基于plc的平面磨床自动控制系统的改造.docx

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基于plc的平面磨床自动控制系统的改造

摘要

由于工厂企业中很多磨床年代久远，其工作已远远达不到现代生产的要求。

因此有必要对旧式的常规电动机控制系统进行技术改造，以可编程序控制器取代常规的继电器，以达到磨床的自动化控制。

本文介绍了用可编程序控制器来对平面磨床控制系统进行现代化改造，简要叙述了老式成型平面磨床的工作原理及用PLC进行改造设计的方法和设计步骤，并给出PLC编程程序梯形图。

改造后的磨床工作安全可靠，系统运行情况良好，磨削精度更高；利用PLC控制磨床运行，实现了磨床启动、停止、故障停止、紧急停止的功能，并且有手动控制和自动控制两种控制方式，可根据运行要求灵活切换磨床的控制方式；提供过载，轻载，断相和电压不平衡保护；现场显示运行状态，实现智能化监控。

并因所吸工件的不同灵活调节电磁吸盘的电流，并且显示数值大小。

从而实现了磨床运行的自动化。

PLC控制的特点使原机床控制大大的简单化,并且维修方便,易于检查。

节省大量的继电器元件,使机床的工作效率更高。

该项技术还可推广应用于其他辅机设备或其他领域的自动化控制改造中。

关键词：

可编程序控制器 平面磨床  改造

BasedonPLCSurfaceGrindingMachineAutomaticControlSystem'sTransformation

Abstract

Manyfactoriesandenterprisesasaresultofoldgrinder,theworkhasbeenfarbelowtherequirementsofmodernproduction.Soitisnecessarytotheoldconventionalmotorcontrolsystemtechnologytoreplacetheconventionalprogrammablelogiccontrolleroftherelayinordertoachieveautomaticcontrolgrinder.Thispaperintroducestheprogrammablelogiccontrollertouseonsurfacegrindingmachinecontrolsystemmodernization,abriefdescriptionoftheoldsurfacegrinderformingtheworkingprincipleanduseofPLCtocarryoutthetransformationdesignmethodanddesignstepsandproceduresaregivenPLCladderprogramming.Modifiedtheworkofsafeandreliablemachine,thesystemisrunningingoodcondition,ahigherprecisiongrindingPLCtocontroltheuseofgrinderoperation,theachievementofthegrindingmachinetostart,stop,failuretostop,emergencystopfunction,andtherearetwotypesofmanualcontrolandautomaticcontrolmode,canbeflexibleaccordingtooperationalrequirementsofthecontrolswitchgrinder;providedonthelightload,Open-phaseprotectionandvoltageimbalance;showrunningatthescene,therealizationofintelligentmonitoring.Andduetothedifferentpartsoftheabsorptionofelectromagneticsuckertheflexibleadjustmentofthecurrent,andshownumericalsize.Inordertoachievetheautomationofthegrindingoperation.PLC-controlledmachinetoolcontrolfeaturestoallowgreatlysimplified,andeasymaintenance,easytocheck.Savealotofrelaycomponents,sothattheefficiencyofthehighermachine.Thetechnologycanalsobeappliedtootherauxiliaryequipmentorotherareasofthetransformationofautomaticcontrol.

Keywords:

ProgammableLogicController,SurfaceGrinderMachine,Transformation

1绪论

现代工业生产中，中、小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高，传统的普通磨床已经越来越难以适应现代化生产的要求，制造业的竞争已从早期降低劳动力成本、产品成本，提高企业整体效率和质量的竟争，发展到全面满足顾客要求、积极开发新产品的竟争，将面临知识——技术——产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，而对质量、性能的要求更高，同时社会对环境保护、绿色制造的意识不断加强。

因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得竟争和生存、发展的主要手段。

计算机信息技术和制造自动化技术的结合越来越紧密，作为自动化柔性生产重要基础的数控机床在生产机床中所占比例将越来越多。

但新机床购置费用高，且生产准备周期长。

因此对原有机床的现代化改造显得尤为重要。

而用PLC改造老机床有很多优点：

⑴节省资金，减少投资额，交货期短。

机床的PLC改造，可大大减少资金的投入，同购置新机床相比，一般可节省60%～80%的费用，改造费用低。

特别是大型、特殊设备尤为明显。

一般大型机床改造，只需花新机床购置费的1/3。

即使将原机床的结构进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60%的价格。

可以充分利用现有地基，不必象购入新设备那样重新购筑地基。

⑵性能稳定可靠因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度，且各部件已经长期磨合，使改造后的机床性能稳定可靠，质量好可作为新设备继续长期使用。

