电气控制系统的设计

1、第 1 章 绪论1.1 选题 的目 的和 意义由于现代加工技术的日益提高，对加工机床特别是工作母机的 要求也越来越高，由此人们也将注意力集中到机床上来，数控技术 是计算机技术、信息技术、现代控制技术等发展的产物，他的出现 极大的推动了制造业的进步。机床的控制系统的优劣与机床的加工 精 度息 息相 关，特别是 PLC 广泛应用于 控制 领域 后，已经 显现出它 的 优越 性。 可编程控制器 PLC 已广泛应 用于 各行 各业的自 动控制。 在机械加工领域，机床的控制上更显示出其优点。由于镗床的运动 很多、控制逻辑复杂、相互连锁繁多，采用传统的继电器控制时， 需要的继电器多、接线复杂，因此故障多维

2、修困难，费工费时，不 仅 加 大 了 维 修 成 本 ， 而 且 影 响 设 备 的 功 效 。 采 用 PLC 控 制 可 使 接 线 大为简化，不但安装十分方便而且工作可靠、降低了故障率、减小 了维修量、提高了功效。1.2 关于 课 题的 一些 介绍 和 讨论1.2.1 设 计目标 、 研究内 容和 拟 定解决 的 关键问 题完成对 T6113 机床的整个控制系统的设计改造，控制核心是 PLC， 并使其加工精度进一步提高，加工范围扩大，控制更可靠。 研究内容：（1） T6113 的电气系统（PLC）硬件电路设计和在机床上的布 局。（2） PLC 程序的编制。解 决的 关键 问题：PLC对

3、机 床各 个工作部 分的 可靠控制 电 气电 路的 安全问题的解决1.2.2 题目的 可行性 分析虽然目前数控机床以其良好的加工性能得到了人们的肯定，但 是其昂贵的价格是一般用户望尘莫及的，所以改造现有的机床以达 到使用要求是比较现实的，也是必须的。经过实践证明这样的改造 是可以满足大多数情况下的精度和其他加工要求，并且在实践中已 取得的相当好的效益。1.2.3 本项目 的创新 之处利 用 PLC 作为 控制 核心 ， 替代传统 机床 的继电器 控制 ，使 得机 床的控制更加灵活可靠，减少了很多中间的机械故障的可能。利用 PLC 的 可编 程功 能使 得变换和改进 控制 系 统成为可 能。1.

4、2.4 设计产 品的用 途和应用 领 域镗床是一种主要用镗床刀在工件上加工孔的机床。通常用于加 工尺寸较大、精度要求较高的孔。特别是分布在不同表面上、孔距 和位置精度要求较高的孔，如各种箱体，汽车发电机缸体等零件的 孔。一般镗刀的旋转为主运动，镗刀或工件的移动为进给运动。在 镗床上除镗孔外，还可以进行铣削、钻孔、扩孔、铰孔、锪平面等 工件。因此镗床的工作范围较广。它可以应用于机械加工的各个领 域，但因其价格比一般机床贵好多，所以在比较大的加工车间才可 见到。1.3 电气 控制 技术 的发 展电气控制技术是随着科学技术的不断发展、生产工艺不断提出 新的要求而迅速发展的，从最早的手动控制到自动控制

5、，从简单的 控制设备到复杂的控制系统，从有触点的硬接线控制系统到以计算 机为中心的存储系统。现代电气控制技术综合应用了计算机、自动 控制、电子技术、精密测量等许多先进的科学技术成果。作为生产 机械的电机拖动，已由最早的采用成组拖动方式，发展到今天无论 是自动化功能还是生产安全性方面都相当完善的电气自动化系统。继电接触式控制系统主要由继电器、接触器、按 钮、行 程开关等组 成，其控制方式是断续的，所以又称为断续控制系统。由于这种系 统具有结构简单、价格低廉、维护容易、抗干扰能力强等优点，至 今仍是机床和其他许多机械设备广泛采用的基本电气控制形式，也 是学习先进电气控制的基础。这种控制系统的缺点是

