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数控车床PLC应用毕业论文
前言
机床的价值从几万元到几十万元不等，一般都是在关键工序的关键设备,一旦故障停机，采用淘汰购新产品价值太高，一般采用维修手段进行维修，使其恢复功能，所以维修程序、方式、手段越来越引起人们的注意。
此次根据现有条件,选用一台严重损坏的6140车床作为对象进行维修，内容包括原电路的解读，新电路的设计,购买新元件，通过调试维修过程时机床可以正常使用,同时，使用组态软件进行模拟仿真，使其动作过程呈现在人们面前。
在文章最后，提出了现有车床现代化改造方案，包括新控制上才可编程控制器，主轴采用交流变频器，使控制更加趋于现代化控制方法。
希青有限公司的6140车床多数为卧式车床，使用继电器和接触器,这些传统的电气结构会导致部分车床因为元件老化或者线路老化，设备出现故障，无法运行,这次的任务就是对其中一部电气系统控制完全损坏的机床进行维修，使其可以正常运行的情况下,但是传统的车床加工精确度不高,加工方式单一,所以在原有6140车床基础上进行改造。
在原有的机床上对其进行PLC改造,提出PLC对其电气部分的控制方法设计方案，并进行软件模拟，使6140车床控制电路简化,从而克服老旧模式缺点，使原来的车床具有一定的数控化,可以进行精细加工，提高产品经济效益，使车床可以在以后市场中得到更加广泛应用。
16140车床的概述
1.16140车床的介绍
6140车床是一种常见的加工车床，是对金属材料进行切割的机床，能够切割柱形金属材料，对材料进行外圆、内圆、端面、螺纹、切割以及割槽等操作,根据不同功能可分为多种机床，此次维修的是普通的C1640卧式车床如图1—1和图1—2所示。
图1-16140车床整体图
图1-26140车床整体图
6140车床型号意义分别为：
6为组代号（落地及卧室车床组）;
1为系代号（卧式车床）；
40为主参数折算值。
1。
26140车床的运动分析
6140车床的运动主要分为主轴电路的转动，进击运动,辅助运动三部分。
1.2。
1主运动
主轴主要是电机转动带动传送带，通过齿轮变速变化，使其获得动力:
（1）电机采用三相笼式异步电动机启动。
（2）调速通过机械部分的变速箱实现。
（3）启动方式为直接启动.
1。
2。
2进击运动
进击运动是通过快速进击电机，辅助内部齿轮传递方式改变,使其可以实现4个方向上的快速移动：
（1）电机采用三相笼式异步电动机启动。
（2）速度固定,方向通过操作杆摇动，改变内部齿轮咬合实现。
（3）由点动开关来实现快速操作。
（4）手动操作，可以进行固定值的加工.
1.2.3辅助运动
辅助运动多数为手动操作完成，主要是加工时候根据需要进行选择:
（1）刀架转动。
（2）物件夹紧和放松。
（3）钻孔进给。
（4）加工冷却（与主电机为顺序启动关系）由转换开关控制.
2机床维修
2.1机床电气控制部分的损坏情况
希青有限公司的6140车床是传统的普通机床，因使用时间过长，已经损坏严重，控制电路板内的部分电线已经断裂，部分元件因为短路烧毁无法使用，保险管脱落等问题，如图2-1所示.
