卧式镗床PLC技术改造

毕业设计（论文）

函授站 西工院 09级 专 业 机电一体化 姓 名 任 力

目 录

摘 要 ................................................................ 1 前 言 ................................................................ 2 第一章 设计项目的目的和意义 .......................................... 3

1.1设计项目的目的 ................................................ 3 1.2镗床改造的意义 ................................................ 3 1.3镗床的分类及选用 .............................................. 3 第二章 T68型镗床电气控制电路 ......................................... 5

2.1卧式镗床的主要结构 ............................................ 5 2.2卧式镗床的运动形式 ............................................ 6 2.3卧式镗床的控制要求 ............................................ 6 2.4电动机配置情况及其控制 ........................................ 6 2.5控制电路的分解 ................................................ 7 第三章 电器元件、设备的选择 .......................................... 9

3.1可编程序控制器的机型选择 ...................................... 9 3.2可编程序控制器的编程语言选择 .................................. 9 第四章 应用PLC对T68型卧式镗床的电气改造的设计 ..................... 11

4.1利用三菱PLC对T68型卧式镗床的改造 ........................... 11 4.2I/O分配 ...................................................... 12 4.3接线图 ....................................................... 13 4.4设计梯形图 ................................................... 13 4.5编程语言 ..................................................... 15 第五章 程序设计 ..................................................... 19

5.1程序流程图设计 ............................................... 19 5.2程序设计 ..................................................... 20 5.3改造方案的确定 ............................................... 21 第六章 程序调试 ..................................................... 22

6.1主轴电动机正反向点动调试 ..................................... 22 6.2主轴电动机正向反向启动，及低高速切换调试 ..................... 22

6.3主轴变速与进给变动调试 ....................................... 22 6.4快速移动电动机正向反向运行调试 ............................... 22 6.5工作台与主轴自动进给连锁的调试 ............................... 23 6.6T68卧式镗床的元件明细表 ...................................... 23 第七章 改造后控制系统的调试 ......................................... 25 总结与展望 .......................................................... 26 致 谢 ............................................................... 27 参考文献 ............................................................ 28

摘 要

本论文研究的是常用的T68型卧式镗床传统电气控制系统改造的设计。传统的镗床控制系统采用继电接触器控制系统,不但接触触点多而且接线复杂 ,而且经常出现故障 ,可靠性较差，因此许多工厂应用PLC可编程控制器对现有的机械加工设备的电气控制系统进行改造,本论文研究的是常用的T68型卧式镗床传统电气控制系统改造的设计。提出了使用可编程控制器的电气控制系统代替原来的继电器接触器的控制系统。

设计以PLC为主控芯片控制T68型卧式镗床电气系统加工零件的过程。本论文的重点是尝试了使用可编程控制器，实现了电气控制与计算机技术和通讯技术融为一体的控制特性，体现了可编程控制器电气控制系统比继电器、接触器电气控制系统，结构简单、编程方便、调试周期短、可靠性高、抗干扰能力强、故障率低、，对工作环境要求低等一系列优点。

然后介绍了把PLC控制应用到改造方案中去从而大大提高镗床的工作性能。结果表明，可编程控制器改造镗床的控制功能达到了预期目标。

最后得出全文的结论，总结了使用可编程控制器控制镗床的电气控制系统的可行性，并且改造后的设备大大降低了机械的故障率，提高了设备的稳定性和效率，减少了劳动强度降低了日常维护成本，并可避免因误操作而引起的事故功能及特点。

前 言

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经扩展到了几乎所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动线的控制系统具有极高的可靠性和灵活性，PLC(Programmable Logic Controller,可编程控制器)正是顺应这一要求而出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置[18]。PLC是20世纪60年代末在美国出现的，是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子设置，使用了可编程存储器以储存指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算功能，并通过模拟和数字输入输出组件，控制各种机械生产过程。

PLC以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、控制程序可变、体积小、质量轻、功能强和价格低廉等特点，在机械制造、冶金等领域得到了广泛的应用[16]。用PLC控制系统代替体积大、投资大、耗能大的继电器——接触器系统，是今后控制系统发展的趋势。因为在旧有的机床中,其电气控制多为继电控制。而在继电控制中,接触触点多,所以故障也多,操作人员维修任务较大,机械使用率较低。我们对这些机床用PLC改造其继电器控制电路,克服了以上缺点,降低了设备故障率,提高了设备使用率,镗床是冷加工中使用比较普遍的设备，它主要用于加工精度、光洁度要求较高的孔、孔间的距离要求比较精确的零件（如一些箱体零件），属于精密机床。T68卧式镗床是应用最广泛的一种，其原控制电路为继电器控制，接触点多、线路复杂、故障多、操作人员维修任务较大[17]。

