摇臂钻床电气控制系统设计

Z3040 型摇臂钻床电气控制系统设计101 摘 要本课程设计是机械加工中常用的 Z3040 摇臂钻床传统电气控制系统的设计,旨在解决传统继电器接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难题。由于 PLC 电气控制系统与继电器接触器电气控制系统相比，具有结构简单，编程方便，调试周期短，可靠性高，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低等一系列优点。因此，本文对 Z3040 摇臂钻床电气控制系统的改造，将把 PLC 控制技术应用到改造方案中去，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。此文分析了摇臂钻床的控制原理，制定了可编程控制器改造 Z3040摇臂钻床电气控制系统的设计方案，完成了电气控制系统硬件和软件的设计，其中包括 PLC 机型的选择、I/O 端口的分配、I/O 硬件接线图的绘制、PLC 梯形图程序的设计。对 PLC 控制摇臂钻床的工作过程作了详细阐述，叙述了采用 PLC 取代传统继电器接触器电气控制系统从而提高机床工作性能的方法，给出了相应的控制原理图。关键词：可编程控制器;摇臂钻床;梯形图;电气控制系统Z3040 型摇臂钻床电气控制系统设计2目 录摘 要 .11 绪 论 .41.1 Z3040 摇臂钻床简介 .41.2 设计目的.42 Z3040 摇臂钻床电气控制系统的原理 .52.1 主电路.52.2 控制电路、信号及照明电路.52.2.1 主电动机的旋转控制 .52.2.2 摇臂松开-升降-摇臂夹紧控制 .52.2.3 立柱和主轴箱的松开及夹紧控制及信号灯 .63 基于 PLC 的 Z3040 摇臂钻床电气控制系统硬件部分的设计 .731 电气元件的选择.732 PLC 型号的选择 .83.2.1 根据 PLC 的物理结构 .83.2.2 根据 PLC 的指令功能 .93.2.3 根据 PLC 的输入输出点数 .93.2.4 根据 PLC 的存储容量 .93.2.5 根据输入模块的类型 .93.2.6 根据输出模块的类型 .93.3 PLC 的 I/O 电气接线图的设计 .104 Z3040 摇臂钻床电气控制系统软件部分的设计 .114.1 PLC 梯形图程序的优化设计及程序调试： .114.1.1 主电动机的起动控制程序 .114.1.2 摇臂升降控制程序 .114.1.3 主轴箱放松或夹紧控制程序 .124.1.4 摇臂回转控制梯形图程序 .134.1.5 冷却泵开关控制梯形图程序 .13Z3040 型摇臂钻床电气控制系统设计3参考文献 .26附录 Z3040 摇臂钻床电气控制原理图 .27附录 Z3040 摇臂钻床的电器元件明细表 .28附录 I/O 电气接线图 .29附录 程序梯形图 .30Z3040 型摇臂钻床电气控制系统设计41 绪 论1.1 Z3040 摇臂钻床简介钻床是一种孔加工机床，可用来钻孔、扩孔、绞孔、攻螺纹及修刮端面等多种形式的加工。钻床的结构形式很多，有立式钻床、卧式钻床、深孔钻床等。摇臂钻床是一种立式钻床，它适用于单件或批量生产中带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机床。摇臂钻床主要由底座、内外立座、摇臂、主轴箱和工作台等组成。摇臂的一端为套筒，套装在外立柱上，并借助丝杠的正、反转可沿外立柱作上下移动。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上可通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。加工时，根据工件高度的不同，摇臂借助于丝杠可带着主轴箱沿外立柱上下升降。在升降之前，应自动将摇臂松开，再进行升降，当达到所需的位置时，摇臂自动夹紧在立柱上。摇臂钻床钻削加工分为工作运动和辅助运动。工作运动包括：主运动（主轴的旋转运动）和进给运动（主轴轴向运动）；辅助运动包括：主轴箱沿摇臂的横向移动，摇臂的回转和升降运动。钻削加工时，钻头一面旋转一面作纵向进给。钻床的主运动是主轴带着钻头作旋转运动。进给运动是钻头的上下移动。摇臂回转和主轴箱的左右移动采用手动.