1、Z3050 型摇臂钻床 PLC 改造第 1 页 共 20 页摘 要摇臂钻床是用于一些大中型企业对工件的加工，老式的摇臂钻床电气控制线路是以各种不同的继电器为主要元件，所以负担比较沉重，大量的接触器需要大量的资金，在生产加工工件时接触器触头不断的关断会造成触头的发黑。在安装这些继电器时需要大量的空间。维修依靠经验，继电器的位置发生变化或者是线路发生改变维修更是困难。随着现代社会生产的发展和技术的进步，现代化工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的飞速发展，出现了一种可编程控制器（PLC） 。所以我想能不能用可编程控制器（PLC）结合一些外部设备代替摇臂钻床电气设备的控制，以降低床子的造价费用，
2、并且还提高床子的加工精度、延长使用寿命。关键词：Z3050 型摇臂钻床、PLC、自动控制。Z3050 型摇臂钻床 PLC 改造第 2 页 共 20 页SummaryShaking the arm drills a bed to be mainly more applied than some big and medium-sized business enterprises to used for processing work piece, shaking arm to drill the bed electricity control circuit because of the old
3、style, with various different after electric appliances for main component, so burden more heavy, a great deal of of contact the machine even need a great deal of funds, getting in touch with a machine to touch when the production process a work piece ones continuous contact will result in a nigresc
4、ent circumstance of touching the head.Even need a great deal of space while installing these after the electric appliances.What to depend on more is experience in the aspects of maintaining, once after the position occurrence of the electric appliances change perhaps is a circuit occurrence to chang
5、e that to maintain is also difficulty.Modernize industry production to automate along with development and technical progress of modern and social production level of raise increasingly and the micro-electronics fly technically to develop soon, appearing a kind of programmable controller(PLC).So I c
6、onceive the control that can combine some exterior equipmentses to replace to shake arm to drill bed electricity an equipments with the programmable controller(PLC), the since low bed son builds price expenses, and still raises bed son to process accuracy and the extension service life etc.Keyword:T
7、he Z3050 type shakes arm to drill a bed, PLC.第 1 章 绪论钻床的种类很多，按照结构形式和加工性能的不同，可分为立式钻床、卧式钻床、台式钻床及多轴钻床。Z3050 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的大型零件加工。摇臂钻床主要由底座、外立柱、内立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成。摇臂钻床，崴观大方，移动方便，占用场地小，结构合理，操作灵活，突破了机床教具平面化的模式，能模拟铣床电气动作及相关的机械动作，电气柜无油腻，并装有接零插座，适用于大中专、技校，职业中学及职业培训等维修电工专业课堂化教学，其电气线路既典型又有一定的难度
