对专用镗孔机床的电气控制设计.docx

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对专用镗孔机床的电气控制设计

题目：

PLC对专用镗孔机床的电气控制设计

前言

可编程序控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用了可编程序的存储器是将逻辑运算、顺序控制时序、计数以及算术运算等控制程序，用一串指令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，对生产设备与生产过程进行控制的装置。

随着大规模集成电路的发展，可编程序控制器得到了迅速发展，并广泛应用于各种领域中，以满足现代化大生产的高效、高可靠性、高难度的自动化要求。

现代机器向着高速度高效率高精度方向的发展，对机器制造业也提出了新的要求：

机器零件的精度越来越高。

同时，结构也日趋复杂，特别是箱体零件具有孔系多的特点，它的加工除了本身又尺寸精度的要求外，还有形状精度和孔系之间相对位置精度的要求。

孔加工一般可在钻床、车床、镗床、拉床、内圆磨床上进行，有些工件也在镗床上加工。

镗床加工的特点是：

主运动由刀具作旋转来完成，而进给运动是由主轴或工作台的移动来达到，并且可以通过镗床工作台的三个方向移动，很方便、准确地调整切削刀具与工件的相对位置。

因此在镗床上进行钻孔、铰孔和镗孔也是一种重要的加工方法。

本书选用日本三菱公司生产的FX2N—48MRPLC可编程序控制器对T68卧式镗床的电器控制进行设计。

在编写过程中得到了许多同学们和老师的帮助和大力支持，并提出了许多宝贵意见和建议，在此向他们表示衷心的感谢。

由于时间仓促，加上编写经验不足，书中还难免有存在缺点和错误，在此恳切的希望指导教师提出批评和指正，以便进一步修改和完善。

第一章可编程序控制器的介绍----------------------51-1可编程序控制器的概述------------------5

1-2PLC的基本结构和工作原理---------------5

1-3PLC的工作过程-------------------------9

1-4PLC的主要技术指标---------------------9

第二章T68型卧式镗床的电气控制线路分析

一、主要结构和运动形式----------------------11

二、电力拖动方式及电气控制要求--------------11

三、T68型镗床的电气控制线路分析------------12

第三章T68卧式镗床的PLC控制

一.梯形图编程语言--------------------------20

二.助记符语言------------------------------21

三.PLC对T68卧式镗床梯形图的绘制----------21

五.汇编语言--------------------------------25

元件明细表----------------------------------------28

总结--------------------------------------29

参考文献--------------------------------------30

毕业设计任务书（四）

指导教师：

田林红

一、设计题目用PLC对专用镗孔机床的电气控制设计

（二）

二、设计的目的

1）掌握镗孔机床加工动作流程。

2）掌握机床电气控制元件的选择与计算方法。

3）掌握PLC选择与应用。

三、设计要求

一台机床用于零件的镗孔与铰孔两种工序加工，进给速度分为快进和一次和二次工进，进给采用液压控制。

主轴采用1500W电机，液压系统是1000W电机。

设计要求

1）主轴双向运转，停车采用反向制动。

2）主轴加工采用两地控制，必须液压泵电动机才能启动主轴电动机。

3）有工作状态指示及照明。

4）有必要的电气保护和联锁。

四、完成的任务

要求说明详细，字迹工整，原理正确，元件选择有理。

图纸规范，图形清晰，符号标准，线条均匀。

（1）设计与绘制电气控制原理图，元件安装布置图、接线图。

（2）毕业设计说明书（8000以上）

1）设计题目

2）控制原理说明设计方案论证

3）主要器件选择依据与计算

4）设计总结及改进意见

5）主要参考资料

第一章可编程序控制器的介绍

1.1可编程序控制器的概述

可编程序控制器（ProgrammableLogicalController,简称PLC）是在继电器控制和计算机控制的基础上，以微机处理器为核心，引入微电子技术、自动控制技术而形成的一代新型工业控制装置。