⑶可充分体现企业自身的意愿 。

企业与改造人员可依照实际需要和机床长期使用的情况，在改造中提出对机床性能、操作与维修等方面的改进意见，有权选择机械零部件、数控系统、电器设备等的规格、型号、性能等。

可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将机床改造成具有当今水平的设备。

⑷更有利于使用和维护。

由于改造前机床已使用多年，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短、见效快。

改造的机床一经安装好，就可实现全负荷运转。

⑸可以采用最新的控制技术，提高生产效率。

可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。

机床经改造后，即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高3～7倍。

对复杂零件而言，难度越高，功效提高得越多。

且可以不用或少用工装，不仅节约了费用，而且可以缩短生产准备周期。

提高产品质量，降低废品率，零件的加工精度高，尺寸分散度小，使装配方便灵活。

因此,继电器本身固有的缺陷,给床的安全和经济运行带来了不利影响,用PLC对磨床的继电器式控

制系统进行改造已是大势所趋。

所以我们就以平面磨床改造来介绍一下[1]。

2磨床的概述

2.1磨床的介绍

磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。

大多数的磨床是使用高速旋转的砂轮进行磨削加工，少数的是使用油石、砂带等其他磨具和游离磨料进行加工，如珩磨机、超精加工机床、砂带磨床、研磨机和抛光机等。

磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。

磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。

随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增长。

磨床是各类金属切削机床中品种最多的一类，主要类型有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、无心磨床、工具磨床等[2]。

2.2世界平面磨床发展趋势

当今平磨的发展趋势是转向成形、台阶、切入、快速抖动、三维空间曲线表面磨削加工。

可以说，平磨是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型。

我国平磨制造厂应跳出传统的平面磨削的思维，转到曲线或轮廓等非平面磨削加工的思路上进一步发展，以形成我们自己特色的技术和产品。

2.2.1现代平面磨床的主要特点

1从规格上看，以小型平磨为主。

台面宽200mm以下的几乎占50%，小规格机床的运输及布展比较方便；国外平磨不分普通、精密、高精度的精度等级，相对小规格机床，精度容易做得很高；在国际市场上，中、小规格平磨的潜在需求很大。

2从控制上看，70%以上的为数控型，有单轴、双轴及三轴数控，最多达五轴控制，尤其是400以上的大规格机型，全为数控型。

由于技术水平的发展导致功能变化，平磨已从传统的平面磨向成形磨转变，常规控制已难以实现功能的要求。

数控平磨已形成一个市场潮流。

3从功能上看，50%以上的平磨不仅仅用于水平平面加工，而且转向成形、台阶、切入、快速抖动、三维空间曲线等表面磨削加工，如ELB、BLM公司以平磨为基础变化而成的五轴联动磨削中心，可实现非平面型复杂曲面的磨削；Unison、Trutech公司的柔性磨削系统，可实现成形、无心、外圆、工具、轮廓等磨削工艺；还有裕福、Parker公司等的快速抖动磨等，反映出平磨是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型。

2.2.2磨床发展呈现四大变化

1高速、复合、高精度、高刚性仍是金切机床的发展主调，但又有新的变化。

复合，已从原来的为复合而复合转为从实用高效考虑为主，如车、铣复合，车、铣、钻的复合，铣床和电火花的复合；从功能上看，复合型机床的针对性很强，针对某类零件考虑；从精度上看，定位精度＜2μm，重复定位精度≤±1μm的机床已比比皆是；从主轴转速来看，8.2kW主轴达60000r/min，13kW达42000r/min，高速已不是小功率主轴的专有特征；从刚性上看，已出现可加工60HRC硬度材料的加工中心。

2模块化的设计在机床制造中已应用得炉火纯青。

横向系列、纵向系列、全系列、跨系列的模块化设计，无论是大隈、牧野等为代表的日本机床，还是Haas、Cincinnati等为代表的美国机床，外形上看好象完全一样，但功能则完全不同，所构成的模块很多则是通用的。

