机电传动控制课程设计 基于PLC的X62W万能铣床控制系统的改造.docx
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机电传动控制课程设计 基于PLC的X62W万能铣床控制系统的改造.docx
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机电传动控制课程设计基于PLC的X62W万能铣床控制系统的改造
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:
基于PLC的X62W万能铣床控制系统的改造
学院:
机械工程学院
专业班次:
机械电子2011级
姓名:
华章勇
指导教师:
路连,李森林
学期:
2013~2014学年第一学期
日期:
2013.12.27
基于PLC的X62W万能铣床控制系统的改造
1本课程简介
1.1X62W万能铣床的机械结构
X62W型万能铣床的结构主要由床身、主轴、刀杆、悬梁、刀杆支架、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的溜板。
溜板上部有可移动的回转盘,工作盘就在溜板上部的回转盘上的导轨做垂直于主轴轴线方向的移动。
工作台上有个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的六个方向调整位置或进给。
铣床主轴带动铣刀的旋转运动时主运动;铣床工作台的前后、左右、和上下6个方向的运动是进给运动、铣床的其他运动,如工作台的讯转运动则属于辅助运动。
此外由于,由于回转盘可绕中心绕过一个角度(通常是45度),因此工作台在水平面上除了能在平行于或垂直于主轴轴线方向进给,还能在倾斜方向进给,可以加工螺旋槽,故称为万能铣床。
1.2X62W万能铣床的发展
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。
一种新型的控制装置,一项先进的应用技术,总是根据工业生产的实际需要而产生的。
自从1969年第一台可编程控制器在美国问世以来,在工业控制中得到广泛的应用。
近年来,我国在石油、化工、机械、轻工、发电、电子、橡胶、塑料加工等行业工艺设备的电气控制中,越来越多地采用PLC机控制,并取得了显著的效果,深受各行业的欢迎。
1988年开始将可编程序控制器应用在万能铣床上,至今使用情况一直良好。
1.3本课题研究的主要内容及意义
1)本课题研究的内容主要有二个方面:
1.X62W万能铣床控制系统的机械结构
根据X62W万能铣床控制系统特性,分析X62W万能铣床结构,为PLC控制改造做好基础。
设计一种新的PLC控制系统部分代替人工操作,它能大大的改善工人的劳动条件,显著提高的提高生产劳动效率,加快实现工业的机械化和自动化的步伐。
2.PLC对X62W万能铣床控制系统的硬件和软件的开发
万能铣床的操作是通过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。
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。
2)该研究的目的、意义
对个人来说,通过课程设计培养自己综合运用所学的基础理论、基础知识、基本技能进行分析和解决实际问题的能力,使自己受到PLC系统开发的综合训练,达到能够进行PLC系统设计和实施的目的,掌握典型X62W铣床的工作原理和设计思路;
从社会来说,PLC可以很容易地实现比较复杂的控制逻辑,传统的继电器系统实现同样的功能则需要大量的控制继电器,PLC以弱电控制强电,省去大量控制继电器,节省电能,运行成本低,对于复杂工艺的控制系统,采用PLC可以简化控制设备(箱柜),节省设备投资;
对旧机器进行PLC改造可以提高机器的工作效率、质量,节约资源,开发更多更好的产品。
对我国生产水平提高有重要作用。
1.4X62W万能铣床基本概况
1、铣床型号意义:
X62W中X代表铣床,6代表卧式,2号工作台,W代表万能。
2、X62W万能铣床的外形主要结构图如图:
1—床身(立柱) 2—主轴 3—刀杆 4—悬梁 5—支架 6—工作台
7—回转盘8—横溜板 9—升降台 10—底座
X62W万能铣床的外形主要结构图
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。
铣床主轴带动铣刀的旋转运动是主运动;铣床工作台的前后(横向)、左右(纵向)和上下(垂直)6个方向的运动是进给运动;铣床其他的运动,如工作台的旋转运动、在各个方向的快速移动则属于辅助运动。