可编程序控制器在系统结构、硬件组成、软件结构、输入/输出（I/O）接口以及用户界面等方面都有独特性。

目前，可编程序控制器不仅具有继电器控制系统所能完成的逻辑运算、定时、记数等控制功能，同时还可以进行数据处理、模拟量控制、过程控制、通信联网等功能。

.图2PLC控制系统的基本结构框图

1-2PLC的基本结构和工作原理

1.2.1.可编程控制器的基本结构

世界各国生产的可编程控制器外观各异，但作为工业控制计算机，其硬件结构大体相同，主要由中央处理器、存储器、I／O接口、电源及编程设备几大部分构成。

PLC的硬件结构框图2-1所示

1.中央处理器（CPU）

中央处理器是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分工作任务。

可编程控制器中采用的CPU一般有三大类，一类为通用微处理器，如80286、80386等；一类为单片机芯片，如8031、8096等；另外还有为处理器，如AMD2900、AMD2903等。

2.存储器

存储器是可编程控制器的存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。

和一般计算机一样，可编程控制器的存储器有只读存储器（ROM）和随机读/写存储器（RAM）两大类。

只读存储器是用来保存那些需永久保存的程序的存储器，即使机器掉电后其保存的数据也不会丢失，一般为掩膜只读存储器和可编程电擦写只读存储器。

只读存储器用来存放系统程序。

随机读/写存储器的特点是写入与擦除都很容易，但在掉电情况下存储的数据就会丢失，一般用来存放用户程序及系统运行中产生的临时数据。

3.输入/输出接口

输入/输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。

输入口是用来接受生产过程的各种参数。

输出口是用来送出可编程控制器运算后得出的控制信号，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。

主要有以下几中：

⑴开关量输入接口。

（2）开关量输出接口。

（3）模拟量输入接口。

（4）模拟量输出接口。

（5）智能输入/输出接口。

4．电源

可编程控制器的电源包括可编程控制器各工作单元供电的开关电源及为掉电保护电路供电的后备电源，后者一般为电池。

5.外部设备

（1）编程器。

可编程控制器的特点是它的程序是可变更的，能方便的加载程序，也可方便地修改程序，因此编程设备就成了可编程控制器工作中不可缺少的部分。

可编程控制器的编程设备一般有两类，一类专用编程器，有手持的，也有台式的，还有的可编程控制器机身上自带编程器，其中手持式的编程器携带方便适合工业控制现场应用；另一类是个人计算机，在个人计算机上运行可编程控制器相关的编程软件即可完成编程任务，借助软件编程比较容易，一般是编好了以后再下载到可编程控制器中去。

（2）其他外部设备。

PLC还可能配设其他一些外部设备。

①盒式磁带机，用以记录程序或信息。

②打印机，用以打印程序或制表。

③EPROM写入机，用以将程序写入用户EPROM中。

④高分辨率大屏幕彩色图形监控系统，用以显示或监视有关部分的运行状态。

1.2.2PLC的工作原理

与普通微机类似，PLC也是由硬件和软件两大部分组成的。

在软件的控制下，PLC才能正常地工作。

软件分为系统软件和应用软件两部分。

PLC的基本工作如下:

（1）输入现场信息:

在系统软件的控制下，顺次扫描各输入点的状态;

（2）执行程序:

顺次扫描用户程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容进行逻辑运算:

（3）输出控制信号:

