X52K型立式铣床电气控制系统的PLC改造设计课程设计.docx
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X52K型立式铣床电气控制系统的PLC改造设计课程设计
本科学生课程设计任务书
题 目
X52K型立式铣床电气控制系统的PLC改造设计
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）改造方案的确定；
（2）（a8b$G7p.l*l（T8~7]能源环保论坛电气控制电器控制电路分析；（3）PLC机型选择及程序设计；（4）PLC梯形图设计及程序编制;（5）电器元件选择。
设计结束后提交6000字以上的课程设计论文;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．周丽芳.《三菱系列PLC快速入门与实践》.人民邮电出版社。
2010.7
4、课程设计工作进度计划
内容
学时
改造方案的确定
2天
电器控制电路分析
1天
PLC机型选择及程序设计
3天
PLC梯形图设计
2天
PLC控制程序编制
2天
电器元件选择
2天
报告
3天
合计
3周
指导教师（签字）
李琴
日期
2012年12月9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。
摘要
铣床的PLC改造主要是方便工业自动化生产，减轻劳动强度和提高工作效率。
过去有不少人对铣床进行改造设计，并取得了不错的成绩，例如采用三菱控制软件控制的PLC设计等。
X52K型立式铣床的PLC控制设计采用了西门子软件S7-200，这是一款小型的控制系统。
设计过程中充分考虑工厂生产实际情况和铣床的运动要求、加工精度等一些列条件，采用S7-200软件进行仿真，满足设计的各项要求。
改造后的系统便于柔性生产的需要，在工厂有更强的适应力。
如生产任务或工艺发生变化，普通X52K机床需改变硬件结构，从而造成时间和资金的浪费。
PLC是一种新型的工业自动化控制装置，其控制功能是通过软件编程来实现的。
当生产工艺和任务发生变化时，不必改变PLC硬件设备，只需改变PLC中的程序，因而该控制系统更具灵活性。
且PLC控制系统体积小、可靠性高、更易于维护。
通过对X52K型立式铣床进行改造,并用S7-200软件仿真，实现了自动化控制,从而可以提高整个电气控制系统的工作性能。
关键词PLC,电气控制系统,X52K,S7-200
ABSTRACT
TheMillingmachinePLCtransformationmainlyisconvenientindustrialautomationproduction,reducelaborintensityandimproveworkefficiency.Inthepast,therewasalotofpeopletomillingmachinemodificationdesign,andhasmadethegoodprogress,suchasthecontrolsoftwareofPLCcontroldesign,etc.
X52KtypeverticalmillingmachinePLCcontrolsoftwarewasdesignedusingSiemensS7-200,it'sasmallcontrolsystem.Thedesignprocessoffullyconsideringtheactualproductionconditionofthefactoryandonthemovementofthemillingmachine,machiningaccuracyandothertermsandconditions,theS7-200softwaresimulation,meetthedesignrequirements.Afterthetransformationofthesystemtotheneedsoftheproductionofthesoft,inthefactoryhasstrongeradaptability.Suchasproductiontaskorprocesschanges,ordinaryX52Kmachineneedtochangethehardwarestructure,resultinginthewasteoftimeandmoney.
PLCisanewtypeofindustrialautomationcontroldevice,thecontrolfunctionisachievedthroughsoftwareprogramming.Whentheproductionprocessandtaskchange,don'tneedtochangethePLChardwareequipment,justchangethePLCprogram,thusthecontrolsystemmoreflexibility.PLCcontrolsystemandsmallsize,highreliabilityandeasiertomaintain.
ThroughtheX52Ktypeverticalmillingmachinemodification,andS7-200softwaresimulation,realizedtheautomationcontrol,whichcanimprovetheelectricalcontrolsystemperformance.
