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最新X62W万能铣床工作原理

 

X62W万能铣床工作原理

X62W型万能铣床的电气控制系统设计

摘要

本设计讲述了X62W万能铣床电气控制线路的工作原理,说明了用PLC改造的具体方法,从而可以提高整个电气控制系统的工作性能。

铣床是用铣刀对工件进行铣削加工的机床。

铣床除能铣削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴外,还能加工比较复杂的型面,效率较刨床高,在机械制造和修理部门得到广泛应用。

关键词:

X62W万能铣床/电气控制系统/PLC/梯形图

 

X62WTYPEUNIVERSALMILLINGMACHINEOFELECTRICALCONTROLSYSTEMDESIGN

 

ABSTRACT

 

ThisdesignaboutX62Wuniversalmillingmachineworkingprincipleofelectriccontrolcircuit,andexplainstheconcretemethodwithPLCtransformation,whichcanimprovetheelectricalcontrolsystemswork.Millingmachineisusedformillingcutterworkpiecemillingmachinetools.Millingmachinesinadditiontoplane,groove,canmillinggear,threadandsplineoutside,stillcanbeprocessedcomplextypesurface,cuttingefficiencyishigh,inmachinerymanufactureandrepairdepartmentswidelyused.

KEYWORDS:

X62Wuniversalmillingmachine,Theelectricalcontrolsystem,PLC,ladder-diagram

 

引言1

 

引言

 

最早的铣床是美国人惠特尼于1818年创制的卧式铣床;为了铣削麻花钻头的螺旋槽,美国人布朗于1862年创制了第一台万能铣床,这是升降台铣床的雏形;1884年前后又出现了龙门铣床;二十世纪20年代出现了半自动铣床,工作台利用挡块可完成“进给-决速”或“决速-进给”的自动转换。

1950年以后,铣床在控制系统方面发展很快,数字控制的应用大大提高了铣床的自动化程度。

尤其是70年代以后,微处理机的数字控制系统和自动换刀系统在铣床上得到应用,扩大了铣床的加工范围,提高了加工精度与效率。

自从1969年第一台可编程控制器在美国问世以来,在工业控制中得到广泛的应用。

近年来,我国在石油、化工、机械、轻工、发电、电子、橡胶、塑料加工等行业工艺设备的电气控制中,越来越多地采用PLC机控制,并取得了显著的效果,深受各行业的欢迎。

铣床是以各类电动机为动力的传动装置与系统的对象以实现生产过程自动化的技术装置。

随着电子技术的发展,可编程序控制器日益广泛的应用于机械、电子加工与设备电气改造中。

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。

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。

一、X62W万能铣床硬件设计

(一)X62W万能铣床电力拖动的特点

(1)铣削加工有顺铣和逆铣两种加工方式,要求主轴电动机能正反转,因正反操作并不频繁,所以由床身下侧电器箱上的组合开光来改变电源相序实现。

(2)由于主轴传动系统中装有避免震荡的惯性轮,故主轴电动机采用电磁离合器制动以实现准确停车。

(3)铣床的工作台要求有前后、左右、上下6个方向的进给运动和快速移动,所以也要求进给电动机能正反转,并通过操作手柄和机械离合器相配合来实现。

进给的快速移动通过电磁铁和机械挂挡来完成。

圆形工作台的回转运动是由进给电动机经传动机构驱动的。

(4)根据加工工艺的要求,该铣床应具有以下的电气联锁措施:

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。

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。

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。

(5)要求有冷却系统、照明设备及各种保护措施。

(二)X62W万能铣床元件选型

表2-1铣床的电机参数参照表

符号

名称

型号

规格

件数

作用

M1

主轴电动机

Y132M—4—B3

7.5KW,380V,1450r/min

1

主轴传动

M2

进给电动机

Y90L—4

1.5KW,380V,1400r/min

1

进给传动

M3

冷却泵电动机

JCB—22

0.125KW,380V,2790r/min

1

冷却泵传动

表2-2铣床的基本元件一览表

符号

名称

型号

规格

件数

作用

KM1

接触器

CJO—20

20A,110V

1

主轴启动

KM2

接触器

CJO—10

10A,110V

1

快速进给

KM3

接触器

CJO—10

10A,110V

1

M2正转

KM4

接触器

CJO—10

10A,110V

1

M2反转

KS

速度继电器

JY1

2A

1

反接制动

SB1、2

按钮

LA2

绿色

2

M1启动按钮

SB3、4

按钮

LA2

黑色

2

快速进给按钮

SB5、6

按钮

LA2

红色

2

M1停止按钮

SA1

转换开关

HZ1—10/E16

三极

1

换刀开关

SA2

转换开关

HZ1—10/E16

三极

圆工作台转换

SA3

转换开关

HZ1—10/E16

三极

M1换向开关

SQ1

限位开关

LX1—11K

开启式

1

向右进给

SQ2

限位开关

LX1—11K

开启式

1

向左进给

SQ3

限位开关

LX2—131

单轮,自动复位

1

向前、向下进给

SQ4

限位开关

LX2—131

单轮,自动复位

1

向后、向上进给

SQ5

限位开关

LX3—11K

开启式

1

快速与进给转换

SQ6

限位开关

LX3—11K

开启式

1

主轴变速冲动

SQ7

限位开关

LX3—11K

开启式

1

进给变速冲动

QS1

转换开关

HZ1—60/E26

三极

1

电源总开关

QS2

转换开关

HZ1—60/E26

三极

1

冷却泵开关

FR1

热继电器

JRQ—40

11A、3A

1

M1过载保护

FR2

热继电器

JR10—10

3A、5A

1

M3过载保护

FR3

热继电器

JR10—10

0.415A

1

M2过载保护

FU1

熔断器

RL1

30A

3

总电源短路保护

FU2

熔断器

RL1

10A

3

进给短路保护

FU3、FU6

熔断器

RL1

6A

2

控制电路短路保护

FU4、FU5

熔断器

RL1

4A

2

照明电源短路保护

VC

整流器

ZCZX4

5A,50V

1

整流作用

TC

变压器

BK—50

380/36V

1

照明变压器

TC1

变压器

BK—150

380/127V

1

控制电路变压器

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

R

电阻

ZB2

1.45W、15.4A

2

限制制动电阻

(三)X62W万能铣床的主要结构及运动形式

X62W型万能铣床的外形结构如图2-1所示,它主要由床身、主轴、刀杆、悬梁、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。

溜板上部有可转动的回转盘,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是主运动;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;铣床其他的运动,如工作台的旋转运动、在各个方向的快速移动则属于辅助运动。

1—床身(立柱)2—主轴3—刀杆4—悬梁5—支架6—工作台

7—回转盘8—横溜板9—升降台10—底座

图2-1铣床外部结构图

(四)控制要求

(1)主轴电动机M1有三种控制:

正反转起动,反接制动和变速冲动。

(2)工作台进给电动机M2有三种控制:

进给、快速移动和变速冲动。

(3)M3拖动冷却泵提供冷却液,只需单向运行。

(4)为了能及时实现控制,机床设置了两套操纵系统,再机床正面及侧都安装了相同的按钮、手轮和手柄,操作方面,以实现两地控制。

(5)为了保证安全,防止事故,机床有顺序的动作,采用了联锁。

(6)三台电动机都设有过载保护,控制线路设有短路保护,工作台的六个方向,都设有终端保护。

 

二、电气控制原理

(一)电气原理图

图3-1X62W卧式铣床电气原理图

该铣床共用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3-1所示,该线路分为主电路、控制电路和照明电路三部分。

(二)主电路分析

主轴电动机M1拖动主轴带动铣刀进行铣削加工,通过组合开关SA3来实现正反转;进给电动机M2通过操纵手柄和机械离合器的配合拖动工作台前后、左右、上下6个方向的进给运动和快速移动,其正反转由接触器KM3、KM4来实现;冷却泵电动机M3供应切削液,且当M1启动后,用手动开关QS2控制;3台电动机共用熔断器FU1作短路保护,3台电动机分别用热继电器FR1、FR2、FR3作过载保护。

(三)控制电路分析

控制电路的电源由控制变压器TC输出110V电压供电。

主轴电动机M1的控制

主轴电动机M1采用两地控制方式,SB1和SB2是两组启动按钮,SB5和SB6是两组停止按钮。

KM1是主轴电动机M1的启动接触器,YC1是主轴制动用的电磁离合器,SQ1是主轴变速时瞬时点动的位置开关。

1)主轴电动机M1启动前,应首先选择好主轴的转速,然后合上电源开关QS1,再把主轴换向开关SA3扳到所需要的转向。

按下启动按钮SB1(或SB2),接触器KM1线圈得电,KM1主触头和自锁触头闭合,主轴电动机M1启动运转,KM1常开辅助触头(9-10)闭合,为工作台进给电路提供了电源。

按下停止按钮SB5(或SB6),SB5-1(或SB6-1)常闭触头分断,接触器KM1线圈失电,KM1触头复位,电动机M1断电惯性运转,SB5-2(或SB6-2)常开触头闭合,接通电磁离合器YC1,主轴电动机M1制动停转。

2)主轴换铣刀时将转换开关SA1扳向换刀位置,这时常开触头SA1-1闭合,电磁离合器YC1线圈得电,主轴处于制动状态以便换刀;同时常闭触头SA1-2断开,切断了控制电路,保证了人身安全。

