T68镗床的自动化改造设计论文Word文档格式.docx
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目录3
第1章绪论5
1.1选题的目的和意义5
1.2关于课题介绍和讨论5
1.2.1设计目标、研究内容和拟定解决的关键问题5
1.2.2题目的可行性分析5
1.3PLC的背景6
1.4PLC改造的思路6
第2章镗床的概况7
2.1T68卧式镗床主要结构及机械运动7
2.1.1T68卧式镗床主要结构7
2.1.2机械运动7
2．2T68机床电气原理分析8
2.3电气控制电路中的保护环节11
2.3.1概述11
2.3.2短路保护12
2.3.3镗床的联锁保护12
2.3.3.1手动与机动联锁12
2.3.3.2限速保护12
2.3.3.3正反转电气联锁12
2.4电气控制改造13
2.4.1卧式镗床电力拖动及控制要求13
2.4.2T68卧式镗床改造的目的13
2.4.3T68卧式镗床改造方案的确定13
2.4.4T68卧式镗床的电气元件表14
2.4.5PLC的I/O口分配15
2.4.6PLC硬件接线图17
第5章梯形图分析19
第6章T68镗床自动送料PLC设计23
结论25
致谢26
参考文献27
第1章绪论
1.1选题的目的和意义
T68镗床是在机械加工中应用非常广泛的镗床，目前镗床的发展走向信息化、自动化，因此对一部分传统的镗床改造设计能够提高对原有设备的利用率和智能化，利用PLC改造传统式的镗床的电气系统，摒弃了采用传统继电气控制，非常复杂，因此维修复杂，故障率高，加大了成本投入，也影响了机器的使用寿命。
采用PLC控制可以大大简化这一步，不仅如此，而且十分方便安装，没有了原有的高故障率，降低了成本，提高了生产效率，并为企业提供一条技术革新、节省成本的方法。
因此，高效地对传统镗床改造，甚至是在传统镗床的基础上提高设备的利用率，对目前的企业生产具有重大的意义。
也将成为以后镗床发展的方向。
1.2关于课题介绍和讨论
1.2.1设计目标、研究内容和拟定解决的关键问题
完成对T68机床的整个控制系统的设计改造，控制核心是PLC，并使其加工精度进一步提高，加工范围扩大，控制更方便更可靠。
研究内容：
（1）T68的电气控制系统（PLC）硬件电路设计和在机床上的布局。
（2）PLC程序的编制。
（3）PLC控制的自动进料装置
解决的关键问题：
PLC对机床各个工作部分的可靠控制电气电路的安全问题的解决
1.2.2题目的可行性分析
虽然目前数控机床以其良好的加工性能得到了人们的肯定，但是其昂贵的价格是一般用户望尘莫及的，所以改造现有的机床以达到使用要求是比较现实的，也是必须的。
经过实践证明这样的改造是可以满足大多数情况下的精度和其他加工要求，并且在实践中已取得的相当好的效益。
1.3PLC的背景
可编程控制器简称PLC，PLC=ProgrammableLogicController，主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器，它是自动控制技术与通讯技术有机结合的产品。
PLC专为在工业环境应用而设计的，是工厂自动化的支柱之一。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
是工业控制的核心部分。
可编程序控制器适应工业环境，简单易懂、操作方便，是可靠性较高的新一代通用控制装置，其特点为：
（1）可靠性高，抗干扰能力强。
（2）适应性强，应用灵活。
（3）编程方便，易于接受。
（4）控制系统设计、安装、调试方便。
（5）维修方便，维修工作量小。
（6）功能完善。
1.4PLC改造的思路
通过对T68镗床自身的电气硬件部分接线的了解，深入的了解T68镗床的工作原理及其运动方式和过程。
按照其接线画出电气控制原理图，并且对其进行进一步分析，将所有的机械动作原件（接触器、继电器、按钮等）转换成以PLC的软件控制（即软触点换成硬触点）。
