卧式镗铣床电气控制系统设计

1、卧式镗铣床电气控制系统设计摘 要镗床是冷加工中使用比较普遍的设备它主要用于加工精度、光洁度要求 较高的孔以及各孔间的距离要求较为精确的零件（如一些箱体零件） ，属于精 密机床。主要用于加工工件上的精密圆柱孔。这些孔的轴心线往往要求严格 地平行或垂直，相互间的距离也要求很准确。因此，保证机床的精度至关重要。plc（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它以其编程方便、操作简单尤其是它的高可靠性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用。它应用大规模集成电路，微型机技术和通讯技术的发展成果，逐步形成了具铣床控制 工业应用有多种优点和微型，中型，大型，超大型等各种规格的系列产品，应用于从继电器控制

2、系统到监控计算机之间的许多控制领域。因此现在的机床控制设计以plc模块为主，硬件电器元件为辅，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。关键词：控制系统 plc 镗铣床 工业应用horizontal boring and milling machine elctric control system design summaryboring is used in the manufacture of the equipment is widely used for its main machining precision and finish re

3、quirement high hole and the distance between each hole required comparatively accurate parts (as some case accessories), belongs to pure dense machine tools. mainly used for machining precision cylindrical holes on. these holes of axis line often asks strictly parallel or vertical, the distance betw

4、een each other and requirements are accurate. therefore, guarantee the accuracy of machine tool is very important. plc (programmable controller) as a kind of industrial control microcomputer, with its programming convenient, simple operation especially its advantages such as high reliability in indu

5、strial production process, has been widely used. it application large-scale integrated circuits, internet technology and communication technology development achievements, and gradually formed a has many advantages and mini, medium, large and super large specifications of the various series of produ

6、cts, from relay control system applied to monitor the many control area between computers. so now with plc control design of machine tools, hardware electrical components are mainly module complementary, can make the connection not only greatly simplified and installation is very convenient and the

7、work can depend, reduced failure, reducing the maintenance, improve the efficacy. key words: control system plc boring and milling machine control industrial application 目录前言 1第一章 镗床的基本知识 21.1镗床的简介 21.2卧式镗床的主要结构 21.3卧式镗床的主要运动 21.4卧式镗床的拖动特点及控制要求 31.5设计要求 3第二章 卧式镗铣床的硬件电路设计 52.1 各种工况要求 52.1.1 输入信号 52.1

8、.1.1 主轴控制 52.1.1.2 转进给 52.1.1.3 终端限位 52.1.1.4 其他 52.1.2 输出信号 52.2 镗铣床总体电路图设计 62.3 电器元件的布局以及控制系统的主要功能 62.4各部分电路简介 62.4.1 主轴电机控制 62.4.2.主轴转速和转进给速度的变换 72.4.3 机床的转进给 82.4.4机床的调整移动 82.4.5 油泵的控制 82.4.6光学读数照明 92.4.7 刀具松开与夹紧 9第三章. 软件设计 103.1 plc简介 103.1.1 选用的plc的型号简介 113.2 程序设计 13第四章 使用的电气元件与设备 14参考文献 总结 前言

9、由于制造武器的需要，在15世纪就已经出现了水力驱动的炮筒镗床。1769年j.瓦特取得实用蒸汽机专利后，汽缸的加工精度就成了蒸汽机的关键问题。1774年英国人j.威尔金森发明炮筒镗床，次年用于为瓦特蒸汽机加工汽缸体。1776年他又制造了一台较为精确的汽缸镗床。1880年前后，在德国开始生产带前后立柱和工作台的卧式镗床。为适应特大、特重工件的加工，20世纪30年代发展了落地镗床。随着铣削工作量的增加，50年代出现了落地镗铣床。20世纪初，由于钟表仪器制造业的发展，需要加工孔距误差较小的设备，在瑞士出现了坐标镗床。为了提高镗床的定位精度，已广泛采用光学读数头或数字显示装置。有些镗床还采用数字控制系统

