數(shù)控機(jī)床數(shù)控改造

1、四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控機(jī)床電氣控制與PLC課程設(shè)計所屬系部機(jī)械工程系所屬專業(yè)數(shù)控技術(shù)所屬班級1班學(xué) 號 13158010301122學(xué)生姓名趙冕指導(dǎo)教師劉帥完成日期2015421任務(wù)書設(shè)計題目CA6140普通車床的電氣翻新及數(shù)控改造設(shè)計學(xué)生姓名趙冕所屬班級數(shù)控一班設(shè)計內(nèi)容與要求：1將原機(jī)床的手動刀架更換為數(shù)控電動刀架，并設(shè)計其控制線路；2將原機(jī)床普通絲杠更換成滾珠絲杠，并將其改為半閉環(huán)伺服控制，設(shè)計 其控制線路；3. 對與此機(jī)床功能相關(guān)的主電路、控制電路、輸入輸出接口電路、驅(qū)動器 線路等進(jìn)行設(shè)計；4. 對整機(jī)進(jìn)行調(diào)試，使功能完善、工作正常。擬米用的設(shè)計方法、思路及參考文獻(xiàn)：1.拆除原手動刀架和小

2、拖板，安裝由數(shù)控系統(tǒng)控制的四工位電動刀架。根據(jù)改 造車床的型號及主軸中心高度，選用常州宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的LD4-C6140型四工位電動刀架，禾1用系統(tǒng)內(nèi)置固定式PLC控制刀架的運(yùn)動。2.隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高。產(chǎn)品的更 新?lián)Q代也不斷加快。因此對機(jī)床不僅要求具有較高的生產(chǎn)率和精度，而且應(yīng)能迅速地適 應(yīng)產(chǎn)品零件的變換，這促使了數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生。數(shù)控機(jī)床是指機(jī)床的操作命令以數(shù)值數(shù)字的形式描述工作過程按規(guī)定的程序自動進(jìn)行 的機(jī)床。隨著微電子技術(shù)，特別是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床迅速地發(fā)展起來。盡管 數(shù)控機(jī)床可以較好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批量多品種零件的加工

3、問題，能夠穩(wěn)定加 工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率。但是目前我國數(shù)控機(jī)床占有量卻不足在役機(jī)床總量的3%,而一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家早已達(dá)到20%以上。我國是制造大國，但不是制造強(qiáng)國。機(jī)械制造業(yè)水 平與發(fā)達(dá)國家相比而言相對落后，設(shè)備陳舊，技術(shù)水平差距較大，國際競爭力弱，影響 了生產(chǎn)力的發(fā)展。逐步提高數(shù)控機(jī)床的占有率，已經(jīng)成為我國制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢。 提高機(jī)床數(shù)控率有兩個途徑：一是增加新的數(shù)控機(jī)床，但價格昂貴，一次性投資大，目 前各企業(yè)均擁有大量的具有較長使用壽命的普通機(jī)床，完全用數(shù)控機(jī)床替代是根本不可 能的；二是對舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造。針對企業(yè)擁有的大量普通車床進(jìn)行改造來提高設(shè) 備的先進(jìn)性和數(shù)控化率，是一個極其有效

4、且實(shí)用的途徑，是企業(yè)必走之路。我國是世界 上機(jī)床產(chǎn)量最多的國家，但數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)品競爭力在國際市場中仍處于較低水平，即使 在國內(nèi)市場也面臨著嚴(yán)峻的形勢，一方面國內(nèi)市場對各類機(jī)床產(chǎn)品特別是數(shù)控機(jī)床有大 量的需求，而另一方面卻有不少國內(nèi)機(jī)床滯銷積壓，國外機(jī)床產(chǎn)品充斥市場，嚴(yán)重影響 了我國數(shù)控機(jī)床自主發(fā)展的勢頭。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，除了有經(jīng)營上，產(chǎn)品質(zhì)量上和促銷 手段上的勢頭等原因外，一個最主要的原因就是新產(chǎn)品的開發(fā)周期長，不能及時針對用 我國是世界上機(jī)床產(chǎn)量最多的國家，但數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)品競爭力在國際市場中仍處于較低 水平，即使在國內(nèi)市場也面臨著嚴(yán)峻的形勢，一方面國內(nèi)市場對各類機(jī)床產(chǎn)品特別是數(shù) 控機(jī)床有大量

5、的需求，而另一方面卻有不少國內(nèi)機(jī)床滯銷積壓，國外機(jī)床產(chǎn)品充斥市場， 嚴(yán)重影響了我國數(shù)控機(jī)床自主發(fā)展的勢頭。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，除了有經(jīng)營上，產(chǎn)品質(zhì)量 上和促銷手段上的勢頭等原因外，一個最主要的原因就是新產(chǎn)品的開發(fā)周期長，不能及時針對用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。普通機(jī)床的數(shù)控化改造事業(yè)方興未艾， 在我國目前形式下將大批故障機(jī)床尤其是一大批 閑置的普通機(jī)床進(jìn)行改造，升級，以較小的投入盡快使這批設(shè)備在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮效能， 創(chuàng)造效益，的確是許多企業(yè)的一項不可忽視的課題。1緒論52主動傳動系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計 62.1主軸傳動系統(tǒng)的改造設(shè)計 62.1.1主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求 62.1.2主軸脈沖發(fā)生器 6

