【电气工程及其自动化】yb6016半自动花键铣床的电气控制分析与plc改造

本科生毕业论文（设计）YB6016半自动花键铣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课题背景112铣床改造的目的与意义113铣床1131铣床国内外研究状况和发展1132铣床功能结构介绍22YB6016半自动花键铣床电气控制原理321YB6016半自动花键铣床电气工艺特点322电力拖动控制要求323YB6016电路控制分析说明43PLC可编程控制器件831可编程控制器简介及基本构成832可编程控制器的基本工作原理94YB016半自动花键铣床电气控制PLC改造941YB6016改造说明与电路设计942YB6016程序设计与说明14421半自动循环控制程序说明14422点动调整14总结15参考文献16附录17附录A液压泵电动机起18附录B主电动机、冷却泵电动机顺序18附录C刀架快进电动机起动19附录D刀架快退电动机起动21致谢22YB6016半自动花键铣床的电气控制分析与PLC改造摘要本文采用PLC取代传统继电器接触器电气控制系统，从而提高机床的工作性能，分析了YB6016半自动花键铣床的控制原理；制定了改造该钻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梯形图程序的设计。最后对PLC控制立式钻床的工作过程作了详细阐述，给出了相应的控制原理图。关键词YB6016半自动花键铣床；PLC改造；电气控制YB6806SEMISPLINEMILLINGPLCELECTRICALCONTROLANALYSISANDTRANSFORMATIONABSTRACTTHISARTICLEDISCUSSESTHEUSEOFPLCTOREPLACETRADITIONALRELAYCONTACTORELECTRICALCONTROLSYSTEMTOIMPROVETHEPERFORMANCEOFTHEMACHINEMETHODTOANALYZETHEYB6806SEMIAUTOMATICCONTROLPRINCIPLESPLINEMILLING,DRILLINGTODEVELOPTHETRANSFORMATIONOFTHEELECTRICALCONTROLSYSTEMDESIGN,TOCOMPLETETHEELECTRICALCONTROLSYSTEMDESIGNOFHARDWAREANDSOFTWAREPLCMODELSINCLUDINGCHOICE,IASSIGNOPORTS,PLCLADDERPROGRAMDESIGN/INTHISPAPER,THEWORKOFTHEPLCCONTROLVERTICALDRILLINGPROCESSELABORATED,GIVESTHECORRESPONDINGCONTROLSCHEMATICKEYWORDSYB6806SEMISPLINEMILLINGPLCTRANSFORMATION1绪论11课题背景目前，PLC在国内外已经广泛的应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输及文化娱乐等各个行业。运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如何驱动步进电动机等电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛的用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合，取代传统的继电器电路，实现逻辑控制，顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机组控制及自动流水线。铣床主要是用铣刀在工件上加工各种表面机床，还能够加工比较复杂的型面，且效率比刨床，所以在机械制造和修理部门得到广泛的应用。普通机床作为一种原始机床，有其一定的局限性。普通机床的控制较为复杂，需要较大的人力，同时接线复杂，不符合稳定可靠的控制要求。对普通机床进行必要的PLC改造，结合PLC强大的控制功能，将会极大的完善铣床的功能。12铣床改造的目的与意义改造铣床的目的是随着科技的进步和生产的需要，许多机械化进程不断增加，所以以往的铣床不可能适应现在的发展，PLC对YB6016半自动花键铣床的继电接触式控制系统进行技术改造，改造后可以减少强电气元件的数目，提高系统的稳定性和安全可靠性，使得电气控制工作更加的灵活可靠，同时也使得机床更容易维修，更能适应经常变动的工艺条件。13铣床131铣床国内外研究状况和发展铣床最早是由美国人E惠特尼于1818年创制的卧式铣床。为了铣削麻花钻头的螺旋槽，美国人JR布朗于1862年创制了第一台万能铣床，是为升降台铣床的雏形。1884年前后出现了龙门铣床。20世纪20年代出现了半自动铣床，工作台利用挡块可完成“进给快速”或“快速进给”的自动转换。1950年以后，铣床在控制系统方面发展很快，数字控制的应用大大提高了铣床的自动化程度。