電氣控制系統(tǒng)的設計

1、第 1 章 緒論1.1 選題 的目 的和 意義由于現(xiàn)代加工技術(shù)的日益提高，對加工機床特別是工作母機的 要求也越來越高，由此人們也將注意力集中到機床上來，數(shù)控技術(shù) 是計算機技術(shù)、信息技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)等發(fā)展的產(chǎn)物，他的出現(xiàn) 極大的推動了制造業(yè)的進步。機床的控制系統(tǒng)的優(yōu)劣與機床的加工 精 度息 息相 關(guān)，特別是 PLC 廣泛應用于 控制 領(lǐng)域 后，已經(jīng) 顯現(xiàn)出它 的 優(yōu)越 性。 可編程控制器 PLC 已廣泛應 用于 各行 各業(yè)的自 動控制。 在機械加工領(lǐng)域，機床的控制上更顯示出其優(yōu)點。由于鏜床的運動 很多、控制邏輯復雜、相互連鎖繁多，采用傳統(tǒng)的繼電器控制時， 需要的繼電器多、接線復雜，因此故障多維

2、修困難，費工費時，不 僅 加 大 了 維 修 成 本 ， 而 且 影 響 設 備 的 功 效 。 采 用 PLC 控 制 可 使 接 線 大為簡化，不但安裝十分方便而且工作可靠、降低了故障率、減小 了維修量、提高了功效。1.2 關(guān)于 課 題的 一些 介紹 和 討論1.2.1 設 計目標 、 研究內(nèi) 容和 擬 定解決 的 關(guān)鍵問 題完成對 T6113 機床的整個控制系統(tǒng)的設計改造，控制核心是 PLC， 并使其加工精度進一步提高，加工范圍擴大，控制更可靠。 研究內(nèi)容：（1） T6113 的電氣系統(tǒng)（PLC）硬件電路設計和在機床上的布 局。（2） PLC 程序的編制。解 決的 關(guān)鍵 問題：PLC對

3、機 床各 個工作部 分的 可靠控制 電 氣電 路的 安全問題的解決1.2.2 題目的 可行性 分析雖然目前數(shù)控機床以其良好的加工性能得到了人們的肯定，但 是其昂貴的價格是一般用戶望塵莫及的，所以改造現(xiàn)有的機床以達 到使用要求是比較現(xiàn)實的，也是必須的。經(jīng)過實踐證明這樣的改造 是可以滿足大多數(shù)情況下的精度和其他加工要求，并且在實踐中已 取得的相當好的效益。1.2.3 本項目 的創(chuàng)新 之處利 用 PLC 作為 控制 核心 ， 替代傳統(tǒng) 機床 的繼電器 控制 ，使 得機 床的控制更加靈活可靠，減少了很多中間的機械故障的可能。利用 PLC 的 可編 程功 能使 得變換和改進 控制 系 統(tǒng)成為可 能。1.

4、2.4 設計產(chǎn) 品的用 途和應用 領(lǐng) 域鏜床是一種主要用鏜床刀在工件上加工孔的機床。通常用于加 工尺寸較大、精度要求較高的孔。特別是分布在不同表面上、孔距 和位置精度要求較高的孔，如各種箱體，汽車發(fā)電機缸體等零件的 孔。一般鏜刀的旋轉(zhuǎn)為主運動，鏜刀或工件的移動為進給運動。在 鏜床上除鏜孔外，還可以進行銑削、鉆孔、擴孔、鉸孔、锪平面等 工件。因此鏜床的工作范圍較廣。它可以應用于機械加工的各個領(lǐng) 域，但因其價格比一般機床貴好多，所以在比較大的加工車間才可 見到。1.3 電氣 控制 技術(shù) 的發(fā) 展電氣控制技術(shù)是隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展、生產(chǎn)工藝不斷提出 新的要求而迅速發(fā)展的，從最早的手動控制到自動控制

