1、第章 PLC在机械加工中的应用 7.1 PLC在Z3040摇臂钻床控制中的应用 7.2 PLC在X62W铣床控制中的应用 习题 第第7章章 PLC在机械加工中的应用在机械加工中的应用 第章 PLC在机械加工中的应用 7.1 PLC在在Z3040摇臂钻床控制中的应用摇臂钻床控制中的应用金属切削加工机床的种类很多，其中，车床、铣床、刨床、磨床是最常见的机床。近年来组合机床也渐渐多起来，较先进的金属加工机床是工作母机，也叫机械加工中心。长期以来，金属切削加工机床多采用继电接触器电路实现电气控制。其实，这类机械的电气控制主要以逻辑控制为主，这正是可编程控制器工作的强项。因此，PLC在机械加工机床的电气
2、控制领域得到了越来越广泛的应用，不但更多的新品机床开始采用PLC作为主要控制设备，而且旧的机床电路也开始用PLC实现电气改造。第章 PLC在机械加工中的应用 7.1.1 Z3040摇臂钻床电器设备的分布及分工摇臂钻床电器设备的分布及分工摇臂钻床利用旋转的钻头对工件进行加工，它由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱和工作台构成。主轴箱固定在摇臂上，可以沿摇臂径向运动。摇臂借助于丝杆，可以作升降运动，也可以与外立柱固定在一起，沿内立柱旋转。钻削加工时，通过夹紧装置，主轴箱紧固在摇臂上，摇臂紧固在外立柱上，外立柱紧固在内立柱上。Z3040摇臂钻床的结构图如图7-1所示。第章 PLC在机械加工中的应用 图7-
3、1 Z3040摇臂钻床结构图第章 PLC在机械加工中的应用 机械加工机床的加工运动往往是机械与电气配合实现的。在讨论电气电路之前需弄清电器的设置及电器控制的分工。Z3040摇臂钻床设有4台电动机，即主轴电动机、冷却泵电动机、摇臂升降电动机及液压泵电动机。主轴电动机提供主轴转动的动力，是钻床加工主运动动力源。主轴应具有正反转功能，但主轴电动机只有正转工作模式，反转由机械方法实现。冷却泵电动机用于提供冷却液，只需正转。摇臂升降电动机提供摇臂升降的动力，需正反转。液压泵电动机提供液压油，用于摇臂、立柱和主轴箱的夹紧和松开，也需要正反转。第章 PLC在机械加工中的应用 Z3040摇臂钻床的操作主要通过
4、手轮及按钮实现。手轮用于主轴箱在摇臂上的移动，这是手动的。按钮用于主轴的启动停止、摇臂的上升下降、立柱主轴箱的放松及夹紧等操作，再配合限位开关完成机床调节的各种动作。Z3040摇臂钻床的电气元件表如表7-1所示。第章 PLC在机械加工中的应用 第章 PLC在机械加工中的应用 第章 PLC在机械加工中的应用 第章 PLC在机械加工中的应用 7.1.2 Z3040摇臂钻床继电器原理图解读摇臂钻床继电器原理图解读在讨论Z3040摇臂钻床的PLC控制方案前，仔细解读它的继电接触器电路图是有益的。Z3040摇臂钻床以继电接触器构成的电气原理图如图7-2所示。图7-2中，380 V交流电源经手动转换开关Q
5、S1，进入电动机主电路和控制电路的电源变压器TC。主轴电动机M1由接触器KM1控制；摇臂升降电动机M2由接触器KM2和KM3控制；液压电动机M3由接触器KM4和KM5控制；冷却泵电动机M4功率较小，由组合开关QS2手动控制。机床操作情况如下：(1)按下主轴启动按钮SB2，接触器KM1得电吸合且自保持，主轴电动机M1运转。按下停止按钮SB1，主轴电动机停止。第章 PLC在机械加工中的应用(2)需要摇臂上升时，按下摇臂上升按钮SB3，时间继电器KT得电，其瞬动触头和瞬时闭合延时打开的动合触头使接触器KM4和电磁阀YA动作，液压电动机M3启动，液压油进入摇臂装置的油缸，使摇臂松开。待完全松开后，行程
