Z3040型搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、說明書】

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Z3040搖臂鉆床傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的改造問題,旨在解決傳統(tǒng)繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)存在的線路復(fù)雜、可靠性穩(wěn)定性差、故障診斷和排除困難等難題。由于PLC電氣控制系統(tǒng)與繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程方便，調(diào)試周期短，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，故障率低，對(duì)工作環(huán)境要求低等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此，本論文對(duì)Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的改造，將把PLC控制技術(shù)應(yīng)用到改造方案中去，從而大大提高搖臂鉆床的工作性能。論文分析了搖臂鉆床的控制原理，制定了可編程控制器改造Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，完成了電氣控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)，其中包括PLC機(jī)型的選擇、I/O端口的分配、I/O硬件接線圖的繪制、PLC梯形圖程序的設(shè)計(jì)。對(duì)PLC控制搖臂鉆床的工作過程作了詳細(xì)闡述，論述了采用PLC取代傳統(tǒng)繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)從而提高機(jī)床工作性能的方法，給出了相應(yīng)的控制原理圖。 目錄1、概述41.1 本設(shè)計(jì)項(xiàng)目選題背景和意義41.2 國(guó)內(nèi)外關(guān)于本設(shè)計(jì)項(xiàng)目的技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)52、Z3040型搖臂鉆床電氣控制電路分析62.1 Z3040型搖臂鉆床622搖臂鉆床的主要結(jié)構(gòu)62.3搖臂鉆床的電力拖動(dòng)控制要求與特點(diǎn)72.4 電氣控制路線詳解72.5控制電路、信號(hào)及照明電路83、基于PLC的Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)1031 PLC型號(hào)的選擇103.2 PLC的I/O端口分配表123.3 PLC的I/O電氣接線圖的設(shè)計(jì)134、Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)144.1 PLC 梯形圖程序的優(yōu)化設(shè)計(jì)及程序調(diào)試144.2 PLC程序設(shè)計(jì)145、結(jié)論18參考文獻(xiàn)18 1、概述1.1 本設(shè)計(jì)項(xiàng)目背景和意義Z3040搖臂鉆床是工廠中常用的金屬切削機(jī)床，它可以進(jìn)行多種形式的加工，如：鉆孔、鏜孔、鉸孔及螺紋等。從控制上講，它需要機(jī)、電、液壓等系統(tǒng)相互配合使用，而且，要進(jìn)行時(shí)間控制。它的調(diào)速是通過三相交流異步電動(dòng)機(jī)和變速箱來實(shí)現(xiàn)的。也有的是采用多速異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，這樣可以簡(jiǎn)化變速機(jī)構(gòu)。搖臂鉆床的主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由一臺(tái)交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，主軸的正反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過機(jī)械轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的。故主電動(dòng)機(jī)只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向。此外，搖臂的上升、下降和立柱的夾緊、放松各由一臺(tái)交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)1。目前，我國(guó)的Z3040搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)普遍采用的是傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制方式。因其所要控制的電機(jī)較多所以電路較復(fù)雜，在日常的生產(chǎn)作業(yè)當(dāng)中，經(jīng)常發(fā)生電氣故障，從而影響生產(chǎn)。另外，一些復(fù)雜的控制如：時(shí)間、計(jì)數(shù)控制用繼電器接觸器控制方式較難實(shí)現(xiàn)，所以，有必要對(duì)傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。PLC電氣控制系統(tǒng)可以有效的彌補(bǔ)上述系統(tǒng)的這一缺陷?