四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文
S7-200PLC 在 XA6132 铣床控制系统改造中的应用
摘要：
XA6132 卧式万能铣床是对工件进行特定加工的一种高效率、自动化的专用 加工设备。原有的控制电路为继电器、接触器控制，其触点多、线路复杂，使用 多年后，故障率高、维修量大、维护不便、可靠性差、生产率低，并且不适应目 前小批量、多品种、复杂零件的加工，为了充分利用机床，就需要对机床进行机 电一体化改造以提高设备的自动化水平 ，提高生产效率 ，减轻工人的劳动强 度 。使得加工精度有所改善 。 关键词：万能铣床 PLC 应用 变频器应用 技术改造
- 1 -
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文
S7-200PLC in the XA6132 milling machine control system application
Summary：
XA6132 horizontal universal milling is a particular workpiece processing an efficient, automated special processing equipment. The original control circuit for the relay, contactor control, the contact and more complex circuits, used for many years, the failure rate, repair capacity, maintenance inconvenient, unreliable, low productivity, and not suited to the current low-volume, multi- species, complex parts processing, in order to make full use of machine tools, machine tools on the need for reform to improve the mechanical and electrical integration, automation of equipment, improve production efficiency, reduce labor intensity. Makes the precision improved.
Keywords:
Universal Milling Machine Applications Transformation
PLC Applications
Inverter
- 2 -
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文
绪论
当今世界科学技术发展日新月异。电气自动化技术亦是发展迅 速，因为其涉及领域广泛，已成为众多技术中的一枝独秀。在国内应 用也趋向成熟。特别是在工业发展中体现最为突出，以往的机械式控 制被逐步取代，使各个生产行业得到质的飞跃。 现在工业生产设备的电气控制系统控制系统主要有三种控制方式： 继 电路控制系统、PLC 控制系统、微机控制系统。继电器控制系统由于 故障率高、可靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点，目前 已逐渐被淘汰。微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也 存在抗扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术等 缺陷。而 PLC 控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性 强,设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点，已成为目前 在设别电气控制系统中使用最多的控制方式， 目前也广泛用于传统继 电器控制系统的技术改造。 本设计以 XA6132 型万能铣床为研究对象， 保持原铣床的工艺和 操作方法。使其由继电器、接触器控制中的硬件接线改为西门子 S7-200PLC 实现、主轴电机调速改为变频器自动控制。最终实现改造 后的铣床通用性、实用性、可靠性及有效速率得到更大的提高。让整 个设备具有故障自诊断功能， 在今后的使用过程中无论是检修还是维 修都变的方便容易。在加工生产过程中降低产生故障的比例。
- 3 -
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文
万能铣床机械控制系统 一 XA6132 型万能铣床机械控制系统
