Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)改造設計含CAD圖紙及說明書

Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)改造設計含CAD圖紙及說明書,z3040,搖臂,鉆床,電氣,控制系統(tǒng),改造,設計,cad,圖紙,說明書,仿單 畢業(yè)設計開題報告 設 計 題 目:Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)改造設計 院 系 名 稱: 專 業(yè) 班 級: 學 生 姓 名: 導 師 姓 名: 開 題 時 間: 指導委員會審查意見： 簽字： 年 月 日 一、 課題研究目的和意義 1.1 傳統(tǒng)機床的PLC改造必然性 20世紀90年代以前我國生產機床的電氣控制普遍采用繼電控制，這些機床現在依然在各企業(yè)中被廣泛應用，由于傳統(tǒng)繼電控制系統(tǒng)使用大量的中間繼電器、時間繼電器，控制觸電多，因此電氣控制系統(tǒng)存在一些缺陷： 1、故障率高 2、可靠性差 3、接線復雜不便維修。 為了提高機床控制系統(tǒng)的可靠性，降低故障率，提高機床的加工效益，很多企業(yè)對傳統(tǒng)控制機床的電氣控制系統(tǒng)進行了改造。通常這種改造有PLC改造和數控改造兩種。[1]機床的PLC改造和數控改造不同，PLC改造是使用PLC系統(tǒng)替代原有的繼電控制系統(tǒng)，機床的操作方式、加工工藝部發(fā)生改變，只是提高系統(tǒng)的可靠性。而數控技術改造是在機床上附加控制裝置和執(zhí)行元件，使用合適的機床伺服控制和計算機系統(tǒng)，改變原有機床加工精度低、加工品種單一等問題，使機床實現自動化和精密化，提高原機床的生產效率，降低勞動強度。但是舊機床存在剛度低、抗震性差等缺點，不易進行數控技術改造，并且隨著PLC價格的減低，PLC改造的成本也隨之降低，由于改造后的系統(tǒng)故障率低，也降低了維修成本，因此，對傳統(tǒng)控制機床進行PLC改造已經成為大多數企業(yè)的首選。隨著我國市場經濟的飛速發(fā)展，國內外市場競爭日趨激烈，在機械制造行業(yè)普遍存在著設備老化的問題，原有的機床設備便的陳舊、落后，已經滿足不了產品種類迅速增加和質量不斷提高的需求，僅僅購買新設備，所需資金太大，企業(yè)往往難以承受。為了節(jié)約資金，通過現有技術進行機床設備改造，使一些舊設備能夠達到生產要求，提高生產效率，繼續(xù)加工出具有競爭力的優(yōu)質產品[2]。 1.2 PLC具有的優(yōu)點 在工作原理方面，可編程序控制器采用周期循環(huán)掃描方式，在執(zhí)行用戶程序過程中與外界隔絕，從而大大減小外界干擾；在硬件方面，采用良好的屏蔽措施、對電源及I／O電路多種形式的濾波、CPU電源自動調整與保護、CPU與I／O電路之間采用光電隔離、輸出聯(lián)鎖、采用模塊式結構并增加故障顯示電路等措施；在軟件方面，設置自診斷與信息保護與恢復程序。PLC由于采用現代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性[3]。 可靠性高，抗干擾能力強，高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了[4]。 配套齊全，功能完善，適用性強。PLC發(fā)展到今天，已經形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 易學易用，深受工程技術人員歡迎。PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造。PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合[5]。 體積小，重量輕，能耗低。以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。 二、文獻綜述 2.1我國數控技術的現狀及發(fā)展趨勢 2.1.1我國數控技術的現狀 我國數控技術起步于20世紀50年代末期，經歷了發(fā)展初期的封閉式反正階段，“六五”、“七五”期間的消化吸收和引進技術階段，“八五”期間國產化體系階段，及“九五”期間產業(yè)化階段，基本掌握了現代數控技術，建立了數控開發(fā)、生產基地、，培養(yǎng)了一批數控專業(yè)人才，初步形成了資金的數控產業(yè)。目前較具規(guī)模的有廣州數控、航天數控和華中數控等。具有中國特色的經濟型、普及型數控系統(tǒng)經過幾十年的發(fā)展，產品的性能有了較大的提高，它們逐漸被用戶認可，在市場上站穩(wěn)了腳跟[6]。 我國現有數控機床生產廠家100多家，生產數控產品幾千種以上。產品主要分為3種類型：經濟型、普及型和高檔型。在CIMT2003上，中國內地共展出機床700多臺，在600多臺金屬切削機床和近100臺金屬成形機床展品中，數控機床分別占75%和54%。這既體系了中國機床市場的需求趨勢，也反映了中國在數控機床產業(yè)化方面取得了突破性進展。雖然我國在數控產品的研究開發(fā)、產品各方面有了較大的進步，但我們仔細分析可以發(fā)現，目前我們占有市場的產品主要集中在經濟型產品上，而在中檔、高檔產品上市場比例仍然很小，與國外一些先進產品相比，在可靠性、穩(wěn)定性和速度、精度等方面均存在較大差距。 2.1.2數控技術的發(fā)展趨勢 目前，世界各國經濟發(fā)展速度、工業(yè)化水平等不盡相同，因此對數控技術、產品的需求也不一樣。但送的來說，發(fā)達國家對中、高檔數控產品需求多，發(fā)達國家對低、中檔需求較多并需要少量的高檔產品。目前，發(fā)達國家的低、中、高檔數控產品之比分別為20:70:10，而發(fā)展中國家約為80:17:3，兩者之間的勞動產品率相差懸殊。因此，發(fā)展中高檔產品仍大勢所趨[7]。 (1)高可靠性、穩(wěn)定性 從“數控系統(tǒng)千人調查”分析報告可以看出，無論經濟型、普及型還是高檔型數控系統(tǒng)，在“影響選擇數控系統(tǒng)因素”的排序中，排在第一位的都是可靠性穩(wěn)定性。由此可見，產品的質量性能在用戶選購數控系統(tǒng)的過程中占有重要的位置。我國的產品要想占據國內國際市場，應把可靠性、穩(wěn)定性作為數控產品研究的頭等大事。 產品 因素 可靠性穩(wěn)定性 品牌 價格 服務 經濟型 33 16 30 21 普及型 37 19 23 21 高檔型 31 28 18 23 不同檔次數控系統(tǒng)購買因素[8] (2)高速度、高精度化 速度和精度是數控產品的兩個重要指標，它直接關系到產品零件加工的銷量和質量。速度影響產品的生產周期，精度直接影響到工作性能、壽命、能耗和噪聲等。因此數控產品的高速、高精化是市場需求和技術發(fā)展的必然結果。 智能化 現代數控技術的智能化包括兩個方面含義： （1）現代數控產品部應僅僅是某些專業(yè)技術人員才能操作使用，它應發(fā)展成為個個可操作，人人會使用。 （2）現代數控產品應能夠通過對影響加工精度和效率的因素進行自動檢測、比較、補償，準確快速地做出決策，使產品的加工處于最佳狀態(tài)。 (3)復合化 如果能夠在一臺機床上實現或盡可能完成一個復雜的產品從毛坯至成品的全部加工，實現數控技術的復合化。