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammable Logic Controller）簡(jiǎn)稱PLC，是從早期的繼電器邏輯電氣控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它不斷吸收微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，使之功能不斷增強(qiáng)，逐漸適合復(fù)雜的電氣控制系統(tǒng)。PLC之所以有較強(qiáng)的生命力，在于它更加適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和市場(chǎng)要求?？煽啃愿?，抗干擾能力強(qiáng)、編程方便、價(jià)格低、壽命長(zhǎng)。與單片機(jī)相比，它的輸入/輸出端更接近現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，不需添加太多的中間部件，這樣可以大大節(jié)省用戶的開發(fā)時(shí)間與生產(chǎn)成本。現(xiàn)在應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域的PLC種類繁多，規(guī)模大小和功能強(qiáng)弱千差萬別，但他們具有以下一些共同的特點(diǎn)。可靠性高?？煽啃允怯脩舻氖走x要求，目前各廠家生產(chǎn)的PLC，平均無故障時(shí)間都大大超過IEC規(guī)定的10萬小時(shí)，例如：西門子、ABB、松下、三菱等微小型PLC，而且都有完善的自診斷功能，判斷故障迅速。 靈活組態(tài)?？删幊炭刂破魇窍盗谢a(chǎn)品，通常采用模塊化結(jié)構(gòu)來完成不同的任務(wù)組合。輸入輸出端口選擇靈活，有多種機(jī)型，組合方便。功能強(qiáng)大，除基本的邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算功能外，配合特殊功能模塊還可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制、PTO運(yùn)算、過程運(yùn)算、數(shù)字控制等功能，為方便工廠管理又可以與上位機(jī)通信，通過遠(yuǎn)程模塊可以控制遠(yuǎn)程設(shè)備。因此，PLC幾乎是全能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。編程方便，易于使用。PLC的編程可采用與繼電器極為相似的梯形圖語(yǔ)言，直觀易懂，深受現(xiàn)場(chǎng)電氣人員的歡迎。近年來又發(fā)展了面向?qū)ο蟮捻樋亓鞒虉D語(yǔ)言（Sequential Function Chart），使編程更加簡(jiǎn)單方便。運(yùn)行速度快。傳統(tǒng)的機(jī)電接觸電氣控制系統(tǒng)通過大量觸點(diǎn)的機(jī)械動(dòng)作進(jìn)行控制，速度很慢，而且系統(tǒng)愈大速度愈慢。PLC的控制速度則由CPU工作速度和掃描速度決定。因此更適合處理高速?gòu)?fù)雜的控制任務(wù)，它與微型計(jì)算機(jī)之間的差別越來越小 2。同時(shí)，PLC還具備了網(wǎng)絡(luò)功能，能進(jìn)行多臺(tái)PLC或PLC與PC機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)通訊，使用PLC可以很方便的構(gòu)成“集中管理、分散控制”的分布式電氣控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC通訊網(wǎng)絡(luò)，可使工廠的各種資源共享，就更適合于工廠自動(dòng)化的需要，為工廠自動(dòng)化提供了技術(shù)保證 3。正是由于PLC電氣控制系統(tǒng)的種種優(yōu)點(diǎn),因此本次對(duì)Z3040搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)的改造,可以大大提高Z3040搖臂鉆床工作性能和系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性,為工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化帶來生機(jī)同時(shí)，提高了PLC編程水平和實(shí)踐能力,為今后在實(shí)際工作中熟練使用PLC進(jìn)行工業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。1.2 國(guó)內(nèi)外關(guān)于本設(shè)計(jì)項(xiàng)目的技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)早在上世紀(jì)六十年代國(guó)外就已經(jīng)出現(xiàn)了可編程序控制器（PLC）的應(yīng)用，之后世界各國(guó)爭(zhēng)相在該領(lǐng)域投入大量資金進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)，在1995年西門子又成功地開發(fā)出了S7200、S7300系列，它具有 TD 200和 COROS OPS操作模板為用戶提供了方便人機(jī)界面，用戶程序三級(jí)口令保護(hù)，極強(qiáng)的計(jì)算性能，完善的指令集，MPI接口和通過工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFD3US以及以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)能力，強(qiáng)勁的內(nèi)部集成功能，全面的故障診斷功能；模塊式結(jié)構(gòu)可用于各處性能的擴(kuò)展，脈沖輸出晶閘管步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)；快速的指令處理大大縮短了循環(huán)周期，并采用了高速計(jì)數(shù)器，高速中斷處理可以分別響應(yīng)過程事件，大幅度降低了成本。