3全自动的概念已发生变化。

传统的全自动机床是用一只气动或液动的机械手实现工件的自动上、下料，而现在采用真正意义的多关节串联式机器人，来实现工件的上、下料，包括完工零件的堆放。

控制的范围加大，组线的灵活性加强，同时辅助配套的机械大大减少。

4环保要求越来越高。

在展出的展品中，绝大部分的机床产品都采用全封闭的罩壳，绝对没有切屑或切削液外溅的现象。

另一方面，大量的工业清洗机和切削液处理机系统的展出，亦同时反映现代制造业对环保越来越高的要求[3]。

2.3M7120平面磨床的简介

2.3.1平面磨床主要结构和运动形式

平面磨床主要由床身，垂直进给手轮，工作台，位置行程挡块，砂轮修正器，横向进给手轮，拖板，磨头和驱动工作台手轮等部件组成。

此平面磨床共有四台电动机，砂轮电动机是主运动电动机，直接带动砂轮旋轮，对工件进行磨削加工；砂轮升降电动机使拖板沿立柱导轨上下移动，用以调整砂轮位置；工作台和砂轮的往复运动是靠液压电动机进行液压传动的，液压传动较平稳，能实现无极调速，换向时惯性小，换向平稳；冷却泵电动机带动冷却泵供给砂轮和工件冷却液，同时利用冷却液带走磨下的铁屑。

2.3.2电气控制线路分析

M7120平面磨床的电气控制线路包含：

主电路，控制电路，电磁工作台控制电路及照明与指示灯电路四部分。

1主电路分析

主电路共有四台电动机如图1所示，其中M1是液压电动机，实现工作台的往复运动；M2是砂轮电动机，带动砂轮转动来完成磨削加工工件；M3是冷却泵电动机；它们只要求单向旋转，分别用接触器KM1，KM2控制。

冷却泵电机M3只有在砂轮电机M2运转后才能运转。

M4是砂轮升降电动机，用于磨削过程中调整砂轮与工件之间的位置。

M1，M2，M3是长期工作的，所以都装有过载保护。

M4是短期工作的，不设有过载保护。

整个线路有一组总熔断器做短路保护，M1，M2主电路分别由熔断器FU2，FU3做短路保护；变压器TC由熔断器FU4作短路保护，机床控制线路，指示电路，照明电路分别由FU5，FU6，FU7作短路保护，电磁工作台控制电路由熔断器FU8做短路保护[4]。

2控制电路分析

（1）液压泵电动机M1的控制合上总开关QS后，整流变压器一个副边输出135伏交流电压，经桥式整流器VC整流后得到直流电压，使电压继电器KUV获电动作，其常开触头闭合，为启动电机作好准备。

如果KUV不能正常可靠工作，各电机均无法运行，因为平面磨床的工件靠直流电磁吸盘的吸力将工件吸牢在工作台上，只有具备可靠的直流电压后，才允许启动砂轮和液压系统，以保证安全。

当KUV吸合后，按下启动按钮SB3，接触器KM1通电吸合并自锁，液压油泵电机M1启动运转，HL2灯亮。

若按下停止按钮SB2，接触器KM1线圈断电释放，电动机MI断电停转。

（2）砂轮电动机M2及冷却泵电动机M3的控制  按下起动按钮SB5，接触器KM2线圈获电动作，砂轮电动机M2启动运转。

由于冷却泵电动机M3通过接插器X1和M2联动控制，所以M2和M3同时启动运转，当不需要冷却时，可将插头拔出，按下停止按钮SB4时，接触器KM2线圈断电释放，M2与M3同时断电停转。

两台电动机的热继电器FR2和FR3的常闭触头都串联在KM2控制线路中，只要有一台电动机过载，就使KM2线圈失电。

因冷却液循环使用，经常混有污垢杂质，很容易引起电动机M3过载，故用热继电器FR3进行过载保护。

（3）砂轮升降电动机M4的控制，砂轮升降电动机只有在调整工件和砂轮之间位置时使用，所以用点动控制，当按下点动按钮SB6，接触器KM3线圈获电吸合，电动机M4启动正传，砂轮上升。

