M7120型平面磨床电控系统分析与改造.docx

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M7120型平面磨床电控系统分析与改造

M7120型平面磨床电控系统分析与改造

机械电子专业学生xxx

指导教师xxx

摘要：

本次毕业设计的内容要求主要是分析M7120型平面磨床电气控制系统组成构建，然后利用PLC控制对M7120型平面磨床的电气控制部分进行改造。

为了更加清楚的认识和改造M7120型平面磨床的电气控制系统以便解决传统继电器-接触器电气控制系统存在的线路复杂，故障诊断和排除困难等难题。

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，实现特性，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、扩张能力强等特点。

关键词：

电控系统；分析与改造；平面磨床；PLC控制

M7120typeplanargrindercontrolsystemanalysisandimprovement

StudentmajoringinMechatronicsEngineeringxxx

Tutorxxx

Abstract:

thecontentofthisgraduationdesignismainlyrequiredanalysisoftypeM7120planegrindingmachineelectriccontrolsystemconstruction,thentheuseofPLCcontrolonM7120typeplanargrinderelectriccontrolpartofthetransformation.InordertomoreclearlyunderstandandtransformoftypeM7120planegrindingmachineelectricalcontrolsysteminordertosolvethetraditionalrelay-contactorelectricallinesexistinacomplexcontrolsystem,faultdiagnosisandruleoutthedifficulty.BecausePLChighreliability,extremelyrichsetofinstructions,easycontrol,convenientoperation,richbuilt-inintegratedfunction,realizethecharacteristic,therefore,theM7120planegrindingmachineatthecompletionoftheoriginalfeatures,butalsohastheadvantagesofeasyinstallation,goodstability,easytorepair,expansioncapabilityandcharacteristics.

Keywords:

electriccontrolsystem;Analysisandimprovement;grinder;PLCcontrol

1引言

在注重改变零部件外部几何形态和机械性能的制造工业和通过各种变化将原材料转化成产品为目的的过程工业中，通过大量的开关量顺序控制，按外部逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系控制连锁保护动作，及大量离散量生产数据的采集。

传统意义上，生产厂家都是通过气动和电气控制来实现这些顺序控制及数据采集功能的。

随着产品机型的更新换代，车间生产线对应的加工对象也随之发生改变，这就需要改变控制程序，使生产线的机械制造设备按照新的工艺要求进行加工，而传统的继电接触器控制系统是固定接线式控制器，很难适应随时更新生产工艺要求。

较大型自动生产线的控制系统使用了过多的继电器，这种触点式电器工作频率较低，在频繁动作的生产情况下寿命较短，从而容易引发系统故障，大大降低生产运行的可靠性。

现代生产工艺中，PLC的出现解决了这一问题。

PLC在数字运算能力、处理模拟数据量能力、人机接口能力和网络连接能力等方面较大幅度的提高了生产要求，PLC逐渐进入过程控制领域，在很多生产运行应用中取代了在过程控制领域处于主导地位的DCS系统。

1.1国内外平面磨床的发展现状及趋势

第23届日本国际机床展览会是继德国汉诺威、美国芝加哥之后的一个大型国际机床展览会，此次展览会主题定义为“Mono-Zukuriin-novation”（制造业的创新）。

此次展会展现出，平面磨床现今已不再局限于平面的磨削，已延拓到了表面的磨削，成形磨削方式大行其道，得到了制造商和用户的大力推崇、开发及认可，磨削精度也越来越高。

当今随着科技的高速发展高精度、超精度成形磨床应用范围越来越广，其机构布置形式以高刚性、T字布置为主。

立柱全移动式布局和工作台固定式布局，突破了传统的工作台移动形式，实现了平磨布局形式的一大创新。

未来平面磨床的发展将更加注重创新的应用，主要表现在以下几个方面：

1、配合数控技术的发展和普及，各平磨生产厂也积极推广数控系统的二次开发应用。

并与数控系统开发商共同开发出具有自己特色的数控系统，符合平磨行业规范的基础上，利于打造自己的品牌，同时开发适应自身机床的工作控制程序。

2、实现超精度平磨，垂直、横向最小进给量0.1µm的超精度机床在国际上已相当普遍，日本0.01µm的超精度平磨也已投入实际使用，如长濑公司超精平磨用于成形磨削导光板，亦可以进行超精密非球面、平面、以及成形加工，精度可达0.4µm/1500mm。

