数控机床润滑系统的PLC控制

1、沈阳城市学院数控机床电气控制与PLC技术课 程 设 计说明书学 院： 机电工程学院 班 级： 机自二班 姓 名： xxxxx 学 号： 111001204 指导教师： xxxxxxx 2013年12月 10日课程设计任务书学院机电学院班级机自二班姓名xx设计起止日期2013年12月16日-2013年12月27日设计题目：数控机床润滑系统的PLC控制设计任务：应用S7-200SPLC完成数控机床润滑系统的PLC控制要求完成以下工作： 1.课题相关任务及PLC的描述； 2.PLC的型号选择 3.完成主电路设计以及相应电器元件的选择 4.设计PLC 的I/O接线图 5.完成梯形图的设计 6.编写、整

2、理设计说明书。指导教师评分：项目分值出勤情况10一次缺席扣2分，两次缺席扣4分，三次缺席扣10分，出勤情况连带影响学习态度和质疑答辩成绩。学习态度10学习态度认真，遵守纪律质疑答辩第一次10PLC硬件选型 第二次10主电路（5分）和I/O接线图（5分）设计第三次10梯形图设计答辩301、程序仿真：正确打开仿真软件（5分），成功导入程序（5分），正确操作并仿真（10分）2、回答问题：老师根据设计内容提问2-3个问题，答对一个5分说明书质量20内容完整（5分），结构设计合理（5分），撰写规范工整（5分），排版准确（5分）总 分 教师签字：年 月 日摘 要 机床润滑系统的设计、调试和维修保养，对于提

3、高机床加工精度、延长机床使用寿命等都有着十分重要的作用。但是在润滑系统的电气控制方面，仍存在以下问题：一是润滑系统工作状态的监控。数控机床控制系统中一般仅设油箱油面监控，以防供油不足，而对润滑系统易出现的漏油、油路堵塞等现象，不能及时做出反应。二是设置的润滑循环和给油时间单一，容易造成浪费。数控机床在不同的工作状态下，需要的润滑剂量是不一样的，如在机床暂停阶段就比加工阶段所需要的润滑油量要少。针对上述情况，在数控机床电气控制系统中，对润滑控制部分进行了改进设计，时刻监控润滑系统的工作状况，以保证机床机械部件得到良好润滑，并且还可以根据机床的工作状态，自动调整供油、循环时间，以节约润滑油。 关键

4、字：数控机床，润滑系统，PLC，故障分析引言 众所周知，要使运动副的磨损减小，必须在运动副表面保持适当的清洁的润滑油膜，即维持磨擦副表面之间恒量供油以形成油膜。这通常是连续供油的最佳特性（恒流量），然而，有些小型轴承需油量仅为每小时1-2滴，一般润滑设备按此要求连续供油是非常困难的。此外，很多事实表明，过量供油与供油不足是同样有害的。例如：对一些轴承在过量供油时会产生附加热量、污染和浪费。大量实验证明，周期定量供油，既可使油膜不被损坏又不会产生污染和浪费，是一种非常好的润滑方式。因此当连续供油成为不合适时可采用经济的周期供油系统来实现。该系统使定量的润滑油按预定的周期时间对各润滑点供油，使运动

5、副均适合采用周期润滑系统来润滑机床润滑系统在机床整机中占有十分重要的位置，其设计、调试和维修保养，对于提高机床加工精度、延长机床使用寿命等都有着十分重要的作用。现代机床导轨、丝杆等滑动副的润滑，基本上都是采用集中润滑系统。集中润滑系统是由一个液压泵提供一定排量、一定压力的润滑油，为系统中所有的主、次油路上的分流器供油，而由分流器将油按所需油量分配到各润滑点：同时，由控制器完成润滑时间、次数的监控和故障报警以及停机等功能，以实现自动润滑的目的。集中润滑系统的特点是定时、定量、准确、效率高，使用方便可靠，有利于提高机器寿命，保障使用性能。目录1、润滑系统的分类51.1 单线阻尼式润滑系统 

