摇臂钻床PLC系统设计

1、机床电气控制课程设计说明书机床电气控制课程设计说明书课程设计题目：摇臂钻床电气控制系统设计 作者所在系部： 作者所在专业： 机械设计及其自动化 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 2016年3月1日 电气控制与PLC技术课程设计任务书学生姓名： 专 业：机械设计及其自动化 班 级： 学 号： 指导教师： 完成时间： 2015.3.1课程设计题目：摇臂钻床电气控制系统设计设计要求及技术要点：完成所选设备的电气控制系统设计，具体控制要求见附件。工作内容及最终成果：1、分析控制要求，完成元器件选型和电气原理图设计。2、根据同样的要求，应用PLC

2、 进行控制，设计主电路和外部接线图，编写PLC 控制程序。3、最后提交： 电气原理图（A3或A4）控制系统外部接线图（A3或A4）撰写课程设计说明书一份（不少于 6000字）。4、要求：PLC程序进行仿真调试；电气控制线路和PLC 程序进行部分联机调试。时间进度安排：第1周： 查阅相关资料，完成元器件选型和电气原理图设计。第2周： 设计主电路和外部接线图，编写PLC 控制程序，撰写说明书及答辩。指导教师签字： 年 月 日摘 要摇臂钻床是一种孔加工设备，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的加工。本设计是研究摇臂钻床传统电气控制系统的设计问题,旨在解决传统继电器接触器电气控制系统存

3、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PLC电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，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低等优点。因此，本设计对摇臂钻床电气控制系统的改造，将把PLC控制技术应用到方案中去，从而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，制定了可编程序控制器改造摇臂钻床电气控制系统的设计方案，其中包括PLC机型的选择、I/O端口的分配、PLC的梯形图程序的设计，由于没有实物，还进行了仿真电路设计。对PLC控制摇臂钻床的工作过程作了详细阐述，论述了采用PLC取代传统继电器接触器电气控制系统从而提高机床工作性

4、能的方法，给出了相应的控制原理图。 关键词：可编程控制器 摇臂钻床 电气控制系统 梯形图。目 录第1章 绪论11.1 摇臂钻床的简介11.2 PLC的发展历史及特点1第2章 摇臂钻床继电器控制系统设计32.1 设计任务及要求32.2 元器件选型32.2.1 电动机选型32.2.2 主令电器选型32.2.3 继电器选型32.2.4 熔断器选择42.2.5 其他电器元件及选择42.3 电气原理图设计42.3.1 主电路分析62.3.2 信号及照明电路分析62.3.3 控制电路分析62.4 联锁和保护环节102.4.1 联锁环节102.4.2 保护环节112.5 液压系统112.5.1 操纵机构液压

5、系统112.5.2 夹紧机构液压系统12第3章 摇臂钻床PLC控制系统设计153.1 主机类型选用  153.2 PLC的I/O端口分配表及外部接线图设计153.2.1 PLC的I/O端口分配表153.2.2 I/O接线图设计163.3 控制程序设计173.3.1 程序梯形图173.4 程序仿真及调试遇到问题及解决方案203.4.1 仿真电路设计203.4.2 仿真调试20结 论23参考文献24附 录125元器件明细表25第1章 绪论1.1 摇臂钻床的简介摇臂钻床是工厂中常用的金属切削机床，它可以进行多种形式的加工，如：钻孔、镗孔、铰孔及螺纹等。从控制上讲，它需要机、电、液

6、压等系统相互配合使用，而且要进行时间控制。它的调速是通过三相交流异步电动机和变速箱来实现的。也有的是采用多速异步电动机拖动，这样可以简化变速机构。摇臂钻床的主轴旋转运动和进给运动由一台交流异步电动机拖动，主轴的正反向旋转运动是通过机械转换实现的。故主电动机只有一个旋转方向。此外，摇臂的上升、下降和立柱的夹紧、放松各由一台交流异步电动机拖动。目前，我国的摇臂钻床的电气控制系统普遍采用的是传统的继电器接触器控制方式。因其所要控制的电机较多所以电路较复杂，在日常的生产作业当中，经常发生电气故障，从而影响生产。另外，一些复杂的控制如：时间、计数控制用继电器接触器控制方式较难实现，所以，有必要对传统电气

7、控制系统进行改进设计。PLC电气控制系统可以有效的弥补上述系统的这一缺陷。1.2 PLC的发展历史及特点可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，是从早期的继电器逻辑电气控制系统发展而来，它不断吸收微型计算机控制技术，使之功能不断增强，逐渐适合复杂的电气控制系统。PLC之所以有较强的生命力，在于它更加适应工业现场和市场要求。可靠性高，抗干扰能力强、编程方便、价格低、寿命长。与单片机相比，它的输入/输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件，这样可以大大节省用户的开发时间与生产成本。 现在应用于各种工业控制领域的PLC种类繁多，规模大小和功能强弱

