专利名称：立式车床可编程序电气控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机械加工行业重型机床电气控制系统，特别是立 式车床可编程序电气控制系统。
(二)
背景技术：
目前，机械加工行业使用的3. 4米立式车床，存在着两个较大的 技术问题。第一是电气方面的技术问题电气系统以继电器、接触器 为主体元件，由于元件多，接线复杂，在运行中常常因为元件损坏、 导线接触不良等引起各种各样的故障。查找故障既费时又费工，这已 经成为影响生产的一个重要因素。第二是调速方面的技术问题主轴 的速度要一挡一挡地调节，只能粗调不能细调，同时，在调节过程中，
容易发生变速箱齿轮碰撞和造成磨损严重的现象。
(三) 发明内容
本实用新型的目的是，针对现有技术存在的不足，进行改进，提 出并设计3. 4米立式车床可编程序电气控制系统。其通过采用可编程 控制器(PLC)和变频器，解决3.掘立式车床存在的上述两个问题。
本实用新型的基本构想是1.采用PLC (可编程控制器)解决电 气方面的问题。因为PLC与传统的继电器控制系统相比较，具有元器 件少，接线简单，可靠性高，故障少且容易查找等优点。平均无故障 工作时间可以达到5万小时。用DK-PC80-112型可编程序控制器，改 造3. 4米立式车床的电气系统，使得机床的故障大大减少，运行稳定 可靠，经济效益显著提高。2、采用变频器解决机床调速方面的问题。 因为变频器具有软起动、无级平稳调速、节约电能等功能，用它取代 原有的机械调速系统，能实现主轴速度的无级调节，解决了变速箱齿 轮碰撞和磨损严重的问题，还带来了显著的节电效果。本实用新型的技术解决方案是，立式车床可编程序电气控制系统， 采用与机床配合的电气控制系统，其特征在于，电气控制系统采用了 控制系统及预先编制好的设计梯形图和用户程序的操作系统，控制系 统采用可编程控制器和变频器；可编程控制器设置有多个输入点和多 个输出点，多个输入点分别与机床的各个控制按钮、行程开关、转换 开关、保护元件及传感器配连，各输入点获取的各自配连的控制按钮、 行程开关、转换开关、保护元件及传感器的信息转换成数字信号，数 字信号以编码形式输入到可编程控制器的接口 。
其特征在于，可编程控制器是DK-PC80-112型可编程序控制器。 其特征在于，可编程控制器的接口包括IN接口和OUT接口 。 其特征在于，变频器是JP6C-T9-114KVA型高性能数字式变频器。 可编程控制器可以简称PLC。 本实用新型的设计思想是
l)采用编号为0.1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5、 0.6、 0.7、 1.0、 1.1
这9个PLC的IN接口 ，分别连接控制按4丑SB1-SB9,输入主电4几正转、 反转、点动、停止指令，横梁上升、下降指令，左进给、右进给指令， 总停指令；
2 )编号为1. 2、 1. 3、 2. 3、 2. 4这四个IN^妻口 (输入4妄口 )，分 别连4妄限位开关1XK、 2 XK、 15 XK、 16XK;编号为1.6、 1.7、 2.0、 2. 1这四个IN接口，分别连接限位开关7XK、 8XK、 9XK、 10XK;编号 为1. 4、 1. 5这二个输入点，分别连接限位开关3XK、 4XK;编号为2. 5、 2. 6这二个IN接口 ，分别连接限位开关17 XK、 18XK,编号为7. 6输 入接口 ( IN接口 )连接继电器18KA的常开触点；
3)编号为3. 0、 3. 1、 3. 2、 3. 3这四个IN接口 (输入接口 )，分 别连接旋钮开关1ZK的四对触点；编号为3. 4、 3. 5这二个输入接口 ， 分别连接旋钮开关5ZK的二对触点；编号为4. 0、 4. 1、 4. 2、 4. 3、 4. 4、 4.5、 4.6、 4.7、 5.0、 5.1、 5.2、 5. 3这十二个输入接口，分别连接多挡旋转开关2ZK的十二对触点；
4)编号为5.4、 5.5、 5.6、 5.7这四个输入接口，分别连接旋钮
开关3ZK的四对触点，编号为7. 4、 7. 5这二个输入接口 ，分别连接旋
钮开关6ZK的2对触点，输入右刀架进给和快进的指令。用6. 0 - 6. 7、
7. 0 - 7. 3这12个输入接口 ，分别连接多挡旋转开关4ZK的12对触 占.