图2-1控制面板
点动开关失去点动作用，内部电线无法连接到电机，如图2-3所示
图2—3快速移位操作点动开关
2。
26140车床元件参数
2.2.1电机参数的测量
因为元件的老化无法运行机床,故无法知道电机的好坏，因此必须使用兆欧表和单臂电桥对其进行测量，确认其是否可以继续使用。
（1）兆欧表的使用
兆欧表的测量是相对于电机表面，为了测试内部接线是否裸露与电机外壳进行接触，防止运行时产生事故,兆欧表如图2-4所示。
图2-4兆欧表
分别将电机三条线与兆欧表其中一条线进出,另一条与电机外壳接触，轻轻摇动摇臂，显示指针在“∞”，表示电机完全正常。
（2）直流单臂电桥
测量过程首先调节单臂电桥，使其可以正常工作,分别用两个接线对电机的三条电线两两测量，如果电机正常,那么每两个电线之间的电阻出入为零（测量时候因为有少量电线,产生了误差），电机为正常的。
测量如表2-1所示。
表2-1电机参数
UV（Ω）
UW（Ω）
VW（Ω）
是否正常
主轴电机
1.023
1。
024
1.024
是
快速移位电机
55.64
55。
65
55.66
是
冷却泵电机
142.7
143.7
144。
7
是
直流单臂电桥如图所示:
图2—5直流单臂电桥
2.2。
2其他元件参数
维修电路前，首先要对机床所需要的元器件有充分的了解，首先查阅相关资料，确定元件的型号，再判断元件的好坏，如表2—2所示。
表2-2原元件参数
物件名称
主要参数
型号
是否正常
热继电器
额定电压380V
额定电流22A
JR16B—20/3
否
热继电器
额定电压380V
额定电流不详
JR16-20/3
否
变压器
容量250VA
频率50/60HZ
输入绕组承受最大电流0。
65A
输出端容量分配不详
JB/T5555
否
接触器
额定电压380V
额定电流20A
CJ0—20B
否
接触器
额定电压380V
额定电流不详
不详
否
接触器
额定电压380V
额定电流不详
不详
否
熔断器
不详
不详
否
转换开关
不详
不详
否
点动开关
不详
不详
否
指示灯
额定电压6V
不详
否
断路器
不详
不详
否
启动按钮
不详
LA19
否
急停开关
不详
LAY3
否
端子排
不详
五位端子
否
1。
26140车床的电气控制分析
控制电路图能更加直观的看出控制面板的工作原理，6140车床的控制电路图如图2-6所示。
图2—66140车床电气控制电路
主电路部分:
M1为主轴电动机，为直接启动电机，由接触器KM1控制，热继电器FR1过载保护.
M2为水泵电动机，由接触器KM2控制,热继电器FR2过载保护。
M3为快速移位电动机，由接触器KM3控制。
控制电路部分：
指示灯HL在接通电源后自动亮起。
照明电灯EL在开关SA1的控制下。
当开关SB2按下时候，KM1通电,自锁,电机M1启动。
开关SB3单独控制水泵电动机,当按下此开关时候，水泵电机启动。
点动开关SA2在KM1接通后，可以控制快速移动电机工作.
2.2。
3元件选择
（1）热继电器的选择,希青有限公司处于地下，工作环境较为潮湿,因此选择功率稍大于额定电流的水平，主电机功率一般不会大于7。
5KW，因此判定其为7。
5KW的电动机,额定电流计算为14A,调节的动作电流为电机的1。
15倍电流，起到保护作用，最后选择大于16A的热继电器进行保护.
（2）变压器的选择，根据用电地方的电源电压和负载需要的电压进行选择，特殊负载需要36V和12V的变压口，容量大于负载即可。
（3）接触器的选择，220V的工作电压，通常电流选择为功率（KW）乘以二即可，主电机为7。
5KW，水泵为0.125KW，快速移位为0.35KW，选择为15A，0。
25A.0.7A即可。
（4）导线选择，导线2.5平方毫米规格的铜线，安全电流为28A，导线1。
5平方毫米规格铜线,安全电流为14A，控制电板中使用1.5平方毫米铜线，连接外使用2。
5平方毫米铜线。
2。
2.4新元件名目
根据需要采购所需元件，如表2—3所示。
表2-3现元件参数
物件名称
主要参数
型号
是否正常
热继电器
额定电流25A
额定电压380V
JR29-25
是
热继电器
额定电流16A
额定电压380V
JR29-16
是
变压器
容量250VA
频率50/60HZ
JBK3—250
是
接触器
额定电流20A
额定电压380V
CJ20—20A
是
接触器
额定电压380V
额定电流10A
CJ20—10A
是
接触器
额定电压380V
额定电流10A
CJ20-10A
是
断路器
额定电流60A
额定电压380V
DZ47-60
是
转换开关
二档变换
额定电压220V
XB2BD25C
是
点动开关
额定电压220V
发热电流10A
R13-507
是
指示灯
外径22mm
AD16-22DSAD16—22DSAD16-22DS
是
空气开关
额定电压220V
额定电流16A
CN267-32—16
是
启动按钮
外径直径18mm
LA19-11
是
急停开关
外径直径18mm
LAY3—11ZS
是
端子排
六位端子
六位端子
是
2.2。
6维修后控制板
维修后6140车床可以正常使用运行，其维修后的控制电路板如图2-7所示。
图2—7控制面板
2。
3维修后电机改善状况
用空气开关代替传统开关，也用其代替保险丝断路器，对整个电路进行保护,当电流过大或者内部短路时候，会自动吸合断电,从而进行保护,减少了变压等级，对冷却泵修复，可以在工作时候进行冷却，端子排进行标记，方便日后维修，通电后，可以正常运行工作.
