1、套筒双头镗铣机床的电气控制设计-第 1 页，共 29 页 -摘要套筒双头镗铣机床是结合了铣床和镗床的特点结合起来的一种精密组合机床，利用PLC 的控制，再经过优化使加工一些特殊工件变的迅速而准确。首先本文主要介绍了机床的发展，可以更好的让人了解套筒双头镗铣机床的工业价值。然后介绍了此机床的主要加工过程，借此了解它在加工工件时的实用性。接着介绍了次机床的内部结构以及控制方法，套筒双头镗铣机床的控制方法主要由当前工业领悟主流的 PLC 控制，实现了自动和手动控制，提高了机床工作的安全性，PLC 可靠行高，抗干扰能力强，编程简单，操作方便，系统设计，维护方便，而且体积很小，这些特点可以减轻劳动强度，
2、改善劳动条件。随后讲述了此机床的外部设备，主要采用由电磁阀控制液压电机，使的镗台和铣台的移动变的平滑，不易发生故障。最后简单的讨论一些套筒双头镗铣机床的发展趋向，以便做出更好的优化。关键词：镗铣机床，PLC，触摸屏，电动机。套筒双头镗铣机床的电气控制设计第 2 页，共 29 页绪论组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。 组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。由于通用部件已经标准化和系列化，可根据需要灵活配置，能缩短设计和制造周期。因此，组合机床兼有低成本和高效率的优点
3、，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。 组合机床一般用于加工箱体类或特殊形状的零件。加工时，工件一般不旋转，由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。二十世纪 70 年代以来，随着可转位刀具、密齿铣刀、镗孔尺寸自动检测和刀具自动补偿技术的发展，组合机床的加工精度也有所提高。 专用机床是随着汽车工业的兴起而发展起来的。在专用机床中某些部件因重复使用，逐步发展成为通用部件，因而产生了组合机床。 最早的组合机床是 1911 年在美国制成的，用于加工汽车零件。然而随着 PLC 控制技术日益成熟已经发展
4、到组合机床中了。利用原有的继电器接触器控制电路设计 PLC 控制系统，或直接进行 PLC 控制系统的设计，都得满足组合机床的控制要求。自从 60 年代末美国首先研制和使用可编程控制器之后，到 80 年代初，PLC 的应用已在工业控制领域中占据主导地位，进入 90 年代后，工业控制领域几乎完全被 PLC 占领。PLC 的最大特点是控制过程以程序方式存放在存储器内，只要修改存储器中的程序就得改变生产工艺的控制过程，而不需要对硬件连线作多大的改变。我国从 1974 年开始研制可编程控制器，1977 年应用于工业。如今可编程控制器已经大量应用在引进设备和国产设备中，我国不少厂家引进或研制了一批可编程控
5、制器，各行各业也涌现出大批应用可编程控制器改造设备的成果，机械行业生产的设备越来越多地采用可编程控制器作为控制装置。本设计是运用 PLC 作为主要控制元件对套筒双头镗铣专用机床的电气控制设计，本机床可以自动控制，也可以手动控制。当自动控制时，工件到位，双头铣头开始工作对工件进行加工，加工到位后停止并返回原位置，然后两镗头开始工作，当加工完毕后镗头首先停止，然后做准停动作，完成后退回原位置。在手动时候可以任意控制镗铣电机进行加工。这两种控制使得让各种人适应。套筒双头镗铣机床的电气控制设计-第 3 页，共 29 页 -第 1 章 总体方案确定1.1 电气控制方法电气控制方法一般可分为接触器与继电器
6、控制、PLC 控制、计算机控制、单片机系统控制、专用控制系统等。1.1.1 接触器与继电器控制20 世纪 2030 年代出现了继电器接触器控制，由于控制器件结构简单、价廉，控制方式简单直接、工作可靠、易维护，因此在机床控制上得到长期、广泛的应用。其缺点一是接线固定，一台控制装置只能针对某一种固定程序的设备，一旦工艺程序有所变动，改变控制程序困难，就得重新配线，满足不了对程序经常改变、控制要求比较复杂的系统需求；二是控制装置体积大、功耗大、控制速度慢；另外它是有触点控制，在控制复杂时可靠性降低。1.1.2 PLC 控制可编程控制器的产生和发展与继电器有很大的关系。继电器是一种一弱电信号控制强电信