正是针对以上这种情况，我们计划用PLC控制改造T68卧式镗床的继电器电气控制电路，以其克服以上缺点，最终达到降低设备故障率、提高设备使用效率，改善T68卧式镗床运行效果的目的。

本文选用可编程序控制器对T68卧式镗床的电气控制系统改造做一论述。但由于时间、实践论证及自身知识水平的限制，不足之处在所难免，希望老师及各位同学给予指正，在此表示感谢。

第一章 设计项目的目的和意义

1.1设计项目的目的

由于原先的控制系统采用的是继电接触器，所以控制继电器都是有大量的磨损和在长时间的工作条件下进行的，损坏程度比较高。而且继电接触器容易产生电弧，甚至会熔焊在一起产生误操作，容易引起火灾和人身伤亡事故，对于安全生产有严重的隐患。在继电器全部运行的情况下，很多继电器会产生大量的热能以及噪声污染，同时也消耗了大量的电能，在经济性方面存在一定的劣势。还有就是使用继电器来控制必须进行人工接线，所有线路和元器件的安装也是比较复杂，要是根据需要去改装，就必须改装接线图和重新给各元器件排位，所以要花费大量的人力物力。使用继电器控制的最大不足就是运行的可靠性差，容易出故障，而且故障的排除也是比较困难，这就大大的影响了生产效率。所以根据继电器的这些不足和PLC的优势，可以使用PLC对T68卧式镗床来进行改造。

1.2镗床改造的意义

本设计利用三菱公司FX系列PLC对T68型卧式镗床的改造, 其改造过程包括可编程控制器的机型选择、输入输出地址分配、输入输出端接线图及可编程控制器梯形图程序设计，分析了用可编程序控制器控制镗床的工作过程。运用其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、控制程序可变、体积小、质量轻、功能强和价格低廉等特点，将机械加工设备的功能、效率、柔性提高到一个新的水平 ,改善产品的加工质量 ,降低设备故障率 ,提高生产效率 ,其经济效率显著。

1.3镗床的分类及选用

镗床是一种精密加工机床，主要用于加工精密的孔和各孔间相互位置要求较高的零件。镗床按结构和被加工对象一般可分为：

（1）卧式镗床：这种机床应用广泛且比较经济，它主要用于箱体(或支架)类零件的孔加工及其与孔有关的其它加工面加工。

（2）坐标镗床：具有精密坐标定位装置的镗床，它主要用于位置精度要求较高的孔系，也可用于精密坐标测量、样板划线、刻度等工作。

（3）精镗床：用金刚石或硬质合金等刀具，进行精密镗孔的镗床。 （4）深孔镗床：用于镗削深孔的镗床。

（5）落地镗床：工件安置在落地工作台上，立柱沿床身纵向或横向运动。 根据本设计任务要求所知，本设计采用T68型卧式镗床。在现代化生产中，要求自动化程度较高，因此大量使用到了卧式镗床。

第二章 T68型镗床电气控制电路

2.1卧式镗床的主要结构

T68卧式镗床的结构如图2-1,主要由床身、前立柱、镗头架、后立柱、尾座、下溜板、上溜板、工作台等部分组成。

图2-1 T68型卧式镗床的结构

床身是一个整体的铸件，在它的一端固定有前立柱，在前立柱的垂直导轨上装有镗头架，镗头架可沿导轨垂直移动。镗头架上装有主轴、主轴变速箱、进给箱与操纵机构等部件。切削刀具固定在镗轴前端的锥形孔里，或装在平旋盘的刀具溜板上。在镗削加工时，镗轴一面旋转，一面沿走轴向做进给运动。平旋盘只能旋转，装在其上的刀具溜板做径向进给运动，因此独自旋转，也可以不同转速同时旋转。

在床身的另一端装有后立柱，后立柱可沿床身导轨在镗主向方向调整位置。在后立柱导轨上安装有尾座，用来支持镗轴的末端，尾座与镗头架同时升降，保证二者的轴心在同一水平线上。

安装工件的做工台安放在床身中部的导轨上，它由下溜板、上溜板与可转动的做工台组成。下溜板可沿床身导轨做纵向运动，上溜板可沿下溜板的导轨做横向运动，工作台相对于下溜板可做回转运动。

