摇臂钻床PLC电气控制系统设计样本.doc

摘 要本设计是研究机械加工中惯用Z3040摇臂钻床老式电气控制系统改造问题,旨在解决老式继电器接触器电气控制系统存在线路复杂、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，具备构造简朴，编程以便，调试周期短，可靠性高，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境规定低等一系列长处。因而，本设计对Z3040摇臂钻床电气控制系统改造，将把PLC控制技术应用到改造方案中去，从而大大提高摇臂钻床工作性能。论文分析了摇臂钻床控制原理，制定了可编程序控制器改造Z3040摇臂钻床电气控制系统设计方案，完毕了电气控制系统硬件和软件设计，其中涉及PLC机型选取、I/O端口分派、I/O硬件接线图绘制、PLCSFC图和梯形图程序设计，由于没有实物，还进行了仿真电路设计。对PLC控制摇臂钻床工作过程作了详细阐述，阐述了采用PLC取代老式继电器接触器电气控制系统从而提高机床工作性能办法，给出了相应控制原理图。核心词：可编程控制器；摇臂钻床；电气控制系统；梯形图Abstract This design is to studies the machine process in common use Z3040 in inside radial drilling machine electric control system improves problem. The aim is solving device complexity，inferior reliability and stability，malfunction analysis and trouble obviation of the traditional relay electric control system. Because of electric control system PLC there are lots of advantages which include design，install，connect the line and adjust to try workload small，the period of research and manufacture is short，reliability is high，the ability of Anti- interference is very strong，the rate of break down is low，the demand of work environment is low，maintenance convenience a series of advantage etc. Therefore，a work for to the Z3040 radial drilling machine electric control system reforming，will reforming PLC control technique application in the project，then increasing radial drilling machines work function. The paper introduces to the control principle of the radial drilling machine. Established the programmable controller improve the design project of electric control system of Z3040 radial drilling machine. Completed the design of the software and hardware of the electric control system，Among them include the model of PLC choice、the I/O allotment of the address、the I/O hardware connects the line diagram、PLCs SFC diagram