【基于PLC的C5116A型号立式车床的升级改造探究（论文）12000字】

基于PLC的C5116A型号立式车床的升级改造研究摘要普通车床是采用大量接触器、继电器来实现刀架、横梁、主轴等部位进行控制，旧型号车床的功能与加工精度无法满足现代化生产，而购买或研制新型号车床的费用又过于昂贵，所以提出对旧型号车床进行升级改造的方案来减少费用的支出。现今社会车床具有很多的改造方案，根据不同型号车床在不同的用途上选择合适的改造方案能够最大化发挥改造车床的优势，本次对于C5116A型号立式车床的升级改造是利用可编程控制器PLC进行的，首先设计对整个升级改造进行方案设计，主要包括机械系统设计与电气系统设计，机械设计方面安装主轴编码器、改装刀架与丝杠，电气部分不改变原有的主电路，将原本接触器-继电器控制电路更换为以三菱FX2NPLC为核心的PLC控制电路，最后通过编写PLC梯形图对整个立式车床控制系统进行控制，从而对车床的刀架、横梁以及主轴等部位进行控制。PLC具有可靠性高，抗干扰能力强等优点，这使PLC成为了车床改造的优秀方案，改造后的车床不仅在价格上优于新车床，而且打打提高了加工精度与效率，能够为公司与社会创造更多的财富。关键词：继电器；控制电路；可编程控制器目录摘611要ITOC\o"1-3"\h\u19197第1章绪论 第1章绪论1.1研究目的和意义1.1.1目的现如今我国立式机床大多都是传统的机床，这些机床大多有着老旧，能耗高，加工精度低，工作效率差，车床加工机件成本高等问题，这些问题直接影响了我国机械生产行业与人们日常生活的质量，其主要原因是因为立式车床的电气控制与驱动部分老化，所以本次设计便是以PLC为基础重新设计电路控制部分使C5116A型车床克服以上缺陷，实现提高立式车床的加工效率、自动化，降低人为因素引发的事故，以实现车床升级改造的目的。1]1.1.2意义通过对立式车床进行升级改造不仅能够改善旧型号车床能耗高、加工精度低、工作效率差等缺点，还能循环使用旧型号车床，为公司节省下一大笔费用，通过“对症下药”进行改造的车床不会产生浪费，并且能够有效降低人为干预的失误等问题，利用PLC控制代替了原有的继电器-接触器控制，将硬件部分去除，使用PLC程序控制不仅简化了电路，还增加了车床运行的稳定性以及车床中各部件运行的准确性。通过采用PLC能够提高车床的可靠性，降低运行成本，为公司带来巨大的利润。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状不论是机床的制造还是机床的改造，美、德、日等制造业先进的国家都处于领先地位，美国的机床数控化改造被称为机床再造业早在上个世纪90年代就系统的建立了再利用、再制造、再循环的3R体系，提供技术支持，具有完善的售后及保障体系。[2]1952年，美国麻省理工学院研制出第1台实验性数控系统，实现了机床改造的重大突破，数控系统的研发为后来的机床数控化改造奠定了基础，由于数控系统的研发，导致许多机床再制造企业的倒闭，现有的三百多家企业对机床再制造行业的竞争更加激烈。上世纪九十年代，经过40年的发展，数控系统已经被机床再制造企业熟练应用于机床的改造之中，许多数控化改造的机床在芝加哥国际制造技术展览会上展示，这场展览会成为了检验机床改造行业发展的平台，许多不同国家的企业都将自主改造的机床向全世界展示，同时也是机床再制造企业之间的一场无形的竞争。其中MaintenanceServiceCorp.公司在北美的各个国家开展了改造机床的销售业务，其中包括立式车床、龙门刨床、磨床等机床的改造与翻新，是当时业务法阵比较广阔的公司之一。德国从事机床改造的时间是最早的，也一直处于机床改造的领先地位。德国对机床改造行业非常重视，为促进机床改造行业的发展德国的政府甚至为了提高本国机床改造的科研水平给予了机床改造的研发机构巨额的财政支持。