基于PLC的三面铣组合机床电气控制系统设计.pdf

控 制与检测 组合机床与自 动化Jj - r 技术 文 章 编 号 1 0 0 12 2 6 5 2 0 1 0 0 10 0 4 4～O 3 基于 P L C的三面铣组合机床电气控制系统设计 曾燕飞 ， 李虎 山 广 东技 术 师范学院自动 化学 院， 广 州 5 1 0 6 3 5 摘要 文章以三面铣组合机床为研究对象， 通过对主要结构和运动形式的探究以及对机床的工作过程和 控制 要求分 析 ， 给 出了机床 动作循 环 图、 液压元件 动作 表 ； 并采 用 P L C控 制 系统 的设计 方 法 ， 列 出 了 I ／ 0 地 址分配表 ， 进行 了软硬件设 计 ， 绘 制 了 P L C的 外部接 线 图和 单 循环 自动 工作 流程 图及 其说 明 ； 实验 运 行结 果表 明， 将 P L C技 术应 用于 三面铣 组合机 床 具有整体技 术及 经 济效益 。 关键 词 可编 程控制 器 P L C； 三 面铣 组合机床 ； 控制 系统 中图分 类号 T G 6 5 9； T P 2 文献标识 码 A The De s i g n o f Co mbi n e d M a c h i ne To o l El e c t r i c a l Co nt r o l S ys t e m o f Thr e e Di m e ns i o na J S hi ni n g M e t al Ba s e d o n PLC Z EN Ya n f e i ，L I Hu s h a n A u t o ma t i o n De p a r t me n t ，Gu a n g d o n g P o l y t e c h n i c No r ma l U n i v e r s i t y ，G u a n g z h o u 5 1 0 6 3 5，C h i n a Ab s t r a c t T a k e n t h e t h r e e d i me n s i o n a l s h i n i n g me t a l c o m b i n a t i o n ma c h i n e t o o l a s a n o b j e c t o f s t u d y i n t h e pa pe r ，t he ma in s t r u c t u r e a n d mo t i o n f o r m h a v e b e e n d i s c u s s e d a n d t h e wo r k pr o c e s s a n d c o n t r o l r e q u i r e me n t of ma c hi n e t o o l h a ve b e e n a na l yz e d， t h e mo v e me n t c yc l e di a g r a m o f ma c h i n e t o o l a n d t h e mo t i o n t a b l e o f h y- d r a u l i c pr e s s u r e c o mpo ne n t h a v e b e e n g i v e n．Th e n t he c o n t r o l s ys t e m d e s i g n b a s e d o n PLC h a s b e e n pr o - po s e d，t he I ／ O a d d r e s s t a b l e h a s b e e n l i s t e d a n d t h e h a r d wa r e a n d s of t wa r e o f t he c o n t r o l s ys t e m h a s b e e n d e - s i gn e d， t h e o u t e r wi r i n g d i