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t68镗床plc控制系统设计本科论文
摘要
本课题探讨了T68型卧式镗床的用PLC改造控制系统的实现方案。
镗床是冷加工中使用比较普遍的设备它主要用于加工精度、光洁度要求较高的孔以及各孔间的距离要求较为精确的零件（如一些箱体零件），属于精密机床。
主要用于加工工件上的精密圆柱孔。
这些孔的轴心线往往要求严格地平行或垂直，相互间的距离也要求很准确。
其原控制电路为继电器控制，接触触点多、线路复杂、故障多、操作人员维修任务较大。
为了克服以上缺点，降低设备故障率，提高设备使用效率，我们用PLC控制改造其继电器控制电路。
通过对T68型卧式镗床工作原理的分析，设计出PLC改造系统的控制电路。
选用德国西门子公司生产的S7-200可编程序控制器，分配PLC的I/O地址，设计PLC外围电路，确定PLC的I/O接线图。
根据镗床的控制要求和特点，列出逻辑代数表达式，采用逻辑设计方法进行梯形图设计。
最终达到了系统改造的要求，并且运行效果良好。
关键词：
可编程控制器；T68镗床；梯形图
Abstract
T68ofthetopicsdiscussedisthetypeHorizontalBoringMachinetransformationofthePLCprogramcontrolsystem.Boringisthemorecommonuseofcoldworkingoftheequipmentitismainlyusedforprecisionmachining,finishtheholeandthehigherthedistancebetweentheholesrequireamorepreciseparts（suchassomeoftankparts）,areprecisionmachinetool.Mainlyusedforprecisionmachiningofcylindricalworkpiecesonthehole.Axislineoftheseholestendtodemandstrictparallelorperpendiculartothedistancebetweeneachotheralsorequiresveryaccurate.Itsoriginalcontrolcircuitfortherelaycontrol,contact-contactandmorecomplexcircuits,faultandmoretheoperatoralargermaintenancetasks,inordertoovercometheshortcomingsoftheabove,reducingthefailurerateofequipmenttoimproveefficiencyintheuseoftheequipment,wetotransformtheiruseofPLCcontrolrelaycontrolcircuit.
T68throughhorizontalboringmachineworkingprincipleoftheanalysis,designofPLCcontrolcircuittransformationsystem.GermanSimaticcompanyselectedtheS7-200PLC,thedistributionofPLC'sI/Oaddresses,thedesignofperipheralcircuitsPLC,PLCtodeterminetheI/Owiringdiagram.Boringmachinecontrolinaccordancewiththerequirementsandcharacteristicsarelistedinthelogicofalgebraicexpressions,theuseofladderlogicdesignmethodsdesign.Reachedthefinalsystemrequirements,andrunwell.
Keywords:
programmablelogiccontroller；T68boringmachine；ladder
前言
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经扩展到了几乎所有的工业领域。
现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动线的控制系统具有极高的可靠性和灵活性，PLC（ProgrammableLogicController,可编程控制器）正是顺应这一要求而出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。
PLC是20世纪60年代末在美国出现的，是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子设置，使用了可编程存储器以储存指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算功能，并通过模拟和数字输入输出组件，控制各种机械生产过程。
PLC以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、控制程序可变、体积小、质量轻、功能强和价格低廉等特点，在机械制造、冶金等领域得到了广泛的应用。
用PLC控制系统代替体积大、投资大、耗能大的继电器——接触器系统，是今后控制系统发展的趋势。
