摇臂钻床PLC电气控制系统设计.docx

摘 要
本设计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—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，本设计对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，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，制定了可编程序控制器改造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的SFC图和梯形图程序的设计，由于没有实物，还进行了仿真电路设计。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；电气控制系统；梯形图

Abstract
This design is to studies the machine process in common use Z3040 in inside radial drilling machine electric control system improves problem. The aim is solving device complexity, inferior reliability and stability, malfunction analysis and trouble obviation of the traditional relay electric control system. Because of electric control system PLC there are lots of advantages which include design, install, connect the line and adjust to try workload small, the period of research and manufacture is short, reliability is high, the ability of Anti- interference is very strong, the rate of break down is low, the demand of work environment is low, maintenance convenience a series of advantage etc. Therefore, a work for to the Z3040 radial drilling machine electric control system reforming, will reforming PLC control technique application in the project, then increasing radial drilling machine’s work function. The paper introduces to the control principle of the radial drilling machine. Established the programmable controller improve the design project of electric control system of Z3040 radial drilling machine. Completed the design of the software and hardware of the electric control system, Among them include the model of PLC choice、the I/O allotment of the address、the I/O hardware connects the line diagram、PLC's SFC diagram trapezium diagram’s design, lack of physical, but also simulated circuit design.. It explains that PLC control the work process of radial drilling machine. Discussing the adoption PLC replaces the traditional electric control system’s method and increases the work function of radial drilling machine, give a homologous control principle diagram.