1.5X62W机床的特点和控制要求
1)X62W机床的特点
(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。
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。
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。
2)控制要求
(1)主轴电动机M1有三种控制:
正反转起动,反接制动和变速冲动。
(2)工作台进给电动机M2有三种控制:
进给、快速移动和变速冲动。
(3)M3拖动冷却泵提供冷却液,只需单向运行。
(4)为了能及时实现控制,机床设置了两套操纵系统,再机床正面及侧都安装了相同的按钮、手轮和手柄,操作方面,以实现两地控制。
(5)为了保证安全,防止事故,机床有顺序的动作,采用了联锁。
(6)三台电动机都设有过载保护,控制线路设有短路保护,工作台的六个方向,都设有终端保护。
1.6X62W万能铣床电气控制主要元器件
1、FR压缩机热继电器(FR1、FR2、FR3)是由流入热元件的电流产生的热量使不同膨胀的双金属片发生形变,当形变达到一定距离时,就推动连杆动作。
使控制电路断开,从而使接触器失电,主电路断开,实现电动机的过载保护,继电器作为电动机的过载保护元件,以其体积小,结构简单,成本低等优点,在生产中得到了广泛应用。
2、速度继电器(KS-1、KS-2):
反接制动,当M1的转速低于120转/分时,速度继电器KS的一副常开触点恢复断开。
切断电路,M停转。
3、SB1、SB3与SB2、SB4是分别装在机床两边得停止(制动)和启动按钮,实现两地控制,方便操作,KM1是主轴电动机启动接触器,KM2是反接制动和主轴变速冲动接触器,SQ7是与主轴变速手柄联动的瞬间动作行程开关。
4、铣床的选型 :
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。
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,可以提高整个电气控制系统的工作性能,减少维护、维修的工作量
铣床的电机参数参照表
符号
名称
型号
规格
件数
作用
M1
主轴电动机
Y132M—4—B3
7.5KW,380V,1450r/min
1
主轴传动
M2
进给电动机
Y90L—4
1.5KW,380V,1400r/min
1
进给传动
M3
冷却泵电动机
JCB—22
0.125KW,380V,2790r/min
1
冷却泵传动
1.7X62W万能铣床原控制线路分析
1、主轴电动机需启动时,要先将SA5扳到主轴电动机素需要的旋转方向,然后再按启动按钮SB3或SB4来启动电动机M1。
2、M1启动后,KS闭合,为主轴电动机的停转制动做好准备,停车时,按停住按钮SB1或SB2切断KM1电路,接通KM2电路,改变M1的电源相序进行串电阻反接制动。
使ks常闭触电断开,切断KM2电路,M1停转,制动结束。
主轴电动机反转时的通路:
1→2→3→7→8→9→10→KM1线圈→0;主轴停止与反接制动时的通路:
1→2→3→4→5→→KM2线圈→0
3、主轴电动机变速时的顺动(冲动)控制,是利用变速手柄与冲动行程开关SQ7通过机械上联动机构进行控制的。
但要注意,不论是开车还是停车时,都应以较快的速度把手柄推回原始位置,以免通电时间过长,引起M1转速过高而打坏齿轮。
4、工作台纵向(左右)运动的控制。
当手柄扳到向右或向左运动方向时,手柄的联动机构压下行程SQ1或SQ2,时接触器KM3或KM4动作,控制M2的正反转。
向左:
压下SQ1,使SQ1-2断,SQ1-1通,而其他控制进给运动的行程开关都处于原始位置,使KM3吸合,M2正转,其控制电路的通路为:
11→15→16→17→18→19→20→KM3线圈→0;向右:
压动行程开关SQ2,使SQ2-2断,SQ2-1通,使KM4吸合,M2反转,其通路为:
11→15→16→17→18→24→25→KM4线圈→0。
5、工作台垂直(上下)和横向(前后)运动的控制:
工作台的垂直和横向运动,由垂直和横向进给手柄操纵。
工作台前(或者向下)运动的的控制:
下压SQ4,使SQ4-2断,SQ4-1通,使KM4吸合,M2反转,其通路为:
11→21→22→17→18→24→25→KM4线圈→0;工作台向后(或者向上)运动的控制:
同时下压SQ3,使SQ3-2断,SQ3-1通,使KM3吸合,M2正转,其通路为:
11→21→22→17→18→19→20→KM4线圈→0。
6、进给电动机变速时的瞬动(冲动)控制:
连杆机构二次瞬时压下行程开关SQ6,使KM3瞬时吸合,M2作正向瞬动。
其通路为:
11→21→22→17→16→15→19→20→KM3线圈→0。
7、工作台快进进给也是有进给电动机M2来驱动,在纵向,横向和垂直三种运动形式六个方向上都可以实现快速进给控制。
主轴电动机启动后,将进给操纵手柄扳倒所需位置,按下快速进给按钮SB5(或SB6),使接触器KM5通电吸台,接通牵引电磁铁YA,电磁铁通过杠杆使摩擦离合器合上,减少中间传动设置,使工作台按运动方向作快速进给运动。
当松快快速进给按钮时,电磁铁YA断电,摩擦离合器断开,快速进给运动停止,工作台仍按原常速进给时的速度继续运动。
8、圆工作台运动的控制:
准备:
SA3-1断,SA3-3断,SA3-2通。
然后按下主轴启动按钮SB3或SB4,则接触器KM1与KM3相继吸合。
主轴电机M1与进给电机M2相继启动并运转,而进给电动机仅以正转方向带动原工作台定向回转运动。
其通路为:
11→15→16→17→22→21→19→20→KM3线圈→0,由上可知,原工作台与工作台进给有互锁,即当圆工作台工作时,不允许工作台在纵向、横向、垂直方向上有任何运动。
手柄位置
位置开关动作
接触器动作
电动机M2转向
传动链搭合丝杠
工作台运动方向
上
下
中
前
后
SQ4
SQ3
—
SQ3
SQ4
KM4
KM3
—
KM3
KM4
反转
正转
停止
正转
反转
上下进给丝杠
上下进给丝杠
—
前后进给丝杠
前后进给丝杠
向上
向下
停止
向前
向后
工作台上、下、中、前、后进给手柄位置及其控制关系
2PLC改造
2.1PLC的主要特点
1、高可靠性
(1)所有的I/O接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
(2)各输入端均采用R-C滤波器,其滤波时间常数一般为10~20ms. (3)各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰。
(4)采用性能优良的开关电源。
(5)对采用的器件进行严格的筛选。
(6)良好的自诊断功能,一旦电源或其他软,硬件发生异常情况,CPU立即采用有效措施,以防止故障扩大。
(7)大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
2、丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号,如:
交流或直流;开关量或模拟量;电压或电流;脉冲或电位;强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备,如:
按钮;行程开关;接近开关;传感器及变送器;电磁线圈;控制阀等直接连接。
另外为了提高操作性能,它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络,它还有多种通讯联网的接口模块,等等。
3、采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件,包括CPU,电源,I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4、编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式,对使用者来说,不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5、安装简单,维修方便
PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接,即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的方法,使系统迅速恢复运行。
2.2X62W万能铣床电气控制改PLC控制改造说明
1、SA5用旋转开关替换,主轴电机正反转改为接触器KM7(正转)、KM8(反转)控制。
2、HL7代替电磁阀YA。
3、速度继电器的正转和反转的常开触点并接到一起为KS(“1、4”短接I2.0,“2、5”短接接DC24V电源GND端)
4、FR2、FR3的常闭触点“95、96”串联到一起,改造接线图勇FR23代替。
5、去掉照明灯EL,增加圆工作台指示灯HL1,非圆工作台指示灯HL2,主轴正转指示灯HL3,主轴反转指示灯HL4,冷却泵工作指示灯HL5,进给电机工作指示灯HL6。
6、把SQ7替换为SQ3,把SQ6替换为SQ4,SA3替换为SA1(I2.2接SA1的“1”,I2.3接SA1的“3,I2.4接SA1的“5”,SA1的“2、4、6”接DC24V电源的GND端),SA1替换为SA4。
