X62W万能铣床电气及PLC控制系统设计.docx
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X62W万能铣床电气及PLC控制系统设计
攀枝花学院本科学生课程设计任务书
题 目
X62W万能铣床电气及PLC控制系统设计
1、课程设计的目的
专业课程综合训练目的是使学生通过对所学主要专业课的综合应用，基本掌握一般机床电气控制及PLC的设计的能力。
综合运用所学的基础知识和技能，进一步提高学生的分析及解决问题能力，培养学生创新意识和创新能力，提高机床控制分析设计的总体意识和工程实践能力。
2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）
设计内容要求：
（1）输入回路的设计；
（2）（a8b$G7p.l*l（T8~7]能源环保论坛输出回路的设计；（3）扩展模块的选用；（4）PLC的网络设计；（5）软件编制。
设计结束后提交4000字左右的课程设计论文;包含上述全部内容。
3、主要参考文献
1．高学民.《机床电气控制》.山东：
山东科学技术出版社
2．鲁远栋，冼进.《PLC机电控制系统应用设计技术》.电子工业出版社
3．齐占庆.《机床电气控制技术》.机械工业出版社
4．张万忠.《可编程控制器入门与应用实例（西门子S7-200系列）》.中国电力出版社
4、课程设计工作进度计划
内容
学时
总体方案分析
8
输入回路的设计
8
输出回路的设计
30
扩展模块的选用
30
PLC的网络设计
8
软件编制
20
合计
3周
指导教师（签字）
日期
年月日
教研室意见：
年月日
学生（签字）：
接受任务时间：
年月日
注：
任务书由指导教师填写。
课程设计（论文）指导教师成绩评定表
题目名称
X62W万能铣床电气及PLC控制系统设计
评分项目
分值
得分
评价内涵
工作
表现
20%
01
学习态度
6
遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。
02
科学实践、调研
7
通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。
03
课题工作量
7
按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。
能力
水平
35%
04
综合运用知识的能力
10
能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。
05
应用文献的能力
5
能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。
06
设计（实验）能力，方案的设计能力
5
能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。
07
计算及计算机应用能力
5
具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。
08
对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）
10
具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。
成果
质量
45%
09
插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度
5
符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。
10
设计说明书（论文）质量
30
综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。
11
创新
10
对前人工作有改进或突破，或有独特见解。
成绩
指导教师评语
指导教师签名：
年 月 日
1绪论
铣床可用来加工平面、斜面、沟槽，装上分度头可以铣切直齿轮和螺旋，面，装上圆工作台还可以铣切凸轮和弧形槽，受压铣床在机械行业的机床设备中占有相当大的比重。
铣床的种类很多，按照结构形式和加工性能的不同可分为卧式铣床、龙门铣床、立式铣床、仿形铣床和专用铣床等。
万能铣床是一种通用的多用途机床，它可以用圆柱铣刀、角度铣刀、断面铣刀等各种刀具对零件进行平面、斜面及成型表面等的加工，还可以加装圆工作台、万能铣头等附件来扩大加工范围。
常用的万能铣床有两种：
一种是X52K型立式万能铣床，铣铣头垂直方向放置；另一种是X62W型卧式万能铣床，铣头水平方向放置。
