Z3050搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的PLC改造設(shè)計

桂林理工大學GUILINUNIVERSITYOFTECHNOLOGY本科畢業(yè)設(shè)計(論文)題目：Z3050搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的PLC改造設(shè)計學院：機械與控制工程學院專業(yè)(方向)：機械設(shè)計制造及其自動化(機械裝備)班學級：機械11-2生：指導教師：20年月日摘要本論文主要研究Z3050搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)，并對其控制系統(tǒng)基于PLC進行改造設(shè)計。闡述PLC的基本組成結(jié)構(gòu)、工作原理和分類，講述常用主令器的基本組成結(jié)構(gòu)、原理和符號，分析Z3050搖臂鉆床的基本組成結(jié)構(gòu)、運動軌跡和電氣控制電路，明確它的控制對象和控制目的，選擇適合的PLC型號，完成PLC外部接線圖和梯形圖的設(shè)計。使用CX-Programmer軟件編寫所設(shè)計的梯形圖，并對其進行編譯，確認梯形圖編譯無誤后，將CX-Programmer軟件和CX-Simulator軟件配合使用，對梯形圖按步驟進行模擬仿真驗證，看得出的結(jié)構(gòu)是否與預(yù)期的一樣。經(jīng)驗證與預(yù)期的結(jié)果一樣，說明設(shè)計的梯形圖使Z3050搖臂鉆床在保留原有的操作方法和功能的基礎(chǔ)上，能夠取代原有傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。完成了Z3050搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的PLC改造設(shè)計，簡化了Z3050搖臂鉆床的控制電路，使其更易于維護和維修，具有更高的工作效率，提高了Z3050搖臂鉆床的性能。關(guān)鍵詞：繼電器；PLC；控制系統(tǒng)；Z3050搖臂鉆床DesignZ3050radialdrillingmachineelectricalcontrolsystembasedonPLCStudent:YANGHong-yuanTeacher:ZOUZi-mingAbstract:Inthisthesis,tostudytheZ3050radialdrillingmachineelectricalcontrolsystem,andengineereddesigntheircontrolsystembasedonPLC.ItdescribesbasicstructuresPLC,workingprincipleandclassification,aboutcommonmaster'sbasicstructures,principlesandsymbols,analyzebasicstructuresZ3050radialdrillingtrajectoryandelectricalcontrolcircuitry,specificallyitscontrolobjectandcontrolpurpose,selecttheappropriatePLCtype,completePLCexternalwiringdiagramandladderdesign.CX-Programmerisdesignedforsoftwaredevelopmentladder,andcompile,compilecorrectlyconfirmtheladder,theCX-ProgrammerCX-Simulatorsoftwareandsoftwarewiththeuseoftheladderstepbystepsimulation,seeoutofthestructureisthesameasexpected.Provenandexpectedthesameresults,indicatingthedesignoftheladdersoZ3050radialdrillingmachineonthebasisofretainingtheoriginalfeaturesofthemethodofoperationandcanreplaceexistingtraditionalrelaycontrolsystem.PLCcompletedtherenovationdesignZ3050radialdrillingmachineelectricalcontrolsystem,simplifyingtheZ3050radialdrillingmachinecontrolcircuit,makingiteasiertomaintainandrepair,withhigherefficiency,improvetheZ3050radialdrillingperformance.Keyworks:relay;PLC;controlsystems;Z3050radialdrillingmachine.1緒論本課題的背景和研究意義人們?yōu)榱四軌蚋菀椎每刂聘鞣N機械和設(shè)備的運行，發(fā)明了電氣控制的方法，從此人們開始走進了自動化控制的時代。電氣控制系統(tǒng)，提高了人們的生活水平和質(zhì)量，同時也大幅提高了各種產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，因此被人們廣泛的應(yīng)用到各個領(lǐng)域當中。隨著電子信息科技的發(fā)展，我們開始走進數(shù)字化的時代，因此在自動化控制領(lǐng)域當中應(yīng)運出了可編程控制器（ProgrammableLogicController，簡稱PLC）。