Z3040摇臂钻床PLC电路改造设计论文

河南科技学院机电学院 - 1 - 臂钻床 气 改造 摘 要 : 本文以 绍 了 摇臂钻床 控制特点 ，并且利用 采用接触器控制系统后，在充分满足系统控制要求 的前提下， 减少了电气故障发生率 ，节省了大量的维修费用 ，提高了摇臂钻床的工作可靠性 和劳动生产率，具有普遍的技术及经济意义。 关键词 : 摇臂钻床； 态软件 3040 on LC of s LC an is to of on of of s of a of in in 南科技学院机电学院 - 2 - 目 录 摘要 . 1 引 言 . 2 1、摇臂钻床基本电气控制 . 2 轴电动机的旋转控制 . 2 臂升降控制 . 2 轴箱和立柱的松开 与夹紧控制 . 2 作冷却 . 2 2、系统控制 方案确定 . 4 3、系统硬件设计 . 4 入 /输出元件的确定 . 4 选型 . 4 入 /输出点的分配 . 5 、系统软件设计 . 7 形图设计 . 7 令助记符 . 9 臂钻床 制原理 . 9 5、软件组态及系统监控 . 10 态软件简介 . 10 摇臂钻床中的组态过程 . 11 6、改造 后优点 . 12 结束语 . 12 参考文献 . 13 谢辞 . 14 河南科技学院机电学院 - 3 - 引 言 摇臂钻床是一般机械加工车间常见的机床 设备 ，该机床 操作方便、灵活、 加工范围广，特别适用于单 件或批量生产中大型零件的孔加工。早先制造的该类设备 通常采用继电器逻辑控制方式，设备的电控系统 其 联动关系复杂，维修困难，检修周期长 ， 故障率高，常影响正常生产。 随着技术的进步，这类控制系统已显示出越来越多的弊瑞。近年来 在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势，是其它工控产品难以比拟的。 我们利用 制技术取代继电器控制，对一台 摇臂钻床电气控制系统重新进行了设计。由于 靠性好，抗干扰能力强，柔性好，编程简单，使用方便，扩充灵活，功能完善，因此取代原有的继电器系统后，具有无可比拟的优点。 1、 摇臂钻床基本 电气 控制 图 1 所示为 臂钻床电气原理图 。 轴电动机的旋转控制 主轴电动机 要求单方向旋转，可直接启 动 ，由 按钮 接触器制其启停， 指示灯 为主轴工作指示， 热继电器 过载保护。 臂升降控制 摇臂升降电动机 求能正、反向旋转，可直接启动，由 按钮 触器 制 正反转 ，因 短时运行，不设过载保护。 其 控制电路要保证在摇臂升降时，首先使液压泵电动机 动运转，供出压力油，经液压系统将摇臂松开；然后才使摇臂升降电动机 动，拖动摇臂上升或下降。当移动到位后，控制电路又要保证 停下， 再 通过液压系统将摇臂夹紧，最后液压泵电动机 。 轴箱和立柱的松开与夹 紧控制 立柱和主轴箱的放松与夹紧均采用液压操纵，两者同时进行工作，工作时要求二位六通电磁阀 通电。其控制由液压泵电动机 松开按钮 紧按钮 现， 指示灯 为松开、夹紧指示。 液压泵电动机 过拖动液压泵来控制夹紧机构实现夹紧与放松，也要求能正、反向旋转，采用点动控制，直接启动，由 接触器 制 正反转 ，热继电器 过载保护。 作冷却 冷却泵电动机 动冷却泵对加工刀具提供冷却液，采用直接启动，单方向旋转， 不需要调速和制动， 由于容量小，用转换开关控制。 河南科技学院机电学院 - 4 - 河南科技学院机电学院 - 5 - 2、系统 控制 方案 确定 摇臂钻床 传统的控制方法是采用继电器 式 ，其控制 联动关系复杂，可靠性低，维护繁琐。 而根据其控制要求和改造目的， 我们 采用 下位机制 、 上位机运用 态软件监控， 这样 不仅 可以很容易的 实现 其 开关量的 逻辑、顺序 控制，还能 通过 与设备之间的通信 对 钻床 实时 监控， 从而实现生产过程的自动控制。 其控制 方案 如图 2 所示： 图 2 系统控制 方案 图 3、 系统硬件设计 首先分析 臂钻床继电控制系统原理，确定输入元件和输出元件，其次根据输入、输出点的个数和逻辑关系的复杂程度选择 型号 ，设计 I/ 入 /输出元件的确定 根据原继电控制原理， 摇臂钻床采用多电机拖动，设有主轴电动机臂升降电动机 压泵电动机 冷却泵电动机 分析其电气控制原理图 1 可知， 臂钻床的输入元件共有 11 个，其中按钮 6 个，限位开关 5 个；输出元件 9 个，其中接触器线圈 5 个，电磁阀 1 个，信号灯 3 个。 原继电控制电路中的热继电器，不必作为输入元件，而将 其触点串接到相应接触器的线圈回路里比较方便，也可节省输出点。 