尤其是70年代以后，微处理机的数字控制系统和自动换刀系统在铣床上得到应用，扩大了铣床的加工范围，提高了加工精度与效率。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，塑料加工等行业工业设备的电气控制中，越来越多的采用PLC机控制，并取得了显著的效果，深受各行业的欢迎。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装置。随着电子技术的发展，可编程控制器日益广泛的应用于机械，电子加工和设备电气改造中。半自动花键铣床的广泛应用，给机械制造的生产方式，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的一个重要标志。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。132铣床功能结构介绍铣床是一种用途广泛的机床，在铣床上可以加工平面（水平面、垂直面）、沟槽（键槽、T形槽、燕尾槽等）、分齿零件（齿轮、花键轴、链轮乖、螺旋形表面（螺纹、螺旋槽）及各种曲面。此外，还可用于对回转体表面、内孔加工及进行切断工作等。铣床在工作时，工件装在工作台上或分度头等附件上，铣刀旋转为主运动，辅以工作台或铣头的进给运动，工件即可获得所需的加工表面。由于是多刀断续切削，因而铣床的生产率较高。用铣刀对工件进行铣削加工的机床。铣床除能铣削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较刨床高，在机械制造和修理部门得到广泛应用。铣床主要有立式铣床、卧式铣床和龙门铣床等，以适应不同的加工需要。立式铣床是指铣头主轴与工作台面垂直；卧式铣床是指铣头主轴与工作台台面相平行。铣床的型号如下表示如XQ6225，X表示铣床，Q表示轻便铣床，6表示卧式铣床，2表示万能升降台铣床，25表示工作台宽度的1/10250MM。铣削加工能达到的精度等级为IT97级，表面粗糙度RA6316M。铣床一般由七个部分组成。1、床身用来安装和支承机床各部件，是铣床的身体，内部有主传动装置，变速箱、电器箱。床身安装在底座上，底座是铣床的脚，内部还有冷却液等。2、悬梁安装在床身上方的导轨中，悬梁可根据工作要求沿导轨作前后移动，满足加工需要。悬梁内部的主轴变速箱是由电动机通过一系列齿轮再传递到一对锥齿轮上，最后从铣头主轴传出。3、主轴用来带动铣刀旋转，其上有724的精密锥孔，可以安装刀杆或直接安装带柄铣刀。4、升降台沿床身的垂直导轨作上下运动，即铣削时的垂直进给运动。5、横向工作台沿升降台水平导轨作横向进给运动。6、纵向工作台沿转台的导轨带动固定在台面上的工件作纵向进给运动。7、转台可随横向工作台移动，并使纵向工作台在水平内按顺或逆时针扳转某一角度，以切削螺旋槽等。2YB6016半自动花键铣床电气控制原理21YB6016半自动花键铣床电气工艺特点YB6016半自动花键铣床是按照滚铣法加工直槽长键轴的专用机床，也可加工直齿齿轮轴适用于飞机、汽车、拖拉机及机床和农业机械等行业。加工花键齿数436，铣刀转速级数6级，铣刀转速范围50160R/MIN，进给量级数12级，进给量范围041297MM/R。花键的加工是利用花键滚刀进行加工，工件水平安装，滚刀轴立式安装。加工过程中，滚刀旋转的同时，工件旋转，两者保持一个确定的传动关系，并且在进给机构的带动下，刀架沿轴向进给，逐步把整个轴加工出来。不同齿数的花键轴加工，需要调整道具主轴转动于工件转动之间的交换齿轮来确定内联系传动链的关系，刀具转速的确定和进给量的确定则根据刀具材料、工件材料、加工精度等要求等因素进行调整。22电力拖动控制要求YB6016半自动花键铣床上配置四台三相笼型异步电动机，分别为液压泵电动机M1，驱动冷却泵供液的电动机M2，提供工作进给动力和主运动的主电动机M3，驱动刀架移动的电动机M4。其中，主运动电动机M3需要进行顺铣和逆铣，即要求正转和反转；快速移动电动机M4需要前进和后退，也需要正转和反转，但是控制不同，对于电动机M3，在正确定好顺序铣或逆铣后，整个加工过程都不变，所以考虑采用组合开关来对调电动机任意两相得电源实现正、反转。而快进或快退往往要频繁交替进行，所以用接触器来实现亮相对调,控制要求主要包括以下几点1）滚削加工过程需要切削液冷却。2YB6016半自动花键铣床的主电动机M3在电气上需要实现顺铣、逆铣和停止，还需要正、反转控制。3快速移动电动机M4用于刀架快速移动、前进或后退，并且与正常的切削进给之间不要发生冲突。4能够完成半自动循环过程。在工件安装好后，能够现实从左向友或者从右向左的自动循环加工。5液压系统工作以后才能实现自动循环。23YB6016电路控制分析说明YB6016半自动花键铣床的电气控制系统主电路图如图1所示，辅助电路图如图2所示，电气元件见表1。下面分析其工作过程。