《畢業(yè)設(shè)計(jì) Z3040搖臂鉆床電氣控制線路的PLC改造 （總體設(shè)計(jì)）》

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1、 淮安市廣播電視大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）書(shū) 題 目：Z3040搖臂鉆床電氣控制線路的PLC 改造 （總體設(shè)計(jì)） 年級(jí)專業(yè)： 04機(jī)電五（2）班 學(xué)生姓名： 苗 強(qiáng) 學(xué) 號(hào)： 0401090510 指導(dǎo)教師： 卞海玲 職 稱： 講師 導(dǎo)師單位： 淮安廣播電視大學(xué) 摘 要 本論文是研究機(jī)械加工中常用的Z3040搖臂鉆床傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的改造問(wèn)題,旨在解決傳統(tǒng)繼電器

2、—接觸器電氣控制系統(tǒng)存在的線路復(fù)雜、可靠性穩(wěn)定性差、故障診斷和排除困難等難題。由于PLC電氣控制系統(tǒng)與繼電器—接觸器電氣控制系統(tǒng)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程方便，調(diào)試周期短，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，故障率低，對(duì)工作環(huán)境要求低等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此，本論文對(duì)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)用到改造方案中去，從而大大提高搖臂鉆床的工作性能。論文分析了搖臂鉆床的控制原理，制定了可編程控制器改造Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，完成了電氣控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)，其中包括PLC機(jī)型的選擇、I/O端口的分配、I/O硬件接線圖的繪制、PLC梯形圖程序的設(shè)計(jì)。對(duì)PLC控制搖臂鉆床的

3、工作過(guò)程作了詳細(xì)闡述，論述了采用PLC取代傳統(tǒng)繼電器—接觸器電氣控制系統(tǒng)從而提高機(jī)床工作性能的方法，給出了相應(yīng)的控制原理圖。 關(guān)鍵詞：可編程控制器，搖臂鉆床，梯形圖，電氣控制系統(tǒng) 目 錄 摘要................................................................1 1緒 論............................................................. 3 1.1 本課題的選題背景和意義 3 1.2 國(guó)內(nèi)外關(guān)于本課題的技術(shù)

4、研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài) 4 2 PLC的特點(diǎn)介紹 5 2.1 PLC的組成 5 2.2 PLC執(zhí)行用戶程序的過(guò)程 8 2.3 PLC的等效電路 8 3 Z3040搖臂鉆床介紹 10 3.1 Z3040搖臂鉆床簡(jiǎn)介 10 3.2 主電路 13 3.3 控制電路 14 4 Z3040搖臂鉆床PLC改造 16 4.1 Z3040搖臂鉆床電氣控制電路分析 16 4.2 PLC選擇....................................................... 16 4.3 I/O地址分配及接線圖........................

5、....................17 4.4 PLC程序設(shè)計(jì)....................................................18 4.5 改造中需注意的問(wèn)題.............................................18 5 結(jié)論（研究成果） 19 參考文獻(xiàn)...........................................................20 附錄：程序1：z3040鉆床電氣控制梯形圖 圖片1：z3040鉆床電氣原理圖 1 緒論 1.1 本課題的選題背景和

6、意義 鉆床是一種孔加工機(jī)床，可用來(lái)鉆孔、擴(kuò)孔、絞孔、攻螺紋及修刮端面等多種形式的加工。鉆床的結(jié)構(gòu)形式很多，有立式鉆床、臥式鉆床、深孔鉆床等。搖臂鉆床是一種立式鉆床，它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)械加工車間常用的機(jī)床。 搖臂鉆床主要由底座、內(nèi)外立座、搖臂、主軸箱和工作臺(tái)等組成。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)可沿外立柱作上下移動(dòng)。主軸箱安裝在搖臂的水平導(dǎo)軌上可通過(guò)手輪操作使其在水平導(dǎo)軌上沿?fù)u臂移動(dòng)。加工時(shí)，根據(jù)工件高度的不同，搖臂借助于絲杠可帶著主軸箱沿外立柱上下升降。在升降之前，應(yīng)自動(dòng)將搖臂松開(kāi)，再進(jìn)行升降，當(dāng)達(dá)到所需的位置時(shí)，搖臂自動(dòng)夾

