龙门铣床的plc改造毕业论文

1、南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文） 学 院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程极其自动化专业 学 生： 指 导 教 师： 完成日期 2015 年 5 月 南阳理工学院本科生毕业设计（论文）龙门铣床电气控制系统PLC改造 PLC Transformation of The Electrical Control System of Longmen Milling Machine 总 计： 24 页 表 格： 3 个 插 图 ： 5 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）龙门铣床电气控制系统PLC改造 PLC Transformation of The El

2、ectrical Control System of Longmen Milling Machine 学 院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化专业 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology龙门铣床电气控制系统PLC改造龙门铣床电气控制系统PLC改造电气工程及其自动化专业 姓名 【摘 要】XN2010型龙门铣床可以加工多种所需形状的金属零部件，但在电气控制系统方面，传统的铣床存在着很大的弊端。主要是传统的机床控制系统采用继电器、接触器等硬件逻辑控制

3、电路，给生产与维护带来诸多不便，严重影响生产率。PLC是面向用户专用的工业控制计算机，特别适合于机床控制系统的改造和应用。此论文详细地对 XN2010型龙门铣床的控制线路进行分析,并系统地介绍了利用S7-200 PLC对这种机床进行改造方法和方案。【关键字】龙门铣床；PLC；控制系统;改造 PLC Transformation of The Electrical Control System of Longmen Milling MachineElectrical Engineering and Automation Specialty 姓名Abstract：XN2010 type milli

4、ng machine can process a variety of desired shape metal parts,but in the electrical control system, the traditional milling there are significant drawbacks.PLC is user-oriented dedicated industrial control computer, particularly suited to adapt and apply machine control system. This paper detailed c

5、ontrol circuit XN2010 type milling machine is analyzed and systematically describes the use of such tools S7-200 PLC transformation methods and programs. Keyword:Longmen type milling machine;Programmable Logic Controller;The electrical control system;Reform 目 录1 引言11.1 铣床的用途和分类11.2 国内外铣床研究现状和发展趋势22

6、XN2010型龙门铣床的工作过程和控制要求42.1 电气控制线路特点42.2 电路工作原理52.2.1 主轴的起动与停车52.2.2 工作台的进给运动52.2.3 主轴箱的进给运动62.2.4 工作台和主轴箱的快速移动62.2.5 横梁升降运动72.2.6 控制线路的联锁与保护72.3 进给直流电动机晶闸管调速系统83 西门子S7-200 PLC简要介绍113.1 PLC的基本定义113.2 西门子S7-200基本介绍123.3 S7-200 PLC 系统的基本组成123.3.1基本单元123.3.2个人计算机或编程器143.3.3 STEP 7-Micro/WIN32编程软件143.3.4

7、通信电缆144 XN2010型龙门铣床的PLC改造144.1 XN2010型龙门铣床的PLC改造的I/O接线图154.2 输入/输出分配表154.3 XN2010型龙门铣床的PLC改造的S7-200 PLC程序和注释15结束语19参考文献20附录21致谢241 引言1.1 铣床的用途和分类 铣床系指主要用铣刀在工件上加工各种表面的机床。通常铣刀旋转运动为主运动，工件(和)铣刀的移动为进给运动。它可以加工平面、沟槽，也可以加工各种曲面、齿轮等比较复杂的型面，效率较刨床高，在机械制造和修理部门得到广泛应用。在金属切削机床中，铣床的数量仅次于车床，它可用来加T平面、斜面、沟槽等。装上分度头，还可以铣

8、切直齿轮和螺旋而。加装圆工作台，可以铣切凸轮和弧形槽。 铣床的运动方式分为主运动、进给运动和辅助运动。以常用的立铣和卧铣为例，刀具（铣刀）的旋转运动为主运动：工件（工作台）的移动或进给箱的移动称为进给运动；工件向刀具趋近时的工作台快速移动、加工完毕后工作台的快速返回移动、主轴箱的快速移动以及工作台的旋转运动皆为辅助运动。主轴和工作台的调速通过机械的主轴变速箱和进给变速箱来实现。由于铣床的工艺范围较广，运动形式也比较多，因而其控制系统比较复杂。主要有如下几个特点： （1）铣床种类多，各种铣床的结构和使用范围虽不同，但多数铣床的主轴运动和进给运动分别由单独的电动机拖动。对于中小型铣床，一般采用三相