Key words: PLC；Radial drilling machine；Electric Control System；Trapezium diagram

目 录
1 绪论 1
1.1本设计的选题背景和意义 1
1.2 国内外关于本课题的技术研究现状和发展状态 2
2 Z3040摇臂钻床及传统电气控制原理分析 3
2.1 Z3040摇臂钻床简介 3
2.2 Z3040摇臂钻床的结构及运动形式 3
2.2.1 Z3040摇臂钻床的结构 3
2.2.2 摇臂钻床的运动形式 4
2.3 Z3040传统控制线路原理分析 5
2.3.1主电路分析 6
2.3.2信号及照明电路分析 7
2.3.3控制电路分析 8
2.4联锁和保护环节 13
2.4.1 联锁环节 13
2.4.2 保护环节 13
2.5 液压系统 14
2.5.1操纵机构液压系统 14
2.5.2 夹紧机构液压系统 15
3 系统总体方案设计 16
4 基于PLC的Z3040电气控制系统硬件设计 17
4.1 PLC控制系统设计的基本原则 17
4.2 电气控制部分 18
4.2.1 电气控制主电路 18
4.2.2 电机控制 18
4.3 PLC的I/O端口分配表 19
4.4 基于PLC的Z3040摇臂钻床电气控制原理图设计 20
4.5 主要电气元件选型 22
4.5.1 PLC的型号选择 22
4.5.2 电动机选型 24
4.5.3 主令电器选型 24
4.5.4 继电器及选择 26
4.5.5 熔断器及选择 29
4.5.6 其他电器元件及选择 30
5 元器件明细表 31
6 基于PLC的Z3040电气控制系统软件设计 31
6.1 程序SFC图 32
6.2 梯形图 32
6.3 指令表 32
7系统调试 32
7.1 仿真电路设计 32
7.2仿真调试 33
8 结论 37
致谢 38
参考文献 39
附录1 控制系统梯形图 40
附录2 控制系统指令表 42
附录3 摇臂钻床元器件明细表 44

1 绪论
1.1本设计的选题背景和意义
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、镗孔、铰孔及螺纹等。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。它的调速是通过三相交流异步电动机和变速箱来实现的。也有的是采用多速异步电动机拖动，这样可以简化变速机构。摇臂钻床的主轴旋转运动和进给运动由一台交流异步电动机拖动，主轴的正反向旋转运动是通过机械转换实现的。故主电动机只有一个旋转方向。此外，摇臂的上升、下降和立柱的夹紧、放松各由一台交流异步电动机拖动。[1]
目前，我国的Z3040摇臂钻床的电气控制系统普遍采用的是传统的继电器—接触器控制方式。因其所要控制的电机较多所以电路较复杂，在日常的生产作业当中，经常发生电气故障，从而影响生产。另外，一些复杂的控制如：时间、计数控制用继电器—接触器控制方式较难实现，所以，有必要对传统电气控制系统进行改进设计。PLC电气控制系统可以有效的弥补上述系统的这一缺陷。
可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，是从早期的继电器逻辑电气控制系统发展而来，它不断吸收微型计算机控制技术，使之功能不断增强，逐渐适合复杂的电气控制系统。PLC之所以有较强的生命力，在于它更加适应工业现场和市场要求。可靠性高，抗干扰能力强、编程方便、价格低、寿命长。与单片机相比，它的输入/输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件，这样可以大大节省用户的开发时间与生产成本。
现在应用于各种工业控制领域的PLC种类繁多，规模大小和功能强弱千差万别，但他们具有以下一些共同的特点。
