搖臂鉆床PLC電氣控制系統(tǒng)設計

1、摘 要本設計是研究機械加工中常用的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，本設計對Z3040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，制定了可編程序控制器改造Z3040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的SFC圖和梯形圖程序的設計，由于沒有實物，還進行了仿真電路設計。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；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 control system improves

3、 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, connect the line and adj

4、ust 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 work for to the Z30

5、40 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 programmable controller

6、 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 diagram、PLCs SFC d

7、iagram 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 radial drilling mac

8、hine, give a homologous control principle diagram.Key words: PLC；Radial drilling machine；Electric Control System；Trapezium diagram目 錄1 緒論11.1本設計的選題背景和意義11.2 國內外關于本課題的技術研究現狀和發(fā)展狀態(tài)22 Z3040搖臂鉆床及傳統(tǒng)電氣控制原理分析32.1 Z3040搖臂鉆床簡介32.2 Z3040搖臂鉆床的結構及運動形式32.2.1 Z3040搖臂鉆床的結構32.2.2 搖臂鉆床的運動形式42.3 Z3040傳統(tǒng)控制線路原理分析5主電路分析6

9、信號及照明電路分析7控制電路分析82.4聯(lián)鎖和保護環(huán)節(jié)132.4.1 聯(lián)鎖環(huán)節(jié)132.4.2 保護環(huán)節(jié)132.5 液壓系統(tǒng)14操縱機構液壓系統(tǒng)142.5.2 夾緊機構液壓系統(tǒng)153 系統(tǒng)總體方案設計164 基于PLC的Z3040電氣控制系統(tǒng)硬件設計174.1 PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則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計204.5 主要電氣元件選型224.5.1 PLC的型號選擇22 電動機選型244.5.3 主令電器選型244.5.4 繼電器及選擇264

10、.5.5 熔斷器及選擇294.5.6 其他電器元件及選擇305 元器件明細表316 基于PLC的Z3040電氣控制系統(tǒng)軟件設計316.1 程序SFC圖326.2 梯形圖326.3 指令表327系統(tǒng)調試327.1 仿真電路設計327.2仿真調試338 結論37致謝38參考文獻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表441 緒論1.1本設計的選題背景和意義Z3040搖臂鉆床是工廠中常用的金屬切削機床，它可以進行多種形式的加工，如：鉆孔、鏜孔、鉸孔及螺紋等。從控制上講，它需要機、電、液壓等系統(tǒng)相互配合使用，而且要進行時間控制。它的調速是通過三相交流異步電動

11、機和變速箱來實現的。也有的是采用多速異步電動機拖動，這樣可以簡化變速機構。搖臂鉆床的主軸旋轉運動和進給運動由一臺交流異步電動機拖動，主軸的正反向旋轉運動是通過機械轉換實現的。故主電動機只有一個旋轉方向。此外，搖臂的上升、下降和立柱的夾緊、放松各由一臺交流異步電動機拖動。1目前，我國的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電氣控制系統(tǒng)可以有效的彌補上述系

12、統(tǒng)的這一缺陷?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammable Logic Controller）簡稱PLC，是從早期的繼電器邏輯電氣控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它不斷吸收微型計算機控制技術，使之功能不斷增強，逐漸適合復雜的電氣控制系統(tǒng)。PLC之所以有較強的生命力，在于它更加適應工業(yè)現場和市場要求。可靠性高，抗干擾能力強、編程方便、價格低、壽命長。與單片機相比，它的輸入/輸出端更接近現場設備，不需添加太多的中間部件，這樣可以大大節(jié)省用戶的開發(fā)時間與生產成本?，F在應用于各種工業(yè)控制領域的PLC種類繁多，規(guī)模大小和功能強弱千差萬別，但他們具有以下一些共同的特點?？煽啃愿??？煽啃允怯脩舻氖走x要求，目前各廠家生產的P

13、LC，平均無故障時間都大大超過IEC規(guī)定的10萬小時，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品，通常采用模塊化結構來完成不同的任務組合。輸入輸出端口選擇靈活，有多種機型，組合方便。功能強大。除基本的邏輯控制、定時、計數、算術運算功能外，配合特殊功能模塊還可實現點位控制、PTO運算、過程運算、數字控制等功能，為方便工廠管理又可以與上位機通信，通過遠程模塊可以控制遠程設備。因此，PLC幾乎是全能的工業(yè)控制計算機。編程方便，易于使用。PLC的編程可采用與繼電器極為相似的梯形圖語言，直觀易懂，深受現場電氣人員的歡迎。近

