z摇臂钻床课设DOC

1、电气工程学院课程设计说明书设计题目：系 另年级专业：学 号：学生姓名：指导教师：本设计是研究机械加工中常用的Z3040摇臂钻床电气控制系统的改造问题，旨在解决传统继电器一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。由于 PLC电气控制系统与继电器一接触器电气控制系统相比，具有结构简单， 编程方便，调试周期短，可靠性高，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低等一系 列优点。因此，本设计对 Z3040摇臂钻床电气控制系统的改造，将把PLC控制技术应用到改造方案中去，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。论文分析了摇臂钻床的控制原理，制 定了可编程序控制器改造 Z304

2、0摇臂钻床电气控制系统的设计方案，完成了电气控制系统 硬件和软件的设计，其中包括PLC机型的选择、I/O端口的分配、I/O硬件接线图的绘制、梯形图程序的设计。对 PLC控制摇臂钻床的工作过程作了详细阐述，论述了采用PLC取代传统继电器一接触器电气控制系统从而提高机床工作性能的方法，给出了相应的控制原理 图。关键词：可编程控制器；摇臂钻床；电气控制系统；梯形图目录第一章绪论 错误！未定义书签。1.1本设计的选题背景和意义 2第二章Z3040摇臂钻床简介和基本结构42.1 Z3040摇臂钻床简介 42.2 Z3040摇臂钻床的结构及运动形式 4221Z3040摇臂钻床的结构 42.2.2 摇臂钻床

3、的运动形式 62.3 Z3040控制线路原理分析2.3.1 主电路分析 62.3.2信号及照明电路分析 72.3.3 控制电路分析 10第三章Z3040摇臂钻床接线图与程序 153.1元件明细表 153.2电气接线图及输入输岀端口分配 163.3 梯形图和程序 19第四章总结报告264.1结论 264.2致谢 26参考文献 27第一章绪论1.1本设计的选题背景和意义Z3040摇臂钻床是工厂中常用的金属切削机床，它可以进行多种形式的加工，女口：钻孔、镗孔、铰孔及螺纹等。从控制上讲，它需要机、电、液压等系统相互配合使用，而且要进 行时间控制。它的调速是通过三相交流异步电动机和变速箱来实现的。也有的

4、是采用多速 异步电动机拖动，这样可以简化变速机构。摇臂钻床的主轴旋转运动和进给运动由一台交 流异步电动机拖动，主轴的正反向旋转运动是通过机械转换实现的。故主电动机只有一个 旋转方向。此外，摇臂的上升、下降和立柱的夹紧、放松各由一台交流异步电动机拖动。1可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller )简称PLC,是从早期的继电器逻辑电气控制系统发展而来，它不断吸收微型计算机控制技术，使之功能不断增强，逐渐适合复杂的电气控制系统。PLC之所以有较强的生命力，在于它更加适应工业现场和市场要求。可靠性高，抗干扰能力强、编程方便、价格低、寿命长。与单片机相比，它的输入/输

5、出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件，这样可以大大节省用户的开发时间与生 产成本。现在应用于各种工业控制领域的PLC种类繁多，规模大小和功能强弱千差万别，但他们具有以下一些共同的特点。可靠性高。可靠性是用户的首选要求， 目前各厂家生产的 PLC,平均无故障时间都大大 超过IEC规定的10万小时，例如：西门子、 ABB松下、三菱等微小型 PLC而且都有完善 的自诊断功能，判断故障迅速。灵活组态。可编程控制器是系列化产品，通常采用模块化结构来完成不同的任务组合。输入输出端口选择灵活，有多种机型，组合方便。功能强大。除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制

6、、PTO运算、过程运算、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机 通信，通过远程模块可以控制远程设备。因此，PLC几乎是全能的工业控制计算机。编程方便，易于使用。PLC的编程可采用与继电器极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言(Seque ntialFunction Chart )，使编程更加简单方便。运行速度快。传统的机电接触电气控制系统通过大量触点的机械动作进行控制，速度很慢，而且系统愈大速度愈慢。 PLC的控制速度则由CPU工作速度和扫描速度决定。因此更适合处理高速复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别越来越小2。同时，PLC

7、还具备了网络功能，能进行多台PLC或PLC与PC机之间的联网通讯，使用PLC可以很方便的构成“集中管理、分散控制”的分布式电气控制系统，通过现场总线的PLC通讯网络，可使工厂的各种资源共享，就更适合于工厂自动化的需要，为工厂自动化提供了技术保证。3正是由于PLC电气控制系统的种种优点，因此本次对Z3040摇臂钻床的电气控制系统的改造,可以大大提高 Z3040摇臂钻床工作性能和系统的工作稳定性，为工业生产的现代化带来生机同时，提高了 PLC编程水平和实践能力，为今后在实际工作中熟练使用PLC进行工业系统的设计打好基础。第二章Z3040摇臂钻床简介和基本结构2.1 Z3040摇臂钻床简介钻床是一种

