专用机床改造

广东省技术师范学院广东省技术师范学院 专用车床专用车床 PLC 改造改造 2009 2012 学年 摘要摘要 摘要内容摘要内容 本设计讲述了 HZC3Z 型轴承车床电气控制线路的工作原理 说 明了 PLC 改造应用的具体方法 从而可以提高整个电气控制系统的 工作性能 HZC3Z 型轴承车床采用继电器逻辑控制 由于它触点多 线路复杂 从而导致它故障多 维修困难 中停时间长 严重时影 响到正常的生产 本设计利用可编程控制器 PLC 取代传统继电器控 制的 HZC3Z 全自动外沟车床电气系统 PLC 是综合继电器接触器 控制的优点及计算机灵活 方便的优点而设计制造和发展的 这就 使得 PLC 具有许多其他控制器所无法相比的特点 可靠性高 抗干扰 能力强 通用性强 使用方便 采用模块化结构 使系统组合灵活 方便 编程语言简单 易学 便于掌握 系统设计周期短 对生产工 艺改变适应性强 安装简单 调试方便 维护工作量小 改造后的 优点是可大大简化 HZC3Z 型轴承车床的外部硬件线路 降低设备故 障率 使车床稳定可靠 维修容易 取得了比较好效果 而对于操 作人员来说 除了控制系统的可靠性提高以外 改造前后对于系统 的操作没有什么区别 他们不用改变长期形成的操作习惯 而且这种设 计方法一般不需要改动控制面板和它上面的器件 大大减少了硬件改 造的费用和工作量 关键词关键词 HZC3Z 型轴承车床 电气控制系统 PLC 程序 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 可编程控制器的应用可编程控制器的应用 1 21 2 全自动专用车床的应用全自动专用车床的应用 1 31 3 车床电气传动工作原理车床电气传动工作原理 1 41 4 设计要求设计要求 1 51 5设计内容设计内容 第二章第二章 专用车床主要控制电路设计专用车床主要控制电路设计 2 12 1 专用车床常用电气元器件专用车床常用电气元器件 2 22 2 专用车床常用液压元器件专用车床常用液压元器件 第三章第三章 PLCPLC 输入输出控制输入输出控制 3 13 1 可编程控制器概述可编程控制器概述 3 23 2 PLCPLC 输入输入 输出输出 3 33 3 PLCPLC 外围接线图外围接线图 3 43 4 程序编写程序编写 附录附录 1 1 HZC3Z 型轴承车床液压控制原理图型轴承车床液压控制原理图 附录附录 2 2 HZC3Z 型轴承车床继电器控制传统电气原理图型轴承车床继电器控制传统电气原理图 附录附录 3 3 操作安全规则操作安全规则 致谢致谢 参考文献参考文献 结束语结束语 1 11 1 可编程控制器的应用可编程控制器的应用 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 车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 1 21 2 全自动专用车床的应用全自动专用车床的应用 自动车床是指能按一定程序完成工作循环重复加工一批工件的车床 全自 动车床具有自动加工 加工速度快 复杂零件一次加工成型 加工精度可靠 自 动送料 料完自动停机 生产效率高 HZC3Z 全自动液压车床在轴承外圈沟道的全自动加工生产中一直起着不可 替代的作用 全自动液压车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 车床的自动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 全自动车床控制 的设计方案也越来越先进 越来越趋于完美 在我国大多数车床中 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 给车床的安全和经济运行带来了不利影响 用 PLC 对车床的继电器式控制系统进行改造已是大势所趋 1 31 3 车床电气传动工作原理车床电气传动工作原理 详细见附录 3 附录 4 在初始状态 机械手在原位 爪部持待加工工件 行程开关 SQ4 SQ5 均 处于压合状态 电磁铁 YC5 失电 纵刀架 横刀架均在原始位置 行程开关 SQ1 SQ2 释放 SQ3 SQ6 受压 电磁铁 YC3 YC4 失电 夹具牌张开状态 YC1 YC2 失电 工作时 首先夹具张开 机械手装料 然后夹具夹紧 机械 手返回原始位并持料 纵刀架进刀 横刀架进刀 横刀架返回原始位 最后夹 具张开 零件落下 完成一个工作循环 1 4 设计要求设计要求 1 