14、年來又發(fā)展了面向對象的順控流程圖語言（Sequential Function Chart），使編程更加簡單方便。運行速度快。傳統(tǒng)的機電接觸電氣控制系統(tǒng)通過大量觸點的機械動作進行控制，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復雜的控制任務，它與微型計算機之間的差別越來越小 2。同時，PLC還具備了網絡功能，能進行多臺PLC或PLC與PC機之間的聯(lián)網通訊，使用PLC可以很方便的構成“集中管理、分散控制”的分布式電氣控制系統(tǒng)，通過現場總線的PLC通訊網絡，可使工廠的各種資源共享，就更適合于工廠自動化的需要，為工廠自動化提供了技術保證。3正是

15、由于PLC電氣控制系統(tǒng)的種種優(yōu)點,因此本次對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)生產的現代化帶來生機同時，提高了PLC編程水平和實踐能力,為今后在實際工作中熟練使用PLC進行工業(yè)系統(tǒng)的設計打好基礎。1.2 國內外關于本課題的技術研究現狀和發(fā)展狀態(tài)早在上世紀六十年代國外就已經出現了可編程序控制器（PLC）的應用，之后世界各國爭相在該領域投入大量資金進行新產品的開發(fā)，在1995年西門子又成功地開發(fā)出了S7200、S7300系列，它具有 TD 200和 COROS OPS操作模板為用戶提供了方便人機界面，用戶程序三級口令保護，極強的

16、計算性能，完善的指令集，MPI接口和通過工業(yè)現場總線PROFD3US以及以太網聯(lián)網的網絡能力，強勁的內部集成功能，全面的故障診斷功能；模塊式結構可用于各處性能的擴展，脈沖輸出晶閘管步進電機和直流電機；快速的指令處理大大縮短了循環(huán)周期，并采用了高速計數器，高速中斷處理可以分別響應過程事件，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、冗余技術、容錯技術廣泛應用到現有產品中，推出了高可靠性的冗余系統(tǒng)，并采用熱備用或并行工作、多數表決的工作方式。由于PLC的眾多優(yōu)點，使其迅速在工業(yè)控制中得到推廣。雖然國內PLC技術的應用前景很大，并且取得了一定的經濟效益，而相

17、比之下，由于受經濟和技術水平的限制，大多數企業(yè)在生產上使用的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，而且由于線路復雜，要想找到問題所在也相當的困難，和國外大量采用PLC技術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技術在我國的迅猛發(fā)展，我們和國外先進技術的差距會不斷縮小。因此，抓住這個有利時機進一步促進PLC技術的推廣與應用，是提高我國工業(yè)自動化水平的迫切任務，此次對于Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)改造設計，就是希望借鑒國外先進的工業(yè)控制技術，應用到工業(yè)現場，以提高搖臂鉆床的工作性能。2 Z3040搖臂鉆

18、床及傳統(tǒng)電氣控制原理分析2.1 Z3040搖臂鉆床簡介鉆床是一種孔加工設備，可以用來鉆孔、擴孔、鉸孔、攻絲及修刮端面等多種形式的加工。按用途和結構分類，鉆床可以分為立式鉆床、臺式鉆床、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帶有多孔大型零件的孔加工，是一般機械加工車間常見的機床。目前國內較大的搖臂鉆床生產廠家主要有：沈陽中捷機床、沈陽機床集團、山東魯南精機、山東翔宇機床有限公司等。這些廠家都是生產歷史較長，質量可靠，有多年信譽的老廠。2.2 Z3040搖臂鉆床的結構及運動形式2.2.1 Z3040搖臂鉆床的結構如

19、圖2.1所示，搖臂鉆床主要由底座、內立柱、外立柱、搖臂、主軸箱及工作臺等部分組成。圖2.1 搖臂鉆床結構示意圖內立柱固定在底座的一端，在他的外面套有外立柱，外立柱可繞內立柱回轉360度。搖臂的一端為套筒，它套裝在外立柱做上下移動。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動， 只能與外立柱一起繞內立柱回轉。主軸箱是一個復合部件，由主傳動電動機、主軸和主軸傳動機構、進給和變速機構、機床的操作機構等部分組成。主軸箱安裝在搖臂的水平導軌上，可以通過手輪操作，使其在水平導軌上沿搖臂移動。52.2.2 搖臂鉆床的運動形式圖2.2 運動過程流程圖在加工前，要根據搖臂鉆床當前的

20、位置進行必要的調整，其包含的運動過程如圖2.2所示，當進行加工時，由特殊的加緊裝置將主軸箱緊固在搖臂導軌上，而外立柱緊固在內立柱上，搖臂緊固在外立柱上，然后進行鉆削加工。鉆削加工時，鉆頭一邊進行旋轉切削，一邊進行縱向進給，其運動形式為：主運動：主軸帶動鉆頭刀具作旋轉運動。（主電動機M1驅動）進給運動：主軸的上、下進給運動（主電動機M1驅動）輔助運動：外立柱和搖臂一起繞內立柱作回轉運動（手動） 搖臂沿外立柱作升降運動（升降電動機M2驅動） 主軸箱沿搖臂長度方向徑向移動（手動） 外立柱與內立柱、搖臂與外立柱、主軸箱與搖臂間的夾緊與放松運動（液壓驅動，電動機M3拖動）。 2.3 Z3040傳統(tǒng)控制線

