1、-1 -X62W 万能铣床电控系统的 PLC 设计摘要本设计讲述了 X62W 万能铣床电气控制线路的工作原理，说明了用 PLC 改造的具体方法，从而可以提高整个电气控制系统的工作性能。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、轮齿、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。 最早的铣床是美国人惠特尼于 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 年前后又出现了龙门铣床；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-决速”
2、或“决速- 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，扩大了铣床的加工范围，提高了加工精度与效率。 第一章主要介绍铣床国内外研究状况和发展趋势和铣床简单介绍，包括铣床的选型和特点。第二章 X62W 万能铣床硬件设计主要包括 X62W 万能铣床电力拖动的特点及控制要求和 X62W 万能铣床元件选型还有 X62W 万能铣床的主要结构及运动形式，第三章主要分析电路的工作原理。第四章是介绍软件部分及其 PLC 的基本知识。关键词X62W 万能铣床；电气控制系统；
3、PLC；梯形图 -2 -目录第 1 章 概述 .31.1 铣床国内外研究状况和发展趋势 .31.2 铣床简单介绍 .4第 2 章 X62W 万能铣床硬件设计 .52.1 X62W 万能铣床电力拖动的特点 .52.2 X62W 万能铣床元件选型 .62.3 X62W 万能铣床的主要结构及运动形式 .72.4 控制要求 .8第三章 电气控制原理 .93.1 电气原理图 .93.2 主电路分析 .103.3 控制电路分析 .10第四章 X62W 万能铣床软件设计 .124.1 PLC 的基本定义 .124.2 X62W 万能铣床电气控制线路的 PLC 设计 .134.3 现场信号与 PLC 软继电器
4、对照表 .154.4 PLC 梯形图 .16第五章 总结 .18致谢 .18参考文献 .19-3 -第 1 章 概述1.1 铣床国内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、塑料加工等行业工艺设备的电气控制中，越来越多地采用 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技术装置。随着电子技术的发展，可编程序控制器日益广泛的应用于机械、电子加工与设备电气改造中。铣床作为机械加工的通用设备在内燃机配件的生产中
5、一直起着不可替代的作用。自动铣床具有工作平稳可靠，操作维护方便，运转费用低的特点，已成为现代生产中的主要设备。自动铣床控制系统的设计是一个很传统的课题，现在随着各种先进精确的诸多控制仪器的出现，铣床控制的设计方案也越来越先进，越来越趋于完美。在我国 7080 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，也有相当一部分辅机系统是采用继电控制。因此，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,用PLC 对铣床的继电器式控制系统进行改造已是大势所趋。自动铣床的发展及现状：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床一直给予较大的关注。经过
6、九五自动车床和加工中心包括自动铣床的产业化生产基地的形成，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。这是由于欧美日等先进工业国家于 80 年代先后完成了自动机床产业进程，其中一些著名机床公司致力于科技创新和新产品的研发引导着数控机床技术发展，如美国英格索尔公司和德国惠勒喜乐公司对用于汽车工业和航空工业高速数控铣床的发展日本牧野公司对高效精密加工中心所作的贡献，德国瓦德里希公司在重型龙门五面加工铣床方面的开发以及日本马扎克公司研发的车铣中心对高效复合加工的推进等等。相比之下，我国大部分数近代机床产品在技术处
7、于跟踪阶段。表 1 以中挡铣床为例列出国内外先进产品主要技术指标，由此可以看到效率精度和可靠性等方面均有明显差。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 铣床综合了计算机技术、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 铣床是由普通机