這樣就可以保證工件的加工精度，提高產品的質量，減少在不同數控機床間進行工序的轉換而引起的待工時間及多次上下料等時間，提高加工效率，節(jié)約了產品生產的周期，贏得了市場[9]。 (4)數控編程自動化 隨著計算機技術的發(fā)展，CAD、CAM、CAPP技術的廣泛應用，可實現數控編程的自動化。操作者只需根據需要繪制零件加工樣圖，計算機就能夠根據樣圖進行數據處理，自動編程加工[10]。 (5)網絡化 實現數控技術的網絡化，進行遠程控制和無人化操作。通過數控機床的聯(lián)網，可在任何一天機床上對其他機床進行編程、設定和操作。不同機床的畫面可同時顯示在每一臺機床屏幕上，實現資源共享，科學管理。減少人力物力，降低了成本，提高了效率。 三、基本內容、擬解決的主要問題 鉆床是一種孔加工的機床?？捎脕磴@孔、擴孔、鉸孔、鏜孔、攻螺紋及修刮斷面等多種形式的加工，因此要求鉆床的主軸暈和進給運動有較寬的調速范文。鉆床的種類很多，按用途和結構可分為立式鉆床、臺式鉆床、多軸鉆床、搖臂鉆床及其他專用鉆床等。在各類鉆床鎮(zhèn)南關，搖臂鉆床操作方便、靈活，應用范圍廣，具有典型性，適合于在大、中型零件上進行鉆孔、擴孔、鉸孔及攻螺紋等工作，在具有工藝裝備的條件下?？梢赃M行鏜孔；特別使用于單位或批量生產中帶有多孔的大、中型零件的加工：是一般機械加工車間最常見的機床。臺鉆和立鉆的應用也較為廣泛，但是其電氣線路比較簡單，其他形式的鉆床在控制系統(tǒng)上也大同小異[11]。 3.1總體設計技術要求 數控鉆床的控制要求為: （1）回轉工作臺加緊與松開，轉速、轉向控制 （2）動力滑臺進給控制。 （3）機床電氣圖設計。 （4）控制電路設計。 （5）控制程序設計。 3.2具體實施方案 搖臂鉆床的內立柱固定在底座的一端，在它的外面套有外立柱，外立柱可繞內立柱回轉360°。搖臂的一端為套筒，它套裝在外立柱上，并借助絲杠的正反轉可沿外立柱做上下移動；由于該絲杠于外立柱連成一體，并且升降螺母固定在搖臂上，所以搖臂不能繞外立柱轉動，智能于外立柱以前繞內立柱回轉。主軸箱是一個復合部件，它有主傳動電動機、主軸和主軸傳動機構、進給和變速機構以及機床的操作機構等部分組成，主軸箱安裝在搖臂的遂平導軌上，可通過手輪操作使其在水平導軌上沿搖臂移動。檔進行加工時，由特殊的加緊裝置有主軸箱緊固在搖臂導軌上，外立柱緊固在內立柱上，搖臂緊固在外立柱上，然后進行鉆削加工。鉆削加工時，鉆頭一面進行旋轉切削，一面進行縱向進給[12]。 搖臂鉆床的電氣控制和PLC控制[13] 傳統(tǒng)數控鉆床結構示意圖 主電路搖臂鉆床的主軸旋轉運動和進給運動由一臺交流異步電動機M1拖動，主軸的正反向旋轉運動是通過機械轉換實現的。故主電動機只有一個旋轉方向。通常情況下主軸的調速范圍為50:1，正轉最低轉速為40r/min，最高為2000r/min，進給范圍為（0.05-1.6）r/min。它的調速是通過三相交流異步電動機和變速箱來實現的。也有的是采用多速異步電動機拖動，這樣可以簡化變速機構。 搖臂鉆床除了主軸的旋轉和進給運動外，還有搖臂的上升、下降及立柱的加緊和放松。搖臂的上升和下降由一臺交流異步電動機M2拖動，立柱的夾緊和放松由另一臺甲流電動機M4拖動。 控制電路主軸電動機控制。主軸電動機M1為單向旋轉，由按鈕和接觸器實現啟動停止控制。主軸的正反轉則由M1電動機拖動齒輪泵送出壓力油，通過液壓系統(tǒng)操縱機構，配合正反轉摩擦離合器驅動主軸正反轉。 搖臂上升、下降控制。搖臂鉆床在加工時，要求搖臂處于夾緊狀態(tài)，才能保證加工精度。但在搖臂需要升降時，又要求搖臂處于松開狀態(tài)，否則電動機負載大，機械磨損嚴總，無法升降工作。搖臂上升或下降時，其動作過程是升降指令發(fā)出，先使搖臂于外立柱處于松開狀態(tài)，而后上升或下降時，待升降到位時自動重新夾緊。由于松開和夾緊工作是由液壓系統(tǒng)實現，因此，升降控制必須于松緊機構液壓系統(tǒng)緊密配合[14]。 四、技術路線或研究方法 研究了解PLC鉆床的發(fā)展現狀和趨勢 查閱相關資料并選擇適合本課題的技術 確定PLC的技術路線 實現PLC控制系統(tǒng)設計的基本要求并設計出PLC的控制程序 依照自己的設計做出總體布局設計 完成PLC控制系統(tǒng)設計流程圖繪制 編寫畢業(yè)論文 五、進度安排 2012年2月27日-2012年3月4日——接受任務，市場調查； 2012年3月5日-2012年3月18日——查閱文獻、收集資料，撰寫并提交開題報告； 2012年3月19日-2012年4月1日——確定控制方案，設計控制系統(tǒng)框圖； 2012年4月2日-2012年4月15日——器件選型； 2012年4月16日-2012年4月29日——系統(tǒng)硬件設計；解決問題，修改完善 2012年4月30日-2012年6月3日——程序編制與調試； 2012年6月4日-2012年6月10日——撰寫設計說明書并用計算機繪圖； 2012年6月11日-2012年6月15日——完成說明書及圖紙的打印，準備答辯。 六、主要參考文獻 1、段明忠王婷婷武漢工程職業(yè)技術學院學報 2007-2 12 19(4) [G] 2、關榆軍河北理工學院學報 2000-9第22 (3)[ G] 3、彭永忠中國制造信息化 2010-3第39 (5)[ G] 4、袁海霞湖南農機 2010-1 第37卷 1(4)[ G] 5、梁偉王先桂林航天工業(yè)高等專科學院學報 2010-3 第9 (2)[ G] 6、肖麗遼寧師專學報 2009-12 第11卷 4期[G] 7、張新喜李偉波李寧農機使用與維修 2008-4 第9 (6)[ G] 8、潘鐘鍵劉曉紅機械電子 2011-2 第11 (4)[ G] 9、趙良，PLC控制技術在自動機床擴切記中的應用，工業(yè)控制計算機 1996 P104[M] 10、段明忠王婷婷武漢工程職業(yè)技術學院學報 2007 12 19(4)[ M] 11、基于PLC的Z3040搖臂鉆床控制系統(tǒng)改造方案電工技術邵金均[m] 12、關學峰，3-PTT型滑塊式并聯(lián)機床的PLC控制，機械設計與制造 2009[M] 13、熊辛明，千斤頂油缸加工專用機床的PLC控制系統(tǒng)設計，機床電器 2002[M] 14、活塞環(huán)放行車、銑組合機床PLC控制的研究，南通工學院學報 1999[M] 15、楊世成，基于PLC控制的三軸鉆專機控制系統(tǒng)設計，機電產品開發(fā)與創(chuàng)新 2009[M] 16、楊斌，基于PKC控制系統(tǒng)的電解加工機床改造，新技術新工藝 2011[M] 本科學生畢業(yè)設計 Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)改造設計 系部名稱： 專業(yè)班級： 學生姓名： 指導教師： 職 稱： 年六月 摘 要 本設計主要闡述了傳統(tǒng)鉆床PLC改造的可行性，并進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)進行了改造 本設計描述了數控機床的基本組成、工作原理、分類及各自的特點。并且對數控機床中的PLC作了詳細的介紹，把PLC在數控機床上的控制做了設計。然后以搖臂鉆床Z3040為例，描述了它的設計過程，包括控制系統(tǒng)電路的設計，控制原理設計，主電路設計，主控制電路設計，Z3040搖臂鉆床原理圖，用PLC編寫程序對機床進行控制。 