X62W万能铣床PLC改造
1 绪论
1.1 国内外数控机床的发展状况
自从1969年第一台可编程控制器在美国问世以来，在工业控制中得到广泛的应用。近年来，我国在石油，化工，机械，轻工，发电，电子，橡胶，塑料加工等行业工业设备的电气控制中，越来越多的采用PLC机控制，并取得了显著的效果，深受各行业的欢迎。铣床是以各类电动机为动力的传动装置与系统的对象以实现生产过程自动化的装置。随着电子技术的发展，可编程控制器日益广泛的应用于机械，电子加工和设备电气改造中。
从上世纪80年代起铣床制造业的发展虽有起伏但对自动控制技术和自动铣床一直给予较大的关注。经过95自动车床和加工中心包括自动铣床的产业化的生产基地的形成，所生产的中档普及型自动铣床的功能性能和可靠性方面已具有较强的市场竞争力，但在中高档自动铣床方面与国外一些先进产品相比仍存在较大差距。随着科学技术的不断发展，生产工艺的不断发展改进，特别是计算机技术的应用，新型控制策略的出现，不断改变着电气控制技术的面貌，在控制方法上从手动控制发展到自动控制，在控制功能上，从简单控制发展到智能化控制；在操作上，从侧重发展到信息化处理，在控制原理上，从单一的有触头硬接线继电器逻辑控制系统发展到以微处理器或微型计算机为中心的网络化自动控制系统，X62W综合计算机技术，微电子技术，检测技术，自动控制技术，智能技术，通信技术，网络技术等先进的科学技术成果。[1]
X62W铣床是有普通机床发展而来的，它集于机械，液压，气动，伺服驱动，精密测量，电气自动控制，现代控制理论，计算机控制等技术于一体，是一种高效率，高精度能保证加工质量，解决工艺难题，而且又具有一定柔性的生产设备。万能铣床的广泛应用，给机械制造的生产方式，产品机构和产业机构带来了深刻的变化，其技术水平高低和拥有量多少，是衡量一个国家和企业现代化的一个重要标志。一种新型的控制装置，一项先进的应用技术，总是根据工业生产的实际需要而产生的。可编程控制器简称PC。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC其有可靠性
高，抗干扰能力强，维修检测方便等优点，适合于万能铣床的控制，获得广泛的推广，现在铣床全部采用PLC控制，结束了近20年使用继电控制的历史。[2] 1.2 自动铣床的发展及现状
从上世纪80 年代起铣床制造业的发展虽有起伏但对自动控制技术和自动
铣床一直给予较大的关注。经过九五自动车床和加工中心包括自动铣床的产业化生产基地的形成，所生产的中档普及型自动铣床的功能性能和可靠性方面已具有较强的市场竞争力。但在中高档自动铣床方面与国外一些先进产品相比仍存在较大差距。这是由于欧美日等先进工业国家于80 年代先后完成了自动机床产业进程，其中一些著名机床公司致力于科技创新和新产品的研发引导着数控机床技术发展，如美国英格索尔公司和德国惠勒喜乐公司对用于汽车工业和航空工业高速数控铣床的发展日本牧野公司对高效精密加工中心所作的贡献，德国瓦德里希公司在重型龙门五面加工铣床方面的开发以及日本马扎克公司研发的车铣中心对高效复合加工的推进等等。相比之下，我国大部分数近代机床产品在技术处于跟踪阶段。挡铣床出国内外先进产品主要技术指标，由此可以看到效率精度和可靠性等方面均有明显差。
随着科学技术的不断发展，生产工艺的不断发展改进，特别是计算机技术的应用，新型控制策略的出现，不断改变着电气控制技术的面貌。在控制方法上，从手动控制发展到自动控制在控制功能上，从简单控制发展到智能化控制；在操作上，从侧重发展到信息化处理；在控制原理上，从单一的有触头硬接线继电器逻辑控制系统发展到以微处理器或微型计算机为中心的网络化自动控制系统。
X62W铣床综合了计算机技术、微电子技术、检测技术、自动控制技术、智能技术、通信技术、网络技术等先进的科学技术成果。
X62W铣床是由普通机床发展而来。它集于机械、液压、气动、伺服驱动、精密测量、电气自动控制、现代控制理论、计算机控制等技术于一体，是一种高效率、高精度能保证加工质量、解决工艺难题，而且又具有一定柔性的生产设备。万能铣床的广泛应用，给机械制造业的生产方式、产品机构和产业机构带来了深刻的变化，其技术水平高低和拥有量多少，是衡量一个国家和企业现代化水平的重要标志。
2 X62W型卧式铣床原理分析
