本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）Z5163立式鉆床電氣控制分析與PLC改造二級學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動化完成日期2014年5月10日A基礎(chǔ)理論B應(yīng)用研究C調(diào)查報(bào)告D其他目錄1前言211本課題的研究意義212國內(nèi)外關(guān)于本課題的研究發(fā)展?fàn)顩r22Z5163立式鉆床電氣控制分析321Z5163的工藝特點(diǎn)與控制要求3211立式鉆床簡介3212Z5163立式鉆床的工藝特點(diǎn)3213控制過程和要求分析422Z5163電路控制分析說明5221主電路分析7222控制過程說明73PLC的特點(diǎn)介紹1231PLC的基本組成12311PLC的硬件結(jié)構(gòu)12312PLC的軟件結(jié)構(gòu)1232PLC執(zhí)行用戶程序的過程1333PLC等效電路134Z5163立式鉆床電氣控制PLC改造1441Z5163改造說明與電路設(shè)計(jì)1442Z5163程序設(shè)計(jì)與說明175總結(jié)22參考文獻(xiàn)附錄Z5163立式鉆床電氣控制分析與PLC改造摘要本文論述了采用PLC取代傳統(tǒng)繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)從而提高機(jī)床工作性能的方法，分析了Z5163立式鉆床的控制原理，制定了改造該鉆床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，完成了電氣控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)。其中包括PLC機(jī)型的選擇、I/O端口的分配、PLC梯形圖程序的設(shè)計(jì)。本文對PLC控制立式鉆床的工作過程作了詳細(xì)闡述，給出了相應(yīng)的控制原理圖。關(guān)鍵詞可編程控制器；立式鉆床；電氣控制系統(tǒng)Z5163VERTICALDRILLINGMACHINEELECTRICCONTROLANALYSISANDPLCTRANSFORMABSTRACTTHISPAPERDISCUSSESTHEPLCTOREPLACETHETRADITIONALRELAYCONTACTORELECTRICCONTROLSYSTEMTOIMPROVETHEWORKINGPERFORMANCEOFTHEMACHINETOOL,ANALYZESTHECONTROLPRINCIPLEOFTHEDRILLINGMACHINE,FORMULATESTHEDESIGNSCHEMEOFTRANSFORMINGZ5163VERTICALDRILLINGMACHINEELECTRICALCONTROLSYSTEM,COMPLETESTHEDESIGNOFHARDWAREANDSOFTWAREINELECTRICALCONTROLSYSTEMITINCLUDESPLCTYPECHOICE,THEDISTRIBUTIONOFTHEI/OPORTS,THEDESIGNOFPLCLADDERDIAGRAMINTHISPAPER,ITPARTICULARLYEXPOUNDSTHECONTROLPROCESSOFPLCCONTROLLINGVERTICALDRILLINGMACHINE,GIVESTHECORRESPONDINGCONTROLPRINCIPLEDIAGRAMKEYWORDSTHEPROGRAMMABLECONTROLLERVERTICALDRILLINGMACHINEELECTRICALCONTROLSYSTEM1前言11本課題的研究意義Z5163立式鉆床是萬能通用型機(jī)床，適用于鉆孔、鉸孔、锪端面、鉆沉頭孔、鏜孔、攻絲等工作。主軸攻絲自動反轉(zhuǎn)以及微動進(jìn)給，用于盲孔和定深孔極為方便。廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、車間生產(chǎn)建筑加工等殊多行業(yè)。目前，我國的Z5163鉆床的電氣控制系統(tǒng)普遍采用的是傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制方式。所要控制的電機(jī)多，電路復(fù)雜，在日常的生產(chǎn)作業(yè)當(dāng)中經(jīng)常發(fā)生電氣故障，影響生產(chǎn)。所以有必要對傳統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，而PLC電氣控制系統(tǒng)能夠有效地彌補(bǔ)這缺陷。可編程邏輯控制器簡稱PLC，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，編程方便，功能強(qiáng)大，運(yùn)行速度快，壽命長。由于PLC電氣控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)，本次對Z5163鉆床的電氣控制系統(tǒng)的改造，可以大大提高Z5163鉆床的工作性能和系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，為工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化帶來生機(jī)。