z3040 摇臂钻床电气控制系统设计文档格式.docx

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辅助运动是主轴箱沿摇臂水平移动，摇臂沿外立柱上下移动和摇臂与外立柱一起绕立柱的回转运动。

摇臂回转和主轴箱的左右移动采用手动.

当进行加工时，由特殊的加紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上，而外立柱紧固在立柱上，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;

（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立柱的回转运动。

1.2PLC在电气控制系统中的应用

现代工业生产中，中小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高，传统的普通钻床已经越来越难以适应现代化生产的要求，制造业的竞争已从早期降低劳动力成本、产品成本，提高企业整体效率和质量的竞争，发展到全面满足顾客要求、积极开发新产品的竞争，将面临知识—技术—产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，而对质量、性能的要求更高，同时社会对环境保护、绿色制造的意识不断加强，因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得竞争和生存、发展的主要手段。

计算机信息技术和制造自动化技术的结合越来越紧密，作为自动化柔性生产重要基础的“软”控制系统机床，在生产中所占比例将越来越高。

20世纪70年代以前，电气自动控制的任务基本上是由继电器控制系统来完成。

继电器控制系统的优点是结构简单、价格低廉、抗干扰能力强，所以当时应用的十分广泛，至今仍在许多简单的机械设备中应用。

但是，该类控制系统的缺点也十分明显，它采用固定的硬件接线方式来完成各种逻辑控制，灵活性差；

另外机械性触点的工作频率低，易损坏，因此可靠性较差。

随着信息化产业的高速发展，数控机床的功能日趋完善，数控机床已经完全取代了普通机床，而数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高、低关系到国家战略地位、国民经济水平和体现国家综合实力的水平。

今后数控技术又将向着高精化，高速化，高效化，系统化，自动化，智能化，集体化方向发展，并注重工艺适用性和经济性。

PLC的应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。

PLC以软件手段实现了各种控制功能，与继电器控制系统相比，灵活性大大提高；

与普通的计算机相比，又具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、组合灵活、扩展方便、体积小等突出优点，因而在机床电气控制系统中得到广泛的应用。

PLC是先进的工业化国家通用的标准工业控制设备，在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术，现在已经成为现代工业控制三大技术支柱（PLC,CAD/CAM,ROBOT）之一，可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作电子系统。

它采用了可编程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点。

用PLC控制改造其继电器控制电路,可靠性高、逻辑功能强、体积小，降低了设备故障率,提高了设备使用效率,运行效果良好。

随着我国电力体制改革的深化，电力市场竞争将更加激烈，降低资源损耗和提高管理效益成为各发电企业的迫切需求。

为此，对火电厂辅助车间自动控制水平提出了更高的要求。

经过科技人员的不断引进、开发、研究,我国大型火电站的辅助系统（输煤、化水、除灰、除渣、燃油泵房、循环水泵房等）已由继电器控制过渡到完全由PLC监控。

PLC是一种专为工业生产自动化控制设计的，一般而言，无须任何保护措施就可以直接在工业环境中使用。

然而，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行。

要提高PLC控制系统可靠性，一方面生产厂家要提高PLC的抗干扰能力；

另一方面，要在设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合，减少及消除干扰对PLC的影响。

在新的时代，PLC会有更大的发展，产品的品种会更丰富、规格更齐全，通过完美的人机界面、完备的通信设备、成熟的现场总线通信能力会更好地适应各种工业控制场合的需求，PLC作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在我国发电厂的电气自动化建设中发挥越来越大的作用。

1.3本论文研究的对象及意义

本论文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—接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难题。

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—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改造,从而保证了电控系统的快速性、准确性、合理性,更好地满足了实际生产的需要,提高了经济效益。

