毕业设计-基于三菱plc的z3040摇臂钻床电控系统设计

基于三菱PLC的Z3040摇臂钻床电控系统设计摘要本设计是研究机械加工中常用的Z3040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、可靠性和稳定性差、不便于控制电路的故障诊断和排除等难题。由于PLC电气控制系统与继电器接触器电气控制系统相比，具有通用性强、结构简单、体积小、易于安装、性能优越、可靠性高、编程简单、抗干扰能力强、使用维护方便，对工作环境要求低等优点。因此，本设计在不改变原机床操作及工艺要求的前提下，进行Z3040摇臂钻床电控系统的PLC改造，将把PLC控制技术应用到改造方案中去，完成系统设计，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。关键词三菱PLC，Z3040，摇臂钻床，电控系统，改造目录1绪论12三菱FX1N系列PLC概述221PLC的产生和发展222PLC的用途及特点2221PLC的用途2222PLC的特点423PLC的基本结构和工作原理5231PLC的基本结构5232PLC的工作原理1024PLC的主要指标性能1125三菱FX1N系列PLC的基本指令123Z3040摇臂钻床机床的电控系统分析1431Z3040摇臂钻床机床结构和运动情况1432Z3040摇臂钻床的电力拖动特点及控制要求1533Z3040摇臂钻床的电气控制原理图1534主电路分析1635控制电路分析16351摇臂上升16352摇臂下降17353立柱与主轴箱的夹紧与松开17354互锁与保护环节17355指示灯电路分析1836Z3040摇臂钻床的电控系统特点184Z3040摇臂钻床电控系统的PLC改造1941Z3040摇臂钻床的PLC控制要求1942PLC的选择1943I/O地址分配表2144I/O接线图2245控制流程图23451主电动机运行的流程图23452摇臂上升流程图24453摇臂下降流程图25454立柱与主轴箱PLC控制流程图2646PLC控制梯形图2747系统仿真调试28471摇臂上升程序仿真图28472摇臂下降程序仿真图29473主轴箱与立柱松开程序仿真图30474主轴箱与立柱夹紧程序仿真图3148PLC改造前后的性能测试325结论34参考文献35致谢36附录A基于三菱PLC的Z3040摇臂钻床电控系统原理图37附录BZ3040摇臂钻床PLC电控系统语句表程序381绪论19世纪，由于纺织、动力、交通运输机械和军火生产的推动，各种类型的机床相继出现。随着社会科技进步，单一的车床已逐渐演化出了铣床、刨床、磨床、钻床等等，这些主要机床已经基本定型，这样就为20世纪前期的精密机床和生产机械化和半自动化创造了条件。普通车床是能对轴、盘、环等多种类型工件进行多种工序加工的卧式车床，常用于加工工件的外圆、内圆、端面、螺纹和定型表面，采用相应的刀具和附件，还可进行钻孔、扩孔、攻丝和滚花等。普通车床是车床中应用最广泛的一种，约占车床类总数的65，因其主轴以水平方式放置故称为卧式车床。钻床是普通车床中的一种，钻床按用途和结构可分为立式钻床、台式钻床、摇臂钻床、多轴钻床、深孔钻床、卧式钻床及其它专用钻床等，摇臂钻床属于立式钻床，能进行多种形式的机械加工，可以钻孔、扩孔、饺孔、镗孔、攻螺纹及刮平面等多种形式的加工。摇臂钻床属于立式钻床，其操作方便、灵活，适用范围广，具有典型性。Z3040是中型摇臂钻床，其型号意义为Z钻床，3摇臂钻床，0圆柱形主轴，40最大钻孔直径40MM。20世纪20年代出现的接触器、各种继电器、定时器、其他电器及其触头按一定逻辑关系连接的继电接触器控制系统。其结构简单,价格便宜,易于掌握，在一定范围内满足控制要求。但它设备体积大、动作速度慢、功能少而固定可靠性差、难于实现复杂的控制的缺点，所以随着现在社会科技日新月异的快速发展，人们对各种产品的要求也越来越高了，特别是在机械制造方面，要求的工艺和产品的质量也越来越高了。一些传统的车床加工出来的产品已经很难达到人们的要求，所以发明一种新的加工方法是一种必然趋势。随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，微处理器、单片机和大规模集成电路引入PLC中。由于它的结构简单、操作方便,使用户程序编制清晰直观、方便易学，且调试和查错容易。而且还具有通用性强、可靠性高、使用维护方便、体积小、抗干扰能力强、控制功能完善、通用性强、编程简单、易于安装等优点，所以本次毕业设计针对Z3040摇臂钻床的电控系统改造，改造后不但使控制系统的结构简化,而且还提高了控制系统的可靠性,维修量也减小了许多。2三菱FX1N系列PLC概述21PLC的产生和发展可编程序控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER），简称PLC，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。20世纪60年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不断更新的需要，在1968年美国通用汽车公司（GM）首先公开招标，并从用户角度提出了新一代控制器应具有的十大条件。