《毕业设计 Z3040摇臂钻床电气控制线路的PLC改造 （总体设计）》 .doc

淮安市广播电视大学 毕业设计（论文）书 题 目：z3040摇臂钻床电气控制线路的plc 改造 （总体设计） 年级专业： 04机电五（2）班 学生姓名： 苗 强 学 号： 0401090510 指导教师： 卞海玲 职 称： 讲师 导师单位： 淮安广播电视大学 摘 要本论文是研究机械加工中常用的z3040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，本论文对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。论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，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 录摘要.11绪 论. 31.1 本课题的选题背景和意义31.2 国内外关于本课题的技术研究现状和发展动态42 plc的特点介绍52.1 plc的组成52.2 plc执行用户程序的过程82.3 plc的等效电路83 z3040摇臂钻床介绍103.1 z3040摇臂钻床简介103.2 主电路133.3 控制电路144 z3040摇臂钻床plc改造164.1 z3040摇臂钻床电气控制电路分析164.2 plc选择. 164.3 i/o地址分配及接线图.174.4 plc程序设计.184.5 改造中需注意的问题.185 结论（研究成果）19参考文献.20附录：程序1：z3040钻床电气控制梯形图图片1：z3040钻床电气原理图1 绪论1.1 本课题的选题背景和意义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。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。目前，我国的z3040摇臂钻床的电气控制系统普遍采用的是传统的继电器接触器控制方式。因其所要控制的电机较多所以电路较复杂，在日常的生产作业当中，经常发生电气故障，从而影响生产。另外，一些复杂的控制如：时间、计数控制用继电器接触器控制方式较难实现，所以，有必要对传统电气控制系统进行改进设计。plc电气控制系统可以有效的弥补上述系统的这一缺陷。 可编程序控制器(plc)是以微处理器为核心，将计算机技术、通信技术与自然控制技术融为一体的新型工业自动控制装置。它克服了继电器接触器控制电路存在触点多、组合复杂、通用性和灵活性差等缺点。它不仅具有各种逻辑控制功能，而且还具有各种运算、数据处理、联网通信等功能的控制，同时还具有抗干扰性强、环境适应性好和可靠性高等特点。因而广泛地应用于工业生产各领域中。1.2 国内外关于本课题的技术研究现状和发展动态早在上世纪六十年代国外就已经出现了可编程序控制器（plc）的应用，之后世界各国争相在该领域投入大量资金进行新产品的开发，在1995年西门子又成功地开发出了s7200、s7300系列，它具有 td 200和 coros ops操作模板为用户提供了方便人机界面，用户程序三级口令保护，极强的计算性能，完善的指令集，mpi接口和通过工业现场总线profd3us以及以太网联网的网络能力，强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能；模块式结构可用于各处性能的扩展，脉冲输出晶闸管步进电机和直流电机；快速的指令处理大大缩短了循环周期，并采用了高速计数器，高速中断处理可以分别响应过程事件，大幅度降低了成本。由于电气控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司己将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。由于plc的众多优点，使其迅速在工业控制中得到推广。虽然国内plc技术的应用前景很大，并且取得了一定的经济效益，而相比之下，由于受经济和技术水平的限制，大多数企业在生产上使用的z3040摇臂钻床的电气控制系统，还是采用采用继电器接触器控制方式，而这种控制方式存在着明显的缺陷和隐患。