9、异步电动机拖动。 （2）铣削加工时有顺铣和逆铣两种形式，分别使用顺铣刀和逆铣刀，因此，要求主电动机能正转或反转。一旦铣刀选定，铣削方向也就确定了，故工作过程中不需要变换主电动机旋转方向。 （3）铣削是多刃不连续切削，因而负载不稳定，拖动不平稳，为此，常在铣床主轴上安装飞轮，由此，又使得主轴停车时惯性大，停车时间长，所以主轴都采用制动停车方式。 （4）铣床的进给运动有六种：即工作台的左右（纵向）运动、前后（横向）运动和上下（垂直）运动。为保证安全，同一时间内只允许一个方向的运动。为此，同一台进给电动机拖动，用方向选择手柄选择运动方式，用进给电动机的正、反转实现左或右，前或后、上或下六个方向的运动

10、。进给电动机停车时，也可加上电气制动，以提高停车的准确度。 （5）有的铣床可加装圆工作台，以扩大加工能力。使用圆工作台时，原工作台的左、右、前、后、上、下六个方向的进给运动全部停止。 （6）为避免工件与铣刀非铣削加工接触时损坏机床或工件，要求起动时，应先开动主轴电动机，然后才可开动进给电动机；停车时，最好先停进给电动机，后停主轴电动机，或者两台电动机同时停止。 另外，其种类也非常之多。 1. 按其结构分： (1) 台式铣床：小型的用于铣削仪器、仪表等小型零件的铣床。 (2) 悬臂式铣床：铣头装在悬臂上的铣床，床身水平布置，悬臂通常可沿床身一侧立柱导轨作垂直移动，铣头沿悬臂导轨移动。 (3) 滑

11、枕式铣床：主轴装在滑枕上的铣床，床身水平布置，滑枕可沿滑鞍导轨作横向移动，滑鞍可沿立柱导轨作垂直移动。 (4) 龙门式铣床：床身水平布置，其两侧的立柱和连接梁构成门架的铣床。铣头装在横梁和立柱上，可沿其导轨移动。通常横梁可沿立柱导轨垂向移动，工作台可沿床身导轨纵向移动。用于大件加工。 (5) 平面铣床：用于铣削平面和成型面的铣床，床身水平布置，通常工作台沿床身导轨纵向移动，主轴可轴向移动。它结构简单，生产效率高。 (6) 仿形铣床：对工件进行仿形加工的铣床，一般用于加工复杂形状工件。 (7) 升降台铣床：具有可沿床身导轨垂直移动的升降台的铣床，通常安装在升降台上的工作台和滑鞍可分别作纵向、横向

12、移动。 (8) 摇臂铣床：摇臂装在床身顶部，铣头装在摇臂一端，摇臂可在水平面内回转和移动，铣头能在摇臂的端面上回转一定角度的铣床。 (9) 床身式铣床：工作台不能升降，可沿床身导轨作纵向移动，铣头或立柱可作垂直移动的铣床。 (10)专用铣床：例如工具铣床：用于铣削工具模具的铣床，加工精度高，加工形状复杂。 2. 按布局形式和适用的范围来看，主要的有升降台式铣床、龙门式铣床、单柱式铣床和单臂式铣床、仪表式铣床、工具铣床等等。 仪表铣床，它是一种比较小的铣床，它主要用来加工一些仪器以及一些仪表和其它的小型零件；而工具铣床呢，它主要要用于模具制造、工具制造，配备有立铣头、万能角度工作台以及插头等很多

13、种附件，除此之外，还可以进行钻削、镗削以及插削等的加工。其它铣床还有凸轮铣床、曲轴铣床、轧辊轴颈铣床以及方钢锭铣床等等，它们都是为了加工相应的工件而专门制造的铣床。 3. 按控制的方式分，铣床又可以分为仿形铣床、程序控制铣床以及数控铣床等等。1.2 国内外铣床研究现状和发展趋势 目前，不仅在传统制造领域，PLC控制技术在其他领域也得到广泛应用。 在国内，引进PLC控制技术，设计研发了水净化工艺的控制系统，PLC在这个系统的水净化过程中可以控制加药加氯动作，从而达到了水处理的自动化的目标，工作人员的工作强度大幅减少，取得了很好的效果；在太阳能开发这方面，研发了基于PLC的太阳能热水器的这样一个控

14、制系统，在这个系统里面，PLC通过控制液位的高度、电源的开关、采集温度以及风压等数据，从而实现了自动控制的功用；在裂纹检测领域，设计了的基于PLC裂纹检测台，很好的发挥PLC控制系统的稳定性、智能化的优点，在汽车轮裁等转轴零件的检测找取得了良好的效果；在煤炭生产这方面，利用PLC的控制优点、研发了基于PLC的焦化备煤的一个控制系统，从而实现了金马焦化厂的备煤过程，大大满足了生产所需，增加了企业生产的效率；在埴墩处理这方面，设计了基于PLC的各种垃圾焚烧炉控制系统，从而发挥了PLC控制系统的稳定、便于操作、易控制的优点，确保了垃圾焚烧炉安全运行、炉温平稳、尾气污染控制合格。 在国外设计的工厂信息

