最新CA6140车床电气控制改造PLC控制汇总

C A6140车床电气控制
改造P L C控制
四川职业技术学院
《数控机床电气控制与PLC》
课程设计
所属系部机械工程系所属专业数控技术所属班级数控1班学号02
学生姓名王倩林指导教师刘帅完成日期2015/4/20
任务书
摘要
数控技术水平的高低和数控设备拥有的多少已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。

数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。

但是，发展数控技术的最大障碍就是添置设备的初期投资大，这使许多中小型企业难以承受。

如果淘汰大量的普通机床，而去购买昂贵的数控机床，势必造成巨大的浪费。

因此，普通机床的数控化改造大有可为。

针对现有常规CA6140普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。

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CA6140机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。

采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。

通过对CA6140A普通车床的数控改造，使其加工精度明显提高，定位准确可靠，操作方便，性能价格比高。

这种方法对中小企业设备的数控改造有一定的借
鉴与推广作用。

本次改造主要针对车床的主轴系统、刀架系统、进给系统、反馈环节、电器控制柜及数控系统进行了改造，改造方法简单、改造操作步骤便于实施。

而且掌握了一些CAM、CAD等制图软件的应用和论文的撰
目录
摘要 (4)
目录 (5)
1绪论 (7)
1.1设计目的及意义 (7)
1.2CA6140的现状 (7)
2.1CA6140车床电气控制原理 (8)
2．1.1 电气控制原理 (8)
2.1. 2CA6140卧式车床的主要运动形式及控制要求 (9)
2.2 PLC改造控制电路设计 (11)
2.2.1控制电路设计 (11)
2.2.2 照明电路 (13)
2.2.3 指示电路 (13)
2.3I/O统计 (13)
3.硬件选型 (14)
3.1电气元件明细表 (14)
3.1.1电动机的选择 (16)
3.1.2电源引入开关Q (16)
3.1.3 热继电器FR1、FR2 (17)
3.1.4 熔断器FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6 (17)
3.1.5 接触器KM1,KM2及KM3 (17)
3.1.6 控制变压器TC1 (17)
3.1.7 开关SA1,SA2 (18)
3.1.8导线的选择 (18)
3.1.9 制定3.10 电器位置图 (19)
3.2PLC的I/O接线 (20)
4.1 PLC控制过程分析 (21)
5 系统调试 (22)
6总结 (23)
参考文献 (24)
[1]刘祖其.机床电气控制与PLC[M].北京：高等教育出版社，2009. (24)
CA6140车床电气控制电路原理图 (25)
1绪论
1.1设计目的及意义
20世纪初，由于电动机的出现，使得机床的拖动发生了变革，用电动机代替蒸汽机，机床的电气传动随电动机的发展而发展。

电气传动的控制方式亦经历了一个从低级到高级的发展过程。

最初采用手动控制。

最早的自动控制是20世纪20、30年代出现的继电接触器控制，它可以实现对控制对象的起动、停车、凋速、自动循环以及保护等控制。

它所使用的控制器件结构简单、价廉、控制方式直观、易掌握、工作可靠、易维护，因此在机床控制卜得到长期、广泛的应用。

它的缺点是体积大、功耗大、控制速度慢、改变控制程序困难，由于是有触点控制，在控制复杂时可靠性降低。

为了解决复杂和程序可变控制对象的需要，在20世纪60年代出现了顺序控制器。

它是继电器和半导体元件综合应用的控制装置，具有程序改变容易、通用性较强等优点，广泛用于组合机床、自动线上。

随着计算技术的发展，又出现了以微型计算机为基础的具有编程、存储、逻辑控制及数字运算功能的可编程控制器PLC【1】。

1.2CA6140的现状
CA6140是一种应用广泛的金属切削机床，目前采用传统的继电器控制的普通车床在中小型企业任大量使用。

能够车削外圆、内圆、螺纹、螺杆等，它采用继电器接触器电路来实现电气控制系统。

但由于大量的使用了继电器与接触器，再加上继电器系统接线复杂，经常造成接触不良，而且原件老化快，设备故障频繁，不便于维修，故障诊断与排除困难，并存在：
（1）触电容易被电弧烧坏而导致接触不良
（2）机械方式实现的触点控制反映速度慢
（3）继电器的控制功能被固定在线路中，功能单一、灵活性差
影响到实际的生产运用。

