C650卧式车床电气控制系统的PLC改造毕业论文Word格式.docx
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第六章系统调试29
总结30
参考文献31
附录1系统主要元件清单32
附录2C650卧式车床PLC控制原理图34
前言
更新改造旧机床是最近几年发展起来的一个新兴产业，该设计是对C650卧式车床电气控制系统的PLC改造的研究设计。
采用连线少、体积小、功耗小、控制速度快、可靠性高、功能完善的PLC控制系统，来代替电气控制系统中继电器控制逻辑，配以合适的数控系统，可使机床控制功能更加丰富，自动化水平大大提高。
今天继电器已应用到工业控制的各个领域。
他们比以往的产品具有更高的可靠性。
但是，这也随之带来一些问题。
如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。
而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。
再者，对一个具有使用的装有上百个继电器的设备，其控制箱将是庞大而笨重的。
在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。
并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。
目前采用继电器控制的旧式普通机床设备仍在企业中广泛使用，特别是工业欠发达地区这些设备的使用效率还较高，在企业中仍然起着较大的作用。
由于这些设备使用多年后故障率高、维修量大、可靠性差；
其精度、效率、自动化程度都已不能满足当前生产需要等原因，严重影响了正常的生产。
本次设计以PLC控制系统取代传统的继电器系统，改造后的系统将提高工作性能，并且达到车床的控制要求，实现车床启动、正反转、反接制动、刀架快速移动、冷却泵等一系列功能，系统改由PLC控制后，其控制系统将大大的简化，并且维修方便、易于检查，节省大量的空间，且机床的各项性能将有很大的改善，工作效率将有明显的提高及整个控制系统将整体可在触摸屏上操作，使控制直观、简单化。
为企业提高提高整体效率和增强竞争实力。
由于我的水平有限，时间仓促，设计中难免有错误和不足之处，恳请老师批评指正。
第一章C650卧式车床的改造介绍
1.1C650型卧式车床简介
C650卧式车床属于中型车床，可加工的最大工件回转直径为1020mm，最大工件长度为30000mm，它主要由床身、主轴变速箱、尾座、进给箱、丝杆、光杆、刀架和溜板箱等组成，如图1-1。
图1-1C650卧式车床结构图
C650车床由主轴运动和刀具进给运动完成切削加工，车床的主轴、冷却泵、刀架快速移动均由三相异步电动机拖动。
车床有三种运动形式：
车削加工的主运动是主轴通过卡盘或者鸡心夹头带动工件的旋转运动，它承受车削加工时的主要切削功率；
进给运动是溜板带动刀架的纵向或横向运动；
辅助运动为溜板箱的快速移动，尾座的移动和工件的夹紧与放松。
主轴的旋转运动由主电动机，经传动机构实现。
机床车削加工时，要求车床主轴能在较大围变速。
通常根据被加工零件的材料性能、零件尺寸精度要求、车刀材料、冷却条件及加工方式等来选择切削速度，采用机械变速方法。
车床纵、横两个方向的进给运动由主轴变速箱的输出轴，经挂轮箱、进给箱、光杆传入溜板箱而获得，其运动方式有手动与机动两种。
其工作过程过程如下：
（1）正常车削加工时一般不要求反转，但在加工螺纹时，为保证螺纹的加工质量，为避免乱扣，加工完毕后要求反转退刀，且工件旋转速度与刀具的移动速度之间保持严格的比例关系。
因此，C650卧式车床溜板箱与主轴变速箱之间通过齿轮传动来连接，由同一台电动机拖动。
（2）C650卧式车床通过主电动机的正、反转来实现主轴的正、反转，当主轴反转时，刀架也跟着后退。
（3）电流表A经电流互感器TA接在主电动机M1的动力回路上，用来监测电动机的负载情况。
（4）车削加工近似于恒功率负载，主电动机M1通常选用普通笼型异步电动机（功率为30KW），完成主轴运动和刀具进给运动的驱动。
M1电动机采用直接启动的方式，可正反两个方向旋转，为加工方便，还具有点动功能。
由于加工的工件比较大，加工时其转动惯量也比较大，需停车时不易立即停止转动，必须有停车制动动能，C650车床的正反停车采用速度继电器控制电源的反接制动，以提高生产效率。
（5）车削加工中，为防止刀具和工件的温度过高，延长刀具使用寿命，提高加工质量，车床附有一台单方向旋转的冷却泵电动机M2，功率为0.18KW。
