Z35搖臂鉆床PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、Z35搖臂鉆床PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文摘 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(wèn)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(jiǎn)單，編程方便，調(diào)試周期短，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，故障率低，對(duì)工作環(huán)境要求低等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此，本設(shè)計(jì)對(duì)Z3040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，制定了可編程序控制器改造Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，完成了電氣控制系統(tǒng)

2、硬件和軟件的設(shè)計(jì)，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的SFC圖和梯形圖程序的設(shè)計(jì)，由于沒(méi)有實(shí)物，還進(jìn)行了仿真電路設(shè)計(jì)。對(duì)PLC控制搖臂鉆床的工作過(guò)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；電氣控制系統(tǒng)；梯形圖Abstract This design is to studies the machine process in common use Z3040 in inside radial drilling machine electric contr

3、ol system improves problem. The aim is solving device complexity, inferior reliability and stability, malfunction analysis and trouble obviation of the traditional relay electric control system. Because of electric control system PLC there are lots of advantages which include design, install, connec

4、t the line and adjust to try workload small, the period of research and manufacture is short, reliability is high, the ability of Anti- interference is very strong, the rate of break down is low, the demand of work environment is low, maintenance convenience a series of advantage etc. Therefore, a w

5、ork for to the Z3040 radial drilling machine electric control system reforming, will reforming PLC control technique application in the project, then increasing radial drilling machines work function. The paper introduces to the control principle of the radial drilling machine. Established the progr

6、ammable controller improve the design project of electric control system of Z3040 radial drilling machine. Completed the design of the software and hardware of the electric control system, Among them include the model of PLC choice、the I/O allotment of the address、the I/O hardware connects the line

7、diagram、PLCs SFC diagram trapezium diagrams design, lack of physical, but also simulated circuit design. It explains that PLC control the work process of radial drilling machine. Discussing the adoption PLC replaces the traditional electric control systems method and increases the work function of r

8、adial drilling machine, give a homologous control principle diagram.Key words: PLC；Radial drilling machine；Electric Control System；Trapezium diagram46目 錄1 緒論11.1本設(shè)計(jì)的選題背景和意義11.2 國(guó)內(nèi)外關(guān)于本課題的技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展?fàn)顟B(tài)22 Z3040搖臂鉆床及傳統(tǒng)電氣控制原理分析32.1 Z3040搖臂鉆床簡(jiǎn)介32.2 Z3040搖臂鉆床的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)形式32.2.1 Z3040搖臂鉆床的結(jié)構(gòu)32.2.2 搖臂鉆床的運(yùn)動(dòng)形式42.3 Z3

9、040傳統(tǒng)控制線路原理分析52.3.1主電路分析62.3.2信號(hào)及照明電路分析72.3.3控制電路分析82.4聯(lián)鎖和保護(hù)環(huán)節(jié)132.4.1 聯(lián)鎖環(huán)節(jié)132.4.2 保護(hù)環(huán)節(jié)132.5 液壓系統(tǒng)142.5.1操縱機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)142.5.2 夾緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)153 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)164 基于PLC的Z3040電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)174.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則174.2 電氣控制部分184.2.1 電氣控制主電路184.2.2 電機(jī)控制184.3 PLC的I/O端口分配表194.4 基于PLC的Z3040搖臂鉆床電氣控制原理圖設(shè)計(jì)204.5 主要電氣元件選型224.5.1 PLC的型號(hào)選

10、擇224.5.2 電動(dòng)機(jī)選型244.5.3 主令電器選型244.5.4 繼電器及選擇264.5.5 熔斷器及選擇294.5.6 其他電器元件及選擇305 元器件明細(xì)表316 基于PLC的Z3040電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)316.1 程序SFC圖326.2 梯形圖326.3 指令表327系統(tǒng)調(diào)試327.1 仿真電路設(shè)計(jì)327.2仿真調(diào)試338 結(jié)論37致謝38參考文獻(xiàn)39附錄1 控制系統(tǒng)梯形圖40附錄2 控制系統(tǒng)指令表42附錄3 搖臂鉆床元器件明細(xì)表441 緒論1.1本設(shè)計(jì)的選題背景和意義Z3040搖臂鉆床是工廠中常用的金屬切削機(jī)床，它可以進(jìn)行多種形式的加工，如：鉆孔、鏜孔、鉸孔及螺紋等。從控制上講

11、，它需要機(jī)、電、液壓等系統(tǒng)相互配合使用，而且要進(jìn)行時(shí)間控制。它的調(diào)速是通過(guò)三相交流異步電動(dòng)機(jī)和變速箱來(lái)實(shí)現(xiàn)的。也有的是采用多速異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，這樣可以簡(jiǎn)化變速機(jī)構(gòu)。搖臂鉆床的主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由一臺(tái)交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，主軸的正反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的。故主電動(dòng)機(jī)只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向。此外，搖臂的上升、下降和立柱的夾緊、放松各由一臺(tái)交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。1目前，我國(guó)的Z3040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(shí)間、計(jì)數(shù)控制用繼電器接觸器控制方式較

12、難實(shí)現(xiàn)，所以，有必要對(duì)傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。PLC電氣控制系統(tǒng)可以有效的彌補(bǔ)上述系統(tǒng)的這一缺陷?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammable Logic Controller）簡(jiǎn)稱PLC，是從早期的繼電器邏輯電氣控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，它不斷吸收微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，使之功能不斷增強(qiáng)，逐漸適合復(fù)雜的電氣控制系統(tǒng)。PLC之所以有較強(qiáng)的生命力，在于它更加適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和市場(chǎng)要求。可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)、編程方便、價(jià)格低、壽命長(zhǎng)。與單片機(jī)相比，它的輸入/輸出端更接近現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，不需添加太多的中間部件，這樣可以大大節(jié)省用戶的開(kāi)發(fā)時(shí)間與生產(chǎn)成本。現(xiàn)在應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域的PLC種類繁多，規(guī)模大小和功能強(qiáng)弱千

13、差萬(wàn)別，但他們具有以下一些共同的特點(diǎn)。可靠性高。可靠性是用戶的首選要求，目前各廠家生產(chǎn)的PLC，平均無(wú)故障時(shí)間都大大超過(guò)IEC規(guī)定的10萬(wàn)小時(shí)，例如：西門子、ABB、松下、三菱等微小型PLC，而且都有完善的自診斷功能，判斷故障迅速。 靈活組態(tài)?？删幊炭刂破魇窍盗谢a(chǎn)品，通常采用模塊化結(jié)構(gòu)來(lái)完成不同的任務(wù)組合。輸入輸出端口選擇靈活，有多種機(jī)型，組合方便。功能強(qiáng)大。除基本的邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算功能外，配合特殊功能模塊還可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制、PTO運(yùn)算、過(guò)程運(yùn)算、數(shù)字控制等功能，為方便工廠管理又可以與上位機(jī)通信，通過(guò)遠(yuǎn)程模塊可以控制遠(yuǎn)程設(shè)備。因此，PLC幾乎是全能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。編程方便，易于

