(完整版)X62W型卧式万能铣床电气控制系统设计毕业论文

X62W型卧式万能铣床电气控制系统设计

摘 要

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

的技术装置。电气系统是其中的主干部分，在国民经济各行业中的许多部门得到广

泛应用。

PLC是可编程控制器的简称，是一种数字运算操作的电子系统，它采用可编程

序的储存器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算

等操作的指令，并通过模拟的或数字的输入和输出接口，控制各种类型的机器设备

或生产过程。

在我国70~80年代大多数铣床中，大多数的开关量控制系统都是采用继电器控

制，继电器本身固有的缺陷，给铣床的安全和经济运行带来了不利影响。随着科技

进步，和PLC技术的成熟，所以对X62W万能铣床进行PLC改造势在必行，是提

高机床性能，提升经济效益及产品质量的关键举措。

关键词：X62W铣床；电气控制系统；PLC；梯形图

目 录

摘 要 ..................................................................................................................................................... I

前 言 .................................................................................................................................................... 1

第一章 铣床 .......................................................................................................................................... 2

1.1 铣床国内外研究状况和发展趋势 ......................................................................................... 2

1.2 铣床简单介绍 ......................................................................................................................... 3

1.2.1 铣床的选型 .................................................................................................................. 3

1.2.2 X62W万能铣床的特点 ............................................................................................... 4

第二章 X62W万能铣床的硬件设计 .................................................................................................. 5

2.1 X62W万能铣床电力拖动的特点及控制要求 ...................................................................... 5

2.2 X62W万能铣床元件选型 ...................................................................................................... 5

2.3 X62W万能铣床的主要结构及运动形式 .............................................................................. 7

第三章 X62W万能铣床传统继电器的电气控制原理 ...................................................................... 9

3.1 电气原理图 ............................................................................................................................. 9

3.2 主电路分析 ........................................................................................................................... 11

3.3 控制电路分析 ....................................................................................................................... 12

3.3.1 主轴电机M1的控制................................................................................................. 12

3.3.2 进给电动机M2的控制............................................................................................. 13

3.3.3 冷却泵电动机及照明电路的控制 ............................................................................ 17

第四章 PLC的简介 ........................................................................................................................... 18

4.1 PLC的产生 ........................................................................................................................... 18

4.2 PLC的定义和特点 ............................................................................................................... 18

4.2.1 PLC的定义 ................................................................................................................ 18

4.2.2 PLC的特点 ................................................................................................................ 19

4.3 可编程控制器的主要性能指标 ........................................................................................... 20

4.4 可编程控制器的分类 ........................................................................................................... 21

4.5 PLC的编程语言 ................................................................................................................... 22

4.5.1 梯形图语言 ................................................................................................................ 22

4.5.2 助记符语言 ................................................................................................................ 22

4.5.3 顺序功能图语言 ........................................................................................................ 23

第五章 X62W万能铣床基于PLC改造的具体设计 ...................................................................... 24

5.1 改造设计中PLC的选型 ..................................................................................................... 24

5.2 X62W万能铣床基于PLC控制电路的改造 ...................................................................... 26

5.3 现场信号与PLC软继电器对照表（IO地址分配表） .................................................... 30

5.4 PLC梯形图 ........................................................................................................................... 31

5.5 PLC语句表 ........................................................................................................................... 33

总 结 .................................................................................................................................................. 34

前 言

本设计讲述了X62W万能铣床电气控制的工作原理，说明了用PLC

改造的具体方法，从而提高整个电气控制系统的性能。

铣床是用铣刀对工件进行铣削加工的机床。铣床除能铣削平面，沟槽，

齿轮，螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较刨床高，在机

械制造和修理部门得到广泛应用。最早的铣床的美国人惠特尼于1818年创

制的卧式铣床；为了铣削麻花钻头的螺旋槽，美国人布朗于1862年创制了

第一台万能铣床，这是升降台铣床的雏形；1884年又出现了龙门铣床；二

十世纪20年代出现了半自动铣床，工作台利用挡块可完成“进给-快速”

