PLC 在CW6163 卧式车床升级改造中的应用研究

2013-12-23李美花

组合机床与自动化加工技术 2013年6期

李美花，王斌

(1.大连理工大学城市学院，辽宁大连 116600;2.大连理工大学电子信息与电气工程学部，辽宁大连 116024;3.大连华锐重工集团发展规划部，辽宁大连 116013)

0 引言

卧式车床是机械加工行业普遍使用的一种加工设备，主要用于车削内外圆、圆锥面、端面、车削公制螺纹等。CW6163 卧式车床属于中型车床，可加工的最大工件直径为630mm，最大工件长度为3000mm，它主要由床身、光杠、丝杠、尾座、刀架、主轴变速箱、进给箱和溜板箱等组成。其原电控系统是由继电器-接触器为主的控制电器组成，接线复杂，接触触点多，故障率高，维修不方便，加工精度和生产效率低;并且接线固定，使用单一，在产品更新换代时，难以适应复杂和程序可变的控制对象的需要。用PLC 对传统机床控制系统进行改造，克服了上述缺点，提高了机床的稳定性、可靠性及加工精度，同时也具备很好的扩展性，当生产工艺改变时，不需要改变现有生产设备及硬接线，只需要在控制软件上修改即可，大大提高了机床的通用性。

1 CW6163 车床的电气控制要求

CW6163 卧式车床主要有主运动、进给运动和辅助运动三种运动方式。主运动是主轴通过卡盘或顶尖带动工件的旋转运动，它承受车削加工时的主要切削功率，由主轴电动机拖动。进给运动是溜板带动刀架的纵向和横向直线运动。辅助运动是刀架的快速移动及工件的夹紧与放松，由快速移动电动机拖动。CW6163 卧式车床的电气控制原理图如图1和图2 所示。其中，M1是主轴电动机，M2为冷却泵电动机，M3为快速移动电动机，QS 为隔离开关，FU1～FU6 为熔断器，KM1 ～KM5 为交流接触器，TA 为电流互感器，FR1 ～FR2 为热继电器，R 为限流电阻，具体控制要求如下:

(1)主轴及各电动机起动应平稳，并具有停车制动功能。车削加工近似于恒功率负载，主轴电动机M1选用普通笼型异步电动机，功率为11kW，采用直接起动的方式，可正反两个方向旋转，为加工方便，还有点动功能。由于加工的工件比较大，加工时其转动惯量也比较大，需停车时不易立即停止转动，必须有停车制动功能。

(2)主轴电动机能正反两个方向旋转。正常切削加工时一般不要求反转，但在加工螺纹时，为保证螺纹的加工质量，避免乱扣，加工完毕后要求反转退刀，且工件旋转速度与刀具的移动速度之间保持严格的比例关系。因此，CW6163 卧式车床溜板箱与主轴变速箱之间通过齿轮传动来联接，由同一台电动机来拖动。CW6163 卧式车床通过主轴电动机M1的正、反转来实现主轴的正、反转，当主轴反转时，刀架也跟着后退。

(3)车削过程中刀具及工件应进行冷却。车削加工中，为防止刀具和工件温度过高，延长刀具使用寿命，提高加工质量，车床附有一台单方向旋转的冷却泵电动机M2，功率为0.125kW，以供给切削液。

(4)设置一个快移电动机。CW6163 卧式车床的床身较长，为了提高生产效率、减轻工人的劳动强度，需要设置一台功率为1.1kW 的电动机来拖动溜板箱快速移动。

(5)主轴转速和进给速度可调。主轴电动机为双速电动机，采用机械方法调速，变换主轴箱外的手柄位置，可改变主轴的转速。

(6)机床各电路应有必要的保护、连锁及照明电路。为防止机床电路发生漏电、过载、短路等故障，主电路、控制电路应装设自动空气开关、热继电器、熔断器等电气元件，电路的相应环节要具备联锁功能，机床的外壳要接地。为满足工作要求，机床应设有专用照明装置。

图1 CW6163 卧式车床主电路

图2 CW6163 卧式车床控制电路

2 系统结构设计

2.1 机型选择与I/O 地址分配

为实现上述控制要求，输入端口需要10 个，输出端口需要6 个，改造后的程序只有几百个字节，内容小于4K 字节，考虑到经济适用及稳定性要求，选用西门子SIMATIC S7-200 系列的S7-224CN 作为本次设计的PLC。I/O 配置如表1 所示。

