CA6140车床的PLC改造设计

位代码：14439

电气控制综合设计

题 目：CA6140车床的PLC改造设计 系 专

部： 业：

机械电子工程学院 电气工程及其自动化 15 级2班

班 级： 学生姓名： 学生学号：

徐兴东

21 指导教师： ______________ 林立松 完成日期：

2018/06/30

山东农业工程学院制 CA6140车床的PLC改造设计

一、 认识CA6140车床

CA6140车床的先祖是C620老式机床，由于功能的缺陷，后经过机械制造行 业的升级变成了如今新型的卧式机床；它被称为

CA6140原因是其中的C表示车

床，A代表改良的型号，6指车床为卧式结构，1为基本型，40则象征最大旋转 直径，是机械设备企业加工材料所需的设备之一。

CA6140型车床也是众多机床中的一类，主要负责金属切削方面，对于各种 内外圆、端面、定型表面、螺纹螺杆等具有很好的切削技术支持，被普遍的运用 于金属加工行业中。该机床有两个起主要作用的运动部分 : 一种是卡盘或顶尖带 动工件的回旋转动， 即车床主轴运动； 另一种是由滑盘驱动的带动刀架的直线运 动，即车床进给运动。 CA6140 型普通车床是我国独立研发的最大车削半径为 200mm勺新式卧式车床，极大的促进了中国机械加工行业的进步。

CA6140车床的形状构造如下图所示，它主要由主轴箱、进给箱、纵横溜板 箱、挂轮变速机构、刀架、尾架、光杠、丝杠、床身、床脚和冷却装置等其它部 分组成[3] 。

二、 CA6140车床改造原因

针对传统的继电器控制系统故障频繁的特点，对 CA6140车床的电气控制系

统进行了技术改造，采用可编程逻辑控制器（PLC代替原有的继电器，设计了 PLC控制系统的硬件组成及其控制程序。改造后车床运行稳定，降低了故障率， 提高了使用效率。

我校现有的CA6140车床采用传统的继电器控制系统，由于使用了大量的继 电器与接触器，经常造成接触不良，而且元件老化快，设备故障频繁，不便于维 修，影响到学生正常的实习教学。根据实际条件，采用可编程控制器（ PLC对

原有继电接触器控制系统进行改造， 使机床的故障率下降， 可靠性和灵活性大大 提高

三、 CA6140车床工作原理

CA6140型车床具有3台三相异步电动机，车床的各个动力由其电机拖动执 行，图 3-1 所示的为该车床的电路原理图，我们对原理图由此进行剖析。

图 3-1 CA6140 型普通车床电气原理图

车床主电路分析

CA6140车床的主电路由主电动机 M1冷却泵电动机M2快速移动电动机M3 接触器KM和两台继电器组成，三台电动机均为三相异步电机，

KA1 KA2为交流

继电器［4］。首先接入电源需要由漏电保护断路器 QF加持，以控制整个电路的电 源通断，电动机M1采用直接启动，我们知道接触器KM具有三个常开触点，在线 圈通电时，三个常开触点便会闭合，此时线路为通路，主轴电动机M1通电运行， 接触器的三个触点便用来掌管 M1的开动和终止；同理，接触器 KA1 和 KA2也具 有三个常开主触点，两台继电器分别用来控制电动机 M2和M3的通电运行。QF

为漏电保护器，但是为防止 QF故障，激发电路问题，特加入短路保护装置 FU1, 作为漏电保护QF的双重保护，同样，为避免电动机 M2和M3在运行过程当中产 生电路问题，加持FU2作为两台电动机的短路保护装置，由于两台电机容量较小， 且快速移动电动机也不是长期运行，所以仅用一个

FU;在机床运行过程中，由

于电机M1和M2属于长时间运行的装置，从安全和保护角度考虑，应设过载保护， 则串联热继电器FR1和FR2用来保护电机M1和M2的过载，快移电动机 M3属于 临时工作，不会长期用来运转，无需过载保护。 2 控制电路分析 机床电源引入

控制变压器TC二次分别输出6V、24V和110V三种电压，其中6V为电源指

示灯供电，24V则作为灯泡EL的电源，而控制线路的工作电源采用 110V交流电 压供电，从电路图上可知，接通电源的首要前提是行程开关 SQ1常开触点变为紧 闭，此刻假定触点已接通线路，

封锁配电柜的壁龛门，用钥匙插入钥匙开关 SB，

右旋钥匙将开关SB断开，继而把开关QF调节为合的状态，此时，三相电源便会 与主电路接通， 此外，电路图中尚有一个隐藏的条件， 当线路处在正常工作状况 时，且开关SB和行程开关SQ2断开，QF中的线圈也为失电的状况，而线路中的 行程开关SQ2与配电柜的壁龛门属于关联设备，当壁龛门为打开状态时，

SQ2的

触点为关闭状态，线圈QF也因此得电，当其得电后，断路器QF自动断开，此时， 断路器的控制柄也是无法闭合的 （即使人为管理 ） ，从而切断电源进行安全保护， 防止在控制电路区域进行操作时触电。