KeywordsPLC,electriccontrolsystem,X52K,S7-200
第1章铣床简介
1.1铣床介绍
在机器的的制造业中用锻造、铸造、压力加工等方法制成的金属毛坯都是很粗糙的，而且形状和尺寸也不太准确。
但是在实际应用中，绝大多数的机器零件都是有形状和尺寸要求的，以及高的精度和表面光洁度这就需要我们再次切削加工。
在现代机器制造厂的金工车间里，机械加工的种类有很多，有车削包削，钻削以及铣削等。
用铣刀在铣床上面加工工件，就叫铣削。
在铣床上能够加工出，如铣平面、沟槽、成型表面、螺纹、齿轮以及隔断材料等等、而每一种铣削、往往还可以用不同的铣刀来加工。
例如铣平面时可以用圆柱铣刀来加工、但也可以用高速端面铣刀来进行并且后面一种铣削的效率更高。
由于铣削加工具有上述很多优点，所以机械制造业中，铣削被越来越广泛地使用，特别是在大量生产和大批生产中，铣削差不多完全取代了刨削。
因此，如何进一步掌握铣削技术，提高铣削的生产率和精度对实现社会主义现代化具有非常重要的意义。
1.2X52K型立式铣床简介
本机床是一种强力金属切削机床，机床的主轴传动系统由功率为7.5kw的电动机驱动，能承受重负荷切屑。
主轴锥孔可直接或通过附件安装各种圆柱铣刀、圆片铣刀、成型铣刀、端面铣刀等刀具，适于加工各种零件的平面、斜面、沟槽、孔等，是机械制造、模具、仪器、仪表、汽车、摩托车等行业的理想加工设备。
X52K为立式升降台铣床，其主轴轴线垂直于工作台面，外形如图主要由床身、立铣头、主轴、工作台、升降台、底座组成。
图1.1X52K立式铣床结构图
（1）床身—固定和支承铣床各部件；
（2）立铣头—支承主轴，可左右倾斜一定角度；
（3）主轴—为空心轴，前端为精密锥孔，用于安装铣刀并带动铣刀旋转；
（4）工作台—承载、装夹工件，可纵向和横向移动，还可水平转动；
（5）升降台—通过升降丝杠支承工作台，可以使工作台垂直移动；
（6）变速机构—主轴变速机构在床身内，使主轴有18种转速，进给变速机构在升降台内，可提供18种进给速度；
（7）底座—支承床身和升降台，底部可存储切削液。
X52K立式铣床的特点：
（1）立铣头可在垂直平面内顺、逆回转调整±45°，拓展机床的加工范围；主轴轴承为圆锥滚子轴承，承载能力强，且主轴采用能耗制动，制动转矩大，停止迅速、可靠。
（2）工作台X/Y/Z向有手动进给、机动进给和机动快进三种，进给速度能满足不同的加工要求；快速进给可使工件迅速到达加工位置，加工方便、快捷，缩短非加工时间。
（3）X、Y、Z三方向导轨副经超音频淬火、精密磨削及刮研处理，配合强制润滑，提高精度，延长机床的使用寿命。
（4）润滑装置可对纵、横、垂向的丝杠及导轨进行强制润滑，减小机床的磨损，保证机床的高效运转；同时，冷却系统通过调整喷嘴改变冷却液流量的大小，满足不同的加工需求。
X52K立式铣床电器元件表如表1.2所示
表1.2X52K立式铣床电器元件表
符号
名称及用途
M1
主电动机
M2
进给电动机
M3
冷却泵电动机
KM1
主电动机起停接触器
KM2、KM3
进给电动机正反转用接触器
KM4
快速移动用接触器
FR1-FR3
热继电器
FU1-FU6
熔断器
SA1-1、SA1-2、SA1-3
圆工作台转换开关
SA2-1、SA2-2
主轴换刀制动开关
SA3、SA4
转换开关
SA5
主电机换向用转换开关
SB1、SB2
停止按钮
SB3、SB4
主电机启动按钮
SB5、SB6
工作台快速移动按钮
YB1
电磁制动器
YC1、YC2
进给及快速电磁离合器
SQ1、SQ2
工作台纵向进给行程开关
SQ3、SQ4
工作台横向及升降寄给行程开关
SQ6
进给变速点动开关
SQ7
主轴变速点动开关
HL
指示灯
EL
照明灯
TC
控制变压器
QF
自动开关
XB
连接片
VC
整流桥
X52K立式铣床开关使用说明如下表2.2
表2.2X52K立式铣床开关说明
主轴换向开关说明工作台横向及升降进给行程开关说明
触头
位置
左
转
停止
右转
SA5-1
W13-U14
+
-
-
SA5-2
W13-W14
-
-
+
SA5-3
U13-U14
-
-
+
SA5-4
U13-W14
+
-
-
触头
位置
向前向下
停止
向后向上
SQ3-1
13-25
+
-
-
SQ3-2
21-23
-
+
+
SQ4-1
15-25
-
-
+
SQ4-2
19-21
+
+
-
工作台纵向进给行程开关说明圆工作台转换开关说明
主轴换刀制动开关说明
触头
位置
接通
断开
SA2-1
1-31
-
+
SA2-2