德国中最为知名的席士公司和吉特迈集团股份公司为了发展机床改造行业亲自成立了机床改造服务部，这些举措使得德国机床改造行业一直处于世界领先地位，这也是其他国家应该效仿的地方。德国为了适应新型制造产业的技术革新，也为了发展国家工业化水平，积极将淘汰的机床进行改造，并不断投入使用。这一做法使德国的工业化水平迅速提高，成为世界机床再制造行业的领头人物之一。日本虽然是一个人口才1.3亿的国家，但是日本的机械与电气工业十分发达，在日本，机床改造业也被称为机床改装业，日本从事机床改装业的企业非常多，达到一定规模的知名企业就已经超过20家，所以日本的机床改造十分多样化，能够自产自销并卖给其他国家，这个行业每年为日本带来庞大的利益，为日本的建设和发展做出了许多贡献。2021年，国外尝试“利用数字孪生技术对存储的数据进行分析，实现主轴负载与数控数据的同步，统一加工负载。通过分析尝试的结果，虽然D25和D16R3刀具在加工过程中仍存在一些颤振，但D100和D16刀具在加工过程中完全消除了颤振。此外，优化后的加工时间可从最小7%减少到最大50%”是在《NumericalControlMachineOptimizationTechnologiesthroughAnalysisofMachiningHistoryDataUsingDigitalTwin》一文中指出的。[3]国外在工业上一直很强大，特别是美国、德国这些发达国家，车床技术在世界范围内一直排在前面，在如今信息量发达的年代，群众能够通过各种渠道看到国外技术在不断发展，对世界做出哪些贡献。在如今的和平年代，不管是哪个国家开发出了新技术，人民群众都能成为受益者，中国应该更加努力去追赶甚至超越国外的技术水平。1.2.2国内研究现状机床改造行业为何能够迅速发展起来？其主要原因是因为改造机床的成本便宜，与购置新的机床相比，相同功能的改造机床的费用仅为购置新机床的百分之三十左右。目前国内也在逐渐发展机床再制造行业，但是由于机床改造技术落后于美国与欧洲的一些国家，所以我国的机床数控化程度不高，仅为3%左右。我国还有许多型号老旧的机床仍在服役中，但是这些机床的加工精度与其他一些性能已经不能满足现代化生产的需要，我国机床的整体水平相对落后所以国家应该积极推动一些国有企业的私营企业发展机床再制造行业。而且社会在不断发展的同时，对物质的需求也在不断增加，旧型号的车床已经无法跟随上社会的脚步，正在不断淘汰，而车床改造行业的兴起使得被淘汰的车床成为了该行业的潜在资源。我国对于机床改造行业的认识是在1979年之前，第一批进行机床改造的企业是通过中机维协的指引下进行的，随后20年来我国机床改造行业不断蒸蒸日上，我国不断引入国外新型技术与自主研发相结合对各种型号的机床进行改造。据统计，从1979~1988年，我国各个企业从国外引进的改造项目就多达18466项，这为我国日后发展机床再制造行业奠定了基础。数控化改造成为了目前机床改造的首选，从数控系统的发展来看，机床的智能化、开放式和网络化才是目前数控机床的主要发展方向。[4]数控化改造后的机床自动化程度高，人为干涉对机床的运作的影响很小。其主要优点为性能提升显著、经济效益明显以及机械性能完善。2014年，“通过分析数控机床的工作原理，使用误差改进法、一直伺服电机误差等方法成功优化了数控机床的加工精度”的方法是在门小会编写的《影响数控车床加工精度的因素及其优化方案》一文中指出的。[5]这也说明了机床改造的前景广阔，随着社会的发展，中国科学家与学者们能够通过自身的学识对机床改造行业做出更多的贡献。我国虽然机床改造的科研水平落后于其他发达国家，但是在2002年我国却已经成为机床消费世界第一，所以我国拥有庞大的机床改造发展潜力，随着社会的发展，我国在经济与科研力量都在逐渐增加，国家能够对科研人员提供更多的经济与技术支持，对我国的机床改造的市场也在逐渐开发。