主轴电动机控制电路分析

通过电路图我们可以看出，电动机M1的启动和停止按钮分别为SB2和 SB1, 还有一个开关KM与启动按钮并联，首先点击SB2使电动机M1线路接通，最先 受影响的器件就是继电接触器 KM当它的内部线圈通电时，接触器 KM上的主触 点也由开启的状态变为闭合，电机的三相电路接通，开始连续转动工作，同时 KM具有常开开关，当线圈接电的时刻，开关便由常开转变为常闭，因为该常开 开关是和SB2并联，即便松开SB2线路也处于接通的状态，从而达到自锁的功 能；SB1与线圈KM位于同一条控制电路，因此可以作为电动机 M1的停止按钮， 从图上可以看出开关SB1为常闭开关，当我们需要停止电机 M1的时候，只要按 下SB1,线圈KM所在的线路便会失电，当线圈 KM失电的同时，三个主触点由接 通变为断开，开关KM也会由常闭转为常开，电动机开始停止运行，热继电器FR1 是为了防备电动机M1运行时间太长，从而造成过载而设置的保护装置；该控制 电路还有一个隐藏的保护功能， 即零压保护功能， 就是当电路中的电源意外断电 后，接触器三个触点获得释放， 如若电源的电压企图二次还原， 则电机也不能自 动重启，因为此时须要重新点击启动按钮 SB2如此设置是为了防止车床运行过 程中的意外断电， 二次起动造成事故发生； 此电路还具有欠压保护， 即电路中的 电压过低，电磁吸力不足以维持主触点吸合，会使线圈

KM自动释放，电机M1

自动停止工作， 之所以加入欠压保护， 是因为电路电压过低时， 电动机内部电流 过大大，导致电动机损毁。 冷却泵电动机控制电路分析

当主轴电动机运作时，线圈 KM处在通电的状态，接触器 KM上的常开触点 KM7也会接通，由于开关 KM7位于电机M2的控制主电路上，因此，只有当 KM7 接通，电机M2才可以运行，即电机M1与电机M2具有联锁效应，只能在M1运行 后，M2才可以起动，如若停下电动机M1,由于电动机与继电接触器 KM属于连带 作用，继电器线圈丢电的同时，会造成常开触点分离，电动机

M2因此停机；在

加工时如若需要冷却液，只要扭动SA2到合拢，使线圈KA1产生磁力，吸合主触 点，电机M2开动为加工件提供冷却液；热继电器FR2为此电路的过载保护，KA1 则为冷却泵电动机的欠压保护。

快速移动电动机控制电路分析

因为快移电动机每次运行都是短时工作， 所以应采用点动控制电路， 以应对 各种使用环境，该电动机的起动与停止完全依靠按钮 SB3来控制，当需要移动时 点击按钮SB3线圈KA2通电造成触点吸合，由此快速移动电动机开始运作，收 起SB3同理，KA2的触点断开造成电机M3停止；溜板箱上的十字形手柄扳动的 方向用来控制快速移动的方向。 断路保护电路分析

行程开关SQ2设为常闭状态，与钥匙式电源开关 SB的触点并联，再与断路 器QF的线圈串联，便组成了一个保护电路。譬如在钥匙式电源开关扭转到断开 形态，彻底关好电气柜的盖子，行程开关 SQ2常开触点接通，这时QF的线圈无 电，开关闭合才可以供电；当配电箱出了问题需要检修时，配电箱门若打开，则 SQ2闭合，线圈QF的线路为通路，则QF开关不能闭合，QF为整个电路的总开关， 从而保证车床电路断电，起到断路保护。SQ1作为安全行程开关，要将其安放在 机床床头的皮带罩下挂轮架处，目的是为了在检修时，让开关

SQ1自动断开（皮

SQ1关闭，

带罩处于开合状态），使控制电路失电，保证安全，当装好皮带罩时， 三台异步电动机才可以起动。 3照明、信号灯电路分析

机床照明灯的电源使用的是 24V交流电压，该电压是经控制变压器 TC转换 后输出的，开关SA1与灯泡EL串联，用以组装照明电路，其中一端则需要接地， 这是一处要引起注意的地方，主要防止照明变压器绕组短路造成的触电事故；

