CA6140车床电气控制改造PLC控制.doc
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CA6140车床电气控制改造PLC控制系统
1绪论
1.1设计目的及意义
20世纪初，由于电动机的出现，使得机床的拖动发生了变革，用电动机代替蒸汽机，机床的电气传动随电动机的发展而发展。
电气传动的控制方式亦经历了一个从低级到高级的发展过程。
最初采用手动控制。
最早的自动控制是20世纪20、30年代出现的继电接触器控制，它可以实现对控制对象的起动、停车、凋速、自动循环以及保护等控制。
它所使用的控制器件结构简单、价廉、控制方式直观、易掌握、工作可靠、易维护，因此在机床控制卜得到长期、广泛的应用。
它的缺点是体积大、功耗大、控制速度慢、改变控制程序困难，由于是有触点控制，在控制复杂时可靠性降低。
为了解决复杂和程序可变控制对象的需要，在20世纪60年代出现了顺序控制器。
它是继电器和半导体元件综合应用的控制装置，具有程序改变容易、通用性较强等优点，广泛用于组合机床、自动线上。
随着计算技术的发展，又出现了以微型计算机为基础的具有编程、存储、逻辑控制及数字运算功能的可编程控制器PLC【1】。
1.2CA6140的现状
CA6140是一种应用广泛的金属切削机床，目前采用传统的继电器控制的普通车床在中小型企业任大量使用。
能够车削外圆、内圆、螺纹、螺杆等，它采用继电器接触器电路来实现电气控制系统。
但由于大量的使用了继电器与接触器，再加上继电器系统接线复杂，经常造成接触不良，而且原件老化快，设备故障频繁，不便于维修，故障诊断与排除困难，并存在：
（1）触电容易被电弧烧坏而导致接触不良
（2）机械方式实现的触点控制反映速度慢
（3）继电器的控制功能被固定在线路中，功能单一、灵活性差
影响到实际的生产运用。
因此当务之急就是对ca6140车床进行技术改造，以提高企业的设备利用率，提高产品的质量和产量。
1.3设计内容
根据设计条件，采用可编程控制器（PLC）对原有继电接触器控制系统进行改造，使机床故障率下降，可靠性和灵活性大大的提高，实现一定的自动化，具体设计要求如下：
（1）按下启动按钮SB3，主轴电机M1控制接触器得电，主轴电机启动起来
（2）按下停止按钮SB4，主轴电机M1控制接线器失电，主轴电机停止
（3）主轴电机启动后，搬动冷却泵电机手动控制开关SB10致闭合位置，冷却泵电机控制继电器KA得电，冷却泵电机启动起来
（4）主轴电机启动后，搬动冷却泵电机M2手动控制开关SB10致断开位置，冷却泵电机控制继电器失电，冷却泵电机停止
（5）按下点动控制按钮SB12，进刀电机M3控制继电器得电，进刀电机启动运行
（6）按下点动控制按钮SB12，进刀电机M3控制继电器失电，进刀电机停止工作
（7）过载、短路保护热继电器FR1\FR2任何一个触电断开，接触器KM1、继电器KM2断电，所以电机停止工作
2.CA6140车床电气PLC改造方案设计
设计要求：
1）主轴电机M1先启动，有过载保护，主轴电机M1能控制整个线路的启动和停止
2）冷却泵电机M2实现电动和常动，有过载保护，冷却泵电机能独立的启动和停止
3）进刀电机M3能独立的启动和停止
2.1CA6140车床电气控制原理
2．1.1电气控制原理
根据电气传动的要求，由接触器KM1、KM2、KM3分别控制电动机M1、M2、M3，具体电路图如图2-1所示。
图2-1主控制电路设计
在主电路中，M1为主轴电动机，拖动主轴的旋转并通过传动机构实现车刀的进给。
主轴电动机M1的运转和停止由接触器KM1的三个常开主触点的接通和断开来控制，电动机M1只需作正转，而主轴的正反转是由摩擦离合器改变传动链来实现的。
