下面是小编为大家整理的2022Z32K型摇臂钻床变速箱设计（全文）,供大家参考。希望对大家写作有帮助!
Z32K型摇臂钻床变速箱设计4篇
第一篇: Z32K型摇臂钻床变速箱设计
摘 要
Z3040型摇臂钻床适用于单件或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工，是机械加工车间常用的机床，在机械行业中得到了广泛应用。但继电器—接触器控制方式电路接线复杂，触电多，成本很高，今后的逻辑修改和增加功能比较困难等诸多缺点。
PLC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，可靠性高，对工作环境要求低等一系列优点。因此对Z3040摇臂钻床控制系统PLC改造是非常必要的。
本设计对Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC的改造。首先，从Z3040摇臂钻床的控制原理和PLC的特点分析入手；
其次，根据控制系统的原理和PLC的特点完成了PLC机型的选择、I/O端口的分配和接线图绘制；
PLC梯形图程序的设计、指令语句表编写和系统程序的仿真；
最后根据控制要求，完成了摇臂钻床控制电路中主要电气元件的计算选择。
通过PLC改造摇臂钻床控制系统，克服了继电器—接触器许多缺点，大大提高摇臂钻床的工作能力和工作寿命，同时运用了系统仿真，能形象、直观的模拟出摇臂钻床运动情况。
关键词：可编程控制器，摇臂钻床，梯形图，电气控制系统
Abstract
Z3040 type radial drilling machine is mechanical processing workshop commonly used machine that is suitable for single piece or batch production with large parts of the porous hole processing. it is widely used in the machinery industry.but the relay contact device control circuit wiring way more complex electric shock, cost is high，The logic of revision and function increasing will very difficult in the future. The control system of PLC compared with the relay contactor electric control system.It have the excellent feature that is a simple structure, a convenient programming, a short commissioning period, a high reliability and an anti-interference ability, a low failure rate and a low advantages for work environment. So the Z3040 radial drilling machine control system modification is very necessary.
This design that is Z3040 radial drilling machine of the electrical control system is reformed the PLC. First of all, analysis Z3040 radial drilling machine control principle and the characteristics of the PLC. Secondly, according to the principle of PLC control system and the characteristics of the type finish PLC choose the I/O port distribution and the wiring diagram PLC ladder diagram of drawing program design instructions written statement table and system of the simulation program. Finally, it completes radial drilling machine main electrical component selection
Through the PLC control system transformation radial drilling machine that overcome relay contactor many faults. It Greatly improve the radial drilling machine work ability and service lifeand it using a system simulation, which can image the intuitive that radial drilling machine motion.
Key words programmable controller, radial drilling machine, ladder diagram, electrical control system
目录
摘 要 I
Abstract II
1 绪 论 1
1.1 本课题选题背景和意义 1
1.2 本课题国内外研究现状、水平和发展趋势 2
1.3 本课题的主要工作 3
2 Z3040摇臂钻床电气控制系统原理分析 4
2.1 Z3040摇臂钻床简介 4
2.2 Z3040摇臂钻床控制要求 5
2.2 Z3040摇臂钻床主电路的分析 7
2.3 Z3040摇臂钻床控制电路的分析 7
2.3.1 主运动控制 7
2.3.2 摇臂上升或下降控制 7
2.3.3 主轴箱和立柱的松开及夹紧控制 8
2.3.4 控制电路保护 8
