机械机床毕业设计60T68镗床的控制系统的改造.docx

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机械机床毕业设计60T68镗床的控制系统的改造

摘要

目前PC已广泛应用于冶金、化工、轻工、机械、电力、建筑、交通、运输等各行各业。

随着机电一体化的发展，对不系统的可靠性要求愈来愈高。

可编程控制器有控制可靠，体积小，功能强，速度快，组态灵活和可扩展的特点而得到广泛的应用。

可编程控制器是20世纪60年代末在继电器控制系统的基础上开发出来的。

最初叫做可编程逻辑控制器，（programmablelogiccontroller）即PLC。

在我国，PC的应用最近几年发展很快。

首当先应用一些大中型现代化工厂的引进工程上，如上海宝山钢铁总厂一、二期工程中就使用了PC达857台。

武汉钢铁厂和首都钢铁厂等大型钢铁企业也都使用了许多PC。

在老企业旧设备的技术改造上，PC的应用比较广泛，而且已取得了可喜的经济效益。

PC是专为工业控制设计的控制装置，能适应工业现场的恶劣环境，例如：

电源电压：

AC220V±15%。

抗振强度：

16.7Hz,3mm双振幅（X、Y、Z三个方向各30min）。

工作温度：

0～55℃，有的甚至可以是-10～55℃。

存放温度：

-20～60℃。

湿度：

35～90%RH无凝结。

关键词T68式卧式镗床；有限元；PRO/E；PLC；

目录

前言………………………………………………………………………1

第1章PLC的介绍………………………………………………………5

1.1PLC的主要功能…………………………………………………6

1.2PLC的特点………………………………………………………7

1.3PLC的应用………………………………………………………9

第2章镗床电气系统及电气原理…………………………………….11

2.3镗床概述…………………………………………………….11

2.4T68卧式镗床的电气控制线路……………………………….12

2.4T68镗床电器线路的控制原理……………………………….13

第3章镗床的改造……………………………………………………16

3.1了解情况………………………………………………………16

3.2确定PLC的输入输出…………………………………………17

3.3编制梯形图……………………………………………………17

第4章梯形图的分析…………………………………………………21

4.1正、反转控制…………………………………………………21

4.2低速的转换……………………………………………………21

4.3反接制动………………………………………………………21

4.4点动控制………………………………………………………21

4.5快移电动机的控制……………………………………………21

结束语…………………………………………………………………22

参考文献………………………………………………………………23

致谢……………………………………………………………………24

前言

可编程序控制器的英文为ProgrammableController，在二十实际七十至八十年代一直简称为PC。

由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC；加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（PLC，ProgrammableLogicController），为了方便，仍简称PLC为可编程序控制器。

有人把可编程序控制器组成的系统称为PCS可编程序控制系统，强调可编程序控制器生产厂商向人们提供的已是完整的系统了

PLC的发展和市场情况。

1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一土改可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。

随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。

在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作；另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制；以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的——离散量的数据采集监视。

由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。

在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势，如表1，还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占有一定的百分比。

在八十年代至九十年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。

由于PLC人机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS的市场（过程控制）并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC（IPC）的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了一部分PLC市场，所以近年来PLC增长速度总的说是渐缓。

目前全世界有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。

国内PLC生产厂约三十家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产，因此可以说PLC在我国未形成制造产业。

作为原理、技术和工艺均无尖端技术难度的产品，只要努力，是能形成制造产业的。

在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿人民币，应用的行业也很广。

但是与其它国家相比，在机械加工及生产线方面的应用，还需要加大投入。

我国市场上流行的有如下几家PLC产品：

施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品；

罗克韦尔公司（包括AB公司）PLC产品，目前有SLC、MicroLogix、ControlLogix等产品；西门子公司的产品，目前有SIMATICS7-400/300/200系列产品；GE公司的产品；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。

