Z3040摇臂钻床的继电器控制电路设计及PLC控制设计解析

1、新乡职业技术学院毕业设计（论文）题 目 Z3040 摇臂钻床的继电器控制电路设计及 PLC 控制设计系别机电工程系学生姓名张宏飞_学号1010104219专业名称电气自动化指导教师李宏义_2013 年 04 月 23 日1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一接触器电气控制系统存在线路复杂、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，本论文 对Z3040摇臂钻床电气控制系统的改造

2、，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，制定了可编程控制器改造Z3040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、PLC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。由于Z-3040型摇臂钻床的电气控制系统存在线路复杂、故障率高、维护工作量大、可靠性低、灵活性差等缺点 本文提出了用PLC对z-3040型摇臂钻床的继电器接触式模拟控制系统进行技 术

3、改造，从而保证了电控系统的快速性、准确性、合理性，以便更好地满足了实际生产的需要，提高了经济效益。关键词Z-3040摇臂钻床，电气控制系统PLC，微处理器Z3040 摇臂钻床的继电器控制电路设计及PLC 控制设计2摘要.关键词.、八刖言.第一章总体方案的确定 .第二章 Z3040 摇臂钻床简介2.1 电路工作过程.2.1.1主轴电动机M1的控制 .82.1.2摇臂升降的控制 .82.1.3摇臂上升为例分析摇臂升降的控制 .82.1.4主轴箱、立柱松开与夹紧的控制 .10 2.2 液压控制系统 .102.2.1夹紧液压控制系统 .102.2.2摇臂移动与主轴箱移动液压系统图 .10第三章 PLC

4、 控制系统设计的具体内容 .11 3.1 PLC 设计控制系统的基本原则 . 11 3.2 PLC 控制系统的 I/O 点数确定与 PLC 机型选择.11 3.3 I/O 接线图.123.4 PLC I/O、地址分配表 .13 3.5 流程图.143.6 状态转移图. 153.7 梯形图.163.9 所用材料及型号规格 .20结束语. 22参考文献. 23致谢. 24目前，我国的Z-3040摇臂钻床的电气控制系统普遍采用的是传统的继电 器一接触器控制方式。因其所要控制的电机较多所以电路较复杂，此外，一 些复杂的控制如：时间、计数控制用继电器一接触器控制方式较难实现，所 以，有必要对传统电气控制

5、系统进行改进设1134583计。PLC电气控制系统能有效的弥补上述系统的这一缺陷。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，本论文对Z-3040摇臂钻床电气控制系统的改造，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。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

6、有的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。目前，我国的Z3040摇臂钻床 的电气控制系统 普遍采 用的是传统的 继电器一 接触器控制 方式。因其所要 控制的电机较 多所以电路 较复杂，在 日常的生 产作业当中，经常发 生电气故障，从而影 响生产。可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC，是 从早期的

7、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 发时间与生产成本第一章总体方案的确定目前，我国的Z-3040摇臂钻床的电气控制系统普遍采用的是传统的继电 器一接触器控制方式。因其所要控制的电机较多所以电路较复杂，在日常的 生产作业当中，经常发生电气故障，从而影响生产。此外，一些复杂的控制 如：时

8、间、计数控制用继电器一接触器控制方式较难实现，所以，有必要对 传统电气控制系统进行改进设计。PLC电气控制系统可以有效的弥补上述系统的这一缺陷。4可编程序控制器(PLC)是以微处理器为核心，将计算机技术、通信技术与 自然控制技术融为一体的新型工业自动控制装置。它克服了继电器一接触器 控制电路存在触点多、组合复杂、通用性和灵活性差等缺点。它不仅具有多 种逻辑控制功能，而且还具有各种运算、数据处理、联网通信等功能控制， 还具有抗干扰性强、环境适应性好和可靠性高等特点。因而广泛地应用于工 业生产各领域中。因此有必要对旧式机床进行自动化改造。方案：在旧式Z3040摇臂钻床基础上，加入摇臂回转自动操作，