因此当务之急就是对ca6140车床进行技术改造，以提高企业的设备利用率，提高产品的质量和产量。

2.1CA6140车床电气控制原理
2．1.1 电气控制原理
根据电气传动的要求，由接触器KM1、KM2、KM3分别控制电动机M1、M2、M3，具体电路图如图2-1所示。

图2-1主控制电路设计
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。

主轴电动机M1的运转和停止由接触器KM1的三个常开主触点的接通和断开来控制，电动机M1只需作正转，而主轴的正反转是由摩擦离合器改变传动链来实现的。

电动机M1的容量小于10KW，所以采用直接启动。

M2为冷却泵电动机，进行车削加工时，刀具的温度高，需用冷却液来进行冷却。

为此，车床备有一台冷却泵电动机拖动冷却泵，喷出冷却液，实现刀具的冷却。

冷却泵电动机M2由接触器KM2的主触点控制。

M3为快速移动电动机，由接触器KM3的主触点控制。

M2、M3的容量都很小，加装熔断器FU1作短路保护。

热继电器FR1和FR2分别作M1和M2的过载保护，快速移动电动机M3是短时工作的，所以不需要过载保护。

带钥匙的低压短路器QF是漏电自动开关。

为了防止电动机外壳带电发生人身事故，电动机外壳均与底线连接。

电源经熔断器用QF引入。

该开关为漏电自动开关。

在自动开关旁有一小孔，其内有漏电实验按钮，以备检查漏电是否正常；电器箱盖内有漏电开关SQ2，当电器箱盖打开，则SQ2的触点闭合，是漏电电阻R通电，电源开关QF自动跳闸；当车床钥匙开关SA2在闭合状态时，操作者把机床关断，使SA2闭合，则机床电源开关合不上，车床无法开动。

欲开车床，需用钥匙把SA2触点打开，方可运行【2】。

2.1. 2CA6140卧式车床的主要运动形式及控制要求
主运动
运动形式：主轴通过卡盘或顶尖带动工件的旋转运动：
控制要求：（1）主轴电动机选用三相笼型异步电动机，不进行调速，主轴采用
齿轮箱进行机械有级调速
（2）车削螺纹时要求主轴有正反转，一般由机械方法实现，主轴
电动机只作单向旋转
（3）主轴电动机的容量不大，可采用直接启动
进给运动
运动形式：刀架带动刀具的直线运动
控制要求：进给运动也由主轴电动机拖动，主轴电动机的动力通过挂轮箱传递给进给箱来实现刀具的纵向和横向进给。

加工螺纹时，要求刀具移
动和主轴转动有固定的比例关系
辅助运动
（1）运动形式：刀架的快速移动
控制要求：由刀架快速移动电动机拖动，该电动机可直接启动，也不需要
正反转和调速
（2）运动形式：尾架的纵向移动
控制要求：由手动操作控制
（3）运动形式：工件的夹紧与放松
控制要求：由手动操作控制
（4）运动形式：加工过程的冷却
控制要求：冷却泵电动机和主轴电动机要实现顺序控制，冷却泵电机也不需要正反转和调速
2.2 PLC改造控制电路设计
2.2.1控制电路设计
控制电路采用110V交流电压供电，通过控制变压器TC得到，由熔断器FU6作短路保护。

