2879 基于PLC的數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)設(shè)計,基于,plc,數(shù)控,鉆床,控制系統(tǒng),設(shè)計 本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計基于 PLC 數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)設(shè)計系部名稱： 機電工程學(xué)院 專業(yè)班級： 機械 08-3 班 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 二○一二年六月I摘 要本文主要闡述了傳統(tǒng)鉆床 PLC 改造的可行性，并進(jìn)行了具體的實施方案，傳統(tǒng)鉆床傳統(tǒng)繼電控制系統(tǒng)使用大量的中間繼電器、時間繼電器,控制觸點多,因此電氣控制系統(tǒng)存在故障率高、可靠性差、接線復(fù)雜、不便于檢修等缺點.為了提高鉆床控制系統(tǒng)的可靠性,降低故障率,提高鉆床的加工效益,很多企業(yè)對傳統(tǒng)控制鉆床的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造本文描述了數(shù)控機床的基本組成、工作原理、分類及各自的特點。并且對數(shù)控機床中的 PLC 作了詳細(xì)的介紹，把 PLC 在數(shù)控機床上的控制做了設(shè)計。然后以搖臂鉆床Z3040 為例，描述了它的設(shè)計過程，包括控制系統(tǒng)電路的設(shè)計，控制原理設(shè)計，主電路設(shè)計，主控制電路設(shè)計，Z3040 搖臂鉆床原理圖，用 PLC 編寫程序?qū)C床進(jìn)行控制。關(guān)鍵詞：可編程控制器 數(shù)控機床 數(shù)字控制 液壓控制 梯形圖 原理圖IIABSTRACTThis article mainly elaborated the traditional machine tool PLC feasibility of transformation, and the specific implementation plan, the traditional machine tools the traditional relay control system using a large number of intermediate relay, time relay, control the contact number, so the electrical control system has a high failure rate, poor reliability, complicated wiring, inconvenient maintenance and other defects. In order to improve machine tool control system reliability, reduce failure rate, improve the machining efficiency, many enterprises to the traditional control machine electrical control system transformationThis paper describes the basic components of NC machine tools, working principle, classification and characteristics of.And on the CNC machine tools in PLC are introduced in detail in this paper, the PLC on CNC machine tool control design.And then to the rocker drilling machine Z3040 as an example, describes its design process, including the control system circuit design, control principle, the design of main circuit, control circuit design, Z3040 radial drilling machine diagram, using PLC programming on the machine tool control.Keywords: Programmable Controller；NC machine Tools；Digital Control；Sequence Control；Ladder Diagram；Schematic目 錄摘要………………………………………………………………………………… ΙAbstract…………………………………………………………………………Π第 1章 緒論……………………………………………………………………11.1 研究現(xiàn)狀與研究意義………………………………………………………… 11.1.1 國外研究現(xiàn)狀………………………………………………………11.1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀………………………………………………………21.1.3 研究的意義…………………………………………………………31.2 PLC 應(yīng)用于數(shù)控鉆出的可能性……………………………………………41.3 研究的主要內(nèi)容……………………………………………………………6第 2章總體設(shè)計方案……………………………………………62.1 總體方案的設(shè)計…………………………………………………………72.2 元器件的選型……………………………………………………………82.3 PLC 的主要類型…………………………………………………………82.4 本章小結(jié)…………………………………………………………………9第 3章 搖臂鉆床控制線路設(shè)計………………………………………103.1 搖臂鉆床控制線路概述…………………………………………………113.1.1 操縱機構(gòu)液壓系統(tǒng)…………………………………………………123.1.2 夾緊機構(gòu)液壓系統(tǒng)……………………………………………………123.2 搖臂鉆床控制線路原理設(shè)計………………………………………………133.3 Z3040 搖臂鉆床控制線路主電路設(shè)計…………………………………143.4 Z3040 搖臂鉆床控制線路控制電路分析………………………………143.4.1 主電動機控制電路……………………………………………………143.4.2 搖臂升降控制電路…………………………………………………143.4.3 立柱和主軸箱松開、夾緊控制電路………………………………143.4.4 冷卻泵控制電路……………………………………………………153.4.5 照明、信號電路………………………………………………………153.5 本章小結(jié)……………………………………………………………………15第 4章?lián)u臂鉆床 PLC控制系統(tǒng)……………………………………164.1 PLC 的基本特點……………………………………………………………174.2 PLC 的工作原理……………………………………………………………194.3 PLC 的選型 …………………………………………………………………204.3.1 確定 I/O 點數(shù)………………………………………………………204.3.2 選配 PLC 