T68型镗床的电气控制plc改造.docx

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T68型镗床的电气控制plc改造

摘要

本课程设计旨在提高镗床控制电路的稳定性和自动化程度，节约生产成本、提高劳动效率，延长镗床的使用寿命，降低机床的故障和便于日常的维修及保养。

考虑到PLC控制方式具备传统控制方式无法比拟的优越性，同时又详细分析了T68型卧式镗床的机械、电气控制原理。

在此基础上，设计了用可编程控制器PLC取代复杂的电气连接控制线路。

在此设计期间完成了T68型卧式镗床电气控制线路向PLC编程控制的转变，大大的简化了电硬件路，从而降低了机床的故障率，更加便于控制，同时降低了维修的难度。

关键词：

T68卧式镗床；可编程控制器（PLC）；设计

绪论

可编程控制器（PLC）是一种为工业机械控制所设计的专用微型计算机，在各种自动控制系统中有着广泛的应用。

它是在继电器控制和计算机控制基础上开发的产品，逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术，通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。

随着技术的发展，可编程程序控制器（PLC）的控制功能不断增强，还可以进行算术运算，模拟量控制、顺序控制、定时、计数等，并通过数字、模拟的输入、输出控制各种类型的机械生产过程。

众所周知，在现代化工业生产中机床母机是不可缺少的重要组成部分，我们国家现在在机床技术方面还一直比较落后，自动化程度也较低。

主要表现在大部分工厂里的机床还是老式传统的机床，电气接线极其复杂、排故也相当困难，同时设备的投资与维修的费用也消耗很大。

可编程控制技术在工业和生活中有广泛的应用前景，除了具有明显的节约成本的优点外，还具有操作方便、容易、维护量小等特点，可编程控制的软启动功能也减少了对设备的冲击，使设备运行的方式更趋于合理，设备的自动化水平得到了提高。

随着工业生产的迅速发展，企业对机床的可靠性的要求也不断提高;再加上目前产品生产成本较高，利用先进的PLC控制技术，设计改造现有的老式机床应用成为必然的选择和趋势。

第1章T68型卧式镗床PLC改造概述

1.1PLC技术背景

可编程序控制器简称PLC，是现代工业控制的基础部件，是工厂自动化（FAFactoryAutomation）的支柱之一。

它是自动控制技术与通讯技术三者有机结合的产品，即工业专用计算机。

它既有计算机控制系统的可编程特点（控制功能由软件实现），又具有继电器控制系统的优良的抗电噪能力（适应工业控制的各种恶劣的工作环境）。

可编程序控制器还具有很强的连网能力和很高的可靠性，不仅可以单机使用，而且可以与计算机结合组成集散式控制系统，使其在工业生产过程的自动化控制领域得到了越来越广泛的应用。

1.2PLC改造的目的

电控系统是机床的重要组成部分，其技术的先进与否，在很大程度上决定了整台机床的综合性能。

对系统的可靠性要求愈来愈高，PLC具有控制可靠、体积小、功能强、速度快、组态灵活和可扩展性的特点而得到了广泛的应用，电气系统的可靠性也大大提高了。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，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。

在电子技术飞速发展的今天，有必要而且有能力采用新技术对原电气控制系统进行改造。

再者由于镗床的运动很多、控制逻辑复杂、相互连锁繁多，采用传统的继电器控制时，需要的继电器多、接线复杂，因此故障多维修困难，费工费时，不仅加大了维修成本，而且影响设备的功效。