6、22 進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計 6.2.2.1對進(jìn)給驅(qū)動的要求 .6.2.2.2進(jìn)給系統(tǒng)主要部分改造設(shè)計 63自動回轉(zhuǎn)刀架的選型 73.1數(shù)控車床刀架的基本要求 73.2自動回轉(zhuǎn)刀架的原理 錯誤!未定義書簽。4控制系統(tǒng)設(shè)計84.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容 84.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計原則與步驟 84.2.1 PLC控制設(shè)計系統(tǒng)的基本原則 84. 2. 2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試步驟 84.3控制要求 94.4控制流的選擇 95系統(tǒng)的硬件設(shè)計1.1.5.1系統(tǒng)的組成1.1.5.2主要電器元件的選擇125.2.1電動機(jī)的選擇 .125.2.2保護(hù)電器的選擇135.2.3控制電器的選擇135.3 C

7、A6140車床控制原理電路圖概述及原理分析 .145.4 PLC的選型165.4.1 PLC硬件系統(tǒng) 1.65.4.2 PLC軟件系統(tǒng)1.75.4.3電氣控制中繼電器控制與 PLC控制的比較 205.4.4 PLC 的選擇205.5 PLC的I/O 地址的分配 215.6 I/O 接線圖21結(jié)論23參考文獻(xiàn)24.1緒論數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心技術(shù)。從微觀上講，數(shù)控車床不僅可以實(shí)現(xiàn)加工的 自動化，降低操作 者的勞動強(qiáng)度，改善勞動條件，提高企業(yè)的質(zhì)量、產(chǎn)量、效率，降 低企業(yè)的成本，而且數(shù)控車床可以加工出精度高、尺寸分散度小、形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。 從宏觀上講，我國金屬切削機(jī)床年產(chǎn)量僅占同類設(shè)備擁

8、有量的1/28，數(shù)控機(jī)床的比例不到5%普通車床的數(shù)控化改造不僅節(jié)約資金、降低成本，而且最大限度地充分發(fā)揮老式 傳統(tǒng)機(jī)床的功效和潛在價值，符合政府號召生產(chǎn)注重環(huán)保、綠色制造。車床加工是機(jī)械制造和修配工廠中使用最廣的一類機(jī)床加工，普通車床的數(shù)控改造是將普通車床結(jié)構(gòu) 進(jìn)行創(chuàng)造性設(shè)計，改變傳統(tǒng)車床存在的弱點(diǎn)，最終使原有車床達(dá)到比較理想的狀態(tài)，以 提高生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、緊密制造技術(shù)及檢 測技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床性能日益完善，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。各生產(chǎn)部門工藝 要求的不斷提高又從另一方面促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，當(dāng)今數(shù)控機(jī)床正不斷采用最新技術(shù)成果，朝著高速度、高精度、

9、高可靠性、多功能、智能化、復(fù)合化等方向發(fā)展。（1）高速度、高精度 速度和精度是數(shù)控系統(tǒng)的兩個重要技術(shù)指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率 和產(chǎn)品質(zhì)量。對于數(shù)控系統(tǒng)，高速度首先是要求計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)在讀入加工指令數(shù)據(jù)后， 能高速度處理并計算出伺服電動機(jī)的位移量，并要求伺服電動機(jī)高速度地作出反應(yīng)。（2）高可靠性 新型的數(shù)控系統(tǒng)大量采用大規(guī)?；虺笠?guī)模的集成電路，采用專用芯 片及混合式集成電路，使線路的集成度提高，元器件數(shù)量減少，功耗降低，提高了可靠 性。（3）多功能大多數(shù)數(shù)控機(jī)床都具有CRT圖形顯示功能，可以進(jìn)行二維圖像的加工軌跡動態(tài)模擬現(xiàn)實(shí)，有的還可以顯示三維彩色動態(tài)圖形；具有豐富的人機(jī)對話功能，“友好”的

