基于PLC的XA6132卧式铣床电气控制系统设计.docx
《基于PLC的XA6132卧式铣床电气控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的XA6132卧式铣床电气控制系统设计.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于PLC的XA6132卧式铣床电气控制系统设计
基于PLC的XA6132卧式铣床电气控制系统设计
【摘要】
本论文主要阐述了可编程控制器（plc）在XA6132万能铣床数控化改造中的技术应用问题，利用plc的自身特性解决传统继电器-接触器电器控制系统存在的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难题.
由于plc电气控制系统与继电器-接触器电器控制系统相比,具有结构简单、编程方便、调试周期短、可靠性高、抗干扰能力强、故障率低、对工作要求环境低等一系列优点.因此,本论文对XA6132万能铣床的数控改造,将把plc控制技术应用到改造方案中去,从而大大提高铣床的工作性能.论文分析了铣床的控制原理,制定了可编程控制器改造XA6132万能铣床电气控制系统的设计方案,完成了电气控制系统硬件和软件的设计.其中包括plc机型的选择、I/O端口的分配、I/O硬件接线图的绘制、plc梯形图程序的设计、对plc控制铣床的工作过程作了详细的阐述.论述了采用plc取代传统继电器-接触器电器控制系统从而提高机床工作能力的方法,给出了相应的控制原理图。
1绪论
1.1机床数控化改造是工艺设备更新的基本途径
一个企业要想在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展,他必须是能在最短的时间里以优异的质量、低廉的成本,制造出符合市场需求的、性能合适的产品.判断市场上产品的变化,决定近期或较长期的生产安排,主动调整产品的结构,生产适销对路和技术附加值高的产品,主要取决于决策者的敏锐观察和果断决心,要是产品的性能完美,设计出参数合理、性能优良、操作方便的产品,主要取决于设计者的素质和能力;产品质量的优劣、制造周期的长短、生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响.现代化的加工设备能高效率、高质量、低成本的加工出所需的零件.当今科学技术飞速前进,尤其是计算机技术和为电子技术的迅猛发展,机和电相互融合、渗透,促使机电一体化产品的相继涌现.在机床行业中,数控机床的诞生、迅速的发展、不断的完善、广泛地应用就是其例证.当前,机床的数控化率已成为衡量一个国家机床工业水平的重要标志.
我国的机械制造水平与发达国家相比差距很大.目前,我国平均单机的生产效率只有美、日等国的1/10，全员劳动生产率约为他们的1/25。
设备役龄长、技术水平落后使其原因之一.为改变落后现状,采用先进的工艺设备,包括采用数控机床,逐步增加数控机床所占的比重,已成为我国制造技术发展的总趋势,由于零件的类型、形状、尺寸和用途差异很大,零件的加工批量相差悬殊,零件的加工质量和精度要求有显著的不同,因此,机械制造业需要不同类型的数控机床和高、中、低档的不同层次的数控机床.购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径;改造旧机床、配置数控系统,把普通的旧机床改造成数控机床也是提高数控化率的途径.
1.2机床数控化改造的条件
X旧机床能够改造成数控机床,但并非所有的旧机床都可以改造成数控机床,衡量是否可以改装的主要标准是机床基础件的刚性的改装的经济性.（内容用小四号宋体，论文字间距设置为：
标准。
行间距设置为：
固定值20磅）
（1）机床基础件必须是具有足够的刚性数控机床属于高精度的机床,工件的移动或刀具移动的位置精度要求都很高,一般在0.001~0.01mm高的定位精度和运动精度要求机床基础件具有很高的静刚度和动刚度.基础件不稳定,受力后容易变形的旧机床都不可以改装成数控机床.
机床数控化改造的费用合适,经济性好,机床数控改装分两部分进行:
一是维修机械部分,更换或修理磨损的零件,测试大型基础零件,增加新的功能装置,回复或提高机床的精度和性能;用新的数控系统和相应的配置来代替老的.改造总费用也是由机械维修和增加数控系统两部分组成,机械改造的费用与旧机床原有零件利用的多少有着密切的关系.数控系统的价格队新、旧机床都一样.若机床数控化改造的总费仅为董雷规格设备价格的50%~60%时,该机床数控改造在经济上才是合算的.但由于数控系统本身价格较高,从经济效果考虑,大、中、小型机床,尤其是重型机床,最合适数控改造.