这两种铣床在结构上大体相似，差别在于铣头的放置方向不同，而工作台的进给方式、主轴变速的工作原理等都一样，电气控制线路经过系列化以后也基本一样。
此课程设计通过对X62W型卧式万能铣床的电气原理图进行分析，进而设计PLC控制系统。
该铣床型号的含义：
X62W
2机床分析
2.1机床的主要结构及运动形式
X62W万能铣床由床身、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2.1所示。
床身固定在底座上，在床身的顶部有水平导轨，上面的悬梁装有一个或两个刀杆支架。
刀杆支架用来支撑铣刀心轴的一端，另一端则固定在主轴上，由主轴带动铣刀铣削。
刀杆支架在悬梁上以及悬梁在床身顶部的水平导轨上都可以做水平移动，以便安装不同的心轴。
在床身的前面有垂直导轨，升降台可沿着它上下移动。
在升降台上面的水平导轨上，装有可前后移动的溜板。
溜板上有可转动的回转盘，工作台就在回转盘的导轨上作左右移动。
工作台用T形槽来固定工件。
这样，安装在工作台上的工件就可以在三个坐标上的六个方向调整位置和进给。
此外，由于回转盘相对于溜板可绕中心轴线左右转过一个角度，因此，工作台还可以在倾斜方向进给，加工螺旋槽，故称万能铣床。
铣削是一种高效率的加工方式。
主轴带动铣刀的旋转运动是主运动；工作台的前后、左右、上下六个方向的运动是进给运动；工作台的旋转等其他运动则属于辅助运动。
图2.1X62W万能铣床外形图
3机床电力拖动特点及控制要求
3.1电力拖动特点
（1）由于主轴电动机的正反转并不频繁，因此采用组合开关来改变电源相序实现主轴电动机的正反转。
由于主轴传动系统中装有避免振动的惯性轮，使主轴停车困难，故主轴电动机采用电磁离合器制动来实现准确停车。
（2）由于工作台要求有前后、左右、上下6个方向的进给运动和快速移动，所以也要求进给电动机能正反转，并通过操纵手柄和机械离合器配合实现。
进给的快速移动是通过电磁铁和机械挂挡来实现的。
为了扩大其加工能力，在工作台上课加装圆形工作台，圆形工作台的回转运动是由进给电动机经传动机构驱动的。
（3）主轴和进给运动均采用变速盘来进行速度的选择，为了保证齿轮的良好啮合，两种运动均要求变速后作瞬间点动。
3.2控制要求
（1）当主轴电动机和冷却泵电动机过载时，进给运动必须立即停止，以避免损坏刀具和铣床。
（2）根据加工工艺的要求，该铣床应具有以下电气联锁措施：
a）由于6个方向的进给运动同时只能有一种运动产生，因此采用了机械手柄和位置开关相配合的方式来实现6个方向的联锁。
b）为了防止刀具和铣床的损坏，要求只有主轴旋转后才允许有进给运动。
c）为了提高劳动生产率，在不进行铣削加工时，可使工作台快速移动。
d）为了减少加工工件的表面粗糙度，要求只有进给停止后主轴才能停止或同时停止。
（3）要求有冷却系统、照明设备及各种保护措施。
4X62W万能铣床电气控制原理图分析
4.1主电路分析
X62W万能铣床的电气原理图见附件一。
由X62W万能铣床的电气原理图可知，主电路中共有三台电动机，其中M1是主轴电动机，拖动主轴带动铣刀进行铣削加工，SA3是M1的转换开关；M2是工作台进给电动机，拖动工作台进行前后、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KM3、KM4实现；M3为冷却泵电动机，供应冷却液，与主轴电动机M1直接实现顺序控制，即M1起动后，M3才能起动。
熔断器FU1作为3台电动机的短路保护，3台电动机的过载保护由热继电器FR1、FR2、FR3实现。
4.2控制电路分析
4.2.1控制电路电源
控制电路电压为110V，由控制变压器TC供给。
4.2.2主轴电动机M1的控制
为了方便操作，主轴电动机M1采用两地控制方式，起动按钮SB1、SB2，停止按钮SB5、SB6分别装在床身和工作台上。
YC1是主轴制动用的电磁离合器，KM1是主轴电动机M1的起动接触器，ST1是主轴变速冲动行程开关。
4.2.2.1主轴电动机M1的起动
控制过程为：
选好主轴转速→合上电源开关QS1→SA3扳到所需转向→按下SB1或SB2→KM1线圈得电并自锁→M1启动。
表4.1主轴电动机换向转换开关SA3的位置及动作说明
位置
正转
停止
反转
SA3-1
-
-
+
SA3-2
+
-
-
SA3-3
+
-
-
SA3-4
-
-
+
4.2.2.2主轴电动机M1的制动
控制过程为：
按下SB5（或SB6）→SB5-1（或SB6-1）断开→KM1线圈失电→M1惯性转动
→SB5-2（或SB6-2）闭合→YC1线圈得电→主轴M1停转
4.2.3主轴换铣刀控制