trapezium diagrams design，lack of physical，but also simulated circuit design. It explains that PLC control the work process of radial drilling machine. Discussing the adoption PLC replaces the traditional electric control systems method and increases the work function of radial drilling machine，give a homologous control principle diagram.Key words： PLC；Radial drilling machine；Electric Control System；Trapezium diagram目 录1 绪论11.1本设计选题背景和意义11.2 国内外关于本课题技术研究现状和发展状态22 Z3040摇臂钻床及老式电气控制原理分析32.1 Z3040摇臂钻床简介32.2 Z3040摇臂钻床构造及运动形式32.2.1 Z3040摇臂钻床构造32.2.2 摇臂钻床运动形式42.3 Z3040老式控制线路原理分析52.3.1主电路分析62.3.2信号及照明电路分析72.3.3控制电路分析82.4联锁和保护环节132.4.1 联锁环节132.4.2 保护环节132.5 液压系统142.5.1操纵机构液压系统142.5.2 夹紧机构液压系统153 系统总体方案设计164 基于PLCZ3040电气控制系统硬件设计174.1 PLC控制系统设计基本原则174.2 电气控制某些184.2.1 电气控制主电路184.2.2 电机控制184.3 PLCI/O端口分派表194.4 基于PLCZ3040摇臂钻床电气控制原理图设计204.5 重要电气元件选型224.5.1 PLC型号选取224.5.2 电动机选型244.5.3 主令电器选型244.5.4 继电器及选取264.5.5 熔断器及选取294.5.6 其她电器元件及选取305 元器件明细表316 基于PLCZ3040电气控制系统软件设计316.1 程序SFC图326.2 梯形图326.3 指令表327系统调试327.1 仿真电路设计327.2仿真调试338 结论37道谢38参照文献39附录1 控制系统梯形图40附录2 控制系统指令表42附录3 摇臂钻床元器件明细表441 绪论1.1本设计选题背景和意义Z3040摇臂钻床是工厂中惯用金属切削机床，它可以进行各种形式加工，如：钻孔、镗孔、铰孔及螺纹等。从控制上讲，它需要机、电、液压等系统互相配合使用，并且要进行时间控制。它调速是通过三相交流异步电动机和变速箱来实现。也有是采用多速异步电动机拖动，这样可以简化变速机构。摇臂钻床主轴旋转运动和进给运动由一台交流异步电动机拖动，主轴正反向旋转运动是通过机械转换实现。故主电动机只有一种旋转方向。此外，摇臂上升、下降和立柱夹紧、放松各由一台交流异步电动机拖动。1当前，国内Z3040摇臂钻床电气控制系统普遍采用是老式继电器接触器控制方式。因其所要控制电机较多因此电路较复杂，在寻常生产作业当中，经常发生电气故障，从而影响生产。此外，某些复杂控制如：时间、计数控制用继电器接触器控制方式较难实现，因此，有必要对老式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这一缺陷。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，是从初期继电器逻辑电气控制系统发展而来，它不断吸取微型计算机控制技术，使之功能不断增强，逐渐适合复杂电气控制系统。PLC之因此有较强生命力，在于它更加适应工业现场和市场规定。可靠性高，抗干扰能力强、编程以便、价格低、寿命长。与单片机相比，它输入/输出端更接近现场设备，不需添加太多中间部件，这样可以大大节约顾客开发时间与生产成本。当前应用于各种工业控制领域PLC种类繁多，规模大小和功能强弱千差万别，但她们具备如下某些共同特点。可靠性高。可靠性是顾客首选规定，当前各厂家生产PLC，平均无端障时间都大大超过IEC规定10万小时，例如：西门子、ABB、松下、三菱等微小型PLC，并且均有完善自诊断功能，判断故障迅速。 