摇臂钻床电气控制课程设计 .0

引言…………………………………………………………  ………1

一、设计目的………………………………………………………3

二、钻床传动特点与控制要求……………………………………3

三、机床控制线路的控制…………………………………………4

四、摇臂钻床电气控制原理图……………………………………9

五、选择电气元件

1、电动机的选择…………………………………………  11

2、低压电器的选择………………………………………  11

3、热继电器………………………………………………  13

4、熔断器…………………………………………………  13

5、其他电器元件…………………………………………  15

六、主要硬件接线图

PLC I\\O电气接线图………………………………………  17

七、控制系统设计

 1、控制程序流程图设计…………………………………   28 

 2、摇臂钻床PLC程序设计…………………………………  19

八、系统调试及结果分析

     1、调试前安全检查………………………………………   22

     2、调试……………………………………………………   23

   五、总结

   六、参考文献

                           引言

钻床为孔加工机床，按其结构形式不同，有立式钻床、卧式钻床、深孔钻床、多轴钻床及摇臂钻床。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，特别适用于单件或批量生产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。摇臂钻床广泛应用于单件和中小批生产中，加工体积和重量较大的工件的孔。摇臂钻床加工范围广，摇臂钻床的主要变型有滑座式和万向式两种。滑座式摇臂钻床是将基型摇臂钻床的底座改成滑座而成，滑座可沿床身导轨移动，以扩大加工范围，适用于锅炉、桥梁、机车车辆和造船等行业。此次任务就是Z3040摇臂钻床的控制系统的设计。

Z3040型摇臂钻床结构示意图如下图所示：

                          图一

1、设计目的：

课程设计是机电控制技术课程的重要组成部分是考察学生动手能力的主要途径，能帮助学生提高解决实际问题的能力，做到学以致用。通过电气控制系统的设计实践，使学生掌握电气控制的设计方法、安装过程、资料整理和电气绘图软件的使用方法。在此过程中培养从事设计工作的整体观念，通过较为完整的工程实践基本训练，为全面提高学生的综合素质及增强工作适应能力打下一定的基础。

2、钻床传动特点与控制要求

1.传动特点

摇臂钻床加工时，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）主运动：主轴的旋转运动；

（2）进给运动：主轴的纵向进给；

（3）辅助运动：摇臂沿外立柱上下运动，主轴箱沿摇臂水平导轨做长度方向移动，摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。

2.控制要求

(1)主轴的控制

   主轴由机械摩擦片式离合器实现正转、反转及调速的控制 。

(2)摇臂升降过程：        放松→升/降→夹紧

    a . 摇臂在完全放松状态下压下放松位置开关SQ2；

    b. 做升/降运动；

    c.升降完毕与夹紧之间加入1~3S的时间延时，以克服惯性；   

    d.升降完毕后，做夹紧运动，完全夹紧，压下夹紧位置开关SQ3，摇臂升降过程结束。

位置开关SQ1 用于升降限位保护。

(3)冷却控制：

   冷却泵电动机M4提供冷却液。

(4)工作状态指示

    HL1、HL2用于主轴箱和立柱的夹紧、放松工作状态指示

HL3用于主轴电动机运转工作状态指示。

3、机床控制线路的控制

1．主轴电动机控制  主轴电动机M1为单向旋转，由按钮SBl、SB2和接触器KMl实现起动和停止控制。主轴的正、反转则由M1电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过液压系统操纵机构，配合正、反转摩擦离合器驱动主轴正转或反转。

    2．摇臂升降控制  摇臂钻床在加工时，要求摇臂应处于夹紧状态，才能保证加工精度。但在摇臂需要升降时，又要求摇臂处于松开状态，否则电动机负载大，机械磨损严重，无法升降工作。摇臂上升或下降时，其动作过程是，随着升降指令发出，先使摇臂与外立柱处于松开状态，而后上升或下降，待升降到位时，要自行重新夹紧。由于松开与夹紧工作是由液压系统实现，因此，升降控制必须与松紧机构液压系统紧密配合。