因为在旧有的机床中,其电气控制多为继电控制。
而在继电控制中,接触触点多,所以故障也多,操作人员维修任务较大,机械使用率较低。
我们对这些机床用PLC改造其继电器控制电路,克服了以上缺点,降低了设备故障率,提高了设备使用率,镗床是冷加工中使用比较普遍的设备，它主要用于加工精度、光洁度要求较高的孔、孔间的距离要求比较精确的零件（如一些箱体零件），属于精密机床。
T68卧式镗床是应用最广泛的一种，其原控制电路为继电器控制，接触点多、线路复杂、故障多、操作人员维修任务较大。
正是针对以上这种情况，我们计划用PLC控制改造T68卧式镗床的继电器电气控制电路，以其克服以上缺点，最终达到降低设备故障率、提高设备使用效率，改善T68卧式镗床运行效果的目的。
本文选用可编程序控制器对T68卧式镗床的电气控制系统改造做一论述。
但由于时间、实践论证及自身知识水平的限制，不足之处在所难免，希望老师及各位同学给予指正，在此表示感谢。
1T68卧式镗床的结构和运动形式
1.1T68卧式镗床控制原理
1.1.1T68型卧式镗床的结构
T68型卧式镗床主要由床身、前立柱、镗床架、后立柱、尾座、下溜板、上溜板、工作台等几部分组成。
T68型卧式镗床主要用于孔的精加工，可分为卧式镗床、落地镗床、坐标镗床和金钢镗床等。
卧式镗床应用较多，它可以进行钻孔、镗孔、扩孔、铰孔及加工端平面等，使用一些附件后，还可以车削圆柱表面、螺纹，装上铣刀可以进行铣削。
本次课程设计主要以T68卧式镗床为例。
其结构如图1-1所示：
图1-1T68型卧式镗床的结构示意图
镗床在加工时，一般是将工件固定在工作台上，由镗杆或平旋盘（花盘）上固定的刀具进行加工。
1.前立柱：
固定地安装在床身的右端，在它的垂直导轨上装有可上下移动的主轴箱。
2.主轴箱：
其中装有主轴部件，主运动和进给运动变速传动机构以及操机构。
3.后立柱：
可沿着松散散床身导轨横向移动，调整位置，它上面的镗杆支架可与主轴箱同步垂直移动。
如有需要，可将其从床身上卸下。
4.工作台：
由下溜板，上溜板和回转工作台三层组成。
下溜板可沿床身顶面上的水平导轨作纵向移动，上溜板可沿下溜板顶部的导轨作横向移动，回转工作台可以上溜板的环形导轨上绕垂直轴线转位，能使要件在水平面内调整至一定角度位置，以便在一次安装中对互相平等或成一角度的孔与平面进行加工。
1.1.2电气控制线路的特点
1.主电机为双速电机，它提供机床的主运动和进给运动的动力。
高低速转换，由主轴孔盘变速机构内的限位开关S控制，S常态时接通低速，被压下时接通高速。
由接触器KM6及KM7实现定子绕组从三角形接法转接成双星型接法。
2.主电机可正反转、点动及反接制动。
3.主电机用低速时，可直接启动；但用高速时，则由控制线路先起动到低速，延时后再自动转换到高速，以减少起动电流。
4.在主轴变速或进给变速时主电动机能缓慢转动，使齿轮易于啮合。
1.1.3镗床运动对电气控制电路的要求
1.主运动与进给运动由一台双速电动机拖动，高低速可选择；
2.主电动机要求正反转以及点动控制；
3.主电动机应设有快速准确的停车环节；
4.主轴变速应有变速冲动环节；
5.快速移动电动机采用正反转点动控制方式；
6.进给运动和工作台不平移动两者只能取一，必须要有互锁；
1.1.4控制线路工作原理
T68卧式镗床的电气控制原理图如附图A所示。
1.主轴的点动控制
主轴的正反向点动由按钮SB3和SB4操纵。
按下正向点动按钮SB3后，PLC输出使KM1、KM6线圈得电动作。
因此，三相电源经KM1主触点、限流电阻R和接触器KM6的主触点接通电动机M1，使电动机在低速下旋转。
放开按钮时，KM1和KM6都相继断电释放，电动机断电停止。
反向点动与正向点动相似，由SB4操纵，经接触器KM2及KM6相互配合动作来完成。
2.主电机的正反向运动
主电机正反控制由SB1和SB2操纵。
当要求电动机低速运转时，限位开关XK为断开状态，按下起动按钮SB1使KM1、KM3、KM6得电动作。
主电机就在全电压和三角形接线下，直接起动低速运行。
使用高速时，按下SB1，电动机先低速起动，延时5秒后KM6断开，再经0.6秒KM7得电动作。
KM7的主触点使电机的绕组连成双星形并重新接入电流，从而使主电动机从低速再起动到高速。
反向起动原理与正向起动相同，但参与控制的按钮为SB2，接触器为KM2、KM3、KM6及KM7。
3.主电机的反接制动控制
当电动机正转时，速度继电器的正转动合触点Kn闭合，而正转动断触点Kn断开，当按下SB5时，KM1断电释放，切断了主电机电源。
延时0.6秒后，KM2闭合和KM6得电，使三相电源经过KM2主触点，限流电阻R和KM6主触点反接给电动机。
电动机反接制动。
当电动机转速降低到一定速度时，正转动合触点Kn打开，切断KM2的通电回路，使KM2和KM6相继断电释放，及时切断电动机的反接电源，制动结束。
反向运行时的制动过程与正向相似。
此时参与控制的电器是速度继电器的反转动合触点Kn接触器KM1、KM2。
4.主轴或进给变速时主电机的缓转控制
主轴变速时，主轴电动机可获得缓慢转动，以利于齿轮顺利啮合。
将S1、S2闭合，KM1、KM6线圈得电动作，电机得电，正向加速，当达到一定速度时，速度继电器Kn的动断触点断开，动合触点闭合，延时0.6秒后，KM2闭合，电机开始反接制动，当电机低于某一速度时，Kn动作，KM2断开，延时0.6秒后KM1闭合，正向加速，如此反复，实现缓动。
进给变速时缓转控制原理与主轴时完全相同，不过用的是限位开关是S3、S4。