7、把SQ1替换为SQ8左,把SQ2替换为SA8右,SQ3替换为SQ8上,把SQ4替换为SA8下。
8、主轴电动机使用双速电机
9、根据X62W万能铣床控制要求和改造说明,本次选用的PLC型号为西门子S7-200(CPU226)。
西门子S7-200是一种经济型、低端的离散自动化系统和独立自动化系统中使用的紧凑型控制器模块,CPU集成输入/输出,设计紧凑,具有多种通信选项。
S7-200主要由CPU和扩展模块构成。
CPU226能满足复杂技术要求任务,本机带24输入/16输出,满足X62W万能铣床的PLC设计要求。
2.3I/O口分配列表
序号
功能
输入
序号
功能
输出
1
主轴电机热保护FR1
I0.0
1
M1控制接触器KM1
Q0.0
2
进给和冷却泵热保护FR23
I0.1
2
M1反接制动接触器KM2
Q0,1
3
主轴停止按钮SB1(甲地)
I0.2
3
M2正转接触器KM3
Q0.2
4
主轴停止按钮SB2(乙地)
I0.3
4
M2正转接触器KM4
Q0.3
5
主轴启动按钮SB3(甲地)
I0.4
5
快速移动接触器KM5
Q0.4
6
主轴启动按钮SB4(乙地)
I0.5
6
M3控制接触器KM6
Q0.5
7
电磁阀YA吸合SB5(甲地)
I0.6
7
M1反转接触器KM8
Q0.6
8
电磁阀YA吸合SB6(乙地)
I0.7
8
M1正转接触器KM7
Q0.7
9
工作台左移SA8
I1.0
9
圆工作台HL1
Q1.0
10
工作台右移SA8
I1.1
10
非圆工作台HL2
Q1.1
11
工作台向后、向上移动SA8
I1.2
11
主轴正转HL3
Q2.0
12
工作台向前、向下移动SA8
I1.3
12
主轴反转HL4
Q2.1
13
进给冲动SQ4
I1.4
13
冷却泵工作HL5
Q2.2
14
主轴冲动SQ3
I1.5
14
进给电机工作HL6
Q2.3
15
速度继电器正转常开触点KS
I2.0
16
冷却泵启停SA4
I2.1
17
圆工作台、非圆工作台控制SA1
I2.2
18
圆工作台、非圆工作台控制SA1
I2.3
19
圆工作台、非圆工作台控制SA1
I2.4
20
主轴电机转向控制SA5
I2.5
结论
常用的万能铣床有两种:
一是卧式万能铣,型号为X62W;另一种为立式万能铣,型号为X53K。
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。
X62W型卧式万能铣床的电气控制系统,存在线路复杂、故障率高、维护工作量大、可靠性差、灵活性差等缺点,本文提出了用PLC对X62W型万能铣床的继电器接触式控制系统进行技术改造,从而保证了电控系统的快速性、准确性、合理性,更好地满足了实际生产的需要,提高了经济效益
X62W万能铣床是一种高效率的加工机械,万能铣床的操作,是通过手柄同时操作电气与机械,是机械与电气结构联合动作的典型控制。
但是在电气控制系统中,故障的查找与排除是非常困难的,这给生产与维护带来诸多不便。
随着工业自动化的发展,生产设备和自动生产线的控制系统必需具有极高的可靠性与灵活性,这就需要使用智能化程度高的控制系统来取代传统的控制系统。
基于这些问题,本文提出了利用三菱PLC和对X62W型卧式万能铣床的继电接触式电控系统进行技术改造的方案。
系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程,更是进一步学习和探索的过程。
在这个过程中我对利用可编程控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的认识,对机械的工作原理有了进一步的掌握,对控制系统的分析与设计有了切身的认识与体会,并在学习和实践过程中增长了知识。
丰富了经验。
控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程,必须严格按照系统分析,系统设计,系统实施,系统运行与调试的过程来进行。
系统的分析与设计是一项很辛苦的工作,同时也是一个充满乐趣的过程。
在设计过程中,要边学习边实践,遇到新的问题就不断探索和努力,即可使问题得到解决。
在设计中体会到理论必须和实践相结合。
虽然收集了大量的资料,但在实际应用中却有很多的差异,出现了很多意想不到的问题。
许多问题在书本上是这样,而在实际运用中却很不一样,在经过多次分析修改后,才设计出达到控制要求的系统。
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