1 绪论1.1选题背景和意义近年来，随着自动化技术的不断发展，PLC逐渐代替复杂的电器及接线而成为控制设备的核心。为此削弱电气控制中复杂的电路分析，加强PLC程序设计来实现控制的地位日益体现。改造后的Z3040型摇臂钻床简化了控制线路，使机床功能完善，使用方便，维护简单，降低了设备运行的故障率，提高了设备运行的使用率，可实现生产过程的高效、节能和低成本。在工业上有广泛的应用前景。1.2 现状及存在的问题金属切削机床是用刀具或磨具对金属工件进行切削加工的机器，在制造业中，尤其是机械行业，机床有着非常广泛的应用。然而钻削加工仍然在零件加工中占有相当的比例，据统计在零件加工中钻孔加工占25%以上。摇臂钻床仍然是钻削加工的主要设备之一。作为传统的老产品摇臂钻床，有数百年的发展历史，其产品都在不断地更新，功能也越来越齐全、性能也不断地完善。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。由于传统继电器接触器控制的摇臂钻床存在电路接线复杂，触点多、噪音大、可靠性差、故障诊断与排除困难等缺点，因此对Z3040摇臂钻床控制系统的技术改造是非常必要的。1.3 本文的主要任务本文在分析Z3040型摇臂钻床继电接触控制系统工作原理的基础上，提出了用可编程控制器（PLC）对摇臂钻床控制系统进行改造设计。文中介绍了PLC的原理和特点；给出了摇臂钻床PLC控制系统的硬件组成和软件设计；其中包括PLC的选型、输入/输出（I/O）地址分配、PLC外部接线图、PLC梯形图程序设计；分析了用PLC控制摇臂钻床的工作过程。2 Z3040型摇臂钻床电气控制电路分析2.1 摇臂钻床的主要结构图2-1摇臂钻床结构及运动情况示意图1-底座 2-工作台 3-主轴纵向进给 4-主轴旋转主运动 5-主轴 6-摇臂7-主轴箱沿摇臂径向运动 8-主轴箱 9-内外立轴 10-摇臂回转运动11-摇臂上下垂直运动2.2 摇臂钻床的运动形式及特点（1）机床的运动形式摇臂钻床一般由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱和工作台等部件组成，如图所示。内立柱固定在底座的一端，外立柱套在内立柱上，并可绕内立柱同转360度。摇臂的一端为套筒，它套在外立柱上，借助于升降丝杆的正反向旋转，摇臂可沿外立柱上下移动。由于升降螺母固定在摇臂上，所以摇臂只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱是一个复合的部件，它由主电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构以及机床的操作机构等部分组成。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上，通过手轮操作可使主轴箱沿摇臂水平导轨作径向运动。这样，主轴5可通过主轴箱在摇臂上的水平移动及摇臂的回转可方便地调整至机床尺寸范围内的任意位置。为适应加工不同高度工件的需要，可调节摇臂在立柱上的位置。Z3040钻床中，主轴箱沿摇臂的径向运动和摇臂的回转运动为手动调整。（2）电力拖动特点摇臂钻床运动部件较多，为简化传动装置，采用多电动机拖动，分别是主轴电动机、摇臂升降电动机、液压泵电动机及冷却泵电动机。摇臂钻床的主运动与进给运动皆为主轴的运动，为此两种运动由一台主轴电动机拖动，分别经主轴传动机构，经给传动机构来实现主轴的旋转与进给。2.3 摇臂钻床的控制要求（1）4台电动机容量均较小，采用直接起动方式，主轴要求正反转，但采用机械方法实现，主轴电动机单向旋转。（2）升降电动机要求正反转。液压泵电动机用来驱动液压泵送出不同流向的压力油，推动活塞、带动菱形块功作来实现内外立柱的夹紧与放松以及主轴箱和摇臂的夹紧与放松，故液压泵电动机要求正反转。（3）摇臂的移动严格按照摇臂松开摇臂移动移动到位摇臂夹紧的程序进行。因此，摇臂的夹紧放松与摇臂升降应按上述程序自动进行。