基于PLC的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、鄭州華信學(xué)院畢業(yè)論文題目：基于PLC的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：所在院系：所學(xué)專(zhuān)業(yè)：機(jī)電一體化技術(shù)指導(dǎo)老師：所在班級(jí)：摘要可編程控制器PLC廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床等工業(yè)控制中。數(shù)控機(jī)床的控制部分可分為數(shù)字 控制和順序控制兩部分。本文描述了數(shù)控機(jī)床的基本組成、工作原理、分類(lèi)及各自的特點(diǎn)。并且對(duì)數(shù)控機(jī)床中的PLC作了詳細(xì)的介紹，把PLC在數(shù)控機(jī)床上的控制做了設(shè)計(jì)。 然后以搖臂鉆床Z3040為例, 描述了它的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括控制系統(tǒng)電路的分析，Z3040搖臂鉆床原理圖，用PLC編寫(xiě)程序 對(duì)機(jī)床進(jìn)行控制。關(guān)鍵詞：可編程控制器數(shù)控機(jī)床數(shù)字控制順序控制ABSTRACTProgrammable control

2、ler (PLC) is widely used in nc machine tools and other industrial control. Part of CNC control can be divided into digital control and sequence control two parts.This paper describes the basic CNC composition, working principle, classification and their respective characteristics. And the PLC for nc

3、 machine tools have also been introduced in detail, the PLC in the control nc machine design. Then Z3040 with radial drilling machine as an example, describes its design process, including control system circuit analysis, Z3040 radial drilling machine principle diagram, using PLC programming control

4、 of machine.Keywords: programmable controller； nc machine tools； digital control ； sequence control1緒論11.1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展11.2 數(shù)控機(jī)床原理和特點(diǎn) 31.3 數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)54.3 PLC 控制系統(tǒng)分析 271.1 PLC的基本特點(diǎn) 71.2 PLC 的工作原理 91.3 數(shù)控機(jī)床采用 PLC電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 101.3.1 PLC 與繼電器-接觸器相比較 111.3.2 PLC 與單片機(jī)比較 133 Z3040搖臂鉆床的基本概述 143.1 Z3040 搖臂鉆床控制線路概述 153.

5、1.1 操縱機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng) 153.1.2 夾緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng) 163.2 Z3040搖臂鉆床控制線路原理分析 163.3 Z3040搖臂鉆床控制線路主電路分析 173.4 Z3040 搖臂鉆床控制線路控制電路分析 183.4.1 主電動(dòng)機(jī)控制電路 183.4.2 搖臂升降控制電路 183.4.3 立柱和主軸箱松開(kāi)、夾緊控制電路 203.4.4 冷卻泵控制電路 213.4.5 照明、信號(hào)電路214 Z3040搖臂鉆床的 PLC控制系統(tǒng) 214.1 PLC的選型224.1.1 確定I/O點(diǎn)數(shù) 224.1.2 選配PLC的型號(hào) 234.2 Z3040型搖臂鉆床 PLC控制I/O（輸入、輸出到岫址分配表

6、 244.3.1 主軸電動(dòng)機(jī)控制 274.3.2 搖臂升降控制 274.3.3 立柱與主軸箱松開(kāi)、夾緊控制 284.4 PLC梯形圖程序設(shè)計(jì) 284.4.1 系統(tǒng)預(yù)開(kāi)程序 284.4.2 主軸電動(dòng)機(jī)控制程序 294.4.3 搖臂升降控制程序 294.4.4 主軸箱、立柱、搖臂松開(kāi)、夾緊控制程序 304.4.5 主軸箱、立柱松開(kāi)、夾緊控制程序 314.4.6 冷卻泵控制 314.4.7 信號(hào)指示梯形圖程序 324.4.8 完整的 PLC控制梯形圖 33總結(jié)33致謝35參考文獻(xiàn) 361緒論隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜。產(chǎn)品的精度要求越來(lái)越高、更新?lián)Q代的 周期也越來(lái)越短，從而促進(jìn)了現(xiàn)代制

7、造業(yè)的發(fā)展。尤其是宇航、軍工、造船、汽車(chē)和模具加 工等行業(yè)，用普通機(jī)床進(jìn)行加工（精度低、效率低、勞動(dòng)度大）已無(wú)法滿足生產(chǎn)要求，從而 一種新型的用數(shù)字程序控制的機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。這種機(jī)床是一種綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng) 控制、精密測(cè)量和機(jī)械設(shè)計(jì)等新技術(shù)的機(jī)電一體化典型產(chǎn)品。數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制 系統(tǒng)（數(shù)控系統(tǒng)）的自動(dòng)化機(jī)床。該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號(hào)碼，或其他符號(hào)編碼指 令（刀具移動(dòng)軌跡信息）規(guī)定的程序。具體地講，把數(shù)字化了的刀具移動(dòng)軌跡的信息輸入到 數(shù)控裝置，經(jīng)過(guò)譯碼、運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)控制刀具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)，加工出所需要的零件的機(jī) 床，即為數(shù)控機(jī)床。1.1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展高速度高精度化數(shù)控

8、系統(tǒng)的高速度高精度化要求數(shù)控系統(tǒng)在讀入加工指令數(shù)據(jù)后，能高速度計(jì)算出伺服 電動(dòng)機(jī)的位移量，并能控制伺服電動(dòng)機(jī)高速度準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)。止匕外，要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的高速度 化，還必須要求主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率、刀具交換、托板交換等實(shí)現(xiàn)高速度化。提高微處理器的 位數(shù)和速度是提高CNC速度的最有效的手段。智能化數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用高級(jí)速的重要目標(biāo)是智能化。智能化技術(shù)主要體現(xiàn)在以下方面。自適應(yīng) 控制技術(shù)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)（AC,adaptive control ）可對(duì)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)矩、功率、切削力、 切削溫度、刀具磨損等參數(shù)值進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，并由CPU進(jìn)行比較運(yùn)算后，發(fā)出修改主軸轉(zhuǎn)速 和進(jìn)給量大小的信號(hào)，確保 AC系統(tǒng)處于最佳切削狀態(tài)

9、，從而在保證加工質(zhì)量條件下，使加 工成本最低或生產(chǎn)率最高。附加人機(jī)會(huì)話自動(dòng)變成功能，建立切削用量專(zhuān)家系統(tǒng)和示教系統(tǒng)， 從而提高變成效率和降低對(duì)變成操作人員的技術(shù)水平的要求。具有設(shè)備故障自診斷功能數(shù)控 系統(tǒng)出了故障，控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行自診斷，并自動(dòng)采取排除故障的措施，以適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人 操作環(huán)境的要求。計(jì)算機(jī)群控計(jì)算機(jī)群控也叫做計(jì)算機(jī)直線數(shù)控系統(tǒng)（DNC）。它是用一臺(tái)大型通用計(jì)算機(jī)為數(shù)臺(tái)數(shù) 控機(jī)床進(jìn)行編程，并直接控制一群數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)。機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)數(shù)控機(jī)床總的發(fā)展趨勢(shì)是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提高可靠性等。工序集中20世紀(jì)50年代末期，在一般數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了數(shù)控加工中心，即

