机电一体化毕业设计(论文)-基于PLC的车床电气控制系统.doc
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1、毕业设计(论文) 函授站函授站 西工院西工院 0909 级级 专专 业业 机电一体化机电一体化 姓姓 名名 西安工程技师学院 西安工程技师学院 站名 姓 名 专业机电一体化年级 09 级 6 班 设设计计(或或论论文文)题题目目: 普通车床的 PLC 控制 完完成成日日期期: 2012 年 5 月 12 日 具具体体要要求求: 根据切削加工工艺,对电气控制提出下列要求: (1)主电动机选用笼型异步电动机,采用降压起动,为调整车床位置, 应能实现点动控制。 (2)主轴的正、反转由主电动机的正、反转控制实现。 (3)为实现快速停车,主电动机采用反接制动。 (4)主电动机 M1,冷却泵电动机 M2,
2、快移电动机 M3,这 3 台电动机的 起动顺序依次为:M1-M2-M3,停机顺序为:M3-M2-M1。 (5)当暂停加工时,也可单独停下快移电动机和冷却泵电动机。 (6)3 台电动机都应有必要的短路和过载保护,任一台电动机过载,所 有电动机均不能工作。 (7)应有急停按钮,防止起动或运行时发生意外。 (8)车床的工作状态由相应的指示灯指示。 指导老师: 职称: 2012 年 5 月 12 日 西安工程技师学院 目 录 摘 要.I 前 言II 第一章 绪论.- 3 - 1.1 机床的重要性与 PLC 改造的意义 - 3 - 1.2 CA6140 车床的主要结构及参数- 4 - 第二章 可编程控制
3、器的控制- 6 - 2.1 可编程控制器(PLC)的简介- 6 - 2.2 CA6140 车床的 PLC 改造控制要求- 7 - 2.3 PLC 控制系统与电气系统的比较.- 8 - 2.4 PLC 改造电气系统的优缺点.- 9 - 2.5 PLC 的发展前景- 10 - 2.6 继电器线路的分析- 11 - 第三章 PLC 改造控制 CA6140 卧式车床的硬件选择 .- 14 - 3.1 统计输入输出设备 .- 14 - 3.2 PLC 的选型与设计步骤- 15 - 3.3 系统元器件的选择 .- 16 - 3.4 设计步骤- 18 - 3.5 I/O 分配表- 20 - 3.6 PLC
4、的外部接线图- 20 - 3.7 流程图 .- 21 - 第四章 PLC 控制 CA6140 车床的软件设计 .- 23 - 4.1 梯形图设计 .- 23 - 4.2 语句表 .- 27 - 第五章 PLC 控制车床的系统调试 - 29 - 5.1 主电机 M1 的调试 .- 29 - 5.2 液压泵 M2 与快移电机 M3 的的控制 .- 34 - 5.3 系统调试应注意事项- 35 - 结论.- 36 - 参考文献.- 37 - 致谢.- 38 - 西安工程技师学院 I 摘 要 随着工业发展的要求以及各种数控机床的诞生,由于普通机床的操作技术 要求高,难于控制加工,导致生产效益过低逐渐被
5、放弃。但是,随着可编程序 控制器(PLC)技术的发展,由于其功能强大、容易使用、可靠性高,广泛的工 业现场适应性和方便的工艺扩展性能,PLC 在自动化工业控制过程中得到了越 来越广泛的应用,改造旧机床这个行业也随之兴起。PLC 常常被用来作为现场 数据的采集和设备的控制。本次设计正是在这种背景下,运用三菱 FX/2N(C)型 PLC 对 CA6140 普通车床进行的现代化工程控制改造,详细介绍了基于 PLC 控制 的电气控制系统改造过程,即根据 CA6140 车床的控制要求和特点,确定 PLC 的输入输出分配,设计出梯形图。实践表明,基于 PLC 的控制系统具有可靠性 高,使用方便等优点。 一
6、个民族的强盛,与他的国民经济息息相关,而国民经济的主要支柱就是 重工业。工业的根本也是创新改良,不断地精益求精,这样才能保证一个民族 的强盛源远流长。伴随着全球经济危机的爆发,世界各国的经济都处于一个缓 慢的增长甚至倒退,但是德国依靠自己国家的强硬的重工业基础以及遥遥领先 于世界的工业水平成为屹立在此次金融危机中的钢铁巨人。我们国家还欠发达, 我们更应该注重重工业的发展,所以,我们改造机床对于我们国民经济的提高 拥有很重要的意义。 关键词:可编程序控制器 普通车床 CA6140 改造 控制系统 梯形图 西安工程技师学院 II 前 言 当今我国机械制造水平逐步与世界接轨,沈阳第一机床厂,重庆重型
