基于Z摇臂钻床的PLC程序设计.docx

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基于Z3040摇臂钻床的PLC程序设计

学院：

电气与光电工程学院

专业：

电气工程及其自动化

班级：

姓名：

学号：

电器与PLC课程设计任务书

电气与光电工程学院专业：

电气工程及其自动化班级：

学生姓名

指导老师

高敏

职称

讲师

课题名称

基于Z3040摇臂钻床的PLC程序设计

指标及要求

达到设计课题的控制要求，上机调试PLC控制程序，打印PLC程序，计算机绘图。

课题工作内容

工作内容：

1、了解机床的加工工艺及工作原理。

2、设计方案论证，系统建立，电气原理控制设计。

3、元器件选择，梯形图设计（控制分析）。

4、完成设计图纸，完成设计任务书。

5、设计测评。

进程

安排

第一天：

下达任务，收集资料，消化课题。

第二天：

电气原理控制设计，元器件选择。

第三天：

I/O表，PLC接线图。

第四天：

梯形图设计，上机调试。

第五天：

完成报告。

主要

参考

文献

《可编程控制原理与应用》北京理工大学出版社范次猛

《可编程控制应用技术实训指导》化学工业出版社李俊秀

《电气控制与PLC应用》北京机械工业出版社余雷生方宗达

《电气控制与可编程控制器技术》化学工业出版社史国生

地点

开阳楼B414

起止日期

2017/1/9——2017/1/13

目录

1、引言 -1-

2、Z3040摇臂钻床 -2-

2.1系统硬件设计 -2-

2.2系统变量定义及I/O分配表 -5-

2.3PLC的选型 -6-

2.4系统I/O接线图设计 -6-

3、系统程序设计 -7-

3.1控制程序流程图设计 -7-

3.2控制程序时序图设计 -8-

3.3控制程序设计思路 -9-

4、系统调试及结果分析 -10-

4.1系统调试及解决的问题 -10-

4.2结果分析 -11-

5、课程设计的心得 -12-

参考文献 -13-

附录 -14-

附录AZ3040摇臂钻床PLC控制指令语句 -14-

附录BZ3040摇臂钻床PLC控制梯形图 -15-

1、引言

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，如：

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，Z3040摇臂钻床的电气控制系统普遍采用的是传统的继电器—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。

另外，一些复杂的控制如：

时间、计数控制用继电器—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。

可编程逻辑控制器简称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。

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。

2、Z3040摇臂钻床

2.1系统硬件设计

1、主要结构

Z3040摇臂钻床是一种用途广泛的万能机床，适用于加工中小零件，可以进行钻孔、扩孔、铰孔、刮平面及改螺纹等多种形式的加工，增加适当的工艺装备还可以进行镗孔。

主要有底座、内外立柱、摇臂、主轴箱、主轴及工作台等部分组成。

Z3040摇臂钻床机构图如图2-1所示。

图2-1Z3040摇臂钻床结构图

1底座2内立柱3、4外立柱

5摇臂6主轴箱7主轴8工作台

2、主要运动形式

摇臂钻床加工时，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一边进行纵向进给，其运动形式为：

（1）摇臂钻床的主运动为主轴的旋转运动；

（2）进给运动为主轴的纵向进给；

（3）辅助运动有：

摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向的移动，摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。

3、电气控制

（1）主电路：

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M1拖动，主轴的正反转旋转运动是通过机械旋转实现的。

故主电动机只有一个旋转方向。

Z3040型摇臂钻床的主轴的调速范围为50:

1，正转最低转速为40r/min,最高为2000r/min，进给范围为（0.05~1.60）r/min。

它的调速是通过三相交流异步电动机和变速箱来实现的。

也有的是采用多速异步电动机拖动，这样可以简化变速结构。

摇臂钻床除了主轴的旋转和进给运动外，还有摇臂的上升、下降及立柱的夹紧和放松。

摇臂的上升、下降由一台交流异步电动机M2拖动，立柱的夹紧放松由另一台交流电动机M3拖动。

Z3040摇臂钻床是通过电动机拖动一台齿轮泵，供给夹紧装置所需要的压力油。

而摇臂的回转和主轴箱的左右移动通常采用手动。

此外，还有一台冷却泵电动机M4对加工的道具进行冷却。

（2）控制电路：

Z3040摇臂钻床电气控制电路图如图2-2所示。

图中M1为主轴电动机，M2为摇臂升降电动机，M3为液压泵电动机，M4为冷却泵电动机，QF1为总电源控制开关。

主轴电动机控制。

主轴电动机M1为单向旋转，由按钮SB8、SB2和接触器KM1实现起动停止控制。

主轴的正、反转则由M1电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过液压系统操纵机构，配合正、反转摩擦离合器驱动主轴正转或反转。

