Z3040型摇臂钻床电气控制系统设计方案

4 摇臂钻床电气控制系统设计方案 1 绪 论 臂钻床简介 钻床是一种孔加工机床，可用来钻孔、扩孔、绞孔、攻螺纹及修刮端面等多种形式的加工。钻床的结构形式很多，有立式钻床、卧式钻床、深孔钻床等。摇臂钻床是一种立式钻床，它适用于单件或批量生产中带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机床。 摇臂钻床主要由底座、内外立座、摇臂、主轴箱和工作台等组成。摇臂的一端为套筒，套装在外立柱上，并借助丝杠的正、反转可沿外立柱作上下移动。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上可通过手轮操 作使其在水平导轨上沿摇臂移动。加工时，根据工件高度的不同，摇臂借助于丝杠可带着主轴箱沿外立柱上下升降。在升降之前，应自动将摇臂松开，再进行升降，当达到所需的位置时，摇臂自动夹紧在立柱上。摇臂钻床钻削加工分为工作运动和辅助运动。工作运动包括：主运动（主轴的旋转运动）和进给运动（主轴轴向运动）；辅助运动包括：主轴箱沿摇臂的横向移动，摇臂的回转和升降运动。钻削加工时，钻头一面旋转一面作纵向进给。钻床的主运动是主轴带着钻头作旋转运动。进给运动是钻头的上下移动。辅助运动是主轴箱沿摇臂水平移动，摇臂沿外立柱上下移动和摇 臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。摇臂回转和主轴箱的左右移动采用手动 . 当进行加工时，由特殊的加紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上，而外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后进行钻削加工。钻削加工时，钻头一边进行旋转切削，一边进行纵向进给，其运动形式为： （ 1）摇臂钻床的主运动为主轴的旋转运动 ; 臂钻床结构示意图 1 底座 2 内立柱 3、 4 外立柱 5 摇臂 6 主轴箱 7 主轴 8 工作台 5 （ 2）进给运动为主 ; （ 3）辅助运 动 有：摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向的移动，摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。 电气控制系统中的应用 现代工业生产中，中小批量零件 的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高 ， 传统的普通 钻床 已经越来越难以适应现代化生产的要求，制造业的竞争已从早期降低劳动力成本、产品成本，提高企业整体效率和质量的 竞争 ，发展到全面满足顾客要求 、 积极开发新产品的 竞争 ，将面临知识 技术 产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，而对质量、性能的要求更高，同时社会对环境保护、绿色制造的意识不断加强 ， 因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得 竞 争和生存、发展的主要手段。计算机信息技术和制造自动化技术的结合越来越紧密，作为自动化柔性生产重要基础 的 “软 ”控制系统 机床 ， 在生产中所占比例将越来越 高。 20 世纪 70 年代以前，电气自动控制的任务基本上是由继电器控制系统来完成。继电器控制系统的优点是结构简单、价格低廉、抗干扰能力强，所以当时应用的十分广泛，至今仍在许多简单的机械设备中应用。但是，该类控制系统的缺点也十分明显，它采用固定的硬件接线方式来完成各种逻辑控制，灵活性差；另外机械性触点的工作频率低，易损坏，因此可靠性较差。 随着信息化产业的高速发展，数控机床的功能日趋完善，数控机床已经完全取代了普通机床，而数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术， 其水平高、低关系到国家战略地位、国民经济水平和体现国家综合实力的水平。今后数控技术又将向着高精化，高速化，高效化，系统化，自动化，智能化，集体化方向发展，并注重工艺适用性和经济性。 应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。