在一定条件下磨削铝、铜材料时，最高磨削精度可达0.001—0.01µm（1nm—10nm）。

3、实现复合化（成套成线产品）的加工生产，两台及两台以上机床根据零件加工工艺路线及工厂布置，将几台甚至几十台机床联合，利用输送线形成某一零件或某类零件加工线（FMS），或集成磨削、测量等多种不同的工艺过程。

利用复合生产线，可以大大降低生产成本，还可以满足全球倡导的环保生产理念，同时复合生产线还可将加工过程中各机床的诸多优越性能和完善特点进行有效整合，提供用户全套的工艺解决方案。

提供成套成线产品、提供生产线专用配套产品将是磨床发展的又一大趋势。

4、实现专机产品的生产，为满足用户特殊零件的加工要求，生产特定的磨床日益为用户所接受。

5、磨床技术上加强创新，技术创新是技术进步的源泉，各著名生产厂都注重技术创新。

静压导轨、静压轴承的应用，直线电机、直线导轨的应用等都为平面磨床的发展提供了丰富的精密的功能部件，使机床的结构、精度、功能等可根据实际需求有机结合在一起，为用户提供高精度高规格的产品。

功能部件因机床的布局变化而发展，功能部件因机床的发展而齐全。

如MAEGERLE公司的MMS系列平磨，结构采用小巧的龙门式。

6、生产中注重环保、注重细节，在磨削机床的设计中更加注意环保，防止油、冷却液、磨屑的污染。

在细节方面应更加人性化，操作简易，省时省力并减少误操作率，降低噪音，防止冷却液飞溅等等。

1.2目前PLC控制系统的应用现状

目前我国应用的PLC控制系统中，I/O64点以下PLC销售份额占整个PLC的销售额度的47%。

在我国应用的PLC控制系统，几乎涵盖了世界所有的PLC品牌，但从行业规范上划分，又有各自的势力范围。

一般大中型控制系统中采用欧美PLC的居多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及OEM产品采用日本PLC的居多。

欧美PLC在网络连接和软件兼容方面具有优势，而日本PLC在灵活性和成本价位方面占优势。

目前我国的PLC供应渠道，主要有制造商、分销商、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到达最终用户的。

1.3M7120型平面磨床中PLC应用的发展趋势

1、控制操作界面更加友好

可编程逻辑控制器（PLC）制造商纷纷通过收购或联合软件制作企业、或软件发展产业，较大的提高了其软件制作水平，多数PLC品牌拥有与之相匹配的软件开发平台和组态软件程序，软件和硬件的兼容结合，大大提高了控制系统的性能，同时，为用户软件的再次开发和常规维护降低了成本，使之更易形成人机友好的控制系统，目前，PLC、网络、IPC、CRT四位一体的控制模式被广泛应用。

（工控机：

英文简称IPC，全称IndustrialPersonalComputer。

工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机。

工控机有以下几大特点：

1：

机箱采用钢结构，拥有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。

2：

机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽。

3：

机箱内有专门电源，电源拥有较强的抗干扰能力。

）

2、网络兼容通讯效能大大加强

PLC制造商在原来CPU模板上提供物理层RS232/422/485接口的基础上，逐渐增加了多种通讯接口，而且提供与之对应的完整通讯网络。

由于近年来数据通讯技术发展很快，用户对开放性操作要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也随之高速发展。

3、开放性和互操作性深度发展

PLC在发展过程中，各PLC制造商为了实现技术垄断和扩大市场，处于妥协与竞争阶段，各自开发自己的标准，导致相互间兼容性差，这给用户使用带来很大的不便，并增加了系统维护成本。

开放性是发展的必然趋势，这一状况已被各PLC制造商所认知，形成了长期妥协与竞争的局面，并且这一过程还在继续。

开放的过程，主要反映在以下几个方面：

（1）IEC形成了现场总线标准，这一标准包含8种标准，行业人士说，多种标准就是没有标准，但这毕竟是一个经过激烈的争论与妥协后的成果。

统一标准推出后，各制造商为了快速适应这些标准，实现正常生产运行，积极开发研究与之相对应的新产品。

（2）IEC制定了基于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。

（3）OPC基金会推出了OPC（OLEforProcessControl）标准，这进一步增强了软件与硬件之间的互操作性，通过OPC一致性测试的产品，可以实现方便的和无缝隙数据交换。

