畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于三菱plc的z3040搖臂鉆床電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于三菱PLC的Z3040搖臂鉆床電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本設(shè)計(jì)是研究機(jī)械加工中常用的Z3040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、可靠性和穩(wěn)定性差、不便于控制電路的故障診斷和排除等難題。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，具有通用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易于安裝、性能優(yōu)越、可靠性高、編程簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、使用維護(hù)方便，對(duì)工作環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)。因此，本設(shè)計(jì)在不改變?cè)瓩C(jī)床操作及工藝要求的前提下，進(jìn)行Z3040搖臂鉆床電控系統(tǒng)的PLC改造，將把PLC控制技術(shù)應(yīng)用到改造方案中去，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而大大提高搖臂鉆床的工作性能。關(guān)鍵詞三菱PLC，Z3040，搖臂鉆床，電控系統(tǒng)，改造目錄1緒論12三菱FX1N系列PLC概述221PLC的產(chǎn)生和發(fā)展222PLC的用途及特點(diǎn)2221PLC的用途2222PLC的特點(diǎn)423PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理5231PLC的基本結(jié)構(gòu)5232PLC的工作原理1024PLC的主要指標(biāo)性能1125三菱FX1N系列PLC的基本指令123Z3040搖臂鉆床機(jī)床的電控系統(tǒng)分析1431Z3040搖臂鉆床機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)情況1432Z3040搖臂鉆床的電力拖動(dòng)特點(diǎn)及控制要求1533Z3040搖臂鉆床的電氣控制原理圖1534主電路分析1635控制電路分析16351搖臂上升16352搖臂下降17353立柱與主軸箱的夾緊與松開17354互鎖與保護(hù)環(huán)節(jié)17355指示燈電路分析1836Z3040搖臂鉆床的電控系統(tǒng)特點(diǎn)184Z3040搖臂鉆床電控系統(tǒng)的PLC改造1941Z3040搖臂鉆床的PLC控制要求1942PLC的選擇1943I/O地址分配表2144I/O接線圖2245控制流程圖23451主電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的流程圖23452搖臂上升流程圖24453搖臂下降流程圖25454立柱與主軸箱PLC控制流程圖2646PLC控制梯形圖2747系統(tǒng)仿真調(diào)試28471搖臂上升程序仿真圖28472搖臂下降程序仿真圖29473主軸箱與立柱松開程序仿真圖30474主軸箱與立柱夾緊程序仿真圖3148PLC改造前后的性能測(cè)試325結(jié)論34參考文獻(xiàn)35致謝36附錄A基于三菱PLC的Z3040搖臂鉆床電控系統(tǒng)原理圖37附錄BZ3040搖臂鉆床PLC電控系統(tǒng)語句表程序381緒論19世紀(jì)，由于紡織、動(dòng)力、交通運(yùn)輸機(jī)械和軍火生產(chǎn)的推動(dòng)，各種類型的機(jī)床相繼出現(xiàn)。隨著社會(huì)科技進(jìn)步，單一的車床已逐漸演化出了銑床、刨床、磨床、鉆床等等，這些主要機(jī)床已經(jīng)基本定型，這樣就為20世紀(jì)前期的精密機(jī)床和生產(chǎn)機(jī)械化和半自動(dòng)化創(chuàng)造了條件。普通車床是能對(duì)軸、盤、環(huán)等多種類型工件進(jìn)行多種工序加工的臥式車床，常用于加工工件的外圓、內(nèi)圓、端面、螺紋和定型表面，采用相應(yīng)的刀具和附件，還可進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、攻絲和滾花等。普通車床是車床中應(yīng)用最廣泛的一種，約占車床類總數(shù)的65，因其主軸以水平方式放置故稱為臥式車床。鉆床是普通車床中的一種，鉆床按用途和結(jié)構(gòu)可分為立式鉆床、臺(tái)式鉆床、搖臂鉆床、多軸鉆床、深孔鉆床、臥式鉆床及其它專用鉆床等，搖臂鉆床屬于立式鉆床，能進(jìn)行多種形式的機(jī)械加工，可以鉆孔、擴(kuò)孔、餃孔、鏜孔、攻螺紋及刮平面等多種形式的加工。搖臂鉆床屬于立式鉆床，其操作方便、靈活，適用范圍廣，具有典型性。Z3040是中型搖臂鉆床，其型號(hào)意義為Z鉆床，3搖臂鉆床，0圓柱形主軸，40最大鉆孔直徑40MM。20世紀(jì)20年代出現(xiàn)的接觸器、各種繼電器、定時(shí)器、其他電器及其觸頭按一定邏輯關(guān)系連接的繼電接觸器控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,易于掌握，在一定范圍內(nèi)滿足控制要求。但它設(shè)備體積大、動(dòng)作速度慢、功能少而固定可靠性差、難于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制的缺點(diǎn)，所以隨著現(xiàn)在社會(huì)科技日新月異的快速發(fā)展，人們對(duì)各種產(chǎn)品的要求也越來越高了，特別是在機(jī)械制造方面，要求的工藝和產(chǎn)品的質(zhì)量也越來越高了。一些傳統(tǒng)的車床加工出來的產(chǎn)品已經(jīng)很難達(dá)到人們的要求，所以發(fā)明一種新的加工方法是一種必然趨勢(shì)。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器、單片機(jī)和大規(guī)模集成電路引入PLC中。由于它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便,使用戶程序編制清晰直觀、方便易學(xué)，且調(diào)試和查錯(cuò)容易。而且還具有通用性強(qiáng)、可靠性高、使用維護(hù)方便、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、控制功能完善、通用性強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，所以本次畢業(yè)設(shè)計(jì)針對(duì)Z3040搖臂鉆床的電控系統(tǒng)改造，改造后不但使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,而且還提高了控制系統(tǒng)的可靠性,維修量也減小了許多。2三菱FX1N系列PLC概述21PLC的產(chǎn)生和發(fā)展可編程序控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER），簡(jiǎn)稱PLC，是在繼電順序控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的以微處理器為核心的通用的工業(yè)自動(dòng)化控制裝置。20世紀(jì)60年代末期，美國汽車制造工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，在1968年美國通用汽車公司（GM）首先公開招標(biāo)，并從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具有的十大條件。這十大條件中比較主要的是編程方便，可現(xiàn)場(chǎng)修改程序；維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)；可靠性高于繼電器控制裝置；體積小于繼電器控制盤；數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)；成本可與繼電器控制盤競(jìng)爭(zhēng)；擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變最少。1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)上述要求，研制出世界上第一臺(tái)PLC，并在GM公司汽車生產(chǎn)線上首次試用成功，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動(dòng)化。其后日本、德國等相繼引入，可編程序控制器迅速發(fā)展起來，但是主要應(yīng)用于順序控制，只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算，故稱為可編程邏輯控制器，簡(jiǎn)稱PLC。