a g r a m o f PLC a n d t h e f l o w c h a r t o f s i n g l e c yc l e a n d i t s e x p l a n a t i o n h a ve b e e n pu t f o r wa r d e d． t he e x pe r i me n t r e s u l t s s h o we d t h a t t h r e e d i me n s i o na l s h i ning me t a l c o mbi n a t i o n ma c h i ne t o o l b a s e d o n PLC h a d a e n t i r e t y t e c h n o l og y a nd e c o n o mi c b e n e fit s ． Ke y wo r ds pr o gra mma b l e l o g i c c o n t r ol l e r ； c o mb i n e d ma c h i n e t o ol o f t h r e e di me ns i on a l s h i n i n g me t a l ； c o nt r o l s ys t e m 0 引言 1 三面 铣 组 合 机床 概 述 可编程 控制器 P L C 是 以微处 理 器为 核心 的通 用 工业控制装置 ， 它将传统的继电器一 接触器控制系统与 计算 机控制技 术 紧 密结 合 ， 集 计 算 机 、 控制 、 通 讯 于 一 体 ， 具 有 可靠 性 高 、 通 用 性 强 、 应用 灵 活 、 易 于使 用 、 维 修方便 、 价格便 宜等优点 ， 为 工业 自动 化提供 了近乎完 美 的 自动控制装 置 。 目前 ， 许 多 企业 和 高 校实 习 工 厂 的机床 和 设备 仍 采 用传统 的继 电器 一接 触 器 控 制 系统 ， 由于 采用 物 理 电子 器件和 大量 而又 复 杂 的硬 接 线 ， 使 得 系 统 的可 靠 性差 ， 工作效率低 ， 故障诊断和排除困难 ， 严重影响 了 工厂 的生产效率 。 因此 ， 采 用 P L C对 机床 电气控 制 系 统 进行技 术改 造 ， 很 有 益处 。本 文 介 绍 三 面铣 组 合机 床 P L C控 制系统 的设计 和应用 。 1 ． 1 组成及 其工作 过程 三面 铣 组合 机 床 是 用 来对 Z 5 1 2 W 型 台式 钻床 主 轴箱 的 4 , 8 0 、 4, 9 0孔 端面及 定位 面进行铣 销加工 的一种 自动加 工设 备 。主 要 由底 座 、 床 身 、 铣 削 动力 头 、 液 压 动力 滑 台、 液 压 站 、 工作 台 、 工 件 松 紧油 缸 等组 成 。机 床底 座上 安放 有床 身 ， 床 身 上 一 头安 装 有 液压 动 力 滑 台， 工件及夹紧装置放于滑台上。床身的两边各安装 有一 台铣销 头 ， 上 方有立 铣头 ， 液压站在 机床 附近 。 其加工 动作是 按预定 的步 骤安 排 的。操 作者 将要 加工 的零件放 在液压 动 力 滑 台 工作 台 的夹具 中 ， 在 其他准备工作 就绪后 ， 发 出加工指令。工件夹紧后压 力 继 电器 动作 ， 滑 台开 始 快进 ， 到位 转 工 进 ， 同 时起 动 收 稿 日期 2 0 0 9 0 7 2 0 作者简 介 曾燕飞 1 9 6 1 一 ， 女 ， 湖南邵东人 ， 广东技术师范学院 自动化学院副教授 ， 硕士 ， 主要从事 自动控制理论 与控制工程的教学和应用研究 ， Ema i l z y f 1 9 6 1 t o m． c o m。 2 0 1 0 年第1 期 控制与检 测 左 和 右 1 铣 头开 始加 工 ， 加 _丁到某 一 位 置 ， 立 铣 头 开始 加 工 ， 加 _T又过 一定位 置 右 1 铣 头 停 止 ， 有 2铣 头 开始 加 工 ， 加工 到终 点 三 台 电机 同时 停 止 。