M7130型平面磨PLC改造

1 M7130型平面磨床概述

1.1 M7130磨床的基本结构及组成

磨床是机械行业中广泛用以获得高精度、高质量加工表面的一种高效加工机床。磨床是以砂轮作刀具来切削工件的。砂轮的旋转运动是主运动，工件或砂轮的往复运动是进给运动，而辅助运动一般为砂轮架的快速移动及工作台的移动等。

磨床的种类很多，有平面磨床、外圆磨床、内圆磨床、无心磨床以及一些专用磨床，如螺纹磨床，球面磨床、齿轮磨床、导轨磨床等。其中尤以平面磨床应用最为广泛。

M7130型卧轴矩台平面磨床是利用砂轮圆周进行磨削加工平面的磨床，其主要由床身、工作台、电磁吸盘、立柱、砂轮箱与滑座等组成。平面磨床主运动是砂轮的旋转运动一进给运动有垂直进给〔滑座在立柱上的上、下运动）；横向进给（砂轮箱在滑座上的水平移动）：纵向运动（工作台沿床身的往复运动）。工作时，砂轮作旋转运动并沿其轴向作定期的横向进给运动工件固定在工作台上，工作台作直线往返运动矩形工作台每完成一纵向行程时，砂轮作横向进给，当加工整个平面后，砂轮作垂直方向的进给，以此完成整个平面的加工。如图 1.1所示

图1.1

1.2 M7130平面磨床运动形式

矩形工作台平面磨床工作状况如图1.2所示。磨床是使工件随工作台住复进给，利用砂轮的旋转来实现磨削加工的。

图1.2

1.2.1主运动

平面磨床的主运动是指砂轮的旋转运动。为保证磨削加工质量,要求砂轮有较高转速，通常采用两极笼型异步电动机拖动。为提高砂轮主轴的刚度，采用装入式砂轮电动机直接拖动，电动机与砂轮主轴同轴；砂轮电动机只要求单方向旋转, 可直接启动，无调速和制动要求。

1.2.2进给运动

工件或砂轮的往复运动为进给运动，有垂直进给，横向进给及纵向进给三种工作台每完成一次纵向住复运动时，砂轮箱作一次间断性的横向进给；当加工完整个平面后，砂轮箱作一次间断性的垂直进给．

1.纵向进给纵向进给即工作合沿床身的往复运动。机床工作台是通过活塞杆，由油压推动作纵向往复运动的; 通过换向撞块碰撞床身上的液压换向手柄, 改变油路而实现工作台往复运动的换向; 工作台往复运动的极限位置可通过撞块来调节。

2.垂直进给垂直进给即滑座在立柱上的上下运动。床身上固定有立柱，沿立柱的导轨上装有滑座。在滑座内部往住也装有液压传动机构，由垂直进刀手轮操作，滑座可沿立柱导轨上下移动。

3.横向进给横向进给即砂轮箱在滑座上的水平运动。由横向移动手轮操作，砂轮箱经液压传动机构，沿滑座水平导轨作连续成间断横向移动，前者用于调节运动或修整砂轮，后者用于进始。

进给运动是由液压泵电动机拖动液压泵，通过液压传动机构实现的。液压泵电动机只需要单方向旋转，可直接启动，无调速和制动要求。

1.2.3辅助运动

1.工件夹紧工作台表面的T形槽可以直接安装大型工件；也可以安装电磁吸盘，电磁吸盘通人直流电流时，可同时吸持多个小工件进行磨削加工．在加工过程中，工件发热可自由伸展，不易变形。当电磁吸盘通入反向直流小电流可以使工件去磁，方便卸下工件。电磁吸盘与机械夹紧装置相比，具有夹紧迅速、操作快捷，不损伤工件等优点，但它只能对导磁性材料〔如钢铁）的工件才能吸持，而对非导磁性材料（如铜铝）的工件则不能吸持。

2工作台以纵向、横向、垂直三个方向的快速移动辅助运动还有砂轮箱在滑座水平导轨上的快速横向移动、滑座沿立柱垂直导轨的快速垂直移动、工作台往复运动速度的调整和快速移动等，也是由液压传动机构实现。