控制要求 1 用 PLC 控制系统取代原来的继电器 接触器控制系统 2 本机床的壮年由机械手完成 装上工件后要求能自动完成九个工步的 加工 进行调整时则要求能进行一个工步的工作循环 即本机床要求能进行单 拍和半自动工作制 必须考虑加入能重复进行九个工步工作循环后自动停机的 控制环节 3 点动调整时必须考虑极限位保护以及必要的连锁环节 4 系统具有程序预选功能 程序选定后 整个加工过程能自动进行 5 电源及系统的运行应有相应的指示 6 应有其他必要的电气保护措施 1 5 设计内容设计内容 1 对系统所需电气元器件进行选型 编制元器件明细表 2 根据机床加工过程设计工作循环图 3 进行 PLC 选型及 I O 分配 4 进行 PLC 硬件设计 5 对原有的继电器 接触器控制电路进行 PLC 改造 设计电气原理图 6 设计 PLC 梯形图 第二章 自动车床主要控制电路设计 2 1 自动车床常用电气元件 1 低压断路器 低压断路器又称为自动空气开关 是将控制和保护的功能合为一体的电器 它常作为不频繁接通和断开的电路的总电源开关或部分电路的电源开关 当发 生过载 短路或欠压等故障时能自动切断电路 有效地保护串接在他后面的电 器设备 并且在分断故障电流后一般不需要更换零部件 1 塑料外壳式断路器 图 2 1 塑料外壳式断路器外形图 电气图形及文字符号 塑料外壳式断路器由手柄 操作机构 脱扣装置 灭弧装置及触头系统组 成 均安装在塑料外壳内组成一体 如图 2 1 所示 机床作为配电 电动机的过载及短路保护用 亦可作为线路不频繁转换及 电动机不频繁启动之用 2 小型断路器 如图 2 2 所示 图 2 2 小型断路器外形图 电气图形及文字符号 机床作为过载 短路保护 同时也可以在正常情况下不频繁的通断电器装 置和照明线路 2 接触器 接触器是一种用来频繁地接通或分断电路带有负载 如电动机 的自动控 制电器 接触器由电磁机构 触点系统 灭弧装置及其他部件四部分组成 如 图 2 3 a 2 3 b 所示 其工作原理是当线圈通电后 铁芯产生电磁吸力将 衔铁吸合 衔铁带动触点系统动作 使常闭触点断开 常开触点闭合 当线圈 断电时 电磁吸力消失 衔铁在反作用弹簧力的作用下释放 触点系统随之复 位 按其主触点通过电流的种类不同 可分为直流 交流两种 机床上应用最 多的是交流接触器 图 2 3 a 交流接触器外形图 图 2 3 b 交流接触器电气图形及文字符号 3 继电器 继电器是一种根据输入信号的变化接通或断开控制电路的电器 继电器的 输入信号可以是电流 电压 等电量 也可以是温度 速度 等非电量 输出 为相应的触点动作 继电器的种类很多 按输入信号的性质分为 电压继电器 电流继电器 时间继电器 温度继电器 速度继电器等 按工作原理可分为 电磁式继电器 感应式继电器 电动式继电器 热继电器等 1 中间继电器 如图 2 5 所示 中间继电器 intermediate relay 用于继电保护与自动控制系统中 以 增加触点的数量及容量 它用于在控制电路中传递中间信号 中间继电器的结 构和原理与交流接触器基本相同 与接触器的主要区别在于 接触器的主触头 可以通过大电流 而中间继电器的触头只能通过小电流 所以 它只能用于控 制电路中 它一般是没有主触点的 因为过载能力比较小 所以它用的全部都 是辅助触头 数量比较多 新国标对中间继电器的定义是 K 老国标是 KA 一 般是直流电源供电 少数使用交流供电 图 2 5 中间继电器电气图形及文字符号 2 热继电器 如图 2 6 a 2 6 b 所示 图 2 6 a 热继电器外形图 图 2 6 b 热继电器电气图形及文字符号 热继电器是一种利用电流热效应工作的保护电器 热继电器由发热元件 电阻丝 双金属片 传导部分和常闭触点组成 当电动机过载时 通过热 继电器中发热元件的电流增加 使双金属片受热弯曲 带动常闭触点动作 热 继电器用于电动机的长期过载保护 3 固态继电器 如图 2 7 所示 图 2 7 固态继电器电气图形及文字符号 固态继电器 简称 SSR 是一种新发展起来的新型无触点继电器 固态继电 器使用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关 而在前级中与光电隔离器 融为一体 因此 固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无触点开关 4 变压器 变压器是一种将某一数值的交流电压变换成频率相同但数值不同的交流电 压的静止电器 1 机床控制变压器 如图 2 8 a 2 8 b 