基于PLC的钻床电气控制系统设计.doc

1、 名称:基于 PLC 的钻床电气控制系统设计专 业 机电设备维修与管理 目录 共 36 页摘 要 .1Abstract .21 绪论 .31.1 本设计的选题背景和意义 .32 Z3040 钻床的结构及运动形式 .42.1 Z3040 钻床的结构 .42.2 钻床的运动形式 .53 Z3040 传统控制线路原理分析 .53.1 主电路分析 .63.2 控制电路分析 .73.2.1 主轴电动机的控制 .73.2.2 主轴箱与立柱的松、紧控制 .84 联锁和保护环节 .84.1 联锁环节 .84.2 保护环节 .95 液压系统 .105.1 操纵机构液压系统 .105.2 夹紧机构液压系统 .11

2、6 计数器 .127 基于 PLC 的 Z3040 电气控制系统硬件设计 .127.1 PLC 控制系统设计的基本原则 .127.2 电气控制部分 .137.2.1 电气控制主电路 .137.2.2 电机控制 .147.3 PLC 的 I/O 端口分配表 .147.4 基于 PLC 的 Z3040 钻床电气控制原理图设计 .157.5 主要电气元件选型 .177.5.1 PLC 的型号选择 .177.5.2 电动机选型 .197.5.3 主令电器选型 .197.5.4 继电器选型 .218 元器件明细表 .249 基于 PLC 的 Z3040 电气控制系统软件设计 .269.1 程序 SFC

3、图 .269.2 梯形图 .279.3 指令表 .2910 系统调试 .3110.1 仿真电路设计 .3110.2 仿真调试 .31结论 .35致谢 .35参考文献 .361摘 要本设计是研究机械加工中常用的 Z3040 钻床电气控制系统的设计问题,旨在实现工作过程为：按下起动按钮，工件夹紧，夹紧后压力继电器 ON，两个钻头同时开始工作，钻到由两个限位开关设定的深度时，两个钻头同时上行，当上行到由两个限位开关设定的起始位置时停止上行。两个都到位后，工件旋转一定角度后，限位为 ON，同时计数器的当前值加 1，旋转结束后，又开始钻第二个孔，所有孔都钻完后，计数器当前值等于设定值，工件松开，松开到位

4、时，限位开关为 ON，系统返回初始位置。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。制定了可编程序控制器改造 Z3040 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 的 SFC 图和梯形图程序的设计，由于没有实物，还进行了仿真电路设计。对 PLC 控制钻床的工作过程作了详细阐述，论述了采用 PL

5、C 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；钻床；电气控制系统；梯形图2AbstractThis design is to study mechanical processing in commonly used Z3040 drill electric control system design problems, so as to realize the working process: press the start button, workpiece clamping, clamping pressure relay o

6、n, two bit also began to work drill to the two limit switch setting depth, two bit and upward, when the uplink to the two position switch set the starting position of the limit stop uplink. Two are in place, after the workpiece to rotate a certain angle, limit is on, and the current value of the cou

7、nter plus 1, after the spin, and began to drill a second hole, after all the holes are drilled. The current value of the counter is equal to the set value, loosen the workpiece, loosen in place, limit switch is on, the system returns to initial position. The problems such as the complicated circuit,

8、 reliability stability, trouble diagnosis and troubleshooting of the electrical control system of the traditional relay are difficult. As a result of the PLC control system and electrical relay - contactor electrical control system is compared with simple structure, easy programming, debugging, shor

9、t cycle, high reliability, strong anti-interference ability, low failure rate, the work environment low requirement of a series of advantages. Formulated the programmable program controller reconstruction of Z3040 drill electric control system design scheme, completed the design of electrical contro

10、l system of hardware and software, including the distribution of the PLC type choice, the I / O port, I / O wiring diagram of the hardware drawing, design of PLC SFC diagram and ladder diagram program, because there is no physical, circuit simulation and design. PLC control of the working process of

11、 drilling machine made in detail, discusses the use of PLC to replace traditional relay - contactor electrical control system so as to enhance the performance of the machine, gives the corresponding control principle diagram.Keywords: PLC, drilling machine, electrical control system, ladder diagram3

12、1 绪论1.1 本设计的选题背景和意义自动控制系统的应用领域在 21 世纪的今天相当广泛。在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相应的控制系统。在军事技术方面，自动控制的应用实例有各种类型的伺服系统、火力控制系统、制导与控制系统等。在航天、航空和航海方面，除了各种形式的控制系统外，应用的领域还包括导航系统、遥控系统和各种仿真器。此外，在办公室自动化、图书管理 、交通管理乃至日常家务方面，自动控制技术也都有着实际的应用。随着控制理论和控制技术的发展，自动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及生物、医学、

