Z30130×31型钻床控制系统的PLC改造

    可编程控制器（Programmable Controller)是为工业控制应用而设计制造的专用计算机控制装置，是20世纪60年代发展起来的控制设备。最早的可编程控制器可追溯到1969年。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器Programmable Logic Controller,简称PLC，主要作用就是替代继电器实现逻辑控制。工业控制领域的快速发展和不断增长的新需求。使得目前这种装置的功能已经大大超出逻辑控制的范围，因此原来的说法已经不贴切地表示其功能了。今天我们称之为可编程控制器 ，简称PC。但为了避免与个人计算机Personal Computer的简称混淆，还是简称PLC。
    PLC是微电子技术与自动控制技术相结合的产物，它的应用非常广泛，能方便地直接用于机械制造、化工、电力、交通、采矿、建材、轻工、环保、食品等各行各业。即可用于老设备的技术改造，也可用于新产品的开发和机电一体化。近年来，可编程序控制器的发展非常快，不仅应用普及非常快，而新产品的开发速度也是非常快的。
    随着我国的经济飞速发展，人民生活水平迅速提高，工作居住条件得到了巨大改善。钻床作为工业生产内的重要生产工具，与人们的工作和效力的产生息息相关。对它的性能要求很精确。在此，我们采用了PLC的控制来实现钻床的运行稳定。
    钻床的电气系统由液压系统、冷却泵和电磁吸盘以及照明电路等部分组成。传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，正逐渐被淘汰。目前钻床设计使用可编程控制器(PLC)，要求功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低。维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。改造后使生产线的效率得到提到，使用寿命更长久等优点。
    改造钻床是一门专业知识相当广泛的专业，它涉及到自动化专业的多门专业基础课：电子技术、计算机控制、计算机接口、自控原理、检测技术、电力电子技术、电机拖动、电气系统控制、可编程逻辑控制器等。通过这些专业课程的学习，在此次毕业设计中，又使这些课程得到了复习、巩固。掌握所学知识并解决实际问题的方法和技能。
    Z30130×31型摇臂钻床属于大型立式钻床，能够进行多种形式的机械加工，如钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、刮平面以及攻螺纹等。
    摇臂钻床的运动部件较多，常采用多台电动机拖动，一般采用三相交流鼠笼式异步电动机拖动，用机械变速调节主轴转速和进刀量，变速箱为机械有级调速，钻床的主运动和进给运动都有较大的调速范围。
     Z30130X31型钻床的传统的继电器—接触器控制系统过于复杂烦琐。若采用PLC控制进行改造后，便线路简化，可靠性提高，响应加快精确更正确，给设备维护、检修带来方便，同时在成本上也合理，能够产生较大的经济效益。
1、机床的主要参数
  （1）最大钻孔直径                                     100mm
  （2）主轴中心线至立柱母线距离：最大                   3150mm
                                 最小                   570mm
  （3）主轴箱水平移动距离                               2580mm
  （4）主轴端面至底座工作面距离：最大                   2500mm
                                 最小                    750mm
  （5）摇臂升降距离                                     1250mm
  （6）摇臂升降速度                                    0.61m/min
  （7）摇臂回转角度                                      360度
  （8）主轴圆锥孔                                       莫氏6号
  （9）主轴转速范围                                    8～1000r/min