可編程控制器是一種集控制技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的新型自動控制技術(shù)。運用計算機進行邏輯編程，可實現(xiàn)定時、順序控制、計數(shù)和運算功能，相對于傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中復(fù)雜的線路連接，具有更簡單，更方便、更高效的優(yōu)點。同時PLC對工作環(huán)境的要求更低，能夠適合大多數(shù)的工作環(huán)境，電路更加的簡單，故障的維修和檢查更加方便，從而可以看出，PLC具有更加高的可靠性、更好的工作性能和更高的工作效率，是在未來自動化控制領(lǐng)域方面值得大力發(fā)展的技術(shù)。Z3050搖臂鉆床是比較常見的一種立式鉆床,適用于單件和成批生產(chǎn)加工多孔的大型零件。雖然現(xiàn)今的機床加工生產(chǎn)進入了全數(shù)控化的時代，但作為專一的加工機床，在中、小型的加工企業(yè)當用還是有一定的位置?？上У氖荶3050搖臂鉆床的控制系統(tǒng)用的是傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，具有傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)存在的通病：各電器件需用線路連接，使其體積龐大，線路復(fù)雜，造成觸點的可靠性低，有一定的延時性，使工作效率變低，維護和維修更困難。所以對Z3050搖臂鉆床的控制系統(tǒng)進行PLC改造設(shè)計，簡化它的控制系統(tǒng)，提高它的工作效率和可靠性，具有一定的價值和意義。傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)在各個領(lǐng)域發(fā)展了較長的一段時間,到目前為止,還有很多機械設(shè)備都在使用該系統(tǒng),相對于PLC也許會存在一些不足,但這些機械設(shè)備對人們的生產(chǎn)和生活還具有一定作用,人們現(xiàn)在還是需要它們的幫助。而PLC控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)具有一定的相似性，完全能夠基于PLC對傳統(tǒng)的繼電器控制系進行改造設(shè)計，進而提高機械設(shè)備的工作效率和可靠性。對傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的PLC改造設(shè)計，即可以保留了原有的工作能力和需求，還提高了機械設(shè)備的工作效率，讓一些機械設(shè)備跟上時代發(fā)展的步伐而不至于被淘汰。電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢也向數(shù)字化和信息化方向發(fā)展，開始著手研究數(shù)字電器件，基于PLC對傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)進行改造設(shè)計，也是讓其走向數(shù)字化的一種方法和一條道路，是一個值得研究的課題，對控制系統(tǒng)的發(fā)展有著重要的意義。2PLC的概述2.1PLC的基本知識2.1.1PLC的發(fā)展歷史在可編程控制器（ProgrammableLogicController，PLC）出現(xiàn)以前，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域當中占據(jù)著主導地位?？墒怯捎趥鹘y(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)具有明顯的缺點：設(shè)備的體積大、路線復(fù)雜而導致控制系統(tǒng)的可靠性低和維護維修不方便。PLC的產(chǎn)生源于汽車制造業(yè)。在20世紀60年代的后期，由于汽車的型號更新速度快，原先汽車所使用的繼電器控制系統(tǒng)，雖然具有價格便宜、原理簡單、操作直觀、使用方便等優(yōu)點，但是它的邏輯控制元器件都需要布線，缺乏變更控制過程中需要的靈活性，無法滿足和跟上汽車行業(yè)迅速發(fā)展的步伐。于此同時，在20世紀40年代產(chǎn)生的電子計算機，于60年代已經(jīng)得到迅猛的發(fā)展，并開始應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的自動控制系統(tǒng)當中。1968年，美國通用汽車公司曾設(shè)想過把傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)和電子計算機技術(shù)兩者的長處相結(jié)合起來，并首次提出了新型電氣控制裝置的十點招標要求。到了1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司就結(jié)合了計算機和繼電器兩者的優(yōu)點，按照招標要求完成了研究工作，并在通用公司的生產(chǎn)線上試用成功，從而誕生了世界上的第一臺可編程控制器（ProgrammableLogicController，PLC）。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，PLC在國內(nèi)外已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，特別在電力、機械制造、汽車、輕工業(yè)等方面得到飛速的成長和應(yīng)用。