基于PLC的XA6132万能铣床电气控制

基于PLC的XA6132万能铣床电气控制,基于,PLC,XA6132,万能,铣床,电气控制 摘 要 本论文是研究可编程控制器（plc）在XA6132万能铣床数控化改造中的技术应用问题,利用plc的自身特性解决传统继电器—接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难题。由于PLC电气控制系统与继电器—接触器电气控制系统相比，具有结构简单，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。因此，本论文对XA6132万能铣床的数控改造，将把PLC控制技术应用到改造方案中去，从而大大提高铣床的工作性能。论文分析了铣床的控制原理，制定了可编程控制器改造XA6132万能铣床电气控制系统的设计方案，完成了电气控制系统硬件和软件的设计，其中包括PLC机型的选择、I/O端口的分配、I/O硬件接线图的绘制、PLC梯形图程序的设计。对PLC控制铣床的工作过程作了详细阐述，论述了采用PLC取代传统继电器—接触器电气控制系统从而提高机床工作性能的方法，给出了相应的控制原理图。 关键词：可编程控制器，铣床，数控改造，电气控制系统 Abstract :This paper is to examine programmable controller (plc) XA6132 Universal Milling Machine transformation of technology should be with problems, plc's own characteristics resolve traditional relay - contactor electrical control system of complex circuits, Stability poor reliability, fault diagnosis and rule out other problems difficult. As the PLC control system and electrical relay - contactor electrical control systems, is simple in structure, programming convenience, Debugging a short cycle, high reliability and anti-jamming capability and a low failure rate, the work environment requires a series of low strengths. Thus, the thesis of the XA6132 Universal Milling Machine CNC transformation, PLC control technology will be applied to the transformation of the program, and thus greatly enhance the performance of Miller. Analysis of the paper machine control theory, developed a programmable controller XA6132 Universal Milling Machine electrical control system design, completed the electrical control system hardware and software design, including the choice of PLC Systems, I/O port allocation, I/O hardware wiring the drawing, PLC ladder logic program design. PLC control of the milling process were discussed in detail, This paper discusses the PLC to replace traditional relay - contactor electrical control system so as to enhance the performance of the machine, the corresponding control diagram. Keywords : PLC, milling, NC transformation, electrical control system 目 录 1 绪论.......................................................... 1.1 机床数控化改造是工艺设备更新的途径.......................... 1.2机床数控化改造的条件......................................... 1.3 国内外旧机床数控改造的实例.................................. 