毕业设计基于PLC的摇臂钻床控制系统改造.doc

基于PLC的摇臂钻床控制系统改造

摘 要
本设计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、故障诊断和排除费时费力等难题。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，本设计对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，以提高摇臂钻床的工作性能。设计中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控制方案，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与接线图。
关键词：可编程控制器，摇臂钻床，梯形图，电气控制系统

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一、Z3050摇臂钻床的控制原理图

Z3050摇臂钻床的结构与运动形式
Z3050摇臂钻床一般由底座、外立柱、摇臂、主轴箱、和工作台等部件组成。
Z3050摇臂钻床的运动形式
主运动 摇臂钻床主主轴带着钻头（刀具）的旋转运动。
进给运动 摇臂钻床主轴的垂直运动（手动或自动）。
辅助运动 辅助运动用来调整主轴（刀具）与工件纵向，横向即水平面上的相对位置以与相对高度。
1.3 Z3050摇臂钻床的电气控制系统分析
(1)主电路分析
三相电源由低压断路器QS控制。M1为单向旋转，由接触器KM1控制，主轴的正反转时另一套由主轴电动机拖动齿轮泵送出的压力油的液压系统，经“主轴变速，正反转与空挡”操作手柄来获得的。M1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，不用设计过载保护，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电机容量小，仅0.125KW,由开关SA1控制启动，停止。
（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-停止控制电路，M1起动后，指示灯HL3亮，表示主轴电动机在旋转。
2）摇臂升降与夹紧、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，当摇臂移动到位后，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与正反转接触器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与夹紧、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（23-25）KT（1-29）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，推动活塞和菱形块，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（9-23）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（9-11）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。
当摇臂上升到预订位置，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（29-31）闭合，KM5线圈通电，使液压泵电动机M3反转，触头KT（1-29）断开，但SQ3复位而使电磁阀YV仍得电，送出的压进入摇臂夹紧油腔，反向推动活塞与菱形块，使摇臂夹紧。这段延时就确保了横梁升降电动机在断开电源依惯性旋转经1～3s时间，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梁升降电动机在断开电源依惯性旋转经1～3s完全停止旋转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（1-29）断开，KM5线圈断电，M3停止旋转，YV线圈失电，摇臂夹紧完成。摇臂夹紧的行程开关SQ3应调整到摇臂夹紧后能够动作，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电动机正转，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与主轴箱同时松开。当立柱与主轴箱松开后，行程开关SQ4不受压复位，触头SQ4（101-107）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正转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（101-107）断开，HL1灯灭，触头SQ4(101-109)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联在电磁阀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～FU5实现电路的短路保护。
热继电器FR1、FR2为电动机M1、M3的过载保护。
（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为主轴旋转工作指示灯。
EL机床局部照明灯，由控制变压器TC供给24V安全电压，由手动开关SA2控制。
1.4 Z3050摇臂钻床电气控制的特点与故障分析
(1)Z3050摇臂钻床电气控制的特点
1）Z3050摇臂钻床是机、电、液的综合控制。机床有二套液压系统：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；另一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程序要求，这些由电气控制电路保证。
3）电路具有完善的保护和联锁，有明显的信号指示。
（2）故障分析
摇臂钻床电气控制的特殊环节是摇臂升降，立柱和主轴箱的夹紧和松开。Z3050型摇臂钻床的工作过程是由电气，机械以与液压系统密切配合实现的。因此，在维修中不仅要注意电气部分能否正常工作，还要注意它与机械和液压部分的协调关系。
1）摇臂不能升降 由摇臂升降过程可知，升降电动机M2旋转，带动摇臂升降，其条件是使摇臂冲立柱上完全松开后，活塞杆压合位置开关SQ2.所以发生故障时，应首先检查位置开关SQ2是否动作，如果 SQ2不动作，常见故障原因时SQ2的安装位置移动或已损坏。这样摇臂虽已放松，但活塞好杆压不上SQ2，摇臂就不能升降。有时，液压系统发生故障，使摇臂放松不够，也会压不上SQ2,使摇臂不能运动。由此可见，SQ2的位置非常重要，排除故障时，应配合机械，液压调整好后紧固
2)摇臂升降后不能夹紧 由摇臂夹紧的动作可知，夹紧动作的结果是由位置开关SQ3来完成的，如果SQ3动作过早，会使M3尚未夹紧就停转，常见的故障原因是SQ3安装位置不合适，或固定螺钉松动造成的SQ3移位，使SQ3在摇臂夹紧动作尚未完成时就被压上，切断KM5回路，M3停转。
判断此故障时，首先判断是液压系统的故障，还是电气系统故障，对电气方面的故障，应重新调整SQ3的动作距离，固定好螺钉即可。
3）立柱和主轴箱不能夹紧和松开 立柱和主轴箱不能夹紧和松开的可能原因是油路堵塞、接触器KM4或KM5不能吸和所致。出现故障时，应检查按钮SB6、SB7的接线情况是否良好。若KM4或KM5能吸和，M3能运转，可排除电力方面的故障，则应请液压、机械修理人员检修油路，以确定是否是油路故障。
4）摇臂上升或下降限位保护开关失灵 组合开关SQ1的失灵分两种情况：一是组合开关SQ1损坏，SQ1触头不能因开关动作而闭合或接触不良使电路断开，由此使摇臂不能上升或下降；二是组合开关SQ1不能动作，触头熔焊，使电路始终处于接通状态，当摇臂上升或下降到极限位置后，摇臂升降电动机M2发生赌转，这时应立即松开SB4或SB5。根据上述情况进行分析，找出故障原因，更换或修理失灵的组合开关SQ1即可。
5）按下SB6，立柱、主轴箱不能夹紧，使摇臂释放后就松开 由于立柱、主轴箱的夹紧和放松机构采用机械菱形快机构，所以这种故障多为机械故障原因造成（可能是菱形快和承压块的角度方向装错，作者距离不适当。如果菱形块立不起来，这是因为夹紧力调的太大或夹紧液压系统压力不够所致），可找机械维修工