的型號……………………………………………………204.4 搖臂鉆床的 PLC 控制 I/0（輸入、輸出）地址分配表………………214.5 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計………………………………………………………224.5.1 主軸電動機控制……………………………………………………224.5.2 搖臂升降控制………………………………………………………224.5.3 立柱與主軸箱松開、夾緊控制……………………………………234.6 PLC 梯形圖程序設(shè)計………………………………………………………234.6.1 系統(tǒng)預(yù)開程序…………………………………………………………244.6.2 主軸電動機控制程序………………………………………………244.6.3 搖臂升降控制程序…………………………………………………254.6.4 主軸箱、立柱、搖臂松開、夾緊控制程序…………………………254.6.5 主軸箱、立柱松開、夾緊控制程序…………………………………264.6.6 冷卻泵控制…………………………………………………………264.6.7 信號指示梯形圖程序………………………………………………264.6.8 完整的 PLC 控制梯形圖……………………………………………274.7 本章小結(jié)……………………………………………………………………29第 5章技術(shù)展望………………………………………………………………30結(jié)論………………………………………………………………………………32參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………33致謝………………………………………………………………………………35附錄………………………………………………………………………………381第 1 章 緒 論數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)；數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用是提高制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率必不可少的重要手段；數(shù)控機床是國防工業(yè)現(xiàn)代化的重要戰(zhàn)略裝備，是關(guān)系到國家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國家綜合國力水平的重要標(biāo)志。數(shù)控技術(shù)是最典型的、應(yīng)用最廣泛的機電光一體化綜合技術(shù)，這就要求機械類專業(yè)應(yīng)用型本科學(xué)生具備一定的機床數(shù)控技術(shù)理論知識及應(yīng)用技能。1.1 研究現(xiàn)狀與研究意義美國帕森斯公司和麻省理工學(xué)院（MIT）合作，于 1952 年研制成功第一臺三坐標(biāo)立式數(shù)控銑床。生產(chǎn)企業(yè)廣泛采用自動機床、組合機床和以專用機床為主的自動生產(chǎn)線，形成了大批量生產(chǎn)方式。目前，單件與小批量生產(chǎn)的零件占機械加工總量的80％左右，為有效地解決復(fù)雜、精密、小批多變的零件加工問題，滿足高質(zhì)量、高效益和多品種、小批量的柔性生產(chǎn)方式的要求，數(shù)控機床應(yīng)運而生。數(shù)控機床在機械制造業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用（美國的數(shù)控機床已占機床總數(shù)的 80% 以上），數(shù)控技術(shù)高精度、高生產(chǎn)率、適應(yīng)性好的特點得到充分發(fā)揮。數(shù)控機床是電子信息技術(shù)和傳統(tǒng)機械加工技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它集現(xiàn)代精密機械、計算機、通訊、液壓氣動、光電等多學(xué)科技術(shù)為一體，具有高效率、高精度、高自動化和高柔性的特點，是當(dāng)代機械制造業(yè)的主流裝備。數(shù)控加工中心是一種具有自動換刀裝置的數(shù)控機床，它能實現(xiàn)一次裝夾并進(jìn)行多工序加工。這種機床在刀庫中裝有鉆頭、絲錐、鉸刀、鏜刀等刀具，通過程序指令自動選擇刀具，并利用機械手將刀具裝在主軸上，這樣可大大縮短零件裝卸時間和換刀時間。數(shù)控技術(shù)不僅應(yīng)用于機床的控制，還用于控制其他的設(shè)備，諸如數(shù)控線切割機、數(shù)控繪圖機、數(shù)控測量機、數(shù)控沖剪機等，僅數(shù)控機床就有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床以及數(shù)控加工中心等。1.1.1 國外研究現(xiàn)狀及分析數(shù)控機床涌現(xiàn)至今的 50 年,隨科技、特別是微電子、盤算機技巧的前進(jìn)而不斷發(fā)展。美、德、日三國事當(dāng)今世上在數(shù)控機床科研、設(shè)計、制作和應(yīng)用上,技巧最先進(jìn)、經(jīng)驗最多的國家。因其社會前提不同,各有特點。美國的特點是,政府器重機床工業(yè),美國國防部等部門不斷提出機床的發(fā)展方向、科研任務(wù)和供給充分的經(jīng)費,且網(wǎng)羅世界人才,特別講究“效率”和“創(chuàng)新”,重視基礎(chǔ)科研。因而在機床技巧上不斷創(chuàng)新,2如 1952 年研制降生界第一臺數(shù)控機床、1958 年創(chuàng)制出加工中心、70 年代初研制成fms、1987 年開創(chuàng)開放式數(shù)控系統(tǒng)等。由於美國起首聯(lián)合汽車、軸承生產(chǎn)需求,充分發(fā)展了大批大批生產(chǎn)主動化所需的主動線,而且電子、盤算機技巧在世界上領(lǐng)先,因此其數(shù)控機床的主機設(shè)計、制作及數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)扎實,且一貫器重科研和創(chuàng)新,故其高性能數(shù)控機床技巧在世界也一直領(lǐng)先。當(dāng)今美國不僅生產(chǎn)宇航等應(yīng)用的高性能數(shù)控機床,也為中小企業(yè)生產(chǎn)便宜實用的數(shù)控機床(如 haas、fadal 公司等)。其存在的教訓(xùn)是,著重於基礎(chǔ)科研,疏忽利用技巧,且在上世紀(jì) 80 代政府一度放松了領(lǐng)導(dǎo),致使數(shù)控機床產(chǎn)量增長緩慢,於 1982 年被落后的日本超過,并大批進(jìn)口。從 90 年代起,糾正過去傾向,數(shù)控機床技巧上轉(zhuǎn)向?qū)嵱?產(chǎn)量又逐漸上升。德國政府一貫器重機床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位,在多方面大力扶植。特別講究“實際”與“實效”,保持“以人為本”,師徒相傳,不斷前進(jìn)人員素質(zhì)。在發(fā)展大批大批生產(chǎn)主動化的基礎(chǔ)上,於 1956 年研制出第一臺數(shù)控機床后,一直保持實事求是,講究科學(xué)精力,不斷穩(wěn)步前進(jìn)。德國特別重視科學(xué)實驗,理論與實際相聯(lián)合,基礎(chǔ)科研與利用技巧科研并重。企業(yè)與大學(xué)科研部門緊密合作,對用戶產(chǎn)品、加工工藝、機床布局結(jié)構(gòu)、數(shù)控機床的共性和特征問題進(jìn)行深入的研究,在質(zhì)量上千錘百煉。