Z3040型摇臂钻床的PLC改造设计

Z3040型摇臂钻床的PLC改造【摘要】本设计的主要内容是如何将Z3040型摇臂钻床的继电器控制线路改造为PLC控制，并且通过PLC的通讯功能及组态软件实现摇臂的远程监控及操作控制。要求系统能实现摇臂钻床的基本操作控制。【关键词】摇臂钻床、PLC、冷却Transformation of PLC of the radial drilling machine of Model Z3040Author：LiuGuanghua Class 004 of electromechanical know-how educationAbstract ：Main content that design originally how control relay, Model Z3040 of radial drilling machine circuit transform as PLC control, realize the long-range control of the rocker arm and operate controlling through communication function and configuration software of PLC. Require the system to realize the basic operation of the radial drilling machine is controlled. Key words: Radial arm drill; PLC0.引言近几年来组合机床也渐渐多起来，较先进的金属加工机床是工作母机，也叫机械加工中心。长期以来，金属切削加工机床多采用继电器电路实现控制。其实，这类机械的电器控制主要以逻辑控制为主，这正是PLC工作的强项。因此，PLC在机械加工机床的电器控制领域得到了越来越广泛的应用。不但更多的新品机床开始采用PLC作为主要控制设备，旧的机床电路也开始用PLC实现电器改造。1. Z3040摇臂钻床概述钻床的种类很多，有台式钻床，立式钻床，卧式钻床，摇臂钻床，深孔钻床及专用钻床等。在各类钻床中，摇臂钻床具有操作方便，灵活，适用范围广等特点，特别适用于大型零件的孔加工，是机械加工中的常用机床设备。1.1摇臂钻床主要结构摇臂钻床的主要结构由底座，内立柱，外立柱，摇臂，主轴箱和工作台等组成。1.2Z3040摇臂钻床的运动形式和控制要求Z3040摇臂钻床加工前，通过摇臂的回转和升降，主轴箱的移动定位，调整各个部分移动；加工时，主轴箱由夹紧装置紧固在摇臂导轨上，摇臂紧固在外力柱上，外立柱紧固在内立柱上，主住带动钻头或丝攻旋转并向下垂直进给，实现钻孔或攻丝等加工。1.2.1主运动和进给运动Z3040摇臂钻床的主运动是主轴的旋转运动，进给运动是主轴的上，下移动。主轴的旋转及主轴上、下进给都是由主轴电动机拖动，在加工螺纹时要求主轴可正反转，主轴的正反转和主轴上，下进给都是由机械方法获得。主轴变速和进给变速的机构都在主轴箱内，用变速机构分别调节主轴转速和上，下进给量。所以主轴电动机只要求单方向旋转，可直接启动，不需要调速和制动。1.2.2辅助运动Z3040摇臂钻床的辅助运动有摇臂连同外立柱绕内立柱的回转运动、摇臂沿外立柱上、下移动、主轴箱沿摇臂导轨水平摇臂钻床利用旋转的钻头对工件进行加工，它由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱、和工作台构成。主轴箱固定在摇臂上，可以沿摇臂径向运动。摇臂借助于丝杆，可以作升降运动，也可以与外立柱固定在一起，沿内力柱旋转。钻削加工时，通过、夹紧装置，主轴箱禁锢在摇臂上，摇臂紧固在外立柱上，外立柱紧固在内立柱上。2.Z3040摇臂钻床电器设备的分布及分工机械加工机床的加工运动往往是机械与电器配合实现的。在讨论电器电路之前须弄清电器的设置及电器控制的分工。Z3040摇臂钻床设有4台电动机，即主轴电动机、冷却泵电动机、摇臂升降电动机及液压泵电动机。主轴电动机提供主轴转动的动力，是钻床加工主运动动力源。主轴应具有正反转功能，但主轴电动机只有正转工作模式，凡专用机械方法实现。冷却泵电动机用于提供冷却液，只需正转。液压泵电动机提供液压油，用于摇臂、立柱和主轴箱的夹紧和松开，也需要正反转。 图1.Z3040摇臂钻床电器控制主电路2.1主电路主电路和控制线路的电源均由自动空气开关QS1引入，自动空气开关QS2能使摇臂的升降几个夹紧运动与主轴运动解裂，以方便维护和调试。