万能铣床PLC改造.docx

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万能铣床PLC改造

万能铣床电气控制的PLC改造

摘要：

PLC是20世纪60年代出现的，是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

PLC以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、控制程序可变、体积小、质量轻、功能强和价格低廉等特点，在各行各业得到广泛应用。

本文阐述了用PLC改造X62W型万能铣床继电器控制电路，详细介绍了改造设计过程。

关键词：

X62W型铣床；电气控制；PLC技术设计改造；梯形图

1.引言

X62W型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。

其操作是通过手柄同时操作电气与机械，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。

为了使X62W型铣床控制稳定与可靠，具有极高的可靠性和灵活性，更容易检修，更能适应经常变动的工艺条件，取得较好的经济效益，所以对原来的继电器接触模式模拟控制系统进行PLC改造。

2.X62W型万能铣床电力拖动的特点及控制要求

X62W型万能铣床的结构主要由床身、主轴、刀杆、悬梁、刀杆支架、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。

溜板上部有可移动的回转盘，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时主运动；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；铣床的其他运动，如工作台的讯转运动则属于辅助运动。

该铣床共用3台电动机拖动，分别是主轴电动机M1、进给电动机M2和冷却泵电动机M3。

（1）、主轴电动机需要正反转，但方向的改变并不频繁。

根据加工工艺的要求，有的工件需要顺铣（电动机正转），有的工件需要逆铣（电动机反转）。

大多情况下是一批或多批工件只用一种方向铣削，不需要经常改变电动机的转向。

因此，可用电源相序转换开关实现主轴电动机的正反转，节省一个反向转动接触器。

（2）、铣刀的铣削是一种不连续的切削，容易使机械传动系统发生振动，为了避免这种现象，在主轴传动系统中装有惯性轮但在高速切削后，停车很费时间，故采用电磁离合器制动。

（3）、工作台既可以做六个方向上的进给，又可以在六个方向上快速移动。

（4）、为了防止刀具和机床的损坏，要求只有主轴旋转后，才允许有进给运动。

为了减小加工工件表面的粗糙度，只有进给停止后主轴才能停止或同时停止。

本机床在电气上采用了主轴和进给同时停止的方式，但由于主轴运动的惯性很大，实际上就保证了进给运动先停止，主轴运动后停止的要求。

（5）、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啮合状态，两种运动都要求变速后作瞬时点动。

（6）、要求有冷却系统、照明设备及各种保护措施。

3、X62W型万能铣床的PLC控制

X62W万能铣床的电气控制线路，分为主电路，控制电路和照明电路三部分。

X62W万能铣床的电气控制线路如图1所示。

3.1、主电路分析

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；M2是工作台进给电动机，拖动升降台及工作台进给；M3是冷却泵电动机，供应冷却液。

每台电动机均有热继电器作过载保护。

3.2、控制电路分析

（1）主轴电动机的控制

控制线路中的启动按钮SB1和SB2是异地控制按钮，分别装在机床两处，方便操作。

SB5和SB6是停止按钮。

KM1是主轴电动机M1的启动接触器，YC1则是主轴制动用的电磁离合器，SQ1是主轴变速冲动的行程开关。

主轴电动机是经过弹性联轴器和变速机构的齿轮传动链来传动的，使主轴获得十八级不同的转速。

1）主轴电动机的启动启动前先合上电源开关QS1，再把主轴转换开关SA3扳到所需要的旋转方向，然后按启动按钮SB1（或SB2），接触器KM1获电动作，其主触头闭合，主轴电动机M1启动。

SA3的功能见表1.1所示：

正转时SA3-2，SA3-3两开关触点分别接通，反转时SA3-1，SA3-4分别接通，停止时都不接通。

图1X62W万能铣床电气控制电路图

1.1主轴转换开关位置

正转

停止

反转

SA3-1

SA3-2

SA3-3

SA3-4

－

＋

－

＋

－

＋

2）主轴电动机的停车制动当铣削完毕，需要主轴电动机M1停车时，按停止按钮SB5（或SB6），接触器KM1线圈断电释放，电动机M1停电，同时由于SB5-2或SB6-2接通电磁离合器YC1，对主轴电机进行制动。

