Z摇臂钻床电气控制系统PL改造.docx

Z摇臂钻床电气控制系统PL改造The final edition was revised on December 14th, 2020.摘要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但继电器一接触器控制方式电 路接线复杂，触电多，成本很高，今后的逻辑修改和增加功能比较困难等诸多缺点 PLC控制系统与继电器一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，对工作环境要求低等一系列优点因此对Z3040摇臂钻床控制系 统PLC改造是非常必要的本设计对Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC的改造首先，从Z3040摇臂钻床的 控制原理和PLC的特点分析入手；其次，根据控制系统的原理和PLC的特点完成了 PLC机型的选择、I/O端口的分配和接线图绘制；PLC梯形图程序的设计、指令语句表 编写和系统程序的仿真；最后根据控制要求，完成了摇臂钻床控制电路中主要电气元 件的计算选择通过PLC改造摇臂钻床控制系统，克服了继电器一接触器许多缺点，大大提高摇 臂钻床的工作能力和工作寿命，同时运用了系统仿真，能形象、直观的模拟出摇臂钻 床运动情况。

关键词：可编程控制器，摇臂钻床，梯形图，电气控制系统目录1绪论本课题选题背景和意义钻床作为一种孔加工设备，可以用来钻孔、扩孔、较孔、攻丝等多种形式 的加工同时钻床也具有很多的形式，摇臂钻床、立式钻床、卧式钻床、台式 钻床、多轴钻床、深孔钻床及其他专用钻床等Z3040摇臂钻床在各类钻床 中，他具有性能完善、适用范围广、操作方便、灵活等优点，它适用于单行或 批量生产带有多孔的大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机床，在 机械行业中得到广泛应用目前机械行业中使用摇臂钻床的控制系统多数是采 用继电器一接触器控制方式，这种控制方式电路接线复杂、触点多，成本很 高，系统的灵活性和扩展性都很差，长期使用后，噪声很大，工作速度缓慢， 维修工作量大，故障率高，同时故障排查困难，常常影响企业正常生产可编程控制器(Programmable Logic Controller,简称 PLC)起源于 20 世纪60年代末，从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机 技术使之功能不断增强，开始逐渐适合于复杂系统的控制PLC之所以有生命 力，因为它更加适合工业现场和市场的要求：具有高可靠性、抗各种干扰的能 力、编程使用简便、低价格和长寿命。

PLC与单片机相比，PLC的输入端和输出端更接于近工业现场设备，同时没 有太多的中间部件，相比之下即节约了时间乂节省了成本PLC的输入端为继 电器、晶闸管和晶体管等控制部件，输入端一般则是能人性化操作的微型计算 机操作工在使用它时.，基本不需要微机方面进行专门的培训，就能很容易对可 PLC进行操作及编程PLC与继电器一接触器相比同样具有许多优势，PLC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，因此日益广泛应用于机械加工设备控制系统之中利用PLC对摇 臂钻床继电器控制电路进行改造，有助于提高设备的可靠性、使用率，降低设 备故障率，提高生产效率，其经济效率显着因此，本课题对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设计方案中去，取代传统接 触器控制的方法，使得钻床的可靠性和效率大为提高，在工业上有广泛应用前 景，因此对Z3040摇臂钻床控制系统PLC改造是非常必要的本课题国内外研究现状、水平和发展趋势本课题为Z3040摇臂钻床控制系统PLC改造，不论从国外还是国内近 年来看，都对本课题进行了大量的研究本课题研究水平和发展趋势都基于PLC发展，因此PLC发展水平决定了本课题的发展趋势。

