机电控制综合设计课程设计X52K立式铣床PLC控制系统设计

1、完整设计机电工程学院课 程 设 计 说 明 书设计题目： X52K立式铣床PLC控制系统设计学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 2011年12月 5日2011-2012学年第1学期 机电控制综合设计 课程设计设计题目名称：X52K立式铣床PLC控制系统设计院系名称 专业班级： 学生姓名： 学 号：指导老师： 材 料 目 录序号名 称数量备 注1课程设计任务书12课程设计说明书13图纸24内容摘要可编程控制器是在继电器控制和计算机技术的基础上，逐渐发展起来的以微处理器为核心，集微电子技术、自动化技术、计算机技术通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置。它具有结构简单、编程方

2、便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富。它的功能主要是：控制功能、数据采集、储存与处理功能、通信、联网功能、输入/输出接口调理功能、人机界面功能。在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。本次设计的内容主要是利用PLC对X52K型铣床的电器部分进行改造。首

3、先我对本设计进行总体的分析，使自己有一个大致的总体概念，然后仔细分析铣床，对车床主运动和进给运动还有其它的辅助运动，进行分析。最后根据控制电路的线路图，编译PLC的梯形图，编译通过后，利用PLC实验台进行实验仿真。因此使X52K铣床在完成原有的功能特点外，还具有安装简便、稳定性好、易于维修、扩展能力强等特点。关键词：可编程控制器，X52K立式铣床，梯形图，电气控制目 录第一章 引言11.1 X52K立式铣床改造主要内容1第二章 电气控制原理22.1 主电路分析22.2控制电路分析3第三章 X52K万能铣床电气控制线路的PLC改造措施.6第四章 系统元器件的选择73.1 PLC 类型的简介73.

4、2 PLC型号的选择73.3 电动机选择83.4 其它元器件的选择83.4.1 交流接触器的选择83.4.2 中间继电器的选择93.4.3 保护电器的选择93.4.4 控制开关电器的选择9第五章 PLC控制电路设计124.1 PLC的硬件电路框图124.2 车床控制PLC输入/输出接口分配表及电气原理图124.2.1 PLC控制原理电路设计13第六章 调试18第七章 设计总结及其致辞18参考文献19第一章 引言随着社会生产力的发展，传统的继电器控制系统已经不能满足当今迅猛发展的社会的现代化生产要求，于是我们在选毕业设计课题之际，选定了课程设计课题铣床PLC控制系统设计。我们选定了X52K立式铣

5、床为改造对象，进行传统控制系统的改造，以PLC控制系统取代之前的传统控制系统。改由PLC控制后，其控制系统大大的简单化，并且维修方便，易于检查，节省了大量空间，机床的各项性能有了很大的改善，工作效率有了明显提高。1.1 X52K立式铣床PLC控制系统设计的主要内容 主要控制电器为三台电机：主电动机M1，冷却泵电机M3，快速移动电机M2.三台电机都要有短路保护措施。主电动机M1能完成主轴主运动和流板箱进给运动的驱动，采用降压启动的方法启动，可以正反两个方向旋转，并且可以正反两个旋转方向的反接制动，为加工方便，还应具有点动控制空能。电动机M3拖动冷却泵，在加工时提供切削液，采用直接启动及停止方式，

6、并且为连续工作方式。 主电路负载的电流大小能够监控，但要防止启动电流对电流产生冲击。主电动机和冷却泵电机采用热继电器进行过载保护。机床要有照明设施。第二章 电气控制原理X52K立式铣床属于中型车床，为提高工作效率，该机床采用了反接制动。为了减少制动电流，制动时在定子回路串入了限流电阻R，图2-1是它的电气原理图。图2-1 X52K铣床电气原理图21 主电路分析主轴电动机M1拖动主轴带动铣刀进行铣削加工，通过组合开关SA5来实现正转；进给电动机M2通过操纵手柄和机械离合器的配合拖动工作台前后、左右、上下6个方向的进给运动和快速移动，其正反转由接触器KM2、KM3来实现；冷却泵电动机M3供应切削液