  （10）主轴转速级数                                      22级
  （11）主轴进给量范围                                 0.06～3.2mm/r
  （12）主轴进给量级数                                   16级
（13）主轴行程                                          500mm 
  （14）刻度盘每转钻孔深度                                170mm
  （15）主轴允许最大扭转力矩                              2450N•m
  （16）主轴允许最大进给抗力                            49×10 3.N
  （17）主电机功率                                         15kw
  （18）摇臂升降电机功率                                   3kw
  （19）主轴箱及摇臂液压夹紧电机功率                       0.75k
（20）立柱液压夹紧电机功率                               0.75kw
  （21）主轴箱水平移动电机功率                             0.25kw
  （22）主轴箱水平移动速度                                1.6m/min
（23）冷却泵电机功率                                     0.09kw
2、钻床的机械及运动形式
（一）Z30130x31型摇臂钻床适用于在重大型零件上钻孔、扩孔、铰孔、刮平面及攻螺纹等工作，在具有工艺装备的条件下可以进行镗孔。
    Z30130x31行摇臂钻床，其零部件通用化程度较高，本机床具有如下特点：
    采用液压预选变速机构，可节省辅助时间；主轴正反转、停车（制动）、变速、空挡等动作都用一个手柄控制，操纵轻便；主轴箱、摇臂、内外柱采用液压驱动的菱形块夹紧机构，夹紧可靠；摇臂上导轨、主套筒及内外柱回转滚道等处均进行淬火处理，可延长使用寿命；主轴箱的移动除手动，还可以机动；有完善的安全保护装置及外柱防护和自动润滑装置。
（二）液压系统的主要特点
（1）该液压系统中工作台的换向采用了时间控制的换向回路。在换向阀阀芯上的四个控制边均带有锥度较小的制动锥，同时可采用单向节流阀来调整阀芯的移动速度，使制动过程平稳，减小了换向冲击，这对工作台运动速度较高、换向要求平稳。
（2）液压系统中，采用了进油和回油路的双重节流调速回路，并以回油节流调速为主，因此，工作台的运动平稳，且可减小工作台启动时的前冲现象。
（3）具有卸荷回路，机床不工作时，可使系统卸荷，以减少功率损失和减少油液发热。
3.1控制线路特点与电气线路概述
3.1.1．控制线路特点 
（1）电路、控制线路、信号指示灯电路及机床照明均采用自动空气断路器作为电源引入开关。自动空气断路器中的电磁脱扣装置作为短路保护电器而取代熔断器。另外，此断路器也具有零压保护和欠压保护作用。
（2）由于各台点动机的容量不同，在起动时须区别对待。主轴电动机容量较大，为降低起动电流，采用了Y—△起动控制线路。其它五台电动机采用接触器直接起动控制线路或开关直接起动控制线路。
（3）控制线路装有总起动与总停止按钮，便于操作和在发生事故时紧急停车。
（4）摇臂的上升运动和下降运动有严格的动作顺序，由限位开关SQ3给以保证。
（5）每一个主要动作均有指示灯作出指示，便于操作和进行电气维修。
（6）主柱的夹紧与松开单独用一台电动机拖动，使控制更为灵活。
（7）主轴箱的水平移动单独用一台电动机拖动，降低了操作者的劳动强度。
（8）摇臂的上升运动和下降运动可以用主轴箱上的十字开关操作，也可以装在立柱下部的控制按钮操作，属于两地控制线路。
（9）立柱与主轴箱的松开与夹紧可以同时进行操作，也可以单独进行。
（10）控制线路采取了可靠的电气联锁措施，以防止发生电源短路事故。
3.1.2．电气线路概述
 主电路由六台三相交流异步电动机及其有关的电气元件组成。主轴电动机只有一个旋转方向，因为功率较大，所以采用Y—△起动控制线路。冷却泵电动机也只有一个旋转方向，采用开关直接起动控制线路。其它四台交流电动机都有两个旋转方向，采用交流接触器起动控制线路。