6、;51.2 递进式润滑系12、任务分析22.1 PLC简介32.2 具体任务原解释34、主电路、I/O接线图的设计以及对应元器件的选择65、梯形图的设计76、 程序仿真107、润滑系统故障分析117.1 润滑系统工作状态的监控117.2 润滑时间及润滑次数的控制117.3 润滑报警信号的处理13结语138、致谢149、参考文献：141、润滑系统的分类 集中润滑系统按使用的润滑元件可分为阻尼式润滑系统、递进式润滑系统和容积式润滑系统。 1.1 单线阻尼式润滑系统  此系统适合于机床润滑点需油量相对较少，并需周期供油的场合。它是利用阻尼式分配器，把泵打出的油按一定比例分配到润滑

7、点。一般用于循环系统，也可以用于开放系统，可通过时间的控制，以控制润滑点的油量。该润滑系统非常灵活，多一个润滑点或少一个都可以，并可由用户安装，且当某一点发生阻塞时，不影响其他点的使用，故应用十分广泛。图1-1所示为单线阻尼式润滑系统。图 1-1 单线阻尼式润滑系统1.2 递进式润滑系 递进式润滑系统主要由泵站、递进片式分流器组成，并可附有控制装置加以监控。其特点是能对任一润滑点的堵塞进行报警并终止运行，以保护设备；定量准确、压力高，不但可以使用稀油，而且还适用于使用油脂润滑的情况。润滑点可达100个，压力可达21MPa。图 1-2 递进式润滑系统 递进式分流器由一块底板、一块端板及最少三块中

8、间板组成。一组阀最多可有8块中间板，可润滑18个点。其工作原理是由中间板中的柱塞从一定位置起依次动作供油，若某一点产生堵塞，则下一个出油口就不会动作，因而整个分流器停止供油。堵塞指示器可以指示堵塞位置，便于维修。图1-2所示为递进式润滑系统。 1.3 容积式润滑系统    该系统以定量阀为分配器向润滑点供油，在系统中配有压力继电器，使得系统油压达到预定值后发讯，使电动机延时停止，润滑油从定量分配器供给，系统通过换向阀卸荷，并保持一个最低压力，使定量阀分配器补充润滑油，电动机再次起动，重复这一过程，直至达到规定润滑时间。该系统压力一般在50MPa以下，润滑

9、点可达几百个，其应用范围广、性能可靠，但不能作为连续润滑系统。图 1-3 容积式润滑系统 定量阀的结构原理是：由上下两个油腔组成，在系统的高压下将油打到润滑点，在低压时，靠自身弹簧复位和碗形密封将存于下腔的油压入位于上腔的排油腔，排量为0.11.6mL，并可按实际需要进行组合。图1-3 所示为容积式润滑系统。2、任务分析 当系统准备好之后，CNC发出信号，使得润滑系统开始工作，首次润滑15s后，电机停止工作。当压力开关SP2因压力降低而接通时，开始计时25min，计时完成后，当压力开关SP2断开，润滑电机再次工作15s，并循环工作。QF4为润滑电动机过载保护开关，SL为润滑油检测开关，SP3为

10、油路泄露开关，SP4为油路堵塞开关，当电机过载或润滑油不足时则使系统发出报警信号。2.1 PLC简介 PLC的概念 可编程序控制器，英文称Programmable Controller，简称PC。但由于PC容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以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指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相

11、结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。PLC的组成 PLC的构成： PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口

12、和外部设备接口等几个主要部分组成。PLC的硬件系统结构如图1所示：2.2 具体任务原解释 如图2-2，为润滑系统自动控制流程图。当系统准备好之后，CNC发出信号，使得润滑系统开始工作，首次润滑15s后，电机停止工作。当压力开关SP2因压力降低而接通时，开始计时25min，计时完成后，当压力开关SP2断开，润滑电机再次工作15s，并循环工作。QF4为润滑电动机过载保护开关，SL为润滑油检测开关，SP3为油路泄露开关，SP4为油路堵塞开关，当电机过载或润滑油不足时则使系统发出报警信号。图 2-2 润滑系统自动控制流程图3、PLC型号的选择输入输出名称地址编码符号名称地址编码符号启动按钮SB1I0.