7、，且当M1启动后，用手动开SA3控制；3台电动机分别用热继电器FR2、FR3、FR1作过载保护。图2-2为X52K立式铣床的主电路图。图2-2 X52K立式铣床主电路22控制电路分析控制电路的电源由控制变压器TC输出110V电压供电。 主轴电动机M1的控制 主轴电动机M1采用两地控制方式，SB3和SB4是两组启动按钮，SB3和SB4是两组停止按钮。KM1是主轴电动机M1的启动接触器，YB是主轴制动用的电磁离合器，SQ7是主轴变速时瞬时点动的位置开关。 1）主轴电动机M1启动前，应首先选择好主轴的转速，再把主轴换向开关SA5扳到所需要的转向。按下启动按钮SB3（或SB4），接触器KM1线圈得电，

8、KM1主触头和自锁触头闭合，主轴电动机M1启动运转，KM1常开辅助触头（9-10）闭合，为工作台进给电路提供了电源。按下停止按钮SB1（或SB2），SB1（或SB2）常闭触头分断，接触器KM1线圈失电，KM1触头复位，电动机M1断电惯性运转，SB1（或SB2）常开触头闭合，接通电磁离合器YB，主轴电动机M1制动停转。 图2-3 X52K控制电路图2)主轴换铣刀时将转换开关SA2扳向换刀位置，这时常开触头SA2-2闭合，电磁离合器YB线圈得电，主轴处于制动状态以便换刀；同时常闭触头SA2-1断开，切断了控制电路，保证了人身安全。 3)主轴变速时，利用变速手柄与冲动位置开关SQ7，通过M1点动，使

9、齿轮系统产生一次抖动，以便于齿轮顺利啮合，且变速前应先停车。 进给电动机M2的控制 工作台的进给运动在主轴启动后方可进行。工作台的进给可在3个坐标的6个方向运动，进给运动是通过两个操作手柄和机械联动机构控制相应的位置开关使进给电动机M2正转或反转来实现的，并且6个方向的运动是联锁的，不能同时接通。 1）当需要圆形工作台旋转时，将开关SA2扳到接通位置，这时触头SA1-1和SA1-3断开，触头SA1-2闭合，使接触器KM2得电，电动机M2启动，通过一根专用轴带动圆形工作台作旋转运动。转换开关SA1扳到断开位置，这时触头SA1-1和SA1-3闭合，触头SA1-2断开，以保证工作台在6个方向的进给运

10、动，因为圆形工作台的旋转运动和6个方向的进给运动也是联锁的。 2）工作台的左右进给运动由左右进给操作手柄控制。操作手柄与位置开关SQ1和SQ2联动，有左、中、右三个位置，其控制关系见表1。当手柄扳向中间位置时，位置开关SQ1和SQ2均未被压合，进给控制电路处于断开状态；当手柄扳向左或右位置时，手柄压下位置开关SQ1或SQ2，使常闭触头SQ1-2或SQ2-2分断，常开触头SQ1-1或SQ2-1闭合，接触器KM2或KM3得电动作，电动机M2正转或反转。由于在SQ1或SQ2被压合的同时，通过机械机构已将电动机M2的传动链与工作台下面的左右进给丝杠相搭合，所以电动机M2的正转或反转就拖动工作台向左或向

11、右运动 表1 工作台左右进给手柄位置及其控制关系手柄位置位置开关动作接触器动作电动机M2转向传动链搭合丝杠工作台运动方向左SQ1K2正转左右进给丝杠向左中停止停止右SQ2K3反转左右进给丝杠向右工作台的上下和前后进给运动是由一个手柄控制的。该手柄与位置开关SQ3和SQ4联动，有上、下、前、后、中5个位置，其控制关系见表2。当手柄扳至中间位置时，位置开关SQ3和SQ4均未被压合，工作台无任何进给运动；当手柄扳至下或前位置时，手柄压下位置开关SQ3使常闭触头SQ3-2分断，常开触头SQ3-1闭合，接触器KM3得电动作，电动机M2正转，带动着工作台向下或向前运动；当手柄扳向上或后时，手柄压下位置开关