15、系统中，已经将PLC应用于信息采集、预处型并传送实时数据给电脑，缩小了成本，确保了系统的稳定性，获得了很好的效果；在生物研究方面，为了深入了解微生物在不同浓度的氧气环境中生长和繁殖的情况，在使用的带氧功能的生物反应器里面，PLC被他们用来自动控制氧气的浓度比例，取得了很大的成功；在机器人用于颜色辨别的研究方面也用了PLC技术。 由于计算机科学技术发展和工业自动化越来越高的要求，可编程控制技术得到飞速发展，其技术和产晶口趋完善。今后，PLC将主要朝着以下两个方向发展：一是向超小型专用化和低价格方面发展；二是向高速多功能和分布式自动例络方向发展。 随着科学技术的发展，PLC迅速渗透到工业控制的各领

16、域，包括从单机到工厂自动化，从机器人、柔性制造系统到工业局部网络等等。PLC不管现在还是在未来的工业自动化领域中都将发挥不可替代的作用，而且它也必将向更多领域进军，为再一次科技革命的到来奠定坚实的举础。从上世纪80年代起铣床制造业的发展虽有起伏但对自动控制技术和自动铣床一直给予较大的关注。经过九五式自动车床和加工中心包括自动铣床的产业化生产基地的形成，其生产的普及型自动铣床的功能和稳定性方面已经具备了较强的市场竞争优势。但是，在中高档自动铣床方面，与国外一些先进产品相比仍然存在很大的差距。这是由于欧洲、美国、日本等先进工业国家，已经在80年代先后完成了自动化机床产业进程，其中有一些出名的机床公

17、司一直致力于创新和新产品的研发。随着科技的发展，生产工艺方面的不断改进，以及计算机技术的应用和新型控制策略的出现，不断改变着电气控制技术的形态，在控制方法方面，从手动控制到自动控制；在控制功能方面，由简单控制到智能化控制；另外，在操作上，从策重发展到信息化的处理；在控制原理方面，由单一的有触头硬接线继电器逻辑控制系统发展到以微处理器或微型计算机为中心的网络化自动控制系统。XN2010型龙门铣床综合了计算机技术、微电子技术、检测技术、自动控制技术、智能技术、通信技术、网络技术等先进的科学技术成果。2 XN2010型龙门铣床的工作过程和控制要求 龙门铣床的外形结构与龙门刨相比，也有一个龙门式的框架

18、，所不同的是龙门铣床的横粱和立柱上安装的不是刨刀刀架，而是铣刀主轴箱。 XN2010型龙门铣的主运动为二个水平主轴箱以及一个垂直主轴箱上刀具的旋转运动，它的每一个铣头分别由一台13kW的异步电动机来拖动，它们采用的均是机械有级方式来变速。进给运动则包括有工作台的前后移动、左右两个方向主轴箱沿立柱的上下运动以及垂直主轴箱沿着横梁左右移动。这些运动是共同用一台4kW的直流电动来拖动，它用选择开关来控制电磁阀的集中传动。采用晶闸管整流供电，通过调节直流电动机的电枢电压，使各方向进给运动获得无级调速。工作台进给速度为20-1000mm/min(电动机转速为20-1000r/min)，主轴箱进给速度为1

19、0-500mm/min（电动机转速为20-1000r/min）。辅助运动包括工作台和主轴箱的快速移动、横粱降运动。前者仍借用进给直流电动机驱动，但电动机转速升到2000r/min。后者则单独由一台5.5kW的交流异步电动机驱动，采用点动控制。XN2010型龙门铣床的电气原理图见附录电气原理图（a）、（b）、（c）。2.1 电气控制线路特点 (1) 机床主运动由三台交流异步电动机拖动：M1为右水平主轴电动机，由接触器KM1、KM2控制其正反转；M2为垂直主轴电动机，由接触器KM3、KM4控制其正、反转；M3为左水平主轴电动机，由接触器KM5、KM6控制其正、反转，从而控制主轴箱上刀具的旋转方向，

20、满足加工需要。(2) 进给运动由直流电动机M驱动。M由单相半控桥式整流电路供电，通过改变晶闸管的导通角来改变电枢电压，实现无级调速。M的正、反转则通过接触器KM11、KM12改变电枢电压极性来实现。(3) 工作台和主轴箱的快速移动也是由进给直流电动机M驱动的。快移时，继电器KA5得电，提高给定电压。同时，继电器KA10得电，电动机M的励磁减少一半，转速升到2000r/min。 (4) 横粱升降由交流异步电动机M4拖动，由接触器KM9、KM10控制其正、反转，实现横粱的上下移动。(5) 液压泵电动机M5和回油泵电动机M6并联连接，受接触器KM7控制，单向旋转。 (6) 各电动机的过载保护和短路保