6、采用固定的接 线方式，灵活性差，工作频率低，触点易损坏，可靠性差。从 20 世纪 30 年代开始，生 产企业为了提高生产率，采 用机械化流 水作业的生产方式，对不同类型的产品分别组成生产线。随着产品 类型的更新换代，生产线承担的加工对象也随之改变，这就需要改 变控制程序，使生产线的机械设备按新的工艺过程运行，而继电接 触器控制系统采取固定接线方式，很难适应这个要求。大型生产线 的控制系统使用的继电器的数量很多，这种有触点的电器工作频率 很低，在频繁动作的情况下寿命较短，从而造成系统故障，使生产 线 的运 行可 靠性降低。为 了解 决这个问 题，20 世纪 60 年代 初期 利用 电子技术研制出

7、矩阵式顺序控制器和晶体管逻辑控制系统来代替继 电接触式控制系统。对复杂的自动控制系统则采用计算机控制，由 于 这 些 控 制 装 置 本 身 存 在 不 足 ， 因 此 均 未 能 获 得 广 泛 应 用 。 1968 年 美 国 最 大 的 汽 车 制 造 商 通 用 汽 车 （ GM ）公 司 ，为 适 应 汽 车 型 号 不 断 更新，提出把计算机的完备功能以及灵活性、通用性好等优点和继 电接触器控制系统的简单易懂、操 作方便、价 格低等优点结合起来， 做成一种能适应工作环境的通用控制装置，并把编程方法输入方法 简 化。 美国 数字设备公司（DEC ） 于 1969 年率先 研制 出第

8、一台 可编 程控制器（ 简称 PLC ），并 在通用汽车公司的自动装配线上试用获得 成功。从此以后，许多国家的著名厂商竟相研制，各自成为系列， 而且品种更新很快，功能不断增强，从最初的逻辑控制为主发展到 能进行模拟量控制，具有数字运算、数据处理和通信联网等多种功 能 。PLC 另 一个突出 的 优点 是可靠性 很高，平 均无故障 运行 可达 10 万小时以上，可以大大减少设备维修费用和停产造成的经济损失。 当 前 PLC 已经 成为 电气 自 动化 控制系统中应 用最 广泛 的核 心控制装 置。电气控制技术的发展始终是伴随着社会生产规模的扩大，生 产水平 的提高而前进的。电气控制技术的进步反过

9、来又促进了社会生产力 的进一步提高。同时，电气控制技术又是与微电子技术、电力电子 技 术 、 检 测 传 感 技 术 、 机 械 制 造 技 术 等 紧 密 联 系 在 一 起 的 。 21 世 纪 电气控制技术必将给人类带来更加繁荣的明天。1.4 PLC 的发 展 史、 优势 及 特点1.4.1 发 展史可 编程 控制器 PLC 诞 生之 前，工业 电气 控制主要 使用 低压电器 构成的继电接触器电路，它是以接线逻辑实现控制功能的。这样的 控制设备一经生产出来，功能就固定了，若要改变就必须改变控制 器 内 部 的 硬 件 接 线 ， 使 用 起 来 不 灵 活 ， 也 很 麻 烦 。 196

10、8 年 ， 美 国 最 大 的汽 车 制 造 商 通 用 汽 车 公 司（ GM ）为 了 适 应 生 产 工 艺 不 断 更 新的需要，要寻找一种比继电器更可靠，功能更齐全，响应速度更 快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的 十大条件，立即引起了开发热潮。1969 年，美国数字设备公司（DEC ）研制出了第一台可编程控 制 器 PDP 14， 在美国通 用汽车公 司的 生 产线 上适 用成 功，并取 得了满意的效果，可编程控制器由此诞生。可编程控制器自问世以来，发 展极为迅速。1971 年，日 本开始生 产 可编 程控 制器，1973 年 ，欧洲开始生 产可 编程 控制

11、器， 到现在， 世界各国的一些著名的电器工厂几乎都在生产可编程控制器。可编 程控制器已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控 装置的主导。早期的可编程控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成， 它采用了一些计算机技术，但简化了计算机的内部电路，对工业现 场环境适应性较好，指令系统简单，一般只具有逻辑计算的功能。 随着微电子技术和集成电路的发展，特别是微处理器和微计算机的 迅 速发 展， 在 20 世纪 70 年代 中期，美、日 、德等国 的一 些厂 家在 可编程控制器中开始更多地引入微机技术，微处理器及其他大规模 集 成 电 路 芯 片 成 为 其 核 心 部 件 ，使 可 编 程

