X62W万能铣床是一种通用的多用途机床.docx
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X62W万能铣床是一种通用的多用途机床
X62W万能铣床电控系
统的PLC改造
姓名何洪
班级ZH电气0703
专业电气工程及其自动化
时间2010年6月
指导老师鞠益仁
南京工程学院
X62W万能铣床系统的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1826年创造了第一台万能铣床，这是升降台铣床的雏形；1884年前后出现了龙门铣床；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-快速”或“快速-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。
关键词：
X62W万能铣床，电气控制系统，PLC梯形图。
目录
第一章绪论…………………………………………………………3
1.1铣床国内外研究状况和发展趋势………………………………3
1.2铣床简单介绍……………………………………………………5
1.2.1铣床的选型…………………………………………………5
第二章X62W万能铣床硬件设计……………………………………6
2.1X62W万能铣床电力拖动的特点及控制要求…………………6
2.2X62W万能铣床元件选型………………………………………7
2.3X62W万能铣床的主要结构及运动形式………………………8
第三章电气控制原理………………………………………………9
3.1电气原理图………………………………………………………9
3.2主电路分析………………………………………………………10
3.3控制电路分析……………………………………………………10
第四章X62W万能铣床软件设计……………………………………14
4.1PLC的基本定义和PLC的主要特点……………………………14
4.2X62W万能铣床电气控制线路的PLC设计……………………16
4.3PLC梯形图设计…………………………………………………20
第五章总结……………………………………………………………23
参考文献………………………………………………………………24
致谢……………………………………………………………………24
第一章绪论
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。
电气系统是其中的主干部分，在国民经济各行业中的许多部门得到广泛应用。
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，各种参考文献也数不胜数。
在我国70～80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。
1.1铣床国内外研究状况和发展趋势
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于跟踪阶段。
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。
利用刀具对金属毛坯进行切削，从而加工出机械零件的工作机械称为金属切削机床，简称机床。
机床是现代机械制造业中最重要的加工设备，在一般机械制造厂中，机床所担负的加工工作量约占机械制造总工作量的40%~~60%。
机床的性能直接影响机械产品的性能、质量和经济性。
因此，它是国民经济中具有战略意义的基础工业，机床的拥有量及其先进程度将直接影响到国民经济各部门生产发展和技术进步的能力。
X62W铣床是由普通机床发展而来。
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。
1.2铣床的简单介绍
X62W万能铣床是一种通用的多用途机床，它可以用圆柱铣刀、圆片铣刀、角度铣刀、成型铣刀及端面铣刀等刀具对各种零件进行平面、斜面、螺旋面及成型表面的加工，还可以加装万能铣头、分度头和圆工作台等机床附件来扩大加工范围。
PLC专为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。
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。
1.2.1铣床的选型
常用的万能铣床有两种，一种是X62W型卧式万能铣床，铣头水平方向放置；另一种是X52K型立式万能铣床，铣头垂直方向放置。
这两种铣床在结构上大体相似，差别在于铣头的放置方向不同，而工作台的进给方式、主轴变速的工作原理等都一样，电气控制线路经过系列化以后也基本一样。
第二章X62W万能铣床硬件设计
2.1X62W万能铣床电力拖动的特点及控制要求
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快速运动。
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。
2.2X62W万能铣床元件选型
符号
名称
型号规格
用途
数量
M1
电动机
J02-51-475kw1450r/min
驱动主轴
1
M2
电动机
J02-22-41.5kw1450r/min
驱动进给
1
M3
电动机
