基于OMRON CPM1A系列PLC的落地车床的技术改造

连 晗,史增芳,于建涛

（1.河南工业职业技术学院，南阳,473009；2.中铝集团山铝分公司恒诚机械厂，淄博,255000）

0 前言

落地车床是一种常见的机床，它的主运动为主轴旋转运动，辅运动为刀架的前后运动，刀架的运动分为快速和进给运动，主轴旋转运动和刀架的进给运动之间有严格的互锁，只有在主轴运转时进给操作才有效，但是刀架的快速运动不受主轴是否运行的限制。

山铝恒诚机械厂的AP-301型落地车床一台加工直径7米、长17米的大落地车床，其原控制电路为继电器控制，接触触点多，且由于其主要电气控制元件都在固定位置的主控制柜内，所以从主控制柜到移动刀架平台的拖线多达42根，长30米，因此造成了该机床故障率高，维修人员维修任务较大，且存在着很大的安全隐患。针对这种情况，我们用PLC控制改造其继电器控制电路，将大部分控制系统单独配盘安装在移动刀架平台上，从而克服了以上缺点，降低了设备故障率，提高了设备生产效率和安全性，运行效果良好。

1 确定改造方案

1.1 原机床的工艺加工方法不变。

1.2 不改变原控制系统电气操作方法。

1.3 电气控制系统控制元件（按钮.行程开关.热继电器.接触器等) 全部更换，但其作用与原电气线路相同。

1.4 弃用远配电柜，将主电机启动控制由原来的直接启动改造为星-三角启动，并将此主控制系统单独放在一固定配电柜内；从而优化主电机的启动过程。

1.5 为减少拖线数量，将大部分控制系统单独配盘安装在移动刀架平台上，从而将移动拖线的数量由42根减少为9根，消除大量拖线产生的电气故障和安全隐患。

1.6 将原来的继电器控制改为PLC控制，重新设计电气控制线路，编制PLC程序。

2 改造方案的设计与实施

2.1 PLC的优点与选型

PLC与普通继电器相比具有可靠性高，平均无故障时间长，体积小、重量轻、编程简单，组合灵活等特点，用它代替传统的电气元件，是实现机床“机电一体化”的重要手段和发展方向。本次改造选用OMRON CPM1A系列PLC。

2.2 主电路控制设计

大落地车床共有四台电动机：主电动机M1由接触器KM1、KM2、KM3、KM4控制，进给电机M2由KM5、KM6控制，快速移动电动机M3由接触器KM7、KM8控制，油泵电动机M4由接触器KM9控制，因主电机功率较大，原来采用的直接启动对线路电流冲击太大，所以此次将其启动控制设计为星-三角启动，下图主要为主电机星-三角启动控制电路。

主电机启动控制如图1所示：

2.3 确定PLC输入、输出点

根据控制要求，机床所有的按钮、限位开关为PLC的输入控制点，PLC输出用于控制继电器，从而实现对各电机、电磁铁、电磁阀、状态指示灯等的动作控制。按此控制需求，共需输入点16个，输出点14个。故选择24输入16输出点的PLC。

大落地床PLC改造的I/O接线图如图2、图3所示：

图1 大落地车床电气控制图

图2 大落地车床PLC输入电路图

图3 大落地车床PLC输出电路图

2.4 控制原理设计

设计PLC控制程序，该程序的梯形图（部分）如图4所示：

3 机床控制原理分析

3.1 液压泵电动机控制

按下液压泵电动机的启动按钮SB0， 00000常开触点闭合，1000接通并自锁，从而控制接触器KM9动作，液压泵电动机启动运转。按下液压泵电动机的停止按钮SB1， 00001常闭触点断开，1000断开，KM9被释放，液压泵电动机停止运转。