根据逻辑运算的结果，输出状态寄存器向各输出点并行发出相应的控制信号，实现所要求的逻辑控制功能。

上述过程执行完后，又重新开始，反复地执行。

每执行一遍所需的时间称为扫描周期。

PLC的扫描周期通常为几十毫秒。

PLC就这样不断反复循环，实现对机器的连续控制，直到接收到停机命令，或因停电、出现故障等才停止工作。

1-3、PLC的工作过程

图4PLC的工作过程

1.4PLC的主要技术指标

1.I/O（输入/输出）点数

如前所述，输入/输出点数是PLC组成控制系统时所能接入的输入/输出信号的最大数量，表示PLC组成系统时可能的最大规模。

这里有个问题要注意，在总的点数中，输入点与输出点总是按一定比例设置的，往往是输入点数大于输出点数，且输入和输出点数不相互代替。

2.应用程序的存储容量

应用程序的存储容量是存放用户程序的存储趋的容量。

通常用K字（KW），K字节（KB）或K位（Kb）来表示，1K=1024。

也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。

3.扫描速度

扫描速度一般以执行1000条基本指令所需的时间来衡量，单位为毫秒/千步，也有以执行一步指令时间的，如微妙/步。

以下是扫描速度参考值：

由目前PLC采用的CPU主频考虑，扫描速度比较慢的为2.2ms/K逻辑运算程序和60ms/K数字运算程序；较快的为1ms/K逻辑运算程序和10ms/K数字运算程序；更快的能够达到0.75ms/K逻辑运算程序。

另外，可编程控制器的可扩展性、可靠性、易操作性及经济性等指标也是用户关心的问题。

第二章T68型卧式镗床的电气控制线路分析

一、主要结构和运动形式

镗床的床身是一个整体铸件，在它的一端固定有前立柱，在前立柱的垂直导轨上又安装有镗头架，镗头架可沿垂直导轨上下移动。

在镗头架里集中里装有主轴、变速箱、进给箱和操纵机构等部件。

切削刀具一般安装在镗轴前端的锥形孔里，或安装在花盘的刀具溜板上。

在切削过程中，镗轴一面旋转，一面沿轴向作进给运动，而花盘只能旋转，装在他上面的刀具溜板可作垂直主轴轴线方向的径向进给运动，镗轴和花盘轴分别通过各自的传动链传动，可以独立转动。

后立柱位于镗床床身的另一端，后立柱上的尾座用来支撑装夹在镗轴上的镗杆末端，它与镗头架同时升降，两者的轴线始终在同一水平直线上。

根据镗杆的长短，可通过后立柱沿床身水平导轨的移动来调整前、后立柱之间的距离。

有以上分析可知，T68型卧式镗床运动形式为：

（1）主运动镗轴和花盘的旋转运动

（2）进给运动镗轴是轴向进给、花盘上刀具的径向进给、镗头架的垂直进给、工作台的横向和纵向进给。

（3）辅助运动工作台的回转、后立柱的轴向水平移动、尾座的垂直移动及各部分的快速移动。

二、电力拖动方式及电气控制要求

T68型卧式镗床由两台电动机拖动：

主轴电动机M1和快速转动电动机M2。

主轴电动机M1用来驱动镗轴或花盘的旋转，并通过变速箱的传动产生镗轴、花盘：

工作台及镗头架的进给运动。

调整尾座或工作台相对位置的快速移动电动机M2来拖动。

T68型卧式镗床的电气控制要求如下：

（1）为了扩大调速范围和简化机床的传动装置，本机采用机电联合调速，使用双速笼型异步电动机M1作为主拖动电动机，其绕组接法为△/YY。

（2）主轴或进给变速时，为了便于齿轮之间的啮合，要有变速冲动。

（3）为了适应调整的需要，要求主轴电动机能够进行正、反向旋转及点动操作

（4）为了快速准确地停车，要求主轴电动机具有制动过程，本机床采用反接制动方式。

（5）快速移动电动机M2应能进行正、反转及点动操作。

（6）工作台或镗头架的自动进给与主轴或花盘刀架的自动进给不能同时进行，两者之间应有连锁保护。

三、T68型镗床的电气控制线路分析

T68镗床的电气控制原理图如下图所示。

（一）主电路分析

主轴电动机M1由6个接触器控制。

其中接触器KM1和KM2控制主轴电动机M1的正反转；接触器KM3在主轴电动机正常运行时短接电阻；接触器KM4和KM5、KM8控制主轴电动机M1的低、高速运行。

R为反接制动限流电阻。

熔断器FU1和热继电器FR分别作主轴电动机M1的短路保护和过载保护。

与主轴电动机M1同轴相连的速度继电器KS用于反接电气制动。

快速电动机M2由接触器KM6和KM7控制其正、反转，用熔断器FU2作其短路保护。

（二）控制电路分析

1.主轴电动机M1的正、反转起动控制

合上电源开关QS，指示灯HL亮，表明电源接通。

当主运动和进给运动都处于非变速状态时，各自的变速手柄使行程开关SQ1、SQ3受压，而行程开关SQ2、SQ4不受压。

当要求主轴低速运行时，将速度选择手柄置于低速挡，此时与速度选择手柄有关联的行程开关SQ不受压，SQ触头断开。

若使主轴电动机M1正向运行，可按下正转起动按钮SB2，此时，中间继电器KA1通电并自锁，KA1常开触头闭合，使接触器KM3通电，短接电阻R，KA1常开触头闭合，使得接触器KM1，KM4相继通电。

