Z3040型摇臂钻床课程设计说明说.doc

1 课程设计说明书 课程名称 课程名称 机床电气控制技术 设计题目设计题目 Z3040 型摇臂钻床电气控制设计 专专 业 业 机械设计制造及其自动化班级 班级 0804 学生姓名学生姓名 周志鹏 学学 号号 0812110436 指导教师指导教师 吴吉平 湖南工业大学科技学院教务部 制 年 月 日 2 摘摘 要要 Z3040 型摇臂钻床适用于单件或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工 是机械加工车间常用的机床 在机械行业中得到了广泛应用 由于传统继电器 接触器控制的摇臂钻床存在电路接线复杂 触点多 噪音大 可靠性差 故 障诊断与排除困难等缺点 因此对 Z3040 摇臂钻床控制系统的技术改造是非常 必要的 本文在分析 Z3040 型摇臂钻床继电接触控制系统工作原理的基础上 提出 了用可编程控制器 PLC 对摇臂钻床控制系统进行改造设计 文中介绍了 PLC 的原理和特点 给出了摇臂钻床 PLC 控制系统的硬件组成和软件设计 其中包 括 PLC 的选型 输入 输出 I O 地址分配 PLC 外部接线图 PLC 梯形图程 序设计 分析了用 PLC 控制摇臂钻床的工作过程 对主要电器元件进行了选择 改造后的 Z3040 型摇臂钻床简化了控制线路 使机床功能完善 使用方便 维护简单 降低了设备运行的故障率 提高了设备运行的使用率 可实现生产 过程的高效 节能和低成本 在工业上有广泛的应用前景 关键词 可编程控制器 PLC 摇臂钻床 梯形图 控制系统 3 目录目录 摘摘 要要 2 目录目录 3 第第 1 章章 引引 言言 5 第第 2 章章 Z3040 控制线路原理分析控制线路原理分析 7 2 1 Z3040 摇臂钻床简介摇臂钻床简介 7 2 1 1 Z3040 摇臂钻床的结构及运行 7 2 1 2 Z3040 摇臂钻床的电力拖动的特点和控制要求 7 2 1 3 Z3040 控制线路概述 8 2 2 Z3040 控制线路原理分析控制线路原理分析 9 2 2 1 主电路分析 10 2 2 2 控制电路分析 10 第第 3 章章 基于基于 PLC 的的 Z3040 控制系统设计控制系统设计 13 3 1 PLC 的型号选择的型号选择 13 3 1 1 PLC 的型号选择 13 3 1 2 Z3040 摇臂钻床 PLC 控制系统电路图设计 14 3 2 基于基于 PLC 的的 Z3040 型摇臂钻床控制系统软件设计型摇臂钻床控制系统软件设计 15 3 2 1 PLC 梯形图程序设计 15 3 2 2 PLC 梯形图系统调试 19 3 2 3 PLC 控制指令表 19 3 2 4 PLC 控制系统分析 20 3 2 5 元器件布置接线图设计 21 第第 4 章章 结论结论 22 参参 考考 文文 献献 23 附附 录录 24 附录附录 1Z3040 型摇臂钻床型摇臂钻床 PLC 控制系统电气原理图控制系统电气原理图 1 24 4 附录附录 2 S7 200 CPU 的技术指标的技术指标 24 附录附录 3 Z3040 型摇臂钻床型摇臂钻床 PLC 控制控制 I O 输入 输出 地址分配表输入 输出 地址分配表 26 附录附录 4 Z3040 型摇臂钻床控制系统电路图型摇臂钻床控制系统电路图 27 附录附录 5 Z3040 型摇臂钻床配电箱元件位置及接线图型摇臂钻床配电箱元件位置及接线图 28 附录附录 6 Z 3040 型摇臂钻床型摇臂钻床 PLC 控制系统梯形图控制系统梯形图 29 5 第第 1 章章 引引 言言 目前 PLC 在国内外已广泛应用于钢铁 石油 化工 电力 建材 机械 制造 汽车 轻纺 交通运输 环保及文化娱乐等各个行业 使用情况大致可 归纳为如下几类 1 开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本 最广泛的应用领域 它取代传统的继电器电路 实现逻辑 控制 顺序控制 既可用于单台设备的控制 也可用于多机群控及自动化流水 线 如注塑机 印刷机 订书机械 组合机床 磨床 包装生产线 电镀流水 线等 2 模拟量控制 在工业生产过程当中 有许多连续变化的量 如温度 压力 流量 液位和 速度等都是模拟量 为了使可编程控制器处理模拟量 必须实现模拟量 Analog 和数字量 