1、摘 要 本文主要阐述了传统钻床 PLC 改造的可行性，并进行了具体的实施方案，传统 钻床传统继电控制系统使用大量的中间继电器、时间继电器,控制触点多,因此电气控 制系统存在故障率高、可靠性差、接线复杂、不便于检修等缺点.为了提高钻床控制 系统的可靠性,降低故障率,提高钻床的加工效益,很多企业对传统控制钻床的电气控制 系统进行了改造 本文描述了数控机床的基本组成、工作原理、分类及各自的特点。并且对数控机 床中的 PLC 作了详细的介绍，把 PLC 在控机床上的控制做了设计。然后以摇臂钻床 Z3040 为例，描述了它的设计过程，包括控制系统电路的设计，控制原理设计，主电 路设计，主控制电路设计，Z
2、3040 摇臂钻床原理图，用 PLC 编写程序对机床进行控 制。 关键词：可编程控制器 数控机床 数字控制 液压控制 梯形图 原理图 目 录 摘要 第 1 章 绪论1 1.1.1 国外研究现状1 1.1 研究现状与研究意义1 1.1.2 国内研究现状2 1.1.3 研究的意义3 1.2 PLC 应用于数控钻出的可能性4 第 2 章总体设计方案10 2.1 总体方案的设计10 2.2 元器件的选型11 2.3 PLC 的主要类型11 2.4 本章小结11 第 3 章 摇臂钻床控制线路设计13 3.1 摇臂钻床控制线路概述13 3.1.1 操纵机构液压系统13 3.1.2 夹紧机构液压系统14 3
3、.2 摇臂钻床控制线路原理设计15 3.3 Z3040 摇臂钻床控制线路主电路设计16 3.4 Z3040 摇臂钻床控制线路控制电路分析16 3.4.1 主电动机控制电路16 3.4.2 摇臂升降控制电路16 3.4.3 立柱和主轴箱松开、夹紧控制电路17 3.4.4 冷却泵控制电路18 3.4.5 照明、信号电路18 3.5 本章小结18 第 4 章摇臂钻床 PLC 控制系统19 4.1 PLC 的基本特点19 4.2 PLC 的工作原理20 4.3 PLC 的选型 21 4.3.1 确定 I/O 点数22 4.3.2 选配 PLC 的型号22 4.4 摇臂钻床的 PLC 控制 I/0（输入
4、、输出）地址分配表22 4.5 PLC 控制系统设计24 4.5.1 主轴电动机控制24 4.5.2 摇臂升降控制24 4.5.3 立柱与主轴箱松开、夹紧控制24 第 5 章技术展望25 结论27 参考文献27 致谢29 附录30 第 1 章 绪 论 数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础；数控技术的应用是 提高制造业的产品质量和劳动生产率必不可少的重要手段；数控机床是国防工业现代 化的重要战略装备，是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要标志。数 控技术是最典型的、应用最广泛的机电光一体化综合技术，这就要求机械类专业应用 型本科学生具备一定的机床数控技术理论知识及应用技
5、能。 1.1 研究现状与研究意义 美国帕森斯公司和麻省理工学院（MIT）合作，于 1952 年研制成功第一台三坐标 立式数控铣床。生产企业广泛采用自动机床、组合机床和以专用机床为主的自动生产 线，形成了大批量生产方式。目前，单件与小批量生产的零件占机械加工总量的 80左右，为有效地解决复杂、精密、小批多变的零件加工问题，满足高质量、高效 益和多品种、小批量的柔性生产方式的要求，数控机床应运而生。数控机床在机械制 造业中得到日益广泛的应用（美国的数控机床已占机床总数的 80% 以上），数控技 术高精度、高生产率、适应性好的特点得到充分发挥。 数控机床是电子信息技术和传统机械加工技术结合的产物，它
6、集现代精密机械、 计算机、通讯、液压气动、光电等多学科技术为一体，具有高效率、高精度、高自动 化和高柔性的特点，是当代机械制造业的主流装备。 数控加工中心是一种具有自动换刀装置的数控机床，它能实现一次装夹并进行多 工序加工。这种机床在刀库中装有钻头、丝锥、铰刀、镗刀等刀具，通过程 序指令自动选择刀具，并利用机械手将刀具装在主轴上，这样可大大缩短零件装卸时 间和换刀时间。数控技术不仅应用于机床的控制，还用于控制其他的设备，诸如数控 线切割机、数控绘图机、数控测量机、数控冲剪机等，仅数控机床就有数控车床、数 控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及数控加工中心等。 1.1.1 国外研究现状及分析
