PLC 在CW6163 臥式車床升級(jí)改造中的應(yīng)用研究

李美花，王 斌

(1.大連理工大學(xué) 城市學(xué)院，遼寧 大連 116600;2.大連理工大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)部，遼寧大連 116024;3.大連華銳重工集團(tuán)發(fā)展規(guī)劃部，遼寧 大連 116013)

0 引言

臥式車床是機(jī)械加工行業(yè)普遍使用的一種加工設(shè)備，主要用于車削內(nèi)外圓、圓錐面、端面、車削公制螺紋等。CW6163 臥式車床屬于中型車床，可加工的最大工件直徑為630mm，最大工件長(zhǎng)度為3000mm，它主要由床身、光杠、絲杠、尾座、刀架、主軸變速箱、進(jìn)給箱和溜板箱等組成。其原電控系統(tǒng)是由繼電器-接觸器為主的控制電器組成，接線復(fù)雜，接觸觸點(diǎn)多，故障率高，維修不方便，加工精度和生產(chǎn)效率低;并且接線固定，使用單一，在產(chǎn)品更新?lián)Q代時(shí)，難以適應(yīng)復(fù)雜和程序可變的控制對(duì)象的需要。用PLC 對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，克服了上述缺點(diǎn)，提高了機(jī)床的穩(wěn)定性、可靠性及加工精度，同時(shí)也具備很好的擴(kuò)展性，當(dāng)生產(chǎn)工藝改變時(shí)，不需要改變現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備及硬接線，只需要在控制軟件上修改即可，大大提高了機(jī)床的通用性。

1 CW6163 車床的電氣控制要求

CW6163 臥式車床主要有主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)三種運(yùn)動(dòng)方式。主運(yùn)動(dòng)是主軸通過(guò)卡盤(pán)或頂尖帶動(dòng)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它承受車削加工時(shí)的主要切削功率，由主軸電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是溜板帶動(dòng)刀架的縱向和橫向直線運(yùn)動(dòng)。輔助運(yùn)動(dòng)是刀架的快速移動(dòng)及工件的夾緊與放松，由快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。CW6163 臥式車床的電氣控制原理圖如圖1和圖2 所示。其中，M1是主軸電動(dòng)機(jī)，M2為冷卻泵電動(dòng)機(jī)，M3為快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)，QS 為隔離開(kāi)關(guān)，F(xiàn)U1～FU6 為熔斷器，KM1 ～KM5 為交流接觸器，TA 為電流互感器，F(xiàn)R1 ～FR2 為熱繼電器，R 為限流電阻，具體控制要求如下:

(1)主軸及各電動(dòng)機(jī)起動(dòng)應(yīng)平穩(wěn)，并具有停車制動(dòng)功能。車削加工近似于恒功率負(fù)載，主軸電動(dòng)機(jī)M1選用普通籠型異步電動(dòng)機(jī)，功率為11kW，采用直接起動(dòng)的方式，可正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，為加工方便，還有點(diǎn)動(dòng)功能。由于加工的工件比較大，加工時(shí)其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也比較大，需停車時(shí)不易立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，必須有停車制動(dòng)功能。

(2)主軸電動(dòng)機(jī)能正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。正常切削加工時(shí)一般不要求反轉(zhuǎn)，但在加工螺紋時(shí)，為保證螺紋的加工質(zhì)量，避免亂扣，加工完畢后要求反轉(zhuǎn)退刀，且工件旋轉(zhuǎn)速度與刀具的移動(dòng)速度之間保持嚴(yán)格的比例關(guān)系。因此，CW6163 臥式車床溜板箱與主軸變速箱之間通過(guò)齒輪傳動(dòng)來(lái)聯(lián)接，由同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)。CW6163 臥式車床通過(guò)主軸電動(dòng)機(jī)M1的正、反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸的正、反轉(zhuǎn)，當(dāng)主軸反轉(zhuǎn)時(shí)，刀架也跟著后退。

(3)車削過(guò)程中刀具及工件應(yīng)進(jìn)行冷卻。車削加工中，為防止刀具和工件溫度過(guò)高，延長(zhǎng)刀具使用壽命，提高加工質(zhì)量，車床附有一臺(tái)單方向旋轉(zhuǎn)的冷卻泵電動(dòng)機(jī)M2，功率為0.125kW，以供給切削液。

(4)設(shè)置一個(gè)快移電動(dòng)機(jī)。CW6163 臥式車床的床身較長(zhǎng)，為了提高生產(chǎn)效率、減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，需要設(shè)置一臺(tái)功率為1.1kW 的電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)溜板箱快速移動(dòng)。

(5)主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度可調(diào)。主軸電動(dòng)機(jī)為雙速電動(dòng)機(jī)，采用機(jī)械方法調(diào)速，變換主軸箱外的手柄位置，可改變主軸的轉(zhuǎn)速。

