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摇臂钻床电气控制系统设计
01摘要
本课程设计是机械加工中常用的Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的设计,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。
此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，叙述了采用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?
摘要1
1绪论4
1.1Z3040摇臂钻床简介4
1.2设计目的4
2Z3040摇臂钻床电气控制系统的原理5
2.1主电路5
2.2控制电路、信号及照明电路5
2.2.1主电动机的旋转控制5
2.2.2摇臂松开--升／降--摇臂夹紧控制5
2.2.3立柱和主轴箱的松开及夹紧控制及信号灯6
3基于PLC的Z3040摇臂钻床电气控制系统硬件部分的设计7
3．1电气元件的选择7
3．2PLC型号的选择8
3.2.1根据PLC的物理结构8
3.2.2根据PLC的指令功能9
3.2.3根据PLC的输入输出点数9
3.2.4根据PLC的存储容量9
3.2.5根据输入模块的类型9
3.2.6根据输出模块的类型9
3.3PLC的I/O电气接线图的设计10
4Z3040摇臂钻床电气控制系统软件部分的设计11
4.1PLC梯形图程序的优化设计及程序调试：
11
4.1.1主电动机的起动控制程序11
4.1.2摇臂升降控制程序11
4.1.3主轴箱放松或夹紧控制程序12
4.1.4摇臂回转控制梯形图程序13
4.1.5冷却泵开关控制梯形图程序13
参考文献26
附录ⅠZ3040摇臂钻床电气控制原理图27
附录ⅡZ3040摇臂钻床的电器元件明细表28
附录ⅢI/O电气接线图29
附录Ⅳ程序梯形图30
1绪论
1.1Z3040摇臂钻床简介
钻床是一种孔加工机床，可用来钻孔、扩孔、绞孔、攻螺纹及修刮端面等多种形式的加工。
钻床的结构形式很多，有立式钻床、卧式钻床、深孔钻床等。
摇臂钻床是一种立式钻床，它适用于单件或批量生产中带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机床。
摇臂钻床主要由底座、内外立座、摇臂、主轴箱和工作台等组成。
摇臂的一端为套筒，套装在外立柱上，并借助丝杠的正、反转可沿外立柱作上下移动。
主轴箱安装在摇臂的水平导轨上可通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。
加工时，根据工件高度的不同，摇臂借助于丝杠可带着主轴箱沿外立柱上下升降。
在升降之前，应自动将摇臂松开，再进行升降，当达到所需的位置时，摇臂自动夹紧在立柱上。
摇臂钻床钻削加工分为工作运动和辅助运动。
工作运动包括：
主运动（主轴的旋转运动）和进给运动（主轴轴向运动）；辅助运动包括：
主轴箱沿摇臂的横向移动，摇臂的回转和升降运动。
钻削加工时，钻头一面旋转一面作纵向进给。
钻床的主运动是主轴带着钻头作旋转运动。
进给运动是钻头的上下移动。
摇臂回转和主轴箱的左右移动采用手动.
当进行加工时，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，摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。
1.2设计目的
（1）了解Z3040摇臂钻床的操作顺序，并作出功能图。
（2）、熟悉并会接较复杂的PLC控制系统电路。
（3）、领悟电气控制电路PLC改造的要领。
2Z3040摇臂钻床电气控制系统的原理
2.1主电路
我国原来生产的Z3040摇臂钻床的主轴旋转运动和摇臂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保护。
因此在主回路中要用一个接触器将三相电源引入。
现在的Z3040摇臂钻床取消了十字开关，它的电气原理图见附录Ⅰ。
它的主电路、控制电路、信号电路的电源均采用自动开关引入，自动开关的电磁脱扣作为短路保护取代了熔断器。
交流接触器KM1只主电动机M1接通或断开的接触器，KR1为主电动机过载保护用热继电器。
摇臂的升降，立柱的夹紧放松都要求拖动的电动机正反转，所以M2和M3电动机分别有两个接触器，它们为KM2、KM3和KM4、KM5。
摇臂升降电动机M2、冷却泵电动机M4均为短时工作，不设过载保护。
采用4台电机拖动，主轴电动机Ml、摇臂升降电动机M2、液压泵电动机M3及冷却泵电动机M4，4台电动机均采用直接起动控制。
M2为短时工作制.主轴电动机Ml和液压泵电动机M3分别设有热继电器FRl、FR2作长期过载保护。