2XA6132型卧式万能铣床的基本结构和控制要求
XA6132型万能卧式铣床由床身、悬梁、万杆支架、升降台等部分组成.铣床的主要运动形式有主轴（带动刀具）旋转运动和工作台（固定工件）的进给运动,两种运动分别用两台电动机（M2、M3）拖动.主轴所带铣刀的旋转运动有顺铣和逆铣两种工作方式,升降台分为巨型和圆形两层结构,巨型工作台可实现工作台纵向、横向、和垂直三种直线进给运动,对应左右、前后、上下、六个移动方向.装有圆工作台的万能铣床还有回转运动,万能铣床的矩形,圆形工作台共有四种运动形式.工作台进给电动机M经机械传动链传动,由电磁离合器选择工作台的工进和快退进给,并由机械离合器接通相应的方向的机械传动链,驱动工作台实现各方向的移动进给.
XA6132卧式万能铣床的控制要求如下:
（1）主轴电动机M2（7.75kw）空载时直接启动,要实现两地控制的正反转（顺逆铣）运动及电磁离合器的停止制动（采用电磁离合器）,为安全和操作方便,换刀时,使主轴处于制动状态.由于主轴的正、反转,不需要经常变换,通常在加工
前设置传动方向.
（2）工作台驱动电机M3（1.5kw）要求能够实现正转、反转,并要求两个工作台（矩形、圆形）各个方形的运动互锁,矩形工作台的六个运动方向和圆形工作台的旋转运动要求互锁,任何时刻,只允许存在一种运动形式的一个方向运动.
（3）主轴旋转与工作台进给运动采用机械齿轮变速箱调速,要求主轴电动机和工作台电动机在主轴和进给变速时能够瞬时冲动,保证变速时齿轮的正确啮合和设备的安全.
（4）为避免打刀,要求主轴电动机驱动M2启动后,工作台驱动电动机M3方能启动.（内容用小四号宋体，论文字间距设置为：
标准。
行间距设置为：
固定值20磅）
3数控化改造的一般途径
3.1主传动的数控化改造
机床主传动的作用是把电动机的转速和转矩通过变速箱传给主轴,使工件或刀具以各种不同的速度运动.转传动性能的好坏,直接影响零件的加工质量和生产效率.机床的主传动一般采用普通交流电动机或直流电动机拖动两种形式.
1、主传动电气部分的数控改造
XA6132铣床主传动采用普通交流异步电动机拖动，如此类中、小型机床，其本身价格较低，改造费用过高，改造周期过长都将降低这类机床进行数控改造的经济价值。
所以在一般情况下，对机床的主传动均采取保留原电器系统的方案。
在本次设计中仍然保留主轴电机，拆除原有的滑动齿轮变速箱装置以及正反转控制电路。
采用变频器来控制主轴交流电机的正反转以及实现无级调速功能。
2主轴机械部分的改造（内容用小四号宋体，论文字间距设置为：
标准。
由于主轴采用变频器实现无级变速，因此主传动系统采用同步的齿形带来传递运动。
对于主轴本身其刚性和旋转精度以及支承的刚性都将直接影响零件的加工精度。
因此主轴部分的改造，首先要保证本身的刚性以及修复和提高本身的旋转精度。
XA6132铣床主轴支撑采用滑动轴承，本次改造中为了提高承载能力，增大主轴转速，保持旋转精度，改用静压轴承来代替原轴承。
3.2进给传动的数控化改造
在数控机床中，进给传动的作用是接受数控系统的指令，经放大后使刀具做精确定位或按规定的轨迹做严格的相对运动，如直线、斜线、圆弧等，加工出符合要求的零部件。
对进给传动的要求为：
高精度，及高的定位精度和重复定位精度以及加工零件的综合精度；高品质，及频带宽，响应快，动、静态速降小，调速范围宽；高速度，及能快速定位，以提高效率；大功率，及能输出大的力矩和功率，以满足加工的需要。
1.进给传动电气部分的数控化改造
（1）确定控制方式：
数控系统的控制方式基本上分为开环、闭环、半闭环三种。
