基于PLC的铣床电气控制系统设计.docx
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基于PLC的铣床电气控制系统设计
摘要
PLC是一种通用的自动控制装置其主要是以计算机技术为技术核心，它具有很强的抗干扰能力，高可靠性，直观而简单的编程，适应性强，完善的功能，接口功能强等一系列优点。
因此在各行各业中得到了广泛的应用。
铣床的传动装置主要是以各种电动机为动力其重要的是实现生产过程自动化的技术装置。
在电气系统中是主干部分，也在国民经济中占到主导的低位得到广泛的应用。
在我国早起的大多数铣床都是采用传统的继电器控制，而其接触器触点受机械运动的影响，触点的寿命会受到很大的影响，故障率也很高，可靠性远不及PLC控制。
为此，提出了用PLC来对我们铣床进行电气控制，铣床我们主要是对我们工业应用中广泛的X62W万能的铣床进行控制，系统的介绍利用PLC对这种铣床进行控制的方法和方案。
其中主要进行功能的分析，原理图的设计，梯形图的设计与编写进行调试，提高铣床的性能，提升经济效益及产品质量。
关键词：
X62W铣床；电气控制；PLC；梯形图
第一章绪论
1.1课题研究的目的和意义
铣床是以各类电动机为动力的传动装置与系统的对象以实现生产过程自动化的技术装置。
电气系统是其中的主干部分，在国民经济各行业中的许多部门得到广泛应用。
随着电子技术的发展，可编程序控制器日益广泛的应用于机械、电子加工与设备电气改造中。
铣床作为机械加工的通用设备在内燃机配件的生产中一直起着不可替代的作用。
自动铣床具有工作平稳可靠，操作维护方便，运转费用低的特点，已成为现代生产中的主要设备。
自动铣床控制系统的设计是一个很传统的课题，现在随着各种先进精确的诸多控制仪器的出现，铣床控制的设计方案也越来越先进，越来越趋于完美，各种参考文献也数不胜数。
在我国70～80年代大多数铣床中，大多数的开关量控制系统都是采用继电器控制，也有相当一部分辅机系统是采用继电控制。
因此，继电器本身固有的缺陷，给铣床的安全和经济运行带来了不利影响，用PLC对铣床的继电器式控制系统进行改造已是大势所趋。
1.2自动铣床的发展及现状
从上世纪80年代起铣床制造业的发展虽有起伏但对自动控制技术和自动铣床床一直给予较大的关注。
经过九五自动车床和加工中心包括自动铣床的产业化生产基地的形成，所生产的中档普及型自动铣床的功能性能和可靠性方面已具有较强的市场竞争力。
但在中高档自动铣床方面与国外一些先进产品相比仍存在较大差距。
这是由于欧美日等先进工业国家于80年代先后完成了自动机床产业进程，其中一些著名机床公司致力于科技创新和新产品的研发引导着数控机床技术发展，如美国英格索尔公司和德国惠勒喜乐公司对用于汽车工业和航空工业高速数控铣床的发展日本牧野公司对高效精密加工中心所作的贡献，德国瓦德里希公司在重型龙门五面加工铣床方面的开发以及日本马扎克公司研发的车铣中心对高效复合加工的推进等等。
相比之下，我国大部分数近代机床产品在技术处于跟踪阶段。
表1以中挡铣床为例列出国内外先进产品主要技术指标，由此可以看到效率精度和可靠性等方面均有明显差。
随着科学技术的不断发展，生产工艺的不断发展改进，特别是计算机技术的应用，新型控制策略的出现，不断改变着电气控制技术的面貌。
在控制方法上，从手动控制发展到自动控制;在控制功能上，从简单控制发展到智能化控制；在操作上，从策重发展到信息化处理；在控制原理上，从单一的有触头硬接线继电器逻辑控制系统发展到以微处理器或微型计算机为中心的网络化自动控制系统。
X62W铣床综合了计算机技术、微电子技术、检测技术、自动控制技术、智能技术、通信技术、网络技术等先进的科学技术成果。
X62W铣床是由普通机床发展而来。
它集于机械、液压、气动、伺服驱动、精密测量、电气自动控制、现代控制理论、计算机控制等技术于一体，是一种高效率、高精度能保证加工质量、解决工艺难题，而且又具有一定柔性的生产设备。
