基于T68镗床电气控制系统的PLC改造设计[1]

1、四川工程职业技术学院毕业设计（论文）题目：T68镗床PLC改造设计说明书姓 名 李晓娟 学 号 200812020005 专 业 电气自动化 年级、班次 电气化083班 指导教师 王舒华 2011年 5月 21日摘 要为提高镗床控制电路的稳定性和自动化程度，延长镗床的使用寿命，降低机床的故障。分析了T68镗床的机械、电气控制原理，保留镗床主电路由PLC取代复杂的电气连线控制，设计出由PLC为镗床的控制电路。该系统开发周期仅为一周，期间完成了将镗床的控制电路用PLC梯形图实现，大大的简化了电路，从而降低机床的故障、更加便于控制、也降低了维修的难度。关键词： 三菱PLC；镗床；控制电路改造T68

2、Boring PLC Reform Design Manualabstract Boring machine control circuit to improve the stability and the degree of automation, to extend the life of boring machine, reduce machine failures. Analysis of the T68 boring machine's mechanical, electrical control principle, to retain the main circ

3、uit from the boring machine to replace the complex electrical connections PLC control, designed for the boring machine by the PLC control circuit. The system development cycle is only a week, will be completed during the boring machine control circuit using PLC ladder implementation, greatly simplif

4、ying the circuit, thereby reducing the machine's fault, make it easier to control, also reduced the maintenance more difficult.Key words: Mitsubishi PLC; boring; control circuit transformation;目 录引言 4第一章 T68镗床电气控制系统的PLC改造设计5设计要求5设计思路5设计目的5第二章T68卧式镗床的基本结构及工作原理6卧式镗床的概述及加工范围62.2 T68卧式镗床的基本结构及工作原理6卧

5、式镗床主要技术参数6电力拖动及控制特点7改造方案8梯形图程序的设计方案8设计流程图说明9第三章 T68卧式镗床的电气元件表11第四章 PLC的I/O口分配12输入输出分配124.2PLC硬件接线图13第五章 梯形图程序第六章 调试说明14第六章 调试说明17主轴正转低速17主轴正转高速17主轴正转点动17主轴反转低速17主轴反转高速17主轴反转点动17正向反接制动18反向反接制动18主轴变速和进给变速控制18联锁保护装置19第七章 机床面板电气线路安装20机床面板对电气线路的基本要求20机床线路图的种类20机床电气线路的安装步骤20第八章 PLC的安装21安装环境21的固定21电源接线21接地

6、22直流24V接线端22输入接线注意点22结束语23致 谢23参考文献24附件24引 言 镗床是一种精密加工机床。它主要用于加工工件上的精密圆柱孔。按用途的不同，镗床可分为卧式镗床、坐标镗床、金刚镗床等。其中卧式镗床的用途很广，除了对各种复杂的大型工件，如箱体零件、机体等的镗孔以外，还可以完成钻、扩、铰孔、车削内外螺纹，用丝锥攻丝，车外圆柱面和端面，用端铣刀与圆柱铣刀铣削平面等多种工序。因此在这种镗床上，工件一次安装后，即能完成大部分表面的加工，有时甚至可以完成全部的加工，特别是在加工大型及笨重的工件时具有优势。其中T68镗床的电气控制是由2台电动机，主轴电机M1拖动主轴的旋转和工作进给，M2

7、电动机实现工作台的快移，M1电动机是双速电动机，低速是接法，高速是YY接法，主轴旋转和进给都由齿轮变速，停车时采用了反接制动，主轴和进给的齿轮变速采用了断续自动低速冲动。从70年代初开始，不到三十年时间里，PLC生产发展成了一个巨大的产业，据不完全统计，现在世界上生产PLC及其网络的厂家有二百多家，生产大约有400多个品种的PLC产品。而如今，对旧有机床进行PLC改造已经非常普遍，针对于旧有的机床，其电气控制为继电控制，而在继电控制中，接触触点多，所以故障也多，操作人员维修任务较大，机械使用率较低。本课题来源于生产实际的需要，对于T68镗床用PLC改造其继电器控制电路，克服了以上缺点，降低了设