10、自備刀具 庫(kù)的自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床。在加工中心機(jī)床上，工件一次裝夾后，機(jī)床的機(jī)械手可以自動(dòng)更換 刀具，連續(xù)的對(duì)工件進(jìn)行多種工序加工。目前，加工中心機(jī)床的刀具庫(kù)容量達(dá)到100多把刀具，自動(dòng)換刀裝置的換刀時(shí)間僅需 0.52秒。加工中心機(jī)床使工序集中在一臺(tái)機(jī)床上完成， 減少了由于工序分散，工件多次安裝引起的定位誤差，提高了加工精度，同時(shí)也減少了機(jī)床 的臺(tái)數(shù)與占地面積，壓縮了半成品的庫(kù)存量，減少了工序間的輔助時(shí)間，有效的提高了數(shù)控 機(jī)床的生產(chǎn)效率和數(shù)控加工的經(jīng)濟(jì)效益。高速、高效、高精度是機(jī)械加工的目標(biāo)，數(shù)控機(jī)床 因其價(jià)格昂貴，在上述三方面的發(fā)展也更為突出。數(shù)控機(jī)床制造廠把建立友好的人機(jī)界面、提高數(shù)控機(jī)床的

11、可靠性作為提高競(jìng)爭(zhēng)能力的主要方面。手工編程和自動(dòng)編程已經(jīng)使用了幾十年，有了長(zhǎng)足的發(fā)展，在手工編程方面，開(kāi)發(fā)多種加工循環(huán)、參數(shù)編程和除直線、圓弧以外的各種插補(bǔ)功能， CAD/CAM的研究發(fā)展，從技術(shù) 上來(lái)講可以替代手工編程。但是一套適用的 CAD/CAM軟件加上計(jì)算機(jī)硬件，投資較大，學(xué) 習(xí)、掌握時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)大多數(shù)的簡(jiǎn)單工件很不經(jīng)濟(jì)。近年來(lái)，發(fā)展起來(lái)的圖形交互式編程系統(tǒng)（又稱(chēng)面向車(chē)間編程），很受用戶(hù)歡迎。這種編程方式不使用 G/M代碼，而是借助圖形菜 單，輸入整個(gè)圖形塊以及相應(yīng)參數(shù)作為加工指令，形成加工程序，與傳統(tǒng)加工時(shí)的思維方式 類(lèi)似。圖形交互編程方法在制定標(biāo)準(zhǔn)后，有可能成為各種型號(hào)的數(shù)控機(jī)床統(tǒng)

12、一的編程方法。 數(shù)控機(jī)床普遍采用彩色CRT進(jìn)行人機(jī)對(duì)話、圖形顯示和圖形模擬的。有的數(shù)控機(jī)床將采用說(shuō) 明書(shū)，媼程指南、潤(rùn)滑指南等存入系統(tǒng)供使用者調(diào)閱1.2 數(shù)控機(jī)床原理和特點(diǎn)在對(duì)零件進(jìn)行數(shù)控加工之前，首先要根據(jù)被加工零件的圖樣和工藝方案，用規(guī)定的代碼 和程序格式編寫(xiě)加工程序，并用適當(dāng)?shù)姆椒▽⒊绦蛑噶钶斎氲綑C(jī)床的數(shù)控裝置中。數(shù)控系統(tǒng) 對(duì)輸入的加工程序進(jìn)行譯碼、運(yùn)算之后，想機(jī)床輸出各種信息和指令，控制其各部分按規(guī)定 有序地動(dòng)作，包括機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的變速、啟停，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度、方向和位移大小，以及其他 諸如刀具選擇交換、工件夾緊松開(kāi)和冷卻潤(rùn)滑液的啟、停等。伺服系統(tǒng)的作用就是將進(jìn)給速 度、位移量等信息轉(zhuǎn)換成

13、機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，數(shù)控系統(tǒng)要求伺服系統(tǒng)能準(zhǔn)確、快速地跟隨控制 信息，執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，檢測(cè)犯規(guī)系統(tǒng)將機(jī)械運(yùn)動(dòng)的實(shí)際位置、速度等信息反饋至數(shù)控 系統(tǒng)中，并與指令數(shù)值進(jìn)行比較后發(fā)出相應(yīng)指令，修正所產(chǎn)生的偏差，提高數(shù)控機(jī)床的位置 控制精度?？傊瑪?shù)控機(jī)床的運(yùn)行在數(shù)控系統(tǒng)的嚴(yán)密監(jiān)控下，處在不斷地計(jì)算、輸入、輸出、反饋 等控制過(guò)程中，從而保證數(shù)控機(jī)床能?chē)?yán)格按照輸入程序的要求來(lái)執(zhí)行動(dòng)作。從數(shù)控機(jī)床最終 要完成的任務(wù)看，主要有以下三個(gè)方面的內(nèi)容：主軸運(yùn)動(dòng)和普通機(jī)床一樣，主軸運(yùn)動(dòng)主要完成切削任務(wù)，其動(dòng)力約占機(jī)床動(dòng)力的70%80%?；究刂乒δ苁侵鬏S的正、反轉(zhuǎn)和停止，可自動(dòng)換擋及無(wú)極調(diào)速，對(duì)加工中心和有些數(shù)控車(chē)

14、床還 要求主軸進(jìn)行高精確度準(zhǔn)停和分度功能進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于普通機(jī)床最主要的地方，即用電氣驅(qū)動(dòng)代替了機(jī)械驅(qū)動(dòng)，數(shù) 控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由進(jìn)給伺服系統(tǒng)完成的。進(jìn)給伺服系統(tǒng)由進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電動(dòng) 機(jī)、進(jìn)給傳動(dòng)鏈及位置檢測(cè)反饋裝置等組成。般說(shuō)來(lái)，數(shù)控機(jī)床功能的強(qiáng)弱主要取決于計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（ CNC）裝置。而數(shù)控機(jī)床性能的優(yōu)勢(shì)，如運(yùn)動(dòng)速度與精度等，主要取決于進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。為了保證進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的位 置精度，人們采取了一些有效的措施。如對(duì)機(jī)械傳動(dòng)鏈進(jìn)行預(yù)緊和反向間隙調(diào)整，采用高精 度的位置檢測(cè)裝置，采用高性能的伺服驅(qū)動(dòng)裝置和伺服電動(dòng)機(jī)，來(lái)提高數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)算速度輸入/輸出（I/O）接口數(shù)控系

15、統(tǒng)對(duì)加工程序處理后輸出的控制信號(hào)除了對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行精確的控制外，還 需要對(duì)機(jī)床主軸啟/停、換向、刀具更換、工件夾緊/松開(kāi)以及液壓、冷卻、潤(rùn)滑、分度工作 臺(tái)轉(zhuǎn)位等輔助運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。例如，通過(guò)對(duì)加工程序中的M代碼指令、機(jī)床操作面板上的控制開(kāi)關(guān)及分布在機(jī)床各部位的行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、壓力開(kāi)關(guān)等輸入原件的檢測(cè)，由數(shù)控系 統(tǒng)內(nèi)的可編程控制器PLC進(jìn)行邏輯運(yùn)算，輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)中間繼電器、接觸器、電磁閥及 電磁制動(dòng)器等輸出原件，對(duì)冷卻泵、潤(rùn)滑泵、液壓系統(tǒng)和啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。數(shù)控機(jī)床是一種高效能自動(dòng)化加工設(shè)備。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有以下特點(diǎn)：對(duì)零件加工的適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性好。因此數(shù)控機(jī)床能實(shí)現(xiàn)若干個(gè)