7、号的电磁开关，虽有上百年的历史，但在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除是非常困难的，可能会花大量时间，严重地英雄生产，如果工艺要求发生变化，就得重新设计线路连线安装，不利于产品的更新换代。显然，需要寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统，使电器控制系统的工作更可靠、更容易维护、更能适应经常变动的工艺条件。可编程控制器之所以能够高速发展，除了顺应工业自动化的客观需要外，还由于其具有许多适合工业控制的独特优点，它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题，其主要特点如下：（1）可靠性高，抗干扰能力强（2）编程简单，操作方便（3）系统的设计、安装、调试工作量
8、小，维护方便（4）体积小，能耗低1.1.3 专用控制专用控制系统以数控机床为例作简单介绍，数控机床的特点有：（1）生产柔性大；（2）加工精度高，产品质量稳定性好；（3）生产效率高；（4）较高的可靠性，较好的宜人性；（5）良好的经济效益；（6）减轻劳动强度，改善劳动条件；（7）有利于生产管理的现代化。数控机床适于多品种，小批量的生产，特别适合新产品的试生产。不同机床适应的套筒双头镗铣机床的电气控制设计第 4 页，共 29 页零件加工范围不同：当零件不复杂生产批量较少时，宜选用普通机床；当零件复杂程度高时，选数控机床更为合理；当零件批量增大超出一定范围时，选用数控机床就不太合理了，大批量生产最好是
9、选用专用机床。从加工经济性而言，并不是越好，数控机床在中、小批量的生产中有较好的经济效益。最适合在数控机床上加工的零件可归纳为：（1）轮廓形状复杂，加工精度较高的零件；（2）用普通机床加工时，需要制作复杂工艺装备的零件；（3）用普通机床加工时，工艺路线过长、工装过多的零件；（4）多品种、小批量生产的零件（100 件以内） ；（5）新产品的试制零件；（6）价值昂贵，加工中不许报废的关键零件；（7）生产周期短的急零件；（8）集铣、钻、镗、扩、攻螺纹等多种工序于一体的零件。1.1.4 微机控制计算机在各行各业的应用日益普及，工业控制领域也不例外。最初，计算机仅用于科学计算、数据处理和办公自动化。随着
10、工业生产现代化的需要和微电子技术的迅速发展，应用微型计算机来进行工业生产过程控制成为提高生产自动化水平，提高生产率，实现工业现代化的重要途径和标志。然而，工业控制系统往往要求长期连续运行，工业生产现场的环境常常很恶劣：高温、高湿、高寒、大振动、强冲击、强电磁干扰、大粉尘等。因此，适应工业现场应用而开发的工业控制计算机必须满足以下几点要求：（1）高可靠性，以适应工业现场十分恶劣和复杂的工作条件；（2）具有实时响应处理能力，以满足工业生产过程实时控制要求；（3）有丰富的可与工业生产现场信号相连接的工业接口；（4）控制系统结构应能组配灵活，易于扩展；（5）有先进的系统软件和应用软件，便于开发。1.1
11、.5 单片机控制单片机是把微型计算机的主要部件 CPU、存储器、I/O 接口电路部分及其他功能部件，如定时计数器，中断系统和串，并行口都集成在一片半导体芯片上，它具有微型计算机最基本的功能。它具有性价比高，稳定可靠，通用性强，体积小及价格底等优点，但它的功能模块比较少需外部连接。目前是国内单片机应用的及教学的主流产品。1.2 总体方案确定1.2.1 总体方案的电器控制确定由以上几种方案对比及根据本课题的设计要求，我选用了 PLC 控制来做本课题。PLC 可以用于单台机电设备的控制，也可用于生产流水线的控制。使用者可根据生产套筒双头镗铣机床的电气控制设计-第 5 页，共 29 页 -过程和工艺要
12、求编制程序。程序运行后，PLC 就根据现场出入信号（按钮、行程开关、接近开关或其他传感信号） ，按照预先编入的程序对执行机构（如电磁阀、电动机等）的动作进行控制。1.2.2 总体方案内容的确定本论文设计是运用 PLC 作为主要控制元件对套筒双头镗铣机床的运动过程进行 PLC编程，并将 PLC 连接到触摸屏上，实现更方便的自动化控制。这套组合机床可以自动控制，也可以手动控制。当自动控制时，自动灯亮，在触摸屏上选择“自动” ，再选择“开始” 。液压电机启动，工件加紧并到位，双头铣床开始工作，左铣台电机和右头台电机同时启动，启动 30S后，左铣头和右铣头开始快进，左、右铣头快进到位后，左铣头和右铣头
13、开始工进，左、右铣头工进到位后，左铣头和右铣头开始快退，左、右铣头快退到位后；双头镗床开始工作，左镗台电机和右镗台电机同事启动，启动 30S 后，左镗头和右镗头开始快进，左、右镗头快进到位后，左镗头和右镗头开始工进，左、右镗头工进到位后，通过按钮控制左镗头和右镗头停止工作，并且左镗头和右镗头快退，左、右镗头快退到位，再工件加紧到位，左、右镗头准停到位，然后工件放松，可以取出加工好的工件。可以以此循环的加工下一个工件。当手动控制时，手动灯亮，工件加紧到位，可以在触摸屏上选择“手动” ，然后跳转至“手动界面手动铣床加工界面” ，在手动铣床加工界面，可以任意选择“左铣头启动” 、“左铣头停止” 、