2020年，国内有人认为“可以将工业机器人与数控机床相结合，运用自动测量技术和刀具自动检测技术，组成智能制造单元”在《数控机床智能化升级改造》这篇期刊中指出，能够将数控技术与其他技术相结合，实现了数控机床的智能化升级。[6]尽管中国研发出许多车床改造技术，但是国内车床与国外车床的先进水平仍有很大一部分差距，最近几十年中国在不断发展，特别是工业水平，正在逐渐赶超先进国家，这离不开一线工作人员以及科学家们的不断努力与奋斗，只要国家不断奋斗，人民不断努力，相信有一天中国会成为最发达的国家。1.3设计内容该设计主要是对立式车床的运行方式及其电气结构进行分析，通过对市场进行分析提出对立式车床的改造方案。1.查阅文献了解车床改造的国内外现状。2.对立式车床系统升级改造的方案进行拟定。3.机械改造设计：主轴、刀架改造。4.电气改造设计：主电路不变、控制电路由接触器-继电器改为PLC控制。5.仿真：C5116A车床梯形图仿真。第2章车床改造整体方案设计C5116A立式车床主要由工作台、变速箱、立柱、横梁、垂直刀架等几大部分组成，该车床原电气控制系统主要由继电器-接触器控制系统实现，由七台电动机进行拖动，主电路工作电压为380V，在车床改造后使用PLC控制，通过分配输入输出地址使主电路与PLC连接，从而实现立式车床的升级改造。2.1车床机械系统改造方案C5116A立式车床由七台电机组成，而控制系统需要对这些电机实施控制，实现主轴启动、制动与点动控制，刀架的移动、调整以及进刀方向的控制，横梁的升降、放松以及夹紧动作，为了确保立式车床在改造后拥有较高的加工精度，所以不仅在电气控制系统进行改造，在机械系统中也需要进行一些改造才能使车床运行更加准确、可靠。[7]1.主轴调速方式改造主轴的调速方式一般有两种方式，一种是通过交流主轴电机控制，另一种是通过直流主轴电机控制。因此，通过分析两种主轴电机的优缺点以及C5116A立式车床控制系统，选用直流主轴电机来进行调速是较为合适的。[8]2.安装主轴编码器主轴编码器的安装主要是为了提高螺纹加工的精细程度。主轴编码器的主要功能是对主轴转速进行调整，同时能够实现监控以便能够在主轴转速发生异常时对其转速进行调整。3.刀架改装C5116A立式车床的刀架太过于老旧，无法实现改造后车床控制所需的自动换刀功能，所以需要对原有的刀架进行更换，根据改造后的车床加工零件对刀架的要求，可以换成数控自动刀架。4.丝杠改装普通的传动丝杠不能满足运行的稳定性，所以需要换成滚动丝杠。5.防护设施改造为了防止车床运行过程中产生的油污对车床运行以及外部的清洁问题产生影响以及机械机构的运行风险，车床的外部需要增加一些合理的外部防护设施来消除油污的影响，同时增加防护设施也可以增加车床运行时的安全性，防止车床误伤操作人员。所以需要在车床外部增加一些防护设备。[9]2.2车床电气系统改造方案电气系统主要包括主电路与PLC控制电路，将原本的接触器-继电器控制改变为PLC控制，使得控制系统更加可靠、安全。原有的接触器-继电器控制太过繁琐，如果西能一些必要的电气设备还会对后续维修产生影响。[10]电气系统的主要设备为七台电机，分别为：液压泵电动机、主轴电动机、、垂直刀架快移电动机、垂直刀架进给电动机、侧刀架快移电动机、侧刀架进给电动机、横梁升降电动机。[11]主电路的控制元件的作用为控制电机的运行与保障电气线路的正常运行，主电路的控制元件主要包括：交流接触器、熔断器、低压断路器、刀开关和热继电器等电气元器件。1.主电路主电路依旧采用车床原有的七台电机，不改变C5116A立式车床的工作方式与流程，M1为油泵电机、M2为工作台电动机、M3位垂直刀架快移电动机、M4为垂直刀架进给电动机、M5为侧刀架快移电动机、M6为侧刀架进给电动机、M7为横梁升降电动机。