C650卧式车床电气操纵系统的PLC改造毕业设计

西南科技大学毕业设计
题目：C650卧式车床电气操纵系统的PLC改造
摘要
车床是机床中应用最普遍的一种，它能够用于切削各类工件的外圆、内孔、端面及螺纹。

车床在加工工件时，随着工件材料和材质的不同，应选择适合的主轴转速及进给速度。

但目前中小型车床多采纳不变速的异步电动机拖动，它的变速是靠齿轮箱的有级调速来实现的，因此它的操纵电路比较简单。

为知足加工的需要，主轴的旋转运动有时需要正转或反转，那个要求一样是通过改变主轴电动机的转向或采纳聚散器来实现的。

有的为了提高效率，刀架的快速运动由一台进给电动机单独拖动。

更新改造旧机床是最近几年进展起来的一个新兴产业，该设计是对C650卧式车床的操纵系统的PLC操纵改造的研究设计。

采纳连线少、体积小、功耗小、操纵速度快、靠得住性高、功能完善的PLC操纵系统，来代替电气操纵系统中继电器操纵逻辑，配以适合的数控系统，可使机床操纵功能加倍丰硕，自动化水平大大提高。

这次设计从被控队象的I/O点数和性价比高、综合本钱低这几个要紧原那么动身，要紧进行了操纵装置选型，PLC的地址分派和用梯形图编辑的PLC 操纵程序设计。

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。

【关键词】C650卧式车床；PLC操纵；继电器；梯形图
Abstract
Research and Design for C650 horizontal type lathe Reconstruction on PLC Control ABSTRACT Retrofitting obsolete old machine tools is an industry developed in the recent years this design makes a reconstruction towards Research and Design for C650 horizontal type lathe Reconstruction on PLC Control My purpose is to use the state of PLC memorizer unit to replace the relay mechanical touch in series or parallel connection in electric control system Systems controlled by PLC have few line connected and small cubage little power cost and high control speed as well as precision and that PLC have count function which the electric control system don’t have comm. only. This design on the principle of the number of I/O spot in object controlled and high performance to price ratio and low comprehensive cost. PLC’s address distribution and PLC control edited by ladder diagram is mainly designed. On the basis of carrying out machine tools’ intrinsic functions other functions such as autom atic machining and automatic tool change is added after reconstruction.
【Key words】C650 horizontal；relay；PLC; ladder program
目录
前言 (1)
一、项目介绍 (2)
项目设计内容 (2)
概述 (2)
1.1.2 PLC 简介 (3)
项目设计具体要求 (4)
1. C650 车床的操纵要求 (4)
1.2.2 PLC 操纵系统的设计大体要求 (6)
二、整体方案设计 (8)
方案的提出与比较 (8)
方案的选择与论证 (9)
系统整体设计 (11)
三、操纵系统的整体设计 (13)
系统工作流程分析 (13)
I/O信号分析 (13)
PLC选型 (14)
PLC输入输出线路设计 (14)
四、操纵系统的软件设计 (16)
系统程序流程分析 (16)
梯形图程序设计及说明 (22)
五、操纵系统的硬件设计 (25)
主电路的设计及元件选型 (25)
操纵电路的设计及元件选型 (28)
操纵柜及面板图的设计 (32)
六、系统调试 (33)
程序的调试 (33)
操纵系统的调试 (33)
七、设计总结 (39)
参考文献 (41)
附录 1 (42)
前言
更新改造旧机床是最近几年进展起来的一个新兴产业，在国外己形成必然规模和市场，涌现出了许多专门从事机床改造的公司。

