基于PLC的普通车床电气控制系统硬件设计Word格式文档下载.docx
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另外,根据加工工艺的要求,需要改变控制逻辑关系时,必须修改线路,重新安装配线,这对现代机床的控制要求是很不适应的。
近年来,由于电力电子器件及其变换技术的发展和矢量控制技术的应用,交流调速系统有了很大的发展,在调速性能上完全可以与直流调速系统相媲美,加之性能可靠、维护方便,因而在星带机床中逐步取代着直流调速系统。
在机床的控制方面,今年出现的可编程控制器(PLC)已广泛用于电气控制系统中。
可编程控制器不仅可以按事先编好的程序进行各种逻辑控制,还具有随意编程、自动诊断、通用性好、体积小、可靠性高的特点。
因此,可编程控制器正逐步取代着继电器-接触器控制系统。
本文就是以普通车床为对象,基于PLC进行电气控制系统设计。
一共分为几个部分:
第一章为概述,对普通车床的结构、主要运动以及技术参数做了简要介绍。
第二章为普通车床的电气控制系统分析,对于车床的主电路、控制电路和照明电路进行分析,说明了电气控制要求和总体设计。
第三章介绍了系统的硬件和PLC的概况、特点以及应用,并且针对本次设计介绍了PLC在车床方面的实际应用。
第四章详细的分析了PLC的工作原理、工作过程、组成部分通信联网以及编程语言。
并且对于各个部分进行了详细的分析。
第五章则是PLC的软件设计,Step7分析,并且做出了I/O端口、PLC外部接线图、梯形图以及设计分析。
第六章为触摸屏装置的链接与调试,来实现机器操作和监控。
最后为结论部分。
通过学习大量参考文献和在现场对各种实际情况的研究和分析,得出结论。
1C6140型普通车床概述
1.1C6140型车床的主要结构
C6140型车床的主要结构见图1.1,主要有主轴变速箱、挂轮箱、进给箱、溜板箱、溜板与刀架、尾架、床身等。
主轴变速箱的功能是支承主轴和传动其旋转,包含主轴及其轴承、传动机构、起停及换向装置、制动装置、操纵机构及滑润装置。
进给箱的作用是变换被加工螺纹的种类和导程,以及获得所需的各种进给量。
它通常由变换螺纹导程和进给量的变速机构、变换螺纹种类的移换机构、丝杠和光杠转换机构以及操纵机构等组成。
溜板箱的作用是将丝杠或光杠传来的旋转运动转变为直线运动并带动刀架进给,控制刀架运动的接通、断开和换向等。
刀架则用来安装车刀并带动其作纵向、横向和斜向进给运动。
图1.1C6140型普通车床的主要结构
1.1.1C6140车床的主要运动
车床的主运动是工件的旋转运动,它是由主轴通过卡盘或顶尖带动工件旋转。
电动机的动力通过主轴箱传给主轴,主轴一般只要单方向的旋转运动,只有在车螺纹时才需要用反转来退刀。
车床的另一个运动则是进给运动,进给运动由溜板带动刀架的直线移动。
车床还有辅助运动,如溜板和刀架的快速移动、尾架的移动以及工件的夹紧与放松等。
1.2C6140型普通车床技术参数表
表1.1技术参数表
类型
参数及单位
主电机功率
4(kw)
外形尺寸
750(mm)2170×
870×
1300(mm)
净重
1.45(t)
床身上最大回转直径
400(mm)
刀架上最大回转直径
205(mm)
最大车削长度
700/1000/1500(mm)
螺纹车削范围
公制0.3-10(mm)英制24-1.5(tpi)
主轴转速级数
8
转速范围
42-980(r/min)
主轴通孔直径
40(mm)
小刀架
95(mm)
横滑板
180(mm)
孔径
52(mm)
内锥孔
MT6#
2车床电气控制系统分析及总体设计
2.1车床的电气控制电路原理图
C6140型普通车床电气控制电路原理图如下图所示。
图2.1车床电气原理图
2.2车床电路分析和电气控制要求
2.2.1主电路分析
C6140型普通车床共由三台电动机拖动。
图2为该车床的电气主电路图。
在主电路中M1为主轴电动机,拖动主轴的旋转并通过传动机构实现车刀的进给。
M2为冷却泵电动机,M3为快速移动电动机。
KM1~KM3为交流接触器,FR1~FR2为热继电器的热元件,分别做M1,M2的过载保护。
FU~FU4为熔断器。
按钮SB1为主轴电动机M1的启动按钮,SB2为主轴电动机M1的停止按钮,按钮SB3为快速移动电动机M3的点动按钮,手动开关SA1为冷却泵电动机M2的启动按钮。
QS为电源总开关。
2.2.2控制电路分析
控制变压器TC二次分别输出6V、24V和220V,其中6V作为电源指示灯的电源,24V作为照明灯的电源,而220V为控制回路的工作电源。
控制变压器的一次侧由FU1做短路保护。
(1)主轴电动机M1通常选用笼型异步电动机,完成主轴主运动和刀具给进运动的驱动。
电动机采用直接起动的方式起动。
主轴电动机M1的控制要求:
按下启动按钮SB1,接触器KM1闭合,主轴电动机M1启动运转;
按下停止按钮SB2,接触器KM1断电释放,主轴电动机M1停止运转。
(2)车削加工中,为防止刀具和工件的温度过高、延长刀具使用寿命、提高加工质量,车床附有一台单方向旋转的冷泵电动机M2,提供冷却液。
冷却泵电动机M2的控制要求:
主轴电动机M1启动后(M1电动机未启动之前,M2电动机是不能启动的),将手动开关SA1扳置闭合位置,接触器KM2闭合,冷却泵M2启动运转;
