T68型卧式镗床电控系统的PLC改造Word格式文档下载.docx

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进给运动为主轴的进给运动、平旋盘刀具溜板的径向进给运动，镗头架（主轴箱）的垂直进给运动、工作台的横向进给与纵向进给；

辅助运动为工作台的回转，后立柱的水平移动以及尾架的垂直移动。

1.2镗床国内外应用和发展趋势

近几年来，国内外卧式镗床和落地镗床的技术发展非常快,其特点是产品结构不断更新，新技术应用层出不穷，工艺性能复合化，速度、效率不断提高，突出精细化制造。

卧式镗床的发展以其注入加速度概念而倍受关注，为高速运行作技术支撑的传动元件电主轴、直线电机、线性导轨等得到广泛应用，将机床的运行速度推向了新的高度。

而主轴可更换式卧式镗加工中心的创新设计解决了电主轴与镗杆移动伸缩式结构各存利弊的不足，具有复合加工与一机两用的功效，也是卧式镗铣床的一大技术创新。

落地式镗床的发展以其新的设计理念引领现代加工的潮流，以高速加工为理念的无镗轴滑枕式、多种铣头交换使用的结构型式尽显风采，大有替代传统铣削加工的趋势。

以两坐标摆角铣头为代表的各种铣头附件成为实现高速、高效复合加工的主要手段，其工艺性能更广，功率更大，刚性更强，是落地镗床发展的一大突破。

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，从手动控制发展到由PLC控制；

在控制功能上，从简单控制发展到智能化控制；

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。

PLC（ProgrammableLogicController）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,使用了可编程序存储器以储存指令,用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算功能,并通过模拟和数字输入输出组件,控制各种机械或生产过程。

PLC以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、控制程序可变、体积小、质量轻、功能强和价格低廉等特点,在机械制造、冶金等领域得到了广泛的应用。

用PLC控制系统替代体积大、投资大、耗能大的继电器2接触器系统,是今后控制系统发展的趋势。

可编程控制器它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

模拟量控，在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

运动控制，PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

过程控制，过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。

PID处理一般是运行专用的PID子程序。

过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

数据处理，现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。

这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。

数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；

也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

通信及联网，PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。

随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。

新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

综上所述，当代卧式镗床与落地式镗床技术发展非常快，主要体现在设计理念的更新和机床运行速度及制造工艺水平有很大的提高，另一方面是机床结构变化大，新技术的应用层出不穷。

本设计将以T68卧式镗床为例，进行电控系统的PLC改造。

1.3T68卧式镗床的电控系统PLC改造的意义

在电气控制系统中，故障的查找与排除是非常困难的，这给生产与维护带来诸多不便。

随着工业自动化的发展，生产设备和自动生产线的控制系统必需具有极高的可靠性与灵活性，这就需要使用自动化程度高的控制系统来取代传统的控制系统。

基于这些问题,本课题通过用PLC控制系统取代了原来的T68镗床继电接触控制系统，使性能大为改善，自动化程度提高，生产效率得到了很大提高，并能很好地保证其加工精度。

系统运行稳定、可靠，满足生产工艺的要求；

同时，对其它同类设备的技术改造也有较大的参考价值，在工业上有广泛的应用前景。

2T68卧式镗床概述

2.1T68卧式镗床的运动特性、形式与主要结构

在介绍T68镗床运动特性之前，先看镗床各运动部的分布情况，如下图2-1所示：

图2-1T68卧式镗床结构图

床身是一个整体铸件，在它的一端固定有前立柱，在前立柱的垂直导轨上又安装有镗头架，镗头架可沿垂直导轨上下移动。

在镗头架里集中里装有主轴、变速箱、进给箱和操纵机构等部件。

切削刀具一般安装在镗轴前端的锥形孔里，或安装在平旋盘的刀具溜板上。

在切削过程中，镗轴一面旋转，一面沿轴向作进给运动，而花盘只能旋转，装在他上面的刀具溜板可作垂直主轴轴线方向的径向进给运动，镗轴和平旋盘轴分别通过各自的传动链传动，可以独立转动。