3.2 PLC的I/O分配表
表1 PLC的I/O配置
输入端
输出端
输入设备
功能
地址
输出设备
功能
地址
SB1
主轴停止按钮
I0.0
KM1
主轴电动机接触器
Q0.0
SB2
主轴点动按钮
I0.1
KM2
摇臂上升接触器
Q0.1
SB3
摇臂上升按钮
I0.2
KM3
摇臂下降接触器
Q0.2
SB4
摇臂下降按钮
I0.3
KM4
液压电动机正转接触器
Q0.3
SB5
主轴箱、立柱松开按钮
I0.4
KM5
液压电动机反转接触器
Q0.4
SB6
主轴箱、立柱夹紧按钮
I0.5
YV
电磁阀
Q0.5
SQ1
摇臂上升限位开关
I0.6
HL3
指示灯
Q0.6
SQ1
摇臂下降限位开关
I0.7
HL2
指示灯
Q0.7
SQ2
摇臂松开限位开关
I1.0
HL1
指示灯
Q1.0
SQ3
摇臂夹紧限位开关
I1.1

FR1
热继电器
I1.2

FR2
热继电器
I1.3

SQ4
外立柱、主轴箱与摇臂夹紧、放松限位开关
I1.4

3.3 PLC的外部接线图

图4 PLC的I/O接线图
4.2 Z3050型摇臂钻床PLC控制系统梯形图
Z3050型摇臂钻床主要是电动机正反转控制和限位控制，相对比较简单。根据控制要求，并参考电气控制线路图，可直接画出PLC控制的梯形图。具体梯形图如下图：