21、路原理分析我國原來生產的Z3040搖臂鉆床的主軸旋轉運動和搖臂升降運動的操作是通過不能復位的十字開關來操作的，它本身不具有欠壓和失壓保護。因此在主回路根據Z3040搖臂鉆床電氣控制要求，路中要用一個接觸器將三相電源引入?，F在的Z3040搖臂鉆床取消了十字開關，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)電氣控制原理圖主電路分析三相電源U、V、W由電源開關SA2控制，熔斷器FU1實現對全電路的短路保護（1區(qū)），熔斷器FU2作搖臂升降電動機M2、液壓電動機M3和冷卻泵電動機的短路保護。從1區(qū)開始就是主電路，主電路有4臺電動機。 1） M1(1區(qū)) 是主軸電動機，帶動主軸的旋轉

22、運動和垂直運動，是主運動和進給運動電動機。它由KM1的主觸點控制，其控制線圈在7區(qū)。熱繼電器FR1做過載保護，其常閉觸點在7區(qū)。M1直接起動，單向旋轉。主軸的正反轉由液壓系統(tǒng)和正反轉摩擦離合器來實現，空檔，制動及變速也由液壓系統(tǒng)來實現。 2） M2(2區(qū)) 是搖臂升降電動機，帶動搖臂沿立柱的上下移動。它由KM2、KM3的主觸點控制正反轉，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，首先使液壓泵電動機起動旋轉，供出壓力油，經液壓系統(tǒng)將搖臂松開，然后才使電動機 M2 起動，拖動搖臂上升或下降。當移動到位后，保證 M2 先停下，再自動通過液壓系統(tǒng)將搖臂夾緊，最后液壓泵電機才停下。電動

23、機M2是短時運行，因此不需要過載保護。 3） M3(3區(qū)) 是液壓泵電動機，帶動液壓泵送出壓力油以實現搖臂的松開、夾緊和主軸箱與立柱的松開、夾緊控制。它由KM4、KM5的主觸點控制其正反轉,控制線圈分別在11、12區(qū)。熱繼電器FR2作過載保護，其常閉觸點在11區(qū)。 4） M4（4區(qū)）是冷卻泵電動機，帶動冷卻泵供給工件冷卻液。由于M4容量較小，因此不需要過載保護，由轉換開關SA3直接控制。M4直接起動，單向旋轉。 信號及照明電路分析通過控制變壓器TC（5區(qū)）降壓，分別得到照明電路安全電壓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由主令控制開關SA1控制，由控制

24、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處于放松狀態(tài)，可以手動操作主軸箱移動手輪，使主軸箱沿搖臂水平導軌移動或者推動搖臂連同外立柱繞內立柱回轉；指示燈HL2燈表示主軸箱和立柱同時處于夾緊狀態(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立柱上，可以進行鉆孔加工，這兩只指示燈分別由行程開關SQ4的常閉、常開觸頭控制。HL3為主軸電動機啟動旋轉指示燈，HL3亮表示主軸電動機帶動主軸旋轉工作，由接觸器KM1的常開輔助觸頭控制。2.3.3控制電路分析主軸電動機的控制在主軸電動機啟動前，首先將自動開關SA2扳到接通位置，電源指示燈亮。當按下按鈕

25、SB1時，交流接觸器KM1線圈通電并自鎖使主軸電動機旋轉，同時主軸電動機旋轉的指示燈HL3亮。主軸的正轉與反轉用手柄通過機械變換的方法來實現。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搖臂的升降控制搖臂鉆床搖臂的升降由M2作動力，SB3和SB4分別為搖臂升、降的點動按鈕，由SB3、SB4和KM2、KM3組成雙重鎖定的M2正反轉點動控制電路。因為搖臂平時是夾緊在外立柱上的，搖臂在升降之前，要先把搖臂松開，再由M2驅動升降；搖臂上升到位后再重新將它夾緊。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，液壓泵電動機正轉，正向供出壓力油進入搖臂的松開油腔，推動松開

26、機構使搖臂松開，搖臂松開后，行程開關SQ2動作、SQ3復位；若M3反轉，則反向供出壓力油進入搖臂的夾緊油腔，推動夾緊機構使搖臂夾緊，搖臂夾緊后，行程開關SQ3動作，SQ2復位。因此，搖臂升降的電氣控制要與松緊機構液壓-機械系統(tǒng)(M3與YA)的控制配合進行的。6其升降過程如下：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，當搖臂上升時，按下按鈕SB3，時間繼電器KT線圈通電，KT常開觸點閉合，繼而接觸器KM4通電閉合，液壓泵電動機M3正轉，拖動液壓泵送出壓力油；同時KT的常開斷電延時觸頭KT閉合，電磁閥YA線圈通電，液壓泵送出的壓力油經二位六通閥進入搖臂夾緊機構的松開油腔，推動

