【电气工程及其自动化】t611h移动卧式镗床的电气控制与plc改造

本科生毕业设计（论文）T611H移动卧式镗床的电气控制与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111T611H型移动卧式镗床的概述112PLC技术在T611H移动卧式镗床上的应用12T611H型卧式镗床控制原理221T611H型移动卧式镗床的主要结构222T611H型移动卧式镗床的运动形式323T611H型卧式镗床电力拖动特点和控制要求324T611H移动卧式镗床的电气控制分析4241控制电路电源93FX2N系列PLC的简介1031PLC的基本组成1032PLC的工作原理1133PLC的特点124采用三菱FX2N系列PLC对T611H镗床改造的实例1241经改造后的T611H的电气系统控制分析12总结19参考文献附录致谢T611H移动卧式镗床的电气控制与PLC改造摘要本文介绍了T611H移动卧式镗床的控制过程，详细分析其主电路和控制电路的工作原理。根据T611H镗床的控制要求和工艺特点，确定PLC改造方案，合理分配I/O地址，画出PLC外部接线图，设计梯形图程序，并分析改造后镗床的控制过程。关键词T611H镗床；继电器；PLC；电气控制T611HBORINGMACHINEELECTRICITYCONTROLSANDPLCREFORMATIONABSTRACTTHISARTICLEDESCRIBESTHECONTROLPROCESSOFT611HMOBILEHORIZONTALBORINGMACHINE,ANALYSISTHEWORKINGPRINCIPLEOFTHEMAINCIRCUITANDCONTROLCIRCUITDETAILEDACCORDINGTOT611HBORINGMACHINECONTROLREQUIREMENTSANDPROCESSCHARACTERISTICS,DETERMINEPLCREHABILITATIONPROGRAMS,AREASONABLEALLOCATIONOFI/OADDRESSES,DRAWPLCEXTERNALWIRINGDIAGRAM,LADDERPROGRAMDESIGNANDANALYSISOFCONTROLBORINGMACHINEAFTERTHETRANSFORMATIONPROCESSKEYWORDSTHET611HBORINGMACHINETHERELAYSPLCTHEELECTRICITYCONTROLS1绪论11T611H型移动卧式镗床的概述镗床是指用镗刀在工件上加工已有预制孔的机床，镗床分为卧式镗床、落地镗铣床、金刚镗床和坐标镗床等类型。卧式镗床是应用最多、性能最广的一种金属切削机床，主要用于切削端面、螺纹、成型面等，需要加工孔时结合钻头、铰刀、镗刀使用。镗床作为常用机床，我国投入了巨大精力进行研发，如今我国的镗床虽然在结构性能、技术水平、产品质量等方面都有了很大提高，但是与发达国家同类产品相比，仍有较大差距。首先是创新能力不够，缺乏自主知识品牌的高档产品，国产镗床的核心技术和关键功能部件，主要是从国外引进或购买。其次是我国生产的镗床质量较国外的有一定差距，镗床可靠性差，这是影响国产镗床市场占有率的主要原因。而在国外，卧式镗床技术发展迅速,主要表现为产品结构的不断更新。大量新技术的应用，使镗床的产品工艺性能不断提高，产品趋向于精细化。T611H移动卧式镗床是我国机械工厂中常用的一种镗床,它广泛用于机修、工具等单件或小批量生产的车间中。移动卧式镗床除了镗孔以外,还可以进行钻孔、铰孔、扩孔以及车、铣工序，所以镗床工艺范围很广。传统的T611H镗床是继电器接触器控制系统，存在着线路复杂、故障率高、可靠性差、灵活性差、维护工作量大等缺点，给生产与维护带来诸多不便。12PLC技术在T611H移动卧式镗床上的应用随着科学技术的不断发展，机械生产的工艺得到很大的改进，特别是计算机技术的诞生，新型控制策略的出现，不断改变着电气控制技术的面貌。对T611H型移动卧式镗床的电气控制原理进行分析与研究后，采用PLC改造镗床的继电器控制系统，使镗床的电气控制从手动控制发展到PLC控制。PLCPROGRAMMABLELOGICCONTROLLER是一种应用于工业环境下的数字运算电子装置，PLC可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、控制灵活、体积小、质量轻、功能强，在机械制造、冶金等领域得到了广泛应用。