X62W铣床的PLC改造设计 .doc

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1、目目 录录 1 绪论1 2 X62W 铣床改造设计思路.1 2.1 铣床改造设计要求1 2.2 方案选择1 3 X62W 铣床的分析.2 3.1 铣床的结构2 3.2 铣床的运动形式3 3.3 铣床的电力拖动及控制要求3 3.3.1 主电动机的控制线路3 3.3.2 进给运动的控制4 3.3.3 圆形工作台的控制6 3.3.4 X62W 万能铣床存在的故障.7 4 整体改造设计思路8 4.1 主电路部分8 4.2 控制电路部分改造的具体要求9 5 硬件电路设计9 5.1 电器元件选择9 5.2 可编程控制器 PLC 的介绍及选型.9 5.2.1 可编程控制器 PLC 的介绍.9 5.2.2 可

2、编程控制器的选型11 5.3 PLC 的 I/O 地址分配 .11 5.4 I/O 接线.12 6 软件设计12 6.1 X62W 铣床的基本功能控制 .12 6.2 一例特殊故障的解决15 6.3 故障自诊断16 7 结束语17 致谢17 参考文献18 附录 1 总体电路图.19 附录 2 总程序.20 1 1 绪论绪论 一般常用的万能铣床有两种：一是卧式万能铣，型号为X62W；另一种为 立式万能铣，型号为X53K。万能铣床是一种高效率的加工机械，在机械加工和 机械修理中得到广泛的应用。万能铣床的操作是通过操作控制手柄与控制按钮， 以达到机电紧密配合完成预定的操作，是机械与电气结构联合动作的

3、典型控制， 是自动化程度较高的组合机床。但是在电气控制系统中，故障的查找与排除非 常困难，特别是继电器接触式的控制系统，由于电气控制线路触点多、线路复 杂、故障率高、检修周期长，给生产与维护带来诸多不便，严重地影响生产。 随着工业自动化的发展，对工业智能化程度的要求也越来越高，市场经济要求 制造业对市场需求作出迅速反应生产出小批量、多品种、多规格、低成本 和高质量的产品。为满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具 有极高的可靠性与灵活性。这就需要使用智能化程度高的控制系统来取代传统 的控制系统，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。基于这些问题

4、，本文提出了利用松下可编程控制器对 X62W型卧式万能铣床的继电接触式电控系统进行技术改造。 可编程控制器是一种在传统的继电器控制系统的基础上，与 3C（Computer,Control,Communication）技术相结合而不断发展完善起来的新型 工业控制装置，具有使用方便、编程简单、可靠性高、易于维护等优点，在工 业控制领域应用十分广泛。目前已从小规模的单机顺序控制发展到过程控制、 运动控制等诸多领域。通过使用PLC设计机床控制系统，可以减少强电元器件 数目，提高电气控制系统的稳定性和可靠性，从而提高产品的品质和生产效率。 通过应用PLC技术，还可以使机床具有故障自诊断功能，可以保护机床

5、和方便 维修1。 2 X62W铣床改造设计思路铣床改造设计思路 2.1 铣床改造设计要求铣床改造设计要求 （1）改造设计电气控制原理图。 （2）铣床工作原理分析。 （3）PLC选型及I/O分配。 （4）PLC程序的编写。 2.2 方案选择方案选择 对于如何实现X62铣床的基本功能和它存在的缺陷等问题提出两种改造方 案。 2 第一种就是对原先的控制线路增加一些行程开关，接触器等器件让它实现 连锁。从而来解决原来铣床存在的问题。 第二种就是用可编程控制器PLC进行改造，把原来的继电接触式电控系统 改造为PLC控制。不仅可以消除掉它原来存在的所有缺陷，而且增加了故障检 修功能，可以在发生故障的部位进

6、行报警。 第一个方案虽然可以改进缺陷，但是使铣床的控制线路触点增多、线路更 加复杂，从而使机器故障率高、检修周期长，给生产与维护带来诸多不便，严 重地影响生产。第二个方案用PLC对X62W型万能铣床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，而且增加了一些故障自诊断功 能。提高了系统的稳定性，可靠性，安全性。使电气控制系统的工作更加灵活， 更容易维修，更能适应经常变动的工艺条件。 因此我们选择第二种方案。 3 X62W铣床的分析铣床的分析 3.1 铣床的结构铣床的结构 如图1所示X62W万能铣床主要由床身、主轴、刀杆、工作台、回转盘、横 溜板和升降台等几部分组成。箱型床身