灵活组态。可编程控制器是系列化产品，普通采用模块化构造来完毕不同任务组合。输入输出端口选取灵活，有各种机型，组合以便。功能强大。除基本逻辑控制、定期、计数、算术运算功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PTO运算、过程运算、数字控制等功能，为以便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远程设备。因而，PLC几乎是全能工业控制计算机。编程以便，易于使用。PLC编程可采用与继电器极为相似梯形图语言，直观易懂，深受现场电气人员欢迎。近年来又发展了面向对象顺控流程图语言（Sequential Function Chart），使编程更加简朴以便。运营速度快。老式机电接触电气控制系统通过大量触点机械动作进行控制，速度很慢，并且系统愈大速度愈慢。PLC控制速度则由CPU工作速度和扫描速度决定。因而更适合解决高速复杂控制任务，它与微型计算机之间差别越来越小 2。同步，PLC还具备了网络功能，能进行多台PLC或PLC与PC机之间联网通讯，使用PLC可以很以便构成“集中管理、分散控制”分布式电气控制系统，通过现场总线PLC通讯网络，可使工厂各种资源共享，就更适合于工厂自动化需要，为工厂自动化提供了技术保证。3正是由于PLC电气控制系统种种长处,因而本次对Z3040摇臂钻床电气控制系统改造,可以大大提高Z3040摇臂钻床工作性能和系统工作稳定性,为工业生产当代化带来生机同步，提高了PLC编程水平和实践能力,为此后在实际工作中纯熟使用PLC进行工业系统设计打好基本。1.2 国内外关于本课题技术研究现状和发展状态早在上世纪六十年代国外就已经浮现了可编程序控制器（PLC）应用，之后世界各国争相在该领域投入大量资金进行新产品开发，在1995年西门子又成功地开发出了S7200、S7300系列，它具备 TD 200和 COROS OPS操作模板为顾客提供了以便人机界面，顾客程序三级口令保护，极强计算性能，完善指令集，MPI接口和通过工业现场总线PROFD3US以及以太网联网网络能力，强劲内部集成功能，全面故障诊断功能；模块式构造可用于各处性能扩展，脉冲输出晶闸管步进电机和直流电机；迅速指令解决大大缩短了循环周期，并采用了高速计数器，高速中断解决可以分别响应过程事件，大幅度减少了成本。由于电气控制系统可靠性日益受到人们注重，某些公司己将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到既有产品中，推出了高可靠性冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决工作方式。由于PLC众多长处，使其迅速在工业控制中得到推广。虽然国内PLC技术应用前景很大，并且获得了一定经济效益，而相比之下，由于受经济和技术水平限制，大多数公司在生产上使用Z3040摇臂钻床电气控制系统，还是采用继电器接触器控制方式，而这种控制方式存在着明显缺陷和隐患，极易发生故障，并且由于线路复杂，要想找到问题所在也相称困难，和国外大量采用PLC技术代替继电器接触器系统相比，咱们还存在很大差距。随着PLC技术在国内迅猛发展，咱们和国外先进技术差距会不断缩小。因而，抓住这个有利时机进一步增进PLC技术推广与应用，是提高国内工业自动化水平迫切任务，本次对于Z3040摇臂钻床电气控制系统改造设计，就是但愿借鉴国外先进工业控制技术，应用到工业现场，以提高摇臂钻床工作性能。2 Z3040摇臂钻床及老式电气控制原理分析2.1 Z3040摇臂钻床简介钻床是一种孔加工设备，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等各种形式加工。按用途和构造分类，钻床可以分为立式钻床、台式钻床、多孔钻床、摇臂钻床及其她专用钻床等。在各类钻床中，摇臂钻床操作以便、灵活，合用范畴广，具备典型性，特别合用于单件或批量生产带有多孔大型零件孔加工，是普通机械加工车间常用机床。当前国内较大摇臂钻床生产厂家重要有：沈阳中捷机床、沈阳机床集团、山东鲁南精机、山东翔宇机床有限公司等。这些厂家都是生产历史较长，质量可靠，有近年信誉老厂。