#Z3040摇臂钻床的PLC改造

摘要:钻床是一种常用的机床，在生产中应用很广泛，种类繁多。

然而，在运作中，传统的钻床暴露了越来越多的问题，比如：触点过多、故障出现频繁、维修不方便，影响了钻床的正常工作，引起产品质量降低。

由于各种各样的问题，钻床的改造势在必行。

在众多的改造方案中，PLC改造以其他同类产品所不具备的优点脱颖而出。

本文以PLC为控制核心进行的对Z3040摇臂钻床的自动化改造，在本文中阐述了传统钻床继电器控制电路以及行程开关的缺点，提出了详细的改进方案。

绘制出了改造过后的电气原理图及PLC接线图等。

并编写了PLC的控制程序，取得了良好的效果。

关键词：摇臂钻床PLC 传感器改造
目录
第一章摇臂钻床的介绍
一、Z3040摇臂钻床系统的机械系统 (3)
二、Z3040摇臂钻床系统的电气系统 (4)
三、Z3040摇臂钻床的润滑和冷却系统 (7)
第二章继电器控制的摇臂钻床的工作原理
一、控制电路电路原理图 (8)
二、钻床的操作步骤及工作原理 (9)
三、电气元件清单 (11)
第三章 Z3040摇臂钻床的电气控制的改造
一、Z3040摇臂钻床行程开关的改进 (14)
二、Z3040摇臂钻床继电器控制线路的改进 (18)
三、I/O分配表 (21)
四、Z3040摇臂钻床改造的接线图 (22)
五、程序 (23)
结束语 (26)
答谢辞 (27)
参考文献 (28)
第一章Z3040摇臂钻床介绍
钻床是一种常用的机床，分台式钻床、立式钻床和摇臂钻床。

种类繁多，在工业生产中应用得非常广泛，本文以Z3040摇臂钻床为对象进行PLC改造。

图1-1 XXXXXX
一 Z3040摇臂钻床系统的机械系统
Z3040摇臂钻床整个系统可实现主轴旋转、主轴进给摇臂升降及主轴箱在摇臂上移动等功能（参看表1-3）（1）主轴旋转
主轴的旋转有正、反转及停止由手柄16（主轴正反转及停止手柄）操纵。

当手柄向左扳动，主轴正转，并在面板
上指示灯显示旋向；当手柄在中间位置时主轴停止，指示灯熄灭；当手柄向右扳动，主轴反转，另一指示灯显示旋向。

选用不同的转速时，可转动手轮11（主轴旋转变换手轮）即可得到主轴的12种转速，手轮上设有“0”位，用以校调和对刀。

变速时必须使用手柄16（主轴正反转及停止手柄）处于中间位置以停止电机旋转，否则会造成有关齿轮在旋转状态下进行切换，而发生意外。

主轴电机主要带动刀具做旋转运动为零件进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、平面和攻螺纹的动力电机。

（2）主轴进给
主要是调整主轴电机带动刀具的进给；
该进给有三种形式：一、快速移动或手动进给
二、机动进给
三、微动进给
（3）摇臂升降及主轴箱在摇臂上移动
主要是调整主轴电机带动刀具与加工工件的位置。

以便于在工件上加工相应的深度。

二 Z3040摇臂钻床的电气系统
本机床的电源是三相380V,50HZ。

电气设备叙述如下：（见表1-3）
M4—主电动机，安装在主轴箱顶部，由手柄16（主轴正反转及停止手柄）与微动开关SQ4操作交流接触器KM2—KM5控制其动作。

M8—摇臂升降电动机，由按钮12（SB3）、13（SB4）操作交流接触器KM8、KM9控制其动作。

M10—立柱夹紧电动机，由主轴箱夹紧手柄2联动操作微动开关SA8和交流接触器KM10控制其动作。

M11—冷却泵电动机，由安装在电源盖板上的按钮19（SB5、SB6）和交流接触器KM1控制其动作。

各电动机设备都有熔丝保护装置，主电动机及冷却泵电动机还装有三相过载保护装置。

本机床设有急停、零压保护及摇臂升降保险装置，并设有信号灯。

电气箱及电源箱实现了开门断电，工作照明采用安全电压24伏。

机床各操纵手柄和开关的部位和用途：
表1-3 *****表
图1-2 主电路电气原理图
主电路简介：
在本钻床中，M4为主轴电机，M8为摇臂电机，M10为立柱夹紧电机，当KM2闭合，主轴电机正转，KM3闭合，主轴电机反转，当KM4闭合，主轴电机低速，KM5闭合，主轴电机高速；KM8闭合摇臂下降，当KM9闭合，摇臂上升；KM10闭合，立柱夹紧；KM11闭合，冷却电机启动，SQ15和SQ16为电气箱门开关。