8、备故障率，提高了设备使用率。研究这一课题的目的和意义有以下几点：1）、将所学的知识得以综合的应用，2）、将所学的知识与实践相结合，3）、近年来PLC机在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势，是其它工控产品难以比拟的。用PLC控制技术对镗床的控制电路实施改造，则具有普遍的技术及经济意义，4）、提高镗床控制电路的稳定性和自动化程度，5）、通过PLC改造后，可以延长镗床的使用寿命，还可以降低机床的故障、更加便于控制、方便维修等各种好处。采用PLC实现T68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配置连接。

9、继电一接触器系统中按钮、速度继电器、行程开关为PLC 的输入设备，接触器线圈及指示灯为PLC的输出设备。为了节省PLC的IO点数，SQ1、SQ2的常开触点并联，SQ3、SQ4的常开触点串联，SQ3、SQ4的常闭触点并联，SQ5、SQ6的常开触点并联之后接在PLC的输入端。经过这样处理后，仅需要14个输入点，7个输出点，又基于三菱的PLC在市场上被广泛使用且价格便宜，适用于经济型的改造，因此，我选用三菱型号为FX2N-32MR的PLC。第一章 T68镗床电气控制系统的PLC改造设计1.1设计要求（1）对T68镗床电气控制的实物了解，熟悉其工作原理。（2）通过实物连线画其相应的电气接线图。（3）通

10、过原理图对镗床电气部分进行PLC的设计改造。（4）对改造后进行调试、改进并画出改造后的PLC接线图。（5）编写说明书设计小结。1.2设计思路通过对T68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方式。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。设计目的在工业控制领域，为了实现弱电对强电的控制，使机械设备实现预期的要求，继电器系统曾被广泛使用并占主导地位。虽然它具有结构

11、简单、易学易懂、价格便宜的优点，但其控制过程是由硬件接线的方式实现的。如果某一个继电器损坏，甚至仅仅是一对触点接触不良，就可能造成系统的瘫痪，而故障的查找和排除又往往是困难的，需要花费很长时间。如果产品更新换代，则需要改变整个系统的控制周期。可见，继电器控制系统存在着可靠性低、适应性差的缺点，给人们在使用上带来很大的不便和遗憾。而机床作为工作母机，对电气的控制也有了很高的要求必须有很强的抗干忧能力，运行可靠，并且简化电气控制方式，提高机床电气的使用寿命。因此根据实际生产需要对镗床的控制电路进行PLC改造。第二章T68卧式镗床的基本结构及工作原理镗床是一种精密加工机床。它主要用于加工工件上的精密

12、圆柱孔。按用途的不同，镗床可分为卧式镗床、坐标镗床、金刚镗床等。其中卧式镗床的用途很广，除了对各种复杂的大型工件，如箱体零件、机体等的镗孔以外，还可以完成钻、扩、铰孔、车削内外螺纹，用丝锥攻丝，车外圆柱面和端面，用端铣刀与圆柱铣刀铣削平面等多种工序。因此在这种镗床上，工件一次安装后，即能完成大部分表面的加工，有时甚至可以完成全部的加工，特别是在加工大型及笨重的工件时具有优势。2.2 T68卧式镗床的基本结构及工作原理T68镗床的工作原理大致可分为主轴的移动运动、工作台的回转运动、上滑座、下滑座的移动运动、主轴箱的升降运动、正反向机动进给运动、快速移动运动。如上所述的这些运动主要靠电磁伐、离合器

13、来实现转换，如要实现某个运动必须使它所对应的某个电磁阀或离合器动作，除此之外就是添加各运动中的正负限位开关，这主要是起到各运动在动作时的保护作用。镗轴直径（mm）：130主轴最大钮矩（N.m）：3136主轴最大转向力（N）：31360主轴最大行程（mm）：900工作台工作面积（mm）：1600*1400镗床主轴部件结构图（附件5）主电机功率（kW）：15机床重量（kg）：25500镗床外观图（附件4）图1-1是卧式镗床的外观图。它主要是由床身、主轴箱、前立柱、带后支承的后立柱、下滑座、上滑座和工作台等部分组成。加工时，刀具装在主轴箱的镗轴和平旋盘上，由主轴箱获得各种转速和进给量。主轴箱可沿前立