8、床发展而来。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生产设备。万能铣床的广泛应用，给机械制造业的生产方式、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水平的重要标志。一-4 -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。可编程序控制器产生以前，以各种继电器为主要元件的电气控制线路，承担着生产过程自动控制的艰巨任务，可能有成百上千只各种继电器构成复杂的控制系统，需要用成千上万根导线连接起来，安装这
9、些继电器需要大量的继电器控制柜，且占据大量的空间。当这些继电器运行时，又产生大量的噪声，消耗大量的电能。为保证控制系统的正常运行，需要安排大量的电气技术人员进行维护，有时某个继电器损坏，甚至某个继电器触头接触不良，都回影响整个系统的正常运行。如果系统出现故障，要进行检查排除故障又是非常困难的，全靠电气技术人员长期积累经验。尤其是在生产工艺发生变化时，可能需要增加很多的继电器或继电器控制柜，重新接线或改线的工作量很大，甚至需要重新设定控制系统。尽管如此，这种控制系统的功能仅仅局限在能实现具有粗略定时、计数功能的顺序逻辑控制。因此，人们迫切需要一种新的工业控制装置来取代传统的继电器控制系统，是电气
10、控制系统工作更可靠，更容易维修，更能适应经常变化的生产工艺要求。可编程控制器(Programmable Controller)简称 PC，在办公自动化和工业自动化中广泛使用的个人计算机（Personal Computer）也简称 PC，为了避免混摇，现在一般将可编程序控制器简称为 PLC(Programmable Logic Controller)。随着可编程控制器在国内的运用和推广，人们找到了万能铣床较理想的控制系统，即 PLC 控制系统。由于其具有可靠性高，抗干扰能力强，维修检测方便等优点，适合于对万能铣床的控制，获得广泛的推广。现在万能铣床已全部采用 PLC 控制，结束了近二十年使用继电
11、控制的历史。本文主要以该厂对 PLC控制系统的研究，推广介绍可编程控器在万能铣床上的应用。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、塑料加工等行业工艺设备的电气控制中，越来越多地采用 PLC 机控制，并取得了显著的效果，深受各行业的欢迎。1988 年开始将可编程序控制器应用在万能铣床上，至今使用情况一直良好。 国外生产PLC 的厂家很多，最著名的有美国 A-B 公司和 GE-FANUC 公司，日本的欧姆龙公司和三菱公司，德国 AEG 公司和西门子公司，法国的 TE 公司。它们号称 PC 领域的大雄，代
12、表PC 的最高水平。它们在中国都有各自的代理商，很容易买到其产品。国产 PLC 以小型为主，多数为仿制产品，I/0 点均在 128 点以下。主要厂家有上海工业自动化仪表研究所，苏州电子计算机厂，北京机械工业自动化研究所，无锡华光电子工业公司，中科院自动化研究所，上海香岛机电制造公司。一般只处理开关量，进行逻辑运算，顺序运算。 1.2 铣床简单介绍1.2.1 铣床的选型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，它采用继电接触器电路实现电气控制。PLC 专为-5 -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
13、。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。1.2.2 X62W 机床特点（1）能完成很多普通机床难以加工或者根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，稳定产品的质量。（3）采用 X62W 可以比普通机床提高 23 倍生产率，对复杂零件的加工，生产率可以提高十几倍甚至几十倍。（4）此机床具有柔性，只需更换程序，就可以适应不同品种及尺寸规格零件的自动加工。（5）大大的减轻了工人的劳动强度。万能铣床是一种高效率的加工机械,在机械加工和机械修理中得到广泛的应用，万能铣床的操作是通过手柄同
