1、Z3040型摇臂钻床PLC控制系统毕业论文摘 要随着PLC技术在我国的迅猛发展，我们和国外先进技术的差距会不断缩小。因此，抓住这个有利时机进一步促进PLC技术的推广与应用，是提高我国工业自动化水平的迫切任务，此次对于Z3040摇臂钻床电气控制系统改造设计，就是希望借鉴国外先进的工业控制技术，应用到工业现场，以提高摇臂钻床的工作性能。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。 关键词: PLC；摇臂钻床；继电器AbstractTherefore, seized the favorable opportunity to furth
2、er facilitate the promotion and application of the PLC technology is to enhance our industrial automation the urgent task, and the pitman arm under the bed for z3040 electrical control system design, it is hoped that this industrial control technology and advanced applied to industrial site to enhan
3、ce the pitman arm under the beds work performance. digit control technology in the future will have a high speed of systemic,efficiency,automation and intelligent, collectivization, and importance of good workmanship and economical.Key word：PLC； Pitman arm under the bed ； Relays目 录1 绪 论 11.1 PLC在电气控
4、制系统中的应用 11.2 Z3040摇臂钻床简介 21.3 本论文研究的对象及意义 22 系统总体设计 42.1 PLC与继电器-接触器的对比 42.2 具体方案阐述 42.3 PLC控制系统的设计基本内容 62.4 PLC控制系统设计原则与步骤 72.4.1 PLC 控制系统设计的基本原则 72.4.2 PLC 控制系统设计与调试步骤 83 Z3040型摇臂钻床控制系统工艺分析 93.1 Z3040摇臂钻床的运动形式和主要结构 93.2 具体电动机的配置情况及控制形式 113.3 电路分解 133.4 行程开关SQ1SQ3的作用 143.5 时间继电器KT的作用及Z3040摇臂钻床的图形 1
5、43.6 电路工作过程 153.6.1 主轴电动机M1的控制 153.6.2 摇臂升降的控制 153.6.3 以摇臂上升为例分析摇臂升降的控制 163.6.4 主轴箱、立柱松开与夹紧的控制 173.7 液压控制系统 183.7.1 夹紧液压控制系统 183.7.2 摇臂移动与主轴箱移动液压系统图 193.8 系统的硬件连线 204 系统的软件设计 214.1 PLC的编程语言 214.2 PLC的系统结构和基本工作原理 244.2.1 PLC的系统结构 244.2.2 PLC的基本工作原理 254.3 PLC的基本功能和基本指令 264.3.1 PLC的基本功能 264.3.2 PLC的基本指
6、令 275实验及调试过程中遇到的问题 295.1 PLC程序的调试 295.2 调试过程中遇到的问题及解决方法 29结束语 30致 谢 31参考文献 32附录 主要电气元件表 33附录II 控制电路原理图 35附录III PLC控制系统I/O分配表 37附录IV PLC控制系统I/O接线图 39附录V PLC控制程序清单 401 绪论1.1 PLC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
7、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
8、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、
9、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。1.2 Z3040摇臂钻床简介钻床是一种孔加工机床，可用来钻孔、扩孔、绞孔、攻螺纹及修刮端面等多种形式的加工。钻床的结构形式很多，有立式钻床、卧式钻床、深孔钻床等。摇臂钻床是一种立式钻床，它适用于单件或批量生产中带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机床。摇臂钻床主要由底座、内外立座、摇臂、主轴箱和工作台等组成。摇臂的一端为套筒，套装在外立柱上，并借助丝杠的正、反转可沿外立柱作上下移动。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上可通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。加工时，根据工件高度的不同，摇臂借助于丝杠可带着主
10、轴箱沿外立柱上下升降。在升降之前，应自动将摇臂松开，再进行升降，当达到所需的位置时，摇臂自动夹紧在立柱上。摇臂钻床钻削加工分为工作运动和辅助运动。工作运动包括：主运动（主轴的旋转运动）和进给运动（主轴轴向运动）；辅助运动包括：主轴箱沿摇臂的横向移动，摇臂的回转和升降运动。钻削加工时，钻头一面旋转一面作纵向进给。钻床的主运动是主轴带着钻头作旋转运动。进给运动是钻头的上下移动。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内立柱的回转运动。摇臂回转和主轴箱的左右移动采用手动.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