PLC的市场的潜力是巨大的，不仅在我国，即使在工业发达的日本也有调查表明，PLC配套的机电一体化产品的比例占42%，采用继电器、接触器控制尚有24%。

所以说，需要应用PLC的场合还很多，在我国就更是如此了。

从技术创新的角度看，我国大中型企业还要大力发展CIMS，在机械制造厂要形成FMS柔性制造系统，PLC是基础，所以PLC市场是广阔的。

PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因，我们下面重点阐述几个问题，并研究其发展趋势。

PLC的硬件和软件，PLC在90年代已经形成微、小、中、大、巨型多种PLC。

按I/O点数分，可分为：

微型PLC：

32I/O

小型PLC：

256I/O

中型PLC：

1024I/O

大型PLC：

4096I/O

巨型PLC：

8195I/O（注：

近年来有单机支持300回路和65000点I/O的大型系统）

对应中型PLC以上，均采用16位~32位CPU，微、小型PLC原采用8位CPU，现在根据通讯等方面要求，有的也改用16位~32位CPU。

由于I/O64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点~256点的占31%，合计位整个PLC销售额的78%，所以对微、小型PLC应多加研究。

PLC控制器本身的硬件采用积木式结构，各厂家产品结构大同小异。

以日本欧姆龙C200HE为例，为总线模板框式结构，基本框架（CPU母板）上装有CPU模板，其它槽位装有I/O模板；如果I/O模板多时，可由CPU母板经I/O扩展电缆连接I/O扩展母板，在其上装I/O模板；另一种方法是配备远程I/O从站等。

这些都说明了PLC厂家将硬件各部件均向用户开发，便于用户选用，配置成规模不等的PLC，而且这种硬件配置的开放性，为制造商、分销商（代理商）、系统集成商、最终用户带来很多方便，为营销供应链带来很大便利，这是一大成功经验。

PLC内的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，还发展了一系列特殊功能的I/O模板，这为PLC用于各行各业打开了出路，如用于条形码识别的ASCII/BASIC模板，用于反馈控制的PID模板，用于运行控制、机械加工的高速计数模板、单轴位置控制模板、双轴位置控制模板、凸轮定位器模板、射频识别接口模板等，这在以后还会有很大发展。

另外在输入、输出的相关元件、强干扰场合的输入、输出电隔离、地隔离等方面也会更加完善。

PLC中的CPU与存储器配合，完成控制功能。

它与DCS系统处理温度、压力、流量等参数的系统不同，采用快速的巡回扫描周期，一般为0.1~0.2秒，更快的则选用50毫秒或更小的消灭周期。

它是一个数字采样控制系统。

为了完成控制策略，为了替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的控制系统梯形图，而编制了一套控制算法功能块（或子程序），称为指令系统，固化在存贮器ROM中，用户在编制应用程序时可以调用。

指令系统大致可以分为两类，即基本指令和扩展指令。

细分一般PLC的指令系统有：

基本指令、定时器/计数器指令、移位指令、传送指令、比较指令、转换指令、BCD运算指令、二进制运算指令、增量/减量指令、逻辑运算指令、特殊运算指令等，这些指令多是类似汇编语言。

另外PLC还提高了充足的计时器、计数器、内部继电器、寄存器及存贮区等内部资源，为编程带来极大方便。

由于各PLC厂家产品在指令系统上的差异及编程方法上用户要求不同，近年来IEC制订了基于Windows的编程语言标准IEC61131-3（注：

1993年IEC颁布可编程序控制器的国际标准IEC1131），它规定了指令表（IL）、梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）五种编程语言。

这包括了文本化编程（IL、ST）和图形编程（LD、FBD）两个方面，而SFC则在两类编程语言中均可使用。

IEC技术委员会（TC65）进来开展了IEC61499项目，将IEC61131-3进行了扩展，它是针对通过通信网络互联的模块化分布系统的体系结构的标准，将对IEC61131-3有所改善。

这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的标准化文件，是PLC发展的一大趋势。

第一章PLC的介绍

经过几十年的发展，PLC已经不只能实现继电器控制所有的逻辑判断、计时、计数等顺序控制等功能，同时还具有了执行算术运算、对模拟量进行控制等功能。

所以美国电气制造商协会经过四年的调查，于1980年将其正式命名为可编程控制器（programmablecontroller）简写为PC。

后来由于PC这个名词常常用来称呼个人电脑（personalcomputer），为了区别，现在也可把可编程控制器称为PLC。

PC可用于单台机电设备的控制，也可以用于生产流水线的控制。

使用者可以根据生产过程和工艺要求设计控制程序，然后将程序通过编辑器送入PC。

程序投入运动后，PC就在现场输入信号（按钮、行程开关、光电开关或其它传感器）的作用下，按照预先送入的程序控制现场的执行机构（电机、电磁阀等）按一定规律动作。

1．1PC的主要功能

近年来，PC把自动化技术，计算机技术、通讯技术融为一体。

它能完成以下功能：

1．条件控制（逻辑控制）

PC设置了与（AND）、或（OR）、非（NOT）等逻辑指令，能处理继电器接点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。

