【电气工程及其自动化】m1432a万能外圆磨床的电气控制分析与plc改造

本科生毕业论文（设计）M1432A万能外圆磨床的电气控制分析与PLC改造二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2014年5月10日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论111改造的意义112磨床的介绍113磨床的种类114M1432A万能外圆磨床的简介215M1432A外圆磨床的结构216设计任务32M1432A万能外圆磨床电气控制分析421磨床电气控制系统的特点422M1432A电路分析4221M1432A主电路分析4222M1432A控制电路分析43PLC的介绍1031PLC的定义1032可编程控制器的组成10321中央处理单元（CPU）10322存储器单元10323电源单元11324输入输出单元与接口单元1133可编程控制器的特点114M1432A万能外圆磨床电气控制PLC改造1241M1432A改造说明与电路设计1242M1432A程序设计与说明155总结20参考文献21附录22附录A电气原理主电路图22附录B电气原理控制电路图23附录C改造后电气原理图24附录DPLC控制的梯形图25附录E梯形图的语句表26附录FPLC仿真图27致谢28万能外圆磨床的电气控制分析与PLC改造摘要本文分析了M1432A万能外圆磨床的控制原理；制定了改造该万能外圆磨床电气控制系统的设计方案；完成了电气控制系统硬件和软件的设计，其中包括PLC机型的选择、I/O端口的分配、PLC程序的设计。实现了对五台电动机的控制，最后对PLC控制万能外圆磨床的工作过程作了详细阐述。关键词外圆磨床；电气控制；PLC改造THEANALYSISOFTHEELECTRICALCONTROLSYSTEMOFM1432AUNIVERSALCYLINDRICALGRINDERWITHPLCABSTRACTTHISPAPERANALYZESTHECONTROLPRINCIPLEOFM1432AUNIVERSALCYLINDRICALGRINDERFORMULATEDTHEREFORMINGTHEUNIVERSALCYLINDRICALGRINDERDESIGNSCHEMEOFELECTRICCONTROLSYSTEMCOMPLETEDTHEELECTRICALCONTROLSYSTEMHARDWAREANDSOFTWAREDESIGN,INCLUDINGPLCTYPECHOICE,THEI/OPORTDISTRIBUTIONANDPLCPROGRAMDESIGNIMPLEMENTSTHECONTROLOFTHEFIVEELECTRICMOTOR,ANDFINALLYTOPLCCONTROLUNIVERSALCYLINDRICALGRINDER,ANDGIVESADETAILEDDESCRIPTIONOFWORKINGPROCESSKEYWORDSCYLINDRICALGRINDINGMACHINEELECTRICALCONTROLPLCMODIFICATION1绪论11改造的意义M1432A万能外圆磨床有五台电动机,即液压泵电动机M1，双速电动机M2，M3拖动内圆砂轮的电动机M3，拖动外圆砂轮的电动机M4，冷却泵电动机M6。这种磨床的万能性高，但自动化程度较低，根据对M1432A万能外圆磨床控制电路的分析，采用PLC技术对其控制线路进行改造，使其自动化程度上升，接线简单，易于使用，维修比较方便，使它的可靠性得到明显的提高。