卧式车床电气控制系统的PLC改造设计教学文案.docx

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卧式车床电气控制系统的PLC改造设计教学文案

西南科技大学毕业设计

题目：

C650卧式车床电气控制系统的PLC改造

摘要

车床是机床中应用最广泛的一种，它可以用于切削各种工件的外圆、内孔、端面及螺纹。

车床在加工工件时，随着工件材料和材质的不同，应选择合适的主轴转速及进给速度。

但目前中小型车床多采用不变速的异步电动机拖动，它的变速是靠齿轮箱的有级调速来实现的，所以它的控制电路比较简单。

为满足加工的需要，主轴的旋转运动有时需要正转或反转，这个要求一般是通过改变主轴电动机的转向或采用离合器来实现的。

有的为了提高效率，刀架的快速运动由一台进给电动机单独拖动。

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卧式车床的控制系统的PLC控制改造的研究设计。

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。

此次设计从被控队象的I/O点数和性价比高、综合成本低这几个主要原则出发，主要进行了控制装置选型，PLC的地址分配和用梯形图编辑的PLC控制程序设计。

改造后的机床在实现机床原有功能的基础上还增加了自动加工、自动换刀等多种功能。

【关键词】C650卧式车床；PLC控制；继电器；梯形图

Abstract

ResearchandDesignforC650horizontaltypelatheReconstructiononPLCControlABSTRACTRetrofittingobsoleteoldmachinetoolsisanindustrydevelopedintherecentyearsthisdesignmakesareconstructiontowardsResearchandDesignforC650horizontaltypelatheReconstructiononPLCControlMypurposeistousethestateofPLCmemorizerunittoreplacetherelaymechanicaltouchinseriesorparallelconnectioninelectriccontrolsystemSystemscontrolledbyPLChavefewlineconnectedandsmallcubagelittlepowercostandhighcontrolspeedaswellasprecisionandthatPLChavecountfunctionwhichtheelectriccontrolsystemdon’thavecomm.only.ThisdesignontheprincipleofthenumberofI/Ospotinobjectcontrolledandhighperformancetopriceratioandlowcomprehensivecost.PLC’saddressdistributionandPLCcontroleditedbyladderdiagramismainlydesigned.Onthebasisofcarryingoutmachinetools’intrinsicfunctionsotherfunctionssuchasautomaticmachiningandautomatictoolchangeisaddedafterreconstruction.

【Keywords】C650horizontal；relay；PLC;ladderprogram

前言……………………………………………………………………………1一、项目介绍……………………………………………………………………2

1.1项目设计内容……………………………………………………………2

1.1.1概述……………………………………………………………………2

1.1.2PLC简介………………………………………………………………3

1.2项目设计具体要求………………………………………………………4

1.2.1C650车床的控制要求…………………………………………………4

1.2.2PLC控制系统的设计基本要求…………………………………………6

二、总体方案设计…………………………………………………………………8

2.1方案的提出与比较………………………………………………………8

2.2方案的选择与论证………………………………………………………9

2.3系统总体设计……………………………………………………………11

三、控制系统的总体设计………………………………………………………13

3.1系统工作流程分析………………………………………………………13

3.2I/O信号分析………………………………………………………………13

3.3PLC选型……………………………………………………………………14

3.4PLC输入输出线路设计……………………………………………………14

四、控制系统的软件设计………………………………………………………16

4.1系统程序流程分析………………………………………………………16

4.2梯形图程序设计及说明…………………………………………………22

五、控制系统的硬件设计………………………………………………………25

5.1主电路的设计及元件选型………………………………………………25

5.2控制电路的设计及元件选型……………………………………………28

5.3控制柜及面板图的设计…………………………………………………32

六、系统调试……………………………………………………………………33

6.1程序的调试………………………………………………………………33

6.2控制系统的调试…………………………………………………………33

七、设计总结………………………………………………………………………39

参考文献…………………………………………………………………………41

附录1……………………………………………………………………………42

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，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倍，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。

