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机床电器改造

第1章PLC性能简介

1.1PLC的介绍

1、 

特点：

PLC的应用，电气工程师不再在硬件上花费太多功夫，只考虑将控制按钮或检测传感器连接在PLC输入点，再通过PLC内部处理，在输出点连接接触器或继电器，来控制大功率的启动设备，而小功率的输出设备直接连接即可。

2、内核：

具有中央处理器的CPU，并带有外部I/O口，扩展的I/O接口地址和存储器三大组成部分。

CPU的核心是由一个或多个累加器组成，它们具有逻辑的数学运算能力，并能读取程序存储器的内容，通过计算后去驱除相应的存储器和I/O口,I/O口将内部累加器和外部的输入和数出系统连接起来，并将相关得数据存入程序存储器或数据存储器中，存储器可以将I/O口输入得数据存入存储器中，并在工作时调转到累加器和I/O接口上。

3、应用重心：

PLC的抗干扰性是优良的，在设计中更本不用去关心他的使用寿命和工作场合的恶劣环境，而关心的是如何利用PLC的内部资源加强设备的控制能力，使设备更具柔性。

PLC的语言并不是汇编语言或C语言，而是采用继电器控制的梯形图，使得电气工程师在编写程序时很容易就理解PLC的编程语言，而且很多非电器专业人士也对PLC编程很快认识并深入。

4、通信：

在实际应用中，仅靠单机控制是无法保证系统顺畅运行的，而需要设备与设备间的信息交流才能实现。

PLC的通信越来越重要，在PLC与PLC之间的通信，能够通过信息的交换和数据的共享来保证设备之间的相互协调，以达到互补的效果。

5、中断：

中断，是一种优先控制处理技术。

PLC具备这样的功能。

它的特点在于，当设备在操作过程中遇到紧急突发事件时，就需要立刻停止当前控制，去处理更重要的事情。

PLC再去执行紧急任务时，总会先保存目前的状态，比如程序的地址，CPU的累加器数据等。

当处理完应急事件后，再继续处理停止的事件。

实际应用中，中断并不是只有一个，有时会同是存在几个中断，多中断也具有优先级别，按要求去执行更高级别的中断。

这种中断中的中断也就形成了中断嵌套。

中断级别跟各种PLC内部CPU的资源有关，同时也跟堆栈的容量大小有关。

PLC的发展已经从单机模式进入通信的网络时代，并同其他的工控网板和I/O板卡轻易的进行共享。

组态软件可以将所有的这些硬件连接起来，通过更直观的动画图片进行控制，并可以通过互联网在异地进行控制。

第2章可编程序控制器

2.1可编程序控制器的功能

可编程控制器以体积小功能强大所著称，它不但可以很容易地完成顺序逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。

特别是现在，由于信息、网络时代的到来，扩展了PLC的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。

PLC是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化（FA）和计算机集成制造系统（CIMS）内占重要地位。

今天的PLC功能，远不仅是替代传统的继电器逻辑。

PLC系统一般由以下基本功能构成：

多种控制功能，数据采集，存储与处理功能，通信联网功能，输入/输出接口调理功能，人机界面功能编程、调试功能。

1、顺序控制

顺序控制是PLC最基本、应用最广泛的领域。

所谓的顺序控制，就是按照工艺流程的顺序，在控制信号的作用下，使得生产过程的各个执行机构自动地按照顺序动作。

由于它还具有编程设计灵活、速度快、可靠性高、成本低、便于维护等优点，所以在实现单机控制、多机群控制、生产流程控制中可以完全取代传统的继电器接触器控制系统。

它主要是根据操作按扭、限位开关及其它现场给来的指令信号和传感器信号，控制机械运动部件进行相应的操作，从而达到了自动化生产线控制。

比较典型应用在自动电梯的控制、管道上电磁伐的自动开启和关闭、皮带运输机的顺序启动等。

例如我分厂的原料混料系统就是利用了PLC的顺序控制功能。

2、运动位置控制

PLC可以支持数控机床的控制和管理，在机械加工行业，可编程控制器与计算机数控（CNC）集成在一起，用以完成机床的运动位置控制，它的功能是接受输入装置输入的加工信息，经处理与计算，发出相应的脉冲给驱动装置，通过步进电机或伺服电机，使机床按预定的轨道运动，以完成多轴伺服电机的自控。

目前以用于控制无心磨削、冲压、复杂零件分段冲裁、滚削、摸削等应用中。

3、生产过程的监控和管理

PLC可以通过通讯接口与显示终端和打印机等外设相连。

显示器作为人机界面（HMI）是一种内含微处理芯片的智能化设备，它与PLC相结合可取代电控柜上众多的控制按钮、选择开关、信号指示灯，及生产流程模拟屏和电控柜内大量的中间继电器和端子排。