主轴在更换铣刀时，为避免其转动，造成更换困难，应将主轴制动。
方法是SA1扳到换刀位置→常开触头SA1-1闭合→YC1线圈得电。
此时主轴处于制动状态，以便换刀。
同时常闭触头SA1-2断开，切断了整个控制线路，保证了人身安全。
4.2.4主轴变速冲动控制
主轴变速是由一个变速手柄和一个变速盘来实现的。
主轴变速冲动控制是利用变速手柄与冲动行程开关ST1通过机械上的联动机构来实现，而且变速前应先停车。
变速时，先将变速手柄3压下，使手柄的榫块从定位槽中脱出，然后向外拉动手柄使榫块落入第二道槽内，使齿轮组脱离啮合。
转动变速盘4选定所需的转速，然后将变速手柄3推回原位，使榫块重新落进槽内，齿轮组重新啮合。
由于齿之间不能刚好对上，若冲动一下，则啮合十分方便。
控制过程为：
手柄推进时，凸轮1将弹簧杆2推动一下又返回→弹簧杆2推动一下位置开关ST1→常闭触头ST1-2先分断，常开触头ST1-1闭合→接触器KM1线圈瞬时得电→主轴电动机M1也瞬时起动；但紧接着凸轮1放开弹簧杆2→位置开关ST1复位→常闭触头ST1-2复位，常开触头ST1-1复位→KM1线圈失电→电动机M1断电。
由于未采取制动而使电动机M1惯性运转，故电动机M1产生一个冲动力，是齿轮系统抖动，保证了齿轮的顺利啮合。
4.2.5进给电动机M2的控制
工作台的进给是通过两个操作手柄和机械联动机构开展对应的位置开关使进给电动机M2正转或反转来实现的，并且前后、左右、上下6个方向的运动之间实现联锁，不能同时接通。
4.2.5.1工作台的左右进给运动
工作台的左右进给运动是由工作台左右进给操作手柄与位置开关ST5和ST6联动来实现的，其控制关系见表4.2，共有左、中、右3个位置。
工作台左移控制过程为：
当手柄扳向左→压下行程开关ST5（常闭触头ST5-2断开，常开触头ST5-1闭合）→接触器KM3线圈得电→电动机M2正转→工作台左移→达到左极限位置→ST5复位→→电动机M2停转，工作台停止运动。
工作台右移控制过程为：
当手柄扳向右→压下行程开关ST6（常闭触头ST6-2断开，常开触头ST6-1闭合）→接触器KM4线圈得电→电动机M2反转→工作台右移→达到右极限位置→ST6复位→电动机M2停转，工作台停止运动。
当手柄扳向中间位置时，位置开关ST5和ST6均未被压合，进给控制电路处于断开状态。
表4.2工作台左右进给手柄功能
手柄位置
位置开关动作
接触器动作
电动机M2的转向
工作台运动方向
左
ST5
KM3
正转
向左
右
ST6
KM4
反转
向右
中
-
-
停止
停止
4.2.5.2工作台的上下和前后进给运动
工作台的上下和前后进给是由同一手柄控制的。
该手柄与位置开关ST3和ST4联动，有上、下、前、后、中五个位置，其控制关系如表4.3所示。
工作台上移控制过程为：
手柄扳到向上→压下行程开关ST4（ST4-2断开，ST4-1闭合）→KM4线圈得电→M2正转→工作台向上运动。
工作台下移控制过程为：
手柄扳到向下→压下行程开关ST3（ST3-2断开，ST3-1闭合）→KM3线圈得电→M2正转→工作台向上运动。
工作台前移控制过程为：
手柄扳到向前→压下行程开关ST3（ST3-2断开，ST3-1闭合）→KM3线圈得电→M2正转→工作台向前运动。
工作台后移控制过程为：
手柄扳到向前→压下行程开关ST4（ST4-2断开，ST4-1闭合）→KM4线圈得电→M2正转→工作台向前运动。
和左右进给一样，工作台的上、下、前、后4个方向也均有极限保护，使手柄自动复位到中间位置，使电动机和工作台停止运动。
表4.3工作台上、下、前、后、中进给手柄功能
手柄位置
位置开关动作
接触器动作
电动机M2的转向
工作台运动方向
上
ST4
KM4
反转
向上
下
ST3
KM3
正转
向下
前
ST3
KM3
正转
向前
后
ST4
KM4
反转
向后
中
-
-
停止
停止
4.2.6联锁控制
单独对上、下、前、后、左、右6个方向的进给只能选择其一，绝不可能出现两个方向的可能性。
在两个手柄中，当一个手柄被置于某一进给方向时，另一个操作手柄必须置于中间位置，否则将无法实现任何进给运动，实现了联锁保护。
若将左右进给手柄扳向右时，而又将另一进给手柄扳到上时，则位置开关ST6和ST4均被压合，使ST6-2和ST4-2均分断，接触器KM3和KM4的通路均断开，电动机M2只能停转，保证了操作安全。
4.2.7进给变速冲动
与主轴变速时一样，为使齿轮进入良好的啮合状态，也要进行变速后的瞬时点动。
进给变速操作过程为：
把进给操作手柄放在中间位置→将进给变速盘拉出→进给齿轮松开，选好进给速度→将变速盘推回原位。
