机床电气控制课程设计-Z3050摇臂钻床电气控制系统设计.docx

充值下载文档送图 Q 153893706机床电气控制课程设计 说明书课程设计题目：摇臂钻床电气控制系统设计 作者所在系部： 机电工程学院 作者所在专业： 机械设计制造及其自动化 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 2017年03月02日 北华航天工业学院摘要本课程设计是研究机械加工中常用的Z3050摇臂钻床传统电气控制系统的改造问题,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、故障诊断和排除费时费力等难题。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，本设计对Z3050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，以提高摇臂钻床的工作性能。设计中分析了摇臂钻床的控制原理，制定了可编程控制器改造Z3050摇臂钻床电气控制系统的控制方案，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，论述了采用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及接线图。 关键词:可编程控制器 摇臂钻床 梯形图 电气控制系统 目 录第1章 绪论11.1 Z3050摇臂钻床简介11.2 Z3050摇臂钻床传统电气控制系统的原理1第2章 继电器控制系统设计32.1设计任务及要求32.1.1设计任务32.1.2控制要求32.2元器件选型32.2.1电动机型号32.2.2主电路32.2.3其他元件的选择42.3电气原理图的设计62.4其他说明7第3章PLC控制系统设计103.1主机类型选用103.1.1简介103.1.2 CPU选型113.2 I/O接线图设计113.3控制程序设计123.3.1控制要求123.3.2控制程序123.4程序仿真及调试遇到问题及解决方案153.4.1程序仿真153.4.2程序仿真所遇问题15第4章 总结16参考文献17附录18第1章 绪论1.1 Z3050摇臂钻床简介 钻床是一种孔加工机床，可用来钻孔、扩孔、铰孔、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，它适用于单件或者批量生产中带有多孔大型零件的孔加工，是一种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可带着主轴箱沿外立柱上下升降。在升降之前，应该自动将摇臂松开，在进行升降，当达到所需位置时，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，钻头一面旋转一面工作进给。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。辅助运动是主轴箱沿摇臂水平移动，摇臂沿外立柱上下移动和摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动，摇臂回转和主轴箱的左右移动采用手动。图1-1 Z3050型摇臂钻床外部结构1.2 Z3050摇臂钻床传统电气控制系统的原理 摇臂钻床主要是由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱和工作台等组成。内立柱固定在底座上，在它外面套着空心的外立柱，外立柱可以绕着不动的内立柱回转一周，摇臂一端的套筒部分与外立柱滑动配合，帮助于丝杠摇臂可沿着外立柱一起相对内立柱回转，主轴箱具有主轴旋转运动部分和主轴进给部分的全部传动机构和操作机构，包括主电机在内，主轴箱可以沿着摇臂上的水平导轨做径向移动。当进行加工时，可以利用加紧机构将主轴箱紧固在摇臂上，外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后就可以进行钻削加工。