    M1为主电动机，由交流接触器KM1、KM2和KM3进行Y—△起动，KM1和KM3也是M1的停止电器。M1的短路保护电器是总电源引入开关——自动空气断路器QF1中的电磁脱扣装置。热继电器FR1是M1的过载保护电器。
    M2是摇臂升降电动机。交流接触器KM4控制M2的正向起动与停止。M2的反向起动与停止由反向交流接触器KM5控制。M2的短路保护电器也是自动空气断路器QF1中的电磁脱扣装置。因为M2是短时间工作，所以不设过载保护电器。
    M3是摇臂和主轴箱松开与夹紧电动机，它实质上是液压油泵电动机，为摇臂与主轴箱的松开与夹紧提供压力油。交流接触器KM6控制M3的正向起动与停止。M3反向转动的起动与停止由交流接触器KM7控制。自动空气断路器QF4中的电磁脱扣装置是M3的短路保护器。虽然摇臂与主轴箱的松开与夹紧是短时间的调整工作，M3并不长期运转，但液压系统出现故障或行程开关调整不当时，M3也会处于长时间过载状态而造成事故，所以在电路中装设了热继电器FR2。
    M4是立柱的松开与夹紧电动机，也是液压油泵电动机，专供立柱松开与夹紧用的压力油。M4的正反向起动与停止分别由正向交流接触器KM8与反向交流接触器KM9控制。M4的短路保护电器是自动空气断路QF4的电磁脱扣装置。由于M4不是长期运行的电动机，所以不设过载保护电器。
    M5是主轴箱水平移动电动机，有两个旋转方向，由交流接触器KM10和KM11分别控制其起动与停止。短路保护电器仍为自动空气断路器QF4中的电磁脱扣装置。由于短时间工作，所以不设过载保护电器。
    M6是冷却泵电动机，功率很小，虽然长时间工作，也不设过载保电器。由自动空气断路器QF2控制其起动和停止，并兼作短路保护电器。
    控制线路中装设了三台时间继电器，其中KT1为通电延时型、KT2和KT3为断电延时型
    在主轴箱水平移动控制线路中，主轴箱与电动机之间接入了直流电磁离合器YC1，使控制更为可靠。
    控制线路电压为110V，信号等电路电压为交流6V，均变压器TC2提供电源。电磁离合器电压为24V，由控制变压器TC1供电。照明线路除了装设两台照明灯外，还装有电源插座，便于接临时照明灯。照明电路电压为24V，由变压器TC2供电
3.2控制原理分析及分立控制线路
3.2.1．开车前准备工作  
    先将自动空气断路器QF7~QF8扳到闭合位置，然后扳动总电源开关QF1，引入三相380V交流电源。这时，电源接通指示灯HL1亮，表示机床的电气线路已处于通路状态。
    按下总起动按钮SB1，中间继电器KA1的线圈经(1-3-5-7-0)线路得电吸合并自锁，为控制线路提供了电源通路，并为其它电器得电做好准备。
3.2.2．主轴电动机起动与停止控制线路
    在中间继电器KA1得电并自锁的基础上，按下起动按钮SB2，时间继电器KT1的线圈经(1-3-5-7-11-13-2-0)线路通电吸合。接触器KM1的线圈经(1-3-5-7-11-13-2-0)线路通电吸合并自锁。接触器KM3。接触器KM2的线圈经(1-3-5-7-11-13-15-17-2-0)线路通电吸合。KM2的主触点闭合，短路主电动机三相绕组的末端，将主电动机接成Y形。由于KM1主触点闭合，接通M1的三相电源，主轴电动机在定子绕组接成Y的情况下得电旋转。
    当主轴电动机的转速逐渐升高到接近额定转速时，时间继电器KT1延时开启的动断触点KT1-2(13-15)断开，接触器KM2的线圈断电释放。KM2的主触点断开，使主触点电动机定子绕组的末端脱离短路状态。与此同时，时间继电器KT1延时闭合的动合触点KT1(13-21)闭合，使接触器KM3的线圈经(1-3-5-7-11-13-21-23-2-0)线路通电吸合。KM3的主触点闭合，将主轴电动机的定子绕组接成△形并通过已闭合的KM1街道电源上，使M1在额定转速下正常旋转。
    接触器KM3得电时，它的动合辅助触点KM3(605-607)闭合，主轴电动机旋转指示灯HL2亮。
    停止主轴电动机时，按下停止按钮SB12，时间继电器KT1、交流接触器KM1和KM3同时断电释放，KM1的主轴触点断开，切除三相电源，主轴电动机停转。
    接触器KM3断电释放时，其动合触点KM3(605-607)断开，主轴电动机旋转指示灯HL2灭。
3.2.3．摇臂上升控制线路及工作原理