16、坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，加工工程序可按對(duì)加工零件的要求而變換、而不需改變機(jī)械部分和控制部分的硬件，就能適應(yīng)新的工作 要求。加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定。在數(shù)控機(jī)床上加工零件，零件加工的精度和質(zhì)量有機(jī)床 保證完全消除了操作者的認(rèn)為誤差。所以數(shù)控機(jī)床的加工精度高，一致性好，加工質(zhì)量穩(wěn)定。加工生產(chǎn)效率高。在數(shù)控機(jī)床上可以采用較大的切削用量 ，有效的節(jié)省了加工時(shí)間。還 有自動(dòng)換刀、自動(dòng)轉(zhuǎn)速和其他輔助操作自動(dòng)化等功能，而且無(wú)需工序間的檢驗(yàn)與測(cè)量，故使 輔助時(shí)間大為縮短。能完成復(fù)雜型面的加工。許多復(fù)雜曲線和曲面的加工，普通機(jī)床無(wú)法實(shí)現(xiàn)而數(shù)控機(jī)床 則完全可以做到。減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件。數(shù)控機(jī)床的加工，除了裝卸零件、操作

17、鍵盤(pán)、觀察機(jī) 床運(yùn)行外，其他機(jī)床動(dòng)作都是按照程序要求自動(dòng)連結(jié)地盡享切削加工，操作者不需要進(jìn)行繁 重的重復(fù)手工操作。因此能減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件。有利于生產(chǎn)管理。采用數(shù)控設(shè)備，有利于向計(jì)算機(jī)控制和管理生產(chǎn)方向發(fā)展，為實(shí)現(xiàn) 制造和生產(chǎn)管理自動(dòng)化創(chuàng)造了條件。1.3 數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床主要由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體四個(gè)部分組成。如圖 12 所示。第5頁(yè)共23頁(yè)凰工信息 f 數(shù)控SE f 向鼠窿 卜*機(jī)床切制L fSMSffl gtfl 1 2數(shù)控機(jī)床的加1.過(guò)程控制介質(zhì) 控制介質(zhì)以指令的形式記載各種加工信息，如零件加工的工藝過(guò)程、工藝 參數(shù)和刀具運(yùn)動(dòng)等，將這些信息輸入到數(shù)控裝置

18、，控制數(shù)控機(jī)床對(duì)零件切削加工。數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，其功能是接受輸入的加工信息，經(jīng)過(guò)數(shù)控裝 置的系統(tǒng)軟件和邏輯電路進(jìn)行譯碼、運(yùn)算和邏輯處理，向伺服系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的脈沖，并通過(guò) 伺服系統(tǒng)控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件按加工程序指令運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置組成，通常所說(shuō)數(shù)控系統(tǒng)是指數(shù)控裝 置與伺服系統(tǒng)的集成，因此說(shuō)伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)。數(shù)控裝置發(fā)出的速度和位移 指令控制執(zhí)行部件按進(jìn)給速度和進(jìn)給方向位移。每個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件都配備一套伺服系 統(tǒng)，有的伺服系統(tǒng)還有位置測(cè)量裝置，直接或間接測(cè)量執(zhí)行部件的實(shí)際位移量，并反饋給數(shù) 控裝置，對(duì)加工的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。機(jī)床本體數(shù)控機(jī)床

19、的本體與普通機(jī)床基本類(lèi)似，不同之處是數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛 性好，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠代替普通機(jī)床的絲杠和齒條傳動(dòng)，主軸變速系統(tǒng)簡(jiǎn)化了齒輪箱 普遍采用變頻調(diào)速和伺服控制。2 PLC的概述可編程控制器（以下簡(jiǎn)稱(chēng) PLC）從其生產(chǎn)到現(xiàn)在，實(shí)現(xiàn)了接線邏輯到存儲(chǔ)邏輯的飛躍其 功能從弱到強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域從小到大，實(shí)現(xiàn)了單體設(shè)備 簡(jiǎn)單控制到勝任運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制及集散控制等各種任務(wù)的跨越。今天的PLC在處理模擬 第6頁(yè)共23頁(yè)量、數(shù)字運(yùn)算、人機(jī)接口和網(wǎng)絡(luò)的各方面能力都已大幅度提高，成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備，在各行業(yè)發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。PLC是基于電子計(jì)算機(jī)，且適用于工業(yè)

20、現(xiàn)場(chǎng)工作的點(diǎn)控制器。它源于繼電控制裝置，但它不像繼電裝置那樣，通過(guò)電路的物理過(guò)程實(shí)現(xiàn)控制，而主要靠運(yùn)行存儲(chǔ)于PLC內(nèi)存中的程序，進(jìn)行入出信息變換實(shí)現(xiàn)控制。PLC基于電子計(jì)算機(jī)，但并不等同于普通計(jì)算機(jī)。普通計(jì)算機(jī)進(jìn)行如初信息變換，多只考慮信息本身，信息的如初，只要人機(jī)界面就可以了。而 PLC則還要考慮信息入出的可靠性、實(shí)時(shí)性，以及信息的使用等問(wèn)題。特別要考慮怎么適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境，入便于安裝，抗干擾等問(wèn)題。2.1 PLC的基本特點(diǎn)高可靠性(1)所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電 氣上隔離。 各輸入端均采用R-C濾波器，具濾波器時(shí)間常數(shù)一般為 1020ms。各

21、模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾采用性能優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電場(chǎng)對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的刷選。 良好的自診斷功能一旦電源或其他軟件、硬件發(fā)生異常情況： CPU立即采用有效 措施，以防止故障擴(kuò)大。 大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng)，使可靠 性進(jìn)一步提高。豐富的I/O接口模塊：PLC針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如：交流或直流、開(kāi)關(guān)量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備，如：按鈕、行程開(kāi)關(guān)、 接近開(kāi)關(guān)、傳感器及變送器、電磁線圈、控制閥等直接連接。另外為了提高兼作餓 它醺多種人機(jī)對(duì)話的接口模塊為了姐成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)

22、網(wǎng)的接口模塊等等。采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需求，除了單元式的小型 PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊 化結(jié)構(gòu)。PLC的各個(gè)部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各 模塊連接起來(lái)，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶(hù)的需要自行組合。編程簡(jiǎn)單易學(xué)PLC的編程大多采用類(lèi)似于繼電器控制線路的梯形圖形式。對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，不需要具備 計(jì)算機(jī)的專(zhuān)門(mén)知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。安裝解維修方便PLC不需要專(zhuān)門(mén)的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè) 備與PLC的相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便 于用戶(hù)了解

23、運(yùn)行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶(hù)可以通過(guò)更換模塊的方法，使系 統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。本設(shè)計(jì)中PLC實(shí)現(xiàn)的功能，開(kāi)關(guān)量的邏輯控制。這是 PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)組合邏輯控制，順序邏輯控制與定時(shí)控制、運(yùn)動(dòng)控制。PLC 使用專(zhuān)用的指令或運(yùn)動(dòng)控制模塊，使運(yùn)動(dòng)控制與順序控制功能有機(jī)結(jié)合在一起?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理。目前PLC都具有數(shù)據(jù)處理指令、數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)與邏輯運(yùn)算指令和循環(huán)位移與移位指令、所以由PLC構(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)，可以方便地堆生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行 采集、分析和加工處理。數(shù)據(jù)通常應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的機(jī)械手的控制系統(tǒng)中。位置控制。位置控制是指P

24、LC使用的位置控制模塊來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種機(jī)械構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)控制，如控制構(gòu)件的速度、位移、運(yùn)動(dòng)方向等。數(shù)控機(jī)床機(jī)械 手的位置控制就是PLC的位置控制的典型應(yīng)用。2.2 PLC的工作原理由于PLC以微處理器為核心，故具有微機(jī)的許多特點(diǎn)，但它的工作方式卻與微機(jī)有很大 不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式，如常見(jiàn)的鍵盤(pán)掃描方式或I/O掃描方，若有鍵按下或有I/O變化，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，若無(wú)則繼續(xù)掃描等待。PLC則是采用循環(huán)掃描的工作方式。對(duì)每個(gè)程序，CPU從第一條指令開(kāi)始執(zhí)行，按指令步序號(hào)做周期性的程序循環(huán)掃描 ,如果無(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開(kāi)始逐條執(zhí)行用戶(hù)程序，直至遇到結(jié)束