电动机M1的容量小于10KW，所以采用直接启动。
M2为冷却泵电动机，进行车削加工时，刀具的温度高，需用冷却液来进行冷却。
为此，车床备有一台冷却泵电动机拖动冷却泵，喷出冷却液，实现刀具的冷却。
冷却泵电动机M2由接触器KM2的主触点控制。
M3为快速移动电动机，由接触器KM3的主触点控制。
M2、M3的容量都很小，加装熔断器FU1作短路保护。
热继电器FR1和FR2分别作M1和M2的过载保护，快速移动电动机M3是短时工作的，所以不需要过载保护。
带钥匙的低压短路器QF是漏电自动开关。
为了防止电动机外壳带电发生人身事故，电动机外壳均与底线连接。
电源经熔断器用QF引入。
该开关为漏电自动开关。
在自动开关旁有一小孔，其内有漏电实验按钮，以备检查漏电是否正常；电器箱盖内有漏电开关SQ2，当电器箱盖打开，则SQ2的触点闭合，是漏电电阻R通电，电源开关QF自动跳闸；当车床钥匙开关SA2在闭合状态时，操作者把机床关断，使SA2闭合，则机床电源开关合不上，车床无法开动。
欲开车床，需用钥匙把SA2触点打开，方可运行【2】。
2.1.2CA6140车床的主要功能、结构及型号意义
CA6140车床的主要功能
CA6140车床是一种应用极为广泛的金属切削机床，能够车削外圆、内圆、端面、螺纹、切断及割槽等，并可以装上钻头或铰刀进行钻孔和铰孔等。
CA6140车床的结构
（1）车床外部结构如图3-2所示。
车床结构：
三箱：
主轴箱1：
内装有主轴实现主运动，主轴端部有三爪或四爪卡盘以夹持工件。
进给箱10：
作用是变换进给量，并把运动传给溜板箱。
溜板箱8：
带动刀架实现纵向、横向进给，快速移动或车螺纹。
刀架2：
装四组刀具，按需要手动转位使用。
尾座3：
支持工件或安装钻头等孔加工刀具。
床身4：
部件都安装在床身上，以保持部件间相互位置精度
图3-2CA6140车床外形图
1-主轴箱；2-刀架；3-尾座；4-床身；5、9-床腿；
6-光杠；7-丝杠；8-溜板箱；10-进给箱；11-挂轮
（2）车床内部结构如图3-3所示：
图3-3CA6140车床内部结构图
CA6140车床的型号意义
CA6140车床的型号意义如图3-4所示：
图3-4CA6140车床的型号意义
所以CA6140车床为卧式机床，最大工件回转直径为40mm。
（[注]主轴内孔直径50mm；最大棒料直径48mm）。
2.1.3CA6140卧式车床的主要运动形式及控制要求
主运动
运动形式：
主轴通过卡盘或顶尖带动工件的旋转运动：
控制要求：
（1）主轴电动机选用三相笼型异步电动机，不进行调速，主轴采用齿轮箱进行机械有级调速
（2）车削螺纹时要求主轴有正反转，一般由机械方法实现，主轴电动机只作单向旋转
（3）主轴电动机的容量不大，可采用直接启动
进给运动
运动形式：
刀架带动刀具的直线运动
控制要求：
进给运动也由主轴电动机拖动，主轴电动机的动力通过挂轮箱传递给进给箱来实现刀具的纵向和横向进给。
加工螺纹时，要求刀具移动和主轴转动有固定的比例关系
辅助运动
（1）运动形式：
刀架的快速移动
控制要求：
由刀架快速移动电动机拖动，该电动机可直接启动，也不需要正反转和调速
（2）运动形式：
尾架的纵向移动
控制要求：
由手动操作控制
（3）运动形式：
工件的夹紧与放松
控制要求：
由手动操作控制
（4）运动形式：
加工过程的冷却
控制要求：
冷却泵电动机和主轴电动机要实现顺序控制，冷却泵电机也不需要正反转和调速
2.2PLC改造控制电路设计
2.2.1控制电路设计
控制电路采用110V交流电压供电，通过控制变压器TC得到，由熔断器FU6作短路保护。
具体电路图如图2-2所示。
图2-2控制电路设计
（1）电源开关的控制