这十大条件中比较主要的是编程方便，可现场修改程序；维修方便，采用插件式结构；可靠性高于继电器控制装置；体积小于继电器控制盘；数据可直接送入管理计算机；成本可与继电器控制盘竞争；扩展时原系统改变最少。1969年美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研制出世界上第一台PLC，并在GM公司汽车生产线上首次试用成功，实现了生产的自动化。其后日本、德国等相继引入，可编程序控制器迅速发展起来，但是主要应用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC。其定义可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC在其内部结构和功能上都类似于计算机，它可以采用传统电气图为基础的梯形图语言编程，方法简单且易于学习和掌握。在控制系统应用方面优于计算机，它易于与自动控制系统相连接，可以方便灵活地构成不同的要求、不同规模的控制系统，其环境适应性和抗干扰能力极强，所以亦称为工业控制计算机。由于这些特点，PLC在自动控制系统中的使用非常广泛。22PLC的用途及特点221PLC的用途（1）逻辑控制PLC具有逻辑运算功能，能够进行与、或、非等逻辑运算，可以代替继电器进行开关量控制，故它可替代继电器进行开关量控制。（2）定时控制为满足生产控制工艺对时间的要求，PLC一般提供时间继电器。FX1N提供T0T199共200点（100MS），T200T245共46点（10MS），T246T249共4点（1MS累计型）通过电容停电保持，T250T255共6点（10MS累计型）通过电容停电保持。并且计时时间常数在范围内用户编写程序时自己设定接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。并且在PLC运行中也可以读出、修改，使用方便。（3）计数控制为满足计数的需要，不同的PLC提供不同数量、不同类型的计数器。FX1N提供16位增量计数C0C15（一般用）、C16C199（保持用），32位增/减计数器C200C219（双向）、C220C234（双向电容保持）、C235C255（高速计数器）。用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测，且在PLC运行中也可以读出、修改，使用方便（4）步进顺序控制步进顺序控制是PLC最基本的控制方式。是为有时间或运行顺序的生产过程专门设置的指令，在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台PLC可作为多部步进控制器使用。（5）对控制系统的监控PLC具有较强的监控能力，操作人员可以根据PLC的监控信息，通过监控命令，可以监视系统的运行状态，从而改变对异常值的设定。（6）数据处理PLC具有较强的数据处理能力，随着PLC的发展，已经能对大量的数据进行快速处理。如数据采集、存储与处理功能。（7）通信和联网现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。（8）输入/输出接口调理功能具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节。位数和精度可以根据用户要求选择。具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。（9）人机界面功能提供操作者以监视机器、过程工作必需的信息。允许操作者和PLC系统与其应用程序相互作用，以便作出决策和调整。实现人机界面功能的手段从基层的操作者屏幕文字显示，到单机的CRT显示与键盘操作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机、工业计算机的分散和集中操作与监视系统。222PLC的特点可编程序控制器是属于存储程序控制的一种装置，其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实现的，若要对控制功能作修改，在很大程度上只须改变软件指令即可，使得硬件软件化。因此它在工业控制中的地位越来越高，占有极其重要的地位，最重要的原因是它具有如下独特的特点（1）可靠性高PLC是专门为工业控制设计的，在设计和制造过程中采取了多层次抗干扰、精选元件的措施，可在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作，运行的稳定性和可靠性较高。PLC是以集成电路为基本单元的电子设备，内部处理不依赖于接点，元件的寿命长，平均无故障工作时间高。（2）编程简单易学PLC的最大特点之一，就是采用易学易懂的梯形图语言，它是以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型，形成一套独具风格的以继电器梯形图为基础的形象编程语言。方便电气人员在了解PLC工作原理和它的编程技术后，就可迅速地结合实际需要进行应用设计，进而将PLC用于实际控制系统中。（3）通用性强，使用方便由于PLC自身硬件特点，用户在进行控制系统的设计时，不需要自己设计和制作硬件装置，只需要根据控制要求进行模块的配置；用户所作的工作只是设计满足控制对象的控制要求的应用程序。