（6）C650卧式车床的床身较长，为了提高生产效率、减轻工人的劳动强度，专门设置了一台功率为2.2KW的电动机来拖动溜板箱快速移动。
电动机可根据使用需要，随时手动控制起停。
（7）C650在进行车削加工时，因被加工的工件材料、形状、大小、性质及工艺要求不同，且使用的刀具也不同，所以要求切削速度也不同，这就要求主轴有较大的调速围。
车床大多采用机械方法调速，变换主轴箱外的手柄位置，可改变主轴的转速。
1.2C650卧式车床改造主要容
（1）主电动机M1采用全压空载直接启动。
（2）要求主电动机M1能实现正、反向连续运转。
停止时，由于工件转动惯量大，采用反接制动。
（3）为便于对刀操作，要求M1能实现单向点动控制，同时定子串入电阻获得低
（4）主轴启动之后，再启动冷却泵电动机。
（5）有必要的保护和联锁，有安全可靠的照明电路。
（6）原车床的工艺速点动。
加工方法不变。
（7）不改变原控制系统电气操作方法和按钮、手柄等操作元件的功能。
1.3C650卧式车床改造要求
（1）原车床的工艺加工方法不变。
（2）改变原控制系统电气操作方法和按钮、手柄等操作元件的功能。
（3）改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC与触摸屏屏编程实现。
（4）有完善的限位保护、电机过流保护等保护功能。
（5）原有控制功能不变的情况下，把主轴电机起动改为Y/△起动、取消降压电阻。
具体要求如下：
①主轴具有正、反转起停功能和正转点动功能。
②主轴具有点动功能，点动时主轴电机为Y形接法。
③主轴正转、反转起动时采用Y/△起动。
④主轴制动时采用Y接法。
⑤冷却泵电机起停控制功能。
⑥快进电机点动功能，并改用按钮控制点动。
⑦照明电路改为PLC控制，有启停控制功能。
因此，可得改造后的系统主电路图，见图1-2。
图1-2系统主电路图
第2章总体方案设计
2.1方案的提出与比较
从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。
数控加工具有如下特点：
加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。
随着科学生产力的发展，机床设备数控化率的提高已是衡量一个国家机械制造业现代化水平的重要标志。
对于一个企业要想在竞争激烈的市场中赢得生存，适应当前产品更新日新月异的发展，要求在最短时间生产出优质、高产、低价的新产品。
采用先进的工艺设备，包括采用数控机床，已显得越来越重要。
因此，逐步提高数控机床的占有比，己经成为我国制造技术发展的总趋势。
提高机床数控化率有两个途径:
一是购买新的数控机床；
二是对旧机床进行数控改造。
这对于我国一个机床拥有量极大（其中大部分机床役龄较长），而当前经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率，是一个极其有效和实用的途径。
采用数控技术改造旧机床主要有下述适应性和特点:
（1）减少投资、交货期短
同购置新相比，一般可以节省60%-80%的费用，改造费用低。
特别是大型、特殊机床尤其明显。
一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。
但有些特殊情况，如高速主轴、刀具自动交换装置、托盘自动交换装置的制作与安装等过于费工、费钱，往往使改造成本提高2-3倍，与购置新机床相比，只能节省投资50%左右。
（2）机械性能稳定可靠，但结构受限
由于机床本身的特点，它与汽车等类机电产品不同，机床所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而不是焊接构件。
而铸铁件年代愈久，自然时效愈充分，应力的消除使得精度比新铸件更稳定。
从另一方面来说，这些铸铁件的重复使用，即节约了社会资源，又减少了铸铁件生产时对环保的影响。
但旧机床的改造，由于受到原机床机械结构的限制，不宜做突破性的改进。
（3）熟悉了解设备结构性能，便于操作维修
购新设备时，事先不能全面了解机床结构性能，以致很难预计是否能完全适合其加工要求。
改造则不然，由于旧设备已多年使用，机床操作者和维修人员已对其机械性能和结构了解透彻，对机床的加工能力能较准确地估算。
机床数控改造时，可根据企业自身的技术力量和有关条件，采用自己改造或委托专业改造公司，并派原设备维修技术人员参加相结合的方法进行。