第2章 继电器控制系统设计2.1 设计任务及要求2.1.1 设计任务Z3050摇臂钻床电气控制系统设计2.1.2 控制要求1.主轴的控制：主轴由机械摩擦片式离合器实现正转、反转及调速控制2.摇臂升降过程：放松升降夹紧1）摇臂在完全放松状态下压下放松位置开关2）能实现升降运动，实现该运动前必须先放松摇臂3）升降完毕后，为了安全应当夹紧摇臂，两动作之间延时1-3秒4）升降完毕后，作夹紧运动，完全夹紧后，压下夹紧位置开关摇臂升降动作完毕，设置位置开关，用于升降限位保护。3.冷却控制：冷却泵电动机提供冷却液4.工作状态指示：1）、用于主轴箱和摇臂的夹紧、放松工作状态指示2）用于主轴电动机运转工作状态指示。2.2 元器件选型2.2.1 电动机型号1.主轴电动机： 2.升降电机： 3.液压泵电机： 4.冷却+泵电机： 2.2.2 主电路该钻床共配置4台电动机。主电路示意图如图2-1所示。为主轴电动机，由继电器控制，带动主轴的旋转和使主轴做轴向进给运动，为单向运动。主轴的正、反转则由主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过液压系统操作机构配合正反转摩擦离合器驱动主轴正转、反转来实现，并由热继电器做长期过载保护。为摇臂上升、下降电动机，由输出继电器、控制正、反转运行。为液压泵电动机，由输出继电器、控制正、反转运行，控制电路保证在操作摇臂升降时，首先是液压泵电动机启动运转，供出压力油，经液压系统使摇臂松开，然后才使电动机启动，拖动摇臂上升或下降。当摇臂移动到位后，控制电路又使停下，再自动通过液压系统将摇臂夹紧，然后液压泵电动机才停下。为冷却电动机，由转换开关控制。图2-1 Z3050型摇臂钻床电气原理主电路图电源配电盘在立柱前下部。冷却泵电动机装于靠近立柱的底座上，升降电动机装于立柱顶部，其余电气设备置于主轴箱或摇臂上。由于Z3050型钻床内、外立柱间未装设汇流环，故在使用时，请勿沿一个方向连续旋转摇臂，以免发生事故。主电路电源电压为交流，线路中串联熔断器以防短路。2.2.3其他元件的选择图2-2为Z3050型摇臂钻床电气原理控制电路图，通过对该电路的分析对其他元件进行选择。1.电源引入开关电源引入开关主要是作为电源隔离开关用，并不用它来直接起停电动机，可按电动机额定电流来选。根据四台电动机来选。中小型机床常用组合开关，选用和型，额定电流为和，三极组合开关。2.热继电器、 主电动机额定电流，应选用型热继电器，热元件电流为，整定电流调节范围为，工作时将额定电流调整为。同理，应选型热继电器，热元件电流为，整定电流调节范围是图2-2 Z3050型摇臂钻床电气原理控制电路图，工作时将额定电流调整为。应选型热继电器，热元件电流为，整定电流调节范围是，工作时将额定电流调整为。3.熔断器、 是对、四台电动机进行保护的熔断器。熔体电流为：可选用型熔断器，配用的熔断体。 选用型熔断器，配用的熔断体。选用型熔断器，配用的熔断体。4.接触器、及接触器，根据主电动机的额定电流，控制回路电源，需主触点3对，动合辅助触点2对，没有动断辅助触点，根据上述情况，选用型接触器 ，电磁线圈电压为。同理，、及可选型接触器，电磁线圈电压为。 5.控制变压器变压器最大负载时时、（或、）同时工作时，则 可知变压器容量应大于。考虑到指示灯回路的电路容量，可选用型变压器，电压等级：、，可满足辅助回路的各种电压需要。2.3电气原理图的设计控制电路电源由控制变压器降压后供给电压，熔断器作为电路保护。如图2-2所示。1.主轴电动机的控制按下启动按钮，接触器吸合并自锁，使主轴电动机启动运行，同时指示灯亮。按下停止按钮，接触器释放，使主轴电动机停转，同时指示灯熄灭。2.摇臂升降控制按下上升按钮（或下降按钮）,则时间继电器、线圈通电吸合，其瞬时闭合的常开触头闭合，接触器线圈通电，液压泵电动机启动，正向旋转，供给压力油。压力油经分配阀体进入摇臂的“松开油腔”，推动活塞移动，活塞推动菱形块，将摇臂松开。同时活塞杆通过弹簧片压下位置开关，使其常闭触头断开，常开触头闭合。前者切断了接触器的线圈电路，主触头断开，液压泵电动机停止工作。后者使用交流接触器（或）的线圈通电，（或）的主触头接通的电源，摇臂升降电动机启动旋转，带动摇臂上升（或下降）。