其定義可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)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(jì)的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字、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?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。PLC在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能上都類似于計(jì)算機(jī)，它可以采用傳統(tǒng)電氣圖為基礎(chǔ)的梯形圖語言編程，方法簡(jiǎn)單且易于學(xué)習(xí)和掌握。在控制系統(tǒng)應(yīng)用方面優(yōu)于計(jì)算機(jī)，它易于與自動(dòng)控制系統(tǒng)相連接，可以方便靈活地構(gòu)成不同的要求、不同規(guī)模的控制系統(tǒng)，其環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力極強(qiáng)，所以亦稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。由于這些特點(diǎn)，PLC在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的使用非常廣泛。22PLC的用途及特點(diǎn)221PLC的用途（1）邏輯控制PLC具有邏輯運(yùn)算功能，能夠進(jìn)行與、或、非等邏輯運(yùn)算，可以代替繼電器進(jìn)行開關(guān)量控制，故它可替代繼電器進(jìn)行開關(guān)量控制。（2）定時(shí)控制為滿足生產(chǎn)控制工藝對(duì)時(shí)間的要求，PLC一般提供時(shí)間繼電器。FX1N提供T0T199共200點(diǎn)（100MS），T200T245共46點(diǎn)（10MS），T246T249共4點(diǎn)（1MS累計(jì)型）通過電容停電保持，T250T255共6點(diǎn)（10MS累計(jì)型）通過電容停電保持。并且計(jì)時(shí)時(shí)間常數(shù)在范圍內(nèi)用戶編寫程序時(shí)自己設(shè)定接通延時(shí)、關(guān)斷延時(shí)和定時(shí)脈沖等方式。并且在PLC運(yùn)行中也可以讀出、修改，使用方便。（3）計(jì)數(shù)控制為滿足計(jì)數(shù)的需要，不同的PLC提供不同數(shù)量、不同類型的計(jì)數(shù)器。FX1N提供16位增量計(jì)數(shù)C0C15（一般用）、C16C199（保持用），32位增/減計(jì)數(shù)器C200C219（雙向）、C220C234（雙向電容保持）、C235C255（高速計(jì)數(shù)器）。用脈沖控制可以實(shí)現(xiàn)加、減計(jì)數(shù)模式，可以連接碼盤進(jìn)行位置檢測(cè)，且在PLC運(yùn)行中也可以讀出、修改，使用方便（4）步進(jìn)順序控制步進(jìn)順序控制是PLC最基本的控制方式。是為有時(shí)間或運(yùn)行順序的生產(chǎn)過程專門設(shè)置的指令，在前道工序完成之后，就轉(zhuǎn)入下一道工序，使一臺(tái)PLC可作為多部步進(jìn)控制器使用。（5）對(duì)控制系統(tǒng)的監(jiān)控PLC具有較強(qiáng)的監(jiān)控能力，操作人員可以根據(jù)PLC的監(jiān)控信息，通過監(jiān)控命令，可以監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而改變對(duì)異常值的設(shè)定。（6）數(shù)據(jù)處理PLC具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，隨著PLC的發(fā)展，已經(jīng)能對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理。如數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理功能。（7）通信和聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)代PLC大多數(shù)都采用了通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有RS232或RS485接口，可進(jìn)行遠(yuǎn)程I/O控制，多臺(tái)PLC可彼此間聯(lián)網(wǎng)、通信，外部器件與一臺(tái)或多臺(tái)可編程控制器的信號(hào)處理單元之間，實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換，如程序轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)移、監(jiān)視和診斷。通信接口或通信處理器按標(biāo)準(zhǔn)的硬件接口或?qū)Ｓ械耐ㄐ艆f(xié)議完成程序和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。在系統(tǒng)構(gòu)成時(shí)，可由一臺(tái)計(jì)算機(jī)與多臺(tái)PLC構(gòu)成“集中管理、分散控制”的分布式控制網(wǎng)絡(luò)，以便完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制。通常所說的SCADA系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)端和遠(yuǎn)程端也可以采用PLC作現(xiàn)場(chǎng)機(jī)。（8）輸入/輸出接口調(diào)理功能具有A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能，通過I/O模塊完成對(duì)模擬量的控制和調(diào)節(jié)。位數(shù)和精度可以根據(jù)用戶要求選擇。具有溫度測(cè)量接口，直接連接各種電阻或電偶。（9）人機(jī)界面功能提供操作者以監(jiān)視機(jī)器、過程工作必需的信息。允許操作者和PLC系統(tǒng)與其應(yīng)用程序相互作用，以便作出決策和調(diào)整。實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面功能的手段從基層的操作者屏幕文字顯示，到單機(jī)的CRT顯示與鍵盤操作和用通信處理器、專用處理器、個(gè)人計(jì)算機(jī)、工業(yè)計(jì)算機(jī)的分散和集中操作與監(jiān)視系統(tǒng)。222PLC的特點(diǎn)可編程序控制器是屬于存儲(chǔ)程序控制的一種裝置，其控制功能是通過存放在存儲(chǔ)器內(nèi)的程序來實(shí)現(xiàn)的，若要對(duì)控制功能作修改，在很大程度上只須改變軟件指令即可，使得硬件軟件化。因此它在工業(yè)控制中的地位越來越高，占有極其重要的地位，最重要的原因是它具有如下獨(dú)特的特點(diǎn)（1）可靠性高PLC是專門為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的，在設(shè)計(jì)和制造過程中采取了多層次抗干擾、精選元件的措施，可在惡劣的工業(yè)環(huán)境下與強(qiáng)電設(shè)備一起工作，運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性較高。PLC是以集成電路為基本單元的電子設(shè)備，內(nèi)部處理不依賴于接點(diǎn)，元件的壽命長(zhǎng)，平均無故障工作時(shí)間高。（2）編程簡(jiǎn)單易學(xué)PLC的最大特點(diǎn)之一，就是采用易學(xué)易懂的梯形圖語言，它是以計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)構(gòu)成人們慣用的繼電器模型，形成一套獨(dú)具風(fēng)格的以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的形象編程語言。方便電氣人員在了解PLC工作原理和它的編程技術(shù)后，就可迅速地結(jié)合實(shí)際需要進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)，進(jìn)而將PLC用于實(shí)際控制系統(tǒng)中。（3）通用性強(qiáng)，使用方便由于PLC自身硬件特點(diǎn)，用戶在進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，不需要自己設(shè)計(jì)和制作硬件裝置，只需要根據(jù)控制要求進(jìn)行模塊的配置；用戶所作的工作只是設(shè)計(jì)滿足控制對(duì)象的控制要求的應(yīng)用程序。對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)，當(dāng)控制要求改變時(shí)，只需修改程序，就能變更控制功能；與外圍設(shè)備的連接方便，通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。