基于PLC的数控机床控制系统设计

1、 郑州华信学院毕业论文题目：基于PLC的数控机床控制系统设计学生姓名： 所在院系： 所学专业：机电一体化技术指导老师： 所在班级： 摘要可编程控制器PLC广泛应用于数控机床等工业控制中。数控机床的控制部分可分为数字控制和顺序控制两部分。 本文描述了数控机床的基本组成、工作原理、分类及各自的特点。并且对数控机床中的PLC作了详细的介绍，把PLC在数控机床上的控制做了设计。然后以摇臂钻床Z3040为例，描述了它的设计过程，包括控制系统电路的分析，Z3040摇臂钻床原理图，用PLC编写程序对机床进行控制。 关键词：可编程控制器 数控机床 数字控制 顺序控制 ABSTRACTProgrammable

2、controller (PLC) is widely used in nc machine tools and other industrial control. Part of CNC control can be divided into digital control and sequence control two parts. This paper describes the basic CNC composition, working principle, classification and their respective characteristics. And the PL

3、C for nc machine tools have also been introduced in detail, the PLC in the control nc machine design. Then Z3040 with radial drilling machine as an example, describes its design process, including control system circuit analysis, Z3040 radial drilling machine principle diagram, using PLC programming

4、 control of machine. Keywords: programmable controller；nc machine tools；digital control；sequence control 目 录1 绪论11.1 数控机床的发展11.2 数控机床原理和特点21.3 数控机床结构32 PLC的概述42.1 PLC的基本特点42.2 PLC的工作原理52.3 数控机床采用PLC电气控制系统的优点62.3.1 PLC与继电器-接触器相比较62.3.2 PLC与单片机比较73 Z3040摇臂钻床的基本概述83.1 Z3040摇臂钻床控制线路概述93.1.1 操纵机构液压系统93.1

5、.2夹紧机构液压系统93.2 Z3040摇臂钻床控制线路原理分析103.3 Z3040摇臂钻床控制线路主电路分析103.4 Z3040摇臂钻床控制线路控制电路分析103.4.1主电动机控制电路103.4.2 摇臂升降控制电路103.4.3 立柱和主轴箱松开、夹紧控制电路113.4.4 冷却泵控制电路123.4.5 照明、信号电路124 Z3040摇臂钻床的PLC控制系统124.1 PLC的选型124.1.1 确定I/O点数134.1.2 选配PLC的型号134.2 Z3040型摇臂钻床PLC控制I/O(输入、输出地址分配表144.3 PLC控制系统分析164.3.1 主轴电动机控制164.3.

6、2 摇臂升降控制164.3.3立柱与主轴箱松开、夹紧控制174.4 PLC梯形图程序设计174.4.1 系统预开程序174.4.2 主轴电动机控制程序174.4.3 摇臂升降控制程序184.4.4 主轴箱、立柱、摇臂松开、夹紧控制程序184.4.5主轴箱、立柱松开、夹紧控制程序194.4.6 冷却泵控制194.4.7 信号指示梯形图程序204.4.8 完整的PLC控制梯形图20总结21致谢22参考文献231 绪论随着科学技术的发展，机电产品日趋精密复杂。产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，用普通机床进行加工

7、（精度低、效率低、劳动度大）已无法满足生产要求，从而一种新型的用数字程序控制的机床应运而生。这种机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品。数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的自动化机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令（刀具移动轨迹信息）规定的程序。具体地讲，把数字化了的刀具移动轨迹的信息输入到数控装置，经过译码、运算，从而实现控制刀具与工件相对运动，加工出所需要的零件的机床，即为数控机床。1.1 数控机床的发展 高速度高精度化 数控系统的高速度高精度化要求数控系统在读入加工指令数据后，能高速度计算出伺服电动机的位移量

8、，并能控制伺服电动机高速度准确地运动。此外，要实现生产系统的高速度化，还必须要求主轴转速、进给率、刀具交换、托板交换等实现高速度化。提高微处理器的位数和速度是提高CNC速度的最有效的手段。 智能化 数控系统应用高级速的重要目标是智能化。智能化技术主要体现在以下方面。自适应控制技术，自适应控制系统（AC,adaptive control）可对机床主轴转矩、功率、切削力、切削温度、刀具磨损等参数值进行自动测量，并由CPU进行比较运算后，发出修改主轴转速和进给量大小的信号，确保AC系统处于最佳切削状态，从而在保证加工质量条件下，使加工成本最低或生产率最高。附加人机会话自动变成功能 ，建立切削用量专家