2.1.2PLC的基本組成PLC的基本組成大致可分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，整個PLC的基本組成部分如下圖2-1所示硬件系統(tǒng)：硬件系統(tǒng)是指組成PLC的設(shè)備，其中主要為中央處理器CPU、通信接口、輸入/輸出口、存儲器、編程器和電源等部分。為了維護和維修的方便，許多PLC使用模塊式結(jié)構(gòu)，即由中央處理器、存儲器組成為控制模塊、輸入單元組成為輸入模塊、輸出單元組成為輸出模塊、三者通過總線連接構(gòu)成主機，并由電源提供電成為供電模塊。軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)是指控制、管理、使用PLC，確保其能夠正常的完成工作的整套程序。有的來于自廠家，也有的來自于用戶，前者一般稱為系統(tǒng)程序，后者一般稱為用戶程序。系統(tǒng)程序一般用于管理PLC的各種資源，確保整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，便于發(fā)揮好整個編程控制器使用的效率。用戶的程序側(cè)重于使用，及其輸入、輸出的控制關(guān)系，即達到某種控制的目的和要求。圖2-1PLC的基本組成示意圖2.1.3PLC的工作原理PLC在執(zhí)行用戶的程序時，采用的是循環(huán)掃描工作方式，在整個工作掃描過程中，除了執(zhí)行用戶程序外還需要要進行自身的內(nèi)部處理、通信服務(wù)和內(nèi)部檢查。一旦發(fā)現(xiàn)存在錯誤，就會發(fā)出提示信號，有時候還能進行一些相應(yīng)的出錯處理，使PLC停止掃描或強制停止工作。PLC處理用戶程序的過程主要分為三個階段，如圖2-2所示。1.輸入采樣階段（讀）程序執(zhí)行前，PLC以掃描方式掃描輸入端子，把可編程控制器所有的輸入端子的通/斷狀態(tài)讀入輸入映像寄存器中。2.程序處理階段（算）按照用戶輸入的程序，逐步掃描每條指令，從輸入/輸出映像寄存器中讀取所需要的數(shù)據(jù)進行運算和處理，并將結(jié)果寫入輸出寄存器中并且保存下來。結(jié)果在程序還沒有執(zhí)行完之前是不會被送到輸出端口。3.輸出刷新處理（寫）當所有的程序被執(zhí)行完以后，可編程控制器將輸出映像寄存器當中所有輸出繼電器的狀態(tài)信號，送人輸出鎖存器中，成為可編程控制器的實際輸出。通過一定的方式外部負載獲得鎖存器中的信息，進而驅(qū)動外部負載，完成了PLC的實際輸出。圖2-2PLC用戶程序執(zhí)行過程2.1.4PLC的分類PLC的種類有很多，使它在實際的使用當中，它們的外形、實現(xiàn)的功能、實際內(nèi)存的容量、所能控制的規(guī)模等方面都存在比較大的差異。所以說到目前為止都沒有一個統(tǒng)一而嚴格的標準來分類，人們一般是根據(jù)I/O口的總點數(shù)、基本的組成結(jié)構(gòu)、功能對PLC進行大致的分類。1.根據(jù)根據(jù)I/O口總點分類I/O口總點數(shù)進行分類時，以256、2048點為分界線，小于或等于256點的為小型PLC，在256—2040之間的為中型PLC，大于等于2048點的為大型PLC。還有把I/O口總點數(shù)少于32點的稱為微型或者超小型PLC，把I/O口總點數(shù)超過萬的稱為超大型PLC。2按基本組成結(jié)構(gòu)分類按基本組成結(jié)構(gòu)分可以分為整體式和模塊兩種。整體式的PLC就是將所有的組成部件都裝在一個機殼內(nèi)，結(jié)構(gòu)非常緊湊。一般都是體積比較小、價格便宜、小型化的PLC使用這種結(jié)構(gòu)模式。模塊式的PLC是將組成PLC的各部件分成若干個單獨的模塊，將某項的功能，專門做成具有一定功能的模塊。模塊式的PLC可以根據(jù)用戶的需求自由選擇所需要的模塊，一般是中大型PLC所選擇的結(jié)構(gòu)模式。3.按功能分類按功能可以將PLC分成抵擋、中檔和高檔機三類，不同檔的PLC它們的功能不同，高檔的PLC實現(xiàn)的功能越多2.2常用電器的基本結(jié)構(gòu)2.2.1接觸器接觸器是一種主要用于接通或者斷開各種交流或者直流電路，控制各種電路通斷的自動切換電器。在與手動開關(guān)相對比來說，接觸器不僅具有自動切換的功能，還具有傳統(tǒng)手動開關(guān)不具備的遠距離操控功能和欠壓保護。具有工作頻率高、可靠性高、性能好而且穩(wěn)定、使用的壽命長和維修比較簡便等的優(yōu)點，它的基本結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。圖2-3電磁式接觸器基本機構(gòu)1.主觸頭，2.輔助常閉觸頭，3.輔助常開觸頭，4.銜鐵，5.吸引線圈，6.靜鐵心，7.滅弧罩，8.釋放彈簧電磁式接觸器的工作原理，都是根據(jù)電磁原理進行工作的，接觸器被接上電壓通電時，吸引線圈就會得電，有電流通過，從而產(chǎn)生電磁場，并對銜鐵產(chǎn)生吸力，而且當電流大于一定值的時后，吸力就會比釋放彈簧產(chǎn)生的拉力大，就會拉動銜鐵發(fā)生閉合動作，帶動主觸頭閉合接通電路，于此同時銜鐵還會帶動輔助觸頭的動作，使輔助觸頭中的常開觸頭產(chǎn)生閉合動作，常閉的觸頭產(chǎn)生斷開動作，最后當接觸器的電源斷開的時候，由于沒有電流通過，吸引線圈就不會產(chǎn)生電磁場，吸力消失從而在釋放彈簧的拉力作用下接觸觸器的主輔觸頭復(fù)位，恢復(fù)到原來的狀態(tài)（位置）。接觸器的符號如圖2-4所示。