機(jī)電傳動課程設(shè)計(jì)方案用PLC改造Z搖臂鉆床電氣控制回路

1、1.引言鉆床是一種用途廣泛的通用機(jī)床，包括立式鉆床、臥式鉆床、深孔鉆床、 多軸鉆床等。搖臂鉆床是一種立式鉆床，在鉆床中具有一定的典型性，主要用 于對大型零件進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔和攻螺紋等，如果增加輔助設(shè)備，還可以 進(jìn)行轄孔。傳統(tǒng)Z35型搖臂鉆床為繼電器控制電路，此控制線路接觸觸點(diǎn)多，故障也多，機(jī)械使用率較低；用 PLC控制技術(shù)改造其繼電器控制電路，可 以克服其缺點(diǎn)。2.系統(tǒng)方案設(shè)定2.1 Z35搖臂鉆床的結(jié)構(gòu)Z35的外形圖如圖所示，主要由底座，工作臺，主軸，搖臂，主軸箱，內(nèi) 立柱，外立柱等部分組成。內(nèi)立柱固定不動安裝在底座上，外立柱套在內(nèi)立柱外，并可以繞內(nèi)立柱旋 轉(zhuǎn)一周，搖臂的一端套在外立柱上

2、，借助絲杠的正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，搖臂可以沿外 立柱上升或下降，但搖臂不能和外立柱做相對回轉(zhuǎn)運(yùn)動，它跟外立柱在一起繞 內(nèi)立柱回轉(zhuǎn)，主軸箱安裝在搖臂的水平導(dǎo)轉(zhuǎn)軌上通過手輪操作可以使其沿導(dǎo)軌 做徑向移動，當(dāng)需要鉆削加工時，利用夾緊機(jī)構(gòu)將外立柱緊固在內(nèi)立柱上將搖 臂固定在外立柱上，將主軸箱固定在搖臂上。2.2 Z35 搖臂鉆床的運(yùn)動形式Z35 搖臂鉆床的主運(yùn)動包過主軸帶動刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和主軸帶動道具的軸 向進(jìn)給運(yùn)動。Z35 搖臂鉆床的輔助運(yùn)動包括外立柱繞內(nèi)立柱的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，搖臂沿外立柱的上升下降，主軸箱沿?fù)u臂的水平徑向移動以及加緊動作等。3 / 112.4 Z35 搖臂鉆床的電氣控制分析2.3.1 主軸電動機(jī)

3、的控制將十字開關(guān)SA3扳到左邊，其觸頭2-3）閉合，KV得電吸合并自鎖，然后 將SA扳到右邊，觸頭SA3V3-4）閉合，KM1吸合，主軸電動機(jī)轉(zhuǎn)動。將十字開關(guān)SA3扳到中間位置，SA的所有觸頭均斷開，KM1釋放，主軸電 機(jī)也隨之停止。2.3.2 搖臂的升降控制搖臂升降控制是在零壓繼電器 FV 通電并自鎖的前提下進(jìn)行的，用來調(diào)整工 件與鉆頭的相對高度。搖臂升降前必須將夾緊裝置放松，升降完畢后又必須夾 緊，這些動作是通過十字開關(guān)SA接觸器KM2 KM3位置開關(guān)SQI、SQ2控制電 動機(jī)M3來實(shí)現(xiàn)的。SQI 是能夠自動復(fù)位的鼓形轉(zhuǎn)換開關(guān)，其兩對觸點(diǎn)都調(diào)整在常閉狀態(tài)； SQ2 是不能自動復(fù)位的鼓形轉(zhuǎn)換

4、開關(guān)，它的兩對觸點(diǎn)調(diào)整在常開狀態(tài)，由機(jī)械裝置 來帶動其通斷。以搖臂上升為例，將十字開關(guān)手柄從中間位置扳到向上位置， SA 的上觸頭 接通，接觸器KM通電，電動機(jī)M3正轉(zhuǎn)啟動。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)系，在 M3開始運(yùn) 轉(zhuǎn)時，搖臂暫不會上升，而是通過傳動裝置使搖臂夾緊機(jī)構(gòu)放松，同時將位置 開關(guān)SQ2的常開觸頭SQ2-2閉合，為夾緊搖臂做好準(zhǔn)備。當(dāng)夾緊機(jī)構(gòu)放松后， 電動機(jī)M3通過升降絲桿，帶動搖臂上升，當(dāng)上升到預(yù)定位置時，將十字開關(guān)手 柄扳回中間位置，接觸器KM2斷電，電動機(jī)M2停車，搖臂停止上升。由于KM2 的互鎖觸頭恢復(fù)閉合，而 SQ2-2 在搖臂上升前已合上，故接觸器 KM3 通電吸 合，電動機(jī) M3

