万能铣床电气控制线路的PLC改造Word格式.docx
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3.4PLC程序设计26
第四章X62W万能铣床PLC改造后的运行调试29
第五章PLC控制与电气控制的区别30
致谢31
参考文献32
绪论
自20世纪60年代美国推出可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC)取代传统继电器控制装置以来,PLC得到了快速发展,在世界各地得到了广泛应用。
同时,PLC的功能也在不断完善。
随着计算机技术、信号处理技术、控制技术、网络技术的不断发展和用户需要的不断提高,PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑控制,在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用,电气控制与PLC应用技术在各个领域也得到越来越广泛的应用,掌握电气控制与PLC应用技术对提高我国工业自动化水平和生产效率具有重要的意义。
铣床是以各类电动机为动力的传动装置与系统的对象以实现生产过程自动化的技术装置。
电气系统是其中的主干部分,在国民经济各行业中的许多部门得到广泛应用。
随着电子技术的发展,可编程序控制器日益广泛的应用于机械、电子加工与设备电气改造中。
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。
自动铣床控制系统的设计是一个很传统的课题,现在随着各种先进精确的诸多控制仪器的出现,铣床控制的设计方案也越来越先进,越来越趋于完美,各种参考文献也数不胜数。
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。
第一章X62W万能铣床电气控制
1.1铣床简介
铣削是一种高效率的加工方式,铣刀的旋转是主运动,工作台的上下、左右、前后运动都是进给运动,其他的运动,如工作台的旋转运动则是辅助运动。
铣床的种类很多,按照结构型式和加工性能的不同,可分为立式铣床、卧式铣床、仿形铣床、龙门铣床和专用铣床等。
万能铣床是一种通用的多用途机床,它可以用圆柱铣刀、圆片铣刀、成型铣刀及端面铣刀等工具对各种零件进行平面、斜面、螺旋面及成型表面的加工,还可以加装万能铣头和圆工作台来扩大加工范围。
目前,万能铣床常用的有两种,一种是卧式万能铣床,铣头水平放置,型号为X62W;
另一种是立式万能铣床,铣头垂直放置,型号为X52K。
这两种铣床结构大体相似,差别在于铣头的放置方向上,而工作台进给方式,主轴变速等都一样,电气控制线路经过系列化以后,也是一样的,只不过容量不同。
型号意义
图1.1
1.2X62W万能铣床的主要结构及运动特点
X62W万能铣床是一种通用的多用途机床,它可以进
行平面、斜面、螺旋面及成型表面的加工,是一种较为精密的加工设备,它采用继电接触器电路实现电气控制。
1.2.1.X62W万能铣床的主要结构
X62W型万能铣床的外形结构如图所示,它主要由床身、主轴、刀杆、悬梁、工作台、回转盘、横溜板、升降台、底座等几部分组成。
在床身的前面有垂直导轨,升降台可沿着它上下移动。
在升降台上面的水平导轨上,装有可在平行主轴轴线方向移动(前后移动)的溜板。
溜板上部有可转动的回转盘,工作台就在溜板上部回转盘上的导轨上作垂直于主轴轴线方向移动(左右移动)。
工作台上有T形槽用来固定工件。
这样,安装在工作台上的工件就可以在三个坐标上的六个方向调整位置或进给。
1.2.2.X62W铣床运动特点
1、主运动:
主轴带动铣刀的旋转运动。
铣削加工有顺铣和逆铣两种加工方式,所以要求主轴电动机能正转和反转,用组合开关来控制主轴电动机的正转和反转。
铣削加工是一种不连续的切削加工方式,为减小振动,主轴上装有惯性轮,但这样会造成主轴停车困难,为此主轴电动机采用电磁离合器制动以实现准确停车。
铣削加工过程中需要主轴调速,采用改变变速箱的齿轮传动比来实现,主轴电动机不需要调速。
2、进给运动:
加工中工作台的上下、左右、前后运动及圆工作台的运动。
铣床的工作台要求有前后、左右和上下六个方向上的进给运动和快速移动,所以要求进给电动机能正反转。
