基于PLC技术对Z3050摇臂钻床改造.docx
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基于PLC技术对Z3050摇臂钻床改造
毕业设计任务书
设计（论文）题目
基于PLC的Z3050摇臂钻床控制系统改造设计
主要
研究
内容
1.机床系统自动化改造意义和思路
2.摇臂钻床液压系统、电气系统控制要求
3.利用三菱FX2N系列PLC对Z3050摇臂钻床进行改造设计
4.根据摇臂钻床的控制要求及特点；进行主电路设计，PLC控制电路设计
5.PLC程序设计并进行现场调试
6.摇臂钻床的PLC改造对同类机床电气数控化改造的借鉴作用
主要
技术
指标
或研
究目
标
1.提高学生对可编程控制器及普通摇臂钻床知识的掌握和应用
2.掌握PLC控制系统的原理设计以及电器元件的选择
3.掌握PLC程序设计与安装调试方法和步骤
4.系统调试与故障排除及实际应用
5.培养学生正确的思维、严谨认真的科学态度
基本
要求
1.联系生产实际进行Z3050摇臂钻床的改造
2.合理选用PLC、电动机、接触器等电器元件
3.确定设计方案、编写梯形图程序，并进行调试，能实现自动钻床控制要求
4.编写毕业设计论文，论文格式应符合学校的毕业论文格式
论文应包括：
封面、目录、摘要、引言、正文、结束语、致谢、参考文献。
目录
摘要1
第1章、绪论2
1.1设计目的和意义2
1.2PLC的发展及前景展望2
1.2.1plc最新发展趋势2
1.2.2plc发展前景预测3
第2章、摇臂钻床简介4
2．1摇臂钻床的主要结构4
2.1.1摇臂钻床的运动形式4
2.1.2摇臂钻床电气拖动特点及控制要求5
2.2摇臂钻床安全操作规程5
2.2.1摇臂钻床日常检查及保养6
2.2.2摇臂钻床主要特点7
2.3电气控制线路分析7
第3章、低压电器10
3.1行程开关10
3.2低压断路器11
3.2.1低压断路器工作原理：
11
3.2.2低压断路器的型号图及含义11
3.2.3低压断路器的选择12
3.3漏电保护断路器12
3.3.1漏电保护断路器工作原理12
3.3.2漏电保护器的选型12
3.4电流继电器13
3.4.1电流继电器的分类13
3.5电压继电器14
3.5.1电压继电器的分类14
3.6按钮开关14
3.6.1按钮开关的结构种类14
3.7交流接触器14
3.7.1交流接触器基本组成15
3.7.2交流接触器工作原理15
3.7.3交流接触器的选用15
3.8控制变压器15
3.8.1控制变压器工作原理16
3.8.2BK机床控制变压器16
第4章、PLC简介17
4.1PLC概述17
4.1.1PLC的主要控制功能和特点17
4.1.2PLC的工作原理18
4.2.PLC系统组成及性能参数18
4.2.1PLC系统组成18
4.2.2PLC的性能参数18
4.2.3安装与布线18
4.2.4I/O端的接线19
4.2.5外部安全电路19
4.2.6PLC的接地20
第五章Z3050控制系统PLC改造设计21
5.1系统主要组成部分21
5.1.1PLC的选型22
5.2PLC应用中应注意的问题23
5.2.1工作环境23
5.3PLC的I/O分配图24
5.4PLC的I/O接线图24
5.5PLC的程序设计24
5.5.1梯形图24
5.5.2指令表24
总结24
致谢25
参考文献25
附录AZ3050摇臂钻床电气控制原理图26
附录BPLC的I/O分配图27
附录CPLC的I/O接线图28
附录DPLC的梯形图29
附录EPLC的指令31
摘要
传统机床配套的电控系统以继电器、接触器的硬接线为基础，技术上比较落后，特别是其触点的可靠性问题，直接影像了产品的质量和生产效率。
本论文是研究机械加工中常用的Z3050摇臂钻床传统电气控制系统的改造问题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。
将把PLC控制技术应用到改造Z3050摇臂钻床电气控制系统中去，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。
关键词：
摇臂钻床PLC
ABSTRACT