因此，它可以代替继电器进行开关控制。

2．定时控制

PC为用户提供了若干个计时器（定时器），并设置了计时指令。

计时器的计时值可以由用户在编程时设定，也可以用拔盘开头来设定。

计时器的计时值可以在运行中被读出，也可以在运行中被修改，使用灵活，操作方便。

程序投入运行后，PC将根据用户设定的计时值对某个操作进行限时控制和延时控制，以满足生产工艺的要求。

3．步进控制

PC为用户提供了若干个移位寄存器，可以用于步进控制，即在一道工序完成以后，再进行下一步工序，有些型号的PC，还专门设置了用于步进控制的步进指令和鼓形控制器操作指令，编程和使用极为方便，因此更容易实现步进控制的要求。

4．A/D、D/A转换

有些PC还具有A/D、D/A转换功能，完成对模拟量的控制和调节。

5．数据处理

有些PC还具有数据处理功能，它具有并行运算指令，能进行数据并行传送，BCD的加、减、乘、除、开方等运算，还能进行字与、字或、求反、；逻辑移位、算术移位、检索数据、比较、数制转换、16-4编码、4-16编码、译码等操作，还可以对数据存储器进行间接寻址，PC还可以与打印机相连，打印出程序和有关数据及梯形图。

6．通讯联网

有些PC采用了通讯技术，可以进行远程的I/O控制，多台PC之间可以进行同位链接，PC还可以与上位计算机进行链接，接受计算机的命令，将招待结果告诉计算机。

由一台计算机和若干台PC可以构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统，以完成较大规模的复杂控制。

PC与上位计算机链接对计算机的要求是：

（1）具有RS-232接口；

（2）使用ASCⅡ码字符。

这些要求，一般的计算机都能满足。

PC与计算机之间的通讯，目前还没有国家标准。

各生产PC的厂家一般都使用自己的标准。

例如C系列PC采用OMRON标准，它规定了命令的种类和数据格式，以及应答的数据格式。

而且PC方面的通讯软件已经做好，用户只要在计算机方面配置一个通讯软件，能够按规定向PC发出命令和识别PC给出的应答。

PC在通讯系统中，一般采用RS-232接口，也可以采用RS-422接口和光通讯。

PC的通讯和联网技术还在发展之中。

7．临控

PC配置了较强的监控功能。

它能记忆某些异常情况，或在发生异常情况时自动中止运行。

在控制系统中，操作人员通过临控命令可以监视有关部分的运行状态，可以调整计时、计数等设定值。

为调试和维护提供了方便。

PC还可以连接打印机，对程序和数据进行硬拷贝。

1.2PLC的特点

1．通用性好

PC是通过软件来实现控制的。

同一台PC可用于不同的控制对象，只需改变软件就可以实现不同的控制要求。

另外，PC产品已系列化，其结构形式多种多样，按功能不同又有低档、中档、高档机之分，可适应各种不同要求的工业控制。

同一档次的PC，不同机型的功能基本相同，可以互换。

PC的功能模块品种多，可以灵活组合成各种不同大小的不同功能的控制设置。

2．可靠性高

PC由于采用了微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成；另外还采取了屏蔽、滤波、隔离等抗干扰的措施，因此可靠性很高，其平均故障间隔时间为2～5万小时甚至更高。

PC还具有完善的自诊断功能，检查判断故障迅速方便，因而便于维修。

3．环境适应性好，抗干扰能力强

PC是专为工业控制设计的控制装置，能适应工业现场的恶劣环境，例如：

电源电压：

AC220V±15%。

抗振强度：

16.7Hz,3mm双振幅（X、Y、Z三个方向各30min）。

工作温度：

0～55℃，有的甚至可以是-10～55℃。

存放温度：

-20～60℃。

湿度：

35～90%RH无凝结。

PC在制造工艺上加强了抗干扰措施，例如输入输出部分都采用光电隔离，有效地隔离了PC内部电路与输入、输出之间电的联系，从而避免了输入、输出部分窜入的干扰信号而引起的误动作。