21、护均通过所接自动开关（QF1QF6）承担。因回油泵电动机M6与液压泵电动机M5功率悬殊，另接热继电器FR1作过载保护。 （7）为避免损坏刀具和工件，要求停止时先停进给，后停主轴。本机床在控制电路(3-35)之间串接了QF1QF3的三个常开触头，当三台主轴电动机任何一台因短路或过载而使自动开关掉闸时，自动切断主轴电机以及进给和其他控制电路的电源。由于在主轴电动机的起动控制电路中接人了时间继电器KT1的延时断开常开触点，保证了先停进给，后停主轴这一停车要求。 （8）只有在液压泵起动后，才能有进给操作。由两部分电路实现：一是通过液压泵起动接触器KM7的常开触头(41 - 45)控制接触器KM8。再由

22、KM8控制进给电动机晶闸管整流回路的变流输入；二是在控制电路（37 - 49）间接入高、低液压继电器KA11、KA12的常开触点，只有在液压正常的情况下，后面的进给以及其他控制电路才能工作。 （9）机床采用悬挂按钮站控制，操作按钮SB1SB9，主令开关SA4-SA6、SA8、SA9，电源指示灯HL1及调速器RP2都安装在悬挂按钮站，便于操作和控制。主轴转换开关SA1、SA2、SA3安装在电气柜侧面。2.2 电路工作原理2.2.1 主轴的起动与停车首先应将电源开关QS、自动开关QF1QF3台上。根据各主轴的铣削要求，扳动主轴转换开关SA1- SA3，选择好旋转方向，各主轴转换开关的工作状态见表1

23、。然后，按下主轴起动按钮SB2，时间继电器KT1得电并自锁，KT1的延时断开常开触点(3-5)闭台，接通三主轴的起动接触器，各主轴电动机按预定转向起动。以右水平主轴电动机 表1 主轴转换开关SA1、SA2、SA3工作状态表 符号 指示 手柄SA1SA2-1SA3SA1SA2-2SA3SA1SA2-3SA3正转向左+-零位向上-+-反转向右-+ 注：1.“+”表示开关触点接通； 2.“-”表示开关触点断开。为例，如果需要逆铣，则将转换开关SA1处于反转位，SA1-1断开，SA1-3接通，这时，接触器KM2得电并自锁，右水平主轴电动机M1反向起动旋转。 2.2.2 工作台的进给运动5 工作台的进给

24、运动为工作台的前后运动，受“工作台与主轴箱进给选择”开关SA6的控制。当工作台进给时，SA6 -1接通，电磁铁YA1得电。SA6 -2断开，使左右水平、垂直主轴箱的进给不能发生。以工作台的正向进给运动为例，按下正向进给按钮SB7，正向进给继电器KA6得电，其常开触点(49 - 117)闭合，中间继电器KA4得电吸合，接通调速电路中的给定电压。同时，KA6的常开触点(49 - 121)闭台，接触器KM11得电吸台，进给电动机M正转，带动工作台正向进给。反向进给时，按下反向进给按钮SB6，反向进给继电器KA7得电，继电器KA4和接触器KM12得电吸合，进给电动机M反转，带动工作台反向进给。 需要停

25、止进给时，按下进给停止按钮SB5，继电器KA6（或KA7）断电，继电器KA4和接触器KM11(或KM12)相继断电释放，进给电动机M断电停转。与此同时，接触器KM13得电，在M的电枢绕组上并联电阻RM，进行能耗制动。 正、反向迸给是“自动”还是“点动”，由转换开关关SA5控制。SA5断开时，工作台只能点动进给，松开按钮SB7(或SB6)，进给电动机即能耗制动停车。 2.2.3 主轴箱的进给运动 主轴箱的进始包括左右水平、垂直主轴箱的进给。当“工作台与主轴箱进给选择”开关SA6扳到主轴箱位置时，SA6 -1断开，SA6 -2接通，此时工作台不能进给。三个主轴箱是同时进给，还是一个或两个进给则由转

26、换开关SA8、SA9进行控制。例如，当转换开关SA8、SA9都扳到右边时，电磁铁YA2、YA4得电，这时，接下正向进给按钮SB7或反向进绐按钮SB6，进给电动机M正转或反转，带动右、左两个水平主轴箱沿立柱向下或向上作进给运动。若将SA8、SA9都扳到左边，电磁铁YA3得电，这时，按下SB7或SB6，进给电动机M就会正转或反转，带动垂直主轴箱沿向右或向左作迸给运动。 主轴箱的进给运动和工作台一样，也有“自动”和“点动”两种方式，由转换开关SA5控制。2.2.4 工作台和主轴箱的快速移动 工作台和主轴箱的快速移动，也是在液压泵起动的前提下进行的。以正向快速移动为例：按下正向快移按钮SB8，正向快速