8、孔加工设备，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的 加工。按用途和结构分类，钻床可以分为立式钻床、台式钻床、多孔钻床、摇臂钻床及其 他专用钻床等。在各类钻床中，摇臂钻床操作方便、灵活，适用范围广，具有典型性，特 别适用于单件或批量生产带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常见的机床。2.2 Z3040摇臂钻床的结构及运动形式2.2.1 Z3040摇臂钻床的结构如图1所示，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。图1摇臂钻床结构示意图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 摇臂的一端为套筒，它套装在外立柱做上下移动。由

9、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。360 度。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。222摇臂钻床的运动形式主 铀箱立性夹疥主柚箱立性松幵图2运动过程流程图在加工前，要根据摇臂钻床当前的位置进行必要的调整，其包含的运动过程如图2所示，当进行加工时，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

10、， 一边进行纵向进给，其运动形式为：主运动：主轴带动钻头刀具作旋转运动。（主电动机M1驱动）进给运动：主轴的上、下进给运动（主电动机M1驱动）辅助运动：外立柱和摇臂一起绕内立柱作回转运动（手动） 摇臂沿外立柱作升降运动（升降电动机M2驱动） 主轴箱沿摇臂长度方向径向移动（手动） 外立柱与内立柱、摇臂与外立柱、主轴箱与摇臂间的夹紧与放松运动（液压驱动，电动机M3拖动）。2.3 Z3040控制线路原理分析2.3.1主电路分析三相电源U、V、W由断路器QF1控制，断路器中的过电流脱扣实现对全电路的短路保 护，断路器QF2作摇臂升降电动机 M2液压电动机 M3和冷却泵电动机 M4的短路保护。一 开始就

11、是主电路，主电路有 4台电动机。1) M1是主轴电动机，带动主轴的旋转运动和垂直运动，是主运动和进给运动电动机。它由KM1的主触点控制，其控制线圈在控制电路上。热继电器FR1做过载保护，其常闭触点在控制电路。M1直接起动，单向旋转。主轴的正反转由液压系统和正反转摩擦离合器来 实现，空档，制动及变速也由液压系统来实现。2) M2是摇臂升降电动机，带动摇臂沿立柱的上下移动。它由KM2 KM3的主触点控制 正反转，其控制线圈分别控制摇臂升降。控制电路保证，在操纵摇臂升降时，首先使液压泵电动机起动旋转，供出压力油，经液压系统将摇臂松开，然后才使电动机M2起动，拖动摇臂上升或下降。当移动到位后，保证M2

12、先停下，再自动通过液压系统将摇臂夹紧，最后液压泵电机才停下。电动机M2是短时运行，因此不需要过载保护。3) M3是液压泵电动机，带动液压泵送出压力油以实现摇臂的松开、夹紧和主轴箱与立柱的松开、夹紧控制。它由KM4 KM5的主触点控制其正反转，控制线圈在控制电路上。热继电器FR2作过载保护。4) M4是冷却泵电动机，带动冷却泵供给工件冷却液。由于M4容量较小，因此不需要 过载保护，由断路器 QF6直接控制。M4直接起动，单向旋转。主电动机摇臂升降液压泵电冷却泵电电动机 动机动机图3 Z3040摇臂钻床主电路图2.3.2信号及照明电路分析通过控制变压器 TC（5区）降压，分别得到照明电路安全电压3

13、6V、指示灯电路电压6.3V和控制电路电压 110V。（1）照明电路中，照明灯 EL由主令控制开关 SA1控制，由控制变压器 TC供给36V安 全电压。（2 ）在指示灯回路中，指示灯HL1灯亮表示主轴箱和立柱同时处于放松状态，可以手动操作主轴箱移动手轮，使主轴箱沿摇臂水平导轨移动或者推动摇臂连同外立柱绕内立柱 回转；指示灯HL2灯表示主轴箱和立柱同时处于夹紧状态，HL2亮表示主轴箱已夹紧在摇臂上，摇臂连同外立柱夹紧在内立柱上，可以进行钻孔加工，这两只指示灯分别由行程开关 SQ4的常闭、常开触头控制。HL3为主轴电动机启动旋转指示灯，HL3亮表示主轴电动机带动主轴旋转工作，由接触器 KM1的常开