關鍵詞：可編程控制器 數控機床 數字控制 液壓控制 梯形圖 原理圖 ABSTRACT This 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 transformation This 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 III 目 錄 摘要………………………………………………………………………………… Abstract………………………………………………………………………… 第1章 緒論……………………………………………………………………1 1.1研究現狀與研究意義………………………………………………………… 1 1.1.1 國外研究現狀………………………………………………………1 1.1.2 國內研究現狀………………………………………………………2 1.1.3 研究的意義…………………………………………………………3 1.2 PLC應用于數控鉆出的可能性……………………………………………4 1.3 研究的主要內容……………………………………………………………6 第2章總體設計方案……………………………………………6 2.1 總體方案的設計…………………………………………………………7 2.2元器件的選型……………………………………………………………8 2.3 PLC的主要類型…………………………………………………………8 2.4 本章小結…………………………………………………………………9 第3章 搖臂鉆床控制線路設計………………………………………10 3.1 搖臂鉆床控制線路概述…………………………………………………11 3.1.1 操縱機構液壓系統(tǒng)…………………………………………………12 3.1.2夾緊機構液壓系統(tǒng)……………………………………………………12 3.2搖臂鉆床控制線路原理設計………………………………………………13 3.3 Z3040搖臂鉆床控制線路主電路設計…………………………………14 3.4 Z3040搖臂鉆床控制線路控制電路分析………………………………14 3.4.1主電動機控制電路……………………………………………………14 3.4.2 搖臂升降控制電路…………………………………………………14 3.4.3 立柱和主軸箱松開、夾緊控制電路………………………………14 3.4.4 冷卻泵控制電路……………………………………………………15 3.4.5 照明、信號電路………………………………………………………15 3.5 本章小結……………………………………………………………………15 第4章?lián)u臂鉆床PLC控制系統(tǒng)……………………………………16 4.1 PLC的基本特點……………………………………………………………17 4.2 PLC的工作原理……………………………………………………………19 4.3 PLC的選型 …………………………………………………………………20 4.3.1 確定I/O點數………………………………………………………20 4.3.2 選配PLC的型號……………………………………………………20 4.4搖臂鉆床的PLC控制I/0（輸入、輸出）地址分配表………………21 4.5 PLC控制系統(tǒng)設計………………………………………………………22 4.5.1 主軸電動機控制……………………………………………………22 4.5.2 搖臂升降控制………………………………………………………22 4.5.3立柱與主軸箱松開、夾緊控制……………………………………23 4.6 PLC梯形圖程序設計………………………………………………………23 4.6.1 系統(tǒng)預開程序…………………………………………………………24 4.6.2 主軸電動機控制程序………………………………………………24 4.6.3 搖臂升降控制程序…………………………………………………25 4.6.4 主軸箱、立柱、搖臂松開、夾緊控制程序…………………………25 4.6.5主軸箱、立柱松開、夾緊控制程序…………………………………26 4.6.6 冷卻泵控制…………………………………………………………26 4.6.7 信號指示梯形圖程序………………………………………………26 4.6.8 完整的PLC控制梯形圖……………………………………………27 4.7 本章小結……………………………………………………………………29 第5章技術展望………………………………………………………………30 結論………………………………………………………………………………32 參考文獻…………………………………………………………………………33 致謝………………………………………………………………………………35 附錄………………………………………………………………………………38 2 本科學生畢業(yè)設計 Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)改造設計 系部名稱： 專業(yè)班級： 學生姓名： 指導教師： 職 稱： 二○一二年六月 摘 要 本設計主要闡述了傳統(tǒng)鉆床PLC改造的可行性，并進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)進行了改造 本設計描述了數控機床的基本組成、工作原理、分類及各自的特點。并且對數控機床中的PLC作了詳細的介紹，把PLC在數控機床上的控制做了設計。然后以搖臂鉆床Z3040為例，描述了它的設計過程，包括控制系統(tǒng)電路的設計，控制原理設計，主電路設計，主控制電路設計，Z3040搖臂鉆床原理圖，用PLC編寫程序對機床進行控制。 關鍵詞：可編程控制器 數控機床 數字控制 液壓控制 梯形圖 原理圖 ABSTRACT This 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 transformation This 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 III 目 錄 摘要………………………………………………………………………………… Abstract………………………………………………………………………… 第1章 緒論……………………………………………………………………1 1.1研究現狀與研究意義………………………………………………………… 1 1.1.1 國外研究現狀………………………………………………………1 1.1.2 國內研究現狀………………………………………………………2 1.1.3 研究的意義…………………………………………………………3 1.2 PLC應用于數控鉆出的可能性……………………………………………4 1.3 研究的主要內容……………………………………………………………6 第2章總體設計方案……………………………………………6 2.1 總體方案的設計…………………………………………………………7 2.2元器件的選型……………………………………………………………8 2.3 PLC的主要類型…………………………………………………………8 2.4 本章小結…………………………………………………………………9 第3章 搖臂鉆床控制線路設計………………………………………10 3.1 搖臂鉆床控制線路概述…………………………………………………11 3.1.1 操縱機構液壓系統(tǒng)…………………………………………………12 