Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)PLC改造

摘 要Z3040型搖臂鉆床適用于單件或批量生產(chǎn)帶有多孔的大型零件的孔加工，是機械加工車間常用的機床，在機械行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。但繼電器接觸器控制方式電路接線復(fù)雜，觸電多，成本很高，今后的邏輯修改和增加功能比較困難等諸多缺點。 PLC控制系統(tǒng)與繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，編程方便，調(diào)試周期短，可靠性高，對工作環(huán)境要求低等一系列優(yōu)點。因此對Z3040搖臂鉆床控制系統(tǒng)PLC改造是非常必要的。本設(shè)計對Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)PLC的改造。首先，從Z3040搖臂鉆床的控制原理和PLC的特點分析入手；其次，根據(jù)控制系統(tǒng)的原理和PLC的特點完成了PLC機型的選擇、I/O端口的分配和接線圖繪制；PLC梯形圖程序的設(shè)計、指令語句表編寫和系統(tǒng)程序的仿真；最后根據(jù)控制要求，完成了搖臂鉆床控制電路中主要電氣元件的計算選擇。通過PLC改造搖臂鉆床控制系統(tǒng)，克服了繼電器接觸器許多缺點，大大提高搖臂鉆床的工作能力和工作壽命，同時運用了系統(tǒng)仿真，能形象、直觀的模擬出搖臂鉆床運動情況。關(guān)鍵詞：可編程控制器，搖臂鉆床，梯形圖，電氣控制系統(tǒng) AbstractZ3040 type radial drilling machine is mechanical processing workshop commonly used machine that is suitable for single piece or batch production with large parts of the porous hole processing. it is widely used in the machinery industry.but the relay contact device control circuit wiring way more complex electric shock, cost is high，The logic of revision and function increasing will very difficult in the future. The control system of PLC compared with the relay contactor electric control system.It have the excellent feature that is a simple structure, a convenient programming, a short commissioning period, a high reliability and an anti-interference ability, a low failure rate and a low advantages for work environment. So the Z3040 radial drilling machine control system modification is very necessary. This design that is Z3040 radial drilling machine of the electrical control system is reformed the PLC. First of all, analysis Z3040 radial drilling machine control principle and the characteristics of the PLC. Secondly, according to the principle of PLC control system and the characteristics of the type finish PLC choose the I/O port distribution and the wiring diagram PLC ladder diagram of drawing program design instructions written statement table and system of the simulation program. Finally, it completes radial drilling machine main electrical component selectionThrough the PLC control system transformation radial drilling machine that overcome relay contactor many faults. It Greatly improve the radial drilling machine work ability and service lifeand it using a system simulation, which can image the intuitive that radial drilling machine motion.Key words programmable controller, radial drilling machine, ladder diagram, electrical control system目錄摘 要IAbstractII1 緒 論11.1 本課題選題背景和意義11.2 本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢21.3 本課題的主要工作32 Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)原理分析42.1 