基于PLC的C650車床控制系統(tǒng)設計

基于PLC的C650車床限制系統(tǒng)設計摘要：針對老式車床故障多，檢修麻煩，線路困難，越來越不適應當今工業(yè)生產(chǎn)要求的問題，在對其電氣原理和限制要求進行分析后，本文提出了用PLC對車床的限制系統(tǒng)進行改進的新方法。本設計從車床限制須要的I/O點數(shù)、性能價格比的凹凸、各限制功能的實現(xiàn)及優(yōu)化等方面考慮，主要進行了車床電氣原理分析、限制元件的選擇、PLC的I/O點安排以及限制系統(tǒng)的梯形圖程序設計等過程。PLC限制系統(tǒng)硬件接線少、消耗功能低、反應速度快、工作穩(wěn)定、功能強大。用PLC限制系統(tǒng)來取代車床原有的限制系統(tǒng)，能使車床在變更限制要求時更為便利，協(xié)作合適的程序，還可實現(xiàn)自動加工功能。關鍵詞：C650臥式車床；電氣限制原理;S7-200PLC；梯形圖ControlSystemofThec650LatheDesignBasedonPLCAbstract:For

traditional

turning

lathes

having

many

examples

of

machine

malfunctions,

maintenance

of

troubles,

circuit

complexities,

it’s

not

fit

for

the

industrial

production

requirements

nowadays

more

and

more.

After

analyzing

electrical

schematics

and

control

requirements,

a

new

method

was

put

forward

by

which

using

PLC

to

transform

the

control

system

of

the

turning

machine.

The

design

considered

many

aspects

such

as

I

/

O

points

of

the

controlled

object,

ratio

of

the

cost-performance,

implementation

and

optimization

of

the

control

functions,

as

well

as

other

sides.

Thus

mainly

analyzed

the

control

principles,

the

control

devices

selections,

PLC's

I

/

O

points’

distributions

and

the

process

of

control

systems

FIG

programs.

PLC

control

system

has

less

connections,

small

size,

low

power

consumption,

higher

control

speed,

higher

reliability,

more

complete

functions

and

many

other

advantages.

