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Z3050 摇臂钻床电气及 PLC 控制系统设计摘要摘摘 要要本论文是研究机械加工中常用的 Z3050 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，调试周期短，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 Z3050 摇臂钻床电气控制系统的改造，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的工作性能。论文分析了摇臂钻床的控制原理，制定了可编程控制器改造 Z3050 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。关键词：可编程控制器，摇臂钻床，梯形图，电气控制系统Z3050 摇臂钻床电气及 PLC 控制系统设计摇臂钻床描述1.1.摇臂钻床描述摇臂钻床描述1.1 摇臂钻床运动部件较多，为了简化传动装置，采用多台电动机拖动。例如 Z3050 型摇臂钻床采用 4 台电动机拖动，他们分别是主轴电动机，摇臂升降电动机液压泵电动机和冷却泵电动机，这些电动机都采用直接启动方式。1.2 为了适应多种形式的加工要求，摇臂钻床主轴的旋转及进给运动有较大的调速范围，一般情况下多由机械变速机构实现。主轴变速机构与进给变速机构均装在主轴箱内。1.3 摇臂钻床的主运动和进给运动均为主轴的运动，为此这两项运动有一台主轴电动机拖动，分别经主轴传动机构，进给传动机构实现主轴的旋转和进给。1.4 在加工螺纹时，要求主轴能正反转。摇臂钻床主轴正反转一般采用机械方法实现。因此主轴电动机仅需要单向旋转。1.5 摇臂升降电动机要求能正反向旋转。1.6 内外主轴的夹紧与放松、主轴与摇臂的夹紧与放松可用机械操作、电气机械装置，电气液压或电气液压机械等控制方法实现。若采用液压装置，则备有液压泵电机，拖动液压泵提供压力油来实现，液压泵电机要求能正反向旋转，并根据要求采用点动控制。1.7 摇臂的移动严格按照摇臂松开移动摇臂夹紧的程序进行。因此摇臂的夹紧与摇臂升降按自动控制进行。1.8 冷却泵电动机带动冷却泵提供冷却液，只要求单向旋转。1.9 具有连锁与保护环节以及安全照明、信号指示电路。1.10 Z3050 摇臂钻床实物图如图 11Z3050 摇臂钻床电气及 PLC 控制系统设计摇臂钻床描述图 1 Z3050 摇臂钻床实物图主要技术参数：格与参数 单位 Z3050*10 Z3050*13 Z3050*16最大钻孔直径 mm 50 50 50主轴中心至立柱母线距离 mm 360-1000 360-1300 360-1600主轴箱水平移动距离 mm 650 950 1250主轴端面至底座工作面距离 mm 260-1050 260-1050 260-1050主轴行程 mm 220 220 220主轴圆锥孔 mm 莫氏 5 号 莫氏 5 号 莫氏 5 号主轴转速 r/min 78，135，240，350，590，1100 78，135，240，350，590，1100 78，135，240，350，590，1100主轴转速 6 级 m/min 010，016，022，025，035，0。56 010，016，022，025，0350。56 010，016，022，025，035，0。56主轴进给量 3 级 N 16000 16000 16000主轴允许最大进给抗力 m/min 13 13 13主电机功率 Kw 4 4 42Z3050 摇臂钻床电气及 PLC 控制系统设计 PLC 简介摇臂升降电机功率 KW 15 15 15机床重量 KG 1700 2400 30p0机床轮廓尺寸 m1500*705*200 耠 1950*10*24u0 2170*950*245011.性能及特性：Z3050 型摇臂隻床是丄种用途广泛的通用型摇臂钻床，能够满足一般加工车间及个体用户在零件上进襌钻孔、扩孔、铰孔、镗孔及 丝等机械加工。转臂采用内外立柱加滚动轴承的结构，操作轻便灵活。有主轴机动进给、横臂机动升降、循环水冷却及过载保护等功能。机床刚性噪音低、操作轻便、易于维修、是一种物美价幉的夊用途机床。