Z3040搖臂鉆床簡介42.2 Z3040搖臂鉆床控制要求52.2 Z3040搖臂鉆床主電路的分析72.3 Z3040搖臂鉆床控制電路的分析72.3.1 主運動控制72.3.2 搖臂上升或下降控制72.3.3 主軸箱和立柱的松開及夾緊控制82.3.4 控制電路保護(hù)82.4 Z3040搖臂鉆床信號和照明電路的分析93 Z3040搖臂鉆床控制系統(tǒng)PLC硬件設(shè)計103.1 PLC的簡介103.2 PLC的選型113.3 PLC輸入與輸出端口地址的分配133.4 PLC電氣接線圖設(shè)計134 Z3040搖臂鉆床控制系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計154.1 PLC軟件設(shè)計方法的分類154.2 控制系統(tǒng)梯形圖設(shè)計164.2.1 主軸電動機控制梯形圖164.2.2 搖臂升降控制梯形圖164.2.3 主軸箱和立柱松開、夾緊梯形圖184.2.4 信號指示梯形圖194.2.5 搖臂鉆床控制系統(tǒng)梯形圖194.3 控制系統(tǒng)語句表204.4 控制系統(tǒng)仿真224.4.1 主電動機的仿真224.4.2 搖臂上升和下降的仿真224.4.3 主軸和立柱夾緊與放松仿真255 主要電氣元件及選擇265.1 低壓斷路器265.1.1 低壓斷路器的選擇原則265.1.2 低壓斷路器的選擇265.2 接觸器275.2.2 接觸器的選擇原則275.2.2 接觸器的選擇275.3 熱繼電器285.3.1 熱繼電器選用原則285.3.2 熱繼電器的選擇285.4 時間繼電器295.4.1 時間繼電器的選擇原則295.4.2 時間繼電器的選擇295.5 熔斷器295.5.1 熔斷器的選擇原則295.5.2 熔斷器的選擇305.6 主令電器305.6.1 按鈕開關(guān)的選擇305.6.2 行程開關(guān)的選擇316 總 結(jié)33參 考 文 獻(xiàn)34致謝351 緒 論1.1 本課題選題背景和意義鉆床作為一種孔加工設(shè)備，可以用來鉆孔、擴孔、鉸孔、攻絲等多種形式的加工。同時鉆床也具有很多的形式，搖臂鉆床、立式鉆床、臥式鉆床、臺式鉆床、多軸鉆床、深孔鉆床及其他專用鉆床等。Z3040搖臂鉆床在各類鉆床中，他具有性能完善、適用范圍廣、操作方便、靈活等優(yōu)點，它適用于單行或批量生產(chǎn)帶有多孔的大型零件的孔加工，是一般機械加工車間常用的機床，在機械行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。目前機械行業(yè)中使用搖臂鉆床的控制系統(tǒng)多數(shù)是采用繼電器接觸器控制方式，這種控制方式電路接線復(fù)雜、觸點多，成本很高，系統(tǒng)的靈活性和擴展性都很差，長期使用后，噪聲很大，工作速度緩慢，維修工作量大，故障率高，同時故障排查困難，常常影響企業(yè)正常生產(chǎn)?？删幊炭刂破鳎≒rogrammable Logic Controller，簡稱PLC）起源于20世紀(jì)60年代末，從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它不斷吸收微計算機技術(shù)使之功能不斷增強，開始逐漸適合于復(fù)雜系統(tǒng)的控制。PLC之所以有生命力，因為它更加適合工業(yè)現(xiàn)場和市場的要求：具有高可靠性、抗各種干擾的能力、編程使用簡便、低價格和長壽命。PLC與單片機相比，PLC的輸入端和輸出端更接于近工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備，同時沒有太多的中間部件，相比之下即節(jié)約了時間又節(jié)省了成本。PLC的輸入端為繼電器、晶閘管和晶體管等控制部件，輸入端一般則是能人性化操作的微型計算機。操作工在使用它時,基本不需要微機方面進(jìn)行專門的培訓(xùn)，就能很容易對可PLC進(jìn)行操作及編程。PLC與繼電器接觸器相比同樣具有許多優(yōu)勢，PLC具有結(jié)構(gòu)簡單，編程方便，調(diào)試周期短，可靠性高，抗干擾能力強，故障率低，對工作環(huán)境要求低等一系列優(yōu)點，因此日益廣泛應(yīng)用于機械加工設(shè)備控制系統(tǒng)之中。利用PLC對搖臂鉆床繼電器控制電路進(jìn)行改造，有助于提高設(shè)備的可靠性、使用率，降低設(shè)備故障率，提高生產(chǎn)效率,其經(jīng)濟效率顯著。因此，本課題對Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的改造，將把PLC控制技術(shù)應(yīng)用到改造設(shè)計方案中去，取代傳統(tǒng)接觸器控制的方法,使得鉆床的可靠性和效率大為提高,在工業(yè)上有廣泛應(yīng)用前景，因此對Z3040搖臂鉆床控制系統(tǒng)PLC改造是非常必要的。1.2 本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢 本課題為Z3040搖臂鉆床控制系統(tǒng)PLC改造，不論從國外還是國內(nèi)近年來看，都對本課題進(jìn)行了大量的研究。本課題研究水平和發(fā)展趨勢都基于PLC發(fā)展，因此PLC發(fā)展水平?jīng)Q定了本課題的發(fā)展趨勢。（1）PLC國外研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢PLC產(chǎn)生到現(xiàn)在將近40余年，早期只是繼電器控制裝置的替代物。在器件選擇上使用磁芯儲存器、分立元件和中小規(guī)模集成電路，用于提高抗干擾能力，軟件設(shè)計采用梯形圖設(shè)計方法5，因此性能優(yōu)于普通繼電器接觸器控制裝置。到20世紀(jì)七十年代中期至八十年代后期PLC開始走向成熟。微處理器的出現(xiàn)使PLC裝置結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化。美國，日本，德國和其他國家的制造商開始使用的CPU的微處理器，它的性能大大提高。