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1、前言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。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。可编程控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC,是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用设计2，它采用了可以编制程序的存储器，用来在其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时
2、、计数和算数运算等面向用户的指令，并通过数字和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。与传统的继电器接触器控制方式相比，PLC控制具有可靠性高、灵活组态、功能强大、编程方便、运行速度快等特点。因而在机械、能源、化工、交通、电力等领域的到了越来越广泛的应用，成为现代工业控制的三大支柱之一。西门子公司的SIMATIC S7-200系列属于小型的PLC,既可以用于代替电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化场合控制系统。由于它有极强的通信功能，所以在大型网络控制系统中，也能发挥作用。S7-200的可靠性高，可以用于梯形图、语句表（即指令表）和功能块图三种语言来编程。它的指令丰富，指令功能
3、性强，易于掌握，操作方便，内置高速计数器、高速输出、PID控制器、RS-485通信/编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由端口模式通信功能，最大可以拓展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有30多KB的程序和数据存储空间。STEP7-Micro/Win V4.0 是S7-200 PLC系列产品的一款编程软件。STEP7-Micro/Win V4.0的兼容性强，支持当前所有的S7-200 CPU22X系列产品。PLC的编程和微型机的编程一样，用户需要一个编程软件环境、程序结构和编程方法。目录1. Z3040概述11.1 Z3040摇臂钻床的主要结构11.2 Z3040摇臂钻床
4、的主要运动形式11.3改造的原因22. 课程设计的任务和要求32.1 课程设计的任务32.2 课程设计的要求33总体设计53.1 PLC选型53.2 PLC外部接线图63.3改造后的电气原理图74PLC程序设计84.1 设计思想84.2 梯形图85程序调试说明106结束语117. 参考文献1211. Z3040概述1.1Z3040摇臂钻床的主要结构Z3040摇臂钻床是一种用途广泛的万能机床，适合用于加工中小零件，可以进行钻孔、扩孔、铰孔、刮平面及改螺纹等多种形式的加工。主要有底座、内外立柱、摇臂、主轴箱、主轴及工作台等部分组成。它的结构示意图如下图所示。图1.1 Z3040摇臂钻床的结构示意图
5、1.2Z3040摇臂钻床的主要运动形式（1）主轴带刀具的旋转与进给运动主轴的转动与进给运动有一台三相交流异步电动机驱动，主轴的转动方向由机械及液压装置控制。（2）各运动部分的移位运动 主轴在三维空间的移位运动有主轴箱沿摇臂方向的水平移动；摇臂沿外立柱的升降运动；外立柱带动摇臂沿内立柱的回转运动。（3）移位运动部件的夹紧与放松摇臂钻床的三种对刀移位装置对应三套夹紧与放松装置。对刀移动时需要将装置放松，加工过程中需要将装置夹紧。三套夹紧装置分别为摇臂夹紧，主轴箱夹紧，立柱夹紧。2结合本次课程设计内容实际，这次PLC改造所涉及的运动只包括如下部分：1）主轴的旋转运动（由主电机M1控制）2）摇臂沿外立
6、柱的升降运动（由电机M2控制）3）摇臂松开与夹紧，主轴箱和立柱松开与夹紧（由电机M3控制）4）冷却泵的控制（由电机M4控制）1.3改造的原因绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易磨损，产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。而且继电器的触点切断时容易产生电弧损坏设备，产生误操作。对一个使用的装有上百个继电器的设备，其控制箱将是庞大而笨重，而且接线复杂，故障点就多，不易调整、改装。接线完成后就只能实现一种特定的功能，控制继电器动作相对来说也太慢。这些缺点注定了控制继电器相对可编程控制继电器不适用于控制线路复杂的设备。 可编程序控制器，就PLC来说，它可以很容易地完成顺序逻