2.1 X62W型卧式铣床介绍
铣床通常用于加工零件的平面、斜面以及沟槽等，是一种比较精密的加工设备。铣床的种类较多，有立式铣床、卧式铣床、龙门铣床、仿形铣床以及各种专用类型铣床。X62W型卧式万能铣床是人们在生产中用得极为广泛的铣床之一。铣床的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分的代替人工操作，它能大大的改善工人的劳动条件，显著提高的提高生产劳动效率，加快实现工业的机械化和自动化的步伐。因而，受到各工业国家的重视，并投入大量的人力、物力加以研究和应用。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。通过此设计，可以使大家了解到X62W万能铣床的电气控制系统的结构和PLC控制的原理，简单工作原理。X62W型万能铣床的结构明了，是由床身、工作台、悬梁、刀杆支架、底座、横溜板和升降台等几个部分组成的。结构如图所示。（1-床身；2-主轴；3-刀杆；4-悬梁；5-刀杆挂脚；6工作台；7-回转盘；8-横溜板；9升降台；10-床身底座）[3]
图1 铣床结构图
在铣床的顶部带有一个水平的导轨，上面安装了一个或者两个刀杆支架的悬梁。刀杆支架的一端是固定在主轴上面的，由主轴铣床工作，而另一端是用来支撑铣刀轴的一端。刀杆支架可以在悬梁上做水平方向的运动，而悬梁也可以在铣床的顶端的水平导轨上面来回的水平运动，这是为了安装不同的心轴。位于车床
的前面是一个垂直导轨，它是给以升降台升降用的。在升降台上面的水平导轨上，装有可以前后（延平行主轴轴线方向）移动的溜板。溜板上面有个按钮可转动的回转盘，工作台就位于溜板上部的回转盘的导轨上做左右（垂直于主轴轴线方向）移动。工件是通过工作台上的T形槽来固定的。这样，安装在工作台方向的工件就可以在三个坐标六个方向调整位置进给。
2.2 X62W型万能铣床机床特点
（1）能够完成很多一般机床难以加工的复杂型面的加工。
（2）通过使用X62W铣床可以提高零件的加工精度。
（3）通过使用X62W可以比普通机床提高2至3倍的生产效率，对复杂零件的加工，生产率可以提高十几倍甚至几十倍的生产效率。
（4）X62W型铣床具有柔性，只需更换程序，就可以适应不同品种及尺寸规格零件的自动加工。
（5）很大的减轻了工人的劳动力。
2.3 X62W型万能铣床控制要求及原理分析
2.3.1 控制要求
铣床一般有顺铣和逆铣两种加工方式，所以铣床的主轴电机（M1）能够进行正转和反转。铣床的负载会影响铣刀的转速，因此铣床上会装有一个飞轮，但是其转速惯性比较大，使得主轴难以停下来，所以铣床主轴电机是通过电磁离合器制动来实现主轴精确停下来。[4]
（1）铣床的工作台分六个方向的运行是通过一台电动机（M2）传动的。六个方向都有正向和反向运动，故电动机（M2）要求能进行正传和反转。在进行铣削的时候，工作台在同一时间内只能进行一个方向的运动，所以各个方向之间应该有互锁保护。
（2）在使用铣床的圆工作台时，圆工作台不能同时与其他方向一同运动，所以圆工作台应该与六个方向之间存在着互锁关系。
（3）X62W型铣床是采用的机械变速的方法，它是通过改变变速箱的传动比来实现速度调节的。因此在变速的时候要求电动机要有冲动（点动控制）控制。（4）X62W型铣床的主轴旋转和工作台时间的运作是有时间顺序的，这是为了避免打坏刀具或出现安全事故，所以在铣床加工结束前，进给运动必须在铣刀停
转前停止运动。
（5）冷却泵是又一台独立的电机（M3）拖动。冷却泵是可以单独进行控制的。
图2 W62X铣床电气控制图
2.3.2 原理分析
X62W型万能铣床的电气原理图。线路总共可以分为三部分：主电路、控制电路、照明电路。[5]
表1 W62X型铣床电路中的部分原件及作用
（1）主轴电动机M1的控制
主轴电动机M1由接触器KM1来控制的，主轴的旋转方向一开始通过转换开关SA3来进行选择。通常在机床的两边都会有一个启动、停止按钮，便于操作。按下启动按钮SB1或者SB2时，接触器KM1线圈得点自锁，主轴电动机M1开始运转。
按下停止按钮SB5或者SB6，动断出点SB5-1或者SB6-1断开，接触器KM1失电，动合出点SB5-2或者SB6-2闭合，主轴制动电磁离合器YC1得点，主轴电动机停止运转。