12、 控 制 器 具 有 了 自 诊 断 功 能 ， 可 靠 性 有 了 大 幅 提 高 ， 性 能 价 格 比 产 生 了 新 的 突 破 。 到 20 世 纪 80 年代，可编程控制器都采用了微处理器（CPU）、只读存储器（ROM ）、 随 机 存 储 器 （ RAM ） 或 是 单 片 机 作 为 其 核 心 ， 处 理 速 度 大 大 提 高 ， 不 仅增 加了 多种特殊功能，体 积还 进一步缩 小。20 世纪 90 年 代末 ， PLC 几乎 完全计算 机化，其速度 更快 ，各 种 智能 模块 不 断被开 发出 来，使其不断地扩展着它在各类工业控制中的作用。现在，PLC 不仅能进行逻辑控

13、制，在 模拟量闭环控制、数字量的 智能控制、数据采集、监控、通信联网及集散控制系统等各方面都 得到了广泛应用。如 今，大 、中 型，甚 至小型 PLC 都配有 A/D 、D/A 转 换及 算术 运算功能，有的还 具有 PID 功能。 这些 功能 使 PLC 在模 拟量闭环控制、运动控制、速度控制等方面具有了硬件基础；许多 PLC 具有 输出和接 收高速脉冲的 功能 ，配 合 相应 的传 感器及伺 服设 备 ，PLC 可实 现数 字量的智能控制； PLC 配 合可 编程终端 设备 ，可 实时显示采集到的现场数据及分析结果，为系统分析、研究工作提 供 依据 ，利 用 PLC 的自检信 号还可以 实

14、现 系统 监控； PLC 具有 较强 有利的通信功能，可以与计算机或其他智能装置进行通讯及联网， 从 而能 方便 地实现集散控制。功 能完 备的 PLC 不仅能 满足 控制 要 求， 还能满足现代化大生产管理的需要。近年来，可编程控制器的发展更为迅速。展望未来，可 编程控制 器在规模和功能上将向两大方向发展：一是大型可编程控制器向高 速、大容量和高性能方向发展；二是发展简易经济的超小型可编程 控制器，以适应单机控制及小型自动化设备的需要。另外，不断增 强 PLC 工 业过程控 制的 功能（ 模拟量 控制能力 ），研 制 采用 工业 标准 总线，使同一工业控制系统中能连接不同的控制设备，增强可编

15、程 控制器的联网通信功能，便于分散系统与集中控制的实现，大力开 发 智能 I/O 模块、增 强可编程 控制 器的功能 等也 具有 重要意义。1.4.2PLC 的 优势 和 特 点1. 可靠性高，抗干扰能力强。高可靠性往往是用户选择控制装置的首要条件。在继电器接触 器控制系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧 等 现象 大大 降低了系统的可靠 性。 而在 PLC 系统 中， 大量 的开 关动 作 是由 无触 点的半导体电路来 完成 的，加上 PLC 充分 考虑 了工 业生 产环境电磁、粉尘、温度等各种干扰，在硬件和软件上采取了一系 列 抗干 扰措 施， PLC 有极高 的可靠性 。

16、根 据 有关 资料 统计 ，目 前个 生 产厂 家生 产的 PLC ， 其平均无 故障 时间都大 大超 过了 IEC 规 定的 10 万小时 ，有 的甚 至达 到了 几十 万小时。2. 适应性强，应用灵活由 于 PLC 产品 均成 系 列化 生产，品种齐 全， 多数 采用 模块 式的 硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用，以 满足系 统大小不 同及功 能繁简各异的 控制要求。更重要的是， PLC 系统相对继电器接触器控制系统，接线很少。3. 编程方便，容易使用PLC 的编程可 采用与继电器 电路 极为 相 似的 梯形 图语言， 直观 易懂。4. 功能强，扩展能力强PLC 中含