14、柱的导轨上下移动。工件安装在工作台上，可与工作台一起随下滑座或上滑座作纵向或横向移动。此外，工作台还可绕上滑座12的圆导轨的水平面内调整至一定的角度位置，以便加工互成一定角度的孔。装在镗轴上的镗刀还可随镗轴作轴向运动，以实现轴向进给或调整刀具的轴向位置。当镗杆及刀杆伸出较长时，可用后立柱上的去承来从左端加以支承，以增加刀杆及镗轴的刚性。当刀具装在平旋盘径向滑板的径向刀架上时，径向带着刀具径向进给，可车削端面。电力拖动及控制特点T68型镗床的主运动与进给运动由同一台双速电动机M1拖动，各方向的运动由相应手柄选择，各自的快速移动由另一台电动机M2拖动。上述运动对T68型卧式镗床控制提出了以下要求。

15、（1）为了适应各种工件的加工工艺要求，主轴旋转和进给都应有较大的调速范围。因此，该机床采用双速笼型异步电动机M1作为主拖动电动机，并采用机电联合调速，这样既扩大了调速范围又使机床传动机构简化。（2）进给传动和主轴及花盘旋转采用同一台电动机拖动，由于进给运动有几个方向(主轴轴向、花盘径向、主轴垂直方向、工作台横向、工作台纵向)，所以要求电动机能正反转，并有高、低速度选择。高速运转应先低速起动，各方向的进给应有电气联锁。（3）进给方向均能快速移动。因此，该机床采用另一台快速电动机M2拖动，正反两个方向都能短时点动。（4）为适应调整需要，要求主拖动电动机应能正反向点动，并且带有制动。为此，该机床采用

16、电磁铁带动的机械制动装置。PLC改造方案采用PLC实现T68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配置连接。继电一接触器系统中按钮、速度继电器、行程开关为PLC 的输入设备，接触器线圈为PLC的输出设备。为了节省PLC的IO点数，SQ1、SQ2的常开触点并联，SQ3、SQ4的常开触点串联，SQ3、SQ4的常闭触点并联，SQ5、SQ6的常开触点并联之后接在PLC的输入端。经过这样处理后，仅需要13个输入点，7个输出点，因此，又基于三菱的PLC在市场上被广泛使用且价格便宜，适用于经济型的改造，因此，我选用三菱型号为FX2N-32MR的PLC。梯形图程

17、序的设计方案T68镗床的PLC梯形图程序参照T68镗床电气控制线路附件3：T68电气控制图设计。采用继电一接触器控制移植法设计梯形图程序。（1）设置中间单元在梯形图中，为简化电路，多个线圈都受某一触点串并联电路的控制，在梯形图中设置用该电路控制的中间继电器。（2）设计梯形图时以线圈为单位，分别考虑继电器电路图中每个线圈受到哪些触点和电路的控制，然后画出相应的等效梯形图电路。（3） 常闭触点提供的输入信号的处理设计输入电路时，尽量采用常开触点。如果只能用常闭触点，梯形图中对应触点的常开，常闭类型应与继电器电路相反。（4）外部联锁电路的设计在梯形图中设置对应的输出继电器的线圈串联的常闭触点组成的软

18、件互锁外，还应在PLC外部设置硬件互锁电路。设计时，将SQ1常闭、SQ3常闭、KM1常开，KM2常开与SB1常开并联区域用中间继电器KA3综合，将SQ4、SQ2常开与SRZ常闭的串联、反转速度继电器SRZ常开、SQ2常开与SRZ常开并联区域用中间继电器KA4综合，即设置了中间环节，这样大大简化了梯形图程序，使梯形图简明顺畅。电气控制图（附件3）分析镗床T68机械结构、明确控制要求制定电气控制方案确定输入/输出设备及信号特点选择PLC型号输入输出点地址分配控制电路PLC改造模拟调试调试正常程序错误N技术文件整理移交PLC控制系统的设计流程图第三章 T68卧式镗床的电气元件表T68镗床PLC改造元

19、器件选择表序号名 称型 号 与 规 格数量/只1断路器C65N/3P D型 32A12交流接触器CJ2016 220V73热继电器JR1620/3 整定电流1016A14按钮LA1822 红15按钮LA1822 绿46可编程控制器三菱FX2N-32MR 17行程开关JLXK1411108信号灯AD1125/20 220V红79主轴电动机M1110快速移动电机M21第四章 PLC的I/O口分配4. 1输入输出分配表输入/输出点分配表输入输出元件名称、代号输入点元件名称、代号输出点主轴停、制动SB1X0主轴正转KM1Y1主轴正转SB2X1主轴反转KM2Y2主轴反转SB3X2主轴制动KM3Y3主轴正

