#Z3040摇臂钻床的PLC改造

1、摘要 :钻床是一种常用的机床， 在生产中应用很广泛， 种类繁多。然而， 在运作中，传统的钻床暴露了越来越多的问题，比如：触点过多、故 障出现频繁、维修不方便，影响了钻床的正常工作，引起产品质量降 低。由于各种各样的问题，钻床的改造势在必行。在众多的改造方案中， PLC 改造以其他同类产品所不具备的优点脱颖而出。本文以 PLC 为控制核心进行的对 Z3040 摇臂钻床的自动化改造， 在本文中阐述了传统钻床继电器控制电路以及行程开关的缺点，提出 了详细的改进方案。 绘制出了改造过后的电气原理图及 PLC 接线图等。 并编写了 PLC 的控制程序，取得了良好的效果。关键词：摇臂钻床 PLC 传感器

2、改造目录第一章 摇臂钻床的介绍一、Z3040摇臂钻床系统的机械系统 3二、Z3040摇臂钻床系统的电气系统 4三、Z3040摇臂钻床的润滑和冷却系统7第二章 继电器控制的摇臂钻床的工作原理一、控制电路电路原理图 8二、钻床的操作步骤及工作原理 9三、电气元件清单 11第三章 Z3040 摇臂钻床的电气控制的改造一、Z3040摇臂钻床行程开关的改进 14二、Z3040摇臂钻床继电器控制线路的改进 18三、I/O分配表 21四、Z3040摇臂钻床改造的接线图 22五、 程序 23结束语 2627答谢辞参考文献 28第一章Z3040摇臂钻床介绍钻床是一种常用的机床，分台式钻床、立式钻床和摇臂钻床。种

3、类繁 多，在工业生产中应用得非常广泛，本文以Z3040摇臂钻床为对象进行PLC改造。图 1-1 XXXXXX一 Z3040系统的机械Z3040摇臂 系统可实现 转、主轴进给 及主轴箱在 动等功能（参（1）主轴主轴的旋 反转及停止 （主轴正反 手柄）操纵。 左扳动，主轴 在面板上指示灯摇臂钻床 系统钻床整个 主轴旋 摇臂升降 摇臂上移 看表1-3） 旋转转有正、 由手柄16 转及停止 当手柄向正转，并显示旋向；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12种转速，手轮上设有“ 0

4、”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Z3040摇臂钻床的电气系统本机床的电源是三相380V,50H乙电气设备叙述如下：（见表1-3）M4 主电动机，安装在主轴箱顶部，由手

5、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KMKM5控制其动作。M8 摇臂升降电动机，由按钮12（SB3、13（SB4）操作交流接触器 KM8 KM9空制其动作。M10 立柱夹紧电动机，由主轴箱夹紧手柄 2联动操作微动开关SA8 和交流接触器KM10空制其动作。M11 冷却泵电动机，由安装在电源盖板上的按钮 19（SB5 SBQ和 交流接触器KM1控制其动作。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。 机床各操纵手柄和开

6、关的部位和用途：j表 1 3 * j表编号名称和用途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主轴正转扌曰小灯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紧急停止按钮电源引入电源开关主轴令却泵立柱升降枪JF克累图1-2主电路电气原理图主电路简介：在本钻床中，M4为主轴电机，M8为摇臂电机，M10为立柱夹紧电 机，当KM2闭合，主

7、轴电机正转，KM3闭合，主轴电机反转，当 KM4 闭合，主轴电机低速，KM5闭合，主轴电机高速；KM8闭合摇臂下降， 当KM9闭合，摇臂上升；KM10闭合，立柱夹紧；KM11闭合，冷却电机 启动，SQ15和SQ16为电气箱门开关。三Z3040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，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

8、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。第二章 继电器控制的摇臂钻床的工作原理、控制电路原理图继电器控制的钻床操作步骤及工作原理(1)钻床的操作步骤1）接通电源，HL1信号灯亮；2）扳动手柄 1 6（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

9、）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）主轴转速的选择操作如下：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。转速选择的工作原理：例如要获得 50 转/ 分的转速， 首先将手轮 11（主轴旋转变换手轮） 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的常开触点闭合，则电源通过 KA1 SQ3的常闭触点、KM3的 常闭触点

