基于plc的钻床电气控制系统设计.docx

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基于plc的钻床电气控制系统设计

基于plc的钻床电气控制系统

摘要：

本设计旨在研究常用于加工的Z3040钻床电控系统的设计问题。

目的是实现工作过程：

按下启动按钮，工件夹紧，夹紧后压力继电器打开，两个钻头同时开始工作。

当到达两个限位开关设定深度时，两个钻头同时上升，并在上升到两个限位开关设定的起始位置时停止上升。

在两个位置就位后，工件旋转一定角度，限位为ON，计数器的当前值增加1.旋转完成后，再次钻出第二个孔。

钻完所有孔后，计数器的当前值等于设置的数值。

释放工件时的值，当释放到位时，限位开关打开，系统返回初始位置。

传统的继电器-接触器电气控制系统存在电路复杂，可靠性差，故障诊断和故障排除的问题。

由于PLC电气控制系统与继电器-接触器电气控制系统相比，具有结构简洁，编程便利，调试周期短，更加可靠，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低等优点。

制定了可编程序控制器改造Z3040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PLC机型的选择、I/O端口的安排、I/O硬件接线图的绘制、PLC的SFC图和梯形图程序的设计，由于没有实物，还进行了仿真电路设计。

对PLC控制钻床的工作过程作了详细阐述,论述了采纳PLC取代传统继电器一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；钻床；电气控制系统；梯形图

Abstract:

ThisdesignistostudythedesignproblemoftheelectriccontrolsystemofZ3040drillingmachinecommonlyusedinmachining.Theaimistorealizetheworkingprocess:

pressthestartbutton,theworkpieceisclamped,thepressurerelayisONafterclamping,andthetwodrillbitsstartworkingatthesametime.Whenthedepthissetbythetwolimitswitches,thetwodrillsgoupatthesametime,andstopascendingwhengoinguptothestartingpositionsetbythetwolimitswitches.Afterbothpositionsareinplace,theworkpieceisrotatedbyacertainangle,thelimitisON,andthecurrentvalueofthecounterisincreasedby1.Aftertherotationisfinished,thesecondholeisdrilledagain.Afteralltheholesaredrilled,thecurrentvalueofthecounterisequaltothesetting.Value,whentheworkpieceisreleased,whenthereleaseisinplace,thelimitswitchisONandthesystemreturnstotheinitialposition.Thetraditionalrelay-contactorelectricalcontrolsystemhastheproblemsofcomplicatedcircuit,poorreliability,faultdiagnosisandtroubleshooting.BecausePLCelectricalcontrolsystemiscomparedwithrelay-contactorelectricalcontrolsystem,ithasaseriesofadvantagessuchassimplestructure,convenientprogramming,shortdebuggingperiod,highreliability,stronganti-interferenceability,lowfailurerateandlowrequirementsonworkingenvironment.ThedesignoftheelectricalcontrolsystemoftheZ3040drillingmachinefortheprogrammablecontrollerwasdeveloped,andthehardwareandsoftwaredesignoftheelectricalcontrolsystemwascompleted,includingtheselectionofthePLCmodel,theallocationoftheI/Oport,andtheI/Ohardwarewiringdiagram.Drawing,PLCSFCchartandladderprogramdesign,becausethereisnorealthing,alsocarriedoutthesimulationcircuitdesign.TheworkingprocessofPLCcontrolleddrillingmachineiselaborated.Themethodofreplacingthetraditionalrelay-contactorelectricalcontrolsystemwithPLCtoimprovetheworkingperformanceofthemachineisdiscussed.Thecorrespondingcontrolschematicisgiven.

Keywords:

programmablecontroller;drillingmachine;electricalcontrolsystem;ladderdiagram

一绪论

1.1选题背景和意义

自动控制系统的应用在21世纪的今天非常的广泛。

在工业上，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的多种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有对应的自动控制系统。

在军事方面，自动控制的应用案例有各种类型的伺服、火力控制系统、制导与控制系统等。

在航天、航空和航海方面，应用更加广泛和深入。

此外，在自动化办公、书籍统计和治理、交通疏导和治理乃至日常的家务上，自动控制技术都发挥着越来越重要的作用。

随着控制理论和控制技术的进展，自动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及生物、医学、生态、经济、社会等所有领域。

