电气控制系统的设计

第1章绪论

1.1选题的目的和意义

由于现代加工技术的日益提高，对加工机床特别是工作母机的要求也越来越高，由此人们也将注意力集中到机床上来，数控技术是计算机技术、信息技术、现代控制技术等发展的产物，他的出现极大的推动了制造业的进步。机床的控制系统的优劣与机床的加工精度息息相关，特别是PLC广泛应用于控制领域后，已经显现出它的优越性。可编程控制器PLC已广泛应用于各行各业的自动控制。在机械加工领域，机床的控制上更显示出其优点。由于镗床的运动很多、控制逻辑复杂、相互连锁繁多，采用传统的继电器控制时，需要的继电器多、接线复杂，因此故障多维修困难，费工费时，不仅加大了维修成本，而且影响设备的功效。采用PLC控制可使接线大为简化，不但安装十分方便而且工作可靠、降低了故障率、减小了维修量、提高了功效。

1.2 关于课题的一些介绍和讨论

1.2.1 设计目标、研究内容和拟定解决的关键问题

完成对T6113机床的整个控制系统的设计改造，控制核心是PLC，并使其加工精度进一步提高，加工范围扩大，控制更可靠。

研究内容：

（1） T6113的电气系统（PLC）硬件电路设计和在机床上的布局。

（2） PLC程序的编制。

解决的关键问题：PLC对机床各个工作部分的可靠控制电气电路的安全问题的解决

1.2.2题目的可行性分析

虽然目前数控机床以其良好的加工性能得到了人们的肯定，但是其昂贵的价格是一般用户望尘莫及的，所以改造现有的机床以达

到使用要求是比较现实的，也是必须的。经过实践证明这样的改造是可以满足大多数情况下的精度和其他加工要求，并且在实践中已取得的相当好的效益。

1.2.3本项目的创新之处

利用PLC作为控制核心，替代传统机床的继电器控制，使得机床的控制更加灵活可靠，减少了很多中间的机械故障的可能。利用PLC的可编程功能使得变换和改进控制系统成为可能。

1.2.4设计产品的用途和应用领域

镗床是一种主要用镗床刀在工件上加工孔的机床。通常用于加工尺寸较大、精度要求较高的孔。特别是分布在不同表面上、孔距和位置精度要求较高的孔，如各种箱体，汽车发电机缸体等零件的孔。一般镗刀的旋转为主运动，镗刀或工件的移动为进给运动。在镗床上除镗孔外，还可以进行铣削、钻孔、扩孔、铰孔、锪平面等工件。因此镗床的工作范围较广。它可以应用于机械加工的各个领域，但因其价格比一般机床贵好多，所以在比较大的加工车间才可见到。

1.3 电气控制技术的发展

电气控制技术是随着科学技术的不断发展、生产工艺不断提出新的要求而迅速发展的，从最早的手动控制到自动控制，从简单的控制设备到复杂的控制系统，从有触点的硬接线控制系统到以计算机为中心的存储系统。现代电气控制技术综合应用了计算机、自动控制、电子技术、精密测量等许多先进的科学技术成果。作为生产机械的电机拖动，已由最早的采用成组拖动方式，发展到今天无论是自动化功能还是生产安全性方面都相当完善的电气自动化系统。继电接触式控制系统主要由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，其控制方式是断续的，所以又称为断续控制系统。由于这种系统具有结构简单、价格低廉、维护容易、抗干扰能力强等优点，至今仍是机床和其他许多机械设备广泛采用的基本电气控制形式，也是学习先进电气控制的基础。这种控制系统的缺点是采用固定的接线方式，灵活性差，工作频率低，触点易损坏，可靠性差。

从20世纪30年代开始，生产企业为了提高生产率，采用机械化流水作业的生产方式，对不同类型的产品分别组成生产线。随着产品类型的更新换代，生产线承担的加工对象也随之改变，这就需要改变控制程序，使生产线的机械设备按新的工艺过程运行，而继电接触器控制系统采取固定接线方式，很难适应这个要求。大型生产线的控制系统使用的继电器的数量很多，这种有触点的电器工作频率很低，在频繁动作的情况下寿命较短，从而造成系统故障，使生产线的运行可靠性降低。为了解决这个问题，20世纪60年代初期利用电子技术研制出矩阵式顺序控制器和晶体管逻辑控制系统来代替继电接触式控制系统。对复杂的自动控制系统则采用计算机控制，由于这些控制装置本身存在不足，因此均未能获得广泛应用。1968年美国最大的汽车制造商通用汽车（GM）公司，为适应汽车型号不断更新，提出把计算机的完备功能以及灵活性、通用性好等优点和继电接触器控制系统的简单易懂、操作方便、价格低等优点结合起来，做成一种能适应工作环境的通用控制装置，并把编程方法输入方法简化。美国数字设备公司（DEC）于1969年率先研制出第一台可编程控制器（简称PLC），并在通用汽车公司的自动装配线上试用获得成功。从此以后，许多国家的著名厂商竟相研制，各自成为系列，而且品种更新很快，功能不断增强，从最初的逻辑控制为主发展到能进行模拟量控制，具有数字运算、数据处理和通信联网等多种功能。PLC另一个突出的优点是可靠性很高，平均无故障运行可达10万小时以上，可以大大减少设备维修费用和停产造成的经济损失。当前PLC已经成为电气自动化控制系统中应用最广泛的核心控制装置。