后立柱位于镗床床身的另一端，后立柱上的尾座用来支撑装夹在镗轴上的镗杆末端，它与镗头架同时升降，两者的轴线始终在同一水平直线上。

根据镗杆的长短，可通过后立柱沿床身水平导轨的移动来调整前、后立柱之间的距离。

有以上分析可知运动形式有：

（1）主运动：

主轴的旋转与平旋盘的旋转运动。

（2）进给运动：

主轴在主轴箱中的进出进给；

平旋盘上刀具的径向进给；

主轴箱的升降，即垂直进给；

工作台的横向和纵向进给。

这些进给运动都可以进行手动或机动。

（3）辅助运动：

回转工作台的转动；

主轴箱、工作台等的进给运动上的快速调位移动；

后立柱的纵向调位移动；

尾座的垂直调位移动。

T68镗床的主要结构有：

镗床在加工时，一般是将工件固定在工作台上，由镗杆或平旋盘上固定的刀具进行加工。

（1）前立柱：

固定地安装在床身的右端，在它的垂直导轨上装有可上下移动的主轴箱。

（2）主轴箱：

其中装有主轴部件，主运动和进给运动变速传动机构以及操纵机构。

（3）后立柱：

可沿着床身导轨横向移动，调整位置，它上面的镗杆支架可与主轴箱同步垂直移动。

如有需要，可将其从床身上卸下。

（4）工作台：

由下滑座，上滑座和回转工作台三层组成。

下滑座可沿床身顶面上的水平导轨作纵向移动，上溜板可沿下滑座顶部的导轨作横向移动，回转工作台可以上滑座的环形导轨上绕垂直轴线转位，能使要件在水平面内调整至一定角度位置，以便在一次安装中对互相平等或成一角度的孔与平面进行加工。

2.2T68卧式镗床的运行方式与电控要求

镗床的加工范围广，运动部件多，调速范围宽。

而进给运动确定了切削量，切削量又与主轴转速、刀具、工件材料、加工精度等有关。

所以一般卧式镗床主运动与进给运动由一台主轴电机拖动，由各自传动链传动。

为缩短辅助时间，镗头架上、下，工作台前、后、左、右及镗轴的进、出运动除工作进给外，还应有快速移动，由快速移动电机拖动。

T68卧式镗床控制要求是：

（1）主轴旋转与进给量都有较宽的调速范围，主运动与进给运动由一台电动机拖动，为简化传动机构采用双速笼型异步电动机。

（2）由于各种进给运动都有正反不同方向的运转，故主电机要求正、反转。

（3）为满足调整工作需要，主电动机应能实现正、反转的点动控制。

（4）保证主轴停车迅速、准确，主电动机应有制动停车环节。

（5）主轴变速与进给变速可在主电动机停车或运转时进行。

为便于变速时齿轮啮合，应变速低速冲动过程。

（6）为缩短辅助时间，各进给方向均能快速移动，配有快速移动电动机拖动，采用快速电动机正、反转的点动控制方式。

（7）主电动机为双速电机，有高、低两种速度供选择，高速运转时应先经低速启动。

（8）由于运动部件多，应设有必要的联锁与保护环节。

3T68卧式镗床的电气控制原理分析

3.1T68卧式镗床电路结构

（1）机床的主运动与进给运动共用一台双速电动机M1{5.5/7.5KW，（1440/2900）r/min}来拖动。

用主轴变速操作机构内的行程开关SQ控制时间继电器KT，用三个接触器KM4和KM5、KM6控制定子绕组的“Δ-YY”接线转换，以实现高、低速的转换。

低速时，电动机可直接启动。

高速时，采用先低速起动，而后自动转换为高速运行的二级控制，以减少起动电流。

（2）主电动机M1能逆运行，并可正、反向点动及反接制动，在点动、制动以及变速过程的脉动慢转时，线路中均串接限流电阻R，以减少起动和制动电流。

（3）主轴和进给变速均可在运行中进行。

只要进行变速，主电动机M1就脉动缓慢旋转，以利于齿轮的啮合。

主轴变速时，电动机的脉动旋转是通过行程开关SQ1和SQ2，进给变速是通过行程开关SQ3和SQ4以及速度继电器KR来共同完成。

（4）为缩短机床加工的辅助工作时间，主轴箱、工作台、主轴以单独的电动机M2（2.2KW）拖动起快速移动。

它们之间的机动进给有机械和电气联锁保护。

（5）为了保证准确选择所需运动（上滑座移动、下滑座移动、主轴移动、主轴箱升降、工作台回转），夹紧和松开由单独的主轴箱油泵电机M3（0.75Kw），工作台油泵电机M4（0.5kW）拖动。

