XA6132型万能卧式铣床.docx
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XA6132型万能卧式铣床
现
代
电
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控
制
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程
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文
姓名：
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题目：
XA6132型万能卧式铣床电气控制系统改进设计
摘要：
目前，大部分工业铣床存在自动化水平落后、加工精密度低、各种安全警报控制不够完善等问题。
该设计针对XA6132型万能卧式铣床存在的上述一些问题，用PLC进行改造，设计出了主轴系统、进给系统、冷却系统、润滑系统以及一些安全警报控制等系统。
关键词：
XA6132万能卧式铣床可编程控制PLC
正文：
一、铣床简介
在金属切削机床中，铣床在数量上占第二位，仅次于车床。
铣床可以用来加工平面、斜面、沟槽等。
装上分度头，可以铣切直齿轮和螺旋面。
若装上圆工作台，还可以铣切凸轮和弧形槽。
铣床主要特点包括：
（1）工作台沿床鞍移动实现纵向运动、床鞍沿升降台移动实现横向运动、其垂向运动由升降台沿床身导轨移动实现。
（2）机床具有基础铸件钢性好，能承受重负荷切割的特点。
（3）主轴传动和进给传动均采用18级齿轮变速，具有较宽的变速范围和很宽的加工范围。
（4）机床电气控制贯彻了国家GB5226.1-2002标准，提高了安全性和可靠性。
（5）机床通用性强、互换性好，可以配置分度头、圆工作台、镗刀架、铣夹头等附件，进一步扩大机床加工范围。
（6）容易磨损的部分都有消除间隙的调整装置，保证机床的精度和工作平稳。
二、XA6132型卧式铣床介绍
XA6132型万能卧式铣床是对工件进行特定加工的一种高效率、自动化的专用加工设备。
严格来说，应该是X6132A，X代表铣床，6代表卧铣，1代表回转工作台，32代表工作台宽320mm,A代表滚珠丝杠。
结构：
XA6132型万能卧式铣床的结构如图1所示，它主要由底座、溜板、刀架支杆、悬梁、工作台、床身、升降台等几部分组成。
运动形式：
XA6132型万能卧式铣床的主运动为主轴带动刀具做顺铣、逆铣，进给运动，为进给电动机驱动升降式工作台进给运动，实现工作台带动工件做快进、工进运动。
其主轴传动系统在床身内部，进给系统在升降台内，而且主运动与进给运动之间没有速度比例协调的要求。
故采用单独传动，即主轴和工作台分别由主轴电动机、进给电动机拖动。
而工作台工作进给与快速移动由进给电动机经快速传动链来获得。
控制要求：
XA6132型万能卧式铣床采用电磁离合器控制主轴停车制动和主轴上刀制动。
XA6132型万能卧式铣床工作台运行方式有手动、进给运动和快速移动三种方式。
电气控制电路：
如图2为XA6132型卧式万能铣床的电气原理图。
其电气线路可分为主电路、控制电路、直流电路、照明电路等部分。
1、主电路
中间继电器KA3控制冷却泵电动机M1。
接触器KM1、KM2控制主轴电动机M2正、反转。
接触器KM3、KM4控制主轴电动机M3正、反转。
其他，还有短路、过载保护器件。
2、主轴电动机M2的控制
加工前，由选择开关SA4选择主轴电动机M2的转动方向，即确定是进行顺铣或逆铣加工。
1）主轴的起动
