X6140卧式铣床改造要点.docx

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X6140卧式铣床改造要点

课程设计（论文）

课程名称

机电传动控制综合实践

题目

X6140卧式铣床

电气控制系统改造—硬件

院（系）

机电学院

专业班级

姓名

学号

指导教师

2017年7月21

西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书

专业班级：

学生姓名：

指导教师（签名）：

一、课程设计（论文）题目

X6140卧式铣床电气控制系统改造——硬件

二、本次课程设计（论文）应达到的目的

1能查阅相关文献资料和标准规范，掌握由电机、低压电器和PLC组成的机电传动控制系统的基本特性、设计原理，并能提出合理的设计方案。

2掌握机电传动系统中工艺控制要求分析和设计方案论证的理论及方法，具有基本的机电传动控制系统分析、设计能力；能应用先进EDA设计软件进行控制方案设计与仿真，逐步具有分析和解决工程实践问题的创新意识和创新设计能力。

3掌握撰写技术文档以及清晰表达设计思路和过程的能力。

4开放交流，培养团队协作能力、责任感和职业道德；使学生具备一定的组织管理能力、较强的表达能力和人际交往能力以及在团队中发挥作用的能力。

三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求等）

1主要内容

对机床的电气控制系统进行改造，PLC控制系统替代继电器-接触器控制系统

（1）分析原有的控制电路确定输入输出点；

（2）PLC选型，分配IO端口，设计IO电路；

（3）根据照明、指示、报警等要求设计辅助电路；

（4）正确、合理地选择各电器元件，编制元件目录表；

（5）绘制电气原理图，接线图等工艺图纸。

2要求

要求主轴电动机直接起动，具有制动功能；工作台空行程时快速移动；切削时提供切削液；

变速时要求点动方式，变速冲动以便齿轮啮合；必要的照明、信号显示。

主要参数：

工作台工作面（宽度×长度）（mm）400×1600

各电动机参考功率：

主轴电动机，11KW；进给电动机，3KW，冷却泵电动机，0.125KW

四、应收集的资料及主要参考文献

[1]王振臣.机床电气控制技术（第5版）机械工业出版社，2013

[2]孙克军.图解低压电器选用与维护化学工业出版社，2016

[3]张宪.电气制图与识图化学工业出版社，2013.

[4]张彤.EPLAN电气设计实例入门北京航空航天大学出版社，2014

[5]石玉珍.电气制图及图形符号国家标准汇编,中国标准出版社2001

五、审核批准意见

教研室主任（签字）

摘要

可编程控制器（PLC）是近年来发展迅速应用广泛的控制装置，是一种工业环境应用而设计的数字电子控制系统。

本次设计的主要内容是利用PLC对X6140铣床的电器部分进行改造。

先对本设计进行总体的思考，使自己有一个大致的总体概念，然后仔细分析X6140铣床，该床除主运动和较复杂的进给运动外，还有其他辅助运动，如圆工作台的旋转，圆工作台是为了扩大机床的生产能力而安装的附件。

另外该床运动较多，电气控制较复杂，为安全可靠工作，还设置完善的连锁与保护。

了解铣床基本结构和电气控制后，根据电气原理图，编译PLC梯形图，编译通过后，利用PLC实验台进行实验仿真。

因此铣床在完成原有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；X6140铣床；电气控制；改造

Abstract

PLC（PLC）isadigitalelectroniccontrolsystemdesignedfortheapplicationofindustrialenvironmentinrecentyears.

ThemaincontentofthisdesignistousePLCtotransformtheelectricalpartsofX6140millingmachine.Thisdesignontheoverallthinkingfirst,makeoneselfhavearoughoverallconcept,andthencarefullyanalyzeX6140millingmachine,thebedisinadditiontothemainmovementandfeedmovementismorecomplex,thereareotherauxiliarymovement,suchastherotationoftherotarytable,roundtableistoenlargetheproductioncapacityandinstallationofmachinetoolaccessories.Inaddition,thebedmovementhasmorethan1electricalcontrol,whichissafeandreliable,andalsosetupperfectchainandprotection.Afterknowingthebasicstructureandelectricalcontrolofthemillingmachine,thePLCladderdiagramwascompiledaccordingtotheelectricalschematicdiagram.Aftercompiling,theexperimentsimulationwascarriedoutwiththePLCexperimentplatform.Therefore,themillingmachinehasthefeaturesofsimpleinstallation,goodstability,easymaintenanceandstrongexpansionability.