或“快速-进给”的自动转换，1950年以后，铣床在控制系统方面发展很

快，数字控制的应用大大的提高了铣床的自动化程度。尤其是70年代以后，

微处理机的数字控制系统和自动换刀系统在铣床上得到应用，扩大了铣床

的加工范围，提高了加工精度和效率。

第一章 铣床

1.1 铣床国内外研究状况和发展趋势

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，从策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

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，现在万能铣床以全部采用PLC控制，结束了

近20年使用继电控制的历史。

1.2 铣床简单介绍

1.2.1 铣床的选型

图1-1 X62W的含义图

X62W万能铣床是一种通用的多用途机床，它可以进行平面、斜面、螺

旋面及成型表面的加工，是一种较为精密的加工设备，它采用几点接触器

电路实现电气控制，PLC转为工业环境应用而设计，其显著的特点之一就

是可靠性高，抗干扰能力强，将X62W万能铣床电气控制线路改造为可编

程控制器控制，可以提高整个电气控制系统的工作性能，减少维护，维修

的工作量。

1.2.2 X62W万能铣床的特点

1. 能完成很多普通机床难以加工或更本不能加工的复杂型面的加工。

2. 采用X62W铣床可以提高零件的加工精度，提高产品的质量。

3. 采用X62W可以比普通机床提高2-3倍的生产率，对复杂零件的加

工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。

第二章 X62W万能铣床的硬件设计

2.1 X62W万能铣床电力拖动的特点及控制要求

1. 机床要求有三台电动机，分别称为主轴电动机、进给电动机和冷却

泵电动机。

2. 由于加工时有顺铣和逆铣两种，所以要求主轴电动机能正反转及在

变速时能瞬时冲动一下，以利于齿轮的啮合，并要求还能制动停车和实现

两地控制。

2.2 X62W万能铣床元件选型

表2-1 铣床电机参数参照表

符号 名称 型号 规格 件数 作用

M1 主轴电动机 Y132-M-4-B3 7.5KW,380V,1450rmin 1 主轴传

动

M2 进给电动机 Y90L-4 1.5kw,380v,1400rmin 1 进给传

动

M3 冷却泵电动机 JCB-22 0.125kw,380v,2790rmin 1 冷却泵

传动

符号 名称 型号 规格 件数 作用

KM1 接触器 CJ0-20 20A,220V 1 主轴启动

KM2 接触器 CJ0-10 10A,220V 1 反接制动

KM3 接触器 CJ0-10 10A,220V 1 M2正传

KM4 接触器 CJ0-10 10A,220V 1 M2反转

KM5 接触器 CJ0-10 10A,220V 1 M2快速进给

KM6 接触器 CJ0-10 10A,220V 1 油泵电机启动

KV 速度继电JY1 2A 1 反接制动

器

SB1,2 按钮 LA2 绿色 2 M1启动按钮

SB3,4 按钮 LA2 黑色 2 M1停止按钮

SB5,6 按钮 LA2 红色 2 快速进给按钮

SA1 转换开关 HZ1-10E1三极 1 圆工作台转换

6

SA2 转换开关 HZ1-10E1三极 1 照明灯开关

6

SA4 转换开关 HZ1-10E1三极 1 M1转向开关

6

SQ1 限位开关 LX1-11K 开启式 1 向右进给

SQ2 限位开关 LX1-11K 开启式 1 向左进给

SQ3 限位开关 LX2-131 向前、向下进给 单轮，自动复位 1

SQ4 限位开关 LX2-131 向后、向上进给 单轮，自动复位 1

SA3 转换开关 HZ1-10E1冷却泵开关 三极 1

6

FR1 热继电器 JRQ-40 11A,3A 1 M1过载保护

FR2 热继电器 JR10-10 3A,5A 1 M2过载保护