8、千差万别，但他们具有以下一些共同的特点。可靠性高。可靠性是用户的首选要求，目前各厂家生产的PLC，平均无故障时间都大大超过IEC规定的10万小时，例如：西门子、ABB、松下、三菱等微小型PLC，而且都有完善的自诊断功能，判断故障迅速。灵活组态。可编程控制器是系列化产品，通常采用模块化结构来完成不同的任务组合。输入输出端口选择灵活，有多种机型，组合方便。功能强大。除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PTO运算、过程运算、数字控制等功能，为方便可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远程设备。因此，PLC几乎是全能的工业控制计算机。 编程方便，易于使用。P

9、LC的编程可采用与继电器极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言（Sequential Function Chart），使编程更加简单方便。运行速度快。传统的机电接触电气控制系统通过大量触点的机械动作进行控制，速度很慢，而且系统愈大速度愈慢。PLC的控制速度则由CPU工作速度和扫描速度决定。因此更适合处理高速复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别越来越小。同时，PLC还具备了网络功能，能进行多台PLC或PLC与PC机之间的联网通讯，使用PLC可以很方便的构成“集中管理、分散控制”的分布式电气控制系统，通过现场总线的PLC通讯网络，可使工厂

10、的各种资源共享，就更适合于工厂自动化的需要，为工厂自动化提供了技术保证。正是由于PLC电气控制系统的种种优点,因此本次对摇臂钻床的电气控制系统的改造,可以大大提高摇臂钻床工作性能和系统的工作稳定性,为工业生产的现代化带来生机同时，提高了PLC编程水平和实践能力,为今后在实际工作中熟练使用PLC进行工业系统的设计打好基础。第2章 摇臂钻床继电器控制系统设计2.1 设计任务及要求1、分析控制要求，完成元器件选型和电气原理图设计。2、根据同样的要求，应用PLC 进行控制，设计主电路和外部接线图，编写PLC 控制程序。3、最后提交：电气原理图（A3或A4）控制系统外部接线图（A3或A4）撰写课程设计说

11、明书一份（不少于 6000字）。4、要求：PLC程序进行仿真调试；电气控制线路和PLC 程序进行部分联机调试。2.2 元器件选型2.2.1 电动机选型 1、主轴电动机：Y160M-4 380V 23.0A 11KW 1460r/min 2、升降电机：Y132S-4 380V 11.6A 5.5KW 1400 r/min3、液压泵电机：JO2-41-4，4.0kw， 380V，8.4A，1440 r/min4、冷却泵电机：JCB-22 380V 0.43A 0.15KW 2790r/min2.2.2 主令电器选型（1)按钮选择 根据控制需要，选用6个型号为LA19系列的按钮，其中一个为停止按钮，

12、两个为点动按钮，三个需带指示灯（两个绿色，一个黄色），触点数一常开一常闭，而控制回路采用的是交流电，再参考LA19系列按钮的主要技术参数则选用额定电压为交流380V，额定电流为5A，型号为LA19-11和LA19-11D的按钮，就能满足该做Z3040摇臂钻床的需求，其中LA19-11型按钮3个（一个红色，两个黑色），LA19-11D型按钮3个（指示灯颜色为一个绿色，两个黄色）。（1)接触器选择 本设计主电动机的接触器选用一个CJ20-16型的交流接触器，主触头数量3，线圈电压127V，额定电压为380V，额定控制电机工作功率5.5KW。其他控制主电动机的接触器共选用4个CJ20-10型的交流接

13、触器，主触头数量3，线圈电压127V，额定电压为380V，额定控制电机工作功率3KW。2.2.3 继电器选型(1)热继电器选择 因为该设计的摇臂钻床的电动机采用的是三角形连接，则选用三相带断相保护结构的热继电器。 其中热继电器FR1采用的热继电器，其热元件号为9号，与接触器型号为CJ20-16的接触器配套使用，FR2采用的热继电器，热元件号为6号，与接触器型号为CJ20-10的接触器配套使用。(2)时间继电器选择 由于摇臂钻床的控制线路电压为110V，时间继电器为交流供电、断电延时继电器，且对延时精确度要求不高。考虑到经济因素，综合各时间继电器的的特点和设计要求，参照JS7系列空气阻尼式时间继