10、实现坐标定位和加工过程自动化。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(见彩图)。卧式镗床：应用最多、性能最广的一种镗床，适用于单件小批生产和修理车间。落地镗床和落地镗铣床：特点是工件固定在落地平台上，适宜于加工尺寸和重量较大的工件,用于重型机械制造厂。金刚镗床:使用金刚石或硬质合金刀具，以很小的进给量和很高的切削速度镗削精度较高、表面粗糙度较小的孔，主要用于大批量生产中。坐标镗床：具有精密的坐标定位装置，适于加工形状、尺寸和孔距精度要求都很高的孔，还可用以进行划线、坐标测量和刻度等工作，用于工具车间和中小批量生产中。其他类型的镗床还有立式转塔镗铣床、深孔镗床和汽车、拖拉机修理用

11、镗床等。 第1章 镗床的基本知识1.1镗床的简介镗床是一种精密加工机床，主要用于加工工件上的精密圆柱孔。这些孔的轴心线往往要求严格的平行或者垂直，相互间的距离也要求很准确。这些要求都是钻床难以达到的。而且镗床本身刚性好，其可动部分在导轨上的活动间隙很小，且有附加支撑，所以能满足上述加工要求。镗床除了能完成镗孔工序外，在万能镗床上还可以进行镗、钻、扩、铰、车及铣等工序，因此，镗床的加工范围很广。按用途不同，镗床可以分为卧式镗床、坐标镗床、金刚镗床及专门化镗床等。在这次的毕业设计中，设计的是最常见的卧式镗床的电气与plc控制电路。卧式镗床用于加工各种复杂的大型零件，如箱体零件、机体等，是一种功能很

12、全的机床。除了镗孔外，还可以进行钻、扩、铰孔以及车削内外螺纹、用丝锥攻螺纹、车外圆柱面和端面。安装了端面铣刀与圆柱铣刀后，还可以完成铣削平面等工作。因此，在卧式镗床上，工件一次装夹完成后，既能完成大部分表面的加工，有时甚至可以完成全部表面的加工，这在加工大型及笨重的工件时，具有特别的意义。1.2 卧式镗床的主要结构主要有床身、尾架、导轨、后立柱、工作台、镗床、前立柱镗头架、下溜板、上溜板等组成。1.3 卧式镗床的主要运动卧式镗床的床身有整体的铸件制成，床身的一端装有固定不动的前立柱，在前立柱的垂直导轨上装有镗头架，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

13、装在镗轴前端的锥孔里，或装在平旋盘的刀具溜板上。在工作过程中，镗轴一面旋转，一面沿镗轴坐进给运动。平旋盘只能旋转，装在上面的刀具溜板可以在垂直于株主轴轴线方向的径向做进给运动。平旋盘主轴是空心轴，镗轴穿过其中空部分，通过各自的传动链传动，因此可以独立转动。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能使用平旋盘。卧式镗床的床身后立柱上装有尾架，用来夹持装在镗轴上的镗杆的末端，尾架可以随镗头架同时下降，并且其轴心线与镗头架轴心线保持在同一直线上。后立柱可以在床身导轨上沿镗轴轴线方向上做调整移动。加工时，工件安放在床身的中部的工作台上，工作台在溜板上面，上溜板下面是下溜板，下溜板安装

14、在床身导轨上，并且可以眼床身导轨运动。上溜板又可以沿下溜板上的导轨运动，工作台相对于上溜板可以做回转运动。这样，工作台可以床身上做前、后、左、右任一个方向的直线运动，并且可以做回转运动。再配合镗头架的垂直移动，就可以加工工件上一系列与轴线相平行或垂直的孔。由以上的分析，可以将卧式镗床的运动归纳如下：主运动：镗轴的旋转运动与平旋盘的旋转运动。进给运动：镗轴的轴向进给、平旋盘刀具溜板的径向进给、镗头架的垂直进给、工作台的横向进给与纵向进给。辅助运动|:工作台的回旋、后立柱的轴向移动及垂直移动。1.4 卧式镗床的拖动特点及控制要求镗床的加工范围广，运动部件多，调速范围广，对电力拖动及抗震提出的要求如

