基于PLC的铣床改造.docx
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基于PLC的铣床改造
摘要
该毕业设计首先介绍了可编程控制器（PLC）概念及优点。
PLC是面向用户的专用工业控制计算机，它具有可靠性高，抗干扰能力强，编程直观简单，适应性好，功能完善，接口功能强等一系列优点并广泛的用于工业控制中，而传统的继电器控制，因其接触器触点受机械运动的影响，触点寿命受到限制，故障率高，可靠性不及PLC控制，为此，提出用PLC对我们工业加工应用中广泛应用的X62W万能铣床的控制系统进行改造，该设计详细地对以上两种机床的控制线路进行分析，并系统的介绍了利用PLC对这种机床进行改造方法和方案。
其中重点讲述了PLC设计的方法和系统完成后的调试，对PLC的选型和PLC的特性及使用环境也做了简单的介绍。
最后通过模拟仿真实验验证了该设计方案具有一定可行性和可操作性。
关键词：
X62W万能铣床；电气控制；PLC-可编程控制器；梯形图
ABSTRACT
GraduatedfromtheDesignintroducedthefirstProgrammableLogicController（PLC）andthemeritsoftheconcept.PLCisadedicateduser-orientedindustrialcontrolcomputer,ithasahighreliability,stronganti-interferenceability,simpleandintuitiveprogramming,adaptability,andimprovethefunction,interfaceandaseriesofstrongfeaturesandadvantagesforawiderangeofindustrialcontrol,Thetraditionalrelaycontrol,becauseoftheircontactsbymechanicalcontact,contactislimitedlifexpectancy,thehighfailurerate,lessthanthereliabilityofPLCcontrol,tothatend,theauthorsproposetousePLCinourindustrialprocessingapplications,widelyusedthemodelofmachinetoolsX62Wuniversalmillingmachine,thedetaileddesignofthemachinetooltocontrolthelineanalysissystemandintroducedtheuseofPLCforthekindofmachinetoolsandmethodstocarryoutreformprograms.WhichfocusonthedesignofthePLCafterthecompletionofthesystemandmethodofdebugging,thePLCandPLCselectionanduseofthecharacteristicsoftheenvironmenthavealsodoneabriefintroduction.Finally,throughsimulationexperimentstoverifythefeasibilityofacertaindesignandoperational.
Keywords:
X62Wuniversalmillingmachine；Electricalcontrol;PLC-Programmablecontroller;Terracedfigure
1引言
自从1969年第一台可编程控制器在美国问世以来，在工业控制中得到广泛的应用。
近年来，我国在石油、化工、机械、轻工、发电、电子、橡胶、塑料加工等行业工艺设备的电气控制中，越来越多地采用PLC机控制，并取得了显著的效果，深受各行业的欢迎。
铣铣床是以各类电动机为动力的传动装置与系统的对象以实现生产过程自动化的技术装置。
随着电子技术的发展，可编程序控制器日益广泛的应用于机械、电子加工与设备电气改造中。
铣床作为机械加工的通用设备在内燃机配件的生产中一直起着不可替代的作用。
自动铣床具有工作平稳可靠，操作维护方便，运转费用低的特点，已成为现代生产中的主要设备。
自动铣床控制系统的设计是一个很传统的课题，现在随着各种先进精确的诸多控制仪器的出现，铣床控制的设计方案也越来越先进，越来越趋于完美。