1.铣床简介 铣床简介 铣床 铣床主要是用于加工零件的平面、斜面、沟槽、成型面的加工机 床。可以配置分度头、圆工作台、镗刀架、传动箱、铣夹头、平口钳 等附件。其用途广泛，在机械行业的机床设备中占有相当大的比重。 2．XA6132 型万能铣床 ． 2.1．XA6132 型万能铣床主要特点： 2.1.1．工作台沿床鞍移动实现纵向运动、床鞍沿升降台移动实 现横向运动、其垂向运动由升降台沿床身导轨移动实现。 2.1.2．机床具有基础铸件钢性好，能承受重负荷切削。 2.1.3. 主轴传动和进给传动均采用 18 级齿轮变速，具有较宽的 变速范围和很宽的加工范围。 2.1.4. 机床电气控制贯彻了国家 GB5226.1-2002 标准，提高了 安全性和可靠性。 2.1.5. 机床通用性强、互换性好，可以配置分度头、圆工作台、 镗刀架、铣夹头等附件，进一步扩大机床加工范围。 2.1.6. 容易磨损的部分都有消除间隙的调整装置。保证机床的 精度和工作平稳。 2.2．XA6132 型万能铣床主要技术参数：
工作台工作面积 宽*长 mm： 320*1250 400*1600 承载重量 kg ：500 800 T 型槽数目 个 ：3 3 T 型槽宽度 mm ：18 18 T 型槽间距 mm ：70 90 行程 X 向（工作台纵向）手动/机动 mm： 700/680 900/880
- 4 -
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文 Y 向（滑座横向）手动/机动 mm ：255/240 315/300 Z 向（升降台垂向）手动/机动 mm ；320/300 380/360 主轴 最大回转角度 deg ：±45 ±45 转速 r/min： 30-1500 300-1500 转速级数 Step ：18 18 锥孔 . ISO7：24 NO.50 ISO7：24 NO.50 垂直导轨面至工作台中心线距离最小/最大 mm ：215/470 255/570 主轴中心线至床身垂直导轨面距离 mm ：30/350 30/410 进给 切削进给速度 mm/min： X，Y：23.5-1180，Z：8-394 X，Y：19-950 Z：6.3-317 快速移动进给速度 mm/min： X，Y：2300，Z：770 X，Y：2300，Z：770 进给级数 Step ：18 18 电动机 主轴电机功率 KW： 7.5 11 进给电机功率 KW :1.5 3 机床外形尺寸（长*宽*高） mm: 2294*1770*1665 2556*2159*1830 机床净重（约） kg :2850 3800
2.3．XA6132 型万能铣床机械式控制过程 ． 2.3.1. 铣床的作用及其结构运动： a. 作用： 铣床是用于成形面加工的机床，如加工平面、键槽、斜面、球 面等。常见的铣床有平面铣床、立式铣床、仿形铣床、专用铣床等。 在机床中，铣床使用量除车床外，位居第二。 b. 结构： 铣床的主要组成部件有：底座、工作台、铣刀架、主轴变速箱、 进给变速箱等。 c. 运动： 主运动：铣刀的旋转运动 辅运动：进给运动和冷却泵旋转运动 进给运动可以按以下几种方式分类：
工作进给，简称工进 快速进给，简称快进
- 5 -
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文
速度
圆工作台进给 方式方向 矩形工作台进给
左右 上下 前后
2.3.2. 铣床的控制要求与特点： 我们介绍 XA6132 型铣床的控制要求，具体有以下几点： a. 主轴电动机正反转运行，以实现顺铣、逆铣； b. 主轴具有停车制动； c. 主轴变速箱在变速时具有变速冲动，即短时点动； d. 进给电动机双向运行； e. 主轴电动机与进给电动机具有联锁，以防在主轴没有运转 时，工作台进给损坏刀具或工件； f. 圆工作台进给与矩形工作台进给具有互锁，以防损坏刀具或 工件； g. 矩形工作台各进给方向具有互锁，以防损坏工作台进给机 构； h. 工作台进给变速箱在变速时同样具有变速冲动； i. 主轴制动、工作台的工进和快进由相应的电磁离合器接通对 应的机械传动链实现； j. 具有完善的电气保护。 2.3.4. 控制电路分析：
- 6 -
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文
a. 电磁离合器简介： 电磁离合器的结构、工作原理见图 1。 b. 工作过程分析： XA6132 型铣床控制电路从控制功能来讲，包括：主轴起动控 制、主轴停止制动控制、主轴变速冲动控制、矩形工作台进给控制、 圆工作台进给控制、进给变速冲动控制、工作台快进控制等几部分。 下面分别进行介绍。 （1） 主轴电动机 M1 起动控制： 合上电源开关 QS，经变压器、整流桥 KM4 常闭触点直接接通 电磁离合器 YC2，接通工作台工进传动链，准备工进。 将换刀开关 SA2 搬到运行接通档，按下主轴起动按钮 SB3 或 SB4，有 下述工作过程： ↓SB3（SB4）→（1-2-3-4-5-6-7-8-9-19-102）KM1⊕→（SA3）M1+ 电动机 M1 的正转（顺铣） 、反转（逆铣） 、通断由转换开关（倒顺开 关）SA3 控制。 （2） 主轴电动机 M1 制动控制： 当主轴电动机 M1 接通运行时，按下停车制动按钮 SB1 或 SB2， 有下述工作过程：
