Z搖臂鉆床電氣及PLC控制系統(tǒng)設計

1、 摘 要本論文是研究機械加工中常用的Z3050搖臂鉆床傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的改造問題,旨在解決傳統(tǒng)繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)存在的線路復雜、可靠性穩(wěn)定性差、故障診斷和排除困難等難題。由于PLC電氣控制系統(tǒng)與繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)相比，具有結構簡單，編程方便，調試周期短，可靠性高，抗干擾能力強，故障率低，對工作環(huán)境要求低等一系列優(yōu)點。因此，本論文對Z3050搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的改造，將把PLC控制技術應用到改造方案中去，從而大大提高搖臂鉆床的工作性能。論文分析了搖臂鉆床的控制原理，制定了可編程控制器改造Z3050搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的設計方案，完成了電氣控制系統(tǒng)硬件和軟件的設計，其中包括PLC機型

2、的選擇、I/O端口的分配、I/O硬件接線圖的繪制、PLC梯形圖程序的設計。對PLC控制搖臂鉆床的工作過程作了詳細闡述，論述了采用PLC取代傳統(tǒng)繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)從而提高機床工作性能的方法，給出了相應的控制原理圖。關鍵詞：可編程控制器，搖臂鉆床，梯形圖，電氣控制系統(tǒng)141.搖臂鉆床描述1.1搖臂鉆床運動部件較多，為了簡化傳動裝置，采用多臺電動機拖動。例如Z3050型搖臂鉆床采用4臺電動機拖動，他們分別是主軸電動機，搖臂升降電動機，液壓泵電動機和冷卻泵電動機，這些電動機都采用直接啟動方式。1.2為了適應多種形式的加工要求，搖臂鉆床主軸的旋轉及進給運動有較大的調速范圍，一般情況下多由機械變速機

3、構實現。主軸變速機構與進給變速機構均裝在主軸箱內。1.3搖臂鉆床的主運動和進給運動均為主軸的運動，為此這兩項運動有一臺主軸電動機拖動，分別經主軸傳動機構，進給傳動機構實現主軸的旋轉和進給。1.4在加工螺紋時，要求主軸能正反轉。搖臂鉆床主軸正反轉一般采用機械方法實現。因此主軸電動機僅需要單向旋轉。1.5搖臂升降電動機要求能正反向旋轉。1.6內外主軸的夾緊與放松、主軸與搖臂的夾緊與放松可用機械操作、電氣機械裝置，電氣液壓或電氣液壓機械等控制方法實現。若采用液壓裝置，則備有液壓泵電機，拖動液壓泵提供壓力油來實現，液壓泵電機要求能正反向旋轉，并根據要求采用點動控制。1.7搖臂的移動嚴格按照搖臂松開移動

4、搖臂夾緊的程序進行。因此搖臂的夾緊與搖臂升降按自動控制進行。1.8冷卻泵電動機帶動冷卻泵提供冷卻液，只要求單向旋轉。1.9具有連鎖與保護環(huán)節(jié)以及安全照明、信號指示電路。1.10 Z3050搖臂鉆床實物圖如圖11 圖1 Z3050搖臂鉆床實物圖主要技術參數：格與參數 單位 Z3050*10 Z3050*13 Z3050*16 最大鉆孔直徑 mm 50 50 50 主軸中心至立柱母線距離 mm 360-1000 360-1300 360-1600 主軸箱水平移動距離 mm 650 950 1250 主軸端面至底座工作面距離 mm 260-1050 260-1050 260-1050 主軸行程 mm

5、 220 220 220 主軸圓錐孔 mm 莫氏5號 莫氏5號 莫氏5號 主軸轉速 r/min 78，135，240，350，590，1100 78，135，240，350，590，1100 78，135，240，350，590，1100 主軸轉速6級 m/min 010，016，022，025，035，0。56 010，016，022，025，035，0。56 010，016，022，025，035，0。56 主軸進給量3級 N 16000 16000 16000 主軸允許最大進給抗力 m/min 13 13 13 主電機功率 Kw 4 4 4 2搖臂升降電機功率 KW 15 15 15 機

