M7120磨床设计.docx

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M7120磨床设计

机械系毕业设计

M7120磨床的电气控制线路设计

专业名称：

数控

学生姓名：

徐阳辉

指导老师：

胡宇宏戴晓厚

湖南工业职业技术学院机械系

2011年12月

对M7120磨床的电气控制的改造及PLC控制的设计

摘要

本次设计的内容主要是改装M7120平面磨床的电气控制及利用PLC（ProgrammableLogicController）技术。

我先对本次的设计进行了总体的思考和分析，使自己对M7120平面磨床的基本结构、运动情况、加工工艺要求等有一定的了解。

M7120平面磨床主要有床身、工作台、电磁吸盘、滑座、立柱、砂轮箱等组成。

对M7120平面磨床电气控制部分进行分析得出它需要完成开门断电功能、砂轮升降电动的正反转控制功能、液压泵电动机的快速移动功能、冷却泵电动机的控制。

然后根据电气控制电路的线路图，编译PLC的梯形图。

由于PLC极高的可靠性，极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性。

因此使M7120平面磨床在完成原有的功能特点外，还具有安装简便、稳定性好、易于维修、扩展能力强等特点。

关键词：

M7120磨床电气控制PLC改造

前言

在制造工业（以改变几何形状和机械性能为特征）和过程工业（以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征）中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。

传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。

随着产品机型的更新换代，生产线承担的加工对象也随之改变，这就需要改变控制程序，使生产线的机械设备按新的工艺过程运行，而继电接触器控制系统是采用固定接线的，很难适应这个要求。

大型自动生产线的控制系统使用的继电器数量很多，这种有触点的电器工作频率较低，在频繁动作的情况下寿命较短，从而造成系统故障，使生产的运行可靠性降低。

由于工厂企业中很多磨床年代久远，其工作已远远达不到现代生产的要求。

因此有必要对旧式的常规电动机控制系统进行技术改造，以可编程序控制器取代常规的继电器，以达到磨床的自动化控制。

本文介绍了用可编程序控制器来对平面磨床控制系统进行现代化改造，简要叙述了老式成型平面磨床的工作原理及用PLC进行改造设计的方法和设计步骤，并给出PLC编程程序梯形图。

改造后的磨床工作安全可靠，系统运行情况良好，磨削精度更高；利用PLC控制磨床运行，实现了磨床启动、停止、故障停止、紧急停止的功能，并且有手动控制和自动控制两种控制方式，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。

并因所吸工件的不同灵活调节电磁吸盘的电流，并且显示数值大小。

从而实现了磨床运行的自动化。

PLC控制的特点使原机床控制大大的简单化并且维修方便易于检查。

节省大量的继电器元件使机床的工作效率更高。

该项技术还可推广应用于其他设备或其他领域的控制改造中。

现在，PLC的出现解决了这一问题.PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力比之大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统.在我国应用的PLC系统中，I/O64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点~256点的占31%，合计占整个PLC销售额的78%。

在我国应用的PLC，几乎涵盖了世界所有的品牌，呈现八国联军的态势，但从行业上分，有各自的势力范围。

大中型集控系统采用欧美PLC居多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及OEM产品采用日本的PLC居多。

欧美PLC在网络和软件方面具有优势，而日本PLC在灵活性和价位方面占优势。

我国的PLC供应渠道，主要有制造商、分销商（代理商）、系统集成商、OEM用户、最终用户。

其中，大部分PLC是通过分销商和系统集成商达到最终用户的。

1、人机界面更加友好

PLC制造商纷纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业，大大提高了其软件水平，多数PLC品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的结合，提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护降低了成本，使更易形成人机友好的控制系统，目前，PLC＋网络＋IPC＋CRT的模式被广泛应用。

2、开放性和互操作性大大发展

PLC在发展过程中，各PLC制造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄割据的局面，各自发展自己的标准，兼容性很差，这给用户使用带来不便，并增加了维护成本。