对于一个控制系统，当控制要求改变时，只需修改程序，就能变更控制功能；与外围设备的连接方便，通讯协议标准。（4）系统设计周期短由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配置适当的模块，而不要设计具体的接口电路，同时软件设计和外围电路设计可以同时进行，这样大大缩短了整个系统设计的时间，加快了系统的设计周期。（5）对生产工艺改变适应性强其控制功能是通过软件编程来实现的，当生产工艺改变时，在很大程度上只需改变用户程序，这对现代化的小批量、多品种产品的生产尤其适合；现今PLC已经朝着嵌入式系统发展，将进入日常生活中。（6）安装简单、调试方便、维护工作量小PLC控制系统的安装接线工作量比继电器控制系统少得多，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O口相连。PLC软件设计和调试大部分可以在实验室模拟进行，模拟调试好后再将PLC控制系统进行现场联机调试，方便省时。其本身可靠性高，有完善的自诊断能力和系统监控能力，方便迅速故障查明和排除，维护的工作效率高。（7）适应工业环境PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。这是PLC产品的市场生存价值。23PLC的基本结构和工作原理PLC由于其自身的特点，在工业生产的各个领域得到了愈来愈广泛的应用。而作为PLC的用户，要正确地应用PLC去完成各种不同的控制任务，首先应了解其组成结构和工作原理。231PLC的基本结构可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换与以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源组成。PLC的基本结构如图21所示图21系统的组成（1）中央处理单元CPU中央处理单元CPU是PLC的控制核心。它按照PLC系统程序赋予的功能A接收并存储从用户程序和数据；B检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式采集现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象寄存区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算并将结果送入I/O映象寄存区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象寄存区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。（2）存储器可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。PLC常用的存储器类型RAM（RANDOMASSESSMEMORY）这是一种读/写存储器随机存储器，其存取速度最快，由锂电池支持。EPROM（ERASABLEPROGRAMMABLEREADONLYMEMORY）这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。在紫外线连续照射下可擦除存储器内容。EEPROM（ELECTRICALERASABLEPROGRAMMABLEREADONLYMEMORY）这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。PLC存储空间的分配虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域系统程序存储区系统程序存储区在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。系统RAM存储区系统RAM存储区包括I/O映象寄存区以及各类软元件存储区，如逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等存储器。AI/O映象寄存区由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元RAM以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象寄存区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位，一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字。因此整个I/O映象寄存区可看作两个部分组成开关量I/O映象寄存区；模拟量I/O映象寄存区。B系统软元件存储区除了I/O映象寄存区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软元件（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和失电不保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会丢失；后者当PLC断电时，数据被清零。用户程序存储区用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的PLC，其存储容量各不相同。