机电一体化毕业设计（论文）-基于PLC的车床电气控制系统.doc

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1、毕业设计（论文） 函授站函授站 西工院西工院 0909 级级 专专 业业 机电一体化机电一体化 姓姓 名名 西安工程技师学院 西安工程技师学院 站名 姓 名 专业机电一体化年级 09 级 6 班 设设计计（或或论论文文）题题目目： 普通车床的 PLC 控制 完完成成日日期期： 2012 年 5 月 12 日 具具体体要要求求： 根据切削加工工艺，对电气控制提出下列要求： （1）主电动机选用笼型异步电动机，采用降压起动，为调整车床位置， 应能实现点动控制。 （2）主轴的正、反转由主电动机的正、反转控制实现。 （3）为实现快速停车，主电动机采用反接制动。 （4）主电动机 M1，冷却泵电动机 M2，

2、快移电动机 M3，这 3 台电动机的 起动顺序依次为：M1-M2-M3，停机顺序为：M3-M2-M1。 （5）当暂停加工时，也可单独停下快移电动机和冷却泵电动机。 （6）3 台电动机都应有必要的短路和过载保护，任一台电动机过载，所 有电动机均不能工作。 （7）应有急停按钮，防止起动或运行时发生意外。 （8）车床的工作状态由相应的指示灯指示。 指导老师： 职称： 2012 年 5 月 12 日 西安工程技师学院 目 录 摘 要.I 前 言II 第一章 绪论.- 3 - 1.1 机床的重要性与 PLC 改造的意义 - 3 - 1.2 CA6140 车床的主要结构及参数- 4 - 第二章 可编程控制

3、器的控制- 6 - 2.1 可编程控制器（PLC）的简介- 6 - 2.2 CA6140 车床的 PLC 改造控制要求- 7 - 2.3 PLC 控制系统与电气系统的比较.- 8 - 2.4 PLC 改造电气系统的优缺点.- 9 - 2.5 PLC 的发展前景- 10 - 2.6 继电器线路的分析- 11 - 第三章 PLC 改造控制 CA6140 卧式车床的硬件选择 .- 14 - 3.1 统计输入输出设备 .- 14 - 3.2 PLC 的选型与设计步骤- 15 - 3.3 系统元器件的选择 .- 16 - 3.4 设计步骤- 18 - 3.5 I/O 分配表- 20 - 3.6 PLC

4、的外部接线图- 20 - 3.7 流程图 .- 21 - 第四章 PLC 控制 CA6140 车床的软件设计 .- 23 - 4.1 梯形图设计 .- 23 - 4.2 语句表 .- 27 - 第五章 PLC 控制车床的系统调试 - 29 - 5.1 主电机 M1 的调试 .- 29 - 5.2 液压泵 M2 与快移电机 M3 的的控制 .- 34 - 5.3 系统调试应注意事项- 35 - 结论.- 36 - 参考文献.- 37 - 致谢.- 38 - 西安工程技师学院 I 摘 要 随着工业发展的要求以及各种数控机床的诞生，由于普通机床的操作技术 要求高，难于控制加工，导致生产效益过低逐渐被

5、放弃。但是，随着可编程序 控制器（PLC）技术的发展，由于其功能强大、容易使用、可靠性高，广泛的工 业现场适应性和方便的工艺扩展性能，PLC 在自动化工业控制过程中得到了越 来越广泛的应用，改造旧机床这个行业也随之兴起。PLC 常常被用来作为现场 数据的采集和设备的控制。本次设计正是在这种背景下，运用三菱 FX/2N(C)型 PLC 对 CA6140 普通车床进行的现代化工程控制改造，详细介绍了基于 PLC 控制 的电气控制系统改造过程，即根据 CA6140 车床的控制要求和特点，确定 PLC 的输入输出分配，设计出梯形图。实践表明，基于 PLC 的控制系统具有可靠性 高，使用方便等优点。 一

