Z3025×10B型摇臂钻床的电气控制改造

1、国家职业资格全省统一鉴定维修电工技师（国家职业资格二级）文章题目：z302510b型摇臂钻床的电气控制改造姓 名： 郭星海 身份证号： 13072419870313115x 所在省市： 江苏省常州市 所在单位： 江苏省常州技师学院 摘要z302510b型摇臂钻床是一种典型的机械、液压、电气一体化协同控制的通用加工机床。它的电气控制系统是采用继电器控制，电路连接复杂，触点多，故障率高，维修工作量大。系统中利用了行程开关，它的控制精度差，容易损坏。论文利用plc来代替继电器作为本机床的控制核心。使得电路连接简化，故障率降低。维修工作量较小。用非接触式的传感器增加了其灵敏度，控制精度提高，可靠性高。

2、论文对摇臂钻床主电路进行了分析，对控制线路进行了详细的阐述，完成了电气制系统硬件和软件的设计，其中包括plc机型的选择、输入输出信号及地址的分配、i/o端口的分配、plc梯形图程序的设计。关键词：plc 摇臂钻床 传感器目 录第一章 z302510b型摇臂钻床介绍一、z302510b型摇臂钻床的主要结构及功能二、z302510b型摇臂钻床的润滑和冷却系统三、z302510b型摇臂钻床的继电器控制方式的工作原理第二章 z302510b型摇臂钻床的电气系统硬件部分改造一、z302510b型摇臂钻床控制方案的确立二、z302510b型摇臂钻床中行程开关的改进三、系统框图四、plc的应用第三章 软件部

3、分plc程序设计 总结 答谢词 参考文献 z302510b型摇臂钻床的电气控制改造第一章 z302510b型摇臂钻床介绍 钻床是一种用途广泛的万能机床，可进行钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹及修刮断面等多种形式的加工。钻床按结构型式可分为立式钻床、卧式钻床、摇臂钻床、深孔钻床、台式钻床等。在各种钻床中，摇臂钻床操作方便，灵活，使用范围广，特别适用于带有多孔大型工件的孔加工，式机械加工中床用的机床设备，具有典型性。摇臂钻床的摇臂可绕立柱回转和升降，它与立式钻床的区别是主轴可方便地在水平面上调整位置，使刀具对准被加工孔轴心，而工件则固定不动。因此，对于加工大而重的工件上的孔带来很大的方便。本次论文主要介绍

4、的是z302510b型摇臂钻床电气控制的改造。一、z302510b型摇臂钻床的主要结构及功能1摇臂钻床的主要结构该摇臂钻床由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱和工作台等部件组成，如图1-2所示。内立柱固定在底座的一端，外立柱套在内柱上，并可绕内立柱回转360。摇臂的一端为套筒，塔套在外立柱上，借助于升降丝杆的正反向旋转，摇臂可沿外立柱上下移动。由于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。主轴箱式一个复合的部件，它由主电动机、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，通过手轮操作可是主轴箱沿摇臂水平导轨作径向运动。这样，主轴可通过

5、主轴箱在摇臂上的水平移动及摇臂的回转可方便的调整至机床尺寸范围内的任意位置。为适应加工不同高度工件的需要，可调节摇臂在立柱上的位置。z3025型钻床中，主轴箱沿摇臂的径向运动和摇臂的回转运动为手动调整。 钻削加工时，主轴旋转为主运动，主轴的纵向运动为进给运动，即转头一面旋转一面作纵向进给。此时主轴箱夹紧在摇臂的水平导轨上，摇臂与外立柱加紧在内立柱上。辅助运动有：摇臂沿外立柱的上下垂直移动；主轴箱沿摇臂水平导轨的径向移动；摇臂的回转运动。 图1-2 z3025型摇臂钻床结构图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-主轴箱沿摇臂动作；8-主轴箱；9-内外

6、立柱 10-摇臂回转运动；11-摇臂上下运动2. 摇臂钻床的运动形式z302510b型摇臂钻床整个系统可实现主轴旋转、主轴进给摇臂升降及主轴箱在摇臂上移动等功能（参看附表1-3）（1）主轴旋转主轴的旋转有正、反转及停止由手柄16（主轴正反转及停止手柄）操纵。当手柄向左扳动，主轴正转，并在面板上指示灯显示旋向；当手柄在中间位置时主轴停止，指示灯熄灭；当手柄向右扳动，主轴反转，另一指示灯显示旋向。选用不同的转速时，可转动手轮11（主轴旋转变换手轮）即可得到主轴的不同种转速，手轮上设有“0”位，用以校调和对刀。变速时必须使用手柄16（主轴正反转及停止手柄）处于中间位置以停止电机旋转，否则会造成有关齿

