Z3040型摇臂钻床的PLC控制系统设计说明书

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。