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摘 要 本論文是研究可編程控制器（plc）在XA6132萬能銑床數控化改造中的技術應用問題,利用plc的自身特性解決傳統(tǒng)繼電器—接觸器電氣控制系統(tǒng)存在的線路復雜、可靠性穩(wěn)定性差、故障診斷和排除困難等難題。由于PLC電氣控制系統(tǒng)與繼電器—接觸器電氣控制系統(tǒng)相比，具有結構簡單，編程方便，調試周期短，可靠性高，抗干擾能力強，故障率低，對工作環(huán)境要求低等一系列優(yōu)點。因此，本論文對XA6132萬能銑床的數控改造，將把PLC控制技術應用到改造方案中去，從而大大提高銑床的工作性能。論文分析了銑床的控制原理，制定了可編程控制器改造XA6132萬能銑床電氣控制系統(tǒng)的設計方案，完成了電氣控制系統(tǒng)硬件和軟件的設計，其中包括PLC機型的選擇、I/O端口的分配、I/O硬件接線圖的繪制、PLC梯形圖程序的設計。對PLC控制銑床的工作過程作了詳細闡述，論述了采用PLC取代傳統(tǒng)繼電器—接觸器電氣控制系統(tǒng)從而提高機床工作性能的方法，給出了相應的控制原理圖。 關鍵詞：可編程控制器，銑床，數控改造，電氣控制系統(tǒng) Abstract :This paper is to examine programmable controller (plc) XA6132 Universal Milling Machine transformation of technology should be with problems, plc's own characteristics resolve traditional relay - contactor electrical control system of complex circuits, Stability poor reliability, fault diagnosis and rule out other problems difficult. As the PLC control system and electrical relay - contactor electrical control systems, is simple in structure, programming convenience, Debugging a short cycle, high reliability and anti-jamming capability and a low failure rate, the work environment requires a series of low strengths. Thus, the thesis of the XA6132 Universal Milling Machine CNC transformation, PLC control technology will be applied to the transformation of the program, and thus greatly enhance the performance of Miller. Analysis of the paper machine control theory, developed a programmable controller XA6132 Universal Milling Machine electrical control system design, completed the electrical control system hardware and software design, including the choice of PLC Systems, I/O port allocation, I/O hardware wiring the drawing, PLC ladder logic program design. PLC control of the milling process were discussed in detail, This paper discusses the PLC to replace traditional relay - contactor electrical control system so as to enhance the performance of the machine, the corresponding control diagram. Keywords : PLC, milling, NC transformation, electrical control system 目 錄 1 緒論.......................................................... 1.1 機床數控化改造是工藝設備更新的途徑.......................... 1.2機床數控化改造的條件......................................... 1.3 國內外舊機床數控改造的實例.................................. 1.4 plc（可編程控制器）技術應用發(fā)展歷程.......................... 2.XA6132型臥式萬能銑床的基本結構和控制要求........................ 