基于PLC控制的C650车床的电气控制毕业设计 精品.docx
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基于PLC控制的C650车床的电气控制毕业设计精品
基于PLC的C650普通车床的电气改造
摘要
本次设计介绍了C650普通车床电气控制系统的工作原理及其运动形式，编写了PLC控制梯形图程序。
利用PLC控制系统，实现了车床启动、正转反转、反接制动、刀架快速移动、冷却泵在作等一些列功能，改由PLC控制后，其控制系统大大的简单化,并且维修方便,易于检查，节省大量的继电器元件,机床的各项性能有了很大的改善，工作效率有了明显提高。
关键词：
普通车床；PLC控制；梯形图
1绪论
1.1普通机床改造的意义和前景
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。
数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。
数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。
更新改造旧机床是最近几年发展起来的一个新兴产业，在国外己形成一定规模和市场，涌现出了许多专门从事机床改造的公司。
国外旧机床改造费用大约为同类型新机床价格的60%，尽管费用较高，但由于机床改造后使用效果好，所以仍然受到机床用户的欢迎。
国内近几年才有较多的用户使用数控机床，大多数用户当前最关心的还是怎样用好、维护好数控机床，机床改造还处于起步阶段。
改造旧机床是一项高新技术，风险大，承担者必须具备比较全面的知识和经验，不仅要熟悉各种类型的机床和不同类型的数控及驱动系统，还要熟悉用户的使用要求和机床的优缺点。
因此，实施设备改造的技术难度非常高。
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。
据最近有关资料表明，我国机床总量为380余万台，其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率还不到3%，而一些发达国家早己达到20%以上。
因此，我国机械制造水平与发达国家相比差距很大，设备陈旧，技术水平落后，严重地影响了生产力的发展。
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.即使在发达的工业国家，在大量制造数控机床的同时，也在组建维修改造专业公司，专门从事旧机床的维修和数控化改造，尤其在美国、日本和德国等发达国家机床工业处于不景气的今天，它们的机床改造却是为新的经济增长行业，生意盎然，处在黄金时代。
[用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新行业。
在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。
从事再生业的著名公司有:
Bertsche工程公司、Ayton机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、us设备公司等。
美国得宝公司己在中国开办公司。
在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofitting）业。
从事改装业的著名公司有:
大限工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。
由于机床本身的特点，以及相应技术的不断发展进步，机床改造仍是一个“永恒”的课题，并且正在向着更高层次发展。
我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新行业。
结合我国机床业的实际和当前相关新技术的发展，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，内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。
1.2PLC在电气控制系统中的应用
PLC是先进的工业化国家通用的标准工业控制设备，在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术，现在已经成为现代工业控制三大技术支柱（PLC,CAD/CAM,ROBOT）之一，可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作电子系统。
它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点。
用PLC控制改造其继电器控制电路,可靠性高、逻辑功能强、体积小，降低了设备故障率,提高了设备使用效率,运行效果良好。
随着我国电力体制改革的深化，电力市场竞争将更加激烈，降低资源损耗和提高管理效益成为各发电企业的迫切需求。
为此，对火电厂辅助车间自动控制水平提出了更高的要求。
经过科技人员的不断引进、开发、研究,我国大型火电站的辅助系统（输煤、化水、除灰、除渣、燃油泵房、循环水泵房等）已由继电器控制过渡到完全由PLC监控。