2.4 Z3040摇臂钻床信号和照明电路的分析 9
3 Z3040摇臂钻床控制系统PLC硬件设计 10
3.1 PLC的简介 10
3.2 PLC的选型 11
3.3 PLC输入与输出端口地址的分配 13
3.4 PLC电气接线图设计 13
4 Z3040摇臂钻床控制系统PLC软件设计 15
4.1 PLC软件设计方法的分类 15
4.2 控制系统梯形图设计 16
4.2.1 主轴电动机控制梯形图 16
4.2.2 摇臂升降控制梯形图 16
4.2.3 主轴箱和立柱松开、夹紧梯形图 18
4.2.4 信号指示梯形图 19
4.2.5 摇臂钻床控制系统梯形图 19
4.3 控制系统语句表 20
4.4 控制系统仿真 22
4.4.1 主电动机的仿真 22
4.4.2 摇臂上升和下降的仿真 22
4.4.3 主轴和立柱夹紧与放松仿真 25
5 主要电气元件及选择 26
5.1 低压断路器 26
5.1.1 低压断路器的选择原则 26
5.1.2 低压断路器的选择 26
5.2 接触器 27
5.2.2 接触器的选择原则 27
5.2.2 接触器的选择 27
5.3 热继电器 28
5.3.1 热继电器选用原则 28
5.3.2 热继电器的选择 28
5.4 时间继电器 29
5.4.1 时间继电器的选择原则 29
5.4.2 时间继电器的选择 29
5.5 熔断器 29
5.5.1 熔断器的选择原则 29
5.5.2 熔断器的选择 30
5.6 主令电器 30
5.6.1 按钮开关的选择 30
5.6.2 行程开关的选择 31
6 总 结 33
参 考 文 献 34
致谢 35
1 绪 论
1.1 本课题选题背景和意义
钻床作为一种孔加工设备，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝等多种形式的加工。同时钻床也具有很多的形式，摇臂钻床、立式钻床、卧式钻床、台式钻床、多轴钻床、深孔钻床及其他专用钻床等。Z3040摇臂钻床在各类钻床中，他具有性能完善、适用范围广、操作方便、灵活等优点，它适用于单行或批量生产带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床，在机械行业中得到广泛应用。目前机械行业中使用摇臂钻床的控制系统多数是采用继电器—接触器控制方式，这种控制方式电路接线复杂、触点多，成本很高，系统的灵活性和扩展性都很差，长期使用后，噪声很大，工作速度缓慢，维修工作量大，故障率高，同时故障排查困难，常常影响企业正常生产。
可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）起源于20世纪60年代末，从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，开始逐渐适合于复杂系统的控制。PLC之所以有生命力，因为它更加适合工业现场和市场的要求：具有高可靠性、抗各种干扰的能力、编程使用简便、低价格和长寿命。
PLC与单片机相比，PLC的输入端和输出端更接于近工业现场设备，同时没有太多的中间部件，相比之下即节约了时间又节省了成本。PLC的输入端为继电器、晶闸管和晶体管等控制部件，输入端一般则是能人性化操作的微型计算机。操作工在使用它时,基本不需要微机方面进行专门的培训，就能很容易对可PLC进行操作及编程。
PLC与继电器—接触器相比同样具有许多优势，PLC具有结构简单，编程方便，调试周期短，可靠性高，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低等一系列优点，因此日益广泛应用于机械加工设备控制系统之中。利用PLC对摇臂钻床继电器控制电路进行改造，有助于提高设备的可靠性、使用率，降低设备故障率，提高生产效率,其经济效率显著。因此，本课题对Z3040摇臂钻床电气控制系统的改造，将把PLC控制技术应用到改造设计方案中去，取代传统接触器控制的方法,使得钻床的可靠性和效率大为提高,在工业上有广泛应用前景，因此对Z3040摇臂钻床控制系统PLC改造是非常必要的。
1.2 本课题国内外研究现状、水平和发展趋势
本课题为Z3040摇臂钻床控制系统PLC改造，不论从国外还是国内近年来看，都对本课题进行了大量的研究。本课题研究水平和发展趋势都基于PLC发展，因此PLC发展水平决定了本课题的发展趋势。
（1）PLC国外研究现状、水平和发展趋势
PLC产生到现在将近40余年，早期只是继电器控制装置的替代物。在器件选择上使用磁芯储存器、分立元件和中小规模集成电路，用于提高抗干扰能力，软件设计采用梯形图设计方法[5]，因此性能优于普通继电器——接触器控制装置。到20世纪七十年代中期至八十年代后期PLC开始走向成熟。微处理器的出现使PLC装置结构发生了很大变化。美国，日本，德国和其他国家的制造商开始使用的CPU的微处理器，它的性能大大提高。同时，在软件方面的功能更加强大。在原有计时、计数和逻辑功能的基础上增加了数据处理、算术运算、通讯、传送等功能，储存器的容量也变得更大，甚至PLC还能提供一定的数据寄存器、使其应用范围更加广阔。到20世纪八十年代中后期至90年代末，得益于超大规模集成电路技术迅速发展以及各厂商为PLC专门开发的专用逻辑处理芯片，PLC在软硬件方面都发生了巨大的变化,微处理器的芯片档次普遍提高。迈入21世纪之后，可编程控制器为了在ERP、MES和PCS的体系中立足，PLC软件、硬件和通信都向标准化发展，更好地满足工作生产的需求。
21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，随着微机技术、网络技术、通信技术等实用化技术的进一步发展，PLC向网络化、微型化、PC化和开放化展。产品规模的角度来看，进一步向超小型和超大型的方向发展；
从产品的配套性上看，多种产品将更加丰富，更完整的规范，完善的人机界面，通讯设施齐全
；
从网络发展方向来看，PLC和其它大型工业控制计算机网共同构成新型的控制系统。伴随着计算机网络的发展， PLC作为国际通用网络和自动化控制网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用[17]。正因为国外PLC水平发展相当迅速，应用前景也非常广泛，所以各国也投入大量的人力和物力采用PLC技术替代继电器—接触器系统。
（2） PLC国内研究现状、水平和发展趋势
