#基于PLC的X62W万能铣床控制系统的改造.docx
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#基于PLC的X62W万能铣床控制系统的改造
第一章绪论1
1.1课题研究的目的和意义1
1.2自动铳床的发展及现状1
1.3本课题研究的主要内容2
第二章X62W万能铳床控制系统的机械结构2
2.1X62W万能铳床控制系统的机械结构和基本控制要求2
2.2机床电气控制线路分析3
2.3本章小结7
第三章X62W万能铳床电气控制线路的PLC的硬件设计8
3.1控制线路改造方法8
3.2PLC硬件设计8
3.3本章小结9
第四章X62W万能铳床电气控制线路的PLC的软件设计10
4.1系统软件设计10
4.2PLC的控制系统的梯形图设计11
4.3PLC的控制系统的程序设计13
4.3.1主轴的程序设计13
4.3.2工作台的程序设计13
4.4本章小结14
第五章结论和展望14
5.1结论14
5.2展望14
答谢辞14
参考文献15
基于PLC的X62W万能铣床控制系统的改造的设计
中文摘要：
控制PLC是以计算机技术为技术核心的通用自动控制装置，在各行各业中得
到了广泛的使用。
铣床可以用来加工平面、斜面、沟槽，装上分度头可以铣切直齿齿轮和螺旋面，装上圆工作台还可以铣切凸轮和弧形槽。
所以铣床在金属切削机床中占有很大的比重，使用数量仅次于车床。
铣床的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分的代替人工操作，它能大大的改善工人的劳动条件，显著提高的提高生产劳动效率，加快实现工业的机械化和自动化的步伐。
因而，受到各工业国家的重视，并投入大量的人力、物力加以研究和使用。
在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。
关键词：
PLC;X62W万能铣床；自动控制装置
PLCbasedontheuniversalmillingX62WControlSystemDesign
Abstract:
PLCcontroltechnologybasedoncomputerfortheautomaticcontroldevicecommoncore,inallwalksoflifehavebeenwidelyused.Millingmachinecanbeusedtoprocessflat,slope，trench,fittedwithdividingheadcanbemillingandhelicalgearface,fittedwitharoundtablecanalsobemillingandarc-shapedcamslot.Therefore,metal-cuttingmachinetoolsmillingmachineinalargeproportionofthenumbersecondonlytotheuseoflathes.Therapiddevelopmentofmillingisduetothepositiveroleitisincreasinglyrecognizedasthefirstitcanreplacepartofthemanua，itcangreatlyimprovetheworkingconditionsofworkers,asignificantincreaseinproductionandlabortoimproveefficiencyandacceleratetheachievementofindustrythepaceofmechanizationandautomation.Thusbytheimportanceoftheindustrialcountries,andinvestedalargeamountofmanpowerandmaterialresourcestotheresearchandapplication.InChina,therearerelativelyrapidinrecentyears,andachievedcertainresultsbeofgreatimportancetotheindustrialsector.
Keywords：
PLC；X62WUniversalMillingMachine；AutomaticControlDevice
第一章绪论
1.1课题研究的目的和意义
铣床是以各类电动机为动力的传动装置和系统的对象以实现生产过程自动化的技术装置。
电气系统是其中的主干部分，在国民经济各行业中的许多部门得到广泛使用。
随着电子技术的发展，可编程序控制器日益广泛的使用于机械、电子加工和设备电气改造中。
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，各种参考文献也数不胜数。
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。