Electrical

control

systems

used

in

place

of

the

relay

control

logic,

together

with

the

appropriate

control

system,

which

creates

richer

control

functions

of

machine

and

makes

more

elevated

automation

level.Keywords:C650HorizontalLathe;ElectricalControlPrinciple;S7-200PLC;Ladder引言近幾十年來，工業(yè)生產(chǎn)越來越趨近于現(xiàn)代化、自動化。車床作為機械加工工業(yè)必不行少的設備，在工業(yè)生產(chǎn)中擁有重要的地位。而傳統(tǒng)的電氣限制車床由于自動化水平低、線路困難、故障率高、檢修麻煩等一系列因素。已經(jīng)越來越不適應現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的要求，正漸漸被數(shù)控車床所取代老式的車床全部廢棄不用，會造成大量的資源奢侈，所以對傳統(tǒng)車床進行改造是一條不錯的出路。近幾十年來，PLC的出現(xiàn)，為工業(yè)限制開拓了一片新天地，給工業(yè)限制帶來了史無前例的變革。隨著技術越來越成熟，PLC的功能也越來越全面，已經(jīng)成為很多限制領域的核心器件。古被設計采納PLC對車床的限制系統(tǒng)進行改造，這大大的簡化了車床的硬件線路，降低了車床的故障率，而且輔以合適的程序，可大大提高車床的自動化水平，實現(xiàn)簡潔的數(shù)控功能，是傳統(tǒng)車床重新煥發(fā)新的朝氣。車床改造的背景意義及探討狀況1.1車床改造的背景及意義現(xiàn)今社會，隨著各種技術的發(fā)展，工業(yè)限制要求越來越嚴格。車床作為加工各種回零器件的機械，在工業(yè)生產(chǎn)中必不行少。上世紀中期數(shù)控技術應運而生，發(fā)展迅猛，為機械制造業(yè)開拓出一片嶄新的天地。數(shù)控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟效益的提高[1]。老式的車床采納的限制系統(tǒng)，接線特別困難，精度低，出現(xiàn)故障不易修理，一旦系統(tǒng)形成，想增加變動功能也特別不易，并且一旦出現(xiàn)故障，檢查困難，修理不便，工作效率低，已漸漸被各種數(shù)控機床取代。但是由于數(shù)控機床須要編程，對于數(shù)量小的特別零件，單獨編程生產(chǎn)得不償失，所以仍須要傳統(tǒng)車床進行生產(chǎn)。隨著工業(yè)現(xiàn)代化進程越來越深，機床設備數(shù)控化率已經(jīng)變成評價一個國家制造工業(yè)現(xiàn)代化水平的主要標記。我們國家工業(yè)起步晚，雖說近幾十年發(fā)展快速，但與歐美日本等國家相比差距很大，這嚴峻的制約了我國機械制造業(yè)的發(fā)展。而機械制造業(yè)事業(yè)個國家工業(yè)的基礎和關鍵，所以，慢慢提高我國機床的數(shù)控化比率，己經(jīng)變成我國制造技術發(fā)展的總趨勢，是我國實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化的重要因素之一。而這有兩條路可走:一是生產(chǎn)或進口新的數(shù)控機床;二是對我國現(xiàn)有的傳統(tǒng)機床加以改造。我國擁有基數(shù)極大的傳統(tǒng)老式機床，對于一個像我們這樣處于經(jīng)濟高速發(fā)展期的國家，對舊機床進行改造，是一個極其有便利快捷且成效顯著的方法。1.2車床改造國內外探討現(xiàn)狀在歐美和日本，這些先進的工業(yè)國家除了大量制造數(shù)控機床，也有很多特地對舊機床進行改造公司，尤其近年來受各種因素影響，歐美日本等發(fā)達國家受經(jīng)濟危機影響，機床制造業(yè)大受打擊，而機床改造卻因為須要成本低、見效快，而成為為為數(shù)不多的經(jīng)濟增長行業(yè)，朝氣盎然，正處于發(fā)展的鼎盛時期。用數(shù)控技術改造機床和生產(chǎn)線以其獨有的特點廣受歡迎，已漸漸發(fā)展成為一個新行業(yè)。