27、活塞和菱形塊將搖臂松開。搖臂松開時，活塞桿通過彈簧片壓下行程開關SQ2，而行程開關SQ3復位，發(fā)出搖臂松開信號，即常開觸點SQ2閉合，常閉觸點SQ2斷開，后者使KM4線圈失電，接觸器KM4斷開，液壓泵電動機M3停轉，液壓泵停止供油，搖臂維持在松開狀態(tài)，前者使接觸器KM2通電閉合，搖臂升降電動機M2正轉，帶動搖臂上升。當搖臂上升到一定高度時，松開按鈕SB3，接觸器KM2、時間繼電器KT同時斷電，搖臂升降電動機M2依慣性旋轉直到停轉，搖臂停止上升。而KT的常開斷電延時觸頭KT經延時3s后才斷開，常閉斷電延時觸頭KT同樣延時3s后才閉合。在延時過程中，接觸器KM5任處于斷電狀態(tài)，這段延時確保了搖臂電

28、動機在斷開電源后直到完全停止運轉才開始搖臂夾緊動作。當KT延時時間到后，常閉斷電延時觸頭KT閉合，KM5線圈通電，接觸器KM5觸頭閉合，液壓泵電動機M3反轉，液壓泵送出壓力油，壓力油經二位六通閥進入搖臂夾緊機構的夾緊油腔，反向推動活塞和菱形塊將搖臂夾緊，活塞桿通過彈簧片壓下行程開關SQ3，其常閉觸點斷開，發(fā)出搖臂夾緊信號，YA線圈斷電，KM5線圈斷電，M3停止旋轉，實現搖臂夾緊，上升結束。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，當需要搖臂下降時，按下按鈕SB4，時間繼電器KT通電閉合，繼而接觸器KM4通電閉合，液壓泵電動機M3正轉，供給機床正向液壓油松開搖臂。搖臂松開后，行

29、程開關SQ2被壓下，行程開關SQ3被復位閉合，即常開觸點SQ2閉合，常閉觸點SQ2斷開，繼而接觸器KM4斷開，液壓泵電動機M3停轉，接觸器KM3通電閉合，搖臂升降電動機M2反轉，帶動搖臂下降。當搖臂下降到一定高度時，松開按鈕SB4，接觸器KM3、時間繼電器KT失電釋放，搖臂升降電動機M2停轉，接觸器KM5通電閉合，液壓泵電動機M3反轉供給機床反向壓力油夾緊搖臂。搖臂夾緊后，行程開關SQ2復位，SQ3斷開，液壓泵電動機M3停止反轉，完成搖臂下降的控制過程。 由此可知，搖臂松開由行程開關SQ2發(fā)出信號，而搖臂夾緊由行程開關SQ3發(fā)出信號。由于夾緊機構的液壓系統(tǒng)出現故障，搖臂夾不緊，或者因SQ3的位

30、置不當在搖臂已夾緊后SQ3仍不能動作，則SQ3的常閉觸點長時間不能斷開，使液壓泵電動機M3出現長期過載，因此，M3設置熱繼電器FR進行過載保護。搖臂升降的限位保護由開關SQ1實現，SQ1有兩對常閉觸點一對實現上限保護，一對實現下限保護。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是同時進行的。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，當按下SB5時，接觸器KM4線圈通電，液壓泵電動機正轉，拖動液壓泵送出壓力油，這時電磁閥YA線圈處于斷電狀態(tài)，壓力油經二位六通閥進入主軸箱與立柱松開油腔，推動活塞和菱形塊，使主軸箱與立柱松開。由于YA線

31、圈斷電，壓力油不能進入搖臂松開油腔，搖臂仍處于夾緊狀態(tài)。當主軸箱與立柱松開時，行程開關SQ4沒有受壓，常閉觸點SQ4閉合，指示燈HL1亮，表示主軸箱與立柱松開。這時可以手動操作主軸箱在搖臂水平導軌上做徑向移動，也可推動搖臂使外立柱繞內立柱做回轉運動。當移動到位后，按下按鈕SB6，接觸器KM5線圈通電，M3反轉，拖動液壓泵送出壓力油至夾緊油腔，使主軸箱與立柱夾緊。當確已夾緊時，壓下行程開關SQ4，常開觸點SQ4閉合，指示燈HL2亮，而常閉觸點SQ4斷開，指示燈HL1滅，指示主軸箱與立柱夾緊，可以進行鉆削加工。2.4聯(lián)鎖和保護環(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