Digital 之间的 A D 转换及 D A 转换 PLC 厂家都生产 配套的 A D 和 D A 转换模块 使可编程控制器用于模拟量控制 3 运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制 从控制机构配置来说 早期直 接用于开关量 I O 模块连接位置传感器和执行机构 现在一般使用专用的运动 控制模块 如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块 世界上 各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能 广泛用于各种机械 机床 机 器人 电梯等场合 4 过程控制 过程控制是指对温度 压力 流量等模拟量的闭环控制 作为工业控制计 算机 PLC 能编制各种各样的控制算法程序 完成闭环控制 PID 调节是一般 闭环控制系统中用得较多的调节方法 大中型 PLC 都有 PID 模块 目前许多小 型 PLC 也具有此功能模块 PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序 过程控制 在冶金 化工 热处理 锅炉控制等场合有非常广泛的应用 5 数据处理 现代 PLC 具有数学运算 含矩阵运算 函数运算 逻辑运算 数据传送 6 数据转换 排序 查表 位操作等功能 可以完成数据的采集 分析及处理 这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较 完成一定的控制操作 也可以 利用通信功能传送到别的智能装置 或将它们打印制表 数据处理一般用于大 型控制系统 如无人控制的柔性制造系统 也可用于过程控制系统 如造纸 冶金 食品工业中的一些大型控制系统 6 通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信 随着计算机 控制的发展 工厂自动化网络发展得很快 各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通 信功能 纷纷推出各自的网络系统 新近生产的 PLC 都具有通信接口 通信非 常方便 7 第第 2 章章 Z3040 控制线路原理分析控制线路原理分析 2 1 Z3040 摇臂钻床简介摇臂钻床简介 摇臂钻床适合于在大 中型零件上进行钻孔 扩孔 铰孔及攻螺纹等工作 在具有工艺装备的条件下还可以进行镗孔 摇臂钻床的主轴旋转运动和进给运 动由一台交流异步电动机拖动 主轴的正反向旋转运动是通过机械转换实现的 故主电动机只有一个旋转方向 摇臂钻床除了主轴的旋转和进给运动外 还有摇臂的上升 下降及立柱的 夹紧和放松 摇臂的上升 下降由一台交流异步电动机拖动 主轴箱 立柱的 夹紧和放松由另一台交流电动机拖动 通过电动机拖动一台齿轮泵 供给夹紧 装置所需要的压力油 而摇臂的回转和主轴箱的左右移动通常采用手动 此外 还有一台冷却泵电动机对加工的刀具进行冷却 2 1 1 Z3040 摇臂钻床的结构及运行摇臂钻床的结构及运行 Z3040 摇臂钻床主要由底座 内立柱 外立柱 摇臂 主轴箱 工作台等 部分组成 内立柱固定在底座上 在它的外面套着空心的外立柱 外立柱可绕 着内立柱回转 主轴箱是一个复合部件 它包括主轴及主轴旋转和进给运动的 全部传动变速和操作机构 主轴箱安装于摇臂的水平导轨上 可以通过手轮操 作使其在水平导轨上沿摇臂移动 钻削加工时 主轴箱可由夹紧装置将其固定在摇臂的水平导轨上 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 2 1 2 Z3040 摇臂钻床的电力拖动的特点和控制要求摇臂钻床的电力拖动的特点和控制要求 摇臂钻床运动部件较多 为简化传动装置 采用多台电动机控制 通常没 有主轴电动机 摇臂升降电动机 立柱夹紧和放松电动机及冷却泵电动机 摇臂钻床为适应各种形式加工 要求主轴及进给有较大的调速范围 主轴 一般速度下的钻床加工为恒功率负载 而低速是用于扩孔 绞孔及螺纹加工 属于恒转矩负载 摇臂钻床的主运动与进给运动皆为主轴运动 这两个运动由 8 一台主轴电动机拖动 分别经主轴和进给传动机构实现主轴旋转和进给 主轴 变速机构与进给变速机构均装在主轴箱内 为加工螺纹 主轴要求有正 反转 