（4）系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短由于系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)任務(wù)僅僅是根據(jù)對(duì)象的控制要求配置適當(dāng)?shù)哪K，而不要設(shè)計(jì)具體的接口電路，同時(shí)軟件設(shè)計(jì)和外圍電路設(shè)計(jì)可以同時(shí)進(jìn)行，這樣大大縮短了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)間，加快了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期。（5）對(duì)生產(chǎn)工藝改變適應(yīng)性強(qiáng)其控制功能是通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)生產(chǎn)工藝改變時(shí)，在很大程度上只需改變用戶程序，這對(duì)現(xiàn)代化的小批量、多品種產(chǎn)品的生產(chǎn)尤其適合；現(xiàn)今PLC已經(jīng)朝著嵌入式系統(tǒng)發(fā)展，將進(jìn)入日常生活中。（6）安裝簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小PLC控制系統(tǒng)的安裝接線工作量比繼電器控制系統(tǒng)少得多，只需將現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O口相連。PLC軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試大部分可以在實(shí)驗(yàn)室模擬進(jìn)行，模擬調(diào)試好后再將PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)調(diào)試，方便省時(shí)。其本身可靠性高，有完善的自診斷能力和系統(tǒng)監(jiān)控能力，方便迅速故障查明和排除，維護(hù)的工作效率高。（7）適應(yīng)工業(yè)環(huán)境PLC的技術(shù)條件能在一般高溫、振動(dòng)、沖擊和粉塵等惡劣環(huán)境下工作，能在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下可靠工作。這是PLC產(chǎn)品的市場(chǎng)生存價(jià)值。23PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理PLC由于其自身的特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。而作為PLC的用戶，要正確地應(yīng)用PLC去完成各種不同的控制任務(wù)，首先應(yīng)了解其組成結(jié)構(gòu)和工作原理。231PLC的基本結(jié)構(gòu)可編程序控制器實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)就是按一定算法進(jìn)行輸入輸出變換，并將這個(gè)變換與以物理實(shí)現(xiàn)。輸入輸出變換、物理實(shí)現(xiàn)可以說是PLC實(shí)施控制的兩個(gè)基本點(diǎn)，同時(shí)物理實(shí)現(xiàn)也是PLC與普通微機(jī)相區(qū)別之處，其需要考慮實(shí)際控制的需要，應(yīng)能排除干擾信號(hào)適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，輸出應(yīng)放大到工業(yè)控制的水平，能為實(shí)際控制系統(tǒng)方便使用，所以PLC采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是由微處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（RAM/ROM）、輸入輸出接口（I/O）電路、通信接口及電源組成。PLC的基本結(jié)構(gòu)如圖21所示圖21系統(tǒng)的組成（1）中央處理單元CPU中央處理單元CPU是PLC的控制核心。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能A接收并存儲(chǔ)從用戶程序和數(shù)據(jù)；B檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式采集現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象寄存區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算并將結(jié)果送入I/O映象寄存區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象寄存區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)直到停止運(yùn)行。為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來對(duì)大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。（2）存儲(chǔ)器可編程序控制器的存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器。存放系統(tǒng)軟件（包括監(jiān)控程序、模塊化應(yīng)用功能子程序、命令解釋程序、故障診斷程序及其各種管理程序）的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器；存放用戶程序（用戶程序存和數(shù)據(jù)）的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器，所以又分為用戶存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩部分。PLC常用的存儲(chǔ)器類型RAM（RANDOMASSESSMEMORY）這是一種讀/寫存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)器，其存取速度最快，由鋰電池支持。EPROM（ERASABLEPROGRAMMABLEREADONLYMEMORY）這是一種可擦除的只讀存儲(chǔ)器。在斷電情況下，存儲(chǔ)器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變。在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲(chǔ)器內(nèi)容。EEPROM（ELECTRICALERASABLEPROGRAMMABLEREADONLYMEMORY）這是一種電可擦除的只讀存儲(chǔ)器。使用編程器就能很容易地對(duì)其所存儲(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行修改。PLC存儲(chǔ)空間的分配雖然各種PLC的CPU的最大尋址空間各不相同，但是根據(jù)PLC的工作原理，其存儲(chǔ)空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該P(yáng)LC的性能。系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)包括I/O映象寄存區(qū)以及各類軟元件存儲(chǔ)區(qū)，如邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等存儲(chǔ)器。AI/O映象寄存區(qū)由于PLC投入運(yùn)行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要一定數(shù)量的存儲(chǔ)單元RAM以存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作I/O映象寄存區(qū)。一個(gè)開關(guān)量I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)位，一個(gè)模擬量I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)字。因此整個(gè)I/O映象寄存區(qū)可看作兩個(gè)部分組成開關(guān)量I/O映象寄存區(qū)；模擬量I/O映象寄存區(qū)。B系統(tǒng)軟元件存儲(chǔ)區(qū)除了I/O映象寄存區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)還包括PLC內(nèi)部各類軟元件（邏輯線圈、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等）的存儲(chǔ)區(qū)。