J02-22-00.125kw2790kw
驱动冷却泵
1
Qs1
开关
HZ1-60/3J60A500V
电源总开关
1
Qs2
开关
HZ1-10/3J10A500V
冷却泵开关
1
SA1
开关
HZ1-10/3J10A500V
换刀制动
1
SA2
开关
HZ1-10/3J10A500V
圆工作台开关
1
SA3
开关
HZ3-10/3J60A500V
照明开关
1
FU1
熔断器
RL1-6060A
电源总保险
1
FU2
熔断器
RL1-155A
整流电源保险
1
FU3
熔断器
RL1-155A
直流电路保险
1
FU4
熔断器
RL1-155A
控制回路保险
1
FU5
熔断器
RL1-151A
照明保险
1
FR1
热继电器
JR0-20/310A
M1过载保护
1
FR2
热继电器
JR0-20/30.5A
M3过载保护
1
FR3
热继电器
JR0-20/31.5A
M2过载保护
1
TC1
变压器
BK-150380/110V
控制回路电源
1
TC2
变压器
BK-50380/24V
照明电源
1
TC3
变压器
BK-100380/36V
整流电源保险
1
KM1
接触器
CJ0-2020A110V
主轴启动
1
KM2
接触器
CJ0-1010A110V
快速进给
1
KM3
接触器
CJ0-1010A110V
M2正转
1
KM4
接触器
CJ0-1010A110V
M2反转
1
SB1SB2
按钮
LA2
M1启动
2
SB3SB4
按钮
LA2
快速进给
2
SB5SB6
按钮
LA2
停止制动
2
YC1
电磁离合器
定做
主轴制动
1
YC2
电磁离合器
定做
正常进给
1
YC3
电磁离合器
定做
快速进给
1
SQ1
行程开关
LX1-11K
主轴冲动开关
1
SQ2
行程开关
LX3-11K
主轴冲动开关
1
SQ3SQ4
SQ5SQ6
行程开关
LX2-13L
M2正反转及连锁
4
2.3X62W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）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。
此外，由于回转盘相对于溜板可绕中心轴线左右转过一个角度（通常铣削是一种高效率的加工方式。
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则属于辅助运动。
第三章电气控制原理
3.1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万能铣床的电路如图2所示，该线路分为主电路、控制电路和照明电路三部分。
电气控制线路的工作原理如下：
图1X62W型万能铣床电路图
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SB6），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10—13—14—15—20—19—17—18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，手柄压下位置开关SQ5或SQ6，使常闭触头SQ5-2或SQ6-2分断，常开触头SQ5-1或SQ6-1闭合，接触器KM3或KM4得电动作，电动机M2正转或反转。
由于在SQ5或SQ6被压合的同时，通过机械机构已将电动机M2的传动链与工作台下面的左右进给丝杠相搭合，所以电动机M2的正转或反转就拖动工作台向左或向右运动。
表1 工作台左右进给手柄位置及其控制关系
手柄位置
位置开关动作
接触器动作
电动机M2转向
传动链搭合丝杠
工作台运动方向
左
SQ5
KＭ３
正转
左右进给丝杠
向左
中
—
—
停止
—
停止
右
SQ6
KＭ４
反转
左右进给丝杠
向右
工作台的上下和前后进给运动是由一个手柄控制的。
该手柄与位置开关SQ3和SQ4联动，有上、下、前、后、中5个位置，其控制关系见表2。
当手柄扳至中间位置时，位置开关SQ3和SQ4均未被压合，工作台无任何进给运动；当手柄扳至下或前位置时，手柄压下位置开关SQ3使常闭触头SQ3-2分断，常开触头SQ3-1闭合，接触器KM3得电动作，电动机M2正转，带动着工作台向下或向前运动；当手柄扳向上或后时，手柄压下位置开关SQ4，使常闭触头SQ4-2分断，常开触头SQ4-1闭合，接触器KM4得电动作，电动机M2反转，带动着工作台向上或向后运动。
当两个操作手柄被置定于某一进给方向后，只能压下四个位置开关SQ3、SQ4、SQ5、SQ6中的一个开关，接通电动机M2正转或反转电路，同时通过机械机构将电动机的传动链与三根丝杠（左右丝杠、上下丝杠、前后丝杠）中的一根（只能是一根）丝杠相搭合，拖动工作台沿选定的进给方向运动，而不会沿其他方向运动。
表2 工作台上、下、中、前、后进给手柄位置及其控制关系
手柄位置
位置开关动作
接触器动作
电动机M2转向
传动链搭合丝杠
工作台运动方向
上
下
中
前
后
SQ4
SQ3
—
SQ3
SQ4
KM4
KM3
—
KM3
KM4
反转
正转
停止
正转
反转
上下进给丝杠
上下进给丝杠
—
前后进给丝杠
前后进给丝杠
向上
向下
停止
向前
向后