国外旧机床改造费用大约为同类型新机床价钱的60倍，尽管费用较高，但由于机床改造后利用成效好，因此仍然受到机床用户的欢迎。

随着科学生产力的进展，机床设备数控化率的提高已是衡量一个国家机械制造业现代化水平的重要标志。

据最近有关资料说明，我国机床总量为380余万台，其中数控机床总数只有万台，即我国机床数控化率还不到3，而一些发达国家早己达到20以上。

因此，我国机械制造水平与发达国家相较差距专门大，设备陈腐，技术水平掉队，严峻地阻碍了生产力的进展。

关于一个企业要想在竞争猛烈的市场中博得生存，适应当前产品更新日新月异的进展，要求在最短时刻生产出优质、高产、低价的新产品。

采纳先进的工艺设备，包括采纳数控机床，已显得愈来愈重要。

这关于我国一个机床拥有量极大其中大部份机床役龄较长，而当前经济财力又不足的进展中国家来讲，采纳旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率，是一个极为有效和有效的途径.即便在发达的工业国家，在大量制造数控机床的同时，也在组建维修改造专业公司，专门从事旧机床的维修和数控化改造，尤其在美国、日本和德国等发达国家机床工业处于不景气的今天，它们的机床改造却是为新的经济增加行业，生意盎然，处在黄金时期。

用数控技术改造机床和生产线具有广漠的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新行业。

因此，我选择对经典的C650卧式车床电气操纵系统进行关于PLC的改造，由于咱们的水平有限，时刻仓促，设计中不免有错误和不足的地方，恳请教师批评指正。

张原雪 2021年8月9日
一、项目介绍
项目设计内容
概述
C650车床用的是通过电器设备操纵液压系统，再有液压系统操纵聚散器、刹车器，以操纵主轴的正转、反转和停止运动。

要紧组成部件有：主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身，如图1所示。

图1-1 C650卧式车床示用意
主轴箱：又称床头箱，它的要紧任务是将主电机传来的旋转运动通过一系列的变速机构使主轴取得所需的正反两种转向的不同转速，同时主轴箱分出部份动力将运动传给进给箱。

主轴箱中等主轴是车床的关键零件。

主轴在轴承上运转的平稳性直接阻碍工件的加工质量，一旦主轴的旋转精度降低，那么机床的利用价值就会降低。

进给箱：又称走刀箱，进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其变速机构，可取得所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。

丝杠与光杠：用以联接进给箱与溜板箱，并把进给箱的运动和动力传给溜板
箱，使溜板箱取得纵向直线运动。

丝杠是专门用来车削各类螺纹而设置的，在进行工件的其他表面车削时，只用光杠，不用丝杠。

同窗们要结合溜板箱的内容区分光杠与丝杠的区别。

溜板箱：是车床进给运动的操纵箱，内装有将光杠和丝杠的旋转运动变成刀架直线运动的机构，通过光杠传动实现刀架的纵向进给运动、横向进给运动和快速移动，通过丝杠带动刀架作纵向直线运动，以便车削螺纹。

刀架：装夹刀具的夹具。

尾架：装夹锥柄工具加工、辅助加工工件的装置。

如：钻头、顶尖等
床身：车床的要紧部份。

工作进程和其它类型的车床大体一致。

为了加工出各类表面，车床刀具之间要维持必要的相对运动。

车床必需具有以下运动。

(1) 工件的旋转运动。

车床通常以工件的旋转运动作为主运动，用n(r／min)表示。

主运动是实现切削最大体的运动，其特点是速度高且消耗的动力较大。

(2) 刀具的移动。

这是车床的进给运动，经常使用贝mm／r)表示。

进给运动方向能够是平行于工件的轴线或垂直于工件轴线，也能够是与中心线成必然角度或做曲线运动。

进给运动速度较低，所消耗的动力也较少。

主运动和进给运动是形成被加工表面形状所必需的运动，称为机床的表面成形运动。

另外，机床上还有一些其他运动，如切入运动和分度运动。

卧式车床上的切入运动通常与进给运动的方向相垂直，且由工人手动操纵刀架来实现。

为了减轻工人的劳动强度和节省空行程，时刻，CA6140型车床还具有刀架纵向及横向的快速移动。

机床中除成形运动、切入运动和分度运动等直接阻碍加工表面和质量的运动外，还有辅助运动(为成形运动制造条件的运动称为辅助运动)。

1.1.2 PLC 简介
PLC Programmable Logic Controller（可编程操纵器），是在继电器操纵和运算机操纵基础上开发的工业自动化操纵装置，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的，它具有靠得住性高、设计施工周期短、维修方便、价钱廉价等特点，其种类繁多，不同厂家的产品各有特点，且有必然的区
别。

