基于PLC的X62W万能铣床的系统设计
专科毕业设计（论文）
设计题目：基于PLC的X62W万能铣床的系统设计
系部：电气工程系
专业：工业企业电气自动化
班级：工企091301
姓名：程昱翔学号： 093905130106 指导教师：季明丽职称: 副教授
2012年6月南京
摘要
X62W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机械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。PLC是可编程控制器的简称，是一种数字运算操作的电子系统，它采用可编程序的储存器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作的指令，并通过模拟的或数字的输入和输出接口，控制各种类型的机器设备或生产过程。
关键词自动控制可编程序控制器铣床
Abstract
X62W universal milling machine is a kind of efficient processing machinery, in machining and mechanical repair is widely used, universal milling machine is operated by mechanical handle concurrent operation in electrical and mechanical, electrical and cooperate closely to achieve complete the predetermined operation, is the combined action of mechanical and electrical structure of typical control, is a high degree of automation combined machine tool. But in the electrical control system, fault diagnosis and elimination is very difficult, especially in the relay contact control system, because the electric control circuit, the contact number of complex circuit, high failure rate, long maintenance period, to the production and maintenance inconvenience, severely affecting the production. PLC is a programmable controller for short, is a kind of electronic digital computing operating system, it uses a programmable memory, used in its internal memory to perform logic operations, sequence control, timing, counting and arithmetic operation instruction, and through the analog or digital input and output interfaces, the control of various types machinery and equipment or production process.
Key words Programmable Logical Controller Auto-control X62W milling machine
目录
1 绪论 (1)
1.1 铣床的产生、现状及发展 (1)
1.2 X62W机床特点 (1)
2 X62铣床可控制系统硬件设计 (2)
2.1 控制要求分析及工作原理 (2)
2.1.1 主轴电动机M1的控制 (2)
2.1.2 进给运动的控制 (3)
2.1.3 圆工作台的控制 (4)
2.1.4 冷却泵电动机的控制与工作照明 (4)
2.1.5 控制电路的联锁与保护 (4)
2.2 PLC的简介 (5)
2.2.1 PLC的简介 (5)
2.2.2 PLC的选型 (6)
2.2.3 地址分配 (7)
2.2.4 PLC外部器件的选择电器元件设备的选择 (7)
2.2.5 PLC外部接线电路 (9)
2.2.6 PLC的主电路 (9)
3 控制系统与软件设计 (10)
3.1 常用的语言和编辑方法 (10)
3.2 X62W型万能铣床PLC控制梯形图 (11)
结论 (13)
致谢 (14)
参考文献 (15)
1 绪论
1.1铣床的产生、现状及发展