1）PLC国外研究现状、水平和发展趋势PLC产生到现在将近40余年，早期只是继电器控制装置的替代物在器 件选择上使用磁芯储存器、分立元件和中小规模集成电路，用于提高抗干扰能 力，软件设计采用梯形图设计方法⑸，因此性能优于普通继电器一一接触器控 制装置到20世纪七十年代中期至八十年代后期PLC开始走向成熟微处理器 的出现使PLC装置结构发生了很大变化美国，日本，德国和其他国家的制造 商开始使用的CPU的微处理器，它的性能大大提高同时•，在软件方面的功能 更加强大在原有计时、计数和逻辑功能的基础上增加了数据处理、算术运 算、通讯、传送等功能，储存器的容量也变得更大，甚至PLC还能提供一定的 数据寄存器、使其应用范围更加广阔到20世纪八十年代中后期至90年代 末，得益于超大规模集成电路技术迅速发展以及各厂商为PLC专门开发的专用 逻辑处理芯片，PLC在软硬件方面都发生了巨大的变化，微处理器的芯片档次普 遍提高迈入21世纪之后，可编程控制器为了在ERP、MES和PCS的体系中立 足，PLC软件、硬件和通信都向标准化发展，更好地满足工作生产的需求21世纪，PLC会有更大的发展从技术上看，随着微机技术、网络技术、 通信技术等实用化技术的进一步发展，PLC向网络化、微型化、PC化和开放化 展。

产品规模的角度来看，进一步向超小型和超大型的方向发展；从产品的配 套性上看，多种产品将更加丰富，更完整的规范，完善的人机界面，通讯设施 齐全;从网络发展方向来看，PLC和其它大型工业控制计算机网共同构成新型的控 制系统伴随着计算机网络的发展， PLC作为国际通用网络和自动化控制 网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用 立正因为国外PLC水平发展相当迅速，应用前景也非常广泛，所以各国也投 入大量的人力和物力采用PLC技术替代继电器一接触器系统2） PLC国内研究现状、水平和发展趋势上世纪70年代PLC开始进入我国，而且增长非常迅速，同时我国也曾组织 相关研究所研究其关键技术，希望将其国产化，但由于后续研究力量和价格等 原因，并没有成功实现在过去十年中，越来越多的中小型设备由于PLC的价 格下跌和用户需求不断扩大，开始采用PLC控制国产PLC在技术特点基本西 门子和三菱类似或与其兼容，如深圳三凌、罗阳易达、合信自动化、上海正航 等目前国产的PLC厂商众多，但是无论是从规模还是产品系列上都无法与国 际大厂商抗衡，而且国内厂商主要集中于中小型PLC,其中生产中型的厂商主 要有盟立、南大傲拓，深圳欧辰和亿维都是做西门子的配套模块如。

从我国PLC 总体技术分析，我国的PLC技术水平与发达国家相比落后10年左右，而在CPU 系统结构技术、通讯网络及远程I/O技术、智能化模块技术、可靠技术、PLC 批量生产技术等关键技术方面有大的差距但随着PLC技术在我国的良好发 展，将会和国外先进技术减小差距因此，抓住这个有利时机进一步促进PLC 技术的推广与应用，是提高我国工业技术水平的迫切任务国内PLC技术发展很快，同时也取得了不错的效益，但受到技术水平和经 济发展的限制，国内很多企业使用Z3040摇臂钻床的控制系统仍然还是继电器 一接触器控制方式，相对落后的控制方式，存在很多的缺点，使用极其不方 便，很大程度影响工业生产的效率本课题的主要工作本题目主要任务是对Z3040摇臂钻床控制系统PLC改造，改造后PLC控制 系统要符合Z3040摇臂钻床原有控制要求，同时简化控制线路，提高系统可靠 性和使用率,使逻辑修改和增加功能比较容易，增强系统的灵活性和扩展性控 制系统改造具体设计任务要求如下：第一，对Z3040摇臂钻床的运动进行分析，结合钻床运动对电气控制系统 的原理进行分析，主要是分析主电路、控制电路、信号和照明电路控制原理， 主电动机的旋转控制原理，摇臂的升降控制原理，立柱和主轴箱的松开及夹紧 控制原理。