圖2-4接觸器的符號2.2.2電磁式繼電器繼電器的工作是根據(jù)電信號或者是非電的信號的不同變化對電路進行接通或者斷開，實現(xiàn)它的遠距離自動控制及其保護。它的輸入量多種多樣，即可以是電流、電壓的電量信號，也可以是溫度、時間，還可以是速度等非電量信號，它的輸出只是觸頭的動作或者是電參數(shù)的變化。如圖2-5所示是電磁式繼電器的基本結(jié)構(gòu)。圖2-5電磁式繼電器的基本結(jié)構(gòu)1.底座,2.反力彈簧,3、4.調(diào)整螺釘，5.非磁性墊片，6.銜鐵，7靜鐵芯，8.級靴，9.吸引線圈，10.常閉觸頭，11.常開觸頭電磁式繼電器在與各種電器相比來說，它是種類最多的，而且被廣泛的應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域當中，從圖中就可以看出，它的工作原理與上面圖2-3所介紹的接觸器的原理是比較相似的，都是在各種信號的作用下讓銜鐵動作進而帶動觸點動作而達到控制目的，這兩者主要的不同之處就是在于接觸器的工作是要在有一定的電壓信號的作用之下才能產(chǎn)生工作所需要的動作，而繼電器就不一樣，它的輸入信號可以是電，也可以是各種非電的物理量等。接觸器的主要作用和任務(wù)就是要控制電路的接通和斷開，是強執(zhí)行功能，而繼電器它需要的是對各種電量或非電量的信號的感應(yīng)測，是要求感測的靈敏性、動作的精準性和其反應(yīng)的快速性，只有主觸點而沒有輔助觸點，在小型的控制電路中也不需要有滅弧裝置。由于本課題的研究要用到的電磁式繼電器是時間繼電器，因此我簡單的介紹一下時間繼電器的基本概念、用途和符號。時間繼電器它工作時在接受到輸入信號后，要經(jīng)過一定的時間間隔之后才會發(fā)出動作的繼電器。它主要的特點就是它具有一定的延時性，延遲一定的時間才產(chǎn)生動作，所以它被廣泛的應(yīng)用到各種家用電器的控制電路當中。兩種延時性時間繼電器的符號如下圖2-6所示。(1)線圈符號(2)通電延時線圈(3)斷電延時線圈(4)延時閉合常開觸頭(5)延時斷開常閉觸頭(6)延時斷開常開觸頭(7)延時閉合常閉觸頭(8)順動觸頭圖2-6時間繼電器的符號2.2.3按鈕按鈕是一種用于小電流電路的通過機械手動接通或斷開電路的控制電器，觸頭所能通過的電流比較小，一般是不能超過5A，在控制電路的啟動、停車的控制當中，按鈕還可以作為接觸器的輸入信號，達到間接控制機械設(shè)備等的啟動和停車控制目的，它手動控制發(fā)出的信號不止可以控制接觸器，還可以控制繼電器、電磁啟動器等。如圖2-7是按鈕的基本組成結(jié)構(gòu)。圖2-7控制按鈕的基本組成結(jié)構(gòu)圖從圖中可以看出，按鈕主要由按鈕帽、復(fù)位彈簧、動/靜觸頭以及外殼組成。按鈕帽在手動機械推動力的作用之下，推動動觸頭動作，使常閉的觸頭斷開，讓常開的觸頭閉合，從而達到控制目的。當外力從按鈕帽中移除的時候，動觸頭在復(fù)位彈簧的推動力作用之下，使按鈕復(fù)位回到原來的狀態(tài)。如圖2-8是控制按鈕的符號。圖2-8控制按鈕的符號3Z3050搖臂鉆床的概述3.1Z3050搖臂鉆床的基本知識3.1.1Z3050搖臂鉆床用途和型號的含義1.用途Z3050搖臂鉆床是比較常見的一種立式鉆床,一般適用在大、中型零件的鉆孔、鉸孔、擴孔、锪平面和攻螺紋等工作，在一定的設(shè)備和條件下還可以進行鏜孔，適用于單件或者小批量的生產(chǎn)。2.型號的含義Z：鉆床的簡稱；3：搖臂鉆床組；0：搖臂鉆床型，其實30可以理解為搖臂；50：鉆床的最大鉆孔直徑為50mm。3.1.2Z3050搖臂鉆床的基本結(jié)構(gòu)組成圖3-1Z3050搖臂鉆床的基本組結(jié)構(gòu)從圖3-1可以看出，Z3050搖臂鉆床主要由工作臺、底座、內(nèi)立柱、外立柱、搖臂、主軸箱和主軸等組成。Z3050搖臂鉆床它的內(nèi)立柱與底座是相互固定在一起的，空心的外立柱是套在內(nèi)立柱上，外立柱是可以繞著內(nèi)立柱做回轉(zhuǎn)運動。搖臂與外立柱相互配合，在升降電動機的帶動和升降絲桿的配合作用下可以沿著外立柱上下移動，主軸箱也可以沿著搖臂的導軌移動。3.1.3Z3050的運動軌跡Z3050搖臂鉆床的工作運動過程可以分為三大部分,分別為主運動、進給運動和輔助運動。1.主運動：主軸在電動機的帶動下，主軸旋轉(zhuǎn)對工件進行切削加工；2.進給運動：主軸電動機旋轉(zhuǎn)帶動機械傳動機構(gòu)，使主軸的上下移動，實現(xiàn)加工工件的進給運動；3.輔助運動：主軸箱沿著搖臂的導軌運動，進而調(diào)整主軸與工件間的相對位置，搖臂沿著外立柱上下移動，進而調(diào)整主軸與工件間的相對加工位置，搖臂與外立柱相互配合下，可以繞著內(nèi)立柱做回轉(zhuǎn)運動，進而調(diào)整主軸與工件的相對位置，便于加工工件。3.2Z3050搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的分析3.2.1主電路分析Z3050搖臂鉆床的控制電路主要由4臺電動機、控制器、保護電器和照明燈等部分組成，它的主電路圖如下圖3-2所示。從圖中可以知道，開關(guān)QS1控制著整個電路的電源通斷，F(xiàn)U1為主電源熔斷器，F(xiàn)U2為搖臂液壓電動機熔斷器，都起到短路保護作用，只有一個電動機M4是直接用開關(guān)啟動，另外的3臺電動機都是用接觸器啟動直接啟動的方式進行電動機的啟動，其中EL為照明燈，由于工作電壓小，所以要經(jīng)電壓器變壓后得到其所需工作電壓，因其工作功率小，因此直接用開關(guān)SA啟動和斷開，而熔斷器FU3為短路保護保護作用，。以下簡單的介紹各電動機的作用和啟動。