3.數控化改造的一般途徑........................................... 3.1主傳動的數控化改造.......................................... 3.2進給傳動的數控化改造........................................ 4.基于PLC的XA6132萬能銑床電氣控制系統(tǒng)硬件部分的設計............ 4.1 PLC型號的選擇.............................................. 4.2 PLC的I/O端口分配表.......................................... 4.3 PLC的I/O電氣接線圖的設計.................................... 5. XA6132萬能銑床電氣控制系統(tǒng)軟件部分的設計........................ 5.1 系統(tǒng)電源開啟控制............................................ 5.2主軸變頻器調速控制........................................... 5.3 冷卻泵程序控制設計.......................................... 5.4潤滑油泵程序控制設計........................................ 5.5 刀架松緊設計................................................ 5.6 工件松緊設計................................................ 5.7 PLC外部緊急停車控制設計...................................... 6.FX系列PLC外部接線問題........................................... 7.PLC在控制柜中的接線問題......................................... 8.控制柜與現場設備之間電纜接線問題................................ 9.XA6132銑床控制梯形圖設計........................................ 10.結論........................................................... 10.1 研究成果..................................................... 10.2 不足之處..................................................... 設計感想.......................................................... 參考文獻......................................................... 1 緒論 1.1 機床數控化改造是工藝設備更新的途徑 一個企業(yè)要想在激烈的市場競爭中獲得生存、得到發(fā)展，它必須是能在最短的時間里以優(yōu)異的質量、低廉的成本，制造出符合市場需要的、性能合適的產品。判斷市場上產品的變化，決定近期或較長期的生產安排，主動調整產品的結構，生產適銷對路和技術附加值高的產品，主要取決于決策者的敏銳觀察和果斷決心；要使產品性能完美，設計出技術參數合理、性能優(yōu)良、操作方便的產品，主要取決于設計師的素質和能力；產品質量的優(yōu)劣、制造周期的長短、生產成本的高低，又往往受工廠現有加工設備的直接影響?，F代化的加工設備能高效率、高質量、低成本地加工出所需要的零件。當今科學技術飛速前進，尤其是計算機技術和為電子技術的迅猛發(fā)展，機和電相互融合、滲透，促使機電一體化產品相繼涌現。在機床行業(yè)中，數控機床的誕生、迅速地發(fā)展、不斷地完善、廣泛地應用就是其例證。當前，機床的數控化率以成為衡量一個國家機床工業(yè)水平的重要標志。 我國的機械制造水平與發(fā)達國家相比差距很大。目前，我國平均單機的生產效率只有美、日等國的1/10，全員勞動生產率約為它們的1/25，設備役齡長、技術水平落后是其原因之一。為改變此落后現狀，采用先進的工藝設備，包括采用數控機床，逐步增加數控機床所占的比重，以成為我國制造技術發(fā)展的總趨勢。由于零件的類型、形狀、尺寸和用途差異很大，零件的加工批量相差懸殊，零件的質量和精度要求也有顯著的不同，因此機械制造業(yè)需要不同類型的數控機床和高、中、低擋不同層次的數控機床。購買新的數控機床是提高數控化率的主要途徑；改造舊機床、配置數控系統(tǒng)，把普通的舊機床改造成數控機床也是提高數控化率的途徑。 我國現有機床330多萬臺，機床的役齡、尤其是大型和重型機床的役齡都很長，這些機床的結構一般陳舊，操作部分復雜，測量系統(tǒng)簡陋，控制系統(tǒng)非常落后，把這些性能落后，生產率低的舊機床全部閑置或淘汰，用新的機床去取代，是不現實的。重型機床，特別是現代化的數控重型機床價格都非常昂貴。我國是一個發(fā)展中的國家，國家財力薄弱，資金短缺，不可能花費大量的資金添置全新的數控機床，把普通機床改裝成數控機床就顯裝成數控機床就顯得更加重要。