（4）钻削加工时，应由冷却泵电动机拖动冷却泵,供出冷却液进行钻头冷却。（5）要求有必要的联锁与保护环节。（6）具有机床安全照明电路与信号指示电路。2.4 电气控制电路详解 图2-2为Z3040型摇臂钻床电气原理图。图中M1为主轴电动机，M2为摇臂升降电动机，M3为液压泵电动机，M4为冷却泵电动机。 主轴箱上装有4个按钮SB2、SBl、SB3与SB4分别是主电动机起动、停止按钮，摇臂上升、下降按钮。主轴箱转盘上的2个按钮SB5、SB6分别为主轴箱及立柱松开按钮和夹紧按钮。转盘为主轴箱左右移动手柄，操纵杆则操纵主轴的垂直移动，两者均为手动。主轴也可机动进给。2.4.1 主电路分析三相电源由低压断路器QS控制。Ml为单向旋转，由接触器KM1控制。主轴的正反转是另一套由主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油的液压系统，经“主轴变速、正反转及空挡”操作手柄来获得的。Ml由热继电器FR1作过载保护。M2由正反转接触器KM2、KM3控制实现正反转，因摇臂移动是短时的，不用改过载保护，但其与摇臂的放松与夹紧之间有一定的配合关系，这由控制电路去保证。M3由接触器KM4、KM5控制实现正反转，设有热继电器FR2作过载保护。M4电动机容量小，仅0.125kW，由开关SA1控制起动、停止。2.4.2 控制电路分析（1）主轴电动机控制由按钮SB2、SB1与接触器KM1构成主轴电动机起动一停止控制电路，Ml起动后，指示灯HL3亮，表示主轴电动机在旋转。（2）摇臂升降及夹紧、放松控制摇臂钻床工作时摇臂应夹紧在外立柱上，发出摇臂移动信号后，须先松开夹紧装置，当摇臂移动到应后，夹紧装置再将摇臂夹紧。本电路能自动完成这一过程。由摇臂上升按钮SB3、下降按钮SB4及正反转接触器KM2、KM3组成具有双重互锁的电动机正反转点动控制电路。由于摇臂的升降控制须与夹紧机构液压系统密切配合，所以与液压泵电动机的控制密切相关。液压泵电动机正反转由正反转接触器KM4、KM5控制，拖动双向液压泵，送出压力油，经二位六通阀送至摇臂夹紧机构实现夹紧与放松。下面以摇臂上升为例分析摇臂升降及夹紧、放松的控制。按下摇臂上升点动按钮SB3，时间继电器KT通电吸合，瞬动常开触头KT（13-14）、KT ( 1-17)闭合，前者使KM4线圈通电吸合，后者使电磁阀YV线圈通电。于是液压泵电动机M3正转起动，拖动液压泵送出压力油，经二位六通阀进入摇臂松开油腔，推动活寒和菱形块，使摇臂松开。同时活塞杆通过弹簧片压动行程开关SQ2，其常闭触头SQ2(6-13)断开。接触器KM4断电释放，液压泵电动机停止旋转，摇臂维持在松开状态；同时SQ2常开触头SQ2 (6-7闭合，使KM2线圈通电吸合，摇臂升降电动机M2起动旋转，拖动摇臂上升。当摇臂上升到预定位置，松开上升按钮SB3，KM2、KT线圈断电，M2依惯性旋转至停止，摇臂停止上升。经延时，KT(17-18)闭合，KM5线圈通电，使液压泵电动机M3反转触头KT(1-17)断开，电磁阀YV断电。送出的压力油经另一条油路流入二位六通阀，再进入摇臂夹紧油腔，反向推动活塞与菱形块，使摇臂夹紧。值得注意的是，在KT断电延时的1-3s时间内，KM5线圈仍处于断电状态，而YV仍处于通电状态，这段延时就确保了横粱升降电动机在断开电源依惯性旋转经1-3s完全停止旋转后，才开始摇臂的夹紧动作，所以KT延时长短依M2电动机切断电源到完全停止的惯性大小来调整。当摇臂夹紧后，活塞杆通过弹簧片压动行程开关SQ3，使SQ3 (1-17)断开，KM5、线圈断电，M3停止旋转，摇臂夹紧完成。摇臂夹紧的行程开关SQ3应调整到摇臂央紧后能够动作，若调整不当摇臂夹紧后仍不能动作，会使液压泵电动机M3长期工作而过载。为防止由于长期过载而损坏液压泵电动机，电动机M3虽短时运行，也仍采用热继电器作过载保护。摇臂升降的极限保护由组合开关SQ1来实现。SQ1有两对常闭触头，当摇臂上升或下降到极限位置时相应常闭触头断开，切断对应的上升或下降接触器KM2与KM3线圈电路，使M2停止，摇臂停止移动，实现极限位置保护。