基于可編程控制的CM6132型臥式車床電氣控制系統(tǒng)的要求

1、基于PLC的CM6132型臥式車床電氣控制系統(tǒng)的要求 摘要 CM6132型臥式車床屬于小型臥式車床，其傳統(tǒng)的控制方式是利用繼電器接觸器原理控制。由于繼電器控制邏輯采用硬接線邏輯，利用繼電器機(jī)械觸電的串聯(lián)或并聯(lián)及延時(shí)繼電器的滯后動作等組合成控制邏輯，起接線多而復(fù)雜、體積大、功耗大、一旦系統(tǒng)構(gòu)成后想在改變或增加功能都很困難。另外，繼電器觸點(diǎn)數(shù)目有限，每只有48對觸點(diǎn)靈活性和擴(kuò)展性差。繼電器控制邏輯依靠觸點(diǎn)的機(jī)械動作實(shí)現(xiàn)控制，工作頻率低。觸點(diǎn)的開閉動作一般在幾十毫秒數(shù)量級，機(jī)械觸點(diǎn)還會出現(xiàn)抖動問題。除此之外，繼電器控制邏輯使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，連線也多，觸點(diǎn)開閉時(shí)會受到電弧的損壞，并有機(jī)械磨損，壽命

2、短，可靠性和可維護(hù)性差。又因可編程控制器采用存儲器邏輯，其控制邏輯以程序的方式存儲在內(nèi)存中，要改變控制邏輯，只需改變程序，其接線少，體積小，控制速度極快，一般一條用戶指令執(zhí)行時(shí)間在微妙數(shù)量級，能實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，現(xiàn)場施工和控制邏輯的設(shè)計(jì)可以同時(shí)進(jìn)行，周期短，調(diào)試和維護(hù)方便。故本次設(shè)計(jì)要利用PLC對車床進(jìn)行控制，這樣既可以提高生產(chǎn)效率，也可以增加機(jī)床的使用壽命。本文闡述了CM6132臥式車床電氣控制線路的工作原理，并且對其主電路和控制電路進(jìn)行了分析，然后對PLC的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)車床的工作要求選擇合理的工作器件，然后編寫相應(yīng)的程序語句并繪制梯形圖，再根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)選擇PLC

3、型號，最后對程序進(jìn)行模擬調(diào)試。關(guān)鍵詞 PLC 臥式車床 梯形圖 目 錄1 引言1.1 課題背景1.2課題研究目標(biāo)及其意義2 車床及其電氣控制線路分析2.1 車床的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動形式2.2 普通車床的工作特性與電力拖動控制要求2.3 機(jī)床電氣控制線路分析2.3.1 電氣控制原理圖的閱讀分析方法與步驟2.3.2 查線讀圖法的要點(diǎn)3 CM6132臥式機(jī)床的電氣控制原理3.1 CM6132臥式機(jī)床的概述3.2 CM6132臥式機(jī)床的電氣控制線路分析3.2.1 主電路分析3.2.2 控制電路和照明電路分析4.1 PLC的由來、定義及分類4.1.1 PLC的由來4.1.2 PLC的定義4.1.3 PLC的分類

4、4.2 PLC的特點(diǎn)與發(fā)展階段4.2.1 PLC的特點(diǎn)4.2.2 PLC的發(fā)展階段4.3 PLC的功能4.4 PLC的基本結(jié)構(gòu)4.5 PLC的工作原理4.6 LG公司的MASTER-K30S系列5 PLC對車床的控制5.1 I/O分配表，機(jī)型選擇，輸入輸出端接線圖5.2 PLC控制程序梯形圖5.3 PLC控制的梯形圖語言程序5.4 PLC的調(diào)試過程結(jié)論參考文獻(xiàn)致謝附錄 1 引言普通車床是用途非常廣泛的金屬切削工具，傳統(tǒng)車床的控制系統(tǒng)通常為繼電- 接觸器控制。由于繼電器系統(tǒng)接線復(fù)雜，故障診斷與排除困難，并存在觸點(diǎn)易被電弧燒壞而導(dǎo)致接觸不良；機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)的觸點(diǎn)控制反映速度慢；繼電器的控制功能被固定