（3）输入接口电路输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实习室涉及到的信号当中，开关量最普遍，也是实验条件所限，在次我们主要介绍开关量接口电路。可编程序控制器优点之一是抗干扰能力强。这也是其I/O设计的优点之处，经过了电气隔离后，信号才送入CPU执行的,防止现场的强电干扰进入。如图22所示就是采用光电耦合器一般采用反光二极管和光电三极管组成的开关量输入接口电路图22光电耦合器开关量输入接口电路（4）输出接口电路可编程序控制器的输出有继电器输出M、晶体管输出T、晶闸管输出S三种输出形式。输出接口电路的隔离方式有继电器隔离方式、光电耦合器隔离方式和晶闸管输出隔离方式。输出接口电路的主要技术参数A响应时间响应时间是指PLC从ON状态转变成OFF状态或从OFF状态转变成ON状态所需要的时间。继电器输出型响应时间平均约为10MS；晶闸管输出型响应时间为1MS以下；晶体管输出型在02MS以下为最快。B输出电流继电器输出型具有较大的输出电流，AC250V以下的电路电压可驱动纯电阻负载2A/1点、感性负载80VA以下（AC100V或AC200V）及灯负载100W以下（AC100V或200V）的负载；Y0、Y1以外每输出1点的输出电流是05A，但是由于温度上升的原因，每输出4合计为08A的电流，输出晶体管的ON电压约为15V，因此驱动半导体元件时，请注意元件的输入电压特性。Y0、Y1每输出1点的输出电流是03A，但是对Y0、Y1使用定位指令时需要高速响应，因此使用10100MA的输出电流；晶闸管输出电流也比较小C开路漏电流开路漏电流是指输出处于OFF状态时，输出回路中的电流。继电器输出型输出接点OFF是无漏电流；晶体管输出型漏电流在01MA以下；晶闸管较大漏电流，主要由内部RC电路引起，需在设计系统时注意。D输出公共端（COM）公共端与输出各组之间形成回路，从而驱动负载。FX1N有1点或4点一个公共端输出型，因此各公共端单元可以驱动不同电源电压系统的负载。（5）电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在1015范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。如FX1N额定电压AC100V240V，而电压允许范围在AC85V264V之间。允许瞬时停电在10MS以下，能继续工作。一般小型PLC的电源输出分为两部分一部分供PLC内部电路工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。因此PLC对电源的基本要求A能有效地控制、消除电网电源带来的各种干扰；B电源发生故障不会导致其它部分产生故障；C允许较宽的电压范围；D电源本身的功耗低，发热量小；E内部电源与外部电源完全隔离；F有较强的自保护功能。232PLC的工作原理由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。PLC则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。一个扫描周期主要可分为三个阶段。（1）输入刷新阶段在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。（2）程序执行阶段在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。（3）输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”，一般在程序执行之后进行。综上述，PLC的扫描工作过程如图23所示图23PLC的扫描工作过程显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就M100X401M100输出刷新输入刷新扫描周期元件映像寄存器输出锁存器输出端子M100Y430输入端子输入映像寄存器会造成响应滞后现象，这个一般PLC都会采取高速模块。总之，PLC采用循环扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我们在学习和使用PLC当中都应加强注意。24PLC的主要指标性能（1）存储容量指的是用户程序存储器的容量，用户程序存储器容量决定了PLC可以容纳的用户程序的长短。（2）输入/输出点数I/O点数即PLC面板上输入、输出信号用的端子的个数。（3）扫描速度指的是PLC执行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标，一般以执行1K字所用的时间来衡量扫描速度。（4）编程指令的种类和数量编程的指令越多，其功能越强。即处理能力和控制能力也就越强。（5）扩展能力I/O扩展单元进行I/O点数扩展；使用各种功能模块进行功能的扩展。（6）智能单元的数量利用智能单元可以完成模拟量控制、位置和速度控制以及通信联网的功能。