基于plc的z3040摇臂钻床的控制系统设计

基于plc的z3040摇臂钻床的控制系统设计内容摘要：

，要求电动机能正反转。 摇臂的夹紧和放松是由电气和液压联合控制，并且有夹紧和放松的指示。 内外立柱的夹紧与放松，主轴箱 与摇臂的夹紧与放松可采用手柄机械操作，电气— 液压 — 机械装置等方法来实现。 钻削加工时，需要对刀具和工件进行冷却，为此冷却泵电动机输送冷却液。 要有必要的限位，联锁和过载保护，且具有局部安全照明。 Z3040 摇臂钻床电气控制线路分析 Z3040 摇臂钻床主要有两种主要运动和其他辅助运动，主运动是指主轴带动钻头的旋转运动；进给运动是指钻头的垂直运动；辅助运动是指主轴箱沿摇臂水平移动，摇臂沿外立柱上下移动以及摇臂和外立柱一起相对于内立柱的回转运动。 Z3040 摇臂钻床具有两套液压控制系统：一套是由主轴电动机 拖动齿轮泵送出压力油，通过操纵机构实现主轴正反转、停车制动、空挡、预选与变速；另一套是由液压泵电动机拖动液压泵送出压力油来实现摇臂的夹紧与松开、主轴箱的夹紧与松开、立柱的夹紧与松开。 前者安装在主轴箱内，后者安装于摇臂电器盒下部。 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阀门的相互位置，获得不同的动作。 操作手柄有五个空间位置：上、下、里、外和中间位置，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一 个旋钮预选，然后再操作主轴手柄。 主轴旋转时，首先按下主轴电动机起动按钮，主轴电动机起动旋转，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（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，可转动变速旋钮，改变主轴转速或主轴进给量。 主轴停车时，将操作手柄扳回中间位置，这时主轴电动机仍拖动齿轮泵旋转，但此时整个液压系统为低压油，无法松开制动 摩擦离合器，而在制动弹簧的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。 所以主轴停车时主 10 轴发动机仍在旋转，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，然后进入个变速油缸。 与此同时，另一油路系统推动拔叉缓慢移动，逐渐压紧主轴正转摩擦离合器，接通主轴电动机到主轴的传动链，带动主轴缓慢旋转，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，然后再操纵主轴正转或反转，主轴将在新的转速或进给量下工作。 主轴箱、内外立柱和摇臂的夹紧和松开是由液压泵电动机拖动液压泵送出压力油，推动活塞、菱行块来实现的。 其中由一个油路控制主轴箱和立柱的夹紧，另一油路控制摇臂的夹紧和松开，这两个油路均由电磁阀控制。 立柱与主轴均采用液压夹紧与松开，且两者同时动作。 当进行夹紧或松开时要求电磁阀 YV处于释放状态。 Z3040 型钻床夹紧机构液压系统原理如图 2— 2。 松开按钮 SB5（或夹紧按钮 SB6），接触器 KM4（或 KM5）得电吸合，液压泵电动机 M3 正转或反转，供给压力油。 压力油经 2 位 6 通电磁阀 YV进入立柱夹紧液压缸的松开（或夹紧）油腔和主轴箱夹紧液压缸的松开（或夹紧）油腔，推动活塞和菱形块，使立柱和主轴箱分别松开（或夹紧）。 松开后行程开关 SQ4 复位（或夹紧后动作），松开指示灯 HL1（或夹紧指示灯 HL2）亮。 （ 1）主电动机 M1 控制主轴旋转进给运动，单向旋转，它由接触器 KM1 控制，而主轴的正反转依靠机床液压系统并配合正、反转摩擦离合器来实现。 （ 2）摇臂升降电动机 M2 具有正反转控制，控制电路保证在操纵摇臂 升降时先通过液压系统，将摇臂松开后 M2 才能起动，带动摇臂上升或下降，当移动达到所需位置时控制电路又保证升降电动机先停止，然后自动液压系统将摇臂夹紧。 