一般由机械方法获得 为此主轴电动 机只需单方向旋转 摇臂的升降由升降电动机拖动 要求电动机能正 反转 摇臂的夹紧和放松是由电气和液压联合控制 并且有夹紧和放松指示 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 液压 机械装置等方法来实现 钻削加工时 需要对刀具和工件进行冷却 为此需冷却泵电动机输送冷却 液 要有必要的限位 连锁和过载保护 且具有局部安全照明 2 1 3 Z3040 控制线路概述控制线路概述 Z3040 摇臂钻床主要有两种主要运动和其他辅助运动 主运动是指主轴带 动钻头的旋转运动 进给运动是指钻头的垂直运动 辅助运动是指主轴箱沿摇 臂水平运动 摇臂沿外立柱上下移动以及摇臂和外立柱一起相对于内立柱的回 转运动 Z3040 摇臂钻床具有两套液压控制系统 一套是由主轴电动机拖动齿轮泵 送出压力油 通过操纵机构实现主轴正反转 停车控制 空挡 预选与变速 另一套是由液压电动机拖动液压泵送出压力油来实现摇臂的夹紧和松开 主轴 箱的夹紧与松开 立柱的夹紧与松开 前者安装在主轴箱内 后者安装在摇臂 电器盒下部 1 操纵机构液压系统 该系统压力油由主轴电动机拖动齿轮泵送出 由主轴操作手柄来改变两个 操纵阀的相互位置 获得不同的动作 操作手柄有五个空间位置 上 下 里 外和中间位置 其中上为 空挡 下为 变速 外为 正转 里为 反转 中间位置为 停车 而主轴转速及主轴进给量各有一个旋钮预选 然后在操 9 作主轴手柄 主轴旋转时 首先按下主轴电动机起动按钮 主轴电动机起动旋转 拖动 齿轮泵 送出压力油 然后操纵主轴手柄 板至所需转向位置 里或外 于 是两个操纵阀相互位置转变 使一股压力油将制动摩擦离合器松开 为主轴旋 转创造条件 另一股压力油压紧正转 反转 摩擦离合器 接通主轴电动机的 主轴的传送链 驱动主轴正转或反转 在主轴正转或反转过程中 可转动变速按钮 改变主轴转速或主轴进给量 主轴停车时 将操作手柄扳回中间位置 这时主轴电动机仍拖动齿轮泵旋 转 但此时整个液压系统为低压油 无法松开制动摩擦离合器 而在制动弹簧 作用下将制动摩擦离合器压紧 使制动轴上的齿轮不能转动 实现主轴停车 所以主轴停车时主轴发动机仍在旋转 只是不能将动力传到主轴 主轴变速与进给变速 将主轴手柄扳至 变速 位置 于是改变两个操纵 阀的相互位置 使齿轮泵送出的压力油进入主轴转速预选阀和主轴进给量预选 阀 然后进入各变速油缸 与此同时 另一油路系统推动拔叉缓慢运动 逐渐 压紧主轴正转摩擦离合器 接通主轴电动机到主轴的传动链 带动主轴缓慢旋 转 称为缓速 以利于齿轮的顺利啮合 当变速完成 松开操作手柄 此时手 柄在弹簧作用下由 变速 位置自动复位到主轴 停车 位置 然后在操纵主 轴正转或反转 主轴将在新的转速或进给量下工作 2 夹紧机构液压系统 主轴箱 内外立柱和摇臂的夹紧和松开是由液压泵电动机拖动液压泵电动 机送出压力油 推动活塞 菱形块来实现的 其中由一个油路控制主轴箱和立 柱的夹紧 另一油路控制摇臂的夹紧和松开 这两个油路均由电磁阀控制 Z3040 摇臂钻床共有四大电动机 主电动机 M1 摇臂升降电动机 M2 液 压泵电动机 M3 和冷却泵电动机 M4 2 2 Z3040 控制线路原理分析控制线路原理分析 Z3040 型摇臂钻床控制线路原理图见附录 1 Z3040 型摇臂钻床的动作是通 10 过机 电 液进行联合控制实现的 该机床控制电路采用 380V 100V 隔离变压 器供电 但其二次绕组增设 24V 安全电压供局部照明使用 断路器 QF1 既作 为机床线路的电源总开关 又作为机床线路和主轴电机 M1 的短路及过载保护 元件 断路器 QF2 卧摇臂升降电动机 M2 液压泵电机 M3 冷却泵电机 M4 的 隔离开关和过载及短路保护元件 QF3 QF4 QF5 分别为机床控制电路 机 床工作信号指示电路和机床工作照明电路和过载及短路保护开关 开车前的准备 首先将隔离开关接通 将电源引入开关 QF1 扳到 接通 位置 接通三相交流电源 此时总电源指示灯 HL1 亮 表示机床电气电路已进 入带电状态 按下总启动按钮 SB1 中间继电器 KA 线圈通电吸合并自锁 为 主电动机及其他电动机启动多准备 同时触点 KA 闭合 为其他三个指示灯通 电做准备 2 2 1 主电路分析主电路分析 1 M1 为单方向旋转 由接触器 KM1 控制 