X62W万能铣床的PLC改造

专业综合设计与实践任务书

学院： 专业：电气工程及其自动化 班级：

学生姓名 课题名称 指标及要求 指导老师 职称 副教授 X62W万能铣床的PLC改造设计 达到设计课题的控制要求，上机调试PLC控制程序，打印 PLC程序，计算机软件绘图。 1、查阅资料，获得X62W万能铣床的总电气图。 2、熟悉X62W万能铣床的工作原理和流程。 3、确定改造方案，包括PLC的选择，元器件的选择等。 4、根据控制要求进行PLC接线设计，确定PLC输入输出分配表，编写PLC梯形图。 5、将设计好的梯形图进行软件逻辑仿真，并撰写报告。 课题工作内容 进程 安排 第1-2天：下达任务，收集资料，确定课题，写好任务书。 第3-4天：上交任务书，确定课题可行性以及改造方案。 第5-8天：进行改造设计。 第9-10天：进行仿真调试，撰写报告，进行答辩并上交报告。 主要 参考 文献 《电气控制与可编程控制器技术》化学工业出版社 史国生 《PLC基础及应用》 机械工业出版社 廖常初 《可编程序控制器应用技术》 化学工业出版社 张万忠 《电机与电气控制机械》 工业出版社 谭维瑜 《数控机床电气控制》 高等教育出版社 廖兆荣 地点 起止日期 2014.3.4—2014.3.15

目录

第一章 改造目的及原因 .................................... 3 第二章 工作原理 .......................................... 3 第三章 主电路、控制电路分析 .............................. 4 3.1电气原理图 ........................................ 4 3.2 主电路分析 ........................................ 5 3.3 控制电路分析 ...................................... 5 3.3.1 主轴电机M1的控制 ............................ 5 3.3.2 进给电动机M2的控制 .......................... 6 3.3.3 冷却泵电动机及照明电路的控制 ................. 8 第四章 X62W万能铣床电气控制线路的PLC改造 ................ 8 4.1硬件设计 .......................................... 8 4.2 PLC梯形图设计及语句 .............................. 13 第五章 出现问题及改进意见 ............................... 15 第六章 小结 ............................................. 15 第七章 参考文献 ......................................... 15 附录 .................................................... 16 1、主电路 ............................................ 16 2、PLC外部接线图..................................... 17 3、原图 .............................................. 18 4、梯形图 ............................................ 19

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第一章 改造目的及原因

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，它采用继电接触器电路实现电气控制。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。电气系统是其中的主干部分，在国民经济各行业中的许多部门得到广泛应用。PLC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。PLC（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它以其编程方便、操作简单尤其是它的高可控性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用。它应用大规模集成电路，微型机技术和通讯技术的发展成果，逐步形成了具有多种优点和微型，中型，大型，超大型等各种规格的系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多控制领域。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。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，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。

第二章 工作原理

机械部分由机架、工作台、卧铣主轴、可拆装立铣头、工作台传动变速箱、主轴传动变速箱等组成。电路由控制电路、主轴电机（约7.5KW）、工作台电机（2.4KW)、冷却水泵电机（0.12KW）、离合线圈、24V照明线路组成。原理：由三相380V供电，电机带动变速箱传动到主轴及工作台。用装载主轴上的刀具对装在工作台上的工件进行切削。冷却水泵泵出冷却液对切削部分进行冷却。变速箱可选择合理转速和线速。其基本工作原理是利用连续移动的细金属丝（称为线切割电极丝）作电极，对工件进行脉

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冲火花放电蚀除金属、切割成型。线切割主要用于加工各种形状复杂和精密细小的工件，例如线切割可以加工冲裁模的凸模、凹模、凹凸模、固定板、卸料板等，成型刀具、样板、线切割还可以加工各种微细孔槽、窄缝、任意曲线等。线切割有许多无可比拟的有点，比如：线切割具有加工余量少、线切割具有加工精度高、线切割具有生产周期短、线切割具有生产成本低等突出优点，线切割已在生产中获得广泛应用。

