目 录摘要 ............................................................................................................................................ 1 关键词 ......................................
.................................................................................................. 1 Abstract ....................................................................................................................................... 1 Key words ................................................................................................................................... 1 1 引言 ........................................................................................................................................ 2 1．1 机床数控改造意义 .......................................................................................................... 2 1．2 机床数控改造可行性分析 .............................................................................................. 3 1．3 普通车床数控化改造的研究现状 .................................................................................. 3 1．3．1 数控改造的类型 ........................................................................................................ 3 1．3．2 数控化改造国内外研究现状 .................................................................................... 4 1．3．3 数控改造的发展趋势 ................................................................................................ 4 2 CA6140 型普通车床数控化改造方案的确定及系统的选择............................................... 5 2．1 CA6140 车床的概述......................................................................................................... 5 2．2 PLC 在电气控制系统中的应用 ....................................................................................... 7 2．3 对 CA6140 车床控制系统的选择................................................................................... 7 3 主传动系统和进给系统的改造设计 .................................................................................... 7 3．1 主轴传动系统的改造设计 .............................................................................................. 7 3．1．1 主传动系统的设计要求 ............................................................................................ 7 3．1．2 主轴脉冲发生器 ........................................................................................................ 8 3．2 进给系统改造设计 .......................................................................................................... 8 3．2．1 对进给驱动的要求 .................................................................................................... 8 3．2．2 进给系统主要部分改造设计 .................................................................................... 8 4 控制系统设计 ......................................................................................................................... 8 4．1 PLC 控制系统的设计基本内容 ....................................................................................... 8 4．2 PLC 控制系统设计原则与步骤 ....................................................................................... 9 4．2．1 PLC 控制系统设计的基本原则 ................................................................................. 9 4．2．2 PLC 控制系统设计与调试步骤 ................................................................................ 9 4．