主电动机只有一个旋转方向，故只用一个交流接触器KM1,而摇臂升降电动机和液压泵电动机要求具有正反转，故分别采用两个接触器KM2、KM3、KM4、KM5。冷却泵电动机采用自动空气开关QS3人工控制。FR1、FR2分别为主电动机和液压泵电动机的过载保护用热继电器、摇臂升降电动机M2和冷却泵电动机M4，由于短时工作，因而不设过载保护。2.2控制线路控制电路接在自动空气QS2后面，电压为220V.将自动空气开关QS1和QS2扳倒接通状态，电源指示灯EL1亮，表示主电路和控制电路有电，可以进行工作。按下总启动按钮SB1,中间继电器KA1得电，通过自锁触点控制电路得电，完成准备工作。图1. Z3040摇臂钻床电器控制控制电路2.2.1主轴电动机的控制按下按钮SB3，接触器KM1得电，主电动机转动，同时主轴运行指示EL4，主轴电动机的停止，由按钮SB4来实现，当主轴电动机或液压泵电动机过载时，通过FR1或FR2使KM1或KM4、KM5失电，是主轴电动机或液压泵电动机停下来。2.2.2摇臂的升降控制摇臂的上升与下降，属于短时的调整工作，因此才用电动工作方式。按下SB5按钮，时间继电器KT1得电，其瞬时常开触点闭合，接触器KM4得电，液压泵电动机M3启动供给压力油，经分配阀进入要比松开油腔，推动活塞使摇臂松开。同时活塞杆通过弹簧片使限位开关SQ3的常闭触点断开，失电，液压泵电动机停止，而的常开触点闭合，接触器KM2得电，摇臂升降电动机拖动要比上升。如果摇臂没有松开，SQ3的常开触点不能闭合，摇臂升降电动机不能转动，这样就保证了只有在摇臂可靠松开后才可使摇臂上升或下降。当摇臂上升到所需位置时，松开按钮SB5，KT1和KM2失电，升降电动机M2停止，摇臂上升停止。经过时间继电器的延时整定值1到3秒后，继电延时闭合的常闭触点闭合，KM5得电，M3反转，使压力油经分配阀进入摇臂的夹紧油腔，夹紧摇臂。同时活塞杆通过弹簧片使限位开关SQ4的常闭触点断开，KM5失电，M3停止，完成了摇臂的松开上升夹紧的过程。摇臂下降是通过按钮SB6来实现的，其动作过程为摇臂松开下降夹紧.控制摇臂的上升和下降（即电动机M2的正传和反转）的接触器KM2与KM3，不能同时动作，否则引起电源短路。为此，在要比上升和下降的线路中加入了按钮互锁和触点互锁。行程开关SQ1和SQ2是为摇臂的上升与下降的极限位置保护用的。2.2.3立柱和主轴箱的松开与夹紧控制用来使立柱和主轴箱的松开与夹紧的压力油仍由M3拖动的液压泵提供的。控制主轴箱的松开与夹紧的压力油，需经电磁阀YV1进入主轴箱油腔，而控制立柱松开与夹紧用压力油则经电磁阀YV2进入立柱油腔。立柱和主轴箱的松开和夹紧，可分别进行，也可同时进行，由组合开关SA1和按钮SB9(或SB10)实现。SA1有三个位置，扳到左边时触点(53-57)接通，YV2得电，可进行主轴箱的夹紧或松开；扳向右边时，触点(53-55)接通，YV1得电，可进行主轴箱的夹紧或松开；扳到中间时，二者可同时进行。SB7为立柱和主轴箱的松开控制按钮，SB8为夹紧控制按钮。下面以主轴箱的松开与夹紧为例说明它的动作过程。首先将SA1扳向右侧，触点（53-55）接通，（55-57）断开。当需要主轴箱松开时，按下按钮SB9，时间继电器KT2、KT3带电，断电延时打开的常开触点（3-53）闭合，电磁阀YV1得电，为压力油进入主轴箱油腔打开通路。经过KT3的整定值1到3秒后，延时闭合的常开触点（3-37）闭合，KM4得电，油泵电动机正转使压力油进入主轴箱油腔，推动活塞使主轴松开。活塞杆还使行程开关SQ5复位，主轴箱松开指示灯EL2亮，至此主轴箱松开过程完成，放开按钮SB9、KT2、KT3、KM4失电，在经1到3秒的延时后，触点(3-53)断开，YV1失电。当需要主轴箱夹紧时，按下按钮SB10，YV1又得电，经延时后KM5得点，油泵电动机反转，压力油推动活塞使主轴箱夹紧，同时压紧行程开关SQ5，(3-59)断开，(3-61)闭合，主轴箱夹紧，指示灯EL3亮，EL2灭。将SA1扳到左侧后，按下按钮SB9（或SB10），磁阀YV2得电，实现立柱的松开（或加紧）。如果将SA1扳到中间位置，触点（53-55）和（53-57）同时接通，在按下SB9(或SB10),YV1和YV2同时得电，就可同时进行主轴箱和立柱的松开（或夹劲）。