7、緊在立柱上。搖臂鉆床鉆削加工分為工作運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)。工作運(yùn)動(dòng)包括：主運(yùn)動(dòng)（主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（主軸軸向運(yùn)動(dòng)）；輔助運(yùn)動(dòng)包括：主軸箱沿?fù)u臂的橫向移動(dòng)，搖臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。鉆削加工時(shí)，鉆頭一面旋轉(zhuǎn)一面作縱向進(jìn)給。鉆床的主運(yùn)動(dòng)是主軸帶著鉆頭作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是鉆頭的上下移動(dòng)。輔助運(yùn)動(dòng)是主軸箱沿?fù)u臂水平移動(dòng)，搖臂沿外立柱上下移動(dòng)和搖臂與外立柱一起繞內(nèi)立柱的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 目前，我國(guó)的Z3040搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)普遍采用的是傳統(tǒng)的繼電器— 接觸器控制方式。因其所要控制的電機(jī)較多所以電路較復(fù)雜，在日常的生產(chǎn)作業(yè)當(dāng)中，經(jīng)常發(fā)生電氣故障，從而影響生產(chǎn)。另外，一些復(fù)雜的控制如：時(shí)間、計(jì)數(shù)控制用繼

8、電器—接觸器控制方式較難實(shí)現(xiàn)，所以，有必要對(duì)傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。PLC電氣控制系統(tǒng)可以有效的彌補(bǔ)上述系統(tǒng)的這一缺陷。 可編程序控制器(PLC)是以微處理器為核心，將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與自然控制技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置。它克服了繼電器—接觸器控制電路存在觸點(diǎn)多、組合復(fù)雜、通用性和靈活性差等缺點(diǎn)。它不僅具有各種邏輯控制功能，而且還具有各種運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能的控制，同時(shí)還具有抗干擾性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好和可靠性高等特點(diǎn)。因而廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域中。 1.2 國(guó)內(nèi)外關(guān)于本課題的技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài) 早在上世紀(jì)六十年代國(guó)外就已經(jīng)出現(xiàn)了可

9、編程序控制器（PLC）的應(yīng)用，之后世界各國(guó)爭(zhēng)相在該領(lǐng)域投入大量資金進(jìn)行新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，在1995年西門子又成功地開(kāi)發(fā)出了S7200、S7300系列，它具有 TD 200和 COROS OPS操作模板為用戶提供了方便人機(jī)界面，用戶程序三級(jí)口令保護(hù)，極強(qiáng)的計(jì)算性能，完善的指令集，MPI接口和通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFD3US以及以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)能力，強(qiáng)勁的內(nèi)部集成功能，全面的故障診斷功能；模塊式結(jié)構(gòu)可用于各處性能的擴(kuò)展，脈沖輸出晶閘管步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)；快速的指令處理大大縮短了循環(huán)周期，并采用了高速計(jì)數(shù)器，高速中斷處理可以分別響應(yīng)過(guò)程事件，大幅度降低了成本。由于電氣控制系統(tǒng)的可靠性日益受到人們的重視，

10、一些公司己將自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)廣泛應(yīng)用到現(xiàn)有產(chǎn)品中，推出了高可靠性的冗余系統(tǒng)，并采用熱備用或并行工作、多數(shù)表決的工作方式。由于PLC的眾多優(yōu)點(diǎn)，使其迅速在工業(yè)控制中得到推廣。雖然國(guó)內(nèi)PLC技術(shù)的應(yīng)用前景很大，并且取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，而相比之下，由于受經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平的限制，大多數(shù)企業(yè)在生產(chǎn)上使用的Z3040搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)，還是采用采用繼電器—接觸器控制方式，而這種控制方式存在著明顯的缺陷和隱患。極易發(fā)生故障。而且，由于線路復(fù)雜，要想找到問(wèn)題所在也相當(dāng)?shù)睦щy。和國(guó)外大量采用PLC技術(shù)替代繼電器—接觸器系統(tǒng)相比，我們還存在很大差距。 隨著PLC技術(shù)在我國(guó)的迅猛發(fā)展，我們和國(guó)外

11、先進(jìn)技術(shù)的差距會(huì)不斷縮小。因此，抓住這個(gè)有利時(shí)機(jī)進(jìn)一步促進(jìn)PLC技術(shù)的推廣與應(yīng)用，是提高我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平的迫切任務(wù)，此次對(duì)于Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)，就是希望借鑒國(guó)外先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)，應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，以提高搖臂鉆床的工作性能。 2 PLC的特點(diǎn)介紹 2.1 PLC的基本組成 PLC的硬件系統(tǒng)主要有由中央微處理器(CPU) 、存儲(chǔ)器(ROM、RAM) 、輸入/輸出(I/O)接口、編程器、電源等組成）。 （一）PLC的硬件結(jié)構(gòu) 主機(jī) 微處理器（CPU）——控制器的核心 存儲(chǔ)器（RAM、ROM） 輸入、輸出部件（I/O