3 控制要求 ........................................................................................................................ 10 4．4 控制流的选择 ................................................................................................................ 11 4．5 系统的控制过程 ............................................................................................................ 12 5 系统的硬件设计 .................................................................................................................. 12 5．1 系统的组成 .................................................................................................................... 12 5．2 主要电气元件的选择 .................................................................................................... 12 5．2．1 电动机的选择 .......................................................................................................... 13 5．2．2 交流接触器和中间继电器的选择 .......................................................................... 14 5．2．3 保护电器的选择 ...................................................................................................... 14 5．2．4 控制电器的选择 ...................................................................................................... 14 5．3 CA6140 车床控制原理电路图概述及原理分析........................................................... 15 5．4 PLC 的选型 ..................................................................................................................... 16 5．4．1 PLC 的硬件系统 ....................................................................................................... 17 5．4．2 PLC 的软件系统 ....................................................................................................... 185．4．3 电气控制中继电器控制与 PLC 控制的比较.......................................................... 20 5．4．4 PLC 的选择............................................................................................................... 20 5．5 PLC 的 I/O 地址的分配 ................................................................................................. 20 5．6 I/O 接线图....................................................................................................................... 21 总结 .......................................................................................................................................... 22 参考文献 .................................................................................................................................. 23 致谢 .......................................................................................................................................... 24CA6140 普通车床数控改造的电控系统设计CA6140 普通车床数控改造的电控系统设计机械电子专业学生 指导教师 王雪 任国军摘要：数控技术是先进制造技术的核心技术，在机械制造业中发挥着巨大作用，但数控机床一次性 投资较大，普通车床的数控化改造节约资金、降低成本。本文介绍了一种自主设计的普通车床数控 改造的电控系统。主要阐述了对 CA6140 普通车床电气控制部分进行的 PLC 设计，给出整机电气线 路改造方案，在主轴安装脉冲发生器，以实现主轴传动与进给传动之间的联系。用滚珠丝杠代替光 杠，并采用单独步进电机控制。实现车床纵向和横向的自动移动，翻新机械和电气部分从而提高机 床的精度、效率、和自动化程度，及实现刀架的自动切换。 