然后编写控制程序，设计出与原有电气部分控制的工作原理相同的PLC梯形图。
最后根据设计的梯形图，进行分析，模拟出运行结果即本次课程的成果。
最后再额外添加自动进料手臂，并且也用PLC控制实现其工作。
第2章镗床的概况
2.1T68卧式镗床主要结构及机械运动
2.1.1T68卧式镗床主要结构
镗床是一种精密加工机床，主要用于加工精密圆柱孔，这些孔的轴线往往要求严格地平行或垂直。
相互间的距离也要求很准确，镗床本身刚性好，其可动部分在导轨上活动间隙很小，而且有附加支撑。
卧式镗床用于加工各种复杂大型工件，如箱体零件、机床等，是一种功能很大的机床。
除了镗孔外，还可以进行钻、扩、绞孔以及车削内外螺纹，用丝锥攻螺纹，车外圆柱面和端面。
卧式镗床外形结构如图中所示：
1.床身2.前立柱3.主轴箱4.尾筒工作台5.下滑座6.上滑座7.工作台8.后立柱9.悬挂按钮站10.固定按钮站
2.1.2机械运动
镗杆的旋转运动；
主轴箱垂直进给运动；
工作台纵向进给运动；
工作台横向进给运动；
镗杆的轴向运动；
平旋盘的旋转运动；
平旋盘径向刀架进给运动；
辅助运动：
主轴箱、工作台在进给方向的快速调位运动，后立柱纵向调位运动，后支架的垂直调位运动，工作台的转位运动。
这些辅助运动可以手动，也可以由快速电动机转动。
2．2T68机床电气原理分析
1.主电路分析：
主轴电机M1：
KM1、KM2用于主轴电机的正、反转控制
KM4、KM5用于高速YY连接高
快速移动电机M2：
KM6、KM7作主轴进给和工作台进给的正、反转控制。
2.控制电路分析：
主轴电动机正反转控制
（1）主轴电动机的正向启动:
按下正转启动按钮SB2,中间继电器KA1线圈获电吸合,KA1常开触头闭合,接触器KM3线圈得电（此时位置开关SQ3合SQ4已被操纵手柄压合）,KM3住触头闭合,将制动电阻R短接,而KM3常开辅助触头闭合,接触器KM1线圈获电吸合,KM1主触头闭合,接通电源。
KM1的常开触头闭合，KM4线圈获电吸合，KM4主触头闭合，电动机M1接成△正向启动，空载1500r/min。
主轴电动机的反向启动:
反转是只需按下反转启动按钮SB3动作原理同上，所不同的是中间继电器KA2和接触器KM2获电吸合。
（2）主轴电动机M1的点动控制
按下正向点动启动按钮SB4，接触器KM1线圈获电吸合，KM1常开触头闭合，接触器KM4线圈获电吸合。
这样，KM1和KM4的主触头闭合，便使电动机M1接成△并串联电阻R点动。
同理，按下反向点动按钮SB5，接触器KM2和KM4线圈获电吸合，M1反向点动。
（3）主轴电动机M1的停车制动
假设电动机M1正转，当速度达到120r/min以上时，速度继电器KS常开触头闭合，为停车制动作好准备。
若要M1停车，就按SB1，则中间继电器KA、KM1和接触器KM3断电释放，KM3常开触头断开，KM1线圈断电释放，KM4线圈也断电释放，由于KM1和KM4主触头断开，电动机M1断电作惯性运转。
紧接着，接触器KM2和KM4线圈获电吸合，KM2和KM4主触头闭合，电动机M1串电阻R反接制动。
当转速降至120r/min以下时，速度继电器KS常开触头断开，接触器KM2和KM4断电释放，停车反接制动结束。
如果电动机M1反转，当速度到达120r/min以上时，速度继电器KS常开触头断开，为停车制动作好准备。
以后的动作过程与正转制动时相似。
（4）主轴电动机M1的高、低控制，若选着电动机M1在低速（△接法）运行，可通过变速手柄使变速行程开关SQ处于断开位置，相应的时间继电器KT线圈断电，接触器KM5线圈也断电，电动机M1只能由接触器KM4接成△连接。
如果需要电动机在高速运行，应首先通过变速手柄使限位开关SQ7压合，然后按正转启动按钮SB2（或反转启动按钮SB3）KA1线圈（反转时应为KA2线圈）获电吸合，时间继电器KT和接触器KM3线圈同时获电吸合。
由于KT两幅触头延时动作，故KM4线圈先获电吸合，电动机M1接成△低速启动，以后KT的常闭触头延时断开，KM4线圈断电释放，KT的常开触头演示闭合，KM5线圈获电吸合，电动机M1成YY连接，以高速运行。
