基于PLC的Z3040型摇臂钻床控制系统设计文档格式.docx
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2.5.2.接触器
20
2.5.3.热继电器
22
2.5.4.熔断器
23
4、总结
24
5、附录
25-33
附录1：
Z3040型摇臂钻床主电路图
25
附录2：
Z3040型摇臂钻床PLC控制I/O（输入、输出）
地址分配表
26
附录3：
Z3040型摇臂钻床PLC控制系统图
27
附录4：
Z3040型摇臂钻床PLC控制系统梯形图
28
附件5：
Z3040Z3040型摇臂钻床安装接线图
30
附件6：
Z3040型摇臂钻床控制柜面板图
31
附件7：
Z3040型摇臂钻床元器件明细表
32
6、参考文献
34
电气控制技术课程设计报告
一、设计目的作用
1、了解电气控制装置的设计方法、步骤及设计原则。
2、学以致用，巩固书本知识。
使初步具有设计电气控制装置的能力。
从而培养和提高独立工作的能力和创造能力。
3．进行一次工程技术设计的基本训练。
培养查阅书籍、参考资料、产品手册、工具书的能力；
上网查寻信息的能力；
运用计算机进行工程绘图的能力；
编制技术文件的能力等等。
1、主要控制电器为四台电机：
主电动机、摇臂升降电动机、液压泵电动机、冷却泵电机。
2、主电动机和液压泵电机采用热继电器进行过载保护，摇臂升降电动机、冷却泵电机均为短时工作，不设过载保护。
3、摇臂的升降，主轴箱、立柱的夹紧放松都要求拖动摇臂升降电动机、液压泵电动机能够正反转。
4、摇臂的升降控制：
按下摇臂上升起动按钮，液压泵电动机起动供给压力油，经分配阀体进入摇臂的松开油腔，推动活塞使摇臂松开。
同时摇臂升降电动机旋转使摇臂上升。
如果摇臂没有松开，摇臂升降电动机不能转动，必须保证了只有摇臂的可靠松开后方可使摇臂上升或下降，可使用限位开关控制。
当摇臂上升到所需要的位置时，松开摇臂上升起动按钮，升降电动机断电，摇臂停止上升。
当持续1~3s后，液压泵电动机反转，使压力油经分配阀进入的夹紧液压腔，摇臂夹紧，同时液压泵电动机停止，完成了摇臂的松开—上升—夹紧动作。
5、摇臂升降电动机的正转与反转不能同时进行，否则将造成电源两相间的短路。
6、因为摇臂的上升或下降是短时的调整工作，所以应采用点动方式。
7、摇臂的上升或下降要设立极限位置保护。
8、立柱和主轴箱的松开与夹紧控制：
主轴箱与立柱的松开及夹紧控制可以单独进行，也可以同时进行。
由开关SA2和按钮SB5（或SB6）进行控制。
SA2有三个位置：
在中间位置（零位）时为松开及夹紧控制同时进行，扳到左边位置时为立柱的夹紧或放松，扳到右边位置时为主轴箱的夹紧或放松。
SB5是主轴箱和立柱的松开按钮，SB6为主轴箱和立柱的夹紧按钮。
9、主轴箱的松开和夹紧为的动作过程：
首先将组合开关SA2扳向右侧。
当要主轴箱松开时，按下按钮SB5，经1～3s后，液压泵电动机正转使压力油经分配阀进入主轴箱液压缸，推动活塞使主轴箱放松。
主轴箱和立柱松开指示灯HL2亮。
当要主轴箱夹紧时，按下按钮SB6，经1～3s后，液压泵电动机反转，压力油经分配阀进入主轴箱液压缸，推动活塞使主轴箱夹紧。
同时指示灯HL3亮，HL2灭，指示主轴箱与立柱夹紧。
10、当将SA2扳到左侧时，立柱松开或夹紧。
SA2在中间位置按下SB5或SB6时，主轴箱和主柱同时进行夹紧或放松。
其他动作过程和主轴箱松开和夹紧完全相同，不再重复。
11、机床要有照明设施。
三、设计的具体实现
钻床为孔加工机床，主要用来加工外形较复杂，没有对称回转轴线的工件上的孔。
如钻孔、镗孔、铰孔及攻螺纹。