9、系统和示教系统，从而提高变成效率和降低对变成操作人员的技术水平的要求。具有设备故障自诊断功能数控系统出了故障，控制系统能够进行自诊断，并自动采取排除故障的措施，以适应长时间无人操作环境的要求。 计算机群控 计算机群控也叫做计算机直线数控系统（DNC）。它是用一台大型通用计算机为数台数控机床进行编程，并直接控制一群数控机床的系统。机床的发展趋势 数控机床总的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提高可靠性等。工序集中20世纪50年代末期，在一般数控机床的基础上开发了数控加工中心，即自备刀具库的自动换刀数控机床。在加工中心机床上，工件一次装夹后，机床的机械手可以自动更换刀具，连续的对

10、工件进行多种工序加工。目前，加工中心机床的刀具库容量达到100多把刀具，自动换刀装置的换刀时间仅需0.52秒。加工中心机床使工序集中在一台机床上完成，减少了由于工序分散，工件多次安装引起的定位误差，提高了加工精度，同时也减少了机床的台数与占地面积，压缩了半成品的库存量，减少了工序间的辅助时间，有效的提高了数控机床的生产效率和数控加工的经济效益。高速、高效、高精度是机械加工的目标，数控机床因其价格昂贵，在上述三方面的发展也更为突出。数控机床制造厂把建立友好的人机界面、提高数控机床的可靠性作为提高竞争能力的主要方面。手工编程和自动编程已经使用了几十年，有了长足的发展，在手工编程方面，开发多种加工循

11、环、参数编程和除直线、圆弧以外的各种插补功能，CAD/CAM的研究发展，从技术上来讲可以替代手工编程。但是一套适用的CAD/CAM软件加上计算机硬件，投资较大，学习、掌握时间较长，对大多数的简单工件很不经济。近年来，发展起来的图形交互式编程系统（又称面向车间编程），很受用户欢迎。这种编程方式不使用G/M代码，而是借助图形菜单，输入整个图形块以及相应参数作为加工指令，形成加工程序，与传统加工时的思维方式类似。图形交互编程方法在制定标准后，有可能成为各种型号的数控机床统一的编程方法。数控机床普遍采用彩色CRT进行人机对话、图形显示和图形模拟的。有的数控机床将采用说明书、编程指南、润滑指南等存入系统

12、供使用者调阅。1.2 数控机床原理和特点在对零件进行数控加工之前，首先要根据被加工零件的图样和工艺方案，用规定的代码和程序格式编写加工程序，并用适当的方法将程序指令输入到机床的数控装置中。数控系统对输入的加工程序进行译码、运算之后，想机床输出各种信息和指令，控制其各部分按规定有序地动作，包括机床主运动的变速、启停，进给运动的速度、方向和位移大小，以及其他诸如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑液的启、停等。伺服系统的作用就是将进给速度、位移量等信息转换成机床的进给运动，数控系统要求伺服系统能准确、快速地跟随控制信息，执行机械运动，同时，检测犯规系统将机械运动的实际位置、速度等信息反馈至数控系统

13、中，并与指令数值进行比较后发出相应指令，修正所产生的偏差，提高数控机床的位置控制精度。 总之，数控机床的运行在数控系统的严密监控下，处在不断地计算、输入、输出、反馈等控制过程中，从而保证数控机床能严格按照输入程序的要求来执行动作。从数控机床最终要完成的任务看，主要有以下三个方面的内容： 主轴运动 和普通机床一样，主轴运动主要完成切削任务，其动力约占机床动力的70%80%。基本控制功能是主轴的正、反转和停止，可自动换挡及无极调速，对加工中心和有些数控车床还要求主轴进行高精确度准停和分度功能。 进给运动 进给运动是数控机床区别于普通机床最主要的地方，即用电气驱动代替了机械驱动，数控机床的进给运动是