自动控制系统的学习，在各个高等教育学院中也都是至关重要的。

而PLC可编程控制系统则是这门技术的主要载体。

本课题的研究设计是对自动控制系统中，PLC可编程控制系统的学习的自测与探究。

本设计采纳的是常见的Z3040钻床，此机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、锤孔、较孔、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。

也有的是采纳多速异步电动机拖动，这样可以简化变速机构。

主轴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，主轴的上升、下降和立柱的夹紧、放松各由一台交流异步电动机控制。

本设计的意义在于，让学生对Z3040钻床有一个更深刻的认识和实际了解。

旨在提高了学生PLC编程水平和实践能力，也能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。

是对学生创新思维的一种培养，既是高等教育学院的一种良性教学指引，也是国家教育机构倡导的教育方向。

二Z3040钻床的结构及运动形式

2.1Z3040钻床的结构

如图2.1所示，主轴钻床主要由底座、内立柱、外立柱、主轴、主轴箱及工作台等部分组成。

内立柱固定在底座的一端，外面套有外立柱，外立柱可绕内立柱旋转360度。

由于丝杆与外立柱连成一体，而升降螺母固定在主轴上。

因此转轴不能绕外立柱转动，只能与外立柱一起绕内立柱回转。

主轴箱安装在主轴的水平导轨上，可以通过启动按钮和限位开关的检测，使其在水平导轨上沿主轴移动，进行钻孔。

2.2钻床的运动形式

在加工前，要根据钻床当前的位置进行必要的调整，其包含的运动过程如图2.2所示，当进行加工吋，由特别的加紧装置将主轴箱紧固在主轴导轨上，而外立柱紧固在内立柱上，主轴紧固在外立柱上，然后进行钻削加工。

