Z3040摇臂钻床PLC改造与排故毕业设计.doc

目 录
第一部分 设计任务与调研………………………………………………………1
1.1 毕业设计的主要任务……………………………………………………………1
1.2 设计思路………………………………………………………………………………1
1.3 与本课题的相关资料……………………………………………………………1
1.4 调研目的和总结…………………………………………………………………2
第二部分 设计说明…………………………………………………………………4
1.1 理论分析……………………………………………………………………………4
1.2 设计方案……………………………………………………………………………4
第三部分 设计成果…………………………………………………………………5
1.1 PLC程序设计………………………………………………………………………5
1.2摇臂钻床电气故障和维修……………………………………………………12
第四部分 结束语……………………………………………………………………13
第五部分 致谢………………………………………………………………………14
第六部分 参考文献………………………………………………………………15

第一部分 设计任务与调研
1、毕业设计的主要任务
用继电器控制线路移植法设计Z3040型摇臂钻床PLC外部硬件接线图和梯形图，程序模拟调试、故障排除获得成功。主要包括：电气控制线路分析、主要电气元件选型（明细表：代号、名称、型号与规格、数量、作用及用途）、元件布局图、PLC选型及外部硬件接线图、编制程序（梯形图）、常见故障及检修与排除。
2、设计的思路
依托电工实训中心和自动化设备维修实训中心的Z3040型摇臂钻床、PLC等实训设备，充分运用所学专业知识和实践技能，详细制定设计方案和阶段进度计划，通过程序设计、模拟调试、常见故障及检修与排除、修订完善，实现Z3040摇臂钻床PLC改造设计与故障排除，程序模拟调试、故障排除获得成功。
方法：文献检索、图书馆借阅、手册查询、设备选型、PLC编程、PLC实训室程序调试、排故实训室常见故障及检修与排除。3、与本课题相关的资料
3、与本课题相关的资料
Z3040摇臂钻床电气控制系统采用的是传统的继电器-接触器控制方式。因其所要控制的电动机较多,电路较复杂,在日常的实习、生产作业中,经常发生电气故障,从而影响正常的教学活动和实习生产。PLC有可靠性高、抗干扰能力强、编程方便、价格低、寿命长等优点,用PLC改造Z3040摇臂钻床的电气控制系统,可以大大提高Z3040摇臂钻床工作性能和系统的工作稳定性。所以,决定对这些转床的传统电气控制系统进行改进设计。用PLC电气控制系统技术改造。
PLC设计控制系统的基本原则：
（1）满足被控设备的全部要求，包括功能要求、性能要求。
（2）在满足控制系统要求的基础上，应考虑适用性、经济性、可维护性。
（3）控制系统应确保控制设备性能的稳定性及工作的安全性、可靠性。
（4）控制系统应具有可扩展性，能满足生产设备的改良和系统的升级。
（5）要注意控制系统输入/输出设备的标准化原则和多供应商原则，易于采购和替换。易于操作，符合人机工程学和用户的操作。
4、调研的目的和总结
本设计是研究机械加工中常用的Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的改造问题，旨在解决传统继电器—接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难题。由于PLC电气控制系统与继电器—接触器电气控制系统相比，具有结构简单，编程方便，使用周期短，可靠性高，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低等一系列优点。因此，本论文对Z3040摇臂钻床电气控制系统的改造，将把PLC控制记住应用到改造方案中去，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。论文分析了摇臂钻床的控制远离，制定了可编程控制器改造Z3040摇臂钻床电气控制系统的设计方案，完成了电气控制系统硬件和软件的设计，其中包括PLC机型的选择、I/O端口的分配、I\O硬件接线图的绘制、PLC梯形图程序的设计。对PLC控制摇臂钻床的工作过程作了详细阐述，论述了采用PLC取代传统继电器—接触器电气控制系统从而提高机床工作性能的方法，给出了相应的控制原理图。
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图1-1 电气原理图
第二部分 设计说明
1、理论分析
目前，我国的Z3040摇臂钻床的电气控制系统普遍采用的是传统的继电器—接触器控制方式。因其所要控制的电机较多所以电路复杂，在日常的生产作业当中，经常反生电气故障，从而影响生产。另外，一些复杂的控制：时间、计数控制用继电器—接触器控制方式较难实现，所以，有必要对传统电气控制系统进行改进设计。PLC电气控制系统可以有效弥补上述系统的这一缺陷。
可编程序控制器（PLC)是以微处理器为核心，将计算机技术、通信技术与自然控制技术融为一体的新型工业自动控制装置。它克服了继电器—接触器控制电路存在触电多、组合复杂、通用性和灵活性差等缺点。它不仅具有各种逻辑控制功能，而且还具有各种运算、数据处理、联网通信等功能的控制，同时还具有抗干扰性强、环境适应性好和可靠性高等特点。因此广泛地应用于工业生产各领域中。因此有必要对旧式机床进行自动化改造。
2、设计方案
2.1 构思
由于Z3040摇臂钻床的运动部件较多，为简化传动装置，使用电机拖动，主电机承担主钻削及进给任务，摇臂升降及其加紧放松、立柱夹紧放松和冷却泵各用一台电动机拖动。为了适应多种加工方式的要求，主轴及进给应在较大范围内调速。但这些调速都是机械调速，用手柄操作变速箱调速，对电动机无任何调速要求。从结构上看，主轴变速机构与进给变速机构应该放在一个变速箱内，而且两种运动由一台电动机拖动是合理的。加工螺纹时要求主轴能正反转。摇臂钻床的正反转一般用机械方法实现，电机只需单方向旋转。
2.2 分析
在PLC控制系统时，为保持程序的有条理和清晰了，主轴电机的过载保护热继电器和液压泵电机的过载保护热保护继电器的动断触电都各自占用一个输入点。个指示灯与相应的接触器也独自占用输入点。冷去泵有组合开关QS2直接启动，不接入PLC。