25三菱FX1N系列PLC的基本指令FX1N系列PLC的基本指令如表21所示表21FX1N系列PLC的基本指令助记符功能梯形图符号和操作软元件LD取常开触点逻辑运算起始常开触点与左母线连接LDI取反常闭触点逻辑运算起始常闭触点与左母线连接）AND与串联连接常开触点与其他触点或触点组串联连接ANI与非串联连接常闭触点与其他触点或触点组串联连接OR或并联连接常开触点与其他触点或触点组并联连接ORI或非并联连接常闭触点与其他触点或触点组并联连接ANB电路块与并联电路块的串联连接电路块与其他触点或触点组串联连接ORB电路块或串联电路块的并联连接电路块与其他触点或触点组并联连接OUT输出线圈驱动SET置1使线圈接通并保持动作RST复零使线圈断开,消除动作保持,寄存器清零PLS上升沿脉冲上升沿微分输出当检测到输入脉冲的上升沿时,指令的操作元件闭合一个扫描周期PLF下降沿脉冲下降沿微分输出当检测到输入脉冲的下降沿时,指令的操作元件闭合一个扫描周期MC主控指令公共串联接点的连接将左母线临时移到一个所需位置,产生一临时左母线,形成主控电路块MCR主控复位公共串联接点的消除取消临时左母线,将左母线返回到原来的位置,结束主控电路块MPS进栈指令进栈将逻辑运算结果存入栈存储器,存储器中原来的存储结果依次向栈存储器下层推移MRD读栈指令读栈将存储器一号单元的内容读出,且詹存储器中的内容不发生变化MPP出栈指令出栈9将存储器中一号单元的结果取出,存储器中其他单元的数据依次向上推移NOP空操作无动作END结束输入输出处理以及返回到0步STL步进接点步进接点开始将步进接点接到左母线RET步进结束步进接点开始使副母线返回到原来的左母线位置3Z3040摇臂钻床机床的电控系统分析钻床是一种用途较广的万能机床,可以用来钻孔、扩孔、饺孔、镗孔、攻螺纹及刮平面等多种形式的加工。钻床按用途和结构可分为立式钻床、台式钻床、摇臂钻床、多轴钻床、深孔钻床、卧式钻床及其它专用钻床等。摇臂钻床属于立式钻床，其操作方便、灵活，适用范围广，具有典型性。Z3040是中型摇臂钻床，其型号意义为Z钻床，3摇臂钻床，0圆柱形主轴，40最大钻孔直径40MM。31Z3040摇臂钻床机床结构和运动情况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，如图31所示。内立柱固定在底座的一端，在它外面套着外立柱,外立柱可绕内立柱回转360，摇臂的一端为套筒，它套在外立柱上,借助丝杠的正反转可使摇臂沿外立柱作上下移动，由于该丝杠与外立柱连为一体，而升降螺母固定在摇臂上，所以摇臂只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，它由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构以及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。图31Z3040摇臂钻床结构图1底座；2工作台；3主轴纵向进给；4主轴旋转主运动；5主轴；6摇臂；7主轴箱沿摇臂径向运动；8主轴箱；9内外立柱；10摇臂回转运动；11摇臂垂直移动钻削加工时，主轴旋转为主运动，主轴的纵向进给为进给运动。此时,主轴箱由夹紧接置将其紧固在摇臂水平导轨上，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，辅助运动有摇臂沿外立柱的垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向的水平移动，摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。32Z3040摇臂钻床的电力拖动特点及控制要求（1）摇臂钻床运动部件较多，为简化传动装置，采用多电动机拖动。（2）摇臂钻床为适应多种形式的加工，要求主轴及进给有较大的调速范围。主轴一般速度下的钻削加工常为恒功率负载，而低速时主要用于扩孔、饺孔、攻螺纹等加工，这时则为恒转矩负载。（3）摇臂钻床的主运动与进给运动皆为主轴的运动，为此这两种运动由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旋转和进给。所以主轴变速机构与进给变速机构都装在主轴箱内。（4）为加工螺纹，主轴要求正、反转。但采用机械方法来实现，主轴电动机单方向旋转。（5）摇臂的升降由升降电动机拖动，要求电动机能正、反转。（6）内外立柱的夹紧与放松、主轴箱与摇臂的夹紧与放松可采用手柄机械操作、电气一机械装置、电气一液压装置或电气一液压一机械装置等控制方法来实现。若采用液压装置则备有液压泵电动机，拖动液压泵供出压力油来实现。（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,摇臂的夹紧放松与摇臂升降按自动控制进行。（8）根据钻削加工需要，应由冷却泵电动机拖动冷却泵，供出冷却液进行钻头的冷却。（9）具有机床安全照明和信号指示。（10）具有必要的联锁和保护环节。33Z3040摇臂钻床的电气控制原理图Z3040摇臂钻床的电气控制原理图如图32所示图32Z3040摇臂钻床的电气控制原理图34主电路分析（1）主轴电动机的控制主轴电动机启动M1为单向旋转，由按钮SB1,SB2和接触器KM1构成主轴电动机单向启动停止控制电路。主轴电动机启动后拖动齿轮泵送出压力油，再操纵主轴操纵手柄，驱动主轴实现转动。（2）摇臂的升降控制当摇臂的升降指令发出，先使摇臂松开，而后摇臂上升或下降，待摇臂升降到位时，又自行重新夹紧。