Z3040型摇臂钻床的PLC改造设计论文

- 1 - 摇臂钻床的 造 【 摘要 】 本设计的主要内容是如何将 摇臂钻床的继电器控制线路改造为 制，并且通过 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、 却 LC of 3040 04 of 3040 of LC of to of is - 2 - 目 录 摘要 1 0引言 1 1 3040 型摇臂钻床主要结构 2 3040 型摇臂钻床的运动形式和控制要求 2 2 3 3 摇臂钻床 制系统设计思路及 I/O 分配 7 8 入 /输出元件的确定 8 下 列 特点及钻床电路 选择 8 部接线图及梯形图设计 9 10 态软件简介 10 程监控 11 12 13 谢 辞 14 参考文献 15 - 3 - 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 作的强项。因此， 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 为主要控制设备，旧的机床电路也开始用 现电器改造。 1. 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。 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。 臂钻床的运动形式和控制要求 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。 运动和进给运动 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。 助运动 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 - 4 - 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。 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。 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。 主电动机升降电动机冷却泵电动机液压泵电动机图 臂钻床电器控制主电路 电路 主电路和控制线路的电源均由自动空气开关 入，自动空气开关 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 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 却泵电动机采用自动空气开关 工控制。 别为主电动 - 5 - 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 冷却泵电动机于短时工作，因而不设过载保护。 制线路 控制电路接在自动空气 面，电压为 220V. 将自动空气开关 倒接通状态，电源指示灯 ，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 间继电器 电，通过自锁触点控制电路得电，完成准备工作。 - 6 - 图 1. 臂钻床电器控制控制电路 轴电动机的控制 按下按钮 触器 电，主电动机转动，同时主轴 运行指示 轴电动机的停止，由按钮 实现，当主轴电动机或液压泵电动机过载时，通过 电，是主轴电动机或液压泵电动机停下来。 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 钮，时间继电器 电，其瞬时常开触点闭合，接触器 电，液压泵电动机 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 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 电，摇臂升降电动机拖动要比上升。 如果摇臂没有松开， 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 电，升降电动机 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， 电， 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 常闭触点断开， 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 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 正传和反转）的接触器 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 为摇臂的上升与下降的极限位置保护用的。 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 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 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 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 现。 三个位置，扳到左边时触点 (53通， 进行主轴箱的夹紧或松开；扳向右边时，触点 (53通， 电， - 7 - 可进行主轴箱的夹紧或松开；扳到中间时，二者可同时进行。 立柱和主轴箱的松开控制按钮， 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 向右侧，触点（ 53通，（ 55开。当需要主轴箱松开时，按下按钮 间继电器 电，断电延时打开的常开触点（ 3合，电磁阀 电，为压力油进入主轴箱油腔打开通路。经过 到 3 秒后，延时闭合的常开触点（ 3合， 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 位，主轴箱松开指示灯 ，至此主轴箱松开过程完成，放开按钮电，在经 1 到 3 秒的延时后，触点 (3开， 电。当需要主轴箱夹紧时，按下按钮 得电，经延时后 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 (3开， (3合，主轴箱夹紧，指示灯 ， 。 将 到左侧后，按下按钮 磁阀 电，实现立柱的松开（或加紧）。 如果将 到中间位置，触点（ 53（ 53时接通，在按下 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 轴电动机 臂夹紧、松开用限位开关 臂升降电动机 臂夹紧用限位开关 压泵电动机 柱、主轴箱夹紧放松用行程开关 却泵电动机 启动按钮 自动空气开关 停止按钮 自动空气开关 轴启动按钮 却泵自动空气开关 轴停止按钮 轴接触器 臂上升按钮 臂上升接触器 臂下降按钮 臂下降接触器 开停止按钮 柱、主轴箱、摇臂放松接触器 紧停止按钮 - 8 - 柱、主轴箱、摇臂放松接触器 柱、主轴箱松开按钮 主电动机过载保护热继电器 柱、主轴箱夹紧松开转换开关 压泵电动机过载保护热继电器 柱、主轴箱夹紧放松转换开关 臂升降时间继电器 源指示灯 紧放松时间继电器 柱、主轴箱松开指示灯 紧放松时间继电器 柱、主轴箱夹紧指示灯 轴箱夹紧放松电磁阀 轴运行指示灯 柱箱夹紧放松电磁阀 臂上升限位开关 臂下降限位开关 臂钻床 制系统设计思路及 I/O 分配 首先分析 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 型号，最后将原继电 制的梯形图，同时画出 I/O 接线图。 元件 I/O I 元件 O 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 20 20 21 21 22 22 23 24 - 9 - 3040 摇臂钻床的继电器控制系统改造为 制系统 将 臂钻床的继电器控制系统改造为 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型号，最后 将原继电接触器电路改为 梯形图就可以了。下面按步骤说明设计过程。 入 /输出元件的确定 根据电气控制线路的分析， 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。 下 列 特点及钻床电路 选择 松下 列 有如下特点： I/O 点数 从 10 点至最大 128 点， 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 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 500步的程序只需 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 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 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 成小功率变频调速系统； 通信功能 用 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， 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 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 50V/2A(,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 于输入 /输出点数太多，我们可以利用 I/O 扩展模（ 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 部接线图及 梯形图设计 - 10 - 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 图 2、图 3 所示。 图 2 I/O 接线图 - 11 - 图 3 梯形图 态软件简介 是 一 套 基 于98 和 T 平台、用于快速构造和生 - 12 - 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。 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。 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 . 摇臂钻床 中的组态过程 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 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 臂钻床控制系统的要求， 可用 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 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 “ 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 “ 用户窗口 ” 中用 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 “ 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 运行策略 ” 窗口中，可对 用户 策略等进行设置和组态。 在 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 运行环境中对上述生成的软件系统进行运行调试。 - 13 - 图 4 软件组态用户界面 机床经 明显具有以下优势 : 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。 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。 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。 此系统抗干扰性能大大增强，并能经受住强烈的振动冲击。 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 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 制，上位机运用 态软件进行监控，系统在工作过程中不断地从 用程序并进行顺序扫描，又通过软件组态的人机界 - 14 - 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。 根据本系统的 控制 理论 ，下位机 采用 制，上位机使用 控组态软件 远程监控， 很好地完成了 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 电器 制系统是很好的方法。它可以充分发挥 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。 - 15 - 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。通过这次设计，我们已经初步掌握了如何将继电器控制线路改为可编程控制器的流程，并能在其内核的基础上实现一定的功能，这充分锻炼了我新技术的学习，实际动手能力。 同时我深刻体会到了现代技术的飞速发展，新新事物层出不穷，我们必须不断吸取更多的知识才能适应，并跟上时代的步伐。通过组态软件的仿真，可以准确地看到程序执行的过程， 能及时的发现错误而加一改正 ,大大提高了效率 . 此外 ,在设计过程中由于