基于FX2N的X62W铣床的PLC改造设计-电气工程技术专业毕业论文.doc

目 录

一、 设计任务与调研…………………………………………………………3
二、 设计过程与说明…………………………………………………………4
三、 设计成果简介……………………………………………………………12
四、 结束语……………………………………………………………………17
五、 致谢………………………………………………………………………18

第一部分—设计任务与调研

1.毕业设计的主要任务
实现X62W铣床的PLC改造设计
2.设计的思路、步骤、方法。
2.1 设计的思路
设计以三菱FX2N系列PLC为核心的X62W铣床的改造设计。了解应用环境和控制要求、完成硬件选型及系统设计、软件设计编制PLC程序，并利用实验室设备进行调试、撰写设计成果报告书。
2.2 设计的步骤
分析机床基本结构、主要功能、运动形式、控制顺序、控制要求、分析原理图、确定X62W铣床电器元件的选择及元件布局图、PLC的选型、硬件系统和软件程序设计、PLC的I/O分配、绘制PLC的外部接线图和控制系统接线。
2.3 设计的方法
通过网上文献搜寻、学院图书馆查阅、设备选型、PLC编程及实训室的程序调试、排故实训室常见故障及检修与排除。X62W铣床的实物图，控制原理图，外部接线图，梯形图，这些图片我们更充分的去理解，分析。
3、调研的目的和总结
通过调研X62铣床的基本参数及技术规范，知道X62W铣床是一种高效率的加工机械，万能铣床的操作，是通过手柄同时操作电气与机械，是机械与电气结构联合动作的典型控制。但是在电气控制系统中，故障的查找与排除是非常困难的，这给生产与维护带来诸多不便。随着工业自动化的发展，生产设备和自动生产线的控制系统必需具有极高的可靠性与灵活性，这就需要使用智能化程度高的控制系统来取代传统的控制系统。继电器接触式控制系统进行技术改造,从而保证了电控系统的快速性、准确性、合理性,更好地满足了实际生产的需要,提高了经济效益。
第二部分—设计过程与说明

1、X62W铣床的简介
1.1 铣床
铣床是用铣刀对工件进行铣床前加工的机床。铣床除了能铣前平面、沟槽、齿轮、螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的平面；效率较刨床高，在机械制造和修理部门得到广泛应用。最早的铣床是美国人惠特尼于1818年创造的卧式铣床，为了铣削麻花钻头的螺旋槽，美国人布朗于1862年创立了第一台万能铣床，这是升降的邹形；1884年又出现了龙门铣床；二十世纪20年代出现了半自动铣床，工作台利用挡块可完成“进给-快速”或“快速-进给”的自动转换，1950年以后，铣床在控制系统方面发展很快，数字控制的应用大大提升了铣床的自动化程度。尤其是70年代后，微处理机的数字控制系统和自动换刀系统在铣床上得到了应用，扩大了铣床的加工范围，提高了加工精度和效率
1.2 X62W铣床
卧式万能升降台铣床简称万能铣床，它是铣床中应用最多的一种。其主要组成部分：
1．床身床身用来固定和支承铣床各部件。顶面上有供横梁移动用的水平导轨。前壁有燕尾形的垂直导轨，供升降台上下移动。内部装有主电动机，主轴变速机构，主轴，电器设备及润滑油泵等部件。
2．横梁横梁一端装有吊架，用以支承刀杆,以减少刀杆的弯曲与振动。横梁可沿床身的水平导轨移动，其伸出长度由刀杆长度来进行调整。
3．主轴是用来安装刀杆并带动铣刀旋转的。主轴是一空心轴，前端有7:24的精密锥孔，其作用是安装铣刀刀杆锥柄。
4．纵向工作台纵向工作台由纵向丝杠带动在转台的导轨上作纵向移动, 以带动台面上的工件作纵向进给。台面上的 T形槽用以安装夹具或工件。
5．横向工作台横向工作台位于升降台上面的水平导轨上，可带动纵向工作台一起作横向进给。
6．转台转台可将纵向工作台在水平面内扳转一定的角度(正、反均为0～45o)，以便铣削螺旋槽等。具有转台的卧式铣床称为卧式万能铣床。
7．升降台 升降台可以带动整个工作台沿床身的垂直导轨上下移动, 以调整工件与铣刀的距离和垂直进给。
8．底座底座用以支承床身和升降台，内盛切削液。 车载式液压升降台 单叉固定式升降台 固定式液压升降台 固定式油压升降台 豪华式液压升降台
2.设计过程
2.1 X62W铣床工作原理
机械部分是由机架、工作台、卧铣主轴、可拆装立铣头、工作台传动变速箱、主轴 传动变速箱组成。电路由控制线路、主轴电机（约7.5KW)、工作台电机（2.4KW)、冷却水泵电机（0.12KW)、离合线圈、24V照明线路组成。原理：由三相380V供电，电机带动变速箱传动到主轴及工作台。用装在主轴上的刀具对装在工作台的工件进行切削。冷却水泵泵出冷却液对切削部分进行冷却。变速箱可选择合理的转速和线速。其基本工作原理是利用连续移动的细金属丝（称为线切割的电极丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、 切割 成型。 线切割主要用于加工各种形状复杂和精密细小的工件，例如线切割可以加工冲裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等，成形刀具、样板、线切割还可以加工各种微细孔槽、窄缝、任意曲线等.线切割有许多无可比拟的优点,比如: 线切割 具有加工余量小、 线切割 具有加工精度高、 线切割具有生产周期短、线切割具有制造成本低等突出优点，线切割已在生产中获得广泛的应用
2.2 X62W铣床原理图