14、使用。PLC的編程可采用與繼電器極為相似的梯形圖語(yǔ)言，直觀易懂，深受現(xiàn)場(chǎng)電氣人員的歡迎。近年來(lái)又發(fā)展了面向?qū)ο蟮捻樋亓鞒虉D語(yǔ)言（Sequential Function Chart），使編程更加簡(jiǎn)單方便。運(yùn)行速度快。傳統(tǒng)的機(jī)電接觸電氣控制系統(tǒng)通過(guò)大量觸點(diǎn)的機(jī)械動(dòng)作進(jìn)行控制，速度很慢，而且系統(tǒng)愈大速度愈慢。PLC的控制速度則由CPU工作速度和掃描速度決定。因此更適合處理高速?gòu)?fù)雜的控制任務(wù)，它與微型計(jì)算機(jī)之間的差別越來(lái)越小 2。同時(shí)，PLC還具備了網(wǎng)絡(luò)功能，能進(jìn)行多臺(tái)PLC或PLC與PC機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)通訊，使用PLC可以很方便的構(gòu)成“集中管理、分散控制”的分布式電氣控制系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC通訊網(wǎng)

15、絡(luò)，可使工廠的各種資源共享，就更適合于工廠自動(dòng)化的需要，為工廠自動(dòng)化提供了技術(shù)保證。3正是由于PLC電氣控制系統(tǒng)的種種優(yōu)點(diǎn),因此本次對(duì)Z3040搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)的改造,可以大大提高Z3040搖臂鉆床工作性能和系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性,為工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化帶來(lái)生機(jī)同時(shí)，提高了PLC編程水平和實(shí)踐能力,為今后在實(shí)際工作中熟練使用PLC進(jìn)行工業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。1.2 國(guó)內(nèi)外關(guān)于本課題的技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展?fàn)顟B(tài)早在上世紀(jì)六十年代國(guó)外就已經(jīng)出現(xiàn)了可編程序控制器（PLC）的應(yīng)用，之后世界各國(guó)爭(zhēng)相在該領(lǐng)域投入大量資金進(jìn)行新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，在1995年西門子又成功地開(kāi)發(fā)出了S7200、S7300系列，它具有 TD

16、200和 COROS OPS操作模板為用戶提供了方便人機(jī)界面，用戶程序三級(jí)口令保護(hù)，極強(qiáng)的計(jì)算性能，完善的指令集，MPI接口和通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFD3US以及以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)能力，強(qiáng)勁的內(nèi)部集成功能，全面的故障診斷功能；模塊式結(jié)構(gòu)可用于各處性能的擴(kuò)展，脈沖輸出晶閘管步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)；快速的指令處理大大縮短了循環(huán)周期，并采用了高速計(jì)數(shù)器，高速中斷處理可以分別響應(yīng)過(guò)程事件，大幅度降低了成本。由于電氣控制系統(tǒng)的可靠性日益受到人們的重視，一些公司己將自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)廣泛應(yīng)用到現(xiàn)有產(chǎn)品中，推出了高可靠性的冗余系統(tǒng)，并采用熱備用或并行工作、多數(shù)表決的工作方式。由于PLC的眾多優(yōu)點(diǎn)，使其

17、迅速在工業(yè)控制中得到推廣。雖然國(guó)內(nèi)PLC技術(shù)的應(yīng)用前景很大，并且取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，而相比之下，由于受經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平的限制，大多數(shù)企業(yè)在生產(chǎn)上使用的Z3040搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)，還是采用繼電器接觸器控制方式，而這種控制方式存在著明顯的缺陷和隱患，極易發(fā)生故障，而且由于線路復(fù)雜，要想找到問(wèn)題所在也相當(dāng)?shù)睦щy，和國(guó)外大量采用PLC技術(shù)替代繼電器接觸器系統(tǒng)相比，我們還存在很大差距。隨著PLC技術(shù)在我國(guó)的迅猛發(fā)展，我們和國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距會(huì)不斷縮小。因此，抓住這個(gè)有利時(shí)機(jī)進(jìn)一步促進(jìn)PLC技術(shù)的推廣與應(yīng)用，是提高我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平的迫切任務(wù)，此次對(duì)于Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)，就是希望

18、借鑒國(guó)外先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)，應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，以提高搖臂鉆床的工作性能。2 Z3040搖臂鉆床及傳統(tǒng)電氣控制原理分析2.1 Z3040搖臂鉆床簡(jiǎn)介鉆床是一種孔加工設(shè)備，可以用來(lái)鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、攻絲及修刮端面等多種形式的加工。按用途和結(jié)構(gòu)分類，鉆床可以分為立式鉆床、臺(tái)式鉆床、多孔鉆床、搖臂鉆床及其他專用鉆床等。在各類鉆床中，搖臂鉆床操作方便、靈活，適用范圍廣，具有典型性，特別適用于單件或批量生產(chǎn)帶有多孔大型零件的孔加工，是一般機(jī)械加工車間常見(jiàn)的機(jī)床。目前國(guó)內(nèi)較大的搖臂鉆床生產(chǎn)廠家主要有：沈陽(yáng)中捷機(jī)床、沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)、山東魯南精機(jī)、山東翔宇機(jī)床有限公司等。這些廠家都是生產(chǎn)歷史較長(zhǎng)，質(zhì)量可靠，有多年信

19、譽(yù)的老廠。2.2 Z3040搖臂鉆床的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)形式2.2.1 Z3040搖臂鉆床的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，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。圖2.1 搖臂鉆床結(jié)構(gòu)示意圖內(nèi)立柱固定在底座的一端，在他的外面套有外立柱，外立柱可繞內(nèi)立柱回轉(zhuǎn)360度。搖臂的一端為套筒，它套裝在外立柱做上下移動(dòng)。由于絲桿與外立柱連成一體，而升降螺母固定在搖臂上，因此搖臂不能繞外立柱轉(zhuǎn)動(dòng)， 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，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)、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(guò)手輪操作，使其在水平導(dǎo)軌上沿?fù)u臂移

20、動(dòng)。52.2.2 搖臂鉆床的運(yùn)動(dòng)形式圖2.2 運(yùn)動(dòng)過(guò)程流程圖在加工前，要根據(jù)搖臂鉆床當(dāng)前的位置進(jìn)行必要的調(diào)整，其包含的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖2.2所示，當(dāng)進(jìn)行加工時(shí)，由特殊的加緊裝置將主軸箱緊固在搖臂導(dǎo)軌上，而外立柱緊固在內(nèi)立柱上，搖臂緊固在外立柱上，然后進(jìn)行鉆削加工。鉆削加工時(shí)，鉆頭一邊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切削，一邊進(jìn)行縱向進(jìn)給，其運(yùn)動(dòng)形式為：主運(yùn)動(dòng)：主軸帶動(dòng)鉆頭刀具作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（主電動(dòng)機(jī)M1驅(qū)動(dòng)）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：主軸的上、下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（主電動(dòng)機(jī)M1驅(qū)動(dòng)）輔助運(yùn)動(dòng)：外立柱和搖臂一起繞內(nèi)立柱作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（手動(dòng)） 搖臂沿外立柱作升降運(yùn)動(dòng)（升降電動(dòng)機(jī)M2驅(qū)動(dòng)） 主軸箱沿?fù)u臂長(zhǎng)度方向徑向移動(dòng)（手動(dòng)） 外立柱與內(nèi)立柱、搖臂與外立柱、