KeyWords:

PLC；6140millingmachine；electricalcontrol；transform

1绪论

铣床（millingmachine）主要指用铣刀对工件多种表面进行加工的机床。

通常铣刀以旋转运动为主运动，工件和铣刀的移动为进给运动。

它可以加工平面、沟槽，也可以加工各种曲面、齿轮等。

铣床是一种用途广泛的机床，在铣床上可以加工平面（水平面、垂直面）、沟槽（键槽、T形槽、燕尾槽等）、分齿零件（齿轮、花键轴、链轮）、螺旋形表面（螺纹、螺旋槽）及各种曲面。

此外，还可用于对回转体表面、内孔加工及进行切断工作等。

铣床在工作时，工件装在工作台上或分度头等附件上，铣刀旋转为主运动，辅以工作台或铣头的进给运动，工件即可获得所需的加工表面。

由于是多刃断续切削，因而铣床的生产率较高。

简单来说，铣床可以对工件进行铣削、钻削和镗孔加工的机床。

1.1X6140铣床的组成

图1铣床结构图

1－主轴变速手柄2－主轴变速盘3－主轴电动机4－床身5－主轴6－悬架

7－刀架支杆8－工作台9－转台10－溜板11－进级变速手柄及变速盘

12－升降台13－进给电动机14－底盘

a）床身：

床身支承并连接各部件，顶面水平导轨支承横梁，前侧导轨供升降台移动之用。

床身内装有主轴和主运动变速系统及润滑系统。

b）横梁：

它可在床身顶部导轨前后移动，吊架安装其上，用来支承铣刀杆。

c）主轴：

主轴是空心的，前端有锥孔，用以安装铣刀杆和刀具。

d）工作台：

工作台上有T形槽，可直接安装工件，也可安装附件或夹具。

它可沿转台的导轨作纵向移动和进给。

e）转台：

转台位于工作台和横溜板之间，下面用螺钉与横溜板相连，松开螺钉可使转台带动工作台在水平面内回转一定角度（左右最大可转过45°）。

f）纵向工作台：

纵向工作台由纵向丝杠带动在转台的导轨上作纵向移动，以带动台面上的工件作纵向进给。

台面上的T形槽用以安装夹具或工件。

g）横向工作台：

横向工作台位于升降台上面的水平导轨上，可带动纵向工作台一起作横向进给。

h）升降台：

升降台可沿床身导轨作垂直移动，调整工作台至铣刀的距离。

X6140指工作台面宽度为400mm的万能升降台卧式铣床。

X6140型铣床是一种高效率的加工机械，在机械加工和机械修理中得到广泛的应用。

铣床的操作，是通过手柄同时操作电气与机械，是机械与电气结构联合动作的典型控制。

X6140型铣床的电气控制系统,在线路、故障率、维护工作上操作简单，成本低廉等特点。

X6140型铣床可将横梁移至床身后面，在主轴端部装上立铣头，能进行立铣加工。

1.2X6140铣床的控制要求

X6140型铣床的控制要求，具体有以下几点：

a）主轴电动机正反转运行，以实现顺铣、逆铣；

b）主轴具有停车制动；；

c）主轴变速箱在变速时具有变速冲动，即短时点动；

d）进给电动机双向运行；

e）主轴电动机与进给电动机具有联锁。

以防在主轴没有运转时，工作台进给损坏刀具或工件；

f）圆工作台进给与矩形工作台进给具有互锁，以防损坏刀具或工件；

g）矩形工作台各进给方向具有互锁，以防损坏工作台进给机构；

h）工作台进给变速箱在变速时同样具有变速冲动；

i）主轴制动、工作台的工进和快进由相应的电磁离合器接通对应的机械传动链实现；

j）具有完善的电气保护。

2电气控制系统改造概述

2.1机床PLC控制系统设计的基本原则

设计任何一个机床PLC控制系统，如同设计任何一种机床电气控制系统一样，其目的都是通过控制被控对象机床来实现其机械加工的生产工艺要求，提高生产效率和产品质量。

因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则:

