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《机床电气控制技术》课程总结

平面磨床M7120电气控制系统设计

班级： 541332
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2015年 10 月 15 日

目录

前言 2
一、M7120磨床的基本结构及要求 3
1.1、平面磨床的参数与结构 3
1.2、平面磨床的运动与控制 4
1.3 砂轮工作方式 4
二、 电气电路及控制的设计 5
2.1、砂轮电动机控制情况分析设计 5
2.2、液压泵电动机控制情况分析设计 6
2.3、砂轮电动机控制情况分析设计 6
2.4、电磁吸盘电路分析设计 7
2.5、M7120平面磨床整体电路设计 9
三、 PLC的介绍与选择 10
3.1、际电工委员会（IEC）PLC 定义 10
3.2、PLC 的特点 10
3.3、PLC 的分类及原理 10
3.4、德国西门子（SIEMENS）PLC 选择 10
3.5、PLC 型号的选择 10
四、 PLC控制程序分析与设计 12
4.1、主轴电动机的控制 12
4.2、快速液压移动电动机的控制 12
4.3、冷却泵电动机的控制 12
4.4、PLC 控制的 I/O 分配表 13
4.5、PLC 外部接线图 14
4.6、PLC程序梯形图 14
五、 元器件清单 15
参考文献 17
总结 17

摘要：本设计的内容主要是（可编程逻辑控制器）进行改造使用的 m7120 平面磨床的控制部分。进 行了全面的思考和分析的第一本次设计，使自己的 m7120 平面磨床的基本结构，运动情况，加工工 艺要求等有一定的了解。该 m7120 平面磨床主要成分等车身，尾座主轴齿轮箱，齿轮箱，导螺杆， 料杆，刀架。进行分析的 m7120 平面磨床电气控制部分获得它需要完成开门断电功能，主轴电机反 向控制功能，刀架的快速遍历功能，冷却泵电动机的控制。然后根据电气控制电路的电路图，可编 程控制器的梯形图转化，转化，进行仿真实验用可编程序控制器实验台。作为一个结果的可靠性极 高，极其丰富的指令集，易于掌握，操作方便，丰富的内置集成功能，实时特性。因此导致 m7120平面磨床完成门外原有的功能特点，而且还具有安装简便，稳定性好，易于使用，扩展能力强等特 点。
关键字：可编程控制器 改造电气控制 m7120 磨床

前言

在制造工业（以改变几何形状和机械性能为特征）和过程工业（以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征）中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。随着产品机型的更新换代，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是采用固定接线的，很难适应这个要求。大型自动生产线的控制系统使用的继电器数量很多，这种有触点的电器工作频率较低，在频繁动作的情况下寿命较短，从而造成系统故障，使生产的运行可靠性降低。
由于工厂企业中很多磨床年代久远，其工作已远远达不到现代生产的要求。因此有必要对旧式的常规电动机控制系统进行技术改造，以可编程序控制器取代常规的继电器，以达到磨床的自动化控制。本文介绍了用可编程序控制器来对平面磨床控制系统进行现代化改造，简要叙述了老式成型平面磨床的工作原理及用 PLC 进行改造设计的方法和设计步骤，并给出 PLC 编程程序梯形图。改造后的磨床工作安全可靠，系统运行情况良好，磨削精度更高；利用 PLC 控制磨床运行，实现了磨床启动、停止、故障停止、紧急停止的功能，并且有手动控制和自动控制两种控制方式，可根据运行要求灵活切换磨床的控制方式；提供过载，轻载，断相和电压不平衡保护；现场显示运行状态，实现智能化监控。并因所吸工件的不同灵活调节电磁吸盘的电流，并且显示数值大小。从而实现了磨床运行的自动化。PLC 控制的特点使原机床控制大大的简单化并且维修方便易于检查。节省大量的继电器元件使机床的工作效率更高。该项技术还可推广应用于其他设备或其他领域的控制改造中。
总之，许多在几年前的前沿性的、概念性的磨削技术当今已得到了广泛的应用。我国的磨床企业既不能不加选择的盲目照搬和跟随，也决的观望和抵触。只有立足于充分的市场调研和认真分析用户零件工艺的基础上，虚心学习并吸收先进的技术，扎扎实实的发展自己的产品，才能跟上世界机床技术的发展潮流。相信中国磨床市场的发展空间会更大，磨床市场的竞争也会更激烈。
一、 M7120磨床的基本结构及要求

