CA6140車床的PLC改造設(shè)計(jì)

1、編號(hào):單位代碼：14439SHANDONG AGRICULTURE AND ENGINEERING UNIVERSITY電氣控制綜合設(shè)計(jì)題 目：CA6140車床的PLC改造設(shè)計(jì)系部：機(jī)械電子工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：15級(jí)2班學(xué)生姓名：徐興東1502120221指導(dǎo)教師：林立松完成日期：2018/06/30山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院制CA6140車床的PLC改造設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)CA614/床CA614訴床的先祖是C620老式機(jī)床，由于功能的缺陷，后經(jīng)過(guò)機(jī)械制造行 業(yè)的升級(jí)變成了如今新型的臥式機(jī)床；它被稱為 CA6140原因是其中的C表示車 床，A代表改良的型號(hào)，6指車床為臥式結(jié)構(gòu)，1為基本型，40則

2、象征最大旋轉(zhuǎn) 直徑，是機(jī)械設(shè)備企業(yè)加工材料所需的設(shè)備之一。CA6140型車床也是眾多機(jī)床中的一類，主要負(fù)責(zé)金屬切削方面，對(duì)于各種 內(nèi)外圓、端面、定型表面、螺紋螺桿等具有很好的切削技術(shù)支持，被普遍的運(yùn)用 于金屬加工行業(yè)中。該機(jī)床有兩個(gè)起主要作用的運(yùn)動(dòng)部分：一種是卡盤或頂尖帶動(dòng)工件的回旋轉(zhuǎn)動(dòng)，即車床主軸運(yùn)動(dòng)；另一種是由滑盤驅(qū)動(dòng)的帶動(dòng)刀架的直線運(yùn) 動(dòng)，即車床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。CA6140型普通車床是我國(guó)獨(dú)立研發(fā)的最大車削半徑為 200mm勺新式臥式車床，極大的促進(jìn)了中國(guó)機(jī)械加工行業(yè)的進(jìn)步。CA6140車床的形狀構(gòu)造如下圖所示，它主要由主軸箱、進(jìn)給箱、縱橫溜板 箱、掛輪變速機(jī)構(gòu)、刀架、尾架、光杠、絲杠、床身、

3、床腳和冷卻裝置等其它部 分組成叫CA614眸床改造原因針對(duì)傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)故障頻繁的特點(diǎn)，對(duì) CA614眸床的電氣控制系 統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造，采用可編程邏輯控制器（PLC代替原有的繼電器，設(shè)計(jì)了 PLC控制系統(tǒng)的硬件組成及其控制程序。改造后車床運(yùn)行穩(wěn)定，降低了故障率， 提高了使用效率。我?，F(xiàn)有的CA614/床采用傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，由于使用了大量的繼 電器與接觸器，經(jīng)常造成接觸不良，而且元件老化快，設(shè)備故障頻繁，不便于維 修，影響到學(xué)生正常的實(shí)習(xí)教學(xué)。根據(jù)實(shí)際條件，采用可編程控制器（ PLC對(duì) 原有繼電接觸器控制系統(tǒng)進(jìn)行改造， 使機(jī)床的故障率下降，可靠性和靈活性大大三、CA614眸床工作原

4、理CA6140型車床具有3臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，車床的各個(gè)動(dòng)力由其電機(jī)拖動(dòng)執(zhí) 行，圖3-1所示的為該車床的電路原理圖，我們對(duì)原理圖由此進(jìn)行剖析。電源 保護(hù)電源 開關(guān)主軸 電動(dòng)機(jī)短路 保護(hù)冷卻泵 電動(dòng)機(jī)刀架快速 移動(dòng)電機(jī)控制電源 變壓及保護(hù)斷電 保護(hù)主軸 電機(jī)控帶刀架快1速移可冷卻無(wú) 控制信號(hào) 燈照明 燈FU2U13 口fu1u10QF U11L1-L2_V1。一V11V13L3EsW11口W13PE限界備設(shè)U12V12W12K7MU14V14W14TC 101 FU524V6VSQ10SBKA2 8FR1 2自 FU4 三 FU3sb!-/KA1 9102SA1FR17匚匚匚FR29SB3E1V1