25、符后又返回第一 條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱(chēng)為一個(gè)掃描周期。掃描周期的長(zhǎng)短主要取決 于以下幾個(gè)因素一是CPU執(zhí)行指令的速度二是執(zhí)行每條指令占用的時(shí)間三是程序中 指令條數(shù)的多少。一個(gè)掃描周期主要可分為 3個(gè)階段。輸入刷新階段在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫(xiě)入輸入狀態(tài)寄存器。完成輸 入端刷新工作后，將關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間即使輸入端狀態(tài)發(fā) 生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會(huì)改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新 階段才能被讀入。程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶(hù)輸入的控制程序，從第一條開(kāi)始逐步執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯 運(yùn)算結(jié)果存入對(duì)

26、應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完畢后， 即轉(zhuǎn)入輸入刷新階段。輸出刷新階段當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路，輸出映 像寄存器，并通過(guò)一定輸出方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實(shí)際輸出。由此可見(jiàn)，輸入刷新、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段構(gòu)成PLC 一個(gè)工作周期，由此循環(huán)往復(fù)，因此稱(chēng)為循環(huán)掃描工作方式。由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進(jìn)行的， 所以亦將這兩個(gè)階段統(tǒng)稱(chēng)為I/O刷新階段。實(shí)際上，除了執(zhí)行程序和I/O刷新外，PLC還要 進(jìn)行各種錯(cuò)誤檢測(cè)，自診斷功能，并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱(chēng)為監(jiān)視服務(wù)，一般在程序執(zhí)行

27、之后進(jìn)行。掃描周期的長(zhǎng)短主要取決于程序的長(zhǎng)短。掃描周期越長(zhǎng)，響應(yīng)速度越慢。 由于每個(gè)掃描周期只進(jìn)行一次I/O刷新，即每一個(gè)掃描周期PLC只對(duì)輸入、輸出狀態(tài)寄存器 更新一次，所以系統(tǒng)存在輸入輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但是 由于其對(duì)I/O的變化每個(gè)周期只輸出刷新一次，并且只對(duì)有變化的進(jìn)行刷新，這對(duì)一般的開(kāi) 關(guān)量控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是完全允許的，不但不會(huì)造成影響，還會(huì)提高抗干擾能力。這是因?yàn)檩斎?采樣階段僅在輸入刷新階段進(jìn)行，PLC在一個(gè)工作周期的大部分時(shí)間是與外設(shè)隔離的，而工 業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾常常是脈沖、短時(shí)間的，誤動(dòng)作將大大減小。但是在快速響應(yīng)系統(tǒng)中就會(huì)造成 響應(yīng)滯后現(xiàn)象，這個(gè)一般P

28、LC都會(huì)采取高速模塊。2.3 數(shù)控機(jī)床采用PLC電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)數(shù)控機(jī)床的電氣控制理論上講可以采用繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)，單片機(jī)控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是在實(shí)際工程中往往選擇一種經(jīng)濟(jì)、有效、性能優(yōu)越的控制方案,考慮到上述幾點(diǎn)，PLC較適合組合機(jī)床的電氣控制。PLC、單片機(jī)、繼電器-接觸器控制系統(tǒng) 相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：2.3.1 PLC與繼電器-接觸器相比較繼電器-接觸器控制系統(tǒng)自上世紀(jì)二十年代問(wèn)世以來(lái)，一直是機(jī)電控制的主流。由于它 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉，所以使用廣泛。它的缺點(diǎn)是動(dòng)作速度慢，可靠性差，采 用微電腦技術(shù)的可編程順序控制器的出現(xiàn)，使得繼電接觸式控制系統(tǒng)更加遜色。

29、PLC等取代繼電接觸式控制邏輯。具體如下(1)控制邏輯繼電接觸式控制系統(tǒng)采用硬接線邏輯，它利用繼電器等的觸電串聯(lián)、并聯(lián)、申并聯(lián)，利 用時(shí)間繼電器的延時(shí)動(dòng)作等組合或控制邏輯，連線復(fù)雜、體積大、功耗也大。當(dāng)一個(gè)電氣控 制系統(tǒng)研制完后，要想再做修改都要隨著現(xiàn)場(chǎng)接線的改動(dòng)而改動(dòng)。特別是想要能夠增加一些 邏輯時(shí)就更加困難了，這都是硬接線的緣故。所以，繼電接觸式控制系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性 較差?？删幊炭刂破鞑捎么鎯?chǔ)邏輯。它除了輸入端和輸出端要與現(xiàn)場(chǎng)連線以外，而控制邏輯是 以程序的方式存儲(chǔ)在PLC的內(nèi)存當(dāng)中。若控制邏輯復(fù)雜時(shí)，則程序會(huì)長(zhǎng)一些，輸入輸出的連 線并不多。若需要對(duì)控制邏輯進(jìn)行修改時(shí)，只要修改程序就行

30、了，而輸入輸出的連接線改動(dòng) 不多，并且也容易改動(dòng)，因此，PLC的靈活性和擴(kuò)展性強(qiáng)。而且PLC是由中大規(guī)模集成電路 組裝成的，因此，功耗小，體積小。(2)控制速度繼電器接觸式控制系統(tǒng)的控制邏輯是依靠觸電的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)的，工作頻率低。觸點(diǎn)的開(kāi) 閉動(dòng)作一般是幾十毫秒數(shù)量級(jí)。而且使用的繼電器越多，反映的速度越慢，還是容易出現(xiàn)觸點(diǎn)抖動(dòng)和觸點(diǎn)拉弧問(wèn)題而可編程控制器是由程序指令控制半導(dǎo)體電路來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，速度相當(dāng)快。通常，一條 用戶(hù)指令的執(zhí)行時(shí)間在微秒數(shù)量級(jí)。由于 PLC內(nèi)部有嚴(yán)格的同步，不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)問(wèn)題，更不 會(huì)出現(xiàn)觸點(diǎn)拉弧問(wèn)題。(3)定時(shí)控制和計(jì)數(shù)控制繼電接觸式控制系統(tǒng)利用時(shí)間繼電器的延時(shí)動(dòng)作來(lái)進(jìn)行定時(shí)控

31、制。用時(shí)間繼電器實(shí)現(xiàn)定 時(shí)控制會(huì)出現(xiàn)定時(shí)的精度不高，定時(shí)時(shí)間易受環(huán)境的濕度和溫度變化而影響。有些特殊的時(shí) 間繼電器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不方便。而可編程程序控制器使用半導(dǎo)體集成電路作為定時(shí)器，時(shí)基脈沖由晶體震蕩器產(chǎn)生，精 度相當(dāng)高并且定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，定時(shí)范圍廣。用戶(hù)可以根據(jù)需要在程序中設(shè)定定時(shí)值。PLC根據(jù)給定的定時(shí)值，由軟件和硬件計(jì)數(shù)器來(lái)控制制定時(shí)間，定時(shí)精度高、定時(shí)時(shí)間不受環(huán)境的影 響，并且一旦調(diào)好，不會(huì)變化。并且 PLC可以完成計(jì)數(shù)功能，而繼電接觸系統(tǒng)通常沒(méi)有計(jì)數(shù) 功能。(4)設(shè)計(jì)與施工。使用繼電接觸式控制系統(tǒng)完成一項(xiàng)控制工程，設(shè)計(jì)施工，調(diào)試必須順序進(jìn)行，周期長(zhǎng)而且修改困難而使用PLC來(lái)完成一項(xiàng)控制

