湖南农业大学 湖南农业大学 毕毕 业业 论论 文文 基于基于 PLC 的摇臂钻床控制改造设计的摇臂钻床控制改造设计 学生姓名学生姓名： 学学 号：号：20 年级专业及班级：年级专业及班级：20级（）班级（）班 指导老师及职称：指导老师及职称： 学学 院：院：成人教育学院成人教育学院 湖南长沙 提交日期：2010 年 11 月 1 湖南农业大学本科生毕业论文（设计） 诚 信 声 明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文（设计）是本人在指导老师的 指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明 确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文（设计）作者签名： 年 月 日 2 目 录 摘 要：3 关键词：3 1 前言.3 2 Z3040 型摇臂钻床的控制分析与 PLC 控制改造要求 .4 2.1 Z3040 摇臂钻床的主要结构 4 2.2 Z3040 型钻床的控制要求. 4 2.3 Z3040 型摇臂钻床的电气控制线路分析 5 2.3.1 主电路分析 6 2.3.2 控制电路分析 6 2.4 Z3040 型摇臂钻床改造为 PLC 控制设计要求. 8 3 Z3040 型摇臂钻床改造为 PLC 控制硬件设计 .8 3.1 PLC 硬件 I/O 点数的统计. 8 3.2 PLC 的选型 9 3.2.1 FX2n-32MR 型 PLC 产品概述.9 3.2.2 PLC 的硬件组成及各部分作用10 3.2.3 FX2n 系列 PLC 的技术指标.12 3.3 I/O 分配表. 13 3.4 PLC 控制外部接线图设计 14 4 Z3040 型摇臂钻床改造为 PLC 控制程序设计 14 4.1 梯形图设计. 14 4.2 语句表. 16 5 调试19 5.1 主轴电机控制调试 19 5.2 摇臂升控制调试. 19 5.3 摇臂降控制调试. 22 5.4 主轴箱、立柱松开控制调试 25 5.5 主轴箱、立柱夹紧控制调试 27 6 结束语28 7 参考文献28 致 谢.29 3 基于基于 PLC 的摇臂钻床控制改造设计的摇臂钻床控制改造设计 学 生： 指导老师： (湖南农业大学成人教育学院，长沙 410128) 摘摘 要：要：本文介绍了利用三菱 PLC 对摇臂钻床的改造，阐述了对摇臂钻床的改造 方案，同时根据摇臂钻床的控制要求和特点，确定 PLC 的输入、输出分配，在继电器 控制线路的基础上，设计出梯形图并进行现场调试。 关键词：关键词：PLC；摇臂钻床；改造设计； 1 前言前言 钻床是一种用途广泛的机床，在钻床上可以完成钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮 端面等多种形式的加工。 钻床的种类很多，以台式钻床、立式钻床、摇臂钻床、多轴钻床、深孔钻床等。 其中，摇臂钻床操作方便、灵活、适用范围广，特别适合单件或成批生产中多孔大型 工件的孔加工。 传统的继电器-接触器控制结构简单，价格便宜，而且易于被掌握，因而被 众多机械控制所采用。目前，市场上摇臂钻床其控制原理均采用传统的继电器- 接触器控制。该种控制由于接触点较多、线路复杂，因而在生产过程中，机床发 生故障频率相对较多，维修人员维修也极不方便操作，维修效率显得低下。 随着人们生活现代化水平的提高，设备是否先进性与电气化程度直接影响 着产品质量以及工作效率。可编程控制器是最近几十年发展起来的新兴工业控制 器，由于它具有编程方便、可靠性高、功能齐全而且维修方便，使得其在工业控 制方面迅速得到广泛的应用。随着 PLC 技术的发展，PLC 的高可靠性对机床 PLC 改造提供了基础。因此， 对摇臂钻床进行 PLC 改造， 可以克服继电器控制电路的缺点， 从而降低机床设备的故障发生率，提高设备的使用效率。 