12國內(nèi)外關(guān)于本課題的研究發(fā)展?fàn)顩r早在上世紀(jì)六十年代國外就已經(jīng)出現(xiàn)了可編程控制器（PLC）的應(yīng)用，之后世界各國爭相在該領(lǐng)域投入大量資金進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)，在1995年西門子又成功地開發(fā)出了S7200、S7300系列，它具有TD200和COROSOPS操作模板，為用戶提供了方便人機(jī)界面，用戶程序三級口令保護(hù)，極強(qiáng)的計(jì)算性能，完善的指令集，MPI接口和通過工業(yè)現(xiàn)場總線PROFD3US以及以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)能力，強(qiáng)勁的內(nèi)部集成功能，全面的故障診斷功能；模塊式結(jié)構(gòu)可用于各處性能的擴(kuò)展，脈沖輸出晶閘管步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)；快速的指令處理大大縮短了循環(huán)周期，并采用了高速計(jì)數(shù)器，高速中斷處理可以分別響應(yīng)過程事件，大幅度降低了成本。由于電氣控制系統(tǒng)的可靠性日益受到人們的重視，一些公司已將自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯技術(shù)廣泛應(yīng)用到現(xiàn)有產(chǎn)品中，推出了高可靠性的冗余系統(tǒng)，并采用熱備用或并行工作、多數(shù)表決的工作方式。由于PLC的眾多優(yōu)點(diǎn)，使其迅速在工業(yè)控制中得到推廣。雖然國內(nèi)PLC技術(shù)的應(yīng)用前景很大，并且取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，而相比之下，由于受經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平的限制，大多數(shù)企業(yè)在生產(chǎn)上使用的Z5163立式鉆床的電氣控制系統(tǒng)，還是采用繼電器接觸器控制方式，而這種控制方式存在著明顯的缺陷和隱患，極易發(fā)生故障。而且，由于線路復(fù)雜，要想找到問題所在也相當(dāng)?shù)睦щy。和國外大量采用PLC技術(shù)替代繼電器接觸器系統(tǒng)相比還存在很大差距。隨著PLC技術(shù)在我國的迅猛發(fā)展，我們和國外先進(jìn)技術(shù)的差距會不斷縮小。因此，抓住這個有利時機(jī)進(jìn)一步促進(jìn)PLC技術(shù)的推廣與應(yīng)用，是提高我國工業(yè)自動化水平的迫切任務(wù)，此次對于Z5163立式鉆床電氣控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)，是希望借鑒國外先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)，應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場，以提高立式鉆床的工作性能。2Z5163立式鉆床電氣控制分析21Z5163的工藝特點(diǎn)與控制要求211立式鉆床簡介主軸豎直布置且中心位置固定的鉆床，稱為立式鉆床，簡稱立鉆。常用于機(jī)械制造和修配工廠加工中、小型工件的孔。加工前，須先調(diào)整工件在工作臺上的位置，使被加工孔中心線對準(zhǔn)刀具軸線。加工時，工件固定不動，主軸在套簡中旋轉(zhuǎn)并與套簡一起作軸向進(jìn)給。工作臺和主軸箱可沿立柱導(dǎo)軌調(diào)整位置，以適應(yīng)不同高度的工作。除有方柱立鉆和圓柱立鉆兩種外，立鉆還有排式、多軸、坐標(biāo)和轉(zhuǎn)塔等多種變型。排式鉆床一般由26個立柱和主軸箱排列在一個公用底座上，各主軸順次加工同一工件上的不同孔或分別進(jìn)行各種加工工序，可節(jié)省更換刀具的時間，用于中、小批量生產(chǎn)。多軸立鉆機(jī)床的多個主軸可根據(jù)加工需要調(diào)整軸心位置，由主軸箱帶動全部主軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)行多孔同時加工，用于成批生產(chǎn)。坐標(biāo)立鉆是在方柱立鉆的基礎(chǔ)上加上可縱、橫移動的十字工作臺而成，可按坐標(biāo)尺寸進(jìn)行鉆削。轉(zhuǎn)塔立鉆多采用程序控制或數(shù)字控制，使裝有不同刀具的轉(zhuǎn)塔頭自動轉(zhuǎn)位，主軸自動改變轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量，工件自動調(diào)整位置，實(shí)現(xiàn)多工序加工的自動化循環(huán)。2212Z5163立式鉆床的工藝特點(diǎn)在金屬切削機(jī)床中，Z5163立式鉆床是用途廣泛的萬用型通用機(jī)床，可用于鉆、擴(kuò)、鉸、淴平面及攻螺紋等工序，具有低工作臺結(jié)構(gòu)，卸下升降工作臺可以加工超大工件，加工精度高等特點(diǎn)。適合加工零件尺寸較小、孔系簡單的零件，因?yàn)樗闹鬏S是不可以移動的，所以只能加工方便裝卸的工件。在鉆床加工工件時，工件不動、刀具的旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動，同時沿軸向上、下移動，完成進(jìn)給運(yùn)動。