KM1—→M1— ↓SB1（SB2）→ （101—103-104-105-106）→YC1
+
实现制动。 ↑SB1（SB2）→YC1—
- 7 -
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文
制动结束。 在主轴换刀时，为防止意外，同样要使 YC1 得电，此时，SA2 搬 到换刀档位，2-3、105-106 接通，使 YC1 得电，实现制动。 （3） 主轴变速冲动控制： 变速冲动的操作过程是：操作者将变速手柄拉出，并下压，然后 转动变速盘选择合适的速度，再将变速手柄抬起推回。在变速冲动过 程中， 变速手柄拉出时， 变速用的扇形齿轮转动， 点动行程开关 SQ5， 使主轴电动机 M1 短时转动，从而使主轴传动链短时转动，便于齿轮 分开，变速盘选择合适的速度后，将变速手柄推回，同样点动行程开 关 SQ5，使主轴电动机 M1 短时转动，便于齿轮啮（nie）合。其控制 过程如下： ↓SQ5→KM1+→M1+ ↑SQ5→KM1—→M1— （4） 矩形工作台进给控制： 当主轴电动机 M1 起动正常后，接触器 KM1 得电，6-12 接通，才 能进行工作台的进给操作，这就是主轴运行与进给联锁。 当主轴电动机 M1 起动正常、接触器 KM1 得电后，再将圆工作台 -矩形工作台进给选择开关 SA1 搬到矩形工作台进给档位，即选择开 关处于两通（13-20+、17-18+）一断（20-15—）状态，就可以进行矩 形工作台的进给操作了。 将矩形工作台进给的左右进给手柄搬到右，一方面，手柄将会压 下行程开关 SQ1，另一方面，接通向右进给的机械传动链。压下行程
- 8 -
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文
开关 SQ1 的电控过程简示如下： （1-2-3-4-5-6-12-13-14-16-17-18-15-19-10） 2+→M2+ KM （正 ↓SQ1→ 转） 同理，将矩形工作台进给的左右进给手柄搬到左，将压下行程开 关 SQ2，电控过程简示如下： ↓SQ2→ （1-2-3-4-5-6-12-13-14-16-17-18-22-23-10） 3+→M2+ KM （反 转） 将矩形工作台进给的上下前后进给手柄搬到下（或前） ，一方面， 手柄将会压下行程开关 SQ3，另一方面，接通向下（或向前）进给的 机械传动链。电控过程简示如下： ↓SQ3→ （1-2-3-4-5-6-12-13-20-21-17-18-15-19-10） 2+→M2+ KM （正 转） 同理，将矩形工作台进给的上下前后进给手柄搬到上（或后） ， 将会压下行程开关 SQ4，电控过程简示如下： ↓SQ4→ （1-2-3-4-5-6-12-13-20-21-17-18-22-23-10） 2+→M2+ KM （反 转） （5） 圆工作台进给控制： 如同矩形工作台进给一样，圆工作台进给也需要主轴电动机 M1 的接触器得电正常，才能进行圆工作台进给操作。 在圆工作台进给时，需将矩形工作台进给手柄搬到都搬到中位， 否则，不能进行圆工作台进给。这就是圆工作台进给与矩形工作台进 给互锁。
- 9 -
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文
矩形工作台进给手柄搬到都搬到中位后，将圆工作台-矩形工作 即选择开关处于两断 台进给选择开关 SA1 搬到圆形工作台进给档位， （13-20—、17-18—）一断（20-15+）状态，电气控制线路直接起动圆 形工作台的进给。电控过程简示如下： SA1+→（1-2-3-4-5-6-12-13-14-16-17-21-20-15-19-10）KM2+→M2+ （正转） 须注意的是：KM2 得电所经路径 14-16-17-21-20-15 为 SQ1~SQ4 的常闭触点。 （6） 工作台快进： 为了调整对刀，有时需要工作台快速移动，即工作台快进。 将矩形工作台进给手柄搬到对应的进给方向，或圆-矩工作台进 给选择开关 SA1 搬到圆工作台进给位，按下工作台快进点动按钮 SB5 或 SB6，有下述工作过程：
→YC2— （断开工进传动 链） →YC + ↓SB5（SB6）→（1-2-3-4-5-6-11-10）KM4+ 3 （接通快进传动 链）
松开 SB5 或 SB6，有下述工作过程：
→YC3—（断开快进传动链） + — ↓SB5（SB6）→KM→YC2 （接通工进传动链） 4
（7） 工作台变速冲动控制： 与主轴变速冲动控制相似，此时点动的行程开关是 SQ6，得电的
- 10 -
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文