5、W1U37.5kW 1450r/minM12U390W 3000r/min2VM22W250W1360r/min3V33U M3XB4=*i3W11SB2-273293KM 7X 4X 4泊ELSA2 202 103KM71234567891011243圖3-1 CA6140型普通車床電氣原理圖1.CA6140車床主電路分析CA6140車床的主電路由主電動(dòng)機(jī) M1、冷卻泵電動(dòng)機(jī)M2、快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī) M3、接觸器KM和兩臺(tái)繼電器組成，三臺(tái)電動(dòng)機(jī)均為三相異步電機(jī)，KA1、KA2 為交流繼電器4。首先接入電源需要由漏電保護(hù)斷路器 QF加持，以控制整個(gè)電 路的電源通斷，電動(dòng)機(jī)M1采用直接啟動(dòng)，我們知道

6、接觸器KM具有三個(gè)常開觸 點(diǎn)，在線圈通電時(shí)，三個(gè)常開觸點(diǎn)便會(huì)閉合，此時(shí)線路為通路，主軸電動(dòng)機(jī) M1 通電運(yùn)行，接觸器的三個(gè)觸點(diǎn)便用來(lái)掌管 M1的開動(dòng)和終止；同理，接觸器KA1 和KA2也具有三個(gè)常開主觸點(diǎn)，兩臺(tái)繼電器分別用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)M2和M3的通電運(yùn)行。QF為漏電保護(hù)器，但是為防止 QF故障，激發(fā)電路問(wèn)題，特加入短 路保護(hù)裝置FU1,作為漏電保護(hù)QF的雙重保護(hù)，同樣，為避免電動(dòng)機(jī) M2和 M3在運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生電路問(wèn)題，加持 FU2作為兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的短路保護(hù)裝置， 由于兩臺(tái)電機(jī)容量較小，且快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)也不是長(zhǎng)期運(yùn)行， 所以僅用一個(gè)FU; 在機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中，由于電機(jī) M1和M2屬于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的

7、裝置，從安全和保護(hù) 角度考慮，應(yīng)設(shè)過(guò)載保護(hù)，則串聯(lián)熱繼電器FR1和FR2用來(lái)保護(hù)電機(jī)M1和M2 的過(guò)載，快移電動(dòng)機(jī)M3屬于臨時(shí)工作，不會(huì)長(zhǎng)期用來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)需過(guò)載保護(hù)。2控制電路分析2.1 機(jī)床電源引入控制變壓器TC二次分別輸出6V、24V和110V三種電壓，其中6V為電源指 示燈供電，24V則作為燈泡EL的電源，而控制線路的工作電源采用 110V交流電 壓供電，從電路圖上可知，接通電源的首要前提是行程開關(guān) SQ1常開觸點(diǎn)變?yōu)榫o 閉，此刻假定觸點(diǎn)已接通線路，封鎖配電柜的壁龕門，用鑰匙插入鑰匙開關(guān)SR右旋鑰匙將開關(guān)SB斷開，繼而把開關(guān)QF調(diào)節(jié)為合的狀態(tài)，此時(shí)，三相電源便會(huì) 與主電路接通，止匕外，電路

8、圖中尚有一個(gè)隱藏的條件，當(dāng)線路處在正常工作狀況 時(shí)，且開關(guān)SB和行程開關(guān)SQ2斷開，QF中的線圈也為失電的狀況，而線路中的 行程開關(guān)SQ2與配電柜的壁龕門屬于關(guān)聯(lián)設(shè)備，當(dāng)壁龕門為打開狀態(tài)時(shí)，SQ2的觸點(diǎn)為關(guān)閉狀態(tài)，線圈QF也因此得電，當(dāng)其得電后，斷路器QF自動(dòng)斷開，止匕時(shí)， 斷路器的控制柄也是無(wú)法閉合的（即使人為管理），從而切斷電源進(jìn)行安全保護(hù)， 防止在控制電路區(qū)域進(jìn)行操作時(shí)觸電。2.2 主軸電動(dòng)機(jī)控制電路分析通過(guò)電路圖我們可以看出，電動(dòng)機(jī)M1的啟動(dòng)和停止按鈕分別為SB2和SB1, 還有一個(gè)開關(guān)KM與啟動(dòng)按鈕并聯(lián)，首先點(diǎn)擊SB2,使電動(dòng)機(jī)M1線路接通，最 先受影響的器件就是繼電接觸器 KM ,