因此要求钻床的主轴运动和进给运动有较宽的调速范围。
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0.05～1.60r/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，这样可以简化变速机构。
钻床按其结构型式不同，有立式钻床、卧式钻床、深孔钻床、多轴钻床及摇臂钻床等。
摇臂钻床适合于在大、中型零件上进行钻孔、扩孔、铰孔及攻螺纹等工作，在具有工艺装备的条件下还可以进行镗孔。
Z3040型摇臂钻床的结构如下所示。
Z3040摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成，内立柱固定在底座上，在它的外面套着空心的外立柱，外立柱可绕着内立柱回转。
主轴箱是一个复合部件，它包括主轴及主轴旋转和进给运动的全部传动变速和操作机构。
主轴箱安装于摇臂的水平导轨上，可以通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。
钻削加工时，主轴箱可由夹紧装置将其固定在摇臂的水平导轨上，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。
1、主运动：
主轴带动钻头的旋转运动；
2、进给运动：
钻头的上下运动；
3、辅助运动：
摇臂可沿外立柱的圆柱面上下垂直调整位置；
主轴箱可沿摇臂的导轨横向调整位置；
摇臂及外立柱绕内立柱转动至不同的位置；
工作时可以很方便的调整主轴的位置（工件不动）。
后两者为手动，另外还需考虑主轴箱、摇臂、内外立柱的夹紧和松开。
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。
摇臂的上升、下降由一台交流异步电动机拖动。
主轴箱、立柱的夹紧和放松由另一台交流电动机拖动。
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对加工的刀具进行冷却。
1．M1为单方向旋转，由接触器KM1控制，主轴的正反转则由机床液压系统操纵机构配合正反转摩擦离合器实现，并由热继电器FR1作电动机长期过载保护。
2．M2由正、反转接触器KM2、KM3控制实现正反转。
控制电路保证，在操纵摇臂升降时，首先使液压泵电动机起动旋转，供出压力油，经液压系统将摇臂松开，然后才使电动机M2起动，拖动摇臂上升或下降。
当移动到位后，保证M2先停下，再自动通过液压系统将摇臂夹紧，最后液压泵电机才停下。
M2为短时工作，不设长期过载保护。
3．M3由接触器KM4、KM5实现正反转控制，并有热继电器FR2作长期过载保护。
4．M4电机容量小，仅0.125kW，为短时工作，不设过载保护。
由变压器TC将380V交流电压降为110V，作为控制电源。
指示灯电源为6V。
1．主电动机控制
按下起动按钮SB2，接触器KM1吸合并自锁，主轴电动机M1起动并运转。
按下停止按钮SB8，接触器KM1释放，主轴电动机M1停转。
2．摇臂升降控制
摇臂上升、下降分别由SB3、SB4点动控制。
按上升按钮SB3，时间继电器KT1得电吸合，瞬时动合触点闭合，接触器KM4得电吸合，液压泵电动机M3接通电源正向旋转，供给压力油。
压力油经分配阀体进入摇臂松开的油腔，推动活塞，使摇臂松开。
当摇臂完全松开后，活塞杆通过弹簧片压下限位开关SQ2，使其动断触点SQ2断开，使接触器KM4线圈断电释放，液压泵电动机M3停转，与此同时，另一动合触点SQ2闭合，接触器KM2线圈通电吸合，其主触点接通升降电动机M2的电源，M2启动正向旋转，带动摇臂上升。