14、电器参数1，选用体积小、价格低廉的JS7-4A型空气阻尼式时间继电器，其线圈电压110V，断电延时触头常开常闭各1个，瞬动触头常开常闭各1个，延时范围为0.460分钟。2.2.4 熔断器选择由于摇臂钻床主电路的短路电流较大，则本设计采用RL1系列的熔断器， 设计中FU2、FU3采用RL115型熔断器，额定电压AC380，熔体额定电流为15A配10A熔体，FU1采用产品型号为RL1-60的熔断器，额定电压AC380，熔体额定电流60A配30A熔体。2.2.5 其他电器元件及选择行程开关的型号要由电压电流等级、触点种类及数量来确定。 本设计的行程开关的需要电压等级为交流380V，电流等级为5A，又

15、因摇臂钻床的结构特殊，需要带有直杆滚轮式的行程开关，则应该选LX19-11型的行程开关。组合开关主要用于电源的引入和隔离。其选型根据电源的种类、电压等级、触点数量、以及电动机的容量来确定。本设计采用HZ10系列的组合开关， QF选取型号为HZ10-25/3组合开关，额定电压AC380V，额定电流25A，触点数量3，可控制电动机最大容量5.5KW，而SA1开关的电流较小，则选取型号为HZ10-10/3组合开关，额定电压AC380V，额定电流10A，触点数量3，可控制电动机最大容量3KWW,SA2开关则选取型号为HZ10-10/1组合开关，额定电压AC380V，额定电流10A，触点数量1。我国原来

16、生产的摇臂钻床的主轴旋转运动和摇臂升降运动的操作是通过不能复位的十字开关来操作的，它本身不具有欠压和失压保护。因此在主回路根据摇臂钻床电气控制要求，路中要用一个接触器将三相电源引入。现在的摇臂钻床取消了十字开关，它的传统电气原理图如图2-1、2-2所示：2.3 电气原理图设计图2-1主电路图2-2控制电路2.3.1 主电路分析 三相电源U、V、W由电源开关QF控制，熔断器FU1实现对全电路的短路保护，熔断器FU2作摇臂升降电动机M2、液压电动机M3和冷却泵电动机的短路保护。主电路有4台电动机。 1）M1 是主轴电动机，带动主轴的旋转运动和垂直运动，是主运动和进给运动电动机。它由KM1的主触点控

17、制。热继电器FR1做过载保护。M1直接起动，单向旋转。主轴的正反转由液压系统和正反转摩擦离合器来实现，空档，制动及变速也由液压系统来实现。 2）M2 是摇臂升降电动机，带动摇臂沿立柱的上下移动。它由KM2、KM3的主触点控制正反转。控制电路保证，在操纵摇臂升降时，首先使液压泵电动机起动旋转，供出压力油，经液压系统将摇臂松开，然后才使电动机 M2 起动，拖动摇臂上升或下降。当移动到位后，保证 M2 先停下，再自动通过液压系统将摇臂夹紧，最后液压泵电机才停下。电动机M2是短时运行，因此不需要过载保护。3）M3是液压泵电动机，带动液压泵送出压力油以实现摇臂的松开、夹紧和主轴箱与立柱的松开、夹紧控制。

18、它由KM4、KM5的主触点控制其正反转。热继电器FR2作过载保护。4）M4是冷却泵电动机，带动冷却泵供给工件冷却液。由于M4容量较小，因此不需要过载保护，由转换开关SA1直接控制。M4直接起动，单向旋转。 2.3.2 信号及照明电路分析 通过控制变压器TC降压，分别得到照明电路安全电压24V、指示灯电路电压6.3V和控制电路电压110V。 （1） 照明电路中，照明灯EL由主令控制开关SA2控制，由控制变压器TC供给24V安全电压。 （2）在指示灯回路中，指示灯HL1灯亮表示主轴箱和立柱同时处于放松状态，可以手动操作主轴箱移动手轮，使主轴箱沿摇臂水平导轨移动或者推动摇臂连同外立柱绕内立柱回转；指

19、示灯HL2灯表示主轴箱和立柱同时处于夹紧状态,HL2亮表示主轴箱已夹紧在摇臂上，摇臂连同外立柱夹紧在内立柱上，可以进行钻孔加工，这两只指示灯分别由行程开关SQ4的常闭、常开触头控制。HL3为主轴电动机启动旋转指示灯，HL3亮表示主轴电动机带动主轴旋转工作，由接触器KM1的常开辅助触头控制。2.3.3 控制电路分析 摇臂钻床摇臂的升降由M2作动力，SB3和SB4分别为摇臂升、降的点动按钮，由SB3、SB4和KM2、KM3组成双重锁定的M2正反转点动控制电路。因为摇臂平时是夹紧在外立柱上的，摇臂在升降之前，要先把摇臂松开，再由M2驱动升降；摇臂上升到位后再重新将它夹紧。而摇臂的松、紧是由液压系统完