Traditionalmachinecontrolsystembasicallyadoptaccontactorrelaycontrolmode,reliabilityispoorer.Existingcontactslifeexpectancy,highfailure,linemaintenancedifficultiesshortcomings.Programmablelogiccontroller（PLC）isthemicroprocessorbased,integratedcomputertechnology,automaticcontroltechnologyandcommunicationtechnologydevelopedakindofindustrialautomaticcontroldevice,theapplicationoftheflexible,highreliability,easymaintenance.ApplicationofPLCcontrolsystemtoreformthetraditionalmachinetoolcangetagoodeffect.ThispaperistostudymechanicalprocessingincommonuseintheZ3050radialdrillingmachinetraditionalelectriccontrolsystemofreformoftheproblemistosolvetraditionalrelays-contactorelectriccontrolsystemoftheexistinglineofpoorstabilityandreliabilityofthecomplexfaultdiagnosisandruleoutsuchasdifficultproblem.WillthePLCcontroltechnologyisappliedtotransformZ3050radialdrillingmachineelectriccontrolsystem,whichgreatlyimprovetheperformanceofradialdrillingmachine.Papersonradialdrillingmachinemaincircuitisanalyzed,andthecontrolcircuitindetail,thecompletionoftheelectricalcontrolsystemofthesoftwareandhardwaredesign,includingthechoiceoftype,PLCinputandoutputsignalandaddressofdistribution,andtheI/Oportdistribution,PLCladderdiagramprogramdesign.radialdrillingmachinePLC
第1章、绪论
1.1设计目的和意义
传统机床控制系统基本上采用交流继电器接触器控制方式，可靠性较差。
存在触点寿命低、故障率高、线路维护困难等缺点。
可编程控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种工业自动控制装置，应用灵活、可靠性高、维护方便。
应用PLC对传统机床控制系统进行改造可取得良好效果将把PLC控制技术应用到改造Z3050摇臂钻床电气控制系统中去，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。
论文对摇臂钻床主电路进行了分析，对控制线路进行了详细的阐述，完成了电气制系统硬件和软件的设计，其中包括PLC机型的选择、输入输出信号及地址的分配、I/O端口的分配、PLC梯形图程序的设计
1.2PLC的发展及前景展望
1.2.1plc最新发展趋势
一、PLC向网络化技术发展。
其中有两个趋势，一方面，PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分。
另一方面，现场总线技术得到广泛的采用，PLC与其他安装在现场的智能化设备，比如智能化仪表，传感器，智能型电磁阀，智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质（比如双绞线，同轴电缆，光缆）连接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的PLC远程网络相比，配置更灵活，扩容更方便，造价更低，性能价格比更好，也更具开放意义。
二、PLC向高性能小型化发展。
PLC的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。