9、當(dāng)它的內(nèi)部線圈通電時(shí)，接觸器KM上的 主觸點(diǎn)也由開啟的狀態(tài)變?yōu)殚]合，電機(jī)的三相電路接通，開始連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)工作，同 時(shí)KM具有常開開關(guān)，當(dāng)線圈接電的時(shí)刻，開關(guān)便由常開轉(zhuǎn)變?yōu)槌ｉ]，因?yàn)樵?常開開關(guān)是和SB2并聯(lián)，即使松開SB2,線路也處于接通的狀態(tài)，從而達(dá)到自 鎖的功能；SB1與線圈KM位于同一條控制電路，因此可以作為電動(dòng)機(jī)M1的停 止按鈕，從圖上可以看出開關(guān) SB1為常閉開關(guān)，當(dāng)我們需要停止電機(jī) M1的時(shí) 候，只要按下SB1,線圈KM所在的線路便會(huì)失電，當(dāng)線圈 KM失電的同時(shí)，三個(gè)主觸點(diǎn)由接通變?yōu)閿嚅_，開關(guān) KM也會(huì)由常閉轉(zhuǎn)為常開，電動(dòng)機(jī)開始停止 運(yùn)行，熱繼電器FR1是為了防備電動(dòng)機(jī)M1運(yùn)行時(shí)間太長(zhǎng)

10、，從而造成過(guò)載而設(shè) 置的保護(hù)裝置；該控制電路還有一個(gè)隱藏的保護(hù)功能， 即零壓保護(hù)功能，就是當(dāng) 電路中的電源意外斷電后，接觸器三個(gè)觸點(diǎn)獲得釋放，如若電源的電壓企圖二次 還原，則電機(jī)也不能自動(dòng)重啟，因?yàn)榇藭r(shí)須要重新點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕SB2,如此設(shè)置是為了防止車床運(yùn)行過(guò)程中的意外斷電， 二次起動(dòng)造成事故發(fā)生；此電路還具有 欠壓保護(hù)，即電路中的電壓過(guò)低，電磁吸力不足以維持主觸點(diǎn)吸合，會(huì)使線圈 KM自動(dòng)釋放，電機(jī)M1自動(dòng)停止工作，之所以加入欠壓保護(hù)，是因?yàn)殡娐冯妷?過(guò)低時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電流過(guò)大大，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)損毀。2.3 冷卻泵電動(dòng)機(jī)控制電路分析當(dāng)主軸電動(dòng)機(jī)運(yùn)作時(shí)，線圈 KM處在通電的狀態(tài)，接觸器 KM上的常開觸

11、 點(diǎn)KM7也會(huì)接通，由于開關(guān) KM7位于電機(jī)M2的控制主電路上，因此，只有 當(dāng)KM7接通，電機(jī)M2才可以運(yùn)行，即電機(jī) M1與電機(jī)M2具有聯(lián)鎖效應(yīng)，只 能在M1運(yùn)行后，M2才可以起動(dòng)，如若停下電動(dòng)機(jī) M1 ,由于電動(dòng)機(jī)與繼電接 觸器KM屬于連帶作用，繼電器線圈丟電的同時(shí)，會(huì)造成常開觸點(diǎn)分離，電動(dòng) 機(jī)M2因此停機(jī)；在加工時(shí)如若需要冷卻液，只要扭動(dòng)SA2到合攏，使線圈KA1 產(chǎn)生磁力，吸合主觸點(diǎn)，電機(jī) M2開動(dòng)為加工件提供冷卻液；熱繼電器 FR2為 此電路的過(guò)載保護(hù)，KA1則為冷卻泵電動(dòng)機(jī)的欠壓保護(hù)。2.4 快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制電路分析因?yàn)榭煲齐妱?dòng)機(jī)每次運(yùn)行都是短時(shí)工作， 所以應(yīng)采用點(diǎn)動(dòng)控制電路，以應(yīng)