上世纪70年代PLC开始进入我国，而且增长非常迅速，同时我国也曾组织相关研究所研究其关键技术，希望将其国产化，但由于后续研究力量和价格等原因，并没有成功实现。在过去十年中，越来越多的中小型设备由于PLC的价格下跌和用户需求不断扩大，开始采用PLC控制。国产PLC在技术特点基本西门子和三菱类似或与其兼容，如深圳三凌、罗阳易达、合信自动化、上海正航等。目前国产的PLC厂商众多，但是无论是从规模还是产品系列上都无法与国际大厂商抗衡，而且国内厂商主要集中于中小型PLC，其中生产中型的厂商主要有盟立、南大傲拓，深圳欧辰和亿维都是做西门子的配套模块[3]。从我国PLC总体技术分析，我国的PLC技术水平与发达国家相比落后10年左右，而在CPU系统结构技术、通讯网络及远程I/O技术、智能化模块技术、可靠技术、PLC批量生产技术等关键技术方面有大的差距。但随着PLC技术在我国的良好发展，将会和国外先进技术减小差距。因此，抓住这个有利时机进一步促进PLC技术的推广与应用，是提高我国工业技术水平的迫切任务。
国内PLC技术发展很快，同时也取得了不错的效益，但受到技术水平和经济发展的限制，国内很多企业使用Z3040摇臂钻床的控制系统仍然还是继电器—接触器控制方式，相对落后的控制方式，存在很多的缺点，使用极其不方便，很大程度影响工业生产的效率。
1.3 本课题的主要工作
本题目主要任务是对Z3040摇臂钻床控制系统PLC改造，改造后PLC控制系统要符合Z3040摇臂钻床原有控制要求，同时简化控制线路，提高系统可靠性和使用率,使逻辑修改和增加功能比较容易，增强系统的灵活性和扩展性。控制系统改造具体设计任务要求如下：
第一，对Z3040摇臂钻床的运动进行分析，结合钻床运动对电气控制系统的原理进行分析，主要是分析主电路、控制电路、信号和照明电路控制原理，主电动机的旋转控制原理，摇臂的升降控制原理，立柱和主轴箱的松开及夹紧控制原理。第二，Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC硬件设计，根据PLC的物理结构、指令功能、输入输出点数存储容量、输入模块的类型和输出模块的类型对PLC进行选型，对其分配I/O地址，并设计I/O电气接线图。第三，对Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC软件设计，设PLC控制的梯形图以及指令语句表，并调试。第四，对Z3040电气控制系统的电气元件的选择。
2 Z3040摇臂钻床电气控制系统原理分析
对于Z3040摇臂钻床电气控制系统的分析，需结合摇臂钻床的结构部分进行分析。首先，对结构部分进行分析，掌握每个机构运动情况和控制系统之间的关系；
其次，分析其控制要求，掌握控制系统需要做的工作；
最后，对主电路和控制电路进行详细的分析，掌握控制电路怎样控制电动机，从而控制摇臂钻床各种运动。
2.1 Z3040摇臂钻床简介
Z3040摇臂钻床适合于在大、中型零件上进行钻孔、扩孔、铰孔及攻螺纹等进行加工，在具有工艺装备的条件下还可以进行镗孔。Z3040摇臂钻床基本结构由底座、立柱、摇臂和主轴箱等几部分构成（如图2.1）。
图2.1 Z3040摇臂钻床结构图
1—底座 2—内立柱 3—外立柱 4—丝杠 5,6—电动机
7—摇臂 8—主轴箱 9—主轴 10—工作台
上图为摇臂钻床的结构图，工件固定在工作台之上，工作台放在底座之上，主运动和进给运动由电动机6驱动。主轴箱可以在摇臂来回移动，升降电动机5的驱动丝杠，再由丝杠传动，摇臂可以沿着立柱上下移动，外立柱可以围绕内立柱来回旋转。
Z3040摇臂钻床的具体技术参数如表2.1。
表2.1 摇臂钻床技术参数表
摇臂钻床 Z3040参数项目Z3040×13
钻孔最大直径mm
钢件30/铸铁40
主轴端面至工作台距离mm
260-1000
主轴中心至立柱母线距离mm
360-1300
主轴行程mm
200
主轴锥孔（莫氏）
4
主轴转速范围r.p.m
75-1220
主轴转速级数
6
主轴进给量范围r.p.m
0.10-0.25
主轴进给量级数
3
摇臂回转角度 °
360
主电机功率kw
3
升降电机功率 kw
1.5
机床重量kg
1700
外形尺寸mm
1800×810×2300
2.2 Z3040摇臂钻床控制要求
（1）Z3040型摇臂钻床具有主轴电动机、摇臂升降电动机、液压泵电动机和冷却泵电动机四台电动机。它的主轴旋转运动和进给运动都由主电动机拖动，两个运动都具有多级变速以适应不同工件的加工，进给变速结构和主轴变速结构都在主轴箱中，在加工螺纹时，主轴的正反转通过机械方式实现，所以主电机只需单向旋转。
（2）摇臂升降电动机需要正反转，同时摇臂在上下移动时必须保证摇臂松开了之后才能移动，停止移动之后才能夹紧。
（3）液压泵电动机必须实现正反转，通过压力油进入不同的油腔，完成摇臂、立柱和主轴的松紧，摇臂的回转和主轴箱的左右移动通常采用手动。
（4）此外还有一台冷却泵电动机对加工的刀而具进行冷却，只要求单向旋转；
同时必须具有连锁与保护环节以及安全照明、信号指示电路[5]。
图2.2 Z3040摇臂钻床控制系统原理图
2.2 Z3040摇臂钻床主电路的分析
在Z3040摇臂钻床控制系统主电路中，总共四个电动机控制钻床各种运动和冷却，分别为主电动机M1，摇臂升降电动机M2，液压泵电动机M3和冷却电动机M4（如图2.2）。
（1）低压断路器QF控制三相电源，冷却电动机M4输出功率一般很小，直接由开关SA1控制起停。
（2）电动机M1单向旋转通过接触器KM1控制，主轴的正反转是液压系统和机械系统同时控制，由于主运动输出功率较大，所以设有热继电器FR1作为过载保护。
（3）摇臂能上升和下降，电动机M2实现正反转，通过接触器KM2、KM3
来控制，同时设有热继电器FR2作为过载保护。
（4）液压泵电动机M3需要正反转，通过接触器KM4、KM5来控制，由于在松开和夹紧的时候都需要大功率的液压控制，所以设有热继电器FR3作为过载保护。
2.3 Z3040摇臂钻床控制电路的分析
在摇臂钻床控制电路中，控制电路主要是对主运动控制、摇臂升降的控制、主轴箱和立柱的松开及夹紧控制和控制电路的保护(如图2.2)。
2.3.1 主运动控制
按下起动按钮开关SB2，接触器KM1得电并自锁，主轴电动机M1起动并运转。按下停止按钮开关SB1，接触器KM1释放，主轴电动机M1停转。
2.3.2 摇臂上升或下降控制