該存儲(chǔ)區(qū)又分為具有失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域和失電不保持的存儲(chǔ)區(qū)域，前者在PLC斷電時(shí)，由內(nèi)部的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失；后者當(dāng)PLC斷電時(shí)，數(shù)據(jù)被清零。用戶程序存儲(chǔ)區(qū)用戶程序存儲(chǔ)區(qū)存放用戶編制的用戶程序。不同類型的PLC，其存儲(chǔ)容量各不相同。（3）輸入接口電路輸入輸出信號(hào)有開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量三種，在我們實(shí)習(xí)室涉及到的信號(hào)當(dāng)中，開關(guān)量最普遍，也是實(shí)驗(yàn)條件所限，在次我們主要介紹開關(guān)量接口電路。可編程序控制器優(yōu)點(diǎn)之一是抗干擾能力強(qiáng)。這也是其I/O設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)之處，經(jīng)過了電氣隔離后，信號(hào)才送入CPU執(zhí)行的,防止現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電干擾進(jìn)入。如圖22所示就是采用光電耦合器一般采用反光二極管和光電三極管組成的開關(guān)量輸入接口電路圖22光電耦合器開關(guān)量輸入接口電路（4）輸出接口電路可編程序控制器的輸出有繼電器輸出M、晶體管輸出T、晶閘管輸出S三種輸出形式。輸出接口電路的隔離方式有繼電器隔離方式、光電耦合器隔離方式和晶閘管輸出隔離方式。輸出接口電路的主要技術(shù)參數(shù)A響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間是指PLC從ON狀態(tài)轉(zhuǎn)變成OFF狀態(tài)或從OFF狀態(tài)轉(zhuǎn)變成ON狀態(tài)所需要的時(shí)間。繼電器輸出型響應(yīng)時(shí)間平均約為10MS；晶閘管輸出型響應(yīng)時(shí)間為1MS以下；晶體管輸出型在02MS以下為最快。B輸出電流繼電器輸出型具有較大的輸出電流，AC250V以下的電路電壓可驅(qū)動(dòng)純電阻負(fù)載2A/1點(diǎn)、感性負(fù)載80VA以下（AC100V或AC200V）及燈負(fù)載100W以下（AC100V或200V）的負(fù)載；Y0、Y1以外每輸出1點(diǎn)的輸出電流是05A，但是由于溫度上升的原因，每輸出4合計(jì)為08A的電流，輸出晶體管的ON電壓約為15V，因此驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體元件時(shí)，請(qǐng)注意元件的輸入電壓特性。Y0、Y1每輸出1點(diǎn)的輸出電流是03A，但是對(duì)Y0、Y1使用定位指令時(shí)需要高速響應(yīng)，因此使用10100MA的輸出電流；晶閘管輸出電流也比較小C開路漏電流開路漏電流是指輸出處于OFF狀態(tài)時(shí)，輸出回路中的電流。繼電器輸出型輸出接點(diǎn)OFF是無漏電流；晶體管輸出型漏電流在01MA以下；晶閘管較大漏電流，主要由內(nèi)部RC電路引起，需在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)注意。D輸出公共端（COM）公共端與輸出各組之間形成回路，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載。FX1N有1點(diǎn)或4點(diǎn)一個(gè)公共端輸出型，因此各公共端單元可以驅(qū)動(dòng)不同電源電壓系統(tǒng)的負(fù)載。（5）電源PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個(gè)良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在1015范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。如FX1N額定電壓AC100V240V，而電壓允許范圍在AC85V264V之間。允許瞬時(shí)停電在10MS以下，能繼續(xù)工作。一般小型PLC的電源輸出分為兩部分一部分供PLC內(nèi)部電路工作；一部分向外提供給現(xiàn)場(chǎng)傳感器等的工作電源。因此PLC對(duì)電源的基本要求A能有效地控制、消除電網(wǎng)電源帶來的各種干擾；B電源發(fā)生故障不會(huì)導(dǎo)致其它部分產(chǎn)生故障；C允許較寬的電壓范圍；D電源本身的功耗低，發(fā)熱量小；E內(nèi)部電源與外部電源完全隔離；F有較強(qiáng)的自保護(hù)功能。232PLC的工作原理由于PLC以微處理器為核心，故具有微機(jī)的許多特點(diǎn)，但它的工作方式卻與微機(jī)有很大不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式，若有鍵按下或有I/O變化，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，若無則繼續(xù)掃描等待。PLC則是采用循環(huán)掃描的工作方式。對(duì)每個(gè)程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號(hào)做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期。掃描周期的長(zhǎng)短主要取決于以下幾個(gè)因素一是CPU執(zhí)行指令的速度；二是執(zhí)行每條指令占用的時(shí)間；三是程序中指令條數(shù)的多少。一個(gè)掃描周期主要可分為三個(gè)階段。（1）輸入刷新階段在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成輸入端刷新工作后，將關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會(huì)改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。（2）程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對(duì)應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸入刷新階段。（3）輸出刷新階段當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器），并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實(shí)際輸出。由此可見，輸入刷新、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段構(gòu)成PLC一個(gè)工作周期，由此循環(huán)往復(fù)，因此稱為循環(huán)掃描工作方式。由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進(jìn)行的，所以亦將這兩個(gè)階段統(tǒng)稱為I/O刷新階段。實(shí)際上，除了執(zhí)行程序和I/O刷新外，PLC還要進(jìn)行各種錯(cuò)誤檢測(cè)（自診斷功能）并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱為“監(jiān)視服務(wù)”，一般在程序執(zhí)行之后進(jìn)行。綜上述，PLC的掃描工作過程如圖23所示圖23PLC的掃描工作過程顯然掃描周期的長(zhǎng)短主要取決于程序的長(zhǎng)短。掃描周期越長(zhǎng)，響應(yīng)速度越慢。由于每個(gè)掃描周期只進(jìn)行一次I/O刷新，即每一個(gè)掃描周期PLC只對(duì)輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，所以系統(tǒng)存在輸入輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但是由于其對(duì)I/O的變化每個(gè)周期只輸出刷新一次，并且只對(duì)有變化的進(jìn)行刷新，這對(duì)一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會(huì)造成影響，還會(huì)提高抗干擾能力。這是因?yàn)檩斎氩蓸与A段僅在輸入刷新階段進(jìn)行，PLC在一個(gè)工作周期的大部分時(shí)間是與外設(shè)隔離的，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾常常是脈沖、短時(shí)間的，誤動(dòng)作將大大減小。但是在快速響應(yīng)系統(tǒng)中就M100X401M100輸出刷新輸入刷新掃描周期元件映像寄存器輸出鎖存器輸出端子M100Y430輸入端子輸入映像寄存器會(huì)造成響應(yīng)滯后現(xiàn)象，這個(gè)一般PLC都會(huì)采取高速模塊。總之，PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，是區(qū)別于其他設(shè)備的最大特點(diǎn)之一，我們?cè)趯W(xué)習(xí)和使用PLC當(dāng)中都應(yīng)加強(qiáng)注意。