6、个民族的强盛，与他的国民经济息息相关，而国民经济的主要支柱就是 重工业。工业的根本也是创新改良，不断地精益求精，这样才能保证一个民族 的强盛源远流长。伴随着全球经济危机的爆发，世界各国的经济都处于一个缓 慢的增长甚至倒退，但是德国依靠自己国家的强硬的重工业基础以及遥遥领先 于世界的工业水平成为屹立在此次金融危机中的钢铁巨人。我们国家还欠发达， 我们更应该注重重工业的发展，所以，我们改造机床对于我们国民经济的提高 拥有很重要的意义。 关键词：可编程序控制器 普通车床 CA6140 改造 控制系统 梯形图 西安工程技师学院 II 前 言 当今我国机械制造水平逐步与世界接轨，沈阳第一机床厂，重庆重型

7、机床 厂，上海机床厂等，都在依靠我国自己的先进技术进行发展。但是我们以前制 造的普通机床设备陈旧，技术水平的落后，严重地影响了生产力和发展。我国 现有大量可用的普通机床，采用先进的工艺设备，对这些机床进行改造已经成 为我国制造技术发展的一个趋势。 特别是随着计算机技术和电子技术的发展，以 PLC 控制、变频调速、触摸 屏人机对话、组态监控为主体的新型控制系统广泛应用于各行各业。尤其在工 业自动化领域，可编程控制器已成为大多数自动化系统控制的基础，同时也给 工业控制带来了前所未有的变化。本次课题是运用三菱 FX/2N（C）型 PLC 把 CA6140 车床改造程序控制车床，这种花费少、时间短、针

8、对性强的改造，能克 服原机床的缺点和存在的问题，提高生产效率，是符合我国国情提高机床数控 化率的一个主要途径。 由于本人能力和设计水平的有限，本论文之中肯定存在不足之处，敬请老 师加以指导！ 屈鹏谦 2012.05.14 西安工程技师学院 - 1 - 第一章 绪论 1.1 机床的重要性与 PLC 改造的意义 一个国家的繁荣富强，必须实现重工业、国防工业和科学技术的现代化与 智能化。这就需要一个强大的机械制造业为国民经济各部门提供先进技术与设 备。一个现代化的制造业必须有一个现代化的机床制造业作为后盾，机床工业 对国民经济发展起着重大的作用。目前我国在世界上是机床消费的第一大国， 并正由制造大国

9、向制造强国发展。但是，我国现在机械制造水平与发达国家相 比较差距很大，设备的陈旧，技术水平的落后，严重地影响了生产力和发展。 最新的工信部资料表明，我国机床总量约为 400 余万台，其中数控机床总数只 有 12 万台，即我国机床数控化率才 3%左右，而一些发达国家早己达到 20%以上。 伴随着近些年德国日本等机械制造强国对抗金融危机的能力的体现，重工业的 发展必要性与重要性得以完全体现，我们国家的机床就显得落后、陈旧，对国 民经济也有很大的影响。我国现在有大量可用的普通机床，对这些机床进行程 控化改造是用少的投资来提高生产效率、提高效益的有效途径。我国的机床大 部分都是普通机床，更换数控机床的

10、耗费较大，但是普通机床的的改造只花费 大约数控机床 30%左右的价格就可以达到数控机床的要求，所以改造旧机床就 显得尤为重要了。 可编程控制器（PLC）体积小、功能强、灵活性和适应性好以及模块化结构 的一系列优点，特别是高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到广大技术 开发人员和用户的青睐，他们在工业控制领域迅猛发展，得到越来越广泛的应 用，成为现代工业控制的支柱之一。因此，可编程控制器控制机床具有广阔的 发展前景和极具重要的研究意义，是现代工业发展的趋势，起着不可估量的作 用。 西安工程技师学院 - 2 - 1.2 CA6140 车床的主要结构及参数 1-主轴箱 2-刀架 3-尾座 4-床身

11、 5-丝杠 6-光杠 7-床腿 8-溜板箱 9-床腿 10-进给箱 最左边挂轮机构 图 1-2-1 西安工程技师学院 - 3 - 车床的主要参数 表 1-2-2 型号与规格 CA6140 最大工件长度 1000mm 最大加工长度 950mm 床身上 400mm 最大工件 回转直径拖板上 230mm 正转范围 (18 级) 11-1600r.p.m 反转范围 (9 级) 14-1450r.p.m 内孔直径 72mm 主轴 内孔锥度莫氏锥度 No.100 纵向范围 (6 种) 0.038-6.28mm/rev 进给量 横向范围 (64 种) 0.014-2.27mm/rev 公制螺纹 (57 种)