主轴的正反转则由机床液压 系统操纵机构配合正反转摩擦离合器实现 并由热继电器 FR1 作电动机长期过 载保护 2 M2 由正 反转接触器 KM2 KM3 控制实现正反转 控制电路保证 在操纵摇臂升降时 首先使液压泵电动机起动旋转 供出压力油 经液压系统 将摇臂松开 然后才使电动机 M2 起动 拖动摇臂上升或下降 当移动到位后 保证 M2 先停下 再自动通过液压系统将摇臂夹紧 最后液压泵电机才停下 M2 为短时工作 不设长期过载保护 3 M3 由接触器 KM4 KM5 实现正反转控制 并有热继电器 FR2 作长期 过载保护 4 M4 电机容量小 仅 0 125kW 由开关 QS 控制 2 2 2 控制电路分析控制电路分析 由变压器 TC 将 380V 交流电压降为 110V 作为控制电源 指示灯电源为 6V 11 1 主电动机控制 按下起动按钮 SB2 接触器 KM1 吸合并自锁 主轴电动机 M1 起动并运转 按下停止按钮 SB8 接触器 KM1 释放 主轴电动机 M1 停转 2 摇臂升降控制 摇臂上升 下降分别由 SB3 SB4 点动控制 按上升按钮 SB3 时间继电器 KT1 得电吸合 瞬时动合触点 33 35 闭 合 接触器 KM4 得电吸合 液压泵电动机 M3 接通电源正向旋转 供给压力 油 压力油经分配阀体进入摇臂松开的油腔 推动活塞 使摇臂松开 当摇臂 完全松开后 活塞杆通过弹簧片压下限位开关 ST2 使其动断触点 ST2 17 33 断开 使接触器 KM4 线圈断电释放 液压泵电动机 M3 停转 与此同时 另一动合触点 ST2 17 21 闭合 接触器 KM2 线圈通电吸合 其 主触点接通升降电动机 M2 的电源 M2 启动正向旋转 带动摇臂上升 如果摇臂没有松开 ST2 的动合触点也不能闭合 KM2 就不能吸合 M2 不能旋转 摇臂也就不可能上升 保证了只有在摇臂可靠松开后才能使摇臂上 升 当摇臂上升到所需位置时 松开按钮 SB3 接触器 KM2 和时间继电器 KT1 同时断电释放 摇臂升降电动机 M2 停转 摇臂停止上升 由于 KT1 释放 其延时闭合的动断触点 47 49 经 1 3 秒延时后闭合 接触器 KM5 的线圈经 1 3 5 7 47 49 51 6 2 线路通电吸合 液压电动机 M3 反向起动旋转 供给 压力油 压力油经分配阀进入摇臂夹紧油腔 向相反方向推动活塞 使摇臂夹 紧 同时 活塞杆通过弹簧片压下限位开关 ST2 动断触点 7 47 断开 接触 器 KM5 断电释放 液压泵电动机 M3 停止旋转 完成了摇臂的松开 上升 夹紧动作 摇臂上升的动作过程如下 位置 松开 摇臂上升到预定压下正转按 正转吸合 停转断电 吸合 吸合 3 2 3 3 2 2 3 4 1 4 SB STMSB MKM MKM KT KM 摇臂的下降过程与上升基本相同 它们的夹紧和放松电路完全一样 所不 12 同的是按下降按钮 SB4 时为 KM3 线圈得电 摇臂升降电动机 M2 反转 带动 摇臂下降 时间继电器 KT1 的作用是控制 KM5 的吸合时间 使 M2 停止运转后 再 夹紧摇臂 KT1 的延时时间应视摇臂在 M2 断电至停转前的惯性大小调整 应 保证摇臂上升 或下降 后才进行夹紧 一般调整在 1 3 秒 摇臂升降的限位保护 由组合开关 ST1 来实现 ST1 有两对触点 ST1 1 是摇臂上升时的极限位置保护 ST1 2 27 17 是摇臂下降时的极限位置保护 当摇臂上升到极限位置时 ST1 1 15 17 动作 将电路断开 则 KM2 断电释放 摇臂升降电动机 M2 停止旋转 但 ST1 的另一触点 ST1 2 27 17 仍处于闭合 状态 保证摇臂能够下降 同理 当摇臂下降到极限位置时 ST1 2 27 17 动作 电路断开 KM3 释放 摇臂升降电动机 M2 停转 而 ST1 的另一动断触 点 ST1 1 15 17 仍闭合 以保证摇臂能够上升 摇臂的自动夹紧是由行程 ST3 来控制的 如果液压夹紧系统出现故障而不 能自动夹紧摇臂 或者由于 ST3 调整不当 在摇臂夹紧后不能使 ST3 7 47 的动断触点断开 都会使液压泵电动机处于长期过载运行状态 这是不允许的 为了防止损坏液压泵电动机 电路中使用了热继电器 FR2 摇臂夹紧动作过程如下 摇臂升到预定位置 松开 SB3 KT1 47 49 断电延时闭合 KM5 吸合 M3 