在我国70～80年代大多数铣床中,大多数的开关量控制系统都是采用继电器控制,也有相当一部分辅机系统是采用继电控制。
因此,继电器本身固有的缺陷,给铣床的安全和经济运行带来了不利影响,用PLC对铣床的继电器式控制系统进行改造已是大势所趋。
自动铣床的发展及现状：
从上世纪80年代起铣床制造业的发展虽有起伏但对自动控制技术和自动铣床床一直给予较大的关注。
经过九五自动车床和加工中心包括自动铣床的产业化生产基地的形成，所生产的中档普及型自动铣床的功能性能和可靠性方面已具有较强的市场竞争力。
但在中高档自动铣床方面与国外一些先进产品相比仍存在较大差距。
这是由于欧美日等先进工业国家于80年代先后完成了自动机床产业进程，其中一些著名机床公司致力于科技创新和新产品的研发引导着数控机床技术发展，如美国英格索尔公司和德国惠勒喜乐公司对用于汽车工业和航空工业高速数控铣床的发展日本牧野公司对高效精密加工中心所作的贡献，德国瓦德里希公司在重型龙门五面加工铣床方面的开发以及日本马扎克公司研发的车铣中心对高效复合加工的推进等等。
相比之下，我国大部分数近代机床产品在技术处于跟踪阶段。
表1以中挡铣床为例列出国内外先进产品主要技术指标，由此可以看到效率精度和可靠性等方面均有明显差。
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，从手动控制发展到自动控制;在控制功能上，从简单控制发展到智能化控制；在操作上，从策重发展到信息化处理；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。
X62W铣床综合了计算机技术、微电子技术、检测技术、自动控制技术、智能技术、通信技术、网络技术等先进的科学技术成果。
X62W铣床是由普通机床发展而来。
它集于机械、液压、气动、伺服驱动、精密测量、电气自动控制、现代控制理论、计算机控制等技术于一体，是一种高效率、高精度能保证加工质量、解决工艺难题，而且又具有一定柔性的生产设备。
万能铣床的广泛应用，给机械制造业的生产方式、产品机构和产业机构带来了深刻的变化，其技术水平高低和拥有量多少，是衡量一个国家和企业现代化水平的重要标志。
一种新型的控制装置，一项先进的应用技术，总是根据工业生产的实际需要而产生的。
可编程序控制器产生以前，以各种继电器为主要元件的电气控制线路，承担着生产过程自动控制的艰巨任务，可能有成百上千只各种继电器构成复杂的控制系统，需要用成千上万根导线连接起来，安装这些继电器需要大量的继电器控制柜，且占据大量的空间。
当这些继电器运行时，又产生大量的噪声，消耗大量的电能。
为保证控制系统的正常运行，需要安排大量的电气技术人员进行维护，有时某个继电器损坏，甚至某个继电器触头接触不良，都回影响整个系统的正常运行。
如果系统出现故障，要进行检查排除故障又是非常困难的，全靠电气技术人员长期积累经验。
尤其是在生产工艺发生变化时，可能需要增加很多的继电器或继电器控制柜，重新接线或改线的工作量很大，甚至需要重新设定控制系统。
尽管如此，这种控制系统的功能仅仅局限在能实现具有粗略定时、计数功能的顺序逻辑控制。
因此，人们迫切需要一种新的工业控制装置来取代传统的继电器控制系统，是电气控制系统工作更可靠，更容易维修，更能适应经常变化的生产工艺要求。
可编程控制器（ProgrammableController）简称PC，在办公自动化和工业自动化中广泛使用的个人计算机（PersonalComputer）也简称PC，为了避免混摇，现在一般将可编程序控制器简称为PLC（ProgrammableLogicController）.随着可编程控制器在国内的运用和推广，人们找到了万能铣床较理想的控制系统，即PLC控制系统。
由于其具有可靠性高，抗干扰能力强，维修检测方便等优点，适合于对万能铣床的控制，获得广泛的推广。
现在万能铣床已全部采用PLC控制，结束了近二十年使用继电控制的历史。
本文主要以该厂对PLC控制系统的研究，推广介绍可编程控器在万能铣床上的应用。
自从1969年第一台可编程控制器在美国问世以来，在工业控制中得到广泛的应用。
近年来，我国在石油、化工、机械、轻工、发电、电子、橡胶、塑料加工等行业工艺设备的电气控制中，越来越多地采用PLC机控制，并取得了显著的效果，深受各行业的欢迎。
1988年开始将可编程序控制器应用在万能铣床上，至今使用情况一直良好。
国外生产PLC的厂家很多，最著名的有美国A-B公司和GE-FANUC公司，日本的欧姆龙公司和三菱公司，德国AEG公司和西门子公司，法国的TE公司。
它们号称PC领域的大雄，代表PC的最高水平。
它们在中国都有各自的代理商，很容易买到其产品。