可靠性高。可靠性是用户的首选要求，目前各厂家生产的PLC，平均无故障时间都大大超过IEC规定的10万小时，例如：西门子、ABB、松下、三菱等微小型PLC，而且都有完善的自诊断功能，判断故障迅速。
灵活组态。可编程控制器是系列化产品，通常采用模块化结构来完成不同的任务组合。输入输出端口选择灵活，有多种机型，组合方便。
功能强大。除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PTO运算、过程运算、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远程设备。因此，PLC几乎是全能的工业控制计算机。
编程方便，易于使用。PLC的编程可采用与继电器极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言（Sequential Function Chart），使编程更加简单方便。
运行速度快。传统的机电接触电气控制系统通过大量触点的机械动作进行控制，速度很慢，而且系统愈大速度愈慢。PLC的控制速度则由CPU工作速度和扫描速度决定。因此更适合处理高速复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别越来越小 [2]。
同时，PLC还具备了网络功能，能进行多台PLC或PLC与PC机之间的联网通讯，使用PLC可以很方便的构成“集中管理、分散控制”的分布式电气控制系统，通过现场总线的PLC通讯网络，可使工厂的各种资源共享，就更适合于工厂自动化的需要，为工厂自动化提供了技术保证。[3]
正是由于PLC电气控制系统的种种优点,因此本次对Z3040摇臂钻床的电气控制系统的改造,可以大大提高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．同时，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。
1.2 国内外关于本课题的技术研究现状和发展状态
早在上世纪六十年代国外就已经出现了可编程序控制器（PLC）的应用，之后世界各国争相在该领域投入大量资金进行新产品的开发，在1995年西门子又成功地开发出了S7200、S7300系列，它具有 TD 200和 COROS OPS操作模板为用户提供了方便人机界面，用户程序三级口令保护，极强的计算性能，完善的指令集，MPI接口和通过工业现场总线PROFD3US以及以太网联网的网络能力，强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能；模块式结构可用于各处性能的扩展，脉冲输出晶闸管步进电机和直流电机；快速的指令处理大大缩短了循环周期，并采用了高速计数器，高速中断处理可以分别响应过程事件，大幅度降低了成本。由于电气控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司己将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。由于PLC的众多优点，使其迅速在工业控制中得到推广。虽然国内PLC技术的应用前景很大，并且取得了一定的经济效益，而相比之下，由于受经济和技术水平的限制，大多数企业在生产上使用的Z3040摇臂钻床的电气控制系统，还是采用继电器—接触器控制方式，而这种控制方式存在着明显的缺陷和隐患，极易发生故障，而且由于线路复杂，要想找到问题所在也相当的困难，和国外大量采用PLC技术替代继电器—接触器系统相比，我们还存在很大差距。
随着PLC技术在我国的迅猛发展，我们和国外先进技术的差距会不断缩小。因此，抓住这个有利时机进一步促进PLC技术的推广与应用，是提高我国工业自动化水平的迫切任务，此次对于Z3040摇臂钻床电气控制系统改造设计，就是希望借鉴国外先进的工业控制技术，应用到工业现场，以提高摇臂钻床的工作性能。
2 Z3040摇臂钻床及传统电气控制原理分析
2.1 Z3040摇臂钻床简介
　　钻床是一种孔加工设备，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的加工。按用途和结构分类，钻床可以分为立式钻床、台式钻床、多孔钻床、摇臂钻床及其他专用钻床等。在各类钻床中，摇臂钻床操作方便、灵活，适用范围广，具有典型性，特别适用于单件或批量生产带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常见的机床。