15、下：主轴应有较大的调速范围，且要求恒功率调速，往往采用机电联合调速。 变身时，为使滑移齿轮能顺利进入正常的啮合状态，应有低速或断续变速冲动。主轴能做正反转低速点动调整，要求对主轴电机实现正反转及点动控制为了使主轴迅速、准确停车，主轴电机应有电气制动。由于进给运动直接影响切削量，而切削量又与主轴转速、刀具、工件材料、加工精度等因素有关，所以印版卧式镗床主运动与进给运动有一台主轴电机拖动，有各自的传动链传动。主轴和工作台除了工作进给外，为缩短辅助时间，还应有快速移动，有另一台电机拖动。由于镗床运动部件较多，应设置必要的连锁与保护，并使操作尽量集中。 1.5 设计要求设计的控制系统应实现以下目标功能

16、：现有的镗铣床的功能都必须具备，而且使控制更方便，更可靠。原有的功能包括：工作台左右前后快速移动及转进给，主轴箱上下快速移动及转进给，主轴的快速移动及转进给，工作台的旋转运动，主轴多档位变速，进给多档位变换，平旋盘多档位变速，主轴与平旋盘功能转换，工作台旋转锁紧，主轴箱上下运动锁紧，工作台左右运动锁紧，主轴前后运动锁紧，各运动方向的微调，镗轴的锁紧与松开，电动机的正反转以使主轴，工作台，平旋盘，主轴箱以及转进给有不同的方向，照明电路，电柜门的开门断电机构。第2章 卧式镗铣床的硬件电路设计2.1 各种工况要求总体说明plc输入与输出节点的各个接法。2.1.1 输入信号2.1.1.1 主轴控制在p

17、lc输入信号中，必须有过载保护、主轴停止，反向转动，正向转动，正向点动、反向点动、变速信号。过载保护、主轴停止设置为常闭触点，其余设置为常开触点。2.1.1.2 转进给输入信号须有转进给停止与启动信号。由于有停止与启动两种相反的信号输入，所以设置为一个常开一个常闭触点。2.1.1.3 终端限位镗床有有x/y/z各两个方向的运动，所以需要设置六个终端限位开关，再有一个主轴后端方向限位，所以总共有七个限位开关，且设置为常闭触点。2.1.1.4 其他 分配箱与平旋盘互锁，需要常闭触点与常开触点各一个。进给超负荷报警一个常闭触点。分配箱与平旋盘倒向设置为常开触点。工作台的快速移动需要两个按钮开关且都设

18、置为常开触点形式。照明许一个开关，设置为常开触点形式。2.1.2 输出信号 输出信号有主轴控制，包括正反转，“y”接，“”接，制动控制。各连一个虚拟继电器且有互锁。油泵的控制输出一个继电器。工作台快速移动输出各一个继电器，且有互锁。转进给控制输出继电器。装卸刀连接两个继电器。超负荷指示与蜂鸣报警各连接指示灯与电铃。2.2 镗铣床总体电路图设计总体电路图见附图12.3 电器元件的布局以及控制系统的主要功能机床控制系统的主要电器元件安装在前立柱背面的电柜中，操作器件安装在悬挂的按钮站上,信号器件安装在机床的个有关部位上。总电源开关为自动空气开关qf，在再电柜侧面操作开或者关，由于安装有开门断电机构

19、，关上电柜门操作qf的合闸才有效，同时电源指示灯hl点亮。接触器km为急停器件，有悬挂按钮站上的按钮sb1,sb2控制，按sb2，km工作后，指示灯hl1点亮，控制回路有电，可以进行正常操作。当紧急停车时，按压急停按钮sb1，km失电，切断总电源以保证安全。机床的电控系统能实现主轴交流电动机m1的正/反连续旋转，正/反点动旋转，“y-”的降压启动停车能耗制动，主轴传动和主轴转速的转进给的液压变速，由m2拖动的各有关坐标的正/反快速调整移动。油泵电机的启动和停止以及各有关故障的报警等多种控制。主轴电机，油泵电机的短路保护，过载保护，主轴箱上下，上拖板前后，下拖板左右以及镗轴向后的终端保护，故障保