32、按鈕SB3和SB4的機械聯(lián)鎖外，還采用了接觸器KM2和KM3的電氣聯(lián)鎖，即對搖臂升降電動機M2實現了正反轉復合聯(lián)鎖。在液壓泵電動機M3的正反轉控制電路中，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，以達到聯(lián)鎖目的。（2） 限位聯(lián)鎖在搖臂升降電路中，行程開關SQ2是搖臂放松到位的信號開關，其常開觸頭串聯(lián)在接觸器KM2、KM3線圈中，它在搖臂完全放松到位后才動作閉合，以確保搖臂的升降在其放松運動后進行。行程開關SQ3是搖臂夾緊到位的信號開關，它在完全夾緊時動作，其常閉觸頭串聯(lián)在接觸

33、器KM5線圈、電磁鐵YA線圈電路中。如果搖臂未夾緊，則行程開關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，對搖臂進行夾緊，知道完全夾緊為止，行程開關SQ3的常閉觸頭才斷開，切斷接觸器KM5線圈、電磁鐵YA線圈，確保鉆削加工精度。（2） 時間聯(lián)鎖通過時間繼電器KT延時斷開的常開觸頭和延時閉合的常閉觸頭，時間繼電器KT能保證在搖臂升降電動機M2完全停止后，才能進行搖臂的夾緊動作，時間繼電器KT的延時長短由搖臂升降電動機M2從切斷電源到停止的慣性大小來決定。72.4.2 保護環(huán)節(jié)（1）短路保護 在主電路中，利用熔斷器FU1作總電路和電動機M1、M4的短路保護，利用熔斷器F

34、U2作電動機M2、M3和控制變壓器T一次側的短路保護，在控制電路中，利用熔斷器FU3作照明回路的短路保護。（2）過載保護 在主電路中，利用熱繼電器FR1作主軸電動機M1的過載保護，利用熱繼電器FR2作液壓泵電動機M3的過載保護。如果由于液壓系統(tǒng)的夾緊機構出現故障不能夾緊，那么行程開關SQ3的觸頭將斷不開，或者由于行程開關SQ3安裝調整不當，搖臂夾緊后仍不能壓下行程開關SQ3，這時都會使液壓泵電動機M3處于長期過載狀態(tài)，易將M3燒毀。M2為短時工作，不用設長期過載保護。（3）限位保護 搖臂升降的極限位置保護由組合行程開關SQ1來實現。行程開關SQ1有兩對常閉觸頭，他們分別串聯(lián)在搖臂升降控制電路接

35、點中，當搖臂上升或下降帶極限位置時相應觸頭動作，切斷與其對應的上升或下降接觸器KM2和KM3，使搖臂升降電動機M2停止旋轉，搖臂停止升降，實現極限位置保護。（4）失壓（欠壓）保護 主軸電動機M1采用按鈕與自保護控制方式，具有失壓保護，各接觸器線圈自身亦具有欠電壓保護功能。2.5 液壓系統(tǒng)該機床采用先進的液壓技術，具有兩套液壓控制系統(tǒng)：一套是操縱機構液壓系統(tǒng)，由主軸電動機拖動齒輪泵輸送壓力油，通過操縱機構實現主軸正/反轉、停車制動、空擋、預選與變速；另一套由液壓泵電動機拖動液壓泵輸送壓力油，實現搖臂的夾緊與放松，主軸箱和立柱的夾緊與松開。操縱機構液壓系統(tǒng)該系統(tǒng)壓力油由主軸電動機拖動齒輪泵送出，由

36、主軸操作手柄來改變兩個操縱閥的相互位置，使壓力油作不同的分配，獲得不同動作。操作手柄有上、下、里、外和中間五個空間位置。其中上為“空擋”，下為“變速”，外為“正轉”，里為“反轉”，中間位置為“停車”。而主軸轉速及主軸進給量各由一個按鈕預選，然后再操作主軸手柄。主軸旋轉時，首先按下主軸電動機啟動按鈕，主軸電動機啟動旋轉，拖動齒輪泵，送出壓力油。然后操縱主軸手柄，扳至所需轉向位置（里或外），于是兩個操縱閥相互位置改變，使一股壓力油將制動摩擦離合器松開，為主軸旋轉創(chuàng)造條件；另一股壓力油壓緊正轉（或反轉）摩擦離合器，接通主軸電動機到主軸的傳動鏈，驅動主軸正轉或反轉。在主軸正轉或反轉的過程中，可轉動變速