FR3 热继电器 JR10-10 0.415A 1 M3过载保护

FU1 熔断器 RL1 30A 3 总电源短路保护

FU2 熔断器 RL1 10A 3 进给短路保护

FU3 熔断器 RL1 6A 2 控制电路短路保

护

FU4 熔断器 RL1 4A 2 照明电源短路保

护

TC1 变压器 BK-50 38036V 1 控制电路变压器

TC2 变压器 BK-150 380127V 1 照明变压器

YA 电磁离合B1DL-III 1 快速进给

器

R 电阻 ZB2 1.45W,15.4A 2 限制制动电阻

表2-2 铣床元件型号

2.3 X62W万能铣床的主要结构及运动形式

1. 主要结构

由床身、主轴、刀杆、横梁、工作台、回转盘、横溜板和升降台等几

部分组成，如图2-1所示。

图2-1 X62W万能铣床外形图

2. 运动形式

主轴转动是由主轴电动机通过弹性联轴器来驱动传动机构，当机构中

的一个双联滑动齿轮块啮合时，主轴即可旋转。

工作台面的移动是由进给电动机驱动，它通过机械机构使工作台能进

行三种形式六个方向的移动，即：工作台面能直接在溜板上部可转动部分

的导轨上作纵向（左、右）移动；工作台面借助横溜板作横向（前、后）

移动；工作台面还能借助升降台作垂直（上、下）移动。

第三章 X62W万能铣床传统继电器的电气控制原理

3.1 电气原理图

该铣床共用3台异步电动机拖动，它们分别是主轴电动机M1、进给

电动机M2和冷却泵电动机M3。

X62W万能铣床的电气原理图主电路图如图3-1所示。

图3-1 X62W万能铣床的电气原理图主电路图

X62W万能铣床的电气原理图控制电路图如图3-2所示。

图3-2 X62W万能铣床的电气原理图控制电路图

3.2 主电路分析

主轴电动机M1要求能够实现正反转，但旋转方向变换不频繁。通过

换向开关SA4在加工前预先选择，与接触器KM1配合，能进行正反转控

制；与接触器KM2、制动电阻R及速度继电器KV的配合，实现主轴电

动机的正反转反接制动控制，并通过机械装置进行变速。

进给电动机M2要求能够实现正反转，通过接触器KM3、KM4与行

程开关、接触器KM5和牵引电磁铁YA配合，实现三种形式六个方向的

常速进给和快速进给控制。

冷却泵电动机只要求单向旋转。电路中熔断器FU1既作为铣床总的短

路保护，又作为主轴电动机M1的短路保护；FU2作为进给电动机M2、

冷却泵电动机M3及控制变压器、照明变压器一次侧的短路保护；热继电

器FR1、FR2和FR3分别作为M1、M2和M3的过载保护。

3.3 控制电路分析

3.3.1 主轴电机M1的控制

将图3-2的主轴电动机的控制线路另画于图3-3中。图中SB1、SB2、

SB3和SB4是分别装在工作台的前面和床身侧面的启动和停止按钮，可在

两地控制，方便操作。

图3-3 主轴电机控制线路

KM1是主轴电动机启动接触器，需要启动主轴电动机时，先将转换开

关SA4扳到主轴电动机所需的旋转方向；然后按下启动按钮SB1或SB2，

接触器KM1得电且自锁，电动机M1拖动主轴旋转；速度继电器KV动

作，KV-1或KV-2中的一对常开触点闭合，为主轴电动机的反接制动作好

准备。主轴电动机M1得电通路：T1→SQ7常闭触点→SB4→SB3→SB1

或SB2→KM2常闭触点→KM1线圈→T1。

KM2是反接制动和主轴变速冲动接触器。停车时，按下停止按钮SB3

或SB4，接触器KM1失电，主轴电动机M1惯性转动；停止按钮按到底，

KM2得电且自锁，改变了主轴电动机M1的电源相序，串入电阻反接制动；

当M1的转速降至约100rmin时，速度继电器KV-1或KV-2的常开触点

恢复断开，KM2失电，M1迅速停止转动，反接制动结束。反接制动接触

器KM2得电通路：T1→SQ7常闭触点→SB4或SB3常开触点（已闭合）

→KV-1或KV-2常开触点（已闭合）→KM1常闭触点→KM2线圈→T1。

SQ7是与主轴变速手柄联动的瞬时动作行程开关。主轴变速时，先将

变速手柄压下拉到前面，转动变速盘选择需要的转速，然后将变速手柄推