3.2 主电动机运转控制

图4 梯形图（部分）

主电机有正反两个运转方向，主电机原启动控制为直接启动,由于主电机功率较大,为37KW,所以直接启动会对电源线路造成很大的电流冲击,因此此次改造中将主电机的启动控制采用星型—三角形控制,其控制原理和过程如下:按下正转启动SB2,PLC输入点00002获得输入信号,其常开触点闭合, 1001和1102接通并自锁，中间继电器KA1、KA3动作,其常开触点闭合，从而控制接触器KM1、KM3动作，主电动机在星型状态下正向启动运转，到达定时器设T0定的延时时间（此处设为8秒）后，TO常闭触点断开，常开触点闭合，从而1102输出信号断开，其常闭触点复位闭合，进而输出点1103得电，接触器KM3失电断开，KM4得电闭合，主电机完成了星型—三角型转换，降压启动过程结束，主电机进入正向恒速运转状态，按下主电动机的停止按钮SB3， 0003常闭触点断开，1002断开，KA1、KM1、KA4、KM4被释放，主电动机停止运转。 反向启动、运转和停止过程控制原理和正向一致。正向点动、反向点动只在星型阶段运行，不进行三角型转换，此种设计是出于以下两方面考虑：（1）可提高上工件和对刀的工作效率。提高点动操作一般都在操作工上工件、找正和对刀时使用，所以主电机（主轴）低速运转将会大大方便操作工以上工作的进行，提高工作效率；（2）可提高安全性。点动操作一般都是在调整和预备工作时进行，点动低速运行可在紧急情况下尽快停车，提高安全性。另外，正转、反转之间，正点、反点之间以及星型—三角型转换之间均加入了程序互锁和外部线路互锁，这就确保了电机在进行正反转以及星型—三角型转换时出现线路短路现象，保证电气系统的安全运行。

3.3 刀架进给控制

刀架进给控制分为横向进给控制和纵向进给控制，均由进给电机M2来驱动完成，其横向和纵向进给的转换由转换开关SA1来实现。

下面先分析横向进给控制：将旋转开关SA1旋至空位上，此时就选择了横向进给，按下正向进给按钮SB7，PLC输入信号00007获得输入信号，输出点01005获得输出信号，KM5得电闭合，电机M2得电正向运转，从而实现刀架的正向进给运动，当按下停止按钮SB8后，00008获得输入信号，其常闭触点断开，01005输出信号断开，KM5失电断开，正向运转停止。其反向运转控制过程和正转控制原理一致，不再叙述。

纵向进给控制过程及原理：将旋转开关SA1旋至接通位置上，00102获得输入信号，此时就选择了纵向进给，01104有信号输出，KA6得电吸合，电磁铁CT1得电吸合，按下正向进给按钮SB7，PLC输入信号00007获得输入信号，输出点01005获得输出信号，KM5得电闭合，电机M2得电正向运转，从而实现刀架的正向进给运动。其反向运转控制过程和正转控制原理一致，不再叙述。

3.4 快速电机运转控制

快速电机用来实现刀架横向和纵向两个方向的快速运行，其横向和纵向快速运行的转换由转换开关SA2来实现。

横向快速控制：将旋转开关SA2旋至空位上，此时就选择了横向快速，按下正向进给按钮SB10，PLC输入信号00010获得输入信号，在正向限位处于正常状态（未被压合）时01007有输出信号，KM7得电吸合，刀架实现横向快速运行，其反向运转控制过程和正转控制原理一致。

纵向快速控制过程及原理：将旋转开关SA2旋至接通位置上，00103获得输入信号，此时就选择了纵向快速，01105有信号输出，KA7得电吸合，电磁铁CT2得电吸合，按下正向快速按钮SB10，PLC输入信号000010获得输入信号，输出点01007获得输出信号，KM7得电闭合，电机M3得电正向运转，从而实现刀架的纵向正向快速运动。其反向运转控制过程和正转控制原理一致。

4 结论

将机床按以上电气设计线路改造完成后，把设计好的PLC程序通过编程器输入到OMRON CPM1A主机后，按照以上的步骤进行调试，调试过程全部通过，完全满足机床的控制要求，一次试车成功。此项改造后，大大降低了设备运行的故障率，提高了设备运行的稳定性和工作效率，降低了日常维护成本，因在程序中增加了必要的互锁保护，所以可避免因误操作而引起的事故，改造后的设备经实际使用表明效果非常好。

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