8、，电气故障检修是维修电工所必须掌握的内容之一。运用 PLC 来控制摇臂钻床，PLC 采用先进、高质量、应用较为广泛的三菱系列（FX2N-48MR） 。PLC 可编程序控制器作为控制系统的核心，PLC 具有系统响应快，功能强、运行稳定可靠、控制线路简单，维修方便等优点。PLC 设计了许多逻辑指令，可以处理继电器接点的串联、并联，串并联等各种连接；同时它也为用户提供了能满足各种控制要求的定时器和计数器。在程序运行的过程中可以对时间值和计数值进行有效的监控,还有无数多对的触点可用，使摇臂钻床使用更为便捷。Z3050 型摇臂钻床 PLC 改造第 3 页 共 20 页第 2 章 Z3050 摇臂钻床简介
9、2.1 摇臂钻床的外观（如图 2.1 所示）Z3050 型摇臂钻床 PLC 改造第 4 页 共 20 页图 2.1 摇臂钻床外观2.2 摇臂钻床的性能及用途钻床的种类很多，按照结构形式和加工性能的不同，可分为立式钻床、卧式钻床、台式钻床及多轴钻床。Z3050 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的大型零件加工。摇臂钻床主要由底座、外立柱、内立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成。Z3050 摇臂钻床，崴观大方，移动方便，占用场地小，结构合理，操作灵活，突破了机床教具平面化的模式，能模拟铣床所有电气动作及相关的机械动作，电气柜无油腻，并装有接零插座，上升、下降加装了极限固定保护
10、装置，适用于大，中专，技校，职业中学及职业培训等维修电工专业课堂话教学，其电气线路既典型又有一定的难度，电气故障检修是维修电工所必须掌握的内容之一。Z3050 摇臂钻床原理图（如图 2.2 所示）Z3050 型摇臂钻床 PLC 改造第 5 页 共 20 页图 2.2Z3050 型摇臂钻床 PLC 改造第 6 页 共 20 页2.3 摇臂钻床的运动形式（1） 主运动 钻床主轴带动钻头（刀具）的旋转运动。（2） 进给运动 摇臂钻床主轴的垂直运动（手动或自动） 。（3） 辅助运动 辅助运动是用来调整主轴（刀具）与工件纵向横向即水平上的相对位置以及相对高度的运动。2.4 摇臂钻床的原理分析主电路中 M
11、1 是主轴电动机，它由交流接触器控制单向旋转并有热继电器保护； M2 是摇臂升降电机，它能实现正、反转，由于 M2 是间断性工作，所以不设过载保护； M3 是液压油泵电机，它也能正、反转； M4 是冷却泵电机有空气隔离开关保护。TC 输出 24V 照明电压用于照明灯 EL，TC 输出 6V 短路保护，TC 输出 110V 交流电压提供给控制回路。控制回路中，当按下主轴电动机启动按钮 SB3，则接触器 KM1 吸合并自锁，使主电机M1 启动运行，同时指示灯 HL2 亮。按停止按钮 SB2，则接触器 KM1 释放，使主电机 M1 停止旋转，同时指示灯 HL2 熄灭。2.5 摇臂钻床的主要结构Z30
12、50 摇臂钻床主要由底座、外立柱、内立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成。工作台用螺柱固定在底座上，工作台上面固定加工工件。内立柱亦固定在底座上。柱套在内立柱上，用液压机构夹紧后，二者不能相对运动；松开夹紧机构后，外立柱用手推动可绕内立柱旋转 360。安装在 坐落在 套在 套在 固定在主轴 主轴箱 摇臂 外立柱 内立柱固定在 固定在底座 工作台 工件注：“ ”表示用液压夹紧机构相连2.6 Z3050 摇臂钻床电气控制线路原理分析摇臂钻床的电气控制线路包括主电路、控制电路和照明电路三部分。主电路中共有 4 台异步电动机，M1 是主轴电动机、 M2 是摇臂升降电动机、M3 液压泵电动机、M4 冷却
13、泵电动机。控制电路的电源由控制变压器 TC 输出 110V 电压供电。摇臂钻床照明由变压器 TC 供给 24V 的安全电压 。熔断器 FU3 作照明电路的短路保护。(1) 主电路分析开关 SB1 是摇臂钻床的电源总开关。熔断器 FU1 是总电源的短路保护。主电路中共有 4 台电动机，M1 是主轴电动机，拖动主轴电动机运行，由接触器 KM1控制启动与停止；M2 是摇臂升降电动机，通过操纵按钮配合使横臂上升或下降其正反转由接触器 KM2、KM3 来实现；M3 是液压油泵电动机通过操纵按钮配合使液压泵松开或夹紧Z3050 型摇臂钻床 PLC 改造第 7 页 共 20 页由接触器 KM4、KM5 来实