如果摇臂没有松开，SQ2的动合触点也不能闭合，KM2就不能吸合，M2不能旋转，摇臂也就不可能上升，保证了只有在摇臂可靠松开后才能使摇臂上升。
当摇臂上升到所需位置时，松开按钮SB3，接触器KM2和时间继电器KT1同时断电释放，摇臂升降电动机M2停转，摇臂停止上升。
由于KT1释放，其延时闭合的动断触点经1-3秒延时后闭合，接触器KM5的线圈经线路通电吸合，液压电动机M3反向起动旋转，供给压力油。
压力油经分配阀进入摇臂夹紧油腔，向相反方向推动活塞，使摇臂夹紧。
同时，活塞杆通过弹簧片压下限位开关SQ2动断触点断开，接触器KM5断电释放，液压泵电动机M3停止旋转，完成了摇臂的松开－上升－夹紧动作。
摇臂的下降过程与上升基本相同，它们的夹紧和放松电路完全一样。
所不同的是按下降按钮SB4时为KM3线圈得电，摇臂升降电动机M2反转，带动摇臂下降。
时间继电器KT1的作用是控制KM5的吸合时间，使M2停止运转后，再夹紧摇臂。
KT1的延时时间应视摇臂在M2断电至停转前的惯性大小调整，应保证摇臂上升（或下降）后才进行夹紧，一般调整在1～3秒。
摇臂升降的限位保护，由组合开关SQ1来实现。
SQ1有两对触点，SQ1-1是摇臂上升时的极限位置保护，SQ1-2是摇臂下降时的极限位置保护。
当摇臂上升到极限位置时，SQ1-1动作，将电路断开，则KM2断电释放，摇臂升降电动机M2停止旋转。
但SQ1的另一触点SQ1-2仍处于闭合状态，保证摇臂能够下降。
同理，当摇臂下降到极限位置时，SQ1-2动作，电路断开，KM3释放，摇臂升降电动机M2停转。
而SQ1的另一动断触点SQ1-1仍闭合，以保证摇臂能够上升。
摇臂的自动夹紧是由行程SQ3来控制的。
如果液压夹紧系统出现故障而不能自动夹紧摇臂，或者由于SQ3调整不当，在摇臂夹紧后不能使SQ3的动断触点断开，都会使液压泵电动机处于长期过载运行状态，这是不允许的。
为了防止损坏液压泵电动机，电路中使用了热继电器FR2。
3．立柱和主轴箱松开、夹紧控制
立柱和主轴箱的松开及夹紧控制可单独进行，也可同时进行，由转换开关SA2和复位按钮SB7（或SB8）进行控制。
SA2有3个位置：
中间位（零位）时，立柱和主轴箱的松开或夹紧同时进行；
左边位为立柱的夹紧或放松；
右边位为主轴箱的夹紧或放松。
复合按钮SB7、SB8分别为松开、夹紧控制按钮。
以主轴箱的松开和夹紧为例：
先将SA2扳到右侧，触点接通，断开。
当要主轴箱松开时，按松开按钮SB7，时间继电器KT2、KT3的线圈同时得电，，KT2是断电延时型时间继电器，它的断电延时断开的常开触点在通电瞬间闭合，电磁铁YA1通电吸合。
经1-3秒延时后，KT3的延时闭合常开触点闭合，接触器KM4线圈经线圈断电，液压泵电动机M3正转，压力油经分配阀进入主轴箱右缸，推动活塞使主轴箱放松。
活塞杆使行程开关SQ4复位，触点SQ4常闭开关,SQ4常开闭合。
指示灯HL2亮，表示主轴箱已松开。
主轴箱夹紧的控制线路及工作原理与松开时相似，只要按松开按钮SB7换成夹紧按钮SB8，接触器KM4换成KM5，M3由正向转动变成反向转动，指示灯HL2换成HL3即可。
当把转换开关SA3拌到左侧时，触点接通，断开。
按松开按钮SB7或夹紧按钮SB8时，电磁铁YA2通电，此时，立柱松开或夹紧；
SA2在中间位时，触点接通。
按SB7或SB8，电磁铁YA1、YA2均通电，主轴箱和立柱同时进行松开或夹紧。
其他动作过程与主轴箱松开或夹紧时完全相同，不在论述。
由于立柱和主轴箱的松开与夹紧是短时间的调整工作，故采用点动控制方式。
4．冷却泵控制
冷却泵电动机M4容量小，所以用QF6直接控制其运行和停止。
5．照明、信号电路