發(fā)達的西方工業(yè)大國，在大量制造數控機床的同時，也在組建維修改造公司，專門從事舊機床的維修和數控化改造。 把役齡長的大型機床改裝成數控機床是可能的。分析各種大型機床的基本結構，普通機床與數控機床相比，形狀復雜的、噸位重的基礎零件。如底座、工作臺、床身、立柱、橫梁、頂梁和滑枕等都是比不可少的。它們的材料都是鑄件或焊接鋼件，這些零件占用的原材料多，加工周期長，耗費資金多。將舊機床進行改造，重復使用這些基礎零件，必然縮短了制造周期并降低了生產成本。機床的役齡長，相應的這些基礎件的自然時效也長，內應力的消除使得機床主要基礎零件的精度穩(wěn)定性好。大型機床的占地面積大，混凝土基礎深，澆灌混凝土的費用也多，改造舊機床還可節(jié)省大量的基礎費用。用戶使用機床，是為加工本廠特有的零件，機床的專用性強，當機床按具體的零件要求進行數控化改造后，生產率必然比通用的機床高。被改造的機床由于曾長期的使用，其存在的故障和隱患都很清楚，機床在數控化改造的同時，也順理成章地根除了這些故障，使得改造后的數控機床更適合用戶的使用。顯然，普通機床進行數控化改造是提高技術水平、更新工藝設備的有效途徑。 1.2機床數控化改造的條件 舊機床能改裝成數控機床，但并不是所用的舊機床都適合改裝數控機床，衡量是否適合改裝的主要標準是機床基礎件的剛性和改裝的經濟性。 （1） 機床基礎件必須具有足夠的剛性 數控機床屬于高精度的機床，工件移動或刀具移動的位置精度要求很高，一般在0.001~0.01mm，高的定位精度和運動精度要求機床基礎件具有很高的靜剛度和動剛度?；A件不穩(wěn)定，受力后容易變形的舊機床都不適合改裝成數控機床。 （2） 機床數控改造的費用合適，經濟性好 機床數控改裝分兩部分進行：一是維修機械部分，更換或修理磨損了的零件，調試大型基礎零件，增加新的功能裝置，恢復或提高機床的精度和性能；另一方面是舍棄原操作系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。微電子技術的迅猛發(fā)展，促進機床數控系統(tǒng)不斷的更新?lián)Q代，機床原有的控制系統(tǒng)必須舍棄，用新的數控系統(tǒng)和相應的裝置來代替。改造總費用也是由機械維修和增加數控系統(tǒng)兩部分組成，機械改造的費用與舊機床原有零件利用的多少密切相關，數控系統(tǒng)的價格隊新、舊機床都一樣。若機床數控改造的總費用僅為董雷規(guī)格設備價格的50%~60%時，該機床數控改造在經濟上才合算。由于數控系統(tǒng)本身價格較高，從經濟效果考慮，大、中型機床，尤其是重型機床，最適合數控改造。 1.3 國內外舊機床數控改造的實例 德國的Schiess公司在1981年把一臺加工直徑為19m的超重型立式車床改裝成數孔車床。該機床是1929年出產的，當時曾是世界上最大的機床，其改造的內容有：工作臺導軌改裝為靜壓導軌，承載能力增加了50%;主傳動系統(tǒng)采用半導體可控硅控制，取代老式的機組傳動；刀架的滑動導軌改為滾動導軌；增加測量顯示裝置，配置數控系統(tǒng)等。該機床的全部改造費用僅為當時同類規(guī)格新機床價格1200萬馬克的28.9%，其中大修費用占7.9%，數控改造費用占20.8%。該公司還改造了一臺最大加工直徑為14m的超重型立式車床，全部改造費用為當時同類規(guī)格新機床價格9000萬馬克的19.1%。以上兩例標志著當今世界設備改造業(yè)的重大進展和高超水平。 我國某重型機械廠在1987年曾把一臺24-10FP450型數顯龍門銑床改裝成數控龍門銑床，該機床是由德國Waldrich Coburg公司制造的，工作臺上加工零件面積為5m×15m，加工零件的最大質量為525t。該機床的機械部分僅更換了蝸輪蝸桿傳動副，控制部分配置了SIEMENS 8MC數控系統(tǒng)。改造后的該機床可控制4坐標（x軸工作臺移動、y軸滑座移動、z軸滑枕移動、w軸橫梁移動）運動，其中任意3坐標直線插補，任意兩軸半坐標曲線插補。該廠認為。改造后的數控機床，特別適宜加工形狀復雜的單件生產的重型零件，因為各種復雜零件形狀的改變，只要改變控制程序，通過數控機床幾個坐標的聯(lián)動，就可以加工出形狀復雜的零件，并且加工精度較高，加工質量穩(wěn)定，加工效率為普通機床的2~3倍。該機床的改造費用為原機床進口值的15%。 除了大型普通機床的數控化改造外，許多中、小型機床，特別是普通臥式車床、機床的機械部分僅做較小改動，再配以簡易數控系統(tǒng)，就能加工出各種錐面和旋轉曲面。這種較廉價的數控改造具有很大的實用價值，目前在我國得到了迅速地推廣和應用。 1.4 plc（可編程控制器）技術應用發(fā)展歷程 可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC，是從早期的繼電器邏輯電氣控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它不斷吸收微型計算機控制技術，使之功能不斷增強，逐漸適合復雜的電氣控制系統(tǒng)。PLC之所以有較強的生命力，在于它更加適應工業(yè)現場和市場要求?？煽啃愿撸垢蓴_能力強、編程方便、價格低、壽命長。與單片機相比，它的輸入/輸出端更接近現場設備，不需添加太多的中間部件，這樣可以大大節(jié)省用戶的開發(fā)時間與生產成本。 現在應用于各種工業(yè)控制領域的PLC種類繁多，規(guī)模大小和功能強弱千差萬別，但他們具有以下一些共同的特點。 可靠性高。