基于plc的摇臂钻床电气控制系统设计

基于plc的摇臂钻床电气控制系统设计内容摘要：

转，带动摇臂上升。 当摇臂上升到一定高度时，松开按钮 SB3，接触器 KM时间继电器 KT 同时断电，摇臂升降电动机 M2西南石油大学本科毕业设计（论文） 10 依惯性旋转直到停转，摇臂停止上升。 而 KT的常开断电延时触头 KT经延时 3s 后才断开，常闭断电延时触头 KT 同样延时 3s后才 闭合。 在延时过程中，接触器 KM5 任处于断电状态，这段延时确保了摇臂电动机在断开电源后直到完全停止运转才开始摇臂夹紧动作。 当 KT延时时间到后，常闭断电延时触头 KT闭合， KM5 线圈通电，接触器KM5触头闭合，液压泵电动机 M3 反转，液压泵送出压力油，压力油经二位六通阀进入摇臂夹紧机构的夹紧油腔，反向推动活塞和菱形块将摇臂夹紧，活塞杆通过弹簧片压下行程开关 SQ3，其常闭触点断开，发出摇臂夹紧信号， YA 线圈断电， KM5 线圈断电， M3停止旋转，实现摇臂夹紧，上升结束。 摇臂下降示意图： 图 摇臂下降流程示意图 如 图 ， 当需要摇臂下降时，按下按钮 SB4，时间继电器 KT 通电闭合，继而接触器 KM4 通电闭合，液压泵电动机 M3正转，供给机床正向液压油松开摇臂。 基于 PLC的摇臂钻床电气控制 系统 设计 11 摇臂松开后，行程开关 SQ2 被压下，行程开关 SQ3 被复位闭合，即常开触点 SQ2闭合，常闭触点 SQ2断开，继而接触器 KM4断开，液压泵电动机 M3 停转，接触器 KM3 通电闭合，摇臂升降电动机 M2反转，带动摇臂下降。 当摇臂下降到一定高度时，松开按钮 SB4，接触器 KM时间继电器 KT失电释放，摇臂升降电动机 M2 停转，接触器 KM5通电闭合，液压泵电动机 M3 反转供给机床反 向压力油夹紧摇臂。 摇臂夹紧后，行程开关 SQ2 复位， SQ3 断开，液压泵电动机 M3 停止反转，完成摇臂下降的控制过程。 由此可知，摇臂松开由行程开关 SQ2 发出信号，而摇臂夹紧由行程开关 SQ3 发出信号。 由于夹紧机构的液压系统出现故障，摇臂夹不紧，或者因 SQ3 的位置不当在摇臂已夹紧后 SQ3 仍不能动作，则 SQ3的常闭触点长时间不能断开，使液压泵电动机M3出现长期过载，因此， M3 设置热继电器 FR进行过载保护。 摇臂升降的限位保护由开关 SQ1 实现， SQ1 有两对常闭触点一对实现上限保护，一对实现下限保护。 主 轴箱与立柱的松、紧控制 该 传统电气控制系统 中，主轴箱与立柱的夹紧与松开是同时进行的。 其流程示意图如下： 西南石油大学本科毕业设计（论文） 12 图 、紧控制流程示意图 如图 ， 当按下 SB5时，接触器 KM4 线圈通电，液压泵电动机正转，拖动液压泵送出压力油，这时电磁阀 YA线圈处于断电状态，压力油经二位六通阀进入主轴箱与立柱松开油腔，推动活塞和菱形块，使主轴箱与立柱松开。 由于 YA线圈断电，压力油不能进入摇臂松开油腔，摇臂仍处于夹紧状态。 当主轴箱与立柱松开时，行程开关 SQ4 没有受压，常闭触点 SQ4 闭合，指示灯 HL1 亮，表示主轴箱与立柱松开。 这时可以手动操作主轴箱在摇臂水平导轨上做径向移动，也可推动摇臂使外立柱绕内立柱做回转运动。 当移动到位后，按下按钮 SB6，接触器 KM5 线圈通电， M3反转，拖动液压泵送出压力油至夹紧油腔，使主轴箱与立柱夹紧。 当确已夹紧时，压下行程开关SQ4，常开触点 SQ4 闭合，指示灯 HL2 亮，而常闭触点 SQ4 断开，指示灯 HL1 灭，指示主轴箱与立柱夹紧，可以进行钻削加工。 基于 PLC的摇臂钻床电气控制 系统 设计 13 联锁环节 （ 1） 按钮、接触器联锁 在摇臂升降电路中，除了采用按钮 SB3 和 SB4 的机械联锁外，还采用 了接触器KM2 和 KM3 的电气联锁，即对摇臂升降电动机 M2 实现了正反转复合联锁。 在液压泵电动机 M3 的正反转控制电路中，接触器 KM4 和 KM5 采用了电气联锁，在主轴箱和立柱的夹紧、放松电路中，为保证压力油不供给摇臂夹紧油路，将按钮 SB5 和 SB6的常闭触头串联在电磁阀 YA 线圈的电路中，以达到联锁目的。 （ 2） 限位联锁 在摇臂升降电路中，行程开关 SQ2 是摇臂放松到位的信号开关，其常开触头串联在接触器 KM KM3 线圈中，它在摇臂完全放松到位后才动作闭合，以确保摇臂的升降在其放松运动后进行。 行程开关 SQ3 是摇臂夹紧到位的信 号开关，它在完全夹紧时动作，其常闭触头串联在接触器 KM5 线圈、电磁 铁 YA 线圈电路中。 