13、0电动机启动M1Q0.0油路堵塞开关SP4I0.1油路堵塞L1Q0.1润滑油不足开关SLI0.2润滑油不足L2Q0.2油路漏油开关SP3I0.3油路漏油L3Q0.3润滑电动机过载开关QF4I0.4润滑电动机过载L4Q0.4压力开关SP2I0.5压力开关未接通L5Q0.5压力开关SP2I0.6压力开关未断开L6Q0.6 S7-200 系列可编程控制器有CPU21X 系列和CPU22X 系列,其中CPU22X 系列可编程控制器提供了CPU221、CPU222、CPU224 和CPU226 4 种基本型号。 CPU222 集成8 输入/6 输出,I/ O 点数为14 点,有两个模块的扩展,6 KB

14、程序和数据存储容量,可进行一定模拟量的控制,是S7-200 系列中低成本的单元-200系列是一类可编程逻辑控制器（Micro PLC）。这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，下图展示一台S7-200 Micro PLC的 CPU222系列PLC的CPU外型图，具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。 S7-200 CPU模块包括一个中央处理器单元（CPU）、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。 S7 S7-20

15、0 CPU外型图l CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。l 输入和输出是系统的控制点：输入部分从现场设备（例如传感器或开关）中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其他设备。l 电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。l 通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或一些设备连接起来。l 状态信号灯显示了CPU的工作模式（运行或停止），本机的I/O的当前状态，以及检查出来的系统错误。l 通过扩展模块可以增加CPU的I/O点数。l 通过扩展模块可以提供其通讯功能。l EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。4、主

16、电路、I/O接线图的设计以及对应元器件的选择在数控系统中，大部分的自动控制都是通过PLC来实现的，润滑系统的控制也一样，通过PLC程序控制电机的工作。本节以FX-24M为例，讲述一下润滑系统PLC的控制。4.1 主电路的设计润滑系统电器控制图如图4-1，通过控制交流接触器KM1来控制润滑电机主电源。经过PLC的自动控制来实现自动控制。QFFRKMM 图 4-1润滑系统电器控制原理图4.2 I/O接线图的设计5、梯形图的设计6、 程序仿真7、润滑系统故障分析7.1 润滑系统工作状态的监控 润滑系统中除了因油料消耗，油箱油过少而使润滑系统供油不足外，常见的故障还有油泵失效、供油管路堵塞、分流器工作

17、不正常、漏油严重等。因此，在润滑系统中设置了下述检测装置，用于对润滑泵的工作状态实施监控，避免机床在缺油状态下工作，影响机床性能和使用寿命。 l 过载检测 在润滑泵的供电回路中使用过载保护元件，并将其热过载触点作为PLC系统的输入信号，一旦润滑泵出现过载，PLC系统即可检测到并加以处理，使机床立即停止运行。 l 油面检测 润滑油为消耗品，因此机床工作一段时间后，润滑泵油箱内润滑油会逐渐减少。如果操作人员没有及时添加，当油箱内润滑油到达最低油位，油面检测开关随即动作，并将此信号传送给PLC系统进行处理。 l 压力检测 机床采用递进式集中润滑系统，只要系统工作正常，每个润滑点都能保证得到预定的润滑

18、剂。一旦润滑泵本身工作不正常、失效，或者是供油回路中有一处出现供油管路堵塞、漏油等情况，系统中的压力就会显现异常。根据这个特点，设计时在润滑泵出口处安装压力检测开关，并将此开关信号输入PLC系统，在每次润滑泵工作后，检查系统内的压力，一旦发现异常则立即停止机床工作，并产生报警信号。 7.2 润滑时间及润滑次数的控制 为了要使机床运动副的磨损减小，必须在运动副表面保持适当的清洁的润滑油膜，即维持摩擦表面之间恒量供油以形成油膜。但是数控机床运动副需要的润滑油量不是太多时，采用连续供油方式既不经济也不合理。因为过量供油与供油不足同样是有害的、会产生附加热量、污染和浪费。因此，润滑系统均采用定期、定量