当主轴停车后方可松开停止按钮。

3）主轴换铣刀控制主轴更换铣刀时，为避免主轴转动，造成更换困难，应将主轴制动。

方法是将转换开关SA1扳到换刀位置，常开触头SA1-1闭合，电磁离合器YC1获电，将电动机轴抱住；同时常闭触头SA1-2断开，切断控制电路，机床无法运行，保证了人身安全。

4）主轴变速时的冲动控制主轴变速时的冲动控制，是利用变速手柄与冲动行程开关SQ1通过机械上的联动机构进行控制的。

将变速手柄拉开，啮合好的齿轮脱离，可以用变速盘调整所需要的转速（实质是改变齿轮的传动比），然后将变速手柄推回原位，使变了传动比的齿轮组重新啮合。

由于齿与齿之间的位置不能刚好对上，因而造成啮合困难。

若在啮合时齿轮系统冲动一下，啮合将十分方便。

当手柄推进时，手柄上装的凸轮将弹簧杆推动一下又返回，而弹簧杆又推动一下位置开关SQ1，SQ1的常闭触头SQ1-2先断开，而后常开触头SQ1-1闭合，使接触器KM1通电吸合，电动机M1启动，但紧接着凸轮放开弹簧杆，SQ1复位，常开触头SQ1-1先断开，常闭触头SQ1-2后闭合，电动机M1断电。

此时并未采取制动措施，故电动机M1产生一个冲动齿轮系统的力，足以使齿轮系统抖动，保证了齿轮的顺利啮合。

（2）.圆工作台的控制

为了扩大机床的加工能力，可在机床上安装附件圆形工作台，这样可以进行圆弧或凸轮的铣削加工。

在拖动时，所有进给系统均停止工作（手柄放置在零位上），只让圆工作台绕轴心回转。

当工件在圆工作台安装好后，用快速移动方法，将铣刀和工件之间位置调整好，把圆工作台控制开关拨到“接通”位置。

这个开关就是SA2，此时SA2-1和SA2-3断开，SA2-2闭合。

当主电动机启动后，圆工作台即开始工作，其控制电路是：

电源→SQ2-2→SQ3-2→SQ4-2→SQ6-2→SQ5-2→SA2-2→KM4（常闭）→KM3线圈→电源。

接触器KM3通电吸合，电动机M2正转。

该电机带动一根专用轴，使圆工作台绕轴心回转，铣刀铣出圆弧。

在圆工作台开动时，其余进给一律不准运动，若有误操作，拨动了两个进给手柄中的任一个，则必然会使位置开关SQ3—SQ6中的某一个被压动，则其常闭触头将断开，使电动机停转，从而避免了机床事故。

圆工作台在运转过程中不要求调速，也不要求反转。

按下主轴停按钮SB5或SB6，主轴停转，圆工作台也停转。

（3）.冷却和照明控制

冷却泵只有在主电动机启动后才能启动，所以主电路中将M3接在主接触器KM1触头后面，另外又可以用开关QS2控制。

机床照明由变压器T1供给24V安全电压。

4、X62W铣床PLC控制系统的分析

根据实际情况，在铣床的电气改造过程中，保留原有的机械操作不变，将原来继电器控制的线路用PLC控制系统取代。

按照PLC控制系统设计的一般步骤，X62W铣床PLC控制系统属于典型的单机控制系统，输入/输出信号均为开关控制量，一般的继电器输出型PLC就可以满足控制上的要求，又由于X62W铣床不属于大型机床，输入信号传输距离不大，控制电路比较集中，不必采用单独的控制柜来安装电器元件。