由停止按钮SB1、SB2，起动停止按钮SB3、SB4和接触器KM1或KM2实现主轴电动机M2的两地起停控制，两套起停控制按钮分别装在铣床正面和侧面操作板上。
起动前，QF闭合将电源引入，再把换向器开关SA4扳倒主轴所需的旋转方向，然后按下起动按钮SB3（或SB4），中间继电器KA1线圈经过（7-9-11-13-15-19-21-2）得电并自锁，触头KA1（25-17）闭合，使接触器KM1或KM2线圈得电吸合，其主触头接通主轴电动机，电动机M2实现直接起动。
而KM1或KM2的一对辅助常闭触头KM1（101-103）或KM2（103-105）断开，主轴电动机制动电磁摩擦离合器线圈YB电路切断。
中间继电器的另一触头KA1（39-25）闭合，为工作台的进给与快速移动电路的工作做好准备。
此机床主轴的正反转控制除有选择开关SA4外，还有触头KM1'和KM2'作电气互锁。
2）主轴的制动
由主轴停止按钮SB1或SB2、正转接触器KM1或反转接触器KM2与主轴制动电磁离合器YB构成主轴制动停车控制环节。
电磁离合器YB安装在主轴传动链与主轴电动机相关的第一根传动轴上。
主轴停车时，按下SB1（或SB2），KM1（或KM2）线圈断电释放，主轴电动机M2断开三相电源；同时YB线圈通电，产生磁场，在电磁吸力作用下将摩擦片压紧产生制动，使主轴迅速制动。
当松开SB1（或SB2）时，YB线圈断电，摩擦片松开，制动结束。
这种控制方式迅速、平稳，制动时间短。
当按下SB1（或SB2）时，电磁线圈YC2也通电，接通工作台快速进给传送链，工作台快速停止。
3）主轴变速冲动
主轴变速操纵箱装在床身左侧窗口上，变换主轴转速由一个手柄和一个刻度盘来实现，如图1中11主轴变速盘和12主轴变速手柄。
变速时，操作顺苏如下：
（1）将主轴变速手柄向下压，使手柄的榫块自槽中滑出，然后拉动手柄，使榫块落到第二道槽内为止。
（2）转动刻度盘，把所需要的转数对准指针。
（3）把手柄推回原来位置，使榫块落入槽内。
变速是为了使齿轮容易啮合，扳动变速手柄再将变速手柄推回原来位置时，将瞬间压下主轴变速行程开关SQ5，使触头SQ5（15-17）闭合，触头SQ5（15-19）断开，使KM1或KM2线圈得电吸合，其主触头闭合，主轴电机做瞬时点动，利于齿轮啮合。
当变速手柄榫块落入槽内时，触头SQ5不再受压，触头SQ5（15-17）断开，切断主轴电动机瞬时点动电路。
3、工作台进给控制
工作台矩形直线运动和圆形圆弧运动的机械传动链如图3所示。
矩形工作台的直线运动包括纵向（左右）、横向（前后）、升降（上下）六个方向的运动，是通过纵向操纵手柄和十字槽纵手柄进行控制的。
纵向操纵手柄有左、0、右三个工位，控制矩形工作台的向左和向右运动，十字槽纵手柄（两个机械联动）有前、上、0、下、后五个工位，控制矩形工作台的前后、上下运动。
矩形工作台的纵向操纵手柄和十字槽纵手柄均在0位时，通过操作转换开关SA3控制圆形工作台的圆弧旋转运动。
圆形工作台转换开关SA3的说明如表1所示，当SA3处于原始状态时，其三个触头的状态为：
SA3（47-49）闭合，SA3（55-51）断开，SA3（41-55）闭合，矩形工作台处于操作状态；SA3处于受激状态时，其三个触头的状态为：
SA3（47-49）断开，SA3（55-51）闭合，SA3（41-55）断开，则圆形工作台处于操作状态。
1）矩形工作台的纵向进给运动控制
矩形工作台的纵向进给运动由纵向操纵手柄操纵，纵向操纵手柄有左、0、右三个工位，分别控制离合器及行程开关SQ1、SQ2动作，其说明如表2所示，此时SA3处于原始状态。
（1）矩形工作台向左运动。