但作为工业标准设备，PLC 具有必然的共性，它们都是通过输入接口，接下班业设备或生产进程的各类输入信号（如从操作按钮、行程开关等送来的开关量或有由位器、传感器、变送器等提供的模拟量），并将其转换成其能够同意和处置的数据，运行用户操纵程序，将产生的结果通过输出接口转换成外围设备所需要的操纵信号，去驱动操纵对象（如接触器、电磁阀、调剂阀、指示灯、调速装置等），进而操纵工业设备或生产进程。

电气系统改造为 PLC 操纵的意义传统的继电器—接触器操纵系统由于其结构简单、容易把握、价钱廉价，在必然的范围内能知足操纵要求，因此利用面甚广，在工业操纵领域中曾占主导地位，可是继电器—接触器操纵有着明显的缺点：设备体积大、寿命短、靠得住性差、动作速度慢、功能少、程序不可变；因此关于程序固定，操纵进程不太复杂的系统仍是适合的。

可是由于它是靠硬连线逻辑组成的系统，接线复杂，因此当生产工艺或对象改变时，原有的接线和操纵柜就要改接或更改，通用性和灵活性较差。

但可编程序操纵器（PLC）以其完善的功能，很强的通用性，体积少及高靠得住性等特点在各工矿企业取得普遍的应用。

在工厂自动化系统中，PLC 被普遍采纳为核心的操纵器件。

它既可组成功能齐全的自控系统操纵整个工厂的运行，亦可单独利用作单机自动操纵。

它仍是继电器操纵柜的理想替代物。

在生产工艺操纵、进程操纵、机床操纵、组合机床自动操纵等场合，占有举足轻重的地位。

项目设计的具体要求
1. C650 车床的操纵要求
从车削工艺要求动身，对各电动机的操纵要求主若是：
电动机 M1（30KW）：由它完成主运动的驱动。

要求：直接起动持续运行方式并有点动功能以便调整；能正反转以知足螺纹加工需要；由于加工工件转动惯性大，停车时带有电气制动，另外，还要显示电动机的工作电流以监视切削状况。

冷却电动机 M2：用以加工时提供冷却液，采纳直接起动、单向运行、持续工作方式。

快速移动电动机 M3：单向点动、短时工作方式。

要求有局部照明和必要的电气爱惜与联锁。

C650 车床的操纵具体要求
轴转速和进给速度可调, 车削加工时，由于工件的材料、尺寸、工艺要求、加工方式、冷却条件及刀具种类不同，切削速度应不同，因此要求主轴转速能在相当大的范围内进行调剂；加工螺纹时，要求保证工件的旋转速度与刀具的移动速度之间具有严格的比例关系。

为此，车床溜板箱与主轴之间通过齿轮来连接，因此刀架移动和主轴旋转都是由一台电动机来拖动,而刀具的进给是通过互换齿轮箱传给进给箱的配合来实现的。

主轴能正反两个方向旋转
车削加工一样只需要单向旋转，但在车削螺纹时为幸免乱扣，要求主轴反转来退刀，因此要求主轴能正反旋转。

车床主轴旋转方向可通过改变主轴电机转向及用机械手柄（聚散器）来操纵。

主轴和各电动机起动应平稳
为知足此要求，一样功率较小的电动机（如：冷却泵电动机 M2 功率是 2. 2kW、刀架快速移动电动机 M3功率是）能够直接起动，功率较大的电动机（如：主轴电动机 M1功率是30kW）一样用降压启动，但假设电动机在空载或轻载情形下起动，尽管功率较大，仍可直接启动。