21、主軸箱與搖臂間的夾緊與放松運(yùn)動(dòng)（液壓驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)M3拖動(dòng)）。 2.3 Z3040傳統(tǒng)控制線路原理分析我國(guó)原來(lái)生產(chǎn)的Z3040搖臂鉆床的主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和搖臂升降運(yùn)動(dòng)的操作是通過(guò)不能復(fù)位的十字開(kāi)關(guān)來(lái)操作的，它本身不具有欠壓和失壓保護(hù)。因此在主回路根據(jù)Z3040搖臂鉆床電氣控制要求，路中要用一個(gè)接觸器將三相電源引入。現(xiàn)在的Z3040搖臂鉆床取消了十字開(kāi)關(guān)，它的傳統(tǒng)電氣原理圖如圖2.3所示：圖2.3 Z3040搖臂鉆床傳統(tǒng)電氣控制原理圖2.3.1主電路分析三相電源U、V、W由電源開(kāi)關(guān)SA2控制，熔斷器FU1實(shí)現(xiàn)對(duì)全電路的短路保護(hù)（1區(qū)），熔斷器FU2作搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2、液壓電動(dòng)機(jī)M3和冷卻泵電動(dòng)機(jī)的短

22、路保護(hù)。從1區(qū)開(kāi)始就是主電路，主電路有4臺(tái)電動(dòng)機(jī)。 1） M1(1區(qū)) 是主軸電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)，是主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。它由KM1的主觸點(diǎn)控制，其控制線圈在7區(qū)。熱繼電器FR1做過(guò)載保護(hù)，其常閉觸點(diǎn)在7區(qū)。M1直接起動(dòng)，單向旋轉(zhuǎn)。主軸的正反轉(zhuǎn)由液壓系統(tǒng)和正反轉(zhuǎn)摩擦離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)，空檔，制動(dòng)及變速也由液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 2） M2(2區(qū)) 是搖臂升降電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)搖臂沿立柱的上下移動(dòng)。它由KM2、KM3的主觸點(diǎn)控制正反轉(zhuǎn)，其控制線圈分別在9、10區(qū)?？刂齐娐繁ＷC，在操縱搖臂升降時(shí)，首先使液壓泵電動(dòng)機(jī)起動(dòng)旋轉(zhuǎn)，供出壓力油，經(jīng)液壓系統(tǒng)將搖臂松開(kāi)，然后才使電動(dòng)機(jī) M2 起動(dòng)，拖動(dòng)搖臂上

23、升或下降。當(dāng)移動(dòng)到位后，保證 M2 先停下，再自動(dòng)通過(guò)液壓系統(tǒng)將搖臂夾緊，最后液壓泵電機(jī)才停下。電動(dòng)機(jī)M2是短時(shí)運(yùn)行，因此不需要過(guò)載保護(hù)。 3） M3(3區(qū)) 是液壓泵電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)液壓泵送出壓力油以實(shí)現(xiàn)搖臂的松開(kāi)、夾緊和主軸箱與立柱的松開(kāi)、夾緊控制。它由KM4、KM5的主觸點(diǎn)控制其正反轉(zhuǎn),控制線圈分別在11、12區(qū)。熱繼電器FR2作過(guò)載保護(hù)，其常閉觸點(diǎn)在11區(qū)。 4） M4（4區(qū)）是冷卻泵電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)冷卻泵供給工件冷卻液。由于M4容量較小，因此不需要過(guò)載保護(hù)，由轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA3直接控制。M4直接起動(dòng)，單向旋轉(zhuǎn)。 2.3.2信號(hào)及照明電路分析通過(guò)控制變壓器TC（5區(qū)）降壓，分別得到照明電路安全電壓

24、36V、指示燈電路電壓6V和控制電路電壓110V。（1）照明電路中，照明燈EL由主令控制開(kāi)關(guān)SA1控制，由控制變壓器TC供給24V安全電壓。（2）在指示燈回路中，指示燈HL1燈亮表示主軸箱和立柱同時(shí)處于放松狀態(tài)，可以手動(dòng)操作主軸箱移動(dòng)手輪，使主軸箱沿?fù)u臂水平導(dǎo)軌移動(dòng)或者推動(dòng)搖臂連同外立柱繞內(nèi)立柱回轉(zhuǎn)；指示燈HL2燈表示主軸箱和立柱同時(shí)處于夾緊狀態(tài)，HL2亮表示主軸箱已夾緊在搖臂上，搖臂連同外立柱夾緊在內(nèi)立柱上，可以進(jìn)行鉆孔加工，這兩只指示燈分別由行程開(kāi)關(guān)SQ4的常閉、常開(kāi)觸頭控制。HL3為主軸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)指示燈，HL3亮表示主軸電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)工作，由接觸器KM1的常開(kāi)輔助觸頭控制。2.3

25、.3控制電路分析2.3.3.1主軸電動(dòng)機(jī)的控制在主軸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前，首先將自動(dòng)開(kāi)關(guān)SA2扳到接通位置，電源指示燈亮。當(dāng)按下按鈕SB1時(shí)，交流接觸器KM1線圈通電并自鎖使主軸電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)主軸電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的指示燈HL3亮。主軸的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)用手柄通過(guò)機(jī)械變換的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。其主軸控制流程圖如圖2.4所示：圖2.4 主軸控制流程示意圖2.3.3.2搖臂的升降控制搖臂鉆床搖臂的升降由M2作動(dòng)力，SB3和SB4分別為搖臂升、降的點(diǎn)動(dòng)按鈕，由SB3、SB4和KM2、KM3組成雙重鎖定的M2正反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)控制電路。因?yàn)閾u臂平時(shí)是夾緊在外立柱上的，搖臂在升降之前，要先把搖臂松開(kāi)，再由M2驅(qū)動(dòng)升降；搖臂上升到位后再重新

26、將它夾緊。而搖臂的松、緊是由液壓系統(tǒng)完成的；在電磁閥YA線圈通電吸合的條件下，液壓泵電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，正向供出壓力油進(jìn)入搖臂的松開(kāi)油腔，推動(dòng)松開(kāi)機(jī)構(gòu)使搖臂松開(kāi)，搖臂松開(kāi)后，行程開(kāi)關(guān)SQ2動(dòng)作、SQ3復(fù)位；若M3反轉(zhuǎn)，則反向供出壓力油進(jìn)入搖臂的夾緊油腔，推動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)使搖臂夾緊，搖臂夾緊后，行程開(kāi)關(guān)SQ3動(dòng)作，SQ2復(fù)位。因此，搖臂升降的電氣控制要與松緊機(jī)構(gòu)液壓-機(jī)械系統(tǒng)(M3與YA)的控制配合進(jìn)行的。6其升降過(guò)程如下：搖臂上升流程示意圖：圖2.5 搖臂上升流程示意圖如圖2.5所示，當(dāng)搖臂上升時(shí)，按下按鈕SB3，時(shí)間繼電器KT線圈通電，KT常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，繼而接觸器KM4通電閉合，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3正轉(zhuǎn)，拖