此时可按下反方向移动起动按钮，使M2反向旋转，拖动摇臂反向移动。（3）主轴箱与立柱的夹紧、放松控制立柱与主轴箱均采用液压操纵夹紧与放松，两者是同时进行的，工作时要求二位六通阀YV不通电。松开与夹紧分别由松开按钮SB5和夹紧按钮SB6控制。指示灯HL1、HL2指示其动作。按下松开按钮SB5时，KM4线圈通电吸合，M3电机正转，拖动液压泵送出压力油，此时电磁阀线圈YV不通电，其提供的高压油经二位六通电磁阀到另一油路，进入立柱与主轴箱松开油腔，推动活塞和菱形块使立柱和主轴箱同时松开。当立柱与主轴箱松开后，行程开关SQ4不受压复位，触头SQ4(101-102)闭合，指示灯HL1亮，表明立柱与主轴箱已松开。于是可以手动操作主轴箱在摇臂的水平导轨上移动。当移动到位，按下夹紧按钮SB6时， KM5线圈通电吸合，M3电机反转，拖动液压泵送出压力油至夹紧油腔，使立柱与主轴箱同时夹紧。当确已夹紧，压下SQ4，触头SQ4 (101-102)断开，HL1灯灭，触头SQ4 (101-103)闭合，HL2灯亮，指示立柱与主轴箱均已夹紧，可以进行钻削加工。（4）冷却泵电动机M4的控制M4电动机由开关SA1手动控制、单向旋转。（5）联锁与保护环节SQ1行程开关实现摇臂上升与下降的限位保护。SQ2行程开关实现摇臂松开到位，开始升降的联锁。SQ3行程开关实现摇臂完全夹紧，液压泵电动机M3停止运转的联锁。KT时间继电器实现升降电动机M2断开电源、待M2停止后再进行夹紧的联锁。M2电动机正反转具有双重互锁，M3电动机正反转具有电气互锁。SB5、SB6立柱与主轴箱松开、夹紧按钮的常闭触头串接在电磁阀YV线圈电路中，实现立柱与主轴箱松开、夹紧操作时，压力油只进入立柱与主轴箱夹紧油腔而不进入摇臂夹紧油腔的联锁。熔断器FU1 FU3实现电路的短路保护。热继电器FR1、FR2为电动机Ml、M3的过载保护。2.4.3 照明与信号指示电路分析HL1为主轴箱与立柱松开指示灯，灯亮表示已松开，可以手动操作主轴箱沿摇臂移动或推动摇臂回转。HL2为主轴箱与立柱夹紧指示灯，灯亮表示已夹紧，可以进行钻削加工。HL3为主轴箱旋转工作指示灯。EL机床局部照明灯，由控制变压器TC停供24V安全电压，由手动开关SA2控制。2.4.4 Z3040型摇臂钻床电气控制特点（1）摇臂钻床是机、电、液的综合控制。机床有两套液压系统：一套是由单向旋转的主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过操作手柄来操纵机构实现主轴正、反转、停车制动、空挡、预选与变速的操纵机构液压系统；二套是由液压泵电动机拖动液压泵送出压力油来实现摇臂的夹紧与松开、主轴箱和立柱的夹紧和放松的夹紧机构液压系统。（2）摇臂的升降控制与摇臂夹紧放松的控制有严格的程序要求，以确保先松开，再移动，移动到位后自动夹紧。所以对M3、M2电动机的控制有严格的程序要求，这些由电气控制电路控制、液压、机械配合来实现。（3）电路具有完善的保护和连锁，有明显的信号指示。3 PLC控制系统总体设计3.1 PLC控制系统设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现生产或生产过程的控制要求和工艺要求，从而提高产品质量和生产效率。因此，在PLC应用系统时，应遵循以下基本要求：（1）从分发挥PLC功能，最大限量地满足被控对象的控制要求。（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。（3）保障控制系统安全可靠。（4）应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I/O点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以便利于系统的调整和扩充。3.2 控制系统要求电气控制任务 Z3040型摇臂钻床是一个多台电动机拖动系统，采用PLC控制时