Z3040型搖臂鉆床的PLC改造設計

Z3040型搖臂鉆床的PLC改造【摘要】本設計的主要內(nèi)容是如何將Z3040型搖臂鉆床的繼電器控制線路改造為PLC控制，并且通過PLC的通訊功能及組態(tài)軟件實現(xiàn)搖臂的遠程監(jiān)控及操作控制。要求系統(tǒng)能實現(xiàn)搖臂鉆床的基本操作控制?！娟P鍵詞】搖臂鉆床、PLC、冷卻Transformation of PLC of the radial drilling machine of Model Z3040Author：LiuGuanghua Class 004 of electromechanical know-how educationAbstract ：Main content that design originally how control relay, Model Z3040 of radial drilling machine circuit transform as PLC control, realize the long-range control of the rocker arm and operate controlling through communication function and configuration software of PLC. Require the system to realize the basic operation of the radial drilling machine is controlled. Key words: Radial arm drill; PLC0.引言近幾年來組合機床也漸漸多起來，較先進的金屬加工機床是工作母機，也叫機械加工中心。長期以來，金屬切削加工機床多采用繼電器電路實現(xiàn)控制。其實，這類機械的電器控制主要以邏輯控制為主，這正是PLC工作的強項。因此，PLC在機械加工機床的電器控制領域得到了越來越廣泛的應用。不但更多的新品機床開始采用PLC作為主要控制設備，舊的機床電路也開始用PLC實現(xiàn)電器改造。1. Z3040搖臂鉆床概述鉆床的種類很多，有臺式鉆床，立式鉆床，臥式鉆床，搖臂鉆床，深孔鉆床及專用鉆床等。在各類鉆床中，搖臂鉆床具有操作方便，靈活，適用范圍廣等特點，特別適用于大型零件的孔加工，是機械加工中的常用機床設備。1.1搖臂鉆床主要結構搖臂鉆床的主要結構由底座，內(nèi)立柱，外立柱，搖臂，主軸箱和工作臺等組成。1.2Z3040搖臂鉆床的運動形式和控制要求Z3040搖臂鉆床加工前，通過搖臂的回轉和升降，主軸箱的移動定位，調(diào)整各個部分移動；加工時，主軸箱由夾緊裝置緊固在搖臂導軌上，搖臂緊固在外力柱上，外立柱緊固在內(nèi)立柱上，主住帶動鉆頭或絲攻旋轉并向下垂直進給，實現(xiàn)鉆孔或攻絲等加工。1.2.1主運動和進給運動Z3040搖臂鉆床的主運動是主軸的旋轉運動，進給運動是主軸的上，下移動。主軸的旋轉及主軸上、下進給都是由主軸電動機拖動，在加工螺紋時要求主軸可正反轉，主軸的正反轉和主軸上，下進給都是由機械方法獲得。主軸變速和進給變速的機構都在主軸箱內(nèi)，用變速機構分別調(diào)節(jié)主軸轉速和上，下進給量。所以主軸電動機只要求單方向旋轉，可直接啟動，不需要調(diào)速和制動。1.2.2輔助運動Z3040搖臂鉆床的輔助運動有搖臂連同外立柱繞內(nèi)立柱的回轉運動、搖臂沿外立柱上、下移動、主軸箱沿搖臂導軌水平搖臂鉆床利用旋轉的鉆頭對工件進行加工，它由底座、內(nèi)外立柱、搖臂、主軸箱、和工作臺構成。主軸箱固定在搖臂上，可以沿搖臂徑向運動。搖臂借助于絲桿，可以作升降運動，也可以與外立柱固定在一起，沿內(nèi)力柱旋轉。鉆削加工時，通過、夾緊裝置，主軸箱禁錮在搖臂上，搖臂緊固在外立柱上，外立柱緊固在內(nèi)立柱上。2.Z3040搖臂鉆床電器設備的分布及分工機械加工機床的加工運動往往是機械與電器配合實現(xiàn)的。在討論電器電路之前須弄清電器的設置及電器控制的分工。Z3040搖臂鉆床設有4臺電動機，即主軸電動機、冷卻泵電動機、搖臂升降電動機及液壓泵電動機。