14、辅助触头控制。233控制电路分析(1) 主轴电动机的控制在主轴电动机启动前，首先将自动开关SA2扳到接通位置，电源指示灯亮。当按下按钮SB1时，交流接触器 KM1线圈通电并自锁使主轴电动机旋转，同时主轴电动机旋转的指 示灯HL3亮。主轴的正转与反转用手柄通过机械变换的方法来实现。其主轴控制流程图如图2.4所示：图2.4主轴控制流程示意图(2) 摇臂的升降控制摇臂钻床摇臂的升降由 M2作动力，SB3和SB4分别为摇臂升、降的点动按钮，由SB3 SB4和KM2 KM3组成双重锁定的 M2正反转点动控制电路。 因为摇臂平时是夹紧在外立柱上 的，摇臂在升降之前，要先把摇臂松开，再由M2驱动升降；摇臂上

15、升到位后再重新将它夹紧。而摇臂的松、紧是由液压系统完成的；在电磁阀YA线圈通电吸合的条件下，液压泵电动机正转，正向供出压力油进入摇臂的松开油腔，推动松开机构使摇臂松开，摇臂松开后， 行程开关SQ2动作、SQ3复位；若M3反转，则反向供出压力油进入摇臂的夹紧油腔，推动 夹紧机构使摇臂夹紧，摇臂夹紧后，行程开关SQ3动作，SQ2复位。因此，摇臂升降的电气控制要与松紧机构液压-机械系统(M3与YA)的控制配合进行的。如图5所示，当摇臂上升时，按下按钮SB3,时间继电器KT线圈通电，KT常开触点闭合，继而接触器 KM4通电闭合，液压泵电动机 M3正转，拖动液压泵送出压力油；同时 KT 的常开断电延时触

16、头 KT闭合，电磁阀YA线圈通电，液压泵送出的压力油经二位六通阀进 入摇臂夹紧机构的松开油腔，推动活塞和菱形块将摇臂松开。摇臂松开时，活塞杆通过弹 簧片压下行程开关 SQ2而行程开关 SQ3复位，发出摇臂松开信号，即常开触点SQ2闭合，常闭触点SQ2断开，后者使KM4线圈失电，接触器 KM4断开，液压泵电动机 M3停转，液压 泵停止供油，摇臂维持在松开状态， 前者使接触器 KM2通电闭合，摇臂升降电动机 M2正转， 带动摇臂上升。当摇臂上升到一定高度时，松开按钮SB3,接触器KM2时间继电器 KT同时断电，摇臂升降电动机 M2依惯性旋转直到停转，摇臂停止上升。而KT的常开断电延时触头KT经延时

17、3s后才断开，常闭断电延时触头 KT同样延时3s后才闭合。在延时过程中， 接触器KM5任处于断电状态，这段延时确保了摇臂电动机在断开电源后直到完全停止运转 才开始摇臂夹紧动作。 当KT延时时间到后，常闭断电延时触头KT闭合，KM5线圈通电，接触器KM5触头闭合，液压泵电动机 M3反转，液压泵送出压力油，压力油经二位六通阀进入 摇臂夹紧机构的夹紧油腔，反向推动活塞和菱形块将摇臂夹紧，活塞杆通过弹簧片压下行 程开关SQ3其常闭触点断开，发出摇臂夹紧信号，YA线圈断电，KM5线圈断电，M3停止旋转，实现摇臂夹紧，上升结束。摇臂下降过程与摇臂上升过程基本一样。但是摇臂升降电动机的正传与反转不能同时 进

18、行，否则将造成电源两相间的短路。为避免由于操作错误造成事故，在摇臂上升和下降 的电路中加入了触点互锁和按钮互锁。因为摇臂的上升和下降是短时的调整工作，所以采 用点动方式。图5摇臂上升流程示意图(3) 主轴箱与立柱的松、紧控制该传统电气控制系统中，主轴箱与立柱的夹紧与松开是同时进行的。其流程示意图如下：主轴箱立柱- 主轴湄立tt移动- F 一主轴籀立柱夹紧图6主轴箱与立柱的松、紧控制流程示意图如图6所示，当按下SB5时，接触器KM4线圈通电，液压泵电动机正转，拖动液压泵 送出压力油，这时电磁阀 YA线圈处于断电状态，压力油经二位六通阀进入主轴箱与立柱松 开油腔，推动活塞和菱形块，使主轴箱与立柱松

19、开。由于YA线圈断电，压力油不能进入摇臂松开油腔，摇臂仍处于夹紧状态。当主轴箱与立柱松开时，行程开关SQ4没有受压，常闭触点SQ4闭合，指示灯 HL1亮，表示主轴箱与立柱松开。这时可以手动操作主轴箱在摇 臂水平导轨上做径向移动，也可推动摇臂使外立柱绕内立柱做回转运动。当移动到位后， 按下按钮SB6,接触器KM5线圈通电，M3反转，拖动液压泵送出压力油至夹紧油腔，使主HL2 亮,轴箱与立柱夹紧。当确已夹紧时，压下行程开关SQ4常开触点SQ4闭合，指示灯而常闭触点SQ4断开，指示灯 HL1灭，指示主轴箱与立柱夹紧，可以进行钻削加工。第三章Z3040摇臂钻床接线图与程序3.1元件明细表表一 Z304