第三章 主电路、控制电路分析

3.1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万能铣床的电气原理图主电路图如图3-1所示。

L1L2L3KM2RKM4T2KM3KM1KM6QSFU1FU2T1SA4KM5FR1FR2YAM1M3FR3M2PE图3-1 X62W万能铣床的电气原理图主电路图

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3.2 主电路分析

主轴电动机M1要求能够实现正反转，但旋转方向变换不频繁。通过换向开关SA4在加工前预先选择，与接触器KM1配合，能进行正反转控制；与接触器KM2、制动电阻R及速度继电器KV的配合，实现主轴电动机的正反转反接制动控制，并通过机械装置进行变速。

进给电动机M2要求能够实现正反转，通过接触器KM3、KM4与行程开关、接触器KM5和牵引电磁铁YA配合，实现三种形式六个方向的常速进给和快速进给控制。

冷却泵电动机只要求单向旋转。

电路中熔断器FU1既作为铣床总的短路保护，又作为主轴电动机M1的短路保护；FU2作为进给电动机M2、冷却泵电动机M3及控制变压器、照明变压器一次侧的短路保护；热继电器FR1、FR2和FR3分别作为M1、M2和M3的过载保护。

3.3 控制电路分析 3.3.1 主轴电机M1的控制

将主轴电动机的控制线路。SB1、SB2、SB3和SB4是分别装在工作台的前面和床身侧面的启动和停止按钮，可在两地控制，方便操作。

KM1是主轴电动机启动接触器，需要启动主轴电动机时，先将转换开关SA4扳到主轴电动机所需的旋转方向；然后按下启动按钮SB1或SB2，接触器KM1得电且自锁，电动机M1拖动主轴旋转；速度继电器KV动作，KV-1或KV-2中的一对常开触点闭合，为主轴电动机的反接制动作好准备。主轴电动机M1得电通路：T1→SQ7常闭触点→SB4→SB3→SB1或SB2→KM2常闭触点→KM1线圈→T1。

KM2是反接制动和主轴变速冲动接触器。停车时，按下停止按钮SB3或SB4，接触器KM1失电，主轴电动机M1惯性转动；停止按钮按到底，KM2得电且自锁，改变了主轴电动机M1的电源相序，串入电阻反接制动；当M1的转速降至约100r/min时，速度继电器KV-1或KV-2的常开触点恢复断开，KM2失电，M1迅速停止转动，反接制动结束。反接制动接触器KM2得电通路：T1→SQ7常闭触点→SB4或SB3常开触点（已闭合）→KV-1或KV-2常开触点（已闭合）→KM1常闭触点→KM2线圈→T1。

SQ7是与主轴变速手柄联动的瞬时动作行程开关。主轴变速时，先将变速手柄压下拉到前面，转动变速盘选择需要的转速，然后将变速手柄推回原位。在将

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变速手柄拉到前面和推回原位的过程中，与变速手柄相联的凸轮都会把行程开关SQ7压下，SQ7的常开触点瞬时闭合一下，KM2得电，主轴电动M1反向转动一下，使变速后的齿轮易于啮合，这就是主轴的变速冲动。

主轴变速可在主轴不转时进行，也可在主轴转动时进行。如果是在主轴转动时进行变速，无需先按停止按钮再变速，可直接进行变速操作。行程开关SQ7在变速手柄拉出时，在凸轮的作用下常闭触点先断开，切断接触器KM1的线圈电路，主轴电动机M1断电；SQ7的常开触点后闭合，KM2得电，对主轴电动机M1进行反接制动，M1的转速迅速下降；将变速手柄推回时，SQ7再次动作一下，实现主轴的变速冲动。变速完成后，主轴停止转动，需再次启动电动机，主轴将在新的转速下旋转。

3.3.2 进给电动机M2的控制

进给运动的所有操作都是在主轴电动机M1启动、接触器KM1常开触点闭合后进行的；所有的进给运动都是由进给电动机M2拖动的。转换开关SA1是工作台的选择开关，当置于“断开”位置时，SA1-1、SA1-3闭合，SA1-2断开，可以进行工作台的进给操作；当置于“闭合”位置时，SA1-1、SA1-3断开，SA1-2闭合，此时不能进行工作台的操作，只能对圆工作台的进给运动进行控制。

