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磨床PLC控制系统设计教材
本科生毕业设计（论文）
题目：
磨床PLC控制系统设计
姓名：
学号：
学院：
电气工程与自动化学院
专业：
电气工程与自动化（电气方向）
年级：
指导教师：
（签名）
20XX年6月1日
磨床PLC控制系统设计
摘要
磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。
普通磨床的电气系统由液压系统、砂轮、冷却泵和电磁吸盘以及照明电路部分组成。
随着在现代化工业生效率的不断提升，磨床在加工精度、自动化程度、加工的集约性等方面的要求不断提高，传统磨床难以满足现代化的加工工艺要求。
传统磨床在控制方面采用继电器—接触器电气控制系统过于复杂繁琐，且由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，正逐渐被淘汰。
可编程控制器PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点。
利用PLC控制磨床运行，使线路得到简化，可靠性提高，响应速度明显加快，精确度更准确；实现了磨床启动、停止、故障停止、紧急停止的功能，可根据运行要求灵活切换磨床的控制方式；提供过载，轻载，断相和电压不平衡保护；现场显示运行状态，实现智能化监控。
节省大量的继电器元件,使机床的工作效率更高。
本文以M7120平面磨床为例，主要介绍对磨床控制系统的PLC改造。
关键词：
平面磨床，PLC，控制系统
GrindingMachinePLCControlSystemDesign
ABSTRACT
Thegrinderistheuseofabrasiveontheworkpiecesurfacegrindingmachinetool.Plaingrindingmachineelectricalsystemfromthehydraulicsystem,thegrindingheel,coolingpumpandelectromagneticsuckerandlightingcircuitpart.Inmodernindustrialproductionefficiencywithrising,grinderintheprocessingprecision,automation,suchasprocessingintensiverequirementscontinuetoincrease,thetraditionalgrindingmachinecannotmeettherequirementsofmodernprocessingtechnology.Intraditionalgrindingincontrolusingarelay-contactorelectricalcontrolsystemistoocomplicated,andbecausethecontactnumber,highfailurerate,lowreliability,largevolumeandothershortcomings,aregraduallybeingphasedout.
PLCisthecomputertechnologyandtraditionalrelaycontactcontroltechnologycombinedwiththeproduct,ithasovercometherelaycontactcontrolsysteminmechanicalcontactofthecomplexwiring,lowreliability,highpowerconsumption,universalityandflexibilityoftheshortcomingsofthepoor,makefulluseoftheadvantagesofamicroprocessor.UseofPLCcontrolgrindingmachinerunning,sothecircuitissimplified,improvedreliability,responsespeedtobeacceleratedapparently,theaccuracyismoreaccurate;thegrinderstart,stop,failuretostop,emergencystopfunction,beundertheoperationalrequirementsofthecontrolswitchgrinderflexible;withlightload,overload,openphaseandvoltageunbalanceprotection;fielddisplayrunningstate,intelligentmonitoringandsavealotofrelaycomponents.Themachinehashigherworkingefficiency.BasedontheM7120planegrindingmachineasanexample,introducesthegrindingmachinecontrolsystem'sPLCtransformation.