表1YB6016半自动花键铣床电气元件电气元件名称与作用电气元件名称与作用M1液压泵电动机SB1SB5按钮M2冷却泵电动机SB6、SB7按钮M3主电动机FR1FR3热继电器M4快速移动电动机FU1FU7熔断器QS1组合开关、电源引入H工作灯QS2正、反转切换用组合开关TC变压器KM1KM5接触器SQ1、SQ2行程开关KA1中间继电器SQ3、SQ4行程开关图1YB6016半自动花键铣床电气控制系统主电路图图2YB6016半自动花键铣床电气控制系统辅助路图1、主电路铣床的电源采用三相380V交流电源，由组合开关QS1引入，M1、M3、M4,其中M1和M3采用热继电器FR1、FR2进行过载保护。组合开关SA2控制主电动机M3的正、反转，组合开关SA2有顺铣、停、逆流的三个转换位置。接触器KM4,KM5控制快进电动机M4的正、反转，实现快进和快退。只有在主轴电动机M3启动后，中间继电器KA1得电，冷却泵电动机M2才能启动，M2由接触器KM2控制。为保证主电路的正常运行，分别有熔断器FU1、FU2、FU3对电动机M1、M2、M3实现短路保护。2、控制电路1）液压泵的启停控制按下按钮SB1，则接触器KM1线圈得电并自锁，KM1主触点闭合，接通液压泵电动机M1，按下按钮SB6，则断开液压泵电动机M1主电路。2）冷却泵电动机的控制冷却泵电动机M2的起动是在主电动机起动后才能起动，是典型的顺序起动，主电动机起动，接触器KM3得电，其常开辅助触点闭合，接通接触器KM2线圈电路，KM2主触点闭合，冷却泵起动；反之，当主电动机停止，KM3断电，则KM2也随之断电，冷却泵电动机M2停止。3）主电动机的控制电路铣床主轴的正、反转时通过主电动机的正、反转来实现的。在切削加工前，先确定采用顺铣还是逆铣，从而确定刀具的转向，将组合开关SA2转到相应的位置，并且根据零件轴的装夹方式不同，机床可以从左向右走刀，也可以从右向左走刀，这由转换开关SA3来完成。所以在加工之前，需要将转换开关SA3转换到相应的位置。在液压泵已经启动的情况下，KM1线圈得电，KM1的辅助常开触点闭合，然后按下启动按钮SB3，中间继电器KA1线圈得电，KA1动合触点闭合，KA1接通电磁铁YA1，刀架实现快速径向运动，到达加工位置，压下行程开关；当转换开关SA4转换到制动循环状态下，则接触器KM3得电并自锁，电动机M3按照一定的方向带动主轴转动，进行切削加工，并通过内联系传动装置带动刀架作进给运动。当花键加工完毕，压下终点位置的行程开关SQ1或SQ2，KA1线圈断电，KA1的常开触点断开，KM3断电，加工结束。4）刀架的快速移动当花键自动加工完毕，主轴停止，刀架压下终点位置的行程开关。为了节约辅助时间，控制电路自动接通接触器KM4或KM5线圈实现快速前进或后退，当到达极限位置时，压下行程开关SQ4，实现自动停止。5）自动循环过程分析以从右至左的加工形式为例来介绍半自动循环。刀具在工作台右侧，先将转换开关SA3的触点02、34接通，SA4置于自动循环状态，半自动循环过程如图所示，液压泵先启动，KM1线圈电路并自锁。KA1常开触点闭合，接通电磁铁YA1线圈，液压系统驱动刀架径向快速运动，当刀架快速到达背吃刀量位置时，SQ3被压下，然后KA1的常开触点闭合，接通接触器KM3的线圈电路，其主触点闭合，电动机M3转动，刀具转动加工，并带动进给机构进给，刀架从右向左运动，当刀具切削结束，刀架到达工件左边，压下行程开关SQ1，切断中间继电器KA1和接触器KM3线圈电路，电磁铁YA1断电，刀具停止转动，同时停止进给。在液压系统的作用下，刀架径向后退，SQ3断开，然后接触器KM4线圈得电自锁，接通快速进给电动机M4，电动机带动刀架快速运动，直到压下行程开关SQ4，快退结束，卸下工件后，通过手动操作返回到起点SQ2处，一次循环结束。从左至右的循环过程中，需要将SA3转换到另外一个位置，终点压下的行程开关时SQ2，快速退回时接通了接触器KM5。其余控制过程类似。6）调整控制1、主轴电动调整。电动调整控制时，将转换开关断开，当按下按钮SB3后，KA1得电并且自锁，此时按下点动按钮SB2，线圈KM3得电，但不能自锁，主电动机M3实现点动。2、快速进给调整。在主轴停止转动的非自动循环状态下，按下按钮SB4或者SB5，会使对应的接触器KM4或KM5线圈得电，但不能自锁，从而实现快进或者快退的点动调整。3PLC可编程控制器件31可编程控制器简介及基本构成可编程逻辑控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为一、电源可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在1015范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去二、中央处理单元CPU中央处理单元CPU是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。三、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。四、输入输出接口电路1现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。