20、护，以及装卸刀具与主轴电机间的互锁。2.4各部分电路简介2.4.1 主轴电机控制a）主轴的正/反向连续旋转 按下主轴正/反转启动按钮sb4/sb5，km6得电动作，油泵启动打油，有了油压以后，压力继电器sp1动作，指示灯hl2被点亮，此时如果主轴在档位上，由于变速油路系统作用，压力继电器sp2动作，同时正/反转接触器km1/km2动作，主轴电机按“y-”转换启动，主轴电机在“y”接下运转延时后，速度基本达到额定转速，这时km3断，km4接通，完成“y-”转换，并在“”接法下正常运转。当按下主轴停止按钮sb3时，km1/km2失电，能耗制动接触器km5接通，km6失电，油泵瞬间停止打油，经延时的

21、能耗制动时间后，km5失电切除能耗制动，km4失电，km3得电，主电机由“”接转换为“y”接，同时km6得电重新启动油泵打油，如果30秒钟内不再启动主轴运转，油泵将自动停止打油。b）主轴的正/反点动按下主轴正/反点动按钮sb6/sb7,如果主轴仍在档位上，则km1/km2接通，并且km6接通，油泵启动打油，点动主轴运转。至此，无论主轴正/反转，正/反点动，如果主轴不在档位上，则主电机必须先进行突动换挡到位，在执行如前所述的动作。2.4.2.主轴转速和转进给速度的变换机床的机械结构有两个变速手盘，一个为主轴的转速变换，另一个为转进给的速度变换，无论哪一个手盘进行变速，对电气控制作用基本是一致的。

22、机床可实现停车的自动变速和不停车的自动变速，所谓停车的自动变速为启动主轴以及转进给前，操作变速手盘变速，不停车的自动变速则是在主轴在运转或者转进给已经启动后的自动变速，变速时，只要将相应的液压伺服变速手盘向前推压并旋转到所需转速档（或转进给量档）的位置，然后松手，主轴电机便可以实现由制动，突动到自动启动旋转等过程，转进给则需重新启动，操作也很方便， a）当变速手盘向前推压到底：由于油路失压，sp2的常开触点断开，主轴电机进行能耗制动停车，同时油泵电机停止打油，主轴电机经延时制动，完全停车后油泵电机重新启动提供变速用油，主轴电机由“”接变为“y”接，油路的油压由主轴正常运转的8kg-cm（高压）

23、，同时主电机开始突动。b）变速手盘旋转至所需要的档位上松开手盘：变速手盘松开后，km1/km2断续工作，经过突动直至齿轮全部上档后，控制压力继电器的一条油路才有油压，sp2受压给出变速完毕信号，在经过延时主电机按“星-三角”转换自动启动，主轴在新的再说下旋转，yv2失电，油压恢复到低压。变速突动次数应从主电机制动停车后的第一次算起，但是真正有效却是变速手盘被放开后，一般来说有效次数1-4次足够了，如果总的次数超过10次，机床设置了报警，提醒操作者注意若不是真正箱内齿轮以及油路故障则无妨，不然需要排除故障后才能开车。2.4.3 机床的转进给转进给的动力来自主轴电机，由电磁阀yv1控制进给油缸经活

24、塞杆上的拔叉拨动机械离合器而得，在启动进给前必须先启动主轴旋转，待hl3点亮后再启动进给，避免主轴在“y”接下加载。按下转进给启动按钮sb9，yv1得电动作，同时sb9内的指示灯hl4点亮，这时腰停止主轴旋转，必须先停进给，否则按主轴停止无效，按sb8进给停止，在进给过程中，如果因为负载过大引起超负荷，限位开关sq10被进给机构顶压而工作，切除yv1电源，机构停止，超负荷指示灯hl5点亮，直至超负荷机构复位后，sq10不再被压，报警装置才停止工作，指示灯hl5熄灭。2.4.4机床的调整移动调整移动由快速电机m2拖动，可以进行快速的点动操作，进给坐标由主轴箱以及工作台分配箱操纵手柄和主轴与平旋盘