7、固定在底座上，床身内装有主轴的传动 机构和变速机构，在床身顶部有水平导轨，上面带有12个刀杆支架悬梁，刀 杆支架支承铣刀中心轴的一端，中心轴另一端固定在主轴上，由主轴可带铣刀 切削。 3 图1 X62W铣床外观图 3.2 铣床的运动形式铣床的运动形式 悬梁可以水平移动，刀杆支架可以在悬梁上水平移动，以便安装不同的心 轴。在机床架前有垂直导轨，升降台可沿它上下移动。在升降台上面的水平导 轨装有可在平行主轴轴线方向移动(横向或前后)的溜板，溜板上部有可转动的 回轴盘，工作台就在溜板上部回转盘的导轨上作垂直于主轴轴线方向(纵向或左 右)移动。工作台上有T型槽，可固定工件。这样安装在工作台上的工件就可

8、以 在三个坐标轴上的六个方向上进给了。即前后(横向),左右(纵向)和上下(垂直)六 种运动形式。此外，由于回转盘可绕过中心转过45度角，因此工作台在水平面 上除了能在平行于或垂直于主轴轴线的方向进给外，还能在倾斜方向进给，故 称万能铣2。 为了扩大机床的加工能力，可在机床工作台上安装圆形工作台，这样就可 以进行圆弧或凸轮的铣削加工。圆工作台可以加工螺旋槽，弧行槽。 3.3 铣床的电力拖动及控制要求铣床的电力拖动及控制要求 为充分发挥机床潜力，提高生产效率，要求小进刀量采用高速度铣削，大 进刀量采用低速铣削。随着加工精度，工件材料和铣刀直径的不同，要求主传 动系统不仅能调速而且在各种铣削速度下功

9、率恒定，为此，采用鼠笼型感应电 机拖动通过齿轮变速。 3.3.1 主电动机的控制线路主电动机的控制线路 （1）主电动机的启动 主电动机启动前应选择好主轴的转速，然后将组合开关Q1搬到接通位置。 这时按下启动按钮SB1或者SB2，KM1得电吸和，KM1的主触点闭合接通了电 动机的定子绕组，主电动机启动。如图2所示KM1的辅助动和触点（7-9）的闭 和将线圈自锁，辅助动和触点（17-7）的闭合为工作台进给线路提供了电源。 （2）主电动机的制动 为了使主轴能准确停车又减少电能的损耗，主轴制动采用了电磁离合器的 制动方式。电磁离合器的直流有整流变压器TR的二次侧经桥式整流获得。当主 轴制动停车时，按下

10、SB3或SB4，这时接触器KM1释放，M1的定子绕组脱离电 源，离合器YC1线圈通电，主轴制动停车。 （3）主轴变速时的瞬时点动 选好转速后，将变速手柄复位，在手柄复位的过程中，压动行程开关 ST7，接触器KM1线圈通过1-31-9瞬时通电，主电动机瞬时点动，以达到齿轮的 4 良好啮合。当手柄复位后ST7恢复到常态，断开了主轴瞬时点动线路。在手柄 复位时要迅速、连续，以免电动机的转速升高，在齿轮没有啮合好时可能使齿 轮打牙。当瞬时点动一次没有实现良好啮合时，可以重复进行瞬时点动动作。 （4）主轴换刀制动 在主轴上刀或换刀时，主轴意外转动都将造成人身事故。因此在上、换刀 时，应使主轴处于制动状态

11、。控制线路中采用了在停止按钮动和触点112-105两 端并联一个转换开关SA2-2触点，在换刀时使它处于接通状态，电磁离合器YC1 线圈通电，主轴处于制动状态。当上、换刀结束后，将SA2扳到断开位置，这 时SA2-2触点断开，1-31的SA2-1触点闭和，主轴启动作好准备。 表 1 主轴上刀制动开关说明 接通断开 SA2-11-31 + SA2-233-34+ 3.3.2 进给运动的控制进给运动的控制 铣削加工时，根据加工工艺的不同，进给量的大小也不同，所以要求拖动 系统应有足够宽的调速范围。铣床进给系统的传动功率较小，因其主要负载是 工作台移动时产生的摩檫力，这个摩擦转矩在工作台不同移动速度

12、时都是恒定 的，这就给拖动系统提出恒转矩调速要求。X62W铣床的进给拖动也采用鼠笼 型电动机，并经齿轮变速有级调速，可获得十八种速度。这种调速方法是恒功 率的，没很好满足进给拖动的恒转矩调速要求，但基于一般中小型铣床的进给 功率都较小，故以高速进给时所需功率为准来选择进给电动机功率，X62W万 能铣床进给电动机功率为1.5kW3。 进给运动在主轴启动后方可进行，工作台的左、右、上、下、前、后运动 是通过操纵手柄和机械联动机构控制相应的行程开关使进给电动机正转或反转 来实现的。行程开关ST1和ST2控制工作台向右和向左运动，ST3和ST4控制工 作台的向前、向下和向后、向上运动。 （1）工作台的