采用PLC控制可使接线大为简化，不但安装十分方便而且工作可靠、降低了故障率、减小了维修量、提高了功效。

其原控制电路为继电器控制，接触触点多、线路复杂、故障多、操作人员维修任务较大，为了克服以上缺点，降低了设备故障率，提高了设备使用效率。

1.3PLC改造的思路

通过对T68型镗床电气所有硬件部分接线方式的了解与认识，从实际连线出发掌握镗床的工作原理以及各机械部件的动作过程。

然后按照其接线画出相应原理图，并对其进行注释。

对原理图作进一步的分析，将所有的机械动作原件（接触器、继电器、按钮等）转换成以PLC的软件控制（即软触点换成硬触点）。

设计PLC的梯形图，要求与原有电气部分控制的工作原理相同，能够实现相同的控制效果。

第2章T68型卧式镗床介绍

2.1T68卧式铣镗床机械结构

T68型卧式镗床的机构如下图1-1所示：

2.2T68卧式镗床主要运动形式

由2.1可知，T68卧式镗床的运动形式有三种：

主运动：

镗轴与平旋盘的旋转运动。

进给运动：

镗轴的轴向进给，平旋盘刀具溜板的径向进给，镗头架的垂直进给，工作台的纵向进给和横向进给。

辅助运动：

工作台的回旋，后立柱的轴向移动及尾座的垂直移动。

2.3T68卧式镗床电力拖动特点及控制要求

镗床加工范围广，运动部件多，调速范围宽。

而进给运动决定了切削量，切削量又与主轴转速、刀具、工件材料、加工精度等有关。

所以一般卧式镗床主运动与进给运动由一台主轴电动机拖动，有各自传动链传动。

为缩短辅助时间，镗头架上、下，工作台前、后、左、右及镗轴的进、出运动除工作进给外，还应有快速移动，由快速移动电机拖动。

T68卧式镗床控制要求主要是：

1.主轴旋转与进给量都有较宽的调速范围，主运动与进给运动由一台电动机拖动，为简化传动机构采用双速笼型异步电动机。

2.由于各种进给运动都有正反不同方向的运转，故主电动机要求正、反转。

3.为满足调整工作需要，主电动机应能实现正、反转的点动控制。

4.保证主轴停车迅速、准确，主电动机应用制动停车环节。

5.主轴变速与进给变速可在主电动机停车或运转时进行。

为便于变速是的齿轮，应有变速低速冲动过程。

6.为缩短辅助时间，各进给方向均能快速移动，配有快速移动电动机拖动，采用快速电动机正、反转的点动控制方式。

7.主电动机为双速电机，有高、低两种速度供选择，高速应先经低速起动。

8.由于运动部件多，应设有必要的联锁和保护环节。

第3章T68型卧式镗床电气控制原理

3.1电气控制线路原理图

图3.1T68型卧式镗床电气控制线路

3.2主电路的分析

图3.2主电路

图3.2电源经低压断路器QS引入，M1为主电动机，有接触器KM1、KM2控制器正、反转；KM4控制M1低速运转，KM5、KM6控制M1高速运转；KM3控制M1反接制动限流电阻。

M2为快速移动电动机，由KM7、KM8控制其正反转，热继电器FR作M1过载保护。

3.3控制电路分析

1.M1主电动机的点动控制图3.3

以正向点动为例，合上电源开关QS，按下SB4按钮，KM1线圈通电，主触头接通三相正相序电源，KM1闭合，KM4线圈通电，电动机M1三相绕组接成三角形，串入电阻R低速起动。

由于此时KM1、KM4都不能自锁故为点动，当松开SB4按钮时，KM1、KM4相继断电，M1断电而停车。

反向点动，由SB5、KM2和KM4控制，在此不再赘述。

2.M1电动机正反转控制图3.4

M1电动机正反转由正反转起动按钮SB2、SB3操作，由中间继电器KA1、KA2及正反转接触器KM1、KM2，并配合接触器KM3、KM4、KM5、KM6来完成M1电动机的可逆运行控制。

