Y3180H滚齿机的PLC改造设计

1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY专业综合设计与实践题目：Y3180H滚齿机的PLC改造设计二级学院（直属学部）： 专业： 班级： 学生姓名： 学号： 指导教师姓名： 职称： 2013年 3月15日常州工学院专业综合设计与实践任务书二级学院：专业：电气工程及其自动化 班级：学生姓名指导老师 职 称副教授 课题名称Y3180H滚齿机的PLC改造设计课题工作内容 将Y3180H滚齿机由机电控制改造成由PLC接触器控制的智能机床。具体工作内容如下:1.选择PLC型号2.元器件选择3.PLC外部I/O接线图的绘制4.绘制机床工作流程图和控制梯形图 指标要求PLC在设备自

2、动化控制和旧设备的技术改造中前景宽广。在单机技术改造中，多数情况下我们只用了PLC内部很少的一部分资源和功能，PLC性价比高的优点不能得到充分的体现，造成较大的浪费。 PLC是一种可编程、可规划的逻辑控制器。它具有接线简单、可编程、工作可靠和稳定性高等优点，且具备继电控制、价格低廉、驱动能力大等特点，因此在设备的技术改造或其他开关量输人输出的顺序控制中可以成为主要的控制器。 Y3180H齿轮机适用于单件或批量生产带有齿轮的大型零件的齿轮加工，是一般机械加工车间常用的机床。由于其控制系统采用继电器控制方式，电路中联锁较多，电路接线复杂，触点多，因而故障较多，维修比较麻烦。长期使用后，故障率高，故

3、障排除困难，常常影响企业正常生产。PLC具有可靠性高，环境适应性强，使用方便，成本低，维护简单等优点。因此，利用PLC对齿轮机继电器控制电路进行改造，有助于提高设备可靠性，使用率，改造后运行效果良好。其主要功能指标：1. 采用4台电机拖动，主轴电动机Ml、摇臂升降电动机M2、液压泵电动机M3及冷却泵电动机M4；2. 控制电路设有主轴启动按钮SB2和主轴停止按钮SB1；3.有QS电源开关，电路有短路保护、过载保护等；4、摇臂升降动作按照“摇臂松开升降摇臂夹紧”顺序进行。由摇臂松开行程开关SQ2与夹紧行程开关SQ3来控制。在摇臂夹紧前，由时问继电器KT延时l3s后再夹紧； 5、主轴箱和立柱的松、紧

4、是同时进行的，SB5和SB6分别为松开和夹紧点动按钮；6、主轴电动机Ml和液压泵电动机M3分别设有热继电器FRl、FR2作长期过载保护；7、机床设有4个信号灯：电源指示灯HL、立柱和主轴箱松开指示灯HL1、立柱和主轴箱夹紧指示灯HL2、主轴电动机旋转指示灯HL3和照明灯EL。 进程安排第一天：下达任务、理解课题要求、收集和消化相关资料； 第二天 ：制定改造方案和方案论证、制定； 第三五天：硬件部分的实现 第六八天：软件设计、调试 第九天：根据设计内容，撰写设计报告 第十天：实际测试、答辩考核主要参文献电气控制与可编程控制器技术 史国生 化学工业出版社 电气控制与PLC应用 范永胜、王岷 中国电

5、力出版社 可编程序控制器及应用 陈晓琴 哈尔滨工程大学出版社 PLC分析与设计应用 周万珍、高鸿斌 电子工业出版社 现代电气控制PLC应用技术 王永华 北京航空航天大学出版社 PLC应用开发实用子程序 贾德胜 人民邮电出版社 机电一体化原理及应用 姚伯威 吕强 北京国防工业出版社PLC应用技术 钱悦 徐峰 北京希望电子出版社 地点秋白楼起止日期2013.3.4-3.15 目录目录3摘要4第一章 绪论51.1课题的研究意义51.2 滚齿机简述51.2.1 Y3180H滚齿机电气控制的缺点51.2.2 工作原理6第二章 PLC系统总体设计方案72.1 改造方案72.2电路控制原理及原理图72.2.