3组态模拟车床
3.1组态的介绍
3.1.1组态软件
组态软件是一种工业自动化监控软件，可以通过计算机对设备和自动化过程进行监控，开发人员可以不需要懂得C语言的知识，只需通过软件提供的组态功能进行开发就可以完成对工业自动化系统的开发工作。
组态软件使得研发人员使用较少的开发时间即可获得功能强大的工业组态程序和画面,十分有效地对设备和自动化过程进行实时监控，组态软件能够很好的帮助我们解决计算机和各种控制设备之间的连接和控制问题。
目前常用的组态软件有很多，组态王、MCGS、WINCC以及微控可视组态等都是被广泛应用的优秀组态软件。
3.1.2MCGS组态软件
MCGS组态软件是现在学校教学常用的一种组态软件，其简单易学的操作页面是这款软件受欢迎的主要原因之一，这个软件也是学校教学的主流组态软件之一，如图3—1所示。
图3-1MCGS启动画面
使用这款软件的时候首先要建立数据库，分析变量的多少和确定运行策略，通过用户窗口画出需要的物件,连接数据，然后通过编辑运行策略来使动画效果达到自己预期的效果。
主控窗口如图3—2所示。
图3-2MCGS主界面窗口
3。
2组态在6140车床的动画设计与动画显示
3。
2.1组态窗口设计
设计用户窗口,打开软件后进入用户窗口，根据实际需要建立窗口，我们研究的为车床故建立6140车床窗口，如图3-3所示.
图3-3组态用户窗口
3。
2。
2组态数据对象设置
在“实时数据库”中建立数据对象,根据实际需要建立相应的数据对象,设计数据类型，并连接到组态软件中各个元件相应的位置中去，从而达到仿真的要求,如图3-4所示。
图3—4数据对象
3。
3组态循环策略设置
进入“运行策略”窗口,通过设计运行策略是组态具有动画效果，并新建一个策略行，如果需要，根据需要建立策略行，从“策略工具箱”中添加“脚本程序”，然后根据需要进行编写,如图3-5所示.
图3—5添加脚本程序
双击脚本程序，对运行策略进行编辑，系统的脚本程序如下：
系统启动的脚本为开关=1的策略行，代表着总开关的开启
IF启动=1THEN
主轴机=1-主轴机
ENDIF
IF启动=1AND垂直=1AND摇杆=1THEN
垂直移动=垂直移动-1
ENDIF
IF启动=1AND垂直=1AND摇杆=2THEN
垂直移动=垂直移动+1
ENDIF
IF启动=1AND水平=1AND摇杆=3THEN
水平移动=水平移动-1
ENDIF
IF启动=1AND水平=1AND摇杆=4THEN
水平移动=水平移动+1
ENDIF
系统停止的脚本为开关为0，代表总开关关闭：
启动=0
所有程序停止运行。
3。
4组态软件动态显示
设计完毕系统后，将主画面的各个元件连接实时数据.