同時，在軟件方面的功能更加強大。在原有計時、計數(shù)和邏輯功能的基礎(chǔ)上增加了數(shù)據(jù)處理、算術(shù)運算、通訊、傳送等功能，儲存器的容量也變得更大，甚至PLC還能提供一定的數(shù)據(jù)寄存器、使其應(yīng)用范圍更加廣闊。到20世紀(jì)八十年代中后期至90年代末，得益于超大規(guī)模集成電路技術(shù)迅速發(fā)展以及各廠商為PLC專門開發(fā)的專用邏輯處理芯片，PLC在軟硬件方面都發(fā)生了巨大的變化,微處理器的芯片檔次普遍提高。邁入21世紀(jì)之后，可編程控制器為了在ERP、MES和PCS的體系中立足，PLC軟件、硬件和通信都向標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，更好地滿足工作生產(chǎn)的需求。21世紀(jì)，PLC會有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，隨著微機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等實用化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，PLC向網(wǎng)絡(luò)化、微型化、PC化和開放化展。產(chǎn)品規(guī)模的角度來看，進(jìn)一步向超小型和超大型的方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，多種產(chǎn)品將更加豐富，更完整的規(guī)范，完善的人機界面，通訊設(shè)施齊全；從網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向來看，PLC和其它大型工業(yè)控制計算機網(wǎng)共同構(gòu)成新型的控制系統(tǒng)。伴隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，PLC作為國際通用網(wǎng)絡(luò)和自動化控制網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用17。正因為國外PLC水平發(fā)展相當(dāng)迅速，應(yīng)用前景也非常廣泛，所以各國也投入大量的人力和物力采用PLC技術(shù)替代繼電器接觸器系統(tǒng)。（2） PLC國內(nèi)研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢上世紀(jì)70年代PLC開始進(jìn)入我國，而且增長非常迅速，同時我國也曾組織相關(guān)研究所研究其關(guān)鍵技術(shù)，希望將其國產(chǎn)化，但由于后續(xù)研究力量和價格等原因，并沒有成功實現(xiàn)。在過去十年中，越來越多的中小型設(shè)備由于PLC的價格下跌和用戶需求不斷擴大，開始采用PLC控制。國產(chǎn)PLC在技術(shù)特點基本西門子和三菱類似或與其兼容，如深圳三凌、羅陽易達(dá)、合信自動化、上海正航等。目前國產(chǎn)的PLC廠商眾多，但是無論是從規(guī)模還是產(chǎn)品系列上都無法與國際大廠商抗衡，而且國內(nèi)廠商主要集中于中小型PLC，其中生產(chǎn)中型的廠商主要有盟立、南大傲拓，深圳歐辰和億維都是做西門子的配套模塊3。從我國PLC總體技術(shù)分析，我國的PLC技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家相比落后10年左右，而在CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)、通訊網(wǎng)絡(luò)及遠(yuǎn)程I/O技術(shù)、智能化模塊技術(shù)、可靠技術(shù)、PLC批量生產(chǎn)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)方面有大的差距。但隨著PLC技術(shù)在我國的良好發(fā)展，將會和國外先進(jìn)技術(shù)減小差距。因此，抓住這個有利時機進(jìn)一步促進(jìn)PLC技術(shù)的推廣與應(yīng)用，是提高我國工業(yè)技術(shù)水平的迫切任務(wù)。國內(nèi)PLC技術(shù)發(fā)展很快，同時也取得了不錯的效益，但受到技術(shù)水平和經(jīng)濟發(fā)展的限制，國內(nèi)很多企業(yè)使用Z3040搖臂鉆床的控制系統(tǒng)仍然還是繼電器接觸器控制方式，相對落后的控制方式，存在很多的缺點，使用極其不方便，很大程度影響工業(yè)生產(chǎn)的效率。1.3 本課題的主要工作本題目主要任務(wù)是對Z3040搖臂鉆床控制系統(tǒng)PLC改造，改造后PLC控制系統(tǒng)要符合Z3040搖臂鉆床原有控制要求，同時簡化控制線路，提高系統(tǒng)可靠性和使用率,使邏輯修改和增加功能比較容易，增強系統(tǒng)的靈活性和擴展性?？刂葡到y(tǒng)改造具體設(shè)計任務(wù)要求如下：第一，對Z3040搖臂鉆床的運動進(jìn)行分析，結(jié)合鉆床運動對電氣控制系統(tǒng)的原理進(jìn)行分析，主要是分析主電路、控制電路、信號和照明電路控制原理，主電動機的旋轉(zhuǎn)控制原理，搖臂的升降控制原理，立柱和主軸箱的松開及夾緊控制原理。第二，Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)PLC硬件設(shè)計，根據(jù)PLC的物理結(jié)構(gòu)、指令功能、輸入輸出點數(shù)存儲容量、輸入模塊的類型和輸出模塊的類型對PLC進(jìn)行選型，對其分配I/O地址，并設(shè)計I/O電氣接線圖。第三，對Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計，設(shè)PLC控制的梯形圖以及指令語句表，并調(diào)試。第四，對Z3040電氣控制系統(tǒng)的電氣元件的選擇。