由于電氣控制系統(tǒng)的可靠性日益受到人們的重視，一些公司己將自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)廣泛應(yīng)用到現(xiàn)有產(chǎn)品中，推出了高可靠性的冗余系統(tǒng)，并采用熱備用或并行工作、多數(shù)表決的工作方式。由于PLC的眾多優(yōu)點(diǎn)，使其迅速在工業(yè)控制中得到推廣。雖然國(guó)內(nèi)PLC技術(shù)的應(yīng)用前景很大，并且取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，而相比之下，由于受經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平的限制，大多數(shù)企業(yè)在生產(chǎn)上使用的Z3040搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)，還是采用采用繼電器接觸器控制方式，而這種控制方式存在著明顯的缺陷和隱患。極易發(fā)生故障。而且，由于線路復(fù)雜，要想找到問題所在也相當(dāng)?shù)睦щy。和國(guó)外大量采用PLC技術(shù)替代繼電器接觸器系統(tǒng)相比，我們還存在很大差距。隨著PLC技術(shù)在我國(guó)的迅猛發(fā)展，我們和國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距會(huì)不斷縮小。因此，抓住這個(gè)有利時(shí)機(jī)進(jìn)一步促進(jìn)PLC技術(shù)的推廣與應(yīng)用，是提高我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平的迫切任務(wù)，此次對(duì)于Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)，就是希望借鑒國(guó)外先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)，應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，以提高搖臂鉆床的工作性能。2、Z3040型搖臂鉆床電氣控制電路分析2.1 Z3040型搖臂鉆床22搖臂鉆床的主要結(jié)構(gòu)Z3040搖臂床有4臺(tái)工作電動(dòng)機(jī)，一般采用籠式異步電機(jī)，其中M1主電機(jī)：控制主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，單向旋轉(zhuǎn)，用機(jī)械變換完成加工螺紋所需的正、反向；M2搖臂升降電機(jī)：控制搖臂升降運(yùn)動(dòng)，雙向旋轉(zhuǎn)；M3液壓泵電機(jī)：控制搖臂夾緊、放松，主油箱及外立柱相對(duì)內(nèi)立柱的夾緊與放松，雙向旋轉(zhuǎn)；M4冷卻泵電機(jī)：手動(dòng)控制，單向旋轉(zhuǎn)。 圖21SB1-主電機(jī)停止按鈕 SB2-主電機(jī)起動(dòng)按鈕 SB3-搖臂上升按鈕SB4-搖臂下降按鈕 SB5-松開按鈕 SB6-夾緊按鈕 我國(guó)原來生產(chǎn)的Z3040搖臂鉆床的主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和搖臂升降運(yùn)動(dòng)的操作是通過不能復(fù)位的十字開關(guān)來操作的,它本身不具有欠壓和失壓保護(hù)。因此在主回路中要用一個(gè)接觸器將三相電源引入?，F(xiàn)在的Z3040搖臂鉆床取消了十字開關(guān)。2.3搖臂鉆床的電力拖動(dòng)控制要求與特點(diǎn)1一般為了簡(jiǎn)化機(jī)床傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)，常采用多電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。2主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及其變速機(jī)構(gòu)均通過主軸箱的一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)。3為了適應(yīng)多種加工方式的要求，主軸的旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均有較大的調(diào)速范圍，一般情況下由機(jī)械變速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，有時(shí)采用可變極調(diào)速的籠型異步電動(dòng)機(jī)來簡(jiǎn)化變速箱的結(jié)構(gòu)4加工螺紋時(shí)，要求主軸能正、反向旋轉(zhuǎn)，若采用機(jī)械方法來實(shí)現(xiàn)，則拖動(dòng)主軸的電動(dòng)機(jī)只需單向旋轉(zhuǎn)，否則也需要設(shè)計(jì)正反轉(zhuǎn)控制電路。 5搖臂的升降由升降電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，要求電動(dòng)機(jī)能正、反向旋轉(zhuǎn)，一般采用籠型異步電動(dòng)機(jī)配合正反轉(zhuǎn)控制電路實(shí)現(xiàn)。 