7、机床 厂,上海机床厂等,都在依靠我国自己的先进技术进行发展。但是我们以前制 造的普通机床设备陈旧,技术水平的落后,严重地影响了生产力和发展。我国 现有大量可用的普通机床,采用先进的工艺设备,对这些机床进行改造已经成 为我国制造技术发展的一个趋势。 特别是随着计算机技术和电子技术的发展,以 PLC 控制、变频调速、触摸 屏人机对话、组态监控为主体的新型控制系统广泛应用于各行各业。尤其在工 业自动化领域,可编程控制器已成为大多数自动化系统控制的基础,同时也给 工业控制带来了前所未有的变化。本次课题是运用三菱 FX/2N(C)型 PLC 把 CA6140 车床改造程序控制车床,这种花费少、时间短、针
8、对性强的改造,能克 服原机床的缺点和存在的问题,提高生产效率,是符合我国国情提高机床数控 化率的一个主要途径。 由于本人能力和设计水平的有限,本论文之中肯定存在不足之处,敬请老 师加以指导! 屈鹏谦 2012.05.14 西安工程技师学院 - 1 - 第一章 绪论 1.1 机床的重要性与 PLC 改造的意义 一个国家的繁荣富强,必须实现重工业、国防工业和科学技术的现代化与 智能化。这就需要一个强大的机械制造业为国民经济各部门提供先进技术与设 备。一个现代化的制造业必须有一个现代化的机床制造业作为后盾,机床工业 对国民经济发展起着重大的作用。目前我国在世界上是机床消费的第一大国, 并正由制造大国
9、向制造强国发展。但是,我国现在机械制造水平与发达国家相 比较差距很大,设备的陈旧,技术水平的落后,严重地影响了生产力和发展。 最新的工信部资料表明,我国机床总量约为 400 余万台,其中数控机床总数只 有 12 万台,即我国机床数控化率才 3%左右,而一些发达国家早己达到 20%以上。 伴随着近些年德国日本等机械制造强国对抗金融危机的能力的体现,重工业的 发展必要性与重要性得以完全体现,我们国家的机床就显得落后、陈旧,对国 民经济也有很大的影响。我国现在有大量可用的普通机床,对这些机床进行程 控化改造是用少的投资来提高生产效率、提高效益的有效途径。我国的机床大 部分都是普通机床,更换数控机床的
10、耗费较大,但是普通机床的的改造只花费 大约数控机床 30%左右的价格就可以达到数控机床的要求,所以改造旧机床就 显得尤为重要了。 可编程控制器(PLC)体积小、功能强、灵活性和适应性好以及模块化结构 的一系列优点,特别是高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力,受到广大技术 开发人员和用户的青睐,他们在工业控制领域迅猛发展,得到越来越广泛的应 用,成为现代工业控制的支柱之一。因此,可编程控制器控制机床具有广阔的 发展前景和极具重要的研究意义,是现代工业发展的趋势,起着不可估量的作 用。 西安工程技师学院 - 2 - 1.2 CA6140 车床的主要结构及参数 1-主轴箱 2-刀架 3-尾座 4-床身
11、 5-丝杠 6-光杠 7-床腿 8-溜板箱 9-床腿 10-进给箱 最左边挂轮机构 图 1-2-1 西安工程技师学院 - 3 - 车床的主要参数 表 1-2-2 型号与规格 CA6140 最大工件长度 1000mm 最大加工长度 950mm 床身上 400mm 最大工件 回转直径拖板上 230mm 正转范围 (18 级) 11-1600r.p.m 反转范围 (9 级) 14-1450r.p.m 内孔直径 72mm 主轴 内孔锥度莫氏锥度 No.100 纵向范围 (6 种) 0.038-6.28mm/rev 进给量 横向范围 (64 种) 0.014-2.27mm/rev 公制螺纹 (57 种)
12、 1-192mm 英制螺纹 (57 种) 2-24tpi 模数螺纹 (57 种) 0.25-48mm 加工螺纹 径节螺纹 (57 种) 1-96DP 横向最大行程 260mm 小刀架最大行程 130mm 刀杆尺寸 (宽* 高) 25*25mm 纵向快移速度 4.4m/min 床鞍刀架 横向快移速度 1.6m/min 最大行程 150mm 内孔锥度莫氏锥度 No.5 尾座套筒 套筒直径 80mm 主电机功率 Y123M-4 7.5KW 快速移动电机功 率 AOS 5634 0.25KW 电动机 冷却泵电机功率 AB-25 0.09KW 长 2620mm3120mm 宽 1050mm1050mm