14、时操作电气与机械,以达到机电紧密配合完成预定的操作,是机械与电气结构联合动作的典型控制,是自动化程度较高的组合机床。但是在电气控制系统中,故障的查找与排除是非常困难的,特别是在继电器接触式控制系统，由于电气控制线路触点多、线路复杂、故障率高、检修周期长,给生产与维护带来诸多不便,严重地影响生产。本文所述方案是对原来的继电器接触式模拟控制系统进行 PLC 改造而成 ,经实际运行证明该 PLC 控制系统无论是硬件还是软件,控制稳定可靠, 具有极高的可靠性与灵活性, 更容易维修,更能适应经常变动的工艺条件，取得了较好的经济效益。第 2 章 X62W 万能铣床硬件设计2.1 X62W 万能铣床电力拖动
15、的特点（1）铣削加工有顺铣和逆铣两种加工方式，要求主轴电动机能正反转，因正反操作并不频繁，所以由床身下侧电器箱上的组合开光来改变电源相序实现。（2）由于主轴传动系统中装有避免震荡的惯性轮，故主轴电动机采用电磁离合器制动以实现准确停车。（3）铣床的工作台要求有前后、左右、上下 6 个方向的 进给运动和快速移动，所以也要求进给电动机能正反转，并通过操作手柄和机械离合器相配合来实现。进给的快速移动通过电磁铁和机械挂挡来完成。圆形工作台的回转运动是由进给电动机经传动机构驱动的。（4）根据加工工艺的要求，该铣床应具有以下的电气联锁措施：为了防止刀具和铣床的损坏，只有主轴旋转后才允许有进给运动和进给方向的
16、快速运动。-6 -为了减小加工表面的粗糙度，只有进给停止后主轴才能停止或同时停止。该铣床采用机械操纵手柄和位置开关相配合的方式实现进给运动 6 个方向的连锁。主轴运动和进给运动采用变速盘来进行速度选择，为保证变速齿轮进入良好的啮合状态，两种运动都要求变速后顺时点动。当主轴电动机或冷却泵过载时，进给运动必须立即停止，以免损坏刀具和铣床。（5）要求有冷却系统、照明设备及各种保护措施。2.2 X62W 万能铣床元件选型表 2-1 铣床的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 Y132M4B3 75KW，380V，1450r/min 1 主轴传动M2 进给电动机 Y90L4
17、15KW,380V,1400r/min 1 进给传动M3 冷却泵电动机 JCB22 0125KW,380V,2790r/min 1 冷却泵传动表 2-2 铣床的基本元件一览表符号 名称 型号 规格 件数 作用KM1 接触器 CJO20 20A,110V 1 主轴启动KM2 接触器 CJO10 10A,110V 1 快速进给KM3 接触器 CJO10 10A,110V 1 M2 正转KM4 接触器 CJO10 10A,110V 1 M2 反转KS 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 快速进给按钮SB5、6 按
18、钮 LA2 红色 2 M1 停止按钮SA1 转换开关 HZ110/E16 三极 1 换刀开关SA2 转换开关 HZ110/E16 三极 圆工作台转换SA3 转换开关 HZ110/E16 三极 M1 换向开关SQ1 限位开关 LX111K 开启式 1 向右进给SQ2 限位开关 LX111K 开启式 1 向左进给SQ3 限位开关 LX2131 单轮，自动复位 1 向前、向下进给SQ4 限位开关 LX2131 单轮，自动复位 1 向后、向上进给SQ5 限位开关 LX311K 开启式 1 快速与进给转换SQ6 限位开关 LX311K 开启式 1 主轴变速冲动SQ7 限位开关 LX311K 开启式 1
19、进给变速冲动QS1 转换开关 HZ160/E26 三极 1 电源总开关QS2 转换开关 HZ160/E26 三极 1 冷却泵开关FR1 热继电器 JRQ40 11A、3A 1 M1 过载保护FR2 热继电器 JR1010 3A、5A 1 M3 过载保护FR3 热继电器 JR1010 0.415A 1 M2 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-7 -FU3、FU6 熔断器 RL1 6A 2 控制电路短路保护FU4、FU5 熔断器 RL1 4A 2 照明电源短路保护VC 整流器 ZCZX4 5A，50V 1 整流作用TC 变压
20、器 BK50 380/36V 1 照明变压器TC1 变压器 BK150 380/127V 1 控制电路变压器YC1 电磁离合器 B1DLIII 1 主轴制动YC2 电磁离合器 B1DLII 1 正常进给YC3 电磁离合器 B1DLII 1 快速进给R 电阻 ZB2 1 .45W、15.4A 2 限制制动电阻2.3 X62W 万能铣床的主要结构及运动形式X62W 型万能铣床的外形结构如图 2-1 所示，它主要由床身、主轴、刀杆、悬梁、工作台、回转盘、横溜板、升降台、底座等几部分组成。在床身的前面有垂直导轨，升降台可沿着它上下移动。在升降台上面的水平导轨上，装有可在平行主轴轴线方向移动（前后移动）