由于我國工業(yè)起步較晚，車床改造仍處于探討階段，不少高校和科研院所已提出相應課題，取得了不少的探討成果，信任不就得將來車床改造在我國也會成為一個新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展起來。C650臥式車床2.1C650臥式車床簡介C650臥式車床屬于中型車床，可加工的最大工件回轉直徑為1020mm，最大工件長度為3000mm。它主要由床身、光桿、絲桿、尾座、刀架、主軸變速箱、進給箱、和溜板箱等組成[2]。C650臥式車床如圖1所示。圖1C650臥式車床工藝過程：車床有三種運動形式，主運動是工件的旋轉運動,工件由車床上的卡盤固定好，在主軸的帶動下做旋轉運動，它克服車削加工時所產(chǎn)生的絕大部分阻力；進給運動即為溜板驅動刀架做縱橫移動；協(xié)助運動是刀架進行快速移動，尾座的前后移動以及卡盤對工件的卡緊和松開。通常要考慮被加工零件的材料屬性、零件的尺寸及精度、車刀選型、加工方式和冷卻條件等因素，然后選取合適的切削速度，以免損壞工件或刀頭[3]。其工作過程過程如下：（1）正常車削加工時機床正轉，但在加工螺紋時，工件吃刀不能太深，否則會崩壞刀頭，所以須要多次往復加工。一次加工完畢后要反轉退刀，為下次加工做打算。為避開亂扣，這就要求工件的轉速同刀具后退的速度要保持與車削加工時轉速和進給速度一樣的比例。（2）C650臥式車床主軸由主電動機M1驅動，M1正轉，主軸正轉，M1反轉，主軸反轉。（3）主電動機長動時運用干脆啟動的方法，既可以正轉，也可以反轉，為便于對刀，還配有點動功能，點動時采納串電阻減壓啟動。因為加工時工件及卡盤夾子的重量比較大，加工時轉速也比較高，會產(chǎn)生較大的轉動慣性，停車時因受慣性影響不會馬上停止轉動，所以必需有停車制動功能，C650車床的停車制動運用速度繼電器的通斷來限制主電動機來實現(xiàn)反接制動，使生產(chǎn)時的平安和效率得到保障。（4）車削加工中，由于摩擦生熱，會產(chǎn)生大量的熱量，假如不加以冷卻，會損壞工件和刀頭，所以車床還配有冷卻系統(tǒng)，由M2驅動冷卻泵為車床供應冷卻液。（5）車床主電路上的M3是快速移動電動機，啟動后可帶動刀架快速移動，可以提高工作效率，降低勞動強度。（6）車床通過主軸箱調整速度，主軸箱外有限制手柄，變換不同的位置，可由不同的齒輪轉動比變更主軸的轉速，以便用不同的速度來加工材料性質不同的工件，提高工件的質量和生產(chǎn)的效率。2.2C650臥式車床改造主要內容（1）主電動機M1長動時，運用不經(jīng)限流電阻干脆啟動的方式。（2）主電動機M1既能正向持續(xù)運行，也能反向持續(xù)運行。停轉時，運用反接制動的方法抵消轉動慣量實現(xiàn)快速停車。（3）主電動機M1可以正轉點動串電阻低壓啟動。（4）原車床的工藝加工方法不變。（5）保留原車床限制系統(tǒng)中按鈕、手柄等手動限制元件的作用。2.3C650車床的電氣限制原理車床電路相當困難，但依據(jù)各個電路的功用區(qū)分，大體由主電路，照明電路和限制電路三部分組成[4]。詳細的電氣線路如圖2所示。圖2C650型臥式車床電氣限制線路2.3.1動力電路（1）主電動機電路電源引入與故障愛護：首先經(jīng)熔斷器FU對整個電路進行愛護，然后由FU1、FR1對M1主電路進行愛護，由FU4、FR2對M2主電路進行愛護，再由FU5對M3主電路進行愛護。主電動機正反轉：依據(jù)上圖進行電氣限制電路分析可知，主電路中KM1與KM2限制電動機正反轉，二者不會同時閉合。當KM1閉合時，電動機正轉；當KM2閉合時，電動機換相反轉。主電動機全壓與減運轉壓狀態(tài)：電阻R是電動機M1的限流電阻，受KM3主觸頭限制。當KM3閉合時，電流干脆經(jīng)KM3主觸頭進入電動機M1電動機全壓啟動，當KM3斷開時，電流將經(jīng)過R后再進入M1中，經(jīng)R分壓后減壓啟動。繞組電流監(jiān)控：電流表A是用于查看電動機M1主電路中的電流狀況的，其中線圈TA套在三相電路其中一相的導線上，且不與該導線相接觸。KT常閉延時斷開觸頭閉合時，電流表A短接無顯示，當觸頭斷開時，電流表A顯示主電路電流狀況。電動機轉速監(jiān)控：KS是速度繼電器，與M1同軸安裝，當M1啟動并接近額定轉速時，KS閉合，當M1停轉速度降低時，KS重新斷開，用于電動機的反接制動中。（2）冷卻泵電動機電路M2主電路經(jīng)FU4與FR2愛護后，受KM4限制，KM4斷開，M2停止轉動，系統(tǒng)不供應冷卻液；KM4閉合，M2啟動，系統(tǒng)起先供液進行冷卻。（3）快移電動機電路經(jīng)FU5愛護后。KM5閉合與斷開，限制M3的啟動與停轉。