11、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。由于PLC电气控制系统与继电器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，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
12、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。2 系统总体设计2.1 PLC与继电器-接触器的对比目前，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
13、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。它不仅具有各种逻辑控制功能，而且还具有各种运算、数据处理、联网通信等功能的控制，同时还具有抗干扰性强、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。2.2 具体方案阐述方案
14、一：依照旧式Z3040摇臂钻床，利用“翻译法”进行PLC改造。其中摇臂回转、主轴箱左右移动为手动操作。把旧式Z3040摇臂钻床电气图翻译成PLC的梯形图即可。图2.1 方案1图方案二：在旧式Z3040摇臂钻床基础上，加入摇臂回转自动操作，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。图2.2 方案2图方案三：在旧式Z3040摇臂钻床基础上，引入PC技术，以芯片为控制中心，实现智能操作。把摇臂上升、下降的限位开关，换成限位传感器，把信号传递给智能芯片，然后智能芯片在操作电磁阀工作，进而操作电动机转动。在机床夹具旁边加一个感应“笔”，可以与机床刀具的刀头产生感应（
15、像用磁铁、特殊传感器等）来给芯片信号，以实现刀具智能定位。其中摇臂上、下运动，回转运动及主轴箱的左右移动都可与感应“笔”产生信号给智能芯片，实现摇臂上、下运动，回转运动及主轴箱的左右移动智能化。图2.3 方案3图本设计选用第二种方案，即可实现自动化操作，技术含量、成本、设计周期也低，适合本阶段自身的设计水平。2.3 PLC控制系统的设计基本内容1确定系统运行方式与控制方式。PLC可构成各种各样的控制系统，如单机控制系统、集中控制系统等。在进行应用系统设计时，要确定系统的构成形式。 2选择用户输入设备(按钮、操作开关、限位开关、传感器等)、输出设备(继电器、接触器、信号灯等执行元件)以及由输出设
16、备驱动的控制对象(电动机、电磁阀等)。这些设备属于一般的电气元件，其选择的方法属于其他课程的内容。 3PLC的选择。PLC是控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济指标起着重要的作用。选择PLC应包括机型选择、容量选择、IO模块选择、电源模块选择等。 4分配I0点，绘制I0连接图，必要时还须设计控制台(柜)。 5设计控制程序。控制程序是整个系统工作的软件，是保证系统正常、安全、可靠的关键。因此控制系统的程序应经过反复调试、修改，直到满足要求为止。 6编制控制系统的技术文件，包括说明书、电气原理图及电气元件明细表、I0连接图、IO地址分配表、控制软件。2.4 PLC控制系
17、统设计原则与步骤2.4.1 PLC 控制系统设计的基本原则1. 最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。2. 保证PLC控制系统安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以
18、确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。3. 力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。 4. 适应发展的需要 由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设
19、计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。2.4.2 PLC 控制系统设计与调试步骤PLC 控制系统的设计调试过程如图2.4所示。图2.4 PLC控制系统设计调试过程3 Z3040型摇臂钻床控制系统工艺分析3.1 Z3040摇臂钻床的运动形式和主要结构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
20、压夹紧机构与内立柱夹紧，松开后，可绕立柱回转360度。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，可以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定在摇臂在。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。即钻孔使钻头一面做旋转运动，同时做纵向进给运动，主轴变速和进给
21、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机拖到。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。Z3040摇臂钻床的电力拖动要求与控制特点：为简化机床传动装置的机构常采用多台电动
22、机拖动。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。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。加工螺纹时，要求主轴能正反转，采用机械方法来实现。因此，主电动机只需单向旋转，可直接启动，不需要制动。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。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。因此拖动液压泵的电动机要求正反转，采用点动控制。摇臂钻床主轴箱、立柱的夹紧与松开由一条油路控制，且