三 Z3040摇臂钻床的润滑和冷却系统
（1）润滑系统
1）机动润滑：
主轴箱内所有的齿轮、轴承、摩擦片式离合器等，均由安装于主轴
箱顶上的专用油泵供油润滑。

透过箱体左侧上部的油窗可以观察润滑油的流动情况，以判断油泵工作是否正常。

当机床电机不旋转时，油面不应低于油窗的中心。

放油塞位于主轴箱的下端。

主轴箱油池注油口位于箱体顶部。

2）人工润滑：
主轴上、下轴承的润滑脂是用油枪注入的。

将主轴套伸出后，从套上的左侧小孔向下轴承直接注油。

主轴上轴承加油是从主轴箱左侧上部油窗下面的表牌所盖孔内对准主轴套上的小孔直接注油。

立柱夹紧用的蜗轮减速箱位于立柱顶部的升降机构的箱体内，采用钙基润滑脂润滑。

机床各部位润滑应严格按照规定进行。

（2）冷却系统
刀具的冷却由专用的冷却泵供给冷却液。

冷却液贮存于机床底座的空腔内，其流量大小可用内螺纹球阀调节。

第二章继电器控制的摇臂钻床的工作原理
一、控制电路原理图
二继电器控制的钻床操作步骤及工作原理（1）钻床的操作步骤
1）接通电源，HL1信号灯亮；
2）扳动手柄16（主轴正反转及停止手柄）至中间停车位置上，按SB2光标按钮，HL2光标亮。

3）扳动手柄16（主轴正反转及停止手柄）至正转位置，HL3信号灯亮，仔细观察主轴运动情况，如一切正常，则准备工作完毕。

（2）主轴转速的选择操作如下：
1）停车—将手柄16（主轴正反转及停止手柄）扳到中间位置；
2）选速—将手轮11（主轴旋转变换手轮）扳到所需要的转速档；3）开车—将手柄16（主轴正反转及停止手柄）扳到主轴正转位置，即获得所选转速。

转速选择的工作原理：
例如要获得50转/分的转速，首先将手轮11（主轴旋转变换手轮）拨到50转/分，将手柄16（主轴正反转及停止手柄）扳向正转位置。

这时SA1的常开触点闭合，则电源通过KA1、SQ3的常闭触点、KM3的常闭触点接通交流接触器KM2线圈，KM2线圈带电。

交流接触器KM4线圈通过SQ4的常闭触点和KM5的常闭触点接通带电，于是电动机转速在1410转/分速度下，而主轴的转速为50转/分，正转。

同时，时间继电器KT1线圈通过KM2的常开触点带电，为主轴停车制动做好准备。

当手柄16（主轴正反转及停止手柄）扳向中间停车位置时，SA1的常开触点闭合断开，则KM2、KT1失电，KT1的一付常开触点延时断开，KM2的一付常闭触点闭合，中间继电器KA2通过KT1、KM2、KM3带电，KA2的一付常开触点闭合，24V交流电通通过桥式整流变成直流电再经过电磁制动器线圈，实现制动。

制动时间由KT1控制，制动完毕，电磁离合器线圈失电。

切勿在开车时拨动手轮子11（主轴旋转变换手轮），否则会造成有关齿轮在旋转状态下进行切换，而发生意外事故。

（3）摇臂升降和夹紧
首选把摇臂夹紧手柄5（摇臂夹紧手柄）松开，而后按住上升（或下降）按钮SB3（或SB4），摇臂就上升（或下降），松开按钮摇臂就停止运动。

当按住SB3按钮时，交流接触器KM6线圈通过KA3、SB3、SQ6的常闭触电、KM3的常闭触点带电，使电动机M8旋转，带动摇臂上升，摇臂上升到位后，松开按钮SB3、KM8断电，电动机停止旋转。