待 电机 完 全 停 止后 ， 滑 台快 退 回原 位 ， 工 件 松 开 ， 一 个 自动 工 作 循 环 结束 。操 作 者取 下 加 工 好 的 工 件 ， 再 放 上 未 加 工 的零 件 ， 重新 发 出加 工 指 令 重 复 上 述 工 作 过 程 。丁 作 流 程 如 图 1 所 示 ， 机床 的液 压元件 动 作表 见表 1 。 原 位厂 起动 停止 图 l机 床 动 作 循 环 图 表 1 三 面 铣 组 合 机 床 的液 压 元 件 动 作 表 点 ＼＼元 工序 ＼＼ Y V l Y V 2 YV 3 ， I r YV 5 B P l B P 2 ＼ 原 位 夹 紧 快 进 工 进 死 挡 铁 停 留 快 退 松 开 1 ． 2 三面铣 组合 机床 的 电气 控 制要 求 三面 铣 组 合 机 床 有 液 压 泵 、 左 铣 削 头 、 右 铣 1削 头 、 右铣 2削 头和 立铣 削头 五 台 电机 ， 均采 用 三相 交 流 笼 型异 步 电动机 ， 设计 要求 如下 1 五 台电机 均为单 向旋 转 。 2 机床要 求有 单循 环 自动工 作 、 单动 力头 自动 循 环 工作 、 点动 三种 工作 方式 ， 油 泵 电机 在 自动 加 工一 个 循 环后不 停 机 。 3 单 循环 自动工作 过程 见 图 1 。 4 单 动力头 自动 循 环T 作包 括 左 铣 头单 循环 工 作 、 右 1 铣 头单 循环 工作 、 右 2铣 头单 循环 工作 、 立铣 头 单循环工 作 。要求考虑 各铣头单循 环工作 的加工 区间。 5 点 动工 作 包括 四 台 主轴 电机 均 能 点 动对 刀 、 滑 台快速 快进 、 快 退 点 动 调 整 、 松 紧油 缸 的 调整 手 动松 开与 手动 夹 紧 。 6 电源 、 油泵 工作 、 工 件 夹 紧 与放 松 和 加 工 等 信 号指 示 。 7 照 明 电路 8 必要 的联 锁环 节 与保护 环 节 。 2 P L C控 制系统 的硬 件设计 三面铣 组合 机 床 液 压 泵 、 左 铣 削 头 、 右 铣 1削 头 、 右 铣 2削头 和立 铣 削头 的五 台 电动 机 均 为 单 向运转 ， 分别 由 K M1～K M 5控 制 ， F U 1～F U 5做 短路 保 护 ， F R 1 ～ F R 5做 长期 过载保 护 。 2 ． 1 P LC 的外部 电路 设计 1 S B 0为 加 工 指 令 按 钮 ， S Q 1为 滑 台原 位 开 关 ， S Q 2为滑 台快 进转 工进 位置 开关 。 2 由转换 开 关 S A 实 现 三 面 铣 组 合 机 床 的单 循 环 自动工作 、 单 动力 头 自动循 环 工作 、 点 动 三种 工作 方 式 的选择 。 3 由按 钮 S B1～S B 4分 别 控 制 左 铣 头 、 右 1铣 头 、 右 2铣 头 、 立铣 头 ， 且 各 铣 头 的单 循 环 工作 和点 动 对 刀共 用 同一按 钮 ， 由程 序实 现两 种 控制 ； 由位 置开 关 S Q 3～ S Q 6分 别控 制左 铣头 、 右 1铣 头 、 右 2铣 头 、 立 铣 头 单循 环工 作 的加工 区 间 。 4 由按 钮 S B 5和 S B 6控 制 滑 台快进 与 快退 ， S B 7 和 S B 8控制 以实 现滑 台 的点动 调整 和油 缸 的松 紧调 整 手 动 松开 与手 动夹 紧 。 5 油泵 和各 铣 头 电动 机 的 长期 过 载 保 护 F R 1～ F R 5触点并 联 后接人 P L C， 可 以节省 P L C的输 入点数 。 6 工件夹 紧与放松 信 号指示 H L 1和 H L 2 、 滑 台 快进 与快退信号指 示 H L 3和 HI A 、 滑 台工进 信号指 示 H L 5 、 液压泵工 作信 号指 示 H L 6 和 各铣 头加 工信 号 指示 HL 7 、 H L 8 、 H L 9和 H L 1 0 分 别 并联 在 相 对应 的电 磁铁或接 触器线 圈两端 ， 可 以节省 P L C的输 出点数 。 