按下上升（或下降）按钮开关SB3（或SB4），时间继电器KT得电，KT触头（14-15）闭合使接触器KM4得电，同时常开触头KM4（1-18）闭合，电磁阀YV得电，液压泵电动机M3接通电源正向旋转，供给压力油，压力油经二位六通阀进入摇臂松开油腔，压力油作用下，先推动活塞，通过活塞推动菱形块，进而使摇臂松开。待摇臂完全松开后，活塞缸中的活塞杆压下行程开关SQ2，使其常闭触点SQ2（7－14）断开，KM4线圈失电，电磁阀YV失电，电动机M3停止工作，同时，常开触点SQ2（8-9）闭合，接触器KM2（或KM3）线圈通电吸合，摇臂升降电动机M2启动正向旋转，使摇臂上升（下降）。
当摇臂上升（或下降）到预定工作位置时，松开上升（或下降）按钮开关SB3(或SB4)，则KT、KM2(或KM3)线圈断电，升降电动机M2停止转动。经延时，延时断电常闭按钮KT（18-19）闭合，KM5线圈得电，同时电磁阀YV得电，使液压泵电机M3反向旋转，压力油经另一条油路流入二位六通阀，进入摇臂夹紧油腔，反向推动活塞，在通过活塞推动菱形块，进而使摇臂夹紧。待摇臂夹紧后，活塞缸中的活塞杆压动行程开关SQ3，使常闭触点SQ3断开，KM5线圈失电，电磁阀YV失电，液压泵电动机M3停止工作，电磁阀YV复位。由于摇臂升降电洞机M3有一定的惯性，时间继电器的延时触头用来保证升降电机完全停转之后才夹紧。延时的时间视情况而定，一般在1-3秒，同时需要过载保护，过载保护由热继电器FR2完成[11]。
行程开关SQ1、SQ6用作上升和下降极限位置保护。若上升到极限位置，常闭触点SQ1断开,此时，可用SB4按钮使摇臂下降。若下降到极限位置，常闭行程开关SQ6断开，此时可用SB3按钮使摇臂上升。
2.3.3 主轴箱和立柱的松开及夹紧控制
立柱与主轴箱均采用液压操纵夹紧与放松，两者同时进行的，工作时要求电磁阀YV不通电。松开与夹紧分别由按钮开关SB5和按钮开关SB6控制。指示灯HL1、HL2指示其动作。
按下按钮开关SB5时，KM4线圈通电， M3正向旋转，此时YV没有的作用，当液压泵送出压力油，压力油通过二位六通阀进入立柱与主轴箱松开油腔，先推动活塞干，在通过活塞杆推动菱形块使主轴箱和立柱同时松开。当立柱和主轴箱同时松开后，行程开关SQ4不受压复位，常闭触头SQ4闭合，指示灯HL1亮，表明立柱与主轴箱已经松开。可以在摇臂上移动主轴箱，当移动到预定位置时，按下夹紧按钮开关SB6时，KM5线圈通电，M3电机反向旋转，液压泵供给压力油进入夹紧油腔，使立柱与主轴箱同时夹紧。当确定已经夹紧，压下行程开关SQ4，常闭触头SQ4断开，HL1灯灭，常开触头 SQ4闭合，HL2灯亮，表示立柱和主轴箱都已经夹紧。同时需要过载保护，过载保护由热继电器FR3完成[11]。
2.3.4 控制电路保护
行程开关SQ1和SQ6实现摇臂上升和下降的限位保护。行程开关SQ2被压下表示摇臂松开到位，可以实现上升和下降。行程开关SQ3被压下表示摇臂完全夹紧，液压泵电动机M3停止运转。断电延时继电器KT作用是防止摇臂由于惯性还在上升（或下降）时就将其夹紧。M2电动机正反转具有电气互锁，M3电动机正反转具有电气互锁。电磁阀YV线圈电路中串接按钮开关SB5和SB6的常闭触头，保证立柱与主轴箱松开、夹紧操作时，压力油只进入立柱主轴箱夹紧油腔而不进入摇臂夹紧油腔。
熔断器FU0-FU5实现电路的短路保护。热继电器FR1、FR2、FR3为电动机M1、M2、M3实现过载保护。
2.4 Z3040摇臂钻床信号和照明电路的分析
EL是机床照明灯，接有24V安全电压，由SA2手动开关控制。HL1是主轴与立柱松开指示灯，灯亮表示已经松开，可以手动移动摇臂或者主轴箱的移动。
HL2是主轴与立柱夹紧指示灯，灯亮表示已经夹紧，可以进行加工。HL3为主轴旋转指示灯。
3 Z3040摇臂钻床控制系统PLC硬件设计
在对摇臂钻床的控制分析过后，对于Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC改造，应先对于PLC的结构、功能和特点等进行介绍。PLC改造的方案设计部分有两部分组成，一部分为电气控制系统PLC硬件设计（PLC机型的确定、I/O端口地址的确定和接线图的设计）；
第二部分是电气控制系统PLC软件设计（PLC控制程序梯形图的绘制、程序指令编写和系统程序仿真）。PLC硬件设计具体方案如下：
3.1 PLC的简介
可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)是以微处理为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的新产品。早期的可编程控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制，因此称为可编程逻辑控制器，简称PLC，随着技术的发展，现代的PLC的功能已经超越了逻辑控制的范围，PLC从诞生至今，仅有40余年的历史，但是得到了异常迅猛的发展，并曰CAD/CAM、机器人技术一起被誉为当代工业自动化的三大支柱之一[6]。
PLC是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：电源、中央处理单元(CPU)、存储器和输入输出模块。具体结构如图3.1
3.1图 PLC结构图
PLC工作方式是周期扫描的工作方式，一个扫描周期主要可分为3个阶段输入采样阶段、在程序执行阶段和输出刷新阶段。PLC的基本技术指标主要由存储容量、扫描速度、I/O点数和编程语言四部分构成。同时PLC具有功能完善、模块化结构、硬件和软件开发周期短、维护操作方便、扩展容易性能稳定和可靠性高等特点。由于具有诸多优势PLC在国内外已广泛用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力，机械制造、汽车装卸、造纸、纺织、环保及娱乐等各行各业
3.2 PLC的选型
目前PLC市场不论在国内还是国外都非常火热，市场上PLC种类也很多，具有很强竞争力的有三菱公司、西门子公司、欧姆龙公司。这些公司产品质量和产品服务都属于一流，同样产品种类也很齐全（三菱公司的产品有FX系列、A系列、ANS系列、Q系列、QNA系列等西门子公司的产品有S7-200、 S7-300、S7-400）。本课题PLC选型主要从PLC的物理硬件结构、PLC的输入输出点数和PLC的存储容量3种条件进行选取。