25、滑块进给变换手柄两个机械手柄选择，该两手柄通过电气限位开关sq8和sq9互锁，只允许某一位置的坐标操纵进给，另一个机械手柄必须置中间位置（转进给的操作也是如此），每一个坐标位置均有正反两个方向的操作（为转进给而设），快速移动时，无论操作手柄拨在哪个方向上，按动一个按钮sb11/sb12，除镗杆和平旋盘滑块以外，均能符合悬挂按钮站上的固定箭头所指的运动方向。2.4.5 油泵的控制控制电源一经启动，plc电源接通，油泵电机工作打油，机床润滑30秒后不启动主轴，油泵自动停止打油。无论是主轴的正常启动，点动或是不停车的变速，齿轮不到位时油压为高压便于齿轮啮合上档，主轴停止30秒后油泵自动停止打油，操作

26、选择开关sa2，油泵便启动，开始装卸刀具，30秒后油泵自动停止打油，若在30秒内装卸刀具未完成，可再次操作sa2时，装卸刀具油压为高压。2.4.6光学读数照明机床采用数显系统做位置检测和显示，转台的分度检测采用光学瞄准定位按一下按钮sb17光学灯点亮，光照时间最长为60秒，超过了这个时间，光学灯自动熄灭，如果短时照明就行了，那么在60秒内再按一次sb17，光学灯就熄灭了。2.4.7 刀具松开与夹紧刀具靠镗轴内弹簧机构自动加紧，靠油压松开，装卸刀具必须先镗轴主轴运转，才允许操作按钮sa2，主轴转动l时严禁操作夹紧松开按钮sa2。镗轴上无刀具是sa2也应处在夹紧位置，否则电磁阀通电时间过长容易损坏

27、。第3章 软件设计3.1 plc简介世界上公认的第一台plc是1969年美国数字设备公司（dec）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的plc主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能.20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使plc增加了运算、数据传送及处理完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件器命名。此时的plc为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 20世纪70年代中末期，可

28、编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、pid功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、

29、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用.程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了plc的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的cf系列、杭州机床电器厂生产的dkk及d系列、大连组合机床研究所生产的s系列、苏州电子计算机厂生产的yz系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产

30、品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的plc生产厂家。可以预期,随着我国现代化进程的深入，plc在我国将有更广阔的应用天地。 21世纪，plc会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会

31、出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看,可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算集散控制系统dcs（distributed control system）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展,可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。 3.1.1 选用的plc的型号简介三菱电机推出的fx1n系列plc是功能很强大的普及型微型plc。fx1n系列最多可控制128点，除了可以扩展输入输出，还具有模拟量控制和通讯，链接功能等的扩展性。所以，fx1n系列可以广泛

32、应用于一般的顺序控制。控制规模：24128点（基本单元：24/40/60点）。在本设计中选用27点控制接点。定位和脉冲输出功能一个fx1n三菱plc单元能同时输出2点100khz脉冲，plc配备有7条特殊的定位指令，包括零返回、绝对位置读出、绝对或相对驱动以及特殊脉冲输出控制。 fx1系列三菱plc其它功能 内置式24v直流电源 24v、400ma直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件。 时钟功能和小时表功能 在所有的fx1nplc中都有实时时钟标准。时间 设置和比较指令易于操作。小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。 持续扫描功能 为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期。 输

33、入滤波器调节功能 可以用输入滤波器平整输入信号（在基本单元 中x000到x017）。 元件注解记录功能 元件注解可以记录在程序寄存器中。 在线程序编辑 在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转。 run/stop 开关 面板上运行/停止开关易于操作。 远程维护 远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据 密码保护 使用一个八位数字密码保护使用程序。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 控制其原控制电路为继电器控 制，接触触点多、线路复杂、故障多、操作人员维修任务较大，为了克服以 上缺点，降低了设备故障率，提高了设备使用效率，我们采用 plc 控制改造 其继电器控制电路。目的是使机床能快速响应动作，灵活可靠的完成生产任 务，而故障率要相应降低。plc 以