7、轮在旋转状态下进行切换，而发生意外。主轴电机主要带动刀具做旋转运动为零件进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、平面和攻螺纹的动力电机。（2）主轴进给主要是调整主轴电机带动刀具的进给；该进给有三种形式：一、快速移动或手动进给 二、机动进给 三、微动进给（3）摇臂升降及主轴箱在摇臂上移动 主要是调整主轴电机带动刀具与加工工件的位置。以便于在工件上加工相应的深度。二、z302510b型摇臂钻床的润滑和冷却系统1润滑系统 （1）机动润滑： 主轴箱内所有的齿轮、轴承、摩擦片式离合器等，均由安装于主轴箱顶上的专用油泵供油润滑。透过箱体左侧上部的油窗可以观察润滑油的流动情况，以判断油泵工作是否正常。当机床电机不旋转时

8、，油面不应低于油窗的中心。放油塞位于主轴箱的下端。主轴箱油池注油口位于箱体顶部。 （2）人工润滑： 主轴上、下轴承的润滑脂是用油枪注入的。将主轴套伸出后，从套上的左侧小孔向下轴承直接注油。主轴上轴承加油是从主轴箱左侧上部油窗下面的表牌所盖孔内对准主轴套上的小孔直接注油。 立柱夹紧用的蜗轮减速箱位于立柱顶部的升降机构的箱体内，采用钙基润滑脂润滑。 机床各部位润滑应严格按照规定进行。 2冷却系统 刀具的冷却由专用的冷却泵供给冷却液。冷却液贮存于机床底座的空腔内，其流量大小可用内螺纹球阀调节。三、z302510b型摇臂钻床的电气系统1.系统介绍 本机床是由三相五线制电源供电。 电气设备叙述如下：（参

9、看附图-操纵部位图及表1-3） m1主电动机，安装在主轴箱顶部，由手柄16（主轴正反转及停止手柄）与微动开关sq4操作交流接触器km2km5控制其动作。 m2摇臂升降电动机，由按钮12（sb3）、13（sb4）操作交流接触器km5、km6控制其动作。 m3立柱夹紧电动机，由主轴箱夹紧手柄2联动操作微动开关sa4和交流接触器km7控制其动作。 m4冷却泵电动机，由安装在电源盖板上的按钮19（sb5、sb6）和交流接触器km8控制其动作。 所有交流接触器皆装于摇臂背后的电器箱中。 各电动机设备都有熔丝保护装置，主电动机及冷却泵电动机还装有三相过载保护装置。 本机床设有急停、零压保护及摇臂升降保险装

10、置，并设有信号灯。电气箱及电源箱实现了开门断电，工作照明采用安全电压24伏。表1-3：机床各操纵手柄和开关的部位和用途：编号名称和用途1进给量变换盘2立柱和主轴箱夹紧手柄3主轴快速移动和接通机动进给手柄4主轴箱移动手轮5摇臂夹紧手柄6刻度盘微调捏手7定程切削捏手8零压按钮9主轴正转指示灯10主轴反转指示灯11主轴转速变换手轮12摇臂上升按钮13摇臂下降按钮14立柱松开、夹紧开关15刻度盘微调锁紧捏手16主轴正反转及停止手柄17接通断开机动进给手柄18微量进给手轮19冷却泵电动机按钮20电源总开关21紧急停止按钮图1-4 主电路原理图图1-5 控制电路原理图2电路说明及工作原理（参看附图-及表1

11、-3）（1）开车前的准备工作1）接通电源，hl1信号灯亮；2）扳动手柄16（主轴正反转及停止手柄）至中间停车位置上，按sb2光标按钮，hl2光标亮。3）扳动手柄16（主轴正反转及停止手柄）至正转位置，hl3信号灯亮，仔细观察主轴运动情况，如一切正常，则准备工作完毕。（2）主轴转速的选择是由机械和电气联合操纵的。其操作程序如下：1）停车将手柄16（主轴正反转及停止手柄）扳到中间位置；2）选速将手轮11（主轴旋转变换手轮）扳到所需要的转速档；3）开车将手柄16（主轴正反转及停止手柄）扳到主轴正转位置，即获得所选转速。其机械和电气联合操作原理说明如下：例如要获得50转/分的转速，首先将手轮11（主轴