德國的數(shù)控機床質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)實用、貨真價實,出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機床。德國特別器重數(shù)控機床主機及配套件之先進(jìn)實用,其機、電、液、氣、光、刀具、測量、數(shù)控系統(tǒng)、各種功效部件,在質(zhì)量、性能上居世界前列。如西門子公司之?dāng)?shù)控系統(tǒng)和 heidenhain 公司之精密光柵,均為世界馳名,競相采用。1.1.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀及分析數(shù)控機床的重要組成部分有數(shù)控系統(tǒng)、刀庫和機械手、數(shù)控刀架和轉(zhuǎn)臺、主軸單元(含電主軸)、滾珠絲杠副和滾動導(dǎo)軌副、防護(hù)罩和數(shù)控刀具等功能部件，這些功能部件的性能已成為整機性能的決定因素。數(shù)控系統(tǒng)由顯示器、伺服控制器、伺服電機和各種開關(guān)、傳感器構(gòu)成。當(dāng)然，普通機床發(fā)展到數(shù)控機床不只是加裝系統(tǒng)這么簡單，例如:從銑床發(fā)展到加工中心，機床結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最主要的是加了刀庫，還大幅度提高了精度。加工中心最主要的功能是銑、鏜、鉆的功能。目前世界最大的三家廠商是：日本 Fanuc、德國西門子、日本三菱，其產(chǎn)品量大面廣，但技術(shù)并不一定是最高的，其余還有法國 Num、西班牙凡高等。 數(shù)控機床是利用二進(jìn)制數(shù)學(xué)方式輸入，加工過程可任意編程，主軸及進(jìn)給速度可按加工工藝需要變化，且能實現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動，易加工復(fù)雜曲面。對于加工對象具有“易變、多變、善變”的特點，換批調(diào)整方便，可實現(xiàn)復(fù)雜件多品種中小批柔性生產(chǎn)，3適應(yīng)社會對產(chǎn)品多樣化的需求。但價格較昂貴，需要正確分析其使用的經(jīng)濟合理性;數(shù)控機床利用硬件和軟件相結(jié)合，能實現(xiàn)信息反饋、補償、自動加減速等功能，可進(jìn)一步提高機床的加工精度、效率、自動化程度;數(shù)控機床是以電子控制為主的機電一體化機床，充分發(fā)揮了微電子、計算機技術(shù)特有的優(yōu)點，易于實現(xiàn)信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，可較易地組成各種先進(jìn)制造系統(tǒng)，如 FMS、FTL、FA，甚至將來的 CIMS，能最大限度地提高企業(yè)的勞動生產(chǎn)率。 數(shù)控機床是機、電、液、氣、光多學(xué)科各種高科技的綜合性組合，特別是以電子、計算機等現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)為基石，必須具有鞏固的技術(shù)基礎(chǔ)，互相配套，缺一不可。如不齊備，則數(shù)控機床難以順利發(fā)展。數(shù)控機床是由主機、各種元部件(功能部件)和數(shù)控系統(tǒng)三大部分組成，還需先進(jìn)的自動化刀具配合，才能實現(xiàn)加工，各個環(huán)節(jié)在技術(shù)上、質(zhì)量上必須切實過關(guān)，確保工作可靠、穩(wěn)定，才能保證數(shù)控機床加工的精度、效率和自動化，否則，難以在實際生產(chǎn)中使用。 我國數(shù)控機床行業(yè)總體的技術(shù)開發(fā)能力和技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，信息化技術(shù)應(yīng)用程度不高。行業(yè)現(xiàn)有的信息化技術(shù)來源主要依靠引進(jìn)國外技術(shù)，且外方在許多高新產(chǎn)品的核心技術(shù)上具有掌控地位，我們對國外技術(shù)的依存度較高，對引進(jìn)技術(shù)的消化仍停留在掌握已有技術(shù)和提高國產(chǎn)化率上，沒有上升到形成產(chǎn)品自主開發(fā)能力和技術(shù)創(chuàng)新能力的高度。具有高精度、高速、高效、復(fù)合功能、多軸聯(lián)動等特點的高性能實用數(shù)控機床基本上還得依賴進(jìn)口。 與國外產(chǎn)品相比，我國的差距主要是機床的高速高效化和精密化上。對高速加工技術(shù)，國外已進(jìn)行了多年的研究，對高速加工的機理、機床結(jié)構(gòu)、機床剛度和精度的影響等都有了系統(tǒng)的研究，并開發(fā)生產(chǎn)了各種高速銑削中心、高速加工中心，廣泛應(yīng)用于航空器鋁合金零件和模具加工上。 據(jù)統(tǒng)計，我國大型高性能超精機床每年生產(chǎn)不足千臺，僅占國產(chǎn)機床總量和總價值的 1．5%-2．5%,不到德國或日本的 1/20。國外臥式加工中心都裝有機床精度及溫度補償系統(tǒng)，加工精度比較穩(wěn)定，而國內(nèi)尚在研發(fā)中;國外加工中心定位精度基本上按德國標(biāo)準(zhǔn) VDI3441 驗收，行程 1000mm 以下，定位精度可控制在 0．006—0．0lmm以內(nèi)，而國內(nèi)定位精度相對較低。 2004 年，我國金屬加工機床消費額達(dá)到了 95 億美元，占世界總量的 1/5。其中，進(jìn)口份額占 63％，數(shù)控機床進(jìn)口額 34 億美元，占全部進(jìn)口金屬切削機床的 78．6%。為了滿足制造業(yè)的需求，國家每年花費 10 多億美元引進(jìn)數(shù)控機床。數(shù)控機床的核心技術(shù)即數(shù)控系統(tǒng)，我國 90%要從國外進(jìn)口。不僅價格高，進(jìn)口周期長也不能滿足主機廠的要求。而且，使用進(jìn)口的裝置組裝起來的機床，可靠性和質(zhì)量也會受到影響。42004 年內(nèi)地約消耗了 1 萬臺，但是大陸所有企業(yè)加起來共失產(chǎn) 2000 臺左右，而只有八九個生產(chǎn)加工中心工廠的臺灣省竟向內(nèi)地銷售了 3300 臺。 1.2 PLC應(yīng)用于數(shù)控鉆出的可能性數(shù)控機床是采用數(shù)字控制技術(shù)對機床各移動部件相對運動進(jìn)行控制點 機床，它是典型的機電一體化產(chǎn)品，是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機床的控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高；數(shù)控系統(tǒng)本身將普通實現(xiàn)自動編程。而 PLC 是一類以微處理器為基礎(chǔ)的通用型自動控制裝置。它一般以順序控制為主，回路調(diào)節(jié)為輔，能夠完成邏輯、順序、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等功能，既能控制開關(guān)量，也能控制模擬量。由于它能克服傳統(tǒng)繼電器體積龐大，攻好高，可靠性差等困難，PLC 已成為人們選擇數(shù)控機床所用順序控制裝置的主要選擇。因此本文用 PLC 設(shè)計數(shù)控機床控制系統(tǒng)。1.數(shù)控機床與普通機床的區(qū)別(1）具有手動、機動、程序控制自動加工功能，加工過程一般不需人工干預(yù)。(2）數(shù)控機床一般具有 CRT 顯示功能，自動報警顯示等輔助功能。