Keywords:
surfacegrindingmachine，PLC，controlsystem
第1章绪论
1.1课题的背景及其意义
在十八世纪初，为了适应自行车、钟表、枪械和缝纫机等零件淬硬后的加工，美国、英国和德国分别研制出了使用天然磨料作为砂轮的磨床。
这些磨床是在当时已有的机床如刨床、车床等上面加装磨头改制而成的，这些磨床结构简单，刚度较低，磨削时容易产生振动，操作时要求工人要有很高的技艺才能磨出较为精密的工件。
在1876年的巴黎博览会上展出了由美国布朗夏普公司制造的万能外圆磨床，这是首台具有现代磨床基本特征的磨床。
它的工件头架和尾座安装在往复运动的工作台上，采用箱形床身提高了机床刚度，并且带有内圆磨削附件。
在1883年，这家公司研制出把磨头装在立柱上并且工作台能够作往复运动的平面磨床。
在1900年前后，由于液压传动的应用和人造磨料的发展，对磨床的发展有很大的推动作用。
随着近代工业尤其是汽车工业的发展，各种不同功能、类型的磨床相继问世。
先后研制出加工气缸体的内圆磨床、凸轮轴磨床、曲轴磨床和带电磁吸盘的活塞环磨床等。
到1908年自动测量装置开始在磨床上得到运用。
到了1920年前后，双端面磨床、无心磨床、导轨磨床、轧辊磨床，超精加工机床和珩磨机等先后制成使用；50年代出现了高精度的外圆磨床；60年代末又出现了砂轮线速度可达60～80m/s的高速磨床和缓进给、大切深磨削的平面磨床；70年代，采用微处理机的适应控制和数字控制等先进技术在磨床上得到了广泛应用。
随着机械产品精度、强度、可靠性和寿命等要求的不断提高以及新型材料的广泛使用，磨削加工技术正朝着超精细、超硬度磨削发展，开发精密高刚度的自动化数控磨床的成发展趋势。
1.2课题研究的现状及发展趋势
当今磨床的数控化率不断的提升，平面磨床的发展趋势是转向台阶、成形、切入、快速抖动和三维空间曲线表面磨削加工。
平面磨床是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型。
我国平面磨床制造企业正跳出传统的平面磨削思维，转向曲线或轮廓等非平面磨削加工的思路上发展，以形成我们自己特色的技术和产品。
1.2.1平面磨床发展现状
（1）从规格上看，目前平面磨床以小型平磨为主。
台面宽度在200mm以下的占近50%，小规格机床在运输和布展都较为方便；国外的平面磨床并没有普通、精密和高精度的精度等级之分，相对于小规格机床来说，精度容易做得很高；随着工业发展水平的提高，在国际市场上，中、小规格的平面磨床有很大的潜在需求。
（2）从控制上看，目前70%以上的平面磨床为数控型，分为单轴、双轴及三轴数控，最多可达五轴控制，特别是400mm以上的大规格机型，全部为数控型。
随着技术水平的发展，磨床的功能也发生变化，平磨已从传统的平磨向成形磨转变，常规控制方法已难以实现功能的要求。
数控型平面磨床已形成一个市场的潮流。
（3）从功能上看，50%以上的平面磨床不仅仅用于水平平面的加工，而且转向台阶、成形、切入、快速抖动、三维空间曲线等表面磨削加工，在国际上如BLM、ELB公司以平面磨床为基础变化而成的五轴联动磨削中心，可以实现复杂曲面的磨削；Trutech、Unison公司研发的柔性磨削系统，可以实现成形、外圆、无心、工具、轮廓等磨削工艺；还有Parker、裕福公司等的快速抖动平面磨床等，都反映出平面磨床是磨床类机床中最具演变潜力的一种机型。
1.2.2发展呈现三大变化
（1）复合、高速、高刚性、高精度仍是金切机床发展的主要方向，但又有新的变化。
复合，已从原来的为复合而复合转为目前从实用高效考虑为主，如车、铣复合，铣、车、钻的复合，电火花和铣床的复合等；从功能上看，复合型机床的针对性很强，一般都是针对某类零件考虑；从精度上看，定位精度＜2μm，重复定位精度≤±1μm的机床已较为普遍；从主轴转速来看，8.2kW的主轴可达60000转/分钟，13kW的主轴可达42000转/分钟，主轴高速旋转已不是小功率机床的专有特征；从刚性上看，目前已经出现可加工60HRC硬度材料的加工中心。
（2）模块化设计在机床制造中已应用得十分熟练。
横向系列、纵向系列、跨系列、全系列的模块化设计，无论是牧野、大隈等为代表的日本机床，还是Cincinnati、Haas等为代表的美国机床，在外形上看似乎完全一样，不同公司生产的机床功能则完全不同，但所构成的各模块很多则是通用的。