如果摇臂未夹紧，则行程开关 SQ3的常闭触头闭合保持原状，使得接触器 KM5 线圈、电磁 铁 YA 线圈通电，对摇臂进行夹紧，知道完全夹紧为止，行程开关 SQ3 的常闭触头才断开，切断接触器 KM5 线圈、电磁 铁 YA 线圈，确保钻削加工精度。 （ 2） 时间联锁 通过时间继电器 KT 延时断开的常开触头和延时闭合的常闭触头，时间继电器KT 能保证在摇臂升降电动机 M2 完全停止后，才能进行摇臂的夹紧动作，时间继电器 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。 [7] 保护环节 （ 1）短路保护 在主电路中，利用熔断器 FU1 作总电路和电动机 M M4 的短路保护，利用熔断器 FU2 作电动机 M M3 和控制变压器 T 一次侧的短路保护，在控制电路中，利用熔断器 FU3 作照明回路的短路保护。 （ 2）过载保护 在主电路中，利用热继电器 FR1 作主轴电动机 M1 的过载保护，利用热继电器FR2 作液压泵电动机 M3 的过载保护。 如果由于液压系统的夹紧机构出现故障不能夹西南石油大学本科毕业设计（论文） 14 紧，那么行程开关 SQ3 的触 头 将断不开，或者由于行程开关 SQ3 安装调整不当，摇臂夹紧后仍不能压 下行程开关 SQ3，这时都会使液压泵电动机 M3 处于长期过载状态，易将 M3 烧毁。 M2 为短时工作，不用设长期过载保护。 （ 3）限位保护 摇臂升降的极限位置保护由组合行程开关 SQ1 来实现。 行程开关 SQ1 有两对常闭触头，他们分别串联在摇臂升降控制电路接点中，当摇臂上升或下降带极限位置时相应触头动作，切断与其对应的上升或下降接触器 KM2 和 KM3，使摇臂升降电动机M2 停止旋转，摇臂停止升降，实现极限位置保护。 （ 4）失压（欠压）保护 主轴电动机 M1 采用按钮与自保护控制方式，具有失压保护，各接触器线圈自身亦具有欠电 压保护功能。 液压系统 该机床采用先进的液压技术，具有两套液压控制系统：一套是操纵机构液压系统，由主轴电动机拖动齿轮泵输送压力油，通过操纵机构实现主轴正 /反转、停车制动、空挡、预选与变速；另一套由液压泵电动机拖动液压泵输送压力油，实现摇臂的夹紧与放松，主轴箱和立柱的夹紧与松开。 操纵机构液压系统 该系统压力油由主轴电动机拖动齿轮泵送出，由主轴操作手柄来改变两个操纵阀的相互位置，使压力油作不同的分配，获得不同动作。 操作手柄有上、下、里、外和中间五个空间位置。 其中上为“空挡”，下为“变速”，外 为“正转”，里为“反转”，中间位置为“停车”。 而主轴转速及主轴进给量各由一个按钮预选，然后再操作主轴手柄。 主轴旋转时，首先按下主轴电动机启动按钮，主轴电动机启动旋转，拖动齿轮泵，送出压力油。 然后操纵主轴手柄，扳至所需转向位置（里或外），于是两个操纵阀相互位置改变，使一股压力油将制动摩擦离合器松开，为主轴旋转创造条件；另一股压力油压紧正转（或反转）摩擦离合器，接通主轴电动机到主轴的传动链，驱动主轴正转或反转。 在主轴正转或反转的过程中，可转动变速按钮，改变主轴转速或主轴进给量。 主轴停车时，将操作手柄扳回至 中间位置，这时主轴电动机仍拖动齿轮泵旋转，基于 PLC的摇臂钻床电气控制 系统 设计 15 但此时整个液压系统为低压油，无法松开制动摩擦离合器，而在制动弹簧作用下将制动摩擦离合器压紧，使制动轴上的齿轮不能转动，实现主轴停车。 因此主轴停车时主轴电动机仍在旋转，只是不能将动力传到主轴。 主轴变速与进给变速：将主轴操作手柄扳至“变速位置”，于是改变两个操纵阀的相互位置，使齿轮泵送出的压力油进入主轴转速预选阀和主轴进给量预选阀，然后进入各变速油缸。 变速液压缸为差动液压缸，具体哪个液压缸上腔进压力油或回油，视所选择主轴转速和进给量大小。 与此同时，另一油路系统推动拔叉 缓慢移动，逐渐压紧主轴转速摩擦离合器，接通主轴电动机到主轴的传动链，带动主轴缓慢移动，称为缓速，以利于齿轮的顺利啮合。 当变速完成，松开操作手柄，此时手柄在弹簧作用下由“变速”位置自动复位到主轴“停车”位置，然后再操纵主轴正反转，主轴将在新的转速或进给量下工作。 主轴空挡：当操作手柄扳向“空挡”位置，这时压力油使主轴传动中的滑移齿轮处于中间脱开位置。 这时，可用手轻便地转动主轴。 [8] 夹紧机构液压系统 主轴箱、内外立柱和摇臂的夹紧与松开，是由液压泵电动机拖动液压泵送出压力油，推动活塞、菱形块来实现 的。 其中主轴箱和立柱的夹紧放松由一个油路控制，而摇臂的夹紧放松因要与摇臂的升降运动构成自动循环，因此由另一个油路来控制。 这两个油路均由电磁阀操纵。 夹紧结构液压图如图 所 示。 [9][10] 图 夹紧结构液压系统原理图 西南石油大学本科毕业设计（论文） 16 控制摇臂松开时，电磁阀 YA 线圈通电，液压泵电动机启 动正转，拖动液压泵送出正向压力油经该夹紧机构将摇臂放松。 