基于X62W万能铣床的PLC改造.docx
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基于X62W万能铣床的PLC改造
标题：
基于X62W万能铣床的PLC改造
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，效率较高，在机械制造和修理部门得到广泛应用。
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。
第一章主要介绍铣床国内外研究状况和发展趋势和铣床简单介绍，包括铣床的选型和特点。
第二章X62W万能铣床硬件设计主要包括X62W万能铣床电力拖动的特点及控制要求和X62W万能铣床元件选型还有X62W万能铣床的主要结构及运动形式，第三章主要分析电路的工作原理。
第四章是介绍软件部分及其PLC的系统优点。
关键词：
X62W万能铣床；电气原理；PLC；梯形图,改造
1、铣床的概述
1.1铣床简单介绍
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。
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。
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。
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铣床国内外研究状况和发展趋势
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与国外一些先进产品相比仍存在较大差距。
利用刀具对金属毛坯进行切削，从而加工出机械零件的工作机械称为金属切削机床，简称机床。
机床是现代机械制造业中最重要的加工设备，在一般机械制造厂中，机床所担负的加工工作量约占机械制造总工作量的40%～60%。
机床的性能直接影响机械产品的性能、质量和经济性。
因此，它是国民经济中具有战略意义的基础工业，机床的拥有量及其先进程度将直接影响到国民经济各部门生产发展和技术进步的能力。
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。
万能铣床的广泛应用，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。
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。
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应用，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。
工业、农业、科学和国防现代化建设要求机械产业不断地提供各种先进的设备。
如电力机床、内燃机车、工程机械等设备，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铣床的选型
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，它采用触点接触器电路实现电气控制。
PLC是专为工业环境应用而设计，其显著的特点之一就是可靠性高，抗干扰能力强，将X62W万能铣床电气控制线路改造为可编程控制器控制，可以提高整个电气控制系统的工作性能，减少维护，维修的工作量。
1.4X62W机床特点
（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）此机床具有柔性，只需更换程序，就可以适应不同品种及尺寸规格零件的自动加工。
（5）大大的减轻了工人的劳动强度。
万能铣床是一种高效率的加工机械,在机械加工和机械修理中得到广泛的应用，万能铣床的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。
但是在电气控制系统中,故障的查找与排除是非常困难的,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,给生产与维护带来诸多不便,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,具有极高的可靠性与灵活性,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。
2、X62W万能铣床系统工艺分析
2.1X62W万能铣床的主要结构及运动形式
1、机床的主要结构及运动形式
（1）主要结构由床身、主轴、刀杆、
横梁、工作台、回转盘、横溜板和升降台等
几部分组成，如图2.1所示。
2、运动形式
（1）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。
工作
台面的移动是由进给电动机驱动，它通过机图2.1X62W万能铣床形外形图
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。
2.2电气原理图
图2.2X62W万能铣床电气原理图
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2.2所示，该线路分为主电路、控制电路和照明电路三部分。
2.3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。
2.4控制电路分析
控制电路的电源由控制变压器输出电压供电。
⑴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。
⑵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
左
SQ5
KM3
正转
左右进给丝杠
向左
中
—
—
停止
—
停止
右
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
上
下
中
前
后
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。
3、系统的设计
3.1X62W万能铣床硬件设计
3.1.1X62W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。
3.1.2主要电气元件表
表3电气元件
符号
名称
型号
规格
件数
作用
M1
主轴电动机
Y132-M-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
符号
名称
型号
规格
件数
作用
KM1
接触器
CJ0-20
20A,110V
1
主轴启动
KM2
接触器
CJ0-10
10V,110A
1
快速进给
KM3
接触器
CJ0-10
10V,110A
1
M2正传
KM4
接触器
CJ0-10
10V,110A
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
1
圆工作台转换
SA3
转换开关
HZ1-10/E16
三极
1
M1转向开关
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-I
-
1
快速进给
R
电阻
ZB2
1.45W,15.4A
2
限制制动电阻
3.2PLC的系统结构和基本工作原理
3.2.1PLC的系统结构
1．CPU运算和控制中心起“心脏”作用。
纵：
当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。
横：
输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。
然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。
把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。
组成：
CPU由控制器、运算器和寄存器组成。
这些电路集成在一个芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。
2．存储器
具有记忆功能的半导体电路。
分为系统程序存储器和用户存储器。
系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。
由只读存储器、ROM组成。
厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。
用户存储器：
分为用户程序存储区和工作数据存储区。
由随机存取存储器（RAM）组成。
用户使用的。
断电内容消失。
常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3～5年。
3．输入/输出接口
（1）输入接口：
光电耦合器由两个发光二极管和光电三极管组成。
发光二级管：
在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。
光电三级管：
在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。
在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。
输入接口电路工作过程：
当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。
当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。
向内部电路输入信号。
也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。
（2）输出接口
PLC的继电器输出接口电路
工作过程：
当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。
当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。
也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。
三种类型：
继电器输出：
有触点、寿命短、频率低、交直流负载
晶体管输出：
无触点、寿命长、直流负载
晶闸管输出：
无触点、寿命长、交流负载
4．编程器
编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。
我们实验室使用的就是手持编程器。
二种是通过PLC的RS232口。
与计算机相连。
然后敲击键盘。
通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。
3.2.2PLC的基本工作原理
PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式
[1]每次扫描过程。
集中对输入信号进行采样。
集中对输出信号进行刷新。
[2]输入刷新过程。
当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。
只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。
[3]一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。
[4]元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。
[5]扫描周期的长短由三条决定。
（1）CPU执行指令的速度
（2）指令本身占有的时间（3）指令条数
[6]由于采用集中采样。
集中输出的方式。
存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。
3.3PLC的基本功能和基本指令
3.3.1PLC的基本功能
[1]存储容量
存储容量是指用户程序存储器的容量。
用户程序存储器的容量大，可以编制出复杂的程序。
一般来说，小型PLC的用户存储器容量为几千字，而大型机的用户存储器容量为几万字。
[2]I/O点数
输入/输出（I/O）点数是PLC可以接受的输入信号和输出信号的总和，是衡量PLC性能的重要指标。
I/O点数越多，外部可接的输入设备和输出设备就越多，控制规模就越大。
[3]扫描速度
扫描速度是指PLC执行用户程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。
一般以扫描1K字用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以ms/K字为单位。
PLC用户手册一般给出执行各条指令所用的时间，可以通过比较各种PLC执行相同的操作所用的时间，来衡量扫描速度的快慢。
[4]指令的功能与数量
指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。
编程指令的功能越强、数量越多，PLC的处理能力和控制能力也越强，用户编程也越简单和方便，越容易完成复杂的控制任务。
[5]内部元件的种类与数量
在编制PLC程序时，需要用到大量的内部元件来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。
这些元件的种类与数量越多，表示PLC的存储和处理各种信息的能力越强。
[6]特殊功能单元
特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。
近年来各PLC厂商非常重视特殊功能单元的开发，特殊功能单元种类日益增多，功能越来越强，使PLC的控制功能日益扩大
[7]可扩展能力
PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。
在选择PLC时，经常需要考虑PLC的可扩展能力。
3.4X62W型万能铣床PLC控制
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
升级会员 