（1）机床PLC控制系统应能控制机床设备最大限度地满足机床的生产工艺要求。

（2）在满足生产工艺要求的前提下，力求使PLC系统越简单、越经济，操作使用及维护维修越方便越好。

（3）要充分保证PLC控制系统的安全和可靠性。

（4）考虑到今后加工生产的可持续发展和机床工艺的不断改进，在配置PLC硬件设备时应适当留有一定的扩展余量。

2.2机床PLC控制系统设计的基本内容

机床PLC控制系统是由PLC与机床输入、输出设备连接而成的。

因此，机床PLC控制系统设计的基本内容应包括以下主要内容：

（1）选择机床输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。

这些设备属于一般的电气元件。

（2）PLC的选择。

PLC是PLC系统的核心部件。

正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标将起着重要的决定性作用。

选择PLC,主要包括机型、容量的选择以及I/O模块、电源模块等的选择。

（3）分配I/O点,绘制PLC的实际接线图。

（4）控制程序设计，包括控制系统流程图、状态转移图、梯形图、语句表等的设计。

控制程序是控制整个机床系统工作的软件，是保证机床系统工作正常、安全、可靠的关键。

因此，设计的机床控制程序必须经过反复调试、修改，直到满足机床生产工艺要求为止。

（5）必要时还要设计机床控制台等。

（6）编制机床PLC控制系统的技术文件。

2.3X6140铣床进行PLC改造方法及步骤

分析X6132铣床的电气控制要求和电气控制原理图；根据X6132铣床控制要求，确定输入输出信号；利用PLC梯形图与电气原理图之间的对应关系，对机床进行PLC改造，具体包括程序编制，调试运行等内容。

3X6140万能卧式铣床分析及改造

1

3.1主电路

在电器设备或电力系统中.直接承担电能的交换或控制任务的电路称为主电路。

3.1.1主电路分析

M1是主轴电动机，拖动主轴带动铣刀进行铣削加工，按照要求设计正反转功能，用KM1/KM2相序转换。

进给电动机M3的正、反转频繁，因此需要用接触器KM3和KM4进行倒相。

每台电动机均由热继电器作过载保护。

图2X6140主电路图

图2中M1为主轴电动机，M2为工作台进给电动机，M3为冷却泵电动机。

3.1.2主电路电动机选型

查阅相关手册选取电机。

表1铣床的电机参数表

符号

名称

型号

规格

件数

作用

M1

主轴电动机

Y160M—4—B3

11KW，380V，1450r/min

1

主轴传动

M2

进给电动机

Y90L—4

3KW,380V,1400r/min

1

进给传动

M3

冷却泵电动机

JCB—22

0.125KW,380V,2790r/min

1

冷却泵传动

3.2控制电路改造——PLC

将继电器控制系统更换为PLC控制系统，使原有的系统更加小巧，更加灵活。

3.2.1PLC选型

根据课设要求选择西门子S7-200系列可编程控制器。

S7-200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。

它的价格低，体积小，非常适用于单机自动化控制系统.该机床的输入信号是开关量信号，输出是负载三相交流电动机接触器等。

车床电气控制系统需要16个外部输入信号，6个输出信号。

PLC所具有的输入点和输出点一般要比所需冗余30%，以便于系统的完善和今后的扩展预留。

所以本系统所需的输入点为24个,输出点为16个。

现选择西门子公司生产的S7-200系列的CPU226AC/DC/继电器。

3.2.2西门子S7-200CPU226介绍

西门子S7-200PLC在实时模式下具有速度快，具有通讯功能和较高的生产力的特点。

一致的模块化设计促进了低性能定制产品的创造和可扩展性的解决方案。

来自西门子的S7-200微型PLC可以被当作独立的微型PLC解决方案或与其他控制器相结合使用。

西门子S7-200发挥统一而经济的解决方案。

整个系统的系列特点：

强大的性能，最优模块化和开放式通讯。

结构紧凑小巧－狭小空间处理任何应用的理想选择；在所有CPU型号中的基本和高级功能；大容量程序和数据存储器；杰出的实时响应－在任何时候均可对整个过程进行完全控制，从而提高了质量、效率和安全性；易于使用STEP7-Micro/WIN工程软件－初学者和专家的理想选择；集成的R-S485接口或者作为系统总线使用；极其快速和精确的操作顺序和过程控制；通过时间中断完整控制对时间要求严格的流程。