12、對(duì) 各種使用環(huán)境，該電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與停止完全依靠按鈕SB3來(lái)控制，當(dāng)需要移動(dòng)時(shí)點(diǎn)擊按鈕SB3,線圈KA2通電造成觸點(diǎn)吸合，由此快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)開始運(yùn)作， 收起SB3,同理，KA2的觸點(diǎn)斷開造成電機(jī)M3停止；溜板箱上的十字形手柄扳 動(dòng)的方向用來(lái)控制快速移動(dòng)的方向。2.5 斷路保護(hù)電路分析行程開關(guān)SQ2設(shè)為常閉狀態(tài)，與鑰匙式電源開關(guān)SB的觸點(diǎn)并聯(lián)，再與斷路器QF的線圈串聯(lián)，便組成了一個(gè)保護(hù)電路。譬如在鑰匙式電源開關(guān)扭轉(zhuǎn)到斷開形態(tài)，徹底關(guān)好電氣柜的蓋子，行程開關(guān)SQ2常開觸點(diǎn)接通，這時(shí)QF的線圈無(wú)電，開關(guān)閉合才可以供電；當(dāng)配電箱出了問(wèn)題需要檢修時(shí)，配電箱門若打開，則 SQ2閉合，線圈QF的線路為通路，則

13、QF開關(guān)不能閉合，QF為整個(gè)電路的總 開關(guān)，從而保證車床電路斷電，起到斷路保護(hù)。SQ1作為安全行程開關(guān)，要將其 安放在機(jī)床床頭的皮帶罩下掛輪架處，目的是為了在檢修時(shí)，讓開關(guān) SQ1自動(dòng) 斷開（皮帶罩處于開合狀態(tài)），使控制電路失電，保證安全，當(dāng)裝好皮帶罩時(shí)，SQ1 關(guān)閉，三臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)才可以起動(dòng)。3照明、信號(hào)燈電路分析機(jī)床照明燈的電源使用的是24V交流電壓，該電壓是經(jīng)控制變壓器TC轉(zhuǎn)換 后輸出的，開關(guān)SA1與燈泡EL串聯(lián)，用以組裝照明電路，其中一端則需要接地， 這是一處要引起注意的地方，主要防止照明變壓器繞組短路造成的觸電事故； TC輸出的6V交流電壓作為信號(hào)指示燈 HL的電源，用來(lái)表示控制電路

14、的狀態(tài)； 兩處電路分別用FU4和FU5作短路保護(hù)裝置，下表為該車床的元器件。四、 CA614眸床改造1. CA6140型車床電器元件CA6140型車床電器元件代號(hào)名稱型號(hào)及規(guī)格數(shù)量用途備注M1主軸電動(dòng)機(jī)Y132M-4-B37.5KW、1450r/min1主傳動(dòng)用M2冷卻泵電動(dòng)機(jī)AOB-25、90W、3000r/min1輸送冷卻液 用M3快速移動(dòng)電動(dòng) 機(jī)AOS56.34、250W、 1360r/min1溜板快速移 動(dòng)用FR1熱繼電器JR16-20/3D、15.4A1M1的過(guò)載 保護(hù)FR2熱繼電器JR16-20/3D、0.32A1M2的過(guò)載 保護(hù)KM交流接觸器CJ0-20B、線圈電壓 110V1控

15、制M1KA1中間繼電器Jz7-44、線圈電壓110V1控制M2KA2中間繼電器Jz7-44、線圈電壓110V1控制M3SB1按鈕LAY3-01ZS/11停止M1SB2按鈕LAY3-10/3.111啟動(dòng)M1SB3按鈕LAY91啟動(dòng)M3SA2旋鈕開關(guān)LAY3-10X/21控制M2SQ1SQ2位置開關(guān)JWM6-112斷電保護(hù)HL信號(hào)燈ZSD-0、6V1刻度照明無(wú)燈罩QF斷路器AM2-40、20A1電源引入TC控制變壓器JBK2-100380V/110V/24V/6V1110V 50VA24V 45VA2.改造方法CA6140機(jī)床的控制原理已經(jīng)掌握，選擇 PLC為控制線路進(jìn)行整改升級(jí)時(shí)需要先考慮該線路