钻削加工时，钻头一边进行旋转切削，一边进行纵向进给，其运动形式为：

主运动：

主轴带动钻头刀具作旋转运动。

（主电动机Ml驱动）

进给运动：

主轴的上、下进给运动（主电动机Ml驱动）

辅助运动：

①外立柱和主轴一起绕内立柱作回转运动（手动）

②主轴沿外立柱作升降运动（升降电动机M2驱动）

③主轴箱沿主轴长度方向径向移动（手动）

④外立柱与内立柱、主轴与外立柱、主轴箱与主轴间的夹紧与放松运动（液压驱动，电动机M3拖动）。

三Z3040传统控制线路原理分析

我国原來生产的Z3040主轴钻床的主轴旋转运动和主轴升降运动的操作是通过不能复位的十字开关来操作的，它本身不具有欠压和失压爱护。

因此在主冋路根据Z3040主轴钻床电气控制要求，路中要用一个接触器将三相电源引入。

现在的Z3040主轴钻床取消了十字开关，它的传统电气原理图如图2.3所示：

3.1主电路分析

三相电源U、V、W由电源开关SA2控制，熔断器FU1实现对全电路的短路爱护（1区），熔断器FU2作主轴升降电动机M2、液压电动机M3和冷却泵电动机的短路爱护。

从1区开始就是主电路，主电路有4台电动机。

1）Ml（l区）是主轴的电动机，带动主轴的旋转和垂直运动，是主运动和进给运动电动机。

它由KM1的主触点控制，其控制线圈在7区。

热继电器FR1做过载爱护，其常闭触点在7区。

Ml直接起动，单向旋转。

主轴的正反转由液压系统和正反转摩擦离合器来实现，空档，制动及变速也由液压系统来实现。

2）M2（2区）是主轴升降电动机，带动主轴沿立柱的上下移动。

它由KM2、KM3的主触点控制正反转，其控制线圈分别在9、10区。

控制电路保证，在操纵主轴升降时，首先使液压泵电动机起动旋转，供出压力油，经液压系统将主轴松开，然后才使电动机M2起动，拖动主轴上升或下降。

当移动到位后，保证M2先停下，再自动通过液压系统将主轴夹紧，最终液压泵电机才停下。

电动机M2是短时运行，因此不需要过载爱护。

3）M3（3区）是液压泵电动机，带动液压泵送出压力油以实现主轴的松开、夹紧和主轴箱与立柱的松开、夹紧控制。

它由KM4、KM5的主触点控制其正反转,控制线圈分别在11、12区。

热继电器FR2作过载爱护，其常闭触点在11区。

3.2控制电路分析

3.2.1主轴电动机的控制

在主轴电动机启动前，首先将自动开关SA2扳到接通位置，电源指示灯亮。

当按下按钮SB1时，KM1线圈将会通电并且自动锁定使得主轴上的电动机带动旋转，同时主轴电动机旋转的指示灯HL3亮。

主轴的正转和反转没有电机的控制，需要自己手动通过机械设备实现。

其主轴控制流程图如图2.4所示：

3.2．2主轴箱与立柱的松、紧控制

该传统电气控制系统屮，主轴箱与立柱的夹紧与松开是同时进行的。

其流程示意图如下：

四联锁和爱护环节

4.1联锁环节

（1）按钮、接触器联锁

在主轴升降电路中，除了釆用按钮SB3和SB4的机械联锁外，还釆用了接触器KM2和KM3的电气联锁，即对主轴升降电动机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采纳了电气联锁，在主轴箱和立柱的夹紧、放松电路中，为保证压力油不供给主轴夹紧油路，将按钮SB5和SB6的常闭触头串联在电磁阀YA线圈的电路屮，以达到联锁FI的。

（2）限位联锁

在主轴升降电路中，行程开关SQ2是主轴放松到位的信号开关，其常开触头串联在接触器KM2、KM3线圈屮，它在主轴完全放松到位后才动作闭合，以确保主轴的升降在其放松运动后进行。

行程开关SQ3是主轴夹紧到位的信号开关，它在完全夹紧时动作，其常闭触头串联在接触器KM5线圈、电磁铁YA线圈电路中。

如果主轴未夹紧，则行程开关SQ3的常闭触头闭合保持原状，使得接触器KM5线圈、电磁铁YA线圈通电，对主轴进行夹紧，知道完全夹紧为止，行程开关SQ3的常闭触头才断开，切断接触器KM5线圈、电磁铁YA线圈，确保钻削加工精度。

（3）时间联锁

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能保证在主轴升降电动机M2完全停止后，才能进行主轴的夹紧动作，时间继电器KT的延时长短由主轴升降电动机M2从切断电源到停止的惯性大小来决定。

4.2爱护环节

（1）短路爱护

在主电路中，利用熔断器FU1作总电路和电动机Ml、M4的短路爱护，利用熔断器FU2作电动机M2、M3和控制变压器T一次侧的短路爱护，在控制电路中，利用熔断器FU3作照明回路的短路爱护。

（2）过载爱护

在主电路中，利用热继电器FR1作主轴电动机Ml的过载爱护，利用热继电器FR2作液压泵电动机M3的过载爱护。

如果由于液压系统的夹紧机构出现故障不能夹紧，那么行程开关SQ3的触头将断不开，或者由于行程开关SQ3安装调整不当，主轴夹紧后仍不能压下行程开关SQ3,这时都会使液压泵电动机M3处于长期过载状态,易将M3烧毁。

M2为短时工作，不用设长期过载爱护。

（3）限位爱护

主轴升降的极限位置爱护由组合行程开关SQ1来实现。

行程开关SQ1有两对常闭触头，他们分别串联在主轴升降控制电路接点中，当主轴上升或下降带极限位置时相应触头动作，切断与其对应的上升或下降接触器KM2和KM3,使主轴升降电动机M2停止旋转，主轴停止升降，实现极限位置爱护。

（4）失压（欠压）爱护

主轴电动机血采纳按钮与自爱护控制方式，具有失压爱护，各接触器线圈自身亦具有欠电压爱护功能。

五液压系统

该机床采纳先进的液压技术，具有两套液压控制系统:

一套是操纵机构液压系统,由主轴电动机拖动齿轮泵输送压力油，通过操纵机构实现主轴正/反转、停车制动、空挡、预选与变速；另一套由液压泵电动机拖动液压泵输送压力油，实现主轴的夹紧与放松，主轴箱和立柱的夹紧与松开。