1.4 plc（可编程控制器）技术应用发展历程.......................... 2.XA6132型卧式万能铣床的基本结构和控制要求........................ 3.数控化改造的一般途径........................................... 3.1主传动的数控化改造.......................................... 3.2进给传动的数控化改造........................................ 4.基于PLC的XA6132万能铣床电气控制系统硬件部分的设计............ 4.1 PLC型号的选择.............................................. 4.2 PLC的I/O端口分配表.......................................... 4.3 PLC的I/O电气接线图的设计.................................... 5. XA6132万能铣床电气控制系统软件部分的设计........................ 5.1 系统电源开启控制............................................ 5.2主轴变频器调速控制........................................... 5.3 冷却泵程序控制设计.......................................... 5.4润滑油泵程序控制设计........................................ 5.5 刀架松紧设计................................................ 5.6 工件松紧设计................................................ 5.7 PLC外部紧急停车控制设计...................................... 6.FX系列PLC外部接线问题........................................... 7.PLC在控制柜中的接线问题......................................... 8.控制柜与现场设备之间电缆接线问题................................ 9.XA6132铣床控制梯形图设计........................................ 10.结论........................................................... 10.1 研究成果..................................................... 10.2 不足之处..................................................... 设计感想.......................................................... 参考文献......................................................... 1 绪论 1.1 机床数控化改造是工艺设备更新的途径 一个企业要想在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展，它必须是能在最短的时间里以优异的质量、低廉的成本，制造出符合市场需要的、性能合适的产品。判断市场上产品的变化，决定近期或较长期的生产安排，主动调整产品的结构，生产适销对路和技术附加值高的产品，主要取决于决策者的敏锐观察和果断决心；要使产品性能完美，设计出技术参数合理、性能优良、操作方便的产品，主要取决于设计师的素质和能力；产品质量的优劣、制造周期的长短、生产成本的高低，又往往受工厂现有加工设备的直接影响。现代化的加工设备能高效率、高质量、低成本地加工出所需要的零件。当今科学技术飞速前进，尤其是计算机技术和为电子技术的迅猛发展，机和电相互融合、渗透，促使机电一体化产品相继涌现。在机床行业中，数控机床的诞生、迅速地发展、不断地完善、广泛地应用就是其例证。当前，机床的数控化率以成为衡量一个国家机床工业水平的重要标志。 我国的机械制造水平与发达国家相比差距很大。目前，我国平均单机的生产效率只有美、日等国的1/10，全员劳动生产率约为它们的1/25，设备役龄长、技术水平落后是其原因之一。为改变此落后现状，采用先进的工艺设备，包括采用数控机床，逐步增加数控机床所占的比重，以成为我国制造技术发展的总趋势。由于零件的类型、形状、尺寸和用途差异很大，零件的加工批量相差悬殊，零件的质量和精度要求也有显著的不同，因此机械制造业需要不同类型的数控机床和高、中、低挡不同层次的数控机床。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径；改造旧机床、配置数控系统，把普通的旧机床改造成数控机床也是提高数控化率的途径。 