7、数控机床涌现至今的 50 年,随科技、特别是微电子、盘算机技巧的前进而不断发 展。美、德、日三国事当今世上在数控机床科研、设计、制作和应用上,技巧最先进、 经验最多的国家。因其社会前提不同,各有特点。美国的特点是,政府器重机床工业, 美国国防部等部门不断提出机床的发展方向、科研任务和供给充分的经费,且网罗世 界人才,特别讲究“效率”和“创新”,重视基础科研。因而在机床技巧上不断创新, 如 1952 年研制降生界第一台数控机床、1958 年创制出加工中心、70 年代初研制成 fms、1987 年开创开放式数控系统等。由於美国起首联合汽车、轴承生产需求,充分 发展了大批大批生产主动化所需的主动线,
8、而且电子、盘算机技巧在世界上领先,因此 其数控机床的主机设计、制作及数控系统基础扎实,且一贯器重科研和创新,故其高性 能数控机床技巧在世界也一直领先。当今美国不仅生产宇航等应用的高性能数控机床,也 为中小企业生产便宜实用的数控机床(如 haas、fadal 公司等)。其存在的教训是,着 重於基础科研,疏忽利用技巧,且在上世纪 80 代政府一度放松了领导,致使数控机床产 量增长缓慢,於 1982 年被落后的日本超过,并大批进口。从 90 年代起,纠正过去倾向, 数控机床技巧上转向实用,产量又逐渐上升。 德国政府一贯器重机床工业的重要战略地位,在多方面大力扶植。特别讲究“实 际”与“实效”,保持“
9、以人为本”,师徒相传,不断前进人员素质。在发展大批大批 生产主动化的基础上,於 1956 年研制出第一台数控机床后,一直保持实事求是,讲究科 学精力,不断稳步前进。德国特别重视科学实验,理论与实际相联合,基础科研与利用 技巧科研并重。企业与大学科研部门紧密合作,对用户产品、加工工艺、机床布局结 构、数控机床的共性和特征问题进行深入的研究,在质量上千锤百炼。德国的数控机 床质量及性能良好、先进实用、货真价实,出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密 数控机床。德国特别器重数控机床主机及配套件之先进实用,其机、电、液、气、光、 刀具、测量、数控系统、各种功效部件, 在质量、性能上居世界前列。如西门子公
10、司之数控系统和 heidenhain 公司之精密光 栅,均为世界驰名,竞相采用。 1.1.2 国内研究现状及分析 数控机床的重要组成部分有数控系统、刀库和机械手、数控刀架和转台、主轴单 元(含电主轴)、滚珠丝杠副和滚动导轨副、防护罩和数控刀具等功能部件， 这些功能部件的性能已成为整机性能的决定因素。数控系统由显示器、伺服控制 器、伺服电机和各种开关、传感器构成。当然，普通机床发展到数控机床不只是加装 系统这么简单，例如:从铣床发展到加工中心，机床结构发生变化，最主要的是加了 刀库，还大幅度提高了精度。加工中心最主要的功能是铣、镗、钻的功能。目前世界 最大的三家厂商是：日本 Fanuc、德国西门
11、子、日本三菱，其产品量大面广，但技术 并不一定是最高的，其余还有法国 Num、西班牙凡高等。 数控机床是利用二进制数学方式输入，加工过程可任意编程，主轴及进给速度可 按加工工艺需要变化，且能实现多坐标联动，易加工复杂曲面。对于加工对象具有 “易变、多变、善变”的特点，换批调整方便，可实现复杂件多品种中小批柔性生产， 适应社会对产品多样化的需求。但价格较昂贵，需要正确分析其使用的经济合理性; 数控机床利用硬件和软件相结合，能实现信息反馈、补偿、自动加减速等功能，可进 一步提高机床的加工精度、效率、自动化程度;数控机床是以电子控制为主的机电一 体化机床，充分发挥了微电子、计算机技术特有的优点，易于
12、实现信息化、智能化、 网络化，可较易地组成各种先进制造系统，如 FMS、FTL、FA，甚至将来的 CIMS，能 最大限度地提高企业的劳动生产率。 数控机床是机、电、液、气、光多学科各种高科技的综合性组合，特别是以电子、 计算机等现代先进技术为基石，必须具有巩固的技术基础，互相配套，缺一不可。如 不齐备，则数控机床难以顺利发展。数控机床是由主机、各种元部件(功能部件)和数 控系统三大部分组成，还需先进的自动化刀具配合，才能实现加工，各个环节在技术 上、质量上必须切实过关，确保工作可靠、稳定，才能保证数控机床加工的精度、效 率和自动化，否则，难以在实际生产中使用。 我国数控机床行业总体的技术开发能