12、 1-192mm 英制螺纹 (57 种) 2-24tpi 模数螺纹 (57 种) 0.25-48mm 加工螺纹 径节螺纹 (57 种) 1-96DP 横向最大行程 260mm 小刀架最大行程 130mm 刀杆尺寸 (宽* 高) 25*25mm 纵向快移速度 4.4m/min 床鞍刀架 横向快移速度 1.6m/min 最大行程 150mm 内孔锥度莫氏锥度 No.5 尾座套筒 套筒直径 80mm 主电机功率 Y123M-4 7.5KW 快速移动电机功 率 AOS 5634 0.25KW 电动机 冷却泵电机功率 AB-25 0.09KW 长 2620mm3120mm 宽 1050mm1050mm

13、外形尺寸 高 1250mm1250mm 表 1-2-2 西安工程技师学院 - 4 - 第二章 可编程控制器的控制 2.1 可编程控制器（PLC）的简介 随着工业发展的要求以及各种数控机床的诞生，由于普通机床的操作技术 要求高，难于控制加工，导致生产效益过低逐渐被放弃。但是，随着可编程序 控制器（PLC）技术的发展，由于其功能强大、容易使用、可靠性高，广泛的工 业现场适应性和方便的工艺扩展性能，PLC 在自动化工业控制过程中得到了越 来越广泛的应用，改造旧机床这个行业也随之兴起。PLC 常常被用来作为现场 数据的采集和设备的控制。本次设计正是在这种背景下，运用三菱 FX/2N(C)型 PLC 对

14、 CA6140 普通车床进行的现代化工程控制改造，详细介绍了基于 PLC 控制 的电气控制系统改造过程，即根据 CA6140 车床的控制要求和特点，确定 PLC 的输入输出分配，设计出梯形图。实践表明，基于 PLC 的控制系统具有可靠性 高，使用方便等优点。 CA6140 车床进行车削加工时，将工件的一端夹在三爪卡盘上，另一端用顶 尖顶紧，完成工件的夹紧定位。启动机床，主电机通过主传动链把运动和动力 传递给主轴，使主轴带动工件旋转实现主运动。转动手柄使刀架纵向，横向移 动，使其对准工件车削，刀具通过进给传动链实现纵向或横向移动。在切削螺 纹时，进给传动链是内联系传动链，主轴旋转一周，刀架的移动

15、量等于螺纹导 程。在切削圆柱面和端面时，进给传动链是外联系传动链，进给量 f 也是以工 件每转刀架的移动量来计算，车削完成后，刀架实现纵向，横向的快速退刀。 并按下停止按钮，使主轴停止转动，再反向拧松三爪卡盘，取出已加工工件， 并清扫切屑。 CA6140 型普通车床适合于车削内、外圆柱面、圆锥面、端面及其它旋转面；能 够车削多种公制、英制、模数及径节螺纹，并能作钻孔、拉油槽等加工。本机 床的主要特点是： 主轴孔径大(72mm)，变速范围广(11-1600 转/分)；主轴支承采用双列向心 短柱滚子轴承与 60 度接触角双向推力向心球轴承组合，动静刚度高，抗震型高。 主传动齿轮全部采用淬火磨削；床

16、身采用超音频淬火，导轨面硬度在 HRC45 以上；精度保持性好。 西安工程技师学院 - 5 - 床头箱采用外循环润滑，有利于散热、降噪、防泄漏。 操作系统简洁适用，指示明晰，定位准确，手感好。机床外形美观。 床鞍和横向拖板可以快速进退。尾座可卸荷；尾座套筒直径大，刚性好。 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

17、、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。 经过科技人员的不断引进、开发、研究, 我国的机床改造行业已由继电器控制 过渡到完全由 PLC 监控工作的阶段。 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

18、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

19、成部分，将在我国电气自动化建设中发挥越来越大的作用。 2.2 CA6140 车床的 PLC 改造控制要求 控制要求： 根据切削加工工艺，对电气控制系统提出以下要求： （1）主电动机选用笼型异步电动机，采用降压起动，为调整车床位置， 西安工程技师学院 - 6 - 应能实现点动控制。 （2）主轴的正、反转由主电动机的正、反转控制实现。 （3）为实现快速停车，主电动机采用反接制动。 （4）主电动机 M1，冷却泵电动机 M2，快移电动机 M3，这 3 台电动机的起 动顺序依次为：M1-M2-M3，停机顺序为：M3-M2-M1。 （5）当暂停加工时，也可单独停下快移电动机和冷却泵电动机。 （6）3 台电

