四川工业科技学院
毕业作业（设计）
作业题目 运用plc技术改造普通车床
学生姓名 王垒 学 号 ************ 指导教师 易兴俊 专 业 机电一体化 年 级 2013 级 学 院 交通学院
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诚信承诺
一、本毕业作业（设计）是本人独立完成； 二、本毕业作业（设计）没有任何抄袭行为； 三、若有不实，一经查出，请取消本人毕业作业 （设计）成绩。
承诺人：
年 月 日
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运用PLC技术改造普通车床
摘要：本文主要阐述应用三菱公司生产的FX2N系列PLC（可编程控制器）对CA6140型
普通车床进行改造的过程和方法，加强和改善对机床的控制，使机床的操作更加方便、安全、高效。并进一步说明改造的必要性，给出了CA6140型普通车床结构图,控制系统的原理图，I/O地址分配，控制系统梯形图及程序运行说明。
关键词：可编程控制器 PLC 改造 普通车床 梯形图
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引言
PLC（可编程逻辑控制器），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC又以三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出16～25点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
在各类金属切削机床中，车床是应用最多、最广泛的一种机床，在一般机械加工车间的机床配置中，车床约占50％。但是由于普通车床利用简单的机械传动装置，使得在生产过程中，容易出现误差，且工作效率不高，动作繁杂易耗费体力，一旦出错，并且会造成浪费更多的劳动力。为提高生产效率和产品质量，提高成品率和降低生产成本，所以尝试采用PLC技术对车床进行技术改造。改造后车床可以在加工中自行进行三维定位，对原件进行精细加工，并自动夹装和加工等过程。提高产品质量、降低生产成本和减少人力夹取提高生产效率等。普通车床的改进可以在车床主轴箱添加PLC控制面板，并对车床本身进行加工改造。以CA6140型普通车床为例，CA6140型普通车床的主传动系统和进给系统都由主轴电机控制，而改造后车床则把两大系统的运动分离开，分别由各自的点击来控制，但是为保证车床在车螺纹时主传动运动与进给运动之间的联系，所以在拆掉进给系统的同时，必须在主轴上安装一个脉冲发生器，来实现主轴传动和进给运动之间的联系。同时，为了提高机床精度和效率，用滚珠丝杠来代替原机床的光杠，并采用单独的步进电机来控制，这样不仅提高了车床的性能和精度，还提高了车床的使用性能。
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目录
1. PLC概述 ............................................................................................... 5 1.1 PLC特点 ....................................................................................... 5 1.2 PLC机型的选择 ........................................................................... 6 1.3 PLC的实际应用 ........................................................................... 7 2. CA6140车床 ......................................................................................... 8 2.1 CA6140主要结构组成及运动特点 ............................................. 8 2.2 CA6140电气控制线路分析 ......................................................... 9 3. PLC对CA6140的改造 ....................................................................... 10 3.1 控制技术要求 .............................................................................11 3.2 基于PLC的系统设计 .................................................................11 结 论 ........................................................................................................ 14 参考文献 .................................................................................................... 15