13、力和技术基础薄弱，信息化技术应用程 度不高。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术，且外方在许多高新产品 的核心技术上具有掌控地位，我们对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停 留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新 能力的高度。具有高精度、高速、高效、复合功能、多轴联动等特点的高性能实用数 控机床基本上还得依赖进口。 与国外产品相比，我国的差距主要是机床的高速高效化和精密化上。对高速加工技术， 国外已进行了多年的研究，对高速加工的机理、机床结构、机床刚度和精度的影响等 都有了系统的研究，并开发生产了各种高速铣削中心、高速加工中心， 广泛应用于航空
14、器铝合金零件和模具加工上。 据统计，我国大型高性能超精机床每年生产不足千台，仅占国产机床总量和总价 值的 15%-25%,不到德国或日本的 1/20。国外卧式加工中心都装有机床精度及温 度补偿系统，加工精度比较稳定，而国内尚在研发中;国外加工中心定位精度基本上 按德国标准 VDI3441 验收，行程 1000mm 以下，定位精度可控制在 000600lmm 以内，而国内定位精度相对较低。 2004 年，我国金属加工机床消费额达到了 95 亿美元，占世界总量的 1/5。其中， 进口份额占 63，数控机床进口额 34 亿美元，占全部进口金属切削机床的 786%。 为了满足制造业的需求，国家每年花费
15、 10 多亿美元引进数控机床。数控机床的核心 技术即数控系统，我国 90%要从国外进口。不仅价格高，进口周期长也不能满足主机 厂的要求。而且，使用进口的装置组装起来的机床，可靠性和质量也会受到影响。 2004 年内地约消耗了 1 万台，但是大陆所有企业加起来共失产 2000 台左右，而只有 八九个生产加工中心工厂的台湾省竟向内地销售了 3300 台。 1.2 PLC 应用于数控钻出的可能性 数控机床是采用数字控制技术对机床各移动部件相对运动进行控制点 机床，它 是典型的机电一体化产品，是现代制造业的关键设备。随着微电子技术、计算机技术 和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和
16、多功能化，具备完 善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普通实现自动编程。而 PLC 是 一类以微处理器为基础的通用型自动控制装置。它一般以顺序控制为主，回路调节为 辅，能够完成逻辑、顺序、计时、计数和算术运算等功能，既能控制开关量，也能控 制模拟量。由于它能克服传统继电器体积庞大，攻好高，可靠性差等困难，PLC 已成 为人们选择数控机床所用顺序控制装置的主要选择。因此本文用 PLC 设计数控机床控 制系统。 1.数控机床与普通机床的区别 (1）具有手动、机动、程序控制自动加工功能，加工过程一般不需人工干预。 (2）数控机床一般具有 CRT 显示功能，自动报警显示等辅助功能。 (3）
17、CNC 机床主传动和进给传动采用直流或交流无级调速伺服电动机，无变速 箱。 (4）CNC 一般具有工件测量系统。 最显著区别是当加工工件改变时，数控机床只改变加工程序，不需对机床作较大 的调整。 2.与普通机床相比，数控机床具有以下特点 (1）可以加工具有复杂型面的工件 具有良好的加工柔性，加工零件的适应性强、灵活性好。由于数控机床能实现多 个坐标的联动，所以数控机床能完成复杂型面的加工，特别是对于可用数学方程式和 坐标点表示的形状复杂的零件，加工非常方便。当改变加工零件时，数控机床只需更 换零件加工的 NC 程序。因此，生产准备周期短，数控机床的适应 性非常强。 (2）加工精度高、加工质量稳
18、定 对于同一批零件，由于使用同一机床、刀具及同一加工程序，刀具的运动轨迹完 全相同，且数控机床是根据数控程序自动进行加工，可以避免人为的误差，这就保证 了零件加工的一致性好且质量稳定。数控机床有较高的加工精度，一般在 0.005mm0.1mm 之间。数控机床的加工精度不受零件复杂程度的影响，机床传动链 的反向齿轮间隙和丝杠的螺距误差等都可以通过数控装置自动进行补偿，同时还可以 利用数控软件进行精度校正和补偿。 (3）生产效率高 数控机床上可以采用较大的切削用量，有效地节省了机动工时。还有自动换速、 自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，使辅助时间大为缩短，而且无需工序间的检 验与测量，所以，比普