（5）主轴变速及进给变速控制。
本机床主轴的各种速度是通过变速操纵盘以改变传动比来实现的。
当主轴在工作过程中欲要变速，可不必按停止按钮，而可直接进行变速。
设M1原来运行在正转状态，速度继电器KS早以闭合，将主轴变速操纵盘的操作手柄拉出，与变速手柄有机械机械联系的行程开关SQ3不再受压而断开，KM3和KM4线圈先后断电释放，电动机M1断电，由于行程开关SQ3常闭触头闭合，KM2和KM4线圈获电吸合，电动机M1串接电阻R反接制动、等速度继电器SR2常开触头断开，M1停车，便可转动变速操纵盘进行变速。
变速后，将变速手柄推回原位，SQ3重新压合，接触器KM3、KM1和KM4线圈获电吸合，电动机M1启动，主轴以新选定的速度运转。
变速时，若因齿轮卡主手柄推不上时，此时变速冲动行程开关SQ6被压合，速度继电器的常闭触头SQ2已回复闭合，接触器KM1线圈获电吸合，电动机M1启动。
当速度高于120r/min时，KS常开触头又断开，KM1线圈断电释放，电动机又断电，当速度降到120r/min时，KS常闭触头又闭合了，从而又接通低速旋转电路而重复上述过程。
这样，主轴电动机就被间歇地启动和制动而低速旋转，以便齿轮顺利撮合。
知道齿轮撮合好，手柄推上后压下行程开关SQ3,松开SQ6,将冲动电路切断。
同时，由于SQ3的常开触头闭合，主轴电动机启动旋转，从而主轴获得所选定的转速。
进给变速的操作和控制欲主轴变速的操作和控制相同。
只是在进给变速时，拉出的操作手柄是给变速操纵盘的手柄，与该手柄有机械联系的是行程开关SQ4，进给变速冲动的行程开关是SQ5。
（6）快速移动电动机M2的控制，主轴的轴向进给、主轴箱（包括尾架）的垂直进给、工作台的纵向和横向进给等的快速移动，是由电动机M2通过齿轮、齿条来完成的。
快速手柄扳到正向快速位置时，压合行程开关SQ8，接触器KM6线圈获电吸合，电动M2正转启动实现快速正向移动。
将快速手柄扳到反向快速位置，行程开关SQ7被压合，KM7被压合，KM7线圈获电吸合，电动机M2反向快速移动。
（7）联锁保护装置。
为了防止在工作台或主轴箱自动快速进给时，将主轴进给手柄扳到自动快速进给的错误操作，就采用了与工作台和主轴箱进给手柄有机械联接的行程开关SQ1（在工作台后面）、当上述手柄扳在工作台（或主轴箱）自动快速进给的位置时，SQ1被压断开。
同样，在主轴箱上还有装有另一个行程开关SQ2，它与主轴进给手柄有机械联接，当这个手柄动作时，才可以启动。
如果工作台（或主轴箱）在自动进给（此时SQ1断开）时，再将主轴进给手柄扳到自动进给位置（SQ2也断开），那么电动机M1和M2便都自动停车，从而达到联锁保护之目的。
2.3电气控制电路中的保护环节
2.3.1概述
电气控制系统除了能满足生产机械的加工工艺要求外，要想长期的正常的无故障的运行，还必须有各种保护措施。
保护环节是所有机床电气控制系统不可缺少的组成部分，利用它来保护电动机、电气控制设备以及人身安全等。
电气控制系统中常用的保护环节有过载保护、短电流保护、零电压和欠电压保护以及弱磁保护等。
T68A卧式镗床的电气控制部分同样需要具备一些保护环节。
2.3.2短路保护
电动机绕组的绝缘、导线的绝缘损坏或线路发生故障时，造成短路现象，产生短路电流并引起电气设备绝缘损坏和产生强大的电动力使电气设备损坏。
因此在产生短路现象时，必须迅速的将电源切断。
常用的短路保护元件有熔断器和自动开关，在T68A卧式镗床的电气控制系统中用到的是熔断器的保护。
熔断器的熔体串联在电气控制系统中的主电路部分，在控制电路部分有一个单相的熔断器对其进行保护，当电路发生短路或严重过载时，熔体自动熔断，从而切断电路，达到保护的目的。
使用低压断路器来实现短路保护比熔断器好，因为当三相电路短路时，很可能只有一相的熔断器熔断，造成单相运行。
对于低压断路器来说，只要造成短路都会使开关跳闸，将三相同时切断。
