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；电气控制；PLC-可编程控制器；梯形图
1引言
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。
线路复杂，故障多，操作人员维修任务较重。
针对这种情况，用PLC改造继电接触控制电路，克服了以上缺点，降低了设备故障率，提高了设备使用率，运行效果非常好。
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:
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2-1X62万能铣床外形结构图
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
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
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2-2X62W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2.1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
—
+
开。
SA2的功能如表2.2所示:
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2.3。
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2.4
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，所以不可能同时传动紊乱的现象。
a）工作台向上（下）运动
在主轴电机启动后，将操纵手柄扳到中间位置，把横向和升降操作手柄扳到向上（下）位置，其联动机构一方面接通垂直传动丝杠的离合器；令一方面它使位置开关SQ4（SQ3）动作，KM4（KM3）获电，电动机M2反（正）转，工作台向上（下）运动。
将手柄扳回中间位置，工作台停止运动。
b）工作台向前（后）运动手柄扳到向前（后）位置，机械装置将横向传动丝杠的离合器接通；同时压动位置开关SQ3（SQ4），KM3（KM4）获电，电动机M2正（反）转，工作台向前（后）运动。
c）联锁问题
单独对垂直和横向操作手柄而言，上下前后四个方向只能选择其一，绝不会出现两个方向的可能性。
但在操作这个手柄时，又将控制纵向的手柄拨动了，这时有两个方向进给，将造成机床重大事故，所以必须联锁保护。
从图1.1可以看出，若纵向手柄扳到任一方向，SQ5-2或SQ6-2两个位置开关中的一个被压开，接触器KM3或KM4立刻失电，电动机M2停转，从而得到保护。
同理，当纵向操作手柄扳到某一方向而选择了向左或向右进给时，SQ5或SQ6被压着，它们的常闭触头SQ5-2或SQ6-2是断开的，接触器KM3或KM4都由SQ3-2和SQ4-2接通。
若发生误操作，使操作和横向操作手柄扳离了自己位置，而选择上、下、前、后某一方向的进给就一定使SQ3-2或SQ4-2断开，使KM3或KM4断电释放，电动机M2停转运转，避免了机床事故。
3）进给变速冲动
和主轴变速一样，进给变速时，为使齿轮进入良好的啮合状态，也要做变速后的瞬时点动。
在进给变速时，只需将变速盘（在升降台前面）往外拉，使进给齿轮松开，待转动变速盘以后，将变速盘向里推。
在推进时，挡块压动位置开关SQ2，首先使常闭触头SQ2-2断开，然后常开触头SQ2-1闭合，接触器KM3通电吸合，电动机M2启动。
但它并未运转起来，位置开关SQ2已复位，首先断开SQ2-1，而后闭合SQ2-2。
接触器KM3失电，电动机失电停转。
这样以来，使电动机接通一下电源，齿轮系统产生一次抖动，使齿轮啮合顺利进行。
4）工作台的快速移动
为了提高劳动生产率，减少生产辅助时间，X62W万能铣床在加工过程中，不做铣削加工时，要求工作台快速移动，当进入铣削区时，要求工作台以原进给速度移动。
安装好工件后，按下按钮SB3或SB4（两地控制），接触器KM2通电吸合，它的一个常开触头接通进给控制电路，另一个常开触头接通电磁离合器YC3，常闭触头切断电磁离合器YC2。
离合器YC2吸合将使齿轮系统和变速进给系统相联，而离合器YC3则是快速进给变换用的，它的吸合，使进给传动系统跳过齿轮变速链，电动机可直接拖动丝杠套，让工作台快速进给。
进给的方向，仍由进给操作手柄来决定。
当快速移动到预订网站时，松开按钮SB3或SB4，接触器KM2断电释放，YC3断开，YC2吸合，工作台的快速移动停止，仍按原来方向做进给运动。
（3）圆工作台的控制
为了扩大机床的加工能力，可在机床上安装附件圆形工作台，这样可以进行圆弧或凸轮的铣削加工。
在拖动时，所有进给系统均停止工作（手柄放置在零位上），只让圆工作台绕轴心回转。
当工件在圆工作台安装好后，用快速移动方法，将铣刀和工件之间位置调整好，把圆工作台控制开关拨到“接通”位置。