6、开关SQ2动作，其动断触头断开使接触器KM4断电释放，液压电动机M3停止运转，其动合触头接通使接触器KM2得电吸合，摇臂升降电动机M2正向启动，带动摇臂上升。第章 PLC在机械加工中的应用 上升到所需的位置后，松开上升按钮SB3，时间继电器KT和接触器KM2断电释放，摇臂升降电动机M2停止运转，摇臂停止上升。延时13 s后，时间继电器KT的动断触头闭合，动合触头断开，但由于夹紧到位行程开关SQ3动断触头处于导通状态，故YA继续处于吸合状态，接触器KM5吸合，液压电动机M3反向启动，向夹紧装置油缸中反向注油，使夹紧装置动作。夹紧完毕后，行程开关SQ3动作，接触器KM5断电释放，液压电动机M3停止
7、运转，电磁阀YA断电。时间继电器KT的作用是适应SB3松开到摇臂停止上升之间的惯性时间，避免摇臂惯性上升中突然夹紧。第章 PLC在机械加工中的应用(3)需要摇臂下降时，按下摇臂下降按钮SB4，动作过程与摇臂上升时相似。(4)立柱和主轴箱同时夹紧和同时松开。按下立柱和主轴箱松开按钮SB5，接触器KM4得电吸合，液压电动机M3正向启动。由于电磁阀YA没有得电，处于释放状态，因此液压油经2位6通阀分配至立柱和主轴箱松开油缸，立柱和主轴箱夹紧装置松开。按下立柱和主轴箱夹紧按钮SB6，接触器KM5得电吸合，M3反向启动，液压油分配至立柱和主轴箱夹紧油缸，立柱和主轴箱夹紧装置夹紧。第章 PLC在机械加工中
8、的应用(5)摇臂升降限位保护是靠上、下限位开关SQ1U和SQ1D实现的。上升到极限位置后，SQ1U动断触头断开，摇臂自动夹紧，与松开上升按钮SB3动作相同；下降到极限位置后，SQ1D动断触头断开，摇臂自动夹紧，与松开下降按钮SB4动作相同。第章 PLC在机械加工中的应用 图7-2 Z3040摇臂钻床电气原理图第章 PLC在机械加工中的应用 7.1.3 Z3040摇臂钻床的摇臂钻床的PLC控制方案控制方案1.机型选择及硬件连接机型选择及硬件连接采用可编程控制器的Z3040摇臂钻床的操作及功能应与采用继电接触器电路时完全一致。机床原配的按钮、限位开关、变压器、指示灯、热继电器、接触器等电器均需保留
9、。作为主要操作器件的按钮及限位开关要接入PLC的输入口，每个(组)触点占用一个输入口。作为主要执行器件的接触器及电磁阀线圈要接入PLC的输出口，每个(组)线圈也要占用一个输出口。指示灯按理也需接入输出口，但如控制触点在硬件连接上与其他控制功能不冲突，不接入PLC也是可以的。本次采用不接入方案。热继电器也有接入PLC与不接入PLC两种方案。不接入PLC时，可直接将热继电器的触点和相关接触器的线圈串起来。接入输入口时，则需通过程序设置热继电器的控制功能。本次热继电器也采用机外连接方案。此外，原电路中接触器KM2与KM3、KM4与KM5之间均设有互锁触点，考虑到硬件互锁比软件互锁更可靠，它们的互锁也
10、设在机外进行。第章 PLC在机械加工中的应用 清点Z3040型摇臂钻床需接入PLC的输入/输出器件后，确定需14个输入口及6个输出口，据此选用西门子S7-200系列CPU224AC/DC/RELAY。这是一种具有14个输入口及10个输出口的PLC，输出口为继电器型，它的主要性能完全满足钻床的工作需要。系统的硬件连接如图7-3所示，各端口的标号都标在了图上。选用定时器T37代替原电路中的KT，另为编程需要还选了M10.0及M10.1两个辅助继电器。第章 PLC在机械加工中的应用 图7-3 摇臂钻床PLC接线图第章 PLC在机械加工中的应用 图7-4 摇臂钻床梯形图第章 PLC在机械加工中的应用