电气控制技术的发展始终是伴随着社会生产规模的扩大，生产水平的提高而前进的。电气控制技术的进步反过来又促进了社会生产力的进一步提高。同时，电气控制技术又是与微电子技术、电力电子技术、检测传感技术、机械制造技术等紧密联系在一起的。21世纪电气控制技术必将给人类带来更加繁荣的明天。

1.4 PLC的发展史、优势及特点

1.4.1 发展史

可编程控制器PLC诞生之前，工业电气控制主要使用低压电器构成的继电接触器电路，它是以接线逻辑实现控制功能的。这样的控制设备一经生产出来，功能就固定了，若要改变就必须改变控制器内部的硬件接线，使用起来不灵活，也很麻烦。1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司（GM）为了适应生产工艺不断更新的需要，要寻找一种比继电器更可靠，功能更齐全，响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引起了开发热潮。

1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了第一台可编程控制器PDP——14，在美国通用汽车公司的生产线上适用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器由此诞生。

可编程控制器自问世以来，发展极为迅速。1971年，日本开始生产可编程控制器，1973年，欧洲开始生产可编程控制器，到现在，世界各国的一些著名的电器工厂几乎都在生产可编程控制器。可编程控制器已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。

早期的可编程控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成，它采用了一些计算机技术，但简化了计算机的内部电路，对工业现场环境适应性较好，指令系统简单，一般只具有逻辑计算的功能。随着微电子技术和集成电路的发展，特别是微处理器和微计算机的迅速发展，在20世纪70年代中期，美、日、德等国的一些厂家在可编程控制器中开始更多地引入微机技术，微处理器及其他大规模集成电路芯片成为其核心部件，使可编程控制器具有了自诊断功能，可靠性有了大幅提高，性能价格比产生了新的突破。到20世纪80年代，可编程控制器都采用了微处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）或是单片机作为其核心，处理速度大大提高，不仅增加了多种特殊功能，体积还进一步缩小。20世纪90年代末，PLC几乎完全计算机化，其速度更快，各种智能模块不断被开发出来，使其不断地扩展着它在各类工业控制中的作用。

现在，PLC不仅能进行逻辑控制，在模拟量闭环控制、数字量的智能控制、数据采集、监控、通信联网及集散控制系统等各方面都得到了广泛应用。如今，大、中型，甚至小型PLC都配有A/D、D/A 转换及算术运算功能，有的还具有PID功能。这些功能使PLC在模

拟量闭环控制、运动控制、速度控制等方面具有了硬件基础；许多PLC具有输出和接收高速脉冲的功能，配合相应的传感器及伺服设备，PLC可实现数字量的智能控制；PLC配合可编程终端设备，可实时显示采集到的现场数据及分析结果，为系统分析、研究工作提供依据，利用PLC的自检信号还可以实现系统监控；PLC具有较强有利的通信功能，可以与计算机或其他智能装置进行通讯及联网，从而能方便地实现集散控制。功能完备的PLC不仅能满足控制要求，还能满足现代化大生产管理的需要。

近年来，可编程控制器的发展更为迅速。展望未来，可编程控制器在规模和功能上将向两大方向发展：一是大型可编程控制器向高速、大容量和高性能方向发展；二是发展简易经济的超小型可编程控制器，以适应单机控制及小型自动化设备的需要。另外，不断增强PLC工业过程控制的功能（模拟量控制能力），研制采用工业标准总线，使同一工业控制系统中能连接不同的控制设备，增强可编程控制器的联网通信功能，便于分散系统与集中控制的实现，大力开发智能I/O模块、增强可编程控制器的功能等也具有重要意义。

1.4.2PLC的优势和特点

1.可靠性高，抗干扰能力强。

高可靠性往往是用户选择控制装置的首要条件。在继电器接触器控制系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象大大降低了系统的可靠性。而在PLC系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加上PLC充分考虑了工业生产环境电磁、粉尘、温度等各种干扰，在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，PLC有极高的可靠性。根据有关资料统计，目前个生产厂家生产的PLC，其平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时，有的甚至达到了几十万小时。

2.适应性强，应用灵活

由于PLC产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制要求。更重要的是，PLC 系统相对继电器接触器控制系统，接线很少。

3.编程方便，容易使用

PLC的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂。

4.功能强，扩展能力强

PLC中含有数量巨大的可用于开关量处理的继电器类软元件，可轻松的实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器系统所不能实现的。

5.PLC控制系统设计、安装、调试方便

PLC中相当于继电器接触器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等“软元件”数量巨大，又用程序（软接线）代替硬接线，安装接线工作量小，设计人员只要具有PLC就可进行控制系统设计并可在实验室进行模拟调试。而继电器接触器系统的调试是靠在现场改变接线进行的，十分烦琐。

