基于X62W控制系统的PLC设计.docx
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基于X62W控制系统的PLC设计
西安航空学院
本科毕业设计（论文）
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摘要
铣床是一种能够在工件上加工多种表面的机床，它以铣刀的旋转为主运动，工件的运动为辅助运动，也称之为进给运动，铣床的加工能力很强，可以完成很多复杂表面的加工，效率比刨床高。
在许多涉及加工的行业中都有很多应用，与我们的生活息息相关。
但是随着时间的推移，老式铣床的电气控制系统逐渐暴露出了他们继电器控制的缺点，如控制复杂，故障频发等诸多问题，给铣床的安全运行和经济运行带来了十分不利的影响。
为了解决X62W铣床老式电气控制系统的问题，我对X62W铣床的电气控制部分用PLC技术进行了现代化改造，使用三菱FX2N-48MR可编程控制器实现了老式电气控制的作用，解决了老式控制电路的难题，提升了机床性能。
关键词
X62W万能铣床；继电器控制系统；PLC；改造
Abstract
Millingmachinecapableofprocessingavarietyofmachinetoolontheworkpiecesurface,itisarotarycutterbasedmovement,movementoftheworkforthesecondarymotion,alsoknownasneartothemotion,millingmachineprocessingcapacityisverystrong,youcandoalotmachiningcomplexsurfaces,theefficiencyishigherthanplaner.Inmanyindustriesinvolvedinprocessingithasmanyapplications,andourlives.
Butastimegoesby,theoldmillingmachineelectricalcontrolsystemgraduallyexposedtheshortcomingsoftheirrelaycontrol,suchascontrolofcomplexfault-prone,andmanyotherissues,tothesafeoperationofmillingandeconomicoperationhasbroughtaverynegativeimpact.InordertosolveX62Wmillingoldelectricalcontrolsystem,X62WmillingmachineelectricalcontrolpartofthemodernizationwithPLCtechnology,MitsubishiFX2N-48MRprogrammablecontrollerimplementsfashionedelectricalcontrolroleinaddressingtheoldcontrolcircuitproblems,improvethemachineperformance.
Keywords
X62Wuniversalmillingmachine;Electricalcontrolsystem;ProgrammableLogicController;Transform
前言
自20世纪六十年代出现可编程控制器以来，传统的继电器控制一直在受到冲击。
因为PLC技术具有与生俱来的的技术优势，所以PLC技术在工业领域获得了广泛的推广和应用。
随着PLC技术的深入应用，其技术本身也获得了长足的发展，功能在不断丰富，作用在不断增强。
铣床是一种能够在工件上加工多种表面的机床，但是随着时间的推移，老式铣床的电气控制系统逐渐暴露出了他们继电器控制的缺点，对铣床的安全性和经济性都带来了很大的影响，因此，采用可编程控制器的控制系统来替代老式继电器控制系统是时代的潮流。
本论文主要讲述了X62W万能铣床的基本工作原理和各个电路的电气控制原理，并且介绍了进行PLC现代化改造的具体步骤，外部接线图，梯形图，PLC语句表等等，从而通过改造来解决老式电气控制系统的问题，进而提升整个电气控制系统的性能。
让老式的万能铣床在现代化的社会中发挥更大的作用。