20、动机都应有必要的短路和过载保护，任一台电动机过载，所有 电动机均不能工作。 （7）应有急停按钮，防止起动或运行时发生意外。 （8）车床的工作状态由相应的指示灯指示。 2.3 PLC 控制系统与电气系统的比较 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

21、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 PLC 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

22、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 西安工程技师学院 - 7 - 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） 安全可靠性以及可

23、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。 2.4 PLC 改造电气系统的优缺点 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

24、、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（PC）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，PC 机占有举足轻重 西安工程技师学院 - 8 - 的地位。特别

25、是在数控机床及大量的机床改造和老设备改造中，PC 应用极广。 2.5 PLC 的发展前景 现代化生产的水平,产品质量和经济效益等各项指标在很大程度上取决于生 产设备的先进性和电气化程度.随着大规模集成电路及微型计算机技术的发展, 给电气控制技术开辟了新的前景.可编程控制器是近几十年发展起来的一种新兴 工业控制器,由于它将计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器 系统的控制简单、使用方便、抗干扰力强、价格便宜等优点结合起来,而其本身 又具有体积小、重量轻、耗电省等特点,因此在工业生产过程控制中的应用越来 越广泛. 在实际生产中,由于大量存在一些用开关量控制的简单的程序控制过程,而 实际

26、生产工艺和流程又是经常变化的,因而传统的继电接触控制系统常不能满足 这种要求.电子计算机控制系统的出现,提高了电气控制的灵活性和通用性,其控 制功能和控制精度都得到很大的提高.然而在其初期,存在着系统复杂,使用不便,抗 干扰能力差,成本高等缺陷,尤其对上述简单的过程控制有大材小用和不经济等 问题.因而,在 20 世纪 60 年代出现了一种能够根据生产需要,方便地改变控制程 序,而又远比电子计算机结构简单,价格低廉的自动化装置顺序控制器,它是 通过组合逻辑元件插接或编程来实现继电器接触控制线路功能的装置.它能满足 程序经常改变的控制要求,使控制系统具有较大的灵活性和通用性,但它还是使 用硬件手段

27、,装置体积大,功能也受到一定限制.随着大规模集成电路和微处理技 术的发展和应用,上述控制技术也发生了根本的变化.在 20 世纪 70 年代出现了 用软件手段来实现各种控制功能以微处理器为核心的新型工业控制器可编 程控制器,这种器件完全能够适应恶劣的工业环境。由于它兼备了计算机控制和 继电器控制系统两方面的优点,故目前在世界各国以作为一种标准化通用设备普 遍应用于工业控制。 PC 出现后就受到普遍的重视,其应用发展也十分的迅速,原因在于现有的各 种控制方式相比,它有一系列受用户欢迎的特点,主要是: 1.可靠性高,抗干扰能力强 在恶劣的 工业环境下工业生产对控制设备的 可靠性提出很高的要求。PC

28、是专为工业控制而设计,由于采取了一系列措施, 西安工程技师学院 - 9 - 使 PC 控制系统的平均无故障间隔时间一般能达到 45 万 h,远远超过传统继电 器控制和计算机控制系统.可以说,到目前为止尚无任何一种工业控制系统的可 靠性能达到和超过 PC.保证 PC 工作的可靠性高、抗干扰能力强的主要措施是: (1) 采用循环扫描、集中采样,集中输出的工作方式。 (2) 硬件设计采用模块式结构并采取屏蔽、滤波、隔离、联锁等一系列抗 干扰技术,同时增加输出联锁、环境检测与故障诊断等提高可靠性电路。 (3) 软件设计中设置实时监控、自诊断、信息保护与恢复等程序与硬件电 路配合实现各种故障的诊断、处理

29、、报警显示及保护功能.因此 PC 优于微机控 制的首要特点是它能适应恶劣的工业环境。 2.编程简单、易于掌握 这是 PC 优于微机的另一个特点。梯形图编程 方式是 PC 最常用的编程语言。它与继电器控制原理图类似，具有直观、清晰、 修改方便、易掌握等优点。 3组合灵活使用方便 由于它采用标准化得到通用模块结构，能灵活方便 地组合成各种不同规模、不同功能的控制系统。 4功能强，通用性好 现代 PC 具备很强的信息处理功能和输出控制能力， 它既可以对开关量进行控制又可以对模拟量进行控制。 5开发周期短，功率高 6体积小，重量轻，工耗低随着电子技术的发展和应用领域日益扩大， PC 技术及其产品仍在继

