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1、目 录摘要 .1 第一章 引言 . 2第二章 摇臂钻床的电气控制要求 2.1 主要结构及运动形式 .3 2.2 电力拖动特点及控制要求. 32.3 摇臂钻床继电器原理 . 4 2.4 摇臂钻床电气原理图 . 5第三章 Z3040摇臂钻床控制系统存在问题和改造分析 3.1 存在问题 . 6 3.2 改造方案分析. 6 第四章 PLC程序设计 4.1 PLC选型和分配I/O地址. 6 4.1.1 确定I/O点数. 6 4.1.2 选择PLC机型. 7 4.2 I/O地址分配及接线图. 7 4.2.1 I/O分配表. 7 4.2.2 I/O接线图. 8 4.3 梯形图设计. 9第五章 系统调试及性能
2、分析 5.1 控制系统的仿真调试. 11 5.2 控制系统的现场调试. 12第六章 改造中必须注意的几个问题. 13第七章 摇臂钻床电气线路的故障与维修. 13结论 . 15致谢 . 16参考文献 . 1摘 要介绍了用PLC改造Z3040型摇臂钻床继电器控制电路，详细阐述了改造设计过程，包括继电器控制电路分析，PLC机型选择，I/O地址分配及接线，PLC程序设计，以及改造中应注意的问题。Z3040型钻床的传统的继电器接触器控制系统过于复杂烦琐。由于采用交流继电接触器控制方式，继电器，接触器控制线路部分故障率较高，这是造成经常待机维修的主要因素。例如；若时间继电器KT线圈断线，或者其动合触点闭合
3、时接触不良，则可导致摇臂松开的专用电路故障.若采用PLC控制进行改造后，便线路简化，可靠性提高，响应加快精确更正确，给设备维护、检修带来方便，同时在成本上也合理，能够产生较大的经济效益。关键词；PLC；控制电路；摇臂钻床；继电器第一章 引言PLC是从20世纪60年代末发展起来的一种新型的电气控制系统，将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体。随着科学技术的飞速发展，PLC已进入日常生活、生产的各个方面，PLC的应用在各行各业已成为必不可少的内容。采用PLC对Z3040摇臂钻床传统的继电器-接触器电气控制系统进行技术改造，给出了Z3040摇臂钻床PLC电气控制系统的设计梯形图、输入/
4、输出接线图。PLC的应用不但大大提高了Z3040摇臂钻床电气控制系统的可靠性和抗干能力，而且大大简化和减少了维修、维护的工作量，使用效果良好。 Z3040摇臂钻床是一种用途广泛的孔加工机床。此钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱、工作台等组成。内立柱固定在底座上，在它外面套着空心的外立柱，外立柱可绕着内立柱回转一周，摇臂将与外立柱一起相对内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，它具有主轴及主轴旋转部件和主轴进给的全部变速和操纵机构。利用特殊夹紧机构将外立柱紧固在摇臂导轨上，然后进行钻削加工。此钻床的运动部件使用多台电动机拖动，主电动机承担主钻削及进给任务，摇臂升降、夹紧、放松和冷却泵各用一台
5、电动机拖动。主轴及进给应在较大范围内调速，对电动机无任何调速要求。摇臂的夹紧与放松及立柱的夹紧与放松只由一台异步电动机配合液压装置来完成。钻削加工时，用一台冷却泵电动机拖动冷却泵输送冷却液，对刀具及工件进行冷却。利用PLC对Z3040型摇臂钻床电气系统进行技术改造的方法，其中包括PLC的机型选择、I/O地址分配、I/O接线图及PLC梯形图设计。 摇臂钻床的运动部件较多，常采用多台电动机拖动，一般采用三相交流鼠笼式异步电动机拖动，用机械变速调节主轴转速和进刀量，变速箱为机械有级调速，钻床的主运动和进给运动都有较大的调速范围。Z3040型钻床的传统的继电器接触器控制系统过于复杂烦琐。若采用PLC控