主轴电动机M1在△接法下全压起动并运行（低速）。

此时，KA1，KM1，KM3，KM4通电。

KM1线圈的通电电流通路为：

1→FU3（1-2）→2FR（2-3）常闭触点常开触点→3→SQ5（3-4）常闭触点→4→SB1（4－5）常闭触点→5→KM3（5－18）常开触点→18→KA1（18－15）常开触点→15→KM2（15－16）常闭触点→16→KM1线圈→PE。

KM4线圈的通电电流线路为：

1→FU3（1－2）→2→FR（2－3）常闭触点→3→SQ5（3－4）常闭触点→4→KM1（4－14）常开触点→14→KT（14－23）常闭触点→23→KM5（23－24）常闭触点→24→KM4线圈→PE。

主轴电动机M1低速反向启动时，按下反转起动按钮SB3（5－8），此时，中间继电器KA2通电并自锁，过程与正向起动类似。

若要求主轴高速运行时。

将速度选择手柄置于高速挡，此时行程开关SQ压下，使SQ触头（12－13）闭合。

这样，在接触器KM3通电的同时，时间继电器KT也通电。

于是，主轴电动机M1在低速挡起动并经过一段延时后，时间继电器通电延时时常闭触头KT（14－23）断开，通电延时闭合触头KT（14－21）闭合，分别使接触器KM4断电，接触器KM5、KM8通电。

从而使主轴电动机M1由低速△接法自动切换成高速YY接法。

构成了双速电动机按低速挡起动再自动切换成高速挡运行的自动控制环节。

正向高速运行时，KT,KA1,KM1,KM3,KM5,KM8通电。

KM5,KM8线圈的通电电流通路为：

1→FU3（1-2）→2→FR（2-3）常闭触点→3→SQ5（3－4）常闭触点→4→KM1（4－14）常开触点→14→KT（14－21）常开触点→21→KM4常闭触点→22→KM5,KM8线圈→PE。

2.主轴电动机的点动控制

主轴电动机M1由正、反转点动按钮SB4（5－15），SB5（5－19），接触器KM1,KM2和低速接触器KM4构成正、反转低速点动控制时，由于接触器KM3未通电，所以电动机串入电阻接成△低速起动。

正转点动时，按SB4,KM1,KM4接通，接触器KM1线圈的通电电流通路为：

1→FU3（1－2）→2→FR（2－3）常闭触点→3→SQ5（3－4）常闭触点→4→SB1（4－5）常闭触点→5→SB4（5－15）常开触点→15→KM2（15－16）常闭触点→16→KM1线圈→PE。

此时，KM4线圈的通电电流通路为：

（同上）4→KM1（4－14）常开触点→14→KT（14－23）常闭触点→23→KM5（23－24）常闭触点→24→KM4线圈→PE。

点动按钮松开后，电动机自然停车。

3.主轴电动机的停车与制动

主轴电动机M1在运行中，可以通过按下停止按钮SB1来实现主轴电动机M1的自然停止或反接制动（将SB1按到底）。

以主轴电动机M1运行在低速正转状态为例，此时中间继电器KA1、接触器KM3,KM1,KM4均通电吸合，速度继电器的常开触头KS1-1（14－19）闭合，为正转反接制动作准备。

当需要自然停止停车时，轻按下停止按钮SB1（4－5），其常开触头断开，使中间继电器KA1、接触器KM3,KM1,KM4相继断电释放，切断了主轴电动机M1正向电源。