由于摇臂的松开与夹紧是由夹紧机构液压系统实现的，所以摇臂升降控制需与夹紧机构液压系统紧密配合。（3）M2为摇臂升降电动机，由按钮SB3、SB4点动控制正、反转接触器KM2、KM3实现M2电动机的正、反转拖动摇臂上升或下降。（4）M3为液压泵电动机，由正、反转接触器KM4、KM5控制，实现电动机正、反转，拖动双向液压泵M3。（5）送出压力油，经二位六通阀送至摇臂夹紧机构实现夹紧与松开。（6）M4为冷却泵电动机，由于冷却泵电动机容量小（0125KW），由SA1开关控制单向旋转。35控制电路分析351摇臂上升按下摇臂上升按钮SB3，使定时器KT得电，驱使线圈KM4和电磁阀YV得电，液压泵电动机M3正转，摇臂松开。摇臂松开到位，压下行程开关SQ2，驱使接触器线圈KM4失电，液压泵电动机停转，而同时接触器线圈KM2得电，摇臂升降电动机M2正转，摇臂上升。摇臂上升到位，松开摇臂上升按钮SB3，使接触器线圈KM2和KT线圈失电，摇臂升降电动机M3停转，摇臂停止上升。定时器KT为断电延时型，摇臂完全停止后，液压泵电动机M3反转，摇臂夹紧。摇臂夹紧到位，压下行程开关SQ3时，使接触器线圈KM5失电，液压泵电动机M3停转。352摇臂下降按下摇臂下降按钮SB4，使定时器KT得电，驱使线圈KM4和电磁阀YV得电，液压泵电动机M3正转，摇臂松开。摇臂松开到位，压下行程开关SQ2，驱使接触器线圈KM4失电，液压泵电动机停转。而同时接触器线圈KM3得电，摇臂升降电动机M2反转，摇臂下降。摇臂下降到位，松开摇臂下降按钮SB4，接触器线圈KM3和电磁阀YV失电，摇臂升降电动机M3停转，摇臂停止下降。353立柱与主轴箱的夹紧与松开按下立柱与主轴箱松开按钮SB5，使KM4线圈得电，液压泵电动机M3正转，立柱与主轴箱松开，SQ4常闭触头得电，松开到位，立柱与主轴箱松开指示灯HL1亮。按下立柱与主轴箱夹紧按钮SB6，使KM5线圈得电，液压泵电动机M3反转，立柱与主轴箱夹紧。夹紧到位时压下SQ4，SQ4常闭触头断开，灯HL1灭，SQ4常开触头闭合，立柱与主轴箱夹紧指示灯HL2亮。354互锁与保护环节SQ1行程开关实现摇臂上升和下降的限位保护。SQ2行程开关实现摇臂松开到位，开始升降的联锁。SQ3行程开关实现摇臂完全夹紧，液压泵电动机M3停止运转的联锁。KT时间继电器实现升降电动机M2断开电源、待停止后再进行夹紧的联锁。M2电动机正反转具有双重联锁，M3电动机正反转具有电气联锁。SB4、SB5立柱与主轴箱松开、夹紧按钮的常闭触头串接在电磁阀YV线圈电路中，实现立柱与主轴箱松开、夹紧操作时，压力油只进入立柱与主轴箱夹紧油腔而不进入摇臂夹紧油腔的联锁。熔断器FU1FU2实现电路的短路保护。热继电器FR1、FR2为电动机M1、M3的过载保护。355指示灯电路分析（1）HL1为主轴箱与立柱松开指示灯，灯亮表示已松开，手动操作主轴箱沿摇臂移动或推动摇臂回转。（2）HL2为主轴箱与立柱夹紧指示灯，灯亮表示已夹紧，可以进行钻销加工。（3）HL3为主轴正转指示灯。（4）EL为照明灯，由控制变压器TC供给24V安全电压，由开关SA2控制。36Z3040摇臂钻床的电控系统特点（1）Z3040型摇臂钻床是由机、电、液的综合控制。（2）摇臂的升降控制与摇臂夹紧放松的控制有严格的程序要求，以确保先松开，再移动，移动到位后自动夹紧。所以M2、M3电动机的控制有严格的程序要求，这些由电气控制电路控制，液压、机械配合来实现。（3）电路具有完善的保护和联锁，有明显的信号指示。4Z3040摇臂钻床电控系统的PLC改造41Z3040摇臂钻床的PLC控制要求（1）主轴电动机M1的单向转动。（2）摇臂升降电动机M2正反转。（3）摇臂松开、夹紧液压泵电动机M3的正反转运动。（4）完成各种操作之间的互锁控制及延时控制。冷却根据加工任务来选用，冷却泵电动机M4控制简单，故采用手动控制。（5）由于摇臂升降电动机M2和摇臂松开、夹紧电动机M3的转速较小，故不考虑电动机的制动。42PLC的选择随着PLC技术的发展，PLC产品的种类越来越多，而且功能也日趋完善，各有特色，PLC的生产厂家主要有美国的AB公司、通用电气公司，德国的西门子公司，法国的TE公司，日本的三菱公司、欧姆龙公司、日立公司。本设计是以日本三菱公司的FX1N系列PLC进行改装。FX1N有12种基本单元如表41所示，可组成24128个I/O点的系统，并能使用特殊功能模块、显示模块和扩展板。用户存储器容量为8KB步，有内置的实时时钟。PID指令可实现模拟量闭环控制，每个基本单元可同时输出2点100KHZ的高速脉冲，有7条特殊的定位指令，有2个内置的设置参数用的小电位器。通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接，如CCLINK，ASI网络，RS232C、RS422和RS485通信，NN链接、并行链接、计算机链接和I/O链接。