达到所需位置时，松开SB6，KM3线圈断电释放，电动机M4停转，砂轮停止上升。

按下点动按钮SB7，接触器KM4线圈获电吸合，电动机M4启动反传，砂轮下降。

达到所需位置时，松开SB7，KM4线圈断电释放，电动机M4停转，砂轮停止下降。

为防止电动机M4的正反转线路同时接通，故在对方线路中串入接触器KM4和KM3的常闭触头进行联锁控制[4]。

图1主控电路

3电磁吸盘电路分析。

电磁吸盘是固定加工工件的一种夹具。

利用通电导体在铁心中产生的磁场吸牢铁磁材料的工件，以便加工。

他与机械夹具比较，具有加紧迅速，不损伤工件，一次能吸牢若干个小工件，以及工件发热能自由伸缩等优点，因而电磁吸盘在平面磨床上用的十分广泛。

电磁吸盘结构如图2所示

电磁吸盘的外壳是钢制箱体，中部的芯体上绕有线圈，吸盘的盖板用钢板制成，钢制盖板用非磁性材料如铅锡合金隔离成若干小块。

当线圈通上直流电后，吸盘的芯体被刺化，产生磁场，磁通便以芯体和工件作回路，工件被牢牢吸住。

电磁吸盘的控制电路包括整流装置、控制装置和保护装置三个部分，如图3所示。

整流装置由变压器TR和桥式整流器VC组成，供给110伏直流电源。

控制装置由按钮SB8、SB9、SB10和接触器KM5、KM6组成。

充磁过程如下：

按下充磁按钮SB8，接触器KM5线圈获电吸合，KM5主触头闭合，电磁吸盘YH获电，工作台充磁吸住工件。

同时其自锁触头闭合，联锁触头断

图2电磁吸盘结构

开。

磨削加工完毕，在取下加工好的工件时，先按SB10，切断电磁吸盘YH的直流电源，由于吸盘和工件都有剩磁，所以需要对吸盘和工件进行去磁。

图3电磁吸盘电路

去磁过程如下：

先按点动按钮SB9，接触器KM6线圈获电吸合，KM6的两副主触头闭合，电磁吸盘通入反向直流电，使工作台和工件去磁。

去磁时，为防止因时间过长使工作台反向磁化，再次吸住工件，因而接触器KM6采用点动控制。

保护装置有放电电阻R和电容C以及零压继电器KUV组成，电阻R和电容C的作用是：

电磁吸盘是一个大电感，在充磁吸工件时，存储有大量磁场能量。

当它脱离电源的一瞬间，吸盘YH的的两端产生较大的自感电动势，会使线圈和其他电器损坏，故用电阻和电容组成放电回路。

利用电容C两端的电压不能突变的特点，使电磁吸盘线圈两端的电压变化趋于缓慢。

阻R消耗电磁能量。

如果参数选配得当，此时R-L-C电路可以组成一个衰减震荡电路，，利用电对去磁将是非常有用的零压继电器KUV的作用是在加工过程中，若电源电压不足，则电磁吸盘将吸不牢工件，会导致工件被砂轮打出，造成严重事故。

因此在电路中零压继电器KUV将其线圈并联在直流电源上，其常开触头串联在液压泵电动机和砂轮电机的控制电路中，若电磁吸盘将吸不牢工件，KUV就会释放，使液压泵电动机和砂轮电机停转，保证了安全[4]。

4照明和指示灯电路分析

图4中EL为照明灯，其工作电压为24伏，由变压器TR供给，SQ2为照明负荷隔离开关。

HL、HL1、HL2、HL3、HL4为指示灯，其工作电压为6伏，也由变压器TR供给，6个指示灯的作用是：

HL灯亮，表示电源正常，不亮，表示电源有故障。

HL1灯亮，表示油泵电机M1处于运转状态，工作台正在进行往复运动；不亮，表示M1停转。

HL2灯亮，表示砂轮电动机M2和冷却泵电动机M3处于运转状态；不亮，表示M2和M3停转。

图4指示和照明电路

HL3灯亮，表示砂轮升降电动机M4处于工作状态，不亮，表示M4停转。

HL4灯亮，表示电磁吸盘YH处于充磁状态，不亮，表示电磁吸盘未工作。

HL4灯亮，表示电磁吸盘YH处于退磁状态，不亮，表示电磁吸盘未工作。

3基于PLC改造平面磨床控制系统

3.1用PLC改造继电-接触式控制系统的步骤

用PLC改造继电-接触式控制系统，应按以下步骤进行：

1了解系统改造的要求。

用PLC替换原继电-接触式控制电路，尽可能的留用原继电-接触式控制系统中可用的元器件，在满足控制要求的情况下，尽可能的采用便宜的PLC，要预留一些输入，输出点，以备添加功能时使用。