回原位。在将变速手柄拉到前面和推回原位的过程中，与变速手柄相联的

凸轮都会把行程开关SQ7压下，SQ7的常开触点瞬时闭合一下，KM2得

电，主轴电动M1反向转动一下，使变速后的齿轮易于啮合，这就是主轴

的变速冲动。

主轴变速可在主轴不转时进行，也可在主轴转动时进行。如果是在主

轴转动时进行变速，无需先按停止按钮再变速，可直接进行变速操作。行

程开关SQ7在变速手柄拉出时，在凸轮的作用下常闭触点先断开，切断接

触器KM1的线圈电路，主轴电动机M1断电；SQ7的常开触点后闭合，

KM2得电，对主轴电动机M1进行反接制动，M1的转速迅速下降；将变

速手柄推回时，SQ7再次动作一下，实现主轴的变速冲动。变速完成后，

主轴停止转动，需再次启动电动机，主轴将在新的转速下旋转。

3.3.2 进给电动机M2的控制

进给运动的所有操作都是在主轴电动机M1启动、接触器KM1常开

触点闭合后进行的；所有的进给运动都是由进给电动机M2拖动的。转换

开关SA1是工作台的选择开关，当置于“断开”位置时，SA1-1、SA1-3

闭合，SA1-2断开，可以进行工作台的进给操作；当置于“闭合”位置时，

SA1-1、SA1-3断开，SA1-2闭合，此时不能进行工作台的操作，只能对圆

工作台的进给运动进行控制。

工作台的进给运动分为左右的纵向运动、前后的横向运动和上下的垂

直运动。当转换开关SA1置于“断开”位置时，将图3-2中工作台进给运

动的控制线路另画于图3-4中。

接触器KM3、KM4使进给电动机实现正反转控制，用来改变工作台

进给运动的方向。进给运动的操作是由两个机械操作手柄与对应的行程开

关和机械传动机构相互配合实现的。

SQ1、SQ2是与纵向进给机械操作手柄相联动的行程开关，SQ3、SQ4

是与横向进给及垂直进给机械操作手柄相联动的行程开关。六个方向的进

给运动相互联锁，同一时刻只允许有一个方向的运动，当两个操作手柄处

在中间位置时，SQ1～SQ4各行程开关都处在未受压的原始状态。

图3-4 工作台进给运动控制线路

1. 工作台纵向（左、右）进给运动的控制

工作台的纵向进给由纵向操作手柄控制，该手柄有三个位置：向左、

向右和中间。当将操作手柄扳向右（或向左）时，一方面通过机械机构将

工作台与纵向移动的传动装置相联接，另一方面压下向右（或向左）进给

行程开关SQ1（或SQ2），SQ1-1（或SQ2-1）常开触点闭合，接触器KM3

（或KM4）得电，进给电动机M2通电转动（或反向转动），拖动工作台

向右（或向左）移动。

当将纵向操作手柄扳回到中间位置时，一方面工作台脱离纵向移动的

传动装置，另一方面行程开关SQ1（或SQ2）复位，接触器KM2（或KM3）

失电，进给电动机M2断电，工作台停止转动。由于进给速度低，M2未

采取制动措施。

为避免工作台左、右移动越过极限进给位置发生事故，在工作台的左、

右两端各有一块挡铁，当工作台移动到极限位置时，挡铁撞向纵向操作手

柄，使手柄回到中间位置，实现自动停车。左、右移动的极限位置，可以

通过改变左、右两端的挡铁位置进行调整。

2. 工作台横向（前、后）及垂直（上、下）进给运动的控制

工作台横向及垂直进给由十字手柄控制，该手柄也有两个，分别装在

工作台左侧的前、后方。十字手柄有：前、后、左、右和中间五个位置。

与纵向进给操作一样，在扳动十字手柄压下行程开关SQ3、SQ4的同时，

将工作台与横向运动或垂直运动的机械传动装置相联接。SQ3控制工作台

向下或向前运动，SQ4控制工作台向上或向后运动。

当将十字手柄扳向下或向前时，压下行程开关SQ3，SQ3-1常开触点

闭合，接触器KM3得电，进给电动机M2通电转动，拖动工作台向下或

向前移动。若将十字手柄扳回到中间位置，工作台与传动机构脱离，同时

行程开关SQ3复位，接触器KM3失电，进给电动机M2断电，工作台停

止进给运动。

当将十字手柄扳向上或向后时，压下行程开关SQ4，SQ4-1常开触点

闭合，接触器KM4得电，进给电动机M2通电反转，拖动工作台向上或