比如三菱的FX-ON系列PLC，最小的机种，体积仅为60×90×70mm2，相当于一个继电器，但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。
PLC已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力，如浮点数运算，PID调节，温度控制，精确定位，步进驱动，报表统计等。
从这种意义上说，PLC系统与DCS（集散控制系统）的差别已经越来越小了。
用PLC同样可以构成一个过程控制系统。
1.2.2plc发展前景预测
一、增强抗干扰性。
如生产环境过于恶劣，或是电磁干扰异常强烈则也可造成PLC控制系统的运算或是控制错误，导致在某些生产环节出现错误而不能保证正常的生产运行，因此，提高PLC的可靠性是其未来发展的主要方向，其一方面要提高抗干扰能力同时在设计、安装以及使用过程中引起重视，尽量减少对其造成负面影响。
二、进一步网络化、数字化。
目前用于火电系统控制系统的DCS虽技术日益成熟但近年来其发展日趋缓慢，PLC的产生及发展使其与DCS相互吸收彼此特点，逐步同化，并逐步发展成为新的控制系统——FCS系统，其既保留了原来系统的特性又实现了工业自动化技术的发展，并使数字化、智能化控制得到进一步的发展和应用，因此其近年来在火电厂的应用日益广泛。
PLC产品还可以用于离散、制程和混合式自动化产品领域，并在各个制造行业保持稳固增长。
基于对更高自动化程度和更高能效的需要，制造业会越来越多地应用PLC。
在制造过程中，以最低生产设备生命周期成本来实现适应性和灵活性的日益增加的需求，给PLC的创新与发展提供了不竭的动力。
一些新兴行业的运用以及新能源产生、储存和基础设施建设的需要，无疑给PLC带来了巨大的机遇。
为能够更广泛的适应未来各种工业生产过程中控制场所的需要，PLC控制系统作为自动化控制网络和国际通用网络的重要部分其产品将会更加丰富，规格也会更加齐全，并将在人类电气自动化发展过程中发挥更加广泛的作用。
第2章、摇臂钻床简介
主轴箱可在摇臂上移动，并随摇臂绕立柱回转的钻床。
摇臂还可沿立柱上下移动，以适应加工不同高度的工件。
较小的工件可安装在工作台上，较大的工件可直接放在机床底座或地面上。
摇臂钻床广泛应用于单件和中小批生产中，加工体积和重量较大的工件的孔。
摇臂钻床加工范围广，可用来钻削大型工件的各种螺钉孔、螺纹底孔和油孔等。
摇臂钻床的主要变型有滑座式和万向式两种。
滑座式摇臂钻庪岆基型摇臂钻岊的底座改爐滑座而成，滑座可沿嚊身导轨移刨，䛥扩大加工范围，适用于锅炉、桥梁、眺车车辆和造船等行业。
万少摇臂钻床的摇臂除可作垂直和回转运动外，并可作水平移媨，主轴箱可在摇臂上作倾斜调整，以适应工件各部位的加工。
步外，还有车式、壁式璌数字控制摇ꇂ钻床等。
钻床是一种子加巭设备ｌ可以用来钻孔、扩孔、铰孔、改丝及修刮端面等多种形式的加工。
按用途和结构分类，钻床可以分为立式钻床、台式鲻床、堚孔钻床、摇臂钻床及其他츓用钻床等。
在各类钻庚中，摇臂钻床擝作方便、灵活，适用范围广，具有典型性，特别适用于单件或批量生产带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常见的机床。
目前国内较大的摇臂钻床生产厂家主要有：
沈阳中捷机床、沈阳机床集团、山东鲁南精机、山东翔宇机床有限公司等。
这些厂家都是生产历史较长，质量可靠，有多年信誉的老厂。
2．1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。
由于丝杆与外立柱连成一体，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。
2.1.1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，摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。
2.1.2摇臂钻床电气拖动特点及控制要求
（1）摇臂钻床运动部件较多，为了简化传动装置，采用多台电动机拖动。
例如Z3050型摇臂钻床采用4台电动机拖动，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），这些电动机都采用直接启动方式。