10、人機(jī)界面；借助 CRT與鍵盤的配合，可以實(shí)現(xiàn)程序的輸入、編輯、修改、刪 除等功能?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)，除了能與編程機(jī)、繪圖機(jī)、打印機(jī)等外設(shè)通信外，還應(yīng)能與 其他CNC系統(tǒng)、上級計算機(jī)系統(tǒng)通信，以實(shí)現(xiàn)FM（柔性制造單元）的連接要求。（4）智能化 數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用高技術(shù)的重要目標(biāo)是智能化。如引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù)、人機(jī)會話 自動編程、自動診斷并排除故障等智能化功能。（5）復(fù)合化 浙江工業(yè)大學(xué)?？飘厴I(yè)設(shè)計論文 2復(fù)合化是近幾年數(shù)控機(jī)床發(fā)展的模式，它將多種動力頭集中在一臺數(shù)控?fù)舸┶s上，在一次的裝夾中完成多種工序的加工。如立臥轉(zhuǎn)換加工中心、車銑萬能 加工中心及四軸聯(lián)動（X、Y、Z、C）的車削中心等。2主傳動系統(tǒng)和進(jìn)給

11、系統(tǒng)的改造設(shè)計2. 1主軸傳動系統(tǒng)的改造設(shè)計2. 1. 1主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求(1) 主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動的開停、變速、換向和 制動，以滿足機(jī)床的運(yùn)動要求；(2) 主電動機(jī)具有足夠的功率，全部機(jī)構(gòu)和元件具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以滿足機(jī) 床的動力要求；(3) 主傳動的有關(guān)結(jié)構(gòu)，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性、熱變形和噪聲要 小，傳動效率要高，以滿足機(jī)床的工作性能要求；(4) 結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟(jì)性要求。2. 1. 2主軸脈沖發(fā)生器在主軸上安裝脈沖編碼器。脈沖編碼器又稱脈沖發(fā)生器，它是一種直接用數(shù)字代碼表示角位移及線位移的檢測 器。能把機(jī)械轉(zhuǎn)

12、角轉(zhuǎn)變成電脈沖，是數(shù)控機(jī)床上使用廣泛的位置控制裝置。為保持切削螺紋的功能，必須在主軸上安裝脈沖發(fā)生器，采用脈沖發(fā)生器直接與主 軸由無間隙傳動聯(lián)軸器連接，達(dá)到傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，傳動鏈短，傳動剛度提高。主軸 與脈沖發(fā)生器同步旋轉(zhuǎn)，發(fā)出兩路信號：每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖個數(shù)和一個同步信號，經(jīng)隔離 電路以及I/O接口送給數(shù)控裝置(CNC。2. 2進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計2. 2. 1對進(jìn)給驅(qū)動的要求1) 快速響應(yīng)為了保證表面加工粗糙度值，除了要求有較高的定位精度外，還要求有 良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快。2) 調(diào)速范圍要寬 由于加工用刀具、被加工材質(zhì)以及零件加工要求的不同，為保證 在任何情況下都能得

13、到最佳切削條件，就要求進(jìn)給驅(qū)動必須具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。3) 低速大轉(zhuǎn)矩 根據(jù)機(jī)床的加工特點(diǎn)，大都是在低速進(jìn)行重切削，即在低速時進(jìn)給 驅(qū)動要有的轉(zhuǎn)矩輸出。2. 2. 2進(jìn)給系統(tǒng)主要部分改造設(shè)計掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。進(jìn)給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱總成絲杠、光 杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原 來裝軸承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原來安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操作按鈕。橫溜板箱部分：將原橫溜板的絲杠的、螺母拆除，改裝橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副、 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱總成

14、安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。刀架的改造：普通車床的刀架不能滿足數(shù)改后的車床的性能和精度的要求。所以， 必須拆除原刀架，改裝自動回轉(zhuǎn)四方刀架。3自動回轉(zhuǎn)刀架的選型3.1.數(shù)控車床刀架的基本要求臥式車床數(shù)控化改造應(yīng)將原車床的普通手動轉(zhuǎn)位刀架替換成自動轉(zhuǎn)位刀架。自動轉(zhuǎn)位刀架由數(shù)控系統(tǒng)控制，效率高，工藝性能可靠。根據(jù)所加工零件的工藝要求及車床控 制方式確定自動刀架的刀位數(shù)和刀架類型。數(shù)控車床的刀架是車床的重要組成部分。刀 架用于夾持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的結(jié)構(gòu)和性能體現(xiàn)了車床的設(shè)計和制造 技術(shù)水平，所以有如下要求：(1)轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確可靠，工作平穩(wěn)安全；(2)按最短線路就近選擇，轉(zhuǎn)位時間短；

15、(3)重復(fù)定位精度高；(4)防水、防屑，密封性能優(yōu)良；(5)夾 緊剛性高，適宜重負(fù)荷切削。3.2自動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀信號后，刀架控制器中繼電器動作，電動機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動渦輪蝸 桿減速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，驅(qū)動螺桿升降機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)使上刀架上升，當(dāng)上刀架上升到一定高度時，離合轉(zhuǎn)盤起作用，帶動上刀體旋轉(zhuǎn)。刀架上端的發(fā)信盤中對應(yīng)每個刀位都安裝一個霍爾 傳感器元件，當(dāng)(1-電動機(jī)；2-固定安裝絲杠；3-安全離合器；4-刀架)上刀體旋轉(zhuǎn)到某 一刀位時，該刀架上霍爾元件輸出高電平。在上刀體旋轉(zhuǎn)過程中，發(fā)信盤不斷的向數(shù)控 系統(tǒng)反饋刀位信號。數(shù)控系統(tǒng)將反饋刀位信號與指令刀位信號相比較，當(dāng)兩信號相同時，說明上刀體已