6、制进行改造后，便线路简化，可靠性提高，响应加快精确更正确，给设备维护、检修带来方便，同时在成本上也合理，能够产生较大的经济效益。第二章、摇臂钻床的电气控制要求2.1主要结构及运动形式右图是Z3040摇臂钻床的外形图。它主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱、工作台等组成。内立柱固定在底座上，在它外面套着空心的外立柱，外立柱可绕着内立柱回转一周，摇臂一端的套筒部分与外立柱滑动配合，借助于丝杆，摇臂可沿着外立柱上下移动，但两者不能作相对移动，所以摇臂将与外立柱一起相对内立柱回转。主轴箱是一个复合的部件，它具有主轴及主轴旋转部件和主轴进给的全部变速和操纵机构。主轴箱可沿着摇臂上的水平导轨作径向移动
7、。当进行加工时，可利用特殊的夹紧机构将外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，主轴箱紧固在摇臂导轨上，然后进行钻削加工时，可利用特殊的 图2-1摇臂钻床外形图夹紧机构将外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，主轴箱紧固在摇臂导轨上，然后进行钻削加工。 主运动：主轴的旋转。进给运动：主轴的轴向进给。摇臂钻床除主运动与进给运动外，还有外立柱、摇臂和主轴箱的辅助运动，它们都有夹紧装置和固定位置。摇臂的升降及夹紧放松由一台异步电动机拖动，摇臂的回转和主轴箱的径向移动采用手动，立柱的夹紧松开由一台电动机拖动一台齿轮泵来供给夹紧装置所用的压力油来实现，同时通过电气联锁来实现主轴箱的夹紧与放松。摇臂钻床
8、的主轴旋转和摇臂升降不允许同时进行，以保证安全生产。2.2电力拖动特点及控制要求1.由于摇臂钻床的运动部件较多，为简化传动装置，使用多电机拖动，主电动机承担主钻削及进给任务，摇臂升降及其夹紧放松、立柱夹紧放松和冷却泵各用一台电动机拖动。2.为了适应多种加工方式的要求，主轴及进给应在较大范围内调速。但这些调速都是机械调速，用手柄操作变速箱调速，对电动机无任何调速要求。从结构上看，主轴变速机构与进给变速机构应该放在一个变速箱内，而且两种运动由一台电动机拖动是合理的。3.加工螺纹时要求主轴能正反转。摇臂钻床的正反转一般用机械方法实现，电动机只需单方向旋转。2.3 Z3040摇臂钻床继电器原理 图中3
9、80V交流电源经手动转换开关QSl，进入电动机主电路和控制电路的电源变压器TC。主轴电动机M1由接触器KMl控制，摇臂升降电动机M2由接触器KM2和KM3控制，液压电动机M3由接触器KM4和KM5控制，冷却泵电动机M4功率较小，由组合开关QS2手动控制。机床操动情况如下: (1) 按下主轴起动按钮SB2，接触器KMl得电吸合且自保持，主轴电动机M1运转。按下停止按钮SBl，主轴电动机停止。 (2) 需要摇臂上升时，按下摇臂上升按钮SB3，时间继电器KT得电，其瞬动触头和瞬时闭合延时打开的动合触头使接触器KM4和电磁阀YA动作，液压电动机M3起动，液压油进入摇臂装置的油缸，使摇臂松开。待完全松开
10、后，行程开关sQ2动作，其动断触头断开使接触器KM4断电释放，液压电动机M3停止运转，其动合触头接通使接触器KM2得电吸合，摇臂升降电动机M2正向起动，带动摇臂上升。上升到所需的位置后，松开上升按钮SB3，时间继电 图2-2 外观及电器设备分布 器KT、接触器KM2断电释放，摇臂升降电动M2停止运转，摇臂停止上升。延时l3s后，时间继电器KT的动断触头闭合，动合触头断开，但由于夹紧到位行程开关SQ3动断触头处于导通状态，故YA继续处于吸合状态，接触器KM5吸合，液压电动机M3反向起动，向夹紧装置油缸中反向注油，使夹紧装置动作。夹紧完毕后，行程开关SQ3动作，接触器KM5断电释放，液压电动机M3
11、停止运转，电磁阀YA断电。时间继电器KT的作用是适应SB3松开到摇臂停止上升之间的惯性时间，避免摇臂惯性上升中突然夹紧。 (3) 需要摇臂下降时，按下摇臂下降按钮SB4，动作过程与摇臂上升时相似。 (4) 立柱和主轴箱同时夹紧和同时松开。按下立柱和主轴箱松开按钮SB5，接触器KM4得电吸合，液压电动机：M3正向起动。由于电磁阀YA没有得电，处于释放状态，所以液压油经2位6通阀分配至立柱和主轴箱松开油缸，立柱和主轴箱夹紧装置松开。按下立柱和主轴箱夹紧按钮SB6，接触器KM5得电吸合，M3反向起动，液压油分配至立柱和主轴箱夹紧油缸，立柱和主轴箱夹紧装置夹紧。 (5) 摇臂升降限位保护是靠上下限位开