在原有的电路上加入变频器，能够有效控制电机的正反转，并且变频器最大的作用是其调速系统，能够实现无级变速，提高车床加工零件的稳定性，能够有效提高生产效率。2.控制电路立式车床的控制电路原本是采用接触器-继电器控制，主要是通过控制七台电机的启停、以及各种接触器、按钮的通断来实现工作台的启停、垂直刀架以及侧刀架的快移和进给、横梁的升降运动。改造之后的控制电路是由PLC控制，PLC具有较为优秀的准确性与可靠性，这是接触器-继电器控制电路所不具备的，改造后的控制电路舍弃了接触器-继电器电路，通过分配输入输出与PLC相连接，通过设定梯形图程序对PLC设定控制要求，最后通过与主电路的连接对七台电机进行有效的控制。PLC控制电路对电气控制系统的控制如下：（1）液压泵电动机的启动与停止：按下输入点X3油泵启动按钮，通过PLC输出点油泵启动接触器完成对油泵的启动，油泵电动机为整个车床的运行提供动力。油泵运行过程中按下X0总停与油泵停止按钮，液压泵电动机停止运行，车床动力消失。（2）主轴电动机的控制（启动、点动、制动）：按下主轴启动按钮，经接触器线圈与延时器控制主轴电机连接的主电路以星三角降压启动的方式启动主轴电机。按下主轴启动按钮，经线圈Y1与Y3完成对主轴电机的点动控制，松开主轴启动按钮，主轴电机停止运行。按下主轴电机的停止按钮，X2闭合，经过延时器计时，对主电路中的整流器进行控制，完成主轴电动机的能耗制动控制。（3）刀架进给与刀架快移电动机的控制：刀架分为垂直刀架与侧刀架，垂直刀架与侧刀架的进给电机与快移电机是通过进给启动、停止按钮与快移启动、停止按钮控制启动与停止的，它们的作用是控制刀架的快移与进给运动。（4）横梁升降电动机的控制：PLC控制电路对横梁升降电动机的控制完成横梁的升降，通过按下横梁上升按钮与下降按钮完成，横梁的运动还包括放松与夹紧，是通过横梁夹紧、放松按钮对PLC产生输入，通过PLC外部接线对横梁的放松与夹紧动作进行控制。3.电器元件选择正确的电器元件及其型号是保证车床稳定运行的后期保证，由于原本的车床型号过于老旧，不能够满足现代化社会生产的需要，所以需要对车床进行升级改造，车床在进行升级改造后，性能与功能对比改造前发生了一些变化，所以之前安装在车床上的一些电器元件将无法满足改造后车床运行的需要，如果强行使用原本额电器元件，可能会导致车床运行不稳定或者车床根本无法达到预期的功能。所以需要对一些电器元件进行更新，才能保证车床正常运行，达到改造后预期的性能与功能。第3章车床硬件电路设计3.1车床主电路设计1.电机本次设计针对C5116A立式车床进行升级改造，C5116A立式车床电气控制系统主要由七台电机组成，所用电源均为380V、50HZ。其中液压泵电动机是为整个立式车床提供动力的动力装置，同时还可以为工作台润滑，所采用的电机型号为Y90L-4-B5，该电机为三相异步电动机，1.5KW，3.7A，额定转速为1400r/min。工作台（主轴）电动机能够控制工作台的起动和制动，也能控制工作台进行点动运行。工作台电动机采用的电机型号为Y200L-4-B3，该电机为三相异步电动机，30KW，56.8A，额定转速为1470r/min。垂直刀架和侧刀架的快速移动电动机采用Y90L-4-B5型1.5KW，53.7A，额定转速为1400r/min的三相异步电动机，而垂直刀架和侧刀架的进给运动电动机采用YD10OL1-6/4-B5型，1.3/1.8KW，3.8/4.4A，额定转速为940/1440r/min的三相异步电动机。横梁电机的作用是控制横梁的上下运动，横梁电动机采用Y112M-6-B5型2.2KW，额定转速为940r/min的三相异步电动机。2.变频器（1）变频器的介绍在C5116A立式车床的控制系统中，需要电机的正转与反转，主轴的变速、垂直刀架与侧刀架以及横梁的调速，变频调速可以很容易实现电机的正反转与车床机构的调速。