基于PLC的XA6132卧式铣床电气控制系统设计

1、 基于PLC的XA6132卧式铣床电气控制系统设计 【摘要】本论文主要阐述了可编程控制器(plc)在XA6132万能铣床数控化改造中的技术应用问题，利用plc的自身特性解决传统继电器-接触器电器控制系统存在的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难题.由于plc电气控制系统与继电器-接触器电器控制系统相比,具有结构简单、编程方便、调试周期短、可靠性高、抗干扰能力强、故障率低、对工作要求环境低等一系列优点.因此,本论文对XA6132万能铣床的数控改造,将把plc控制技术应用到改造方案中去,从而大大提高铣床的工作性能.论文分析了铣床的控制原理,制定了可编程控制器改造XA6132万能铣床电气控制系统的设计方案,完成了电气控制系统硬件和软件的设计.其中包括plc机型的选择、I/O端口的分配、I/O硬件接线图的绘制、plc梯形图程序的设计、对plc控制铣床的工作过程作了详细的阐述.论述了采用plc取代传统继电器-接触器电器控制系统从而提高机床工作能力的方法,给出了相应的控制原理图。 目 录1 绪论31.1 机床数控化改造是工艺设备更新的途径31.2 机床数控化改造的条件42 XA6132

2、型卧式万能铣床的基本结构和控制要求43 数控化改造的一般途径53.1 主传动的数控化改造53.2 进给传动的数控化改造54 机床的PLC控制系统设计74.1 机床PLC控制系统设计的基本原则74.2 机床PLC控制系统设计的基本内容74.3 机床PLC控制系统的一般步骤84.4 基于PLC的铣床电气控制系统硬件设计84.5 基于PLC的铣床电气控制系统程序设计85 基于PLC的XA6132万能铣床电气控制系统硬件部分的设计95.1 PLC型号的选择95.2 PLC的I/O端口分配表115.3 PLC的外部硬件接线图125.4 XA6132铣床控制梯形图的设计13结束语16谢词16参 考 文 献171 绪论1.1 机床数控化改造是工艺设备更新的基本途径一个企业要想在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展,他必须是能在最短的时间里以优异的质量、低廉的成本,制造出符合市场需求的、性能合适的产品.判断市场上产品的变化,决定近期或较长期的生产安排,主动调整产品的结构,生产适销对路和技术附加值高的产品,主要取决于决策者的敏锐观察和果断决心,要是产品的性能完美,设计出参数合理、性能优良、操作方便的产品,

3、主要取决于设计者的素质和能力;产品质量的优劣、制造周期的长短、生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响.现代化的加工设备能高效率、高质量、低成本的加工出所需的零件.当今科学技术飞速前进,尤其是计算机技术和为电子技术的迅猛发展,机和电相互融合、渗透,促使机电一体化产品的相继涌现.在机床行业中,数控机床的诞生、迅速的发展、不断的完善、广泛地应用就是其例证.当前,机床的数控化率已成为衡量一个国家机床工业水平的重要标志.我国的机械制造水平与发达国家相比差距很大.目前,我国平均单机的生产效率只有美、日等国的1/10，全员劳动生产率约为他们的1/25。设备役龄长、技术水平落后使其原因之一.为改变落后现状,采用先进的工艺设备,包括采用数控机床,逐步增加数控机床所占的比重,已成为我国制造技术发展的总趋势,由于零件的类型、形状、尺寸和用途差异很大,零件的加工批量相差悬殊,零件的加工质量和精度要求有显著的不同,因此,机械制造业需要不同类型的数控机床和高、中、低档的不同层次的数控机床.购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径;改造旧机床、配置数控系统,把普通的旧机床改造成数控机床也是提高数控化率的