TC

输出的6V交流电压作为信号指示灯HL的电源，用来表示控制电路的状态；两处 电路分别用FU4和FU5作短路保护装置，下表为该车床的元器件。

四、 CA6140车床改造

1. CA6140型车床电器元件

CA6140 型车床电器元件

代号 M1 名称 主轴电动机 型号及规格 Y132M-4-B3 、1450r/mi n AOB-25 90W 3000r/mi n 数量 1 用途 主传动用 备注 M2 冷却泵电动机 1 输送冷却液 用 M3 快速移动电动 机 FR1 热继电器 、250W 1360r/min 1 溜板快速移 动用 JR16-20/3D、 1 M1的过载保 护 FR2 热继电器 JR16-20/3D、 1 M2的过载保 护 KM 交流接触器 CJ0-20B、线圈电压 110V 1 控制M1 KA1 中间继电器 Jz7-44、线圈电压110V 1 控制M2 KA2 中间继电器 Jz7-44、线圈电压110V 1 控制M3 SB1 按钮 LAY3-01ZS/1 1 停止M1 SB2 按钮 LAY3-10/ 1 启动M1 SB3 按钮 LAY9 1 启动M3 SA2 旋钮开关 LAY3-10X/2 1 控制M2 SQ1S Q2 HL 位置开关 JWM6-11 2 断电保护 信号灯 ZSD-0 6V 1 刻度照明 无灯罩 QF 断路器 AM2-40 20A 1 电源引入 TC 控制变压器 JBK2-100 1 110V 50VA 24V 45VA 380V/110V/24V/6V 2.改造方法

CA6140机床的控制原理已经掌握，选择PLC为控制线路进行整改升级时,需 要先考虑该线路中的哪些开关是必要的，

应予以保留，多余的开关与继电器全部

用PLC代替，既要保持原CA6140车床电气控制的主电路，又要保持原机床的操 作风格，继而保证线路中的各种联锁功能，在此前提下还需保留控制变压器和照 明灯，我们需要做的就是把线路中的开关控制功能转移给

PLC，由PLC自动完成

各个线路中电机的运转，我们在进行PLC改造的同时，各个电机的启停、保护元 件要接入PLC的输入端；110V交流电压用作交流接触器、中间继电器的工作电 源，24V与6V交流电压继续为照明灯、指示灯提供电源。 五、硬件设计

1.功能描述

旋转钥匙开关SB至断开，关闭控制箱门（SQ2处于断开状态），执行以下操 作： 点击SB2主轴电动机M1开始起动，持续运转；

转动钥匙开关SA2电动机M2随即起动为冷却泵提供动力，冷却液开始输 出； 点击SB3不能松开），快速移动电动机 M3运转，松开SB3电机M3会即刻 停止； 点击SA照明灯EL点亮，为机床提供光源；

点击SB1,电机M1停止，由于电机M1与M2存在联锁，当M1处在运行的状 态下时，电机M2才能起动，否则，按下SA2电机M2仍然无法运转，当电机M1 停止时，电机M2也停止；

行程开关SQ1闭合时，电机Ml M2 M3均能运转，反之，电机也都无法起 动；

当行程开关SQ2为闭合状态时，QF断路器也是无法闭合的，此时电机 Ml M2 M3均不能正常运转。

2. I/O 表

PLC分配I/O表

输入端 SB2 SB3 SA2 SB SQ2 SB1 SQ1 SA1 FR1 FR2 输入器件 X1 X3 X2 X7、X5 X0 X4 X12 X10 X11 输出端 Y1 Y3 Y2 Y0 输出器件 KM KA2 KA1 QF Y4 EL

3. PLC型号的选择

通过对 CA6140 车床的电气控制线路进行详细的分析得出：该系统需要

10

个输入接口，5个输出接口，因为选择使用的PLC所具有的输人点和输出点一般 要比所需冗余10%-15%以便于系统的完善和扩展预留，我们从三菱PLC系列中 选择合适的PLC用于我们此次的改造中。

4. 接线图

六、软件设计

1.梯形图

2. 指令表

三相异步电机主电路接线图

PLC 控制电路接线图

编程梯形图

PLC

3. PLC型号的选择

PLC编程指令表

七、总结

CA6140 型车床是工厂应用于金属切削行业最广泛的一类机床 , 但是其后期 控制系统的维护以及出现的设备故障问题却是深刻影响公司的一大难题， 难点在 于机床的控制线路杂乱无章， 故障查找也比较困难， 特别是在继电器控制系统中 的线路，通常因为线路触点杂乱而造成检修周期长的原因给公司带来损失， 生产 和维护带来的诸多麻烦严重影响生产效率；后经实验运行表明 : 机床电气系统采 用PLC后，不管是硬件还是软件，控制平稳，不但减小了维修的难度，并且提高 了加工零件的合格率，给公司的生产经济效益又提高了一个档次。

本文详细分析了车床的继电器控制系统的原理和线路图， 即通过开关的开合 状态作用于继电器、 交流接触器的线圈， 由线圈进而控制电路的通断； 虽然继电 器操作有优点，但是总体弊大于利，我们在分析传统继电器控制系统的条件下， 由原操作系统向PLC操控升级的基础上表明了 PLC控制系统的优势，用PLC控 制系统对CA6140车床进行改造设计，包含 PLC型号的选取、输入输出点数的分 派、绘制电气线路接线图、编辑梯形图、策划控制程序，进而对本设计实行模拟 实验仿真， 检验其正确性。 将车床改造为电气控制系统的方式， 最大的宗旨就是 简化控制电路的连接线路， 可以随时根据现场要求运用编程软件方对控制系统的 工作方式进行修改，极大的提高了系统的可用性和灵活性。