30、续发展，其结构不断改进，功能日益增强，性价比越来 越高。 2.6 继电器线路的分析 1.从图中可以看出，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 和 FR2 相同为 M1，M2，M3 三台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。三台电机任意一 台过载三台同时停止工作。 2.控制电路分析 西安工程技师学院 - 10 - (1)主电动机的点动调整控制电路中 KM3 为 M1 电动机的正转接触器，KM 为 M1 电动机的长动接触器，KA 为

31、中间继电器。M1 电动机的点动由点动按钮 SB6 控制。 按下按钮 SB6，接触器 KM3 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。 图 2-6-1 (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 SB1 控制。按下按钮 SB1 时，接触器 KM 首 先得电动作，他的主触点闭合将限流电阻短接，接触器 KM 的辅助动合触点闭合 西安工程技师学院 - 11 - 使中间继电器 KA 得电，它的触点闭合，使接触器 KM3 得电吸合。KM3 的主触点 将三相电源接通，电动机在额定电压下正转起动。KM3 的动合辅助触点和 KA 的 动合触点

32、的闭合将 KM3 线圈自锁。反转起动时用反向起动按钮 SB2，按下 SB2， 同样是接触器 KM 得电，然后接通接触器 KM4 和中间继电器 KA，于是电动机在 满压下反转起动。KM3 的动断辅助触点和 KM4 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。 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

33、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 SB4 接触器 KM 失电，其主触点断开，电阻 R 串入主回路，与此同时 KM3 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 SB4 后就使反转接触器 KM4 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 KM4 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

34、的反转动合触点 KS2 是闭合的，这时按一下停止按钮 SB4，在 SB4 松开后正转 接触器线圈得电，正转接触器 KM3 吸合将电源反接使电动机制动后停止。 (3)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 SQ 来实现的。当手柄压动 SQ 后，接触器 KM2 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，KM4 线圈得电，冷却泵电动机 M2 工 作，需要停止时按下按钮 SB5 即可。 改造结果： 本次改造给主电机采用 Y-降压启动，并加入速度继电器进行 反接制动，电气系统更加的完善。 西安工程技师学院 -

35、 12 - 第三章 PLC 改造控制 CA6140 卧式车床的硬件选择 3.1 统计输入输出设备 类 型功能所占点数(个) M1 的停止按钮 1 M1 的点动按钮 2 M1 的正转连续按钮 1 M1 的反转连续按钮 1 M2 的停止按钮 1 M2 的启动按钮 1 M3 的限位开关 2 M1 的热继电器动合触电 2 M2 的热继电器动合触电 1 速度继电器正转触点 1 速度继电器反转触点 1 暂停加工按钮 1 输 入 设 备 急停按钮 1 M1 的 Y 型 1 M1 的型 1 M1 的正转接触器 1 M1 的反转接触器 1 M2 接触器 1 M3 接触器 1 M3 的正转 1 M3 的反转 1

36、输 出 设 备 输出指示灯 8 表 3-1-1 西安工程技师学院 - 13 - 3.2 PLC 的选型与设计步骤 最大限度的满足生产过程的控制要求； 在满足控制要求的前提下尽量使控制系统简单、经济适用； 保证控制系统的安全可靠； 选择 PLC 容量时留有改进生产发展工艺的余地，选择点数稍大的 PLC。 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。 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。 I/O

37、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。 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，即要求 PLC 应具有连接其它 PLC 、上位计算机及 CRT 等接口的能 力。 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，使用直流电源时要选用桥式全波整流电源。 I/O 点数及 I/O 接口设备的选择 存储容量的选择 PLC 程序存储器的容量通常以字或步为单位，用户程序存储

38、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 西安工程技师学院 - 14 - 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 。在选择内存容量时同样应留有裕量，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 CA6140