将触 点并 联 后 接 人 P L C， 或 将 输 出设 备 并 联 后 接 到 P L C的 同一 个输 出端 子 ， 可 以降低设 备 的成本 ， 这些 方法 被经 常利 用 ， 但 必须 充分 考虑 控制 系统 的可靠 性 。 7 由开关 Q S控 制 机 床 总 电 源 ， S A 1控 制 机 床 的 照 明 EL， 且 照明 电路 采 用 3 6 V 安 全 电压 。因 Q S 、 S A1 不参 与系 统过 程循环 ， 故 不纳 入 P L C控 制系 统 。 8 面铣 组合 机 床 进 行 单循 环 自动 铣 销加 工 和 单 动 力头 自动循 环工 作 时都 必须 先起 动 液 压泵 再进 行 后 面 的操作 ， 即液压 泵 与各铣 头 之 间有顺 序 联锁 ， 且 不 论 哪 台 电动 机过 载 ， 液压 泵与 各 铣头 电 动机 全部 停 止 ， 以保证 加 _丁质 量 ， 减 少 故 障 。进 行 单 循 环 自动 铣 销 加 1 时还 必须 有 以下 联 锁 ① 右 1铣 头 与 立 铣 头 之 间 有 顺 序联 锁 ； ② 立铣 头 与右 2铣 头之 间 有顺 序联 锁 ； ③ 右 1 铣 头与 右 2铣 头不 能 同时 工作 ， 有 互锁 。 2 ． 2 P LC选型 与 I ／ O 资 源分 配 根 据 以上 设计 可知 ， 该 系统 有 1 9个 输 入点 ， 1 1个 输 出点 ， 由于接 触 器 与 电 磁 阀线 圈所 加 电压 的种 类 与 高 低不 一样 ， 故必 须 占用 P L C的两组 输 出通 道 ， 并选 择 继 电器输 出型 的 P L C 。 通 过对 机 床 控 制 系统 输 入 、 输 出电路 的综 合 分 析 ， 本 设 计 选 择 了西 门子 的 S T E P 7 2 0 0 C P U 2 2 6 P L C， 该机 型 的输入点 数 为 2 4， 输 出点 数 为 1 6 ， 完全 满足 本设计 中的基本 要求 。 控制与检测 组合机床与自动化加工技术 三 面铣组合 机床 的 I ／ 0地址 分 配见表 2 ， P L C的外 部接线 如图 2所示 。 表 2 三 面 铣 组合 机 床 I ／ 0 地址 分 配 表 电路器件 地址分配 功能说明 S B O 1 0 ． 0 加 工指 令按 钮 S B l 1 0 ． 1 左铣头点动按钮 S B 2 I O ． 2 右 1铣头点动按钮 S B 3 I O ． 3 右 2铣头点动按钮 S B 4 1 0 ． 4 立 铣 头点 动 按 钮 S B 5 I O ． 5 滑 台怏 i 井苣动 按 钮 S B 6 1 0 ． 6 滑台快退点动按钮 输 S B 7 1 0 ． 7 工件夹紧点动按钮 入 S B 8 丁 1 ． O 工 件 放 松 点 动按 钮 点 B P l I 1 ． 1 死挡铁停留压力继 电器 数 B P 2 I 1 ． 2 工件夹紧压 力继电器 分 S Q1 I 1 ． 3 滑台原位位置开关 配 Q 2 I 1 ． 4 滑台快进转工进位置开关 S Q 3 I 1 ． 5 立铣头加T区间位置开关 S Q 4 I 1 ． 6 右 1 铣头终端、 右 2铣头起始开关 F Rl ～F R 5 I 1 ． 7 Ml ～M5的过 载 保 护 S A I 2 ． 0 单循环 自动T作方式选择 I 2 ． 1 单动力头 自动循环工作方式选择 I 2 ． 2 点动工作方式选择 Y V1 、 H L 1 Q O ． o 工件夹紧电磁 阀及信号指示 Y V 2 、 H L 2 Q O ． 1 工件放松电磁 阀及信号指示 Y V 3、 H L 3 Q O ． 2 滑台快进 电磁阀及信号指示 输 Y V 4 、H1 ． 4 Q 0 ， 3 滑台快退 电磁阀及 信号指示 出 YV 5 、H L 5 Q o ． 