向后运动。

3. 工作台的快速移动

为提高工作效率，在铣刀未作铣切加工时，工作台可以快速移动，操

作过程如下：工作台在进给移动时，按下快速移动按钮SB5或SB6（两地

控制），接触器KM5得电，快速移动电磁铁YA通电动作，工作台按原进

给方向快速移动，当工作台移动到预期位置，松开探险钮SB5或SB6，KM5

失电，YA断电，快速进给结束，工作台按原速度、原方向继续移动。

4. 进给电动机的变速冲动

为使齿轮易于啮合，与主轴变速一样，进给变速也设有变速冲动装置。

SQ6是进给变速冲动行程开关，在操作进给变速盘变速时，其连杆机

构会瞬时压下行程开关SQ6，使SQ6-2常闭触点断开、SQ6-1常开触点闭

合，接触器KM3短时得电，进给电动机M2瞬时转动一下，实现对进给

变速的冲动。

从进给控制电路可以看出，进给变速冲动是在行程开关SQ1～SQ4不

受压、其常闭触点闭合时完成的。所以进给变速时，需将操作手柄都置在

中间位置，进给电动机M2不转的情况下，才能实现进给的变速冲动，这

一点与主轴的变速冲动不同。

5. 圆工作台的控制

图3-5 圆工作台进给控制电路

圆工作台的控制电路如图3-5所示，此时工作台的进给操作手柄都应

处在中间位置，SQ1～SQ4的常闭触点处于闭合的原始位置，按下主轴启

动按钮SB1或SB2，接触器KM1、KM3先后得电，主轴转动的同时，进

给电动机M2通过传动机构拖动圆工作台单向转动。若要使圆工作台停止

运动，只要按下主轴停止按钮SB3或SB4，主轴与圆工作台便同时停止工

作。

6. 进给控制的联锁

在铣床加工中，为安全起见，在多种运动间设置了相互的联锁。它们

包括：主轴运动与进给运动间先主轴后进给的顺序联锁；工作台六个运动

方向间不能同时进行的联锁；进给变速冲动应在进给运动停止时进行的联

锁；圆工作台与工作台的进给不能同时进行的联锁。

3.3.3 冷却泵电动机及照明电路的控制

为防止铣切加工时过热，在铣床工作时，可以启动冷却泵电动机M3，

提供冷却液。由于冷却泵电动机M3容量小，直接用转换开关SA3控制。

工作台的照明电源是由照明变压器T2将380V交流电压降至36V安全电

压提供的，照明电路由转换开关SA2控制。

第四章 PLC的简介

4.1 PLC的产生

1968年美国通用汽车公司（GM）招标要求:软连接代替硬接线;维护

方便;可靠性高于继电器控制柜;体积小于继电器控制柜;成本低于继电器控

制柜;有数据通讯功能;输入115V;可在恶劣环境下工作;扩展时，原系统变

更要少;用户程序存储容量可扩展到4K。核心思想：用程序代替硬接线，

输入输出电平可与外部装置直接相联，结构易于扩展，这是PLC的雏形。

1969年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC（PDP-14），并在GM

公司汽车生产线上应用成功。

4.2 PLC的定义和特点

4.2.1 PLC的定义

PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标

准化，美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufactory

Association） 经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC

（Programmable Controller），并给PC作了如下定义

“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指

令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或

类似的输入输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机

若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式

顺序控制器。”