14、由进给伺服系统完成的。进给伺服系统由进给伺服驱动装置、伺服电动机、进给传动链及位置检测反馈装置等组成。 一般说来，数控机床功能的强弱主要取决于计算机数控系统（CNC）装置。而数控机床性能的优势，如运动速度与精度等，主要取决于进给伺服驱动系统。为了保证进给运动的位置精度，人们采取了一些有效的措施。如对机械传动链进行预紧和反向间隙调整，采用高精度的位置检测装置，采用高性能的伺服驱动装置和伺服电动机，来提高数控系统的运算速度等。 输入/输出（I/O）接口 数控系统对加工程序处理后输出的控制信号除了对进给运动轨迹进行精确的控制外，还需要对机床主轴启/停、换向、刀具更换、工件夹紧/松开以及液压、冷却、润

15、滑、分度工作台转位等辅助运动进行控制。例如，通过对加工程序中的M代码指令、机床操作面板上的控制开关及分布在机床各部位的行程开关、接近开关、压力开关等输入原件的检测，由数控系统内的可编程控制器PLC进行逻辑运算，输出控制信号驱动中间继电器、接触器、电磁阀及电磁制动器等输出原件，对冷却泵、润滑泵、液压系统和启动系统进行控制。 数控机床是一种高效能自动化加工设备。与普通机床相比，数控机床具有以下特点: 对零件加工的适应性强、灵活性好。因此数控机床能实现若干个坐标联动,加工工程序可按对加工零件的要求而变换、而不需改变机械部分和控制部分的硬件，就能适应新的工作要求。 加工精度高、加工质量稳定。在数控机床

16、上加工零件，零件加工的精度和质量有机床,保证完全消除了操作者的认为误差。所以数控机床的加工精度高，一致性好，加工质量稳定。 加工生产效率高。在数控机床上可以采用较大的切削用量,有效的节省了加工时间。还有自动换刀、自动转速和其他辅助操作自动化等功能，而且无需工序间的检验与测量，故使辅助时间大为缩短。 能完成复杂型面的加工。许多复杂曲线和曲面的加工，普通机床无法实现而数控机床则完全可以做到。 减轻劳动强度，改善劳动条件。数控机床的加工，除了装卸零件、操作键盘、观察机床运行外，其他机床动作都是按照程序要求自动连结地尽享切削加工，操作者不需要进行繁重的重复手工操作。因此能减轻工人劳动强度，改善劳动条件

17、。 有利于生产管理。采用数控设备，有利于向计算机控制和管理生产方向发展，为实现制造和生产管理自动化创造了条件。1.3 数控机床结构 数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体四个部分组成。如图12 所示。 控制介质 控制介质以指令的形式记载各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数和刀具运动等，将这些信息输入到数控装置，控制数控机床对零件切削加工。 数控装置 数控装置是数控机床的核心，其功能是接受输入的加工信息，经过数控装置的系统软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理，向伺服系统发出相应的脉冲，并通过伺服系统控制机床运动部件按加工程序指令运动。 伺服系统 伺服系统由伺服电机和伺服驱

18、动装置组成，通常所说数控系统是指数控装置与伺服系统的集成，因此说伺服系统是数控系统的执行系统。数控装置发出的速度和位移指令控制执行部件按进给速度和进给方向位移。每个进给运动的执行部件都配备一套伺服系统，有的伺服系统还有位置测量装置，直接或间接测量执行部件的实际位移量，并反馈给数控装置，对加工的误差进行补偿。 机床本体 数控机床的本体与普通机床基本类似，不同之处是数控机床结构简单、刚性好，传动系统采用滚珠丝杠代替普通机床的丝杠和齿条传动，主轴变速系统简化了齿轮箱普遍采用变频调速和伺服控制。2 PLC的概述可编程控制器（以下简称PLC）从其生产到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃其功能从弱到强，

19、实现了逻辑控制到数字控制的进步，其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅度提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行业发挥着越来越大的作用。 PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的点控制器。它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息变换实现控制。PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普通计算机进行如初信息变换，多只考虑信息本身，信息的如初，只要人机界面就可以了。而PLC则还要考

20、虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。特别要考虑怎么适应于工业环境，入便于安装，抗干扰等问题。 2.1 PLC的基本特点高可靠性 所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。 各输入端均采用R-C滤波器，其滤波器时间常数一般为1020ms。 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 采用性能优良的开关电源。 对采用的器件进行严格的刷选。 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软件、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。 大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统，使可靠性进一步提高。 丰富的I/O接口模块

