基于PLC的C650车床控制系统设计

1基于PLC的C650车床控制系统设计摘要：针对老式车床故障多，检修麻烦，线路复杂，越来越不适应当今工业生产要求的问题，在对其电气原理和控制要求进行分析后，本文提出了用PLC对车床的控制系统进行改进的新方法。本设计从车床控制需要的I/O点数、性能价格比的高低、各控制功能的实现及优化等方面考虑，主要进行了车床电气原理分析、控制元件的选择、PLC的I/O点分配以及控制系统的梯形图程序设计等过程。PLC控制系统硬件接线少、消耗功能低、反应速度快、工作稳定、功能强大。用PLC控制系统来取代车床原有的控制系统，能使车床在改变控制要求时更为方便，配合合适的程序，还可实现自动加工功能。关键词：C650卧式车床；电气控制原理;S7-200PLC；梯形图ControlSystemofThec650LatheDesignBasedonPLCAbstract:Fortraditionalturninglatheshavingmanyexamplesofmachinemalfunctions,maintenanceoftroubles,circuitcomplexities,it’snotfitfortheindustrialproductionrequirementsnowadaysmoreandmore.Afteranalyzingelectricalschematicsandcontrolrequirements,anewmethodwasputforwardbywhichusingPLCtotransformthecontrolsystemoftheturningmachine.ThedesignconsideredmanyaspectssuchasI/Opointsofthecontrolledobject,ratioofthecost-performance,implementationandoptimizationofthecontrolfunctions,aswellasothersides.Thusmainlyanalyzedthecontrolprinciples,thecontroldevicesselections,PLC'sI/Opoints’distributionsandtheprocessofcontrolsystemsFIGprograms.PLCcontrolsystemhaslessconnections,smallsize,lowpowerconsumption,highercontrolspeed,higherreliability,morecompletefunctionsandmanyotheradvantages.Electricalcontrolsystemsusedinplaceoftherelaycontrollogic,togetherwiththeappropriatecontrolsystem,whichcreatesrichercontrolfunctionsofmachineandmakesmoreelevatedautomationlevel.Keywords:C650HorizontalLathe;ElectricalControlPrinciple;S7-200PLC;Ladder2引言近几十年来，工业生产越来越趋近于现代化、自动化。车床作为机械加工工业必不可少的设备，在工业生产中拥有重要的地位。而传统的电气控制车床由于自动化水平低、线路复杂、故障率高、检修麻烦等一系列因素。已经越来越不适应现代化工业生产的要求，正逐渐被数控车床所取代老式的车床全部废弃不用，会造成大量的资源浪费，所以对传统车床进行改造是一条不错的出路。近几十年来，PLC的出现，为工业控制开辟了一片新天地，给工业控制带来了史无前例的变革。随着技术越来越成熟，PLC的功能也越来越全面，已经成为许多控制领域的核心器件。古被设计采用PLC对车床的控制系统进行改造，这大大的简化了车床的硬件线路，降低了车床的故障率，而且辅以合适的程序，可大大提高车床的自动化水平，实现简单的数控功能，是传统车床重新焕发新的生机。1.车床改造的背景意义及研究状况1.1车床改造的背景及意义现今社会，随着各种技术的发展，工业控制要求越来越严格。车床作为加工各种回零器件的机械，在工业生产中必不可少。上世纪中期数控技术应运而生，发展迅猛，为机械制造业开辟出一片崭新的天地。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高[1]。老式的车床采用的控制系统，接线非常复杂，精度低，出现故障不易维修，一旦系统形成，想增加变动功能也十分不易，并且一旦出现故障，检查复杂，维修不便，工作效率低，已逐渐被各种数控机床取代。但是由于数控机床需要编程，对于数量小的特殊零件，单独编程生产得不偿失，所以仍需要传统车床进行生产。随着工业现代化进程越来越深，机床设备数控化率已经变成评价一个国家制造工业现代化水平的主要标志。我们国家工业起步晚，虽说近几十年发展迅速，但与欧美日本等国家相比差距很大，这严重的制约了我国机械制造业的发展。而机械制造业事业个国家工业的基础和关键，所以，渐渐提高我国机床的数控化比率，己经变成我国制造技术发展的总趋势，是我国实现工业现代化的重要因素之一。而这有两条路可走:一是生产或进口新的数控机床;二是对我国现有的传统机床加以改造。3我国拥有基数极大的传统老式机床，对于一个像我们这样处于经济高速发展期的国家，对旧机床进行改造，是一个极其有方便快捷且成效显著的方法。1.2车床改造国内外研究现状在欧美和日本，这些先进的工业国家除了大量制造数控机床，也有许多专门对旧机床进行改造公司，尤其近年来受各种因素影响，欧美日本等发达国家受经济危机影响，机床制造业大受打击，而机床改造却因为需要成本低、见效快，而成为为为数不多的经济增长行业，生机盎然，正处于发展的鼎盛时期。