2.3 X62W铣床机床分析
1、机床的主要结构及运动形式
（1）主要结构
由床身、主轴、刀杆、横梁、工作台、回转盘、横溜板和升降台等几部分组成，如下图示。
（2）运动形式
1）主轴转动是由主轴电动机通过弹性联轴器来驱动传动机构，当机构中的一个双 联滑动齿轮块啮合时，主轴即可旋转。
2）工作台面的移动是由进给电动机驱动，它通过机械机构使工作台能进行三种形式六个方向的移动，即：工作台面能直接在溜板上部可转动部分的导轨上作纵向（左、右）移动；工作台面借助横溜板作横向（前、后）移动；工作台面还能借助升降台作垂直（上、下）移动。
2、机床对电气线路的主要要求
（1）机床要求有三台电动机，分别称为主轴电动机、进给电动机和冷却泵电动机。
（2）由于加工时有顺铣和逆铣两种，所以要求主轴电动机能正反转及在变速时能瞬时冲动一下，以利于齿轮的啮合，并要求还能制动停车和实现两地控制。
（3）工作台的三种运动形式、六个方向的移动是依靠机械的方法来达到的，对进给电动机要求能正反转，且要求纵向、横向、垂直三种运动形式相互间应有联锁，以确保操作安全。同时要求工作台进给变速时，电动机也能瞬间冲动、快速进给及两地控制等要求。
（4）冷却泵电动机只要求正转。
（5）进给电动机与主轴电动机需实现两台电动的联锁控制，即主轴工作后才能进行进给。