19、的周期工作方式。 集中润滑系统本身可以配置微处理器，专门用于设定润滑泵停止的时间和每次供油时间，以控制润滑泵间隙工作，设计人员往往也借此来简化自己的PLC程序。 但机床在不同的工作状态下，如刚刚通电初始工作阶段、加工运行和因调整、检测工件而使机床暂停运行时，机床对润滑油的需求量各不相同。在配置FANUC数控系统的机床中，通常通过控制润滑泵工作的时间来调节提供的润滑油量，但是，习惯考虑的是润滑系统在机床加工运行状态下的供油方式，而没有顾及其它工作状态，这样，当机床处于其它工作状态时，润滑系统所提供的润滑油量要么不够，要么过多。 机床导轨需要的润滑油量近似可用下面公式计算：(长度+移动行程)

20、15;宽度×K。从公式中可以看出，机床导轨需要的润滑油量与该导轨上的轴的移动距离有关。欧美生产的数控系统大多以行程量作为依据，来控制润滑泵工作，间隙供油，并在系统中提供了相应的参数，便于机床制造商通过PLC程序对润滑泵进行电气控制。而在FANUC 0i系统中没有类似的控制方法，为了能在配置FANUC 0i的数控机床上，采用近似的供油方式控制润滑泵工作，我们改进了润滑控制部分的电气设计，让控制系统能根据机床的具体工作情况自动调整润滑泵工作频率和每次的工作时间，在机床暂停时适当减少供油量，而机床初始工作时适当增加。 现将润滑泵的工作状态分成三类，分别设置润滑泵工作时间和频率。 l 开机初

21、始阶段 机床开机，润滑泵即刻开始工作，连续供油一段时间，此时润滑泵工作的时间T1比正常状态下的要长，以便在短时间内提供足够润滑油，使机床导轨上迅速形成一层油膜。润滑泵运行时间由PLC程序中的TMRB指令设定。与TMR指令不同，由TMRB设定的时间，用户不能随意修改调整。 l 加工运行阶段 机床开机以后，经过空载运行预热后，进入稳定工作状态。此后，控制系统控制润滑泵间歇工作，以保证机床导轨能够得到定期、定量的润滑。润滑泵每次工作的时间和其停止的时间由PLC程序中的TMR指令设定。TMR设定的时间参数，用户可以在PLC数据窗口中根据需要适当调整。 l 暂停阶段 工件待加工或加工完毕时，机床往往处于

22、暂停工作状态，润滑油的需求量相应减少，因此，需要及时调整控制方式，适当延长润滑泵停止工作的时间，以减少其工作频率，从而减少油品消耗。实现的关键是机床处于暂停状态时，系统如何获知。FANUC 0i数控系统中提供了信号MVX(F102.0)、MVY(F102.1)、MVZ(F102.3)，用于反映机床各轴的移动状态。如果该信号状态为“0”，表明相应机床轴静止不动，如果所有移动轴均静止不动，则表明机床此时处于暂停工作状态。所以，只要上述所有信号状态都为“0”，通过设计，PLC程序自动改变润滑泵工作及停止时间。此时，润滑泵工作的时间T2和停止的时间T3均使用TMRB指令设定，同样，用户不可以随意修改这

23、两个时间参数。 7.3 润滑报警信号的处理 l 压力异常 数控机床中润滑系统为间歇供油工作方式。因此，润滑系统中的压力采用定期检查方式，即在润滑泵每次工作以后检查。如果出现故障，如漏油、油泵失效、油路堵塞，润滑系统内的压力就会突然下降或升高，此时应立即强制机床停止运行，进行检查，以免事态扩大。 l 油面过低 以往习惯的处理方法是将“ 油面过低”信号与“ 压力异常”报警信号归为一类，作为紧急停止信号。一旦PLC系统接收到上述信号，机床立即进入紧急停止状态，同时让伺服系统断电。但是，与润滑系统因油路堵塞或漏油现象而造成“ 压力异常”的情况不同，如果润滑泵油箱内油不够，短时间不至于影响机床的性能，无需立即使机床停止工作。但是，出现此现象后，控制系统应及时显示相应的信息，提醒操作人员及时添加润滑油。如果操作人员