由于 M2 是短时运转的，所以没有设置过载保护。 （ 3）液压泵电动机 M3 送出压力油作为摇臂的松开与夹紧、立柱和主轴箱的松开与夹紧的动力源。 为此， M3 采用有接触器 KM KM5 来实现正反转控制，并设 有热继电器 FR2 作为过载保护。 11 2— 2 Z3040 型钻床夹紧机构液压系统原理图 （ 4）冷却泵电动机 M4 容量小，所以用组合开关 SA 直接控制其运行和停止。 该机床控制电路同样采用 380V/127V 隔离变压器供电，但其二次绕组增设 36V 12 安全电压供局部照明使用。 （ 1） 摇 臂升降的控制。 上升（或下降）按钮 SB3（或 SB4）时间继电器 KT 吸合，其延时断开的动合触 点 （ 1— 39）与瞬时动合触 点 （ 23— 25）使电磁铁 YV 和接触器KM4 同时吸合，液压泵电动机 M3 旋转，供给压力油。 压力油经二位六通阀进入摇臂松开的油腔，推动活塞和菱形块，使摇臂松开。 同时活塞杆通过弹簧片压下限位开关 SQ2，使接触器 KM4 线圈断电释放，液压泵电动机 M3 停转，与此同时 KM2（或KM3）吸合，升降电动 机 M2 旋转，带动摇臂上升（或下降）。 如果摇臂没有松开，SQ2 的动合触电也不能闭合， KM2 或（ KM3）就不能吸合，摇臂也几不可能升降。 当摇臂上升（或下降）到所需位置时，松开按钮 SB3（或 SB4）， KM2（或 KM3和时间继电器 KT 释放，升降电动机 M2 停转，摇臂停止升降。 由于 KT 释放，其延时闭合的动断触 点 （ 29— 30）经 1～ 3s 延时后，接触器 KM5 吸合，液压电动机 M3反向起动旋转，供给压力油。 压力油经二位六通阀（此时电磁铁 YV仍处于吸合状态）进入摇臂夹紧油腔，向相反方向推动活塞和菱形块，使摇臂夹紧。 同时，活塞和 菱形块使摇臂夹紧，活塞杆通过弹簧片压下限位开关 SQ3， KM5 和 YA 同时断电释放，液压泵电动机停止旋转，夹紧动作结束。 摇臂上升的动作过程如下： KT 吸合 按 SB3 M3 正转、 YV 吸合 KM4 吸合 KM2 吸合 M2 正转 SQ2 臂上升到预定位置，松开 SB3。 摇臂下降的动作过程如下： KT 吸合 按 SB4 M3 正转、 YV 吸合 压下 KM4 吸合 KM3 吸合 M2 反转 SQ2 摇臂下降到预定位置，松开 SB4。 KM4 断电 M3 停止 KM4 断电 M3 停止 13 这里还应注意，在摇臂松开后。 限位开关 SQ3 复位，其触电是（ 1— 29）闭合的，而在摇臂夹紧后 SQ3 被压合。 时间 继电器 KT 的作用是：控制接触器 KM5 在升降电动机 M2 断电后的吸合时间，从而保证在升降电动机停转后再夹紧摇臂的动作顺序。 时间继电器 KT 的延时，可根据需要整定在 1～ 3s。 摇臂升降的限位保护，由组合开关 SQ1 来实现。 当摇臂上升到极限位置时， SQ1动作，将电路（ 7— 9）断开，则 KM2 断电释放，升降电动机 M2 停止旋转。 但 SQ1的另一组触电（ 9— 17）仍处于闭合状态，保证摇臂能够下降。 同理，当摇臂下降到极限位置时， SQ1 动作，电路（ 9— 17）断开， KM3 释放， M2 停转。 而 SQ1 的另一动断触电（ 7— 9）仍闭合，以保证摇 臂能够上升。 摇臂的自动夹紧是由行程 SQ3 来控制的。 如果液压夹紧系统出现故障而不能自动夹紧摇臂， 或 者由于 SQ3 调整不当，在摇臂夹紧后不能使 SQ3 的动断触电断开，都会使液压泵电动机处于长期过载运行状态，这是不允许的。 为了防止损坏液压泵电动机，电路中使用了热继电器 FR2。 摇臂夹紧动作过程如下：摇臂升（或降）到预定位置，松开 SB3（或 SB4） KT 断电延时 KM5 吸合、 M3 反转、 YV吸合 摇臂夹紧 SQ3 受压（ 1— 29）断开 KM M YV 均断电释放。 （ 2）立柱和主轴箱的松开与夹紧控制。 立柱和主轴箱的松开与夹紧是同时进行的。 首先按下按钮 SB5（或夹紧按钮 SB6），接触器 KM4（或 KM5）吸合，液压电动机M3 旋转，供给压力油，压力油经而位六通阀（此时电磁阀 YV 处于师释放状态）进入立柱松开及夹紧液压缸和主轴箱并推动活塞和菱形块，使立柱和主轴箱分别松开（或夹紧）。 同时松开（或夹紧）指示灯 HL1（ HL2）显示。 线路的特点。 采用液压系统来实现主轴电动机的正反转、制动、空挡、预选及变速；采用液压系统来实现主轴箱、立柱及摇臂的松开与夹紧，并与电气配合实现摇臂升降与夹紧 、松开的动作循环；具有指示装备。 14 2— 3 Z3040 摇臂钻床 主电路 控制线路图 冷却泵电动机 主电动机 摇臂升降电动机 液压泵电动机 15 2— 4 Z3040 摇臂钻床控制线路图 16 摇臂钻床电气控制线路故障与处理 Z3040 摇臂钻床电气控制线路比较简单，其电气控制的主要环节是摇臂运动。 摇臂在上升或下降时，摇臂的夹紧机构先自动松开，在上升或下降到预定位置后，其夹紧机构又将摇臂自动夹紧在立柱上。 这个工作过程是由电气、机械和液压系统的紧密配合来实现的。 Z3040 摇臂钻床电气控制线路常见故障与 处理，见表 2— 1。 表 2— 1 Z3040 摇臂钻床电气控制线路常见故障与处理 故障现象 分析原因 处理方法 摇臂不能上升（或下降） SQ2 不动作， SQ2 的动合触电（ 9— 11）不闭合， SQ2 安装位置移动或损坏； KM2 线圈不吸合，摇臂升降电动机M2 不运行； （如液压泵卡死、不转、油路堵塞等），使摇臂不能完全松开，压不到 SQ2；，由于相序接反，按 SB3 摇臂上升按钮，电动机反转，使摇臂夹紧，压不到SQ2，摇臂也就不能上升或下降。 SQ2 触电、安 装位置或损坏情况，并修复； KM2 控制回路及摇臂升降电动机M2，并修复； SQ2 位置移动或损坏出，并修复； ，并换相。 摇臂上升（或下降）到预定位置后，摇臂不能夹紧 SQ3 安装不准确或紧固螺钉松动，使 SQ3 限位开关过早动作； SQ3，其触电（ 1—29）未断开，使 KM YV 不断电释放； KM电磁铁 YV 不动作，电动机M3 不反转。 SQ3 的动作行程，紧固好定位螺钉； 、弹簧片的位 置； KM电磁铁 YV 控制线路是否正常，电动机 M3 是否完好，并修复。 17 故障现象 分析原因 处理方法 立柱、主轴箱不能夹紧（或松开） KM4或 KM5不吸合； KM4 或 KM5 不吸合。 ，并修复； ，并修复。 按 SB6 按钮，立柱、主轴箱能夹紧，但放开按钮后，立柱、主轴箱却松开 ，或距离不合适； ，因为夹紧力调得太大或夹紧液压系统压力不够。 块或承压块的角度或距离； 系统压力。 主轴电动机刚起动运转，熔断器就熔断 ；。 ，并修复； ，根据空载情况找出原因，并调整处理； 修复或更换。 18 第 3 章 Z3040 摇臂钻床的硬件设计 前面叙述了 Z3040 摇臂钻床的控制结构，本节主要根据上节所述的功能要求配置所需要的控制系统的硬件系统，按照控制系统的控制要求， 设计出控制系统的框图如31所示，在此控 制系统中核心处理器是 PLC，其输入和输出量都为数字量。 31 电气控制系统框图 确定 I/O 点数 根据系统的控制要求并从经济性和可靠性等方面来考虑，确定的 I/O 点数，考虑留有一定的裕量，选择西门子 S7200 系列 PLC 作为 Z3040 摇臂钻床控制系统的控制主机。 在西门子 S7200 系列 PLC 中又有 CPU 221， CPU 222， CPU 226， CPU 226XM等之分。 根据上述要求，选择 CPU 224 作为其主机。 CPU 224 特性： （ 1） 8K 字节程序存储器，典型的为 条指令。 （ 2） 字节数据存储器 （ 3） 1 个可插入的存储器子模块。 （ 4） 14 个数字量输入，有 4 个可用做硬件中断， 10 个用于高速功能。 （ 5） 10。