24PLC的主要指標(biāo)性能（1）存儲(chǔ)容量指的是用戶程序存儲(chǔ)器的容量，用戶程序存儲(chǔ)器容量決定了PLC可以容納的用戶程序的長(zhǎng)短。（2）輸入/輸出點(diǎn)數(shù)I/O點(diǎn)數(shù)即PLC面板上輸入、輸出信號(hào)用的端子的個(gè)數(shù)。（3）掃描速度指的是PLC執(zhí)行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指標(biāo)，一般以執(zhí)行1K字所用的時(shí)間來衡量掃描速度。（4）編程指令的種類和數(shù)量編程的指令越多，其功能越強(qiáng)。即處理能力和控制能力也就越強(qiáng)。（5）擴(kuò)展能力I/O擴(kuò)展單元進(jìn)行I/O點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展；使用各種功能模塊進(jìn)行功能的擴(kuò)展。（6）智能單元的數(shù)量利用智能單元可以完成模擬量控制、位置和速度控制以及通信聯(lián)網(wǎng)的功能。25三菱FX1N系列PLC的基本指令FX1N系列PLC的基本指令如表21所示表21FX1N系列PLC的基本指令助記符功能梯形圖符號(hào)和操作軟元件LD取常開觸點(diǎn)邏輯運(yùn)算起始常開觸點(diǎn)與左母線連接LDI取反常閉觸點(diǎn)邏輯運(yùn)算起始常閉觸點(diǎn)與左母線連接）AND與串聯(lián)連接常開觸點(diǎn)與其他觸點(diǎn)或觸點(diǎn)組串聯(lián)連接ANI與非串聯(lián)連接常閉觸點(diǎn)與其他觸點(diǎn)或觸點(diǎn)組串聯(lián)連接OR或并聯(lián)連接常開觸點(diǎn)與其他觸點(diǎn)或觸點(diǎn)組并聯(lián)連接ORI或非并聯(lián)連接常閉觸點(diǎn)與其他觸點(diǎn)或觸點(diǎn)組并聯(lián)連接ANB電路塊與并聯(lián)電路塊的串聯(lián)連接電路塊與其他觸點(diǎn)或觸點(diǎn)組串聯(lián)連接ORB電路塊或串聯(lián)電路塊的并聯(lián)連接電路塊與其他觸點(diǎn)或觸點(diǎn)組并聯(lián)連接OUT輸出線圈驅(qū)動(dòng)SET置1使線圈接通并保持動(dòng)作RST復(fù)零使線圈斷開,消除動(dòng)作保持,寄存器清零PLS上升沿脈沖上升沿微分輸出當(dāng)檢測(cè)到輸入脈沖的上升沿時(shí),指令的操作元件閉合一個(gè)掃描周期PLF下降沿脈沖下降沿微分輸出當(dāng)檢測(cè)到輸入脈沖的下降沿時(shí),指令的操作元件閉合一個(gè)掃描周期MC主控指令公共串聯(lián)接點(diǎn)的連接將左母線臨時(shí)移到一個(gè)所需位置,產(chǎn)生一臨時(shí)左母線,形成主控電路塊MCR主控復(fù)位公共串聯(lián)接點(diǎn)的消除取消臨時(shí)左母線,將左母線返回到原來的位置,結(jié)束主控電路塊MPS進(jìn)棧指令進(jìn)棧將邏輯運(yùn)算結(jié)果存入棧存儲(chǔ)器,存儲(chǔ)器中原來的存儲(chǔ)結(jié)果依次向棧存儲(chǔ)器下層推移MRD讀棧指令讀棧將存儲(chǔ)器一號(hào)單元的內(nèi)容讀出,且詹存儲(chǔ)器中的內(nèi)容不發(fā)生變化MPP出棧指令出棧9將存儲(chǔ)器中一號(hào)單元的結(jié)果取出,存儲(chǔ)器中其他單元的數(shù)據(jù)依次向上推移NOP空操作無動(dòng)作END結(jié)束輸入輸出處理以及返回到0步STL步進(jìn)接點(diǎn)步進(jìn)接點(diǎn)開始將步進(jìn)接點(diǎn)接到左母線RET步進(jìn)結(jié)束步進(jìn)接點(diǎn)開始使副母線返回到原來的左母線位置3Z3040搖臂鉆床機(jī)床的電控系統(tǒng)分析鉆床是一種用途較廣的萬能機(jī)床,可以用來鉆孔、擴(kuò)孔、餃孔、鏜孔、攻螺紋及刮平面等多種形式的加工。鉆床按用途和結(jié)構(gòu)可分為立式鉆床、臺(tái)式鉆床、搖臂鉆床、多軸鉆床、深孔鉆床、臥式鉆床及其它專用鉆床等。搖臂鉆床屬于立式鉆床，其操作方便、靈活，適用范圍廣，具有典型性。Z3040是中型搖臂鉆床，其型號(hào)意義為Z鉆床，3搖臂鉆床，0圓柱形主軸，40最大鉆孔直徑40MM。31Z3040搖臂鉆床機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)情況搖臂鉆床主要由底座、內(nèi)立柱、外立柱、搖臂、主軸箱及工作臺(tái)等部分組成，如圖31所示。內(nèi)立柱固定在底座的一端，在它外面套著外立柱,外立柱可繞內(nèi)立柱回轉(zhuǎn)360，搖臂的一端為套筒，它套在外立柱上,借助絲杠的正反轉(zhuǎn)可使搖臂沿外立柱作上下移動(dòng)，由于該絲杠與外立柱連為一體，而升降螺母固定在搖臂上，所以搖臂只能與外立柱一起繞內(nèi)立柱回轉(zhuǎn)。主軸箱是一個(gè)復(fù)合部件，它由主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)、主軸和主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給和變速機(jī)構(gòu)以及機(jī)床的操作機(jī)構(gòu)等部分組成。主軸箱安裝在搖臂的水平導(dǎo)軌上，可以通過手輪操作使其在水平導(dǎo)軌上沿?fù)u臂移動(dòng)。圖31Z3040搖臂鉆床結(jié)構(gòu)圖1底座；2工作臺(tái)；3主軸縱向進(jìn)給；4主軸旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)；5主軸；6搖臂；7主軸箱沿?fù)u臂徑向運(yùn)動(dòng)；8主軸箱；9內(nèi)外立柱；10搖臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；11搖臂垂直移動(dòng)鉆削加工時(shí)，主軸旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)，主軸的縱向進(jìn)給為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。此時(shí),主軸箱由夾緊接置將其緊固在搖臂水平導(dǎo)軌上，外立柱緊固在內(nèi)立柱上，搖臂緊固在外立柱上,然后進(jìn)行鉆削加工，輔助運(yùn)動(dòng)有搖臂沿外立柱的垂直移動(dòng)，主軸箱沿?fù)u臂長(zhǎng)度方向的水平移動(dòng)，搖臂與外立柱一起繞內(nèi)立柱的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。32Z3040搖臂鉆床的電力拖動(dòng)特點(diǎn)及控制要求（1）搖臂鉆床運(yùn)動(dòng)部件較多，為簡(jiǎn)化傳動(dòng)裝置，采用多電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。（2）搖臂鉆床為適應(yīng)多種形式的加工，要求主軸及進(jìn)給有較大的調(diào)速范圍。主軸一般速度下的鉆削加工常為恒功率負(fù)載，而低速時(shí)主要用于擴(kuò)孔、餃孔、攻螺紋等加工，這時(shí)則為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。（3）搖臂鉆床的主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)皆為主軸的運(yùn)動(dòng)，為此這兩種運(yùn)動(dòng)由一臺(tái)主軸電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，分別經(jīng)主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給。所以主軸變速機(jī)構(gòu)與進(jìn)給變速機(jī)構(gòu)都裝在主軸箱內(nèi)。（4）為加工螺紋，主軸要求正、反轉(zhuǎn)。但采用機(jī)械方法來實(shí)現(xiàn)，主軸電動(dòng)機(jī)單方向旋轉(zhuǎn)。（5）搖臂的升降由升降電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，要求電動(dòng)機(jī)能正、反轉(zhuǎn)。（6）內(nèi)外立柱的夾緊與放松、主軸箱與搖臂的夾緊與放松可采用手柄機(jī)械操作、電氣一機(jī)械裝置、電氣一液壓裝置或電氣一液壓一機(jī)械裝置等控制方法來實(shí)現(xiàn)。若采用液壓裝置則備有液壓泵電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)液壓泵供出壓力油來實(shí)現(xiàn)。（7）搖臂的移動(dòng)嚴(yán)格按照搖臂松開移動(dòng)搖臂夾緊的程序進(jìn)行。因此,搖臂的夾緊放松與搖臂升降按自動(dòng)控制進(jìn)行。（8）根據(jù)鉆削加工需要，應(yīng)由冷卻泵電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)冷卻泵，供出冷卻液進(jìn)行鉆頭的冷卻。（9）具有機(jī)床安全照明和信號(hào)指示。