6.维修方便，维修工作量小

PLC有完善的自诊断，履历情报存储及监视功能。对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。工作人员可以通过它查出故障原因，便于迅速处理。

7.PLC体积小，重量轻，易于实现机电一体化

第2章镗床的概况

2.1 T6113卧式镗床主要结构及机械运动

2.1.1T6113卧式镗床主要结构

镗床是一种精密加工机床，主要用于加工精密圆柱孔，这些孔的轴线往往要求严格地平行或垂直。相互间的距离也要求很准确，镗床本身刚性好，其可动部分在导轨上活动间隙很小，而且有附加支撑。

卧式镗床用于加工各种复杂大型工件，如箱体零件、机床等，是一种功能很大的机床。除了镗孔外，还可以进行钻、扩、绞孔以及车削内外螺纹，用丝锥攻螺纹，车外圆柱面和端面。

卧式镗床外形结构如图中所示：

1.床身

2.前立柱

3.主轴箱

4.尾筒工作台

5.下滑座

6.上滑座

7.工作台 8.后立柱 9.悬挂按钮站 10.固定按钮站

卧式镗床的床身是由整体的铸件制成，床身的一端有固定不动的前立柱，在前立柱的垂直导轨上装有镗头架，它可以上下移动，镗头架上集中了主轴部件、变速箱、进给箱与操纵机构等部件。切削刀具安装在镗轴前端的锥孔里，或装在平盘的刀具溜板上，在工作过程 ，镗轴一面旋转，一面沿轴向做进给运动，平旋盘只能旋转装在它的上面刀具溜板可在垂直于主轴轴线方向的径向进给运动。平旋盘主轴是空心轴，镗轴穿过其中空心部分，通过各自的传动链运动，因此可独立转动。在大部分工作情况下使用镗轴加工，只有在用车刀切削端面时才使用平旋盘。

卧式镗床后立柱上安装在尾架，用来夹持装夹在镗轴上的镗杆的末端。它可随镗头架同时升降，并且某轴心线与镗头架轴心线保持在同一直线上，后立柱可在床身导轨上沿镗轴轴线方向上做调整、移动。加工时，工件放在床身中部的工作台上，工作台在上滑座上面，上滑座下面是下滑座，下滑座安装在床身导轨上，并可沿床身导轨运动，上滑座又可沿下滑座上的导轨运动，工作台就可在床身数显表

8792

6514

103

上作前后左右任一方向运动，并可作回转运动，再配合镗头架的垂直运动，就可以加工工件上一系列与轴线相平行或垂直的孔。

加工时，刀具装在主轴箱的镗轴或平旋盘上，由主轴箱可获得各种转速和进给量，主轴箱可沿前立柱的导轨上下移动，工件安在工作台，可与工作台一起随上滑座或下滑座作横向或纵向移动，此外，工作台还可以绕上滑座的圆导轨在水平面内移动一定的角度，以便加工互成一定角度的孔或平面，装在镗轴上的镗刀还可以随镗轴轴向运动，以实现轴向进给或调整刀具的轴位置。当镗轴及刀杆伸出较长时，可用后立柱来支撑左端，以增加镗轴和刀杆的刚度。当刀具装在平旋盘的径向刀架时，径向刀架可带着刀具作径向进给，以车削端面。

2.1.2机械运动

○1镗杆的旋转运动；○2主轴箱垂直进给运动；○3工作台纵向进给运动；○4工作台横向进给运动；○5镗杆的轴向运动；○6平旋盘的旋转运动；○7平旋盘径向刀架进给运动；○8辅助运动：主轴箱、工作台在进给方向的快速调位运动，后立柱纵向调位运动，后支架的垂直调位运动，工作台的转位运动。这些辅助运动可以手动，也可以由快速电动机转动。

2.2电气控制

2.2.1卧式镗床电力拖动及控制要求

1.主轴应有较大调速范围，要求恒功率调速，采用机电联合调速；

2.变速时，为使滑移齿轮能顺利进行啮合位置，应有低速或断续变速冲动；

3.主轴能作正反转低速点动调整，要求对主轴电动机实现正反转及点动控制；

4.为使主轴迅速准确停车，主轴电动机应有机械制动；

5.主运动与进给运动由一台主轴电动机拖动由各自传动链运动，主轴和工作台除工作进给外，还应有快速移动由另一台快速移动电

动机拖动；

6.镗床运动部件多，设置必要的联锁和保护。

2.2.2 T613卧式镗床的电气控制

机床的电气系统是按三相交流电源设计的，其电源电压与频率为380V 50Hz.

机床采用可编程控制器（PC）控制，可编程控制器的电源为220V；接触器的电压交流110V；电磁阀，电磁离合器为DC24V；信号指示灯为交流6V；手把灯（最大100W）电为24V；均由变压器供电。机床照明灯电压为24V。

机床上装有五台交流电动机；

主电机（M1），快速移动电机（M2），后立柱快速移动电机（M3），下滑座液压油泵电机（M4），主轴箱液压油泵电机（M5）。

可编程控制器（PLC）安装在配电盘下部，配电盘安装在立柱后面的电器柜内。