3.1.2夾緊機構液壓系統(tǒng)……………………………………………………12 3.2搖臂鉆床控制線路原理設計………………………………………………13 3.3 Z3040搖臂鉆床控制線路主電路設計…………………………………14 3.4 Z3040搖臂鉆床控制線路控制電路分析………………………………14 3.4.1主電動機控制電路……………………………………………………14 3.4.2 搖臂升降控制電路…………………………………………………14 3.4.3 立柱和主軸箱松開、夾緊控制電路………………………………14 3.4.4 冷卻泵控制電路……………………………………………………15 3.4.5 照明、信號電路………………………………………………………15 3.5 本章小結……………………………………………………………………15 第4章?lián)u臂鉆床PLC控制系統(tǒng)……………………………………16 4.1 PLC的基本特點……………………………………………………………17 4.2 PLC的工作原理……………………………………………………………19 4.3 PLC的選型 …………………………………………………………………20 4.3.1 確定I/O點數………………………………………………………20 4.3.2 選配PLC的型號……………………………………………………20 4.4搖臂鉆床的PLC控制I/0（輸入、輸出）地址分配表………………21 4.5 PLC控制系統(tǒng)設計………………………………………………………22 4.5.1 主軸電動機控制……………………………………………………22 4.5.2 搖臂升降控制………………………………………………………22 4.5.3立柱與主軸箱松開、夾緊控制……………………………………23 4.6 PLC梯形圖程序設計………………………………………………………23 4.6.1 系統(tǒng)預開程序…………………………………………………………24 4.6.2 主軸電動機控制程序………………………………………………24 4.6.3 搖臂升降控制程序…………………………………………………25 4.6.4 主軸箱、立柱、搖臂松開、夾緊控制程序…………………………25 4.6.5主軸箱、立柱松開、夾緊控制程序…………………………………26 4.6.6 冷卻泵控制…………………………………………………………26 4.6.7 信號指示梯形圖程序………………………………………………26 4.6.8 完整的PLC控制梯形圖……………………………………………27 4.7 本章小結……………………………………………………………………29 第5章技術展望………………………………………………………………30 結論………………………………………………………………………………32 參考文獻…………………………………………………………………………33 致謝………………………………………………………………………………35 附錄………………………………………………………………………………38 第1章 緒 論 數控技術是制造業(yè)實現自動化、柔性化、集成化生產的基礎；數控技術的應用是提高制造業(yè)的產品質量和勞動生產率必不可少的重要手段；數控機床是國防工業(yè)現代化的重要戰(zhàn)略裝備，是關系到國家戰(zhàn)略地位和體現國家綜合國力水平的重要標志。數控技術是最典型的、應用最廣泛的機電光一體化綜合技術，這就要求機械類專業(yè)應用型本科學生具備一定的機床數控技術理論知識及應用技能。 1.1 研究現狀與研究意義 美國帕森斯公司和麻省理工學院（MIT）合作，于1952年研制成功第一臺三坐標立式數控銑床。生產企業(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線，形成了大批量生產方式。目前，單件與小批量生產的零件占機械加工總量的80％左右，為有效地解決復雜、精密、小批多變的零件加工問題，滿足高質量、高效益和多品種、小批量的柔性生產方式的要求，數控機床應運而生。數控機床在機械制造業(yè)中得到日益廣泛的應用（美國的數控機床已占機床總數的80% 以上），數控技術高精度、高生產率、適應性好的特點得到充分發(fā)揮。 數控機床是電子信息技術和傳統(tǒng)機械加工技術結合的產物，它集現代精密機械、計算機、通訊、液壓氣動、光電等多學科技術為一體，具有高效率、高精度、高自動化和高柔性的特點，是當代機械制造業(yè)的主流裝備。 數控加工中心是一種具有自動換刀裝置的數控機床，它能實現一次裝夾并進行多工序加工。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。數控技術不僅應用于機床的控制，還用于控制其他的設備，諸如數控線切割機、數控繪圖機、數控測量機、數控沖剪機等，僅數控機床就有數控車床、數控銑床、數控鉆床、數控磨床、數控鏜床以及數控加工中心等。 1.1.1 國外研究現狀及分析 數控機床涌現至今的50年,隨科技、特別是微電子、盤算機技巧的前進而不斷發(fā)展。美、德、日三國事當今世上在數控機床科研、設計、制作和應用上,技巧最先進、經驗最多的國家。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、科研任務和供給充分的經費,且網羅世界人才,特別講究“效率”和“創(chuàng)新”,重視基礎科研。因而在機床技巧上不斷創(chuàng)新,如1952年研制降生界第一臺數控機床、1958年創(chuàng)制出加工中心、70年代初研制成fms、1987年開創(chuàng)開放式數控系統(tǒng)等。由於美國起首聯(lián)合汽車、軸承生產需求,充分發(fā)展了大批大批生產主動化所需的主動線,而且電子、盤算機技巧在世界上領先,因此其數控機床的主機設計、制作及數控系統(tǒng)基礎扎實,且一貫器重科研和創(chuàng)新,故其高性能數控機床技巧在世界也一直領先。當今美國不僅生產宇航等應用的高性能數控機床,也為中小企業(yè)生產便宜實用的數控機床(如haas、fadal公司等)。其存在的教訓是,著重於基礎科研,疏忽利用技巧,且在上世紀80代政府一度放松了領導,致使數控機床產量增長緩慢,於1982年被落后的日本超過,并大批進口。從90年代起,糾正過去傾向,數控機床技巧上轉向實用,產量又逐漸上升。 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,不斷前進人員素質。在發(fā)展大批大批生產主動化的基礎上,於1956年研制出第一臺數控機床后,一直保持實事求是,講究科學精力,不斷穩(wěn)步前進。德國特別重視科學實驗,理論與實際相聯(lián)合,基礎科研與利用技巧科研并重。企業(yè)與大學科研部門緊密合作,對用戶產品、加工工藝、機床布局結構、數控機床的共性和特征問題進行深入的研究,在質量上千錘百煉。德國的數控機床質量及性能良好、先進實用、貨真價實,出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數控機床。德國特別器重數控機床主機及配套件之先進實用,其機、電、液、氣、光、刀具、測量、數控系統(tǒng)、各種功效部件, 在質量、性能上居世界前列。如西門子公司之數控系統(tǒng)和heidenhain公司之精密光柵,均為世界馳名,競相采用。 