关键词：CA6140 普通车床；数控改造；电控系统；可编程控制器The Design of the electronic control system for CA6140 Lathe CNC transformationMechatronics Engineering TutorWang XueRen Guojun： Abstract：CNC technology is the core technology, advanced manufacturing technology in the machinery manufacturing industry plays a huge role, but the one-time investment of CNC machine tools, Lathe CNC transformation to save money, reduce costs. This article describes the ordinary lathe CNC transformation of a self-designed electronic control system. Mainly elaborated the CA6140 ordinary lathe electrical control part of the PLC design, given the whole electrical circuit transformation program, installed in the spindle pulse generator in order to achieve the link between the spindle drive and feed drive. Ball screw instead of a light bar, and a separate stepper motor control. Lathe vertical and horizontal move automatically to the renovation of the mechanical and electrical components to improve machine tool accuracy, efficiency, and degree of automation, and automatic switching of the turret. Key words: CA6140centre lathe，CNC technology，Electronic control system，PLC1菏泽学院本科生毕业设计（论文）1 引言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。产品的更 新换代也不断加快。因此对机床不仅要求具有较高的生产率和精度，而且应能迅速地适 应产品零件的变换，这促使了数控机床的产生。 数控机床是指机床的操作命令以数值数字的形式描述工作过程按规定的程序自动 进行的机床。随着微电子技术，特别是计算机技术的发展，数控机床迅速地发展起来。 尽管数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批量多品种零件的加工问题，能够稳 定加工质量和提高生产率。但是目前我国数控机床占有量却不足在役机床总量的 3％， 而一些工业发达国家早已达到 20％以上。我国是制造大国，但不是制造强国。机械制造 业水平与发达国家相比而言相对落后，设备陈旧，技术水平差距较大，国际竞争力弱， 影响了生产力的发展。逐步提高数控机床的占有率，已经成为我国制造技术发展的总趋 势。提高机床数控率有两个途径：一是增加新的数控机床，但价格昂贵，一次性投资大， 目前各企业均拥有大量的具有较长使用寿命的普通机床， 完全用数控机床替代是根本不 可能的；二是对旧机床进行数控化改造。针对企业拥有的大量普通车床进行改造来提高 设备的先进性和数控化率，是一个极其有效且实用的途径，是企业必走之路。 1．1 机床数控改造意义 数控机床比传统机床有突出的优越性，这些优越性主要表现在以下几方面。 1)可加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。计算机有高超的运算 能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂 的曲线或曲面。 2)可实现加工的柔性化、自动化，从而避免人为误差，且效率比普通机床提高 3― 7 倍。 3)加工的零件精度高，尺寸分散度小，装配容易，不再需要“修配”。 4)可实现多工序的集中，减少零件在机床间的搬运。 5)拥有多种自律功能，一次装卡长时间无人看管加工。同时降低了操作者的劳动强 度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作 出快速反应等等。此外，机床数控化还是推行 FMC(柔性制造单元)、FMS(柔性制造系统) 以及 CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。 数控技术已经成为制造业自 动化的核心技术和基础技术。 数控化改造为资金紧张的中小型企业的技术改造开辟了新路,也对实力雄厚的大型 企业产生了较大的吸引力。 由于新型机床价格昂贵,一次性投资巨大,如果把旧机床设备 全部用新型机床替换。 要花费大量的资金,而替换下的机床又会闲置起来造成巨大浪费, 若采用数控技术对旧机床加以改造和购买机床相比,则可省 50%以上的资金,一套经济型 数控装置的价格仅为全功能装置的 1/3 到 1/5。2CA6140 普通车床数控改造的电控系统设计1．2 机床数控改造可行性分析 将普通车床改造为数控车床，是一项技术性很强的工作，必须根据加工对象的要求 和工厂实际情况，确定切实可行的技术改造方案，搞好机床的改造设计。进行改造的可 行性分析，针对车床现状确定改造方案，包括以下几方面： 1)机械与电气改造相结合一般来说，需进行电气改造的机床，都需进行机械改造。 要确定改造范围、要求、内容；确定因电气改造而进行机械改造的要求、内容；力学性 能的完好是电气改造成功的基础。 2)先局部后全局确定设计步骤时， 应把整个电气设计部分先分成若干个子系统进行， 如数控系统、传动系统(主传动和进给传动)、面板控制、与强电部分等，一个系统基本 成型后，再互连完成全系统工作，从而减少遗漏和差错。 3)根据使用条件选择电气系统电气系统的选择必须考虑成熟产品， 性能合理、 实用， 有备件及维修支持，功能满足当前和今后若干年内的发展要求等。 1．3 普通车床数控化改造的研究现状 1．3．1 数控改造的类型 普通车床数控化改造大致可分为下列三种类型： 1)普通车床所有功能部件保留型 这种结构是由数控系统、伺服驱动、伺服电机、原有普通车床各功能部件及电动刀 架等组成。该结构横向、纵向均采用伺服电机驱动。横向的伺服电机用电机座固定在床 鞍的后端面上，通过一对同步带轮将运动传给普通车床原有横向丝杆副，实现横向快移 和进给。纵向的伺服电机用电机座固定在进给箱的左端，通过联轴器将运动传给普通车 床进给箱，变换普通车床进给箱上的手柄，使运动传给普通车床原有纵向丝杆，这时闭 合开合螺母，实现纵向快移和进给。 这种数控化改造结构保留了原普通车床的所有功能，且还原容易。此结构因利用了 普通车床原有功能部件，新增零件较少，改造费用低廉，改机工作量较小。改造后，不 仅能保持原有机床的精度，而且能大大提高所加工零件尺寸的一致性。因未更换丝杆， 车床的各项精度取决于原有车床的精度，适用于零件的粗加工。这种改造形式在普通车 床数控化改造初期曾被采用，现因精度难以保证，较少采用。 2)普通车床部分功能部件保留型 这种普车数控化改造是将普车的挂轮、进给箱、溜板箱、三杆、托架及横向丝杆副 等拆除，然后安装纵向、横向滚珠丝杆组件、数控系统、驱动装置和驱动电机，可以加 装全防护或半防护装置。因更换了滚珠丝杆，如果床身导轨磨损了，则必须重新磨削导 轨，这样才能保证纵向丝杆与导轨的平行以及纵向滑板运动的顺畅。但因为每台机床外 形各异，在改造时，要对每台机床的有关尺寸仔细测量，然后才能设计横向、纵向丝杆 装配图以及防护装配图。这样改机，机床的精度可以得到保证。