推荐Z3040摇臂钻床的PLC改造 精品.docx

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宜宾职业技术学院

题目：

Z3040摇臂钻床的PLC改造

（）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的（），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用（）的规定，即：

按照学校要求提交（）的印刷本和电子版本；学校有权保存（）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位版权使用授权书

本学位作者完全了解学校有关保留、使用学位的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交的复印件和电子版，允许被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位。

涉密按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

宜宾职业技术学院

毕业（设计）选题报告

姓名

庄永科

性别

男

学号

20XX10093

系部

自动控制工程系

专业

机电一体化

（设计）题目

Z3040摇臂钻床的PLC改造

课题来源

自拟

课题类别

设计

选做本课题的原因及条件分析：

原因：

随着我国微型计算机技术的迅速发展，PLC技术的发展也进入了一个新的时代，是近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。

PLC在摇臂钻床中的应用也越来越广泛。

其中，Z3040摇臂钻床是我国使用较多的钻床，是一般机械加工车间常用的机床。

因此，利用PLC对摇臂钻床继电器电路进行设计，有助于提高设备的可靠性。

条件：

通过PLC理论学习和亲手实践对PLC有了比较深刻的了解；学校有一些相关的机床，让我更加了解了机床的结构.

内容和要求

内容：

（1）分析Z3040摇臂转床的主要结构及工作原理;

（2）根据被控对象和输入变化量进行PLC的I/O分配;

（3）根据I/O分配画出PLC的接线图;

（4）设计PLC控制梯形图；

要求:

（1）设计控制系统中严格遵守安全操作及学校的有关规定制度，产品符合要求；

（2）按时独立完成的各项工作；

（3）毕业（设计）做到：

立论准确，论述充分，结论严谨合理；分析处理科学；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备，整洁，正确。

指导教师意见

（签章）

年月日

系部毕业（设计）领导小组意见：

（签章）

年月日

Z3040摇臂转床的PLC改造

指导老师：

刘家伦

20XX级机电一体化专业学号20XX10093姓名庄永科

摘要

Z3040摇臂钻床是我国使用较多的钻床，是一般机械加工车间常用的机床。

由于其控制系统采用继电器控制方式，电路接线复杂、触点多。

长期使用后，故障率高，故障排查困难，常常影响企业的正常生产。

因此对Z3040摇臂转床的PLC改造有特别重要的意义。

PLC具有可靠性高，环境适应性强，使用方便，维护简单等优点。

因此，利用PLC对摇臂钻床继电器电路进行设计，有助于提高设备的可靠性。

本文分别对Z3040摇臂转床的主轴电动机的控制，摇臂的上升、下降以及主轴箱、立柱的松开和夹紧进行PLC改造。

最后绘制出梯形图和I/O接口图。

关键词：

Z3040摇臂转床；电气控制系统；PLC改造

Z3040RockerSwitchToTheBedPLCReconstruction

Tutor:

LiuJiaLun

Author:

ZhuangYongKe

摘 要Abstract

Z3040摇臂钻床是我国使用较多的钻床，是一般机械加工车间常用的机床。

RadialDrillingMachineZ3040isChina'suseofmoredrilling,ismonlyusedingeneralmachiningmachinetoolshop.由于其控制系统采用继电器控制方式，电路接线复杂、触点多。

Becauseofitscontrolsystemusesrelaycontrolmode,circuitwiringplex,multi-touch.长期使用后，故障率高，故障排查困难，常常影响企业的正常生产。

Long-termusethefailurerateishigh,troubleshootingproblemsandoftenaffectfailurethenormalproduction.因此对Z3040摇臂转床的PLC改造有特别重要的意义。

ThereforeZ3040rockerswitchtothebedPLCtransformationofspecialimportance.PLC具有可靠性高，环境适应性强，使用方便，维护简单等优点。

PLChasahighreliability,environmentaladaptability,easytouse,easymaintenanceandsoon.因此，利用PLC对摇臂钻床继电器电路进行设计，有助于提高设备的可靠性。

Therefore,theuseofPLCrelaycircuitforradialdrillingmachineisdesignedtohelpimproveequipmentreliability.本文分别对Z3040摇臂转床的主轴电动机的控制，摇臂的上升、下降以及主轴箱、立柱的松开和夹紧进行PLC改造。

Inthispaper,rockerswitchontheZ3040bedspindlemotorcontrolarmrise,declineandspindleboxes,columnsofthereleaseandclampingtoPLCreconstruction.最后绘制出梯形图和I/O接口图。

Finallydrawtheladder,andI/Ointerfacemap.