这样，既可在数控改造过程中，培养提高相关人员的数控技术水平和有关专业知识，又便于合理选择更换原机床设备中的部份元器件，更主要的通过改造，大大提高了企业自身对数控机床维修的技术力量，并且也大大缩短了对数控机床在操作使用和维修方面的培训时间，机床一旦改造调试完毕，就可很快投入正常全负荷运转，见效甚快。
（4）可充分利用现有的条件
可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基，同时工夹具、样板及外围设备也能再利用。
以加工中心为例子，工艺装备的费用一般要占整个机床售价的10%以上。
（5）可更好地因地制宜，合理删选功能
购买现成的通用数控机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能，而又可能缺少某一专用的特殊功能。
如向机床制造厂提出特殊订货，增加某些专用功能，往往费用大、交货期长。
而采用改造的方案，就可灵活选取所要的功能，并可根据生产加工要求，采用组合的方法，增添某些部件，设计改造成专用数控机床。
（6）可及时采用最新技术、充分利用社会资源
由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的社会资源来支持机械方面的改造。
如可随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，而且交货期短:
采用贴塑导轨新技术，不仅可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，还使得刮研极为容易。
这种塑料导轨带和粘结剂，国己有多家厂生产，可敞开供应。
此外，国产数控系统还具有导轨精度自动补偿的功能，最终可以获得高于导轨实际具有精度。
2.2方案的选择与论证
2.2.1PLC介绍
PLC（即可编程逻辑控制器，ProgrammableLogicController）是用来取代用于电机控制的顺序继电器电路的一种器件（图2-1）。
是由模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；
并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。
PLC的CPU有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步起，依次执行到最终步，然后再返回起始步循环运算。
PLC每完成一
次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
图2-1可编程序控制器的基本结构
PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理，16位为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些。
PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。
一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点。
可编程控制器得以迅速发展和广泛使用的原因是由于它具有继电器接触器控制装置和通用计算机以及其他控制系统所不具有的特点：
（1）运行稳定、可靠性高、抗干扰能力强
（2）设计使用和维护方便
（3）编程御苑直观易学
（4）与网络技术相结合
（5）体积小、质量轻、能耗低
2.2.2C650改造方案的选择
C650卧式车床的控制方式是将接触器、继电器、定时器、其他电器及其触点按一定逻辑关系连接的继电接触器控制系统，其具有结构简单、价格便宜、便于掌握的特点，在一定围满足控制要求，此控制方式在工业控制中比较常见。
但这种控制方式存在着设备体积大、动作速度慢、功能少而固定、可靠性差、难于实现较复杂的控制的缺点，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺改变时，原有的接线和控制盘就要更换，缺乏通用性和灵活性。
为了解决继电接触器控制系统的这一缺点，寻求一种比继电接触器更可靠、功能更齐全、相应速度更快的新型工业控制器势在必行。
此新型工业控制器应该既有电接触器简单易懂、使用方便、价格低的特点又有功能完善、通用性好、灵活性好的优点。