2 Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)原理分析對于Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的分析，需結(jié)合搖臂鉆床的結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行分析。首先，對結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行分析，掌握每個機構(gòu)運動情況和控制系統(tǒng)之間的關(guān)系；其次，分析其控制要求，掌握控制系統(tǒng)需要做的工作；最后，對主電路和控制電路進(jìn)行詳細(xì)的分析，掌握控制電路怎樣控制電動機，從而控制搖臂鉆床各種運動。2.1 Z3040搖臂鉆床簡介Z3040搖臂鉆床適合于在大、中型零件上進(jìn)行鉆孔、擴孔、鉸孔及攻螺紋等進(jìn)行加工，在具有工藝裝備的條件下還可以進(jìn)行鏜孔。Z3040搖臂鉆床基本結(jié)構(gòu)由底座、立柱、搖臂和主軸箱等幾部分構(gòu)成（如圖2.1）。 圖2.1 Z3040搖臂鉆床結(jié)構(gòu)圖1底座 2內(nèi)立柱 3外立柱 4絲杠 5,6電動機 7搖臂 8主軸箱 9主軸 10工作臺上圖為搖臂鉆床的結(jié)構(gòu)圖，工件固定在工作臺之上，工作臺放在底座之上，主運動和進(jìn)給運動由電動機6驅(qū)動。主軸箱可以在搖臂來回移動，升降電動機5的驅(qū)動絲杠，再由絲杠傳動，搖臂可以沿著立柱上下移動，外立柱可以圍繞內(nèi)立柱來回旋轉(zhuǎn)。Z3040搖臂鉆床的具體技術(shù)參數(shù)如表2.1。表2.1 搖臂鉆床技術(shù)參數(shù)表搖臂鉆床 Z3040參數(shù)項目Z304013鉆孔最大直徑mm鋼件30/鑄鐵40主軸端面至工作臺距離mm260-1000主軸中心至立柱母線距離mm360-1300主軸行程mm200主軸錐孔（莫氏）4主軸轉(zhuǎn)速范圍r.p.m75-1220主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)6主軸進(jìn)給量范圍r.p.m0.10-0.25主軸進(jìn)給量級數(shù)3搖臂回轉(zhuǎn)角度 360主電機功率kw3升降電機功率 kw1.5機床重量kg1700外形尺寸mm180081023002.2 Z3040搖臂鉆床控制要求（1）Z3040型搖臂鉆床具有主軸電動機、搖臂升降電動機、液壓泵電動機和冷卻泵電動機四臺電動機。它的主軸旋轉(zhuǎn)運動和進(jìn)給運動都由主電動機拖動，兩個運動都具有多級變速以適應(yīng)不同工件的加工，進(jìn)給變速結(jié)構(gòu)和主軸變速結(jié)構(gòu)都在主軸箱中，在加工螺紋時，主軸的正反轉(zhuǎn)通過機械方式實現(xiàn)，所以主電機只需單向旋轉(zhuǎn)。（2）搖臂升降電動機需要正反轉(zhuǎn)，同時搖臂在上下移動時必須保證搖臂松開了之后才能移動，停止移動之后才能夾緊。（3）液壓泵電動機必須實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，通過壓力油進(jìn)入不同的油腔，完成搖臂、立柱和主軸的松緊，搖臂的回轉(zhuǎn)和主軸箱的左右移動通常采用手動。（4）此外還有一臺冷卻泵電動機對加工的刀而具進(jìn)行冷卻，只要求單向旋轉(zhuǎn)；同時必須具有連鎖與保護(hù)環(huán)節(jié)以及安全照明、信號指示電路5。圖2.2 Z3040搖臂鉆床控制系統(tǒng)原理圖2.2 Z3040搖臂鉆床主電路的分析在Z3040搖臂鉆床控制系統(tǒng)主電路中，總共四個電動機控制鉆床各種運動和冷卻，分別為主電動機M1，搖臂升降電動機M2，液壓泵電動機M3和冷卻電動機M4（如圖2.2）。（1）低壓斷路器QF控制三相電源，冷卻電動機M4輸出功率一般很小，直接由開關(guān)SA1控制起停。（2）電動機M1單向旋轉(zhuǎn)通過接觸器KM1控制，主軸的正反轉(zhuǎn)是液壓系統(tǒng)和機械系統(tǒng)同時控制，由于主運動輸出功率較大，所以設(shè)有熱繼電器FR1作為過載保護(hù)。（3）搖臂能上升和下降，電動機M2實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，通過接觸器KM2、KM3 來控制，同時設(shè)有熱繼電器FR2作為過載保護(hù)。（4）液壓泵電動機M3需要正反轉(zhuǎn)，通過接觸器KM4、KM5來控制，由于在松開和夾緊的時候都需要大功率的液壓控制，所以設(shè)有熱繼電器FR3作為過載保護(hù)。2.3 Z3040搖臂鉆床控制電路的分析 在搖臂鉆床控制電路中，控制電路主要是對主運動控制、搖臂升降的控制、主軸箱和立柱的松開及夾緊控制和控制電路的保護(hù)(如圖2.2)。2.3.1 主運動控制按下起動按鈕開關(guān)SB2，接觸器KM1得電并自鎖，主軸電動機M1起動并運轉(zhuǎn)。按下停止按鈕開關(guān)SB1，接觸器KM1釋放，主軸電動機M1停轉(zhuǎn)。2.3.2 搖臂上升或下降控制按下上升（或下降）按鈕開關(guān)SB3（或SB4），時間繼電器KT得電，KT觸頭（14-15）閉合使接觸器KM4得電，同時常開觸頭KM4（1-18）閉合，電磁閥YV得電，液壓泵電動機M3接通電源正向旋轉(zhuǎn)，供給壓力油，壓力油經(jīng)二位六通閥進(jìn)入搖臂松開油腔，壓力油作用下，先推動活塞，通過活塞推動菱形塊，進(jìn)而使搖臂松開。待搖臂完全松開后，活塞缸中的活塞桿壓下行程開關(guān)SQ2，使其常閉觸點SQ2（714）斷開，KM4線圈失電，電磁閥YV失電，電動機M3停止工作，同時，常開觸點SQ2（8-9）閉合，接觸器KM2（或KM3）線圈通電吸合，搖臂升降電動機M2啟動正向旋轉(zhuǎn)，使搖臂上升（下降）。當(dāng)搖臂上升（或下降）到預(yù)定工作位置時，松開上升（或下降）按鈕開關(guān)SB3(或SB4)，則KT、KM2(或KM3)線圈斷電，升降電動機M2停止轉(zhuǎn)動。