钻床传统电气控制系统的改造

Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的改造第一章绪论1.1国内外有关本课题的技术研究现状和发展动态自从1995年代在海外开始应用可编程控制器(PLC )以来，世界各国在该领域投入了大量资金致力于新产品的开发，1995年西门子成功开发了S7200、S7300系列。 TD 200和COROS OPS的操作模板为用户提供了方便的人机界面，为用户程序提供了三级密码保护，提供了非常强大的计算性能的完美指令集，通过MPI接口和工业现场总线PROFD3US和以太网强大的内部集成功能，全面的故障诊断功能模块结构扩展了各种性能，可以用于脉冲输出晶闸管的步进电机和直流电机的高速指令处理大大缩短了周期，采用高速计数器，高速中断处理可以单独响应过程事件，大幅降低成本由于电气控制系统的可靠性越来越受到重视，一些公司将自诊断技术、冗馀技术、容错技术广泛应用于现有产品中，引入了可靠的冗馀系统，采用了热备件、并行工作和多数表决工作方式。 由于PLC的许多优点，迅速普及到工业控制中。 国内PLC技术的应用前景很大，取得了经济效果，而由于经济和技术水平的限制，很多企业在生产中使用的Z3040摇臂钻床的电气控制系统采用了继电器接触器控制方式，但这种控制方式有明显的缺陷和危险容易发生故障。 另外，线路很复杂，很难找到问题点。 与国外大量采用PLC技术代替继电器接触器的系统相比，我们还有很大差异。随着PLC技术在我国的迅速发展，我们和海外先进技术的差距越来越小。 因此，抓住这个有利时机进一步促进PLC技术的普及和应用，是提高我国工业自动化水平的迫切任务，这次就Z3040摇臂钻床的电气控制系统的改造设计，参考国外先进的工业控制技术应用到了工业现场随着信息化产业的高速发展，数控机床的功能越来越完善，数控机床已经取代了普通机床。 数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高、低关系到国家战略地位、国民经济水平和体现国家综合实力的水平。 今后，数控技术将向高精细化、高速化、高效化、系统化、自动化、智能化、集团化的方向发展，重视技术的适用性和经济性。1.2 Z3040摇臂钻床的介绍钻床是一种孔加工机床，可以用钻头、扩孔、拉深、攻丝、端面切削等各种形式进行加工。 钻床的结构形式多，有立式钻床、卧式钻床、深孔钻床等。 摇臂钻床为立式钻床，适用于单体或量产中具有多孔质的大型部件的孔加工，是一般的机械加工现场常用的机床。摇臂钻床主要由床、内外立座、摇臂、主轴箱和桌子等组成。 摇臂的一端是套筒，设置在外柱上，通过丝杠的正、反转，可以沿着外柱上下移动。 主轴箱安装在摇臂的水平导轨上，可以通过手柄操作在水平导轨上沿着摇臂移动。 加工时，根据工件的高度，机械臂可以通过丝杠拿着主轴箱沿着外柱上下升降。 升降前，请自动松开摇臂，然后升降，在到达必要位置时，摇臂自动夹紧在立柱上。 摇臂钻床的钻头加工分为工作运动和辅助运动。 工作运动中有主运动(主轴的旋转运动)和进给运动(主轴的轴向运动)的辅助运动中，主轴台向摇臂的横向移动，包括摇臂的旋转和升降运动。 钻头加工时，钻头一边旋转一边纵向进给。 钻床的主要运动是主轴拿着钻头进行旋转运动。 进给运动是钻头的上下运动。 辅助运动是主轴箱沿着摇臂水平移动，摇臂沿着外柱上下移动，摇臂与外柱一起绕内柱旋转的旋转运动。 摇臂的旋转和主轴箱的左右移动是手动进行的1.3本论文的研究对象和意义本文研究了机械加工常用的Z3040臂钻床的传统电气控制系统改造问题，旨在解决传统继电器接触器电气控制系统中存在的线路复杂性、可靠性降低、故障诊断和故障排除困难等问题。 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、编程简单、调试周期短、可靠性高、抗干扰能力强、故障率低、对工作环境的要求低等一系列优点。 因此，本文在Z3040摇臂钻床的电气控制系统改造中，将PLC控制技术应用到改造方案中，大幅度地提高了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的硬件和软件的设计。 