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。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。
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。
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，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。
1.2 X62W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。
2 X62铣床可控制系统硬件设计
2.1 控制要求分析及工作原理
2.1.1 主轴电动机M1的控制
(1)主轴电动机的启动
本机床采用两地控制方式，启动按钮SB1和停止按钮SB5-1为一组；启动按钮SB2和停止按钮SB6-1为一组。分别安装在工作台和机床床身上，以方便操作。启动前，先选择好主轴转速，并将主轴换向的转换开关SA3扳到所需转向上。然后，按下启动按钮SB1或SB2，接触器KM1通电吸合并自锁，主电动机M1启动。KM1的辅助常开触点（7-13）闭合，接通控制电路的进给线路电源，保证了只有先启动主轴电动机，才可启动进给电动机，避免损毁工件或刀具。
(2)主轴电动机的制动
为了使主轴停车准确，且减少电能损耗，主轴采用电磁离合器制动。该电磁离合器安装在主轴传动链中与电动机轴相连的第一根传动轴上。当按下停车按钮SB5或SB6时，接触器KM1断电释放，电动机M1失电。与此同时，停止按钮的常开触点SB5-2或SB6-2接通电磁离合器YC1，离合器吸合，将摩擦片压紧，对主轴电动机进行制动。直到主轴停止转动，才可松开停止按钮。主轴制动时间不超过0.5s。
(3)主轴变速冲动
主轴变速是通过改变齿轮的传动比进行的。当改变了传动比的齿轮组重新啮合时，因齿之间的位置不能刚好对上，若直接启动，有可能使齿轮打牙。为此，本机床设置了主轴变速瞬时电动控制线路。变速时，先将变速手柄拉出，再转动蘑菇形变速手轮，调到所需转速上，然后，将变速手柄复位。就在手柄复位的过程中，压动了行程开关SQ1，SQ1的常闭触点(5-7)先断开，常开触点(1-9)后闭合，接触器KM1线圈瞬时通电，主轴电动机作瞬时点动，使齿轮系统抖动一下，达到良好啮合。当手柄复位后，SQ1复位，断开主轴瞬时点动线路。若瞬时点动一次没有实现齿轮良好啮合，可重复上述动作。(4)主轴换刀控制
在主轴上刀或换刀时，为避免人身事故，应将主轴置于制动状态。为此，控制线路中设置了换刀制动开关SA1。只要将SA1拨到“接通”位置，其常开触点SA1-2断开接通电磁离合器YC1，将电动机轴抱住，主轴处于制动状态。同时，常闭触点SA1-2断开，切断控制回路电源。保证了上刀或换刀时，机床没有任何动作。当上刀、换刀结束后，应将SA1扳回“断开”位置。
2.1.2 进给运动的控制
工作台的进给运动分为工作进给和快速进给。工作进给只有在主轴启动后才可进行，快速进给是点动控制，即使不启动主轴也可进行。工作台的左、右、前、后、上、下6个方向的运动都是通过操纵手柄和机械联动机构带动相应的行程开关使进给电动机M2正转或反转来实现的。行程开关SQ5、SQ6控制工作台的向右和向左运动，SQ3、SQ4控制工作台的向前、向下和向后、向上运动。
进给拖动系统用了两个电磁离合器YC2和YC3，都安装在进给传动链中的第4根轴上。当左边的离合器YC2吸合时，连接上工作台的进给传动链；当右边的离合器YC3吸合时，连接上快速移动传动链。
(1)工作台的纵向(左、右)进给运动
工作台的纵向运动由纵向进给手柄操纵。当手柄扳向右边时，联动机构将电动机的传动链拨向工作台下面的丝杠，使电动机的动力通过该丝杠作用于工作台。同时，压下行程开关SQ5，常开触点SQ5-1闭合，常闭触点SQ5-2断开，接触器KM3线圈通过
(13-15-17-19-21-23-25)路径得电吸合，进给电动机M2正转，带动工作台向右运动。
当纵向进给手柄扳向左边时，行程开关SQ6受压SQ6-1闭合，SQ6-2断开，接触器KM4通电吸合，进给电动机反转，带动工作台向左运动。
SA2为圆工作台控制开关，其状态见表。这时的SA2处于断开位置，SA2-1、SA2-3接通，SA2-2断开。
(2)工作台的垂直(上、下)与横向(前、后)进给运动
工作台的垂直与横向进给手柄操纵。该手柄有5个位置；即上、下、前、后、中间。当手柄向上或向下时，机械机构将电动机传动链和升降台上下移动丝杠相连；向前或向后时，机械机构将电动机传动链与溜板下面的丝杠相连；手柄在中间位时，传动链脱开，电动机停转。
以工作台向下(或向前)运动为例，将垂直与横向进给手柄扳倒向下(或向前)位，手柄通过机械联动机构压下行程开关SQ3，常开触点SQ3-1闭合，常闭触点SQ3-2断开，接触器KM3线圈通过(13-27-29-19-21-23-25)路径得电吸合，进给电动机M2正转，带动工作台做向下(或向前)运动。