第一章铣床
1.1铣床国内外研究状况和发展趋势
美国人E.惠特尼在1818创建了世界上第一个卧式铣床，这是一个开创性的发明。
之后人们为了完成更精密更复杂的加工，于十九世纪中叶由JR.布朗发明了第一台万能铣床，这一创新成为现代起升平台铣床的原型。
1884年龙门铣床在美国出现，引起了全世界机械加工领域新的风潮。
1920年出现了半自动铣床，半自动铣床的特点是能利用工作台上的挡块完成快速进给的自动转换。
在1950年以前，大部分铣床的控制系统还是传统的继电器控制系统，继电器控制系统缺点很多，主要突出在连线多连线复杂上、还有巨大的体积、很高的功耗，而且继电器控制系统控制速度低下，可靠性差、可维护性低。
并且在控制系统构成后想要再添加功能较为困难。
在1950年以后，伴随着模拟电子技术和数字电子技术的快速发展，铣床的电气控制系统也将先进技术应用到自身的发展中，模拟式数字式的控制系统改变了传统铣床的继电器电路控制方式。
特别是70年代数字控制系统和自动换刀系统的应用，使得铣床的加工范围从原本的铣削作业扩大到车铣刨多合一，并且数字化的控制系统带来了超乎寻常的加工精度，加工精度在原有的基础上提升了大约两个数量级。
在此期间，PLC技术因为其特有的优势逐步的进入到铣床的控制系统中来。
随着可编程序控制器技术的广泛应用和广泛应用，可编程序控制器技术被应用于铣床电气系统中，具有很多优点，如可编程控制器控制系统布线小，模块尺寸小，系统功耗低，运行速度快，而且其专为工业现场设计，可靠性高、可维护性高，部分PLC系统还可以对系统进行自查，随时将故障展示给操作人员，为现场维护和调试提供了极大的方便。
所以PLC控制系统逐渐代替传统铣床的继电器控制，成为了铣床控制系统的主流。
在未来随着信息化时代的广泛推进，数控编程将会广泛的应用于机床类设备的操作中，这将极大的缓解人们的工作负担，大大的释放劳动力。
在不久的将来，先进的数控编程铣床将逐步取代旧的手工操作。
随着科技的发展，对铣床操作人员的能力要求会越来越高，但是相应的生产效率也会大幅度提升。
1.2什么是铣床
1.2.1铣床的选型
图1-1X62W的含义图
X62W万能卧式铣床是一种多用途机床，并且有着比较高的加工精度。
在工业生产中X62W铣床应用广泛，应用于国民经济中的许多部门，但是其固有的继电器控制系统效率低下，故障率很高，将其原有的电气控制系统改为PLC控制可以提升控制系统的工作性能，增加系统的可靠性。
所以我选择X62W万能卧式铣床对其控制系统进行现代化改造，使其能更好的服务于生产。
1.2.2X62W万能铣床的特点
1.X62W万能铣床加工能力强，可以完成许多复杂型面的加工。
2.X62W万能铣床加工精度不低，通过加工精度的升级可以带来产品质量改进。
3.X62W万能铣床的生产效率与普通机床相比有2-3倍的生产效率优势。
对于复杂零件，生产效率可提高数倍。
4.X62W万能铣床在机械加工制造的各个行业中都得到了较多的应用，在各种工业生产中都有着举足轻重的位置。
第二章X62W万能铣床的控制电路
2.1X62W万能铣床的电路特点及要求
1.主轴电机负责带动主轴旋转，进行主要的铣削工作。
顺逆铣方式在加工前进行选定，在加工时加工方向不能改变。
2.进给电动机负责提供进给运动所需要的动力，进车给电机旋转方向分为正向和反向，方向可以改变。
操作工作台进行上下、前后、左右六个方向的进给时，只需要扳动手柄即可完成。
3.冷却泵电机是冷却泵旋转的动力来源，冷却泵启动后铣削液经由冷却泵从冷却液储藏罐中被抽到加工现场去。
冷却泵电机和主轴电机采用顺序控制，只有当主轴电动机起动时冷却泵电机才能启动提供铣削液。
2.2X62W万能铣床器件选型
表2-1电机参数表
符号
名称
型号
规格
数量
作用
M1
主轴电动机
Y145-M-3-B2
5.5KW,380V,1550r/min
1
主轴动力源
M2
进给电动机
Y70L-4
2.25kw,380v,1250r/min
1
进给动力源
M3
冷却泵电动机
JCB-22
1250w,380v,2450r/min
1
冷却动力源
表2-2铣床元件型号
器件符号
实际名称
使用型号
技术规格
件数
实际作用
KM1
接触器
CJ0-50
30A,220V
1
主轴启动接触器
KM2
接触器
CJ0-50
30A,220V
1
主轴启动接触器
KM3