但设计工作量较大，改 机周期较长。适合于距离较近、能较长时间停机的用户改造。3菏泽学院本科生毕业设计（论文）3）采用 GSK-CTL 系列数控滑台机构改造型 GSK- CTL 系列数控滑台，一种新型的用于车床数控化改造的机构，并经过多次改 进，追求精益求精的设计及工艺方案。并申请了国家专利。该机构只需借助原机床导轨 作为基础，配上广州数控生产的数控系统、驱动装置及电机便可方便地完成机床的数控 化改造工作。它的主要持点是：积累了多年数控机床改造经验,突破了传统机床改造观 念,方便、快捷、可靠。吸收了斜床身式数控车床的优点，并采用贴塑导轨，Z 向导轨全 防护，进一步提高了机床的精度保持性及刚性。克服了传统机床改造精度较低、可靠性 较差、不耐用、周期相对较长的缺 点；能快速、大规模地到现场改造，且不受距离远 近的限制。适合于对盘、套类零件进行加工。 1．3．2 数控化改造国内外研究现状 美国、日本和德国等发达国家把机床改造作为新的经济增长行业，美国、日本和德 国等发达国家在大量生产数控机床的同时，还非常重视普通机床的数控化改造，机床改 造正逐步从制造业中分化出来，并形成了把机床改造作为新的经济增长行业。德国的 Schiess 公司在 1981 年把一台加工直径为 19m 的超重型立式车床改装成数控机床。 在美 国机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业。 从事再生业的著名公司有： Bertsche 工程公司、ayton 机床公司、Devlieg_Bullavd(得宝)服务集团、US 设备公司等。美国 得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装(Retrofilng)业。从事 改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代阳工机公司、野崎工程公司、 滨团工程公司、山本工程公司等。 在我国大力发展机床数控化改造业，提高机床的数控化率，不仅可行，而且前景广 阔。如：国防科技工业开展普通机床数控化改造“十五”期间计划改造 1．2～1．6 万 台，目前已完成 3000 多台。改造后生产效率提高约 3 倍，加工精度提高 20％，与新购 设备相比可节约资金 50％。 中国三江航天集团对具有改造价值的 109 台普通机床进行了 数控化改造，取得了良好的效果。中国兵器工业集团西南自动化研究所积极开发普通机 床数控化改造技术，累计完成普通机床数化改造 2000 余台。自 90 年代开始，关于数控 化改造的研究一直没有中断过， 还有很多学者针对数控化改造的问题和改造过程进行了 研究。 1．3．3 数控改造的发展趋势 1)高速化、高精度、高可靠性 目前车床和车削中心主轴转速达到 8000 r／min，加工中心的主轴转速一般都在 15000r／min―20000 r／min， 高的达到 60000 r／min， 切削进给速度般达到 20 m／min， 高的甚至达到 60 m／min，为充分发刀具材料性能、提高加工效率、降低加工成本，并 且提高加工精度和表面加工品质，数控装备将进一步向高速度或超高速方向发展。在加 工精度方面，近 10 年来，普通级数控机床的加工精度已由±10?m 提高到±5?m；精密级 加工中心则从±(3-5)?m 提高到±(1-1.5)?m；超精密加工精度已开始进入纳米级4CA6140 普通车床数控改造的电控系统设计(0.001?m)。国外数控装置 MTBF 己达 60000 h 以上，伺服系统 MTBF 达到 30000 h 以上， 表现出非常高的可靠性。 2)柔性化、网络化、集成化 为适应制造自动化的发展，向 FMC、FMS 和 CMS 提供基础设备，要求数控系统不仅能 完成通常的加工功能，而且还能够具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主 轴头(有时带坐标变换)、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网功能，可依据用户的不 同要求方便灵活地配置和集成。 3)复合化 数控机床的复合化分为工序复合化和工艺复合化，复合化是指工件在一台机床上一 次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合 加工，以减少工件装卸、更换、调整刀具的辅助时间及中间过程产生的误差，提高零件 加工精度，缩短了产品制造周期。因此，复合功能的机床是近年来发展很快的机种，其 核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔和扩孔等多种操作工序。 4)智能化、绿色化、安全化 为追求加工效率和加工品质方面的智能化，设备有自适应控制、工艺参数自动生成 的功能；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，具有前馈控制、电机参数自适应运 算、自动识别负载自动选定模型和自整定等功能；简化编程和简化操作方面的智能化, 有智能化的自动编程和智能化的人机界面等功能；具有智能诊断和智能监控方面的内 容，方便系统的诊断及维修；此外，还具有许多特别的智能功能，如加工运动规划、推 理和决策能力，以及加工环境的感知能力、制造网络通信能力(包括与人的交互)、智能 编程、智能数据库和智能监控等。 随着日趋严重的环境与资源约束，制造加工的绿色化越来越严重，因此，今年来不 用或少用冷却液、 实现干切削、 半干切削节能环保的机床不断出现， 并在不断发展当中。 绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。2 CA6140 型普通车床数控化改造方案的确定及系统的选择2．1 CA6140 车床的概述 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(φ72mm)，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。 主传动齿轮全部采用淬火磨削；床身采用超音频淬火，导轨面硬度在 HRC45 以上； 精度保持性好。 床头箱采用外循环润滑，有利于散热、降噪、防泄漏。5菏泽学院本科生毕业设计（论文）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。 主要技术参数： 型号与规格 最大工件长度 最大加工长度 最大工件 回转直径 床身上 拖板上 正转范围(18 级) 反转范围(9 级) 主轴 内孔直径 内孔锥度 进给量 纵向范围(6 种) 横向范围(64 种) 公制螺纹(57 种) 加工螺纹 英制螺纹(57 种) 模数螺纹(57 种) 径节螺纹(57 种) 横向最大行程 小刀架最大行程 刀杆尺寸(宽* 床鞍刀架 高) 纵向快移速度 横向快移速度 4.4m/min 1.6m/min 2-24tpi 0.25-48mm 1-96DP 260mm 130mm 25*25mm 72mm Metricc system No.100 0.038-6.28mm/rev 0.014-2.27mm/rev 1-192mm CAmm 950mm 400mm 230mm 11-1600r.p.m 14-1450r.p.m最大行程 尾座套筒 内孔锥度 套筒直径 主电机功率 电动机 快速移动电机功 率 冷却泵电机功率150mm Morse No.5 80mm Y123M-4 AOS KW 0.25KWAB-250.09KW6CA6140 普通车床数控改造的电控系统设计2．