CPU226型号有24个输入口，16个输出口，24VDC电源24VDC输入24VDC输出，100～230VAC电源24VDC输入继电器输出，尺寸（W×H×D）196×80×62mm。

图3西门子S7-200CPU226AC/DC继电器接线图

3.2.3I/O端口分配表

根据原机床的控制电路图和结合PLC的型号，以及PLC的触点数和机床的机械动作开关，列出I/O接口分配表如下表，在根据I/O接口分配表设计出输入输出口接线图（附录二）。

表2I/O接口分配表

分类

信号名称

现场信号

PC数据

输入信号

主轴电机停止按钮

SB1

I0.0

主轴电机停止按钮

SB2

I0.1

主轴电机启动按钮

SB3

I0.2

主轴电机启动按钮

SB4

I0.3

工作台快速进给按钮

SB5

I0.4

工作台快速进给按钮

SB6

I0.5

冷却泵电机转换开关

1SA1

I0.6

主轴制动转换开关

2SA1

I0.7

原工作台转换开关

1SA2

I1.0

主轴正反转转换开关

2SA2

I1.1

工作台右移行程开关

SQ1

I1.5

工作台左移行程开关

SQ2

I1.6

工作台前/后移行程开关

SQ3

I1.7

工作台上/下移行程开关

SQ4

I2.0

主轴变速冲动行程开关

SQ5

I2.1

工作台变速冲动行程开关

SQ6

I2.2

输出信号

主轴电机正转交流接触器

KM1

I1.1

主轴电机反转交流接触器

KM2

I1.2

工作台电机正转交流接触器

KM3

I1.3

工作台电机正转交流接触器

KM4

I1.4

冷却泵继电器

KM6

I1.5

工作台快速进给电磁离合器

YC

I1.6

4电器元件的选择

2

4.1低压电器选型

低压电器选型的一般原则：

1、低压电器的额定电压应不小于回路的工作电压，即Ue≥Ug。

2、低压电器的额定电流应不小于回路的计算工作电流，即Ie≥Ig。

3、设备的遮断电流应不小于短路电流，即Izh≥Ich

4、热稳定保证值应不小于计算值。

5、按回路起动情况选择低压电器。

如，熔断器和自动空气开关就需按起动情况进行选择。

低压配电系统的基本要求：

（1）热继电器FR

继电器是一种根据特定形式的输入信号的变化来接通或断开小电流电路的自动控制电器。

其输入信号可以是电流、电压等电量，也可以是转速、时间、温度等非电量，而输出是触点的动作或电量的变化。

电动机在实际运行中若过载不大，时间较短，只要电动机绕组不超过允许温升，这种过载是允许的。

但当长时间过载，绕组超过允许温升时，将会加剧绕组绝缘的老化，缩短电动机的使用年限，严重时会将电动机烧毁。

因此，应采用热继电器进行电动机的过载保护和电动机的断相保护。

热继电器的种类很多，常用的有JR0、JR16、JR15、JR14、JR9、JR20、JR28、JR29、JRS2系列，有国外引进的T系列等。

图4热继电器的图形和文字符号

（2）交流接触器KM

接触器用来频繁地接通或切断电动机或其他负载主电路的一种控制电器。

接触器具有控制容量大、工作可靠、寿命长等特点，适用于频繁操作和远距离控制，它不仅仅能中远距离通断电路，还具有欠电压、零电压释放保护，操作频率高、使用寿命长及维护方便等优点。