具体电路图如图2-2所示。

图2-2 控制电路设计
（1）电源开关的控制
电源开关是带有开关锁SA2的低压断路器QF，当要合上电源开关时，首先用开关钥匙将开关锁SB右旋，再扳动断路器QF将其合上。

若用开关钥匙将开关锁SB左旋，其触点闭合，QF线圈通电，断路器QF将自动跳开。

若出现误操作，又将QF合上，QF将在0.1s内再次自动跳闸。

由于机床的电源开关采用了钥匙开关，接通电源时要先用钥匙打开开关锁，再合断路器，增加了安全性，同时在机床控制配电盘的壁龛门上装有安全行程开关
SQ2，当打开配电盘壁龛门时，行程开关的触点SQ2闭合，QF的线圈通电，QF 自动跳闸，切除机床的电源，以确保人身安全。

（2）主轴电动机M1的控制
SB4是红色蘑菇型的停止按钮，SB3是绿色的启动按钮。

按一下启动按钮SB3，KM1线圈通电吸合并自锁，KM1的主触点闭合，主轴电动机M1启动运转。

按一下SB4，接触器KM1断电释放，其主触点和自锁触点都断开，电动机M1断电停止运行。

（3）冷却泵电动机的控制
当主轴电动机启动后，KM的常开触点闭合，这时若按下按钮SB10，则KM2线圈通电，其主触点闭合，冷却泵电动机M2点动启动，提供冷却液。

当按下SB7时，中间继电器M0得电自锁，后KM2线圈得电，冷却泵电动机M2长动启动，按下SB11时可使冷却泵解除长动状态，当主轴电动机M1停车时，KM常开触头断开，冷却泵电动机M2随即停止。

M1和M2之间存在联锁关系。

（4）快速移动电动机M3的控制
快速移动电动机M3是由接触器KM3进行的点动控制。

按下按钮SB12，接触器KM3线圈通电，其主触点闭合，电动机M3启动，拖动刀架快速移动；松开SB12，M3停止。

快速移动的方向通过装在溜板箱上的十字手柄扳到所需要的方向来控制。

(5） SQ1是机床床头的挂轮架皮带罩处的安全开关。

当装好皮带罩时，SQ1（1-2）闭合，控制电路才有电，电动机M1、M2、M3才能启动。

当打开机床床
头的皮带罩时，SQ1（1-2）断开，使接触器KM1，KM2、KM3断电释放，电动机全部停止转动，以确保人身安全。

2.2.2 照明电路
照明电路采用24V安全交流电压。

照明电路由开关SA1接24V低压灯泡EL 组成，灯泡的另一端必须接地，以防止变压器原绕组和副绕组间发生短路时发生触电事故。

故熔断器FU5是照明电路的短路保护器件。

2.2.3 指示电路
指示电路采用6V交流电压供电。

指示灯泡HL接低压6V，熔断器FU4是指示电路的短路保护器件。

CA6140车床电气控制原理图如图2-3所示。

图2-3 CA6140车床电气控制电路原理图
2.3I/O统计
控制电路中，8个输入信号，3个输出信号。

其输入/输出电器及PLC的I/O配置如表2-1所示。

表2-1 输入/输出电器及PLC的I/O配置
3.硬件选型
3.1电气元件明细表
电气元件明细表要注明各元器件的型号、规格及数量等，如表3-1所示。

表3-1 CA6140车床电气元件表
3.1.1电动机的选择
M1主轴电动机：Y系列电动机具有体积小、重量轻、运行可靠，结构坚固，外形美观等特点，起动性能好，具有效率高等特点，达到了节能效果。

而且噪声低、寿命长、经久耐用。

Y系列电动机适用于空气中不含易燃、易爆或腐蚀性气体的场所。

Y132-4-B3型号电动机功率为7.5kW，频率为50Hz，转速为1450r/min，功率因素COSφ为，0.85效率为87%，堵转转矩为2.2n.m，最大转矩为2.3n.m，所以此类型电动机能符合电路配置，并能有效完成工作【3】。