为扩大加工能力,在工作台上可加装圆形工作台,圆形工作台的回转运动由进给电动机经传动机构驱动。
为保证机床和刀具的安全,在铣削加工时,任何时刻工件都只能有一个方向的进给运动,因此采用机械操作手柄和行程开关相配合的方式实现六个运动方向的联锁。
为防止刀具和机床的损坏,要求只有主轴旋转后,才允许有进给运动;
同时为了减小加工件的表面粗糙度,要求进给停止后,主轴才能停止或同时停止。
进给变速采用机械方式实现,进给电动机不需要调速。
3、辅助运动:
工作台在各个方向的快速移动及主轴和进给的变速冲动。
工作台的快速运动是指工作台在前后、左右和上下六个方向之一上的快速移动。
它是通过快速移动电磁离合器的吸合,改变机械传动链的传动比实现的。
为保证变速后齿轮能良好啮合,主轴和进给变速后,都要求电动机做瞬时点动,即变速冲动。
1.3X62W万能铣床电气控制线路分析
X62W万能铣床的电气控制线路。
分为主电路,控制电路和照明电路三部分。
(1)主轴电动机M1的控制。
主电路中共有三台电动机,M1是主电动机,拖动主轴带动铣刀进行铣削加工;
M2是工作台进给电动机,拖动升降台及工作台进给;
M3是冷却泵电动机,供应冷却液。
每台电动机均有热继电器作过载保护。
M1由交流接触器KM1控制,为操作方便,在机房的不同位置各安装了一套启动和停止按钮;
SB2和SB6装在床身上,SB1和SB5装在升降台上。
对M1的控制包括有主轴的启动、停止制动、换刀制动和变速冲动。
①启动:
在启动前先按照顺铣或逆铣的工艺要求,用组合开关SA3预先确定M1的转向。
按下SB1或SB→KM1线圈通电→M1启动运行,同时KM1动合辅助触点(7—13)闭合为KM3、KM4线圈支路接通做好准备。
SA3的功能如下表所示。
主轴转换开关位置表
触点位置
正转
停止
反转
SA3-1
-
+
SA3-2
SA3-3
SA3-4
②停车与制动:
按下SB5或SB6—SB5或SB6动合触点断开(3—5或1—3)→KM1线圈断电,M1停车→SB5或SB6动合触点闭合(105—107)制动电磁离合器YC1线圈通电→M1制动。
制动电磁离合器YC1装在主轴传动系统与M1转轴相连的第1根传动轴上,当YC1通电吸合时,将摩擦片压紧,对M1进行制动。
停转时,应按住SB5或SB6直至主轴停转才能松开,一般主轴的制动时间不超过0.5s。
③主轴的变速冲动:
主轴的变速冲动是通过改变齿轮的传动比实现的。
在需要变速是,将变速手柄拉出,转动变速盘至所需的转速,然后将变速手柄复位。
在手柄复位的过程中,在瞬间压动了行程开关SQ1,手柄复位后,SQ1也随之复位。
在SQ1动作的瞬间,SQ1的动合触点(5—7)先断开其他支路,然后动合触点(1—9)闭合,点动控制KM1,使M1产生瞬间的冲动,利用齿轮的啮合;
如果点动一次齿轮还不能啮合,可重复进行上述动作。
④主轴换刀控制:
在上刀或换刀时,主轴应处于制动状态,以避免发生事故。
只要将换刀制动开关SA1拔至“接通”位置,其动断触点SA1-2(4—6)断开控制电路,保证在换刀时机床没有任何动作;
其动合触点SA1-1(105—107)接通YC1,使主轴处于制动状态。
换刀结束后,要记住将SA1扳回“断开”位置。
(2)进给运动控制。
工作台的进给运动分常速(工作)进给和快速进给,常速进给必须在M1启动运行后才能进行,而快速进给属于辅助运动,可以在M1不启动的情况下进行。
工作台在6个方向上的进给运动是由机械操作手柄带动相关的行程开关SQ3~SQ6,通过控制接触器KM3、KM4来控制进给电动机M2正反转实现。
行程开关SQ5和SQ6分别控制工作台的向右和向左运动,SQ3和SQ4则分别控制工作台的向前、向下和向后、向上运动。
进给拖动系统使用的两个电磁离合器YC2和YC3都安装在进给传动链中的第4根传动轴上。
当YC2吸合而YC3断开时,为常速进给;
当YC3吸合而YC2断开时,为快速进给。
①工作台的纵向进给运动:
工作台的纵向(左右)进给运动是由“工作台纵向操纵手柄”来控制的。
手柄有3个位置:
向左、向右、零位(停止)。
其控制关系如下表所示。
工作台纵向进给开关位置
触点
位置
左
停
右
SQ5-1
SQ5-2
SQ6-1
SQ6-2