32、工程。設(shè)計(jì)完成以后，現(xiàn)場(chǎng)施工和控制邏輯的設(shè)計(jì) 可以同時(shí)進(jìn)行，周期短，而且調(diào)試和修改均很方便。(5)可靠性和維護(hù)性。繼電接觸式控制系統(tǒng)使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，連線也多。觸點(diǎn)在開(kāi)閉時(shí)會(huì)受到電弧的損 壞，壽命短。因而可靠性和維護(hù)性差。PLC采用微電子技術(shù)，大量的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來(lái)完成，可靠性高。 PLC 還配備了自檢和監(jiān)控功能，能自診斷出自身的故障，并隨時(shí)顯示給操作人員，還能動(dòng)態(tài)的監(jiān) 視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)提供了方便。總之，PLC在性能上均優(yōu)越于繼電接觸式控制系統(tǒng)，特別是控制速度快，可靠性高，設(shè) 計(jì)施工周期短，調(diào)試方便，控制邏輯修改方便，而且體積小，功耗低。2.3.2 PL

33、C與單片機(jī)比較單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格比較便宜等優(yōu)點(diǎn)，一般用于數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制。但是，單片機(jī)不是專(zhuān)門(mén)針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化控制而設(shè)計(jì)的所以它與PLC比較起來(lái)有以下 缺點(diǎn)：(1)單片機(jī)不如PLC容易掌握使用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，一般要使用微處理器的匯編語(yǔ)言編程。這就要求設(shè)計(jì)人員 遇有一定的計(jì)算機(jī)硬件和軟件知識(shí)。對(duì)于那些只熟悉機(jī)電控制的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，需要進(jìn)行相 當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間系統(tǒng)地學(xué)習(xí)單片機(jī)的知識(shí)才能掌握。而PLC采用了面向操作者的語(yǔ)言編程，如梯形圖狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖等，對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，無(wú)需 了解復(fù)雜的計(jì)算機(jī)知識(shí)，而只要用較短時(shí)間去熟悉PLC的簡(jiǎn)單指令系統(tǒng)及操作方法，就可以 使用和編程。(2)單片

34、機(jī)不如PLC使用簡(jiǎn)單使用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，一般要在輸入輸出接口上做大量的工作。例如，要考慮工 程現(xiàn)場(chǎng)與單片機(jī)的連接，輸出帶負(fù)載能力、接口的擴(kuò)展，接口的工作方式等。除了要進(jìn)行控 制程序的設(shè)計(jì)，還要在單片機(jī)的外圍進(jìn)行很多硬件和軟件工作，才能與控制現(xiàn)場(chǎng)連接起來(lái)調(diào) 試也較繁瑣。而PLC的輸入/輸出接口已經(jīng)做好，輸入接口可以與無(wú)外接電源的開(kāi)關(guān)直接連接，非常 方便。輸出接口具有一定的驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力，能適應(yīng)一般的控制要求。而且，在輸入接口、輸 出接口，由光電耦合器件，使現(xiàn)場(chǎng)的干擾信號(hào)不容易進(jìn)入 PLCo(3)單片機(jī)不如PLC可靠使用單片機(jī)進(jìn)行工業(yè)控制，突出的問(wèn)題就是抗干擾性能較差。通過(guò)上面的比較，針對(duì)數(shù)控

35、機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)，雖然PLC的價(jià)格高一些，但良好的穩(wěn)定性和高度的可靠性可確保機(jī)床在加工零件時(shí)的精度，所以決定采用 PLC控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。3 Z3040搖臂鉆床的基本概述鉆床是孔加工機(jī)床，用來(lái)進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、較孔、攻絲及修刮端面等多種形式的加工。在各類(lèi)鉆床中，搖臂鉆床操作方便、靈活，適用范圍廣，具有典型性，特別適用于單件或批量生產(chǎn)中帶有多孔大型零件的孔加工，是一般機(jī)械加工車(chē)間常見(jiàn)的機(jī)床。搖臂鉆床主要由底座、內(nèi)立柱、外立柱、搖臂、主軸箱及工作臺(tái)等部分組成。內(nèi)立柱固定在底座的一端，外面套有外立柱，外立柱可繞內(nèi)立柱回轉(zhuǎn) 360 0 o搖臂的一端為套筒，套裝在外立柱上，并借助絲杠的正反轉(zhuǎn)沿外立柱做上下

36、移動(dòng)。由于絲杠與外立柱連成一體，而升降螺母固定在搖臂上，所以搖臂不能繞外立柱轉(zhuǎn)動(dòng)，只能與外立柱一起繞內(nèi)立柱回轉(zhuǎn)。主軸箱安裝在搖臂的水平導(dǎo)軌上，可以通過(guò)手輪操作使其在水平導(dǎo)軌上沿?fù)u臂移動(dòng)。當(dāng)進(jìn)行加工時(shí)由特殊的夾緊裝置將主軸箱緊固在搖臂導(dǎo)軌上，外立柱緊固在內(nèi)立柱上，搖臂緊固在外立柱上，然后進(jìn)行鉆削加工。鉆削加工時(shí)，鉆頭一面旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，一面進(jìn)行縱向進(jìn)給。綜上所述，搖臂鉆床的運(yùn)動(dòng)方式有：主運(yùn)動(dòng)主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)主軸的縱向進(jìn)給輔助運(yùn)動(dòng)搖臂沿外立柱垂直移動(dòng)，主軸箱沿?fù)u臂長(zhǎng)度方向移動(dòng)：搖臂與外立拄一起繞內(nèi)立柱回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。Z3040型搖臂鉆床適合于在大、中型零件上進(jìn)行孔加工，其運(yùn)動(dòng)形式有主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、

37、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、搖臂的升降運(yùn)動(dòng)、立柱的夾緊和放松、搖臂的回轉(zhuǎn)和主軸箱的左右移動(dòng)。主軸的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由一臺(tái)異動(dòng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，搖臂的升降由一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，搖臂、立 柱和主軸箱的夾緊/放松由一臺(tái)液壓泵電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，搖臂的回轉(zhuǎn)和主軸箱的左右移動(dòng)通常采用 手動(dòng)。止匕外，還有一臺(tái)冷卻泵電動(dòng)機(jī)對(duì)刀具和工件進(jìn)行冷卻。加工螺紋時(shí)，主軸需要正反轉(zhuǎn)，該機(jī)床采用機(jī)械變換方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，故主電動(dòng)機(jī)只有一個(gè) 旋轉(zhuǎn)方向。止匕外，為保證安全生產(chǎn)，其主軸旋轉(zhuǎn)和搖臂升降不允許同時(shí)進(jìn)行。3.1 Z3040搖臂鉆床控制線路概述Z3040搖臂鉆床主要有兩種主要運(yùn)動(dòng)和其他輔助運(yùn)動(dòng)，主運(yùn)動(dòng)是指主軸帶動(dòng)鉆頭的旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是指鉆頭的垂直

38、運(yùn)動(dòng)，輔助運(yùn)動(dòng)是指主軸箱沿?fù)u臂水平運(yùn)動(dòng)，搖臂沿外立柱 上下移動(dòng)以及搖臂和外立柱一起相對(duì)于內(nèi)立柱的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。Z3040搖臂鉆床具有兩套液壓控制系統(tǒng)，一套是由主軸電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)齒輪泵送出壓力油通 過(guò)操縱機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主軸正反轉(zhuǎn)、停車(chē)控制、空擋、預(yù)選與變速，另一套是由液壓電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)液 壓泵送出壓力油來(lái)實(shí)現(xiàn)搖臂的夾緊和松開(kāi)、主軸箱的夾緊與松開(kāi)、立柱的夾緊與松開(kāi)。前者 安裝在主軸箱內(nèi)，后者安裝在搖臂電器盒下部。3.1.1 操縱機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)該系統(tǒng)壓力油由主軸電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)齒輪泵送出，由主軸操作手柄來(lái)改變兩個(gè)操縱閥的相互 位置，獲得不同的動(dòng)作。操作手柄有五個(gè)空間位置，上、下、里、外和中間位置，其中上為 “空擋”下為“變速