13、左右运动 表 2 工作台纵向进给行程开关说明 向左进给停止向右进给 ST1-1 13-25 + ST1-2 23-29+ ST2-1 15-25+ 位 置触 点 位 置触 点 5 ST2-2 27-29 + 工作台的左右运动由纵向手柄操纵，当手柄搬向右侧时，手柄通过联动机 构接通了纵向进给离合器，同时压下了行程开关ST1、ST2的动和触点13-25闭 和，使进给电动机的正转接触器KM2线圈通过17-19-21-23-25-13得电，进给电 动机正转，带动工作台向右运动。当纵向进给手柄搬向左侧时，行程开关ST2 被压下，行程开关ST1复位，进给电机反转接触器KM2线圈17-19-21-23-25

14、-15得 电，进给电动机反转，带动工作台向左运动。SA1为圆形工作台转换开关，这 时的SA1要处于断开位置，它的SA1-1，SA1-3接通，SA1-2断开。 （2）工作台上下运动和前后运动 表3 工作台横向及升降进给行程开关说明 位置 触点 向左进给停止向右进给 SA3-1 13-25+ SA3-2 21-23 + SA4-1 15-25 + SA4-2 19-21+ 工作台的上下和前后运动由垂直和横向进给手柄操纵。该手柄搬向上或搬 向下时，机械上接通了垂直进给离合器，当手柄向前或向后时，机械上接通了 横向进给离合器，手柄在中间位置时，横向和垂直离合器均不接通。开关通断 如表2所示。 在手柄扳

15、到向下或向前位置时，手柄通过机械联动机构使ST3被压下，ST3 的动和触点13-25接通，动断触点21-23断开。这时进给电动机正转接触器线圈 通过17-27-29-23-25-13得电，电动机正转，带动电动机向下或向前运动。 当手柄扳到向上或向后位置时ST4被压下，ST3复位，ST4的常开触点15-25 接通，进给电动机反转接触器线圈通过17-27-29-23-25-15得电，电动机反转带 动工作台向上或向右运动。手柄扳到向下或向前压动行程开关ST3与扳到向下 或向后压动行程开关ST4均是通过机械连动手柄实现的。 （3）进给变速时的瞬时点动 进给变速必须在操纵手柄零位时进行。它和主轴变速一样

16、，进给变速时为 使齿轮进入良好啮合状态，也要做变速后的瞬时点动。在进给变速时首先将变 速的蘑菇型手柄拉出，在拉出时行程开关ST6被压动，ST6的常开触点13-19接 通，常闭触点17-19断开，这时进给电动机正转接触器KM2线圈通过17-27-29- 23-21-19-13得电，进给电动机瞬时正转。在手柄推回原位时ST6复位进给电动 6 机停止。一次瞬时点动齿轮仍未进入啮合状态，可以再重复进行一次，直到进 入良好的啮合状态为止。 （4）进给方向的快速移动 六个方向的进给快速运动是通过相应的手柄和快速按钮配合实现的。分别 按 FU 4 FU 6 SA 2 -2 SA 2 -1 SA 1 -1 S

17、A 1-3 SA 1-2 FU 3 ST 7-2 ST 3-2ST 4-2ST 6-2 ST 2-2ST 1-2 SB4 -1SB3 -1 SB1 SB2 SB5 SB6 ST 6-1 ST 1-1 ST 3-1 ST 2-1 ST 4-1 ST 7 -1 K R 2 K R 3K R 1 2 10 8 9 1112 13 15 13 2325 19 21 27 29 17 7 31 33 34 110 V K M 4 SB3 -3 SB4-3 SB 4-2 SB 3-2 K M 1 K M 2 K M 3 K M 4 K M 1 K M 1 K M 4 K M 3 K M 2 Y C 1 Y

18、 C 2 Y C 3 K M 1 图2 X62W铣床的电气控制部分电路图 下ST1、ST2、ST3、ST4中的任何一个，再按下SB5或者SB6，即可实现进给电 机在某一方向上的进给快速运动，松开SB5或者SB6则为正常进给。如图2所示 此时的通电回路是：分别按下ST1、ST2、ST3、ST4时的通电回路与正常进给 时的通电回路相同。按下SB5或者SB6，KM4得电的通电回路是：11-21-22KM4 线圈。 通过以上分析，这里只能实现手动快速进给，设计电路在功能上存在缺陷， 不够完善。 （5）进给运动方向上的极限位置保护 工作台在进给方向上的运动必须具有可靠的极限位置保护，否则将造成设 备或人