为了提高整个系统的可靠性、安全性，考虑到系统的成本，系统的组织电动机正、反转及冷却泵电动机部分控制将不采用PLC控制。

4.1PLC的选型及校验

X62W铣床电路中输入/输出及控制信号共有27个。

其中输入信号17个、输出信号10个，实际使用时，系统的输入都为开关控制量，加上10%~15%的余量就可以了，并无其他特殊控制模块的需要。

故选用日本三菱公司的FX2N-48MR-001型PLC。

AC电源，24V直流输入，继电器输出。

输入点数24，输出点数24。

FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器。

它的基本指令执行时每条指令高达0.08μs，用户存储器容量可扩展到16K步，I/O点最大可扩展到256点，可有多种特殊功能扩展，实现多种特殊控制功能（PID、高速计数、A/D、D/A、等）。

有多种RS-232/RS-422/RS-485串行通信模块或功能扩展板，可实现模拟量控制、位置控制和联网通信功能。

可满足机床10点输出，17点输入的要求。

PLC的供电电源为隔离变压器提供，这样可以减少电网波动或噪声对PLC的干扰。

4.2PLC的I/O端口的分配

如表2.1、2.2所示

表2.1输入信号地址分配表

作用

名称

地址

作用

名称

地址

主轴启动按钮

快速点动按钮

主轴停止按钮

主轴变速开关

进给变速开关

下前进给开关

SB1

SB2

SB3

SB4

SB5

SB6

SQ1

SQ2

SQ3

X10

上后进给开关

向左进给开关

向右进给开关

主轴换刀开关

圆工作台开关

主轴过载保护

冷却过载保护

进给过载保护

SQ4

SQ5

SQ6

SA1

SA2

FR1

FR2

FR3

X11

X12

X13

X14

X15

X16

X17

X20

表2.2输出信号地址分配

作用

名称

地址

作用

名称

地址

主轴启动

进给正转

进给反转

主轴制动

正常进给

KM1

KM2

KM3

YC1

YC2

Y10

Y11

快速进给

主轴工作指示

主轴制动指示

正常进给指示

快速进给指示

YC3

HL1

HL2

HL3

HL4

Y12

Y20

Y21

Y22

Y23

4.3系统控制的安装设计

在X62W型万能铣床PLC控制接线图中，需要注意的是，图中对输入的常闭触点进行了处理，即常闭按钮改用常开按钮，热继电器的常闭触点不变，如图2所示。

5、梯形图控制分析

在X62W万能铣床PLC控制梯形图中，回路6控制主轴启动和变速，回路7控制主轴制动，回路11控制工作台分别作纵向、横向、垂直、变速等运动以及圆盘运动，回路8控制工作台快速进给。

如图3所示

图2.X62W万能铣床PLC控制接线图

图3X62W万能铣床PLC控制梯形图

5.1主轴控制电路分析

（1）主轴电动机启动

启动前先合上电源开关QS1，再把主轴转换开关SA3扳到所需的旋转方向，然后按启动按钮SB1（或SB2）,X0（或X1）闭合，Y0得电，KM1工作，主轴的电动机运转。

（2）主轴电动机的停车制动

按主轴停止按钮SB5（或SB6），这时X4（或X5）常闭断开，M5失电，Y0失电，KM1断开，主轴电动机失电作惯性运动，接着X4（或X5）常开闭合，Y10得电，电磁离合器YC1工作，对主轴进行制动，待主轴停车后，松开SB5（或SB6）。

（3）主轴换铣刀控制

SA1是主轴换铣刀开关，需换刀时，将SA1扳到“换刀”位置，这时X14常闭断开，使Y0失电，KM1断开，主轴电动机失电作惯性运动，接着X14常开闭合，Y10得电，电磁离合器YC1得电工作，对主轴进行制动，使基层无法运行，保证了人身安全。

（4）主轴变速冲动控制

主轴变速时的冲动控制是利用变速手柄与冲动行程开关SQ1，通过机械上的联动机构进行控制，变速时，扳操纵手柄使SQ1动作，这时X6常闭断开（断开自锁回路），X6常开闭合，使Y0得电，KM1工作，主轴电动机实现点动控制。

