CA6140车床的PLC改造设计.docx

1、CA6140车床的PLC改造设计编号:单位代码：14439SHANDONG AGRICULTURE AND ENGINEERING UNIVERSITY电气控制综合设计题 目： CA6140车床的PLC改造设计系 部： 机械电子工程学院专 业： 电气工程及其自动化班 级： 15级2班学生姓名： 徐兴东学生学号： 1502120221指导教师： 林立松完成日期： 2018/06/30山东农业工程学院制*CA6140车床的PLC改造设计认识CA6140车床CA6140车床的先祖是C620老式机床，由于功能的缺陷，后经过机械制造行业的升级变成了如今新型的卧式机床；它被称为 CA6140原因是其中的C

2、表示车床，A代表改良的型号，6指车床为卧式结构，1为基本型，40则象征最大旋转 直径，是机械设备企业加工材料所需的设备之一。CA6140型车床也是众多机床中的一类，主要负责金属切削方面，对于各种 内外圆、端面、定型表面、螺纹螺杆等具有很好的切削技术支持，被普遍的运用 于金属加工行业中。该机床有两个起主要作用的运动部分 ：一种是卡盘或顶尖带动工件的回旋转动，即车床主轴运动；另一种是由滑盘驱动的带动刀架的直线运 动，即车床进给运动。CA6140型普通车床是我国独立研发的最大车削半径为 200m勺新式卧式车床，极大的促进了中国机械加工行业的进步。CA6140车床的形状构造如下图所示，它主要由主轴箱、

3、进给箱、纵横溜板 箱、挂轮变速机构、刀架、尾架、光杠、丝杠、床身、床脚和冷却装置等其它部 分组成3。主轴箱 纵、横溜板尾架方刀架挂轮架 (、tCA6140车床改造原因针对传统的继电器控制系统故障频繁的特点，对 CA6140车床的电气控制系统进行了技术改造，采用可编程逻辑控制器（PLC代替原有的继电器，设计了 PLC控制系统的硬件组成及其控制程序。改造后车床运行稳定，降低了故障率， 提高了使用效率。我校现有的CA6140车床采用传统的继电器控制系统，由于使用了大量的继 电器与接触器，经常造成接触不良，而且元件老化快，设备故障频繁，不便于维 修，影响到学生正常的实习教学。根据实际条件，采用可编程控

4、制器（ PLQ对 原有继电接触器控制系统进行改造， 使机床的故障率下降， 可靠性和灵活性大大三、 CA6140车床工作原理CA6140型车床具有3台三相异步电动机，车床的各个动力由其电机拖动执 行，图 3-1 所示的为该车床的电路原理图，我们对原理图由此进行剖析。电源 保护电源 开关主轴 电动机短路 保护冷却泵 电动机刀架快速 移动电机控制电源 变压及保护断电 保护主轴 电机控制刀架快 I速移动冷却泵控制Z信号 灯照明 灯1234567891011图3-1 CA6140型普通车床电气原理图1.CA6140车床主电路分析CA6140车床的主电路由主电动机 M1、冷却泵电动机M2、快速移动电动机

5、M3、接触器KM和两台继电器组成，三台电动机均为三相异步电机，KA1、KA2 为交流继电器。首先接入电源需要由漏电保护断路器 QF加持，以控制整个电 路的电源通断，电动机M1采用直接启动，我们知道接触器KM具有三个常开触 点，在线圈通电时，三个常开触点便会闭合，此时线路为通路，主轴电动机 M1通电运行，接触器的三个触点便用来掌管 M1的开动和终止；同理，接触器KA1 和KA2也具有三个常开主触点，两台继电器分别用来控制电动机 M2和M3的通电运行。QF为漏电保护器，但是为防止 QF故障，激发电路问题，特加入短 路保护装置FU1 ,作为漏电保护QF的双重保护，同样，为避免电动机 M2和 M3在运