6、1主电路82.2.2 控制电路92.2.3.运动分析11第三章 硬件系统设计123.1 PLC的选择123.2元件清单123.3 I/O分配表143.4 PLC外部接线图15第四章 软件系统的设计164.1 PLC梯形图设计16第五章 调试18第六章 小结19附录201 .Y3180H型滚齿机的电气控制线路图202.主电路213.控制电路224.元器件清单235.PLC外部接线图256.总程序26参考文献28摘要Y3180H滚齿机是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机床。本设计介绍了自动滚齿机PLC控制系统设计方案，并且叙述了滚齿机运行的基本原理、PLC的基本原理、PLC的

7、工程设计步骤。该系统用三菱公司的FX2N系列PLC作为控制核心，利用PLC控制滚齿机运行，实现了滚齿机启动、停止、故障停止、紧急停止的功能，并且有手动控制和自动控制两种控制方式，从而实现了滚齿机运行的自动化功能。PLC控制的特点使原机床控制大大的简单化,提高电气系统的稳定性和可靠性，并且维修方便,易于检查。节省大量的继电器元件,使机床的工作效率更高。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，

8、广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。PLC对Y3180H滚齿机的继电接触式电控系统进行技术改造，改造后可以减少强电元气件数目，提高系统的稳定性可靠性安全性。使电气控制系统的工作更加灵活、可靠，更容易维修，更能适应经常变动的工艺条件。第一章 绪论 1.1课题的研究意义本课题依据于PLC对Y3180H型精密滚齿机控制系统的PLC改造。课题的意义是设备更新，购置新型数控滚齿机、提高企业对产的加工能力，增强产品市场的竞争能力是企业提高市场竞争能力的首选。但新机床购置费用高，且旧机床的闲置必然造

9、成很大的资源浪费。因此对原有机床的PLC改造显得尤为重要。利用旧机床进行改造具有一下几点优势： 1）投资额小、开发成本低数控化机床改造的低成本投入是推动数控改造市场迅速发展的关键因素.与购置新机床相比较,一般可以节省60%-70%的费用，改造费用低。特别是大型特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只需花费新机床购置费用的三分之一，即使将原机床的结构进行彻底改造升级，也只需要花费购置新机床50%的资金。并且企业可以充分利用现有地基，不必像购入新设备那样重新构筑地基。 2）了解设备、便于操与维修，减少后期的培训、维修成本； 3）使用灵活、性能更稳定； 4）可充分利用现有的条件使企业更快地投入生产；

10、5）可有效的扩大加工范围，提高加工精度； 6）提高机床的自动化程度及生产效率； 7）缩短生产和生产准备周期； 8）减轻工人劳动强度，改善劳动条件。同时经过PLC数控改造的滚齿机直接采用伺服电机驱动内联传动链两端件，取消中间传动齿轮，通过PLC控制装置控制各电机的转速实现远程控制，向最终实现齿轮加工的集成化迈进。1.2 滚齿机简述齿轮加工机床是一种用途广泛的机床，可进行多种齿轮加工。包括直齿轮加工、斜齿轮加工、蜗轮加工等。在各种机床中，滚齿机操作方便，灵活，适用范围广，具有典型性。本次论文主要介绍了Y3180H滚齿机控制系统的改造。1.2.1 Y3180H滚齿机电气控制的缺点a、行程开关目前存在

11、的缺点：1由于长期使用，使得行程开关易损坏、影响生产，增加了电器人员的维修工作量。2电磁铁在使用一段时间后，容易失灵。导致电器系统执行动作不可靠，影响了生产，不便管理。3. 线路复杂，维修不方便。b、Y3180H滚齿机采用了传统的接触器继电器控制系统。继电接触器控制系统是使用按钮、开关、行程开关、接触器、继电器组成的控制系统。它通过电气触电的闭合和分断来控制电路的接通与断开。实现对电动机拖动系统的启动、停止、调速、自动循环和保护等自动控制。它具备控制结构简单、价格低廉、控制方式直观、容易掌握等优点，但体积较大、控制速度慢、改变控制功能必须改变接线来完成，在工厂实际操作中，越来越不适应现场系统。