20、成的；在电磁阀YA1线圈通电吸合的条件下，液压泵电动机正转，正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，行程开关SQ2动作、SQ3复位；若M3反转，则反向供出压力油进入摇臂的夹紧油腔，推动夹紧机构使摇臂夹紧，摇臂夹紧后，行程开关SQ3动作，SQ2复位。因此，摇臂升降的电气控制要与松紧机构液压-机械系统(M3与YA1)的控制配合进行的。：当摇臂上升时，按下按钮SB3，时间继电器KT线圈通电，KT常开触点闭合，继而接触器KM4通电闭合，液压泵电动机M3反转，拖动液压泵送出压力油；同时KT的常开断电延时触头KT闭合，电磁阀YA1线圈通电，电磁阀YA2线圈处于断电状态，液压泵

21、送出的压力油经二位二通阀1进入摇臂夹紧机构的松开油腔，反向推动活塞和菱形块将摇臂松开。摇臂松开时，活塞杆通过弹簧片压下行程开关SQ2，而行程开关SQ3复位，发出摇臂松开信号，即常开触点SQ2闭合，常闭触点SQ2断开，后者使KM4线圈失电，接触器KM4断开，液压泵电动机M3停转，液压泵停止供油，二位二通阀1断电复位进入截止状态，液压缸一腔封闭，摇臂维持在松开状态；前者使接触器KM2通电闭合，摇臂升降电动机M2正转，带动摇臂上升。当摇臂上升到一定高度时，松开按钮SB3，接触器KM2、时间继电器KT同时断电，摇臂升降电动机M2依惯性旋转直到停转，摇臂停止上升。而KT的常开断电延时触头KT经延时3s后

22、才断开，常闭断电延时触头KT同样延时3s后才闭合。在延时过程中，接触器KM5任处于断电状态，这段延时确保了摇臂电动机在断开电源后直到完全停止运转才开始摇臂夹紧动作。当KT延时时间到后，常闭断电延时触头KT闭合，KM5线圈通电，接触器KM5触头闭合，液压泵电动机M3正转，液压泵送出压力油，压力油经二位二通阀1进入摇臂夹紧机构的夹紧油腔，推动活塞和菱形块将摇臂夹紧，活塞杆通过弹簧片压下行程开关SQ3，其常闭触点断开，发出摇臂夹紧信号，YA1线圈断电，KM5线圈断电，M3停止旋转，实现摇臂夹紧，上升结束。如图2-3。图2-3上升过程当需要摇臂下降时，按下按钮SB4，时间继电器KT通电闭合，继而接触器

23、KM4通电闭合，液压泵电动机M3反转，供给机床反向液压油松开摇臂。摇臂松开后，行程开关SQ2被压下，行程开关SQ3被复位闭合，即常开触点SQ2闭合，常闭触点SQ2断开，继而接触器KM4断开，液压泵电动机M3停转，接触器KM3通电闭合，摇臂升降电动机M2反转，带动摇臂下降。当摇臂下降到一定高度时，松开按钮SB4，接触器KM3、时间继电器KT失电释放，摇臂升降电动机M2停转，接触器KM5通电闭合，液压泵电动机M3正转供给机床反向压力油夹紧摇臂。摇臂夹紧后，行程开关SQ2复位，SQ3断开，液压泵电动机M3停止反转，完成摇臂下降的控制过程5。如图2-4。图2-4下降过程由此可知，摇臂松开由行程开关SQ

24、2发出信号，而摇臂夹紧由行程开关SQ3发出信号。由于夹紧机构的液压系统出现故障，摇臂夹不紧，或者因SQ3的位置不当在摇臂已夹紧后SQ3仍不能动作，则SQ3的常闭触点长时间不能断开，使液压泵电动机M3出现长期过载，因此，M3设置热继电器FR进行过载保护。 如图2.5所示，当按下SB5时，接触器KM4线圈通电，液压泵电动机反转，拖动液压泵送出压力油，电磁阀YA1线圈处于断电状态，电磁阀YA2线圈处于通电状态，压力油经二位二通阀2进入主轴箱与立柱松开油腔，推动活塞和菱形块，使主轴箱与立柱松开。由于YA1线圈断电，液压缸处于截止状态，压力油不能进入摇臂松开油腔，摇臂仍处于夹紧状态。当主轴箱与立柱松开时