在推进过程中，挡块压下位置开关ST2（触头ST2-2分断，ST2-1闭合）→接触器KM3线圈得电→电动机M2起动；但随着变速盘的复位→位置开关ST2复位→KM3断电释放→电动机M2失电停转。
由于使电动机M2瞬时点动一下，齿轮系统产生一次抖动，使齿轮顺利啮合。
4.2.8工作台的快速移动
在加工过程中，在不进行铣削加工时，为了减少生产辅助时间，可使工作台快速移动，当进入铣削加工时，则要求工作台以原进给速度移动。
6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。
快速移动控制过程为：
工件安装好后，扳动进给操作手柄选定进给方向→按下快速移动按钮SB3或SB4→接触器KM2得电→KM2的一个常开触头接通进给控制线路，为工作台6个方向的快速移动做好准备；另一个常开触头接通电磁离合器YC3，使电动机M2与进给丝杠直接搭合，实现工作台的快速进给；KM2的常闭触头分断，电磁离合器YC2失电，使齿轮传动链与进给丝杠分离→快速移动到预定位置时，松开快速移动按钮SB3或SB4→接触器KM2断电释放→电磁离合器YC3断开，YC2吸合，快速移动停止。
4.2.9圆形工作台的控制
为了提高铣床的加工能力，可在工作台上安装附件圆形工作台，进行对圆弧或凸轮的铣削加工。
圆形工作台工作时，所有的进给系统均停止工作，实现联锁。
具体控制过程为：
转换开关SA2扳到接通位置→触头SA2-1和SA2-3断开，触头SA2-2闭合→使接触器KM3线圈得电→电动机M2起动→通过一根专用轴带动圆形工作台作旋转运动。
当不需要圆形工作台工作时，则将转换开关SA2扳到断开位置，此时触头SA2-1和SA2-1闭合，触头SA2-2断开，以保证工作台在6个方向的进给运动，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。
4.3冷却和照明控制
冷却泵电动机M3只有在主轴电动机M1起动后才能起到，因而采用的是顺序控制。
铣床照明由变压器T1供给24V安全电压，由开关SA4控制。
照明电路的短路保护由熔断器FU5实现。
X62W型万能铣床电器元件明细表见表4.4。
表4.4X62W型万能铣床电器元件明细表
代号
名称
型号及规格
数量
用途
QS1
开关
HZ10-60/3J60A、380V
1
电源总开关
QS2
开关
HZ10-10/3J10A、380V
1
冷却泵开关
SA1
开关
LS2-3A
1
换刀开关
SA2
开关
HZ10-10/3J10A、380V
1
圆工作台开关
SA3
开关
HZ3-13310A、500V
1
M1换向开关
M1
主轴电动机
Y132M-4-B37.5KW、380V、1450r/min
1
驱动主轴
M2
进给电动机
Y90L-41.5KW、380V、1400r/min
1
驱动进给
M3
冷却泵电机
JCB-22125W、380V、2790r/min
1
驱动冷却泵
FU1
熔断器
RL1-6060A、熔体50A
3
电源短路保护
FU2
熔断器
RL1-1515A、熔体10A
3
进给短路保护
FU3、FU6
熔断器
RL1-1515A、熔体4A
2
整流、控制电路短路保护
FU4、FU5
熔断器
RL1-1515A、熔体2A
2
直流、照明电路短路保护
FR1
热继电器
JR0-40整定电流16A
1
M1过载保护
FR2
热继电器
JR0-10整定电流0.43A
1
M2过载保护
FR3
热继电器
JR0-10整定电流3A
1
M3过载保护
T2
变压器
BK-100380/36V
1
整流电源
TC
变压器
BK-150380/110V
1
控制电路电源
T1
照明变压器
BK-5050VA、380/24V
1
照明电源
VC
整流器
2CZ×45A、50V
1
整流用
KM1
接触器
CJ0-2020A、线圈电压110V
1
主轴起动
KM2
接触器
CJ0-1010A、线圈电压110V
1
快速进给
KM3
接触器
CJ0-1010A、线圈电压110V
1
M2正转
KM4
接触器
CJ0-1010A、线圈电压110V
1
M2反转
SB1、SB2
按钮
LA2绿色
1
起动电动机M1
SB3、SB4
按钮
LA2黑色
1
快速进给点动
SB5、SB6
按钮
LA2红色
1
停止、制动
YC1
电磁离合器
B1DL-Ⅲ
1
主轴制动
YC2
电磁离合器
B1DL-Ⅱ
1
正常进给
YC3
电磁离合器
B1DL-Ⅱ
1
快速进给
ST1
位置开关
LX3-11K开启式
1
主轴冲动开关
ST2
位置开关
LX3-11K开启式
1
进给冲动开关
