PLC控制的T68型卧式镗床电气控制.docx

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PLC控制的T68型卧式镗床电气控制

淮阴工学院

课程设计

课程名称：

机电传动控制课程设计

题目：

PLC控制的T68型卧式镗床电气控制

学院：

机械工程学院

专业班次：

机械电子2011级

姓名：

宋建辉

指导教师：

路连

学期：

2013~2014学年第一学期

日期：

2013.12.27

第一章引言……………………………………………………1

1.1本设计的意义……………………………………………1

1.2PLC的概述………………………………………………1

1.3卧式镗床介绍……………………………………………1

第二章系统工作原理介绍与电机控制系统的控制要求分析

2.1T68卧式镗床电气线路的工作原理……………………2

2.2T68卧式镗床电气控制线路的分析……………………3

第三章T68镗床电气控制系统的PLC改造

3.1PLC的选择……………………………………………8

3.2I/O地址分配…………………………………………9

3.3PLC接线图……………………………………………10

3.4系统PLC的程序梯形图………………………………11

第四章心得体会………………………………………………13

参考文献…………………………………………………………13

1.引言

1.1本设计的意义

课题通过用PLC控制系统取代了原来的T68镗床继电接触控制系统，使性能大为改善，自动化程度提高，生产效率得到了很大提高，并能很好地保证其加工精度。

系统运行稳定、可靠，满足生产工艺的要求；同时，对其它同类设备的技术改造也有较大的参考价值，在工业上有广泛的应用前景。

1.2PLC的概述

可编程控制器简称PLC，是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业控制机，其本质是一台工业控制专用计算机。

它的软件，硬件配置与计算机极为类似，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。

硬件主要由中央处理器CPU、存贮器、输入/输出单元以及编程器、电源和智能输入/输出单元等构成。

PLC是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。

1.3卧式镗床介绍

卧式镗床的发展以其注入加速度概念而倍受关注，为高速运行作技术支撑的传动元件电主轴、直线电机、线性导轨等得到广泛应用，将机床的运行速度推向了新的高度。

而主轴可更换式卧式镗加工中心的创新设计解决了电主轴与镗杆移动伸缩式结构各存利弊的不足，具有复合加工与一机两用的功效，也是卧式镗铣床的一大技术创新。

落地式镗床的发展以其新的设计理念引领现代加工的潮流，以高速加工为理念的无镗轴滑枕式、多种铣头交换使用的结构型式尽显风采，大有替代传统铣削加工的趋势。

以两坐标摆角铣头为代表的各种铣头附件成为实现高速、高效复合加工的主要手段，其工艺性能更广，功率更大，刚性更强，是落地镗床发展的一大突破。

2.系统工作原理介绍与电机控制系统的控制要求分析

2.1T68卧式镗床电气线路的工作原理

2.1.1结构与运动形式

1.结构：

如下图所示

1）前立柱：

固定地安装在床身的右端，在它的垂直导轨上装有可上下移动的主轴箱。

2）主轴箱：

其中装有主轴部件，主运动和进给运动变速传动机构以及操纵机构。

3）后立柱：

可沿着床身导轨横向移动，调整位置，它上面的镗杆支架可与主轴箱同步垂直移动。

如有需要，可将其从床身上卸下。

4）工作台：

由下溜板，上溜板和回转工作台三层组成。

下溜板可沿床身顶面上的水平导轨作纵向移动，上溜板可沿下溜板顶部的导轨作横向移动，回转工作台可以上溜板的环形导轨上绕垂直轴线转位，能使要件在水平面内调整至一定角度位置，以便在一次安装中对互相平等或成一角度的孔与平面进行加工。