PLC是一种专为工业生产自动化控制设计的，一般而言，无须任何保护措施就可以直接在工业环境中使用。
然而，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行。
要提高PLC控制系统可靠性，一方面生产厂家要提高PLC的抗干扰能力；另一方面，要在设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合，减少及消除干扰对PLC的影响。
在新的时代，PLC会有更大的发展，产品的品种会更丰富、规格更齐全，通过完美的人机界面、完备的通信设备、成熟的现场总线通信能力会更好地适应各种工业控制场合的需求，PLC作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在我国发电厂的电气自动化建设中发挥越来越大的作用。
1.3C650普通车床的发展趋势
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。
当前数控车床呈现以下发展趋势。
（1）高速、高精密化
高速、精密是机床发展永恒的目标。
随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。
为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。
另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。
数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题。
采用电主轴结构可使主轴转速达到10000r/min以上。
直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。
用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙（包括反向间隙），运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极大地提高了伺服精度。
直线滚动导轨副，由于其具有各向间隙为零和非常小的滚动摩擦，磨损小，发热可忽略不计，有非常好的热稳定性，提高了全程的定位精度和重复定位精度。
通过直线电机和直线滚动导轨副的应用，可使机床的快速移动速度由目前的10～20m/mim提高到60～80m/min，甚至高达120m/min。
（2）高可靠性
数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。
数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。
（3）功能复合化
功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减至最少。
通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。
宝鸡机床厂已经研制成功的CX25Y数控车铣复合中心，该机床同时具有X、Z轴以及C轴和Y轴。
通过C轴和Y轴，可以实现平面铣削和偏孔、槽的加工。
该机床还配置有强动力刀架和副主轴。
副主轴采用内藏式电主轴结构，通过数控系统可直接实现主、副主轴转速同步。
该机床工件一次装夹即可完成全部加工，极大地提高了效率。
2C650车床的主要结构与电路分析
2.1C650车床的主要结构
普通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、螺纹和定型表面，并可以通过尾架进行钻孔、铰孔、攻螺纹等加工。
C650卧式普通车床属中型车床，加工工件回转直径最大可达1020mm,长度可达3000mm。
其结构主要由床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、丝杆和光杆等部分组成，如图2-1所示。
1-进给箱，2-挂轮箱，3-主轴变速箱，4-溜板与刀架，5-溜板箱，6-尾架，7-丝杆，8-光杆，9-床身
图2-1C650车床主要结构图
车床有两种运动，一是轴卡盘带动工件的旋转运动，称为主运动（切削运动），另一种四溜板刀架顶针带动刀具的直线运动，称为进给运动。
两种运动由同一电动机带动并通过各自的变速箱调节主轴转速或进给速度。
此外，为提高效率、减轻劳动强度、便于对刀和减小辅助工时，C650卧式车床的刀架还能快速移动，称为辅助运动。
C650卧式车床由三台三相笼型异步电动机拖动，即主电动机M1、冷却电动机M2和刀架快速移动电动机M3。
2.2C650车床的电路分析
2.2.1主电路分析
从附录一C650普通车床电气原理图中可以看出，断路器QF将三相电源引入，FU1为主电动机M1的短路保护用熔断器，FR1为M1电动机过载保护用热继电器。
为防止在连续点动时的启动电流造成电动机过载，点动时也加入限流电阻R。
通过互感器TA接入电流表A以监视主电动机绕组的电流。
熔断器FU2为M2电动机的短路保护，接触器KM1、KM2为M1电动机起动用接触器。
FR2为M4电动机的过载保护，因快速电动机M3短时工作，所以不设过载保护。
2.2.1控制电路分析
（1）主电动机的点动调整控制