用PLC控制系统取代传统的继电器电路控制，既可用于单台设备的控制，也可用于大批生产的控制以及自动化流水线的控制。所以用PLC控制系统替代体积大、投资大、功耗大的继电器接触器系统，是今后控制系统发展的趋势。因此，为提高机器的可靠性、易于机器的维护与降低维护成本等原因，选用PLC对T611H移动卧式镗床进行合理改造，既提高了T611H移动卧式镗床电气控制系统的可靠性和抗干扰能力，同时满足生产需求。在达到工艺控制要求的情况下提高生产效率，克服因手动操作带来的一些人为因素的干扰，可以取得良好的经济效益。改造后的PLC控制系统能够实现镗床启动、正反转、反接制动、刀架快速移动等一系列功能，并显著提高工作性能，使控制直观化、简单化。2T611H型卧式镗床控制原理生产机械种类繁多，其拖动控制方式和控制电路各不相同，T611H移动卧式镗床是一种应用广泛的金属切削机床，熟悉其电气控制原理，加深对控制环节的理解，对于用PLC改造镗床的自动化控制起到重要作用，下面对T611H移动卧式镗床进行分析。21T611H型移动卧式镗床的主要结构T611H移动卧式镗床主要是由床身、主轴箱、前立柱、后立柱、下滑座、上滑座和工作台等部分组成，如图1所示。图1T611H型移动卧式镗床结构图镗床床身由整体的铸件制成，在它的一端装着固定不动的前立柱，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，镗床架上装有主轴箱，在主轴箱上集中了主轴部件、变速箱、进给箱与操纵机构等部件。切削刀具固定在镗轴前端的锥形孔里或装在平旋盘的刀具溜板上。平旋盘只能旋转，装在其上的溜板作径向进给运动。在镗削加工时，镗轴一面旋转，一面沿轴向作进给运动，镗轴和平旋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，用来支持镗轴的末端，尾座与镗头架同时升降，保证二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，它由滑座与可转动的做工台组成。上滑座可沿下滑座的导轨作横向运动，下滑座可沿床身导轨作纵向运动，工作台相对于上滑座可作回转运动。T611H型移动卧式镗床主要用于加工高精度孔或一次定位完成多个孔的精加工，此外还可以从事与孔精加工有关的其他加工面的加工，工艺范围很广。22T611H型移动卧式镗床的运动形式为了加工各种螺旋表面，镗床必须具有切削运动与辅助运动，切削运动包括主运动与进给运动，而切削运动以外的其他运动均为辅助运动。具体运动形式如下1主运动镗轴的旋转运动和平旋盘的旋转运动。2进给运动镗轴的轴向进给运动。平旋盘上刀具溜板的径向进给运动。主轴箱的垂直进给运动。工作台的纵向和横向进给运动。3辅助运动主轴箱、工作台等的进给运动上的快速调位移动工作台的旋转。后支承架与主轴箱的垂直调位移动。后立柱的纵向调位移动。尾座的垂直调位移动及各部分的快速移动。23T611H型卧式镗床电力拖动特点和控制要求为了满足主轴在较大范围内的调速要求，且镗床主拖动要求恒功率拖动，所以采用“YY”连接的双速电动机；为了适应加工过程中的调整需要，主轴电动机要求能实现正反转低速点动调整；变速时，为使滑移齿轮能顺利进入正常啮合位置，应有低速或断续变速冲动；由于进给部件较多，快速移动电动机采用单独的电动机拖动；为使主轴迅速准确停车，主电动机应具有电气制动；由于镗床运动较多，故应有必要的连锁保护以及过载或限位保护等；24T611H移动卧式镗床的电气控制分析1主电路分析T611H的主电路采用三相380V，50HZ交流电源，经熔断器FU5与热继电器FR1引入，共装有三台交流异步电动机。M1为主轴旋转及进给电动机，M2为快速移动电动机，M3为滑座夹紧松开电动机。主电动机M1的连接电路分为三部分，第一部分由接触器KM2、KM3控制其正、反转；第二部分由交流接触器KM1控制限流电阻R的接入与切除，主轴需要点动调整时，M1三相绕组接成三角形且串入电阻R实现低速点动；第三部分由交流接触器KM4、KM5通过通电延时时间继电器KT来控制电动机M1的高低速转动。快速移动电动机M2主要带动主轴、主轴箱、立柱滑座的快速移动以及工作台的旋转，由接触器KM6、KM7来控制其正反转。滑座夹紧、松开电动机M3由交流接触器KM8、KM9、中间继电器KA以及过流继电器KI来控制。为保证主电路的正常运行，使用熔断器FU1、FU2、FU3对电动机M1、M2、M3作短路保护，热继电器FR作M1过载保护。