10、接通交流接触器 KM2线圈，KM2线圈带电。交流接触器 KM4 线圈通过SQ4的常闭触点和KM5的常闭触点接通带电，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KM2的常开触点带电，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 常开触点闭合断开， 则 KM2、 KT1 失电， KT1 的一付常开触点延时断开， KM2的一付常闭触点闭合，中间继电器 KA2通过KT1、KM2 KM3带电， KA2的一付常开触点闭合，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

11、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SB3按钮时，交流接触器 KM6线圈通过KA3 SB3 SQ6的常 闭触电、KM3的常闭触点带电，使电动机 M8旋转，带动摇臂上升，摇 臂上升到位后，松开按钮SB3 KM8断电，电动机停止旋转。扳动手柄 5至夹紧装置，摇臂夹紧装置将摇臂夹紧。摇臂下降原

12、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常开触点闭合，交流接触器KM1（线圈通过SA8 SQ9带电，电动机M10旋转，内外柱松开。当松开到位后，限位形状 SQ9常闭断开，KM1C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 SQ6 SQ7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 SQ6（或SQ7的常闭触点断开，使交流接触器KM8（或KM9线圈断电， 电动机M8停止旋转，起到了保

13、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，SQ15（或SQ16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 SQ15（或 SQ16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。三电气元件清单电气代号名称用途技术数据数量M4电动 机主轴旋转YD90L-4/2, B5, 1. 3/1 . 8KW1430/2850转/ 分（Z3025）1M8摇臂

14、升降YO7124T3,0. 55KW1400转/分1M10立柱夹紧松开YO6334T3,0. 37KW1400转/分1M11冷却AB-25,0 . 09KW2800转/分1FU2熔断器保护M8M1QM11RT18-323FU3保护工作灯BCF 3A1FU4保护扌曰小灯BCF 1A1FU5保护控制回路BCF 3A1QF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-

15、11A 红色1SB6冷却泵启动LA19-11A 绿色1KA1中间 继电 器零压保护CAZ-DN140 110V1KA2主电机制动CAZ-DN122 110V1KM2KM3交流接触器主电机正反转ZC1-D093+LA1-D22110V2KM4主电机低速LC1-D099110V1KM5主电机高速LC1-D099+LA1-D31110V1KM8KM9摇臂升降电机旋转LC1-D099,110V2KM10立柱夹紧电动旋转LC1-D099,110V1KM11冷却泵电机旋转LC1-D099,110V1KT1时间 继电 器控制制动时间JS7-1A,110V,0.4-60 秒1FR4热继电器主电机过载保护LR1

16、-D093101FR11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DZD5-10,10Nm1SA1微动主轴正转KWX1SA2开关主轴反转KWX1SQ3主轴限位KWX1SQ4主电机低速高速JWL1-111SA5摇臂升降和夹紧互锁JWL1-111SQ6摇臂上升限位JWL1-111SQ7摇臂下升限位JWL1-111SA8立柱松开夹紧JWL1-111SQ9立柱松开夹紧限位JWL1-111SA10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,1

17、0W1SQ15门开关电气箱门开关控制JWM8-111SQ16JWM8-111VC硅二极管主轴制动2CZ5,2A,500Y5HL1山灯r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、40W1第三章Z3040摇臂钻床的电气控制的改造一 Z3040摇臂钻床中行程开关的改进机床控制线路中的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。行程开关作为限位元件的最大缺点， 是只能断开接触器的控制回路 当遇到接触器的主触点熔焊，或滞后释放时，那么限位保护就会

18、失灵。 因此，在一些重要设备中，就须设置超行程后备保护。若用传感器代替则解决这一问题了。这里我用光电传感器来代替行程开关因为光电传感器：1具有自诊断稳定工作区指示功能，可及时告知工作状态是否可靠；2对射式、反射式、镜面反射式光电开关都有防止相互干扰功能，安装方便；3对ES外同步（外诊断）控制端的进行设置可在运行前预检光电开 关是否正常工作。并可随时接受计算机或可编程控制器的中断或检测 指令，外诊断与自诊断的适当组合可使光电开关智能化；4响应速度快，高速光电开关的响应速度可达到 0.1ms,每分钟可进 行30万次检测操作，能检出高速移动的微小物体；5采用专用集成电路和先进的 SMT表面安装工艺，