14、现；M4 是冷却泵电动机，供应切削液，且当 M1 启动后才能启动，由转换开关 QF2 控制它的直接启动和停止。(2) 控制电路分析1、摇臂升降控制按下上升按钮 SB4（或下降按钮 SB5） ，则时间继电器 KT1 通电吸合，其瞬时闭合的常开触头闭合，接触器 KM4 通电，液压泵电动机 M3 启动，正向旋转供给压力油。压力油经分配阀体进入摇臂的“ 松开油腔 ”，推动活塞移动，活塞推动菱形块，将摇臂松开。同时活塞杆通过弹簧片压下位置开关 SQ2，使其常闭触头闭合。前者切断了接触器 KM4 的线圈电路，KM4 主触头断开，液压泵电动机 M3 停止工作。后者使交流接触器 KM2(或 KM3)线圈通电，
15、KM2(或 KM3)的主触头接通 M2 的电源，摇臂升降电动机 M2 启动旋转，带动摇臂上升（或下降） 。如果此时摇臂尚未松开，则位置开关 SQ2 的常开触头则不能闭合，接触器 KM2（或KM3）的线圈无电，摇臂就不能上升（或下降） 。由于时间继电器 KT1 断电释放，经 13S 时间的延时后，其延时闭合的常闭触头闭合，使接触器 KM5 吸合，液压泵电动机 M3 反向旋转，随之泵内压力油经分配阀进入摇臂的 “夹紧油腔”使摇臂夹紧。自摇臂夹紧后，活塞杆推动弹簧片压下位置开关 SQ3，其常闭触头断开，KM5 断电释放，M3 最终停止工作，完成了摇臂的松开 上升（或下降） 夹紧的整套动作。摇臂的自动
16、夹紧由位置开关 SQ3 控制。如果液压夹紧系统出现故障，不能自动夹紧摇臂，或由于 SQ3 调整不当，在摇臂夹紧后不能使 SQ3 的常闭触头断开，都会使液压泵电动机 M3 因长期过载运行而损坏。为此电路中设有热继电器 FR2，其整定应根据电动机 M3 的额定电流进行整定。摇臂升降电动机 M2 的正反转接触器 KM2 和 KM3 不允许同时获电动作，以防止电源相间短路。为了避免因操作失误、主触头熔焊等原因而造成短路事故，在摇臂上升和下降的控制电路中采用了接触器连锁和复合按钮联锁，以确保电路安全工作。2、立柱和主轴箱的夹紧与放松控制立柱和主轴箱的夹紧（或放松）既可以同时进行也可以单独进行，由转换开关
17、 SA1 和复合按钮 SB6(或 SB7)进行控制。 SA1 有三个位置，扳到中间位置时，立柱和主轴箱的夹紧（或放松）同时进行；扳到左边位置时，立柱夹紧（或放松） ；扳到右边位置时，主轴箱夹紧（或放松） 。复合按钮 SB6 是松开控制按钮，SB7 是夹紧控制按钮。 立柱和主轴箱同时松开、夹紧将转换开关 SA1 拨到中间位置，然后按下松开按钮 SB6，时间继电器 KT2、KT3 线圈同时得电。KT2 的延时断开的常开触头瞬时闭合，电磁铁 YA1、YA2 得电吸合。而 KT3 延时闭合的常开触头经立柱和主轴箱的松开油腔，使接触器 KM4 获电吸合，液压泵电动机M3 正转，供出的压力油进入立柱和主轴
18、箱的松开油腔，使立柱和主轴箱同时松开。松开 SB6,时间继电器 KT2 和 KT3 的线圈断电释放， KT3 延时闭合的常开触头瞬时分断，接触器 KM4 断电释放，液压泵电动机 M3 停转。 KT2 延时分断的常开触头经 13S 延时后分断，电磁铁 YA1、YA2 线圈断电释放，立柱和主轴箱同时松开的操作结束。立柱和主轴箱同时夹紧的工作原理与松开相似，只要按下 SB7，使接触器 KM5 获电吸合，液压泵电动机 M3 反转。Z3050 型摇臂钻床 PLC 改造第 8 页 共 20 页 立柱和主轴箱单独松开、夹紧如果希望单独控制主轴箱，可将转换开关 SA1 扳到右侧位置。按下松开按钮 SB6（或夹
19、紧按钮 SB7） ，时间继电器 KT2 和 KT3 的线圈同时得电，这时只有电磁铁 YA2 单独通电吸合，从而实现主轴箱的单独松开（或夹紧） 。松开复合按钮 SB6（或 SB7） ，时间继电器 KT2（或 KT3）的线圈断电释放，KT3 的通电延时闭合的常开触头瞬时断开，接触器 KM4（或 KM5）的线圈断电释放，液压泵电动机M3 停转。经 13S 延时后，KT2 延时分断的常开触头分断，电磁铁 YA2 的线圈断电释放，主轴箱松开（或夹紧）的操作结束。同样的道理，把转换开关 SA1 扳到左侧，则使立柱单独松开或夹紧。因为立柱和主轴箱的松开与夹紧是短时间的调整工件，所以采用电动控制。3、冷却泵电
20、动机 M4 的控制扳动断路器 QF2，就可以接通或切断电源，操纵冷却泵电动机 M4 的工作或停止。4、照明、指示电路分析照明、指示电路的电源也由控制变压器 TC 降压后提供 24V、6V 的电压，由熔断器FU3、FU2 作短路保护，EL 是照明灯，HL1 是电源指示灯，HL2 是主轴指示灯。2.7 摇臂钻床的电气控制要求M1主轴电动机拖动主轴运转承担钻削及进给任务 只要求 M1 单向运动（主轴的正反转由机械手柄操作）接触器自锁控制电路。M2、M3摇臂升降电动机和液压泵电动机拖动摇臂升降和液压泵承担摇臂的升降和立柱、主轴箱的松开与夹紧要求 M3、M4 能正反转正反转控制线路。M4冷却泵电动机拖动