16、旋轉(zhuǎn)到所選刀位。此時，數(shù)控系統(tǒng)立即控制刀架控制繼電器使電動機(jī)反轉(zhuǎn)， 活動銷反靠在反靠盤上初定位。在活動銷反靠作用下，螺桿帶動上刀體下降，直至齒牙 盤嚙合，完成精定位，并通過渦輪蝸桿鎖緊螺母，使刀架緊固。向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)位完 成信號，切斷電源，電動機(jī)停轉(zhuǎn)，完成選刀過程。4控制系統(tǒng)設(shè)計4. 1 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計基本內(nèi)容PLC控制系統(tǒng)是由PLC與用戶輸入、輸入設(shè)備連接而成的，用以完成預(yù)期的控制目 的與相應(yīng)的控制要求。因比PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容應(yīng)包括：1）了解設(shè)備電器的工作原理。根據(jù)生產(chǎn)的工藝過程分析控制要求，如需要完成的動作（動作順序，必需的保護(hù)和聯(lián)鎖等），操作方式（手動，自動，點(diǎn)動，連續(xù)

17、等）。根據(jù) 控制要求確定系統(tǒng)控制方案，進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計。2）進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)配置的設(shè)計，主要為 PLC的選擇，PLC是 PLC控制系統(tǒng)的核心 部件，正確選擇PLC對于保證整個控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)起著重要的作用。選擇 PLC，應(yīng)包括機(jī)型的選擇、I/O模塊的選擇等。3）選擇用戶輸入設(shè)備（按鈕、操作開關(guān)、限位開關(guān)、行程開關(guān)等）、輸出設(shè)備（繼電器、接觸器、信號燈等執(zhí)行元件），以及由輸出設(shè)備驅(qū)動的控制對象（電動機(jī)、電磁 閥等），這些設(shè)備屬于一般的電器元件。4）根據(jù)控制要求基本確定I/O點(diǎn)數(shù)和模擬量通道數(shù)，進(jìn)行I/O初步分配，繪制I/O 接線圖5）程序設(shè)計主要包括繪制控制系統(tǒng)流程圖、設(shè)計梯形圖、

18、語句表程序，控制程序 是控制整個系統(tǒng)工作的核心條件，是保證系統(tǒng)工作正常，安全、可靠的關(guān)鍵。6）聯(lián)機(jī)調(diào)試。按照控制電路原理圖連接硬件， 將編寫好的控制程序下載至PLC，進(jìn) 行軟硬件聯(lián)調(diào)，如果不滿足控制系統(tǒng)的要求，再返回修改程序或檢查接線，直到滿足控 制系統(tǒng)的要求為止。4. 2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計原則與步驟4. 2. 1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則1）最大限度地滿足被控對象的控制要求。設(shè)計前應(yīng)深入現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查研究，搜集 資料，并擬定電氣控制方案。2）在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、使用及維護(hù)方便。3）保證控制系統(tǒng)安全可靠。4）考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)，在選擇 PLC的容量時

19、，應(yīng)適當(dāng)留有裕量。4. 2. 2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試步驟 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計調(diào)試過程如圖 4-1所示。圖4-1 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計調(diào)試過程4. 3控制要求一臺CA6140車床，需先啟動冷卻泵，然后啟動主軸，單按鈕啟動工作臺。工作臺原點(diǎn)出發(fā)到終點(diǎn)限位自動返回2次，再到原點(diǎn)停止，可進(jìn)行正、反點(diǎn)動，設(shè)有總停按鈕、 工作臺停止按鈕。4. 4控制流的選擇邏輯控制流分為以下三種類型。1）順序控制具有良好定義步驟順序的進(jìn)程很容易用 SCR段作為示范。例如，考慮一個有三個步 驟的循環(huán)進(jìn)程，當(dāng)?shù)谌齻€步驟完成時，應(yīng)當(dāng)返回第一個步驟，如圖4-2所示。轉(zhuǎn)換條件轉(zhuǎn)換條件轉(zhuǎn)換條件圖4-2順序控制2）分散控制在