103-105
+
-
X52K工艺要求
1、顺序动作：
只有主轴旋转后才能进给和快速移动。
（防止刀具和机床损坏）
2．进给停止后才能主轴停止或同时停止，保证表面粗糙度的要求。
3、各方向运动互锁：
六个方向同时只能有一个方向运动产生，由手柄和机械离合器选择进给方向。
4．主轴和进给运动变速时采用瞬时点动，保证啮合良好。
5、安全保护（主电机或冷却电机过载时进给必须停止，防止刀具和机床损坏）
第2章X52K型铣床控制系统分析
2.1X52K电气原理图
X52K型立式铣床的电气原理图如图2.1所示
图2.1电气原理图
2.2主轴电动机的控制
主电路中共有三台电动机。
M1是主电动机，拖动主轴带动铣刀进行铣削加工；SA5刀开关实现主电动机正反转的开关。
M2是进给电动机，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，六个方向的进给运动同时只有一种运动产生。
用机械操纵手柄和行程相配合的办法来实现六个方向进给运动的互锁，起正反转有接触器KM2、KM3实现；M3是冷却泵电动机，供应冷却液，与主轴电动机M1之间实现顺序控制，即M1启动后，M2才能启动。
熔断器FU1作为进给电动机M2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。
2.2.1主轴启动
主轴启动前，先选择好需要的主轴转速，主轴变速完成后，
；主轴换刀制动开关旋置在SA2-1闭合的位置，换向开关SA5转到需要的方向位置，电源自动开关QF接上电源，由电路可看出，按下SB3或则SB4按钮，KM1线圈得电自锁，M1电动机启动运转。
2.2.2主轴停止
停止按钮SB1、SB2为复位式按钮。
按下SB1，线圈KM1断电，M1电动机电源被切断；SB1=“1”，使制动离合器线圈YB得电，M1电机被制动，主轴停止旋转。
2.2.3主轴变速时的瞬时点动
X52K立式铣床的主轴变速，采用孔盘机构集中操纵，当变速锁紧手柄使孔盘退出变速操纵杆时，锁紧杆上所连的凸轮压合行程开关SQ7，使
断开，KM1接触器不能自锁，SQ7闭合，KM1接触器瞬时接通，电动机M1瞬时电动，因此有利于滑移齿轮的啮合。
当变速手柄完全推向原位时，SQ7=“0”，切断瞬时电动线路。
2.3进给运动的电气控制
2.3.1工作台纵向进给运动控制
1）工作台向右运动
将工作台纵向手柄扳向右，则纵向进给离合器接上进给传动链，并压合行程开关SQ1，其两个触头SQ1-1=“1”，
”0”,KM2线圈的控制逻辑：
KM2得电动作，进给电动机正向转动，工作台向右运动。
2）工作台向左运动
将工作台纵向手柄扳向左，则纵向进给离合器接上进给传动链，并压合行程开关SQ2，其两个触头SQ2-1=“1”，
”0”,KM3线圈的控制逻辑：
KM3得电动作，进给电动机反向转动，工作台向左运动。
2.3.2工作台横向、升降进给运动控制
1）工作台向右运动
将十字手柄扳向“前”位置，横向进给离合器接上进给传动链，并压合行程开关SQ3，其两个触头SQ3-1=”1”,
”0”,KM2线圈控制逻辑：
KM2得电动作，进给电动机正向转动，工作台向前运动。
2）工作台向右运动
将十字手柄扳向“后”位置，横向进给离合器接上进给传动链，并压合行程开关SQ4，其两个触头SQ4-1=”1”,
”0”,KM3线圈控制逻辑：
KM3得电动作，进给电动机反向转动，工作台向后运动。
3）工作台向上运动
将十字手柄扳向“上”位置，垂直进给离合器接上进给传动链，并压合行程开关SQ4，其两个触头SQ4-1=”1”,
”0”,KM3得电动作，M2电机反转，工作台向上运动。
4）工作台向下运动
将十字手柄扳向“下”位置，垂直进给离合器接上进给传动链，并压合行程开关SQ3，其两个触头SQ3-1=”1”,
”0”,KM2得电动作，M2电机正转，工作台向下运动。
2.3.3工作台快速移动、进给变速瞬时点动控制
工作台六个方向的快速移动，是用两个操纵手柄和快速移动按钮SB5的配合操作来实现的。
为了在进给变速时滑移齿轮易于啮合，本机床进给变速设有点动控制线路，当变速手柄拉出时，压合行程开关SQ6，其两个触头SQ6=”1”,
”0”，电动控制线路：
使KM2得电动作，M2电动机正向瞬时点动。
当变速手柄推向原位时，SQ6=”0”,
”1”,KM2断电，M2停止运动。
2.3.4圆形工作台的控制
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，将纵向和十字手柄扳到”中“为，然后将圆形工作台转换开关扳到”接通“位置，由图2.1可以看出，这时SA1的三个触头状态为：