20、转点动SB4X3主轴低速KM4Y4主轴反转点动SB5X4主轴高速KM5Y5主轴转速切换SHYX5工作台快速正转KM6Y6行程开关SP1与SP2常开并联X6工作台快速反转KM7Y7主轴转速、进给量变换SQ1与SQ3常闭并联X7主轴正转中间单元KA1M1主轴转速、进给量变换SQ1与SQ3常开串联X10主轴反转中间单元KA2M2主轴转速、进给量变换SQ2与SQ4常开并联X11时间继电器KTTIMT0工作台快速正转行程开关SQ6X12工作台快速反转行程开关SQ5X13速度继电器（正转）SRZX14速度继电器（反转）SRFX15热继电器FRX164. 2PLC硬件接线图PLC硬件接线图（附件2）第五章

21、梯形图程序第六章 调试说明（准备：将SQ1与SQ3常开串联（X10），SQ1与SQ3常闭并联（X7）置1）主轴正转低速按下SB2（X001）中间继电器KA1（M1）得电且自锁接触器KM3（Y3）得电KA1和KM3的常开触点都吸合KM1（Y1）得电其常开触点吸合KM4（Y4）得电M1（双速电动机）接成三角形低速正向运行。主轴正转高速将变速手柄扳在“高速”位置，使微动开关SHY（X5）受压而闭合，为KT（T0）和KM3（Y3）的工作做准备；当按下SB2（X1）时KA1（M1）得电且自锁KM3和KT都得电KM1得电，M1（双速电动机）先低速正向起动；当KT延时1s后KT的常闭触点（T0）断开KM4（

22、Y4）失电，同时KT的常开触点（T0）闭合KM5（Y5）得电M1接成双Y形切换为高速运转。按下SB4（X3）KM1（Y1）得电KM4（Y4）得电。由于此时KA1（M1）、KM3（Y3）、KT（T0）都没有通电，所以M1（双速电动机）只能接成D形进行低速转动；松开按钮SB4后，因电路没有自锁作用，而且SB1（X0）的常开触点没有闭合，则KM1和KM4都失电，使M1停转。按下SB3（X2），继电器和接触器的通电顺序KA2（M2）KM3（Y3）KM2（Y2）KM4（Y4），使M1（双速电动机）接成三角形形低速反向运行。将变速手柄扳在“高速”位置，使微动开关SHY（X5）受压而闭合，为KT（T0）和K

23、M3（Y3）的工作做准备；当按下SB3（X2）时KA2（M2）得电且自锁KM3和KT都得电KM2（Y2）得电，M1（双速电动机）先低速反向起动；当KT延时（1s）后KT的常闭触点（T0）断开KM4（Y4）失电M1停转，同时KT的常开触点（T0）闭合KM5（Y5）得电M1接成双Y形切换为高速运转。按下SB5（X4）KM2（Y2）得电KM4（Y4）得电。由于此时KA2（M2）、KM3（M3）、KT（T0）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（X0）的常开触点没有闭合，则KM2和KM4都失电，使M1停转。采用速度继电器来实现反接制动，当电动

24、机按正常速度正向运转时，速度继电器SRZ的常开触点（X15）闭合，为反接制动做准备。若按下停止按钮SB1（X0），其常闭触点先断开，KA1（M1）、KT（T0）、KM1（Y1）、KM3（Y3）和KM5（Y5）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（T0）断开KM5断电M1（双速电动机）只能三角形低速运行；KT的常闭触点闭合KM4（Y4）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SRZ常开触点（

25、X15）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SRZ常开触点（X15）断开KM2、KM4断电M1停转，制动结束。M1（双速电动机）反转时使SRF的常开触点（X14）闭合，同样为反接制动做准备。在按下停止按钮SB1（X0）时，制动过程与正向反接制动相同。 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X1

26、0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X11闭合。其中，常开X10断开，使KM3（Y3）和KT（T0）断电而释放，KM1（Y1）或KM2（Y2）随之断电释放，M1（双速电动机）断电作惯性转动；而常闭触点X7闭合，且SRF或SRZ常开触点仍处于闭合状态，使KM2（Y2）或KM1(Y1)、KM4（Y4）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，SRZ或SRF的常开触点分断，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（Y3）、KM1(Y1)或KM2(Y2)、KM4（Y4）相继通电吸合，电动