7、辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能。生产过程的自动控制，可以对数据进行监控和管理。而且控制线路接线简单，可实现功能全面，安全可靠，编程设计灵活、速度快、可靠性高、成本低、便于维护等优点。所以，对摇臂钻床进行PLC改造绝对是存在意义和有价值的。32. 课程设计的任务和要求2.1 课程设计的任务对Z3040摇臂钻床的控制系统进行PLC改造2.2 课程设计的基本要求1）主电机M1的启停控制；2）摇臂的升降与夹紧控制；3）主轴箱和立柱的夹紧与放松控制；4）冷却泵电动机M4的控制；5）具有必要的联锁与保护。要求:SQ2应调整适当，保证摇臂松开后即动作，避免油泵电机长期过载保证当升
8、降电机完全停止后，再夹紧摇臂；摇臂上升时，用SQ1的动断触点作极限保护作用；摇臂下降时，SQ6的动断触点作极限保护作用。 主轴箱和立柱的松开与夹紧时，要求电磁阀处于断电状态。4图2.1 原Z3040摇臂钻床电气原理图3. 总体设计53.1 PLC选型首先，三种品牌的PLC中，西门子的质量最可靠，性能最稳定,所以确定在此系统中使用西门子的PLC。在摇臂钻床的控制系统中，PLC注意起开关作用及定时、计数的少数简易功能，所以只需要小型的PLC就能满足功能。在摇臂钻床控制系统的设计中需要输入量14个：SQ1，SQ2，SQ3，SQ4，SQ5，SQ6，SB1，SB2，SB3，SB4，SB5，SB6，SA1
9、，SA2。输出量11个：KM1，KM2，KM3，KM4，KM5，YV，EL，HL1，HL2，HL3。CPU226含有21个输入接口，14个输出接口，能满要求。综上所述，我选择CPU型号为CPU226的S7-200。 表3.1 符号地址对照表63.2 PLC的外部接线图 图3.1 外部接线图注释：图3.1和图3.2中的KA为继电器，它有两个作用：一是电压转换，因为PLC上的电压和电气图3.2中控制电路上的电压不一样；二是输出功率变大，因为继电器的触点容量比PLC输出点的容量要大。SA1，SA2为组合转换开关，在图3.1中，用按钮开关的形式画出。73.3改造后的电气原理图 图3.2 改造后的电气原
10、理图84. PLC程序设计4.1设计思想主电机用一个启停电路控制。当按下SB3(或SB4)时，则时间继电器KT得电，致使电磁阀YV和接触器KM4同时的电动作，液压泵电机M3正向启动，高压油经二位六通阀进入摇臂松开腔。松开到位后，活塞杆通过弹簧片压动限位开关SQ2，其常闭触点使KM4失电，液压泵停止工作，同时其常开触点动合使KM2(或KM3)得电，摇臂升降电机M2正转（或反转），带动摇臂上升（或下降）。当摇臂上升（或下降）到位后，活塞杆通过弹簧片压动行程开关SQ3,其动触点使KM5和YV失电，液压泵电动机M3停止工作，电磁阀复位。主轴箱和立柱的夹紧与放松时，要求电磁阀YV始终处于断电状态。松开与
11、夹紧动作分别由SB5和SB6进行控制，并通过行程开关SQ4指示灯HL1和HL2进行工作状态指示。 4.2 PLC梯形图9为了保证钻床的安全运行，在主电机的原点启动条件中加入了，摇臂处于夹紧状态（I0.2）和摇臂处于下限位（I0.5）两个条件。此外，还在摇臂的上升和摇臂的下降之间，摇臂的夹紧和摇臂的松开之间，主轴箱与立柱的夹紧和主轴箱与立柱的松开之间设置为互锁，以防止功能相反的两个输出同时为ON。用限位开关I0.0和I0.5限制摇臂移动的范围。在所有的程序中串联急停开关的常闭触点（I0.4），当有危险发生时，可以立刻停止所有的电动机。105程序调试说明拨动启动开关I0.7,夹紧限位开关I0.2和
12、下限位开关I0.5后，Q0.0和Q1.2亮，表明主电机和主电机运行指示灯接通运行，拨动停止开关I0.6后，Q0.0和Q01.2熄灭。拨动摇臂上升开关I1.0，Q0.6和Q0.3亮（电磁阀得电，KM4得电，电动机M3开始正向运转，摇臂夹紧机构开始松开）。松开到位后，Q0.3灭（KM4断电，电机M3停止运转），Q0.1亮（电机M2得电正向启动，摇臂上升）。摇臂上升到位后，上限位开关I0.0触发，Q0.1熄灭（电机M2停止运转）。松开I1.0经T37延时后，Q0.4亮（电机M3得电反转，摇臂夹紧机构开始夹紧）夹紧到位后，夹紧限位开关I0.2触发，Q0.4和Q0.6熄灭（电机M3停止运转，电磁阀断电）。拨动摇臂下降开关I1.1，Q0.6和Q0.3亮（电磁阀得电，KM4得电，电动机M3开始正向运转，摇臂夹紧机构开始松开）。松开到位后，Q0.3灭（KM4断电，电机M3停止运转），Q0.2亮（电机M2得电反向启动，摇臂下降）。摇臂下降到位后，下限位开关I0.5触发，Q0.1熄灭（电机M2停止运转）。松开I1.0经T37延时后，Q0.4亮（电机M3得电反转，摇臂夹紧机构开始夹紧）夹紧到位后，夹紧限位开关I0.2触发，Q0.4和Q0.6熄灭（电机M3停止运转，电磁阀断电）。拨动主轴箱和立柱松开开关I1.2，Q0.3和Q1.0亮（电机M3得电正向启动，主轴箱和立柱松开，松开指示灯亮）