(3）CNC 機床主傳動和進(jìn)給傳動采用直流或交流無級調(diào)速伺服電動機，無變速箱。(4）CNC 一般具有工件測量系統(tǒng)。最顯著區(qū)別是當(dāng)加工工件改變時，數(shù)控機床只改變加工程序，不需對機床作較大的調(diào)整。2.與普通機床相比，數(shù)控機床具有以下特點(1）可以加工具有復(fù)雜型面的工件具有良好的加工柔性，加工零件的適應(yīng)性強、靈活性好。由于數(shù)控機床能實現(xiàn)多個坐標(biāo)的聯(lián)動，所以數(shù)控機床能完成復(fù)雜型面的加工，特別是對于可用數(shù)學(xué)方程式和坐標(biāo)點表示的形狀復(fù)雜的零件，加工非常方便。當(dāng)改變加工零件時，數(shù)控機床只需更換零件加工的 NC 程序。因此，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短，數(shù)控機床的適應(yīng)性非常強。(2）加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定對于同一批零件，由于使用同一機床、刀具及同一加工程序，刀具的運動軌跡完全相同，且數(shù)控機床是根據(jù)數(shù)控程序自動進(jìn)行加工，可以避免人為的誤差，這就保證了零件加工的一致性好且質(zhì)量穩(wěn)定。數(shù)控機床有較高的加工精度，一般在0.005mm～0.1mm 之間。數(shù)控機床的加工精度不受零件復(fù)雜程度的影響，機床傳動鏈5的反向齒輪間隙和絲杠的螺距誤差等都可以通過數(shù)控裝置自動進(jìn)行補償，同時還可以利用數(shù)控軟件進(jìn)行精度校正和補償。(3）生產(chǎn)效率高數(shù)控機床上可以采用較大的切削用量，有效地節(jié)省了機動工時。還有自動換速、自動換刀和其他輔助操作自動化等功能，使輔助時間大為縮短，而且無需工序間的檢驗與測量，所以，比普通機床的生產(chǎn)率高 3～4 倍甚至更高。數(shù)控機床的主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給范圍都比普通機床大。目前數(shù)控機床的最高進(jìn)給速度可達(dá)到 100m/min 以上，最小分辨率達(dá) 0.01μm。 一般來說，數(shù)控機床的生產(chǎn)能力約為普通機床的三倍，甚至更高。數(shù)控機床的時間利用率高達(dá) 90%，而普通機床僅為30%～50% 。(4）減輕勞動強度，改善勞動條件在輸入程序并啟動后，數(shù)控機床就自動地連續(xù)加工，直至零件加工完畢。這樣就簡化了工人的操作，使勞動強度大大降低。(5）有利于生產(chǎn)管理現(xiàn)代化工時和工時費用可以精確估計，生產(chǎn)管理水平提高，便于實現(xiàn)生產(chǎn)計劃調(diào)度，簡化和減少檢驗、工具夾具準(zhǔn)備等管理工作。實現(xiàn)計算機管理與控制。(6）數(shù)控加工是 CAD/CAM 技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)工序集中，一機多用是數(shù)控機床的普遍特點。特別是帶自動換刀的數(shù)控加工中心，在一次裝夾的情況下，幾乎可以完成零件的全部加工工序，一臺數(shù)控機床可以代替數(shù)臺普通機床。這樣可以大大減少裝夾誤差，節(jié)約工序之間的運輸、測量和裝夾等輔助時間，還可以節(jié)省車間的占地面積，帶來較高的經(jīng)濟效益。由于以上特點使 PLC 技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控鉆床成為可能 。61.3 研究的主要內(nèi)容研究了解PLC 鉆床的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢查閱相關(guān)資料并選擇適合本課題的技術(shù)確定 PLC 的技術(shù)路線實現(xiàn)PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的基本要求并設(shè)計出 PLC 的控制程序依照自己的設(shè)計做出總體布局設(shè)計完成PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計流程圖繪制編寫畢業(yè)論文數(shù)控鉆床帶回轉(zhuǎn)工作臺電氣控制系統(tǒng)設(shè)計。1 回轉(zhuǎn)工作臺夾緊與松開，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向控制。2 動力滑臺進(jìn)給控制。3 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計。4 機床電氣圖設(shè)計。5 控制電路設(shè)計。6 控制程序設(shè)計。7第二章 總體設(shè)計方案鉆床是孔加工機床，用來進(jìn)行鉆孔、擴孔、鉸孔、攻絲及修刮端面等多種形式的加工。在各類鉆床中，搖臂鉆床操作方便、靈活，適用范圍廣，具有典型性，特別適用于單件或批量生產(chǎn)中帶有多孔大型零件的孔加工，是一般機械加工車間常見的機床。2.1 總體方案的設(shè)計搖臂鉆床主要由底座、內(nèi)立柱、外立柱、搖臂、主軸箱及工作臺等部分組成。內(nèi)立柱固定在底座的一端，外面套有外立柱，外立柱可繞內(nèi)立柱回轉(zhuǎn) 360°。搖臂的一端為套筒，套裝在外立柱上，并借助絲杠的正反轉(zhuǎn)沿外立柱做上下移動。由于絲杠與外立柱連成一體，而升降螺母固定在搖臂上，所以搖臂不能繞外立柱轉(zhuǎn)動，只能與外立柱一起繞內(nèi)立柱回轉(zhuǎn)。主軸箱安裝在搖臂的水平導(dǎo)軌上，可以通過手輪操作使其在水平導(dǎo)軌上沿?fù)u臂移動。當(dāng)進(jìn)行加工時，由特殊的夾緊裝置將主軸箱緊固在搖臂導(dǎo)軌上，外立柱緊固在內(nèi)立柱上，搖臂緊固在外立柱上，然后進(jìn)行鉆削加工。鉆削加工時，鉆頭一面旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，一面進(jìn)行縱向進(jìn)給。綜上所述，搖臂鉆床的運動方式有：1 主運動，主軸的旋轉(zhuǎn)運動；2 進(jìn)給運動，主軸的縱向進(jìn)給；3 輔助運動，搖臂沿外立柱垂直移動，主軸箱沿?fù)u臂長度方向移動，搖臂與外立柱一起繞內(nèi)立柱回轉(zhuǎn)運動。Z3040 型搖臂鉆床適合于在大、中型零件上進(jìn)行孔加工，其運動形式有主軸的旋轉(zhuǎn)運動、進(jìn)給運動、搖臂的升降運動、立柱的夾緊和放松、搖臂的回轉(zhuǎn)和主軸箱的左右移動。主軸的旋轉(zhuǎn)運動和進(jìn)給運動由一臺異動電動機拖動，搖臂的升降由一臺異步電動機拖動，搖臂、立柱和主軸箱的夾緊/放松由一臺液壓泵電動機拖動，搖臂的回轉(zhuǎn)和主軸箱的左右移動通常采用手動。此外，還有一臺冷卻泵電動機對刀具和工件進(jìn)行冷卻。加工螺紋時，主軸需要正反轉(zhuǎn)，該機床采用機械變換方法來實現(xiàn)，故主電動機只有一個旋轉(zhuǎn)方向。此外，為保證安全生產(chǎn)，其主軸旋轉(zhuǎn)和搖臂升降不允許同時進(jìn)行。可編程控制器（以下簡稱 PLC）從其生產(chǎn)到現(xiàn)在，實現(xiàn)了接線邏輯到存儲邏輯的飛躍，其功能從弱到強，實現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進(jìn)步；其應(yīng)用領(lǐng)域從小到大，8實現(xiàn)了單體設(shè)備簡單控制到勝任運動控制、過程控制及集散控制等各種任務(wù)的跨越。