接触器是 KM2，短时运行的电动机是 M2。 D. XA6132 型铣床控制电路中的保护与联锁： a. 短路保护： FU1：总熔断器，兼主轴电动机 M1 短路保护， FU2：进给电动机 M2 熔断器 FU3：控制回路短路保护 FU4：照明回路短路保护， FU5：电磁离合器短路保护， FU6：整流桥短路保护。 b. 过载保护： FR1：主轴电动机 M1 的过载保护， FR2：进给电动机 M2 的过载保护， FR3：冷却泵电动机 M3 的过载保护。 c. 主轴运行与进给的联锁保护： 由 6-12 点间的 KM1 触点实现。 d. 圆工作台进给与矩形工作台进给互锁保护： 通过矩形工作台各进给方向用行程开关 SQ1~SQ4 的常闭触点串 接在圆工作台进给控制回路中实现。 即在圆工作台进给时， 如有人搬动矩形工作台某一进给方向方向手柄 （如向右进给手柄） ，其对应方向的行程开关常闭触点（SQ1 的常闭 触点 21-17）就会断开，从而使圆工作台进给时得电的接触器 KM2 释电，圆工作台进给停止，当然矩形工作台进给也不会进行。
- 11 -
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文
二 西门子 S7-200PLC 与 ABB ACS150 型变频器
1．西门子 S7-200PLC ． SIMATIC S7-200 系列 PLC 适用于各行各业， 各种场合中的检测、 监测及控制的自动化。S7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行 中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。 S7-200 系列出色表现在以下几个方面： --------* 极高的可靠性 --------* 极丰富的指令集 --------* 易于掌握 --------* 便捷的操作 --------* 丰 富 的 内 置 集 成 功 能 --------* 实时特性 --------* 强劲的通讯能力 --------* 丰富的扩展模块 ----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，自动化控制有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。如： 冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制， 运动系统。 2．ABB ACS150 型变频器 ．
- 12 -
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文
ABB 通用机械传动是专为机械制造行业所设计的，它可以通过可 选件的优化组合最大范围的满足机械行业的要求。 2.1 亮点
（1）．FlashDrop （2）．固定式控制器 （3）．固定式电位器 （4）．集成 EMC 滤波器 （5）．内置制动斩波器 （6）．灵活的安装方式 （7）．有涂层的电路板
2.2 特性 （1）．FlashDrop 优点：传动设置及调试更加快速、容易，可用于批量制造。 备注：新型、快速、安全、无忧的方法，无需加电。专利技术 （2）．固定式控制盘 优点：具有舒适、耐用接口的简单传动。 备注：具有清晰的 LCD 显示器、背景灯光以及按钮的集成控制 面板 （3）．固定式电位器 优点：直观的速度设定。 备注：集成的电位器。设定值显示在控制面板上。 （4）．集成 EMC 滤波器 优点：无需外部滤波器 备注：第二环境滤波器标配，符合 IEC61800-3 （5）．内置制动斩波器 优点：降低成本，节省空间并简化接线。
- 13 -
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文
备注：100%制动性能 （6）．灵活的安装方式 优点：优化的布局以及有效的机柜空间利用率 备注：螺钉、DIN 导轨、侧面、并排安装方式。统一的高度和 厚度。 （7）．有涂层的电路板 优点：寿命更长且减少维护。 备注：防潮和防尘标配。
三 XA6132 型万能铣床控制系统自动化改造方案
1．原机械式控制系统的不足之处 ． 1.1.机械式控制系统线路复杂，接线繁多。使今后在使用过程中 难以检修及维修， 1.2．机械式控制使用较多的接触器、继电器。在使用中经常会 因为元件触点损坏而使设备产生故障。 1.3．机械式控制系统反应速度慢、效率低。 2．改造方案 ． 2.1．用 PLC 代替接触器，继电器。使其具有故障自诊断功能， 减少故障发生率，并且使今后的检修维修工作变的相对容易。 2.2．使用 PLC 的编程使原机械式控制系统具有更完美的限位保 护及过流保护。 2.3．用变频器代替原机械式控制的调速系统，实现分档位自动 调速
- 14 -
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文
