Z3050摇臂钻床PLC改造设计

摘要摇臂钻床是用于一些大中型企业对工件的加工，老式的摇臂钻床电气控制线路是以各种不同的继电器为主要元件，所以负担比较沉重，大量的接触器需要大量的资金，在生产加工工件时接触器触头不断的关断会造成触头的发黑。在安装这些继电器时需要大量的空间。维修依靠经验，继电器的位置发生变化或者是线路发生改变维修更是困难。随着现代社会生产的发展和技术的进步，现代化工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的飞速发展，出现了一种可编程控制器（PLC）。所以我想能不能用可编程控制器（PLC）结合一些外部设备代替摇臂钻床电气设备的控制，以降低床子的造价费用，并且还提高床子的加工精度、延长使用寿命。关键词：Z3050型摇臂钻床、PLC、自动控制。AbstractShakingthearmdrillsabedtobemainlymoreappliedthansomebigandmedium-sizedbusinessenterprisestousedforprocessingworkpiece,shakingarmtodrillthebedelectricitycontrolcircuitbecauseoftheoldstyle,withvariousdifferentafterelectricappliancesformaincomponent,soburdenmoreheavy,agreatdealofofcontactthemachineevenneedagreatdealoffunds,gettingintouchwithamachinetotouchwhentheproductionprocessaworkpieceonescontinuouscontactwillresultinanigrescentcircumstanceoftouchingthehead.Evenneedagreatdealofspacewhileinstallingtheseaftertheelectricappliances.Whattodependonmoreisexperienceintheaspectsofmaintaining,onceafterthepositionoccurrenceoftheelectricapplianceschangeperhapsisacircuitoccurrencetochangethattomaintainisalsodifficulty.Modernizeindustryproductiontoautomatealongwithdevelopmentandtechnicalprogressofmodernandsocialproductionlevelofraiseincreasinglyandthemicro-electronicsflytechnicallytodevelopsoon,appearingakindofprogrammablecontroller(PLC).SoIconceivethecontrolthatcancombinesomeexteriorequipmentsestoreplacetoshakearmtodrillbedelectricityanequipmentswiththeprogrammablecontroller(PLC),thesincelowbedsonbuildspriceexpenses,andstillraisesbedsontoprocessaccuracyandtheextensionservicelifeetc.Keyword:TheZ3050typeshakesarmtodrillabed,PLC.目录第1章绪论1第2章Z3050型摇臂钻床简介2.1摇臂钻床的外观22.2摇臂钻床的性能及用途22.3摇臂钻床的运动形式42.4摇臂钻床的原理分析42.5摇臂钻床的主要结构42.6Z3050型摇臂钻床电气控制线路原理分析42.7摇臂钻床的电气控制要求62.8摇臂钻床的使用6第3章控制系统设计3.1改造思想73.2改造方案73.3PLC的介简73.4PLC的选择8第4章三菱PLC的系统构成与工作原理4.1三菱可编程控制器的基本组成94.2三菱可编程控制器的功能特点94.三菱可编程控制器的基本工作原理.10第5章Z3050型摇臂钻床的PLC改造过程5.1任务提出简述115.2工作台控制系统I/O地址分配表.125.3控制功能接线图135.4梯形图14总结15致谢16参考文献17第0页共22页第1章绪论钻床的种类很多，按照结构形式和加工性能的不同，可分为立式钻床、卧式钻床、台式钻床及多轴钻床。