TC變壓器一次側接入三相電源其中兩相，電壓為380V，二次側分別為兩個電路供電，一路給照明燈線路供電，電壓為36V，另一路則給車床限制線路供電，電壓為110V。2.3.2限制線路限制線路從電路的9區(qū)至23區(qū)，初始狀態(tài)時，全部線圈均不通電，各個觸頭均處于不受力狀態(tài)。（1）主電動機點動限制按下SB2，只有線圈KM1通電，主電路中KM1閉合，M1啟動，松開SB2，KM1馬上斷開，M1停轉。（2）主電動機正轉限制按下SB3，20區(qū)的KM3閉合，然后又令位于11區(qū)的中間繼電器KA閉合，經(jīng)過1、2、3線路，使得KM1線圈通電。而11~12區(qū)的KM1與14區(qū)的KA閉合，完成對SB3的自鎖。主電路中KM3與KM1閉合，電阻R被短路，電源干脆接入電動機M1中，電動機M1正轉啟動。M1主電路中還有一個電流表，用來檢查電路中電流的大小，KT線圈剛剛通電時，由于剛起先時仍處于延時時間，所以此時KT仍舊處于閉合狀態(tài)，電流表A處于短路狀態(tài)無顯示，當KT斷開時，此時繞組電流已基本趨于正常，電流表A取消短接，按肯定比例顯示出繞組電流。（3）主電動機反轉限制按下SB4，通過分析不難得出，KM3閉合，進而導致KM2線圈通電，14區(qū)KA與17-18區(qū)KM2全都閉合，完成對SB4的自鎖環(huán)節(jié)。主電路中KM2、KM3閉合，電動機M1干脆與電源接通，反轉啟動。（4）主電動機反接制動限制正轉制動限制：KS是速度繼電器，當M1轉速達到速度繼電器的臨界速度時，相對應的觸頭即會閉合。按下SB1，全部電機也全部斷電，但由于轉動慣量較大，電動機只會緩慢降速，不會馬上停轉。松開SB1，KM2線圈通電，主電路中電動機M1反轉啟動，與電動機M1正轉慣性相抵消，電動機快速停車，KS2因速度下降重新斷開。反轉制動限制：按下SB1，全部線圈斷電。一旦松開SB1，由電路分析可知線圈KM1將通電，電動機M1正轉啟動，與反轉慣性相抵消，電動機快速停轉，KS1也重新斷開。（5）冷卻泵電動機起停限制按下SB6，KM4閉合，形成自鎖環(huán)節(jié)，主電路中M2通電，M2持續(xù)轉動供液。停止供液時，只須要按下SB5，M2即會停轉，冷卻泵停止供液。（6）快移電動機點動限制將刀架移至一旁，SQ將閉合，進而導致接觸器KM5閉合，電動機M3啟動。將刀架復原到原來的位置，SQ重新斷開，M3將會停止運轉。（7）照明電路SA閉合，EL燈亮。SA斷開，EL燈滅[5]。C650臥式車床電氣原理圖中電氣元件符號及名稱如表1所示。3.系統(tǒng)元器件的概述與選擇3.1PLC類型的簡介PLC即可編程控器，是針對現(xiàn)代工業(yè)自動化限制，運用多種現(xiàn)代電子技術發(fā)展起來的一種新型限制元件。以其功能強大，價格低、操作簡潔，運行穩(wěn)定，漸漸成為現(xiàn)代工業(yè)限制的核心元件。PLC從誕生那一刻起得到了迅猛的發(fā)展，世界各個聞名電器公司幾乎都在生產(chǎn)?，F(xiàn)在在各個限制領域到處可見PLC的應用比較常見可編程限制器有的有德國的西門子（SIMATIC）、美國的A-B和GE、日本的三菱和歐姆龍等。3.2PLC的特點PLC是綜合計算機與傳統(tǒng)電氣限制兩種不同的技術，可以編程以進行程序限制的器件。