国产PLC以小型为主，多数为仿制产品，I/0点均在128点以下。
主要厂家有上海工业自动化仪表研究所，苏州电子计算机厂，北京机械工业自动化研究所，无锡华光电子工业公司中科院自动化研究所究上海香岛机电制造公司。
一般只处理开关量，进行逻辑运算，顺序运算。
2铣床特点及电气控制线路分析
2.1铣床简介
铣床的种类很多，按照结构型式和加工性能的不同，可分为立式铣床、卧式铣床、仿形铣床、龙门铣床和专用铣床等。
万能铣床是一种通用的多用途机床，它可以用圆柱铣刀、圆片铣刀、成型铣刀及端面铣刀等工具对各种零件进行平面、斜面、螺旋面及成型表面的加工，还可以加装万能铣头和圆工作台来扩大加工范围。
目前，万能铣床常用的有两种，一种是卧式万能铣床，铣头水平放置，型号为X62W；另一种是立式万能铣床，铣头垂直放置，型号为X52K。
这两种铣床结构大体相似，差别在于铣头的放置方向上，而工作台进给方式，主轴变速等都一样，电气控制线路经过系列化以后，也是一样的，只不过容量不同。
型号意义:
图2-1
2.2X62W万能铣床
X62W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。
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。
此外，由于回转盘可绕中心转过一个角度（通常是±45°），因此工作台在水平面上除了能在平行于或垂直于主轴轴线方向进给，还能在倾斜方向进给，可以加工螺旋槽，故称万能铣床。
X62W万能铣床特点：
（1）能完成很多普通机床难以加工或者根本不能加工的复杂型面的加工。
（2）采用X62W铣床可以提高零件的加工精度，稳定产品的质量。
（3）采用X62W可以比普通机床提高2～3倍生产率，对复杂零件的加工，生产率可以提高十几倍甚至几十倍。
（4）大大的减轻了工人的劳动强度。
图2-2X62万能铣床外形结构图
1、2—纵向工作台进给手动手轮和操纵手柄。
3、15—主轴停止按钮。
4、17—主轴启动按钮。
5、14—工作台快速移动按钮。
6—工作台横向进给手动手轮。
7—工作台升降进给手动摇把。
8—自动进给变速手柄。
9—工作台升降、横向进给手柄。
10—油泵开关。
11—电源开关。
12—主轴瞬时冲动手柄。
13—照明开关。
16—主轴调速转盘。
2.3电器元件设备
表2-1X62W万能铣床电器元件明细表
代号
名称
型号
规格
数量
用途
M1
主轴电动机
JO2-51-4
7.5kw380V1450r/min
1
驱动主轴
M2
进给电动机
JO2-22-4
1.5kw380V1410r/min
1
驱动进给
M3
冷却泵电动机
JCB-22
125W380V2790r/min
1
驱动冷却泵
QS1
开关
HZ1-60/3J
60A500V
1
总开关
QS2
开关
HZ1-10/3J
10A500V
1
冷却泵开关
代号
名称
型号
规格
数量
用途
SA1
开关
HZ1-10/3J
10A500V
1
换刀开关
SA2
开关
HZ1-10/3J
10A500V
1
圆工作台开关
SA3
开关
HZ3-133
60A500V
1
M1换相开关
FU1
熔断器
RL1-60
60A
3
电源总保险
FU2
熔断器
RL1-15
5A
1
整流电源保险
FU3
熔断器
RL1-15
5A
1
直流电路保险
FU4
熔断器
RL1-15
5A
1
控制回路保险
FU5
熔断器
RL1-15
1A
1
照明保险
FR1
热继电器
JR0-40
16A
1
M1过载保护
FR2
热继电器
JR10-10
0.5A
1
M3过载保护
FR3
热继电器
JR10-10
1.5A
1
M2过载保护
T2
变压器
BK-100
380/36V
1
整流电源
TC
变压器
BK-150
380/100V
1
控制回路电源
T1
变压器
BK-50
380/24V
1
照明电源
VC
整流器
2ZC×4
1
整流器
KM1
接触器
CJ0-20
20A线圈电压110V
1
主轴驱动
KM2
接触器
CJ0-10
10A线圈电压110V
1
快速进给
KM3
接触器
CJ0-10
10A线圈电压110V
1
M2正转
KM4
接触器
CJ0-10
10A线圈电压110V
1
M2反转
SB1、SB2
按钮
LA2
绿色
2
M1启动
SB3、SB4
按钮
LA2
黑色
2
快速进给点动
SB5、SB6
按钮
LA2
红色
2
停止、制动
YC1
电磁离合器
B1DL—Ⅲ
1
主轴制动
YC2
电磁离合器
B1DL—Ⅱ
1
正常进给
YC3
电磁离合器
B1DL—Ⅱ
1
快速进给