其主要原理为将频率一定的交流电整流为直流电，最后通过变频器的逆变电路将直流电变为可调的频率连续的三相交流电。变频器的选择变频器在机床领域的选择方式主要是根据电功功率进行选择，电功功率主要由电机速度决定，在本次设计中，变频器采用的型号为三菱FR-A540变频器。该变频器能使整个立式车床的控制电路得以简化，能够延长车床的使用寿命，还具有节能效果，减少油泵电动机对能源的消耗，从而整体提高车床的效率。图3-1C5116A立式车床主电路图电路结构中电器元件包括：为了提高车床控制系统的安全性与可靠性，电路中需要使用一些电器元件来保障线路的正常工作，但是在车床升级改造中需要对一些电器元件进行更新，才能保证控制系统的安全运行。接触器，其主要作用是用于接通或断开主电路与控制电路的电器元件，接触器广泛用于机床的电气系统线路中，主要对电动动机进行控制，也可以控制其他负载电器。接触器在机床行业中主要是采用交流接触器，虽然交流接触器的启电流大，但是其便宜的价格与优越的安全性，使得交流继电器成为本次设计的首选对象。原本的车床中接触器型号有些老旧，只能满足老旧型号车床的生产需要，所以本设计中采用的接触器换成正泰接触器，型号为CJT1-10，额定电压380V，价格便宜，而且有质量保证，能够满足改造后C5116A立式车床运行的需求。（2）熔断器，熔断器的主要作用是保护短路，其中最主要的是熔断器中叫做溶体的材料。线路正常工作时，负载电流很低，溶体温度正常，熔断器不发挥作用；而当线路发生异常时，短路电流会增加，短路电流经过熔断器会使其中的溶体温度升高，到达溶体的额定温度后，溶体会自动断开，这时故障电路将被迅速断开，达到保护电路的目的。熔断器依旧采用原本车床使用的RS3系列快速熔断器，其优点是能够快速断开，达到快速保护线路的作用。（3）低压断路器，在低压配电网络环境中，低压断路器可以通断正常的负荷电流、电机工作时的负载电流与短路电流，低压断路器主要可以用作低压配电网络中操作不频繁的电源开关。当线路中的电器元件、电机与其他负载设备发生短路、过载等问题时低压断路器自动切断线路以保护设备，由于低压断路器的优越的可靠性，在各个行业中应用都十分广泛，采用的型号为施耐德GV2ME10/4，可以保证更加快速的断开线路，比原本车床采用的低压断路器更加具有安全性。（4）继电器，继电器是一种具有隔离功能的自动开关元件，拥有控制系统与被控制系统的相互作用，可以通过小电流来控制大电流，广泛用于电气行业。继电器分为电磁继电器、固体继电器、温度继电器等，最常用的就是电磁继电器，在车床电气线路中发挥巨大作用。改造车床的继电器采用民熔RSO继电器，额电电压250~500V，额定电压为600A。（5）刀开关，多用于低压配电网络中，与低压断路器作用相似是将线路接通与断开，但是刀开关没有自动保护线路的功能，一般是作为电源开关，能够频繁的通断。作用为隔离电源，以保护设备与维修的安全，所用型号为JDW1-0.5。（6）行程开关，广泛应用于机械与机床方面，其作用主要是能够在控制一些机械设备的行程与限位保护方面，其至关重要的作用，行程开关能够控制一些机械的限位，例如投料小车实验中可以通过行程来管控制投料小车的行程，保证投料小车能够到达预期的投料地点并返回原来位置，行程开关也能在一定方面对器件进行保护，可以使用JW2-11Z/3型号的行程开关，对车床横梁和刀架的行程进行控制。（7）按钮，是日常生活中最常见的电器元件，在大部分的电气设备中都有按钮的存在，按钮广泛应用于电气行业，因为按钮可以与接触器、继电器形相配合，实现远距离对电路进行电气联锁控制，按钮可以避免接触超过人体安全电压的高电压对电路进行控制。按钮宝库哟常开触点与常闭触点，常用于接触器-继电器电路与PLC电路及其梯形图编程中，按钮在某些电路中也可以用作复位按钮。LA19-11可以满足车床中大部分按钮的要求。