反转 摇臂夹紧 ST3 7 47 受压断开 KM5 M3 均断电释放 3 立柱和主轴箱松开 夹紧控制 立柱和主轴箱的松开及夹紧控制可单独进行 也可同时进行 由转换开关 SA2 和复位按钮 SB7 或 SB8 进行控制 SA2 有 3 个位置 中间位 零位 时 立柱和主轴箱的松开或夹紧同时进行 左边位为立柱的夹紧或放松 右边 位为主轴箱的夹紧或放松 复合按钮 SB7 SB8 分别为松开 夹紧控制按钮 以主轴箱的松开和夹紧为例 先将 SA2 扳到右侧 触点 57 59 接通 57 63 断开 当要主轴箱松开时 按松开按钮 SB7 时间继电器 KT2 KT3 的线圈同时得电 KT2 是断电延时型时间继电器 它的断电延时断开的常开 触点 7 57 在通电瞬间闭合 电磁铁 YA1 通电吸合 经 1 3 秒延时后 KT3 13 的延时闭合常开触点 7 41 闭合 接触器 KM4 线圈经 1 3 5 7 41 43 37 39 6 2 线圈断电 液压泵电动机 M3 正转 压力油经分配阀进入主轴箱右缸 推 动活塞使主轴箱放松 活塞杆使行程开关 ST4 复位 触点 ST4 常闭开关 ST4 常开闭合 指示灯 HL2 亮 表示主轴箱已松开 主轴箱夹紧的控制线路及工作 原理与松开时相似 只要按松开按钮 SB7 换成夹紧按钮 SB8 接触器 KM4 换 成 KM5 M3 由正向转动变成反向转动 指示灯 HL2 换成 HL3 即可 当把转换开关 SA3 拌到左侧时 触点 57 63 接通 57 59 断开 按松 开按钮 SB7 或夹紧按钮 SB8 时 电磁铁 YA2 通电 此时 立柱松开或夹紧 SA2 在中间位时 触点 57 59 57 63 均接通 按 SB7 或 SB8 电磁铁 YA1 YA2 均通电 主轴箱和立柱同时进行松开或夹紧 其他动作过程与主轴 箱松开或夹紧时完全相同 不在论述 由于立柱和主轴箱的松开与夹紧是短时间的调整工作 故采用点动控制方 式 4 冷却泵控制 冷却泵电动机 M4 容量小 所以用组合开关 QS 直接控制其运行和停止 5 照明 信号电路 1 机床照明电路 QF5 机床工作照明电路开关 同时过载及短路保护作 用 EL 为工作照明灯 2 工作信号指示 HL1 电源指示灯 当和上 QF2 时 HL1 指示灯亮 HL2 为立柱和主轴箱松开指示灯 HL3 为立柱和主轴箱夹紧指示灯 分别由限位开 关 ST4 长闭触头和 ST4 常开触头控制 HL4 为主轴电动机旋转指示灯 由 KM1 常开触头控制 14 第第 3 章章 基于基于 PLC 的的 Z3040 控制系统设计控制系统设计 3 1 PLC 的型号选择的型号选择 3 1 1 PLC 的型号选择的型号选择 随着 PLC 技术的发展 PLC 产品的种类也越来越多 不同型号的 PLC 其结构形式 性能 容量 指令系统 编程方式 价格等也各有不同 适用的 场合也各有侧重 因此 合理选用 PLC 对于提高 PLC 控制系统的技术经济指 标有着重要意义 PLC 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠 维 护方便的前提下 力争最佳的性能价格比 1 PLC 类型简介 目前各国生产的 PLC 品种繁多 发展迅速 在中国的市场上最具竞争力的 有德国西门子公司 日本三菱系列 欧姆龙公司 AB 公司所推出的 PLC 均为 从小到大全系列的产品 可满足各种各样的需求 2 选配 PLC 的型号 S7 200 PLC 是超小型化的 PLC 它适用于各行各业 各种场合中的自动检 测 监测及控制等 S7 200 PLC 的强大功能使其无论单机运行 或连成网络都 能实现复杂的控制功能 S7 200PLC 可提供 4 个不同的基本型号与 8 种 CPU 可 供选择使用 S7 200 CPU 的技术指标见附录 2 1 确定 I O 点数 在改造设计中尽可能利用原有电器 以利于节省投资 根据原控制电路来 确定 I O 端口点数 其中 按钮 8 个 行程开关 5 个 转换开关 1 个 触点位 置 3 个 热继电器常闭 2 个 电压继电器触点 1 个 控制线路电源总开关 1 个 共 20 个输入端口点数 接触器 7 个 电压继电器一个 信号灯 4 个 共 计 12 个输出端口点数 2 选配 PLC 的型号 在选用 PLC 上 考虑到只是对 Z3040 型钻床做电器部分的改造 