立式鉆床有主軸箱、進(jìn)給箱、主軸、工作臺、立柱和底座等組成，主運(yùn)動是由電動機(jī)經(jīng)主軸箱驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)給運(yùn)動可以機(jī)動也可以手動，機(jī)動進(jìn)給時，由進(jìn)給箱傳來的運(yùn)動通過小齒輪驅(qū)動主軸套筒上的齒條，使主軸隨著套筒齒條作軸向進(jìn)給運(yùn)動；手動進(jìn)給時，扳動手柄使小齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動齒條上、下移動，完成手動進(jìn)給。2213控制過程和要求分析（1）電力拖動Z5163立式鉆床配置M1、M2、M3三臺三相異步電動機(jī)。其中M1為主電動機(jī)，帶動主軸旋轉(zhuǎn)和實(shí)現(xiàn)上、下自動進(jìn)給；M2為主軸移動電動機(jī)，帶動主軸箱上、下快速運(yùn)動；M3為冷卻泵電動機(jī)。熔斷器FU1、FU2、FU3分別對M1、M2、M3和控制電路起短路保護(hù)作用。熱繼電器FR1、FR2、FR3分別對M1、M2、M3起過載保護(hù)作用。（2）控制要求1）主電動機(jī)M1能夠直接起動，同時還要求能夠?qū)崿F(xiàn)正、反兩個方向旋轉(zhuǎn)，并可對正、反兩個方向進(jìn)行電氣制動控制。2）能夠?qū)崿F(xiàn)包括手動操作鉆孔和攻螺紋控制、鉆孔半自動循環(huán)控制、攻螺紋半自動循環(huán)控制。3）冷卻泵M3在Z5163立式鉆床進(jìn)行鉆孔、攻螺紋加工時工作，對加工零件實(shí)施自動冷卻；也可以根據(jù)需要，在加工時不工作。4）主軸快速移動電動機(jī)為M2，在正、反轉(zhuǎn)后，由接觸器KM3接通來自整流器VC2的直流電，實(shí)現(xiàn)能耗制動。5）進(jìn)給傳動鏈由電磁離合器YC來接通和分離主電動機(jī)的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)給?？焖龠M(jìn)給時，應(yīng)先斷開電磁離合器。22Z5163電路控制分析說明Z5163立式鉆床所用的電氣元件見表1，電氣控制系統(tǒng)主電路圖如圖1所示。下面分析其工作過程。表1Z5163電氣元件表電氣元件名稱及用途電氣元件名稱及用途M1主電動機(jī)HL1、HL2手動操作指示燈M2主軸快速移動電動機(jī)YC進(jìn)給電磁離合器線圈M3冷卻泵電動機(jī)VC1、VC2橋式全波整流器KM1、KM2主電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)接觸器SA11、SA1手動、自動切換開關(guān)2KM3能耗制動接觸器KA2半自動循環(huán)中間繼電器KT1斷電延時時間繼電器（能耗制動用）SQ1原位行程開關(guān)KT2通電延時時間繼電器（加工結(jié)束時用）FU1FU7熔斷器KT3斷電延時時間繼電器（工退結(jié)束時用）SQ2快進(jìn)終點(diǎn)行程開關(guān)KM4、KM5主軸上、下快速移動接觸器SQ3鉆孔和攻螺紋結(jié)束位置行程開關(guān)KA1冷卻泵電動機(jī)接觸器SB1總停止按鈕FR1FR3M1、M2、M3過載保護(hù)熱繼電器SB2、SB4主軸快速上、下按鈕SA2攻螺紋、鉆孔切換開關(guān)SB3、SB5主軸正、反轉(zhuǎn)按鈕TC1TC3變壓器圖1Z5163立式鉆床的電氣控制系統(tǒng)主電路圖221主電路分析鉆床的電源采用三相380V交流電源，由隔離開關(guān)QS1引入，主電路中包含三臺電動機(jī)的驅(qū)動電路。交流接觸器KM1、KM2分別控制主電動機(jī)M1的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；主軸快速移動電動機(jī)M2由接觸器KM4、KM5控制其快速向上、向下移動，在快速電動機(jī)停止時，接通KM3，將直流電接入到交流電動機(jī)的定子繞組中實(shí)現(xiàn)能耗制動；冷卻泵電動機(jī)M3的起動與停止由接觸器KA1控制。222控制過程說明Z5163立式鉆床控制電路如圖2所示。380V交流電源經(jīng)熔斷器FU3加至控制變壓器TC3一次繞組端，經(jīng)降壓后輸出110V交流電壓給控制電路供電。此外，照明指示燈、操作信號電路指示燈以及整流電路分別由變壓器TC1、TC2供電。Z5163立式鉆床根據(jù)需要可以在生產(chǎn)效率要求不高時實(shí)現(xiàn)手動鉆孔；也可以在生產(chǎn)效率要求高時，將工件裝夾好以后實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)給加工，按照鉆孔或者攻螺紋循環(huán)的需要自動加工，由于工件的裝卸不能實(shí)現(xiàn)自動，所以只能叫做半自動循環(huán)。下面分別介紹Z5163立式鉆床的三種操作控制方式。（1）手動操作鉆孔和攻螺紋將轉(zhuǎn)換開關(guān)（SA11、SA12）扳至“手動”位置（圖中實(shí)線位置），因SA12閉合，使得手動操作指示燈HL2亮。根據(jù)需要選擇轉(zhuǎn)換開關(guān)SA21、SA22和SA3，SA4扳至閉合進(jìn)刀位置，為操作做好準(zhǔn)備。按下按鈕SB3，接觸器KM1得電吸合并自鎖，其自鎖電路為SB1常閉SA11KA2常閉KM1輔助常開觸點(diǎn)KT3的瞬動常閉觸點(diǎn)KM2互鎖常閉觸點(diǎn)KM1線圈。