25、，行程开关SQ6没有受压，常闭触点SQ6闭合，指示灯HL1灭，指示灯HL2亮，表示主轴箱与立柱松开。这时可以手动操作主轴箱在摇臂水平导轨上做径向移动，也可推动摇臂使外立柱绕内立柱做回转运动。当移动到位后，按下按钮SB6，接触器KM5线圈通电，M3正转，拖动液压泵送出压力油至夹紧油腔，使主轴箱与立柱夹紧。当确已夹紧时，压下行程开关SQ6，常开触点SQ6闭合，指示灯HL1亮，而常闭触点SQ6断开，指示灯HL2灭，指示主轴箱与立柱夹紧，可以进行钻削加工。其流程示意图如图2-5。图2-5主轴箱与立柱的加紧放松过程2.4 联锁和保护环节 2.4.1 联锁环节 （1）按钮、接触器联锁 在摇臂升降电路中，除

26、了采用按钮SB3和SB4的机械联锁外，还采用了接触器KM2和KM3的电气联锁，即对摇臂升降电动机M2实现了正反转复合联锁。在液压泵电动机M3的正反转控制电路中，接触器KM4和KM5采用了电气联锁，在主轴箱和立柱的夹紧、放松电路中，为保证压力油不供给摇臂夹紧油路，将按钮SB5和SB6的常闭触头串联在电磁阀YA线圈的电路中，以达到联锁目的。 （2）限位联锁 在摇臂升降电路中，行程开关SQ2是摇臂放松到位的信号开关，其常开触头串联在接触器KM2、KM3线圈中，它在摇臂完全放松到位后才动作闭合，以确保摇臂的升降在其放松运动后进行。 行程开关SQ3是摇臂夹紧到位的信号开关，它在完全夹紧时动作，其常闭触头

27、串联在接触器KM5线圈、电磁铁YA线圈电路中。如果摇臂未夹紧，则行程开关SQ3的常闭触头闭合保持原状，使得接触器KM5线圈、电磁铁YA线圈通电，对摇臂进行夹紧，知道完全夹紧为止，行程开关SQ3的常闭触头才断开，切断接触器KM5线圈、电磁铁YA线圈，确保钻削加工精度。 （3）时间联锁 通过时间继电器KT延时断开的常开触头和延时闭合的常闭触头，时间继电器KT能保证在摇臂升降电动机M2完全停止后，才能进行摇臂的夹紧动作，时间继电器KT的延时长短由摇臂升降电动机M2从切断电源到停止的惯性大小来决定。2.4.2 保护环节 （1）短路保护 在主电路中，利用熔断器FU1作总电路和电动机M1、M4的短路保护，

28、利用熔断器FU2作电动机M2、M3和控制变压器T一次侧的短路保护，在控制电路中，利用熔断器FU3作照明回路的短路保护。 （2） 过载保护 在主电路中，利用热继电器FR1作主轴电动机M1的过载保护，利用热继电器FR2作液压泵电动机M3的过载保护。如果由于液压系统的夹紧机构出现故障不能夹紧，那么行程开关SQ3的触头将断不开，或者由于行程开关SQ3安装调整不当，摇臂夹紧后仍不能压下行程开关SQ3，这时都会使液压泵电动机M3处于长期过载状态，易将M3烧毁。M2为短时工作，不用设长期过载保护。 （3） 限位保护 摇臂升降的极限位置保护由组合行程开关SQ1来实现。行程开关SQ1有两对常闭触头，他们分别串联

29、在摇臂升降控制电路接点中，当摇臂上升或下降带极限位置时相应触头动作，切断与其对应的上升或下降接触器KM2和KM3，使摇臂升降电动机M2停止旋转，摇臂停止升降，实现极限位置保护。 2.5 液压系统 该机床采用先进的液压技术，具有两套液压控制系统：一套是操纵机构液压系统，由主轴电动机拖动齿轮泵输送压力油，通过操纵机构实现主轴正/反转、停车制动、空挡、预选与变速；另一套由液压泵电动机拖动液压泵输送压力油，实现摇臂的夹紧与放松，主轴箱和立柱的夹紧与松开。 2.5.1 操纵机构液压系统 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纵阀的相互位置，使压力油作不同的分配，获得不同动作。

30、操作手柄有上、下、里、外和中间五个空间位置。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由一个按钮预选，然后再操作主轴手柄。 主轴旋转时，首先按下主轴电动机启动按钮，主轴电动机启动旋转，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，使一股压力油将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（或反转）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，可转动变速按钮，改变主轴转速或主轴进给量。主轴停车时，将操作手柄扳回至中间位置，这时