开放是发展的趋势，这已被各厂商所认识，形成了长时期妥协与竞争的过程，并且这一过程还在继续。

开放的进程，可以从以下方面反映：

（1）IEC形成了现场总线标准，这一标准包含8种标准，虽然有人说，多种标准就是没有标准，但必竟是一个经过困难的争论与妥协的成果。

标准推出后，各厂商纷纷将自己的产品适应这些标准，或者开发与之相应的新产品。

（2）IEC制订了基于Windows的编程语言标准IEC61131-3，它规定了指令表（IL）、梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）五种编程语言。

这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的标准化文件。

虽然PLC开发上各工具仍不兼容，但基于这些标准的开发系统，使用户在应用过程中，可以较方便地适不同品牌的产品。

（3）PLC的功能进一步增强，应用范围越来越广泛。

PLC的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制的应用，而越来越应用于过程控制方面，有人统计，除石化过程等个别领域，PLC均有成功能应用，PLC在相当多的应用取代了昂贵的DCS，从而使原来PLC（顺序控制）＋DCS（过程控制）的模式变成PLC＋IPC模式。

M7120型平面磨床是一种中型磨床，能够完成外圆.孔.平面以及齿轮.螺纹等成形表面的精加工，也可刃磨各种切削刀具。

目前采用传统的继电器控制的普通车床在中小型企业仍量使用，由于继电器系统接线复杂，故障诊断与排除困难，并存在：

①触点易被电弧烧坏而导致接触不良，②机械方式实现的触点控制反映速度慢，③继电器的控制功能被固定在线路中，功能单一、灵活性差等缺点，从而影响正常生产。

因此，选用一种较为合理，经济耐用的器件来开发、改造，才能使我们的这次设计有意义。

PLC的性能比较稳定些，它的搞干扰能力比较突出，可以用在环境比较恶劣的工作环境中。

但，PLC与单片机比起来价格要高一点，PLC不像单片机那样，可以根据工程的需要，灵活的开发。

PLC是一个成品，只能使用，而单片机可以灵活改动。

但单片机的程序设计没有PLC那么简单易学。

因此我们选用PLC作为本次设计的控制器。

总之，许多在几年前的前沿性的、概念性的磨削技术当今已得到了广泛的应用。

我国的磨床企业既不能不加选择的盲目照搬和跟随，也决的观望和抵触。

只有立足于充分的市场调研和认真分析用户零件工艺的基础上，虚心学习并吸收先进的技术，扎扎实实的发展自己的产品，才能跟上世界机床技术的发展潮流。

相信中国磨床市场的发展空间会更大，磨床市场的竞争也会更激烈。

计算项目

计算及说明

计算结果

1.M7120磨床的基本结构

M7120磨床的基本结构及要求

平面磨床的结构如图所示，由床身、工作台、电磁吸盘、砂轮箱、滑座、立柱等部分组成，其中设计的外形尺寸规格为2200/1850/1350（mm），最大磨削：

200*630（mm）.工作台：

200*560.工作电压为380V

图表01

床身：

其中装有液压传动装置，以使矩形工作台做往复运动（纵向）

工作台：

表面是T形槽,用来安装电磁吸盘以吸持工件或直接安装大型工件。

磁吸盘：

夹紧工件。

砂轮箱：

沿滑座水平导轨作横向运动。

滑座：

可在立柱导轨上作上下移动。

2.控制要求

根据磨床的结构可知它的几种运动形式，主运动是砂轮的旋转运动。

垂直进给，即滑座在立柱上的上下运动；槽向进给，即砂轮箱在滑座上的水平运动；纵向进给，即工作台沿床身的往复运动。

平面磨床采用电动机拖动，所需电动机有砂轮电动机、液压电动机、冷却泵电动机、砂轮升降电动机,其拖动控制要求如下：

（1）砂轮、液压泵、冷却泵3台电动机都只要求单方向旋转。

砂轮升降电动机需双向旋转。

（2）冷却泵电动机应伴随砂轮电动机的开动而开动。

（3）在正常加工中，若电磁吸盘的吸力不足或消失时，砂轮电动机与液压泵电动机应立即停止工作，以防工件被砂轮切向力打飞而发生人身和设备事故。