9、主轴箱左右移动为自动操作，可提高生产效率。并加入工件加工计数功能、PC通信功能。5第二章 Z3040 摇臂钻床简介摇臂钻床适合与在大、中型零件上进行钻孔、扩口、绞孔及攻螺纹等工 作，在具有工艺装备的条件下还可以进行镗孔。Z3040摇臂钻床由底座、外立柱、内立柱，摇臂、主轴箱及工作台等部 分组成。内立柱固定在底座的一端，外立柱套在内立柱上，工作时用液压夹紧机 构与内立柱夹紧，松开后，可绕立柱回转360。摇臂的一端为套筒，它套在外立柱上，经液压夹紧机构可与外立柱夹紧。夹紧机构松开后，借助升降 丝杆的正、反向旋转可沿外立柱上、下移动。由于升降丝杆与外立柱构成一 体，而升降螺母则固定在摇臂上， 所以摇

10、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部分组成。主轴箱安装与摇臂的水平导轨 上，通过手轮操作使主轴箱沿水平导轨移动，通过液压夹紧机构固在摇臂。 钻削加工时，主轴旋转为主运动，而主轴的直线移动为进给运动。即钻孔使 钻头做旋转运动的同时，做纵向进给运动，主轴变速和进给变速的机构在主 轴箱内，用变速机构分别调节主轴转速和上下进给量。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M1机拖动。摇臂钻床的辅助运动有：摇臂沿外立柱的上升、下降、立柱的夹紧和松 开以及摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。摇臂的上升、下

11、降由一台交 流电动机M2拖动，立柱的夹紧和松开、摇臂的夹紧与松开以及主轴箱的夹紧 和松开是有另一台交流电动机M3拖动一台齿轮泵，供给夹紧装置所需的压力油推动夹紧机构液压系统实现的。而摇臂的回转和主轴箱沿摇臂水平导轨方 向的左右移动。此外还有一台冷却泵电动机M4对加工的刀具进行冷却。Z-3040摇臂钻床的电力拖动要求与控制特点：1.为简化机床传动装置的机构常采用多台电动机拖动。2.主轴的旋转运动、 纵向进给运动及其变速机构均在主轴箱内，由一台主电动机拖动。3.为了适应多种加工方式的要求，主轴的旋转与进给运动均有较大的调 速范围，由机械变速机构实现4.加工螺纹时，要求主轴能正反转，采用机械方法来实

12、现。因此，主电 动机只需单向旋转，可直接启动，不需要制动。65.摇臂的升降由升降电动机拖动，要求电动机能正反转， 多采用鼠笼异步电动机，可实现直接启动，不需要调速和制动。6.内外立柱、主轴箱与摇臂的夹紧与松开，是通过控制电动机的正反转，带动液压泵送出不同流向的压力油，推动活塞、带动菱形块动作来实现的。因此拖动液压泵的电动机要求正反转，采用点动控制。7.摇臂钻床主轴箱、立柱的夹紧与松开是由一条油路控制，且同时控制。而摇臂的夹紧、松开是摇臂升降工作联成一体，由另一条油路控制。两条油路哪一条处于工作状态，是根据工作要求可通过控制电磁阀操纵。由于主轴 箱和立柱的夹紧、松开动作是点动操作，因此液压泵电动

13、机采用点动控制。8.根据夹紧要求，操作者可手控操作冷却泵电动机单向旋转。9.必要的联锁和保护环节。10.机床安全照明及信号指示灯电路。Z-3040摇臂钻床主电路如图2.1所示，电路原理图如图2.2所示。该钻 床共配置5台电动机，M1为主轴电动机，由继电器KM1控制，带动主轴的旋转和使主轴作轴向进给运动，为单向旋转。主轴的正、反转则由主轴电动机 拖动齿轮泵送出压力油，通过液压系统操作机构配合正反转摩擦离合器驱动 主轴正转、反转来实现，并由热继电器做长期过载保护。M2为摇臂上升、下降电动机，由输出继电器KM2 KM3控制正、反向运行。M3为液压泵电动机，由KM4 KM5控制正、反向运行，控制电路保

