1、新乡职业技术学院毕 业 设 计 （ 论 文 ）题 目 Z3040 摇臂钻床的继电器控制电路设计及 PLC 控制设计系 别 机 电 工 程 系 学 生 姓 名 张 宏 飞 学 号 1010104219 专 业 名 称 电 气 自 动 化 指 导 教 师 李 宏 义 2013 年 04 月 23 日1Z3040 摇臂钻床的继电器控制电路设计及 PLC 控制设计摘 要本设计是研究机械加工中常用的 Z3040 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
2、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 Z3040 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Z3040 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。由于 Z-304
3、0 型摇臂钻床的电气控制系统存在线路复杂、故障率高、维护工作量大、可靠性低、灵活性差等缺点,本文提出了用 PLC 对 z-3040 型摇臂钻床的继电器接触式模拟控制系统进行技术改造,从而保证了电控系统的快速性、准确性、合理性,以便更好地满足了实际生产的需要,提高了经济效益。关键词 Z-3040 摇臂钻床，电气控制系统 PLC，微处理器目 录2摘 要 .1关键词 .1前 言 .3第一章 总体方案的确定 .4第二章 Z3040 摇臂钻床简介 .52.1 电路工作过程 .82.1.1 主轴电动机 M1 的控制 .82.1.2 摇臂升降的控制 .82.1.3 摇臂上升为例分析摇臂升降的控制 .82.1
4、.4 主轴箱、立柱松开与夹紧的控制 .102.2 液压控制系统 .102.2.1 夹紧液压控制系统 .102.2.2 摇臂移动与主轴箱移动液压系统图 .10第三章 PLC 控制系统设计的具体内容 .113.1 PLC 设计控制系统的基本原则 .113.2 PLC 控制系统的 I/O 点数确定与 PLC 机型选择 .113.3 I/O 接线图 .123.4 PLC I/O、地址分配表 .133.5 流程图 .143.6 状态转移图 .153.7 梯形图 .163.9 所用材料及型号规格 .20结束语 .22参考文献 .23致 谢 .24前 言目前，我国的 Z-3040 摇臂钻床的电气控制系统普遍
5、采用的是传统的继电器3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，此外，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 电气控制系统能有效的弥补上述系统的这一缺陷。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 Z-3040 摇臂钻床电气控制系统的改造， 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。Z3040 摇 臂 钻 床 是 工 厂 中 常 用 的 金 属 切 削 机
6、 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 。 摇 臂 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
7、向 旋 转 运 动 是 通 过 机 械 转 换 实 现 的 。 故 主 电 动 机 只 有 一 个 旋 转 方 向 。 此外 ， 摇 臂 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 。目 前 ， 我 国 的 Z3040 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 。可 编 程
8、 逻 辑 控 制 器 （ Programmable Logic Controller） 简 称 PLC， 是 从 早期 的 继 电 器 逻 辑 电 气 控 制 系 统 发 展 而 来 ， 它 不 断 吸 收 微 型 计 算 机 控 制 技 术 ， 使之 功 能 不 断 增 强 ， 逐 渐 适 合 复 杂 的 电 气 控 制 系 统 。 PLC 之 所 以 有 较 强 的 生 命力 ， 在 于 它 更 加 适 应 工 业 现 场 和 市 场 要 求 。 可 靠 性 高 ， 抗 干 扰 能 力 强 、 编 程 方便 、 价 格 低 、 寿 命 长 。 与 单 片 机 相 比 ， 它 的 输 入 /
9、输 出 端 更 接 近 现 场 设 备 ， 不需 添 加 太 多 的 中 间 部 件 ， 这 样 可 以 大 大 节 省 用 户 的 开 发 时 间 与 生 产 成 本第一章 总体方案的确定目前，我国的 Z-3040 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。此外，一些复杂的控制如：时间、4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 电气控制系统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、