（10）具有必要的聯(lián)鎖和保護(hù)環(huán)節(jié)。33Z3040搖臂鉆床的電氣控制原理圖Z3040搖臂鉆床的電氣控制原理圖如圖32所示圖32Z3040搖臂鉆床的電氣控制原理圖34主電路分析（1）主軸電動(dòng)機(jī)的控制主軸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)M1為單向旋轉(zhuǎn)，由按鈕SB1,SB2和接觸器KM1構(gòu)成主軸電動(dòng)機(jī)單向啟動(dòng)停止控制電路。主軸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后拖動(dòng)齒輪泵送出壓力油，再操縱主軸操縱手柄，驅(qū)動(dòng)主軸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。（2）搖臂的升降控制當(dāng)搖臂的升降指令發(fā)出，先使搖臂松開，而后搖臂上升或下降，待搖臂升降到位時(shí)，又自行重新夾緊。由于搖臂的松開與夾緊是由夾緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，所以搖臂升降控制需與夾緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)緊密配合。（3）M2為搖臂升降電動(dòng)機(jī)，由按鈕SB3、SB4點(diǎn)動(dòng)控制正、反轉(zhuǎn)接觸器KM2、KM3實(shí)現(xiàn)M2電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)拖動(dòng)搖臂上升或下降。（4）M3為液壓泵電動(dòng)機(jī)，由正、反轉(zhuǎn)接觸器KM4、KM5控制，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)，拖動(dòng)雙向液壓泵M3。（5）送出壓力油，經(jīng)二位六通閥送至搖臂夾緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾緊與松開。（6）M4為冷卻泵電動(dòng)機(jī)，由于冷卻泵電動(dòng)機(jī)容量?。?125KW），由SA1開關(guān)控制單向旋轉(zhuǎn)。35控制電路分析351搖臂上升按下?lián)u臂上升按鈕SB3，使定時(shí)器KT得電，驅(qū)使線圈KM4和電磁閥YV得電，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3正轉(zhuǎn)，搖臂松開。搖臂松開到位，壓下行程開關(guān)SQ2，驅(qū)使接觸器線圈KM4失電，液壓泵電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，而同時(shí)接觸器線圈KM2得電，搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2正轉(zhuǎn)，搖臂上升。搖臂上升到位，松開搖臂上升按鈕SB3，使接觸器線圈KM2和KT線圈失電，搖臂升降電動(dòng)機(jī)M3停轉(zhuǎn)，搖臂停止上升。定時(shí)器KT為斷電延時(shí)型，搖臂完全停止后，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3反轉(zhuǎn)，搖臂夾緊。搖臂夾緊到位，壓下行程開關(guān)SQ3時(shí)，使接觸器線圈KM5失電，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3停轉(zhuǎn)。352搖臂下降按下?lián)u臂下降按鈕SB4，使定時(shí)器KT得電，驅(qū)使線圈KM4和電磁閥YV得電，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3正轉(zhuǎn)，搖臂松開。搖臂松開到位，壓下行程開關(guān)SQ2，驅(qū)使接觸器線圈KM4失電，液壓泵電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。而同時(shí)接觸器線圈KM3得電，搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2反轉(zhuǎn)，搖臂下降。搖臂下降到位，松開搖臂下降按鈕SB4，接觸器線圈KM3和電磁閥YV失電，搖臂升降電動(dòng)機(jī)M3停轉(zhuǎn)，搖臂停止下降。353立柱與主軸箱的夾緊與松開按下立柱與主軸箱松開按鈕SB5，使KM4線圈得電，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3正轉(zhuǎn)，立柱與主軸箱松開，SQ4常閉觸頭得電，松開到位，立柱與主軸箱松開指示燈HL1亮。按下立柱與主軸箱夾緊按鈕SB6，使KM5線圈得電，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3反轉(zhuǎn)，立柱與主軸箱夾緊。夾緊到位時(shí)壓下SQ4，SQ4常閉觸頭斷開，燈HL1滅，SQ4常開觸頭閉合，立柱與主軸箱夾緊指示燈HL2亮。354互鎖與保護(hù)環(huán)節(jié)SQ1行程開關(guān)實(shí)現(xiàn)搖臂上升和下降的限位保護(hù)。SQ2行程開關(guān)實(shí)現(xiàn)搖臂松開到位，開始升降的聯(lián)鎖。SQ3行程開關(guān)實(shí)現(xiàn)搖臂完全夾緊，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3停止運(yùn)轉(zhuǎn)的聯(lián)鎖。KT時(shí)間繼電器實(shí)現(xiàn)升降電動(dòng)機(jī)M2斷開電源、待停止后再進(jìn)行夾緊的聯(lián)鎖。M2電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)具有雙重聯(lián)鎖，M3電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)具有電氣聯(lián)鎖。SB4、SB5立柱與主軸箱松開、夾緊按鈕的常閉觸頭串接在電磁閥YV線圈電路中，實(shí)現(xiàn)立柱與主軸箱松開、夾緊操作時(shí)，壓力油只進(jìn)入立柱與主軸箱夾緊油腔而不進(jìn)入搖臂夾緊油腔的聯(lián)鎖。熔斷器FU1FU2實(shí)現(xiàn)電路的短路保護(hù)。熱繼電器FR1、FR2為電動(dòng)機(jī)M1、M3的過載保護(hù)。355指示燈電路分析（1）HL1為主軸箱與立柱松開指示燈，燈亮表示已松開，手動(dòng)操作主軸箱沿?fù)u臂移動(dòng)或推動(dòng)搖臂回轉(zhuǎn)。（2）HL2為主軸箱與立柱夾緊指示燈，燈亮表示已夾緊，可以進(jìn)行鉆銷加工。（3）HL3為主軸正轉(zhuǎn)指示燈。（4）EL為照明燈，由控制變壓器TC供給24V安全電壓，由開關(guān)SA2控制。36Z3040搖臂鉆床的電控系統(tǒng)特點(diǎn)（1）Z3040型搖臂鉆床是由機(jī)、電、液的綜合控制。（2）搖臂的升降控制與搖臂夾緊放松的控制有嚴(yán)格的程序要求，以確保先松開，再移動(dòng)，移動(dòng)到位后自動(dòng)夾緊。所以M2、M3電動(dòng)機(jī)的控制有嚴(yán)格的程序要求，這些由電氣控制電路控制，液壓、機(jī)械配合來實(shí)現(xiàn)。（3）電路具有完善的保護(hù)和聯(lián)鎖，有明顯的信號(hào)指示。4Z3040搖臂鉆床電控系統(tǒng)的PLC改造41Z3040搖臂鉆床的PLC控制要求（1）主軸電動(dòng)機(jī)M1的單向轉(zhuǎn)動(dòng)。（2）搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2正反轉(zhuǎn)。（3）搖臂松開、夾緊液壓泵電動(dòng)機(jī)M3的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（4）完成各種操作之間的互鎖控制及延時(shí)控制。冷卻根據(jù)加工任務(wù)來選用，冷卻泵電動(dòng)機(jī)M4控制簡(jiǎn)單，故采用手動(dòng)控制。（5）由于搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2和搖臂松開、夾緊電動(dòng)機(jī)M3的轉(zhuǎn)速較小，故不考慮電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)。42PLC的選擇隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC產(chǎn)品的種類越來越多，而且功能也日趨完善，各有特色，PLC的生產(chǎn)廠家主要有美國的AB公司、通用電氣公司，德國的西門子公司，法國的TE公司，日本的三菱公司、歐姆龍公司、日立公司。本設(shè)計(jì)是以日本三菱公司的FX1N系列PLC進(jìn)行改裝。FX1N有12種基本單元如表41所示，可組成24128個(gè)I/O點(diǎn)的系統(tǒng)，并能使用特殊功能模塊、顯示模塊和擴(kuò)展板。用戶存儲(chǔ)器容量為8KB步，有內(nèi)置的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。