根据车床实际运行方式进行仿真模拟。
实际车床开启总电源后，整个机床通电，这时候最优先的控制开关是主轴开关,当主轴开关开启后,主轴开始转动，这时候其他开关才能启动其他不同功能元件。
如果所示，在组态中，总开关是启动整个组态的初始判定条件，当按下这个开关时候,整个组态正式进入运行的循环语句当中，这时候点击启动按钮，电机开始旋转，这时候拉杆在正中间位置，按钮设为按1松0的状态，当点击快速移动的点动开关的时候，刀架会根据按钮所在的方向进行移动，当松开这个按钮的时候，刀架会停止运动，充分模拟的6140车床的实际运行轨迹。
在组态仿真过程中，没有办法体现电机主轴的旋转快慢速度，此调节是通过车床内部变速箱进行设定，可以通过丝杠进行模拟。
建立组态画面，将各个数据连接到画面中，从而实现仿真模拟，达到预期的要求，组态画面如图3—6所示。
图3—66140车床系统运行图
4PLC控制系统设计改造车床
4.1PLC控制系统设计的原则
PLC控制系统的工程设计一般可以分为系统规划（总体设计）、硬件设计、软件设计、系统调试、技术文件编制这五个基本阶段。
系统设计流程图如图1—20所示。
1.明确工艺过程及控制要求
在进行控制系统总体设计之前,设计人员必须详细了解系统的工艺流程以及要实现的控制要求，必须认真同工程技术人员进行交流,充分了解设备、工艺过程需要实现的动作与应具备的功能,掌握设备中各种执行元件的性能与参数，以便有效地开展设计工作，如果方便的话最好要深入现场进行了解。
只有明确了系统的工艺过程及控制要求，才能制定出最优的设计方案。
2.控制系统总体方案设计
系统方案设计应根据控制要求与功能,确定系统的实现措施,由此确定系统的总体结构与组成，系统设计内容主要包括：
选择PLC的型号、规格、确定I/O模块的数量与规格；选择特殊功能模块;选择人机界面、伺服驱动器、变频器、步进电机驱动器装置等。
总体方案确定后，设计者应同相关技术人员、用户和供应商等，对总方案进行评审，以取得项目管理部门、技术人员和操作者的认可。
在充分听取各方面的意见的基础上，设计者决定是否对总体设计方案进行修改.当方案有重大更改时，在修改方案完成后,还应再次进行总体方案的评审。
3。
硬件设计
硬件设计时在系统总体设计完成后的技术设计，在这一阶段，设计人员需要根据总体方案完成电气控制原理图、电气柜元件布置图、电气柜内部接线图、电气柜外部接线图、电气柜盘面布置图等基本图样的设计工作。
4。
软件设计
PLC控制系统的软件设计主要是编制PLC用户程序、特殊功能模块、控制软件、确定PLC以及功能模块的设定参数（如需要）等，它可以与系统电器元件安装柜、操作台的制作、元器件的购买同步进行。
软件设计应根据所确定的总体方案与已经完成的电气控制原理图，按照原理图所确定的I/O地址，编写实现控制要求与功能的PLC用户程序，为了方便调试、维修,通常需要在软件设计阶段同时编写出程序说明书和I/O地址表、注释表等辅助文件.