所示 机床控制变压器适用于频率 50Hz 60Hz 输入电压不超过交流 660V 的电 路 常作为各类机床 机械设备中一般电器的控制电源和步进电动机驱动器 局部照明及指示灯的电源 图 2 8 a 机床控制变压器外形图 图 2 8 b 双绕组变压器电气图形及文字符号 2 三相变压器 如图 2 9 a 2 9 b 所示 在三相交流系统中 三相电压的变换可用三台单相变压器也可用一台三相 变压器来实现 从经济性和缩小安装体积等方面考虑 可优先选择三相变压器 在数控机床中三相变压器主要是给伺服驱动系统供电 图 2 9 a 三相变压器外形图 图 2 9 b 三相变压器电气图形及文字符号 5 直流稳压电源 如图 2 10 a 2 10 b 所示 直流稳压电源的功能是将非稳定交流电源变成稳定直流电源 在数控机床电气控制系统中 需要稳压电源给驱动器 控制单元 直流继 电器 信号指示灯等提供直流电源 图 2 10 a 开关电源外形图 图 2 10 b 直流稳压电源电气图形及文字符号 6 熔断器 熔断器是一种广泛应用的最简单的有效的保护电器 在使用时 熔断器串 接在所保护的电路中 当电路发生短路或严重过载时 它的熔断体能自动迅速 的熔断 从而切断电路 使导线和电气设备不致损坏 熔断器主要由熔断体 俗称保险丝 和熔座 俗称保险座 两部分组成 如图 2 11 a 2 12 b 所示 图 2 11 a 熔断器及熔断隔离器外形图 图 2 11 b 熔断器电气图形及文字符号 7 开关电器 1 行程开关 如图 2 12 a 2 12 b 所示 行程开关是根据运动部件位置而切换电路的自动控制电器 用来控制运动 部件的运动方向 行程大小或位置保护 图 2 12 a 行程开关外形图 图 2 12 b 行程开关电气图形及文字符号 2 接近开关 如图 2 13 a 2 14 b 所示 接近开关是非接触式的监测装置 当运动着的物体接近它到一定距离范围 内 就能发出信号 从工作原理看 接近开关有高频振荡型 感应电桥型 霍尔效应型 光电 型 永磁及磁敏元件型 电容型 超声波型等多形式 图 2 13 a 接近开关外形图 图 2 13 b 接近开关电气图形及文字符号 2 42 4 液压设计原理图液压设计原理图 1 一个完整的液压系统由五个部分组成 即动力元件 执行元件 控制元件 辅助元件 附件 和液压油 动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能 指液压系统中的油泵 它向整个液压系统提供动力 液压泵的结构形式一般有齿轮泵 叶片泵和柱塞泵 执行元件 如液压缸和液压马达 的作用是将液体的压力能转换为机械能 驱动负 载作直线往复运动或回转运动 控制元件 即各种液压阀 在液压系统中控制和调节液体的压力 流量和方向 根 据控制功能的不同 液压阀可分为村力控制阀 流量控制阀和方向控制阀 压力控制阀 又分为益流阀 安全阀 减压阀 顺序阀 压力继电器等 流量控制阀包括节流阀 调 整阀 分流集流阀等 方向控制阀包括单向阀 液控单向阀 梭阀 换向阀等 根据控 制方式不同 液压阀可分为开关式控制阀 定值控制阀和比例控制阀 辅助元件包括油箱 滤油器 油管及管接头 密封圈 快换接头 高压球阀 胶管 总成 测压接头 压力表 油位油温计等 液压油是液压系统中传递能量的工作介质 有各种矿物油 乳化液和合成型液压油 等几大类 第三章 PLC 输入输出控制 3 1 可编程控制器概述 可编程控制器 以下简称 PLC 是 20 世纪 60 年代发展起来的一种新型自 动化控制装置 目前已广泛应用于各种工业设备 可编程控制器是计算机技术与自动控制技术有机结合的一种通用工业控制 器 在此之前 机床的顺序控制是以机床当前运行状态为依据 使机床按预先 规定好的动作依次地工作 这种控制方式的实现 是由传统的继电器逻辑电路 RLC 完成的 RLC 是将继电器 接触器 按钮 开关等机电式控制器件用导线 端子等连接起来的电路 以实现规定的顺序控制功能 1969 年 美国 DEC 公司研制出世界上第一台型号为 PDP 14 的可编程 控制器 在通用汽车公司的自动装配线上使用 获得了成功 因为这种装置当 时称为 可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 故简称 PLC 可编程控制器是一种数字运算电子系统 专为在工业环境下运用而设计 它采用可编程序的存储器 用于存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和 算术运算等特定功能的用户指令 