但它结构复杂，操作频率低，价格高，因此适用于要求较高的场合。
2.3.3镗床的联锁保护
2.3.3.1手动与机动联锁
采用手动进给，是将手动手轮放在“微动”位置，不允许“快速”或机动进给。
当手轮在微动位置，压动行程开关SQ6，SQ6的常闭触头断开，KM5、KM6不能得电，因而不能快速移动，若手柄放在机动位置，由于压动了行程开关SQ24，SQ24的常闭触头断开，主电动机M1控制电路断开，不能机动进给。
2.3.3.2限速保护
平旋盘工作时，转速应被限制在
以下。
主轴、主轴箱、上滑座、下滑座的正反向快速运动都有限位保护，采用限位开关SQ9~SQ16，可防止快速移动机构超过极限位置。
2.3.3.3正反转电气联锁
为防止正反转接触器的触点在可逆转换时同时闭合而造成电源短路，应有使两个吸引线圈不能同时通电的电气联锁，或同时辅以不许正反转接触器同时吸合的机械联锁，而这一点通过PLC的编程来实现。
2.4电气控制改造
2.4.1卧式镗床电力拖动及控制要求
1.主轴应有较大调速范围，要求恒功率调速，采用机电联合调速；
2.变速时，为使滑移齿轮能顺利进行啮合位置，应有低速或断续变速冲动；
3.主轴能作正反转低速点动调整，要求对主轴电动机实现正反转及点动控制；
4.为使主轴迅速准确停车，主轴电动机应有机械制动；
5.主运动与进给运动由一台主轴电动机拖动由各自传动链运动，主轴和工作台除工作进给外，还应有快速移动由另一台快速移动电动机拖动；
6.镗床运动部件多，设置必要的联锁和保护。
2.4.2T68卧式镗床改造的目的
对T68镗床的电气控制线路进行了分析与研究后,T68镗床具有主轴转速高、调速范围宽等功能外；
T68镗床的电气控制系统,还存在控制线路上一些复杂性、故障率高、维护工作量大、可靠性差、灵活性差等缺点;
给生产与维护带来诸多不便，严重地影响生产。
采用可编程序控制器（PLC）对T68镗床传统的电气控制系统进行改造,在实际生产线上有着明显的效率，这也使整个生产系统带来推动的力量。
PLC对T68镗床控制改造的设计梯形图,提高了T68镗床电气控制系统的可靠性和抗干扰能力；
然而PLC对T68镗床的继电器接触式控制系统进行技术改造,从而保证了电控系统的快速性、准确性、合理性,更好地满足了实际生产的需要,提高了经济效益。
本设计在手法上采用模块化结构，运用图解的方法，意图为主，以文为辅。
本设计对梯形图的每个梯级和语句表的每个语句都添加注解说明，解释和说明该梯级和语句的作用，并且用电路工作过程图与电器元件和编程元件动作顺序表相结合的方法来说明PLC的控制过程。
2.4.3T68卧式镗床改造方案的确定
1原镗床的工艺加工方法不变；
2在保留主电路的原有元件的基础上，不改变原控制系统电气操作方法；
3电气控制系统控制元件（包括按钮、行程开关、热继电器、接触器），作用与原电气线路相同；
4主轴和进给起动、制动、低速、高速和变速冲动的操作方法不变；
5改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC编程实现。
采用PCL实现电气控制时，照明、电源指示灯、低压备用电源插座及控制电源变压器及相关电路保持原电路配置连接。
其中按钮、速度继电器、行程开关为PLC的输入设备，接触器线圈为PLC的输出设备。
经过处理一共有13个输入点，7个输出点，又因为三菱的品牌的PLC在市场上被广泛使用且价格便宜，适用于经济型的PLC改造，所以本次改造课题中，选用三菱FX2N-32MR的PLC。
2.4.4T68卧式镗床的电气元件表
T68镗床PLC改造元器件选择表
序号
名称
规格与型号
数量
1
断路器
C65N/3PD型32A
2
交流接触器
CJ20—16220V
7
3
热继电器
JR16—20/3整定电流10—16A
4
按钮
LA18—22红
5
LA18—22绿
6
可编程控制器
三菱FX2N-32MR
行程开关
JLXK1—411
10
8
信号灯
AD11—25/20220V红
9