5、在線路中，功能單一、靈活性差等缺點(diǎn)。為了提高設(shè)備的利用率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，就要對這些普通車床進(jìn)行技術(shù)改造。PLC是先進(jìn)的工業(yè)化國家通用的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制設(shè)備，在現(xiàn)代工業(yè)自動控制中，PLC、CAD/CAM、工業(yè)機(jī)器人并稱為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大技術(shù)支柱。PLC以其可靠性高，邏輯功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在眾多的行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，而且小型PLC的價(jià)格目前比較便宜，因此在普通車床的控制電路中發(fā)揮了及其重要的作用。1.1 課題背景加工技術(shù)及其裝備在制造過程中占有重要地位:制造裝備中80%以上零件需進(jìn)行加工,而且加工過程周期長,約占新產(chǎn)品開發(fā)周期3040%,占批量生產(chǎn)產(chǎn)品工時(shí)4050%, 加工費(fèi)用高,全世界約1億噸

6、鋼和非鐵材料變成切屑,切削加工的耗費(fèi)每年在2500億美元以上。因此機(jī)床工業(yè)是備工業(yè)的基礎(chǔ),世界發(fā)達(dá)國家對其發(fā)展非常重視,機(jī)床產(chǎn)值持續(xù)增長我國機(jī)床產(chǎn)量和消費(fèi)量呈快速發(fā)展態(tài)勢。我國機(jī)床市場的高速發(fā)展使得2005年我國機(jī)床產(chǎn)值、進(jìn)出口額、消費(fèi)額繼續(xù)全面增長, 2005年機(jī)床進(jìn)口額65億美元、消費(fèi)額109億美元,是繼2002、2003、2004年之后第四次居首位,是世界上的機(jī)床消費(fèi)和進(jìn)口第一大國。而產(chǎn)值也達(dá)到50億美元, 10%的占有率排在世界第三位。近年來數(shù)控機(jī)床無論從產(chǎn)量、消費(fèi)量還是進(jìn)口量上都加快了增長速度,但進(jìn)口量增長率始終大于產(chǎn)量增長率,國外數(shù)控產(chǎn)品始終對國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床保持著壓力。雖然增長率差額

7、由3.3%減小到了0.9%,但簡單的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床占到近70%,高中檔數(shù)控機(jī)床幾乎全部依賴進(jìn)口, 結(jié)構(gòu)矛盾依然突出。機(jī)床行業(yè)數(shù)控化率呈現(xiàn)穩(wěn)步攀升的態(tài)勢,產(chǎn)值數(shù)控化率為36.3%,但仍遠(yuǎn)低于同期日本的88%,韓國的89%,德國和美國的75%左右, 同時(shí),2004年和2005年我國數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量數(shù)控化率連續(xù)兩年保持在13%左右,遠(yuǎn)低于日本同期的75.5%,德國和美國是60%的水平。這意味著我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展空間很大。機(jī)床行業(yè)“十一五”期間計(jì)劃將國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床國內(nèi)市場占有率提高到50%,按2005年數(shù)據(jù)來看,數(shù)控機(jī)床市場占有率僅為31%,要到2010年達(dá)到50%的市場占有率,這意味著數(shù)控機(jī)床產(chǎn)值未來5

8、年年均增速為30%。目前,“十一五”期間我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標(biāo)及重點(diǎn)行業(yè)已基本確定。為此, 未來五年的突破重點(diǎn)是:發(fā)展大型、精密、高速數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)及功能部件,改變大型、高精度數(shù)控機(jī)床大部分依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀。力爭通過加快產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整,到“十一五”末實(shí)現(xiàn):國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床占國內(nèi)需求市場的比重從現(xiàn)在的不足30%上升至50%以上,國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床采用自己的功能部件達(dá)到60%以上。1.2課題研究目標(biāo)及其意義本課題主要對PLC的機(jī)構(gòu)、特點(diǎn)、性能進(jìn)行具體的學(xué)習(xí)研究，掌握了PLC的基本原理及編程方法，能夠根據(jù)工藝過程和控制要求進(jìn)行編制應(yīng)用程序，并且應(yīng)用PLC對CM6132型臥式車床進(jìn)行實(shí)現(xiàn)自動控制。通過