M1电动机起动前，主轴变速，进给变速均已完成，即主轴变速与进给变速手柄置于推合位置，此时行程开关SQ1、SQ3被压下，触头SQ1、SQ3闭合。

图3.3点动控制电路

当选择M1低速运转时，将主轴速度选择手柄置于“低速”档位，此时经低速选择手柄联动机构使高低速行程开关SQ处于释放状态，其触头SQ断开。

按下SB2，KA1通电并自锁，触头KA1闭合，使KM3线圈通电吸合；触头KM3闭合与KA1闭合，使KM1线圈通电吸合，触头KM1闭合又使KM4线圈通电。

于是，M1电动机定子绕组接成三角形，接入正相序三相交流电源全电压起动低速正向运行。

反向低速起动运行是SB3、KA2、KM2、KM3和KM4控制的，其控制过程与正向低速运行类似，此处不再赘述。

图3.4M1电动机正反转控制

3.M1电动机高低速的转换控制图3.5

行程开关SQ是高低速的转换开关，即SQ的状态决定M1是在三角形接线下运行还是在双星型接线下运行。

SQ的状态是主轴孔盘变速机构机械控制，高速时SQ被压下，低速时SQ不被压下。

以正向高速启动为例，来说明高低速转换控制过程。

将主轴速度选择手柄置于“高速”挡，SQ被压动，触头SQ闭合。

按下SB2按钮，KA1线圈通电并自锁，相继使KM3、KM1和KM4通电吸合，控制M1电动机低速正向起动运行；在KM3线圈通电的同时KT线圈通电吸合，待KT延时时间到，触头KT断开使KM4线圈断电释放，触头KT闭合使KM5、KM6线圈通电吸合。

这样，使M1定子绕组由三角形接法自动接成双星型接线，M1自动由低速变高速运行。

由此可知，主电动机在高速档为两级起动控制，以减少电动机高速档起动时的冲击电流。

反向高速档启动运行，是由SB3、KA2、KM3、KT、KM2、KM4和KM5、KM6控制的，其控制过程与正向高速起动运行相类似。

图3.5M1电动机高低速的转换控制

4.M1电动机的停车制动控制

由SB1停止按钮、KV速度继电器、KM1和KM2组成了正反向反接制动控制电路。

下面仍以M1电动机正向运行时的停车反接制动为例加以说明。

若M1为正向低速运行，即由按钮SB2操作，由KA1、KM3、KM1和KM4控制使M1运转。

欲停车时，按下停止按钮SB1，使KA1、KM3、KM1和KM4相继断电释放。

由于电动机M1正转时速度继电器KV-1闭合触头，所以按下SB1后，是KM2线圈通电并自锁，并使KM4线圈仍通电吸合。

此时M1定子绕组仍接成三角形，并串入电阻R运行反接制动，当速度降至KV-1复位转速时KV-1断开，使KM2和KM4断电释放，反接制动结束。

若M1为正转高速运行，即由KA1、KM3、KM1、KM5、KM6线圈控制下使M1运转。

欲停车时，按下SB1按钮，使KA1、KM3、KM1、KT、KM5、KM6线圈相继断电，于是KM2和KM4通电吸合，此时M1定子绕组接成三角形，并串入不对称电阻R反接制动。

M1电动机的反向高速或低速运行时的反接制动，与正向的类似。

都是M1定子绕组接成三角形接法，串入限流电阻R进行，由速度继电器KV-1控制。

5.主轴及进给变速控制

T68卧式镗床的主轴变速与进给变速可在停车时进行也可在运行中进行。

1）停车变速。

由SQ1—SQ4、KT、KM1、KM2和KM4组成主轴和进给变速时的低速控制，以便齿轮顺利啮合。

下面以主轴变速为例加以说明，因为进给运动未进行变速，进给变速手柄处于推回状态，进给变速手柄开关SQ3受压、SQ4不受压，触头SQ3断开，SQ4断开。

主轴变速时，拉出主轴变速手柄，主轴变速行程开关SQ1不受压、SQ2受压，此时触头SQ1、SQ2由断开状态变为接通状态，使KM1通电并自锁，同时也使KM4通电吸合，则M1串入电阻R低速正向起动。

当电动机转速达到140r/min左右时，KV-1常闭触头断开，KV-1常开触头闭合，使KM1线圈断电释放，而KM2通电吸合，且KM4仍通电吸合。

于是，M1进行反接制动，当转速降到100r/min时，速度继电器KV-1释放，触头复原KV-1常闭触头由断开变为接通，KV-1（13-18）常开触头由接通变为断开，使KM2断电释放，KM1通电吸合，KM4仍然通电吸合，M1又正向低速起动。