10、通信技术与自然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。它不仅具有多种逻辑控制功能，而且还具有各种运算、数据处理、联网通信等功能控制，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。因此有必要对旧式机床进行自动化改造。方案：在旧式 Z3040 摇臂钻床基础上，加入摇臂回转自动操作，主轴箱左右移动为自动操作，可提高生产效率。并加入工件加工计数功能、PC 通信功能。第二章 Z3040 摇臂钻床简介摇臂钻床适合与在大、中型零件上进行钻孔、扩口、绞孔及攻螺纹等工作，在具有工艺装备的条件下还可以进行
11、镗孔。Z3040 摇臂钻床由底座、外立柱、内立柱，摇臂、主轴箱及工作台等部分组成。5内立柱固定在底座的一端，外立柱套在内立柱上，工作时用液压夹紧机构与内立柱夹紧，松开后，可绕立柱回转 360。摇臂的一端为套筒，它套在外立柱上，经液压夹紧机构可与外立柱夹紧。夹紧机构松开后，借助升降丝杆的正、反向旋转可沿外立柱上、下移动。由于升降丝杆与外立柱构成一体，而升降螺母则固定在摇臂上，所以摇臂只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，它由主传动电动机。主轴和主轴传动机构、进给和变速机构以及机床的操作机构部分组成。主轴箱安装与摇臂的水平导轨上，通过手轮操作使主轴箱沿水平导轨移动，通过液压夹紧机构固
12、在摇臂。钻削加工时，主轴旋转为主运动，而主轴的直线移动为进给运动。即钻孔使钻头做旋转运动的同时，做纵向进给运动，主轴变速和进给变速的机构在主轴箱内，用变速机构分别调节主轴转速和上下进给量。摇臂钻床的主轴旋转运动和进给运动由一台交流异步电动 M1 机拖动。摇臂钻床的辅助运动有：摇臂沿外立柱的上升、下降、立柱的夹紧和松开以及摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。摇臂的上升、下降由一台交流电动机M2 拖动，立柱的夹紧和松开、摇臂的夹紧与松开以及主轴箱的夹紧和松开是有另一台交流电动机 M3 拖动一台齿轮泵，供给夹紧装置所需的压力油推动夹紧机构液压系统实现的。而摇臂的回转和主轴箱沿摇臂水平导轨方向的左右移
13、动。此外还有一台冷却泵电动机 M4 对加工的刀具进行冷却。Z-3040 摇臂钻床的电力拖动要求与控制特点：1. 为简化机床传动装置的机构常采用多台电动机拖动。2. 主轴的旋转运动、纵向进给运动及其变速机构均在主轴箱内，由一台主电动机拖动。3. 为了适应多种加工方式的要求，主轴的旋转与进给运动均有较大的调速范围，由机械变速机构实现。4. 加工螺纹时，要求主轴能正反转，采用机械方法来实现。因此，主电动机只需单向旋转，可直接启动，不需要制动。5. 摇臂的升降由升降电动机拖动，要求电动机能正反转，多采用鼠笼异步电动机，可实现直接启动，不需要调速和制动。6. 内外立柱、主轴箱与摇臂的夹紧与松开，是通过控
14、制电动机的正反转，带动液压泵送出不同流向的压力油，推动活塞、带动菱形块动作来实现的。因此拖动液压泵的电动机要求正反转，采用点动控制。67. 摇臂钻床主轴箱、立柱的夹紧与松开是由一条油路控制，且同时控制。而摇臂的夹紧、松开是摇臂升降工作联成一体，由另一条油路控制。两条油路哪一条处于工作状态，是根据工作要求可通过控制电磁阀操纵。由于主轴箱和立柱的夹紧、松开动作是点动操作，因此液压泵电动机采用点动控制。8. 根据夹紧要求，操作者可手控操作冷却泵电动机单向旋转。9. 必要的联锁和保护环节。10. 机床安全照明及信号指示灯电路。Z-3040 摇臂钻床主电路如图 2.1 所示，电路原理图如图 2.2 所示
15、。该钻床共配置 5 台电动机，M1 为主轴电动机，由继电器 KM1 控制，带动主轴的旋转和使主轴作轴向进给运动，为单向旋转。主轴的正、反转则由主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过液压系统操作机构配合正反转摩擦离合器驱动主轴正转、反转来实现，并由热继电器做长期过载保护。M2 为摇臂上升、下降电动机，由输出继电器 KM2、KM3 控制正、反向运行。M3 为液压泵电动机，由 KM4、KM5 控制正、反向运行，控制电路保证在操作摇臂升降时，首先时液压泵电动机启动运转，供出压力油，经液压系统使摇臂松开，然后才使电动机 M2 启动，拖动摇臂上升或下降。当摇臂移动到位后，控制电路又使 M2 停下，再自动通过