20、很多應(yīng)用程序中，一個順序狀態(tài)流必須分為兩個或多個不同的狀態(tài)流，如圖4-3所示，當(dāng)控制流分為多個時，所有的輸出流必須同時激活。圖4-3分散控制3）匯合控制當(dāng)兩個或多個連續(xù)狀態(tài)流必須匯合成一個狀態(tài)流時，出現(xiàn)一種與分散控制相似的狀 況。當(dāng)多個狀態(tài)流匯合成一條狀態(tài)流時，則稱為匯合。當(dāng)狀態(tài)流匯合時，在執(zhí)行下一個 狀態(tài)之前，所有的輸入流必須完成，如圖 4-4所示。圖4-4匯合控制基于本次設(shè)計的控制要求，系統(tǒng)的控制流方式應(yīng)選擇順序控制和匯合控制。4. 5系統(tǒng)的控制過程1）初始狀態(tài)SB1, SB2 SB5 SB6 SB7都為 OFF 電動機(jī) M1, M2 M3也都為 OFF2）啟動過程上電后系統(tǒng)進(jìn)行初始化，當(dāng)

21、按下按鈕 SB1 （即SB1=ON,電動機(jī)M2開始啟動；經(jīng)過 2S過后，電動機(jī) M1自動啟動；當(dāng)按下按鈕 SB2（g卩SB2=ON,電動機(jī)M3開始啟動，然 后向一個方向運(yùn)動，當(dāng)碰到終點(diǎn)限位開關(guān)時，電動機(jī) M3改變運(yùn)動方向朝另一個方向運(yùn) 動，如此反復(fù)運(yùn)動兩次后回到原點(diǎn)停止。3）停止及其它狀態(tài)當(dāng)按下按鈕SB6（即SB6=ON,電動機(jī)M3停止運(yùn)動（即M3=OF）;當(dāng)按下按鈕SB3 或SB4（SB3=ON/SB4=ON電動機(jī)M3進(jìn)行點(diǎn)動（即M3=O）當(dāng)按下按鈕SB（即SB5=ON, 電動機(jī)M1, M2 M3都停止運(yùn)動（即M仁OFF,M2=OFF,M3=OFF5系統(tǒng)的硬件設(shè)計5. 1系統(tǒng)的組成該系統(tǒng)主要

22、由主電路部分，控制部分和數(shù)據(jù)通信部分組成。1）主電路部分該部分由三相異步電動機(jī)，交流接觸器，熱繼電器，熔斷器，刀開關(guān)組成。2）控制部分該部分由西門子S7-200PLC中間繼電器，操作臺組成。3）數(shù)據(jù)通訊部分該部分在通訊上，由通訊口（ RS232C或RS422/485）讀寫PLC的內(nèi)部數(shù)據(jù)。5. 2主要電氣元件的選擇任何一種繼電器系統(tǒng)都由輸入部分，邏輯部分和輸出部分組成。系統(tǒng)輸入部分由所 有行程開關(guān)、方式選擇開關(guān)、控制按鈕等組成。邏輯部分是指由各種繼電器及其觸點(diǎn)組 成的實(shí)現(xiàn)一定邏輯功能的控制線路，輸出部分包括各種負(fù)載的接觸器線圈。在本次控制 系統(tǒng)設(shè)計中用PLC代替了繼電器控制系統(tǒng)中的邏輯線路部分

23、。在車床的電氣控制系統(tǒng)， 所有觸頭，行程開關(guān)，控制按鈕（SB1SB6等為系統(tǒng)的輸入信號；接觸器線圈（KM1-KM）, 為系統(tǒng)的輸出信號。5. 2. 1電動機(jī)的選擇在車床控制系統(tǒng)運(yùn)行中，電動機(jī)類型選擇的原則是，在滿足工作機(jī)械對于拖動系統(tǒng)要求的前提下，所選電動機(jī)應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價格低廉。因此, 在選用電動機(jī)種類時，若機(jī)械工作對拖動系統(tǒng)無過高要求，應(yīng)優(yōu)先選用三相交流電異步 動機(jī)。1）最高和最低轉(zhuǎn)速的確定確定最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速的方法，主要是分析在所設(shè)計的機(jī)床上可能進(jìn)行的工序，從中選擇要求最高、最低轉(zhuǎn)速的典型工序。按照典型工序的刀具切削速度和刀具（或工件）直徑,可計算出n 、n 的

24、范圍1000 Vmaxn m axm axm indm inn m in1000 Vmind m ax式中的n 、n可根據(jù)切削用量手冊查得，d 、d是指實(shí)際使用情況nmaxnmindmaxd min下，采用v（或v）時常用的經(jīng)濟(jì)加工直徑，對于車床，一般取vmaxvminpim axKDpirp pim ind m ax式中D機(jī)床能加工的最大直徑，單位 mmK 系數(shù)，對于車床K=0.5;r 計算直徑范圍，通常 r =0.20.25。2）主傳動電動機(jī)功率的確定確定主傳動電動機(jī)的功率，應(yīng)主要考慮這幾方面：消耗于切削的功率，又稱有效功率；空載功率；各傳動副的機(jī)械效率由于在改造過程中保留了主要的機(jī)械部件