,、、 j
PLC的输出点有多个，将继电器、离合器、信号指示灯的信息转 换成数字信号，以编码形式输入到计算机的OUT接口 。
1) 8.1 - 8. 7这7个PLC输出接口，分别连接继电器1KA _ 7KA, 执行主电机正转、反转、制动，横梁上升、下降、夹紧、放松功能。 用PLC输出接口 12. 6连接继电器19KA,执行主电机点动功能。
2) 9.0、 9. 1这二个PLC输出接口，分别连接继电器8 KA、 9KA, 执行左刀架正转、反转功能。用10.2、 10. 3这二个PLC输出接口，分 别连接继电器10 KA、 11KA,执行左刀架向/离中心、向上/向下、垂 直制动、水平制动功能。
3) 11. 0、 11. 1这二个PLC输出接口 ，分别连接继电器12 KA、 13KA, 执行右刀架正转、反转功能。用12.2、 12. 3这二个PLC输出接口，分 别连接继电器14 KA、 15KA,执行右刀架向/离中心、向上/向下、垂 直制动、水平制动功能。
4) 10. 4这个PLC输出接口，连接离合器2KLH,执行左刀架快速 进给功能。用9. 2-9. 6、 10.0、 10. 1这7个PLC输出接口，分别连接 离合器21 LH - 27LH,执行左进给速度1挡-7挡，它们又组合成左 进给12挡变速。
5) 12.4这个PLC输出接口，连接离合器3KLH,执行右刀架快速 进给功能。用ll. 2- 11.6、 12.0、 12. 1这7个PLC输出接口，分别 连接离合器31-37LH,执行右进给速度l挡-7挡，它们又组合成右进给12挡变速。
6) 13. 0 - 13. 7这八个PLC输出接口，分别连接指示灯0 _ 7XD, 执行左刀架和右刀架上行、下行、左行、右行指示功能。
完成输入、输出点的配置之后，就可以设计梯形图和用户程序了。 根据机床的工艺路线，利用DK-PC80-112型可编程序控制器的编程语 言，通过梯形图设计出419条用户程序，将它们输入到计算机的RAM 存贮器中，以执行各项加工任务。
3. 4M立式车床的用途是对重达数吨的工件进行车削加工，加工过 程就是工件与刀具的相对运动。配备了本实用新型的3.掘立式车床， 其采用的梯形图和用户程序必须围绕这一点来设计。
本实用新型的优点是，与现有技术相比，构思新颖，设计合理， 充分利用了自动控制技术，从两点进行了技术创新，第一是将PLC应 用在3. 4M重型立式车床上，实行了可编程序控制。系统将机床的各个 控制元件和执行元件，输入到PLC的IN/0UT^妄口，并进行组合编码。 通过计算机的编程语言，利用梯形图设计出419条用户程序。PLC对 现场各输入装置的状态和数据，进行高速扫描和存P,并逐条读取用 户程序，进行逻辑运算和判断。然后输出一系列的动作指令，控制车 床主轴和其它辅助设备的运转、刀具的位移和各项车削加工动作。第 二是将高性能数字式变频器应用于重型车床主轴电动机的调速系统。 实现了降压软起动和无级调速。这从根本上解决了多年来一直存在的 变速箱齿轮碰撞和磨损问题。具有显著的节电效果
图1、本实用新型的控制方框图
图2、本实用新型采用的PLC的输入接线图Al
图3、本实用新型采用的PLC的输入接线图A2
图4、本实用新型采用的PLC的输入接线图Bl图5、本实用新型采用的PLC的输入接线图B2 图6、本实用新型采用的PLC的输出接线图之一 图7、本实用新型采用的PLC的输出接线图之二 图8、本实用新型釆用的PLC的输出接线图之三 图9、本实用新型釆用的PLC的主轴与横梁部分控制程序的梯形图 之一
图10、本实用新型采用的PLC的主轴与横梁部分控制程序的梯形 图之二
图11、本实用新型采用的PLC的主轴与横梁部分控制程序的梯形 图之三