2 PLC 在电气控制系统中的应用 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、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。 PLC 控制改造其继电器控制电路, 用 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。随着我国电力体制改革的深化，电力市场竞争将更加激烈，降低资源损耗和提高 管理效益成为各发电企业的迫切需求。为此，对火电厂辅助车间自动控制水平提出了更 高的要求。经过科技人员的不断引进、开发、研究, 我国大型火电站的辅助系统（输煤、 化水、除灰、除渣、燃油泵房、循环水泵房等）已由继电器控制过渡到完全由 PLC 监控。 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 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成部分， 将在我国发电厂的电气自动化建设中发挥越来越大的 作用 2．3 对 CA6140 车床控制系统的选择 为了使 CA6140 车床的控制方式脱离原来的笨重复杂化， 满足生产的需要， 加快生产 速度，要求能够集中控制电机的自动控制、运行监视、报警、运行管理、浏览生产工业 流程图、作出事故报警响应，根据所掌握的资料，结合现代先进控制技术，拟采用 PLC 技术来对原系统进行技术改造。3 主传动系统和进给系统的改造设计3．1 主轴传动系统的改造设计 3．1．1 主传动系统的设计要求 (1)主轴具有一定的转速和足够的转速范围、能够实现运动的开停、变速、换向和制动， 以满足机床的运动要求； ’7菏泽学院本科生毕业设计（论文）(2)主电动机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够的强度和刚度，以满足机床的 动力要求； (3)主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性、热变形和噪声要 小，传动效率要高，以满足机床的工作性能要求； (4)结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。 3．1．2 主轴脉冲发生器 在主轴上安装脉冲编码器。 脉冲编码器又称脉冲发生器，它是一种直接用数字代码表示角位移及线位移的检测 器。能把机械转角转变成电脉冲，是数控机床上使用广泛的位置控制装置。 为保持切削螺纹的功能，必须在主轴上安装脉冲发生器，采用脉冲发生器直接与主 轴由无间隙传动联轴器连接，达到传动系统结构简化，传动链短，传动刚度提高。主轴 与脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离 电路以及 I/O 接口送给数控装置（CNC） 。 3．2 进给系统改造设计 3．2．1 对进给驱动的要求 1)快速响应为了保证表面加工粗糙度值，除了要求有较高的定位精度外，还要求有 良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。 2)调速范围要宽 由于加工用刀具、被加工材质以及零件加工要求的不同，为保证 在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。 3)低速大转矩 根据机床的加工特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时进给 驱动要有的转矩输出。 3．2．2 进给系统主要部分改造设计 挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。 进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光 杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原 来装轴承座的部分。 溜板箱部分： 全部拆除， 在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。 横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、 横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。 刀架的改造:普通车床的刀架不能满足数改后的车床的性能和精度的要求。所以， 必须拆除原刀架,换成数控自动刀架。4 控制系统设计4．1 PLC 控制系统的设计基本内容 PLC 控制系统是由 PLC 与用户输入、输入设备连接而成的，用以完成预期的控制目8CA6140 普通车床数控改造的电控系统设计的与相应的控制要求。因比 PLC 控制系统设计的基本内容应包括: 1)了解设备电器的工作原理。根据生产的工艺过程分析控制要求，如需要完成的动 作（动作顺序，必需的保护和联锁等） ，操作方式（手动，自动，点动，连续等） 。根据 控制要求确定系统控制方案，进行系统的总体设计。 2)进行 PLC 控制系统配置的设计，主要为 PLC 的选择，PLC 是 PLC 控制系统的核心 部件，正确选择 PLC 对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。选择 PLC，应包括机型的选择 、I/O 模块的选择等。 3)选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、行程开关等） 、输出设备（继 电器、接触器、信号灯等执行元件） ，以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁 阀等） ，这些设备属于一般的电器元件。 4) 根据控制要求基本确定 I/O 点数和模拟量通道数， 进行 I/O 初步分配， 绘制 I/O 接线图 5) 程序设计主要包括绘制控制系统流程图、设计梯形图、语句表程序，控制程序 是控制整个系统工作的核心条件，是保证系统工作正常，安全、可靠的关键。 6) 联机调试。按照控制电路原理图连接硬件，将编写好的控制程序下载至 PLC，进 行软硬件联调，如果不满足控制系统的要求，再返回修改程序或检查接线，直到满足控 制系统的要求为止。 4．2 PLC 控制系统设计原则与步骤 4．2．1 PLC 控制系统设计的基本原则 1) 最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前应深入现场进行调查研究，搜集 资料，并拟定电气控制方案。 2) 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维护方便。 3) 保证控制系统安全可靠。 4) 考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择 PLC 的容量时，应适当留有裕量。 4．2．2 PLC 控制系统设计与调试步骤9菏泽学院本科生毕业设计（论文）PLC 控制系统的设计调试过程如图 4-1 所示。开始分析控制要求确定 I/O 设备PLC 硬件系统配置I/O 地址分配绘制流程图设计梯形图设计外部硬件接线图软件测试 硬件连线测试正常修改程序 模拟测试 N 满足要求 Y N支付使用图 4-1 PLC 控制系统的设计调试过程4．