3.2PLC选型原有的车床是以继电器-接触器的方式在对整个系统进行控制，随着社会的进步与发展，PLC逐渐走进人们的视野，PLC又叫可编程控制器，是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统，随着PLC的发展，我国在许多领域特别是机床改造领域都应用到了PLC，因为PLC能够弥补电气设备控制的不足，而且还能提高电气设备的工作效率得到了大众的喜爱。[12]本次C5116A型号立式车床控制系统升级改造主要通过PLC控制，主要是因为PLC拥有编程简单、可靠性高、维护方便、功能全面稳定性好等特点，并且使用PLC改造后的车床自动化程度大幅提高，所有的控制都由PLC来完成，大大减少人为干预因素，同时降低了人为因素导致的大部分失误与误差。[13]随着时代的发展，PLC的类型也越发增加，例如\t"/item/%E5%8F%AF%E7%BC%96%E7%A8%8B%E9%80%BB%E8%BE%91%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%99%A8/_blank"西门子、\t"/item/%E5%8F%AF%E7%BC%96%E7%A8%8B%E9%80%BB%E8%BE%91%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%99%A8/_blank"施耐德、\t"/item/%E5%8F%AF%E7%BC%96%E7%A8%8B%E9%80%BB%E8%BE%91%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%99%A8/_blank"三菱、\t"/item/%E5%8F%AF%E7%BC%96%E7%A8%8B%E9%80%BB%E8%BE%91%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%99%A8/_blank"台达等产品，各个类型PLC的特点不同，受众的方面也不相同。本次设计中PLC选用的就是三菱FX系列的PLC。FX系列PLC拥有超高的运算速度，并且还拥有高效能、高稳定性等优点，能够在多种场合下使用，FX2N系列在应用选择方案上具有很强的多样性，但因本次设计中立式车床的输入有25个输出24个，所以选用FX2N-64MR。FX2N在三菱FX系列表现最为突出。在体积、运行速率、性能和功能等方面，其所有体现出的都是等同于FX系列中最高级别的超小形程序装置。3.3地址分配设计因PLC可靠性与准确性，PLC已经成为现代社会电气设备控制系统的首选控制方式，但PLC不能直接对外部设备进行控制，首先需要先获取外部设备的I/0地址，再根据特定的PLC控制器的外部接口要求进行接口地址的分配，然后通过特定的连接使PLC与主电路相连，最后实现PLC对整个控制系统的控制，从而实现对外部设备的控制。PLC的输入端一般为按钮、开关等，通过按钮与开关的输入量，经过PLC来实现对应的控制。下表为C5116A立式车床的输入端地址分配：表3-1地址分配输入信号表输入信号名称功能编号SB1总停与油泵停止按钮X1SB2油泵启动按钮X2SB3主轴停止按钮X3SB4主轴启动按钮X4SB5主轴点动按钮X5SB6主轴变速按钮X6SB7横梁上升按钮X7SB8横梁下降按钮X10SB9垂直刀架进给按钮X11SB10垂直刀架进给停止按钮X12SB11垂直刀架快移按钮X13SB12侧刀架进给按钮X14SB13侧刀架进给停止按钮X15SB14侧刀架快移按钮X16SQ1机械锁杆位置开关X17SQ2横梁放松开关X20SQ3横梁上升限位开关X21SQ4横梁下降限位开关X22SA1垂直刀架一、二速转换开关X23SA2侧刀架一、二速转换开关X24SA3垂直刀架正反转开关X25SA4侧刀架正反