所有操作都可以在显示屏上的操作元件上进行。

PLC可以方便、快捷地对生产过程中的数据进行采集、处理，并可对要显示的参数以二进制、十进制、十六进制、ASCII字符等方式进行显示。

在显示画面上，通过图标的颜色变化反应现场设备的运行状态，如阀门的开与关，电机的启动与停止，位置开关的状态等。

PID回路控制用数据、棒图等综合方法反映生产过程中量的变化，操作人员通过参数设定可进行参数调整，通过数据查询可查找任意时刻的数据记录，通过打印可保存相关的生产数据，为今后的生产管理和工艺参数的分析带来便利。

4、网络特性

PLC可以实现多台PLC之间或多台PLC与一台计算机之间的通讯联网要求，从而组成多级分布式控制系统，构成工厂自动化网络。

（1）通过通讯模块、上位机以及相应的软件来实现对控制系统的远距离监控。

（2）通过调制解调器和公用电话网与远程客户端计算机相连，从而使管理者可通过电话线对控制系统进行远距离监控。

2.2可编程控制器的主要特点 

1、可靠性高PLC的MTBF一般在40000～50000h以上，西门子、ABB、松下等微小型PLC可达10万h以上，而且均有完善的自诊断功能，判断故障迅速，便于维护。

2、模块化组合灵活可编程控制器是系列化产品，通常采用模块结构来完成不同的任务组合。

I/O从8～8192点，有多种机型、多种功能模板可灵活组合，结构形式也是多样的。

3、功能强PLC应用微电子技术和微计算机，简单型式都具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能。

基本型式再加上模拟I/O、基本算术运算、通信能力等。

复杂型式除了具有基本型式的功能外，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能I/O、PID调节、过程监视、网络通信能力、远程I/O、多处理器和高速数据处理能力。

4、编程方便PLC适用针对工业控制的梯形图、功能块图、指令表和顺序功能表图（SFC）编程，不需要太多的计算机编程知识。

新的编程工作站配有综合的软件工具包，并可在任何兼容的个人计算机上编程。

2.3PLC工作原理

PLC的工作原理、运行方式与传统的继电器、接触器构成的控制系统是不相同的。

继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路上都会立即同时动作。

PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。

继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ｍｓ以上，PLC采用的是不同于一般微型计算机的运行方式一扫描技术，PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ｍｓ。

图2.1PLC扫描过程

PLC的扫描工作过程一般分为3个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新

3个阶段。

完成上述3个阶段称作1个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。

1）．输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O应象区中的相应单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和描出刷新阶段。

在这2个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

2）．用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；

或者刷新该输出线圈在I/O应象区中对应位的状态；

或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

3）．输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进人输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时才是PLC的真正输出。