（2）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，一般情况下多由机械变速机构实现。
主轴变速机构与进给变速机构均装在主轴箱内。
（3）摇臂钻床的主运动和进给运动均为主轴的运动，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。
（4）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。
（5）摇臂升降电动机要求能正反向旋转。
（6）内外主轴的夹紧与放松、主轴与摇臂的夹紧与放松可用机械操作、电气—机械装置，电气—液压或电气—液压—机械等控制方法实现。
若采用液压装置，则备有液压泵电机，拖动液压泵提供压力油来实现，液压泵电机要求能正反向旋转，并根据要求采用点动控制。
（7）摇臂的移动严格按照摇臂松开→移动→摇臂夹紧的程序进行。
因此摇臂的夹紧与摇臂升降按自动控制进行。
（8）冷却泵电动机带动冷却泵提供冷却液，只要求单向旋转。
（9）具有连锁与保护环节以及安全照明、信号指示电路。
（10）为了安全，本机床设有“开门断电”功能
2.2摇臂钻床安全操作规程
1．工作前对所用钻床和工卡量进行全面检查，确认无误时方可工作。
2．严禁戴手套操作，女生发辫应挽在帽子内。
3．工件装夹必须牢固可靠。
钻小件时，应用工具夹持，不准用手拿着钻。
4．使用自动走刀时，要选好进给速度，调整好行程限位块。
手动进刀时，一般按照逐渐增压和逐渐减压原则进行，以免用必过猛造成事故。
5．钻头上绕有长铁屑时，要停车清除。
禁止用风吹、用手拉，要用刷子或铁钩清除。
6．精铰深孔时，拔取圆器和销棒，不可用力过猛，以免手撞在刀具上。
7．不准在旋转的刀具下，翻转、卡压或测量工件。
手不准触摸旋转的刀具。
8．使用摇臂钻时，横臂回转范围内不准有障碍物。
工作前，横臂必须卡紧。
9．横臂和工作台上不准存放物件，被加工件必须按规定卡紧，以防工件移位造成重大人身伤害事故和设备事故。
10．工作结束时，将横臂降到最低位置，主轴箱靠近立柱，并且都要卡紧。
2.2.1摇臂钻床日常检查及保养
1：
清洗机床外表及死角，拆洗各罩盖，要求内外清洁、无锈蚀、无黄袍，漆见本色铁见光。
2：
清洗导轨面及清除工作台面毛刺。
3：
检查补齐螺钉、手球、手板，检查各手柄灵活可靠性。
摇臂钻床主轴进刀箱保养
1：
检查油质，保持良好，油量符合要求。
2：
清除主轴锥孔毛刺。
3：
清洗液压变速系统、滤油网，调整油压。
摇臂钻床摇臂及升降夹紧机构检查
1：
检查调整升降机构和夹紧机构达到灵敏可靠。
摇臂钻床润滑系统检查
1：
清洗油毡，要求油杯齐全、油路畅通，油窗明亮。
摇臂钻床冷却系统检查
1．清洗冷却泵、过滤器及冷却液槽。
2．检查冷却液管路，要求无漏水现象。
摇臂钻床电器系统检查
1．清扫电机及电器箱内外尘土。
2.关闭电源,打开电器门盖,检查电器接头和电器元件是否有松动、老化。
3.检查限位开关是否工作正常。
（需要通电检查，注意安全）
4.开门断电是否起到作用。
5.检查液压系统是否正常，有无漏油现象。
6.各电器控制开关是否正常。
2.2.2摇臂钻床主要特点
1、采用液压预选变速机构，可节省辅助时间
2、主轴正反转、停车（制动）、变速、空挡等动作，用一个手柄控制，操纵轻便
3、主轴箱、摇臂、内外柱采用液压驱动的菱形块夹紧机构，夹紧可靠。
4、摇臂上导轨、主轴套筒及内外柱回转滚道等处均进行淬火处理，可延长使用寿命。
5、主轴箱的移动除手动外，还能机动。
6、有完善的安全保护装置和外柱防护及自动润滑装置。
2.3电气控制线路分析
Z3050型摇臂钻床的电气控制线路（附录五）
主电路分析。
Z3050型摇臂钻床共有四台电机，除冷却泵电机采用断路器直接启动外，其余三台异步电机均采用直接启动。
M1是主轴电动机，由交流接触器KM1控制，只要求单方向旋转，主轴的正反转由机械手柄操作。
M1装于主轴箱顶部，拖动主轴及进给传动系统运转。
FR1作为电动机M1的过载及断相保护，短路保护由断路器QF1中的电磁脱扣装置来完成。
M2是摇臂升降电动机，装于立柱顶部，用接触器KM2和KM3控制其正反转。
由于电机M2是间断性工作，所以不设过载保护。
M3是液压泵电机，用接触器KM4和KM5控制其正反转。
由热继电器FR2作为过载及断相保护。
该电机的主要作用是拖动油泵供给液压装置压力油，以实现摇臂、立柱以及主轴箱的松开和夹紧。
摇臂升降电机M2和液压油泵电机M3共用断路器QF3中的电磁脱扣器作为短路保护。