扳动手柄5至夹紧装置，摇臂夹紧装置将摇臂夹紧。

摇臂下降原理与此相同。

（4）立柱夹紧和松开
立柱夹紧和松开是和主轴箱夹紧手柄2联动操纵的。

当夹紧手柄2处在松开位置时，则SA常开触点闭合，交流接触器KM10线圈通过SA8、SQ9带电，电动机M10旋转，内外柱松开。

当松开到位后，限位形状SQ9常闭断开，KM10断电，电动机停止旋转。

立柱夹紧原理与松开相同。

开关14是单独控制立柱松开与夹紧的。

（5）摇臂升降保险及机床急停装置
摇臂升降保险装置由微动开关SQ6、SQ7及上、下触杆联动操纵的，当摇臂升（或降）到极限位置时，触动上（或下）触杆，将微动开关SQ6（或SQ7）的常闭触点断开，使交流接触器KM8（或KM9）线圈断电，电动机M8停止旋转，起到了保险作用。

当遇有异常情况时，按动操作面牌上的红色蘑菇头急停按钮SB1整个控制回路断电，机床所有动作中止。

（6）开门断电
当电气箱门（或电源箱门）打开时，SQ15（或SQ16）的常闭触电闭合，这时使电源自动开关的分励线圈带电，从而使电源自动开关（QF）自动切断电源。

当电气箱门（或电源箱门）打开后，需要送电时，只需把SQ15（或SQ16）门开关的触头拉开并向右旋转锁定，再把电源开关（QF）合上，这时配电板内就有电，便于维修检查。

三电气元件清单
第三章 Z3040摇臂钻床的电气控制的改造
一Z3040摇臂钻床中行程开关的改进
机床控制线路中的行程开关存在响应速度低、精度差、接触检测容易损坏被检测物及寿命短等缺点。

行程开关作为限位元件的最大缺点，是只能断开接触器的控制回路。

当遇到接触器的主触点熔焊，或滞后释放时，那么限位保护就会失灵。

因此，在一些重要设备中，就须设置超行程后备保护。

若用传感器代替则解决这一问题了。

这里我用光电传感器来代替行程开关
因为光电传感器：
1具有自诊断稳定工作区指示功能，可及时告知工作状态是否可靠；
2对射式、反射式、镜面反射式光电开关都有防止相互干扰功能，安装方便；
3对ES外同步（外诊断）控制端的进行设置可在运行前预检光电开关是否正常工作。

并可随时接受计算机或可编程控制器的中断或检测指令，外诊断与自诊断的适当组合可使光电开关智能化；
4响应速度快，高速光电开关的响应速度可达到0.1ms，每分钟可进行30万次检测操作，能检出高速移动的微小物体；
5采用专用集成电路和先进的SMT表面安装工艺，具有很高的可靠性；
6体积小（最小仅20×31×12mm）、重量轻，安装调试简单，并具有短路保护功能
对于传感器的用途、概念和分类我就做下简单的介绍
现代信息技术的三大基础是信息的采集、传输和处理技术，即传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。

信息采集系统的首要部件是传感器，且置于系统的最前端。

在一个现代自动检测系统中，如果没有传感器，就无法监测与控制表征生产过程中各个环节的各种参量，也就无法实现自动控制。

在现代技术中，传感器实际上是现代测试技术和自动化技术的基础。

下图所示为传感器应用的系统框图。

1．传感器的概念和分类
一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器，测量电路和显示记录装置等部分组成，分别完成信息获取，转换，显示和处理等功能。

传感器是把被测量（如物理量，化学量，生物量等）变换为另一种与之有确定对应关系，并且便于测量的量（通常是电学量）的装置。

为检测系统提供必需的原始信息。

它是整个检测系统最重要的环节。

按应用目的分类：
机械量传感器：如位移传感器、力传感器、速度传感器、加速度传感器。

热工量传感器：如温度传感器、压力传感器、流量传感器。

化学量传感器。

生物量传感器。

按传感器按输出量的性质分：
参量型：它的输出是电阻、电感、电容等无源电参量，相应的有电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器
发电型：它的输出是电压或电流，相应的有热电偶传感器、光电传感器、磁电传感器、压电传感器。