SQ1
位置开关
LX3-11K
开启式
1
主轴冲动开关
SQ2
位置开关
LX3-11K
开启式
进给冲动开关
代号
名称
型号
规格
数量
用途
SQ3
位置开关
LX3-131
单轮自动复位
M2正、反转及联锁
SQ4
位置开关
LX3-131
单轮自动复位
SQ5
位置开关
LX3-11K
开启式
SQ6
位置开关
LX3-11K
开启式
2.4电力拖动特点及控制要求
（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，并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。
2.5电气控制线路
X62w万能铣床的电气控制线路。
分为主电路，控制电路和照明的路三部分。
图2-3X62W原理图万能铣床电气控制电路图
2.6电气控制线路分析
2.6.1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。
2.6.2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实现传动的，可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2-2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。
表2-2主轴转换开关位置表
位
触置
头
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）工作台进给电动机的控制
转换开关SA2是控制圆工作台的，在不需要圆工作台运动时，转换开关SA2扳到“断开”位置，此时SA2-1闭合，SA2-2断开，SA2-3闭合；当需要圆工作台运动时，将转换关SA2扳到“接通”位置，则SA2-1断开，SA2-2闭合，SA2-3断开。
SA2的功能如表2-3所示:
表2-3圆工作台开关位置
位
触置
头
接通
断开
SA2-1
—
+
SA2-2
+
—
SA2-3
—
+
1）工作台纵向进给
工作台的左右（纵向）运动是由“工作台纵向操作手柄”来控制。
手柄有三个位置：
向左、向右、零位（停止），其控制关系见表2-4。
当手柄扳到向左或向右位置时，手柄有两个功能，一是压下位置开关SQ5或SQ6，二是通过机械机构将电动机的传动链拨向工作台下面的丝杠上，使电动机的动力唯一的地传到该丝杠上，工作台在丝杠的带动下作左右进给。
在工作台两端各设置一块挡铁，当工作台纵向移动到极限位置时，挡铁撞动纵向操作手柄，使它回到中间位置，工作台停止运动，从而实现纵向运动的终端保护。
a）工作台向右运动表2-4工作台纵向进给开关位置
位
触置
头
左
停
右
SQ5-1
－
－
+
SQ5-2
+
+
—
SQ6-1
+
－
—
SQ6-2
－
－
+
主轴电动机M1启动后，将操纵手柄向右扳，其联动机构压到位置开关SQ5，常开触头SQ5-1闭合，常闭触头SQ5-2断开，接触器KM3通电吸合;电动机M2正转启动，带动工作台向右进给。
b）工作台向左进给
控制过程与向右相似，只是将操作手柄拨向左，这时位置开关SQ6被压着，SQ6-1被压着闭合，SQ6-2断开，接触器KM4通电吸合，电动机反转，工作台向左进给。
2）工作台升降和横向（前后）进给
操纵工作台上下和前后运动时用同一手柄完成的。
该手柄有五个位置，即上、下、前、后和中间位置。
当手柄扳向向上或向下时，机械上接通了垂直进给离合器；当手柄扳向前或后时，机械上接通了横向进给离合器；手柄在中间位置时，横向和垂直进给离合器均不接通。
在手柄扳到向下或向前位置时，手柄通过机械联动机构使位置开关SQ3被压动，接触器KM3通电吸合，电动机正转；在手柄扳到向上或向后时，位置开关SQ4被压动，接触器KM4通电吸合，电动机反转。
对应操纵手柄的五个位置，可列出与之对应的运动状态，见表2-5
表2-5工作台横向与垂直操纵手柄功能
手柄位置
工作台运动方向
离合器接通的丝杠
行程开关动作
接触器动作
电动机运转
向上
向上进给或快速向上
垂直丝杠
SQ4
KM4
M2反转
向下
向下进给或快速向下
垂直丝杠
SQ3
KM3
M2正转
向前
向前进给或快速向前
横向丝杠
SQ3
KM3
M2正转
向后
向后进给或快速向后
横向丝杠
SQ4
KM4
M2反转
中间
升降或横向停止
横向丝杠
—
－
－
此五个位置是联锁的，各个方向的进给不能同时接通，所以不可
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