X62W型卧式万能铣床电气控制系统设计毕业论文.docx
《X62W型卧式万能铣床电气控制系统设计毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《X62W型卧式万能铣床电气控制系统设计毕业论文.docx（27页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
X62W型卧式万能铣床电气控制系统设计毕业论文
X62W型卧式万能铣床电气控制系统设计
摘要
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。
PLC是可编程控制器的简称，是一种数字运算操作的电子系统，它采用可编程序的储存器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过模拟的或数字的输入和输出接口，控制各种类型的机器设备或生产过程。
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，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。
随着科技进步，和PLC技术的成熟，所以对X62W万能铣床进行PLC改造势在必行，是提高机床性能，提升经济效益及产品质量的关键举措。
关键词：
X62W铣床；电气控制系统；PLC；梯形图
前言
本设计讲述了X62W万能铣床电气控制的工作原理，说明了用PLC改造的具体方法，从而提高整个电气控制系统的性能。
铣床是用铣刀对工件进行铣削加工的机床。
铣床除能铣削平面，沟槽，齿轮，螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较刨床高，在机械制造和修理部门得到广泛应用。
最早的铣床的美国人惠特尼于1818年创制的卧式铣床；为了铣削麻花钻头的螺旋槽，美国人布朗于1862年创制了第一台万能铣床，这是升降台铣床的雏形；1884年又出现了龙门铣床；二十世纪20年代出现了半自动铣床，工作台利用挡块可完成“进给-快速”或“快速-进给”的自动转换，1950年以后，铣床在控制系统方面发展很快，数字控制的应用大大的提高了铣床的自动化程度。
尤其是70年代以后，微处理机的数字控制系统和自动换刀系统在铣床上得到应用，扩大了铣床的加工围，提高了加工精度和效率。
第一章铣床
1.1铣床国外研究状况和发展趋势
自从1969年第一台可编程控制器在美国问世以来，在工业控制中得到广泛的应用。
近年来，我国在石油，化工，机械，轻工，发电，电子，橡胶，塑料加工等行业工业设备的电气控制中，越来越多的采用PLC机控制，并取得了显著的效果，深受各行业的欢迎。
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装置。
随着电子技术的发展，可编程控制器日益广泛的应用于机械，电子加工和设备电气改造中。
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一直给予较大的关注。
经过95自动车床和加工中心包括自动铣床的产业化的生产基地的形成，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。
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综合计算机技术，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铣床是有普通机床发展而来的，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的生产设备。
万能铣床的广泛应用，给机械制造的生产方式，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的一个重要标志。
一种新型的控制装置，一项先进的应用技术，总是根据工业生产的实际需要而产生的。
可编程控制器简称PC，PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC其有可靠性高，抗干扰能力强，维修检测方便等优点，适合于万能铣床的控制，获得广泛的推广，现在万能铣床以全部采用PLC控制，结束了近20年使用继电控制的历史。
1.2铣床简单介绍
1.2.1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。
1.2.2X62W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X62W万能铣床的硬件设计
2.1X62W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。
2.2X62W万能铣床元件选型
表2-1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
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
表2-2铣床元件型号
2.3X62W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2-1所示。
图2-1X62W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。
第三章X62W万能铣床传统继电器的电气控制原理
3.1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3-1所示。
图3-1X62W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3-2所示。
图3-2X62W万能铣床的电气原理图控制电路图
3.2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。
3.3控制电路分析
3.3.1主轴电机M1的控制
将图3-2的主轴电动机的控制线路另画于图3-3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3-3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。
3.3.2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3-4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.工作台的快速移动
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3-5圆工作台进给控制电路
圆工作台的控制电路如图3-5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。
3.3.3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。
第四章PLC的简介
4.1PLC的产生
1968年美国通用汽车公司（GM）招标要求:
软连接代替硬接线;维护方便;可靠性高于继电器控制柜;体积小于继电器控制柜;成本低于继电器控制柜;有数据通讯功能;输入115V;可在恶劣环境下工作;扩展时，原系统变更要少;用户程序存储容量可扩展到4K。
核心思想：
用程序代替硬接线，输入/输出电平可与外部装置直接相联，结构易于扩展，这是PLC的雏形。
1969年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC（PDP-14），并在GM公司汽车生产线上应用成功。
4.2PLC的定义和特点
4.2.1PLC的定义
PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。
为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController），并给PC作了如下定义
“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。
用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。
一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。
”
以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”
4.2.2PLC的特点
1.高可靠性
1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC部电路之间电气上隔离。
2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms。
3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
4）采用性能优良的开关电源。
5）对采用的器件进行严格的筛选。
6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
2.丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，直接连接另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。
3.采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC以外绝大多数PLC均采用模块化结构PLC的各个部件包括CPU电源I/O等均采用模块化设计由机架及电缆将各模块连接起来系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4.编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式对使用者来说不需要具备计算机的专门知识因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5.安装简单维修方便
PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接即可投入运行各种模块上均有运行和故障指示装置便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。
4.3可编程控制器的主要性能指标
可编程控制器的性能指标有很多，主要有以下几项指标。
1.输入/输出点数（I/O）I/O点数是指可编程控制器外部输入、输出端子数的总和。
它标志着可以接多少个开关按钮和可以控制多少个负载。
2.存储容量存储容量是指可编程控制器部用于存放用户程序的存储容量。
3.扫描速度一般以执行1000步指令所需的时间来衡量，单位为ms/千步，也有以执行一步指令所需来计算，单位us/步。
4.功能扩展能力可编程控制器除了主模板块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊功能应用的需要。
如A/D模块、D/A模块、位置控制模块等。
5.指令系统指令系统是指一台可编程控制器指令的总和，它是衡量可编程控制器功能强弱的主要指标。
4.4可编程控制器的分类
通常PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。
1.按结构形式分类按结构形式不同，可分为整体式和模块式两类。
整体式的PLC是将电源、CPU、存储器、输入/输出单元等各个功能部件集成在一个机壳，从而具有结构经凑、体积小、价格低等优点，许多小型PLC多采用这种机构。
模块式的PLC将各个功能部件做成独立模块，如电源模块、CPU模块、I/O模块等，然后进行组合。
2.按控制规模分类按控制规模大小，可分为小型、中型和大型PLC三种类型。
1）小型PLC。
小型PLC的I/O点数在256点以下，存储容量在2K步以，其中输入输出点数小于64点的PLC又称为超小型或微型PLC，具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、监控等基本功能。
2）中型PLC。
中型PLC的开关
升级会员 