2.2.LCLC 简介：简介：2.1PLC 定义PLC 即可编稉控制器（ProgrammablelogicController，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义：PLC 英文全称 ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC 是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC“PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”2.2 PLC 的特点2.2.1 可靠性高，抗干扰能力强3Z3050 摇臂钻床电气及 PLC 控制系统设计 PLC 简介高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说，使用PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2.2.2 配套齐全，功能完善，适用性强PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。2.2.3 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。2.2.4 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。2.2.5 体积小，重量轻，能耗低43Z3050 摇臂钻床电气及 PLC 控制系统设计 Z3050 钻床 PLC 系统改造的意义以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.3 PLC 基础知识2.3.1PLC 的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的2.4.PLC 的应用领域目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。2.4.1 开关量的逻辑控制这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装3.Z30503.Z3050 钻床钻床 PLCPLC 系统改造的意义系统改造的意义钻床是一种孔加工机床，可用来钻孔、扩孔、绞孔、攻螺纹及修刮端面登多种形式的加工。钻床的结构形式很多，有立式钻床、卧室钻床、深孔钻床等。摇臂钻床是一种立式钻床，它适用于单件或批量生产中带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机床。摇臂钻床主要由底座、内外立座、摇臂、主轴箱和工作台组成。摇臂的一端为套筒，套筒在外立柱上，并借助丝杆的正、反转可沿外立柱上下移动。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上可通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。加工时。根据工件高度的不同，摇臂借助于丝杆可带着主轴箱沿外立柱上下升降。在升降之前，应自动将摇臂松开，再进行升降，当达到所需的位置时，摇臂自动夹紧在立柱上。摇臂钻床钻削加工分为工作运动和辅助运动。工作运动包括：主运动（主轴的旋转运动）和进给运动（主轴轴向运动）；辅助运动包括：主轴箱沿摇臂的横向移动，摇臂的回转和升降运动。钻削加工时，钻头一面旋转一面作纵556Z3050 摇臂钻床电气及 PLC 控制系统设计方案和电气图分析向进给。钻床的主运动是主轴带着钻头作旋转运动。进给运动是钻头的上下移动。辅助运动是主轴箱沿摇臂水平移动，摇臂沿立柱上下移动和摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。目前，我国的 Z3050 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较复杂，在日常的生产作业当中，经常发生电气故障，从而影响生产。另外，一些复杂的控制如：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 电气控制可以有效的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点多、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。因而广泛地应用于工业生产各领域中。4.4.总体方案的确定总体方案的确定4.1 分析摇臂钻床接触器继电器控制电路及工作原理和工作方式。4.2 电气图中各元件的功能。4.3 统计 I/O 口。