12、SQ4，使常闭触头SQ4-2分断，常开触头SQ4-1闭合，接触器KM4得电动作，电动机M2反转，带动着工作台向上或向后运动。当两个操作手柄被置定于某一进给方向后，只能压下四个位置开关SQ3、SQ4、SQ1、SQ2中的一个开关，接通电动机M2正转或反转电路，同时通过机械机构将电动机的传动链与三根丝杠（左右丝杠、上下丝杠、前后丝杠）中的一根（只能是一根）丝杠相搭合，拖动工作台沿选定的进给方向运动，而不会沿其他方向运动。表2 工作台上、下、中、前、后进给手柄位置及其控制关系手柄位置位置开关动作接触器动作电动机M2转向传动链搭合丝杠工作台运动方向上SQ4KM4反转上下进给丝杠向上下SQ3KM3正转上下

13、进给丝杠向下中停止停止前SQ3KM3正转前后进给丝杠向前后SQ4KM4反转前后进给丝杠向后左右进给手柄与上下前后手柄实行了联锁控制，如当把左右进给手柄扳向左时，若又将另一个进给手柄扳到向下进给方向，则位置开关SQ1和SQ3均被压下，触头SQ1-2和SQ3-2均分断，断开了接触器KM2和KM3的通路，电动机M2只能停转，保证了操作安全。 3）个进给方向的快速移动是通过两个进给操作手柄和快速移动按钮配合实现的。安装好工件后，扳动进给操作手柄选定进给方向，按下快速移动按钮SB5或SB6（两地控制），接触器KM2得电，KM2常闭触头分断，电磁离合器YC1失电，将齿轮传动链与进给丝杠分离；KM2两对常开

14、触头闭合，一对使电磁离合器YC2得电，将电动机M2与进给丝杠直接搭合；另一对使接触器KM2或KM3得电动作，电动机M2得电正转或反转，带动工作台沿选定的方向快速移动。由于工作台的快速移动采用的是点动控制，故松开SB5或SB6，快速移动停止。 4）进给变速时与主轴变速时相同，利用变速盘与冲动位置开关SQ6使M1产生瞬时点动，齿轮系统顺利啮合。第三章 X52K万能铣床电气控制线路的PLC改造措施 图3-1 PLC控制原理电路图X52K万能铣床电气控制线路中的电源电路、主电路及照明电路保持不变，在控制电路中，变压器TC的输出及整流器VC的输出部分去掉。用可编程控制器改造后的PLC硬接线如图3所示，为

15、了保证各种联锁功能，将SQ1SQ6,SB1SB6按图示分别接入PLC的输入端，换刀开关SA2和圆 形工作台转换开关SA1分别用其一对常开和常闭触头接入PLC的输入端子。输出器件分两个电压等级，一个是接触器使用的110V电压，另一个是电磁离合器使用的36V直流电，这样也将PLC的输出口分为两组连接点。根据输入输出口的数量，可选择三菱FX2N32MR型PLC。X52K型铣床电器位置图如图4所示，所有的电器元件均可采用改造前的型号。 根据X52K铣床的控制要求，设计该电气控制系统的PLC控制梯形图，如图5所示。该程序共有8条支路，反映了原继电器电路中的各种逻辑内容。在第1支路中，因SQ7和SB1、S