27、動(dòng)液壓泵送出壓力油；同時(shí)KT的常開(kāi)斷電延時(shí)觸頭KT閉合，電磁閥YA線圈通電，液壓泵送出的壓力油經(jīng)二位六通閥進(jìn)入搖臂夾緊機(jī)構(gòu)的松開(kāi)油腔，推動(dòng)活塞和菱形塊將搖臂松開(kāi)。搖臂松開(kāi)時(shí)，活塞桿通過(guò)彈簧片壓下行程開(kāi)關(guān)SQ2，而行程開(kāi)關(guān)SQ3復(fù)位，發(fā)出搖臂松開(kāi)信號(hào)，即常開(kāi)觸點(diǎn)SQ2閉合，常閉觸點(diǎn)SQ2斷開(kāi)，后者使KM4線圈失電，接觸器KM4斷開(kāi)，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3停轉(zhuǎn)，液壓泵停止供油，搖臂維持在松開(kāi)狀態(tài)，前者使接觸器KM2通電閉合，搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)搖臂上升。當(dāng)搖臂上升到一定高度時(shí)，松開(kāi)按鈕SB3，接觸器KM2、時(shí)間繼電器KT同時(shí)斷電，搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2依慣性旋轉(zhuǎn)直到停轉(zhuǎn)，搖臂停止上升。而KT的常開(kāi)斷

28、電延時(shí)觸頭KT經(jīng)延時(shí)3s后才斷開(kāi)，常閉斷電延時(shí)觸頭KT同樣延時(shí)3s后才閉合。在延時(shí)過(guò)程中，接觸器KM5任處于斷電狀態(tài)，這段延時(shí)確保了搖臂電動(dòng)機(jī)在斷開(kāi)電源后直到完全停止運(yùn)轉(zhuǎn)才開(kāi)始搖臂夾緊動(dòng)作。當(dāng)KT延時(shí)時(shí)間到后，常閉斷電延時(shí)觸頭KT閉合，KM5線圈通電，接觸器KM5觸頭閉合，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3反轉(zhuǎn)，液壓泵送出壓力油，壓力油經(jīng)二位六通閥進(jìn)入搖臂夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊油腔，反向推動(dòng)活塞和菱形塊將搖臂夾緊，活塞桿通過(guò)彈簧片壓下行程開(kāi)關(guān)SQ3，其常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，發(fā)出搖臂夾緊信號(hào)，YA線圈斷電，KM5線圈斷電，M3停止旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)搖臂夾緊，上升結(jié)束。搖臂下降示意圖：圖2.6 搖臂下降流程示意圖如圖2.6所示，當(dāng)需要搖臂

29、下降時(shí)，按下按鈕SB4，時(shí)間繼電器KT通電閉合，繼而接觸器KM4通電閉合，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3正轉(zhuǎn)，供給機(jī)床正向液壓油松開(kāi)搖臂。搖臂松開(kāi)后，行程開(kāi)關(guān)SQ2被壓下，行程開(kāi)關(guān)SQ3被復(fù)位閉合，即常開(kāi)觸點(diǎn)SQ2閉合，常閉觸點(diǎn)SQ2斷開(kāi)，繼而接觸器KM4斷開(kāi)，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3停轉(zhuǎn)，接觸器KM3通電閉合，搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)搖臂下降。當(dāng)搖臂下降到一定高度時(shí)，松開(kāi)按鈕SB4，接觸器KM3、時(shí)間繼電器KT失電釋放，搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2停轉(zhuǎn)，接觸器KM5通電閉合，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3反轉(zhuǎn)供給機(jī)床反向壓力油夾緊搖臂。搖臂夾緊后，行程開(kāi)關(guān)SQ2復(fù)位，SQ3斷開(kāi)，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3停止反轉(zhuǎn)，完成搖臂下降的控制過(guò)程。 由

30、此可知，搖臂松開(kāi)由行程開(kāi)關(guān)SQ2發(fā)出信號(hào)，而搖臂夾緊由行程開(kāi)關(guān)SQ3發(fā)出信號(hào)。由于夾緊機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，搖臂夾不緊，或者因SQ3的位置不當(dāng)在搖臂已夾緊后SQ3仍不能動(dòng)作，則SQ3的常閉觸點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間不能斷開(kāi)，使液壓泵電動(dòng)機(jī)M3出現(xiàn)長(zhǎng)期過(guò)載，因此，M3設(shè)置熱繼電器FR進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。搖臂升降的限位保護(hù)由開(kāi)關(guān)SQ1實(shí)現(xiàn)，SQ1有兩對(duì)常閉觸點(diǎn)一對(duì)實(shí)現(xiàn)上限保護(hù)，一對(duì)實(shí)現(xiàn)下限保護(hù)。2.3.3.3主軸箱與立柱的松、緊控制 該傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)中，主軸箱與立柱的夾緊與松開(kāi)是同時(shí)進(jìn)行的。其流程示意圖如下：圖2.7主軸箱與立柱的松、緊控制流程示意圖如圖2.7所示，當(dāng)按下SB5時(shí)，接觸器KM4線圈通電，液壓泵電動(dòng)機(jī)

31、正轉(zhuǎn)，拖動(dòng)液壓泵送出壓力油，這時(shí)電磁閥YA線圈處于斷電狀態(tài)，壓力油經(jīng)二位六通閥進(jìn)入主軸箱與立柱松開(kāi)油腔，推動(dòng)活塞和菱形塊，使主軸箱與立柱松開(kāi)。由于YA線圈斷電，壓力油不能進(jìn)入搖臂松開(kāi)油腔，搖臂仍處于夾緊狀態(tài)。當(dāng)主軸箱與立柱松開(kāi)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)SQ4沒(méi)有受壓，常閉觸點(diǎn)SQ4閉合，指示燈HL1亮，表示主軸箱與立柱松開(kāi)。這時(shí)可以手動(dòng)操作主軸箱在搖臂水平導(dǎo)軌上做徑向移動(dòng)，也可推動(dòng)搖臂使外立柱繞內(nèi)立柱做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)到位后，按下按鈕SB6，接觸器KM5線圈通電，M3反轉(zhuǎn)，拖動(dòng)液壓泵送出壓力油至夾緊油腔，使主軸箱與立柱夾緊。當(dāng)確已夾緊時(shí)，壓下行程開(kāi)關(guān)SQ4，常開(kāi)觸點(diǎn)SQ4閉合，指示燈HL2亮，而常閉觸點(diǎn)SQ