25、，舊部件的去除和新部件的添加，對主傳 動系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)并未有太大影響，綜合以上各方面考慮，新電機(jī)的功率要稍大于舊電 機(jī)的功率，就可滿足要求。5. 2. 2保護(hù)電器的選擇1）熔斷器熔斷器在電路中主要起短路保護(hù)作用，用于保護(hù)線路。熔斷器的熔體串接于被保護(hù) 的電路中，熔斷器以自身產(chǎn)生的熱量使熔體熔斷，從而自動切斷電路，實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)及 過載保護(hù)。2）熱繼電器熱繼電器主要用于電氣設(shè)備（電動機(jī)）的過負(fù)荷保護(hù)。熱繼電器勢利用一種電流熱 效應(yīng)原理工作的電器，它具有與電動機(jī)容許過載特性相近的反時限動作特性，主要與接 觸器配合使用，用于對三相異步電動機(jī)的過負(fù)荷和斷相保護(hù)。三相異步電動機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，常會遇到因電氣

26、或機(jī)械原因等引起的過電流 （過載和 斷相）現(xiàn)象，如果過電流不嚴(yán)重，持續(xù)時間短，繞組不超過允許溫升，這種過電流是允 許；如果過電流情況嚴(yán)重，持續(xù)時間較長，則會加快電動機(jī)絕緣老化，甚至?xí)龤щ妱?機(jī)，因此，在電動機(jī)回路中應(yīng)設(shè)置電動機(jī)保護(hù)裝置。熱繼電器的選型原則：熱繼電器主要用于電動機(jī)的過載保護(hù)，使用中應(yīng)考慮電動機(jī) 的工作環(huán)境、起動情況、負(fù)載性質(zhì)，等因素。星形接法的電動機(jī)可選用兩相或三相結(jié)構(gòu) 的熱繼電器，三角形接法的電動機(jī)應(yīng)選用帶斷相保護(hù)裝置三相結(jié)構(gòu)的熱繼電器。熱繼電 器的動作電流整定值一般為電動機(jī)額定電流的 1.051.1倍。5. 2. 3控制電器的選擇1）選擇開關(guān)萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)是一種多檔式控制多回

27、路的開關(guān)電器。一般用于各種配電裝置的遠(yuǎn)距 離控制，也可作為電器測量儀表的轉(zhuǎn)向開關(guān)或用作小容量電動機(jī)的啟動、制動、調(diào)速和 換向的控制，用途廣泛，故稱萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)。常用的萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)有LW8 LW6和LA18系列。2）控制按鈕控制按鈕在控制電路中常用作遠(yuǎn)距離手動控制接觸器、 繼電器等有電磁線圈的電路, 也可用于電器連鎖等電路中。目前常用的按鈕有 LA10 LA18 LA19 LA20等系列產(chǎn)品 5. 3 CA6140車床控制原理電路圖概述及原理分析CA6140車床控制電路原理圖如圖3-1所示。圖中主要分為主電路，冷卻電路，快速移動電路等三部分。1）主電路分析從圖5-1中可以看出，斷路器 QF將三相

28、電源引入，F(xiàn)U1為主電動機(jī)M1的短路保護(hù) 用熔斷器，F(xiàn)R1為M1電動機(jī)過載保護(hù)用熱繼電器。為防止在連續(xù)點(diǎn)動時的啟動電流造成 電動機(jī)過載，點(diǎn)動時也加入限流電阻 R。通過互感器TA接入電流表A以監(jiān)視主電動機(jī)繞 組的電流。熔斷器FU2為M2 M3電動機(jī)的短路保護(hù)，接觸器 KM1 KM2為M2 M3電動 機(jī)起動用接觸器。FR2為M2電動機(jī)的過載保護(hù)，因快速電動機(jī) M3短時工作，所以不設(shè) 過載保護(hù)。SA380VEL101FU3103105113r FU4SB6KAFR2JTLKM1SB5SB3SQKM1D-KM2圖5-1 CA6140車床控制電路原理圖2）控制電路分析a. 主電動機(jī)的點(diǎn)動調(diào)整控制電路中K

29、M3為M1電動機(jī)的正轉(zhuǎn)接觸器，KM為M1電動機(jī)的長動接觸器，KA為中間繼電器。M1電動機(jī)的點(diǎn)動由點(diǎn)動按鈕 SB6控制。按下按鈕SB6接觸器KM3 得電吸合，他的主觸點(diǎn)閉合，電動機(jī)的定子繞組限流電阻R與電源接通，電動機(jī)在較低速下起動。b. 主電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路主電動機(jī)的正轉(zhuǎn)由正向起動按鈕 SB1控制。按下按鈕SB1時，接觸器KM首先得電動 作，他的主觸點(diǎn)閉合將限流電阻短接，接觸器 KM的輔助動合觸點(diǎn)閉合使中間繼電器 KA 得電，它的觸點(diǎn)閉合，使接觸器 KM3得電吸合。KM3的主觸點(diǎn)將三相電源接通，電動機(jī) 在額定電壓下正轉(zhuǎn)起動。KM3的動合輔助觸點(diǎn)和KA的動合觸點(diǎn)的閉合將KM3線圈自鎖。 反轉(zhuǎn)