主軸電動機提供主軸轉動的動力，是鉆床加工主運動動力源。主軸應具有正反轉功能，但主軸電動機只有正轉工作模式，凡專用機械方法實現(xiàn)。冷卻泵電動機用于提供冷卻液，只需正轉。液壓泵電動機提供液壓油，用于搖臂、立柱和主軸箱的夾緊和松開，也需要正反轉。 圖1.Z3040搖臂鉆床電器控制主電路2.1主電路主電路和控制線路的電源均由自動空氣開關QS1引入，自動空氣開關QS2能使搖臂的升降幾個夾緊運動與主軸運動解裂，以方便維護和調(diào)試。主電動機只有一個旋轉方向，故只用一個交流接觸器KM1,而搖臂升降電動機和液壓泵電動機要求具有正反轉，故分別采用兩個接觸器KM2、KM3、KM4、KM5。冷卻泵電動機采用自動空氣開關QS3人工控制。FR1、FR2分別為主電動機和液壓泵電動機的過載保護用熱繼電器、搖臂升降電動機M2和冷卻泵電動機M4，由于短時工作，因而不設過載保護。2.2控制線路控制電路接在自動空氣QS2后面，電壓為220V.將自動空氣開關QS1和QS2扳倒接通狀態(tài)，電源指示燈EL1亮，表示主電路和控制電路有電，可以進行工作。按下總啟動按鈕SB1,中間繼電器KA1得電，通過自鎖觸點控制電路得電，完成準備工作。圖1. Z3040搖臂鉆床電器控制控制電路2.2.1主軸電動機的控制按下按鈕SB3，接觸器KM1得電，主電動機轉動，同時主軸運行指示EL4，主軸電動機的停止，由按鈕SB4來實現(xiàn)，當主軸電動機或液壓泵電動機過載時，通過FR1或FR2使KM1或KM4、KM5失電，是主軸電動機或液壓泵電動機停下來。2.2.2搖臂的升降控制搖臂的上升與下降，屬于短時的調(diào)整工作，因此才用電動工作方式。按下SB5按鈕，時間繼電器KT1得電，其瞬時常開觸點閉合，接觸器KM4得電，液壓泵電動機M3啟動供給壓力油，經(jīng)分配閥進入要比松開油腔，推動活塞使搖臂松開。同時活塞桿通過彈簧片使限位開關SQ3的常閉觸點斷開，失電，液壓泵電動機停止，而的常開觸點閉合，接觸器KM2得電，搖臂升降電動機拖動要比上升。如果搖臂沒有松開，SQ3的常開觸點不能閉合，搖臂升降電動機不能轉動，這樣就保證了只有在搖臂可靠松開后才可使搖臂上升或下降。當搖臂上升到所需位置時，松開按鈕SB5，KT1和KM2失電，升降電動機M2停止，搖臂上升停止。經(jīng)過時間繼電器的延時整定值1到3秒后，繼電延時閉合的常閉觸點閉合，KM5得電，M3反轉，使壓力油經(jīng)分配閥進入搖臂的夾緊油腔，夾緊搖臂。同時活塞桿通過彈簧片使限位開關SQ4的常閉觸點斷開，KM5失電，M3停止，完成了搖臂的松開上升夾緊的過程。搖臂下降是通過按鈕SB6來實現(xiàn)的，其動作過程為搖臂松開下降夾緊.控制搖臂的上升和下降（即電動機M2的正傳和反轉）的接觸器KM2與KM3，不能同時動作，否則引起電源短路。為此，在要比上升和下降的線路中加入了按鈕互鎖和觸點互鎖。行程開關SQ1和SQ2是為搖臂的上升與下降的極限位置保護用的。2.2.3立柱和主軸箱的松開與夾緊控制用來使立柱和主軸箱的松開與夾緊的壓力油仍由M3拖動的液壓泵提供的?？刂浦鬏S箱的松開與夾緊的壓力油，需經(jīng)電磁閥YV1進入主軸箱油腔，而控制立柱松開與夾緊用壓力油則經(jīng)電磁閥YV2進入立柱油腔。立柱和主軸箱的松開和夾緊，可分別進行，也可同時進行，由組合開關SA1和按鈕SB9(或SB10)實現(xiàn)。SA1有三個位置，扳到左邊時觸點(53-57)接通，YV2得電，可進行主軸箱的夾緊或松開；扳向右邊時，觸點(53-55)接通，YV1得電，可進行主軸箱的夾緊或松開；扳到中間時，二者可同時進行。SB7為立柱和主軸箱的松開控制按鈕，SB8為夾緊控制按鈕。下面以主軸箱的松開與夾緊為例說明它的動作過程。首先將SA1扳向右側，觸點（53-55）接通，（55-57）斷開。當需要主軸箱松開時，按下按鈕SB9，時間繼電器KT2、KT3帶電，斷電延時打開的常開觸點（3-53）閉合，電磁閥YV1得電，為壓力油進入主軸箱油腔打開通路。經(jīng)過KT3的整定值1到3秒后，延時閉合的常開觸點（3-37）閉合，KM4得電，油泵電動機正轉使壓力油進入主軸箱油腔，推動活塞使主軸松開?