（4）电磁吸盘励磁线圈具有吸牢工件的正向励磁、松开工件的断开励磁以及抵消剩磁便于取下工件的反向励磁控制环节。

（5）具有完善的保护环节。

各电路的短路保护，各电动机的长期过载保护，零压、欠压保护，电磁吸盘吸力不足的欠电流保护，以及线圈断开时产生高电压而危及电路中其他电气设备的过压保护。

（6）机床安全照明电路与工件去磁的控制环节。

3.砂轮电动机分析设计

电气电路及控制

砂轮电机为该磨床的的主运动，选择适合的电机对于机床的性能都是有很大的影响的，在此按着要求来计算与选择:

1.M1砂轮电动机的计算与选择:

根据电机功率计算公式P=T*n/9550T=砂轮重量/砂轮半径

由选用砂轮规格：

1-400*150*203A60L5B35；查资料重量约M=40Kg

可得P≈3KW。

经查表选择得砂轮电动机：

三相异步电动机Y系列型号：

Y100L-2,功率P=3kW，已知电压V=380V,额定电流I=7A，满载转速v=2870r/min

2.M2冷却泵电动机的计算与选择：

根据机床的工作状态，选择离心泵，需要满足工作要求的是流量Q=0.005m3/s,H=1.5m,n=2790r/min,η1=0.6,直接传动（η2=1）,冷却液的密度ρ=1400kg/m3。

由PL=Q*ρ*h/102=0.103kW

又K=1.1可得所需电动机的额定功率为：

PN=K*PL/n1*n2=0.189kW

所以查表得PN=0.20kW

交流微型电机型号：

JCB-25，额定功率：

PN=0.20kW,使用电压：

U=380V，额定电流：

I=0.5A，最大转速：

n=2890r/min

再就是电路上的控制了

（1）电动机配置情况及其控制

主电路有2台电动机。

其中M1为砂轮电动机，带动砂轮转动来完成磨削加工工作；M2是冷却泵电动机，M1和M2同由接触器KM1的主触头控制，单向旋转。

其中热继电器FR1、FR2对电路进行过载保护，熔断器FU对其作短路保护。

（2）控制电路

按下启动按钮SB2，接触器KM1得电吸合并自锁，M1和M2同时启动运转。

按下停止按钮SB1，KM1失电释放，M1和M2同时失电停止。

注：

若加工中不需要冷却液，则可单独关断冷却泵电动机。

电路控制图如图所示：

图表02

电动机M1～M2的控制电路

Y系列型号：

Y100L-2,功率P=3kW，已知电压V=380V,额定电流I=7A，满载转速v=2870r/min

M2冷却泵电动机

型号：

JCB-25，额定功率：

PN=0.20kW,使用电压：

U=380V，额定电流：

I=0.5A，最大转速：

n=2890r/min

4.液压泵电动机分析设计

电机的计算与选择

1.M3液压电动机的计算与选择：

根据工作要求，需要液压泵的排量要达到16毫升/转,转速为1200r/min,系统最高工作压力为50kg/cm2则：

流量Q=qn=16*1200=19200（毫升/分）=19.2分）

系统所需功率：

PN=P*Q/612=50*1.8/612=1.57Kw

考虑到泵的效率，电机功率一般为所需功率的1.05-1.25倍

PD=（1.05-1.25）PN=1.6485-1.9625KW，所以经查表得：

电机型号：

Y100L1-4，功率为:

PD=2.2KW，使用电压:

U=380V,电流为3A，转速：

1430r/min

（1）电动机配置情况及其控制

主电路有一台电动机。

M为液压泵电动机，实现工作台的往复运动，由接触器KM1的主触头控制，单向转动。

其中热继电器FR对电路进行过载保护，熔断器FU对其作短路保护。

（2）控制电路

按下启动按钮SB4，接触器KM1得电吸合并自锁，液压泵电动机M启动运转。

按下停止按钮SB3，KM1失电释放，M失电停转。

电路控制图如03图所示：

图04

液压泵电动机的控制电路

电机型号：

Y100L1-4，功率为:

PD=2.2KW，使用电压:

U=380V,电流为3A，转速：

1430r/min

5.砂轮升降电动机分析设计

电机的计算与选择

1.M4砂轮升降电动机的计算与选择：

根据电机载重砂轮的重量要求，已知M=40kg,升降机速度1.5m/min=0.025m/s；断续工作，载荷平稳，双向运转。

升降高度为H=60cm

PW=w/t=f*s/t=400N*g*0.6m/0.6/0.025m/s=10KW

因为负载功率的需要为2.56KW效率为0.9。

所以电动机的功率必须至少为10/0.9=11.11KW.所以需要的选择的电机：

型号：

Y160L-4，P=15KW额定电流：

I=4A，已知电压380V，转速为1500r/min。

（1）电动机配置情况及其控制

主电路有一台电动机。

M为砂轮升降电动机，用于在磨削过程中调整砂轮与工件之间的位置，有接触器KM1和KM2的主触头控制，双向转动。

其中熔断器FU对其作短路保护。

砂轮升降电动机是短期工作的，因此不设过载保护。

（2）控制电路

砂轮升降电动机只有在调整工件和砂轮之间的位置时才使用，因此用点动控制。

按下点动按钮SB5时，接触器KM1得电吸合，电动机M启动正转，砂轮上升。

按下点动按钮SB6时，接触器KM2得电吸合，电动机M启动反转，砂轮下降。

砂轮达到所需位置时，松开SB5或SB6，KM1或KM2失电释放，电动机停转，砂轮停止上升或下降。

电路控制图如05图所示：

图06

砂轮升降电动机的控制电路

型号：

Y160L-4，额定电流：

I=4A，已知电压380V，转速为1500r/min。

6.电磁吸盘电路分析设计

砂轮与液压泵电动机控制电路和电磁吸盘电路之间的连接分析

根据控制要求，我们在砂轮电动机与冷却泵电动机的控制电路中添加了动合触头KV，该触头为欠压继电器KV的动合触头。

电磁吸盘控制电路通过欠电压继电器KV进行联系，当电源电压过低时，电磁吸盘吸力不足，会导致加工过程中工件飞离吸盘的事故，因此，吸盘线圈并接有欠电压继电器KV。

当电源电压过低时，KV不吸合，串接在KM1、KM2线圈控制电路中的动合触头KV断开，切断KM1、KM2线圈电路，是砂轮电动机和液压泵电动机停止工作，确保安全生产。

7.电磁吸盘电路

1充磁过程

按下充磁按钮SB8，接触器KM3得电吸合并自锁，其主触头闭合，电磁吸盘YH线圈得电，工作台充磁吸住工件，同时KM5辅助动断触头断开，使KM6不能得电，实现互锁。

磨削加工完毕，在取下加工好的工件时，先按下SB7，切断电磁吸盘YH上的直流电源。

由于吸盘和工件都有剩磁，因此需对吸盘和工件进行去磁。

2去磁过程

按下点动按钮SB9，接触器KM6得电吸合，其两副主触头闭合，电磁吸盘通入反向直流电，使工作台和工件去磁。

去磁时，为防止因时间过长而使工作台反向磁化，再次吸住工件，因而接触器KM6采用点动控制。

保护装置由放电电阻R和电容C以及欠电压继电器KV组成，电阻R和电容C的作用是，电磁吸盘是一个大电感，在充磁吸工件时，存储了大量的磁场能量，在脱离电源的一瞬间，吸盘YH的两端产生较大的自感电动势，使线圈和其他电器元件损坏，因此用电阻和电容组成放电回路利用电容C两边的电压不能突变的特点，使电磁吸盘线圈两端电压变化趋于缓慢，利用电阻消耗电磁能量。