今天的 PLC 在處理模擬量、數(shù)字運算、人機接口和網(wǎng)絡(luò)的各方面能力都已大幅度提高，成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備，在各行業(yè)發(fā)揮著越來越大的作用。PLC 是基于電子計算機，且適用于工業(yè)現(xiàn)場工作的點控制器。它源于繼電控制裝置，但它不像繼電裝置那樣，通過電路的物理過程實現(xiàn)控制，而主要靠運行存儲于 PLC 內(nèi)存中的程序，進(jìn)行入出信息變換實現(xiàn)控制。PLC 基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。普通計算機進(jìn)行如初信息變換，多只考慮信息本身，信息的如初，只要人機界面就可以了。而 PLC 則還要考慮信息入出的可靠性、實時性，以及信息的使用等問題。特別要考慮怎么適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境，入便于安裝，抗干擾等問題。2.2鉆床控制線路概述 Z3040 搖臂鉆床主要有兩種主要運動和其他輔助運動，主運動是指主軸帶動鉆頭的旋轉(zhuǎn)運動；進(jìn)給運動是指鉆頭的垂直運動；輔助運動是指主軸箱沿?fù)u臂水平運動，搖臂沿外立柱上下移動以及搖臂和外立柱一起相對于內(nèi)立柱的回轉(zhuǎn)運動。Z3040 搖臂鉆床具有兩套液壓控制系統(tǒng)：一套是由主軸電動機拖動齒輪泵送出壓力油，通過操縱機構(gòu)實現(xiàn)主軸正反轉(zhuǎn)、停車控制、空擋、預(yù)選與變速；另一套是由液壓電動機拖動液壓泵送出壓力油來實現(xiàn)搖臂的夾緊和松開、主軸箱的夾緊與松開、立柱的夾緊與松開。前者安裝在主軸箱內(nèi)，后者安裝在搖臂電器盒下部。2.3 PLC類型的選擇目前各國生產(chǎn)的 PLC 品種繁多，發(fā)展迅速。在中國的市場上最具競爭力的有德國西門子公司、日本三菱系列、歐姆龍公司、AB 公司所推出的 PLC 均為從小到大全系列的產(chǎn)品，可滿足各種各樣的需求。三菱公司的產(chǎn)品有：FX 系列：為小型 PLC，單元式，單機最大容量為 256 點。A 系列、ANS 系列、Q 系列、QNA 系列等為模塊式大型 PLC，最大容量為 8K 點。西門子公司的產(chǎn)品有：S7-200:微型 PLC，單機最大容量為 256 點；S7-300:小到中型 PLC 單機最大容量為 1K；S7-400:大到超大型 PLC，單機可組態(tài)點數(shù)過萬點。2．選配 PLC 的型號S7-300 的 PLC，它適用于各行各業(yè)，各種場合中的自動檢測、監(jiān)測及控制等。S7-300 PLC 的強大功能使其無論單機運行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。92.4 本章小結(jié)本章根據(jù)控制要求確定了總體方案以及控制系統(tǒng)的硬件選型。總體方案包括PLC數(shù)控鉆床的硬件的組成和控制軟件的組成，以及各個模塊的聯(lián)系和通信方式；控制系統(tǒng)的硬件。10第三章 搖臂鉆床控制線路設(shè)計Z3040 搖臂鉆床主要有兩種主要運動和其他輔助運動，主運動是指主軸帶動鉆頭的旋轉(zhuǎn)運動；進(jìn)給運動是指鉆頭的垂直運動；輔助運動是指主軸箱沿?fù)u臂水平運動，搖臂沿外立柱上下移動以及搖臂和外立柱一起相對于內(nèi)立柱的回轉(zhuǎn)運動。3.1 搖臂鉆床控制線路概述Z3040 搖臂鉆床具有兩套液壓控制系統(tǒng)：一套是由主軸電動機拖動齒輪泵送出壓力油，通過操縱機構(gòu)實現(xiàn)主軸正反轉(zhuǎn)、停車控制、空擋、預(yù)選與變速；另一套是由液壓電動機拖動液壓泵送出壓力油來實現(xiàn)搖臂的夾緊和松開、主軸箱的夾緊與松開、立柱的夾緊與松開。前者安裝在主軸箱內(nèi)，后者安裝在搖臂電器盒下部。3.1.1 操縱機構(gòu)液壓系統(tǒng)該系統(tǒng)壓力油由主軸電動機拖動齒輪泵送出，由主軸操作手柄來改變兩個操縱閥的相互位置，獲得不同的動作。操作手柄有五個空間位置：上、下、里、外和中間位置，其中上為“空擋” ，下為“變速” ，外為“正轉(zhuǎn)” ，里為“反轉(zhuǎn)” ，中間位置為“停車” 。而主軸轉(zhuǎn)速及主軸進(jìn)給量各有一個旋鈕預(yù)選，然后在操作主軸手柄。主軸旋轉(zhuǎn)時，首先按下主軸電動機起動按鈕，主軸電動機起動旋轉(zhuǎn)，拖動齒輪泵，送出壓力油。然后操縱主軸手柄，板至所需轉(zhuǎn)向位置（里或外） ，于是兩個操縱閥相互位置轉(zhuǎn)變，使一股壓力油將制動摩擦離合器松開，為主軸旋轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件；另一股壓力油壓緊正轉(zhuǎn)（反轉(zhuǎn)）摩擦離合器，接通主軸電動機的主軸的傳送鏈，驅(qū)動主軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。在主軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)過程中，可轉(zhuǎn)動變速按鈕，改變主軸轉(zhuǎn)速或主軸進(jìn)給量。主軸停車時，將操作手柄扳回中間位置，這時主軸電動機仍拖動齒輪泵旋轉(zhuǎn)。但此時整個液壓系統(tǒng)為低壓油，無法松開制動摩擦離合器，而在制動彈簧作用下將制動摩擦離合器壓緊，使制動軸上的齒輪不能轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)主軸停車。所以主軸停車時主軸發(fā)動機仍在旋轉(zhuǎn)，只是不能將動力傳到主軸。主軸變速與進(jìn)給變速：將主軸手柄扳至“變速”位置，于是改變兩個操縱閥的相互位置，使齒輪泵送出的壓力油進(jìn)入主軸轉(zhuǎn)速預(yù)選閥和主軸進(jìn)給量預(yù)選閥，然后進(jìn)入各變速油缸。與此同時，另一油路系統(tǒng)推動拔叉緩慢運動，逐漸壓緊主軸正轉(zhuǎn)摩擦離合器，接通主軸電動機到主軸的傳動鏈，帶動主軸緩慢旋轉(zhuǎn)，稱為緩速，以利于齒輪11的順利嚙合。當(dāng)變速完成，松開操作手柄，此時手柄在彈簧作用下由“變速”位置自動復(fù)位到主軸“停車”位置，然后在操縱主軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，主軸將在新的轉(zhuǎn)速或進(jìn)給量下工作。3.1.2夾緊機構(gòu)液壓系統(tǒng)主軸箱、內(nèi)外立柱和搖臂的夾緊和松開是由液壓泵電動機拖動液壓泵電動機送出壓力油，推動活塞、菱形塊來實現(xiàn)的。Z3040 搖臂鉆床共有四大電動機：主電動機 M1，搖臂升降電動機 M2，液壓泵電動機 M3 和冷卻泵電動機 M4。123.2 Z3040搖臂鉆床控制線路原理分析圖 3-1 Z3040 搖臂鉆床原理圖Z3040 型搖臂鉆床控制線路原理圖上圖，Z3040 型搖臂鉆床的動作是通過機、電、液進(jìn)行聯(lián)合控制實現(xiàn)的。該機床控制電路采用 380V/100V 隔離變壓器供電，但其二次13繞組增設(shè) 24V 安全電壓供局部照明使用。斷路器 QF1 既作為機床線路的電源總開關(guān)，又作為機床線路和主軸電機 M1 的短路及過載保護(hù)元件，斷路器 QF2 臥搖臂升降電動機 M2、液壓泵電機 M3、冷卻泵電機M4 的隔離開關(guān)和過載及短路保護(hù)元件。QF3、QF4、QF5 分別為機床控制電路、機床工作信號指示電路和機床工作照明電路和過載及短路保護(hù)開關(guān)。開車前的準(zhǔn)備。首先將隔離開關(guān)接通，將電源引入開關(guān) QF1 扳到“接通”位置，接通三相交流電源，此時總電源指示燈 HL1 亮，表示機床電氣電路已進(jìn)入帶電狀態(tài)。