Z3050摇臂钻床电气及PLC控制系统设计

摘要

本论文是研究机械加工中常用的Z3050摇臂钻床传统电气控制系统的改造问题,旨在解决传统继电器—接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难题。由于PLC 电气控制系统与继电器—接触器电气控制系统相比，具有结构简单，编程方便，调试周期短，可靠性高，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低等一系列优点。因此，本论文对Z3050摇臂钻床电气控制系统的改造，将把PLC控制技术应用到改造方案中去，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。论文分析了摇臂钻床的控制原理，制定了可编程控制器改造Z3050摇臂钻床电气控制系统的设计方案，完成了电气控制系统硬件和软件的设计，其中包括PLC机型的选择、I/O 端口的分配、I/O硬件接线图的绘制、PLC梯形图程序的设计。对PLC控制摇臂钻床的工作过程作了详细阐述，论述了采用PLC取代传统继电器—接触器电气控制系统从而提高机床工作性能的方法，给出了相应的控制原理图。

关键词：可编程控制器，摇臂钻床，梯形图，电气控制系统

1.摇臂钻床描述

1.1摇臂钻床运动部件较多，为了简化传动装置，采用多台电动机拖动。例如Z3050型摇臂钻床采用4台电动机拖动，他们分别是主轴电动机，摇臂升降电动机，液压泵电动机和冷却泵电动机，这些电动机都采用直接启动方式。

1.2为了适应多种形式的加工要求，摇臂钻床主轴的旋转及进给运动有较大的调速范围，一般情况下多由机械变速机构实现。主轴变速机构与进给变速机构均装在主轴箱内。

1.3摇臂钻床的主运动和进给运动均为主轴的运动，为此这两项运动有一台主轴电动机拖动，分别经主轴传动机构，进给传动机构实现主轴的旋转和进给。

1.4在加工螺纹时，要求主轴能正反转。摇臂钻床主轴正反转一般采用机械方法实现。因此主轴电动机仅需要单向旋转。

1.5摇臂升降电动机要求能正反向旋转。

1.6内外主轴的夹紧与放松、主轴与摇臂的夹紧与放松可用机械操作、电气—机械装置，电气—液压或电气—液压—机械等控制方法实现。若采用液压装置，则备有液压泵电机，拖动液压泵提供压力油来实现，液压泵电机要求能正反向旋转，并根据要求采用点动控制。

1.7摇臂的移动严格按照摇臂松开→移动→摇臂夹紧的程序进行。因此摇臂的夹紧与摇臂升降按自动控制进行。

1.8冷却泵电动机带动冷却泵提供冷却液，只要求单向旋转。

1.9具有连锁与保护环节以及安全照明、信号指示电路。

1.10 Z3050摇臂钻床实物图如图1

图1 Z3050摇臂钻床实物图

主要技术参数：

格与参数单位 Z3050*10 Z3050*13 Z3050*16

最大钻孔直径 mm 50 50 50

主轴中心至立柱母线距离 mm 360-1000 360-1300 360-1600

主轴箱水平移动距离 mm 650 950 1250

主轴端面至底座工作面距离 mm 260-1050 260-1050 260-1050

主轴行程 mm 220 220 220

主轴圆锥孔 mm 莫氏5号莫氏5号莫氏5号

主轴转速 r/min 78，135，240，350，590，1100 78，135，240，350，590，1100 78，135，240，350，590，1100

主轴转速6级 m/min 0．10，0．16，0．22，0．25，0．35，0。56 0．10，0．16，0．22，0．25，0．35，0。56 0．10，0．16，0．22，0．25，0．35，0。

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主轴进给量3级 N 16000 16000 16000

主轴允许最大进给抗力 m/min 1．3 1．3 1．3

主电机功率 Kw 4 4 4

摇臂升降电机功率 KW 1．5 1．5 1．5

机床重量 KG 1700 2400 30p0

机床轮廓尺寸 mၭ1500*705*2″00耠1950*¸10*24u0 2170*950*2450

11.性能及特性：

Z3050型摇臂隻床是丄种用途广泛的通用型摇臂钻床，能够满足一般加工车间及个体用户在零件上进襌钻孔、扩孔、铰孔、镗孔及툻丝等机械加工。转臂采用内外立柱加滚动轴承的结构，操作轻便灵活。ꑷ有主轴机动进给、横臂机动升降、循环水冷却及过载保护等功能。机床刚性 噪音低、操作轻便、易于维修、是一种物美价幉的夊用途机床。

2.ѐLC简介：

2.1PLC定义

PLC即可编稉控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会

（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”

2.2 PLC的特点

2.2.1可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

2.2.2配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

2.2.3易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

2.2.4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。

2.2.5体积小，重量轻，能耗低

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