3.工件冷却冷却泵电动机拖动冷却泵，提供切削液冷却工件，以减小工件在磨削加工中的热交形并冲走磨削，保证加工质量。冷却泵电动机同样只需要单方向旋转，可直接启动，无调速和制动要求。

攀枝花学院本科课程设计（论文） 2 M7130平面磨床的电力拖动特点及控制要求

2 M7130平面磨床的电力拖动特点及控制要求

磨床的砂轮主轴一般并不需要较大的调速范围，所以采用笼型异步电动机拖动。为达到缩小体积、结构简单及提高机床精度，减少中间传动的目的，采用装入式异步电动机直接拖动砂轮，这样电动机的转轴就是砂轮轴。由于平面磨床是一种精密机床，为保证加工精度采用了液压传动采用一台液压泵电动机，通过液压装置以实现工作台的往复运动和砂轮横向的连续与断续进给为在磨削加工时对工件进行冷却，需采用冷却液冷却，由冷却泵电动机拖动。为提高生产率及加工精度，磨床中广泛采用多电动机拖动，使磨床有最简单的机械传动系统。所以M7130平面磨床采用三台电动机：砂轮电动机、液压泵电动机和玲却泵电动机进行分别拖动。

基于上述拖动特点，对其自动控制有如下要求：

1.砂轮电动机、液压泵电动机和冷却泵电动机都只要求单方向旋转

2.冷却泵电动机随砂轮电动机运转而运转，但冷却泵电动机不需要时，可单独断开冷却泵电动机．

3.具有完善的保护环节：各电路的短路保护，电动机的长期过载保护，零压保护．电磁吸盘的久电流保护，电磁吸盘断开时产生高电压而危及电路中其他电气设备的保护等．

4.保证在正常使用电磁吸盘下作和不用电磁吸盘在调整机床工作时，都能开动机床各电动机。但在使用电磁吸盘的工作状态时，必须保证电磁吸盘吸力足够大，这样才能开动机床各电动机．

5.具有电磁吸盘吸持工件、松开工件，井使工件去磁的控制环节。

6.必要的照明与指示信号．

3 M7130平面磨床电气原理图分析M7130平面磨床电气原理图如图3.1所示

图3.1

M7130平面磨床电器元件如表3.1

3.1主电路分析

三相交流电源由转换开关QS1引人。

冷却泵电动机M2采用接插件XP1连接，和砂轮电动机M1一起，均采取直接启动，由接触器KM1 控制它们的启动和停止，并采用热继电器KR1作长期过载保护。液压泵电动机M3也采取直接启动，由接触器KM2控制其启动与停止，采用热继电器KR2作长期过载护。三台电动机共用熔断器FU1作短路保护，外亮均采取接地保护。

3.2控制电路分析

3.2.1 控制电路电源控制

电路从FU1下引出交流380V电压作为控制电源，采用熔断器FU2作短路保护。

3.2.2 电磁吸盘控制电路

电吸吸盘控制电路由整装置、控制装置及保护装置等部分组成。电磁吸盘整流装置是由变压器TC2与桥式全波整流器V组成。变压器TC2将交流220v电压降为127V, 经桥式整流装置后变为110V的直流电压。电磁吸盘集中由转换开关QS2控制。QS2有三个位置：充磁、断电、去磁。平常QS2处干断电位置正常加工时，QS2处于“充磁”位置，触头接通，经过插销XP2给电磁吸盘的线圈供电．电磁吸盘流过正常充磁电流时,工件被吸牢；同时KA线圈得电，KA(11-13)接点闭合，为接通接触器KM1、KM2，即启动三台电动机进行加工作准备。

将QS2置于“去磁”位置，触头接通，整流电压反向，电磁吸盘通入反向直流电流，并串联可变电阻R2，用以限制并调节反向去磁电流的大小，使工件去磁但不致反向磁化，再将QS2置于断电位置，卸下工件。此时KA(11-13) 接点闭合，可以接通接触器KM1、KM2，启动三台电动机，便于调整机床或在不使用电磁吸盘时进行加工。

若工件对去磁要求严格，在取下工件后，还要用交流去磁器进行处理。交流去磁器是平面磨床的一个附件，使用时，将交流去磁器插头插在床身的插座上，再将工件放在去磁器上即可去磁。

