毕业设计T68镗床电气控制系统OMRONPLC改造设计.docx

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毕业设计T68镗床电气控制系统OMRONPLC改造设计

毕业设计说明书

课题名称：

T68镗床电气控制系统OMRONPLC改造设计

二级学院（系）电气工程学院

专业机电一体化

班级机电0911

T68镗床电气控制系统OMRONPLC改造设计

摘要

镗床是一种精密加工机床，主要用于加工精确的孔和孔间距离要求较为精确的零件。

按照不同用途，镗床可分为卧式镗床、立式镗床、坐标镗床和专用镗床。

生产中应用较广泛的是卧式镗床，它的镗刀主轴水平放置，是一种多用途的金属切削机床，不但能完成钻孔。

镗孔等孔加工，而且能切削端面、内圆、外圆及铣平面等。

本设计讲述了T68镗床电气控制的工作原理，说明了用PLC改造的具体方法，画CAD绘制电路控制图，从而提高整个电气控制系统的性能。

PLC是可能编程控制器的简称，是一种数学运算操作的电子系统，它采用可编程序的储存器，用来在其内部储存执行逻辑运算、顺序控制、定时。

计数和算术运算等操作的指令、并通过模拟的或数字的输入和输出接口，控制各钟类型的机器设备或生产过程，根据镗床的控制要求和特点，列出逻辑代数表达式，采用逻辑设计方法进行梯形图设计。

关键词：

镗床，PLC可编程逻辑控制器，改造

第1章绪论

1.1引言

由于制造武器的需要，在15世纪就已经出现了水力驱动的炮筒镗床。

1769年J.瓦特取得实用蒸汽机专利后，汽缸的加工精度就成了蒸汽机的关键问题。

1774年英国人J.威尔金森发明炮筒镗床，次年用于为瓦特蒸汽机加工汽缸体。

1776年他又制造了一台较为精确的气缸镗床。

1880年前后，在德国开始生产带前后立柱和工作台的卧式镗床。

为适应特大、特重工件的加工，20世纪30年代发展了落地镗床。

随着铣削工作量的增加，50年代出现了落地镗铣床。

20世纪初，由于钟表仪器制造业的发展，需要加工孔距误差较小的设备，在瑞士出现了坐标镗床。

为了提高镗床的定位精度，已广泛采用光学读数头或数字显示装置。

有些镗床还采用数字控制系统实现坐标定位和加工过程自动化。

第2章镗床

2.1镗床简单介绍

镗床是一种用镗刀镗削带有孔及孔系箱体、机架类零件孔加工机床、镗刀旋转为主运动，镗刀或工件一定为进给运动，一般镗床上加工孔尺寸较大，精度要求较高，且孔和孔系轴线有严格同轴度、垂直度、平行度及孔间距离要求。

使用不同刀具和附件镗床上还可进行钻削、铣削、切螺纹以及加工外圆和端面等。

　　镗床分为卧式镗床、落地镗铣床、金刚镗床和坐标镗床等类型。

①卧式镗床：

应用最多、性能最广的一种镗床，适用于单件小批生产和修理车间。

②落地镗床和落地镗铣床：

特点是工件固定在落地平台上，适宜于加工尺寸和重量较大的工件,用于重型机械制造厂。

③金刚镗床:

使用金刚石或硬质合金刀具，以很小的进给量和很高的切削速度镗削精度较高、表面粗糙度较小的孔，主要用于大批量生产中。

④坐标镗床：

具有精密的坐标定位装置，适于加工形状、尺寸和孔距精度要求都很高的孔，还可用以进行划线、坐标测量和刻度等工作，用于工具车间和中小批量生产中。

镗床是一种用镗刀镗削带有孔及孔系箱体、机架类零件孔加工机床、镗刀旋转为主运动，镗刀或工件一定为进给运动，一般镗床上加工孔尺寸较大，精度要求较高，且孔和孔系轴线有严格同轴度、垂直度、平行度及孔间距离要求。

