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摇臂钻床控制系统的设计毕业设计论文
新乡职业技术学院
毕业设计（论文）
题目摇臂钻床控制系统的设计
系别机电工程系
学生姓名张庆伟
学号**********
专业名称机电一体化
指导教师李静
2013年4月23日
摇臂钻床控制系统的设计
摘要
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。
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，给出了相应的控制原理图。
关键词：
可编程控制器，摇臂钻床，梯形图，电气控制系统
前言
一、本课题的选题背景和意义
Z3040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[1]。
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（ProgrammableLogicController）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。
现在应用于各种工业控制领域的PLC种类繁多，规模大小和功能强弱千差万别，但他们具有以下一些共同的特点。
可靠性高。
可靠性是用户的首选要求，目前各厂家生产的PLC，平均无故障时间都大大超过IEC规定的10万小时，例如：
西门子、ABB、松下、三菱等微小型PLC，而且都有完善的自诊断功能，判断故障迅速。
灵活组态。
可编程控制器是系列化产品，通常采用模块化结构来完成不同的任务组合。
输入输出端口选择灵活，有多种机型，组合方便。
功能强大，除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PTO运算、过程运算、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远程设备。
因此，PLC几乎是全能的工业控制计算机。
编程方便，易于使用。
PLC的编程可采用与继电器极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气人员的欢迎。
近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言（SequentialFunctionChart），使编程更加简单方便。
运行速度快。
传统的机电接触电气控制系统通过大量触点的机械动作进行控制，速度很慢，而且系统愈大速度愈慢。
PLC的控制速度则由CPU工作速度和扫描速度决定。
因此更适合处理高速复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别越来越小[2]。
同时，PLC还具备了网络功能，能进行多台PLC或PLC与PC机之间的联网通讯，使用PLC可以很方便的构成“集中管理、分散控制”的分布式电气控制系统，通过现场总线的PLC通讯网络，可使工厂的各种资源共享，就更适合于工厂自动化的需要，为工厂自动化提供了技术保证[3]。
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。
二、国内外关于本课题的技术研究现状和发展动态
早在上世纪六十年代国外就已经出现了可编程序控制器（PLC）的应用，之后世界各国争相在该领域投入大量资金进行新产品的开发，在1995年西门子又成功地开发出了S7200、S7300系列，它具有TD200和COROSOPS操作模板为用户提供了方便人机界面，用户程序三级口令保护，极强的计算性能，完善的指令集，MPI接口和通过工业现场总线PROFD3US以及以太网联网的网络能力，强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能；模块式结构可用于各处性能的扩展，脉冲输出晶闸管步进电机和直流电机；快速的指令处理大大缩短了循环周期，并采用了高速计数器，高速中断处理可以分别响应过程事件，大幅度降低了成本。
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。
液压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用液压完成传递能量的过程。
因为液压传动控制方式的灵活性和便捷性，液压控制在工业上受到广泛的重视。
液压传动是研究以有压流体为能源介质，来实现各种机械和自动控制的学科。
液压传动利用这种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制。
图1液压传动能量传递过程
从原理上来说，液压传动所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理，就是说，液体各处的压强是一致的，这样，在平衡的系统中，比较小的活塞上面施加的压力比较小，而大的活塞上施加的压力也比较大，这样能够保持液体的静止。
所以通过液体的传递，可以得到不同端上的不同的压力，这样就可以达到一个变换的目的。