12、部件）——連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與CPU之間的接口電路 電源部件——為PLC內(nèi)部電路提供能源 整齊結(jié)構(gòu)的PLC——四部分裝在同一殼內(nèi) 模塊式結(jié)構(gòu)的PLC——模各部件獨(dú)立封裝，稱為模塊，通過(guò)機(jī)架和總線連接而成 I/O的能力可按用戶的需要進(jìn)行擴(kuò)展和組合（擴(kuò)展機(jī)） 另外，還必須有編程器——將用戶程序?qū)戇M(jìn)規(guī)定的存儲(chǔ)器內(nèi) 圖1 PLC硬件結(jié)構(gòu) 1. 中央控制處理單元（CPU） 可編程控制器中常用的CPU主要采用通用微處理器、單片機(jī)和雙極型位片式微處理器三種類型。 通常微處理器有8080、8086、80286、80386等；單片機(jī)有8031、8096、等；位片式微處理器的

13、AM2900、AM2903等。FX2可編程控制器使用的微處理器是16位的8096單片機(jī). 2. 存儲(chǔ)器 可編程控制器有兩種存儲(chǔ)器：系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器。 系統(tǒng)存儲(chǔ)器：存放系統(tǒng)管理程序，用只讀存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)。 用戶存儲(chǔ)器：存放用戶編制的控制程序，一般用RAM實(shí)現(xiàn)或固化到只讀存儲(chǔ)器中。 3. 輸入輸出接口 作用:連接用戶輸入輸出設(shè)備和PLC控制器，將各輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC 標(biāo)準(zhǔn)電平供PLC處理，再將處理好的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成用戶設(shè)備所要求的信號(hào)驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 對(duì)輸入輸出接口的要求：良好的抗干擾能力；對(duì)各類輸入輸出信號(hào)（開(kāi)關(guān)量、模擬量、直流量、交流量）的匹配能力。

14、 PLC輸入輸出接口的類型：模擬量輸入輸出的接口、開(kāi)關(guān)量輸入輸出的接口（直流、交流及直流）。用戶應(yīng)根據(jù)輸入輸出信號(hào)的類型選擇合適的輸入輸出接口。 ① 開(kāi)關(guān)量輸入接口電路 各種輸入接口均采取了抗干擾措施。如帶有光耦合器隔離使PLC與外部輸入信號(hào)進(jìn)行隔離；并設(shè)有RC濾波器，用以消除輸入觸點(diǎn)的抖動(dòng)和外部噪聲干擾。 通常有三種類型：直流(12∽24)V輸入、交流(100∽120)V輸入與交流(200∽240)V輸入和交直流(12∽24)V輸入。直流輸入模塊的電源一般由機(jī)內(nèi)24v電源提供，輸入信號(hào)接通時(shí)輸入電流一般小于10mA；交流輸入模塊的電源一般由用戶提供。

15、 圖2 直接輸入接口 ②開(kāi)關(guān)量輸出接口電路 有三種形式，即繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出。開(kāi)關(guān)量輸出端的負(fù)載電源一般由用戶提供，輸出電流一般不超過(guò)2A。 開(kāi)關(guān)量輸出端的負(fù)載電源一般由用戶提供，輸出電流一般不超過(guò)2A。 圖3 交直流輸出接口（繼電器輸出型） 輸出端子的兩種接法： l 隔離式 輸出各自獨(dú)立，無(wú)公共點(diǎn)：各輸出端子各自形成獨(dú)立回路。 l 匯點(diǎn)式 全部輸入點(diǎn)（輸出點(diǎn)）共用一個(gè)公共點(diǎn)。或者將輸入點(diǎn)（輸出點(diǎn)）分成幾組，組內(nèi)各點(diǎn)共用一個(gè)公共點(diǎn)。各組的公共點(diǎn)之間相互隔離。組內(nèi)的各點(diǎn)必須使用同一電壓類型和同一電壓等級(jí)，各組可使用不同電壓類型和等級(jí)的負(fù)載。

16、4. 電源 PLC的供電電源一般是電網(wǎng)供電，也有用直流24V電源供電的。 5. 外圍設(shè)備：編程器、打印機(jī)、演示板等 利用編程器可將用戶程序輸入PLC的存儲(chǔ)器，還可以用編程器檢查程序、修改程序；利用編程器還可以監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。 6. 用戶輸入輸出設(shè)備: 用戶輸入器件有控制開(kāi)關(guān)和檢測(cè)元件，即各種開(kāi)關(guān)、按鈕、傳感器等；用戶輸出設(shè)備主要有接觸器、電磁閥、指示燈等。 (二) PLC的軟件結(jié)構(gòu) 在可編程控制器中，PLC的軟件分為兩大部分： 1. 系統(tǒng)監(jiān)控程序：用于控制可編程控制器本身的運(yùn)行。主要由管理程序、用戶指令解釋程序和標(biāo)準(zhǔn)程序模塊，系統(tǒng)調(diào)用。 2. 用戶程序：它是由可編程