4、途径.1.2 机床数控化改造的条件X旧机床能够改造成数控机床,但并非所有的旧机床都可以改造成数控机床,衡量是否可以改装的主要标准是机床基础件的刚性的改装的经济性.（内容用小四号宋体，论文字间距设置为：标准。行间距设置为：固定值 20磅）（1） 机床基础件必须是具有足够的刚性 数控机床属于高精度的机床,工件的移动或刀具移动的位置精度要求都很高,一般在0.0010.01mm高的定位精度和运动精度要求机床基础件具有很高的静刚度和动刚度.基础件不稳定,受力后容易变形的旧机床都不可以改装成数控机床.机床数控化改造的费用合适,经济性好,机床数控改装分两部分进行:一是维修机械部分,更换或修理磨损的零件,测试大型基础零件,增加新的功能装置,回复或提高机床的精度和性能;用新的数控系统和相应的配置来代替老的.改造总费用也是由机械维修和增加数控系统两部分组成,机械改造的费用与旧机床原有零件利用的多少有着密切的关系.数控系统的价格队新、旧机床都一样.若机床数控化改造的总费仅为董雷规格设备价格的50%60%时,该机床数控改造在经济上才是合算的.但由于数控系统本身价格较高,从经济效果考虑,大、中、小型机床,尤其是

5、重型机床,最合适数控改造.2 XA6132型卧式万能铣床的基本结构和控制要求XA6132型万能卧式铣床由床身、悬梁、万杆支架、升降台等部分组成.铣床的主要运动形式有主轴(带动刀具)旋转运动和工作台(固定工件)的进给运动,两种运动分别用两台电动机(M2、M3)拖动.主轴所带铣刀的旋转运动有顺铣和逆铣两种工作方式,升降台分为巨型和圆形两层结构,巨型工作台可实现工作台纵向、横向、和垂直三种直线进给运动,对应左右、前后、上下、六个移动方向.装有圆工作台的万能铣床还有回转运动,万能铣床的矩形,圆形工作台共有四种运动形式.工作台进给电动机M经机械传动链传动,由电磁离合器选择工作台的工进和快退进给,并由机械离合器接通相应的方向的机械传动链,驱动工作台实现各方向的移动进给.XA6132卧式万能铣床的控制要求如下: (1)主轴电动机M2(7.75kw)空载时直接启动,要实现两地控制的正反转(顺逆铣)运动及电磁离合器的停止制动(采用电磁离合器),为安全和操作方便,换刀时,使主轴处于制动状态.由于主轴的正、反转,不需要经常变换,通常在加工前设置传动方向. (2)工作台驱动电机M3(1.5kw)要求能够实现正

6、转、反转,并要求两个工作台(矩形、圆形)各个方形的运动互锁,矩形工作台的六个运动方向和圆形工作台的旋转运动要求互锁,任何时刻,只允许存在一种运动形式的一个方向运动. (3)主轴旋转与工作台进给运动采用机械齿轮变速箱调速,要求主轴电动机和工作台电动机在主轴和进给变速时能够瞬时冲动,保证变速时齿轮的正确啮合和设备的安全. (4)为避免打刀,要求主轴电动机驱动M2启动后,工作台驱动电动机M3方能启动.（内容用小四号宋体，论文字间距设置为：标准。行间距设置为：固定值 20磅）3 数控化改造的一般途径3.1 主传动的数控化改造 机床主传动的作用是把电动机的转速和转矩通过变速箱传给主轴,使工件或刀具以各种不同的速度运动.转传动性能的好坏,直接影响零件的加工质量和生产效率.机床的主传动一般采用普通交流电动机或直流电动机拖动两种形式. 1、主传动电气部分的数控改造XA6132铣床主传动采用普通交流异步电动机拖动，如此类中、小型机床，其本身价格较低，改造费用过高，改造周期过长都将降低这类机床进行数控改造的经济价值。所以在一般情况下，对机床的主传动均采取保留原电器系统的方案。在本次设计中仍然保留主轴电机，

