淺談CA6140型車床PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：本文介紹了CA6140型普通車床的主要結(jié)構(gòu)及工作原理，詳細(xì)分析了其電氣控制線路，針對接觸器-繼電器控制系統(tǒng)的諸多缺點(diǎn)，提出了基于歐姆龍CP1E型PLC對原控制系統(tǒng)升級、改造的設(shè)計(jì)方案，對設(shè)計(jì)中要遵循的原則、設(shè)計(jì)方法、注意事項(xiàng)進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：CA6140型車床；電氣控制；PLC；設(shè)計(jì)

1 CA6140車床概況

CA6140型車床是我國自行設(shè)計(jì)制造的普通車床，是一種功能多、使用面廣的金屬切削機(jī)床，能夠車削外圓、內(nèi)圓、端面、螺紋、切斷及割槽等，是機(jī)械加工業(yè)和學(xué)校學(xué)生實(shí)習(xí)常用機(jī)床。

1.1 CA6140型車床主要結(jié)構(gòu)及工作原理

CA6140型車床的結(jié)構(gòu)主要由床身、主軸變速箱、掛輪箱、進(jìn)給箱、溜板箱、溜板與刀架、尾架、光杠和絲杠等部分組成，車床的主運(yùn)動(dòng)是工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它是由主軸通過卡盤或頂尖帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過主軸箱傳給主軸，主軸一般只要單方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，只有在車螺紋時(shí)才需要用反轉(zhuǎn)來退刀。主軸電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)不是通過電氣方法實(shí)現(xiàn)，而是采用多片摩擦離合器的機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)。

1.2 CA6140型車床接觸器-繼電器控制電路缺點(diǎn)

CA6140型車床電氣控制采用傳統(tǒng)的接觸器-繼電器有觸點(diǎn)控制方式，由于接觸器頻繁動(dòng)作導(dǎo)致下列問題：

（1）邏輯控制通過機(jī)械觸點(diǎn)開關(guān)實(shí)現(xiàn)，反應(yīng)速度慢。

（2）觸點(diǎn)易被電弧燒壞而導(dǎo)致接觸不良。

（3）接觸器的控制被固定在線路中，功能單一、靈活性差。

1.3 PLC應(yīng)用于車床控制電路優(yōu)點(diǎn)

（1）可靠性高及柔性強(qiáng)。

（2）通用性、適應(yīng)性強(qiáng)。

（3）完善的故障自診斷能力且維修方便。

2 CA6140型車床PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)PLC控制方案時(shí)應(yīng)滿足以下三個(gè)要求：一是要保證設(shè)備的可靠運(yùn)行；二是要達(dá)到最佳的性價(jià)比；三是在滿足前兩項(xiàng)的前提下，具有一定的先進(jìn)性，能根據(jù)生產(chǎn)工藝的變化擴(kuò)展部分功能。基于PLC對CA6140車床進(jìn)行電氣改造要保持原車床的基本操作功能不變。車床原配的按鈕、限位開關(guān)、變壓器、指示燈、熱繼電器、接觸器等電器均可保留再利用。

2.1 CA6140型車床電氣控制原理分析

CA6140型車床的電氣控制原理圖如圖1所示，我們對原理圖進(jìn)行分析：

（1）主回路：主回路共有三臺電動(dòng)機(jī)：M1為主軸電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)和刀架作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；M2為冷卻泵電動(dòng)機(jī)，用以輸送切削液；M3為刀架快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)。將鑰匙開關(guān)向右旋轉(zhuǎn)，再扳動(dòng)斷路器QF將三相電源引入。接觸器KM1、KM2、KM3分別控制主軸電動(dòng)機(jī)M1、冷卻泵電動(dòng)機(jī)M2、刀架快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)M3。熱繼電器FR1、FR2作為主軸電動(dòng)機(jī)和冷卻泵電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)，刀架快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)因是點(diǎn)動(dòng)控制短時(shí)工作的小功率電動(dòng)機(jī)，所以未設(shè)置過載保護(hù)。FU～FU6作為相關(guān)回路的短路保護(hù)。

