CA6140车床的PLC改造设计.docx

CA6140车床的PLC改造设计.docx

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CA6140车床的PLC改造设计

编号：

单位代码：

14439

电气控制综合设计

题目：

CA6140车床的PLC改造设计

系部：

机械电子工程学院

专业：

电气工程及其自动化

班级：

15级2班

学生：

徐兴东

学生学号：

1502120221

指导教师：

林立松

完成日期：

2018/06/30

农业工程学院制*

CA6140车床的PLC改造设计

一、认识CA6140车床

CA6140车床的先祖是C620老式机床，由于功能的缺陷，后经过机械制造行业的升级变成了如今新型的卧式机床；它被称为CA6140原因是其中的C表示车床，A代表改良的型号，6指车床为卧式结构，1为基本型，40则象征最大旋转直径，是机械设备企业加工材料所需的设备之一。

CA6140型车床也是众多机床中的一类，主要负责金属切削方面，对于各种外圆、端面、定型表面、螺纹螺杆等具有很好的切削技术支持，被普遍的运用于金属加工行业中。

该机床有两个起主要作用的运动部分:

一种是卡盘或顶尖带动工件的回旋转动，即车床主轴运动；另一种是由滑盘驱动的带动刀架的直线运动，即车床进给运动。

CA6140型普通车床是我国独立研发的最大车削半径为200mm的新式卧式车床，极大的促进了中国机械加工行业的进步。

CA6140车床的形状构造如下图所示，它主要由主轴箱、进给箱、纵横溜板箱、挂轮变速机构、刀架、尾架、光杠、丝杠、床身、床脚和冷却装置等其它部分组成[3]。

二、CA6140车床改造原因

针对传统的继电器控制系统故障频繁的特点，对CA6140车床的电气控制系统进行了技术改造，采用可编程逻辑控制器（PLC）代替原有的继电器，设计了PLC控制系统的硬件组成及其控制程序。

改造后车床运行稳定，降低了故障率，提高了使用效率。

我校现有的CA6140车床采用传统的继电器控制系统，由于使用了大量的继电器与接触器，经常造成接触不良，而且元件老化快，设备故障频繁，不便于维修，影响到学生正常的实习教学。

根据实际条件，采用可编程控制器（PLC）对原有继电接触器控制系统进行改造，使机床的故障率下降，可靠性和灵活性大大提高。

三、CA6140车床工作原理

CA6140型车床具有3台三相异步电动机，车床的各个动力由其电机拖动执行，图3-1所示的为该车床的电路原理图，我们对原理图由此进行剖析。

图3-1CA6140型普通车床电气原理图

1.CA6140车床主电路分析

CA6140车床的主电路由主电动机M1、冷却泵电动机M2、快速移动电动机M3、接触器KM和两台继电器组成，三台电动机均为三相异步电机，KA1、KA2为交流继电器[4]。

首先接入电源需要由漏电保护断路器QF加持，以控制整个电路的电源通断，电动机M1采用直接启动，我们知道接触器KM具有三个常开触点，在线圈通电时，三个常开触点便会闭合，此时线路为通路，主轴电动机M1通电运行，接触器的三个触点便用来掌管M1的开动和终止；同理，接触器KA1和KA2也具有三个常开主触点，两台继电器分别用来控制电动机M2和M3的通电运行。

QF为漏电保护器，但是为防止QF故障，激发电路问题，特加入短路保护装置FU1，作为漏电保护QF的双重保护，同样，为避免电动机M2和M3在运行过程当中产生电路问题，加持FU2作为两台电动机的短路保护装置，由于两台电机容量较小，且快速移动电动机也不是长期运行，所以仅用一个FU；在机床运行过程中，由于电机M1和M2属于长时间运行的装置，从安全和保护角度考虑，应设过载保护，则串联热继电器FR1和FR2用来保护电机M1和M2的过载，快移电动机M3属于临时工作，不会长期用来运转，无需过载保护。

2控制电路分析

2.1机床电源引入

控制变压器TC二次分别输出6V、24V和110V三种电压，其中6V为电源指示灯供电，24V则作为灯泡EL的电源，而控制线路的工作电源采用110V交流电压供电，从电路图上可知，接通电源的首要前提是行程开关SQ1常开触点变为紧闭，此刻假定触点已接通线路，封锁配电柜的壁龛门，用钥匙插入钥匙开关SB，右旋钥匙将开关SB断开，继而把开关QF调节为合的状态，此时，三相电源便会与主电路接通，此外，电路图有一个隐藏的条件，当线路处在正常工作状况时，且开关SB和行程开关SQ2断开，QF中的线圈也为失电的状况，而线路中的行程开关SQ2与配电柜的壁龛门属于关联设备，当壁龛门为打开状态时，SQ2的触点为关闭状态，线圈QF也因此得电，当其得电后，断路器QF自动断开，此时，断路器的控制柄也是无法闭合的（即使人为管理），从而切断电源进行安全保护，防止在控制电路区域进行操作时触电。