第三部分 设计成果
1、PLC程序设计
1.1 PLC选型和分配I/O分配表
1.1.1 确定I/O点数
在改造中尽可能保留系统原有的控制功能，根据原有控制电路来计算I/O点数，以便能达到摇臂钻最好的工作效果，发挥其最大的工作效率，根据原有的控制电路来计算I/O点数。其中：按钮6个，行程开关5个，即实际输入点数为13个。
1.1.2 选择PLC机型
根据确定的I/O点数，考虑留有一定的裕量，选择三菱公司的FN2N-32MR 型的PLC，次型号PLC输入点数为13个，输出点数为9个，继电器输出，使用电源为AC100～240V。
1.2 I/O地址分配及接线图
1.2.1 I/O分配表
表3-1 I/O分配表
输入
元件
地址
功能说明
SB1
X0
主轴停止
SB2
X1
主轴启动
SB3
X2
摇臂上升
SB4
X3
摇臂下降
SB5
X4
立柱和主轴箱松开
SB6
X5
立柱和主轴箱夹紧
SQ1U
X6
摇臂上升限位
SQ2
X7
摇臂上升下降行程开关
SQ3
X10
液压电机夹紧行程开关
SQ4
X11
指示灯行程开关
FR1
X12
热继电器
FR2
X13
热继电器
SQ1D
X14
摇臂下降限位
输出
HL1
Y0
主轴电机启动指示灯
HL2
Y1
立柱和主轴箱松开指示灯
HL3
Y2
立柱和主轴箱夹紧指示灯
KM1
Y3
主轴电机启动接触器
KM2
Y4
摇臂升降电机正转接触器
KM3
Y5
摇臂升降电机反转接触器
KM4
Y6
液压电机正转接触器
KM5
Y7
液压电机反转接触器
YA
Y10
立柱和主轴箱松紧电磁阀

1.2.2 I/O接线图
图3-1 I/O接线图
1.3 顺序功能图

图3-2 功能顺序图
1.4 梯形图

1.5 所用材料及其型号规格
表3-2 所用材料及其型号规格
序号
名称
符号
型号
规格
1
照明灯
HL
JC2
40W,AC36V
2
立柱，主轴放松指示灯
HL1
LA19-11D
黄色，AC6.3V
3
立柱，主轴夹紧指示灯
HL2
LA19-11D
绿色，AV6.3V
4
主轴运转指示灯
HL3
LA19-11D
绿色，AV6.3V
5
主轴电动机热继电器
FR1
JR0-40
热元件4～6.4A
6
液压电动机热继电器
FR2
JR0-40
热元件1～1.6A
7
主轴源熔断器
FU1
RL1-60
熔体20A
8
摇臂液压电动机控制电路熔断器
FU2
RL1-15
熔体10A
9
照明灯熔断器
FU3
RL1-15
熔体2A
10
主轴电动机接触器
KM1
GJ0-10B
线圈电压AC127V
11
摇臂上升接触器
KM2
GJ0-11B
线圈电压AC127V
12
摇臂下降接触器
KM3
GJ0-12B
线圈电压AC127V
13
液压电动机正向接触器
KM4
GJ0-13B
线圈电压AC127V
14
液压电动机反向接触器
KM5
GJ0-14B
线圈电压AC127V
15