M4是冷却泵电机，有断路器QF2直接控制并以实现短路、过载及断相保护。
主电路电源电压为交流380V，由断路器QF1作为电源引入开关。
控制电路分析。
控制电路电源由控制变压器TC降压后供给110V电压，熔断器FU1作为短路保护。
开车前的准备工作。
为了保证操作安全，本钻床设有“开门断电”功能。
所以开车前应将立柱下部及摇臂后部的电气箱门盖关好，方能接通电源。
合上QF3及总电源开关QF1，则电源显示灯HL1亮，表示钻床的电气线路已进入带点状态。
主轴电机M1的控制。
按下启动按钮SB3，接触器KM1吸合并自锁，使主轴电机M1启动运行，同时指示灯HL2亮。
按下停止按钮SB2，接触器KM1释放，使主轴电机M1停止转动，同时HL2熄灭。
摇臂升降控制。
按下上升按钮SB4（或下降按钮SB5），则时间继电器KT1线圈通电吸合，其瞬时闭合的触头闭合，KM4接触器线圈通电，液压泵电机启动，正向旋转，供给压力油。
压力油经分配阀体进入摇臂的“松开油腔”，拖动活塞移动，活塞推动菱形块，降摇臂松开，同时活塞杆通过弹簧片压下位置开关SQ2，使其常闭触头断开，常开触头闭合。
前者切断了接触器KM4的线圈电路，KM4主触头断开，液压泵电机M3停止工作。
后者使交流接触器KM2（或KM3）的线圈通电，KM2（或KM3）的主触头接通的电源，摇臂升降电机启动旋转，电动摇臂上升（或下降）。
如果此时摇臂尚未松开，则位置开关SQ2的常触头则不能闭合，接触器KM2（或KM3）的线圈无电，摇臂就不能上升（或下降）。
当摇臂上升或下降所到需位置时，松开按钮SB4（或SB5），则接触器KM2（或KM3）和时间继电KT1器同时释放，停止工作，随之摇臂停止上升（或下降）。
由于时间继电器KT1断电释放，经1-3秒时间延时后，其延时闭合的常闭触头闭合，使接触器KM5吸合液压泵电机反向旋转，随之泵内压力油经分配阀进入摇臂的“夹紧油腔”使摇臂夹紧。
在摇臂夹紧后，活塞杆推动弹簧片压下的位置开关SQ3，其常闭触头断开，KM5断电释放，M3最终停止工作，完成了摇臂的松开-上升（或下降）-夹紧的整套动作。
组合开关SQ1a和SQ1b作为摇臂升降的超程限位保护。
当摇臂上升到极限位置时，压下SQ1a使其断开，接触器KM2断电释放，M2停止运行，摇臂停止上升；当摇臂下降到极限位置时，压下SQ1b使其断开，接触器KM3断电释放，M2停止运行，摇臂停止下降。
摇臂的自动夹紧由位置开关SQ3控制。
如果液压夹紧装置出现故障，必能自动夹紧摇臂，或者由于SQ3的调整不当，在摇臂夹紧后不能使SQ3的常闭触头断开，都会使液压泵电机M3因长期的过载运行而损坏。
为此电路中设有热继电器FR2，其整定值因根据点M3的额定电流进行整定。
摇臂升降电机M2的正反转接触器KM2和KM3不允许同时获电工作，以防止电源相间短路。
立柱和主轴箱的夹紧与放松控制。
立柱和主轴箱的夹紧（或放松）既可以同时进行也可以单独进行，由转换开关SA1和复合按钮SB6（或SB7）进行控制。
SA1三个位置，搬到中间位置时，立柱和主轴箱夹紧（或放松）同时进行；扳到左边位置时，立柱夹紧（或放松）；扳到右边时，主轴箱夹紧（或放松）。
复合按钮SB6是松开控制按钮，SB7是夹紧控制按钮。
立柱和主轴箱同时松开、夹紧。
降转换开关SA1扳到中间位置，然后按下松开按钮SB6，时间继电器KT2\KT3线圈同时得点。
KT2的延时闭合的常开触头经1-3秒延时闭合，时寄存器KM4获电吸合，液压电机M3正传，压力油进入立柱和主轴箱的松开油腔，使立柱和主轴箱同时松开。
松开SB6，时间继电器KT2和KT3的线圈断电释放，KT3延时闭合的常开触头瞬时分开，寄存器KM4断电释放，液压泵电机M3停转。
KT2延时分断的常开触头经1-3秒后分断，电磁阀YA1、YA2线圈断电释放，立柱和主轴箱同时松开的操作结束。
立柱和主轴箱同时夹紧的工作原理与松开相似，只要按下SB7，使接触器KM5得电吸合，液压泵电机M3反转即可。
立柱和主轴箱单独松开、夹紧。
如果希望单独控制主轴箱，可将转换开关SA1扳到右边位置。
按下松开按钮SB6（或夹紧按钮SB7）时间继电器KT2和KT3的线圈同时得电，这是只有电磁阀YA2单独通电吸合，从而实现主轴箱的单独松开（或夹紧）。
松开复合按钮SB6或SB7，时间继电器KY2和KT3的线圈断电释放，KT3的通电延时闭合的常
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