12、关SQ1U和SQ1D实现的。上升到极限位置后，SQ1U动断触头断开，摇臂自动夹紧，同松开上升按钮SB3动作相同；下降到极限位置后，SQlD动断触头断开，摇臂自动夹紧，同松开下降按钮SB4动作相同。图2-3 摇臂钻床电气控制原理图第三章 Z3040摇臂钻床控制系统存在问题和改造方案分析3.1 存在问题Z3040型摇臂钻床的工作过程有由电气，机械，液压系统配合实现的。由于采用交流继电接触器控制方式，继电器，接触器控制线路部分故障率较高，这是造成经常待机维修的主要因素。例如；若时间继电器KT线圈断线，或者其动合触点闭合时接触不良，则可导致摇臂松开的专用电路故障.此种常见故障可由器件本身故障造成，也可
13、由触点老化，连接点触不良等线路故障造成。若采用可编程序控制器用程序来实现控制功能，即用“存储逻辑”取代继电器-接触器的系统的“接线逻辑”，则在控制电路中，不存在触点老化，触点接触不良，接点虚化等现象，具有很高的可靠性。因此试述用PLC对其进行控制线路的改造的方法。3.2 改造方案分析在PLC控制系统时，为保持程序的有条理和清晰，主轴电机的过载保护热继电器和液压泵电机的过载保护热保护继电器的动断触点都各自占用一个输入点。个指示灯与相应的接触器也独自占用输入点。冷去泵有组合开关QS2直接启动，不接入PLC。第四章 PLC程序设计4.1 PLC选型和分配I/O地址4.1.1 确定I/O点数在改造中尽
14、可能保留系统原有的控制功能，根据原有控制电路来计算I/O点数，以便能达到摇臂钻最好的工作效果，发挥其最大的工作效率，根据原有的控制电路来计算I/O点数。其中：按钮6个（考虑节约点数，有两个未进入PLC），行程开关5个，即实际输入点数为13个。 4.1.2选择PLC机型根据确定的I/O点数，考虑留有一定的裕量，选择三菱公司的FX2N-32MR型的PLC，次型号PLC输入点数为13个，输出点数为9个，继电器输出，使用电源为AC100240V。4.2 I/O地址分配及接线图4.2.1 I/O分配表 表4-1 I/O分配表输入元件地址功能说明SB1X0主轴停止SB2X1主轴启动SB3X2摇臂上升SB4
15、X3摇臂下降SB5X4立柱和主轴箱松开SB6X5立柱和主轴箱夹紧SQ1UX6摇臂上升限位SQ2X7摇臂上升下降行程开关SQ3X10液压电机夹紧行程开关SQ4X11指示灯行程开关FR1X12热继电器FR2X13热继电器SQ1DX14摇臂下降限位输出HL1Y0主轴电机启动指示灯HL2Y1立柱和主轴箱松开指示灯HL3Y2立柱和主轴箱夹紧指示灯KM1Y3主轴电机启动接触器KM2Y4摇臂升降电机正转接触器KM3Y5摇臂升降电机反转接触器KM4Y6液压电机正转接触器KM5Y7液压电机反转接触器YAY10主轴箱和立柱松紧电磁阀4.2.2 I/O接线图图4-1 I/O接线图4.3 梯形图设计根据原有继电器控制
16、电路，加以分析改进，编制梯形图，如图第五章 系统调试及性能分析5.1 控制系统的仿真调试FX系列仿真软件进行仿真编程和仿真运行。该软件既能够编制梯形图程序，也能够将梯形图程序转换成指令语句表程序，模拟写出到PLC主机，并模拟仿真PLC控制现场机械设备运行。仿真允许对现有的系统有效地检测，分析和调试，也允许本人毕业设计完成在系统实际建立之前，反复的对系统仿真，几时发现设计中存在的问题，并加以修改。仿真可以缩短系统设计，安装盒调试的总工期，避免不必要的浪费和因设计不当照成的损失。准备工作；讲程序输入带有仿真软件的计算机，输入后反复检查输入的程序与自己所编写的有无错漏再进行仿真调试。根据I/O分配图
17、进行操作；（1） 按下X1，Y0 Y3 Y7 Y10接通 （2） 按下X2，Y0 Y3 Y6 Y10接通 Y7断开 （3）按下X7，Y0 Y3 Y4 Y10接通 Y6断开 (4) 松开X2，Y0 Y3 Y10接通 Y7延时接通 Y4断开 (5) 按下X3，Y0 Y3 Y6 Y10接通 Y7断开 （6）按下X7，Y0 Y3 Y5 Y10接通 Y6断开 （7）松开X3，Y0 Y3 Y10接通 Y7延时接通 Y5断开 （8）按下X4，Y0 Y3 Y6接通 Y10断开 （9）按下X5，Y0 Y3 Y7接通 Y10断开 （10） 按下X0，钻床停止工作。 仿真结果分析；根仿真后的数据结果分析，与摇臂钻传