并通过数字式或模拟式的输入输出 控制各 种类型的机械或生产过程 可编程控制器及其辅助设备都应按易于构成一个工 业控制系统 且它们所具有的全部功能易于应用的原则设计 数控机床的控制由数控装置和可编程控制器协调配合共同完成 数控装置 主要完成与数字运算和管理等有关的功能 如零件程序的编辑 插补运算 译 码 位置伺服控制等 可编程控制器 以下简称 PLC 主要完成与逻辑运算有 关的一些动作 没有实现轨迹运动上的具体要求 1 可编程控制器 PLC 具有如下特点 1 PLC 是一种专用于工业顺序控制的微机系统 为了适应顺序控制的要 求 PLC 省去了微机的一些数字运算功能 而强化了逻辑运算控制功能 是一 种介于继电器控制和微机控制之间的自动控制装置 2 PLC 是专为在恶劣的工业环境下使用而设计的 所以具有很强的抗干 扰能力 除输入 输出部分采用光电隔离的措施外 对电源 运算器 控制器 存储器等也设置了多种保护和屏蔽 PLC 没有继电器那种机械触点 因此 不 存在触点的接触不良 熔焊 磨损和线圈损坏等故障 3 相对于 RLC PLC 采用软件实现用户控制逻辑 结构紧凑 体积小 很容易装入机床内部或电气箱内 便于实现动作复杂的控制逻辑和数控机床的 机电一体化 4 目前大多数的 PLC 均采用梯形图编程方式 梯形图与继电器逻辑控 制电路图十分相似 图形符号形象直观 工作原理易于理解和掌握 编程简单 操作方便 改变程序灵活 5 PLC 可与编程器 个人计算机等联接 可以很方便地实现程序的显示 编辑 诊断 存储和传送等操作 2 可编程控制器的分类 从数控机床应用的角度可编程控制器可分为两类 一类是 CNC 的生产厂家专为数控机床顺序控制而将数控装置 CNC 和 PLC 综合起来而设计制造的 内装型 PLC 另一类是专业的 PLC 生产厂家的产品 它们的输入 输出信号接口技术规范 输入 输出点数 程序存储容量以及运算和控制功能均能满足数控机床的控制要 求 称为 独立型 PLC 3 可编程控制器的组成及工作方式 PLC 实质是一种专用计算机 它的组成形式基本上与微机相同 主要包括 微处理器 CPU 存储器 用户输入 输出部分 输入 输出扩展接口 外 围设备以及电源等 对于内装型 PLC CPU 存储器 外围设备 电源等部分一 般与 CNC 装置共用 PLC 的基本工作方式是顺序执行用户程序 每一时刻执行一条指令 由于 相对于外部电气信号有足够的执行速度 从宏观上看是实时响应的 对用户程 序的执行一般有循环扫描和定时扫描两种 扫描过程分为三个阶段 即输入采 样阶段 程序执行阶段和输出刷新阶段 图 3 1 为数控车床中的 PLC 系统 CNC系统 主轴 Y轴伺服放大器 X轴伺服放大器 液压站 辅助设备 模块 D A PLC 伺服电机伺服电机 主轴电机 图 3 1 数控车床中的 PLC 3 2 PLC 输入 输出 1 PLC 输入开关量定义 X10 输入接口 I0 I19 表 3 1 输入开关量定义 引脚号信号名标号信号定义 1I00X0 压力继电器 2I01X1 SQ1 3I02X2 SQ2 4I03X3 SQ3 5I04X4 SQ4 6I05X5 SQ5 7I06X6 SQ6 8I07X7 手动 9I08X10 回原点启动 10I09X11 自动启动 11I10X12 回原点 12I11X13 循环 13I12X14 单步 14I13X15 单周 15I14X16 自动停止 16I15X17 夹具张开 17I16X20 夹具夹紧 18I17X21 纵进 19I18X22 横进 20I19Com 内部电源输出公共端 2 PLC 输出开关量定义 X20 输出接口 00 015 表 3 2 输出开关量定义 引脚号信号名标号信号定义 0Yc1Y1 夹具张开 1Yc2Y2 夹具夹紧 2Yc3Y3 得电纵进 失电纵退 3Yc4Y4 得电横进 失电横退 4Com1 外部电源输入公共端 5Yc5Y5 机械手送料 取料 6HLY6 电源指示灯 3 3 PLC 外围接线外围接线 3 4 PLC 程序 基本指令部分 步进指令部分 附录 1 专用车床电气控制原理图 附录 2 液压控制原理图 附录 3 安全操作规程 1 工作前按规定润滑机床 检查各手柄是否到位 并开慢车试运转五分 钟 确认一切正常方能操作 2 卡盘夹头要上牢 开机时扳手不能留在卡盘或夹头上 3 工件和刀具装夹要牢固 刀杆不应伸出过长 镗孔除外 转动 小刀架要停车 防止刀具碰撞卡盘 工件或划破手 4 工件运转时 操作者不能正对工件站立 身不靠车床 脚不踏油 盘 5 高速切削时 应使用断屑器和