图5 PLC梯形图
4.2.2 梯形图解析
电源接通，通过IO.O和I1.2常闭开关，使线圈M0.0得电，按下I0.1使M0.1线圈得电，同时Q0.0得电，并自锁，这时主轴电机得电动作。
接通I0.2，通过SQ1U常闭开关，使线圈M0.2得电，进一步使T37定时器得电开始计时，2秒后T37的常开开关闭合，使线圈M1.3得电，通过I0.4的常闭开关，使线圈M1.6得电，再通过I0.5的常闭开关，使线圈M1.7得电，同时Q0.5得电，这时表示六位二通阀YV得电。
接通I0.3，通过SQ1D常闭开关，也能使线圈M0.2得电，进一步使T37定时器得电开始计时，2秒后T37的常开开关闭合，使线圈M1.3得电，通过I0.4的常闭开关，使线圈M1.6得电，再通过I0.5的常闭开关，使线圈M1.7得电，同时Q0.5得电，表示六位二通阀YV得电
接通I0.2，使线圈M0.2得电，使定时器T37得电，2秒后T37的常开开关闭合，线圈M0.2得电，通过I1.0的常闭开关，使线圈M1.0得电，再通过T37闭合的常开开关，使线圈M1.1得电，再通过Q0.4和I1.3的常闭开关，使线圈M1.2得电，同时使Q0,3得电，这时表示主轴箱和立柱松开。
接通I0.3，使线圈M0.2得电，使定时器T37得电，2秒后T37的常开开关闭合，线圈M0.2得电，通过I1.0的常闭开关，使线圈M1.0得电，再通过T37闭合的常开开关，使线圈M1.1得电，再通过Q0.4和I1.3的常闭开关，使线圈M1.2得电，同时使Q0,3得电，也能表示主轴箱和立柱松开。
接通I0.4，使线圈M1.1得电，也能表示主轴箱和立柱松开。
先接通I0.2，使主轴箱和立柱松开松再接通I1.0，使线圈M0.3得电，通过I0.3的常闭开关，使线圈M0.4得电，再通过Q0.2的常闭开关，使线圈M0.5得电。同时Q0.1得电，接通I0.2的同时，I0.2的常闭开关打开，在M0.3得电时无法通过I0.2的常闭开关使M0.6得电，无法进一步使线圈M0.7与Q0.2得电，这时摇臂上升。
先接通I0.3，使主轴箱和立柱松开，再接通I1.0，使线圈M0.3得电，通过I0.2的常闭开关，使线圈M0.6得电，再通过Q0.1的常闭开关，使线圈M0.7得电。同时Q0.2得电，接通I0.3的同时，I0.3的常闭开关打开，在M0.3得电时无法通过I0.3的常闭开关使M0.4得电，无法进一步使线圈M0.5与Q0.1得电，这是I0.2和I0.3的互锁。这时摇臂下降。
在摇臂上升或下降完毕后，接通I1.1或I0.5，使线圈M1.3得电，再通过T37的常闭开关，使线圈M1.4得电，进一步通过Q0.3和I1.4的常闭开关，使线圈M1.5得电，同时Q0.4得电，这时主轴箱和立柱已夹紧。
接通I0.1，使Q0.6得电，这时主轴指示灯亮。
接通I1.4，使Q0.7得电，这是表示主轴箱和立柱已夹紧。
接通电源，通过I1.4的常闭开关，使Q1.0得电，表示主轴箱和立柱已松开。

总结
本设计介绍德国西门子公司生产的SIMATIC S7-200系列PLC 在Z3050型摇臂钻床电气控制线路的PLC改造系统的应用设计，关键是系统总体的设计，核心则是控制程序设计。重点要掌握PLC系统设计的基本原则和设计的一般流程，要有一个整体的概念。在满足控制要求、环境要求和性价比等条件下，合理选择PLC的机型和硬件配置，正确的进行存估算，合理选择输入/输出模块，完成PLC的硬件与软件的设计。通过研究得到几下结论：
(1)成果
可编程控制器是一种广泛应用于工业现场的新型控制器，具有结构简单，抗干扰性强，编程方便等特点，本课题采用PLC自动控制技术取代了传统继电器—接触器电气控制系统，实现了对Z3050摇臂钻床的自动控制，从而提高了机床的工作效率、工作稳定性和可靠性，而且，还大大降低了维修人员的劳动强度，改善了产品的加工质量，降低了设备故障率，提高了生产率。另外，通过这次毕业设计使我对PLC和电控方面的知识又有了更加深刻的理解和掌握，为今后走向工作岗位从事相关工作奠定了很好的基础。
（2）不足之处
由于时间、水平有限，还有许多功能有待扩展、完善。主要是没有对所控制电动机的调速问题进行研究，包括主电动机、升降电动机、液压泵电动机的调速只能通过机械调速或多速电机来进行，属于有级调速，其加工围将受到某些限制，系统仅限于逻辑开关量的控制，对于PLC的许多高级指令没有应用到。以上问题有待今后进一步研究解决。