6、床重量 KG 1700 2400 30p0 機床輪廓尺寸 m 1500*705*200耠1950*¸10*24u0 2170*950*2450 11.性能及特性：Z3050型搖臂隻床是丄種用途廣泛的通用型搖臂鉆床，能夠滿足一般加工車間及個體用戶在零件上進襌鉆孔、擴孔、鉸孔、鏜孔及絲等機械加工。轉臂采用內外立柱加滾動軸承的結構，操作輕便靈活。有主軸機動進給、橫臂機動升降、循環(huán)水冷卻及過載保護等功能。機床剛性、噪音低、操作輕便、易于維修、是一種物美價幉的夊用途機床。2.LC簡介：2.1PLC定義PLC即可編稉控制器（Programmable logic Control

7、ler，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：PLC英文全稱Programmable Logic Controller ,中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是:一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程.PLC是可編程邏輯電路，

8、也是一種和硬件結合很緊密的語言，在半導體方面有很重要的應用，可以說有半導體的地方就有PLC“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計?！?.2 PLC的特點2.2.1可靠性高，抗干擾能力強3高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術

9、，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。2.2.2配套齊全，功能完善，適用性強PLC發(fā)展到今天，已經形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品?？?/p>

10、以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。2.2.3易學易用，深受工程技術人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人

11、使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。2.2.4系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。2.2.5體積小，重量輕，能耗低4以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。2.3 PLC基礎知識2.3.1 PLC的發(fā)展歷程 在工業(yè)生產過程中，大量的開關量順序控制，它按

12、照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數據采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現的。2.4. PLC的應用領域  目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。2.4.1開關量的邏輯控制  這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝3.Z3050鉆

13、床PLC系統(tǒng)改造的意義鉆床是一種孔加工機床，可用來鉆孔、擴孔、絞孔、攻螺紋及修刮端面登多種形式的加工。鉆床的結構形式很多，有立式鉆床、臥室鉆床、深孔鉆床等。搖臂鉆床是一種立式鉆床，它適用于單件或批量生產中帶有多孔大型零件的孔加工，是一般機械加工車間常用的機床。搖臂鉆床主要由底座、內外立座、搖臂、主軸箱和工作臺組成。搖臂的一端為套筒，套筒在外立柱上，并借助絲桿的正、反轉可沿外立柱上下移動。主軸箱安裝在搖臂的水平導軌上可通過手輪操作使其在水平導軌上沿搖臂移動。加工時。根據工件高度的不同，搖臂借助于絲桿可帶著主軸箱沿外立柱上下升降。在升降之前，應自動將搖臂松開，再進行升降，當達到所需的位置時，搖臂自

14、動夾緊在立柱上。搖臂鉆床鉆削加工分為工作運動和輔助運動。工作運動包括：主運動（主軸的旋轉運動）和進給運動（主軸軸向運動）；輔助運動包括：主軸箱沿搖臂的橫向移動，搖臂的回轉和升降運動。鉆削加工時，鉆頭一面旋轉一面作縱5向進給。鉆床的主運動是主軸帶著鉆頭作旋轉運動。進給運動是鉆頭的上下移動。輔助運動是主軸箱沿搖臂水平移動，搖臂沿立柱上下移動和搖臂與外立柱一起繞內立柱的回轉運動。目前，我國的Z3050搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)普遍采用的是傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制方式。因其所要控制的電機較多所以電路較復雜，在日常的生產作業(yè)當中，經常發(fā)生電氣故障，從而影響生產。另外，一些復雜的控制如：時間、計數控制用繼電器接

15、觸器控制方式較難實現，所以，有必要對傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)進行改進設計，PLC電氣控制可以有效的彌補上述系統(tǒng)的這一缺陷。可編程序控制器（PLC）是以微處理器為核心，將計算機技術、通信控制技術融為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。它克服了繼電器接觸器控制電路存在觸點多、組合復雜、通用性和靈活性差等缺點。它不僅具有各種邏輯控制功能，而且還具有各種運算、數據處理、聯(lián)網通信等功能的控制，同時還具有抗干擾性強、環(huán)境適應性好和可靠性高等特點。因而廣泛地應用于工業(yè)生產各領域中。4.總體方案的確定4.1分析搖臂鉆床接觸器繼電器控制電路及工作原理和工作方式。4.2電氣圖中各元件的功能。4.3統(tǒng)計I/O口。4.4選擇PLC及