(6)機(jī)床各電路應(yīng)有必要的保護(hù)、連鎖及照明電路。為防止機(jī)床電路發(fā)生漏電、過(guò)載、短路等故障，主電路、控制電路應(yīng)裝設(shè)自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)、熱繼電器、熔斷器等電氣元件，電路的相應(yīng)環(huán)節(jié)要具備聯(lián)鎖功能，機(jī)床的外殼要接地。為滿足工作要求，機(jī)床應(yīng)設(shè)有專用照明裝置。

圖1 CW6163 臥式車床主電路

圖2 CW6163 臥式車床控制電路

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)型選擇與I/O 地址分配

為實(shí)現(xiàn)上述控制要求，輸入端口需要10 個(gè)，輸出端口需要6 個(gè)，改造后的程序只有幾百個(gè)字節(jié)，內(nèi)容小于4K 字節(jié)，考慮到經(jīng)濟(jì)適用及穩(wěn)定性要求，選用西門(mén)子SIMATIC S7-200 系列的S7-224CN 作為本次設(shè)計(jì)的PLC。I/O 配置如表1 所示。

表1 PLC 的I/O 地址分配表

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

根據(jù)CW6163 臥式車床的電氣原理圖，設(shè)計(jì)其PLC 的I/O 接線圖如圖3 所示。

圖3 CW6163 臥式車床PLC 的I/O 接線

3 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)梯形圖

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求及I/O 地址分配，編制的CW6136 臥式車床PLC 控制梯形圖如圖4 所示。

圖4 CW6136 臥式車床PLC 控制梯形圖

3.2 梯形圖控制過(guò)程分析

(1)主軸電動(dòng)機(jī)M1的正轉(zhuǎn)控制

合上隔離開(kāi)關(guān)QS，按下正轉(zhuǎn)復(fù)合起動(dòng)按鈕SB3，短接起動(dòng)電阻接觸器KM3線圈得電，主觸點(diǎn)KM3閉合，將限流電阻R 短接;同時(shí)，延時(shí)動(dòng)斷時(shí)間繼電器KT 線圈得電，主回路中電流表A 被KT 的動(dòng)斷觸點(diǎn)短接，延時(shí)t 秒后，KT 的延時(shí)動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開(kāi)，電流表A 被串接入主電路，監(jiān)視負(fù)載的電流變化;中間繼電器KA 線圈得電，主軸電動(dòng)機(jī)M1的正轉(zhuǎn)接觸器線圈KM1得電，正轉(zhuǎn)主觸點(diǎn)KM1閉合，電動(dòng)機(jī)M1短接電阻R 實(shí)現(xiàn)正向起動(dòng)。

(2)主軸電動(dòng)機(jī)M1的反轉(zhuǎn)控制

反轉(zhuǎn)起動(dòng)與正轉(zhuǎn)起動(dòng)的情況類似。合上隔離開(kāi)關(guān)QS，按下反轉(zhuǎn)復(fù)合起動(dòng)按鈕KM4，接觸器KM3線圈得電，主觸點(diǎn)KM3閉合，將限流電阻R 短接;中間繼電器KA 線圈得電，主軸電動(dòng)機(jī)M1的反轉(zhuǎn)接觸器線圈KM2得電，反轉(zhuǎn)主觸點(diǎn)KM2閉合，電動(dòng)機(jī)M1短接電阻R 實(shí)現(xiàn)反向起動(dòng);延時(shí)動(dòng)斷時(shí)間繼電器KT 線圈得電，主回路中電流表A 被KT 的動(dòng)斷觸點(diǎn)短接，延時(shí)t 秒后，KT 的延時(shí)動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開(kāi)，電流表A 被串接入主電路，監(jiān)視負(fù)載的電流變化。

(3)主軸電動(dòng)機(jī)M1的停車制動(dòng)

如果停車前主軸電動(dòng)機(jī)M1為正向轉(zhuǎn)動(dòng)，速度繼電器正向動(dòng)斷觸點(diǎn)KS1閉合。制動(dòng)時(shí)，按下停車按鈕SB1，使得接觸器KM3、中間繼電器KA、時(shí)間繼電器 KT、接觸器KM1均失電，主回路中串入限流電阻R，用以限制反接制動(dòng)電流。當(dāng)SB1松開(kāi)時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)M1在慣性作用下仍在正向旋轉(zhuǎn)，正向速度繼電器KS1仍閉合，使得反轉(zhuǎn)接觸器KM2得電，電動(dòng)機(jī)M1接入負(fù)序電源反接制動(dòng)，正向轉(zhuǎn)速迅速降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近于零時(shí)，正向速度繼電器KS1觸點(diǎn)斷開(kāi)，使得接觸器KM2線圈失電，KM2主觸點(diǎn)斷開(kāi)，制動(dòng)結(jié)束。