3 控制要求 一台 CA6140 车床，需先启动冷却泵，然后启动主轴，单按钮启动工作台。工作台 原点出发到终点限位自动返回 2 次，再到原点停止，可进行正、反点动，设有总停按钮、 工作台停止按钮。10CA6140 普通车床数控改造的电控系统设计4．4 控制流的选择 逻辑控制流分为以下三种类型。 1)顺序控制 具有良好定义步骤顺序的进程很容易用 SCR 段作为示范。例如，考虑一个有三个步 骤的循环进程，当第三个步骤完成时，应当返回第一个步骤，如图 4-2 所示。状态 L转换条件 状态 M转换条件 状态 N转换条件图 4-2 顺序控制2)分散控制 在很多应用程序中，一个顺序状态流必须分为两个或多个不同的状态流，如图 4-3 所示，当控制流分为多个时，所有的输出流必须同时激活。状态 L转换条件状态 M状态 N图 4-3 分散控制3)汇合控制 当两个或多个连续状态流必须汇合成一个状态流时， 出现一种与分散控制相似的状 况。当多个状态流汇合成一条状态流时，则称为汇合。当状态流汇合时，在执行下一个 状态之前，所有的输入流必须完成，如图 4-4 所示。11菏泽学院本科生毕业设计（论文）状态 L状态 M转换条件 状态 N图 4-4 汇合控制基于本次设计的控制要求，系统的控制流方式应选择顺序控制和汇合控制。 4．5 系统的控制过程 1)初始状态 SB1，SB2，SB5，SB6，SB7 都为 OFF；电动机 M1，M2，M3 也都为 OFF。 2)启动过程 上电后系统进行初始化，当按下按钮 SB1（即 SB1=ON） ，电动机 M2 开始启动；经过 2S 过后，电动机 M1 自动启动；当按下按钮 SB2（即 SB2=ON） ，电动机 M3 开始启动，然 后向一个方向运动，当碰到终点限位开关时，电动机 M3 改变运动方向朝另一个方向运 动，如此反复运动两次后回到原点停止。 3)停止及其它状态 当按下按钮 SB6（即 SB6=ON） ，电动机 M3 停止运动（即 M3=OFF） ；当按下按钮 SB3 或 SB4 （SB3=ON/SB4=ON） 电动机 M3 进行点动 ， （即 M3=ON） 当按下按钮 SB5 ； （即 SB5=ON） ， 电动机 M1，M2，M3 都停止运动（即 M1=OFF,M2=OFF,M3=OFF） 。5 系统的硬件设计5．1 系统的组成 该系统主要由主电路部分，控制部分和数据通信部分组成。 1)主电路部分 该部分由三相异步电动机，交流接触器，热继电器，熔断器，刀开关组成。 2)控制部分 该部分由西门子 S7-200PLC，中间继电器，操作台组成。 3)数据通讯部分 该部分在通讯上，由通讯口（RS232C 或 RS422/485）读写 PLC 的内部数据。 5．2 主要电气元件的选择 任何一种继电器系统都由输入部分，逻辑部分和输出部分组成。系统输入部分由所12CA6140 普通车床数控改造的电控系统设计有行程开关、方式选择开关、控制按钮等组成。逻辑部分是指由各种继电器及其触点组 成的实现一定逻辑功能的控制线路，输出部分包括各种负载的接触器线圈。在本次控制 系统设计中用 PLC 代替了继电器控制系统中的逻辑线路部分。在车床的电气控制系统， 所有触头，行程开关，控制按钮（SB1～SB6）等为系统的输入信号；接触器线圈 （KM1-KM5） ，为系统的输出信号。 5．2．1 电动机的选择 在车床控制系统运行中，电动机类型选择的原则是，在满足工作机械对于拖动系统 要求的前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。因此， 在选用电动机种类时，若机械工作对拖动系统无过高要求，应优先选用三相交流电异步 动机。 1)最高和最低转速的确定 确定最高转速和最低转速的方法，主要是分析在所设计的机床上可 能进行的工序，从中选择要求最高、最低转速的典型工序。按照典型工序的刀具切 削速度和刀具(或工件)直径,可计算出 nmax、n的范围?minn max = n min =式中的 下，采用1000 v max π d min 1000 v min π d maxnmax 、 nmin 可根据切削用量手册查得， dmax 、 dmin 是指实际使用情况d min = R d d maxvmax (或 vmin )时常用的经济加工直径，对于车床，一般取d max = KD式中 D―机床能加工的最大直径，单位 mm； K―系数，对于车床 K=O.5；R d ―计算直径范围，通常 R d =O.2~0.25。2)主传动电动机功率的确定 确定主传动电动机的功率，应主要考虑这几方面：消耗于切削的功率，又称有效功 率；空载功率；各传动副的机械效率 由于在改造过程中保留了主要的机械部件，旧部件的去除和新部件的添加，对主传 动系统和进给系统并未有太大影响，综合以上各方面考虑，新电机的功率要稍大于旧电 机的功率，就可满足要求。13菏泽学院本科生毕业设计（论文）5．2．2 交流接触器和中间继电器的选择 1)接触器 接触器是工业电气中用按钮或其他方式来控制其通断的自动开关。交流接触器由电 磁线圈，静衔铁，动衔铁，静触点，动触点、灭弧装置和固定支架等部分组成。其原理 是当接触器的电磁线圈通入交流电时， 会产生很强的磁场使装在线圈中心的静衔铁吸动 动衔铁，当两组衔铁合拢时，安装在动衔铁上的动触点也随之与静触点闭合，使电气线 路接通。当断开电磁线圈中的电流时，磁场消失，接触器在弹簧的作用下恢复到断开的 状态。 在工业电气中， 交流接触器的型号很多， 在这次控制系统硬件的设计中， 采用了 CJ10 系列的交流接触器，其额定电流应在控制电流的 1.1～1.3 倍之间。 2)中间继电器 中间继电器是最常用的继电器之一，它的结构和接触器的基本相同，只是电磁系统 小些，触点多一些。常用的继电器型号有 JZ7、JZ14 等。 5．2．3 保护电器的选择 1)熔断器 熔断器在电路中主要起短路保护作用，用于保护线路。熔断器的熔体串接于被保护 的电路中，熔断器以自身产生的热量使熔体熔断，从而自动切断电路，实现短路保护及 过载保护。 2)热继电器 热继电器主要用于电气设备（电动机）的过负荷保护。热继电器势利用一种电流热 效应原理工作的电器，它具有与电动机容许过载特性相近的反时限动作特性，主要与接 触器配合使用，用于对三相异步电动机的过负荷和断相保护。 三相异步电动机在实际运行中， 常会遇到因电气或机械原因等引起的过电流(过载和 断相)现象，如果过电流不严重，持续时间短，绕组不超过允许温升，这种过电流是允 许；如果过电流情况严重，持续时间较长，则会加快电动机绝缘老化，甚至会烧毁电动 机，因此，在电动机回路中应设置电动机保护装置。 热继电器的选型原则：热继电器主要用于电动机的过载保护，使用中应考虑电动机 的工作环境、起动情况、负载性质，等因素。星形接法的电动机可选用两相或三相结构 的热继电器，三角形接法的电动机应选用带断相保护装置三相结构的热继电器。热继电 器的动作电流整定值一般为电动机额定电流的 1.05～1.1 倍。 5．2．4 控制电器的选择 1)选择开关 万能转换开关是一种多档式控制多回路的开关电器。一般用于各种配电装置的远距 离控制，也可作为电器测量仪表的转向开关或用作小容量电动机的启动、制动、调速和 换向的控制，用途广泛，故称万能转换开关。常用的万能转换开关有 LW8、LW6 和 LA1814CA6140 普通车床数控改造的电控系统设计系列。 2) 控制按钮 控制按钮在控制电路中常用作远距离手动控制接触器、 继电器等有电磁线圈的电路， 也可用于电器连锁等电路中。