2.4 X62W铣床模拟装置的安装与试运行操作
1．准备工作
（1）查看各电器元件上的接线是否紧固，各熔断器是否安装良好。
（2）独立安装好接地线，设备下方垫好绝缘垫，将各开关置分断位置。
（3）插上三相电源。
2．操作试运行
插上电源后，各开关均应置分断位置。参看电路原理图，按下列步骤进行机床电气模拟操作运行：
（1）先按下主控电源板的启动按钮，合上低压断路器开关QS。
（2）SA5置左位（或右位），电机M1“正转”或“反转”指示灯亮，说明主轴电机可能运转的转向。
（3）旋转SA4开关，“照明”灯亮。转动SA1开关，“冷却泵电机”工作，指示灯亮。
（4）按下SB3按钮（或SB1按钮），电机M1起动（或反接制动）；按下SB4按钮（或SB2按钮），M1起动（或反接制动）。注意：不要频繁操作“起动”与“停止”，以免电器过热而损坏。
（5）主轴电机M1变速冲动操作
实际机床的变速是通过变速手柄的操作，瞬间压动SQ7行程开关，使电机产生微转，从而能使齿轮较好实现换档啮合。本模板要用手动操作SQ7，模仿机械的瞬间压动效果：采用迅速的“点动”操作，使电机M1通电后，立即停转，形成微动或抖动。操作要迅速，以免出现“连续”运转现象。当出现“连续”运转时间较长，会使R发烫。此时应拉下闸刀后，重新送电操作。
（6）主轴电机M1停转后，可转动SA5转换开关，按“起动”按钮SB3或SB4，使电机换向。
（7）进给电机控制操作（SA3开关状态：SA3-1、SA3-3闭合，SA3-2断开） 实际机床中的进给电机M2用于驱动工作台横向（前、后）、升降和纵向（左、右）移动的动力源，均通过机械离合器来实现控制“状态”的选择，电机只作正、反转控制，机械“状态”手柄与电气开关的动作对应关系如下：
工作台横向、升降控制（机床由“十字”复式操作手柄控制，既控制离合器又控制相应开关）。
工作台向后、向上运动—电机M2反转—SQ4压下
工作台向前、向下运动―电机M2正转―SQ3压下 模板操作：按动SQ4，M2反转。按动SQ3，M2正转。
（8）工作台纵向（左、右）进给运动控制：
（SA3开关状态同上）实际机床专用一“纵向”操作手柄，既控制相应离合器,又压动对应的开关SQ1和SQ2，使工作台实现了纵向的左和右运动。
模板操作:将十字开关SA3扳到左边，M2正转。将十字开关SA3扳到右边, M2反转。
（9）工作台快速移动操作。
在实际机床中，按动SB5或SB6按钮，电磁铁YA动作，改变机械传动链中间传动装置，实现各方向的快速移动。
模板操作：在按动SB5或SB6按钮，KM5吸合，相应指示灯亮。
（10）进给变速冲动(功能与主轴冲动相同，便于换档时，齿轮的啮合) 实际机床中变速冲动的实现：在变速手柄操作中,通过联动机构瞬时带动“冲动行程开关SQ6”，使电机产生瞬动。
模拟“冲动”操作，按SQ6，电机M2转动，操作此开关时应迅速压与放，以模仿瞬动压下效果。
（11）圆工作台回转运动控制：
将圆工作台转换开关SA3扳到所需位置，此时，SA3-1、SA3-3触点分断，SA3-2触点接通。在起动主轴电机后，M2电机正转，实际中即为圆工作台转动 （此时工作台全部操作手柄扳在零位，即SQ1－SQ4均不压下）。
3.设计过程中碰到的问题与解决措施
3.1 具体问题及解决措施
（1）主轴电动机接触器km1不能吸合
故障分析与检修：熔断器fuifu4熔断、变压器tc绕组断线或接线端断线、主轴冲动开关sq1常闭触点接触不好、制动按钮sb5停止按钮sb6接触不好、启动按钮sb1sb2接触不好、主轴冲动开关sq1常闭触点接触不好，热继电器fr1fr2常闭触点接触不好或fr1fr2已经动作，没有复位。接触器km1线圈断线等。
故障排除：先检查电源，电源正常后，检查熔断器fuifu4，再查个电器触点接触情况，有接触不良的，处理好或更换相应损坏的器件。
（2）主轴电动机m1不能起动
故障分析与检修：在排除接触器km1不能吸合的前提下，故障原因可能为电源三相电源电压不正常、熔断器fui熔断、接触器km1主触点接触不好，主触头烧坏或卡住造成缺相、m1换向开关sa3触点接触不好、热继电器fr1有断相、电动机m1绕组有断相、或主电动机三相线路个别线头烧坏或松脱、电动机绕组烧坏开路、机械传动系统咬死，电机堵转等。
故障排除：用万用表检测三相电源电压，若三相电源正常，沿电路图依次测量km1、fr1、sa3、m1个接线端电压，由此查出具体故障点并排除；排除是电机本身故障等。
（3）工作台各个方向都不能进给
故障分析与检修：多为进给电动机m2不能起动引起，首先检查圆工作台的控制开关sa2是否在“断开”的位置；若没问题，接着检查主轴电动机接触器km1是否已吸合；若没问题，主轴旋转，各个方向仍无进给，检查位置开关sq3、sq4、sq5、sq6及变速冲动开关sq2-2常闭触点接触情况，有问题可调整位置开关的位置；可扳动手柄至各个运动方向，观察相应的接触器是否吸合，若吸合，则故障发生在电动机m2主回路上，检查是否有接触器主触头接触不良，电动机接线脱落和绕组断路等，查出具体故障点，并排除故障。