12磨床的介绍用磨料磨具（砂轮、砂带、油石或研磨料等）作为加工工具对工件表面进行切割加工的机床，统称为磨床。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。13磨床的种类磨床的种类很多，其主要类型有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、工具磨床、刀具刃具磨床及各种专门化磨床等。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。1外圆磨床是普通型的基型系列，主要用于磨削圆柱形和圆锥形外表面的磨床。2内圆磨床是普通型的基型系列，主要用于磨削圆柱形和圆锥形内表面的磨床。此外，还有兼具内外圆磨的磨床。3坐标磨床具有精密坐标定位装置的内圆磨床。4无心磨床工件采用无心夹持，一般支承在导轮和托架之间，由导轮驱动工件旋转，主要用于磨削圆柱形表面的磨床。例如轴承轴支等。5平面磨床主要用于磨削工件平面的磨床。A手摇磨床适用于较小尺寸及较高精度工件加工，可加工包括弧面、平面、槽等的各种异形工件。B大水磨适用于较大工件的加工，加工精度不高，与手摇磨床相区别。6砂带磨床用快速运动的砂带进行磨削的磨床。7珩磨机用于珩磨工件各种表面的磨床。8研磨机用于研磨工件平面或圆柱形内，外表面的磨床。9导轨磨床主要用于磨削机床导轨面的磨床。10工具磨床用于磨削工具的磨床。11多用磨床用于磨削圆柱、圆锥形内、外表面或平面，并能用随动装置及附件磨削多种工件的磨床。12专用磨床从事对某类零件进行磨削的专用机床。按其加工对象又可分为花键轴磨床、曲轴磨床、凸轮磨床、齿轮磨床、螺纹磨床、曲线磨床等。13端面磨床用于磨削齿轮端面的磨床。14M1432A万能外圆磨床的简介M1432A型机床是普通精度级万能外圆磨床。它主要用于磨削公差等级IT57级的圆柱形或圆锥形的外圆和内孔，表面粗糙度在RA008125M之间，主要用于磨削内外圆柱表面、内外圆锥表面、阶梯轴轴间和端面、简单的成型旋转体表面等。这种机床适用于工具车间、机修车间和单件、小批量生产车间。由于机床自动化程度较低，磨削效率不够高，所以，它不宜用于大批量生产车间。15M1432A外圆磨床的结构其主要机械结构如下1）床身。它是磨床的基础支承件；2）头架。用于安装及夹持工件，并带动工件旋转。在水平方向内可以逆时针方向旋转90。3）工作台。工作台是由上、下两层组成，可以相对转动，以磨削圆锥表面。4）内圆磨具。用于支承磨内孔的砂轮主轴，由单独的电动机驱动。5）砂轮架。用于支承并传动高速旋转的的砂轮主轴，砂轮架可以在水平面内调整至一定角度位置。6）横向进给机构。用于实现砂轮架横向工作供给调整位移和快速进退，以确定砂轮和工件的相对位置，控制工件尺寸等。快速进退的距离是固定的，用液压传动。16设计任务M1432A万能外圆磨床有五台电动机。液压泵电动机M1提供的压力油是供给工作台的纵向进给和砂轮架的快速进退液压系统的。只有在M1启动以后，液压系统准备就绪，其他电动机才能接通电源，启动运行。当工件安装完毕（M1已起动）时，操纵液压手柄使砂轮快速接近工件，内、外砂轮分别由电动机M4、M5带动，砂轮架压住行程开关SQ1，转动SA1，电动机M2带动工件旋转，此时，冷却泵电动机M6起动并供给切削液。这种磨床的万能性高，但自动化程度较低，采用PLC技术对其控制线路进行改造，使其自动化程度上升和它的可靠性得到明显的提高。2M1432A万能外圆磨床电气控制分析21磨床电气控制系统的特点1）砂轮架的旋转运动由交流电动机M5经过平带传动拖动，无齿轮变速机构，砂轮的切削速度不需要改变。2）内圆磨具砂轮的旋转运动由电动机M4经过V带传动拖动，也不需要变速。