31、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。因此主轴停车时主轴电动机仍在旋转，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，然后进入各变速油缸。变速液压缸为差动液压缸，具体哪个液压缸上腔进压力油或回油，视所选择主轴转速和进给量大小。与此同时，另一油路系统推动拔叉缓慢移动，逐渐压紧主轴转速摩擦离合器，接通主轴电动机到主轴的传动链，带动主轴缓慢移动，称为缓速，以利于齿

32、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，然后再操纵主轴正反转，主轴将在新的转速或进给量下工作。主轴空挡：当操作手柄扳向“空挡”位置，这时压力油使主轴传动中的滑移齿轮处于中间脱开位置。这时，可用手轻便地转动主轴。 2.5.2 夹紧机构液压系统 主轴箱、内外立柱和摇臂的夹紧与松开，是由液压泵电动机拖动液压泵送出压力油，推动活塞来实现的。其中主轴箱和立柱的夹紧放松由一个油路控制，而摇臂的夹紧放松因要与摇臂的升降运动构成自动循环，因此由另一个油路来控制。这两个油路均由电磁阀操纵。夹紧结构液压图如图2-6所示：图2-6夹紧结构液压系统原理图控

33、制摇臂松开时，电磁阀YA1线圈通电，液压泵电动机启动正转，拖动液压泵送出正向压力油经该夹紧机构将摇臂放松。控制摇臂夹紧时，电磁阀YA1线圈仍通电，液压泵电动机反向旋转，拖动液压泵电动机送出反向压力油经该夹紧机构将摇臂夹紧。摇臂完全夹紧后，YA1线圈断电，为保证摇臂在加工工件前总是处于夹紧状态，电磁阀YA1线圈始终保持断电状态。主轴箱、立柱松紧控制是也是单独进行的。控制主轴箱、立柱松开时，电磁阀YA2线圈通电，液压泵电动机M3启动正转，拖动液压泵送出正向压力油经该夹紧机构将主轴箱和立柱分别实现放松。控制主轴箱、立柱夹紧时，电磁阀YA1线圈仍通电，液压泵电动机反向旋转，拖动液压泵送出反向压力油经该

34、夹紧机构将主轴箱和立柱分别实现夹紧。电磁阀YA1、YA2线圈通电情况如表2-1、2-2所示。表2-1二位二通电磁换向阀1动作YA1通电YA1断电摇臂松开+-摇臂加紧+-摇臂上升+-摇臂下降+-表2-2 二位二通电磁换向阀2动作YA2通电YA2断电主轴箱、立柱松开 +-主轴箱、立柱加紧+-第3章 摇臂钻床PLC控制系统设计3.1 主机类型选用  发展至今，PLC的种类繁多，如西门子、ABB、松下、三菱等系列PLC，选择本设计的PLC机型，主要要考虑PLC的结构、PLC的功能、PLC的输入输出点数、PLC的存储容量及I/O点数（模块）。 （1）PLC的结构 

35、PLC的结构要合理，按照结构，PLC分为整体式、模块式和叠装式。整体式的每一I/O点的平均价格比模块式便宜，所以小型电气控制系统一般使用整体式可编程控制器。而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PLC完全可以满足控制要求，且在性能相同的情况下，整体式PLC较模块式和叠装式PLC价格便宜，因此，摇臂钻床电气控制系统的PLC选用整体式结构的PLC。        （2）PLC的功能由于摇臂钻床电气控制是开关控制，且控制速度要求不高，考虑到任何一种PLC都可以满足开关量电气控制系

36、统的要求，据此本设计课题将尽量采用价格便宜的PLC。  （3）PLC输入输出点数在摇臂钻床的电气控制系统中，按钮6个、行程开关6个，共计12个；接触器5个、电磁铁2个，则需要12个输入口和7个输出口，而PLC的实际输入点数应等于或大于所需输入点数12，PLC的实际输出点数应等于或大于所需输出点数7，统计出实际I/O点数后，在条件许可的情况下，再尽可能留10%-20%的裕量，以防以后系统方案的修改或功能的扩展。3.2 PLC的I/O端口分配表及外部接线图设计3.2.1 PLC的I/O端口分配表表3-1 输入信号端口I/O分配表符号地址名称SB1I0.0M1的停机按钮SB2I0