接触器
CJ0-30
15A,220V
1
进给电机正转接触器
KM4
接触器
CJ0-30
15A,220V
1
进给电机反转接触器
SB1,2
按键
LA4
绿色
2
主轴电机启动按钮
SB3,4
按键
LA4
黑色
2
工作台快速运动按钮
SB5,6
按键
LA4
红色
2
主轴电机停止按钮
SA1
开关
HZ1-20/E28
三极
1
主轴电机制动开关
SA2
SA3
转换开关
转换开关
HZ1-20/E28
HZ2-20/E28
三极
三极
1
1
圆工作台转换开关
冷却泵转换开关
SA4
转换开关
HZ2-20/E28
三极
1
照明灯转换开关
SQ1
限位开关
LX1-14K
开启式
1
主轴电机冲动开关
SQ2
限位开关
LX1-14K
开启式
1
进给电机冲动开关
SQ3-1
限位开关
LX2-147
单轮
1
向前进给、向下进给
SQ3-2
限位开关
LX2-147
单轮
1
向后进给、向前进给
SQ4-2
限位开关
LX2-147
单轮
1
向后进给、向上进给
SQ5-1
限位开关
LX2-147
单轮
1
向前进给、向下进给
SQ5-2
限位开关
LX2-135
单轮
1
工作台向右进给
SQ6-2
限位开关
LX2-135
单轮
1
工作台向左进给
QS
转换开关
HZ1-60/E26
三极
1
电源总开关
FR1
热继电器
JRQ-60
13A,3A
1
主轴电机长过载保护
FR2
热继电器
JR10-30
2.5A,5A
1
进给电机长过载保护
FR3
热继电器
JR10-30
0.385A
1
冷却电机长过载保护
FU1
熔断器
RL3
40A
3
总电源短路保护
FU2
熔断器
RL3
20A
3
进给电路短路保护
FU3
熔断器
RL3
8A
2
控制电路短路保护
FU4
熔断器
RL3
6A
2
照明电路短路保护
TC1
变压器
BK-48
380/36V
1
控制电路变压器
TC2
变压器
BK-160
380/110V
1
照明电路变压器
YC1
电磁离合器
B1DL-VI
2.5KG
1
主轴制动电磁离合器
YC3
电磁离合器
B1DL-VI
2.5KG
1
快速进给电磁离合器
第三章X62W万能铣床传统继电器的电气控制原理
3.1电气原理图
图3-1visio电路图
X62W万能铣床的电气原理图控制电路图如图3-2所示。
图3-2visio控制电路图
3.2主电路控制原理分析
1.QS1是控制电路的总开关。
当QS1闭合时控制电路接通，各个电路得电开始工作。
2.电动机M1的过载保护器是热继电器FR1,电动机M2的过载保护器是热继电器FR2,电动机M3的过载保护器是热继电器FR3。
当当电路在长时间过载时，热继电器将断开保护电路。
3.主轴电动机M1：
当主轴电机M1启动后由其提供动力来带动铣刀旋转来进行铣削加工，主轴电机M1的旋转方向可以改变，但是要求旋转方向变换不频繁。
主轴电机正反转通过组合开关来控制。
4.进给电动机M2：
由进给电机M2来为六个方向的进给和圆工作台的正反转提供动力。
5．冷却泵电动机M3：
通过开关来控制冷却泵的启动或关闭。
冷却泵负责提供加工需要的铣削液，冷却泵电机M3与主轴电机M1采用顺序控制，只有当主轴电机M1启动后冷却泵电机M3才能运转。
6.由变压器TC1将380V的交流电转换为电磁离合器需要的36V的电压。
由变压器TC2将380V的交流电转换为接触器所需要的110V的电压。
由变压器TC3将380V的交流电转换为24V的照明电源。
3.3控制电路控制原理分析
3.3.1主轴电机M1的控制原理
图3-3主轴电机控制线路visio图
KM1是主轴电动机的启动开关，为两地控制，SB1,SB2分别可以控制主轴电机启动。
SB5,SB6是主轴电机的停止开关，同样为两地控制。
SQ1是主轴电机冲动开关。
SQ1是主轴变速的行程开关。
当主轴变速时，需要先将变速手柄压下到前面，再转动变速盘选择转速，最后将变速手柄推回原位。
在这两次推动变速手柄的过程中，行程开关SQ1都会被压下，这时SQ1的常开触点闭合，主轴电机启动继电器KM2得电，主轴电动机M1会正向转动一下，使变速后的齿轮易于啮合，这就是主轴的变速冲动。
3.3.2进给电机M2的控制原理
进给运动的先决条件是主轴电机处于启动状态下，如果主轴电机不启动后续所有的进给操作均无效。
所有的进给运动都是由进给电动机M2提供动力的。
