PLC控制Z3050型摇臂钻床电气控制.docx

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PLC控制Z3050型摇臂钻床电气控制

皖西学院

课程设计报告书

系别：

机电学院

专业：

13电气

学生姓名：

学号：

课程设计题目：

PLC控制的Z3050型摇臂钻床电气控制

起迄日期:

2016.5.16-2016.5.28

课程设计地点:

PLC电气控制实验室

指导教师:

翁志刚

下达任务书日期:

2016年5月15日

前言1

1Z3050摇臂钻床的简介2

1.1摇臂钻床的主要结构2

1.2摇臂钻床的运动形式2

1.3摇臂钻床电气拖动特点3

1.4摇臂钻床及原理图说明4

2系统元器件选型5

2.1Z3050摇臂钻床主回路元件表5

2.2PLC的选型6

2.3硬件的设计6

2.4PLC的I/O分配6

2.5PLC的外部接线图8

3程序的设计与仿真9

3.1梯形图程序设计9

3.1仿真调试与结果11

参考文献13

致谢14

前言

摇臂钻床使用于单件或批量生产有多孔的大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机械，由于其控制系统是采用继电器控制系统，电路接线复杂，出点多，长期使用后，故障多，故障排除困难。

常常影响企业生产。

PLC具有可靠性强，使用方便，维护简单的优点。

因此，利用PLC对摇臂钻床继电器控制线路进行改造，有利于提高设备的可靠性，使用率。

正是由于PLC控制系统的种种优点，因此本次对Z3050摇臂钻床的电气控制系统，可以提高Z3050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。

1Z3050摇臂钻床的简介

1.1摇臂钻床的主要结构

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。

内立柱固定在底座的一端，在他的外面套有外立柱，外立柱可绕内立柱回转360度。

摇臂的一端为套筒，它套装在外立柱做上下移动。

由于丝杆与外立柱练成一体，而升降螺母固定在摇臂上，因此摇臂不能绕外立柱转动，只能与外立柱一起绕内立柱回转。

主轴箱是一个复合部件，由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构、机床的操作机构等部分组成。

主轴箱安装在摇臂的水平导轨上，可以通过手轮操作，使其在水平导轨上沿摇臂移动。

1.2摇臂钻床的运动形式

当摇臂钻床进行加工时，由特殊的加紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上，而外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后进行钻削加工。

钻削加工时，钻头一边进行旋转切削，一边进行纵向进摇臂钻床给，其运动形式为：

（1）摇臂钻床的主运动为主轴的旋转运动；

（2）进给运动为主轴的纵向进给；

（3）辅助运动有：

摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向的移动，摇臂与外立柱一起内立柱的回转运动。

Z3050摇臂钻床实物图

1.3摇臂钻床电气拖动特点

3.Z3050摇臂钻床运动部件较多，为了简化传动装置，采用4台电机拖动。

，他们分别是主轴电动机（M1），摇臂升降电动机（M2），液压泵电动机（M3）和冷却泵电动机（M4），这电动机都采用直接启动方式。

4.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，一般情况下由机械变速机构实现。

主要变速机构与进给变速机构均装在主轴箱内。

5.Z3050摇臂钻床的主运动和进给运动为主轴的运动，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。

6.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。

1.4摇臂钻床及原理图说明

Z3050摇臂钻床主电路图如下：

主电路分析：

Z3050摇臂钻床共有4台电动机，冷却泵电动机为开关直接启动，其余三台电动机采用接触器控制。

M1是主轴电动机由接触器KM1控制，只要求能单方向旋转。

电动机型空机Q1能起到过载、短路、启动电流过大保护，而热继电器FR1也起过载保护的作用，这样就形成了一个双重保护的作用。

M2是摇臂升降电动机，装设于主轴顶部，用KM2和KM3来控制正反转。

使用电动机型空开Q2进行保护。

M3是液压泵电动机，要求能够实现正反转，用KM4和KM5来控制正反转。

电路中用电动机型开Q3和热继电器FR2进行双重保护。

M4冷却泵电动机，功率小，直接用开关控制启动与停止。

2系统元器件选型

2.1Z3050摇臂钻床主回路元件表

序号

代号

名称

规格/型号

单位

数量

1

M1

电动机

Y112M-4/4KW

台

1

2

M2

电动机

Y90L-4/1.5KW

台

1

3

M3

电动机

Y801-4/0.55KW

台

1

4

M4

电动机

Y2-7124/0.37KW

台

1

5

KM1

交流接触器

LC1-D1210CC5N

只

1

6

KM2

交流接触器

LC1-D0910CC5N

只

1

7

KM3

交流接触器

LC1-D0910CC5N

只

1

8

KM4

交流接触器

LC1-D0910CC5N

只

1

9

KM5

交流接触器

LC1-D0910CC5N

只

1

10

KM6

交流接触器

LC1-D0910CC5N

只

1

11

Q

空开

NS100N/16A

只

1

12

Q1

空开

GV2M10C/10A

只

1

13

Q2

空开

GV2M04C/2A

只

1

14

Q3

空开

GV2M01C/1A

只

1

15

Q4

空开

GV2M01C/1A

只

1

16

FR1

热继电器

LR2-D1312C/8A

只

1

17

FR2

热继电器

LR2-D1205C/1.6A

只

1

2.2PLC的选型

摇臂钻床的电气控制系统需要12个输入口和6个输出口，PLC的实际输出点数应等于或大于所需输入点数12，PLC的实际输出点数应等于或大于所需输出点数6，在条件许可的情况下尽可能留有10%-20%的余量，因为实际的输出点刚好是12个，而选择PLC输入点有16个的显然是浪费，所以该系统采用三菱可编程序控制器作为主控制器，完全满足要求。