主轴电动机M1自然停止。

当需要反接制动时，将停止按钮SB1（4－5），而另一常开触头SB1（4－14）闭合，经速度继电器常开触头KS1-1（14－19）使接触器线圈KM2通电，KM2（4－14）闭合使接触器线圈KM4通电，于是主轴电动机M1定子串入反接制动电阻进行反接制动。

KM2线圈的通电电流通路为：

1→FU3（1－2）→2→FR（2－3）常闭触点→3→SQ5（3－4）常闭触点→4→KM2（4－14）常开触点→14→KS1-1（14－19）常开触点→19→KM1（19－20）常闭触点→20→KM2线圈→PE。

此时，KM4线圈通电电流通路为：

1→FU3（1－2）→2→FR（2－3）常闭触点→3→SQ5（3－4）常闭触点→4→KM2（4－14）常开触点→14→KT（14－23）常闭触点→23→KM5（23－24）常闭触点→24→KM4线圈→PE。

当电动机转速降低至速度继电器KS的释放值（n<100r/min）时，其常开触头KS1-1（14－19）断开，使接触器KM2,KM4相继断电，反接制动结束。

若主轴电动机M1已运行在高速正转状态下，按下停止按钮SB1,可实现自然停车和反接制动停车，反接制动时，SB1（4－5）断开，中间继电器KA1、接触器KM3、时间继电器KT、接触器KM1、接触器KM5,KM8相继断电，SB1（4－14）闭合则使接触器KM2通电，接触器KM4通电。

于是主轴电动机M1串入反接制动电阻，绕组接成△接法，进行低速反接制动，直至速度继电器常开触头KS1-1（14－19）释放，反接制动结束。

电流通路同上。

要注意的是：

在进行制动停车操作时，应该将停止按钮SB1按到底，否则将无法接通反接制动回路，只能实现自然停车。

4.主运动和进给运动的变速控制

T68型卧式镗床主运动和进给运动的变速，是通过变速操纵盘实现的。

他急既可以在主轴和进给电动机未起动前预选速度，也可以在运行中进行变速。

1.主轴变速时，首先将变速操纵盘上的主轴变速操纵手柄向外拉出，然后转动主轴变速盘，选择所需要的速度，最后将变速操纵手柄推回原位。

在拉出变速操纵手柄的时候，行程开关SQ2受压，而行程开关SQ1释放。

推回手柄时的情况正好相反。

若主轴在正转运行中需要变速，可将主轴变速操纵手柄向外拉出，这时行程开关SQ1不在受压，其常开触头SQ1（5－10）断开接触器KM3,KM1,接触器KM2经行程开关SQ1（4－14）的常闭触头、速度继电器常开触头KS1-1（14－19）而通电吸合，使主轴电动机M1定子串入电阻R进行反接制动。

接触器KM2线圈的通电电流通路为：

1→FU3（1－2）→2→FR（2－3）常闭触点→3→SQ5（3－4）常闭触点→4→SQ1-1（4－14）常开触点→14→KS1-1（14－19）常开触点→19→KM1（19－20）常闭触点→20→KM2线圈→PE。

若主轴电动机M1原来运行在低速挡，则此时接触器KM4仍保持通电，接触器KM3,KM1断电，接触器KM2通电，主轴电动机M1接成△，串入电阻R进行反接制动。

若主轴电动机M1原来运行在高速挡，则此时有时间继电器KT的触头将绕组YY接自动切换成△接法，低速串入电阻R进行反接制动。

随后转动变速盘，选择所需要的速度，最后将变速操纵手柄推回原位。

如果变速齿轮不能啮合而造成变速手柄推不动，则此时行程开关SQ2受压，其常开触头SQ2（17－15）闭合，接触器KM1经速度继电器常闭触头KS1-1（14－17）、行程开关SQ1常闭触头（4－14）接通电源，同时接触器KM4通电，使主轴电动机M1定子串入电阻R,绕组接成△在低速挡起动。

接触器KM1线圈的通电电流通路为：

1→FU3（1－2）→2→FR（2－3）常闭触点→3→SQ5（3－4）常闭触点→4→SQ1（4－14）常闭触点→14→KS1-2（14－17）常闭触点→17SQ2（17－15）常开触点→15→KM2（15－16）常闭触点→16→KM1线圈→PE。