2.运动形式：

（在上图中用箭头表示）

（1）主运动：

镗杆（主轴）旋转或平旋盘（花盘）旋转。

（2）进给运动：

主轴轴向（进，出）移动，主轴箱（镗头架）的垂直（上，下）移动，花盘刀具溜板的径向移动，工作台的纵向（前，后）和横向（左，右）移动。

（3）辅助运动：

有工作台的旋转运动，后立柱的水平移动和尾假垂直移动。

主体运动和各种快速进给由主轴电机1M驱动，但各部分的快速进给运动是由快速进给电机2M驱动。

2.1.2电气控制线路的特点

（1）机床的主运动与进给运动共用一台双速电动机M1{5.5/7.5KW，（1440/2900）r/min}来拖动。

用主轴变速操作机构内的行程开关SQ控制时间继电器KT，用三个接触器KM4和KM5、KM6控制定子绕组的“Δ-YY”接线转换，以实现高、低速的转换。

低速时，电动机可直接启动。

高速时，采用先低速起动，而后自动转换为高速运行的二级控制，以减少起动电流。

（2）主电动机M1能逆运行，并可正、反向点动及反接制动，在点动、制动以及变速过程的脉动慢转时，线路中均串接限流电阻R，以减少起动和制动电流。

（3）主轴和进给变速均可在运行中进行。

只要进行变速，主电动机M1就脉动缓慢旋转，以利于齿轮的啮合。

主轴变速时，电动机的脉动旋转是通过行程开关SQ1和SQ2，进给变速是通过行程开关SQ3和SQ4以及速度继电器KR来共同完成。

（4）为缩短机床加工的辅助工作时间，主轴箱、工作台、主轴以单独的电动机M2（2.2KW）拖动起快速移动。

它们之间的机动进给有机械和电气联锁保护。

（5）为了保证准确选择所需运动（上滑座移动、下滑座移动、主轴移动、主轴箱升降、工作台回转），夹紧和松开由单独的主轴箱油泵电机M3（0.75Kw），工作台油泵电机M4（0.5kW）拖动。

它们之间的机动进给有机械和电气联锁保护。

2.2T68卧式镗床电气控制线路的分析

2.2.1T68型卧式镗床电气控制系统原理图

图2-1为T68型卧式镗床电气控制系统原理图

2.2.2控制电路分析

1.主电动机的启动控制

（1）主电动机的点动控制主电动机的点动有正向点动和反向点动，分别由按钮SB4和SB5控制。

按SB4接触器KM1线圈通电吸合，KM1的辅助常开触点（3-13）闭合，使接触器KM4线圈通电吸合，三相电源KM1的触点，电阻R和KM4的主触点接通主电机1M的定子绕组，接线法为三角形，使电动机在低速下正向运转。

松开SB4主电机断电停止。

反向点动与正向点动控制过程相似，由按钮SB5，接触器KM2，KM4来实现。

（2）主电动机的的正，反转控制当要求主电动机正向低速旋转时行程开关QS7的触点（11-12）处于断开位置，主轴变速和进给变速用行程开关SQ3（4-9），SQ4（9-10）均为闭合状态。

按SB2，中间继电器KA1线圈通电吸合，它有三对常开触点，KA1常开触点（4-5）闭合自锁；KA1常开触点（10-11）闭合，接触器KM3线圈通电吸合，KM3主触点闭合，电阻R短接；KA1常开触点（17-14）闭合和KM3辅助常开触点（4-17）闭合，使接触器KM1通电吸合，并将KM1线圈自锁。

KM1的辅助常开触点（3-13）闭合接通主电机低速用接触器KM4线圈，使其通电吸合。

由于接触器KM1，KM3，KM4的主触点均闭合，故主电动机在全电压，定子绕组三角形连接下直接启动，低速运行。

当要求主电动机为高速旋转时，行程开关SQ7的触点（11-12），SQ3（4-9），SQ4（9-10）均处于闭合状态。

按SB2后，一方面KA1，KM3，KM1，KM4的线圈相继通电吸合，使主电动机在低速下直接启动；另一方面由于SQ7（11-12）的闭合，使时间继电器KT（通电延时式）线圈通电吸合，经延时后，KT的通电延时断开的常闭触点（13-20）断开，KM4线圈断电，主电动机的定子绕组脱离三相电源，而KT的通电延时闭合的常开触点（13-22）闭合，使接触器KM5线圈通电吸合，MKM5的主触点闭合，将主电动机的定子绕组接成双星形后，重新接到三相电源，故从低速启动转为高速旋转。