极易发生故障。而且，由于线路复杂，要想找到问题所在也相当的困难。和国外大量采用plc技术替代继电器接触器系统相比，我们还存在很大差距。随着plc技术在我国的迅猛发展，我们和国外先进技术的差距会不断缩小。因此，抓住这个有利时机进一步促进plc技术的推广与应用，是提高我国工业自动化水平的迫切任务，此次对于z3040摇臂钻床电气控制系统改造设计，就是希望借鉴国外先进的工业控制技术，应用到工业现场，以提高摇臂钻床的工作性能。2 plc的特点介绍2.1 plc的基本组成plc的硬件系统主要有由中央微处理器(cpu) 、存储器(rom、ram) 、输入/输出(i/o)接口、编程器、电源等组成）。（一）plc的硬件结构主机微处理器（cpu）控制器的核心存储器（ram、rom）输入、输出部件（i/o部件）连接现场设备与cpu之间的接口电路电源部件为plc内部电路提供能源整齐结构的plc四部分装在同一壳内模块式结构的plc模各部件独立封装，称为模块，通过机架和总线连接而成i/o的能力可按用户的需要进行扩展和组合（扩展机）另外，还必须有编程器将用户程序写进规定的存储器内图1 plc硬件结构1. 中央控制处理单元（cpu）可编程控制器中常用的cpu主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。 通常微处理器有8080、8086、80286、80386等；单片机有8031、8096、等；位片式微处理器的am2900、am2903等。fx2可编程控制器使用的微处理器是16位的8096单片机.2. 存储器可编程控制器有两种存储器：系统存储器和用户存储器。 系统存储器：存放系统管理程序，用只读存储器实现。 用户存储器：存放用户编制的控制程序，一般用ram实现或固化到只读存储器中。3. 输入输出接口作用:连接用户输入输出设备和plc控制器，将各输入信号转换成plc标准电平供plc处理，再将处理好的输出信号转换成用户设备所要求的信号驱动外部负载。 对输入输出接口的要求：良好的抗干扰能力；对各类输入输出信号（开关量、模拟量、直流量、交流量）的匹配能力。plc输入输出接口的类型：模拟量输入输出的接口、开关量输入输出的接口（直流、交流及直流）。用户应根据输入输出信号的类型选择合适的输入输出接口。 开关量输入接口电路各种输入接口均采取了抗干扰措施。如带有光耦合器隔离使plc与外部输入信号进行隔离；并设有rc滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。通常有三种类型：直流(1224)v输入、交流(100120)v输入与交流(200240)v输入和交直流(1224)v输入。直流输入模块的电源一般由机内24v电源提供，输入信号接通时输入电流一般小于10ma；交流输入模块的电源一般由用户提供。 图2 直接输入接口开关量输出接口电路有三种形式，即继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2a。开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2a。图3 交直流输出接口（继电器输出型）输出端子的两种接法：l 隔离式输出各自独立，无公共点：各输出端子各自形成独立回路。l 汇点式全部输入点（输出点）共用一个公共点。或者将输入点（输出点）分成几组，组内各点共用一个公共点。各组的公共点之间相互隔离。组内的各点必须使用同一电压类型和同一电压等级，各组可使用不同电压类型和等级的负载。4. 电源plc的供电电源一般是电网供电，也有用直流24v电源供电的。5. 外围设备：编程器、打印机、演示板等利用编程器可将用户程序输入plc的存储器，还可以用编程器检查程序、修改程序；利用编程器还可以监视plc的工作状态。6. 用户输入输出设备:用户输入器件有控制开关和检测元件，即各种开关、按钮、传感器等；用户输出设备主要有接触器、电磁阀、指示灯等。(二) plc的软件结构在可编程控制器中，plc的软件分为两大部分：1. 系统监控程序：用于控制可编程控制器本身的运行。