5.1操纵机构液压系统

该系统的压力油会通过主轴送出，我们可以通过改变操纵阀的不同方位或者变换它的位置，将油压进行不同的安排，获得不同动作。

操作手柄有上、下、里、外和中间五个空间位置。

其中上为“空挡”，下为“变速”，外为“正转”，里为“反转”，中间位置为“停车”。

而主轴转速及主轴进给量各由一个按钮预选，然后再操作主轴手柄。

主轴旋转时，首先按下主轴电动机启动按钮，主轴电动机启动旋转，拖动齿轮泵,送出压力油。

然后操纵主轴手柄，扳至所需转向位置（里或外）。

这样会使得操纵阀改变位置，离合器会在油压作用下放松。

这回为主轴旋转制造条件。

另一股压力油压紧正转（或反转）摩擦离合器，将会把主轴的电机和传动带连接起来，驱动主轴正转或反转。

在主轴正转或反转的时，我们可以旋转变速旋钮，以此来增加或减少主轴转速和主轴进给量。

主轴停车时，将操作手柄扳回至中间位置，这时主轴电动机仍拖动齿轮泵旋转，但此吋整个液压系统为低压油，无法松开制动摩擦离合器，而在制动弹簧作用下将制动摩擦离合器压紧，使制动轴上的齿轮不能转动，实现主轴停车。

因此主轴停车时主轴电动机仍在旋转，只是不能将动力传到主轴。

主轴变速与进给变速：

将主轴操作手柄扳至“变速位置”，于是改变两个操纵阀的相互位置，使齿轮泵送出的压力油进入主轴转速预选阀和主轴进给量预选阀，然后进入各变速油缸。

变速液压缸为差动液压缸，具体哪个液压缸上腔进压力油或回油，视所选择主轴转速和进给量大小。

与此同时，另一油路系统推动拔叉缓慢移动，逐渐压紧主轴转速摩擦离合器，接通主轴电动机到主轴的传动链，带动主轴缓慢移动，称为缓速，以利于齿轮的顺利啮合。

当变速完成，松开操作手柄，此时手柄在弹簧作用下由“变速”位置自动复位到主轴“停车”位置，然后再操纵主轴正反转，主轴将在新的转速或进给量下工作。

主轴空挡：

当操作手柄扳向“空挡”位置，这时压力油使主轴传动中的滑移齿轮处于中间脱开位置。

这时，可用手轻便地转动主轴。

⑻

5.2夹紧机构液压系统

主轴箱、内外立柱和主轴的夹紧与松开，是由液压泵电动机拖动液压泵送岀压力油，推动活塞、菱形块来实现的。

其中主轴箱和立柱的夹紧放松由一个油路控制，而主轴的夹紧放松因要与主轴的升降运动构成自动循环，因此由另一个油路来控制。

这两个油路均由电磁阀操纵。

夹紧结构液压图如图2.8所示。

[9][10]

控制主轴松开时，电磁阀YA线圈通电，液压泵电动机启动正转，拖动液压泵送出正向压力油经该夹紧机构将主轴放松。

控制主轴夹紧时，电磁阀YA线圈仍通电，液压泵电动机反向旋转，拖动液压泵电动机送出反向压力油经该夹紧机构将主轴夹紧。

主轴完全夹紧后，YA线圈断电，为保证主轴在加工工件前总是处于夹紧状态，电磁阀YA线圈始终保持断电状态。

主轴箱、立柱松紧控制是同时进行的，此时电磁阀YA线圈断电。

控制主轴箱、立柱松开时，启动液压泵电动机M3,M3正转，拖动液压泵送出正向压力油经该夹紧机构将主轴箱和立柱分别实现放松。

控制主轴箱、立柱夹紧时，起动液压泵电动机M3,M3反转，拖动液压泵送出反向压力油经该夹紧机构将主轴箱和立柱分别实现夹紧。

六计数器

计数器除了计数功能外，计数器产品还有一些附加功能，如异步复位、预置数（注意，有同步预置数和异步预置数两种。

前者受时钟脉冲控制，后者不受时钟脉冲控制）、保持（注意，有保持进位和不保持进位两种）。

虽然计数器产品一般只有二进制和十进制两种，有了这些附加功能，我们就可以便利地用我们可以得到的计数器来构成任意进制的计数器。

七基于PLC的Z3040电气控制系统硬件设计

7.1PLC控制系统设计的基本原则

任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。

因此在设计PLC控制系统吋，应遵循以下基本原则:

（1）最大限度的满足被控对象的控制要求。

设计前应深入现场进行调查研究，搜集资料并于机械部分的设计人员和实际操作人员紧密配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。