M2冷却泵电动机：AOB-25机床冷却泵是一种浸渍式的三相电泵，它由封闭式三相异步电动机与单极离心泵组合而成，具有安装简单方便.运行安全可靠.过负荷能力强.效率高.噪声低等优点，适合作为各种机床输送冷却液、润滑液的动力。

此电动机输出功率为90W，扬程为4米，流量为25升/分，出口管径为1/2吋，能有效配合M1电动机使用。

M3快速移动电动机：AOS5634功率为250W，电压为380V，频率为
50Hz，转速为1360转/分，E级。

3.1.2电源引入开关Q
Q主要作为电源隔离开关用，并不是用它来直接起停电动机，可按电动机额定电流来选。

根据该三台电动机来看，选中小型组合机床常用三极组合开关，型号DZ5-20，电流20A。

3.1.3 热继电器FR1、FR2
主电动机M1额定电流15.4A,KH1应选用JR16-20/3D型热继电器，热元件电流为20A整定电流调节范围较大，工作时将额定电流调到15.4A.
M2的工作电流只有0.32A，故选用JR2-1型热继电器，热元件整定电流调节范围较小，工作时调整在0.32A。

3.1.4 熔断器FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6
FU对整机进行短路保护的熔断器，选用BZ001型熔断器，配用40A熔断体。

FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6均选用BZ001型熔断器，分别配用
1A,4A,1A,1A,2A,1A的熔断体。

3.1.5 接触器KM1,KM2及KM3
接触器KM1根据主电动机的额定电流等于15.4A，控制回路电源电压110V，需主触点3对，动合辅助触头2对，根据以上情况，选用CJ0-20B型交流接触器，电磁线圈电压为110V.
KM2,KM3也采用同样方式选取交流接触器型号分为JZ7-44,JZ4-44。

3.1.6 控制变压器TC1
首先查看电源电压、实际用电载荷和地方条件，然后参照变压器铭牌标示的技术数据逐一选择，一般应从变压器容量、电压、电流及环境条件综合考虑，其中容量选择应根据用户用电设备的容量、性质和使用时间来确定所需的负荷量，以此来选择变压器容量。

在正常运行时，应使变压器承受的用电负荷为变压器额定容量的75～90%左右。

运行中如实测出变压器实际承受负荷小于50%时，应更换小容量变压器，如大于变压器额定容量应立即更换大变压器。

同时，在选择变压器根据线路电源决定变压器的初级线圈电压值，根据用电设备选择次级线圈的电压值，最好选为低压三相四线制供电。

这样可同时提供动力用电和照明用电。

对于电流的选择要注意负荷在电动机起动时能满足电动机的要求(因为电动机起动电流要比下沉运行时大4～7倍)。

JBK2-100VA机床控制变压器适用交流50-60Hz，输出额定电压不超过220V，输入额定电压不超过500V，可作为各行业的机械设备，一般电器的控制电源工作照明，信号灯的电源之用。

此类控制变压器初级电压为380V，次级电压分别为110V、24V、6V【4】。

3.1.7 开关SA1,SA2
SA1开关作为工作灯开关，在灯具内，选用型号KN3-2-1;SA2是电源总开关，钥匙式，型号为LAY3-Y/Z。

3.1.8导线的选择
在安装电器配电设备中，经常遇到导线选择的问题，正确选择导线是项十分重要的工作，如果导线的截面积选小了，电器负载大易造成电器火灾的后果；如果导线的截面积选大了，造成成本高，材料浪费。

导线的载流量与导线截面有关，也与导线的材料、型号、敷设方法以及环境温度等有关，根据以下数据，主电路选择BVR-2.5mm2铜芯导线，控制电路BVR-1mm2铜芯导线。