主軸電動機(jī)M1正常起動運(yùn)轉(zhuǎn)（正轉(zhuǎn)），鉆床主軸正向轉(zhuǎn)動。同時進(jìn)給電磁離合器線圈YC得電，其電路為從整流器VC1正極KM1常開觸點(diǎn)KT1的瞬動常閉觸點(diǎn)SA4常開觸點(diǎn)YC線圈回到VC1的負(fù)極。YC得電，離合器閉合，接通從主電動機(jī)到進(jìn)給主軸套筒齒條的傳動鏈，實(shí)現(xiàn)鉆削過程中的自動進(jìn)給。按下按鈕SB5，接觸器KM2得電吸合，主軸電動機(jī)M1反轉(zhuǎn)起動運(yùn)轉(zhuǎn)，鉆床圖2Z5163立式鉆床的電氣控制電路圖主軸反向起動運(yùn)轉(zhuǎn)。KM2常開觸點(diǎn)閉合，通電延時時間繼電器KT2線圈得電，KT2的常開延時閉合觸點(diǎn)延時閉合，KM2延時自鎖，其自鎖電路為SB1常閉觸點(diǎn)SA11KM2的輔助常開觸點(diǎn)KT2的延時閉合常開觸點(diǎn)SA21KM1互鎖常閉觸點(diǎn)KM2線圈。按下急停按鈕SB1，接觸器KM1或KM2失電釋放，主軸電動機(jī)M1停止運(yùn)轉(zhuǎn)。此時按下主軸快速上移按鈕SB4，接觸器KM5得電吸合，快速移動電動機(jī)M2反向起動運(yùn)轉(zhuǎn)，主軸快速向上移動。松開按鈕SB4時，接觸器KM4得電吸合，快速移動電動機(jī)M2正向起動運(yùn)轉(zhuǎn)，主軸快速向下移動。同理，松開按鈕SB2時，M2停止運(yùn)轉(zhuǎn)，主軸停止。此過程均采用點(diǎn)動控制。（2）鉆孔半自動循環(huán)將轉(zhuǎn)換開關(guān)（SA11、SA12）扳至“半自動循環(huán)”位置（圖中虛線位置），因SA11閉合接通半自動循環(huán)指示燈，HL1亮。合上開關(guān)SA22，將開關(guān)SA21扳至“鉆孔”位置（圖中實(shí)線位置），開關(guān)SA4可在任意位置，因SA11閉合，使其接觸器KM5得電，同時接觸器KM5接通，其常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開，并為半自動循環(huán)做好準(zhǔn)備。半自動鉆孔的自動循環(huán)過程是主軸箱在原點(diǎn)，按下起動按鈕主軸快速向下移動距離工件表面一定距離時，停止快進(jìn)，并制動快速移動電動機(jī)M2鉆頭轉(zhuǎn)動，并自動進(jìn)給鉆孔鉆孔結(jié)束，延時停止快速移動電動機(jī)反轉(zhuǎn)鉆頭快速后退向上到達(dá)原點(diǎn)，快速移動電動機(jī)制動停止。下面分別介紹各環(huán)節(jié)的控制1）快速向下。當(dāng)主軸箱在原位時，行程開關(guān)SQ1壓下，此時按下按鈕SB2，接觸器KM4得電吸合并自鎖，其自鎖回路為SB1常閉觸點(diǎn)SQ2常閉觸點(diǎn)KM4自鎖觸點(diǎn)KA2常開KM1常閉觸點(diǎn)KM5常閉互鎖觸點(diǎn)KM4線圈。快速移動電動機(jī)M2正向起動運(yùn)轉(zhuǎn)，鉆床主軸快速下行。同時，時間繼電器KT1得電吸合，為電動機(jī)M2的停車能耗制動做好準(zhǔn)備。主軸下行到距離工件表面一定距離（可以根據(jù)工件尺寸調(diào)整，一般為35MM），這時，壓合行程開關(guān)SQ2。2）向下制動停止。SQ2被壓下，使接觸器KM4失電釋放，同時時間繼電器KT1釋放，KM4常閉觸點(diǎn)使接觸器KM3得電吸合，其主觸點(diǎn)閉合，將VC2整流后的直流電接入電動機(jī)M2的定子繞組中，進(jìn)行能耗制動；KM3的電路為SB1KT1的延時觸點(diǎn)閉合（KT1線圈得電時）KM4常閉觸點(diǎn)KM5常閉觸點(diǎn)KM3線圈。由于KM4斷電，則時間繼電器KT1線圈斷電，KT1是斷電延時型時間繼電器，其延時觸點(diǎn)將延時動作，在KM3回路中的KT1延時觸點(diǎn)將延時斷開，使接觸器KM3釋放，能耗制動結(jié)束。3）鉆頭自動加工。在KM3得電時，其常開觸點(diǎn)閉合，自動接通接觸器KM1線圈電路并自鎖，其自鎖電路是SB1常閉觸點(diǎn)SA11SQ1常閉KM5常開KA2常開KM1常開KT3瞬動常閉KM2互鎖常閉觸點(diǎn)KM1線圈。主軸電動機(jī)M1正向起動運(yùn)轉(zhuǎn)，同時KM1的輔助常開觸點(diǎn)閉合使電磁離合器YC吸合，接通進(jìn)給傳動鏈，自動進(jìn)給。此外，行程開關(guān)SQ2被壓合時，接觸器KM4得電吸合，得電電路為SB1常閉SA11實(shí)線SQ1常閉KM5常開KM5常開SQ2常開KT1輔助常開SA3KM5常閉觸點(diǎn)KA1線圈。冷卻泵電動機(jī)M3起動運(yùn)轉(zhuǎn)，供給切削液。KM4同時還自鎖，自鎖回路為SB1常閉SA12SQ1常閉KM5常閉KM5常閉KM4自鎖常開觸點(diǎn)KM4線圈。冷卻泵電動機(jī)轉(zhuǎn)動，為鉆孔提供切削液。4）鉆孔結(jié)束，快速返回。鉆孔達(dá)到要求深度時，行程開關(guān)SQ3被壓合（根據(jù)工件尺寸調(diào)整），接通時間繼電器KT2線圈回路電源，KT2為通電延時時間繼電器，其常開觸點(diǎn)延時閉合；使得接觸器KM5線圈延時吸合，其得電電路為SB1常閉觸點(diǎn)SA12SQ1常閉觸點(diǎn)KM5常開觸點(diǎn)KM5常閉觸點(diǎn)SQ3常開觸點(diǎn)（此時壓下閉合）KT2延時閉合的常開觸點(diǎn)SA21KM2常閉觸點(diǎn)KM4常閉KM5線圈。使電動機(jī)M2旋轉(zhuǎn)帶動主軸快速向上移動。