；钊麠U還使行程開關SQ5復位，主軸箱松開指示燈EL2亮，至此主軸箱松開過程完成，放開按鈕SB9、KT2、KT3、KM4失電，在經(jīng)1到3秒的延時后，觸點(3-53)斷開，YV1失電。當需要主軸箱夾緊時，按下按鈕SB10，YV1又得電，經(jīng)延時后KM5得點，油泵電動機反轉，壓力油推動活塞使主軸箱夾緊，同時壓緊行程開關SQ5，(3-59)斷開，(3-61)閉合，主軸箱夾緊，指示燈EL3亮，EL2滅。將SA1扳到左側后，按下按鈕SB9（或SB10），磁閥YV2得電，實現(xiàn)立柱的松開（或加緊）。如果將SA1扳到中間位置，觸點（53-55）和（53-57）同時接通，在按下SB9(或SB10),YV1和YV2同時得電，就可同時進行主軸箱和立柱的松開（或夾勁）。表1符號名稱及用途符號名稱及用途M1主軸電動機SQ3搖臂夾緊、松開用限位開關M2搖臂升降電動機SQ4搖臂夾緊用限位開關M3液壓泵電動機SQ5立柱、主軸箱夾緊放松用行程開關M4冷卻泵電動機SB1總啟動按鈕QS1總自動空氣開關SB2總停止按鈕QS2分自動空氣開關SB3主軸啟動按鈕QS3冷卻泵自動空氣開關SB4主軸停止按鈕KM1主軸接觸器SB5搖臂上升按鈕KM2搖臂上升接觸器SB6搖臂下降按鈕KM3搖臂下降接觸器SB7松開停止按鈕KM4立柱、主軸箱、搖臂放松接觸器SB8夾緊停止按鈕KM5立柱、主軸箱、搖臂放松接觸器SB9立柱、主軸箱松開按鈕FR1主電動機過載保護熱繼電器SB10立柱、主軸箱夾緊松開轉換開關FR2液壓泵電動機過載保護熱繼電器SA1立柱、主軸箱夾緊放松轉換開關KT1搖臂升降時間繼電器EL1電源指示燈KT2夾緊放松時間繼電器EL2立柱、主軸箱松開指示燈KT3夾緊放松時間繼電器EL3立柱、主軸箱夾緊指示燈YV1主軸箱夾緊放松電磁閥EL4主軸運行指示燈YV2立柱箱夾緊放松電磁閥SQ1搖臂上升限位開關SQ2搖臂下降限位開關3.Z3040搖臂鉆床PLC控制系統(tǒng)設計思路及I/O分配 首先分析Z3040搖臂鉆床繼電控制系統(tǒng)原理，確定輸入元件和輸出元件，其次根據(jù)輸入、輸出點的個數(shù)和邏輯關系的復雜程度選擇PLC的型號，最后將原繼電-接觸器電路改為PLC控制的梯形圖，同時畫出I/O接線圖。元件 I/OI元件OSB1X0KM1Y0SB2X1KM2Y1SB3X2KM3Y2SB4X3KM4Y3SB5X4KM5Y4SB6X5YV1Y5SB9X6YV2Y6SB10X7EL1Y7SQ1X20EL2Y20SQ2X21EL3Y21SQ3X22EL4Y22SQ4X23SQ5X24SA1左X25SA1右X26SA1中X274.將Z3040搖臂鉆床的繼電器控制系統(tǒng)改造為PLC控制系統(tǒng)將Z3040搖臂鉆床的繼電器控制系統(tǒng)改造為PLC控制系統(tǒng)，首先要確定輸入元件和輸出元件，其次根據(jù)輸入，輸出點的個數(shù)和邏輯關系的復雜程度選擇PLC的型號，最后將原繼電接觸器電路改為PLC的梯形圖就可以了。下面按步驟說明設計過程。4.1輸入/輸出元件的確定根據(jù)電氣控制線路的分析，Z3040搖臂鉆床的輸入元件共有16個，其中按鈕8個，限位開關5個，轉換開關三個位置設3個；輸出元件共11個，其中接觸器線圈5個，電磁閥2個，信號燈4個。原繼電接觸電路中的熱繼電器，不必作為輸入元件，而將其觸點串接到相應接觸器的線圈回路里更為簡便。4.2 松下FPO系列PLC的特點及鉆床電路PLC的選擇松下FPO系列PLC具有如下特點：I/O點數(shù) 從10點至最大128點，F(xiàn)P0可單臺使用，也可多模塊組合，最多可增加3個擴展模塊，擴展單元不需任何電纜即可直接連到主控單元上；掃描速度 FP0的運行速度在同類產(chǎn)品中是最快的，每條基本指令執(zhí)行速度為0.9S，500步的程序只需0.5ms的掃描時間。