主轴应能迅速停车
迅速停车能够缩短辅助时刻，提高工作效率，为使迅速停车，电动机必需采取制动。

车床主轴电动机的制动方式有两种，一种是机械制动（例如机械摩擦的聚散器制动），另一种是电气制动（例如能耗制动和反接制动），C650 卧式车床主轴电动机的制动方式用反接制动。

车削时的刀具及工件应进行冷却
由于加工时的刀具及工件的温度相当高，应设有专用电动机拖动冷却泵工作。

机床各电路应有必要的爱惜及照明等电路
为避免机床电路发生漏电、过载、短路等故障，主电路、操纵电路应装上自动空气开关、漏电开关及热继电器等电气元件，电路的相应环节具有联锁功能，机床外壳要接地。

为知足工作要求，机床应设有专用照明装置。

C650车床主电路操纵系统原理图如图1-2所示。

图1-2 C650车床电气操纵原理图
1.2.2 PLC 操纵系统的设计大体要求
PLC 操纵系统是由 PLC 与用户输入、输入设备连接而成的，用以完成预期的操纵目的与相应的操纵要求。

因比 PLC 操纵系统设计的大体内容应包括: 了解设备电器的工作原理。

依照生产的工艺进程分析操纵要求，如需要完成的动作（动作顺序，必需的爱惜和联锁等），操作方式（手动，自动，点动，持续等）。

依照操纵要求确信系统操纵方案，进行系统的整体设计。

进行 PLC 操纵系统配置的设计，要紧为 PLC 的选择，PLC 是 PLC 操纵系统的核心部件，正确选择 PLC 关于保证整个操纵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。

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），和由输出设备驱动的操纵对象（电动机、电磁阀等），这些设备属于一样的电器元件。

依照操纵要求大体确信 I/O 点数和模拟量通道数，进行 I/O 初步分派，绘制I/O 接线图
程序设计要紧包括绘制操纵系统流程图、设计梯形图、语句表程序，操纵程序是操纵整个系统工作的核心条件，是保证系统工作正常，平安、靠得住的关键。

联机调试。

依照操纵电路原理图连接硬件，将编写好的操纵程序下载至 PLC，
进行软硬件联调，若是不知足操纵系统的要求，再返回修改程序或检查接线，直到知足操纵系统的要求为止。

二、整体方案设计
方案的提出与比较
C650 卧式车床的操纵方式及其优缺点C650 卧式车床的操纵方式是将接触器、继电器、按时器、其他电器及其触点按必然逻辑关系连接的继电接触器操纵系统，其具有结构简单、价钱廉价、便于把握的特点，在必然范围内知足操纵要求，此操纵方式在工业操纵中比较常见。

但这种操纵方式存在着设备体积大、动作速度慢、功能少而固定、靠得住性差、难于实现较复杂的操纵的缺点，专门是由于它是靠硬连线逻辑组成的系统，接线复杂，当生产工艺改变时，原有的接线和操纵盘就要改换，缺乏通用性和灵活性。

为了解决继电接触器操纵系统的这一缺点，寻求一种比继电接触器更靠得住、功能更齐全、相应速度更快的新型工业操纵器势在必行。

此新型工业操纵器应该既有电接触器简单易懂、利用方便、价钱低的特点又有功能完善、通用性好、灵活性好的优势。

从被操纵对象保护简单和操纵器性价比高、综合本钱低这几个要紧原那么动身，可编程操纵器（PLC）是最正确的选择
PLC 操纵系统与电气操纵系统的比较
PLC 操纵系统与电气操纵系统的比较要紧有以下优势：
（1）操纵方式电气操纵系统操纵逻辑采纳硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组成操纵逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统组成后，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，因此电气操纵系统的灵活性和可扩展性受到专门大限制。

而 PLC 采纳了运算机技术，其操纵逻辑时以程序的方式寄存在存储器中的，要改变操纵逻辑只需改变程序，因此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，因此“软继电器”的触点数量是无穷的 3 PLC 系统的灵活性和可扩展性也较好。

