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摇臂钻床改造
Z3040摇臂钻床电气控制分析与plc改造
作者刘星辉指导教师孟祥丽讲师
（湛江师范学院信息学院，湛江524048）
摘要：
本文论述了采用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，分析了Z3040摇臂的控制原理，制定了改造该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、PLC梯形图程序的设计。
本文对PLC控制摇臂钻床的工作过程作了详细阐述，给出了相应的控制原理图。
关键词：
可编程控制器；摇臂钻床；电气控制系统
Z3040radialdrillingmachineelectriccontrolanalysisandPLCtransform
Abstract：
ThepaperdiscussesthePLCtoreplacethetraditionalrelay-contactorelectriccontrolsystemmethodtoimprovetheworkingperformanceofthemachinetool,analyzesthecontrolprincipleofZ3040radial,formulatedtherenovationofthedrillingmachineelectricalcontrolsystemdesign,completedtheelectricalcontrolsystemdesignofhardwareandsoftware.IncludingPLCtypechoice,theI/Oportdistribution,anddesignofladderdiagramprocedureofPLC.Inthispaper,thePLCcontrolgivesadetaileddescriptionoftheworkingprocessoftheradialdrillingmachine,presentsthecorrespondingcontrolprinciplediagram.
Keywords:
programmablecontroller;Radialdrillingmachine;Electricalcontrolsystem
1前言
1.1本课题的研究意义
Z3040摇臂钻床是孔加工机床。
能够进行多种形式的机械加工，如钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面。
主轴攻丝自动反转加上微动进给，最适合盲孔和定深孔。
故此Z3040型摇臂钻床在车间生产、机械制造、建筑加工等多行业最为常见。
目前，我国的Z3040钻床所采用的是传统的继电器—接触器电气控制系统。
因为摇臂钻床的运动部件比较多，必须由多台电动机进行拖动，电路复杂，触点多、导致故障率高、可靠性差，在工厂生产流程中当中电气故障经常发生，影响生产。
所以对传统继电器—接触器的电气控制系统改造是很要必要的。
可编程逻辑控制器（PLC），利用PLC控制进行改造，可以使电路线路简化，响应加快精确度更加高，可靠性提高，方便维护、检修机器，同时能有效地减少成本，符合经济效益。
总的来说，PLC电气控制系统优点突出，本次对Z3040型钻床的电气控制系统进行PLC改造，可以大幅度提高Z3040钻床的工系统的工作稳定性、工作性能，为我国生产加工现代化翻开新的篇章。
1.2国内外本课题的研究发展状况
可编程控制器（PLC）是为运用计算机控制生产加工所研究出来的控制设备，是在20世纪60年代开始发展起来的，西门子在1995年成功地研发出S7200与S7300，它拥有以TD200、COROSOPS操作的模板，提供了方便的人机界面，程序三级口令保护，强大的运算能力，丰富的指令集，通过工业现场总线PROFD3US和MPI接口加上与以太网联网的能力，强大的内部集成能力和强大的故障诊断的能力；模块式结构在适用在各处性能扩展、直流电机以及脉冲输出晶闸管步进电机；高效的指令处理大幅度缩短了循环周期，加上通过高速计数器，高速中断处理可以分别响应事件，就可以大幅度的降低生产成本。