21、: PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。 另外为了提高操作性能它还有多种人-机对话的接口模块为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等等。 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需求，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 编程简单易学 PLC的编程大多采

22、用类似于继电器控制线路的梯形图形式。对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 安装简单维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC的相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 本设计中PLC实现的功能，开关量的逻辑控制。这是PLC最基本、最广泛的应用领域它取代传统的继电器电路，实现组合逻辑控制、顺序逻辑控制与定时控制、运动控制。PLC使用专用的指令

23、或运动控制模块，使运动控制与顺序控制功能有机结合在一起。 现场数据采集处理。目前PLC都具有数据处理指令、数据传送指令、算术与逻辑运算指令和循环位移与移位指令、所以由PLC构成的监控系统，可以方便地堆生产现场的数据进行采集、分析和加工处理。数据通常应用于数控机床的机械手的控制系统中。 位置控制。位置控制是指PLC使用的位置控制模块来控制步进电动机和伺服电动机，从而实现对各种机械构件的运动控制，如控制构件的速度、位移、运动方向等。数控机床机械手的位置控制就是PLC的位置控制的典型应用。 2.2 PLC的工作原理 由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。

24、微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。PLC则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素一是CPU执行指令的速度二是执行每条指令占用的时间三是程序中指令条数的多少。一个扫描周期主要可分为3个阶段。 输入刷新阶段 在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入

25、状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。 程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。 输出刷新阶段 当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，输出映像寄存器，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。 由此可见，输入刷新、程序执行和输出

26、刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测，自诊断功能，并与编程工具通讯，这些操作统称为"监视服务"，一般在程序执行之后进行。扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次

27、，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象，这个一般PLC都会采取高速模块。2.3 数控机床采用PLC电气控制系统的优点数控机床的电气控制理论上讲可以采用继电器接触器电气控制系统，单片机控制系统和PLC控制系统来实现。但是在实际工程中往往选择一种经济、有效、性能优越的控制方案，考虑到上述几点，PLC较适合组合机床的电气控制。PLC、单片机、继电器

28、-接触器控制系统相比具有以下优点：2.3.1 PLC与继电器-接触器相比较 继电器-接触器控制系统自上世纪二十年代问世以来，一直是机电控制的主流。由于它的结构简单、使用方便、价格低廉，所以使用广泛。它的缺点是动作速度慢，可靠性差，采用微电脑技术的可编程顺序控制器的出现，使得继电接触式控制系统更加逊色。PLC等取代继电接触式控制逻辑。具体如下(1) 控制逻辑 继电接触式控制系统采用硬接线逻辑，它利用继电器等的触电串联、并联、串并联，利用时间继电器的延时动作等组合或控制逻辑，连线复杂、体积大、功耗也大。当一个电气控制系统研制完后，要想再做修改都要随着现场接线的改动而改动。特别是想要能够增加一些逻辑

29、时就更加困难了，这都是硬接线的缘故。所以，继电接触式控制系统的灵活性和扩展性较差。 可编程控制器采用存储逻辑。它除了输入端和输出端要与现场连线以外，而控制逻辑是以程序的方式存储在PLC的内存当中。若控制逻辑复杂时，则程序会长一些，输入输出的连线并不多。若需要对控制逻辑进行修改时，只要修改程序就行了，而输入输出的连接线改动不多，并且也容易改动，因此，PLC的灵活性和扩展性强。而且PLC是由中大规模集成电路组装成的，因此，功耗小，体积小。 (2) 控制速度 继电器接触式控制系统的控制逻辑是依靠触电的动作来实现的，工作频率低。触点的开闭动作一般是几十毫秒数量级。而且使用的继电器越多，反映的速度越慢，

30、还是容易出现触点抖动和触点拉弧问题。 而可编程控制器是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度相当快。通常，一条用户指令的执行时间在微秒数量级。由于PLC内部有严格的同步，不会出现抖动问题，更不会出现触点拉弧问题。(3) 定时控制和计数控制 继电接触式控制系统利用时间继电器的延时动作来进行定时控制。用时间继电器实现定时控制会出现定时的精度不高，定时时间易受环境的湿度和温度变化而影响。有些特殊的时间继电器结构复杂，维护不方便。 而可编程程序控制器使用半导体集成电路作为定时器，时基脉冲由晶体震荡器产生，精度相当高并且定时时间长，定时范围广。用户可以根据需要在程序中设定定时值。PLC根据给定的定时