17、有数 量巨大的可用 于开 关量 处 理的 继电 器类软元 件， 可轻松的实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器系统所 不能实现的。5. PLC 控 制系统设计 、安 装、 调试 方便PLC 中相当 于继 电器 接 触器 系统中的 中间 继电器、 时间 继电 器、 计数器等“软元件”数 量巨大，又用程序（软接线）代 替硬接线， 安 装 接 线 工 作 量 小 ，设 计 人 员 只 要 具 有 PLC 就 可 进 行 控 制 系 统 设 计并可在实验室进行模拟调试。而继电器接触器系统的调试是靠 在现场改变接线进行的，十分烦琐。6. 维修方便，维修工作量小PLC 有完善的 自诊断，履历 情报

18、存储 及 监视 功能 。对于其 内部 工 作 状 态 、通 信 状 态 、异 常 状 态 和 I/O 点 的 状 态 均 有 显 示 。工 作 人 员 可以通过它查出故障原因，便于迅速处理。7. PLC 体 积小，重量 轻， 易于 实现 机电 一体化第 2 章 镗床的概况2.1 T6113 卧式镗床 主要 结构及 机械 运动2.1.1T6113 卧式 镗 床 主要 结 构镗床是一种精密加工机床，主要用于加工精密圆柱孔，这些孔 的轴线往往要求严格地平行或垂直。相互间的距离也要求很准确， 镗床本身刚性好，其可动部分在导轨上活动间隙很小，而且有附加 支撑。卧式镗床用于加工各种复杂大型工件，如箱体零件

19、、机床等， 是一种功能很大的机床。除了镗孔外，还可以进行钻、扩、绞孔以 及车削内外螺纹，用丝锥攻螺纹，车外圆柱面和端面。卧式镗床外形结构如图中所示：1. 床身 2.前 立柱 3.主轴箱 4.尾 筒工作台 5.下滑座 6.上滑座7.工作 台 8.后立 柱 9.悬挂按 钮站 10.固 定按钮站卧式镗床的床身是由整体的铸件制成，床身的一端有固定不动 的前立柱，在前立柱的垂直导轨上装有镗头架，它可以上下移动， 镗头架上集中了主轴部件、变速箱、进给箱与操纵机构等部件。切 削刀具安装在镗轴前端的锥孔里，或装在平盘的刀具溜板上，在工 作过程 ，镗 轴一面旋转，一面沿轴向做进给运动，平 旋盘只能旋转 装在它的

20、上面刀具溜板可在垂直于主轴轴线方向的径向进给运动。 平旋盘主轴是空心轴，镗轴穿过其中空心部分，通过各自的传动链 运动，因此可独立转动。在大部分工作情况下使用镗轴加工，只有 在用车刀切削端面时才使用平旋盘。卧式镗床后立柱上安装在尾架，用来夹持装夹在镗轴上的镗杆 的末端。它可随镗头架同时升降，并且某轴心线与镗头架轴心线保 持 在同 一直 线上，后 立柱 可在 床身导轨 上沿镗轴 轴线 方向上做 调 整、 移动。加工时，工件放在床身中部的工作台上，工作台在上滑座上 面，上滑座下面是下滑座，下滑座安装在床身导轨上，并可沿床身 导轨运动，上滑座又可沿下滑座上的导轨运动，工作台就可在床身 上作前后左右任一

21、方向运动，并可作回转运动，再配合镗头架的垂 直运动，就可以加工工件上一系列与轴线相平行或垂直的孔。加工时，刀具装在主轴箱的镗轴或平旋盘上，由主轴箱可获得 各种转速和进给量，主轴箱可沿前立柱的导轨上下移动，工件安在 工作台，可与工作台一起随上滑座或下滑座作横向或纵向移动，此 外，工作台还可以绕上滑座的圆导轨在水平面内移动一定的角度， 以便加工互成一定角度的孔或平面，装在镗轴上的镗刀还可以随镗 轴轴向运动，以实现轴向进给或调整刀具的轴位置。当镗轴及刀杆 伸出较长时，可用后立柱来支撑左端，以增加镗轴和刀杆的刚度。 当 刀具 装在 平旋盘的径向刀架 时，径 向刀架可带着刀 具作 径向 进 给， 以车削端面。2.1.2 机械运 动1镗杆的旋转运动；2 主轴箱垂直进给运动；3 工作台纵向进 给 运 动 ； 4 工 作 台 横 向 进 给 运 动 ； 5 镗 杆 的 轴 向 运 动 ； 6 平 旋 盘 的 旋转运动；7 平旋盘径向刀架进给运动；8辅助运动：主