以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，

第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：

“可编程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。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻

辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数

字或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其

有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能

的原则设计。”

4.2.2 PLC的特点

1. 高可靠性

1）所有的IO接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC

内部电路之间电气上隔离。

2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms。

3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

4）采用性能优良的开关电源。

5）对采用的器件进行严格的筛选。

6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU

立即采用有效措施，以防止故障扩大。

7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表

决系统,使可靠性更进一步提高。

2. 丰富的IO接口模块

PLC针对不同的工业现场信号，有相应的IO模块与工业现场的器件

或设备，直接连接另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模

块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

3. 采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC以外绝大多数

PLC均采用模块化结构PLC的各个部件包括CPU电源IO等均采用模块

化设计由机架及电缆将各模块连接起来系统的规模和功能可根据用户的需

要自行组合。

4. 编程简单易学

PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式对使用者

来说不需要具备计算机的专门知识因此很容易被一般工程技术人员所理解

和掌握。

5. 安装简单维修方便

PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行使用时只需

将现场的各种设备与PLC相应的IO端相连接即可投入运行各种模块上均

有运行和故障指示装置便于用户了解运行情况和查找故障。

由于采用模块化结构因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模

块的方法使系统迅速恢复运行。

4.3 可编程控制器的主要性能指标

可编程控制器的性能指标有很多，主要有以下几项指标。

1. 输入输出点数(IO) IO点数是指可编程控制器外部输入、输出端子

数的总和。它标志着可以接多少个开关按钮和可以控制多少个负载。

2. 存储容量 存储容量是指可编程控制器内部用于存放用户程序的

存储容量。

3. 扫描速度 一般以执行1000步指令所需的时间来衡量，单位为ms

千步，也有以执行一步指令所需来计算，单位us步。

4. 功能扩展能力 可编程控制器除了主模板块之外，通常都可配备一

些可扩展模块，以适应各种特殊功能应用的需要。如AD模块、DA模块、

位置控制模块等。

5. 指令系统 指令系统是指一台可编程控制器指令的总和，它是衡量

可编程控制器功能强弱的主要指标。

4.4 可编程控制器的分类

通常PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。

1. 按结构形式分类 按结构形式不同，可分为整体式和模块式两类。

整体式的PLC是将电源、CPU、存储器、输入输出单元等各个功能部件

集成在一个机壳内，从而具有结构经凑、体积小、价格低等优点，许多小