电路中KM1为M1电动机的接触器，KM3为M1电动机的长动接触器，KA
为中间继电器。
M1电动机的点动由点动按钮SB2控制。
按下按钮SB2，接触器KM1得电吸合，他的主触点闭合，电动机的定子绕组限流电阻R与电源接通，电动机在较低速下起动。
（2）主电动机的正反转控制电路
主电动机的正转由正向起动按钮SB3控制。
按下按钮SB3时，接触器KM3首先得电动作，他的主触点闭合将限流电阻短接，接触器KM3的辅助动合触点闭合使中间继电器KA得电，它的触点闭合，使接触器KM1得电吸合。
KM1的主触点将三相电源接通，电动机在额定电压下正转起动。
KM1的动合辅助触点和KA的动合触点的闭合将KM1线圈自锁。
反转起动时用反向起动按钮SB4，按下SB4，同样是接触器KM3得电，然后接通接触器KM2和中间继电器KA，于是电动机在满压下反转起动。
KM1的动断辅助触点和KM2的动断辅助触点分别串在对方接触器线圈的回路中，起到电动机正传和反转的电气互锁作用。
（3）主轴电动机的反接制动控制
当速度接近于零时，用速度继电器的触点给出信号切断电动机电源。
速度继电器与被控电动机是同轴相连的，当电动机正转时，速度继电器的正转常开触点KS1闭合；电动机反转时，速度继电器的反转动合触点KS2闭合。
当电动机正向旋转时，接触器KM3和KM，继电器KA都处于得电动作状态，速度继电器的正转动合触点KS1也是闭合的，这样就为电动机正传时的反接制动做好了准备。
需要停车时，按下停止按钮SB1接触器KM3失电，其主触点断开，电阻R串入主回路，与此同时KM1也失电，断开了电动机电源，同时KA失电，KA的动断触点闭合。
在松开SB1后就使反转接触器KM2的线圈得电，电动机的电源反接，电动机处于反接制动状态。
当电动机的转速下降到速度继电器的复位转速时，速度继电器KS的正转动合触点KS1断开，切断了接触器KM2的通电回路，电动机脱离电源停止。
电动机反转时的制动与正转时的制动相似。
当电动机反转时，速度继电器的反转动合触点KS2是闭合的，这时按一下停止按钮SB1，在SB1松开后正转接触器线圈得电，正转接触器KM1吸合将电源反接使电动机制动后停止。
（4）刀架的快速移动和冷却泵控制
刀架的快速移动是由转动刀架手柄压动限位开关ST来实现的。
当手柄压动ST后，接触器KM5得电吸合，M3电动机带动刀架快速移动。
如果车削加工需要冷却液时按下SB6，冷却泵电动机M3动作，KM5线圈得电，冷却泵电动机M3工作，需要停止时按下按钮SB5即可。
2.3C650车床电气控制线路的特点
从上述分析中可知，这种车床的电气线路有以下几个特点：
（1）主轴的正反转不是通过机械方式来实现，而是通过电气方式，即主电动机的正反转来实现的，从而简化了机械结构。
（2）主电动机的制动采用了电气反接制动形式，并用速度继电器进行控制。
（3）控制回路由于电器元件很多，故通过控制变压器TC同三相电网进行电隔离，提高了操作和维修时的安全性。
（4）中间继电器KA起着扩展接触器KM3触点的作用。
从电路中可见到KM3的常开触点（3-13）直接控制KA，故KM3和KA的触点的闭合和断开情况相同。
从图2-2中可见KA的常开触点用了三个（7-4、7-8、3-8），常闭触点用了一个（3-9），而KM3的辅助常开触点只有二个，故不得不增设中间继电器KA进行扩展。
可见，电气线路要考虑电器元件触点的实际情况，在线路设计时更应引起重视。
3C650车床控制系统的硬件设计
3.1PLC类型简介
自20世纪70年代末，PLC产品出现以来，它以面向工业控制为特点，普通受到电气控制领域的欢迎。
特别是中小容量PLC成功地取代了传统的继电器控制系统，使控制系统的可靠性大大提高。
目前各国生产的PLC品种繁多，发展迅速。
在中国的市场上最具竞争力的有德国西门子公司、日本三菱系列、欧姆龙公司、AB公司所推出的PLC均为从小到大全系列的产品，可满足各种各样的需求。
其中，S7-200PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。
S7-200PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。
S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。
3.2PLC的系统结构
目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。
主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。
其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。
PLC控制系统由输入量—PLC—输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。
由此可见，PLC的基本结构有控制部分输入和输出组成。
3.3PLC基本工作原理
PLC采用的是循环扫描工作方式。
对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。
（1）输入刷新阶段
在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。