3）工件的旋转供给运动由电动机M2直接拖动，由于工件过程中有快速和慢速的需要，所以电动机M2需要变速，采用三角形联结和双星形联结两种不同的连结方式实现低俗和高速。4）液压泵电动机M1提供液压系统的压力油。5）冷却泵电动机M6提供切削液。22M1432A电路分析221M1432A主电路分析M1432A万能外圆磨床有五台电动机。液压泵电动机M1由接触器KM1控制。头架电动机M2为双速电动机，由接触器KM2、KM3控制，当KM2线圈得电时，KM2的主触点闭合，头架电动机被连接成三角形，磁极对数多，转速低；当KM3接触器线圈得电时，其主触点闭合，头家电动机定子绕组被连接成双星形，磁极对数少，转速高。拖动内圆砂轮的电动机为M4，由接触器KM4控制，拖动外圆砂轮的电动机为M5，由接触器KM5控制。M6电动机为冷却电动机，由接触器KM6控制。电动机M1、M2、M4、M5、M6由各自的热继电器FR1、FR2、FR4、FR5、FR6进行过载保护。电气原理图如图1所示，其低压电气元件如表1所示。222M1432A控制电路分析1液压泵电动机。液压泵电动机M1提供的压力油是供给工作台的纵向进给和砂轮架的快速进退液压系统的。按下启动按钮SB2，接触器KM1线圈得电，其自锁触点KM1闭合，实现自锁，同时其动合触点KM1闭合，液压泵启动指示灯HL1亮。主电路中KM1的主触点闭合，液压泵电动机启动并运转。由控制电路知，只有在KM1得电以后，其他电气控制线路才能接通。也就是说，只有在M1启动以后，液压系统准备就绪，其他电动机才能接通电源，启动运行。按下停止按钮SB1，KM1线圈断电，M1断电停转。此时其他控制线路都无法实现接通。2）头架电动机。磨削加工时，有头架和尾架把工件沿中心轴顶紧。头架电动机M2安装在头架上，电动机M2带动工件旋转。由于加工工件的直径大小以及精磨和粗磨的要求不同，要求头架电动机M2的转速能够调节。M1432A万能外圆磨床采用塔式带轮配合双速电动机，以满足所需的速度要求。在控制电路中，SA1为速度转换开关，分成“低”、“停”、“高”三档。1、低速，即SA1置于“低速”位置。当工件安装完毕（M1已起动）时，操纵液压手柄使砂轮快速接近工件，砂轮架压住行程开关SQ1，因SA1置于低速位置，通过SQ1和SA1接通接触器KM2线圈，其互锁触点KM2断开，实现对接触器KM3的互锁。主电路中KM2的主触点闭合，M2得电低速运转，配合塔式带轮的传动比可以得到工件所需的转速。此时，动合触点KM2闭合，接通接触器线圈KM6，主电路中KM6的主触点闭合，冷却泵电动机M6起动并供给切削液。2、停车，即SA1置于“停”位置。此时，控制线路被断开，“低速”、“高速”控制都无法实现，但能够进行点动调试。按下按钮SB3，接触器KM2线圈得电，但不能自锁，头架电动机低速电动运转。3、高速，即SA1置于“高速”位置。通过行程开关SQ1，接触器KM3线圈得电，其互锁触点KM3断开，实现对接触器KM2的互锁。KM3的动合触点闭合，主电路中的主触点闭合，电动机M2高速转动，配合塔式带轮的传动比可以得到工件所需要的转速。此时，动合触点KM3闭合，接触器线圈KM6得电，其主触点闭合，冷却泵电动机M6起动并供给切削液。无论采用哪种速度，在切削完毕时应用液压手柄操作使砂轮快速退回原处，行程开关SQ1被释放，头架电动机停止转动。3内、外砂轮电动机。内、外砂轮分别由电动机M4、M5带动，由接触器KM4、KM5以及行程开关SQ2的动合、动断触点控制，确保内外砂轮电动机M4、M5不会同时转动。外圆磨削。在进行外圆磨削时，把外圆磨具往上翻，使内圆磨具移开，压下行程开关SQ2，其动合触点SQ2闭合，动断触点SQ2断开，为接通接触器KM5线圈做好准备。