摇臂钻床控制器

1、现代控制技术及PLC控制课程设计姓 名_学 号_班 级_ 专 业 _院 别_ 指导教师_2013年7月5日目 录一、引言3二、系统总体方案设计3 2.1 系统硬件配置及组成原理4 2.2 Z3040摇臂钻床继电器原理6 2.3 I/O分配表7 2.4 选择PLC机型及接线图8三、 控制系统设计9 3.1 控制程序流程图设计9 3.2 梯形图的设计及语句表10 3.3 模块功能概述13 3.4 预测故障分析15四、 结束语16五、 参考文献17六、 附录18一、 引言PLC是从20世纪60年代末发展起来的一种新型的电气控制系统，将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体。随着科学技术的

2、飞速发展，PLC已进入日常生活、生产的各个方面，PLC的应用在各行各业已成为必不可少的内容。采用PLC对Z3040摇臂钻床传统的继电器-接触器电气控制系统进行技术改造，给出了Z3040摇臂钻床PLC电气控制系统的设计梯形图、输入/输出接线图。PLC的应用不但大大提高了Z3040摇臂钻床电气控制系统的可靠性和抗干能力，而且大大简化和减少了维修、维护的工作量，使用效果良好。 Z3040摇臂钻床是一种用途广泛的孔加工机床。此钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱、工作台等组成。内立柱固定在底座上，在它外面套着空心的外立柱，外立柱可绕着内立柱回转一周，摇臂将与外立柱一起相对内立柱回转。主轴箱是一

3、个复合部件，它具有主轴及主轴旋转部件和主轴进给的全部变速和操纵机构。利用特殊夹紧机构将外立柱紧固在摇臂导轨上，然后进行钻削加工。此钻床的运动部件使用多台电动机拖动，主电动机承担主钻削及进给任务，摇臂升降、夹紧、放松和冷却泵各用一台电动机拖动。主轴及进给应在较大范围内调速，对电动机无任何调速要求。摇臂的夹紧与放松及立柱的夹紧与放松只由一台异步电动机配合液压装置来完成。钻削加工时，用一台冷却泵电动机拖动冷却泵输送冷却液，对刀具及工件进行冷却。利用PLC对Z3040型摇臂钻床电气系统进行技术改造的方法，其中包括PLC的机型选择、I/O地址分配、I/O接线图及PLC梯形图设计。 摇臂钻床的运动部件较多

4、，常采用多台电动机拖动，一般采用三相交流鼠笼式异步电动机拖动，用机械变速调节主轴转速和进刀量，变速箱为机械有级调速，钻床的主运动和进给运动都有较大的调速范围。二、 系统总体方案设计 2.1 系统硬件配置 2.1.1电动机的选择根据网上所查的数据和前面的设计要求可知，本设计需配备四台电动机，各自分别为：1.主轴电动机，M1，型号选定为Y100L2.4，性能指标为：3KW、380V、6.82A、1430r/min2.冷却泵电动机：M4型号选定JCB-22，性能指标为：0.125KW、0.43A、2790r/min3.摇臂升降电动机：M2，型号选定为Y908-4，性能指标为：1.1KW、2.01A、

5、1390r/min4.液压泵电动机：M3,型号选定为J031.性能指标为：0.6KW、1.42A、2880r/min2.1.2电源开关QS的选择QS的作用主要是用于电源的引入及控制M1M4起、停和正反转等。因此QS的选择主要考虑电动机M1M4额定电流和启动电流，由前面已知M1M4的额定电流数值，通过计算可得额定电流之和为10.68A，同时考虑到，M2、M3、M4量为满载启动，在功率较小，M1虽功率较大，但为轻载启动。所以，QS最终选择组合开关HZ5-20型，额定电流为20A。2.1.3热继电器FR的选择 根据电动机的额定电流进行热继电器的选择，由前面M1、M2和M3的额定电流，现选择如下：FR