按下總啟動按鈕 SB1，中間繼電器 KA 線圈通電吸合并自鎖，為主電動機及其他電動機啟動多準(zhǔn)備，同時觸點 KA 閉合，為其他三個指示燈通電做準(zhǔn)備。3.3 Z3040搖臂鉆床控制線路主電路設(shè)計1.M1 為單方向旋轉(zhuǎn)，由接觸器 KM1 控制，主軸的正反轉(zhuǎn)則由機床液壓系統(tǒng)操縱機構(gòu)配合正反轉(zhuǎn)摩擦離合器實現(xiàn)，并由熱繼電器 FR1 作電動機長期過載保護(hù)。 2. M2 由正、反轉(zhuǎn)接觸器 KM2、KM3 控制實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)?？刂齐娐繁ＷC，在操縱搖臂升降時，首先使液壓泵電動機起動旋轉(zhuǎn)，供出壓力油，經(jīng)液壓系統(tǒng)將搖臂松開，然后才使電動機 M2 起動，拖動搖臂上升或下降。當(dāng)移動到位后，保證 M2 先停下，再自動通過液壓系統(tǒng)將搖臂夾緊，最后液壓泵電機才停下。M2 為短時工作，不設(shè)長期過載保護(hù)。 3.M3 由接觸器 KM4、KM5 實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，并有熱繼電器 FR2 作長期過載保護(hù)。 4.M4 電機容量小，僅 0.125kW，由開關(guān) QS 控制。3.4 Z3040搖臂鉆床控制線路控制電路分析由變壓器 TC 將 380V 交流電壓降為 110V，作為控制電源。指示燈電源為 6V。3.4.1主電動機控制電路按下起動按鈕 SB2，接觸器 KM1 吸合并自鎖，主軸電動機 M1 起動并運轉(zhuǎn)。按下停止按鈕 SB8，接觸器 KM1 釋放，主軸電動機 M1 停轉(zhuǎn)。3.4.2 搖臂升降控制電路搖臂上升、下降分別由 SB3、SB4 點動控制。按上升按鈕 SB3，時間繼電器 KT1 得電吸合，瞬時動合觸點（33-35）閉合，接觸器 KM4 得電吸合，液壓泵電動機 M3 接通電源正向旋轉(zhuǎn)，供給壓力油。壓力油經(jīng)分配閥體進(jìn)入搖臂松開的油腔，推動活塞，使搖臂松開。當(dāng)搖臂完全松開后，活塞桿通過彈簧片壓下限位開關(guān) ST2，使其動斷觸點 ST2（17－33）斷開，使接觸器KM4 線圈斷電釋放，液壓泵電動機 M3 停轉(zhuǎn)，與此同時，另一動合觸點 ST2（17-21）14閉合，接觸器 KM2 線圈通電吸合，其主觸點接通升降電動機 M2 的電源，M2 啟動正向旋轉(zhuǎn)，帶動搖臂上升。如果搖臂沒有松開，ST2 的動合觸點也不能閉合，KM2 就不能吸合，M2 不能旋轉(zhuǎn)，搖臂也就不可能上升，保證了只有在搖臂可靠松開后才能使搖臂上升。當(dāng)搖臂上升到所需位置時，松開按鈕 SB3，接觸器 KM2 和時間繼電器 KT1 同時斷電釋放，搖臂升降電動機 M2 停轉(zhuǎn)，搖臂停止上升。由于 KT1 釋放，其延時閉合的動斷觸點（47-49）經(jīng) 1-3 秒延時后閉合，接觸器 KM5 的線圈經(jīng)（1-3-5-7-47-49-51-6-2）線路通電吸合，液壓電動機 M3 反向起動旋轉(zhuǎn)，供給壓力油。壓力油經(jīng)分配閥進(jìn)入搖臂夾緊油腔，向相反方向推動活塞，使搖臂夾緊。同時，活塞桿通過彈簧片壓下限位開關(guān) ST2 動斷觸點（7-47）斷開，接觸器 KM5 斷電釋放，液壓泵電動機 M3 停止旋轉(zhuǎn)，完成了搖臂的松開－上升－夾緊動作。搖臂上升的動作過程如下： 搖????。位 置 ， 松 開 搖 臂 上 升 到 預(yù) 定壓 下正 轉(zhuǎn)按 正 轉(zhuǎn)吸 合 停 轉(zhuǎn)斷 電吸 合吸 合32323414SBSTMMKKT ??臂的下降過程與上升基本相同，它們的夾緊和放松電路完全一樣。所不同的是按下降按鈕 SB4 時為 KM3 線圈得電，搖臂升降電動機 M2 反轉(zhuǎn)，帶動搖臂下降。時間繼電器 KT1 的作用是控制 KM5 的吸合時間，使 M2 停止運轉(zhuǎn)后，再夾緊搖臂。KT1 的延時時間應(yīng)視搖臂在 M2 斷電至停轉(zhuǎn)前的慣性大小調(diào)整，應(yīng)保證搖臂上升（或下降）后才進(jìn)行夾緊，一般調(diào)整在 1～3 秒。搖臂升降的限位保護(hù)，由組合開關(guān) ST1 來實現(xiàn)。ST1 有兩對觸點，ST1-1 是搖臂上升時的極限位置保護(hù)，ST1-2（27-17）是搖臂下降時的極限位置保護(hù)。當(dāng)搖臂上升到極限位置時，ST1-1(15-17)動作，將電路斷開，則 KM2 斷電釋放，搖臂升降電動機M2 停止旋轉(zhuǎn)。但 ST1 的另一觸點 ST1-2（27-17）仍處于閉合狀態(tài)，保證搖臂能夠下降。同理，當(dāng)搖臂下降到極限位置時，ST1-2（27-17）動作，電路斷開，KM3 釋放，搖臂升降電動機 M2 停轉(zhuǎn)。而 ST1 的另一動斷觸點 ST1-1(15-17)仍閉合，以保證搖臂能夠上升。搖臂的自動夾緊是由行程 ST3 來控制的。如果液壓夾緊系統(tǒng)出現(xiàn)故障而不能自動夾緊搖臂，或者由于 ST3 調(diào)整不當(dāng)，在搖臂夾緊后不能使 ST3（7-47）的動斷觸點斷開，都會使液壓泵電動機處于長期過載運行狀態(tài)，這是不允許的。為了防止損壞液壓泵電動機，電路中使用了熱繼電器 FR2。搖臂夾緊動作過程如下：搖臂升到預(yù)定位置，松開 SB3→KT1（47-49）斷電延時閉合→KM5 吸合、M3 反轉(zhuǎn)15→搖臂夾緊→ST3（7-47）受壓斷開→KM5、M3、均斷電釋放。3.4.3 立柱和主軸箱松開、夾緊控制電路立柱和主軸箱的松開及夾緊控制可單獨進(jìn)行，也可同時進(jìn)行，由轉(zhuǎn)換開關(guān) SA2 和復(fù)位按鈕 SB7（或 SB8）進(jìn)行控制。SA2 有 3 個位置：中間位（零位）時，立柱和主軸箱的松開或夾緊同時進(jìn)行；左邊位為立柱的夾緊或放松；右邊位為主軸箱的夾緊或放松。復(fù)合按鈕 SB7、SB8 分別為松開、夾緊控制按鈕。以主軸箱的松開和夾緊為例：先將 SA2 扳到右側(cè)，觸點（57-59）接通， （57-63）斷開。當(dāng)要主軸箱松開時，按松開按鈕 SB7，時間繼電器 KT2、KT3 的線圈同時得電， ，KT2 是斷電延時型時間繼電器，它的斷電延時斷開的常開觸點 （7-57）在通電瞬間閉合，電磁鐵 YA1 通電吸合。經(jīng) 1-3 秒延時后，KT3 的延時閉合常開觸點（7-41）閉合，接觸器 KM4 線圈經(jīng)（1-3-5-7-41-43-37-39-6-2）線圈斷電，液壓泵電動機 M3 正轉(zhuǎn)，壓力油經(jīng)分配閥進(jìn)入主軸箱右缸，推動活塞使主軸箱放松?；钊麠U使行程開關(guān) ST4 復(fù)位，觸點 ST4 常閉開關(guān),ST4 常開閉合。指示燈 HL2 亮，表示主軸箱已松開。主軸箱夾緊的控制線路及工作原理與松開時相似，只要按松開按鈕 SB7 換成夾緊按鈕 SB8，接觸器 KM4 換成 KM5，M3 由正向轉(zhuǎn)動變成反向轉(zhuǎn)動，指示燈 HL2 換成HL3 即可。當(dāng)把轉(zhuǎn)換開關(guān) SA3 拌到左側(cè)時，觸點（57-63）接通， （57-59）斷開。按松開按鈕 SB7 或夾緊按鈕 SB8 時，電磁鐵 YA2 通電，此時，立柱松開或夾緊；SA2 在中間位時，觸點（57-59） 、 （57-63）均接通。按 SB7 或 SB8，電磁鐵 YA1、YA2 均通電，主軸箱和立柱同時進(jìn)行松開或夾緊。其他動作過程與主軸箱松開或夾緊時完全相同，不在論述。