在向上快速退回之前，接觸器KM5的常開觸點(diǎn)閉合，使時間加點(diǎn)器KT1又得電吸合，為能耗制動做好了準(zhǔn)備；KT1的瞬動常閉觸點(diǎn)斷開，使YC斷電，將進(jìn)給傳動鏈先行分開，然后才能快速向上運(yùn)動。5）結(jié)束停止。到行程開關(guān)SQ1被壓合時，KT1、KM1和KM5線圈均斷電釋放，電動機(jī)M1和M2斷電。接觸器KM5的常開觸點(diǎn)恢復(fù)閉合，KT1的延時觸點(diǎn)繼續(xù)閉合（將延遲斷開），接觸器KM3吸合，由整流器VC2提供的直流電通入電動機(jī)M2的定子繞組，使電動機(jī)M2快速停止運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)能耗制動控制，能耗制動時間由KT1的設(shè)定時間決定。（3）攻螺紋半自動循環(huán)將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA11和SA12扳至“半自動循環(huán)”位置（圖中實(shí)線位置），SA22閉合；再將SA21扳至攻螺紋位置（圖中虛線位置）；SA3根據(jù)需要進(jìn)行選擇，SA4置于適當(dāng)位置，為操作做好準(zhǔn)備。攻螺紋自動循環(huán)的控制過程與鉆孔循環(huán)不同之處是，加工完畢以后，刀具不能快速退回，只能反轉(zhuǎn)工退，當(dāng)退出到工件表面以外時，再快速向上退回到原點(diǎn)。快進(jìn)和工進(jìn)過程與鉆孔過程一樣。下面介紹加工結(jié)束后的控制過程。1）工退。攻螺紋結(jié)束，行程開關(guān)SQ3被壓合時，時間繼電器KT2、KT3吸合，KT2的常開觸點(diǎn)延時閉合，使接觸器KM2得電吸合，其得電回路為SB1常閉觸點(diǎn)SA12SQ1常閉KM5常開KM5常開SQ3常開（壓下閉合）KT2延時觸點(diǎn)（延時閉合）SA21KM2線圈。主軸電動機(jī)M1反向起動運(yùn)轉(zhuǎn)。KT3為攻螺紋結(jié)束后主軸向上快速移動做好準(zhǔn)備，絲錐從工件中退出。2）快速向上。當(dāng)絲錐從工件中退出后，會壓下行程開關(guān)SQ2，使KM2線圈斷電，主電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動，電磁離合器YC斷電分開；接觸器KM5線圈電路得電吸合，其得電回路為SB1常閉觸點(diǎn)SA12SQ1常閉觸點(diǎn)KM5常開觸點(diǎn)KM5常開觸點(diǎn)SQ2常開觸點(diǎn)KT3延時斷開的常開觸點(diǎn)（已經(jīng)閉合）KM2常閉觸點(diǎn)KM4常閉觸點(diǎn)KM5線圈。KM5得電并自鎖，快速移動電動機(jī)M2反向起動運(yùn)轉(zhuǎn)，使主軸向上快速移動。當(dāng)快退到起點(diǎn)位置時，行程開關(guān)SQ1再次被壓下，M2斷電并進(jìn)行能耗制動控制，攻螺紋半自動循環(huán)結(jié)束。3PLC的特點(diǎn)介紹31PLC的基本組成PLC的硬件系統(tǒng)主要有由中央微處理器（CPU）、存儲器（ROM、RAM）、輸入/輸出（I/O）接口、編程器、電源等組成。3311PLC的硬件結(jié)構(gòu)1、微處理器（CPU）控制器的核心2、存儲器（ROM、RAM）3、輸入/輸出（I/O）連接現(xiàn)場設(shè)備與CPU之間的接口電路4、電源部件為CPU內(nèi)部電路提供能源圖3PLC硬件結(jié)構(gòu)312PLC的軟件結(jié)構(gòu)在可編程控制器中，PLC的軟件分為兩大部分（1）系統(tǒng)監(jiān)控程序用于控制可編程控制器本身的運(yùn)行。主要由管理程序、用戶指令解釋程序和標(biāo)準(zhǔn)程序模塊組成，為系統(tǒng)調(diào)用。（2）用戶程序它是由可編程控制器的使用者編制的，用于控制被控裝置的運(yùn)行。32PLC執(zhí)行用戶程序的過程PLC執(zhí)行過程分為輸入采樣、程序處理和輸出刷新等三個階段。3輸入采樣階段以掃描方式，順序讀入所有輸入端的狀態(tài)點(diǎn)（接通或斷開狀態(tài)），并將此狀態(tài)輸入寄存器中，接著轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段，即使輸入狀態(tài)變化，輸入寄存器的內(nèi)容也不不會改變，狀態(tài)的變化只能在下一個工作周期的輸入采樣階段才能被讀入。程序執(zhí)行總是按先后右、先上后下的順序?qū)γ織l指令進(jìn)行掃描。當(dāng)遇到跳轉(zhuǎn)指令時則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序的跳轉(zhuǎn)。當(dāng)指令涉及到輸入、輸出狀態(tài)時，PLC從輸入映像寄存器和輸出映像寄存器中讀取信息，并根據(jù)用戶程序進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果再存入輸出映像寄存器中，對輸出寄存器來說，其內(nèi)容會隨程序執(zhí)行的過程而變化。33PLC等效電路PLC控制的等效電路由三部分組成（1）輸入控制部分。該部分接收操作指令（如啟動按鈕、停止按鈕等）和被控對象的各種狀態(tài)信息（如行程開關(guān)、接近開關(guān)等）。