2.2 Z3040摇臂钻床构造及运动形式2.2.1 Z3040摇臂钻床构造如图2.1所示，摇臂钻床重要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱及工作台等某些构成。图2.1 摇臂钻床构造示意图内立柱固定在底座一端，在她外面套有外立柱，外立柱可绕内立柱回转360度。摇臂一端为套筒，它套装在外立柱做上下移动。由于丝杆与外立柱连成一体，而升降螺母固定在摇臂上，因而摇臂不能绕外立柱转动， 只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱是一种复合部件，由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构、机床操作机构等某些构成。主轴箱安装在摇臂水平导轨上，可以通过手轮操作，使其在水平导轨上沿摇臂移动。52.2.2 摇臂钻床运动形式图2.2 运动过程流程图在加工前，要依照摇臂钻床当前位置进行必要调节，其包括运动过程如图2.2所示，当进行加工时，由特殊加快装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上，而外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后进行钻削加工。钻削加工时，钻头一边进行旋转切削，一边进行纵向进给，其运动形式为：主运动：主轴带动钻头刀具作旋转运动。（主电动机M1驱动）进给运动：主轴上、下进给运动（主电动机M1驱动）辅助运动：外立柱和摇臂一起绕内立柱作回转运动（手动） 摇臂沿外立柱作升降运动（升降电动机M2驱动） 主轴箱沿摇臂长度方向径向移动（手动） 外立柱与内立柱、摇臂与外立柱、主轴箱与摇臂间夹紧与放松运动（液压驱动，电动机M3拖动）。 2.3 Z3040老式控制线路原理分析国内本来生产Z3040摇臂钻床主轴旋转运动和摇臂升降运动操作是通过不能复位十字开关来操作，它自身不具备欠压和失压保护。因而在主回路依照Z3040摇臂钻床电气控制规定，路中要用一种接触器将三相电源引入。当前Z3040摇臂钻床取消了十字开关，它老式电气原理图如图2.3所示：图2.3 Z3040摇臂钻床老式电气控制原理图2.3.1主电路分析三相电源U、V、W由电源开关SA2控制，熔断器FU1实现对全电路短路保护（1区），熔断器FU2作摇臂升降电动机M2、液压电动机M3和冷却泵电动机短路保护。从1区开始就是主电路，主电路有4台电动机。 1） M1(1区) 是主轴电动机，带动主轴旋转运动和垂直运动，是主运动和进给运动电动机。它由KM1主触点控制，其控制线圈在7区。热继电器FR1做过载保护，其常闭触点在7区。M1直接起动，单向旋转。主轴正反转由液压系统和正反转摩擦离合器来实现，空档，制动及变速也由液压系统来实现。 2） M2(2区) 是摇臂升降电动机，带动摇臂沿立柱上下移动。它由KM2、KM3主触点控制正反转，其控制线圈分别在9、10区。控制电路保证，在操纵摇臂升降时，一方面使液压泵电动机起动旋转，供出压力油，经液压系统将摇臂松开，然后才使电动机 M2 起动，拖动摇臂上升或下降。当移动到位后，保证 M2 先停下，再自动通过液压系统将摇臂夹紧，最后液压泵电机才停下。电动机M2是短时运营，因而不需要过载保护。 3） M3(3区) 是液压泵电动机，带动液压泵送出压力油以实现摇臂松开、夹紧和主轴箱与立柱松开、夹紧控制。它由KM4、KM5主触点控制其正反转,控制线圈分别在11、12区。热继电器FR2作过载保护，其常闭触点在11区。 4） M4（4区）是冷却泵电动机，带动冷却泵供应工件冷却液。由于M4容量较小，因而不需要过载保护，由转换开关SA3直接控制。M4直接起动，单向旋转。 2.3.2信号及照明电路分析通过控制变压器TC（5区）降压，分别得到照明电路安全电压36V、批示灯电路电压6V和控制电路电压110V。（1）照明电路中，照明灯EL由主令控制开关SA1控制，由控制变压器TC供应24V安全电压。（2）在批示灯回路中，批示灯HL1灯亮表达主轴箱和立柱同步处在放松状态，可以手动操作主轴箱移动手轮，使主轴箱沿摇臂水平导轨移动或者推动摇臂连同外立柱绕内立柱回转；批示灯HL2灯表达主轴箱和立柱同步处在夹紧状态，HL2亮表达主轴箱已夹紧在摇臂上，摇臂连同外立柱夹紧在内立柱上，可以进行钻孔加工，这两只批示灯分别由行程开关SQ4常闭、常开触头控制。