快速移动电动机M2和滑座夹紧、松开电动机M3，由于工作时间短，所以不需要过载保护。另外，因为滑座电动机在夹紧过程中会产生较大电流，因此需要给滑座电动机设过电流保护KI1。T611H移动卧式镗床主电路的电气原理图，如图2所示，T611H移动卧式镗床主电路的电气原理图，如图3所示。图2T611H移动卧式镗床主电路电气控制元原理图图3T611H移动卧式镗床主电路电气控制元原理图2控制电路分析控制电路所需的交流电源由控制变压器TC提供。控制电路可划分为主电动机M1，快速移动电动机M3，滑座夹紧松开电动机M2的三个局部控制电路。T611H移动卧式镗床控制电路所用电气元件如表1所示。表1T611H电气元件与功能说明表电气元件作用电气元件作用M1主电动机SQ4滑座夹紧、松开电动机行程开关M2快速移动电动机SA转换开关M3滑座夹紧、松开电动机SB1、SB2停止按钮KM1短接电阻R接触器SB3、SB4主电动机正、反转按钮KM2、KM3主电动机正、反转接触器SB6、SB7主电动机点动转按钮KM4、KM5、KM6主电动机高、低速转动接触器SB10滑座夹紧、松开电动机控制按钮KM7、KM8快速移动电动机正、反转接触器SQ5、SQ8、SQ11、SQ12主电动机多点控制按钮KM9、KM10滑座夹紧、松开电动机松开接触器FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6熔断器TC控制电压器FR1过载保护热继电器KA中间继电器RC限流电阻KT1通电延时时间继电器HL1、HL2信号灯KI1过电流继电器HL3照明灯SQ1主电动机行程开关KS1、KS2速度继电器SQ2、SQ3快速移动电动机行程开关根据控制要求，下面分析控制电路1主电动机M1的控制主轴电动机M1的控制有高速和低速运动，正反转，点动控制和电气制动。主电动机的起动电流并不大，在非频繁点动的一般工作时，仍可以采用全压直接起动。主电动机主要有以下几种运动控制正反转主轴电动机正反转由接触器KM2、KM3主触点完成，通过改变电源相序来改变电动机转向。按下正转起动按钮SB3或SB5，接触器KM2和KM1线圈得电，KM1短接电阻R，同时KM1辅助动合触点闭合，KM1线圈得电并自锁，接通正转回路，KM2辅助动断触点的断开，使反转回路断开，即正反转电路有互锁作用。交流接触器KM2得电还使KM4线圈得电，其常开触电闭合，电动机正向低速直接起动。同理，按下反转起动按钮SB4或SB8时，对应的接触器KM3和KM1线圈得电，主轴电动机M1反向直接起动。高低速选择当需要主轴电动机作高速转动时，将操作手柄转换到高速状态，即压合转换开关SQ1，使时间继点器KT线圈得电，经过一段延时（起动完毕）后，交流接触器KM5线圈接通，电动机切换到高速旋转。行程开关SQ1的状态决定M1是在三角形接线下运行还是在双星形接线下运行。SQ1的状态是由主轴孔盘变速机构机械控制，高速时SQ1被压动，低速时SQ1不被压动。点动控制调整机床时采用点动控制，这种控制不能自锁。按下正转点动按钮SB6或SB11时，接触器KM1不得电，KM2的自锁回路断开，所以M1在接入电阻R的情况下，低速点动运转。同理，当按下反转点动按钮SB7或SB12时，接触器KM3得电，实现主电动机的反向点动控制。主电动机停车制动镗床停车采用反接制动方式，用速度继电器KS进行速度检测与控制，电动机正常运转时，由速度继电器原理可得，达到一定速度后，KS的动合触点KS2闭合。按下停止按钮SB1或SB2时，KM1KM6线圈与时间继电器KT均断电，所有按钮复位。主轴电动机M1断电，但由于此时电动机M1转速较高，速度继电器触点KS2仍然闭合，所以反转接触器KM3线圈接通，其常开触点闭合，使电动机主电路反接，从而产生制动转矩，电动机转速迅速降低，当转速接近零时，速度继电器触点KS2断开，使KM3，KM5、KM6线圈断电，电动机主电路断开，正向反接制动完成。主电机制动停车过程中，由于KM1断电，限流电阻R被接入，以限制制动电流，。同理，电动机M1反向运转时的反接制动，也是由速度继电器控制，M1定子绕组接成双星型，串入限流电阻R进行。2快速移动电动机M2的控制加工过程中，主轴箱、工作台或主轴的快速移动，是将快速手柄扳动，接通机械传动链，同时压动限位开关SQ2或SQ3，使接触器KM7或KM8线圈得电，实现快速移动电动机M2的正转或反转，以拖动有关部件快速移动。将快速移动手柄扳到“正向”位置，压动SQ3，其常开触头闭合，KM7线圈得电动作，M2正向转动。