由于立柱和主軸箱的松開與夾緊是短時間的調(diào)整工作，故采用點動控制方式。3.4.4 冷卻泵控制電路冷卻泵電動機 M4 容量小，所以用組合開關(guān) QS 直接控制其運行和停止。3.4.5 照明、信號電路（1）機床照明電路 QF5 機床工作照明電路開關(guān)，同時過載及短路保護(hù)作用，EL為工作照明燈。（2）工作信號指示 HL1 電源指示燈，當(dāng)和上 QF2 時 HL1 指示燈亮，HL2 為立柱和主軸箱松開指為立柱和主軸箱夾緊指示燈，分別由限位開關(guān) ST4 長閉觸頭和 ST4 常開觸頭控制。HL4 為主軸電動機旋轉(zhuǎn)指示燈，由 KM1 常開觸頭控制。3.5 本章小結(jié)本章從大體上對搖臂鉆床控制線路概述，其中以操縱機構(gòu)液壓系統(tǒng),夾緊機構(gòu)液16壓系統(tǒng)為分析設(shè)計重點，同時對搖臂鉆床控制線路原理，搖臂鉆床控制線路主電路進(jìn)行，搖臂鉆床控線路控制電路進(jìn)行初步設(shè)計與分析。也對主電動機控制電路，搖臂升降控制電路，立柱和主軸箱松開、夾緊控制電路，冷卻泵控制電路，照明、信號電路進(jìn)行了簡單設(shè)計和闡述。17第四章 搖臂鉆床的 PLC控制系統(tǒng)搖臂鉆床運動部件較多，為簡化傳動裝置，采用多臺電動機控制，通常沒有主軸電動機、搖臂升降電動機、立柱夾緊和放松電動機及冷卻泵電動機。搖臂鉆床為適應(yīng)各種形式加工，要求主軸及進(jìn)給有較大的調(diào)速范圍。主軸一般速度下的鉆床加工為恒功率負(fù)載，而低速是用于擴孔、絞孔及螺紋加工，屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。搖臂鉆床的主運動與進(jìn)給運動皆為主軸運動，這兩個運動由一臺主軸電動機拖動，分別經(jīng)主軸和進(jìn)給傳動機構(gòu)實現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給。主軸變速機構(gòu)與進(jìn)給變速機構(gòu)均裝在主軸箱內(nèi)。為加工螺紋，主軸要求有正、反轉(zhuǎn)，一般由機械方法獲得，為此主軸電動機只需單方向旋轉(zhuǎn)。搖臂的升降由升降電動機拖動，要求電動機能正、反轉(zhuǎn)。搖臂的夾緊和放松是由電氣和液壓聯(lián)合控制，并且有夾緊和放松指示。內(nèi)外立柱的夾緊與放松， 、主軸箱與搖臂的夾緊與放松可采用手柄機械操作、電氣-液壓-機械裝置等方法來實現(xiàn)。鉆削加工時，需要對刀具和工件進(jìn)行冷卻，為此需冷卻泵電動機輸送冷卻液。要有必要的限位、連鎖和過載保護(hù)，且具有局部安全照明。4.1 PLC的基本特點高可靠性（1）所有的 I/O 接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與 PLC 內(nèi)部電路之間電氣上隔離。（2）各輸入端均采用 R-C 濾波器，其濾波器時間常數(shù)一般為 10~20ms。（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。（4）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。（5）對采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的刷選。（6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟件、硬件發(fā)生異常情況，CPU 立即采用有效措施，以防止故障擴大。（7）大型 PLC 還可以采用由雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三 CPU 構(gòu)成表決系統(tǒng)，使可靠性進(jìn)一步提高。豐富的 I/O 接口模塊:18PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流、開關(guān)量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、強電或弱電等。有相應(yīng)的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按鈕、行程開關(guān)、接近開關(guān)、傳感器及變送器、電磁線圈、控制閥等直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊；為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊等等。采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需求，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC 的各個部件，包括 CPU、電源、I/O 等均采用模塊化設(shè)計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。編程簡單易學(xué)PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式。對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。安裝簡單，維修方便PLC 不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與 PLC 的相應(yīng)的 I/O 端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運行。本設(shè)計中 PLC 實現(xiàn)的功能：開關(guān)量的邏輯控制。這是 PLC 最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)組合邏輯控制、順序邏輯控制與定時控制。運動控制。PLC 使用專用的指令或運動控制模塊，使運動控制與順序控制功能有機結(jié)合在一起?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理。目前 PLC 都具有數(shù)據(jù)處理指令、數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)與邏輯運算指令和循環(huán)位移與移位指令、所以由 PLC 構(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)，可以方便地堆生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和加工處理。數(shù)據(jù)通常應(yīng)用于數(shù)控機床的機械手的控制系統(tǒng)中。位置控制。位置控制是指 PLC 使用的位置控制模塊來控制步進(jìn)電動機和伺服電動機，從而實現(xiàn)對各種機械構(gòu)件的運動控制，如控制構(gòu)件的速度、位移、運動方向等。數(shù)控機床機械手的位置控制就是 PLC 的位置控制的典型應(yīng)用。4.2 PLC工作原理由于 PLC 以微處理器為核心，故具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或 I/O 掃描方，19若有鍵按下或有 I/O 變化，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，若無則繼續(xù)掃描等待。PLC 則是采用循環(huán)掃描的工作方式。對每個程序，CPU 從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。