Z3050型摇臂钻床的PLC改造设计

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专业综合设计与实践任务书

学院： 专业：电气工程及其自动化 班级：

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目录

1.改造的目及原因......................................................................................................... 3 2.摇臂钻床工作原理..................................................................................................... 3 3.电气控制线路分析..................................................................................................... 4

3.1主电路分析....................................................................................................... 4 3.2控制电路分析................................................................................................... 5

3.2.1主轴电机M1的控制 ............................................................................. 6 3.2.3摇臂升降控制......................................................................................... 6 3.2.3立柱和主轴箱的夹紧与放松控制......................................................... 7 3.2.4冷却泵电机M4的控制 ......................................................................... 7 3.2.5照明、指示电路分析............................................................................. 7

4.Z3050控制系统PLC改造设计 ................................................................................ 8

4.1系统主要组成部分........................................................................................... 8 4.2PLC的选型 ....................................................................................................... 9 5.输入输出设计........................................................................................................... 10 6.梯形图设计............................................................................................................... 11 7.调试........................................................................................................................... 12 8.总结........................................................................................................................... 12 [参考文献] ................................................................................................................... 13 附录.............................................................................................................................. 14

主电路................................................................................................................... 14 PLC外部接线图 .................................................................................................. 15 原理图................................................................................................................... 16 梯形图................................................................................................................... 17

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1.改造的目及原因

传统机床控制系统基本上采用交流继电器接触器控制方式，可靠性较差。存在触点寿命低、故障率高、线路维护困难等缺点。可编程控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种工业自动控制装置，应用灵活、可靠性高、维护方便。应用PLC对传统机床控制系统进行改造可取得良好效果将把 PLC 控制技术应用到改造 Z3050 摇臂钻床电气控制系统中去，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。论文对摇臂钻床主电路进行了分析，对控制线路进行了详细的阐述，完成了电气制系统硬件和软件的设计，其中包括 PLC机型的选择、输入输出信号及地址的分配、I/O 端口的分配、PLC 梯形图程序的设计。

2.摇臂钻床工作原理

（1）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（M1），摇臂升降电动（M2），液压泵电动机（M3）和冷却泵电动机（M4），这些电动机都采用直接启动方式。

（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。

（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。

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（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。

（5）摇臂升降电动机要求能正反向旋转，这样就可以实现摇臂的升降。

（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。

（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。

（8）冷却泵电动机带动冷却泵提供冷却液，只要求单向旋转，另外由于整个过程都需要冷却液，所以采用断路器直接启动方式。

（9）具有连锁与保护环节以及安全照明、信号指示电路。

3.电气控制线路分析

3.1主电路分析

Z3050型摇臂钻床共有四台电机，除冷却泵电机采用断路器直接启动外，其余三台异步电机均采用直接启动。

M1 是主轴电动机，由交流接触器KM1控制，只要求单方向旋转，主轴的正反转由机械手柄操作。M1装于主轴箱顶部，拖动主轴及进给传动系统运转。FR1作为电动机M1的过载及断相保护，

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短路保护由断路器QF1中的电磁脱扣装置来完成。

M2 是摇臂升降电动机，装于立柱顶部，用接触器KM2和KM3控制其正反转。由于电机M2是间断性工作，所以不设过载保护。

M3 是液压泵电机，用接触器KM4和KM5控制其正反转。由热继电器FR2作为过载及断相保护。该电机的主要作用是拖动油泵供给液压装置压力油，以实现摇臂、立柱以及主轴箱的松开和夹紧。

摇臂升降电机M2和液压油泵电机M3共用断路器QF3中的电磁脱扣器作为短路保护。

M4 是冷却泵电机，有断路器QF2直接控制并以实现短路、过载及断相保护。主电路电源电压为交流380V，由断路器QF1作为电源引入开关。

3.2控制电路分析

控制电路电源由控制变压器TC降压后供给110V电压，熔断器FU1作为短路保护。

开车前的准备工作。为了保证操作安全，本钻床设有“开门断电”功能。所以开车前应将立柱下部及摇臂后部的电气箱门盖关好，方能接通电源。合上QF3及总电源开关QF1，则电源显示灯HL1亮，表示钻床的电气线路已进入带点状态。

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3.2.1主轴电机M1的控制

按下启动按钮SB3，接触器KM1吸合并自锁，使主轴电机M1启动运行，同时指示灯HL2亮。按下停止按钮SB2，接触器KM1释放，使主轴电机M1停止转动，同时HL2熄灭。

3.2.3摇臂升降控制

按下上升按钮SB4(或下降按钮SB5)，则时间继电器KT1线圈通电吸合，其瞬时闭合的触头闭合，KM4接触器线圈通电，液压泵电机启动，正向旋转，供给压力油。压力油经分配阀体进入摇臂的“松开油腔”，拖动活塞移动，活塞推动菱形块，降摇臂松开，同时活塞杆通过弹簧片压下位置开关SQ2，使其常闭触头断开，常开触头闭合。前者切断了接触器KM4的线圈电路，KM4主触头断开，液压泵电机M3停止工作。后者使交流接触器KM2（或KM3）的线圈通电，KM2(或KM3)的主触头接通的电源，摇臂升降电机启动旋转，电动摇臂上升（或下降）。如果此时摇臂尚未松开，则位置开关SQ2的常触头则不能闭合，接触器KM2(或KM3)的线圈无电，摇臂就不能上升(或下降)。