为了更换刀片的方便，可旋转转换开关SA1，是的SA1-2闭合，YC1得电，主轴电动机M1受到制动停转。同时SA1-1断开，切断控制回路，以防换刀片的时候启动主动轴发生安全事故。主轴的幻想开关SA3的位置以及动作的说明图如下:
表2 主轴换向开关SA3的位置以及动作
主轴在变速的时候，应该先将变速手柄，转动变速盘选择所需的转速，然后快速将手柄推回原位。在手柄推拉过程中，凸轮瞬间压下弹簧杆使冲动开关SQ1顺势动作，接触器KM1线圈瞬时得电，以便于变速齿轮啮合。
（2）进给电动机M2的控制
工作台纵向和升降进给控制。工作台的上下和前后进给运动由一个操纵手柄控制的，该操纵手柄有上下前后中间和零位5个位置，并且与SQ3和SQ4联动。进给手柄在上中下前后位置时的控制关系如下图所示。
当手柄处于中间位置的时候，SQ3和SQ4都没有被压下去，工作台没有任何动作；当手柄调至向下或者向前的时候，位置开关SQ3被触动，使得SQ3-2断开，
SQ3-1闭合，KM3线圈得电，电动机M2正转，从而带动工作台向前或者向下运动；当手柄处于向后或者向上的位置时，位置开关SQ4被触动，使得SQ4-2断开，SQ4-1闭合，KM4线圈得电，电动机M2反转带动工作台向后或者向上运动。
（3）工作台、圆台、变速冲动、工作台快速移动的控制
1）工作台的左右进给控制。工作台的控制开关SA2处于SA2-1和SA2-3的位置时，横向操作手柄控制工作台左右运动，这个操作手柄有三个位置，分别是：左、中、右。工作台左右运动时手柄位置关系如下图所示。
当手柄调节至左边位置的时候，位置开关SQ5被触动，使得SQ5-2断开，动合触点SQ5-1闭合，接触器KM3线圈得电，电动机M2正转，从而带动工作台向左运动；当手柄调节至右边位置时，位置开关SQ6被触动，使得SQ6-2断开，动合触电SQ6-1闭合，接触器KM4线圈得电，电动机M2反转，从而带动工作台向右运动。
2）圆工作台的回转运动控制。在运行这一程序之前，首先应该将转换开关SA2调节至接通状态，此时SA2-2接通，触点SA2-1和触点SA2-3断开。接触器KM3线圈KM3得电，电动机M2运转，通过转动轴带动工作台旋转运动。停止工作台运转时，要务必断开SA2，以保证工作台能在六个方向上运动。
3）进给变速冲动控制。为了能是的齿轮啮合良好，进给变速需要瞬间点动，变速冲动是由变速手柄和冲动开关SQ2来实现的。
4) 工作台的快速移动控制。工作台的移动是通过电磁离合器YC3来实现的。进给时，电磁离合器YC2得电，电动机M2经过齿轮传动系统来控制工作台进给。按下按钮SB3或者SB4后，接触器KM2得电，KM2的动触点断开，电磁离合器YC2失电，同时KM2的常开触点使得YC3得电，使电动机M2带动工作台按照选定的方向快速移动。
3 X62W型万能铣床硬件设计
3.1 PLC优势
3.1.1 PLC原理
可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的；它采用一类可编程序的存储器，用于其内部的存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术运算等操作指令，并通过数字、模拟式的输入、输出，控制各类型的机械或生产过程；可编程序控制器及其有关外围设备的设计，都要按照“易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充功能的原则”进行。由定义可知：PLC是一种由“事先存储的程序”来确定控制功能的工控类计算机。
3.1.2 PLC特点
PLC技术的独特优点，决定了PLC会飞速的发展，PLC能较好的解决工业领域中普遍关心的可靠、灵活、安全、方便、经济的问题。[6]
（1） PLC具有抗干扰能力强、可靠性高
可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。PLC的平均无故障时间可以到达几十万小时，之所以有这么高的可靠性，是由于PLC采用了一系列的硬件和软件的抗干扰设施。
1）硬件方面。I/O通道采用了光电隔离，有效地抑制了外部的干扰源对PLC的影响；对供电电源及线路采用多钟形式的滤波，从而消除或抑制了搞频率的干扰；对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁的干扰；对有些模块设置了连锁保护、自诊电路等等。