我们所常见到的液压千斤顶就是利用了这个原理来达到力的传递[2]。
图2液压传动基本原理
液压作为一个广泛应用的技术，在未来更是有广阔的前景。
随着计算机的深入发展，液压控制系统可以和智能控制的技术、计算机控制的技术等技术结合起来，这样就能够更多的场合中发挥作用，也可以更加精巧的、更加灵活地完成预期的控制任务。
第一章.Z3040摇臂钻床的简介
§1.1Z3040摇臂钻床的简介
摇臂钻床的主要结构
摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、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，在他的外面套有外立柱，外立柱可绕内立柱回转360度。
摇臂的一端为套筒，它套装在外立柱做上下移动。
由于丝杆与外立柱练成一体，而升降螺母固定在摇臂上，因此摇臂不能绕外立柱转动，只能与外立柱一起绕内立柱回转。
主轴箱是一个复合部件，由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构、机床的操作机构等部分组成。
主轴箱安装在摇臂的水平导轨上，可以通过手轮操作，使其在水平导轨上沿摇臂移动。
图1-1Z3040摇臂钻床实物图
第二章．摇臂钻床电气控制
§2.1、电气控制线路图的设计
一、主电路设计
电源由空气隔离开关QS引入，FU1用作系统的短路保护，主轴电动机M1由接触器KM2、KM3控制正反转，FR1作过载保护；接触器KM4、KM5的主触点控制液压泵电动机M3正反转，FR2作过载保护；冷却泵电动机M4的工作由组合开关SA1控制，熔断器FU2用作电动机M2、M3主电路的过流和短路保护。
二、控制电路的设计
（1）主轴电动机M1的控制设计
根据设计要求，主轴电动机M1的起-停由按钮SB1、SB2和接触器KM1线圈及自锁触点来控制，当主轴电动机M1过载时，热继电器FR1起过载保护。
（2）摇臂升降电动机M2和液压泵电动机M3的控制设计
根据设计要求，这两个电机需完成升降和夹紧的工作任务，所以，要用行程开关SQ（1-4）和按钮SB（3-6）来控制两个电动机的起-停和正反转，SQ3、SQ4分别为松开与夹紧限位开关，SQ1、SQ2分别为摇臂升降极限开关，SB3、SB4分别为上升与下降按钮，SB5、SB6分别为立柱、主轴箱夹紧装置的松开与夹紧按钮。
综合以上考虑，绘出Z3040摇臂钻床的控制电路如附图2-1所示。
三、局部照明及信号指示电路的设计
局部照明设备用照明灯HL、灯开关SA2和照明回路熔断器FU3来组合。
信号指示电路由三路构成：
一路为“主电动机工作”指示灯HL3（绿）在电源接通后，KM1线圈得电，其辅助常开触点闭合后绿灯立即亮，表示主电动机处于供电状态；一路为（松开）指示灯HL1（红），若行程开关SQ4动断触点合上，红灯亮，表示摇臂放松；另一路为（夹紧）指示灯HL2（黄），若行程开关SQ4动合触点闭合，黄灯亮，表示摇臂夹紧。
由此，绘出Z3040摇臂钻床的照明及信号指示电路图如下图2-1所示。
图2-1Z3040摇臂钻床电气控制原理图
电气元件的选择
绘出Z3040摇臂钻床的电器元件明细表如表2-1所示。
表2-1Z3040摇臂钻床的电器元件明细表
符号
名称
型号
规格
数量
M1
三相异步电动机
Y100L2-4
3.0KW,380V,6.82A,1430r/min
1
M2
摇臂升降电动机
Y90S-4
1.1KW,2.01A,1390r/min
1
M3
液压泵电动机
JO31-2
0.6KW,1.42A,2880r/min
1
M4
冷却泵电动机
JCB-22
0.125KW,0.43A,2790r/min
1
QS
组合开关
HZ5-20
三极，500V,20A
1
KM1
交流接触器
CJ-10
10A,线圈电压127V
1
KM2,KM3
KM4,KM5
交流接触器
CJ10-5
5A,线圈电压127V
5
KT
时间继电器
JSSI
AC127V,DC24V
1
FR1
热继电器
JR16-20/3
热元件额定电流11A,整定电流6.82A
1
FR2
热继电器
JR16-20/3
热元件额定电流2.4A,整定电流2.01A
1
FU1
熔断器
RL1-60
500V,熔体20A
1
FU2
熔断器
RL1-15
500V,熔体10A
1
FU3
熔断器
RL1-16
500V,熔体2A
1
TC
控制变压器
BK-100
100VA,380V/127,36,6.3V
1
SB1,SB4
控制按钮
LA-18
5A,红色
2
SB2,SB5
控制按钮
LA-18
5A,绿色
2
SB3,SB6
控制按钮
LA-18
5A,黑色
2
HL1,HL2,
HL3
指示灯
ZSD-0
6.3V,绿色1红色1黄色1
3
EL,SA1,
SA2
照明灯，控制开关
JC2
36V,40W
3
图2-2电器位置图
图2-3电气接线图
§2.2主要线路的工作情况
1、主轴电机M1控制
按下启动按钮SB2，接触器KM1线圈通电吸合并自锁，其主触点接通主拖动电动机的电源，主电动机M1旋转。
需要使主电动机停止工作时，按停止按钮SB1，接触器KM1断电释放，主电动机M1被切断电源而停止工作。
主电动机采用热继电器FR1作过载保护，采用熔断器FU1作短路保护。