（1） PLC的物理硬件结构
根据物理硬件结构的不同，PLC分为整体式、插件式和叠装式。整体式的较其他两种结构相对便宜，小型电气控制系统一般使用整体式可编程控制器。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。因此，Z3040摇臂钻床电气控制系统的PLC选用整体式结构的PLC[8]。
（2） PLC的输入和输出点数
在对其改造中在条件允许的情况下尽可能利用原有电器元件，最大程度利用资源。通过对原有电路来确定输入点数，其中：按钮6个，行程开关6个，热继电器常闭3个，共15个输入端口点数，所以PLC的输入点数必须大于15个；
接触器6个，信号灯3个，共计9个输出端口点数，所以PLC的输出点数必须大于9个，一般情况下还要保留10%-15%的裕量。
（3） PLC的存储容量
选择PLC存储器容量要有25%左右裕量，PLC存储器容量的估算方法：对于仅有开关量输入和输出点数乘以8，就是所需PLC存储器的存储容量（单位为bit）即
（15+9）×8=192 bit
根据上述3种选取的原则，综合选取三菱公司的FX2N系列，FX2N是FX系列中规格最大、性能最高、功能最强的一种系列，可用于大多数单机控制或网络控制，具有CPU运算速度很快、I/O扩展容易、编程功能与网络通信都很强等特点。
Z3040钻床控制系统为继电器输出，输入和输出点数分别为15个和9个，在选择FX2N系列PLC基本单元规格时，选择24点输入/24点继电器输出，交流电源型PLC基本单元，基本单元具体型号参数为FX2N-48MR-001。其中48表示24输入和24个输入；
M为基本单元的符号；
R为继电器输入；
001代表交流供电。FX2N的具体性能规格如下表（表3.1）。
表3.1 FX2N性能规格表 [10]
项目
性能
编程语言
指令表、梯形图、步进梯形图（SFC图）
用户存储器容量
内置EEPROM：8K步;存储器盒：16K步
基本逻辑控制指令
顺控指令：27条；
步进梯形图指令:2条
应用指令
132种，309条
指令处理速度
基本逻辑控制指令：每条0.08US
I/O点数
最大I/O点数：256
辅助继电器
一般用
MO~M383，共500点
保持型
M384~M1535，共2572点
特殊用
M8000~M8255,共256
状态元件
初始状态
S0~S9，共10点
一般状态
S10~S499，共490点
保存区域
S500~S899，共400点
定时器
100MS
TO~T199，T250~T255，共206点
10MS
T200~T245,共46点
1MS
T246~249,共4个点
计数器
16位通用
C0~C99，共100点
16位保持
C100~C199，共100点
32位通用
C200~C219，共20点
32位保持
C220~C234，共15点
32位高速
C235~C255,可使用8点
数据寄存器
16位通用
D0~D199,共200点
16位保持
D200~D7999，共7800点
文件寄存器
D1000~D7999，共7000点
16位特殊
D8000~D8195，共106点
16位变止
V0~V7，Z0~Z7，共16点
指针
跳转用
P0~P127，共128点
嵌套
主控用
NO~N7，共8点
常数
16位：-32758~+32767:；
32位-2147483648~+2147483647
16位：0~FFFF; 32位0~FFFFFFFF
3.3 PLC输入与输出端口地址的分配
当确定选取的型号之后，根据Z3040摇臂钻床控制系统原理图，进行I/O点的端口分配，表3.2是I/O地址分配表。
表中输入端有15个输入端口，由有6个按钮开关、5个行程按钮和3个热继电器开关共同组成；
输出端有9个输出端口，由5个继电器-接触器、一个电磁阀线圈和3个指示灯共同组成。具体PLC输入与输出见I/O地址分配表（表3.2）。
表3.2 I/O(输入、输出）地址分配表
序号
I（输入）
O（输出）
1
SB1
X000
KM1
Y000
2
SB2
X001
KM2
Y001
3
SB3
X002
KM3
Y002
4
SB4
X003
KM4
Y003
5
SB5
X004
KM5
Y004
6
SB6
X005
YA
Y005
7
SQ1
X006
HL1
Y006
8
SQ2
X007
HL2
Y007
9
SQ3
X010
HL3
Y010
10
SQ4
X011
11
SQ5
X012
12
SQ6
X013
13
FR1
X014
14
FR2
X015
15
FR3
X016
3.4 PLC电气接线图设计
当对Z3040摇臂钻床电气控制系统I/O端口地址分配之后，接下来进行电气接线图的设计。
开关量输入输出模块的外部接线分为汇点式和分离式两种，汇点式各输入输出回路有一个公共端，并共用一个电源。分离式各输入输出回路有多个接线端，并由单独电源供电，每个点之间是相互独立的。由于输入端有15个输入点数，并且输入电压较低，所采用汇点式直流模块；
输出端有9个输出点数，但要求的电压较高，所采用分离式输出，采用3个COM输出。输入端或输出端有感性元件，应在它们两端并联续流二极管，以仰止电路断开时产生的电弧对PLC的影响。续流二极管可以选用1A的管子，其额定电压应大于电压电压的3倍。具体的接线图3.2。
图3.2 硬件接线图
4 Z3040摇臂钻床控制系统PLC软件设计
对Z3040摇臂钻床控制系统PLC硬件设计时，提到本设计的方案由两部分组成，一部分为硬件设计，那另一部分为软件设计。本章节主要对于软件设计的分类、控制系统梯形图设计和程序的仿真。
4.1 PLC软件设计方法的分类
PLC软件设计分为继电器梯形图、逻辑功能图、功能流程图、逻辑代数表达式和指令程序指令表五种表达方式。
（1）继电器梯形图
继电器表达方式与传统的继电器电路图非常相似，对于广大电气技术人员及操作维护人员来说非常直观、形象，并且能更快、更好的接受。
梯形图按自上而下，从左到右的顺利排列。每个继电器线圈为一个逻辑行，即一层阶梯，每个逻辑行起于左母线，然后是触点的各项各种连接，最后终止于继电器线圈（通常加上一条右母线），整个图形呈阶梯状。梯形图是形象化的编程手段，因而梯形图中没有真实的物理电流，而只有“概念”电流只能从左到右流动，层次的改变只能先上后下。
（2）逻辑功能图