控制摇臂夹紧时，电磁阀 YA 线圈仍通电，液压泵电动机反向旋转，拖动液压泵电动机送出反向压力油经该夹紧机构将摇臂夹紧。 摇臂完全夹紧后， YA 线圈断电，为保证摇臂在加工工件 前 总是处于 夹紧状态，电磁阀 YA 线圈始终保持断电状态。 主轴箱、立柱松紧控制是同时进行的，此时电磁阀 YA 线圈断电。 控制主轴箱、立柱松开时， 启 动液压泵电动机 M3， M3 正转，拖动液压泵送出正向压力油经该夹紧机构将主轴箱和立柱分别实现放松。 控制主轴箱、立柱夹紧时，起动液压泵电动机M3， M3 反转，拖动液压泵送出反向压力油经该夹紧机构将主轴箱和立柱分别实现夹紧。 电磁阀 YA 线圈通电情况如表 所示。 表 动 作 YA 通电 YA 断电 摇臂松开 + 摇臂夹紧 + 摇臂上升 + 摇 臂下降 + 主轴箱、立柱松开 + 主轴箱、立柱夹紧 + 3 系统总体方案设计 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller， PLC）取代传统继电器控制装置以来， PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。 同时， PLC的功能也不断完善。 随着计算机技术、信号处理技术、控制技术 、 网络技术的不断发展和用户需求的不断提高， PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。 今天的 PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域 也发挥着十分重要的作用。 [10] 可编程控制器 ( PLC) 是以微处理器为核心的一种新型工业控制装置 , 它具有体积小、功能强、编程简单、可靠性强等优点 , 特别是它的抗干扰性能强 , 已成为当代工业自动化的主要支柱之一。 [11]目前 , 在实际生产过程中 , 由于液压系统能提供较大的驱动力 , 且运动传递平衡、均匀、可靠及控制方便 , 因而被广泛应用于机床设备基于 PLC的摇臂钻床电气控制 系统 设计 17 中 , 而把液压系统与 PLC 控制结合起来 , 即可实现液压系统的自动化。 传统 继电器控制方式，由于电路接线复杂，触点多， 噪音大 ， 可靠性差 ， 故障诊断与排除困难等缺点 ， 编程复杂，不直观，不易读懂。 而 采用 PLC控制具有以下优点： (1)信号处理时间短， 运行 速度快 ，具有很强的实时性。 (2)所有的 I/O 输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控制器内部电路之间电气上隔离 ； 各模块均采用屏蔽措施，以防止噪声干扰 ； 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况， CPU 立即采取有效措施，以防止故障扩大 ，因此具有很高的可靠性。 (3)I/O 卡件种类丰富，可根据自控工程实现功能要求不同，而进行不同的配置 ，系统配置简单灵活。 (4)控制系统采用模块化结构。 (5)质优价廉，性 价比高 ， 安装简单，维修方便。 综合两者的优缺点，采用 PLC 控制更能合理地对 Z3040 摇臂钻床进行控制，设计总体方案如图。 图 系统改造方案 图 4 基于 PLC的 Z3040电气 控制系统 硬件 设计 PLC 控制系统设计的基本原则 任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。 因此在设计 PLC 控制系统时，应遵循以下基本原则： (1)最大限度的满足被控对象的控制要求。 设计前应深入现场进行调查研究，搜集资料并于机械部分的设计人员和实际操作人员 密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。 (2)在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用，维修方便。 (3)保证控制系统的安全、可靠。 西南石油大学本科毕业设计（论文） 18 (4)考虑到生产发展和工艺的改进，在选择 PLC 容量时，应适当留有余量。 [12] 电气控制部分 电气控制主电路 本次设计需要实现的是 PLC 代替传统的继电器对摇臂钻床进行电 气控制，所以主电路基本不变，重点根据控制要求对控制电路进行设计。 在系统设计中，所用到的四台电动机的控制线路如图 所示 ， 主轴电动机 （ M1）和 液 压泵电动机 （ M3） 的旋转 ，摇臂升降电动机 （ M2)正反转均由接触器控制 ， 而 冷却泵电动机 （ M。