ST3
位置开关
LX3-131单轮自动复位
1
M2正反转及联锁
ST4
位置开关
LX3-131单轮自动复位
1
ST5
位置开关
LX3-11K开启式
1
ST6
位置开关
LX3-11K开启式
1
5PLC控制系统的分析与设计
5.1PLC设计分析
X62W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，用可编程控制器实现，为了保证各种联锁功能，将ST1～ST6,SB1～SB6分别接入PLC的输入端，换刀开关SA1和圆形工作台转换开关SA2分别用其一对常开和常闭触头接入PLC的输入端子。
输出器件分三个电压等级，一个是接触器使用的110V交流电压，另一个是电磁离合器使用的36V直流电，还有一个是照明使用的24V交流电压，这样也将PLC的输出口分为三组连接点。
5.2PLC硬件设计
万能铣床各个输入/输出点的PLCI/O地址分配入下表5.1所示：
表5.1输入输出点数及地址
输入点（I）
输出点（O）
主轴启1
SB1
I0.0
EL照明
Q1.0
主轴启2
SB2
I0.1
工作台正常进给
YC2
Q1.1
主轴停1
SB5
I0.2
主轴制动
YC1
Q1.2
主轴停2
SB6
I0.3
工作台快速进给
YC3
Q1.3
工作台快进1
SB3
I.04
工作台反向进给
KM4
Q1.4
工作台快进2
SB4
I0.5
工作台正向进给
KM3
Q1.5
右进给
ST6
I0.6
主轴起动
KM1
Q1.6
左进给
ST5
I0.7
进给控制
KM2
Q1.7
前、下进给
ST3
I1.0
后、上进给
ST4
I1.1
进给变速冲动
ST2
I1.2
主轴变速冲动
ST1
I1.3
换刀开关
SA1
I1.4
圆工作台开关
SA2
I1.5
照明开关
SA4
I1.6
主轴热继电器
FR1
I1.7
进给热继电器
FR3
I2.0
冷却泵热继电器
FR2
I2.1
5.3X62WPLC电气控制I/O接线图
按照给出的控制要求，PLC改造X62W电气控制线路的I/0接线图如图5-1所示。
图5.1PLC的I/O接线图
5.4程序设计
根据X62W万能铣床的控制要求，设计该电气控制系统的PLC控制梯形图，如图5.2所示。
该程序共有10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，按下启动按钮SB1（I0.0）或SB2（I0.1）时，Q1.6线圈得电并自锁，Q1.6的输出信号使主轴电动机M1启动运转。
第5支路中Q1.6常开触点闭合，辅助继电器M0.1线圈得电，其常开触点闭合，为第6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。
当按停止按钮SB5（I0.2）或SB6（I0.3）时，其常闭触点断开，Q1.6线圈失电，主轴惯性运转，同时其常开触点闭合，Q1.2线圈得电接通电磁离合器YC1，主轴制动停转。
第2支路表达了KM2（Q1.7）及YC3（Q1.3）的工作逻辑，当按下快速移动按钮SB3（I0.4）或SB4（I0.5）时，其常开触点闭合，则Q1.7及Q1.3线圈得电，Q1.7常闭触头断开，电磁离合器YC2（Q1.1）失电，YC3（Q1.3）得电，工作台沿选定方向快速移动；松开SB3（I0.4）或SB4（I0.5）时，则YC2（Q1.1）得电，YC3（Q1.3）失电，快速移动停止。
第6、7、8、9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SA2（I1.5）动作，6、7支路中I1.5的常开触点分断，第8支路中I1.5常开触头复位，M0.4线圈得电，使KM3（Q1.5）得电，电动机M2启动，圆形工作台旋转；当SA2（I1.5）复位时，M0.4和Q1.4线圈失电，圆形工作台停止旋转。
左右进给时，ST5（I0.7）或ST6（I0.6）被压合，其常闭触点断开，第6、7支路被分断，而I0.7或I0.6常开触点闭合，M0.2（其常开触点使Q1.5线圈得电）或Q1.4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，ST3（I1.0）或ST4（I1.1）被压合，其常闭触点断开，第6、7支路被分断，M0.2（其常开触点使Q1.5线圈得电）或Q1.4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
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