表1 PLC 的I/O 地址分配表

2.2 控制电路设计

根据CW6163 卧式车床的电气原理图，设计其PLC 的I/O 接线图如图3 所示。

图3 CW6163 卧式车床PLC 的I/O 接线

3 系统控制程序设计

3.1 控制系统梯形图

根据系统的控制要求及I/O 地址分配，编制的CW6136 卧式车床PLC 控制梯形图如图4 所示。

图4 CW6136 卧式车床PLC 控制梯形图

3.2 梯形图控制过程分析

(1)主轴电动机M1的正转控制

合上隔离开关QS，按下正转复合起动按钮SB3，短接起动电阻接触器KM3线圈得电，主触点KM3闭合，将限流电阻R 短接;同时，延时动断时间继电器KT 线圈得电，主回路中电流表A 被KT 的动断触点短接，延时t 秒后，KT 的延时动断触点断开，电流表A 被串接入主电路，监视负载的电流变化;中间继电器KA 线圈得电，主轴电动机M1的正转接触器线圈KM1得电，正转主触点KM1闭合，电动机M1短接电阻R 实现正向起动。

(2)主轴电动机M1的反转控制

反转起动与正转起动的情况类似。合上隔离开关QS，按下反转复合起动按钮KM4，接触器KM3线圈得电，主触点KM3闭合，将限流电阻R 短接;中间继电器KA 线圈得电，主轴电动机M1的反转接触器线圈KM2得电，反转主触点KM2闭合，电动机M1短接电阻R 实现反向起动;延时动断时间继电器KT 线圈得电，主回路中电流表A 被KT 的动断触点短接，延时t 秒后，KT 的延时动断触点断开，电流表A 被串接入主电路，监视负载的电流变化。

(3)主轴电动机M1的停车制动

如果停车前主轴电动机M1为正向转动，速度继电器正向动断触点KS1闭合。制动时，按下停车按钮SB1，使得接触器KM3、中间继电器KA、时间继电器 KT、接触器KM1均失电，主回路中串入限流电阻R，用以限制反接制动电流。当SB1松开时，由于电动机M1在惯性作用下仍在正向旋转，正向速度继电器KS1仍闭合，使得反转接触器KM2得电，电动机M1接入负序电源反接制动，正向转速迅速降低，当转速接近于零时，正向速度继电器KS1触点断开，使得接触器KM2线圈失电，KM2主触点断开，制动结束。

(4)冷却泵电动机M2的控制

按下冷却泵起动按钮SB6，冷却泵电动机接触器线圈KM4得电，主触点KM4闭合，冷却泵电动机M2起动，提供冷却液。按下冷却泵停止按钮SB5，接触器线圈KM4断电，主触点KM4断开，冷却泵电动机M2停转。

(5)刀架快速移动电动机M3的控制

转动刀架手柄，压下点动行程开关SQ，快速移动电动机继电器线圈KM5得电，主触点KM5闭合，电动机M3起动，刀架实现快速移动，当移动到目标位置时，松开行程开关SQ，继电器线圈KM5失电，主触点KM5断开，电动机M3停转，刀架停止移动。

4 控制程序仿真

将上述编制好的梯形图，下载到PLC 的CPU中，利用STEP 7-Micro/WIN 软件和PLC 试验台对CW6163 卧式车床PLC 控制程序进行系统仿真，主轴电动机M1正转及反转仿真图如图5、图6 所示。

图5 主轴电动机M1 正转运行仿真图

图6 主轴电动机M1 反转运行仿真图

(1)主轴电动机M1正转仿真分析

由仿真图5 可以看出，按下正转起动按钮SB3，输入继电器I0.2 接通，输出继电器Q0.2 得电置1，接触器KM3 触点闭合，先将限流电阻R 短接，为电机M1大电流正转起动做好准备。I0.2 接通后，在主轴反转继电器Q0.1 断开的情况下，主轴正转继电器Q0.0 得电置1，并实现自锁，主轴电动机M1实现正转起动。同时时间继电器T38 开始计时，延时5s 后，电动机正转起动过程完成，时间继电器Q0.5 得电置1，KM6动断触点断开，电流表A 在电动机正转起动过程完成后串接于主电路(以避免起动大电流对电流表的冲击)，监视电机运行情况，主轴电动机M1实现了正转起动和正转运行。

(2)主轴电动机M1反转仿真分析

由仿真图6 可以看出，按下反转起动按钮SB4，输入继电器I0.3 接通，输出继电器Q0.2 得电置1，接触器KM3 触点闭合，先将限流电阻R 短接，为电机M1大电流反转起动做好准备。I0.3 接通后，在主轴正转继电器Q0.0 断开的情况下，主轴反转继电器Q0.1 得电置1，并实现自锁，主轴电动机M1实现反转起动。同时时间继电器T39 开始计时，延时5s 后，电动机反转起动过程完成，时间继电器Q0.5 得电置1，KM6动断触点断开，电流表A 串接于主电路，监视电动机运行情况，主轴电动机M1实现了反转起动和反转运行。

通过对系统的仿真分析，其结果表明，该PLC 控制程序能够实现对该车床的正、反转起动及运行控制，起动平稳可靠，并具有点动功能和必要的保护及连锁环节，达到了系统控制要求。