表1符号名称及用途符号名称及用途M1主轴电动机SQ3摇臂夹紧、松开用限位开关M2摇臂升降电动机SQ4摇臂夹紧用限位开关M3液压泵电动机SQ5立柱、主轴箱夹紧放松用行程开关M4冷却泵电动机SB1总启动按钮QS1总自动空气开关SB2总停止按钮QS2分自动空气开关SB3主轴启动按钮QS3冷却泵自动空气开关SB4主轴停止按钮KM1主轴接触器SB5摇臂上升按钮KM2摇臂上升接触器SB6摇臂下降按钮KM3摇臂下降接触器SB7松开停止按钮KM4立柱、主轴箱、摇臂放松接触器SB8夹紧停止按钮KM5立柱、主轴箱、摇臂放松接触器SB9立柱、主轴箱松开按钮FR1主电动机过载保护热继电器SB10立柱、主轴箱夹紧松开转换开关FR2液压泵电动机过载保护热继电器SA1立柱、主轴箱夹紧放松转换开关KT1摇臂升降时间继电器EL1电源指示灯KT2夹紧放松时间继电器EL2立柱、主轴箱松开指示灯KT3夹紧放松时间继电器EL3立柱、主轴箱夹紧指示灯YV1主轴箱夹紧放松电磁阀EL4主轴运行指示灯YV2立柱箱夹紧放松电磁阀SQ1摇臂上升限位开关SQ2摇臂下降限位开关3.Z3040摇臂钻床PLC控制系统设计思路及I/O分配 首先分析Z3040摇臂钻床继电控制系统原理，确定输入元件和输出元件，其次根据输入、输出点的个数和逻辑关系的复杂程度选择PLC的型号，最后将原继电-接触器电路改为PLC控制的梯形图，同时画出I/O接线图。元件 I/OI元件OSB1X0KM1Y0SB2X1KM2Y1SB3X2KM3Y2SB4X3KM4Y3SB5X4KM5Y4SB6X5YV1Y5SB9X6YV2Y6SB10X7EL1Y7SQ1X20EL2Y20SQ2X21EL3Y21SQ3X22EL4Y22SQ4X23SQ5X24SA1左X25SA1右X26SA1中X274.将Z3040摇臂钻床的继电器控制系统改造为PLC控制系统将Z3040摇臂钻床的继电器控制系统改造为PLC控制系统，首先要确定输入元件和输出元件，其次根据输入，输出点的个数和逻辑关系的复杂程度选择PLC的型号，最后将原继电接触器电路改为PLC的梯形图就可以了。下面按步骤说明设计过程。4.1输入/输出元件的确定根据电气控制线路的分析，Z3040摇臂钻床的输入元件共有16个，其中按钮8个，限位开关5个，转换开关三个位置设3个；输出元件共11个，其中接触器线圈5个，电磁阀2个，信号灯4个。原继电接触电路中的热继电器，不必作为输入元件，而将其触点串接到相应接触器的线圈回路里更为简便。4.2 松下FPO系列PLC的特点及钻床电路PLC的选择松下FPO系列PLC具有如下特点：I/O点数 从10点至最大128点，FP0可单台使用，也可多模块组合，最多可增加3个扩展模块，扩展单元不需任何电缆即可直接连到主控单元上；扫描速度 FP0的运行速度在同类产品中是最快的，每条基本指令执行速度为0.9S，500步的程序只需0.5ms的扫描时间。还可读取短至50S的窄脉冲，即有脉冲捕捉功能；程序容量 FP0具有5000步的大容量内存及大容量的数据寄存器，可用于复杂控制及大数据量处理；特殊功能 具备两路脉冲输出功能，可单独进行运动位置控制，互不干扰，有双相、双通道、双频高速计数功能，有PWM（脉宽调制）输出功能，可很容易地实现温度控制，还可用来直接驱动松下电工微型变频器VF0，构成小功率变频调速系统；通信功能 FP0可用RS232C口直接连接调制解调器，实现远程通信，还可多个构成分布式控制网络。同时，FP0还增加了程序运行过程中的重写功能和自我诊断功能，程序内存使用EEPROM，无需备用电池，维护简单。输入侧电源采用直流24V,输出侧电源采用交流220V,以便直接驱动接触器和电磁阀。输入点的开关容量为AC,250V/2A(COS),因此,完全可驱动接触器和电磁阀线圈。根据输入/输出点的个数，并考虑到电路的逻辑关系比较简单，可选择FPO-C16型PLC,由于输入/输出点数太多，我们可以利用FPO的I/O扩展模（FPO可单台使用，也可多模块组合，最多可增加3个扩展模块。I/O点从最小10点至最大128点,用户可根据自己的需要选取适合的组合。）因此我们选用它的扩展单元FPO-E16。4.3 PLC外部接线图及梯形图设计在设计梯形图之前，需先将各输入/输出元件的位号确定下来，并画出PLC的连接图。如图2、图3所示。 图2 I/O接线图图3 梯形图5.