PLC控制的Z3050型摇臂钻床电气控制
皖西学院
课程设计报告书
系别：机电学院
专业：13电气
学生姓名：学号：
课程设计题目：PLC控制的Z3050型摇臂钻床电气控制起迄日期:-
课程设计地点:PLC电气控制实验室
指导教师:翁志刚
下达任务书日期: 2016年5月15日
目录
前言 (1)
1 Z3050摇臂钻床的简介 (2)
摇臂钻床的主要结构 (2)
摇臂钻床的运动形式 (2)
摇臂钻床电气拖动特点 (3)
摇臂钻床及原理图说明 (4)
2 系统元器件选型 (5)
Z3050摇臂钻床主回路元件表 (5)
PLC的选型 (6)
硬件的设计 (6)
PLC的I/O分配 (6)
PLC的外部接线图 (8)
3 程序的设计与仿真 (9)
梯形图程序设计 (9)
仿真调试与结果 (11)
参考文献 (15)
致谢 (14)
前言
摇臂钻床使用于单件或批量生产有多孔的大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机械，由于其控制系统是采用继电器控制系统，电路接线复杂，出点多，长期使用后，故障多，故障排除困难。常常影响企业生产。
PLC具有可靠性强，使用方便，维护简单的优点。因此，利用PLC对摇臂钻床继电器控制线路进行改造，有利于提高设备的可靠性，使用率。正是由于PLC 控制系统的种种优点，因此本次对Z3050摇臂钻床的电气控制系统，可以提高Z3050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。
1 Z3050摇臂钻床的简介
摇臂钻床的主要结构
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，在他的外面套有外立柱，外立柱可绕内立柱回转360度。摇臂的一端为套筒，它套装在外立柱做上下移动。由于丝杆与外立柱练成一体，而升降螺母固定在摇臂上，因此摇臂不能绕外立柱转动，只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构、机床的操作机构等部分组成。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。
摇臂钻床的运动形式
当摇臂钻床进行加工时，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，一边进行纵向进摇臂钻床给，其运动形式为：（1）摇臂钻床的主运动为主轴的旋转运动；
（2）进给运动为主轴的纵向进给；
（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，摇臂与外立柱一起内立柱的回转运动。
Z3050摇臂钻床实物图
摇臂钻床电气拖动特点
3.Z3050摇臂钻床运动部件较多，为了简化传动装置，采用4台电机拖动。，他们分别是主轴电动机（M1），摇臂升降电动机（M2），液压泵电动机（M3）和冷却泵电动机（M4），这电动机都采用直接启动方式。
4.为了适应多种形式的加工要求，摇臂钻床主轴的旋转及进给运动有较大的调速范围，一般情况下由机械变速机构实现。主要变速机构与进给变速机构均装在主轴箱内。
5.Z3050摇臂钻床的主运动和进给运动为主轴的运动，为此这两项运动有一台主轴电动机拖动，分别经主轴传动机构，进给传动机构实现主轴的旋转和进给。
6.在加工螺纹时，要求主轴能正反转。摇臂钻床主轴正反转一般采用机械方法实现。因此主轴电动机仅需要单向旋转。
摇臂钻床及原理图说明
Z3050摇臂钻床主电路图如下：
主电路分析：
Z3050摇臂钻床共有4台电动机，冷却泵电动机为开关直接启动，其余三台电动机采用接触器控制。M1是主轴电动机由接触器KM1控制，只要求能单方向旋转。电动机型空机Q1能起到过载、短路、启动电流过大保护，而热继电器FR1也起过载保护的作用，这样就形成了一个双重保护的作用。
M2是摇臂升降电动机，装设于主轴顶部，用KM2和KM3来控制正反转。使用电动机型空开Q2进行保护。
M3是液压泵电动机，要求能够实现正反转，用KM4和KM5来控制正反转。电路中用电动机型开Q3和热继电器FR2进行双重保护。M4冷却泵电动机，功率小，直接用开关控制启动与停止。
L2L3
2 系统元器件选型
Z3050摇臂钻床主回路元件表
PLC的选型
摇臂钻床的电气控制系统需要12个输入口和6个输出口，PLC的实际输出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6，在条件许可的情况下尽可能留有10%-20%的余量，因为实际的输出点刚好是12个，而选择PLC输入点有16个的显然是浪费，所以该系统采用三菱可编程序控制器作为主控制器，完全满足要求。并且输出点数留有比较多得余量为今后的改进做好准备。
硬件的设计