12、旋转变换手轮）拨到50转/分，将手柄16（主轴正反转及停止手柄）扳向正转位置。这时sa1的常开触电闭合，则电源通过ka1、sq3的常闭触电、km2的常闭触电接通交流接触器km1线圈，km1线圈带电。交流接触器km4线圈通过sq2的常闭触电和km4的常闭触电接通带电，于是电动机转速在1410转/分速度下，而主轴的转速为50转/分，正转。同时，时间继电器kt1线圈通过km1的常开触电带电，为主轴停车制动做好准备。当手柄16（主轴正反转及停止手柄）扳向中间停车位置时，sa1的常开触电闭合断开，则km1、kt1失电，kt1的一付常开触电延时断开，km1的一付常闭触电闭合，中间继电器ka2通过kt1、k

13、m1、km2带电，ka2的一付常开触电闭合，24v交流电通通过桥式整流变成直流电再经过电磁制动器线圈，实现制动。制动时间由kt1控制，制动完毕，电磁离合器线圈失电。切勿在开车时拨动手轮子11（主轴旋转变换手轮），否则会造成有关齿轮在旋转状态下进行切换，而发生意外事故。（3）摇臂升降和夹紧 首选把摇臂夹紧手柄5（摇臂夹紧手柄）松开，而后按住上升（或下降）按钮sb3（或sb4），摇臂就上升（或下降），松开按钮摇臂就停止运动。 当按住sb4按钮时，交流接触器km6线圈得电，使电动机m3旋转，带动摇臂上升，摇臂上升到位后，松开按钮sb4、km6失电，电动机停止旋转。扳动手柄5至夹紧装置，摇臂夹紧装置将

14、摇臂夹紧。 摇臂下降原理与此相同。（4）立柱夹紧和松开 立柱夹紧和松开是和主轴箱夹紧手柄2联动操纵的。当夹紧手柄2处在松开位置时，则sa常开触电闭合，交流接触器km7线圈通过sa4、sq5带电，电动机m4旋转，内外柱松开。当松开到位后，限位形状sq5常闭断开，km7断电，电动机停止旋转。 立柱夹紧原理与松开相同。 开关14是单独控制立柱松开与夹紧的。 （5）摇臂升降保险及机床急停装置 摇臂升降保险装置由微动开关sq3、sq4及上、下触杆联动操纵的，当摇臂升（或降）到极限位置时，触动上（或下）触杆，将微动开关sq3（或sq4）的常闭触点断开，使交流接触器km5（或km6）线圈断电，电动机m3停止

15、旋转，起到了保险作用。 当遇有异常情况时，按动操作面牌上的红色蘑菇头急停按钮sb1整个控制回路断电，机床所有动作中止。（6）开门断电当电气箱门（或电源箱门）打开时，sq6（或sq7）的常闭触电闭合，这时使电源自动开关的分励线圈带电，从而使电源自动开关（qf）自动切断电源。当电气箱门（或电源箱门）打开后，需要送电时，只需把sq6（或sq7）门开关的触头拉开并向右旋转锁定，再把电源开关（qf）合上，这时配电板内就有电，便于维修检查。3、电气设备明细表电气代号名称用途技术数据供应单位数量备注m1电动机主轴旋转yd90l-4/2，b5，13/18kw1430/2850转/分（z3025）2/2.4kw

16、（z3032）1m3摇臂升降yo7124t3,055kw1400转/分1m4立柱夹紧松开yo6334t3,037kw1400转/分1m2冷却ab-25,009kw2800转/分1fu1熔断器保护m8、m10、m11rt18-323fu2保护工作灯bcf3a1fu3保护指示灯bcf1a1fu4保护控制回路bcf3a1qf自动开关电源总开关dz5/20fhs/330,10a.24v1sa主令开关立柱松开和夹紧ls3-21sb1按钮急停lay3-01zs/1 红色1sb2零压保护la19-11d 绿色1sb3摇臂上升la19-11a 黑色1sb4摇臂下降la19-11a 黑色1sb5冷却泵停la19

17、-11a 红色1sb6冷却泵启动la19-11a 绿色1sa1微动开关主轴正转kwx1sa2主轴反转kwx1sq3主轴限位kwx1sq4主电机低速高速jwl1-111sa3摇臂升降和夹紧互锁jwl1-111sq6摇臂上升限位jwl1-111sq7摇臂下降限位jwl1-111sa4立柱松开夹紧jwl1-111sq5立柱松开夹紧限位jwl1-111sa6旋钮开关控制工作灯1tc控制变压器控制回路照明及信号灯110v,80wjbk4-160,380/ 28v,30w24v,40w63v,10w1sq8门开关电气箱门开关控制jwm8-111sq9jwm8-111vc硅二极管主轴制动2cz5,2a,50

