应用PLC改造普通车床的电气控制系统

毕业设计任务书 课题名称: 应用PLC改造普通车床的电气控制系统 学生姓名      潘际林                  专    业    机械设计制造及其自动化  学    号    1242001259147       论文写作时间  2015.03.09-2015.06.10  指导教师      严爱平          目  录 摘要……………………………………………………………… 前言……………………………………………………………… 第一章 绪论………………………………………………………1 1.1普通机床发展历史及应用………………………………1 1.2 PLC的基础知识…………………………………………2 1.3采用PLC改造C650车床的意义………………………4 第2章 C650车床的主要结构与控制要求………………………5 2.1 C650车床的主要结构…………………………………5 2.2电气控制线路分析………………………………………7 2.2.1 主电路分析………………………………………7 2.2.2 控制电路分析……………………………………9 2.3整机线路联锁与保护……………………………………13 第3章 PLC的简介及控制原理…………………………………13 3.1 PLC的发展历史…………………………………………13 3.2 PLC系统…………………………………………………14 3.3 PLC的基本结构…………………………………………15 3.3.1 中央处理器（CPU）……………………………15 3.3.2存储器……………………………………………16 3.3.3输入输出接口电路………………………………16 3.4 PLC的工作原理…………………………………………17 3.4.1输入采样阶段……………………………………17 3.4.2用户程序执行阶段………………………………18 3.4.3输出刷新阶段……………………………………19 3.5 PLC的选型………………………………………………19 第4章 改造车床C650硬件设计…………………………………20 4.1 用PLC控制车床的优点及意义…………………………20 4.1.1 控制方式…………………………………………20 4.1.2 工作方式…………………………………………20 4.1.3 控制速度…………………………………………21 4.1.4 定时和计数控制…………………………………21 4.1.5 可靠性和可维护性………………………………21 4.2统计I/0的点数…………………………………………22 4.3 I/O分配表及外部硬件接线图…………………………23 第5章 控制C650车床的的软件设计……………………………25 5.1  改造C650的梯形图……………………………………25 5.2 梯形图分析………………………………………………27 5.3 产品调试…………………………………………………28 结  论………………………………………………………………28 致  谢………………………………………………………………30 参考文献……………………………………………………………31 摘 要 针对现有普通车床C650车床存在的缺点提出PLC改造和基于控制系统设计，提高了机床的加工精度，扩大了机床的使用范围，并提高了生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了如何采用PLC控制普通C650车床。如PLC的选型、PLC的基本机构和工作原理，存储器和I/O扩展电路设计、普通车床C650的主要结构和控制要求，其它辅助电路设计、系统管理程序、零件加工源程序的输入处理程序、。本设计采用三菱FX2N系列PLC控制系统，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向的两轴联动进给运动。 改造后的机床在实现机床原有功能的基础上还增加了自动加工、自动换刀等多种功能。可编程控制器（PLC）是在继电器控制和计算机控制基础上开发的工业自动化控制装置，是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境下应用设计的，它具有可靠性高、设计施工周期短、维修方便，价格也很便宜等优点。 关键词：数控机床，可编程控制器， 梯形图 前 言 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善，今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 车床是最常见的一种机床,它的主运动为主轴回转运动,刀架的移动为进给运动,车削加工一般不要求反转，但加工螺纹时，为避免乱扣，需要反转退刀，并保证工件的转速与刀具的移动速度之间具有严格的比例关系，溜板箱与主轴箱之间通过齿轮传动系统连接，C650卧式车床是其中较为常见的一种、其原控制电路为继电器控制、接触触点多、故障多、操作人员维修任务较大。针对这种情况,我们用PLC控制改造其继电器控制电路，克服了以上缺点，降低了设备故障率，提高了设备使用效率，运行效果良好。机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物，是典型的机电一体化产品。它的出现及所带来的巨大效益,引起世界各国科技界和工业界的普遍重视。发展数控机床是当前我国机械制造业技术改造的必由之路，是未来工厂自动化的基础。 第一章 绪论 1.1普通机床发展历史及应用 目前，先进制造技术已广泛应用到工业、民用各个领域中，如汽车制造、船舶制造、石油化工等。