6、1选用JR16-20/3D型热继电器。热元件额定电流11A额定电流调节范围为6.811A工作时调整在6.82A.FR2选用JR16-20/3型热继电器。热元件额定电流2.4A额定电流调节范围为1.52.4A工作时调整在1.42A。2.1.4接触器的选择根据负载回路的电压、电流，接触器所控制回路的电压及所需点的数量等来进行接触器的选择。本设计中KM1主要对M1进行控制，而M1额定电流为6.82A，控制回路电源为127V，需要主触点两对，所以，KM1选G0-10型接触器，主触点额定电流为10A，线圈电压为127V。KM2与KM3对M2进行控制，而M2额定电流为2.01A，控制回路电源为127V，各

7、需要主触点两对，KM2的辅助动断触点一对，KM3的辅助动断触点一对，所以，KM2、KM3选CD10-5型接触器，主触点额定电流为5A，线圈电压为127V。KM4与KM5对M3进行控制，而M3的额定电流为1.42A，控制回路电源为127V，各需要主触点三对，KM4的辅助动断触点一对，KM5的辅助动断触点一对，所以，KM4、KM5选CJ10-5型接触器。2.1.5时间继电器的选择本设计中由于摇臂的升降需要延时控制。需要常开触点一个，延时闭合动断触点一个，延时断开动合触点一个，我们选ISSI型时间继电器。额定电压AC127V、DC24V,额定功耗小于5W,动作频率1200次/h。2.1.6熔断器的选

8、择根据熔断器的额定电压、额定电流和熔体的额定电流等进行熔断器的选择。本设计中涉及到熔断器有三个：FU1、FU2、FU3。FU1主要对M1、M4进行短路保护，M1、M4额定电流分别为6.82A、0.43A。因此，熔体的额定电流为 Iful(1.5-2.5)INmax+IN计算可得Iful17.48A，因此FU1选择RL1-60型熔断器，熔体为20A.同理：FU2选择RL1-15型熔断器，熔体为10A；FU3选择RL1-15型熔断器，熔体为2A。2.1.7按钮的选择根据需要的触点数目、动作要求、使用场合、颜色等进行按钮的选择。本设计中SB1、SB4选择LA-18型按钮，颜色为红色，选择SB2、SB

9、5选择LA-18型按钮，颜色为绿色，SB3、SB6选择LA-18型按钮，颜色为黑色。2.1.8照明及指示灯的选择本设计中，电源指示灯EL选择JC2，交流36V、40W，与灯开关SA2成套配置；指示灯HL1、HL2、HL3选择ZSD-0型，指标为6.3V，0.25A，颜色为黄色，绿色，红色各一个。2.1.9控制变压器的选择本设计中，变压器选择BK-100VA,380V、220V/127V、36V、6.3V。2.2 Z3040摇臂钻床继电器原理 图中380V交流电源经手动转换开关QSl，进入电动机主电路和控制电路的电源变压器TC。主轴电动机M1由接触器KMl控制，摇臂升降电动机M2由接触器KM2和

10、KM3控制，液压电动机M3由接触器KM4和KM5控制，冷却泵电动机M4功率较小，由组合开关QS2手动控制。机床操动情况如下: (1) 按下主轴起动按钮SB2，接触器KMl得电吸合且自保持，主轴电动机M1运转。按下停止按钮SBl，主轴电动机停止。 (2) 需要摇臂上升时，按下摇臂上升按钮SB3，时间继电器KT得电，其瞬动触头和 瞬时闭合延时打开的动合触头使接触器KM4和电磁阀YA动作，液压电动机M3起动，液 压油进入摇臂装置的油缸，使摇臂松开。待完全松开后，行程开关sQ2动作，其动断触头断开使接触器KM4断电释放，液压电动机M3停止运转，其动合触头接通使接触器KM2得电吸合，摇臂升降电动机M2正

