Z3050摇臂钻床毕业设计-Z3050摇臂钻床PLC控制设计.doc

毕业设计论文论文题目： Z3050摇臂钻床PLC控制设计 作者姓名： 系部及专业： 电气自动化 班级及学号： 联系电话： 电子邮箱： 指导教师： 提交日期： 2014 年 6 月 20 日 目 录第1章 摇臂钻床简介11.1 摇臂钻床的主要结构11.2 摇臂钻床安全操作规程21.3 电气控制线路分析3第2章 PLC简介62.1 PLC的概述62.2 PLC控制的主要特点72.3 安装与布线7第3章 Z3050控制系统PLC改造设计83.1 系统主要组成部分83.2 PLC的选型83.3 PLC应用中应注意的问题93.4 PLC的I/O分配表113.5 PLC的I/O接线图123.6 PLC的程序设计133.7 PLC软件工作过程与分析14总 结15参考文献16致 谢17附录1：Z3050钻床电气原理图18附录2：Z3050摇臂钻床PLC控制原理图19I【内容提要】传统机床配套的电控系统以继电器、接触器的硬接线为基础，技术上比较落后，特别是其触点的可靠性问题，直接影像了产品的质量和生产效率。本论文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、故障诊断和排除困难等难题。将把 PLC 控制技术应用到改造 Z3050 摇臂钻床电气控制系统中去，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。【关键词】 可靠性 Z3050 摇臂钻床 PLC控制技术II第1章 摇臂钻床简介 1.1 摇臂钻床的主要结构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。内立柱固定在底座的一端，在他的外面套有外立柱，外立柱可绕内立柱回转360度。摇臂的一端为套筒，它套装在外立柱做上下移动。由于丝杆与外立柱连成一体，而升降螺母固定在摇臂上，因此摇臂不能绕外立柱转动，只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构、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。1.1.1 摇臂钻床的运动形式当摇臂钻床进行加工时，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，一边进行纵向进摇臂钻床给，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。1.1.2 摇臂钻床电气拖动特点及控制要求（1）摇臂钻床运动部件较多，为了简化传动装置，采用多台电动机拖动。例如Z3050型摇臂钻床采用4台电动机拖动，他们分别是主轴电动机（M1），摇臂升降电动机（M2），液压泵电动机（M3）和冷却泵电动机（M4），这些电动机都采用直接启动方式。（2） 为了适应多种形式的加工要求，摇臂钻床主轴的旋转及进给运动有较大的调速范围，一般情况下多由机械变速机构实现。主轴变速机构与进给变速机构均装在主轴箱内。（3） 摇臂钻床的主运动和进给运动均为主轴的运动，为此这两项运动有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的旋转和进给。（4） 在加工螺纹时，要求主轴能正反转。摇臂钻床主轴正反转一般采用机械方法实现。因此主轴电动机仅需要单向旋转。（5） 摇臂升降电动机要求能正反向旋转。（6）内外主轴的夹紧与放松、主轴与摇臂的夹紧与放松可用机械操作、电气机械装置，电气液压或电气液压机械等控制方法实现。若采用液压装置，则备有液压泵电机，拖动液压泵提供压力油来实现，液压泵电机要求能正反向旋转，并根据要求采用点动控制。（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。因此摇臂的夹紧与摇臂升降按自动控制进行。（8） 冷却泵电动机带动冷却泵提供冷却液，只要求单向旋转。（9） 具有连锁与保护环节以及安全照明、信号指示电路。（10） 为了安全，本机床设有“开门断电”功能 1.2 摇臂钻床安全操作规程（1） 工作前对所用钻床和工卡量进行全面检查，确认无误时方可工作。（2）严禁戴手套操作，女生发辫应挽在帽子内。（3） 工件装夹必须牢固可靠。钻小件时，应用工具夹持，不准用手拿着钻。（4） 使用自动走刀时，要选好进给速度，调整好行程限位块。手动进刀时，一般按照逐渐增压和逐渐减压原则进行，以免用必过猛造成事故。（5） 钻头上绕有长铁屑时，要停车清除。禁止用风吹、用手拉，要用刷子或铁钩清除。（6）精铰深孔时，拔取圆器和销棒，不可用力过猛，以免手撞在刀具上。（7）不准在旋转的刀具下，翻转、卡压或测量工件。手不准触摸旋转的刀具。（8）使用摇臂钻时，横臂回转范围内不准有障碍物。工作前，横臂必须卡紧。（9） 横臂和工作台上不准存放物件，被加工件必须按规定卡紧，以防工件移位造成重大人身伤害事故和设备事故。（10）工作结束时，将横臂降到最低位置，主轴箱靠近立柱，并且都要卡紧。1.3 电气控制线路分析 Z3050摇臂钻床电气控制原理图（附录1）（1） 主电路分析Z3050型摇臂钻床共有四台电机，除冷却泵电机采用断路器直接启动外，其余三台异步电机均采用直接启动。M1 是主轴电动机：由交流接触器KM1控制，只要求单方向旋转，主轴的正反转由机械手柄操作。