1.1.2國內研究現狀及分析 數控機床的重要組成部分有數控系統(tǒng)、刀庫和機械手、數控刀架和轉臺、主軸單元(含電主軸)、滾珠絲杠副和滾動導軌副、防護罩和數控刀具等功能部件， 這些功能部件的性能已成為整機性能的決定因素。數控系統(tǒng)由顯示器、伺服控制器、伺服電機和各種開關、傳感器構成。當然，普通機床發(fā)展到數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，機床結構發(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，其產品量大面廣，但技術并不一定是最高的，其余還有法國Num、西班牙凡高等。 數控機床是利用二進制數學方式輸入，加工過程可任意編程，主軸及進給速度可按加工工藝需要變化，且能實現多坐標聯(lián)動，易加工復雜曲面。對于加工對象具有“易變、多變、善變”的特點，換批調整方便，可實現復雜件多品種中小批柔性生產，適應社會對產品多樣化的需求。但價格較昂貴，需要正確分析其使用的經濟合理性;數控機床利用硬件和軟件相結合，能實現信息反饋、補償、自動加減速等功能，可進一步提高機床的加工精度、效率、自動化程度;數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、計算機技術特有的優(yōu)點，易于實現信息化、智能化、網絡化，可較易地組成各種先進制造系統(tǒng)，如FMS、FTL、FA，甚至將來的CIMS，能最大限度地提高企業(yè)的勞動生產率。 數控機床是機、電、液、氣、光多學科各種高科技的綜合性組合，特別是以電子、計算機等現代先進技術為基石，必須具有鞏固的技術基礎，互相配套，缺一不可。如不齊備，則數控機床難以順利發(fā)展。數控機床是由主機、各種元部件(功能部件)和數控系統(tǒng)三大部分組成，還需先進的自動化刀具配合，才能實現加工，各個環(huán)節(jié)在技術上、質量上必須切實過關，確保工作可靠、穩(wěn)定，才能保證數控機床加工的精度、效率和自動化，否則，難以在實際生產中使用。 我國數控機床行業(yè)總體的技術開發(fā)能力和技術基礎薄弱，信息化技術應用程 度不高。行業(yè)現有的信息化技術來源主要依靠引進國外技術，且外方在許多高新產品的核心技術上具有掌控地位，我們對國外技術的依存度較高，對引進技術的消化仍停留在掌握已有技術和提高國產化率上，沒有上升到形成產品自主開發(fā)能力和技術創(chuàng)新能力的高度。具有高精度、高速、高效、復合功能、多軸聯(lián)動等特點的高性能實用數控機床基本上還得依賴進口。 與國外產品相比，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，國外已進行了多年的研究，對高速加工的機理、機床結構、機床剛度和精度的影響等都有了系統(tǒng)的研究，并開發(fā)生產了各種高速銑削中心、高速加工中心， 廣泛應用于航空器鋁合金零件和模具加工上。 據統(tǒng)計，我國大型高性能超精機床每年生產不足千臺，僅占國產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，而國內尚在研發(fā)中;國外加工中心定位精度基本上按德國標準VDI3441驗收，行程1000mm以下，定位精度可控制在0．006—0．0lmm以內，而國內定位精度相對較低。 2004年，我國金屬加工機床消費額達到了95億美元，占世界總量的1/5。其中，進口份額占63％，數控機床進口額34億美元，占全部進口金屬切削機床的78．6%。為了滿足制造業(yè)的需求，國家每年花費10多億美元引進數控機床。數控機床的核心技術即數控系統(tǒng)，我國90%要從國外進口。不僅價格高，進口周期長也不能滿足主機廠的要求。而且，使用進口的裝置組裝起來的機床，可靠性和質量也會受到影響。2004年內地約消耗了1萬臺，但是大陸所有企業(yè)加起來共失產2000臺左右，而只有八九個生產加工中心工廠的臺灣省竟向內地銷售了3300臺。 1.2 PLC應用于數控鉆出的可能性 數控機床是采用數字控制技術對機床各移動部件相對運動進行控制點 機床，它是典型的機電一體化產品，是現代制造業(yè)的關鍵設備。隨著微電子技術、計算機技術和軟件技術的迅速發(fā)展，數控機床的控制系統(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；數控系統(tǒng)本身將普通實現自動編程。而PLC是一類以微處理器為基礎的通用型自動控制裝置。它一般以順序控制為主，回路調節(jié)為輔，能夠完成邏輯、順序、計時、計數和算術運算等功能，既能控制開關量，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已成為人們選擇數控機床所用順序控制裝置的主要選擇。因此本設計用PLC設計數控機床控制系統(tǒng)。 1.數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。 (2）數控機床一般具有CRT顯示功能，自動報警顯示等輔助功能。 (3）CNC機床主傳動和進給傳動采用直流或交流無級調速伺服電動機，無變速箱。 (4）CNC一般具有工件測量系統(tǒng)。 最顯著區(qū)別是當加工工件改變時，數控機床只改變加工程序，不需對機床作較大的調整。 2.與普通機床相比，數控機床具有以下特點 (1）可以加工具有復雜型面的工件 具有良好的加工柔性，加工零件的適應性強、靈活性好。由于數控機床能實現多個坐標的聯(lián)動，所以數控機床能完成復雜型面的加工，特別是對于可用數學方程式和坐標點表示的形狀復雜的零件，加工非常方便。當改變加工零件時，數控機床只需更換零件加工的NC程序。因此，生產準備周期短，數控機床的適應 性非常強。 (2）加工精度高、加工質量穩(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，且數控機床是根據數控程序自動進行加工，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量穩(wěn)定。數控機床有較高的加工精度，一般在0.005mm～0.1mm之間。數控機床的加工精度不受零件復雜程度的影響，機床傳動鏈的反向齒輪間隙和絲杠的螺距誤差等都可以通過數控裝置自動進行補償，同時還可以利用數控軟件進行精度校正和補償。 (3）生產效率高 數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，比普通機床的生產率高3～4倍甚至更高。 數控機床的主軸轉速及進給范圍都比普通機床大。目前數控機床的最高進給速度可達到100m/min以上，最小分辨率達0.01μm。 一般來說，數控機床的生產能力約為普通機床的三倍，甚至更高。數控機床的時間利用率高達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）有利于生產管理現代化 工時和工時費用可以精確估計，生產管理水平提高，便于實現生產計劃調度，簡化和減少檢驗、工具夾具準備等管理工作。實現計算機管理與控制。 (6）數控加工是CAD/CAM技術和先進制造技術的基礎 工序集中，一機多用是數控機床的普遍特點。特別是帶自動換刀的數控加工中心，在一次裝夾的情況下，幾乎可以完成零件的全部加工工序，一臺數控機床可以代替數臺普通機床。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，帶來較高的經濟效益。 由于以上特點使PLC技術應用于數控鉆床成為可能 。  