（1）机床照明电路QF5机床工作照明电路开关，同时过载及短路保护作用，EL为工作照明灯。
（2）工作信号指示HL1电源指示灯，当和上QF2时HL1指示灯亮，HL2为立柱和主轴箱松开指示灯，HL3为立柱和主轴箱夹紧指示灯，分别由限位开关SQ4长闭触头和SQ4常开触头控制。
HL4为主轴电动机旋转指示灯，由KM1常开触头控制。
根据原控制电路来确定I/O端口点数，其中：
按钮8个，行程开关5个，转换开关1个（触点位置3个），热继电器常闭2个，中间继电器触点1个，共19个输入端口点数；
接触器7个，中间继电器1个，信号灯4个，共计12个输出端口点数。
在选用PLC上，输出端口需要12个，输入端口需要19个。
而且并不通过网络或其他方式做远程控制。
因此，考虑到经济，实用，稳定等方面因素。
决定选用SIMATIC
S7-200系列的S7－200系列CPU226AC/DC/RELAY型，作为本次设计所用PLC。
I/O分配表见附录2。
1．系统预开程序
本段梯形图程序是为主电动机及其他电动机启动做准备。
当按下SB1（I0.2）中间继电器K1（Q0.0）得电并自锁,其常开触点K1（I0.3）闭合，接通了控制电路电源为机床工作做准备。
梯形图程序如图2－1所示。
图2－1
2．主轴电动机控制程序
主轴电动机只做单方向旋转，需要过载保护，过载保护由热继电器FR1（I0.4）完成。
梯形图程序如图2－2所示。
图2－2
3．摇臂升降控制程序
摇臂的升（或降）严格按照摇臂松开－升（或降）－夹紧的顺序进行。
为此，要求夹紧与放松作用的液压泵电动机与摇臂升降电动机按一定顺序启动工作，由摇臂松开行程开关与摇臂夹紧行程开关发出控制信号进行控制。
当要求摇臂上升（或下降）时，按下SB3（或SB4）首先启动主轴箱、立柱、摇臂松开电路当松开到位时SQ2（I1.3）常开触点闭合,使液压泵电动机旋转（正转或反转）,摇臂上升（或下降）。
液压泵电动机正、反转需必要的互锁。
梯形图如图2－3所示。
图2-3
4．主轴箱、立柱、摇臂松开、夹紧控制程序
Z3040摇臂钻床，摇臂的松开、夹紧与摇臂的升降要求能自动控制，本设计采用定时器与行程开关配合完成，有必要的联锁保护。
梯形图程序如图2－4所示。
图2－4
5．主轴箱、立柱松开、夹紧控制程序
主轴箱、立柱松开与夹紧控制要求可单独操作，也可以同时操作，由转换开关SA和SB5、SB6配合定时器进行控制。
梯形图程序如图2－5所示。
图2－5
6．信号指示梯形图程序
电源指示灯HL1（Q1.0）当机床上电时指示，采用S－200PLC特殊内部继电器SM0.0实现；
立柱、主轴箱松开、夹紧指示灯HL2（Q1.1）、HL3（Q1.2）由限位开关SQ4（I2.0）控制；
主轴电动机旋转指示灯HL4（Q1.3）由KM1（Q0.1）控制。
梯形图程序如图2－6所示。
图2－6
LDNI0.0
LDI0.1
OQ0.0
ALD
=Q0.0系统准备
LDI0.4
OQ0.1
ANI0.5
AI0.3
=Q0.1主轴电动机控制
LDI0.6
ANI1.0
LDI0.7
ANI1.1
OLD
=M0.0
LDM0.0
AI1.2
LPS
ANI0.7
ANQ0.3
=Q0.2摇臂上升
LPP
ANI0.6
ANQ0.2
=Q0.3摇臂下降
ANI1.2
ANM0.1
LDM0.1
ANI1.6
AT39
AI1.4
ANQ0.5
=Q0.4主轴箱立柱摇臂松开
LDNI1.6
AM0.2
ONI1.3
ANT37
ANQ0.4
=Q0.5主轴箱立柱摇臂夹紧
TOFT37,30
LDI1.5
OI1.6
ANM0.0
=M0.1
TOFT38,30
LDI2.0
OI2.1
AT38
=Q0.6主轴箱松开夹紧