（3）全自动控制的概念已发生变化。
传统的全自动机床是采用一只液动或气动的机械手来实现工件的自动上、下料，而现在是通过采用真正意义上的多关节串联式机器人，来实现工件的上、下料，包括对已加工完成零件的堆放。
控制范围的加大，组线灵活性的加强，同时辅助配套的机械大大减少。
第2章M7120平面磨床的结构及功能
2.1平面磨床的主要结构及运动方式
2.1.1M7120平面磨床的主要结构
M7120型平面磨床是卧轴矩形工作台，主要由床身、工作台、电磁吸盘、砂轮箱、立柱、滑座等部分组成，如图2-1所示。
磨床工作时采用砂轮周边磨削工件，砂轮由砂轮电动机带动旋转。
在床身中装有液压传动装置，以使工作台在床身的水平导轨上做往复运动，为使运动时能够平稳且容易调节运动速度，采用液压传动将电机的转速转变为直线运动。
而工作台的往复运动换向是通过撞块碰撞床身上的液压换向手柄改变油路来实现的。
在工作台上安装有电磁吸盘是用于固定被加工工件的夹具。
立柱可在床身的横向导轨上作横向给进运动，这一运动可由液压传动，也可用手轮操作。
砂轮箱在立柱上作垂直运动，以实现砂轮箱的垂直进给。
图2-1M7120平面磨床外形结构示意图
2.1.2M7120平面磨床的运动形式
平面磨床的主要运动是指砂轮的的旋转运动，磨削时砂轮的外圆线速度大致在30~50m/s的范围内。
砂轮的旋转只要求单方向旋转，且无调速要求。
平面磨床的进给运动有垂直进给既滑座沿立柱上的垂直导轨移动；横向的进给既砂轮箱在滑座上的水平移动；纵向进给既工作台沿床身的往复运动。
2.2M7120平面磨床的电力拖动特点及控制特点
2.2.1电力拖动特点
平面磨床M7120是一种精密的机床，为保证其加工精度、使平稳运行，确保工作台往复运动换向时的惯性最小且无冲击力，对工作台往复运动和砂轮箱横向进给采用液压传动。
M7120平面磨床采用了四台电动机拖动，全部为三相鼠笼型异步电动机。
四台电机分别为：
液压泵电动机、砂轮电动机、冷却电动机、砂轮箱升降电动机。
其中液压泵电动机用于拖动液压泵供出液压油，经液压传动机构来完成工作台的往复运动；砂轮电动机用于拖动砂轮旋转磨削工件；冷却电动机用于拖动冷却泵，冷却砂轮磨削加工时产生的热量。
2.2.2M7120磨床控制特点
砂轮电动机、液压泵电动机及冷却电动机只需单方向旋转，且全部采取直接启动方式。
冷却电动机与砂轮电动机同步运行。
砂轮箱升降电动机采取点动控制，并实现升降互锁。
在电磁吸盘上装有欠压继电器且与液压泵电动机互锁，当电磁吸盘的输入电压低于一定值时欠压继电器的铁芯释放，以防在吸力不够时工作台开始运动。
电磁吸盘采用自动充磁电路结构，在退磁方面避免电磁吸盘反向充磁采用电动消磁方式。
在磨床上的各电机都配有信号提示灯和照明系统。
磨床采用完善的保护环节，在各电动机上安有短路保护、过载保护等。
2.3M7120平面磨床的电气控制
M7120平面的电气控制电路主要有主电路、控制电路、电磁吸盘控制电路和机床照明电路四部分组成。
主电路中共有四台电动机，如图2-2所示。
其中:
M1为液压泵电动机；M2为砂轮电动机；M3为冷却电动机；M4为砂轮箱升降电动机。
电动机M1由接触器KM1的主触点控制；电动机M2和电动机M3同时由接触器KM2的主触点控制，控制砂轮升降的电动机M4由KM3、KM4控制其正反转。
四台电动机共同使用熔断器FU1做为短路保护，液压电动机M1由热继电器FR1作为长期的过载保护，电动机M2和电动机M3分别由热继电器FR2、FR3作为其长期的过载保护。
M7120控制电路由继电器、接触器、整流器、小型变压器、常开按钮、常闭按钮等传统电气元件经过自锁、互锁等逻辑组合进行控制。
并配有机床的照明系统和电机的运转工作指示灯。
图2-2M7120平面磨床主电路图
第3章磨床PLC电气控制系统设计
3.1总体设计方案说明
油泵电动机、砂轮电动机、冷却电动机、砂轮箱升降电动机分别由电动机M1、M2、M3、M4拖动。
液压泵电动机M1、砂轮电动机M2和冷却电动机M3都采用直接启动、直接停止，单向旋转控制。
砂轮电动机M2和冷却电动机M3采用同步运行控制方法。
砂轮箱升降电动机采用直接启动、并能够正反转控制。
砂轮箱位置调整，为使砂轮升降准确采用点动控制。
电磁吸盘采用直流充磁和退磁方式，为避免反向充磁采用点动消磁。