按下按钮SB5，接触器线圈KM5得电，其互锁触点KM5断开，实现对接触器KM4的互锁。主电路中的KM5的主触点闭合，外圆砂轮电动机M5定子接通电源，拖动外圆砂轮转动。内圆磨削。在进行内圆磨削加工时，将内圆磨具翻下来，SQ2被释放复位，接触器线圈KM5断电，不能接通,电磁铁YA通电吸合，其衔铁被吸下，使砂轮架不能快速移动，其原因主要在于在磨削内圆时，内圆磨头伸入工件内孔中，砂轮架横向快速移动，必然造成设备事故；如果要求砂轮架快速退回，应先将工件退下，将内圆磨砂轮架翻上去，YA断电后才可操作液压手柄，进行砂轮架快速退回。安装好工件后，按下启动按钮SB5，KM4线圈得电，其自锁常开触点KM4闭合，实现自锁；其互锁常闭触点KM4断开，实现对接触器KM5的互锁。主电路中KM4的主触点闭合，电动机M4定子绕组接通电源，内圆砂轮电动机运转，拖动内圆磨头的砂轮进行内圆磨削加工。内、外圆砂轮磨削停止。无论在进行内圆磨削还是在进行外圆磨削时，按下停止按钮SB4，接触器KM4或KM5线圈断电，其主触点释放，内、外圆砂轮电动机M4或M5断电停止转动。4）冷却泵电动机。头架电动机M2在拖动工件旋转时，不论是高速还是低速运转，都需要冷却泵提供切削液。这时由接触器KM2或KM3的动合触点接通KM6，KM6的主触点闭合使冷却泵电动机M6得电，便可提供切削液。此外，在修整砂轮时，电动机M2不需要起动，但需要提供切削液，此时可以通过手动开关SA2接通KM6线圈，使电动机M6得电运转。5）照明与指示电路。照明灯EL、刻度盘照明灯HL1、液压泵启动指示灯HL2由变压器TC1降压供电。照明灯EL电源电压为24V供电，由开关SA3控制，液压泵起动指示灯由KM1控制，由63V电源电压供电，指示液压泵电动机是否正常运转。电气原理图如图1，图2所示，其低压电气元件如表1所见。图1电气原理主电路图图2电气原理控制电路图表1低压电气元件表电气元件名称与用途M1液压泵电动机M2头架电动机M4内圆砂轮电动机M5外圆砂轮电动机M6冷却泵电动机SB1总停按钮SB2液压泵起停按钮SB3手动低速按钮SB4、SB5内外圆砂轮启停按钮SQ1行程开关SQ2位置开关HL1刻度盘照明灯HL2液压泵起动指示EL机房照明灯SA1低速转换开关SA1高速转换开关KM1液压泵电动机接触器KM2、KM3工件电动机高低速接触器KM4、KM5内外圆砂轮电动机起动接触器KM6冷却泵电动机起动接触器TC1控制变压器SA2冷却泵起动开关FU1FU4熔断器FR1FR6热继电器3PLC的介绍31PLC的定义1969年诞生时被称为可编程序逻辑控制器，简称PLCPROGRAMMABLELOGICCONTROLLER。70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，称其为可编程序控制器。可编程控制器的定义（1987年，国际电工委员会IEC）可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。32可编程控制器的组成可编程控制器由中央处理单元、存储器单元、电源单元、输入输出单元与接口单元、扩展接口单元、外设接口单元及编程器等组成。321中央处理单元（CPU）中央处理单元是PLC的核心部件，采用8位、16位或更高级的单片机或通用微处理器，负责完成逻辑运算、数字运算以及协调系统内各部分的工作。它在系统程序的管理下运行，主要功能有接受并存储由编程器键入的用户程序和数据；诊断电源故障以及用户程序的语法错误；读取输入状态和数据并存储到相应的存储区；读取用户程序指令，解释执行用户程序，完成逻辑运算、数字运算、数据传递等任务，刷新输出映像，将输出映像内容送至输出单元。