将SA1扳置断开的位置,接触器KM2断开,冷却泵电动机M2停转。
(3)为了提高生产效率、减轻工人劳动强度,溜板箱的快速移动由电动机M3单独拖动。
根据使用需要,可随时手动控制起停。
快速移动电动机M3的控制要求:
按下点动按钮SB3,接触器KM3通电闭合,快速移动电动机M3启动运转;
松开点动按钮SB3,接触器KM3断电释放,快速移动电动机M3停转。
(4)当热继电器FR1、FR2任意一个常闭触电断开时,接触器KM1、KM2、KM3断电,电动机M1、M2、M3停止运转。
熔断器FU1~FU4分别对主电路、控制电路和辅助电路实行短路保护。
因此,电路具有短路及过载保护。
2.2.3信号及照明电路
控制变压器TC的二次侧分别输出24V和6V电压,作为机床照明灯和信号灯的电源。
EL为机床的低压照明灯,由开关SA2控制;
HL为电源的信号灯。
合上电源开关QS,指示灯HL亮,表示控制电路有电。
2.3电器元件明细表
表2.1电器元件明细表
符号
元件名称
型号
规格
件数
作用
M1
主轴电动机
Y132M-4-B3
7.5KW1450r/min
1
工件的旋转和刀具的进给
M2
冷却泵电动机
AOB-25
90W3000r/min
供给冷却液
M3
快速移动电动机
AOS5634
0.25KW1360r/min
刀架的快速移动
KM1
交流接触器
CJO-10A
127V10A
控制主轴电动机M1
KM2
控制冷却泵电动机M2
KM3
快速移动电动机M3
QS
低压断路器
DZ5-20
380V20A
电源总开关
SB1
按钮
LA2型
500V5A
主轴停止
SB2
主轴启动
SB3
快速移动电动机M3点动
SA1
转换开关
HZ2-10/3
10A,三极
控制冷却泵电动机
SA2
10A,三极
照明灯开关
钥匙式电源开关
开关
行程开关
LX3-11K
打开皮带罩时被压下
LX5-11K
电气箱打开时闭合
FR1
热继电器
JR16-20/3D
15.4A
M1过载保护
FR2
JR2-1
0.32A
M2过载保护
TC
变压器
BK-200
380/127、36、6.3
控制与照明用变压器
FU
熔断器
RL1
40A
全电路的短路保护
FU1
4A
TC一次侧的短路保护
FU2
2A
控制电路的短路保护
FU3
1A
信号灯的短路保护
FU4
照明灯的短路保护
EL
照明灯
K-1,螺口
40W36V
机床局部照明
HL
指示灯
DX1-0
白色,配6V0.15灯
电源指示灯
2.4电气控制系统总体设计思路
本设计主要是采用西门子PLC及其触摸屏装置对普通车床电气控制系统进行控制的,采用西门子的可编程控制器对车床运动进行控制和调节。
具体实际操作有:
(1)原车床的工艺加工方法不变;
(2)在保留主电路的原有元件的基础上,不改变原控制系统电气操作方法;
(3)电气控制系统控制元件(包括按钮,行程开关,热继电器和接触器等),作用与原电气线路中作用相同;
(4)主轴和进给启动,制动,低速,高速和变速冲动的操作方法不变;
(5)改造原继电器控制中的硬件接线,改为PLC编程实现;
(6)在普通车床电气控制系统中加入触控屏监控系统设计。
3系统硬件设计及PLC概况和应用
本控制系统硬件设计由PLC控制系统硬件、触摸屏系统硬件以及其他辅助硬件设计组成。
在设计中应考虑以下原则:
1.可靠性。
可靠性是控制系统的生命,系统不可靠,即使功能再完善,经济性再好也没有用,可靠性不好的设备是没有市场的。
在设计中,尽可能选择可靠的元件和产品,虽然初始投资可能多一点但是考虑到因为可靠性不好造成的生产和维修费用,还是值得的。
2.功能完善。
在保证控制功能的基础上,尽可能的将自检、报警等功能纳入设计方案。
3.经济性。
在保证控制功能和可靠性的基础上,尽可能降低成本。
4.在保证前三条的基础上,考虑系统的先进性和可扩展性。
3.1PLC的概况
在制造工业(以改变几何形状和机械性能为特征)和过程工业(以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征)中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作,并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。
传统上,这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电气控制装置的要求,第二年,美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置,使得电气控制功能实现的程序化,这就是第一代可编程序控制器,英文名字叫ProgrammableController(PC)。
随着电子技术和计算机技术的发生,PC的功能越来越强大,其概念和内涵也不断扩展。
上世纪80年代,个人计算机发展起来,也简称为PC,为了方便,也为了反映或可编程控制器的功能特点,美国A-B公司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器ProgrammableLogicController(PLC)。