左右进给手柄与上下前后手柄实行了联锁控制，如当把左右进给手柄扳向左时，若又将另一个进给手柄扳到向下进给方向，则位置开关SQ5和SQ3均被压下，触头SQ5-2和SQ3-2均分断，断开了接触器KM3和KM4的通路，电动机M2只能停转，保证了操作安全。
（3）６个进给方向的快速移动是通过两个进给操作手柄和快速移动按钮配合实现的。
安装好工件后，扳动进给操作手柄选定进给方向，按下快速移动按钮SB3或SB4（两地控制），接触器KM2得电，KM2常闭触头分断，电磁离合器YC2失电，将齿轮传动链与进给丝杠分离；KM2两对常开触头闭合，一对使电磁离合器YC3得电，将电动机M2与进给丝杠直接搭合；另一对使接触器KM3或KM4得电动作，电动机M2得电正转或反转，带动工作台沿选定的方向快速移动。
由于工作台的快速移动采用的是点动控制，故松开SB3或SB4，快速移动停止。
（4）进给变速时与主轴变速时相同，利用变速盘与冲动位置开关SQ2使M1产生瞬时点动，齿轮系统顺利啮合。
第四章X62W万能铣床软件设计
4.1PLC的基本定义和PLC的主要特点
PLC是在继电器控制技术、计算机技术和现代通信技术的基础上逐步发展起来的一项先进的控制技术。
在现代工业发展中PLC技术、CAD/CAM技术和机器人技术并称为现代工业自动化的三大支柱。
它主要以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出（I/O）来控制各种生产过程。
PLC的主要特点：
1、高可靠性
（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms。
（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
（4）采用性能优良的开关电源。
（5）对采用的器件进行严格的筛选。
（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
2、丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：
交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：
按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。
另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。
3、采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4、编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5、安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
PLC的功能：
1、逻辑控制
2、定时控制
3、计数控制
4、步进（顺序）控制
5、PID控制
6、数据控制：
PLC具有数据处理能力。
7、通信和联网
8、其它：
PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：
定位控制模块，CRT模块。
4.2X62W万能铣床电气控制线路的PLC改造
1、改造方法
进行电气控制线路改造时，X62W万能铣床电气控制线路中的电源电路、主电路保持不变；在控制电路中，变压器TC1的输出、整流器VC的输出及变压器TC3的输出部分去掉，用可编程控制器实现；为了保证各种联锁功能，将位置开关SQ1～SQ6、按钮SB1～SB6、照明开关S、冷却泵启动开关SA3、换刀开关SA4和圆形工作台转换开关SA5分别接入PLC的输入端；输出器件分三个电压等级，一个是接触器、继电器使用的110V交流电压，另一个是电磁离合器使用的24V直流电，还有一个是照明使用的36V交流电压，这样也将PLC的输出口分为三组连接点。
2、PLC硬件设计
经过对X62W万能铣床的控制系统进行详细的分析可知，该系统需要输入点数为16点，输出点数为9点，根据输入输出口的数量，可选择三菱FX1N—40MR型PLC。
所有的电器元件均可采用改造前的型号，电器元件的安装位置也不变。
重点提示：
输出端由于采用三个不同电压等级负载，所以特别注意输出公共端的分配，否则易引起短路。
表3万能铣床PLCI/O地址分配表
序号
输入器件
输入地址
序号
输出器件
输出地址
1
SB1、SB2主轴停止及制动
X0
1
KM1主轴电动机M1启动
Y4
2
SB5、SB6主轴启动
X1
2
KM2冷却泵电机M2启动
Y5
3
SB3、SB4快速进给
X2
3
KM3进给电动机M3正转
Y6
4
SA4主轴换刀
X3
4
KM4进给电动机M3反转
Y7
5
SA3冷却泵电机启动
X4
5
YC1进给常速
Y10
6
SA5圆工作台工作开关
X5
6
YC2快速进给
Y11
7
SA1照明开关
X6
7
EL照明
Y0
8
SQ1右进给行程开关
X7
8
YC3主轴制动、换刀
Y12
9
SQ2左进给行程开关
X10
9
KA快速进给控制
Y3
10
SQ3向前、向下行程开关
X11
11
SQ4向后、向上行程开关
X12
12
SQ6主轴冲动行程开关
X13
13
SQ5进给冲动行程开关
X14
14
FR1主轴过载保护
X15
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