231064782417电 磁 吸 盘 控 制充 磁 去 磁 电 磁 吸 盘充 磁 去 磁135618图 4 电磁吸盘电路去磁过程如下：先按点动按钮 SB9，接触器 KM6 线圈获电吸合，KM6 的两副主触头闭合，电磁吸盘通入反向直流 电，使工作台和工件去磁。去磁时，为防止因时间过长使工作台反向磁化，再次吸住工件，因而接触器 KM6 采用点动控制。保护 装置有放电电阻 R 和 电容 C 以及零压继电 器 KUV 组成，电阻 R 和电容 C 的作用是：电磁吸盘是一个大电感，在充磁吸工件时，存储有大量磁场能量。当它脱离电源的一瞬间，吸 盘 YH 的的两端产生较大的自感电动势，会使线圈和其他电器损坏，故用电阻和 电容组成放电回路。利用电容 C 两端的电压不能突变的特点，使电磁吸盘线圈两端的 电压变化趋于缓慢。阻 R 消耗电磁能量。如果参数选配得当，此时 R-L-C 电路可以 组成一个衰减震 荡电路，利用电对去磁将是非常有用的零压继电器 KUV 的作用是在加工 过程中，若电源电压不足，则电磁吸盘将吸不牢工件，会导致工件被砂 轮打出，造成 严 重事故。因此在 电路中零压继电器 KUV 将其线圈并联在直流 电源上，其常开触头串联在液压泵电动机和砂19轮电机的 控制 电路中，若
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