转开关X26SA5垂直刀架水平、垂直制动X27SA6侧刀架水平、垂直制动X30PLC的输出一般为接触器，通过梯形图程序控制下，实现从输入量到相应输出量相联系，对整个系统进行控制，下表为C5116A立式车床的输出端地址分配：表3-2地址分配输出信号表输出信号名称功能编号KM1油泵启动接触器Y0KM2工作台电机Y1KM3工作台三角型运动接触器Y2KM4工作台星型运动接触器Y3KM5工作台制动接触器Y4KM6横梁向上运动接触器Y5KM7横梁向下运动接触器Y6KM8垂直刀架快移接触器Y7KM9垂直刀架一、二速正反转Y10KM10侧刀架快移接触器Y11KM11侧刀架一、二速正反转Y12YC1垂直刀架进给离合器Y13YC2垂直刀架垂直运动离合器Y14YC3垂直刀架水平运动离合器Y15YC4垂直刀架垂直制动离合器Y16YC5垂直刀架水平制动离合器Y17YC6侧刀架进给离合器Y20YC7侧刀架垂直运动离合器Y21YC8侧刀架水平运动离合器Y22YC9侧刀架垂直制动离合器Y23YC10侧刀架水平制动离合器Y24KM12横梁放松Y25KM13变速锁杆Y26Y27SD公共端Y30RH快速Y31RM进给一速Y32RL进给二速Y33STF正转Y34STR反转Y35图3-2C5116A立式车床PLC接线图第4章系统软件设计4.1车床控制流程图设计C5116A立式车床加工零件主要是通过工作台移动、横梁的升降以及刀架的移动实现的，该车床的控制系统需要对工作台、刀架以及横梁进行有效的控制，才能精准、无误的加工机件。C5116A立式车床电气控制系统主要由七台电机组成，原本由接触器-继电器控制的控制回路无法满足现代化需求，通过PLC进行控制更容易对点击进行控制，其可靠性与准确性是接触器-继电器无法实现的。C5116A立式车床在控制工艺上需要完成的控制操作：（1）主轴控制：主轴的驱动系统主要是是作为动力装置为车床控制系统提供动力，通过机械传动机构对安装在主轴上的刀具进行控制，带动刀具或工件完成移动、旋转等动作，实现对零件的加工。主轴的旋转精度是影响零件加工精度的重要因素，一般车床是使用三相感应电机与多级变速箱实现对主轴的驱动，实现对主轴的电气与机械配合的多级变速，在本设计中可以通过变频器的变频调速实现无极调速。（2）刀架控制，刀架是机床中安装刀具的部件，刀架控制需要完成对刀架位置、刀架角度、刀架速度与进刀方向的控制，刀架的型号不同，安装的刀架位置也不同，刀具加工零件的限位程度也不同，所以选择合适的刀架是零件加工好坏的标志。（3）横梁控制是对横梁运动的控制，可以对横梁进行调整，使横梁达到适当的位置，对刀架的运动提供保障。横梁的整个运行动作包括升降移动、加紧与松开以及位置的调整，最后使加工器件调整到合适的位置对零件进行加工，横梁是车床的运动构件中最先运动的，一般在其他控制进行之前完成对横梁的控制。图4-1车床工作流程图4.2系统程序梯形图设计1.液压泵电动机启动与停止的实现按下SB2油泵启动按钮，X2得电，输出继电器Y0得电自锁，液压泵电动机开始运行；当液压泵电动机运行时，按下SB1总停与油泵停止按钮，线圈Y0失电，液压泵电机停止工作。液压泵电动机是为整个C5116A立式车床提供动力的动力装置。图4-2液压泵工作梯形图2.工作台电动机运动的实现（1）工作台电动机的起动按下SB4主轴启动按钮，X4得电，随后Y1、Y2与Y3得电，这时工作台以Y一△降压起动的方式启动。（2）工作台电机的停止按下SB3主轴停止按钮，X3得电，继电器M1断电，同时Y1、Y2断电，工作台电机停止。（3）工作台电机的制动当工作台电机断电停止时，延时器T1得电开始延时，Y4与Y3得电，这时给工作台电动机通入直流电，工作台电动机以能耗制动的方式制动。松开SB3按钮，Y4与Y3断电，制动结束。（4）工作台的点动按下SB5主轴点动按钮，X5得电，随后Y3与Y2得电，这时工作台电机处于点动控制状态。