基于PLC的Z3040型摇臂钻床控制系统设计综述Word文件下载.docx

1、9、列出所需电气设备器材的明细表（应包括：序号、文字符号、器材名称、规格、型号、数量、作用）10、编制设计说明书（说明书格式见附件）。11、Z3040型摇臂钻床适用于单件或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工，是机械加工车间常用的机床，在机械行业中得到了广泛应用。由于传统继电器接触器控制的摇臂钻床存在电路接线复杂，触点多、噪音大、可靠性差、故障诊断与排除困难等缺点，因此对Z3040摇臂钻床控制系统的技术改造是非常必要的。12、摇臂钻床适合于在大、中型零件上进行钻孔、扩孔、铰孔及攻螺纹等工作，在具有工艺装备的条件下还可以进行镗孔。1、主要控制电器为四台电机：主电动机、摇臂升降电动机、液压泵电动机、

2、冷却泵电机。2、主电动机和液压泵电机采用热继电器进行过载保护，摇臂升降电动机、冷却泵电机均为短时工作，不设过载保护。3、摇臂的升降，主轴箱、立柱的夹紧放松都要求拖动摇臂升降电动机、液压泵电动机能够正反转。4、摇臂的升降控制：按下摇臂上升起动按钮，液压泵电动机起动供给压力油，经分配阀体进入摇臂的松开油腔，推动活塞使摇臂松开。同时摇臂升降电动机旋转使摇臂上升。如果摇臂没有松开，摇臂升降电动机不能转动，必须保证了只有摇臂的可靠松开后方可使摇臂上升或下降，可使用限位开关控制。当摇臂上升到所需要的位置时，松开摇臂上升起动按钮，升降电动机断电，摇臂停止上升。当持续13s后，液压泵电动机反转，使压力油经分配

3、阀进入的夹紧液压腔，摇臂夹紧，同时液压泵电动机停止，完成了摇臂的松开上升夹紧动作。5、摇臂升降电动机的正转与反转不能同时进行，否则将造成电源两相间的短路。6、因为摇臂的上升或下降是短时的调整工作，所以应采用点动方式。7、摇臂的上升或下降要设立极限位置保护。8、立柱和主轴箱的松开与夹紧控制：主轴箱与立柱的松开及夹紧控制可以单独进行，也可以同时进行。由开关SA2和按钮SB5（或SB6）进行控制。SA2有三个位置：在中间位置（零位）时为松开及夹紧控制同时进行，扳到左边位置时为立柱的夹紧或放松，扳到右边位置时为主轴箱的夹紧或放松。SB5是主轴箱和立柱的松开按钮，SB6为主轴箱和立柱的夹紧按钮。9、主轴

4、箱的松开和夹紧为的动作过程：首先将组合开关SA2扳向右侧。当要主轴箱松开时，按下按钮SB5，经13s后，液压泵电动机正转使压力油经分配阀进入主轴箱液压缸，推动活塞使主轴箱放松。主轴箱和立柱松开指示灯HL2亮。当要主轴箱夹紧时，按下按钮SB6，经13s后，液压泵电动机反转，压力油经分配阀进入主轴箱液压缸，推动活塞使主轴箱夹紧。同时指示灯HL3亮， HL2灭，指示主轴箱与立柱夹紧。10、当将SA2扳到左侧时，立柱松开或夹紧。SA2在中间位置按下SB5或SB6时，主轴箱和主柱同时进行夹紧或放松。其他动作过程和主轴箱松开和夹紧完全相同，不再重复。11、机床要有照明设施。三、设计的具体实现 1、系统概述

5、钻床为孔加工机床，主要用来加工外形较复杂，没有对称回转轴线的工件上的孔。如钻孔、镗孔、铰孔及攻螺纹。因此要求钻床的主轴运动和进给运动有较宽的调速范围。Z3040型摇臂钻床的主轴的调速范围为50:1，正转最低转速为40 r/min，最高为2000 r/min，进给范围为0.051.60 r/min。它的调速是通过三相交流异步电动机和变速箱来实现的。也有的是采用多速异步电动机拖动，这样可以简化变速机构。钻床按其结构型式不同，有立式钻床、卧式钻床、深孔钻床、多轴钻床及摇臂钻床等。摇臂钻床适合于在大、中型零件上进行钻孔、扩孔、铰孔及攻螺纹等工作，在具有工艺装备的条件下还可以进行镗孔。Z3040型摇臂钻

