PLC控制Z3050型摇臂钻床电气控制.docx
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PLC控制Z3050型摇臂钻床电气控制
皖西学院
课程设计报告书
系别：
机电学院
专业：
13电气
学生姓名：
学号：
课程设计题目：
PLC控制的Z3050型摇臂钻床电气控制
起迄日期:
2016.5.16-2016.5.28
课程设计地点:
PLC电气控制实验室
指导教师:
翁志刚
下达任务书日期:
2016年5月15日
前言1
1Z3050摇臂钻床的简介2
1.1摇臂钻床的主要结构2
1.2摇臂钻床的运动形式2
1.3摇臂钻床电气拖动特点3
1.4摇臂钻床及原理图说明4
2系统元器件选型5
2.1Z3050摇臂钻床主回路元件表5
2.2PLC的选型6
2.3硬件的设计6
2.4PLC的I/O分配6
2.5PLC的外部接线图8
3程序的设计与仿真9
3.1梯形图程序设计9
3.1仿真调试与结果11
参考文献13
致谢14
前言
摇臂钻床使用于单件或批量生产有多孔的大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机械，由于其控制系统是采用继电器控制系统，电路接线复杂，出点多，长期使用后，故障多，故障排除困难。
常常影响企业生产。
PLC具有可靠性强，使用方便，维护简单的优点。
因此，利用PLC对摇臂钻床继电器控制线路进行改造，有利于提高设备的可靠性，使用率。
正是由于PLC控制系统的种种优点，因此本次对Z3050摇臂钻床的电气控制系统，可以提高Z3050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。
1Z3050摇臂钻床的简介
1.1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。
1.2摇臂钻床的运动形式
当摇臂钻床进行加工时，由特殊的加紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上，而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。
钻削加工时，钻头一边进行旋转切削，一边进行纵向进摇臂钻床给，其运动形式为：
（1）摇臂钻床的主运动为主轴的旋转运动；
（2）进给运动为主轴的纵向进给；
（3）辅助运动有：
摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向的移动，摇臂与外立柱一起内立柱的回转运动。
Z3050摇臂钻床实物图
1.3摇臂钻床电气拖动特点
3.Z3050摇臂钻床运动部件较多，为了简化传动装置，采用4台电机拖动。
，他们分别是主轴电动机（M1），摇臂升降电动机（M2），液压泵电动机（M3）和冷却泵电动机（M4），这电动机都采用直接启动方式。
4.为了适应多种形式的加工要求，摇臂钻床主轴的旋转及进给运动有较大的调速范围，一般情况下由机械变速机构实现。
主要变速机构与进给变速机构均装在主轴箱内。
5.Z3050摇臂钻床的主运动和进给运动为主轴的运动，为此这两项运动有一台主轴电动机拖动，分别经主轴传动机构，进给传动机构实现主轴的旋转和进给。
6.在加工螺纹时，要求主轴能正反转。
摇臂钻床主轴正反转一般采用机械方法实现。
因此主轴电动机仅需要单向旋转。
1.4摇臂钻床及原理图说明
Z3050摇臂钻床主电路图如下：
主电路分析：
Z3050摇臂钻床共有4台电动机，冷却泵电动机为开关直接启动，其余三台电动机采用接触器控制。
M1是主轴电动机由接触器KM1控制，只要求能单方向旋转。
电动机型空机Q1能起到过载、短路、启动电流过大保护，而热继电器FR1也起过载保护的作用，这样就形成了一个双重保护的作用。
M2是摇臂升降电动机，装设于主轴顶部，用KM2和KM3来控制正反转。
使用电动机型空开Q2进行保护。
M3是液压泵电动机，要求能够实现正反转，用KM4和KM5来控制正反转。
电路中用电动机型开Q3和热继电器FR2进行双重保护。
M4冷却泵电动机，功率小，直接用开关控制启动与停止。
2系统元器件选型
2.1Z3050摇臂钻床主回路元件表
序号
代号
名称
规格/型号
单位
数量
1
M1
电动机
Y112M-4/4KW
台
1
2
M2
电动机
Y90L-4/1.5KW
台
1
3
M3
电动机
Y801-4/0.55KW
台
1
4
M4
电动机
Y2-7124/0.37KW
台
1
5
KM1
交流接触器
LC1-D1210CC5N
只
1
6
KM2
交流接触器
LC1-D0910CC5N
只
1
7
KM3
交流接触器
LC1-D0910CC5N
只
1
8
KM4
交流接触器
LC1-D0910CC5N
只
1
9
KM5
交流接触器
LC1-D0910CC5N
只
1
10
KM6
交流接触器
LC1-D0910CC5N
只
1
11
Q
空开
NS100N/16A
只
1
12
Q1
空开
GV2M10C/10A
只
1
13
Q2
空开
GV2M04C/2A
只
1
14
Q3
空开
GV2M01C/1A
只
1
15
Q4
空开
GV2M01C/1A
只
1
16
FR1
热继电器
LR2-D1312C/8A
只
1