（2）工作方式在继电器操纵电路中，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 的用户程序按必
然顺序循环执行，因此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顺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）操纵速度继电器操纵系统依托机械触点的动作实现操纵，工作效率低，机械触点还会显现抖动问题。

而 PLC 时通进程序指令操纵半导体电路来实现操纵的，速度快，程序指令执行时刻在微秒级，且可不能显现触点抖动问题。

（4）按时和计数操纵电气操纵系统采历时刻继电器的延时动作进行时刻操纵，时刻继电器的延不时刻易受环境温度和温度转变的阻碍，按时精度不高。

而 PLC 采纳半导体集成电路做按时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，按时范围宽，用户可依照需要在程序中设按时值，修改方便，不受环境的阻碍，且 PLC 具有计数功能，而电气操纵系统一样不具有计数功能。

（5）靠得住性和可保护性由于电气操纵系统利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，因此靠得住性和可保护性较差。

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、靠得住性高。

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，并能动态地监视操纵程序的执行情形，为现场的调试和保护提供了方便。

方案的选择与论证
电气系统改造为 PLC 操纵的意义
传统的继电器—接触器操纵系统由于其结构简单、容易把握、价钱廉价，在必然的范围内能知足操纵要求，因此利用面甚广，在工业操纵领域中曾占主导地位，可是继电器—接触器操纵有着明显的缺点：设备体积大、寿命短、靠得住性差、动作速度慢、功能少、程序不可变；因此关于程序固定，操纵进程不太复杂的系统仍是适合的。

可是由于它是靠硬连线逻辑组成的系统，接线复杂，因此当生产工艺或对象改变时，原有的接线和操纵柜就要改接或更改，通用性和灵活性较差。

但可编程序操纵器（PLC）以其完善的功能，很强的通用性，体积少及高靠得住性等特点在各工矿企业取得普遍的应用。

在工厂自动化系统中，PC 被普遍采纳为核心的操纵器件。

它既可组成功能齐全的自控系统操纵整个工厂的运行，亦可单独利用作单机自动操纵。

它仍是继电器操纵柜的理想替代物。

在
生产工艺操纵、进程操纵、机床操纵、组合机床自动操纵等场合，PLC 占有举足轻重的地位。

专门是在数控机床及大量的机床改造和老设备改造中，PLC 应用极广。

方案的选择
C650一般车床属于中型车床，用于切削工件外圆、内孔和端面等。

该车床由主轴运动和刀具进给运动完成切削加工。

主轴由三相异步电动机拖动，进给是由主轴运动经齿轮传给进给箱来实现的，为减少辅助工作时刻，刀架由一台三相异步电动机单独拖动，实现刀架的快速移动，另外用一台交流电动机拖动冷却泵，用以实现切削时刀具的冷却，其具体的改造方案为：1、原车床的工艺加工方式不变；2、在保留主电路的原有元件的基础上,不改变原操纵系统电气操作方式；3、电气操纵系统操纵元件包括( 按钮. 行程开关. 热继电器. 接触器)，作用与原电气线路相同； 4、主轴和进给起动. 制动. 低速. 高速和变速冲动的操作方式不变； 5、改造原继电器操纵中的硬件接线，改成 PLC 编程实现。

PLC的优势：
（1）靠得住性 Plc不需要大量的活动元件和连线电子元件。

它的连线打打减少。

与此同时，系统的维修简单，维修时刻短。

Plc 采纳了一系列靠得住性设计的方式进行设计。

例如：冗余的设计。

断电爱惜，故障诊断和信息爱惜及恢复。

Plc 有较高的易操作性。

它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一样不容易发生操作的错误。

Plc 是为工业生产进程操纵而专门设计的操纵装置，它具有比通用运算机操纵更简单的编程语言和更靠得住的硬件。

采纳了精简化的编程语言。

编程犯错率大大降低。

（2）易操作性对 plc 的操作包括程序输入和程序更改的操作。

程序的输入直接可接显示，更改程序的操作也能够直接依照所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻觅，然后进行更改。