16、中的哪些開關(guān)是必要的， 應(yīng)予以保留，多余的開關(guān)與繼電器全 部用PLC代替，既要保持原CA6140車床電氣控制的主電路，又要保持原機(jī)床 的操作風(fēng)格，繼而保證線路中的各種聯(lián)鎖功能，在此前提下還需保留控制變壓器 和照明燈，我們需要做的就是把線路中的開關(guān)控制功能轉(zhuǎn)移給PLC,由PLC自動(dòng)完成各個(gè)線路中電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，我們?cè)谶M(jìn)行 PLC改造的同時(shí)，各個(gè)電機(jī)的啟停、 保護(hù)元件要接入PLC的輸入端；110V交流電壓用作交流接觸器、中間繼電器的 工作電源，24V與6V交流電壓繼續(xù)為照明燈、指示燈提供電源。五、硬件設(shè)計(jì)1.功能描述旋轉(zhuǎn)鑰匙開關(guān)SB至斷開，關(guān)閉控制箱門（SQ2處于斷開狀態(tài)），執(zhí)行以下 操作：點(diǎn)擊SB2

17、,主軸電動(dòng)機(jī)M1開始起動(dòng)，持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)動(dòng)鑰匙開關(guān)SA2,電動(dòng)機(jī)M2隨即起動(dòng)為冷卻泵提供動(dòng)力，冷卻液開始輸 出；點(diǎn)擊SB3（不能松開），快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī) M3運(yùn)轉(zhuǎn)，松開SB3,電機(jī)M3會(huì)即 亥1J停止；點(diǎn)擊SA,照明燈EL點(diǎn)亮，為機(jī)床提供光源；點(diǎn)擊SB1,電機(jī)M1停止，由于電機(jī)M1與M2存在聯(lián)鎖，當(dāng)M1處在運(yùn)行 的狀態(tài)下時(shí)，電機(jī)M2才能起動(dòng)，否則，按下SA2,電機(jī)M2仍然無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng) 電機(jī)M1停止時(shí)，電機(jī)M2也停止；行程開關(guān)SQ1閉合時(shí)，電機(jī)M1、M2、M3均能運(yùn)轉(zhuǎn)，反之，電機(jī)也都無(wú)法 起動(dòng)；當(dāng)行程開關(guān)SQ2為閉合狀態(tài)時(shí)，QF斷路器也是無(wú)法閉合的，此時(shí)電機(jī)M1、 M2、M3均不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。2. I

18、/O 表PLC分配I/O表輸入端輸入器件輸出端輸出器件SB2X1Y1KMSB3X3Y3KA2SA2X2Y2KA1SB、SQ2X7、X5Y0QFSB1X0SQ1X4SA1X12Y4ELFR1X10FR2X113. PLC型號(hào)的選擇通過(guò)對(duì)CA6140車床的電氣控制線路進(jìn)行詳細(xì)的分析得出：該系統(tǒng)需要10個(gè)輸入接口，5個(gè)輸出接口，因?yàn)檫x擇使用的PLC所具有的輸人點(diǎn)和輸出點(diǎn)一般 要比所需冗余10%-15%,以便于系統(tǒng)的完善和擴(kuò)展預(yù)留，我們從三菱PLC系列中選擇合適的PLC用于我們此次的改造中。4.接線圖FU1*匚T：*,FR1PEFU2M3JJUYll3IT里國(guó)5； j、FR2IUIVMl 311三相異步電機(jī)主電路接線圖5Wllx2x34x517mr 1m1J Az -nJ Jul Y Y y Y Y阻 WFU4E EFII二gJ/直 4SSELPLC控制電路接線圖六、軟件設(shè)計(jì)1.梯形圖2.指令表0LD1XUOo1ORTX007201niOOO3LDX0014OR¥0015AMXOOO6AXDXQ04一AMX0108AXTY0009OUTY00110IDX00211ORY00212AXTYOOO13AXIYOOL14AXIX01115ANDX00416OUTY00217LDX00318AXT)X00419AS