322存储器单元PLC的存储器单元分成两个部分系统程序存储器（ROM）；用于存放PLC生产厂家编写的系统程序，系统程序在出厂时已经被固化在PROM或EPROM中。用户程序存储器（RAM）。可分为程序存储区和数据存储区，程序存储器用于存放用户编写的控制程序，数据存储区存放的是程序执行过程中所需要的或者所产生的中间数据。这类存储器一般由低功耗的CMOSRAM构成，其中的存储内容可读出并更改。掉电会丢失存储的内容，一般用锂电池来保持。323电源单元电源单元将外界提供的电源转换成PLC的工作电源后，提供给PLC。PLC一般采用AC220V电源，经整流、滤波、稳压后可变换成供PLC的CPU、存储器等电路工作所需的直流电压，有的PLC也采用DC24V电源供电。为保证PLC工作可靠，大都采用开关型稳压电源。有的PLC还向外部提供24V直流电源。电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源，以维持部分RAM存储器的内容在外界电源断电后不会丢失。在面板上通常有发光二极管（LCD）指示电源的工作状态，便于判断电源工作是否正常。324输入输出单元与接口单元PLC的输入、输出单元也叫I/O单元，对于模块式的PLC来说，I/O单元以模块形式出现，所以又称为I/O模块。I/O单元是PLC与工业现场的接口，现场信号与PLC之间的联系通过I/O单元实现。工业现场的输入和输出信号包括数字量和模拟量两类，因此I/O单元也有数字I/O和模拟I/O两种，前者又称为DI/DO，后者又称为AI/AO。PLC的输入、输出单元还应包括一些功能模块，所谓功能模块就是一些智能化了的输入和输出模块。33可编程控制器的特点通用性、灵活性强，控制系统具有良好的柔性和可扩展性，编程简单，使用方便，控制系统易于实现，开发工作量少，周期短，接线简单，安装、调试工作量少，抗干扰能力强、可靠性高，维修方便，性能价格比高、体积小、重量轻、能耗低、成本低、容量大、功能强。4M1432A万能外圆磨床电气控制PLC改造41M1432A改造说明与电路设计根据M1432A的工作过程和已有继电器控制的电气参数，选择FX2N32MR可编程序控制器进行改造。首先考虑保证原有控制功能不变，尽量保留原来的电气元件，不添加新的元件。主电路不变，PLC电源电压为交流220V,输出端口采用继电器输出方式，结合输入、输出总点数，选用FX2N32MR能够满足要求。利用PLC改造M1432A电气控制，主电路、照明电路、指示灯电路不变，对控制电路进行改造，改造后的电气原理图如3所示，低压电气元件和PLC逻辑元件的作用及对应关系见表2。图3改造后电气原理图表2低压电气元件和PLC逻辑元件电气元件作用逻辑元件SB1总停按钮X0SB2液压泵起动按钮X1SB3低速起动按钮X2SB4内、外砂轮停止按钮X3SB5内、外砂轮起动按钮X4SQ1行程开关X5SQ2位置开关X6SA11低速调速开关X7SA12高速调速开关X10SA2转换开关X11FR1热继电器常闭触点X12FR2热继电器常闭触点X13FR3热继电器常闭触点X14FR4热继电器常闭触点X15FR5热继电器常闭触点X16KM1液压泵起动接触器Y0KM2M2低速控制接触器Y1KM3M2高速控制接触器Y2KM4内圆砂轮控制接触器Y3KM5外圆砂轮控制接触器Y4KM6冷却泵轮控制接触器Y5YA联锁电磁铁Y642M1432A程序设计与说明经过对M1432A万能外圆磨床控制电路的分析，结合PLC输入、输出端口的分配情况，设计对M1432A磨床进行PLC控制的梯形图，如图4所示，其语句表如图5所示。