3.2T68卧式镗床电气控制电路分析

3.2.1T68型卧式镗床电气控制系统原理图

图3-1为T68卧式镗床电气原理图。

3.2.2主电路分析

电源经低压断路器QF引入，M1为主电动机，由接触器KM1、KM2控制其正、反转；

KM6控制M1低速运转（定子绕组接成三角形，为4极），KM7、KM8控制M1高速运转（定子绕组接成双星形，为2级）；

KM3控制M1反接制动限流电阻。

M2为快速移动电机，由KM4、KM5控制其正反转。

热继电器FR作M1过载保护，热继电器FR1作M2过载保护。

图3-1T68卧式镗床电气原理图

3.2.3控制电路分析

由控制变压器TC供给110V控制电路电压，24V局部照明电压及6.3V指示电路电压。

（1）M1主电动机的点动控制

由主电动机正反转接触器KM1、KM2、正反转点动按钮SB3、SB4组成M1电动机正反转控制电路。

点动时，M1三相绕组接成三角形且串入电阻R实现低速点动。

以正向点动为例，合上电源开关QF，按下SB3按钮，KM1线圈通电，主触头接通三相正向序电源，KM1（4-14）闭合，KM6线圈通电，电动机M1三相绕组接成三角形，串入电阻R低速起动。

由于KM1、KM6此时都不能自锁故为点动，当松开SB3按钮时，KM1、KM6相继断电，M1断电而停车。

反向点动，由SB4、KM2和KM6控制。

（2）M1电动机正反转控制

M1电动机正反转由正反转起动按钮SB1、SB2操作，由中间继电器KA1、KA2及正反转接触器KM1、KM2，并配合接触器KM3、KM6、KM7、KM8、来完成M1电动机的可逆运行控制。

M1电动机起动前，主轴变速，进给变速均以完成，即主轴变速与进给变速手柄置于推合位置，此时行程开关SQ1、SQ3被压下，触头SQ1（10-1），SQ3（5-10）闭合。

当选择M1低速运转时，将主轴速度选择手柄置于“低速”档位，此时经速度选择手柄联动机构使高低速行程开关ST处于释放状态，其触头SQ（12-13）断开。

按下SB1，KA1通电并自锁，触头KA1（11-12）闭合，使KM3通电吸合；

触头KM3（5-18）闭合与KA1（15-18）闭合，使KM1线圈通电吸合，触头KM1（4-14）闭合又使KM6线圈通电。

于是，M1电动机定子绕组接成三角形，接入正向序三相交流电源全电压起动低速正向运行。

反向低速起动运行是由SB2、KA2、KM3、KM2和KM6控制的，其控制过程与正向低速运行相类似。

（3）M1电动机高低速的转换控制

行程开关ST是高低速的转换开关，即SQ的状态决定M1是在三角形接线下运行还是在双星形接线下运行。

SQ的状态是由主轴孔盘变速机构机械控制，高速时ST被压动，低速时SQ不被压动。

以正向高速起动为例，来说明高低速转换控制过程。

将主轴速度选择手柄置于“高速”档，ST被压动，触头SQ（12-13）闭合，按下SB1按钮，KA1线圈通电并自锁，相继使KM3、KM1和KM6通电吸合，控制M1电动机低速正向起动运行；

在KM3线圈通电的同时KT线圈通电吸合，待KT延时时间到，触头KT（14-21）断开使KM6线圈断电释放，触头KT（14-23）闭合使KM7、KM8线圈通电吸合，这样，使M1定子绕组由三角形接法自动换成双星形接线，M1自动由低速变高速运行。