1.3 研究的主要內容 研究了解PLC鉆床的發(fā)展現狀和趨勢 查閱相關資料并選擇適合本課題的技術 確定PLC的技術路線 實現PLC控制系統(tǒng)設計的基本要求并設計出PLC的控制程序 依照自己的設計做出總體布局設計 完成PLC控制系統(tǒng)設計流程圖繪制 編寫畢業(yè)論文 數控鉆床帶回轉工作臺電氣控制系統(tǒng)設計。 1 回轉工作臺夾緊與松開，轉速、轉向控制。 2 動力滑臺進給控制。 3 液壓控制系統(tǒng)設計。 4 機床電氣圖設計。 5 控制電路設計。 6 控制程序設計。  第二章 總體設計方案 鉆床是孔加工機床，用來進行鉆孔、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 總體方案的設計 搖臂鉆床主要由底座、內立柱、外立柱、搖臂、主軸箱及工作臺等部分組成。 內立柱固定在底座的一端，外面套有外立柱，外立柱可繞內立柱回轉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動，只能與外立柱一起繞內立柱回轉。主軸箱安裝在搖臂的水平導軌上，可以通過手輪操作使其在水平導軌上沿搖臂移動。當進行加工時，由特殊的夾緊裝置將主軸箱緊固在搖臂導軌上，外立柱緊固在內立柱上，搖臂緊固在外立柱上，然后進行鉆削加工。鉆削加工時，鉆頭一面旋轉進行切削，一面進行縱向進給。綜上所述，搖臂鉆床的運動方式有： 1主運動，主軸的旋轉運動； 2進給運動，主軸的縱向進給； 3輔助運動，搖臂沿外立柱垂直移動，主軸箱沿搖臂長度方向移動，搖臂與外立柱一起繞內立柱回轉運動。 Z3040型搖臂鉆床適合于在大、中型零件上進行孔加工，其運動形式有主軸的旋轉運動、進給運動、搖臂的升降運動、立柱的夾緊和放松、搖臂的回轉和主軸箱的左右移動。主軸的旋轉運動和進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行冷卻。 加工螺紋時，主軸需要正反轉，該機床采用機械變換方法來實現，故主電動機只有一個旋轉方向。此外，為保證安全生產，其主軸旋轉和搖臂升降不允許同時進行。 可編程控制器（以下簡稱PLC）從其生產到現在，實現了接線邏輯到存儲邏輯的飛躍，其功能從弱到強，實現了邏輯控制到數字控制的進步；其應用領域從小到大，實現了單體設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的跨越。今天的PLC在處理模擬量、數字運算、人機接口和網絡的各方面能力都已大幅度提高，成為工業(yè)控制領域的主流控制設備，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控制，而主要靠運行存儲于PLC內存中的程序，進行入出信息變換實現控制。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運動；進給運動是指鉆頭的垂直運動；輔助運動是指主軸箱沿搖臂水平運動，搖臂沿外立柱上下移動以及搖臂和外立柱一起相對于內立柱的回轉運動。 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，通過操縱機構實現主軸正反轉、停車控制、空擋、預選與變速；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，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品，可滿足各種各樣的需求。 三菱公司的產品有： 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，或連成網絡都能實現復雜的控制功能。 2.4 本章小結 本章根據控制要求確定了總體方案以及控制系統(tǒng)的硬件選型?？傮w方案包括PLC數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。  第三章 搖臂鉆床控制線路設計 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運動；進給運動是指鉆頭的垂直運動；輔助運動是指主軸箱沿搖臂水平運動，搖臂沿外立柱上下移動以及搖臂和外立柱一起相對于內立柱的回轉運動。 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，通過操縱機構實現主軸正反轉、停車控制、空擋、預選與變速；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，后者安裝在搖臂電器盒下部。 3.1.1 操縱機構液壓系統(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”，里為“反轉”，中間位置為“停車”。而主軸轉速及主軸進給量各有一個旋鈕預選，然后在操作主軸手柄。 主軸旋轉時，首先按下主軸電動機起動按鈕，主軸電動機起動旋轉，拖動齒輪泵，送出壓力油。然后操縱主軸手柄，板至所需轉向位置（里或外），于是兩個操縱閥相互位置轉變，使一股壓力油將制動摩擦離合器松開，為主軸旋轉創(chuàng)造條件；另一股壓力油壓緊正轉（反轉）摩擦離合器，接通主軸電動機的主軸的傳送鏈，驅動主軸正轉或反轉。 在主軸正轉或反轉過程中，可轉動變速按鈕，改變主軸轉速或主軸進給量。 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。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動，實現主軸停車。所以主軸停車時主軸發(fā)動機仍在旋轉，只是不能將動力傳到主軸。 主軸變速與進給變速：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入主軸轉速預選閥和主軸進給量預選閥，然后進入各變速油缸。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，稱為緩速，以利于齒輪的順利嚙合。當變速完成，松開操作手柄，此時手柄在彈簧作用下由“變速”位置自動復位到主軸“停車”位置，然后在操縱主軸正轉或反轉，主軸將在新的轉速或進給量下工作。 3.1.2夾緊機構液壓系統(tǒng) 主軸箱、內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。 3.2 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、液進行聯(lián)合控制實現的。該機床控制電路采用380V/100V隔離變壓器供電，但其二次繞組增設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，又作為機床線路和主軸電機M1的短路及過載保護元件，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的隔離開關和過載及短路保護元件。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開關。 開車前的準備。首先將隔離開關接通，將電源引入開關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備，同時觸點KA閉合，為其他三個指示燈通電做準備。 