进给变速时的低速脉动转动与主轴变速时相类同，但此时起作用的是进给变速开关SQ3和SQ4。

2）运行中变速控制。

M1电动机在KA1、KM3、KT、KM1和KM5、KM6控制下高速运行。

此时要进行主轴变速，欲拉出主轴变速手柄，主轴变速开关SQ1不再受压、SQ2受压，此时SQ1由接通变为断开，SQ1、SQ2触头由断开变为接通，则KM3、KT线圈断电释放，KM1断电释放，KM2通电吸合，KM5、KM6断电释放，KM4通电吸合。

于是M1定子绕组接为三角形联结，串入限流电阻R进行正向低速反接制动，使M1转速迅速下降，当转速下降到速度接触器KV的释放转速时，又由KV控制M1进行正向低速脉动转动，以利齿轮啮合。

待推回主轴变速手柄时，SQ1受压，SQ2不受压，SQ1常开触头由断开变为接通状态。

此时KM3、KT和KM1、KM4通电吸合，M1先正向低速起动，后在时间继电器KT的控制下，自动转为高速运行。

6.快速移动控制图3.6

7.联锁保护环节分析T68卧式镗床电气控制电路具有完善的联锁与保护环节

1）主轴箱或工作台与主轴机动进给联锁。

为了防止在工作台或主轴箱机动进给时出现将主轴或平旋盘刀具溜板也扳到机动进给的误操作，安装有与工作台、主轴箱进给操纵手柄有机械联锁的行程开关SQ5，在主轴箱上安装了与主轴进给手柄、平旋盘刀具溜板进给手柄有机械联动的行程开关SQ6。

若工作台或主轴箱的操纵手柄扳在机动进给时，压下SQ5，其常闭触头SQ5断开；若主轴或平旋刀具溜板进给操纵手柄扳在机动进给时，压下SQ6，其常闭触头SQ6断开，所以，当这两个进给操作手柄中的任一个扳在机动进给位置时，电动机M1和M2都可以起动运行。

但若两个进给操作手柄同时扳在机动进给位置时，SQ5、SQ6长闭触头都断开，切断了控制电路电源，电动机M1、M2无法起动，也就避免了误操作造成事故的危险，实现了联锁保护作用。

2）M1电动机正反转控制、高低速控制、M2电动机的正反转控制均设有互锁控制环节。

3）熔断器实现短路保护；热继电器FR实现M1过载保护。

第4章电气控制电路特点及PLC设计

4.1电气控制特点

（1）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，而后自动装换成高速运行，以减小启动电流。

（2）主电动机M1的制动采用电磁操作的断电式制动装置。

（3）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。

（4）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联锁保护。

4.2T68卧式镗床控制线路PLC设计

1.PLC控制系统设计的基本原则

1）最大限度地满足被控对象的控制要求。

2）尽量使控制系统简单、经济、实用、维修方便。

3）保证系统的安全可靠

4）选择PLC容量时，应适当留有一定余量，便于工艺改造。

2.PLC改造方案

采用PLC实现T68型卧式镗床电气控制时，照明、电源指示灯、低压备用电源插座及控制电源变压器及相关电路保持原电路的配置连接。

继电—接触器系统中按钮、速度继电器、行程开关作为PLC的输入信号端，接触器线圈为PLC的输出信号端。

为了节省PLC的I／O点数，现将SQ2、SQ4的常开触点并联，SQ1、SQ3的常开触点串联，SQ1、SQ3的常开触点并联，SQ5、SQ6的常开触点串联之后接在PLC的输入信号端。