6、床的结构如下所示。1.1、Z3040型摇臂钻床上运动形式有： a、主运动：主轴带动钻头的旋转运动； b、进给运动：钻头的上下运动； c、辅助运动：摇臂可沿外立柱的圆柱面上下垂直调整位置；主轴箱可沿摇臂的导轨横向调整位置；摇臂及外立柱绕内立柱转动至不同的位置；工作时可以很方便的调整主轴的位置（工件不动）。后两者为手动，另外还需考虑主轴箱、摇臂、内外立柱的夹紧和松开。摇臂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。摇臂的上升、下降由一台交流异步电动机拖动。主轴箱、立柱的夹紧和放松由另一台交流电动机拖动。通过电动机拖动一

7、台齿轮泵，供给夹紧装置所需要的压力油。而摇臂的回转和主轴箱的左右移动通常采用手动。此外还有一台冷却泵电动机对加工的刀具进行冷却。1.2 Z3040摇臂钻床的结构及运行Z3040摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成，内立柱固定在底座上，在它的外面套着空心的外立柱，外立柱可绕着内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，它包括主轴及主轴旋转和进给运动的全部传动变速和操作机构。主轴箱安装于摇臂的水平导轨上，可以通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。钻削加工时，主轴箱可由夹紧装置将其固定在摇臂的水平导轨上，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。1.3 Z30

8、40摇臂钻床的电力拖动的特点和控制要求摇臂钻床运动部件较多，为简化传动装置，采用多台电动机控制，通常没有主轴电动机、摇臂升降电动机、立柱夹紧和放松电动机及冷却泵电动机。摇臂钻床为适应各种形式加工，要求主轴及进给有较大的调速范围。主轴一般速度下的钻床加工为恒功率负载，而低速是用于扩孔、绞孔及螺纹加工，属于恒转矩负载。摇臂钻床的主运动与进给运动皆为主轴运动，这两个运动由一台主轴电动机拖动，分别经主轴和进给传动机构实现主轴旋转和进给。主轴变速机构与进给变速机构均装在主轴箱内。为加工螺纹，主轴要求有正、反转，一般由机械方法获得，为此主轴电动机只需单方向旋转。摇臂的升降由升降电动机拖动，要求电动机能正、

9、反转。摇臂的夹紧和放松是由电气和液压联合控制，并且有夹紧和放松指示。内外立柱的夹紧与放松，、主轴箱与摇臂的夹紧与放松可采用手柄机械操作、电气-液压-机械装置等方法来实现。钻削加工时，需要对刀具和工件进行冷却，为此需冷却泵电动机输送冷却液。要有必要的限位、连锁和过载保护，且具有局部安全照明。1.4 Z3040控制线路概述Z3040摇臂钻床主要有两种主要运动和其他辅助运动，主运动是指主轴带动钻头的旋转运动；进给运动是指钻头的垂直运动；辅助运动是指主轴箱沿摇臂水平运动，摇臂沿外立柱上下移动以及摇臂和外立柱一起相对于内立柱的回转运动。Z3040摇臂钻床具有两套液压控制系统：一套是由主轴电动机拖动齿轮泵

10、送出压力油，通过操纵机构实现主轴正反转、停车控制、空挡、预选与变速；另一套是由液压电动机拖动液压泵送出压力油来实现摇臂的夹紧和松开、主轴箱的夹紧与松开、立柱的夹紧与松开。前者安装在主轴箱内，后者安装在摇臂电器盒下部。a操纵机构液压系统该系统压力油由主轴电动机拖动齿轮泵送出，由主轴操作手柄来改变两个操纵阀的相互位置，获得不同的动作。操作手柄有五个空间位置：上、下、里、外和中间位置，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有一个旋钮预选，然后在操作主轴手柄。主轴旋转时，首先按下主轴电动机起动按钮，主轴电动机起动旋转，拖动齿轮泵，送出压