1.2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和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使用，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。
万能铣床的广泛使用，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。
1.3本课题研究的主要内容
本课题研究的内容主要有二个方面：
1.X62W万能铣床控制系统的机械结构
根据X62W万能铣床控制系统特性，分析X62W万能铣床结构，为PLC控制改造做好基础。
设计一种新的PLC控制系统部分代替人工操作，它能大大的改善工人的劳动条件，显著提高的提高生产劳动效率，加快实现工业的机械化和自动化的步伐。
2.PLC对X62W万能铣床控制系统的硬件和软件的开发
万能铣床的操作是通过手柄同时操作电气和机械，以达到机电紧密配合完成预定的操作，是机械和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。
但是在电气控制系统中，故障的查找和排除是非常困难的，特别是在继电器接触式控制系统，由于电气控制线路触点多、线路复杂、故障率高、检修周期长，给生产和维护带来诸多不便，严重地影响生产。
本文所述方案是对原来的继电器接触式模拟控制系统进行PLC改造而成，经实际运行证明该PLC控制系统无论是硬件还是软件，控制稳定可靠，具有极高的可靠性和灵活性，更容易维
修，更能适应经常变动的工艺条件，取得了较好的经济效益。
第二章X62W万能铣床控制系统的机械结构
2.1X62W万能铣床控制系统的机械结构和基本控制要求
X62W万能铣床基本概况
铣床型号意义:
X62W中X代表铣床，6代表卧式，2号工作台，W代表万能X62W万能铣床主要由床身、主轴、刀杆、悬梁、工作台、回旋盘、横溜板、升降台、底座等部分组成。
X62W万能铣床的外形主要结构图如图2-1:
图2-1X62W万能铳床的外形主要结构图
X62W万能铣床的运动形式
（1）铣床的主运动是由主轴带动铣刀的旋转运动。
主轴转动是由主轴电动机通过弹性联轴器来驱动传动机构，当机构中的一个双联滑动齿轮块啮合时，主轴即可旋转。
（2）铣床的进给运动是由工作台的前后（横向）、左右（纵向）和上下（垂直）6个方向的运动。
工作台面的移动是由进给电动机驱动，它通过机械机构使工作台能进行三种形式六个方向的移动，即：
工作台面能直接在溜板上部可转动部分的导轨上作纵向（左、右）移动；工作台面借助横溜板作横向（前、后）移动；工作台面还能借助升降台作垂直（上、下）移动。
（3）铣床的辅助运动是铣床其它的运动。
如工作台的旋转运动等。
X62W万能铣床电力拖动的控制要求
（1）为了防止刀具和铣床的损坏，只有主轴旋转后才允许有进给运动和进给方向的快速运动。
为了减小加工表面的粗糙度，只有进给停止后主轴才能停止或
同时停止。
该铣床采用机械操纵手柄和位置开关相配合的方式实现进给运动6个
方向的连锁。
（2）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的啮合状态，两种运动都要求变速后顺时点动。
（3）当主轴电动机或冷却泵过载时，进给运动必须立即停止，以免损坏刀具和铣床。
2.2机床电气控制线路分析
电气原理图是由主电路、控制电路和照明电路三部分组成。
1•主电路X62W万能铣床共用3台异步电动机拖动，它们分别是主轴电动机M1、进给电动机M2和冷却泵电动机M3。
X62W万能铣床的电路如图2-2所示，该线路分为主电路、控制电路和照明电路三部分。
电气控制线路的工作原理如下：
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图2-2万能铳床电气原理图
2.控制电路
（1）主轴电动机的控制（电路见图2-3）
SB1、SB3和SB2、SB4是分别装在机床两边的停止（制动）和启动按钮,实现两地控制，方便操作。
KM1是主轴电动机启动接触器，KM2是反接制动和主轴变速冲动接触器。
SQ7是和主轴变速手柄联动的瞬时动作行程开关。
主轴电动机需启动时，要先将SA5扳到主轴电动机所需要的旋转方向，然后再按启动按钮SB3或SB4来启动电动机M1。
M1启动后，速度继电器KS的一副常开触点闭合，为主轴电动机的停转制动作好准备。
停车时，按停止按钮SB1或SB2切断KM1电路，接通KM2电路，改变
M1的电源相序进行串电阻反接制动。
当M1的转速低于120转/分时，速度继电器KS的一副常开触点恢复断开，切断KM2电路，M1停转，制动结束。
图2-3主轴电动机控制电器原理图
据以上分析可写出主轴电机转动（即按SB3或SB4）时控制线路的通路：
1—2-3-7-8-9-10—KM1线圈一0;主轴停止和反接制动（即按SB1或SB2）时的通路：
1-2-3-4-5-6-KM2线圈一0
主轴电动机变速时的瞬动（冲动）控制，是利用变速手柄和冲动行程开关SQ7通过机械上联动机构进行控制的。