12、1.2.2 工作原理滚齿加工是由一对交错轴斜齿轮齿合传动原理演变而来。在加工不同类型的齿轮时，其传动链有不同的要求，归纳起来主要包括的传动链有：1.直齿轮加工时，电动机带动的滚刀旋转的运动链（外联系传动链），滚刀旋转与工作台回转之间的内联系传动链，（内联系传动链），滚刀在刀架的带动下沿轴向的直线运动（外联系传动链）。2.斜齿轮加工时，由于斜齿轮与直齿轮的不同之处是齿线为螺旋线，因此斜齿轮滚切时，除了与滚直齿一样，需要有滚切旋转与工件旋转之间的展成运动，主运动，轴向进给运动外，为了形成螺旋齿线，在滚刀作轴向进给运动的同时，工件还应作附加旋转运动，而且这两个运动之间必须保持确定的运动关系，即滚刀移

13、动一个工件旋转线导程时，工件应该准确地附加转过一圈。3.蜗轮加工时，用蜗轮滚刀滚切蜗轮，齿廓的形成方法与加工圆柱齿轮是相同的，但齿线是当滚刀切至全齿深时，在展成齿廓的同时形成的。因此主要运动包括滚切蜗轮的展成运动，主运动以及滚刀切入工件的进给运动。对于Y3180H滚齿机，其切入运动是径向进给法。即在加工齿轮时，还应该由滚刀或工件沿工件径向作切入进给运动，使滚刀从蜗轮顶逐渐切入至全齿深。第二章 PLC系统总体设计方案2.1 改造方案根据上述介绍，本机床采用以继电器控制为核心的方式，而继电气控制有很多缺点：电路接线复杂，触点多、噪音大、可靠性差、故障诊断与排除困难等缺点。故改用PLC控制。同样，机

14、床控制线路中行程开关有响应速度低、精度差、接触检测易损坏被测物，及寿命短等缺点。故改用PLC控制。2.2电路控制原理及原理图传统滚齿机的类型较多，控制电路各不相同，但都存在相同的问题，即利用齿轮挂箱实现各运动部件的转速控制和联动。过长的传动链是导致产品加工精度低的主要原因。这里先对先对Y3180H型滚齿机做简单电路分析，以明确滚齿机的基本工作原理。Y3180H型滚齿机的电气控制线路图如下图2.1所示： 图2.1 Y3180H型滚齿机的电气控制线路图2.2.1主电路图2.2 Y3180H型滚齿机的主电路图主电路共有四台电动机，其中M2是主轴电动机，利用KM2与KM3实现正反转控制。KM2吸合电机

15、M2正传时实施进给加工，KM3吸合M2反转时进行退刀。轴向快速运动电机由接触器KM4、KM5实现正、反转控制。液压泵电机由接触器KM1控制。主轴的运转利用齿轮挂箱可带得刀具高速旋转和刀具的横向进给，加工不同工件时应按要求选择不同的齿轮挂箱，利用齿轮传动实现各主轴转速调节和转速联动；M3是冷却泵电动机，只要求单向旋转；冷却泵电机M3由KM8控制，即KM8吸合则M3工作。但要注意的是M2必须在M3电动机工作后才能启动，为顺序控制。M2/M3要进行长时间工作，所以都装有过载保护。整个线路由一组总熔断器做短路保护。2.2.2 控制电路图2.3 Y3180H型滚齿机的控制电路图 液压泵控制总开关SB1闭

16、合，为控制电路接通做好准备，同时接通接触器KM1线圈电路，KM1得电；液压泵电动机M1主电路闭合工作，为液压系统提供压力油，为传动元件提供润滑油，保证旋转元件在工作之前得到充分的润滑。 主电动机控制 滚齿过程中的主要运动都是由电动机M2提供，先将SA3转换到KM2线圈电路，此时按下按钮SB1，接触器KM2线圈电路接通，利用其常开触点使KM2自锁，主触点闭合，电动机M2正转，主电路接通，电动机M2通过外联系传动链带动滚刀正转（逆铣），由滚刀轴通过内联系或者外联系传动链带动刀架、工作台运动，当刀架运动到上方或者下方的极限位置时，由行程开关SQ2和SQ4进行极限位置保护，压下行程开关，接触器KM2线