    M2为升降电动机，由按钮SB3、SB4点动控制接触器KM2、KM3接通或断开，使M2电动机正、反向旋转，拖动摇臂上升或下降移动。

    M3为液压泵电动机，通过接触器KM4，KM5接通或断开，使M3电动机正向带动双向液压泵送出压力油，经二位六通阀至摇臂夹紧机构实现夹紧与松开。

    下面以摇臂上升为例简述动作过程：按下SB3按钮，时间继电器KT线圈通电，瞬时常开触点(13-14)闭合，接触器KM4线圈得电，液压泵电动机M3起动旋转带动液压泵送出压力油，同时断电延时断开的KT常开触点(1-17)闭合，使电磁阀YV线圈得电，液压泵输出的压力油经二位六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。同时，活塞杆通过弹簧片压上行程开关SQ2发出摇臂已松开信号。此时，SQ2触点(6-13)断开，使接触器KM4线圈断电，液压泵电动机M3停转，油路单向阀保压，摇臂处于松开状态。与此同时，SQ2触点(6-7)闭合，接触器KM2线圈得电，升降电动机M2得电起动旋转，带动摇臂上升，待摇臂上升至所需位置时，松开按钮SB2，KM2线圈断电，M2电动机停转，摇臂停止上升。同时KT线圈也断电，KT常闭触点(17-18)瞬时闭合，而其延时断开的常开触点(1-17)仍未打开，使电磁阀YV继续得电，同时接触器KM5线圈得电，液压泵电动机M3反转，反向送出压力油，经二位六通阀反方向推动活塞和菱形块，将摇臂夹紧。KT延时打开触点，经过1~3s延时后断开，同时活塞杆通过弹簧压下行程开关SQ3，使触点SQ3(1-17)也断开，电磁阀YV、KM5线圈断电。液压泵电动机M3停转，摇臂上升后重新夹紧过程结束。行程开关SQ2为摇臂放松信号开关。行程开关SQ3为摇臂夹紧信号开关。时间继电器KT延时断开常开触点是为保证当瞬间操作SB3或SB4，使KM 4得电摇臂开始松开后放开SB3或SB4时，若KM4过早断电，可能造成摇臂处于半松开状态。有了KT延时断开触电(1-17)后，则能在KT线圈断电1~3s内处于闭合状态，使KM5线圈得电，液压泵电动机M3反向旋转，使摇臂重新夹紧，直到延时时间到，KT触点断开，SQ3动作，KM5断电为止，这样就保证了摇臂在加工工件前总是处于夹紧状态。

    3．夹紧、松开控制  Z3040型摇臂钻床除了上述摇臂上升下降过程需要夹紧、松开控制外，还有主轴箱和立柱的松开、夹紧控制。主轴箱和主柱的松开、夹紧从液压系统中看出二者是同时进行的。

    当按下松开按钮SB5，接触器KM4线圈得电，液压泵电动机M3正转，拖动液压泵输送出压力油，经二位六通阀，进入主轴箱与立柱的松开油缸推动活塞和菱形块，使主轴箱与立柱实现松开，此时由于YV不得电，压力油不会进入摇臂松开活塞，摇臂仍处于夹紧状态。当主轴箱与立柱松开时，行程开关SQ4不受压，触点(10l-102)闭合，指示灯HLl亮，表示主轴箱与立柱处于松开状态，可以手动操作主轴箱在摇臂的水平导轨上移动至适当位置。同时推动摇臂(套在内立柱上)使外立柱绕内立柱旋转至适当的位置，按下夹紧按钮SB6，接触KM5线圈得电，M3电动机反转，拖动液压泵输送出反向压力油至夹紧油缸，使主轴箱和立柱夹紧。同时行程开关SQ4压下，触点(101-102)断开，HLl灯暗，而(101-103)闭合，HL2灯亮，指示主轴箱与立柱处于夹紧状态，可以进行钻削加工。

    4．冷却泵电动机控制  冷却泵电动机容量小(0.125kW)，由SA1开关控制单向旋转。

    5．联锁、保护环节  电路中利用SQ2实现摇臂松开到位，开始升降的联锁控制，利用SQ3，实现摇臂完全夹紧的联锁控制。通过KT延时断开的常开触点实现摇臂松开后自动夹紧的联锁控制。摇臂升降除了按钮SB4、SB3机械互锁外，还采用KM 2、KM3电气的双重互锁控制。主轴箱与立柱进行松开、夹紧工作时，为保证压力油不供给摇臂夹紧油路，通过SB5、SB6常闭触点切断YV线圈电路，达到联锁目的。