当 进 行 加 工 时 ， 由 特 殊 的 加 紧 装 置 将 主 轴 箱 紧 固 在 摇 臂 导 轨 上 ， 而 外 立 柱紧 固 在 内 立 柱 上 ， 摇 臂 紧 固 在 外 立 柱 上 ， 然 后 进 行 钻 削 加 工 。 钻 削 加 工 时 ， 钻头 一 边 进 行 旋 转 切 削 ， 一 边 进 行 纵 向 进 给 ， 其 运 动 形 式 为 ：（ 1） 摇 臂 钻 床 的 主 运 动 为 主 轴 的 旋 转 运 动 ;（ 2） 进 给 运 动 为 主 轴 的 纵 向 进 给 ; （3）辅助运动有：摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向的移动，摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。1.2 设计目的（1）了解 Z3040 摇臂钻床的操作顺序，并作出功能图。(2)、熟悉并会接较复杂的 PLC 控制系统电路。(3)、领悟电气控制电路 PLC 改造的要领。Z3040 摇臂钻床结构示意图1 底座 2 内立柱 3、4 外立柱5 摇臂 6 主轴箱 7 主轴 8 工作台Z3040 型摇臂钻床电气控制系统设计52 Z3040 摇臂钻床电气控制系统的原理2.1 主电路我国原来生产的Z3040摇臂钻床的主轴旋转运动和摇臂升降运动的操作是通过不能复位的十字开关来操作的,它本身不具有欠压和失压保护。因此在主回路中要用一个接触器将三相电源引入。现在的Z3040摇臂钻床取消了十字开关，它的电气原理图见附录。它的主电路、控制电路、信号电路的电源均采用自动开关引入，自动开关的电磁脱扣作为短路保护取代了熔断器。交流接触器KM1只主电动机M1接通或断开的接触器，KR1为主电动机过载保护用热继电器。摇臂的升降，立柱的夹紧放松都要求拖动的电动机正反转，所以M2和M3电动机分别有两个接触器，它们为KM2、 KM3和 KM4、KM5 。摇臂升降电动机M2 、冷却泵电动机M4 均为短时工作，不设过载保护。采用4台电机拖动，主轴电动机Ml、摇臂升降电动机M2、液压泵电动机M3 及冷却泵电动机M4，4台电动机均采用直接起动控制。 M2为短时工作制. 主轴电动机Ml和液压泵电动机M3 分别设有热继电器 FRl、FR2 作长期过载保护。2.2 控制电路、信号及照明电路2.2.1 主电动机的旋转控制在主电动机启动前，首先将自动开关Q2、Q3、Q4扳到接通状态，同时将配电盘的门关好并锁上。然后再将自动开关Q1扳到接通位置，电源指示灯亮。这时按下SB1 ，中间继电器K1通电并自锁,为主轴电动机与其他电动机的启动做好了准备。当按下按钮SB2时，交流接触器 KM1线圈通电并自锁使主电动机旋转，同时主电动机旋转的指示灯HL4亮。主轴的正转与反转用手柄通过机械变换的方法来实现。2.2.2 摇臂松开-升降-摇臂夹紧控制控制电路设有主轴启动按钮SB2和主轴停止按钮SB1。摇臂钻床的工作过程是由电气、机械、液压系统紧密结合实现的。摇臂升降动作按照“ 摇臂松开升降 摇臂夹紧” 顺序进行。由摇臂松开行程开关 SQ2与夹紧行程开关SQ3 来控制。在摇臂夹紧前，由时问继电器KT延时l3s 后再夹紧。主轴电机由按钮SB1、SB2和接触器KM1构成单向起动停止控制电路。摇臂升降由M2 作动力，SB3和SB4分别为摇臂上升和下降的点动按钮。因为摇臂平时是夹紧在外立柱上，所以在摇臂升降之前，先要把摇臂松开，再由M2驱动升降：摇臂升降到位后，再重新将它夹紧。摇臂升降动作按照“ 摇臂松开-升降-摇臂夹紧”Z3040 型摇臂钻床电气控制系统设计6顺序进行，由摇臂松开行程开关SQ2与夹紧行程开头SQ3来控制。而摇臂的松、紧是由液压系统完成的。当按下上升按钮SB3时，电磁阀 YV线圈通电吸合，正向供出压力油进入摇臂的松开油腔，推动松开机构使摇臂松开，摇臂松开后，行程开头SQ2动作，SQ2 触点闭合、SQ3 复位SQ3摇臂上升，若M3反转，则反向供出压力油进入摇臂的夹紧油腔、推动夹紧构使摇臂夹紧，摇臂夹紧后，行程开头SQ3动作，SQ2复位 摇臂停止在所需位置上。摇臂升降的极限保护由组合开头SQ1实现，SQ1有两对常闭触点，当摇臂上升或下降到极限位置时，相应触头动作，切断对应上升或下降接触器KM2与KM3线圈回路，使摇臂升降电机M2停转，摇臂停止移动。