1.1、平面磨床的参数与结构
平面磨床的结构如图所示，由床身、工作台、电磁吸盘、砂轮箱、滑座、立柱等部分组成，其中设计的外形尺寸规格为2200/1850/1350（mm），
最大磨削：200*630（mm）
工作台：200*560
工作电压：380V

图 1

床身：其中装有液压传动装置，以使矩形工作台做往复运动（纵向）
工作台：表面是T形槽,用来安装电磁吸盘以吸持工件或直接安装大型工件。
磁吸盘：夹紧工件。
砂轮箱：沿滑座水平导轨作横向运动。
滑座：可在立柱导轨上作上下移动。

1.2、平面磨床的运动与控制
根据磨床的结构可知它的几种运动形式，主运动是砂轮的旋转运动。垂直进给，即滑座在立柱上的上下运动；槽向进给，即砂轮箱在滑座上的水平运动；纵向进给，即工作台沿床身的往复运动。
平面磨床采用电动机拖动，所需电动机有砂轮电动机、液压电动机、冷却泵电动机、砂轮升降电动机,其拖动控制要求如下：
1、砂轮、液压泵、冷却泵3台电动机都只要求单方向旋转。砂轮升降电动机需双向旋转。
2、冷却泵电动机应伴随砂轮电动机的开动而开动。
3、在正常加工中，若电磁吸盘的吸力不足或消失时，砂轮电动机与液压泵电动机应立即停止工作，以防工件被砂轮切向力打飞而发生人身和设备事故。
4、电磁吸盘励磁线圈具有吸牢工件的正向励磁、松开工件的断开励磁以及抵消剩磁便于取下工件的反向励磁控制环节。
5、具有完善的保护环节。各电路的短路保护，各电动机的长期过载保护，零压、欠压保护，电磁吸盘吸力不足的欠电流保护，以及线圈断开时产生高电压而危及电路中其他电气设备的过压保护。
6、机床安全照明电路与工件去磁的控制环节。
1.3 砂轮工作方式
砂轮电动机直接带动砂轮旋转，对工件进行磨削加工,在M7120型平面磨床中，砂轮并不要求调速，所以通常采用笼型异步电动机来拖动，这是平面磨床的主运动；砂轮升降电动机使砂轮在立柱导轨上作垂直运动，用以调整砂轮与工件位置。工作台和砂轮的往复运动是靠液压泵电动机进行液压传动的，液压传动较平稳，能实现无级调速，换向时惯性小，换向平稳。
M7120 型平面磨床工作台的往返运动采用液压传动，能保证加工精度。由液压电动机拖动液压泵，经液压传动装置实现工作台的往复运动。冷却泵电动机带动冷却泵供给砂轮和工件冷却液，同时利用冷却液带走磨削下来的铁屑。

二、 电气电路及控制的设计

2.1、砂轮电动机控制情况分析设计
2.1.1、主电路
主电路有2台电动机。其中M1为砂轮电动机，带动砂轮转动来完成磨削加工工作；M2是冷却泵电动机，M1和M2同由接触器KM1的主触头控制，单向旋转。其中热继电器FR1、FR2对电路进行过载保护，熔断器FU对其作短路保护。
2.1.2、控制电路
按下启动按钮SB2，接触器KM1得电吸合并自锁，M1和M2同时启动运转。按下停止按钮SB1，KM1失电释放，M1和M2同时失电停止。
注：若加工中不需要冷却液，则可单独关断冷却泵电动机。
电路控制图如图2所示：