由于电磁吸盘线圈匝数多、电感大，在通电时储存了大量的磁场能量，当电磁吸盘线圈断电时，在其线圈两端将产生高电压，易使线圈绝缘及其他电器设备损坏。为此，应在电磁吸盘两端设置放电回路，以吸收断开电源后它所释放出的磁场能量。该机床在电磁吸盘两端并联了放电电阻R3。

在整流变压器TC2的二次侧装有熔断器FU3作短路保护。此外，在整流装置中还设有R1、C串联支路并联在TC2的二次侧，用以吸收交流电路产生的过电压，以及在直流侧电路通断时在TC2的二次侧产生的浪涌电压．实现整流装置的过电压保护．

3.2.3砂轮电动机Ml和冷却泵电动机M2的控制

当主令开关QS2置于“充磁”或“去磁”位置时KA(11-13)或QS2(11-13)闭合，按下按钮SB1，接触器KM1得电吸合，主电路KM1的三个常开主触头闭合，砂轮电动机M1和冷却泵电动机M3通电运转；同时KM1辅助触头(1-3)闭合自锁。

按下停止按妞SB2，接触器KMl断电释放，砂轮电动机M1和冷却泵电动机M3停止转动。

3.2.4液压泵电动机M3控制

当主令开关QS2置于“充磁”或“去磁”位置时，KA（11-13）或QS2(11-13)闭合，按下按钮SB3，接触器KM2得电吸合，主电路KM2的三个常开主触头闭合，液压泵电动机M3通电运转；同时KM2辅助触头(1-15)闭合自锁。按下停止按钮SB4，接触器KM2断电释放，液压泵电动机M3停止转动。

3.3其他电路分析

照明电路通过变压器TC1，将电压降为安全电压，并由主令开关SA来控制照明灯的开关；熔断器FU2为照明电路的短路保护。

3.4其他联锁和保护

3.4.1电磁吸盘的欠电流保护

平面磨床作用电磁吸盘加工时，为确保人身和设备安全，当出现电磁吸盘吸力不足成吸力消失时，将不允许继续工作，因此在电磁吸盘线圈电路中串入欠电流继电路KA作欠电流保护。只有电磁吸盘具有足够的吸力时，欠电流继电器KA 的常开触头闭合才能启动砂轮电动机Ml、冷却泵电动机 M2,液压泵电动机M3进行磨削加工。若在磨削加工过程中，电磁吸盘的线圈电流过小或消失，则欠电流继电器KA将释放，其常开触头断开，接触器KM1, KM2线圈断电，电动机M1、M2、M3立即停止旋转，避免事故发生。

3.4.2冷却泵电动机与砂轮电动机的顺序控制

在砂轮电动机启动后，才能启动冷却泵电动机。

3.4.3过载保护

热继电器KR1和KR2的常闭触头串联在控制电路中，当砂轮电动机Ml或液压泵电动机M3过载时，热继电器KR1或KR2的常闭触头断开，控制电路断电，所有电动机停止旋转，实现了过载保护。

4 M7130磨床PLC控制方案的设计

4.1 基本方案的确定

1. 原磨床的工艺加工方法不变；

2. 在保留主电路的原有元件的基础上，不改变原控制系统电气操作方法；

3. 电气控制系统控制元件（包括按钮、行程开关、热继电器、接触器），作

用与原电气线路相同；

4. 主轴和进给起动、制动、低速、高速和变速冲动的操作方法不变；

5. 改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC编程实现。

4.2 PLC机型选择

在国内市场上西门子公司的PLC以大、中型机为主。西门子公司的早期产品是S5系列，小型饥有S5—95U、S5—100U，中型机有55—U5U，大型机有S5—135U、S5—155U c作为S5系列的更新换代产品，西门子公司近年又推出了性价比更高的S7系列，有S7—200(小型)、S7—300(中型)和57—400(大型).