9、PLC對車床的控制不但充分發(fā)揮設(shè)備效能和迅速提升加工技術(shù)和精度，而且可以擴(kuò)大加工能力，減少故障，提高效率，為企業(yè)進(jìn)行機(jī)床的技術(shù)改造提供了有效方法。2 車床及其電氣控制線路分析2.1 車床的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動形式車床是一種應(yīng)用極為廣泛的金屬切削機(jī)床。用它能車削外圓、內(nèi)孔、端面、螺紋定型表面等，并可裝上鉆頭、鉸刀等工具進(jìn)行加工。普通車床的主要組成部件有：主軸箱、進(jìn)給箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、絲杠和床身。圖1 普通車床結(jié)構(gòu)圖（1）主軸箱：又稱床頭箱，它的主要任務(wù)是將主電機(jī)傳來的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動經(jīng)過一系列的變速機(jī)構(gòu)使主軸得到所需的正反兩種轉(zhuǎn)向的不同轉(zhuǎn)速，同時(shí)主軸箱分出部分動力將運(yùn)動傳給進(jìn)給箱。主軸箱中等主軸是車床

10、的關(guān)鍵零件。主軸在軸承上運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性直接影響工件的加工質(zhì)量，一旦主軸的旋轉(zhuǎn)精度降低，則機(jī)床的使用價(jià)值就會降低。 （2）進(jìn)給箱：又稱走刀箱，進(jìn)給箱中裝有進(jìn)給運(yùn)動的變速機(jī)構(gòu)，調(diào)整其變速機(jī)構(gòu)，可得到所需的進(jìn)給量或螺距，通過光杠或絲杠將運(yùn)動傳至刀架以進(jìn)行切削。（3）絲杠與光杠：用以聯(lián)接進(jìn)給箱與溜板箱，并把進(jìn)給箱的運(yùn)動和動力傳給溜板箱，使溜板箱獲得縱向直線運(yùn)動。絲杠是專門用來車削各種螺紋而設(shè)置的，在進(jìn)行工件的其他表面車削時(shí)，只用光杠，不用絲杠。同學(xué)們要結(jié)合溜板箱的內(nèi)容區(qū)分光杠與絲杠的區(qū)別。溜板箱：是車床進(jìn)給運(yùn)動的操縱箱，內(nèi)裝有將光杠和絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成刀架直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，通過光杠傳動實(shí)現(xiàn)刀架的縱向進(jìn)給運(yùn)

11、動、橫向進(jìn)給運(yùn)動和快速移動，通過絲杠帶動刀架作縱向直線運(yùn)動，以便車削螺紋。（4）刀架、尾架和床身。在車削加工中，工件旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動，它有主軸通過卡盤或頂尖帶動，由控制電路實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。在車削時(shí)，根據(jù)被加工零件的材料性能、車刀材料、零件尺寸精度要求、加工方式及冷卻條件等來選擇車削速度，這就要求車床主軸能在較大范圍內(nèi)變速，對于普通車床，調(diào)速比一般應(yīng)大于70。通常車削工作過程中，一般不要求反轉(zhuǎn)，但對于一些特殊的加工需要則使用，如加工螺紋，為避免亂扣，需反轉(zhuǎn)退刀，再進(jìn)刀繼續(xù)加工。車床的進(jìn)給運(yùn)動史刀架的縱向與橫向直線運(yùn)動，起運(yùn)動方式有手動和機(jī)動控制兩種。車削螺紋時(shí)，工件的旋轉(zhuǎn)速度與刀具的進(jìn)給速度應(yīng)有嚴(yán)格的比

12、例關(guān)系。車船縱、橫兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動是由主軸箱的輸出軸，經(jīng)交換齒輪箱、進(jìn)給箱、光桿傳入溜班箱而獲得的。車床的輔助運(yùn)動為溜班箱的快速移動、尾座的移動和工件的加緊和松開。2.2 普通車床的工作特性與電力拖動控制要求普通車床的工作特性與電力拖動控制要求如下：（1）通常車削加工近似于恒功率負(fù)載，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性、工作可靠性等因素，主拖動電動機(jī)選用籠型異步電動機(jī)。（2）為了滿足車削加工調(diào)速范圍大的要求，車床主軸要求采用機(jī)械變速方法，但在較大型車床上也采用電動機(jī)變極調(diào)速的方法，進(jìn)行速度分檔。（3）車削螺紋式，要求主軸能正、反向旋轉(zhuǎn)，對于小型車床采用控制電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，這樣可大大簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)。對于較大型