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1. PLC概述
可编程控制器PLC是一种具有执行逻辑功能的控制装置。PLC主要由CPU、存储器、输入与输出模块、电源模块、I/O扩展接口、外设功能接口及编程器等部分组成。采用周期性循环扫描的工作方式。它集自动控制技术、现代通信技术、计算机技术为于一体。PLC凭借自身所具备的通信和联网、数据处理和图像显示功能，以及消耗小、工作可靠性强、编程和控制功能转换快捷方便等优势，正逐步取代传统继电器控制系统，成为工业自动控制技术中的重要设备。
1.1 PLC特点
PLC采用了计算机控制技术，是为了提升工业生产自动化程度而设计的控制装置。考虑到工业环境的特殊性和控制对象的多样性，PLC在产品的结构设计和控制方式上，与与继电器控制系统相比具有鲜明的特点。
1.1.1工作方式不同
继电器控制是按“并行”方式工作的，也就是同时执行方式。系统中只要形成电流通路，就有可能几个继电器同时工作。PLC是按“串行”发生工作的，在系统软件控制下，依照用户程序的指令要求，PLC中的CPU顺序扫描各输入点的状态，并进行数据处理，然后顺序向各输入点发出相应的控制信号。在每一时刻CPU只执行一条程序指令，直到程序结束，此过程会周而复始地反复进行。
1.1.2接线方式不同
通过观察发现，继电器控制系统的接线量大，控制方式变化时，接线也需要变更；而PLC系统的接线量小。这是因为，继电器控制是将各自独立的元器件中的电器触点，通过固定的接线形式来实现控制的。元件之间的电气联系需要借助于大量的接线来完成。当控制功能发生变化后，需更改元器件间的控制线路，才能够满足控制要求。而PLC的接线仅有输入端和输出端采用实际接线，其内部的线路已经通过软件“连接”起来。工作时，PLC自行将控制要求以程序的形式存储在其内部存储器中，此时送入存储器中的程序相当于继电器控制中的接触器和继电器的线圈、触点和连接导线。当控制要求改变时，只需更改存储器中的控制程序，就可以完成控制功能的改变，而不必去变动连线，因此增加了控制的灵活性和通用性。
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1.2 PLC机型的选择
随着PLC技术的发展，市场上PLC产品的种类越来越多。由于规格的多样化，其结构、性能、编程方式也有所差异。实践中试根据控制电路的功能，考虑主令电器、继电器、接触器等电气元件的电气参数，并综合考虑控制功能的扩展和资金投入量来选择PLC。选择PLC的重点有以下几项。
1.2.1输入/输出类型
PLC输入信号的形式分为开关量、数字量和模拟量，输入量的特性为输入信号的各项点参数指标。选择时应根据输入信号的形式和特性来选择PLC的输入模块，根据负载的运行要求来选择PLC输出模块。
1.2.2结构形式
PLC在结构形式上可分为整体式和模块式。整体式价格便宜，体积小，但硬件配置不如模块式，且维修不便，多用于小型机，模块式PLC的各部分是独立单元，可自行选择相应模块组成所需PLC。具有配置灵活，装配方便，维修方便，扩展功能强等优点。
1.2.3输入/输出点数
I/O的点数要符合控制功能要求，并应留有一定的余量。由于点数的增加将带来成本的增加，所以选型前应认真考虑，将输入/输出点做合理的设计，尽少减少点数，做到既能保证设备正常运行，又能节约资金。
1.2.4内存容量
PLC的用户程序存储器的容量是以步为单位，每步可存储一条指令。用户程序的长短决定了内存容量的选择，用户程序的长短决定了内存容量的选择，用户程序的长短与编程方法、编程技巧有关。用户在程序设计时要尽量优化程序，以合理利用存储器的内存空间。
1.2.5编程器
PLC的编程器分为：简易编程器、智能编程器和采用计算机的编程器等。简易编程器价格便宜，但功能有限，只能联机编程；智能编程器既可联机也可脱机编程；计算机配上相应的编程软件后能适用于各种PLC的编程，但价格高。实践中可根据编程的实际情况选配适合的编程器。除以上几项外，PLC的响应速度、通信功能以及系列化程度也是选择PLC时需要考虑的。
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1.3 PLC的实际应用
为了提高控制过程的灵活性，实现机械设备在生产中控制功能快速改变的目的，需要采用PLC对传统的继电器控制系统加以改造，在进行改造时，一般分为以下几个步骤。