纵向操纵手柄扳向“左”位置，则纵向进给离合器接上进给传动链，并压下行程开关SQ1，SQ1常开触头（49-51）闭合，常闭触头（57-47）断开，KM3线圈经（41-43-45-47-49-51-53-2）得电动作，工作台进给电动机M3正转，拖动工作台向左进给。
纵向操纵手柄扳回0位，SQ1常开触头（49-51）断开，KM3线圈断电，M3停转，向左进给停止。
位置
圆形工作台
接通
断开
47-49
-
+
55-51
+
-
41-55
-
+
表1圆形工作台转换开关SA3说明
触头
位置
向左
0停止
向右
SQ1
49-51
+
-
-
57-47
-
+
+
SQ2
49-59
-
-
+
55-57
+
+
-
表2工作台纵向进给行程开关说明
（2）矩形工作台向右运动。
纵向操纵手柄扳向“右”位置，则纵向进给离合器接上进给传动链，并压下行程开关SQ2，SQ2常开触头（49-59）闭合，常闭触头（55-57）断开，KM4线圈经（41-43-45-47-49-59-61-2）得电动作，工作台进给电动机M3反转，拖动工作台向右进给。
纵向操纵手柄扳回到0位，SQ2常开触头（49-59）断开，KM4线圈断电，M3停转，向右进给停止。
此机床工作台左右运动除有机械（离合器）互锁外，还有触头KM3'和KM4'作电气互锁。
（3）终点停车。
工作台移动到终点，终点挡铁撞击手柄的凸起部分可使其返回中间位置，实现终点停车。
2）矩形工作台的横向进给运动控制
工作台横向和升降运动，是由升降台上的十字操纵手柄控制的，手柄有五个位置：
前、上、0（停止）、下、后。
分别控制离合器及行程开关SQ3、SQ4动作，其说明如表3所示，此时SA3处于原始状态。
触头
位置
向前
向下
0
停止
向后
向上
SQ3
49-51
+
-
-
45-47
-
+
+
SQ4
49-59
-
-
+
43-45
+
+
-
表3工作台横向及升降进给行程开关说明
（1）矩形工作台向前运动。
十字操纵手柄扳向“前”位置，则横向进给离合器接上横向传动链，并压下行程开关SQ3，SQ3常开触头（49-51）闭合，常闭触头（45-47）断开，KM3线圈经（41-55-57-47-49-51-53-2）得电动作，工作台进给电动机M3正转，拖动工作台向前进给。
十字操纵手柄扳回到0位，SQ3常开触头（49-51）断开，KM3线圈断电，M3停转，向前进给停止。
（2）矩形工作台向后运动。
十字操纵手柄扳向“后”位置，则横向进给离合器接上横向传动链，并压下行程开关SQ4，SQ4常开触头（49-59）闭合，常闭触头（43-45）断开，KM4线圈经（41-55-57-47-49-59-61-2）得电动作，工作台进给电动机M3反转，拖动工作台向后进给。
十字操纵手柄扳回到0位，SQ4常开触头（49-59）断开，KM3线圈断电，M3停转，向后进给停止。
3）矩形工作台的垂直进给运动控制
（1）矩形工作台向下运动。
十字操纵手柄扳向“下”位置，则垂直进给离合器接上垂直传动链，并压下行程开关SQ3，SQ3常开触头（49-51）闭合，常闭触头（45-47）断开，KM3线圈经（41-55-57-47-49-51-53-2）得电动作，工作台进给电动机M3正转，拖动工作台向下运动。
十字操纵手柄扳回到0位，SQ3常开触头（49-51）断开，KM3线圈断电，M3停转，向下进给停止。
（2）矩形工作台向上运动。
十字操纵手柄扳向“上”位置，则垂直进给离合器接上垂直传动链，并压下行程开关SQ4，SQ4常开触头（49-59）闭合，常闭触头（43-45）断开，KM4线圈经（41-55-57-47-49-59-61-2）得电动作，工作台进给电动机M3反转，拖动工作台向上进给。