17
FR2
热继电器
LR2-D1205C/1.6A
只
1
2.2PLC的选型
摇臂钻床的电气控制系统需要12个输入口和6个输出口，PLC的实际输出点数应等于或大于所需输入点数12，PLC的实际输出点数应等于或大于所需输出点数6，在条件许可的情况下尽可能留有10%-20%的余量，因为实际的输出点刚好是12个，而选择PLC输入点有16个的显然是浪费，所以该系统采用三菱可编程序控制器作为主控制器，完全满足要求。
并且输出点数留有比较多得余量为今后的改进做好准备。
2.3硬件的设计
Z3050摇臂钻床电气控制系统的设计方案由两部分组成，一部分分为电气控制系统的硬件设计，也就是PLC的机型的确定；另一部分是电气控制系统的软件设计，就是PLC控制程序的编写。
为了使改造后的摇臂钻床仍能保持原有功能不变，此次改造的一个重要原则之一就是，不对原有机床的控制结构做过大的调整，只是将原继电器控制中的硬件接线改为用软件编程来替代。
由于Z3050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Z3050摇臂钻床电气控制系统的实际情况，需要输入点数大于18个，输出点数大于12个，在条件许可的情况下尽可能留有10%-20%的裕量。
2.4PLC的I/O分配
根据系统的原则I/O分配如下：
序号
位号
符号
说明
输入点
1
X0
KR1
主轴电动机M1热继电器
2
X1
SB_1
主轴电机M1启动按钮
3
X2
SB_2
主轴电机M1停止按钮
4
X3
KR2
其它控制电路热继电器
5
X4
SB_3
摇臂上升按钮
6
X5
SB_4
摇臂下降按钮
7
X6
ST1-1
摇臂上升上限位行程开关
8
X7
ST1-2
摇臂下降下限位行程开关
9
X10
ST2
摇臂松开行程开关
10
X11
ST3
摇臂夹紧行程开关
11
X12
SB_5
主轴、立柱箱放松按钮
12
X13
SB_6
主轴、立柱箱夹紧按钮
输出点
1
Y0
KM1
主轴电动机M1接触器
2
Y1
KM2
摇臂上升接触器
3
Y2
KM3
摇臂下降接触器
4
Y3
KM4
液压泵电动机M3正转接触器
5
Y4
KM5
液压泵电动机M3反转接触器
6
Y5
HL1
放松夹紧电磁铁用指示灯代替
2.5PLC的外部接线图
三菱PLC的控制回路原理图
3程序的设计与仿真
3.1梯形图程序设计
根据任务书的要求以及I/O口的分配，设计出如下方案：
程序段1：
主轴电机的启停
按下按钮SB_1，接触器KM1通电闭合,主轴电动机M1启动运转。
（如下图）
程序段2：
摇臂上升的过程
按下按钮SB_3，液压泵电动机M3首先正转，放松摇臂，继而摇臂升降电动机M2正转，带动摇臂上升。
当上升至要求高度时，松开SB3，摇臂电动机M2停转，同时液压泵电动机M3反转，夹紧摇臂，完成摇臂上升的控制过程。
（如下图）
程序段3：
摇臂下降的过程
按下按钮SB_4，液压泵电动机M3首先正转，放松摇臂，继而摇臂升降电动机M2反转，带动摇臂下降。
当下降至要求高度时，松开SB_4，摇臂电动机M2停转，同时液压泵电动机M3反转，夹紧摇臂，完成摇臂下降的控制过程。
（如下图）
程序段4：
避免双线圈错误
为避免双线圈错误的情况出现，借用辅助继电器的并联来规避错误。
（如下图）
程序段5：
立柱和主轴的放松与夹紧
按下SB_5，接触器KM4通电闭合，液压泵电动机M3启动正向运转，立柱和主轴箱放松；按下按钮SB_6，接触器KM5通电闭合，液压泵电动机M3启动反向运转，立柱和主轴箱夹紧。
（如下图）
3.2仿真的调试与结果
仿真程序段1
按下按钮SB_1，X1通电，辅助继电器M0得电，Y0得电，主轴电动机M1启动运转成功。
仿真程序段2
按下SB-3，X3得电，液压泵电动机正转接触器Y3启动，放松摇臂。
继而延时继电器T1延时启动，摇臂升降电机上升接触器Y1得电正转，带动摇臂上升。
到达行程上限时X6打开，由于互锁，摇臂升降电机上升接触器Y1失电停转，液压泵电动机反转接触器Y4得电启动，夹紧摇臂，完成摇臂上升过程。
仿真程序段3
按下SB-4，X4得电，液压泵电动机正转接触器Y3启动，放松摇臂。
继而延时继电器T2延时启动，摇臂升降电机下降接触器Y2得电正转，带动摇臂下降。
到达行程下限时X7打开，由于互锁，摇臂升降电机下降接触器Y2失电停转，液压泵电动机反转接触器Y4得电启动，夹紧摇臂，完成摇臂下降过程。
仿真程序段4
按下SB-5，X12得电，辅助继电器M3通电，即液压泵电机M3正转接触器Y3通电启动正向运转，将立柱和主轴箱放松。
按下SB-6，X13得电，辅助继电器M6得电，即液压泵电机M3反转接触器Y4通电启动反向运转，将立柱和主轴箱夹紧。
[1]熊幸明.电气控制与PLC[M].第一版.北京:
机械工业出版社,2014：
3～168
[2]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].第二版.北京:
北京航空航天大学,2008：
64～138
[3]廖常初.PLC基础与应用[M].第二版.北京:
机械工业出版社,2007：
37～65
[4]张海根.机电传动控制[M].第一版.北京:
高等教育出版社,2008：
致谢
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