5.主轴箱、工作台或主轴的快速移动
机床的各部件的快速移动由限位开关S2、S6和快速电机M2驱动。
S2被压动，PLC输出使KM4得电动作，快速移动电动机M2正转、限位开关S6被压动，PLC输出使接触器KM5得电动作，快速电动机M2反转。
1.2T68型卧式镗床电气控制主回路
T68卧式镗床电气控制主回路图如图1-2所示。
图1-2T68卧式镗床电气控制主回路
1.3相关电器元件平面布置图
T68镗床的安装板电器元件平面布置图如图1-3所示。
图1-3安装板电气元件平面布置图
2PLC在机床电气控制中的应用
2.1可编程控制器的结构和工作原理
2.1.1PLC的定义
PLC即可编程逻辑控制器.自1969年第一台可编程控制器面世以来，经历了30多年的发展，可编程控制器已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器，可以说只有可编程控制器才是真正的工业控制计算机。
初期可编程控制器只是用于逻辑控制器，用于代替继电控制盘，但现在可编程控制器已进入包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。
现在可编程控制器继续保留了原来逻辑控制器的所有优点，同时它吸收发展了其它控制器（如过程仪表、计算机、集散系统、分散系统等）的优点，在许多场合只需可编程控制器即可构成包括逻辑控制、过程控制、数据采集及控制和图形工作站的经济合算、体积小巧、设计调试方便的综合控制系统。
可编程控制器是采用微机技术的通用工业自动化装置，近几年来，在国内已得到迅速推广普及。
正改变着工厂自动控制的面貌，对传统的技术改造、发展新型工业具有重大的实际意义。
2.1.2PLC的结构
PLC控制系统也是由输入部分、逻辑部分和输出部分组成。
·输入部分：
收集并保存被控对象实际运行的数据和信息。
例如：
来自被控对象上的各种开关信息或操作台上的操作命令等。
·逻辑部分：
处理输入部分所取得的信息，并按照被控对象实际的动作要求执行相应的逻辑功能。
·输出部分：
对需要实时操作的那些设备提供实际操作信号。
由于输入信号一般为开关信号或电压、电流形成的信号源，它们必须转换成微处理器所能接受的电平信号，所以，中间必须加入变换器。
同样，微处理器输出的电平信号，也必须转换成控制设备所需的开关信号或电压、电流信号。
所以，也要加入变换器。
由此，构成了PLC控制系统的基本结构框图如图2-1所示。
图2-1PLC的结构原理图
2.1.3PLC的工作过程原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作，如图2-2所示。
PLC的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
如图2-3所示。
图2-2PLC的扫描过程
PLC在输入采样阶段：
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：
按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
图2-3PLC的执行过程
输出刷新阶段：
当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
2.1.4PLC各组成部件的功能
PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。
它的组成与一般的微机计算机基本相同。
CPU——是PLC的核心部分。
与通用微机CPU一样，CPU在PC系统中的作用类似于人体的神经中枢。
其功能：
1.用扫描方式接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映象寄存器或数据寄存器；
2.接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；
3.诊断电源和PC内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误；
4.在PC进入运行状态后：
（1）执行用户程序——产生相应的控制信号（从用户程序存储器中逐条读取指令，经命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路）
（2）进行数据处理——分时、分渠道地执行数据存取、传送、组合、比较、变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算任务。
（3）更新输出状态——输出实施控制（根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再由输入映象寄存器或数据寄存器的内容，实现输出控制、制表、打印、数据通讯等）
5.存储器根据其功能不同可分为以下几种：
（1）系统程序存储器——存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令解释、功能子程序的调用管理程序和系统参数*不能由用户直接存取。
（2）用户存储器——存放用户程序。
即用户通过编程器输入的用户程序。
（3）功能存储器（数据区）——存放用户数据PC的用户存储器通常以字（16位/字）为单位来表示存储容量。
注意：
系统程序直接关系到PC的性能，不能由用户直接存取，所以，通常PC产品资料中所指的存储器形式或存储方式及容量，是指用户程序存储器而言。
I/O（输入/输出部件）（I/O模块：