5、 反轉(zhuǎn)，通過機(jī)械夾緊機(jī)構(gòu)使搖臂自動夾緊。夾緊后，位置開關(guān) SQ2-2 斷開， KM3 斷電釋放，電動機(jī) M3 停轉(zhuǎn)，上升過程結(jié)束。如果要使搖臂下降，只需將十字開關(guān)手柄扳到下降位置，使 SA 的下觸頭閉 合，其工作過程與上升相同，只是運(yùn)動方向相反而已。由此可知，搖臂的升降是由機(jī)電聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)的，它能自動完成搖臂“放 松上升 （或下降夾緊”工作過程， SQ2 是控制搖臂夾緊的位置開關(guān)，它的 兩個觸點(diǎn) SQ2-2、SQ2-1 分別在搖臂上升、下降時起作用。為了使搖臂上升或下 降時不致超過允許的極限位置，在搖臂上升和下降的控制電路中，分別串入位 置開關(guān) SQ1-1、SQl-2 的常閉觸點(diǎn)。當(dāng)搖臂上升或

6、下降到極限位置時，擋塊將相 應(yīng)的位置開關(guān)壓下，使電動機(jī)停轉(zhuǎn)，從而避免事故的發(fā)生。2.3.3 立柱夾緊與松開的控制立柱的夾緊與放松是通過接觸器 KM4和KM5控制電動機(jī)M4的正、反轉(zhuǎn)來實(shí) 現(xiàn)的。當(dāng)需要搖臂和外立柱繞內(nèi)立柱轉(zhuǎn)動時，應(yīng)先按下按鈕 SB1使接觸器KM4 通電吸合，電動機(jī) M4 正轉(zhuǎn)，通過齒式離合器驅(qū)動齒輪式油泵，送出高壓油。經(jīng) 一定油路系統(tǒng)和傳動機(jī)構(gòu)將內(nèi)外立柱松開，放開 SB1,電動機(jī)M4停轉(zhuǎn)，這時， 搖臂在人力推動下轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)到所需位置時，再按下按鈕 SB2使接觸器KM5通 電，電動機(jī) M4 反轉(zhuǎn)，在液壓推動下立柱被夾緊； SB2 松開后，電動機(jī) M4 停 轉(zhuǎn)，整個“松開移動夾緊”過

7、程結(jié)束。由于主軸箱在搖臂上的夾緊與放松 和立柱的夾緊與放松是用同一臺電動機(jī)和液壓機(jī)配合進(jìn)行的，因此，在對立柱 夾緊與放松的同時，也對主軸箱在搖臂上進(jìn)行了夾緊與放松。主軸箱與立柱的 夾緊與放松也可用手柄操縱。2.3.4冷卻泵電機(jī)的控制冷卻泵電機(jī)由開關(guān)SA1直接控制，SA1閉合，M1轉(zhuǎn)動，SA1斷開，M1停止2.3.5照明燈的控制照明燈EL由開關(guān)SA2控制2.5Z35 搖臂鉆床的控制要求1.由于運(yùn)動部件較多，故采用多臺電動機(jī)拖動，以簡化裝置2.為滿足攻螺紋的需要，要求主軸能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)和調(diào)速，而主軸電動只由 1 個接觸的控制，只能單方向轉(zhuǎn)動，所以主軸的正反轉(zhuǎn)由機(jī)械來完成3.搖臂的上升和下降要有限位

8、保護(hù)4.搖臂的夾緊和放松由機(jī)械和電氣聯(lián)合完成。立柱和主軸箱的夾緊與放松 是由電動機(jī)配合液壓裝置來完成的。5.鉆削加工時需要對刀具及工件進(jìn)行冷卻。6.要有零壓保護(hù)3. PLC 的改造3.1 PLC 的選擇3.1.1PLC 的功能 （1）邏輯控制功能（2）定時，計(jì)數(shù)功能（3）數(shù)據(jù)處理功能（4）通信與聯(lián)網(wǎng)功能3.1.2PLC 的特點(diǎn)（1）抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)好（2）編程方法簡單易學(xué)（3）應(yīng)用靈活，通用性好（4）完善的監(jiān)視和診斷功能3.1.3 PLC 對時間和其他特殊功能要求（1） 對于開關(guān)量的控制系統(tǒng)，無需考慮 PLC的響應(yīng)時間，對于模擬量控制系統(tǒng)，特別是閉環(huán)控制系統(tǒng)，就需要考慮PLC的