5.2.进给控制电路分析

转换开关SA2是控制圆工作台的，在不需要圆工作台时，转换开关SA2扳到“断开”位置。

此时，X15常闭闭合，常开断开；当需要圆工作台时，转换开关SA2扳到“接通”位置，此时X15常闭断开，常开闭合。

（1）工作台左（右）控制

主轴电动机启动后，将操纵手柄向左（右）扳，其联动机构压动位置开关SQ5（SQ6），使X12（X13）常闭断开（联锁保护），X12（X13）常开闭合，Y1（Y2）得电，KM2（KM3）工作，进给电动机实现正（反）转，通过相应传动装置拖动工作台向左、右运动。

（2）工作台下、前（上、后）控制

主轴电动机启动后，将操纵手柄分必然想下、前（上、后）扳，其联动机构压动位置开关SQ3（SQ4），使X10（X11）常闭断开（联锁保护），X10（X11）常开闭合，Y1（Y2）得电，KM2（KM3）工作，进给电动机实现正（反）转，通过相应传动装置拖动工作台向下、前（上、后）运动。

（3）进给变速传动控制

与主轴变速原理一样，变速时只需将变速盘往外拉，使进给齿轮松开，待转动变速盘选择好速度后，将变速盘向里推，在推进时，挡块压动位置开关SQ2，使X7常闭断开（断开自锁回路），X7常开闭合，Y1得电，KM2工作，进给电动机实现点动控制。

（4）工作台快速移动控制

按下快速点动按钮SB3（或SB4），X2（或X3）接通，M9得电，它的一个常开触点接通进给控制电路，另一个则接通快速进给电磁离合器YC3，常闭触点切断正常进给电磁离合器YC2，让工作台实现快速进给。

松开SB3（或SB4），X2（或X3）断开，M9失电，此时YC3失电，YC2得电，工作台快速移动停止，仍按原方向作正常进给运动。

（5）圆工作台的控制

当需要加工螺旋槽时，应将工件安装在圆工作台上，调整好铣刀和工件之间的位置，主轴电动机切断后，将开工SA2扳到“接通”位置，X15常闭断开（联锁保护），X15常开闭合，Y1得电，KM2工作，进给电动机通过相应传动装置拖动圆工作台开始工作。

值得注意的是，当圆工作台在运转过程中，既不要求调速，也不要求反转。

5.3PLC控制指令语句表

X62W万能铣床PLC控制指令语句表

LDI

X014

AND

ANI

X016

AND

ANI

X017

ANI

X020

OUT

LDI

X005

LDI

ANI

X004

OUT

Y011

ANI

X006

OUT

Y022

OUT

Y000

OUT

Y012

OUT

Y023

AND

MPS

ANI

X020

LDI

X015

OUT

X012

LDI

X007

X010

ANI

X010

AND

ANI

X011

X007

OUT

AND

LDI

X010

ORB

ANI

X011

ANB

ANI

X012

LDI

X007

ANI

X013

AND

X015

OUT

AND

X000

ORB

X001

ANB

Y000

ANI

Y002

AND

OUT

Y001

X006

MPP

AND

X011

OUT

Y000

X013

OUT

Y020

ANB

X004

AND

X005

ANI

X015

X014

ANI

Y001

OUT

Y010

OUT

Y002

OUT

Y021

END

X002

X003

6、安装和调试

将线路接好后，接通电源开关，输入相应程序。

首先进行主轴电动机的启动、制动空载，及主轴变速冲动。

再进行机床进给运动的调试，测试工作台六个方向的进给运动，变速冲动及工作台的快速移动。

再进行圆工作台的空载调试，及冷却泵电动机的空载与工作照明调试。

最后进行空载电路的连锁与保护实调试。

注意事项：

（1）程序输入编辑完成后，先进行模拟调试。

（2）接线完成后，要在不接电动机的前提下试车，确认无误后方可连接电动机。

（3）通电调试的整个过程，要有专人在现场监护。

7、结论

通过PLC对X62W型万能铣床的设计改造，机床工作状况良好，进给空载精确，加工精度高，加工效率较高。

机床改造成功，既节省了资源又提高了效率。

这进一步说明了PLC在机械行业的广泛应用，开发大量机电技术相结合的产品和设备，是PLC的重要发展方向。

因此用PLC改造机床电气控制电路有着广阔的前景。

参考文献

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