当转速升到速度继电器KS1的动作值时，其常闭触头KS1-2（14－17）断开，使接触器KM1断电释放；另一速度继电器常开触头KS1-1（14－19）闭合，使接触器KM2通电吸合，对主轴电动机M1进行反接制动，使转速下降。

当到达速度继电器KS1的释放值时，其常开触头KS1-1（14－19）断开，常闭触头KS1-2（14－17）闭合，反接制动结束。

若此时变速操纵手柄仍然推不回去，则控制电路继续重复上述过程，从而使主轴电动机M1处于间歇起动和制动状态，获得变速时的低速冲动，利于齿轮啮合，直到变速操纵手柄能推回原位为止。

当手柄推回原位后，压下行程开关SQ1,而行程开关SQ2释放，整个变速过程完成。

此时行程开关SQ2的常开触头（17－15）断开上述瞬动控制电路，而行程开关SQ1的常开触头（5－10）闭合，使接触器KM3,KM1相继通电吸合，主轴电动机M1自行起动，拖动主轴在新选定的转速下旋转。

2.在进给变速时，首先将进给变速操纵手柄向外拉出，然后转动进给变速盘，选择所需要的进给速度，最后将变速操纵手柄推回原位。

在拉出变速操纵手柄时，行程开关SQ3释放，而行程开关SQ4受压。

推回手柄时的压合情况正好相反。

如果变速齿轮不能啮合而造成进给变速手柄推不动，则主轴电动机M1处于间歇起动和制动状态，获得变速时的低速冲动，直到变速操纵手柄能推回原位为止。

整个过程和主轴变速控制相同，其控制电路不再另行分析。

由于变速过程中KA1或KA2一直保持自锁，从而记忆了变速前的主轴方向，保证变速后M1仍按原来的方向起动运转。

5.镗头架、工作台快速移动的控制

镗头架和工作台等部件各方向的快速移动由快速移动电动机M2拖动，通过快速移动操作手柄来控制，而移动方向则由位于工作台前方的操作手柄进行预选。

当扳动快速操作手柄时，行程开关SQ7或SQ8被压合，接触器KM7或KM6通电，使快速移动电动机M2旋转而实现快速移动。

当快速操作手柄复位时，行程开关SQ7或SQ8不再受压，接触器KM7或KM6断电释放，快速移动电动机M2停止旋转，快速移动过程结束。

PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、流程图语言、布儿代数语言等。

其中前两种语言用得较多，流程图语言也在许多场所被采用。

本章仅介绍梯形图语言和助记符语言的编程及特点。

一.梯形图编程语言

1.梯形图与继电控制的区别

梯形图结构沿用继电控制原理图的形式，采用了常开触点、常闭触点、线圈和功能块等结构的图形语言。

对于同一控制电路，继电控制原理图和梯形图的输入/输出信号基本相同，控制过程等效。

二者的区别在于继电控制原理图使用的是硬件继电器和定时器，靠硬件连接组成控制线路，而PLC梯形图使用的是内部继电器、定时器和计数器，靠软件实现控制。

因此，PLC的使用具有很高的灵活性，程序修改过程非常方便。

图3-1所示是一个继电器线路图和与其等效的PLC梯形图

图3-1（a）中SB1为常开按钮，SB2为常闭按钮，KM为继电器线圈。

按下启动按钮SB1,继电器KM的线圈通电，其常开触点KM闭合，由于常开触点KM与启动按钮SB1并联，因此即使松开启动按钮SB1，已经闭合常开触点KM仍然能使继电器KM的线圈通电，这个常开触点称作“自锁”触点。

停止时，按下停止按钮SB2,继电器KM的线圈失电。

图3-1（b）中X0为常开输入触点，X1为常闭输入触点，Y0表示输出，其工作状态受X0、X1信号控制，逻辑上与图3-1（a）相同，但是SB1、SB2均为物理实体，而X0、X1等表示的可能是外部开关，也可能是内部软件或触点。

二.助记符语言

助记符语言是PL