Z3050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的大型零件加工。摇臂钻床主要由底座、外立柱、内立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成。摇臂钻床，崴观大方，移动方便，占用场地小，结构合理，操作灵活，突破了机床教具平面化的模式，能模拟铣床电气动作及相关的机械动作，电气柜无油腻，并装有接零插座，适用于大中专、技校，职业中学及职业培训等维修电工专业课堂化教学，其电气线路既典型又有一定的难度，电气故障检修是维修电工所必须掌握的内容之一。运用PLC来控制摇臂钻床，PLC采用先进、高质量、应用较为广泛的三菱系列（FX2N-48MR）。PLC可编程序控制器作为控制系统的核心，PLC具有系统响应快，功能强、运行稳定可靠、控制线路简单，维修方便等优点。PLC设计了许多逻辑指令，可以处理继电器接点的串联、并联，串并联等各种连接；同时它也为用户提供了能满足各种控制要求的定时器和计数器。在程序运行的过程中可以对时间值和计数值进行有效的监控,还有无数多对的触点可用，使摇臂钻床使用更为便捷。第1页共22页第2章Z3050摇臂钻床简介2.1摇臂钻床的外观（如图2.1所示）图2.1摇臂钻床外观2.2摇臂钻床的性能及用途钻床的种类很多，按照结构形式和加工性能的不同，可分为立式钻床、卧式钻床、台式钻床及多轴钻床。Z3050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的大型零件加工。摇臂钻床主要由底座、外立柱、内立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成。Z3050摇臂钻床，崴观大方，移动方便，占用场地小，结构合理，操作灵活，突破了机床教具平面化的模式，能模拟铣床所有电气动作及相关的机械动作，电气柜无油腻，并装有接零插座，上升、下降加装了极限固定保护装置，适用于大，中专，技校，职业中学及职业培训等维修电工专业课堂话教学，其电气线路既典型又有一定的难度，电气故障检修是维修电工所必须掌握的内容之一。Z3050摇臂钻床原理图（如图2.2所示）第2页共22页图2.2第3页共22页2.3摇臂钻床的运动形式（1）主运动钻床主轴带动钻头（刀具）的旋转运动。（2）进给运动摇臂钻床主轴的垂直运动（手动或自动）。（3）辅助运动辅助运动是用来调整主轴（刀具）与工件纵向横向即水平上的相对位置以及相对高度的运动。2.4摇臂钻床的原理分析主电路中M1是主轴电动机，它由交流接触器控制单向旋转并有热继电器保护；M2是摇臂升降电机，它能实现正、反转，由于M2是间断性工作，所以不设过载保护；M3是液压油泵电机，它也能正、反转；M4是冷却泵电机有空气隔离开关保护。TC输出24V照明电压用于照明灯EL，TC输出6V短路保护，TC输出110V交流电压提供给控制回路。控制回路中，当按下主轴电动机启动按钮SB3，则接触器KM1吸合并自锁，使主电机M1启动运行，同时指示灯HL2亮。按停止按钮SB2，则接触器KM1释放，使主电机M1停止旋转，同时指示灯HL2熄灭。2.5摇臂钻床的主要结构Z3050摇臂钻床主要由底座、外立柱、内立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成。工作台用螺柱固定在底座上，工作台上面固定加工工件。内立柱亦固定在底座上。柱套在内立柱上，用液压机构夹紧后，二者不能相对运动；松开夹紧机构后，外立柱用手推动可绕内立柱旋转360。安装在坐落在套在套在固定在主轴主轴箱摇臂外立柱内立柱固定在固定在底座工作台工件注：“”表示用液压夹紧机构相连2.6Z3050摇臂钻床电气控制线路原理分析摇臂钻床的电气控制线路包括主电路、控制电路和照明电路三部分。主电路中共有4台异步电动机，M1是主轴电动机、M2是摇臂升降电动机、M3液压泵电动机、M4冷却泵电动机。控制电路的电源由控制变压器TC输出110V电压供电。摇臂钻床照明由变压器TC供给24V的安全电压。熔断器FU3作照明电路的短路保护。(1)主电路分析开关SB1是摇臂钻床的电源总开关。熔断器FU1是总电源的短路保护。主电路中共有4台电动机，M1是主轴电动机，拖动主轴电动机运行，由接触器KM1控制启动与停止；M2是摇臂升降电动机，通过操纵按钮配合使横臂上升或下降其正反转由接触器KM2、KM3来实现；M3是液压油泵电动机通过操纵按钮配合使液压泵松开或夹紧第4页共22页由接触器KM4、KM5来实现；M4是冷却泵电动机，供应切削液，且当M1启动后才能启动，由转换开关QF2控制它的直接启动和停止。