用数控技术改造机床和生产线以其独有的特点广受欢迎，已逐渐发展成为一个新行业。由于我国工业起步较晚，车床改造仍处于研究阶段，不少高校和科研院所已提出相应课题，取得了不少的研究成果，相信不就得将来车床改造在我国也会成为一个新兴产业快速发展起来。2.C650卧式车床2.1C650卧式车床简介C650卧式车床属于中型车床，可加工的最大工件回转直径为1020mm，最大工件长度为3000mm。它主要由床身、光杆、丝杆、尾座、刀架、主轴变速箱、进给箱、和溜板箱等组成[2]。C650卧式车床如图1所示。4图1C650卧式车床工艺过程：车床有三种运动形式，主运动是工件的旋转运动,工件由车床上的卡盘固定好，在主轴的带动下做旋转运动，它克服车削加工时所产生的绝大部分阻力；进给运动即为溜板驱动刀架做纵横移动；辅助运动是刀架进行快速移动，尾座的前后移动以及卡盘对工件的卡紧和松开。通常要考虑被加工零件的材料属性、零件的尺寸及精度、车刀选型、加工方式和冷却条件等因素，然后选取合适的切削速度，以免损坏工件或刀头[3]。其工作过程过程如下：（1）正常车削加工时机床正转，但在加工螺纹时，工件吃刀不能太深，否则会崩坏刀头，所以需要多次往复加工。一次加工完毕后要反转退刀，为下次加工做准备。为避免乱扣，这就要求工件的转速同刀具后退的速度要保持与车削加工时转速和进给速度一样的比例。（2）C650卧式车床主轴由主电动机M1驱动，M1正转，主轴正转，M1反转，主轴反转。（3）主电动机长动时使用直接启动的方法，既可以正转，也可以反转，为便于对刀，还配有点动功能，点动时采用串电阻减压启动。因为加工时工件及卡盘夹子的重量比较大，加工时转速也比较高，会产生较大的转动惯性，停车时因受惯性影5响不会立即停止转动，所以必须有停车制动功能，C650车床的停车制动使用速度继电器的通断来控制主电动机来实现反接制动，使生产时的安全和效率得到保障。（4）车削加工中，由于摩擦生热，会产生大量的热量，如果不加以冷却，会损坏工件和刀头，所以车床还配有冷却系统，由M2驱动冷却泵为车床供应冷却液。（5）车床主电路上的M3是快速移动电动机，启动后可带动刀架快速移动，可以提高工作效率，降低劳动强度。（6）车床通过主轴箱调节速度，主轴箱外有控制手柄，变换不同的位置，可由不同的齿轮转动比改变主轴的转速，以便用不同的速度来加工材料性质不同的工件，提高工件的质量和生产的效率。2.2C650卧式车床改造主要内容（1）主电动机M1长动时，使用不经限流电阻直接启动的方式。（2）主电动机M1既能正向持续运行，也能反向持续运行。停转时，使用反接制动的方法抵消转动惯量实现快速停车。（3）主电动机M1可以正转点动串电阻低压启动。（4）原车床的工艺加工方法不变。（5）保留原车床控制系统中按钮、手柄等手动控制元件的作用。2.3C650车床的电气控制原理车床电路相当复杂，但根据各个电路的功用区分，大体由主电路，照明电路和控制电路三部分组成[4]。具体的电气线路如图2所示。6图2C650型卧式车床电气控制线路2.3.1动力电路7（1）主电动机电路电源引入与故障保护：首先经熔断器FU对整个电路进行保护，然后由FU1、FR1对M1主电路进行保护，由FU4、FR2对M2主电路进行保护，再由FU5对M3主电路进行保护。主电动机正反转：根据上图进行电气控制电路分析可知，主电路中KM1与KM2控制电动机正反转，二者不会同时闭合。当KM1闭合时，电动机正转；当KM2闭合时，电动机换相反转。主电动机全压与减运转压状态：电阻R是电动机M1的限流电阻，受KM3主触头控制。当KM3闭合时，电流直接经KM3主触头进入电动机M1电动机全压启动，当KM3断开时，电流将经过R后再进入M1中，经R分压后减压启动。绕组电流监控：电流表A是用于查看电动机M1主电路中的电流情况的，其中线圈TA套在三相电路其中一相的导线上，且不与该导线相接触。KT常闭延时断开触头闭合时，电流表A短接无显示，当触头断开时，电流表A显示主电路电流情况。电动机转速监控：KS是速度继电器，与M1同轴安装，当M1启动并接近额定转速时，KS闭合，当M1停转速度降低时，KS重新断开，用于电动机的反接制动中。（2）冷却泵电动机电路M2主电路经FU4与FR2保护后，受KM4控制，KM4断开，M2停止转动，系统不供给冷却液；KM4闭合，M2启动，系统开始供液进行冷却。（3）快移电动机电路经FU5保护后。KM5闭合与断开，控制M3的启动与停转。TC变压器一次侧接入三相电源其中两相，电压为380V，二次侧分别为两个电路供电，一路给照明灯线路供电，电压为36V，另一路则给车床控制线路供电，电压为110V。2.3.2控制线路控制线路从电路的9区至23区，初始状态时，所有线圈均不通电，各个触头均处于不受力状态。（1）主电动机点动控制8按下SB2，只有线圈KM1通电，主电路中KM1闭合，M1启动，松开SB2，KM1立即断开，M1停转。（2）主电动机正转控制按下SB3，20区的KM3闭合，然后又令位于11区的中间继电器KA闭合，经过1、2、3线路，使得KM1线圈通电。而11~12区的KM1与14区的KA闭合，完成对SB3的自锁。主电路中KM3与KM1闭合，电阻R被短路，电源直接接入电动机M1中，电动机M1正转启动。M1主电路中还有一个电流表，用来检查电路中电流的大小，KT线圈刚刚通电时，由于刚开始时仍处于延时时间，所以此时KT仍然处于闭合状态，电流表A处于短路状态无显示，当KT断开时，此时绕组电流已基本趋于正常，电流表A取消短接，按一定比例显示出绕组电流。（3）主电动机反转控制按下SB4，通过分析不难得出，KM3闭合，进而导致KM2线圈通电，14区KA与17-18区KM2全都闭合，完成对SB4的自锁环节。主电路中KM2、KM3闭合，电动机M1直接与电源接通，反转启动。（4）主电动机反接制动控制正转制动控制：KS是速度继电器，当M1转速达到速度继电器的临界速度时，相对应的触头即会闭合。按下SB1，所有电机也全部断电，但由