11、向起动，带动摇臂上升。上升到所需的位置后，松开上升按钮SB3，时间继电器KT、接触器KM2断电释放，摇臂升降电动M2停止运转，摇臂停止上升。延时l3s后，时间继电器KT的动断触头闭合，动合触头断开，但由于夹紧到位行程开关SQ3动断触头处于导通状态，故YA继续处于吸合状态，接触器KM5吸合，液压电动机M3反向起动，向夹紧装置油缸中反向注油，使夹紧装置动作。夹紧完毕后，行程开关SQ3动作，接触器KM5断电释放，液压电动机M3停止运转，电磁阀YA断电。时问继电器KT的作用是适应SB3松开到摇臂停止上升之间的惯性时间，避免摇臂惯性上升中突然夹紧。 (3) 需要摇臂下降时，按下摇臂下降按钮SB4，动作过

12、程与摇臂上升时相似。 (4) 立柱和主轴箱同时夹紧和同时松开。按下立柱和主轴箱松开按钮SB5，接触器KM4得电吸合，液压电动机：M3正向起动。由于电磁阀YA没有得电，处于释放状态，所以液压油经2位6通阀分配至立柱和主轴箱松开油缸，立柱和主轴箱夹紧装置松开。按下立柱和主轴箱夹紧按钮SB6，接触器KM5得电吸合，M3反向起动，液压油分配至立柱和主轴箱夹紧油缸，立柱和主轴箱夹紧装置夹紧。 (5) 摇臂升降限位保护是靠上下限位开关SQ1U和SQ1D实现的。上升到极限位置后，SQ1U动断触头断开，摇臂自动夹紧，同松开上升按钮SB3动作相同；下降到极限位置后，SQlD动断触头断开，摇臂自动夹紧，同松开下降

13、按钮SB4动作相同。2.3 I/O分配表在I/O分配表中，输入点数共计17个，其中按钮6个、限位（行程）开关7个、热继电器2个、手动开关2个，其中6个按钮是用来控制三台电机的转动，2个热继电器则是起保护作用；输出点数共计10个，其中接触器5个、电磁铁1个、指示灯4个。 输入编号 代号 名称及作用I0.0 FR1 主轴热继电器I0.1 SB1 主轴电机（M1）停止转动I0.2 SB2 主轴电机（M1）转动I0.3 SB3 摇臂电机（M2）的上升I0.4 SB4 摇臂电机（M2）的下降I0.5 SB5 主轴和立柱箱的松开I0.6 SB6 主轴和立柱箱的夹紧I0.7 SQ1U 摇臂上升到极限后，触头

14、断开I1.0 SQ1D 摇臂下降到极限后，触头断开I1.1 FR2 热继电器I1.2 SQ2-1 行程开关I1.3 SQ3 夹紧到位后SQ3闭合I1.4 SQ2-2 行程开关I1.5 SQ4-1 控制主轴与立柱松开的指示灯I1.6 SQ4-2 控制主轴与立柱夹紧的指示灯I1.7 QS1 总开关I2.0 QS2 冷却泵电动机(M1)输出编号 代号 名称及作用Q0.0 KM1 主轴电动机的转动Q0.1 KM2 摇臂升降电动机正转Q0.2 KM3 摇臂升降电动机反转Q0.3 KM4 液压泵电动机正转Q0.4 KM5 液压泵电动机反转Q0.5 YA 电磁阀Q0.6 HL1 主轴与立柱松开指示灯Q0.7

15、 HL2 主轴与立柱夹紧指示灯Q1.0 HL3 主轴电动机（M1）运转指示灯Q1.1 EL 电灯2.4 选择PLC机型及接线图2.4.1 PLC的选择输人有15个，输出有10个，因此，本次设计采用的PLC为西门子S7-200CPU226，I/O点数分别为24点和16点，可以满足要求，且有一定裕量2.4.2 硬件接线图用选定的CPU226型PLC与I/0分配表相结合，连接好PLC中输入与输出端口。输入端口I0.1至I0.6为按钮端口，可用来控制主轴电机的启动和摇臂的升降，I0.0与I1.1是热继电器的输入口，其作用是起保护电路的功能，其余输入口是行程开关输入口，当电机或摇臂运动到相关位置时，行程