变速时，先下压变速手柄，然后拉到前面，当快要落到第二道槽时，转动变速盘，选择需要的转速。
此时凸轮压下弹簧杆，使冲动行程SQ7的常闭触点先断开，切断KM1线圈的电路，电动机M1断电；
同时SQ7的常开触点后接通，KM2线圈得电动作，M1被反接制动。
当手柄拉到第二（图2-4是主轴变速冲动控制示意图）道槽时，SQ7不受凸轮控制而复位，M1停转。
接着把手柄从第二道槽推回原始位置时，凸轮又瞬时压动行程开关SQ7,使M1反向瞬时冲动一下，以利于变速后的齿轮啮合。
工轴变速冲动控制示总图
图2-4主轴变速冲动控制示意图
但要注意，不论是开车还是停车时，都应以较快的速度把手柄推回原始位置，以免通电时间过长，引起M1转速过高而打坏齿轮。
（2）工作台进给电动机的控制，工作台的纵向、横向和垂直运动都由进给电动机M2驱动，接触器KM3和KM4使M2实现正反转，用以改变进给运动方向。
它的控制电路采用了和纵向运动机械操作手柄联动的行程开关SQ1、SQ2和横向
及垂直运动机械操作手柄联动的行程开关SQ3、SQ4、组成复合联锁控制。
即在选择三种运动形式的六个方向移动时，只能进行其中一个方向的移动，以确保操作安全，当这两个机械操作手柄都在中间位置时，各行程开关都处于未压的原始状态。
工作台纵向（左右）运动的控制，工作台的纵向运动是由进给电动机M2
驱动，由纵向操纵手柄来控制。
此手柄是复式的，一个安装在工作台底座的顶面中央部位，另一个安装在工作台底座的左下方。
手柄有三个：
向左、向右、零位。
当手柄扳到向右或向左运动方向时，手柄的联动机构压下行程SQ2或SQ1,使接触器KM4或KM3动作，控制进给电动机M2的转向。
工作台左右运动的行程，可通过调整安装在工作台两端的撞铁位置来实现。
当工作台纵向运动到极限位置时，撞铁撞动纵向操纵手柄，使它回到零位，M2停转，工作台停止运动，从而
实现了纵向终端保护。
工作台向左运动：
在M1启动后，将纵向操作手柄扳至向右位置，一方面机械接通纵向离合器，同时在电气上压下SQ2,使SQ2-2断，SQ2-1通，而其他控制进给运动的行程开关都处于原始位置，此时使KM4吸合，M2反转，工作台向
右进给运动。
其控制电路的通路为：
11—15-16-17-18-24-25-KM4线圈-0,工作台向右运动：
当纵向操纵手柄扳至向左位置时，机械上仍然接通纵向进给离合器，但却压动了行程开关SQ1，使SQ1-2断，SQ1-1通，使KM3吸合，M2正转，工作台向右进给运动，其通路为：
11-15-16-17-18-19-20-KM3线圈一0。
工作台垂直（上下）和横向（前后）运动的控制：
工作台的垂直和横向
运动，由垂直和横向进给手柄操纵。
此手柄也是复式的，有两个完全相同的手柄分别装在工作台左侧的前、后方。
手柄的联动机械一方面压下行程开关SQ3或
SQ4,同时能接通垂直或横向进给离合器。
操纵手柄有五个位置（上、下、前、后、中间），五个位置是联锁的，工作台的上下和前后的终端保护是利用装在床身导轨旁和工作台座上的撞铁，将操纵十字手柄撞到中间位置，使M2断电停转。
工作台向后（或者向上）运动的控制：
将十字操纵手柄扳至向后（或者向上）位置时，机械上接通横向进给（或者垂直进给）离合器，同时压下SQ3,使SQ3-2断，SQ3-1通，使KM3吸合，M2正转，工作台向后（或者向上）运动。
其通路为：
11—21-22-17-18-19-20-KM3线圈—0;工作台向后（或者向上）运动的控制：
将十字操纵手柄扳至向前（或者向下）位置时，机械上接通横向进给（或者垂直进给）离合器，同时压下SQ4,使SQ4-2断，SQ4-1通，
使KM4吸合，M2反转，工作台向前（或者向下）运动。
其通路为：
11-21-22-17-18-24-25-KM4线圈—0。
进给电动机变速时的瞬动（冲动）控制：
变速时，为使齿轮易于啮合，进给变速和主轴变速一样，设有变速冲动环节。
当需要进行进给变速时，应将转速盘的蘑菇形手轮向外拉出并转动转速盘，把所需进给量的标尺数字对准箭头，然后再把蘑菇形手轮用力向外拉到极限位置并随即推向原位，就在一次操纵手轮的同时，其连杆机构二次瞬时压下行程开关SQ6,使KM3瞬时吸合，M2作正向瞬动。
其通路为：
11-21-22-17-16-15-19-20-KM3线圈0，由于进给变速瞬时冲动的通电回路要经过SQ1-SQ4四个行程开关的常闭触点，因此只有当进给运动的操作手柄都在中间（停止）位置时，才能实现进给变速冲动控制，以保
证操作时的安全。
同时，和主轴变速时冲动控制一样，电动机的通电时间不能太长，以防止转速过高，在变速时打坏齿轮。
工作台的快速进给控制：
为提高劳动生产率，要求铣床在不作铣切加工
时，工作台能快速移动。
工作台快速进给也是由进给电动机M2来驱动，在纵向、横向和垂直三种运动形式六个方向上都可以实现快速进给控制。
主轴电动机启动后，将进给操纵手柄扳到所需位置，工作台按照选定的速度和方向作常速进给移动时，再按下快速进给按钮SB5（或SB6），使接触器KM5