1.3.1分析被控对象
现场观察设备的工作状态，明确各主令电器、电磁阀、继电器等电器元件的信号输入条件及设备工作状态间的转换条件。同时征求技术人员对设备改造的意见，是否需要增加新的动作。做到对设备现状以及预备功能状态心中有数。
1.3.2确定输入/输出设备
根据设备电气原理图以及设备功能的新要求，选择合适的主令电器、继电器电磁阀、检测元件、传感器等电器元件。所选电器元件的技术参数应能满足设备的正常运行。
1.3.3PLC控制程序的设计
将设备的电器原理图转化为梯形图。由电气原理图绘制梯形图比较方便，有了梯形图就可以利用编程器直接进行编程操作，也可以将梯形图转化为指令表进行编程操作。设计好的程序应输入PLC中进行试运行，可从中发现问题以便及时修改程序，做程序符合设计要求。
1.3.4选择PLC及编程器
根据设备的使用功能，输入/输出量的信号形式、电源形式、I/O点数分配表及接线图逐一将电器元件与PLC连接。安装时元器件配线要合理布置，接线正确、牢固、美观。导线端部要使用冷压接线片，并套上号码管，所有导线均要经过线槽布线。对于PLC的主机电源配线与动力线保持一定的距离，输入/输出线应与动力线及其他控制线分开布线。
1.3.5线路检查
用于传递模拟量的信号线，要使用屏蔽线，且屏蔽线接地。PLC基本单元和扩展单元之间的连线要采用厂家提供的专线连接线。为防止由于干扰而引起的误动作，PLC控制系统中的接线端子必须采用2mm2以上的导线可靠接地。
1.3.6联机调试
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将设计好并经运行通过的用户程序输入PLC开始现场通调去掉负载而仅带上输出设备（执行元件）先期调试。利用编程器的监控功能，对各部分电路分段调试，当各调试结果均正常后，再加上负载实际运行。经过一段时间运行，确认各项功能正常，程序符合设计要求。至此，控制系统的改造工作结束。
2. CA6140车床
CA6140是一种应用非常广泛的卧式车床，它能完成外圆、螺纹、端面、锥面、钻孔等加工工艺。PLC技术对其电气控制线行改造，可简化接线，提高设备的可靠性，具有重要的实践意义。
CA6140车床外形图
1-主轴箱；2-刀架；3-尾座；5、9-床腿；6-光杆；7-丝杠；8-溜板箱；11-挂轮
2.1 CA6140主要结构组成及运动特点
主轴变速箱的功能是支撑主轴和传动使其旋转，包含有主轴及其轴承、传动机构、启停及换向装置、制动装置、操纵机构及润滑装置。CA6140型普通车床的主传动链可使主轴活的24级正转转速（10-1400r/min）和12级反转转速（14-1580r/min）。
进给箱的功用是变换加工螺纹的种类和导程，以及获得所需的各种进给量。它通过由变换螺纹导程和进给量的变速机构、变换螺纹种类的转换机构、丝杆和光杆转换结构以及操纵机构等组成。
溜板箱的作用是将丝杠或光杠传来的旋转运动转变为直线运动并带动刀架进给，控制刀架运动的接通、断开和换向等。刀架则是安装车刀并带动其作纵向、横向和斜向进给运动。车床有两个主要运动：一是卡盘或顶尖带动工件的旋转运动；二是溜板带动刀架的直线移动，前者称为主运动，后者称为进给运动。中小型普通车床的主运动和进给运动一般是采用一台异步电动机驱动。
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根据被加工零件的材料性质、几何形状、加工方式及冷却条件等，车床有不同的切削速度，因而车床主轴需要在相当大的范围内改变速度，普通车床的调速范围在70%以上，中小型普通车床多采用齿轮变速箱调速。车床主轴在一般情况下是单方向旋转的，但在车削螺纹时，要求主轴能正反转。主轴旋转方向的改变，一种是用离合器的方法；另一种是用电气的方法。车床主电动机的启动与停止能自动控制，中小型电动机均采用直接启动，大型电动机采用降压启动。为了实现快速停车，一般采用机械或电气制动的方法。一般车床都有一台鼠笼式电动机拖动冷却泵，有的车床还有一台润滑油泵电动机。
2.2 CA6140电气控制线路分析
CA6140车床主电路
2.2.1主电路分析
主电路共有三台电动机，M1为主轴电动机，拖动主轴旋转，并通过进给机构实现刀架的进给运动，M2为冷却泵电动机，用以输送切削液，M3为刀架快速移动电动机。QS1为电源开关，主电动机M1由接触器KM1控制，热继电器转FR1作过载保护，熔断器FU作短路保护，接触器KM1作失压和欠压保护。冷却泵电动机M2由继电器KM2控制，热继电器转FR2作过载保护，刀架快速移动电动机M3由接触器KM3控制，由于是点动控制，未设过载保护，熔断器FU1实现对冷却泵电动机M2、快速移动电动机M3、控制变压器TC的短路保护。
2.2.2控制电路分析
以控制变压器TC二次侧输出的110V电压作为控制回路的电源。
按钮SB2为主轴电动机M1的启动按钮，SB1为主轴电动机的停止按钮，按钮
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SB3为快速移动电动机M3的点动按钮，手动开关QS2为冷却泵电动机M2的控制开关。