工作台的进给运动分为左右的纵向运动、前后的横向运动和上下的垂直运动。当转换开关SA1置于“断开”位置时，工作台进给运动的控制线路。

接触器KM3、KM4使进给电动机实现正反转控制，用来改变工作台进给运动的方向。进给运动的操作是由两个机械操作手柄与对应的行程开关和机械传动机构相互配合实现的。

SQ1、SQ2是与纵向进给机械操作手柄相联动的行程开关，SQ3、SQ4是与横向进给及垂直进给机械操作手柄相联动的行程开关。六个方向的进给运动相互联锁，同一时刻只允许有一个方向的运动，当两个操作手柄处在中间位置时，SQ1～SQ4各行程开关都处在未受压的原始状态。

（1）工作台纵向（左、右）进给运动的控制

工作台的纵向进给由纵向操作手柄控制，该手柄有三个位置：向左、向右和中间。当将操作手柄扳向右（或向左）时，一方面通过机械机构将工作台与纵向移动的传动装置相联接，另一方面压下向右（或向左）进给行程开关SQ1（或SQ2），SQ1-1（或SQ2-1）常开触点闭合，接触器KM3（或KM4）得电，进给电动机M2通电转动（或反向转动），拖动工作台向右（或向左）移动。

当将纵向操作手柄扳回到中间位置时，一方面工作台脱离纵向移动的传动装置，另一方面行程开关SQ1（或SQ2）复位，接触器KM2（或KM3）失电，进给电

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动机M2断电，工作台停止转动。由于进给速度低，M2未采取制动措施。

为避免工作台左、右移动越过极限进给位置发生事故，在工作台的左、右两端各有一块挡铁，当工作台移动到极限位置时，挡铁撞向纵向操作手柄，使手柄回到中间位置，实现自动停车。左、右移动的极限位置，可以通过改变左、右两端的挡铁位置进行调整。

（2）工作台横向（前、后）及垂直（上、下）进给运动的控制

工作台横向及垂直进给由十字手柄控制，该手柄也有两个，分别装在工作台左侧的前、后方。十字手柄有：前、后、左、右和中间五个位置。与纵向进给操作一样，在扳动十字手柄压下行程开关SQ3、SQ4的同时，将工作台与横向运动或垂直运动的机械传动装置相联接。SQ3控制工作台向下或向前运动，SQ4控制工作台向上或向后运动。

当将十字手柄扳向下或向前时，压下行程开关SQ3，SQ3-1常开触点闭合，接触器KM3得电，进给电动机M2通电转动，拖动工作台向下或向前移动。若将十字手柄扳回到中间位置，工作台与传动机构脱离，同时行程开关SQ3复位，接触器KM3失电，进给电动机M2断电，工作台停止进给运动。

当将十字手柄扳向上或向后时，压下行程开关SQ4，SQ4-1常开触点闭合，接触器KM4得电，进给电动机M2通电反转，拖动工作台向上或向后运动。

（3）工作台的快速移动

为提高工作效率，在铣刀未作铣切加工时，工作台可以快速移动，操作过程如下：工作台在进给移动时，按下快速移动按钮SB5或SB6（两地控制），接触器KM5得电，快速移动电磁铁YA通电动作，工作台按原进给方向快速移动，当工作台移动到预期位置，松开探险钮SB5或SB6，KM5失电，YA断电，快速进给结束，工作台按原速度、原方向继续移动。

（4）进给电动机的变速冲动

为使齿轮易于啮合，与主轴变速一样，进给变速也设有变速冲动装置。 SQ6是进给变速冲动行程开关，在操作进给变速盘变速时，其连杆机构会瞬时压下行程开关SQ6，使SQ6-2常闭触点断开、SQ6-1常开触点闭合，接触器KM3短时得电，进给电动机M2瞬时转动一下，实现对进给变速的冲动。

从进给控制电路可以看出，进给变速冲动是在行程开关SQ1～SQ4不受压、其常闭触点闭合时完成的。所以进给变速时，需将操作手柄都置在中间位置，进给电动机M2不转的情况下，才能实现进给的变速冲动，这一点与主轴的变速冲动不同。