19、通机床的生产率高 34 倍甚至更高。 数控机床的主轴转速及进给范围都比普通机床大。目前数控机床的最高进给速度 可达到 100m/min 以上，最小分辨率达 0.01m。 一般来说，数控机床的生产能力约 为普通机床的三倍，甚至更高。数控机床的时间利用率高达 90%，而普通机床仅为 30%50% 。 (4）减轻劳动强度，改善劳动条件 在输入程序并启动后，数控机床就自动地连续加工，直至零件加工完毕。这样就 简化了工人的操作，使劳动强度大大降低。 (5）有利于生产管理现代化 工时和工时费用可以精确估计，生产管理水平提高，便于实现生产计划调度，简 化和减少检验、工具夹具准备等管理工作。实现计算机管理与控
20、制。 (6）数控加工是 CAD/CAM 技术和先进制造技术的基础 工序集中，一机多用是数控机床的普遍特点。特别是带自动换刀的数控加工中心， 在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工工序，一台数控机床可以代替数 台普通机床。这样可以大大减少装夹误差，节约工序之间的运输、测量和装夹等辅助 时间，还可以节省车间的占地面积，带来较高的经济效益。 由于以上特点使 PLC 技术应用于数控钻床成为可能 。 第二章 总体设计方案 钻床是孔加工机床，用来进行钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的 加工。在各类钻床中，摇臂钻床操作方便、灵活，适用范围广，具有典型性，特别适 用于单件或批量生产中带有多孔
21、大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常见的机床。 2.1 总体方案的设计 摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱及工作台等部分组成。 内立柱固定在底座的一端，外面套有外立柱，外立柱可绕内立柱回转 360。摇 臂的一端为套筒，套装在外立柱上，并借助丝杠的正反转沿外立柱做上下移动。由于 丝杠与外立柱连成一体，而升降螺母固定在摇臂上，所以摇臂不能绕外立柱转动，只 能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上，可以通过手轮操作 使其在水平导轨上沿摇臂移动。当进行加工时，由特殊的夹紧装置将主轴箱紧固在摇 臂导轨上，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
22、工时，钻头一面旋转进行切削，一面进行纵向进给。综上所述，摇臂钻床的运动方 式有： 1 主运动，主轴的旋转运动； 2 进给运动，主轴的纵向进给； 3 辅助运动，摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向移动，摇臂与外立 柱一起绕内立柱回转运动。 Z3040 型摇臂钻床适合于在大、中型零件上进行孔加工，其运动形式有主轴的旋 转运动、进给运动、摇臂的升降运动、立柱的夹紧和放松、摇臂的回转和主轴箱的左 右移动。主轴的旋转运动和进给运动由一台异动电动机拖动，摇臂的升降由一台异步 电动机拖动，摇臂、立柱和主轴箱的夹紧/放松由一台液压泵电动机拖动，摇臂的回 转和主轴箱的左右移动通常采用手动。此外，还有一台冷
23、却泵电动机对刀具和工件进 行冷却。 加工螺纹时，主轴需要正反转，该机床采用机械变换方法来实现，故主电动机只有一 个旋转方向。此外，为保证安全生产，其主轴旋转和摇臂升降不允许同时进行。 可编程控制器（以下简称 PLC）从其生产到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的 飞跃，其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大， 实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。 今天的 PLC 在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅度提高， 成为工业控制领域的主流控制设备，在各行业发挥着越来越大的作用。 PLC 是基于电子计算机，且适用于工业现