软件手段实现了各种控制功能，与继电器控制系统相比，灵活性大大提高；与普通的计算机相比，又具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、组合灵活、扩展方便、体积小等突出优点，因而在机床电气控制系统中得到广泛的应用。 6 先进的工业化国家通用的标准工业控制设 备，在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术，现在已经成为现代工业控制三大技术支柱(之一， 可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作电子系统。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的 缺点，充分利用了微处理器的优点。用 制改造其继电器控制电路 , 可靠性高、逻辑功能强、体积小，降低了设备故障率 , 提高了设备使用效率 , 运行效果良好。 随着我国电力体制改革的深化，电力市场竞争将更加激烈，降低资源损耗和提高管理效益成为各发电企业的迫切需求。为此，对火电厂辅助车间自动控制水平提出了更高的要求。经过科技人员的不断引进、开发、研究 , 我国大型火电站的辅助系统（输煤、化水、除灰、除渣、燃油泵房、循环水泵房等）已由继电器控制过渡到完全由 控。 一种专为工业生产自动化控制设计的，一 般而言，无须任何保护措施就可以直接在工业环境中使用。然而，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证 正常运行。要提高 制系统可靠性，一方面生产厂家要提高 抗干扰能力；另一方面，要在设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合，减少及消除干扰对 影响。在新的时代， 有更大的发展，产品的品种会更丰富、规格更齐全，通过完美的人机界面、完备的通信设备、成熟的现场总 线通信能力会更好地适应各种工业控制场合的需求， 为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在我国发电厂的电气自动化建设中发挥越来越大的作用。 论文研究的对象及意义 本论文是研究机械加工中常用的 旨在解决传统继电器 接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难题。由于 气控制系统与继电器 接触器电气控制系统相比，具有结构简单，编程方便，调试周期短，可靠性高，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低等一系列优点 。因此，本论文对 臂钻床电气控制系 7 统的改造，将把 制技术应用到改造方案中去，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。论文分析了摇臂钻床的控制原理，制定了可编程控制器改造 臂钻床电气控制系统的设计方案，完成了电气控制系统硬件和软件的设计，其中包括 I/O 端口的分配、 I/O 硬件接线图的绘制、 形图程序的设计。对制摇臂钻床的工作过程作了详细阐述，论述了采用 代传统继电器 接触器电气控制系统从而提高机床工作性能的方法。 由于 摇臂钻床的电气控制系统存在 线路复杂、故障率高、维护工作量大、可靠性低、灵活性差等缺点 ,本文提出了用 摇臂钻床的继电器接触式模拟控制系统进行技术改造 ,从而保证了电控系统的快速性、 准确性、合理性 ,更好地满足了实际生产的需要 ,提高了经济效益。 8 2 臂钻床电气控制系统的原理 电路 我国原来生产的 它本身不具有欠压和失压保护。因此在主回路中要用一个接触器将三相电源引入。 现在的 臂钻床取消了十字开关，它的电气原理图见附录 。 它的主电路、控制电路、信号电路的电源均采用自动开关引入，自动开关的电磁脱扣作为短路保护取代了熔断器。交流接触器 主电动机 通或断开的接触器， 主电动机过载保护用热继电器。摇臂的升降，立柱的夹紧放松都要求拖动的电动机正反转，所以 动机分别有两个接触器，它们为 臂升降电动机 却泵电动机 为短时工作，不设过载保护。 采用 4台电机拖动，主轴电动机 臂升降电动机 压泵电动机 4， 4台电动机均采用直接起动控制。 主轴电动机3分别设有热继电器 制电路、信号及照明电路 电动机的旋转控制 在主电动机启动前，首先将自动开关 到接通状态，同时将配电盘的门关好并锁上。然后再将自动开关 到接通位置，电源指示灯亮。这时按下 间继电器 电并自锁 ,为主轴电动机与其他电动机的启动做好了准备。当按下按钮 ，交流接触器 圈通电并自锁使主电动机旋转，同时 主电动机旋转的指示灯 。