圖3-2Z3050搖臂鉆床的主控制電路圖M1:為主軸電動機，該電動為主軸的旋轉(zhuǎn)切削和進給提供動力，因為主軸的旋轉(zhuǎn)是單方向的旋轉(zhuǎn)工作，因此直接由交流接觸器KM1控制啟動，由于主軸轉(zhuǎn)動工作時是連續(xù)長時間工作，因此有熱繼電器FR1對其進行過載保護。M2:為搖臂的升降電動機，搖臂上升時是由電動機M2正轉(zhuǎn)時提供動力來源，搖臂的下降時是由電動機M2提供動力來源，因此分別用交流接觸器KM2、KM3來控制升降電動機M2的正反轉(zhuǎn)，以達到控制搖臂上升、下降的目的，由于搖臂的上升下降控制是短時間的工作，所以不需要過載保護元器件。M3:為液壓泵電動機，可以進行正反轉(zhuǎn)，分別利用交流接觸器KM4來控制液壓泵電動機的正轉(zhuǎn)，交流接觸器KM5來控制液壓泵電動機的反轉(zhuǎn)。液壓泵電動機M3的主要作用就是為Z3050搖臂鉆床的夾緊放松裝置的液壓系統(tǒng)提供壓力油輸送所需的動力，進而實現(xiàn)搖臂、立柱、主軸箱的夾緊和放松控制，而熱繼電器FR2起到過載保護的作用。M4:為冷卻泵電動機，因為Z3050搖臂鉆床提供冷卻液輸送所需的壓力較小，因此冷卻泵電動機M4的功率是較小的，只需要由開關(guān)QS2直接控制其啟動和停止，也不需要過載保護。3.2.2控制電路分析電氣控制電路是Z3050搖臂鉆床的核心所在，它工作所要的動作指令都是由其來控制，如圖3-3為Z3050搖臂鉆床控制電路圖，為便于對控制電氣控制電路的理解和分析，給出電氣元件表如表3-1。圖3-3Z3050搖臂鉆床的電氣控制電路表3-1Z3050搖臂鉆床的電氣元件表編號符號名稱12HL1HL2HL3SQ1SQ2SQ3SQ4FR1FR2FU4SB1SB2SB3SB4SB5SB6KM1KM2KM3立柱、主軸箱放松指示燈立柱、主軸箱夾緊指示燈主軸運轉(zhuǎn)指示燈搖臂上升、下降限位開關(guān)組合搖臂松開行程開關(guān)搖臂夾緊行程開關(guān)立柱、主軸箱夾緊按鈕主軸電動機熱繼電器液壓電動機熱繼電器控制電路熔斷器主軸停車按鈕主軸啟動按鈕搖臂上升按鈕搖臂下降按鈕立柱、主軸箱放松按鈕立柱、主軸箱下降按鈕主軸電動機接觸器搖臂上升接觸器345678910111213141516171819搖臂下降接觸器20212223KM4KM5YA液壓電動機正向轉(zhuǎn)動控制接觸器液壓電動機反向轉(zhuǎn)動控制接觸器液壓分配電磁閥KT時間繼電器1.主軸啟動和停車按下主軸電動機的啟動按鈕SB2，接觸器KM1的線圈得電并吸合，常開觸點KM1閉合自鎖電動機M1得電，使當松開啟動按鈕SB2后主軸電動機任然得電持續(xù)運轉(zhuǎn)，同時主軸運轉(zhuǎn)指示燈HL3亮。按下停車按鈕SB1，使電路斷開，接觸器KM1失電復(fù)位，常開觸點KM1也斷開復(fù)位，從而電動機失M1電停止運轉(zhuǎn),同時指示燈HL3熄滅。2.搖臂的上升和下降按下?lián)u臂上升按鈕SB3,斷電延時時間繼電器KT得電，它的舜動常開觸點閉合，常閉觸點斷開，從而使接觸器KM4得電閉合，液壓分配電磁閥YA得電工作，液壓泵電電動機M3得電正向啟動開始運轉(zhuǎn)工作，使液壓油輸送到搖臂液壓設(shè)備油缸，使搖臂放松。當搖臂松開到一定值后，會觸動搖臂松開行程開關(guān)SQ2，使其動作工作，常閉的觸點斷開，常開的觸點閉合，使KM4失電斷開，液壓泵電動機M3停止工作運轉(zhuǎn)，放松停止。同時接觸器KM2得電，搖臂升降電動機M2得電正向啟動，搖臂開始上升。當搖臂上升到你所需要的位置時，松開搖臂上升按鈕SB3，接觸器KM2、時間繼電器KT失電，搖臂升降電動機失電停止運轉(zhuǎn)，從而搖臂停止上升。當延時2～3s后，由于搖臂是處于放松狀態(tài)，所以搖臂夾緊行程開關(guān)SQ3已經(jīng)復(fù)位，處于接通狀態(tài)，所以電磁閥TA處于得電狀態(tài)，時間繼電器斷電延時閉合常閉觸點的延時時間到而閉合，因此KM5等電閉合，其輔助常開觸點閉合，常閉觸點斷開，所以電磁閥YA也還是處于得電狀態(tài)，同時液壓泵電動機M3得電反向運轉(zhuǎn)，向搖臂液壓設(shè)備油缸中反向注油，使搖臂夾緊。當夾緊到一定值時，觸動搖臂夾緊行程開關(guān)SQ3，使其動作觸點斷開，KM5失電復(fù)位，電磁閥YA也失電，液壓電動機失電停車運轉(zhuǎn)，搖臂夾緊停止?？刂茡u臂下降的按鈕是SB4，只要按下SB4搖臂就會下降，它的控制原理和搖臂上升的原理基本一樣，所以就不多說了。搖臂的升降的上下限位保護是由搖臂上升、下降限位開關(guān)組合SQ1實現(xiàn)的，當搖臂上升或下降到限定的位置時，就會會觸動上下限位組合開關(guān)SQ1動作，斷開電路，從而使電動機M2斷電停止搖臂的上升或者下降。3.主軸箱、立柱的放松和夾緊主軸箱、立柱的松開和夾緊是由按鈕SB5和SB6控制的，當按下主軸箱、立柱的松開按鈕SB5，接觸器KM4得電，其輔助常閉觸點斷開，液壓分配電磁閥YA是處于失電釋放狀態(tài)，而液壓泵電動機M3得電正向啟動轉(zhuǎn)動，由于液壓分配閥YA是處于斷開狀態(tài)，所以液壓油輸送到主軸箱、立柱的液壓設(shè)備油缸中，讓主軸箱、立柱放松。同理當按下主軸箱、立柱的夾緊開關(guān)SB6時，KM5得電閉合，其輔助常閉觸點斷開，液壓分配閥YA也是處于失電釋放狀態(tài)，而液壓泵電動機M3得電反向啟動運轉(zhuǎn)，由于液壓分配閥YA是處于斷電釋放狀態(tài)，所以液壓油被反向輸送到主軸箱、立柱的液壓設(shè)備油缸中，讓主軸箱、立柱夾緊。4.液壓分配電磁閥的作用Z3050搖臂鉆床的夾緊放松的液壓裝置中，主要有主軸箱、立柱、搖臂三個液壓裝置，液壓分配閥主要的作用就是控制液壓泵電動機M3工作時輸送液壓油的流向。