（5）圆工作台的控制

圆工作台的控制电路，工作台的进给操作手柄都应处在中间位置，SQ1～SQ4

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的常闭触点处于闭合的原始位置，按下主轴启动按钮SB1或SB2，接触器KM1、KM3先后得电，主轴转动的同时，进给电动机M2通过传动机构拖动圆工作台单向转动。若要使圆工作台停止运动，只要按下主轴停止按钮SB3或SB4，主轴与圆工作台便同时停止工作。 （6）进给控制的联锁

在铣床加工中，为安全起见，在多种运动间设置了相互的联锁。它们包括：主轴运动与进给运动间先主轴后进给的顺序联锁；工作台六个运动方向间不能同时进行的联锁；进给变速冲动应在进给运动停止时进行的联锁；圆工作台与工作台的进给不能同时进行的联锁。

3.3.3 冷却泵电动机及照明电路的控制

为防止铣切加工时过热，在铣床工作时，可以启动冷却泵电动机M3，提供冷却液。由于冷却泵电动机M3容量小，直接用转换开关SA3控制。工作台的照明电源是由照明变压器T2将380V交流电压降至36V安全电压提供的，照明电路由转换开关SA2控制。

第四章 X62W万能铣床电气控制线路的PLC改造

4.1硬件设计

1、 改造方法

进行电气控制线路改造时，X62W万能铣床电气控制线路中的电源电路、主电路保持不变；在控制电路中，变压器TC1的输出、整流器VC的输出及变压器TC3的输出部分去掉，用可编程控制器实现；为了保证各种联锁功能，将位置开关SQ1～SQ6、按钮SB1～SB6、照明开关S、冷却泵启动开关SA3、换刀开关SA4和圆形工作台转换开关SA5分别接入PLC的输入端；输出器件分三个电压等级，一个是接触器、继电器使用的110V交流电压，另一个是电磁离合器使用的24V直流电，还有一个是照明使用的36V交流电压，这样也将PLC的输出口分为三组连接点。

2、元器件选择 符号 M1 名称 电动机 型号规格 J02-51-4 75kw 用途 驱动主轴 数量 1 8

1450r/min M2 电动机 J02-22-4 1.5kw 1450r/min J02-22-0 0.125kw 2790kw HZ1-60/3J 60A 500V HZ1-10/3J 10A 500V HZ1-10/3J 10A 500V HZ1-10/3J 10A 500V HZ3-10/3J 60A 500V RL1-60 60A RL1-15 5A RL1-15 5A RL1-15 5A RL1-15 1A JR0-20/3 10A JR0-20/3 0.5A JR0-20/3 1.5A BK-150 380/110V BK-50 380/24V BK-100 380/36V CJ0-20 20A 110V CJ0-10 10A 110V CJ0-10 10A 110V CJ0-10 10A 110V LA2 LA2 驱动进给 1 M3 Qs1 Qs2 SA1 SA2 SA3 FU1 FU2 FU3 FU4 FU5 FR1 FR2 FR3 TC1 TC2 TC3 KM1 KM2 KM3 KM4 SB1 SB2 SB3 SB4 电动机 开关 开关 开关 开关 开关 熔断器 熔断器 熔断器 熔断器 熔断器 热继电器 热继电器 热继电器 变压器 变压器 变压器 接触器 接触器 接触器 接触器 按钮 按钮 驱动冷却泵 电源总开关 冷却泵开关 换刀制动 圆工作台开关 照明开关 电源总保险 整流电源保险 直流电路保险 控制回路保险 照明保险 M1过载保护 M3过载保护 M2过载保护 控制回路电源 照明电源 整流电源保险 主轴启动 快速进给 M2正转 M2反转 M1启动 快速进给 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 9

SB5 SB6 YC1 YC2 YC3 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SQ5 SQ6

按钮 电磁离合器 电磁离合器 电磁离合器 行程开关 行程开关 行程开关 LA2 定做 定做 定做 LX1-11K LX3-11K LX2-13L 停止制动 主轴制动 正常进给 快速进给 主轴冲动开关 主轴冲动开关 M2正反转及连锁 2 1 1 1 1 1 4 3、 PLC硬件设计