6、行过程当中产生电路问题，加持 FU2作为两台电动机的短路保护装置， 由于两台电机容量较小，且快速移动电动机也不是长期运行， 所以仅用一个FU; 在机床运行过程中，由于电机 M1 和 M2 属于长时间运行的装置，从安全和保护 角度考虑，应设过载保护，则串联热继电器FR1和FR2用来保护电机M1和M2 的过载，快移电动机 M3 属于临时工作，不会长期用来运转，无需过载保护。2 控制电路分析2.1机床电源引入控制变压器TC二次分别输出6V、24V和110V三种电压，其中6V为电源指 示灯供电，24V则作为灯泡EL的电源，而控制线路的工作电源采用 110V交流电 压供电，从电路图上可知，接通电源的首要

7、前提是行程开关 SQ1常开触点变为紧 闭，此刻假定触点已接通线路，封锁配电柜的壁龛门，用钥匙插入钥匙开关 SB，右旋钥匙将开关SB断开，继而把开关QF调节为合的状态，此时，三相电源便会 与主电路接通， 此外，电路图中尚有一个隐藏的条件， 当线路处在正常工作状况 时，且开关SB和行程开关SQ2断开，QF中的线圈也为失电的状况，而线路中的 行程开关SQ2与配电柜的壁龛门属于关联设备，当壁龛门为打开状态时， SQ2的触点为关闭状态，线圈QF也因此得电，当其得电后，断路器QF自动断开，此时， 断路器的控制柄也是无法闭合的 （即使人为管理 ） ，从而切断电源进行安全保护， 防止在控制电路区域进行操作时触

8、电。2.2主轴电动机控制电路分析通过电路图我们可以看出，电动机M1的启动和停止按钮分别为SB2和SB1， 还有一个开关KM与启动按钮并联，首先点击SB2,使电动机M1线路接通，最 先受影响的器件就是继电接触器 KM，当它的内部线圈通电时，接触器KM上的 主触点也由开启的状态变为闭合， 电机的三相电路接通， 开始连续转动工作， 同 时 KM 具有常开开关，当线圈接电的时刻，开关便由常开转变为常闭，因为该 常开开关是和SB2并联，即便松开SB2,线路也处于接通的状态，从而达到自 锁的功能；SB1与线圈KM位于同一条控制电路，因此可以作为电动机M1的停 止按钮，从图上可以看出开关 SB1 为常闭开关

9、，当我们需要停止电机 M1 的时 候，只要按下SB1 ,线圈KM所在的线路便会失电，当线圈 KM失电的同时，三个主触点由接通变为断开，开关 KM 也会由常闭转为常开，电动机开始停止 运行，热继电器FR1是为了防备电动机M1运行时间太长，从而造成过载而设 置的保护装置； 该控制电路还有一个隐藏的保护功能， 即零压保护功能， 就是当 电路中的电源意外断电后， 接触器三个触点获得释放， 如若电源的电压企图二次 还原，则电机也不能自动重启，因为此时须要重新点击启动按钮 SB2 ,如此设置是为了防止车床运行过程中的意外断电， 二次起动造成事故发生； 此电路还具有 欠压保护，即电路中的电压过低，电磁吸力不

10、足以维持主触点吸合，会使线圈 KM 自动释放，电机 M1 自动停止工作，之所以加入欠压保护，是因为电路电压 过低时，电动机内部电流过大大，导致电动机损毁。2.3冷却泵电动机控制电路分析当主轴电动机运作时，线圈 KM 处在通电的状态，接触器 KM 上的常开触 点 KM7 也会接通，由于开关 KM7 位于电机 M2 的控制主电路上，因此，只有 当 KM7 接通，电机 M2 才可以运行，即电机 M1 与电机 M2 具有联锁效应，只 能在 M1 运行后， M2 才可以起动，如若停下电动机 M1 ，由于电动机与继电接 触器 KM 属于连带作用，继电器线圈丢电的同时，会造成常开触点分离，电动 机M2因此停