因为电气控制系统的可靠性越来越受到人们的关注，一部分公司已把自诊断技术、容错技术、冗余技术广泛应用到现在的产品之中，使用了高可靠性的冗余系统以及采用热备用或并行工作和多数表决工作模式。
因为PLC系统控制具有很多优点，所以其在工业生产能得到迅速的推广。
即使国内的PLC技术应用前景有很大的发展，并且在一定程度上取得了不小的效益，但是和外国先进国家相比，由于受到技术水平和经济的各种限制，大部分的企业工作车间的Z3040型摇臂钻床还是在使用继电器—接触器这么一种传统的控制方式，但是这种控制方式明显存在着隐患和缺陷的，在生产中很容易出现故障。
另外，线路复杂，因此要想找到故障也十分的困难的。
不难看出，和国外大量运用PLC技术代替继电器—接触器系统相比，我国早PLC生产控制上还存在很大差距。
我国的PLC技术在近年我国发展迅猛，我们和先进国家的PLC发展水平在不断缩小，不断拉近。
因此，在这各时候，我们应该加大力度进一步去推广PLC控制，提高生产水平。
这次对Z3040型摇臂钻床电气控制系统进行改造，是希望可以借鉴国外先进工业形同控制的技术，把它应用到工厂加工现场，进一步提高摇臂钻床的工作性能。
2Z3040摇臂钻床电气系统的控制分析
2.1Z3040型的工艺特性、控制要求
2.1.1摇臂钻床简介
摇臂、底座、外立柱、内立柱、工作台和主轴箱等这些部件组成了摇臂钻床，内立柱事固定在钻床的底座一端，外立柱套在了它的外面，并且外立柱可以围绕内立柱进行360°的旋转。
在摇臂的一端是套筒，它被装套在外立柱上，通过了丝杆的正反转运动，可以围绕外立柱沿着上下方向移动。
但是同时因为外立柱与丝杆连接成一个整体，加上摇臂上面固定有升降螺母，因此摇臂是不能够绕外立柱进行转动的，不同的是外立柱与摇臂却是能够一起绕着内立柱进行转动。
主轴箱作为钻床中一复合部件，它是由主轴、主传动电动机、主轴传动机构、机床的操作机构和进给与进给变速机构等多个部分组合成的。
在摇臂上装配着主轴箱，通过进行手轮的操作，能够令它在水平导轨上实现移动。
在进行工程加工的时候，它能利用特别的夹紧机构，把外立柱固定在内立柱上面，摇臂是固定在外立柱上面的，主轴箱是固定在摇臂导轨上面的，随接着可以进行工艺钻削加工。
2.1.2Z3040型摇臂钻床的工艺特性
Z3040型摇臂钻床是属于立式钻床的一种，它多用于批量、单件的生产加工中给带有多孔的零件来进行孔加工，它在机械加工车间内最为常见，是加工孔工作不可或缺的重要部分。
钻床动作，摇臂钻床的主轴旋转，即产生的切削的运动是它的主运动。
主轴的纵向进给，作为进给运动。
辅助运动方面，囊括了摇臂在外立柱上的垂直方向运动，简单来说就是摇臂的升降运动,外立柱与摇臂共同绕着内立柱的做旋转运动，主轴箱沿着摇臂长度方向上的运动。
该摇臂于立柱上的升降上，Z3040型摇臂钻床摇臂的夹紧与松开的实现是根据液压推动松紧机构来自动完成的。
钻床的传动装置结构一般采用多个电动机拖动的方式。
一般设有主电动机、摇臂升降的电动机，冷却泵电动机，以及液压泵电动机。
2.1.3控制的过程、要求分析
（1）电力拖动方面装置
Z3040型摇臂钻床装配了四台三相鼠笼式异步电动机。
下面是关于装配电动机的简单介绍，M1是主轴电动机、M2是摇臂升降电动机、M3是液压泵电动机、M4作为冷却液泵电动机。
在电路保护方面，保护总电源的开关为低压断路器QS，通过FU1熔断器能实现它在短路方面保护，同时套用了FU2熔断器对M2、M3进行短路方面保护，过载保护将通过热继电器FR来实现。
主轴电动机M1，摇臂升降电动机M2、和液压泵电动机M3都是通过接触器控制的。
低压断路器SA1则控制着冷却泵电动机M4。
（2）控制要求
1）对主轴电动机M1上的控制。
M1主轴电动机是单一方向进行旋转的。
2）对摇臂升降电动机M2上的控制。
摇臂钻床在工作状态的时候，它的力臂需要一直在夹紧的状态下，用来保证加工工作时精度的要求和安全。
3）对液压泵电动机M3上的控制。
M3液压泵电动机可以进行正反方向的转动，继而带着动液压泵,令液压系统的夹紧机构完成了夹紧与放松的实现。
4）对主轴箱与立柱夹紧与放松上的控制。
主轴箱以及立柱的加紧与放松可以同时进行。
5）对冷却泵电动机M4上的控制。
单一方向旋转上的实现。
2.2Z3040型电路控制说明