27、继电器KA8得电并自锁，接通正向进给继电器KA6和进给电动机快速移动继电器KA5以及中间继电器KA4和进给电动机正转接触器KM11。KA5吸合后，产生三个作用:一是KA5的常闭触头(342 - 343)断开，常开触头（341 - 343）闭合，使给定电压为最大值，放大器输入信号亦为最大值，因而触发脉冲大大前移，可控整流器输出电压达到最大值，电动机转速迅速上升；二是KA5常开触头(305 - 309)闭合，接通电压继电器KA10回路。由于可控整流输出电压已达最大值，电压继电器KA10动作，其常闭触头(206 -208)断开，使直流电动机励磁绕组减少一半，转速上升到2000r/min左右；三是KA

28、5常闭触头(371- 373)断开，使测速发电机TG励磁绕组串入电阻R17，保证直流电动机转速为2000r/min时，测速发电机输出电压仍为100V左右(正常进给时的额定转速为1000r/min)。这样，快移时一方面提高整流输出电压，一方面减弱直流电动机磁场，使直流电动机转速迅速上升到2000r/min左右，满足了快速移动的要求。 反向快速移动的工作过程与正向相似，但此时参与控制的电器元件是反向快移按钮SB9、反向快速继电器KA9、反向进给继电器KA7、中间继电器KA4，进给电动机快移继电器KA5以及进给电动机反转接触器KM12。 工作台和主轴箱的快移不能同时进行。由“工作台与主轴箱进给选择”

29、开关SA6控制。 工作台和主轴箱不能从正常进给直接转换为快速进给。当工作台或主轴箱正常进给时，中间继电器KA4得电，其常闭触点（24 -4）断开，此时，不论按正向快速按钮SB8还是按反向快速按钮SB9均不起作用。只有在KA4断电的情况下，按SB8或SB9才有效。 工作台和主轴箱的正向快速和反向快速运动也有“自动”和“点动”之分，由转换开关SA5控制。当SA5断开时，KA8或KA9不能自锁，处于“点动”工作状态。2.2.5 横梁升降运动 横粱的升降运动，也是在液压泵起动的前提下进行的。以横粱上升为例：接上升按钮SB3，横粱升降中间继电器KA1得电，常开触点（U2 - 143）闭合，电磁铁YA5通

30、电动作，横梁开始放松。当横粱完全松开时，行程开关SQ11SQ14受压闭合，横粱放松中间继电器KA2得电，其常开触点（55 - 57）闭合，接触器KM9得电，横粱升降电动机M4起动正转，带动横粱上升。当横梁上升到预定位置时，松开上升按钮SB3，KA1、YA5、KM9均断电释放，电动机M4停转，横粱自动夹紧。当横粱夹紧以后，行程开关SQ11SQ14复位，继电器KA2断电，为下一次升降移动作好准备。 横粱下降工作过程与上升相似，但参与控制的电器元件是下降按钮SB4，横粱升降中间继电器KA1、电磁铁YA5、横粱放松中间继电器KA2、接触器KM10。 在横梁升降控制电路中串接了正向进给继电器KA6的常闭

31、触点(49 -51)、反向进给继电器KA7的常闭触点（51 - 53），当一作台或主轴箱正常进给或快速进给时，KA6或KA7的常闭触点断开，切断了横梁升降控制电路，保证横粱升降移动与工作台或主轴箱的进给不会同时发生。2.2.6 控制线路的联锁与保护 龙门铣床的运动形式比较多，控制线路复杂，为保证安全可靠地工作，在电气上采取了一些联锁和保护措施。 （1）液压泵起动与进给及横粱升降操作的联锁。电路通过接触器KM8控制进给调速系统电源，通过高、低液压继电器KA11、KA12控制进给和横粱升降控制电路的电源，保证必须先有润滑才能有进给。 （2）工作台与主轴箱进给的联锁。由“工作台与主轴箱进给选择”开关

32、SA6实现，当开关接到“工作台进给”时，SA6 -l接通，SA6-2断开；拨到“主轴箱进绐”时SA6 -1断开，SA6 -2接通，保证工作台与主轴箱的进给不会同时发生。 （3）工作台或主轴箱进给与横粱升降的联锁。本机床要求工作台或主轴箱的进给运动不能和横粱升降运动同时发生。为此，在横粱升降控制电路中接入正向进给继电器KA6和反向进给继电器KA7的常用触点，在工作台或主轴箱进给控制电路中接入横粱放松中间继电器KA2的常闭触点，只要一方工作，另一方的运动就不能进行。 （4）横粱充分放松后才能移动，移动后自动夹紧。横粱的夹紧与放松采用电气液压机械结构相结合，电气为控制系统，液压为夹紧动力，机械为执行