图2电动机M1～M2的控制电路

2.2、液压泵电动机控制情况分析设计
2.2.1、主电路
主电路有一台电动机。M为液压泵电动机，实现工作台的往复运动，由接触器KM1的主触头控制，单向转动。其中热继电器FR对电路进行过载保护，熔断器FU对其作短路保护。
2.2.2、控制电路
按下启动按钮SB4，接触器KM1得电吸合并自锁，液压泵电动机M启动运转。按下停止按钮SB3，KM1失电释放，M失电停转。
电路控制图如图3所示：
图 3液压泵电动机的控制电路
2.3、砂轮电动机控制情况分析设计
2.3.1、主电路
主电路有一台电动机。M为砂轮升降电动机，用于在磨削过程中调整砂轮与工件之间的位置，有接触器KM1和KM2的主触头控制，双向转动。其中熔断器FU对其作短路保护。砂轮升降电动机是短期工作的，因此不设过载保护。
2.3.3、控制电路
砂轮升降电动机只有在调整工件和砂轮之间的位置时才使用，因此用点动控制。按下点动按钮SB5时，接触器KM1得电吸合，电动机M启动正转，砂轮上升。按下点动按钮SB6时，接触器KM2得电吸合，电动机M启动反转，砂轮下降。砂轮达到所需位置时，松开SB5或SB6，KM1或KM2失电释放，电动机停转，砂轮停止上升或下降。
电路控制图如图4所示：

图4砂轮升降电动机的控制电路
2.4、电磁吸盘电路分析设计
据控制要求，我们在砂轮电动机与冷却泵电动机的控制电路中添加了动合触头KV，该触头为欠压继电器KV的动合触头。电磁吸盘控制电路通过欠电压继电器KV进行联系，当电源电压过低时，电磁吸盘吸力不足，会导致加工过程中工件飞离吸盘的事故，因此，吸盘线圈并接有欠电压继电器KV。当电源电压过低时，KV不吸合，串接在KM1、KM2线圈控制电路中的动合触头KV断开，切断KM1、KM2线圈电路，是砂轮电动机和液压泵电动机停止工作，确保安全生产。
电磁吸盘电路动作过程如下：
2.4.1、充磁过程
按下充磁按钮SB8，接触器KM3得电吸合并自锁，其主触头闭合，电磁吸盘YH线圈得电，工作台充磁吸住工件，同时KM5辅助动断触头断开，使KM6不能得电，实现互锁。磨削加工完毕，在取下加工好的工件时，先按下SB7，切断电磁吸盘YH上的直流电源。由于吸盘和工件都有剩磁，因此需对吸盘和工件进行去磁。
2.4.2、去磁过程
按下点动按钮SB9，接触器KM6得电吸合，其两副主触头闭合，电磁吸盘通入反向直流电，使工作台和工件去磁。去磁时，为防止因时间过长而使工作台反向磁化，再次吸住工件，因而接触器KM6采用点动控制。
保护装置由放电电阻R和电容C以及欠电压继电器KV组成，电阻R和电容C的作用是，电磁吸盘是一个大电感，在充磁吸工件时，存储了大量的磁场能量，在脱离电源的一瞬间，吸盘YH的两端产生较大的自感电动势，使线圈和其他电器元件损坏，因此用电阻和电容组成放电回路利用电容C两边的电压不能突变的特点，使电磁吸盘线圈两端电压变化趋于缓慢，利用电阻消耗电磁能量。欠电压继电器KV的作用是，在加工过程中，若电源电压不足，则电磁吸盘不能吸牢工件，导致工件被砂轮打出，造成严重事故。因此，在电路中设置了欠电压继电器KV，将其线圈并联在直流电源上，其动合触头串联在液压泵电动机与砂轮电动机的控制电路中，若电磁吸盘不能吸紧工件，KV就会释放使液压泵电动机和砂轮电动机停转，保证了安全。
电路控制图如图5所示
图5
电磁吸盘电路（1） 电磁吸盘电路（2）
2.5、M7120平面磨床整体电路设计

综上分析，结合M7120平面磨床的工作方式，砂轮电动机、液压泵电动机、升降电动机的运动情况和控制情况和电磁吸盘的工作状态，加以设计最后M7120平面磨床整体电路图如图6所示