S7—200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制，应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。作为一个产品系列S7—200有多种型号的CPU 单元(主机)，CPU单元的第一代产有CPU212、CPU214、CPU215、CPU216四种型号。近年来更新换代的第二代产品有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226四种型号，其技术性能见表4.1。

1．CPU221

本机集成6输人/4输出共10个数字量I/O点，无I/O扩展能力；6K字节程序和数据存储空间：4个独立的高速计数器，2路独立的20kH z高速脉冲输出51个B5485通信/编程L3；具有PPN通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能

力。它非常适合于小点数控制的微型控制器、

2．CPU222

本机集成8输人/6输出共14个数字量I/O点，可连接2个扩展模块，最大扩展至78路数字量I/O点或10路(8/2)模拟量I/O点；6K字节程序和数据存储串间；4个独立的高速计数器，2路独立的20kH z高速脉冲输出，具有PID控制器i1个Rs485通信/编程口，具有P四通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力。它是具有扩展能力的、适应性更广泛的全功能控制器。

3．CPU 224

本机集成14输人/10输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O/点或35路模拟量I/O点；113K字节程序和数据存储空间；6个独立的高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有ND控制器E1个RS485通信/编程口，具有P四通信协议、MN通信协议和自由方式通信能力2I/O端子排很容易整体拆卸。它是具有较强控制能力的控制器。

4．CPU 226

本机集成24输人/16输出共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点213K字节程序和数据存储空间；6个独立的高速计数器，2路独方的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通信/编程门，具有PN通信协议、MN通信协议和自内方式通信能力31I/O端子排可很容易地整体拆卸。该型号适合于I/O点数较多且控制要求较高

的中、小型控制系统。

清点M7130平面磨床需接入PLC的输入输出器件后，确定需输人口10个及输出口3个，据此选用西门子S7—200系列CPU224，AC/DC/RELAY。这是一种具有14个输人口及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磨床的工作需要。

4.3 PLC的I/O分配

PLC的I/O分配表见表4.2。

4.4 PLC系统的控制接线连接设计系统的控制接线连接如图4.1所示

图4.1

4.5 PLC梯形图设计

PLC梯形图如图4.2所示

图4.2

4.6程序指令语句表编制

程序指令语句表如下

LD I0.0

O I1.0

AN I1.1

A I0.7

= M0.0

LPS

LD I0.1

O Q0.0

ALD

AN I0.2

= Q0.0

LRD

LD I0.3

O Q0.1

ALD

AN I0.4

= Q0.1

LPP

LD I0.5

O Q0.2

ALD

AN I0.6

= Q0.2

总结

将以上设计好的PLC程序输入到西门子S7—200系列CPU224主机后，连接好输入输出分配和主电路，按照以上的步骤进行调试，调试过程全部通过，完全满足M7130磨床的控制要求M7130磨床原继电器电路经西门子S7—200系列CPU224 PLC改造后，虽然一次性投资较大，但改造后的设备大大降低了运行的故障率，提高了设备运行的稳定性和效率，减轻了工人的劳动强度，降低了日常维护成本，并可避免因误操作而引起的事故，改造后的设备经实际使用表明效果非常好。

此课程，在“电机拖动”这门课程的基础上，对电动机的各种起动，制动，调速方法所对应的控制线路进行分析，研究。同时，也对电气控制，典型机床和重机械控制线路进行了详细的分析和讲解。期间，我们认识了各种元器件。（继电器，熔断器，主令电气等）课程设计，让我们有很多的机会实际运用一下所学的知识，在对电气原理图，安装图等的绘制与分析，对PLC编程与调试等过程中提高了我们的动手能力及解决实际问题的能力。

在这次学习后，我对接触器控制、PLC程序控制两者不同之处有了深刻的体会。接触器控制具有自动控制方法简单、工作可靠、成本低等特点。大多是用于有触点控制系统，适用于固定动作要求的控制设备，一旦工作中发生程序变化、错误，就需要重新配线，比较麻烦，不适用与较复杂和控制要求经常改变的场合。PLC程序控制是在计算机技术基础上发展起来的一种工业自动控制，它编程简单、动作可靠且动作顺序变更容易，一旦工作中发生程序变化，只要改变程序结构即可，因此被广泛应用与复杂控制系统。

通过一个学期的课程学习和前几次的课程设计，我对电气控制和可编程控制器PLC也有了一定的了解和掌握。在未上这门课之前，我连接触器、继电器这类最基本的电气元件都不知道。后来通过老师的讲解及自己慢慢的学习，对这方面的知识，逐渐的也有了一定的了解。现在已能看懂和设计一些简单的电气图了。

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