27、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。3）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SQ5(X13)被压合，接触器KM6（Y6）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SQ5复位，KM6失电，M2停转。反之，将快速移动操作手柄向外拉时，压合SQ6（X12），使KM7

28、（Y7）通电吸合，M2反向起动，实现快速反向移动。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SP1，与主轴进给手柄连接的是行程开关SP2。电动机M1、M2必须在SP1、SP2两个都不闭合的情况下才能启动。第七章 机床面板电气线路安装机床面板对电气线路的基本要求（1）必须满足机床的工作要求（2）有保护措施：如短路保护，过载保护，欠压保护，欠电流保护等。（3）成本要低 所用元气件要尽量少，容量要选择适当，导线截面积不要过大，布线要经济合理。（4）便于维修调试机床线路图的种类机床电气线路图分电气原理图和电气接线图两

29、种。必须注意，同一型号的机床，由于生产产家不同，电气原理图和电气接线图也有差别。机床电气线路的安装步骤（1）安装时先检查电气设备和电气元件是否有短缺，规格是否符合明细表要求；外观检查是否有损伤；检查所以触头是否光滑，接触面是否良好，操作机构和复位机构是否灵活，绝缘电阻是否符合要求等。（2）机床对电路进行分析。分析方法和步骤。1）首先从分析原理图着手，从主电路中找出该机床共有多几台电动机和其他设备，以及他们是受那些接触器控制的。弄清每台电动机的起动方法，有无反转，调速，连锁和制动等。2）根据主电路每台电动机或其他设备的接触器主触头文字符号，在控制线路中找出相对应的线圈。3）在控制线路中每个接触器

30、线圈小回路中所串联、并联的其他元件（如接触器、继电器的触点以及按钮、转换开关、行程开关的接线点等）都找出来。分析它们相互间的关系。弄清那个先动作，那个后动作，在什么情况下动作，在什么情况下不动作。也就是要弄清控制线路中各种电器元件的相互关系、互相约制的关系。第八章 PLC的安装8.1安装环境PLC适用于大多数工业现场，但它对使用场合、环境温度等还是有一定要求。控制PLC的工作环境，可以有效的提高它的工作效率和寿命。在安装PLC时，要避开下列场所： （1）环境温度超过050的范围； （2）相对湿度超过85%或者存在露水凝聚（由温度突变或其他因素所引起的）；（3）太阳光直接照射； （4）有腐蚀和易

31、燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等； （5）有大量铁屑及灰尘； （6）频繁或连续的振动，振动频率为1055Hz、幅度为0.5mm（峰峰）； （7）超过10g（重力加速度）的冲击。 8.2PLC的固定小型可编程控制器外壳的4个角上，均有安装孔。有两种安装方法：一是用螺钉固定，不同的单元有不同的安装尺寸；另一种是DIN（德国共和标准）轨道固定。DIN轨道配套使用的安装夹板，左右各一对。在轨道上，先装好左右夹板，装上PLC，然后拧紧螺钉。为了使控制系统工作可靠，通常把可编程控制器安装在有保护外壳的控制柜中，以防止灰尘、油污、水溅。为了保证可编程控制器在工作状态下其温度保持在规定环境温度范围内，安装机器应

32、有足够的通风空间，基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔。如果周围环境超过55，要安装电风扇，强迫通风。为了避免其他外围设备的电干扰，可编程控制器应尽可能远离高压电源线和高压设备，可编程控制器与高压设备和电源线之间应留出至少200mm的距离。 当可编程控制器垂直安装时，要严防导线头、铁屑等从通风窗掉入可编程控制器内部，造成印刷电路板短路，使其不能正常工作甚至永久损坏。8.3电源接线PLC供电电源为50Hz、220V±10%的交流电。 FX系列可编程控制器有直流24V输出接线端。该接线端可为输入传感（如光电开关或接近开关）提供直流24V电源。如果电源发生故障，中断时间少于10ms，PLC工作不受影响。若电源中断超过10ms或电源下降超过允许值，则PLC停止工作，所有的输出点均同时断开。当电源恢复时，若RUN输入接通，则操作自动进行。 对于电源线来的干扰，PLC本身具有足够的抵制能力。如果电源干扰特别严重，可以安装一个变比为1:1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。