万能铣床的广泛应用，给机械制造业的生产方式、产品机构和产业机构带来了深刻的变化，其技术水平高低和拥有量多少，是衡量一个国家和企业现代化水平的重要标志。
1.3铣床简单介绍
1.3.1铣床的选型
图1-1X62W的含义图
X62W万能铣床是一种通用的多用途机床，它可以进行平面、斜面、螺旋面及成型表面的加工，是一种较为精密的加工设备，它采用几点接触器电路实现电气控制，PLC转为工业环境应用而设计，其显著的特点之一就是可靠性高，抗干扰能力强，将X62W万能铣床电气控制线路改造为可编程控制器控制，可以提高整个电气控制系统的工作性能，减少维护，维修的工作量。
1.3.2X62W万能铣床的特点
1.能完成很多普通机床难以加工或更本不能加工的复杂型面的加工。
2.采用X62W铣床可以提高零件的加工精度，提高产品的质量。
3.采用X62W可以比普通机床提高2-3倍的生产率，对复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。
第二章可编程序控制器（PLC）简介
可编程序控制器（ProgrammableLogicController））简称PLC。
所谓可编程序控制器，就是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用一种可编程序的存储器，在其内部存储并执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术操作的指令，通过数字量或模拟量的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。
随着PLC的发展，它不仅能完成编辑、运算、控制，而且能实现模拟量、数字量的算术运算。
2.1PLC工作原理
PLC的工作过程基本上是用户的梯形图程序的执行过程，是在系统软件的控制下顺次扫描各输入点的状态，按用户程序解算控制逻辑，.然后顺序向各个输出点发出相应的控制信号。
除此之外，为提高工作的可靠性和及时的接收外来的控制命令，每个扫描周期还要进行故障自诊断和处理与编程器、计算机的通信。
2.2PLC的编程语言--梯形图
梯形图在形式上类似于继电器控制电路图，它简单，直观，易读，好懂，是PLC中普遍采用的一种编程方式。
梯形图中沿用了继电器线路的一些图形符号，这些图形符号被称为编程元件，每一个编程元件对应有一个编号。
不同厂家的PLC，其编程元件的多少及编号方法不尽相同，但是基本的元件及功能很相近。
梯形图有如下特点。
（1）梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。
每一个继电器为一个逻辑行，称为梯形。
每一个逻辑行起始于左母线，然后是触点的各种联接，最后是线圈，整个图形呈梯形。
（2）梯形图中的继电器不是继电器控制电路中的物理继电器，它实质上是变量存储器中的位触发器，因此称为软继电器，相应的某位触发器为真态，表示该继电器通电，其常开触点闭合，常闭触点打开。
梯形图中的继电器的线圈的定义是广义的，除了输出继电器、内部继电器以外，还包括定时器、计数器等。
（3）梯形图中，一般情况下某个编号的继电器线圈只能出现一次，而继电器的触点是可以被无限制的引用，既可是常开触点也可以是常闭触点。
（4）梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧的母线不接任何电源，因而图中各个支路也没有真实的电流通过，但是为了方便，常用有电流来形象的描述解算中满足输出线圈的动作条件。
所以仅仅是概念上的电流，而且认为它只能从左向右流动，层次的改变只能是先上后下。
2.3可编程序控制器PLC的优点
（1）能适应工业现场的恶劣环境，不要求空调，能抗电磁干扰与电压冲击。
（2）简单，易于使用，不必要求微机软硬件方面的知识，编程不需要高级语言。