2Z3040摇臂钻床电气控制系统的原理

2.1主电路

我国原来生产的Z3040摇臂钻床的主轴旋转运动和摇臂升降运动的操作是通过不能复位的十字开关来操作的,它本身不具有欠压和失压保护。

因此在主回路中要用一个接触器将三相电源引入。

现在的Z3040摇臂钻床取消了十字开关，它的电气原理图见附录Ⅰ。

它的主电路、控制电路、信号电路的电源均采用自动开关引入，自动开关的电磁脱扣作为短路保护取代了熔断器。

交流接触器KM1只主电动机M1接通或断开的接触器，KR1为主电动机过载保护用热继电器。

摇臂的升降，立柱的夹紧放松都要求拖动的电动机正反转，所以M2和M3电动机分别有两个接触器，它们为KM2、KM3和KM4、KM5。

摇臂升降电动机M2、冷却泵电动机M4均为短时工作，不设过载保护。

采用4台电机拖动，主轴电动机Ml、摇臂升降电动机M2、液压泵电动机M3及冷却泵电动机M4，4台电动机均采用直接起动控制。

M2为短时工作制.主轴电动机Ml和液压泵电动机M3分别设有热继电器FRl、FR2作长期过载保护。

2.2控制电路、信号及照明电路

2.2.1主电动机的旋转控制

在主电动机启动前，首先将自动开关Q2、Q3、Q4扳到接通状态，同时将配电盘的门关好并锁上。

然后再将自动开关Q1扳到接通位置，电源指示灯亮。

这时按下SB1，中间继电器K1通电并自锁,为主轴电动机与其他电动机的启动做好了准备。

当按下按钮SB2时，交流接触器KM1线圈通电并自锁使主电动机旋转，同时主电动机旋转的指示灯HL4亮。

主轴的正转与反转用手柄通过机械变换的方法来实现。

2.2.2摇臂松开--升／降--摇臂夹紧控制

控制电路设有主轴启动按钮SB2和主轴停止按钮SB1。

摇臂钻床的工作过程是由电气、机械、液压系统紧密结合实现的。

摇臂升／降动作按照“摇臂松开→升降→摇臂夹紧”顺序进行。

由摇臂松开行程开关SQ2与夹紧行程开关SQ3来控制。

在摇臂夹紧前，由时问继电器KT延时l～3s后再夹紧。

主轴电机由按钮SB1、SB2和接触器KM1构成单向起动停止控制电路。

摇臂升降由M2作动力，SB3和SB4分别为摇臂上升和下降的点动按钮。

因为摇臂平时是夹紧在外立柱上，所以在摇臂升降之前，先要把摇臂松开，再由M2驱动升降：

摇臂升降到位后，再重新将它夹紧。

摇臂升降动作按照“摇臂松开--升／降--摇臂夹紧”顺序进行，由摇臂松开行程开关SQ2与夹紧行程开头SQ3来控制。

而摇臂的松、紧是由液压系统完成的。

当按下上升按钮SB3时，电磁阀YV线圈通电吸合，正向供出压力油进入摇臂的松开油腔，推动松开机构使摇臂松开，摇臂松开后，行程开头SQ2动作，SQ2触点闭合、SQ3复位SQ3摇臂上升，若M3反转，则反向供出压力油进入摇臂的夹紧油腔、推动夹紧构使摇臂夹紧，摇臂夹紧后，行程开头SQ3动作，SQ2复位摇臂停止在所需位置上。

摇臂升降的极限保护由组合开头SQ1实现，SQ1有两对常闭触点，当摇臂上升或下降到极限位置时，相应触头动作，切断对应上升或下降接触器KM2与KM3线圈回路，使摇臂升降电机M2停转，摇臂停止移动。

QS电源开关，主电机M1由KM1控制，摇臂升降电机M2由KM2、KM3控制正反转，液压泵电机M3由KM4、KM5控制正反转，冷却泵电机M4由SA1控制，电路有短路保护、过载保护等。

执行元件：

主电机M1、摇臂升降电机M2、冷却泵电机M4、液压泵电机M3、电磁换向阀YV（2位6通）。

2.2.3立柱和主轴箱的松开及夹紧控制及信号灯

主轴箱和立柱的松、紧是同时进行的，SB5和SB6分别为松开和夹紧点动按钮，当按下松开按钮SB5，KM4线圈得电，液压泵电机M3正转，拖动液压泵送出压力油，这时电磁阀YV线圈处于断电状态，液压油进入主轴箱与立柱的松开油腔，使主轴箱与立柱松开或夹紧。