HL3为主轴电动机启动旋转批示灯，HL3亮表达主轴电动机带动主轴旋转工作，由接触器KM1常开辅助触头控制。2.3.3控制电路分析2.3.3.1主轴电动机控制在主轴电动机启动前，一方面将自动开关SA2扳到接通位置，电源批示灯亮。当按下按钮SB1时，交流接触器KM1线圈通电并自锁使主轴电动机旋转，同步主轴电动机旋转批示灯HL3亮。主轴正转与反转用手柄通过机械变换办法来实现。其主轴控制流程图如图2.4所示：图2.4 主轴控制流程示意图2.3.3.2摇臂升降控制摇臂钻床摇臂升降由M2作动力，SB3和SB4分别为摇臂升、降点动按钮，由SB3、SB4和KM2、KM3构成双重锁定M2正反转点动控制电路。由于摇臂平时是夹紧在外立柱上，摇臂在升降之前，要先把摇臂松开，再由M2驱动升降；摇臂上升到位后再重新将它夹紧。而摇臂松、紧是由液压系统完毕；在电磁阀YA线圈通电吸合条件下，液压泵电动机正转，正向供出压力油进入摇臂松开油腔，推动松开机构使摇臂松开，摇臂松开后，行程开关SQ2动作、SQ3复位；若M3反转，则反向供出压力油进入摇臂夹紧油腔，推动夹紧机构使摇臂夹紧，摇臂夹紧后，行程开关SQ3动作，SQ2复位。因而，摇臂升降电气控制要与松紧机构液压-机械系统(M3与YA)控制配合进行。6其升降过程如下：摇臂上升流程示意图：图2.5 摇臂上升流程示意图如图2.5所示，当摇臂上升时，按下按钮SB3，时间继电器KT线圈通电，KT常开触点闭合，继而接触器KM4通电闭合，液压泵电动机M3正转，拖动液压泵送出压力油；同步KT常开断电延时触头KT闭合，电磁阀YA线圈通电，液压泵送出压力油经二位六通阀进入摇臂夹紧机构松开油腔，推动活塞和菱形块将摇臂松开。摇臂松开时，活塞杆通过弹簧片压下行程开关SQ2，而行程开关SQ3复位，发出摇臂松开信号，即常开触点SQ2闭合，常闭触点SQ2断开，后者使KM4线圈失电，接触器KM4断开，液压泵电动机M3停转，液压泵停止供油，摇臂维持在松开状态，前者使接触器KM2通电闭合，摇臂升降电动机M2正转，带动摇臂上升。当摇臂上升到一定高度时，松开按钮SB3，接触器KM2、时间继电器KT同步断电，摇臂升降电动机M2依惯性旋转直到停转，摇臂停止上升。而KT常开断电延时触头KT经延时3s后才断开，常闭断电延时触头KT同样延时3s后才闭合。在延时过程中，接触器KM5任处在断电状态，这段延时保证了摇臂电动机在断开电源后直到完全停止运转才开始摇臂夹紧动作。当KT延时时间到后，常闭断电延时触头KT闭合，KM5线圈通电，接触器KM5触头闭合，液压泵电动机M3反转，液压泵送出压力油，压力油经二位六通阀进入摇臂夹紧机构夹紧油腔，反向推动活塞和菱形块将摇臂夹紧，活塞杆通过弹簧片压下行程开关SQ3，其常闭触点断开，发出摇臂夹紧信号，YA线圈断电，KM5线圈断电，M3停止旋转，实现摇臂夹紧，上升结束。摇臂下降示意图：图2.6 摇臂下降流程示意图如图2.6所示，当需要摇臂下降时，按下按钮SB4，时间继电器KT通电闭合，继而接触器KM4通电闭合，液压泵电动机M3正转，供应机床正向液压油松开摇臂。摇臂松开后，行程开关SQ2被压下，行程开关SQ3被复位闭合，即常开触点SQ2闭合，常闭触点SQ2断开，继而接触器KM4断开，液压泵电动机M3停转，接触器KM3通电闭合，摇臂升降电动机M2反转，带动摇臂下降。当摇臂下降到一定高度时，松开按钮SB4，接触器KM3、时间继电器KT失电释放，摇臂升降电动机M2停转，接触器KM5通电闭合，液压泵电动机M3反转供应机床反向压力油夹紧摇臂。摇臂夹紧后，行程开关SQ2复位，SQ3断开，液压泵电动机M3停止反转，完毕摇臂下降控制过程。 由此可知，摇臂松开由行程开关SQ2发出信号，而摇臂夹紧由行程开关SQ3发出信号。由于夹紧机构液压系统浮现故障，摇臂夹不紧，或者因SQ3位置不当在摇臂已夹紧后SQ3仍不能动作，则SQ3常闭触点长时间不能断开，使液压泵电动机M3浮现长期过载，因而，M3设立热继电器FR进行过载保护。摇臂升降限位保护由开关SQ1实现，SQ1有两对常闭触点一对实现上限保护，一对实现下限保护。2.3.3.3主轴箱与立柱松、紧控制 该老式电气控制系统中，主轴箱与立柱夹紧与松开是同步进行。其流程示意图如下：图2.7主轴箱与立柱松、紧控制流程示意图如图2.7所示，当按下SB5时，接触器KM4线圈通电，液压泵电动机正转，拖动液压泵送出压力油，这时电磁阀YA线圈处在断电状态，压力油经二位六通阀进入主轴箱与立柱松开油腔，推动活塞和菱形块，使主轴箱与立柱松开。