（3）可靠性高，平均故障间隔时间（MTBF）超过20000小时。
（4）编程或修改程序容易，程序可以保存和固化。
（5）体积小，价格低。
（6）可直接将数据送入处理器中，可直接连接到现场。
（7）可在基本系统上扩展，系统容易配置，与负载最远距离可达10000英尺，内存可以扩展。
（8）有很强的通讯功能，可与多种支持设备连接。
（9）系统化，有标准外围接口模块。
（10）系统在一种现场不需要时，仍可改在另一种现场上使用等一系列优点。
2.4PLC选型标准
世界上有很多厂商生产PLC,如德国的西门子、日本的三菱、松下，美国GE公司等完成系统的设计主要是选型和程序设计。
但是由于PLC应用在不同场合，有不同的工艺流程，对控制功能有不同的要求，由于各程序难易程度不一样，因此有一定的选择标准：
（1）PLC机型选择主要考虑I/O点数。
根据控制系统所需要的输入设备（如按钮、限位开关、转换开关等）、输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等）以及A/D、D/A转换的个数。
确定I/O的点数。
一般要留有一定裕量（约占10%），满足生产发展和工艺的改进。
（2）随着PLC功能日益完善，很多小型机也具有中、大型机的功能。
对于PLC的功能选择，一般只要满足I/O点数，大多数机型也能满足。
目前大多数PLC机型都具有I/O扩展模块、A/D、D/A转换模块，以及高级指令、中断能力与外设通信能力。
（3）PLC一般根据I/O点数的不同，内存容量会有相应的差别。
在选择内存容量时同样应留有一定余量，一般时实际程序的25%。
不应单纯追求大容量，以够用为原则。
（4）在PLC机型选取上要考虑控制系统与PLC结构功能的合理性。
如果是单机系统控制，I/O点数不多，不涉及PLC之间的通信，但又要求功能更强，要求有处理模拟信号的能力，可选择整体式机，如松下FP0、FP1、FP-M系列，以及OMRONC200H系列等。
如果仅有开关量控制，可选择OMRONC系列P型机、西门子S7-200,三菱F1、FX系列等。
（5）一个企业尽量选择同一类型的PLC
同一机型PLC模块可互为利用，便于采购管理。
同一机型PLC的功能、编程方法相同，有利于技术人员水平的提高。
同一机型PLC，其外围设备通用，资源共享，易于联网通信，与上位计算机配合可形成多级分布式的控制系统。
第三章X62W万能铣床的硬件设计
3.1X62W万能铣床电力拖动的特点及控制要求
1.机床要求有三台电动机，分别称为主轴电动机、进给电动机和冷却泵电动机。
2.由于加工时有顺铣和逆铣两种，所以要求主轴电动机能正反转及在变速时能瞬时冲动一下，以利于齿轮的啮合，并要求还能制动停车和实现两地控制。
3.2X62W万能铣床元件选型
表3-1铣床电机参数参照表
符号
名称
型号
规格
件数
作用
M1
主轴电动机
Y132-M-4-B3
7.5KW,380V,1450r/min
1
主轴传动
M2
进给电动机
Y90L-4
1.5kw,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
表3-2铣床元件型号
符号
名称
型号
规格
件数
作用
KM1
接触器
CJ0-20
20A,220V
1
主轴启动
KM2
接触器
CJ0-10
10A,220V
1
反接制动
KM3
接触器
CJ0-10
10A,220V
1
M2正传
KM4
接触器
CJ0-10
10A,220V
1
M2反转
KM5
接触器
CJ0-10
10A,220V
1
M2快速进给
KM6
接触器
CJ0-10
10A,220V
1
油泵电机启动
KV
速度继电器
JY1
2A
1
反接制动
SB1,2
按钮
LA2
绿色
2
M1启动按钮
SB3,4
按钮
LA2
黑色
2
M1停止按钮
SB5,6
按钮
LA2
红色
2