(4)冷卻泵電動(dòng)機(jī)M2的控制

按下冷卻泵起動(dòng)按鈕SB6，冷卻泵電動(dòng)機(jī)接觸器線圈KM4得電，主觸點(diǎn)KM4閉合，冷卻泵電動(dòng)機(jī)M2起動(dòng)，提供冷卻液。按下冷卻泵停止按鈕SB5，接觸器線圈KM4斷電，主觸點(diǎn)KM4斷開(kāi)，冷卻泵電動(dòng)機(jī)M2停轉(zhuǎn)。

(5)刀架快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)M3的控制

轉(zhuǎn)動(dòng)刀架手柄，壓下點(diǎn)動(dòng)行程開(kāi)關(guān)SQ，快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)繼電器線圈KM5得電，主觸點(diǎn)KM5閉合，電動(dòng)機(jī)M3起動(dòng)，刀架實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到目標(biāo)位置時(shí)，松開(kāi)行程開(kāi)關(guān)SQ，繼電器線圈KM5失電，主觸點(diǎn)KM5斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)M3停轉(zhuǎn)，刀架停止移動(dòng)。

4 控制程序仿真

將上述編制好的梯形圖，下載到PLC 的CPU中，利用STEP 7-Micro/WIN 軟件和PLC 試驗(yàn)臺(tái)對(duì)CW6163 臥式車床PLC 控制程序進(jìn)行系統(tǒng)仿真，主軸電動(dòng)機(jī)M1正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)仿真圖如圖5、圖6 所示。

圖5 主軸電動(dòng)機(jī)M1 正轉(zhuǎn)運(yùn)行仿真圖

圖6 主軸電動(dòng)機(jī)M1 反轉(zhuǎn)運(yùn)行仿真圖

(1)主軸電動(dòng)機(jī)M1正轉(zhuǎn)仿真分析

由仿真圖5 可以看出，按下正轉(zhuǎn)起動(dòng)按鈕SB3，輸入繼電器I0.2 接通，輸出繼電器Q0.2 得電置1，接觸器KM3 觸點(diǎn)閉合，先將限流電阻R 短接，為電機(jī)M1大電流正轉(zhuǎn)起動(dòng)做好準(zhǔn)備。I0.2 接通后，在主軸反轉(zhuǎn)繼電器Q0.1 斷開(kāi)的情況下，主軸正轉(zhuǎn)繼電器Q0.0 得電置1，并實(shí)現(xiàn)自鎖，主軸電動(dòng)機(jī)M1實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)起動(dòng)。同時(shí)時(shí)間繼電器T38 開(kāi)始計(jì)時(shí)，延時(shí)5s 后，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)起動(dòng)過(guò)程完成，時(shí)間繼電器Q0.5 得電置1，KM6動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開(kāi)，電流表A 在電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)起動(dòng)過(guò)程完成后串接于主電路(以避免起動(dòng)大電流對(duì)電流表的沖擊)，監(jiān)視電機(jī)運(yùn)行情況，主軸電動(dòng)機(jī)M1實(shí)現(xiàn)了正轉(zhuǎn)起動(dòng)和正轉(zhuǎn)運(yùn)行。

(2)主軸電動(dòng)機(jī)M1反轉(zhuǎn)仿真分析

由仿真圖6 可以看出，按下反轉(zhuǎn)起動(dòng)按鈕SB4，輸入繼電器I0.3 接通，輸出繼電器Q0.2 得電置1，接觸器KM3 觸點(diǎn)閉合，先將限流電阻R 短接，為電機(jī)M1大電流反轉(zhuǎn)起動(dòng)做好準(zhǔn)備。I0.3 接通后，在主軸正轉(zhuǎn)繼電器Q0.0 斷開(kāi)的情況下，主軸反轉(zhuǎn)繼電器Q0.1 得電置1，并實(shí)現(xiàn)自鎖，主軸電動(dòng)機(jī)M1實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)起動(dòng)。同時(shí)時(shí)間繼電器T39 開(kāi)始計(jì)時(shí)，延時(shí)5s 后，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)起動(dòng)過(guò)程完成，時(shí)間繼電器Q0.5 得電置1，KM6動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開(kāi)，電流表A 串接于主電路，監(jiān)視電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況，主軸電動(dòng)機(jī)M1實(shí)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)起動(dòng)和反轉(zhuǎn)運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的仿真分析，其結(jié)果表明，該P(yáng)LC 控制程序能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)該車床的正、反轉(zhuǎn)起動(dòng)及運(yùn)行控制，起動(dòng)平穩(wěn)可靠，并具有點(diǎn)動(dòng)功能和必要的保護(hù)及連鎖環(huán)節(jié)，達(dá)到了系統(tǒng)控制要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用PLC 對(duì)CW6163 臥式車床電氣控制系統(tǒng)改造后，去掉了原機(jī)床的中間繼電器、時(shí)間繼電器等，使線路簡(jiǎn)化，提高了系統(tǒng)的可用性和靈活性，生產(chǎn)效率和加工精度得到很大提高，完全滿足工藝要求，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的局部自動(dòng)化，取得了良好的效果。

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