2了解原设备电器的工作原理。

根据生产的工艺过程分析控制要求，如需要完成的动作（动作顺序，必需的保护和联锁等），操作方式（手动，自动，连续，单周期，单步等）。

根据控制要求确定系统控制方案。

根据系统构成方案和工艺要求确定系统运行方式

3根据控制要求确定所需的用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。

据此确定PLC的I/O点数。

分配I/O点，绘制I/O连接图。

4PLC的选择PLC是控制系统的核心部件，正确选择PLC对保证整个控制系统的技术经济指标起着重要的作用。

选择PLC应包括机型选择、容量选择、I/O模块选择、）电源模块选择等。

5设计控制程序。

控制程序是整个系统工作的软件，是保证系统安全、可靠的关键。

因此控制系统的程序应经过反复调试、修改，直到满足要求为止。

令编制控制系统的技术文件。

6联机调试如不满足要求，在返回修改程序或检查接线，直到满足要求为止[5]。

3.2控制线路改造要求

1我们分析控制对象，确定磨床运动要求如下：

（1）成形平面磨床的砂轮采用液压驱动，其传动较平稳，磨削工件时精度高。

（2）机床的电气控制部分采用可编程序控制器,实现对机床的自动磨削、液压阀的控制及电磁吸盘的控制。

（3）动作要求：

①磨头的垂直进给。

②工作台的纵向进给。

③工作台的横向进给。

以上三种运动均采用手动和自动两种控制方式。

④电磁吸盘不工作时可以手动调整机床。

（4）为保证安全生产，电磁盘与工作台，拖板及磨头垂直进给采用联锁控制装置，即电磁盘电流小于1A时，吸力不足时机床要停止工作。

（5）电磁吸盘具有充、退磁功能。

（6）冷却泵电机、吸尘电机为了方便运输可选用分离式插拔接头。

（7）工作台的纵向运行较频繁，磨头的垂直进给要求精度较高，应采用接近开关。

（8）编程控制器及电磁阀所需的是24V直流电源。

（9）能反映电源、砂轮电机、油泵电机、充磁电源、充、退磁的工作情况，以及PLC内部电源的指示。

（10）由于所吸工件不同，要求电磁吸盘的电流可以调节，并且有显示。

（11）电路中所有断路后能储存能量的电器要有保护。

3.3系统的硬件设计

任何一种继电器系统都有三个部分组成，即输入部分，逻辑部分和输出部分。

系统输入部分由所有行程开关、仪表触点、方式选择开关、控制按钮等组成。

逻辑部分是指由各种继电器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路，输出部分包括电磁阀线圈，指示灯和接通各种负载的接触器线圈。

在控制系统中使用PLC就是代替继电器控制系统中的逻辑线路部分。

原平面磨床的电气系统，所有转换开关SA1,断路器开关QS1，仪表触点KA1,控制按钮（SB1-SB10）等为系统的输入信号；而接触器线圈（KM1-KM6），指示灯（HL1-HL6）等为系统的输出信号。

为了节省输出点数，各状态指示灯并联在相应线圈两端；为了保护PLC输出继电器，在电磁阀两端并联一只二极管，防止在电感性负载断开时产生很高的感应电动势或浪涌电流对PLC输出点及内部电源的冲击，二极管的额定电流通常选为1A，额定电压大于电源电压的3倍。

3.3.1PLC的特点

1抗干扰能力强，可靠性好

PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。

I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。

具体措施主要有以下几个方面：

（1）隔离：

这是抗干扰的主要措施之一。

PLC的输入、输出接口电路一般采用光电耦合器来传递信号。

这种光电隔离措施，使外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效的抑制外部干扰源对于PLC的影响，同时防止外部高电压串入，从而减少故障和误操作。

（2）滤波：

这是抗干扰的另一个主要措施。

在PLC的电源电路和输入/输出电路中设置了多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效的抑制。

（3）对内部电源还采用了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保护供电质量。

另外使输入输出接口电路电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。

（4）内部设置了连锁、环境检测与诊断、watchdog（“看门狗”）等电路，一旦发现故障或程序循环执行时间超过了警戒时钟（WDT）规定时间（预示程序进入了死循环），立即报警，以保证CPU可靠运行。

（5）利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采用信息保护和恢复措施。

（6）对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或信息不丢失。

（7）采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，