型PLC多采用这种机构。模块式的PLC将各个功能部件做成独立模块，

如电源模块、CPU模块、IO模块等，然后进行组合。

2. 按控制规模分类 按控制规模大小，可分为小型、中型和大型PLC

三种类型。

1）小型PLC。小型PLC的IO点数在256点以下，存储容量在2K

步以内，其中输入输出点数小于64点的PLC又称为超小型或微型PLC，

具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、监控等基本功能。

2）中型PLC。中型PLC的开关量IO点数通常在256~2048点之间，

用户程序存储器的容量为2~8KB，除具有小型机的功能外，还具有较强的

模拟量IO、数字计算、过程参数调节，如比例、积分、微分（PID）调节、

数据传送与比较、数制转换、中断控制、远程IO及通信联网功能。

3）大型PLC。大型PLC也称为高档PLC，IO点数在2048点以上，

用户程序存储容量在8K以上，其中IO点数大于8192点的又称为超大型

PLC，除具有中型机的功能外，还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊

功能函数运算、监视、记录、打印等功能，以及强大的通信联网、中断控

制、智能控制和远程控制等功能。

4.5 PLC的编程语言

PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。其

中前两种语言用的较多，流程图语言也在许多场合被采用。

4.5.1 梯形图语言

1. 梯形图从上至下编写，每一行从左至右顺序编写。PLC程序执行顺

序与梯形图的编写顺序一致。

2. 图左、右边垂直线称为起始母线、终止母线。每一逻辑行必须从起

始母线开始画起，终止母线可以省略。

3. 梯形图中的触点有两种，即动合触点和动断触点。

4. 梯形图的最右端必须连接输出元素。

5. 梯形图中的触点可以任意串、并联，而输出线圈只能并联，不能串

联。

4.5.2 助记符语言

助记符语言是PLC命令的语言表达式。用梯形图编程虽然直观、简便，

但要求PLC配置较大的显示器放可输入图形符号，这在有些小型机上常难

以满足，所以助记符语言也是一种较常用的一种编程方式。不同型号的

PLC，其助记符语言也不同，但其基本原理是相近的。编程时，一般先跟

据要求编制梯形图语言，然后再根据梯形图转换成助记符语言。

4.5.3 顺序功能图语言

顺序功能图SFC是一种描述顺序控制系统功能的图解表示法，主要由

“步”、“转移”及“有限线段”等元素组成，它将一个完整的控制工程分

为若干个阶段(状态)，各阶段具有不同的动作，阶段间有一定的转换条件，

条件满足就实现状态转移，上一状态动作结束，下一动作开始。

第五章 X62W万能铣床基于PLC改造的具体设计

5.1 改造设计中PLC的选型

PLC的选型：由于三菱FX2N—32MR型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FX2N—32MR可以近乎完美地满足小规模的控制要求，所以本次设计

根据输入输出口的数量，可选择三菱FX2N—32MR型PLC。

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。因此可将图3-2稍作修

改后如图5-1所示。

根据修改后的图，确定输入信号与输出信号。

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）

图5-1 修改后X62W万能铣床的电气原理图控制电路图

5.2 X62W万能铣床基于PLC控制电路的改造

X62W万能铣床电气控制线路中的电源电路、主电路及照明电路保持不

变，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5-3所示，为了保证各种联锁功能，

将SQ1～SQ6,SB1～SB6按图示分别接入PLC的输入端，换刀开关SA1和圆

形工作台转换开关SA2分别用其一对常开和常闭触头接入PLC的输入端

子。输出器件分两个电压等级，一个是接触器使用的110V电压，另一个

是电磁离合器使用的36V直流电，这样也将PLC的输出口分为两组连接点。

X62W型万能铣床电器位置图如图5-2所示，所有的电器元件均可采用改造

前的型号。

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4-3所示。该程序共有8条支路，反映了原继电器电路中的各