21、冷却泵为钻头和工件提供冷却液 M4 只需单向运转功率较小由 QF2 直接控制。Z3050 摇臂钻床主轴运动和进给运动保持了铣床两种运动都要求变速后瞬时点动的电气控制要求。当主轴电动机或冷却泵电动机过载时，进给运动必须立即停止。Z3050 摇臂钻床有冷却系统、照明设备及各种保护措施。2.8 摇臂钻床的使用本摇臂钻床采用三相交流电源电压 380V。1、合上电源总开关 QF1,电源指示灯 HL1。2、根据加工要求，按下放松按钮 SB6，使内、外立柱之间和主轴箱、摇臂之间液压夹紧机构松开，按钮 SB6 内指示灯 HL4 点亮，说明液压夹紧机构已松开，可以调整主轴与工件的纵向( 前后 )相对位置。3、根
22、据加工需求，按下摇臂上升按钮 SB4(或按钮 SB5)，摇臂沿着外立柱上升（或下降），调整主轴与工件的相对高度。4、根据加工需要，将主轴变速及自动进给手柄扳至所需旋转方向位置。Z3050 型摇臂钻床 PLC 改造第 9 页 共 20 页5、按下主轴电动机启动按钮 SB3，主轴电动机 M1 得电，指示灯 HL2 亮，说明主轴电动机已开始工作，主轴转动。6、根据加工需要，可在主轴正转或反转的过程中，改变主轴转速或主轴进给量。第 3 章 控制系统设计3.1 改造思想我们在改造的过程中，以节约为原则，无论是需要什么元件或工具都尽量使用我们周围可以找到的，而且我们要以切合实际的要求来改造。改造摇臂钻床的
23、目的主要是符合当今实际的形势。用 PLC 实现自动控制与电脑监控，更是为节约而改造的，用电甚少。3.2 改造方案我在方案设计时，我对原电控系统的工作原理、结构和工作思想进行了认真的分析和消化吸收，并结合实际情况，制订了一套设计方案，即采用了 PLC 可编程序控制器作为控制系统的核心，PLC 具有系统响应快，功能强、运行稳定可靠、控制线路简单、维修方便等优点。PLC 设计了许多逻辑指令，可以处理继电器接点的串联、并联，同时它也为用户提供了能满足各种控制要求的定时器和计数器。在程序运行的过程中可以对时间值和计数值进行有效的监控,还有无数多对的触点可用。它还提供了诸如步进控制，数字之间的相互转换的功
24、能，强大的数据处理功能和通讯功能。它本身又有许多的保护措施，另外相较于继电器控制电路来讲它的接线简单，具有一定的电学方面的知识就可以理解甚至于编写程序而无须掌握复杂的计算机汇编语言和一些高级语言。同时在调试和日后的设备维护修理过程中体现出比继电器线路更为优越的性能。3.3 PLC 的简介3.3.1 PLC 定义可编程序控制器（Programmable Controller）,简称 PLC 或 PC。它是 20 世纪 70 年代以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个
25、领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。近年来，国内在 PLC 技术与产品开发应用方面的发展也很快，除许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越快地采用 PLC 控制系统取代传统的继电接触控制系统。国产化的小型 PLC 性能也基本达到国外同类产品的技术指标。因此，作为一名电气工程技术人员，必须掌握 PLC及其控制系统的基本原理与应用技术，以适应当前电气控制技术的发展需要。3.3.2 PLC 的特点（1） 可靠性高，抗干扰能力强（2） 编程简单，易于掌握（3） 组合灵活使用方便（4） 功能强，通用性好Z3050 型摇臂钻床 PLC 改造第 10 页 共 20 页（5） 开发
26、周期短，成功率高（6） 体积小，重量轻，功耗低3.3.3 PLC 的分类按 I/O 点数和存储容量可分为:（1） 小型 PLC：I/O 点数在 256 点以下，存储器容量 2K，可用于逻辑控制、定时、计数、顺序控制等场合。部分小型 PC 还带有模拟量处理、数据通信和算术运算功能，其应用范围更广。（2） 中型 PLC：I/O 点数在 2562048 点之间，存储容量达 28K 步。具有逻辑运算、算术运算、数据传送、中断、数据通信、模拟量处理等功能。用于开关量、数字量与模拟量混合控制的较复杂控制系统。（3） 大型 PLC：I/O 点数在 2048 点以上，存储容量达 8K 步以上。具有数据运算、模拟调节、联网通信、监视等功能，能进行中断、智能控制、远程控制。可用于大规模过程控制，也可构成分布式或控制网络以及整个工厂自动化网络控制。在这里我选用的是小型 PLC。3.4 PLC 的选择我在做这个课题中首先要选择做出来最能得心应手的一些材料或者器件在这个课题中PLC 占主导作用基本上都靠它来完成对 PLC 进行选择，在国内外的几家有知名度的厂商的生产的 PLC 产品中，主要有西门子 S7-200 系列、松下 FP 系列、欧姆龙 C200H 系列和三菱FX 系列。在综合分析系统要求，考虑系统的经济性和技术指标，我选用了小型的三菱 FX2N48MR 系列 PLC。