组态软件介绍及系统远程监控5.1MCGS组态软件简介MCGS ( Monitor and Control Generated System )是一套基于MicrosoftWindows95、98和Microsoft Windows NT 平台、用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，它为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段，从数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各个环节，均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用，用户只需根据工程作业的需要和特点，进行方案设计和组态配置，即可生成用户应用软件系统。MCGS工控组态软件系统包括组态环境和运行环境两大部分，用户所有的组态配置过程都是在组态环境中进行的，用户组态后可生成一个“组态结果数据库”的文件。MCGS的运行环境是一个独立的运行系统，它能按照“组态结果数据库”中的组态方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能.MCGS在摇臂钻床中的组态过程5.2利用组态软件进行系统远程监控控制系统的远程监控采用目前较为先进的MCGS工控组态软件，通过软件为系统设计了友好的控制界面，使用户可以在微型计算机上通过界面对系统的运行情况进行实时监控，随时在线监测现场设备的运行状况，及时采取相应对策，以保证系统的稳定运行，提高了系统工作的可靠性，同时也给管理者一个舒适的工作环境。根据Z3040摇臂钻床控制系统的要求，可用MCGS组态软件对控制系统进行软件的组态，其界面如图4所示，也就是在MCGS工控组态软件的基础上进行开发。其具体的组态过程简述如下：系统菜单和系统参数组态：在MCGS的“主控窗口”中，按控制系统的要求，对其系统菜单和系统参数进行定义和设置。用户界面的组态：按控制系统的要求和用户的使用习惯，在MCGS的“用户窗口”中用MCGS的工具进行系统运行画面和主控界面的设计组态。实时数据对象的组态：按控制系统的要求，在MCGS的“实时数据库窗口”中分别对有关的数据和变量等进行定义和设置。运行策略的组态：按控制系统的运行要求，在MCGS“运行策略”窗口中，可对用户策略等进行设置和组态。在MCGS的组态环境中完成上述的各项组态工作之后，系统可生成一个适用于该控制系统的“组态结果数据库”，此后即可在MCGS的运行环境中对上述生成的软件系统进行运行调试。图4 软件组态用户界面6.机床经PLC改造并进行MCGS组态监控后效果机床经PLC改造并进行MCGS组态监控后,明显具有以下优势:PLC具有体积小、功耗低、速度快、可靠性高，又具有较大的灵活性和可扩展性。PLC的采用，省去了时间继电器和大量触点，无形中降低了机床的故障率，节省了大量的维修费用，提高了整机的可靠性。PLC具有输入、输出显示功能和自诊断功能。根据输入、输出显示和各个警示灯的闪烁，很容易找出故障点，将系统停机时间缩至最短，提高了劳动生产率。PLC采用的是光电耦合，因此系统抗干扰性能大大增强，并能经受住强烈的振动冲击。MCGS则具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等特点，使用MCGS，用户无须具备编程专业知识，即可在短时间内完成监控系统的开发。由于下位机采用PLC控制，上位机运用MCGS组态软件进行监控，系统在工作过程中不断地从PLC调用程序并进行顺序扫描，又通过软件组态的人机界面随时监控运行状态，从而避免了原继电控制系统经常发生的触点紊乱故障，使系统的安全性大大提高，同时提高了系统的寿命。7.结束语根据本系统的控制理论，下位机采用PLC控制，上位机使用MCGS工控组态软件远程监控，很好地完成了Z3040摇臂钻床的电气改造，提高了工业自动化水平，取得了良好的效果。实践证明，用PLC改造传统继电器-接触器控制系统是很好的方法。它可以充分发挥PLC高可靠性、高抗干扰的特点，寿命长、维修量少、查找外部线路简单，减少了电气故障发生率，大大提高了摇臂钻床的工作可靠性，同时也提高了生产效率和产品质量，为企业创造了较好的经济效益。 谢 辞 感谢在本设计中老师的指导和帮助，我再做毕业设计的过程中，将可当上所学的理论知识充分利用到实践中。当遇到难点，就和他人讨论解决问题。接触到以前没有学过的知识就查阅书籍或上网找相关资料，进一步学习，受益颇多