将手柄扳到中间位置，SQ3复位，KM7线圈失电释放，快速移动电动机M2停转。将快速移动手柄扳到“反向”位置，压动SQ2，其常开触头闭合，KM8线圈得电动作，M2反向转动。将手柄扳至中间位置，SQ2复位，KM8线圈失电释放，快速移动电动机M2停转。3滑座的夹紧与松开滑座的夹紧与松开是由电动机M3拖动，由接触器KM9，KM10控制其正反转。滑座的夹紧按下SB10，接触器KM10得电，常开触点闭合，电动机M2向夹紧方向转动，限位开关SQ4复位，使得中间继电器KA得电，其常开触点闭合，常闭触点断开。随着M3的转动，滑座不断夹紧，电动机电流随之不断增大，当流经电流继电器KI的电流值达到动作值时，KI常闭触点断开，KM10断电，电动机停机，夹紧终止。由于滑座处于夹紧状态时，SQ4使得中间继电器KA得电，其常开触点闭合，信号指示灯HL亮，表明此时滑座正在夹紧动作。滑座的松开按下按钮SB9，接触器KM9通电吸合并自锁，电动机M3向滑座松开方向旋转，当滑座完全松开时，会压下行程开关SQ4，其常闭触点断开，切断了KA、KM10线圈的控制回路，KA、KM10断电释放，电动机M3停机，KA常闭触点断开，信号指示灯HL2熄灭，表明滑座完全松开。241控制电路电源因为控制电器较多，控制电路分为两部分，主轴电机控制电压为380V，还有一路电压为36V（安全电压），供镗床照明用，由控制变压器TC供给。当开关SA闭合时，照明灯HL3亮，开关SA断开时，HL3熄灭。3FX2N系列PLC的简介三菱公司是日本PLC的主要厂家之一，FX2N系列PLC是三菱公司于20世纪90年代在FX系列PLC的基础上推出的新产品，该机型是一种小型化，高性能，高速度，各方面都相当于FX系列中最高档次的小型PLC，在运算速度，指令数量以及通信能力方面等都有较大的进步。31PLC的基本组成完整的PLC系统包括控制对象（机器）、执行元件（受PLC输出控制）、检测元件（连接PLC输入）、PLC、编程操作设备等。PLC虽然种类繁多，性能各异，但在硬件组成上，几乎所有PLC都由以下基本硬件组成。1中央处理单元CPU中央处理单元CPU是PLC的控制中枢，是直接决定PLC性能的最基本部件。它采用循环扫描方式，不断重复输入采样、执行用户程序、通信处理、内部诊断、输出刷新循环扫描。2存储器PLC内部所使用的存储器按用途可分为系统存储器、用户存储器、数据存储器3类，按存储元件的种类可分RAM、ROM、EPROM、EEPROM、FLASHROM等，不同用途的存储内容可采用不同种类的存储器分别存储，也可以用同一种的存储器，通过内部划分不同的区域进行数据存储。系统存储器主要用于存储PLC的系统程序，系统程序包括管理程序、命令解释程序、中断控制程序等，是PLC正常工作的基本保证；用户存储器主要用于存储PLC的用户程序，通常所说的PLC存储器容量就是指用户存储器的存储容量，PLC中一步（STEP）是指一条PLC基本逻辑运算命令所占的存储容量；数据存储器用来存储PLC程序执行时的中间状态与信息，相当于计算机的内存，执行PLC的程序所需要的I/O映像、辅助继电器状态、定时器/计数器的中间状态、数据寄存器状态、程序的中间处理结果等都存储于数据存储器中。3输入输出接口电路输入接口的主要作用是完成外部信号到PLC内部信号的转换。来自生产设备的或控制现场的各种输入信号通过输入接口电路，转换成PLC内部控制所需要的TTL电平，将模拟量信号转换成PLC处理所需要的数字量。输出接口电路主要完成PLC内部信号到外部信号的转换，原理与输入接口电路一样。通过输出接口电路。可以将CPU处理完成的逻辑运算结果转换成外部执行元件所需要的各种开关量控制信号，将数字信号转换成外部控制所需要的模拟信号。4通信接口通信接口的主要作用是实现PLC与外部设备之间的数据交换。通过通信接口，PLC既可以与编程器等外部设备连接，实现PLC的数据I/O功能，也可以与计算机、远程I/O等进行连接，构成局域网等。5电源PLC的输入电源有交流输入与直流输入两种基本形式。PLC的内部电源主要提供TTL集成电路与集成运算放大器等组件的工作电源，因此需要将外部输入转换为DC5V、DC15V、DC24V等电压。32PLC的工作原理PLC内部以内存与编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需要的硬件空间。实际上PLC执行梯形图程式的运作方式是逐行将梯形图程序以扫描方式读入CPU中并最后执行控制运作。