4 2 Z3040 型摇臂钻床的控制分析与 PLC 控制改造要求 2.1 Z3040 摇臂钻床的主要结构 Z3040 型摇臂钻床外形结构如图 2-1 所示，主要由底座、内主柱、外主柱、 摇臂、主轴箱、工作台等组成。 加工时，应将外立柱夹紧在内立柱上，摇臂夹紧在外立柱上，主轴夹紧在摇 臂上。 1-立柱；2-摇臂；3-电动机；4-导轨；5-照明灯； 6-工作台；7-底座；8-丝杆；9-主轴箱 图图 2-1 Z3040 型摇臂钻床外形结构图型摇臂钻床外形结构图 摇臂钻床的运动形式分为三种，即主运动、进给运动和辅助运动。主运动为 主轴带动钻头的旋转运动，由主轴电机拖动。进给运动，是指钻头的上下运动， 也是由主轴电动拖动。辅助运动是指摇臂通过丝杆沿外立柱可作上下移动，由摇 臂升降电动机驱动。摇臂上下移动前，摇臂应自动与外立柱松开，达到所需高度 时，摇臂自动夹紧在主柱上，由液压传动机构实现。同时，摇臂与外立柱一起相 对内立柱还能作手动 360回转。主轴可随主轴箱沿摇臂上的水平导轨作手动径 向移动。 2.2 Z3040 型钻床的控制要求 Z3040 型摇臂钻床共有四台电动机，其中： 5 主轴正、 反转和调速由机械方法来实现， 所以只要求主轴电动机能单向启动。 摇臂上升、下降是由摇臂升降电动机正、反转实现的，因此要求该电动机能双向 启动。同时为了设备安全，应具有极限保护装置。主轴箱和摇臂及内外立柱的夹 紧、放松是采用液压推动松紧机构自动进行的，因此要求液压泵电动机能双向启 动。冷却泵电动机只要求单向运转，手动控制。 另外，Z3040 型摇臂钻床要求有照明和指示电路。 2.3 Z3040 型摇臂钻床的电气控制线路分析 Z3040 型摇臂钻床的电气控制线路如图 2-2: 图图 2-2 Z3040 型摇臂钻床电气控制线路图型摇臂钻床电气控制线路图 6 2.3.1 主电路分析 从图 2- 2 可知，Z3040 型摇臂钻床采用三相 380V/50Hz 交流电源供电，并有保护 接地措施，QS 为机床总电源开关。 主轴电动机 M1 其启动和停止由接触器 KM1 控制。 FU1 为总熔断器， 兼作 M1、 M4 的短路保护。 摇臂升降电动机 M2 由接触器 KM2 和 KM3 控制该电动机的正、反转。因为该 电动机为短时间工作制，所以未设过载保护。FU2 熔断器作 M2、M3 的短路保护。 液压泵电动机 M3 由接触器 KM4 和 KM5 控制该电动机的正、反转，热继电器 FR2 为其提供过载保护。 冷却泵电动机 M4 由于它功率小，所以未设过载保护，它的启动和停止可用手 动开关 SA1 控制。 除冷却泵电动机 M4、 电源开关 QS 及熔断器 FU 是安装在机床固定部分外， 其它 电器设备均安装在回转部分上。在使用时，不要总是沿着一个方向连续转动摇臂，以 免把穿入内立柱的电源线拧断。 2.3.2 控制电路分析 控制、照明和指示电路均由控制变压器 TC 降压后供电，电压分别为 127V、24V 及 6V。 （1）主轴电动机 M1 的控制 合上电源开关 QS 后，在支路 9 中，按启动按钮 SB2，接触器 KM1 线圈通电吸合 并自锁，主轴电动机 M1 启动，同时主轴电动机 M1 旋转指示灯 HL3 亮（支路 22） 。 停车时，按 SB1，KM1 释放，M1 停止旋转，旋转指示灯 HL3 熄灭。 （2）摇臂升降电动机 M2 的控制 摇臂的升降不仅需要摇臂升降电动机 M2 的转动，而且还需要液压电动机 M3 拖 动液压泵，使液压泵夹紧系统协调配合才能实现。夹紧机构夹紧或松开，是由电磁铁 YA 的通/断和液压泵电动机 M3 的正/反向旋转同时决定的。液压泵电动机 M3 正、反 转旋转，拖动液压泵供给不同流向的压力油，电磁铁 YA 和二位六通液压阀组成的电 磁阀将油压分配给内外立柱之间、主轴箱与摇臂之间、摇臂与外立柱之间的夹紧机构。 