电源开关是带有开关锁SA2的低压断路器QF，当要合上电源开关时，首先用开关钥匙将开关锁SB右旋，再扳动断路器QF将其合上。
若用开关钥匙将开关锁SB左旋，其触点闭合，QF线圈通电，断路器QF将自动跳开。
若出现误操作，又将QF合上，QF将在0.1s内再次自动跳闸。
由于机床的电源开关采用了钥匙开关，接通电源时要先用钥匙打开开关锁，再合断路器，增加了安全性，同时在机床控制配电盘的壁龛门上装有安全行程开关SQ2，当打开配电盘壁龛门时，行程开关的触点SQ2闭合，QF的线圈通电，QF自动跳闸，切除机床的电源，以确保人身安全。
（2）主轴电动机M1的控制
SB4是红色蘑菇型的停止按钮，SB3是绿色的启动按钮。
按一下启动按钮SB3，KM1线圈通电吸合并自锁，KM1的主触点闭合，主轴电动机M1启动运转。
按一下SB4，接触器KM1断电释放，其主触点和自锁触点都断开，电动机M1断电停止运行。
（3）冷却泵电动机的控制
当主轴电动机启动后，KM的常开触点闭合，这时若按下按钮SB10，则KM2线圈通电，其主触点闭合，冷却泵电动机M2点动启动，提供冷却液。
当按下SB7时，中间继电器M0得电自锁，后KM2线圈得电，冷却泵电动机M2长动启动，按下SB11时可使冷却泵解除长动状态，当主轴电动机M1停车时，KM常开触头断开，冷却泵电动机M2随即停止。
M1和M2之间存在联锁关系。
（4）快速移动电动机M3的控制
快速移动电动机M3是由接触器KM3进行的点动控制。
按下按钮SB12，接触器KM3线圈通电，其主触点闭合，电动机M3启动，拖动刀架快速移动；松开SB12，M3停止。
快速移动的方向通过装在溜板箱上的十字手柄扳到所需要的方向来控制。
（5）SQ1是机床床头的挂轮架皮带罩处的安全开关。
当装好皮带罩时，SQ1（1-2）闭合，控制电路才有电，电动机M1、M2、M3才能启动。
当打开机床床头的皮带罩时，SQ1（1-2）断开，使接触器KM1，KM2、KM3断电释放，电动机全部停止转动，以确保人身安全。
2.2.2照明电路
照明电路采用24V安全交流电压。
照明电路由开关SA1接24V低压灯泡EL组成，灯泡的另一端必须接地，以防止变压器原绕组和副绕组间发生短路时发生触电事故。
故熔断器FU5是照明电路的短路保护器件。
2.2.3指示电路
指示电路采用6V交流电压供电。
指示灯泡HL接低压6V，熔断器FU4是指示电路的短路保护器件。
CA6140车床电气控制原理图如图2-3所示。
图2-3CA6140车床电气控制电路原理图
2.3I/O统计
控制电路中，8个输入信号，3个输出信号。
其输入/输出电器及PLC的I/O配置如表2-1所示。
表2-1输入/输出电器及PLC的I/O配置
输入设备
PLC输入继电器
输出设备
PLC输出继电器
符号
功能
符号
功能
SB3
M1启动按钮
X003
KM1
M1接触器
Y001
SB4
M1停止按钮
X004
KM2
M2接触器
Y002
FR1
M1热继电器
X005
KM3
M3接触器
Y003
FR2
M2热继电器
X006
KA
中间继电器
M0
SB7
M2长动开关
X007
SB10
M2点动开关
X010
SB11
M2解保开关
X011
SB12
M3点动开关
X012
3.硬件选型
3.1电气元件明细表
电气元件明细表要注明各元器件的型号、规格及数量等，如表3-1所示。
表3-1CA6140车床电气元件表
符号
元件名称
型号
规格
件数
作用
现状
M1
主轴
电动机
Y132M-4
7.5KW，15.4A，1450r/min
1
工件的旋转和刀具的进给
已有
M2
冷却泵
电动机
AOB-25
90W
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