（4）工作台左右（纵向）进给正常，不能前后上下进给
故障分析与检修：首先工作台左右进给正常，进给电动机m2、主电路、接触器km3、km4，sq5-1、sq6-1及与纵向进给相关的公共支路都正常，多为控制左右进给的位置开关sq5或sq6由于经常被压合，使开关移位、触头接触不良，使位置开关常闭点sq5-2或sq6-2不能复位闭合，当操作向前下、后上进给运动时，位置开关常闭点sq3-2或sq4-2也断开，造成工作台只能左右进给，不能前后上下进给运动。
故障排除：用万用表欧姆档测量sq5-2或sq6-2的接通情况，查找故障部位。修理或更换元件，即可排除故障。注意：测量sq5-2或sq6-2的接通情况时，应操作向前后上下手柄，使sq3-2或sq4-2断开。
（5）工作台前后上下进给正常，不能左右（纵向）进给
故障分析与检修：出现此故障的原因及故障排除方法可参照上例说明进行分析，此时故障元件可能是位置开关常闭点sq3-2或sq4-2 、sq2-2断开。只要其中有一对触点接触不良或损坏，工作台就不能向左或向右进给。sq2是变速冲动开关，常因变速时手柄操作过猛而损坏。
（6）工作台不能向上运动
故障分析与检修：若发现接触器km4没吸合，则故障原因必定在控制回路，可依次检查sq1-2、sq2-2、sq3-2、sq4-2、sa2-3、sq4-1、km3常闭触点及km3线圈；若向下、向左和向右进给均正常，就是向上不能运动，故障原因必定在sq4-1没闭合。调整位置开关sq4-1的行程，使手柄扳向向上位置时，位置开关sq4-1触点能接通即可排除此故障。
3.2非典型故障分析与处理
(1)主轴停车制动效果不明显或无制动
故障分析与检修：变压器t2绕组断线或接线端断线、vc整流器有断线或二极管损坏、fu3fu4熔丝熔断、sb5-2、sb6-2、sa1-1触点接触不好、电磁离合器yc1线圈断线或与其接触的电刷磨损接触不好等都有可能造成此故障。
故障排除：先检查变压器t2输入输出电压，电压正常后，检查熔断器fu3fu4，测量整流电压30v左右为正常，查看电磁离合器上的电刷，观察磨损是否过度，内部弹簧有无伸缩劲，如不行或不灵活就必须更换。用万用表测量电磁离合线圈yc1没有烧或者短路，其线圈是否在规定阻值内（正常阻值为几欧姆，过大过小都不正常）。再查个电器触点接触情况，有接触不良的，处理好或更换相应损坏的器件。
（2）按下停止按钮后主轴不停
故障分析与检修：若按下停止按钮sb5或sb6后，接触器km1不释放，常见的原因是由于主轴电动机起动和制动频繁，造成接触器km1的主触头发生熔焊，以致无法分断主轴电动机电源造成的；
故障排除：更换km1或其主触头。
（3）主轴不能变速冲动
故障分析与检修：故障原因是主轴变速行程开关sq1位置移动、撞坏或断线造成。
故障排除：调整行程开关sq1位置或更换等。
（4）主轴有带负荷时，自动停车
故障分析与检修：故障原因是主轴热继电器fr1动作、接触器km1老化吸合不牢、三相电源有隐性缺相故障。
故障排除：用钳形电流表测量主轴电动机m1的工作电流，若电动机过载运行，此时应减小负载，如减小负载后电流仍很大，超过额定电流，应检修电动机或检查机械传动部分，如电动机的电流接近fr1额定电流动作值，由于电动机运行时间过长，环境温度过高、机床振动造成热继电器fr1的误动作。实际工作中也发生过因接触器km1老化、铁芯有油污吸合不牢，以及机床电源进线为铝线，因铝线接线处氧化有负荷时电流变大，造成缺相造成此故障。应重新校验、调整热继电器fr1更换接触器km1或处理进线接头，减少接触电阻。
（5）工作台不能快速移动
故障分析与检修：工作台进给工作正常而不能快速进给，常见的原因是接触器km2不吸合或电磁离合器yc3供电回路不通。sb3sb4触点接触不好、km2线圈回路断线或松脱；若km2能吸合，电磁离合器yc3不动作，且主轴停车有制动，则电磁离合器yc3线圈断线或与其接触的电刷磨损接触不好、km2常开辅助触点接触不好等都有可能造成此故障。
故障排除：先检查km2的吸合情况，若km2不吸合，查sb3sb4触点接触情况、km2线圈回路断线或松脱情况，有接触不良的，处理好或更换相应损坏的器件。若km2能吸合，电磁离合器yc3不动作，且主轴停车有制动，按上例排除方法处理电磁离合线圈yc3不动作故障。
（6）熔断器fu2两相熔断故障
故障分析与检修：机床运行中，经常发生熔断器fu2两相熔断故障，可能原因为接触器km3km4互锁失效。经查发现km3km4互锁常闭接点实际接线与原理图不一致，km3km4互锁常闭接点与相应的接触器线圈km4km3互换了位置，且km3km4互锁常闭接点两端被并联，相当于km3km4互锁失效。
故障排除：按电路图重新接线，安装好接触器km3km4控制线，恢复km3km4常闭接点互锁。