14、证在操作摇臂升降时，首先时液压泵电动机启动运转，供出压力油，经液压系统 使摇臂松开，然后才使电动机M2启动，拖动摇臂上升或下降。当摇臂移动到位后，控制电路又使M2停下，再自动通过液压系统，将摇臂夹紧，然后液压 泵电动机M3才停下。M4为冷却电动机，由转换开关SA1控制。在旧式电路图中加一个M5主轴箱移动步进电动机。由KM6 KM7继电器控制其正反转，实现主轴箱移动。短路保护：在主电路中，利用熔断器FU1作总电路M1、M4的短路保护；利用熔断器FU2做电动机N2、M3和控制变压器T原边的短路保护；7在控制电路中，利用熔断器FU3作照明回路短路保护。过载保护：在主电路中，利用热继电器FR1、FR2

15、分别作主电动机M1、液压泵电动机M3的过载保护。如果由于液压系统的夹紧机构出现故障而不能夹紧，那么行程开关SQ3的触电将断不开，或者由于行程开关SQ3安装调整 不当，摇臂夹紧后不能压下行程开关SQ3这时都会使液压泵电动机M3处于 长期过载状态，易将M3烧毁，M2为短时工作，不用设长期过载保护。为确保安全生产，摇臂钻床的主轴旋转和摇臂升降不允许同时进行主轴电引眄壬轴箱蛊右主釉箱-矣柱松开松开dKM 33B5SB38 2.1 电路工作过程2.1.1主轴电动机M1的控制按启动按钮SB- 接触器KM1得电吸合并自锁 -KM1主触点闭合M1转动，同时KM1辅助触点KM1闭合，指示HL3点亮，表明主轴电动

16、机在旋 转。按停止按钮SB1-KM1失电释放 -M1停转，同时KM1辅助动合触 点KM1复合断开，指示灯HL3灭，表明电动机M1停转。主轴的正、反转由液压系统的操纵机构配合正、反转摩擦离合器实现。2.1.2摇臂升降的控制当由摇臂上升或下降点动按钮SB2、SB4发出摇臂升降指令时，先使摇臂松开。然后由正、反转接触器KM2 KM3使电动机M2的正、反转，来拖动摇臂上升或下降，待摇臂上升或下降到位时，又自行重新夹紧。由摇臂的松开 与夹紧是由夹紧机构液压系统实现的，因此摇臂升降需与夹紧机构液压系统紧密配合。液压泵电动机M3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，送出压力油

17、，经二位六通阀YA送至摇臂夹紧机构，实现摇臂夹紧与放松。摇臂升降启动的初始条件：摇臂钻床在平常或加工工件时，其摇臂处于 夹紧状态，摇臂夹紧信号开关SQ3被压合，其动断触点SQ3处于断开状态，摇臂放松信号开关SQ3未压合，其动合触点SQ2处于断开状态，而动断触点SQ2处于闭合状态。2.1.3摇臂上升为例分析摇臂升降的控制以摇臂上升工作电气如图2.39按下摇臂上升点动按钮SB3,时间继电器KT线圈通电，瞬动常开触点KT闭合，接触器KM4线圈通电，液压泵电动机M3反向启动旋转，拖动液压泵送出压力油。同时KT的断电延时延时断开触点KT闭合，电磁铁YA线圈通电，液压泵送出压力油经二位六通阀进入摇臂夹紧机

18、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，发出摇 臂松开信号，即常闭触点断开，常开触点闭合，前者断开线圈电路，电动机M3停止旋转，液压泵停止供油，摇臂维持在松开状态；后者接通KM2线圈电路，控制摇臂升降电动机M2正向启动旋转，拖动摇臂上升。当摇臂上升代所需位置时，松开按钮SB3, KM2与KT线圈同时断电，电动机M2依惯性旋转，摇臂停止上升。而KT线圈断电，其断电延时闭合触点KT经延时13S后才闭合，断电延时断开触点KT经同样延时后才断开。 在KT断电延时13S时，KM5线圈仍处于断电状态，电磁铁YA仍处于通电状态，这段延时就确保了摇臂升降电动机在断

19、开电源后直到完全停止运转才开始摇 臂的夹紧动作，因此，时间继电器KT延时长短是根据电动机M2切断电源到完全停止的惯性大小来调整。当时间继电器KT断电延时时间到时，常闭触点KT闭合，KM5线圈通电吸合，液压泵电动机M3正向启动，拖动液压泵，供出压力油，同时常闭触点KT断开，电磁铁YA线圈断电，这时压力油经二位六通阀进入摇臂夹紧油腔， 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SQ3断开，KM5线圈断电，M3停止旋转，摇臂夹紧，上升结束。摇臂自动夹紧程度由SQ3控制，若夹紧机构液压系统出现故障不能夹紧，将使常闭触点SQ3断不开，或者由于SQ3安装位置调整不当，摇