上下极限位置应有位置保护，在磨削加工中应保证砂轮架不能升降移动。
采用热继电器实现过载保护，用以完成各个电动机系统的过载保护。
主电路用断路器，各负载回路和控制回路以及PLC控制回路采用熔断器，实现短路保护
PLC应选用继电器输出型。
在外接负载时应加相应电压等级的电源，实现不同电压等级的电气元件控制。
由于电机运行指示灯功率较小，采用PLC输出电流控制。
3.2电气元件分析
在M7120平面磨床的PLC改造时，其控制系统中用于保护、控制、照明等的电气元件如表3-1所示。
其中接触器是一种能够频繁地接通或断开交、直流主电路和大容量控制电路，能实现远距离自动控制的电器。
主要应用于控制电动机、电热设备、电容器组等。
并且具有低压释放保护功能等。
接触器主要由电磁机构、触头系统、灭弧装置组成。
线圈串联在电路中，当流过线圈的电流达到一定值时接触器的触头动作，改变其状态。
在M7120平面磨床的PLC控制中，接触器的线圈安装在PLC的输出口，用于控制电动机和电磁吸盘的工作状态。
熔断器是一种利用热效应原理工作的电流保护器，串联在电路中。
当电路发生短路故障时，通过熔断器内的电流使熔体发热，当达到其熔体熔化的温度时就会自行熔断，这期间会伴随着燃弧和熄弧的过程，随之切断故障电路起到保护作用。
当电路正常工作时，熔体在额定电流下不应熔断，故熔断器主要用于短路保护。
在M7120平面磨床的PLC控制系统中，安装在三相电路和PLC输出电路的主回路上。
热继电器是利用测量元件被加热到一定程度而动作的一种继电器，热继电器的测量元件是双金属片，双金属片受热弯曲，当弯曲到一定程度时通过动作机构使触点动作。
热继电器主要用作三相电机的过载保护。
在M7120平面磨床的PLC控制系统中，将热继电器分别安装在液压泵电动机M1、砂轮电动机M2、冷却泵电动机M3上，将辅助触头安装在PLC的输入端用于逻辑控制。
由于砂轮箱升降电动机采用点动控制且工作时间较短，故无需热继电器保护。
欠压继电器是电磁式继电器的一种，用来反映电压信号。
欠压继电器的线圈应和电压源并联，当线圈两端的电压高于某一值时，铁芯才能吸合使电路通电。
在M7120平面磨床PLC控制系统中，采用的是直流欠压继电器，将其并联在电磁吸盘的两端，保证电磁吸力足够大时才能使工作台和砂轮电机运行，其触头连接在PLC的输入端用于逻辑控制。
表3-1M7120平面磨床PLC控制系统电气元件目录表
符号
名称
规格
件数
QS1
电源总开关
HZ1-25/325A
1
KM1~KM6
接触器
CJ0-10A线圈电压220V
6
M1
液压泵电动机
Y90S-41.1kW，1410r/min
1
M2
砂轮电动机
Y100S-23kW,2860r/min
1
M3
冷却泵电动机
PB-25A0.12kW，3000r/min
1
M4
砂轮升降电动机
Y80S-40.75kW,1410/min
1
FR1
热继电器
JR10-10整定电流2.71A
1
FR2
热继电器
JR10-10整定电流6.18A
1
FR3
热继电器
JR10-10整定电流0.47A
1
FU1
熔断器
RL1-60/25
3
FU2~FU4
熔断器
RL1-15/2
4
T1
变压器
BK-200380V/135
1
T2
变压器
380V/36V/6.3V
1
SB0~SB9
按钮
LA2
10
YH
电磁吸盘
HDXP127V、1.45A
1
VC
整流器
2CZ11C
4
KV
欠电压继电器
1
R
电阻
GF型5Ω、50W
1
C
电容
5Mf/300V
1
HL0~HL4
指示灯
XD1型、6V
5
EL
工作照明灯
K-136V、40W
1
QS2
台灯开关
1
XS1、XP1
接插件
CY0-36、三极
1
XS2、XP2
接插件
CY0-36、二极
1
表中T1为整流变压器，将380V线电压降至135V后再进行整流；T2为照明和指示灯变压器。
SB0、SB1、SB3、SB7为常闭按钮，SB2、SB4、SB5、SB6、SB8、SB9为常开按钮。
3.3PLC控制系统设计
3.3.1PLC的选型
由PLC改造的M7120平面磨床控制系统中其各种按钮、操作开关、欠压继电器、热继电器等，需占用14个输人端点。
输出控制接触器线圈、运行指示灯等执行元件10个，需占用10个输出端点.为满足系统控制要求且降低系统成本，选择欧姆龙CP1H系列的可编程序控制器，即可满足M7120型平面磨床的电气控制系统的各项控制要求。
