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1、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
2、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 / 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
3、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
4、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
5、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M
6、2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13s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13s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，
7、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
8、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S
9、B6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
10、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FU1FU5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 Z
11、3050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
12、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,
13、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
14、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
15、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I0.0KM1主轴电动机接触器Q0.0SB2主轴点动按钮I0.1KM2摇臂上升接触器Q0.1SB3摇臂上升按钮I0.2KM3摇臂下降接触器Q0.2SB4摇臂下降按钮I0.3KM4液压电动机正转接触器Q0.3SB5主轴箱、立柱松开按钮I0.4KM5液压电动机反转接触器Q0.4SB6主轴箱、立柱夹紧按钮I0.5YV电磁阀Q0.5SQ1摇臂上升限位开关I0.6HL3指示灯Q0.6SQ1摇臂下降限位开关I0.7HL2指示灯Q0.7SQ2摇臂松开限位开关I1.0HL1指示灯Q1.0SQ3摇臂夹紧限位开关I1.1FR1热继电器I1.2FR2热继电器I1.3SQ4外立柱、主轴箱与摇臂夹紧、放松限