其中包括PLC模型的选择、I/O端口的分配、I/O硬件的布线图的制作、PLC梯形程序的设计。 详细阐述了PLC控制摇臂钻床的过程，阐述了取代传统的继电器接触器电气控制系统而采用PLC提高机床工作性能的方法。 由于Z-3040型摇臂钻床的电气控制系统存在线路复杂、故障率高、维护工作量大、可靠性低、柔软性差等缺点，本文建议用PLC对Z-3040型摇臂钻床的继电器接触式模拟控制系统进行技术改造第二章整体方案2.1 PLC与继电器-接触器的比较目前，中国Z3040臂钻床的电气控制系统采用传统的继电器-接触器控制方式。 由于控制的电动机多，电路复杂，在日常生产作业中，电气故障多发，影响生产。 另外，因为难以实现时间计数控制用继电器接触器控制方式等复杂的控制，所以有必要对以往的电气控制系统进行改进设计。 PLC电气控制系统可以有效地弥补上述系统的这种缺点。可编程控制器(PLC )是以微处理器为核心，集成了计算机技术、通信技术和自然控制技术的新型工业自动控制装置。 克服了继电器接触器控制电路接点多、组合复杂、通用性和灵活性差等缺点。 不仅具有各种逻辑控制功能，还具有各种运算、数据处理、网络通信等功能的控制，同时还具有抗干扰性强、环境适应性高、可靠性高等特征。 因此，广泛应用于工业生产的各领域。 因此，有必要自动改造传统机床。2.2具体方案的叙述方案1 :根据传统的Z3040储物柜钻床，利用“翻译法”改造PS。其中摇臂旋转，主轴箱左右移动是手动操作把传统的Z3040臂钻床的电路图翻译成PLC的梯形就行了图2.1方案1图情景2 :在以前的Z3040摇臂钻床上，加上摇臂旋转自动操作，将主轴台左右移动变成自动操作，就能提高生产效率。 追加工件加工计数功能、PC通信功能。图2.2方案2图情景3 :在传统的Z3040摇臂钻床的基础上，引进PC技术，把芯片作为控制中心，实现智能操作。将摇臂上升、下降的限位开关更换为限位传感器，向智能芯片传递信号，智能芯片操作电磁阀进行动作，操作马达进行旋转。如果在机床夹具旁边安装“笔”，就能感应机床工具的刀尖(磁铁和特殊传感器等)并提供芯片信号，实现工具的智能定位。 其中，摇臂的上下运动、旋转运动和主轴台的左右移动可以向传感器“笔”和智能芯片发送信号，实现摇臂的上下运动、旋转运动和主轴台的左右移动的智能化。图2.3本设计可以选择第二种方案实现自动操作，技术含量、成本、设计周期也低，适合本阶段自身的设计水平。第三章Z3040钻床控制系统的工艺分析3.1 Z3040摇臂钻床的运动形式和主要结构：摇臂钻床适合对大、中型部件进行钻头、火炬、绞车、攻丝等作业，也可以在工艺装备的条件下进行镗削。Z3040摇臂钻床由底座、外柱、内柱、摇臂、主轴箱、桌子等部分构成。内柱固定在基座的一端，外柱嵌入内柱，作业时用液压夹紧机构夹紧内柱，松开后，可绕柱旋转360度。 摇臂的一端是套筒，嵌在外柱上，可以通过液压夹紧机构与外柱夹紧。 夹紧机构脱落后，通过升降螺钉的正反旋转，可以沿着外柱上下移动。 升降螺钉与外柱成为一体，但升降螺母固定在摇臂上，因此摇臂只能与外柱一起绕内柱旋转。主轴箱是由主传动电动机构成的复合部件。 由主轴和主轴的传动机构、进给和变速机构、机床的操作机构部分构成。 在主轴台和摆臂的水平轨道上，可以用手柄操作使主轴台沿着水平轨道移动，用液压夹紧机构固定在摆臂上。 对于钻孔加工，主轴的旋转是主运动，主轴的直线移动是进给运动。 用钻头一边使钻头旋转运动一边纵向进给运动，主轴变速和进给变速的机构在主轴箱内，用变速机构分别调节主轴转速和上下进给量。 摇臂钻床的主轴旋转运动和进给运动被交流异步电动m-1机牵引。摇臂钻床的辅助运动是摇臂沿着外柱上升、下降、夹紧和松开立柱，摇臂与外柱一起围绕内柱的旋转运动。 摇臂的上升、下降是由交流电动机M2拖动，立柱的夹紧和释放，摇臂的夹紧和释放，主轴箱的夹紧和释放是由另一个交流电动机M3拖动齿轮泵，向夹紧装置供给必要的压力油，推进夹紧机构的液压系统实现的。 摇臂的旋转和主轴箱在摇臂的水平导轨方向上左右移动。另外，有对加工后的刀具进行冷却的泵马达M4。Z3040摇臂钻床的电力拖动要求和控制特性：l简化机床传动装置的机构通常用多台马达拖动。l主轴的旋转运动、纵向进给运动及其变速机构在主轴箱内，被一个主电动机牵引。