上世纪80年代至90年代中期,是PLC发展最快的时期,年增长率一直保持30~40%。
在这时期,PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高,PLC逐渐进入过程控制领域,在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
近年,工业计算机技术(IPC)和现场总线技术(FCS)发展迅速,挤占了一部分PLC市场,PLC增长速度出现渐缓的趋势,但其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位,在可预见的将来,是无法取代的。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前,我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
可以预期,随着我国现代化进程的深入,PLC在我国将有更广阔的应用天地。
3.2PLC的特点
1)可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。
2)配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3)系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
4)体积小,重量轻,能耗低
以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
3.3PLC的应用
1)PLC开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、普通车床、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2)PLC模拟量控制
在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。
3)PLC数据处理
现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。
4)PLC过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5)PLC通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便。
3.4PLC在普通车床电气控制系统中的应用
3.4.1PLC在数控系统中的作用
在机床的数控系统中,控制部分可分数字控制和顺序控制两大部分。
数字控制部分,控制刀具轨迹;
而顺序控制部分,控制辅助机械动作,这种辅助动作控制通常称强电控制,它以主轴转速S、刀具选择T和辅助机能M为代码信息,送入数控系统,经系统的识别、处理,转换成与辅助动作对应的控制信号,使执行环节作相应的开关动作。
(1)PLC输入输出端与机床面板信号联接。
CNC数控车床操作面板上有按钮、旋钮开关、波段开关和指示灯等,按钮、旋钮开关和波段开关,直接与可编程控制器的输入端接线柱相连,指示灯接线直接与PI£输出端接线柱相连,指示灯的亮暗取决于相应的PLC输入端的开关状态及固化在PCROM卡中的梯形图程序。
(2)PLC输出端与车床强电信号联接。
PLC在CNC车床中的主要作用,是控制强电部分,如:
主控电源、伺服电源、刀架电机正反转、主轴风扇、润滑电机等。
由于流过强电电路的电流很大,在PLC输出端都接有保护用继电器。
在每一个交流
线圈两侧并联阻容电路以吸收由于线圈通断时产生的浪涌电流。
为了提高电机运行的可靠性。
在接触器线圈电路中加有互锁保护触点。
同理,每个电机的运行程序控制逻辑,都固化在PCROM卡中,受机床操作面板开关和数控系统软件的控制。
(3)PLC输入端与CNC机床数控装置I/O口的联接。
可编程控制器输出端的通断,是由其输入端通断状态及梯形图程序决定的。
CNC车床数控装置与可编程控制器的联接,是通过软开关直接控制PLC输入端的通断,以决定PLC输出端的状态。
从数控装置I/O口的信息流向分析,可以分为两种情况:
一是数控装置从I/O口输出指令,控制PLC完成相应的动作;
另一种是检测PLC输入口的开关状态,数控装置的I/O口是输入信号,数控装置根据输入信号的性质做出相应的控制。
(4)CNC加工代码在PLC上的实现方法。
目前,数控车床程序中,有关车床坐标系约定、准备功能、辅助功能、刀具功能及程序格式等方面已趋于统一,形成了统一的标准,即所谓的CNC车床ISO代码。
在—个加工程序中,包含许多程序段,每个段又由若干字组成,每1个字表示一种功能,归纳起来有4种:
第一种是准备功能,即所谓的G代码;
第二种是辅助功能,即所谓的M代码;
第三种是刀具功能,即所谓的T代码;
第四种是转速功能,即所谓的S代码。
根据数控车床性能的不同,能执行这4种功能多少的程度也不同。
在数控车床内部的4种功能中,G功能主要与联动坐标轴驱动有关,是通过CP
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- 基于 PLC 普通 车床 电气控制 系统 硬件 设计