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。

。

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。

因此，我选择对经典的C650卧式车床电气控制系统进行关于PLC的改造，由于我们的水平有限，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。

作者：

张原雪

2012年8月9日

一、项目介绍

1.1项目设计内容

1.1.1概述

C650车床用的是通过电器设备控制液压系统，再有液压系统操纵离合器、刹车器，以控制主轴的正转、反转和停止运动。

主要组成部件有：

主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身，如图1所示。

图1-1C650卧式车床示意图

　　主轴箱：

又称床头箱，它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经过一系列的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速，同时主轴箱分出部分动力将运动传给进给箱。

主轴箱中等主轴是车床的关键零件。

主轴在轴承上运转的平稳性直接影响工件的加工质量，一旦主轴的旋转精度降低，则机床的使用价值就会降低。

进给箱：

又称走刀箱，进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其变速机构，可得到所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。

　　丝杠与光杠：

用以联接进给箱与溜板箱，并把进给箱的运动和动力传给溜板箱，使溜板箱获得纵向直线运动。

丝杠是专门用来车削各种螺纹而设置的，在进行工件的其他表面车削时，只用光杠，不用丝杠。

同学们要结合溜板箱的内容区分光杠与丝杠的区别。

　　溜板箱：

是车床进给运动的操纵箱，内装有将光杠和丝杠的旋转运动变成刀架直线运动的机构，通过光杠传动实现刀架的纵向进给运动、横向进给运动和快速移动，通过丝杠带动刀架作纵向直线运动，以便车削螺纹。

刀架：

装夹刀具的夹具。

尾架：

装夹锥柄工具加工、辅助加工工件的装置。

如：

钻头、顶尖等

床身：

车床的主要部分。

工作过程和其它类型的车床基本一致。

为了加工出各种表面，车床刀具之间要保持必要的相对运动。

车床必须具备下列运动。

（1） 工件的旋转运动。

   车床通常以工件的旋转运动作为主运动，用n（r／min）表示。

主运动是实现切削最基本的运动，其特点是速度高且消耗的动力较大。

（2） 刀具的移动。

   这是车床的进给运动，常用贝mm／r）表示。

进给运动方向可以是平行于工件的轴线或垂直于工件轴线，也可以是与中心线成一定角度或做曲线运动。

进给运动速度较低，所消耗的动力也较少。

主运动和进给运动是形成被加工表面形状所必需的运动，称为机床的表面成形运动。

此外，机床上还有一些其他运动，如切入运动和分度运动。

卧式车床上的切入运动通常与进给运动的方向相垂直，且由工人手动操纵刀架来实现。

为了减轻工人的劳动强度和节省空行程，时间，CA6140型车床还具有刀架纵向及横向的快速移动。

机床中除了成形运动、切入运动和分度运动等直接影响加工表面和质量的运动外，还有辅助运动（为成形运动创造条件的运动称为辅助运动）。

1.1.2PLC简介

PLCProgrammableLogicController（可编程控制器），是在继电器控制和计算机控制基础上开发的工业自动化控制装置，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，它具有可靠性高、设计施工周期短、维修方便、价格便宜等特点，其种类繁多，不同厂家的产品各有特点，且有一定的区别。

但作为工业标准设备，PLC具有一定的共性，它们都是通过输入接口，接收工业设备或生产过程的各类输入信号（如从操作按钮、行程开关等送来的开关量或有由位器、传感器、变送器等提供的模拟量），并将其转换成其能够接受和处理的数据，运行用户控制程序，将产生的结果通过输出接口转换成外围设备所需要的控制信号，去驱动控制对象（如接触器、电磁阀、调节阀、指示灯、调速装置等），进而控制工业设备或生产过程。

电气系统改造为PLC控制的意义传统的继电器—接触器控制系统由于其结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定的范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中曾占主导地位，但是继电器—接触器控制有着明显的缺点：