31、值，由软件和硬件计数器来控制制定时间，定时精度高、定时时间不受环境的影响，并且一旦调好，不会变化。并且PLC可以完成计数功能，而继电接触系统通常没有计数功能。 (4) 设计与施工。 使用继电接触式控制系统完成一项控制工程，设计施工，调试必须顺序进行，周期长而且修改困难而使用PLC来完成一项控制工程。设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，而且调试和修改均很方便。 (5) 可靠性和维护性。 继电接触式控制系统使用了大量的机械触点，连线也多。触点在开闭时会受到电弧的损坏，寿命短。因而可靠性和维护性差。 PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，可靠性高。P

32、LC还配备了自检和监控功能，能自诊断出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。 总之，PLC在性能上均优越于继电接触式控制系统，特别是控制速度快，可靠性高，设计施工周期短，调试方便，控制逻辑修改方便，而且体积小，功耗低。2.3.2 PLC与单片机比较 单片机具有结构简单，使用方便，价格比较便宜等优点，一般用于数据采集和工业控制。但是，单片机不是专门针对工业现场的自动化控制而设计的所以它与PLC比较起来有以下缺点： (1) 单片机不如PLC容易掌握 使用单片机来实现自动控制，一般要使用微处理器的汇编语言编程。这就要求设计人员遇有一定的计算机

33、硬件和软件知识。对于那些只熟悉机电控制的技术人员来说，需要进行相当长一段时间系统地学习单片机的知识才能掌握。 而PLC采用了面向操作者的语言编程，如梯形图状态转移图等，对于使用者来说，无需了解复杂的计算机知识，而只要用较短时间去熟悉PLC的简单指令系统及操作方法，就可以使用和编程。 (2) 单片机不如PLC使用简单 使用单片机来实现自动控制，一般要在输入输出接口上做大量的工作。例如，要考虑工程现场与单片机的连接，输出带负载能力、接口的扩展，接口的工作方式等。除了要进行控制程序的设计，还要在单片机的外围进行很多硬件和软件工作，才能与控制现场连接起来调试也较繁琐。 而PLC的输入/输出接口已经做好

34、，输入接口可以与无外接电源的开关直接连接，非常方便。输出接口具有一定的驱动负载能力，能适应一般的控制要求。而且，在输入接口、输出接口，由光电耦合器件，使现场的干扰信号不容易进入PLC。(3) 单片机不如PLC可靠 使用单片机进行工业控制，突出的问题就是抗干扰性能较差。 通过上面的比较，针对数控机床的电气控制系统，虽然PLC的价格高一些，但良好的稳定性和高度的可靠性可确保机床在加工零件时的精度，所以决定采用PLC控制系统来实现。3 Z3040摇臂钻床的基本概述 钻床是孔加工机床，用来进行钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的加工。在各类钻床中，摇臂钻床操作方便、灵活，适用范围广，具有典型性

35、，特别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见的机床。 摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱及工作台等部分组成。内立柱固定在底座的一端，外面套有外立柱，外立柱可绕内立柱回转360°。摇臂的一端为套筒，套装在外立柱上，并借助丝杠的正反转沿外立柱做上下移动。由于丝杠与外立柱连成一体，而升降螺母固定在摇臂上，所以摇臂不能绕外立柱转动，只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上，可以通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。当进行加工时由特殊的夹紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上，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。

36、钻削加工时，钻头一面旋转进行切削，一面进行纵向进给。 综上所述，摇臂钻床的运动方式有： 主运动主轴的旋转运动 进给运动主轴的纵向进给 辅助运动摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向移动，摇臂与外立柱一起绕内立柱回转运动。 Z3040型摇臂钻床适合于在大、中型零件上进行孔加工，其运动形式有主轴的旋转运动、进给运动、摇臂的升降运动、立柱的夹紧和放松、摇臂的回转和主轴箱的左右移动。主轴的旋转运动和进给运动由一台异动电动机拖动，摇臂的升降由一台异步电动机拖动，摇臂、立柱和主轴箱的夹紧/放松由一台液压泵电动机拖动，摇臂的回转和主轴箱的左右移动通常采用手动。此外，还有一台冷却泵电动机对刀具和工件进行冷