目前常用的按钮有 LA10、LA18、LA19、LA20 等系列产品。 5．3 CA6140 车床控制原理电路图概述及原理分析 CA6140 车床控制电路原理图如图 3-1 所示。图中主要分为主电路，冷却电路，快速 移动电路等三部分。 1) 主电路分析 从图 5-1 中可以看出，断路器 QF 将三相电源引入，FU1 为主电动机 M1 的短路保护 用熔断器， FR1 为 M1 电动机过载保护用热继电器。 为防止在连续点动时的启动电流造成 电动机过载， 点动时也加入限流电阻 R。 通过互感器 TA 接入电流表 A 以监视主电动机绕 组的电流。熔断器 FU2 为 M2、M3 电动机的短路保护，接触器 KM1、KM2 为 M2、M3 电动 机起动用接触器。FR2 为 M2 电动机的过载保护，因快速电动机 M3 短时工作，所以不设 过载保护。图 5-1 CA6140 车床控制电路原理图2)控制电路分析 a.主电动机的点动调整控制15菏泽学院本科生毕业设计（论文）电路中 KM3 为 M1 电动机的正转接触器，KM 为 M1 电动机的长动接触器，KA 为中间继电器。M1 电动机的点动由点动按钮 SB6 控制。按下按钮 SB6，接触器 KM3 得电吸合，他的主触点闭合，电动机的定子绕组限流电阻 R 与电源接通，电动机在较低 速下起动。 b.主电动机的正反转控制电路 主电动机的正转由正向起动按钮 SB1 控制。 按下按钮 SB1 时， 接触器 KM 首先得电动 作，他的主触点闭合将限流电阻短接，接触器 KM 的辅助动合触点闭合使中间继电器 KA 得电，它的触点闭合，使接触器 KM3 得电吸合。KM3 的主触点将三相电源接通，电动机 在额定电压下正转起动。KM3 的动合辅助触点和 KA 的动合触点的闭合将 KM3 线圈自锁。 反转起动时用反向起动按钮 SB2， 按下 SB2， 同样是接触器 KM 得电， 然后接通接触器 KM4 和中间继电器 KA，于是电动机在满压下反转起动。KM3 的动断辅助触点和 KM4 的动断辅 助触点分别串在对方接触器线圈的回路中，起到电动机正传和反转的电气互锁作用。 c.主轴电动机的反接制动控制 当速度接近于零时，用速度继电器的触点给出信号切断电动机电源。速度继电器与 被控电动机是同轴相连的，当电动机正转时，速度继电器的正转常开触点 KS1 闭合；电 动机反转时，速度继电器的反转动合触点 KS2 闭合。当电动机正向旋转时，接触器 KM3 和 KM，继电器 KA 都处于得电动作状态，速度继电器的正转动合触点 KS1 也是闭合的， 这样就为电动机正传时的反接制动做好了准备。需要停车时，按下停止按钮 SB4 接触器 KM 失电， 其主触点断开， 电阻 R 串入主回路， 与此同时 KM3 也失电， 断开了电动机电源， 同时 KA 失电，KA 的动断触点闭合。在松开 SB4 后就使反转接触器 KM4 的线圈得电，电 动机的电源反接，电动机处于反接制动状态。当电动机的转速下降到速度继电器的复位 转速时，速度继电器 KS 的正转动合触点 KS1 断开，切断了接触器 KM4 的通电回路，电 动机脱离电源停止。 电动机反转时的制动与正转时的制动相似。当电动机反转时，速度继电器的反转动 合触点 KS2 是闭合的，这时按一下停止按钮 SB4，在 SB4 松开后正转接触器线圈得电， 正转接触器 KM3 吸合将电源反接使电动机制动后停止。 d.刀架的快速移动和冷却泵控制 刀架的快速移动是由转动刀架手柄压动限位开关 SQ 来实现的。当手柄压动 SQ 后， 接触器 KM2 得电吸合，M3 电动机带动刀架快速移动。如果车削加工需要冷却液时按下 SB6，冷却泵电动机 M3 动作，KM4 线圈得电，冷却泵电动机 M2 工作，需要停止时按下按 钮 SB5 即可。 5．4 PLC 的选型 可编程序控制器（PLC）从广义上来说也是一种计算机控制系统，只不过它比计算机 具有更强的与工业现场相连的接口，具有更直接的适用于控制要求的编程语言。所以， 它与一般的计算机控制系统一样，具有 CPU、存储器、I/0 接口等部分。16CA6140 普通车床数控改造的电控系统设计5．4．1 PLC 的硬件系统 典型的 PLC 控制系统的硬件组成框图，如图 5-2 所示。PLC 主控模编块程CPU器开关输入模块 ，内存， 用 内存，通 采 设备 模拟量输入块 信接口 等计 可被 系 控 统接总开关量输出对 象 线外围 设备执行 装置 模拟量输出块电源 模块 测 模块 装置图 5-2PLC 控制系统硬件组成框图PLC 控制系统的硬件是由 PLC、输入/输出(I/O)电路及外围设备组成的。系统的规 模可根据实际应用的需要而定，可大可小。 1)主控模块包括 CPU、内存、通讯接口等部分。 2)输入/输出模块：对于输入/输出模块有:数字量输入/输出模块、开关量输入/输 出模块、模拟量输入/输出模块、交流量输入/输出模块、220V 交流量输入/输出模块。 还有智能模块。 3)电源模块：该模块将交流电源转换成供 CPU 内存等所需的直流电源，是整个 PLC 系统的能源供给中心。 4)I/O 电路：PLC 的基本功能就是控制，它采集被控对象的各种信号。经过 PLC 处 理后，通过执行装置实现控制。输入电路就是对被控对象进行监测、采集、转换和输入。 另外，安装在控制台上的按钮、开关等也可以向 PIC 送控制指令。输出电路的功能就是17菏泽学院本科生毕业设计（论文）接受 PIC 输出的控制信号，对被控对象执行控制任务。 5)PLC 外围设备：常用的有编程器、可编程终端、打印机、条形码读入机等等。 5．4．2 PLC 的软件系统 PLC 控制系统的软件主要是有系统软件、应用软件、编程语言及编程支持工具软件几个 部分组成。PLC 系统软件是 PLC 工作所必需的软件。在系统软件的支持下，PLC 对用户 程序进行逐条解释，并加以执行，直到用户程序结束，然后返回到程序的起始又开始新 一轮的扫描。PLC 的这种工作方式就成为循环扫描。但在 PLC 中，由于采用的是循环扫 描的工作方式，所以只有扫描到“线圈”的触点是，才会有动，没有扫描到时，触点就 不会动作。并且 PLC 扫描一次用户程序的时间周期长短与用户的长短和扫描速度有关。 S7-200PLC 中有众多类型的软元件，具体软元件介绍如下： 1.输入继电器(I)：只能由输入元件驱动，不可由程序驱动，实际点数不可超过 PLC 规 定的点数。 2.输出继电器(Q)：用来存放等待输出的控制信号。 3.通用辅助继电器(M)：主要用来在程序设计中处理逻辑控制任务。 4.特殊继电器(SM):具有特殊功能或用来存储系统的状态变量、 有关的控制参数和信息， 如高速计数和中断等等。 5.变量存储器（V） ：用来存储变量的值，常用于数据处理或使用大量存储逻辑时。 6.局部变量存储器(L):用来存放局部变量。 7.顺序控制继电器(S):用于顺序控制或步进控制中。 8.定时器（T） ：工作过程与继电接触式控制系统的时间继电器基本相同，但它没有瞬动 触点。使用时要提前输入时间预设值。 9.计数器(C):用于累计输入脉冲的个数。 10.模拟量输入映像寄存器（AI） 、模拟量输出映像寄存器（AQ）:AI 用以实现模拟量/ 数字量（A/D）之间的转换，而 AQ 用以实现数字量/模拟量（D/A）之间的转换。 11.高速计数器（HC） ：用来累计比主机扫描速率更快的高速脉冲。 12.累加器（AC） ：用来暂时存储数据。 图 5-3 为 PLC 内部工作示意图。18CA6140 普通车床数控改造的电控系统设计合上电源内部单元处理I/O 输入处理外设、CPU、总线通信服务更新时钟、特殊寄存器STOPCPU 运行执行程序输出处理执行自诊断 YPLC 正常否？