接触器按其主触点通过的电流种类可分为交流接触器和直流接触器。

选用接触器的步骤如下：

a）根据负载性质确定工作任务类别。

交流负载用交流接触器，直流负载用直流接触器，用直流线圈的接触器。

b）根据类别确定接触器系列（参考电工标准）。

c）根据负载额定电压确定接触器的额定电压。

如某负载是380V的三相感应电动机，则应选380V的交流接触器。

d）根据负载电流确定接触器的额定电流，并根据外界实际条件加以修正。

e）如果接触器安装在箱柜内，由于冷却条件变差，电流要降低10％～20％使用；当接触器工作于长期工作制，通电持续率不超过40％时，若敞开安装，电流允许提高10％～25％，若在箱框内安装，允许提高5％～10％。

f）选定吸引线圈的额定电压。

g）根据负载情况复核操作频率，看是否在额定范围之内。

图5交流接触器图形符号和文字符号

（3）按钮

控制按钮简称按钮，是一种结构简单，使用广泛的手动主令电器，在控制电路中作远距离手动控制电磁式电器用，也可以用来转换各种信号电路和电气联锁电路等。

根据需要的触点数目、动作要求、使用场合、颜色等进行按钮的选择。

图6触头图形符号

（4）行程开关

行程开关，位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。

在电气控制系统中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。

用于控制机械设备的行程及限位保护。

图7位置开关的图形符号及文字符号

（5）机床照明灯EL

型号：

K-1，螺口规格：

40W36V作用：

机床局部照明

因为在经过电源变压后变为36V的电源电压，所以用36V的K-1型的照明灯。

4.2元件选型表

根据选型原则，查阅型号手册，选择合适型号。

表3元件选型表

符号

名称

型号

规格

件数

作用

价格（元）

QF1

空气断路器

NBE7C20

20A,3P

1

保护电路

30

QF2

空气断路器

NBE7C10

10A,1P

1

保护电路

10

SB1

按钮

NP2-BA31

绿色

1

主轴启动按钮

5

SB2

按钮

NP2-BA31

绿色

1

主轴启动按钮

5

SB3

按钮

NP2-BA31

黑色

1

主轴停止按钮

5

SB4

按钮

NP2-BA31

黑色

1

主轴停止按钮

5

SB5

按钮

NP2-BA31

红色

1

快速进给按钮

5

SB6

按钮

NP2-BA31

红色

1

快速进给按钮

5

SA1

转换开关

LW5D-16-YH2/2

2P

1

冷却泵电机启动

25

SA2

转换开关

LW5D-16-YH2/2

3P

1

圆工作台转换

25

SA3

转换开关

LW5D-16-YH2/2

2P

1

照明电路启动

25

KS

速度继电器

JY1

2A

1

反接制动

108

SQ1

限位开关

YBLX-K1/511

*

1

向右进给

9

SQ2

限位开关

YBLX-K1/511

*

1

向左进给

9

SQ3

限位开关

YBLX-K1/511

*

1

向前、向下进给

9

SQ4

限位开关

YBLX-K1/511

*

1

向后、向上进给

9

SQ5

限位开关

YBLX-K1/511

*

1

快速与进给转换

9

SQ6

限位开关

YBLX-K1/511

*

1

主轴变速冲动

9

KM1

接触器

CJX2-2510

380V

1

主轴启动

31

KM2

接触器

CJX2-2510

380V

1

主轴停转

31

KM3

接触器

CJX2-2510

380V

1

M2正转

31

KM4

接触器

CJX2-2510

380V

1

M2反转

31

KM5

接触器

CJX2-2501

380V

1

快速进给

31

KM6

接触器

CJX2-2510

380V

1

M3转动

31

YC

电磁离合器

MFB1-5.5YC

220V

1

快速进给

50

FR1

热继电器

NR2-25

12-18A

1

M1过载保护

18

FR2

热继电器

NR2-25

12-18A

1

M2过载保护

18

FR3

热继电器

NR2-25

12-18A

1

M3过载保护

18

M1

电动机

Y160M—4—B3

11KW，380V，1450r/min

1

主轴电动机

1450

M2

电动机

Y90L—4

3KW,380V,1400r/min

1

进给电动机

350

M3

电动机

JCB-22

0.125KW,380V,2790r/min

1

冷却泵电动机

160

V1

开关电源

NKY1-S-100

220/24V

1

PLC供电

124

价格合计

2681