37、却。 加工螺纹时，主轴需要正反转，该机床采用机械变换方法来实现，故主电动机只有一个旋转方向。此外，为保证安全生产，其主轴旋转和摇臂升降不允许同时进行。3.1 Z3040摇臂钻床控制线路概述 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运动，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、停车控制、空挡、预选与变速，另一套是由液压电动机拖动液压泵送出压力油来实现摇臂的夹紧和松开

38、、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，后者安装在摇臂电器盒下部。 3.1.1 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，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有一个旋钮预选然后在操作主轴手柄。 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，板至所需转向位置，里或外，于是两个操纵阀相互位置转变使一股压力油将制动摩擦离合器松开，为主轴

39、旋转创造条件，另一股压力油压紧正转，反转摩擦离合器，接通主轴电动机的主轴的传送链，驱动主轴正转或反转。 在主轴正转或反转过程中，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。与此同时，另一油

40、路系统推动拔叉缓慢运动，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，然后在操纵主轴正转或反转，主轴将在新的转速或进给量下工作。 3.1.2夹紧机构液压系统 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电动机送出压力油，推动活塞、菱形块来实现的。 Z3040摇臂钻床共有四大电动机主电动机M1摇臂升降电动机M2液压泵电动机M3和冷却泵电动机M4。3.2 Z3040摇臂钻床控制线路原理分析 图3-1 Z3040摇臂钻床原理图 Z304

41、0型摇臂钻床控制线路原理图上图Z3040型摇臂钻床的动作是通过机、电、液进行联合控制实现的。该机床控制电路采用380V/100V隔离变压器供电，但其二次绕组增设24V安全电压供局部照明使用。 断路器QF1既作为机床线路的电源总开关，又作为机床线路和主轴电机M1的短路及过载保护元件，断路器QF2卧摇臂升降电动机M2、液压泵电机M3、冷却泵电机M4的隔离开关和过载及短路保护元件。QF3、QF4、QF5分别为机床控制电路、机床工作信号指示电路和机床工作照明电路和过载及短路保护开关。 开车前的准备。首先将隔离开关接通，将电源引入开关QF1扳到“接通”位置，接通三相交流电源，此时总电源指示灯HL1亮，表

42、示机床电气电路已进入带电状态。按下总启动按钮SB1，中间继电器KA线圈通电吸合并自锁，为主电动机及其他电动机启动多准备，同时触点KA闭合，为其他三个指示灯通电做准备。3.3 Z3040摇臂钻床控制线路主电路分析 M1为单方向旋转，由接触器KM1控制，主轴的正反转则由机床液压系统操纵机构配合正反转摩擦离合器实现，并由热继电器FR1作电动机长期过载保护。 M2由正、反转接触器KM2、KM3控制实现正反转。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

43、紧，最后液压泵电机才停下。M2为短时工作，不设长期过载保护。 M3由接触器KM4、KM5实现正反转控制，并有热继电器FR2作长期过载保护。4. M4 电机容量小，仅0.125kW，由开关QS控制。3.4 Z3040摇臂钻床控制线路控制电路分析 由变压器TC将380V交流电压降为110V，作为控制电源。指示灯电源为 6V。 3.4.1主电动机控制电路 按下起动按钮SB2，接触器KM1吸合并自锁，主轴电动机M1起动并运转。按下停止按钮SB8，接触器KM1释放，主轴电动机M1停转。 3.4.2 摇臂升降控制电路 摇臂上升、下降分别由SB3、SB4点动控制。 按上升按钮SB3，时间继电器KT1得电吸合

44、，瞬时动合触点，33-35，闭合，接触器KM4得电吸合，液压泵电动机M3接通电源正向旋转，供给压力油。压力油经分配阀体进入摇臂松开的油腔，推动活塞，使摇臂松开。当摇臂完全松开后，活塞杆通过弹簧片压下限位开关ST2，使其动断触点ST2，17，33，断开，使接触器KM4线圈断电释放，液压泵电动机M3停转，与此同时，另一动合触点ST2，17-21，闭合，接触器KM2线圈通电吸合，其主触点接通升降电动机M2的电源，M2启动正向旋转，带动摇臂上升。 如果摇臂没有松开，ST2的动合触点也不能闭合，KM2就不能吸合，M2不能旋转，摇臂也就不可能上升，保证了只有在摇臂可靠松开后才能使摇臂上升。 当摇臂上升到所