2.2卧式镗床的运动形式

（1）主运动为镗轴和平旋盘的旋转运动。

（2）进给运动为镗轴的轴向进给、平旋盘刀具溜板的径向进给、镗头架的垂直进给、工作台的纵向进给和横向进给。

（3）辅助运动为工作的回转、后立柱的轴向移动、尾座的垂直移动及各部分的快速移动等。

2.3卧式镗床的控制要求

（1）主轴旋转与进给量都有较宽的调速范围，主运动与进给运动由一台电动机拖动，为简化传动机构采用双速笼型异步电动机。

（2）由于各种进给运动都有正反不同方向的运转，故主电动机要求正、反转。

（3）为满足调整工作需要，主电动机应能实现正、反转的点动控制。 （4）保证主轴停车迅速、准确，主电动机应有制动停车环节。

（5）主轴变速与进给变速可在主电动机停车或运转时进行。为便于变速时齿轮啮合，应有变速低速冲动过程。

（6）为缩短辅助时间，各进给方向均能快速移动，配有快速移动电动机拖动，采用快速电动机正、反转的点动控制方式。

（7）主电动机为双速电机，有高、低两种速度供选择，高速运转时应先经低速起动。

（8）由于运动部件多，应设有必要的联锁与保护环节。

2.4电动机配置情况及其控制

T68型卧式镗床由两台三相笼形感应电动机驱动，主轴电动机M1拖动机床的主运动和进给运动，快速移动电动机M2实现主轴箱与工作台的快速移动。主轴电动机M1为双速电动机，由5只接触器控制，其中KM1和KM2控制M1的正反转；KM3在主轴电动机M1正常运行时短接R；KM4,KM5（双线圈接触器）控制M1的高、低速运行。R为反接制动电阻，熔断器FU1和热继电器FR1分别作M1的短路和长期过载保护。与主轴电动机M1主轴相连接的速度继电器KS用于M1的

反接制动控制。

快速移动电动机M2由KM6、KM7控制其正反转，用熔断器FU2作其短路保护。由于M2是短时工作，因此未设过载保护。

2.5控制电路的分解

图2-2 主电动机M1的控制电路

（1）如图2-2所示，根据电动机M1主电路控制电器主触头文字符号KM1～KM5,在图区15～21及13中找到KM1～KM5的线圈电路，其中有KA1和KA2的动合触头,在图区11、12中找到KA1和KA2的线圈电路,这样可分解出主电动机M1的控制电路,如图2-2所示.图中有行程开关SQ、SQ1～SQ6和速度继电器KS的触头KS1(14-17)[16] 、KS2(14-15)[15]。SQ为主轴电动机M1的高速、低速选择开关，SQ1为主轴变速时自动停车与启动开关。SQ4为进给变速齿轮齿合冲动开关，SQ5、SQ6为主轴自动进刀与工作台自动进给间的互锁开关。这些行程开关由各相应操作手柄联动压合与松开。因此，行程开关SQ1、SQ1～SQ6在控制过程中触头工作状态的变化，就成为分析该电路的第一个关键点，而各相操作手柄如何通过联系机构压合与松开相应行程开关，就成为分析该电路的第二个关键点。

主轴速度选择开关SQ有主轴速度选择手柄联动压合与松开。当将速度选择

手柄置于“低速”挡时，与速度选择手柄有关联的行程开关SQ不受压，其触头SQ（11-13）[14]断开，当将主轴速度选择置于“高速”挡时，经联动机构将行程开关SQ压下时触头SQ（11-13）闭合。

当主运动和进给运动都处于非变速状态时，各自的变速手柄通过联动机构使SQ1、SQ3受压，而行程开关SQ2、SQ4不受压。

T68型卧式镗床主运动与进给运动的速度变换，是通过“变速操作盘”改变传动比来实现的。它可在电动机M1启动运行前进行变速，也可在运行过程中进行变速。

其变速操作过程是，主轴变速时，首先将变速操作盘上的主轴变速操纵手柄向外拉出，然后转动主轴变速盘，选择所需的速度，最后将变速操作手柄推回原位。在拉出与推回变速操纵手柄的同时，与其联动的行程开关SQ1、SQ2相应动作，即手柄向外拉出时，SQ1不受压而SQ2受压；推回时，SQ2不受压而SQ1受压。

进给变速操纵过程与主轴变速操纵过程相似。进给变速时，首先将进给变速手柄向外拉出，然后转动进给变速盘，选择所需要的进给速度，最后将变速操作手柄推回原位。在拉出或推回变速手柄的同时，与其联动的行程开关SQ3、SQ4相应动作，即手柄向外拉出时，SQ3不受压而SQ4受压，推回手柄时，SQ3受压而SQ4不受压。