3)主轴变速时,利用变速手柄与冲动位置开关SQ1,通过M1点动,使齿轮系统产生一次抖动,以便于齿轮顺利啮合,且变速前应先停车。

进给电动机M2的控制

工作台的进给运动在主轴启动后方可进行。

工作台的进给可在3个坐标的6个方向运动,进给运动是通过两个操作手柄和机械联动机构控制相应的位置开关使进给电动机M2正转或反转来实现的,并且6个方向的运动是联锁的,不能同时接通。

1)当需要圆形工作台旋转时,将开关SA2扳到接通位置,这时触头SA2-1和SA2-3断开,触头SA2-2闭合,电流经10—13—14—15—20—19—17—18路径,使接触器KM3得电,电动机M2启动,通过一根专用轴带动圆形工作台作旋转运动。

转换开关SA2扳到断开位置,这时触头SA2-1和SA2-3闭合,触头SA2-2断开,以保证工作台在6个方向的进给运动,因为圆形工作台的旋转运动和6个方向的进给运动也是联锁的。

2)工作台的左右进给运动由左右进给操作手柄控制。

操作手柄与位置开关SQ5和SQ6联动,有左、中、右三个位置,其控制关系见表1。

当手柄扳向中间位置时,位置开关SQ5和SQ6均未被压合,进给控制电路处于断开状态;当手柄扳向左或右位置时,手柄压下位置开关SQ5或SQ6,使常闭触头SQ5-2或SQ6-2分断,常开触头SQ5-1或SQ6-1闭合,接触器KM3或KM4得电动作,电动机M2正转或反转。

由于在SQ5或SQ6被压合的同时,通过机械机构已将电动机M2的传动链与工作台下面的左右进给丝杠相搭合,所以电动机M2的正转或反转就拖动工作台向左或向右运动。

表3—1工作台左右进给手柄位置及其控制关系

手柄位置

位置开关动作

接触器动作

电动机M2转向

传动链搭合丝杠

工作台运动方向

SQ5

KM3

正转

左右进给丝杠

向左

停止

停止

SQ6

KM4

反转

左右进给丝杠

向右

  工作台的上下和前后进给运动是由一个手柄控制的。

该手柄与位置开关SQ3和SQ4联动,有上、下、前、后、中5个位置,其控制关系见表2。

当手柄扳至中间位置时,位置开关SQ3和SQ4均未被压合,工作台无任何进给运动;当手柄扳至下或前位置时,手柄压下位置开关SQ3使常闭触头SQ3-2分断,常开触头SQ3-1闭合,接触器KM3得电动作,电动机M2正转,带动着工作台向下或向前运动;当手柄扳向上或后时,手柄压下位置开关SQ4,使常闭触头SQ4-2分断,常开触头SQ4-1闭合,接触器KM4得电动作,电动机M2反转,带动着工作台向上或向后运动。

当两个操作手柄被置定于某一进给方向后,只能压下四个位置开关SQ3、SQ4、SQ5、SQ6中的一个开关,接通电动机M2正转或反转电路,同时通过机械机构将电动机的传动链与三根丝杠(左右丝杠、上下丝杠、前后丝杠)中的一根(只能是一根)丝杠相搭合,拖动工作台沿选定的进给方向运动,而不会沿其他方向运动。

表3—2工作台上、下、中、前、后进给手柄位置及其控制关系

手柄位置

位置开关动作

接触器动作

电动机M2转向

传动链搭合丝杠

工作台运动方向

SQ4

SQ3

SQ3

SQ4

KM4

KM3

KM3

KM4

反转

正转

停止

正转

反转

上下进给丝杠

上下进给丝杠

前后进给丝杠

前后进给丝杠

向上

向下

停止

向前

向后

左右进给手柄与上下前后手柄实行了联锁控制,如当把左右进给手柄扳向左时,若又将另一个进给手柄扳到向下进给方向,则位置开关SQ5和SQ3均被压下,触头SQ5-2和SQ3-2均分断,断开了接触器KM3和KM4的通路,电动机M2只能停转,保证了操作安全。

3)6个进给方向的快速移动是通过两个进给操作手柄和快速移动按钮配合实现的。

安装好工件后,扳动进给操作手柄选定进给方向,按下快速移动按钮SB3或SB4(两地控制),接触器KM2得电,KM2常闭触头分断,电磁离合器YC2失电,将齿轮传动链与进给丝杠分离;KM2两对常开触头闭合,一对使电磁离合器YC3得电,将电动机M2与进给丝杠直接搭合;另一对使接触器KM3或KM4得电动作,电动机M2得电正转或反转,带动工作台沿选定的方向快速移动。