将纵向进给操作手柄扳向右边→行程开关SQ5动作→其动断触点SQ5-2(27—29)先断开,动合触点SQ5-1(21—23)后闭合→KM3线圈通过(13—15—17—19—21—23—25)路径通电→M2正转→工作台向右运动。
若将操作手柄扳向左边,则SQ6动作→KM4线圈通电→M2反转→工作台向左运动。
SA2为圆工作台控制开关,此时应处于“断开”位置,3组触点状态为SA2-1、SA2-3接通,SA2-2断开。
②工作台的垂直与向进给运动:
工作台垂直与横向进给运动由一个十字形手柄有上、下、前、后和中间5个位置,其对应的运动状态如下表所示。
将手柄扳至向下或向上位置时,分别压动行程开关SQ3或SQ4,控制M2正转或反转,并通过机械传动机构使工作台分别向下和向上运动;
而当手柄扳至向前或向后位置时,虽然同样是压动行程开关SQ3和SQ4,但此时机械传动机构使工作台分别向前和向后运动。
当手柄在中间位置时,SQ3和SQ4均不动作。
下面就是以向上运动的操作为例分析电路的工作情况,其余的可自行分析。
工作台横向与垂直操纵手柄功能
手柄位置
工作台运动方向
离合器接通的丝杆
行程开关动作
接触器动作
电动机运转
向上
向上进给或快速向上
垂直丝杆
SQ4
KM4
M2反转
向下
向下进给或快速向下
垂直丝杆
SQ3
KM3
M2正转
向前
向前进给或快速向前
横向丝杆
向后
向后进给或快速向后
中间
升降或横向停止
--
将十字形手柄扳至“向上”位置,SQ4的动作断触点SQ4-1先断开,动合触点SQ4-1后闭合→KM4线圈经(13—27—29—19—21—31—33)路径通电→M2反转→工作台向上运动。
③进给变速冲动:
与主轴变速时一样,进给变速时也需要使M2瞬间点动一下,使齿轮易于啮合。
进给变速冲动由行程开关SQ2控制,在操纵进给变速手柄和变速盘时,瞬间压动了行程开关SQ2,在SQ2通电的瞬间,其动断触点SQ2-1(13—15)先断开而动合触点SQ2-2(15—23)后闭合,使KM3线圈经(13—27—29—19—17—15—23—25)路径通电,M2正向点动。
由KM3的通电路径可见:
只有在进给操作手柄均处于零位(即SQ3~SQ6均不动作)时,才能进行进给变速冲动。
④工作台快速进给的操作:
要使工作台在6个方向快速进给,在按常速进给的操作方法操作进给控制手柄的同时,还要按下快速进给按钮开关SB3或SB4(两地控制),使KM2线圈通电,其动断触点(105—109)切断YC2线圈支路,动合触点(105—111)接通YC3线圈支路,使机械传动机构改变传动比,实现快速进给,由于与KM1的动合触点(7—13)并联了KM2的一个动合触点,所以在M1不启动的情况下也可以进行快速进给。
(3)圆工作台的控制。
在需要加工弧形槽、弧形面和螺旋槽时,可以在工作台上加工装圆工作台。
圆工作台的回转运动也是由进给电动机M2拖动的。
在使用圆工作台时,将控制开关SA2扳至“接通”的位置,此时SA2—2接通而SA2—1、SA2—3断开。
在主轴电动机M1启动的同时,KM3线圈(13—15—17—19—29—27—23—25)的路径通电,使M2正转,带动圆工作台旋转运动(圆工作台只需要单向旋转)。
由KM3线圈的通电路径可见,只要扳动工作台进给操作的任何一个手柄,SQ3~SQ6其中一个行程开关的动断触点断开,都会切断KM3线圈支路,使圆工作台停止运动,这就实现了工作台进给和圆工作台运动的联锁关系。
圆工作台转换开关SA1情况说明如下表所示。
圆工作台
接通
断开
SA2-1
SA2-2
SA2-3
1.3.3.照明电路
照明灯EL由照明变压器T1提供24V的工作电压,SA4为灯开关,FU5提供短路保护。
第二章可编程控制器概述
2.1PLC基础知识
2.1.1.可编程控制器的产生和定义
在市场经济的推动下,人们要求产品品种齐全且优质价廉。
为适应市场的需要,工业产品的品种就要不断更新换代,从而要求产品的生产线及附属的控制系统不断地修改及更换。
在20世纪60年代,生产线的控制主要采用继电器控制。
修改一条生产线,要更换许多硬件设备,进行复杂的接线,即浪费了许多硬件,又大大拖延了施工周期,增加了产品的成本。
于是人们开始寻找一种新型的通用控制设备,1968年美国通用公司(GM)液压部,提出了以下10项招标指标:
(1)编程简单,可在现场修改和调试程序;
(2)维护方便,各部件最好采用插件方式;
(3)可靠性高于继电器控制系统;
(4)设备体积小于继电器控制柜;
(5)数据可以直接送给管理计算机;
(6)成本可与继电器控制系统相竞争;
(7)输入电压是115V交流电;
(8)输出电压也是115V交流电,输出电流达2A以上,能直接驱动电磁阀;
(9)系统扩展时,原系统只需做小的变动;
(10)用户程序存储容量可扩展到4KB。
美国数字设备公司(DEC)中标,于1969年研制成功了一台符合要求的控制器,称为可编程控制器,在通用汽车公司(GM)的汽车装配生产线上试验并获得成功。
美国电气制造商协会(NEMA)经过调查,于1980年把这种控制正式命名为可编程控制器(ProgrammableController),英文缩写为PC。
为了与个人计算机PC(PersonalComputer)相区别,就在PC中间加入L(Logical)而写成PLC。
国际电工委员会(IEC)于1982年颁布了PLC标准菜草案第一稿,1987年2月颁布了第三稿,对可编程控制定义如下:
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专业在工业环境下应用而设计。
它采用可编程的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令,并通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械动作过程。
可编程控制器及其相关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则设计。
可编程控制器的出现,立即引起了各国的注意。
日本于1971年引进可编程控制器技术,德国于1973年引进可编程控制器技术,中国于1973年开始研制可编程控制器,1977年应用到生产线上。
自20世纪60年代以来发展极为迅速、应用极为广泛的工业控制装置,是现代工业自动代控制的首选产品,与机器人、CAD\CAM并称为工业生产自动化的三大支柱。
如果说初期发展起来的PLC主要是以它的高速可靠性、灵活性和小型化来代替传统的继电——接触控制的,那么当今的PLC则吸取了微电子技术和计算机技术的最新成果,得到了更新的发展。
从单机自动化到整条生产线的自动化,甚至到整个工厂的生产自动化,从柔性制造系统,工业机器人到大型分散控制系统,PLC均承担着重要角色。
2.1.2.可编程控制器的分类及编程语言
1.PLC的分类
可编程控制器已成为工业控制领域中最常见、最重要的控制装置,它代表着一个国家的工业水平。
世界上生产可编程控制器的厂家非常多,其中著名的厂家有美国A.B公司,日本的三菱公司,德国的西门子公司等。
可编程控制器通常以输入输出点(I/O)总数的多少进行分类。
I/O点数在128点以下为小型机;
I/O点数在129~512点为中型机;
I/o点数在513点以上为大型机。
可编程控制器的I/O点数越多,其存储容量也越大。
PLC按结构形式分类可分为整体式和模块式两种。
整体式又称为单元式或箱体式。
整体式PLC将电源、CPU、I/O部件都集中装在一个机箱内,其结构紧凑、体积小、价格低,一般小型PLC采用这种结构。
模块化结构是将PLC各部分分成若干个单独的模块,如CPU模块、I/O模块、电源模块和各种功能模块。
有的PLC将整体式和模块式结合起来,称为叠装式PLC。
它除基本单元和扩展单元外,还有扩展模块和特殊功能模块,其配置更加灵活。
2.PLC编程语言
可编程控制器的编程语言常用的有梯形图、指令表和状态流程图。
由于梯形图比较直观,容易掌握,因而很受普通技术人员的欢迎。
可编程控制器的常用编程工具有:
(1)手持式编程器,一般供现场调试及修改使用。
(2)个人电脑,利用专用的编程软件进行编程。
2.1.3.可编程控制器的应用和发展
可编程控制器在国内外已广泛应用于钢铁、石化、机械制造、汽车装置、电力、轻纺等各行各业,目前PLC主要有以下几个方面应用。
(1)用于开关逻辑控制。
这是PLC最基本的应用。
可用PLC取代传统继电器接触器控制,如普通机床、数控机床电气PLC控制,也可取代顺序控制,如高炉上料、电梯控制、货物存取、运输、检测等。