可靠性是用戶的首選要求，目前各廠家生產的PLC，平均無故障時間都大大超過IEC規(guī)定的10萬小時，例如：西門子、ABB、松下、三菱等微小型PLC，而且都有完善的自診斷功能，判斷故障迅速。 靈活組態(tài)?？删幊炭刂破魇窍盗谢a品，通常采用模塊化結構來完成不同的任務組合。輸入輸出端口選擇靈活，有多種機型，組合方便。 功能強大，除基本的邏輯控制、定時、計數、算術運算功能外，配合特殊功能模塊還可實現點位控制、PTO運算、過程運算、數字控制等功能，為方便工廠管理又可以與上位機通信，通過遠程模塊可以控制遠程設備。因此，PLC幾乎是全能的工業(yè)控制計算機。 編程方便，易于使用。PLC的編程可采用與繼電器極為相似的梯形圖語言，直觀易懂，深受現場電氣人員的歡迎。近年來又發(fā)展了面向對象的順控流程圖語言（Sequential Function Chart），使編程更加簡單方便。 運行速度快。傳統(tǒng)的機電接觸電氣控制系統(tǒng)通過大量觸點的機械動作進行控制，速度很慢，而且系統(tǒng)愈大速度愈慢。PLC的控制速度則由CPU工作速度和掃描速度決定。因此更適合處理高速復雜的控制任務，它與微型計算機之間的差別越來越小 [2]。 同時，PLC還具備了網絡功能，能進行多臺PLC或PLC與PC機之間的聯(lián)網通訊，使用PLC可以很方便的構成“集中管理、分散控制”的分布式電氣控制系統(tǒng)，通過現場總線的PLC通訊網絡，可使工廠的各種資源共享，就更適合于工廠自動化的需要，為工廠自動化提供了技術保證 [3]。 2.XA6132型臥式萬能銑床的基本結構和控制要求 XA6132型臥式萬能銑床由床身、懸梁、刀桿支架、升降臺等部分組成。銑床的主要運動形式有主軸（帶刀具）旋轉運動和工作臺（固定工件）的進給運動，兩種運動分別用2臺電動機（M2、M3）拖動。主軸所帶銑刀的旋轉運動有順銑和逆銑兩種工作方式，升降臺分為矩形和圓形兩層結構，矩形工作臺可實現工作臺縱向、橫向和垂直三種直線進給運動，對應左右、前后、上下、6個移動方向。裝有圓工作臺的萬能銑床還有回轉運動，萬能銑床的矩形，圓形工作臺共有4種運動形式。工作臺進給電動機M3經機械傳動鏈傳動， 由電磁離合器選擇工作臺的工進和快速進給，并由機械離合器接通相應方向的機械傳動鏈，驅動工作臺實現各方向的移動進給。XA6132 型臥式萬能銑床的控制要求如下： （1）主軸電動機M2（7.5KW）空載時直接起動，要求實現兩地控制 的正反轉（順逆銑）運動及電磁離合器的停車制動（采用電磁離合器），為安全和操作方便，換刀時，使主軸處于制動狀態(tài)。由于主軸的正、反轉不需要經常變換，通常在加工前設置轉動方向。 （2）工作臺驅動電動機M3（1.5KW）要求能夠實現正轉、反轉，并要求兩個工作臺（矩形、圓形）各個方向的運動互鎖，矩形工作臺的6個運動方向和圓工作臺的旋轉運動要求互鎖，任何時刻，只允許存在一種運動形式的一個方向運動。 （3）主軸旋轉與工作臺進給運動均采用機械齒輪變速箱調速，要求主軸電動機和工作臺電動機在主軸和進給變速時能夠瞬時沖動，保證變速時齒輪的正確嚙合和設備的安全。 （4）為避免打刀，要求主軸驅動電動機M2起動后，工作臺驅動電動機M3方 能起動。 3.數控化改造的一般途徑 3.1主傳動的數控化改造 機床主傳動的作用是把電動機的轉速和轉矩通過變速箱傳遞給主軸，使工件或刀具以各種不同的速度運動。主傳動性能的好壞，直接影響零件的加工質量和生產效率。機床的主傳動一般采用普通交流電動機或直流電動機拖動兩種方式。 1. 主傳動電氣部分的數控改造 XA6132銑床主傳動采用普通交流異步電動機拖動，如此類中、小型機床，其本身價格較低，改造費用過高，改造周期過長都將降低這類機床進行數控改造的經濟價值。所以在一般情況下，對機床的主傳動均采取保留原電器系統(tǒng)的方案。在本次設計中仍然保留主軸電機，拆除原有的滑動齒輪變速裝置 以及正反轉控制電路。采用變頻器來控制主軸交流電機的正反轉以及實現無級調速等功能。 2.主傳動機械部分的改造 由于主軸采用變頻器實現無級調速，因此主傳動系統(tǒng)采用同步的齒型帶來傳遞運動。對于主軸本身其剛性和旋轉精度以及支承的剛性都將直接影響零件的加工精度。因此主軸部分的改造，首先應保證本身的剛性以及修復和提高本身的旋轉精度。 XA6132銑床主軸支撐采用滑動軸承，本次改造中為了提高承載能力，增大主軸轉速，保持旋轉精度，改用靜壓軸承來代替原軸承。 3.2進給傳動的數控化改造 在數控機床中，進給傳動的作用是接受數控系統(tǒng)的指令，經放大后使刀具作精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴格的相對運動，如直線、斜線、圓弧等，加工出符合要求的零部件。對進給傳動的要求為：高精度，即高的定位精度和重復定位精度以及加工零件的綜合精度；高品質，即頻帶寬，響應快，動、靜態(tài)速降小，調速范圍寬；高速度，即能快速定位，以提高效率；大功率，即能輸出大的力矩和功率，以滿足加工的需要。 1. 進給傳動電氣部分的數控改造 （1） 確定控制方式 數控系統(tǒng)的控制方式基本上分為開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)三種。 普通機床數控化改造選擇那種控制方式，需根據具體情況確定。一般小型采用開環(huán)控制，中、重型采用半閉環(huán)控制，由于閉環(huán)控制需直接測出移動部件的實際位置，要在機床的相應部位安裝直線測量元件，工作量大，費時多，而且閉環(huán)控制的調試相當麻煩，它的穩(wěn)定性與機械部分的各種非線性因素有很大關系，在機床數控改造中一般不采用閉環(huán)控制方式。