通电吸合，接通牵引电磁铁YA，电磁铁通过杠杆使摩擦离合器合上，减少中间传动装置，使工作台按运动方向作快速进给运动。
当松开快速进给按钮时，电磁铁YA断电，摩擦离合器断开，快速进给运动停止，工作台仍按原常速进给时的速度继续运动。
（3）圆工作台运动的控制：
铣床如需铣切螺旋槽、弧形槽等曲线时，可在工作台上安装圆形工作台及其传动机械，圆形工作台的回转运动也是由进给电动机M2传动机构驱动的。
圆工作台工作时，应先将进给操作手柄都扳到中间（停止）位置，然后将圆工作台组合开关SA3扳到圆工作台接通位置。
此时SA3-1断,SA3-3断，SA3-2通。
准备就绪后，按下主轴启动按钮SB3或SB4,贝U接触器KM1和KM3相继吸合。
主轴电机M1和进给电机M2相继启动并运转，而进给电动机仅以正转方向带动圆工作台作定向回转运动。
其通路为：
11-15-16-17-22-21
-19-20-KM3线圈一0,由上可知，圆工作台和工作台进给有互锁，即当圆工作台工作时，不允许工作台在纵向、横向、垂直方向上有任何运动。
若误操作而扳动进给运动操纵手柄（即压下SQ1-SQ4、SQ6中任一个），M2即停转。
2.3本章小结
本章主要介绍了X62W万能铣床控制系统的机械和电气控制部分，重点分析了电气控制控制部分（主要工作原理、控制线路、以及常见原因）。
通过对X62W
7
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万能铣床控制系统的机械和电气控制部分的分析，可以熟练的通过PLC的设计来
改造X62W万能铣床，来提高万能铣床的精度和安全性能。
第三章X62W万能铣床电气控制线路的PLC的硬件设计
3.1控制线路改造方法
进行电气控制线路改造时，X62W万能铣床电气控制线路中的电源电路、主电路及照明电路保持不变，在控制电路中，变压器TC的输出及整流器VC的输
出部分去掉，用可编程控制器实现，为了保证各种联锁功能，将SQ1〜SQ6,SB1〜SB6分别接入PLC的输入端，换刀开关SA1和圆形工作台转换开关SA2分别用其一对常开和常闭触头接入PLC的输入端子。
输出器件分三个电压等级，一个是接触器使用的110V交流电压，另一个是电磁离合器使用的36V直流电，还有一个是照明使用的24V交流电压，这样也将PLC的输出口分为三组连接点。
PLC硬件设计
由于X62W型万能铣床采用继电器设计，整套控制部分为完成控制要求，各控制部件间要进行复杂的连锁或互锁，所以线路接点多，控制连线多。
由于普通继电器损坏频率高，且生产条件恶劣等原因，给铣床的使用和维修带来许多不便。
为了提高生产效率，尤其是减少维修工作量，采用工业可编程控制器PLC对该设备进行改造。
经过对X62W万能铣床的控制系统进行详细的分析可知，该系统需要输入点数为16点，输出点数为7点，根据输入输出口的数量，可选择三菱FX2N—32MR型PLC。
所有的电器元件均可采用改造前的型号。
万能铣床各个输入输出点数及地址分配见下表3-1所示：
表3-1输入输出点数及地址
序号
输入器件
输入地址
序号
输出器件
输出地址
1
SB1、SB2主轴启动
X0
1
EL照明
Y0
2
SB3、SB4快速进给
X1
2
KM1主轴启动
Y1
3
SB5-1、SB6-1制动
X2
3
KM2主轴启动
Y2
4
SB5-2、SB6-2制动
X3
4
KM3M2正转
Y3
5
SA1换刀开关
X4
5
KM4M2反转
Y4
6
SA2圆工作台开关
X5
6
YC1主轴制动
Y5
7
SA4照明开关
X6
7
YC3快速进给
Y6
8
SQ1主轴冲动
X7
9
SQ2进给冲动
X10
10
SQ3-1、SQ5-1
X11
11
SQ3-2、SQ4-2
X12
12
SQ4-1、SQ6-1
X13
13
SQ5-2、SQ6-2左右进给
X14
14
FR1热保护触点
X15
15
FR2热保护触点
X16
16
FR3热保护触点
X17
FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程控制器。
它的基本指
令执行时高达0.08us每条指令，用户存储器容量可扩展到16K步，各点状态均有指示灯显示，便于用户不带负载调试程序。
PLC的供电电源为220V，由380V/220V的隔离变压器提供，这样可以减少电网波动或噪声对PLC的干扰。
PLC的输入输出地址如图3-1接线图。
图3-1PLC的输入输出地址接线图
3.3本章小结
本章首先介绍了X62W万能铣床电气控制线路的PLC的硬件设计系统的总体设计，然后分别介绍了X62W万能铣床电气控制线路的设计、PLC的硬件线路控制系统的设计、PLC控制系统I/O分配和接线设计、X62W的PLC电气控制I/O接线等，全面的阐述了系统的硬件组成。
改变以前铣床单一采用继电器接触式控制系统，电气控制线路触点多、线路复杂、故障率高、检修周期长，从而降低铣床安全隐患和维修费用。
第四章X62W万能铣床电气控制线路的PLC的
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