39、”外為“正轉(zhuǎn)”里為“反轉(zhuǎn)”中間位置為“停車(chē):而主軸轉(zhuǎn)速及 主軸進(jìn)給量各有一個(gè)旋鈕預(yù)選然后在操作主軸手機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，首先按下主軸電動(dòng)機(jī)起動(dòng)按鈕，主軸電動(dòng)機(jī)起動(dòng)旋轉(zhuǎn)，拖動(dòng)齒輪泵，送出 壓力油。然后操縱主軸手柄，板至所需轉(zhuǎn)向位置，里或外，于是兩個(gè)操縱閥相互位置轉(zhuǎn)變 使一股壓力油將制動(dòng)摩擦離合器松開(kāi)，為主軸旋轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件，另一股壓力油壓緊正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn) 摩擦離合器，接通主軸電動(dòng)機(jī)的主軸的傳送鏈，驅(qū)動(dòng)主軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。在主軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)過(guò)程中，可轉(zhuǎn)動(dòng)變速按鈕，改變主軸轉(zhuǎn)速或主軸進(jìn)給量。主軸停車(chē)時(shí)，將操作手柄扳回中間位置，這時(shí)主軸電動(dòng)機(jī)仍拖動(dòng)齒輪泵旋轉(zhuǎn)。但此時(shí)整 個(gè)液壓系統(tǒng)為低壓油，無(wú)法松開(kāi)制動(dòng)摩擦離合器，而在制動(dòng)

40、彈簧作用下將制動(dòng)摩擦離合器壓 緊，使制動(dòng)軸上的齒輪不能轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主軸停車(chē)。所以主軸停車(chē)時(shí)主軸發(fā)動(dòng)機(jī)仍在旋轉(zhuǎn)，只 是不能將動(dòng)力傳到主軸。主軸變速與進(jìn)給變速將主軸手柄扳至變速”位置，于是改變兩個(gè)操縱閥的相互位置使 齒輪泵送出的壓力油進(jìn)入主軸轉(zhuǎn)速預(yù)選閥和主軸進(jìn)給量預(yù)選閥，然后進(jìn)入各變速油缸。與 此同時(shí)，另一油路系統(tǒng)推動(dòng)拔叉緩慢運(yùn)動(dòng)，逐漸壓緊主軸正轉(zhuǎn)摩擦離合器，接通主軸電動(dòng)機(jī) 到主軸的傳動(dòng)鏈，帶動(dòng)主軸緩慢旋轉(zhuǎn)，稱(chēng)為緩速，以利于齒輪的順利嚙合。當(dāng)變速完成，松 開(kāi)操作手柄，此時(shí)手柄在彈簧作用下由“變速”位置自動(dòng)復(fù)位到主軸“停車(chē)”位置，然后在 操縱主軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，主軸將在新的轉(zhuǎn)速或進(jìn)給量下工作。3.1.2

41、夾緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)主軸箱、內(nèi)外立柱和搖臂的夾緊和松開(kāi)是由液壓泵電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)液壓泵電動(dòng)機(jī)送出壓力 油，推動(dòng)活塞、菱形塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Z3040搖臂拈床共有四大電動(dòng)機(jī)主電動(dòng)機(jī)M1搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2液壓泵電動(dòng)機(jī) M3和冷卻泵電動(dòng)機(jī)M4。3.2 Z3040搖臂鉆床控制線路原理分析圖3-1 Z3040搖臂鉆床原理圖Z3040型搖臂拈床控制線路原理圖上圖Z3040型搖臂鉆床的動(dòng)作是通過(guò)機(jī)、電、液進(jìn)行聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)的。該機(jī)床控制電路采用380V/100V隔離變壓器供電，但其二次繞組增設(shè)24V安全電壓供局部照明使用。斷路器QF1既作為機(jī)床線路的電源總開(kāi)關(guān)，又作為機(jī)床線路和主軸電機(jī) M1的短路及過(guò)載保 護(hù)元件，斷路器QF

42、2臥搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2、液壓泵電機(jī)M3、冷卻泵電機(jī)M4的隔離開(kāi)關(guān)和 過(guò)載及短路保護(hù)元件。QF3、QF4、QF5分別為機(jī)床控制電路、機(jī)床工作信號(hào)指示電路和機(jī) 床工作照明電路和過(guò)載及短路保護(hù)開(kāi)關(guān)。開(kāi)車(chē)前的準(zhǔn)備。首先將隔離開(kāi)關(guān)接通，將電源引入開(kāi)關(guān)QF1扳到“接通”位置，接通三相交流電源，此時(shí)總電源指示燈 HL1亮，表示機(jī)床電氣電路已進(jìn)入帶電狀態(tài)。按下總啟動(dòng)按 鈕SB1,中間繼電器KA線圈通電吸合并自鎖，為主電動(dòng)機(jī)及其他電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)多準(zhǔn)備，同時(shí) 觸點(diǎn)KA閉合，為其他三個(gè)指示燈通電做準(zhǔn)備。3.3 Z3040搖臂鉆床控制線路主電路分析3.4 為單方向旋轉(zhuǎn)，由接觸器KM1控制，主軸的正反轉(zhuǎn)則由機(jī)床液壓系統(tǒng)操縱

43、機(jī)構(gòu)配合正反轉(zhuǎn)摩擦離合器實(shí)現(xiàn)，并由熱繼電器 FR1作電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期過(guò)載保護(hù)。M2由正、反轉(zhuǎn)接觸器KM2、KM3控制實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)?？刂齐娐繁ＷC，在操縱搖臂升降 時(shí)，首先使液壓泵電動(dòng)機(jī)起動(dòng)旋轉(zhuǎn)，供出壓力油，經(jīng)液壓系統(tǒng)將搖臂松開(kāi)，然后才使電動(dòng)機(jī) M2起動(dòng)，拖動(dòng)搖臂上升或下降。當(dāng)移動(dòng)到位后，保證M2先停下，再自動(dòng)通過(guò)液壓系統(tǒng)將搖臂夾緊，最后液壓泵電機(jī)才停下。 M2為短時(shí)工作，不設(shè)長(zhǎng)期過(guò)載保護(hù)。(3) M3由接觸器KM4、KM5實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，并有熱繼電器 FR2作長(zhǎng)期過(guò)載保護(hù)。4. M4電機(jī)容量小，僅0.125kW,由開(kāi)關(guān)QS控制。3.4 Z3040搖臂鉆床控制線路控制電路分析由變壓器TC將380V交流電壓