快速进给按钮
SA1
转换开关
HZ1-10/E16
三极
1
圆工作台转换
SA2
转换开关
HZ1-10/E16
三极
1
照明灯开关
SA4
转换开关
HZ1-10/E16
三极
1
M1转向开关
SQ1
限位开关
LX1-11K
开启式
1
向右进给
SQ2
限位开关
LX1-11K
开启式
1
向左进给
SQ3
限位开关
LX2-131
单轮，自动复位
1
向前、向下进给
SQ4
限位开关
LX2-131
单轮，自动复位
1
向后、向上进给
SA3
转换开关
HZ1-10/E16
三极
1
冷却泵开关
SQ6
限位开关
LX3-11K
开启式
1
进给变速冲动
SQ7
限位开关
LX3-11K
开启式
1
主轴变速冲动
QS
转换开关
HZ1-60/E26
三极
1
电源总开关
FR1
热继电器
JRQ-40
11A,3A
1
M1过载保护
FR2
热继电器
JR10-10
3A,5A
1
M2过载保护
FR3
热继电器
JR10-10
0.415A
1
M3过载保护
FU1
熔断器
RL1
30A
3
总电源短路保护
FU2
熔断器
RL1
10A
3
进给短路保护
FU3
熔断器
RL1
6A
2
控制电路短路保护
FU4
熔断器
RL1
4A
2
照明电源短路保护
TC1
变压器
BK-50
380/36V
1
控制电路变压器
TC2
变压器
BK-150
380/127V
1
照明变压器
YA
电磁离合器
B1DL-III
1
快速进给
R
电阻
ZB2
1.45W,15.4A
2
限制制动电阻
3.3X62W万能铣床的主要结构及运动形式
1.主要结构
由床身、主轴、刀杆、横梁、工作台、回转盘、横溜板和升降台等几部分组成，如图3-1所示。
图3-1X62W万能铣床外形图
2.运动形式
主轴转动是由主轴电动机通过弹性联轴器来驱动传动机构，当机构中的一个双联滑动齿轮块啮合时，主轴即可旋转。
工作台面的移动是由进给电动机驱动，它通过机械机构使工作台能进行三种形式六个方向的移动，即：
工作台面能直接在溜板上部可转动部分的导轨上作纵向（左、右）移动；工作台面借助横溜板作横向（前、后）移动；工作台面还能借助升降台作垂直（上、下）移动。
第四章X62W万能铣床传统继电器的电气控制原理
4.1电气原理图
该铣床共用3台异步电动机拖动，它们分别是主轴电动机M1、进给电动机M2和冷却泵电动机M3。
X62W万能铣床的电气原理图主电路图如图4-1所示。
图4-1X62W万能铣床的电气原理图主电路图
X62W万能铣床的电气原理图控制电路图如图4-2所示。
图3-2X62W万能铣床的电气原理图控制电路图
4.2主电路分析
主轴电动机M1要求能够实现正反转，但旋转方向变换不频繁。
通过换向开关SA4在加工前预先选择，与接触器KM1配合，能进行正反转控制；与接触器KM2、制动电阻R及速度继电器KV的配合，实现主轴电动机的正反转反接制动控制，并通过机械装置进行变速。
进给电动机M2要求能够实现正反转，通过接触器KM3、KM4与行程开关、接触器KM5和牵引电磁铁YA配合，实现三种形式六个方向的常速进给和快速进给控制。
冷却泵电动机只要求单向旋转。
电路中熔断器FU1既作为铣床总的短路保护，又作为主轴电动机M1的短路保护；FU2作为进给电动机M2、冷却泵电动机M3及控制变压器、照明变压器一次侧的短路保护；热继电器FR1、FR2和FR3分别作为M1、M2和M3的过载保护。
4.3控制电路分析
4.3.1主轴电机M1的控制
将图4-2的主轴电动机的控制线路另画于图4-3中。
图中SB1、SB2、SB3和SB4是分别装在工作台的前面和床身侧面的启动和停止按钮，可在两地控制，方便操作。
图4-3主轴电机控制线路
KM1是主轴电动机启动接触器，需要启动主轴电动机时，先将转换开关SA4扳到主轴电动机所需的旋转方向；然后按下启动按钮SB1或SB2，接触器KM1得电且自锁，电动机M1拖动主轴旋转；速度继电器KV动作，KV-1或KV-2中的一对常开触点闭合，为主轴电动机的反接制动作好准备。