选型 根据输入 /输出点的个数及电路的逻辑关系，考虑到实验室现有的条件，本控制系统选择日本松下公司的 有 16 点， 8 个上位机 位机 轴启停摇臂升降 立柱松 紧 接触器 电磁阀 指示灯 输出控制 输入信号 河南科技学院机电学院 - 6 - 输入、 8 个输出，而该控制系统却有 20 个输入输出点，因此必须考虑采用 扩展后，该 有 16 个输入、 16 个输出点，完全能满足控制系统的 需要， 又留有余量方便以后系统的 扩充。 松下 列 有如下特点： I/O 点数 从 10 点至最大 128 点， 单台使用，也可多模块组合，最多可增加 3 个扩展模块，扩展单元不需任何电缆即可直接连到主控单元上； 扫描速度 运行速度在同类产品中是最快的，每条基本指令执行速度为 500 步的程序只需 扫描时间。还可读取短至 50S 的窄脉冲，即有脉冲捕捉功能； 程序容量 有 5000 步的大容量内存及大容量的数据寄存器，可用于复杂控制及大数据量处理； 特殊功能 具备两路脉冲输出功能，可单独进行运动位置控制，互不干扰，有双相、双通道、双频高速计数功能，有 宽调制）输出功能，可很容易地实现温度控制 ，还可用来直接驱动松下电工微型变频器 成小功率变频调速系统； 通信功能 用 直接连接调制解调器，实现远程通信，还可多个构成分布式控制网络。同时， 增加了程序运行过程中的重写功能和自我诊断功能，程序内存使用 需备用电池，维护简单。 入 /输出点的分配 表 1 输入点分配表 输入元件 输入端子号 主轴电动机 止按钮 1 主轴电动机 动按钮 2 摇臂上升按钮 3 摇臂下降按钮 4 主轴箱松开按钮 5 主轴箱夹紧按钮 6 摇臂上 升 限位开关 21 摇臂放松限位开关 22 摇臂夹紧限位开关 23 主轴箱立柱松紧限位开关 24 摇臂 下降 限位开关 25 河南科技学院机电学院 - 7 - 表 2 输出点 分配表 输出元件 输出端子号 接触器 1 接触器 2 接触器 3 接触器 4 接触器 5 电磁阀 6 指示灯 21 指示灯 22 指示灯 23 ，设计 I/O 端子接线图，见图 3。在 I/O 端子接线图中，其输入侧电源采用直流 24V，输出侧电源采用交流 220V，以便直接驱动 交流 接触器和电磁阀。 而 主令电器的常闭触 头 均采用常开触点作为输入，使编程简单， 热继电器 的 常闭触点串联在接触器线圈回路 中作为过载保护元件， 为了 增加 控制系统的可靠性，将接触器常闭触点串接在线圈回路中进行 互 锁保护， 由于 输入输出均采取光电隔离，因此增强了抗干扰能力 。 河南科技学院机电学院 - 8 - 420 臂钻床 、系统软件设计 形图 设计 制系统梯形图设计时，首先将整个控制部分分成若干个控制环节，分别设计出梯形图，如主轴电动机 控制、摇臂升降控制、立柱夹紧与松开控制。然后，根据控制要求将它们综合在一起，经整理、修改，最后设计出符合控制要求的梯形图，见图 4： 河南科技学院机电学院 - 9 - 主轴启停 摇臂、立柱 主轴箱松开 电磁阀通电 延时 3 秒 摇臂上升 摇臂 下降 摇臂、立柱 主轴箱夹紧 松开指示 夹紧指示 主轴工作指示 图 4 臂钻床 形图 河南科技学院机电学院 - 10 - 令助记符 臂钻床 制原理 轴电机启停 按下启动按钮 应的输 入点 合，线圈 电并自锁，接触器 轴电动机 动， 示灯亮。按下停止按钮 入点 圈 电，接触器 圈释放，主轴电动机 转，指示灯 臂升降控制 松开摇臂 按下上升按钮 下降按钮 对应的输入点 合，内部继电器 电，其辅助常开触点 合，接通线圈 圈 内部继电器 时接触器 圈吸合，液压泵电动机 转，供出正向压力油，同时电磁阀 圈通电，摇臂松开。 摇臂上升（或下降 ） 松开动作完成后碰压行程开关 对应输入常闭触点 开，切断 触器 圈释放，液压泵电动机 止转动，摇臂维持放松状态；同时常开触点 合，接通线圈 降为 接触器河南科技学院机电学院 - 11 - 圈吸合，摇臂升降电动机 转（下降为反转），拖动摇臂上升（或下降）。 夹紧摇臂 当摇臂上升（或下降）到所需位置时，松开按钮 对应触点断开，内部继电器 电，切断 接触器 线圈释放，摇臂升降电动机 转，摇臂停止升降；同时接通定时器 时 3常开触点闭合，接通 触器 圈吸合，液压泵电动机 转，供出反向压力油，使摇臂夹紧。夹紧动作完成后压下行程开关 对应常闭触点 开 ,切断线圈 电磁阀 线圈释放而使转，完成了摇臂整个升降过程。 轴箱和立柱的松开与夹紧控制 按下松开按钮 点 合，接通线圈 触器 合，液压泵电动机 转，电磁阀 通电，主轴箱和立柱松开。行程开关 受压，其常闭触点闭合，指示灯 ，表示主轴箱和立柱已经 松开。 按下夹紧按钮 点 合，线圈 电，接触器 合，液压泵电动机 转，电磁阀 不通电，主轴箱和立柱夹紧。同时行程开关 闭点断开，指示灯 ，常开点闭合，指示灯 ，表示主轴箱和立柱已夹紧。 