對XA6132的改造中為其配置日本FANUC公司的POWER MATEO數控系統(tǒng)。 （2） 選擇伺服系統(tǒng) 目前，使用的比較廣泛的伺服系統(tǒng)有步進電機驅動系統(tǒng)、可控硅直流伺服系統(tǒng)以及大功率晶體管直流脈寬調制（PWM）伺服系統(tǒng)。改造中采用直流伺服系統(tǒng)。 (3) 選擇位置測量元件 位置測量元件是數控伺服系統(tǒng)中的一部分，用來測量運動部件按指令移動的位移量，并將其位移量反饋給數控系統(tǒng)。為之測量元件可分為旋轉型測量元件和直線性測量元件兩類。 旋轉型測量元件又分為旋轉變壓器和光電脈沖編碼器，這兩種測量元件均可用于數控系統(tǒng)的半閉環(huán)控制中，用來測量伺服電機的角位移量；直線性測量元件有感應同步器和光柵，這兩種測量元件多用在閉環(huán)控制方式的數控系統(tǒng)中，在機床的數控改造中一般不用。設計中選取光電編碼器作為位置測量元件。 2. 進給傳動機械部分的數控改造 (1) 導軌副 原銑床的導軌采用滑動導軌，其結構簡單，制造方便，承載面積大，接觸剛度好、抗震性強等一系列優(yōu)點。但滑動導軌的靜摩擦系數隨速度變化而變化，摩擦損失大，在低速是易出現爬行現象，直接影響運動部件的定位精度。 改造中在原移動部件的導軌上粘接聚四氟乙烯軟帶，該軟帶摩擦系數小，動、靜摩擦系數差別小，部件運行平穩(wěn)、無爬行，定位精度高。沒有震動，提高了工件表面加工質量，延長了刀具使用壽命。軟帶耐磨損，且嵌入性能好，與其配合的金屬導軌面不會拉傷，軟帶有自潤滑性，當機械潤滑系統(tǒng)出現故障時，導軌不會拉傷。 （2） 進給箱 原銑床為齒輪結構，改造中取消原進給箱，依靠數控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)控制工作臺的進給，提高其定位精度，達到伺服控制目的。 （3） 移動元件 在機床的進給傳動鏈中，需將旋轉運動變換成直線運動。原銑床采用普通絲杠副實現該項運動。普通絲杠副的導程小，降速比大，故牽引力大。普通絲杠副有自鎖能力，在垂向進給機構中不用附加制動裝置。其缺點是摩擦阻力大，傳動效率低，動、靜摩擦系數相差大，在低速時容易出現爬行。 數控機床要求進給部分的移動元件靈敏度好、精度好、反應快、無爬行。采用滾珠絲杠副可滿足數控機床進給運動的要求。在機床數控化改造時，由于滾珠絲杠副的徑向尺寸較大，許多相關的部位都需要修改，往往仍用原絲杠副，但為消除過大的絲杠與螺母間隙，應將原單螺母改為可調整間隙的雙螺母副。 4.基于PLC的XA6132萬能銑床電氣控制系統(tǒng)硬件部分的設計 在銑床的改造中我們將其運動控制部分改造為CNC計算機控制系統(tǒng)，將其輔助機械動作控制（繼電器、接觸器）部分改造為PLC可編程控制。其系統(tǒng)結構如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)結構框圖 本系統(tǒng)由CNC計算機控制系統(tǒng)和強電柜兩部分組成。CNC計算機控制系統(tǒng)是一專用的數控裝置，由CNC系統(tǒng)、輸入/輸出接口、驅動單元和執(zhí)行機構組成，是控制系統(tǒng)輪廓加工的核心，強電柜有動力電路、控制電路和可編程控制器組成。以下將著重介紹PLC的控制設計問題。 4.1 PLC型號的選擇 選擇基于PLC的銑床電氣控制系統(tǒng)的PLC機型，應從以下幾個方面來考慮： 4.1.1 根據PLC的物理結構 根據物理結構的不同，PLC分為整體式、模塊式和疊裝式。整體式的每一I/O點的平均價格比模塊式便宜，小型電氣控制系統(tǒng)一般使用整體式可編程控制器。此次所設計的電氣控制系統(tǒng)屬于小型開關量電氣控制系統(tǒng)沒有特殊的控制任務，整體式PLC完全可以滿足控制要求，且在性能相同的情況下，整體式PLC較模塊式和疊裝式PLC價格便宜，因此，XA6132銑床電氣控制系統(tǒng)的PLC選用整體式結構的PLC[5]。 4.1.2 根據PLC的指令功能 考慮到任何一種PLC都可以滿足開關量電氣控制系統(tǒng)的要求，據此本課題將盡量采用價格便宜的PLC。 4.1.3 根據PLC的輸入輸出點數 如表3.1和表3.2所示，銑床的電氣控制系統(tǒng)需要24個輸入口16個輸出口，PLC的實際輸入點數應等于或大于所需輸入點數24，PLC的實際輸出點數應等于或大于所需輸出點數16，在條件許可的情況下盡可能留有10%-20%的裕量。 4.1.4 根據PLC的存儲容量 PLC存儲器容量的估算方法：對于僅有開關量輸入/輸出信號的電氣控制系統(tǒng)，將所需的輸入/輸出點數乘以8，就是所需PLC存儲器的存儲容量（單位為bit）即 （24+16）×8=320bit 4.1.5 根據輸入模塊的類型 輸入模塊的輸入電壓一般為DC24V和AC110V或AC220V。直流輸入電路的延遲時間較短，可以直接與接近開關、光電開關等電子輸入裝置連接。交流輸入方式的觸點接觸可靠，適合于在有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境下使用。選用AC220V輸入。 4.1.6 根據輸出模塊的類型 PLC輸出模塊有繼電器型、晶體管型和雙向可控硅型三種。 