PID指令可實(shí)現(xiàn)模擬量閉環(huán)控制，每個(gè)基本單元可同時(shí)輸出2點(diǎn)100KHZ的高速脈沖，有7條特殊的定位指令，有2個(gè)內(nèi)置的設(shè)置參數(shù)用的小電位器。通過通信擴(kuò)展板或特殊適配器可實(shí)現(xiàn)多種通信和數(shù)據(jù)鏈接，如CCLINK，ASI網(wǎng)絡(luò)，RS232C、RS422和RS485通信，NN鏈接、并行鏈接、計(jì)算機(jī)鏈接和I/O鏈接。表41FX1N系列的基本單元AC電源，24V直流輸入DC電源，24V直流輸入繼電器輸出晶體管輸出續(xù)電器輸出晶體管輸出輸入點(diǎn)數(shù)輸出點(diǎn)數(shù)FX1N24MR001FX1N24MT001FX1N24MRDFX1N24MTD1410FX1N40MR001FX1N40MT001FX1N40MRDFX1N40MTD2416FX1N60MR001FX1N60MT001FX1N60MRDFX1N60MTD3624Z3040搖臂鉆床的PLC輸入、輸出信號(hào)如表42所示、43所示表42Z3040搖臂鉆床輸入信號(hào)表形式序號(hào)名稱作用1SB1主軸停止按鈕2SB2主軸轉(zhuǎn)動(dòng)按鈕3SB3搖臂上升按鈕4SB4搖臂下降按鈕5SB5立柱與主軸箱松開按鈕6SB6立柱與主軸箱夾緊按鈕7SQ1搖臂上升限位行程開關(guān)8SQ2搖臂松開行程開關(guān)9SQ3搖臂夾緊行程開關(guān)10SQ4立柱與主軸箱夾緊、松開行程開關(guān)11SA1冷卻泵電動(dòng)機(jī)的啟、停開關(guān)12SA2照明燈開關(guān)13FR1主軸電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)輸入14FR2液壓泵電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)15QS總電源開關(guān)表43Z3040搖臂鉆床輸出信號(hào)表形式序號(hào)名稱作用1KM1主軸電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)交流接觸器2KM2搖臂升降電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)交流接觸器3KM3搖臂升降電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)交流接觸器4KM4液壓泵電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)交流接觸器5KM5液壓泵電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)交流接觸器6YV電磁閥7HL1立柱與主軸箱、搖臂松開指示燈8HL2立柱與主軸箱、搖臂夾緊指示燈9HL3主軸轉(zhuǎn)動(dòng)指示燈輸出10EL照明燈由上表可知Z3040搖臂鉆床的輸入信號(hào)有15個(gè)，輸出信號(hào)有10個(gè)，但由于PLC的I/O點(diǎn)數(shù)的價(jià)格比較高，因此應(yīng)該合理選用PLC的I/O點(diǎn)的數(shù)量，不僅可以降低系統(tǒng)成本，還可以解決已使用的PLC進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)I/O點(diǎn)數(shù)不夠的問題。在滿足控制要求的的前提下力爭(zhēng)使用的I/O點(diǎn)最少，但必須留有一定的備用量。通常I/O點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被控對(duì)象的輸入、輸出信號(hào)的實(shí)際需要，在加上1015的備用量來確定。減少PLC輸入點(diǎn)數(shù)的方法是可以把信號(hào)設(shè)置在PLC之外，即把手動(dòng)操作按鈕、電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)的熱繼電器觸點(diǎn)等放在外部電路中，所以本設(shè)計(jì)把手動(dòng)操作開關(guān)QS、SA1、SA2和熱繼電器FR1、FR2放在外電路中，以便減少輸入點(diǎn)數(shù)節(jié)約成本。本設(shè)計(jì)中Z3040搖臂鉆床的照明燈EL是由開關(guān)SA2手動(dòng)控制的，因此沒有必要將照明燈EL作為本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的輸出信號(hào)。故本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中PLC的輸入信號(hào)數(shù)為10個(gè)，輸出信號(hào)數(shù)為9個(gè)。綜上，本設(shè)計(jì)中Z3040搖臂鉆床的PLC輸入點(diǎn)數(shù)應(yīng)選101012112點(diǎn)；輸出點(diǎn)數(shù)應(yīng)選99121008點(diǎn)，通過查看三菱FX1N系列基本單元表，選定三菱FX1N40MR001（其中輸入點(diǎn)數(shù)24點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)16點(diǎn)，繼電輸出型）。因?yàn)槔^電輸出的價(jià)格便宜，既可用于驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載，又可用于直流負(fù)載，而且適用的電壓大小范圍較寬、導(dǎo)通降壓小，同時(shí)承受瞬時(shí)過電壓和過電流的能力較強(qiáng)。43I/O地址分配表Z3040搖臂鉆床的I/O地址分配情況如表44、45所示表44Z3040搖臂鉆床輸入地址分配表形式序號(hào)名稱作用地址1SB1主軸停止按鈕X0002SB2主軸轉(zhuǎn)動(dòng)按鈕X0013SB3搖臂上升按鈕X0034SB4搖臂下降按鈕X0045SB5立柱與主軸箱松開按鈕X0056SB6立柱與主軸箱夾緊按鈕X0067SQ1搖臂上升限位保護(hù)行程開關(guān)X0078SQ2搖臂松開到位行程開關(guān)X0119SQ3搖臂夾緊到位行程開關(guān)X012輸入10SQ4立柱與主軸箱夾緊松開行程開關(guān)X010表45Z3040搖臂鉆床輸出地址分配表形式序號(hào)名稱作用地址1KM1主軸電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)交流接觸器Y0012KM2搖臂升降電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)交流接觸器Y002輸3KM3搖臂升降電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)交流接觸器Y0034KM4液壓泵電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)交流接觸器Y0045KM5液壓泵電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)交流接觸器Y0056YV電磁閥Y0067HL1立柱與主軸箱、搖臂松開指示燈Y0108HL2立柱與主軸箱、搖臂夾緊指示燈Y011出9HL3主軸轉(zhuǎn)動(dòng)指示燈Y01244I/O接線圖Z3040搖臂鉆床的電控系統(tǒng)改造的三菱FX1N系列PLC的I/O接線圖如圖41所示圖41PLC的I/O接線圖45控制流程圖451主電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的流程圖圖42主電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的流程圖452搖臂上升流程圖圖43搖臂上升流程圖453搖臂下降流程圖圖44搖臂下降流程圖454立柱與主軸箱PLC控制流程圖圖45立柱與主軸箱PLC控制流程圖46PLC控制梯形圖圖46PLC控制梯形圖47系統(tǒng)仿真調(diào)試三菱GXDEVELOPER編程軟件是應(yīng)用于三菱系列PLC的中文編程軟件，可在WINDOWS9X及以上操作系統(tǒng)中運(yùn)行。其主要功能有（1）在GXDEVELOPER中，可通過線路符號(hào)、列表語言及SFC符號(hào)來創(chuàng)建PLC程序，建立注視數(shù)據(jù)和設(shè)置寄存器數(shù)據(jù)。（2）創(chuàng)建PLC程序以及將其存儲(chǔ)為文件，可用打印機(jī)打印。（3）該程序可在串行系統(tǒng)中與PLC進(jìn)行通信、文件傳送、操作監(jiān)控以及各種測(cè)試功能。（4）改程序可脫離PLC進(jìn)行仿真調(diào)試。所以本設(shè)計(jì)選用的編程軟件是三菱GXDEVELOPER編程軟件。Z3040搖臂鉆床的搖臂升降及夾緊、放松控制是自動(dòng)快速完成的。但在設(shè)計(jì)中的仿真圖為分段仿真調(diào)試的畫面圖。