存放自诊断错误结果N致命错误YCPU 强制为 STOP图 5-3PLC 内部工作示意图19菏泽学院本科生毕业设计（论文）5．4．3 电气控制中继电器控制与 PLC 控制的比较 1)控制中采用的逻辑部件不同 继电器-接触器控制全部用硬触点和“硬”线连接； 内部大部分采用“软”触点 PLC 和“软”线连接。 2)控制系统的结构和体积不同 继电器-接触器控制系统使用的电气元件多， 体积大且故障率大； PLC 控制系统结构 紧凑，使用的电气元件少，体积小。 3)控制中电器的触点不同 继电器-接触器控制中全部为机械式的硬触点，动作慢，弧光放电严重，寿命短， 而且使用次数有限；PLC 内部全部为“软”触点，动作快、寿命长，而且使用次数无限。 4)灵活性不同 继电器-接触器控制方案的改变，需拆线，重新再接线，乃至更换元器件，比较麻 烦；PLC 控制方案的改变，一般不需要修改硬件，只需修改程序即可，及其方便。 此外， 由于 PLC 技术是在计算机控制的基础上发展起来的， 它是以微处理器为核心， 结合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制 装置。具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点。 5．4．4 PLC 的选择 PLC 是控制系统的核心部件， 正确的选择 PLC 对整个控制系统技术经济性指标起着 重要的作用。 车床电气控制系统所需的 I/ O 点总数在 256 以下，属于小型机的范围. 控制系统 只需要逻辑运算等简单功能。主要用来实现条件控制和顺序控制。为实现 CA6140 车床 上述的电气控制要求，所以 PLC 可以选择西门子公司的 S7 - 200 系列。它的价格低， 体积小，非常适用于单机自动化控制系统. 该机床的输入信号是开关量信号，输出是负 载三相交流电动机接触器等。 车床电气控制系统需要 9 个外部输入信号， 个输出信号。 5 PLC 所具有的输入点和 输出点一般要比所需冗余 30 % ，以便于系统的完善和今后的扩展预留。所以本系统所 需的输入点为 12 个,输出点为 7 个。 现选择西门子公司生产的 S7 - 200 系列的 CPU224 型 PLC ，本机集成 14 输入/10 输出，它的程序存储容量和数据存储容量相对较大，它 最多可以有 7 个扩展模块，有内置时钟，有更强的模拟量和高速计数的处理能力。 5．5 PLC 的 I/O 地址的分配 根据该系统的控制要求，输入输出设备，确定了 I/O 点数。根据需要控制的开关、 设备大约输入点为 12 个,输出点为 7 个需进行控制， 现将 I/O 地址分配如表 5-1 所示。20CA6140 普通车床数控改造的电控系统设计表 5-1 PLC 控制系统 I/O 分配表 输入信号 反接制动按钮 SB1 主轴电动机 M1 的正转按钮 SB2 主轴电动机 M1 的反转按钮 SB3 主轴电动机 M1 的点动按钮 SB4 冷却泵电动机 M2 停止按钮 SB5 冷却泵电动机 M2 起动按钮 SB6 快速电动机 M3 起、停位置开关 SQ 速度继电器正转常开触头 KS1 速度继电器正转常开触头 KS2 PLC 地址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 输出信号 主电动机 M1 正转 KM1 主电动机 M1 反转 KM2 短接制动电阻 KM3 冷却泵电动机 M2 起、停 KM4 快速电动机 M3 起、停 KM5 PLC 地址 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.45．6 I/O 接线图 根据 PLC I/O 端子的分配，画出了 CA6140 车床 PLC 控制系统 I/O 接线图如图 5-4 所示。图 5-4PLC 控制系统 I/O 接线图21菏泽学院本科生毕业设计（论文）总结 车床作为机械加工制造的第一道工序所需设备， 其加工精度和自动化程度直接关系 到后续工序的效率和质量。本文主要针对 PLC 技术对机床控制系统的研究，主要做了以 下几方面的工作： 1、详细分析数控机床的原理、功能，机床数控改造的研究现状； 2、进行了 CA6140 普通车床数控改造的总体方案设计； 3、完成了主传动、进给传动系统设计； 4、分析了 PLC 在数控改造中的原理及应用； 5、完成了 CA6140 普通车床改造后电控系统的硬件配置及 l/0 线路图。22CA6140 普通车床数控改造的电控系统设计参考文献[1] 王永华． 现代电气控制及 PLC 应用技术[M]． 北京： 北京航空航天大学出版社， 2008.2： 120-126,184； [2] 张万忠．电器与 PLC 控制技术[M]．化学工业出版社，2-198； [3] 于广庆．可编程控制器原理及系统设计[M]．北京：清华大学出版社，-55； [4] 张铮．机电控制与 PLC[M]．机械工业出版社 -89,135-163； [5] 陈建明．电气控制与 PLC 应用[M]．北京：电子工业出版社，6-312； [6] 王炳实．机床电气控制[M]．机械工业出版社，-68； [7] 陈忠平，周少华，侯玉宝，李锐敏．西门子 S7-200 系列 PLC 自学手册，-185； [8] 张进秋，陈永利，张中民．可编程控制器原理及应用实例[M]．北京：机械工业出版社，2004.1： 68-126； [9] 李树雄． 可编程序控制器原理及应用教程[M]． 北京： 北京航空航天大学出版社， 2003.9： 89-128； [10]何献忠．可编程控制器应用技术[M]．北京：清华大学出版社，-12323菏泽学院本科生毕业设计（论文）致谢 时间如梭， 转眼毕业在即。 回想在大学求学的四年， 心中充满无限感激和留恋之情。 感谢母校为我们提供的良好学习环境，使我们能够在此专心学习，陶冶情操。谨向我的 论文指导老师任国军老师致以最诚挚的谢意！任老师不仅在学业上言传身教，而且以其 高尚的品格给我以情操上的熏陶。本文的写作更是直接得益于他的悉心指点，从最初的 定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他给了我耐心的指导和无私的帮助， 任老师是个很负责的老师，从任老师身上我感受到了老师对学生的那种赤诚的关心，这 让我不仅在学习上而且在生活上和以后的工作上都会受益匪浅。在此诚挚的感谢任老 师。 另外，我也要感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是他 们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能 在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意 另外，我必须感谢我的父母。焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报。作为他们的 孩子，我秉承了他们朴实、坚韧的性格，也因此我有足够的信心和能力战胜前进路上的 艰难险阻；也因为他们的日夜辛劳，我才有机会如愿完成自己的大学学业，进而取得进 一步发展的机会。 最后，我必须感谢我的朋友，正是因为他们在电脑技术上的无私指引，我才能得以 顺利完成该论文。24
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