图12、本实用新型采用的PLC的左刀架的控制程序的梯形图之一 图13、本实用新型采用的PLC的左刀架的控制程序的梯形图之二 图14、本实用新型采用的PLC的左刀架的控制程序的梯形图之三 图15、本实用新型采用的PLC的右刀架的控制程序的梯形图之一 图16、本实用新型釆用的PLC的右刀架的控制程序的梯形图之二 图17、本实用新型采用的PLC的右刀架的控制程序的梯形图之三 图18、本实用新型采用的变频器一主电动积4妄线图 具体实施方式
下面，根据附图，详细描述本实用新型的实施例。 如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、 图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17、图18所示，本实 用新型采用与机床配合的电气控制系统，其方框图见图1。电气控制 系统采用了控制系统以及预先编制好的设计梯形图和用户程序的操作 系统，控制系统以可编程控制器6和变频器10为主要部件。可编程控 制器6采用DK-PC80-112型可编程序控制器。它设置有60个输入点 和40个输出点。它们分为8个部分，分别是控制按钮1、旋钮开关2、转换开关3、限位开关4、其它信号5、继电器7、离合器8、指示灯9。 每部分的元件均有多只，用不同的编号加以区别。可编程控制器6与 它们进行配连后，获取的各种信息转换成数字信号，数字信号以编码 形式输入到可编程控制器6的内部存贮器，CPU对这些信息进行逻辑 运算和处理。接口包括IN接口和0UT接口 。其他信息5也从可编程控 制器6的IN接口输入。变频器10采用JP6C-T9-114KVA型高性能数字 式变频器。它带有功能完备的控制和保护环节12。旋钮开关2釆用了 多个，用不同的编号加以区别。行程开关3采用限位开关，P艮位开关 也有多个，用不同的编号加以区别。现详述如下
1、 PLC的输入点的设置(见图2、图3、图4、图5)。
l)编号为O. 1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5、 0.6、 0.7、 1.0、 1. 1这9 个PLC的输入接口 (IN接口)，分别连接控制按钮SB卜SB9，输入主电 机正转、反转、点动、停止指令，横梁上升、下降指令，左进给、右 进给指令，总停指令。
2 )编号为1. 2、 1. 3、 2. 3、 2. 4这四个输入接口 ( IN接口 )，分 别连接限位开关1 XK、 2 XK、 15 XK、 16XK,输入横梁夹紧、放松、 上升、下降的位置信号。编号为1. 6、 1. 7、 2. 0、 2. 1这四个输入接口 ， 分别连"t妻限位开关7XK、 8XK、 9XK、 10XK,输入左、右刀架向中心和 离中心的位置信号。编号为1.4、 1.5这二个输入点，分别连接限位开 关3XK、 4XK,监视齿轮啮合的情况。编号为2.5、 2.6这二个输入接 口 (IN接口)，分别连接限位开关17XK、 18XK,实现左、右滑枕的手 动和机动联锁。编号为7. 6输入接口 ( IN接口 )连接继电器18KA的 常开触点，监视导轨的温度。当这些部位出现机械运动越位、操作失 误和超温时，会自动紧急停车，避免事故发生。
3)编号为3. 0 、 3. 1、 3. 2、 3. 3这四个输入4妻口 ( IN 4妄口 )， 分别连接旋钮开关1ZK的四对触点，输入左滑枕向上和向下、左刀架 向中心和离中心的指令。编号为3.4、 3.5这二个输入4妄口，分别连接旋钮开关5ZK的二对触点，输入左刀架进给和快进的指令。编号
为4.0、 4.1、 4.2、 4.3、 4.4、 4.5、 4.6、 4.7、 5.0、 5.1、 5.2、 5.3
这十二个输入接口 (IN接口 )，分别连接多挡旋转开关2ZK的十二对 触点，输入左刀架在进给中的12挡变速指令。