4 快进转工进电磁阀及信号指示 点 HL 0 Q 1 ． o 电源信号指示 数 K M1 、 H L 6 Q】 ． 1 液压 泵 控 制接 触 器 及 信 号指 示 分 K M 2、 H L 7 Q1 ． 2 左铣削头控制接触器及信号指示 配 KM 3 、 HL 8 Q1 ． 3 右 1 铣 削头控制接触器及信 号指示 K M4 、 HL 9 Q I ． 4 有 2铣 削头控制接触器及信号指示 KM 5 、 HL 1 0 Q 1 ． 5 立铣削头控制接触器及信号指示 S B 0 1 0 ．0 YV1 、 H L 1 _ ／ 面 I O ．1 Q O ．0 Y V 2 、 H l 2 俪 I O ．2 Q O ． 1 Y V 3 、H L 3 俪 ／ 0 ．3 Q O ．2 Y V 4 、HL4 ／S I M I O ．4璺 Q O 3 Y v 5 、 HL 5 ／S B 5 I O ．5 奄 Q O _ 4 ／S B6 1 0 ． 6 C O M 一 ／ 面 1 0 ． 7 釜 1 2 V 二 I 1 ． 0 ／ B P 1 1 1 ．1 皇 二 叵 I 1 -2 Q1 ． 0 I 1 ． 3 Q 1 ． 1 K M1 、HL 6 置Q 1 ．z K M 2 、 H L 7 I 1 ．6 Q 1 ． 3 、 曼 K M3 、H L 8 nt．_ 3 F R F R5 ／ I 1 ． 7 Q 1 ． 4 、 『 _ 一／ 1 2 ． 0 Q 1 ． 5 U I 1 2 2 ． ． 2 1 COM o一 3 8 O V C 0M 图 的外 部 接 线 控制 系统的软件设计 三面 铣组 合 机 床有 单循 环 自动工 作 、 单 动力 头 自 4 6 动 循环工 作 、 点 动三种 工作方 式 ， 下面 以一个 自动工作 循 环为例 分析单循 环 自动工 作过程 控 制 。将 转换 开关 扳至 “ 单循环 自动工作 ” 位 置 ， 当操作 者将 要加 工 的 零件 放在液 压滑 台 的夹具 中后 其 他准 备 工作 就绪 ， 按下 ， 工件 开始夹 紧 ， 夹 紧后 压力继 电器 触 点 动作 ， 信号灯 亮 ， 滑台开始快进 ， 信号灯 亮 ， 原位 开关 复位 ； 当滑 台压下 后转 工进 ， 信号 灯 熄灭 ， 亮 ， 同时起 动左 和右铣 头开始加 工 ， 信 号灯 、 亮 ； 当加 工 到 指 定 位置 ， 立 铣 头 开 始加 工 ， 亮 ； 又过一定位置时 ， 右铣头停止 ， 熄灭 ， 右 2铣头开 始加 工 ， 亮 ， 直 到终 点三 台 电动机 同时 停止 。信号灯 、 、 全部 熄 灭 ， 此 时 ， 死 档铁 停 留， 当压力继 电器 触点动作后滑 台 自动快 速退 回 亮 原 位 ， 受 压 ， 工 件松 开 亮 ， 一个 自动 工作循 环结束 。单循环 自动工作流程 图如 图 3所示 。 图 单 循 环 自动 工 作流 程 图 结束语 通过 实验 运 行结 果 表 明 ， 将 技术 应用 于 三面 铣组 合机床 可节省 大量 的电气 元件 、 导线 与原 材料 ， 且 可靠性 高 、 使 用灵活 、 调试方 便 ， 缩短 了设计 周期 ， 减 少 了维修 工作 量 ， 提高 了加工零 件 合格率 ， 具 有整 体技术 经济效 益 。 [ 参 考文献 ] [ ]陈远龄 [ 业 电气控制技术[ M] ． 北京 科学 出版社 ， ． [ ]廖常初． 编程 及 应用 [ M] ．北京 机 械工 业 出版社 ， ● [ ]西 门子 中国 自动化与驱 动集 团． 一 可缩程 控制器[ z ] ． 北京 两门子 中国 自动化与驱动集团， ． [ 4]刘 燕 平．基 于 的 组 合 机 床 控 制 系 统 设 计 [ J ] ． P L c ＆ F A 2 0 0 8 一 ． [ ]石玉明．用 技 术改造 普通车床 的 电气控 制系统 [ J ] ． 机床电器， 3 8 3 9 ． []周振宝． 在普 通铣床 数控化 改造 中的应 用 [ J ] ．机床 电器 ， 一 ． 编辑李秀敏