33、机构。当横粱运动完成，横粱夹紧后，横梁放松中间继电器KA2释放，才能接通进给运动控制电路。 （5）在主轴电动机控制电路上接入时间继电器KT1的延时断开触点，保证了主轴停止时，先停进给，后停主轴。 （6）在各进给方向的机械极限位置设置行程开关保护，行程开关作用见表2。 （7）为了防止进给直流电动机M失去励磁后造成“飞车”，在励磁线圈回路串入电 表2 行程开关作用表符号作用符号作用 SQ1横梁向上限位开关SQ6工作台前进限位开关SQ2防止左水平铣头与横梁相碰SQ7左水平铣头向下限位开关SQ3防止右水平铣头与横梁相碰SQ9垂直铣头向右限位开关SQ4工作台后退限位开关SQ10右水平铣头向下限位开关SQ

34、5垂直铣头向左限位开关SQ11-SQ14横梁放松行程开关流继电器FA1。当励磁电流达到一定数值时，FA1吸合，串接在工作台或主轴箱进给控制电路上的常开触点(49 - 71)闭合，电动机M的控制回路才能接通。 （8）在直流电功机M电枢回路中串接电流继电器FA2。当电枢电流达到1.2倍额定电流时，FA2动作，接通时间继电器KT2，其延时断开触点(73 - 75)切断工作台或主轴箱进给控制电路，使电动机M得到过载保护。2.3 进给直流电动机晶闸管调速系统 XN2010型龙门铣床的进给拖动最统采用集中传动，因而一台进给电动机可分别驱动几个部件的进给。系统调速范围D= 50:l；最大负载转动下的转速误差

35、不大于15%;过渡过程要求高速起动时间在1s左右；过渡过程要求为非周期无超调特性。 图1 进给系统方框图 (1) 进给系统方框图 系统方框国如图1所示。给定信号（即调速信号）与速度负反馈信号、电压和电流反馈信号进行比较后，送到PI放大器放大，再输往移相触发器，产生触发脉冲，对晶闸管进行控制。晶闸管整流输出的可调直流电压，使直流电动机运转。 (2) 晶闸管调速系统的主回路 主回路电路如图2所示。由于电动机反向工作不频繁，容量又较小，因此采用单相半控桥式整流电路，主回路采用挂触器反向。考虑龙门铣床进给制动次数不多，故采用能耗制动。主回路未接滤波电抗器，虽然使主回路电流断续，对电动机换向不利，系统机

36、械特性变软，但电动机输出轴至负载传动比大，对系统工作影响不显著。 电路中，二极管VD1、VD2，晶闸管VS1、VS2组成单相半控桥式整流电路。R301、C301、R304、C304、R305、C305、R307、C307、R308、C308是阻容吸收元件，用于吸收电网或其他因素可能产生的浪诵峰值电压，对晶闸管等整流元件进行保护。FU4是快速熔断器，主要是作晶闸管的短路保护用。VD3是续流二极管，RP1是电压负反馈信号取样分压电阻，用来调节电压负反馈信号的强度。RF1是电流反馈信号取样电阻。FA2是过电流继电器，当直流电动机M过载时，FA2动作，切断主回路交流电源，起到过载保护作用。KA10是电

37、压继电器，RF3为其分压电阻，以用作电动机M的弱磁调速指令。KA5是快移控制继电器，当工作台或主轴箱需快速运行时，KA5常开触点闭合，KA10得电吸台，将电动机M的励碰线圈断开一半，从而使电机转速从l000r/min上升至2000r/min。RM是能耗制动电阻，KM13是电动机的制动接触器。KM11、KM12分别为电动机M的正反转接触器。 图2 晶闸管调建系统主回路 (3) 移相脉冲触发器XN2010型龙门铣床采用锯齿波叠加直流控制电压Uy，的垂直控制晶闸管触发电路。整个电路由锯齿波形成、脉冲形成和移相控制等三部分组成。特点是调整灵活，控制电压与导通角线性度好，抗干扰能力强，脉冲波前沿陡度好。

38、 (4) 给定、反馈与放大环节 从前面的分析知道，触发电路的移相是通过改变控制电压UY的大小实现的，这个电压由前置放大器输出。给定、反馈及前置放大器的电路如图3所示。 前置放大器采用单管放大电路，信号电压从VT1基极输入，放大后由集电极输出到触发电路去移相。R25是偏流调节电阻，R26与VD5、VD6用来提高信号幅值的最小值（约2V），C20是微分负反馈电容，C20、C21都是用来吸收高频信号和增加系统的稳定性。该放大器的作用是增加系统放大倍散，提高调速系统的精度。 图3 给定、反馈与前置放大器电路 放大器的给定信号由调速器RP2调节，经接触器KM11、KM12触点组成的桥路，与测速发电机获得