經(jīng)延時，延時斷電常閉按鈕KT（18-19）閉合，KM5線圈得電，同時電磁閥YV得電，使液壓泵電機M3反向旋轉(zhuǎn)，壓力油經(jīng)另一條油路流入二位六通閥，進(jìn)入搖臂夾緊油腔，反向推動活塞，在通過活塞推動菱形塊，進(jìn)而使搖臂夾緊。待搖臂夾緊后，活塞缸中的活塞桿壓動行程開關(guān)SQ3，使常閉觸點SQ3斷開，KM5線圈失電，電磁閥YV失電，液壓泵電動機M3停止工作，電磁閥YV復(fù)位。由于搖臂升降電洞機M3有一定的慣性，時間繼電器的延時觸頭用來保證升降電機完全停轉(zhuǎn)之后才夾緊。延時的時間視情況而定，一般在1-3秒，同時需要過載保護(hù)，過載保護(hù)由熱繼電器FR2完成11。行程開關(guān)SQ1、SQ6用作上升和下降極限位置保護(hù)。若上升到極限位置，常閉觸點SQ1斷開,此時，可用SB4按鈕使搖臂下降。若下降到極限位置，常閉行程開關(guān)SQ6斷開，此時可用SB3按鈕使搖臂上升。2.3.3 主軸箱和立柱的松開及夾緊控制 立柱與主軸箱均采用液壓操縱夾緊與放松，兩者同時進(jìn)行的，工作時要求電磁閥YV不通電。松開與夾緊分別由按鈕開關(guān)SB5和按鈕開關(guān)SB6控制。指示燈HL1、HL2指示其動作。按下按鈕開關(guān)SB5時，KM4線圈通電， M3正向旋轉(zhuǎn)，此時YV沒有的作用，當(dāng)液壓泵送出壓力油，壓力油通過二位六通閥進(jìn)入立柱與主軸箱松開油腔，先推動活塞干，在通過活塞桿推動菱形塊使主軸箱和立柱同時松開。當(dāng)立柱和主軸箱同時松開后，行程開關(guān)SQ4不受壓復(fù)位，常閉觸頭SQ4閉合，指示燈HL1亮，表明立柱與主軸箱已經(jīng)松開?？梢栽趽u臂上移動主軸箱，當(dāng)移動到預(yù)定位置時，按下夾緊按鈕開關(guān)SB6時，KM5線圈通電，M3電機反向旋轉(zhuǎn)，液壓泵供給壓力油進(jìn)入夾緊油腔，使立柱與主軸箱同時夾緊。當(dāng)確定已經(jīng)夾緊，壓下行程開關(guān)SQ4，常閉觸頭SQ4斷開，HL1燈滅，常開觸頭 SQ4閉合，HL2燈亮，表示立柱和主軸箱都已經(jīng)夾緊。同時需要過載保護(hù)，過載保護(hù)由熱繼電器FR3完成11。2.3.4 控制電路保護(hù) 行程開關(guān)SQ1和SQ6實現(xiàn)搖臂上升和下降的限位保護(hù)。行程開關(guān)SQ2被壓下表示搖臂松開到位，可以實現(xiàn)上升和下降。行程開關(guān)SQ3被壓下表示搖臂完全夾緊，液壓泵電動機M3停止運轉(zhuǎn)。斷電延時繼電器KT作用是防止搖臂由于慣性還在上升（或下降）時就將其夾緊。M2電動機正反轉(zhuǎn)具有電氣互鎖，M3電動機正反轉(zhuǎn)具有電氣互鎖。電磁閥YV線圈電路中串接按鈕開關(guān)SB5和SB6的常閉觸頭，保證立柱與主軸箱松開、夾緊操作時，壓力油只進(jìn)入立柱主軸箱夾緊油腔而不進(jìn)入搖臂夾緊油腔。熔斷器FU0-FU5實現(xiàn)電路的短路保護(hù)。熱繼電器FR1、FR2、FR3為電動機M1、M2、M3實現(xiàn)過載保護(hù)。2.4 Z3040搖臂鉆床信號和照明電路的分析 EL是機床照明燈，接有24V安全電壓，由SA2手動開關(guān)控制。HL1是主軸與立柱松開指示燈，燈亮表示已經(jīng)松開，可以手動移動搖臂或者主軸箱的移動。HL2是主軸與立柱夾緊指示燈，燈亮表示已經(jīng)夾緊，可以進(jìn)行加工。HL3為主軸旋轉(zhuǎn)指示燈。3 Z3040搖臂鉆床控制系統(tǒng)PLC硬件設(shè)計在對搖臂鉆床的控制分析過后，對于Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)PLC改造，應(yīng)先對于PLC的結(jié)構(gòu)、功能和特點等進(jìn)行介紹。PLC改造的方案設(shè)計部分有兩部分組成，一部分為電氣控制系統(tǒng)PLC硬件設(shè)計（PLC機型的確定、I/O端口地址的確定和接線圖的設(shè)計）；第二部分是電氣控制系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計（PLC控制程序梯形圖的繪制、程序指令編寫和系統(tǒng)程序仿真）。PLC硬件設(shè)計具體方案如下：3.1 PLC的簡介可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)是以微處理為基礎(chǔ)，綜合計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)等現(xiàn)代科技而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置，是將計算機技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的新產(chǎn)品。早期的可編程控制器主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制，因此稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代的PLC的功能已經(jīng)超越了邏輯控制的范圍，PLC從誕生至今，僅有40余年的歷史，但是得到了異常迅猛的發(fā)展，并曰CAD/CAM、機器人技術(shù)一起被譽為當(dāng)代工業(yè)自動化的三大支柱之一6。 PLC是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，基本構(gòu)成為：電源、中央處理單元(CPU)、存儲器和輸入輸出模塊。具體結(jié)構(gòu)如圖3.1 3.1圖 PLC結(jié)構(gòu)圖PLC工作方式是周期掃描的工作方式，一個掃描周期主要可分為3個階段輸入采樣階段、在程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。PLC的基本技術(shù)指標(biāo)主要由存儲容量、掃描速度、I/O點數(shù)和編程語言四部分構(gòu)成。