11、2.Z3040摇臂钻床的摇臂钻床的PLC程序编制程序编制Z3040摇臂钻床的PLC程序以梯形图语言设计。设计方法为参照继电器原理图在保持原有控制逻辑基础上改绘。在继电接触器电路中，由于器件的触点有限，往往一个触点具有较多的功能，体现在电气原理图上往往是一些触点接有复杂的触点及线圈的组合。图7-2中SB3与SQ1U串联及SB4与SQ1D串联再并联的区域之后连接着复杂的触点及线圈组合。这样的区域在改绘为梯形图时将十分不便。这时可以发挥PLC具有许多辅助继电器的特点，将继电接触器电路中的一些触点区域的功能用辅助继电器代替，经这样的简化处理，最后一般都能得到结构简单的梯形图。第章 PLC在机械加工中的
12、应用 在进行继电接触器电路图向梯形图转化时还需注意实际电器与PLC模拟电器功能上的差异，如图中时间继电器KT是具有瞬动触点的而PLC的定时器不具有这种功能，这时可用与定时器并联的辅助继电器触点代替。设计并调试成功的Z3040型摇臂钻床PLC控制程序如图7-4所示。图7-4中辅助继电器M10.0的触点即可用来表示SB3与SQ1U串联及SB4与SQ1D串联再并联区域的逻辑状态以及图7-2中时间继电器KT的瞬动触点。第章 PLC在机械加工中的应用 7.2 PLC在在X62W铣床控制中的应用铣床控制中的应用7.2.1 X62W铣床的加工运动及电气分工铣床的加工运动及电气分工铣床使旋转的铣刀在工件上平移
13、，可以加工槽、平面、斜面及成型表面等，是一种较为精密的加工设备。X62W万能铣床由底座、床身、主轴、刀杆、升降台、回转盘、工作台等组成，如图7-5所示。工件放置在工作台上，工作台可以纵向移动。工作台放置在可以转动的回转盘上，回转盘放置在可以横向移动的横溜板上，而横溜板又放置在可以上下移动的升降台上。因此工作台能够向前后、左右、上下多个方向运动。第章 PLC在机械加工中的应用 图7-5 X62W万能铣床结构示意图第章 PLC在机械加工中的应用 工作台的运动方式分为三种：手动、常速进给和快速移动。进给电动机为进给运动和快速移动提供动力，通过机械挂挡实现不同的运动速度。铣床的主运动为铣刀的转动，由主
14、轴电动机提供动力。加工过程中不需改变转向及速度。X62W万能铣床的电气元件分布图如图7-6所示。X62W万能铣床的电气元件表如表7-2所示。第章 PLC在机械加工中的应用 图7-6 X62W万能铣床电气元件分布图第章 PLC在机械加工中的应用 第章 PLC在机械加工中的应用 第章 PLC在机械加工中的应用 7.2.2 X62W万能铣床继电万能铣床继电控制控制电路电路图图解读解读图7-7所示为X62W万能铣床的继电控制电路图。下面对此电路图进行仔细解读。第章 PLC在机械加工中的应用 图7-7 X62W万能铣床继电控制电路图第章 PLC在机械加工中的应用 X62W万能铣床共有3台电动机，分别是主
15、轴电动机M1、冷却泵电动机M2和进给电动机M3。M1由接触器KM1控制电源通断，转换开关SA1预先选择电动机的转向。M2受接触器KM1控制，同时受手动转换开关QS2控制。M3受正转接触器KM3和反转接触器KM4控制。铣床电路中有3台变压器，分别为照明电路、直流电磁离合器电路和控制电路提供36 V和127 V交流电源。第章 PLC在机械加工中的应用 电磁离合器控制电路中，变压器T2提供的36 V电源经整流桥VC整流成直流。当按下停止按钮SB5、SB6或将主令开关SA2打到“主轴夹紧”位置时，电磁离合器YC1动作，对主轴电动机M1进行制动，提高了铣床的操作速度。当没有按下快速进给按钮SB3、SB4