16、开关会发生通断过程。Q0.6至Q1.1为四个电灯输出口，HL1是显示主轴与立柱松开指示灯，HL2是主轴与立柱夹紧指示灯，HL3是显示主轴电动机运动的指示灯，EL为照明电灯。2.5 电气接线图（见附录）三 、控制系统设计3.1 控制程序流程图设计本设计的流程图，从上电开始后，分别按下按钮SB1、SB2、SB3、SB4、SB5、SB6，每个按钮接通后，会运行各自的功能，当按钮键松开后，会使机械运动停止。3.2 梯形图的设计及语句表3.2.1 梯形图的设计该设计要实现M1与M4的转动，以及M2与M3的正转与反转。MI的转动通过PLC的Q0.0端口输出控制，M2与M3的正转与反转，通过Q0.2至Q0.

17、5端口输出控制，而M4的转动是用手动开关QS2来控制的。由于软件的元件特性与现实当中的有差异。所以，接触器线圈要有定时器来实现自锁。按照设计要求来做。一切要求都要满足设计要求。指示灯的放置可以与输出并联来实现。3.2.2 语句表3.3 模块功能概述(1) 按下主轴起动按钮SB2，接触器KMl得电吸合且自保持，主轴电动机M1运转。按下停止按钮SBl，主轴电动机停止。(2) 需要摇臂上升时，按下摇臂上升按钮SB3，时间继电器KT得电，其瞬动触头和 瞬时闭合延时打开的动合触头使接触器KM4和电磁阀YA动作，液压电动机M3起动，液 压油进入摇臂装置的油缸，使摇臂松开。待完全松开后，行程开关sQ2动作，

18、其动断触头断开使接触器KM4断电释放，液压电动机M3停止运转，其动合触头接通使接触器KM2得电吸合，摇臂升降电动机M2正向起动，带动摇臂上升。上升到所需的位置后，松开上升按钮SB3，时间继电器KT、接触器KM2断电释放，摇臂升降电动M2停止运转，摇臂停止上升。延时l3s后，时间继电器KT的动断触头闭合，动合触头断开，但由于夹紧到位行程开关SQ3动断触头处于导通状态，故YA继续处于吸合状态，接触器KM5吸合，液压电动机M3反向起动，向夹紧装置油缸中反向注油，使夹紧装置动作。夹紧完毕后，行程开关SQ3动作，接触器KM5断电释放，液压电动机M3停止运转，电磁阀YA断电。时问继电器KT的作用是适应SB

19、3松开到摇臂停止上升之间的惯性时间，避免摇臂惯性上升中突然夹紧。(3) 立柱和主轴箱同时夹紧和同时松开。按下立柱和主轴箱松开按钮SB5，接触器KM4得电吸合，液压电动机：M3正向起动。由于电磁阀YA没有得电，处于释放状态，所以液压油经2位6通阀分配至立柱和主轴箱松开油缸，立柱和主轴箱夹紧装置松开。按下立柱和主轴箱夹紧按钮SB6，接触器KM5得电吸合，M3反向起动，液压油分配至立柱和主轴箱夹紧油缸，立柱和主轴箱夹紧装置夹紧。3.4 预测故障分析1. 各台电动机均不能启动当发现该机床的所有电动机都不能正常启动时，一般可以断定故障发生在电气路线的公共部分。可按下面步骤来检查：1) 在电气箱内检查从回