若将手柄扳倒向上(或向后)位，行程开关SQ4被压下， SQ4-1闭合，SQ4-2断开，接触器KM4线圈通过(13-27-29-19-21-31-33)路径得电，进给电动机M2反转，带动工作台做向上(或向后)运动。
(3)进给快速冲动
在改变工作台进给速度时，为使齿轮易于啮合，也需要使进给电动机瞬时点动一下。其操作顺序是：先将进给变速的蘑菇形手柄拉出，转动变速盘，选择好速度。然后，将手柄继续向外拉到极限位置，随即推回原位，变速结束。就在手柄拉到极限位置的瞬间，行程开关SQ2被压动，SQ2-1先断开，SQ2-2后接通，接触器(13-27-29-19-17-15-23-25)路径得电，进给电动机瞬时正转。在手柄推回原位时，SQ2复位，进给电动机只瞬动一下。由KM3的得电路径可知，进给变速只有各进给手柄均在零位时才可进行。
(4)工作台的快速移动
工作台6个方向的快速移动也是由进给电动机M2拖动的。当工作台工作进给时，按下快移按钮SB3或SB4(两地控制)，接触器KM2得电吸合，其常闭触点(105-109)断开电磁离合器YC2，常开触点(105-111)接通电磁离合器YC3。KM2的吸合，使进给传动系统跳过齿轮变速链，电动机直接拖动丝杠套，工作台快速进给，进给方向仍由进给操纵手柄决定。松开SB3或SB4，KM2断电释放，快速进给过程结束，恢复原来的进给传动状态。
由于在主轴启动接触器KM1的常开触点(7-13)上并联了KM2的一个常开触点，故在主轴电动机不启动的情况下，也可实现快速进给。
2.1.3 圆工作台的控制
当需要加工螺旋槽、弧形槽和弧形面时，可在工作台上加装圆工作台。圆工作台的回转运动也是由进给电动机M2拖动的。
使用圆工作台时，先将控制开关SA2(功能见表)扳到“接通”位，这是，SA2-2接通，SA2-1和SA2-3断开。再将工作台的进给操纵手柄全部扳到中间位，按下主轴启动按钮SB1或SB2，主轴电动机M1启动，接触器KM3线圈经(13-15-17-19-29-27-23-25)路径得电吸合，进给电动机M2正转，带动圆工作台做旋转运动。
可见，圆工作台只能沿一个方向做回转运动。由于启动电路途经SQ3-SQ6 4个行程开关的常闭触点，故扳动工作台任一进给手柄，都会使圆工作台停止工作，保证了工作台进给运动与圆工作台工作不可能同时进行。
2.1.4 冷却泵电动机的控制与工作照明
由主电路可以看出，只有在主轴电动机启动后，冷却泵电动机M3才有可能启动，M3还受开关QS2的控制。
变压器TC3将380V交流电变为24V的安全电压，供给照明灯，用转换开关SA4控制。
2.1.5 控制电路的联锁与保护
(1) 进给运动与主轴运动的联锁
进给拖动的控制电路接在主轴启动接触器KM1常开触点(7-13)之后，故只有在主轴启
动之后，工作台的进给运动才能进行。
由于KM1常开触点(7-13)上并联了KM2的常开触点,因此，在主轴未启动情况下，也可实现快速进给。
(2)工作台6个运动方向的联锁
电路上有两条支路：一条是与纵向操纵手柄联动的行程开关SQ5和SQ6的两个常闭触点串联支路(27-29-19);另一条是和垂直于横向操纵手柄联动的行程开关SQ3、SQ4的两个常闭触点串联支路(15-17-19)。这两条支路是接触器KM3或KM4线圈通电的必经之路。因此，只要两个操纵手柄同时扳动，进给电路立即切断，实现了工作台各向进给的联锁控制。
(3)工作台的进给与圆工作台的联锁
使用圆工作台时，必须将两个进给操纵手柄都置于“中间”位置。否则，圆工作台就不能运行。
(4)进给运动方向上的极限位置保护
采用机械和电气相结合的方式，由挡块确定各进给方向上的极限位置。当工作台运动到极限位置时，挡块碰撞操纵手柄，使其返回中间位置。电气上使得相应进给方向上的行程开关复位，切断了进给电动机的控制电路，进给运动停止。
2.2 PLC的简介
2.2.1 PLC的简介
长期以来，PLC一直在工业控制系统领域的主战场，为各种自动化控制设备，是非常可靠的控制方案，与DCS和工业PC形成了三足鼎立的局面的情况。同时，PLC也遭受影响的其他技术产品，特别是影响工业PC.At。在PLC应用方面，我国是很活跃的，应用的行业也很广。
微型化，网络，PC和开放的PLC是未来发展的主要方向。基于PLC自动化的早期，PLC 的笨重和昂贵。现在，越来越多的PLC供应商开始提供以太网接口。可以相信，PLC将继续开放控制系统的传输，尤其是基于工业PC的控制系统。
目前，PLC在国内外已广泛应用于石油、钢铁、电力、化工、机械制造、汽车、轻工纺织、交通运输、环保及娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
(1) 开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代以往的继电器电路，实现顺序控制、逻辑控制，既可以控制单台设备，也可用于多机群控及自动化流水线。
(2) 模拟量控制
