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X62W万能铣床毕业论文

毕业设计

设计题目：

X62W万能铣床电气控制的

PLC改造

系别:

机电工程与技术系

专业:

机电一体化

班级:

机电3093班

姓名:

学号:

指导老师:

完成时间:

2012年5月

摘要

铣床可以用来加工平面、斜面、沟槽，装上分度头可以铣切直齿齿轮和螺旋面，装上圆工作台还可以铣切凸轮和弧形槽。

所以铣床在金属切削机床中占有很大的比重，使用数量仅次于车床。

PLC是以计算机技术为技术核心的通用自动控制装置，在各行各业中得到了广泛的应用。

它是将逻辑运算，顺序控制，时序和计数以及算数运算等控制程序，用一串指令的形式存放到存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟，数字等输入输出部件，对生产设备和生产过程进行控制的装置。

在电气控制系统中，故障的查找于排除是非常困难的，特别是在继电器接触式控制系统，由于定期开展线路触点多、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。

而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。

为了使铣床控制稳定与可靠，具有极高的可靠性和灵活性，更容易检修，更能适应经常变动的工艺条件，取得较好的经济效益，所以对原来的继电器接触模式模拟控制系统进行PLC改造。

关键词：

X62W；电气控制；PLC-可编程控制器；梯形图

图1.1

1.2X62W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。

X62万能铣床外形结构图

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。

1.3电器元件设备

X62W万能铣床电器元件明细表

代号

元件名称

型号

规格

数量

用途

QS1

QS2

SA1

SA2

SA4

FU1

FU2

FU3

FU4

FR1

FR2

FR3

KM1

KM2

KM3

KM4

KM5

KM6

SB1、SB2

SB3、SB4

SB5、SB6

SQ7

SQ5

SQ3

SQ4

SQ2

SQ1

主轴电动机

进给电动机

冷却泵电动机

开关

熔断器

热继电器

变压器

接触器

按钮

位置开关

Y132M-4-B3

Y90L-4

JCB-22HZ10-60/3J

HZ10-60/3JHZ10-10/3J

HZ3-133

RL1-60

RL1-15

JR0-40

JR10-10

BK-150

CJ0-20

CJ0-10

LA2

LX3-11K

LX2-131

7.5KW、380V、1450r/min

1.5KW、380V、1400r/min

125W、380V、2790r/min

60A、380V

10A、380V

60A、熔体50A

15A、熔体10A

15A、熔体4A

15A、熔体2A

整定电流16A

整定电流3.4A

整定电流0.43A

5A、50V

21A、110V

10A、110V

绿色

红色

黑色

驱动主轴

驱动进给

驱动冷却泵

电源总开关

照明开关

圆工作台开关

冷却泵开关

M1换相开关

电源短路保护

进给短路保护

整流、控制短路保护

直流、照明短路保护

M1过载保护

M2过载保护

M3过载保护

控制电路电源

主轴启动、M1正反转

主轴的制动与变速冲动

M2的向前、向下、向右移动

M2的向后、向上、向左移动

快速进给

冷却泵电动机M3

启动M1

停止、制动

快速进给点动

主轴变速冲动开关

进给冲动开关

M2正、反转及联锁

、、、

1.4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。

1.5电气控制线路

X62W万能铣床的电气控制线路。

分为主电路，控制电路和照明电路三部分。

X62W万能铣床电气控制电路图

1.6电气控制线路分析

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。

1、主轴电动机M1的控制为了操作方便，主轴电动机M1采用两地控制方式，一组安装在工作台上；另一组安装在床身上。

SB1和SB2是两组启动按钮并接在一起，SB3和SB4是两组停止按钮串接在一起。

KM1是主轴电动机M1的启动接触器，SQ7是主轴变速时瞬时点动的位置开关。

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，可使主轴具有18级不同的转速（30—1500r/min）。

（1）主轴电动机M1的启动启动前，应首先选择好主轴的转速，然后合上电源开关QS1，再把主轴转换开关SA4扳到所需要的旋转方向，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常开辅助触头闭合，为工作台进给电路提供了电源。