使用不同刀具和附件镗床上还可进行钻削、铣削、切螺纹以及加工外圆和端面等。

第3章T68镗床设计

3.1镗床主要结构及运动形式

（一）结构及运动方式

图3、1结构图

运动形式：

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架垂直移动。

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

（二）电气控制线路的特点

1．因机床主轴调速范围较大，且恒功率，主轴与进给电动机1M采用Δ/YY双速电机。

低速时，1U1、1V1、1W1接三相交流电源，1U2、1V2、1W2悬空，定子绕组接成三角形，每相绕组中两个线圈串联，形成的磁极对数P=2；高速时，1U1、1V1、1W1短接，1U2、1V2、1W2端接电源，电动机定子绕组联结成双星形（YY），每相绕组中的两个线圈并联，磁极对数P=1。

高、低速的变换，由主轴孔盘变速机构内的行程开关SQ7控制，其动作说明见表1。

表1主电动机高、低速变换行程开关动作说明

位置

触点

主电动机低速

主电动机高速

SQ7（11-12）

关

开

2.主电动机1M可正、反转连续运行，也可点动控制，点动时为低速。

主轴要求快速准确制动，故采用反接制动，控制电器采用速度继电器。

为限制主电动机的起动和制动电流，在点动和制动时，定子绕组串入电阻R。

3.主电动机低速时直接起动。

高速运行是由低速起动延时后再自动转成高速运行的，以减小起动电流。

4.在主轴变速或进给变速时，主电动机需要缓慢转动，以保证变速齿轮进入良好啮合状态。

主轴和进给变速均可在运行中进行，变速操作时，主电动机便作低速断续冲动，变速完成后又恢复运行。

主轴变速时，电动机的缓慢转动是由行程开关SQ3和SQ5，进给变速时是由行程开关SQ4和SQ6以及速度继电器KS共同完成的，见表2。

表2主轴变速和进给变速时行程开关动作说明

位置

触点

变速孔盘拉出

（变速时）

变速后变速孔盘推回

位置

触点

变速孔盘拉出

（变速时）

变速后变速孔盘推回

SQ3（4-9）

—

+

SQ4（9-10）

—

+

SQ3（3-13）

+

—

SQ4（3-13）

+

—

SQ5（15-14）

+

—

SQ6（15-14）

+

—

注：

表中“+”表示接通；“—”表示断开

（三）电气控制线路的分析

1.主电动机的起动控制

（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，三相电源经KM1的主触点，电阻R和KM4的主触点接通主电动机1M的定子绕组，接法为三角形，使电动机在低速下正向旋转。

松开SB4主电动机断电停止。

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）主电动机的正、反转控制当要求主电动机正向低速旋转时，行程开关SQ7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的辅助常开触点（4-17）闭合，使接触器KM1线圈通电吸合，并将KM1线圈自锁。

KM1的辅助常开触点（3-13）闭合，接通主电动机低速用接触器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、定子绕组三角形联结下直接起动，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起动；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，KM5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，故从低速起动转为高速旋转。

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.主电动机的反接制动的控制

当主电动机正转时，速度继电器KS正转，常开触点KS（13-18）闭合，而正转的常闭触点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接制动做准备。

按停止按钮SB1后，主电动机的电源反接，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，主电动机停转。

具体的反接制动过程如下所述：

（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、KM3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正转常开触点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动机2M拖动完成的。

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

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

5.主轴进刀与开作台联锁

为防止镗床或刀具的损坏，主轴箱和工作台的机动进给，在控制电路中必须互联锁，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，避免机床或刀具的损坏。

3.2T68镗床的控制电路原理图

图3、2控制电路原理图

3.3PLC的应用特点

（一）可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路设计，采用严格的生产的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

这样，整个系统将有极高的可靠性。

（二）配套齐全，功能完善，实用性强

PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，实用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

（三）易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号及表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。

（四）系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储编辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。

这特别适合多品种、小批量的生产场合。

3.4PLC的选择及系统外部I/O接线图

确定I/O点数：

输入点数的确定，该系统共有按钮5个，行程开关9个速度继电器1个（2对触点），热继电器触点1对其中行程开关SQ5、SQ6、FR可只占1个输入点，SQ1、SQ3与SQ2、SQ4也分别只占一个输入点，则输入点数共需要13点。