2.2控制电路、信号及照明电路
2.2.1主电动机的旋转控制
在主电动机启动前，首先将自动开关Q2、Q3、Q4扳到接通状态，同时将配电盘的门关好并锁上。
然后再将自动开关Q1扳到接通位置，电源指示灯亮。
这时按下SB1，中间继电器K1通电并自锁,为主轴电动机与其他电动机的启动做好了准备。
当按下按钮SB2时，交流接触器KM1线圈通电并自锁使主电动机旋转，同时主电动机旋转的指示灯HL4亮。
主轴的正转与反转用手柄通过机械变换的方法来实现。
2.2.2摇臂松开--升／降--摇臂夹紧控制
控制电路设有主轴启动按钮SB2和主轴停止按钮SB1。
摇臂钻床的工作过程是由电气、机械、液压系统紧密结合实现的。
摇臂升／降动作按照“摇臂松开→升降→摇臂夹紧”顺序进行。
由摇臂松开行程开关SQ2与夹紧行程开关SQ3来控制。
在摇臂夹紧前，由时问继电器KT延时l～3s后再夹紧。
主轴电机由按钮SB1、SB2和接触器KM1构成单向起动停止控制电路。
摇臂升降由M2作动力，SB3和SB4分别为摇臂上升和下降的点动按钮。
因为摇臂平时是夹紧在外立柱上，所以在摇臂升降之前，先要把摇臂松开，再由M2驱动升降：
摇臂升降到位后，再重新将它夹紧。
摇臂升降动作按照“摇臂松开--升／降--摇臂夹紧”顺序进行，由摇臂松开行程开关SQ2与夹紧行程开头SQ3来控制。
而摇臂的松、紧是由液压系统完成的。
当按下上升按钮SB3时，电磁阀YV线圈通电吸合，正向供出压力油进入摇臂的松开油腔，推动松开机构使摇臂松开，摇臂松开后，行程开头SQ2动作，SQ2触点闭合、SQ3复位SQ3摇臂上升，若M3反转，则反向供出压力油进入摇臂的夹紧油腔、推动夹紧构使摇臂夹紧，摇臂夹紧后，行程开头SQ3动作，SQ2复位摇臂停止在所需位置上。
摇臂升降的极限保护由组合开头SQ1实现，SQ1有两对常闭触点，当摇臂上升或下降到极限位置时，相应触头动作，切断对应上升或下降接触器KM2与KM3线圈回路，使摇臂升降电机M2停转，摇臂停止移动。
QS电源开关，主电机M1由KM1控制，摇臂升降电机M2由KM2、KM3控制正反转，液压泵电机M3由KM4、KM5控制正反转，冷却泵电机M4由SA1控制，电路有短路保护、过载保护等。
执行元件：
主电机M1、摇臂升降电机M2、冷却泵电机M4、液压泵电机M3、电磁换向阀YV（2位6通）。
2.2.3立柱和主轴箱的松开及夹紧控制及信号灯
主轴箱和立柱的松、紧是同时进行的，SB5和SB6分别为松开和夹紧点动按钮，当按下松开按钮SB5，KM4线圈得电，液压泵电机M3正转，拖动液压泵送出压力油，这时电磁阀YV线圈处于断电状态，液压油进入主轴箱与立柱的松开油腔，使主轴箱与立柱松开或夹紧。
由于YV线圈断电，液压油不会进入摇臂的松开油腔，摇臂仍处于夹紧状态。
当主轴箱与立柱松开时，行程开关SQ4不受压，触头SQ4闭合，指示灯HL1亮，表示主轴箱与立柱确已松开。
可以手动操作主轴箱在摇臂的水平导轨上移动，也可推动摇臂使绕内立柱旋转移动，当移动到位后，再按下夹紧按钮SB6，接触器KM5线圈得电，液压泵电机M3反转，液压油进入夹紧油腔，使主轴箱与立柱夹紧。
当确已夹紧、压下SQ4，HL2灯亮，HL1灭，指示主轴箱与立柱已夹紧，可以进行钻削加工。
机床设有4个信号灯：
电源指示灯HL、立柱和主轴箱松开指示灯HL1、立柱和主轴箱夹紧指示灯HL2、主轴电动机旋转指示灯HL3。
照明灯EL用SA2直接控制。
信号（检测）元件：
SQ1-摇臂上限位开关、SQ6-摇臂下限位开关；SQ2-摇臂松开检测、SQ3-摇臂夹紧检测；SQ4主轴箱立柱夹紧/松开检测；SQ5按下整个电路断。
3基于PLC的Z3040摇臂钻床电气控制系统硬件部分的设计
Z3040摇臂钻床电气控制系统的设计方案由两部分组成，一部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够保持原有功能不变，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。
3．1电气元件的选择
在电气原理图设计完毕之后就可以根据电气原理图进行电气元件的选择工作，本设计中需选择的电气元件主要有：
1.电源开关QS的选择
QS的作用主要是用于电源的引入及控制M1～M4起、停和正反转等。
因此QS
的选择主要考虑电动机M1～M4额定电流和启动电流，由前面已知M1～M4的额定
电流数值，通过计算可得额定电流之和为10.68A，同时考虑到，M2、M3、M4量为满载启动，在功率较小，M1虽功率较大，但为轻载启动。
所以，QS最终选择组合开关HZ5-20型，额定电流为20A。
2.热继电器FR的选择
根据电动机的额定电流进行热继电器的选择，由前面M1、M2和M3的额定电流，现选择如下：
FR1选用JR16-20/3D型热继电器。
热元件额定电流11A额定电流调节范围为6.8～11A工作时调整在6.82A.