同時PLC具有功能完善、模塊化結(jié)構(gòu)、硬件和軟件開發(fā)周期短、維護(hù)操作方便、擴展容易性能穩(wěn)定和可靠性高等特點。由于具有諸多優(yōu)勢PLC在國內(nèi)外已廣泛用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力，機械制造、汽車裝卸、造紙、紡織、環(huán)保及娛樂等各行各業(yè)3.2 PLC的選型目前PLC市場不論在國內(nèi)還是國外都非?；馃?，市場上PLC種類也很多，具有很強競爭力的有三菱公司、西門子公司、歐姆龍公司。這些公司產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品服務(wù)都屬于一流，同樣產(chǎn)品種類也很齊全（三菱公司的產(chǎn)品有FX系列、A系列、ANS系列、Q系列、QNA系列等西門子公司的產(chǎn)品有S7-200、 S7-300、S7-400）。本課題PLC選型主要從PLC的物理硬件結(jié)構(gòu)、PLC的輸入輸出點數(shù)和PLC的存儲容量3種條件進(jìn)行選取。（1） PLC的物理硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)物理硬件結(jié)構(gòu)的不同，PLC分為整體式、插件式和疊裝式。整體式的較其他兩種結(jié)構(gòu)相對便宜，小型電氣控制系統(tǒng)一般使用整體式可編程控制器。此次所設(shè)計的電氣控制系統(tǒng)屬于小型開關(guān)量電氣控制系統(tǒng)沒有特殊的控制任務(wù)，整體式PLC完全可以滿足控制要求。因此，Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的PLC選用整體式結(jié)構(gòu)的PLC8。（2） PLC的輸入和輸出點數(shù)在對其改造中在條件允許的情況下盡可能利用原有電器元件，最大程度利用資源。通過對原有電路來確定輸入點數(shù)，其中：按鈕6個，行程開關(guān)6個，熱繼電器常閉3個，共15個輸入端口點數(shù)，所以PLC的輸入點數(shù)必須大于15個；接觸器6個，信號燈3個，共計9個輸出端口點數(shù)，所以PLC的輸出點數(shù)必須大于9個，一般情況下還要保留10%-15%的裕量。（3） PLC的存儲容量選擇PLC存儲器容量要有25%左右裕量，PLC存儲器容量的估算方法：對于僅有開關(guān)量輸入和輸出點數(shù)乘以8，就是所需PLC存儲器的存儲容量（單位為bit）即（15+9）8=192 bit根據(jù)上述3種選取的原則，綜合選取三菱公司的FX2N系列，F(xiàn)X2N是FX系列中規(guī)格最大、性能最高、功能最強的一種系列，可用于大多數(shù)單機控制或網(wǎng)絡(luò)控制，具有CPU運算速度很快、I/O擴展容易、編程功能與網(wǎng)絡(luò)通信都很強等特點。Z3040鉆床控制系統(tǒng)為繼電器輸出，輸入和輸出點數(shù)分別為15個和9個，在選擇FX2N系列PLC基本單元規(guī)格時，選擇24點輸入/24點繼電器輸出，交流電源型PLC基本單元，基本單元具體型號參數(shù)為FX2N-48MR-001。其中48表示24輸入和24個輸入；M為基本單元的符號；R為繼電器輸入；001代表交流供電。FX2N的具體性能規(guī)格如下表（表3.1）。表3.1 FX2N性能規(guī)格表 10項目 性能編程語言指令表、梯形圖、步進(jìn)梯形圖（SFC圖）用戶存儲器容量內(nèi)置EEPROM：8K步;存儲器盒：16K步基本邏輯控制指令順控指令：27條；步進(jìn)梯形圖指令:2條應(yīng)用指令132種，309條指令處理速度基本邏輯控制指令：每條0.08USI/O點數(shù)最大I/O點數(shù)：256輔助繼電器一般用MOM383，共500點保持型M384M1535，共2572點特殊用M8000M8255,共256狀態(tài)元件初始狀態(tài)S0S9，共10點 一般狀態(tài)S10S499，共490點保存區(qū)域S500S899，共400點定時器100MSTOT199，T250T255，共206點10MST200T245,共46點1MST246249,共4個點計數(shù)器16位通用C0C99，共100點16位保持C100C199，共100點32位通用C200C219，共20點32位保持C220C234，共15點32位高速C235C255,可使用8點數(shù)據(jù)寄存器16位通用D0D199,共200點16位保持D200D7999，共7800點文件寄存器D1000D7999，共7000點16位特殊D8000D8195，共106點16位變止V0V7，Z0Z7，共16點指針跳轉(zhuǎn)用P0P127，共128點嵌套主控用NON7，共8點常數(shù)16位：-32758+32767:；32位-2147483648+214748364716位：0FFFF; 32位0FFFFFFFF3.3 PLC輸入與輸出端口地址的分配當(dāng)確定選取的型號之后，根據(jù)Z3040搖臂鉆床控制系統(tǒng)原理圖，進(jìn)行I/O點的端口分配，表3.2是I/O地址分配表。 表中輸入端有15個輸入端口，由有6個按鈕開關(guān)、5個行程按鈕和3個熱繼電器開關(guān)共同組成；輸出端有9個輸出端口，由5個繼電器-接觸器、一個電磁閥線圈和3個指示燈共同組成。具體PLC輸入與輸出見I/O地址分配表（表3.2）。表3.2 I/O(輸入、輸出）地址分配表序號I（輸入）O（輸出）1SB1X000KM1Y0002SB2X001KM2Y0013SB3X002 KM3Y0024SB4X003 KM4Y0035SB5X004 KM5Y0046SB6X005 YAY0057SQ1X006 HL1Y0068SQ2X007 HL2Y0079SQ3X010 HL3Y01010SQ4X01111SQ5X01212SQ6X01313FR1X01414FR2X01515FR3X0163.4 PLC電氣接線圖設(shè)計 當(dāng)對Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)I/O端口地址分配之后，接下來進(jìn)行電氣接線圖的設(shè)計。