　　目前国内较大的摇臂钻床生产厂家主要有：沈阳中捷机床、沈阳机床集团、山东鲁南精机、山东翔宇机床有限公司等。这些厂家都是生产历史较长，质量可靠，有多年信誉的老厂。
2.2 Z3040摇臂钻床的结构及运动形式
2.2.1 Z3040摇臂钻床的结构
如图2.1所示，摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱及工作台等部分组成。
图2.1 摇臂钻床结构示意图
内立柱固定在底座的一端，在他的外面套有外立柱，外立柱可绕内立柱回转360度。摇臂的一端为套筒，它套装在外立柱做上下移动。由于丝杆与外立柱连成一体，而升降螺母固定在摇臂上，因此摇臂不能绕外立柱转动， 只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构、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，可以通过手轮操作，使其在水平导轨上沿摇臂移动。[5]
2.2.2 摇臂钻床的运动形式

图2.2 运动过程流程图
在加工前，要根据摇臂钻床当前的位置进行必要的调整，其包含的运动过程如图2.2所示，当进行加工时，由特殊的加紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上，而外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后进行钻削加工。钻削加工时，钻头一边进行旋转切削，一边进行纵向进给，其运动形式为：
主运动：主轴带动钻头刀具作旋转运动。（主电动机M1驱动）
进给运动：主轴的上、下进给运动（主电动机M1驱动）
辅助运动：①外立柱和摇臂一起绕内立柱作回转运动（手动）
②摇臂沿外立柱作升降运动（升降电动机M2驱动）
③主轴箱沿摇臂长度方向径向移动（手动）
④外立柱与内立柱、摇臂与外立柱、主轴箱与摇臂间的夹紧与放松运动（液压驱动，电动机M3拖动）。
2.3 Z3040传统控制线路原理分析
我国原来生产的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。因此在主回路根据Z3040摇臂钻床电气控制要求，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，它的传统电气原理图如图2.3所示：

图2.3 Z3040摇臂钻床传统电气控制原理图
2.3.1主电路分析
三相电源U、V、W由电源开关SA2控制，熔断器FU1实现对全电路的短路保护（1区），熔断器FU2作摇臂升降电动机M2、液压电动机M3和冷却泵电动机的短路保护。从1区开始就是主电路，主电路有4台电动机。
1） M1(1区) 是主轴电动机，带动主轴的旋转运动和垂直运动，是主运动和进给运动电动机。它由KM1的主触点控制，其控制线圈在7区。热继电器FR1做过载保护，其常闭触点在7区。M1直接起动，单向旋转。主轴的正反转由液压系统和正反转摩擦离合器来实现，空档，制动及变速也由液压系统来实现。
2） M2(2区) 是摇臂升降电动机，带动摇臂沿立柱的上下移动。它由KM2、KM3的主触点控制正反转，其控制线圈分别在9、10区。控制电路保证，在操纵摇臂升降时，首先使液压泵电动机起动旋转，供出压力油，经液压系统将摇臂松开，然后才使电动机 M2 起动，拖动摇臂上升或下降。当移动到位后，保证 M2 先停下，再自动通过液压系统将摇臂夹紧，最后液压泵电机才停下。电动机M2是短时运行，因此不需要过载保护。
3） M3(3区) 是液压泵电动机，带动液压泵送出压力油以实现摇臂的松开、夹紧和主轴箱与立柱的松开、夹紧控制。它由KM4、KM5的主触点控制其正反转,控制线圈分别在11、12区。热继电器FR2作过载保护，其常闭触点在11区。
4） M4（4区）是冷却泵电动机，带动冷却泵供给工件冷却液。由于M4容量较小，因此不需要过载保护，由转换开关SA3直接控制。M4直接起动，单向旋转。
2.3.2信号及照明电路分析
通过控制变压器TC（5区）降压，分别得到照明电路安全电压36V、指示灯电路电压6V和控制电路电压110V。