44、降為110V,作為控制電源。指示燈電源為 6V。3.4.1 主電動(dòng)機(jī)控制電路按下起動(dòng)按鈕SB2,接觸器KM1吸合并自鎖，主軸電動(dòng)機(jī)M1起動(dòng)并運(yùn)轉(zhuǎn)。按下停止按 鈕SB8,接觸器KM1釋放，主軸電動(dòng)機(jī)M1停轉(zhuǎn)。3.4.2 搖臂升降控制電路搖臂上升、下降分別由SB3、SB4點(diǎn)動(dòng)控制。按上升按鈕SB3,時(shí)間繼電器KT1得電吸合，瞬時(shí)動(dòng)合觸點(diǎn)，33-35 ,閉合，接觸器KM4 得電吸合，液壓泵電動(dòng)機(jī) M3接通電源正向旋轉(zhuǎn)，供給壓力油。壓力油經(jīng)分配閥體進(jìn)入搖臂 松開(kāi)的油腔，推動(dòng)活塞，使搖臂松開(kāi)。當(dāng)搖臂完全松開(kāi)后，活塞桿通過(guò)彈簧片壓下限位開(kāi)關(guān)ST2,使其動(dòng)斷觸點(diǎn)ST2, 17, 33,斷開(kāi)，使接觸器KM4線

45、圈斷電釋放，液壓泵電動(dòng)機(jī) M3 停轉(zhuǎn)，與此同時(shí)，另一動(dòng)合觸點(diǎn) ST2, 17-21,閉合，接觸器KM2線圈通電吸合，其主觸點(diǎn)接 通升降電動(dòng)機(jī)M2的電源，M2啟動(dòng)正向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)搖臂上升。如果搖臂沒(méi)有松開(kāi)，ST2的動(dòng)合觸點(diǎn)也不能閉合，KM2就不能吸合，M2不能旋轉(zhuǎn)，搖 臂也就不可能上升，保證了只有在搖臂可靠松開(kāi)后才能使搖臂上升。當(dāng)搖臂上升到所需位置時(shí)，松開(kāi)按鈕 SB3,接觸器KM2和時(shí)間繼電器KT1同時(shí)斷電釋 放搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2停轉(zhuǎn)，搖臂停止上升。由于KT1釋放，其延時(shí)閉合的動(dòng)斷觸點(diǎn)，47-49經(jīng)1-3秒延時(shí)后閉合，接觸器 KM5的線圈經(jīng)1-3-5-7-47-49-51-6-2線路通電吸合，液壓

46、電動(dòng)機(jī)M3反向起動(dòng)旋轉(zhuǎn)，供給壓力油。壓力油經(jīng)分配閥進(jìn)入搖臂夾緊油腔，向相反方向推動(dòng)活塞，使搖臂夾緊。同時(shí)，活塞桿通過(guò)彈簧片壓下限位開(kāi)關(guān) ST2動(dòng)斷觸點(diǎn)7-47 斷開(kāi) 接觸器KM5斷電釋放，液壓泵電動(dòng)機(jī) M3停止旋轉(zhuǎn)，完成了搖臂的松開(kāi)，上升，夾緊動(dòng)作。福臂上升的動(dòng)作過(guò)程如下0按SB3AT1吸合 KM4吸合一M3正轉(zhuǎn)一壓下ST2 KM2吸合 M2正轉(zhuǎn) KM4斷電 M3停 轉(zhuǎn)-搖臂上升到預(yù)定位置，松開(kāi)SB3搖臂的下降過(guò)程與上升基本相同，它們的夾緊和放松電路完全一樣。所不同的是按下降 按鈕SB4時(shí)為KM3線圈得電，搖臂升降電動(dòng)機(jī) M2反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)搖臂下降。時(shí)間繼電器KT1的作用是控制KM5的吸合時(shí)間，使

47、M2停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，再夾緊搖臂。KT1 的延時(shí)時(shí)間應(yīng)視搖臂在 M2斷電至停轉(zhuǎn)前的慣性大小調(diào)整，應(yīng)保證搖臂上升，或下降，后才 進(jìn)行夾緊，一般調(diào)整在1 3秒。搖臂升降的限位保護(hù)，由組合開(kāi)關(guān) ST1來(lái)實(shí)現(xiàn)。ST1有兩對(duì)觸點(diǎn)，ST1-1是搖臂上升時(shí) 的極限位置保護(hù)，ST1-227-17是搖臂下降時(shí)的極限位置保護(hù)。當(dāng)搖臂上升到極限位置時(shí)ST1-1(15-17)動(dòng)作，將電路斷開(kāi)，則KM2斷電釋放，搖臂升降電動(dòng)機(jī) M2停止旋車(chē)專(zhuān)。但ST1 的另一觸點(diǎn)ST1-227-17仍處于閉合狀態(tài)，保證搖臂能蝦除同理,當(dāng)搖臂下降到極限位置時(shí)，ST1-2 27-17 動(dòng)作，電路斷開(kāi) ,KM3釋放，搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2停轉(zhuǎn)。而ST

48、1 的另一動(dòng)斷觸點(diǎn)ST1-1(15-17)仍閉合，以保證搖臂能夠上升。搖臂的自動(dòng)夾緊是由行程ST3來(lái)控制的。如果液壓夾緊系統(tǒng)出現(xiàn)故障而不能自動(dòng)夾緊搖 臂，或者由于ST3調(diào)整不當(dāng)，在搖臂夾緊后不能使ST3 7-47的動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開(kāi)，都會(huì)使 液壓泵電動(dòng)機(jī)處于長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行狀態(tài)，這是不允許的。為了防止損壞液壓泵電動(dòng)機(jī)，電路中使 用了熱繼電器FR2福臂夾緊動(dòng)例程如下?lián)u臂升到預(yù)定位置，松開(kāi)SB3YT147-49 斷電延時(shí)閉合tKM5吸合、M3反轉(zhuǎn)一搖臂夾緊一ST37-47 受壓斷開(kāi)tKM5、M3、均斷電釋放。3.4.3 立柱和主軸箱松開(kāi)、夾緊控制電路立柱和主軸箱的松開(kāi)及夾緊控制可單獨(dú)進(jìn)行，也可同時(shí)進(jìn)行，由轉(zhuǎn)

49、換開(kāi)關(guān)SA2和復(fù)位按鈕SB7 或SB8 進(jìn)行控制電SA2 有3個(gè)位置，中間位，零位時(shí)立柱和主軸箱的松開(kāi)或夾 緊同時(shí)進(jìn)行，左邊位為立柱的夾緊或放松，右邊位為主軸箱的夾緊或放松。復(fù)合按鈕SB7、SB8分別為松開(kāi)、夾緊控制按鈕。以主軸箱的松開(kāi)和夾緊為例，先將SA2扳到右側(cè)，觸點(diǎn)57-59接通，57-63斷開(kāi)口 當(dāng)要主軸箱松開(kāi)時(shí)，按松開(kāi)按鈕 SB7,時(shí)間繼電器KT2、KT3 的線圈同時(shí)得電 ,KT2是斷 電延時(shí)型時(shí)間繼電器，它的斷電延時(shí)斷開(kāi)的常開(kāi)觸點(diǎn)7-57在通電瞬間閉合，電磁鐵YA1通電吸合。經(jīng)1-3秒延時(shí)后，KT3的延時(shí)閉合常開(kāi)觸點(diǎn)7-41閉合，接觸器KM4線圈1-3-5-7-41-43-37-3

50、9-6-2 線圈斷電：液壓泵電動(dòng)機(jī)M3正轉(zhuǎn)，壓力油經(jīng)分配閥進(jìn)入主軸箱右缸，推動(dòng)活塞使主軸箱放松?；钊麠U使行程開(kāi)關(guān)ST4復(fù)位，觸點(diǎn)ST4常閉開(kāi)關(guān),ST4常開(kāi)閉合。指示燈HL2亮，表示主軸箱已松開(kāi)。主軸箱夾緊的控制線路及工作原理與松開(kāi)時(shí)相 似，只要按松開(kāi)按鈕SB7換成夾緊按鈕SB8,接觸器KM4換成KM5 , M3由正向轉(zhuǎn)動(dòng)變成 反向轉(zhuǎn)動(dòng)，指示燈HL2換成HL3即可。當(dāng)把轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA3拌到左側(cè)時(shí)，觸點(diǎn)57-63接通：57-59 斷開(kāi)。按松開(kāi)按鈕SB7或夾緊按鈕SB8時(shí)，電磁鐵YA2通電，此時(shí)，立柱松開(kāi)或夾緊，SA2在中間位時(shí)，觸點(diǎn)，57-595 57-63均接通。按SB7或SB8 ,電磁鐵YA1、