還可讀取短至50S的窄脈沖，即有脈沖捕捉功能；程序容量 FP0具有5000步的大容量內(nèi)存及大容量的數(shù)據(jù)寄存器，可用于復雜控制及大數(shù)據(jù)量處理；特殊功能 具備兩路脈沖輸出功能，可單獨進行運動位置控制，互不干擾，有雙相、雙通道、雙頻高速計數(shù)功能，有PWM（脈寬調(diào)制）輸出功能，可很容易地實現(xiàn)溫度控制，還可用來直接驅動松下電工微型變頻器VF0，構成小功率變頻調(diào)速系統(tǒng)；通信功能 FP0可用RS232C口直接連接調(diào)制解調(diào)器，實現(xiàn)遠程通信，還可多個構成分布式控制網(wǎng)絡。同時，F(xiàn)P0還增加了程序運行過程中的重寫功能和自我診斷功能，程序內(nèi)存使用EEPROM，無需備用電池，維護簡單。輸入側電源采用直流24V,輸出側電源采用交流220V,以便直接驅動接觸器和電磁閥。輸入點的開關容量為AC,250V/2A(COS),因此,完全可驅動接觸器和電磁閥線圈。根據(jù)輸入/輸出點的個數(shù)，并考慮到電路的邏輯關系比較簡單，可選擇FPO-C16型PLC,由于輸入/輸出點數(shù)太多，我們可以利用FPO的I/O擴展模（FPO可單臺使用，也可多模塊組合，最多可增加3個擴展模塊。I/O點從最小10點至最大128點,用戶可根據(jù)自己的需要選取適合的組合。）因此我們選用它的擴展單元FPO-E16。4.3 PLC外部接線圖及梯形圖設計在設計梯形圖之前，需先將各輸入/輸出元件的位號確定下來，并畫出PLC的連接圖。如圖2、圖3所示。 圖2 I/O接線圖圖3 梯形圖5.組態(tài)軟件介紹及系統(tǒng)遠程監(jiān)控5.1MCGS組態(tài)軟件簡介MCGS ( Monitor and Control Generated System )是一套基于MicrosoftWindows95、98和Microsoft Windows NT 平臺、用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，它為解決工程監(jiān)控問題提供了豐富多樣的手段，從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理、報警處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出、曲線顯示等各個環(huán)節(jié)，均有豐富的功能組件和常用圖形庫可供選用，用戶只需根據(jù)工程作業(yè)的需要和特點，進行方案設計和組態(tài)配置，即可生成用戶應用軟件系統(tǒng)。MCGS工控組態(tài)軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩大部分，用戶所有的組態(tài)配置過程都是在組態(tài)環(huán)境中進行的，用戶組態(tài)后可生成一個“組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫”的文件。MCGS的運行環(huán)境是一個獨立的運行系統(tǒng)，它能按照“組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫”中的組態(tài)方式進行各種處理，完成用戶組態(tài)設計的目標和功能.MCGS在搖臂鉆床中的組態(tài)過程5.2利用組態(tài)軟件進行系統(tǒng)遠程監(jiān)控控制系統(tǒng)的遠程監(jiān)控采用目前較為先進的MCGS工控組態(tài)軟件，通過軟件為系統(tǒng)設計了友好的控制界面，使用戶可以在微型計算機上通過界面對系統(tǒng)的運行情況進行實時監(jiān)控，隨時在線監(jiān)測現(xiàn)場設備的運行狀況，及時采取相應對策，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，提高了系統(tǒng)工作的可靠性，同時也給管理者一個舒適的工作環(huán)境。根據(jù)Z3040搖臂鉆床控制系統(tǒng)的要求，可用MCGS組態(tài)軟件對控制系統(tǒng)進行軟件的組態(tài)，其界面如圖4所示，也就是在MCGS工控組態(tài)軟件的基礎上進行開發(fā)。