2）软件方面。PLC采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰导致的故障；在PLC系统程序中设有故障检测和自诊程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定读写操作，一旦外界环境正常后，便可以恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。
（2） PLC编程简单、使用方便
目前，大多数PLC采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。梯形图语言的电路符号和表达式与电气控制线路图相近，形象、只管，很容易让工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以在控制电路不
变或改变很少的情况下，现场改变程序，所以使用灵活、方便。同时，PLC编程器的操作和使用也很简单。
（3）功能完善、通用性强
现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网等许多功能。同时，由PLC产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置共用用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统。
（4）设计安装简单、维护方便
由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大大减少。PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。在维修方面，由于PLC故障率非常低，维修工作量很少；而且PLC具有很强的自诊功能，如果出现故障，可根据PLC上的指示或编程上提供的故障信息，迅速查明原因，维修非常方便。
（5）体积小、质量轻、能耗低
由于PLC采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，因而是实现机电一体化的理想控制设备。
3.2 PLC选型
由于西门子S7-200系列的强大功能使得其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。并且具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格、丰富的功能模块以及强大的指令系统，使得S7-200 PLC可以近乎完美地满足小规模的控制要求，所以本次设计选用S7-200系列PLC。[7]
由于本设计实现的是整个控制电路用PLC控制，且圆形工作台转换开关SA1和换刀开关SA2和SA3不能直接接到PLC的输入端口来实现信号的输入，因而需引入接触器KM7、KM8、KM9。利用接触器的辅助触点和常开、常闭按钮（SB7~SB12）来实现对工作台与圆形工作台之间的转换、照明灯通断以及油泵电动机的启动与停止的控制。
因此可将X62W万能铣床控制电路稍作修改后如图3-1所示。根据修改后的图，确定输入输出信号。
3-1 修改后X62W万能铣床的电气原理图控制电路图
输入信号：SB1~SB12，SQ1~SQ4，SQ6~SQ7，KV1~KV2。（精简成17个信号）
输出信号：KM1~KM9。（9个信号）
S7-200 PLC的CPU模块按I/O点数多少不同而有五种不同结构配置的品种，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226。由于本设计中对铣床电气控制部分的改造需要17个输入信号、9个输出信号，所以选择S7-200 CPU226这款集成24输入和16输出的PLC。
3.3 I/O地址分配
3.4 PLC接线图
X62W万能铣床电气控制线路中的主电路保持不变，如图3-2所示。
3-2 X62W万能铣床的主电路图
在控制电路中，变压器TC的输出及整流器VC的输出部分去掉，用可编程控制器改造后的PLC硬接线如图3-3所示。