关键词：

Z3040摇臂转床；PLC改Keywords:

Z3040RockerSwitchBeds;ElectricalControlSystem;PLCReconstruction

1绪论………………................................................................................................1

2摇臂转床的用途及工作原理……………………………………………………2

2.1机床的主要结构…………………………………………………………….2

2.2机床的运动方式.............................................................................................3

2.3电力拖动特点……………………………………………………………….3

2.4系统控制要求分析………………………………………………………...3

2.5照明与信号指示电路分析……………………………………………….....4

2.6其他连锁与保护…………………………………………………………….4

3电气控制系统硬件部分的设计………………………………………………....6

3.1PLC的选择…………………………………………………………………..6

3.2主轴电动机的控制.........................................................................................6

3.3摇臂升降控制……………………………………………………………….8

4Z3040摇臂转床电气控制及设计……………………………………………...16

4.1机床电气图及分析…………………………………………………………16

4.2Z3040摇臂转床的I/O接口图…………………………………………….17

4.3Z3040摇臂转床的梯形图………………………………………………….18

4.4端子输出设备与PLC输入输出端子分配表……………………………...18

4.5Z3040摇臂钻床设计后的电气原理图…………………………………….20

结论…………………………………………………………………………………21

致谢…………………………………………………………………………………22

参考文献…………………………………………………………………………....23

附录A………………………………………………………………………………24

附录B………………………………………………………………………………25

1绪论

随着我国微型计算机技术的迅速发展，PLC技术的发展也进入了一个新的时代，是近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。

在冶金、矿业、机械、轻工业等领域都扮演着极其重要的角色。

为工业自动化提供了有力的工具，加速了机电一体化的进程。

PLC在摇臂钻床中的应用也越来越广泛。

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，在日常生产作业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、计数控制用继电器一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。

它克服了继电器一接触器控制电路存在的触点多、组合复杂、通信性和灵活性差等缺点。

它不仅具有各种逻辑控制功能，而且还具有运算、数据处理、联网通信功能的控制，同时还具有可靠性高，环境适应性强，使用方便，维护简单等优点。

因此，利用PLC对摇臂钻床继电器电路进行设计，有助于提高设备的可靠性。

2Z3040摇臂钻床的用途及工作原理

2.1机床的主要结构

Z3040型摇臂钻床的外型图如图2-1所示。

摇臂钻床利用旋转的钻头对工件加工，它由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱和工作台构成。

主轴箱固定在摇臂上，可以沿摇臂径向运动。

摇臂借助于丝杆，可以作升降运动，也可以与外立柱固定在一起，沿内立柱旋转360°。

钻削加工时，通过夹紧装置，主轴箱紧固在摇臂上，摇臂紧固在外立柱上，外立柱紧固在内立柱上。

图2-1Z3040摇臂钻床外型图

Z3040摇臂钻床钻床是一种用途广泛的万能机床，它可以完成钻孔、扩孔、铰孔及攻螺纹等工艺。

Z3040摇臂钻床为了加工不同位置的孔，其摇臂可以沿立柱上下移动或绕立柱转动、主轴箱又可以沿摇臂导轨移动，这样在工件不动的情况下，通过改变刀具的位置来实现不同位置孔的加工，钻床的结构型式有多种，如台式钻床、立式钻床、卧式钻床、摇臂钻床等。

在各类钻床中，摇臂钻床具有操作方便、灵活、适用范围广等特点，特别适用于多孔大型零件的孔加工，是机械加工中常用的机床加工设备。

2.2机床的运动方式

Z3040摇臂钻床加工前，通过摇臂的回转和升降、主轴箱的移动和定位，来调整各个部件的移动；加工时，主轴箱由夹紧装置紧固在摇臂的导轨上，摇臂紧固在外立柱上，外立柱紧固在内立柱上，主轴带动钻头或丝攻旋转并向下垂直进给，来实现钻孔或丝攻的加工。