這也讓PLC擁有其他限制方法無法具有的優(yōu)點：（1）牢靠性高，抗干擾實力強PLC針對生產(chǎn)生活運用過程中所面對的各種干擾，在軟硬件兩方面進行了各種抗干擾的設計，可以在絕大多數(shù)的工作環(huán)境中穩(wěn)定運轉。用程序軟件來取代傳統(tǒng)限制器件的硬件線路，大大削減了接觸點和連線，這也大大降低了系統(tǒng)出現(xiàn)故障的幾率。（2）適用性強，應用敏捷PLC各種各樣的型號，種類繁多，功能齊全，可以滿意各種限制要求。而且當限制要求須要改動時，通常只須要重新編程再協(xié)作外圍電路局部調整即可，不須要更改硬件設施。（3）編程及設計、安裝、調試便利PLC的編程梯形圖，梯形圖的語言符號與電氣圖符號相像，直觀易懂，運用者經(jīng)過簡潔的學習，即可駕馭梯形圖的運用方法。PLC中含有大量的“軟元件”而且又用程序軟接線代替一部格外部接線，使外部接線工作大大簡化，不僅可以削減工作量，還可以削減因接線產(chǎn)生的故障。并且可在試驗室進行仿真模擬、狀態(tài)監(jiān)測，對程序進行調試修改極為便利。（4）維護便捷、修理簡潔、功能齊全PLC有完善的自診斷、數(shù)據(jù)存儲及監(jiān)視功能，可以通過其自身所帶的發(fā)光二極管和軟件供應故障信息，快速做出處理。除了基本的功能外，PLC所供應的軟元件的觸點可以不限次數(shù)的運用到系統(tǒng)中，對于困難的限制幫助很大[6]。（5）體積小、重量輕、功耗低因為PLC采納了微電子技術，故而其體積小、重量輕、功耗低。由于具有以上特點，使得PLC在限制領域漸漸占據(jù)統(tǒng)治地位，現(xiàn)在不管在任何地方基本上只要有限制要求，PLC幾乎都能以其強大的功能勝任[7]。3.3PLC型號的選擇西門子公司的S7-200系列PLC具有運行速度快、有通訊功能、遠程限制功能、價格便宜等優(yōu)點。S7-200系列PLC可供應5個不同的基本型號的8種CPU可供運用[8]，S7-200系列PLC技術參數(shù)如表2所示。在選用PLC上，由上文對C650車床電氣限制系統(tǒng)的分析可知，輸入端口須要13個，輸出端口須要6個，不須要聯(lián)機也不須要進行遠程限制。因此，綜合考慮各方面因素，我們確定選用SIMATICS7-200系列的S7—224CN作為設的PLC。3.4電動機選擇本設計僅運用PLC取代車床原有的電氣限制部分，沒有變更其功能也沒有限制要求的無變更。所以電動機亦保留原有車床所用電動機[9]。詳細所用電動機參數(shù)如表3所示。3.5其它元器件的選擇3.5.1溝通接觸器的選擇溝通接觸器是電力拖動和自動化限制系統(tǒng)必不行少的元器件之一，大多用于對電動機進行限制，溝通接觸器是依據(jù)電磁感應原理，使通電線圈產(chǎn)生磁場，由處于線圈中心的靜銜鐵吸動動銜鐵，帶動相關的觸頭動作，進而完成限制作用。其主觸頭一般串接在主電路中，協(xié)助觸頭位于限制電路中，在接受按鈕等開關的電信號后在線圈的作用下閉合或斷開，實現(xiàn)其相應的限制功能。本設計選取溝通接觸器分別型號為：CJ20—63和CJ20—10。3.5.2中間繼電器的選擇中間繼電器多用在各種系統(tǒng)的限制電路之中，用來豐富電路中觸點的數(shù)量，它作為中間媒介，在限制電路中起傳送信號作用。本設計選用的中間繼電器型號為JZ7-44。