（1）照明电路中，照明灯EL由主令控制开关SA1控制，由控制变压器TC供给24V安全电压。
（2）在指示灯回路中，指示灯HL1灯亮表示主轴箱和立柱同时处于放松状态，可以手动操作主轴箱移动手轮，使主轴箱沿摇臂水平导轨移动或者推动摇臂连同外立柱绕内立柱回转；指示灯HL2灯表示主轴箱和立柱同时处于夹紧状态，HL2亮表示主轴箱已夹紧在摇臂上，摇臂连同外立柱夹紧在内立柱上，可以进行钻孔加工，这两只指示灯分别由行程开关SQ4的常闭、常开触头控制。HL3为主轴电动机启动旋转指示灯，HL3亮表示主轴电动机带动主轴旋转工作，由接触器KM1的常开辅助触头控制。
2.3.3控制电路分析
2.3.3.1主轴电动机的控制
在主轴电动机启动前，首先将自动开关SA2扳到接通位置，电源指示灯亮。当按下按钮SB1时，交流接触器KM1线圈通电并自锁使主轴电动机旋转，同时主轴电动机旋转的指示灯HL3亮。主轴的正转与反转用手柄通过机械变换的方法来实现。其主轴控制流程图如图2.4所示：

图2.4 主轴控制流程示意图
2.3.3.2摇臂的升降控制
摇臂钻床摇臂的升降由M2作动力，SB3和SB4分别为摇臂升、降的点动按钮，由SB3、SB4和KM2、KM3组成双重锁定的M2正反转点动控制电路。因为摇臂平时是夹紧在外立柱上的，摇臂在升降之前，要先把摇臂松开，再由M2驱动升降；摇臂上升到位后再重新将它夹紧。而摇臂的松、紧是由液压系统完成的；在电磁阀YA线圈通电吸合的条件下，液压泵电动机正转，正向供出压力油进入摇臂的松开油腔，推动松开机构使摇臂松开，摇臂松开后，行程开关SQ2动作、SQ3复位；若M3反转，则反向供出压力油进入摇臂的夹紧油腔，推动夹紧机构使摇臂夹紧，摇臂夹紧后，行程开关SQ3动作，SQ2复位。因此，摇臂升降的电气控制要与松紧机构液压-机械系统(M3与YA)的控制配合进行的。[6]其升降过程如下：
摇臂上升流程示意图：

图2.5 摇臂上升流程示意图
如图2.5所示，当摇臂上升时，按下按钮SB3，时间继电器KT线圈通电，KT常开触点闭合，继而接触器KM4通电闭合，液压泵电动机M3正转，拖动液压泵送出压力油；同时KT的常开断电延时触头KT闭合，电磁阀YA线圈通电，液压泵送出的压力油经二位六通阀进入摇臂夹紧机构的松开油腔，推动活塞和菱形块将摇臂松开。摇臂松开时，活塞杆通过弹簧片压下行程开关SQ2，而行程开关SQ3复位，发出摇臂松开信号，即常开触点SQ2闭合，常闭触点SQ2断开，后者使KM4线圈失电，接触器KM4断开，液压泵电动机M3停转，液压泵停止供油，摇臂维持在松开状态，前者使接触器KM2通电闭合，摇臂升降电动机M2正转，带动摇臂上升。当摇臂上升到一定高度时，松开按钮SB3，接触器KM2、时间继电器KT同时断电，摇臂升降电动机M2依惯性旋转直到停转，摇臂停止上升。而KT的常开断电延时触头KT经延时3s后才断开，常闭断电延时触头KT同样延时3s后才闭合。在延时过程中，接触器KM5任处于断电状态，这段延时确保了摇臂电动机在断开电源后直到完全停止运转才开始摇臂夹紧动作。当KT延时时间到后，常闭断电延时触头KT闭合，KM5线圈通电，接触器KM5触头闭合，液压泵电动机M3反转，液压泵送出压力油，压力油经二位六通阀进入摇臂夹紧机构的夹紧油腔，反向推动活塞和菱形块将摇臂夹紧，活塞杆通过弹簧片压下行程开关SQ3，其常闭触点断开，发出摇臂夹紧信号，YA线圈断电，KM5线圈断电，M3停止旋转，实现摇臂夹紧，上升结束。
摇臂下降示意图：

图2.6 摇臂下降流程示意图
如图2.6所示，当需要摇臂下降时，按下按钮SB4，时间继电器KT通电闭合，继而接触器KM4通电闭合，液压泵电动机M3正转，供给机床正向液压油松开摇臂。摇臂松开后，行程开关SQ2被压下，行程开关SQ3被复位闭合，即常开触点SQ2闭合，常闭触点SQ2断开，继而接触器KM4断开，液压泵电动机M3停转，接触器KM3通电闭合，摇臂升降电动机M2反转，带动摇臂下降。当摇臂下降到一定高度时，松开按钮SB4，接触器KM3、时间继电器KT失电释放，摇臂升降电动机M2停转，接触器KM5通电闭合，液压泵电动机M3反转供给机床反向压力油夹紧摇臂。摇臂夹紧后，行程开关SQ2复位，SQ3断开，液压泵电动机M3停止反转，完成摇臂下降的控制过程。
由此可知，摇臂松开由行程开关SQ2发出信号，而摇臂夹紧由行程开关SQ3发出信号。由于夹紧机构的液压系统出现故障，摇臂夹不紧，或者因SQ3的位置不当在摇臂已夹紧后SQ3仍不能动作，则SQ3的常闭触点长时间不能断开，使液压泵电动机M3出现长期过载，因此，M3设置热继电器FR进行过载保护。