（4）PLC的功能进一步增强，通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。

随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。

新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便，应用范围越来越广泛。

（5）工业以太网的发展对PLC有重要影响。

在工业自动化控制领域，PLC的地位还是无出其右。

即使受金融危机的冲击，自2009年后市场规模略有萎缩，但其发展势头依然强劲，即使危机当道，众多PLC厂商依然看好PLC的发展前景，不断加大投入。

2M7120型平面磨床的型号含义与基本概述

2.1机床的型号含义

M7120——M：

磨床（机床）；7：

平面（工作表面）；1：

卧轴柜台式；20：

工作台工作面宽200mm

2.2.基本概述

M7120平面磨床共有四台电动机，为砂轮电动机、砂轮升降电动机、液压泵电动机和冷却泵电动机。

砂轮电动机（提供砂轮动力）用来直接带动砂轮旋转，对工件进行磨削加工，在M7120型平面磨床中，砂轮的速度一般不要求调动，所以通常采用笼型异步电动机来实现带动，这是平面磨床的主运动；砂轮升降电动机使砂轮在立柱导轨上作垂直运动，用以调整砂轮与工件的位置间距。

工作台和砂轮的往复运动是靠液压泵电动机进行液压传动实现，液压传动相对比较平稳，能实现无级调整，换向平稳。

M7120型平面磨床工作台的往返运动采用液压传动，能保证加工精度。

由液压电动机带动液压泵，经液压传动装置实现工作台的往复运动。

冷却泵电动机带动冷却泵供给砂轮和磨削工件冷却液，同时利用冷却液带走磨削下来的铁屑，防止磨削污染，保证磨削环境。

3M7120型平面磨床的主要结构及功能

3.1M7120型平面磨床的结构示意

M7120型平面磨床的基本结构如图所示：

它由1—床身、2—工作台、3—电磁吸盘、4—砂轮箱、5—砂轮箱横向移动手轮、6—滑座、7—立柱、8—工作台换向撞块、9—工作台往复运动换向手柄、10—活塞杆、11—砂轮箱垂直进刀手轮

