Z3050搖臂鉆床電氣及PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要本論文是研究機(jī)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(fù)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(jié)構(gòu)簡單，編程方便，調(diào)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(shù)應(yīng)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(shè)計方案，完成了電氣控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計，其中包括PLC機(jī)型的選擇、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(shè)計。對PLC控制搖臂鉆床的工作過程作了詳細(xì)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(jī)床工作性能的方法，給出了相應(yīng)的控制原理圖。關(guān)鍵詞：可編程控制器，搖臂鉆床，梯形圖，電氣控制系統(tǒng)1.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(jī)拖動。例如Z3050型搖臂鉆床采用4臺電動機(jī)拖動，他們分別是主軸電動機(jī)，搖臂升降電動機(jī)，液壓泵電動機(jī)和冷卻泵電動機(jī)，這些電動機(jī)都采用直接啟動方式。為了適應(yīng)多種形式的加工要求，搖臂鉆床主軸的旋轉(zhuǎn)及進(jìn)給運動有較大的調(diào)速范圍，一般情況下多由機(jī)械變速機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。主軸變速機(jī)構(gòu)與進(jìn)給變速機(jī)構(gòu)均裝在主軸箱內(nèi)。搖臂鉆床的主運動和進(jìn)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(jī)拖動，分別經(jīng)主軸傳動機(jī)構(gòu)，進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給。在加工螺紋時，要求主軸能正反轉(zhuǎn)。搖臂鉆床主軸正反轉(zhuǎn)一般采用機(jī)械方法實現(xiàn)。因此主軸電動機(jī)僅需要單向旋轉(zhuǎn)。搖臂升降電動機(jī)要求能正反向旋轉(zhuǎn)。內(nèi)外主軸的夾緊與放松、主軸與搖臂的夾緊與放松可用機(jī)械操作、電氣—機(jī)械裝置，電氣—液壓或電氣—液壓—機(jī)械等控制方法實現(xiàn)。若采用液壓裝置，則備有液壓泵電機(jī)，拖動液壓泵提供壓力油來實現(xiàn)，液壓泵電機(jī)要求能正反向旋轉(zhuǎn)，并根據(jù)要求采用點動控制。搖臂的移動嚴(yán)格按照搖臂松開→移動→搖臂夾緊的程序進(jìn)行。因此搖臂的夾緊與搖臂升降按自動控制進(jìn)行。冷卻泵電動機(jī)帶動冷卻泵提供冷卻液，只要求單向旋轉(zhuǎn)。具有連鎖與保護(hù)環(huán)節(jié)以及安全照明、信號指示電路。1.10Z3050搖臂鉆床實物圖如圖11圖1Z3050搖臂鉆床實物圖主要技術(shù)參數(shù)：格與參數(shù)單位Z3050*10Z3050*13Z3050*16最大鉆孔直徑mm505050主軸中心至立柱母線距離mm360-1000360-1300360-1600主軸箱水平移動距離mm6509501250主軸端面至底座工作面距離mm260-1050260-1050260-1050主軸行程mm220220220主軸圓錐孔mm莫氏5號莫氏5號莫氏5號主軸轉(zhuǎn)速r/min78，135，240，350，590，110078，135，240，350，590，110078，135，240，350，590，1100主軸轉(zhuǎn)速6級m/min0．10，0．16，0．22，0．25，0．35，0。560．10，0．16，0．22，0．25，0．35，0。560．10，0．16，0．22，0．25，0．35，0。56主軸進(jìn)給量3級N160001600016000主軸允許最大進(jìn)給抗力m/min1．31．31．3主電機(jī)功率Kw4442搖臂升降電機(jī)功率KW1．51．51．5機(jī)床重量KG1700240030p0機(jī)床輪廓尺寸m?1500*705*2″00耠1950*?10*24u02170*950*245011.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(jìn)襌鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、鏜孔及?絲等機(jī)械加工。轉(zhuǎn)臂采用內(nèi)外立柱加滾動軸承的結(jié)構(gòu)，操作輕便靈活。?有主軸機(jī)動進(jìn)給、橫臂機(jī)動升降、循環(huán)水冷卻及過載保護(hù)等功能。機(jī)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(jī)床。2.?LC簡介：PLC定義PLC即可編稉控制器（Programmable

logic

Controller，是指以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程.PLC是可編程邏輯電路，也是一種和硬件結(jié)合很緊密的語言，在半導(dǎo)體方面有很重要的應(yīng)用，可以說有半導(dǎo)體的地方就有PLC“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)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(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計?！盤LC的特點2.可靠性高，抗干擾能力強

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高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達(dá)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(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)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(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)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(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)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(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。2.配套齊全，功能完善，適用性強PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，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(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。2.易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機(jī)原理和匯編語言的人使用計算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。

2.系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護(hù)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(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。2.體積小，重量輕，能耗低

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以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。2.3PLC基礎(chǔ)知識2.3.1

PLC的發(fā)展歷程

2.4.