6內(nèi)外立柱、主軸箱與搖臂的夾緊與松開，有采用手柄機(jī)械操作、電氣-機(jī)械裝置、電氣-液壓裝置、電氣-液壓-機(jī)械裝置等控制方法。Z3040型搖臂鉆床采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵，通過夾緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。其夾緊與松開是通過控制電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，送出不同流向的壓力油，推動(dòng)活塞、帶動(dòng)菱形塊動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。因此拖動(dòng)液壓泵的電動(dòng)機(jī)要求能正、反向旋轉(zhuǎn)。7搖臂鉆床主油箱、立柱的夾緊與松開由一條油路控制，且能同時(shí)動(dòng)作。而搖臂的夾緊、松開是與搖臂升降工作連成一體，由另一條油路控制，根據(jù)鉆床工作要求，通過控制電磁鐵操縱兩條油路，使其中一條處于工作狀態(tài)。由于主軸箱和立柱的夾緊、松開動(dòng)作是點(diǎn)動(dòng)操作的，因此液壓泵電動(dòng)機(jī)能采用點(diǎn)動(dòng)控制。8根據(jù)加工的不同需要，操作者可以手動(dòng)操作冷卻泵電動(dòng)機(jī)作單向旋轉(zhuǎn)。 9機(jī)床必須有相對(duì)獨(dú)立的安全照明和信號(hào)指示電路2.4 電氣控制路線詳解圖2-2為Z3040型搖臂轉(zhuǎn)床電氣原理圖。圖中M1為主軸電動(dòng)機(jī)，M2為要比升降電動(dòng)機(jī)，M3為液壓泵電動(dòng)機(jī)，M4為冷卻泵電動(dòng)機(jī)，Q為電源總開關(guān)。 主軸箱上裝有4個(gè)按鈕SB2、SB1、SB3與SB4分別是主電機(jī)啟動(dòng)、停止按鈕，搖臂上升、下降按鈕。主軸箱轉(zhuǎn)盤上的2個(gè)按鈕SB5、SB6分別為主軸箱及立柱松開按鈕和夾緊按鈕。轉(zhuǎn)盤為主軸箱左右移動(dòng)手柄，操縱桿則操縱主軸的垂直移動(dòng)，兩者均為手動(dòng)，主軸也可機(jī)動(dòng)進(jìn)給。圖2.2 Z3040搖臂鉆床傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)電氣原理圖它的主電路、控制電路、信號(hào)電路的電源均采用自動(dòng)開關(guān)引入，自動(dòng)開關(guān)的電磁脫扣作為短路保護(hù)取代了熔斷器。交流接觸器KM1只主電動(dòng)機(jī)M1接通或斷開的接觸器，KR1為主電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)用熱繼電器。搖臂的升降，立柱的夾緊放松都要求拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，所以M2和M3電動(dòng)機(jī)分別有兩個(gè)接觸器，它們?yōu)镵M2、KM3和KM4、KM5。搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2、冷卻泵電動(dòng)機(jī)M4均為短時(shí)工作，不設(shè)過載保護(hù)。2.5控制電路、信號(hào)及照明電路控制電路的電源由控制變壓器TC二次側(cè)輸出110V供電，中間抽頭603對(duì)地為信號(hào)燈電源6.3V,241號(hào)線對(duì)地為照明變壓器TD二次側(cè)輸出36V。2.5.1 主電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制在主電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前，首先將自動(dòng)開關(guān)Q2、Q3、Q4扳到接通狀態(tài)，同時(shí)將配電盤的門關(guān)好并鎖上。然后再將自動(dòng)開關(guān)Q1扳到接通位置，電源指示燈亮。這時(shí)按下SB1，中間繼電器K1通電并自鎖,為主軸電動(dòng)機(jī)與其他電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)做好了準(zhǔn)備。當(dāng)按下按鈕SB2時(shí)，交流接觸器KM1線圈通電并自鎖使主電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)主電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的指示燈HL4亮。主軸的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)用手柄通過機(jī)械變換的方法來實(shí)現(xiàn)。2.5.2 搖臂的升降控制按下按鈕SB3，時(shí)間繼電器KT1通電吸合，它的瞬動(dòng)觸點(diǎn)（33-35）閉合使KM4線圈通電，液壓電動(dòng)機(jī)M3起動(dòng)供給壓力油，經(jīng)分配閥體進(jìn)入搖臂的松開油腔，推動(dòng)活塞使搖臂松開。同時(shí)活塞桿通過彈簧片使行程開關(guān)ST2的動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開沒，KM4線圈斷電,而ST2的動(dòng)合觸電（17-21）閉合2M線圈通電，它主觸點(diǎn)閉合，2M電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn) 使搖臂上升。