主轴的正转与反转用手柄通过机械变换的方法来实现。 臂松开 控制电路设有主轴启动按钮 9 摇臂钻床的工作过程是由电气、机械、液压系统紧密结合实现的。摇臂升降动作按照 “摇臂松开 升降 摇臂夹紧 ”顺序进行。由摇臂松开行程开关 摇臂夹紧前，由时问继电器 l 3 主轴电机由按钮 臂升降由 摇臂上升和下降的点动按钮。因为摇臂平时是夹紧在外立柱上，所以在摇臂升降之前，先要把摇臂松开，再由 臂升降到位后，再重新将它夹紧。摇臂升降动作按照 “摇臂松开 顺序进行，由摇臂松开行程开关 摇臂的松、紧是由液压系统完成的。当按下上升按钮 磁阀 向供出压力油进入摇臂的松开油腔，推动松开机构使摇臂松开，摇臂松开后，行程开头 反向供出压力油进入摇臂的夹紧 油腔、推动夹紧构使摇臂夹紧，摇臂夹紧后，行程开头 摇臂停止在所需位置上。摇臂升降的极限保护由组合开头 摇臂上升或下降到极限位置时，相应触头动作，切断对应上升或下降接触器 摇臂升降电机 臂停止移动。 电机 臂升降电机 压泵电机 却泵电机 路有短路保护、过载保护等。 执行元件：主电机 臂升降电机 却泵电机 压泵电机 磁换向阀 2位 6通）。 柱和主轴箱的松开及夹紧控制及信号灯 主轴箱和立柱的松、紧是同时进行的， 按下松开按钮 压泵电机 动液压泵送出压力油，这时电磁阀 压油进入主轴箱与立柱的松开油腔，使主轴箱与立柱松开或夹紧。由于 压油不会进入摇臂的松开油腔，摇臂仍处于夹紧状态。当主轴箱与立柱松开时，行程开关 头 示灯 示主轴箱与立 柱确已松开。可以手动操作主轴箱在摇臂的水平导轨上移动，也可推动摇臂使绕内立柱旋转移动，当移动到位后，再按下夹紧按钮 触器 压泵电机 压油进入夹紧油腔，使主轴箱与立柱夹紧。当确已夹紧、压下 示主轴箱与立柱已夹紧， 10 可以进行钻削加工。 机床设有 4个信号灯：电源指示灯 柱和主轴箱松开指示灯 柱和主轴箱夹紧指示灯 轴电动机旋转指示灯 明灯 信号（检测）元件： 松开检测； 3 基于 臂钻床电气控制系统硬件部分的设计 臂钻床电气控制系统的设计方案由两部分组成，一部分为电气控制系统的硬件设计，也就是 机型的确定；另一部分是电气控制系统的软件设计，就是 制程序的编写。为了使改造后的摇臂钻床仍能够保持原有功能不变，此次改造的一个重要原则之一就是，不对原有机床的控制结构做过大的调整，只是将原继电器控制中的硬件接线改为用软件编程来替代。 3 1 电气元件的选择 在电气原理图设计完毕之后就可以根据电气原理图进行电气元件的选择工作，本设计中需选择的电气元件主要有： 1. 电源开关 选择 作用主要是用于电源的引入及控制 、停和正反转等。因此 选择主要考虑电动机 定电流和启动电流，由前面已知 额定 电流数值，通过计算可得额定电流之和为 时考虑到， 为满载启动，在功率较小， 功率较大，但为轻载启动。所以， 终选择组合开关 ，额定电流为 20A。 R 的选择 根据电动机的额定电流进行热继电器的选择，由前面 额定电流，现选择如下： 用 D 型热继电器。热元件额定电流 11A 11A 工作时调整在 用 型热继电器。热元件额定电流 作时调整在 11 根据负载回路的电压、电流，接触器所控制回路的电压及所需点的数量等来进行接触器的选择。 本设计中 要对 行控制，而 定电流为 制回路电源为 127V，需要主触点两对，所以， 接触器，主触点额定电流为 10A，线圈电压为 127V。 行控制，而 定电流为 制回路电源为 127V，各需要主触点两对， 辅助动断触点一对， 辅助动断触点一对，所以， 接触器，主触点额定电流为 5A，线圈电压为 127V。 行控制，而 额定电流为 制回路电源为127V，各需要主触点三对， 辅助动断触点一对， 辅助动断触点一对，所以， 接触器。 本设计中由于摇臂的升降需要延时控制。需要常开触点一个，延时闭合动断触点一个，延时断开动合触点一个，我们选 时间继电器。额定电压 定功耗小于 5W,动作频率 1200 次 /h。 根据熔断器的额定电压、额定电流和熔体的额定电流等进行熔断器的选择。 本设计中涉及到熔断器有三个： 要对 行短路保护， 定电流分别为 此，熔体的额定电流为 算可得 此 择 熔断器，熔体为 20A. 同理： 择 熔断器，熔体为 10A； 择 熔断器，熔体为 2A。 根据需要的触点数目、动作要求、使用场合、颜色等进行按钮的选择。 本设计中 择 按钮，颜色为红色，选择 择按钮，颜色为绿色， 择 按钮，颜色为黑色。 本设计中，电源指 示灯 择 流 36V、 40W，与灯开关 套配置；指示灯 择 ，指标为 色为黄色， 12 绿色，红色各一个。 