2.2主轴电动机控制电路分析

通过电路图我们可以看出，电动机M1的启动和停止按钮分别为SB2和SB1，还有一个开关KM与启动按钮并联，首先点击SB2，使电动机M1线路接通，最先受影响的器件就是继电接触器KM，当它的部线圈通电时，接触器KM上的主触点也由开启的状态变为闭合，电机的三相电路接通，开始连续转动工作，同时KM具有常开开关，当线圈接电的时刻，开关便由常开转变为常闭，因为该常开开关是和SB2并联，即便松开SB2，线路也处于接通的状态，从而达到自锁的功能；SB1与线圈KM位于同一条控制电路，因此可以作为电动机M1的停止按钮，从图上可以看出开关SB1为常闭开关，当我们需要停止电机M1的时候，只要按下SB1，线圈KM所在的线路便会失电，当线圈KM失电的同时，三个主触点由接通变为断开，开关KM也会由常闭转为常开，电动机开始停止运行，热继电器FR1是为了防备电动机M1运行时间太长，从而造成过载而设置的保护装置；该控制电路还有一个隐藏的保护功能，即零压保护功能，就是当电路中的电源意外断电后，接触器三个触点获得释放，如若电源的电压企图二次还原，则电机也不能自动重启，因为此时须要重新点击启动按钮SB2，如此设置是为了防止车床运行过程中的意外断电，二次起动造成事故发生；此电路还具有欠压保护，即电路中的电压过低，电磁吸力不足以维持主触点吸合，会使线圈KM自动释放，电机M1自动停止工作，之所以加入欠压保护，是因为电路电压过低时，电动机部电流过大大，导致电动机损毁。

2.3冷却泵电动机控制电路分析

当主轴电动机运作时，线圈KM处在通电的状态，接触器KM上的常开触点KM7也会接通，由于开关KM7位于电机M2的控制主电路上，因此，只有当KM7接通，电机M2才可以运行，即电机M1与电机M2具有联锁效应，只能在M1运行后，M2才可以起动，如若停下电动机M1，由于电动机与继电接触器KM属于连带作用，继电器线圈丢电的同时，会造成常开触点分离，电动机M2因此停机；在加工时如若需要冷却液，只要扭动SA2到合拢，使线圈KA1产生磁力，吸合主触点，电机M2开动为加工件提供冷却液；热继电器FR2为此电路的过载保护，KA1则为冷却泵电动机的欠压保护。

2.4快速移动电动机控制电路分析

因为快移电动机每次运行都是短时工作，所以应采用点动控制电路，以应对各种使用环境，该电动机的起动与停止完全依靠按钮SB3来控制，当需要移动时点击按钮SB3，线圈KA2通电造成触点吸合，由此快速移动电动机开始运作，收起SB3，同理，KA2的触点断开造成电机M3停止；溜板箱上的十字形手柄扳动的方向用来控制快速移动的方向。

2.5断路保护电路分析

行程开关SQ2设为常闭状态，与钥匙式电源开关SB的触点并联，再与断路器QF的线圈串联，便组成了一个保护电路。

譬如在钥匙式电源开关扭转到断开形态，彻底关好电气柜的盖子，行程开关SQ2常开触点接通，这时QF的线圈无电，开关闭合才可以供电；当配电箱出了问题需要检修时，配电箱门若打开，则SQ2闭合，线圈QF的线路为通路，则QF开关不能闭合，QF为整个电路的总开关，从而保证车床电路断电，起到断路保护。

SQ1作为安全行程开关，要将其安放在机床床头的皮带罩下挂轮架处，目的是为了在检修时，让开关SQ1自动断开（皮带罩处于开合状态），使控制电路失电，保证安全，当装好皮带罩时，SQ1关闭，三台异步电动机才可以起动。

3照明、信号灯电路分析

机床照明灯的电源使用的是24V交流电压，该电压是经控制变压器TC转换后输出的，开关SA1与灯泡EL串联，用以组装照明电路，其中一端则需要接地，这是一处要引起注意的地方，主要防止照明变压器绕组短路造成的触电事故；TC输出的6V交流电压作为信号指示灯HL的电源，用来表示控制电路的状态；两处电路分别用FU4和FU5作短路保护装置，下表为该车床的元器件。