表41FX1N系列的基本单元AC电源，24V直流输入DC电源，24V直流输入继电器输出晶体管输出续电器输出晶体管输出输入点数输出点数FX1N24MR001FX1N24MT001FX1N24MRDFX1N24MTD1410FX1N40MR001FX1N40MT001FX1N40MRDFX1N40MTD2416FX1N60MR001FX1N60MT001FX1N60MRDFX1N60MTD3624Z3040摇臂钻床的PLC输入、输出信号如表42所示、43所示表42Z3040摇臂钻床输入信号表形式序号名称作用1SB1主轴停止按钮2SB2主轴转动按钮3SB3摇臂上升按钮4SB4摇臂下降按钮5SB5立柱与主轴箱松开按钮6SB6立柱与主轴箱夹紧按钮7SQ1摇臂上升限位行程开关8SQ2摇臂松开行程开关9SQ3摇臂夹紧行程开关10SQ4立柱与主轴箱夹紧、松开行程开关11SA1冷却泵电动机的启、停开关12SA2照明灯开关13FR1主轴电动机过载保护输入14FR2液压泵电动机过载保护15QS总电源开关表43Z3040摇臂钻床输出信号表形式序号名称作用1KM1主轴电动机正转交流接触器2KM2摇臂升降电动机正转交流接触器3KM3摇臂升降电动机反转交流接触器4KM4液压泵电动机正转交流接触器5KM5液压泵电动机反转交流接触器6YV电磁阀7HL1立柱与主轴箱、摇臂松开指示灯8HL2立柱与主轴箱、摇臂夹紧指示灯9HL3主轴转动指示灯输出10EL照明灯由上表可知Z3040摇臂钻床的输入信号有15个，输出信号有10个，但由于PLC的I/O点数的价格比较高，因此应该合理选用PLC的I/O点的数量，不仅可以降低系统成本，还可以解决已使用的PLC进行扩展时I/O点数不够的问题。在满足控制要求的的前提下力争使用的I/O点最少，但必须留有一定的备用量。通常I/O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，在加上1015的备用量来确定。减少PLC输入点数的方法是可以把信号设置在PLC之外，即把手动操作按钮、电动机过载保护的热继电器触点等放在外部电路中，所以本设计把手动操作开关QS、SA1、SA2和热继电器FR1、FR2放在外电路中，以便减少输入点数节约成本。本设计中Z3040摇臂钻床的照明灯EL是由开关SA2手动控制的，因此没有必要将照明灯EL作为本次毕业设计的输出信号。故本次毕业设计中PLC的输入信号数为10个，输出信号数为9个。综上，本设计中Z3040摇臂钻床的PLC输入点数应选101012112点；输出点数应选99121008点，通过查看三菱FX1N系列基本单元表，选定三菱FX1N40MR001（其中输入点数24点，输出点数16点，继电输出型）。因为继电输出的价格便宜，既可用于驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通降压小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强。43I/O地址分配表Z3040摇臂钻床的I/O地址分配情况如表44、45所示表44Z3040摇臂钻床输入地址分配表形式序号名称作用地址1SB1主轴停止按钮X0002SB2主轴转动按钮X0013SB3摇臂上升按钮X0034SB4摇臂下降按钮X0045SB5立柱与主轴箱松开按钮X0056SB6立柱与主轴箱夹紧按钮X0067SQ1摇臂上升限位保护行程开关X0078SQ2摇臂松开到位行程开关X0119SQ3摇臂夹紧到位行程开关X012输入10SQ4立柱与主轴箱夹紧松开行程开关X010表45Z3040摇臂钻床输出地址分配表形式序号名称作用地址1KM1主轴电动机正转交流接触器Y0012KM2摇臂升降电动机正转交流接触器Y002输3KM3摇臂升降电动机反转交流接触器Y0034KM4液压泵电动机正转交流接触器Y0045KM5液压泵电动机反转交流接触器Y0056YV电磁阀Y0067HL1立柱与主轴箱、摇臂松开指示灯Y0108HL2立柱与主轴箱、摇臂夹紧指示灯Y011出9HL3主轴转动指示灯Y01244I/O接线图Z3040摇臂钻床的电控系统改造的三菱FX1N系列PLC的I/O接线图如图41所示图41PLC的I/O接线图45控制流程图451主电动机运行的流程图图42主电动机运行的流程图452摇臂上升流程图图43摇臂上升流程图453摇臂下降流程图图44摇臂下降流程图454立柱与主轴箱PLC控制流程图图45立柱与主轴箱PLC控制流程图46PLC控制梯形图图46PLC控制梯形图47系统仿真调试三菱GXDEVELOPER编程软件是应用于三菱系列PLC的中文编程软件，可在WINDOWS9X及以上操作系统中运行。其主要功能有（1）在GXDEVELOPER中，可通过线路符号、列表语言及SFC符号来创建PLC程序，建立注视数据和设置寄存器数据。（2）创建PLC程序以及将其存储为文件，可用打印机打印。（3）该程序可在串行系统中与PLC进行通信、文件传送、操作监控以及各种测试功能。（4）改程序可脱离PLC进行仿真调试。所以本设计选用的编程软件是三菱GXDEVELOPER编程软件。Z3040摇臂钻床的摇臂升降及夹紧、放松控制是自动快速完成的。但在设计中的仿真图为分段仿真调试的画面图。