18、0y5hl1指示灯电源指示xdx1-r,白色1hl2零压指示光标按钮sb2,绿色1hl3主轴正转xdx1-za,绿色1hl4主轴反转xdx1-z,兰色1el工作灯工作照明jc-25、24y、40w1ka1中间继电器零压保护caz-dn140 110v1ka2主电机制动caz-dn122 110v1km1km2交流接触器主电机正反转zc1-d093+la1-d22110v2km3主电机低速lc1-d099 110v1km4主电机高速lc1-d099+la1-d31110v1km5km6摇臂升降电机旋转lc1-d099,110v2km7立柱夹紧电动旋转lc1-d099,110v1km8冷却泵电机旋

19、转lc1-d099,110v1kt1时间继电器控制制动时间js7-1a,110v,0.4-60秒1fr1热继电器主电机过载保护lr1-d093101fr2冷却泵电机过载保护lr1-d093031xt接线板连接导线端子lr1-d0930611yb1电磁制动器主电机制动dzd5-10,10nm1第二章 z302510b型摇臂钻床的电气系统硬件部分改造一、z302510b型摇臂钻床控制方案的确立 1.控制方式的确定根据第一章的介绍，本机床是采用以继电器控制为核心的方式，而继电器控制会有很多缺点。继电器接触器控制的摇臂钻床存在电路接线复杂，触点多、噪音大、可靠性差、故障诊断与排除困难等缺点，绝大多数控

20、制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。再者，对本设备的运用，其控制箱较大。在全负荷运载的情况下，继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。而且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单改动，也需要花费大量的时间及人力和物力去改制、安装和调试。若用plc控制就避免了这些问题。因为plc的优点有：（1）plc不需要大量的活动元件和电子元件。它的连线大大减少。于此同时，系统的维修简单，维修时间短。plc采用了一系列可靠性设计的方法进行设计。例如：冗余的设计。断电保护，故障诊断和信息保护及恢复。plc

21、有较高的易操作性。它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不容易发生误操作。pll是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言。编程出错率很低。（2）对plc的操作包括程序输入和程序更改的操作。程序的输入可直接显示，更改程序的操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序的寻找，然后进行更改。plc有多种程序设计语言可供使用。用于梯形图与电气原理图较为接近。容易掌握和理解。plc具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快找到故障的部位。（3）p

22、lc采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程简单。以上特点使用plc控制系统具有可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能量力强，运行稳定等诸多优点。所以本论文用plc控制技术来代替继电器控制。二、z302510b型摇臂钻床中行程开关的改进1传感器的选型本机床电气控制线路中主轴限位、主轴电机高速和低速、摇臂上升限位、要比下降限位、立柱松开夹紧限位要用到行程开关。行程开关存在响应速度低、精度差、接触检测容易损坏被检测物及寿命短等缺点。随着时代的发展，工控行业的进步，传感器技术的发展更是突飞猛进。对非接触式的传感器运用越来越广泛。新型的传感器采用专

23、用ic，其性能比行程开关更稳定，体积更小，寿命长，可靠性高。本机床的行程开关是用来检测工位和工件到位情况的。因此对位置传感器作以下介绍。位置传感器是当物体移向接近开关，并接近到一定距离时，移位传感器就会有所“感知”，开关就会动作。我们把这个距离叫做“检出距离”。不同的接近开关检出距离也不同。有时被检测物体是按一定时间间隔，一个接一个的移向接近开关，又一个一个的离开，这样不断地重复。不同的接近开关，对检测对象的响应能力是不同。这种响应特性被称为“响应频率”。接近开关的作用是当某物体与接近开关接近并达到一定距离时，能发出信号。它不需要外力施加，是一种无触点式的主令电器。它的用途已远远超出行程开关所