4 )编号为5. 4、 5. 5、 5. 6、 5. 7这四个输入接口 ( IN接口 )，分 别连接旋钮开关3ZK的四对触点，输入右滑枕向上和向下、右刀架向 中心和离中心的指令。编号为7.4、 7.5这二个输入接口，分别连接旋 钮开关6ZK的2对触点，输入右刀架进给和快进的指令。编号为6. 0、 6.1、 6.2、 6.3、 6.4、 6.5、 6.6、 6.7、 7.0、 7.1、 7.2、 7.3这十二 个输入4^口 ( IN接口 )，分别连接多挡旋转开关4ZK的12对触点，输 入右刀架在进给中的12挡变速指令。
2、 PLC输出点的设置(见图6、图7、图8)。
PLC的输出点有40个，这40个输出点将继电器7、离合器8、信 号指示灯9等的信息转换成数字信号，以编码形式输入到计算机的OUT 接口。继电器7采用了多个，用不同的编号加以区别。离合器8采用 了多个，用不同的编号加以区别。具体叙述如下
1) 编号为8.1、 8.2、 8.3、 8.4、 8.5、 8.6、 8.7这7个PLC输出 才妻口 (0UT4妻口)，分别连4妻继电器1KA、 2KA、 3KA、 4KA、 5KA、 6KA、 7KA,执行主电机10正转、反转、制动，横梁上升、下降、夹紧、放 松功能。用PLC输出接口 (OUT接口 ) 12. 6连接继电器19KA,执行主 轴电动才几10点动功
2) 编号为9. 0、 9. 1这二个PLC输出接口 (OUT接口)，分别连接 继电器8KA、 9KA,执行左刀架正转、反转功能。用10.2、 10. 3这2 个PLC输出接口 (OUT接口)，分别连接继电器IO、 11KA,执行左刀架 向/离中心、向上/向下、垂直制动、水平制动功能。
3) 编号为11.0、 11. 1这二个PLC输出接口 (OUT接口)，分别连接继电器12 KA、 13KA,执行右刀架正转、反转功能。用12.2、 12.3 这二个PLC输出接口 (0UT接口)，分别连接继电器14 KA、 15KA,执 行右刀架向/离中心、向上/向下、垂直制动、水平制动功能。
4) PLC输出接口 (0UT接口) 10.4,连接离合器2KLH,执行左刀 架快速进给功能。编号为9.2 、 9.3、 9.4、 9.5、 9.6、 10.0、 10.1 这7个PLC输出接口 (0UT接口 )，分别连接离合器21LH、 22LH、 23LH、 24LH、 25LH、 26LH、 27LH,扭"行左进^会速度1档至7档，它们又组合 成左进给12挡变速。
5) PLC输出接口 (0UT接口) 12.4，连接离合器3KLH,执行右刀 架快速进给功能。编号为11.2 、 11.3、 11.4、 11.5、 11.6、 12.0、
12. 1这7个PLC输出接口 (0UT接口)，分别连接离合器31LH、 32LH、 33LH、 34LH、 35LH、 36LH、 _ 37LH,执行右进给速度1档至7档，它 们又组合成右进给12挡变速。
6) 13. 0-13. 7这8个PLC输出接口，分别连接指示灯0 XD、 1XD、 2XD、 3XD、 4XD、 5XD、 6XD、 7XD,扭j亍左刀架和右刀架上4亍、下行、 左行、右行指示功能。
3、梯形图和用户程序的设计(见图9、图10、图11、图12、图
13、 图14、图15、图16、图17)。 ' 才艮据才几床的工艺^^线，利用DK-PC80-112型可编程序控制器的编
程语言，设计出符合工艺要求的梯形图。通过梯形图又设计、转换出 "9条用户程序，将它们输入到RAM存贮器中，以执行各项加工任务。
当工作台上放好工件后，机床通电，起动液压润滑油泵，本实用 新型系统再执行以下程序控制步骤