这个开关就是SA2，此时SA2-1和SA2-3断开，SA2-2闭合。
当主电动机启动后，圆工作台即开始工作，其控制电路是：
电源→SQ2-2→SQ3-2→SQ4-2→SQ6-2→SQ5-2→SA2-2→KM4（常闭）→KM3线圈→电源。
接触器KM3通电吸合，电动机M2正转。
该电机带动一根专用轴，使圆工作台绕轴心回转，铣刀铣出圆弧。
在圆工作台开动时，其余进给一律不准运动，若有误操作，拨动了两个进给手柄中的任一个，则必然会使位置开关SQ3—SQ6中的某一个被压动，则其常闭触头将断开，使电动机停转，从而避免了机床事故。
圆工作台在运转过程中不要求调速，也不要求反转。
按下主轴停按钮SB5或SB6，主轴停转，圆工作台也停转。
2.6.3冷却和照明控制
冷却泵只有在主电动机启动后才能启动，所以主电路中将M3接在主接触器KM1触头后面，另外又可以用开关QS2控制。
机床照明由变压器T1供给24V安全电压。
3方案论证
3.1机床传统控制方式与PLC的比较
铣床原控制系统都是采用继电器、接触器等硬件逻辑控制电路，不但接线复杂，而且经常出现故障，可靠性比较差。
与传统的继电器控制相比，PLC控制具有可靠性高、柔性好、开发周期短以及故障自诊断等特点，特别适合应用于机床的控制和故障诊断系统，可以减少强电元件数目，提高电气控制系统的稳定性和可靠性，从而提高产品的品质和生产效率。
3.2现代PLC控制即本系统的优点
随着今年来，PLC技术的不断成熟与发展；它的优势越多的在社会各种领域得以应用。
本系统具体的应用表现于：
（1）PLC具有很高的可靠性和很强的抗干扰能力良好的自诊断功能，平均无故障工作时间可达数万小时。
当本系统电动机的台数较多时，其系统的继电器触点较多，易出现触点不良造成的故障等。
用软件代替传统继电器的控制中的中间和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，从而使接线大大减少，连接的触点也大为减小，故障率也大大降低。
（2）丰富的I/O接口模块可直接使其与控制现场的器件或设备（如按钮、行程开关、传感器、电磁线圈等）连接。
如本系统可将电机的控制信号经按钮直接输入PLC，因其具A/D转换功能。
（3）灵活性好。
大部分PLC均采用模块化结构，就是整体式的PLC也有可扩展的模块或扩展单元，即可根据控制的规模选择。
模块式的PLC更能灵活的选择，诸如CPU、电源、I/O等。
即其可根据需要自行选配。
本系统中选用的I/O为80点的基本单元,当控制的电机过多点数不够时，即可通过扩展模块或单元来增大控制能力。
（4）编程简单易学。
PLC大多采用梯形图作为主要编程语言。
是面向用户的，其表达方式类似于继电器控制系统图，与传统的电气图联系较大，很形象直观。
可以说懂电器图即可编写梯形图；而且已有可直接读出梯形的PLC编程器，甚至可免PLC编程。
（5）系统安装简单，维修方便。
其使用时，只要将现场的各设备与PLC相应的I/O端相连，即可运行。
PLC只有两三个接触器大小，直接按于控制柜即可。
且具有运行和故障的指示灯及指示装置，如每个I/O点经指示灯，CPU报告的错误信息经屏幕显示。
综上，以PLC为控制系统的方案，其系统具有较高的简洁性、经济性及可靠性。
3.3改造方案的确定
（1）不改变原控制系统电气操作方法。
（2）不改变原电气系统控制元件（包括行程开关、按钮、交流接触器、中间继电器,以上元件的数量、作用均与原电气线路相同）。
（3）原控制线路中热继电器仍用硬件控制（因过载使用几率较少）。
（4）指示灯接线仍和原控制线路相同。
（5）原主轴和进给变速箱操作方法和结构不变。
（6）原铣床的工艺加工方法不变。
（7）只是将原继电器控制中的硬件接线改为用软件编程来替代。
4X62W万能铣床电气控制线路PLC的硬件改造
4.1PlC的基本定义和PLC的主要特点
4.1.1PLC的基本定义：
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
4.1.2PLC的主要特点：
（1）高可靠性
1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.
3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
4）采用性能优良的开关电源。
5）对采用的器件进行严格的筛选。
6）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立即采用有效措施，以防止故障扩大。
7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
（2）丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号，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
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