欠电压继电器KV的作用是，在加工过程中，若电源电压不足，则电磁吸盘不能吸牢工件，导致工件被砂轮打出，造成严重事故。

因此，在电路中设置了欠电压继电器KV，将其线圈并联在直流电源上，其动合触头串联在液压泵电动机与砂轮电动机的控制电路中，若电磁吸盘不能吸紧工件，KV就会释放使液压泵电动机和砂轮电动机停转，保证了安全。

电路控制图如07图所示

图08

电磁吸盘电路

（1）电磁吸盘电路

（2）

8.照明和指示灯电路

EL为照明灯，其工作电压为24V，由变压器TC供电。

SA为照明负荷隔离开关。

HL1-HL5为指示灯，工作电压均为6V，也由变压器TC调节变压供电。

其中，HL1为控制电路指示灯，HL2为液压泵电动机运行指示灯，HL3为砂轮电动机及冷却泵电动机运转指示灯，HL4为砂轮升降电动机运行指示灯，HL5为电磁吸盘工作（充磁或退磁）指示灯。

其工作原理为控制各电动机的交流接触器常开辅助触头控制。

照明和指示灯电路如图0-6所示

照明与指示灯电图表09

9.综上分析，M7120磨床的电气原理

总电气控制原理图

图010

总电气控制原理图

M7120磨床电气元件选择

10.熔断器的选择

熔断器的类型很多，通常有插入式，螺旋式，填料封闭管式等，选择熔断器，实际上主要是选择熔断器类型，额定电压和电流，以及熔体的额定电流。

对于具有冲击电流的电气设备，如异步电动机的启动电流为额定电流的5-7倍，则应采用经验计算方法。

对于多台电动机共用一个熔断器进行保护的，则取

Ir>=（1.5~2.5）Inmax+∑Iqt

其中Ir---熔体的额定电流

Inmax------容量最大的电动机额定电流

∑Iqt----其余电动机额定电流之和

熔断器是一种用于过载与短路保护的电器，当超出限定值的电流通过熔断器的熔体时将其熔化而分开电路。

主轴电动机的满载电流是40A，所选的熔断器（FU1）型号是RT14-63，额定电压380V，熔断体额定工作电流50A。

快速移动电动机满载时的电流是2.3A，冷却泵电动机满载时的电流是0.48A，所选的熔断器（FU2）型号是RT14-32，额定电压是380V，熔断体额定工作电流是4A。