主轴电动机M1得电通路：
T1→SQ7常闭触点→SB4→SB3→SB1或SB2→KM2常闭触点→KM1线圈→T1。
KM2是反接制动和主轴变速冲动接触器。
停车时，按下停止按钮SB3或SB4，接触器KM1失电，主轴电动机M1惯性转动；停止按钮按到底，KM2得电且自锁，改变了主轴电动机M1的电源相序，串入电阻反接制动；当M1的转速降至约100r/min时，速度继电器KV-1或KV-2的常开触点恢复断开，KM2失电，M1迅速停止转动，反接制动结束。
反接制动接触器KM2得电通路：
T1→SQ7常闭触点→SB4或SB3常开触点（已闭合）→KV-1或KV-2常开触点（已闭合）→KM1常闭触点→KM2线圈→T1。
SQ7是与主轴变速手柄联动的瞬时动作行程开关。
主轴变速时，先将变速手柄压下拉到前面，转动变速盘选择需要的转速，然后将变速手柄推回原位。
在将变速手柄拉到前面和推回原位的过程中，与变速手柄相联的凸轮都会把行程开关SQ7压下，SQ7的常开触点瞬时闭合一下，KM2得电，主轴电动M1反向转动一下，使变速后的齿轮易于啮合，这就是主轴的变速冲动。
主轴变速可在主轴不转时进行，也可在主轴转动时进行。
如果是在主轴转动时进行变速，无需先按停止按钮再变速，可直接进行变速操作。
行程开关SQ7在变速手柄拉出时，在凸轮的作用下常闭触点先断开，切断接触器KM1的线圈电路，主轴电动机M1断电；SQ7的常开触点后闭合，KM2得电，对主轴电动机M1进行反接制动，M1的转速迅速下降；将变速手柄推回时，SQ7再次动作一下，实现主轴的变速冲动。
变速完成后，主轴停止转动，需再次启动电动机，主轴将在新的转速下旋转。
4.3.2进给电动机M2的控制
进给运动的所有操作都是在主轴电动机M1启动、接触器KM1常开触点闭合后进行的；所有的进给运动都是由进给电动机M2拖动的。
转换开关SA1是工作台的选择开关，当置于“断开”位置时，SA1-1、SA1-3闭合，SA1-2断开，可以进行工作台的进给操作；当置于“闭合”位置时，SA1-1、SA1-3断开，SA1-2闭合，此时不能进行工作台的操作，只能对圆工作台的进给运动进行控制。
工作台的进给运动分为左右的纵向运动、前后的横向运动和上下的垂直运动。
当转换开关SA1置于“断开”位置时，将图3-2中工作台进给运动的控制线路另画于图4-4中。
接触器KM3、KM4使进给电动机实现正反转控制，用来改变工作台进给运动的方向。
进给运动的操作是由两个机械操作手柄与对应的行程开关和机械传动机构相互配合实现的。
SQ1、SQ2是与纵向进给机械操作手柄相联动的行程开关，SQ3、SQ4是与横向进给及垂直进给机械操作手柄相联动的行程开关。
六个方向的进给运动相互联锁，同一时刻只允许有一个方向的运动，当两个操作手柄处在中间位置时，SQ1～SQ4各行程开关都处在未受压的原始状态。
图3-4工作台进给运动控制线路
1.工作台纵向（左、右）进给运动的控制
工作台的纵向进给由纵向操作手柄控制，该手柄有三个位置：
向左、向右和中间。
当将操作手柄扳向右（或向左）时，一方面通过机械机构将工作台与纵向移动的传动装置相联接，另一方面压下向右（或向左）进给行程开关SQ1（或SQ2），SQ1-1（或SQ2-1）常开触点闭合，接触器KM3（或KM4）得电，进给电动机M2通电转动（或反向转动），拖动工作台向右（或向左）移动。
当将纵向操作手柄扳回到中间位置时，一方面工作台脱离纵向移动的传动装置，另一方面行程开关SQ1（或SQ2）复位，接触器KM2（或KM3）失电，进给电动机M2断电，工作台停止转动。
由于进给速度低，M2未采取制动措施。
为避免工作台左、右移动越过极限进给位置发生事故，在工作台的左、右两端各有一块挡铁，当工作台移动到极限位置时，挡铁撞向纵向操作手柄，使手柄回到中间位置，实现自动停车。