當液壓分配電磁閥斷電釋放時，液壓泵電動機M3工作時間壓力油輸送到主軸箱、立柱的液壓裝置油缸中，反之將壓力油輸送到搖臂液壓裝置油缸中4基于PLC對Z3050搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的改造設(shè)計4.1外部接線圖的設(shè)計基于PLC對舊機床的控制系統(tǒng)進行改造設(shè)計時，一般都要保持原機床的操作和功能不變，機床本身所具有的原配的按鈕、限位（行程）開關(guān)、變壓器、指示燈、接觸器等都要有所保留。PLC的的輸入信號，其實就是控制系統(tǒng)中的操作指令部分，比如按鈕和行程開關(guān)，而它的輸出其實也就是控制系統(tǒng)中的被控制對象，如接觸器。PLC的輸入輸出接口是有限的，因此在本次改造設(shè)計當中，為了能夠節(jié)省輸入輸出口，就不把指示燈HL1、HL2、HL3的控制電路接入PLC當中了，保持它們原本不變的接法。因為即使接入PLC當中，對原來電路的簡化沒有起到任何的作用而且還浪費了PLC的接口，所以選擇它們的接法不變，因考慮到保留原來的功能和操作不變，也保留一點原來的一些電器件，確定控制與被控制之間的關(guān)系，設(shè)計得到的I/O分配表如下表4-1。表4-1I/O分配表輸入量輸出量輸入繼電器輸入元件功能輸出繼電輸出元件功能輸入繼電器輸入元件功能輸出繼電輸出元件器功能0.000.010.020.030.040.050.060.070.080.09SB1SB2主軸停車按鈕主軸啟動按鈕搖臂上升按鈕10.0010.0110.0210.0310.0410.05KM1KM2KM3KM4KM5YA主軸電機接觸器搖臂上升接觸器搖臂下降接觸器液壓泵電機正轉(zhuǎn)接觸器液壓電泵機反轉(zhuǎn)接觸器液壓分配電磁閥SB3SB4搖臂下降按鈕SB5主軸箱立柱放松按鈕主軸箱立柱夾緊按鈕搖臂上限位開關(guān)搖臂下限位開關(guān)搖臂松開行程開關(guān)搖臂夾緊行程開關(guān)SB6SQ1-1SQ1-2SQ2SQ3從I/O分配表中可以看出，一共有10個輸入量，6個輸出量，再根據(jù)Z3050搖臂鉆床的主電路和控制電路圖的電路保護電器可知，主軸電機需過載保護，液壓泵電機需過載保護，所以設(shè)計出來的外部接線圖如下圖4-1所示。圖4-1PLC控制Z3050搖臂鉆床的外部硬件接線圖4.2PLC型號的選擇首先從I/O,方面考慮，由外部硬件接線圖可以看出，輸入口有10個，輸出口有6個，總共有16個。其次再考慮是用整體式的PLC還是模塊式的PLC，由于該控制總共只有16個接口，屬于小型化控制的PLC，因此選擇的PLC應(yīng)該是體積比較小，性價比較高的小型PLC，由此可知選用的是整體式的PLC。最后就是選擇哪種品牌的PLC了，按常規(guī)的方法就是選擇既能夠符合要求、性能又好、價格又便宜的PLC，也就是哪個品牌的性價比高就用哪個。但某些公司是統(tǒng)一使用某一品牌的PLC，因此也忽視這方面的考慮。由于本次只是個課題研究設(shè)計，所以我選擇用我自己比較熟悉的歐姆龍CPM2A系列的PLC，選擇的型號是CPM2A-30CD，該型號的PLC一共有30個接口，輸入口有18個，輸出口有12個，完全符合該設(shè)計10個輸出口6個輸入口的要求，同時該PLC為整體式的PLC，體積較小性能較好，而這個型號的PLC性價比也還算可以，所以完全符合要求，故選擇這個型號的PLC。4.3梯形圖的設(shè)計從圖3-3的Z3050搖臂鉆床的控制電路圖可以看出，搖臂上升按鈕SB3與上下限位開關(guān)組合SQ1串聯(lián)再并聯(lián)上搖臂下降按鈕SB4與上下限位開關(guān)組合SQ1的串聯(lián)，在它們的之后還連接著KT、KM2、KM3、KM4四條分路組合，因此在PLC的改造設(shè)計當中要加入一個內(nèi)部輔助繼電器200.00來對它們的電路進行簡化。同時在液壓分配電磁閥YA中，也分出了與常開輔助觸點KM5、斷電延時斷開觸點KT、搖臂夾緊行程開關(guān)SQ3、按鈕SB6四條分支線路，所以需要用一個內(nèi)部輔助繼電器200.01加以輔助來簡化電路，讓電路看起來更直觀簡便。圖4-2PLC控制Z3050搖臂鉆床的梯形圖PLC的定時器并不具備斷電延時的功能，只具有通電延時的功能，同時也不具有瞬動觸點。從Z3050搖臂鉆床的控制電路圖可以知道，時間繼電器KT是一個斷電延時的繼電器，具有瞬動常開觸點KT，為了能夠具有斷電延時時間繼電器KT的功能，在PLC的設(shè)計當中，我用一個內(nèi)部繼電器200.10與定時器T000結(jié)合使用形成一個具有斷電延時功能的時間繼電器。如下圖4-2所示為所設(shè)計的梯形圖。4.4梯形圖的分析1.主軸啟動和停車圖4-3主軸啟動和停車如圖4-3按下主軸電動機的啟動按鈕，常開觸點0.01閉合，從輸出繼電器10.00得電并自鎖，常開觸點10.00閉合，從而即使松開啟動按鈕電機也會連續(xù)啟動。按下停車按鈕，常閉觸點0.00斷開，輸出繼電器失電釋放，電機停止運轉(zhuǎn)。2.搖臂的上升和下降圖4-4輔助繼電器如圖4-4按下?lián)u臂上升（下降）按鈕，常開觸點0.02（0.03）閉合，輔助繼電器200.00得電動作。圖4-5斷電延時時間繼電器如圖4-5常開觸點200.00閉合，常閉觸點200.00斷開，輔助繼電器200.10等電并自鎖，常開觸點200.10閉合，常閉觸點200.10斷開。圖4-6液壓泵電機正向啟動如圖4-6由于常開觸點200.00閉合，所以輸出繼電器100.03得電，液壓泵電動機正向轉(zhuǎn)動。圖4-7液壓泵電機反向啟動如圖4-7由于常開觸點200.10閉合，常閉觸點200.10斷開，所以輔助繼電器200.01得電，常開觸點200.01閉合。