繼電器型輸出模塊的觸點工作電壓范圍廣，導通壓降小，承受瞬間過電壓和過電流的能力較強，每一點的輸出容量較大（可達2A）,在同一時間內對導通的輸出點的個數沒有限制，但動作速度慢，壽命有一定的限制。 晶體管型與雙向可控硅型輸出模塊分別用于直流負載和交流負載，它們的可靠性高，反應帶寬快，壽命長，但是過載能力差，每1點的輸出量只有0.5A，4點同時輸出的總容量不得超過2A。 由于XA6132銑床控制對象對PLC輸出點的動作表達速度要求不高，繼電器型輸出模塊的動作速度完全能夠滿足要求，且每一點的輸出容量較大，在同一時間內對導通的輸出點的個數沒有限制，這將給設計工作帶來很大的方便。所以本課題選用繼電器輸出模塊，結合XA6132銑床電氣控制系統(tǒng)的實際情況，需要輸入點數大于24個，輸出點數大于16個。 綜上所述，為了使XA6132銑床在改造后能夠良好工作，確認日本松下公司生產的FX2-64MR型PLC能夠滿足上述要求，該類型號PLC體積小，功能強，其主要技術性指標如下： 表1.FX2系列PLC的一般技術特性 電源 AC100~240V，+10%~－15%，50/60HZ單相電源，可瞬時失效10MS 環(huán)境溫度 0~55℃ 環(huán)境濕度 45%~85%RH（無霜） 防震性能 JIS C 0911 標準，10~55HZ，0.5mm（最大2G，3軸向各2次） 防沖擊性能 JIS C 0912 標準 （10G，3軸各3次） 抗噪聲能力 1000V峰—峰值，1us,30~100HZ（噪聲模擬器） 絕緣耐壓 AC1500V，1min（接地端與其他端子間） 絕緣電阻 5G，DC500V接地端與其他端子之間） 使用環(huán)境 無腐蝕性氣體，無導電粉末、微粒 該型PLC具有XA6132銑床電氣控制系統(tǒng)所需的所有指令功能，其總輸入點數為32點，總輸出點數為32點，用戶存儲器容量5K步，輸入模塊電壓為DC24V，輸出模塊為繼電器型。由此可知，FX2-64MR型PLC的技術性能指標完全能滿足上述要求. 4.2 PLC的I/O端口分配表 根據所選PLC的型號進行I/O點的端口分配，如下（表2和表3）所示： 表2. 輸入信號端口分配表 地址號 符號名稱 用途 X0 SB0 電源開按鈕 X1 SB1 電源關按鈕 X2 SB2 急停按鈕 X3 SB3 主軸停止按鈕 X4 SA1-1 正轉速度1 X5 SA1-2 正轉速度2 X6 SA1-3 正轉速度3 X7 SA1-4 正轉速度4 X10 SA1-5 正轉速度5 X11 SA1-6 反轉速度1 X12 SA1-7 反轉速度2 X13 SA1-8 反轉速度3 X14 SA1-9 反轉速度4 X15 SA1-10 反轉速度5 X16 SB4 冷卻泵開按鈕 X17 SB5 冷卻泵關按鈕 X20 SB6 手動冷卻按鈕 X21 SB7 潤滑電機開按鈕 X22 SB8 潤滑電機關按鈕 X23 SB9 手動潤滑按鈕 X24 SB10 刀架夾緊按鈕 X25 SB11 刀架松開按鈕 X26 SB12 工件夾緊按鈕 X27 SB13 工件松開按鈕 表3. 輸出信號端口分配表 地址號 符號名稱 用途 Y0 KM1 總電源接觸器 Y1 KM2 冷卻泵電源接觸器 Y2 K1 潤滑電機中間繼電器 Y3 K2 正轉端子中間繼電器 Y4 K3 反轉端子中間繼電器 Y5 K4 速度端子X001中間繼電器 Y6 K5 速度端子X002中間繼電器 Y7 K6 速度端子X003中間繼電器 Y10 K7 停車制動中間繼電器 Y11 YD1 刀具松緊電磁閥 Y12 YD2 工件松緊電磁閥 Y13 HL1 總電源指示燈 Y14 HL2 冷卻泵指示燈 Y15 HL3 潤滑指示燈 Y16 HL4 刀具夾緊指示燈 Y17 HL5 工件夾緊指示燈 4.3 PLC的I/O電氣接線圖的設計 圖2為PLC的I/O電氣接線圖，可編程控制器一般都使用市電（220V，50HZ），電網的沖擊、頻率的波將直接影響實時控制系統(tǒng)的精度和可靠性；有時電網的沖擊也將給整個系統(tǒng)帶來毀滅性的破壞。電網的瞬間變化也是經常不斷發(fā)生的，由此可產生一定的干擾傳播到可編程控制器系統(tǒng)中。為了提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性能，在可編程控制器供電系統(tǒng)中一般可采取隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、UPS電源、晶體管開關電源等措施。 圖3.隔離變壓器示意圖 設計中采用隔離變壓器作為PLC的保護電器，隔離變壓器的初級和次級之間采用隔離屏蔽層，用漆包線或銅等非導磁材料繞成，但電器設備上不能短路，而后引出一個接頭接地。初、次級間的靜電屏蔽層與初次級間的零點位線相接，在用電容耦合接地，采用了隔離變壓器后可以隔離掉供電電源中的各種干擾信號，從而提高系統(tǒng)的抗干擾性能。 圖2中X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X10、X11、X12、X13、X14、X15、X16、X17、X20、X21、X22、X23、X24、X25、X26、X27共用一個COM端，另一端分別接入相應的PLC輸入端子上。L、N引入220V交流電源電壓，作為系統(tǒng)的供電電源，在其輸入端還設有接地端子。Y0、Y1共用一個COM端，接入220v交流電源電壓，Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y10、Y11、Y12、Y13、Y14、Y15、Y16、Y17共用一個COM端接入24V直流電源電壓，為了防止其產生寄生回路，將二極管并聯(lián)接入中間繼電器線圈中。 