37、.1M1的启动按钮SB3I0.2摇臂上升按钮SB4I0.3摇臂下降按钮SB5I0.4控制主轴箱和立柱松开按钮SB6I0.5控制主轴箱和立柱夹紧按钮SQ1I0.6摇臂上升限位开关SQ4I0.7摇臂下降限位开关SQ2I1.0摇臂松开行程开关SQ3I1.1摇臂夹紧行程开关SQ5I1.2主轴箱和立柱松开行程开关SQ6I1.3主轴箱和立柱夹紧行程开关表3-2 输出信号端口I/O分配表KM1Q0.0M1接触器KM2Q0.1M2正转接触器KM3Q0.2M2反转接触器KM4Q0.3主轴箱和立柱松开M3接触器KM5Q0.4主轴箱和立柱夹紧M3接触器YA1Q0.5电磁阀1YA2Q0.6电磁阀2HL1Q0.7主轴箱

38、和立柱松开指示灯HL2Q1.0主轴箱和立柱夹紧指示灯HL3Q1.1M1工作指示灯3.2.2 I/O接线图设计 根据I/O点的端口分配表，设计出基于PLC的摇臂钻床电气控制外部接线图，如图3-3，I0.0,I0.1,I0.2,I0.3,I0.4,I0.5,I0.6,I0.7,I1.0,I1.1,I1.2,I1.3共用1M、2M端，输入开关的其中一端并接在直流24V电源上，另一端应分别接入相应的PLC输入端子上。接触器的线圈工作电压若为交流220V，则接触器线圈连接的Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6可以共用1L、2L端。选择S7 200,CPU224 主机机型。

39、图3-1I/O外部接线图3.3 控制程序设计3.3.1 程序梯形图/主轴的起保停/摇臂的上升下降点动控制，控制摇臂松开的中间继电器M0.0和断电延时继电器的启动。/由M0.0使Q0.3通电控制液压泵反转,/Q0.3使摇臂的二位二通电磁换向阀连通，主轴箱和立柱的二位二通电磁换向阀断开；在液压泵和摇臂的二位二通电磁换向阀的共同作用下，摇臂被放松至限位开关SQ2闭合。SQ2闭合，Q0.3控制的液压泵停止工作，摇臂、主轴箱和立柱的二位二通电磁换向阀均断开。液压缸处于截止状态。/SQ2闭合后，在SB3（SB4）的控制下，摇臂开始上升（下降）。到达指定位置后，松开SB3（SB4），摇臂停止，中间继电器的常

40、开触电断开，常闭触电闭合，断电延时继电器开始定时三秒。/定时结束后，断电延时继电器的常闭触电闭合，Q0.4控制的液压泵正转。/Q0.4使摇臂的二位二通电磁换向阀连通，主轴箱和立柱的二位二通电磁换向阀断开；在液压泵和摇臂的二位二通电磁换向阀的共同作用下，摇臂被夹紧至限位开关SQ3闭合。SQ3闭合，Q0.4控制的液压泵停止工作，摇臂、主轴箱和立柱的二位二通电磁换向阀均断开。液压缸处于截止状态。/立柱和主轴箱的放松是点动控制，当按下开关SB5时，Q0.3控制的液压泵反转。/在Q0.3和SB5的共同作用下，摇臂的二位二通电磁换向阀断开，主轴箱和立柱的二位二通电磁换向阀闭合；在液压泵和主轴箱和立柱的二位

41、二通电磁换向阀的共同作用下，主轴箱和立柱被放松至限位开关SQ5闭合。SQ5闭合，Q0.3控制的液压泵停止工作，摇臂、主轴箱和立柱的二位二通电磁换向阀均断开。液压缸处于截止状态。/立柱和主轴箱的夹紧是点动控制，当按下开关SB6时，Q0.3控制的液压泵正转。/在Q0.4和SB6的共同作用下，摇臂的二位二通电磁换向阀断开，主轴箱和立柱的二位二通电磁换向阀闭合；在液压泵和主轴箱和立柱的二位二通电磁换向阀的共同作用下，主轴箱和立柱被夹紧至限位开关SQ6闭合。SQ6闭合，Q0.4控制的液压泵停止工作，摇臂、主轴箱和立柱的二位二通电磁换向阀均断开。液压缸处于截止状态。3.4 程序仿真及调试遇到问题及解决方案

42、 3.4.1 仿真电路设计 由于环境条件有限，本次设计没有实物，就只能进行仿真，又因仿真的需要，就要简化线路，现把线圈和电磁阀都用灯泡代替，来实现其功能。执行动作后，相应的灯泡亮表示线圈得电，线圈工作正常，其中HL1模拟线圈KM1工作，HL2模拟线圈KM2工作，HL3模拟线圈KM3工作，HL4线圈模拟KM4工作，HL5模拟线圈KM5工作，HL6模拟电磁阀YA工作。在实际仿真时，由于SB1、SB2、SB3、SB4、SB5 、SB6按钮为点动按钮，而SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5、SQ6为长动按钮，所以在实验箱上的输入接口中，实际接线时，要把长动按钮和点动按钮分开来接。3.4.2 仿真调试