    在中间继电器KA1得点吸合并自锁的情况下，将主轴箱上的十字开关向上扳动，使SA1-1接通，或按下装在立柱下部的摇臂上升起动按钮SB3，中间继电器KA2的线圈经(1-3-5-7-25-27-29-0)线路通电吸合，KA2动断触点KA2-4(55-57)断开，保证KM7无电。同时，动合触点KA2-3(39-41)和KA2-1(7-37)闭合。前者为交流接触器KM4得点做好准备，后后者使时间继电器KT2的线圈经(1-3-5-7-37-0)线路通电吸合。因为KT2是断电延时型的时间继电器，所以它的断电延时开启的动合触点KT2-1(7-55)杂通电时瞬时闭合，使时间继电器KT3的线圈得电吸合。与此同时，时间继电器KT2的瞬时动作动合触点KT2-3(7-87)闭合，使电磁铁YA1的线圈得电动作，打开摇臂松开油腔的进油阀门，为摇臂松开做好准备。
由于KT3线圈通电吸合，其断电延时开启触点KT3-2(7-87)瞬时闭合，保证了YA1的线圈在时间继电器KT2断电后 仍然通电。与此同时，KT3瞬时动作的动合触点KT3-1(49-51)闭合，使交流接触器KM6的线圈经(1-3-5-7-37-49-51-53-4-0)线路通电吸合。KM6的主触点闭合，接通M3的电源，主轴箱和摇臂松开与夹紧电动机通电正向旋转，使压力油经二位六通阀进入摇臂松开油腔，推动活塞和菱形块，将摇臂松开。这时活塞杆通过弹簧片压动限位开关SQ3，使其动断触点SQ3-2(37-49)断开，交流接触器KM6的线圈断电释放。KM6的主触点断开，切断M3的电源，主轴箱和摇臂夹紧与松开电动机停止转动。
与此同时，限位开关SQ3的动合触点SQ3-1(37-39)闭合，接触器KM4的线圈经(1-3-5-7-37-39-41-43-0)线路通电吸合，其主触点接通M2的电源，摇臂升降电动机正向转动 ，带动摇臂上升。
    当摇臂上升到所需要的位置时，扳动十字开关使SA1-1断开，或松开起动按钮SB3，中间继电器KA2的线圈断电释放。KA2的动断触点KA2-1(7-37)断开，时间继电器KT2和交流接触器KM4的线圈断电释放，摇臂升降电动机停止转动，摇臂停止上升。
    KA2释放时，动断触点KA2-4(55-57)闭合，为交流接触器KM7得电动作做好了准备KT2断电释放时，它的瞬时动作动触点KT2-3(7-87)断开，但由于KT3仍然通电，所以电磁铁YC1仍处于带电状态。
经过1~3S的延时，KT2延时开启动合触点KT2-1(7-55)断开，但因为限位开关SQ4闭合，所以并不影响KT3的通电吸合状态。同时，KT2的延时闭合动断触点KT2-2(59-63)闭合，交流接触器KM7的线圈经(1-3-5-7-55-57-59-63-65-4-0)线路通电吸合。KM7的住触点接通M3的电源，主轴箱和摇臂夹紧与松开电动机反向转动，压力油经二为六通阀进入摇臂夹紧油腔，推动活塞和菱形块，将摇臂夹紧。与此同时，活塞杆通过弹簧片压动限位开关SQ4，使它的动断触点SQ4(7-55)断开，交流接触器KM7和时间继电器KT3的线圈断电释放，主轴箱和摇臂夹紧与松开电动机停止转动。经过1~3S的延时，KT3延时开启的动合触点KT3-2(7-87)断开，YC1断电释放。
3.2.4．摇臂下降的控制线路原理分析 
    摇臂下降的控制线路及其工作原理和摇臂上升的控制线路及工作原理极为相似，只要把摇臂上升线路中的SA1-1改为SA1-2（十字开关向下扳动），摇臂上升起动按钮SB3改为摇臂下降起动按钮SB4，中间继电器KA2改为KA3，接触器KM4改为KM5即可。
    摇臂的上升与下降是短时间调整工作，所以采用电动方式。
    行程开关SQ1和SQ2用来限制摇臂上升和下降的行程。当摇臂上升到极限位置时，压动SQ1，使其动断触点SQ1(25-27)断开。中间继电器KA2断电释放，动合触点KA2-1(7-37) KA2-3(38-41)断开，接触器KM4失电，摇臂升降电动机停止转动，摇臂停止上升。
    当摇臂下降到极限位置时，压动限为开关SQ2，使它的触点SQ2(31-33)断开，中间继电器KA3的动合触点KA3-1(7-37)和KA3-3(39-45)断开，KM5断电，摇臂升降电动机停止转动，摇臂停止下降。
    正常工作时，限位开关SQ1和SQ2的动断触点总是闭合的。
3.2.5．主轴箱松开与夹紧控制原理分析
    主轴箱和立柱的松开（或夹紧）即可以同时进行，也可以单独进行，由转换开关SA2控制。转换开关SA2有三个位置，将SA2扳到中间位置，主柱和主轴箱同时松开（或夹紧）；将SA2扳到左边位置，立柱单独松开（或夹紧）；将SA2扳到右边位置，主轴箱单独松开（或夹紧）。复合按钮SB5是立柱与主轴箱的松开控制按钮，SB6是夹紧控制按钮。下面，先分析主轴箱单独松开的控制线路原理。