输出端口 需要 12 个 输入端口需要 20 个 而且并不通过网络或其他方式做远程控制 15 因此 考虑到经济 实用 稳定等方面因素 我决定选用 SIMATIC S7 200 系 列的 S7 200 系列 CPU226AC DC RELAY 型 作为本次设计所用 PLC 其 I O 地址分配见附录 3 3 1 2 Z3040 摇臂钻床摇臂钻床 PLC 控制系统电路图设计控制系统电路图设计 根据 I O 地址分配表设计 PLC 控制系统电路图 1 设计中的几个问题 1 控制电源 接触器 电磁铁及指示灯仍采用原来的 110V 6 3V 电压不变 2 Z3040 型摇臂钻床照明灯 通电指示灯和信号控制电路的处理 手动控制 Z3040 型摇臂钻床照明灯的电路和电源指示灯电路可用原控制电 路控制 也可以用 PLC 控制 本设计照明灯的电路采用原控制电路控制 信 号控制电路采用 PLC 控制 3 在控制电路中 摇臂升降电动机和液压泵电动机都需要正反转控制 必须设置互锁环节 其方案有三 方案一是在梯形图中设置互锁 方案二是利用正反转接触器常闭触点在输出电路中实现互锁 方案三是在编制梯形图时对这两台电动机都设置互锁并结合正反转接触器 常闭触点在输出电路中的互锁 从这三个方案来看方案三实现了双重保护 可避免电源短路 有效保证安 全 因此本设计采用第三个方案 4 主轴电动机和液压泵电动机过载保护元件热继电器常闭触点放置问 题 热继电器常闭触点可直接接在输出端 本设计为控制方便将热继电器常闭 触点接在 PLC 的输入端 16 2 Z3040 摇臂钻床控制系统电路图 根据上述设计理念设计出 Z3040 摇臂钻床控制系统电路图 见附录 4 3 2 基于基于 PLC 的的 Z3040 型摇臂钻床控制系统软件设计型摇臂钻床控制系统软件设计 3 2 1 PLC 梯形图程序设计梯形图程序设计 1 系统预开程序 本段梯形图程序是为主电动机及其他电动机启动做准备 当合上 FQ3 I0 0 按下 SB1 I0 2 低电压继电器 KV Q0 0 得电并自锁 其常开触点 KV I0 3 闭合接通了控制电路电源为机床工作做准备 梯形图程序如图 4 1 所 示 I0 0I0 2I0 1 Q0 0 Q0 0 图 4 1 2 主轴电动机控制程序 主轴电动机只做单方向旋转 需要过载保护 过载保护由热继电器 FR1 I0 4 完成 梯形图程序如图 4 2 所示 I0 3I0 5I0 6 Q0 1 Q0 1 I0 4 图 4 2 3 摇臂升降控制程序 摇臂的升 或降 严格按照摇臂松开 升 或降 夹紧的顺序进行 为 此 要求夹紧与放松作用的液压泵电动机与摇臂升降电动机按一定顺序启动工 作 由摇臂松开行程开关与摇臂夹紧行程开关发出控制信号进行控制 当要求 摇臂上升 或下降 时 按下 SB3 或 SB4 首先启动主轴箱 立柱 摇臂松开 17 电路当松开到位时 ST2 I1 3 常开触点闭合 使液压泵电动机旋转 正转或反转 摇 臂上升 或下降 液压泵电动机正 反转需必要的互锁 梯形图如图 4 3 所 示 4 主轴箱 立柱 摇臂松开 夹紧控制程序 Z3040 摇臂钻床 摇臂的松开 夹紧与摇臂的升降要求能自动控制 本设 计采用定时器与行程开关配合完成 有必要的联锁保护 梯形图程序如图 4 4 所示 M0 0I1 3I1 5Q0 5Q0 4 M0 1I1 7T39 M0 1 M0 2 I1 4 I1 5 Q0 4I1 6 T37 Q0 5 IN PT100ms M0 0T37 30 IN PT TON 100ms T39 M0 2M0 1 TOF 30 图 4 4 18 I0 7I1 1 M0 0 I1 0I1 2 I1 3M0 0 I0 7Q0 3Q0 2 I1 0Q0 2Q0 3 图 4 3 5 主轴箱 立柱松开 夹紧控制程序 主轴箱 立柱松开与夹紧控制要求可单独操作 也可以同时操作 由转换 开关 SA 和 SB5 SB6 配合定时器进行控制 梯形图程序如图 4 5 所示 6 冷却泵控制 冷却泵电动机采用组合开关 QS 直接控制其启停 I2 1 I2 3 Q0 6 I2 2 Q0 7 I2 2 T38 T38 I1 6 I1 7 M0 0 T38 IN PT TOF 100ms 30 M0 1 图 4 5 7 信号指示梯形图程序电源指示灯 HL1 Q1 0 当机床上电时指示 采 19 用 S 200PLC 