17、控制器的使用者編制的，用于控制被控裝置的運(yùn)行。 2.2 PLC執(zhí)行用戶程序的過(guò)程 PLC執(zhí)行過(guò)程分為輸入采樣、程序處理和輸出刷新等三個(gè)階段。 輸入采樣階段以掃描方式，順序讀入所有輸入端的狀態(tài)點(diǎn)（接通或斷開(kāi)狀態(tài)），并將此狀態(tài)輸入寄存器中，接著轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段，即使輸入狀態(tài)變化，輸入寄存器的內(nèi)容也不會(huì)改變，狀態(tài)的變化只能在下一個(gè)工作周期的輸入采樣階段才能被讀入。 程序執(zhí)行總是按先后右、先上后下的順序?qū)γ織l指令進(jìn)行掃描。當(dāng)遇到跳轉(zhuǎn)指令時(shí)則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來(lái)決定程序的跳轉(zhuǎn)。當(dāng)指令涉及到輸入、輸出狀態(tài)時(shí)，PLC從輸入映像寄存器和輸出映像寄存器中讀取信息，并根據(jù)用戶

18、程序進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果再存入輸出映像寄存器中，對(duì)輸出寄存器來(lái)說(shuō)，其內(nèi)容會(huì)隨程序執(zhí)行的過(guò)程而變化。 2.3 PLC等效電路 PLC是如何工作的呢？看圖4 PLC控制的等效電路，PLC控制的等效電路由三部分組成： （1）輸入控制部分。該部分接收操作指令（如：?jiǎn)?dòng)按鈕、停止按鈕等）和被控對(duì)象的各種狀態(tài)信息（如：行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)等）。PLC的每一個(gè)輸入點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)部輸入繼電器，當(dāng)輸入點(diǎn)與輸入COM端接通時(shí)，輸入繼電器線圈通電，它的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合、常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)；當(dāng)輸入點(diǎn)與輸入COM斷開(kāi)時(shí)，輸入繼電器線圈斷電，它的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)、常閉觸點(diǎn)閉合。 ?。?）控制部分。這一部分是用戶編制的控制程序，

19、通常用梯形圖表示，如圖4所示?？刂瞥绦蚍旁赑LC的用戶程序存儲(chǔ)器中。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，PLC依次讀取用戶存儲(chǔ)器中的程序語(yǔ)句，對(duì)它的內(nèi)容進(jìn)行解釋并執(zhí)行，又將輸出的結(jié)果送到PLC的輸出端子，以控制外部負(fù)載的工作。 　（3）輸出部分。該部分根據(jù)程序執(zhí)行的結(jié)果直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。在PLC內(nèi)部有多個(gè)輸出繼電器，每個(gè)輸出繼電器對(duì)應(yīng)一個(gè)硬觸點(diǎn)，當(dāng)程序執(zhí)行的結(jié)果使輸出繼電器線圈通電時(shí)，對(duì)應(yīng)的硬輸出觸點(diǎn)閉合，控制外部負(fù)載的動(dòng)作。例如，圖4的輸出觸點(diǎn)01000，01001，分別連結(jié)接觸器KM1、KM2的線圈，控制兩個(gè)線圈通電或斷電。 圖4　PLC控制的等效電路圖 　 梯

20、形圖是從繼電器控制電路原理圖演變而來(lái)的。PLC內(nèi)部的繼電器并不是實(shí)際的硬繼電器，每個(gè)內(nèi)部繼電器都是PLC內(nèi)部存儲(chǔ)單元。因此，稱為“軟繼電器”，梯形圖是由這些“軟繼電器”組成的控制線路，他們并不是真正的物理連接，而是邏輯關(guān)系的連接，稱為“軟連接”。PLC內(nèi)部繼電器線圈用表示，常開(kāi)觸點(diǎn)用表示，常閉觸點(diǎn)用表示。當(dāng)存儲(chǔ)單元某位狀態(tài)為1時(shí)，相當(dāng)于某個(gè)繼電器線圈得電；當(dāng)該位狀態(tài)為0時(shí)，相當(dāng)于該繼電器線圈斷電。軟繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)可以在程序中使用次數(shù)不受限制。 　　PLC為用戶提供的繼電器一般有：輸入繼電器、輸出繼電器、輔助繼電器、特殊功能繼電器、移位繼電器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等。其中，輸入、輸出繼電