5、，從簡單的 控制設備到復雜的控制系統(tǒng)，從有觸點的硬接線控制系統(tǒng)到以計算 機為中心的存儲系統(tǒng)?，F(xiàn)代電氣控制技術(shù)綜合應用了計算機、自動 控制、電子技術(shù)、精密測量等許多先進的科學技術(shù)成果。作為生產(chǎn) 機械的電機拖動，已由最早的采用成組拖動方式，發(fā)展到今天無論 是自動化功能還是生產(chǎn)安全性方面都相當完善的電氣自動化系統(tǒng)。繼電接觸式控制系統(tǒng)主要由繼電器、接觸器、按 鈕、行 程開關(guān)等組 成，其控制方式是斷續(xù)的，所以又稱為斷續(xù)控制系統(tǒng)。由于這種系 統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、維護容易、抗干擾能力強等優(yōu)點，至 今仍是機床和其他許多機械設備廣泛采用的基本電氣控制形式，也 是學習先進電氣控制的基礎(chǔ)。這種控制系統(tǒng)的缺點是

6、采用固定的接 線方式，靈活性差，工作頻率低，觸點易損壞，可靠性差。從 20 世紀 30 年代開始，生 產(chǎn)企業(yè)為了提高生產(chǎn)率，采 用機械化流 水作業(yè)的生產(chǎn)方式，對不同類型的產(chǎn)品分別組成生產(chǎn)線。隨著產(chǎn)品 類型的更新?lián)Q代，生產(chǎn)線承擔的加工對象也隨之改變，這就需要改 變控制程序，使生產(chǎn)線的機械設備按新的工藝過程運行，而繼電接 觸器控制系統(tǒng)采取固定接線方式，很難適應這個要求。大型生產(chǎn)線 的控制系統(tǒng)使用的繼電器的數(shù)量很多，這種有觸點的電器工作頻率 很低，在頻繁動作的情況下壽命較短，從而造成系統(tǒng)故障，使生產(chǎn) 線 的運 行可 靠性降低。為 了解 決這個問 題，20 世紀 60 年代 初期 利用 電子技術(shù)研制出

7、矩陣式順序控制器和晶體管邏輯控制系統(tǒng)來代替繼 電接觸式控制系統(tǒng)。對復雜的自動控制系統(tǒng)則采用計算機控制，由 于 這 些 控 制 裝 置 本 身 存 在 不 足 ， 因 此 均 未 能 獲 得 廣 泛 應 用 。 1968 年 美 國 最 大 的 汽 車 制 造 商 通 用 汽 車 （ GM ）公 司 ，為 適 應 汽 車 型 號 不 斷 更新，提出把計算機的完備功能以及靈活性、通用性好等優(yōu)點和繼 電接觸器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操 作方便、價 格低等優(yōu)點結(jié)合起來， 做成一種能適應工作環(huán)境的通用控制裝置，并把編程方法輸入方法 簡 化。 美國 數(shù)字設備公司（DEC ） 于 1969 年率先 研制 出第

8、一臺 可編 程控制器（ 簡稱 PLC ），并 在通用汽車公司的自動裝配線上試用獲得 成功。從此以后，許多國家的著名廠商竟相研制，各自成為系列， 而且品種更新很快，功能不斷增強，從最初的邏輯控制為主發(fā)展到 能進行模擬量控制，具有數(shù)字運算、數(shù)據(jù)處理和通信聯(lián)網(wǎng)等多種功 能 。PLC 另 一個突出 的 優(yōu)點 是可靠性 很高，平 均無故障 運行 可達 10 萬小時以上，可以大大減少設備維修費用和停產(chǎn)造成的經(jīng)濟損失。 當 前 PLC 已經(jīng) 成為 電氣 自 動化 控制系統(tǒng)中應 用最 廣泛 的核 心控制裝 置。電氣控制技術(shù)的發(fā)展始終是伴隨著社會生產(chǎn)規(guī)模的擴大，生 產(chǎn)水平 的提高而前進的。電氣控制技術(shù)的進步反過

9、來又促進了社會生產(chǎn)力 的進一步提高。同時，電氣控制技術(shù)又是與微電子技術(shù)、電力電子 技 術(shù) 、 檢 測 傳 感 技 術(shù) 、 機 械 制 造 技 術(shù) 等 緊 密 聯(lián) 系 在 一 起 的 。 21 世 紀 電氣控制技術(shù)必將給人類帶來更加繁榮的明天。1.4 PLC 的發(fā) 展 史、 優(yōu)勢 及 特點1.4.1 發(fā) 展史可 編程 控制器 PLC 誕 生之 前，工業(yè) 電氣 控制主要 使用 低壓電器 構(gòu)成的繼電接觸器電路，它是以接線邏輯實現(xiàn)控制功能的。這樣的 控制設備一經(jīng)生產(chǎn)出來，功能就固定了，若要改變就必須改變控制 器 內(nèi) 部 的 硬 件 接 線 ， 使 用 起 來 不 靈 活 ， 也 很 麻 煩 。 196