M1装于主轴箱顶部，拖动主轴及进给传动系统运转。FR1作为电动机M1的过载及断相保护，短路保护由断路器QF1中的电磁脱扣装置来完成。M2 是摇臂升降电动：，装于立柱顶部，用接触器KM2和KM3控制其正反转。由于电机M2是间断性工作，所以不设过载保护。M3 是液压泵电机：用接触器KM4和KM5控制其正反转。由热继电器FR2作为过载及断相保护。该电机的主要作用是拖动油泵供给液压装置压力油，以实现摇臂、立柱以及主轴箱的松开和夹紧。摇臂升降电机M2和液压油泵电机M3共用断路器QF3中的电磁脱扣器作为短路保护。M4 是冷却泵电机：有断路器QF2直接控制并以实现短路、过载及断相保护。主电路电源电压为交流380V，由断路器QF1作为电源引入开关。 （2） 控制电路分析控制电路电源由控制变压器TC降压后供给110V电压，熔断器FU1作为短路保护。开车前的准备工作：为了保证操作安全，本钻床设有“开门断电”功能。所以开车前应将立柱下部及摇臂后部的电气箱门盖关好，方能接通电源。合上QF3及总电源开关QF1，则电源显示灯HL1亮，表示钻床的电气线路已进入带点状态。主轴电机M1的控制：按下启动按钮SB3，接触器KM1吸合并自锁，使主轴电机M1启动运行，同时指示灯HL2亮。按下停止按钮SB2，接触器KM1释放，使主轴电机M1停止转动，同时HL2熄灭。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线圈通电吸合，其瞬时闭合的触头闭合，KM4接触器线圈通电，液压泵电机启动，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”，拖动活塞移动，活塞推动菱形块，降摇臂松开，同时活塞杆通过弹簧片压下位置开关SQ2，使其常闭触头断开，常开触头闭合。前者切断了接触器KM4的线圈电路，KM4主触头断开，液压泵电机M3停止工作。后者使交流接触器KM2（或KM3）的线圈通电，KM2(或KM3)的主触头接通的电源，摇臂升降电机启动旋转，电动摇臂上升（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)。当摇臂上升或下降所到需位置时，松开按钮SB4(或SB5)，则接触器KM2(或KM3)和时间继电KT1器同时释放，停止工作，随之摇臂停止上升(或下降)。由于时间继电器KT1断电释放，经1-3秒时间延时后，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。组合开关SQ1a和SQ1b作为摇臂升降的超程限位保：当摇臂上升到极限位置时，压下SQ1a使其断开，接触器KM2断电释放，M2停止运行，摇臂停止上升；当摇臂下降到极限位置时，压下SQ1b使其断开，接触器KM3断电释放，M2停止运行，摇臂停止下降。摇臂的自动夹紧由位置开关SQ3控制：如果液压夹紧装置出现故障，必能自动夹紧摇臂，或者由于SQ3的调整不当，在摇臂夹紧后不能使SQ3的常闭触头断开，都会使液压泵电机M3因长期的过载运行而损坏。为此电路中设有热继电器FR2，其整定值因根据点M3的额定电流进行整定。摇臂升降电机M2的正反转接触器KM2和KM3不允许同时获电工作，以防止电源相间短路。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。SA1三个位置，搬到中间位置时，立柱和主轴箱夹紧(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：降转换开关SA1扳到中间位置，然后按下松开按钮SB6，时间继电器KT2KT3线圈同时得点。KT2的延时闭合的常开触头经1-3秒延时闭合，时寄存器KM4获电吸合，液压电机M3正传，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开，寄存器KM4断电释放，液压泵电机M3停转。KT2延时分断的常开触头经1-3秒后分断，电磁阀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得电吸合，液压泵电机M3反转即可。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扳到右边位置。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，这是只有电磁阀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KY2和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，液压泵电机M3停转。经1-3秒的延时后KT2延时分断的常开触头分断，电磁阀YA2的线圈断电释放，主轴箱松开或夹紧的操作结束。同理，把转换开关SA1扳到左侧，则使立柱单独松开或夹紧。冷却泵电机M4的控制：扳动断路器QF2就可以接通或切断电源，操纵冷却泵电机M4的工作或停止。 （3） 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FU2、FU3做短路保护，EL时照明灯，HL1时电源指示灯，HL2是主轴指示灯。