如果此时摇臂尚未松开，则位置开关的常开触头则不能闭合，接触器（或）的线圈无电，摇臂就不能上升（或下降）。当摇臂上升（或下降）到所需位置时，松开按钮（或），则接触器（或）和时间继电器同时断电释放，停止工作，随之摇臂停止上升（或下降）。由于时间继电器断电释放，经时间的延时后，其延时闭合的常闭触头闭合使接触器吸合，液压泵电动机反向旋转，随之泵内压力油经分配阀进入摇臂的“夹紧油腔”使摇臂夹紧。在摇臂夹紧后，活塞杆推动弹簧片压下的位置开关，其常闭触头断开，断电释放，最终停止工作，完成了摇臂的放松 升降 夹紧的整套动作。位置开关和作为摇臂升降的超程限位保护。当摇臂上升到极限位置时，压下使其断开，接触器断电释放，停止运行，摇臂停止上升；当摇臂下降到极限位置时，压下使其断开，接触器断电释放，停止运行，摇臂停止下降。摇臂的自动夹紧由位置开关控制。如果液压夹紧系统出现故障，不能自动夹紧摇臂，或者由于的调整不当，在摇臂夹紧后不能使的常闭触头断开，都会使液压泵电动机因长期过载运行而损坏。为此电路中设有热继电器，其整定值应根据电动机的额定电流进行整定。摇臂升降电动机的正反转接触器和不允许同时获电工作，以防止电源相间短路。为避免因操作失误、主触头熔焊等原因而造成短路事故，在摇臂上升和下降的控制电路中采用了接触器联锁和复合按钮，以确保电路安全工作。3.摇臂、立柱和主轴箱的夹紧与放松控制立柱和主轴箱的夹紧（或放松）由转换开关和复合按钮（或）进行控制，有3个位置，扳到中间位置，为停止状态，扳到左边位置时，摇臂夹紧（或放松）；扳到右边位置时，主油箱和立柱夹紧（或放松）。复合按钮是松开控制按钮，是夹紧控制按钮。将转换开关扳到右边位置时，按下松开按钮（或夹紧按钮），时间继电器和的线圈同时得电，这时只有电磁阀通电吸合，从而实现主轴箱的松开（或夹紧）。松开复合按钮（或），时间继电器和的线圈断电释放，的通电延时闭合的常开触头瞬时断开，接触器（或）的线圈断电释放，液压泵电动机停转，经的延时后延时分断的常开触头分断，电磁阀的线圈断电释放，立柱、主轴箱松开（或夹紧）的操作结束。同理，把转换开关扳到左边位置，则可以实现摇臂的夹紧（或放松）。因为摇臂、立柱和主轴箱的松开与夹紧是短时间的调整工作，所以采用点动控制。4.指示灯指示灯的电源也由控制变压器降压后提供的电压，由熔断器做短路保护，、用于主轴箱和摇臂的夹紧、放松工作状态指示，用于主轴电动机运转工作状态指示。2.4其他说明通过对Z3050型钻床的分析，得出各元器件的明细表，如表2-1所示。表2-1 Z3050型摇臂钻床电气元件明细表代号名称型号规格数量用途主轴电动机1驱动主轴及进给摇臂升降电动机1驱动摇臂升降液压泵电动机1驱动液压系统冷却泵电动机 1驱动液压系统交流接触器线圈电压1控制主轴电动机交流接触器线圈电压4控制、正反转熔断器1主电路短路保护熔断器1控制电路短路保护熔断器1指示电路短路保护时间继电器线圈电压2时间继电器线圈电压1热继电器1过载保护热继电器1过载保护热继电器1过载保护组合开关1总电源开关组合开关3控制开关交流电磁铁线圈电压2液压分配控制变压器1控制、指示、照明电路供电控制电路总停止按钮红色1总停止开关主电动机停止按钮1主轴电动机停止主电动机启动电机绿色1主轴电动机启动摇臂上升按钮1摇臂点动上升摇臂下降按钮1摇臂下降液压松开按钮1松开控制液压夹紧按钮1夹紧控制摇臂升降限位开关1摇臂升降限位摇臂放松、夹紧位置开关2摇臂松夹限位液压分配行程转换开关1液压分配开关主轴箱和摇臂放松夹紧状态指示灯 白色1电源指示主轴电机工作状态指示灯1主轴指示第3章 PLC控制系统设计3.1主机类型选用3.1.1简介在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。 1.输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据，我们设计的10个输入端口，11个输出端口。 2.存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为1个字），另外再按此数的25%考虑余量。 3.