QS电源开关，主电机M1由KM1控制，摇臂升降电机M2 由KM2、KM3控制正反转，液压泵电机M3由KM4、KM5控制正反转，冷却泵电机 M4由SA1控制，电路有短路保护、过载保护等。执行元件：主电机M1、摇臂升降电机M2、冷却泵电机M4、液压泵电机M3 、电磁换向阀YV（2位6通）。2.2.3 立柱和主轴箱的松开及夹紧控制及信号灯主轴箱和立柱的松、紧是同时进行的，SB5和SB6分别为松开和夹紧点动按钮，当按下松开按钮SB5，KM4 线圈得电，液压泵电机M3 正转，拖动液压泵送出压力油，这时电磁阀YV线圈处于断电状态，液压油进入主轴箱与立柱的松开油腔，使主轴箱与立柱松开或夹紧。由于YV线圈断电，液压油不会进入摇臂的松开油腔，摇臂仍处于夹紧状态。当主轴箱与立柱松开时，行程开关SQ4不受压，触头SQ4闭合，指示灯HL1亮，表示主轴箱与立柱确已松开。可以手动操作主轴箱在摇臂的水平导轨上移动，也可推动摇臂使绕内立柱旋转移动，当移动到位后，再按下夹紧按钮SB6 ，接触器KM5线圈得电，液压泵电机M3反转，液压油进入夹紧油腔，使主轴箱与立柱夹紧。当确已夹紧、压下SQ4，HL2灯亮，HL1灭，指示主轴箱与立柱已夹紧，可以进行钻削加工。机床设有4个信号灯：电源指示灯HL、立柱和主轴箱松开指示灯HL1、立柱和主轴箱夹紧指示灯HL2、主轴电动机旋转指示灯HL3。照明灯EL用SA2直接控制。信号（检测）元件：SQ1-摇臂上限位开关、SQ6-摇臂下限位开关；SQ2-摇臂松开检测、SQ3-摇臂夹紧检测；SQ4主轴箱立柱夹紧/ 松开检测；SQ5按下整个电路断。Z3040 型摇臂钻床电气控制系统设计73 基于 PLC 的 Z3040 摇臂钻床电气控制系统硬件部分的设计Z3040 摇臂钻床电气控制系统的设计方案由两部分组成，一部分为电气控制系统的硬件设计，也就是 PLC 的机型的确定；另一部分是电气控制系统的软件设计，就是 PLC 控制程序的编写。为了使改造后的摇臂钻床仍能够保持原有功能不变，此次改造的一个重要原则之一就是，不对原有机床的控制结构做过大的调整，只是将原继电器控制中的硬件接线改为用软件编程来替代。31 电气元件的选择在电气原理图设计完毕之后就可以根据电气原理图进行电气元件的选择工作，本设计中需选择的电气元件主要有：1. 电源开关 QS 的选择QS 的作用主要是用于电源的引入及控制 M1M4 起、停和正反转等。因此QS的选择主要考虑电动机 M1M4 额定电流和启动电流，由前面已知 M1M4 的额定电流数值，通过计算可得额定电流之和为 10.68A，同时考虑到， M2、M3、M4 量为满载启动，在功率较小，M1 虽功率较大，但为轻载启动。所以， QS 最终选择组合开关 HZ5-20 型，额定电流为 20A。2.热继电器 FR 的选择根据电动机的额定电流进行热继电器的选择，由前面 M1、M2 和 M3 的额定电流，现选择如下：FR1 选用 JR16-20/3D 型热继电器。热元件额定电流 11A 额定电流调节范围为6.811A 工作时调整在 6.82A.FR2 选用 JR16-20/3 型热继电器。热元件额定电流 2.4A 额定电流调节范围为1.52.4A 工作时调整在 1.42A。3.接触器的选择根据负载回路的电压、电流，接触器所控制回路的电压及所需点的数量等来进行接触器的选择。本设计中 KM1 主要对 M1 进行控制，而 M1 额定电流为 6.82A，控制回路电源为 127V，需要主触点两对，所以，KM1 选 G0-10 型接触器，主触点额定电流为10A，线圈电压为 127V。KM2 与 KM3 对 M2 进行控制，而 M2 额定电流为 2.01A，控制回路电源为Z3040 型摇臂钻床电气控制系统设计8127V，各需要主触点两对，KM2 的辅助动断触点一对，KM3 的辅助动断触点一对，所以，KM2、KM3 选 CD10-5 型接触器，主触点额定电流为 5A，线圈电压为127V。KM4 与 KM5 对 M3 进行控制，而 M3 的额定电流为 1.42A，控制回路电源为127V，各需要主触点三对，KM4 的辅助动断触点一对，KM5 的辅助动断触点一对，所以，KM4、KM5 选 CJ10-5 型接触器。4.时间继电器的选择本设计中由于摇臂的升降需要延时控制。需要常开触点一个，延时闭合动断触点一个，延时断开动合触点一个，我们选 ISSI 型时间继电器。