3.5.3愛護電器的選擇（1）熔斷器熔斷器可以愛護電路不受瞬時電流過大的損害。其核心部件是一截合金導線（俗稱保險絲），熔點較低，當電流正常時，它起電氣連接作用，當電流過大時會自動發(fā)熱，瞬間熔斷從而切斷電路，愛護其他元件不受損害。本設計電路熔斷器選取型號為:RL1-100/100、RL1-15/2、RL1-15/6和RL1-15/2。（2）熱繼電器熱繼電器是電流流過發(fā)熱元件使其產(chǎn)生熱量膨脹變形，以此來推動相應的觸頭實現(xiàn)通斷的一種電氣愛護元件。主要用于溝通電動機的過載愛護、斷相及電流不平衡運行愛護及其他電器設備發(fā)熱狀態(tài)的限制。三相異步電動機在實際運行中，經(jīng)常會因為各種因素導致電動機超負荷運轉，這被稱作過載。假如超出的負荷在合適的范圍內，這樣的過載是允許。的假如過載狀況嚴峻，電動機將會受到損害，所以，對與電動機的長期過載現(xiàn)象，實行一些愛護措施是特別必要的。選取時應當綜合考慮電動機的安裝環(huán)境、工作條件、過載實力、負載狀況、啟動時的運轉狀況等各方面因素。本設計熱繼電器選取型號為：JR36-63和JR36-20[10]。3.5.4限制開關電器的選擇（1）行程開關行程開關是利用運動部件的行程位置實現(xiàn)限制的電器元件。當部件運動到某一指定地點時，即會使觸頭動作閉合。當部件離開時，開關在彈簧的作用力下復原到不受力的狀態(tài)。本設計運用的行程開關型號為JLXK1-111。（2）按鈕開關盒按鈕開關在各種各樣的限制電路中隨處可見，經(jīng)常和接觸器、繼電器等搭配運用，有常閉和常開兩種，以其自身結構特點，既可以以其自身按下松開對電路進行短時間的通斷限制，還可以通過自鎖和互鎖環(huán)節(jié)長時間接通電路。本次設計選擇的按鈕開關型號為LA4-3H。3.5.5速度繼電器選擇速度繼電器是當轉速達到規(guī)定值時觸頭動作的繼電器。主要用于電動機反接制動限制電路中，當反接制動的轉速下降到接近零時能自動地剛好切斷電源。本次設計選擇的速度繼電器型號為JY1型速度繼電器500V、2A。4.PLC限制電路設計4.1PLC的硬件電路框圖PLC有各種型號，很多不同的生產(chǎn)廠家，所以導致外觀五花八門，但是其硬件結構配置基本相同。主要由中心處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出單元（I/O）接口、電源及外圍編程設備等幾大部分構成[11]。PLC的硬件結構如圖3所示。圖3PLC硬件結構框圖4.2車床限制PLC輸入/輸出接口安排表依據(jù)上文對車床電氣原理的分析，我們已經(jīng)知道了車床中各個按鈕、開關、接觸器、繼電器以及各種輸出設備的功能，為了便利在后續(xù)設計中進行車床限制系統(tǒng)的程序設計，我們依據(jù)上文分析得出的結論，列出了各個輸入輸出設備的I/O接口安排表。I/O安排如表4所示。PLC軟件梯形圖設計5.1車床限制系統(tǒng)梯形圖依據(jù)上文對C650車床電氣限制原理的分析，由表4中I/O安排點對車床限制系統(tǒng)進行梯形圖設計。車床限制系統(tǒng)梯形圖如圖4所示。

該設計依照原來的限制要求，分別可實現(xiàn)主電動機M1的點動、正轉、反轉、以及正反轉反接制動，還有對電動機M2和M3的啟停限