普通机床数控化改造选择哪种控制方式，需根据具体情况确定。
一般小型采用开环控制，中、重型采用半闭环控制，由于闭环控制需直接测出移动部件的实际位置，直线测量元件，工作量大，费时多，而且闭环控制的调试想打麻烦，它的稳定性与机械部分的各种非线性因素有很大的关系，在机床数控改造中一般不采用闭环控制的方式。
对XA6132的改造中为其配置日本FANUC公司的POWERMATEO数控系统。
（2）选择伺服系统：
目前，使用比较广泛的伺服系统有步进电机驱动系统、可控硅直流伺服系统以及大功率晶体管直流脉宽调制（PWM）伺服系统。
改造中采用直流伺服系统。
（3）选择位置测量元件：
位置测量元件是伺服系统中的一部分，用来测量运动部件按指令移动的位置量，并将其位置量反馈给数控系统。
为之测量元件可分为旋转型测量元件和直线型测量元件两类。
旋转型测量元件又分为旋转变压器和光电脉冲编码器，这两种测量元件均可用于数控系统的半闭环控制中，用来测量伺服电机的角位移量；直线型测量元件有感应同步器和光栅，这两种元件多用在闭环控制方式的数控系统中，在机床的数控改造中一般不可用。
设计中选取光电编码器作为位置测量元件。
2.进给传动机械部分的数控改造
（1）导轨副：
原铣床的导轨采用滑动导轨，其结构简单，制造方便，承载面积大，接触刚度好、抗震性强等一系列优点。
但滑动导轨的静摩察系数随速度变化而变化，摩擦损失大，在低速时易出现爬行现象，直接影响运动部件的定位精度。
改造中在原移动部件的导轨上粘接聚四氟乙烯软带，该软带摩察系数小，
动、静摩擦系数差别小，部件运行平稳、无爬行，定位精度高。
没有震动，提高
了工件表面加工质量，延长了刀具寿命。
软带耐磨损，且嵌入性能好，与其配合的金属导轨面不会拉伤，软带有自润滑性，当机械润滑系统出现故障时，导轨不
会拉伤。
（2）进给箱：
原铣床为齿轮结构，改造中取消原进给箱，依靠数控系统和伺服系统控制工作台的进给，提高其定位精度，达到伺服控制目的。
（3）移动部件：
在机床的进给传动链中，需将旋转运动变换成直线运动。
原铣床采用普通丝杠副有自锁能力，在垂直进给机构中不用附加制动装置。
其缺点是摩擦阻力大，传动效率低，动、静摩察系数相差大，在低速时易出现爬行。
数控机床要求进给部分的移动部件灵敏度好、精度好、反应快、无爬行。
采用滚珠丝杠副可满足数控机床进给运动的要求。
在机床数控化改造时，由于滚珠丝杠副的径向尺寸较大，许多相关部位都需要修改，往往用原丝杠副，但为消除过大的丝杠与螺母间隙，应将原单螺母改为可调间隙的双螺母副。
（4）基于plc的XA6132万能铣床电气控制系统硬件部分的设计在铣床的改造中我们将其运动控制改造为CNC计算机控制系统，将其辅助机械动作控制（继电器、接触器）部分改造为plc可编程控制。
4.机床的PLC控制系统设计
4.1机床PLC控制系统设计的基本原则
设计任何一个机床PLC控制系统,就像设计任何一种机床电气控制系统一样,其目的都是通过控制被控对象机床来实现其机械加工的生产工艺要求,提高产品的生产效率和产品的质量,因此在设计PLC控制系统时,应遵循以下基本原则:
（1）机床的PLC控制系统应能控制机床设备最大限度的满足机床的生产工艺要求.
（2）在满足生产工艺要求的前提下,力求使PLC控制系统越简单、越经济,操作使用及维护维修越方便越好.
（3）要充分保证PLC控制系统的安全性和可靠性.
（4）考虑到今后加工生产的可持续发展和机床工艺的不断改进,在配置PLC硬件设备时应适当保留有一定的拓展余量.