21、器一般與外部輸入輸出繼電器相連接，而其它繼電器與外部設(shè)備沒(méi)有直接聯(lián)系。現(xiàn)在看一上圖4的控制原理：當(dāng)按下SB1時(shí)，輸入繼電器00000的線圈通電，00000常閉觸點(diǎn)閉合，使輸出繼電器01000線圈得電，01000對(duì)應(yīng)的硬輸出觸點(diǎn)閉合，KM1得電，M1開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，01000的一個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)閉合并自鎖，時(shí)間繼電器TIM 000的線圈通電開(kāi)始延時(shí)，10ｓ后TIM 000的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，輸出繼電器01001的線圈得電，01001對(duì)應(yīng)的硬輸出觸電閉合，KM2得電，M2開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)按下SB2時(shí)，輸入繼電器00001的線圈通電，00001的常閉觸電斷開(kāi)，01000、TIM 000的線圈均斷電，01001的線

22、圈也斷電，01000，01001的兩個(gè)硬輸出點(diǎn)隨之?dāng)嚅_(kāi)，KM1、KM1斷電，M1、M2停轉(zhuǎn)。 3 Z3040搖臂鉆床介紹 3.1 Z3040搖臂轉(zhuǎn)床簡(jiǎn)介 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, 下面以Z3040型搖臂鉆床為例,分析其電氣控制，如圖5所示。內(nèi)立柱固定在底座的一端,在它外面套著外立柱,外立柱可繞內(nèi)立柱回轉(zhuǎn)360,搖臂的一端為套筒,它套在外立柱上,借助絲杠的正反轉(zhuǎn)可使搖臂沿外立柱作上下移動(dòng),由于該絲杠與外立柱連為一體,而升降螺母固定在搖臂上,所以搖臂只能與外立柱一起繞內(nèi)立柱回轉(zhuǎn)。主軸箱是一個(gè)復(fù)合部件,它由主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)、主軸和主

23、軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給和變速機(jī)構(gòu)以及機(jī)床的操作機(jī)構(gòu)等部分組成。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)。如圖5所示主軸箱可在搖臂上移動(dòng)，并隨搖臂繞立柱回轉(zhuǎn)的鉆床(見(jiàn)圖搖臂鉆床)搖臂還可沿立柱上下移動(dòng)，以適應(yīng)加工不同高度的工件。較小的工件可安裝在工作臺(tái)上，較大的工件可直接放在機(jī)床底座或地面上。搖臂鉆床廣泛應(yīng)用于單件和中小批生產(chǎn)中，加工體積和重量較大的工件的孔。搖臂鉆床的主要變型有滑座式和萬(wàn)向式兩種?；綋u臂鉆床是將基型搖臂鉆床的底座改成滑座而成，滑座可沿床身導(dǎo)軌移動(dòng)，以擴(kuò)大加工范圍，適用于鍋爐﹑橋梁﹑機(jī)車車輛和造船等行業(yè)。萬(wàn)向搖臂鉆床的搖臂除可作垂直和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外，并可

24、作水平移動(dòng)，主軸箱可在搖臂上作傾斜調(diào)整，以適應(yīng)工件各部位的加工。此外，還有車式﹑壁式和數(shù)字控制搖臂鉆床等。 圖5 搖臂轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)情況示意圖 （1） 搖臂鉆床的主要結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)情況 鉆削加工時(shí),主軸旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng);主軸的縱向進(jìn)給為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。此時(shí),主軸箱由夾緊接置將其緊固在搖臂水平導(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,輔助運(yùn)動(dòng)有:搖臂沿外立柱的垂直移動(dòng);主軸箱沿?fù)u臂長(zhǎng)度方向的水平移動(dòng);搖臂與外立柱一起繞內(nèi)立柱的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 為了加工各種旋轉(zhuǎn)表面，鉆床必須具有鉆削運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)。鉆削運(yùn)動(dòng)包括主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而除此之外的所有運(yùn)動(dòng)都稱之為輔助運(yùn)動(dòng)