至此，PLC完成了1个工作周期

2.4PLC相对于继电器线路的优势

2.4.1控制继电器存在的缺点

今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。

他们比以往的产品具有更高的可靠性。

但是，这也是随之带来的一些问题。

如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。

而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。

再者，对一个具体使用的装有上百个继电器的设备，其控制箱将是庞大而笨重的。

在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。

并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。

1、导通后的管压降大，可控硅或双相控硅的正向降压可达1～2V，大功率晶体管的饱和压降也在1～2V之间，一般功率场效应管的导通电祖也较机械触点的接触电阻大。

2、半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔离。

3、由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器，成本也较高。

4、电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低。

5、固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或RC阻尼电路对其进行过在保护。

固态继电器的负载与环境温度明显有关，温度升高，负载能力将迅速下降。

2.4.2PLC的优势

1、功能强，性能价格比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。

与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。

可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

2、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。

用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。

可

编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。

PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。

3、可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。

由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

4、系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。

这种编程方法很有规律，很容易掌握。

对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。

完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

5、编程方法简单

梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。

6、维修工作量少，维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。

PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

7、体积小，能耗低

对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来1/2-1/10。

第3章T68镗床电气控制电路

镗床也是用于孔加工的机床，与钻床比较，镗床主要用于加工精确的孔和各孔间的距离要求较精确的零件，如一些箱体零件（机床主轴箱、变速箱等）。

镗床的加工形式主要是用镗刀镗削在工件上已铸出或已粗钻的孔，除此之外，大部分镗床还可以进行铣削、钻孔、扩孔、铰孔等加工。

镗床的主要类型有卧式镗床、坐标镗床、金刚镗床和专用镗床等，其中以卧式镗床应用最广。

本节介绍T68型卧式镗床的电气控制电路。

T68型卧式镗床型号的含义为

3.1T68卧式镗床的用途主要构造、运动形式

3.1.1镗床的用途主要构造

镗床主要用于孔的精加工，可分为卧式镗床、落地镗床、坐标镗床和金钢镗床等。

卧式镗床应用较多，它可以进行钻孔、镗孔、扩孔、铰孔及加工端平面等，使用一些附件后，还可以车削圆柱表面、螺纹，装上铣刀可以进行铣削。

镗床在加工时，一般是将工件固定在工作台上，由镗杆或平旋盘（花盘）上固定的刀具进行加工。

机床的基本组成如下：

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，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。

图3.1T68镗床结构示意图

5）面板1

面板上安装有机床的所有主令电器及动作指示灯、机床的所有操作都在这块面板上进行，指示灯可以指示机床的相应动作。

6）面板2

面板上装有断路器、熔断器、接触器、热继电器、变压器等元器件，这些元器件直接安装在面板表面，可以很直观的看它们的动作情况。

7）三相异步电动机

两个380V三相鼠笼异步电动机，分别用作主轴电动机（双速）和快速移动电动机。

8）故障开关箱

设有32个开关，其中K1到K25用于故障设置；

K26到K31保留；

K32用作指示灯开关，可以用来设置机床动作指示与不指示。

3.1.2.运动形式

卧式镗床的典型加工方法如图2所示，（a）图为用装在镗床轴上的悬伸刀杆镗孔，由镗床轴的轴向移动进行纵向进给；

（b）图为利用后支承架支承的长刀杆镗床削同一轴线上的前后两孔，（c）图为用装在平旋盘上的悬伸刀杆镗削较大直径的孔，两者均由工作台的移动进行纵向进给；

（d）图为用装在镗床轴上的端铣刀铣削平面，由主轴箱完成垂直进给运动；

图（e）、（f）为用装在乎旋盘刀具溜板上的车刀车削内沟槽和端面，均由刀具溜板移动进行径向进给。

图3.2卧式镗床的主运动和进给运动示意图

主运动：

镗床轴的旋轴与平旋盘的旋转运动。

进给运动包括：

①镗床轴的轴向进给；

②平旋盘上刀具的径向进给；

③主轴箱的垂直进给；

④工作台的横向进给和纵向进给。

辅助运动包括：

①主轴箱，工作台等的进给运动上的快速调为移动；

②后立柱的纵向调位移动；

③尾架的垂直移动及各部分的快速移动；

④工作台的转位移动。

3.2卧式镗床对电力拖动及控制系统的要求

T68卧式镗床由主轴电动机M1和进给电动机M2拖动。

其中主轴电动机M1为△―YY接法的双速电动机，它不但可以正、反转，高、低速启动运转，还可以反接制动及点动控制。

进给电动机M2可以正、反向运转。

1.主轴旋转和进给都应有较大的调速范围；

双速鼠笼式异步电动机，机电联合调速

2.进给运动和主轴及花盘的旋转采用同一台电动机拖动，主电动机能正反转，并可调速，高速运转应先经过低速起动，各方向的进给应有联锁。

3.各进给部分应能快速移动——采用一台快速电动机拖动；

4.主电动机要能正反向点动，并且有准确的制动，本机床采用电磁铁带动的机械制动装置。

3.3电气控制的特点

⑴主轴与进给电动机M1为双速电动机，低速时可直接启动，高速时，先低速启动，而后自动转换成高速运行，以减小启动电流。

⑵主电动机M1的制动采用电磁操控的断电式制动装置。

⑶主轴和进给变速均在运行中进行，变速操作时，主电动机便断电停车，变速完成以后又恢复运行。

⑷主轴箱、工作台与主轴进给等部分的快速移动有单独的快速移动电动机M2拖动，它们与机动进给之间有机械和电气的连锁保护。

3.4T68型卧式镗床电气控制电路分析

3.4.1主电路工作原理分析

T68型卧式镗床共由两台三相异步电动机驱动，即主拖动电动机M1和快速移动电动机M2。

熔断器FU1作电路总的短路保护，FU2作快速移动电动机和控制电路的短路保护。

M1设置热继电器作过载保护，M2是短期工作，所以不设置热继电器。

M1用接触器KM1和KM2控制正反转，KM3、KM4和KM5作三角形——双星形变速切换。

M2用接触器KM6和KM7控制正反转。

3.4.2控制电路工作原理分析

（1）主轴电动机M1的控制

图3.3T68镗床电气原理图

①主轴电动机M1的正反转控制

按下正转起动按钮SB2，中间接触器KA1线圈得电吸合，KA1常开触头闭合，接触器KM3线圈得电（此时位置开关QS3和QS4已被操纵手柄压合），KM3主触头闭合，将制动电阻R短接，而KM3常开辅助触头闭合，接触器KM1线