Z3050摇臂钻床电气控制系统的设计方案由两部分组成，一部分分为电气控制系统的硬件设计，也就是PLC的机型的确定；另一部分是电气控制系统的软件设计，就是PLC控制程序的编写。为了使改造后的摇臂钻床仍能保持原有功能不变，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。
由于Z3050摇臂钻床控制对象对PLC输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Z3050摇臂钻床电气控制系统的实际情况，需要输入点数大于18个，输出点数大于12个，在条件许可的情况下尽可能留有10%-20%的裕量。
PLC的I/O分配
根据系统的原则I/O分配如下：
PLC的外部接线图
三菱PLC的控制回路原理图
3程序的设计与仿真
梯形图程序设计
根据任务书的要求以及I/O口的分配，设计出如下方案：
程序段1 ：主轴电机的启停
按下按钮SB_1，接触器KM1通电闭合,主轴电动机M1启动运转。
（如下图）
程序段2：摇臂上升的过程
按下按钮SB_3，液压泵电动机M3首先正转，放松摇臂，继而摇臂升降电动机M2正转，带动摇臂上升。当上升至要求高度时，松开SB3，摇臂电动机M2停转，同时液压泵电动机M3反转，夹紧摇臂，完成摇臂上升的控制过程。（如下图）
程序段3：摇臂下降的过程
按下按钮SB_4，液压泵电动机M3首先正转，放松摇臂，继而摇臂升降电动机M2反转，带动摇臂下降。当下降至要求高度时，松开SB_4，摇臂电动机M2停转，同时液压泵电动机M3反转，夹紧摇臂，完成摇臂下降的控制过程。
（如下图）
程序段4：避免双线圈错误
为避免双线圈错误的情况出现，借用辅助继电器的并联来规避错误。（如下图）
程序段5：立柱和主轴的放松与夹紧
按下SB_5，接触器KM4通电闭合，液压泵电动机M3启动正向运转，立柱和主轴箱放松；按下按钮SB_6，接触器KM5通电闭合，液压泵电动机M3启动反向运转，立柱和主轴箱夹紧。（如下图）
仿真的调试与结果
仿真程序段1
按下按钮SB_1，X1通电，辅助继电器M0得电，Y0得电，主轴电动机M1启动运转成功。
仿真程序段2
按下SB-3，X3得电，液压泵电动机正转接触器Y3启动，放松摇臂。继而延时继电器T1延时启动，摇臂升降电机上升接触器Y1得电正转，带动摇臂上升。到达行程上限时X6打开，由于互锁，摇臂升降电机上升接触器Y1失电停转，液压泵电动机反转接触器Y4得电启动，夹紧摇臂，完成摇臂上升过程。
仿真程序段3
按下SB-4，X4得电，液压泵电动机正转接触器Y3启动，放松摇臂。继而延时继电器T2延时启动，摇臂升降电机下降接触器Y2得电正转，带动摇臂下降。到达行程下限时X7打开，由于互锁，摇臂升降电机下降接触器Y2失电停转，液压
泵电动机反转接触器Y4得电启动，夹紧摇臂，完成摇臂下降过程。
仿真程序段4
按下SB-5，X12得电，辅助继电器M3通电，即液压泵电机M3正转接触器Y3通电启动正向运转，将立柱和主轴箱放松。
按下SB-6，X13得电，辅助继电器M6得电，即液压泵电机M3反转接触器Y4通电启动反向运转，将立柱和主轴箱夹紧。
[1] 熊幸明.电气控制与PLC[M].第一版.北京:机械工业出版
社,2014：3～168
[2] 王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].第二版.北京:北京航空航天大学,2008：64～138
[3] 廖常初.PLC基础与应用[M].第二版.北京:机械工业出版
社,2007：37～65
[4] 张海根.机电传动控制[M].第一版.北京:高等教育出版社,2008：
致谢
本课程设计的完成，每一步都离不开老师的指导，倾注了大量的心血在此，谨向老师表示崇高的敬意和衷心的感谢!
今天终于可以顺利的完成了课程设计，想了很久，要怎样写下这一段谢词。课程设计期间的点点滴滴历历涌上心头，时光匆匆飞逝但却无比充实，两星期的努力与付出，随着设计的完成，终于让这充实的两星期，得以划下完美的句点。
论文得以完成，要感谢的人实在太多了，首先我要感谢我的学校，他让我这几年成长了不少，在就是感谢我的指导老师，因为论文是在老师的悉心指导下完成的。老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严于律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等每一步都是在他的悉心指导下完成的。
同时，论文的顺利完成，离不开其他各老师、同学和朋友的关心和帮助。在整个的课程设计写作中，翁志刚老师、宋后伦同学和朋友积极帮助我查资料和提供有利于论文写作的建议和意见，在他们的帮助下，论文得以不断的完善，最终帮助我完整的完成了整个课程设计，另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的
老师，是你们在悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是设计得以完成的基础。让我在这里再说声感谢你们。
工作日程
电气与电子类课程设计成绩评定表