37、按鈕，改變主軸轉速或主軸進給量。主軸停車時，將操作手柄扳回至中間位置，這時主軸電動機仍拖動齒輪泵旋轉，但此時整個液壓系統(tǒng)為低壓油，無法松開制動摩擦離合器，而在制動彈簧作用下將制動摩擦離合器壓緊，使制動軸上的齒輪不能轉動，實現主軸停車。因此主軸停車時主軸電動機仍在旋轉，只是不能將動力傳到主軸。主軸變速與進給變速：將主軸操作手柄扳至“變速位置”，于是改變兩個操縱閥的相互位置，使齒輪泵送出的壓力油進入主軸轉速預選閥和主軸進給量預選閥，然后進入各變速油缸。變速液壓缸為差動液壓缸，具體哪個液壓缸上腔進壓力油或回油，視所選擇主軸轉速和進給量大小。與此同時，另一油路系統(tǒng)推動拔叉緩慢移動，逐漸壓緊主軸轉速摩擦

38、離合器，接通主軸電動機到主軸的傳動鏈，帶動主軸緩慢移動，稱為緩速，以利于齒輪的順利嚙合。當變速完成，松開操作手柄，此時手柄在彈簧作用下由“變速”位置自動復位到主軸“停車”位置，然后再操縱主軸正反轉，主軸將在新的轉速或進給量下工作。主軸空擋：當操作手柄扳向“空擋”位置，這時壓力油使主軸傳動中的滑移齒輪處于中間脫開位置。這時，可用手輕便地轉動主軸。82.5.2 夾緊機構液壓系統(tǒng)主軸箱、內外立柱和搖臂的夾緊與松開，是由液壓泵電動機拖動液壓泵送出壓力油，推動活塞、菱形塊來實現的。其中主軸箱和立柱的夾緊放松由一個油路控制，而搖臂的夾緊放松因要與搖臂的升降運動構成自動循環(huán)，因此由另一個油路來控制。這兩個油

39、路均由電磁閥操縱。夾緊結構液壓圖如圖2.8所示。910圖2.8 夾緊結構液壓系統(tǒng)原理圖控制搖臂松開時，電磁閥YA線圈通電，液壓泵電動機啟動正轉，拖動液壓泵送出正向壓力油經該夾緊機構將搖臂放松。控制搖臂夾緊時，電磁閥YA線圈仍通電，液壓泵電動機反向旋轉，拖動液壓泵電動機送出反向壓力油經該夾緊機構將搖臂夾緊。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線圈始終保持斷電狀態(tài)。主軸箱、立柱松緊控制是同時進行的，此時電磁閥YA線圈斷電?？刂浦鬏S箱、立柱松開時，啟動液壓泵電動機M3，M3正轉，拖動液壓泵送出正向壓力油經該夾緊機構將主軸箱和立柱分別實現放松?？刂浦鬏S箱、立

40、柱夾緊時，起動液壓泵電動機M3，M3反轉，拖動液壓泵送出反向壓力油經該夾緊機構將主軸箱和立柱分別實現夾緊。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 作YA通電YA斷電搖臂松開+-搖臂夾緊+-搖臂上升+-搖臂下降+-主軸箱、立柱松開-+主軸箱、立柱夾緊-+3 系統(tǒng)總體方案設計自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術、信號處理技術、控制技術、網絡技術的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，

41、PLC在開關量處理的基礎上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領域也發(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、編程簡單、可靠性強等優(yōu)點, 特別是它的抗干擾性能強, 已成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。11目前, 在實際生產過程中, 由于液壓系統(tǒng)能提供較大的驅動力, 且運動傳遞平衡、均勻、可靠及控制方便, 因而被廣泛應用于機床設備中, 而把液壓系統(tǒng)與PLC 控制結合起來, 即可實現液壓系統(tǒng)的自動化。傳統(tǒng)繼電器控制方式，由于電路接線復雜，觸點多，噪音大，可靠性差，故障診斷

42、與排除困難等缺點，編程復雜，不直觀，不易讀懂。而采用PLC控制具有以下優(yōu)點：(1)信號處理時間短，運行速度快，具有很強的實時性。(2)所有的I/O輸入輸出信號均采用光電隔離，使工業(yè)現場的外電路與控制器內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，以防止故障擴大，因此具有很高的可靠性。(3)I/O卡件種類豐富，可根據自控工程實現功能要求不同，而進行不同的配置，系統(tǒng)配置簡單靈活。(4)控制系統(tǒng)采用模塊化結構。(5)質優(yōu)價廉，性價比高，安裝簡單，維修方便。綜合兩者的優(yōu)缺點，采用PLC控制更能合理地對Z304

43、0搖臂鉆床進行控制，設計總體方案如圖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)硬件設計4.1 PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現被控對象（生產設備或生產過程）的工藝要求，以提高生產效率和產品質量。因此在設計PLC控制系統(tǒng)時，應遵循以下基本原則：(1)最大限度的滿足被控對象的控制要求。設計前應深入現場進行調查研究，搜集資料并于機械部分的設計人員和實際操作人員密切配合，共同擬定電氣控制方案，協(xié)同解決設計中出現的各種問題。(2)在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經濟、使用，維修方便。(3)保證控制系統(tǒng)的安全、可靠。(4)考慮到生產發(fā)