内外立柱、主轴箱和摇臂之间的夹紧与放松的工作关系如表 2- 1 所示： 7 表表 2-1 内外立柱、主轴箱和摇臂夹紧与放松工作关系内外立柱、主轴箱和摇臂夹紧与放松工作关系 夹紧机构 电磁铁 液压泵 电动机 M3 夹紧动作 限位开关动作 立柱与主轴箱 不通电 正转 反转 放松 夹紧 松开 SQ4 压下 SQ4 摇臂与外立柱 通电 正转 反转 放松 夹紧 压下 SQ2，松开 SQ3 压下 SQ3 松开 SQ2 摇臂上升 在支路 12 中，按下启动按钮 SB3，时间继电器 KT 通电（支路 11） ， 支路 14 的瞬动常开触点 KT 闭合，接触器 KM4 线圈通电，KM4 主触点闭合，液压泵 电动机 M3 正转，支路 16 中的 KM4 常闭触点断开，对接触器 KM5 的线圈进行互锁。 支路 16 中的瞬时断开延时闭合动断触点 KT 断开，支路 18 中的瞬时闭合延时断开动 合触点 KT 闭合，使电磁铁 YA 通电，这样摇臂松开。当摇臂松开后，行程开关 SQ3 释放，SQ2 压下，支路 14 中的 SQ2 动断触点断开，使接触器 KM4 的线圈断电，液压 泵电动机 M3 停转。同时，支路 12 中的动合触点 SQ2 闭合，接触器 KM2 线圈通电， 摇臂升降电动机 M2 正转，使摇臂上升。 当摇臂上升到所需位置时， 松开 SB3， 接触器 KM2 和时间继电器 KT 的线圈断电， 使其主触点和动合触点断开，摇臂升降电动机 M2 停止转动，摇臂停止上升。时间继 电器 KT 的线圈断电后，延时 13s，支路 16 的 KT 瞬时断开延时闭合动断触点闭合， 接触器 KM5 的线圈通电，主触点 KM5 闭合，液压泵电动机 M3 反转，支路 14 中的 KM5 动断触点断开，对接触器 KM4 的线圈进行互锁。支路 18 中的 KT 瞬时闭合延时 断开的动合触点断开，但由于 SQ3 闭合，所以电磁铁 YA 仍通电，这样摇臂开始夹紧。 当摇臂夹紧后，行程开关 SQ2 释放，SQ3 被压下，则支路 16 中 SQ3 的动断触点断开， 使接触器 KM5 和电磁铁 YA 的线圈断电，液压泵电动机 M3 停转，液压阀复位。 摇臂下降 按支路 13 中的按钮 SB4，其工作原理与摇臂上升相似。 时间继电器的主要作用是控制接触器的吸合时间，使升降电动机停止运转后，再 夹紧摇臂。 （3）主轴箱、立柱的夹紧与放松的控制 主轴箱、立柱的松开和夹紧控制电路是正、反转点动控制电路。当机构处于夹紧 状态时，支路 21 的微动开关 SQ4 被压下，夹紧指示灯 HL2 点亮。 主轴箱、立柱松开 按下支路 15 中的按钮 SB5，接触器 KM4 的线圈通电，液压 泵电动机 M3 正转。同时，支路 18 中的电磁铁 YA 的线圈不通电，液压泵将液压油供 给主轴箱、主柱两个夹紧机构，使其松开，行程开关 SQ4 释放，支路 20 中的松开指示 灯 HL1 亮；支路 21 中指示灯 HL2 不亮。松开 SB5，则接触器 KM4 的线圈断电，主触 8 点断开，液压泵电动机 M3 停转。 主轴箱、立柱夹紧 按夹紧按钮 SB6，原理同上。 2.4 Z3040 型摇臂钻床改造为 PLC 控制设计要求 将 Z3040 型摇臂钻床原有继电气控制通过优化，利用 PLC 可编程控制重新进 行控制设计，以达到与控制更改前同样的控制效果。 a) 原摇臂钻床的加工工艺方法不变； b) 在保留主电路的原有元件的基础上，不改变原控制系统电气操作方法； c) 电气控制系统控制元件（包括按钮、行程开关、热继电器、接触器） ，作 用与原电气线路相同； d) 主轴和进给起动，主轴箱、立柱夹紧、放松操作方法不变； e) 将原继电器控制中的硬件重新接线，改造为 PLC 控制实现。 3 Z3040 型摇臂钻床改造为 PLC 控制硬件设计 3.1 PLC 硬件 I/O 点数的统计 由于冷却泵电动机，直接由手动开关 SA1 控制，且控制简单，故在进行控制改造 时，冷却泵电动机的控制未作改动，仍以保持原有