PLC的應(yīng)用領(lǐng)域

目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)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.開關(guān)量的邏輯控制

這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝3.Z3050鉆床PLC系統(tǒng)改造的意義鉆床是一種孔加工機(jī)床，可用來鉆孔、擴(kuò)孔、絞孔、攻螺紋及修刮端面登多種形式的加工。鉆床的結(jié)構(gòu)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(chǎn)中帶有多孔大型零件的孔加工，是一般機(jī)械加工車間常用的機(jī)床。搖臂鉆床主要由底座、內(nèi)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(zhuǎn)可沿外立柱上下移動。主軸箱安裝在搖臂的水平導(dǎo)軌上可通過手輪操作使其在水平導(dǎo)軌上沿?fù)u臂移動。加工時。根據(jù)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(yīng)自動將搖臂松開，再進(jìn)行升降，當(dāng)達(dá)到所需的位置時，搖臂自動夾緊在立柱上。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(zhuǎn)運動）和進(jìn)給運動（主軸軸向運動）；輔助運動包括：主軸箱沿?fù)u臂的橫向移動，搖臂的回轉(zhuǎn)和升降運動。鉆削加工時，鉆頭一面旋轉(zhuǎn)一面作縱5向進(jìn)給。鉆床的主運動是主軸帶著鉆頭作旋轉(zhuǎn)運動。進(jìn)給運動是鉆頭的上下移動。輔助運動是主軸箱沿?fù)u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(nèi)立柱的回轉(zhuǎn)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(jī)較多所以電路較復(fù)雜，在日常的生產(chǎn)作業(yè)當(dāng)中，經(jīng)常發(fā)生電氣故障，從而影響生產(chǎn)。另外，一些復(fù)雜的控制如：時間、計數(shù)控制用繼電器——接觸器控制方式較難實現(xiàn)，所以，有必要對傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)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(jī)技術(shù)、通信控制技術(shù)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(fù)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(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能的控制，同時還具有抗干擾性強、環(huán)境適應(yīng)性好和可靠性高等特點。因而廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域中。4.總體方案的確定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。電氣圖中各元件的功能。統(tǒng)計I/O口。選擇PLC及模塊，分配I/O口。連接PLC外部線路。編寫程序。5.Z3050搖臂鉆床接觸器---繼電器控制電路圖分析Z3050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(jī)拖動，即主軸電動機(jī)M1、搖臂升降電動機(jī)M2、液壓泵電動機(jī)M3、冷卻泵電動機(jī)M4。按下按鈕SB2，接觸器KM1通電閉合，主軸電動機(jī)M1啟動運轉(zhuǎn)。按下按鈕SB3，液壓泵電動機(jī)M3首先正轉(zhuǎn)，放松搖臂，繼而搖臂升降電動機(jī)M2正轉(zhuǎn)，帶動搖臂上升。當(dāng)上升至要求高度時，松開按鈕SB3，搖臂升降電6動機(jī)M2停轉(zhuǎn)，同時液壓泵電動機(jī)M3反轉(zhuǎn)，夾緊搖臂，完成搖臂上升過程。按下按鈕SB4，液壓泵電動機(jī)M3首先正轉(zhuǎn)，放松搖臂，繼而搖臂升降電動機(jī)M2正轉(zhuǎn)，帶動搖臂下降。當(dāng)下降至要求高度時，松開按鈕SB4，搖臂升降電動機(jī)M2停轉(zhuǎn)，同時液壓泵電動機(jī)M3反轉(zhuǎn)，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(jī)M3啟動正向運轉(zhuǎn)，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(jī)M3啟動反向運轉(zhuǎn)，立柱和主軸箱夾緊。5.2Z3050搖臂鉆床接觸器---繼電器控制電路圖詳細(xì)分析接觸器KM1控制主軸電動機(jī)運轉(zhuǎn)接觸器KM2控制搖臂電動機(jī)正轉(zhuǎn)，使搖臂上升接觸器KM3控制搖臂電動機(jī)反轉(zhuǎn)，使搖臂下降接觸器KM4控制液壓泵電動機(jī)正轉(zhuǎn)，使搖臂放松接觸器KM5控制液壓泵電動機(jī)反轉(zhuǎn)，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(jī)控制按鈕SB1主軸電動機(jī)停止按鈕SB2主軸電動機(jī)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(guān)ST1-2搖臂下降時的下限位開關(guān)ST2搖臂放松行程開關(guān)ST3主軸箱限位開關(guān)5.主軸電動機(jī)M1的控制75.2.285.搖臂下降控制5.立柱和主軸箱的夾緊放松控制96.列出Z3050型搖臂鉆床PLC的輸入輸出點分配表，見表1表1Z3050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EL照明SB01緊急停止開關(guān)HL1夾緊指示燈SQ2冷卻泵電動機(jī)開關(guān)I0.2HL2放松指示燈SA照明燈控制開關(guān)IHL3主軸指示燈ST4放松指示燈行程開關(guān)IKT斷電延時繼電器KR1主軸電動機(jī)M1熱繼電器IKM1主軸電動機(jī)M1接觸器SB1主軸電動機(jī)M1停止按鈕IKM2搖臂上升繼電器SB2主軸電動機(jī)M1啟動按鈕IKM3搖臂下降繼電器KR2控制電路熱繼電器IKM4液壓泵電動機(jī)M3正轉(zhuǎn)接觸器SB3搖臂上升按鈕IKM5液壓泵電動機(jī)M3反轉(zhuǎn)接觸器ST1-1搖臂上升上限位行程開關(guān)IYA放松夾緊電磁鐵ST2搖臂松開夾緊行程開關(guān)IM4冷卻泵電動機(jī)SB4搖臂下降按鈕IST1-2搖臂下降下限位行程開關(guān)ISB5立柱和主軸箱放松按鈕ISB6立柱和主軸箱夾緊按鈕IST3主軸箱限位開關(guān)107.PL