Z3040型钻床电气控制系统电路图，如图所示。
下面研究分析它的工作过程。
2.2.1主电路分析
1）交流380V作为主电路的电源供给电压，电源引入开关为开关QS。
2）主轴电动机M1，能够实现单方向得旋转模式，由接触器KM1对电动机M1进行控制，主轴在正、反方向上的转动是通过机床液压系统的操作机构、正转、反转摩擦离合器来配合实现。
总电源开关处电磁脱扣装置是用作短路保护电器，电动机M1的过载保护由热继电器FR1控制实现。
3）M2作为控制摇臂升降电动机，用正转、反转的接触器KM2、KM3来控制正反转的实现。
电路中，在保证操纵摇臂的升降时候，开始时使液压泵电动机进行旋转起动，实现压力油供出，通过液压系统松开摇臂，接着起动电动机M1，拖动着力臂上升或者下降。
当力臂到位后，保证电动机M2先停止动作，接着自动通过液压系统夹紧摇臂，最后，液压泵电动机M3才会停止动作。
由于M2是短时工作的，所以不用设置长期过载保护。
4）M3作为液压泵电动机，是能够实现正、反转运行的。
它的停止和运行使通过接触器KM4和KM5控制得。
能够实现液压泵电动机过载保护得是热继电器FR2。
总的来说，这个电动机有着重要的作用，能给夹紧装置供给压力油，实现摇臂与立柱的松开与夹紧。
5）M4作为冷却泵电动机，它的功率很小，受开关SA1控制。
2.2.2控制电路分析
1）主轴电动机M1的控制
合上电源开关QS，同时按下起动按钮SB2，接触器KM1线圈得电并进行自锁，主轴电动机M1起动，并且支路中的主轴电动机的运转指示灯HL3发亮，表示主轴电动机是在正常工作。
合上停止按钮SB1，KM1线圈就会得电，它的触点断开，同时M1停转，指示灯HL3熄灭。
2）摇臂升降电动机M2的控制
摇臂上升按钮SB3、摇臂下降按钮SB4和正、反转接触器KM2，KM3组成了拥有双重互锁的电动机正、反转点动的控制电路。
摇臂移动一定要先把摇臂松开后，再进行移动，到位后摇臂能够自动地夹紧。
所以，摇臂的移动过程就是对液压泵电动机M3、摇臂升降电动机M2依照程序进行控制的一个过程。
摇臂的升降控制一定要与夹紧机构的液压系统配合紧密，由正、反转接触器KM4，KM5控制着双向的液压泵电动机M3正、反转，输送压力油，通过二位六通阀把它送至摇臂夹紧机构，实现夹紧和松开。
3）主轴箱和立柱的放松控制、夹紧控制
主轴箱与立柱放松、夹紧同时进行，它的控制电路是正、反转控制电路。
运用立柱和主轴箱的放松、夹紧，可以保证摇臂升降电动机M2的正、反转接线无误。
1.立柱、主轴箱的松开。
闭合松开按钮SB5，KM4线圈通电，液压泵电动机M3会正转，这时电磁阀YV失电，电动机拖动了液压泵，使液压油可以进入主机箱，立柱油腔松开，推动着活塞，令立柱、主轴箱松开。
这时，SQ4不再受压，动断触点SQ4闭合，松开指示灯HL1亮。
2.立柱、主轴箱的夹紧。
到达目标位置之后，合上夹紧按钮SB6，KM5线圈通电，液压泵电动机M3反转动作，这时电磁阀YV失电，它拖动液压泵，液压油进立柱、主轴箱夹紧油腔，令主轴箱和立柱夹紧。
同时，SQ4将会受压，它的动断触点断开，动合触点将闭合，夹紧指示灯HL2亮着，表示能够进行钻削工艺加工。
对辅助电路的分析
1）保护环节。
低压断路器QS可以对主电路短路保护，热继电器FR1则对主轴电动机过载保护，热继电器FR2对液压泵电动机M3过载保护。
摇臂上升限位、下降限位分别由行程开关SQ1、SQ5实现。
2）照明电路。
照明电路靠开关SA2控制照明灯EL来实现。
3）冷却泵电动机控制。
冷却泵电动机M4的容量小，受开关SA1控制。
3PLC的特点介绍
3.1PLC的基本组成
可编程控制器PLC的类型
PLC可分整体PLC和模块PLC.整体式PLC包括OMRON的C20P、C40P、CMP1A、CMP2A，MITSUBISHI的F、F1、F2、FX0、FX1N、FX2N和A、Q系列，日本松下的FP。
他的结构示意图，如下所示
PLC结构示意图
整体PLC是把寄存器、输入/输出（I/O）、CPU、电源电路以及通信端口组合在一个机体内；模块PLC是把上述单元分别做成对应模块，在应用时依据控制的要求安插在基架上，每个模块之间经过基架总线进行相互联系。
同时，这类型PLC系统的灵活性高，能够组成不一样的控制规模、功能的PLC，可是价格较高。