13、生态、经济、社会等所有领域。自动控制系统的学习，在各个高等教育学院中也都是至关重要的。而PLC 可编程控制系统则是这门技术的主要载体。本课题的研究设计是对自动控制系统中，PLC 可编程控制系统的学习的自测与探究。本设计采用的是常见的 Z3040 钻床，此机床是工厂中常用的金属切削机床，它可以进行多种形式的加工，如：钻孔、镗孔、铰孔及螺纹等。从控制上讲，它需要机、电、液压等系统相互配合使用，而且要进行时间控制。它的调速是通过三相交流异步电动机和变速箱来实现的。也有的是采用多速异步电动机拖动，这样可以简化变速机构。主轴钻床的主轴旋转运动和进给运动由一台交流异步电动机拖动，主轴的正反向旋转运动是通过

14、机械转换实现的。故主电动机只有一个旋转方向。此外，主轴的上升、下降和立柱的夹紧、放松各由一台交流异步电动机拖动。本设计的的意义在于，让学生对 Z3040 钻床有一个根本的认识和学习应用。旨在提高了学生 PLC 编程水平和实践能力,为今后在实际工作中熟练使用 PLC 进行工业系统的设计打好基础。也是对学生创新思维的一种培养，既是高等教育学院的一种良性教学指引，也是国家教育机构倡导的教育方向。42 Z3040 钻床的结构及运动形式2.1 Z3040 钻床的结构如图 2.1 所示，主轴钻床主要由底座、内立柱、外立柱、主轴、主轴箱及工作台等部分组成。图 2.1 钻床结构示意图内立柱固定在底座的一端，在

15、他的外面套有外立柱，外立柱可绕内立柱回转360 度。由于丝杆与外立柱连成一体，而升降螺母固定在主轴上，因此转轴不能绕外立柱转动，只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构、机床的操作机构等部分组成。主轴箱安装在主轴的水平导轨上，可以通过启动按钮和限位开关的检测，使其在水平导轨上沿主轴移动，进行钻孔。52.2 钻床的运动形式图 2.2 运动过程流程图在加工前，要根据钻床当前的位置进行必要的调整，其包含的运动过程如图2.2 所示，当进行加工时，由特殊的加紧装置将主轴箱紧固在主轴导轨上，而外立柱紧固在内立柱上，主轴紧固在外立柱上，然后进行钻

16、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：主轴的上、下进给运动（主电动机 M1 驱动）辅助运动：外立柱和主轴一起绕内立柱作回转运动（手动）主轴沿外立柱作升降运动（升降电动机 M2 驱动）主轴箱沿主轴长度方向径向移动（手动）外立柱与内立柱、主轴与外立柱、主轴箱与主轴间的夹紧与放松运动（液压驱动，电动机 M3 拖动）。 3 Z3040 传统控制线路原理分析我国原来生产的 Z3040 主轴钻床的主轴旋转运动和主轴升降运动的操作是通过不能复位的十字开关来操作的，它本身不具有欠压和失压保护。因此在主回路

17、根据 Z3040 主轴钻床电气控制要求，路中要用一个接触器将三相电源引入。现在6的 Z3040 主轴钻床取消了十字开关，它的传统电气原理图如图 2.3 所示：图 2.3 Z3040 主轴钻床传统电气控制原理图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 实现对全电路的短路保护（1 区），熔断器 FU2 作主轴升降电动机 M2、液压电动机 M3 和冷却泵电动机的短路保护。从 1 区开始就是主电路，主电路有 4 台电动机。 71） M1(1 区) 是主轴电动机，带动主轴的旋转运动和垂直运动，是主运动和进给运动电动机。它由 KM1 的主触点控制，其控制线圈在 7

18、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。主轴的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) 是主轴升降电动机，带动主轴沿立柱的上下移动。它由 KM2、KM3的主触点控制正反转，其控制线圈分别在 9、10 区。控制电路保证，在操纵主轴升降时，首先使液压泵电动机起动旋转，供出压力油，经液压系统将主轴松开，然后才使电动机 M2 起动，拖动主轴上升或下降。当移动到位后，保证 M2 先停下，再自动通过液压系统将主轴夹紧，最后液压泵电机才停下。电动机 M2 是短时运行，因此不需要过载保护。 3） M3(3 区

19、) 是液压泵电动机，带动液压泵送出压力油以实现主轴的松开、夹紧和主轴箱与立柱的松开、夹紧控制。它由 KM4、KM5 的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，带动冷却泵供给工件冷却液。由于 M4 容量较小，因此不需要过载保护，由转换开关 SA3 直接控制。M4 直接起动，单向旋转。 3.2 控制电路分析3.2.1 主轴电动机的控制在主轴电动机启动前，首先将自动开关 SA2 扳到接通位置，电源指示灯亮。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，同时主轴电动机旋转的指示灯 HL3 亮。主轴的正转与反转用手柄通过机械变换的方法来实现。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83.2.2 主轴箱与立柱的松、紧控制该传统电气控制系统中，主轴箱与立柱的夹紧与松开是同时进行的。其流程示意图如下：图 2.7 主轴箱与立柱的松、紧控制流程示意图4 联锁和保护环节4.1 联锁环节（1）按钮、接触器联锁