11、机；在加工时如若需要冷却液，只要扭动SA2到合拢，使线圈KA1 产生磁力，吸合主触点，电机 M2开动为加工件提供冷却液；热继电器 FR2为 此电路的过载保护， KA1 则为冷却泵电动机的欠压保护。2.4快速移动电动机控制电路分析因为快移电动机每次运行都是短时工作， 所以应采用点动控制电路， 以应对 各种使用环境，该电动机的起动与停止完全依靠按钮 SB3 来控制，当需要移动 时点击按钮SB3,线圈KA2通电造成触点吸合，由此快速移动电动机开始运作， 收起SB3,同理，KA2的触点断开造成电机M3停止；溜板箱上的十字形手柄扳 动的方向用来控制快速移动的方向。2.5断路保护电路分析行程开关SQ2设为

12、常闭状态，与钥匙式电源开关SB的触点并联，再与断路器QF的线圈串联，便组成了一个保护电路。譬如在钥匙式电源开关扭转到断开 形态，彻底关好电气柜的盖子，行程开关SQ2常开触点接通，这时QF的线圈无 电，开关闭合才可以供电；当配电箱出了问题需要检修时，配电箱门若打开，贝U SQ2闭合，线圈QF的线路为通路，则QF开关不能闭合，QF为整个电路的总 开关，从而保证车床电路断电，起到断路保护。SQ1作为安全行程开关，要将其 安放在机床床头的皮带罩下挂轮架处，目的是为了在检修时，让开关 SQ1自动断开（皮带罩处于开合状态），使控制电路失电，保证安全，当装好皮带罩时，SQ1 关闭，三台异步电动机才可以起动。

13、3照明、信号灯电路分析机床照明灯的电源使用的是24V交流电压，该电压是经控制变压器TC转换 后输出的，开关SA1与灯泡EL串联，用以组装照明电路，其中一端则需要接地， 这是一处要引起注意的地方，主要防止照明变压器绕组短路造成的触电事故； TC输出的6V交流电压作为信号指示灯 HL的电源，用来表示控制电路的状态； 两处电路分别用FU4和FU5作短路保护装置，下表为该车床的元器件。四、 CA6140车床改造1. CA6140型车床电器元件CA6140型车床电器元件代号名称型号及规格数量用途备注M1主轴电动机Y132M-4-B37.5KW、1450rmi n1主传动用M2冷却泵电动机AOB-25、9

14、0W、3000rmi n1输送冷却液用M3快速移动电动机AOS56.34、250W、1360rmi n1溜板快速移 动用FR1热继电器JR16-20/3D、15.4A1M1的过载 保护FR2热继电器JR16-20/3D、0.32A1M2的过载 保护KM交流接触器CJ0-20B、线圈电压110V1控制M1KA1中间继电器Jz7-44、线圈电压110V1控制M2KA2中间继电器Jz7-44、线圈电压110V1控制M3SB1按钮LAY3-01ZS/11停止M1SB2按钮LAY3-10/3.111启动M1SB3按钮LAY91启动M3SA2旋钮开关LAY3-10X/21控制M2SQ1SQ2位置开关JWM

15、6-112断电保护HL信号灯ZSD-0、6V1刻度照明无灯罩QF断路器AM2-40、20A1电源引入TC控制变压器JBK2-1001110V50VA380V/110V/24V/6V24V45VA2.改造方法CA6140机床的控制原理已经掌握，选择 PLC为控制线路进行整改升级时需要先考虑该线路中的哪些开关是必要的， 应予以保留， 多余的开关与继电器全 部用 PLC 代替，既要保持原 CA6140 车床电气控制的主电路，又要保持原机床 的操作风格， 继而保证线路中的各种联锁功能， 在此前提下还需保留控制变压器 和照明灯，我们需要做的就是把线路中的开关控制功能转移给 PLC,由PLC自动完成各个线