圈得电合，KM1主触头闭合，接通电源。

KM1的常开触头闭合，KM4线圈得电吸合，KM4主触头闭合，电动机M1接成△正向起动。

反向时只需按下按钮SB3，动作原理同上，所不同的是中间继电器KA2和接触器KM2得电吸合。

②主轴电动机M1的点动控制

按下正向点动按钮SB4，接触器KM1线圈得电吸合，KM1的常开触头闭合，接触器KM4线圈得电吸合，这样，KM1和KM4的主触头闭合，便使电动机M1接成△并串联电阻R点动。

同理按下反向点动按钮SB5，接触器KM2和KM4线圈得电吸合，M1反向点动。

③主轴电动机M1的停车制动

假设电动机M1正转，当速度达到120转/分以上时，速度继电器SR2常开触头闭合，为停车制动作好预备。

若要M1停车，就按SB1，则中间继电器KA1和接触器KM3断电释放，KM3常开触头断开，KM1线圈断电释放，KM4线圈也断电释放，由于KM1和KM4主轴触头断开，电动机M1断电作惯性运转。

紧接着，KM2和KM4线圈获电吸合，KM2和KM4主触头闭合，电动机M1串电阻R反接制动。

当转速降至120转/分以下时，速度继电器SR1常开触头断开，接触器KM2和KM4断电释放，停车反接制动结束。

假如电动机M1反转，当速度达到120转/分以上时，速度继电器SR1常开触头闭合，为停车制动作好预备。

以后的动作过程与正转制动时相似。

④主轴电动机M1的高、低速控制

若选择电动机M1在低速（△接法）运行，可通过变速手柄使变速行程开关SQ（13区）处于断开位置，相应的时间继电器KT线圈断电，接触器SK5线圈也断电，电动机M1只能由接触器KM4接成△连接。

假如需要电动机在高速运行，应首先通过变速手柄使开关SQ压合，然后按正转启动按钮SQ2（或反转启动按钮SQ3），KA1线圈（反转时应为KA2线圈）得电吸合，时间继电器KT和接触器KM3线圈同时得电吸合。

由于KT两副触延时动作，故KM4线圈断电释放，KT的常开触头延时闭合，KM5线圈得电吸合，电动机M1成YY连接，以高速运行。

⑤主轴变速及进给变速控制

本机床主轴的各种速度是通过变速操纵盘以改变传动链的传动比来实现的。

当主轴地工作过程中，欲要变速，可不必按停止按钮，而可直接进行变速。

设M1原来运行在正转状态，速度继电器SR2早已闭合。

将主轴变速操纵盘的操作手柄拉出，与变速手柄有机械联系的行程开关SQ3不再受压而断开，KM3和KM4线圈先后断电释放，电动机M1断电，由于行程开关SQ3常闭触头闭合，KM2和KM4线圈得电吸合，电动机M1串电阻R反接制动。

等速度继电器SR2常开触头断开，M1停车，便可转动变速操纵盘进行变速。

变速后，将变速手柄推回原位，SQ3重新压合，接触器KM3、KM1和KM4线圈获电吸合，电动机M1启动，主轴以新选定的速度运转。

变速时，若因齿轮卡住手柄不能上下时，此时变速冲动行程开关SQ6被压合，速度继电器的常闭触头SQ2已恢复闭合，接触器KM1线圈获电吸合，电动机M1启动。

当速度高于120转/分时，SR2常闭触头又闭合了，从而又接接通低速旋转电路而重复是述过程。

这样，主轴电动机就被间歇地启动和制动低速旋转。

以便齿转能顺利啮合。

直到齿轮啮合好，手柄推上后，压下行程开关SQ3，松开SQ6，将冲动电路切断。

同时，由于SQ3的常开触头闭合，主轴电动机启动旋转，从而主轴获得选定的转速。

进给变速的操作和控制与主轴变速的操作和控制相同。

只有在进给变速时，拉出的操作手是进给变速操纵盘手柄，与该手柄有机械联系的是行程开关SQ4，进给变速冲动的行程开关SQ5。

（2）快速移动电动机M2的控制

主轴的轴向进给、主轴箱（包括尾架）的垂直进给、工作台的纵向和横向进给等的快速移动，是由电