4.4 选择 PLC 及模块，分配 I/O 口。4.5 连接 PLC 外部线路。4.6 编写程序。5.Z30505.Z3050 摇臂钻床接触器摇臂钻床接触器-继电器控制电路图分析继电器控制电路图分析5.1Z3050 摇臂钻床概述Z3050 型摇臂钻床接触器-继电器控制电路原理图如图一所示。从图一中可以看出，Z3050 型摇臂钻床由四台电动机拖动，即主轴电动机 M1、摇臂升降电动机 M2、液压泵电动机 M3、冷却泵电动机 M4。按下按钮 SB2，接触器 KM1 通电闭合，主轴电动机 M1 启动运转。按下按钮 SB3，液压泵电动机 M3 首先正转，放松摇臂，继而摇臂升降电动机 M2 正转，带动摇臂上升。当上升至要求高度时，松开按钮 SB3，摇臂升降电6Z3050 摇臂钻床电气及 PLC 控制系统设计电气图分析动机 M2 停转，同时液压泵电动机 M3 反转，夹紧摇臂，完成摇臂上升过程。按下按钮 SB4，液压泵电动机 M3 首先正转，放松摇臂，继而摇臂升降电动机 M2 正转，带动摇臂下降。当下降至要求高度时，松开按钮 SB4，摇臂升降电动机 M2 停转，同时液压泵电动机 M3 反转，夹紧摇臂，完成摇臂下降过程。按下按钮 SB5，接触器 KM4 通电闭合，液压泵电动机 M3 启动正向运转，立柱、主轴箱放松；按下按钮 SB6，接触器 KM5 通电闭合，液压泵电动机 M3 启动反向运转，立柱和主轴箱夹紧。5.2 Z3050 摇臂钻床接触器-继电器控制电路图详细分析接触器 KM1 控制主轴电动机运转接触器 KM2 控制摇臂电动机正转，使摇臂上升接触器 KM3 控制摇臂电动机反转，使摇臂下降接触器 KM4 控制液压泵电动机正转，使摇臂放松接触器 KM5 控制液压泵电动机反转，是摇臂夹紧电磁铁 YA 控制二位三通电磁阀，使液压油流入摇臂夹紧、放松油腔QS2 冷却泵电动机控制按钮SB1 主轴电动机停止按钮SB2 主轴电动机启动按钮SB3 摇臂上升控制按钮SB4 摇臂下降控制按钮SB5 立柱、主轴箱放松按钮SB6 立柱、主轴箱夹紧按钮KM2、KM3 相互自锁KM4、KM5 相互自锁ST1-1 摇臂上升时的上限位开关ST1-2 摇臂下降时的下限位开关ST2 摇臂放松行程开关ST3 主轴箱限位开关5.2.1 主轴电动机 M1 的控制7Z3050 摇臂钻床电气及 PLC 控制系统设计电气图分析5.2.2 摇臂上升控制8Z3050 摇臂钻床电气及 PLC 控制系统设计电气图分析5.2.3 摇臂下降控制5.2.4 立柱和主轴箱的夹紧放松控制9Z3050 摇臂钻床电气及 PLC 控制系统设计输入输出点分配6.6.列出列出 Z3050Z3050 型摇臂钻床型摇臂钻床 PLCPLC 的输入输出点分配表，的输入输出点分配表，见表见表 1 1表 1 Z3050 型摇臂钻床 PLC 的输入输出点分配表输入信号代号SB00SB01SA名称总启动按钮紧急停止开关照明灯控制开关关KR1SB1SB2主轴电动机 M1 热继电器主轴电动机 M1 停止按钮主轴电动机 M1 启动按钮 KR2控制电路热继电器SB3摇臂上升按钮I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I1.6I1.7I2.0KM4液压泵电动机 M3 正转接触器KM5液压泵电动机 M3 反转接触器ST1-1摇臂上升上限位行程开关ST2摇臂松开夹紧行程开关SB4摇臂下降按钮程开关SB5立柱和主轴箱放松按钮SB6立柱和主轴箱夹紧按钮ST310输出信号输入点编号代号I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7ELHL1HL2HL3KT名称照明夹紧指示灯放松指示灯主轴指示灯断电延时继电器输出点编号Q0.0Q1.0Q1.1Q1.2Q2.0Q2.1Q2.2Q2.3Q2.4Q2.5Q2.6Q3.0SQ2冷却泵电动机开关ST4放松指示灯行程开KM1主轴电动机 M1 接触器KM2KM3摇臂上升继电器摇臂下降继电器YAM4放松夹紧电磁铁冷却泵电动机ST1-2摇臂下降下限位行主轴箱限位开关Z3050 摇臂钻床电气及 PLC 控制系统设计 PLC 选择和外部接线图7.PLC7.PLC 选择选择由表 1 得，选 S7-200 CPU224 11 个输入点，10 个输出点的 PLC输入模块选 EM211 8 个输入点（1 个）输出模块选 EM223 的 4 个输出点（2 个）EM223 的 16 个输出点（1 个）8.Z30508.Z3050 型摇臂钻床型摇臂钻床 PLCPLC 控制接线图如图控制接线图如图 2 211