图3-1M7120平面磨床的结构示意图

3.2M7120型平面磨床的主要结构及作用

1、砂轮架—安装砂轮并带动砂轮作高速旋转，砂轮架可沿滑座的燕尾导轨作手动或液动的横向间隙运动。

2、滑座—安装砂轮架并带动砂轮架沿立柱导轨作上下垂直运动。

3、立柱—支承滑座及砂轮架。

4、工作台—安装工件并由液压系统带动做往复直线运动，有效工作面积为630×200（工作台工作面宽）毫米。

工作面及中央T型槽侧面经过精细的磨削，其精度和光洁度较高，是安装工件或夹具的重要基面，应小心使用和加以保护。

5、床身—支承工作台、安装其它结构部件，用以安装立柱、工作台、液压系统、电气元件和其它操作结构。

6、冷却液系统—向磨削区提供冷却液（皂化油）。

7、液压传动系统—其组成有：

（1）动力元件—为油泵，供给液压传动系统压力油；

（2）执行元件—为油缸，带动工作台等部件运动；

（3）控制元件—为各种阀，控制压力、速度、方向等；

（4）辅助元件—如油箱、压力表等。

液压传动与机械传动相比具有传动平稳，拥有过载保护，可以在较大范围实现无级调速等优点。

4M7120型平面磨床传统继电器—接触器控制与PLC控制的比较

4.1传统继电器—接触器控制的优缺点

4.1.1传统控制中的优点

1、能满足电动机的动作要求（起动、制动、正反转等）。

2、各电气元件可按一定的顺序准确动作，抗干扰性强，不易发生误动作。

3、设有安全保护电路，在电路发生故障时能实现保护，防止事故扩大化。

4、可采用自动和手动两种控制方式，维护和操作方便。

5、线路短，结构易懂，故障率低，经济性好。

4.1.2传统控制中的缺点

传统继电器-接触器电气控制系统存在线路复杂，故障诊断和排除困难。

M7120型平面磨床是一种中型磨床，能够用来完成外圆、孔、平面以及齿轮、螺纹等成形表面的精加工，也可以磨削各种切削刀具。

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

主要存在以下几个问题：

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，存在功能单一、灵活性差等缺点，从而影响正常生产运行。

4.需要的元器件较多。

控制系统体积大，耗电量大。

4.2PLC电气控制的特点

PLC电气控制系统性能稳定，它的抗干扰能力比较突出，可以用在比较恶劣的工作环境中。

主要有以下几大特点：

1.实时性

由于控制器产品设计和开发是基于控制为前提，信号处理时间短，速度快。

基于信号处理和程序运行的速度，PLC经常用于处理工业控制装置的安全联锁保护。

更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目。

2.高可靠性

所有的I/O输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控制器内部电路之间电气上隔离。

各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms。

各模块均采用屏蔽措施，以防止噪声干扰。

采用性能优良的开关电源。

对采用的元器件进行严格的筛选。

良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，以防止故障扩大。

大型控制器还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,以及实现电源模块冗余、IO模块冗余，使可靠性更进一步提高。

3.系统配置简单灵活

控制器产品种类繁多，规模可分大、中、小等。

I/O卡件种类丰富，可根据自控工程实现功能要求不同，而进行不同的配置。

满足控制工程需要前提下，I/O卡件可灵活组合。

4.丰富的I/O卡件

控制器针对不同的工业自控工程的现场信号，如：

交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等,有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：

按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。

另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

5.控制系统采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型控制器以外，绝大多数控制器均采用模块化结构。

控制器的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

6.价格优势

质优价廉，性价比高。

7.安装简单，维修方便

可以在各种工业环境下直接运行。

使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

4.3传统的继电器—接触器控制与PLC控制的区别

传统的继电接触器控制系统，是由输入设备（按钮、开关等）、控制线路（由各类继电器、接触器、导线连接而成，执行某种逻辑功能的线路）和输出设备（接触器线圈、指示灯等）三部分组成。

这是一种由物理器件连接而成的控制系统。

PLC的梯形图虽与继电接触器控制电路相类似，但其控制元器件和工作方式是不一样的，主要区别有以下几个方面。

1、元器件不同

接触器控制电路是由各种硬件低压电器组成，而PLC梯形图中输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等软继电器是由软件来实现的，不是真实的硬件继电器。

2、方式不同

电接触器控制电路工作时，电路中硬件继电器都处于受控状态，凡符合条件吸合的硬件继电器都同时处于吸合状态，受各种约束条件不应吸合的硬件继电器都同时出在断开状态。

PLC梯形图中软件继电器都处于周期性循环扫描工作状态，受同一条件制约的各个软继电器的动作顺序取决于程序扫描顺.

3、点数量的不同

硬件继电器的触电数量有限，一般只有4-8对，PLC梯形图中软件继电器的触点数量在编程时可无限制使用，可常开又可常闭。

4、制电路实施方式不同

继电接触器控制电路是通过各种硬件继电器之间接线来实施，控制功能固定，当要修改控制功能时，必修重新接线。

PLC控制电路由软件编程来实施，可以灵活变化和在线修改。

5M7120型平面磨床的电气控制原理及电气原理图

5.1M7120型平面磨床的电气控制原理

M7120型平面磨床的工作原理是，当电源电压通入磨床后，线路无故障时，欠压继电器动作，其常开触点KA闭合，为KM1、KM2接触器吸合做好准备，当按下SB1按钮后，接触器KM1的线圈得电吸合，液压泵电动机开始运转，由于接触器KM1的吸合，自锁点自锁使M1电动机在松开按钮后继续运行，如工作完毕按下停止按钮，KM1失电释放，M1便停止运行。

如需砂轮电动机以及冷却泵电动机工作时，按下按钮SB3后，接触器KM2便得电吸合，此时砂轮机和冷却泵电动机可同时工作，正向运转。

停车时只需按下停止按钮SB4，即可使这两台电动机停止工作。

在工作中，如果需操作升降电动机做升降运动时，按下点动按钮SB5或SB6即可升降；停止升降时，只要松开按钮即可停止工作。

如需操动电磁工作台时，把工件放在工作台上，按下按钮SB7后接触器KM5吸合，从而把直流电110V电压接入工作台内部线圈中，使磁通与工件形成封闭回路因此就把工件牢牢地吸住，以便对工件进行加工。