我国现有机床330多万台，机床的役龄、尤其是大型和重型机床的役龄都很长，这些机床的结构一般陈旧，操作部分复杂，测量系统简陋，控制系统非常落后，把这些性能落后，生产率低的旧机床全部闲置或淘汰，用新的机床去取代，是不现实的。重型机床，特别是现代化的数控重型机床价格都非常昂贵。我国是一个发展中的国家，国家财力薄弱，资金短缺，不可能花费大量的资金添置全新的数控机床，把普通机床改装成数控机床就显装成数控机床就显得更加重要。发达的西方工业大国，在大量制造数控机床的同时，也在组建维修改造公司，专门从事旧机床的维修和数控化改造。 把役龄长的大型机床改装成数控机床是可能的。分析各种大型机床的基本结构，普通机床与数控机床相比，形状复杂的、吨位重的基础零件。如底座、工作台、床身、立柱、横梁、顶梁和滑枕等都是比不可少的。它们的材料都是铸件或焊接钢件，这些零件占用的原材料多，加工周期长，耗费资金多。将旧机床进行改造，重复使用这些基础零件，必然缩短了制造周期并降低了生产成本。机床的役龄长，相应的这些基础件的自然时效也长，内应力的消除使得机床主要基础零件的精度稳定性好。大型机床的占地面积大，混凝土基础深，浇灌混凝土的费用也多，改造旧机床还可节省大量的基础费用。用户使用机床，是为加工本厂特有的零件，机床的专用性强，当机床按具体的零件要求进行数控化改造后，生产率必然比通用的机床高。被改造的机床由于曾长期的使用，其存在的故障和隐患都很清楚，机床在数控化改造的同时，也顺理成章地根除了这些故障，使得改造后的数控机床更适合用户的使用。显然，普通机床进行数控化改造是提高技术水平、更新工艺设备的有效途径。 1.2机床数控化改造的条件 旧机床能改装成数控机床，但并不是所用的旧机床都适合改装数控机床，衡量是否适合改装的主要标准是机床基础件的刚性和改装的经济性。 （1） 机床基础件必须具有足够的刚性 数控机床属于高精度的机床，工件移动或刀具移动的位置精度要求很高，一般在0.001~0.01mm，高的定位精度和运动精度要求机床基础件具有很高的静刚度和动刚度。基础件不稳定，受力后容易变形的旧机床都不适合改装成数控机床。 （2） 机床数控改造的费用合适，经济性好 机床数控改装分两部分进行：一是维修机械部分，更换或修理磨损了的零件，调试大型基础零件，增加新的功能装置，恢复或提高机床的精度和性能；另一方面是舍弃原操作系统和控制系统。微电子技术的迅猛发展，促进机床数控系统不断的更新换代，机床原有的控制系统必须舍弃，用新的数控系统和相应的装置来代替。改造总费用也是由机械维修和增加数控系统两部分组成，机械改造的费用与旧机床原有零件利用的多少密切相关，数控系统的价格队新、旧机床都一样。若机床数控改造的总费用仅为董雷规格设备价格的50%~60%时，该机床数控改造在经济上才合算。由于数控系统本身价格较高，从经济效果考虑，大、中型机床，尤其是重型机床，最适合数控改造。 1.3 国内外旧机床数控改造的实例 德国的Schiess公司在1981年把一台加工直径为19m的超重型立式车床改装成数孔车床。该机床是1929年出产的，当时曾是世界上最大的机床，其改造的内容有：工作台导轨改装为静压导轨，承载能力增加了50%;主传动系统采用半导体可控硅控制，取代老式的机组传动；刀架的滑动导轨改为滚动导轨；增加测量显示装置，配置数控系统等。该机床的全部改造费用仅为当时同类规格新机床价格1200万马克的28.9%，其中大修费用占7.9%，数控改造费用占20.8%。该公司还改造了一台最大加工直径为14m的超重型立式车床，全部改造费用为当时同类规格新机床价格9000万马克的19.1%。以上两例标志着当今世界设备改造业的重大进展和高超水平。 我国某重型机械厂在1987年曾把一台24-10FP450型数显龙门铣床改装成数控龙门铣床，该机床是由德国Waldrich Coburg公司制造的，工作台上加工零件面积为5m×15m，加工零件的最大质量为525t。该机床的机械部分仅更换了蜗轮蜗杆传动副，控制部分配置了SIEMENS 8MC数控系统。改造后的该机床可控制4坐标（x轴工作台移动、y轴滑座移动、z轴滑枕移动、w轴横梁移动）运动，其中任意3坐标直线插补，任意两轴半坐标曲线插补。该厂认为。改造后的数控机床，特别适宜加工形状复杂的单件生产的重型零件，因为各种复杂零件形状的改变，只要改变控制程序，通过数控机床几个坐标的联动，就可以加工出形状复杂的零件，并且加工精度较高，加工质量稳定，加工效率为普通机床的2~3倍。该机床的改造费用为原机床进口值的15%。 除了大型普通机床的数控化改造外，许多中、小型机床，特别是普通卧式车床、机床的机械部分仅做较小改动，再配以简易数控系统，就能加工出各种锥面和旋转曲面。这种较廉价的数控改造具有很大的实用价值，目前在我国得到了迅速地推广和应用。 1.4 plc（可编程控制器）技术应用发展历程 可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，是从早期的继电器逻辑电气控制系统发展而来，它不断吸收微型计算机控制技术，使之功能不断增强，逐渐适合复杂的电气控制系统。PLC之所以有较强的生命力，在于它更加适应工业现场和市场要求。可靠性高，抗干扰能力强、编程方便、价格低、寿命长。