主电动机的工作指示由KM1的辅助动合出点控制指示灯HL1来实现，当主电动机在工作时，指示灯HL1亮。
2、摇臂的升降控制
摇臂升降运动必须在摇臂完全放松的条件下进行，升降过程结束后应将摇臂夹紧固定。
摇臂升降运动的动作过程为：
摇臂放松——摇臂升/降——摇臂夹紧。
（注：
夹紧必须在摇臂停止时进行）
摇臂上升与下降控制的工作过程如下：
按下上升（或下降）控制按钮SB3（或SB4），断电延时继电器KT线圈通电，同时KT动合触点使电磁铁YA线圈通电，接触器KM4线圈通电，电动机M3正转，高压油进入摇臂松开油腔，推动活塞和菱形块实现摇臂的放松。
放松至需要高度后，压下行程开关SQ3，接触器KM4线圈断电（摇臂放松过程结束），接触器KM2（KM3）线圈得电，主触点闭合接通升降电动机M2，带动摇臂上升。
由于此时要比已松开，SQ4被复位，HL2灯亮，表示松开指示。
松开按钮SB3（SB4），KM2（KM3）线圈断电，摇臂上升（下降）运动停止，时间继电器KT线圈断电（电磁铁YA线圈仍通电），当延时结束，即升降电机完全停止时，KT延时闭合动断触点闭合，KM5线圈得电，液压泵电动机反向序接通电源而反转，压力油井另一条油路进入摇臂夹紧油腔，反方向推动活塞和菱形块，使摇臂夹紧。
摇臂做夹紧运动，以定时间后KT动合延时断开触点断开，接触器KM5线圈和电磁铁YA线圈断电，电磁阀复位，液压泵电动机M3断电停止工作，摇臂上升（下降）运动结束。
SQ1（SQ2）为摇臂上升（下降）的限位保护开关。
3、主轴箱和立柱的夹紧与放松
按动按钮SB5，接触器KM4线圈通电，液压泵电动机M3正转（YA不通电），主轴箱和立柱的夹紧装置放松，完全放松后位置开关SQ4不受压，指示灯HL1做主轴箱和立柱的放松指示，松开按钮SB5,KM4线圈断电，液压泵电动机M3停转，放松过程结束。
HL1放松指示状态下，可手动操作外立柱带动摇臂沿内立柱回转动作，以及主轴箱摇臂长度方向水平移动。
按动按钮SB6，接触器KM5线圈通电，主轴箱和立柱的夹紧装置夹紧，夹紧后压下位置开关SQ4，指示灯HL2做夹紧指示，松开按钮SB6，接触器KM5线圈断电，主轴箱和立柱的夹紧状态保持。
在HL2的夹紧指示灯状态下，可以进行孔加工（此时不能手动移动）。
第三章电气控制系统硬件部分的设计
§3.1基于PLC的Z3040摇臂钻床控制部分的设计
1.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。
2.根据PLC的输入输出点数
如表3.1和表3.2所示，摇臂钻床的电气控制系统需要17个输入口11个输出口，PLC的实际输入点数应等于或大于所需输入点数17，PLC的实际输出点数应等于或大于所需输出点数11，在条件许可的情况下尽可能留有10%-20%的裕量。
3.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]。
4.根据输出模块的类型
PLC输出模块有继电器型、晶体管型和双向可控硅型三种。
继电器型输出模块的触点工作电压范围广，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）,在同一时间内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。
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，在同一时间内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17个，输出点数大于11个。
5.PLC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、表3-2）所示：
表3-1输入信号端口分配表
地址号
符号名称
用途
X0
SB1
总起动按钮
X1
SB2
主电动机起动按钮
X2
SB3
摇臂上升起动按钮
X3
SB4
摇臂下降起动按钮
X4
SB5
主轴箱、立柱、摇臂松开按钮
X5
SB6
主轴箱、立柱、摇臂夹紧按钮
X6
SB7
总停止按钮
X7
SB8
主电动机停止按钮
X8
KR1
M1电动机过载保护用热继电器
X9
KR2
M3电动机过载保护用热继电器
X10
ST1－1
摇臂上升用行程开关
X11
ST1－2
摇臂下降用行程开关
X12
ST2
摇臂夹紧、放松用行程开关
X13
ST3
摇臂夹紧用行程开关
X14
ST4
立柱夹紧、放松指示用行程开关
X15
SA2-1
主轴箱夹紧、放松用组合开关
X16
SA2-2
立柱夹紧、放松用组合开关
表3-2输出信号端口分配表
地址号
符号名称
用途
Y0
KM1
主轴旋转接触器
Y1
KM2
摇臂上升接触器
Y2
KM3
摇臂下降接触器
Y3
KM4
主轴箱、立柱、摇臂放松接触器
Y4
KM5
主轴箱、立柱、摇臂夹紧接触器
Y5
YA1
主轴箱夹紧、放松用电磁铁
Y6
YA2
立柱夹紧、放松用电磁铁
Y7
HL1
电源工作状态指示信号灯
Y8
HL2
立柱松开指示信号灯
Y9
HL3
立柱夹紧指示信号灯
Y10
HL4
主电动机旋转指示信号灯
6.PLC的I/O电气接线图的设计