他的基本结构如下：
PLC基本框架图
三菱小型PLC最突出的产品是FX2系列可编程控制器，它拥有着85条功能指令。
有输送比较、程序控制、数据操作、方便指令、高速处理、外部I/O处理和功能块控制类型。
三菱PLC的新种类——FX2N系列。
它在可编程控制器FX2功能指令的基础上，新加入了浮点数运算、时钟功能和触电形比较指令，其数量能够达到128种298条。
3.2三菱PLC的指令系统
1、输入继电器X
可以用输入继电器PLC来接收外部所输入开关信号，和PLC输入端子相连接。
PLC经过光电耦合器，把外部输入信号读入，在输入映象的寄存器中存储。
输入端能够外接常开触点、常闭触点，也能够接由多个触点构成的串、并联电路和电子传感器即接近开关。
梯形图中，能够多次使用输入继电器常闭触点、常开触点。
2、输出继电器Y
可以用输出继电器PLC来向外部负载发送信号。
输出继电器把PLC输出信号输送给输出模块，后由输出模块驱动外部负载，有一对常开触点和PLC输出端子相连，具有一定负载能力。
3、辅助继电器M
PLC辅助继电器，它的作用和继电器-接触器控制中的中间继电器差不多。
可是PLC辅助继电器是软件实现，只能依靠程序驱动，各个辅助继电器能够有无限对常闭与常开触点供给编程使用。
可是触点不能够直接地输出驱动负载。
同时，辅助继电器有通用型、电池后备型两种。
4、移位寄存器
由上述的辅助继电器构成了移位寄存器。
移位寄存器的辅助继电器编号是这个移位寄存器编号。
5、特殊的辅助继电器
专用的辅助继电器也就是特殊的辅助继电器，它共有156个点，可以表示PLC的一些状态，并提供时钟脉冲、标志，以及设定PLC运行的方式，或者在步进顺控、禁止中断、设定计数器是加计数器还是减计数上的运用。
特殊辅助继电器有触点利用型、线圈驱动型。
6、定时器T
PLC定时器扮演着继电器控制系统中延时继电器的角色。
7、计数器C
它的计数值是编程器设定K值所决定。
8、状态器S
状态器S是编制步进控制程序中的基本元件。
4Z3040摇臂钻床的电气控制PLC改造
4.1Z3040摇臂电路设计和钻床说明
依据继电控制原理，Z3040摇臂钻床由多电机拖动。
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，分析它的电气控制原理，Z3040摇臂钻床输入元件有11个，按钮6个，限位开关有5个；输出元件有9个，接触器线圈5个，电磁阀1个，信号灯3个。
继电器控制电路的热继电器，不用作为输入的元件，将触点串接到接触器线圈回路中很方便，能够节省输出点。
PLC端口分配表
电气元件
作用
逻辑元件
电气元件
作用
逻辑元件
SB1
主轴电动机M1停止
X1
SQ5
摇臂下降限位开关
X25
SB2
主轴电动机M1启动
X2
KM1
接触器
Y1
SB3
摇臂上升
X3
KM2
接触器
Y2
SB4
摇臂下降
X4
KM3
接触器
Y3
SB5
主轴箱松开
X5
KM4
接触器
Y4
SB6
主轴箱夹紧
X6
KM5
接触器
Y5
SQ1
摇臂上升限位开关
X21
YV
电磁阀
Y6
SQ2
摇臂放松限位开关
X22
HL1
指示灯
Y21
SQ3
摇臂夹紧限位开关
X23
HL2
指示灯
Y22
SQ4
主轴箱立柱松紧限位开关
X24
HL3
指示灯
Y23
I/O接线图设计
依据I/O分配，制作I/O端的子接线图。
子接线图的输入侧用直流24V，输出侧用交流220V，这样直接驱动交流接触器、电磁阀会更加方便。
但是主令电器常闭触头都是用常开触点为输入，令编程简单，热继电器常闭触点串联在接触器线圈回路用作过载保护，把接触器常闭触点串接进线圈回路，进行互锁保护可以增加系统可靠性，PLC输入输出都采用光电隔离，增强了抗干扰能力。
Z3040摇臂钻床PLCI/O端子接线图
4.2Z3040程序设计与说明
依据Z3040控制要求以及继电的器-接触器控制逻辑，结合PLC端口分配，改造PLC控制程序。
Z3040摇臂钻床PLC梯形图
Z3040摇臂钻床PLC梯形图指令表
1.LDX226.ANIY553.INV
2.ORY127.OUTR254.OUTY22
3.ANIX128.MPP55.LDY1
4.OUTYI29.ANIR156.OUTY23