24、场工作的点控制器。它源于继电控制装置， 但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于 PLC 内 存中的程序，进行入出信息变换实现控制。PLC 基于电子计算机，但并不等同于普通 计算机。普通计算机进行如初信息变换，多只考虑信息本身，信息的如初，只要人机 界面就可以了。而 PLC 则还要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问 题。特别要考虑怎么适应于工业环境，入便于安装，抗干扰等问题。 2.2 钻床控制线路概述 Z3040 摇臂钻床主要有两种主要运动和其他辅助运动，主运动是指主轴带动钻头 的旋转运动；进给运动是指钻头的垂直运动；辅助运动是指主轴箱沿摇臂水平运动，
25、 摇臂沿外立柱上下移动以及摇臂和外立柱一起相对于内立柱的回转运动。 Z3040 摇臂钻床具有两套液压控制系统：一套是由主轴电动机拖动齿轮泵送出压 力油，通过操纵机构实现主轴正反转、停车控制、空挡、预选与变速；另一套是由液 压电动机拖动液压泵送出压力油来实现摇臂的夹紧和松开、主轴箱的夹紧与松开、立 柱的夹紧与松开。前者安装在主轴箱内，后者安装在摇臂电器盒下部。 2.3 PLC 类型的选择 目前各国生产的 PLC 品种繁多，发展迅速。在中国的市场上最具竞争力的有德国 西门子公司、日本三菱系列、欧姆龙公司、AB 公司所推出的 PLC 均为从小到大全系 列的产品，可满足各种各样的需求。 三菱公司的产品
26、有： FX 系列：为小型 PLC，单元式，单机最大容量为 256 点。 A 系列、ANS 系列、Q 系列、QNA 系列等为模块式大型 PLC，最大容量为 8K 点。 西门子公司的产品有： S7-200:微型 PLC，单机最大容量为 256 点； S7-300:小到中型 PLC 单机最大容量为 1K； S7-400:大到超大型 PLC，单机可组态点数过万点。 2选配 PLC 的型号 S7-300 的 PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。 S7-300 PLC 的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 2.4 本章小结 本章根据控制要求确定了总体方案
27、以及控制系统的硬件选型。总体方案包括PLC 数控钻床的硬件的组成和控制软件的组成，以及各个模块的联系和通信方式；控制系 统的硬件。 第三章 摇臂钻床控制线路设计 Z3040 摇臂钻床主要有两种主要运动和其他辅助运动，主运动是指主轴带动钻头 的旋转运动；进给运动是指钻头的垂直运动；辅助运动是指主轴箱沿摇臂水平运动， 摇臂沿外立柱上下移动以及摇臂和外立柱一起相对于内立柱的回转运动。 3.1 摇臂钻床控制线路概述 Z3040 摇臂钻床具有两套液压控制系统：一套是由主轴电动机拖动齿轮泵送出压 力油，通过操纵机构实现主轴正反转、停车控制、空挡、预选与变速；另一套是由液 压电动机拖动液压泵送出压力油来实现
28、摇臂的夹紧和松开、主轴箱的夹紧与松开、立 柱的夹紧与松开。前者安装在主轴箱内，后者安装在摇臂电器盒下部。 3.1.1 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，由主轴操作手柄来改变两个操纵阀 的相互位置，获得不同的动作。操作手柄有五个空间位置：上、下、里、外和中间位 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有一个旋钮预选，然后在操作主轴手柄。 主轴旋转时，首先按下主轴电动机起动按钮，主轴电动机起动旋转，拖动齿轮泵， 送出压力油。然后操纵主轴手柄，板至所需转向位置（里或外） ，于是两个操纵阀相 互位置
29、转变，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（反转）摩擦离合器，接通主轴电动机的主轴的传送链，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，改变主轴转速或主轴进给量。 主轴停车时，将操作手柄扳回中间位置，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，使制动轴上的齿轮不能转动，实现主轴停车。所以主轴停车时主轴 发动机仍在旋转，只是不能将动力传到主轴。 主轴变速与进给变速：将主轴手柄扳至“变速”位置，于是改变两个操纵阀的相 互位置，使齿轮泵送出的压力油进入主轴转