FR2选用JR16-20/3型热继电器。
热元件额定电流2.4A额定电流调节范围为1.5～2.4A工作时调整在1.42A。
3.接触器的选择
根据负载回路的电压、电流，接触器所控制回路的电压及所需点的数量等来进行接触器的选择。
本设计中KM1主要对M1进行控制，而M1额定电流为6.82A，控制回路电源为127V，需要主触点两对，所以，KM1选G0-10型接触器，主触点额定电流为10A，线圈电压为127V。
KM2与KM3对M2进行控制，而M2额定电流为2.01A，控制回路电源为127V，各需要主触点两对，KM2的辅助动断触点一对，KM3的辅助动断触点一对，所以，KM2、KM3选CD10-5型接触器，主触点额定电流为5A，线圈电压为127V。
KM4与KM5对M3进行控制，而M3的额定电流为1.42A，控制回路电源为127V，各需要主触点三对，KM4的辅助动断触点一对，KM5的辅助动断触点一对，所以，KM4、KM5选CJ10-5型接触器。
4.时间继电器的选择
本设计中由于摇臂的升降需要延时控制。
需要常开触点一个，延时闭合动断触点一个，延时断开动合触点一个，我们选ISSI型时间继电器。
额定电压AC127V、DC24V,额定功耗小于5W,动作频率1200次/h。
5.熔断器的选择
根据熔断器的额定电压、额定电流和熔体的额定电流等进行熔断器的选择。
本设计中涉及到熔断器有三个：
FU1、FU2、FU3。
FU1主要对M1、M4进行短路保护，M1、M4额定电流分别为6.82A、0.43A。
因此，熔体的额定电流为Iful≥（1.5-2.5）INmax+∑IN
计算可得Iful≥17.48A，因此FU1选择RL1-60型熔断器，熔体为20A.
同理：
FU2选择RL1-15型熔断器，熔体为10A；FU3选择RL1-15型熔断器，熔体为2A。
6.按钮的选择
根据需要的触点数目、动作要求、使用场合、颜色等进行按钮的选择。
本设计中SB1、SB4选择LA-18型按钮，颜色为红色，选择SB2、SB5选择LA-18型按钮，颜色为绿色，SB3、SB6选择LA-18型按钮，颜色为黑色。
7.照明及指示灯的选择
本设计中，电源指示灯EL选择JC2，交流36V、40W，与灯开关SA2成套配置；指示灯HL1、HL2、HL3选择ZSD-0型，指标为6.3V，0.25A，颜色为黄色，绿色，红色各一个。
8.控制变压器的选择
本设计中，变压器选择BK-100VA,380V、220V/127V、36V、6.3V。
综合以上的计算，Z3040摇臂钻床的电器元件明细表见附录Ⅱ。
3．2PLC型号的选择
选择基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的PLC机型，应从以下几个方面来考虑：
3.2.1根据PLC的物理结构
根据物理结构的不同，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便宜，小型电气控制系统一般使用整体式可编程控制器。
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殊的控制任务，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价格便宜，因此，Z3040摇臂钻床电气控制系统的PLC选用整体式结构的PLC[5]。
3.2.2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。
3.2.3根据PLC的输入输出点数
一般系统中，开关量输入与输出的比例为6：
4，根据I/O总点数可给出如下的经验公式：
所需内存总字数=开关量（输入+输出）总点数*10
余量：
一般按计算存储器字数的25%考虑余量。
所需内存总字数=（28+20）*10=480
输入点数为28点，输出点数为20点，故总点数应大于48
3.2.4根据PLC的存储容量
PLC存储器容量的估算方法：
对于仅有开关量输入/输出信号的电气控制系统，将所需的输入/输出点数乘以10，就是所需PLC存储器的存储容量（单位为bit）即
（28+20）×20=480bit
3.2.5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]。
3.2.6根据输出模块的类型
PLC输出模块有继电器型、晶体管型和晶闸管三种。
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。
晶体管型与晶闸管输出模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应带宽快，寿命长，但是过载能力差，每1点的输出量只有0.5A，4点同时输出的总容量不得超过2A。