三、 PLC的介绍与选择

3.1、际电工委员会（IEC）PLC 定义
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统。专为工业环境应用而设计。它采用 可编程序的存储器，用来在其内部存储执行内部逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出控制各类型的机械和生产活动。
3.2、PLC 的特点
1、可靠性高，抗干扰能力强。
2、编程直观，简单。
3、环境要求低，适应性好。
4、功能完善，接口功能强。
5、元件少，结构较简单。
3.3、PLC 的分类及原理
PLC分类按INPUT和OUTPUT点数多少，分为超小型、小型、中型、大型和超大型。按结构形式分：整体型和模块型.PLC工作原理:PLC采用循环扫描的工作方式，包括内部处理、通讯操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。全过程扫描所须的时间称为扫描周期。当处于RUN状态时，上述扫描周期为不断循环过程。
3.4、德国西门子（SIEMENS）PLC 选择
德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在 工控、冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。在众多的 PLC 生产厂家中，西门子公 司的 PLC 系列产品以其较高的性价比成为众多客户的首选。因此我们选择西门子公司的 PLC 作为本次设计的可编程序控制器
3.5、PLC 型号的选择
S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，其中CPU22X 型PLC有 CPU221。CPU222，CPU224，CPU226四种基本型号。
选用PLC上，考虑到只是对M7120磨床做电器气部分的改造，输出端口需要 16个，输入端口需要7个。而且并不通过网络或其他方式做远程控制。因此，考虑到经济、实用，稳定等方面因素。我们决定选用SIMATICS7-200系列的 S7—224作为本次设计 PLC型号.

四、 PLC控制程序分析与设计

本次设计的题目是利用PLC对M7120型平面磨床的电气部分进行改造。此次改造电气是利用PLC控制继电器，再由继电器控制电动机以达到以下功能：
4.1、主轴电动机的控制
4.1.1、砂轮的升降电动机的正反转控制
砂轮的升降电动机的正反转控制由按纽SB2、SB3和接触器KM3、KM4组成主轴电动机正反转控制电路，并由接触器KM3主触点短接反接自动电阻R，实现全压直接启动运转。主轴电动机的运转部分需要两个输入端子（开/关）、三个输出端子（继电器）来控制。继电器的接触与断开，由PLC模拟实现。输入和输出端子由I0.3、I0.3、 Q0.0、Q0.1、Q0.2来控制。
4.1.2、砂轮的升降电动机反接制动的停车控制
砂轮的升降电动机反接制动的停车控制由停止按钮SB1与正反转接触器KM1、KM2及反接制动接触器KM3，构成电动机正反转反接制动控制电路。输入和输出端子由I0.3、Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6和Q0.7来控制。
4.2、快速液压移动电动机的控制
液压泵电动机，实现工作台的往复运动，由接触器KM1的主触头控制，单向转动。其中热继电器FR对电路进行过载保护，熔断器FU对其作短路保护。
按下启动按钮SB2，接触器KM1得电吸合并自锁，液压泵电动机M启动运转。按下停止按钮SB1，KM1失电释放，M失电停转。输入和输出端子由I0.6和Q0.4来控制。
4.3、冷却泵电动机的控制
冷却泵电动机，M1和M2同由接触器KM1的主触头控制，单向旋转。按下启动按钮SB2，接触器KM1得电吸合并自锁，M1和M2同时启动运转。按下停止按钮SB1，KM1失电释放，M1和M2同时失电停止。注：若加工中不需要冷却液，则可单独关断冷却泵电动机。输入和输出端子由I0.4、I0.5和Q0.3来控制在了解各项功能以后，根据输入/输出的端口，扩展能力，CPU容量，频率等选择合适的PLC作为本次设计的控制器件。根据所选择的机型和C650型卧式车床的各项功能要求，利用PLC的翻译法对电路进行翻译，写出程序梯形图，编译出程序语句表。编译完以后，对程序进行检查调试。在PLC实验台模拟调试。局部作出修改，以完善程序。满足条件后根据程序对I/O进行配线。
4.4、PLC 控制的 I/O 分配表