32、4斷開(kāi)，指示燈HL1滅，指示主軸箱與立柱夾緊，可以進(jìn)行鉆削加工。2.4聯(lián)鎖和保護(hù)環(huán)節(jié)2.4.1 聯(lián)鎖環(huán)節(jié)（1）按鈕、接觸器聯(lián)鎖在搖臂升降電路中，除了采用按鈕SB3和SB4的機(jī)械聯(lián)鎖外，還采用了接觸器KM2和KM3的電氣聯(lián)鎖，即對(duì)搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2實(shí)現(xiàn)了正反轉(zhuǎn)復(fù)合聯(lián)鎖。在液壓泵電動(dòng)機(jī)M3的正反轉(zhuǎn)控制電路中，接觸器KM4和KM5采用了電氣聯(lián)鎖，在主軸箱和立柱的夾緊、放松電路中，為保證壓力油不供給搖臂夾緊油路，將按鈕SB5和SB6的常閉觸頭串聯(lián)在電磁閥YA線圈的電路中，以達(dá)到聯(lián)鎖目的。（2） 限位聯(lián)鎖在搖臂升降電路中，行程開(kāi)關(guān)SQ2是搖臂放松到位的信號(hào)開(kāi)關(guān)，其常開(kāi)觸頭串聯(lián)在接觸器KM2、KM3線圈中

33、，它在搖臂完全放松到位后才動(dòng)作閉合，以確保搖臂的升降在其放松運(yùn)動(dòng)后進(jìn)行。行程開(kāi)關(guān)SQ3是搖臂夾緊到位的信號(hào)開(kāi)關(guān)，它在完全夾緊時(shí)動(dòng)作，其常閉觸頭串聯(lián)在接觸器KM5線圈、電磁鐵YA線圈電路中。如果搖臂未夾緊，則行程開(kāi)關(guān)SQ3的常閉觸頭閉合保持原狀，使得接觸器KM5線圈、電磁鐵YA線圈通電，對(duì)搖臂進(jìn)行夾緊，知道完全夾緊為止，行程開(kāi)關(guān)SQ3的常閉觸頭才斷開(kāi)，切斷接觸器KM5線圈、電磁鐵YA線圈，確保鉆削加工精度。（2） 時(shí)間聯(lián)鎖通過(guò)時(shí)間繼電器KT延時(shí)斷開(kāi)的常開(kāi)觸頭和延時(shí)閉合的常閉觸頭，時(shí)間繼電器KT能保證在搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2完全停止后，才能進(jìn)行搖臂的夾緊動(dòng)作，時(shí)間繼電器KT的延時(shí)長(zhǎng)短由搖臂升降電動(dòng)機(jī)M

34、2從切斷電源到停止的慣性大小來(lái)決定。72.4.2 保護(hù)環(huán)節(jié)（1）短路保護(hù) 在主電路中，利用熔斷器FU1作總電路和電動(dòng)機(jī)M1、M4的短路保護(hù)，利用熔斷器FU2作電動(dòng)機(jī)M2、M3和控制變壓器T一次側(cè)的短路保護(hù)，在控制電路中，利用熔斷器FU3作照明回路的短路保護(hù)。（2）過(guò)載保護(hù) 在主電路中，利用熱繼電器FR1作主軸電動(dòng)機(jī)M1的過(guò)載保護(hù)，利用熱繼電器FR2作液壓泵電動(dòng)機(jī)M3的過(guò)載保護(hù)。如果由于液壓系統(tǒng)的夾緊機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障不能夾緊，那么行程開(kāi)關(guān)SQ3的觸頭將斷不開(kāi)，或者由于行程開(kāi)關(guān)SQ3安裝調(diào)整不當(dāng)，搖臂夾緊后仍不能壓下行程開(kāi)關(guān)SQ3，這時(shí)都會(huì)使液壓泵電動(dòng)機(jī)M3處于長(zhǎng)期過(guò)載狀態(tài)，易將M3燒毀。M2為短時(shí)工

35、作，不用設(shè)長(zhǎng)期過(guò)載保護(hù)。（3）限位保護(hù) 搖臂升降的極限位置保護(hù)由組合行程開(kāi)關(guān)SQ1來(lái)實(shí)現(xiàn)。行程開(kāi)關(guān)SQ1有兩對(duì)常閉觸頭，他們分別串聯(lián)在搖臂升降控制電路接點(diǎn)中，當(dāng)搖臂上升或下降帶極限位置時(shí)相應(yīng)觸頭動(dòng)作，切斷與其對(duì)應(yīng)的上升或下降接觸器KM2和KM3，使搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2停止旋轉(zhuǎn)，搖臂停止升降，實(shí)現(xiàn)極限位置保護(hù)。（4）失壓（欠壓）保護(hù) 主軸電動(dòng)機(jī)M1采用按鈕與自保護(hù)控制方式，具有失壓保護(hù)，各接觸器線圈自身亦具有欠電壓保護(hù)功能。2.5 液壓系統(tǒng)該機(jī)床采用先進(jìn)的液壓技術(shù)，具有兩套液壓控制系統(tǒng)：一套是操縱機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)，由主軸電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)齒輪泵輸送壓力油，通過(guò)操縱機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主軸正/反轉(zhuǎn)、停車制動(dòng)、空擋、預(yù)選與變

36、速；另一套由液壓泵電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)液壓泵輸送壓力油，實(shí)現(xiàn)搖臂的夾緊與放松，主軸箱和立柱的夾緊與松開(kāi)。2.5.1操縱機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)該系統(tǒng)壓力油由主軸電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)齒輪泵送出，由主軸操作手柄來(lái)改變兩個(gè)操縱閥的相互位置，使壓力油作不同的分配，獲得不同動(dòng)作。操作手柄有上、下、里、外和中間五個(gè)空間位置。其中上為“空擋”，下為“變速”，外為“正轉(zhuǎn)”，里為“反轉(zhuǎn)”，中間位置為“停車”。而主軸轉(zhuǎn)速及主軸進(jìn)給量各由一個(gè)按鈕預(yù)選，然后再操作主軸手柄。主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，首先按下主軸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)按鈕，主軸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)，拖動(dòng)齒輪泵，送出壓力油。然后操縱主軸手柄，扳至所需轉(zhuǎn)向位置（里或外），于是兩個(gè)操縱閥相互位置改變，使一股壓力油將制動(dòng)摩