51、YA2均通電，主軸箱和立柱同時(shí)進(jìn)行松開(kāi)或夾緊。其他動(dòng)作過(guò)程與主軸箱松開(kāi)或夾緊時(shí)完全相同，不在論述。由于立柱和 主軸箱的松開(kāi)與夾緊是短時(shí)間的調(diào)整工作，故采用點(diǎn)動(dòng)控制方式。3.4.4 冷卻泵控制電路冷卻泵電動(dòng)機(jī)M4容量小，所以用組合開(kāi)關(guān)QS直接控制其運(yùn)行和停止。3.4.5 照明、信號(hào)電路1、機(jī)床照明電路 QF5機(jī)床工作照明電路開(kāi)關(guān)，同時(shí)過(guò)載及短路保護(hù)作用，EL為工作照明燈。2、工作信號(hào)指示HL1電源指示燈，當(dāng)和上QF2時(shí)HL1指示燈亮，HL2為立柱和主軸箱松開(kāi)指示燈，HL3為立柱和主軸箱夾緊指示燈，分別由限位開(kāi)關(guān) ST4長(zhǎng)閉觸頭和 ST4常開(kāi)觸頭控制。HL4為主軸電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)指示燈，由 KM1常開(kāi)觸

52、頭控制。4 Z3040搖臂鉆床的PLC控制系統(tǒng)搖臂鉆床運(yùn)動(dòng)部件較多，為簡(jiǎn)化傳動(dòng)裝置，采用多臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制，通常沒(méi)有主軸電動(dòng)機(jī)、 搖臂升降電動(dòng)機(jī)、立柱夾緊和放松電動(dòng)機(jī)及冷卻泵電動(dòng)機(jī)。搖臂鉆床為適應(yīng)各種形式加工，要求主軸及進(jìn)給有較大的調(diào)速范圍。主軸一般速度下的鉆床 加工為恒功率負(fù)載，而低速是用于擴(kuò)孔、絞孔及螺紋加工，屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。搖臂鉆床的主 運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)皆為主軸運(yùn)動(dòng)，這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)由一臺(tái)主軸電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，分別經(jīng)主軸和進(jìn)給傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給。主軸變速機(jī)構(gòu)與進(jìn)給變速機(jī)構(gòu)均裝在主軸箱內(nèi)。為加工螺紋，主軸要求有正、反轉(zhuǎn)，一般由機(jī)械方法獲得，為此主軸電動(dòng)機(jī)只需單方向 旋轉(zhuǎn)。搖臂的升降由升降電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)

53、，要求電動(dòng)機(jī)能正、反轉(zhuǎn)。搖臂的夾緊和放松是由電氣和液壓聯(lián)合控制，并且有夾緊和放松指示。內(nèi)外立柱的夾緊與放松、主軸箱與搖臂的夾緊與放松可采用手柄機(jī)械操作，電氣-液壓 -機(jī)械裝置等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。鉆削加工時(shí)，需要對(duì)刀具和工件進(jìn)行冷卻，為此需冷卻泵電動(dòng)機(jī)輸送冷卻液。要有必要的限位、連鎖和過(guò)載保護(hù)，且具有局部安全照明。4.1 PLC的選型目前各國(guó)生產(chǎn)的PLC品種繁多，發(fā)展迅速。在中國(guó)的市場(chǎng)上最具競(jìng)爭(zhēng)力的有德國(guó)西門(mén)子 公司、日本三菱系列、歐姆龍公司、 AB公司所推出的PLC均為從小到大全系列的產(chǎn)品，可 滿足各種各樣的需求。三菱公司的產(chǎn)品有FX系列：為小型PLC,單元式，單機(jī)最大容量為256點(diǎn)。A系列、ANS

54、系列、Q系列、QNA系列等為模塊式大型PLC ,最大容量為8K點(diǎn)。加子公司的產(chǎn)品有S7-200:微型PLC ,單機(jī)最大容量為256點(diǎn)S7-300:小到中型PLC單機(jī)最大容量為1KS7-400:大到超大型PLC,單機(jī)可組態(tài)點(diǎn)數(shù)過(guò)萬(wàn)點(diǎn)。2 .選配PLC的型號(hào)S7-300的PLC,它適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制等。S7-300 PLC的強(qiáng)大功能使其無(wú)論單機(jī)運(yùn)行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。4.1.1 確定I/O點(diǎn)數(shù)根據(jù)控制電路來(lái)確定I/O端口點(diǎn)數(shù)，其中，按鈕8個(gè)，行程開(kāi)關(guān)5個(gè)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)1個(gè)， 觸點(diǎn)位置3個(gè)，熱繼電器常閉2個(gè)，電壓繼電器觸點(diǎn)1個(gè)，控制線路電源總開(kāi)關(guān)1個(gè)，共20

55、個(gè)輸入端口點(diǎn)數(shù)，接觸器7個(gè)，電壓繼電器一個(gè)，信號(hào)燈4個(gè)，共計(jì)12個(gè)輸出端口點(diǎn)數(shù)。4.1.2 選配PLC的型號(hào)在選用PLC上，根據(jù)Z3040型搖臂鉆床的電氣部分。輸出端口需要 12個(gè)。輸入端口需 要20個(gè)。而且并不通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或其他方式做遠(yuǎn)程控制。因此，考慮到經(jīng)濟(jì)，實(shí)用，穩(wěn)定等方面 因素。我決定選用SIMATIC S7-300作為本次設(shè)計(jì)所用PLC。其I/O接線圖如下圖4-1所示,第37頁(yè)共23頁(yè)女心忤rt慵由事 MH招MH HIE W隔M HUIi： 初 小w Itrtrr *Jl*顰ztft *k MA* M 訃10?n KM*10f | | KMJKM*I也7a一 KJLIK2| VK2LJJ

56、4，4J十 I 1 t .t 1- I NQ MQQQ LA123 *，6 F M 121212QRnu.n VibM 總“ XHUh*中注1 ! Mi * * UI Mllit Ji bi UIMHK n1 ”仲城i r抻即i 耀I(xiàn) n IX t酎融1 M nH H檢H* V-Ik ” 1 ”舟曲IPi lit M if II牲（r* 11 k T x*1 Mi*吃W* “* *1 Hijn v tt Ht ji . * *WImo圖4-1 Z3040搖臂鉆床I/O接線圖4.2 Z3040型搖臂鉆床PLC控制I/O（輸入、輸出地址分配表I輸入序號(hào)名稱(chēng)代號(hào)地址1控制線路電源總開(kāi)關(guān)QF3 I0.0總停止按鈕SB7 I0.13總啟動(dòng)按鈕 SB1 I0.24電壓繼電器AV I0.35主軸電動(dòng)機(jī) M1熱繼電器 FR1 I0.46主軸電動(dòng)機(jī) M1啟動(dòng)按鈕 SB2 I0.57主軸電動(dòng)機(jī) M1停止按鈕 SB8 I0.68搖臂上升按鈕SB3 I0.79搖臂下降按鈕SB4 I1.010搖臂上升上限位行程開(kāi)關(guān) ST1-1 I1.111搖臂下降下限位行程