由此可知，主电动机在高速档为两级起动控制，以减少电动机高速档起动时的冲击电流。

反向高速档起动运行，是由SB2、KA2、KM3、KT、KM2、KM6和KM7、KM8控制的，其控制过程与正向高速起动运行相类似。

（4）M1电动机的停车制动控制

由SB6停止按钮、KS速度继电器、KM1和KM2组成了正反向反接制动控制电路。

下面以M1电动机正向运行时的停车反接制动为例加以说明。

若M1为正向低速运行，即由按钮SB1操作，由KA1、KM3、KM1和KM6控制使M1运行。

欲停车时，按下停止按钮SB6，使KA1、KM3、KM1和KM6相继断电释放。

由于电动机M1正转时速度继电器KS-1（14-19）触头闭合，所以按下SB6后，使KM2线圈通电并自锁，并使KM6线圈仍通电吸合。

此时M1定子绕组仍接成三角形，并串入限流电阻R进行反接制动，当速度将至KS复位转速时KS-1（14-19）断开，使KM2和KM6断电释放，反接制动结束。

若M1为正向高速运行，即由KA1、KM3、KM1、KM7、KM8控制下使M1运转。

欲停车时，按下SB6按钮，使KA1、KM3、KM1、KT、KM7、KM8线圈相继断电，于是KM2和KM6通电吸合，此时M1定子绕组接成三角形，并串入不对称电阻R反接制动。

M1电动机的反向高速或低速运行时的反接制动，与正向的类似。

都是M1定子绕组接成三角形法，串入限流电阻R进行，由速度继电器控制。

（5）主轴及进给变速控制

T68卧式镗床的主轴变速与进给变速可在停车时进行也可在运行中进行。

变速时将变速手柄拉出，转动变速盘，选好变速之后，再将变速手柄推回。

拉出变速手柄时，相应的变速行程开关不受压；

推回变速手柄时，相应的变速行程开关压下，SQ1、SQ2为主轴变速用行程开关，SQ3、SQ4为进给变速用行程开关。

①停车变速由SQ1～SQ4、KT、KM1、KM2和KM6组成主轴和进给变速时的低速脉动控制，以便齿轮顺利啮合。

下面以主轴变速为例加以说明。

因为进给运动未进行变速，进给变速手柄处于推回状态，进给变速开关ST3、ST4均为受压状态，触头ST3（4-14）断开，SQ4（17-15）断开。

主轴变速时，拉出主轴变速手柄，主轴变速行程开关SQ1、SQ2不受压，此时触头SQ1（4-14），SQ2（17-15）由断开状态变为接通状态，使KM1通电并自锁，同时也使KM6通电吸合，则M1串入电阻R低速正向起动。

当电动机转速达到140r/min左右时，KS-1（14-17）常闭触头断开，KS-1（14-19）常开触头闭合，使KM1线圈断电释放，而KM2通电吸合，且KM6仍通电吸合。

于是，M1进行反接制动，当转速降到100r/min时，速度继电器KS释放，触头复原KS-1（14-17）常闭触头由断开变为接通，KS-1（14-19）常开触头由接通变为断开，使KM2断电释放，KM1通电吸合，KM6仍通电吸合，M1又正向低速起动。

由上诉分析可知：

当主轴变速手柄拉出时，M1正向低速起动，而后又制动为缓慢脉动转动，以利齿轮啮合。

当主轴变速完成将主轴变速手柄推回原位时，主轴变速开关SQ1、SQ2压下，使SQ1、SQ2常闭触头断开，SQ1常开触头闭合，则低速脉动转动停止。

进给变速时的低速脉动转动与主轴变速时相似，但此时起作用的是进给变速开关SQ3和SQ4。

②运行中变速控制。

主轴或进给变速可以在停车状态下进行，也可以在运行中进行变速。

下面以M1电动机正向高速运行中的主轴变速为例，说明运行中变速的控制过程。

M1电动机在KA1、KM3、KT、KM1和KM7、KM8控制下高速运行。

此时要进行主轴变速，欲拉出主轴变速手柄，主轴变速开关SQ1、SQ2不再受压，此时SQ1（10-11）触头由接通变为断开，SQ1（4-14）、SQ2（17-15）触头由断开变为接通，则KM3、KT线圈断电释放，KM1断电释放，KM2通电吸合，KM7、KM8断电释放，KM6通电吸合。

于是M1定子绕组接为三角形联结，串入限流电阻R进行正向低速反接制动，使M1转速迅速下降，当转子下降到速度继电器KS释放转速时，又由KS控制M1进行正向低速脉动转动，以利齿轮啮合。

待推回主轴变速手柄时，SQ1、SQ2行程开关压下，ST1常开触头由断开变为接通状态。

此时KM3、KT和KM1、KM6通电吸合，M1先正向低速（三角形联结）起动，后在时间继电器KT控制下，自动转为高速运行。

由上述可知，所谓运行中变速是指机床拖动系统在运行中，可拉出变速手柄进行变速，而机床电气控制系统可使电动机接入电气制动，制动后又控制电动机低速脉动旋转以利齿轮啮合。