照明灯的控制直接由变压器降压后，与其次级相连接，不通过PLC的控制。

输出点数的确定，由图1、2主电路图可知，PLC需控制的对象为KM1—DM8这几个接触器的线圈，则8个输出点。

输入点数至少需要13点，输出点数至少需要8点，则PLC控制系统选用SIEMENS公司S7—200系列，CPU224，其输入点数为14点，输出点数为10点。

图3.3为控制系统外部I/O接线图，根据控制系统外部I/O接线图，列出PLCI/O地址分配表见表3、3

L+

图3.3I/O地址分配表

符号

地址

作用

符号

地址

作用

SQ

I0.0

主轴低、高速切换

SQ7

I1.2

快速移动电动机正向运行控制

SB1

I0.1

总停止

SQ8

I1.3

快速移动电动机反向运行控制

SB2

I0.2

主轴电动机正向运行启动

KM1

Q0.0

主轴正转

SB3

I0.3

主轴电动机反向运行启动

KM2

Q0.1

主轴反转

SB4

I0.4

主轴电动机正向运行点动

KM3

Q0.2

主轴制动

SB5

I0.5

主轴电动机反向运行点动

KM4

Q0.3

主轴低速

KS1

I0.6

主轴正向运行速度制动控制

KM5

Q0.4

主轴高速

KS2

I0.7

主轴反向运行速度制动控制

KM6

Q0.5

主轴高速

SQ1SQ3

I1.0

主轴与工作台移动速度选择启动

KM7

Q0.6

快速移动电动机正转

SQ2SQ4

I1.1

主轴与工作台移动速度选择连锁

KM8

Q0.7

快速移动电动机反转

SQ5SQ6FR

I1.4

热保护及主轴与工作连锁

3.5程序设计

（一）程序流程图设计

程序程序图是编写控制程序的根据,只有对系统的工作流程有了一个基本的概念才能编写好符合要求的程序。

对于比较简单的程序设计,则可以不画流程图,直接编写用户程序,但较复杂的系统,首先画好流程图,对编写用户程序有很大的帮助。

本题控制系统的流程图如图3、4所示

表3、4/O地址分配表

（二）用户程序设计

在设计用户程序之前，应道知各行程开关的初始状态，这是设计用户程序的一个要要环节，也是分析该程序的一个关键点，然后根据程序流程图3、1设计出符合系统要求的程序，本系统梯形图程序如图3、2所示，其分析略，下面就各行程开关的动作情况作一个说明。

SQ为主轴低速、高速切换；未压下低速，压下高速。

SQ5为工作台与镗头架自动进给连锁，工作台与镗头架自动进给时动作

SQ6为主轴与花盘刀架自动进给连锁，主轴与花盘刀架自动进给时动作

SQ7快速移动电动机正转启动，动作时正转启动，复位停止。

SQ8快速移动电动机反转启动，动作时反转启动，复位停止。

SQ1—SQ4的动作有一定的联系，它们的触点动作状态见表3、5。

表3、5SQ1—SQ4触点动作状态表

操作手柄

行程开关

非变速状态

主轴变速（压动SQ1、SQ2）

进给变速（SQ3、SQ4）

手柄拉出

手柄推回

手柄拉出

手柄推回

主轴变速操作手柄

SQ1

受压

+

不受压

-

受压

+

受压

+

受压

+

SQ2

不受压

-

受压

+

不受压

-

不受压

-

不受压

-

进给变动操作手柄

SQ3

受压

+

受压

+

受压

+

不受压

-

受压

+

SQ4

不受压

-

不受压

-

不受压

-

受压

+

不受压

-

图3、6

3.6用户程序调试

（一）主轴电动机正反向点动调试

按下SB4，KM1、KM4动作，松开复位，按下SB5KM2KM4动作，松开复位，如果主轴电动机处于非停止状态时，点动不起作用。

（二）主轴电动机正向反向启动，及低高速切换调试

按下SB2，KM1KM3KM4动作，如果压下SQ经过3S后，KM4复位KM5KM6动作，此时按下SB3不起作用，按下SB1所有按触器复位。

按下SB3，KM2KM3KM4动作，如果压下SQ经过3S后，KM4复位KM5KM6动作，此时按下SB2不起作用，按下SB1所有按触器复位。

（三）主轴变速与进给变动调试

按下SB2，压下SQ，等待KM1KM3KM5及KM6动作之后，松开SQ1或SQ3，压下SQ2或SQ4，此时KM1KM3KM5及KM6复位，KM2与KM4马上动作，如果SQ1或SQ3一直松开，SQ2或SQ4一直压下，经过一段时间后KM1动作，如此反复动作，直到压下SQ1或SQ3，松开SQ2或SQ4，KM1KM3KM4动作，3S后KM4复位，KM5KM6动作，按下SB1总停止，所有接触器复位。