如果搖臂沒有松開，ST2的動(dòng)合觸點(diǎn)不能閉合，搖臂升降電動(dòng)機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就保證了只有搖臂的可靠松開后方可使搖臂上升或下降。當(dāng)搖臂上升到所需要的位置時(shí)，松開按鈕SB3，KM2和KT1斷電，升降電動(dòng)機(jī)M2斷電停止，搖臂停止上升。當(dāng)持續(xù)1-3秒后，KT1的斷電延時(shí)閉合的動(dòng)斷觸點(diǎn)（47-49）閉合，KM5線圈經(jīng)7-47-49-51號(hào)線，KM5 線圈通電液壓泵電動(dòng)機(jī)M3反轉(zhuǎn)，使壓力油經(jīng)分配閥進(jìn)入搖臂的夾緊液壓腔，搖臂夾緊。同時(shí)活塞桿通過彈簧片使ST3的動(dòng)斷觸點(diǎn)（7-47）斷開，KM5線圈斷電，M3電動(dòng)機(jī)停止，完成了搖臂的松開上升夾緊動(dòng)作。搖臂升降電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)不能同時(shí)進(jìn)行，否則將造成電源兩相間的短路。為避免由于操作錯(cuò)誤造成事故，在搖臂上升和下降的線路中加入了觸點(diǎn)互鎖和按鈕互鎖。因?yàn)閾u臂的上升或下降是短時(shí)的調(diào)整工作所以采用點(diǎn)動(dòng)方式。行程開關(guān)ST1是為搖臂的上升或下降的極限位置保護(hù)而設(shè)立的。ST1有兩對(duì)常閉觸點(diǎn)，ST1的動(dòng)斷觸點(diǎn)（15-17）是搖臂上升時(shí)的極限位置保護(hù)，ST1的動(dòng)斷觸點(diǎn)（27-17）是搖臂于液壓夾緊機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障或ST3調(diào)整不當(dāng)，將造成液壓泵電動(dòng)機(jī)M3過載它的過載保護(hù)熱繼電器的動(dòng)斷觸點(diǎn)將斷開，KM5釋放同，M3電動(dòng)機(jī)斷電停止。2.5.3立柱和主軸箱的松開及夾緊控制主軸箱與立柱的松開及夾緊控制可以單獨(dú)進(jìn)行，也可以同時(shí)進(jìn)行，它由組合開關(guān)SA2和按鈕SB5（或SB6）進(jìn)行控制。SA2有三個(gè)位置，在中間位置（零位）時(shí)為同時(shí)進(jìn)行，搬到左邊位置時(shí)為立柱的夾緊或放松，搬到右邊位置為主軸箱的夾緊或放松。SB5是主軸箱和立柱的夾緊按鈕。下面以主軸箱的松開和夾緊 為例說明它的動(dòng)作過程：首先將組合開關(guān)SA2搬向右側(cè)，觸點(diǎn)（57-59）接通，觸點(diǎn)(57-63)斷開。當(dāng)要主軸箱松開時(shí)，按下按鈕SB5，這時(shí)時(shí)間繼電器KT2和KT3線圈同時(shí)通電，但KT2為斷電延時(shí)型時(shí)間繼電器，所以KT2的通電使瞬時(shí)常開觸點(diǎn)閉合，斷電延時(shí)斷開的動(dòng)斷觸點(diǎn)（7-57）也閉合使YA1通電，經(jīng)1-3s后KT3的延時(shí)動(dòng)合觸點(diǎn)（7-41）閉合，通過3-5-7-41-43-37-39使KM4通電，液壓泵電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)使壓力液壓油經(jīng)分配閥進(jìn)入主軸箱液壓缸，推動(dòng)活塞使主軸箱放松?；钊麠U使ST4復(fù)位主軸箱和主柱分開，指示燈HL2亮。當(dāng)要主軸夾緊時(shí)，按下按鈕SB6仍首先為YA1通電，經(jīng)1-3s后中，KM5線圈通電，液壓泵電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，壓力油經(jīng)分配閥進(jìn)入主軸箱液壓缸，推動(dòng)活塞使主軸箱夾緊。同時(shí)活塞桿使ST4受壓，它的動(dòng)合觸點(diǎn)（607-613）閉合，指示燈HL3亮，觸點(diǎn)（607-613）斷開，指示燈HL2滅，指示主軸箱與立柱夾緊。當(dāng)將SA2搬到左側(cè)時(shí)，觸點(diǎn)（57-63）接通，（57-59）觸點(diǎn)斷開。按下按鈕SB5或SB6時(shí)使YA2通電，此時(shí)主柱松開或夾緊。SA2在中間位置時(shí)，觸點(diǎn)（57-59、57-63）均接通，按下SB5或SB6時(shí)，YA1、YA2均通電，主軸箱和立柱同時(shí)進(jìn)行夾緊或放松。其它動(dòng)作過程和主軸箱松開和夾緊完全相同4。3、基于PLC的Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案由兩部分組成，一部分為電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，也就是PLC的機(jī)型的確定；另一部分是電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，就是PLC控制程序的編寫。為了使改造后的搖臂鉆床仍能夠保持原有功能不變，此次改造的一個(gè)重要原則之一就是，不對(duì)原有機(jī)床的控制結(jié)構(gòu)做過大的調(diào)整，只是將原繼電器控制中的硬件接線改為用軟件編程來替代。具體方案如下：31 PLC型號(hào)的選擇選擇基于PLC的搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的PLC機(jī)型，應(yīng)從以下幾個(gè)方面來考慮：3.1.1 根據(jù)PLC的物理結(jié)構(gòu)根據(jù)物理結(jié)構(gòu)的不同，PLC分為整體式、模塊式和疊裝式。