为了满足l多种加工方式的要求，主轴的旋转和进给运动有很大的调速范围，通过机械的变速机构来实现。加工l螺纹，要求主轴正反旋转，用机械方法实现。 因此，主电动机只需向一个方向旋转，就能直接启动，不需要制动。l摇臂的升降被升降马达牵引，要求马达能够正反转，多采用轿厢异步马达，实现能够直接启动，不需要调速和制动。l内外的立柱、主轴箱和摇臂的夹紧和松开，是通过控制马达的正反旋转，向液压泵输送不同流动的压力油，推活塞，移动菱形块实现的。 因此，拖动液压泵的马达要求正反转，采用点动控制。l摇臂钻床主轴箱、立柱的夹紧和释放由一个电路控制，同时控制。 摇臂的夹紧、松开摇臂的升降动作成为一体，由另一个电路控制。 根据工作要求控制电磁阀来操作两个电路中的哪一个处于工作状态。 主轴箱和立柱的夹紧、松开动作为寸动操作，所以液压泵马达采用寸动控制。根据l夹紧的要求，操作者可以操作冷却泵马达，使其向一个方向旋转。l必要的联锁和保护的一环。l机床的安全照明和信号指示灯电路。3.2具体电机的配置状况和控制形式图3.1 Z3040摇臂钻床主电路这个钻床共计配置了5台马达。 M1是主轴马达，由继电器KM1控制，使主轴的旋转和主轴进行轴向进给运动，成为单向旋转。 主轴的正、反转是通过主轴电机拖动齿轮泵输送压力油，液压系统的操作机构配合正、反转摩擦离合器驱动主轴的正转、反转来实现的，热继电器实现了长期的过载保护。M2是摇臂的上升、下降电机，通过输出继电器KM2、KM3控制正、反运转。M3是液压泵马达，用KM4、KM5控制正反运转，控制回路在升降操作摇臂时，首先液压泵马达动作，供给压力油，经由液压系统松开摇臂后，使马达M2动作，拖动摇臂在摆动臂移动到预定位置后，控制回路停止M2，自动地通过液压系统夹紧摆动臂，使液压泵马达M3停止。M4是冷却马达，由切换开关SA1控制。在以往的电路图中加上M5，将步进电机移动到主轴壳体上。通过KM6、KM7继电器控制正反转，实现主轴台的移动。短路保护：在主电路中，将保险丝FU1用作总电路M1、M4短路保护利用保险丝FU2进行电动机N2、M3和控制变压器t的原边的短路保护在控制电路中，保险丝FU3用于照明电路的短路保护。过载保护：在主回路中，通过热继电器FR1、FR2分别对主马达M1、液压泵马达M3进行过载保护。 若液压系统的夹紧机构发生故障而无法进行夹紧，则如果行程开关SQ3的触电不会断开，或者行程开关SQ3的安装调整不适当，摇臂被夹紧而无法按下行程开关SQ3，则液压泵马达M3成为长期过载状态为了确保安全的生产，摇臂钻床的主轴旋转和摇臂升降是不能同时进行的。图3.2 Z3040摇臂钻床的电路图3.3电路分解：电机主电路控制根据电气设备主接点的文字符号分解控制电路电动机M1、M2、M3和电磁铁YA的控制电路图l主轴电动机M1的主回路控制根据电气设备主接点文字符号KM1找到电动机M1的控制回路。 如图(a )所示，这是由按钮SB1、SB2和接触器构成的起动停止控制电路根据l摇臂升降马达M2的主电路控制元件主接点文字符号KM2、KM3找到马达M2的控制电路，如图(b )所示，有行程开关SQ1、SQ2。l摇臂升降马达M2通过由摇臂升降按钮SB3、SB4和正反转接触器KM2、KM3构成的控制电路实现正反转，这是具有复合链的马达正反转慢进控制电路，控制摇臂的上升和下降。根据l油压马达M3的主回路控制元件的主接点文字符号KM4、KM5，找到马达M2的控制电路，如图(d )所示，是具有由按钮SB5、SB6和接触器KM4、KM5构成的接触器链的正反慢动控制电路。根据l电磁铁的文字符号YA发现电磁阀控制电路，如图(e )所示，在图中有行程开关SQ3。3.4行程开关SQ1SQ3的作用行程开关SQ1是臂的上升和下降达到极限的保护开关，有2个动断触电SQ1，分别与臂的上升和下降控制电路串联连接。 SQ1与通常的开关不同，那两个副动断触电不同时动作。 摇臂上升到上升极限位置时，SQ1的动断触电SQ1被切断，接触器KM2停电，升降马达M2停止，上升运动停止。 但是，SQ1的另一个副动断接点SQ1保持闭合状态，因此，按下下降按钮SB4，使接触器KM3电吸附，使臂升降马达M2反转，使臂下降。 相反，摇臂处于下降位置时，控制过程类