本设计中，变压器选择 80V、 220V/127V、 36V、 综合以上的计算， 臂钻床的电器元件明细表见 附 录 。 3 2 号的选择 选择基于 摇臂钻床电气控制系统的 型，应从以下几个方面来考虑： 据 物理结构 根据物理结构的不同， 为整体式、模块式和叠装式。整体式的每一 I/型电气控制系统一般使用整体式可编程控制器。此次所设计的电气控制系统属于小型开关量电气控制系统没有特殊的控制任务，整体式 全可以满足控制要求，且在性能相同的情况下，整体式 模块式和叠装式 格便宜，因此， 臂钻床电气控制系统的 用整体式结构的 。 据 指令功能 考虑到任何一种 可以满足开关量电气控制系统的要求，据此本课题将尽量采用价格便宜的 据 输入输出点数 一般系统中，开关量输入与输出的比例为 6： 4，根据 I/O 总点数可给出如下的经验公式： 所需内存总字数 =开关量（输入 +输出）总点数 *10 余量：一般按计算存储器字数的 25%考虑余量。 所需内存总字数 =(28+20)*10=480 输入点数为 28 点，输出点数为 20 点，故总点数应大于 48 据 存储容量 储器容量的估算方法：对于仅有开关量输入 /输出信号的电气控制系统，将所需的输入 /输出点数乘以 10，就是所需 储器的存储容量（单位为 （ 28+20） 20=480 根据输入模块的类型 13 输入模块的输入电压一般为 流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。交流输入方式的触点接触可靠，适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。由于本基于 摇臂钻床电气控制系统的工作环境并不恶劣，且对电气控制系统操作人员来说压较 压安全些。因此，本基于 摇臂钻床电气控制系统的 入模块应选直流输入模块，输入电压应 压 6。 据输出模块的类型 出模块有继电器型、晶体管型和晶闸管三种。 继电器型输出模块的触点工作电压范围广，导通压降小，承受瞬间过电压和过电流的能力较强，每一点的输出容量较大（可达 2A） ,在同一时间内对导通的输出点的个数没有限制，但动作速度慢，寿命有一定的限制。 晶体管型与晶闸管输出模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应带宽快，寿命长，但是过载能力差，每 1 点的输出量只有 4 点同时输出的总容量不得超过 2A。 由于 臂钻床控制对象对 出点的动作表达速度要求不高 ，继电器型输出模块的动作速度完全能够满足要求，且每一点的输出容量较大，在同一时间内对导通的输出点的个数没有限制，这将给设计工作带来很大的方便。所以本课题选用继电器输出模块，结合 臂钻床电气控制系统的实际情况，需要输入点数大于 28 个，输出点数大于 20 个。 综上所述，为了使 臂钻床在改造后能够良好工作，确认日本三菱公司生产的 和扩展单元 够满足上述要求，该类型号 积小，功能强，增加了一些大型机的功能和指令，如 宽调制）指令，对于控制器体积要求较高的应用系统是一种很好的选择。其编程口为 以直接和编程器或计算机连接，使用非常方便，且性价比较高，使用方便。其主要技术性指标如下： 该型 有 臂钻床电气控制系统所需的所有指令功能，其总输入点数为 28 点，总输出点数为 20 点，用户存储器容量 5K 步，输入模块电压为 出模块为继电器型。由此可知， 扩展单元 I/O 端口分配表 14 根据所选 型号进行 I/O 点的端口分配，如下表 3示： 输入信号 输出信号 名称 代号 输入点编号 名称 代号 输出点编号 复位键 停键 无工件检测传感器 轴工作指示灯 轴停止 003 计数器 轴开始 004 辅助作用 摇臂上升 005 臂下降 006 臂停止 007 臂松开到位 030 计数器输出 臂夹紧到位 031 电磁阀 1 010 摇臂上升到位 010 011 摇臂下降到位 011 电磁阀 2 012 主轴箱左移 012 013 主轴箱右移 013 电磁阀 3 014 主轴箱夹紧到位 014 主轴箱松开到位 015 主轴电动机转 001 主轴箱左移到位 016 动机正转 002 15 主轴箱右移到位 017 动机反转 003 主轴箱停止 032 动机正转 004 摇臂顺回转 033 动机反转 005 摇臂逆回转 020 动机正转 006 摇臂回转夹紧到位 021 动机反转 007 摇臂回转松开到位 022 动机转 015 摇臂回转停止 023 冷却泵开 024 冷却泵关 025 表 3，输入信号的其中一端应并接在直流 24V 电源上，另一端应分别接入相应的 入端子上。