与单片机相比，它的输入/输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件，这样可以大大节省用户的开发时间与生产成本。 现在应用于各种工业控制领域的PLC种类繁多，规模大小和功能强弱千差万别，但他们具有以下一些共同的特点。 可靠性高。可靠性是用户的首选要求，目前各厂家生产的PLC，平均无故障时间都大大超过IEC规定的10万小时，例如：西门子、ABB、松下、三菱等微小型PLC，而且都有完善的自诊断功能，判断故障迅速。 灵活组态。可编程控制器是系列化产品，通常采用模块化结构来完成不同的任务组合。输入输出端口选择灵活，有多种机型，组合方便。 功能强大，除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PTO运算、过程运算、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远程设备。因此，PLC几乎是全能的工业控制计算机。 编程方便，易于使用。PLC的编程可采用与继电器极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言（Sequential Function Chart），使编程更加简单方便。 运行速度快。传统的机电接触电气控制系统通过大量触点的机械动作进行控制，速度很慢，而且系统愈大速度愈慢。PLC的控制速度则由CPU工作速度和扫描速度决定。因此更适合处理高速复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别越来越小 [2]。 同时，PLC还具备了网络功能，能进行多台PLC或PLC与PC机之间的联网通讯，使用PLC可以很方便的构成“集中管理、分散控制”的分布式电气控制系统，通过现场总线的PLC通讯网络，可使工厂的各种资源共享，就更适合于工厂自动化的需要，为工厂自动化提供了技术保证 [3]。 2.XA6132型卧式万能铣床的基本结构和控制要求 XA6132型卧式万能铣床由床身、悬梁、刀杆支架、升降台等部分组成。铣床的主要运动形式有主轴（带刀具）旋转运动和工作台（固定工件）的进给运动，两种运动分别用2台电动机（M2、M3）拖动。主轴所带铣刀的旋转运动有顺铣和逆铣两种工作方式，升降台分为矩形和圆形两层结构，矩形工作台可实现工作台纵向、横向和垂直三种直线进给运动，对应左右、前后、上下、6个移动方向。装有圆工作台的万能铣床还有回转运动，万能铣床的矩形，圆形工作台共有4种运动形式。工作台进给电动机M3经机械传动链传动， 由电磁离合器选择工作台的工进和快速进给，并由机械离合器接通相应方向的机械传动链，驱动工作台实现各方向的移动进给。XA6132 型卧式万能铣床的控制要求如下： （1）主轴电动机M2（7.5KW）空载时直接起动，要求实现两地控制 的正反转（顺逆铣）运动及电磁离合器的停车制动（采用电磁离合器），为安全和操作方便，换刀时，使主轴处于制动状态。由于主轴的正、反转不需要经常变换，通常在加工前设置转动方向。 （2）工作台驱动电动机M3（1.5KW）要求能够实现正转、反转，并要求两个工作台（矩形、圆形）各个方向的运动互锁，矩形工作台的6个运动方向和圆工作台的旋转运动要求互锁，任何时刻，只允许存在一种运动形式的一个方向运动。 （3）主轴旋转与工作台进给运动均采用机械齿轮变速箱调速，要求主轴电动机和工作台电动机在主轴和进给变速时能够瞬时冲动，保证变速时齿轮的正确啮合和设备的安全。 （4）为避免打刀，要求主轴驱动电动机M2起动后，工作台驱动电动机M3方 能起动。 3.数控化改造的一般途径 3.1主传动的数控化改造 机床主传动的作用是把电动机的转速和转矩通过变速箱传递给主轴，使工件或刀具以各种不同的速度运动。主传动性能的好坏，直接影响零件的加工质量和生产效率。机床的主传动一般采用普通交流电动机或直流电动机拖动两种方式。 1. 主传动电气部分的数控改造 XA6132铣床主传动采用普通交流异步电动机拖动，如此类中、小型机床，其本身价格较低，改造费用过高，改造周期过长都将降低这类机床进行数控改造的经济价值。所以在一般情况下，对机床的主传动均采取保留原电器系统的方案。在本次设计中仍然保留主轴电机，拆除原有的滑动齿轮变速装置 以及正反转控制电路。采用变频器来控制主轴交流电机的正反转以及实现无级调速等功能。 2.主传动机械部分的改造 由于主轴采用变频器实现无级调速，因此主传动系统采用同步的齿型带来传递运动。对于主轴本身其刚性和旋转精度以及支承的刚性都将直接影响零件的加工精度。因此主轴部分的改造，首先应保证本身的刚性以及修复和提高本身的旋转精度。 XA6132铣床主轴支撑采用滑动轴承，本次改造中为了提高承载能力，增大主轴转速，保持旋转精度，改用静压轴承来代替原轴承。 3.2进给传动的数控化改造 在数控机床中，进给传动的作用是接受数控系统的指令，经放大后使刀具作精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，如直线、斜线、圆弧等，加工出符合要求的零部件。对进给传动的要求为：高精度，即高的定位精度和重复定位精度以及加工零件的综合精度；高品质，即频带宽，响应快，动、静态速降小，调速范围宽；高速度，即能快速定位，以提高效率；大功率，即能输出大的力矩和功率，以满足加工的需要。 