摇臂升降的限位保护由开关SQ1实现，SQ1有两对常闭触点一对实现上限保护，一对实现下限保护。
2.3.3.3主轴箱与立柱的松、紧控制
该传统电气控制系统中，主轴箱与立柱的夹紧与松开是同时进行的。
其流程示意图如下：

图2.7主轴箱与立柱的松、紧控制流程示意图
如图2.7所示，当按下SB5时，接触器KM4线圈通电，液压泵电动机正转，拖动液压泵送出压力油，这时电磁阀YA线圈处于断电状态，压力油经二位六通阀进入主轴箱与立柱松开油腔，推动活塞和菱形块，使主轴箱与立柱松开。由于YA线圈断电，压力油不能进入摇臂松开油腔，摇臂仍处于夹紧状态。当主轴箱与立柱松开时，行程开关SQ4没有受压，常闭触点SQ4闭合，指示灯HL1亮，表示主轴箱与立柱松开。这时可以手动操作主轴箱在摇臂水平导轨上做径向移动，也可推动摇臂使外立柱绕内立柱做回转运动。当移动到位后，按下按钮SB6，接触器KM5线圈通电，M3反转，拖动液压泵送出压力油至夹紧油腔，使主轴箱与立柱夹紧。当确已夹紧时，压下行程开关SQ4，常开触点SQ4闭合，指示灯HL2亮，而常闭触点SQ4断开，指示灯HL1灭，指示主轴箱与立柱夹紧，可以进行钻削加工。
2.4联锁和保护环节
2.4.1 联锁环节
（1）按钮、接触器联锁
在摇臂升降电路中，除了采用按钮SB3和SB4的机械联锁外，还采用了接触器KM2和KM3的电气联锁，即对摇臂升降电动机M2实现了正反转复合联锁。在液压泵电动机M3的正反转控制电路中，接触器KM4和KM5采用了电气联锁，在主轴箱和立柱的夹紧、放松电路中，为保证压力油不供给摇臂夹紧油路，将按钮SB5和SB6的常闭触头串联在电磁阀YA线圈的电路中，以达到联锁目的。
（2） 限位联锁
在摇臂升降电路中，行程开关SQ2是摇臂放松到位的信号开关，其常开触头串联在接触器KM2、KM3线圈中，它在摇臂完全放松到位后才动作闭合，以确保摇臂的升降在其放松运动后进行。
行程开关SQ3是摇臂夹紧到位的信号开关，它在完全夹紧时动作，其常闭触头串联在接触器KM5线圈、电磁铁YA线圈电路中。如果摇臂未夹紧，则行程开关SQ3的常闭触头闭合保持原状，使得接触器KM5线圈、电磁铁YA线圈通电，对摇臂进行夹紧，知道完全夹紧为止，行程开关SQ3的常闭触头才断开，切断接触器KM5线圈、电磁铁YA线圈，确保钻削加工精度。
（2） 时间联锁
通过时间继电器KT延时断开的常开触头和延时闭合的常闭触头，时间继电器KT能保证在摇臂升降电动机M2完全停止后，才能进行摇臂的夹紧动作，时间继电器KT的延时长短由摇臂升降电动机M2从切断电源到停止的惯性大小来决定。[7]
2.4.2 保护环节
（1）短路保护
在主电路中，利用熔断器FU1作总电路和电动机M1、M4的短路保护，利用熔断器FU2作电动机M2、M3和控制变压器T一次侧的短路保护，在控制电路中，利用熔断器FU3作照明回路的短路保护。
（2）过载保护
在主电路中，利用热继电器FR1作主轴电动机M1的过载保护，利用热继电器FR2作液压泵电动机M3的过载保护。如果由于液压系统的夹紧机构出现故障不能夹紧，那么行程开关SQ3的触头将断不开，或者由于行程开关SQ3安装调整不当，摇臂夹紧后仍不能压下行程开关SQ3，这时都会使液压泵电动机M3处于长期过载状态，易将M3烧毁。M2为短时工作，不用设长期过载保护。
（3）限位保护
摇臂升降的极限位置保护由组合行程开关SQ1来实现。行程开关SQ1有两对常闭触头，他们分别串联在摇臂升降控制电路接点中，当摇臂上升或下降带极限位置时相应触头动作，切断与其对应的上升或下降接触器KM2和KM3，使摇臂升降电动机M2停止旋转，摇臂停止升降，实现极限位置保护。
（4）失压（欠压）保护
主轴电动机M1采用按钮与自保护控制方式，具有失压保护，各接触器线圈自身亦具有欠电压保护功能。
2.5 液压系统
该机床采用先进的液压技术，具有两套液压控制系统：一套是操纵机构液压系统，由主轴电动机拖动齿轮泵输送压力油，通过操纵机构实现主轴正/反转、停车制动、空挡、预选与变速；另一套由液压泵电动机拖动液压泵输送压力油，实现摇臂的夹紧与放松，主轴箱和立柱的夹紧与松开。
2.5.1操纵机构液压系统
该系统压力油由主轴电动机拖动齿轮泵送出，由主轴操作手柄来改变两个操纵阀的相互位置，使压力油作不同的分配，获得不同动作。操作手柄有上、下、里、外和中间五个空间位置。其中上为“空挡”，下为“变速”，外为“正转”，里为“反转”，中间位置为“停车”。而主轴转速及主轴进给量各由一个按钮预选，然后再操作主轴手柄。