開關(guān)量輸入輸出模塊的外部接線分為匯點式和分離式兩種，匯點式各輸入輸出回路有一個公共端，并共用一個電源。分離式各輸入輸出回路有多個接線端，并由單獨電源供電，每個點之間是相互獨立的。由于輸入端有15個輸入點數(shù)，并且輸入電壓較低，所采用匯點式直流模塊；輸出端有9個輸出點數(shù)，但要求的電壓較高，所采用分離式輸出，采用3個COM輸出。輸入端或輸出端有感性元件，應(yīng)在它們兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，以仰止電路斷開時產(chǎn)生的電弧對PLC的影響。續(xù)流二極管可以選用1A的管子，其額定電壓應(yīng)大于電壓電壓的3倍。具體的接線圖3.2。圖3.2 硬件接線圖 4 Z3040搖臂鉆床控制系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計對Z3040搖臂鉆床控制系統(tǒng)PLC硬件設(shè)計時，提到本設(shè)計的方案由兩部分組成，一部分為硬件設(shè)計，那另一部分為軟件設(shè)計。本章節(jié)主要對于軟件設(shè)計的分類、控制系統(tǒng)梯形圖設(shè)計和程序的仿真。4.1 PLC軟件設(shè)計方法的分類PLC軟件設(shè)計分為繼電器梯形圖、邏輯功能圖、功能流程圖、邏輯代數(shù)表達(dá)式和指令程序指令表五種表達(dá)方式。（1）繼電器梯形圖 繼電器表達(dá)方式與傳統(tǒng)的繼電器電路圖非常相似，對于廣大電氣技術(shù)人員及操作維護(hù)人員來說非常直觀、形象，并且能更快、更好的接受。 梯形圖按自上而下，從左到右的順利排列。每個繼電器線圈為一個邏輯行，即一層階梯，每個邏輯行起于左母線，然后是觸點的各項各種連接，最后終止于繼電器線圈（通常加上一條右母線），整個圖形呈階梯狀。梯形圖是形象化的編程手段，因而梯形圖中沒有真實的物理電流，而只有“概念”電流只能從左到右流動，層次的改變只能先上后下。（2）邏輯功能圖邏輯功能圖基本上沿用了半導(dǎo)體邏輯電路的邏輯圖來表達(dá)。這種方式易于描述較為復(fù)雜的控制功能。它表達(dá)直觀，查錯查漏都比較容易，因此，它就編程時常使用的一種方式，但它必須采用帶有顯示屏的編程器才能描述。（3）功能流程圖功能流程圖類似于計算機常用的程序框圖，但它有自己規(guī)則。描述控制過程詳盡具體，包括每框前的輸入信號，框內(nèi)的工作內(nèi)容，框后的輸出狀態(tài)，框與框之間的轉(zhuǎn)換條件。這種方式容易構(gòu)思，是一種常用的程序表達(dá)方式。（4）邏輯代數(shù)表達(dá)式可以對前兩種方式寫出輸出信號和中間變量的邏輯表達(dá)式。這是一種輔助的程序設(shè)計方式。（5）指令語言程序指令語句程序利用類似于匯編語言的指令語句來編程。這對熟悉微機匯編語言的編程者特別容易接受。編程設(shè)備簡單，通常都預(yù)先用以上幾種方式表達(dá)，然后改成相應(yīng)的語句11。PLC軟件設(shè)計運用的表達(dá)方式，通常都是以上幾種表達(dá)方式的組合，從而達(dá)到最好設(shè)計效果。4.2 控制系統(tǒng)梯形圖設(shè)計為了使Z3040搖臂鉆床在進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)改造后仍能夠完成原有的工作需要，本基于PLC的搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的PLC程序應(yīng)由電氣控制系統(tǒng)預(yù)開程序、主電動機的起動和停止控制程序、搖臂升降控制程序即升降電動機的正反轉(zhuǎn)控制程序、立柱和主軸箱的松開與夾緊控制程序即液壓泵電動機的正反轉(zhuǎn)程序、信號的顯示程序、照明控制程序等部分組成。繪制梯形圖用是GX developer7.0軟件，該產(chǎn)品同樣是三菱開發(fā)的軟件。4.2.1 主軸電動機控制梯形圖主軸電動機只需要單方向旋轉(zhuǎn)，按鈕開關(guān)SB1(即X001)為起動按鈕，啟動后KM1(Y000)線圈得電，主電動機正轉(zhuǎn)，同時KM1實現(xiàn)自鎖，SB2(即X000)為停止按鈕，過載保護(hù)由熱繼電器FR1(即X014)完成。梯形圖程序如圖4.1所示。 圖4.1 主軸電動機M1控制梯形圖4.2.2 搖臂升降控制梯形圖搖臂升降控制程序按下上升按鈕開關(guān)SB3（即X002）或SB4(即X003)，中間繼電器M100或M101得電，同時置位元件SET 使中間繼電器M20或M21置位，由于M100或M101得電，即瞬動常開觸頭KT，線圈KM4(即Y003)得電，同時常開觸點KM4（1-18）得電閉合，電磁閥YV(即Y005)通電，液壓泵電動機M3接通電源正轉(zhuǎn)。當(dāng)搖臂完全松開后，SQ3（X010）恢復(fù)常態(tài)閉合，活塞缸中的活塞桿壓下行程開關(guān)SQ2(即X007)，其常閉觸點SQ2斷開，使接觸器KM4（Y003）線圈失電，液壓泵電動機M3停止工作，同時常開觸點SQ2閉合，接觸器KM2（即Y001）或KM3(即Y002)線圈得電，升降電動機M2接通電源正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，使搖臂上升或下降。待搖臂上升或下降到相應(yīng)預(yù)定位置，松開按鈕開關(guān)SB3或SB4，KM2或KM3線圈斷電，但此時電動機還有慣性作用，還在繼續(xù)上升，所以必須在搖臂上升或下降停止以后才能夾緊，緩沖的時間需要3秒左右。在SB3或SB4松開之后，計數(shù)器T0或者T1開始計時，計數(shù)到30也是3秒時，T0或T1的常開開關(guān)閉合，KM5(即Y004)線圈得電，電磁閥YV得電，液壓泵電機M3接通電源反轉(zhuǎn)。搖臂夾緊后，活塞缸中的活塞桿壓動行程開關(guān)SQ3(X010)，使常閉觸點SQ3斷開，KM5和YV失電，液壓泵M3斷電停止工作，電磁閥YV復(fù)位，同時復(fù)位元件RST使M20或M21復(fù)位。