(2)控制电路分析1、摇臂升降控制按下上升按钮SB4（或下降按钮SB5），则时间继电器KT1通电吸合，其瞬时闭合的常开触头闭合，接触器KM4通电，液压泵电动机M3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SQ2，使其常闭触头闭合。前者切断了接触器KM4的线圈电路，KM4主触头断开，液压泵电动机M3停止工作。后者使交流接触器KM2(或KM3)线圈通电，KM2(或KM3)的主触头接通M2的电源，摇臂升降电动机M2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SQ2的常开触头则不能闭合，接触器KM2（或KM3）的线圈无电，摇臂就不能上升（或下降）。由于时间继电器KT1断电释放，经13S时间的延时后，其延时闭合的常闭触头闭合，使接触器KM5吸合，液压泵电动机M3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。自摇臂夹紧后，活塞杆推动弹簧片压下位置开关SQ3，其常闭触头断开，KM5断电释放，M3最终停止工作，完成了摇臂的松开上升（或下降）夹紧的整套动作。摇臂的自动夹紧由位置开关SQ3控制。如果液压夹紧系统出现故障，不能自动夹紧摇臂，或由于SQ3调整不当，在摇臂夹紧后不能使SQ3的常闭触头断开，都会使液压泵电动机M3因长期过载运行而损坏。为此电路中设有热继电器FR2，其整定应根据电动机M3的额定电流进行整定。摇臂升降电动机M2的正反转接触器KM2和KM3不允许同时获电动作，以防止电源相间短路。为了避免因操作失误、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连锁和复合按钮联锁，以确保电路安全工作。2、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）既可以同时进行也可以单独进行，由转换开关SA1和复合按钮SB6(或SB7)进行控制。SA1有三个位置，扳到中间位置时，立柱和主轴箱的夹紧（或放松）同时进行；扳到左边位置时，立柱夹紧（或放松）；扳到右边位置时，主轴箱夹紧（或放松）。复合按钮SB6是松开控制按钮，SB7是夹紧控制按钮。立柱和主轴箱同时松开、夹紧将转换开关SA1拨到中间位置，然后按下松开按钮SB6，时间继电器KT2、KT3线圈同时得电。KT2的延时断开的常开触头瞬时闭合，电磁铁YA1、YA2得电吸合。而KT3延时闭合的常开触头经立柱和主轴箱的松开油腔，使接触器KM4获电吸合，液压泵电动机M3正转，供出的压力油进入立柱和主轴箱的松开油腔，使立柱和主轴箱同时松开。松开SB6,时间继电器KT2和KT3的线圈断电释放，KT3延时闭合的常开触头瞬时分断，接触器KM4断电释放，液压泵电动机M3停转。KT2延时分断的常开触头经13S延时后分断，电磁铁YA1、YA2线圈断电释放，立柱和主轴箱同时松开的操作结束。立柱和主轴箱同时夹紧的工作原理与松开相似，只要按下SB7，使接触器KM5获电吸合，液压泵电动机M3反转。第5页共22页立柱和主轴箱单独松开、夹紧如果希望单独控制主轴箱，可将转换开关SA1扳到右侧位置。按下松开按钮SB6（或夹紧按钮SB7），时间继电器KT2和KT3的线圈同时得电，这时只有电磁铁YA2单独通电吸合，从而实现主轴箱的单独松开（或夹紧）。松开复合按钮SB6（或SB7），时间继电器KT2（或KT3）的线圈断电释放，KT3的通电延时闭合的常开触头瞬时断开，接触器KM4（或KM5）的线圈断电释放，液压泵电动机M3停转。经13S延时后，KT2延时分断的常开触头分断，电磁铁YA2的线圈断电释放，主轴箱松开（或夹紧）的操作结束。同样的道理，把转换开关SA1扳到左侧，则使立柱单独松开或夹紧。因为立柱和主轴箱的松开与夹紧是短时间的调整工件，所以采用电动控制。3、冷却泵电动机M4的控制扳动断路器QF2，就可以接通或切断电源，操纵冷却泵电动机M4的工作或停止。4、照明、指示电路分析照明、指示电路的电源也由控制变压器TC降压后提供24V、6V的电压，由熔断器FU3、FU2作短路保护，EL是照明灯，HL1是电源指示灯，HL2是主轴指示灯。2.7摇臂钻床的电气控制要求M1主轴电动机拖动主轴运转承担钻削及进给任务只要求M1单向运动（主轴的正反转由机械手柄操作）接触器自锁控制电路。