摇臂上升、下降控制。

摇臂钻床在加工时，要求摇臂处于夹紧状态，才能保证加工精度。

但在摇臂需要升降时，又要求摇臂处于松开状态，否则电动机负载大，机械磨损严重，无法升降工作。

摇臂上升或下降时，其动作过程是升降指令发出，先使摇臂与外立柱处于松开状态，而后上升或下降，待升降到位时，要自行重新夹紧。

由于松开与夹紧工作是由液压系统实现，因此，升降控制须与松紧机构液压系统紧密配合，松紧机构液压原理图如图2-2所示。

M2为升降电动机，由按钮SB3、SB4点动控制接触器KM2、KM3接通或断开，使M2电动机正、反向旋转，拖动摇臂上升或下降移动。

M3为液压泵电动机，通过接触器KM4、KM5接通或断开，使M3电动机正、反向旋转，带动双向液压泵送出压力油，经二位六通阀至摇臂夹紧机构实现夹紧与松开，M4为冷却泵电动机，由手动转换开关QS控制其正向旋转。

图2-3Z3040摇臂钻床夹紧与放松机构液压原理图

图2-2Z3040型摇臂钻床电气控制电路

4、Z3040型摇臂钻床电气控制电路

2.2系统变量定义及I/O分配表

如图2-2所示，图中M1为主轴电动机，M2为摇臂升降电动机，M3为液压泵电动机，M4为冷却泵电动机，QF1为总电源。

主轴电动机M1通过按钮SB8、SB2和接触器KM1实现启动停止的单方向控制，主轴的正反转通过机械的方式进行。

摇臂的上升、下降通过升降电动机M2进行控制。

当摇臂需要上升或下降时，要使摇臂处于松开状态，上升或下降后，必须是摇臂处于夹紧状态。

在这次课程设计过程中，运用按钮X000（ST2）、X014（ST3）模拟行程开关并进行手动控制。

通过X003（ST1-1）、X004（ST1-2）模拟限位开关进行手动控制。

由按钮SB3、SB4点动控制接触器KM2、KM3使电动机正反转，使摇臂上升或下降。

通过接触器KM4和KM5的接通与断开，实现液压泵电动机正反转。

Z3040钻床是通过电动机拖动一台齿轮泵，供给夹紧装置所需的压力油。

摇臂的回转和主轴箱的左右移动通常采用手动。

如表2-1所示，Z3040型摇臂钻床PLC控制输入输出点分配。

表2-1Z3040型摇臂钻床PLC控制输入输出点分配

输入信号

输出信号

输入点编号

名称

代号

输出点编号

名称

代号

X000

主轴箱、立柱、摇臂松开行程开关

ST2

Y000

电压继电器

KV

X001

总停止开关

SB7

Y001

主轴电动机M1接触器

KM1

X002

总启动开关

SB1

Y002

摇臂上升接触器

KM2

X003

摇臂上升上限位开关

ST1-1

Y003

摇臂下降接触器

KM3

X004

摇臂下降下限位开关

ST1-2

Y004

主轴箱、立柱、摇臂松开接触器

KM4

X005

摇臂下降按钮

SB4

Y005

主轴箱、立柱、摇臂夹紧接触器

KM5

X006

摇臂上升按钮

SB3

X007

主轴电动机M1停止按钮

SB8

X010

主轴电动机M1启动按钮

SB2

X011

主轴箱、立柱松开按扭

SB5

X012

主轴箱、立柱夹紧按钮

SB6

X013

控制线路电源总开关

QF3

X014

主轴箱、立柱、摇臂夹紧行程开关

ST3

2.3PLC的选型

实验室提供了FX2N-48MR型PLC,所以这次的课程设计也是依据FX2N型PLC进行的。

也满足对Z3040摇臂钻床的控制输入输出点的改造要求。

FX2N为了能够在模拟量控制，运动量控制和通信控制中的运用，专门开发了一系列的特殊模块，与基本单元相配合来进行上述控制。

特殊模块有：

模拟量模块、脉冲计数模块、运动量模块、定位模块和通信模块等。

三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出16～25点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。

系统配置即固定又灵活；编程简单；备有可自由选择，丰富的品种；令人放心的高性能；高速运算；使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化；共同的外部设备。