19、身事故。X62W卧式万能升降台铣床的的极限位置保护采用的是机械和 电气相配合的方式。由挡块确定各进给方向上的极限位置时，挡块将操纵手柄 7 自动回到零位。电气上就使在相应进给方向上的行程开关复位，切断了进给电 动机的控制线路，进给运动停止。保证了工作台在规定的范围内运动。 3.3.3 圆形工作台的控制圆形工作台的控制 为了扩大机床的加工能力，可在机床工作台上安装附件圆形工作台，这样 就可以进给圆弧或凸轮的铣销加工。圆形工作台可以手动也可以自动，当需要 用电气方法自动控制时，应该首先将圆工作台开关SA1扳到接通位置，这时 SA1-1的23-25触点断开，SA1-3的17-27触点断开，SA1-2

20、的23-27触点接通。这 时按下启 表 4 圆工作台转换开关说明 圆形工作台位置 触点接通断开 SA1-123-25 + SA1-213-27+ SA1-317-27 + 动按钮SB1或SB2，主轴电动机启动。接着进给电动机M2的正转接触器M2线圈 经17-19-21-23-29-27-13得电，M2电动机起动，带动圆形工作台做旋转运动。 圆形工作台的运动有可靠的互锁，否则会造成刀具或机床的损坏。为避免 这种事故发生，从电气上保证了只有纵向、横向及垂直手柄放在零位时才可以 进行圆形工作台的旋转运动。如果某一手柄不在零位，行程开关ST1到ST4就有 一个被压下，它所对应的动断触点就要断开，破坏了

21、KM2线圈的通过回路。所 以在圆工作台工作时，如果扳动了任何一个进给手柄，KM2线圈将断电，M2电 动机自动停止。 3.3.4 X62W万能铣床存在的故障万能铣床存在的故障 通过对以上万能铣床的控制电路的详细分析，我们发现它还存在许多缺陷。 这样给铣床的运行带来了很多的不方便，甚至会造成事故。 （1）该铣床只能进行手动快速进给，没有自动快速进给。例如向左快速进 给时，必须同时按下左进给开关和快速进给开关。设计电路在功能上存在缺陷， 设计不够完善。这样操作起来是很麻烦的。 （2）当按下ST6实现进给电机瞬时变速冲动时，不能实现完整的电气联锁 保护功能。也就是说，当按下ST6时，只能实现与ST1、

22、ST2之间的电气联锁， 而不能实现与ST3、ST4之间的电气联锁。若ST3,ST4有误操作即按下其中的任 何一个，则有可能对机床的机械部件造成损坏，直接影响机床的加工效率与效 8 能。 （3）在操纵手柄复位的情况下，如果控制进给电机的任何一个接触器(例 如KM3)由于故障原因主触头不能分断，则虽然工作台不作进给，但是进给电机 仍在以原方向运转。这时操作者想让工作台向某方向运动(例如向右行)，虽然 操作手柄拨在右向，齿轮系和X轴丝杠啮合，由于电机仍以原来的方向带动丝 杠运转，工作台不是右行而是向左运动，这时是非常危险的。操作工人反映在 生产实践中遇到多次这种情况，一次由于位置开关撞碎，使SQ5常

23、开触头呈常 闭状态，造成KM3触头不释放，操作者欲后退工作台，工作台反而前进，结果 是撞碎了前端法兰盘，造成了设备事故4。 4 整体改造设计思路整体改造设计思路 针对以上的铣床的功能分析，以及存在的故障，提出如下改造设计思路。 4.1 主电路部分主电路部分 （1）主电路部分和照明设施接线不做变动，如图3所示。 9 M 2 FU 2 M 3M 1 FU 5 KR 3KR 1KR 2 TDTC TR Q 1 KM 1 KM 3 KM 2 SA 4 U VW 图 3 主电路和照明电路 （2）原主轴和进给变速箱操作方法和结构不变。 由于该铣床原有的调速装置是由一个手柄拨转18个位置控制4个电磁离合器

24、来实现调速的，这种调速方法以及调速时的操作方法不做改变。在铣床开始工 作之前，选好所需要的速度。 为了让工人能更快适应改编后的机器使用操作，所以原铣床的操作手柄的 操作方法不做改变5。 （3）原铣床的工艺加工方法不变。 4.2 控制电路部分改造的具体要求控制电路部分改造的具体要求 （1）主电动机空载时要能直接起动，为提高生产率，采用电磁制动器进行 停车制动：同时从安全和操作方便考虑，换刀时主轴也处于制动状态，主轴电 动机可在两处实行起停等控制操作。 10 （2）工作台进给电动机M2要能直接起动；为满足纵向、横向、垂直方向 的往返运动，要求电动机能正反转；为提高生产效率，要求空行程时可快速移 动