14、“右铣头启动” 、 “右铣头停止” 、 “右铣头快进” 、 “右铣头快退” 、 “左铣头快进” 、 “左铣头快退” 、 “右铣头工进” 、 “右铣头工退” 、 “切削液启动” 、 “切削液停止” ，“润滑液” ，在触摸屏上点下一页显示“手动镗床加工界面” ， 在手动镗床加工界面，可以任意选择“左镗头启动” 、 “左镗头停止” 、 “右镗头启动” 、 “右镗头停止” 、 “右镗头快进” 、 “右镗头快退” 、 “左镗头快进” 、 “左镗头快退” 、 “右镗头工进” 、 “右镗头工退” 、“切削液启动” 、 “切削液停止” ， “润滑液” 。套筒双头镗铣机床的电气控制设计第 6 页，共 29 页第
15、 2 章 元件的选择2.1 可编程控制器2.1.1 可编程控制器的组成可编程控制器的组成可分为两大部分，即硬件系统和软件系统。1、可编程控制器的硬件系统世界各过生产的可编程控制器外观各异，但作为工业控制计算机，其硬件系统都大体相同，主要由中央处理器模块、存储器模块、编程器和电源等几部分构成。2、可编程控制器的软件系统PLC 软件系统分为系统程序和用户程序两大类。系统程序含系统管理程序用以完成机内运行相关时间分配、存储空间分配管理、及系统自检等工作。用户指令的解释程序用以完成用户指令变换为机器码的工作。系统程序在用户使用可编程控制器之前就已经装入机内，并永久保存，在各种控制工作中并不需要做什么调
16、整。用户程序是用户为达到某种控制目的，采用 PLC 厂家提供的编程语言编写的程序，是一定控制功能的表述。同一台 PLC 用于不同的控制目的时就需要编制不同的用户程序。用户程序存入 PLC 后，如需改变控制目的，还可以多次改写。2.1.2 可编程控制器的工作原理可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态，其中运行状态是执行应用程序的状态，停止状态一般用于程序的编制与修改。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程控制器停
17、机或切换到停止工作状态。2.1.3 FX-2N 系列介绍及选择FX-2N 是 FX 系列中功能最强、速度最高的微型可编程控制器。它的基本指令执行时间高达 0.08s，远远超过了很多大型可编程控制器。用户存储器容量可扩展到 16K 步，最大可以扩展到 256 个 I/O 点，有 5 种模拟量输入/输出模 块、高速计数器模块、脉冲输出模块、4 种位置控制模块、多种 RS-232C/RS-422/RS-485 串行通信模块或功能扩展板，以及模拟定时器功能扩展板。除输入输出 16-256 点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连内 部 处 理通 信 处 理输 入 扫 描执 行 用 户 程 序输
18、出 处 理RUN方 式 ？否是开 始套筒双头镗铣机床的电气控制设计-第 7 页，共 29 页 -接，模拟控制、定位控制等特殊用途，是一套可以满足广泛需要的 PLC。FX2N有 3000 多点辅助继电器、1000 点状态、200 多点定时器、200 点 16 位加计数器、35 点 32 位加/减计数器、8000 多点 16 位数据积存器、128 点跳步指针、15 点中断指针。FX2N有 128 种功能指令，具有中断输入处理、修改输入滤波器时间常数、数学运算、逻辑运算、浮点数运算、数据排序、PID 运算、开方、三角函数运算、脉冲输出、脉宽调制、ASC码输出、BCD 与 BIN 的相互转换、串行数据
19、传送、校验码、比较触点等功能指令。FX 2N内装实时钟，有时钟数据的比较、加减、读出/写入指令，可用于时间控制。在本次设计中采用 56 个输入点和 32 个输出点，共 88 个输入/输出点。若选用基本单元的话，则需采用输入/输出点为 128 的 PLC。成本较高；若选用混合扩展单元与扩展模块的话，则节省成本。PLC 的输出电路形式一般分为：继电器输出，晶体管输出和晶闸管输出三种。在本次设计中所采用的是继电器（R）输出型 PLC。综上所述，在本次设计中选用的是 FX2N128MR。2.1.4 触摸屏的介绍及选择为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时，我们必须首先用手指或其它物体触
20、摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收 CPU 发来的命令并加以执行。本课题选用终端为 FX-50DU-TK 的触摸屏。2.2 其他元件选择2.2.1 电磁阀的选择电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀。 电磁阀的工作