左、右移动的极限位置，可以通过改变左、右两端的挡铁位置进行调整。
2.工作台横向（前、后）及垂直（上、下）进给运动的控制
工作台横向及垂直进给由十字手柄控制，该手柄也有两个，分别装在工作台左侧的前、后方。
十字手柄有：
前、后、左、右和中间五个位置。
与纵向进给操作一样，在扳动十字手柄压下行程开关SQ3、SQ4的同时，将工作台与横向运动或垂直运动的机械传动装置相联接。
SQ3控制工作台向下或向前运动，SQ4控制工作台向上或向后运动。
当将十字手柄扳向下或向前时，压下行程开关SQ3，SQ3-1常开触点闭合，接触器KM3得电，进给电动机M2通电转动，拖动工作台向下或向前移动。
若将十字手柄扳回到中间位置，工作台与传动机构脱离，同时行程开关SQ3复位，接触器KM3失电，进给电动机M2断电，工作台停止进给运动。
当将十字手柄扳向上或向后时，压下行程开关SQ4，SQ4-1常开触点闭合，接触器KM4得电，进给电动机M2通电反转，拖动工作台向上或向后运动。
3.作台的快速移动
为提高工作效率，在铣刀未作铣切加工时，工作台可以快速移动，操作过程如下：
工作台在进给移动时，按下快速移动按钮SB5或SB6（两地控制），接触器KM5得电，快速移动电磁铁YA通电动作，工作台按原进给方向快速移动，当工作台移动到预期位置，松开探险钮SB5或SB6，KM5失电，YA断电，快速进给结束，工作台按原速度、原方向继续移动。
4.进给电动机的变速冲动
为使齿轮易于啮合，与主轴变速一样，进给变速也设有变速冲动装置。
SQ6是进给变速冲动行程开关，在操作进给变速盘变速时，其连杆机构会瞬时压下行程开关SQ6，使SQ6-2常闭触点断开、SQ6-1常开触点闭合，接触器KM3短时得电，进给电动机M2瞬时转动一下，实现对进给变速的冲动。
从进给控制电路可以看出，进给变速冲动是在行程开关SQ1～SQ4不受压、其常闭触点闭合时完成的。
所以进给变速时，需将操作手柄都置在中间位置，进给电动机M2不转的情况下，才能实现进给的变速冲动，这一点与主轴的变速冲动不同。
5.圆工作台的控制
图4-5圆工作台进给控制电路
圆工作台的控制电路如图4-5所示，此时工作台的进给操作手柄都应处在中间位置，SQ1～SQ4的常闭触点处于闭合的原始位置，按下主轴启动按钮SB1或SB2，接触器KM1、KM3先后得电，主轴转动的同时，进给电动机M2通过传动机构拖动圆工作台单向转动。
若要使圆工作台停止运动，只要按下主轴停止按钮SB3或SB4，主轴与圆工作台便同时停止工作。
6.进给控制的联锁
在铣床加工中，为安全起见，在多种运动间设置了相互的联锁。
它们包括：
主轴运动与进给运动间先主轴后进给的顺序联锁；工作台六个运动方向间不能同时进行的联锁；进给变速冲动应在进给运动停止时进行的联锁；圆工作台与工作台的进给不能同时进行的联锁。
4.3.3冷却泵电动机及照明电路的控制
为防止铣切加工时过热，在铣床工作时，可以启动冷却泵电动机M3，提供冷却液。
由于冷却泵电动机M3容量小，直接用转换开关SA3控制。
工作台的照明电源是由照明变压器T2将380V交流电压降至36V安全电压提供的，照明电路由转换开关SA2控制。
第五章X62W万能铣床基于PLC的具体设计
5.1设计中PLC的选型
PLC的选型：
由于西门子S7-200系列的强大功能使得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。
并且具有紧凑的的设计、良好的扩展性、低廉的价格、丰富的功能模块以及强大的指令系统，使得S7-200PLC可以近乎完美地满足小规模的控制要求，所以本次设计选用S7-200系列PLC。
由于本设计实现的是整个控制电路用PLC控制，且圆形工作台转换开关SA1和换刀开关SA2和SA3不能直接接到PLC的输入端口来实现信
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