1. 进给传动电气部分的数控改造 （1） 确定控制方式 数控系统的控制方式基本上分为开环、闭环、半闭环三种。 普通机床数控化改造选择那种控制方式，需根据具体情况确定。一般小型采用开环控制，中、重型采用半闭环控制，由于闭环控制需直接测出移动部件的实际位置，要在机床的相应部位安装直线测量元件，工作量大，费时多，而且闭环控制的调试相当麻烦，它的稳定性与机械部分的各种非线性因素有很大关系，在机床数控改造中一般不采用闭环控制方式。对XA6132的改造中为其配置日本FANUC公司的POWER MATEO数控系统。 （2） 选择伺服系统 目前，使用的比较广泛的伺服系统有步进电机驱动系统、可控硅直流伺服系统以及大功率晶体管直流脉宽调制（PWM）伺服系统。改造中采用直流伺服系统。 (3) 选择位置测量元件 位置测量元件是数控伺服系统中的一部分，用来测量运动部件按指令移动的位移量，并将其位移量反馈给数控系统。为之测量元件可分为旋转型测量元件和直线性测量元件两类。 旋转型测量元件又分为旋转变压器和光电脉冲编码器，这两种测量元件均可用于数控系统的半闭环控制中，用来测量伺服电机的角位移量；直线性测量元件有感应同步器和光栅，这两种测量元件多用在闭环控制方式的数控系统中，在机床的数控改造中一般不用。设计中选取光电编码器作为位置测量元件。 2. 进给传动机械部分的数控改造 (1) 导轨副 原铣床的导轨采用滑动导轨，其结构简单，制造方便，承载面积大，接触刚度好、抗震性强等一系列优点。但滑动导轨的静摩擦系数随速度变化而变化，摩擦损失大，在低速是易出现爬行现象，直接影响运动部件的定位精度。 改造中在原移动部件的导轨上粘接聚四氟乙烯软带，该软带摩擦系数小，动、静摩擦系数差别小，部件运行平稳、无爬行，定位精度高。没有震动，提高了工件表面加工质量，延长了刀具使用寿命。软带耐磨损，且嵌入性能好，与其配合的金属导轨面不会拉伤，软带有自润滑性，当机械润滑系统出现故障时，导轨不会拉伤。 （2） 进给箱 原铣床为齿轮结构，改造中取消原进给箱，依靠数控系统和伺服系统控制工作台的进给，提高其定位精度，达到伺服控制目的。 （3） 移动元件 在机床的进给传动链中，需将旋转运动变换成直线运动。原铣床采用普通丝杠副实现该项运动。普通丝杠副的导程小，降速比大，故牵引力大。普通丝杠副有自锁能力，在垂向进给机构中不用附加制动装置。其缺点是摩擦阻力大，传动效率低，动、静摩擦系数相差大，在低速时容易出现爬行。 数控机床要求进给部分的移动元件灵敏度好、精度好、反应快、无爬行。采用滚珠丝杠副可满足数控机床进给运动的要求。在机床数控化改造时，由于滚珠丝杠副的径向尺寸较大，许多相关的部位都需要修改，往往仍用原丝杠副，但为消除过大的丝杠与螺母间隙，应将原单螺母改为可调整间隙的双螺母副。 4.基于PLC的XA6132万能铣床电气控制系统硬件部分的设计 在铣床的改造中我们将其运动控制部分改造为CNC计算机控制系统，将其辅助机械动作控制（继电器、接触器）部分改造为PLC可编程控制。其系统结构如图1所示。 图1 系统结构框图 本系统由CNC计算机控制系统和强电柜两部分组成。CNC计算机控制系统是一专用的数控装置，由CNC系统、输入/输出接口、驱动单元和执行机构组成，是控制系统轮廓加工的核心，强电柜有动力电路、控制电路和可编程控制器组成。以下将着重介绍PLC的控制设计问题。 4.1 PLC型号的选择 选择基于PLC的铣床电气控制系统的PLC机型，应从以下几个方面来考虑： 4.1.1 根据PLC的物理结构 根据物理结构的不同，PLC分为整体式、模块式和叠装式。整体式的每一I/O点的平均价格比模块式便宜，小型电气控制系统一般使用整体式可编程控制器。此次所设计的电气控制系统属于小型开关量电气控制系统没有特殊的控制任务，整体式PLC完全可以满足控制要求，且在性能相同的情况下，整体式PLC较模块式和叠装式PLC价格便宜，因此，XA6132铣床电气控制系统的PLC选用整体式结构的PLC[5]。 4.1.2 根据PLC的指令功能 考虑到任何一种PLC都可以满足开关量电气控制系统的要求，据此本课题将尽量采用价格便宜的PLC。 4.1.3 根据PLC的输入输出点数 如表3.1和表3.2所示，铣床的电气控制系统需要24个输入口16个输出口，PLC的实际输入点数应等于或大于所需输入点数24，PLC的实际输出点数应等于或大于所需输出点数16，在条件许可的情况下尽可能留有10%-20%的裕量。 4.1.4 根据PLC的存储容量 PLC存储器容量的估算方法：对于仅有开关量输入/输出信号的电气控制系统，将所需的输入/输出点数乘以8，就是所需PLC存储器的存储容量（单位为bit）即 （24+16）×8=320bit 4.1.5 根据输入模块的类型 输入模块的输入电压一般为DC24V和AC110V或AC220V。直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。交流输入方式的触点接触可靠，适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。选用AC220V输入。 4.1.6 根据输出模块的类型 PLC输出模块有继电器型、晶体管型和双向可控硅型三种。 