整體式的每一I/O點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式便宜，小型電氣控制系統(tǒng)一般使用整體式可編程控制器。此次所設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)屬于小型開關(guān)量電氣控制系統(tǒng)沒有特殊的控制任務(wù)，整體式PLC完全可以滿足控制要求，且在性能相同的情況下，整體式PLC較模塊式和疊裝式PLC價(jià)格便宜，因此，Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的PLC選用整體式結(jié)構(gòu)的PLC5。3.1.2 根據(jù)PLC的指令功能 考慮到任何一種PLC都可以滿足開關(guān)量電氣控制系統(tǒng)的要求，據(jù)此本課題將盡量采用價(jià)格便宜的PLC。 3.1.3 根據(jù)PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)如表3.1和表3.2所示，搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)需要17個(gè)輸入口11個(gè)輸出口，PLC的實(shí)際輸入點(diǎn)數(shù)應(yīng)等于或大于所需輸入點(diǎn)數(shù)17，PLC的實(shí)際輸出點(diǎn)數(shù)應(yīng)等于或大于所需輸出點(diǎn)數(shù)11，在條件許可的情況下盡可能留有10%-20%的裕量。3.1.4 根據(jù)PLC的存儲(chǔ)容量PLC存儲(chǔ)器容量的估算方法：對(duì)于僅有開關(guān)量輸入/輸出信號(hào)的電氣控制系統(tǒng)，將所需的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)乘以8，就是所需PLC存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量（單位為bit）即（17+11）8=224bit3.1.5 根據(jù)輸入模塊的類型輸入模塊的輸入電壓一般為DC24V和AC110V或AC220V。直流輸入電路的延遲時(shí)間較短，可以直接與接近開關(guān)、光電開關(guān)等電子輸入裝置連接。交流輸入方式的觸點(diǎn)接觸可靠，適合于在有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境下使用。由于本基于PLC的搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的工作環(huán)境并不惡劣，且對(duì)電氣控制系統(tǒng)操作人員來說DC24V電壓較AC110V電壓安全些。因此，本基于PLC的搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的PLC輸入模塊應(yīng)選直流輸入模塊，輸入電壓應(yīng)DC24V電壓6。3.1.6 根據(jù)輸出模塊的類型PLC輸出模塊有繼電器型、晶體管型和雙向可控硅型三種。繼電器型輸出模塊的觸點(diǎn)工作電壓范圍廣，導(dǎo)通壓降小，承受瞬間過電壓和過電流的能力較強(qiáng)，每一點(diǎn)的輸出容量較大（可達(dá)2A）,在同一時(shí)間內(nèi)對(duì)導(dǎo)通的輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)沒有限制，但動(dòng)作速度慢，壽命有一定的限制。晶體管型與雙向可控硅型輸出模塊分別用于直流負(fù)載和交流負(fù)載，它們的可靠性高，反應(yīng)帶寬快，壽命長(zhǎng)，但是過載能力差，每1點(diǎn)的輸出量只有0.5A，4點(diǎn)同時(shí)輸出的總?cè)萘坎坏贸^2A。由于Z3040搖臂鉆床控制對(duì)象對(duì)PLC輸出點(diǎn)的動(dòng)作表達(dá)速度要求不高，繼電器型輸出模塊的動(dòng)作速度完全能夠滿足要求，且每一點(diǎn)的輸出容量較大，在同一時(shí)間內(nèi)對(duì)導(dǎo)通的輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)沒有限制，這將給設(shè)計(jì)工作帶來很大的方便。所以本課題選用繼電器輸出模塊，結(jié)合Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的實(shí)際情況，需要輸入點(diǎn)數(shù)大于17個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)大于11個(gè)。綜上所述，為了使Z3040搖臂鉆床在改造后能夠良好工作，確認(rèn)日本松下公司生產(chǎn)的FP0-C14RS型和擴(kuò)展單元FP0-E16RS型和FP0-E8RS型PLC能夠滿足上述要求，該類型號(hào)PLC體積小，功能強(qiáng)，增加了一些大型機(jī)的功能和指令，如PID和PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制）指令，對(duì)于控制器體積要求較高的應(yīng)用系統(tǒng)是一種很好的選擇。其編程口為RS-232C，可以直接和編程器或計(jì)算機(jī)連接，使用非常方便，且性價(jià)比較高，使用方便。其主要技術(shù)性指標(biāo)如下：該型PLC具有Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)所需的所有指令功能，其總輸入點(diǎn)數(shù)為20點(diǎn)，總輸出點(diǎn)數(shù)為18點(diǎn)，用戶存儲(chǔ)器容量5K步，輸入模塊電壓為DC24V，輸出模塊為繼電器型。