逻辑功能图基本上沿用了半导体逻辑电路的逻辑图来表达。这种方式易于描述较为复杂的控制功能。它表达直观，查错查漏都比较容易，因此，它就编程时常使用的一种方式，但它必须采用带有显示屏的编程器才能描述。
（3）功能流程图
功能流程图类似于计算机常用的程序框图，但它有自己规则。描述控制过程详尽具体，包括每框前的输入信号，框内的工作内容，框后的输出状态，框与框之间的转换条件。这种方式容易构思，是一种常用的程序表达方式。
（4）逻辑代数表达式
可以对前两种方式写出输出信号和中间变量的逻辑表达式。这是一种辅助的程序设计方式。
（5）指令语言程序
指令语句程序利用类似于汇编语言的指令语句来编程。这对熟悉微机汇编语言的编程者特别容易接受。编程设备简单，通常都预先用以上几种方式表达，然后改成相应的语句[11]。
PLC软件设计运用的表达方式，通常都是以上几种表达方式的组合，从而达到最好设计效果。
4.2 控制系统梯形图设计
为了使Z3040摇臂钻床在进行电气控制系统改造后仍能够完成原有的工作需要，本基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的PLC程序应由电气控制系统预开程序、主电动机的起动和停止控制程序、摇臂升降控制程序即升降电动机的正反转控制程序、立柱和主轴箱的松开与夹紧控制程序即液压泵电动机的正反转程序、信号的显示程序、照明控制程序等部分组成。绘制梯形图用是GX developer7.0软件，该产品同样是三菱开发的软件。
4.2.1 主轴电动机控制梯形图
主轴电动机只需要单方向旋转，按钮开关SB1(即X001)为起动按钮，启动后KM1(Y000)线圈得电，主电动机正转，同时KM1实现自锁，SB2(即X000)为停止按钮，过载保护由热继电器FR1(即X014)完成。梯形图程序如图4.1所示。
图4.1 主轴电动机M1控制梯形图
4.2.2 摇臂升降控制梯形图
摇臂升降控制程序按下上升按钮开关SB3（即X002）或SB4(即X003)，中间继电器M100或M101得电，同时置位元件SET 使中间继电器M20或M21置位，由于M100或M101得电，即瞬动常开触头KT，线圈KM4(即Y003)得电，同时常开触点KM4（1-18）得电闭合，电磁阀YV(即Y005)通电，液压泵电动机M3接通电源正转。当摇臂完全松开后，SQ3（X010）恢复常态闭合，活塞缸中的活塞杆压下行程开关SQ2(即X007)，其常闭触点SQ2断开，使接触器KM4（Y003 ）线圈失电，液压泵电动机M3停止工作，同时常开触点SQ2闭合，接触器KM2（即Y001）或KM3(即Y002)线圈得电，升降电动机M2接通电源正转或反转，使摇臂上升或下降。待摇臂上升或下降到相应预定位置，松开按钮开关SB3或SB4，KM2或KM3线圈断电，但此时电动机还有惯性作用，还在继续上升，所以必须在摇臂上升或下降停止以后才能夹紧，缓冲的时间需要3秒左右。在SB3或SB4松开之后，计数器T0或者T1开始计时，计数到30也是3秒时，T0或T1的常开开关闭合，KM5(即Y004)线圈得电，电磁阀YV得电，液压泵电机M3接通电源反转。摇臂夹紧后，活塞缸中的活塞杆压动行程开关SQ3(X010)，使常闭触点SQ3断开，KM5和YV失电，液压泵M3断电停止工作，电磁阀YV复位，同时复位元件RST使M20或M21复位。同时需要过载保护，过载保护由热继电器FR2(即X016)完成。升降运动具体工作流程如功能流程图4.2和图4.3，摇臂升降梯形图程序如图4.4所示。
图4.2摇臂上升功能流程图
图4.3摇臂下降功能流程图
图4.4 摇臂升降控制梯形图
4.2.3 主轴箱和立柱松开、夹紧梯形图
立柱与主轴箱均采用液压操纵夹紧与放松，两者同时进行的。松开与夹紧分别由松开按钮开关SB5（即 X004）和夹紧按钮开关SB6(X005)控制。按下按钮 SB5开关时，KM4线圈通电，液压泵M3电机正转，立柱与主轴箱松开。当立柱与主轴箱松开后，可以手动操作主轴箱在摇臂的水平导轨上移动。当移动到位，按下夹紧按钮开关SB6时，KM5线圈通电，液压泵M3电机反转，使立柱与主轴箱同时夹紧。当确定已经夹紧，可以进行钻削加工, 同时需要过载保护，过载保护由热继电器FR3(X017)完成。梯形图程序如图4.5所示。
图4.5 主轴箱和立柱松开、夹紧梯形图
4.2.4 信号指示梯形图
HL1(即Y006)是主轴与立柱松开指示灯，通过的常闭行程开关控制，灯亮表示已经松开，可以手动移动摇臂或者推动摇臂回转。HL2(即Y007)是主轴与立柱夹紧指示灯，通过的常开行程开关控制，灯亮表示已经夹紧，可以进行加工。HL3(即Y010)是主轴旋转示灯，通过线圈KM1(Y000)控制，灯亮表示主轴开始旋转。梯形图如4.6所示。
图4.6信号指示梯形图
4.2.5 摇臂钻床控制系统梯形图
上述四个控制系统图分别是主轴电动机M1控制梯形图、摇臂升降控制梯形图、主轴箱和立柱松开和夹紧梯形图信号指示梯形图。四个控制单元一起相互组合、相互作用构成了Z3040摇臂钻床的控制程序，使其摇臂钻床完成各种加工任务。图4.7是Z3040摇臂钻床控制系统的梯形图。
图4.7摇臂钻床控制系统梯形图
4.3 控制系统语句表
PLC的指令语句程序是利用类似于汇编语言的指令语句来编程，编程简单易懂，对于编程者特别容易接受。通过设计出梯形图（图4.7）得出控制系统程序语句表。
4.4 控制系统仿真
对梯形图设计完之后，通过三菱GT design软件设计出摇臂钻床的仿真界面，把输入输出端口与相对应按钮和接触器联系起来。仿真界面设计完成之后，在从GX Developer软件中调出梯形图，并点击逻辑测试，然后打开GT simulator软件调出开始设计的界面，此时就进入进行仿真界面。可以模拟摇臂钻床电机得电旋转情况。以下具体介绍对Z3040摇臂钻床几种运动方式的仿真。
4.4.1 主电动机的仿真
对于主电动机的仿真，当按下启动按钮SB2，主电机M1马上得电，并且由于自锁的作用，主电动机一直得电，主电机开始旋转，主电机旋转按钮灯也亮起（如图4.8）。
图4.8 主电动机仿真图
4.4.2 摇臂上升和下降的仿真
摇臂上升或下降时，一直先按下SB3或SB4，让中间继电器得电，进而液压泵电机正转和电磁阀YV得电，从而使摇臂首先松开（如图4.9）。
图4.9 摇臂夹紧仿真图
当摇臂完全松开之后，液压泵电动机和电磁阀失电，一直按下SB3或SB4摇臂升降电动机正转或反转，摇臂上升或下降，下图为摇臂上升图（如图4-10）。