为了实现整个控制电路用PLC控制，圆形工作台转换开关SA1和换刀开关SA2和SA3分别用SB7~SB12表示常开和常闭按钮接入PLC的输入端子。同时为了保证各种连锁功能，将SQ1~SQ4和SQ6~SQ7,SB1~SB12和KV1~KV2按图4-2分别接入PLC的输入端，输出器件电压等级是接触器使用的220V电压。X62W所有的电器元件均可采用改造前的型号。
3-3 S7-200PLC硬件接线图
4 X62W型万能铣床控制程序设计
根据X62W万能铣床的控制要求，设计该电气控制系统的PLC控制梯形图，如图所示。该程序共有13个网络，反映了原继电器电路中的各种逻辑内容。
该程序及PLC的硬接线不仅保证了原电路的工作逻辑关系，而且具有各种连锁措施，电气改造的投资较少、工作量较小。
4.1 主轴电机启动、反接制动及变速冲动
在网络1中，因SQ7和SB3、SB4都采用常闭触头分别接至输入端子I1.7、I0.1，则I1.7、I0.1的常开触点闭合，按下启动按钮SB1或SB2时，I0.0常开触点闭合，Q0.0、线圈得电并自锁，在网络4中Q0.0常开触点闭合，中间继电器M0.2线圈得电，其常开触点闭合，为网络4以下程序执行做好准备，保证了只有主轴旋转后才有进给运动。Q0.0的输出信号使主轴电动机M1启动运转。
在网络2中，当按停止按钮SB3或SB4时，I0.1常开触点复位，Q0.0线圈失电，主轴惯性运转，同时I0.2常开触点闭合，M0.0线圈得电接通Q0.1，主轴反接制动停转。
在网络3中，SQ7被压合，I1.7常开触点闭合，网络1中I1.7常闭触点断开，从而Q0.0失电，继而网络3中的Q0.0常闭触点复位，M0.1得电接通Q0.1，主轴制动停转，实现主轴变速冲动。
4.2 进给运动及圆工作台控制
在网络4、网络5、网络6、网络7、网络8和网络9中，表达了工作台六个方向的进给、工作台的快速进给、进给冲动及圆工作台的工作逻辑关系。
当圆形工作台转换启动按钮SB7按下，I0.4常开触点闭合，Q0.6得电并自锁，网络4、网络5、网络6、网络7中线路被分断，网络8中的常闭触点复位，M0.4得电接通Q0.2，电动机M2启动，圆形工作台旋转。当按下停止按钮SB8，Q0.6失电，圆形工作台停止旋转。
左右进给时，SQ1和SQ2被压合，网络4、网络5中，I1.2和I1.3常开触点闭合，常闭触点断开，其他触点均处于复位状态时，M0.2和Q0.3得电且M0.2得电接通Q0.3，电动机M2正转或反转，拖动工作台向左或向右运动。
同样，工作台上下、前后进给时，SQ3或SQ4被压合，网络4、网络5中，I1.3和I1.4常开触点闭合，常闭触点断开，其他触点均处于复位状态时，M0.2和Q0.3得电且M0.2得电接通Q0.3，电动机M2正转或反转，拖动工作台按选定的方向（上、下、前、后中某一方向）作进给运动。
4.3 照明、冷却泵控制及控制电路优化
网络10和网络11分别表示照明控制和冷却泵控制。
由于在同一个程序编程中一个线圈编号只能给一个线圈，不能两个以上的线圈共用一个编号，所以当编程中遇到两处以上用到同一线圈，可以用中间继电器来解决。
此次毕业设计是我们从大学毕业走向未来工程师重要的一步。查找资料，通过老师的指导，与同学交流，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。
通过这次实践，我了解万能铣床的用途及工作原理，锻炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次毕业设计是对我专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。
但是毕业设计也暴露出自己专业基础有很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料了解的不透彻，等等。这次实践是对自己大学所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽马上就要毕业了，但求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己成为一个对社会有所贡献的人。