CP1H系列可编程控制器，是欧姆龙公司于2005年推出，该系列属于小型PLC，拥有众多功能。
它的主机上配备了两个七段数码管、USB端口、模拟电位器、外部模拟设定输入、电池、存储盒等。
其特点是：
（1）处理速度快
CPU运行速度是小型机CPM2A的数倍，系统管理、I/O刷新时间和外设服务所需时间也大幅减少。
（2）程序容量与I/O容量大
其中程序容量：
20K步；数据容量：
32K字。
（3）整体式结构
CP1HPLC采用整体式结构，体积小，功能强，空间利用率大
（4）软硬件兼容性好
（5）系统扩展性好
CP1HPLC可以处理的最大I/O点数为320点。
（6）高速性能强
（7）功能块编程语言简便
用户可根据需求自己创建功能块，需要时就可以进行反复调用。
（8）程序组织模式结构化
CP1HPLC可将程序划分为最多32个实现不同控制功能的循环任务段，另外提供了电源断开中断、定时中断、I/O中断和外部I/O中断等4类256个中断任务。
（9）串行通信功能强
CP1HPLC的串行通信口最多可以装两个（RS-232C或RS-422A/485选件板可供选择），可以方便地实现与可编程终端（简称PT）、变频器、温度控制器、智能传感器及PLC之间的各种连接。
（10）USB通信方式简便
3.3.2PLC控制系统的I/O点分配
输入/输出接口是可编程控制器与外部设备相互联系的窗口。
输入单元接收现场设备向PLC提供的信号，如操作按钮、限位开关、行程开关、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量信号等。
通过输入接口电路将这些信号转换成中央处理器能够接收和处理的信号。
在输出接口电路中将中央处理器送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号，来驱动各种执行元件，如电磁阀、接触器、电磁铁、调节阀、调速装置等设备。
如表3-2和表3-3所示分别为M7120型平面磨床控制系统的PLC输入输出接口功能表。
表3-2平面磨床电气控制系统PLC输入接口功能表
序号
名称
符号
输入口
1
PLC系统总停按钮
SB0
00000
2
液压泵电动机停止按钮
SB1
00001
3
液压泵电动机启动按钮
SB2
00002
4
砂轮电动机停止按钮
SB3
00003
5
砂轮电动机启动按钮
SB4
00004
6
砂轮箱电动机上升按钮
SB5
00005
7
砂轮箱电动机下降按钮
SB6
00006
8
电磁吸盘断电按钮
SB7
00007
9
电磁吸盘充磁按钮
SB8
00008
10
电磁吸盘工件消磁按钮
SB9
00009
11
液压泵电动机热继电器
FR
00010
12
砂轮电动机热继电器
FR
00011
13
冷却泵电动机热继电器
FR
00012
14
欠压继电器
KV
00013
表3-3平面磨床电气控制系统PLC输出接口功能表
序号
名称
符号
输出口
1
液压泵电动机接触器
KM1
10000
2
液压泵电动机运行指示灯
HL1
10001
3
砂轮电动机接触器
KM2
10002
4
砂轮电动机运行指示灯
HL2
10003
5
砂轮箱升降电动机正转接触器
KM3
10004
6
砂轮箱升降电动机反转接触器
KM4
10005
7
砂轮箱电动机运行指示灯
HL3
10006
8
电磁吸盘充磁接触器
KM5
10007
9
电磁吸盘消磁接触器
KM6
10008
10
充磁与退磁指示灯
HL4
10009
3.3.3PLC控制系统的电源设定
PLC内部的电源部件将交流电转化成PLC的中央处理器、储存器等电路工作所需的直流电源，使其正常工作，并能向外部提供24V的直流电源，给输入单元所连接的外部开关、传感器等设备供电。
在PLC的输入回路中，信号电源由PLC内部的24V直流电源提供，所有输入回路在COM端短接后接入PLC电源DC24V的（＋）端，无需外接电源。
在输出回路中，PLC采用了继电器输出，由于输出控制的电气元件电压等级的不同，需要在外部接入不同电压源，其中用于控制液压泵电动机M1、砂轮电动机M2、冷却电动机M3、砂轮箱升降电动M4的接触器采用交流38
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