21、的溜板。溜板上部有可转动的回转盘，工作台就在溜板上部回转盘上的导轨上作垂直于主轴轴线方向移动（左右移动） 。工作台上有 T 形槽用来固定工件。这样，安装在工作台上的工件就可以在三个坐标上的六个方向调整位置或进给。铣床主轴带动铣刀的旋转运动是主运动；铣床工作台的前后（横向） 、左右（纵向）和上下（垂直）6 个方向的运动是进给运动；铣床其他的运动，如工作台的旋转运动、在各个方向的快速移动则属于辅助运动。1床身（立柱） 2主轴 3刀杆 4悬梁 5支架 6工作台7回转盘 8横溜板 9升降台 10底座图 2-1 铣床外部结构图-8 -2.4 控制要求（1）主轴电动机 M1 有三种控制：正反转起动，反接制
22、动和变速冲动。（2）工作台进给电动机 M2 有三种控制：进给、快速移动和变速冲动。（3）M3 拖动冷却泵提供冷却液，只需单向运行。（4）为了能及时实现控制，机床设置了两套操纵系统，再机床正面及侧 都安装了相同的按钮、手轮和手柄，操作方面，以实现两地控制。（5）为了保证安全，防止事故，机床有顺序的动作，采用了联锁。（6）三台电动机都设有过载保护，控制线路设有短路保护，工作台的六个方向，都设有终端保护。-9 -第三章 电气控制原理3.1 电气原理图图 3-1 X62W 卧式铣床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
23、万能铣床的电路如图 3-1 所示，该线路分为主电路、控制电路和照明电路三部分。-10 -3.2 主电路分析主轴电动机 M1 拖动主轴带动铣刀进行铣削加工，通过组合开关 SA3 来实现正反转；进给电动机 M2 通过操纵手柄和机械离合器的配合拖动工作台前后、左右、上下 6 个方向的进给运动和快速移动，其正反转由接触器 KM3、KM4 来实现；冷却泵电动机 M3 供应切削液，且当 M1 启动后，用手动开关 QS2 控制；3 台电动机共用熔断器 FU1 作短路保护，3 台电动机分别用热继电器 FR1、FR2、FR3 作过载保护。3.3 控制电路分析控制电路的电源由控制变压器 TC 输出 110V 电压
24、供电。（1）主轴电动机 M1 的控制主轴电动机 M1 采用两地控制方式，SB1 和 SB2 是两组启动按钮，SB5 和 SB6 是两组停止按钮。KM1 是主轴电动机 M1 的启动接触器，YC1 是主轴制动用的电磁离合器，SQ1是主轴变速时瞬时点动的位置开关。1）主轴电动机 M1 启动前，应首先选择好主轴的转速，然后合上电源开关 QS1，再把主轴换向开关 SA3 扳到所需要的转向。按下启动按钮 SB1（或 SB2） ，接触器 KM1 线圈得电，KM1 主触头和自锁触头闭合，主轴电动机 M1 启动运转，KM1 常开辅助触头（9-10 ）闭合，为工作台进给电路提供了电源。按下停止按钮 SB5（或 S
25、B6） ，SB5-1（或 SB6-1）常闭触头分断，接触器 KM1 线圈失电，KM1 触头复位，电动机 M1 断电惯性运转，SB5-2（或 SB6-2）常开触头闭合，接通电磁离合器 YC1，主轴电动机 M1 制动停转。2）主轴换铣刀时将转换开关 SA1 扳向换刀位置，这时常开触头 SA1-1 闭合，电磁离合器 YC1 线圈得电，主轴处于制动状态以便换刀；同时常闭触头 SA1-2 断开，切断了控制电路，保证了人身安全。3）主轴变速时，利用变速手柄与冲动位置开关 SQ1，通过 M1 点动，使齿轮系统产生一次抖动，以便于齿轮顺利啮合，且变速前应先停车。（2）进给电动机 M2 的控制工作台的进给运动在
26、主轴启动后方可进行。工作台的进给可在 3 个坐标的 6 个方向运动，进给运动是通过两个操作手柄和机械联动机构控制相应的位置开关使进给电动机 M2正转或反转来实现的，并且 6 个方向的运动是联锁的，不能同时接通。1）当需要圆形工作台旋转时，将开关 SA2 扳到接通位置，这时触头 SA2-1 和 SA2-3断开，触头 SA2-2 闭合，电流经 1013141520191718 路径，使接触器 KM3得电，电动机 M2 启动，通过一根专用轴带动圆形工作台作旋转运动。转换开关 SA2 扳到断开位置，这时触头 SA2-1 和 SA2-3 闭合，触头 SA2-2 断开，以保证工作台在 6 个方向的进给运动，因为圆形工作台的旋转运动和 6 个方向的进给运动也是联锁的。2）工作台的左右进给运动由左右进给操作手柄控制。操作手柄与位置开关 SQ5 和SQ6 联动，有左、中、右三个位置，其控制关系见表 1。当手柄扳向中间位置时，位置开关 SQ5 和 SQ6 均未被压合，进给控制电路处于断开状态；当手柄扳向左或右位置时，手柄