20、臂夹紧 后仍不能压下SQ310都将使M3长期处于过载状态，易将电动机烧坏，为此，M3主电路采用热继电器FR2作过载保护。2.1.4主轴箱、立柱松开与夹紧的控制轴箱和立柱的夹紧与松开是同时进行的，当按下按钮SB5,接触器KM4线圈通电，液压泵电动机M3反转，拖动液压泵送出压力油，这时电磁阀YA线圈处于断电状态，压力油经过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，使主轴和立柱松开，由于YA线圈断电，压力油不能进入摇臂松开油腔，摇臂处于夹紧状态，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，表示主轴箱与立柱已松开，此 时可以手动操作主轴箱在摇臂水平导

21、轨上移动，也可推动摇臂使外外立柱作 回转移动。当移动到位后，按下夹紧按钮，接触器KM5线圈通电，M3正转，拖动液压泵送出压力油至夹紧油腔，使主轴箱与立柱夹紧。当确以夹紧时，压下SQ4,常开触点SQ4闭合，HL2亮，而常闭触点SQ4断开，HL1灭，指示 主轴箱与立柱已夹紧，可以进行钻削加工。 2.2 液压控制系统2.2.1夹紧液压控制系统电磁阀YA控制摇臂上升、下降夹紧松开，当M3电动机正转（Y004）时松开，反转（丫005）时夹紧。电磁阀YV控制主轴箱左移、右移夹紧松开，当M3电动机正转（丫004）时夹紧，反转（丫005）时松开。电磁阀YH控制立柱夹紧 松开，当M3电动机正转（丫004）时夹紧

22、，反转（Y005）时松开。2.2.2摇臂移动与主轴箱移动液压系统图电磁阀YM控制摇臂上升、下降，当M2电动机正转（Y002）时，摇臂上升，反转（丫003）时，摇臂下降。电磁阀YN控制主轴箱左移、右移，当M2电动机正转（丫002）时，摇臂左移，反转（丫003）时，摇臂右移。11第三章 PLC 控制系统设计的具体内容 3.1 PLC 设计控制系统的基本原则1.满足被控设备的全部要求，包括功能要求、性能要求。2.在满足控制系统要求的基础上，应考虑适用性、经济性、可维护性。3.控制系统应确保控制设备性能的稳定性及工作的安全性、可靠性。4.控制系统应具有可扩展性，能满足生产设备的改良和系统的升级。5.要

23、注意控制系统输入/输出设备的标准化原则和多供应商原则，易于采购和替换。易于操作，符合人机工程学和用户的操作习惯。 3.2 PLC 控制系统的 I/O 点数确定与 PLC 机型选择一般系统中，开关量输入与输出的比例为6：4，根据I/O总点数可给出如下的经验公式：所需内存总字数=开关量(输入+输出)总点数*10余量：一般按计算存储器字数考虑余量25%。所需内存总字数=(28+20)*10=480输入点数为28点，输出点数为20点，故总点数应大于48PLC机型应选择：FXN-128MR-A共有输入64点，输出64点，继电器输 出。12 3.3 I/O 接线图”希停裡_丿有不丁悴静涮 丿牛轴涼主釉箱左

24、移丿圭轴箱右稱工牺a停止主轴箱腹转丿主瞬逆转丿主魅龟兰悔亡”揺臂世.幵弭位M揺臂瑟乳泣悝打曙亞li宜X轴甑他/丰歸芒霍申肪锻爨範y借鱷X0OTX001XDD2X003X0WX005X0MX007X012X013X032X033X020X023XD30XD31X010XD11K014册 5X0t6Ml 7媲1KO22XO24汕25KO34XO35CONFX2NVM1YM2YM3Y004Y005TO15Y006Y007010Y011012Y013_ n_pots1030Y045Y021俪他&主轴电苗机正转血银验转-竝樹烦誓-血动机正覆-購电前矶应转-訳电动机正转-N5电动机正转-N5电动机