按下SB3，压下SQ，等待KM2KM3KM5及KM6动作之后，松开SQ1或SQ3，压下SQ2或SQ4，此时KM2KM3KM5及KM6复位，KM1与KM4马上动作，如果SQ1或SQ3一直松开，SQ2或SQ4一直压下，经过一段时间后KM2动作，如此反复动作，直到压下SQ1或SQ3，松开SQ2或SQ4，KM2KM3KM4动作，3S后KM4复位，KM5KM6动作，按下SB1总停止，所有接触器复位。

（四）快速移动电动机正向反向运行调试

压下SQ7，KM7动作，松开复位。

压下SQ8，KM8动作，松开复位，同时压下SQ7与SQ8，KM7与KM8多不动作

（五）工作台与主轴自动进给连锁的调试

电路处于工作状态时，同时压下SQ5与SQ6，KM1—KM8全部处于复位状态，按其它按钮及行程开关不起作用，如果只按下其中一个（SQ5与SQ6）则对路没有影响。

第4章设备使用说明

4.1设备使用说明书

（一）点动操作

当主轴电动机处于停止状态时，点动SB4主轴电动机处于正向低速点动，点动SB5主轴电动机处于反向低速切换操作

（二）主轴电动机正向反向启动及低高切换操作

按下SB2主轴电动机低速正转启动，如果此时按下SB3则无效，压下低高速切换手柄，3S后高速正转动，按下SB1停止。

按下SB3主轴电动机低速反转启动，如果此时按下SB2则无效，压下低高速切换手柄，3S后高速反转动，按下SB1停止。

（三）主轴变速与进给变动操作

当需要改变主轴的速度与进给变动的速度时，是通过学习各自的操作手柄改变变速箱的传动比来实现的，同时使主轴电动机处于反接制动状态，便于齿轮的啮合，拉出主轴变速操作手柄或进给变动操作手柄，选择好所需速度，然后推回手柄回到原位，主轴电动机正常运行。

（四）快速移动电动机正向反向转动操作

需要快速正转时压下，快速移动操作手柄SQ7，需要快速反转时压下快速移动操作手柄SQ8。

（五）工作台与主轴自动进给连锁操作

工作台，镗头架自动进给操作手柄与主轴，花盘刀架自动进给操作手柄，不能同时操作，同时操作则整个系统处于停止状态，其它操作均无效。

第5章T68卧式镗床的元件明细表

符号

名称

型号与规格

数量

PLC

可编程控制器

SIEMENSS7—200CPU224

1

M1

主轴电动机

JD02—51—4/25.5/7.5KW

1

M2

快速移动电动机

JD2—32—43KW

1

QS

组合开关

HZ2—60/360A三极

1

SA

开关

HZ10—10

1

QF

空所开关

DZ20Y—100

1

EL

工作灯照明灯

K—1

1

FU1

熔断器

RL1—60/40

FU2FU3

熔断器

RL1—15/15.4

KM1KM2

KM4KM5KM6

3

FFF

交流接触器

CJO—40线圈电压220V50HZ

5

KM7KM8KM3

交流接触器

CJO—40线圈电压220V50HZ

3

TC

变压器

BK—300380V/220V24V

1

FR

热继电器

JR0—10/3D整定电流A

1

SB1—SB5

按钮

LA2380V5A

5

SQ5

行程开关

LX—11H

1

SQ1—SQ4

行程开关

LX1—11K

4

SQ

行程开关

LX5—11

1

SQ6—SQ8

行程开关

LX3—11K

3

R1

电阻器

ZB2—0.90.9Ω

2

R

电阻器

50Ω

8

C

电容

500V0.47uF

8

KS

速度继电器

JY—1500V2A

1

表5、1T68卧式镗床元件明细表

第6章结论

这些天我通过做T68卧式镗床电气控制系统OMRONPLC改造设计这毕业设计，使我更好的了解了PLC在各类机床中的应用及其工作原理，以进一步熟悉T68镗床的工作原理，它是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