从被控制对象维护简单和控制器性价比高、综合成本低这几个主要原则出发，可编程控制器（PLC）是最佳的选择。
2.2.3PLC控制系统与电气控制系统的比较
PLC控制系统与电气控制系统的比较主要有以下优点：
（1）控制方法
电气控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组成控制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。
另外，继电器的触点数量有限，所以电气控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。
而PLC采用了计算机技术，其控制逻辑时以程序的方式存放在存储器中的，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。
系统连线少、体积小、功耗小，而且PLC所谓的“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的PLC系统的灵活性和可扩展性也较好。
（2）工作方式
在继电器控制电路中，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。
而PLC的用户程序按一定顺序循环执行，所以各继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，这种工作方式称为串行工作方式。
（3）控制速度
继电器控制系统依靠机械触点的动作实现控制，工作效率低，机械触点还会出现抖动问题。
而PLC时通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。
（4）定时和计数控制
电气控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响，定时精度不高。
而PLC采用半导体集成电路做定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时围宽，用户可根据需要在程序中设定时值，修改方便，不受环境的影响，且PLC具有计数功能，而电气控制系统一般不具备计数功能。
（5）可靠性和可维护性
由于电气控制系统使用了大量的机械触点，存在机械磨损、电弧烧伤等问题，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。
而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，寿命长、可靠性高。
PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场的调试和维护提供了方便。
第三章控制系统的总体设计
3.1系统工作流程分析
C650卧式车床工作流程图如图3-1所示。
图3-1C650卧式车床PLC控制工作流程示意图
PLC控制的C650卧式车床工作过程为：
（1）开机。
（2）PLC开始运行，分析机床是否有故障，若发现系统故障，则发出故障报警；
若系统正常，则机床开始运行。
（3）判断刀架位置是否正确，若位置不正确，则点动调整到正确位置。
（4）则选择操作方式，若手动操作，开始单步操作；
若自动操作，开始运行自动循环程序。
（5）机床停止工作。
（6）关机。
3.2PLCI/O分配表
由系统改造要求可确定I/O分配表，如表3-1所示。
表3-1I/O分配表
输入
输出
名称
功能作用
I/O口
SB1
总停
X0
KM1
控制M1正转运行
Y0
SB2
M1正转启动
X1
KM2
控制M1反转运行
Y1
SB3
M1反转启动
X2
KM3
控制M1△形运行
Y2
SB4
M1点动
X3
KM4
控制M1Y形运行
Y3
SB5
M2启动
X4
KM5
控制M2运行
Y4
SB6
M2停止
X5
KM6
控制M3运行
Y5
SB7
HL照明
X6
KA
电流表A短接中间继电器
Y6
SB8
HL熄灭
X7
HL
车床照明
Y7
SB9
M3点动
X10
FR1
M1过载保护
X11
FR2
M2过载保护
X12
KS1
正转制动速度继电器常开触点
X13
KS2
反转制动速度继电器常开触点
X14
3.3PLC的选择
（1）PLC常用的有晶体管输出与继电器输出，其区别为：
①负载电压、电流类型不同。
负载类型：
晶体管只能带直流负载，而继电器带交、直流负载均可。
电流：
晶体管电流0.2A-0.3A，继电器2A。
电压：