由于YA线圈断电，压力油不能进入摇臂松开油腔，摇臂仍处在夹紧状态。当主轴箱与立柱松开时，行程开关SQ4没有受压，常闭触点SQ4闭合，批示灯HL1亮，表达主轴箱与立柱松开。这时可以手动操作主轴箱在摇臂水平导轨上做径向移动，也可推动摇臂使外立柱绕内立柱做回转运动。当移动到位后，按下按钮SB6，接触器KM5线圈通电，M3反转，拖动液压泵送出压力油至夹紧油腔，使主轴箱与立柱夹紧。当确已夹紧时，压下行程开关SQ4，常开触点SQ4闭合，批示灯HL2亮，而常闭触点SQ4断开，批示灯HL1灭，批示主轴箱与立柱夹紧，可以进行钻削加工。2.4联锁和保护环节2.4.1 联锁环节（1）按钮、接触器联锁在摇臂升降电路中，除了采用按钮SB3和SB4机械联锁外，还采用了接触器KM2和KM3电气联锁，即对摇臂升降电动机M2实现了正反转复合联锁。在液压泵电动机M3正反转控制电路中，接触器KM4和KM5采用了电气联锁，在主轴箱和立柱夹紧、放松电路中，为保证压力油不供应摇臂夹紧油路，将按钮SB5和SB6常闭触头串联在电磁阀YA线圈电路中，以达到联锁目。（2） 限位联锁在摇臂升降电路中，行程开关SQ2是摇臂放松到位信号开关，其常开触头串联在接触器KM2、KM3线圈中，它在摇臂完全放松到位后才动作闭合，以保证摇臂升降在其放松运动后进行。行程开关SQ3是摇臂夹紧到位信号开关，它在完全夹紧时动作，其常闭触头串联在接触器KM5线圈、电磁铁YA线圈电路中。如果摇臂未夹紧，则行程开关SQ3常闭触头闭合保持原状，使得接触器KM5线圈、电磁铁YA线圈通电，对摇臂进行夹紧，懂得完全夹紧为止，行程开关SQ3常闭触头才断开，切断接触器KM5线圈、电磁铁YA线圈，保证钻削加工精度。（2） 时间联锁通过时间继电器KT延时断开常开触头和延时闭合常闭触头，时间继电器KT能保证在摇臂升降电动机M2完全停止后，才干进行摇臂夹紧动作，时间继电器KT延时长短由摇臂升降电动机M2从切断电源到停止惯性大小来决定。72.4.2 保护环节（1）短路保护 在主电路中，运用熔断器FU1作总电路和电动机M1、M4短路保护，运用熔断器FU2作电动机M2、M3和控制变压器T一次侧短路保护，在控制电路中，运用熔断器FU3作照明回路短路保护。（2）过载保护 在主电路中，运用热继电器FR1作主轴电动机M1过载保护，运用热继电器FR2作液压泵电动机M3过载保护。如果由于液压系统夹紧机构浮现故障不能夹紧，那么行程开关SQ3触头将断不开，或者由于行程开关SQ3安装调节不当，摇臂夹紧后仍不能压下行程开关SQ3，这时都会使液压泵电动机M3处在长期过载状态，易将M3烧毁。M2为短时工作，不用设长期过载保护。（3）限位保护 摇臂升降极限位置保护由组合行程开关SQ1来实现。行程开关SQ1有两对常闭触头，她们分别串联在摇臂升降控制电路接点中，当摇臂上升或下降带极限位置时相应触头动作，切断与其相应上升或下降接触器KM2和KM3，使摇臂升降电动机M2停止旋转，摇臂停止升降，实现极限位置保护。（4）失压（欠压）保护 主轴电动机M1采用按钮与自保护控制方式，具备失压保护，各接触器线圈自身亦具备欠电压保护功能。2.5 液压系统该机床采用先进液压技术，具备两套液压控制系统：一套是操纵机构液压系统，由主轴电动机拖动齿轮泵输送压力油，通过操纵机构实现主轴正/反转、停车制动、空挡、预选与变速；另一套由液压泵电动机拖动液压泵输送压力油，实现摇臂夹紧与放松，主轴箱和立柱夹紧与松开。2.5.1操纵机构液压系统该系统压力油由主轴电动机拖动齿轮泵送出，由主轴操作手柄来变化两个操纵阀互相位置，使压力油作不同分派，获得不同动作。操作手柄有上、下、里、外和中间五个空间位置。其中上为“空挡”，下为“变速”，外为“正转”，里为“反转”，中间位置为“停车”。而主轴转速及主轴进给量各由一种按钮预选，然后再操作主轴手柄。主轴旋转时，一方面按下主轴电动机启动按钮，主轴电动机启动旋转，拖动齿轮泵，送出压力油。然后操纵主轴手柄，扳至所需转向位置（里或外），于是两个操纵阀互相位置变化，使一股压力油将制动摩擦离合器松开，为主轴旋转创造条件；另一股压力油压紧正转（或反转）摩擦离合器，接通主轴电动机到主轴传动链，驱动主轴正转或反转。在主轴正转或反转过程中，可转动变速按钮，变化主轴转速或主轴进给量。