由于YV线圈断电，液压油不会进入摇臂的松开油腔，摇臂仍处于夹紧状态。

当主轴箱与立柱松开时，行程开关SQ4不受压，触头SQ4闭合，指示灯HL1亮，表示主轴箱与立柱确已松开。

可以手动操作主轴箱在摇臂的水平导轨上移动，也可推动摇臂使绕立柱旋转移动，当移动到位后，再按下夹紧按钮SB6，接触器KM5线圈得电，液压泵电机M3反转，液压油进入夹紧油腔，使主轴箱与立柱夹紧。

当确已夹紧、压下SQ4，HL2灯亮，HL1灭，指示主轴箱与立柱已夹紧，可以进行钻削加工。

机床设有4个信号灯：

电源指示灯HL、立柱和主轴箱松开指示灯HL1、立柱和主轴箱夹紧指示灯HL2、主轴电动机旋转指示灯HL3。

照明灯EL用SA2直接控制。

信号（检测）元件：

SQ1-摇臂上限位开关、SQ6-摇臂下限位开关；

SQ2-摇臂松开检测、SQ3-摇臂夹紧检测；

SQ4主轴箱立柱夹紧/松开检测；

SQ5按下整个电路断电。

3基于PLC的Z3040摇臂钻床电气控制系统硬件部分的设计

Z3040摇臂钻床电气控制系统的设计方案由两部分组成，一部分为电气控制系统的硬件设计，也就是PLC的机型的确定；

另一部分是电气控制系统的软件设计，就是PLC控制程序的编写。

为了使改造后的摇臂钻床仍能够保持原有功能不变，此次改造的一个重要原则之一就是，不对原有机床的控制结构做过大的调整，只是将原继电器控制中的硬件接线改为用软件编程来替代。

3．1电气元件的选择

在电气原理图设计完毕之后就可以根据电气原理图进行电气元件的选择工作，本设计中需选择的电气元件主要有：

1.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M1～M4起、停和正反转等。

因此QS

的选择主要考虑电动机M1～M4额定电流和启动电流，由前面已知M1～M4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.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：

FR1选用JR16-20/3D型热继电器。

热元件额定电流11A额定电流调节围为6.8～11A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额定电流调节围为1.5～2.4A工作时调整在1.42A。

3.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。

4.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。

5.熔断器的选择

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Iful≥17.48A，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。

6.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、SB5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。

7.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。

8.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。

综合以上的计算，Z3040摇臂钻床的电器元件明细表见附录Ⅱ。

3．2PLC型号的选择

选择基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的PLC机型，应从以下几个方面来考虑：

3.2.1根据PLC的物理结构

根据物理结构的不同，PLC分为整体式、模块式和叠装式。

整体式的每一I/O点的平均价格比模块式便宜，小型电气控制系统一般使用整体式可编程控制器。

此次所设计的电气控制系统属于小型开关量电气控制系统没有特殊的控制任务，整体式PLC完全可以满足控制要求，且在性能相同的情况下，整体式PLC较模块式和叠装式PLC价格便宜，因此，Z3040摇臂钻床电气控制系统的PLC选用整体式结构的PLC[5]。

3.2.2根据PLC的指令功能

考虑到任何一种PLC都可以满足开关量电气控制系统的要求，据此本课题将尽量采用价格便宜的PLC。

3.2.3根据PLC的输入输出点数

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的25%考虑余量。

所需存总字数=（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48

3.2.4根据PLC的存储容量

PLC存储器容量的估算方法：

对于仅有开关量输入/输出信号的电气控制系统，将所需的输入/输出点数乘以10，就是所需PLC存储器的存储容量（单位为bit）即

（28+20）×

20=480bit

3.2.5根据输入模块的类型

输入模块的输入电压一般为DC24V和AC110V或AC220V。

直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。

交流输入方式的触点接触可靠，适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。

由于本基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的工作环境并不恶劣，且对电气控制系统操作人员来说DC24V电压较AC110V电压安全些。

因此，本基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的PLC输入模块应选直流输入模块，输入电压应DC24V电压[6]。