10、8 年 ， 美 國 最 大 的汽 車 制 造 商 通 用 汽 車 公 司（ GM ）為 了 適 應 生 產(chǎn) 工 藝 不 斷 更 新的需要，要尋找一種比繼電器更可靠，功能更齊全，響應速度更 快的新型工業(yè)控制器，并從用戶角度提出了新一代控制器應具備的 十大條件，立即引起了開發(fā)熱潮。1969 年，美國數(shù)字設備公司（DEC ）研制出了第一臺可編程控 制 器 PDP 14， 在美國通 用汽車公 司的 生 產(chǎn)線 上適 用成 功，并取 得了滿意的效果，可編程控制器由此誕生?？删幊炭刂破髯詥柺酪詠?，發(fā) 展極為迅速。1971 年，日 本開始生 產(chǎn) 可編 程控 制器，1973 年 ，歐洲開始生 產(chǎn)可 編程 控制

11、器， 到現(xiàn)在， 世界各國的一些著名的電器工廠幾乎都在生產(chǎn)可編程控制器?？删?程控制器已作為一個獨立的工業(yè)設備被列入生產(chǎn)中，成為當代電控 裝置的主導。早期的可編程控制器主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成， 它采用了一些計算機技術(shù)，但簡化了計算機的內(nèi)部電路，對工業(yè)現(xiàn) 場環(huán)境適應性較好，指令系統(tǒng)簡單，一般只具有邏輯計算的功能。 隨著微電子技術(shù)和集成電路的發(fā)展，特別是微處理器和微計算機的 迅 速發(fā) 展， 在 20 世紀 70 年代 中期，美、日 、德等國 的一 些廠 家在 可編程控制器中開始更多地引入微機技術(shù)，微處理器及其他大規(guī)模 集 成 電 路 芯 片 成 為 其 核 心 部 件 ，使 可 編 程

12、 控 制 器 具 有 了 自 診 斷 功 能 ， 可 靠 性 有 了 大 幅 提 高 ， 性 能 價 格 比 產(chǎn) 生 了 新 的 突 破 。 到 20 世 紀 80 年代，可編程控制器都采用了微處理器（CPU）、只讀存儲器（ROM ）、 隨 機 存 儲 器 （ RAM ） 或 是 單 片 機 作 為 其 核 心 ， 處 理 速 度 大 大 提 高 ， 不 僅增 加了 多種特殊功能，體 積還 進一步縮 小。20 世紀 90 年 代末 ， PLC 幾乎 完全計算 機化，其速度 更快 ，各 種 智能 模塊 不 斷被開 發(fā)出 來，使其不斷地擴展著它在各類工業(yè)控制中的作用。現(xiàn)在，PLC 不僅能進行邏輯控

13、制，在 模擬量閉環(huán)控制、數(shù)字量的 智能控制、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、通信聯(lián)網(wǎng)及集散控制系統(tǒng)等各方面都 得到了廣泛應用。如 今，大 、中 型，甚 至小型 PLC 都配有 A/D 、D/A 轉(zhuǎn) 換及 算術(shù) 運算功能，有的還 具有 PID 功能。 這些 功能 使 PLC 在模 擬量閉環(huán)控制、運動控制、速度控制等方面具有了硬件基礎(chǔ)；許多 PLC 具有 輸出和接 收高速脈沖的 功能 ，配 合 相應 的傳 感器及伺 服設 備 ，PLC 可實 現(xiàn)數(shù) 字量的智能控制； PLC 配 合可 編程終端 設備 ，可 實時顯示采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，為系統(tǒng)分析、研究工作提 供 依據(jù) ，利 用 PLC 的自檢信 號還可以 實