5、 软 件组态及系统监控 控制 系统的 实时 监控采用 目前较为先进的 控组态软件 ，通过软件为系统 设计了友好的控制界面， 使用户 可以 在微型计算机 上 通过界面 对系统的运行情况进行 实时 监控，随时在线监 测 现场设备的运行状况， 及时 采取相应 对策 ，以保证系统的 稳定运行 ，提高 了 系统 工作 的可靠 性 ，同时也 给管理者一个 舒适的 工作环境 。 态软件简介 是一套基于 98 和 台、用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，它为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段，从数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各个环节，均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用，用户只需根据工程作业的需要和特点，进行 方案设计和组态配置，即可生成用户应用软件系统。 控组态软件系统包括组态环境和运行环境两大部分，用户所有的组态配置过程都是在组态环境中进行的，用户组态后可生成一个 “ 组态结果数据库 ” 的文件。 运行环境是一个独立的运行系统，它能按照 “ 组态结果数河南科技学院机电学院 - 12 - 据库 ” 中的组态方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。 摇臂钻床 中的组态过程 根据 臂钻床 控 制 系统的要求， 可用 态软件对 控制 系统进行软件的组态， 其界面如图 5 所示， 也就是在 控组态软件的基础上进 行开发 。 图 5 软件组态 用户 界面 其具体的组态过程简述如下： 统菜单和系统参数组态 在 “ 主控窗口 ” 中，按控 制 系统的要求，对其系统菜单和系统参数进行定义和设置。 户界面的组态 按 控制系统 的要求和用户的 使用 习惯，在 “ 用户窗口 ” 中用 工具进行系统运行 画 面和主控界面的设计组态。 时数据对象的组态 按控 制 系统的要求，在 “ 实时数据库窗口 ” 中分别对有关的数据和变量等进行定义和设置。 河南科技学院机电学院 - 13 - 行策略的组态 按控 制 系统的运行要求，在 运行策略 ” 窗口中，可对 用户 策略等进行设置和组态。 在 组态环境中完成上述的各项组态工作之后，系统可生成一个适用于该 控制系统 的“组态结果数据库”，此后即可在 运行环境中对上述生成的软件系统进行运行调试 。 6、改造 后优点 机床经 进行 ,明显具有以下优 势 : 1） 有体积小 、 功耗低 、速度快、 可靠性高 ， 又具有较大的灵活性和可扩展性 。 采用 ， 省去了时间继电器 和大量 触点 ， 无形中降低了机床的故障率 ， 节省了大量的维修费用 ， 提高了整机的可靠性 。 2） 输出显示功能和自诊断功能 。 根据输入、输出显示和各个警示灯的闪烁 ， 很容易找出故障点 ， 将系统停机时间缩至最短 ，提高了劳动生产率 。 3） 用的是光电耦合，因此系统抗干扰性能大大增强，并能经受住强烈的振动冲击。 4） 具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等特点 ，使用 户无须具备编程专业知识，即可在短时间内完成监控系统的开发 。 5） 由于 下位机 采用 制，上位机运用 态软件进行监控，系统在工作过程中不断地 从 用 程序 并 进行顺序扫描， 又通过软件组态的人机界面 随 时监控运行状态， 从而避免了原继电控制系统经常发生的触点紊乱故障，使 系统的安全性大大提高 ，同时提高了系统的寿命 。 结束语 根据本系统的 控制 理论 ，下位机 采用 制，上位机使用 控组态软件 实时 监控， 很好地完成了 臂钻床的电气改造， 提高了工业自动化水平， 取得了良好的效果 。 实践证明，用 接触器 控制系统是很好的方法。它可以充分发挥 抗干扰的特点，寿命长、维修量少、查找外部线路简单 ， 减少了电气故障发生率，大大提高了摇臂钻床的工作可靠性， 同时也 提高了 生产效率 和产 品质量 ，为企业创造 了 较好的经济效益。 河南科技学院机电学院 - 14 - 参考文献 1 刘光源主编 . 机床电气设备的维修 . 北京：机械工业出版社， 2 陈远龄主编 . 机床电气自动控制 . 修订本 . 重庆： 重庆大学出版社， 1995 3 廖兆荣主编 . 机床电气自动控制 . 北京：化学工业出版社， 4 刘金琪编 著 . 机床电气自动控制 . 修订版 . 哈尔滨： 哈尔滨工业大学出版社， 5 方承远主编 . 工厂电气控制技术 . 北京：机械工业出版社， 1999 6 余雷声等编 . 电气控制与 用 . 北京：机械工业出版社， 1998 7 齐占庆主编 . 机床电气自动控制 . 第 3