第2章 PLC简介 2.1 PLC的概述可编程控制器是一种为工业机械控制所设专用计算机，在各种自动控制系统中有着广泛的应用，它是在继电器控制和计算机控制基础上开发的产品，逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术，通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。早期的可编程控制器在功能上只能进行逻辑控制，因而称为可编程程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC。随着技术的发展，其控制功能不断增强，可编程程序控制器还可以进行算术运算，模拟量控制、顺序控制、定时、计数等，并通过数字，模拟的输入、输出控制各种类型的机械生产过程。 随着可编程控制器技术的发展，转统机械设备的控制柜逐渐被新一代的智能化仪表所代替，对于日益复杂的控制功能，转统控制柜显得无能为力，而可编程控制器具有可编程序的特点，运行时可以根据要求，选择控制算法、适应性强、可编程控制器采用软件代替硬件的方法，可以简化线路，使控制设备的性能价格比不断提高。从广义上来说，可编程控制器也是一种计算机控制系统，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。所以PLC与计算机控制系统的组成十分相似，也具有中央处理单元(CPU)、存储器、输入输出(IO)接口、电源等。可编程控制器的发展分为三个阶段：第一阶段(七十年代中期)为实用化发展阶段；第二阶段(七十年代末期)为成熟阶段；第三阶段(九十年代)为加速发展阶段。在这一时期，各大公司进一步完善原有产品，不断开发出新的产品系列，并加强联网功能以构成分布式控制系统。在软件方面，可编程控制器不断向上端发展意与计算机兼容。因此，凭借其优异的控制性能和快捷的柔性系统构成，使PLC成为当今增长速度最快的工业自动化控制设备。2.2 PLC控制的主要特点（1） 可靠性高、抗干扰能力强。高可靠性是PLC最突出的特点之一，其平均无故障时间可达几十万小时。（2）编程简单易学。PLC编程大多采用类似与继电器控制电路的梯形图。（3） 设计、安装容易、调试周期短，维护简单。PLC已实现了产品的系列化、标准化、通用化。设计者可在规格繁多、品种齐全的PLC中选用性能价格比高的产品。（4）模块品种丰富、通用性好、功能强大。除了单元式小型PLC外，多数采用模块式结构，并形成大、中、小系列产品。（5） 体积小、能耗低。2.3 安装与布线（1） 动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双胶线连接。（2）PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。（3）PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。（4）PLC基本单元与扩展单元以及功能模块的连接线缆应单独敷设，以防止外界信号的干扰。（5） 交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。第3章 Z3050控制系统PLC改造设计3.1 系统主要组成部分（1）三菱FX2N （2）接触器五个 KM1交流接触器CJ0-20B线圈电压110V KM2-KM5交流接触器CJ0-10B线圈电压110V（3）空气开关三个 QF1低压断路器DZ5-20/330FSH10A QF2低压断路器DZ5-20/330H0.3-0.45A QF3低压断路器DZ5-20/330H6.5A（4）热继电器二个 FR1热继电器JR0-20/3D6.8-11A FR2热继电器JR0-20/3D1.5-2.4A（5）变压器一台（6）电机四台 M1主轴电机Y112M-44KW、1400r/min M2摇臂升降电机Y90L-41.5KW、1400r/min M3液压油泵电机Y802-40.75KW、1390 r/min M4冷却泵电机AOB-2590W、2800 r/min （7）按钮导线若干 3.2 PLC的选型在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。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。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。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 （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。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 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位为一个字），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。本设计中选用三菱FX-2N-40MR（输入14点，输出13点，共12点；内存容量估算25 X (1015）=400字)3.3 PLC应用中应注意的问题 PLC是专门为工业生产服务的控制装置，通常不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境中使用。