30、起動時用反向起動按鈕 SB2,按下SB2,同樣是接觸器KM得電，然后接通接觸器KM4 和中間繼電器KA于是電動機(jī)在滿壓下反轉(zhuǎn)起動。KM3的動斷輔助觸點(diǎn)和KM4的動斷輔 助觸點(diǎn)分別串在對方接觸器線圈的回路中，起到電動機(jī)正傳和反轉(zhuǎn)的電氣互鎖作用。c. 主軸電動機(jī)的反接制動控制當(dāng)速度接近于零時，用速度繼電器的觸點(diǎn)給出信號切斷電動機(jī)電源。速度繼電器與 被控電動機(jī)是同軸相連的，當(dāng)電動機(jī)正轉(zhuǎn)時，速度繼電器的正轉(zhuǎn)常開觸點(diǎn)KS1閉合；電動機(jī)反轉(zhuǎn)時，速度繼電器的反轉(zhuǎn)動合觸點(diǎn) KS2閉合。當(dāng)電動機(jī)正向旋轉(zhuǎn)時，接觸器 KM3 和KM繼電器KA都處于得電動作狀態(tài)，速度繼電器的正轉(zhuǎn)動合觸點(diǎn)KS1也是閉合的，這樣就為電動

31、機(jī)正傳時的反接制動做好了準(zhǔn)備。需要停車時，按下停止按鈕SB4接觸器KM失電，其主觸點(diǎn)斷開，電阻R串入主回路，與此同時KM3也失電，斷開了電動機(jī)電源， 同時KA失電，KA的動斷觸點(diǎn)閉合。在松開 SB4后就使反轉(zhuǎn)接觸器KM4勺線圈得電，電 動機(jī)的電源反接，電動機(jī)處于反接制動狀態(tài)。當(dāng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速下降到速度繼電器的復(fù)位 轉(zhuǎn)速時，速度繼電器 KS的正轉(zhuǎn)動合觸點(diǎn)KS1斷開，切斷了接觸器KM4的通電回路，電 動機(jī)脫離電源停止。電動機(jī)反轉(zhuǎn)時的制動與正轉(zhuǎn)時的制動相似。當(dāng)電動機(jī)反轉(zhuǎn)時，速度繼電器的反轉(zhuǎn)動 合觸點(diǎn)KS2是閉合的，這時按一下停止按鈕 SB4,在SB4松開后正轉(zhuǎn)接觸器線圈得電， 正轉(zhuǎn)接觸器KM3吸合將電

32、源反接使電動機(jī)制動后停止。d. 刀架的快速移動和冷卻泵控制刀架的快速移動是由轉(zhuǎn)動刀架手柄壓動限位開關(guān) SQ來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)手柄壓動SQ后， 接觸器KM2得電吸合，M3電動機(jī)帶動刀架快速移動。如果車削加工需要冷卻液時按下 SB6冷卻泵電動機(jī)M3動作，KM4線圈得電，冷卻泵電動機(jī)M2工作，需要停止時按下按 鈕SB5即可。5. 4 PLC的選型可編程序控制器(PLC從廣義上來說也是一種計算機(jī)控制系統(tǒng)，只不過它比計算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)現(xiàn)場相連的接口，具有更直接的適用于控制要求的編程語言。所以， 它與一般的計算機(jī)控制系統(tǒng)一樣，具有 CPU存儲器、1/0接口等部分。5. 4. 1 PLC的硬件系統(tǒng)圖5-2 P

33、LC控制系統(tǒng)硬件組成框圖PLC控制系統(tǒng)的硬件是由PLC輸入/輸出(I/O)電路及外圍設(shè)備組成的。系統(tǒng)的規(guī) ?？筛鶕?jù)實(shí)際應(yīng)用的需要而定，可大可小。1）主控模塊包括CPU內(nèi)存、通訊接口等部分。2）輸入/輸出模塊：對于輸入/輸出模塊有：數(shù)字量輸入/輸出模塊、開關(guān)量輸入/輸 出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、交流量輸入/輸出模塊、220V交流量輸入/輸出模塊。 還有智能模塊。3）電源模塊：該模塊將交流電源轉(zhuǎn)換成供 CPU內(nèi)存等所需的直流電源，是整個 PLC 系統(tǒng)的能源供給中心。4）1/0電路：PLC的基本功能就是控制，它采集被控對象的各種信號。經(jīng)過PLC處理后，通過執(zhí)行裝置實(shí)現(xiàn)控制。輸入電路就是對被控對象