当按下SB8后，电磁工作台便失去吸力。

有时其本身存在剩磁，为了去磁可按下按钮SB9，使接触器KM6得电吸合，把反向直流电通入工作台，进行退磁，待退完磁后松开SB9按钮即可将工件拿出。

图5-1电柜内电器元件接线示意图

5.2M7120型平面磨床电气原理图

电源开关及保护

液压泵电动机

砂轮电动机

冷却泵电动机

砂轮升降电动机

控制电源及保护

液压泵控制

砂轮冷却

砂轮

电磁吸盘

上升

下降

充磁

去磁

5-2M7120型平面磨床的电气原理图

6M7120型平面磨床的电气控制线路分析

M7120型平面磨床电气控制线路由主电路、控制电路、电磁吸盘控制电路和辅助电路四部分组成。

6.1主电路分析

主电路中共有4台电动机。

其中M1为液压泵电动机，用来拖动工作台和砂轮的往复运动，由KM1主触点控制；M2为砂轮电动机，用来带动砂轮做高速旋转；M3为冷却泵电动机，用以供给砂轮和磨削工件冷却液，同时带走磨削屑，保证磨削环境，同由KM2的主触点控制；M4为砂轮箱升降电动机，控制砂轮做上下垂直运动，由KM3、KM4的主触点分别控制。

FU1对4台电动机和控制电路进行短路保护，FR1、FR2、FR3分别对M1、M2、M3进行过载保护。

砂轮升降电动机因运转时间很短，所以不设置过载保护。

6.2控制电路分析

当电源正常时，合上电源总开关QS1，电压继电器KV的常开触点闭合，可进行操作。

6.2.1液压泵电动机M1控制

其控制电路位于7、8区。

启动过程为：

按下SB3→KM1得电→M1启动；

停止过程为：

按下SB2→KM1失电→M1停转。

运动过程中若M1过载，则FR1常闭触点分断，M1停转，起到过载保护作用。

6.2.2砂轮电动机M2的控制

其控制电路位于9区、10区。

启动过程为：

按下SB5→KM2得电→M2启动；

停止过程为：

按下SB4→KM2失电→M2停转。

6.2.3冷却泵电动机M3控制

冷却泵电动机M3通过接触器KM2控制，因此M3于砂轮电动机M2是联动控制。

按下SB5时M3与M2同时启动，按下SB4时M3与M2同时停止。

FR2与FR3的常闭触点串联在KM2线圈回路中。

M2、M3中任一台过载时，相应的热继电器动作，都将使KM2线圈失电，M2、M3同时停止。

6.2.4砂轮升降电动机控制

其控制电路位于11区、12区，采用点动控制。

砂轮上升控制过程为：

按下SB6→KM3得电→M4启动正转。

当砂轮上升到预定位置时，松开SB6→KM3失电→M4停转。

砂轮下降控制过程为：

按下SB7→KM4得电→M4启动反转。

当砂轮下降到预定位置时，松开SB7→KM4失电→M4停转。

6.3电磁吸盘控制电路分析

图6-1电磁吸盘的工作原理图

1-钢制洗盘体2-线圈3-钢制盖板4-隔磁层5-工件

电磁吸盘是固定加工工件的一种夹具。

它是利用通电线圈产生磁场的特性吸牢铁磁性材料的工件，便于磨削加工。

电磁吸盘的内部装有凸起的磁极，磁极上绕有线圈。

吸盘的面板也用钢板制成，在面板和磁极之间填有绝磁材料。

当吸盘内的磁极线圈通以直流电时，磁极和面板之间形成两个磁极，既N极和S极，当工件放在两个磁极中间时，使磁路构成闭合回路，因此就将工件牢固地吸住。

1、电磁吸盘的组成

工作电路包括整流、控制和保护三个部分。

整流部分由整流变压器和桥式整流器VC组成，输出110V直流电压。

2、电磁吸盘充磁的控制过程

按下SB9→KM5得电（自锁）→YC充磁。

3、电磁吸盘退磁的控制过程

工件加工完毕需取下时，先按下SB8，切断电磁吸盘的电源，由于吸盘和工件都有剩磁，所以必须对吸盘和工件退磁。

退磁过程为：

按下SB8、SB10→KM6得电→YC退磁，此时电磁吸盘线圈通入反向的电流，以消除剩磁。

由于去磁时间太长会使工件和吸盘反向磁化，因此去磁采用点动控制。

松开SB10则去磁结束。

电磁吸盘是一个比较大的电感，当线圈断电瞬间，将会在线圈中产生较大的自感电动势。

为防止自感电动势太高而破坏线圈的绝缘，在线圈两端接有