晶体管可接直流24V（一般最大在直流30V左右，继电器可以接直流24V或交流220V。
②负载能力不同。
晶体管带负载的能力小于继电器带负载的能力，用晶体管时，有时候要加其他东西来带动大负载（如继电器，固态继电器等）。
③晶体管过载能力小于继电器过载的能力。
一般来说，存在冲击电流较大的情况时（例如灯泡、感性负载等），晶体管过载能力较小，需要降额更多。
④晶体管响应速度快于继电器。
继电器输出型原理是CPU驱动继电器线圈，令触点吸合，使外部电源通过闭合的触点驱动外部负载，其开路漏电流为零，响应时间慢（约10ms）。
晶体管输出型原理是CPU通过光耦合使晶体管通断，以控制外部直流负载，响应时间快（约0.2ms甚至更小）。
晶体管输出一般用于高速输出，如伺服／步进等，用于动作频率高的输出。
⑤在额定工作情况下，继电器有动作次数寿命，晶体管只有老化没有使用次数限制。
继电器是机械元件所以有动作寿命，晶体管是电子元件，只有老化，没有使用次数限制。
继电器的每分钟开关次数也是有限制的，而晶体管则没有。
（2）下表为三菱PLCFX2N系列，继电器输出、晶体管输出部分型号列表
表3-2三菱PLCFX2N系列，继电器输出、晶体管输出部分型号列表
序号
型号
输入\输出总点数
输入点数
输出点数
输出类型
1
FX2N-16MR-001
16
8
继电器输出
2
FX2N-32MR-001
32
3
FX2N-48MR-001
48
24
4
FX2N-64MR-001
64
5
FX2N-16MT-001
晶体管输出
6
FX2N-32MT-001
7
FX2N-48MT-001
FX2N-64MT-001
因此本次设计考虑到共有输入13个信号，输出8个信号，又因控制程序不是很大及不需要远程控制与特殊要求，所以选用三菱FX系列的FX2N-32MR-001,由表知输入\输出总点数为32，输入点数为16，输出点数为16，继电器输出，可以满足本次设计的要求。
3.4PLC的I/O电气接线图
由4.1I/O分配表可以知道，输入部分：
按钮SB1为整个控制系统的停止开关；
按钮SB2、SB3及SB4分别控制主轴电机M1的正反转及点动控制；
按钮SB5、SB6分别控制冷却泵电机的M2启动与停止；
按钮SB7、SB8分别控制HL的照明于熄灭；
按钮SB9控制快进电机的点动；
热继电器常闭开关FR1，FR2分别为M1、M2的过载保护；
速度继电器KS1、KS2分别辅助主轴电机M1的正反转制动。
输出部分：
KM1、KM2接触器分别控制主轴电机M1的正反转；
KM3、KM4接触器分别控制主轴电机M1的△、Y运行；
KM5、KM6接触器分别控制冷却泵电机M2、快进电机M3的运行；
HL为车床照明。
PLC的输入、输出I/O电气接线图，如3-2图。
图3-2PLCI/O电气接线图
第四章C650卧式车床控制系统硬件设计
图4-1C650车床改造前控制原理图
4.1主电路分析
如图4-1，C650卧式车床主电路设有三台电动机的驱动电路。
组合开关QS为电源开关，将电源引入。
FU1为主电动机M1的短路保护熔断器，FR1为M1过载保护热继电器。
R为限流电阻，当主轴点动时，限制启动电流，在停车反转制动时，又起限制过大的反向制动电流的作用。
电流表A用来监视电动机M1的绕组电流，由于主轴电机M1的功率很大，故电流表A经电流互感器TA接在主电动机M1的动力回路上。
图中时间继电器的常闭开关KT作用是短接电流表A，在机床刚开始启动时，以让电流表躲避启动尖峰电流冲击，待时间继电器延时一定时间后，常闭KT断开，电流表A接入电路，开始监测主轴电动机绕组电流。
当机床工作时，可调整切削用量，使电流表A的电流接近主电动机M1额定电流的对应值（经电流互感器TA后减小了的电流值），以便提高生产效率和充分利用电动机M1的潜力。
KM1、KM2为控制主轴电机正反转接触器，KM3用于短接电阻R的接触器，由它们的主触头相互组合控制主轴电机M1。
速度继电器KS为控制电机的正反转制动用。
FU2为冷却泵电动机M2的短路保护熔断器，KM4为控制M2运行的接触器，FR2为M2过载保护热继电器。
FU3为快速移动电动机M3的短路熔断器，KM5为控制M3运行的接触器点动时运行，故不设置热继电器保护。
4.2控制电路分析
4.2.1主电动机点动控制分析
如图4-1，SB2为控制主电动机的按钮开关，当按下SB2且不松手时，接触器
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