18、的工作要求相一致且认真检查有无程序而造成钻成损坏的现象，确认程序基本无误后，下一步进行现场调试。5.2 控制系统的现场调试1.准备工作(1)查看装置背面各电器元件上的接线是否紧固，各熔断器是否安装良好；(2)独立安装好接地线，设备下方垫好绝缘垫，将各开关置分断位；(3)插上三相电源。仿真现场的钻床启动停止，摇臂上升下降，液压松开夹紧等运行方式，为点动工作。在某个仿真练习界面下，根据该界面给定的工艺条件和工艺过程，编制PLC梯形图，写入模拟PLC主机，仿真驱动现场设备运行；也可不考虑给定的现场工艺过程，仅利用其工艺条件，编制其他梯形图，用灯光、响铃等显示运行结果。输入程序后，连接线路。根据I/O
19、分配图进行操作；（1）按下SB1，HL1指示灯亮，主轴转动（2）按下SB3，HL1指示灯亮，主轴转动，摇臂上升，HL2指示灯亮（3）松开SB3，摇臂停止上升，HL2指示灯灭，HL3指示灯亮（4）按下SB4，HL1指示灯亮，主轴转动，摇臂下降，HL2指示灯亮（5）松开SB3，摇臂停止下降，HL2指示灯灭，HL3指示灯亮（6）按下SB5，立柱与主轴箱松开，HL2指示灯亮（7）按下SB6，立柱与主轴箱夹紧，HL3指示灯亮。（8）按下SB2，HL1指示灯灭，主轴停止转动。第六章 改造中必须注意的几个问题（1）选择PLC机型时，要保留一定的裕量，为日后系统的改造及工艺的变更提供方便。（2）原有继电器控制
20、电路较复杂，利用继电器控制电路画PLC的梯形图时，要特别注意几个时间继电器。（3）在梯形图中，对液压泵电机正反转控制进行了互锁保护，同时结合正反转接触器常闭触指在输出电路中的互锁，实现双重保护，避免电源短路，有效保护安全。（4）为保证安全，各热继电器常闭触指不作为PLC输入端，直接接在输出端，对负载电路进行保护控制。第七章 摇臂钻床电气线路的故障与维修摇臂钻床的工作过程是由电气与机械、液压系统紧密结合实现的。因此，在维修中不仅要注意电气部分能否正常工作，也要注意它与机械和液压部分的协调关系。下面仅分析摇臂钻床的电气故障。（注：故障不能一一列举，仅举一部分作说明）。（1）故障显示 设计时可使每一
21、个故障点均有信号表示。优点是直观便于检查，缺点是程序复杂且输出单元占用较多，投资较大； 设计时也可将所有故障点均由一个信号表示。优点是节约成本，减少了对输出单元的占有，缺点是具体故障回路不能直接判断出； 设计时还可将性质类似的一组故障点设成一个输出信号表示。 以上三种方案各有利弊，在条件允许、并且每个回路均很重要，要求必须快速准确判断出故障点时采用第一种方案较好；一般情况下采用第三种方案比较好，由于故障分类报警显示，就可直接判断出故障性质，知道会对设备或工业过程造成何种影响，可立即采取相应措施加以处理，同时再结合其它现象、因素、另一组或几组报警条件将具体故障点从此类中划分出来。整个PLC内部程
22、序、外部输出点及接线增加不多，性能价格比较高。 （2）输入、输出故障的排除 一般PLC均有LED指示灯可以帮助检查故障是否由外部设备引起。不论在模拟调试还是实际应用中，若系统某回路不能按照要求动作，首先应检查PLC输入开关电接触点是否可靠（一般可通过查看输入LED指示灯或直接测量输入端），若输入信号未能传到PLC，则应去检查输入对应的外部回路；若输入信号已经采集到，则再看PLC是否有相应输出指示，若没有，则是内部程序问题或输出LED指示灯问题；若输出信号已确信发出，则应去检查外部输出回路表7-1 故障表故 障 现 象故 障 原 因故 障 检 修操作时一点反应也没有1电源没有接通；2FU1烧断或
23、L11、L21导线有断路或脱落；1 检查插头、电源引线、电源闸刀；2检查FU1、L11、L21线；主轴电机不能起动1 十字开关接触不良；2 SB1常开、SB2 常闭触点接触不良；3 KM1线圈损坏；1 更换十字开关；2 调整触点位置或更换触点；3 更换线圈；主轴电机不能停转KM1主触点熔焊更换触头摇臂升降后，不能夹紧1SQ3位置不当；2SQ3损坏；3连到SQ2的，31，32号线中有脱落或断路；1 调整SQ2位置；2 更换SQ2；3 检查31、32号线；摇臂升降方向与十字开关标志的扳动方向相反摇臂升降电机M4相序接反更换M4相序立柱能放松，但主轴箱不能放松1KM4 (6-22)接触不良；2KA线圈损坏；3YA线圈开路；用万用表电阻档检查相关部位并修复