主电动机的反向低速或高速的起动旋转过程与正向起动旋转过程相似，但是反向起动旋转所用的电器为按钮SB3，中间继电器KA2，接触器KM3，KM2，KM4，KM5，时间继电器KT。

2.主电动机的反转制动控制

当主电机正转时，速度继电器KS正转，常开触点KS（13-18）闭合，而正转得常闭触点KS（13-15）断开。

主电动机反转时，KS反转，常开触点KS（13-14）闭合，为主电动机正转或反转停止时的反制制动做准备。

按停止按钮SB1后，主电机的电源反接，迅速制动，转速降至速度继电器的复位转速时，其常开触点断开，自动切断三相电源，主电机停转。

具体的反接制动过程如下所诉：

（1）主电动机正转时的反接制动设主电动机为低速正转时,电器KA1,KM1,KM3,KM4的线圈通电吸合,KS的常开触点KS（13-18）闭合。

按SB1,SB1的常闭触点（3-4）先断开，使KA1,KA3线圈断电，KA1的常开触点（17-14）断开，又使KM1线圈断电，一方面使KM1的主触点断开，主电动机脱离三相电源，另一方面使KM1（3-13）分断，使KM4断电；SB1的常开触点（3-13）随后闭合，使KM4重新吸合，此时主电动机由于惯性转速还很高，KS（13-18）仍闭合，故使KM2线圈通电吸合并自锁，KM2的主触点闭合，使三相电源反接后经电阻R，KM4的主触点接到主电动机定子绕组，进行反接制动。

当转速接近零时，KS正转常开触点KS（13-18）断开，KM2线圈断电，反接制动完毕。

（2）主电动机反转时的反接制动反转时的制动过程与正转制动过程相似，但是所用的电器是KM1,KM4,KS的反转常开触点KS（13-14）。

（3）主电动机工作在高速正转及高速反转时的反接制动过程可仿上自行分析。

在此仅指明，高速正转时反接制动所用的电器是KM2,KM4,KS（13-18）触点；高速反转时反接制动所用的电器是KM1,KM4,KS（13-14）触点。

3.主轴或进给变速时主电动机的缓慢转动控制

主轴或进给变速既可以在停车时进行，又可以在镗床运行中变速。

为使变速齿轮更好的啮合，可接通主电动机的缓慢转动控制电路。

当主轴变速时，将变速孔盘拉出，行程开关SQ3常开触点SQ3（4-9）断开，接触器KM3线圈断电，主电路中接入电阻R，KM3的辅助常开触点（4-17）断开，使KM1线圈断电，主电动机脱离三相电源。

所以，该机床可以在运行中变速，主电动机能自动停止。

旋转变速孔盘，选好所需的转速后，将孔盘推入。

在此过程中，若滑移齿轮的齿和固定齿轮的齿发生顶撞时，则孔盘不能推回原位，行程开关SQ3、SQ5的常闭触点SQ3（3-13）、SQ5（15-14）闭合，接触器KM1、KM4线圈通电吸合，主电动机经电阻R在低速下正向起动，接通瞬时点动电路。

主电动机转动转速达某一转时，速度继电器KS正转常闭触点KS（13-15）断开，接触器KM1线圈断电，而KS正转常开KS（13-18）闭合，使KM2线圈通电吸合，主电动机反接制动。

当转速降到KS的复位转速后，则KS常闭触点KS（13-15）又闭合，常开触点KS（13-18）又断开，重复上述过程。

这种间歇的起动、制动，使主电动机缓慢旋转，以利于齿轮的啮合。

若孔盘退回原位，则SQ3、SQ5的常闭触点SQ3（3-13）、SQ5（15-14）断开，切断缓慢转动电路。

SQ3的常开触点SQ3（4-9）闭合，使KM3线圈通电吸合，其常开触点（4-17）闭合，又使KM1线圈通电吸合，主电动机在新的转速下重新起动。

进给变速时的缓慢转动控制过程与主轴变速相同，不同的是使用的电器是行程开关SQ4、SQ6.