20、流环YG引入电气箱的三相电源是否正常，如发现三相电源有缺相或其他故障现象，则应在立柱下端配电盘处检查引入机床电源隔离开关QS1处的电源是否正常，并查看汇流环YG的接触点是否良好。2) 检查熔断器FU1和FU2的熔体是否熔断。3) 控制变压器TC的一、二次侧绕线的电压是否正常，如一次侧绕组的电压不正常，则应检查变压器的接线有否松动；如果一次侧绕组两端的电压正常，而二次侧绕组电压不正常，则应检查变压器输出110V端绕组是否断路或短路，同时应检查熔断器FU4是否熔断。如上述检查都正常，则可依次检查热断电器FR的长闭触点、十字开关SA内的微动开关的触点及零电压继电器KV线圈连接线的接触是否良好，有无断

21、路故障等。2. 主轴电动机M2的故障1) 主轴电动机M2不能启动。若接触器KM1线圈已获电吸合，但主轴电动机M2仍不能启动旋转。可检查接触器KM1的三副主触点接触是否正常，连接电动机的导线是否脱落或松动。若接触器KM1不动作，则首先检查熔断器FU2和FU4的熔体是否熔断，然后检查热继电器FR是否动作，其常闭触点的接触是否良好，十字开关SA的触点接触是否良好，接触器KM1的线圈接线头有否松脱；有时由于供电电压过低，使零电压继电器KV或接触器KM1不能吸合。2) 主轴电动机M2不能停止。当把十字开关SA扳到“中间”停止位置时，主轴电动机M2仍不能停转，故障多半是由于接触器KM1的主触点发生熔焊所造

22、成的，此时应立即断开电源隔离开关QS1，才能使电动机M2停转，已熔焊的主触点需要更换和处理；同时必须找出发生触点熔焊的原因，彻底排除故障后才能重新启动电动机。3. 摇臂升降运动的故障Z35型摇臂钻床的升降运行时借助电气、机械传动的紧密配合来实现的。因此在检修时既要注意电气控制部分，又要注意机械部分的协调。1) 摇臂升降电动机M3的某个方向不能启动。电动机M3只有一个方向能正常运转，这一故障一般是出在该故障方向的控制电路或供给电动机M3电源的接触器上。例如电动机M3带动摇臂上升方向有故障时，接触器KM2不吸合，此时可依次检查十字开关SA上面的触点、行程开关SQ1的常闭触点、接触器KM3的连锁触点

23、以及接触器KM2的线圈和连接导线等有否短路障碍；如接触器KM2线圈能动作吸合，则应检查其主触点的接触是否良好。2) 摇臂升降后不能充分夹紧。原因之一是鼓形转换开关上压紧动触点的螺钉松动，造成动触点的位置偏移。在正常情况下，当摇臂放松后，上升到所需的位置，将实习开关SA扳到中间位置时，SQ2-2应早已接通，使接触器KM3线圈获电吸合，使摇臂夹紧。现因动触点位置偏移，使SQ2-2未按规定位置闭合，KM3不能按时动作，电动机M3也就不启动反转进行夹紧，故摇臂仍处于放松状态。摇臂若不完全夹紧，会造成钻削的工件精度达不到规定要求。若鼓形转换开关上的动触点发生弯扭、磨损、接触不良或两副常开静触点过早分断，

24、也会使摇臂不能充分夹紧。当鼓形转换开关和连同它的传动齿轮在检修安装时，没有注意到鼓形转换开关上的两副常开触点的原始位置下夹紧装置的协调配合，就起不到夹紧作用。3) 摇臂上升（或下降）后不能按需要停止。这种故障也是由于鼓形转换开关动触点的位置调整不当而造成的。例如当把十字开关SA扳到上面位置时，接触器KM2获电动作，电动机M3启动正转，摇臂的夹紧装置放松，摇臂上升，这时SQ2-2应该接通，但由于鼓形转换开关的起始位置未调整好，反而将SQ2-1接通，结果当把十字开关SA扳到中间位置时，不能切断接触器KM2线圈电路，上升运动就不能停止，甚至上升到极限位置，终端位置开关SQ1也不能将该电路切断。发生这种故障时很危险的，可能引起机床运动部件与已装夹得工件相撞，此时必须立即切断电源总开关QS1，使摇臂的上升移动停止