（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简洁、经济、使用，维修便利。

（3）保证控制系统的安全、可靠。

（4）考虑到生产进展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。

7.2电气控制部分

7.2.1电气控制主电路

本次设计需要实现的是PLC代替传统的继电器对钻床进行电气控制，所以主电路基木不变，重点根据控制要求对控制电路进行设计。

在系统设计中，所用到的四台电动机的控制线路如图4.1所示，主轴电动机（Ml）和液压泵电动机（M3）的旋转，主轴升降电动机（M2）正反转均由接触器控制，而冷却泵电动机（M4）由转换开关控制，Ml、M3设置长期过载爱护。

7.2.2电机控制

（1）直接启动

四台三相鼠笼异步电动机按加工顺序的需要均采纳直接启动，直接启动是一种简单、可靠、经济的启动方法，但由于直接启动时，电动机的启动电流1st为额定电流In的4—7倍，过大的启动电流一方而会造成电网电压显著下降，直接影响同一电网工作的其他电动机及用电设备正常运行，另一方而电动机频繁启动会严峻发热，加速线圈老化，缩短电动机的寿命，所以直接启动电动机的容量受到一定的限制，一般容量不超过10KW的电动机采纳直接启动。

图3.1所示为接触器控制的电动机直接启动控制线路。

（2）正反转控制

从电机原理中得知，改变电动机定子绕组的电源相序，就可实现电动机旋转方向的改变。

液压泵电动机通过两个接触器改变电源相序来实现电动机正反转控制。

主轴升降电动机通过两个接触器改变电源相序来实现电动机正反转控制。

可逆运行控制线路实质上是两个方向相反的单项运行线路的组合。

7.3PLC的I/O端口安排表

跟据输入输出口的数量，进行I/O点的端口安排，如下（表4.1、表4.2）所示:

7.4基于PLC的Z3040钻床电气控制原理图设计

根据I/O点的端口安排表，设计出基于PLC的Z3040钻床电气控制原理图，如图4.2所示，图中X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X10、X11、X12、X13、X14共用一个COM端，输入开关的其中一端并接在直流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可以共用一个COM1端。

信号灯电源电压为6V,因此Y0、Y1、Y2可以共用一个COM2端。

7.5主要电气元件选型

合理地选用各种电器元件，不但经济实惠，还可保证控制线路安全、工作可靠，所以对元器件的选型非常重要。

7.5.1PLC的型号选择

进展至今，PLC的种类繁多，如西门子、ABB、松下、三菱等系列PLC,选择本设计的PLC机型，主要要考虑PLC的结构、PLC的功能、PLC的输入输出点数、PLC的存储容量及I/O点数（模块）。

（1）PLC的结构。

PLC的结构要合理，按照结构，PLC分为整体式、模块式和叠装式。

整体式的每一I/O点的平均价格比模块式廉价，所以小型电气控制系统一般使用整体式可编程控制器。

而此次所设计的电气控制系统属于小型开关量电气控制系统，没有特别的控制任务，整体式PLC完全可以满足控制要求，且在性能相同的情况下，整体式PLC较模块式和叠装式PLC价格廉价，因此，Z3040钻床电气控制系统的PLC选用整体式结构的PLC[14]。

（2）PLC的功能。

由于Z3040主轴钻床电气控制是开关控制，且控制速度要求不高，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，据此本设计课题将尽量采纳价格廉价的PLC。

（3）PLC输入输出点数。

如表3-1和表3-2所示，在Z3040钻床的电气控制系统屮，按钮6个、行程开关5个、继电器2个，共计13个；接触器5个、计数器1个，指示灯3个，共计9个，则需要13个输入口和9个输出口，而PLC的实际输入点数应等于或大于所需输入点数13,PLC的实际输出点数应等于或大于所需输出点数9,统计出实际I/O点数后，在条件许可的情况下，再尽可能留10%-20%的裕量，以防以后系统方案的修改或功能的扩展。

（3）PLC的存储容量。

在选择存储容量时，一般要按实际需要考虑25%-30%裕量。

存储器的容量的选择有两种方法。

一种是根据编程实际使用的节点数计算，这种方法可精确地计算岀存储器实际使用容量，缺点是要编完程序之后才能计算。

而一般采