5.现场调试
PLC的现场调试是检查、优化PLC控制系统硬件、软件设计，提高控制系统可靠性的重要步骤。
为了防止调试过程中可能出现的问题，确保调试工作的顺利进行，现场调试应在完成控制系统的安装、连接、用户程序编制后，按照调试前的检查，硬件调试、软件调试、空运行试验、可靠性试验、实际运行试验等规定的步骤进行。
6.技术文件编制
在设备安全、可靠性得到确认后,设计人员可以着手进行系统技术文件的编制工作,如修改电气原理图、连接图、编写设备操作、使用说明书、备份PLC用户程序、记录设备的调整方法、设定调试参数数值等内容。
文件的编写应正确、全面,必须保证图与实物一致，电气原理图、用户程序、设定参数必须为调试完成后的最终版本。
4。
2PLC的相关介绍
PLC是常用的一种编程控制装置，PLC可以代替传统的继电器控制来完成对整个电路的控制，但是它又可以将大量的继电器，接触器等功能合为一体，从而减少使用空间,但是还能完成操作目的，PLC内部完成各种计算任务，输出一个输出量,从而传递给需要的机器，完成操作目标，是一种简单的常用的控制装置，它的小巧,易维修,改造等功能适合大型企业的工作环境，所以在真正的工作环境中，这种PLC控制装置得到了大量的运用。
PLC大量在工业中使用，比如数控机床往往都是内部带有PLC，其控制系统的稳定性和易于维修性是工业使用PLC的主要原因。
PLC内部处理程序代替的是传统的继电器的作用，直接给予输出量一个结果，从而达到传统继电器控制面板的需求，PLC的基本单元结构如图4-1所示。
图4—1PLC基本单元结构框图
4。
3PLC的基本原理
PLC的工作原理分为三个部分,主要是首先进行内部处理,在进行通信处理，同时还循环执行输入处理、程序处理和输出处理。
内部处理:
内部处理阶段，主要是对PLC的内部CPU硬件的检测，如果CPU出现问题，那么就会停止执行程序所编程的程序,如果一切正常，那么监控定时器复位。
通信服务：
通信服务,就是PLC与外部装置相连，主要是对变频器和触摸屏的通信等。
输入处理，程序处理，输出处理:
这三个处理都是PLC存储器内部的处理，主要是对内部程序的语法错误和合理性进行判断,然后进行循环处理从而实现用户要求的程序结果。
4.4PLC改造车床的意义
传统继电器控制的电路容易因为设备老化或者电路老化造成机床无法使用时或者部分功能无法使用，而且维修麻烦,耗时耗力。
然而PLC控制可以省去大量的空间，减少维修难度。
普通机床的工作过程是机械供给，容易因为个人的操作产生不必要的误差，机械调速会因为齿轮的老化和咬合问题产生偏差，然而PLC控制的电路直接给予电机控制，减少中间部分产生的误差,可以大大加大物件加工的精确度。
4。
5PLC基本单元组成及结构
CPU,是PLC的核心，主要作用是故障诊断，检查用户程序,接收现场的状态或数据信息，执行用户程序并输出运算结果。
存储器，可以分为系统程序存储器,用户程序存储器和工作数据存储器。
输出/输入单元，是PLC与外部设备传送状态信号的接口部分，PLC的输入和输出设有指示灯,可以更好的调节程序.
PLC的内部程序是一种计算器和判断器的结合,首先根据程序写的判断进行循环,然后进入CPU进行判断,执行程序输出的运算结果，然后在进行存储，通过I/O口或者信号口对外部进行输出，展现出想要的成果和结果从而达到控制输出装备，例如机床，空调等用品的作用。
其内部相当于多个继电器的组合,而又省去了传统继电器的占地空间，而又判断准确，是工业常用的一种电气设备，如图4—2所示。
图4—2PLC实物图
4.6PLC设计流程和步骤
4.6.1控制对象与控制要求
控制对象是6140机床，但是机床的变速功能需要通过变频器来实现，所以直接和PLC相连的是变频器，所以应该根据变频器的控制要求来设计电路。
4.6。
2确认输出/输入端口及参数设定
根据控制要求进行设定，根据机床需要，需要启动（正转、反转），停止，变速（低速、中速、高速）六个输入量来控制机床，输出量就是变频器STF，变频器STR、RL、RM、RH,这五个输出量。
变频器的RL、RM、RH是变频器内部自带的设定参数，根据题目要求我们可以改变其中的内部参量，从而达到不同速度的设计需求，这些端口对应的号码可以通过查阅相关的变频器参数书得到,这本使用手册是使用变频器的重要组成部分之一，确定参数才能保证变频器的正确使用。
4.6.3I/O分配及接线图
X001：
正转启动;X002：
反转启动;X003：
急停；X004：
低速状态;X005：
中速状态；X006：
高速状态；Y001：
变频器STF;Y002：
变频器STR；Y003:
RL（低速）；Y004:
RM（中速）;Y005:
RH（高速）。
接线图如图4—3所示。
图4—3PLC接线图
4。
7改造设计的方案
4.7.1变频器的介绍
工作原理是改变电机的工作频率来实现电机速度大小的变化。
这次使用的变频器是FR-A740型号，根据说明书来对其进行了解，从而可以进行控制电机完成工作.