（1）主轴电动机M1的控制。按下停止按钮SB2，接触器KM1线圈得电吸合并自锁，其主触点闭合，主轴电动机M1通电启动；按下停止按钮SB1，电动机M1断电停转。
（2）冷却泵电动机M2的控制。因为M1通过KM1的常开触点“顺锁”了M2。因此冷却泵电动机M2的通电区间小于等于主轴电动机M1的通电区间，M2应有以下3套控制方案。
①旋钮开关QS2[一直保持闭合]：主轴接触器KM1通电闭合→继电器KA1线圈通电→冷却泵电动机M2启动；主轴接触器KM1断电断开→继电器KA1线圈断电→M2停转。
②旋钮开关QS2[事先断开]：主轴接触器KM1常开触点闭合→旋钮开关QS2扳至闭合位置→继电器KA1线圈得电→冷却泵电动机M2启动旋转；QS2扳至断开→继电器KA1断电→M2停转。
③旋钮开关QS2[一直断开]：无论主轴M1启动与否，冷却泵电动机M2一直保持断电停转状态。
（3）刀架快速移动电动机M3的控制。刀架快速移动电动机M3是由安装在进给操纵手柄顶端的按钮SB3来控制的，它与继电器KA2组成点动控制电路。压下按钮SB3，继电器KA2得电吸合，电动机M3通电启动，刀架按指定方向快速移动；松开按钮SB3之后，M3断电停转。
2.2.3照明、信号灯电路
机床照明电路由控制变压器TC供给交流24V安全电压，并由受控开关SA直接控制灯EL；机床电源信号灯HL由控制变压器TC供给6V电压，当机床引入电2.2.4辅助电路的电气保护
控制电路、信号电路、照明电路均设有短路保护功能，分别由熔断器FU2/FU3/FU4付诸实现。
3. PLC对CA6140的改造
利用PLC改造CA6140控制系统后PLC控制器在控制系统中起逻辑运算的功能，根据对主令电器的操作，使接触器得电或断电，满足CA6140的改造要求
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原控制系统由继电器逻辑控制电路实现。因此首先去掉原系统继电器逻辑控制电路，找到主令电器和执行电器。执行电器得电通过程序实现。保留主电路和电源电路。保留照明电路。其余利用PLC实现相应功能。
3.1 控制技术要求
在对CA6140型车床改造过程中，既要保留原继电器的控制功能，又要加强改善对车床可靠性和方便性控制。具体控制技术要求如下：
（1）电源的闭合和切断控制；
（2）主轴的正转、反转、停止、正（反）转点动控制，在同一时间内这五个动作只能有一个在进行，实行后来优先原则；
（3）为防止意外发生应装有急停控制，采用电动机反接制动实现，在按急停按钮的时候，PLC可智能地判断出当时主轴是处于正转还是反转，进行反接制动，此功能是继电器控制的普通车床无论如何都做不到的；
（4）在进行加工时，冷却液须在主轴转动之后，刀具进给之前动作，工件加工完成，刀具退回之后，冷却液应停止工作；
（5）主电机M1，刀具进给电机M2，冷却泵电机M3都应有短路和过载保护，任一台电动机过载或短路，其它电动机都应停止工作；
（6）车床的工作状态应有相应的指示灯显示； （7）机床基础件有足够的刚性。
3.2 基于PLC的系统设计
3.2.1硬件设计
电动机电路设计图及PLC外部接线图
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车床主电路
CA6140车床PLC电气控制外部接线图
3.2.2软件设计
根据控制技术要求，应用PLC编程，编译PLC程序，然后把编译程序传送到PLC，应用模式对设计程序进行虚拟现实检验，看是否达到控制要求。以下为无错误的梯形图以及编译程序。
1、梯形图
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梯形图
2、编译程序
编译程序
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结 论
用PLC改造后的车床，其控制系统减少了硬件电路的接线，缩短了设计施工周期，且工作的可靠性有了显著的提高，也便于对系统进行监控、检查、维护维修、改进和修改等。因此，用PLC实现对车床的改造具有十分广泛的应用前景。
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参考文献
[1]杨林建，《机械设备自动化改造》；北京理工大学出版社，2011。 [2]罗永顺，《机床数控化改造》；机械工业出版社，2010。 [3]李诚人，《数控化改造》；清华大学出版社，2006。 [4]杨林建，《电气控制与PLC》，电子工业出版社，2010。 [5]李洪，《实用机床设计手册》，科学技术出版社，1999。
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题目 指 导 教 师 评 语 分数（等级） 指导教师签名 年 月 日
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