    电路利用熔断器FUl作为总电路和电动机M1、M4的短路保护。利用熔断器FU2作为电动机M2、M3及控制变压器T一次侧的短路保护，利用热继电器KRl为M1电动机的过载保护，KR2为M3电动机的过载保护。组合行程开关SQl作为摇臂上升、下降的极限位置保护，SQl有两对常闭触点，当摇臂上升下降至极限位置时，相应触点动作切断与其对应的上升下降接触器KM2、KM3，使M2电动机停止转动，摇臂停止升降，实现升降极限位置保护，电路中失压或欠压保护由各接触器实现。

    6．照明与信号指示电路  通过控制变压器T降压提供照明灯EL安全电压，由SA2开关操作。熔断器FU3作为短路保护。

    当主轴电动机工作时，KMl触点(101-104)接通，指示灯HL3亮，表示主轴工作；

    当主轴箱、立柱处于夹紧状态时，SQ4触点(101-l03)接通，HL2灯亮。主轴箱、立柱处于松开状态，SQ4触点(101102)接通，HLl灯亮。

四、摇臂钻床电气控制原理图

Z3040型摇臂钻床采用4台电动机拖动，他们分别是主轴电动机，摇臂升降电动机，液压泵电动机和冷却泵电动机 。主轴电动机控制钻床的进给运动；摇臂升降电动机要求能正反向旋转，可用手动操作；摇臂和主轴之间的夹紧、发松可用电气、液压、机械来实现，液压电动机需可正反转，摇臂的移动严格按照摇臂松开→移动→摇臂夹紧的程序进行。因此摇臂的夹紧与摇臂升降按自动控制进行。冷却泵电动机带动冷却泵提供冷却液，只要求单向旋转。系统具有连锁与保护环节以及安全照明、信号指示电路。

五.选择电器元件

1.电动机的选择

 主电动机容量的统计分析公式如下

摇臂钻床：P = 0.06 D1.10    单位为 kW。

D       最大钻孔直径     单位为 mm 。

P=0.06×4201.10 =49.kw

根据控制要求：M1电动机型号：  Y100L2-4

              M2电动机型号：  Y90S-4

              M3电动机型号：  JO31-2

              M4电动机型号：  JCB-22

2.低压电器的选择：

(1)接触器的选用：

接触器用途广泛, 其额定工作电流或额定控制功率是随使用条件不同而变化的, 只有根据不同使用条件正确选用, 才能保证接触器在控制系统中长期可靠运行，充分发挥其技术经济效果。

a. 根据不同使用类别选用产品系列

交流接触器共有五种使用类别, 不同的使用类别，接触器的工作条件差异很大。

    JK0 类用于无感或微感负载, 电阻炉负载。接通和分断额定电压下的额定电流。

JK1 类用于起动和运转中断开绕线型电动机。在额定电压下, 接通和分断4倍额定电流。

JK2 类用于起动、反接制动、反向与密接通断绕线型电动机。在额定电压下，接通和分断4倍额定电流。

JK3 类用于起动和运转中断开笼型感应电动机。在额定电压下接通8倍额定电流, 在额定电压下分断6倍额定电流。

JK4类用于起动、反接制动、反向与密接通断笼型感应电动机。在额定电压下接通和分断

6倍额定电流。

b.根据电动机(或其他负载)的功率和操作情况确定接触器的容量等级

接触器的容量一般是按产品使用说明书提供的数据来选择。但当选用按JK3设计的接触器来控制与JK4混合类负载时往往降级使用。表 5一2 列出了CJ10-10 型交流接触器降级使用情况, 由表可知，当用 CJ10-10 型交流接触器控制 JK3 类负载的380V、4KW笼型感应电动机时 , 其电寿命可达六    十万次。如果用它来控制混合类负载, 由于电寿命降低, 只能降级使用。所以, 是否降级使用, 取决于对电寿命的要求, 而电寿命又决定于生产机械的工艺要求, 也就是操作频率的要    求, 若操作频率很低时, 也可不降级使用。反过来说, 降级使用后, 其操作频率也不是可以任意提高的, 因为一方面灭弧有困难, 再则电磁线圈也会因过热而损坏。