4.2机床PLC控制系统设计的基本内容
机床PLC控制系统是由PLC与机床输入、输出设备连接而成的.因此,机床PLC控制系统设计的基本内容应包括以下内容:
（1）选择XA6132型机床输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对（电动机、电磁阀等）.这些设备属于一般的电器元件.
（2）PLC的选择.PLC是PLC系统的核心部件.正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标将起着重要的决定性作用.选择PLC,主要包括机型、容量的选择以及I/O模块、电源模块等的选择.
（2）分配I/O点,绘制PLC的实际接线图.
（3）控制程序设计,包括系统流程图、状态转移图、梯形图、语句表等的设计.控制程序是控制整个机床系统工作的软件,是保证机床系统工作正常、安全、可靠的关键.因此,设计的机床控制程序必须经过反复调试、修改、直到满足机床生产工艺要求为止.
（4）必要时还要设计机床控制台等.
（5）编制机床PLC控制系统的技术文件.
4.3机床PLC控制系统设计的一般步骤
（1）根据生产的工艺过程分析控制要求,了解需要完成的动作、操作方式.
（2）根据控制要求确定所需要的输入、输出设备,据此确定PLC的I/O接线点数.
（3）选择PLC机型及容量.
（4）定义输入、输出点名称,分配PLC的I/O点,设计PLC的实际接线图.
（5）根据PLC所完成的任务及应具备的功能进行PLC程序设计,同时可进行控制台的设计和现场施工.
4.4基于PLC的铣床的电气控制系统硬件的设计
（1）分析被控对象
将被控对象按功能进行相互独立的分解,这样便于确定PLC的资源分配,属于化整为零的设计思路.通过PLC来实现铣床电气控制系统的各项功能,需要将各种控制和检测信号通过按钮和检测元件输入PLC,再通过PLC内部程序运算将结果输出各种执行设备,完成电气控制系统对于铣床的控制.每个功能的输入信号,都可以通过控制面板上的按钮进行操作,输出则可以通过接触器、电磁阀、等执行机构完成.
（2）根据控制对象确定I/O点分解后的各项功能项,对PLC所需的输入输出点数量进行确定.
（3）PLC的选择型XA6132万能铣床所需的I/O点总数在256以下,属于小型机的范围.控制系统只需要逻辑运算等简单功能.主要用来实现条件控制和顺序控制,可选择小型机系列,它的价格低,体积小,非常非常适用于单机自动化控制系统.
4.5基于PLC的铣床的电气控制系统程序的设计
（1）程序要求分析
PLC控制系统在于根据加工工艺要求的不同相应的修改程序就可以实现.因此,系统的自动糊控制程度很高.铣床电气控制属于广泛应用系统,不针对特殊的加工工艺,因此PLC内部的程序只需要相对每个控制按钮发出信号,作出相应的动作即可.
（2）基于PLC的铣床电气控制系统程序
PLC程序可以采用梯形图、语句表、程序块等形式表示.为了与继电器-接触器控制系统相承接,采用梯形图形式对铣床电气控制系统进行编程.
5.基于PLC的XA6132万能式铣床电气控制系统的设计
5.1PLC型号的选择
选择基于PLC的铣床电气控制系统的PLC机型，应从以下几个方面来考虑：
5.1.1根据PLC的物理结构
根据物理结构的不同，PLC分为整体式、模块式和叠装式．整体式的每一
Ｉ/Ｏ点的平均价格比模块是便宜,小型电气控制系统一般使用整体式可编程控制器.此次所设计的电气控制系统属于小型开关量电气控制系统没有特殊的控制任务,整体式PLC完全可以满足控制要求,且在性能相同的情况下,整体式PLC较模块式和叠装式PLC价格便宜,因此,XA6132铣床电气控制系统的PLC选用整体式结构的PLC.
5.1.2根据PLC的指令功能
考虑到任何一种PLC都可以满足开关量电气控制系统的要求,根据本课题将尽量采用价格便宜的PLC.