20、0元器件表符号名称及用途符号名称及用途M1主电动机YA1主轴箱放松夹紧用电磁 铁M2摇臂升降电动机YA2立柱松开夹紧用电磁铁M3液压泵电动机KA中间继电器M4冷却泵电动机SA1机床工作灯开关KM1主轴旋转接触器SA2主轴箱、立柱松紧转换开 关KM2摇臂上升接触器FR1M1过载保护热继电器KM3摇臂下降接触器FR2M3过载保护热继电器KM4主轴箱、立柱、摇臂放松 接触器TC控制变压器KM5主轴箱、立柱、摇臂夹紧 接触器SB1总启动按钮KT1摇臂升降时间继电器SB2主电动机启动按钮KT2放松夹紧时间继电器SB3摇臂上升启动按钮KT3放松夹紧时间继电器SB4摇臂下降启动按钮SQ1摇臂升降极限保护开关

21、SB5主轴箱等松开按钮SQ2摇臂放松限位开关SB6主轴箱等夹紧按钮SQ3摇臂夹紧限位开关SB7总停止按钮SQ4立柱夹紧放松限位开关SB8主电动机停止按钮QF1QF2电源引入兼短路保护断 路器HL1HL4工作状态指示信号灯QF3QF5机床控制信号电路断路 器EL机床工作灯QF6冷却泵电动机电源断路 器3.2电气接线图及输入输出端口分配亠_Y1MTrKM1KM2 KM3KM4KM5YAHL1HL2 HL3 HL4 6.3VCOMY0Y1Y2 Y3 Y4Y5Y6Y7 丫10Y11COMNGNDLFX2N-48IMROMX0X1 X2X3 X41 X5X6X-7 X10 X11X1qx13X14X.1

22、5 X16 X17 X20X211 LZ H “卜I I1詁1Liiji.|IJSB1SB2SB8SB3SQSQ3SB4SQ1FR2 FR1 SA2 SB5SB6 SQ4SQ5SB7图7电气接线图表2输入信号端口分配表符号地址名称SB1X0总启动按钮SB2X1主电动机启动按钮SB8X2主电动机停止按钮SB3X3摇臂上升按钮SQ2X4摇臂放松限位开关SB4X5摇臂下降启动按钮SQ1X6摇臂升降极限保护限位开关FR2X7M1过载保护热继电器FR1X10M3过载保护热继电器SAX11主轴箱、立柱松紧转换开关SB5X12主轴箱等松开按钮SB6X13主轴箱等夹紧按钮SQ4X14立柱松紧限位开关SQ5X1

23、5主轴箱松紧限位开关表3输出入信号端口分配表符号地址名称KM1Y0主轴旋转接触器KM2Y1摇臂上升接触器KM3Y2摇臂下降接触器KM4Y3主轴箱和立柱松开接触器KM5Y4主轴箱和立柱夹紧接触器YA1Y5主轴放松、夹紧用电磁铁YA2Y6立柱放松、夹紧用电磁铁HL1Y7控制电路开通指示灯HL2Y10主轴箱和立柱松开指示灯HL3Y11主轴箱和立柱夹紧指示灯HL4Y12主电动机工作指示灯3.3梯形图和程序115MT肪XI(I型XO23S021X022(YOD?卩Old1340 LDXOOO1 KNOMOO4LDX0015ORYOOO6ANIX0021ANDX0208OUTYOOO9LDX00310OR

24、X00611ANIX00412LDT113LDX01614LDX01215ORX01316ANE17LDX01718LDK01219ORXO1120ANB21ORE22ANB23ORB24OUTY00125LDX00626ANDX004ANIY00255ORNSANIX00756MPSOUTY00457LDX016LDX00350LDX013ANDX00459ORX012ANIY0Q460ANBANIX00761LDX017OUTY00262LDX011LDFX00363ORX012ORMO64ANEORFX00665ORBANITO66ANBOUTMO67OUTM6LDNO68MRDOUTT

25、OK3069LDIX011LDTO70OR1012LDY00371ANBANIM972OUTN7ORE73MPFANIX00574LDI1013ORT275ORX012ANDX01076ANBOUTY00377OUTN8LDX01478LDX015272829303132333435373B4041424346474849505152出547980818283848586878S9990919293949596979S99100101102134136137OR115103ANIT2LDIX016104LDIX013LD2012105ORX012ORX013106ANBANB107LD118LDIX017IOSANIT1LDX012109ORBORX011110OUTY006ANB111LDM5ORB112OUTT2K30ANB115LDMOUTM5116OUTT1K30LDX015119LDFT2ORM5121ORM9A肛T2122ANIT230LDX012123OUTM9ORIX011124LDM9ANE125OUTT230KILD