由此可知，F(xiàn)P0-C14RS和擴(kuò)展單元FP0-E16RS型和FP0-E8RS型PLC的技術(shù)性能指標(biāo)完全能滿足上述要求。3.2 PLC的I/O端口分配表 根據(jù)所選PLC的型號(hào)進(jìn)行I/O點(diǎn)的端口分配，如下（表3.1、表3.2）所示：表3.1 輸入信號(hào)端口分配表地址號(hào)符號(hào)名稱用途X0SB1總起動(dòng)按鈕X1SB2主電動(dòng)機(jī)起動(dòng)按鈕X2SB3搖臂上升起動(dòng)按鈕X3SB4搖臂下降起動(dòng)按鈕X4SB5主軸箱、立柱、搖臂松開按鈕X5SB6主軸箱、立柱、搖臂夾緊按鈕X6SB7總停止按鈕X7SB8主電動(dòng)機(jī)停止按鈕X10KR1M1電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)用熱繼電器X11KR2M3電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)用熱繼電器X12ST11搖臂上升用行程開關(guān)X13ST12搖臂下降用行程開關(guān)X14ST2搖臂夾緊、放松用行程開關(guān)X15ST3搖臂夾緊用行程開關(guān)X16ST4立柱夾緊、放松指示用行程開關(guān)X17SA2 - 1主軸箱夾緊、放松用組合開關(guān)X20SA2 - 2立柱夾緊、放松用組合開關(guān)表3.2 輸出信號(hào)端口分配表地址號(hào)符號(hào)名稱用途Y0KM1主軸旋轉(zhuǎn)接觸器Y1KM2搖臂上升接觸器Y2KM3搖臂下降 接觸器Y3KM4主軸箱、立柱、搖臂放松接觸器Y4KM5主軸箱、立柱、搖臂夾緊接觸器Y5YA1主軸箱夾緊、放松用電磁鐵Y6YA2立柱夾緊、放松用電磁鐵Y7HL1電源工作狀態(tài)指示信號(hào)燈Y10HL2立柱松開指示信號(hào)燈Y11HL3立柱夾緊指示信號(hào)燈Y12HL4主電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)指示信號(hào)燈3.3 PLC的I/O電氣接線圖的設(shè)計(jì)下圖為PLC的I/O電氣接線圖，圖中X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X10、X11、X12、X13、X14、X15、X16、X17、X20共用一個(gè)COM端，輸入開關(guān)的其中一端應(yīng)并接在直流24V電源上，另一端應(yīng)分別接入相應(yīng)的PLC輸入端子上。接線時(shí)注意PLC輸入/輸出COM端子的極性。接觸器的線圈工作電壓若為交流110V，則接觸器線圈連接的Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6可以共用一個(gè)COM2端。信號(hào)燈電源電壓為6.3V，因此Y7、Y10、Y11、Y12可以共用一個(gè)COM1端。如果輸出控制設(shè)備存在直流回路，則交流回路直流回路不可共用一個(gè)COM端，而應(yīng)分開使用，本電路的輸出端全為交流回路，因此在電源電壓相同的接口可共用一個(gè)COM端。圖3.1 PLC的I/O電氣接線圖4、Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)4.1 PLC 梯形圖程序的優(yōu)化設(shè)計(jì)及程序調(diào)試為了使Z3040搖臂鉆床在進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)改造后仍能夠完成原有的工作需要，本基于PLC的搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的PLC程序應(yīng)由電氣控制系統(tǒng)預(yù)開程序、主電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和停止控制程序、搖臂升降控制程序即升降電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制程序、立柱和主軸箱的松開與夾緊控制程序即液壓泵電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)程序、信號(hào)的顯示程序、照明控制程序等部分組成。因選用FP0型號(hào)的PLC，所以編程時(shí)采用Windows環(huán)境下運(yùn)行的FPWINGR的編程軟件來編程設(shè)計(jì), 采用TVT90A2可編程控制器訓(xùn)練裝置來進(jìn)行模擬調(diào)試。 4.2 PLC程序設(shè)計(jì)4.2.1系統(tǒng)預(yù)開始程序 X6為總停輸入繼電器，X0為系統(tǒng)預(yù)輸入繼電器，當(dāng)X0閉合后PLC的內(nèi)部繼電器M0接通并自鎖，為電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行工作做好準(zhǔn)備。 圖4.1系統(tǒng)預(yù)開始梯形圖程序4.2.2 主電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制程序X1為主電動(dòng)機(jī)起動(dòng)輸入繼電器，R0閉合后，接通X1，此時(shí)輸出繼電器Y0接通并自鎖，從而使電機(jī)起動(dòng)。 