2.4系统I/O接线图设计

图2-3Z3040摇臂钻床PLC控制接线图

如图2-3所示为Z3040摇臂钻床PLC控制接线图

3、系统程序设计

3.1控制程序流程图设计

Z3040摇臂钻床控制程序流程图，如图3-1所示。

图3-1Z3040摇臂钻床控制程序流程图

3.2控制程序时序图设计

Z3040摇臂钻床控制程序时序图，如图3-2所示。

图3-2Z3040摇臂钻床控制程序时序图

3.3控制程序设计思路

在进行设计时，对那些已成熟的继电一接触器控制电路的生产机械，在改用PLC控制时，只要把原有的控制电路作适当的改动，使之成为符合PLC要求的梯形图。

但又不能仅仅从电气图来改，更多的是从工作过程动作顺序来设计程序。

程序还需要经过反复修改和完善，才能符合控制要求，并且一定要经过模拟调试才能联机调试。

控制程序并不是唯一的，要经过不断的实践总结、修正，力求最佳方案。

图3-3系统改造方案图

为了使Z3040摇臂钻床在进行电气控制系统改造后仍能够完成原有的工作需要，本基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的PLC程序应由电气控制系统预开程序、主电动机的起动和停止控制程序、摇臂升降控制程序即升降电动机的正反转控制程序、立柱和主轴箱的松开与夹紧控制程序即液压泵电动机的正反转程序、信号的显示程序等部分组成。

4、系统调试及结果分析

4.1系统调试及解决的问题

表4-1系统调试

操作

输入

输出状态显示

作用

按下X13、X12

HL0亮

电压继电器Y0得电

按下X1

HL0灭

电压继电器Y0失电

主轴旋转

按下X10

HL1亮

接触器KM1得电，主轴电动机M1旋转

主轴停转

按下X7

HL1灭

接触器KM1失电，主轴电动机M1停转

摇臂上升过程

按下X6

HL5亮

接触器KM4得电液压泵电动机M3正转

按下X0

HL2亮，HL5灭

接触器KM2得电，摇臂升降机M2正转，摇臂上升

按下X3

接触器KM2失电,摇臂升降机M2停转，摇臂停止上升

5秒后HL6

接触器KM5得电，液压泵电动机M3反转

按下X14

HL6灭

上升过程结束

摇臂下降过程

按下X5

HL5亮

接触器KM4得电液压泵电动机M3正转

按下X0

HL3亮，HL5灭

接触器KM3得电，摇臂升降机M2反转，摇臂下降

按下X4

接触器KM3失电,摇臂升降机M2停转，摇臂停止下降

5秒后HL6

接触器KM5得电，液压泵电动机M3反转

按下X14

HL6灭

下降过程结束

主轴箱、立柱夹紧

按下X12

HL6亮，5秒后HL6灭

主轴箱、立柱放松

按下X11

HL5亮，5秒后HL5灭

4.2结果分析

对Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的分析，然后对其进行电气控制系统的硬件设计、软件设计及其相关的程序调试优化设计，最后得出结论，达到了控制要求。

5、课程设计的心得

在本次设计中，了解了摇臂钻床的结构、运动方式及电气控制要求，在保持摇臂钻原有功能不变的情况下，应用可编程序控制器（PLC），设计出了摇臂钻床的电气控制系统，较好地完成了本设计的任务。

另外，通过这次毕业设计使我对PLC和电控方面的知识又有了更加深刻的理解和掌握，为今后走向工作岗位从事相关工作奠定了很好的基础。

由于时间精力有限，还有许多功能有待扩展、完善。

主要是没有对所控制电动机的调速问题进行研究，包括主轴电动机、升降电动机、液压泵电动机的调速只能通过机械调速或多速电机来进行，属于有级调速，其加工范围将受到某些限制，系统仅限于逻辑开关量的控制，对于PLC的许多高级指令没有应用到。

以上问题还有待今后进一步研究解决。

参考文献

《可编程控制原理与应用》北京理工大学出版社范次猛

《可编程控制应用技术实训指导》化学工业出版社李俊秀

《电气控制与PLC应用》北京机械工业出版社余雷生方宗达

《电气控制与可编程控制器技术》化学工业出版社史国生

附录

附录AZ3040摇臂钻床PLC控制指令语句

-21-

0LDX013

1ANDX002

2ORY000

3ANIX001

4OUTY000

5LDY000

6MPS

7LDX010

8ORY001

9ANB

10ANIX007

11OUTY001

12MRD

13LDX006

14ANIX003

15LDX005

16ANIX004

17ORB

18ANB

19OUTM0

20MRD

21LDM0

22ANIX000

23LDM5

24ANIX012

25ORB

26ANB

27ANIY005

28OUTY004

29MRD

30ANDX000

31MPS

32ANIX010

33ANDX006

34ANIY003

35OUTY002

36MPP

37ANIX007

38ANDX005

39ANIY002

40OUTY003

41MRD

42LDM4

43ORY005

44ANIX014

45LDIX011

46ANDM5

47ORB

48ANB

49ANIY004

50OUTY005

51MRD

52ANDM0

53PLFM2

55MRD

56LDM2

57ORM3

58ANB

59ANIT0

60OUTM3

61OUTT0K50

64MRD

65ANDT0

66PLSM4

68MPP

69LDX011

70ORM5

71ORX012

72ANB

73ANIT1

74OUTM5

75OUTT1K50

78END

附录BZ3040摇臂钻床PLC控制梯形图