11、力油。然后操纵主轴手柄，板至所需转向位置（里或外），于是两个操纵阀相互位置转变，使一股压力油将制动摩擦离合器松开，为主轴旋转创造条件；另一股压力油压紧正转（反转）摩擦离合器，接通主轴电动机的主轴的传送链，驱动主轴正转或反转。在主轴正转或反转过程中，可转动变速按钮，改变主轴转速或主轴进给量。主轴停车时，将操作手柄扳回中间位置，这时主轴电动机仍拖动齿轮泵旋转。但此时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。所以主轴停车时主轴发动机仍在旋转，只是不能将动力传到主轴。主轴变速与进给变速：将主轴手柄扳至“变速”位置，于是

12、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。与此同时，另一油路系统推动拔叉缓慢运动，逐渐压紧主轴正转摩擦离合器，接通主轴电动机到主轴的传动链，带动主轴缓慢旋转，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，然后在操纵主轴正转或反转，主轴将在新的转速或进给量下工作。b、夹紧机构液压系统主轴箱、内外立柱和摇臂的夹紧和松开是由液压泵电动机拖动液压泵电动机送出压力油，推动活塞、菱形块来实现的。其中由一个油路控制主轴箱和立柱的夹紧，另一油路控制摇臂的夹紧和松开，这两个油路

13、均由电磁阀控制。Z3040摇臂钻床共有四大电动机：主电动机M1，摇臂升降电动机M2，液压泵电动机M3和冷却泵电动机M4。1.5 Z3040控制线路原理分析 a、 主电路分析（1）M1为单方向旋转，由接触器KM1控制，主轴的正反转则由机床液压系统操纵机构配合正反转摩擦离合器实现，并由热继电器FR1作电动机长期过载保护。（2） M2由正、反转接触器KM2、KM3控制实现正反转。控制电路保证，在操纵摇臂升降时，首先使液压泵电动机起动旋转，供出压力油，经液压系统将摇臂松开，然后才使电动机M2 起动，拖动摇臂上升或下降。当移动到位后，保证M2先停下，再自动通过液压系统将摇臂夹紧，最后液压泵电机才停下。M

14、2为短时工作，不设长期过载保护。（3）M3由接触器KM4、KM5实现正反转控制，并有热继电器FR2作长期过载保护。（4）M4电机容量小，仅0.125kW，由开关QS控制。 b、 控制电路分析由变压器TC将380V交流电压降为110V，作为控制电源。指示灯电源为 6V。（1）主电动机控制按下起动按钮SB2，接触器KM1吸合并自锁，主轴电动机M1起动并运转。按下停止按钮SB8，接触器KM1释放，主轴电动机M1停转。（2）摇臂升降控制摇臂上升、下降分别由SB3、SB4点动控制。按上升按钮SB3，时间继电器KT1得电吸合，瞬时动合触点闭合，接触器KM4得电吸合，液压泵电动机M3接通电源正向旋转，供给压

15、力油。压力油经分配阀体进入摇臂松开的油腔，推动活塞，使摇臂松开。当摇臂完全松开后，活塞杆通过弹簧片压下限位开关SQ2，使其动断触点SQ2断开，使接触器KM4线圈断电释放，液压泵电动机M3停转，与此同时，另一动合触点SQ2闭合，接触器KM2线圈通电吸合，其主触点接通升降电动机M2的电源，M2启动正向旋转，带动摇臂上升。如果摇臂没有松开，SQ2的动合触点也不能闭合，KM2就不能吸合，M2不能旋转，摇臂也就不可能上升，保证了只有在摇臂可靠松开后才能使摇臂上升。当摇臂上升到所需位置时，松开按钮SB3，接触器KM2和时间继电器KT1同时断电释放，摇臂升降电动机M2停转，摇臂停止上升。由于KT1释放，其延

