机械设计制造及自动化毕业设计-基于PLC的摇臂钻床电气控制系统设计.docx

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1、基于PLC的摇臂钻床电气控制系统设计作者：李闪闪指导教师：马德贵（安徽农业大学工学院07机械设计制造及其自动化合肥230031）摘要:本论文是研究机械加工中常用的Z3040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一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一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Z3040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，以便大大提高摇臂钻床的工作性能。论文分析了摇臂钻床

2、的控制原理，制定了可编程控制器改造Z3040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取代传统继电器一接触器电气控制系统从而提高机床工作性能的方法，并给出了相应的控制原理图。关键词：PLC,Z3040摇臂钻床，梯形图，组态王1引言Z3040摇臂钻床是工厂中常用的金属切削机床，它可以进行多种形式的加工，如:钻孔、獴孔、较孔及螺纹等。从控制上讲，它需要机、电、液压等系统相互配合使用，而且要进行时间控制。把PLC技术应用到Z

3、3040摇臂钻床的电气控制系统的改制方案中，大大提高了Z3040摇臂钻床工作性能和系统的工作稳定性，为工业生产的现代化带来生机，节省用户的开发时间和生产成本。而且提高了PLC编程水平和实践能力，为今后在实际工作中熟练使用PLC进行工业系统的设计打好基础。2系统总体设计Z3040摇臂钻床电气控制系统的设计方案由两部分组成，一部分为电气控制系统的硬件设计，也就是PLC的机型的确定；另一部分是电气控制系统的软件设计，就是PLC控制程序的编写。为了使改造后的摇臂钻床仍能够保持原有功能不变，此次改造的一个重要原则之一就是，不对原有机床的控制结构做过大的调整，只是将原继电器控制中的硬件接线改为用软件编程来

4、替代。2.1Z3040摇臂钻床的结构和控制要求Z3040摇臂钻床最大钻孔直径40Onm1、跨距120Onmb主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成（如图1）,内立柱固定在底座上，在它的外面套着空心的外立柱，外立柱可绕着内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，它包括主轴及主轴旋转和进给运动的全部传动变速和操作机构。主轴箱安装于摇臂的水平导轨上，可以通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。图1Z3040摇臂钻床FigurelZ3040radialdrillingmachine摇臂钻床运动部件较多，为简化传动装置，采用多台电动机控制，通常有主轴电动机、摇臂升降电动机、立柱夹紧和放松电动

5、机及冷却泵电动机。主轴由机械摩擦片式离合器实现正转、反转及调速的控制。摇臂的升降由升降电动机拖动，要求电动机能正、反转。摇臂的夹紧和放松是由电气和液压联合控制，并且有夹紧和放松指示。内外立柱的夹紧与放松，、主轴箱与摇臂的夹紧与放松可采用手柄机械操作、电气-液压-机械装置等方法来实现。钻削加工时，需要对刀具和工件进行冷却，为此需冷却泵电动机输送冷却液。要有必要的限位、连锁和过载保护，且具有局部安全照明。2. 2Z3040摇臂钻床的PLC控制系统结构方案一：依据旧式Z3040摇臂钻床中摇臂回转、主轴箱左右移动均为手动操作，直接把电气图翻译成PLC梯形图即可（如图2）图2总体控制方案一Figure2

6、Planlofoverallcontrol方案二：图3总体控制方案二Figure3Plan2ofoverallcontrol在旧式Z3040摇臂钻床基础上，加入摇臂回转自动操作和主轴箱左右移动自动操作，可提高生产效率；并加入工作加工计数功能、PC通信功能（如图3）。方案三：在旧式Z3040摇臂钻床基础上，引入PC技术，以芯片控制为中心，实现智能操作。把摇臂上升、下降的限位开关，换成限位传感器，把信号传递给智能芯片，然后智能芯片再操作电磁阀工作，进而操作电动机转到。在机床夹具旁边加一个感应“笔”，可以与机床刀具的刀头产生感应（像用磁铁、特殊传感器等）来给芯片信号，以实现刀具智能定位。其中摇臂上、

7、下运动，回转运动及主轴箱的左右移动智能化（如图4）。图4总体控制方案三FiguredPlan3ofoverallcontrol本设计选用第二种方案，即可实现自动化操作，技术含量、成本、设计周期也低,适合本阶段自身的设计水平。3系统硬件设计3.1PLC控制主电路设计我国早先生产的Z3040摇臂钻床的主轴旋转运动和摇臂升降运动的操作是通过不能复位的十字开关来操作的,它本身不具有欠压和失压保护作用，所以在主回路中要用一个接触器将三相电源引入。现在的Z3040摇臂钻床取消了十字开关，它的电气原理图如下所示：升降电动机液压泵电动机冷却泵电动机图5主电路Figure5 main circuit3. 2PL

8、C型号的选择选择PLC机型，主要考虑以下几个因素：3. 2.1依据PLC的物理结构PLC的物理结构有整体式、模块式和叠装式三种。整体式的每一I/O点的平均价格比模块式便宜，小型电气控制系统一般使用整体式可编程控制器。此次所设计的电气控制系统属于小型开关量电气控制系统而且没有特殊的控制任务，整体式PLC完全可以满足控制要求，且在性能相同的情况下，整体式PLC比模块式和叠装式PLC价格便宜，因此，Z3040摇臂钻床电气控制系统的PLC选用整体式结构的PLC。3. 2.2依据PLC的指令功能因为任何一种PLC都可以满足开关量电气控制系统的要求，所以本设计将尽量采用价格便宜的PLC。3. 2.3依据P