接口电路、I/O映像存储器）CPU与现场I/O装置或其他外部设备之间的连接部件。
PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/O模块，以及各种用途的I/O组件供用户选用。
I/O模块可与CPU放在一起，也可远程放置。
通常，I/O模块上还具有状态显示和I/O接线端子排。
6.编程器等外部设备
编程器—PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的工具。
作用：
用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视，通过键盘和显示器去检测PLC内部状态和参数，通过通讯端口与CPU联系，实现与PLC的人机对话。
分类：
简单型——只能联机编程；只能用指令清单编程，智能型——既可联机（Online），也可脱机（Offline）编程；可以采用指令清单（语句表）、梯形图等语言编程。
常可直接以电脑作为编程器，安装相关的编程软件编程。
注意：
编程器不直接加入现场控制运行。
一台编程器可开发、监护许多台PLC的工作。
其他外设：
磁盘、光盘、EPROM写入器（用于固化用户程序）、打印机、图形视系统或上位计算机等等。
7.电源：
内部——开关稳压电源，供内部电路使用；大多数机型还可以向外提供DC24V稳压电源，为现场的开关信号、外部传感器供电。
外部——可用一般工业电源，并备有锂电池（备用电池），使外部电源故障时内部重要数据不致丢失。
2.2可编程控制器的应用特点
1.可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统将有极高的可靠性。
2.配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。
4.系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。
这特别适合多品种、小批量的生产场合。
3用PLC对T68卧式镗床电气控制改造
3.1T68镗床PLC改造I/O分配图
T68镗床PLC改造I/O分配图如附图B所示。
3.2T68镗床PLC改造梯形图
T68镗床PLC改造梯形图如附录C所示。
3.3改造后T68镗床的PLC调试过程
1.M1的正转连续控制
主轴变速杆SQ1压下，进给变速杆SQ3压下。
2.正转低速起动
主轴变速手柄—低速SQ不受压。
按下正转起动按钮SB2自锁KM1、KM5、KM6得电M1接成△低速全压起动—n↑—KS1为反接制动做准备。
3.正转低速停车：
反接制动
按停车按钮SB1，KM1、KM6失电。
KM2、KM4得电M1串电阻R进行反接制动—n↓—KS1复位，KM6失电—M1停车结束。
4.M1正转高速起动
主轴变速手柄—高速—SQ受压。
控制过程同低速类似，按下SB2使得T0开始延时—KM1、KM3、KM6得电—M1接成△低速全压起动—延时3s—T0动作，T1延时0.5s，KM6失电KM7得电—M1接成高速运行—n↑—KS1动作—为反接制动做准备。
5.正转高速停车
同正转低速停车类似，采用的是低速反接制动。
6. M1 的反转控制
同正转低速控制类似，利用SB3、KM1、KM5、KM2、KM3 来控制
7. M1的点动控制
正转点动：
按SB4，KM1、KM6 得电—M1接成△串电阻低速点动。
反转点动：
按SB5实现。
8.主运动的变速控制
主轴变速SQ1：
变速完毕，SQ受压；变速过程中，发生顶齿受压。
主轴变速操作手柄拉出—SQ1复位，若正转状态—反接制动停车。
调变速盘转速至所需速度—将操作手柄推回原位，若发生顶齿现象，则进行变速冲动：
SQ2受压—KM2、KM6得电—M1进行反接制动—n↓—速度下降至1OO r/min—KS1复位—KM2失电，KM1得电—M1起动n↑—制动n↓—起动制动……故M1被间歇地起动、制动—直至齿轮啮合好—手柄推上后—压SQ1，SQ2复位，切断冲动回路。
变速冲动过程结束。
9. 进给变速
由SQ3、SQ4控制，控制过程同主轴变速。
10.镗头架、工作台的快移
由快移操作手柄控制，通过SQ7、SQ8控制M2的正反转实现。
在保留主电路原有元件的基础上，不改变控制系统电气操作方法；电气控制系统控制元件（包括按钮、行程开关、热继电器、接触器），作用于原电气线路相同；主轴和进给运动、制动、低速、高速和变速冲动的操作方法不变的情况下将以上设计好的PLC程序输入到S7-200PLC以后，连接好输入输出分配和主电路，按照以上的步骤进行调试，调试过程全部通过，完全满足T68镗床的控制要求。
虽然PLC一次性投资较大，但改造后的设备大大降低了运行的故障率，提高了设备运行的稳定性和效率，减轻了工人的劳动强度，降低了日常维护成本，并可避免出现因误操作而引起的事故。
改造后设备经使用运行，结果表明效果非常好。
对T68镗床进行改造所需电器元件的符号、数量、功能及参数的要求如表3-1所示。
表3-1电器元件一览表
符号
数量
名称及用途
参数
M1
1
主电动机，拖动主运动和进给运动用
7.5KW,2900/1400r/min
M2
1
快速移动用电机
3KW,1430r/min
Q
1
空气开关，限流、欠压保护
30A,500V
KM1KM2
2
主电动机正反转用接触器
20A,127V
KM3
1
限流电阻短路用接触器
20A,1
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