5.1.3根据PLC输出点数
如表3.1和表3.2所示,铣床的电气控制系统需要24个输入口16个输出口,PLC的实际输入点数应等于或大于所需输入点数24.PLC实际输出点数应等于或大于所需输出点数16.在条件许可的情况下尽可能留有10%-20%的余量.
5.1.4根据PLC的存储容量
PLC存储器容量的估算方法:
对于仅有开关量输入/输出信号的电气控制系统,
将所需的输入/输出点数乘以8就是所需PLC存储器的存储容量（单位为bit）即:
（24+16）*8=320bit
5.1.5根据输入模块的类型
输入模块的输入电压一般为DC24V和AC110V或AC220V．直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接．交流输入方
式的触点接触可靠，适合在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用．选用AC220V输入．
5.1.6根据输出模块的类型
PLC输出模块有继电器型、晶体管型和双向可控硅型三种.
继电器型输出模块的触点工作电压范围广,导通降压小,承受瞬间过电压和过电流的能力较强,每一点的输出容量较大（可达2A）,在同一时间内对导通的输出点的个数没有限制,但动作速度慢,寿命有一定的限制.
晶体管型与双向可控硅型输出模块分别用于直流负载和交流负载,它们的可靠性高,反应带宽快,寿命长,但过载能力差,每一点的输出量只有0.5A,4点同时输出的总容量不得超过2A.
由于XA6132铣床控制对象对PLC输出点的动作表达要求不高,继电器型输出模块的动作速度完全能够满足要求,且每一点的输出容量较大,在同一时间内对导通的输出点的个数没有限制,这将给设计工作带来很大的方便.所以本课题选用继电器输出模块,结合XA6132铣床电气控制系统的实际情况,需要输入点数24个,输出点数16个.
表1.FX2系列PLC的一般技术特性
电源
AC110V-220V,50/60HZ单相电源,可瞬间失效10MS
环境温度
0～50°C
环境湿度
45%～85%RH（无霜）
防震性能
JISC0911标准,10～55HZ,0.5mm（最大2G3轴向各2次
防冲击性能
JISC0911标准（10G,3轴各3次）
抗噪声能力
1000V峰-峰值,1us,30～100HZ（噪声模拟器）
绝缘耐压
AC1500V,1min（接地端与其他端子间）
绝缘电阻
5ΩDC550V（地端与其他端子间）
使用环境
无腐蚀性气体,无导电粉末、微粒
根据万能铣床电气控制要求,其输入输出均为17个开关量,需要PLC检测的输入信号有:
6个按钮,6个行程开关,5个选择开关,共计17个.plc输出控制信号有3个电磁离合器,7个继电器,1个照明灯,共11个.因此选用日本松下公司FX0N
-40MR继电器输出为整体式（表2和表3）所示:
5.2LC的I/O端口分配表
PLC的I/O通道分配表是根据其控制对象的特点和控制要求,将I/O的输入输出与相应的电气设备相连,达到控制和检测的目的,具体的分配表如表1,表2所示.