9、響應(yīng)時間（2） 控制對象的不同會對PLC提出不同的控制要求，如用 PLC替代繼電器完成設(shè)備或生產(chǎn)過程控制的上限警報(bào)控制，只需 PLC的基本邏輯功能即可。對 于需要模擬量控制的系統(tǒng)，則應(yīng)選擇配有模擬量 I/O模塊的PLC，PLC內(nèi)部還具 有數(shù)字運(yùn)算功能。對于需要驚醒數(shù)據(jù)處理以及信息管理的系統(tǒng)，PLC應(yīng)具有圖表傳送，數(shù)據(jù)庫生成等功能。對于需要高速脈沖計(jì)數(shù)的系統(tǒng)，PLC應(yīng)具有高速計(jì)數(shù)功能，且應(yīng)了解系統(tǒng)所需的最高技術(shù)頻率。有些系統(tǒng)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，就應(yīng)先配具有遠(yuǎn)程I/O控制的PLC還有一些特殊功能，如溫度控制，位置控 制，PID控制等。3.1.4 用戶程序存儲器所需容量的估算= 指令步數(shù)3.2 PLC

10、 的改造3.2.1 Z35 型搖臂鉆床輸入輸出點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)1. 輸入點(diǎn)數(shù)（1主軸電動機(jī)啟動運(yùn)轉(zhuǎn)的十字開關(guān)1個SA右開關(guān)）；（2控制搖臂上升的十字開關(guān)1個SA上開關(guān)）；控制搖臂下降的十字開關(guān)1個SA下開關(guān)）；控制搖臂夾緊開關(guān) SQ2-1和SQ2-2兩個；防止搖臂上升 或下降致超過允許的極限的位置開關(guān) SQ1-1和SQ1-2兩個；（3 立柱松開按鈕 SB1 兩個；立柱夾緊按鈕 SB2 兩個。輸入點(diǎn)數(shù)共 11 點(diǎn)。2 輸出點(diǎn)數(shù)（1 主軸電動機(jī) M2 運(yùn)行交流接觸器 1 個；（2 搖臂升降電機(jī)正、反轉(zhuǎn)交流接觸器各 1 個；（3 立柱夾緊與松開控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)交流接觸器各 1 個。輸出點(diǎn)數(shù)共 5 點(diǎn)。綜上

11、所述，PLC應(yīng)選用S7-200系列型的CPU22型的PLC, Z35型搖臂鉆床改 造后共需點(diǎn)數(shù)為 16 點(diǎn)，為了保證所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能正常運(yùn)行，在設(shè)計(jì)硬件系 統(tǒng)時，應(yīng)根據(jù) I/O 實(shí)際點(diǎn)數(shù)留有 20%余量。考慮到發(fā)展及工藝控制問題，故選擇 松下FP1-C24 PLC!電器輸出，I/O總點(diǎn)數(shù)為29,輸入點(diǎn)數(shù)為16點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù) 為13點(diǎn)。3.2.2PLCI/O 分配表序號功能輸入序號功能輸出1立柱松開按鈕 SB1 :I0.01M2控制接觸器KM1Q0.02立柱夾緊按鈕SB2I0.12M3正轉(zhuǎn)接觸器KM2Q0.13上限位SQ1I0.23M3反轉(zhuǎn)接觸器KM3Q0.24下限位SQ2I0.34M4正轉(zhuǎn)接觸

12、器KM4Q0.35上升SA8上I0.45M4反轉(zhuǎn)接觸器KM5Q0.46下降SA8下:I0.5 6M1控制接觸器 KM6Q0.57主軸SA8右I0.67照明HL1Q0.68啟動SA8左:I0.7 8搖臂上升HL2Q0.79冷卻泵SA5I1.09搖臂下降HL3Q1.010照明SA4I1.1 ”10主軸工作HL4Q1.111升聯(lián)動SA1I1.211冷卻泵工作HL5Q2.012降聯(lián)動SA1I1.3 V12立柱夾緊HL6Q2.113M1熱保護(hù)FR1I1.413立柱松開HL7Q2.214M2熱保護(hù)FR2I1.5 丁15M3熱保護(hù)FR3I2.016M4熱保護(hù)FR4I2.1 表1輸入口分配表9 / 11結(jié)論通過本次課程設(shè)計(jì)我學(xué)到了很多東西，熟悉了課堂上所學(xué)的基本內(nèi)容，通 過不斷的調(diào)查資料，對PLC的構(gòu)成和工作原理有了進(jìn)一步深入的認(rèn)識，尤其是 PLC編程部分，在全組同學(xué)的分工合作下完成了本次課程設(shè)計(jì)，同時培養(yǎng)