44、展和工藝的改進，在選擇PLC容量時，應適當留有余量。12 4.2 電氣控制部分4.2.1 電氣控制主電路本次設計需要實現的是PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器對搖臂鉆床進行電氣控制，所以主電路基本不變，重點根據控制要求對控制電路進行設計。在系統(tǒng)設計中，所用到的四臺電動機的控制線路如圖4.1所示，主軸電動機（M1）和液壓泵電動機（M3）的旋轉，搖臂升降電動機（M2)正反轉均由接觸器控制，而冷卻泵電動機（M4）由轉換開關控制， M1、M3設置長期過載保護。圖4.1 Z3040搖臂鉆床主電路圖4.2.2 電機控制（1）直接啟動四臺三相鼠籠異步電動機按加工順序的需要均采用直接啟動，直接啟動是一種簡單、可靠、經濟的

45、啟動方法，但由于直接啟動時，電動機的啟動電流Ist為額定電流In的47倍，過大的啟動電流一方面會造成電網電壓顯著下降，直接影響同一電網工作的其他電動機及用電設備正常運行，另一方面電動機頻繁啟動會嚴重發(fā)熱，加速線圈老化，縮短電動機的壽命，所以直接啟動電動機的容量受到一定的限制，一般容量不超過10KW的電動機采用直接啟動。13圖3.1所示為接觸器控制的電動機直接啟動控制線路。（2）正反轉控制從電機原理中得知，改變電動機定子繞組的電源相序，就可實現電動機旋轉方向的改變。液壓泵電動機通過兩個接觸器改變電源相序來實現電動機正反轉控制。搖臂升降電動機通過兩個接觸器改變電源相序來實現電動機正反轉控制?？赡孢\

46、行控制線路實質上是兩個方向相反的單項運行線路的組合。4.3 PLC的I/O端口分配表 跟據輸入輸出口的數量，進行I/O點的端口分配，如下（表4.1、表4.2）所示：表4.1 輸入信號端口I/O分配表符號地址名稱SQ1-1X0搖臂上升限位開關SQ1-2X1搖臂下降限位開關SQ2X2搖臂松開行程開關SQ3X3搖臂夾緊行程開關SQ4X4主軸箱和立柱松緊行程開關SB1X5M1的停機按鈕SB2X6M1的啟動按鈕SB3X7搖臂上升按鈕SB4X10搖臂下降按鈕SB5X11控制主軸箱和立柱松開按鈕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 輸出入信號端口I/O

47、分配表符號地址名稱KM1Y0M1接觸器KM2Y1M2正轉接觸器KM3Y2M2反轉接觸器KM4Y3主軸箱和立柱松開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計根據I/O點的端口分配表，設計出基于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、X4、X5、X6、X7、X10、X11、X12、X13、X14共用一個COM端，輸入開關的其中一端并接在直流24V電源上，另一端應分別接入相應的PLC輸入端子上

48、。接線時注意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COM1端。信號燈電源電壓為6V，因此Y6、Y7、Y10、可以共用一個COM2端。4.5 主要電氣元件選型 合理地選用各種電器元件，不但經濟實惠，還可保證控制線路安全、工作可靠，所以對元器件的選型非常重要。 PLC的型號選擇 發(fā)展至今，PLC的種類繁多，如西門子、ABB、松下、三菱等系列PLC，選擇本設計的PLC機型，主要要考慮PLC的結構、PLC的功能、PLC的輸入輸出點數、PLC的存儲容量及I/O點數（模塊）。（1）PLC的結構。PLC的結構要

49、合理，按照結構，PLC分為整體式、模塊式和疊裝式。整體式的每一I/O點的平均價格比模塊式便宜，所以小型電氣控制系統(tǒng)一般使用整體式可編程控制器。而此次所設計的電氣控制系統(tǒng)屬于小型開關量電氣控制系統(tǒng)，沒有特殊的控制任務，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選用整體式結構的PLC14。 （2）PLC的功能。由于Z3040搖臂鉆床電氣控制是開關控制，且控制速度要求不高，考慮到任何一種PLC都可以滿足開關量電氣控制系統(tǒng)的要求，據此本設計課題將盡量采用價格便宜的PLC。 （3）PLC輸入輸出點數。如

50、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、行程開關 5個、繼電器2個，共計13個；接觸器 5 個、電磁鐵 1 個，指示燈 3 個，共計9個，則需要13個輸入口和9個輸出口，而PLC的實際輸入點數應等于或大于所需輸入點數13，PLC的實際輸出點數應等于或大于所需輸出點數9，統(tǒng)計出實際I/O點數后，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展。（3） PLC的存儲容量。在選擇存儲容量時，一般要按實際需要考慮25%-30%裕量。存儲器的容量的選擇有兩種方法。一種是根據編程實際使用的節(jié)點數計算，這種方法可精確地計算出存儲器實際使用