13、的車床，直接控制電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)時(shí)，為了避免對電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)便于平滑過渡加工過程，很多都采用了機(jī)械傳動方法來實(shí)現(xiàn)主軸正、反轉(zhuǎn)，如采用摩擦離合器、多片是電磁離合器等。（4）車削螺紋時(shí)，刀架移動與主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動之間必須保持正確的比例關(guān)系，故主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動只由一臺電動機(jī)拖動，它們之間通過一系列齒輪傳動來實(shí)現(xiàn)配合。（5）主電動機(jī)的啟動和停止。當(dāng)主電動機(jī)功率小于5KW且電網(wǎng)容量滿足要求的情況下，可控制電動機(jī)直接啟動，否則應(yīng)采用降壓啟動的控制方法。（6）較大型車床溜板是由一臺可以正、反向旋轉(zhuǎn)地電動機(jī)單獨(dú)拖動的。這樣可以有效減輕工人的勞動強(qiáng)度，提高機(jī)械加工的效率。（7）車削加工中，為防止刀具和工件的溫度過過

14、，延長刀具使用壽命，提高加工質(zhì)量，車床都附有一臺冷卻泵電動機(jī)，只需單方向旋轉(zhuǎn)，且只在主軸電動機(jī)加工時(shí)，方可選擇啟動與否，主軸電動機(jī)停止時(shí)它也應(yīng)停止。當(dāng)加工鑄件或高速切削鋼件時(shí)，不能采用冷卻液，以保護(hù)機(jī)床與刀具，因此，冷卻泵驅(qū)動電動機(jī)還應(yīng)設(shè)有單獨(dú)操作的控制開關(guān)。（8）必要的保護(hù)環(huán)節(jié)、連鎖環(huán)節(jié)、照明和信號電路。2.3 機(jī)床電氣控制線路分析電氣控制線路分析的基本思想是“先機(jī)后電、先主后輔、化整為零、集零為整、統(tǒng)觀全局、總結(jié)特點(diǎn)”。在分析機(jī)床電氣控制線路前，首先要了解機(jī)床的主要技術(shù)性能及機(jī)械傳動、液壓和氣動的工作原理。弄清各電動機(jī)的安裝部位、作用、規(guī)格和型號。初步熟悉各種的安裝部位、作用以及各操縱手柄

15、、開關(guān)、控制按鈕的功能和操縱方法。注意了解與機(jī)床的機(jī)械、液壓發(fā)生直接聯(lián)系的各種電器（如：行程開關(guān)、撞塊、壓力繼電器、電磁離合器、電磁鐵等）的安裝部位及作用。分析電氣控制線路時(shí)，要結(jié)合說明書或有關(guān)的技術(shù)資料將整個(gè)電氣控制線路劃分成若干部分逐一進(jìn)行分析。例如：各電動機(jī)的起動、停止、變速、制動、保護(hù)及相互間的聯(lián)鎖。在仔細(xì)閱讀設(shè)備說明說、了解電器控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、電動機(jī)電器的分布狀況及控制要求等內(nèi)容之后，便可以分析電氣控制原理圖了。電氣控制原理圖通常由主電路、控制電路、輔助電路、保護(hù)及聯(lián)鎖環(huán)節(jié)以及特殊控制電路等部分組成。分析控制電路的最基本方法是查線讀圖法。2.3.1 電氣控制原理圖的閱讀分析方法與

16、步驟（1）分析主電路無論線路設(shè)計(jì)還是線路分析都是先從主電路入手。主電路的作用是保證機(jī)床拖動要求的實(shí)現(xiàn)。從主電路的構(gòu)成可分析出電動機(jī)或執(zhí)行電器的類型、工作方式，起動、轉(zhuǎn)向、調(diào)速、制動等控制要求與保護(hù)要求等內(nèi)容。（2）分析控制電路主電路各控制要求是有控制電路來實(shí)現(xiàn)的，運(yùn)用“化零為整”、“順藤摸瓜”的原則，將控制電路按功能劃分為若干個(gè)局部控制線路，從電源和主令信號開始，經(jīng)過邏輯判斷，寫出控制流程，以簡單明了的方式表達(dá)出電路的自動工作過程。（3）分析輔助電路輔助電路包括執(zhí)行元件的工作狀態(tài)顯示、電源顯示、參數(shù)測定、照明和故障報(bào)警等。這部分電路具有相對獨(dú)立性，起輔助作用但又不影響主要功能。輔助電路中很多部