M2、M3摇臂升降电动机和液压泵电动机拖动摇臂升降和液压泵承担摇臂的升降和立柱、主轴箱的松开与夹紧要求M3、M4能正反转正反转控制线路。M4冷却泵电动机拖动冷却泵为钻头和工件提供冷却液M4只需单向运转功率较小由QF2直接控制。Z3050摇臂钻床主轴运动和进给运动保持了铣床两种运动都要求变速后瞬时点动的电气控制要求。当主轴电动机或冷却泵电动机过载时，进给运动必须立即停止。Z3050摇臂钻床有冷却系统、照明设备及各种保护措施。2.8摇臂钻床的使用本摇臂钻床采用三相交流电源电压380V。1、合上电源总开关QF1,电源指示灯HL1。2、根据加工要求，按下放松按钮SB6，使内、外立柱之间和主轴箱、摇臂之间液压夹紧机构松开，按钮SB6内指示灯HL4点亮，说明液压夹紧机构已松开，可以调整主轴与工件的纵向(前后)相对位置。3、根据加工需求，按下摇臂上升按钮SB4(或按钮SB5)，摇臂沿着外立柱上升（或下降），调整主轴与工件的相对高度。4、根据加工需要，将主轴变速及自动进给手柄扳至所需旋转方向位置。第6页共22页5、按下主轴电动机启动按钮SB3，主轴电动机M1得电，指示灯HL2亮，说明主轴电动机已开始工作，主轴转动。6、根据加工需要，可在主轴正转或反转的过程中，改变主轴转速或主轴进给量。第3章控制系统设计3.1改造思想我们在改造的过程中，以节约为原则，无论是需要什么元件或工具都尽量使用我们周围可以找到的，而且我们要以切合实际的要求来改造。改造摇臂钻床的目的主要是符合当今实际的形势。用PLC实现自动控制与电脑监控，更是为节约而改造的，用电甚少。3.2改造方案我在方案设计时，我对原电控系统的工作原理、结构和工作思想进行了认真的分析和消化吸收，并结合实际情况，制订了一套设计方案，即采用了PLC可编程序控制器作为控制系统的核心，PLC具有系统响应快，功能强、运行稳定可靠、控制线路简单、维修方便等优点。PLC设计了许多逻辑指令，可以处理继电器接点的串联、并联，同时它也为用户提供了能满足各种控制要求的定时器和计数器。在程序运行的过程中可以对时间值和计数值进行有效的监控,还有无数多对的触点可用。它还提供了诸如步进控制，数字之间的相互转换的功能，强大的数据处理功能和通讯功能。它本身又有许多的保护措施，另外相较于继电器控制电路来讲它的接线简单，具有一定的电学方面的知识就可以理解甚至于编写程序而无须掌握复杂的计算机汇编语言和一些高级语言。同时在调试和日后的设备维护修理过程中体现出比继电器线路更为优越的性能。3.3PLC的简介3.3.1PLC定义可编程序控制器（ProgrammableController）,简称PLC或PC。它是20世纪70年代以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。近年来，国内在PLC技术与产品开发应用方面的发展也很快，除许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越快地采用PLC控制系统取代传统的继电接触控制系统。国产化的小型PLC性能也基本达到国外同类产品的技术指标。因此，作为一名电气工程技术人员，必须掌握PLC及其控制系统的基本原理与应用技术，以适应当前电气控制技术的发展需要。3.3.2PLC的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强（2）编程简单，易于掌握（3）组合灵活使用方便（4）功能强，通用性好第7页共22页（5）开发周期短，成功率高（6）体积小，重量轻，功耗低3.3.3PLC的分类按I/O点数和存储容量可分为:（1）小型PLC：I/O点数在256点以下，存储器容量2K，可用于逻辑控制、定时、计数、顺序控制等场合。部分小型PC还带有模拟量处理、数据通信和算术运算功能，其应用范围更广。（2）中型PLC：I/O点数在2562048点之间，存储容量达28K步。具有逻辑运算、算术运算、数据传送、中断、数据通信、模拟量处理等功能。用于开关量、数字量与模拟量混合控制的较复杂控制系统。（3）大型PLC：I/O点数在2048点以上，存储容量达8K步以上。具有数据运算、模拟调节、联网通信、监视等功能，能进行中断、智能控制、远程控制。可用于大规模过程控制，也可构成分布式或控制网络以及整个工厂自动化网络控制。在这里我选用的是小型PLC。3.4PLC的选择我在做这个课题中首先要选择做出来最能得心应手的一些材料或者器件在这个课题中PLC占主导作用基本上都靠它来完成对PLC进行选择，在国内外的几家有知名度的厂商的生产的PLC产品中，主要有西门子S7-200系列、松下FP系列、欧姆龙C200H系列和三菱FX系列。