接线时注意 入 /输出 子的极性。接触 器线圈连接的所有输出端口可以共用一个 。 I/O 电气接线图见附录 。 16 4 臂钻床电气控制系统软件部分的设计 形图程序的优化设计及程序调试： 为了使 臂钻床在进行电气控制系统改造后仍能够完成原有的工作需要，本基于 摇臂钻床电气控制系统的 序应由电气控制系统预开程序、主电动机的起动和停止控制程序、摇臂升降控制程序即升降电动机的正反转控制程序、立柱和主轴箱的松开与夹紧控制程序即液压泵电动机的正反转程序、信号的显示程序 、照明控制程序等部分组成。因选用 号的 以编程时采用 境下运行的 编程软件来编程设计 , 采用其可编程控制器训练装置来进行模拟调试。 电动机的起动控制程序 主电动机起动输入继电器，接通 时输出继电器 通并自锁，从而使电机起动。 图 电动机的起动梯形图程序 臂升降控制程序 当 通时，同时 电，使得液压泵电动机起动，摇臂放松，当摇臂 彻底放松后， 常开触点闭合，常闭触点断开， 电， 电，摇臂开始上升， 17 当上升到极限位置时， 常闭触点断开， 电。摇臂完成松开，然后上升的过程。 如果想要完成摇臂下降的过程，需接通 摇臂放松后，使 电，使摇臂下降，当下降到极限位置时， 常闭触点断开， 电。摇臂完成松开，然后下降的过程。 图 摇臂升降梯形图程序 轴箱放松或夹紧控制程序 当 通后，使 电，主轴箱左移，当 通时， 电，主轴箱松开到位。加紧过程与其 相似。 18 图 主轴箱放松或夹紧梯形图程序 臂回转控制梯形图程序 当 通后，使 电，同时 电，摇臂开始回转，当 通后，摇臂开始逆回转，当 通后，使 电，电机反转，摇臂开始加紧。 19 图 臂回转控制梯形图程序 却泵开关控制梯形图程序 当 通后，使 电，冷却泵开始工作，当 通后，冷却泵停止工作。 图 却泵开关控制梯形图程序 20 令表 000 =复位键 D 001 =急停键 D 004 =主轴开始 001 =主轴电动机转 003 =主轴停止 001 =主轴电动机转 020 =轴工作指示灯 005 =摇臂上升 004 =动机正转 002 =动机正转 007 =摇臂停止 010 =摇臂上升到位 005 =动机反转 004 =动机正转 010 =电磁阀 006 =摇臂下降 003 =动机反转 002 =动机正转 012 =电磁阀 D 006 =摇臂下降 004 =动机正转 003 =动机反转 007 =摇臂停止 010 =摇臂上升到位 005 =动机反转 21 004=动机正转 010=电磁阀 005=摇臂上升 002 =动机正转 003 =动机反转 012 =电磁阀 D 010 =摇臂上升到位 007 =摇臂停止 035 =辅助输出 031 =摇臂夹紧到位 004 =动机正转 005 =动机反转 010=电磁阀 035=辅助输出 012=主轴箱左移 004=动机正转 002=动机正转 轴箱移动停止 016=主轴箱左移到位 015=主轴箱松开到位 005=动机反转 004=动机正转 011=电磁阀 015 =主轴箱松开到位 013 =主轴箱右移 003 =动机反转 22 动机正转 电磁阀 D 013 =主轴箱右移 004 =动机正转 003 =动机反转 032 =主轴箱移动停止 016 =主轴箱左移到位 015 =主轴箱松开到位 动机反转 004 =动机正转 011 =电磁阀 015 =主轴箱松开到位 012 =主轴箱左移 002 =动机正转 003 =动机反转 013 =电磁阀 D 016 =主 轴箱左移到位 032 =主轴箱移动停止 014 =主轴箱夹紧到位 004 =动机正转 005 =动机反转 011 =电磁阀 D R 004 =动机正转 006 =动机正 转 023 =摇臂回转停止 022 =摇臂回转松开到位 23 005 =动机反转 004 =动机正转 014 =电磁阀 022 =摇臂回转松开到位 006 =动机正转 007 =动机反转 023 =摇臂回转停止 045 =辅助输出 021 =摇臂回转夹紧到位 004 =动机正转 005 =动机反转 014 =电磁阀 045 =辅助输出 024 =冷却泵开 015 =动机转 025 =冷却泵关 015 =动机转 R 022 =摇臂回转松开到位 015 =主轴箱松开到位 016 =开指示灯 031 =摇臂夹紧到位 021 =摇臂回转夹紧到位 014 =主轴箱夹紧到位 017 =紧指示灯 034 =计数器复位 D 035 =传感器感应开关 24 030 =计数器输出 25 5 结论 本课题所研究的基于 摇臂钻床电气控制系统的设计实现了 臂钻床