4.主轴箱，工作台或主轴的快速移动

该机床各部件的快速移动，由快速手柄操纵快速移动电机2M拖动完成。

当快速手柄扳向正向快速位置时，行程开关SQ9被压住，接触器KM6线圈通电吸合，快速移动电机2M正转。

同理，当快速手柄扳向反向快速位置时，行程开关SQ8被压住动，KM7的线圈通电吸合，2M反转。

5.主轴进刀或工作台联锁

为防止镗刀或刀具的损坏，主轴箱的工作台的机动进给，在控制电路中必须互相联锁，不能同时接通，它是由行程开关SQ1，SQ2实现。

若同时有两种进给时，SQ1，SQ2均被压动，切断控制电路的电源，避免刀具或机床的损坏。

3．T68镗床电气控制系统的PLC改造

3.1PLC的选择

（1）PLC机型选择

机型选择基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳性能价格比。

其中包括：

合理的结构形式、安装方式的选择、相当的功能要求、响应速度的要求、系统可靠的要求和机型统一的要求。

（2）PLC容量的选择

PLC的容量包括I/O点数和用户存储容量两个方面。

（3）I/O模块的选择

不同的I/O模块其电路及功能也不同，会直接影响PLC的应用范围和价格。

在选择时包括对开关量输入模块的选择，例如：

输入信号类型极电压等级、输入接线方式、同时接通输入点数量。

对开关量输出模块选择，例如：

输出方式、输出接线方式、输出电流选择、同时接通输出点数量和最大负载电流和负载类型。

（4）电源模块及其外设的选择

主要包括：

电源模块的选择、编程器的选择、写入器的选择。

根据图2-1可知,主要对主电机、快速电机进行控制。

为了使设计整体化，本设计只对电气控制电路部分进行PLC改造，因此手动控制镗床照明灯EL的线路和通电指示灯HL的电路用外接电路解决,不必通过PLC控制。

采用S7-200型PLC控制系统取代T68电气控制线路,主电机与快速电机的主电路仍采用图2-1的主电路。

对主轴电动机的具体控制要求是:

正反向点动控制,正反向长动低速控制,正反向长动高速控制,低速正转停车控制,低速反转停车控制,高速正反转停车控制，主轴、进给变速脉动控制。

有过载和短路保护。

对进给、快速移动电动机的具体控制要求是:

正反转控制,短路保护。

在图2-1中的开关器件（SB1、SB2等）等对应PLC面板接口；对T68镗床的电气控制要求的分析，确定PLC输入的信号有16个,PLC输出给外部的信号有14个,根据S7-200-CPU226的最大I/O配置,它具有24个输入口和16个输出口，输出口为继电器型，其性能完全满足T68卧式镗床的工作需要，因此选用S7-200-CPU226。