3.PLC的I/O口分配

PLC的I/O地址分配表

输入信号

输出信号

名称

功能

编号

名称

功能

编号

SB1

停止按钮

I0.0

KM1

主轴正转接触器

Q0.0

SB2

主轴正转按钮

I0.1

KM2

主轴反转接触器

Q0.1

SB3

主轴反转按钮

I0.2

KM3

制动电阻短接接触器

Q0.2

SB4

主轴正转低速点动按钮

I0.3

KM4

主轴低速控制接触器

Q0.3

SB5

主轴反转低速点动按钮

I0.4

KM5

KM6

主轴高速控制接触器

Q0.4

SQ

主轴高低速行程开关

I0.5

KM7

工作台快速正转接触器

Q0.5

SQ1与SQ3常开串联

主轴变速、进给变速行程开关

I0.6

KM8

工作台快速反转接触器

Q0.6

SQ1与SQ3常开并联

主轴变速、进给变速行程开关

I0.7

KA1

中间继电器1

Q0.7

SQ2与SQ4常开并联

主轴变速、进给变速冲动行程开关

I1.0

KA2

中间继电器2

Q1.0

SQ5与SQ6常开串联

主轴进给与工作台进给联锁保护行程开关

I1.1

SQ7

工作台快速正转行程开关

I1.2

SQ8

工作台快速反转行程开关

I1.3

KV-1

速度继电器正转触头

I1.4

KV-2

速度继电器反转触头

I1.5

4.PLC硬件接线图

图4.1PLC的I/O硬件接线图

5.PLC控制程序的梯形图（LAD）

网络1主轴电机的正反转中间继电器控制

网络2主轴电动机正向点动及连锁控制

网络3主轴电动机反向点动及连锁控制

网络4高低速切换的时间继电器控制

网络5反接能耗制动

网络6反接能耗制动

网络7快速电机的进给控制

第5章调试

5.1实验室在线模拟调试

鉴于实验室的条件有限，无法完成整套程序的仿真测试。

只能分段进行在线模拟调试。

其优点是调试工作量小、简便，不需额外增加费用，缺点是逻辑验证不全面。

1.主轴点动调试

准备工作：

将SQ1与SQ3常开串联触点置“1”和SQ1与SQ3常开并联触点置“0”。

1）主轴正转点动

按下SB4→KM1得电→KM4得电。

由于此时KA1、KM3、KT都没有通电，所以M1接成三角形进行低速转动；松开按钮SB4后，因电路没有自锁作用，因此KM1和KM4都失电，使M1停转。

2）主轴反转点动

按下SB5→KM2得电→KM4得电。

由于此时KA2、KM3、KT都没有通电，所以M1只能接成三角形进行低速转动；松开按钮SB5后，因电路没有自锁作用，而且SB1的常开触点没有闭合，则KM2和KM4都失电，使M1停转。

2.主轴正反转速调试

准备工作：

将SQ1与SQ3常开串联触点置“1”和SQ1与SQ3常开并联触点置“0”。

1）主轴正转低速

按下SB2→中间继电器KA1得电且自锁→接触器KM3得电→KA1和KM3的常开触点都吸合→KM1得电→其常开触点吸合→KM4得电→M1接成三角形低速正向运行。

2）主轴反转低速

按下SB3，继电器和接触器的通电顺序KA2→KM3→KM2→KM4，使M1（双速电动机）接成三角形形低速反向运行。

3.主轴正反转高速

准备工作：

将SQ1与SQ3常开串联触点置“1”和SQ1与SQ3常开并联触点置“0”，将SQ触点置“1”，为KT和KM3的工作做准备。

1）主轴正转高速

按下SB2时→KA1得电且自锁→KM3和KT都得电→KM1得电→KM4得电，M1先低速正向起动；当KT延时3s后→KT的常闭触点断开→KM4失电，同时KT的常开触点闭合→KM5、KM6得电→M1接成双Y形切换为高速运转。

2）主轴反转高速

按下SB3时→KA2得电且自锁→KM3和KT都得电→KM2得电→KM4得电，M1先低速反向起动；当KT延时5s后→KT的常闭触点断开→KM4失电M1停转，同时KT的常开触点闭合→KM5、KM6得电→M1接成双Y形切换为高速运转。

4.主轴正反向反接制动

准备工作：

将SQ1与SQ3常开串联触点置“1”和SQ1与SQ3常开并联触点置“0”。

1）正向反接制动

采用速度继电器来实现反接制动，当电动机按正常速度正向运转时，速度继电器KV-1的常开触点闭合，为反接制动做准备。

若按下停止按钮SB1，其常闭触点先断开，KA1、KT、KM1、KM3和KM5、KM6都断电，使控制线路按以下动作进行反接制动。

具体过程：

（1）KT断电：

KT的常开触点断开→KM5、KM6断电→M1只能三角形低速运行；KT的常闭触点闭合→KM4通电，为M1反接制动做准备

（2）KM3断电→KM3主触点断开→M1定子绕组接入电阻R；KM1常闭触点闭合→为KM2工作做准备

（3）KM1断电：

KM1主触点断开→M1断电，靠惯性运转

（4）M1惯性运转的初速很高，使KV-1常开触点还闭合→KM2得电，开始反接制动

（5）KM2得电:

KM2常闭触点断开→它与KM1联锁，使KM1不能得电;KM2常开触点闭合自锁→SB1松开后使KM2还通电，M1继续制动

（6）当M1速度≤120r/min时→KV-1常开触点断开→KM2、KM4断电→M1停转，制动结束。

2）反向反接制动

M1反转时使KV-2常开触点闭合，同样为反接制动做准备。

在按下停止按钮SB1时，制动过程与正向反接制动相同。

5.主轴变速和进给变速控制

主轴变速和进给变速可以在电动机M1或M2运转时进行。

1）主轴变速控制

当主轴变速手柄拉出时，与主轴变速手柄有机械联系的行程开关SQ1不再受压而分断，使SQ1的常开触点断开，则常开X006断开，SQ1的常闭触点闭合，而使行程开关SQ2因不受压而闭合，故常开触点X010闭合。

其中，常开X006断开，使KM3和KT断电而释放，KM1或KM2随之断电释放，M1断电作惯性转动；而常闭触点X007闭合，且KV-1或KV-2开触点仍处于闭合状态，使KM2或KM1、KM4通电吸合，M1在低速状态下串入电阻R反接制动。

当制动结束，KV-1或KV-2常开触点分断，便可转动变速操作盘进行变速。

变速后，应将手柄推回原位，使SQ1、SQ2的触点恢复到与原来状态，使KM3、KM1或KM2、KM4相继通电吸合，电动机可以按原定的转向起动，而主轴则以新选定的转速运转。

2）进给变速控制

它与主轴变速控制过程相同，但由进给变速操作手柄控制，压合的是行程开关SQ3和SQ2。

6.快速进给控制

为了缩短辅助时间，加快调整的速度，机床各移动部件都可快速移动。

采用一台快速移动电动机M2单独拖动，通过不同的齿轮齿条等连接来完成各方向的快速移动，这些均由快速移动操作手柄控制。

当将快速移动操作手柄向里推时，行程开关SQ7被压合，接触器KM7通电吸合，M2正向起动，通过齿轮、齿条等实现快速正向移动；松开操作手柄，则SQ7复位，KM7失电，M2停转。

反之，将快速移动操作手柄向外拉时，压合SQ8，使KM8通电吸合，M2反向起动，实现快速反向移动。

7.联锁保护装置

为了防止在工作台或主轴箱快速进给时又将主轴进给手柄扳倒自动快速进给的误操作，就采用了与工作台和主轴箱进给手柄有机械连接的行程开关SQ5，与主轴进给手柄连接的是行程开关SQ6。

电动机M1、M2必须在SQ5、SQ6两个都不闭合的情况下才能启动。

结束语

本课程设计从工程实践出发，对T68型卧式镗床的电气控制线路的改造进行了深入的研究，取得了以下几个方面的结果：

（1）设计了PLC的外部接线图，同时也对输入、输出I/O端口进行了分配；

（2）设计了PLC的控制程序，介绍了PLC程序的设计方法；

（3）通过实验室的仿真软件SET7-200，对编写的程序进行了仿真、调试监控。

通过此次为期两周的课程设计，我受益匪浅，不仅锻炼了良好的逻辑思维能力，而且培养了弃而不舍的求学精神和严谨作风。

此次T68型卧式镗床的PLC改造设计，不仅重温了过去所学知识，而且学到了很多新的内容。

相信这次课程设计对我的后继续学习将会有很大的帮助。

所以，我很用心的完成此次课程设计。

在设计中体味艰辛，在艰辛中体味快乐。

参考文献

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[5]秦益霖西门子S-300PLC应用技术：