倘若接触器控制的不是电动机, 而是电容器或白炽灯时, 则应以“接通”方面来考虑,

(3) 热继电器的选用

    热继电器选择是否得当, 往往是决定它能否可靠地对电动机进行过载保护的关键因素。应按电动机的工作环境要求、起动情况、负载性质等方面来考虑。

a. 原则上按被保护电动机的额定电流选取热继电器。

根据电动机实际负载选取热继电器器的整定值为电动机额定电流的 0.95 ~1.05 倍。但对于过载能力较差的电动机, 它所配用的热继电器的额定电流就应适当小些, 一般来说, 这时选取热继电器的额定电流为电动机额定电流的 60 ~ 80 %。

b.在非频繁起动的场合, 必须保证热继电器在电动机的起动过程中不致误动作。通常,在电动机起动电流为其额定电流6倍, 以及起动时间不超过 6s 的情况下, 只要是很少连续起动，就可按电动机的额定电流来选择热继电器。

c.断相保护用热继电器的选用, 对星形接法的电动机, 一般采用两相结构的热继电器。对于三角形接法的电动机, 若热继电器发热元件接于电动机每相绕组中, 则选择三相结构的热继电器, 若发热元件接于三角形接线电动机的电源进线中, 则选择带断相保护装置的三相结构热继电器。

d.对比较重要的、容量较大的电动机, 可考虑选用半导体温度继电器进行护。

   (4)熔断器:

      熔断器的选择主要是熔断器类型的选择和熔体额定电流的确定。

a.熔断器类型的选择

        根据负载的保护特性和短路电流的大小来选择熔断器的类型。例如, 电动机过载保护用的熔断器采用具有锌质熔体和铅锡合金熔体的熔断器。对于车间配电网路的保护熔断器, 如果短路电流较大 , 就要选用分断能力大的熔断器 , 有时甚至还需要选用有限流作用的熔断器，如 RT0 系列熔断器。在经常要发生故障的地方, 应考虑选用“可拆式”熔断器, 如RC1A 、RL1、RM7、RM10 等系列产品。

b. 熔体额定电流的确定

在选择和计算熔体电流时, 应区别两种负载情况：

一种是有冲击电流的负载如电动机；

另一种是负载电流比较平稳的情况，如一般照明电路。

用熔断器保护电动机时, 要达到过载保护的目的, 其熔体的额定电流尽可能接近电动机的额定电流, 但又为保证电动机能正常起动, 熔断器在通过起动电流时不应当动作。综合上 要求, 通常对笼型感应电动机取熔体的额定电流为

    IeR = (l.5~2.5)IeD                                                （1-1）

    式中 IeD —— 电动机的额定电流, 单位为 A 。

在轻载起动或起动时间较短的情况下, 上式中的系数取1.5； 而在较重负载下起动或起动次数较多和起动时间较长的情况下, 系数取为 2.5。

如果数台电动机共用一个总的熔断器来保护, 则熔体的额定电流为

    IeR=(1.5~2.5)IeDmax+∑Id                      （1-2）

    式中 IeDmax —— 容量最大的一台电动机的额定电流, 单位为A。

         ∑Id  —— 其余各台电动机额定电流之和, 假如其中还有照明电路, 则将该电路的额定电流也计入∑Id 内, 单位为A。

在负载电流比较平稳的场合, 基本上可按额定负载电流来确定熔体的额定电流。

c. 熔管额定电流的确定

在熔体的额定电流已经确定以后, 还要确定熔管的额定电流。通常, 熔管的额定电流应大于（至少等于 ） 熔体的额定电流。

(5) 其它控制电器的选择

a.刀开关b.按钮c.位置开关

选择见下表

电器元件表

七、控制系统设计

1、系统流程图

2、摇臂钻床PLC程序设计

 利用顺控指令，根据机床的运行原理，把机床分成五个字程序

1)主电动机的起动控制程序

2)摇臂升降控制程序

3)主轴箱放松或夹紧控制程序

4)摇臂回转控制梯形图程序

5)冷却泵开关控制梯形图程序 

程序如下

1）主电动机的起动控制程序

X4为主电动机起动输入继电器，接通X4，此时输出继电器Y1接通并自锁，从而使电机起动。

图4.1 主电动机的起动梯形图程序

2）摇臂升降控制程序

当X5接通时，同时Y4得电，使得液压泵电动机起动，摇臂放松，当摇臂彻底放松后，X30的常开触点闭合，常闭触点断开，Y4断电，Y2得电，摇臂开始上升，当上升到极限位置时，X10的常闭触点断开，Y2失电。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X6，在摇臂放松后，使Y4得电，使摇臂下降，当下降到极限位置时，X10的常闭触点断开，Y3失电。摇臂完成松开，然后下降的过程。