14、現(xiàn) 系統(tǒng) 監(jiān)控； PLC 具有 較強 有利的通信功能，可以與計算機或其他智能裝置進行通訊及聯(lián)網(wǎng)， 從 而能 方便 地實現(xiàn)集散控制。功 能完 備的 PLC 不僅能 滿足 控制 要 求， 還能滿足現(xiàn)代化大生產(chǎn)管理的需要。近年來，可編程控制器的發(fā)展更為迅速。展望未來，可 編程控制 器在規(guī)模和功能上將向兩大方向發(fā)展：一是大型可編程控制器向高 速、大容量和高性能方向發(fā)展；二是發(fā)展簡易經(jīng)濟的超小型可編程 控制器，以適應單機控制及小型自動化設備的需要。另外，不斷增 強 PLC 工 業(yè)過程控 制的 功能（ 模擬量 控制能力 ），研 制 采用 工業(yè) 標準 總線，使同一工業(yè)控制系統(tǒng)中能連接不同的控制設備，增強可編

15、程 控制器的聯(lián)網(wǎng)通信功能，便于分散系統(tǒng)與集中控制的實現(xiàn)，大力開 發(fā) 智能 I/O 模塊、增 強可編程 控制 器的功能 等也 具有 重要意義。1.4.2PLC 的 優(yōu)勢 和 特 點1. 可靠性高，抗干擾能力強。高可靠性往往是用戶選擇控制裝置的首要條件。在繼電器接觸 器控制系統(tǒng)中，由于器件的老化、脫焊、觸點的抖動以及觸點電弧 等 現(xiàn)象 大大 降低了系統(tǒng)的可靠 性。 而在 PLC 系統(tǒng) 中， 大量 的開 關(guān)動 作 是由 無觸 點的半導體電路來 完成 的，加上 PLC 充分 考慮 了工 業(yè)生 產(chǎn)環(huán)境電磁、粉塵、溫度等各種干擾，在硬件和軟件上采取了一系 列 抗干 擾措 施， PLC 有極高 的可靠性 。

16、根 據(jù) 有關(guān) 資料 統(tǒng)計 ，目 前個 生 產(chǎn)廠 家生 產(chǎn)的 PLC ， 其平均無 故障 時間都大 大超 過了 IEC 規(guī) 定的 10 萬小時 ，有 的甚 至達 到了 幾十 萬小時。2. 適應性強，應用靈活由 于 PLC 產(chǎn)品 均成 系 列化 生產(chǎn)，品種齊 全， 多數(shù) 采用 模塊 式的 硬件結(jié)構(gòu)，組合和擴展方便，用戶可根據(jù)自己的需要靈活選用，以 滿足系 統(tǒng)大小不 同及功 能繁簡各異的 控制要求。更重要的是， PLC 系統(tǒng)相對繼電器接觸器控制系統(tǒng)，接線很少。3. 編程方便，容易使用PLC 的編程可 采用與繼電器 電路 極為 相 似的 梯形 圖語言， 直觀 易懂。4. 功能強，擴展能力強PLC 中含

17、有數(shù) 量巨大的可用 于開 關(guān)量 處 理的 繼電 器類軟元 件， 可輕松的實現(xiàn)大規(guī)模的開關(guān)量邏輯控制，這是一般的繼電器系統(tǒng)所 不能實現(xiàn)的。5. PLC 控 制系統(tǒng)設計 、安 裝、 調(diào)試 方便PLC 中相當 于繼 電器 接 觸器 系統(tǒng)中的 中間 繼電器、 時間 繼電 器、 計數(shù)器等“軟元件”數(shù) 量巨大，又用程序（軟接線）代 替硬接線， 安 裝 接 線 工 作 量 小 ，設 計 人 員 只 要 具 有 PLC 就 可 進 行 控 制 系 統(tǒng) 設 計并可在實驗室進行模擬調(diào)試。而繼電器接觸器系統(tǒng)的調(diào)試是靠 在現(xiàn)場改變接線進行的，十分煩瑣。6. 維修方便，維修工作量小PLC 有完善的 自診斷，履歷 情報