经过对X62W万能铣床的控制系统进行详细的分析可知，该系统需要输入点数为16点，输出点数为9点，根据输入输出口的数量，可选择三菱FX1N—40MR型PLC。所有的电器元件均可采用改造前的型号，电器元件的安装位置也不变。重点提示：输出端由于采用三个不同电压等级负载，所以特别注意输出公共端的分配，否则易引起短路。

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表1 万能铣床PLC I/O地址分配表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 输入器件 输入地址 序号 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17 1 2 3 4 5 6 7 8 9 输出器件 输出地址 Y4 Y5 Y6 Y7 Y10 Y11 Y0 Y12 Y3 SB1、SB2主轴停止及制动 SB5、SB6主轴启动 SB3、SB4快速进给 SA4主轴换刀 SA3 冷却泵电机启动 SA5 圆工作台工作开关 SA1照明开关 SQ1右进给行程开关 SQ2左进给行程开关 SQ3向前、向下行程开关 SQ4向后、向上行程开关 SQ6主轴冲动行程开关 SQ5进给冲动行程开关 FR1主轴过载保护 FR2冷却泵过载保护 FR3进给过载保护 KM1主轴电动机M1启动 KM2冷却泵电机M2启动 KM3进给电动机M3正转 KM4进给电动机M3 反转 YC1进给常速 YC2快速进给 EL照明 YC3主轴制动、换刀 KA快速进给控制 X62W万能铣床的工作流程图如图4-1所示：

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复位到预备状启动加工 主轴旋转 Z轴下行到加工区 铣头按工进速度加工 Z轴加工完了后快速提升 X、Y移动到第一加工工位 加工完了？ 冷却开 X、Y移动到下一加工工位 冷却关，主轴停，加工完了声光指示

图4-1 X62W万能铣床的流程图

万能铣床的I/O接线如图所示：

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SB1SB2SB5X1SB6SB3X2SB4SA4X3SA3X4SA5SA1SQ1SQ2SQ3SQ4SQ6SQ5KH1KH2KH3FU1~220VX10 Y10X11X12X13X14X15 Y12X16X17COMLNPE COM4 COM0 YO Y11X5X6X7 Y3 Y7 Y6FX1N—40MR Y5X0COM2~COM3 Y4FU3~110VKM1KM2KM3KM4KAYC1YC2YC3FU4FU5EL24V36V

图4-2 X62W万能铣床PLC控制I/O接线图

4.2 PLC梯形图设计及语句

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。

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图4-3 万能铣床控制系统的完整程序

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第五章 出现问题及改进意见

由于时间和知识掌握的不够全面等各种原因，所以，调试过程不是非常成功总结了调试中遇到的问题

有部分参数设置的不够精确，还有一些现象不能够完全的演示出来。对

此，在以后的设计中应该做好充分的准备，了解变量的具体含义以及各个变量之间的关系，这样在调试的时候能够避免不必要的错误以及在发现错误时能够快速的解决。

第六章 小结

经过两个星期的设计，成功得通过了模拟调试和联机调试，X62W铣床模型基本设计完毕，其功能基本达到要求，而且只要修改控制程序，就可以让X62W铣床做出不同的动作，控制的柔性很好。

系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的过程。在这个过程中我对利用可编程控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的认识，对机械的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识与体会，并在学习和实践过程中增长了知识。丰富了经验。控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析，系统设计，系统实施，系统运行与调试的过程来进行。系统的分析与设计是一项很辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程。在设计过程中，要边学习边实践，遇到新的问题就不断探索和努力，即可使问题得到解决。

在设计中体会到理论必须和实践相结合。虽然收集了大量的资料，但在实际应用中却有很多的差异，出现了很多意想不到的问题。许多问题在书本上是这样，而在实际运用中却很不一样，在经过多次分析修改后，才设计出达到控制要求的系统。

第七章 参考文献

[1] 廖常初. PLC基础及应用. 北京：机械工业出版社

[2] 王国海,沈蓬. 可编程序控制器及其应用. 北京：中国劳动社会保障出版社,

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