19、具有很高的可靠 性；6体积小（最小仅20X 31 x 12mm、重量轻，安装调试简单，并具有 短路保护功能对于传感器的用途、概念和分类我就做下简单的介绍现代信息技术的三大基础是信息的采集、传输和处理技术，即传感 技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感 官”、“神经”和“大脑”。信息采集系统的首要部件是传感器，且置于 系统的最前端。在一个现代自动检测系统中，如果没有传感器，就无 法监测与控制表征生产过程中各个环节的各种参量，也就无法实现自 动控制。在现代技术中，传感器实际上是现代测试技术和自动化技术 的基础。下图所示为传感器应用的系统框图。1.传感器的概念和分类一个完整的检

20、测系统或检测装置通常是由传感器，测量电路和显示 记录装置等部分组成，分别完成信息获取，转换，显示和处理等功能传感器是把被测量（如物理量，化学量，生物量等）变换为另一种 与之有确定对应关系，并且便于测量的量（通常是电学量）的装置。 为检测系统提供必需的原始信息。它是整个检测系统最重要的环节。按应用目的分类：机械量传感器：如位移传感器、力传感器、速度传感器、加速度传感 热工量传感器：如温度传感器、压力传感器、流量传感器。化学量传感器。生物量传感器。按传感器按输出量的性质分：参量型：它的输出是电阻、电感、电容等无源电参量，相应的有电阻 式传感器、电感式传感器、电容式传感器发电型：它的输出是电压或电流

21、，相应的有热电偶传感器、光电传感 器、磁电传感器、压电传感器。我们主要介绍光电传感器光电传感器光电传感器是采用光电元件做为检测元件的的传感器。它首先把被 测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号 转换成电信号。光电传感器一般由光源，光学通路和光电元件三部分 组成。光电检测方法具有精度高，反应快，非接触等优点，而且可测 参数多，传感器的结构简单，形式灵活，因此在检测系统控制领域内 得到广泛运用。光电传感器常用光源有发光二极管、钨丝灯泡+滤光片、 激光。光电式传感器负责检测加工工件的到位情况光电式传感器的外型图那么用它来代替机床控制线路的行程开关就比较合理。但光电式传感器有两种

22、类型它分为 NPN型和PNP型传感器。如果选择PNP型传感器,其输出端电流是向传感器外流的，如果传感器接PLC,则电流由传感器输出端流向 PLC.而NPN型传感器,其输出端电流是向传感器里流的，如果传感器接PLC,则电流由PLC流向传感器。因此我选择PNP型的传感器，检测距离为5mm一般光电式传感器有三根线（紅色、黑色、白色）或（棕色、藍色、 黃色）接线一般是紅色和棕色接电源的火线黑色和藍色接电源的零线白色和黃色接信号线光电传感器的接线图如下传感器与电源+继电器-接触器控制的摇臂钻床存在电路接线复杂，触点多、噪音要求:输入输出急停按钮：SB1主电机正转：KM2零压保护按钮：SB2主电机反转：K

23、M3摇臂上升按钮：SB3主电机低速：KM4摇臂下降按钮：SB4主电机高速：KM5冷却泵停止按钮：SB5冷却泵启动按钮：SB6主轴正转：SA1主轴反转：SA2主轴限位：SQ3主电机低速高速：SQ4主电机制动：YB1摇臂上升：KM8摇臂下降：KM9立柱夹紧和松开：KM10冷却泵工作：KM11 零压指示：HL2主轴正转指示：HL3主轴反转指示：HL4 工作照明：EL摇臂升降和夹紧互锁：SA5 摇臂上升限位：SQ6摇臂下降限位：SQ7立柱松开夹紧：SA8立柱松开夹紧限位：SQ9工作灯开关：SA10立柱松开和夹紧：SA必须大于13个。但是机床控制线路的电压等级比较多。所以在选17个而输出端PLC从这输入