图4.2  摇臂升降梯形图程序

3）主轴箱放松或夹紧控制程序

   当X012接通后，使Y4得电，主轴箱左移，当X015接通时，Y2得电，主轴箱松开到位。加紧过程与其相似。

图4.3  主轴箱放松或夹紧梯形图程序

4） 摇臂回转控制梯形图程序

     当X033接通后，使Y4得电，同时Y14得电，摇臂开始回转，当X020接通后，摇臂开始逆回转，当X022接通后，使Y7得电，电机反转，摇臂开始加紧。

图4.4摇臂回转控制梯形图程序

5）冷却泵开关控制梯形图程序 

  当X024接通后，使Y015得电，冷却泵开始工作，当X025接通后，冷却泵停止工作。

图4.5冷却泵开关控制梯形图程序

八、系统调试及结果分析： 

1、测试前安全检查：

（1）、检测电路时，确定三相电源只接进去一端，防止二相进入单相电源供电的电路否则直接烧毁PLC或开关电源。 

(2)、检查开关连接是否正常，是否连错或少。 

(3)、确定熔断器应与电源相线L端相连；确定电路没有短路。

(4)、经老师同意后，才能通电测试，并按实验步骤操作。

2、开始测试：

等待

通电——HL1亮

按SB3——KM1吸合，HL2亮（主轴转动）

按SB2——KM1断开，HL2灭（主轴停转）

按SB4——KM5断开，KM4吸合，YA亮，再按SQ2——KM4断开，KM2吸合指示灯点亮（摇臂上升）

按SB5——KM5吸合，KM4吸合，YA亮，再按SQ2——KM4断开，KM3吸合指示灯点亮（摇臂下降）

断开SB4\\SB5一段时间后——KM5吸合

按SB7——KM4吸合，YA灭

按SB1全部断开，按SQ5全部电源断开

                    总结

    本课题所研究的基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的设计实现了Z3040摇臂钻床的控制自动化，方便了工人在生产中对机床的实际操作。

    可编程控制器是一种广泛应用于工业现场的新型控制器，具有结构简单，抗干扰性强，编程方便等特点，本课题采用PLC自动控制技术取代了传统继电器—接触器电气控制系统，实现了对Z3040摇臂钻床的自动控制，从而提高了机床的工作效率、工作稳定性和可靠性，而且，还大大降低了工人的劳动强度，改善了产品的加工质量，降低了设备故障率，提高了生产率。另外，通过这次毕业设计使我对PLC和电控方面的知识又有了更加深刻的理解和掌握，为今后走向工作岗位从事相关工作奠定了很好的基础。

    由于时间精力有限，还有许多功能有待扩展、完善。主要是没有对所控制电动机的调速问题进行研究，包括主电动机、升降电动机、液压泵电动机的调速只能通过机械调速或多速电机来进行，属于有级调速，其加工范围将受到某些，系统仅限于逻辑开关量的控制，对于PLC的许多高级指令没有应用到。以上问题有待今后进一步研究解决。

参考文献

1、张万奎等编.《机床电气控制技术》北京大学出版社，2007

2、机电传动控制（第三版），邓星钏主编，武汉：华中科技大学出版社，2001年9月

3、机电传动与控制（第二版），程宪平主编，武汉：华中科技大学出版社，2003年9月。

4、电力拖动自动控制系统（第三版），陈伯时主编，北京：机械工业出版社，2003年8月。

5、半导体变流技术（第二版），莫正康主编，北京：机械工业出版社，2001年8月。

6、邓星钟等编. 《机电传动控制（第三版）》华中科技大学出版社，2001.3第3版