17、圈断电，电动机M2停止转动。当SA3转换到KM3线圈回路位置，按下按钮SB1时，接触器KM3将得电并自锁，电动机M2反转，带动刀具作顺铣加工。当按下按钮SB3时，其常开触点闭合，接通接触器KM2或KM3电路。但由于SB1的常闭触点切断了KM2或KM3线圈的自锁回路，接触器线圈回路不能自锁，电动机M2只能点动旋转，为机床点动调整控制状态，有利于调整各个运动部件之间的相对位置。 冷却泵电动机控制在主电动机的工作工作状态，即KM2或KM3线圈得电的情况下，将SA5置于闭合状态，接触器KM4线圈电路闭合，线圈得电，主触点接通电动机M3主电路，冷却泵工作，为切削过程提供切削液。 轴向快速移动点动控制刀具

18、在加工完毕，轴向返回初始位置或作刀架的轴向调整时，刀架需要作快速移动。为了减少传动元件和缩短辅助时间，利用快速电动机带动刀架作轴向运动。 径向运动控制为了能够调整刀具与工件的径向位置和加工蜗轮的需要，工作台能够作径向运动，其运动由液压系统提供动力，当SA4闭合后，电磁铁YA1得电，液压缸推动工作台作径向运动。 其他控制内容照明电路采用24V电源，当将SA2闭合时，照明电路接通，灯HL亮。指示灯电路主要有电源指示灯HL1、润滑油指示灯HL2、主电动机过载指示灯HL3，在合上电源总开关（低压断路器）QF1时，指示灯HL1亮，标志电源接通；当润滑油减少到一定程度时，安装在液压缸中的浮子继电器KF触点

19、闭合，指示灯HL2亮，提醒操作者及时添加润滑油，以监控润滑油；当主电动机过载时，热继电器FR2常开触点闭合，指示灯HL3亮，提示操作者系统有故障，主电动机过载。四台电动机之间的关系为顺序控制。2.2.3.运动分析通过对滚齿机进行各种加工操作的运动分析，确定滚齿机运动要求如下： 1.动作要求： 主轴的高速旋转且转速可调：5495rpm 滚刀的高速旋转且转速可调：5004000rpm 滚刀的横向进给且进给速度可调：快速时5000mm/min 上述三种速度可根据相关参数实现联动。滚齿机工作时，要求能够实现这三个转速在很大的范围内连续可调，并保证三速度之间存在一定的函数关系。在传统滚齿机上是利用齿轮挂

20、箱实现三者之间的联动和速度控制的。 2.进给控制要求： 工作台的垂直方向进给； 滚刀的横向进给。 应该注意的是滚刀的垂直进给和滚刀的横向进给应该实现双速运行，位置较远时可高速进给，当达到一定位置时，由传感器发出信号改为低速进给。另外，加工不同工件，应选择不同的转速比，即电机的转速应该可以按要求调节。 3.保护功能： 垂直进给行程开关（上下位置）； 横向进给行程开关（左右极限位置）。 在传统机床电路中，行程开关是常见的位置限制元件，在电气控制中是必不可少的。 第三章 硬件系统设计3.1 PLC的选择因接触器继电器控制系统体积较大、控制速度慢、改变控制功能必须改变接线来完成，在工厂实际操作中，越来

21、越不适应现场系统。本文故利用PLC对它进行改造。PLC种类较多，主要有西门子、三菱、OMRON、FANAC、东芝等，但能配套生产，大、中、小、微型均有配套且目前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、OMRON的PLC。根据前面确定的PLC点数：实际输入点16点，实际输出点8点，综合对比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX2N、FX2N等）、西门子系列、OMRON系列中FX2N40MR的PLC价格、性能、实用场合等各方面比较适合。根据Y3180H的工作过程和电气参数，本系统可选择PLC型号为：FX2N40MR编程序控制器进行改造。首要考虑保证原有的控制功能不变，尽量保留原来的电气元件