PLC的每個輸入點(diǎn)對應(yīng)一個內(nèi)部輸入繼電器，當(dāng)輸入點(diǎn)與輸入COM端接通時，輸入繼電器線圈通電，它的常開觸點(diǎn)閉合、常閉觸點(diǎn)斷開；當(dāng)輸入點(diǎn)與輸入COM斷開時，輸入繼電器線圈斷電，它的常開觸點(diǎn)斷開、常閉觸點(diǎn)閉合。（2）控制部分。這一部分是用戶編制的控制程序，通常用梯形圖表示，控制程序放在PLC的用戶程序存儲器中。系統(tǒng)運(yùn)行時，PLC依次讀取用戶存儲器中的程序語句，對它的內(nèi)容進(jìn)行解釋并執(zhí)行，又將輸出的結(jié)果送到PLC的輸出端子，以控制外部負(fù)載的工作。（3）輸出部分。該部分根據(jù)程序執(zhí)行的結(jié)果直接驅(qū)動負(fù)載。在PLC內(nèi)部有多個輸出繼電器，每個輸出繼電器對應(yīng)一個硬觸點(diǎn)，當(dāng)程序執(zhí)行的結(jié)果使輸出繼電器線圈通電時，對應(yīng)的硬輸出觸點(diǎn)閉合，控制外部負(fù)載的動作。4Z5163立式鉆床電氣控制PLC改造41Z5163改造說明與電路設(shè)計(jì)根據(jù)Z5163的工作過程和已有的繼電器控制的電氣參數(shù)，選擇FX2N可編程控制器進(jìn)行改造。首先考慮保證原有控制功能不變，不添加新的電氣元件。主電路不變，PLC電源電壓為交流220V，負(fù)載電源為交流110V。輸出端口采用繼電器輸出方式。在改造中，主要考慮了如下幾點(diǎn)措施1）主電路不變，指示燈、照明電路不變，快速移動電動機(jī)仍然采用能耗制動。2）能耗制動過程中的斷電延時時間繼電器KT1取消，用PLC中的定時器T1、輔助繼電器M0、M3完成，在快速移動結(jié)束時，利用脈沖下降沿使輔助繼電器M0產(chǎn)生一個周期的出發(fā)脈沖，接通定時器T1線圈邏輯回路，能耗制動開始，當(dāng)定時時間超過T1的設(shè)定時間時，結(jié)束制動。3）取消工退結(jié)束后的斷電延時時間繼電器KT3，用定時器T3來完成，在絲錐退出工件孔時開始定時，然后定時時間到，則起動快速后退動作。采用PLC的時間繼電器和一定的控制算法來實(shí)現(xiàn)斷電延時功能是可行的，另外可以提高定時精度。4）電磁離合器YC不直接與PLC輸出端口連接，其控制用中間繼電器KA2實(shí)現(xiàn)，KA2原來的作用用輔助繼電器M4代替。5）將手動加工程序與半自動循環(huán)加工程序分別用主控程序控制。結(jié)合輸入、輸出總點(diǎn)數(shù)，選用FX2N32MR，原因是此型號的PLC輸入輸出點(diǎn)數(shù)為3216點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出。改造中Y0Y6輸出共7個點(diǎn)，還考慮要留有一定的裕量，實(shí)驗(yàn)室中的PLC機(jī)型FX2N32MR能夠滿足要求。改造后的元件分配情況見表2，電氣原理圖如圖4所示。表2PLC端口分配表電氣元件作用邏輯元件電氣元件作用邏輯元件SB1總?？刂芚0SA4轉(zhuǎn)換開關(guān)X14SB2主軸快速向下控制X1KM4主軸向下快速移動接觸器Y0SB3主軸正轉(zhuǎn)X2KM5主軸向上快速移動接觸器Y1SB4主軸快速向上X3KA1冷卻泵控制中間繼電器Y2SB5主軸反轉(zhuǎn)X4KA2電磁離合器控制用中間繼電器Y3SA11手動與自動轉(zhuǎn)換X5KM1主電動機(jī)正轉(zhuǎn)接觸器Y4SA21鉆孔與攻螺紋轉(zhuǎn)換X6KM2主電動機(jī)反轉(zhuǎn)接觸器Y5SA3冷卻泵開關(guān)X7KM3能耗制動接觸器Y6SA22攻螺紋X10半自動控制輔助繼電器M4SQ1原位行程開關(guān)X11能耗制動用定時器T1SQ2快進(jìn)終點(diǎn)行程開關(guān)X12工進(jìn)結(jié)束用定時器T2SQ3工進(jìn)終點(diǎn)行程開關(guān)X13工退結(jié)束時用定時器T3圖4PLC控制Z5163電氣原理圖42Z5163程序設(shè)計(jì)與說明根據(jù)Z5163的控制要求和繼電器接觸器的控制邏輯，結(jié)合PLC的端口分配，設(shè)計(jì)改造的PLC控制程序如圖5所示。圖5Z5163的PLC控制程序根據(jù)梯形圖的邏輯關(guān)系，下面分析PLC的控制關(guān)系。將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA11閉合，輸入繼電器X5為ON，主控指令使輔助繼電器M10為ON，N0段主控程序能夠被執(zhí)行，此時的手動控制程序段工作；反之，若SA11斷開，則輸入繼電器X5為OFF，則第二個主控指令使輔助繼電器M11為ON，N1段主控程序能夠被執(zhí)行，此時的半自動加工程序段工作。系統(tǒng)只有手動和半自動兩個工作狀態(tài)，分別采用了兩個主控程序段來控制。（1）手動鉆孔和攻螺紋手動狀態(tài)下，將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA4扳至閉合位置，輸入繼電器X14為ON，將自動控制的輔助繼電器M4兩端短接。轉(zhuǎn)換開關(guān)SA21閉合，輸入繼電器X6為ON。按下按鈕SB3，輸入繼電器X2為ON，使輸出繼電器Y4邏輯回路導(dǎo)通，Y4為ON，驅(qū)動負(fù)載接觸器KM1線圈得電，主電動機(jī)M1正向轉(zhuǎn)動。M1帶動鉆頭正轉(zhuǎn)。