1 )通过IN端子0. 6或0. 7上的按4丑SB6或SB7、 PLC内部的程 控继电器15. 1 - 15. 5、 OUT端子8. 4 - 8. 7外接的继电器4KA _ 7KA, 控制横梁的上升或下降。由于刀具固定在刀架上，刀架又安装在横梁上，所以通过横梁升降将把刀具移动到合适的垂直位置。
2 )通过IN端子0. 2或0. 4上的按钮SB2或SB4、 OUT端子12. 6 外接的继电器19KA,以点动方式使主轴电动机运转，带动工作台緩緩 转动。
3) 通过IN端子3. 0-3. 3上的转换开关1ZK、内部继电器16.卜 16. 4、 17. 1- 17. 6, 0UT端子10. 2或10. 3外接的继电器10KA或11KA, 确定左刀架的转向，并调整工件与左刀具的相对位置，使左刀具恰好 顶住工件车削的起始部位。
4) 通过IN端子5. 4 - 5. 7上的转换开关3ZK、内部继电器26.卜 26. 4、 27. 1- 27. 2, OUT端子12. 2或12. 3外4妻的继电器14KA或15KA, 确定右刀架的转向，并调整工件与右刀具的相对位置，使右刀具恰好 顶住工件车削的起始部位。
5) 通过IN端子3. 4、 3. 5上的转换开关5ZK、内部继电器16. 5、 16.6、 17.3-17.5, OUT端子10. 4的离合器2KLH,使左架进纟会或快 进。此外，通过IN端子4. 0 - 5. 3上转换开关2ZK的12对触点、内 部继电器18. 1 - 18. 7， OUT端子9. 2 - 9. 6、 10.0、 10. l外接的离合 器21- 27LH,实现了左刀架的12挡变速。
6) 通过IN端子7.4、 7. 5上的转换开关6ZK、内部继电器26. 5、 26.6、 27.3 - 27.5, OUT端子12. 4的离合器3KLH,使右架进给或快 进。此外，通过IN端子6. 0 _ 7. 3上转换开关4ZK的12对触点、内 部继电器28. 1 — 28. 7, OUT端子11. 2 — 11.6、 12.0、 12. l外接的离 合器31 - 37LH,实现了右刀架的12挡变速。
在梯形图和控制回路中，除了一般编程之外，为了保证机床的安 全，设置了多种保护、限位、联锁功能。它们是
1)保护油压保护(YJ1);齿轮咬合保护(PLC内部程控继电器 14.5，外部元件3XK、 4XK);导轨超温保护(内部14. 5,外部17KA、18KA)。
2) 限位横梁夹紧限位(内部15.5,外部1XK);横梁放松限位 (内部15. 4,外部2XK);横梁上升限位(内部15. 1,外部15XK);横
梁下降限位(内部15.2,外部16XK);左刀架向/离中心限位(内部 16. 3和16. 4,外部7XK和8XK);右刀架向/离中心限位(内部26. 3 和26. 4,外部9XK和1GXK)。
3) 联锁油泵一主机联锁(16KA);主机正转一反转联锁(内部 14.1、 14.2);主机运转一点动一制动联锁(内部14. 1、 14.2、 14.3、 14. 6、 14. 7,外部2KM、 3KM);横梁上升一下降联锁(内部15. 1、 15. 2, 外部4KM、 5KM);横梁夹紧一放松联锁(内部15. 4、 15.5,外部6KM、 7KM);左刀架正转一反转联锁(内部17. 4、 17.5，外部8KM、 9KM); 右刀架正转一反转联锁(内部27. 4、 27.5,外部IOKM、 11KM);左滑 枕手动一一几动联锁(17XK);右滑一允手动一机动联锁(18XK)。
4、变频器控制电路的设计(见图18)。