45、需位置时，松开按钮SB3，接触器KM2和时间继电器KT1同时断电释放摇臂升降电动机M2停转，摇臂停止上升。由于KT1释放，其延时闭合的动断触点，47-49经1-3秒延时后闭合，接触器KM5的线圈经1-3-5-7-47-49-51-6-2线路通电吸合，液压电动机M3反向起动旋转，供给压力油。压力油经分配阀进入摇臂夹紧油腔，向相反方向推动活塞，使摇臂夹紧。同时，活塞杆通过弹簧片压下限位开关ST2动断触点7-47断开接触器KM5断电释放，液压泵电动机M3停止旋转，完成了摇臂的松开，上升，夹紧动作。 摇臂上升的动作过程如下 。按SB3AT1吸合 KM4吸合M3正转压下ST2KM2吸合 M2正转 KM4

46、断电 M3停转-摇臂上升到预定位置，松开SB3 摇臂的下降过程与上升基本相同，它们的夹紧和放松电路完全一样。所不同的是按下降按钮SB4时为KM3线圈得电，摇臂升降电动机M2反转，带动摇臂下降。 时间继电器KT1的作用是控制KM5的吸合时间，使M2停止运转后，再夹紧摇臂。KT1的延时时间应视摇臂在M2断电至停转前的惯性大小调整，应保证摇臂上升，或下降，后才进行夹紧，一般调整在13秒。 摇臂升降的限位保护，由组合开关ST1来实现。ST1有两对触点，ST1-1是摇臂上升时的极限位置保护，ST1-227-17是摇臂下降时的极限位置保护。当摇臂上升到极限位置时ST1-1(15-17)动作，将电路断开，则

47、KM2断电释放，摇臂升降电动机M2停止旋转。但ST1的另一触点ST1-227-17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，ST1-227-17动作，电路断开，KM3释放，摇臂升降电动机M2停转。而ST1的另一动断触点ST1-1(15-17)仍闭合，以保证摇臂能够上升。 摇臂的自动夹紧是由行程ST3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ST3调整不当，在摇臂夹紧后不能使ST37-47的动断触点断开，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 摇臂升到预定位置，松

48、开SB3KT147-49断电延时闭合KM5吸合、M3反转摇臂夹紧ST37-47受压断开KM5、M3、均断电释放。 3.4.3 立柱和主轴箱松开、夹紧控制电路 立柱和主轴箱的松开及夹紧控制可单独进行，也可同时进行，由转换开关SA2和复位按钮SB7或SB8进行控制。SA2有3个位置，中间位，零位时立柱和主轴箱的松开或夹紧同时进行，左边位为立柱的夹紧或放松，右边位为主轴箱的夹紧或放松。复合按钮SB7、SB8分别为松开、夹紧控制按钮。 以主轴箱的松开和夹紧为例，先将SA2扳到右侧，触点57-59接通，57-63断开。当要主轴箱松开时，按松开按钮SB7，时间继电器KT2、KT3的线圈同时得电，KT2是断

49、电延时型时间继电器，它的断电延时断开的常开触点 7-57在通电瞬间闭合，电磁铁YA1通电吸合。经1-3秒延时后，KT3的延时闭合常开触点7-41闭合，接触器KM4线圈1-3-5-7-41-43-37-39-6-2线圈断电，液压泵电动机M3正转，压力油经分配阀进入主轴箱右缸，推动活塞使主轴箱放松。活塞杆使行程开关 ST4复位，触点ST4常闭开关,ST4常开闭合。指示灯HL2亮，表示主轴箱已松开。主轴箱夹紧的控制线路及工作原理与松开时相似，只要按松开按钮SB7换成夹紧按钮SB8，接触器KM4换成KM5，M3由正向转动变成反向转动，指示灯HL2换成HL3即可。 当把转换开关SA3拌到左侧时，触点57