25、 鉆床的主運(yùn)動(dòng)為主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由主軸通過(guò)卡爪帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，它承受鉆削加工時(shí)的主要切削功率。根據(jù)工藝要求，主軸應(yīng)有不同的切削速度。主軸變速是由主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)V帶傳遞到主軸變速箱實(shí)現(xiàn)的。 鉆床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是搖臂的左右或上下直線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)形式有手動(dòng)和機(jī)動(dòng)兩種。加工螺紋是工件的旋轉(zhuǎn)和刀具的移動(dòng)之間有嚴(yán)格的比例關(guān)系，所以主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)。鉆床主軸箱輸出軸經(jīng)掛輪箱傳給進(jìn)給箱，進(jìn)行鉆削或攻絲。 鉆床的輔助運(yùn)動(dòng)是鉆床上除鉆削運(yùn)動(dòng)以外的其他一切必需的運(yùn)動(dòng)。如搖臂的快速移動(dòng)和模具的夾緊與放松 （2） 搖臂鉆床的電力拖動(dòng)特點(diǎn)及控制要求 (1)搖臂鉆床運(yùn)動(dòng)部件較多,為簡(jiǎn)化傳動(dòng)裝

26、置,采用多電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。 (2)搖臂鉆床為適應(yīng)多種形式的加工,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削加工常為恒功率負(fù)載;而低速時(shí)主要用于擴(kuò)孔、餃孔、攻螺紋等加工,這時(shí)則為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。 (3)搖臂鉆床的主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)皆為主軸的運(yùn)動(dòng),為此這兩種運(yùn)動(dòng)由一臺(tái)主軸電動(dòng)機(jī)拖動(dòng),分別經(jīng)主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給。所以主軸變速機(jī)構(gòu)與進(jìn)給變速機(jī)構(gòu)都裝在主軸箱內(nèi)。 (4)為加工螺紋,主軸要求正、反轉(zhuǎn)。搖臂鉆床主軸正反轉(zhuǎn)一般采用機(jī)械方法來(lái)實(shí)現(xiàn),這樣主軸電動(dòng)機(jī)只需單方向旋轉(zhuǎn)。 (5)搖臂的升降由升降電動(dòng)機(jī)拖動(dòng),要求電動(dòng)機(jī)能正、反轉(zhuǎn)。 (6)內(nèi)外立柱

27、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、電氣一機(jī)械裝置、電氣一液壓裝置或電氣一液壓一機(jī)械裝置等控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。若采用液壓裝置則備有液壓泵電動(dòng)機(jī),拖動(dòng)液壓泵供出壓力油來(lái)實(shí)現(xiàn)。 (7)搖臂的移動(dòng)嚴(yán)格按照搖臂松開(kāi)→移動(dòng)→搖臂夾緊的程序進(jìn)行。因此,搖臂的夾緊放松與搖臂升降按自動(dòng)控制進(jìn)行。 (8)根據(jù)鉆削加工需要,應(yīng)有冷卻泵電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)冷卻泵,供出冷卻液進(jìn)行刀具的冷卻。 (9)具有機(jī)床安全照明和信號(hào)指示。 (10)具有必要的聯(lián)鎖和保護(hù)環(huán)節(jié) （3 ） Z3040型搖臂鉆床的電氣控制 Z3040型搖臂鉆床在機(jī)械上有兩種結(jié)構(gòu)型式,相應(yīng)的電氣控制也有兩

28、種型式,下面以沈陽(yáng)生產(chǎn)的Z3040型搖臂鉆床為例進(jìn)行分析，下圖6所示為Z3040搖臂鉆床原理圖。 圖6 Z3040型搖臂鉆床電路圖 3.2 主電路 主電動(dòng)機(jī)M1：KM1單向起?？刂? 它為一個(gè)“單向運(yùn)轉(zhuǎn)型主電路”，由接觸器KM2控制主軸電動(dòng)機(jī)M1電源通斷；熱繼電器KR的熱元件為主軸電動(dòng)機(jī)M1的過(guò)載保護(hù)元件。 搖臂升降M2：KM2、KM3，正反轉(zhuǎn)控制 它是一個(gè)“正、反轉(zhuǎn)型電源主電路”，由接觸器KM2控制其正轉(zhuǎn)電源的通斷，接觸器KM3控制其反轉(zhuǎn)電源的通斷。 液壓泵機(jī)M3

29、：KM4、KM5，正、反轉(zhuǎn)（夾/松）控制 由接觸器KM4液壓泵電動(dòng)機(jī)M4正轉(zhuǎn)電源的通斷，有接觸器KM5控制液壓泵電動(dòng)機(jī)M4反轉(zhuǎn)電源的通斷。 冷卻泵M4: 組合開(kāi)關(guān)SA1單向手動(dòng)控制 圖7所示：冷卻泵電動(dòng)機(jī)M1主電路很簡(jiǎn)單，由轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA1控制其電源的通斷。將SA1扳道接通位置，冷卻泵電動(dòng)機(jī)M4通電啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)；將SA1扳道斷開(kāi)位置，冷卻泵電動(dòng)機(jī)M4斷電停轉(zhuǎn)。 。 圖7 Z3040型搖臂鉆床主電路 3.3 控制電路 主電動(dòng)機(jī)控制（如圖8）： o SB1、SB2、KM1構(gòu)成主軸電動(dòng)機(jī)的起?？刂齐娐?，HL3用作運(yùn)行指示。 o 搖臂上升過(guò)程分析（夾緊