掃描周期的長短主要取決于以下幾個因素：一是 CPU 執(zhí)行指令的速度；二是執(zhí)行每條指令占用的時間；三是程序中指令條數(shù)的多少。一個掃描周期主要可分為3 個階段。1．輸入刷新階段在輸入刷新階段，CPU 掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成輸入端刷新工作后，將關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。2．程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運算結(jié)果存入對應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸入刷新階段。3．輸出刷新階段當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器），并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC 的實際輸出。由此可見，輸入刷新、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段構(gòu)成 PLC 一個工作周期，由此循環(huán)往復(fù)，因此稱為循環(huán)掃描工作方式。由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進(jìn)行的，所以亦將這兩個階段統(tǒng)稱為 I/O 刷新階段。實際上，除了執(zhí)行程序和I/O 刷新外，PLC 還要進(jìn)行各種錯誤檢測（自診斷功能）并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱為"監(jiān)視服務(wù)"，一般在程序執(zhí)行之后進(jìn)行。掃描周期的長短主要取決于程序的長短。掃描周期越長，響應(yīng)速度越慢。由于每個掃描周期只進(jìn)行一次 I/O 刷新，即每一個掃描周期 PLC 只對輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，所以系統(tǒng)存在輸入輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但是由于其對 I/O 的變化每個周期只輸出刷新一次，并且只對有變化的進(jìn)行刷新，這對一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會造成影響，還會提高抗干擾能力。這是因為輸入采樣階段僅在輸入刷新階段進(jìn)行，PLC 在一個工作周期的大部分時間是與外設(shè)隔離的，而工業(yè)現(xiàn)場的干20擾常常是脈沖、短時間的，誤動作將大大減小。但是在快速響應(yīng)系統(tǒng)中就會造成響應(yīng)滯后現(xiàn)象，這個一般 PLC 都會采取高速模塊。4.3 PLC的選型目前各國生產(chǎn)的 PLC 品種繁多，發(fā)展迅速。在中國的市場上最具競爭力的有德國西門子公司、日本三菱系列、歐姆龍公司、AB 公司所推出的 PLC 均為從小到大全系列的產(chǎn)品，可滿足各種各樣的需求。三菱公司的產(chǎn)品有：FX 系列：為小型 PLC，單元式，單機最大容量為 256 點。A 系列、ANS 系列、Q 系列、QNA 系列等為模塊式大型 PLC，最大容量為 8K 點。西門子公司的產(chǎn)品有：S7-200:微型 PLC，單機最大容量為 256 點；S7-300:小到中型 PLC 單機最大容量為 1K；S7-400:大到超大型 PLC，單機可組態(tài)點數(shù)過萬點。2．選配 PLC 的型號S7-300 的 PLC，它適用于各行各業(yè)，各種場合中的自動檢測、監(jiān)測及控制等。S7-300 PLC 的強大功能使其無論單機運行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。4.3.1 確定 I/O點數(shù)根據(jù)控制電路來確定 I/O 端口點數(shù)，其中：按鈕 8 個，行程開關(guān) 5 個，轉(zhuǎn)換開關(guān)1 個（觸點位置 3 個） ，熱繼電器常閉 2 個，電壓繼電器觸點 1 個，控制線路電源總開關(guān) 1 個，共 20 個輸入端口點數(shù)；接觸器 7 個，電壓繼電器一個，信號燈 4 個，共計 12 個輸出端口點數(shù)。4.3.2 選配 PLC的型號在選用 PLC 上，根據(jù) Z3040 型搖臂鉆床的電氣部分，輸出端口需要 12 個，輸入端口需要 20 個。而且并不通過網(wǎng)絡(luò)或其他方式做遠(yuǎn)程控制。因此，考慮到經(jīng)濟，實用，穩(wěn)定等方面因素。我決定選用 SIMATIC S7-300 作為本次設(shè)計所用 PLC。其 I/O接線圖如下圖 4-1 所示。21圖 4-1 Z3040 搖臂鉆床 I/O 接線圖4.4搖臂鉆床 PLC控制 I/O(輸入、輸出）地址分配表I（輸入）序號 名稱 代號 地址1 控制線路電源總開關(guān) QF3 I0.0S7-300222 總停止按鈕 SB7 I0.13 總啟動按鈕 SB1 I0.24 電壓繼電器 AV I0.35 主軸電動機 M1 熱繼電器 FR1 I0.46 主軸電動機 M1 啟動按鈕 SB2 I0.57 主軸電動機 M1 停止按鈕 SB8 I0.68 搖臂上升按鈕 SB3 I0.79 搖臂下降按鈕 SB4 I1.010 搖臂上升上限位行程開關(guān) ST1-1 I1.111 搖臂下降下限位行程開關(guān) ST1-2 I1.212 主軸箱、立柱、搖臂松開行程開關(guān) ST2 I1.313 主軸箱、立柱、搖臂夾緊行程開關(guān) ST3 I1.414 液壓泵電動機 M3 熱繼電器 FR2 I1.515 主軸箱、立柱松開按鈕 SB5 I1.616 主軸箱、立柱夾緊按鈕 SB6 I1.717 立柱夾緊放松指示行程開關(guān) ST4 I2.018 主軸箱松開、夾緊 SA-1 I2.119 立柱松開、夾緊 SA-2 I2.220 主軸箱、立柱松開、夾緊 SA-3 I2.3O（輸出）序號 名稱 代號 地址1 電壓繼電器 KV Q0.02 主軸電動機 M1 接觸器 KM1 Q0.13 搖臂上升接觸器 KM2 Q0.24 搖臂下降接觸器 KM3 Q0.35 主軸箱、立柱、搖臂松開接觸器 KM4 Q0.46 主軸箱、立柱、搖臂夾緊接觸器 KM5 Q0.57 主軸箱松開、夾緊電磁鐵 YA1 Q0.68 立柱松開、夾緊電磁鐵 YA2 Q0.79 電源指示 HL1 Q1.010 立柱松開指示 HL2 Q1.12311 立柱夾緊指示 HL3 Q1.212 主電動機旋轉(zhuǎn)指示 HL4 Q1.34.5 PLC控制系統(tǒng)分析先將自動開關(guān) QF2～QF5 接通，在將電源總開關(guān) QF1 扳倒“接通”位置，引入三相電源。PLC 上電，電源指示燈點亮表示機床已處于帶電狀態(tài)。按下 SB1， I0.2 接通，低電壓繼電器 KV（Q0.0）得電并自鎖,其常開觸點 KV(I0.3)閉合接通了控制電路電源為機床工作做準(zhǔn)備。4.5.1 主軸電動機控制啟動時，按下啟動按鈕 SB2，I0.5 接通，Q0.1 動作并自鎖使 KM1 得電并自鎖，KM1 主觸點閉合主軸電動機 M1 轉(zhuǎn)動，指示燈 HL4 亮。停車時，按下停止按鈕 SB7，I0.6斷開 Q0.1 復(fù)位，KM1 斷電釋放，主軸電動機 M1 停轉(zhuǎn)，指示燈 HL4 滅。4.5.2 搖臂升降控制當(dāng)需要搖臂上升時按下 SB3，I0.7 閉合，M0.0 接通，同時，接通斷電延時定時器 T37，其長閉觸點 T37 瞬時斷開，斷開了液壓泵電動機 M3 反轉(zhuǎn)控制