39、 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，非常适用于单机自动化控制系统. 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 16 个外部输入信号，16 个输出信号。PLC 所具有 的输入点和输出点一般要比所需多余 30 % ，以便于系统的完善和今后的扩展 预留。所以本系统所需的输入点为 18 个,输出点为 15 个。现选择日本三菱公司 生产的 FX2n-48MR 型 PLC ，24V 直流 24 点输入。 3.3 系统元器件的选择 交流接触器的选择 交流接触器是一种频繁应用于工业电气控制，并

40、用按钮或其他方式来控制 其通断的自动切换电器。在功能上除了能自动切换外，还具有刀开关类手动开 关所不能实现的远距离操作功能和失压（或欠压）保护功能。其生产方便，价 格低廉，应用十分广泛。 交流接触器由电磁机构，触点系统、灭弧系统、释放弹簧机构、辅助触点 及基座等部分组成。其原理是当接触器的电磁线圈通入交流电时，会产生很强 的磁场使装在线圈中心的静衔铁吸动动衔铁，当两组衔铁合拢时，安装在动衔 铁上的动触点也随之与静触点闭合，使电气线路接通。当断开电磁线圈中的电 流时，磁场消失，接触器在弹簧的作用下恢复到断开的状态 。 在工业电气中，常用交流接触器的型号有 CJX8(B 系列) CJ12、CJ20

41、、CJT1(CJ10)、CJX1(3TB、3TF 系列)、CJ40、SMC 等系列产品。在 这次控制系统硬件的设计中，采用了 CJ20 系列的交流接触器，其额定电流应在 控制电流的 11.4 倍之间（或经验公式 2PN 选择，PN为电动机功率）, 在此 控制主轴电机的 KM1、KM2、KM3、KM4，选取交流接触器型号为：CJ2063，线 圈电压 220V；控制冷却泵电机 KM5 和控制快进电机的 KM6 选取交流接触器型号 西安工程技师学院 - 15 - 为：CJ2010，线圈电压 220V。 中间继电器的选择 中间继电器用于继电保护与自动控制系统中，以增加触点的数量及容量。 它用于在控制电

42、路中传递中间信号。中间继电器的结构和原理与交流接触器基 本相同，与接触器的主要区别在于：接触器的主触头可以通过大电流，而中间 继电器的触头只能通过小电流。所以，它只能用于控制电路中。它一般是没有 主触点的，因为过载能力比较小。所以它用的全部都是辅助触头，数量比较多。 新国标对中间继电器的定义是 K，老国标是 KA。常用的中间继电器型号有 JZ7、JZ14 等。本次设计选择的中间继电器型号为 JZ7-44。 （1）熔断器 熔断器在电路中主要作短路保护和严重过载保护，用于保护线路。熔断器 的熔体串接于被保护的电路中，当通过它的电流小于规定值时，其熔体相当于 一根导线，起电气连接作用；当通过它的电流

43、超过规定值（电路发生严重过载 或短路时）一定时间后，其熔体自动熔断并切断电路，从而起到保护作用。一 般电气控制线路中常用螺旋式熔断器，其常用的产品有 RL5、RL6、RL7 和 RL8 系列产品，一般选择熔体熔断电流应为电机额定电流的 1.52.5 倍。则主轴电 机电路熔断器选取型号为:RL1-100/100.冷却泵电机电路、快进电机电路熔断器 选取型号分别为：RL1-15/2、RL1-15/6.控制电路选取型号 RL1-15/2。 （2）热继电器 热继电器是利用电流热效应原理来工作的保护电器，具有与电动机容许过 载特性相近的反时限保护特性。主要用于电动机的过载保护、断相及电流不平 衡运行保护

44、。也常与接触器配合成电池启动器。三相异步电动机在实际运行中， 常会遇到因电气或机械原因等引起的过电流(过载和断相)现象，如果过电流不 严重，持续时间短，绕组不超过允许温升，这种过电流是允许；如果过电流情 况严重，持续时间较长，则会加快电动机绝缘老化，甚至会烧毁电动机。 选型原则：应根据被保护对象的使用条件、工作环境、启动情况、负载性 质，电动机的形式以及电动机允许的过载能力等加以考虑。一般原则是使热继 电器的安秒特性位于电动机的过载特性之下，并尽可能地接近，以充分发挥电 动机的过载能力，同时使电动机在短时过载和启动瞬间(56)Ie不受影响。 通常热继电器选取的额定电流应为大于或等于电动机额定电