主要由管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块，系统调用。2. 用户程序：它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。2.2 plc执行用户程序的过程plc执行过程分为输入采样、程序处理和输出刷新等三个阶段。输入采样阶段以扫描方式，顺序读入所有输入端的状态点（接通或断开状态），并将此状态输入寄存器中，接着转入程序执行阶段，即使输入状态变化，输入寄存器的内容也不会改变，状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才能被读入。程序执行总是按先后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描。当遇到跳转指令时则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转。当指令涉及到输入、输出状态时，plc从输入映像寄存器和输出映像寄存器中读取信息，并根据用户程序进行运算，运算的结果再存入输出映像寄存器中，对输出寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。2.3 plc等效电路plc是如何工作的呢？看图4 plc控制的等效电路，plc控制的等效电路由三部分组成：（1）输入控制部分。该部分接收操作指令（如：启动按钮、停止按钮等）和被控对象的各种状态信息（如：行程开关、接近开关等）。plc的每一个输入点对应一个内部输入继电器，当输入点与输入com端接通时，输入继电器线圈通电，它的常开触点闭合、常闭触点断开；当输入点与输入com断开时，输入继电器线圈断电，它的常开触点断开、常闭触点闭合。（2）控制部分。这一部分是用户编制的控制程序，通常用梯形图表示，如图4所示。控制程序放在plc的用户程序存储器中。系统运行时，plc依次读取用户存储器中的程序语句，对它的内容进行解释并执行，又将输出的结果送到plc的输出端子，以控制外部负载的工作。 （3）输出部分。该部分根据程序执行的结果直接驱动负载。在plc内部有多个输出继电器，每个输出继电器对应一个硬触点，当程序执行的结果使输出继电器线圈通电时，对应的硬输出触点闭合，控制外部负载的动作。例如，图4的输出触点01000，01001，分别连结接触器km1、km2的线圈，控制两个线圈通电或断电。 图4plc控制的等效电路图 梯形图是从继电器控制电路原理图演变而来的。plc内部的继电器并不是实际的硬继电器，每个内部继电器都是plc内部存储单元。因此，称为“软继电器”，梯形图是由这些“软继电器”组成的控制线路，他们并不是真正的物理连接，而是逻辑关系的连接，称为“软连接”。plc内部继电器线圈用表示，常开触点用表示，常闭触点用表示。当存储单元某位状态为1时，相当于某个继电器线圈得电；当该位状态为0时，相当于该继电器线圈断电。软继电器的常开触点、常闭触点可以在程序中使用次数不受限制。plc为用户提供的继电器一般有：输入继电器、输出继电器、辅助继电器、特殊功能继电器、移位继电器、定时器/计数器等。其中，输入、输出继电器一般与外部输入输出继电器相连接，而其它继电器与外部设备没有直接联系。现在看一上图4的控制原理：当按下sb1时，输入继电器00000的线圈通电，00000常闭触点闭合，使输出继电器01000线圈得电，01000对应的硬输出触点闭合，km1得电，m1开始运转。同时，01000的一个常开触点闭合并自锁，时间继电器tim 000的线圈通电开始延时，10后tim 000的常开触点闭合，输出继电器01001的线圈得电，01001对应的硬输出触电闭合，km2得电，m2开始运转。当按下sb2时，输入继电器00001的线圈通电，00001的常闭触电断开，01000、tim 000的线圈均断电，01001的线圈也断电，01000，01001的两个硬输出点随之断开，km1、km1断电，m1、m2停转。 