13、外形尺寸 高 1250mm1250mm 表 1-2-2 西安工程技师学院 - 4 - 第二章 可编程控制器的控制 2.1 可编程控制器(PLC)的简介 随着工业发展的要求以及各种数控机床的诞生,由于普通机床的操作技术 要求高,难于控制加工,导致生产效益过低逐渐被放弃。但是,随着可编程序 控制器(PLC)技术的发展,由于其功能强大、容易使用、可靠性高,广泛的工 业现场适应性和方便的工艺扩展性能,PLC 在自动化工业控制过程中得到了越 来越广泛的应用,改造旧机床这个行业也随之兴起。PLC 常常被用来作为现场 数据的采集和设备的控制。本次设计正是在这种背景下,运用三菱 FX/2N(C)型 PLC 对
14、 CA6140 普通车床进行的现代化工程控制改造,详细介绍了基于 PLC 控制 的电气控制系统改造过程,即根据 CA6140 车床的控制要求和特点,确定 PLC 的输入输出分配,设计出梯形图。实践表明,基于 PLC 的控制系统具有可靠性 高,使用方便等优点。 CA6140 车床进行车削加工时,将工件的一端夹在三爪卡盘上,另一端用顶 尖顶紧,完成工件的夹紧定位。启动机床,主电机通过主传动链把运动和动力 传递给主轴,使主轴带动工件旋转实现主运动。转动手柄使刀架纵向,横向移 动,使其对准工件车削,刀具通过进给传动链实现纵向或横向移动。在切削螺 纹时,进给传动链是内联系传动链,主轴旋转一周,刀架的移动
15、量等于螺纹导 程。在切削圆柱面和端面时,进给传动链是外联系传动链,进给量 f 也是以工 件每转刀架的移动量来计算,车削完成后,刀架实现纵向,横向的快速退刀。 并按下停止按钮,使主轴停止转动,再反向拧松三爪卡盘,取出已加工工件, 并清扫切屑。 CA6140 型普通车床适合于车削内、外圆柱面、圆锥面、端面及其它旋转面;能 够车削多种公制、英制、模数及径节螺纹,并能作钻孔、拉油槽等加工。本机 床的主要特点是: 主轴孔径大(72mm),变速范围广(11-1600 转/分);主轴支承采用双列向心 短柱滚子轴承与 60 度接触角双向推力向心球轴承组合,动静刚度高,抗震型高。 主传动齿轮全部采用淬火磨削;床
16、身采用超音频淬火,导轨面硬度在 HRC45 以上;精度保持性好。 西安工程技师学院 - 5 - 床头箱采用外循环润滑,有利于散热、降噪、防泄漏。 操作系统简洁适用,指示明晰,定位准确,手感好。机床外形美观。 床鞍和横向拖板可以快速进退。尾座可卸荷;尾座套筒直径大,刚性好。 PLC 是先进的工业化国家通用的标准工业控制设备,在现代工业自动化控制中 是最值得重视的先进控制技术,现在已经成为现代工业控制三大技术支柱 (PLC,CAD/CAM,ROBOT) 之一,可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设 计的一种数字运算操作电子系统。它采用了可编程序的存储器,用来在其内部 存储执行逻辑运算、顺序控制
17、、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过 数字量、模拟量的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。PLC 是微机 技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物,它克服了继电接触控制系统中 的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点,充分 利用了微处理器的优点。用 PLC 控制改造其继电器控制电路, 可靠性高、逻辑 功能强、体积小,降低了设备故障率, 提高了设备使用效率, 运行效果良好。 经过科技人员的不断引进、开发、研究, 我国的机床改造行业已由继电器控制 过渡到完全由 PLC 监控工作的阶段。 PLC 是一种专为工业生产自动化控制设计的,一般而言,无须任何保护措 施就可以
18、直接在工业环境中使用。然而,当生产环境过于恶劣,电磁干扰特别 强烈,或安装使用不当,就可能造成程序错误或运算错误,从而产生误输入并 引起误输出,这将会造成设备的失控和误动作,从而不能保证 PLC 的正常运行。 要提高 PLC 控制系统可靠性,一方面生产厂家要提高 PLC 的抗干扰能力;另一 方面,要在设计、安装和使用维护中引起高度重视,多方配合,减少及消除干 扰对 PLC 的影响。在新的时代,PLC 会有更大的发展,产品的品种会更丰富、 规格更齐全,通过完美的人机界面、完备的通信设备、成熟的现场总线通信能 力会更好地适应各种工业控制场合的需求,PLC 作为自动化控制网络和国际通 用网络的重要组