控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 1）运算 简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。 2）控制功能 控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。 3）通信功能 大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。 PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1:1冗余配臵，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装臵实际要求。为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。 4. 编程功能 离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。 五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。 5.诊断功能 PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位臵，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。 3.1.2 CPU选型 根据Z3050摇臂钻床任务书和电气原理图进行分析，输入有按钮（，）、位置开关（，）和转换开关（）；输出有指示灯（,)、接触器线圈（,)和电磁阀线圈（，）。经过统计输入的个数有11个，输出的个数有10个。考虑到端口的合理利用，我们选用了CPU226类型。3.2 I/O接线图设计通过本系统的输入输出的个数和CPU类型可以得出Z3050型摇臂钻床PLC控制系统硬件接线图，如图3-1所示。图3-1 Z3050摇臂钻床PLC控制系统硬件接线图3.3控制程序设计3.3.1控制要求该程序可以实现以下几个方面的内容：1.主轴的控制：主轴由机械摩擦片式离合器实现正转、反转及调速控制2.摇臂升降过程：放松 升降 夹紧1）摇臂在完全放松状态下压下放松位置开关2）能实现升降运动，实现该运动前必须先放松摇臂3）升降完毕后，为了安全应当夹紧摇臂，两动作之间延时1-3秒4）升降完毕后，作夹紧运动，完全夹紧后，压下夹紧位置开关摇臂升降动作完毕，设置位置开关，用于升降限位保护。3.冷却控制：冷却泵电动机提供冷却液4.工作状态指示：1）、用于主轴箱和摇臂的夹紧、放松工作状态指示；2）用于主轴电动机运转工作状态指示。3.3.2控制程序1.主轴电机的控制按下主电动机启动按钮，主电机接触器线圈运转，主轴电机工作状态指示灯亮，按下主电动机停止按钮，主电机接触器线圈停止运转，主轴电机工作状态指示灯熄灭。其控制程序如图3-2所示。图3-2 主电动机启动停止的控制程序2. 摇臂升降控制按下摇臂上升按钮（或下降按钮），压下放松位置开关，当上升（或下降）压下升降限位开关，上升下降结束，摇臂夹紧位置开关被压下，夹紧摇臂。其控制程序如图3-3所示。图3-3 摇臂升降控制程序3.液压松开夹紧控制按下液压松开按钮（或夹紧按钮），液压泵电动机在夹紧或放松后13秒开始工作。实现液压夹紧放松。其控制程序如图3-4和图3-5所示。 图3-4 液压松开夹紧延时控制程序图3-5 液压松开夹紧控制程序4.电磁阀控制在夹紧（或放松）后的延时13秒后，通过对的位状态选择，液压电磁阀分别得电，实现液压系统上的夹紧（或放松）。其程序如图3-6和图3-7所示。 图3-6 电磁阀延时控制程序 图3-7 电磁阀线圈控制程序5.指示灯控制、用于主轴箱和摇臂的夹紧、放松工作状态指示，用于主轴电动机运转工作状态指示，其控制程序如图3-8所示。图3-8 指示灯控制程序3.4程序仿真及调试遇到问题及解决方案3.4.1程序仿真将程序导出在仿真软件上进行运行，其运行界面如图3-9所示图3-9 程序仿真图3.4.2程序仿真所遇问题问题：在梯形图上无法显示亮块。解决方