图4.10 摇臂上升仿真图
当摇臂上升或者下降到预定位置的时候，松开SB3（或SB4），这时由于摇臂有惯性作用，仍然还在上升。当延时3秒之后，液压泵电动机反转，同时电磁阀YV得电，这里摇臂夹紧，当夹紧到之后，行程开关常闭行程开关SQ3压下，液压泵电机停止转动和电磁阀YV失电（如图4-11）。
图4.11 摇臂夹紧仿真图
4.4.3 主轴和立柱夹紧与放松仿真
当主轴和立柱需要松开的时候，按下SB5，液压泵电动机正转，同时电磁阀YV不能得电（如图4.14）。
图4.12 主轴和立柱松开仿真图
当主轴和立柱需要夹紧的时候，按下SB6，液压泵电动机反转，同时电磁阀YV不能得电（如图4.13）。
图4.13 主轴和立柱夹紧仿真图
5 主要电气元件及选择
Z3040摇臂钻床额定工作电压为380V，主电动机M1功率为3KW，摇臂升降电动机M2功率为1.5KW，液压泵电动机M3功率为0.75KW，冷却电动机M4功率为90W。摇臂钻床主要有低压电路器、接触器、继电器和熔断器和开关按钮等电气元件。
5.1 低压断路器
低压断路器又称为自动空气开关，它相当于刀闸开关、熔断器、热继电器和欠电压继电器的组合体，是一种自动切断电路故障用的保护电器。低压断路器具有万能式低压断路器、装置式断路器、快速断路器和限流断路器四种形式。
5.1.1 低压断路器的选择原则
(1）低压断路器的额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备正常的工作电压和工作电流。
（2）低压断路器的极限通断能力应大于或等于电路最大短路电流。
（3）欠电压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压。
（4）过电流脱扣器额定电流大于或等于线路的最大负载电流。
（5）断路器类型的选择，应根据电路的额定电流及保护的 要求开选用[16]。
5.1.2 低压断路器的选择
根据以上选择原则，分别求出4台电动机的额定电流，从而得出负载的工作电流（既为4台电动机的额定电流之和）。
主电动机的额定电流为：
式（5.1）
式中：PN－电动机功率（kW）。
UN－电动机额定线电压（V）
－电动机功率因数，其值大约在0.85～0.9之间。
η－电动机的效率，其值一般在0.8～0.9之间。
功率因素选择取0.85，电动机效率η取0.82
同理得出摇臂升降电动机额定电流I2N的额定电流为为3.26A，液压泵电动机额定电流I3N为1.63A，冷却电动机额定电流I4N为0.20A。
式（5.2）
故选择DZ40-40/2901，16A型低压断路器。
5.2 接触器
接触器是用来接通或断开电动机或其他负载主电路的一种控制元件。它是利用电磁力使开关或闭合的电器，适用于频繁操作（频率大于每小时1500次）的远距离控制大电流电路。根据主触点所接回路的电流种类，接触器分为直流接触器分为直流接触器和交流接触器两种。
5.2.2 接触器的选择原则
为了保证系统的正常工作，必须根据以下原则正确选择接触器，使接触器的技术参数满足控制线路的要求。
（1）接触器的类型应根据电路中负载电流的种类来选择。即交流负载应选用交流接触器，直流负载应选用直流接触器。
根据使用类别选用相应系列产品，接触器产品系列是按使用类别设计的，所以应根据接触器负担的工作任务来选择相应的使用类别。若电动机承受一般任务，其接触器可选AC-3类；
若承担重任务可选用AC-4类，如选用AC-3类用于重任务时，应降低容量使用。
（2）接触器的额定电压大于等于主电路的额定电压。
（3）按接触器设计时规定的使用类别使用时，接触器的额定电流应等于或稍大于负载额定电流；
按任务使用类别设计的接触器，用于重任务使用类别时，应降低容量使用；
用于反复短时工作制的接触器，其额定电流应大于负载的等效发热电流。
（4）接触器线圈的额定电压必须与接入此线圈的控制电路的额定电压相等[16]。
5.2.2 接触器的选择
（1）接触器KM1的选择
主轴电动机不需要承受过大的负载任务，只需要起动、停止的控制。因此选择AC3类接触器；
主电动机M1额定电流I1N为6.5A主电动机的功率为3KW，考虑到留有一定余量故选CJ10-10型，线圈电压110V。
（2）其他接触器的选择
由于其他电动机的负载任务都不重，所以都选择AC类接触器。升降电动机的额定电流为3.26A，功率为1.5KW，接触器KM2选择 CJ10-10线圈电压110V ，同样接触器 KM3选择 CJ10-10线圈电压110V。液压泵电动机的额定电流为1.63A，功率为0.75KW，接触器 KM4选择CJ10-5线圈电压110V， 接触器KM5选择CJ10-5线圈电压110V。
5.3 热继电器
热继电器在三相交流电流中做过载保护，电动机在实际运行时会出现过载的时候，只要过载并不严重，时间较短，绕组不超过允许温升，这种过载是允许的，但是不允许长时间的过载，这种情况会加速电机的老化，烧毁绕组。所以在发挥电动机的过载能力时还是必须设置过载保护。
5.3.1 热继电器选用原则
热继电器选用是否得当，直接影响着对电动机进行过载保护的可靠性。通常选用时应按电动机类型、工作环境、启动情况等几方面综合加以考虑。
电动机的额定电流必须小于热继电器的额定电流，然后根据额定电流对热继电器的型号进行选择。
式（5.3）
式中：IFRN－热继电器热元件的整定电流；
IMN－电动机额定电流；
在不频繁启动场合，要保证热继电器在电动机的启动过程中不产生误操作。通常，当电动机启动电流为额定电流6倍以及启动时间不超过6s时，若很少连续启动，选择热继电器时按照电动机的额定电流[16]。
5.3.2 热继电器的选择
（1）主轴电动机热继电器FR1的选择。
因为热继电器额定电流为电动机额定电流的0.95～1.05倍，考虑到倍数变化的幅度不是很大，这里倍数选取1。
式（5.4）
故选用热继电器的FR1型号为JR0-40，热元件额定电流调节范围6.4A～10A，额定电流取6.5A。
（2）摇臂升降电动机热继电器FR2的选择
式（5.5）
故选用热继电器FR2的型号为JR0-40，热元件额定电流调节范围2.5A～4A，额定电流取3.26A。
（3）液压泵电动机热继电器FR3的选择
式（5.6）
故选用热继电器FR3的型号为JR0-40，热元件额定电流1.6A～2.5A，取1.63A 。
5.4 时间继电器