特殊内部继电器 SM0 0 实现 立柱 主轴箱松开 夹紧指示灯 HL2 Q1 1 HL3 Q1 2 由限位开关 ST4 I2 0 控制 主轴电动机旋转指示灯 HL4 Q1 3 由 KM1 Q0 1 控制 梯形图程序如图 4 6 所示 Q1 1 Q1 2 Q1 3 I2 0 I2 0 Q0 1 Q1 0 SM0 0 I0 3 图 4 6 3 2 2 PLC 梯形图系统调试梯形图系统调试 将各部分梯形图程序上机调试并合并成如附录 5 所示的 Z3040 型摇臂钻床 PLC 控制系统梯形图 经过调试和模拟实验 所设计的梯形图程序完全满足 Z3040 型摇臂钻床对控制系统的要求 3 2 3 PLC 控制指令表控制指令表 LD I0 0 AN I0 1 LD I0 2 O Q0 0 ALD Q0 0 LD I0 3 LPS LD I0 5 O Q0 1 ALD AN I0 6 A I0 4 Q0 1 LRD LD I0 7 AN I1 1 LD I1 0 AN I1 2 OLD ALD M0 0 LRD A I1 3 LPS A I0 7 AN I1 0 AN Q0 3 Q0 2 LPP A B4 I1 0 AN B3 I0 7 AN Q0 2 Q0 3 LRD LD I0 7 AN I1 1 LD I1 0 AN I1 2 OLD A M0 0 AN I1 3 AN M0 1 LD T39 AN I1 7 A M0 1 OLD ALD 2 A I1 5 AN Q0 5 Q0 4 LPP LPS LDN I1 6 A M0 2 ON I1 4 ALD AN T37 A I1 5 AN Q0 4 Q0 5 LRD LD I0 7 AN I1 1 LD I1 0 AN I1 2 OLD ALD TOF T37 30 LRD LD I1 6 O I1 7 AN M0 0 ALD M0 1 TOF T38 30 LRD LD I2 1 O I2 3 ALD A T38 Q0 6 LRD LD I2 2 O I2 3 ALD A T38 Q0 7 LPP A M0 1 M0 2 TON T39 100 LD SM0 0 Q1 0 LD I0 3 LPS AN I2 0 Q1 1 LRD A I2 0 Q1 2 LPPA Q0 1 20 3 2 4 PLC 控制系统分析控制系统分析 1 开车准备 先将自动开关 QF2 QF5 接通 在将电源总开关 QF1 扳倒 接通 位置 引入三相电源 PLC 上电 电源指示灯点亮表示机床已处于带电状态 按下 SB1 I0 2 接通 低电压继电器 KV Q0 0 得电并自锁 其常开触点 KV I0 3 闭合接通了控制电路电源为机床工作做准备 2 主轴电动机控制 启动时 按下启动按钮 SB2 I0 5 接通 Q0 1 动作并自锁使 KM1 得电并 自锁 KM1 主触点闭合主轴电动机 M1 转动 指示灯 HL4 亮 停车时 按下停 止按钮 SB7 I0 6 断开 Q0 1 复位 KM1 断电释放 主轴电动机 M1 停转 指示 灯 HL4 灭 3 摇臂升降控制 当需要摇臂上升时按下 SB3 I0 7 闭合 M0 0 接通 同时 接通断电延时 定时器 T37 其长闭触点 T37 瞬时断开 断开了液压泵电动机 M3 反转控制的 电路 由于主轴箱 立柱 摇臂松开逻辑行 I1 5 是闭合的 因而 Q0 4 接通闭合 液压泵电动机 M3 正转 松开摇臂 摇臂松开到位后 I1 3 长闭触点断开 液 压泵电动机 M3 停转 摇臂上升逻辑行 I1 3 常开触点闭合 Q0 2 接通闭合 摇 臂上升电动机 M2 正转 带动摇臂上升 当摇臂上升到一定高度时松开 SB3 I0 7 复位断开 M0 0 断开 断电延时定时器 T37 断电 其长闭触点 T37 延时 3 秒钟闭合 Q0 5 接通闭合 液压泵电动机 M3 反转 夹紧摇臂 摇臂夹紧 后 ST2 I1 3 ST3 I1 4 恢复初始状态且 I1 4 断开 Q0 5 失电 液压泵电动 机 M3 停转 完成了摇臂松开 上升 夹紧的动作过程 摇臂下降的控制过程 与摇臂上升的控制过程相似 4 立柱与主轴箱松开 夹紧控制 立柱与主轴箱的松开 夹紧控制可单独进行 也可同时进行 由转换开关 SA 与按钮 SB5 或 SB6 控制 转换开关有三个位置 板到中间位置时立柱和主 轴箱的松开与夹紧同时进行 板到左边位置时 立柱被夹紧与放松 