变频器10采用JP6C-T9-114KVA型高性能数字式变频器，应用于 3. 4M重型立式车床的主轴电动才几11的调速系统，对55KW的主轴电动 机ll实行了软起动和无级平稳调速，具体电路见图18。变频器10经 热继电器1KH、接触器1KM连接三相交流电源，经接触器2KM连接主 轴电动机11。按下正转起动按钮SB1 ( 0. 1 )或反转起动按钮SB3( 0. 3 ) 后，程控继电器14. 2或14. 1为'T，，输出点8. 1或8. 2接通，继电 器1KA或2KA吸合，主轴电动机11正向或反向运转。按下正转点动按 钮SB2 ( 0. 2 )或反转点动按钮SB4 ( 0. 4 )后，程控继电器14. 3或14. 7 为"1",输出点12. 6接通，继电器19KA吸合，执行主电机点动功能。 在变频器10的控制端子VI上，连接着IOKQ的多圏电位器，通过它 调节VI端子的直流电压，使其在0 - 5V之间变化，从而调节变频器 10的运行频率，进而实现主轴电动机11的无级调速。工艺上要求主轴电动机11断电后能快速制动，为此采用了直流能
耗制动方案。这部分电路由整流二极管Dl _D4、直流接触器3KM、限 流电阻RQ、熔断器FUO组成。主轴电动4几11停车时，由Dl _ D4提 供的100V直流电源，经3KM加到主轴电动机11的三相绕组中的两相 上，产生与运转方向相反的电磁制动力，使主轴电动机ll迅速克服惯 性，在3秒之内停止运转。RQ将制动电流限制在30A之内，FUO防止 这部分电路发生短路。为安全起见，对起动接触器2KM、制动接触器 3KM进行了程序和硬接线双重联锁。
采用变频器10后，主轴电动机11的调速既方便又安全。原来的 速度要一挡一挡地调节，只能粗调不能细调；在换挡时齿轮"叭一一 叭"地碰撞，磨损严重。现在变为无级调速，可以根据需要任意地细 调。而且操作方便，运转平稳，从根本上解决了多年一直存在的变速
箱齿轮碰撞和磨损问题。此外，变频器lO根据主轴电动机ll的负荷 情况，自动调节工作电流，每年节电约38000度。
权利要求1、立式车床可编程序电气控制系统，采用与机床配合的电气控制系统，其特征在于，电气控制系统采用了控制系统及预先编制好的设计梯形图和用户程序的操作系统，控制系统采用可编程控制器(6)和变频器(10)；可编程控制器(6)设置有多个输入点和多个输出点，多个输入点分别与机床的各个控制按钮(1)、行程开关(3)、转换开关(4)、保护元件(12)及传感器配连，各输入点获取的各自配连的控制按钮(1)、行程开关(3)、转换开关(4)、保护元件(12)及传感器的信息转换成数字信号，数字信号以编码形式输入到可编程控制器(6)的接口。
2、根据权利要求1所述的立式车床可编程序电气控制系统，其 特征在于可编程控制器(6)采用DK-PC80-112型可编程序控制器。
3、根据权利要求l所述的立式车床可编程序电气控制系统，其特 征在于可编程控制器(6)的接口包括IN接口和OUT接口。
4、根据权利要求1所述的立式车床可编程序电气控制系统，其 特征在于变频器(10)采用JP6C-T9-114KVA型高性能数字式变频器。
专利摘要本实用新型涉及立式车床可编程序电气控制系统，从两点进行了技术改进，第一是将可编程序控制器(PLC)应用在3.4M重型立式车床上。实现了可编程序电气控制。电气控制系统将机床的各个控制元件和执行元件的信息，输入到PLC的IN/OUT接口，并进行组合编码。通过计算机的编程语言，利用梯形图设计出419条用户程序。PLC对现场各输入装置的状态和数据，进行高速扫描和存贮，并逐条读取用户程序，进行逻辑运算和判断。然后输出一系列的动作指令，控制车床主轴和其它辅助设备的运转、刀具的位移和各项车削加工动作。第二是将高性能数字式变频器应用于重型车床主轴电动机的调速系统。实现了降压软起动和无级调速。从根本上解决了变速箱齿轮碰撞和磨损问题。节电效果显著。
文档编号G05B19/414GK201311578SQ20082019242
公开日2009年9月16日 申请日期2008年11月13日 优先权日2008年11月13日
发明者胡学明 申请人:浠水神州轴承制造有限公司