（1）主运动主轴带着钻头（刀具）的旋转运动。

（2）进给运动主轴的垂直运动（手动或自动）。

（3）辅助运动辅助运动用来调整主轴（刀具）与工件纵向、横向即水平面上的相对位置以及相对高度。

在做辅助运动时，相应的夹紧机构应松开，完成后应夹紧。

2.3电力拖动特点

（1）摇臂钻床采用多电动机拖动，由主轴电动机拖动主轴的旋转主运动和主轴的进给运动；由摇臂升降电动机拖动摇臂升降；由液压泵电动机拖动液压泵供出压力油完成主轴箱、内外立柱和摇臂的夹紧与松开；由冷却泵电动机拖动冷却泵，供出冷却液进行刀具加工过程中的冷却。

（2）摇臂钻床的主运动与进给运动皆为主轴的运动，为此这两种运动由一台主轴电动机拖动，分别经主轴传动机构、进给传动机构来实现主轴的旋转和进给。

所以主轴变速机构与进给变速机构均装在主轴箱内。

（3）摇臂钻床有两套液压控制系统，一套是操作机构液压系统，另一套是夹紧机构液压系统。

前者由主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过操纵机构实现主轴正、反转，停车制动，空挡、变速的操作。

后者由液压泵电动机拖动液压泵送出压力油，推动活塞带动菱形块来实现主轴箱、内外立柱和摇臂的夹紧与松开。

2.4系统控制要求分析

（1）刀具主轴的正反转控制，以实现螺纹的加工及退刀。

（2）刀具主轴旋转及垂直进给速度的控制，以满足不同的工艺要求。

（3）外立柱、摇臂、主轴箱、等部件位置的调整运动。

（4）为确保加工过程中刀具的径向位置不会发生变化，外立柱、摇臂、主轴箱等部件必须有夹紧与松开控制。

（5）冷却泵及液压泵电动机的起停控制。

（6）必要的保护环节及照明指示电路。

（7）摇臂钻床的主轴旋转与摇臂的升降不允许同时进行，它们之间应互锁，以确保安全。

Z3040摇臂钻床的主电路电源是由断路器Q1引入，M1为主电动机，M2为摇臂升降控制电动机，M3为液压泵电动机，M4为冷却泵电动机，其中主电动机和液压泵电动机分别采用了热继电器FR1、FR2作为过载保护用，而摇臂升降电动机和冷却泵电动机由于工作时间短，因而没有设过载保护。

2.5照明与信号指示电路分析

HL1为主轴箱与立柱的松开指示灯。

HL1亮表示已松开，手动操作主轴箱移动手轮，使主轴箱沿摇臂水平导轨移动或推动摇臂连同外立柱绕内立柱回转。

HL2为主轴箱与立柱夹紧指示灯。

HL2亮表示主轴箱已夹紧在摇臂上摇臂连同外立柱夹紧在内立柱上，可以进行钻削加工。

HL3为主轴电动机启动旋转指示灯。

HL3亮表示可以操作主轴手柄进行对主轴的控制。

EL为机床局部照明灯，由控制变压器TC供给24V安全电压，由手动开关SA2控制。

2.6其他联锁与保护

（1）按钮接触器联锁在摇臂升将电路中，除了采用按钮SB3和SB4的机械联锁外，还采用了接触器KM2和KM3的电气联锁，即对摇臂升降电动机M2实现了正反转复合联锁。

在液压泵电动机M3的正反转控制电路中，接触器KM4和KM5采用了电气联锁，在主轴箱和立柱的夹紧、放松电路中，为保证压力油不供给摇臂夹紧油路，将按钮SB5和SB6的常闭触头串联在电磁阀YV线圈的电路中，以达到联锁的目的。

（2）限位联锁在摇臂升降电路中，行程开关SQ2是摇臂放松到位的信号开关，其常开触头串联在接触器KM2和KM3线圈中，它在摇臂完全放松到位后才动作闭合，以确保摇臂的升降在其放松后进行。