25、；从设备使用安全考虑，各进给运动之间必须联锁，并可由手柄操作机械离 合器来选择进给运动的方向。 （3）电动机M3拖动冷却泵，在铣削加工时能为其提供切削液。 （4）主轴与工作台的变速由机械变速系统完成。变速过程中，当选定啮合 的齿轮没能进入正常啮合时，电动机要能点动至合适的位置，以保证齿轮能正 常啮合。加工零件时，为保证设备安全，应在主轴电动机起动后，工作台电动 机方能起动工作。 （5）对以前容易出现的故障进行设计 针对铣床出现的第三种故障，用PLC进行改造时采用冗余思想用程序功能 配合两个输人点和一个输出点就可以有效地避免该类故障引起的设备事故。以 下对进给部分和冗余保护部分程序做了详细地分析

26、。 （6）增加了故障诊断设计 利用PLC的逻辑或运算功能，来把连续获得被控过程的各种状态不断的与 所存储的理想状态进行比较，一旦发现差异则检查差异是否在所允许的范围内。 如果超过范围，即按设定的程序进行报警。在被控设备工作正常的情况下，控 制系统的各个输入输出信号和内部继电器的信号之间都会存在确定的逻辑关系。 5 硬件电路设计硬件电路设计 5.1 电器元件选择电器元件选择 铣床的三台电机的功率，以及其它元件的规格如表5所示。 5.2 可编程控制器可编程控制器PLC的介绍及选型的介绍及选型 5.2.1 可编程控制器可编程控制器PLC的介绍的介绍 （1）早期的PLC（60年代末70年代中期）早期的

27、PLC一般称为可编程逻 辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能 只 表5 电器元件规格 符号名称型号规格用途数量 M1电动机J02-51-4 75kw 1450r/min驱动主轴1 M2电动机J02-22-4 1.5kw 1450r/min驱动进给1 M3电动机J02-22-0 0.125kw 2790kw驱动冷却泵1 FU1熔断器RL1-60 60A电源总保险1 FU2熔断器RL1-15 5A整流电源保险1 FU3熔断器RL1-15 5A直流电路保险1 11 FU4熔断器RL1-15 5A控制回路保险1 FU5熔断器RL1-15 1A照明保险1 FR1热继电器

28、JR0-20/3 10AM1 过载保护1 FR2热继电器JR0-20/3 0.5AM3 过载保护1 FR3热继电器JR0-20/3 1.5AM2 过载保护1 TC1变压器BK-150 380/110V控制回路电源1 TC2变压器BK-50 380/24V照明电源1 TC3变压器BK-100 380/36V整流电源保险1 KM1接触器CJ0-20 20A 110V主轴启动1 KM2接触器CJ0-10 10A 110VM2 正转1 KM3接触器CJ0-10 10A 110VM2 反转1 KM4接触器CJ0-10 10A 110V快速进给1 KM5接触器CJ0-10 10A 110V冷却泵接触器1

29、SB1 SB2按钮LA2M1 启动2 SB3 SB4按钮LA2停止制动2 SB5 SB6按钮LA2快速进给2 是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。它在硬件上以准计算机的形式 出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主 要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了 一些 措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所 熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电 器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指示， 能重复使用等。其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今。

30、 （2）中期的PLC（70年代中期80年代中，后期）在70年代，微处理器的 出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微 处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。这样，使PLC得功能大大增强。在软件 方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运 算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的 开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩 大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄 存器，使PLC得应用范围得以扩大。 （3）近期的PLC（80年代中、后期至今）进入80年

31、代中、后期，由于超大 规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类 型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处 理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、 硬件功能发生了巨大变化6。 随着可编程控制器的功能逐渐增多。现在把它对铣床的电气控制系统改造 设计，就是希望借鉴国外先进的工业控制技术，应用到工业现场，以提高铣床 12 的工作能力，以及安全性。 5.2.2 可编程控制器的选型可编程控制器的选型 该铣床系统的I/O以开关量为主，而且开关量I/O点数较多；控制系统使用 环境较差，对控制系统可靠性要求较高；系统控制

32、要求较复杂，用常规的继电 接触器控制实现比较复杂。采用PLC改造，对系统工艺有可能改进以及对系统 的控制要求进行了扩充。 FPO系列PLC是松下电工推出的一种超小型的产品，体积小，功能强，增 加了一些大型机的功能和指令，如PID和PWM指令，对于控制器体积要求较高 的应用系统是一种很好的选择。其编程口为RS-232C，可以直接和编程器或者 计算机连接，使用非常方便。 本设计有19个输入，16个输出，因此选用松下FP0可编程控制器。主控单元 选用FP0-C16，它有8个输入点和8个输出点，因此需采用端口扩展。扩展系列采 用FP0-E8和FP0-E16，它们分别有4个输入点和4个输出点，8个输入点