PC还采取了屏蔽、滤波等措施，有效地防止了空间电磁干扰，对高频干扰信号起到良好的抑制作用。

一般PC的抗干扰强度为：

峰值1000V、脉宽10

s矩形波。

4．功能强

前面介绍过，现代PC不仅具有逻辑运算、计时、计数、步进等功能，而且还能完成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理以及通讯联网、生产过程临控等。

因此，它既可对开头量进行控制，又可对模拟量进行控制；既可控制一台单机、一条生产线，又可控制一个机群多条生产线；既可现场控制，又可远距离控制；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。

5．接线简单

PC的接线只需交输入信号的设备（按钮、开关等）与PC输入端子连接，将接受输出信号执行控制执行元件（接触器、电磁阀等）与PC输出端子连接。

接线简单、工作量少。

6．编程简单，使用方便

用微机实现自动控制，常使用江编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。

PC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。

例如目前大多数PC均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又考虑到大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平，很容易被电气技术人员所接受，易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。

这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比，虽然在PC内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的机电控制设备来说，是微不足道的。

用微机控制，还要在输入输出接口上大量工作，才能控制现场连接起来，调试也比较繁琐。

而PC的输入输出接口已经做好，可直接与控制现场的用户设备直接连接。

输入接口可以与各种开关和传感器连接，输出接口具有较强的驱动能力，可以直接与继电器、接触器、电磁阀等连接，使用很简便。

7．体积小、重量轻、功耗低

由于PC采用半导体集成电路，其体积小、重量轻、功耗低。

例如法国的TS×21型PC，它具有128个I/O接口，可以完成相当于400多个继电器组成的控制功能，但其重量只有2.3kg，体积只有21612710mm2,不带接品的空载功能只有1.2w，其成本也只有同功能继电器系统的10～20%。