3.3 Z3040搖臂鉆床控制線路主電路設計 1.M1為單方向旋轉，由接觸器KM1控制，主軸的正反轉則由機床液壓系統(tǒng)操縱機構配合正反轉摩擦離合器實現，并由熱繼電器FR1作電動機長期過載保護。 2. M2由正、反轉接觸器KM2、KM3控制實現正反轉?？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，供出壓力油，經液壓系統(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，不設長期過載保護。 3.M3由接觸器KM4、KM5實現正反轉控制，并有熱繼電器FR2作長期過載保護。 4.M4電機容量小，僅0.125kW，由開關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。按下停止按鈕SB8，接觸器KM1釋放，主軸電動機M1停轉。 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，供給壓力油。壓力油經分配閥體進入搖臂松開的油腔，推動活塞，使搖臂松開。當搖臂完全松開后，活塞桿通過彈簧片壓下限位開關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，與此同時，另一動合觸點ST2（17-21）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，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，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，搖臂停止上升。由于KT1釋放，其延時閉合的動斷觸點（47-49）經1-3秒延時后閉合，接觸器KM5的線圈經（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，供給壓力油。壓力油經分配閥進入搖臂夾緊油腔，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，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，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停止運轉后，再夾緊搖臂。KT1的延時時間應視搖臂在M2斷電至停轉前的慣性大小調整，應保證搖臂上升（或下降）后才進行夾緊，一般調整在1～3秒。 搖臂升降的限位保護，由組合開關ST1來實現。ST1有兩對觸點，ST1-1是搖臂上升時的極限位置保護，ST1-2（27-17）是搖臂下降時的極限位置保護。當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。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。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)出現故障而不能自動夾緊搖臂，或者由于ST3調整不當，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： 搖臂升到預定位置，松開SB3→KT1（47-49）斷電延時閉合→KM5吸合、M3反轉→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行，也可同時進行，由轉換開關SA2和復位按鈕SB7（或SB8）進行控制。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，觸點（57-59）接通，（57-63）斷開。當要主軸箱松開時，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（1-3-5-7-41-43-37-39-6-2）線圈斷電，液壓泵電動機M3正轉，壓力油經分配閥進入主軸箱右缸，推動活塞使主軸箱放松?；钊麠U使行程開關 ST4復位，觸點ST4常閉開關,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由正向轉動變成反向轉動，指示燈HL2換成HL3即可。 當把轉換開關SA3拌到左側時，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，同時過載及短路保護作用，EL為工作照明燈。 （2）工作信號指示HL1電源指示燈，當和上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ST4長閉觸頭和ST4常開觸頭控制。HL4為主軸電動機旋轉指示燈，由KM1常開觸頭控制。 3.5 本章小結 本章從大體上對搖臂鉆床控制線路概述，其中以操縱機構液壓系統(tǒng),夾緊機構液壓系統(tǒng)為分析設計重點，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行，搖臂鉆床控線路控制電路進行初步設計與分析。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、信號電路進行了簡單設計和闡述。  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。 搖臂鉆床為適應各種形式加工，要求主軸及進給有較大的調速范圍。主軸一般速度下的鉆床加工為恒功率負載，而低速是用于擴孔、絞孔及螺紋加工，屬于恒轉矩負載。搖臂鉆床的主運動與進給運動皆為主軸運動，這兩個運動由一臺主軸電動機拖動，分別經主軸和進給傳動機構實現主軸旋轉和進給。主軸變速機構與進給變速機構均裝在主軸箱內。 為加工螺紋，主軸要求有正、反轉，一般由機械方法獲得，為此主軸電動機只需單方向旋轉。 搖臂的升降由升降電動機拖動，要求電動機能正、反轉。 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。 鉆削加工時，需要對刀具和工件進行冷卻，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，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)現場的外電路與PLC內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)良的開關電源。 （5）對采用的器件進行嚴格的刷選。 （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構成冗余系統(tǒng)或有三CPU構成表決系統(tǒng)，使可靠性進一步提高。 豐富的I/O接口模塊: PLC針對不同的工業(yè)現場信號，如：交流或直流、開關量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、強電或弱電等。有相應的I/O模塊與工業(yè)現場的器件或設備，如：按鈕、行程開關、接近開關、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)局部網絡，它還有多種通訊聯(lián)網的接口模塊等等。 采用模塊化結構 為了適應各種工業(yè)控制需求，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數PLC均采用模塊化結構。PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據用戶的需要自行組合。 編程簡單易學 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。使用時只需將現場的各種設備與PLC的相應的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。 由于采用模塊化結構，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)迅速恢復運行。 本設計中PLC實現的功能： 開關量的邏輯控制。這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現組合邏輯控制、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合在一起。 現場數據采集處理。目前PLC都具有數據處理指令、數據傳送指令、算術與邏輯運算指令和循環(huán)位移與移位指令、所以由PLC構成的監(jiān)控系統(tǒng)，可以方便地堆生產現場的數據進行采集、分析和加工處理。數據通常應用于數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電動機和伺服電動機，從而實現對各種機械構件的運動控制，如控制構件的速度、位移、運動方向等。數控機床機械手的位置控制就是PLC的位置控制的典型應用。 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，若有鍵按下或有I/O變化，則轉入相應的子程序，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，直至遇到結束符后又返回第一條指令，如此周而復始不斷循環(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，將關閉輸入端口，轉入程序執(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，根據用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應的邏輯運算結果存入對應的內部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。當最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉入輸入刷新階段。 3．輸出刷新階段 當所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內容，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，驅動外部相應執(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成PLC一個工作周期，由此循環(huán)往復，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"，一般在程序執(zhí)行之后進行。掃描周期的長短主要取決于程序的長短。掃描周期越長，響應速度越慢。由于每個掃描周期只進行一次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象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應速度。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行刷新，這對一般的開關量控制系統(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行，PLC在一個工作周期的大部分時間是與外設隔離的，而工業(yè)現場的干擾常常是脈沖、短時間的，誤動作將大大減小。但是在快速響應系統(tǒng)中就會造成響應滯后現象，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品，可滿足各種各樣的需求。 三菱公司的產品有： 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，或連成網絡都能實現復雜的控制功能。 4.3.1 確定I/O點數 根據控制電路來確定I/O端口點數，其中：按鈕8個，行程開關5個，轉換開關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1個，共20個輸入端口點數；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。 4.3.2 選配PLC的型號 在選用PLC上，根據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。而且并不通過網絡或其他方式做遠程控制。因此，考慮到經濟，實用，穩(wěn)定等方面因素。我決定選用SIMATIC?S7-300作為本次設計所用PLC。其I/O接線圖如下圖4-1所示。 S7-300 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 QF3 I0.0 2 總停止按鈕 SB7 I0.1 3 總啟動按鈕 SB1 I0.2 4 電壓繼電器 AV I0.3 5 主軸電動機M1熱繼電器 FR1 I0.4 6 主軸電動機M1啟動按鈕 SB2 I0.5 7 主軸電動機M1停止按鈕 SB8 I0.6 8 搖臂上升按鈕 SB3 I0.7 9 搖臂下降按鈕 SB4 I1.0 10 搖臂上升上限位行程開關 ST1-1 I1.1 11 搖臂下降下限位行程開關 ST1-2 I1.2 12 主軸箱、立柱、搖臂松開行程開關 ST2 I1.3 13 主軸箱、立柱、搖臂夾緊行程開關 ST3 I1.4 14 液壓泵電動機M3熱繼電器 FR2 I1.5 15 主軸箱、立柱松開按鈕 SB5 I1.6 16 主軸箱、立柱夾緊按鈕 SB6 I1.7 17 立柱夾緊放松指示行程開關 ST4 I2.0 18 主軸箱松開、夾緊 SA-1 I2.1 19 立柱松開、夾緊 SA-2 I2.2 20 主軸箱、立柱松開、夾緊 SA-3 I2.3 O（輸出） 序號 名稱 代號 地址 1 電壓繼電器 KV Q0.0 2 主軸電動機M1接觸器 KM1 Q0.1 3 搖臂上升接觸器 KM2 Q0.2 4 搖臂下降接觸器 KM3 Q0.3 5 主軸箱、立柱、搖臂松開接觸器 KM4 Q0.4 6 主軸箱、立柱、搖臂夾緊接觸器 KM5 Q0.5 7 主軸箱松開、夾緊電磁鐵 YA1 Q0.6 8 立柱松開、夾緊電磁鐵 YA2 Q0.7 9 電源指示 HL1 Q1.0 10 立柱松開指示 HL2 Q1.1 11 立柱夾緊指示 HL3 Q1.2 12 主電動機旋轉指示 HL4 Q1.3 4.5 PLC控制系統(tǒng)分析 先將自動開關QF2～QF5接通，在將電源總開關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轉動，指示燈HL4亮。停車時，按下停止按鈕SB7，I0.6斷開Q0.1復位，KM1斷電釋放，主軸電動機M1停轉，指示燈HL4滅。 4.5.2 搖臂升降控制 當需要搖臂上升時按下SB3，I