主轴电动机
M1
J0-32-4,T2
3KWAC380V,6.8A,1420R/MIN
16

摇臂升降电动机
M2
J0-21-4,T2
1.5WAC380V,3.7A,1400R/MIN
17

液压电动机
M3
J04-11-4,T2
0.75KWAC380V,2.1A,1390R/MIN
18

冷却泵电动机
M4
JCB-22
0.75KWAC380V,1.9A,2825/MIN
19

步进电动机
M5
J0-21-4,T2
1.5KWAC380V,2.68A,1350R/MIN
20
主轴停止按钮
SB1
LA19-11
绿
21
主轴启动按钮
SB2
LA19-11D
带绿色指示灯
22
摇臂上升按钮
SB3
LA19-11
红
23
摇臂下降按钮
SB4
LA19-11
黄
24
主轴主轴箱放松按钮
SB5
LA19-11D
带黄色指示灯
25
立柱主轴箱夹紧按钮
SB6
LA19-11D
带绿色指示灯
26
上下限位组合开关
SQ1
HZ4-22

27
摇臂松开行程开关
SQ2
LX5-11

28
摇臂夹紧行程开关
SQ3
LX5-11

29
立柱主轴箱夹紧行程开关
SQ4
LX3-11X

30
时间继电器
KT
JS7-4A
线圈电压AC127V
31
主电源空气开关
QF1
HZ2-25/3
板后接线
32
冷却泵电动机主开关
QS2

装于照明灯上
33
控制变压器
TC
BK-150
AC380/127、36V、6.3V
34
液压电磁阀
YA
MQJ1-3
线圈电压AC127V

2、摇臂钻床电气故障与维修
一般PLC均有LED指示灯可以帮助检查故障是否由外部设备引起。不论在模拟调试还是实际应用中，若系统某回路不能按照要求完成动作，首先应检查PLC输入开关电接触点是否可靠（一般可通过查看输入LED指示灯或直接测量输入端），若输入信号未能传到PLC，则应去检查输入对应的外部回路；若输入信号已经采集到，则再看PLC是否有相应输出指示，若没有，则是内部程序问题或输出LED指示灯问题；若输出信号已确信发出，则应去检查外部输出回路。
表3-3 故障表
故障现象
故障原因
故障检修

操作时一点反应也没有
1. 电源没有接通；
2.FU1烧断或L11、L21导线有断路或脱落；
1. 检查插头、电源引线、电源闸刀；
2. 检查FU1、L11、L12线；

主轴电机不能启动
1. 十字开关接触不良；
2.SB1常开，SB2常闭触点接触不良；
3.KM1线圈损坏；
1. 更换十字开关；
2.调整触点位置或更换触点；
3.更换线圈；
主轴电机不能停转
KM1主触点熔焊
更换触头

摇臂升降后不能夹紧
1. SQ3位置不当；
2.SQ3损坏；
3.连接到SQ2的，31、32号线中有脱落或断路；
1. 更换SQ3位置；
2.更换SQ3;
3.检查31、32号线；
摇臂升降方向与十字开关标志的扳动方向相反
摇臂升降电动机M1相序接反

更换M1相序

立柱能放松但主轴箱不能放松
1. KM4（6-22）接触不良；
2. KA线圈损坏；
3. YA线圈开路；

用万用表电阻挡检查相关部位并修复

第四部分 结束语
在老师的悉心指导和严格要求下，我的毕业设计课题也终将告一段落。老师在设计过程中对我遇到的问题耐心的解答、细心的指导。老师在查阅相关资料方面给我提出了很多的帮助，使我在做毕业设计中可以真正的掌握设计中的重点难点。
我认为，这是一个绝妙的生存时代。从来也没有这么多的机会让人去完成从前根本无法做到的事情。现在，我们又要开始另一次伟大的旅行。第五部分 致谢
在设计即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到设计的顺利完成，有多少可敬的老师、同学给了我帮助，在这里我真诚的感谢你们！正是由于你们的帮助和支持我才能克服一个个的困难和疑惑，直至设计的顺利完成。我也要感谢自己，从来没有这么认真做过一件事，将全身体投入设计的制作中，感觉自己都升华了。
这次的设计制作，让我将自己所学的知识重新温习了一遍，对于知识的掌握更加深刻了，让我对所掌握的知识的运用更加熟练了。
祝我的老师，同学和朋友们工作顺利，生活愉快！

第六部分 参考文献
【1】《电气控制与PLC应用》.王少华.中南大学出版社.2013年7月. P123～178
【2】《电气与可编程控制器技术》.汤以范.机械工业出版社.2004年1月. P83～95
【3】《PLC原理与应用》.俞国亮.清华大学出版社.2005年4月. P32～60
【4】《计算机与PLC的通信格式与实现方法》.刘金能.机床与液压.1999年04期
【5】《可编程控制器原理及应用》.吴中俊，黄永红.机械工业出版社.2005年1月.
【6】《可编程控制器网络通信及应用》.邱公伟.清华大学出版社.2000年3月.
【7】《PLC控制系统设计、安装与调试》.陶权，韦瑞录.北京理工大学出版社.2014年8月. P1～254