温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必
须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
(3) 运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
(4) 过程控制
过程控制是指对压力、温度、流量等模拟量的闭环控制。
(5) 数据处理
现代PLC具有函数运算、矩阵运算、逻辑运算、数据转换、数据排序、传送、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
(6) 通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
2.2.2 PLC的选型
PLC通常可接输入/输出点数及结构特征两种方法分类。
按输入/输出点数可分为微型、小型、中型及大型机。微型plc输入/输出点数小于64，小型PLC输入/输出点数小于128点，以上两种机型通常为低档PLC；中型PLC输入/输出点数为128-512点；大型PLC输入/输出点数在512点以上。Fx2N系列PLC的组成包括基本单元与扩展设备。
基本控制单元设有与编辑器、计算机等外围设备相连的接口，与扩展单元、扩展模块、特殊单元、特殊模块相连的扩展口、输入输出端子、电源端子。
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14点，输出点数为7点，根据输入输出口的数量，可选择三菱FX2N—32MR型PLC。
FX2N 1、主机有16点、32点、48点、64点、80点、128点6种类型，I/O点数各占一半； 2、该类型PLC可以带0N、2N的数字量扩展模块(单元) ，最多可扩展到256点；
3、可直接连接220V市电，内置8K步的RAM存储器，内有锂电池以保持程序数据；
4、该系列PLC不能直接驱动伺服或步进马达，但可通过定位模块控制伺服马达；
5、该系列PLC可以带模拟量扩展模块及温度控制模块，但最多为8个；
6、该系列PLC通过安装2N 系列BD板，可实现RS232、RS485、RS422、CC-LINK通讯；
7、2N系列的PLC是FX中功能较强大的PLC，支持复杂的应用指令，价格相对较高。
简要提示：在什么条件下选择FX2N系列的PLC? (1)、系统的总I/O点数不超过256点，并且有时系统有较多的模拟量信号需要控制； (2)、系统对运算速度有较高的要求时，
系统要做复杂的浮点运算； (3)、其MT系列的PLC，Y0、Y1两输出端可发出20KHz的脉冲，由于其CPU不支持ZRN、DRVI、DRVA指令，但支持PLSV、PLSY指令，故可简单地低速驱动2路的伺服或步进(如滑台的往复运动)，对于相对复杂的运动系统的控制，要选用FX2N系列的定位模块来完成。
2.2.3 地址分配
根据选型，FX2N铣床的I/O地址分配表如表1所示。
表 1 I/O地址分配表
输入元件输出元件
名称代号输入点名称代号输出点
主轴电动机M1启动SB1、
SB2
X0 主轴电动机M1接触器KM1 Y0
主轴电动机M1制动停止按钮SB5、
SB6
X1 快速进给接触器KM2 Y1
快速进给按钮SB3、
SB4
X2 向右、前、下接触器KM3 Y2
主轴冲动行程开关SQ1 X3 向左、后、上接触器KM4 Y3
进给冲动行程开关SQ2 X4 主轴制动电磁铁YC1 Y4 “向前”“向下”行程开关SQ3 X5 工作台正常进给电磁铁YC2 Y5 “向后”“向上”行程开关SQ4 X6 工作台快速移动电磁铁YC3 Y6 “向左”行程开关SQ5 X7
向右行程开关SQ6 X10
换刀制动开关SA1 X11
圆工作台开关SA2 X12
冷却泵电动机热继电器FR2 X13
主轴电动机热继电器FR1 X14
进给电动机热继电器FR3 X15
2.2.4 PLC外部器件的选择电器元件设备的选择
PLC外部器件的选择电器元件设备的选择如表2所示。
表 2 电气设备的选择表
符号名称型号规格用途数量
M1 电动机JO2-51-4 75kw1450r/min 驱动主轴 1
M2 电动机JO2-22-4 1.5kw1450r/min 驱动进给 1 M3 电动机JO2-22-0 0.125kw2790kw 驱动冷却泵 1 Qs1 开关HZ1-60/3J 60A 500V 电源总开关 1 Qs2 开关HZ1-10/3J 10A 500V 冷却泵开关 1 SA1 开关HZ1-10/3J 10A 500V 换刀制动 1 SA2 开关HZ1-10/3J 10A 500V 圆工作台开关 1 SA3 开关HZ3-10/3J 60A 500V 主轴转向开关 1 FU1 熔断器RL1-60 60A 电源总保险 1 FU2 熔断器RL1-15 5A 整流电源保险 1 FU3 熔断器RL1-15 5A 直流电路保险 1 FU4 熔断器RL1-15 5A 控制回路保险 1 FU5 熔断器RL1-15 1A 照明保险 