33、和8个输出 点。 主控单元和扩展单元的规格如表6所示。 表6 FP0的规格 规格 系列连接方 法 工作电 压 输入类 型 输出类型程序 容量 I/O 点 型号 主控单 元的产 品规格 FP0-C16端子型24VDC24VDCNPN 晶 体管 （0.1A） 2.7K 步 16 点 8I/8O FP0-C16P 扩展单 元的产 品规格 FP0-E8MOLEX 连接器 型 24VDC24VDC继电器8 点 4I/4O FP0-E8RS 扩展单 元的产 品规格 FP0-E16MIL 连 接器型 24VDC24VDC继电器16 点 8I/8O FP0-E16RS 5.3 PLC的的I/O地址分配地址分配

34、 根据升降台铣床电气控制要求，其输入输出均为开关量。需要PLC检测的 输人信号包括6个按钮、7个行程开关、4个选择开关、3个热继电器输入信号，2 个触点输入信号，共计19个。而PLC的输出控制信号包括3个电磁离合器、5个 继电器、7个指示灯，等共16个。该PLC的IO通道分配根据其控制对象的特点 和控制要求，将IO的输入输出口与相应的电气设备连接。IO分配如表7所示。 表 7 I/O 分配 I输入O输出 13 X0SB1、 SB2 主轴启动按扭Y0YA 闭和报警 X1SB3、 SB4 主轴停止按扭Y1HL1主轴电动机过载报警 X2SB5、 SB6 工作台快速按扭Y2HL2进给电动机过载报警 X

35、3ST1工作台向右进给行程开关Y3HL3冷却泵异常报警 X4ST2工作台向左进给行程开关Y4HL4工作台左右行程开关报 警 X5ST3工作台向前向下进给行程开关Y5HL5工作台前后沙上下行程 开关报警 X6ST4工作台向后、向上进给行程开 关 Y6HL6接触器故障报警 X7ST5行程开关Y20KM1主电动机启动接触器 X20ST6进给变速瞬时点动开关Y21KM2正向进给电动机接触器 X21ST7主轴变速瞬时点动开关Y22KM3反向进给电动机接触器 X22SA1圆工作台转换开关Y23KM4快速接触器 X23SA2主轴上刀制动Y40KM5冷却泵接触器 X40SA3手动自动快速进给开关Y41YC1主

36、轴制动电磁离合器 X41SA4冷却泵开关Y42YC2进给电磁离合器 X42KM2 常开触点Y43YC3快速电磁离合器 X43KM3 常开触点Y44YA冗余保护继电器 X44FR1主电机热继电器 X45FR2进给电机热继电器 X46FR3冷却泵热继电器 5.4 I/O接线接线 I/O接线图如图4所示。 6 软件设计软件设计 6.1 X62W铣床的基本功能控制铣床的基本功能控制 （1）主电动机的控制程序 如图逻辑行0和逻辑行4是主电动机的起动和点动。把主轴起动按钮X0和主 轴电动机起动接触器并接，这样只要X0闭合就可以自锁。同时还串接了主轴停 止按钮X1、主轴变速瞬时电动开关X21的常闭触点，实现

37、了电气连锁。所以当 X0闭和就可以起动主电动机。 14 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 ST 1 ST 2 ST 3 ST 4 ST 5 ST 6 ST 7 SA 1 SA 2 SA 3 SA 4 KM 2 KM 3 FR1 FR2 FR3 X0 Y20 X2 X1 X3 X4 X5 X6 X7 X20 X21 X22 X23 X40 X41 X42 X43 X44 X45 X46 CO M2 Y43 Y22 Y42 Y23 Y41 Y40 Y21 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 P L C Y6 KM 1 KM 4 YC1 YC3 KM 2 YC2 YA KM 3 220

38、V CO M1 KM 5 Y44 220V YA HL 1 HL 2 HL 3 HL 4 HL 5 HL 6 24V 24V CO M3 CO M 图4 I/O接线图 图5 主电机启动、点动程序 逻辑行88是主电动机的制动，如图6所示。只要主轴停止按钮X1和主轴上 刀制动开关X20闭合，就接通了主轴制动电磁离合器。就可以达到制动的目的。 （2）进给电动机的控制程序 如图7所示程序为进给电机正转程序，在主电机启动后手柄扳向右侧时， X3常开触点闭和，从而Y1接通，进给电机正转。从而使工作台向右进给。 15 图6 主电机制动 手柄扳到下方或着前方的时，Y21均接通，进给电机正转，实现向前或者 向下