21、原理，电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。当控制系统中负载惯性较大，所需功率也较大时，一般用液压和气动控制系统。电磁阀是此系统的主要组成部分。本设计选用电磁阀型号为 DSG-01-3C4-D24、DSG-01-3C2-D24、DSG-01-3C60-D24，以上为本设计的液压控制回路电磁阀及
22、压力继电器的动作表。2.2.2 电动机的选择电动机按结构及工作原理分为同步电动机和异步电动机。本文选用了异步电动机。和其他旋转电机一样，交流异步电动机也是由定子和转子两大部分组成。定转子之间为气隙，交流电动机的气隙比其他类型的电机要小得多，一般为 0.252.0mm，气隙的套筒双头镗铣机床的电气控制设计第 8 页，共 29 页大小对异步电动机的性能影响很大。三相异步电动机的结构与单相异步电动机相似，其定子铁心槽中嵌装三相绕组（有单层链式、单层同心式和单层交叉式三种结构） 。定子绕组接入三相交流电源后，绕组电流产生的旋转磁场，在转子导体中产生感应电流，转子在感应电流和气隙旋转磁场的相互作用下，又
23、产生电磁转柜（即异步转柜） ，使电动机旋转本设计的电动机选用的型号为：液压电机 Y132S-4、铣头电机 Y132M-4、镗头电机Y100L2-4、切削液电机 Y801-4、润滑电机 Y801-4。2.2.3 接触器选择接触器是用于远距离频繁地接通与断开交直流主电路及大容量控制电路的一种自动切换电器。其主要控制对象是电动机，也可用于控制其他电力负载，如电热器、电焊机等，接触器不仅能实现远距离集中控制而且操作频率高、控制容量大，并具有低电压释放保护、工作可靠、使用寿命长等优点，是接触器控制系统最重要和最常用的元件之一。接触器按其通过电流的种类可分为交流接触器和直流接触器，因为我的课题是机床控制，
24、所以选用交流接触器 CJ10-20、CJ10-10、CJ10-5 系列。2.2.4 继电器的选择 继电器可分为中间继电器、时间继电器、压力继电器、速度继电器。而我在本课题中选用了中间继电器型号为 JZ7-44 和压力继电器为 YJ-0 系列两种。（1）中间继电器中间继电器的结构和工作原理与接触器基本相同，触头系统没有主、辅之分，各对触头所允许通过的电流大小是相等的。一般来讲，中间继电器的触头容量较小，与接触器的辅助触头差不多，其额定电流多数为 5A，对于电动机额定电流不超过 5A 的电气控制系统，也可代替接触器来控制。其主要用途是当其他继电器的触头数或触头容量不够时，可借助中间继电器来扩大它们
25、的触头数或触头容量，起到中间转换的作用。（2）压力继电器压力继电器是将压力信号转变为电信号的转换元件，以实现自动控制或安全保护等。用于气动控制系统或多机床自动线中，或用于气路中做联锁装置，也可用在机床上的气动卡盘、管道中。当压力低于整定值时，压力继电器使机床自动停车，以保安全。2.2.5 电气原理图所用元件列表名称 型号 数量 名称 型号 数量CJ10-20 3 指示灯 AD16-22DS 2CJ10-10 2 接近开关 LJA18M-10M 22接触器CJ10-5 6 润滑阀 MSW-10-X-30 1Y132S-4 中间继电器 JZ7-44 8Y132M-4 压力继电器 YJ-0 6Y10
26、0L2-4 DSG-01-3C4-D24 5Y90S-4 DSG-01-3C2-D24 4电动机Y801-411电磁阀DSG-01-3C60-D24 12断路器 BKN-D32A-3P 10 按钮开关 LAY7 28热继电器 JR0-40 8 二极管 IN4002 28套筒双头镗铣机床的电气控制设计-第 9 页，共 29 页 -开关电源 S-50-24 1 触摸屏 FX-50DU-TK 1第 3 章 电气控制电路设计3.1 套筒双头镗铣机床主电路示意图M1M2M3M4M5M6M7M8M9M10M11主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主
27、主主主主主主主主主主主主主主主FR9FR7FR5FR6FR8FR10FR4FR3FR2FR1FR11KM1KM2KM3KM4KM5KM6KM7KM8KM9KM10KM11L1L2L3QF1QF2QF3QF4QF5QF6QF7QF8主主PLCPLC220V24V套筒双头镗铣机床的电气控制设计第 10 页，共 29 页3.2 电磁阀及压力继电器动作表表 3-2 电磁阀及压力继电器动作表1YV2YV3YV4YV5YV6YV7YV8YV9YV10YV11YV12YV13YV14YV初始位 工件夹紧 工件到位 工件松开 左铣快进 右铣快进 左铣快退 右铣快退 左铣工进 右铣工进 左镗快进 右镗快进 左镗工进 右镗工进 左镗准停 右镗准停 左镗快退 右镗快退