图4PLC控制的梯形图图5梯形图的语句表图6PLC仿真图（1）液压泵电动机的起动与停止按下SB2按钮，输入继电器X1为ON，使输出继电器Y0逻辑回路导通，Y0闭合，驱动接触器KM1线圈得电并自锁，液压泵电动机M1主电路接通连续运转，KM1的常开触点闭合，接通液压泵指示灯电路，指示灯亮。按下按钮SB1，输入继电器X0为ON，取反后为OFF，输出继电器Y0逻辑回路断开，接触器KM1断电，电动机M1停止转动。（2）头架电动机的起停1）点动控制。在液压泵电动机起动的前提下，按下按钮SB3，输入继电器X2为ON，输出继电器线圈Y1逻辑回路导通，Y1为ON，驱动接触器KM2线圈得电，头架电动机主电路闭合，电动机M2低速电动运转。2低速控制。在液压泵电动机起动的前提下，操作液压手柄使砂轮架快速接近工件，砂轮架压下行程开关SQ1，输入继电器X5为ON，此时拨动转换开关SA11，X7为ON，输出继电器Y1线圈逻辑回路导通，Y1为ON，驱动接触器KM2线圈得电，主触点闭合，头架电动机M2主电路接通，定子绕组连接成三角形，电动机低速转，同时输出继电器Y1触点取反后为OFF，输出继电器Y2不能接通，实现与高速转动的互锁。3）高速控制。在液压泵电动机起动的前提下，操作液压手柄使砂轮架快速接近工件，砂轮架压下行程开关SQ1，输入继电器X5为ON，此时拨动转换开关SA12，X10为ON，输出继电器Y2线圈逻辑回路导通，Y2得电为ON，驱动接触器KM3线圈得电，主触点闭合，头架电动机定子绕组成双星型联结，头架电动机高速转动，同时输出继电器Y2触点取反后为OFF，Y1线圈不能接通，实现与低速转动的互锁。4）停止控制。无论头架电动机是在高速运转还是在低速运转，拨转换开关SA1至停止位置，X10为OFF，X7为OFF，输出继电器Y1、Y2线圈均不能导通，接触器KM2、KM3断开，头架电动机停止转动。（3）内圆砂轮电动机的起动与停止在液压泵电动机起动的前提下，将内圆磨具翻下来，压住位置开关SQ2，输入继电器X6为ON，按下按钮SB5，输入继电器X4为ON，输出继电器Y3逻辑回路导通，Y3为ON，驱动接触器KM4线圈得电，其主触点闭合，内圆砂轮电动机起动。同时输出继电器Y3的触点取反后为OFF，输出继电器Y4不能得电，实现与外圆砂轮电动机的互锁。按下按钮SB4，输入继电器X3为ON，触点取反后为OFF，输出继电器Y3断电，接触器KM4断电，内圆砂轮电动机停止转动。（4）外圆砂轮电动机的起动与停止在液压泵电动机起动的前提下，将外圆磨具翻下来，位置开关SQ2被释放，输入继电器X6为OFF，触点取反后为ON。此时按下按钮SB5，X4为ON，输出继电器Y4逻辑回路导通，驱动接触器KM5线圈得电，外圆砂轮电动机起动运转。同时输出继电器Y4的触点取反后为OFF，输出继电器Y3不能导通，实现与内圆砂轮电动机的互锁。按下按钮SB4，输入继电器X3为ON，其触点取反后为OFF，输出继电器Y4逻辑回路断开，使接触器KM5断电，外圆砂轮电动机停止转动。（5）冷却泵的起动与停止头架电动机起动时，KM2或KM3得电，输出继电器Y5为ON，驱动接触器KM6得电，冷却泵电动机起动。头架电动机未起动时，转动转换开关SA2，输入继电器X11为ON，输出继电器Y5逻辑回路导通，驱动接触器KM6得电，冷却泵电动机起动。在头架电动机未起动拨动转动转换开关SA2至空位时，输出继电器Y5逻辑回路断开，Y5为OFF，接触器KM6断电，冷却泵电动机停止。5总结本次毕业设计通过对万能外圆磨床的种类、结构、工作原理以及电气控制系统的了解，熟悉M1432A万能外圆磨床的电