50、-63接通，57-59断开。按松开按钮SB7 或夹紧按钮SB8时，电磁铁YA2通电，此时，立柱松开或夹紧，SA2在中间位时，触点，57-59、57-63均接通。按SB7或SB8，电磁铁YA1、YA2均通电，主轴箱和立柱同时进行松开或夹紧。其他动作过程与主轴箱松开或夹紧时完全相同，不在论述。由于立柱和主轴箱的松开与夹紧是短时间的调整工作，故采用点动控制方式。3.4.4 冷却泵控制电路冷却泵电动机M4容量小，所以用组合开关QS直接控制其运行和停止。3.4.5 照明、信号电路1、机床照明电路QF5机床工作照明电路开关，同时过载及短路保护作用，EL为工作照明灯。2、工作信号指示HL1电源指示灯，当和上

51、QF2时HL1指示灯亮，HL2为立柱和主轴箱松开指示灯，HL3为立柱和主轴箱夹紧指示灯，分别由限位开关ST4长闭触头和ST4常开触头控制。HL4为主轴电动机旋转指示灯，由KM1常开触头控制。4 Z3040摇臂钻床的PLC控制系统 摇臂钻床运动部件较多，为简化传动装置，采用多台电动机控制，通常没有主轴电动机、摇臂升降电动机、立柱夹紧和放松电动机及冷却泵电动机。 摇臂钻床为适应各种形式加工，要求主轴及进给有较大的调速范围。主轴一般速度下的钻床加工为恒功率负载，而低速是用于扩孔、绞孔及螺纹加工，属于恒转矩负载。摇臂钻床的主运动与进给运动皆为主轴运动，这两个运动由一台主轴电动机拖动，分别经主轴和进给传

52、动机构实现主轴旋转和进给。主轴变速机构与进给变速机构均装在主轴箱内。 为加工螺纹，主轴要求有正、反转，一般由机械方法获得，为此主轴电动机只需单方向旋转。 摇臂的升降由升降电动机拖动，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，为此需冷却泵电动机输送冷却液。 要有必要的限位、连锁和过载保护，且具有局部安全照明。4.1 PLC的选型目前各国生产的PLC品种繁多，发展迅速。在中国的市场上最具竞争力的有德国西门子公司、日

53、本三菱系列、欧姆龙公司、AB公司所推出的PLC均为从小到大全系列的产品，可满足各种各样的需求。 三菱公司的产品有 FX系列：为小型PLC，单元式，单机最大容量为256点。 A系列、ANS系列、Q系列、QNA系列等为模块式大型PLC，最大容量为8K点。 西门子公司的产品有 S7-200:微型PLC，单机最大容量为256点 S7-300:小到中型PLC单机最大容量为1K S7-400:大到超大型PLC，单机可组态点数过万点。 2选配PLC的型号 S7-300的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-300 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功

54、能。 4.1.1 确定I/O点数根据控制电路来确定I/O端口点数，其中，按钮8个，行程开关5个，转换开关1个，触点位置3个，热继电器常闭2个，电压继电器触点1个，控制线路电源总开关1个，共20个输入端口点数，接触器7个，电压继电器一个，信号灯4个，共计12个输出端口点数。4.1.2 选配PLC的型号在选用PLC上，根据Z3040型摇臂钻床的电气部分。输出端口需要12个。输入端口需要20个。而且并不通过网络或其他方式做远程控制。因此，考虑到经济，实用，稳定等方面因素。我决定选用SIMATIC S7-300作为本次设计所用PLC。其I/O接线图如下图4-1所示。 图4-1 Z3040摇臂钻床I/O

55、接线图4.2 Z3040型摇臂钻床PLC控制I/O(输入、输出地址分配表 I 输入序号 名称 代号 地址 1 控制线路电源总开关 QF3 I0.0 总停止按钮 SB7 I0.1 3 总启动按钮 SB1 I0.2 4 电压继电器 AV I0.3 5 主轴电动机M1热继电器 FR1 I0.4 6 主轴电动机M1启动按钮 SB2 I0.5 7 主轴电动机M1停止按钮 SB8 I0.6 8 摇臂上升按钮 SB3 I0.7 9 摇臂下降按钮 SB4 I1.0 10 摇臂上升上限位行程开关 ST1-1 I1.1 11 摇臂下降下限位行程开关 ST1-2 I1.2 12 主轴箱、立柱、摇臂松开行程开关 ST2 I1.3 13 主轴箱、立柱、摇臂夹紧行程开关 ST3 I1.4 14 液压泵电动机M3热继电器 FR2 I1.