同時，輸出繼電器Y4的常開觸點(diǎn)為ON，輸出繼電器Y3線圈邏輯回路導(dǎo)通，Y3為ON，接通負(fù)載中間繼電器KA2電路，KA2線圈得電，常開觸點(diǎn)閉合，電磁離合器YC線圈得電，離合器結(jié)合，接通從電動機(jī)到進(jìn)給套筒齒條的傳動鏈，實(shí)現(xiàn)鉆削過程中的自動進(jìn)給。按下SB5，輸入繼電器X4為ON，使從輸出繼電器Y5的邏輯回路導(dǎo)通，Y5為ON，驅(qū)動負(fù)載接觸器KM2線圈得電吸合，主軸電動機(jī)M1反向起動運(yùn)轉(zhuǎn)，鉆床主軸反向起動運(yùn)轉(zhuǎn)。如果按下時間較長，輸出繼電器Y5的常開觸點(diǎn)為ON，先接通定時器T2的線圈回路，超過一定時間以后接通Y5的自鎖分支，實(shí)現(xiàn)Y5的自鎖，電動機(jī)M2能夠長動，需要按下停止按鈕才能讓電動機(jī)停止下來；如果SB5按下時間不長，則只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動反轉(zhuǎn)。在主電動機(jī)反轉(zhuǎn)時，輸出繼電器的常開觸點(diǎn)也能夠接通輸出繼電器Y3的邏輯回路，通過接觸器KM5，電磁離合器YC線圈得電，實(shí)現(xiàn)鉆頭的向上退回。按下急停按鈕SB1，輸入繼電器X0為ON，經(jīng)過取反后的觸點(diǎn)為OFF，使主控條件為OFF，N0段程序?qū)⒉荒鼙粓?zhí)行，其中的輸出繼電器和時間繼電器將被復(fù)位。Y4、Y5邏輯回路不能導(dǎo)通，對應(yīng)的接觸器KM1和KM2斷開，主電動機(jī)M2停止轉(zhuǎn)動。主軸電動機(jī)M1停止運(yùn)轉(zhuǎn)時，輸出繼電器Y6、Y5都為導(dǎo)通，其取反后的常閉觸點(diǎn)為ON，按下主軸快速上移按鈕SB4，輸入繼電器X3為ON，使接觸器Y1線圈的邏輯回路導(dǎo)通，驅(qū)動負(fù)載接觸器KM4得電吸合，快速移動電動機(jī)M2反向起動運(yùn)轉(zhuǎn)，主軸快速向上移動。松開按鈕SB4時，KM5得電釋放，M2停止運(yùn)轉(zhuǎn)，主軸快速上移停止。當(dāng)按下主軸快速下移按鈕SB2時，由于自動狀態(tài)標(biāo)志的輔助繼電器M4為OFF，所以使接觸器Y0線圈的邏輯回路導(dǎo)通，Y0為ON，驅(qū)動接觸器KM4線圈得電，快速移動電動機(jī)M2正向起動運(yùn)轉(zhuǎn)，主軸快速向下移動。同理，松開按鈕SB2時，M2停止運(yùn)轉(zhuǎn)，主軸向下移停止。此過程均采用點(diǎn)動控制。（2）鉆孔半自動循環(huán)將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA11扳至“半自動循環(huán)”位置，即斷開，對應(yīng)的輸入繼電器X5為OFF，轉(zhuǎn)換開關(guān)SA4斷開，X14為OFF，電磁離合器YC的控制由輔助繼電器M4控制接觸器KM5來實(shí)現(xiàn)。將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA2扳到自動循環(huán)狀態(tài)，SA21觸點(diǎn)斷開，輸入繼電器X6為OFF，為半自動循環(huán)做好準(zhǔn)備。半自動鉆孔的自動循環(huán)過程是主軸箱在原點(diǎn)，按下起動按鈕主軸快速向下移動距離工件表面一定距離時，停止快進(jìn)，并制動快速電動機(jī)M2鉆頭轉(zhuǎn)動，并自動進(jìn)給鉆孔鉆孔結(jié)束，延時停止快速電動機(jī)反轉(zhuǎn)鉆頭快速后退向上到達(dá)原點(diǎn)，快速電動機(jī)制動停止。在將SA11扳至半自動工作狀態(tài)時，輔助繼電器M4為ON，主控指令使M11為ON，N1程序段中的程序?qū)⒈粓?zhí)行，而N0程序段中的程序?qū)⒉还ぷ鳌Ｏ旅娼榻B半自動循環(huán)過程的程序控制情況。1）快速向下。當(dāng)主軸箱在原位時，行程開關(guān)SQ1壓下，輸入繼電器X11為ON此時按下按鈕SB2，對應(yīng)的輸入繼電器X1為ON，驅(qū)動輸出繼電器Y0的邏輯回路導(dǎo)通，中間繼電器KA1線圈得電并自鎖，快速移動電動機(jī)M2正向起動運(yùn)轉(zhuǎn)，鉆床主軸快速下行。主軸下行到距離工件表面一定距離（可以根據(jù)工件尺寸調(diào)整，一般為35MM）時，壓下行程開關(guān)SQ2，快速進(jìn)給過程結(jié)束。但為了節(jié)約輔助時間，避免刀具在快速進(jìn)給速度下切削工件，需要在快進(jìn)結(jié)束時進(jìn)行制動。2）向下制動停止。壓下行程開關(guān)SQ2，輸入繼電器X12為ON，Y0的自鎖回路斷開，Y0為OFF，Y0的脈沖下降沿使輔助繼電器M0產(chǎn)生制動觸發(fā)脈沖，輔助繼電器M3的邏輯回路在M0脈沖的作用下導(dǎo)通為ON并自鎖，定時器T1開始定時，M3驅(qū)動輸出繼電器Y6線圈邏輯回路導(dǎo)通，Y6為ON，接觸器KM3線圈電路的電，主觸點(diǎn)閉合，快速電動機(jī)M2定子繞組中流入直流電進(jìn)行能耗制動，速度迅速降低，當(dāng)定時時間到達(dá)設(shè)定值，快速電動機(jī)的轉(zhuǎn)速下降帶接近零時，定時器T1的映像寄存器值為ON，T1的常閉觸點(diǎn)為OFF，使輸出繼電器Y6邏輯回路斷開，KM3線圈斷電，能耗制動結(jié)束。該算法采用了PLC的定時器T1代替斷電延時時間繼電器KT1。3）鉆頭自動加工。