下图为PLC的I/O电气接线图，输入开关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。
接触器的线圈工作电压若为交流110V，则接触器线圈连接的Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6可以共用一个COM2端。
如果输出控制设备存在直流回路，则交流回路直流回路不可共用一个COM端，而应分开使用，电路的输出端全为交流回路，因此在电源电压相同的接口可共用一个COM端。
图3-1PLC的I/O电气接线图
§3.2Z3040摇臂钻床电气控制系统软件部分的设计
1.PLC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、照明控制程序等部分组成。
因选用FP0型号的PLC，所以编程时采用Windows环境下运行的FPWIN—GR的编程软件来编程设计,采用TVT—90A2可编程控制器训练装置来进行模拟调试。
如下列图形所示：
（1）系统预开程序
X6为总停输入继电器，X0为系统预开输入继电器。
当X0闭合后PLC的内部继电器R0接通并自锁，为电气控制系统进行工作做好准备。
图3-2系统预开梯形图程序
（2）主电动机的起动控制程序
X1为主电动机起动输入继电器，R0闭合后，接通X1，此时输出继电器Y0接通并自锁，从而使电机起动。
图3-3主电动机的起动梯形图程序
（3）摇臂升降控制程序
R0闭合后，当输入继电器X2接通时，内部继电器R1也接通，同时Y3得电，使得液压泵电动机起动，摇臂放松，当摇臂彻底放松后，X11的常开触点闭合，常闭触点断开，Y3断电，Y1得电，摇臂开始上升，当上升到极限位置时，X10的常闭触点断开，Y1失电。
摇臂完成松开，然后上升的过程。
如果想要完成摇臂下降的过程，需接通X3，在摇臂放松后，使Y4得电，使摇臂下降，当下降到极限位置时，X10的常闭触点断开，Y2失电。
摇臂完成松开，然后下降的过程。
图3-4摇臂升降梯形图程序
（4）主轴箱和立柱同时放松或夹紧控制程序
R0闭合后，当输入X4或X5接通时，内部继电器R2、R3和定时器T3同时接通,3秒后，Y3自动接通，主轴箱和立柱同时放松，当再次使输入X4或X5接通时，Y6接通，主轴箱和立柱同时夹紧。
图3-5主轴箱和立柱同时放松或夹紧梯形图程序
（5）主轴箱和立柱分别单独夹紧或放松程序
图3-6主轴箱和立柱分别单独夹紧或放松梯形图程序
除了可以使立柱和主轴箱同时夹紧、放松外，还可以使它们分别夹紧或放松，通过手动接通X15和X16即可完成上述操作，当需要使主轴箱单独夹紧或放松时，用手扳动开关X16使其断开即可，同样，用手扳动输入开关X15，即可达到单独夹紧或放松立柱的目的。
（6）信号显示程序
R0接通，当主电动机起动后，Y0接通，Y10得电，主电动机起动信号灯亮。
立柱夹紧后X14接通，Y9得电，立柱夹紧信号灯亮。
当Y3得电后，立柱开始松开，当立柱松开后，X14的常开触点闭合，常闭触点断开，Y8得电，立柱松开信号灯亮。
图3-7信号显示梯形图程序
（7）电源工作状态指示信号程序
R0接通，输出继电器Y7得电，此时电源工作状态指示信号灯亮，表明机床开始处于工作状态。
图3-8电源工作状态指示信号梯形图程序
第四章Z3040摇臂钻床液压系统的设计
§4.1液压系统的初步设计
1.制定调速方案
液压执行元件确定之后，其运动方向和运动速度的控制是拟定液压回路的核心问题。
方向控制用换向阀或逻辑控制单元来实现。
对于一般中小流量的液压系统，大多通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。
对高压大流量的液压系统，现多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。
速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。
相应的调整方式有节流调速、容积调速以及二者的结合——容积节流调速。
节流调速一般采用定量泵供油，用流量控制阀改变输入或输出液压执行元件的流量来调节速度。
此种调速方式结构简单，由于这种系统必须用闪流阀，故效率低，发热量大，多用于功率不大的场合。
容积调速是靠改变液压泵或液压马达的排量来达到调速的目的。
其优点是没有溢流损失和节流损失，效率较高。
但为了散热和补充泄漏，需要有辅助泵。
此种调速方式适用于功率大、运动速度高的液压系统。
节流调速又分别有进油节流、回油节流和旁路节流三种形式。
进油节流起动冲击较小，回油节流常用于有负载荷的场合，旁路节流多用于高速
容积调速大多采用闭式循环形式。
闭式系统中，液压泵的吸油口直接与执行元件的排油口相通，形成一个封闭的循环回路。
其结构紧凑，但散热条件差[5]。
2.制定压力控制方案
液压执行元件工作时，要求系统保持一定的工作压力或在一定压力范围内工作，也有的需要多级或无级调节压力，一般在节流调速系统中，通常由定量泵供油，用溢流阀调节所需压力，并保持恒定。
在容积调速系统中，用变量泵供油，用安全阀起安全保护作用。
3.选择液压动力源
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