完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。
（2）程序执行阶段
在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。
（3）输出刷新阶段
当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。
3.4统计I/O点数
根据第2章的电路分析，统计I/O的点数如表3-1所示。
表3-1I/0点数的统计
I（输入）
序号
名称
代号
所占个数
1
停止按钮
SB1
1
2
主电动机M1的点动按钮
SB2
1
3
主电动机M1的正转按钮
SB3
1
4
主电动机M1的反转按钮
SB4
1
5
冷却泵电动机M2的停止按钮
SB5
1
6
冷却泵电动机M2的启动按钮
SB6
1
7
行程开关
ST
1
8
速度继电器正转触头
KS1
1
9
速度继电器反转触头
KS2
1
O（输出）
1
主电动机M1正转
KM1
1
2
主电动机M1反转
KM2
1
3
制动限流接触器
KM3
1
4
冷却泵电动机M2起、停
KM4
1
5
快速电动机M3起、停
KM5
1
3.5PLC的选型
PLC是控制系统的核心部件，正确的选择PLC对整个控制系统技术经济性指标起着重要的作用。
选型的基本原则是：
所选的PLC应能够满足控制系统的功能需要。
选型的基本内容应包括以下几个方面：
（1）PLC结构的选择
在相同功能和相同I/O点数的情况下，整体式PLC比模块式PLC价格低。
（2）PLC输出方式的选择
不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。
继电器输出型的PLC可以带直流负载和交流负载；晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载。
（3）I/O响应时间的选择
PLC的响应时间包括输入滤波时间、输出电路的延迟和扫描周期引起的时间延迟。
（4）联网通信的选择
若PLC控制系统需要联入工厂自动化网络，则所选用的PLC需要有通信联网功能，既要求PLC应具有连接其它PLC、上位计算机及CRT等接口的能力。
（5）PLC电源的选择
电源是PLC干扰引入的主要途径之一，因此应选择优质电源以助于提高PLC控制系统的可靠性。
一般可选用畸变较小的稳压器或带有隔离变压器的电源，使用直流电源是要选用桥式全波整流电源。
（6）I/O点数及I/O接口设备的选择
PLC程序存储器的容量通常以字或步为单位，用户程序存储器的容量可以作粗略的估算。
一般情况下用户程序所需的存储器容量可按照如下经验公式计算：
程序容量=K×总输入点数/总输出点数
对于简单的控制系统，K=6；若为普通系统，K=8；若为较复杂系统，K=10；
若为复杂系统，则K=12。
在选择内存容量是同样应留有裕量，一般是运行程序的25%。
不应单纯追求大容量，在大多数情况下，满足I/O点数的PLC，内存容量也能满足。
车床电气控制系统所需的I/O点总数在256以下，属于小型机的范围，控制系统只需要逻辑运算等简单功能。
主要用来实现条件控制和顺序控制。
为实现C650车床上述的电气控制要求，所以PLC可以选择西门子公司的S7-200系列。
它的价格低，体积小，非常适用于单价自动化控制系统，该机床的输入信号是开关量信号，输出是负载三相交流电动机接触器等。
车床电气控制系统需要9个外部输入信号，5个输出信号。
PLC所具有的输入点和输出点一般要比所需冗余30%，以便系统的完整和今后的扩展预留。
所以本系统所需的输入点为14个，输出点为10个。
现选择西门子公司生产的S7-200系列的CPU224型PLC，24V直流14点输入10输出。
3.6I/O分配表
根据所统计的I/O口与所选的PLC的型号可列出其I/O分配如图3-2所示。
图3-2I/O分配表
输入信号
PLC地址
输出信号
PLC地址
停止按钮SB1
I0.1
主电动机M1正转KM1
Q0.1
主轴电动机M1的点动按钮SB2
I0.2
主电动机M1反转KM2
Q0.2
主轴电动机M1的正转按钮SB3
I0.3
制动限流接触器KM3
Q0.3
主轴电动机M1的反转按钮SB4
I0.4
冷却泵电动机M2起、停KM4
Q0.4
冷却泵电动机M2停止按钮SB5
I0.5
快速电动机M3起、停KM5
Q0.5
冷却泵电动机M2起动按钮SB6
I0.6
行程开关ST
I0.7
速度继电器正转触头KS1
I1.0
速度继电器反转触头KS2
I1.1
3.7PLC控制系统外部接线图的设计
PLC控制系统外部接线图如图3-3所示。
图3-3外部接线图
4C650车床控制系统的软件设计
4.1PLC编程语言
与个人计算机相比，PLC的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。
各厂家PLC的变成语言和指令系统的功能和表达方式也不一致，有的甚至有相当大的差异，因此各厂家的PLC互不兼容。
IEC（国际电工委员会）是为电子技术的所有领域制定全球标准的世界性组织。
IEC于1994年5月公布了PLC标准（IEC61131）,该标准为可编程
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