圖4.2 主電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)梯形圖程序4.2.3 搖臂升降控制程序R0閉合后，當(dāng)輸入繼電器X2接通時(shí)，內(nèi)部繼電器R1也接通，同時(shí)Y3得電，使得液壓泵電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，搖臂放松，當(dāng)搖臂徹底放松后，X11的常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開，Y3斷電，Y1得電，搖臂開始上升，當(dāng)上升到極限位置時(shí)，X10的常閉觸點(diǎn)斷開，Y1失電。搖臂完成松開，然后上升的過程。如果想要完成搖臂下降的過程，需接通X3，在搖臂放松后，使Y4得電，使搖臂下降，當(dāng)下降到極限位置時(shí)，X10的常閉觸點(diǎn)斷開，Y2失電。搖臂完成松開，然后下降的過程。 圖4.3 搖臂升降梯形圖程序4.2.4 主軸箱和立柱同時(shí)放松或夾緊控制程序R0閉合后，當(dāng)輸入X4或X5接通時(shí)，內(nèi)部繼電器R2、R3和定時(shí)器T3同時(shí)接通,3秒后，Y3自動(dòng)接通，主軸箱和立柱同時(shí)放松，當(dāng)再次使輸入X4或X5接通時(shí)，Y6接通，主軸箱和立柱同時(shí)夾緊 圖4.4 主軸箱和立柱同時(shí)放松或夾緊梯形圖程序4.2.5 主軸箱和立柱分別單獨(dú)夾緊或放松程序除了可以使立柱和主軸箱同時(shí)夾緊、放松外，還可以使它們分別夾緊或放松，通過手動(dòng)接通X15和X16即可完成上述操作，當(dāng)需要使主軸箱單獨(dú)夾緊或放松時(shí)，用手扳動(dòng)開關(guān)X16使其斷開即可，同樣，用手扳動(dòng)輸入開關(guān)X15，即可達(dá)到單獨(dú)夾緊或放松立柱的目的。 圖4.5 主軸箱和立柱分別單獨(dú)夾緊或放松梯形圖程序4.2.6 信號(hào)顯示程序R0接通，當(dāng)主電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，Y0接通，Y10得電，主電動(dòng)機(jī)起動(dòng)信號(hào)燈亮。立柱夾緊后X14接通，Y9得電，立柱夾緊信號(hào)燈亮。當(dāng)Y3得電后，立柱開始松開，當(dāng)立柱松開后，X14的常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開，Y8得電，立柱松開信號(hào)燈亮。 圖4.6 信號(hào)顯示梯形圖程序4.2.7 電源工作狀態(tài)指示信號(hào)程序R0接通，輸出繼電器Y7得電，此時(shí)電源工作狀態(tài)指示信號(hào)燈亮，表明機(jī)床開始處于工作狀態(tài)。 圖4.7 電源工作狀態(tài)指示信號(hào)梯形圖程序5 結(jié)論本次所做的是基于PLC的搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了Z3040搖臂鉆床的控制自動(dòng)化，方便了工人在生產(chǎn)中對(duì)機(jī)床的實(shí)際操作。通過研究，可得出以下結(jié)論： 可編程控制器是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的新型控制器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾性強(qiáng)，編程方便等特點(diǎn)，本課題采用PLC自動(dòng)控制技術(shù)取代了傳統(tǒng)繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Z3040搖臂鉆床的自動(dòng)控制，從而提高了機(jī)床的工作效率、工作穩(wěn)定性和可靠性，而且，還大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了產(chǎn)品的加工質(zhì)量，降低了設(shè)備故障率，提高了生產(chǎn)率。另外，通過這次課程設(shè)計(jì)使我對(duì)PLC和電控方面的知識(shí)又有了更加深刻的理解和掌握，為今后走向工作崗位從事相關(guān)工作奠定了很好的基礎(chǔ)。由于時(shí)間精力有限，還有許多功能有待擴(kuò)展、完善。主要是沒有對(duì)所控制電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問題進(jìn)行研究，包括主電動(dòng)機(jī)、升降電動(dòng)機(jī)、液壓泵電動(dòng)機(jī)的調(diào)速只能通過機(jī)械調(diào)速或多速電機(jī)來進(jìn)行，屬于有級(jí)調(diào)速，其加工范圍將受到某些限制，系統(tǒng)僅限于邏輯開關(guān)量的控制，對(duì)于PLC的許多高級(jí)指令沒有應(yīng)用到。以上問題有待今后進(jìn)一步研究解決。參考文獻(xiàn)1、張萬奎等編.機(jī)床電氣控制技術(shù)北京大學(xué)出版社，20072、機(jī)電傳動(dòng)控制（第三版），鄧星釧主編，武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001年9月3、機(jī)電傳動(dòng)與控制（第二版），程憲平主編，武漢：華中科技大學(xué)出版社，2003年9月。4、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（第三版），陳伯時(shí)主編，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003年8月。5、半導(dǎo)體變流技術(shù)（第二版），莫正康主編，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001年8月。6、鄧星鐘等編. 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