但是，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都不能保证PLC的正常运行，因此在使用中应注意以下问题。（1） 温度PLC要求环境温度在055，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足 够大，基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔；开关柜上、下部应有通风的百叶窗，防止太阳光直接照射；如果周围环境超过55，要安装电风扇强迫通风。（2） 湿度为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。（3） 震动应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为1055Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避 免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。（4） 空气避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中，并安装空气净化装置。 5 电源 PLC供电电源为50Hz、220（110%）V的交流电，对于电源线来的干扰，PLC本身具有足够的抵制能力。对于可靠性要求很高的场合或电源干扰特别严重的环境，可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。还可以在电源输入端串接LC滤波电路。 FX系列PLC有直流24V输出接线端，该接线端可为输入传感器（如光电开关或接近开关）提供直流24V电源。当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。（5） 电源PLC供电电源为50Hz、220（110%）V的交流电，对于电源线来的干扰，PLC本身具有足够的抵制能力。对于可靠性要求很高的场合或电源干扰特别严重的环境，可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。还可以在电源输入端串接LC滤波电路。3.4 PLC的I/O分配表表3-1 PLC的I/O分配表输 入 编 址输 出 编 址X0总停止按钮SB1Y0KM1主电机用接触器X1主电机停止按钮SB2Y1KM2摇臂升降电机正转用接触器X2主电机启动按钮SB3Y2KM3摇臂升降电机反转用接触器X3上升按钮SB4Y3KM4液压泵电机正转用接触器X4下降按钮SB5Y4KM5液压泵电机反转用接触器X5松开控制按钮SB6Y5电磁铁YA1X6夹紧控制按钮SB7Y6电磁铁YA2X7组合开关按钮SQ1aY7HL2主电机工作指示灯X10组合开关按钮SQ1bY10HL3摇臂升降电机正转指示灯X11行程开关SQ2Y11HL4摇臂升降电机反转指示灯X12行程葬送SQ3Y12HL5液压泵电机正转指示灯X13组合转换开关SA1Y15HL6液压泵电机反转指示灯3.5 PLC的I/O接线图图3-1 PLC的I/O接线图3.6 PLC的程序设计 图3-2 PLC程序梯形图3.7 PLC软件工作过程与分析 主轴电机M1的控制：按下启动按钮SB3，Y0有输出，KM1吸合，主轴电机M1启动，同时HL2指示灯亮，按下SB2,Y0停止输出，KM1断开，主轴电机M1停转，同时HL2灭。 摇臂钻床升降控制：摇臂放松：按下上升按钮SB4,时间继电器T0计时，M0得电并自锁，Y3有输出，KM4吸合，电机M3启动正转。摇臂上升：摇臂夹紧机构使行程开关SQ3释放，SQ2压合Y3停止输出可没失电，M3停转，同时Y1有输出，KM2线圈得电，M2正转，摇臂上升。摇臂夹紧：当摇臂钻床上升到所需位置后，松开按钮SB4Y1停止输出，KM2线圈失电，M2停转，摇臂停止上升，3秒后Y4有输出，KM5线圈得电，M3反转，摇臂夹紧，SQ2释放，SQ3压合Y4停止输出，KM5线圈失电，M3停转，摇臂夹紧完成。 摇臂下降控制：摇臂放松：按下上升按钮B45，时间继电器T0开始计时，M0得电并自锁，Y3有输出，KM4吸合，电机M3启动正转。 摇臂上升:摇臂放松机构使行程开关SQ2释放，SQ3压合Y3停止输出，KM4失电，M3停转，同时Y2有输出。KM3线圈得电，M2反转，要比下降。摇臂夹紧：当摇臂下降到所需位置后，松开按钮SB5，Y3停止输出，KM3失电，M2停转，摇臂停止下降，三秒后Y4有输出，KM5线圈得电，M3反转，摇臂夹紧，SQ2释放，SQ3压合Y4停止输出，KM5线圈失电，M3停转，摇臂夹紧完成。 立柱和主轴箱的夹紧和放松控制：由液压和电气控制系统协调完成，立柱和主轴箱的放松或夹紧可以同时进行，也可以单独动作，由转换开关SA和复合开关SB6或SB7进行控制。SA又三个位置，扳倒中间位置时，立柱和主轴夹紧（或放松）同时进行；扳到左边，立柱夹紧（或放松）；扳倒右边，主轴夹紧（或放松）。复合按钮SB6是松开控制按钮，SB7是夹紧控制按钮。总 结本次设计的内容主要是利用PLC对Z3050摇臂钻床的控制部分进行改造。我先对本次的设计进行了总体的思考和分析，使自己对Z3050摇臂钻床的基本结构、运动情况、加工工艺要求等有一定的了解。Z3050摇臂钻床主要有底座、内立柱、外立