16、时，接触器KM2处于释放状态，电磁离合器YC2得电吸合，带动铣床机械换挡装置，铣床按正常速度作进给运动。当按下快速进给按钮SB3、SB4后，接触器KM2处于得电吸合状态，电磁离合器YC2断电释放，电磁离合器YC3得电吸合，带动铣床机械换挡装置，铣床带动溜板快速移动。第章 PLC在机械加工中的应用 控制电路中，当按下启动按钮SB1时，接触器KM1得电吸合，主轴电动机按SA1预选的方向旋转。此时控制进给电动机M3的控制电路通电，为动作做好了准备。点按快速移动按钮SB3或SB4时，接触器KM2动作，带动电磁离合器YC2、YC3动作。第章 PLC在机械加工中的应用 控制工作台纵向进给的手柄有向左、向右
17、和停止三个挡位。处于停止状态时，SQ1和SQ2的动断触头闭合。当圆工作台转换开关SA3处于断开位置时，电源经5、17、23、41、29号导线到达31号导线，为接触器KM3和KM4电路提供电源。需要工作台向左进给时，手柄打向左侧，压下行程开关SQ2，使SQ2的动合触头闭合，动断触头断开。这时电源通过SQ3、SQ4、SQ5的动断触头接通，接触器KM4得电吸合，进给电动机M2反转，工作台左向进给。如果手柄打向右侧，则压下行程开关SQ1，使SQ1动合触头闭合，动断触头断开，接触器KM3得电吸合，进给电动机M3正向旋转，带动工作台向右进给。第章 PLC在机械加工中的应用 控制工作台横向及升降进给手柄有向
18、前、向后、向下、向上和停止五个位置，与离合器相联系，前后方向进给与上下方向进给转换通过手柄带动离合器来实现。处于停止挡位时，SQ3和SQ4的动断触头闭合，电源经5、17、23、25、27、29号导线到达31号导线，为接触器KM3和KM4电路提供电源。手柄打“向前”或“向下”时，压下行程开关SQ3，使SQ3的动合触头闭合，动断触头断开，电源由纵向进给行程开关SQ1和SQ2的动断触头提供。同时，接触器KM3得电吸合，电动机M3正向旋转，驱动工作台向前或向下进给。手柄打“向后”或“向上”时，压下行程开关SQ4，使SQ4的动合触头闭合，动断触头断开，电源由纵向进给行程开关SQ1和SQ2的动断触头提供。
19、同时，接触器KM4得电吸合，电动机M3反向旋转，驱动工作台向后或向上进给。第章 PLC在机械加工中的应用 主轴制动开关SA2打到制动时，切断控制电路电源，使所有电动机停止转动。行程开关SQ5为进给电动机冲动而设，SQ6为主轴电动机冲动而设。冲动类似于电动机点动，便于离合器挂挡。第章 PLC在机械加工中的应用 7.2.3 X62W万能铣床万能铣床PLC控制方案控制方案1.PLC机型选择及硬件连接机型选择及硬件连接X62W万能铣床的继电接触器电路看起来并不复杂，但仔细分析后才知道其中包含了许多连锁环节。下面简单介绍其中的三个联锁环节。(1)主电动机与进给电动机的联锁。这是电气上的联锁。从图7-7中
20、可以知道，进给电动机接触器KM3、KM4的电源只有当KM1或KM2接通时才能接通。(2)工作台各进给方向上的连锁。这是机械及电气的双重连锁。工作台纵向进给操作手柄及工作台横向进给操作手柄是十字形操作手柄，手柄每次操作只能拨向某一个位置，这是机械连锁。此外，从电路中可以知道，当这两支操作手柄同时从中间位置移开时，KM3及KM4的电流通道即被切断，这是电气连锁。第章 PLC在机械加工中的应用(3)线性进给运动工作台与圆工作台的连锁。由图7-7的分析可知，当使用圆工作台时，SQ1SQ4中任一限位开关动作时，KM3将断电。为了在使用PLC作为主要装置后以上连锁功能都得以保留，以上连锁所涉及的器件都需接
