基于PLC的Z3040摇臂钻床的改造

江北师范大学本科生毕业论文1第1章绪论1.1本课题的选题背景和意义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。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（ProgrammableLogicController）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、江北师范大学本科生毕业论文2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（SequentialFunctionChart），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。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。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动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TD200和COROSOPS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、多数表决的工作方江北师范大学本科生毕业论文3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。江北师范大学本科生毕业论文4第2章Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的原理2.1主电路我国原来生产的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，它的电气原理图如下所示：图2-1主电路它的主电路、控制电路、信号电路的电源均采用自动开关引入，交流接触器KM1为主电动机M1接通或断开的接触器，FR1为主电动机过载保护用热继电器。摇臂的升降，立柱的夹紧放松都要求拖动的电动机正反转，所以M2和M3电动机分别有两个接触器，它们为KM2、KM3和KM4、KM5。摇臂升降电动机M2、液压泵电动机M5均为短时工作，不设过载保护。江北师范大学本科生毕业论文52.2控制电路、信号及照明电路控制电路的电源由控制变压器TC二次侧输出220V供电，中间抽头对地为信号灯电源6.3V,照明变压器TD二次侧输出36V。图2-2钻床传统控制电路2.3电路分解根据电动机主电路控制电器主触点的文字符号将控制电路进行分解：电动机M1、M2、M3和电磁铁YA控制电路图根据主轴电动机M1主电路控制电器主触点文字符号KM1，找到电动机M1的控制电路，这是由按钮SB1、SB2和接触器组成的启动、停止控制电路。根据摇臂升降电动机M2主电路控制元件主触点文字符号KM2、KM3，找到电动机M2的控制电路，有行程开关SQ1、SQ2。摇臂升降电动机M2由摇臂升降按钮SB3、SB4及正反转接触器KM2、KM3组成放的控制电路实现正反转，这是具有复合连锁的电动机正反转点动控制电路，用来控制摇臂上升或下降。根据液压电动机M3主电路控制元件主触点文字符号KM4、KM5，找到电动江北师范大学本科生毕业论文6机M3的控制电路，这是由按钮SB5、SB6和接触器KM4、KM5组成的具有接触器连锁的正反转点动控制电路。根据电磁铁文字符号YA，找到电磁阀控制电路，有行程开关SQ3。2.3.1行程开关SQ1-SQ3的作用行程开关SQ1是摇臂上升和下降至极限位的保护开关，有两副动断触电SQ1，分别串联在摇臂上升和下降控制电路中。SQ1与一般开关不同，其两副动断触电不同时动作。当摇臂升至上升极限位置时，SQ1的动断触电SQ1断开，使接触器KM2失电，升降电动机M2停止，上升运动停止。但SQ1另一副动断触点SQ1仍保持闭合，因此可按下降按钮SB4，使接触器KM3得电吸合，控制摇臂升降电动机M2反向旋转，摇臂下降。反之当摇臂在下降位置时，控制过程类似。在摇臂升降电路中，行程开关SQ2为摇臂放松到位的信号开关，行程开关SQ3为摇臂夹紧的信号开关，行程开关SQ2为摇臂放松到位开关，行程开关SQ3为摇臂夹紧到位开关。因此行程开关SQ2及SQ3，是用来检查摇臂是否松开或夹紧，以实现限位连锁。SQ2的动合触点串联在KM2、线圈电路中，它在摇臂完全放松到位才动作闭合，以确保摇臂的升降在其放松后进行。如果摇臂没有放开，SQ2就不能闭合，因此控制摇臂升降的KM2或KM3就不能得电吸合，摇臂就不会上升或下降。行程开关SQ3的动断触点SQ3串联在接触器KM5线圈、电磁铁YA线圈电路中，在摇臂完全夹紧时动作。如果摇臂未夹紧，则行程开关SQ3的动断触点闭合保持原状，使接触器KM5、电磁铁YA得电吸合，对摇臂进行夹紧，直到完全夹紧为止，行程开关SQ3的动断触点应调整到保证夹紧后能够动作，否则会使液压泵电动机M3处与长时间过载运行状态。2.3.2时间继电器KT的作用通过KT延时断开的常开触点KT和延时闭合的常闭触点KT，KT能保证在摇臂升降电动机M2完全停止运行后，才能进行摇臂的夹紧动作，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，一般为1~3S。这就是时间连锁。江北师范大学本科生毕业论文72.4电路工作过程2.4.1主电路原理按启动按钮SB2，接触器KM1得电吸合并自锁，KM1主触点闭合M1转动，同时KM1辅助触点KM1闭合，指示HL3点亮，表明主轴电动机在旋转。按停止按钮SB1，KM1失电释放M1停转，同时KM1辅助动合触点KM1复合断开，指示灯HL3灭，表明电动机M1停转。主轴的正、反转则由液压系统的操纵机构配合正、反转摩擦离合器实现。2.4.2摇臂升降的控制当由摇臂上升或下降点动按钮SB3、SB4发出摇臂升降指令时，先使摇臂松开。然后由正、反转接触器KM2、KM3使电动机M2的正、反转，来拖动摇臂上升或下降，待摇臂上升或下降到位时，又自行重新夹紧。由摇臂的松开与夹紧是由夹紧机构液压系统实现的，因此摇臂升降需与夹紧机构液压系统紧密配合。液压泵电动机M3由正反转接触器KM4、KM5控制，实现电动机正反转，拖动双向液压泵，送出压力油，经二位六通阀YA送至摇臂夹紧机构，实现摇臂夹紧与放松。摇臂升降启动的初始条件：摇臂钻床在平常或加工工件时，其摇臂处于夹紧状态。摇臂夹紧时，限位开关SQ3被压合，其常闭触点SQ3处于断开状态，常开触点处于闭合状态；摇臂放松时，限位开关SQ3未压合，其常开触点处于断开状态，而常闭触点处于闭合状态。2.4.3以摇臂上升为例分析摇臂升降的控制按下摇臂上升点动按钮SB3，时间继电器KT线圈通电，瞬动常开触点KT闭合，接触器KM4线圈通电，液压泵电动机M3反向启动旋转，拖动液压泵送出压力油。同时KT的断电延时延时断开触点KT闭合，电磁铁YA线圈通电，液压泵送出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，发出摇臂松开信号，即常闭触点断开，常开触点闭合，前者断开KM4线圈电路，电动机M3停止旋转，液压泵停止供油，摇臂维持在松开状态；后者接通KM2线圈电路，控制摇臂升降电动机M2正向启动旋转，拖动摇臂上升。当摇臂上升代所需位置时，松开按钮SB3，KM2与KT线圈同时断电，电动机M2依江北师范大学本科生毕业论文8惯性旋转，摇臂停止上升。而KT线圈断电，其断电延时闭合常闭触点KT经延时1~3S后才闭合，断电延时断开常开触点同样延时后才断开。在KT断电延时1~3S时，KM5线圈仍处于断电状态，电磁铁YA仍处于通电状态，这段延时就确保了摇臂升降电动机在断开电源后直到完全停止运转才开始摇臂的夹紧动作，因此，时间继电器KT延时长短是根据电动机M2切断电源到完全停止的惯性大小来调整。当时间继电器KT断电延时时间到时，常闭触点KT闭合，KM5线圈通电吸合，液压泵电动机M3正向启动，拖动液压泵，供出压力油，同时常闭触点KT断开，电磁铁YA线圈断电，这时压力油经二位六通阀进入摇臂