16、B2都采用常闭触头分别接至输入端子I1.3、I0.2，则I1.3、I0.2的常开触点闭合，按下启动按钮SB1或SB2时，I0.0常开触点闭合，I0.0、M0.0线圈得电并自锁，第3支路中I0.0常开触点闭合，辅助继电器M1线圈得电，其常开触点闭合，为第4支路以下程序执行做好 准备，保证了只有主轴旋转后才有进给运动。I0.0的输出信号使主轴电动机M1启动运转。当按停止按钮SB1或SB2时，I0.2常开触点复位，I0.0线圈失电，主轴惯性运转，同时I0.3常开触点闭合，M0.4线圈得电接通电磁离合器YB，主轴制动停转。 第2支路表达了KM2及YC2的工作逻辑，当按下快速移动按钮SB5或SB6时，I

17、0.1常开触点闭合，则M0.1及M0.5线圈得电，KM2常闭触头断开，电磁离合器YC1失电，YC2得电，工作台沿选定方向快速移动；松开SB5或SB6则YC1得电，YC2失电，快速移动停止。第4、5、6、8支路表达了工作台六个方向的进给、进给冲动及圆工作台的工作逻辑关系。当圆形工作台转换开关SA1动作，4、5支路中I0.5的常开触点分断，第6支路中I0.5常闭触头复位，M0.4及Q0.2线圈得电，使KM2得电，电动机M2启动，圆形工作台旋转；当SA1复位时，M0.4、Q0.2线圈失电，圆形工作台停止旋转。左右进给时，SQ1或SQ2被压合，I0.6常开触点复位，第5、6支路被分断，而I1.0或I1

18、.1常开触点闭合，M2（其常开触点使Q0.2线圈得电）或Q0.3线圈得电，电动机M2正转或反转，拖动工作台向左或向右运动。同样，工作台上下、前后进给时，SQ3或SQ4被压合，I0.7常开触点复位，第5、6支路被分断，M2或M0.3线圈得电，电动机M2正转或反转，拖动工作台按选定的方向（上、下、前、后中某一方向）作进给运动。第四章 系统元器件的选择4.1 PLC 类型的简介20世纪70年代末至80年代初，PLC产品的处理速度大大提高，增加了许多特殊功能使得PLC不仅可以进行逻辑控制，而且可以对模拟量进行控制，它以面向工业控制为特点，普通受到电气控制领域的欢迎。特别是中小容量PLC成功地取代了传统

19、的继电器控制系统，使控制系统的可靠性大大提高。目前各国生产的PLC品种繁多，发展迅速。在国内的市场上应用较多的PLC多为日本、德国和美国的产品，如日本OMRON公司的C系列、日本松下公司的FP系列、日本三菱公司的FX系列、德国西门子公司的S7系列和美国ABB公司的07系列等。西门子公司的最新PLC产品有SIMATIC S7、M7和C7等几大系列。S7系列是传统意义的PLC产品，其中的S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 4.2 PLC型号的选择S7-200

20、系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。S7-200系列PLC可提供5个不同的基本型号的8种CPU可供使用。如表4-1所示在选用PLC上，考虑到只是对X52K立式铣床做电器部分的改造，输出端口需要6个，输入端口

21、需要13个。改造后的程序只143字节，内容小于4千字节。而且并不通过网络或其他方式做远程控制。因此，考虑到经济，实用，稳定等方面因素。我们决定选用SIMATIC S7-200 系列的S7224CN 作为本次设计的PLC。表4-1 S7-200 CN系列PLC CPU模块的技术规范及特性描述CPU221CPU222CNCPU224CNCPU224XP CNCPU226CN尺寸（mm）90×80×62120.5×80×62140×80×62196×80×62数字量I/O6输入/4输出8输入/6输出14输入/10输出24