由于工作台的快速移动采用的是点动控制,故松开SB3或SB4,快速移动停止。

4)进给变速时与主轴变速时相同,利用变速盘与冲动位置开关SQ2使M1产生瞬时点动,齿轮系统顺利啮合。

 

三、X62W万能铣床软件设计

(一)PLC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。

PLC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;为了组成工业局部网络,它还有多种通讯联网的接口模块,等等。

3、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PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构。

PLC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。

4、编程简单易学

PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式,对使用者来说,不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

5、安装简单,维修方便

PLC不需要专门的机房,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。

(二)X62W万能铣床电气控制线路的PLC设计

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。

用可编程控制器改造后的PLC硬接线如图4-2所示,为了保证各种联锁功能,将SQ1~SQ6,SB1~SB6按图示分别接入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。

输出器件分两个电压等级,一个是接触器使用的110V电压,另一个是电磁离合器使用的36V直流电,这样也将PLC的输出口分为两组连接点。

根据输入输出口的数量,可选择三菱FX2N—32MR型PLC。

X62W型万能铣床电器位置图如图4-1所示,所有的电器元件均可采用改造前的型号。

根据X62W万能铣床的控制要求,设计该电气控制系统的PLC控制梯形图,如图4-3所示。

该程序共有8条支路,反映了原继电器电路中的各种逻辑内容。

在第1支路中,因SQ1和SB5、SB6都采用常闭触头分别接至输入端子X13、X2,则X13、X2的常开触点闭合,按下启动按钮SB1或SB2时,X0常开触点闭合,Y0、M0线圈得电并自锁,第3支路中Y0常开触点闭合,辅助继电器M1线圈得电,其常开触点闭合,为第4支路以下程序执行做好准备,保证了只有主轴旋转后才有进给运动。

Y0的输出信号使主轴电动机M1启动运转。

当按停止按钮SB5或SB6时,X2常开触点复位,Y0线圈失电,主轴惯性运转,同时X3常开触点闭合,Y4线圈得电接通电磁离合器YC1,主轴制动停转。

第2支路表达了KM2及YC3的工作逻辑,当按下快速移动按钮SB3或SB4时,X1常开触点闭合,则Y1及Y5线圈得电,KM2常闭触头断开,电磁离合器YC2失电,YC3得电,工作台沿选定方向快速移动;松开SB3或SB4则YC2得电,YC3失电,快速移动停止。

第4、5、6、8支路表达了工作台六个方向的进给、进给冲动及圆工作台的工作逻辑关系。

当圆形工作台转换开关SA2动作,4、5支路中X5的常开触点分断,第6支路中X5常闭触头复位,M4及Y2线圈得电,使KM3得电,电动机M2启动,圆形工作台旋转;当SA2复位时,M4、Y2线圈失电,圆形工作台停止旋转。

左右进给时,SQ5或SQ6被压合,X6常开触点复位,第5、6支路被分断,而X10或X11常开触点闭合,M2(其常开触点使Y2线圈得电)或Y3线圈得电,电动机M2正转或反转,拖动工作台向左或向右运动。

同样,工作台上下、前后进给时,SQ3或SQ4被压合,X7常开触点复位,第5、6支路被分断,M2或Y3线圈得电,电动机M2正转或反转,拖动工作台按选定的方向(上、下、前、后中某一方向)作进给运动。

该程序及PLC的硬接线不仅保证了原电路的工作逻辑关系,而且具有各种联锁措施,电气改造的投资少、工作量较小。

图4-1X62W型万能铣床电器位置图

4-2PLC外部接线图

(三)现场信号与PLC软继电器对照表

分类

信号名称

现场信号

PLC线圈编号

 

输入信号

 

M1启动按钮

SB1、SB2

X0

快速进给点动

SB3、SB4

X1

停止制动按钮

常闭SB5、SB6

X2

常开SB5、SB6

X3

信号名称

现场信号

PLC线圈编号

输入信号

换刀开关

SA1

X4

圆工作台开关

SA2

X5

左右进给

SQ5、SQ6

X6

上下前后进给

SQ3、SQ4

X7

常开SQ3、SQ5

X10

常开SQ4、SQ6

X11

进给冲动

SQ2

X12

主轴冲动

SQ1

X13

输出信号

主轴启动接触器

KM1、KM2

Y0、Y1

M2正转接触器

KM3

Y2

M2反转接触器

KM4

Y3

正常进给电磁阀

YC2

COM

主轴制动电磁阀

YC1

Y4

快速进给电磁阀

YC3

Y5

(四)PLC梯形图

图4-3PLC梯形图

PLC指令表

序号

指令名称

数据

序号

指令名称

数据

0000

LD

X0

0018

OR

X6

0001

OR

M0

0019

AND

X5

0002

AND

X2

0020

AND

M1

0003

ANI

X13

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