应用PLC改造普通车床的电气控制系统之欧阳术创编

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)
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)
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改造方案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
PLC CPU I/O 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编程器计算机…接受…
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。

1.主轴变速箱
2.溜板与刀架
3.尾座
4.床身
5.丝杠
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
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。

2.2.2 控制电路分析
图Array 2-3
主电
路控
制电
路
a.主
电动
机的
点动
调整
控制
当按下点动按钮SB2不松手时，接触器KM1线圈通电，KM1主触点闭合，电网电压经过限流电阻R通入主电动机M1，从而减少了起动电流。

由于中间继电器KA未通电，故虽然KM1的辅助常开触点(7-8)已闭合，但不自锁。

因而，当松开SB2后，KM1线圈随即断电，主电动机M1停转。

b.主电动机的正反转控制
主电动机M1的额定功率为180W，功率较小，并且为轻载启动，因而起动电流小，所以，在非频繁点动的一般工作时，仍然采用了全压直接起动。

当按下正向起动按钮SB3时，SB3闭合，KM3通电，其主触点闭合，短接限流电阻R，另有一个常开辅助触点闭合，使得KA 通电，其常开触点闭合，使得KM3在SB3松手后也保持通电，进而KA也保持通电。

另一方面，当SB3尚未松开时，SB3闭合，由于KA的另一常开触点已闭合，故使得KM1通电，其主触点闭合，主电动机M1全压起动运行。

KM1的辅助常开触点也闭合。

这样，当松开SB3后，由于KA的二个常开触点保持闭合，故可形成自锁通路，从而KM1保持通电。

在KM3得电同时，通电延时继电器KT通电，其作用是使电流表避免起动电流的冲击。

正转时的主要元器件动作情况如下：
3#线→ SB3常开→ KM3，KT线圈→ 6# → FR1常闭→ 0#线，KM3得电吸合，主触点短接制动电阻R，、KT得电吸合。

3#线→ KM3常开→ KA线圈→ 0#线，KA得电吸合。

3#线→ SB3常开→ KA常开→ KM2常闭→ KM1线圈→ 6# → FR1常闭→ 0#线，KM1得电吸合，主触点闭合，主
电机正向起动。

图2-3中SB4为反向起动按钮，反向起动过程同正向时类似。

主电动机的反接制动控制
C650车床采用反接制动方式，用速度继电器SR进行检测和控制。

假设原来主电动机M1正转运行着，则SR的正向常开触点SR-1闭合，而反向常开触点SR-2依然断开着。

当按下反向总停按钮SB1后，原来通电的KM1、KM3、KT和KA就随即断电，它们的所有触点均被释放而复位。

然而，当SB1松开后，反转接触器KM2立即通电，电流通路是：
2#线→ SB1常闭触点→ KA常闭触点→ SR正向常开触点SR-1 → KM1常闭触点→ KM2线圈→ FR1常闭触点→ 0#线这样，主电动机M1就被串电阻反接制动，正向转速很快降下来，当降到n<120r／min，SR的正向常开触点SR-1断开复位，从而切断了上述电流通路。

至此，正向反接制动就结束了。

反向反接制动过程同正抽时的反接制动过程类似。

（3）刀架的快速移动和冷却泵控制
刀架及冷却泵控制电路如图2-4所示。

转动刀架手柄，限位开关SQ被压动而闭合，使得快速移动接触器KM5通电，快速移动电动机M3就起动运转，而当刀架手柄复位时，M3随即停转。

冷却泵电动机M2的起停按钮分别为SB6和SB5。

2.3整机线路联锁与保护
由KM1与KM2各自的常闭触点串接于对方工作电路以实现正反转运行互锁。

由FU及FU1～FU6实现短路保护。

由FR1与FR2实现M1与M2的过载保护（根据M1与M2额定电流分别整定）。

KM1～KM4等接触器采用按钮与自保控制方式，因此使M1与M2具有欠
电压与零电压保护。

第3章 PLC的简介及控制原理
3.1 PLC的发展历史
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。

随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。

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。

近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。

随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。

3.2 PLC系统
作为离散控制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十
年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%～30%。

随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。

但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。

综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。

PLC是由模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。

它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。

用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。

运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。

PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。

PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。

不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。

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（也有32位的）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（大约能省40%左右）。

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（最多可达8000多个I/O）。

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。

3.3 PLC的基本结构
3.3.1 中央处理器（CPU）
中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。

它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行
完毕之后，最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

3.3.2存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

3.3.3输入输出接口电路
a. 现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。

b.现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

图3-1 可编程序控制器的实物图
3.4 PLC的工作原理
当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

3.4.1 输入采样阶段
在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入
所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中的相应的单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

3.4.2 用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新
的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。

即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

3.4.3 输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。

3.5 PLC的选型
根据设计要求可知，PLC点数的选择，不管是输入点数还是输出点数都要留有10%的余量，根据I/O口分配情况可知：输入信号有11个，输出信号有6个，根据I/O点数可选择FX2N—24MR可编程控制器，以满足控制要求，而且输入输出都留有一定的余量。

第4章改造车床C650硬件设计
4.1 用PLC控制车床的优点及意义
4.1.1 控制方式
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。

4.1.2 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。

4.1.3 控制速度
继电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。

4.1.4 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。

4.1.5 可靠性和可维护性
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。

4.2统计I/0的点数
根据硬件的主电路分析,统计I/0的点数如表4-1所示：
表4-1 I/0点数的统计表。