在综合分析系统要求，考虑系统的经济性和技术指标，我选用了小型的三菱FX2N48MR系列PLC。第8页共22页第4章三菱PLC的系统构成与工作原理4.1三菱可编程控制器的基本组成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。4.2三菱可编程序控制器的功能特点（1）条件控制PLC具有逻辑运算功能，它能根据输入继电器触点的与（AND）、(OR)、等逻辑关系决定输出继电器的状态（ON或OFF），它可代替继电器进行开关控制。（2）定时控制一般PLC都为用户提供足够的定时器，如三菱FX2型PLC共有256个定时器。所有定时器的定时值可由用户在编程时设定，在运行定时值可被读出或修改。（3）计数控制为满足对计数控制的需要，PLC向用户提供上百个功能较强的计数器，如FX2型PLC可向用户提供241个计数器。其中6个高速计数器，121个电池后备计数器。（4）步进控制步进顺序控制PLC的最基本的控制方式，但是PLC为方便用户编制较复杂的步进控制程序，设置了专门的步进控制指令。如FX2型PLC中拥有上千个状态元件，为用户编写较复杂的步进顺序控制程序提供了极大的方便。（5）数据控制PLC具有较强的数据处理能力，除能进行加减乘除四则运算甚至开方运算外，还能进行字操作、移位操作、数制转换、译码等数据处理。（6）通信和联网PLC可进行远程的I/O控制。多台PLC之间可进行同位链接（PLCLink），还可用计算机进行上位链接（HostLink），接受计算机的命令，并将执行结果告诉计算机。（7）对控制系统的监控PLC具有较强的监控功能，记忆异常情况或发生异常情况时自动终止运行。操作人员通过监控命令，可以监视系统的运行状态，以便程序的调试。可编程序控制器被认为是真正的工业控制计算机，占有极其重要的地位，最重要的原因是它具有如下独特的优点：（1）可靠性高可编程序控制器的平均无故障时间可达几十万小时，一般来说，可编第9页共22页程序控制系统中发生的故障绝大多数是由传感器、执行器等外围部件所造成的。（2）编程方便能在较短的时间内掌握,从硬件方面来说，使用可编程序控制器时,一般在实验室编程模拟调试后，在现场很快就能安装调试成功。（3）对环境要求低可编程序控制器可在较大的温度、湿度变化范围内正常工作，抗震动、抗冲击的性能好，对电源电压的稳定性要求较低，特别是抗电磁干扰能力。这一点较之一般单片机控制系统尤为突出。（4）与其它装置配置连接方便可编程序控制器与其他装置、配置的连接基本都是直接的。4.3三菱可编程控制器的基本工作原理可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态，其中运行状态是执行应用程序的状态，停止状态一般用于程序的编制与修改。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器的输出及时的响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断的重复执行，直至可编程控制器停机或切换到停止工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程控制器还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段,可编程控制器这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。第10页共22页第5章Z3050型摇臂钻床的PLC改造过程5.1任务提出简述本文是机械加工中常用的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，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Z3050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。第11页共22页5.2工作台控制系统I/O地址分配表Z3050型摇臂钻床PLC的输入/输出点分配表输入信号输出信号名称代号输入点编号名称代号输出点编号主轴电动机M1热继电器FR1X0主轴电动机M1接触器KM1Y0液压泵热继电器FR2X13摇臂上升接触器KM2Y1总停止按钮SB1X1摇臂下降接触器KM3Y2主轴电动机M1停止按钮SB2X2液压泵电动机M3正转接触器KM4Y3主轴电动机M1启动按钮SB3X3液压泵电动机M3反转接触器KM5Y4摇臂上升按钮SB4X4门控开关接触器KA1Y5摇臂下降按钮SB