3.1.9 制定3.10 电器位置图
为了使我们能直观地了解其电气系统，便于维修，图3-1绘制了电器在
CA6140车床上的位置。

其他电器，如熔断器、变压器、接触器、继电器等装在电器箱内的控制面板上【5】。

图3-1 CA6140车床电器位置图
3.2PLC的I/O接线
PLC的控制电路的主电路，PLC的I/O接线如下图2-4所示，图中输入信号使用PLC提供的内部直流电源24V（DC）；负载使用的外部电源为交流
220V(AC)；PLC的电源为交流220V（AC）。

图2-4 CA6140型车床的PLC的I/O接线
图2-4还可以转化为更加容易理解的S7-200 PLC的I/O外接线图，如下图2-5所示。

图2-5 CA6140型车床的PLC的I/O外接线图
4.1 PLC控制过程分析
通过I/O分配和I/O接线可知PLC的控制过程如下：
（1）M1主电机
M1启动：按下SB3 KM1 M1通电启动
另一长开辅助触头闭合，为
冷却泵电动机工作作准备。

锁
M1停止：按下SB4 KM1M1断电停止运
转
另一常开辅助触头分断，冷
却泵不能工作（2）M2冷却泵电机
M2启动：按下SB7 KA线圈得到 KA常闭辅助出头闭合 KM2线圈得电，实现冷却电机的长动 M2工作
按下SB10 KM2线圈得电，实现冷却泵电机的点动 M2工作
M2停止:按下SB11 KA线圈失电 KA常开辅助触头断开 KM2线圈失电
M2停止
（3）M3进刀电机
M3启动：按下SB12 KM3线圈得电 M3工作
M3停止：松开SB12 KM3线圈得电 M3停止工作
5 系统调试
按下主轴电机M1的启动按钮，主轴电机M1开始工作，触摸屏系统图中主电机M1亮红灯表示M1启动并开始工作，其调试图如图5-1所示。

再按下冷却泵电机M2的点动按钮可以实现电机M2的点动，按下电机M2的常动按钮实现M2电机的常动，其调试图如图5-2所示，按下解保按钮可一解出M2电机的常动。

按下电机M3的点动按钮，实现M3电机的点动。

图5-1 (b) 主电机M1的程序监控图
图5-2 (a) 冷却泵电机M2的长动调试图
6总结
为期两周的课程设计就这样结束了，在这两周里我收获了不少。

本次课程设计主要有两个项目：CA6140普通车床的电气控制线路设计和其PLC控制过程设计。

当然其中还学习了画图等一些与自己专业关联的知识。

我们组分工很明确，查资料、确定设计方案、硬件选型、编程、画图、报告等都是很有序的完成的。

总的来说我们组很好的完成了既定任务。

每个人都很好的完成了自己的任务，还都不时去帮助组员弄清楚一些问题。

课程设计让我对PLC梯形图、指令表、外部接线图有了新的认识，也让我更加懂得了关于PLC设计原理。

很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。

本次课程设计脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流，从而使问题变得容易解决。

我们在做课程设计项目的过程中遇到的问题都是大家一起的讨论和寻找解决
方法，我们组员可以尽可能的统一思想，这样就不会使在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计和在一起。

讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。

多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题
总的来说，我从本次课程设计中收获了很多，弥补了很多我在学习PLC课程时不懂或是模糊的知识点。

在今后的学习过程中，要更加努力的学习自己的专业知识，多多与同学和老师交流，相信不久的将来可以有点成绩。

参考文献
[1]刘祖其.机床电气控制与PLC[M].北京：高等教育出版社，2009.
[2]廖兆荣。

数控机床电气控制[M].北京：高等教育出版社，2006.
[3]刘祖其.数控系统及发展趋势[J].制造业自动化，2009，（12）.
[4]陈子银。

数控机床电气控制[M]。

北京：北京理工大学出版社，2009.
[5]王侃夫。

数控机床控制技术与系统[M]。

北京：机械工业出版社，2008.
CA6140车床电气控制电路原理图。