第三部分—设计成果简介
3.1硬件设计
1、改造方法
进行电气控制线路改造时，X62W铣床电气控制线路中的电源电路、主电路保持不变；在控制电路中，变压器TC1的输出、整流器VC的输出及变压器TC3的输出部分去掉，用可编程控制器实现；为了保证各种联锁功能，将位置开关SQ1～SQ6、按钮SB1～SB6、照明开关S、冷却泵启动开关SA3、换刀开关SA4和圆形工作台转换开关SA5分别接入PLC的输入端；输出器件分三个电压等级，一个是接触器、继电器使用的110V交流电压，另一个是电磁离合器使用的24V直流电，还有一个是照明使用的36V交流电压，这样也将PLC的输出口分为三组连接点。
2、PLC硬件设计
经过对X62W万能铣床的控制系统进行详细的分析可知，该系统需要输入点数为16点，输出点数为9点，根据输入输出口的数量，可选择三菱FX1N—40MR型PLC。所有的电器元件均可采用改造前的型号，电器元件的安装位置也不变。

X62W铣床PLC I/O地址分配表

X62W铣床的工作流程图如图

X62W铣床的I/O接线如图所示

3.2 PLC梯形图设计及语句如图所示

第四部分—结束语
经过这次毕业设计，成功得通过了模拟调试和联机调试，X62W铣床模型基本设计完毕，其功能基本达到要求，而且只要修改控制程序，就可以让X62W铣床做出不同的动作，控制的柔性很好。
系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的过程。在这个过程中我对利用可编程控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的认识，对机械的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识与体会，并在学习和实践过程中增长了知识。丰富了经验。控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析，系统设计，系统实施，系统运行与调试的过程来进行。系统的分析与设计是一项很辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程。在设计过程中，要边学习边实践，遇到新的问题就不断探索和努力，即可使问题得到解决。
在设计中体会到理论必须和实践相结合。虽然收集了大量的资料，但在实际应用中却有很多的差异，出现了很多意想不到的问题。许多问题在书本上是这样，而在实际运用中却很不一样，在经过多次分析修改后，才设计出达到控制要求的系统。

第五部分—致谢
本次的毕业设计从选题到设计完成，通过上网广泛搜集资料和在图书馆查阅书籍，充分运用自己三年所学的专业知识，根据设计的要求记录相关的资料、数据信息，并在我的指导老师的细心指导下完成的。在这次毕业设计得到了很多老师、同学的帮助，我的指导老师对我的关心和支持尤为重要，在做设计过程中，每次遇到难题，当我向老师寻求帮助时，老师您每次不管忙或闲，总会抽空来找我面谈，然后一起商量解决的办法。
另外，感谢院校给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课题，并在这个过程当中，给予我们各种帮助，使我们在即将离校的最后一段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。再一次对我的母校表示感谢。
我非常感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，还有曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，在大学生活即将结束的最后的日子里，我们再一次演绎了团结合作的童话，通过自己的努力认真，圆满地完成了。正是因为有了你们的帮助，才让我不仅学到了本次课题所涉及的新知识，更让我感觉到了知识以外的东西，那就是团结合作的力量。正是因为有了你们的帮助，我才能克服各种困难，在他们的帮助下使我顺利的完成了毕业设计，在这里也想他们报以真挚的感谢。