7、拆除原有的滑动齿轮变速箱装置以及正反转控制电路。采用变频器来控制主轴交流电机的正反转以及实现无级调速功能。2主轴机械部分的改造(内容用小四号宋体，论文字间距设置为：标准。由于主轴采用变频器实现无级变速，因此主传动系统采用同步的齿形带来传递运动。对于主轴本身其刚性和旋转精度以及支承的刚性都将直接影响零件的加工精度。因此主轴部分的改造，首先要保证本身的刚性以及修复和提高本身的旋转精度。XA6132铣床主轴支撑采用滑动轴承，本次改造中为了提高承载能力，增大主轴转速，保持旋转精度，改用静压轴承来代替原轴承。3.2 进给传动的数控化改造 在数控机床中，进给传动的作用是接受数控系统的指令，经放大后使刀具做精确定位或按规定的轨迹做严格的相对运动，如直线、斜线、圆弧等，加工出符合要求的零部件。对进给传动的要求为：高精度，及高的定位精度和重复定位精度以及加工零件的综合精度；高品质，及频带宽，响应快，动、静态速降小，调速范围宽；高速度，及能快速定位，以提高效率；大功率，及能输出大的力矩和功率，以满足加工的需要。1.进给传动电气部分的数控化改造（1）确定控制方式：数控系统的控制方式基本上分为开环、闭环、半闭

8、环三种。普通机床数控化改造选择哪种控制方式，需根据具体情况确定。一般小型采用开环控制，中、重型采用半闭环控制，由于闭环控制需直接测出移动部件的实际位置，直线测量元件，工作量大，费时多，而且闭环控制的调试想打麻烦，它的稳定性与机械部分的各种非线性因素有很大的关系，在机床数控改造中一般不采用闭环控制的方式。对XA6132的改造中为其配置日本FANUC公司的POWER MATEO数控系统。（2）选择伺服系统：目前，使用比较广泛的伺服系统有步进电机驱动系统、可控硅直流伺服系统以及大功率晶体管直流脉宽调制（PWM）伺服系统。改造中采用直流伺服系统。（3）选择位置测量元件：位置测量元件是伺服系统中的一部分，用来测量运动部件按指令移动的位置量，并将其位置量反馈给数控系统。为之测量元件可分为旋转型测量元件和直线型测量元件两类。旋转型测量元件又分为旋转变压器和光电脉冲编码器，这两种测量元件均可用于数控系统的半闭环控制中，用来测量伺服电机的角位移量；直线型测量元件有感应同步器和光栅，这两种元件多用在闭环控制方式的数控系统中，在机床的数控改造中一般不可用。设计中选取光电编码器作为位置测量元件。2.进给传动机

9、械部分的数控改造（1）导轨副：原铣床的导轨采用滑动导轨，其结构简单，制造方便，承载面积大，接触刚度好、抗震性强等一系列优点。但滑动导轨的静摩察系数随速度变化而变化，摩擦损失大，在低速时易出现爬行现象，直接影响运动部件的定位精度。改造中 在原移动部件的导轨上粘接聚四氟乙烯软带，该软带摩察系数小，动、静摩擦系数差别小，部件运行平稳、无爬行，定位精度高。没有震动，提高了工件表面加工质量，延长了刀具寿命。软带耐磨损，且嵌入性能好，与其配合的金属导轨面不会拉伤，软带有自润滑性，当机械润滑系统出现故障时，导轨不会拉伤。（2）进给箱：原铣床为齿轮结构，改造中取消原进给箱，依靠数控系统和伺服系统控制工作台的进给，提高其定位精度，达到伺服控制目的。（3）移动部件：在机床的进给传动链中，需将旋转运动变换成直线运动。原铣床采用普通丝杠副有自锁能力，在垂直进给机构中不用附加制动装置。其缺点是摩擦阻力大，传动效率低，动、静摩察系数相差大，在低速时易出现爬行。数控机床要求进给部分的移动部件灵敏度好、精度好、反应快、无爬行。采用滚珠丝杠副可满足数控机床进给运动的要求。在机床数控化改造时，由于滚珠丝杠副的径向尺寸较大，许多相关部位都需要修改，往往用原丝杠副，但为消除过大的丝杠与螺母间隙，应将原单螺母改为可调间隙的双螺母副。（4）基于plc的XA6132万能铣床电气控制系统硬件部分的设计在铣床的改造中我们将其运动控制改造为CNC计算机控制系统，将其辅助机械动作控制（继电器、接触器）部分改造为plc可编程控制。 4. 机床的PLC控制系统设计4.1 机床

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