主轴电动机
M1
快速移动电机
M2
2.4.5PLC的I/O口分配
输入/输出点分配表
输入
输出
元件名称、代号
输入点
输出点
主轴停、制动
SB1
X0
主轴正转
KM1
Y1
SB2
X1
主轴反转
KM2
Y2
SB3
X2
主轴制动
KM3
Y3
主轴正转点动
SB4
X3
主轴低速
KM4
Y4
主轴反转点动
SB5
X4
主轴高速
KM5
Y5
主轴转速切换
SHY
X5
工作台快速正转
KM6
Y6
SP1与SP2常开并联
X6
工作台快速反转
KM7
Y7
主轴转速、进给量变换
SQ1与SQ3常闭并联
X7
主轴正转中间单元
KA1
SQ1与SQ3常开串联
X10
主轴反转中间单元
KA2
SQ2与SQ4常开并联
X11
时间继电器KT
TIM
T0
工作台快速正转行程开关
SQ6
X12
工作台快速反转行程开关
SQ5
X13
速度继电器（正转）
SRZ
X14
速度继电器（反转）
SRF
X15
FR
X16
2.4.6PLC硬件接线图
2.4.7PLC梯形图程序
第5章梯形图分析
（1）主电动机的起动与停止控制
主电动机共有正向点动、反向点动、正向低速转动、反向低速转动、正向高速转动和反向高速转动六种运动方式。
1）主电动机的正向点动控制
按下正向点动按钮SB3，输入继电器I0.3得电，输出继电器Q0.1得电，同时输出继电器Q0.6也得电，交流接触器KMl、KM6通电吸合，其主触点闭合，接通电源。
这时，因为接触器KM7和KM8无电，所以主电动机定子绕组接成三角形。
又因为交流接触器KM3无电，所以限流电阻R串接入主电动机的电源电路中。
这样，主电动机定子绕组接成三角形，经限流电阻R接通三相电源，主电动机起动正向旋转。
松开正向点动按钮SB3，输入继电器I0.3断电，输出继电器Q0.1断电，同时输出继电器Q0.6也断电，接触器KMl和KM6断电释放，他们的主触点断开，切除电源，主电动机停转。
2）主电动机的反转点动控制
控制线路及其控制原理均和正向点动相似，只要把点动按钮SB3换成SB4，输入继电器I0.3换成I0.4，输出继电器Q0.1换成Q0.2，交流接触器KMl换成KM2即可。
3）主电动机正向低速转动控制
主电动机低速转动时，限位开关SQ的动合触点处于断开位置，SQ3和SQl处于闭合位置。
按下主电动机正向起动按钮SB1，输入继电器I0.1得电，内部继电器M0.1得电并自锁，输出继电器Q0.3得电，Q0.3与M0.1的得电，又使输出继电器Q0.1得电，Q0.1的得电，又使输出继电器Q0.6得电。
输出继电器Q0.3、Q0.1、Q0.6的相继得电，使接触器KM3、KMl和KM6得电。
KM3的主触点闭合，将限流电阻R短路。
KMl的主触点闭合，引入三相电源。
KM6的主触点闭合，接通主电动机M1的三相电源。
因为高速转动交流接触器KM7和KM8无电，所以主电动机定子绕组接成三角形，在全电压（不经限流电阻R）下起动正向低速旋转。
4）主电动机反向低速转动控制
控制线路及其控制原理均和正向低速转动时相似，只要把正向转动起动按钮SBl换成反向转动起动按钮SB2，输入继电器I0.1换成I0.2，内部继电器M0.1换成M0.2，输出继电器Q0.1换成Q0.2，接触器KMl换成KM2即可。
5）主电动机正向高速转动控制
需要主电动机高速转动时，通过变速机构的机械动作，将行程开关SQ的动合触点闭合．输入继电器I0.0得电，为时间继电器T37的得电作准备．
按下正向转动起动按钮SBl，输入继电器I0.1得电，内部继电器M0.1得电并自锁．输出继电器Q0.3、Q0.1、Q0.6得电，交流接触器KM3、KMl、KM6先后得电吸合，主电动机定子绕组接成三角形在全电压下正向低速转动。
Q0.3得电的同时，时间继电器T37得电．经过3秒左右的延时，时间继电器T37延时断开的动断触点断开，输出继电器Q0.6断电
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