43、 仿真设计好后就进行调试。首先，在实验箱上按PLC仿真电路接线图接好线路，然后通过S7-200软件把程序导入PLC。通过手动开关和按钮来模拟实际输入信号，发光二极管的显示状况来判断各输出量的通断状态是否正确。 在调试时，充分考虑摇臂钻床的各种控制功能，对每种工作方式逐一检查，直到各种功能情况下输入量与输出量之间的关系完全相同。其调试内容如下：主轴旋转调试：当按下I0.1时，指示灯HL1亮，则表明接触器KM1得电，主轴电动机M1主轴旋转；当按下I0.0时，指示灯HL1熄灭，则表明接触器KM1失电，主轴电动机M1主轴停转。 摇臂上升程序调试：当按下I0.2，指示灯HL6亮，则表示电磁阀YA1线圈得

44、电，可以进行摇臂松开操作了，指示灯HL4亮，则表示接触器KM4得电，液压泵电动机M3反转，液压泵送出的压力油经二位二通阀进入摇臂夹紧机构的松开油腔，推动活塞和菱形块将摇臂松开；然后压下I1.0、释放I1.1，指示灯HL4灭，则表明摇臂松开，接触器KM4失电，液压泵电动机M3停转，指示灯HL2亮，则表明接触器KM2得电，摇臂升降机M2正转，摇臂上升。当松开I0.2，指示灯HL2灭，则表明接触器KM2失电,摇臂升降机M2停转，摇臂停止上升，延时3秒指示灯HL5亮，则表明接触器KM5得电，液压泵电动机M3正转。如果在不松开I0.2且在指示灯HL2灭的情况下，压下I0.6，指示灯HL2也会熄灭，则表明

45、摇臂上升到了极限位置，触碰极限开关，接触器KM2失电,摇臂升降机M2停转，摇臂停止上升，延时3秒指示灯HL5亮，则表明接触器KM5得电，液压泵电动机M3反转。在松开I0.2或压下I0.6后，压下I1.1、释放I1.0，指示灯HL6灭，则表明电磁阀YA1线圈失电，这时摇臂夹紧。 摇臂下降程序调试：当按下I0.3，指示灯HL6亮，则表示电磁阀YA1线圈得电，可以进行摇臂松开操作了，指示灯HL4亮，则表示接触器KM4得电，液压泵电动机M3反转，液压泵送出的压力油经二位二通阀进入摇臂夹紧机构的松开油腔，推动活塞和菱形块将摇臂松开；然后压下I1.0、释放I1.1，指示灯HL4灭，则表明摇臂松开，接触器K

46、M4失电，液压泵电动机M3停转，指示灯HL3亮，则表明接触器KM3得电，摇臂升降机M2反转，摇臂下降。当松开I0.3，指示灯HL3灭，则表明接触器KM3失电,摇臂升降机M2停转，摇臂停止下降，延时3秒指示灯HL5亮，则表明接触器KM5得电，液压泵电动机M3正转。如果在不松开I0.3且在指示灯HL3灭的情况下，压下I0.7，指示灯HL3也会熄灭，则表明摇臂下降到了极限位置，触碰极限开关，接触器KM3失电,摇臂升降机M2停转。摇臂停止下降，延时3秒指示灯HL5亮，则表明接触器KM5得电，液压泵电动机M3反转。在松开I0.3或压下I0.7后，压下I1.1、释放I1.0，指示灯HL6灭，则表明电磁阀Y

47、A线圈失电，这时摇臂夹紧。 主轴箱、立柱松开程序调试：按下I0.4，指示灯HL4亮，则表明接触器KM4得电，液压泵电动机M3反转；释放I1.2、松开I0.4，指示灯HL4灭，则表明主轴箱、立柱松开，接触器KM4失电，液压泵电动机M3停转。 主轴箱、立柱夹程序调试：按下I0.5，指示灯HL5亮，则表明接触器KM5得电，液压泵电动机M3反转；压下1.2、松开I0.5，指示灯HL5灭，则表明主轴箱、立柱夹紧，接触器KM5失电，液压泵电动机M3停转。由于仿真程序与实际工程序相同，则仿真调试能实现的功能在实际中摇臂钻床也能实现。则可知调试出来的结果与设计的预期功能相匹配，表明了本次设计题目的成功。结 论本设计所研究的基于PLC的摇臂钻床电气控制系统设计实现了摇臂钻床的控制自动化，方便了生产中对机床的实际操作。通过设计，可得出以下总结：在本次设计中，