51、容量，缺點是要編完程序之后才能計算。而一般采用的是估算法，PLC存儲器容量的估算：對于僅有開關量輸入/輸出信號的電氣控制系統(tǒng)，則按公式（4.1）計算。M=Km*(10*DI+10*DO) （4.1）其中M表示存儲器容量、DI表示開關量輸入點數、DO表示開關量輸出點數，Km表示每個節(jié)點所占存儲器字節(jié)數。那么對本設計而言，所需PLC存儲器的存儲容量即M=（10*13+10*9）=220Byte（5）輸入輸出模塊。不同的I/O模塊，其電路和性能不同，它直接影響了PLC的應用范圍和價格，根據實際需要合理選擇。a、輸入模塊。輸入模塊的種類，按電壓分類DC5V、DC12V、DC24V、DC48V、DC60

52、V和AC110V或AC220V。對于開關量輸入模塊而言，有直流、交流、交/直流輸入三種類型。選擇時主要根據現場因素和環(huán)境因素等。直流輸入電路的延遲時間較短，可以直接與接近開關、光電開關等電子輸入裝置連接。交流輸入方式的觸點接觸可靠，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，且對電氣控制系統(tǒng)操作人員來說直流低電壓較AC110V電壓安全些，一般選擇DC24V16。因此，本設計的PLC輸入模塊應選直流輸入模塊，輸入電壓應為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格便宜，輸出電

53、壓適應范圍大，導通電壓小，承受瞬間過電壓和過電流的能力較強，每一點的輸出容量較大（可達2A）,在同一時間內對導通的輸出點的個數較高，一般應小于總點數的60%，但其動作速度慢，觸點容易損壞，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觸點開關輸出，分別用于直流負載和交流負載，它們的可靠性高，反應帶寬快，常用于通斷率頻繁的感性負載，但其不能承受感性負載在斷開時較高的反壓，需另行采取抑制措施，且過載能力差，每1點的輸出量只有0.5A，4點同時輸出的總容量不得超過2A17。由于Z3040搖臂鉆床對PLC輸出點的動作表達速度要求不高，繼電器型輸出模塊的動作速度完全能夠滿足要求，且每一點的輸出

54、容量較大，在同一時間內對允許導通的輸出點的個數也不是很多，這就很方便進行設計。所以本設計選用繼電器輸出模塊，結合Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的實際情況，需要輸入點數大于13個，輸出點數大于9個，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，再考慮本設計PLC型號的局限，確認日本三菱公司生產的FXOS系列PLC，型號為FXOS- 30MR的PLC就能夠滿足上述要求，該型PLC具有本設計所需的指令功能，其總輸入點數為16點，總輸出點數為14點，輸入模塊電壓為DC24V，輸出模塊為繼電器型。該類型號PLC結構緊湊，體積小，重量輕，性價比也比較高，功能功

55、能完善，具有很強的抗干擾能力和負載能力，且可以直接和編程器或計算機連接，使用非常方便。4.5.2 電動機選型Z3040搖臂鉆床的主軸電動機采用Y100L2-4型，額定電壓AC380V，額定電流為6.8A，功率為3KW，轉速為1400r/min的三相異步電動機。搖臂升降電動機采用Y90L-4型，額定電壓380V，額定電流為3.7A，功率為1.5KW，轉速1400r/min的三相異步電動機，液壓泵電動機采用Y802-4型，額定電壓380V，額定電流為2.7A，功率為0.75KW，轉速1390r/min的三相異步電動機。冷卻泵電動機采用AB-25型為0.09kW，轉速2800r/min的三相異步電動

56、機。4.5.3 主令電器選型 （1)按鈕選擇 按鈕通常是用來短時接通和斷開小電流控制電路的一種主令電器。按用途和結構分為啟動按鈕、停止按鈕和復合按鈕。在選用的按鈕時，要考慮按鈕的觸點對數、結構形式、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，其常見的型號為LA2、LA10、LA19及LA20等系列，本設計根據需要選用型號LA19系列的按鈕，其主要參數如表4.3所示。根據控制需要，選用6個型號為LA19系列的按鈕，其中一個為停止按鈕，兩個為點動按鈕，三個需帶指示燈（兩個綠色，一個黃色），觸點數一常開一常閉，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參數則選用額定電壓為交流380V，額定電流為5A，型號為LA19-11和LA19-11D的按鈕，就能滿足該做Z3040搖臂鉆床的需求，其中LA19-11型按鈕3個（一個紅色，兩個黑色），LA19-11D型按鈕3個（指示燈顏色為一個綠色，兩個黃色）。表4.3 LA19系列按鈕主要技術參數型號額定工作電壓(V)額定工作電流（A)結構型式觸頭數量型號燈按鈕常開常閉電壓（V)功率（W）鈕數顏色LA19-11AC38