5.LDX330.OUTTMX1K3057.END
6.ANIX2133.LDR1
7.LDX434.ANDX22
8.ANIA2535.MPS
9.ORB36.ANIX4
10.OUTR137.ANIY3
11.LDR138.OUTY2
12.ANIX2239.MPP
13.ORX540.ANIX3
14.ANIY541.ANIY2
15.OUTY442.OUTY3
16.LDR143.LDT1
17.LDY644.ORY5
18.ANIX2345.ANIR1
19.ORB46.LDX6
20.ANIX547.ANIR1
21.ANIX648.ORB
22.OUTY649.ANIY4
23.LDR150.OUTY5
24.ORR251.LDX24
25.MPS52.OUTY21
摇臂钻床PLC控制原理
（1）主轴电机起停
按下启动按钮SB2（非自锁）,输入点X2合上,输出点Y1得电后自锁,接触器KM1线圈得电,HL3指示灯亮，主轴电动机M1得电工作。
按下停止按钮SB1（非自锁）,输入点X1合上,输出点Y1断电,对应的接触器KM1失电，线圈松开,主轴电动机M1停止运转,指示灯HL3灭。
（2）摇臂升降控制
松开摇臂运动过程：
按下上升按钮SB3（非自锁）,输入点X3合上（或按下下降按钮SB4（非自锁）,输入点X4合上）,辅助继电器R1通电,其辅助常开触点接通,输出点Y4和输出点Y6接通，辅助继电器R2接通,接触器KM4通电，线圈合上,液压泵电动机M3正向运行,发出正向压力油,随后电磁阀YV通电，线圈合上,摇臂松开。
摇臂上升（下降）运动过程：
摇臂上升（或下降）松开动作完成后碰压行程开关SQ2,其对应输入常闭触点X22断开,输出点Y4断开,接触器KM4通电，线圈合上,液压泵电动机M3断电停止工作,摇臂始终保持着松开的状态;同时常开触点对应的输入点X22闭合,输出点Y2（或Y3）接通,接触器KM2（或KM3）通电，线圈合上,摇臂升降电动机M2正方向运行（下降为反反向运行）,直接拖动摇臂上升（或下降）。
夹紧摇臂的运动过程：
摇臂上升（或下降）到所要到达位置时,放开按钮SB3（或SB4）,相应输入点断开,辅助继电器R1不得电,输出点Y2（或Y3）失电,接触器KM2（或KM3）通电，线圈合上,摇臂升降电动机M2失电工作停止,相应的摇臂升降不再动作;同时接通定时器T1，定时器在通电3秒的延时后动作,定时器常开触点闭合,输入点Y5合上,接触器KM5通电，线圈合上。
液压泵电动机M3反方向运行,发出反方向压力油,使摇臂夹紧。
夹紧动作完成后压下行程开关SQ3,行程开关对应的输入点X23松开,输入点Y5、Y6失电，接触器KM5和电磁阀YV因线圈释放而使M3停转。
（3）松开与夹紧主轴箱和立柱的控制
合上主轴箱松开按钮SB5,输入点X5接通,输出点Y4合上，接触器KM4得电，线圈吸合，液压泵电动机M3正向运行，电磁阀YV没有工作，松开主轴箱和立柱。
没有压到行程开关SQ4，常闭触点合上，指示灯HL1得电发亮，完成了整个主轴箱和立柱的松开。
合上主轴箱夹紧按钮SB6，输入点X6合上，输出点Y5接通，相应的接触器KM5得电，线圈吸合，液压泵电动机M3反向运行，电磁阀YV仍不通电,主轴箱和立柱夹紧。
同时行程开关SQ4受压，相应的常闭点断开,指示灯HL1失电，常开触点对应的输出点合上，指示灯HL2亮，完成了整个主轴箱和立柱的夹紧。
5.结语
在这里，我们为了解决传统继电器—接触器的电气控制系统所带来的线路复杂、可靠性低、稳定性差、故障诊断困难的问题，对Z3040钻床进行PLC电气控制系统改造。
目的是为了简化电路线路，提高工作的可靠性、精确度，为设备在维护、检修方面带来便利，同时，成本合理，给生产厂家带来较大经济效益。
经过对Z3040摇臂钻床电气控制系统的自主学习,熟悉它的功能、结构特点和运动方式,再到各个设备原理,作用,PLC技术改造,改变了传统的电气控制,经过分析电路的原理,对电路进行设计,编写程序,在最后，完成了项目和调试PLC电路连接。
这次的设计改造，不仅仅加深了对PLC的理解,巩固了PLC的知识,并拥有了PLC编程的基本能力,提高了分析和解决问题的能力,取得了良好效果。
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