（2）控制回路：a.主軸電動(dòng)機(jī)M1的控制：啟動(dòng)，按下SB2，KM1線圈得電吸合主觸點(diǎn)閉合，主軸電M1起動(dòng)同時(shí)輔助常開觸點(diǎn)閉合實(shí)現(xiàn)自鎖； 停止，按下停止按鈕SB1，接觸器 KM1 線圈失電，其主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)均斷開，主軸電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。b.冷卻泵電動(dòng)機(jī)的控制：當(dāng)接觸器KM1吸合，主軸電動(dòng)機(jī)M1起動(dòng)后，旋轉(zhuǎn)開關(guān)SB4閉合，接觸器KM2得電吸合，冷卻泵電動(dòng)機(jī)M2起動(dòng)；旋轉(zhuǎn)開關(guān)SB4斷開，接觸器KM2失電，冷卻泵電動(dòng)機(jī)M2即停轉(zhuǎn)。同時(shí)M2與M1是聯(lián)鎖的，M1停轉(zhuǎn)后M2也會停止運(yùn)轉(zhuǎn)。c.刀架快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制：M3的控制由SB3點(diǎn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)。按下SB3，KM3線圈得電，主觸點(diǎn)閉合，M3起動(dòng)；松開SB3，KM3線圈失電，KM3主觸點(diǎn)復(fù)位，M3停轉(zhuǎn)。

2.2 PLC選型

選擇PLC的基本原則是在滿足控制要求的前提下力求最高的性價(jià)比，并有一定的先進(jìn)性和良好的售后服務(wù)。根據(jù)以上的分析我們了解到：系統(tǒng)的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)不多且全部為開關(guān)量控制；系統(tǒng)對控制的響應(yīng)速度、存儲容量等沒有特別的要求；I/O點(diǎn)數(shù)按照實(shí)際I/O點(diǎn)數(shù)再加20%～30%的冗余量來確定，選擇歐姆龍CP1E-E14DR-A小型一體式PLC，該型號PLC將電源、CPU、I/O點(diǎn)及通信端口整合為一體，具有功能集成、結(jié)構(gòu)緊湊、易于使用、性價(jià)比突出的特點(diǎn)，其具體記號含義如下：（1）E ：E型CPU程序容量2K步。（2）14：輸入點(diǎn)8/輸出點(diǎn)6共計(jì)14點(diǎn)。（3）R：繼電器輸出。（4）A：交流100～240V，50/60Hz供電。

2.3 輸入/輸出點(diǎn)的選定與分配

根據(jù)CA6140型車床控制電路中的輸入器件和執(zhí)行器件列出用PLC控制CA6140的I/O分配表，如下表所示。

2.4 PLC輸入/輸出電路及梯形圖設(shè)計(jì)

PLC外部接線圖如圖2所示，梯形圖如圖3所示，在設(shè)計(jì)I/0電路時(shí)要注意以下兩點(diǎn)：

（1）輸入元件的接線方式。所有開關(guān)、按鈕均采用常開觸點(diǎn)，這樣做的好處是可以避免PLC的輸入電路長期通電增加能耗，縮短電氣設(shè)備的使用壽命。

（2）熱繼電器的接線。熱繼電器的觸點(diǎn)有接入PLC輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)兩種處理方案。采用接入輸入點(diǎn)方案時(shí)需將熱繼電器的常開觸點(diǎn)接入輸入點(diǎn)，且編程實(shí)現(xiàn)熱繼電器的過載保護(hù)功能；本例中為了節(jié)省I/O點(diǎn)，采用將熱繼電器的常閉觸點(diǎn)和接觸

器的線圈串聯(lián)后接入PLC的輸出端口的方式實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)。

3 結(jié)語

利用PLC對CA6140型普通車床控制系統(tǒng)升級改造，可以提高機(jī)床電路的穩(wěn)定度，簡化控制電路，降低故障率，便于維修。本文闡述了CA6140型車床PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的要點(diǎn)，對今后的設(shè)計(jì)選型提供了參考。

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作者簡介：喬明亞（1979-），電氣助理工程師，主要從事電氣設(shè)計(jì)、維修及技術(shù)管理工作，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。