我们主要介绍光电传感器
光电传感器
光电传感器是采用光电元件做为检测元件的的传感器。

它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

光电传感器一般由光源，光学通路和光电元件三部分组成。

光电检测方法具有精度高，反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活，因此在检测系统控制领域内得到广泛运用。

光电传感器常用光源有发光二极管、钨丝灯泡+滤光片、激光。

光电式传感器负责检测加工工件的到位情况
光电式传感器的外型图
那么用它来代替机床控制线路的行程开关就比较合理。

但光电式传感器有两种类型它分为NPN型和PNP型传感器。

如果选择PNP型传感器,其输出端电流是向传感器外流的,如果传感器接PLC,则电流由传感器输出端流向PLC.而NPN型传感器,其输出端电流是向传感器里流的,如果传感器接PLC,则电流由PLC流向传感器。

因此我选择PNP型的传感器，检测距离为5mm。

一般光电式传感器有三根线（紅色、黑色、白色）或（棕色、藍色、黃色）
接线一般是紅色和棕色接电源的火线
黑色和藍色接电源的零线
白色和黃色接信号线
光电传感器的接线图如下
传感器与PLC的接线如图
二Z3040摇臂钻床继电器控制线路的改进
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，当遇到接触器的主触点熔焊时控制线路会出现故障。

若用PLC控制就避免了这一问题。

因为PLC：
◆编程方法简单易学
❖功能强，性能价格比高
♦硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
⌧无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强
⍓系统的设计、安装、调试工作量少
维修工作量少，维修方便
体积小，能耗低
所以选用PLC控制来代替继电器控制。

根据Z3040摇臂钻床的控制要求：
输入输出
急停按钮：SB1 主电机正转：KM2
零压保护按钮：SB2 主电机反转：KM3
摇臂上升按钮：SB3 主电机低速：KM4
摇臂下降按钮：SB4 主电机高速：KM5
冷却泵停止按钮：SB5 主电机制动：YB1
冷却泵启动按钮：SB6 摇臂上升：KM8
主轴正转：SA1 摇臂下降：KM9
主轴反转：SA2 立柱夹紧和松开：KM10
主轴限位：SQ3 冷却泵工作：KM11
主电机低速高速：SQ4 零压指示：HL2
摇臂升降和夹紧互锁：SA5 主轴正转指示：HL3
摇臂上升限位：SQ6 主轴反转指示：HL4
摇臂下降限位：SQ7 工作照明：EL
立柱松开夹紧：SA8
立柱松开夹紧限位：SQ9
工作灯开关：SA10
立柱松开和夹紧：SA
从这输入、输出可看出要选的PLC的输入端必须大于17个而输出端
必须大于13个。

但是机床控制线路的电压等级比较多。

所以在选PLC
时必须注意PLC的输出。

其中三菱PLC的输出是一个COM配几个输出，所以电压等级不同就
不能用同一个COM下的输出。

选择三菱PLC系列中的FX1N-40MR，原因是其输入端有24个，输出端
有16个。

对该机床的改造是非常合适的。

2
．
PL
C
的
构
成
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不
可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、
底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置FX1N-40MR三菱PLC 是属于继电器输出型的PLC。

因为继电器输出适用于低频大功率直流或交流负载。

而该机床的输出继电器是交流，主电机的制动电磁阀是直流这更能说明FX1N-40MR三菱PLC对该机床的改造是非常适用的。

4．ＰＬＣ的循环扫描工作过程
1）ＰＬＣ的循环扫描
ＰＬＣ的ＣＰＵ是采用分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，随着时间的延伸一个动作接一个动作顺序地进行，这种分时操作进程称为ＣＰＵ对程序的扫描。