39、的正常进给。 图7 进给电机正转程序 如图8所示，把手柄扳向左面，X4闭和，当R1满足条件闭和时，Y22接通， 进给电机反转，从而推动工作台向右上运动。 图8 进给电机反转程序 工作台向前与向下进给运动，将垂直与横向进给手柄扳到“向前”或“向 下”位置，X6闭和，当R2常开触点满足条件闭和时，进给电机反转从而使工作 台向前或想下运动。 左右上下前后六个方向进给实现了很好的互锁功能。 （3）自动和手动快速进给 图9 自动快速进给程序 逻辑行71是自动快速进给程序。X3是左进快速按钮，X4是右进给快速按钮， X5是向前和向下快速进给按钮，X6向后和向上快速进给按钮。R5为快速进给中 间继电器。当S

40、A3闭和时，铣床处于自动快速进给状态，同时X40闭合该铣床处 于自动快速进给状态，这时按前面四个按钮，就可以实现六个方向的快速进给。 在前后上下快速进给时，左右进给就会断开；左右快速进给时，前后上下就会 断开，形成互锁。 手动进给和原来铣床的操作方法一样，那就是当SA3断开时铣床处于手动 快速进给状态，例如左快速进给，首先把操作手柄扳向左面，X3常开触点闭和， 同时按下快速进给按扭SB5或者SB6，X2闭和，这时R4中间继电器接通，实现 16 左快速进给。其他方向同左进给。 图10 手动进给程序 手动快速进给和自动快速进给为同一开关，SA3闭和为自动快速进给，断 开为手动快速进给，所以进给时只

41、能选择其中一种。 （4）冷却泵电机的控制程序 冷却泵电动机的控制采用选择开关，故电路不需自锁，用基本的点动控制 电路即可。梯形图如图11所示。 图11 冷却电机控制程序 6.2 一例特殊故障的解决一例特殊故障的解决 通用铣床X62W工作台的进给运动，是在三个坐标轴上作六个方向的运动。 左右进给由床前操作手柄撞击ST1或ST2，使接触器KM2或KM3线圈得电，主触 头闭合使进给电机作不同方向运转，同时操纵离合器，使齿轮系带动左右滚珠 丝杠转动，实现横向(X轴方向)运动；上下和前后的进给控制则由下方的十字操 作手柄撞压位置开关ST3或ST4，使接触器KM2或KM3通电，同时操纵离合器使 齿轮系与Y

42、轴或Z轴的滚珠丝杠相啮合以实现纵向(Y轴)或垂向(Z轴)的进给。这 种控制方式利用两个操作手柄使齿轮系分别与三条丝杠相啮合，同时配合以四 个位置开关成功实现了六个进给方向的互锁。 上述控制方式带来这样一个问题：在操纵手柄复位的情况下，如果控制进 给电机的任何一个接触器(例如KM2)由于故障原因主触头不能分断，则虽然工 作台不作进给，但是进给电机仍在以原方向运转。这时操作者想让工作台向某 方向运动(例如向右行)，虽然操作手柄拨在右向，齿轮系和X轴丝杠啮合，由于 电机仍以原来的方向带动丝杠运转，工作台不是右行而是向左运动，这时是非 常危险的。在生产实践中遇到多次这种情况，一次由于位置开关撞碎，使S

43、T3 常开触头呈常闭状态，造成KM2触头不释放，操作耆欲后退工作台，工作台反 而前进，结果是撞碎了前端法兰盘，造成了设备事故。 针对以上所述，用PLC对铣床进行改造时引人冗余保护的思想，利用程序 功能配合两个输人点和一个输出点就可以有效地避免该类故障引起的设备事故。 以下对进给部分和冗余保护部分这两部分程序做详细地分析。 在进行PLC的改造时，只是把用作进给控制的两个接触器的常开触点作为 17 输人信号接人PLC的输人点。 设分配的输人点为KM2、KM3常开输人信号到X42、X43；正常进给时， 不论向何方向操作进给手柄，R1都能接通(如附录2逻辑行12以下程序所示)，使 得Y21(或Y22)

44、接通，KM2(或KM3)接触器工作，机床作正常进给。其辅助常开 接点也接通，在ST1或ST3使KM2接通的情况下，是X3或X5和X42同时接通， Y44不能得电；同理在ST2或ST4使KM3接通的情况下，是X4或X6和X43同时接 通，Y44也不能得电(如图逻辑行100所示)。所以冗余保护继电器KA在正常进给 条件下是不会工作的。 图12 冗于保护程序 在以上所分析的故障条件下，例如当KM2发生熔焊(或其他使KM2不能分断 的原因)时，X42为闭合状态，此时如果操作者欲向另一方向进给，操作ST2或 ST4，则X4或X6就会闭合，Y44就会闭合，其常闭触点就会及时在程序上断开 进给输出继电器Y2