37、擦離合器松開(kāi)，為主軸旋轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件；另一股壓力油壓緊正轉(zhuǎn)（或反轉(zhuǎn)）摩擦離合器，接通主軸電動(dòng)機(jī)到主軸的傳動(dòng)鏈，驅(qū)動(dòng)主軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。在主軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的過(guò)程中，可轉(zhuǎn)動(dòng)變速按鈕，改變主軸轉(zhuǎn)速或主軸進(jìn)給量。主軸停車時(shí)，將操作手柄扳回至中間位置，這時(shí)主軸電動(dòng)機(jī)仍拖動(dòng)齒輪泵旋轉(zhuǎn)，但此時(shí)整個(gè)液壓系統(tǒng)為低壓油，無(wú)法松開(kāi)制動(dòng)摩擦離合器，而在制動(dòng)彈簧作用下將制動(dòng)摩擦離合器壓緊，使制動(dòng)軸上的齒輪不能轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主軸停車。因此主軸停車時(shí)主軸電動(dòng)機(jī)仍在旋轉(zhuǎn)，只是不能將動(dòng)力傳到主軸。主軸變速與進(jìn)給變速：將主軸操作手柄扳至“變速位置”，于是改變兩個(gè)操縱閥的相互位置，使齒輪泵送出的壓力油進(jìn)入主軸轉(zhuǎn)速預(yù)選閥和主軸進(jìn)給量預(yù)選閥，然后進(jìn)

38、入各變速油缸。變速液壓缸為差動(dòng)液壓缸，具體哪個(gè)液壓缸上腔進(jìn)壓力油或回油，視所選擇主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量大小。與此同時(shí)，另一油路系統(tǒng)推動(dòng)拔叉緩慢移動(dòng)，逐漸壓緊主軸轉(zhuǎn)速摩擦離合器，接通主軸電動(dòng)機(jī)到主軸的傳動(dòng)鏈，帶動(dòng)主軸緩慢移動(dòng)，稱為緩速，以利于齒輪的順利嚙合。當(dāng)變速完成，松開(kāi)操作手柄，此時(shí)手柄在彈簧作用下由“變速”位置自動(dòng)復(fù)位到主軸“停車”位置，然后再操縱主軸正反轉(zhuǎn)，主軸將在新的轉(zhuǎn)速或進(jìn)給量下工作。主軸空擋：當(dāng)操作手柄扳向“空擋”位置，這時(shí)壓力油使主軸傳動(dòng)中的滑移齒輪處于中間脫開(kāi)位置。這時(shí)，可用手輕便地轉(zhuǎn)動(dòng)主軸。82.5.2 夾緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)主軸箱、內(nèi)外立柱和搖臂的夾緊與松開(kāi)，是由液壓泵電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)液壓泵

39、送出壓力油，推動(dòng)活塞、菱形塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中主軸箱和立柱的夾緊放松由一個(gè)油路控制，而搖臂的夾緊放松因要與搖臂的升降運(yùn)動(dòng)構(gòu)成自動(dòng)循環(huán)，因此由另一個(gè)油路來(lái)控制。這兩個(gè)油路均由電磁閥操縱。夾緊結(jié)構(gòu)液壓圖如圖2.8所示。910圖2.8 夾緊結(jié)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖控制搖臂松開(kāi)時(shí)，電磁閥YA線圈通電，液壓泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)正轉(zhuǎn)，拖動(dòng)液壓泵送出正向壓力油經(jīng)該夾緊機(jī)構(gòu)將搖臂放松。控制搖臂夾緊時(shí)，電磁閥YA線圈仍通電，液壓泵電動(dòng)機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，拖動(dòng)液壓泵電動(dòng)機(jī)送出反向壓力油經(jīng)該夾緊機(jī)構(gòu)將搖臂夾緊。搖臂完全夾緊后，YA線圈斷電，為保證搖臂在加工工件前總是處于夾緊狀態(tài)，電磁閥YA線圈始終保持?jǐn)嚯姞顟B(tài)。主軸箱、立柱松緊控制是同時(shí)進(jìn)行

40、的，此時(shí)電磁閥YA線圈斷電?？刂浦鬏S箱、立柱松開(kāi)時(shí)，啟動(dòng)液壓泵電動(dòng)機(jī)M3，M3正轉(zhuǎn)，拖動(dòng)液壓泵送出正向壓力油經(jīng)該夾緊機(jī)構(gòu)將主軸箱和立柱分別實(shí)現(xiàn)放松?？刂浦鬏S箱、立柱夾緊時(shí)，起動(dòng)液壓泵電動(dòng)機(jī)M3，M3反轉(zhuǎn)，拖動(dòng)液壓泵送出反向壓力油經(jīng)該夾緊機(jī)構(gòu)將主軸箱和立柱分別實(shí)現(xiàn)夾緊。電磁閥YA線圈通電情況如表2.1所示。表2.1二位六通電磁閥工作表動(dòng) 作YA通電YA斷電搖臂松開(kāi)+-搖臂夾緊+-搖臂上升+-搖臂下降+-主軸箱、立柱松開(kāi)-+主軸箱、立柱夾緊-+3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)自二十世紀(jì)六十年代美國(guó)推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以

41、來(lái)，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，PLC的功能也不斷完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開(kāi)關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。10可編程控制器( PLC) 是以微處理器為核心的一種新型工業(yè)控制裝置, 它具有體積小、功能強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn), 特別是它的抗干擾性能強(qiáng), 已成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。11目前, 在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中, 由于液壓系統(tǒng)能提供較大的驅(qū)動(dòng)力, 且運(yùn)動(dòng)傳遞平衡、均勻、可靠及控制方便, 因而

42、被廣泛應(yīng)用于機(jī)床設(shè)備中, 而把液壓系統(tǒng)與PLC 控制結(jié)合起來(lái), 即可實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動(dòng)化。傳統(tǒng)繼電器控制方式，由于電路接線復(fù)雜，觸點(diǎn)多，噪音大，可靠性差，故障診斷與排除困難等缺點(diǎn)，編程復(fù)雜，不直觀，不易讀懂。而采用PLC控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)信號(hào)處理時(shí)間短，運(yùn)行速度快，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。(2)所有的I/O輸入輸出信號(hào)均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與控制器內(nèi)部電路之間電氣上隔離；各模塊均采用屏蔽措施，以防止噪聲干擾；良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采取有效措施，以防止故障擴(kuò)大，因此具有很高的可靠性。(3)I/O卡件種類豐富，可根據(jù)自控工程實(shí)現(xiàn)功能要求不同，而

43、進(jìn)行不同的配置，系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單靈活。(4)控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)。(5)質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，性價(jià)比高，安裝簡(jiǎn)單，維修方便。綜合兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，采用PLC控制更能合理地對(duì)Z3040搖臂鉆床進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)總體方案如圖3.1所示。圖3.1 系統(tǒng)改造方案圖4 基于PLC的Z3040電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象（生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程）的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此在設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則：(1)最大限度的滿足被控對(duì)象的控制要求。設(shè)計(jì)前應(yīng)深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查研究，搜集資料并于機(jī)械部分的設(shè)計(jì)人員和實(shí)際操作人員密切配合，共同擬定電氣