计算机技术的飞速发展使先进制造技术的发展如虎添翼，并有了质的飞跃。因此，市场对先进制造技术中的生产设备——数控机床的需求也大大提升。 数控机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石，是保证高新技术产业发展和国防军工现代化的战略装备。目前，由于我国数控机床产业发展相对滞后，已经制约了整个装备制造业的发展，直接影响到国防军工产业安全。国内外装备制造业的发展经验表明，发展装备制造业，数控机床是基础。“十五”期间，我国机床工业连续几年快速发展，我国机床产值已从“九五”末期的世界第八位,跃居到2005年的世界第三位。在全球倡导绿色制造的大环境下，机床数控化改造成为了热点。 众所周知，我国机电行业拥有的机床结构比较陈旧，操作系统复杂，控制系统落后，生产效率低下，如果购置新的数控机床取而代之，显然耗资巨大，不符合国情。因此，采用数控技术对现有机床进行改造，符合国家的产业政策。另外，从市场容量来讲，不管是汽车制造业、模具制造业，还是军工企业，机床数控化改造都蕴藏着无限商机。 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，改型频繁，数控机床在机械制造中的地位越来越重要。在国内，目前各企业有大量普通机床，但绝大多数设备落后，技术陈旧，完全用数控机床替换根本不大可能，而且替代又造成很大浪费，因此针对生产中的旧设备进行数控改造，有着十分现实的意义，数控改造一次性投资较少，而且对机床增加许多种性能，使得加工质量稳定，生产率得到提高。 机床数控化改造主要是针对数控系统、伺服系统、辅助控制系统和液压系统的改造。由于数控机床本身是机电液一体化、结构复杂的产品,因此在改造中是否按照准确的计算方法计算，是否按照规则、要求选择改造方案和元器件的类型是决定改造后机床的性能、运行精度、加工质量和可靠性的关键因素。 1.2 PLC的基础知识 PLC的中文名称为可编程控制器，是一种专门为工业环境下应用设计的控制器，集计算机技术.控制技术，通信技术于一体。PLC是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序运算，定时，计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 图1—1 PLC的基本结构 PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。 1.3 采用PLC改造C650车床的意义 可编程控制器是在继电器控制和计算机技术的基础上，逐渐发展起来的以微处理器为核心，集微电子技术、自动化技术、计算机技术通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富。 它的功能主要是：控制功能、数据采集、储存与处理功能、通信、联网功能、输入/输出接口调理功能、人机界面功能。在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。 本次设计的内容主要是利用PLC（Programmable Logic Controller）对C650型车床的电器部分进行改造。首先我对本设计进行总体的分析，使自己有一个大致的总体概念，然后仔细分析C650车床，对车床主运动和进给运动还有其它的辅助运动，进行分析。最后根据控制电路的线路图，编译PLC的梯形图，编译通过后，利用PLC实验台进行实验仿真。因此使C650车床在完成原有的功能特点外，还具有安装简便、稳定性好、易于维修、扩展能力强等特点。 第2章 C650车床的主要结构与控制要求 2.1 C650车床的主要结构 普通车床是一种应用极为广泛的金属切削机床，能够车削外圆、内圆、端面、螺纹和定型表面，并可以通过尾架进行钻孔、铰孔、攻螺纹等加工。 C650卧式普通车床属中型车床，加工工件回转直径最大可达1020mm,长度可达3000mm。其结构主要由床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、刀架、 尾架、丝杆和光杆等部分组成。 车床有两种运动，一是轴卡盘带动工件的旋转运动，称为主运动（切削运动），另一种四溜板刀架顶针带动刀具的直线运动，称为进给运动。两种运动由同一电动机带动并通过各自的变速箱调节主轴转速或进给速度。此外，为提高效率、减轻劳动强度、便于对刀和减小辅助工时，C650车床的刀架还能快速移动，称为辅助运动。 C650车床由三台三相笼型异步电动机拖动，即主电动机M1、冷却电动机M2和刀架快速移动电动机M3。 图2-1 机床C650的实物结构 2.2电气控制线路分析 2.2.1 主电路分析 图2-2是C650车床的电气原理图，它可以分为主电路、控制回路两部分。 图2-2 车床C650的主电路原理图 图2-2中组合开关QS为电源引入开关，空气开关QF为电源总短路保护。FU1为主电动机M1的短路保护用熔断器，FR1为其过载保护用热继电器。R为限流电阻，在主轴点动时，限制起动电流，在停车反接制动时，又起限制过大的反向制动电流的作用。电流表PA用来监视主电动机M1的绕组电流，由于M1功率很大，故PA接入电流互感器TA回路。机床工作时，可调整切削用量，使电流表PA的电流接近主电动机M1额定电流的对应值(经TA后减小了的电流值)，以便提高生产效率和充分利用电动机的潜力。KM1、KM2为正反转接触器，KM3用于短接电阻R接触器，由它们的主触点控制主电动机M1。 图2-2中KM4为接通冷却泵电动机M2的接触器，FR2为M2过载保护用热继电器。KM5为接通快速电动机M3的接触器，由于M3点动短时运转，故不设置热继电器。