輸出繼電器Y6為ON，其常開觸點(diǎn)使輸出繼電器Y4線圈的邏輯回路導(dǎo)通，由于此時為自動加工狀態(tài)，輔助繼電器M4為ON，Y4回路自鎖，自動接通接觸器KM1線圈電路，主軸電動機(jī)M1正向起動運(yùn)轉(zhuǎn)，鉆頭對工件孔進(jìn)行鉆削加工，同時Y4的常開觸點(diǎn)接通了輸出繼電器Y3線圈的邏輯回路，Y3為ON，驅(qū)動中間繼電器KA4線圈得電，常開觸點(diǎn)閉合，使電磁離合器YC得電吸合，接通進(jìn)給傳動鏈，實(shí)現(xiàn)鉆削過程中的自動向下進(jìn)給。此外，行程開關(guān)SQ2被壓合時，輸入繼電器X12為ON，此時主軸正轉(zhuǎn)，輸出繼電器Y4為ON，所以輸出繼電器Y2線圈的邏輯回路導(dǎo)通，Y2為ON并自鎖，驅(qū)動中間繼電器KA1得電吸合，冷卻泵電動機(jī)M3起動運(yùn)轉(zhuǎn)，供給切削液。4）鉆孔結(jié)束，快速返回。鉆孔達(dá)到要求深度時，行程開關(guān)SQ3被壓下（根據(jù)工件尺寸調(diào)整），輸入繼電器X13為ON，定時器T2線圈的邏輯回路導(dǎo)通，開始計(jì)時，以便刀具暫停進(jìn)給，繼續(xù)轉(zhuǎn)動切削。當(dāng)定時時間到，T2的映像寄存器為ON，其常開觸點(diǎn)接通輸出接觸器Y1線圈的邏輯回路，Y1為ON，驅(qū)動負(fù)載接觸器KM5線圈電路導(dǎo)通，快速移動電動機(jī)M2反轉(zhuǎn)，帶動刀具快速向上移動。同時，輸出接觸器Y1的常閉觸點(diǎn)斷開，切斷了輸出繼電器Y3的邏輯回路，中間繼電器KA線圈斷電，使電磁離合器YC線圈電路斷電。當(dāng)快速退回到SQ1位置時，SQ1被壓下，輸入繼電器X11為ON，其取反觸點(diǎn)為OFF，將切斷輸出接觸器Y1線圈的邏輯回路，Y1為OFF，接觸器KM5線圈斷電，快速上移停止。5）結(jié)束停止。到行程開關(guān)SQ1被壓下時，Y1線圈為OFF，接觸器KM5線圈斷電，電動機(jī)M2斷電。輸出接觸器Y1斷開時，產(chǎn)生的脈沖下降沿將產(chǎn)生制動觸發(fā)信號，輔助繼電器M3邏輯回路導(dǎo)通自鎖，常開觸點(diǎn)閉合，使輸出繼電器Y6邏輯回路導(dǎo)通，驅(qū)動接觸器KM3線圈得電，主觸點(diǎn)閉合，接通電動機(jī)M2的定子繞組的直流電路，產(chǎn)生制動力矩，實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動結(jié)束時的制動。制動時間由定時器T1的設(shè)定時間決定。（3）攻螺紋半自動循環(huán)將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA11扳至“半自動循環(huán)”位置，輸入繼電器X5為OFF，將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA22和SA21閉合，輸入繼電器X6和X10為ON，為攻螺紋循環(huán)做好準(zhǔn)備。攻螺紋自動循環(huán)的控制過程與鉆孔循環(huán)的不同之處是，加工完畢以后，刀具不能快速退回，只能夠反轉(zhuǎn)工退，當(dāng)退出到工件表面以外時，再快速向上退回原點(diǎn)，快進(jìn)和工進(jìn)過程與鉆孔過程一樣。下面介紹加工結(jié)束后的退回控制過程。1）、2）、3）與鉆孔循環(huán)過程控制一樣。4）工退，攻螺紋結(jié)束，行程開關(guān)SQ3被壓下時，輸入繼電器X13為ON，接通定時器T2線圈的邏輯回路，定時開始；同時，X13的常閉觸點(diǎn)為OFF，切斷輸出繼電器Y4的邏輯回路，Y4為OFF，負(fù)載接觸器KM1線圈斷電，主軸正轉(zhuǎn)停止。當(dāng)T2的定時時間到，將接通輸入繼電器Y5線圈的邏輯回路，Y5為ON，并自鎖，驅(qū)動負(fù)載接觸器KM2線圈得電，電動機(jī)M1反轉(zhuǎn)，同時電磁離合器YC得電，向上工退傳動鏈接通，絲錐一邊反轉(zhuǎn)，一邊在進(jìn)給傳動鏈帶動下向上后退。5）快速向上。當(dāng)絲錐退出工件時，壓下行程開關(guān)SQ2，輸入繼電器X12為ON，切斷輸出繼電器Y5的邏輯回路，接觸器KM2線圈斷電，主電動機(jī)反轉(zhuǎn)停止，工退也停止。同時，輔助繼電器M7回路產(chǎn)生一個脈沖下降沿觸發(fā)信號，觸發(fā)M7產(chǎn)生一個周期的脈沖，使輔助繼電器M8邏輯回路導(dǎo)通并自鎖，定時器T3開始計(jì)時，實(shí)現(xiàn)暫停后退。當(dāng)T3的定時時間達(dá)到設(shè)定時間，其映像寄存器的值將置為ON，其常閉觸點(diǎn)為ON，一方面接通輸出接觸器Y1線圈的邏輯回路，Y1為ON，驅(qū)動接觸器KM5線圈得電，電動機(jī)M2反轉(zhuǎn)；另一方面，Y1的常閉觸點(diǎn)為OFF，將切斷輔助繼電器M8的邏輯回路，M8的常開觸點(diǎn)將變?yōu)镺FF，輸出繼電器Y3的邏輯回路為OFF，斷開電磁離合器YC線圈電路，由M1到主軸的傳動鏈斷開，電動機(jī)M2反轉(zhuǎn)，將帶動絲錐快速向上退回。當(dāng)主軸快速向上退回到起點(diǎn)位置時，壓下行程開關(guān)SQ1，輸入繼電器X11為ON，其取反觸點(diǎn)為OFF，切斷輸出接觸器Y1的邏輯回路，接觸器KM5線圈斷電。一次攻螺紋循環(huán)結(jié)束，重新安裝工件，又可以自動完成下一個工件的螺紋孔加工。5總結(jié)本文研究機(jī)械加工中常用的Z5163立式鉆床傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的改造問題，旨在解決傳