表一
输入信号

输出信号

名称
输入元件
输入点
名称
输出元件
输出点
电压继电器
KV
I0.0
液压泵电机
接触器
KM1
Q0.0
总停按钮
SB1
I0.1
砂轮电机接触器+冷却液电动机
KM2
Q0.1
液压泵电1M
启动按钮
SB3
I0.2
砂轮上升接触器
KM3
Q0.2
液压泵电1M
停止按钮
SB2
I0.3
砂轮下降接触器
KM4
Q0.3
砂轮电机2M
启动按钮
SB5
I0.4
电磁吸盘充磁接触器
KM5
Q0.4
砂轮电机 2M停止按钮
SB4
I0.5
电磁吸盘去磁接触器
KM6
Q0.5
升降砂轮电机 4M
上升按钮
SB6
I0.6

升降砂轮电机 4M
下降按钮
SB7
I0.7

电磁吸盘充磁按钮
SB9
I1.0

电磁吸盘停止充磁按钮
SB8
I1.1

SB10
I1.2

液压泵电机 1M
热继电器
FR1
I1.3

砂轮电机 2M 热继器、
冷却泵电机 3M 热继电器
FR2、FR3
I1.4

4.5、PLC 外部接线图
4.6、PLC程序梯形图

五、 元器件清单
序号
符号
名称
规格型号
数量
备注
1
KM1
液压泵电机交流接触器
CJX1-10
1

2
KM2
转动砂轮、冷却电机
交流接触器
CJX1-20
1

3
KM3
上升砂轮电机交流接触器
CJX1-5
1

4
KM4
下降砂轮电机交流接触器
CJX1-5
1

5
FR1
液压泵电机热继电器
FR16-5/3D
1

6
FR2
砂轮电机热继电器
FR16-16/3D
1

7
FR3
冷却电机热继电器
FR16-0.72/3D
1

8
FU1
主电源熔断器
RC1A-60/35
3

9
FU2
电磁吸盘熔断器
RC1A-5/2
2

10
FU3
PLC 熔断器
RC1A-30/20
1

11
FU4
指示灯熔断器
RC1A-5/2
1

12
FU5
照明灯熔断器
RC1A-5/2
1

13
KV
欠电压继电器
DDY-220V
1

14
SB1
总停止按钮
LA18—22
1
红色
15
SB2
液压泵停止按钮
LA18—22
1
红色
16
SB3
液压泵启动按钮
LA18—22
1
绿色

17
SB4
砂轮、冷却停止按钮
LA18—22
1
红色

18
SB5
砂轮、冷却启动按钮
LA18—22
1
绿色

19
SB6
砂轮上升按钮
LA18—22
1
黑色

20
SB7
砂轮下降按钮
LA18—22
1
黑色

21
SB8
吸盘停止按钮
LA18—22
1
黑色

22
SB9
吸盘通磁按钮
LA18—22
1
绿色

23
SB10
吸盘退磁按钮
LA18—22
1
黑色

24
HL
LED 指示灯
6V/AC 9mA
5
绿色

25
HL
LED 照明灯
24VAC/ 350mA
1

26
YC
电磁吸盘
HDXP/127V 1.45A
1

27
C
电容
5mf
1

28
R
电阻
220 欧姆 1KW
1

29
VC
整流器
2CZ11C
1

30
PLC
西门子 S7-200
S7-200/CPU/224
1

参考文献
[1]邵泽强，机电设备装调技能训练与考级，北京理工大学出版社，2013.12
[2]李道霖.电气控制与PLC原理及应用.北京:电子工业出版社2006.5
[3]吴明山，学看实用电气控制电路图 ，电子工业出版社 2006.6
[4]倪远平.现代低压电器原理及应用.北京:高等教育出版社,2003.4
[5]周希章.电动机的启动、控制和调速.北京:机械工业出版社,1984.2
[6]连赛英.机床电气控制技术.北京：机械工业出版社，1996.10
[7]倪远平.现代低压电器原理及应用.北京:高等教育出版社,2003
[8]周希章.电动机的启动、控制和调速.北京:机械工业出版社,

总结

时间如流水般，我们学习到了最后一个环节—课程设计。使我们可以通过课程设计来进一步综合检验和巩固自己学到的知识。
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有了深刻的认识，对机械 （M7120 型平面磨床）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亲 身的认识与体会。控制系统的设计（甚至开发）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。
不论是在知识的吸取，还是在研究的设计的方法上还有不少的收益。这也是对自己幸苦和努力的回报。