十字操纵手柄扳回到0位，SQ4常开触头（49-59）断开，KM3线圈断电，M3停转，向上进给停止。
矩形工作台的横向和垂直运动中，常闭触头SQ1'、SQ2'，SA3'的闭合条件要求纵向手柄在0位及SA3选择矩形工作台，否则横向和垂直运动无法实现。
安放在床身上的限位挡铁，能使十字手柄自动返回0位。
实现横向、垂直的重点停车。
工作台左、右、前、后、上、下六个方向的运动在同一时刻只可能出现一个，这是利用机械的联锁（纵向、横向、垂直三个进给离合器只可能合向一个）和电气联锁（SQ1'、SQ2'、SQ3'、SQ4'、KM3'、KM4'的运用）来共同实现的。
4）矩形工作台的快移运动控制
工作台六个方向的快速移动，适是用两个操作手柄和快速移动按钮SB5（或SB6）的配合操作来实现的。
例如，当主轴旋转，进给正在工作时，KM3（或KM4）常开触头闭合，按下快速按钮SB5（或SB6），中间继电器KA2线圈得电，进给离合器YC1失电脱开，快移离合器YC2得电，接上快移机械传动链，实现矩形工作台快速移动。
当松开SB5（或SB6）时，YC2失电，YC1得电，工作台恢复为工进状态。
工作台调整时，主轴不旋转，同样可以快速移动。
5）圆形工作台的回转运动控制
为扩大机床的加工能力，可安装附件圆形工作台，圆形工作台可手动，也可机动。
当需要机动时，将纵向和十字操纵手柄扳回“0”位，然后将圆形工作台转换开关扳到“接通”位置，由表1可以看到这时SA3的三个触头状态为：
SA3（47-49）断开，SA3（55-51）闭合，SA3（41-55）断开。
在主电机M2起动后，KM3线圈经过（41-43-45-47-57-55-51-53-2）得电，进给电动机M3正转，带动圆形工作台工步回转。
常闭触头SQ1'，SQ2'，SQ3'，SQ4'闭合的条件是纵向操作手柄和十字操作手柄均在0位，从而保证了圆工作台运动与其他方向进给运动的联锁。
6）工作台的变速冲动控制
为了在进给变速时使滑移齿轮易于啮合，电路设有进给变速瞬时点动控制环节。
进给变速的“冲动”只有在主轴起动后，将纵向进给操纵手柄、垂直与横向进给操纵手柄置于中间零位才可进行。
当变速手轮拉出时，瞬时压动行程开关SQ6，其常开触头（43-51）闭合，常闭触头（41-43）断开，KM3线圈经过（41-55-57-47-45-43-51-53-2）瞬时得电，电动机M3做变速冲动（蠕动）。
当变速手柄推回原位后，形成开关SQ6的常开触头（43-51）断开，常闭触头（41-43）闭合，KM3线圈失电，电动机M3停止转动。
4、其他控制
（1）冷却泵控制。
转动旋转式转换开关SA1，触头SA1（17-35）闭合，中间继电器KA3线圈得电，冷却泵电动机M1转动。
（2）主轴上刀换刀时的制动控制。
在主轴上刀或者更换铣刀时，主轴电动机不得旋转，否则将发生严重人身事故。
为此，电路设有主轴上刀制动环节，它是由主轴上刀制动开关SA2控制。
在主轴上刀换刀前，将SA2扳到“接通”位置，触头SA2（9-11）断开，使主轴转动控制电路断电，主电动机不能通电旋转；而另一触头SA2（105-107）闭合，接通主轴制动电磁离合器YB线圈，使主轴处于制动状态。
上刀换刀结束后，再将SA2扳至“断开”位置，触头SA2（105-107）断开，解除主轴制动状态，同时触头SA2（9-11）闭合，为主电动机起动做好准备。
（3）三个电磁离合器所需要的直流电，由专用变压器TC1经整流桥VC供给。
（4）机床局部照明的36V电压，是由变压器TC2供给。
SA5开关用以控制照明灯EL。
（5）控制电路的110V电压，也是由变压器TC2供给。
三、XA6132铣床PLC控制系统设计方案
可编程控制器PLC简介：