继电器型输出模块的触点工作电压范围广，导通压降小，承受瞬间过电压和过电流的能力较强，每一点的输出容量较大（可达2A）,在同一时间内对导通的输出点的个数没有限制，但动作速度慢，寿命有一定的限制。 晶体管型与双向可控硅型输出模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应带宽快，寿命长，但是过载能力差，每1点的输出量只有0.5A，4点同时输出的总容量不得超过2A。 由于XA6132铣床控制对象对PLC输出点的动作表达速度要求不高，继电器型输出模块的动作速度完全能够满足要求，且每一点的输出容量较大，在同一时间内对导通的输出点的个数没有限制，这将给设计工作带来很大的方便。所以本课题选用继电器输出模块，结合XA6132铣床电气控制系统的实际情况，需要输入点数大于24个，输出点数大于16个。 综上所述，为了使XA6132铣床在改造后能够良好工作，确认日本松下公司生产的FX2-64MR型PLC能够满足上述要求，该类型号PLC体积小，功能强，其主要技术性指标如下： 表1.FX2系列PLC的一般技术特性 电源 AC100~240V，+10%~－15%，50/60HZ单相电源，可瞬时失效10MS 环境温度 0~55℃ 环境湿度 45%~85%RH（无霜） 防震性能 JIS C 0911 标准，10~55HZ，0.5mm（最大2G，3轴向各2次） 防冲击性能 JIS C 0912 标准 （10G，3轴各3次） 抗噪声能力 1000V峰—峰值，1us,30~100HZ（噪声模拟器） 绝缘耐压 AC1500V，1min（接地端与其他端子间） 绝缘电阻 5G，DC500V接地端与其他端子之间） 使用环境 无腐蚀性气体，无导电粉末、微粒 该型PLC具有XA6132铣床电气控制系统所需的所有指令功能，其总输入点数为32点，总输出点数为32点，用户存储器容量5K步，输入模块电压为DC24V，输出模块为继电器型。由此可知，FX2-64MR型PLC的技术性能指标完全能满足上述要求. 4.2 PLC的I/O端口分配表 根据所选PLC的型号进行I/O点的端口分配，如下（表2和表3）所示： 表2. 输入信号端口分配表 地址号 符号名称 用途 X0 SB0 电源开按钮 X1 SB1 电源关按钮 X2 SB2 急停按钮 X3 SB3 主轴停止按钮 X4 SA1-1 正转速度1 X5 SA1-2 正转速度2 X6 SA1-3 正转速度3 X7 SA1-4 正转速度4 X10 SA1-5 正转速度5 X11 SA1-6 反转速度1 X12 SA1-7 反转速度2 X13 SA1-8 反转速度3 X14 SA1-9 反转速度4 X15 SA1-10 反转速度5 X16 SB4 冷却泵开按钮 X17 SB5 冷却泵关按钮 X20 SB6 手动冷却按钮 X21 SB7 润滑电机开按钮 X22 SB8 润滑电机关按钮 X23 SB9 手动润滑按钮 X24 SB10 刀架夹紧按钮 X25 SB11 刀架松开按钮 X26 SB12 工件夹紧按钮 X27 SB13 工件松开按钮 表3. 输出信号端口分配表 地址号 符号名称 用途 Y0 KM1 总电源接触器 Y1 KM2 冷却泵电源接触器 Y2 K1 润滑电机中间继电器 Y3 K2 正转端子中间继电器 Y4 K3 反转端子中间继电器 Y5 K4 速度端子X001中间继电器 Y6 K5 速度端子X002中间继电器 Y7 K6 速度端子X003中间继电器 Y10 K7 停车制动中间继电器 Y11 YD1 刀具松紧电磁阀 Y12 YD2 工件松紧电磁阀 Y13 HL1 总电源指示灯 Y14 HL2 冷却泵指示灯 Y15 HL3 润滑指示灯 Y16 HL4 刀具夹紧指示灯 Y17 HL5 工件夹紧指示灯 4.3 PLC的I/O电气接线图的设计 图2为PLC的I/O电气接线图，可编程控制器一般都使用市电（220V，50HZ），电网的冲击、频率的波将直接影响实时控制系统的精度和可靠性；有时电网的冲击也将给整个系统带来毁灭性的破坏。电网的瞬间变化也是经常不断发生的，由此可产生一定的干扰传播到可编程控制器系统中。为了提高系统的可靠性和抗干扰性能，在可编程控制器供电系统中一般可采取隔离变压器、交流稳压器、UPS电源、晶体管开关电源等措施。 图3.隔离变压器示意图 设计中采用隔离变压器作为PLC的保护电器，隔离变压器的初级和次级之间采用隔离屏蔽层，用漆包线或铜等非导磁材料绕成，但电器设备上不能短路，而后引出一个接头接地。初、次级间的静电屏蔽层与初次级间的零点位线相接，在用电容耦合接地，采用了隔离变压器后可以隔离掉供电电源中的各种干扰信号，从而提高系统的抗干扰性能。 图2中X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X10、X11、X12、X13、X14、X15、X16、X17、X20、X21、X22、X23、X24、X25、X26、X27共用一个COM端，另一端分别接入相应的PLC输入端子上。L、N引入220V交流电源电压，作为系统的供电电源，在其输入端还设有接地端子。Y0、Y1共用一个COM端，接入220v交流电源电压，Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y10、Y11、Y12、Y13、Y14、Y15、Y16、Y17共用一个COM端接入24V直流电源电压，为了防止其产生寄生回路，将二极管并联接入中间继电器线圈中。 