44、控制方案，協(xié)同解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。(2)在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用，維修方便。(3)保證控制系統(tǒng)的安全、可靠。(4)考慮到生產(chǎn)發(fā)展和工藝的改進(jìn)，在選擇PLC容量時(shí)，應(yīng)適當(dāng)留有余量。12 4.2 電氣控制部分4.2.1 電氣控制主電路本次設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的是PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器對(duì)搖臂鉆床進(jìn)行電氣控制，所以主電路基本不變，重點(diǎn)根據(jù)控制要求對(duì)控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，所用到的四臺(tái)電動(dòng)機(jī)的控制線路如圖4.1所示，主軸電動(dòng)機(jī)（M1）和液壓泵電動(dòng)機(jī)（M3）的旋轉(zhuǎn)，搖臂升降電動(dòng)機(jī)（M2)正反轉(zhuǎn)均由接觸器控制，而冷卻泵電動(dòng)機(jī)（M4）由轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制， M1、M3設(shè)置長(zhǎng)期過(guò)載

45、保護(hù)。圖4.1 Z3040搖臂鉆床主電路圖4.2.2 電機(jī)控制（1）直接啟動(dòng)四臺(tái)三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)按加工順序的需要均采用直接啟動(dòng)，直接啟動(dòng)是一種簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)的啟動(dòng)方法，但由于直接啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流Ist為額定電流In的47倍，過(guò)大的啟動(dòng)電流一方面會(huì)造成電網(wǎng)電壓顯著下降，直接影響同一電網(wǎng)工作的其他電動(dòng)機(jī)及用電設(shè)備正常運(yùn)行，另一方面電動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱，加速線圈老化，縮短電動(dòng)機(jī)的壽命，所以直接啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的容量受到一定的限制，一般容量不超過(guò)10KW的電動(dòng)機(jī)采用直接啟動(dòng)。13圖3.1所示為接觸器控制的電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)控制線路。（2）正反轉(zhuǎn)控制從電機(jī)原理中得知，改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的電源相序，

46、就可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的改變。液壓泵電動(dòng)機(jī)通過(guò)兩個(gè)接觸器改變電源相序來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制。搖臂升降電動(dòng)機(jī)通過(guò)兩個(gè)接觸器改變電源相序來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制?？赡孢\(yùn)行控制線路實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)方向相反的單項(xiàng)運(yùn)行線路的組合。4.3 PLC的I/O端口分配表 跟據(jù)輸入輸出口的數(shù)量，進(jìn)行I/O點(diǎn)的端口分配，如下（表4.1、表4.2）所示：表4.1 輸入信號(hào)端口I/O分配表符號(hào)地址名稱SQ1-1X0搖臂上升限位開(kāi)關(guān)SQ1-2X1搖臂下降限位開(kāi)關(guān)SQ2X2搖臂松開(kāi)行程開(kāi)關(guān)SQ3X3搖臂夾緊行程開(kāi)關(guān)SQ4X4主軸箱和立柱松緊行程開(kāi)關(guān)SB1X5M1的停機(jī)按鈕SB2X6M1的啟動(dòng)按鈕SB3X7搖臂上升按鈕SB4X10

47、搖臂下降按鈕SB5X11控制主軸箱和立柱松開(kāi)按鈕SB6X12控制主軸箱和立柱夾緊按鈕FR1X13M1熱繼電器FR2X14M3熱繼電器表4.2 輸出入信號(hào)端口I/O分配表符號(hào)地址名稱KM1Y0M1接觸器KM2Y1M2正轉(zhuǎn)接觸器KM3Y2M2反轉(zhuǎn)接觸器KM4Y3主軸箱和立柱松開(kāi)M3接觸器KM5Y4主軸箱和立柱夾緊M3接觸器YAY5電磁閥HL1Y6主軸箱和立柱松開(kāi)指示燈HL2Y7主軸箱和立柱夾緊指示燈HL3Y10M1工作指示燈4.4 基于PLC的Z3040搖臂鉆床電氣控制原理圖設(shè)計(jì)根據(jù)I/O點(diǎn)的端口分配表，設(shè)計(jì)出基于PLC的Z3040搖臂鉆床電氣控制原理圖，如圖4.2所示，圖中X0、X1、X2、X3

48、、X4、X5、X6、X7、X10、X11、X12、X13、X14共用一個(gè)COM端，輸入開(kāi)關(guān)的其中一端并接在直流24V電源上，另一端應(yīng)分別接入相應(yīng)的PLC輸入端子上。接線時(shí)注意PLC輸入/輸出COM端子的極性。接觸器的線圈工作電壓若為交流110V，則接觸器線圈連接的Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5可以共用一個(gè)COM1端。信號(hào)燈電源電壓為6V，因此Y6、Y7、Y10、可以共用一個(gè)COM2端。 4.5 主要電氣元件選型 合理地選用各種電器元件，不但經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，還可保證控制線路安全、工作可靠，所以對(duì)元器件的選型非常重要。4.5.1 PLC的型號(hào)選擇 發(fā)展至今，PLC的種類繁多，如西門子、ABB、松下、

49、三菱等系列PLC，選擇本設(shè)計(jì)的PLC機(jī)型，主要要考慮PLC的結(jié)構(gòu)、PLC的功能、PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)、PLC的存儲(chǔ)容量及I/O點(diǎn)數(shù)（模塊）。（1）PLC的結(jié)構(gòu)。PLC的結(jié)構(gòu)要合理，按照結(jié)構(gòu)，PLC分為整體式、模塊式和疊裝式。整體式的每一I/O點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式便宜，所以小型電氣控制系統(tǒng)一般使用整體式可編程控制器。而此次所設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)屬于小型開(kāi)關(guān)量電氣控制系統(tǒng)，沒(méi)有特殊的控制任務(wù)，整體式PLC完全可以滿足控制要求，且在性能相同的情況下，整體式PLC較模塊式和疊裝式PLC價(jià)格便宜，因此，Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的PLC選用整體式結(jié)構(gòu)的PLC14。 （2）PLC的功能。由于Z3040搖

50、臂鉆床電氣控制是開(kāi)關(guān)控制，且控制速度要求不高，考慮到任何一種PLC都可以滿足開(kāi)關(guān)量電氣控制系統(tǒng)的要求，據(jù)此本設(shè)計(jì)課題將盡量采用價(jià)格便宜的PLC。 （3）PLC輸入輸出點(diǎn)數(shù)。如表3-1和表3-2所示，在Z3040搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)中，按鈕6個(gè)、行程開(kāi)關(guān) 5個(gè)、繼電器2個(gè)，共計(jì)13個(gè)；接觸器 5 個(gè)、電磁鐵 1 個(gè)，指示燈 3 個(gè)，共計(jì)9個(gè)，則需要13個(gè)輸入口和9個(gè)輸出口，而PLC的實(shí)際輸入點(diǎn)數(shù)應(yīng)等于或大于所需輸入點(diǎn)數(shù)13，PLC的實(shí)際輸出點(diǎn)數(shù)應(yīng)等于或大于所需輸出點(diǎn)數(shù)9，統(tǒng)計(jì)出實(shí)際I/O點(diǎn)數(shù)后，在條件許可的情況下，再盡可能留10%-20%的裕量，以防以后系統(tǒng)方案的修改或功能的擴(kuò)展。（3） PL