24、具备的行程控制及限位保护。 接近开关可用于高速计数、检测金属体的存在、测速、液位控制、检测零件尺寸以及用作无触点式按钮等。就目前应用较为广泛的接近开关按工作原理可以分为以下几种类型： 高频振荡型：用以检测各种金属体 电容型：用以检测各种导电或不导电的液体或固体 光电型：用以检测所有不透光物质 超声波型：用以检测不透过超声波的物质 电磁感应型：用以检测导磁或不导磁金属在这些类型的选择上，我经过查阅资料，当检测体为金属材料时，应选择高频振荡型接近开关，该类型接近开关对铁镍、a3钢类检测体检测最灵敏。当检测体为非金属材料时，如：木材、纸张、塑料、玻璃和水等，应选用电容型接近开关。金属和非金属要进行远

25、距离检测和控制时，应选用光电型接近开关或超声波接近开关。对于检测体为金属时，若检测灵敏度要求不高时，可选用价格低廉的磁性接近开关或霍尔式接近开关。对于本台机床，都是检测金属体，所以我选择了电感式接近开关，不仅能满足设备的需求，而且价格低廉，能节省一部分开支。图 2-1接近开关的外型图电感式接近开关有npn型输出型(电流流入)和pnp输出型(电流流出)两种，当电流流出的传感器(pnp输出型)在接通时， 电流是从电源经传感器的输出端（output）流到负载（load）上，进入负载, 然后流到接地端。而电流流入(npn输出型)的传感器接通时，电流是从电源经负载流到传感器的输出端(output)，然后

26、流到接地端(gnd)，最后进入系统的地（gnd）。因此本论文选择了npn型电感式接近开关。其型号为：lj18a4-8-z/cx的电感式接近开关。本型号的接近开关体积小，便于安装，价格便宜。很适于本机床的改造。因此本论文中选择npn型的传感器，检测距离为5mm。这种接近开关有四根线（棕色、灰、藍色、黑色）接线方法是：棕色接直流电源的正极 藍色接直流电源的负极 黑色接信号线接近开关的接线图如下：图 2-2 npn型接近开关接线图三、系统框图根据改造要用到的设备、元器件，和控制的基本步骤，现总结工作流程图，如下图所示： 图 2-3 系统框图四、plc的应用 1plc的选型根据z302510b型摇臂钻

27、床的控制要求及原理图（图2-2）可以知道：输入 输出急停按钮：sb1 主电机正转：km1零压保护按钮：sb2 主电机反转：km2摇臂上升按钮：sb3 主电机低速：km3摇臂下降按钮：sb4 主电机高速：km4冷却泵停止按钮：sb5 主电机制动：yb1冷却泵启动按钮：sb6 摇臂上升：km5主轴正转：sa1 摇臂下降：km6主轴反转：sa2 立柱夹紧和松开：km7主轴限位：sq3 冷却泵工作：km8主电机低速高速：sq4 电源指示：hl1摇臂升降和夹紧互锁：sa5 零压指示：hl2摇臂上升限位：sq3 主轴正转指示：hl3摇臂下降限位：sq4 主轴反转指示：hl4立柱松开夹紧：sa4 工作照明：

28、el立柱松开夹紧限位：sq5工作灯开关：sa6立柱松开和夹紧：sa5从以上输入、输出可看出要选的plc的输入端必须大于17个而输出端必须大于14个。但是机床控制线路的电压等级比较多。所以在选plc时必须注意plc的输出。而本次毕业论文选用的plc是西门子plc。且根据输入、输出点数，选用s7-200系列的cpu226的plc。图 2-4 西门子plc实物图2i/o分配表输入输出名称代号输入点编号名称代号输出点编号急停sb1i0.0主电机正转km1q0.0零压保护sb2i0.1主电机反转km2q0.1摇臂上升sb3i0.2主电机低速km4q0.2摇臂下降sb4i0.3主电机高速km3q0.3冷却

29、泵停sb5i0.4主电机制动yb1q0.4冷却泵启动sb6i0.5摇臂上升km6q0.5主轴正转sa1i0.6摇臂下降km7q0.6主轴反转sa2i0.7立柱夹紧和松开km8q0.7主轴限位sq1i1.0冷却泵工作km5q1.0主电机低速高速sq2i1.1电源指示hl1q1.1摇臂升降和夹紧互锁sa3i1.2零压指示hl2q1.2摇臂上升限位sq3i1.3主轴正转指示hl3q1.3摇臂下降限位sq4i1.4主轴反转指示hl4q1.4立柱松开夹紧sa4i1.5工作照明elq1.5立柱松开夹紧限位sq5i1.6工作灯开关sa6i1.7立柱松开和夹紧sa5i2.03z302510b型摇臂钻床电气改造接线图图2-5 plc接线图第三章 软件部分一、程序分析1.照明指示当系统上电