圖2.PLC的I/O接線圖 5. XA6132萬能銑床電氣控制系統(tǒng)軟件部分的設計 在設計中利用PLC功能需要解決原機床的輔助機械動作，包括電源的啟停，緊急停車制動，主軸正反轉的選擇，主軸速度段的選擇，主軸的停止，冷卻泵的啟停及手動，潤滑電機的啟停及手動，還包括工件及刀具的夾緊與松開 其機床床頭操作面板如圖4示 圖4.機床操作面板 5.1 系統(tǒng)電源開啟控制 圖5.電源控制梯形圖 上圖所示即為系統(tǒng)電源控制梯形圖，按下通電按鈕SB0，輸入繼電器X0為1，則M2繼電器置位，輸出繼電器Y0置1，對應外部交流接觸器KM1動作，系統(tǒng)通電；若按下斷電按鈕SB1或急停按鈕SB2都會使電源快速斷電。 5.2主軸變頻器調速控制 設計中主軸的速度以及轉向由變頻器控制，經過比較選擇選用三菱FR-A540-CH型變頻器，圖6所示為PLC與變頻器的接線圖。 圖6.PLC與變頻器接線圖 5.2.1 主軸正反轉控制設計 主軸的正轉選擇通過K2控制，K2一端與PLC相連，另一端與變頻器的FWD端子相連。當按下X4、X5、X6、X7、X10中任意按鈕其輸出Y3均置1，K2通電通過其觸點的閉合使變頻器收到動作信號，則控制電機做正向轉動；反轉由K3控制,當按下X11、X12、X13、X14、X15、X16中任意按鈕其輸出Y4均置1，K3通電通過其觸點的閉合使變頻器收到動作信號，則控制電機做反向轉動。如圖7所示為主軸電機的正反轉控制梯形圖。 圖7.主軸正反轉控制梯形圖 5.2.2主軸調速設計 變頻器可實現無級調速，但實際中我們并不需要銑床做無級調速，在變頻器眾多功能端子中有3給頻率段選擇端子，設計中利用著3個端子功能實現銑床的速度段選擇功能，即對應變頻器上X001(Y5)、X002(Y6)、X003(Y7)端子通過變頻器上的這三個端子的組合可做出7個速度段，實際中用不到如此多設計中選擇其中5個速度段做為銑床的速度，其速度分配如表4所示，三個端子通電順序，時間不一樣就組合出不同的速度 Y5（X001） Y6（X002） Y7（X003） 正 轉 選 速 X4 1 0 0 X5 0 1 0 X6 0 0 1 X7 1 1 0 X10 1 0 1 反 轉 選 速 X11 1 0 0 X12 0 1 0 X13 0 0 1 X14 1 1 0 X15 1 0 1 表4.速度分配（0為斷，1為通） 5.2.3 主軸停車控制設計 為了提高工作效率，節(jié)約換刀時間，系統(tǒng)要求在主軸停車時要有制動裝置，三菱變頻器FR-A540-CH上的制動端子EMS就具備停車制動的功能，圖8為主軸停車控制梯形圖，當按下停車按鈕SB3，輸入繼電器X3置1，輸出繼電器Y10置1，主軸停車制動。程序前端的跳程序是為節(jié)省掃描時間所設。 圖8. 主軸停車控制梯形圖 5.3 冷卻泵程序控制設計 在實際生產中冷卻泵既需要連續(xù)的工作有時又需要手動操作，為滿足這一要求在設計中通過輔助繼電器M4實現冷卻泵的連續(xù)和手動功能，當X16置1時，M4置位，其常開常閉觸點保持動作，當X17置1時，M4復位，冷卻泵停止工作；手動時X20置1，Y1點動置1，沒有自鎖環(huán)節(jié)，實現其手動功能。 圖9.冷卻泵控制梯形圖 5.4潤滑油泵程序控制設計 與冷卻泵控制程序相同，潤滑油泵亦需實現手動和連續(xù)功能，圖10為其控制梯形圖。 圖10.潤滑油泵控制梯形圖 5.5 刀架松緊設計 刀架松緊是通過氣壓控制的，在現實中工廠為每臺床子同一供氣，通過電磁閥來控制氣體的開通，設計中當QS2閉和，即控制電路通電，這時按動刀架夾緊按鈕SB10，則X24置1，M1置位電磁閥開啟刀架加緊，如圖示 圖11.刀架松緊控制梯形圖 刀架夾緊后，其指示燈亮；若X25置1，M1復位電磁閥關閉刀架送開，指示燈熄滅。 5.6 工件松緊設計 與刀架設計相同，工件的松緊亦由氣壓控制，圖12為其控制梯形圖 圖12.工件松緊控制梯形圖 6.FX系列PLC外部接線問題 FX 系列控制單元輸出端子板為兩頭帶螺釘的可拆卸板， PLC 與輸出設備之間的輸出信號均通過輸出端子進行連接。在進行輸出端子接線時，應注意以下幾點： ① 輸出線盡可能遠離高壓線和動力線等干擾源。 ② 不能將輸出設備連接到帶“ . ”端子上。 ③ 各“ COM ”端均為獨立的，故各輸出端既可獨立輸出，又可采用公共并接輸出。當各負載使用不同電壓時，采用獨立輸出方式；而各個負載使用相同電壓時，可采用公共輸出方式。 ④ 當多個負載連到同一電源上時，應使用型號為 AFP1803 的短路片將它們的“ COM ”端短接起來。 ⑤ 若輸出端接感性負載時，需根據負載的不同情況接入相應的保護電路。在交流感性負載兩端并接 RC 串聯(lián)電路；在直流感性負載兩端并接二極管保護電路；在帶低電流負載的輸出端并接一個泄放電阻以避免漏電流的干擾。以上保護器件應安裝在距離負載 50cm 以內。 ⑥ 在 PLC 內部輸出電路中沒有保險絲，為防止因負載短路而造成輸出短路，應在外部輸出電路中安裝熔斷器或設計緊急停車電路。 7.PLC在控制柜中的接線問題 （1）控制柜內導線，即可編程控制器模塊端子到控制柜內端子之間的連線應選擇軟線，以便于柜內連接和布線。 （2）模擬信號線與開關量信號線最好不在同一線槽內走線，模擬信號線采用屏蔽線。 （3）信號線、模擬信號線不能與交流電壓信號線在同一線槽內走線。 （4）系統(tǒng)供電電源線不能與信號線在同一線槽內走線。 （5）控制柜內引入或引出的屏蔽電纜必須接地。 （6）控制柜內端子應按開關量信號線、模擬量信號線、通訊線和電源線分開設計。若必須采用一個接線端子時，則要用備用點和接地端子將它們相互隔開。 8.控制柜與現場設備之間電纜接線問題 在控制柜與現場設備之間電纜連接因注意以下幾點： （1）電源電纜、動力電纜和信號電纜進入控制室后，最好分開成對角線的兩個通道進入控制柜內，從而保證兩種電纜保持一點距離，又避免了平行敷設。 （2）直流信號線、交流信號線和模擬信號線不能共用同一根電纜。 （3）信號電纜和電纜電源應避免平行敷設，必須平行敷設時，要保持一定距離，最小距離應保持30cm. （4）不同的信號線電纜不要用一個插接件轉接。如必須用同一個插接件時，要用備用端子和地線端子把他們分開，以減少相互干擾。 （5）電纜屏蔽處理。在傳輸電纜兩端的接線處，屏蔽層應盡量多地覆蓋電纜芯線，同時電纜接地應采用單端接地。為了施工方便，可在控制室集中對電纜屏蔽接地，另一端不接地，把屏蔽層切斷包在電纜頭內。 9.XA6132銑床控制梯形圖設計 10.結論 本課題所研究的基于PLC的銑床輔助控制系統(tǒng)的設計實現了XA6132萬能銑床的控制自動化，方便了工人在生產中對機床的實際操作。通過研究，可得出以下結論： 10.1 研究成果 可編程控制器是一種廣泛應用于工業(yè)現場的新型控制器，具有結構簡單，抗干擾性強，編程方便等特點，本課題采用PLC自動控制技術取代了傳統(tǒng)繼電器—接觸器電氣控制系統(tǒng)，實現了對XA6132萬能銑床的自動控制，從而提高了機床的工作效率、工作穩(wěn)定性和可靠性，而且，還大大降低了工人的勞動強度，改善了產品的加工質量，降低了設備故障率，提高了生產率。另外，通過這次畢業(yè)設計使我對PLC和電控方面的知識又有了更加深刻的理解和掌握，為今后走向工作崗位從事相關工作奠定了很好的基礎。 10.2 不足之處 由于時間精力有限，還有許多功能有待擴展、完善。PLC與數控系統(tǒng)地聯(lián)系還不夠緊密，功能還沒有完善，沒有完全發(fā)揮出PLC的強大功能，對于PLC的許多高級指令沒有應用到。由于實際生產經驗的不足，許多設計還不能盡如人意，還有很多環(huán)節(jié)不太合理，還有待進一步提高。以上問題有待今后進一步研究解決。 設計感想 經過這些天的努力,畢業(yè)設計順利完成。在這一刻心中不只是欣慰，還有很多失意。是呀！設計終于做完了，這些天的努力有了成果，自己也總算學有所用，不管我的設計是否能在實際生產中應用，但我已經把自己學到的東西與現實生活聯(lián)系在一起，而在也不是以前刻在書本上的文字。這樣我已很高興。然而轉眼看看眼前一大堆書本，復印來的資料與累積下來的手稿與草圖，這才發(fā)覺自己雖在大學學習了三年，但知識的框架還很不完整，還需要學習，而不是隨著畢業(yè)證的到來而終止。 在現在高速發(fā)展的社會，自動化是社會發(fā)展的要求也是未來的發(fā)展方向，這也引導人類的學習，人類知識的提高反過來再推動社會的發(fā)展。雖然自己的專業(yè)是機械設備及自動化，但過去總感覺自己喜歡機械多于電，通過這次設計，使我對自動控制系統(tǒng)的工作過程和設計方法有了深入的體會和了解，得到教大的提高，發(fā)現只有機械和自動控制系統(tǒng)的完美結合才是最有價值的。 實踐是最好的老師。通過畢業(yè)設計，一方面發(fā)現了自己的不足，糾正學習中的錯誤；另一方面積累了豐富的知識，吸取別人好的方法和經驗，增強了解決綜合問題的能力，為自己以后的工作和學習打下堅實的基礎。也希望它能為我的大學生活畫上完美的句號。 其實我能取得這樣的成績，是與我的指導老師的辛勤勞動及耐心細致的循循善誘分不開的，為此我向黨老師致以衷心的感謝。 參考文獻 [1]齊占慶主編．機床電氣控制技術．第三版．北京：機械工業(yè)出版社，2005 [2]張桂嶺.淺談現代PLC的優(yōu)勢特點.自動化博覽，2003（4），66-67 [3]李國厚主編．PLC原理與應用．北京：清華大學出版社，2005 [4]齊占慶主編．機床電氣自動控制．北京：機械工業(yè)出版社，1987 [5]黃永紅.PLC輸入輸出點數的擴展方法.電工技術雜志，2002（3），47-49 [6]揚湘洪.T68鏜床的PLC控制，機械制造與自動化，2004（2），52-55 [7]肖增文等著.PLC在包裝帶熱合機上的應用. 電氣自動化,2002（6），57-58 [8]王永明.PLC在高壓發(fā)生器電氣控制系統(tǒng)的應用.?電氣自動化，2004（2），55-56 [9]周百聰.基于PLC的X62W型萬能銑床電控系統(tǒng)的改造.機電產品開發(fā)與創(chuàng)新， 2005(6),150-151 [10]邱公偉.可編程序控制器網絡通信及應用.北京:清華大學出版社，2003， 1-5 [11]李啟光.用PLC改造繼電器電氣線路中的技術研究.北京機械工業(yè)學院，2004（2），66－67　　　　　 [12]李亞東.用PLC實現位置控制的方法.上海交通大學學報，2002（4），491-493 [13]王培良.發(fā)電機自動檢測的PLC電氣控制系統(tǒng).電氣自動化，2004（1），60-61 [14]李桂芹.提高PLC電氣控制系統(tǒng)可靠性的措施. 電氣自動化，2006（1），57-58 [15]梁首發(fā).PLC與工控機應用分析.工業(yè)儀表與自動化裝置，2001（1）40-45 [16]江梅.PLC在鏜銑床控制系統(tǒng)中的應用.冶金動力，2001（3）62-64 40