变频器是一种改编频率的机械装置，其变频原理一般分为两种，其中一种是电流变频，还有一种是电压变频。
电流变频是通过分流从不同的电阻流过,然后产生不同的电压，从而达到变频的目的；另一种电压变频是通过分压，然后实现变频.变频器的主要工作原理是先调压,然后调节频率，然后稳压，从而达到真正的变频,然后连接到电机中去，从而达到改变电机运转速度的目的。
变频器在实际生活不仅是用来对电机调速，在其他领域还有很广泛的运用，变频作为一个简单的电气元件，可以进行调速，变频，调压等多种功能,这种功能代替机械的多数变速箱和很多变压器等功能,但是其体积小,而又使用方便，变频精确度高的特点受到广大厂家的喜爱，所以变频器在生活生产中得到了广泛的推广运用，特别是机床中，运用更多，更广泛，如图4-4所示.
图4-4变频器
4。
7.2变频器的参数设定计算
79为运行模式选择（0、1、2、3、4、6、7）选择PR.79=3设置为多速段组合模式,4为多段速设定（高速）初始为50HZ，5为多段速设定（中速）初始为30HZ,6为多段速设定（低速）初始为10HZ,我们需要的速度分别为高速为1500r/min，中速为1000r/min,低速为500r/min.
电机转速与频率的公式：
n=60f/p
上式中
N为电机的转速（转/分）；
60为每分钟（秒）;
F为电源频率（HZ）；
P为电机旋转磁场的极对数.
根据上述公式计算（机床电机极对数为2）设置高速为50HZ，中速为33HZ，低速为17HZ。
4.7.3变频器直接控制
使用调速装置由手柄旋转九个位置控制电阻来进行调速,采用电阻分压式给定方法，各档电阻值的大小对应不同的转速，这种方法比较与PLC与变频器组合的方法缺少中间装置，不易于修理但是可以直接达到加工要求，连接方法也比较简单，分段调速频率给定图如图4-5所示.
图4-5分段调速频率给定
4。
7。
4PLC和变频器组合控制要求
外部电源接通后，PLC接通启动，然后根据作业需要选择正转或者反转按钮,启动主电机旋转,电机启动的时候，初始使用低速转速,这时候根据作业需要，选择中速，高速按钮，实现不同转速的工作要求，当工作完成后，点击停止按钮，电机停止转动，可以实现三种速度随意转换切换，也可以实现正反转切换。
4。
7。
5PLC和变频器组合梯形图
触摸屏、变频器调速控制电机的梯形图，如图4—6所示.
图4—6PLC梯形图
PLC输出分配:
Y000对应STF;Y001对应STR。
触摸屏软元件分配：
正转启动为M100；反转启动为M101；停止位M102;频率设定为SD。
触摸屏的连接程序是通过软件和PLC程序进行连接，连接如图4—7所示.
图4—7触摸屏、变频器调速控制接线图
程序运行后以额定频率进行运转,当点击触摸屏的正反转任意一个按钮时候，改变状态，按停止后，电机停止运行，在频率设定处可以调节频率，可以改变电机运行的频率，也就是转速改变，从而满足加工的需求需要，如图4-8所示。
图4-8触摸屏界面
4.7。
6PLCRS485通信控制多台电动机
6140机床是由3台电动机控制的机床，其中一台为冷却泵，也就是水泵,这个不需要正反转，只要运行就可以，但是快速移位电机依靠齿轮的变向来实现4个方向的移动，主轴的正反转也是依靠变速箱内的齿轮来完成变向。
利用RS485PLC通信来控制三台电动机的正反转，增加一个快速移位的电机，水泵电机直接连接开关即可。
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