额定电压AC127V、DC24V,额定功耗小于 5W,动作频率 1200 次/h 。5.熔断器的选择根据熔断器的额定电压、额定电流和熔体的额定电流等进行熔断器的选择。本设计中涉及到熔断器有三个：FU1、FU2、FU3。FU1 主要对 M1、M4 进行短路保护，M1 、M4 额定电流分别为6.82A、0.43A。因此，熔体的额定电流为 Iful(1.5-2.5)INmax+IN计算可得 Iful17.48A，因此 FU1 选择 RL1-60 型熔断器，熔体为 20A.同理：FU2 选择 RL1-15 型熔断器，熔体为 10A；FU3 选择 RL1-15 型熔断器，熔体为 2A。6.按钮的选择根据需要的触点数目、动作要求、使用场合、颜色等进行按钮的选择。本设计中 SB1、SB4 选择 LA-18 型按钮，颜色为红色，选择 SB2、SB5 选择LA-18 型按钮，颜色为绿色，SB3、SB6 选择 LA-18 型按钮，颜色为黑色。7.照明及指示灯的选择本设计中，电源指示灯 EL 选择 JC2，交流 36V、40W，与灯开关 SA2 成套配置；指示灯 HL1、HL2 、 HL3 选择 ZSD-0 型，指标为 6.3V，0.25A ，颜色为黄色，绿色，红色各一个。8.控制变压器的选择本设计中，变压器选择 BK-100VA,380V、220V/127V 、36V 、6.3V。综合以上的计算， Z3040 摇臂钻床的电器元件明细表见 附录。32 PLC 型号的选择选择基于 PLC 的摇臂钻床电气控制系统的 PLC 机型，应从以下几个方面来考虑：3.2.1 根据 PLC 的物理结构Z3040 型摇臂钻床电气控制系统设计9根据物理结构的不同，PLC 分为整体式、模块式和叠装式。整体式的每一 I/O点的平均价格比模块式便宜，小型电气控制系统一般使用整体式可编程控制器。此次所设计的电气控制系统属于小型开关量电气控制系统没有特殊的控制任务，整体式 PLC 完全可以满足控制要求，且在性能相同的情况下，整体式 PLC 较模块式和叠装式 PLC 价格便宜，因此，Z3040 摇臂钻床电气控制系统的 PLC 选用整体式结构的 PLC5。3.2.2 根据 PLC 的指令功能 考虑到任何一种 PLC 都可以满足开关量电气控制系统的要求，据此本课题将尽量采用价格便宜的 PLC。 3.2.3 根据 PLC 的输入输出点数一般系统中，开关量输入与输出的比例为 6：4，根据 I/O 总点数可给出如下的经验公式：所需内存总字数=开关量（输入+ 输出）总点数*10余量：一般按计算存储器字数的 25%考虑余量。所需内存总字数=(28+20)*10=480输入点数为 28 点，输出点数为 20 点，故总点数应大于 483.2.4 根据 PLC 的存储容量PLC 存储器容量的估算方法：对于仅有开关量输入/输出信号的电气控制系统，将所需的输入/输出点数乘以 10，就是所需 PLC 存储器的存储容量（单位为 bit）即（28+20 ） 20=480bit3.2.5 根据输入模块的类型输入模块的输入电压一般为 DC24V 和 AC110V 或 AC220V。直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。交流输入方式的触点接触可靠，适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。由于本基于PLC 的摇臂钻床电气控制系统的工作环境并不恶劣，且对电气控制系统操作人员来说 DC24V 电压较 AC110V 电压安全些。因此，本基于 PLC 的摇臂钻床电气控制系统的 PLC 输入模块应选直流输入模块，输入电压应 DC24V 电压6。3.2.6 根据输出模块的类型Z3040 型摇臂钻床电气控制系统设计10PLC 输出模块有继电器型、晶体管型和晶闸管三种。继电器型输出模块的触点工作电压范围广，导通压降小，承受瞬间过电压和过电流的能力较强，每一点的输出容量较大（可达 2A）,在同一时间内对导通的输出点的个数没有限制，但动作速度慢，寿命有一定的限制。晶体管型与晶闸管输出模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应带宽快，寿命长，但是过载能力差，每 1 点的输出量只有 0.5A，4 点