471搖臂上升程序仿真圖按下?lián)u臂上升按鈕SB3（X3），交流接觸器KM4（Y4）、電磁閥YV（Y6）得電，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3正轉(zhuǎn)，拖動(dòng)液壓泵送出壓力油，經(jīng)二位六通閥進(jìn)入搖臂松開油腔，使搖臂松開，如圖47所示圖47搖臂松開仿真圖當(dāng)壓下行程開關(guān)SQ2（X11），交流接觸器KM4（Y4）失電，交流接觸器KM2（Y2）得電，搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2正轉(zhuǎn)，搖臂上升，如圖48所示圖48搖臂上升仿真圖472搖臂下降程序仿真圖按下?lián)u臂下降按鈕SB4（X4），交流接觸器KM4（Y4）、電磁閥YV（Y6）得電，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3正轉(zhuǎn)，拖動(dòng)液壓泵送出壓力油，經(jīng)二位六通閥進(jìn)入搖臂松開油腔，使搖臂松開，如圖49所示圖49搖臂松開仿真圖當(dāng)壓下行程開關(guān)SQ2（X11），交流接觸器KM4（Y4）失電，交流接觸器KM3（Y3）得電，搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2反轉(zhuǎn)，搖臂下降，如圖410所示圖410搖臂下降仿真圖473主軸箱與立柱松開程序仿真圖按下松開按鈕SB5（X5），交流接觸器KM4（Y4）得電，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3正轉(zhuǎn)，拖動(dòng)液壓泵送出壓力油，此時(shí)電磁閥線圈不通電，高壓油經(jīng)二位六通閥到另一油路，進(jìn)入立柱與主軸箱松開油腔，使立柱與主軸箱同時(shí)松開。壓下行程開關(guān)SQ4（X10）燈HL1（Y10）點(diǎn)亮，如圖411所示圖411主軸箱與立柱松開程序仿真圖474主軸箱與立柱夾緊程序仿真圖按下夾緊按鈕SB6（X6），交流接觸器KM5（Y5）得電，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3反轉(zhuǎn)，拖動(dòng)液壓泵送出壓力油，此時(shí)電磁閥線圈不通電，高壓油經(jīng)二位六通閥到另一油路，進(jìn)入立柱與主軸箱夾緊油腔，使立柱與主軸箱同時(shí)閉合，如圖412所示圖412主軸箱與立柱夾緊程序仿真圖壓下行程開關(guān)SQ4（X10）燈HL2（Y11）點(diǎn)亮，如圖413所示圖413燈HL2（Y11）點(diǎn)亮48PLC改造前后的性能測(cè)試作為傳統(tǒng)的繼電器接線控制系統(tǒng)，它在現(xiàn)代控制系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)有許多的局限性。而PLC控制方式的產(chǎn)生將逐漸取代復(fù)雜的接線控制方式。作為兩種不同的控制方式，它們有著明顯的優(yōu)劣區(qū)別。（1）從控制方法上看，Z3040搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)邏輯控制采用硬件接線，利用繼電器機(jī)械觸點(diǎn)的串聯(lián)或并聯(lián)等組合成控制邏輯，其連線多且復(fù)雜、體積大、功耗大，系統(tǒng)構(gòu)成后，想再改變或增加功能較為困難。另外，繼電器的觸點(diǎn)數(shù)量有限，所以電氣控制系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性受到很大限制。而PLC采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，其邏輯控制是以程序的方式存放在存儲(chǔ)器中，要改變邏輯控制只需改變程序，因而很容易改變或增加系統(tǒng)功能。系統(tǒng)連線少、體積小、功耗小，而且PLC所謂“軟繼電器”實(shí)質(zhì)上是存儲(chǔ)器單元的狀態(tài)，所以“軟繼電器”的觸點(diǎn)數(shù)量是無限的，PLC系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性好。（2）從工作方式上看，在Z3040搖臂鉆床繼電器控制電路中，當(dāng)電源接通時(shí)，電路中所有繼電器都處于受制約狀態(tài)，即該吸合的繼電器都同時(shí)吸合，不該吸合的繼電器受某種條件限制而不能吸合，這種工作方式稱為并行工作方式。而PLC的用戶程序是按一定順序循環(huán)執(zhí)行，所以各軟繼電器都處于周期性循環(huán)掃描接通中，受同一條件制約的各個(gè)繼電器的動(dòng)作次序決定于程序掃描順序，這種工作方式稱為串行工作方式。（3）從控制速度上看，搖臂鉆床繼電器控制系統(tǒng)依靠機(jī)械觸點(diǎn)的動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)控制，工作頻率低，機(jī)械觸點(diǎn)還會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)問題。而PLC通過程序指令控制半導(dǎo)體電路來實(shí)現(xiàn)控制的，速度快，程序指令執(zhí)行時(shí)間在微秒級(jí)，且不會(huì)出現(xiàn)觸點(diǎn)抖動(dòng)問題。（4）從定時(shí)和計(jì)數(shù)控制上看，此鉆床電氣控制系統(tǒng)采用時(shí)間繼電器的延時(shí)動(dòng)作進(jìn)行時(shí)間控制，時(shí)間繼電器的延時(shí)時(shí)間易受環(huán)境溫度和溫度變化的影響，定時(shí)精度不高。而PLC采用半導(dǎo)體集成電路作定時(shí)器，時(shí)鐘脈沖由晶體振蕩器產(chǎn)生，精度高，定時(shí)范圍寬，用戶可根據(jù)需要在程序中設(shè)定定時(shí)值，修改方便，不受環(huán)境的影響，且PLC具有計(jì)數(shù)功能，而電器控制系統(tǒng)一般不具備計(jì)數(shù)功能。（5）從可靠性和可維護(hù)性上看，由于電氣控制系統(tǒng)使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，其存在機(jī)械磨損、電弧燒傷等，壽命短，系統(tǒng)的連線多，所以可靠性和可維護(hù)性較差。而PLC大量的開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成，其壽命長(zhǎng)、可靠性高，PLC還具有自診斷功能，能查出自身的故障，隨時(shí)顯示給操作人員，并能動(dòng)態(tài)地監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)提供了方便。5結(jié)論通過Z3040搖臂鉆床的電氣控制原理圖可以看出傳統(tǒng)繼電器接觸器控制系統(tǒng)，觸點(diǎn)多、接線復(fù)雜、維修困難等缺點(diǎn)。而PLC控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)繼電器接觸器系統(tǒng)相比，具有通用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易于安裝、性能優(yōu)越、可靠性高、編程簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、使用維護(hù)方便、應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)。因此，本設(shè)計(jì)把Z3040搖臂鉆床的電氣控制改造成PLC控制，提高了搖臂鉆床的性能。本設(shè)計(jì)先對(duì)PLC的產(chǎn)生和發(fā)展、用途及特點(diǎn)、基本結(jié)構(gòu)和工作原理等進(jìn)行介紹，然后再根據(jù)Z3040搖臂鉆床的機(jī)床結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)形式及工作原理進(jìn)行了分析，制定了PLC改造的設(shè)計(jì)方案并敘述了設(shè)計(jì)流程，其中包括PLC類型的選擇、I/O地址的分配、接線圖和梯形圖的繪制等，還對(duì)Z3040搖臂鉆床電控系統(tǒng)改造后PLC系統(tǒng)的一些程序進(jìn)行仿真調(diào)試。Z3040搖臂鉆床電控系統(tǒng)的改造，使設(shè)備的工作效率和可靠性，以及其自動(dòng)化程度都有很大提高。參考文獻(xiàn)1胡文金可編程序控制器實(shí)訓(xùn)教程重慶重慶大學(xué)出版社，20072王淑英電氣控制與PLC應(yīng)用北京機(jī)械工業(yè)出版社，20073孫德勝，李偉PLC操作實(shí)訓(xùn)北京機(jī)械工業(yè)出版社，20114陳定明電機(jī)與控制北京高等教育出版社，20045李樹海低壓運(yùn)行維修電工基本技能圖解北京中國電力出版社，20066姜治臻PLC項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)北京高等教育出版社，20087阮友德電氣控制與PLC實(shí)訓(xùn)教程北京人民郵電出版社，20068高勤電氣及PLC控制技術(shù)北京高等教育出版社，20029鄭鳳翼，楊洪升怎樣看電氣控制電路圖北京人民郵電出版社，200910劉玉娟P(guān)LC編程技能訓(xùn)練北京高等教育出版社，200911王傳艷工作