SA4的功能见表1.1所示：

正转时SA4-2，SA4-3两开关触点分别接通，反转时SA4-1，SA4-4分别接通，停止时都不接通。

（2）主轴电动机M1的制动当铣削完毕，需表1.1主轴转换开关位置表

正转

停止

反转

SA4-1

SA4-2

SA4-3

SA4-4

－

＋

－

＋

－

＋

要主轴电动机M1停止时，按停止按钮SB3（或SB4），SB3—1（或SB4—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，SB3—2（或SB4—2）常开触头闭合，KM2线圈得电，KM2连锁触头分断对KM1的连锁，KM2自锁触头闭合自锁，KM2主触头闭合，电动机M1串接R反接制动，至电机转速下降到一定值（100r/min左右）时，KS常开触头分断，KM2线圈失电，KM2连锁触头闭合，接触连锁。

KM2自锁触头分断，解除自锁。

KM2主触头分断，电动机M1脱离电源停转，制动结束。

（3）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SQ7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SQ7，SQ7的常闭触头SQ7-2先断开，而后常开触头SQ7-1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，SQ7复位，常开触头SQ7-1先断开，常闭触头SQ7-2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SA1是控制圆工作台的，在不需要圆工作台运动时，转换开关SA1扳到“断开”位置，此时SA1-1闭合，SA1-2断开，SA1-3闭合；当需要圆工作台运动时，将转换开关SA1扳到“接通”位置，则SA1-1断开，SA1-2闭合，SA1-3断开。

SA1的功能如表1.2所示:

接通

断开

SA1-1

SA1-2

SA1-3

—

（1）工作台纵向进给工作台的左右（纵向）运动表1.2圆工作台开关位置

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1.3。

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SQ1或SQ2，二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。

表1.3工作台纵向进给开关位置

左

停

右

SQ1-1

SQ1-2

SQ2-1

SQ2-2

－

—

1）工作台向右运动

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SQ1，常开触头SQ1-1闭合，常闭触头SQ1-2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。

2）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SQ2被压着，SQ2-1被压着闭合，SQ2-2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1.4

表1.4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

向下

向前

向后

中间

向上进给或快速向上

向下进给或快速向下

向前进给或快速向前

向后进给或快速向后

升降或横向停止

垂直丝杠

横向丝杠

SQ4

SQ3

SQ4

—

KM4

KM3

KM4

－

M2反转

M2正转

M2反转

－

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。

1）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。

2）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。

3）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，SQ1-2或SQ2-2两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，SQ1或SQ2被压着，它们的常闭触头SQ1-2或SQ2-2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SQ5，首先使常闭触头SQ5-2断开，然后常开触头SQ5-1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SQ5已复位，首先断开SQ5-1，而后闭合SQ5-2。

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SB5或SB6（两地控制），接触器KM5通电吸合，接通牵引电磁铁YA，让工作台快速进给。

进给的方向，仍由进给操作手柄来决定。

当快速移动到预订位置时，松开按钮SB5或SB6，接触器KM5断电释放，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SA1，此时SA1-1和SA1-3断开，SA1-2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→SQ5-2→SQ3-2→SQ4-2→SQ2-2→SQ1-2→SA1-2→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SQ1—SQ5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SB3或SB4，主轴停转，圆工作台也停转。

3冷却泵和照明电路的控制

主轴电动机M1和冷却泵电动机M3采用的是顺序控制，即只有在主轴电动机M1启动后冷却泵电动机M3才能启动。

冷却泵电动机M3由组合开关SA2控制。

铣床照明由变压器TC供给24V的安全电压，由开关QS2控制。

熔断器FU4作照明电路的短路保护。

二、X62W万能铣床电气控制线路的PLC改造的硬件设计

2.1X62W铣床PLC控制系统的分析

根据实际情况，在铣床的电气改造过程中，保留原有的机械操作不变，将原来继电器控制的线路用PLC控制系统取代。

按照PLC控制系统设计的一般步骤，X62W铣床PLC控制系统属于典型的单机控制系统，输入/输出信号均为开关控制量，一般的继电器输出型PLC就可以满足控制上的要求，又由于X62W铣床不属于大型机床，输入信号传输距离不大，控制电路比较集中，不必采用单独的控制柜来安装电器元件。