，在主轴电机M1启动后，控制线路：
使KM2得电动作，带动圆形工作台转动。
由于上式中含有连锁，保证了只有一个方向的运动。
第3章PLC简介
3.1PLC的简史
起源：
1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。
1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器PDP—14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程序控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。
1969年，美国研制出世界第一台PDP-14
1971年，日本研制出第一台DCS-8
1973年，德国研制出第一台PLC
1974年，中国研制出第一台PLC
发展：
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
可靠性高，抗干扰能力强、丰富的I/O接口模块、编程简单、安装简单，维修方便、配套齐全，功能完美、体积小，重量轻，能耗低、系统设计，调试周期短。
3.2PLC的基本组成及特点
PLC的组成：
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
CPU的构成：
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信的寄存器中，同时，诊断电源号，去指挥有关的控制电路。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。
但工作节奏由震荡信号控制。
运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。
寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
I/O模块：
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
常用的I/O分类如下：
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
电源模块：
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。
底板或机架：
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
3.3PLC的基本工作原理
作为一种特殊形式的电脑控制系统，PLC是利用电脑技术对传统的硬件逻辑控制系统---继电器控制柜---进行“硬件软化”的结果，但在运行方式上PLC的软件逻辑也与继电器控制系统的硬件逻辑存在根本性的区别。
继电器控制系统的硬件逻辑采用的是并行运行的方式，即如果一个继电器的线圈通电或者放电，该继电器的所有触点（不论是常开还是常闭、也不论其处於继电器线路的哪个位置上）都会立即同时动作；而PLC的软件逻辑是通过CPU逐行扫描执行用户程序来实现的，即如果一个逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点并不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
为了消除两者之间由於运行方式不同而造成的这种差异，PLC在程序运行方式、输入输出操作、特殊功能模板等方面作了特别的考虑。
循环扫描∶PLC采用了一种不同於普通微型电脑的运行方式---循环扫描方式。
因为继电器控制柜中各类触点的动作时间一般超过100ms，因此只要PLC运行整个用户程序的时间---扫描周期---小於100ms，其运行结果与继电器控制柜就没有什麽差别。
建立I/O映像区∶PLC在输入输出操作上采用定时采样、定时输出的方式。
即在一个扫描周期的固定时刻（一般在扫描周期的开始或结束）采样所有的输入点，采样结果存入RAM中一个区域（输入映像区）。
这样在执行程序时，所需的现场讯息全部从输入映像区中取用，不直接从现场取样。
同样控制讯息输出也不是采取生成一个就输出一个的方法，而是先将它们存放在RAM中的一个区域（输出映像区），扫描周期结束时再将输出映像区中控制讯息集中输出。
通过建立I/O映像区，使PLC成为一个真正的
升级会员 