9、LC的输入输出点数如表1和表2所示，摇臂钻床的电气控制系统需要17个输入口和11个输出口，而PLC的实际输入点数应等于或大于所需输入点数17,PLC的实际输出点数应等于或大于所需输出点数11,在条件许可的情况下尽可能留有10%-20%的裕量。3. 2.4依据PLC的存储容量PLC存储器容量的估算方法：对于仅有开关量输入和输出信号的电气控制系统，将所需的输入和输出点数乘以8,就是所需PLC存储器的存储容量（单位为bit）即（17+11）8=224bit3. 2.5依据输入模块的类型输入模块的输入电压一般为DC24V、ACllOV和AC220Vo直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电

10、开关等电子输入装置连接。交流输入方式的触点接触可靠，适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。因为本设计基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的工作环境并不恶劣，且对电气控制系统操作人员来说DC24V电压较ACllOV电压安全些。所以，本基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的PLC输入模块应选直流输入模块，输入电压应DC24V电压。3. 2.6依据输出模块的类型PLC输出模块有继电器型、晶体管型和晶闸管三种。继电器型输出模块的触点工作电压范围广，导通压降小，承受瞬间过电压和过电流的能力较强，每一点的输出容量较大（可达2A）,在同一时间内对导通的输出点的个数没有限制，但动作速度慢，寿命有一定的限制。晶体管型与

11、晶闸管输出模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应带宽快，寿命长，但是过载能力差，每1点的输出量只有0.5A,4点同时输出的总容量不得超过2Ao由于Z3040摇臂钻床控制对象对PLC输出点的动作表达速度要求不高，继电器型输出模块的动作速度完全能够满足要求，且每一点的输出容量较大，在同一时间内对导通的输出点的个数没有限制，这将给设计工作带来很大的方便。所以本设计选用继电器输出模块，并结合Z3040摇臂钻床电气控制系统的实际情况，需要输入点数大于17个，输出点数大于11个。综上可知，为了使Z3040摇臂钻床在改造后能够很好地工作，确认使用日本松下公司生产的FPO-CMRS型和扩展单元F

12、PO-E16RS型和FP0-E8RS型的PLCo该型PLC不但具有Z3040摇臂钻床电气控制系统所需的所有指令功能（其总输入点数为20点，总输出点数为18点，用户存储器容量5K步，输入模块电压为DC24V,输出模块为继电器型），而且体积小，功能强，使用非常方便，性价比较高。3.3PLC的I/O端口分配表依据所选PLC的型号进行I/O点的端口分配，如（表1、表2）所示:表1输入信号端口分配表TablelInputterminalsdistributionlist地址号符号名称用途XOSBl总起动按钮XlSB2主电动机起动按钮X2SB3摇臂上升起动按钮X3SB4摇臂下降起动按钮X4SB5主轴箱、立

13、柱、摇臂松开按钮X5SB6主轴箱、立柱、摇臂夹紧按钮X6SB7总停止按钮X7SB8主电动机停止按钮X8KRlMl电动机过载保护用热继电器X9KR2M3电动机过载保护用热继电器XlOSTl-I摇臂上升用行程开关XllSTl-2摇臂下降用行程开关X12ST2摇臂夹紧、放松用行程开关X13ST3摇臂夹紧用行程开关X14ST4立柱夹紧、放松指示用行程开关X15SA2-1主轴箱夹紧、放松用组合开关X16SA2-2立柱夹紧、放松用组合开关表2输出信号端口分配表Table2Outputterminalsdistributionlist地址号符号名称用途YOKMl主轴旋转接触器YlKM2摇臂上升接触器Y2KM

14、3摇臂下降接触器Y3KM4主轴箱、立柱、摇臂放松接触器Y4KM5主轴箱、立柱、摇臂夹紧接触器Y5YAl主轴箱夹紧、放松用电磁铁Y6YA2立柱夹紧、放松用电磁铁Y7HLl电源工作状态指示信号灯Y8HL2立柱松开指示信号灯Y9HL3立柱夹紧指示信号灯YlOHL4主电动机旋转指示信号灯3. 4PLC的I/O电气接线图的设计图6为PLC的I/O电气接线图，图中X0、XI、X2X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、XlOsXlKX12、X13、X14、X15、X16共用一个COM端，输入开关的其中一端应并接在直流24V电源上，另一端应分别接入相应的PLC输入端子上。接线时注意PLC输入/输出COM端

15、子的极性。接触器的线圈工作电压若为交流110V,则接触器线圈连接的Y0、YkY2、Y3、Y4、Y5、Y6可以共用一个CoM2端。信号灯电源电压为6.3V,因此Y7、Y8、Y9、Y10可以共用一个COMl端。如果输出控制设备存在直流回路，则交流回路直流回路不可共用一个COM端，而应分开使用，本电路的输出端全为交流回路，因此在电源电压相同的接口可共用一个COM端。3.5低压电器的选择正确地选用控制电器是控制线路安全、可靠工作的重要保证。低压电器的选用应符合GB/T14048.1-1992低压开关设备和控制设备总则、GB/T14048.2-1993低压电器外壳防护等级、GB/T14048.2-1994低压开关设备和控制设备低压断路器等国家标准，而且与国际标准接轨,具体选择型号、规格、数量请祥见附录CZ3040型摇臂钻床主要电元器件明细表。SBlSB2SB3SB4SB5SB6SB7SB8KRlKR2STl-ISTl-EST2ST3ST4SA2-1SA2-2不0XOYO