22、输入/16输出模拟量I/O无2输入/1输出无扩展I/O模块无27数字I/O映像256（128输入/128输出）电容后备50h（40时最少8h）100h（40时最少70h）数据存储器2KB8KB10KB程序存储器4KB8KB/12KB12KB/16KB16KB/24KB模拟电位器1个8位分辨率2个8位分辨率执行速度每条布尔运算指令0.22通信接口1个RS-485接口2个RS-485接口卡选项存储器、电池和实时时钟存储器、电池（实时时钟内置）高速计数器单相两相4个 30kHZ2个20kHZ6个30kHZ4个20kHZ4个30kHZ，2个200kHZ3个，每个20kHZ，1个100kkZ6个30kH

23、Z4个20kHZ脉冲输出（DC）2个20kHZ2个100kHZ2个20kHZ4.3 其它元器件的选择4.3.1 交流接触器的选择交流接触器由电磁机构，触点系统、灭弧系统、释放弹簧机构、辅助触点及基座等部分组成。其原理是当接触器的电磁线圈通入交流电时，会产生很强的磁场使装在线圈中心的静衔铁吸动动衔铁，当两组衔铁合拢时，安装在动衔铁上的动触点也随之与静触点闭合，使电气线路接通。当断开电磁线圈中的电流时，磁场消失，接触器在弹簧的作用下恢复到断开的状态 。 在工业电气中，常用交流接触器的型号有CJX8(B系列)CJ12、CJ20、CJT1(CJ10)、CJX1(3TB、3TF系列)、CJ40、SMC等

24、系列产品。在这次控制系统硬件的设计中，采用了CJ20系列的交流接触器，其额定电流应在控制电流的11.4倍之间, 在此控制主轴电机的KM3、KM4、KM，选取交流接触器型号为：CJ2063，线圈电压220V；控制冷却泵电机KM1和控制快进电机的KM2选取交流接触器型号为：CJ2010，线圈电压220V。4.3.2 中间继电器的选择中间继电器用于继电保护与自动控制系统中，以增加触点的数量及容量。 它用于在控制电路中传递中间信号。中间继电器的结构和原理与交流接触器基本相同，与接触器的主要区别在于：接触器的主触头可以通过大电流，而中间继电器的触头只能通过小电流。所以，它只能用于控制电路中。它一般是没有

25、主触点的，因为过载能力比较小。所以它用的全部都是辅助触头，数量比较多。新国标对中间继电器的定义是K，老国标是KA。常用的中间继电器型号有JZ7、JZ14等。本次设计选择的中间继电器型号为JZ7-44。4.3.3 保护电器的选择 （1）熔断器熔断器在电路中主要作短路保护和严重过载保护，用于保护线路。熔断器的熔体串接于被保护的电路中，当通过它的电流小于规定值时，其熔体相当于一根导线，起电气连接作用；当通过它的电流超过规定值（电路发生严重过载或短路时）一定时间后，其熔体自动熔断并切断电路，从而起到保护作用。一般电气控制线路中常用螺旋式熔断器，其常用的产品有RL5、RL6、RL7和RL8系列产品，一般

26、选择熔体熔断电流应为电机额定电流的1.52.5倍。则主轴电机电路熔断器选取型号为:RL1-100/100.冷却泵电机电路、快进电机电路熔断器选取型号分别为：RL1-15/2、RL1-15/6.控制电路选取型号RL1-15/2。（2）热继电器热继电器是利用电流热效应原理来工作的保护电器，具有与电动机容许过载特性相近的反时限保护特性。主要用于电动机的过载保护、断相及电流不平衡运行保护。也常与接触器配合成电池启动器。选型原则：应根据被保护对象的使用条件、工作环境、启动情况、负载性质，电动机的形式以及电动机允许的过载能力等加以考虑。一般原则是使热继电器的安秒特性位于电动机的过载特性之下，并尽可能地接近