23、同时控制。而摇臂的夹紧、松开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，因此液压泵电动机采用点动控制。根据夹紧要求，操作者可以手控操作冷却泵电动机单向旋转。必要的联锁和保护环节。机床安全照明及信号指示灯电路。3.2 具体电动机的配置情况及控制形式图3.1 Z3040摇臂钻床主电路该钻床共配置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
24、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，控制电路保证在操作摇臂升降时，首先是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为主轴箱移动步进电动机。由KM6、KM7继电器控制其正反转，进而实现主轴箱移动。短路保护：在主电路中，利用熔断器FU1作总电路M1、M4
25、的短路保护；利用熔断器FU2做电动机M2、M3和控制变压器T原边的短路保护；在控制电路中，利用熔断器FU2作照明回路的短路保护。过载保护：在主电路中，利用热继电器FR1、FR2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的触点将断不开，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。 图3.2 Z3040摇臂钻床电路原理图3.3 电路分解根据电动机主电路
26、控制电器主触点的文字符号将控制电路进行分解电动机M1、M2、M3和电磁铁YV控制电路图。根据主轴电动机M1主电路控制电器主触点文字符号KM1，找到电动机M1的控制电路，这是由按钮SB1、SB2和接触器组成的启动、停止控制电路，如图所示。根据摇臂升降电动机M2主电路控制元件主触点文字符号KM2、KM3，找到电动机M2的控制电路，如图所示，图中有行程开关SQ1、SQ2。摇臂升降电动机M2由摇臂升降按钮SB3、SB4及正反转接触器KM2、KM3组成放的控制电路实现正反转，这是具有复合连锁的电动机正反转点动控制电路，用来控制摇臂上升或下降。根据液压电动机M3主电路控制元件主触点文字符号KM4、KM5，
27、找到电动机M2的控制电路，如图所示，这是由按钮SB5、SB6和接触器KM4、KM5组成的具有接触器连锁的正反转点动控制电路。根据电磁铁文字符号YV，找到电磁阀控制电路，如图所示，图中有行程开关SQ3。根据该系统的控制要求，输入输出设备，确定了I/O点数。根据需要控制的开关、设备大约有11个输入点，9个输出点需进行控制，现将I/O地址分配如附录所示。3.4 行程开关SQ1SQ3的作用行程开关SQ1是摇臂上升和下降至极限位的保护开关，有两副动断触点SQ1，分别串联在摇臂上升和下降控制电路中。SQ1与一般开关不同，其两副动断触点不同时动作。当摇臂升至上升极限位置时，SQ1的动断触点SQ1断开，使接触
28、器KM2失电，升降电动机M2停止，上升运动停止。但SQ1另一副动断触点SQ1仍保持闭合，因此可按下降按钮SB4，使接触器KM3得电吸合，控制摇臂升降电动机M2反向旋转，摇臂下降。反之当摇臂在下降位置时，控制过程类似。在摇臂升降电路中，行程开关SQ2为摇臂放松到位的信号开关，行程开关SQ3为摇臂夹紧的信号开关，行程开关SQ3为摇臂夹紧到位开关。因此行程开关SQ2及SQ3，是用来检查摇臂是否松开或夹紧，以实现限位连锁。SQ2的动合触点串联在KM2、线圈电路中，它在摇臂完全放松到位才动作闭合，以确保摇臂的升降在其放松后进行。如果摇臂没有放开，SQ2就不能闭合，因此控制摇臂升降的KM2或KM3就不能得
29、电吸合，摇臂就不会上升或下降。行程开关SQ3的动断触点SQ3串联在接触器KM5线圈、电磁铁YV线圈电路中，在摇臂完全夹紧时动作。如果摇臂未夹紧，则行程开关SQ3的动断触点闭合保持原状，使接触器KM5、电磁铁YV得电吸合，对摇臂进行夹紧，直到完全夹紧为止，行程开关SQ3的动断触电SQ3应调整到保证夹紧后能够动作，否则会使液压泵电动机M3处与长时间过载运行状态。3.5 时间继电器KT的作用及Z3040摇臂钻床的图形通过KT延时动合触点KT和延时闭合的触点KT，KT能保证在摇臂升降电动机M2完全停止运行后，才能进行摇臂的夹紧动作，KT的延时长短由摇臂升降电动机M2从切断电源到停止的惯性大小来决定，一
30、般为13S。这就是时间连锁。Z3040摇臂钻床的图形图3.3 Z3040摇臂钻床图形3.6 电路工作过程3.6.1 主轴电动机M1的控制按启动按钮SB2 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、反转则由液压系统的操纵机构配合正、反转摩擦离合器实现。3.6.2 摇臂升降的控制当由摇臂上升或下降点动按钮SB3、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M
31、2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，经二位六通阀YV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。3.6.3 以摇臂上升为例分析摇臂升降的控制图3.4 摇臂上升工作电气图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的断电延时断开触点KT闭合，电磁铁YV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。当摇臂上升到所需位置时，松开按钮SB3，KM2与KT线圈同时断