工作台的点动可以有效调整工作台的小幅度移动。图4-3工作台工作梯形图刀架控制实现由于垂直刀架与侧刀架的控制方式近乎相同，所以这里只展示垂直刀架的运动。这里的刀架正反转与变速是由变频器控制的。按下SB9垂直刀架进给按钮，输入继电器X12失电，继电器M4得电自锁。控制垂直刀架进给电机工作，按下按钮SA1可以控制垂直刀架的速度的转换，按下按钮SA3可以控制垂直刀架电机的正反转，通过SA1与SA3按钮可以控制垂直刀架的运动方向以及进给的速度。按下SB10垂直刀架进给停止按钮，继电器M4失电，垂直刀架进给电机停止。按下SB11垂直刀架快移按钮，X13得电，垂直刀架快移电机M4得电，控制垂直刀架的快移。图4-3刀架控制梯形图4.横梁运动控制实现 在工作台电动机停止运行时，按下SB7横梁上升按钮，输入继电器X7得电，继电器M3得电，输出继电器Y25得电，横梁放松，这时按下横梁放松开关SQ2，输出继电器X20得电，横梁上升，达到上升高度，松开SB7按钮，横梁电机停止运行，横梁夹紧。在工作台电动机停止运行时，按下SB10横梁下降按钮，输入继电器X10得电，继电器M3得电，输出继电器Y25得电，横梁放松，这时按下横梁放松开关SQ2，输出继电器X21得电，横梁下降，达到下降高度，松开SB10按钮，横梁电机停止运行，横梁夹紧。图4-4横梁控制梯形图第5章仿真随着社会的发展，越来越多的大型设备开始使用PLC对系统进行控制，PLC也因其优越的可靠性与稳定性越来越广泛于各种电气设备之中，一个基本的PLC系统主要由中央处理器单元(CPU)、输入模块、输出模块、编程装置、存储器和电源等组成[15]。由于控制外部设备的有序运行需要对PLC梯形图的编写，随后出现的就是PLC仿真技术，PLC仿真技术的出现使PLC梯形图与程序的编写更加方便查验错误，大大提高了PLC的准确性与应用性，降低了设计成本，提高了设备的运行效率，PLC仿真软件的出现间接推动了工业化的发展。5.1仿真软件的介绍由于本次设计使用的PLC为三菱FX系列，所以PLC的仿真软件选择GXWorks2，因为在许多三菱PLC编程软件中，GXWorks2不仅可以编程PLC梯形图，还可以直接通过软件自带的仿真调试功能对梯形图进行仿真，减少了安装其他仿真软件的麻烦。GXWorks2软件是三菱电机推出的一款PLC编程软件，在三菱电机的官网就可以自由下载，是一个非常简单、方便的编程和仿真软件，在GXWorks2之前三菱电机最先推出的是一个叫GXDeveloper的软件，与该软件相比GXWorks2无疑更加简单、方便，而且还提高了一些功能与操作性能，其中最重要的就是GXWorks2不需要安装其他仿真软件就可以实现梯形图的仿真。5.2仿真画面图5-1液压泵工作仿真这段表示的是液压泵电动机的工作状态，当X2常开时液压泵电动机工作，常闭触点X1得电，线圈Y0断电，液压泵电机停止。图5-2工作台启动与停止仿真这段程序仿真是工作台电动机的启动与停止，在液压泵电机运行时，Y0得电，按下按钮SB4，常开触点X4得电，M1得电，工作台电动机启动。按下按钮SB3，场闭触点X3得电，M1断电，电动机停止运行。图5-3垂直刀架的进给仿真这段程序仿真为垂直刀架的进给电机的运行仿真，按下SB9按钮，常闭触点X12失电，M4得电自锁，进给电机开始运行。按下SB10按钮，常闭触点X12得电，M4失电，进给电机停止运行。图5-4横梁启动横梁启动可以按下SB7或者SB8使常开触点X7或X8得电，在液压泵电动机M1得电时启动横梁升降电机M3。图5-5横梁升降在按下SB7按钮时，常闭触点X7得电，这时按下按钮SQ2，常开触点X20得电，使线圈Y6失电，线圈Y5得电，横梁升起；在按下SB8按钮时，常闭触点X10得电，这时按下按钮SQ2，场开触点X20得电，使线圈Y5失电，线圈Y6得电，横