17、分是受控制電路中的元件來控制的。（4）分析聯(lián)鎖與保護(hù)環(huán)節(jié)生產(chǎn)機(jī)械對于安全性、可靠性有很高的要求，實(shí)現(xiàn)這些要求，除了合理地選擇拖動、制動方案外，在控制線路中還設(shè)置了一系列電氣保護(hù)和必要的電氣聯(lián)鎖。在電氣控制原理圖的分析過程中，電氣聯(lián)鎖與電氣保護(hù)環(huán)節(jié)是一個(gè)重要內(nèi)容，不能遺漏。（5）分析特殊控制環(huán)節(jié)在某些控制電路中，還設(shè)置了一些與主電路、控制電路關(guān)系不密切，相對獨(dú)立的某些特殊環(huán)節(jié)，如產(chǎn)品計(jì)數(shù)裝置、自動檢測系統(tǒng)、晶閘管觸發(fā)電路和自動調(diào)溫裝置等。這些部分往往自成一小系統(tǒng)，其讀圖方法可參照上述分析過程，并靈活運(yùn)用所學(xué)過的電子技術(shù)、變流技術(shù)、自控系統(tǒng)、檢測和轉(zhuǎn)換等知識進(jìn)行逐一分析。（6）總體檢查經(jīng)過“化零為

18、整”，逐步分析了每一局部電路的工作原理以及各部分之間的控制關(guān)系之后，還必須用“化零為整”的方法檢查整個(gè)控制線路，看是否有遺漏。特別要從整體角度去進(jìn)一步檢查和理解各控制環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系，以達(dá)到正確理解原理圖中每一個(gè)電氣元器件的作用。2.3.2 查線讀圖法的要點(diǎn)查線讀圖法是分析繼電接觸器控制電路的最基本方法。繼電接觸器控制電路主要由信號元器件、控制元器件和執(zhí)行元器件組成。用查線讀圖法閱讀電氣控制原理圖時(shí)，一般先分析執(zhí)行元器件的線路（即主電路）。查看主電路有哪些控制元器件的觸點(diǎn)及電器元器件等，根據(jù)它們大致判斷被控制對象的性質(zhì)和控制要求，然后根據(jù)主電路分析的結(jié)果所提供的線索及元器件觸點(diǎn)的文字符號，在控制

19、電路上查找有關(guān)的控制環(huán)節(jié)，結(jié)合元器件表和元器件動作位置圖進(jìn)行讀圖。控制電路的讀圖通常是由上而下或自左往右，讀圖時(shí)假想按下操作按鈕，跟蹤控制線路，觀察有哪些電器元件受控動作。再查看這些被控制元器件的觸點(diǎn)又怎樣控制另外一些控制元器件或執(zhí)行元器件動作的。如果有自動循環(huán)控制，則要觀察執(zhí)行元器件帶動機(jī)械運(yùn)動將使哪些信號元器件狀態(tài)發(fā)生變化，并又引起哪些控制元器件狀態(tài)發(fā)生變化。在讀圖過程中，特別要注意控制環(huán)節(jié)相互間的聯(lián)系和制約關(guān)系，直至將電路全部看懂為止。3.CM6132臥式機(jī)床的電氣控制原理3.1CM6132臥式機(jī)床的概述 CM6132:C是車床的意思，類似Z是鉆床的意思，為分類代號。M是精密的意思，類似

20、B是半自動的意思，是機(jī)床通用特征代號，6是落地及臥式車床，是組別代號，1是系別代號，32是一起的，指床身上最大回轉(zhuǎn)直徑320mm，為主參數(shù)值。 CM6132適用于車削精密零件，并可加工公制、英制、模數(shù)和徑節(jié)螺紋，主傳動采用分離型傳動，變速箱采用兩個(gè)公用齒輪，油液壓選擇變速，主軸支承為滑動軸承，進(jìn)給系統(tǒng)采用三軸滑移共用齒輪機(jī)構(gòu)，另有一套螺紋變速機(jī)構(gòu)。由于CM6132為精密車床，所以主軸的變速應(yīng)在另外的箱，有帶傳動傳給主運(yùn)動系統(tǒng)。3.2CM6132臥式機(jī)床的電氣控制線路分析3.2.1主電路分析 由圖可以看出，三相交流電由自動空氣開關(guān)QF引入，QF同時(shí)為主電動機(jī)提供過載、短路、欠電壓保護(hù)。M1為主軸電動機(jī)，容量3KW,M1由接觸器KM1、KM2控制正反轉(zhuǎn)，熔斷器FUI是電動機(jī)M2、M3的短路保護(hù)，電動機(jī)M2由中間繼電器KA控制，M2的容量為0.125KW，電動機(jī)M3由轉(zhuǎn)換開關(guān)SA2控制，該控制電路沒有控制變壓器，控制電路直接供380V交流電。3.2.2控制電路分