3．选择西门子 S7-200PLC 的理由 ． 选择西门子公司的 S7-200 DC/AC/RLY 型 PLC 是根据原铣床的 改造要求，从原原理图分析得出输入输出数目，此款 PLC 的应用功 能最合适，且性价比最高。 4．选择 ABB ACS150 型变频器的理由 ． 此款变频适合此次改造项目。 且性价比比其他型号变频器高处许 多。
四 XA6132 型万能铣床改造系统设计
1．编制 I/O 分配表 ．
I/O 统计及地址分配表 输入 符号 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 QF1 QF2 QF3 QF4 QF5 SA5 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SQ5 地 址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 功能 停止制动 快速制动 主轴电机启动 电机启停 电机正反转 调速 调速 调速 圆形-矩形工作台转换 向左进给 向右进给 向上进给 向下进给 进给电动 符号 DI1 DI2 DI3 DI4 DI5 YC1 YC2 KM1 KM3 KM3 地址 Q0.0 Q0,1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 输出 功能 电机启动 电机正反转 电机调速 电机调速 电机调速 常速进给 快速进给 控制电机 M1 控制电机 M2 控制电机 M3
- 15 -
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文
2．PLC 程序框图 ．
等待信号
开始信号
进 给 电 机 启 动
主 电 机 启 动
工 作 台 左 进 给
工 作 台 右 进 给
工 作 台 前 进 给
工 作 台 后 进 给
主 电 机 调 速
主 电 机 正 反 传
主 电 机 启 动
矩 形 工 作 台
圆 形 工 作 台
主 电 机 电 动
停止信号 停 止
3．PLC 控制程序 ．
- 16 -
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文
- 17 -
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文
4．调试的详细记录 ． 4.1.接通控制柜电源，使三相电源进入控制柜。
- 18 -
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文
4.2．将控制程序下载到 S7-200 DC/AC/RLY 型 PLC。 4.3．按下 M1 启动按钮 SB5,KM1 线圈得电动作，合上变频器启停 控制开关 QF1，此时变频器开始工作运行，调节变频器参数，在频率 0~50HZ 内设计 7 个频率，此时电机为正转运行。 4.4．将调速控制开关 QF3、QF4、QF5 设定不同的组合方式，即不 同的频率，实现电动机的调速控制，同理，合上电机反转开关 QF2， 设定调速组合方法，实现电动机反转调速控制。 4.5．分别按下电动按钮 SQ1、SQ2、SQ3、SQ4 实现矩形工作台进 给的上（后） 、下（前） 、左、右进给控制。 4.6．闭合圆形工作台控制开关 SA5，实现圆形工作台进给。 4.7．按下进给点动形成开关 SQ2，实现进给变速冲动控制。 4.8．按下工作台电动快进按钮 SB3 或 SB4，实现工作台快进运行， 松开后工作台共进运行。 4.9．按下停止制动按钮 SB1 或 SB2，电机停转，停止工作。
五 XA6132 型万能铣床系统改造结论 经过对传统型 XA6132 型万能铣床改造， 彻底将机械式控制 改为 PLC 控制，经过实践证明，改造后的铣床通用性、实用性 及有效速率大大提高，降低故障发生率，可靠性增强。操作系统 控制结构简单，不仅利用了旧有的设备，节约资源，还满足新生产
工艺的需求，提高效率，创造更大的经济效益和社会效益。由于 S7-200PLC 具有强大的通信功能，可以与其它智能设备联网通信，在 今后的进一步技术改造升级中，可根据需要联入工厂自动化网络中。
- 19 -
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论文
致谢
在本次毕业设计过程中，得到了很多老师和同学的帮助，学校 的老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和高超的理论技术 水平都使我受益匪浅。非常感谢学校给我们提供一个良好的学习环 境。 我的指导老师， 对我的毕业设计提出了许多宝贵的意见和建议， 他那明晰的思路，独特的见解，既激发了我的灵感，又给了我持久 不断的鼓励，使我的知识水平得到了不小的提高，这对我以后的工 作和学习都有一种巨大的帮助。在此表示非常诚挚的感谢。 还有我曾经的组员，因为在校时我们一起的合作，你们严谨认 真的学习态度总结了许多资料，在毕业论文中，给我了许多第一手 资料。在此一并表示我诚挚的感谢。 最后祝愿母校发展越来越好！老师身体健康！同学工作顺利！
- 20 -