主轴停车时，将操作手柄扳回至中间位置，这时主轴电动机仍拖动齿轮泵旋转，但此时整个液压系统为低压油，无法松开制动摩擦离合器，而在制动弹簧作用下将制动摩擦离合器压紧，使制动轴上齿轮不能转动，实现主轴停车。因而主轴停车时主轴电动机仍在旋转，只是不能将动力传到主轴。主轴变速与进给变速：将主轴操作手柄扳至“变速位置”，于是变化两个操纵阀互相位置，使齿轮泵送出压力油进入主轴转速预选阀和主轴进给量预选阀，然后进入各变速油缸。变速液压缸为差动液压缸，详细哪个液压缸上腔进压力油或回油，视所选取主轴转速和进给量大小。与此同步，另一油路系统推动拔叉缓慢移动，逐渐压紧主轴转速摩擦离合器，接通主轴电动机到主轴传动链，带动主轴缓慢移动，称为缓速，以利于齿轮顺利啮合。当变速完毕，松开操作手柄，此时手柄在弹簧作用下由“变速”位置自动复位到主轴“停车”位置，然后再操纵主轴正反转，主轴将在新转速或进给量下工作。主轴空挡：当操作手柄扳向“空挡”位置，这时压力油使主轴传动中滑移齿轮处在中间脱开位置。这时，可用手轻便地转动主轴。82.5.2 夹紧机构液压系统主轴箱、内外立柱和摇臂夹紧与松开，是由液压泵电动机拖动液压泵送出压力油，推动活塞、菱形块来实现。其中主轴箱和立柱夹紧放松由一种油路控制，而摇臂夹紧放松因要与摇臂升降运动构成自动循环，因而由另一种油路来控制。这两个油路均由电磁阀操纵。夹紧构造液压图如图2.8所示。910图2.8 夹紧构造液压系统原理图控制摇臂松开时，电磁阀YA线圈通电，液压泵电动机启动正转，拖动液压泵送出正向压力油经该夹紧机构将摇臂放松。控制摇臂夹紧时，电磁阀YA线圈仍通电，液压泵电动机反向旋转，拖动液压泵电动机送出反向压力油经该夹紧机构将摇臂夹紧。摇臂完全夹紧后，YA线圈断电，为保证摇臂在加工工件前总是处在夹紧状态，电磁阀YA线圈始终保持断电状态。主轴箱、立柱松紧控制是同步进行，此时电磁阀YA线圈断电。控制主轴箱、立柱松开时，启动液压泵电动机M3，M3正转，拖动液压泵送出正向压力油经该夹紧机构将主轴箱和立柱分别实现放松。控制主轴箱、立柱夹紧时，起动液压泵电动机M3，M3反转，拖动液压泵送出反向压力油经该夹紧机构将主轴箱和立柱分别实现夹紧。电磁阀YA线圈通电状况如表2.1所示。表2.1二位六通电磁阀工作表动 作YA通电YA断电摇臂松开+-摇臂夹紧+-摇臂上升+-摇臂下降+-主轴箱、立柱松开-+主轴箱、立柱夹紧-+3 系统总体方案设计自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代老式继电器控制装置以来，PLC得到了迅速发展，在世界各地得到了广泛应用。同步，PLC功能也不断完善。随着计算机技术、信号解决技术、控制技术、网络技术不断发展和顾客需求不断提高，PLC在开关量解决基本上增长了模仿量解决和运动控制等功能。今天PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要作用。10可编程控制器( PLC) 是以微解决器为核心一种新型工业控制装置，它具备体积小、功能强、编程简朴、可靠性强等长处，特别是它抗干扰性能强，已成为当代工业自动化重要支柱之一。11当前，在实际生产过程中，由于液压系统能提供较大驱动力，且运动传递平衡、均匀、可靠及控制以便，因而被广泛应用于机床设备中，而把液压系统与PLC 控制结合起来，即可实现液压系统自动化。老式继电器控制方式，由于电路接线复杂，触点多，噪音大，可靠性差，故障诊断与排除困难等缺陷，编程复杂，不直观，不易读懂。而采用PLC控制具备如下长处：(1)信号解决时间短，运营速度快，具备很强实时性。(2)所有I/O输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场外电路与控制器内部电路之间电气上隔离；各模块均采用屏蔽办法，以防止噪声干扰；良好自诊断功能，一旦电源或其她软，硬件发生异常状况，CPU及时采用有效办法，以防止故障扩大，因而具备很高可靠性。(3)I/O卡件种类丰富，可依照自控工程实现功能规定不同，而进行不同配备，系统配备简朴灵活。(4)控制系统采用模块化构造。(5)质优价廉，性价比高，安装简朴，维修以便。综合两者优缺陷，采用PLC控制更能合理地对Z3040摇臂钻床进行控制，设计总体方案如图3.1所示。