39、的速度负反馈信号进行比较，送往放大器输入端；取自主回路的电压负反馈信号，由315线经C18微分后并经R23迸至放大器输入端；取自主回路的电流反馈信号，从303线分为两路：一路经C19微分再经R24；一路经电感L和稳压管VZ1组成的电流截止环节进往输入端，以保护主回路元件和电动机。电压微分和电流微分负反馈可加大系统阻尼，提高系统的动态稳定性。 本放大器具有比例积分作用(PI)。如在低速时发生低频振荡，可在R22上并联电容，完成PID调节器作用，改善系统的静态和动态性能。 (5) 电源本机床进给调速系统整流电源较多，各部分作用如下：VCl电动机M励磁电源；VC2测速发电机励磁电源；VC3给定信号电

40、源；VC4前置放大器电源；VC5锯齿波形成电源;VC6触发器电源。3 西门子S7-200 PLC简要介绍3.1 PLC的基本定义PLC采用可编程序的存储器，用来在之内执行相应的逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工作控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC的内部继电器可代替所有用于逻辑控制的中间继电器，噪音低、使用设备寿命长、体积小，这是PLC的最大特点之一。因此PLC在工业自动化控制

41、特别是顺序控制中的地位，在可预见的未来，是无法取代的。3.2 西门子S7-200基本介绍 根据实际情况，在铣床的电气改造过程中，保留原有的机械操作不变，将原来继电器控制的线路用PLC控制系统取代，本文采用西门子公司的S7-200作为控制器。西门子公司SIMATIC S7-200系列，从形状说，属于小型PLC，可用于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，是典型的整体式PLC，输入/输出模块、CPU模块、电源模块均装在一个机壳里。当系统需要扩展时，则选用需要的扩展模块与基本单元连接。最大可以扩展到248点数字量I/O或3

42、5路模拟量I/O,最多有30多KB程序和数据存储空间。其输入回路为直流双向光电耦合输入电路，输出有继电器和晶体管两种类型，需提供24V直流给外部元件，14点输入，10点输出。S7-200在可靠性上，可以说是非常高的，一般用梯形图（LAD）、语句表（即指令表STL）和功能块图（FBD)三种比较专业的语言来编写程序。本文将采用梯形图来对万能铣床的控制系统进行编程。梯形图程序指令的基本逻辑元素是触点、线圈、功能框和地址符。触点有动合、动断等类型，用于代表输入控制信息，当一个动合触点闭合时，能流可从此触点流过；线圈代表输出，当线圈有能流流过时，输出便被接通；功能框代表一种复杂的操作，它可以使程序大大地

43、简化；地址符用于说明触点、线圈、功能框的操作对象。S7-200指令强大，按功能划分，可分为逻辑指顺序控制指令、过程控制指令、数据处理指令和特殊功能指令等。3.3 S7-200 PLC 系统的基本组成 S7-200 PLC 硬件系统的组成采用整体式和积木式，即主机中包括一定数量的I/O端口，同时还可以扩展各种功能模块。S7-200 PLC 由基本单元、扩展单元、个人计算机或编程器、编程软件及通信电缆等组成。3.3.1基本单元基本单元也成为主机。由中央处理单元、电源及数字量输入、输出单元组成，这些都被紧凑地安装在一个独立的装置中。基本单元可以构成一个独立的控制系统。在CPU模块的顶部端子盖内有电源

44、及输出端子；在底部端子盖内有输入端子及传感器电源。在中部右侧前盖内有CPU工作方式开关、模拟调节电位器和扩展I/O连接接口；在模块的左侧分别有状态LED指示灯、存储卡及通信口。 （1）中央处理单元 PLC实质上就是一台专用的工业控制计算机，通常一个主机模块都安装有一个或多个CPU。若是多个CPU，那其中必定有一个主CPU，其余的为辅助CPU，它们协同工作，大大提高了整个系统的运算速度和功能，缩短了程序的执行时间。S7-200 PLC 是一个系列，其中包括多种型号的CPU，以适应不同需求的控制场合。近几年西门子公司推出的S7-200 CPU22X系列产品有：CPU221模块、CPU222模块、C

45、PU224模块、CPU226模块。S7-200 CPU22X系列产品指令丰富、速度快、具有较强的通信能力。如CPU226模块的I/O总数为40点，其中输入点为24点，输出点16点，可带7个扩展模块；用户程序存储器容量为8KB；内置高速计数器，具有PID控制器的功能；有2个高速脉冲输出端和2个RS-485通信口；具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由口协议的通信能力；运行速度快、功能强，适用于要求较高的中小型控制系统。 (2) 存储器 PLC的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和工作状态数据。它的种类的形式多：从存储器种类划分，有ROM、EPROM、RAM；从安装形式划分，有直接插入的集成块