主轴旋转时，首先按下主轴电动机启动按钮，主轴电动机启动旋转，拖动齿轮泵，送出压力油。然后操纵主轴手柄，扳至所需转向位置（里或外），于是两个操纵阀相互位置改变，使一股压力油将制动摩擦离合器松开，为主轴旋转创造条件；另一股压力油压紧正转（或反转）摩擦离合器，接通主轴电动机到主轴的传动链，驱动主轴正转或反转。
在主轴正转或反转的过程中，可转动变速按钮，改变主轴转速或主轴进给量。
主轴停车时，将操作手柄扳回至中间位置，这时主轴电动机仍拖动齿轮泵旋转，但此时整个液压系统为低压油，无法松开制动摩擦离合器，而在制动弹簧作用下将制动摩擦离合器压紧，使制动轴上的齿轮不能转动，实现主轴停车。因此主轴停车时主轴电动机仍在旋转，只是不能将动力传到主轴。
主轴变速与进给变速：将主轴操作手柄扳至“变速位置”，于是改变两个操纵阀的相互位置，使齿轮泵送出的压力油进入主轴转速预选阀和主轴进给量预选阀，然后进入各变速油缸。变速液压缸为差动液压缸，具体哪个液压缸上腔进压力油或回油，视所选择主轴转速和进给量大小。与此同时，另一油路系统推动拔叉缓慢移动，逐渐压紧主轴转速摩擦离合器，接通主轴电动机到主轴的传动链，带动主轴缓慢移动，称为缓速，以利于齿轮的顺利啮合。当变速完成，松开操作手柄，此时手柄在弹簧作用下由“变速”位置自动复位到主轴“停车”位置，然后再操纵主轴正反转，主轴将在新的转速或进给量下工作。
主轴空挡：当操作手柄扳向“空挡”位置，这时压力油使主轴传动中的滑移齿轮处于中间脱开位置。这时，可用手轻便地转动主轴。[8]
2.5.2 夹紧机构液压系统
主轴箱、内外立柱和摇臂的夹紧与松开，是由液压泵电动机拖动液压泵送出压力油，推动活塞、菱形块来实现的。其中主轴箱和立柱的夹紧放松由一个油路控制，而摇臂的夹紧放松因要与摇臂的升降运动构成自动循环，因此由另一个油路来控制。这两个油路均由电磁阀操纵。
夹紧结构液压图如图2.8所示。[9][10]

图2.8 夹紧结构液压系统原理图
控制摇臂松开时，电磁阀YA线圈通电，液压泵电动机启动正转，拖动液压泵送出正向压力油经该夹紧机构将摇臂放松。控制摇臂夹紧时，电磁阀YA线圈仍通电，液压泵电动机反向旋转，拖动液压泵电动机送出反向压力油经该夹紧机构将摇臂夹紧。摇臂完全夹紧后，YA线圈断电，为保证摇臂在加工工件前总是处于夹紧状态，电磁阀YA线圈始终保持断电状态。
主轴箱、立柱松紧控制是同时进行的，此时电磁阀YA线圈断电。控制主轴箱、立柱松开时，启动液压泵电动机M3，M3正转，拖动液压泵送出正向压力油经该夹紧机构将主轴箱和立柱分别实现放松。控制主轴箱、立柱夹紧时，起动液压泵电动机M3，M3反转，拖动液压泵送出反向压力油经该夹紧机构将主轴箱和立柱分别实现夹紧。
电磁阀YA线圈通电情况如表2.1所示。
表2.1二位六通电磁阀工作表
　动 作
YA通电
YA断电
摇臂松开
+
-
摇臂夹紧
+
-
摇臂上升
+
-
摇臂下降
+
-
主轴箱、立柱松开
-
+
主轴箱、立柱夹紧
-
+
3 系统总体方案设计
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术、网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。[10]
可编程控制器( PLC) 是以微处理器为核心的一种新型工业控制装置, 它具有体积小、功能强、编程简单、可靠性强等优点, 特别是它的抗干扰性能强, 已成为当代工业自动化的主要支柱之一。[11]目前, 在实际生产过程中, 由于液压系统能提供较大的驱动力, 且运动传递平衡、均匀、可靠及控制方便, 因而被广泛应用于机床设备中, 而把液压系统与PLC 控制结合起来, 即可实现液压系统的自动化。
传统继电器控制方式，由于电路接线复杂，触点多，噪音大，可靠性差，故障诊断与排除困难等缺点，编程复杂，不直观，不易读懂。而采用PLC控制具有以下优点：
(1)信号处理时间短，运行速度快，具有很强的实时性。
(2)所有的I/O输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控制器内部电路之间电气上隔离；各模块均采用屏蔽措施，以防止噪声干扰；良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，以防止故障扩大，因此具有很高的可靠性。