16、模塊，分配I/O口。4.5連接PLC外部線路。4.6編寫程序。5.Z3050搖臂鉆床接觸器-繼電器控制電路圖分析5.1Z3050搖臂鉆床概述Z3050型搖臂鉆床接觸器-繼電器控制電路原理圖如圖一所示。從圖一中可以看出，Z3050型搖臂鉆床由四臺電動機拖動，即主軸電動機M1、搖臂升降電動機M2、液壓泵電動機M3、冷卻泵電動機M4。按下按鈕SB2，接觸器KM1通電閉合，主軸電動機M1啟動運轉。按下按鈕SB3，液壓泵電動機M3首先正轉，放松搖臂，繼而搖臂升降電動機M2正轉，帶動搖臂上升。當上升至要求高度時，松開按鈕SB3，搖臂升降電6動機M2停轉，同時液壓泵電動機M3反轉，夾緊搖臂，完成搖臂上升過程

17、。按下按鈕SB4，液壓泵電動機M3首先正轉，放松搖臂，繼而搖臂升降電動機M2正轉，帶動搖臂下降。當下降至要求高度時，松開按鈕SB4，搖臂升降電動機M2停轉，同時液壓泵電動機M3反轉，夾緊搖臂，完成搖臂下降過程。按下按鈕SB5，接觸器KM4通電閉合，液壓泵電動機M3啟動正向運轉，立柱、主軸箱放松；按下按鈕SB6，接觸器KM5通電閉合，液壓泵電動機M3啟動反向運轉，立柱和主軸箱夾緊。5.2 Z3050搖臂鉆床接觸器-繼電器控制電路圖詳細分析接觸器KM1控制主軸電動機運轉接觸器KM2控制搖臂電動機正轉，使搖臂上升接觸器KM3控制搖臂電動機反轉，使搖臂下降接觸器KM4控制液壓泵電動機正轉，使搖臂放松接

18、觸器KM5控制液壓泵電動機反轉，是搖臂夾緊電磁鐵YA控制二位三通電磁閥，使液壓油流入搖臂夾緊、放松油腔QS2 冷卻泵電動機控制按鈕SB1主軸電動機停止按鈕SB2主軸電動機啟動按鈕SB3搖臂上升控制按鈕SB4搖臂下降控制按鈕SB5立柱、主軸箱放松按鈕SB6立柱、主軸箱夾緊按鈕KM2、KM3相互自鎖KM4、KM5相互自鎖ST1-1 搖臂上升時的上限位開關ST1-2 搖臂下降時的下限位開關ST2 搖臂放松行程開關ST3 主軸箱限位開關5.2.1主軸電動機M1的控制 75.2.2搖臂上升控制 85.2.3搖臂下降控制5.2.4立柱和主軸箱的夾緊放松控制96.列出Z3050型搖臂鉆床PLC的輸入輸出點分

19、配表，見表1表1 Z3050型搖臂鉆床PLC的輸入輸出點分配表輸入信號輸出信號代號名稱輸入點編號代號名稱輸出點編號SB00總啟動按鈕I0.0EL照明Q0.0SB01緊急停止開關I0.1HL1夾緊指示燈Q1.0SQ2冷卻泵電動機開關I0.2HL2放松指示燈Q1.1SA照明燈控制開關I0.3HL3主軸指示燈Q1.2ST4放松指示燈行程開關I0.4KT斷電延時繼電器Q2.0KR1主軸電動機M1熱繼電器I0.5KM1主軸電動機M1接觸器Q2.1SB1主軸電動機M1停止按鈕I0.6KM2搖臂上升繼電器Q2.2SB2主軸電動機M1啟動按鈕I0.7KM3搖臂下降繼電器Q2.3 KR2控制電路熱繼電器I1.0KM4液壓泵電動機M3正轉接觸器Q2.4SB3搖臂上升按鈕I1.1KM5液壓泵電動機M3反轉接觸器Q2.5ST1-1搖臂上升上限位行程開關I1.2YA放松夾緊電磁鐵Q2.6ST2搖臂松開夾緊行程開關I1.3M4冷卻泵電動機Q3.0SB4搖臂下降按鈕I1.4ST1-2搖臂下降下限位行程開關I1.5SB5立柱和主軸箱放松按鈕I1.6SB6立柱和主軸箱夾緊按鈕I1.7ST3主軸箱限位開關I2.0