X000
SB1
主电机停止、制动按钮
X001
SB2
主电机停止、制动按钮
X002
SB3
主电机启动按钮
X003
SB4
主电机启动按钮
X004
SB5
快速进给起动按钮
X005
SB6
快速进给起动按钮
X006
SA1
冷却泵起、停转换开关
X007
SA2
上刀制动转换开关
X010
SA3
圆、矩形工作台选择开关
X011
SA4
主电动机正转选择开关
X012
SA4
主电动机反转选择开关
X013
SA5
照明选择开关
X014
SQ1
纵向右进给位置开关
X015
SQ2
纵向左进给位置开关
X016
SQ3
垂直下/横向右进给位置开关
X017
SQ4
垂直下/横向左进给位置开关
X020
SQ5
主轴变速冲动位置开关
X021
SQ6
进给变速冲动位置开关
表2输入信号端口分配
Y001
KA1
瞬时通断继电器
Y002
KA2
瞬时通断继电器
Y003
KA3
瞬时通断继电器
Y004
KM1
主电动机正传接触器
Y005
KM2
主电动机反转接触器
Y006
KM3
进给电动机正转接触器
Y007
KM4
进给电动机反转接触器
Y010
YB1
电磁制动器
Y011
YCI
电磁离合器
Y012
YC2
电磁离合器
Y014
EL
照明灯
表3输出信号端口分配
5.3PLC外部硬件接线图
根据万能铣床电气控制要求,输入输出均为开关量,需要PLC检测的输入信号有6个按钮,6个行程开关,5个选择开关,共计17个.PLC输出控制信号有3个电磁离合器,7个继电器,1个照明灯,共计11个.PLC的通道分配是根据其控制对
象的特点和控制要求,将PLC的输入、输出口与相应的电气设备相连,达到控制和检测的目的,具体的I/O分配如上表所示.完成I/O口地址分配后,进行PLC硬件设计,PLC外接硬件电路如图1所示:
5.4XA6132铣床控制梯形图设计
控制软件设计如图2.在应用PLC进行设计过程中,运用了5个辅助继电器,用来简化程序的设计.在编制程序过程中,充分考虑系统的安全性,运用了有互锁功能的设计,如分别串联上了Y004、Y005、Y006、Y007常闭触点,用来完成对KM1、KM2、KM3、KM4的保护控制,从而提高了整个机床控制系统运行的可靠性.在程序设计中,将不同控制方式的程序分别编写,根据工作方式选择开关决定执行那些程序,这样使得程序结构清晰,编程方便.
结束语
本课题所研究的基于PLC的铣床辅助控制系统的设计实现了XA6132万能铣床的控制自动化,方便了工人在生产中对机床的实际操作.通过研究,可得出以下结论:
可编程控制器是一种广泛应用于工业现场的新型控制器,具有结构简单,抗干扰性强,编程方便等特点.本课题采用PLC自动控制技术取代了传统继电器-接触器电气控制系统,实现了对XA6132万能铣床自动控制,从而提高了机床的工作效率、工作稳定性和可靠性,而且,还大大降低了工人的劳动强度,改善了产品的加工效率,降低了设备故障率,提高了生产率,另外,通过对这次毕业设计使我对PLC和电控方面有了更深刻的理解和掌握,为今后走向工作岗位从事相关工作奠定了很好的基础.
由于时间精力有限,还有许多功能有待拓展、完善.PLC与数控系统的联系还不够紧密,功能环没有完善,没有完全发挥出PLC的强大功能,对于PLC的许多高级指令没有应用到.由于实际生产经验不足,许多设计还不能尽如人意,还有许多环节不太合理,还有待进一步提高.以上问题有待今后进一步研究解决.
谢词
经过这些天的努力,毕业设计顺利完成了.在这一刻心中不只是欣慰,还有很多失意.是啊!
设计终于做完了,这些天的努力有了成果,自己总算学以致用,不管我的设计是否能在实际生产中应用,但我已经把学到的东西与实际联系到了一起,而再也不是刻在书本上的文字.这样我已很高兴.然而转眼看看眼前一大堆书本,复印来的资料与累积下来的手稿以及草图,这才发觉自己虽在大学学习了三年,但知识的框架还很不完善,还需要学习,而不是随着毕业的到来而终止.
在现在高速发展的社会,自动化是社会发展的要求也是未来发展的方向,这也引导人类的学习,人类知识的提高反过来推动社会的发展.虽然自己的专业是机械制造及自动化,但过去总感觉自己喜欢机械多于电,通过这次设计,使我对自动控制系统的工作过程和设计方法有了深入的体会和了解,得到较大的提高,发现只有机械和自动控制系统的完美结合才是最有价值的.
实践是最好的老师.通过毕业设计,一方面发现自己的不足,纠正学习中的错
误;另一方面积累了丰富的知识,吸取了别人的方法和经验,曾强了解决综合问题的能力,为自己以后的工作和学习打下了坚实的基础.也希望它能为我的大学生活画上完美的句号.
其实我能取得这样的成绩,是与我的指导老师的辛勤劳动及耐心细致的循循善诱分不开的,为此我向王老师致以衷心的感谢.
参考文献
【1】齐占庆主编,机床电气控制技术.第三版.北京:
机械工业出版社,2005
【2】张桂玲,浅谈现代PLC的优势特
升级会员 