51、C的存儲(chǔ)容量。在選擇存儲(chǔ)容量時(shí)，一般要按實(shí)際需要考慮25%-30%裕量。存儲(chǔ)器的容量的選擇有兩種方法。一種是根據(jù)編程實(shí)際使用的節(jié)點(diǎn)數(shù)計(jì)算，這種方法可精確地計(jì)算出存儲(chǔ)器實(shí)際使用容量，缺點(diǎn)是要編完程序之后才能計(jì)算。而一般采用的是估算法，PLC存儲(chǔ)器容量的估算：對(duì)于僅有開(kāi)關(guān)量輸入/輸出信號(hào)的電氣控制系統(tǒng)，則按公式（4.1）計(jì)算。M=Km*(10*DI+10*DO) （4.1）其中M表示存儲(chǔ)器容量、DI表示開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)數(shù)、DO表示開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)數(shù)，Km表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)所占存儲(chǔ)器字節(jié)數(shù)。那么對(duì)本設(shè)計(jì)而言，所需PLC存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量即M=（10*13+10*9）=220Byte（5）輸入輸出模塊。不同的I/O模

52、塊，其電路和性能不同，它直接影響了PLC的應(yīng)用范圍和價(jià)格，根據(jù)實(shí)際需要合理選擇。a、輸入模塊。輸入模塊的種類，按電壓分類DC5V、DC12V、DC24V、DC48V、DC60V和AC110V或AC220V。對(duì)于開(kāi)關(guān)量輸入模塊而言，有直流、交流、交/直流輸入三種類型。選擇時(shí)主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)因素和環(huán)境因素等。直流輸入電路的延遲時(shí)間較短，可以直接與接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)等電子輸入裝置連接。交流輸入方式的觸點(diǎn)接觸可靠，適合于在有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境下使用。由于Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的工作環(huán)境并不惡劣，且對(duì)電氣控制系統(tǒng)操作人員來(lái)說(shuō)直流低電壓較AC110V電壓安全些，一般選擇DC24V16。因此，本設(shè)計(jì)的

53、PLC輸入模塊應(yīng)選直流輸入模塊，輸入電壓應(yīng)為DC24V。b、輸出入模塊。PLC輸出模塊按輸出方式不同分為繼電器型、晶體管型和雙向可控硅型三種。繼電器型輸出模塊價(jià)格便宜，輸出電壓適應(yīng)范圍大，導(dǎo)通電壓小，承受瞬間過(guò)電壓和過(guò)電流的能力較強(qiáng)，每一點(diǎn)的輸出容量較大（可達(dá)2A）,在同一時(shí)間內(nèi)對(duì)導(dǎo)通的輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)較高，一般應(yīng)小于總點(diǎn)數(shù)的60%，但其動(dòng)作速度慢，觸點(diǎn)容易損壞，壽命有一定的限制。晶體管型與雙向可控硅型輸出模塊都屬于無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)輸出，分別用于直流負(fù)載和交流負(fù)載，它們的可靠性高，反應(yīng)帶寬快，常用于通斷率頻繁的感性負(fù)載，但其不能承受感性負(fù)載在斷開(kāi)時(shí)較高的反壓，需另行采取抑制措施，且過(guò)載能力差，每1點(diǎn)的輸

54、出量只有0.5A，4點(diǎn)同時(shí)輸出的總?cè)萘坎坏贸^(guò)2A17。由于Z3040搖臂鉆床對(duì)PLC輸出點(diǎn)的動(dòng)作表達(dá)速度要求不高，繼電器型輸出模塊的動(dòng)作速度完全能夠滿足要求，且每一點(diǎn)的輸出容量較大，在同一時(shí)間內(nèi)對(duì)允許導(dǎo)通的輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)也不是很多，這就很方便進(jìn)行設(shè)計(jì)。所以本設(shè)計(jì)選用繼電器輸出模塊，結(jié)合Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的實(shí)際情況，需要輸入點(diǎn)數(shù)大于13個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)大于9個(gè)，且還要外加10%-20%的裕量即可。綜上所述，為了使Z3040搖臂鉆床在改造后能夠良好工作，再考慮本設(shè)計(jì)PLC型號(hào)的局限，確認(rèn)日本三菱公司生產(chǎn)的FXOS系列PLC，型號(hào)為FXOS- 30MR的PLC就能夠滿足上述要求，該型PLC具

55、有本設(shè)計(jì)所需的指令功能，其總輸入點(diǎn)數(shù)為16點(diǎn)，總輸出點(diǎn)數(shù)為14點(diǎn)，輸入模塊電壓為DC24V，輸出模塊為繼電器型。該類型號(hào)PLC結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，性價(jià)比也比較高，功能功能完善，具有很強(qiáng)的抗干擾能力和負(fù)載能力，且可以直接和編程器或計(jì)算機(jī)連接，使用非常方便。4.5.2 電動(dòng)機(jī)選型Z3040搖臂鉆床的主軸電動(dòng)機(jī)采用Y100L2-4型，額定電壓AC380V，額定電流為6.8A，功率為3KW，轉(zhuǎn)速為1400r/min的三相異步電動(dòng)機(jī)。搖臂升降電動(dòng)機(jī)采用Y90L-4型，額定電壓380V，額定電流為3.7A，功率為1.5KW，轉(zhuǎn)速1400r/min的三相異步電動(dòng)機(jī)，液壓泵電動(dòng)機(jī)采用Y802-4型，額定

56、電壓380V，額定電流為2.7A，功率為0.75KW，轉(zhuǎn)速1390r/min的三相異步電動(dòng)機(jī)。冷卻泵電動(dòng)機(jī)采用AB-25型為0.09kW，轉(zhuǎn)速2800r/min的三相異步電動(dòng)機(jī)。4.5.3 主令電器選型 （1)按鈕選擇 按鈕通常是用來(lái)短時(shí)接通和斷開(kāi)小電流控制電路的一種主令電器。按用途和結(jié)構(gòu)分為啟動(dòng)按鈕、停止按鈕和復(fù)合按鈕。在選用的按鈕時(shí)，要考慮按鈕的觸點(diǎn)對(duì)數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、顏色以及是否需要帶指示燈等條件18。按鈕的額定電壓有交流380V，直流220V，額定電流為5A，其常見(jiàn)的型號(hào)為L(zhǎng)A2、LA10、LA19及LA20等系列，本設(shè)計(jì)根據(jù)需要選用型號(hào)LA19系列的按鈕，其主要參數(shù)如表4.3所示。根據(jù)控制需要，選用6個(gè)型號(hào)為L(zhǎng)A19系列的按鈕，其中一個(gè)為停止按鈕，兩個(gè)為點(diǎn)動(dòng)按鈕，三個(gè)需帶指示燈（兩個(gè)綠色，一個(gè)黃色），觸點(diǎn)數(shù)一常開(kāi)一常閉，而控制回路采用的是交流電，再參考LA19系列按鈕的主要技術(shù)參數(shù)則選用額定電壓為交流380V，額定電流為5A，型號(hào)為L(zhǎng)A19-11