第二，Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC硬件设计，根据PLC的物 理结构、指令功能、输入输出点数存储容量、输入模块的类型和输出模块的类 型对PLC进行选型，对其分配I/O地址，并设计I/O电气接线图第三，对 Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC软件设计，设PLC控制的梯形图以及指令语 句表，并调试第四，对Z3040电气控制系统的电气元件的选择2 Z3040摇臂钻床电气控制系统原理分析对于Z3040摇臂钻床电气控制系统的分析，需结合摇臂钻床的结构部分进 行分析首先，对结构部分进行分析，掌握每个机构运动情况和控制系统之间 的关系；其次，分析其控制要求，掌握控制系统需要做的工作；最后，对主电 路和控制电路进行详细的分析，掌握控制电路怎样控制电动机，从而控制摇臂 钻床各种运动Z3040摇臂钻床简介Z3040摇臂钻床适合于在大、中型零件上进行钻孔、扩孔、较孔及攻螺纹 等进行加工，在具有工艺装备的条件下还可以进行镇孔Z3040摇臂钻床基本 结构由底座、立柱、摇臂和主轴箱等几部分构成（如图）图Z3040摇臂钻床结构图1—底座 2—内立柱 3—外立柱 4一丝杠5, 6—电动机7一摇臂 8一主轴箱 9 一主轴10一工作台上图为摇臂钻床的结构图，工件固定在工作台之上，工作台放在底座之 上，主运动和进给运动由电动机6驱动。

主轴箱可以在摇臂来回移动，升降电 动机5的驱动丝杠，再由丝杠传动，摇臂可以沿着立柱上下移动，外立柱可以 围绕内立柱来回旋转Z3040摇臂钻床的具体技术参数如表表摇臂钻床技术参数表摇臂钻床Z3040参数项目Z3040X13钻孔最大直径mm钢件30/铸铁40主轴端面至工作台距离mm260-1000主轴中心至立柱母线距离mm360-1300主轴行程mm200主轴锥孔（莫氏）4主轴转速范围主轴转速级数6主轴进给量范围主轴进给量级数3摇臂回转角度360主电机功率kw3升降电机功率kw机床重量kg1700外形尺寸mm1800X810X2300Z3040摇臂钻床控制要求（1）Z3040型摇臂钻床具有主轴电动机、摇臂升降电动机、液压泵电动机 和冷却泵电动机四台电动机它的主轴旋转运动和进给运动都由主电动机拖 动，两个运动都具有多级变速以适应不同工件的加工，进给变速结构和主轴变 速结构都在主轴箱中，在加工螺纹时，主轴的正反转通过机械方式实现，所以 主电机只需单向旋转2）摇臂升降电动机需要正反转，同时摇臂在上下移动时必须保证摇臂松 开了之后才能移动，停止移动之后才能夹紧3）液压泵电动机必须实现正反转，通过压力油进入不同的油腔，完成摇 臂、立柱和主轴的松紧，摇臂的回转和主轴箱的左右移动通常采用手动。

4）此外还有一台冷却泵电动机对加工的刀而具进行冷却，只要求单向旋 转；同时必须具有连锁与保护环节以及安全照明、信号指示电路㈤图Z3040摇臂钻床控制系统原理图Z3040摇臂钻床主电路的分析在Z3040摇臂钻床控制系统主电路中，总共四个电动机控制钻床各种运动 和冷却，分别为主电动机Ml,摇臂升降电动机M2,液压泵电动机M3和冷却电 动机M4 （如图）1）低压断路器QF控制三相电源，冷却电动机M4输出功率一般很小，直 接由开关SA1控制起停2）电动机Ml单向旋转通过接触器KM1控制，主轴的正反转是液压系统 和机械系统同时控制，由于主运动输出功率较大，所以设有热继电器FR1作为 过载保护3）摇臂能上升和下降，电动机M2实现正反转，通过接触器KM2、KM3 来控制，同时设有热继电器FR2作为过我保护4）液压泵电动机M3需要正反转，通过接触器KM4、KM5来控制，由于在 松开和夹紧的时候都需要大功率的液压控制，所以设有热继电器FR3作为过载 保护Z3040摇臂钻床控制电路的分析在摇臂钻床控制电路中，控制电路主要是对主运动控制、。