25、屁窝-电朗刪直-ifiiOa-HL1HL213 3.4 PLC I/O、地址分配表输入输出控制名称控制键输入端子控制名称控制键输出端子复位键X000HL1松开指示灯Y016停止键X001HL2加紧指示灯Y017有无工件传感器X035HL3主轴工作指示灯Y020主轴停止SB1X003计数器C100主轴开始SB2X004摇臂上升SB3X005辅助作用Y035摇臂下降SB4X006Y021摇臂停止ST1X007Y045摇臂松开到位SQ3X030计数器输出Y030摇臂加紧到位SQ4X031电磁阀1YAY010摇臂上升到位SQ1X010YVY011摇臂下降到位SQ2X011电磁阀2YMY012主轴箱左移

26、SB10X012YNY013主轴箱右移SB11X013电磁阀3YHY014主轴箱加紧到位SQ5X014主轴箱松开到位SQ6X015主轴电动机正转KM1Y001主轴箱左移到位SQ7X016M2电动机正转KM2Y002主轴箱右移到位SQ8X017M2电动机反转KM3Y003主轴箱停止ST2X032M3电动机正转KM4Y004摇臂顺回转SB17X033M3电动机反转KM5Y005摇臂逆回转SB18X020M5电动机正转KM6Y006摇臂回转加紧到位SQ9X021M5电动机反转KM7Y007摇臂回转松开到位SQ10X022M4电动机转KM8Y015摇臂回转停止ST3X023冷却泵开SB22X024冷却

27、泵关SB23X025黠删N曙脚懈1解礫WVAR鞄懈獺栅必綱翱抄榊HAm11EIWWWUSIfl園基欺 9 15 3.6 状态转移图复位主轴电动机开摇臂上、下运动主轴箱移动摇臂回转工件加工16 3.7 梯形图I I-SETSOJXQQ1I I-:&存纯ISQ34XQO4I IXOO34FYOO1主轴电场 机轻YQQ1主轴电寸 机托YO2Q皿寻主轴工 作曲示灯7XO1O止揺审上升XO3O005zRFM3电如机004正代SFYAYO-O2XO3O-3正错XOD6揺百下降YOO3 W电.云力机002正铐12SEW17X032主档 訪停止XO16主左YO0400 2b佢电功机 正誘XO16二=$

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30、6.4A6液压电动机热继电器FR2JR0-40热元件 11.6A7主机源熔断器FU1RL1-60熔体20A摇臂液压电动机控制电路熔8断器FU2RL1-15熔体 10A9照明灯熔断器FU3RL1-15熔体 2A10主轴电动机接触器KM1GJ0-10B线圈电压 AC127V11摇臂上升接触器KM2GJ0-11B线圈电压 AC127V12摇臂下降接触器KM3GJ0-12B线圈电压 AC127V13液压电动机正向接触器KM4GJ0-13B线圈电压 AC127V14液压电动机反向接触器KM5GJ0-14B线圈电压 AC127V15主轴电动机M1JO-32-4,T23KWAC380V,6.8A,1420R

31、/MIN16摇臂升降电动机M2JO-21-4,T21.5KWAC380V,3.7A,1400R/MIN210.75KWAC380V,2.1A,1390R/MI液压电动机M3JO-11-4,T2N0.75KWAC380V,1.9A,2825R/MI冷却泵电动机M4JCB-22N1.5KWAC380V,2.68A,1350R/MI步进电动机M5JO-21-4,T2N主轴停止按钮SB1LA19-11绿主轴启动按钮SB2LA19-11D带绿色指示灯摇臂上升按钮SB3LA19-11红摇臂下降按钮SB4LA19-11黄主轴主轴箱放松按钮SB5LA19-11D带黄色指示灯立柱主轴箱加紧按钮SB6LA19-11D带绿色指示灯上下限位组合开关SQ1HZ4-22摇臂松开行程开关SQ2LX5-11摇臂加紧行程开关SQ3LX5-11立柱主轴箱加紧开关SQ4LX3-11K时间继电器KTJS7-4A线圈电压 AC127V主电源空气开关QF1HZ2-25/3板后接线冷却泵电动机总开关QS2装于照明灯上控制变压器TCBK-150AC 380/127、36V、6.3V液压电磁阀YAMQJ1-3线圈电压 AC127V171819202122232425262728