LDI2.2
=Q0.7立柱松开夹紧
=M0.2
TONT39,30
LDSM0.0
=Q1.0电源指示
LDI0.2
ANI1.7
=Q1.1立柱松开指示
LRD
AI1.7
=Q1.2立柱夹紧指示
AQ0.1
=Q1.3主轴电动机旋转指示
1.1低压断路器的选用
低压断路器的选用应符合GB/T14048.1-1992《低压开关设备和控制设备总则》、GB/T14048.2-1993《低压电器外壳防护等级》、GB/T14048.2-1994《低压开关设备和控制设备低压断路器》等国家标准，而且与国际标准接轨。
1.2选用的技术原则
（1）断路器的额定工作电压应大于或等于线路或设备的额定工作电压。
对于配电电路来说应注意区别是电源端保护还是负载保护，电源端电压比负载端电压高出约5%左右。
（2）断路器主电路额定工作电流大于或等于负载工作电流。
（3）断路器的过载脱扣整定电流应等于负载工作电流。
（4）断路器的额定通断能力大于或等于电路的最大断路电流。
（5）断路器的欠电压脱扣器额定电压等于主电路的最大短路电流。
（6）断路器类型的选择，应根据电路的额定电流及保护的要求开选用。
根据以上选择原则以Z3040摇臂钻床总电源输入断路器QF1为例说明：
Z3040摇臂钻床额定工作电压为380V负载的工作电流既为4台电动机的工作电流之和，即I=IMN1+IMN2+IMN3+=6.8+3.7+2.1=12.6A，故选择DZ5-50/500，15A型断路器。
其它断路器的选择型号、规格、数量请祥见附录7Z3040型摇臂钻床主要电元器件明细表。
为了保证系统的正常工作，必须根据以下原则正确选择接触器，使接触器的技术参数满足控制线路的要求。
1．接触器的选择原则
（1）接触器类型的选择
接触器的类型应根据电路中负载电流的种类来选择。
即交流负载应选用交流接触器，支流负载应选用支流接触器。
根据使用类别选用相应系列产品，接触器产品系列是按使用类别设计的，所以应根据接触器负担的工作任务来选择相应的使用类别。
若电动机承受一般任务，其接触器可选AC-3类；
若承担重任务可选用AC-4类，如选用AC-3类用于重任务时，应降低容量使用，例如，AC-3设计的控制4kW电动机的接触器，用于中任务时，应降低一个容量等级，只能控制2.2kW电动机等。
支流接触器的选择类别于交流接触器类似。
（2）接触器主触点的额定电压选择
被选用的接触器主触点的额定电压应大于或等于负载的额定电压。
（3）接触器主触点额定电流的选择
对于电动机负载，接触器主触点额定电流按下式计算
IN=PN×
103/
UNcosφ.η
式中：
PN－电动机功率（kW）。
UN－电动机额定线电压（V）
Cosφ－电动机功率因数，其值大约在0.85～0.9之间。
η－电动机的效率，其值一般在0.8～0.9之间。
（4）接触器吸引线圈电压的选择
如果控制线路比较简单，所用接触器数量较少，则交流接触器线圈的额定电压一般直接选用380V或220V。
如果控制线路比较复杂，使用的电器又比较多，为了安全起见，线圈的额定电压可选底一些。
例如，交流接触器线圈电压可选择127V、36V等，这时需要附加一个控制变压器。
支流接触器线圈的额定电压应视控制回路的情况而定。
同一系列、同一容量等级的接触器，其线圈的额定电压有几种，可以选线圈的额定电压与支流控制电路的电压一致。
直流接触器的线圈加的是直流电压，交流接触器的线圈一般是加交流电压。
有时为了提高接触器的最大操作频率，交流接触器也有采用直接线圈的。
2．接触器的选择
（1）主轴电动机接触器KM1的选择
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