其具體的組態(tài)過程簡述如下：系統(tǒng)菜單和系統(tǒng)參數(shù)組態(tài)：在MCGS的“主控窗口”中，按控制系統(tǒng)的要求，對其系統(tǒng)菜單和系統(tǒng)參數(shù)進行定義和設置。用戶界面的組態(tài)：按控制系統(tǒng)的要求和用戶的使用習慣，在MCGS的“用戶窗口”中用MCGS的工具進行系統(tǒng)運行畫面和主控界面的設計組態(tài)。實時數(shù)據(jù)對象的組態(tài)：按控制系統(tǒng)的要求，在MCGS的“實時數(shù)據(jù)庫窗口”中分別對有關的數(shù)據(jù)和變量等進行定義和設置。運行策略的組態(tài)：按控制系統(tǒng)的運行要求，在MCGS“運行策略”窗口中，可對用戶策略等進行設置和組態(tài)。在MCGS的組態(tài)環(huán)境中完成上述的各項組態(tài)工作之后，系統(tǒng)可生成一個適用于該控制系統(tǒng)的“組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫”，此后即可在MCGS的運行環(huán)境中對上述生成的軟件系統(tǒng)進行運行調(diào)試。圖4 軟件組態(tài)用戶界面6.機床經(jīng)PLC改造并進行MCGS組態(tài)監(jiān)控后效果機床經(jīng)PLC改造并進行MCGS組態(tài)監(jiān)控后,明顯具有以下優(yōu)勢:PLC具有體積小、功耗低、速度快、可靠性高，又具有較大的靈活性和可擴展性。PLC的采用，省去了時間繼電器和大量觸點，無形中降低了機床的故障率，節(jié)省了大量的維修費用，提高了整機的可靠性。PLC具有輸入、輸出顯示功能和自診斷功能。根據(jù)輸入、輸出顯示和各個警示燈的閃爍，很容易找出故障點，將系統(tǒng)停機時間縮至最短，提高了勞動生產(chǎn)率。PLC采用的是光電耦合，因此系統(tǒng)抗干擾性能大大增強，并能經(jīng)受住強烈的振動沖擊。MCGS則具有操作簡便、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性等特點，使用MCGS，用戶無須具備編程專業(yè)知識，即可在短時間內(nèi)完成監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)。由于下位機采用PLC控制，上位機運用MCGS組態(tài)軟件進行監(jiān)控，系統(tǒng)在工作過程中不斷地從PLC調(diào)用程序并進行順序掃描，又通過軟件組態(tài)的人機界面隨時監(jiān)控運行狀態(tài)，從而避免了原繼電控制系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生的觸點紊亂故障，使系統(tǒng)的安全性大大提高，同時提高了系統(tǒng)的壽命。7.結束語根據(jù)本系統(tǒng)的控制理論，下位機采用PLC控制，上位機使用MCGS工控組態(tài)軟件遠程監(jiān)控，很好地完成了Z3040搖臂鉆床的電氣改造，提高了工業(yè)自動化水平，取得了良好的效果。實踐證明，用PLC改造傳統(tǒng)繼電器-接觸器控制系統(tǒng)是很好的方法。它可以充分發(fā)揮PLC高可靠性、高抗干擾的特點，壽命長、維修量少、查找外部線路簡單，減少了電氣故障發(fā)生率，大大提高了搖臂鉆床的工作可靠性，同時也提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量，為企業(yè)創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益。 謝 辭 感謝在本設計中老師的指導和幫助，我再做畢業(yè)設計的過程中，將可當上所學的理論知識充分利用到實踐中。當遇到難點，就和他人討論解決問題。接觸到以前沒有學過的知識就查閱書籍或上網(wǎng)找相關資料，進一步學習，受益頗多