种逻辑内容。在第1支路中，因SQ1和SB5、SB6都采用常闭触头分别接

至输入端子X13、X2，则X13、X2的常开触点闭合，按下启动按钮SB1或

SB2时，X0常开触点闭合，Y0、M0线圈得电并自锁，第3支路中Y0常开

触点闭合，辅助继电器M1线圈得电，其常开触点闭合，为第4支路以下

程序执行做好准备，保证了只有主轴旋转后才有进给运动。Y0的输出信号

使主轴电动机M1启动运转。当按停止按钮SB5或SB6时，X2常开触点复

位，Y0线圈失电，主轴惯性运转，同时X3常开触点闭合，Y4线圈得电接

通电磁离合器YC1，主轴制动停转。第2支路表达了KM2及YC3的工作逻

辑，当按下快速移动按钮SB3或SB4时，X1常开触点闭合，则Y1及Y5线

圈得电，KM2常闭触头断开，电磁离合器YC2失电，YC3得电，工作台沿

选定方向快速移动；松开SB3或SB4则YC2得电，YC3失电，快速移动停

止。第4、5、6、8支路表达了工作台六个方向的进给、进给冲动及圆工

作台的工作逻辑关系。当圆形工作台转换开关SA2动作，4、5支路中X5

的常开触点分断，第6支路中X5常闭触头复位，M4及Y2线圈得电，使

KM3得电，电动机M2启动，圆形工作台旋转；当SA2复位时，M4、Y2线

圈失电，圆形工作台停止旋转。左右进给时，SQ5或SQ6被压合，X6常开

触点复位，第5、6支路被分断，而X10或X11常开触点闭合，M2（其常

开触点使Y2线圈得电）或Y3线圈得电，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，X7常开触点复位，第5、6支路被分断，M2或Y3线圈得电，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。该程序及PLC的硬接线不仅保证了原电路的工作逻辑关系，

而且具有各种联锁措施，电气改造的投资少、工作量较小。

图5-2 X62W型万能铣床电器位置图

X62W万能铣床电气控制线路中的主电路保持不变，如图5-2所示。

图5-3 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5-4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。同时为了保证各种联锁功能，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。

图5-4 PLC硬件接线图

5.3 现场信号与PLC软继电器对照表（IO地址分配表）

表5-1 IO地址分配表

分类 信号名称 现场信号 PLC线圈编号

输入信号 M1启动按钮 SB1、SB2 X0

快速进给点动 SB3、SB4 X1

停止制动按钮 常闭 SB5、SB6 X2

常开 SB5、SB6 X3

信号名称 现场信号 PLC线圈编号

输入信号 换刀开关 SA1 X4

圆工作台开关 SA2 X5

左右进给 SQ5、SQ6 X6

上下前后进给 SQ3、SQ4 X7

常开SQ3、SQ5 X10

常开SQ4、SQ6 X11

进给冲动 SQ2 X12

主轴冲动 SQ1 X13

输出信号 主轴启动接触器 KM1、KM2 Y0、Y1

M2正转接触器 KM3 Y2

M2反转接触器 KM4 Y3

正常进给电磁阀 YC2 COM

主轴制动电磁阀 YC1 Y4

快速进给电磁阀 YC3 Y5

5.4 PLC梯形图

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5-5所示。

图5-5 PLC控制梯形图

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

各种联锁措施，电气改造的投资较少、工作量较小。

5.5 PLC语句表

序号 指令名称 数据 序号 指令名称 数据

0000 LD X0 0018 OR X6

0001 OR M0 0019 AND X5

0002 AND X2 0020 AND M1

0003 ANI X13 0021 MPS

0004 ANI X4 0022 AND X10

0005 OUT Y0 0023 OUT M2

0006 AND X13 0024 MPP

0007 OUT M0 0025 AND X11

0008 LD X1 0026 OUT Y3

0009 AND X2 0027 LDI X12

0010 OUT Y1 0028 AND X6

0011 OUT Y5 0029 AND X7

0012 LD Y1 0030 AND X5

总

结

常

用的的

万能铣

床有两

0036 ANI X5 0042 LD M2

0037 AND M1 0043 OR M3

0038 OUT M4 0044 OR M4

0039 LD X3 0045 OUT Y2

0040 OR X4 0046

0041 OUT Y4 0047

种：一是卧式万能铣床，X62W；另一种为立式万能铣床，X53K。万能铣

床是一种高效率的加工机械，在机械加工和机械修理中得到广泛的应用。

X62W卧式万能铣床是一种高效率的加工机械，万能铣床的操作是通

过手柄同时操作电气与机械，是机械与电气结构联合动作的典型控制。但

在电气控制系统中故障的查处与排除是非常困难的，这给生产与维护带来

诸多不便。随着工业自动化的发展，生产设备与自动生产线的控制系统必

需具有极高的可靠性与灵活性，这就需要使用智能化程度高的控制系统来

取代传统的控制系统。基于这些问题，本文提出了利用三菱PLC和对

X62W万能铣床继电接触式电控系统进行技术改造的方案。

此次实训是我们从大学毕业走向未来工程师重要的的一步。查找资料，

老师指导，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

对社会有所贡献的人。