当摇臂上升或下降所到需位置时，松开按钮SB4(或SB5)，则接触器KM2(或KM3)和时间继电KT1器同时释放，停止工作，随之摇臂停止上升(或下降)。

由于时间继电器KT1断电释放，经1-3秒时间延时后，其延时闭合的常闭触头闭合，使接触器KM5吸合液压泵电机反向旋转，

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随之泵内压力油经分配阀进入摇臂的“夹紧油腔”使摇臂夹紧。在摇臂夹紧后，活塞杆推动弹簧片压下的位置开关SQ3，其常闭触头断开，KM5断电释放，M3最终停止工作，完成了摇臂的松开-上升（或下降）-夹紧的整套动作。

3.2.3立柱和主轴箱的夹紧与放松控制

立柱和主轴箱的夹紧（或放松）既可以同时进行也可以单独进行，由转换开关SA1和复合按钮SB6（或SB7）进行控制。SA1三个位置，搬到中间位置时，立柱和主轴箱夹紧(或放松)同时进行；扳到左边位置时，立柱夹紧（或放松）；扳到右边时，主轴箱夹紧（或放松）。复合按钮SB6是松开控制按钮，SB7是夹紧控制按钮。

3.2.4冷却泵电机M4的控制

扳动断路器QF2就可以接通或切断电源，操纵冷却泵电机M4的工作或停止。

3.2.5照明、指示电路分析

照明、指示电路的电源也由控制变压器TC降压后提供24V、6V的电压，由熔断器FU3、FU2做短路保护，EL时照明灯，HL1时电源指示灯，HL2是主轴指示灯。

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4.Z3050控制系统PLC改造设计

4.1系统主要组成部分

三菱FX2N 接触器五个

KM1交流接触器CJ0-20B线圈电压110V KM2-KM5交流接触器CJ0-10B线圈电压110V 空气开关三个

QF1低压断路器DZ5-20/330FSH10A QF2低压断路器DZ5-20/330H0.3-0.45A QF3低压断路器DZ5-20/330H6.5A

热继电器二个

FR1热继电器JR0-20/3D6.8-11A FR2热继电器JR0-20/3D1.5-2.4A 电机四台

M1主轴电机Y112M-44KW、1400r/min M2摇臂升降电机Y90L-41.5KW、1400r/min M3液压油泵电机Y802-40.75KW、1390 r/min M4冷却泵电机AOB-2590W、2800 r/min

在用PLC控制系统时，为节省I/O点，主轴电机的过载保护热继

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电器FR1及液压泵电机的过载保护热继电器FR2的动断触点串接入PLC,共用一个输入点。冷却泵电机由组合开关直接启动，不接入PLC。个指示灯与相应的接触器并联输出或直接由相应开关控制，不单独占用I/O点。

控制要求分析主电机启动停止能实现主电机长动和停止功能摇臂上升下降当摇臂上升的时候须先松开摇臂，松开要不到位后方能上升，且有超行程保护。下降同理。能对立柱和主轴箱实现单独或同时控制其松开夹紧。

4.2PLC的选型

在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

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5.输入输出设计

输入信号

输出信号

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6.梯形图设计

对整个电路的控制可以分为两个部分：外部电路控制和PLC电路控制。外部电路只分为总的电路通断控制，另外就是冷却泵电机的控制，分别有QS1和QS2控制。PLC控制电路分别是对主轴电机、上升和下降电机以及松开和夹紧电机的控制，使其能够完成系统需完成的功能。

梯形图功能模块设计流程图如图所示：

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7.调试

本设计是对Z3050型摇臂钻床的PLC改造，因此设计完成后需要将PLC接在电路中取代以前的控制电路。调试过程中按原来的控制思路对PLC输入进行控制，看输出是否可以达到系统所需达到的要求

调试时的注意事项：

(1)注意输入、输出信号线一定不要按错或接反，以免增加调试工作量。(2)认真检查输入程序。根据执行出现的错误逻辑现象，判断出错程序段，逐步缩小范围，最后纠正错误、完成调试。(3)位置发生错误时，关掉可编程序控制器电源，将转盘位移到最下方，并将码盘置位，然后重新通电，将程序中位置计数器复位。

8.总结

本次设计的内容主要是利用PLC（Programmable Logic Controller）对z3050摇臂钻床的控制部分进行改造。我先对本次的设计进行了总体的思考和分析，使自己对z3050摇臂钻床的基本结构、运动情况、加工工艺要求等有一定的了解。Z3050摇臂钻床主要有底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱、工作台等组成。对z3050摇臂钻床电气控制部分进行分析得出它需要完成开门断电功能、主轴电动机的正反转控制功能、刀架的快速移动功能、冷却泵电动机的控制。然后根据电气控制电路的线路图，编译PLC的梯形图，编译通过后，利用PLC实

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验台进行实验仿真。由于PLC极高的可靠性，极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性。因此使Z3050摇臂钻床在完成原有的功能特点外，还具有安装简便、稳定性好、易于维修、扩展能力强等特点。

[参考文献]

5) 廖常初.FX系列PLC编程及应用[M].机械工业出版社 2005 6) 电力拖动控制线路与技能训练[M].中国劳动社会保障出版社 7) 王炳实 王兰军.机床电气控制[M].机械工业出版社 8) 黄绍平.成套电器技术[M].机械工业出版社

9) 王少华.电气控制与PLC应用 中南大学出版社 长沙：2008.8 10) 《常用机床电气维护》中国闹东社会保障出版社 11) 《可编程控制器应用与设计》人民邮电出版社 12) 《电工技能实训》电子工业出版社

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附录

主电路

JQ2-11-4

JQ2-11-4

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PLC外部接线图

SB1SB2SB3SB4SB6SB7SQ5SQ3

SAKR2V

KM1YA1YA2ELHL2HL3

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原理图

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梯形图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/394j.html