16、时闭合的动断触点,经1-3秒延时后闭合，接触器KM5的线圈经线路通电吸合，液压电动机M3反向起动旋转，供给压力油。压力油经分配阀进入摇臂夹紧油腔，向相反方向推动活塞，使摇臂夹紧。同时，活塞杆通过弹簧片压下限位开关SQ2动断触点断开，接触器KM5断电释放，液压泵电动机M3停止旋转，完成了摇臂的松开上升夹紧动作。摇臂上升的动作过程如下：摇臂的下降过程与上升基本相同，它们的夹紧和放松电路完全一样。所不同的是按下降按钮SB4时为KM3线圈得电，摇臂升降电动机M2反转，带动摇臂下降。时间继电器KT1的作用是控制KM5的吸合时间，使M2停止运转后，再夹紧摇臂。KT1的延时时间应视摇臂在M2断电至停转前的惯

17、性大小调整，应保证摇臂上升（或下降）后才进行夹紧，一般调整在13秒。摇臂升降的限位保护，由组合开关SQ1来实现。SQ1有两对触点，SQ1-1是摇臂上升时的极限位置保护，SQ1-2是摇臂下降时的极限位置保护。当摇臂上升到极限位置时，SQ1-1动作，将电路断开，则KM2断电释放，摇臂升降电动机M2停止旋转。但SQ1的另一触点SQ1-2仍处于闭合状态，保证摇臂能够下降。同理，当摇臂下降到极限位置时，SQ1-2动作，电路断开，KM3释放，摇臂升降电动机M2停转。而SQ1的另一动断触点SQ1-1仍闭合，以保证摇臂能够上升。摇臂的自动夹紧是由行程SQ3来控制的。如果液压夹紧系统出现故障而不能自动夹紧摇臂，

18、或者由于SQ3调整不当，在摇臂夹紧后不能使SQ3的动断触点断开，都会使液压泵电动机处于长期过载运行状态，这是不允许的。为了防止损坏液压泵电动机，电路中使用了热继电器FR2。摇臂夹紧动作过程如下：摇臂升到预定位置，松开SB3KT1断电延时闭合KM5吸合、M3反转摇臂夹紧SQ3受压断开KM5、M3、均断电释放。（3）立柱和主轴箱松开、夹紧控制立柱和主轴箱的松开及夹紧控制可单独进行，也可同时进行，由转换开关SA2和复位按钮SB7（或SB8）进行控制。SA2有3个位置：中间位（零位）时，立柱和主轴箱的松开或夹紧同时进行；左边位为立柱的夹紧或放松；右边位为主轴箱的夹紧或放松。复合按钮SB7、SB8分别为

19、松开、夹紧控制按钮。以主轴箱的松开和夹紧为例：先将SA2扳到右侧。当要主轴箱松开时，按松开按钮SB7，时间继电器KT2、KT3的线圈同时得电，KT2是断电延时型时间继电器，它的断电延时断开的常开触点在通电瞬间闭合，电磁铁YA1通电吸合。经1-3秒延时后，KT3的延时闭合常开触点闭合，接触器KM4线圈断电，液压泵电动机M3正转，压力油经分配阀进入主轴箱右缸，推动活塞使主轴箱放松。活塞杆使行程开关 SQ4复位，触点SQ4常闭开关,SQ4常开闭合。指示灯HL2亮，表示主轴箱已松开。主轴箱夹紧的控制线路及工作原理与松开时相似，只要按松开按钮SB7换成夹紧按钮SB8，接触器KM4换成KM5，M3由正向转

20、动变成反向转动，指示灯HL2换成HL3即可。当把转换开关SA3拌到左侧时。按松开按钮SB7或夹紧按钮SB8时，电磁铁YA2通电，此时，立柱松开或夹紧；SA2在中间位时，主轴箱、立柱接通。按SB7或SB8，电磁铁YA1、YA2均通电，主轴箱和立柱同时进行松开或夹紧。其他动作过程与主轴箱松开或夹紧时完全相同，不再论述。由于立柱和主轴箱的松开与夹紧是短时间的调整工作，故采用点动控制方式。（4）冷却泵控制冷却泵电动机M4容量小，所以用组合开关QS直接控制其运行和停止。（5）照明、信号电路 机床照明电路QF5机床工作照明电路开关，同时过载及短路保护作用，EL为工作照明灯。工作信号指示HL1电源指示灯，当