与主轴电动机M1主轴相连的速度继电器KS，用于实现M1的反接制动控制。KS1（14-19）[19] 、KS2（14-15）[15]分别为正、反转的动合触头，KS1(14-17)[16]为动断触头。当电动机M1的正反转速度达到一定值时，KS1(14-19)或KS2(14-15)闭合，而KS1(14-17)断开。

（2）根据进给电动机M2主电路控制电器主触头文字符号KM6、KM7，在图区22、23中找到KM6、KM7的线圈电路，图中有行程开关SQ7和SQ8。SQ7为快速移动正转行程开关，SQ8为快速移动反转行程开关，它们均由快速移动操作手柄通过相应的传动机构控制。

第三章 电器元件、设备的选择

3.1可编程序控制器的机型选择

根据被控对象对PLC控制系统功能的要求，可进行PLC型号的选定。 进行PLC选型时，基本原则是满足控制系统的功能需要，同时要兼顾维修、备件的通用性。对开关量控制的系统，当控制速度要求不高时，一般的小型PLC都可以满足要求。如对小型泵的顺序控制，单台机械的自动控制等；当控制速度要求较高，输出有高速脉冲信号等情况时，要考虑输入/输出点的形式，最好采用晶体管形式输出；对带有部分模拟量控制的应用系统，如工业生产中经常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应该选择具有所需功能的PLC；还要根据需要，选择相应模块，配备相应的传感器、变送器和驱动装置等。

输入、输出的点数可以衡量PLC规模大小。准确统计被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑今后系统的调整和扩充，在实际统计I/O点数的基础上，一般应另上10%-20%的备用点数。

此外，还应考虑用户存储器的容量、PLC的处理速度是否能满足实时控制要求等等。

目前市场上PLC产品很多。最具有代表性的有日本立石公司(欧姆龙—OMRON)，德国西门子以及日本三菱公司的PLC系列产品。OMRON公司的PLC产品指令系统功能强大，处理复杂控制的功能强；编程语言梯形图和指令助记符并重，编程简单、易掌握、特殊功能模块和智能模块品种多，使用方便；网络配置简单、实用、价格低；具有明显的价格优势及良好的售后服务系统。其中OMRON的PLC以小型产品最受欢迎。

本设计采用三菱FX2N系列PLC的系统配置。

3.2可编程序控制器的编程语言选择

可编程序控制器一般有多种编程语言，供用户选用。各厂家的PLC编程语言有所区别，用户需了解多种编程语言。PLC的编程语言是面向用户的，简单易学，操作方便，对使用者要求低。最常用的编程语言是梯形图和指令（语句）表。梯形图直观易懂，而指令（语句）表便于实验。若指令（语句）句与梯形图配合，就更能互相补充、图文并茂，无论是逻辑操作还是复杂的数据处理操作，都能表达得十分清楚。

（1）梯形图语言

梯形图语言是一种最受工厂电气工程技术人员欢迎的编程语言。梯形图与继电接触器控制图相似。PLC梯形图是通过PLC的内部器件如输入、输出、辅助继电器、定时器/计数器等实现控制的，并用其在梯形图中的图形符号表示，它表明了PLC的输入、输出之间的逻辑关系。梯形图是PLC的一种图形编辑语言和程序。梯形图很容易从电气控制电路转化而来，但梯形图是用软件实现的，它简化了符号，加强了许多功能，使用灵活的指令，结合计算机的特点，它是融逻辑操作、控制于一体，是一种图形化的编程语言，非常直观、易于理解，适合于工程电气人员使用。这种语言形式可完成全部电气控制功能。其使用方便，修改灵活，是电器控制线路无法比拟的。用计算机编程软件编程，可在计算机上直接显示梯形图，编程更方便。

（2）指令表

这种编程语言像计算机的汇编语言，以助记符指令为基础结构的编程语言形式，各种操作都由相应的指令来管理，能完成全部的控制、运算功能。这种编程语言形式适合于具有计算机专业知识的技术人员。其中操作码指定要执行操作的信息，要求PLC用什么来执行操作。

（3）功能图编程语言

这种编程语言是以方框图的形式来表示操作功能，是由数字电子电路设计演变而来的，用像控制系统流程图一样的功能图表达一个控制过程，适合于有一定专业知识的系统设计人员使用。这种语言形式一般只能完成逻辑控制功能。

（4）高级语言。

在有些系列PLC中已引入计算机高级语言（如BASIC、FORTRAN、C语言等）进行程序设计。这些高级语言应用在对一些特殊功能模块（如通信模块、操作站等）的编程上。由于这些控制模块本身配有微处理器，有较强的计算机功能，用高级语言编程比较方便，能更好地发挥组态软件的作用。如用户要求实现复杂的数学运算、统计分析和高级控制策略时，就会体会到这些非梯形图指令的强大功能，指令的数目和实现的难度都大大降低。