30、速预选阀和主轴进给量预选阀，然后进入 各变速油缸。与此同时，另一油路系统推动拔叉缓慢运动，逐渐压紧主轴正转摩擦离 合器，接通主轴电动机到主轴的传动链，带动主轴缓慢旋转，称为缓速，以利于齿轮 的顺利啮合。当变速完成，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，然后在操纵主轴正转或反转，主轴将在新的转速或进给 量下工作。 3.1.2 夹紧机构液压系统 主轴箱、内外立柱和摇臂的夹紧和松开是由液压泵电动机拖动液压泵电动机送出 压力油，推动活塞、菱形块来实现的。 Z3040 摇臂钻床共有四大电动机：主电动机 M1，摇臂升降电动机 M2，液压泵电 动机 M3 和冷却泵电动
31、机 M4。 3.2 Z3040 摇臂钻床控制线路原理分析 图 3-1 Z3040 摇臂钻床原理图 Z3040 型摇臂钻床控制线路原理图上图，Z3040 型摇臂钻床的动作是通过机、电、 液进行联合控制实现的。该机床控制电路采用 380V/100V 隔离变压器供电，但其二次 绕组增设 24V 安全电压供局部照明使用。 断路器 QF1 既作为机床线路的电源总开关，又作为机床线路和主轴电机 M1 的短 路及过载保护元件，断路器 QF2 卧摇臂升降电动机 M2、液压泵电机 M3、冷却泵电机 M4 的隔离开关和过载及短路保护元件。QF3、QF4、QF5 分别为机床控制电路、机床工 作信号指示电路和机床工作
32、照明电路和过载及短路保护开关。 开车前的准备。首先将隔离开关接通，将电源引入开关 QF1 扳到“接通”位置， 接通三相交流电源，此时总电源指示灯 HL1 亮，表示机床电气电路已进入带电状态。 按下总启动按钮 SB1，中间继电器 KA 线圈通电吸合并自锁，为主电动机及其他电动 机启动多准备，同时触点 KA 闭合，为其他三个指示灯通电做准备。 3.3 Z3040 摇臂钻床控制线路主电路设计 1.M1 为单方向旋转，由接触器 KM1 控制，主轴的正反转则由机床液压系统操纵 机构配合正反转摩擦离合器实现，并由热继电器 FR1 作电动机长期过载保护。 2. M2 由正、反转接触器 KM2、KM3 控制实
33、现正反转。控制电路保证，在操纵摇 臂升降时，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。M2 为短时工作，不设长期 过载保护。 3.M3 由接触器 KM4、KM5 实现正反转控制，并有热继电器 FR2 作长期过载保护。 4.M4 电机容量小，仅 0.125kW，由开关 QS 控制。 3.4 Z3040 摇臂钻床控制线路控制电路分析 由变压器 TC 将 380V 交流电压降为 110V，作为控制电源。指示灯电源为 6V。 3.4.1 主电动机
34、控制电路 按下起动按钮 SB2，接触器 KM1 吸合并自锁，主轴电动机 M1 起动并运转。按下 停止按钮 SB8，接触器 KM1 释放，主轴电动机 M1 停转。 3.4.2 摇臂升降控制电路 摇臂上升、下降分别由 SB3、SB4 点动控制。 按上升按钮 SB3，时间继电器 KT1 得电吸合，瞬时动合触点（33-35）闭合， 接触器 KM4 得电吸合，液压泵电动机 M3 接通电源正向旋转，供给压力油。压力 油经分配阀体进入摇臂松开的油腔，推动活塞，使摇臂松开。当摇臂完全松开后，活 塞杆通过弹簧片压下限位开关 ST2，使其动断触点 ST2（1733）断开，使接触器 KM4 线圈断电释放，液压泵电动
35、机 M3 停转，与此同时，另一动合触点 ST2（17-21） 闭合，接触器 KM2 线圈通电吸合，其主触点接通升降电动机 M2 的电源，M2 启动正向 旋转，带动摇臂上升。 如果摇臂没有松开，ST2 的动合触点也不能闭合，KM2 就不能吸合，M2 不能旋转， 摇臂也就不可能上升，保证了只有在摇臂可靠松开后才能使摇臂上升。 当摇臂上升到所需位置时，松开按钮 SB3，接触器 KM2 和时间继电器 KT1 同时断 电释放，摇臂升降电动机 M2 停转，摇臂停止上升。由于 KT1 释放，其延时闭合的动 断触点（47-49）经 1-3 秒延时后闭合，接触器 KM5 的线圈经（1-3-5-7-47-49-5
36、1-6- 2）线路通电吸合，液压电动机 M3 反向起动旋转，供给压力油。压力油经分配阀进入 摇臂夹紧油腔，向相反方向推动活塞，使摇臂夹紧。同时，活塞杆通过弹簧片压下限 位开关 ST2 动断触点（7-47）断开，接触器 KM5 断电释放，液压泵电动机 M3 停止旋 转，完成了摇臂的松开上升夹紧动作。 摇臂上升的动作过程如下： 摇。位 置 ， 松 开 摇 臂 上 升 到 预 定压 下正 转按 正 转吸 合 停 转断 电吸 合吸 合32323414SBSTMMKKT 臂的下降过程与上升基本相同，它们的夹紧和放松电路完全一样。所不同的是按下降 按钮 SB4 时为 KM3 线圈得电，摇臂升降电动机 M2