21、入PLC的输入口，这包括SQ1SQ4和SB3SB6。SA3的处理则不同，由于SA3只有断开及接通两个工作位置，它的三对触点的状态可以用其中的一对触点的状态表示。第章 PLC在机械加工中的应用 因此只选继电器图中接于2931点的一对触点接入PLC，且以常开为常态。经统计，以上器件再加上各种按钮及开关等器件，可知铣床共需12个输入口。在具体连接时，这些器件的串联及并联的触点均在连接后接入PLC，且热继电器触点均串在输出器件电路中，不占用输入口。在考虑输出口数量时，注意到输出器件有两个电压等级，并将控制逻辑简单的电路，如KM2的常闭触点对YC2的控制，直接在PLC机外连接，不再通过PLC。这样输出口
22、分为两组连接点。依输入/输出口的数量及控制功能选取西门子CPU224机一台，输入/输出口的接线图如图7-8所示。第章 PLC在机械加工中的应用 图7-8 X62W万能铣床PLC接线图第章 PLC在机械加工中的应用 2.X62W万能铣床万能铣床PLC程序设计程序设计使用梯形图设计X62W万能铣床的PLC程序，设计的基本原则仍是“复述”原继电器电路所叙述的逻辑内容。由于梯形图总是针对输出列写支路的，因此可以根据继电器线路中KM1的逻辑关系绘出梯形图的第1个支路，根据KM2的逻辑关系绘出第2个支路。为了表达继电器线路图中主轴电动机与进给电动机的联锁，选取辅助继电器M10.0绘出第3个支路。M10.0
23、支路中的触点可结合继电器图中“23”号线得电的条件绘出。第4、5、6支路表达的是线性工作台进给、进给冲动及圆工作台控制的工作逻辑。这三个支路的绘出，主要依据的是这三个工况中继电器电路中电流的流动过程。第章 PLC在机械加工中的应用 这样既保留了原电路的逻辑关系，又简化了梯形图的结构，是继电器电路设计梯形图时常用的方法。作为设计结果的梯形图如图7-9所示。图中最后的三个支路是对电磁阀YC1、YC3及KM3进行的控制。由于梯形图中4、5、6三个支路都与KM3有关，因此依PLC中不允许出现双线圈的规定，在梯形图中选用了M11.1M11.3三只辅助继电器。第章 PLC在机械加工中的应用 图7-9 X6
24、2W万能铣床梯形图第章 PLC在机械加工中的应用 习习 题题将下面按钮联锁的三相异步电动机接触器正反转控制线路改为由PLC控制。(1)操作所需电气元件明细表如表7-3所示。第章 PLC在机械加工中的应用(2)电路图如图7-10所示。图7-10 题7-1电路图第章 PLC在机械加工中的应用(3)工作原理。当需要改变电动机的转向时，直接按反转按钮，不必先按停止按钮。因为，如果电动机已按正转方向运转，则线圈是通电的。这时，如果按下按钮SB2，按钮串在KM1线圈回路中的常闭触头首先断开，将KM1线圈回路断开，相当于按下停止按钮SB3的作用，使电动机停转，随后SB2的常开触头闭合，接通线圈KM2的回路，使电源相序相反，电动机即反向旋转。同样，当电动机已作反向旋转时，若按下SB1，电动机就先停转后正转。该线路是利用按钮动作时，常闭先断开、常开后闭合的特点来保证KM1与KM2不会同时通电，由此来实现电动机正反转的联锁控制。SB1与SB2的常闭触头也称为联锁触头。