圖4-8液壓分配電磁閥如圖4-8由于常開觸點200.01閉合，所以輸出繼電器10.05得電，液壓分配閥動作，將液壓泵正向轉(zhuǎn)動時抽的油輸送到搖臂液壓裝置的油缸中，使搖臂放松。圖4-9搖臂升降如圖4-9當搖臂松開到一定程度后，會觸動搖臂松開行程開關(guān)，因此常開觸點0.08閉合，又因為常開觸點200.00是閉合的，所以輸出繼電器10.01（10.02）得電，搖臂升降電動機正向（反向）啟動，使搖臂上升（下降），當搖臂上升（下降）到所需要的位置時，松開搖臂上升（下降）按鈕，常開觸點0.02（0.03）復(fù)位斷開，輔助繼電器200.00失電，常開觸點200.00復(fù)位斷開，常閉觸點200.00復(fù)位閉合。所以輸出繼電器10.01（10.01）失電釋放，搖臂升降電動機停止運轉(zhuǎn)，搖臂停止上升（下降）。由于自鎖，所以輔助繼電器200.10仍然保持得電狀態(tài)，而常閉觸點200.00復(fù)位閉合，使定時器T000得電開始計時。2s后定時時間到，定時器動作使常閉觸點T000斷開，定時間失電復(fù)位，輔助繼電器200.10失電釋放，常閉觸點200.10復(fù)位閉合，常開觸點200.10復(fù)位斷開。由于搖臂是處于放松狀態(tài)，所以會觸動搖臂夾緊行程開關(guān)，使0.09閉合，所以輸出繼電器10.04得電，液壓泵電動機反向啟動運轉(zhuǎn)，輔助繼電器200.01也是處于得電狀態(tài)，所以常開觸點200.01閉合，輸出繼電器10.05得電，液壓分配電磁閥動作，將液壓泵正向轉(zhuǎn)動時抽的油輸送到搖臂液壓油缸中，使搖臂夾緊。當夾緊到一定值時，搖臂夾緊行程開關(guān)恢復(fù)，常開觸點0.09恢復(fù)斷開，輸出繼電器10.04和輔助繼電器200.01斷電釋放，常開觸點200.01復(fù)位斷開，輸出繼電器10.5斷電釋放。3.主軸箱、立柱的放松和夾緊圖4-10主軸箱、立柱的放松和夾緊如圖4-10按下主軸箱、立柱的放松按鈕，常開觸點0.04閉合，常閉觸點0.04斷開，輸出繼電器10.3得電，液壓泵電動機正向啟動，由于輸出繼電器10.05是處于斷電釋放狀態(tài)，所以液壓泵電動機正向轉(zhuǎn)動將液壓油輸送到主軸箱、立柱的液壓設(shè)備油缸當中，使主軸箱、立柱放松。當按下主軸箱、立柱的放松按鈕時，常開觸點0.05閉合，常閉觸點0.05斷開，輸出繼電器10.05得電，液壓泵電動機反向啟動，而因為輸出繼電器處于斷電釋放狀態(tài)，因此液壓泵電動機反向啟動將液壓油輸送到主軸箱、立柱的液壓設(shè)備油缸當中，使主軸箱、立柱夾緊。5程序的編制和仿真驗證（測試）5.1CX-Programmer軟件的基本知識CX-Programmer編程軟件是OMRON公司通用的PLC編程軟件，幾乎支持所有OMRON公司的PLC機型，主要幫助用戶開發(fā)控制程序，同時也具有監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)、用戶程序加密、設(shè)置PLC參數(shù)等功能。在離線條件下，具有輸入、編輯、編譯PLC程序等功能。在聯(lián)機方式下，具有上傳、下載、通信測試及實時監(jiān)控PLC程序等功能。CX-Programmer軟件具有德、法、西班牙、意大利、日、英、中七種版本、支持梯形圖、功能塊、語句表等多種編程語言。安裝了編程軟件的計算機與待編程下載PLC間用專用的通信電纜連接。軟件的大部分功能都可在離線下實現(xiàn)，如程序的編制、編譯、調(diào)試等，部分功能則需要在線狀態(tài)下實現(xiàn)。5.2程序的編制和編譯啟動CX-Programmer軟件時，首先出現(xiàn)的窗口如圖5-1的框架窗口。圖5-1CX-Programmer的框架窗口圖5-2新建文件點擊“文件”菜單中的“新建”，會彈出變更PLC窗口，設(shè)置文件的名稱、PLC的類型、網(wǎng)絡(luò)類型，注釋欄中主要是輸入與此PLC相關(guān)的注釋。CX-Simulator不支持CPM1ACPM2A等微型PLC,需要模擬程序的話請選擇中大型PLC或CP1H,CP1E,CP1L等出來不久的微型PLC。效果一樣。由于不支持CPM2A型號，所以我選擇CP1E來代替，效果是一樣的。如圖5-2所示。點擊確定后會進人操作界面如圖5-3所示。5-3CX-Programmer的操作界面進入操作界面后，根據(jù)設(shè)計的梯形圖編制梯形圖，該軟件的編程方法有兩種，一種是經(jīng)典的圖形編制法，一種是智能編制，即輸入指令表就可自動生產(chǎn)梯形圖。編制的梯形圖如圖5-4、圖5-5所示圖5-4編制的梯形圖圖5-5編制的梯形圖點擊編程菜單中的編譯如右圖5-6所示，對程序進行編譯，編譯出來的結(jié)果如圖5-7所示圖5-6編譯圖5-7編譯結(jié)果如右圖5-8所示，為圖5-7左下角的編譯結(jié)果，從結(jié)果中的0錯誤、0警告可以看出，所設(shè)計編制的程序是正確。圖5-8編譯結(jié)果5.3程序的模擬仿真測試CX-Simulator軟件是用來模擬仿真歐姆龍PLC，需要和CX-Programmer軟件配合使用，只有安裝了CX-Simulator軟件，CX-Programmer軟件的在線模擬圖標才會亮，才能利用CX-Programmer軟件對程序進行模擬仿真。經(jīng)過程序的編譯可知程序沒有錯誤，可以進行模擬。點擊“模擬”菜單中的在線模擬，如右圖5-9所示，進入模擬仿真界面，如圖5-10所示。圖5-9模擬仿真圖5-10模擬仿真界面進入模擬仿真界面后，鼠標右鍵點擊觸點，在彈出的窗口中可以設(shè)置觸點狀態(tài)，如右圖5-11所示。通過設(shè)置觸點的狀態(tài)來觀察電流的情況，從而判斷出是否和預(yù)想的一樣，如果一樣，說明程序是正確且可靠的。