行程开关SQ3是摇臂夹紧到位的信号开关，其常闭触头串联在接触器KM5线圈、电磁阀YV线圈电路中。

如果摇臂未夹紧，则行程开关SQ3常闭触头闭合保持原状，使得接触器KM5线圈、电磁阀YV线圈得电，对摇臂进行夹紧，直到完全夹紧为止，行程开关SQ3的常闭触头才断开，切断接触器KM5线圈、电磁阀YV线圈。

（3）时间继电器联锁通过时间继电器KT延时断开的常开触头和延时闭合的常闭触头，时间继电器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，时间继电器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。

（4）失压（欠压）保护主轴电动机M1采用按钮与自琐控制方式，具有失压保护；各接触器线圈自身也具有欠压保护功能。

（5）机床的限位保护摇臂升降都有限位保护，由组合限位开关SQ1来完成。

SQ1为上极限限位，SQ5为下极限限位。

摇臂上升到上极限位置时，撞块使组合开关触头SQ1断开，接触器KM2线圈断电，摇臂升降电动机M2停转。

此时，组合限位开关SQ5仍闭合，可按下按钮SB4使摇臂下降。

当摇臂下降达下极限位置时，撞块使组合限位开关SQ5触头断开，接触器KM3线圈得电，摇臂升降电动机M2停转。

此时，组合限位开关SQ1的触头仍闭合，可按按钮SB3使摇臂上升。

3电气控制系统硬件部分的设计

3.1PLC的选择

随着PLC技术的发展，PLC的种类也越来越多，且功能也日趋完善。

近年来从德国、日本、美国等引进的PLC产品和国内厂家组装自行开发的产品，已有上百种型号。

在工业自动控制系统中，德国西门子（Siemens）公司生产的SIMATICS7－200系列PLC是被广泛应用之一。

它具有高性能价格比的微型可编程序控制器。

由于它具有应用灵活、扩展性好、操作方便、标准化的硬件和软件设计、通用性强、价格低廉及多功能多用途等特点,因此在工业中得到了广泛的应用。

根据SIMATICSS7－200系列PLC系统由基本单元（主机）、I/O扩展单元、功能单元和外部设备等组成，其基本单元（主机）的结构为整体式结构。

有CPU21X和CPU22X两代产品，其中SIMATICS7－200（CPU22X）包括CPU221,CPU222,CPU224、CPU226、CPU226XM等5种基本型号的CPU。

通过对Z3040摇臂钻床输入输出信号的分析，确定需12个输入口和9个输出口，据此选用西门子S7－200系列CPU224，它是具有14个输入口10个输出口的PLC，输出口为继电器型，其主要性能完全满足Z3040摇臂钻床的工作需要。

3.2主轴电动机的控制

图3-1Z3040摇臂钻床主轴电机电气控制电路图

Z3040摇臂钻床主轴电机原理图如图3-1所示，由于Z3040摇臂钻床主电动机的功率不大，因此采用了全压直接启动；并且它的主轴正反转是用离合器来进行切换，故电动机只作单向旋转。

根据主轴电机的控制要求和控制原理，绘出如图3-2所示摇臂钻床主轴电机控制流程图，图3-3为主轴电机的I/O接口图，图3-4主轴电机控制梯形图。

图3-2Z3040摇臂钻床主轴电动机控制流程图

图3-3Z3040摇臂钻床主轴电机控制的I/O接口图

图3-4Z3040摇臂钻床主轴电机控制梯形图

3.3摇臂升降控制

（1）摇臂上升过程图3-5是Z3040摇臂钻床摇臂上升控制电路原理图，要使摇臂做上升运动，首先必须将夹紧装置松开，当摇臂上升到位后，夹紧装置再将摇臂夹紧，根据摇臂上升控制要求和控制原理，绘出如图3-6Z3040摇臂钻床上升控制的流程图。

摇臂上升PLC控制系统的输入信号有4个，1个为摇臂上升启动按钮开关，2个行程开关，1个热继电器，PLC控制系统的输出信号有4个，1个用于驱动摇臂上升电动机反转接触器KM2，1个用于驱动液压泵电动机反转接触器KM4，1个用于驱动摇臂松开到位指示灯HL1，1个用于驱动夹紧到位指示灯HL2。