可编程控制器（PLC）是一种以微处理器为基础的通用工业自动控制装置，具有可靠性高、柔性好、编程灵活、开发周期短以及故障自诊断等特点，特别适合应用于机床控制系统的开发和应用。
我国传统的机床控制系统都是采用继电器和接触器硬件逻辑控制电路，不但接线复杂，而且经常出现故障，可靠性比较差。
通过使用PLC设计机床控制系统可以减少电元器件的数目，提高电气控制系统的稳定性和可靠性，从而提高产品的品质和生产效率。
目前，国内许多厂家的自动控制系统及加工机床都采用PLC代替继电器控制。
设计方案：
（1）鉴于原XA6132铣床主轴系统采用继电控制，主轴变速采用变速手柄，利用机械原理控制改变其速度转换，在实际生产加工中操作不便而且不利于加工过程速度稳定。
铣床的加工利用刀具对零件的切削，所以机床在加工零件时伴随着切削量的不同，对刀具的负载也跟着不同，所以主轴电机的转速应要有自动调整转速的功能，保持正常而良好的加工状态，避免加工过程速度不稳等情形。
所以该改造设计采用变频调速技术，通过改变频率的方法使电机转速改变。
设计采用PLC通过通信的方式控制变频器，从而可以使电机的实际转速更加接近预设转速。
（2）原铣床的工作台的进给部分采用机械的传动机构，配合手柄操作用继电开关实现工作台在3个坐标6个方向的运动，很显然这种操作方式弊端很大，在很大程度上工作台进给靠手工完成，进给量基本上依靠目测、经验来实现工作台的进给，加工精度不够高等，在生产加工上局限性相当大。
相比步进电机，伺服电机可以实现严格根据脉冲量控制电机转量，而且步距角比步进电机要小很多。
故本次改造利用伺服系统控制，用三台伺服电机分别控制铣床的X、Y、Z三个轴的进给运动。
实现对电机转速、位置、进给量的精确控制，使生产加工时能更好的满足零件加工需要。
（3）冷却泵和润滑泵的启动采用主轴启动后自启动的控制，只要主轴启动，则冷却泵和润滑泵启动，供应铣床加工时的冷却液和润滑液。
主轴停止转动，冷却泵和润滑泵停止。
（4）设计一个圆形工作台安装在工作台上，利用电机驱动圆形工作台的旋转，可实现对零件的螺旋面的加工。
（5）安全警报控制系统的设计：
安全警报控制系统包括各轴之间的联锁、各轴安全启动/停止顺序、主轴换刀安全控制、进给轴各轴所必要的行程开关和限位保护、储油罐液位检测、发生操作事故时警报控制和紧急停止工作等。
设计完成后所能实现功能：
（1）设计完成后的改造铣床主轴电机可以实现正、反转。
而且，设计采用变频调速技术，可以实现无极调速，所以在加工时不会因为负载的改变而使电机转速改变，在加工时保证了加工零件表面平滑、整齐、不出现纹丝等。
（2）改造完成后的进给系统在工作台进给的时候具有高精度的定位控制。
可以实现高精度进给要求以及可将误差控制在很小范围内，并且可以实现手动、自动两种控制方式，在运行上可以实现工作台快速进给、工作进给等功能。
（3）冷却泵与润滑泵在主轴启动后自动启动，开始喷洒冷却液和润滑液。
待加工结束，主轴电机停止，润滑泵、冷却泵停止。
设计完后可手动开关照明灯。
（4）改造完成后的铣床具有关保护、联锁控制、油泵液位检测、警报响应提醒等功能，工作台的各运动方向设置极限位置保护、各运动方向的联锁控制等。
（5）铣床安装上圆形工作台后利用电机拖动圆形工作台进行转动，可以实现对工件进行螺旋面的加工。
参考文献：
[1]吕厚余、邓力主编工业电气控制技术科学出版社2007年8月
[2]邓萍主编现代电气控制技术重庆大学出版社2001年12月
[3]方承远主编工厂电气控制技术机械工业出版社2002
[3]XX文库
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