圖5-11設(shè)置觸點狀態(tài)1、主軸的啟動和停車設(shè)置常開觸點0.01處于On狀態(tài)，從圖5-12看出輸出繼電器10.00得電并自鎖，主軸電機啟動，和預(yù)想的一樣。圖5-12主軸啟動設(shè)置常開觸點0.01處于Off狀態(tài)，從圖5-13看出由于輸出繼電器10.00的自鎖，使其持續(xù)處于得電狀態(tài)，實現(xiàn)連續(xù)啟動主軸電機的作用，和預(yù)想的一樣。圖5-13主軸持續(xù)啟動設(shè)置常閉觸點0.00處于On狀態(tài)，從圖5-14看出，輸出繼電器10.00失電釋放，主軸電機停止，和預(yù)想的一樣。圖5-14主軸停車2、搖臂升降設(shè)置常開觸點0.02處于On狀態(tài)，從圖5-15看出，輸出繼電器10.03、10.05得電，使液壓泵電動機正轉(zhuǎn)，將壓力油輸送到搖臂的液壓設(shè)備中，使搖臂放松，和預(yù)想一樣。（a）（b）圖5-15搖臂放松根據(jù)搖臂放松到一定值時，觸動搖臂松開行程開關(guān)SQ2，設(shè)置常開觸點0.08處于On狀態(tài)，從圖5-16看出，輸出繼電器10.0、10.05得電，使搖臂升降電動機正轉(zhuǎn)，帶動升降絲桿使搖臂上升，和預(yù)想一樣。圖5-16搖臂上升根據(jù)搖臂上升時是處于放松狀態(tài)，會觸動搖臂夾緊行程開關(guān)SQ3，所以設(shè)置常開觸點0.09處于On狀態(tài)，根據(jù)上升到所需位置時松開上升按鈕，設(shè)置常開觸點0.02處于Off狀態(tài)，從圖5-17看出，輸出繼電器10.01斷電釋放搖臂停止上升，輸出繼電器10.05得電，延時2s后輸出繼電器10.04得電，使液壓泵電動機反轉(zhuǎn)，將壓力油輸送到搖臂液壓設(shè)備中，是搖臂夾緊，和預(yù)想的一樣。圖5-17搖臂延時夾緊根據(jù)搖臂夾緊到一定值時會觸動搖臂夾緊行程開關(guān)SQ3，設(shè)置常開觸點0.09處于Off狀態(tài)，從圖5-18看出輸出繼電器10.04、10.05斷電釋放，搖臂停止夾緊，和預(yù)想的一樣。圖5-18搖臂自動停止夾緊3、立柱、主軸箱放松夾緊設(shè)置常開觸點0.04處于On狀態(tài)，從圖5-19看出輸出繼電器10.03得電，10.05處于失電狀態(tài)，液壓泵電動機正轉(zhuǎn)，將壓力油輸送到立柱、主軸箱的液壓設(shè)備中，使立柱、主軸箱放松，和預(yù)想的一樣。圖5-19立柱主軸箱放松同理設(shè)置常開觸點0.05處于On狀態(tài)，從圖5-20看出輸出繼電器10.04得電，10.05處于失電狀態(tài)，液壓泵電動機反轉(zhuǎn)，將壓力油輸送到立柱、主軸箱的液壓設(shè)備中，使立柱、主軸箱夾緊，和預(yù)想的一樣。圖5-20立柱主軸箱夾緊5.4小結(jié)程序的編譯結(jié)果證明程序是沒有錯誤是正確的，再經(jīng)過對程序的模擬仿真，模擬的結(jié)果和預(yù)想的一樣，說明設(shè)計的程序符合Z3050搖臂鉆床的操作和工作要求，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，說明對其控制系統(tǒng)的改造設(shè)計符合要求，能夠提高Z3050搖臂鉆床的性能，是一個合格的改造設(shè)計。6結(jié)論本文主要闡述了PLC在Z3050搖臂鉆床的基本應(yīng)用，講述了PLC的基本知識，了解了它的發(fā)展情況和分類，介紹了常用主令器的基本結(jié)構(gòu)原理和符號以及Z3050搖臂鉆床的基本知識，說明Z3050搖臂鉆床的基本功能作用和工作情況。對Z3050搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)進行詳細的分析，明確它的控制目的和控制對象，基于PLC技術(shù)，對Z3050搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)進行改造設(shè)計，在保留原來的操作方法和功能作用的情況下，選擇適合的PLC型號，完成PLC外部接線圖和梯形圖的設(shè)計，用PLC控制系統(tǒng)取代原來的傳統(tǒng)繼電器的控制系統(tǒng)。使用CX-Programmer軟件對設(shè)計的梯形圖進行編寫和編譯，確定無誤好將CX-Programmer軟件和CX-Simulator軟件對配合使用對設(shè)計的梯形圖進行仿真驗證，檢驗設(shè)計的梯形圖是否能夠達到預(yù)期的目的。最終的結(jié)果與預(yù)期的一樣，證明已成功的把PLC技術(shù)應(yīng)用到Z3050搖臂鉆床的控制系統(tǒng)當中,改造設(shè)計簡化了Z3050搖臂鉆床的控制電路，使Z3050搖臂鉆床具有更高的工作效率，更高的可靠性，沒了復(fù)雜的電路連接使維護和維修更加便捷，使Z3050搖臂鉆床的性能達到一定的高度?；赑LC技術(shù)對舊式機床的控制系統(tǒng)進行改造，是一門比較成熟的技術(shù)。在改造過程中仍保留了輸出繼電器（接觸器），該電器件體積較大，工作時任有一定的延時性，當今電器件開電子始數(shù)字化，這方面仍需改進。PLC技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各個控制領(lǐng)域，不只是單純的對舊式機床控制系統(tǒng)進行改造，要把PLC控制技術(shù)運用到更多的領(lǐng)域當中，不斷完善和發(fā)展PLC控制技術(shù)。致謝匆匆四年，我就即將要大學畢業(yè)了，在這四年的時間里，我要感謝陪伴我走過四年旅程的同學們，在學習上，因