45、1和Y22，首先使进给接触器线圈断电，同时接通的冗余保护 继电器KA会对主电路或电源电路作必要的切换。对于早年生产的旧式铣床利用 KA的常闭触点断开进给电机的主电路电源，同时KA继电器的常开触点接通一 个报警指示灯(或蜂鸣器)以提示操作者；对于近几年生产的新产品，因其电源 采用带欠压脱扣器的自动空气断路器，用KA的常闭触点串在门控开关SQ1和欠 压脱扣器线圈支路，当KA的线圈接通，其常闭触点断开，自动空气断路器自动 跳闸，切断机床总电源。这样就可以避免上述事故的发生。当KM3发生熔焊(或 其他使KM3不能分断的原因)时，则操作ST1或ST3时，Y44也会闭合，从而起到 象以上所述的保护功能。

46、另外，在程序中有必要同时断开主轴控制用输出继电器，使主轴接触器线 圈断电，主轴停转。特别是对早年生产的旧式铣床，这样处理可以使主轴电动 机和进给电动机都停止运转，增强了人身和设备的安全性。 6.3 故障自诊断故障自诊断 PLC故障诊断技术的基本原理是利用PLC的逻辑或运算功能，来把连续获 得的被控过程的各种状态不断地与所存储的理想(或正确)状态进行比较，如果 二者的比较结果是一致的，则表明设备处于正常状态；一旦发现差异则检查 差异是否在所允许的范围内。如果差异超过范围即按设定的程序进行报警。 在被控设备工作正常的情况下，控制系统的各个输入、输出信号和内部继电器 的信号之间都会存在确定的逻辑关系

47、。本控制器使用PLC的逻辑功能并通过编 18 程来实现报警。硬件中的左右行程开关，如果同时闭合，就会形成逻辑错误输 出报警以表示左右行程开关中有需要维修的部件。最终通过逻辑运算实现行 程开关、电机、接触器等故障报警功能。 图13 故障自诊断程序 图13为故障自诊断程序，逻辑行108为冗余保护报警，一旦KM2或者KM3 不能断开，同时接通，YA就会闭和，Y0指示灯接通，进行报警，同断开主电 机，切断电源，对铣床进行保护。 逻辑行110，112，114分别为主电机过载报警，进给电机过载报警，冷却电 机过载报警。当三台电机中任何一台过载时，相应的指示灯都会亮，同时主电 机接触器也会断开。 逻辑行11

48、6为左右行程开关开关报警，当左右操作手柄出现故障时，也就是 X3，X4就会同时闭和，指示灯亮，同时在上面的程序中有连锁保护，一些触点 就会断开，以保护不出事故。 逻辑行119为上下前后行程开关报警程序。 逻辑行122为接触器故障报警。 7 结束语结束语 将以上设计好的PLC程序输入到FPO主机后，连接好输入输出分配和主电 路，按照以上的步骤进行调试，调试过程全部通过，完全满足铣床的控制要求。 X62W铣床原继电器电路经松下FP0系列PLC改造，虽然一次性投资较大，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 了操人员维修劳动强度。 致谢致谢 在毕业设计期间，一直得

49、到导师的悉心指导和关怀。特别是在课题的设计 过程中，对论文的技术问题，导师都花费了大量的心血，付出了大量的劳动， 并一直给予我无微不至的指导与多方面的帮助，使我的知识、能力等各方面都 19 有了很大的进步，在此，谨向导师表示最衷心的感谢！在课题进行期间，学院 为我们提供了良好的学习和设计环境。在课题的研究和进展中，同组成员也给 予了很大的帮助，这里也一并表示感谢！由于时间和知识水平所限，论文中还 可能会有许多纰漏或错误之处，恳请各位老师和同学批评指正。 参考文献参考文献 1李秀忠.PLC在X62W铣床电气控制电路中的应用J.自动化技术与应用， 2004，23（8）：2831 2孙明旗.铣床控制线路一例特殊故障的分析及在PLC改造中的解决办法J.自动化技术 与应用，2007，26（5）：113115 3裘旭东，徐健丰.基于PLC的XA62W型万能升降台铣床的技术改造J.煤矿机械， 2007，28（12）：150152 4常斗南.可编程序控制器原理应用试验M.北京：机械工业出版社1998，8 5赵明，许寥.工厂电气控制设备M.北京：机械工业出版社，2004，5 6陈远龄.机床电气自动控制M.重庆：重