图3.1 系统改造方案图4 基于PLCZ3040电气控制系统硬件设计4.1 PLC控制系统设计基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）工艺规定，以提高生产效率和产品质量。因而在设计PLC控制系统时，应遵循如下基本原则：(1)最大限度满足被控对象控制规定。设计前应进一步现场进行调查研究，收集资料并于机械某些设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中浮现各种问题。(2)在满足控制规定前提下，力求使控制系统简朴、经济、使用，维修以便。(3)保证控制系统安全、可靠。(4)考虑到生产发展和工艺改进，在选取PLC容量时，应恰当留有余量。12 4.2 电气控制某些4.2.1 电气控制主电路本次设计需要实现是PLC代替老式继电器对摇臂钻床进行电气控制，因此主电路基本不变，重点依照控制规定对控制电路进行设计。在系统设计中，所用到四台电动机控制线路如图4.1所示，主轴电动机（M1）和液压泵电动机（M3）旋转，摇臂升降电动机（M2)正反转均由接触器控制，而冷却泵电动机（M4）由转换开关控制， M1、M3设立长期过载保护。图4.1 Z3040摇臂钻床主电路图4.2.2 电机控制（1）直接启动四台三相鼠笼异步电动机按加工顺序需要均采用直接启动，直接启动是一种简朴、可靠、经济启动办法，但由于直接启动时，电动机启动电流Ist为额定电流In47倍，过大启动电流一方面会导致电网电压明显下降，直接影响同一电网工作其她电动机及用电设备正常运营，另一方面电动机频繁启动会严重发热，加速线圈老化，缩短电动机寿命，因此直接启动电动机容量受到一定限制，普通容量不超过10KW电动机采用直接启动。13图3.1所示为接触器控制电动机直接启动控制线路。（2）正反转控制从电机原理中得知，变化电动机定子绕组电源相序，就可实现电动机旋转方向变化。液压泵电动机通过两个接触器变化电源相序来实现电动机正反转控制。摇臂升降电动机通过两个接触器变化电源相序来实现电动机正反转控制。可逆运营控制线路实质上是两个方向相反单项运营线路组合。4.3 PLCI/O端口分派表 跟据输入输出口数量，进行I/O点端口分派，如下（表4.1、表4.2）所示：表4.1 输入信号端口I/O分派表符号地址名称SQ1-1X0摇臂上升限位开关SQ1-2X1摇臂下降限位开关SQ2X2摇臂松开行程开关SQ3X3摇臂夹紧行程开关SQ4X4主轴箱和立柱松紧行程开关SB1X5M1停机按钮SB2X6M1启动按钮SB3X7摇臂上升按钮SB4X10摇臂下降按钮SB5X11控制主轴箱和立柱松开按钮SB6X12控制主轴箱和立柱夹紧按钮FR1X13M1热继电器FR2X14M3热继电器表4.2 输出入信号端口I/O分派表符号地址名称KM1Y0M1接触器KM2Y1M2正转接触器KM3Y2M2反转接触器KM4Y3主轴箱和立柱松开M3接触器KM5Y4主轴箱和立柱夹紧M3接触器YAY5电磁阀HL1Y6主轴箱和立柱松开批示灯HL2Y7主轴箱和立柱夹紧批示灯HL3Y10M1工作批示灯4.4 基于PLCZ3040摇臂钻床电气控制原理图设计依照I/O点端口分派表，设计出基于PLCZ3040摇臂钻床电气控制原理图，如图4.2所示，图中X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X10、X11、X12、X13、X14共用一种COM端，输入开关其中一端并接在直流24V电源上，另一端应分别接入相应PLC输入端子上。接线时注意PLC输入/输出COM端子极性。接触器线圈工作电压若为交流110V，则接触器线圈连接Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5可以共用一种COM1端。信号灯电源电压为6V，因而Y6、Y7、Y10、可以共用一种COM2端。 4.5 重要电气元件选型 合理地选用各种电器元件，不但经济实惠，还可保证控制线路安全、工作可靠，因此对元器件选型非常重要。4.5.1 PLC型号选取 发展至今，PLC种类繁多，如西门子、ABB、松下、三菱等系列PLC，选取本设计PLC机型，重要要考虑PLC构造、PLC功能、PLC输入输出点数、PLC存储容量及I/O点数（模块）。（1）PLC构造。PLC构造要合理，按照构造，PLC分为整体式、模块式和叠装式。整体式每