待变速完成后，推回变速手柄又能自动启动运行。

（6）快速移动控制

主轴箱、工作台或主轴的快速移动，由快速手柄操纵并联动SQ7、SQ8行程开关，控制接触器KM4或KM5，进而控制快速移动电动机M2正反转来实现快速移动。

将快速手柄扳在中间位置，SQ7、SQ8均不被压动，M2电动机停转。

若将快速手柄扳到正向位置，ST7压下，KM4线圈通电吸合，M2正转，使相应部件快速移动。

反之，若将快速手柄扳到反向位置，则SQ8压下，KM5线圈通电吸合，M2反转相应部件获得反向快速移动。

3.3T68卧式镗床采取单位保护措施

T68卧式镗床电气控制电路具有完善的联锁与保护环节：

（1）主轴箱或工作台与主轴机动进给联锁。

为了防止在工作台或主轴箱进给时出现将主轴或平旋盘刀具溜板也扳到机动进给的误操作，安装有与工作台、主轴箱进给操作手柄有机械联动的行程开关SQ5，在主轴箱上安装了与主轴进给手柄、平旋盘刀具溜板进给手柄有机械联动的行程开关SQ6。

若工作台或主轴箱的操纵手柄扳在机动进给时，压下ST5，其常闭触头SQ5（3-4）断开，若主轴或平旋盘刀具溜板进给操纵手柄扳在机动进给时，压下SQ6，其常闭触头SQ6（3-4）断开，所以，当这两个进给操作手柄中的任何一个扳在机动进给位置时，电动机M1和M2都可起动运行。

但若两个进给操作手柄同时扳在机动进给位置时，SQ5、SQ6常闭触头都断开，切断了控制电路电源，电动机M1、M2无法起动，也就避免了误操作造成事故的危险，实现了联锁保护作用。

（2）M1电动机正反转控制、高低速控制、M2电动机的正反转控制均设有互锁控制环节。

（3）熔断器FU1～FU4实现短路保护；

热继电器FR实现M1过载保护；

电路采用按钮、接触器或继电器构成的自锁环节具有欠电压与零电压保护作用。

4T68卧式镗床PLC改造

4.1PLC的选择

随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多，而且功能也日趋完善。

其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等各有所不同，适用的场合也各有所侧重。

因此，合理的选择PLC，对于提高PLC控制系统技术经济指标有着重要意义。

PLC的选择原则如下：

（1）PLC机型选择

机型选择基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳性能价格比。

其中包括：

合理的结构形式、安装方式的选择、相当的功能要求、响应速度的要求、系统可靠的要求和机型统一的要求。

（2）PLC容量的选择

PLC的容量包括I/O点数和用户存储容量两个方面。

（3）I/O模块的选择

不同的I/O模块其电路及功能也不同，会直接影响PLC的应用范围和价格。

在选择时包括对开关量输入模块的选择，例如：

输入信号类型极电压等级、输入接线方式、同时接通输入点数量。

对开关量输出模块选择，例如：

输出方式、输出接线方式、输出电流选择、同时接通输出点数量和最大负载电流和负载类型。

（4）电源模块及其外设的选择

主要包括：

电源模块的选择、编程器的选择、写入器的选择。

根据图3-1可知,主要对主电机、快速电机进行控制。

为了使设计整体化，本设计只对电气控制电路部分进行PLC改造，因此手动控制镗床照明灯EL的线路和通电指示灯HL的电路用外接电路解决,不必通过PLC控制。

采用S7-200型PLC控制系统取代T68电气控制线路,主电机与快速电机的主电路仍采用图3-1的主电路。

对主轴电动机的具体控制要求是:

正反向点动控制,正反向长动低速控制,正反向长动高速控制,低速正转停车控制,低速反转停车控制,高速正反转停车控制，主轴、进给变速脉动控制。

有过载和短路保护。

对进给、快速移动电动机的具体控制要求是:

正反转控制,短路保护。

在图3-1中的开关器件（SB1、SB2等）等对应PLC面板接口；

对T68镗床的电气控制要求的分析，确定PLC输入的信号有16个,PLC输出给外部的信号有14个,根据S7-200-CPU226的最大I/O配置,它具有24个输入口和16个输出口，输出口为继电器型，其性能完全满足T68卧式镗床的工作