并且输出点数留有比较多得余量为今后的改进做好准备。

2.3硬件的设计

Z3050摇臂钻床电气控制系统的设计方案由两部分组成，一部分分为电气控制系统的硬件设计，也就是PLC的机型的确定；另一部分是电气控制系统的软件设计，就是PLC控制程序的编写。

为了使改造后的摇臂钻床仍能保持原有功能不变，此次改造的一个重要原则之一就是，不对原有机床的控制结构做过大的调整，只是将原继电器控制中的硬件接线改为用软件编程来替代。

由于Z3050摇臂钻床控制对象对PLC输出点的动作表达速度要求不高，继电器型输出模块的动作速度完全能满足要求，且每一点的输出容量较大，在同一时间内对导通的输出点的个数没有限制，这将给设计工作带来很大的方便。

所以本课题选用继电器输出模块，结合Z3050摇臂钻床电气控制系统的实际情况，需要输入点数大于18个，输出点数大于12个，在条件许可的情况下尽可能留有10%-20%的裕量。

2.4PLC的I/O分配

根据系统的原则I/O分配如下：

序号

位号

符号

说明

输入点

1

X0

KR1

主轴电动机M1热继电器

2

X1

SB_1

主轴电机M1启动按钮

3

X2

SB_2

主轴电机M1停止按钮

4

X3

KR2

其它控制电路热继电器

5

X4

SB_3

摇臂上升按钮

6

X5

SB_4

摇臂下降按钮

7

X6

ST1-1

摇臂上升上限位行程开关

8

X7

ST1-2

摇臂下降下限位行程开关

9

X10

ST2

摇臂松开行程开关

10

X11

ST3

摇臂夹紧行程开关

11

X12

SB_5

主轴、立柱箱放松按钮

12

X13

SB_6

主轴、立柱箱夹紧按钮

输出点

1

Y0

KM1

主轴电动机M1接触器

2

Y1

KM2

摇臂上升接触器

3

Y2

KM3

摇臂下降接触器

4

Y3

KM4

液压泵电动机M3正转接触器

5

Y4

KM5

液压泵电动机M3反转接触器

6

Y5

HL1

放松夹紧电磁铁用指示灯代替

2.5PLC的外部接线图

三菱PLC的控制回路原理图

3程序的设计与仿真

3.1梯形图程序设计

根据任务书的要求以及I/O口的分配，设计出如下方案：

程序段1：

主轴电机的启停

按下按钮SB_1，接触器KM1通电闭合,主轴电动机M1启动运转。

（如下图）

程序段2：

摇臂上升的过程

按下按钮SB_3，液压泵电动机M3首先正转，放松摇臂，继而摇臂升降电动机M2正转，带动摇臂上升。

当上升至要求高度时，松开SB3，摇臂电动机M2停转，同时液压泵电动机M3反转，夹紧摇臂，完成摇臂上升的控制过程。

（如下图）

程序段3：

摇臂下降的过程

按下按钮SB_4，液压泵电动机M3首先正转，放松摇臂，继而摇臂升降电动机M2反转，带动摇臂下降。

当下降至要求高度时，松开SB_4，摇臂电动机M2停转，同时液压泵电动机M3反转，夹紧摇臂，完成摇臂下降的控制过程。

（如下图）

程序段4：

避免双线圈错误

为避免双线圈错误的情况出现，借用辅助继电器的并联来规避错误。

（如下图）

程序段5：

立柱和主轴的放松与夹紧

按下SB_5，接触器KM4通电闭合，液压泵电动机M3启动正向运转，立柱和主轴箱放松；按下按钮SB_6，接触器KM5通电闭合，液压泵电动机M3启动反向运转，立柱和主轴箱夹紧。

（如下图）

3.2仿真的调试与结果

仿真程序段1

按下按钮SB_1，X1通电，辅助继电器M0得电，Y0得电，主轴电动机M1启动运转成功。

仿真程序段2

按下SB-3，X3得电，液压泵电动机正转接触器Y3启动，放松摇臂。

继而延时继电器T1延时启动，摇臂升降电机上升接触器Y1得电正转，带动摇臂上升。

到达行程上限时X6打开，由于互锁，摇臂升降电机上升接触器Y1失电停转，液压泵电动机反转接触器Y4得电启动，夹紧摇臂，完成摇臂上升过程。

仿真程序段3

按下SB-4，X4得电，液压泵电动机正转接触器Y3启动，放松摇臂。

继而延时继电器T2延时启动，摇臂升降电机下降接触器Y2得电正转，带动摇臂下降。

到达行程下限时X7打开，由于互锁，摇臂升降电机下降接触器Y2失电停转，液压泵电动机反转接触器Y4得电启动，夹紧摇臂，完成摇臂下降过程。

仿真程序段4

按下SB-5，X12得电，辅助继电器M3通电，即液压泵电机M3正转接触器Y3通电启动正向运转，将立柱和主轴箱放松。

按下SB-6，X13得电，辅助继电器M6得电，即液压泵电机M3反转接触器Y4通电启动反向运转，将立柱和主轴箱夹紧。

[1]熊幸明.电气控制与PLC[M].第一版.北京:

机械工业出版社,2014：

3～168

[2]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].第二版.北京:

北京航空航天大学,2008：

64～138

[3]廖常初.PLC基础与应用[M].第二版.北京:

机械工业出版社,2007：

37～65

[4]张海根.机电传动控制[M].第一版.北京:

高等教育出版社,2008：

致谢

本课程设计