1 FR1 热继电器JR0-20/3 10A M1过载保护 1 FR2 热继电器JR0-20/3 0.5A M2过载保护 1 FR3 热继电器JR0-20/3 1.5A M3过载保护 1 TC1 变压器BK-150 380/110V 控制回路电源 1 TC2 变压器BK-50 380/24V 照明电源 1 TC3 变压器BK-100 380/36V 整流电源保险 1 KM1 接触器CJ0-20 20A 110V 主轴启动 1 KM2 接触器CJ0-10 10A 110V 快速进给 1 KM3 接触器CJ0-10 10A 110V M2正转 1 KM4 接触器CJ0-10 10A 110V M2反转 1 SB1、SB2 按钮LA2 M1启动 2 SB3、SB4 按钮LA2 快速进给 2 SB5、SB6 按钮LA2 停止制动 2 YC1 电磁离合器定做主轴制动 1 YC2 电磁离合器定做正常进给 1 YC3 电磁离合器定做快速进给 1 SQ1 行程开关LX1-11K 主轴冲动开关 1 SQ2 行程开关LX3-11K 进给冲动开关 1
SQ3、SQ4
行程开关LX2-13L M2正反转及连锁 4 SQ5、SQ6
2.2.5 PLC外部接线电路
根据选型及功能要求PLC外围接线图，如图1所示。
图1 PLC外围接线图
2.2.6 PLC的主电路
由接线图的要求及控制系统得到的主电路图，如图2所示。
图2 主电路图
3 控制系统与软件设计
3.1 常用的语言和编辑方法
采用最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。采用梯形图编程，因为它直观易懂。
梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。
1.梯形图程序设计语言的特点是：
（1）与原有的继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于掌握和学习；
（2）与原有的继电器逻辑控制技术不同点是，梯形图中的能流不是实际意义的电流，内部的继电器也不是事件存在的继电器，因此，应用时，需与原有的继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；
（3）指令表程序设计语言有一一对应关系，便于互相的转换和程序的检查。
2. 编辑方法：
（1）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求。
控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和连锁等。对较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分，这种可化繁为简，有利于编程和调试。
（2）确定I/O设备
根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入，输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。
（3）选择合适的PLC类型
根据已确定的用户I/O设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的PLC 类型，包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源的选择等。
3.2 X62W型万能铣床PLC控制梯形图
万能铣床PLC控制梯形图，如图3所示。
图3 控制梯形图
结论
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。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。将X62W万能铣床电气控制线路改造为可编程控制器控制，工作状态一目了然，既可以提高整个电气控制系统的工作性能，又减少维护、维修的工作量。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。
致谢
这次课程设计终于顺利完成了。首先感谢季明丽老师的辛勤指导，还要感谢同学的大力帮助使得问题迎刃而解，完成设计。
季老师的忘我工作和治学严谨的态度，以及她的大将风范、不拘小节、平易近人的生活观念都对我产生深深的影响。季老师在课程上的孜孜不倦的追求，时刻激励着我以更加高涨的热情和动力，在学业道路上奋勇前进。感谢季老师对我课题的讲解和排版的要求。感谢季明丽老师对设计电路图提出的宝贵意见。没有你们我将不能完成此次设计。
在此，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师表示忠心的感谢！并感谢父母在我学业上的大力支持。使我能够顺利完成学业。
参考文献
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