3 z3040摇臂钻床介绍3.1 z3040摇臂转床简介摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱及工作台等部分组成, 下面以z3040型摇臂钻床为例,分析其电气控制，如图5所示。内立柱固定在底座的一端,在它外面套着外立柱,外立柱可绕内立柱回转360,摇臂的一端为套筒,它套在外立柱上,借助丝杠的正反转可使摇臂沿外立柱作上下移动,由于该丝杠与外立柱连为一体,而升降螺母固定在摇臂上,所以摇臂只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱是一个复合部件,它由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构以及机床的操作机构等部分组成。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上,可以通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。如图5所示主轴箱可在摇臂上移动，并随摇臂绕立柱回转的钻床(见图摇臂钻床)摇臂还可沿立柱上下移动，以适应加工不同高度的工件。较小的工件可安装在工作台上，较大的工件可直接放在机床底座或地面上。摇臂钻床广泛应用于单件和中小批生产中，加工体积和重量较大的工件的孔。摇臂钻床的主要变型有滑座式和万向式两种。滑座式摇臂钻床是将基型摇臂钻床的底座改成滑座而成，滑座可沿床身导轨移动，以扩大加工范围，适用于锅炉桥梁机车车辆和造船等行业。万向摇臂钻床的摇臂除可作垂直和回转运动外，并可作水平移动，主轴箱可在摇臂上作倾斜调整，以适应工件各部位的加工。此外，还有车式壁式和数字控制摇臂钻床等。图5 摇臂转床结构及运动情况示意图（1） 摇臂钻床的主要结构及运动情况 钻削加工时,主轴旋转为主运动;主轴的纵向进给为进给运动。此时,主轴箱由夹紧接置将其紧固在摇臂水平导轨上,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,辅助运动有:摇臂沿外立柱的垂直移动;主轴箱沿摇臂长度方向的水平移动;摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。为了加工各种旋转表面，钻床必须具有钻削运动和辅助运动。钻削运动包括主运动和进给运动，而除此之外的所有运动都称之为辅助运动钻床的主运动为主轴的旋转运动，由主轴通过卡爪带动刀具旋转，它承受钻削加工时的主要切削功率。根据工艺要求，主轴应有不同的切削速度。主轴变速是由主轴电动机经v带传递到主轴变速箱实现的。钻床的进给运动是摇臂的左右或上下直线运动，其运动形式有手动和机动两种。加工螺纹是工件的旋转和刀具的移动之间有严格的比例关系，所以主运动和进给运动采用同一台电动机来拖动。钻床主轴箱输出轴经挂轮箱传给进给箱，进行钻削或攻丝。钻床的辅助运动是钻床上除钻削运动以外的其他一切必需的运动。如摇臂的快速移动和模具的夹紧与放松（2） 摇臂钻床的电力拖动特点及控制要求(1)摇臂钻床运动部件较多,为简化传动装置,采用多电动机拖动。 (2)摇臂钻床为适应多种形式的加工,要求主轴及进给有较大的调速范围。主轴一般速度下的钻削加工常为恒功率负载;而低速时主要用于扩孔、饺孔、攻螺纹等加工,这时则为恒转矩负载。 (3)摇臂钻床的主运动与进给运动皆为主轴的运动,为此这两种运动由一台主轴电动机拖动,分别经主轴传动机构、进给传动机构实现主轴旋转和进给。所以主轴变速机构与进给变速机构都装在主轴箱内。(4)为加工螺纹,主轴要求正、反转。摇臂钻床主轴正反转一般采用机械方法来实现,这样主轴电动机只需单方向旋转。 (5)摇臂的升降由升降电动机拖动,要求电动机能正、反转。 (6)内外立柱的夹紧与放松、主轴箱与摇臂的夹紧与放松可采用手柄机械操作、电气一机械装置、电气一液压装置或电气一液压一机械装置等控制方法来实现。若采用液压装置则备有液压泵电动机,拖动液压泵供出压力油来实现。 (7)摇臂的移动严格按照摇臂松开移动摇臂夹紧的程序进行。因此,摇臂的夹紧放松与摇臂升降按自动控制进行。 (8)根据钻削加工需要,应有冷却泵电动机拖动冷却泵,供出冷却液进行刀具的冷却。 (9)具有机床安全照明和信号指示。 (10)具有必要的联锁和保护环节（3 ） z3040型摇臂钻床的电气控制z3040型摇臂钻床在机械上有两种结构型式,相应的电气控制也有两种型式,下面以沈阳生产的z3040型摇臂钻床为例进行分析，下图6所示为z3040摇臂钻床原理图。 图6 z3040型摇臂钻床电路图 3.2 主电路主电动机m1：km1单向起停控制它为一个“单向运转型主电路”，由接触器km2控制主轴电动机m1电源通断；热继电器kr的热元件为主轴电动机m1的过载保护元件。摇臂升降m2：km2、km3，正反转控制它是一个“正、反转型电源主电路”，由接触器km2控制其正转电源的通断，接触器km3控制其反转电源的通断。液压泵机m3：km4、km5，正、反转（夹/松）控制由接触器km4液压泵电动机m4正转电源的通断，有接触器km5控制液压泵电动机m4反转电源的通断。冷却泵m4: 组合开关sa1单向手动控制图7所示：冷却泵电动机m1主电路很简单，由转换开关sa1控制其电源的通断。将sa1扳道接通位置，冷却泵电动机m4通电启动运转；将sa1扳道断开位置，冷却泵电动机m4断电停转。图7 z3040型摇臂钻床主电路3.3 控制电路主电动机控制（如图8）：o sb1、sb2、km1构成主轴电动机的起停控制电路，hl3用作运行指示。o 摇臂上升过程分析（夹紧时压下sq3 ）: 按下sb3kt通电电磁阀ya线圈通电、km4线圈通电 液压泵电机m3正转、压力油进入摇臂夹紧油缸右腔 摇臂松开压下q2km4线圈断电m3停止放松（此时sq3恢复为常态，ya线圈仍通电） 。 压下的q2 km2线圈通电摇臂升降电机m2正转摇臂上升升至需要高度时，松开sb3或摇臂压下限位开关sq1时 kt线圈断电延时、km2线圈断电m2停止上升 。 kt线圈断电延时13skm5线圈通电液压泵电机m3反转 摇臂夹紧压下sq3km5、ya线圈断电m3停止。夹紧完毕，摇臂上升的全部过程结束。图8 z3040型摇臂钻床控制电路o 主轴箱与立柱,外立柱与内立柱间的夹紧、松开（两者同时进行）如图9：松开：按下sb5km4线圈通电液压泵电动机m3正转，电磁铁ya线圈不通电，泵入的压力油进入主轴箱和立柱液压缸右腔主轴箱和立柱同时松开 直至位置开关sq4复位hl1作松开状态指示，此时松开按钮sb5，放松过程结束。夹紧：按下sb6km5线圈通电液压泵电动机m3反转、ya线圈不通电，泵入的压力油进入主轴箱和立柱液压缸左腔主轴箱和立柱同时夹紧 直至压下位置开关sq4hl2作夹紧状态指示，此时，松开按钮sb6，夹紧过程结束。图9 z3040型摇臂钻床控制电路 4 z3040摇臂钻床plc改造介绍用plc改造z304016（）型摇臂钻床继电器控制电路，详细阐述了改造设计过程，包括继电器控制电路分析、plc机型选择、i/o地址分配及接线、plc程序设计、以及改造中注意的问题。 4.1 z304016()型摇臂钻床电气控制电路分析 （1）采用4台电动机拖动，主电机m1、摇臂升降电机m2、液压泵电机m3及冷却泵电机m4。4台电机均采用直接启动控制。 （2）控制电路设有总启动按钮sb1和总停止按钮sb7。（3）摇臂升/降动作按照“摇臂松开、升/降、“摇臂夹紧”顺序进行，由于摇臂松开行程开关sq2于夹紧行程开关sq3来控制。在摇臂夹紧前，由时间继电器kt1延时1-3s后再夹紧。（4）立柱和主轴箱的松开、夹紧可以单独操作，也可以同时进行，由于转换开关sa、松开按钮sb5和夹紧按钮sb6来控制。利用时间继电器kt2的断电延时断开触点延时断开触指、kt3的通电延时闭合触指、实现电磁铁ya1、ya2相对于液压泵电机接触器提前吸合、延时断开的控制。（5）主电机m1和液压泵电机m3分别没有热继电器fr1、fr2作长期过载保护。 (6)机床设有4个信号指示灯：电源指示灯hl1、立柱和主轴箱松开指示灯hl2、立柱和主轴箱夹紧指示灯hl3、主轴电动机旋转指示灯hl4。4.2 plc选择1 确定i/o点数 在改造中尽可能使用原有电器、根据原有控制电路来计算i/o点数。其中：按钮8个、行程开关5个、转换开关1个（3个位置）、共计输入点数16个；接触器5个、电磁铁2个、指示灯3个（电源指示灯hl1接线保持线不变），共计输出点数10个。2 选