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28个，输出点数大于20个。
综上所述，为了使Z3040摇臂钻床在改造后能够良好工作，确认日本三菱公司生产的FX
-64MR-001型和扩展单元FX
-40ER-D型PLC能够满足上述要求，该类型号PLC体积小，功能强，增加了一些大型机的功能和指令，如PID和PWM（PulseWidthModulation，脉宽调制）指令，对于控制器体积要求较高的应用系统是一种很好的选择。
其编程口为RS-232C，可以直接和编程器或计算机连接，使用非常方便，且性价比较高，使用方便。
其主要技术性指标如下：
该型PLC具有Z3040摇臂钻床电气控制系统所需的所有指令功能，其总输入点数为28点，总输出点数为20点，用户存储器容量5K步，输入模块电压为DC24V，输出模块为继电器型。
由此可知，FX
-64MR-001和扩展单元FX
-40ER-D型PLC的技术性能指标完全能满足上述要求。
3.3PLC的I/O电气接线图的设计
PLC的I/O电气接线图中所有输入端共用一个COM端，输入信号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。
接触器线圈连接的所有输出端口可以共用一个COM2端。
PLC的I/O电气接线图见附录Ⅲ。
4Z3040摇臂钻床电气控制系统软件部分的设计
4.1PLC梯形图程序的优化设计
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FX
-64MR-001型号的PLC，所以编程时采用Windows环境下运行的SWOPC-FXGP/WIN-C的编程软件来编程设计,采用其可编程控制器训练装置来进行模拟调试。
4.1.1主电动机的起动控制程序
X4为主电动机起动输入继电器，接通X4，此时输出继电器Y1接通并自锁，从而使电机起动。
图4.1主电动机的起动梯形图程序
4.1.2摇臂升降控制程序
当X5接通时，同时Y4得电，使得液压泵电动机起动，摇臂放松，当摇臂彻底放松后，X30的常开触点闭合，常闭触点断开，Y4断电，Y2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，Y2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X6，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，Y3失电。
摇臂完成松开，然后下降的过程。
图4.2摇臂升降梯形图程序
4.1.3主轴箱放松或夹紧控制程序
当X012接通后，使Y4得电，主轴箱左移，当X015接通时，Y2得电，主轴箱松开到位。
加紧过程与其相似。
图4.3主轴箱放松或夹紧梯形图程序
4.1.4摇臂回转控制梯形图程序
当X033接通后，使Y4得电，同时Y14得电，摇臂开始回转，当X020接通后，摇臂开始逆回转，当X022接通后，使Y7得电，电机反转，摇臂开始加紧。
图4.4摇臂回转控制梯形图程序
4.1.5冷却泵开关控制梯形图程序
当X024接通后，使Y015得电，冷却泵开始工作，当X025接通后，冷却泵停止工作。
图4.5冷却泵开关控制梯形图程序
5系统调试及结果分析
5.1测试前安全检查
（1）、检测电路时，确定三相电源只接进去一端，防止二相进入单相电源供电的电路否则直接烧毁PLC或开关电源。
（2）、检查开关连接是否正常，是否连错或少。
（3）、确定熔断器应与电源相线L端相连；确定电路没有短路。
（4）、经老师同意后，才能通电测试，并按实验步骤操作。
5.2开始测试
等待
通电——HL1亮
按SB3——KM1吸合，HL2亮（主轴转动）
按SB2——KM1断开，HL2灭（主轴停转）
按SB4——KM5断开，KM4吸合，YA亮，再按SQ2——KM4断开，KM2吸合指示灯点亮（摇臂上升）
按SB5——KM5吸合，KM4吸合，YA亮，再按SQ2——KM4断开，KM3吸合指示灯点亮（摇臂下降）
断开SB4\SB5一段时间后——KM5吸合
按SB7——KM4吸合，YA灭
按SB1全部断开，按SQ5全部电源断开
参考文献
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附录ⅠZ3040摇臂钻床电气控制电路图
Z3040摇臂钻床电气控制原理图
附录ⅡZ3040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
附录ⅢI/O电气接线图
附录Ⅳ程序梯形图
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