ＰＬＣ的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按序号顺序排列。

ＣＰＵ从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。

三 I/O分配表
由PLC的选择及输入输出端子确定的输入输出分配表如下：
摇臂上升限
位SQ6 X14 主轴反转指
示
HL4 Y7
摇臂下降限
位
SQ7 X15 工作照明EL Y2
立柱松开夹
紧
SA8 X16
立柱松开夹
紧限位
SQ9 X17
工作灯开关SA10 X20
立柱松开和
夹紧
SA X21
四 Z3040摇臂钻床改造的接线图
（注：其中的传感器的接线如图3-2）
五程序
1 整体程序
2各部分程序及注释
1）指示灯程序
当零压保护X2闭合，M1线圈得电自锁，M1常开闭合，Y5线圈得电，零压指示灯亮。

当主电机正转时，线圈Y10得电，Y6也得电，主轴正转指示灯亮。

当主电机反转时，线圈Y11得电，Y7也得电，主轴正转指示灯亮。

当按下工作灯开关时，工作灯亮。

2）主电机制动
当M2得电，主电机开始制动，定时器时间到，制动结束。

3）主电机运转
当主轴正转开关按下时，主电机正转线圈Y10得电，主轴正转，当主轴反转开关按下时，主电机反转线圈Y11得电，主轴反转。

当X12断开时，主电机低速运转，当X12闭合时，主电机高速运转。

主轴电机运转时，M3得电。

4）摇臂上下及立柱和冷却泵的动作
当X13得电，主电机低速运转时，摇臂上升线圈Y14得电，摇臂上升；当X13得电，主电机高速运转时，摇臂下降线圈Y15得电，摇臂下降；
在升降过程中，限位传感器得电，摇臂停止动作。

当X16和X21得电，立柱夹紧线圈Y16得电，立柱夹紧。

当夹紧限位传感器得电，立柱夹紧线圈失电。

当冷却泵启动开关X6闭合，冷却泵线圈得电自锁，冷却泵工作。

结束语
这次对于Z3040摇臂钻床的控制线路的改造，是把传统继电器控制转换成用可编程控制器控制。

在传统继电器控制的摇臂钻床线路中，接线十分繁琐，在出现故障的时候检修比较复杂；用PLC控制的机床设备的控制线路，接线较为方便，精力基本可以放在编程方面，在检修方面，可以根据PLC的控制面板上I/O的指示灯和故障的现象，可以很快地查出故障点来。

在机床线路的改进方面，传统继电器的改进几乎要把控制线路全都重接，而用PLC控制的机床设备，只需改一些线路，重要的是把编程程序按要求编写就行了。

现在在数控机床的控制线路上基本上是用的可编程控制器。

PLC应用于摇臂钻床这一课题是一个技术改造的课题，它既有软硬件的设计和调试，也有理论研究。

完成该课程设计，巩固了和加强了专业知识，特别是PLC知识，提高了我的动手能力。

在本次课题中我所做的工作包括：一，对摇臂钻床的工作流程及其自动控制方面进行了学习和探索，分析了PLC应用于摇臂钻床的可行与优势；其二，对于传感技术也有了进一步的学习和研究。

答谢辞
本毕业设计的全部工作是在都晔凯老师的悉心指导下完成的，论文
的完成离不开都老师悉心的指导和帮助，在此深深的向都老师表示谢意。

都老师治学态度严谨，实践经验丰富，对同学和蔼可亲，同时也对学生严格要求，也就是在他的严格要求下我们顺利的完成了毕业设计。

在这里向所有关心、帮助过我的各位老师、各位同学、各位朋友表示最衷心的感谢!
最后，谨向所有在百忙中审阅我论文的各位老师、专家表示深深的谢意，感谢评委们的付出。

参考文献
1 廖常初主编可编程序控制器的编程方法与工程应用重庆大学出版社
2 宫淑贞王冬青编著可编程控制器原理及应用人民邮电出版社
3 . 主编：王也仿、《可编程控制器原理及应用》、机械工业出版社、 2001 第一版。

4王卫星傅立思孙耀杰主编可编程控制器原理及应用中国水利水电出版社 2002
5 江秀汉等编著可编程序控制器原理及应用西安电子科技大学出版社，1996
6 张晓坤主编可编程控制器原理及应用西北工业大学出版社，1998.12
7 陈立定等编电气控制与可编程控制器华南理工大学出版社，2001、2
8 MITSUBISHI..FX1S.FX1N.FX2N.F2N.F2NC编程手册 2001。