选择熔断器的主要内容是类型、额定电压、熔断器额定电流等级与熔体额定电流。

依据负载保护特性、短路电流大小、各类熔断器的适用范围来选取熔断器的类型。

额定电压是依据被保护电路的电压来选择的。

熔体额定电流是选择熔断器的关键，它与负载大小、伏在性质密切相关。

对于负载平稳、无冲击电流，可直接按负载额定电流选取。

而对于像电动机一类有冲击电流的负载，熔体额定电流可按下式计算值选取：

单台电动机长期工作

多台电动机长期共用一个熔断器保护

式中，

——容量最大一台电动机的额定电流；

——除容量最大的电动机之外，其余电动机额定电流之和。

由于是多台电动机共用同一个熔断器

熔断器的选型如表5所示。

轻载及启动时间短时，系数取1.5，启动负载较重及启动时间长，启动次数又较多的情况，则取2.5。

熔体额定电流的选择还要照顾到上下级保护的配合，以满足选择性保护要求，使下一级熔断器的分段时间较上一级熔断器熔体的分段时间要小，否则将发生越激动做，扩大停电范围。

图表011

熔断器的选择

序号

代号

名称

数量

规格型号

备注

FU1~FU3

熔断器

RT18-32

熔芯6A

FU4

熔断器

RT18-32

熔芯8A

FU5~FU6

熔断器

RT18-32

熔芯2A

40A

熔断器（FU1）型号是RT14-63

额定电压380V

快速移动电动机满载时的电流是20.48A.3A

RT14-32

380V

11.交流接触器的选择

接触器分直流接触器和交流接触器两大类，交流接触器主要有CJ0及CJ10系列。

在机床上应用最多的是交流接触器，选择时主要考虑主触点的额定电流，辅助触点的数量，吸引线圈的电压等级，操作频率等。

选择的交流接触器，其主触点的额定电流应大于负载或电动机的额定电流。

主轴电动机的额定功率为20KW，满载电流40A，选用交流接触器CJ2O-63来控制主轴电动机启动。

交流接触器CJ2O-63额定电流63A，额定电压380V，可控电动机的最大功率30KW。

交流接触器B9型线圈电压为380伏用来操作快速移动电动机启动，冷却泵电动机的启动和停止。

接触器B9型的额定工作电压380V，额定工作电流8.5A。

具体选用方法和计算是：

（1）主触头额定电流

选择。

主触头的额定电流应大于或等于负载电流，对于电机负载可按下面经验公式来计算主触头电流

：

式中，

——被控制电动机额定功率（KW）;

——电动机额定线电压（V）

——经验系数，取1~1.4

KM1,KM2的主触头电流

KM3的主触头电流

KM4的主触头电流

KM5,KM6的主触头电流

选用接触器额定电流应大于计算值。

对于频繁启动、制动与频繁正反转工作情况，为了防止主触头的烧蚀和过早损坏，应将接触器的额定电流降低一个等级使用。

（2）主触头额定电压

应大于控制线的额定电压。

（3）接触器触点数量、种类应满足控制需要，当辅助触点的对数不能满足要求时，可用增设中间继电器方法解决。

（4）接触器控制线圈的电压种类与电压等级应根据控制线路要求使用。

图表012

接触器的选择

序号

代号

名称

数量

规格型号

备注

KM1,KM2

接触器

CJX4-D-1610

线圈电压220VAC

KM3

接触器

CJX4-D-3210

线圈电压220VAC

KM4

接触器

CJX4-D-2510

线圈电压220VAC

KM5,KM6

接触器

CJ20-250J

线圈电压220VAC

额定功率为20KW

满载电流40A

接触器CJ2O-CJ2O-63额定电流63A63

380V

大功率30KW

380额定工作电压380V伏

8.5A

12.热继电器的选择

对于工作时间较短，停歇时间长的电动机，以及虽长期工作但过载可能性很小的电动机可以不设过载保护。

热继电器有两相式、三相式及三相带断相保护等型式。

对于星形接法的电动机及电源对称性较好的情况可采用两相结构的热继电器。

对于三角形接法的电动机或电源对称性不够好的情况，则应选用三相结构或带断相保护的三相结构热继电器。

热继电器发热元件额定电流，原则上按被控制电动机的额定电流选取，并以此在一定调节范围内，去选择发热元件的型号。

根据电机选择热继电器:

选择热继电器的型号时，通常应按电动机形式、工作环境、启动情况及负荷情况等几方面综合考虑。

原则上热继电器的额定电流应按电动机的额定电流选择。

对于过载能力较差的电动机，其配用的热继电器（主要是发热元件）的额定电流可适当小些。

通常，选取热继电器的额定电流（实际上选取发热元件的额定电流）为电动机的额定电流的60%

80%。

在不频繁启动的场合，要保证热继电器在电动机的启动过程中不产生误动作，通常，当电动机启动电流为其额定电流的6倍以及启动时间不超过6S时，若很少连续启动，就可以按电动机的额定电流选取热继电器。

当电动机为重复短时工作时，首先注意确定热继电器的允许操作频率。

因为热继电器的操作频率是很有限的，如果用它保护操作频率较高的电动机，效果很不理想，有时甚至不能使用。

按电动机地额定电流来确定热继电器地型号和规格。

热继电器元件地额定电流Ir应接近或略大于电动机地额定电流In，即

Ir=（0.95~1.05）In

热继电器的作用是过载保护。

根据主轴电动机的工作情况和技术参数，所选热机电器（KR1）的型号为TSA

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