471摇臂上升程序仿真图按下摇臂上升按钮SB3（X3），交流接触器KM4（Y4）、电磁阀YV（Y6）得电，液压泵电动机M3正转，拖动液压泵送出压力油，经二位六通阀进入摇臂松开油腔，使摇臂松开，如图47所示图47摇臂松开仿真图当压下行程开关SQ2（X11），交流接触器KM4（Y4）失电，交流接触器KM2（Y2）得电，摇臂升降电动机M2正转，摇臂上升，如图48所示图48摇臂上升仿真图472摇臂下降程序仿真图按下摇臂下降按钮SB4（X4），交流接触器KM4（Y4）、电磁阀YV（Y6）得电，液压泵电动机M3正转，拖动液压泵送出压力油，经二位六通阀进入摇臂松开油腔，使摇臂松开，如图49所示图49摇臂松开仿真图当压下行程开关SQ2（X11），交流接触器KM4（Y4）失电，交流接触器KM3（Y3）得电，摇臂升降电动机M2反转，摇臂下降，如图410所示图410摇臂下降仿真图473主轴箱与立柱松开程序仿真图按下松开按钮SB5（X5），交流接触器KM4（Y4）得电，液压泵电动机M3正转，拖动液压泵送出压力油，此时电磁阀线圈不通电，高压油经二位六通阀到另一油路，进入立柱与主轴箱松开油腔，使立柱与主轴箱同时松开。压下行程开关SQ4（X10）灯HL1（Y10）点亮，如图411所示图411主轴箱与立柱松开程序仿真图474主轴箱与立柱夹紧程序仿真图按下夹紧按钮SB6（X6），交流接触器KM5（Y5）得电，液压泵电动机M3反转，拖动液压泵送出压力油，此时电磁阀线圈不通电，高压油经二位六通阀到另一油路，进入立柱与主轴箱夹紧油腔，使立柱与主轴箱同时闭合，如图412所示图412主轴箱与立柱夹紧程序仿真图压下行程开关SQ4（X10）灯HL2（Y11）点亮，如图413所示图413灯HL2（Y11）点亮48PLC改造前后的性能测试作为传统的继电器接线控制系统，它在现代控制系统领域内有许多的局限性。而PLC控制方式的产生将逐渐取代复杂的接线控制方式。作为两种不同的控制方式，它们有着明显的优劣区别。（1）从控制方法上看，Z3040摇臂钻床的电气控制系统逻辑控制采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合成控制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。另外，继电器的触点数量有限，所以电气控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。而PLC采用了计算机技术，其逻辑控制是以程序的方式存放在存储器中，要改变逻辑控制只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。系统连线少、体积小、功耗小，而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的，PLC系统的灵活性和可扩展性好。（2）从工作方式上看，在Z3040摇臂钻床继电器控制电路中，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。而PLC的用户程序是按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，这种工作方式称为串行工作方式。（3）从控制速度上看，摇臂钻床继电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题。而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。（4）从定时和计数控制上看，此钻床电气控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响，定时精度不高。而PLC采用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可根据需要在程序中设定定时值，修改方便，不受环境的影响，且PLC具有计数功能，而电器控制系统一般不具备计数功能。（5）从可靠性和可维护性上看，由于电气控制系统使用了大量的机械触点，其存在机械磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。5结论通过Z3040摇臂钻床的电气控制原理图可以看出传统继电器接触器控制系统，触点多、接线复杂、维修困难等缺点。而PLC控制系统与传统继电器接触器系统相比，具有通用性强、结构简单、体积小、易于安装、性能优越、可靠性高、编程简单、抗干扰能力强、使用维护方便、应用灵活等优点。因此，本设计把Z3040摇臂钻床的电气控制改造成PLC控制，提高了摇臂钻床的性能。本设计先对PLC的产生和发展、用途及特点、基本结构和工作原理等进行介绍，然后再根据Z3040摇臂钻床的机床结构、运动形式及工作原理进行了分析，制定了PLC改造的设计方案并叙述了设计流程，其中包括PLC类型的选择、I/O地址的分配、接线图和梯形图的绘制等，还对Z3040摇臂钻床电控系统改造后PLC系统的一些程序进行仿真调试。Z3040摇臂钻床电控系统的改造，使设备的工作效率和可靠性，以及其自动化程度都有很大提高。参考文献1胡文金可编程序控制器实训教程重庆重庆大学出版社，20072王淑英电气控制与PLC应用北京机械工业出版社，20073孙德胜，李伟PLC操作实训北京机械工业出版社，20114陈定明电机与控制北京高等教育出版社，20045李树海低压运行维修电工基本技能图解北京中国电力出版社，20066姜治臻PLC项目实训北京高等教育出版社，20087阮友德电气控制与PLC实训教程北京人民邮电出版社，20068高勤电气及PLC控制技术北京高等教育出版社，20029郑凤翼，杨洪升怎样看电气控制电路图北京人民邮电出版社，200910刘玉娟PLC编程技能训练北京高等教育出版社，200911王传艳工作