22、，不添加新的元件。主电路不变，PLC电源电压为交流220V，接触器线圈负载和电磁铁线圈电源为110V。照明电路和指示灯电路逻辑关系简单并独立，不做改造。FX2N系列是FX系列PLC家族中先进的系列，它能最大范围地包容了标准特点，程式执行更快，全面补充通讯功能，适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化控制应用提供最大的灵活性和控制能力。3.2元件清单序号符号名称规格型号数量用途备注1M1异步电动机Y90L-6-B5 1.1KW1液压2M2异步电动机Y123S-4 5.5KW1主轴左出线3M3冷却泵AB-100 0.25KW14M4异步电动机Y90S-4 1.1

23、KW1轴向快速5M5异步电动机Y80-4 0.55KW1径向快速6TC变压器BK-300 380/110,24,6V17FU1熔断器RL1-15/10A38FU2-FU4熔断器RL1-15/2A69FU5，FU6熔断器RL1-15/4A210XS插座头P28K4S,P28J4A111KM2，KM3交流接触器CJ0-20 110V212KM4-KM7交流接触器CJ0-10 110V413KM1，KM8中间继电器J27-44 110V214KA1中间继电器J27-44 110V115FR1热继电器JR16-20/3D 整定3.2A1热元件7号 3.5A16FR2热继电器JR16-20/3D 整定1

24、1.6A1热元件11号 16A17FR3热继电器JR16-20/3D 整定0.69A1热元件3号 0.72A18S1-S3主气开关LAY1-11X319S4水银开关PZ21220EL工作灯JC 灯头E27121SB1按钮LAY11带24V，40W灯泡22SB2按钮LAY1-111总停蘑菇头，红色23SB3，SB4按钮LAY1-112红色24SA1-SA5按钮LAY1-115绿色25HL1信号灯XD11 6V1绿色26HL2信号灯XD11 6V1白色27SQ1行程开关X2-N1轴向行程绿色28SQ2行程开关X2-N1轴向向上极限开关29SQ3行程开关X2-N1进给与快速互锁30SQ4行程开关X2

25、-N1轴向向下极限开关31SQ5行程开关X2-N1径向前进极限32SQ6行程开关X2-N1径向后退极限33SQ7行程开关JW2-11Z/31切向行程开关34SQ8行程开关JW2-11Z/31切向向后极限35SQ9行程开关JW2-11Z/3切向向前极限36SQ10行程开关X2-N1左挂轮架门开关组合式37SQ11行程开关X2-N1右挂轮架门开关38QF自动开关DZ10-100/320 30A1附DJL5互锁装置表3-1 元器件清单3.3 I/O分配表输入触点分配输出触点分配x0sb1y0km1x1sb2y1km2x2sb3y2km3x3sb4y3km4x4SB3y4km5x5sa2y5km6x6

26、sa3y6km7x7sa4y7km8x10sa5y10x11sq1y11elx12sq2y12hl1x13sq3y13hl2x14sq4y14yv1x15sq5y15yv2x16sq6y16x17sq7y17x20sq8y18x21sq9y19x22sq10y20x23sq11y21x24qfy22x25s1y23x26s2y24x27s3y25x30s4y26x31sa6表3-2 I/O分配表3.4 PLC外部接线图图3-1 PLC接线图第四章 软件系统的设计4.1 PLC梯形图设计a 液压泵控制图4-1总停开关SB1闭合，输入继电器X000为ON，当启动开关SB2按下，接通输入继电器Y0线

27、圈逻辑回路，使接触器KM1线圈电路导通，KM1主触点闭合，液压泵M1主电路闭合工作，为液压系统提供压力油，为传动元件提供润滑油，保证旋转元件在工作之前得到充分润滑，并且自锁。当到达前后极限时，使元件M100为ON，为后续程序控制做好准备。b 主电动机控制及冷却泵控制图4-2主电动机控制（Y1/Y2）：在液压泵工作的前提下，当S4合上，输入继电器X30为ON，当SQ7,SQ1,SQ4,SQ2均未触发，SQ10,SQ11均触发时，则中间继电器M200闭合。KM3KM5闭合，SB3断开或SB3闭合中间继电器M201闭合。此时，当SB4闭合，或者M201闭合，SB2和KM3均断开时，Y1为ON，则电机