27、，以充分发挥电动机的过载能力，同时使电动机在短时过载和启动瞬间(56)Ie不受影响。通常热继电器选取的额定电流应为大于或等于电动机额定电流。整定电流一般为电动机额定电流的1.051.1倍。主轴电机电路热继电器选取型号为：JR36-63,整定电流为：60A；冷却泵电路热继电器选取型号为：JR36-20，整定电流为：0.36A。4.3.4 控制开关电器的选择（1）转换开关转换开关又称组合开关，一般用于电气设备中非频繁的通断电路、换接电源和负载、测量三相电压以及直接控制小容量感应电动机的运行状态。转换开关由动触头（动触片）、静触头（静触片）、转轴、手柄、定位机构及外壳等部分组成。一般选取的原则为允许

28、通过的电流大于或等于电路的额定电流，按此选择转换开关。常用的产品有：HZ5、HZ10和HZ15等系列。本次设计选取HZ10-100/3。（2）按钮开关盒按钮开关（简称按钮）又称控制按钮，是一种接通或断开小电流电路的手动开关电器，一般不直接去控制主电路的通断，而在控制电路中发出启动或停止“命令”以远距离控制接触器、继电器、电磁启动器等电器线圈电流的接通或断开，再由它们去控制主电路。目前常用的按钮开关盒为LA4系列产品，本次设计选择的按钮开关型号为LA4-3H。第五章 PLC控制电路设计51 PLC的硬件电路框图世界各国各生产厂家生产的PLC虽然外观各异，但作为工业控制计算机，其硬件结构都大体相同

29、。主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）接口、电源及外围编程设备等几大部分构成。PLC的硬件结构框图如图4-1所示。图5-1 PLC硬件结构框图图5-2 PLC控制原理电路图根据X52K铣床的控制要求，设计该电气控制系统的PLC控制梯形图，如图5所示。该程序共有8条支路，反映了原继电器电路中的各种逻辑内容。在第1支路中，因SQ7和SB1、SB2都采用常闭触头分别接至输入端子I1.3、I0.2，则I1.3、I0.2的常开触点闭合，按下启动按钮SB1或SB2时，I0.0常开触点闭合，I0.0、M0.0线圈得电并自锁，第3支路中I0.0常开触点闭合，辅助继电器M

30、1线圈得电，其常开触点闭合，为第4支路以下程序执行做好 准备，保证了只有主轴旋转后才有进给运动。I0.0的输出信号使主轴电动机M1启动运转。当按停止按钮SB1或SB2时，I0.2常开触点复位，I0.0线圈失电，主轴惯性运转，同时I0.3常开触点闭合，M0.4线圈得电接通电磁离合器YB，主轴制动停转。 第2支路表达了KM2及YC2的工作逻辑，当按下快速移动按钮SB5或SB6时，I0.1常开触点闭合，则M0.1及M0.5线圈得电，KM2常闭触头断开，电磁离合器YC1失电，YC2得电，工作台沿选定方向快速移动；松开SB5或SB6则YC1得电，YC2失电，快速移动停止。第4、5、6、8支路表达了工作台

31、六个方向的进给、进给冲动及圆工作台的工作逻辑关系。当圆形工作台转换开关SA1动作，4、5支路中I0.5的常开触点分断，第6支路中I0.5常闭触头复位，M0.4及Q0.2线圈得电，使KM2得电，电动机M2启动，圆形工作台旋转；当SA1复位时，M0.4、Q0.2线圈失电，圆形工作台停止旋转。左右进给时，SQ1或SQ2被压合，I0.6常开触点复位，第5、6支路被分断，而I1.0或I1.1常开触点闭合，M2（其常开触点使Q0.2线圈得电）或Q0.3线圈得电，电动机M2正转或反转，拖动工作台向左或向右运动。同样，工作台上下、前后进给时，SQ3或SQ4被压合，I0.7常开触点复位，第5、6支路被分断，M2或M0.3线圈得电，电动机M2正转或反转，拖动工作台按选定的方向（上、下、前、后中某一方向）作进给运动。 图5-3 PLC控制电路梯形图程序语句表如下：Network 1 LD I0.0O M0.0A I0.2O I1.3AN I0.4= Q0.0AN I1.3=