本设计采用的编程语言是梯形图语言。

第四章 应用PLC对T68型卧式镗床的电气改造的设计

4.1利用三菱PLC对T68型卧式镗床的改造

T68镗床有2台电动机,主轴电机M1拖动主轴的旋转和工作进给,M2电动机实现工作台的快移。M1电动机是双速电动机,低速是Δ接法,高速是YY接法,主轴旋转和进给都由齿轮变速,停车时采用了反接制动,主轴和进给的齿轮变速采用了断续自动低速冲动。T68镗床的主电路图如4-1，

图4-1 T68镗床的主电路

4.2I/O分配

输入/输出的点数可以衡量PLC规模大小。准确统计被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑今后系统的调整和扩充，在实际统计I/O点数的基础上，一般应另上10%-20%的备用点数，其I/O分配如表4-1。

表4-1 I/O 分配表

4.3接线图

图4-2 接线图

4.4设计梯形图

梯形图是PLC的一种图形编辑语言和程序。梯形图很容易从电气控制电路转化而来，但梯形图是用软件实现的，它简化了符号，加强了许多功能，使用灵活的指令，结合计算机的特点，它是融逻辑操作、控制于一体，是一种图形化的编程语言，非常直观、易于理解，适合于工程电气人员使用。这种语言形式可完成全部电气控制功能。其使用方便，修改灵活，是电器控制线路无法比拟的。用计算机编程软件编程，可在计算机上直接显示梯形图，编程更方便。首先用“化

整为零”的方法，按被控制的对象和各个控制功能，逐一设计出主轴电机M1梯形图和电机M2的梯形图，再“积零为整”完善相互关系，设计出整体控制梯形图，梯形图语言是一种最受工厂电气工程技术人员欢迎的编程语言。梯形图与继电接触器控制图相似。PLC梯形图是通过PLC的内部器件如输入、输出、辅助继电器、定时器/计数器等实现控制的，并用其在梯形图中的图形符号表示，它表明了PLC的输入、输出之间的逻辑关系。设计梯形图如图4-3：

X

X

X

N0

M110

X

MC

M

XXY0Y1

N1

M100

M

MCR

M103M103

T4T4

M100Y6

Y5

Y5

Y7

Y14Y14

Y15Y15

Y4

Y3

Y3

Y4

MCRM110

END

M

4.5编程语言

LDI ORI ANI MC

XM

Y

XM101Y0

M

M101

T0

T1

T0Y2

Y1

Y0

XT2M103

X20X7X

T2

XT1Y2

Y0

Y1

XXM103

T3

M101

X

X

Y2

M102

X5

T4

图4-3 梯形图

X12 初始化启动

X13 N0 主控指令N0 M110

X16

LDI X0 MC N1 M100

LD X0 ORI X7 ORI X11 OR Y0 OR Y1 OUT M103 MC N1 M100 LD X1 OR M101 ANI M102 ANI Y1 OUT M101 LD X2 OR M102 ANI M101 ANI Y0 OUT M102 LD M101 OUT T0 K0.5 LD M102 OUT T1 K0.5 LD T0 ANI Y2 LD

X3

主控指令N1

M1的低速，高速控制

M1正转启动辅助继电器

M1反转启动辅助继电器制

M1正转启动延时

M1反转启动延时

M1正转运行，正转点动，反接制动

ORB LD T2 AND M103

ORB ANI Y1 OUT Y0 LD X20 LDI X7 ORI X11 LDI X17

ANB ORB OUT T2 K0.5 LD T1 ANI X2 LD X4

ORB OR T3 ANI Y0 OUT Y1 LD X17 AND M1O3 OUT T3 K0.5 OR M102

LD M101 AND

X6

M1反转反接制动延时

M1反转运行，反转点动，反接制动M1正转反接制动延时

AND X10 OUT Y2 LD X5 OUT T4 K1.5 MCR M100 LD M103 ANI T4 ANI Y6 OUT Y5 LD M103 AND T4 ANI Y5 OUT Y6 OUT Y7 LD X14 ANI X15 ANI Y4 OUT Y3 LDI X14 ANI X15 ANI Y3 OUT Y4 MCR M110 END

短接电阻R

低，高速转换延时

主控程序N0结束 M1低速三角形连接 M1高速YY连接 M2正转运行控制 M2反转运行控制 主控程序N1结束 程序结束

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