图2.PLC的I/O接线图 5. XA6132万能铣床电气控制系统软件部分的设计 在设计中利用PLC功能需要解决原机床的辅助机械动作，包括电源的启停，紧急停车制动，主轴正反转的选择，主轴速度段的选择，主轴的停止，冷却泵的启停及手动，润滑电机的启停及手动，还包括工件及刀具的夹紧与松开 其机床床头操作面板如图4示 图4.机床操作面板 5.1 系统电源开启控制 图5.电源控制梯形图 上图所示即为系统电源控制梯形图，按下通电按钮SB0，输入继电器X0为1，则M2继电器置位，输出继电器Y0置1，对应外部交流接触器KM1动作，系统通电；若按下断电按钮SB1或急停按钮SB2都会使电源快速断电。 5.2主轴变频器调速控制 设计中主轴的速度以及转向由变频器控制，经过比较选择选用三菱FR-A540-CH型变频器，图6所示为PLC与变频器的接线图。 图6.PLC与变频器接线图 5.2.1 主轴正反转控制设计 主轴的正转选择通过K2控制，K2一端与PLC相连，另一端与变频器的FWD端子相连。当按下X4、X5、X6、X7、X10中任意按钮其输出Y3均置1，K2通电通过其触点的闭合使变频器收到动作信号，则控制电机做正向转动；反转由K3控制,当按下X11、X12、X13、X14、X15、X16中任意按钮其输出Y4均置1，K3通电通过其触点的闭合使变频器收到动作信号，则控制电机做反向转动。如图7所示为主轴电机的正反转控制梯形图。 图7.主轴正反转控制梯形图 5.2.2主轴调速设计 变频器可实现无级调速，但实际中我们并不需要铣床做无级调速，在变频器众多功能端子中有3给频率段选择端子，设计中利用着3个端子功能实现铣床的速度段选择功能，即对应变频器上X001(Y5)、X002(Y6)、X003(Y7)端子通过变频器上的这三个端子的组合可做出7个速度段，实际中用不到如此多设计中选择其中5个速度段做为铣床的速度，其速度分配如表4所示，三个端子通电顺序，时间不一样就组合出不同的速度 Y5（X001） Y6（X002） Y7（X003） 正 转 选 速 X4 1 0 0 X5 0 1 0 X6 0 0 1 X7 1 1 0 X10 1 0 1 反 转 选 速 X11 1 0 0 X12 0 1 0 X13 0 0 1 X14 1 1 0 X15 1 0 1 表4.速度分配（0为断，1为通） 5.2.3 主轴停车控制设计 为了提高工作效率，节约换刀时间，系统要求在主轴停车时要有制动装置，三菱变频器FR-A540-CH上的制动端子EMS就具备停车制动的功能，图8为主轴停车控制梯形图，当按下停车按钮SB3，输入继电器X3置1，输出继电器Y10置1，主轴停车制动。程序前端的跳程序是为节省扫描时间所设。 图8. 主轴停车控制梯形图 5.3 冷却泵程序控制设计 在实际生产中冷却泵既需要连续的工作有时又需要手动操作，为满足这一要求在设计中通过辅助继电器M4实现冷却泵的连续和手动功能，当X16置1时，M4置位，其常开常闭触点保持动作，当X17置1时，M4复位，冷却泵停止工作；手动时X20置1，Y1点动置1，没有自锁环节，实现其手动功能。 图9.冷却泵控制梯形图 5.4润滑油泵程序控制设计 与冷却泵控制程序相同，润滑油泵亦需实现手动和连续功能，图10为其控制梯形图。 图10.润滑油泵控制梯形图 5.5 刀架松紧设计 刀架松紧是通过气压控制的，在现实中工厂为每台床子同一供气，通过电磁阀来控制气体的开通，设计中当QS2闭和，即控制电路通电，这时按动刀架夹紧按钮SB10，则X24置1，M1置位电磁阀开启刀架加紧，如图示 图11.刀架松紧控制梯形图 刀架夹紧后，其指示灯亮；若X25置1，M1复位电磁阀关闭刀架送开，指示灯熄灭。 5.6 工件松紧设计 与刀架设计相同，工件的松紧亦由气压控制，图12为其控制梯形图 图12.工件松紧控制梯形图 6.FX系列PLC外部接线问题 FX 系列控制单元输出端子板为两头带螺钉的可拆卸板， PLC 与输出设备之间的输出信号均通过输出端子进行连接。在进行输出端子接线时，应注意以下几点： ① 输出线尽可能远离高压线和动力线等干扰源。 ② 不能将输出设备连接到带“ . ”端子上。 ③ 各“ COM ”端均为独立的，故各输出端既可独立输出，又可采用公共并接输出。当各负载使用不同电压时，采用独立输出方式；而各个负载使用相同电压时，可采用公共输出方式。 ④ 当多个负载连到同一电源上时，应使用型号为 AFP1803 的短路片将它们的“ COM ”端短接起来。 ⑤ 若输出端接感性负载时，需根据负载的不同情况接入相应的保护电路。在交流感性负载两端并接 RC 串联电路；在直流感性负载两端并接二极管保护电路；在带低电流负载的输出端并接一个泄放电阻以避免漏电流的干扰。以上保护器件应安装在距离负载 50cm 以内。 ⑥ 在 PLC 内部输出电路中没有保险丝，为防止因负载短路而造成输出短路，应在外部输出电路中安装熔断器或设计紧急停车电路。 7.PLC在控制柜中的接线问题 （1）控制柜内导线，即可编程控制器模块端子到控制柜内端子之间的连线应选择软线，以便于柜内连接和布线。 （2）模拟信号线与开关量信号线最好不在同一线槽内走线，模拟信号线采用屏蔽线。 （3）信号线、模拟信号线不能与交流电压信号线在同一线槽内走线。 （4）系统供电电源线不能与信号线在同一线槽内走线。 （5）控制柜内引入或引出的屏蔽电缆必须接地。 （6）控制柜内端子应按开关量信号线、模拟量信号线、通讯线和电源线分开设计。若必须采用一个接线端子时，则要用备用点和接地端子将它们相互隔开。 8.控制柜与现场设备之间电缆接线问题 在控制柜与现场设备之间电缆连接因注意以下几点： （1）电源电缆、动力电缆和信号电缆进入控制室后，最好分开成对角线的两个通道进入控制柜内，从而保证两种电缆保持一点距离，又避免了平行敷设。 （2）直流信号线、交流信号线和模拟信号线不能共用同一根电缆。 （3）信号电缆和电缆电源应避免平行敷设，必须平行敷设时，要保持一定距离，最小距离应保持30cm. （4）不同的信号线电缆不要用一个插接件转接。如必须用同一个插接件时，要用备用端子和地线端子把他们分开，以减少相互干扰。 （5）电缆屏蔽处理。在传输电缆两端的接线处，屏蔽层应尽量多地覆盖电缆芯线，同时电缆接地应采用单端接地。为了施工方便，可在控制室集中对电缆屏蔽接地，另一端不接地，把屏蔽层切断包在电缆头内。 9.XA6132铣床控制梯形图设计 10.结论 本课题所研究的基于PLC的铣床辅助控制系统的设计实现了XA6132万能铣床的控制自动化，方便了工人在生产中对机床的实际操作。通过研究，可得出以下结论： 10.1 研究成果 可编程控制器是一种广泛应用于工业现场的新型控制器，具有结构简单，抗干扰性强，编程方便等特点，本课题采用PLC自动控制技术取代了传统继电器—接触器电气控制系统，实现了对XA6132万能铣床的自动控制，从而提高了机床的工作效率、工作稳定性和可靠性，而且，还大大降低了工人的劳动强度，改善了产品的加工质量，降低了设备故障率，提高了生产率。另外，通过这次毕业设计使我对PLC和电控方面的知识又有了更加深刻的理解和掌握，为今后走向工作岗位从事相关工作奠定了很好的基础。 10.2 不足之处 由于时间精力有限，还有许多功能有待扩展、完善。PLC与数控系统地联系还不够紧密，功能还没有完善，没有完全发挥出PLC的强大功能，对于PLC的许多高级指令没有应用到。由于实际生产经验的不足，许多设计还不能尽如人意，还有很多环节不太合理，还有待进一步提高。以上问题有待今后进一步研究解决。 设计感想 经过这些天的努力,毕业设计顺利完成。在这一刻心中不只是欣慰，还有很多失意。是呀！设计终于做完了，这些天的努力有了成果，自己也总算学有所用，不管我的设计是否能在实际生产中应用，但我已经把自己学到的东西与现实生活联系在一起，而在也不是以前刻在书本上的文字。这样我已很高兴。然而转眼看看眼前一大堆书本，复印来的资料与累积下来的手稿与草图，这才发觉自己虽在大学学习了三年，但知识的框架还很不完整，还需要学习，而不是随着毕业证的到来而终止。 在现在高速发展的社会，自动化是社会发展的要求也是未来的发展方向，这也引导人类的学习，人类知识的提高反过来再推动社会的发展。虽然自己的专业是机械设备及自动化，但过去总感觉自己喜欢机械多于电，通过这次设计，使我对自动控制系统的工作过程和设计方法有了深入的体会和了解，得到教大的提高，发现只有机械和自动控制系统的完美结合才是最有价值的。 实践是最好的老师。通过毕业设计，一方面发现了自己的不足，纠正学习中的错误；另一方面积累了丰富的知识，吸取别人好的方法和经验，增强了解决综合问题的能力，为自己以后的工作和学习打下坚实的基础。也希望它能为我的大学生活画上完美的句号。 其实我能取得这样的成绩，是与我的指导老师的辛勤劳动及耐心细致的循循善诱分不开的，为此我向党老师致以衷心的感谢。 参考文献 [1]齐占庆主编．机床电气控制技术．第三版．北京：机械工业出版社，2005 [2]张桂岭.浅谈现代PLC的优势特点.自动化博览，2003（4），66-67 [3]李国厚主编．PLC原理与应用．北京：清华大学出版社，2005 [4]齐占庆主编．机床电气自动控制．北京：机械工业出版社，1987 [5]黄永红.PLC输入输出点数的扩展方法.电工技术杂志，2002（3），47-49 [6]扬湘洪.T68镗床的PLC控制，机械制造与自动化，2004（2），52-55 [7]肖增文等著.PLC在包装带热合机上的应用. 电气自动化,2002（6），57-58 [8]王永明.PLC在高压发生器电气控制系统的应用. 电气自动化，2004（2），55-56 [9]周百聪.基于PLC的X62W型万能铣床电控系统的改造.机电产品开发与创新， 2005(6),150-151 [10]邱公伟.可编程序控制器网络通信及应用.北京:清华大学出版社，2003， 1-5 [11]李启光.用PLC改造继电器电气线路中的技术研究.北京机械工业学院，2004（2），66－67　　　　　 [12]李亚东.用PLC实现位置控制的方法.上海交通大学学报，2002（4），491-493 [13]王培良.发电机自动检测的PLC电气控制系统.电气自动化，2004（1），60-61 [14]李桂芹.提高PLC电气控制系统可靠性的措施. 电气自动化，2006（1），57-58 [15]梁首发.PLC与工控机应用分析.工业仪表与自动化装置，2001（1）40-45 [16]江梅.PLC在镗铣床控制系统中的应用.冶金动力，2001（3）62-64 40