总之,PLC可用于单机、多机群控以及生产线的自动化控制。
(2)闭环过程控制。
过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。
PLC通过模拟量I/O模块,实现模拟(Analog)量和数字(Digital)量之间的转换,一般称为A\D转换和D\A转换,这一闭环控制功能可以用PID子程序或专用的PID闭环控制功能已经广泛地应用于塑料挤压成形机、加热炉、热处理炉和锅炉等设备,以及轻工、化工、机械、冶金、电力及建材等行业。
(3)数据处理。
现代的PLC具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表以及位操作等功能,可以完成数据的采集、分析和处理。
这些数据可以与储存在存储器中的参数值进行比较,也可以用通信功能传送到其他智能装置,或者将其打印制表。
(4)通信联网。
PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能设备(如计算机、变频器、数控装置)之间的通信。
PLC与其他智能控制设备一起,可以组成“集中管理、分散控制”的分布控制系统。
自从美国研制出第一台PLC以后,日本、德国、法国等工业发达国家相继研制出各自的PLC。
20世纪70年代中期在PLC中引入了微机计算机技术,使PLC的功能不断增强,质量不断提高,应用日益广泛。
1971年日本从美国引进PLC技术,很快就研制出日本第一台DSC—8型PLC。
1984年日本就有30多个PLC生产厂家,产品达到60多种以上。
西欧在1973年研制出第一台PLC,并且发展很快,年销售增长20%以上。
目前,世界上众多的PLC制造厂家中,比较著名的几个大公司有美国AB公司、歌德公司、德州仪器公司、通用电气公司,德国的西门子公司,日本的三菱、东芝、富士和立石公司等,它们的产品控制着世界上大部分的PLC市场。
PLC技术已成为工业自动化3大技术(PLC技术、机器人、计算机辅助设计与分析)支柱之一。
我国研制与应用PLC起步较晚,1973年开始研制,1977年开始应用,20世纪80年代初期以前发展较慢,20世纪80年代随着成套设备或专用设备引进了不少PLC,如宝钢一期工程整个生产线上就是使用了数百台PLC,二期工程使用得更多。
近几年来国外PLC产品大量进入我国市场,我国已有许多单位在消化吸收引进PLC技术的基础上,仿制和研制了PLC产品。
例如,北京机械自动化研究所、上海起重电器厂、上海电力电子设备厂、无锡电器厂等。
目前,PLC主要是朝着小型化、廉价化、系列化、标准化、智能化、高速化和网络化方向发展,这将使PLC功能更强、可靠性更高、使用更方便、适应面更广。
2.2PLC的基本组成
2.2.1.PLC的硬件结构
PLC型号品种繁多,但实质都是一种工业控制计算机.与通用计算机相比,可编程控制器不仅具有与工业过程直接相连的接口,而且具有更适应于工业控制的编程语言.可编程控制器的编程大致上主要由中央处理单元(CPU)\存储器\输入/输出单元(I/O)\电源和编程器等及部分组成.其结构方框图如下图所示:
1.中央处理器(CPU)
CPU是PLC的核心部件,起着控制和运算的作用.它能够执行程序规定的各种操作,处理输入信号,发送输出信号等,PLC的整个工作过程都是在CPU的统一指挥和协调下进行的.
2.存储器
用于存放系统程序监控运行程序\用户程序\逻辑及数字运算的过程变量及其他所有信息.PLC的存储器可分为三类:
(1)系统程序存储器.系统程序存储器由POM或EPROM组成,用以固化系统管理和监控程序,对用户程序作编译处理.系统程序由厂家编写,它决定了PLC的基本功能,用户不能更改.
(2)用户程序存储器.用户程序存储器通常采用低功率的CMOS-RAM,由后备电池供电,在断开电源后仍能够保存.目前比较先进的PLC采用可随时读写的快闪存储器,可不需要后备电池,断电时存储器的内容也不会丢失.在PLC的产品说明书中给出的”内存容量”或”程序容量”就是指用户程序存储容量.
(3)数据存储器.数据存储器按输入、输出和内部寄存器、定时器、计数器、数
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