PC的结构紧凑，坚固耐用。

又具有较强的环境适应性和较高的抗干扰能力，因此是实现和机电一体化的理想控制设备。

当然，PC也并非十全十美，其缺点是：

①价格还比较高：

一般来说，比继电器控制高，比一般的单板机系统也高；②工作速度较计算机慢，输出对输入的响应有滞后现象；③使用中、高档PC，要求使用者具有相当的计算机知识。

1.3PC的应用概况

由于PC具有上述的一系列优点，因此在工业控制方面，目前PC已广泛应用于冶金、化工、轻工、机械、电力、建筑、交通、运输等各行各业。

按照PC的控制类型不同，PC已应用于以下几方面：

1．逻辑控制

这是PC最基本的控制，可用以取代继电器控制和二级管矩阵式顺序控制器控制，如机床、电梯、起重机、皮带运输机、布袋除尘器等的电器控制。

2．模拟量控制

PC具有D/A、A/D转换及算术运算等功能，可以实现模拟量控制，有的PC还具有PID运算的功能，可用于闭环的位置控制、速度控制和过程控制。

3．数字控制

PC能和机械加工中的数字控制及计算机数控组成一体，实现数值控制。

随着PC还具有PID运算的功能，可用于闭环的位置控制、速度控制和过程控制。

4．机器人控制

随着工业自动化的发展，使用机器人将愈来愈多。

对于机器人，很多工厂也选用PC来控制，自动地处理它的各种机械动作。

5．多级控制系统

高功能的PC具有较强的通讯联网功能，PC与PC、PC与远程I/O、PC与上位计算机之间可以通讯，从而可形成多级控制系统。

通常采用多台PC分散控制，由上位计算机集中管理，这样的系统又称为分布式控制系统。

典型产品有：

美国GOULD公司的A5900及MODULARSYSTEMSRESEARCH公司的IAC系列。

目前，为了适应大中小型企业的不同需要，进一步扩大PC在工业自动化领域的应用范围，PC正朝着以下两个方向发展：

其一是低档PC向小型、简易、廉价方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制；

其二是中、高档PC向大型、高速、多功能方向发展，使之能取代工业控制微机的部分功能，对于规模、复杂系统进行综合性的自动控制。

从PC的发展趋势看，PC控制技术将成为今后工业自动化的主要手段。

在未来的工业生产中，PC技术和机器人、CAD/CAM技术将成为实现工业生产自动化的三大支柱。

1．4PLC的基本结构

尽管PLC的型号、规格繁琐，结构各不尽相同，但其主要又微处理器（CPU）存储器、电源、输入输出组件等部分组成；各部分采用总线连接。

其基本结构如附图所示。

第2章镗床电气系统及电气原理

2.1镗床的概述

镗床是冷加工中使用比较普遍的设备。

按用途不同，可分为卧式镗床、坐标镗床、金刚镗床和专用镗床等，以卧式镗床应用最广。

镗床主要用于加工精确的孔和各孔间的距离要求较为精确的零件。

如一些箱体零件（机床变速箱、减速箱），望望需要加工数个尺寸不同的孔，这些孔的尺寸大，精度要求高，且孔的轴线之间有着严格的同轴度、垂直度、平行度与位置精度的要求。

这对于钻床来说是很难实现的。

镗床的本身刚度高，其可动部分在导轨上活动间隙小，而且还有附加支撑，一般都能满足技术的要求。

万能镗床除了镗孔以外，还可以进行钻孔、铰孔、扩孔、车削螺纹以及镗轴或平旋盘（花盘）铣削平面等。

装有平旋盘刀架的镗床，特别适用于加工大的孔径、端面和外圆。

其工艺范围很广。

卧式镗床的运动方式可主运动、进给运动和辅助运动。

其中主运动为主轴的旋转运动和花盘的旋转运动；进给运动为主轴的进给运动、花盘刀具溜板的径向进给运动，镗头架（主轴箱）的垂直进给运动、工作台的横向进给与纵向进给；辅助运动为工作台的回转，后立柱的水平移动以及尾架的垂直移动。

由于镗床的工艺范围广，因此，调速范围大，运动形式多。

其电气系统有如下的特点：

1．为了适用各种工件的加工，要求主轴有较大的调速范围。

卧式镗床主运动多采用交流电动机驱动的滑移齿轮有级调速系统，以单级、双级和三速鼠笼式异步电动机驱动。

采用双速或三速电动机拖动。

可简化机械变速机构。

随着电子技术的发展，晶闸管控制的无级调速在镗床上已经获得了广泛的运用。

2．机床主轴及进给运动多用一台电机拖动。

由于卧式镗床进给方向较多，故也要求有较大的调速范围，也是利用滑动齿轮变速。

根据镗床的运动要求，各进给部分应能快速移动，一般用单独的快移电机驱动。

另外个方向进给应有联锁。

也有躺床的进给机构是采用单独的电动机来拖动的。

3．当采用滑移齿轮变速时，为了利于变速后齿轮的啮合，要求躺床运动系统在变速过程中能作低速或瞬时冲动。

4．为了适用加工过程中的调整的需要，要求主轴可以正、反点动调整，同时，还要求主轴可以正、反向旋转。

5．卧式镗床主轴只动要求快而准确，必须采取效果较好的停车只动措施。

通常是采用反接制动。

2.2T68卧式镗床电气控制线路

1．机床的主运动与进给运动共用一台双速电动机M1[5.5/7.5KW，（1440/2900）r/min]来拖动。

用主轴变速操作机构内的行程开关SQ控制时间继电器KT，用三个接触器KM4和KM5、KM6控制定子绕组的“Δ-YY”接线转换，以实现高、低速的转换。

低速时，电动机可直接启动。

高速时，采用先低速起动，而后自动转换为高速运行的二级控制，以减少起动电流。

2．主电动机M1能逆运行，并可正、反向点动及反接制动，在点动、制动以及变速过程的脉动慢转时，线路中均串如了限流电阻R，以减少起动和制动电流。

3．主轴和进给变速均可在运行中进行。

只要进行变速，主电动机M1就脉动缓慢旋转，以利于齿轮的啮合。

主轴变速时，电动机的脉动旋转是通过行程开关SQ1和SQ2，进给变速是通过行程开关SQ3和SQ4以及速度继电器KR来共同完成。

4．为缩短机床加工的辅助工作时间，主轴箱、工作台、主轴以单独的电动机M2（2.2KW）拖动起快速移动。

它们之间的激动进给有机械和电气联锁保护。

2.3T68镗床电气线路的控制原理

1.主轴点动机M1的控制

（1）正、反转的控制：

由正、反转起动按钮SB1、SB2和正、反转起动的中间继电器KA1、KA2及正、反转接触器KM1和KM2组成主轴起动控制电路。

以低速正转为