16、路中电机的运转，我们在进行 PLC改造的同时，各个电机的启停、 保护元件要接入 PLC 的输入端； 110V 交流电压用作交流接触器、中间继电器的 工作电源，24V与6V交流电压继续为照明灯、指示灯提供电源。五、硬件设计1. 功能描述旋转钥匙开关 SB 至断开，关闭控制箱门（ SQ2 处于断开状态），执行以下 操作：点击SB2,主轴电动机M1开始起动，持续运转；转动钥匙开关SA2,电动机M2随即起动为冷却泵提供动力，冷却液开始输 出；点击SB3（不能松开），快速移动电动机 M3运转，松开SB3 ,电机M3会即 刻停止；点击SA ,照明灯EL点亮，为机床提供光源；点击SB1 ,电机M1停止，由于

17、电机M1与M2存在联锁，当M1处在运行 的状态下时，电机M2才能起动，否则，按下SA2 ,电机M2仍然无法运转，当 电机 M1 停止时，电机 M2 也停止；行程开关SQ1闭合时，电机M1、M2、M3均能运转，反之，电机也都无法 起动；当行程开关SQ2为闭合状态时，QF断路器也是无法闭合的，此时电机M1、 M2、 M3 均不能正常运转。2. I/O 表PLC 分配 I/O 表输入端输入器件输出端输出器件SB2X1Y1KMSB3X3Y3KA2SA2X2Y2KA1SB、SQ2X7、X5Y0QFSB1X0SQ1X4SA1X12Y4ELFR1X10FR2X113. PLC型号的选择通过对CA6140车床

18、的电气控制线路进行详细的分析得出：该系统需要 10个输入接口，5个输出接口，因为选择使用的PLC所具有的输人点和输出点一般 要比所需冗余10%-15%,以便于系统的完善和扩展预留，我们从三菱 PLC系列中选择合适的PLC用于我们此次的改造中。4.接线图XE三相异步电机主电路接线图5OlX XYoX2X4X5Y1Y2Ol 2X7T1X1X13 4Y YS9TcBTELPLC控制电路接线图J六、软件设计1.梯形图J-2.指令表OLDlXOOb1ORIXOOZ2OLTYOOO3LDXOOl4ORYOOI5AXlXOOo6AXDX0047AXIXOlO8AXIYOOO9OUTYOOIIOLDX0021

19、1ORY00212AMYOOO13AMYOOI14AXI XOll15AXD X00416OVT Y00217LD X00318AXD X00419AXl XOlO20OUi Y00321LD X01222OR Y00423AXI YOOO24OUT Y00425EXDPLC编程指令表七、总结CA6140 型车床是工厂应用于金属切削行业最广泛的一类机床 , 但是其后期 控制系统的维护以及出现的设备故障问题却是深刻影响公司的一大难题， 难点在 于机床的控制线路杂乱无章， 故障查找也比较困难， 特别是在继电器控制系统中 的线路，通常因为线路触点杂乱而造成检修周期长的原因给公司带来损失， 生产 和维

20、护带来的诸多麻烦严重影响生产效率；后经实验运行表明 :机床电气系统采用 PLC 后，不管是硬件还是软件，控制平稳，不但减小了维修的难度，并且提 高了加工零件的合格率，给公司的生产经济效益又提高了一个档次。本文详细分析了车床的继电器控制系统的原理和线路图， 即通过开关的开合 状态作用于继电器、 交流接触器的线圈， 由线圈进而控制电路的通断； 虽然继电 器操作有优点，但是总体弊大于利，我们在分析传统继电器控制系统的条件下， 由原操作系统向 PLC 操控升级的基础上表明了 PLC 控制系统的优势，用 PLC 控制系统对 CA6140 车床进行改造设计，包含 PLC 型号的选取、输入输出点数 的分派、绘制电气线路接线图、编辑梯形图、策划控制程序，进而对本设计实行 模拟实验仿真， 检验其正确性。 将车床改造为电气控制系统的方式， 最大的宗旨 就是简化控制电路的连接线路， 可以随时根据现场要求运用编程软件方对控制系 统的工作方式进行修改，极大的提高了系统的可用性和灵活性。