46、、存储器板、IC卡等；从用途上来划分，有系统程序存储器、数据存储器和用户存储器。 值得一提的是，RAM单元可进行数据和程序的读出和写入。一旦掉电，在RAM中所保存的内容就会丢失。为了保存其内容，PLC采用锂电池或者电容进行保护。在环境为25摄氏度时，装上新的电池存储的内容可以保存5年之久。若用电容保护，PLC主机关断后，存储的内容可保持20天。 若用EPROM单元，需用EPROM写入器把程序写入EPROM芯片中，然后装入EPROM单元。 若用EEPROM单元，与RAM单元一样，可以随时进行程序或数据的写入和读出，不同的是EEPROM不需要电池或电容进行保护。 (3) 通信口 近几年出产的PLC

47、产品一般都带有通信口。在S7-200主机模块上，都至少有一个或者多个通信口。可与手持式编程器、计算机或其他的外围设备相连，以实现编程、调试、运行、监视、打印和数据传送等功能。 若有两个通信口，其中一个可用于与编程器相连，另一个用于与上位机相连。S7-200提供的是RS-485通信口，要与计算机相连需经过专业的PC/PPI电缆。 RS-485串行通信接口的功能包括串行并行数据的转换、通信格式的识别、数据传输的出错检验、信号电平的转换等。通信接口是PLC主机实现人机对话、机机对话的通道。通过通信接口，PLC可以和编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备相连，也可以和其他PLC或上位计算机连接。 (

48、4) 电池 在主机模块中通常配有锂电池，用于在掉电时保存用户程序和数据。 (5) LED指示灯 在主机模块上安装有LED指示灯，用于指示PLC电源、运行、编程、测试、断开、出错、电池电量不足、警告等工作状态。 (6) I/O端子 有的PLC在主机模块上配有少量的I/O端子。PLC的I/O功能主要靠置各种I/O模块来实现。 输入端子、输出端子是PLC与外部输入信号、外部负载联系的窗口。输入/输出扩展接口是PLC主机为了扩展输入/输出点数和类型的部件。输入/输出扩展接口有并行接口、串行接口和双口存储器接口等多种形式。 根据控制的需要，PLC主机可以通过揄入/输出扩展接口扩展系统。在PLC主机的右侧

49、插上一块或几块扩展模块，并用扩展电缆将它们连接起来。而扩展模块包括数字量输入/输出扩展模块、模拟量输入/输出扩展模块或智能输入/输出扩展模块等。3.3.2个人计算机或编程器 个人计算机(PC)或编程器装上STEP 7-Micro/WIN32编程软件后，即可供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视等。 要求个人计算机(PC)配置：CPU为80586或更高的处理器，16MB内存（最低要求为CPU80486, 8MB内存）；VGA显示器(分辨率1024×768像素）；硬盘空间至少50MB；Microsoft Windows所支持的鼠标。使用PC/PPI电缆可将计算机与PLC相连接。3.3.3

50、 STEP 7-Micro/WIN32编程软件 STEP 7_Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，支持32位Windows95/98/2000/NT4.0使用环境，其基本功能是创建、编辑、调试用户程序、系统组态等。3.3.4 通信电缆通信电缆是PLC用来与个人计算机(PC)实现通信的“纽带”。可以用PC/PPI电缆；使用通信处理器(CP)时，可用多点接口(MPI)电缆；使用MPI卡时，可用MPI卡专用通信电缆。4 XN2010型龙门铣床的PLC改造4.1 XN2010型龙门铣床的PLC改造的I/O接线图 该图如图44.2 输入/输出分配表 该表如表34.3 XN201

51、0型龙门铣床的PLC改造的S7-200 PLC程序和注释 程序及注释图如图5。17 表3 输入输出分配表 结束语 XN2010型龙门铣床它是一种高效率的加工机床,在机械加工以及机械修理领域得到很广泛的一个应用，它的操作是用手柄同时操作电气以及机械，用来达到机电配合以完成预定的目标,是机械与电气结构配合动作的一个很典型控制,是自动化程度相当高的机床。然而，在电气控制系统中, 查找和排除故障是相当困难的。因为电气控制线路触点太多、线路特别复杂、故障率很高、检修周期比较长,给生产和维护带来很多不便,严重影响了正常生产。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。 经过两个多月的设计和开发,成功得通过了模拟调试和联机调试XN2010型龙门铣床模型基本设计完毕,其功能基本达到要求,而且只要修改控制程序,就可以让XN2010型龙门铣床做出不同的动作,控制的柔性很好。系统的分析与设计过程也是对学习的总结