2现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。五、功能模块如计数、定位等功能模块。六、通信模块32可编程控制器的基本工作原理当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。一、输入采样阶段在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。二、用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序梯形图。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。三、输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。4YB016半自动花键铣床电气控制PLC改造41YB6016改造说明与电路设计根据YB6016的工作过程和已有继电器控制的电气参数，选择FX2N可编程控制器进行改造。改造过程中，主要采取的措施有1、由于电磁铁YA1是一个感性元件，为了减小对PLC的冲击，不直接与PLC得输出端口连接，而是通过中间继电器KA1来进行控制。2、在经过PLC改造时，原来的中间继电器KA1用辅助继电器M1来代替。3、电动机M4的正、反转控制接触器KM4、KM5与PLC得输出端口连接时需要在硬件电路中互锁。4、在进行输出端口分配时，将主电动机接触器线圈放到第二组COM内，以减小线圈同时得电对PLC的影响，也减小了总的COM1端的工作电流。5、分别将转换开关SA3的三个位置中的其中两个位置占用两个输入端口。保证主电路不变的情况下，结合输入、输出总点数，选用FX2N32MR可满足要求。改造后的电气图如图图3、图4所示，元件分配表见下表2。表2YB6016半自动花键铣床电气改造元件分配电气元件作用逻辑元件电气元件作用逻辑元件SB1液压泵起动X0SQ1起点行程开关X12SB2主电动机点动X1SQ2终点行程开关X13SB3循环起动X2SQ3径向位置形成开关X14SB4刀架点动快进X3SQ4刀架限位开关X15SB5刀架点动快退X4KM1液压泵电动机接触器Y0SB6液压泵电动机停止X5KM2冷却泵接触器Y1SB7主电动机停止X6KM3主电动机接触器Y4SA31进给方向选择X7KM4刀架快退接触器Y2SA32进给方向选择X10KM5刀架快进接触器Y3SA4自动与手动转换X11KA1中间继电器Y5图3YB6016半自动花键铣床PLC改造系统主电路图图4YB6016半自动花键铣床PLC改造接线图梯形图指令表42YB6016程序设计与说明421半自动循环控制程序说明准备工作将组合开关SA2转换到相应的位置，转换开关SA4闭合，将SA3触点02接通，刀架移动到左端SQ1位置，输入继电器X11、X10为ON。然后按下SB1,X0为ON，则输出继电器Y0的逻辑贿赂导通并自锁，接通负载接触器KM1线圈，液压泵起动，为自动循环做好准备。跟据刀具材料、工件材料和加工参数选定刀具转速和进给速度，并调整对应的齿轮机构，为自动加工做好准备。自动工作过程按下按钮SB3,输入继电器X2为ON，辅助继电器M1逻辑回路导通，切削加工起动，此时刀具尚不在背吃刀量位置上，所以辅助继电器M1的常开触点闭合，电磁铁YA1得电，由液压缸驱动刀架快速进给到键槽深度位置，压下行程开关SQ3，输入继电器X14为ON；X14自动接通输出继电器Y4线圈逻辑回路，Y4驱动负载接触器KM3线圈电路接通，主触点闭合，接通电动机M3电路，电动机按照预定的方向转动，电动机M3不仅带动刀具转动，实现切削加工需要的主运动，还通过内联系传动机构带动刀架按照选定的进给速度，从左向右运动进给，切削过程中自动进行。当刀具运动到右边终端位置时，切削加工结束，压下行程开关SQ2输入继电器X13为ON，取反后常闭触点为OFF，切断辅助继电器M1和输出继电器Y4的逻辑回路，电动机M3停止转动，刀具停止转动，进给也停止；同时，输出继电器Y5和电磁铁YA1都断电，刀架在液压系统带动下快速后退。离开加工深度位置，SQ3复位。另外，X13的常开触点驱动输出继电器Y3的逻辑回路导通并自锁。Y3的负载接触器KM5线圈得电，主触点闭合，快速电动机反转，带动刀架快速退回到SQ4处，压下SQ4，输出继电器X14为ON，其常闭触点切断了Y3的逻辑回路，快速退回停止，一次加工循环结束。422点动调整主轴电动调整点动调整控制时，将转换开关SA4断开，输入继电器X11为OFF；需要先起动液压泵，然后按下按钮SB3,输入继电器X2为ON,辅助继电器M1得电并自锁，为点动调整做好准备。此时，按下电动按钮SB2,输入继电器X1为ON,输出继电器Y4逻辑回路导通，但不能自锁，驱动负载接触器KM3得电，主电动机M3实现点动，同时进行点动进给，以便进行刀具、机床、工件等位置的调整。快速进给调整在主轴停止转动的非自动状态下，按下按钮SB4,输入继电器X3为ON