将转换开关SA2扳到右边位置，则触点SA2(73-51)和SA2(79-55)接通。按下复合按钮SB5，接触器KM6的线圈经(1-3-5-7-73-51-53-4-0)线路通电吸合，它的主触点闭合，接通M3的电源，主轴箱和摇臂的松开与夹紧电动机起动正向旋转，供应压力油。由于这时电磁铁YA1处于无电释放状态，所以压力油经二位六通阀进行主轴箱松开油缸，推动活塞和菱形块，将主轴箱松开。松开时压动限位开关SQ6，使动断触点SQ6-2(605-613)闭合，立柱和主轴箱松开指示灯HL3亮。这时，应立即松开复合按钮SB5，使接触器KM6断电释放，主轴箱和摇臂的松开与夹紧电动机停转。
    主轴箱单独夹紧时，仍将转换开关SA2扳到右边位置，使SA2(79-55)接通。按下复合按钮SB6，接触器KM7的线圈经(1-3-5-7-79-55-57-59-63-65-4-0)线路通电吸合。KM7的主触点闭合，接通M3的三相电源，主轴箱和摇臂夹紧与松开电动机起动反向旋转，提供压力油。由于此时电磁铁YA1处于电释放状态，所以压力油  经二位六通阀进入主轴箱夹紧油缸，推动活塞和菱形块，使主轴箱夹紧。夹紧时压动限位开关SQ6，使它的动合触点SQ6-1闭合，立柱和主轴箱夹紧指示灯HL4亮，HL3灭。这时，要立即松开复合按钮SB6，使接触器KM7断电释放，主轴箱和摇臂松开与夹紧电动机因断电而停止转动。
3.2.6．立柱单独松开与夹紧的控制原理分析 
    立柱单独松开时，将转换开关SA2扳到左边位置，SA2(73-75)闭合，按下复合按钮SB5，接触器KM8的线圈经线路通电吸合，其主触点闭合，立柱松开与夹紧电动机 M4起动正向旋转，供应压力油。通过液压机械系统使立柱夹紧。夹紧时，立柱松开指示灯HL3亮。这时，要立即松开复合按钮SB5，使KM8断电释放，立柱松开与夹紧电动机停转。
    主轴单独夹紧时，仍然将转换开关SA2扳向左边位置，使SA2(79-83)接通吸合。在按下复合按钮SB6后接触器KM9的线圈经(1-3-5-7-79-83-85-0)线路通电吸合。KM9的主触点闭合，接通M4的电源，夹紧时，立柱夹紧指示灯HL4亮，HL3灭。这时，要立即松开复合按钮SB6，使KM9断电释放，立柱夹紧与松开电动机停转。
3.2.7．立柱和主轴箱同时夹紧的控制原理分析
    立柱与主轴箱同时进行松开控制时，将转换开关SA2扳到中间位置，SA2(73-51)和SA2(79-75)同时接通，按下SB5，KM6和KM8同时得电吸合。它们的主触点闭合，主轴箱和摇臂松开与夹紧电动机M3、立柱松开与夹紧电动机M4得电正向旋转，供应压力油。压力油经二位六通阀进入主轴箱松开油缸，推动活塞和菱形块，将主轴箱松开。同时，通过液压系统是立柱松开，指示灯HL3亮。这时，应立即松开复合按钮SB5，使接触器KM6和KM8断电释放，电动机M3和M4断电停转。
    主轴箱与立柱同时进行夹紧控制时，仍将转换开关放在中间位置，使SA2(73-55)和SA2(79-83)接通。按下SB6，接触器KM7和KM9同时得电吸合。它们的主触点闭合，使主轴箱和摇臂松开与夹紧电动机M3、立柱松开与夹紧电动机M4反向转动，供应压力油。压力油经二位六通阀进入主轴箱夹紧油缸，推动活塞和菱形块，将主轴夹紧。同时，液压系统将立柱夹紧，夹紧指示灯HL4亮。这时，应立即松开SB6，使接触器KM7和KM9断电释放。它们的主触点断开，使电动机M3和M4停转。
3.2.8．主轴箱的水平移动控制  
    主轴箱的水平移动控制是通过十字开关SA1实现的。在主轴箱松开的情况下，主轴箱松开与夹紧油缸的活塞杆压动限位开关SQ5，使其动合触点SQ5(7-93)闭合。向右扳动十字开关，使触点SA1-3接通。接触器KM10的线圈经(1-3-5-7-93-95-97-0)线路通电吸合。动合触点KM10(113-115)闭合，电磁离合器YC1通电，接通M5与主轴箱之间的机械传动机构。同时，KM10的主触点闭合，接通M5的电源，主轴箱水平移动电动机正向旋转，拖动主轴箱向右移动。
    如果向左扳动十字开关，SA1-4(93-101)接通，接触器KM11的线圈经(1-3-5-7-93-101-103-0)线路通电吸合。KM11的动合触点KM11(113-115)闭合，电磁离合器YC1通电，接通M5与主轴箱与主轴箱之间的机械传动机构。同时，接触器KM11的主触点闭合，接通M5的电源，主轴箱水平移动电动机反向转动，拖动主轴箱向左移动。
3.2.9．冷却泵电动机的起动与停止控制
    扳动自动空气断路器QF2，使之处于闭合或断开状态，接通或断开电源，既可实现冷却泵电动机M6的起动停止。
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