3.2I/O地址分配

输入信息

输出信息

名称

代号

编号

名称

代号

编号

主轴电动机M1停止按钮

SB1

I0.0

主电机M1正转接触器

KM5

Q0.0

主轴电动机M1正转起动按钮

SB2

I0.1

主电机M1反转接触器

KM2

Q0.1

主轴电动机M1反转起动按钮

SB3

I0.2

M1短接电阻接触器

KM3

Q0.2

主轴电动机M1正转点动按钮

SB4

I0.3

M1低速控制接触器

KM4

Q0.3

主轴电动机M1反转点动按钮

SB5

I0.4

M1高速控制接触器

KM1

Q0.4

主轴箱连锁开关

SA4

I0.5

M2正转接触器

KM7

Q0.5

工作台连锁开关

SA5

I0.6

M2反转接触器

KM8

Q0.6

变速连锁

SA6

I0.7

快速电机正转运行指示灯

HL1

Q0.7

变速连锁

SA7

I1.0

快速电机反转运行指示灯

HL2

Q1.0

主轴变速冲动

SQ1

I1.1

主轴电机正转运行指示灯

HL3

Q1.1

进给变速冲动

SQ3

I1.2

主轴电机反转运行指示灯

HL4

Q1.2

主轴高低速选择

SA2

I1.3

主轴电动机高速运行指示灯

HL5

Q1.3

进给反转

SQ4

I1.4

快速电动机低速运行指示灯

HL6

Q1.4

进给正转

SQ2

I1.5

速度继电器正转常开触点

KSZ

I2.0

速度继电器反转常开触点

KSF

I2.1

主轴电机热保护

FR1

I2.2

进给电机热保护

FR2

I2.3

3.3PLC接线图

PLC接线图如图3.3所示

3.4系统PLC程序梯形图

根据T68卧式镗床的总体控制要求，设计出该电气控制系统的梯形图，如图。

该程序共有34条支路，反映了原继电器电路中各种逻辑内容。

在编制程序过程中，该程序及PLC硬件接线不仅保证了原继电器电路的工作逻辑关系还充分考虑了系统安全性，运用了具有互锁、过载报警、运行指示功能的设计，如主轴电机梯形图中分别串联上了Q0.0和Q0.1的常闭触点，用来完成对KM1，KM2的保护控制；主轴电机过载时，指示灯HL6会一直闪烁，直至警报解除；主轴电机低速运转时，运行指示灯HL2同时工作并发光，停止运行时指示灯熄灭，这样很直观的将机床的运动情况反映出来。

从而提高了整个机床控制系统运行的可靠性。

在程序设计中，将不同控制方式的程序分别编写，根据工作方式选择开关，决定执行哪行程序，这样使编程结构清晰，编程方便。

4.心得体会

通过本次的课程设计，使我对PLC的控制原理和T68型卧式镗床的工作情况有了更进一步的了解。

工业控制采用PLC比传统的采用电子线路和继电器具有可靠性、维护方便、通用性强等特点。

而在本次设计的过程中，让我深入地知道了课程设计的重要性，并需要通过很多途径查询了解所需要的材料。

这样也对我很好的利用可利用资源完成所要完成的任务的可靠性和理想性有很大的帮助。

在这次的课程设计过程中，对课本上所学的知识有了一个很好的扩充，对所学过的知识进行巩固和加深。

同样，也使我们在今后的学习和工作中能够更好地去完成任务，这样才能真正地掌握并运用所学到的知识。

在设计的过程中遇到了很多不理解的东西，通过指导老师和同学的帮助，还通过网络和图书馆将问题一一地解决。

看到了我的设计的完成其实并不是一项很困难的事情。

使我不惧怕困难，敢于与困难作斗争，并在此过程中学习和进步。

这样的课程设计给我们带来的不只是一种问题，而是很多个要解决的问题。

在解决问题的同时学到更多的知识才是我们这次设计的目的。

参考文献

[1]严盈富.西门子S7-200PLC入门.北京:

人民邮电出版社，2007

[2]齐占庆.机械电气自动控制.北京:

机械工业出版社，1989

[3]熊辜明.机床电路原理与维修.北京:

人民邮政出版社，2001

[4]张用,杨定之.机床电气控制.上海:

上海科学技术文献出版社，1983

[5]谭维瑜.电机与电气控制.北京:

机械工业出版社，2003年

[6]刘光起,周亚夫.PLC应用技术.北京:

化学工业出版社，2008