设备体积大、寿命短、可靠性差、动作速度慢、功能少、程序不可变；因此对于程序固定，控制过程不太复杂的系统还是适合的。

但是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，所以当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制柜就要改接或更改，通用性和灵活性较差。

但可编程序控制器（PLC）以其完善的功能，很强的通用性，体积少及高可靠性等特点在各工矿企业得到广泛的应用。

在工厂自动化系统中，PLC被广泛采用为核心的控制器件。

它既可组成功能齐全的自控系统控制整个工厂的运行，亦可单独使用作单机自动控制。

它还是继电器控制柜的理想替代物。

在生产工艺控制、过程控制、机床控制、组合机床自动控制等场合，占有举足轻重的地位。

1.2项目设计的具体要求

1.2.1C650车床的控制要求

从车削工艺要求出发，对各电动机的控制要求主要是：

电动机M1（30KW）：

由它完成主运动的驱动。

要求：

直接起动连续运行方式并有点动功能以便调整；能正反转以满足螺纹加工需要；由于加工工件转动惯性大，停车时带有电气制动，此外，还要显示电动机的工作电流以监视切削状况。

冷却电动机M2：

用以加工时提供冷却液，采用直接起动、单向运行、连续工作方式。

快速移动电动机M3：

单向点动、短时工作方式。

要求有局部照明和必要的电气保护与联锁。

C650车床的控制具体要求

轴转速和进给速度可调,车削加工时，由于工件的材料、尺寸、工艺要求、加工方式、冷却条件及刀具种类不同，切削速度应不同，因此要求主轴转速能在相当大的范围内进行调节；加工螺纹时，要求保证工件的旋转速度与刀具的移动速度之间具有严格的比例关系。

为此，车床溜板箱与主轴之间通过齿轮来连接，所以刀架移动和主轴旋转都是由一台电动机来拖动,而刀具的进给是通过交换齿轮箱传给进给箱的配合来实现的。

主轴能正反两个方向旋转

车削加工一般只需要单向旋转，但在车削螺纹时为避免乱扣，要求主轴反转来退刀，因此要求主轴能正反旋转。

车床主轴旋转方向可通过改变主轴电机转向及用机械手柄（离合器）来控制。

主轴以及各电动机起动应平稳

为满足此要求，一般功率较小的电动机（如：

冷却泵电动机M2功率是2.2kW、刀架快速移动电动机M3功率是0.125kW）可以直接起动，功率较大的电动机（如：

主轴电动机M1功率是30kW）一般用降压启动，但若电动机在空载或轻载情况下起动，虽然功率较大，仍可直接启动。

主轴应能迅速停车

迅速停车可以缩短辅助时间，提高工作效率，为使迅速停车，电动机必须采取制动。

车床主轴电动机的制动方式有两种，一种是机械制动（例如机械摩擦的离合器制动），另一种是电气制动（例如能耗制动和反接制动），C650卧式车床主轴电动机的制动方式用反接制动。

车削时的刀具及工件应进行冷却

由于加工时的刀具及工件的温度相当高，应设有专用电动机拖动冷却泵工作。

机床各电路应有必要的保护及照明等电路

为防止机床电路发生漏电、过载、短路等故障，主电路、控制电路应装上自动空气开关、漏电开关及热继电器等电气元件，电路的相应环节具有联锁功能，机床外壳要接地。

为满足工作要求，机床应设有专用照明装置。

C650车床主电路控制系统原理图如图1-2所示。

图1-2C650车床电气控制原理图

1.2.2PLC控制系统的设计基本要求

PLC控制系统是由PLC与用户输入、输入设备连接而成的，用以完成预期的控制目的与相应的控制要求。

因比PLC控制系统设计的基本内容应包括:

了解设备电器的工作原理。

根据生产的工艺过程分析控制要求，如需要完成的动作（动作顺序，必需的保护和联锁等），操作方式（手动，自动，点动，连续等）。

根据控制要求确定系统控制方案，进行系统的总体设计。

进行PLC控制系统配置的设计，主要为PLC的选择，PLC是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。

选择PLC，应包括机型的选择、I/O模块的选择等。

选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、行程开关等）输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件），以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等），这些设备属于一般的电器元件。

根据控制要求基本确定I/O点数和模拟量通道数，进行I/O初步分配，绘制I/O接线图

程序设计主要包括绘制控制系统流程图、设计梯形图、语句表程序，控制程序是控制整个系统工作的核心条件，是保证系统工作正常，安全、可靠的关键。

联机调试。

按照控制电路原理图连接硬件，将编写好的控制程序下载至PLC，进行软硬件联调，如果不满足控制系统的要求，再返回修改程序或检查接线，直到满足控制系统的要求为止。

二、总体方案设计

2.1方案的提出与比较

C650卧式车床的控制方式及其优缺点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，在一定范围内满足控制要求，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

PLC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3PLC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，定时范围宽，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。

2.2方案的选择与论证

电气系统改造为PLC控制的意义

传统的继电器—接触器控制系统由于其结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定的范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中曾占主导地位，但是继电器—接触器控制有着明显的缺点：

设备体积大、寿命短、可靠性差、动作速度慢、功能少、程序不可变；因此对于程序固定，控制过程不太复杂的系统还是适合的。

但是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，所以当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制柜就要改接或更改，通用性和灵活性较差。

但可编程序控制器（PLC）以其完善的功能，很强的通用性，体积少及高可靠性等特点在各工矿企业得到广泛的应用。

在工厂自动化系统中，PC被广泛采用为核心的控制器件。

它既可组成功能齐全的自控系统控制整个工厂的运行，亦可单独使用作单机自动控制。

它还是继电器控制柜的理想替代物。

在生产工艺控制、过程控制、机床控制、组合机床自动控制等场合，PLC占有举足轻重的地位。

特别是在数控机床及大量的机床改造和老设备改造中，PLC应用极广。

方案的选择

C650普通车床属于中型车床，用于切削工件外圆、内孔和端面等。

该车床由主轴运动和刀具进给运动完成切削加工。

主轴由三相异步电动机拖动，进给是由主轴运动经齿轮传给进给箱来实现的，为减少辅助工作时间，刀架由一台三相异步电动机单独拖动，实现刀架的快速移动，另外用一台交流电动机拖动冷却泵，用以实现切削时刀具的冷却，其具体的改造方案为：

1、原车床的工艺加工方法不变；2、在保留主电路的原有元件的基础上,不改变原控制系统电气操作方法；3、电气控制系统控制元件包括（按钮.行程开关.热继电器.接触器），作用与原电气线路相同；4、主轴和进给起动.制动.低速.高速和变速冲动的操作方法不变；5、改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC编程实现。

PLC的优点：

（1）可靠性Plc不需要大量的活动元件和连线电子元件。

它的连线打打减少。

与此同时，系统的维修简单，维修时间短。

Plc采用了一系列可靠性设计的方法进行设计。

例如：

冗余的设计。

断电保护，故障诊断和信息保护及恢复。

Plc有较高的易操作性。

它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不容易发生操作的错误。

Plc是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。

采用了精简化的编程语言。

编程出错率大大降低。

（2）易操作性对plc的操作包括程序输入和程序更改的操作。

程序的输入直接可接显示，更改程序的操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻找，然后进行更改。

Plc有多种程序设计语言可供使用。

用于梯形图与电气原理图较为接近。

容易掌握和理解。

Plc具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。

当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快找到故障的部位。

（3）灵活性Plc采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。

编程方法的多样性使编程简单、应用而拓展。

操作十分灵活方便，监视和控制变量十分容易。

以上特点使用plc控制系统具有可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强，运行稳定等诸多优点今后plc控制系统还会得到更广泛的使用。