(3)I/O卡件种类丰富，可根据自控工程实现功能要求不同，而进行不同的配置，系统配置简单灵活。
(4)控制系统采用模块化结构。
(5)质优价廉，性价比高，安装简单，维修方便。
综合两者的优缺点，采用PLC控制更能合理地对Z3040摇臂钻床进行控制，设计总体方案如图3.1所示。

图3.1 系统改造方案图
4 基于PLC的Z3040电气控制系统硬件设计
4.1 PLC控制系统设计的基本原则
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
(1)最大限度的满足被控对象的控制要求。设计前应深入现场进行调查研究，搜集资料并于机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。
(2)在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用，维修方便。
(3)保证控制系统的安全、可靠。
(4)考虑到生产发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。[12]
4.2 电气控制部分
4.2.1 电气控制主电路
本次设计需要实现的是PLC代替传统的继电器对摇臂钻床进行电气控制，所以主电路基本不变，重点根据控制要求对控制电路进行设计。
在系统设计中，所用到的四台电动机的控制线路如图4.1所示，主轴电动机（M1）和液压泵电动机（M3）的旋转，摇臂升降电动机（M2)正反转均由接触器控制，而冷却泵电动机（M4）由转换开关控制， M1、M3设置长期过载保护。

图4.1 Z3040摇臂钻床主电路图
4.2.2 电机控制
（1）直接启动
四台三相鼠笼异步电动机按加工顺序的需要均采用直接启动，直接启动是一种简单、可靠、经济的启动方法，但由于直接启动时，电动机的启动电流Ist为额定电流In的4—7倍，过大的启动电流一方面会造成电网电压显著下降，直接影响同一电网工作的其他电动机及用电设备正常运行，另一方面电动机频繁启动会严重发热，加速线圈老化，缩短电动机的寿命，所以直接启动电动机的容量受到一定的限制，一般容量不超过10KW的电动机采用直接启动。[13]图3.1所示为接触器控制的电动机直接启动控制线路。
（2）正反转控制
从电机原理中得知，改变电动机定子绕组的电源相序，就可实现电动机旋转方向的改变。液压泵电动机通过两个接触器改变电源相序来实现电动机正反转控制。摇臂升降电动机通过两个接触器改变电源相序来实现电动机正反转控制。可逆运行控制线路实质上是两个方向相反的单项运行线路的组合。
4.3 PLC的I/O端口分配表
跟据输入输出口的数量，进行I/O点的端口分配，如下（表4.1、表4.2）所示：
表4.1 输入信号端口I/O分配表
符号
地址
名称
SQ1-1
X0
摇臂上升限位开关
SQ1-2
X1
摇臂下降限位开关
SQ2
X2
摇臂松开行程开关
SQ3
X3
摇臂夹紧行程开关
SQ4
X4
主轴箱和立柱松紧行程开关
SB1
X5
M1的停机按钮
SB2
X6
M1的启动按钮
SB3
X7
摇臂上升按钮
SB4
X10
摇臂下降按钮
SB5
X11
控制主轴箱和立柱松开按钮
SB6
X12
控制主轴箱和立柱夹紧按钮
FR1
X13
M1热继电器
FR2
X14
M3热继电器

表4.2 输出入信号端口I/O分配表
符号
地址
名称
KM1
Y0
M1接触器
KM2
Y1
M2正转接触器
KM3
Y2
M2反转接触器
KM4
Y3
主轴箱和立柱松开M3接触器
KM5
Y4
主轴箱和立柱夹紧M3接触器
YA
Y5
电磁阀
HL1
Y6
主轴箱和立柱松开指示灯
HL2
Y7
主轴箱和立柱夹紧指示灯
HL3
Y10
M1工作指示灯
4.4 基于PLC的Z3040摇臂钻床电气控制原理图设计
根据I/O点的端口分配表，设计出基于PLC的Z3040摇臂钻床电气控制原理图，如图4.2所示，图中X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X10、X11、X12、X13、X14共用一个COM端，输入开关的其中一端并接在直流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端子的极性。接触器的线圈工作