30、時(shí)壓下SQ3 ）: 按下SB3→KT通電→電磁閥YA線圈通電、KM4線圈通電→ 液壓泵電機(jī)M3正轉(zhuǎn)、壓力油進(jìn)入搖臂夾緊油缸右腔→ 搖臂松開(kāi)→壓下ＳQ2→KM4線圈斷電→M3停止放松（此時(shí)SQ3恢復(fù)為常態(tài)，YA線圈仍通電） 。 壓下的ＳQ2 →KM2線圈通電→搖臂升降電機(jī)M2正轉(zhuǎn)→搖臂上升→升至需要高度時(shí)，松開(kāi)SB3或搖臂壓下限位開(kāi)關(guān)SQ1時(shí)→ KT線圈斷電延時(shí)、KM2線圈斷電→M2停止上升 。 KT線圈斷電延時(shí)1~3S→KM5線圈通電→液壓泵電機(jī)M3反轉(zhuǎn)→ 搖臂夾緊→壓下SQ3→KM5、YA線圈斷電→M3停止。夾緊完畢，搖臂上升的全部過(guò)程結(jié)束。

31、 圖8 Z3040型搖臂鉆床控制電路 o 主軸箱與立柱,外立柱與內(nèi)立柱間的夾緊、松開(kāi)（兩者同時(shí)進(jìn)行）如圖9： 松開(kāi)：按下SB5→KM4線圈通電→液壓泵電動(dòng)機(jī)M3正轉(zhuǎn)，電磁鐵YA線圈不通電，泵入的壓力油進(jìn)入主軸箱和立柱液壓缸右腔→主軸箱和立柱同時(shí)松開(kāi)→ 直至位置開(kāi)關(guān)SQ4復(fù)位→HL1作松開(kāi)狀態(tài)指示，此時(shí)松開(kāi)按鈕SB5，放松過(guò)程結(jié)束。 夾緊：按下SB6→KM5線圈通電→液壓泵電動(dòng)機(jī)M3反轉(zhuǎn)、YA線圈不通電，泵入的壓力油進(jìn)入主軸箱和立柱液壓缸左腔→主軸箱和立柱同時(shí)夾緊→ 直至壓下位置開(kāi)關(guān)SQ4→HL2作夾緊狀態(tài)指示，此時(shí)，松開(kāi)按鈕SB6，夾緊過(guò)程結(jié)束。 圖9 Z3040型

32、搖臂鉆床控制電路 4 Z3040搖臂鉆床PLC改造 介紹用PLC改造Z3040ⅹ16（Ⅱ）型搖臂鉆床繼電器控制電路，詳細(xì)闡述了改造設(shè)計(jì)過(guò)程，包括繼電器控制電路分析、PLC機(jī)型選擇、I/O地址分配及接線、PLC程序設(shè)計(jì)、以及改造中注意的問(wèn)題。 4.1 Z304016(Ⅱ)型搖臂鉆床電氣控制電路分析 （1）采用4臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，主電機(jī)M1、搖臂升降電機(jī)M2、液壓泵電機(jī)M3及冷卻泵電機(jī)M4。4臺(tái)電機(jī)均采用直接啟動(dòng)控制。 （2）控制電路設(shè)有總啟動(dòng)按鈕SB1和總停止按鈕SB7。

33、 （3）搖臂升/降動(dòng)作按照“搖臂松開(kāi)、升/降、“搖臂夾緊”順序進(jìn)行，由于搖臂松開(kāi)行程開(kāi)關(guān)SQ2于夾緊行程開(kāi)關(guān)SQ3來(lái)控制。在搖臂夾緊前，由時(shí)間繼電器KT1延時(shí)1-3s后再夾緊。 （4）立柱和主軸箱的松開(kāi)、夾緊可以單獨(dú)操作，也可以同時(shí)進(jìn)行，由于轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA、松開(kāi)按鈕SB5和夾緊按鈕SB6來(lái)控制。利用時(shí)間繼電器KT2的斷電延時(shí)斷開(kāi)觸點(diǎn)延時(shí)斷開(kāi)觸指、KT3的通電延時(shí)閉合觸指、實(shí)現(xiàn)電磁鐵YA1、YA2相對(duì)于液壓泵電機(jī)接觸器提前吸合、延時(shí)斷開(kāi)的控制。 （5）主電機(jī)M1和液壓泵電機(jī)M3分別沒(méi)有熱繼電器FR1、FR2作長(zhǎng)期過(guò)載保護(hù)。 (6)機(jī)床設(shè)有4個(gè)信號(hào)指示燈：電源指示燈HL1、立柱和主軸箱松