18、存儲 及 監(jiān)視 功能 。對于其 內(nèi)部 工 作 狀 態(tài) 、通 信 狀 態(tài) 、異 常 狀 態(tài) 和 I/O 點 的 狀 態(tài) 均 有 顯 示 。工 作 人 員 可以通過它查出故障原因，便于迅速處理。7. PLC 體 積小，重量 輕， 易于 實現(xiàn) 機電 一體化第 2 章 鏜床的概況2.1 T6113 臥式鏜床 主要 結(jié)構(gòu)及 機械 運動2.1.1T6113 臥式 鏜 床 主要 結(jié) 構(gòu)鏜床是一種精密加工機床，主要用于加工精密圓柱孔，這些孔 的軸線往往要求嚴格地平行或垂直。相互間的距離也要求很準確， 鏜床本身剛性好，其可動部分在導軌上活動間隙很小，而且有附加 支撐。臥式鏜床用于加工各種復雜大型工件，如箱體零件

19、、機床等， 是一種功能很大的機床。除了鏜孔外，還可以進行鉆、擴、絞孔以 及車削內(nèi)外螺紋，用絲錐攻螺紋，車外圓柱面和端面。臥式鏜床外形結(jié)構(gòu)如圖中所示：1. 床身 2.前 立柱 3.主軸箱 4.尾 筒工作臺 5.下滑座 6.上滑座7.工作 臺 8.后立 柱 9.懸掛按 鈕站 10.固 定按鈕站臥式鏜床的床身是由整體的鑄件制成，床身的一端有固定不動 的前立柱，在前立柱的垂直導軌上裝有鏜頭架，它可以上下移動， 鏜頭架上集中了主軸部件、變速箱、進給箱與操縱機構(gòu)等部件。切 削刀具安裝在鏜軸前端的錐孔里，或裝在平盤的刀具溜板上，在工 作過程 ，鏜 軸一面旋轉(zhuǎn)，一面沿軸向做進給運動，平 旋盤只能旋轉(zhuǎn) 裝在它的

20、上面刀具溜板可在垂直于主軸軸線方向的徑向進給運動。 平旋盤主軸是空心軸，鏜軸穿過其中空心部分，通過各自的傳動鏈 運動，因此可獨立轉(zhuǎn)動。在大部分工作情況下使用鏜軸加工，只有 在用車刀切削端面時才使用平旋盤。臥式鏜床后立柱上安裝在尾架，用來夾持裝夾在鏜軸上的鏜桿 的末端。它可隨鏜頭架同時升降，并且某軸心線與鏜頭架軸心線保 持 在同 一直 線上，后 立柱 可在 床身導軌 上沿鏜軸 軸線 方向上做 調(diào) 整、 移動。加工時，工件放在床身中部的工作臺上，工作臺在上滑座上 面，上滑座下面是下滑座，下滑座安裝在床身導軌上，并可沿床身 導軌運動，上滑座又可沿下滑座上的導軌運動，工作臺就可在床身 上作前后左右任一

21、方向運動，并可作回轉(zhuǎn)運動，再配合鏜頭架的垂 直運動，就可以加工工件上一系列與軸線相平行或垂直的孔。加工時，刀具裝在主軸箱的鏜軸或平旋盤上，由主軸箱可獲得 各種轉(zhuǎn)速和進給量，主軸箱可沿前立柱的導軌上下移動，工件安在 工作臺，可與工作臺一起隨上滑座或下滑座作橫向或縱向移動，此 外，工作臺還可以繞上滑座的圓導軌在水平面內(nèi)移動一定的角度， 以便加工互成一定角度的孔或平面，裝在鏜軸上的鏜刀還可以隨鏜 軸軸向運動，以實現(xiàn)軸向進給或調(diào)整刀具的軸位置。當鏜軸及刀桿 伸出較長時，可用后立柱來支撐左端，以增加鏜軸和刀桿的剛度。 當 刀具 裝在 平旋盤的徑向刀架 時，徑 向刀架可帶著刀 具作 徑向 進 給， 以車削端面。2.1.2 機械運 動1鏜桿的旋轉(zhuǎn)運動；2 主軸箱垂直進給運動；3 工作臺縱向進 給 運 動 ； 4 工 作 臺 橫 向 進 給 運 動 ； 5 鏜 桿 的 軸 向 運 動 ； 6 平 旋 盤 的 旋轉(zhuǎn)運動；7 平旋盤徑向刀架進給運動；8輔助運動：主