34、進(jìn)行監(jiān)測、 采集、轉(zhuǎn)換和輸入。 另外，安裝在控制臺上的按鈕、開關(guān)等也可以向 PIC送控制指令。輸出電路的功能就是 接受PIC輸出的控制信號，對被控對象執(zhí)行控制任務(wù)。5）PLC外圍設(shè)備：常用的有編程器、可編程終端、打印機(jī)、條形碼讀入機(jī)等等。5. 4. 2 PLC的軟件系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)的軟件主要是有系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件、編程語言及編程支持工具軟件幾個 部分組成。PLC系統(tǒng)軟件是PLC工作所必需的軟件。在系統(tǒng)軟件的支持下，PLC對用戶 程序進(jìn)行逐條解釋，并加以執(zhí)行，直到用戶程序結(jié)束，然后返回到程序的起始又開始新 一輪的掃描。PLC的這種工作方式就成為循環(huán)掃描。但在PLC中，由于采用的是循環(huán)掃描的工作

35、方式，所以只有掃描到“線圈”的觸點(diǎn)是，才會有動，沒有掃描到時，觸點(diǎn)就 不會動作。并且PLC掃描一次用戶程序的時間周期長短與用戶的長短和掃描速度有關(guān)。 S7-200PLC中有眾多類型的軟元件，具體軟元件介紹如下：1. 輸入繼電器（I）:只能由輸入元件驅(qū)動，不可由程序驅(qū)動，實(shí)際點(diǎn)數(shù)不可超過PLC規(guī)定的點(diǎn)數(shù)。2. 輸出繼電器（Q）:用來存放等待輸出的控制信號。3. 通用輔助繼電器（M）:主要用來在程序設(shè)計中處理邏輯控制任務(wù)。4. 特殊繼電器（SM）:具有特殊功能或用來存儲系統(tǒng)的狀態(tài)變量、有關(guān)的控制參數(shù)和信息，如高速計數(shù)和中斷等等。5. 變量存儲器（V）：用來存儲變量的值，常用于數(shù)據(jù)處理或使用大量存儲

36、邏輯時。6. 局部變量存儲器（L）:用來存放局部變量。7. 順序控制繼電器（S）:用于順序控制或步進(jìn)控制中。8. 定時器（T）:工作過程與繼電接觸式控制系統(tǒng)的時間繼電器基本相同，但它沒有瞬動 觸點(diǎn)。使用時要提前輸入時間預(yù)設(shè)值。9. 計數(shù)器（C）:用于累計輸入脈沖的個數(shù)。10. 模擬量輸入映像寄存器（AI）、模擬量輸出映像寄存器（AQ :AI用以實(shí)現(xiàn)模擬量/ 數(shù)字量（A/D）之間的轉(zhuǎn)換，而AC用以實(shí)現(xiàn)數(shù)字量/模擬量（D/A）之間的轉(zhuǎn)換。11. 高速計數(shù)器（HC：用來累計比主機(jī)掃描速率更快的高速脈沖。12. 累加器（AC：用來暫時存儲數(shù)據(jù)。圖5-3為PLC內(nèi)部工作示意圖。圖5-3 PLC內(nèi)部工作示

37、意圖5. 4. 3電氣控制中繼電器控制與 PLC控制的比較1）控制中采用的邏輯部件不同繼電器-接觸器控制全部用硬觸點(diǎn)和“硬”線連接；PLC內(nèi)部大部分采用“軟”觸點(diǎn) 和“軟”線連接。2）控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和體積不同繼電器-接觸器控制系統(tǒng)使用的電氣元件多， 體積大且故障率大；PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 緊湊，使用的電氣元件少，體積小。3）控制中電器的觸點(diǎn)不同繼電器-接觸器控制中全部為機(jī)械式的硬觸點(diǎn)，動作慢，弧光放電嚴(yán)重，壽命短， 而且使用次數(shù)有限；PLC內(nèi)部全部為“軟”觸點(diǎn)，動作快、壽命長，而且使用次數(shù)無限。4）靈活性不同繼電器-接觸器控制方案的改變，需拆線，重新再接線，乃至更換元器件，比較麻 煩；PLC控制

38、方案的改變，一般不需要修改硬件，只需修改程序即可，及其方便。此外，由于PLC技術(shù)是在計算機(jī)控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的， 它是以微處理器為核心， 結(jié)合了計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)而發(fā)展起來的一種新型、通用的自動控制 裝置。具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用、易于編程、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。5. 4. 4 PLC的選擇PLC是控制系統(tǒng)的核心部件，正確的選擇PLC對整個控制系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)起著 重要的作用。車床電氣控制系統(tǒng)所需的I/O點(diǎn)總數(shù)在256以下，屬于小型機(jī)的范圍控制系統(tǒng) 只需要邏輯運(yùn)算等簡單功能。主要用來實(shí)現(xiàn)條件控制和順序控制。為實(shí)現(xiàn)CA6140車床上述的電氣控制要求，所以 PLC可以選擇西門子公司的S7 - 200系列。它的價格低， 體積小，非常適用于單機(jī)自動化控制系統(tǒng)該機(jī)床的輸入信號是開關(guān)量信號，輸出是負(fù) 載三相交流電動機(jī)接觸器等。車床