Plc 有多种程序设计语言可供利用。

用于梯形图与电气原理图较为接近。

容易把握和明白得。

Plc 具有的自诊断功能对维修人员维修技术的要求降低。

当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员能够专门快找到故障的部位。

（3）灵活性 Plc 采纳的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。

编程方式的多样性使编程简单、应用而拓展。

操作
十分灵活方便，监视和操纵变量十分容易。

以上特点利用 plc 操纵系统具有靠得住性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强，运行稳固等诸多优势尔后 plc 操纵系统还会取得更普遍的利用。

系统整体设计
C650车床电气操纵原理图如图2-1所示。

图2-1 C650卧式车床电气操纵原理图
统计I/O点数，见表2-1。

类型功能所占点数(个)
输入设备M1的停止按钮 1 M1的点动按钮 1 M1的正转按钮 1 M1的反转按钮 1
三、操纵系统的整体设计
系统工作流程分析
C650卧式车床工作流程图如图3-1所示。

图3-1 C650卧式车床工作流程示用意 I/O信号分析
依照前面的介绍可分析I/O信号。

如表3-1所示。

输入设备PLC输
入继电
器输出设备PLC输
出继电
器
代号功能代号功能
表3-1 PLC I/O分派表
PLC选型
依照设计要求可知，PLC点数的选择，不管是输入点数仍是输出点数都要留有10%的余量，依照I/O口分派情形可知：输入信号有11个，输出信号有6个，依照I/O点数可选择FX2N—24MR可编程操纵器，以知足操纵要求，而且输入输出都留有必然的余量。

PLC输入输出线路设计
PLC输入输出线路设计如图3-2所示。

图3-2 PLC输入输出线路设计简图
四、操纵系统的软件设计
系统程序流程分析
电动机M1由接触器KM1～KM3操纵，PLC中操纵KM1～KM3的输出继电器别离为Y0～Y2。

Y0～Y2别离位于梯形图的第6、9、10梯级。

在第Y0［6］、Y1［9］线圈电路中，别离串Y1、Y0的动断触点◎Y0，◎Y1实现互锁；还别离串联有按时继电器T1、T2的动合触点#T1、#T2，以操纵Y0、Y1延时启动。

在第5、第8梯级别离设计T1、T2的线圈电路，它们别离由辅助继电器M101、M102的动合触点#M101、#M102操纵。

在第4、第7梯级别离设计辅助继电器M101、M102线圈电路，除用动断触点◎M101、◎M102进行互锁外，还别离受输入继电器X2、X3的动合触点、动断触点操纵。

由I/O分派表可知，输入继电器X2、X3别离为启动按钮SB2、反转启动按钮SB3操纵。

由此可知，辅助继电器M101、M102别离为正转、反转启动辅助继电器。

在第Y2［10］线圈电路中，串接有M101、M102的动合触点#M101、#M102的并联支路，因此只有辅助继电器M101或M102得电，输出继电器Y2得电，才能使KM3得电吸合，短接电阻R。

如此取得电动机正、反转操纵梯形图如图4-1所示。

M1正反转操纵的转换是由接触器KM1和KM2的主触点切换电源的相序实现的。

在切换时，必需避免电源相间短路。

例如，由正转变成反转时，当KM1主触点断开，产生瞬时电弧，KM1主触点仍为导通状态，若是现在KM2主触点闭合，就会使电源发生短路，要幸免电源短路，必需在完全没有电弧的情形下使KM2主触点闭合。

在继电器接触器操纵中，通常采纳KM1和KM2互锁的方式来幸免电源的短路。

PLC操纵与继电器接触器操纵不同，PLC在循环扫描进，执行程序的速度是超级快的，Y0和Y1触点切换是在毫秒级刹时完成的，几乎没有时刻延时。

因此，必需采取避免电源短路的方法。

在梯形图中，按时器T1与T2用来操纵正、反转。