工作台有上下、前后、左右六种方向的进给运动。
工作台的进给运动分为纵向的左右运动、横向的前后运动和垂直的上下运动。
SQ3-1和SQ5-1分别是圆工作台向前向下进给的开关，SQ4-1SQ6-1分别是圆工作台向后向上进给的开关，SQ5-2是控制圆工作台向右进给的开关，SQ6-2是圆工作台向左进给的开关。
图3-4工作台进给运动控制线路visio图
1.工作台向左、右进给运动的控制
工作台的纵向（左右方向）进给由纵向操作手柄控制，该手柄有三个位置：
向右、向左和中间。
将手柄扳到左边时，工作台向左移动，将手柄扳倒右边时，工作台向右移动。
2．工作台前、后及上、下进给运动的控制
工作台横向及垂直进给由十字手柄控制，该手柄也有两个，分别装在工作台左侧的前、后方。
十字手柄有：
前、后、左、右和中间五个位置。
与纵向进给操作一样，在扳动十字手柄压下行程开关SQ3、SQ4的同时，将工作台与横向运动或垂直运动的机械传动装置相联接。
SQ3-1、SQ5-1控制工作台向下或向前运动，SQ4-1、SQ6-1控制工作台向上或向后运动。
当将十字手柄扳向下或向前时，压下行程开关SQ3，SQ3-1常开触点闭合，魔接触器KM3得电，进给电动机M2通电转动，拖动工作台向下或向前移动。
3.工作台的快速移动
为了加快工作进程，工作台可以进行快速移动，操作过程如下：
在工作台进行进给时，按下快速移动按钮SB3（SB4），工作台按原进给方向快速移动，等到运动到相应位置时，松开快速进给按钮SB3（SB4），快速进给结束。
4.进给电动机的变速冲动
SQ2是进给变速冲动，在操作变速盘变速时，其连杆机构会瞬时压下行程开关SQ2，使SQ2-2常闭触点断开、SQ2-1常开触点闭合，接触器KM3短时得电，魔进给电动机M2瞬时转动一下，实现对进给变速的冲动。
图3-5圆工作台进给控制电路
5.圆工作台控制
控制圆工作台的电路如图3-5所示，此时工作台的六个方向进给操作手柄都应处在中间位置，按下主轴启动按钮，主轴转动的同时，进给电动机M2为圆工作台提供动力来单向转动。
如果要停止圆工作台的运动，按下主轴停止按钮SB3或SB4即可。
3.3.3冷却泵电动车机及照明电路的控制
为了防止在铣削过程中，工件因为温度导致变形产生生产误差，所以在铣床进行铣削工作时，可以启动冷却泵来为铣削工作提供冷却液来降温。
因为冷却工作在铣削工作进行后进行，所以冷却泵电机在主轴电机控制顺序后，也就是只有启动了主轴电机，冷却泵电机才能启动，SA3是冷却泵电机的开关。
因为加工工作在厂房内进行，所以工作条件可能会很暗，为了确保加工工作正常进行，工作车台照明是十分必要的，SA4是照明灯的开关，在工作台很暗时，可以打开照明灯来提供照明。
第四章X62W万能铣床基于PLC改造的具体设计
4.1可编程控制器的选型
三菱F
系列可编程控制器功能强大，设计紧凑，拓展性强，经济性好，低使得三菱F
系列PLC可以近乎完美地满足小规模的控制要求，所以本次设计选用三菱F
系列PLC。
本次改造共设有输入点13个（SB1~SB6三个，SA1、SA2两个，FR1~FR3两个，SQ1~SQ6六个），输出点数为6点（KM1、KM3、KM4、YC1、YC2、YC3）。
最终PLC选型为三菱FX2N-48MR
三菱FX2N
是日本三菱公司于2010年推出的可编程控制器,它分别有24个输出点，和24个输入点，内置8KB（64字节）的用户存储器，这些性能十分满足我们的需要，而且它价格适中，不会对改造产生很大的经济压力。
并且加之学校实验台正好有数台三菱FX2N-48MR便于我们在设计完成后进行仿真实验，所以选择这个型号的PLC。
4.2控制电路改造后的外部接线图
图5-2X62W万能铣床的主电路图
改造完成后的外部接线图如下图所示
4.3I/O地址分配表
表5-1I/O地址分配表
I/O地址分配表分类
信号含义
现场信号
PLC线圈编号
输入信号
主轴启动开关
SB1,SB2
X000
工作台快速进给
SB3,SB4
X002
主轴停止开关
SB5,SB6
X004
换刀开关
SA1
X006
圆工作台开关
SA2
X007
主轴冲动
SQ1
X015
进给冲动
SQ2
X014
向前、下进给
SQ3
X012
向后、上进给
SQ4
X013
向右进给
SQ5
X010
向左进给
SQ6
X011
M1,M3短路保护
FR1,FR3
X017