3.2.6根据输出模块的类型

PLC输出模块有继电器型、晶体管型和晶闸管三种。

继电器型输出模块的触点工作电压围广，导通压降小，承受瞬间过电压和过电流的能力较强，每一点的输出容量较大（可达2A）,在同一时间对导通的输出点的个数没有限制，但动作速度慢，寿命有一定的限制。

晶体管型与晶闸管输出模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应带宽快，寿命长，但是过载能力差，每1点的输出量只有0.5A，4点同时输出的总容量不得超过2A。

由于Z3040摇臂钻床控制对象对PLC输出点的动作表达速度要求不高，继电器型输出模块的动作速度完全能够满足要求，且每一点的输出容量较大，在同一时间对导通的输出点的个数没有限制，这将给设计工作带来很大的方便。

所以本课题选用继电器输出模块，结合Z3040摇臂钻床电气控制系统的实际情况，需要输入点数大于28个，输出点数大于20个。

综上所述，为了使Z3040摇臂钻床在改造后能够良好工作，确认日本三菱公司生产的FX

-64MR-001型和扩展单元FX

-40ER-D型PLC能够满足上述要求，该类型号PLC体积小，功能强，增加了一些大型机的功能和指令，如PID和PWM（PulseWidthModulation，脉宽调制）指令，对于控制器体积要求较高的应用系统是一种很好的选择。

其编程口为RS-232C，可以直接和编程器或计算机连接，使用非常方便，且性价比较高，使用方便。

其主要技术性指标如下：

该型PLC具有Z3040摇臂钻床电气控制系统所需的所有指令功能，其总输入点数为28点，总输出点数为20点，用户存储器容量5K步，输入模块电压为DC24V，输出模块为继电器型。

由此可知，FX

-64MR-001和扩展单元FX

-40ER-D型PLC的技术性能指标完全能满足上述要求。

3.3PLC的I/O端口分配表

根据所选PLC的型号进行I/O点的端口分配，如下表3-1所示：

输入信号

输出信号

名称

代号

输入点编号

输出点编号

复位键

X000

HL1松开指示灯

Y016

急停键

X001

HL2夹紧指示灯

Y017

有无工件检测传感器

X035

HL3主轴工作指示灯

Y020

主轴停止

SB1

X003

计数器

C100

主轴开始

SB2

X004

辅助作用

摇臂上升

SB3

X005

Y035

摇臂下降

SB4

X006

Y021

摇臂停止

ST1

X007

Y045

摇臂松开到位

SQ3

X030

计数器输出

Y030

摇臂夹紧到位

SQ4

X031

电磁阀1

YA

Y010

摇臂上升到位

SQ1

X010

YV

Y011

摇臂下降到位

SQ2

X011

电磁阀2

YM

Y012

主轴箱左移

SB10

X012

YN

Y013

主轴箱右移

SB11

X013

电磁阀3

YH

Y014

主轴箱夹紧到位

SQ5

X014

主轴箱松开到位

SQ6

X015

主轴电动机转

KM1

Y001

主轴箱左移到位

SQ7

X016

M2电动机正转

KM2

Y002

主轴箱右移到位

SQ8

X017

M2电动机反转

KM3

Y003

主轴箱停止

ST2

X032

M3电动机正转

KM4

Y004

摇臂顺回转

SB17

X033

M3电动机反转

KM5

Y005

摇臂逆回转

SB18

X020

M5电动机正转

KM6

Y006

摇臂回转夹紧到位

SQ9

X021

M5电动机反转

KM7

Y007

摇臂回转松开到位

SQ10

X022

M4电动机转

KM8

Y015

摇臂回转停止

ST3

X023

冷却泵开

SB22

X024

冷却泵关

SB23

X025

表3-1I/O分配表

3.3PLC的I/O电气接线图的设计

PLC的I/O电气接线图中所有输入端共用一个COM端，输入信号的其中一端应并接在直流24V电源上，另一端应分别接入相应的PLC输入端子上。

接线时注意PLC输入/输出COM端子的极性。

接触器线圈连接的所有输出端口可以共用一个COM2端。

PLC的I/O电气接线图见附录Ⅲ。

4Z3040摇臂钻床电气控制系统软件部分的设计

4.1PLC梯形图程序的优化设计及程序调试：

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