19、成部分,将在我国电气自动化建设中发挥越来越大的作用。 2.2 CA6140 车床的 PLC 改造控制要求 控制要求: 根据切削加工工艺,对电气控制系统提出以下要求: (1)主电动机选用笼型异步电动机,采用降压起动,为调整车床位置, 西安工程技师学院 - 6 - 应能实现点动控制。 (2)主轴的正、反转由主电动机的正、反转控制实现。 (3)为实现快速停车,主电动机采用反接制动。 (4)主电动机 M1,冷却泵电动机 M2,快移电动机 M3,这 3 台电动机的起 动顺序依次为:M1-M2-M3,停机顺序为:M3-M2-M1。 (5)当暂停加工时,也可单独停下快移电动机和冷却泵电动机。 (6)3 台电
20、动机都应有必要的短路和过载保护,任一台电动机过载,所有 电动机均不能工作。 (7)应有急停按钮,防止起动或运行时发生意外。 (8)车床的工作状态由相应的指示灯指示。 2.3 PLC 控制系统与电气系统的比较 PLC 控制系统与电气控制系统的比较主要有以下优点: (1) 控制方法 电气控制系统控制逻辑采用硬件接线,利用继电器机械触点的串联或并联 等组成控制逻辑,其连线多且复杂、体积大、功耗大,系统构成后,想再改变 或增加功能较为困难。另外,继电器的触点数量有限,所以电气控制系统的灵 活性和可扩展性受到很大限制。而 PLC 采用了计算机技术,其控制逻辑时以程 序的方式存放在存储器中的,要改变控制逻
21、辑只需改变程序,因而很容易改变 或增加系统功能。系统连线少、体积小、功耗小,而且 PLC 所谓的“软继电器” 实质上是存储器单元的状态,所以“软继电器”的触点数量是无限的 PLC 系统 的灵活性和可扩展性也较好。 (2) 工作方式 在继电器控制电路中,当电源接通时,电路中所有继电器都处于受制约状 态,即该吸合的继电器都同时吸合,不该吸合的继电器受某种条件限制而不能 吸合,这种工作方式称为并行工作方式。而 PLC 的用户程序按一定顺序循环执 行,所以各继电器都处于周期性循环扫描接通中,受同一条件制约的各个继电 器的动作次序决定于程序扫描顺序,这种工作方式称为串行工作方式。 (3) 控制速度 继电
22、器控制系统依靠机械触点的动作实现控制,工作效率低,机械触点还 西安工程技师学院 - 7 - 会出现抖动问题。而 PLC 时通过程序指令控制半导体电路来实现控制的,速度 快,程序指令执行时间在微秒级,且不会出现触点抖动问题。 (4) 定时和计数控制 电气控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制,时间继电器的延 时时间易受环境温度和温度变化的影响,定时精度不高。而 PLC 采用半导体集 成电路做定时器,时钟脉冲由晶体振荡器产生,精度高,定时范围宽,用户可 根据需要在程序中设定时值,修改方便,不受环境的影响,且 PLC 具有计数功 能,而电气控制系统一般不具备计数功能。 (5) 安全可靠性以及可
23、维护性 由于电气控制系统使用了大量的机械触点,存在机械磨损、电弧烧伤等问 题,寿命短,系统的连线多,所以可靠性和可维护性较差。而 PLC 大量的开关 动作由无触点的半导体电路来完成,寿命长、可靠性高。PLC 还具有自诊断功 能,能查出自身的故障,随时显示给操作人员,并能动态地监视控制程序的执 行情况,为现场的调试和维护提供了方便。 2.4 PLC 改造电气系统的优缺点 传统的继电器接触器控制系统由于其结构简单、容易掌握、价格便宜, 在一定的范围内能满足控制要求,因而使用面甚广,在工业控制领域中曾占主 导地位,但是继电器接触器控制有着明显的缺点:设备体积大、寿命短、可 靠性差、动作速度慢、功能少
24、、程序不可变;因此对于程序固定,控制过程不 太复杂的系统还是适合的。但是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统,接线复杂, 所以当生产工艺或对象改变时,原有的接线和控制柜就要改接或更改,通用性 和灵活性较差。 但可编程序控制器(PC)以其完善的功能,很强的通用性,体积少及高可 靠性等特点在各工矿企业得到广泛的应用。在工厂自动化系统中,PC 被广泛采 用为核心的控制器件。它既可组成功能齐全的自控系统控制整个工厂的运行, 亦可单独使用作单机自动控制。它还是继电器控制柜的理想替代物。在生产工 艺控制、过程控制、机床控制、组合机床自动控制等场合,PC 机占有举足轻重 西安工程技师学院 - 8 - 的地位。特别
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