37、 反转，带动摇臂下降。 时间继电器 KT1 的作用是控制 KM5 的吸合时间，使 M2 停止运转后，再夹紧摇臂。 KT1 的延时时间应视摇臂在 M2 断电至停转前的惯性大小调整，应保证摇臂上升（或 下降）后才进行夹紧，一般调整在 13 秒。 摇臂升降的限位保护，由组合开关 ST1 来实现。ST1 有两对触点，ST1-1 是摇臂 上升时的极限位置保护，ST1-2（27-17）是摇臂下降时的极限位置保护。当摇臂上升 到极限位置时，ST1-1(15-17)动作，将电路断开，则 KM2 断电释放，摇臂升降电动机 M2 停止旋转。但 ST1 的另一触点 ST1-2（27-17）仍处于闭合状态，保证摇臂能
38、够下 降。同理，当摇臂下降到极限位置时，ST1-2（27-17）动作，电路断开，KM3 释放， 摇臂升降电动机 M2 停转。而 ST1 的另一动断触点 ST1-1(15-17)仍闭合，以保证摇臂 能够上升。 摇臂的自动夹紧是由行程 ST3 来控制的。如果液压夹紧系统出现故障而不能自动 夹紧摇臂，或者由于 ST3 调整不当，在摇臂夹紧后不能使 ST3（7-47）的动断触点断 开，都会使液压泵电动机处于长期过载运行状态，这是不允许的。为了防止损坏液压 泵电动机，电路中使用了热继电器 FR2。 摇臂夹紧动作过程如下： 摇臂升到预定位置，松开 SB3KT1（47-49）断电延时闭合KM5 吸合、M3
39、反转 摇臂夹紧ST3（7-47）受压断开KM5、M3、均断电释放。 3.4.3 立柱和主轴箱松开、夹紧控制电路 立柱和主轴箱的松开及夹紧控制可单独进行，也可同时进行，由转换开关 SA2 和 复位按钮 SB7（或 SB8）进行控制。SA2 有 3 个位置：中间位（零位）时，立柱和主 轴箱的松开或夹紧同时进行；左边位为立柱的夹紧或放松；右边位为主轴箱的夹紧或 放松。复合按钮 SB7、SB8 分别为松开、夹紧控制按钮。 以主轴箱的松开和夹紧为例：先将 SA2 扳到右侧，触点（57-59）接通， （57- 63）断开。当要主轴箱松开时，按松开按钮 SB7，时间继电器 KT2、KT3 的线圈同时 得电，
40、 ，KT2 是断电延时型时间继电器，它的断电延时断开的常开触点 （7-57）在通 电瞬间闭合，电磁铁 YA1 通电吸合。经 1-3 秒延时后，KT3 的延时闭合常开触点（7- 41）闭合，接触器 KM4 线圈经（1-3-5-7-41-43-37-39-6-2）线圈断电，液压泵电动 机 M3 正转，压力油经分配阀进入主轴箱右缸，推动活塞使主轴箱放松。活塞杆使行 程开关 ST4 复位，触点 ST4 常闭开关,ST4 常开闭合。指示灯 HL2 亮，表示主轴箱已 松开。主轴箱夹紧的控制线路及工作原理与松开时相似，只要按松开按钮 SB7 换成夹 紧按钮 SB8，接触器 KM4 换成 KM5，M3 由正向
41、转动变成反向转动，指示灯 HL2 换成 HL3 即可。 当把转换开关 SA3 拌到左侧时，触点（57-63）接通， （57-59）断开。按松开按 钮 SB7 或夹紧按钮 SB8 时，电磁铁 YA2 通电，此时，立柱松开或夹紧；SA2 在中间位 时，触点（57-59） 、 （57-63）均接通。按 SB7 或 SB8，电磁铁 YA1、YA2 均通电，主 轴箱和立柱同时进行松开或夹紧。其他动作过程与主轴箱松开或夹紧时完全相同，不 在论述。 由于立柱和主轴箱的松开与夹紧是短时间的调整工作，故采用点动控制方式。 3.4.4 冷却泵控制电路 冷却泵电动机 M4 容量小，所以用组合开关 QS 直接控制其运
42、行和停止。 3.4.5 照明、信号电路 （1）机床照明电路 QF5 机床工作照明电路开关，同时过载及短路保护作用，EL 为工作照明灯。 （2）工作信号指示 HL1 电源指示灯，当和上 QF2 时 HL1 指示灯亮，HL2 为立柱 和主轴箱松开指为立柱和主轴箱夹紧指示灯，分别由限位开关 ST4 长闭触头和 ST4 常 开触头控制。HL4 为主轴电动机旋转指示灯，由 KM1 常开触头控制。 3.5 本章小结 本章从大体上对摇臂钻床控制线路概述，其中以操纵机构液压系统,夹紧机构液 压系统为分析设计重点，同时对摇臂钻床控制线路原理，摇臂钻床控制线路主电路进 行，摇臂钻床控线路控制电路进行初步设计与分析