当PLC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，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。说明如下1输入采样阶段在输入采样阶段，PLC首先扫描各输入端口的状态并将其存入对应的输入映像寄存器，（例如SB1按钮闭合或断开，就将1或0写入对应继电器），一旦写入后即使输入再有变化，其值也不会有改变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入扫描时的输入端的状态值。2程序处理阶段PLC根据梯形图按先左后右、由上而下的顺序读入梯形图的程序，并进行逻辑运算。在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。3输出刷新结果阶段执行完END指令后，PLC将元件映像寄存器中所有输出继电器（Y）的值转存到输出锁存器中，刷新上一阶段输出锁存器的数据，通过一定的输出方式，以驱动输出端的外接负载。33PLC的特点PLC使用方便，编程简单，采用简明的梯形图或语句表等编程语言，系统开发周期短，现场调试容易，控制方案的改变不需要拆动硬件。能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性也远高于继电接触器控制系统。4采用三菱FX2N系列PLC对T611H镗床改造的实例根据T611H的工作工程，采用三菱FX2N48MR可编程序控制器对继电器控制系统进行改造，保证主电路原有的控制元件（包括按钮、行程开关、热继电瑞、接触器等）的作用与原电气线路相同,原继电器控制中的硬件接线，改为PLC编程实现。41经改造后的T611H的电气系统控制分析1I/O分配表将外接的现场输入信号和输出信号分配给PLC的I/O接线端口,时间继电器和中间继电器均用辅助继电器代替，所用到的I/O分配如表2所示。表2I/O分配表电气元件作用逻辑元件电气元件作用逻辑元件SB1、SB2停止按钮X1FR1热继电器X16SB3、SB5M1正转按钮X2KI过电流继电器触点X17SB4、SB8M1反转按钮X3KM1短接电阻R接触器Y0SB6、SB11M1正转点动按钮X4KM2M1正转接触器Y1SB7、SB12M1反转点动按钮X5KM3M1反转接触器Y2SB9M1多点控制按钮X6KM4M1低速接触器Y3SB10M3松开按钮X7KM5M1高速接触器Y4SQ1主电动机行程开关X10KM6M1高速接触器Y5续表SQ2快速移动行程开关X11KM7M2正转接触器Y6SQ3快速移动行程开关X12KM8M2反转接触器Y7SQ4滑座松开行程开关X13KM9M3松开接触器Y10KS1速度继电器触点X14KM10M3夹紧接触器Y11KS2速度继电器触点X15KA中间继电器Y122I/O接线图根据I/O分配表绘制I/O接口线路图，如图4所示图4T611H移动卧式镗床改造后I/O接口线路图3PLC的梯形图程序42经PLC改造后镗床运行的分析1主电动机的控制（1）正反转起动控制按下正转按钮SB3或SB5时，输入继电器X2的值为1，使输出继电器Y0和Y1同时得电并自锁，输出继电器Y1驱动接触器KM2线圈得电，KM1常开触点闭合，主电路中限流电阻被短接，同时输出继电器Y0驱动KM1线圈得电，KM1常开触点闭合，常闭触点断开，完成自锁动作并且断开反转回路。同理，按下反转起动按钮SB4或SB23时，对应的输入继电器X3的值为1，电动机M1实现反转并且断开正转回路。（2）点动控制调整机床时，按下点动按钮SB6或SB11，输出继电器X4的值为1，接通输出继电器Y1线圈逻辑回路，主电动机回路接通，电机实现正转。当松开按钮时，输入继电器瞬间失电，使得输出继电器Y1失电，KM2常开触点复位，电动机停转，由此实现点动控制。同理，当按下点动按钮SB7或SB12时，则对应的输入继电器X5的值为1，接通输出继电器Y2的逻辑回路，电动机M1实现点动调整。（3）高低速选择当电动机低速起动时，其行程开关SQ1处于复位常开状态，当将高速手柄压下时，行程开关SQ1闭合，使得时间继电器KT得电，经过一段延时后，其延时断开触点断开低速回路。同时，延时闭合触点的闭合，使线圈KM5，KM6得电，输出继电器Y4，Y5得电，电动机切换至高速。（4）主电动机停车制动主电动机采用反接制动，电动机正常正转运行时，速度继电器KS动合触点闭合。按下停止按钮SB1或SB2时，线路中的所有继电器均失电，电动机解除自锁并断电。但由于此时电动机的转速还是很高，速度继电器仍然