M2短路保护
FR2
X016
输出信号
主轴启动接触器
KM1
Y000
M2正转接触器
KM3
Y001
M2反转接触器
KM4
Y002
主轴制动
YC1
Y004
常速进给
YC2
Y005
快速进给
YC3
Y006
4.4梯形图
根据X62W万能铣床的电气控制要求，我设计出了该电气控制系统的PLC控制梯形图，如图所示。
设计完成后的梯形图共有十条支路，在GXDEVELOPER三菱PLC程序开发软件上进行语法检查后无误，不存在双线圈问题。
改造后的梯形图完整的保留了原有继电器控制系统的逻辑内容，与继电器控制相比，结构简单，布线简洁，让人一目了然。
第1支路,主轴电动机启动控制。
当按下SB1主轴启动按钮即为X000，Y000线圈自锁，主轴电机成功启动。
第2支路,正常进给。
当SQ2进给冲动开关X014接通，或者SQ3-1、SQ5-1向前向下进给开关X012接通，或者SA2圆工作台开关X007接通，或者SQ4-1、SQ6-1工作台向后向上开关X013接通，Y001或者Y002线圈闭合，主轴电机正转或反转，正常进给成功。
第3支路,圆形工作台。
当主轴电动机M1启动后按下圆形工作台开关SA2即X007,Y001接通，接触器KM3得电,进给电动机M2正转。
在M1未启动时，M2不能启动。
第4支路,进给冲动。
当主车轴电动机M1启动后,按下进给冲动按钮SQ2即X014，则接触器KM3得电Y002接通,进给电动机M2启动正转,实现进给点动。
第5支路,进给正转。
即工作台向右、向前、向下的运动。
按下按钮SQ5-2工作台向右进给即X010，或按下按钮SQ3-1工作台向前进给即X012时,KM4常闭触点闭合,Y001闭合，进给电动车机M2启动正转。
第6支路,进给反转。
当按下按钮SQ6-2工作台向左进给即X011或按下SQ6-1工作台向上进给即X013时,Y002接通,进给电动车机M2开始反转。
第7支路,主轴制动。
在M1启动时，按下SA1主轴制动按钮即X006或按下SB5,SB6主轴停止开关即X004，Y004主轴制动输出。
第8支路,工作台快速进给控制。
在主车轴电机M1启动时，且进给电机M2也启动时，按下工作台快速移动按钮SB3（或SB4）即X002,线圈Y006输出，工作台开始快速进给。
4.5语句表
1
LDX000
29
ANIX010
2
ORY000
30
ANIX011
3
ANIX015
31
ANIX012
4
ANIX004
32
ANIX013
5
ORX015
33
ANDX014
6
ANIX006
34
OUTM2
7
ANIX017
35
LDX010
8
OUTY000
36
ORX012
9
LDIX014
37
ANDM0
10
ANIX012
38
ORM1
11
ANIX013
39
ORM2
12
LDIX007
40
ANIY002
13
ANIX010
41
ANIX016
14
ANIX011
42
OUTY001
15
ORB
43
LDX011
16
ANDY000
44
ORX013
17
ANIX007
45
ANDM0
18
OUTM0
46
ANIY001
19
LDY000
47
ANIX016
20
ANDX007
48
OUTY002
21
ANIX010
49
LDX004
22
ANIX011
50
ORX006
23
ANIX012
51
ANIY000
24
ANIX013
52
OUTY004
25
ANIX014
53
LDM2
26
OUTM1
54
ORX002
27
LDY000
55
ANDM1
28
ANIX007
56
OUTY006
4.6模拟仿真
将梯形图画好，检查有无双线圈错误，标注清楚元器件按钮名称。
更改连接COM端为COM2，并选择程序中的“MAIN”选项，在其前面打勾，单击执行按钮，软件将会把程序写入到PLC中。
按照外部接线图将PLC与实验台接好，通过基本编程指令练习来验证程序是否成功。
经过验证，程序能够完整的表达铣床原有继电器控制逻辑。
结论
X62W是一种性能优异、用途广泛的铣床，但是其原有的继电器控制系统操作复杂，线路杂乱，给排除故障带来了很多困难，而且其原有的可拓展性非常低，给生产与维护带来了很大的困难
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