根据摇臂上升PLC控制系统要求绘出如图3-7Z3040摇臂钻床上升I/O接口图。

图3-5Z3040摇臂钻床摇臂上升控制电路图

图3-6Z3040摇臂钻床摇臂上升控制的流程图

图3-7Z3040摇臂钻床摇臂上升I/O接口图

（2）摇臂下降过程根据图3-8Z3040摇臂钻床摇臂下降控制电路图所示，摇臂下降是由按钮SB4来控制的，它的动作过程是松开→下降→夹紧。

摇臂的下降是利用电动机M2的正转来实现的，而M2的正转是由接触器KM3来控制。

为了防止KM2、KM3同时动作引起短路，故将它们的常闭触头分别串入对方的线圈回路中以起到互锁的作用。

摇臂下降控制回路中的SQ1为摇臂下降极限位置保护用的行程开关。

根据摇臂下降控制要求和控制原理绘出如图3-9Z3040摇臂钻床下降控制的流程图。

摇臂下降PLC控制系统的输入信号有4个，其中有1个为摇臂下降启动按钮开关，2个行程开关，1个热继电器，PLC控制系统的输出信号有4个，其中1个用于驱动摇臂下降电动机正转接触器KM3，1个用于驱动液压泵电动机反转接触器KM5，1个用于驱动摇臂松开到位指示灯HL1，1个用于驱动夹紧到位指示灯HL2。

根据摇臂上升PLC控制系统要求绘出如图3-10Z3040摇臂钻床下降I/O接口图。

按下摇臂下降启动按钮SB4时，输入触点I1.2接通，辅助继电器M0.0得电输出，同时输出继电器Q0.6和Q0.4线圈得电输出，驱动KM4和YV线圈得电,液压泵电动机M3正转，摇臂松开。

摇臂松开到位压下SQ2时，输入触点I0.5接通，输出继电器Q0.4线圈失电，驱动KM4线圈失电，输出继电器Q0.7得电输出，驱动HL1得电，摇臂松开指示灯亮，输出继电器Q0.3线圈得电输出，驱动KM3线圈得电，摇臂升降电动M2机正转。

图3-8Z3040摇臂钻床摇臂下降控制电路图

当摇臂下降到位，松开摇臂下降按钮SB4，输入触点I1.2断开，输出继电器Q0.6和Q0.3线圈失电，驱动KM3和YV线圈失电,摇臂停止下降。

输出继电器Q0.3线圈的常闭触点接通，辅助继电器M0.1通电输出，时间继电器T37线圈通电延时，输出继电器Q0.5线圈得电输出，驱动KM5线圈得电，液压泵电动机M3正转，摇臂夹紧。

摇臂夹紧到位时，压下摇臂微动开关SQ3时，输入触点I0.7断开，输出继电器Q0.5断电，驱动KM5线圈失电，输出继电器Q1.0线圈得电输出，驱动HL2线圈得电，摇臂夹紧指示灯亮，液压泵电动机M3停止工作。

根据摇臂的下降控制流程图绘制如图3-10所示Z3040摇臂钻床下降的I/O接口图。

图3-9Z3040摇臂钻床摇臂下降控制的流程图

图3-10Z3040摇臂钻床摇臂下降I/O接口图

图3-11Z3040摇臂钻床主轴箱、立柱电气控制图

（3）主轴箱、立柱的松开和夹紧根据图3-11Z3040摇臂钻床主轴箱、立柱电气控制图所示，立柱和主轴箱的松开或夹紧控制均采用液压操纵夹紧与放松，两者是同时进行的，工作时要求二位六通阀YV不通电。

松开与夹紧分别由松开按钮SB5和夹紧按钮SB6控制。

指示灯HL1、HL2指示其动作。

主轴箱、立柱PLC控制系统的输入信号有3个，其中2个为主轴箱、立柱松开与夹紧按钮开关，1个行程开关，PLC控制系统的输出信号有5个，其中2个用于驱动液压泵电动机电动机正反转接触器KM4、KM5，1个用于驱动二位六通的电磁换向阀YV，1个用于驱动摇臂松开到位指示灯HL1，1个用于驱动夹紧到位指示灯HL2。

按下主轴箱、立柱松开按钮SB5时，输入触点I1.0接通，输出继电器Q0.6