28、M2正转。当QF闭合时若KM2断开，电机反转。冷却泵控制(Y3)：在之前SB2合上的情况下，S3闭合，则KM8线圈得电导通，接触器主触点闭合，冷却泵电机主电路接通旋转。c 轴向快速移动控制图4-3利用操作手柄切换到轴向快进状态，快移机械离合器闭合。当SQ3闭合时，轴向快速移动可以动作。当SQ8,SQ4,SA3,KM5断开，SA3闭合时 ，Y3得电，电机正转。当SQ9,SQ2,SA2,KM4,SA3断开, Y4得电，电机反转。d 径向运动图4-4当KM3，KM1，得电时可进行径向运动。当SQ5,SA6,KM7断开，SA5合上时，电机正向运动。当SQ6,KM6,SA5断开，SA6合上时，电机反向运

29、动。 第五章 调试系统调试分为两个阶段：第一阶段为模拟调试，第二阶段为现场运行调试。在程序输入PLC后，应先进行模拟调试。因为在程序设计过程中，难免有疏漏的地方，因此在将PLC连接到现场设备之前，必须进行模拟调试，以排除程序中的错误，同时也为现场运行调试打好基础，缩短现场运行调试的周期。在模拟调试时，外接适当数量的输入开关作为模拟输入信号，通过输出模块上的发光二极管来观察PLC的输出是否满足要求，发现问题立即修改和调整程序，直到满足控制要求。在PLC软、硬件设计控制柜及现场施工完成后，就可进行整个系统的现场运行调试。如果控制系统由几个部分组成，则可以先作局部调试，然后进行整体调试；如果控制程序

30、的步序较多，则可先进行分段调试，然后再连接起来总调试。Y3180H滚齿机原继电器电路经三菱FX2N-40MR系列PLC改造后，虽然PLC一次性投资较大，但改造后的设备大大降低了运行的故障率，提高了设备运行的稳定性和效率，减轻了劳动强度，降低了维护成本，并可避免出现因误操作而引起的事故。第六章 小结通过本次设计，使我对PLC的控制原理和Y380H滚齿机的工作情况有了更进一步的了解。工业控制采用PLC比传统的采用电子线路和继电器具有可靠性、维护方便、通用性强等特点。这次设计，是对课本上所学的知识有了一个很好的扩充，对所学过的知识进行巩固和加深。同样，也使我们在今后的学习和工作中能够更好地去完成任务

31、，这样才能真正地掌握并运用所学到的知识。 两个星期以来，从开始到设计完成，每一步对我们来说都是新的尝试和挑战，在做这次设计过程中使我学到很多，我感到无论做什么事情都要真真正正用心去做，才会使自己更快的成长。 在设计的过程中遇到了很多不理解的东西，通过指导老师和同学的帮助，还通过网络和图书馆将问题一一地解决。在解决问题的同时学到更多的知识才是我们这次设计的目的。我想这次设计会使我在以后的工作过程中一定有很大的帮助和提高。在这里表示对我在设计的过程中有过帮助的老师和同学表示感谢。附录1 .Y3180H型滚齿机的电气控制线路图图1 Y3180H型滚齿机的电气控制线路图2.主电路图2 Y3180H型滚齿机的主电路图3.控制电路图3 Y3180H型滚齿机的控制电路图4.元器件清单序号符号名称规格型号数量用途备注1M1异步电动机Y90L-6-B5 1.1KW1液压2M2异步电动机Y123S-4 5.5KW1主轴左出线3M3冷却泵AB-100 0.25KW14M4异步电动机Y90S-4 1.1KW1轴向快速5M5异步电动机Y80-4 0.55KW1径向快速6TC变压器BK-300 380/110,24,6V17FU1熔断器RL1-15/10A38FU2-FU4熔断器RL1-15/