34、開(kāi)指示燈HL2、立柱和主軸箱夾緊指示燈HL3、主軸電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)指示燈HL4。 4.2 PLC選擇 1． 確定I/O點(diǎn)數(shù) 在改造中盡可能使用原有電器、根據(jù)原有控制電路來(lái)計(jì)算I/O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)（3個(gè)位置）、共計(jì)輸入點(diǎn)數(shù)16個(gè)；接觸器5個(gè)、電磁鐵2個(gè)、指示燈3個(gè)（電源指示燈HL1接線保持線不變），共計(jì)輸出點(diǎn)數(shù)10個(gè)。 2． 選擇PLC機(jī)型 根據(jù)確定的I/O點(diǎn)數(shù)，考慮留有一定的裕量、選擇OMRON公司的CPM1A-30DR-型PLC，此型號(hào)PLC輸入點(diǎn)數(shù)為18個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)為12個(gè)，繼電器輸出、使用電源為AC100—240V.

35、 4.3 I/O地址分配及接線圖 1． I/O分配表見(jiàn)表I。 2. 根據(jù)表I設(shè)計(jì)I/O接線圖，如圖10，其中接觸器、電磁鐵及指示燈的電源仍采用原有的110V及6.3V電源供電，不改動(dòng)。 圖10 I/O接線圖 4.4 PLC程序設(shè)計(jì) 根據(jù)原有繼電器控制電路、加以分析改進(jìn)，編制梯形圖，如圖11： 圖11 梯形圖 4.5 改造中必須注意的幾個(gè)問(wèn)題 （1） 選擇PLC機(jī)型時(shí)，要留有一定的裕量，為日后系統(tǒng)的修改及工藝的變更提供方面。 （2） 原有繼電器控制電路較復(fù)雜，利用繼電器控制電路PLC的梯形圖時(shí)，要特別注意3個(gè)時(shí)間繼電器。電路中3個(gè)時(shí)間的延

36、時(shí)斷開(kāi)型、通電延時(shí)閉合型，在梯形圖中，需要設(shè)計(jì)不同的指令結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)3種不同的延時(shí)控制。 （3） 在梯形圖中，對(duì)液壓泵電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制進(jìn)行了互鎖，實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)、避免電源短路，有效保證安全。 （4） 為保護(hù)安全、各熱繼電器常閉觸指不作為PLC輸入端，直接接在輸入端，對(duì)負(fù)載電路進(jìn)行保護(hù)控制。 結(jié)束語(yǔ)： 利用PLC對(duì)機(jī)床控制系統(tǒng)進(jìn)行改造后，簡(jiǎn)化了控制線路，維護(hù)方面、降低了設(shè)備運(yùn)行的故障率、提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性及使用率。 5 結(jié)論（研究成果） 通過(guò)Z3040型搖臂鉆床的電氣控制的學(xué)習(xí)，先讓我們了解其作用、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，再深入到各器件的作用、原理，最后進(jìn)行其控制線路的原理分析、

37、線路接線、試車調(diào)試、及故障排除。 實(shí)施效果：通過(guò)自主學(xué)習(xí)，了解了搖臂鉆床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)形式，通過(guò)自己設(shè)計(jì)電路、選擇器件并安裝調(diào)試來(lái)完成項(xiàng)目的，最終還要在熟悉操作的基礎(chǔ)上進(jìn)行故障排除，不僅訓(xùn)練我們的操作技能，也培養(yǎng)了我們的溝通能力、學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和協(xié)作能力等綜合素質(zhì)?？偟膩?lái)說(shuō)本次研究還是不錯(cuò)的。 參考文獻(xiàn) 1 劉涳.常用低壓電路與可編程控制器[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005 2 OMRON公司.OMRON可編程序控制器操作手冊(cè)[Z].1997 3 丁學(xué)恭.電器控制與PLC[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2004 4 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.. 4 樓曉春.基于PLC控制變頻調(diào)速的龍門刨床主拖動(dòng)系統(tǒng)改造[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新 20