43、。也对主电动机控制电路，摇臂升 降控制电路，立柱和主轴箱松开、夹紧控制电路，冷却泵控制电路，照明、信号电路 进行了简单设计和阐述。 第四章 摇臂钻床的 PLC 控制系统 摇臂钻床运动部件较多，为简化传动装置，采用多台电动机控制，通常没有主轴 电动机、摇臂升降电动机、立柱夹紧和放松电动机及冷却泵电动机。 摇臂钻床为适应各种形式加工，要求主轴及进给有较大的调速范围。主轴一般速 度下的钻床加工为恒功率负载，而低速是用于扩孔、绞孔及螺纹加工，属于恒转矩负 载。摇臂钻床的主运动与进给运动皆为主轴运动，这两个运动由一台主轴电动机拖动， 分别经主轴和进给传动机构实现主轴旋转和进给。主轴变速机构与进给变速机构
44、均装 在主轴箱内。 为加工螺纹，主轴要求有正、反转，一般由机械方法获得，为此主轴电动机只需 单方向旋转。 摇臂的升降由升降电动机拖动，要求电动机能正、反转。 摇臂的夹紧和放松是由电气和液压联合控制，并且有夹紧和放松指示。 内外立柱的夹紧与放松， 、主轴箱与摇臂的夹紧与放松可采用手柄机械操作、电 气-液压-机械装置等方法来实现。 钻削加工时，需要对刀具和工件进行冷却，为此需冷却泵电动机输送冷却液。 要有必要的限位、连锁和过载保护，且具有局部安全照明。 4.1 PLC 的基本特点 高可靠性 （1）所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之 间电气上隔离。 （2
45、）各输入端均采用 R-C 滤波器，其滤波器时间常数一般为 1020ms。 （3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 （4）采用性能优良的开关电源。 （5）对采用的器件进行严格的刷选。 （6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软件、硬件发生异常情况，CPU 立即采用 有效措施，以防止故障扩大。 （7）大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统，使可靠 性进一步提高。 丰富的 I/O 接口模块: PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉 冲或电位、强电或弱电等。有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备，如：按钮、 行程
46、开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。 另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块；为了组成工业局部 网络，它还有多种通讯联网的接口模块等等。 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需求，除了单元式的小型 PLC 以外，绝大多数 PLC 均采用模块 化结构。PLC 的各个部件，包括 CPU、电源、I/O 等均采用模块化设计，由机架及电 缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 编程简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式。对使用者来说，不需 要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 安装简单，
47、维修方便 PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的 各种设备与 PLC 的相应的 I/O 端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障 指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法， 使系统迅速恢复运行。 本设计中 PLC 实现的功能： 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， 实现组合逻辑控制、顺序逻辑控制与定时控制。 运动控制。PLC 使用专用的指令或运动控制模块，使运动控制与顺序控制功能有机结 合在一起。 现场数据采集处理。目前 PLC 都具有数据处理指令、数据传送指令、算