24、、输出可看出要选的PLC的输入端必须大于 时必须注意PLC的输出。其中三菱PLC的输出是一个COME几个输出，所以电压等级不同就 不能用同一个COMF的输出。选择三菱PLC系列中的FX1N-40MR原因是其输入端有24个，输出端 有16个。对该机床的改造是非常合适的。FX1N系歹【J可编程控制器PLC的构 成从PLC包 括结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不 可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、 底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置 FX1N-40Mf三菱PLC 是属

25、于继电器输出型的PLC因为继电器输出适用于低频大功率直流或 交流负载。而该机床的输出继电器是交流，主电机的制动电磁阀是直 流这更能说明FX1N-40MF三菱PLC对该机床的改造是非常适用的。4. PLC的循环扫描工作过程1 )PLC的循环扫描PLC的CPU是采用分时操作的原理，每一时刻执行一个操作， 随着时间的延伸一个动作接一个动作顺序地进行，这种分时操作进程 称为CPU对程序的扫描°PLC的用户程序由若干条指令组成，指 令在存储器中按序号顺序排列°CPU从第一条指令开始，顺序逐条 地执行用户程序，直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的 一轮扫描。三I/O 分配表由P

26、LC的选择及输入输出端子确定的输入输出分配表如下:输入输出名称代号输入点编号名称代号输出点编号急停SB1X1主电机正转KM2Y10零压保护SB2X2主电机反转KM3Y11摇臂上升SB3X3主电机低速KM4Y12摇臂下降SB4X4主电机高速KM5Y13冷却泵停SB5X5主电机制动YB1Y1冷却泵启动SB6X6摇臂上升KM8Y14主轴正转SA1X7摇臂下降KM9Y15主轴反转SA2X10立柱夹紧和松开KM10Y16主轴限位SQ3X11冷却泵工作KM11Y0主电机低速高速SQ4X12零压指示HL2Y5摇臂升降和夹紧互锁SA5X13主轴正转指示HL3Y6摇臂上升限位SQ6X14主轴反转指示HL4Y7摇

27、臂下降限位SQ7X15工作照明ELY2立柱松开夹紧SA8X16立柱松开夹紧限位SQ9X17工作灯开关SA10X20立柱松开和 夹紧SAX21四Z3040摇臂钻床改造的接线图五程序36g. S a#343 Ffr 1 铮 UH M 21wvvwvw二 uroFX1N4OMRPLC1整体程序N1Ml需压斷灯Ml WllM 卜m-I卜2fol汕扌vol扌n-OurolYDJOh-m HD03 拥 M "15m m vou< *014騎上升m組2iPfH005井 vooo胸泵卅-I卜2各部分程序及注释1）指示灯程序零压托示打主翔正鞋弟示符主珀反曲指示口工柞鹘駅打当零压保护X2闭合，M1

28、线圈得电自锁，M1常开闭合，Y5线圈得电, 零压指示灯亮。当主电机正转时，线圈 Y10得电，Y6也得电，主轴正 转指示灯亮。当主电机反转时，线圈 Y11得电，Y7也得电，主轴正转 指示灯亮。当按下工作灯开关时，工作灯亮。2）主电机制动hi2< Yiai主雯机制动TOK1OD主电机制动时间当M2得电，主电机开始制动，定时器时间到，制动结束主轴反转开关按下时，主电机反转线圈Y11得电，主轴反转。当 X12断开时，主电机低速运转，当 X12闭合时，主电机高速运转。主轴电 机运转时，M3得电。4）摇臂上下及立柱和冷却泵的动作V0I5< rm赶罟下陽XD21T卜XD1GXD06XD1?M005净却泵丁”住HP当X13得电，主电机低速运转时，摇臂上升线圈 Y14得电，摇臂上 升；当X13得电，主电机高速运转时，摇臂下降线圈 Y15得电，摇臂 下降；在升降过程中，限位传感器得电，摇臂停止动作。当X16和X21得电，立柱夹紧线圈Y16得电，立柱夹紧。当夹紧限 位传感器得电，立柱夹紧线圈失电。当冷却泵启动开关X6闭合，冷却泵线圈得电自锁，冷却泵工作。结束五结束语这次对