16、液压系统，将摇臂夹紧，然后液压泵电动机 M3 才停下。M4 为冷却电动机，由转换开关 SA1 控制。在旧式电路图中加一个 M5 主轴箱移动步进电动机。由 KM6、KM7 继电器控制其正反转，实现主轴箱移动。短路保护：在主电路中，利用熔断器 FU1 作总电路 M1、M4 的短路保护；利用熔断器 FU2 做电动机 N2、M3 和控制变压器 T 原边的短路保护；在控制电路中，利用熔断器 FU3 作照明回路短路保护。过载保护：在主电路中，利用热继电器 FR1、FR2 分别作主电动机 M1、液压泵电动机 M3 的过载保护。如果由于液压系统的夹紧机构出现故障而不能夹紧，那么行程开关 SQ3 的触电将断不开
17、，或者由于行程开关 SQ3 安装调整不当，摇臂夹紧后不能压下行程开关 SQ3，这时都会使液压泵电动机 M3 处于长期过载状态，易将 M3 烧毁，M2 为短时工作，不用设长期过载保护。为确保安全生产，摇臂钻床的主轴旋转和摇臂升降不允许同时进行。7图 2.1 Z3040 摇臂钻床主电路图 2.2 Z3040 摇臂钻床 电路原理图2.1 电路工作过程2.1.1 主轴电动机 M1 的控制按启动按钮 SB 接触器 KM1 得电吸合并自锁 KM1 主触点闭合 M1 转动，同时 KM1 辅助触点 KM1 闭合，指示 HL3 点亮，表明主轴电动机在旋转。按停止按钮 SB1 KM1 失电释放 M1 停转，同时
18、KM1 辅助动合触点KM1 复合断开，指示灯 HL3 灭，表明电动机 M1 停转。8主轴的正、反转由液压系统的操纵机构配合正、反转摩擦离合器实现。2.1.2 摇臂升降的控制当由摇臂上升或下降点动按钮 SB2、SB4 发出摇臂升降指令时，先使摇臂松开。然后由正、反转接触器 KM2、KM3 使电动机 M2 的正、反转，来拖动摇臂上升或下降，待摇臂上升或下降到位时，又自行重新夹紧。由摇臂的松开与夹紧是由夹紧机构液压系统实现的，因此摇臂升降需与夹紧机构液压系统紧密配合。液压泵电动机 M3 由正反转接触器 KM4、KM5 控制，实现电动机正反转，拖动双向液压泵，送出压力油，经二位六通阀 YA 送至摇臂夹
19、紧机构，实现摇臂夹紧与放松。摇臂升降启动的初始条件：摇臂钻床在平常或加工工件时，其摇臂处于夹紧状态，摇臂夹紧信号开关 SQ3 被压合，其动断触点 SQ3 处于断开状态，摇臂放松信号开关 SQ3 未压合，其动合触点 SQ2 处于断开状态，而动断触点 SQ2 处于闭合状态。2.1.3 摇臂上升为例分析摇臂升降的控制以摇臂上升工作电气如图 2.3按下摇臂上升点动按钮 SB3，时间继电器 KT 线圈通电，瞬动常开触点 KT 闭合，接触器 KM4 线圈通电，液压泵电动机 M3 反向启动旋转，拖动液压泵送出压9力油。同时 KT 的断电延时延时断开触点 KT 闭合，电磁铁 YA 线圈通电，液压泵送出压力油经
20、二位六通阀进入摇臂夹紧机构的松开油腔，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，发出摇臂松开信号，即常闭触点断开，常开触点闭合，前者断开线圈电路，电动机 M3 停止旋转，液压泵停止供油，摇臂维持在松开状态；后者接通 KM2 线圈电路，控制摇臂升降电动机 M2 正向启动旋转，拖动摇臂上升。当摇臂上升代所需位置时，松开按钮 SB3，KM2 与 KT 线圈同时断电，电动机M2 依惯性旋转，摇臂停止上升。而 KT 线圈断电，其断电延时闭合触点 KT 经延时13S 后才闭合，断电延时断开触点 KT 经同样延时后才断开。在 KT 断电延时13S 时，KM5 线圈仍处于断电状态，
21、电磁铁 YA 仍处于通电状态，这段延时就确保了摇臂升降电动机在断开电源后直到完全停止运转才开始摇臂的夹紧动作，因此，时间继电器 KT 延时长短是根据电动机 M2 切断电源到完全停止的惯性大小来调整。当时间继电器 KT 断电延时时间到时，常闭触点 KT 闭合，KM5 线圈通电吸合，液压泵电动机 M3 正向启动，拖动液压泵，供出压力油，同时常闭触点 KT 断开，电磁铁 YA 线圈断电，这时压力油经二位六通阀进入摇臂夹紧油腔，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SQ3 断开，KM5 线圈断电，M3 停止旋转，摇臂夹紧，上升结束。摇臂自动夹紧程度由 SQ3
22、 控制，若夹紧机构液压系统出现故障不能夹紧，将使常闭触点 SQ3 断不开，或者由于 SQ3 安装位置调整不当，摇臂夹紧后仍不能压下 SQ3，都将使 M3 长期处于过载状态，易将电动机烧坏，为此，M3 主电路采用热继电器 FR2 作过载保护。2.1.4 主轴箱、立柱松开与夹紧的控制轴箱和立柱的夹紧与松开是同时进行的，当按下按钮 SB5，接触器 KM4 线圈通电，液压泵电动机 M3 反转，拖动液压泵送出压力油，这时电磁阀 YA 线圈处于断电状态，压力油经过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，使主轴和立柱松开，由于 YA 线圈断电，压力油不能进入摇臂松开油腔，摇臂处于夹紧状态，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，指示灯 HL1 亮，表示主轴箱与立柱已松开，此时可以手动操作主轴箱在摇臂水平导轨上移动，也可推动摇臂使外外立柱作回转移动。当移动到位后，