同時需要過載保護(hù)，過載保護(hù)由熱繼電器FR2(即X016)完成。升降運動具體工作流程如功能流程圖4.2和圖4.3，搖臂升降梯形圖程序如圖4.4所示。圖4.2搖臂上升功能流程圖圖4.3搖臂下降功能流程圖圖4.4 搖臂升降控制梯形圖4.2.3 主軸箱和立柱松開、夾緊梯形圖立柱與主軸箱均采用液壓操縱夾緊與放松，兩者同時進(jìn)行的。松開與夾緊分別由松開按鈕開關(guān)SB5（即X004）和夾緊按鈕開關(guān)SB6(X005)控制。按下按鈕 SB5開關(guān)時，KM4線圈通電，液壓泵M3電機正轉(zhuǎn)，立柱與主軸箱松開。當(dāng)立柱與主軸箱松開后，可以手動操作主軸箱在搖臂的水平導(dǎo)軌上移動。當(dāng)移動到位，按下夾緊按鈕開關(guān)SB6時，KM5線圈通電，液壓泵M3電機反轉(zhuǎn)，使立柱與主軸箱同時夾緊。當(dāng)確定已經(jīng)夾緊，可以進(jìn)行鉆削加工, 同時需要過載保護(hù)，過載保護(hù)由熱繼電器FR3(X017)完成。梯形圖程序如圖4.5所示。圖4.5 主軸箱和立柱松開、夾緊梯形圖4.2.4 信號指示梯形圖HL1(即Y006)是主軸與立柱松開指示燈，通過的常閉行程開關(guān)控制，燈亮表示已經(jīng)松開，可以手動移動搖臂或者推動搖臂回轉(zhuǎn)。HL2(即Y007)是主軸與立柱夾緊指示燈，通過的常開行程開關(guān)控制，燈亮表示已經(jīng)夾緊，可以進(jìn)行加工。HL3(即Y010)是主軸旋轉(zhuǎn)示燈，通過線圈KM1(Y000)控制，燈亮表示主軸開始旋轉(zhuǎn)。梯形圖如4.6所示。圖4.6信號指示梯形圖4.2.5 搖臂鉆床控制系統(tǒng)梯形圖上述四個控制系統(tǒng)圖分別是主軸電動機M1控制梯形圖、搖臂升降控制梯形圖、主軸箱和立柱松開和夾緊梯形圖信號指示梯形圖。四個控制單元一起相互組合、相互作用構(gòu)成了Z3040搖臂鉆床的控制程序，使其搖臂鉆床完成各種加工任務(wù)。圖4.7是Z3040搖臂鉆床控制系統(tǒng)的梯形圖。 圖4.7搖臂鉆床控制系統(tǒng)梯形圖 4.3 控制系統(tǒng)語句表PLC的指令語句程序是利用類似于匯編語言的指令語句來編程，編程簡單易懂，對于編程者特別容易接受。通過設(shè)計出梯形圖（圖4.7）得出控制系統(tǒng)程序語句表。 4.4 控制系統(tǒng)仿真對梯形圖設(shè)計完之后，通過三菱GT design軟件設(shè)計出搖臂鉆床的仿真界面，把輸入輸出端口與相對應(yīng)按鈕和接觸器聯(lián)系起來。仿真界面設(shè)計完成之后，在從GX Developer軟件中調(diào)出梯形圖，并點擊邏輯測試，然后打開GT simulator軟件調(diào)出開始設(shè)計的界面，此時就進(jìn)入進(jìn)行仿真界面?？梢阅M搖臂鉆床電機得電旋轉(zhuǎn)情況。以下具體介紹對Z3040搖臂鉆床幾種運動方式的仿真。4.4.1 主電動機的仿真 對于主電動機的仿真，當(dāng)按下啟動按鈕SB2，主電機M1馬上得電，并且由于自鎖的作用，主電動機一直得電，主電機開始旋轉(zhuǎn)，主電機旋轉(zhuǎn)按鈕燈也亮起（如圖4.8）。圖4.8 主電動機仿真圖4.4.2 搖臂上升和下降的仿真 搖臂上升或下降時，一直先按下SB3或SB4，讓中間繼電器得電，進(jìn)而液壓泵電機正轉(zhuǎn)和電磁閥YV得電，從而使搖臂首先松開（如圖4.9）。 圖4.9 搖臂夾緊仿真圖當(dāng)搖臂完全松開之后，液壓泵電動機和電磁閥失電，一直按下SB3或SB4搖臂升降電動機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，搖臂上升或下降，下圖為搖臂上升圖（如圖4-10）。圖4.10 搖臂上升仿真圖當(dāng)搖臂上升或者下降到預(yù)定位置的時候，松開SB3（或SB4），這時由于搖臂有慣性作用，仍然還在上升。當(dāng)延時3秒之后，液壓泵電動機反轉(zhuǎn)，同時電磁閥YV得電，這里搖臂夾緊，當(dāng)夾緊到之后，行程開關(guān)常閉行程開關(guān)SQ3壓下，液壓泵電機停止轉(zhuǎn)動和電磁閥YV失電（如圖4-11）。 圖4.11 搖臂夾緊仿真圖4.4.3 主軸和立柱夾緊與放松仿真當(dāng)主軸和立柱需要松開的時候，按下SB5，液壓泵電動機正轉(zhuǎn)，同時電磁閥YV不能得電（如圖4.14）。 圖4.12 主軸和立柱松開仿真圖當(dāng)主軸和立柱需要夾緊的時候，按下SB6，液壓泵電動機反轉(zhuǎn)，同時電磁閥YV不能得電（如圖4.13）。圖4.13 主軸和立柱夾緊仿真圖5 主要電氣元件及選擇Z3040搖臂鉆床額定工作電壓為380V，主電動機M1功率為3KW，搖臂升降電動機M2功率為1.5KW，液壓泵電動機M3功率為0.75KW，冷卻電動機M4功率為90W。搖臂鉆床主要有低壓電路器、接觸器、繼電器和熔斷器和開關(guān)按鈕等電氣元件。 5.1 低壓斷路器低壓斷路器又稱為自動空氣開關(guān)，它相當(dāng)于刀閘開關(guān)、熔斷器、熱繼電器和欠電壓繼電器的組合體，是一種自動切斷電路故障用的保護(hù)電器。低壓斷路器具有萬能式低壓斷路器、裝置式斷路器、快速斷路器和限流斷路器四種形式。5.1.1 低壓斷路器的選擇原則(1）低壓斷路器的額定電流和額定電壓應(yīng)大于或等于線路、設(shè)備正常的工作電壓和工作電流。（2）低壓斷路器的極限通斷能力應(yīng)大于或等于電路最大短路電流。（3）欠電壓脫扣器的額定電壓等于線路的額定電壓。（4）過電流脫扣器額定電流大于或等于線路的最大負(fù)載電流。（5）斷路器類型的選擇，應(yīng)根據(jù)電路的額定電流及保護(hù)的 要求開選用16。5.1.2 低壓斷路器的選擇根據(jù)以上選擇原則，分別求出4臺電動機的額定電流，從而得出負(fù)載的工作電流（既為4臺電動機的額定電流之和）。 主電動機的額定電流為： 式（5.1）式中：PN電動機功率（kW）。UN電動機額定線電壓（V）電動機功率因數(shù)，其值大約在0.850