四、CA6140车床改造

1.CA6140型车床电器元件

CA6140型车床电器元件

代号

名称

型号及规格

数量

用途

备注

M1

主轴电动机

Y132M-4-B3

7.5KW、1450r/min

1

主传动用

M2

冷却泵电动机

AOB-25、90W、3000r/min

1

输送冷却液用

M3

快速移动电动机

AOS56.34、250W、1360r/min

1

溜板快速移动用

FR1

热继电器

JR16-20/3D、15.4A

1

M1的过载保护

FR2

热继电器

JR16-20/3D、0.32A

1

M2的过载保护

KM

交流接触器

CJ0-20B、线圈电压110V

1

控制M1

KA1

中间继电器

Jz7-44、线圈电压110V

1

控制M2

KA2

中间继电器

Jz7-44、线圈电压110V

1

控制M3

SB1

按钮

LAY3-01ZS/1

1

停止M1

SB2

按钮

LAY3-10/3.11

1

启动M1

SB3

按钮

LAY9

1

启动M3

SA2

旋钮开关

LAY3-10X/2

1

控制M2

SQ1SQ2

位置开关

JWM6-11

2

断电保护

HL

信号灯

ZSD-0、6V

1

刻度照明

无灯罩

QF

断路器

AM2-40、20A

1

电源引入

TC

控制变压器

JBK2-100

380V/110V/24V/6V

1

110V50VA

24V45VA

2.改造方法

CA6140机床的控制原理已经掌握，选择PLC为控制线路进行整改升级时,需要先考虑该线路中的哪些开关是必要的，应予以保留，多余的开关与继电器全部用PLC代替，既要保持原CA6140车床电气控制的主电路，又要保持原机床的操作风格，继而保证线路中的各种联锁功能，在此前提下还需保留控制变压器和照明灯，我们需要做的就是把线路中的开关控制功能转移给PLC，由PLC自动完成各个线路中电机的运转，我们在进行PLC改造的同时，各个电机的启停、保护元件要接入PLC的输入端；110V交流电压用作交流接触器、中间继电器的工作电源，24V与6V交流电压继续为照明灯、指示灯提供电源。

五、硬件设计

1.功能描述

旋转钥匙开关SB至断开，关闭控制箱门（SQ2处于断开状态），执行以下操作：

点击SB2，主轴电动机M1开始起动，持续运转；

转动钥匙开关SA2，电动机M2随即起动为冷却泵提供动力，冷却液开始输出；

点击SB3（不能松开），快速移动电动机M3运转，松开SB3，电机M3会即刻停止；

点击SA，照明灯EL点亮，为机床提供光源；

点击SB1，电机M1停止，由于电机M1与M2存在联锁，当M1处在运行的状态下时，电机M2才能起动，否则，按下SA2，电机M2仍然无法运转，当电机M1停止时，电机M2也停止；

行程开关SQ1闭合时，电机M1、M2、M3均能运转，反之，电机也都无法起动；

当行程开关SQ2为闭合状态时，QF断路器也是无法闭合的，此时电机M1、M2、M3均不能正常运转。

2.I/O表

PLC分配I/O表

输入端

输入器件

输出端

输出器件

SB2

X1

Y1

KM

SB3

X3

Y3

KA2

SA2

X2

Y2

KA1

SB、SQ2

X7、X5

Y0

QF

SB1

X0

SQ1

X4

SA1

X12

Y4

EL

FR1

X10

FR2

X11

3.PLC型号的选择

通过对CA6140车床的电气控制线路进行详细的分析得出：

该系统需要10个输入接口，5个输出接口，因为选择使用的PLC所具有的输人点和输出点一般要比所需冗余10%-15%,以便于系统的完善和扩展预留，我们从三菱PLC系列中选择合适的PLC用于我们此次的改造中。

4.接线图

三相异步电机主电路接线图

PLC控制电路接线图

六、软件设计

1.梯形图

PLC编程梯形图

2.指令表

PLC编程指令表

七、总结

CA6140型车床是工厂应用于金属切削行业最广泛的一类机床,但是其后期控制系统的维护以及出现的设备故障问题却是深刻影响公司的一大难题，难点在于机床的控制线路杂乱无章，故障查找也比较困难，特别是在继电器控制系统中的线路，通常因为线路触点杂乱而造成检修周期长的原因给公司带来损失，生产和维护带来的诸多麻烦严重影响生产效率；后经实验运行表明:

机床电气系统采用PLC后，不管是硬件还是软件，控制平稳，不但减小了维修的难度，并且提高了加工零件的合格率，给公司的生产经济效益又提高了一个档次。

本文详细分析了车床的继电器控制系统的原理和线路图，即通过开关的开合状态作用于继电器、交流接触器的线圈，由线圈进而控制电路的通断；虽然继电器操作有优点，但是总体弊大于利，我们在分析传统继电器控制系统的条件下，由原操作系统向PLC操控升级的基础上表明了PLC控制系统的优势，用PLC控制系统对CA6140车床进行改造设计，包含PLC型号的选取、输入输出点数的分派、绘制电气线路接线图、编辑梯形图、策划控制程序，进而对本设计实行模拟实验仿真，检验其正确性。

将车床改造为电气控制系统的方式，最大的宗旨就是简化控制电路的连接线路，可以随时根据现场要求运用编程软件方对控制系统的工作方式进行修改，极大的提高了系统的可用性和灵活性。