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外文资料
PLC control advantage

Any control system from concept to enter factory work have to undergo four stages. PLC system in each stage has advantage.
The first stage is designed to plant needs, study and formulate control strategy, the traditional operating platform design and manufacture must be finished before in design. PLC system just need is a vague about the size of the machine may idea and I/O number of requirements (much input and output interface). In this phase input and output chip very cheap, so can a built-in very sound reserve capacity, it allows used to supplement omission for future expansion project and prepare it.
Secondly, the traditional design scheme is, every job is a "once moldings" the inevitable caused engineering delays and increase costs. A PLC systems use the simplest standard bolt together. In such a connection next began writing PLC program (or at least the program codes) write detailed.
The next stage is to install, installation is a kind of complicated and expensive work, such as the install sensors, actuators, limit switch system and the host of connection. Distributed PLC systems use serial links type pre-compiled, testing interface can be simplified install it have come at a huge cost advantage. PLC program most in this stage finish.
Finally commissioning, and this is what is the advantage of PLC real were excavated part. Without any equipment in the first would work normally. Such is human nature, there's some omissions. And the traditional system changes, compared the time-consuming and expensive PLC designer provided system built-in backup memory reserves, spare I/O and some spare much core cable, most of the changes to can be quickly and relatively cheap completed, another benefit is that all changes PLC has records, program degugging and modify won't because unrecorded lost. This is a regular system often happens in the problem.
There is an additional fifth stage, maintenance, once started work, and hand over the production has produced maintenance. All equipment all have weaknesses, most equipment in the wrong mode spent much of their time. PLC system provides a very powerful tool to help diagnose failure.

PLC的控制优势
任何控制系统从概念到进入工厂工作都要经历四个阶段。PLC系统在每一个阶段都有优势。
第一个阶段是设计，对工厂的需要进行研究和制定控制策略，传统的运行平台的设计和制造必须在设计进行前完成。PLC系统仅仅需要的是一个模糊的关于机器的可能大小的想法和I/O数量的要求（多少输入和输出接口）。在这个阶段输入和输出芯片十分便宜，所以可以置一个很健全的备用容量，它允许用来补充遗漏项目和为未来的扩充做准备。
其次是设计，传统的方案是，每一项工作都是“一次成型”这不可避免的造成了工程拖延和增加成本。一个的PLC系统使用最简单的标准件螺栓连接在一起。在这样的连接下开始编写PLC程序（或者至少是写入详细的程序规）。
下一阶段是安装，安装是一种繁琐和昂贵的工作，例如安装传感器、执行器、限制开关系统和主机的连接。分布式PLC系统使用串行链路式的预编译，测试界面可以简化安装它带来了巨大的成本优势。PLC的程序多数在这个阶段完成。
最后是调试，而这正是PLC真正的优势被发掘的部分。没有任何设备在第一次就正常工作。人性就是这样，总会有一些疏漏。与传统的系统变动情况的耗时和昂贵相比，PLC的设计师提供了系统的置备用存储量、备用I/O和一些备用多芯电缆向，多数的变动能迅速和相对便宜的完成，另一个好处是，所有的变化PLC都有记录，程序的调试和修改不会因为没有被记录而遗失，这是一个经常发生在常规系统中的问题。
还有一个额外的第五阶段，维护，一旦启动工作，并移交生产就产生了维护的问题。所有设备都有缺点，大多数设备在错误的模式中度过了它们大部分的时间。PLC系统提供了一个非常强大的工具帮助诊断故障。