为了提高整个系统的可靠性、安全性，考虑到系统的成本，系统的组织电动机正、反转及冷却泵电动机部分控制将不采用PLC控制。

2.2PLC的选型及校验

X62W铣床电路中输入/输出及控制信号共有23个。

其中输入信号16个、输出信号7个，实际使用时，系统的输入都为开关控制量，加上10%~15%的余量就可以了，并无其他特殊控制模块的需要。

故选用西门子的S7-200系列CPU224DC/AC型PLC。

AC电源，24V直流输入，晶体管输出。

输入点数24，输出点数24。

S7-200系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器。

I/O点最大可扩展到256点，可有多种特殊功能扩展，实现多种特殊控制功能（PID、高速计数、A/D、D/A、等）。

有多种RS-485串行通信模块或功能扩展板，可实现模拟量控制、位置控制和联网通信功能。

可满足机床7点输出，16点输入的要求。

PLC的供电电源为隔离变压器提供，这样可以减少电网波动或噪声对PLC的干扰。

2.3PLC的I/O端口的分配

输入信号

输出信号

功能

元件符号

地址

功能

元件符号

地址

主轴电动机M1启动

SB1、SB2

I0.0

主轴电动机M1接触器

KM1

Q0.0

主轴电动机M1制动停止

SB3、SB4

I0.1

主轴制动与变速冲动接触器

KM2

Q0.1

快速进给

SB5、SB6

I0.2

向右、前、下接触器

KM3

Q0.2

主轴冲动行程开关

SQ7

I0.3

向左、后、上接触器

KM4

Q0.3

进给冲动行程开关

SQ5

I0.4

快速进给

KM5

Q0.4

“向前”、“向下”行程开关

SQ3

I0.5

冷却泵电动机

KM6

Q0.5

“向后”、“向上”行程开关

SQ4

I0.6

照明

Q0.6

“向左”行程开关

SQ1

I0.7

“向右”行程开关

SQ2

I1.0

圆工作台开关

SA1

I1.1

冷却泵开关

SA2

I1.2

主轴电动机热继电器

FR1

I1.3

冷却泵电动机热继电器

FR2

I1.4

进给电动机热继电器

FR3

I1.5

照明开关

QS2

I1.6

制动

I1.7

2.4系统控制的安装设计

在X62W型万能铣床PLC控制接线图中，需要注意的是，图中对输入的常闭触点进行了处理，即常闭按钮改用常开按钮，热继电器的常闭触点不变。

X62W万能铣床PLC控制接线图

三、X62W万能铣床电气控制线路的PLC改造的软件设计

3.1梯形图控制分析

X62W万能铣床PLC控制梯形图

①主轴控制电路分析

1）主轴电动机启动

启动前先合上电源开关QS1，再把主轴转换开关SA4扳到所需的旋转方向，然后按启动按钮SB1（或SB2）,I0.0闭合，Q0.0得电，KM1工作，主轴的电动机运转。

2）主轴电动机的停车制动

按主轴停止按钮SB3（或SB4），这时I0.1常闭断开，Q0.0失电，Y0失电，KM1断开，主轴电动机失电作惯性运动，接着I0.1常开闭合，Q0.1得电，对主轴进行制动。

3）主轴变速冲动控制

主轴变速时的冲动控制是利用变速手柄与冲动行程开关SQ7，通过机械上的联动机构进行控制，变速时，扳操纵手柄使SQ7动作，这时I0.3常闭断开（断开自锁回路），I0.3常开闭合，使Q0.0得电，KM1工作，主轴电动机实现点动控制。

②进给控制电路分析

转换开关SA1是控制圆工作台的，在不需要圆工作台时，转换开关SA1扳到“断开”位置。

此时，I1.1常闭闭合，常开断开；当需要圆工作台时，转换开关SA1扳到“接通”位置，此时I1.1常闭断开，常开闭合。

1）工作台左（右）控制

主轴电动机启动后，将操纵手柄向左（右）扳，其联动机构压动位置开关SQ1（SQ2），使I0.7（I1.0）常闭断开（联锁保护），I0.7（I1.0）常开闭合，KM3（KM4）工作，进给电动机实现正（反）转，通过相应传动装置拖动工作台向左、右运动。

2）工作台下、前（上、后）控制

主轴电动机启动后，将操纵手柄分必然想下、前（上、后）扳，其联动机构压动位置开关SQ3（SQ4），使I0.5（I0.6）常闭断开（联锁保护），I0.5（I0.6）常开闭合，KM3（KM4）工作，进给电动机实现正（反）转，通过相应传动装置拖动工作台向下、前（上、后）运动。

3）进给变速传动控制

与主轴变速原理一样，变速时只需将变速盘往外拉，使进给齿轮松开，待转动变速盘选择好速度后，将变速盘向里推，在推进时，挡块压动位

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