45、流。整定电流一般 为电动机额定电流的 1.051.1 倍（或按经验公式整定，2 PN 整定，PN为电动 西安工程技师学院 - 16 - 机功率）。主轴电机电路热继电器选取型号为：JR36-63,整定电流为：60A；冷 却泵电路热继电器选取型号为：JR36-20，整定电流为：0.36A。 转换开关又称组合开关，一般用于电气设备中非频繁的通断电路、换接电 源和负载、测量三相电压以及直接控制小容量感应电动机的运行状态。转换开 关由动触头（动触片）、静触头（静触片）、转轴、手柄、定位机构及外壳等 部分组成。其动静触头分别叠装于数层绝缘壳内，当转换手柄时，每层的动触 片随方形转轴一起转动。一般选取的原则

46、为允许通过的电流大于或等于电路的 额定电流，按此选择转换开关。常用的产品有：HZ5、HZ10和 HZ15等系列。本 次设计选取 HZ10-100/3。 按钮开关（简称按钮），是一种接通或断开小电流电路的手动开关电器， 一般不直接去控制主电路的通断，而在控制电路中发出启动或停止“命令”以 远距离控制接触器、继电器、电磁启动器等电器线圈电流的接通或断开，再由 它们去控制主电路。目前常用的按钮开关盒为 LA4 系列产品，本次设计选择的 按钮开关型号为 LA4-3H。 速度继电器是当转速达到规定值时触头动作的继电器。主要用于电动机反 接制动控制电路中，当反接制动的转速下降到接近零时能自动地及时切断电源

47、。 转子是一块固定在轴上的永久磁铁。浮动的定子与转子同心，而且能独自 偏摆，定子由硅钢片叠成，并装有笼型绕组。速度继电器的轴与电动机轴相连， 电动机旋转时，转子随之一起转动，形成旋转磁场。笼型绕组切割磁力线而产 生感应电流，该电流与旋转磁场作用产生电磁转矩，使定子随转子向转子的转 动方向偏摆，定子柄推动相应触头动作。定子柄推动触头的同时，也压缩反力 弹簧，其反作用阻止定子继续转动。当转子的转速下降到一定数值时，电磁转 矩小于反力弹簧的反作用力矩，定子返回原来位置，对应的触头恢复原始状态。 调整反力弹簧的拉力即可改变触头动作的转速。 机床上常用的速度继电器有 JY1 型、JFZ0 型两种。一般速

48、度继电器的动作 转速为 120r/min，触头复位转速为 100r/min 以下。本次设计选择的 JY1。 3.4 设计步骤 西安工程技师学院 - 17 - 分析控制要求 资料的准备 开始 资料的准备 流程图的设计 确定用户的 I/O 设备梯形图的程序编写 PLC 的硬件系统配置 分配 I/O 点数 软硬件，软检查件修改程序，硬件检查外部接线 程序输入 PLC 在 GX 验证模拟调试 现场联机测试 编写程序改造使用说明 满足要求 满足要求 交付使用 设计安装控制柜 开始 西安工程技师学院 - 18 - 3.5 I/O 分配表 I 点输入信号O 点输出信号 X0SB1正传连续启动Y0KM主电机主

49、触 点 X1SB2反转连续启动Y1KMY星形 X2SB3正传点动Y22 Y23 KM三角形 X3SB4反转点动Y4KM1冷却泵电机 X4SB5快移左行启动Y5KM2快移电机 X5 SB6快移右行启动Y6KM21快移左行 X6 SQ1SQ1 左限位Y7KM22快移右行 X7 SQ2SQ2 右限位Y10正传指示灯 X10 SB7正传停止Y11反转指示灯 X11SB8反转停止Y12冷却泵指示 灯 X12 KH热继电器Y13正传点动指 示灯 X13SB8暂停加工按钮Y14左行指示灯 X15SB20急停按钮Y15右行指示灯 X16KS1速度继电器反转常 开 Y20冷却泵单独 启动指示灯 X17KS2速度继电器正转常 开 Y22KM11M1 正传线 圈 X20SB9液压泵单独启动Y23KM12M1 反转线 圈 PLC 的编程软件多种多样，我选择了专门针对三菱系列 PLC 编程的 GX8C 编 程程序。这个程序可以模拟输出，进行系统的测试，