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，因此故障多维修困难，费工费时，不 仅

2、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

3、 程序 的编 制 。解决的关键问题：PLC对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2.2.2 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。2.2.3 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

4、 PLC 的 可 编 程 功 能 使 得 变 换 和 改 进 控 制 系 统 成 为 可 能 。2.2.4 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

5、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，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

6、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

7、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

8、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。

9、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

10、 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 。 1968 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PDP14，在美国通

11、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

12、，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不仅能进行逻辑控制，在模拟量 闭 环控制 、数字量

13、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 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

14、 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，增强可编程 控制器的联网通信功能，便

15、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。根据有关资料统计，目前个生产厂家生产的PLC，其

16、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

17、力 强PLC 中 含 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

18、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 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7.1 T6113 卧 式 镗床 主要 结 构及 机械 运动7.1.1 T6113 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

19、，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、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。卧式链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.固定按钮站卧式链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链头架，它可以上下移动， 镇头架上集中了主轴部件、变速箱、进给箱与操

20、纵机构等部件。切 削刀具安装在链轴前端的锥孔里，或装在平盘的刀具溜板上，在工 作过程，键轴一面旋转，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，键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链轴加工，只有 在用车刀切削端面时才使用平旋盘。卧式链床后立柱上安装在尾架，用来夹持装夹在链轴上的键杆 的末端。它可随键头架同时升降，并且某轴心线与键头架轴心线保 持在同一直线上，后立柱可在床身导轨上沿链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

21、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d键杆的旋转运动；主轴箱垂直进给运动；工作台纵向进 给运动；C4工作台横向进给运动；（5链杆的轴向运动；（6平旋盘的 旋转运动；平旋盘径向刀架进给运动；卷辅助运动：主轴箱、工 作台在进给方向的快速调位运