21、和上QF2时HL1指示灯亮，HL2为立柱和主轴箱松开指示灯，HL3为立柱和主轴箱夹紧指示灯，分别由限位开关SQ4长闭触头和SQ4常开触头控制。HL4为主轴电动机旋转指示灯，由KM1常开触头控制。（简单介绍系统设计思路与总体方案的可行性论证，各功能块的划分与组成，全面介绍总体工作过程或工作原理。）（小四号宋体）2、单元电路设计与分析（小三号宋体） 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M1M4起、停和正反转等。因此QS的选择主要考虑电动机M1M4额定电流和启动电流，由前面已

22、知M1M4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6.811A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1.52.4A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

23、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

24、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）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Iful17.48A，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。（5）按钮的选择根据需要的触点数目、动作要求、使用场合、颜色

25、等进行按钮的选择。本设计中SB1、SB2、SB3、SB5选择LA-18型按钮，颜色为绿色，SB4、SB6、SB7、SB8选择LA-18型按钮，颜色为红色。（6）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、HL4选择ZSD-0型，指标为6.3V，0.25A，颜色为绿色。（7）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。2.2 主电路图：外部接线图：工作准备指令表：LD I0.0AN I0.1LD I0.2O Q0.0ALD= Q0.0LD Q0.0LPSL

26、D I0.5O Q0.1AN I0.6AN I0.4= Q0.1LRDLD I0.7AN I1.1LD I1.0AN I1.2OLD= M0.0LD M0.0AN M0.1LD M0.1AN I1.7A T39AN I1.5AN Q0.5AN I1.3AN I1.0AN Q0.3= Q0.2LPPAN I0.7AN Q0.2= Q0.3LDN I1.6A M0.2O I1.4AN T37AN Q0.4AN I1.4= Q0.5A M0.0TOF T37, 30LD I1.6O I1.7AN M0.0= M0.1TOF T38, 30LD I2.1O I2.2A T38= Q0.6LD I2.3

27、= Q0.7A M0.1= M0.2TON T39, 30LD SM0.0= Q1.5AN I2.0= Q1.1A I2.0= Q1.2A Q0.2A Q0.3= Q1.3AN I2.7A I2.5= Q1.4（详细介绍各单元电路的选择、设计及工作原理分析、仿真，并介绍有关参数的计算及元器件参数的选择等，要求有原理图和波形图。 元件分配表输入输出辅助元件输入元件元件号输出元件定时器总电路保护断路器QF3I0.0工作准备用中间继电器K1Q0.0摇臂上升 下降用时间继电器KT1T37总停止按钮SB7I0.1主轴旋转接触器KM1Q0.1主轴箱 立柱和摇臂放松夹紧用时间继电器KT3T39总启动按钮SB

28、1I0.2摇臂上升接触继电器KM2Q0.2断开电磁铁KA1 KA2 用时间继电器3S KT2 T38机床工作灯开SA1-1I2.5摇臂下降接触继电器KM3Q0.3M1电动机过载保护用热继电器FR1I0. 4主轴箱 立柱 摇臂放松接触器KM4Q0.4主电动机启动按钮SB2I0.5主轴箱 立柱 摇臂夹紧接触器KM5Q0.5主电动机停止按钮SB8I0.6主轴箱放松 夹紧用电磁铁YA1Q0.6摇臂上升启动按钮SB3I0.7立柱松开 夹紧用电磁铁YA2Q0.7摇臂下降启动按钮SB4I1.0摇臂上升工作指示灯HL1Q1.5摇臂上升极限保护限位开关SQ1-1I1.1立柱夹紧工作指示灯HL3Q1.1摇臂上升极限保护限位开关SQ1-2I1.2立柱松开工作指示灯HL2Q1.2摇臂放松用限位开关SQ2I1.3摇臂下降工