板到右边 位置时主轴箱单独夹紧与放松 当转换开关置于中间位置时 I2 2 闭合 若使立柱与主轴箱同时松开 则按 下 SB5 I1 6 闭合 M0 1 和断电延时定时器 T38 同时接通 T38 触点瞬时闭合 21 Q0 6 Q0 7 同时得电吸合为主轴箱与立柱同时松开做准备 M0 1 常开触点闭合 M0 2 和通电延时定时器 T39 同时接通 M0 2 常开触点闭合主轴箱与立柱夹紧 准备 T39 常开触点经 3 秒钟延时闭合 Q0 4 接通闭合 液压泵电动机 M3 通电 正转推动活塞使立柱和主轴箱松开 同时活塞杆使 TS4 复位 I2 0 闭合 指示灯 HL2 亮 当立柱与主轴箱松开后 可手动使立柱回转或主轴箱做径向移动 当调整 到位后可按下 SB6 夹紧按钮 主轴箱与立柱夹紧工作情况与松开时相似 这里 不再赘述 另外两种情况 只有将转换开关 SA 板到相应位置 再按 SB5 与 SB6 即可实现 3 2 5 元器件布置接线图设计元器件布置接线图设计 根据 Z3040 型摇臂钻床配电箱的规格尺寸 各电器实际外形尺寸进行合理 布置以及根据接线图绘制原则设计绘制出元器件布置接线图 见附录 6 22 第第 4 章章 结论结论 本次设计阐述了 PLC 在 Z3040 型摇臂钻床控制系统设计的应用 应用可编 程控制器 PLC 对 Z3040 摇臂钻床控制系统加以改造 把 PLC 控制技术应用 到改造设计方案中去 取代传统继电接触控制的方法 达到了使控制系统满足 Z3040 摇臂钻床对电力拖动和控制要求 简化了控制线 使得钻床的可靠性和效 率大为提高 23 参参 考考 文文 献献 1 冯垛生 电气实用指南 人民邮电出版社 2006 2 陈伯时 电力拖动控制系统 机械工业出版社 2003 3 赵明等 工厂电气控制设备 机械工业出版社 1995 4 万东梅 电路 电子 电气应用实训 交通大学出版社 2004 5 张运波 工厂电气控制技术 高等教育出版社 2003 6 王 红 可编程控制器使用教程 电子工业出版社 2003 7 张桂香 电气控制与 PLC 应用 化学工业出版社 2003 8 赵宏家 建筑电气控制 重庆大学出版社 2002 9 齐从谦 PLC 技术及应用 机械工业出版社 2002 10 王明昌 建筑电工学 第二版 重庆大学出版社 2000 11 余雷声 电气控制与 PLC 应用 机械工业出版社 1998 12 常斗南 可编程控制器原理 机械工业出版社 1998 13 齐占山 机床电气控制技术 机械工业出版社 1993 14 方承远 工厂电气控制技术 机械工业出版社 1992 15 SIEMENS WINCC 手册 西门子 中国 有限公司自动化与驱动 集团 2004 24 附附 录录 附录附录 1Z3040 型摇臂钻床型摇臂钻床 PLC 控制系统电气原理图控制系统电气原理图 1 Z3040 型摇臂钻床控制线路原理图 附录附录 2 S7 200 CPU 的技术指标的技术指标 CPU221CPU222CPU224CPU226 物理特性 尺寸 长 宽 高 90 80 62mm390 80 62mm3120 5 80 62 196 80 62 mm3 25 mm3 功耗 3 6W5 7W7 10W11 17W 存储器特性 程序存储器2048 字4096 字 数据存储器1024 字2560 字 存储器类型 E2PROM I O 特性 本机数字量 I O 点数6 输入 4 输出8 输入 6 输出14 输入 10 输出24 输入 16 输出 数字 I O 映像区128 输入 128 输出 本机模拟量 I O 点数无 模拟 I O 映像区无16 输入 16 输出32 输入 32 输出 允许最大的 I O 模块无2 个模块7 个模块 允许最大的智能模块无2 个模块7 个模块 脉冲捕捉输入 681424 高速计数器4 单相 kHz 30 两相 20kHz 6 单相 30kHz 4 两相 20kHz 脉冲输出2 个 20kHz 仅限于 DC 输出 常规特性 定时器总数256 个 1ms 4 个 10ms 16 个 100ms 236 个 计数器总数256 由超级电容和电池备份 时间中断2 个 1ms 分辨率 边沿中断4 个上升沿和 或 4 个下降沿 模拟电位器1 个 8 位分辨率2 个 8 位分辨率 布尔量运算时间 0 22 时钟可选卡位内置 口令保护有 通信功能 接