时间继电器的指从得到输入信号（线圈的通电或断电）开始，经过一段时间才输出信号（触点的闭合或断开）的继电器。时间继电器的种类有很多，常用的有电磁式、空气阻尼式和晶体式等。下面重点介绍常用的电磁式时间继电器、空气阻尼式时间继电器和晶体式时间继电器。
5.4.1 时间继电器的选择原则
（1）时间继电器的类型应根据电路中负载电流的种类来选择。即交流负载应选用交流交流时间继电器，直流负载应选用直流时间继电器。
（2）时间继电器额定电压大于等于主电路的额定电压。
（3）时间继电器额定电流应等于或稍大于负载额定电流；
（4）时间继电器线圈的额定电压必须与接入此线圈的控制电路的额定电压相等[16]。
5.4.2 时间继电器的选择
由于主电路为380V交流电源，控制电路吸引线圈电压为110V，所以时间继电器KT选择交流LS7-3A型空气阻尼式时间继电器，110V吸引电压，触点额定电流为5A。
5.5 熔断器
熔断器又称保险丝（或保险丝），主要用于供电线路和电气设备的短路保护。它的有点是体积小、动作快、简直经济，并且有限短路电流的作用。它的缺点是易受到周围温度的影响，工作不够稳定，容易在正常工作时发生一相熔断，造成电动机单相运动，使电动机烧毁。
5.5.1 熔断器的选择原则
（1）熔断器的类型应根据线路的要求、使用场合几安装条件进行选择。
（2）熔断器的额定电压必须等于或高于熔断器工作点的电压。
（3）熔断器的额定电流根据被保护的电路（支路）及设备的额定负载电流选择。熔断器的额定电流必须等于或高于所装熔体的额定电流。
（4）熔断器的额定分断能力必须大于电路中可能出现的最大故障电流。
（5）熔断器所装熔体额定电流的选择：
对于照明线路等没有冲击电流的负载，应使熔体的额定电流等于或稍大于电路的电流，既IFU≥IN，式中IFU为熔体的额定电流，IN为电路的工作电流。
对于单电动机类负载，要考虑起动冲击电流的影响，应按下式计算
式（5.7）
对于多电机负载，根据电气元器件选型原则可知，多台长期工作的电动机共用熔断器时，熔断器的额定电流应为：
式（5.8）
式中—熔体额定电流；
—电动机额定电流；
—容量最大的电动机的额定电流；
—除容量最大的电动机之外，其余电动机的额定电流之和
5.5.2 熔断器的选择
由于Z3040摇臂钻床启动时属于轻载启动且启动时间比较短，所以系数取2则根据以上公式熔断器FU0额定电流：
式（5.9）
考虑到用于保护多台电动机的熔断器，在出现尖峰电流时也不应熔断，为了安全起见通常实际上选用的熔断器的额定电流要比计算出来的值稍大，所以本次设计总电源熔断器型号为RL1-60，熔体额定电流选用25A的。
同理得出熔断器FU1的熔体额定电流为 A，所以选择熔断器的型号为RL15，熔体额定电流为10A。其余熔断器型号见表6.1所示。
5.6 主令电器
主令电器是用来发布命令、改变控制系统工作状态的电器，用以控制电力拖动系统中电动机的启动、停车、制动以及调速等。主令电器科直接作用于控制电路。也可以通过电磁式电器直接作用于控制电路。其主要类型有按钮、行程开关、万能转换开关、主令控制器、脚踏开关等。
5.6.1 按钮开关的选择
控制按钮简称按钮，是一种结构简单使用广泛的手动主令电器，在控制电路中作为远距离手动控制电磁式电器，也可以用来转换各种信号电路和电器连锁电路等[16]。
按钮开关的工作原理很简直，当按下按钮时，先断开常闭触点，而后接通常开触点。按钮释放后，在复位弹簧作用下使触点复位。按钮开关的种类很多，有LA2、LA18、LA19、LA20、LA25等系列，同时每种系列开关都具有不同的颜色，可以区别不同功能的开关。
本设计选择LA19系列，LA19系列为按钮开关与信号灯的组合，按钮开关与信号灯的组合，按钮兼作信号灯灯罩，用透明塑料制成。
5.6.2 行程开关的选择
行程开关用于控制运动机构的行程、信号转换、连锁等，主要用于检测工作机械的位置，发出命令以控制其运动方向或行程长短。行程开关也称位置开关。
行程开关从结构形式上分为直动式、滚动式和微动式三种，常用的直动式行程开关有LX1系类和JLXK1系列；
滚动式行程开关有LX2系列和JLXK2系类；
微动式行程开关有LXW-11系列和JLXK1-11系列[16]。
本设计选择JLXK1系列，JLXK1系列额定电压为500V，额定电流为5A，触点数量分别由一个常开和常闭。
除了上述电气元件之外，还有转换开关、变压器、指示灯等其他电气元件(如表6-1)。
下表为Z3040摇臂钻床控制系统电气元件表。
表6.1电气元件表
符号
名称
型号规格
用途
数量
M1
电动机
Y100L2-3.0kW
驱动主轴及进给
1
M2
电动机
Y90L-4 1.5kW
驱动摇臂升降
1
M3
电动机
Y802-4 0.75kW
摇臂、立柱和主轴箱松开、夹紧
1
M4
电动机
AOB-25 90W
驱动冷却泵
1
QF
低压断路器
DZ40-40/2901
总电源输入
1
KM1
接触器
CJ10-10型，线圈电压110V
主轴电动机启、停
1
KM2
接触器
CJ10-10型，线圈电压110V
摇臂升降电动机正转
1
KM3
接触器
CJ10-10型，线圈电压110V
摇臂升降电动机反转
1
KM4
接触器
CJ10-5 型，线圈电压110V
液压泵电动机正转
1
KM5
接触器
CJ10-5 型，线圈电压110V
液压泵电动机反转
1
FR1
热继电器
JR06-20
主电动机过载保护
1
FR2
热继电器
JR06-20
升降电动机过载保护
1
FR3
热继电器
JR06-20
液压泵电动机过载保护
1
KT
时间继电器
LS7-3A
摇臂上升延时夹紧
1
FU0
熔断器
RL1-60 20A
总线路保护
1
FU1
熔断器
RL1-15 10A
线路保护
1
FU2
熔断器
RL1-15 10A
线路保护
1
FU3
熔断器
RL1-15 5A
线路保护
1
FU4
熔断器
RL1-15 2A
线路保护
1
FU5
熔断器
RL1-15 2A
线路保护
1
SB1
按钮开关
LA19
主轴电机停止
1
SB2
按钮开关
LA19
主轴电机启动
1
SB3
按钮开关
LA19
摇臂上升
1
SB4
按钮开关
LA19
摇臂下降
1
SB5
按钮开关
LA19
立柱和主轴箱的松开
1
SB6
按钮开关
LA19
立柱和主轴箱的夹紧
1
SA1
转换开关
LW6
冷却电动机控制
1
SA2
转换开关
LW6
照明灯的控制
1
SD1
行程开关
JLXK1
摇臂上升极限位置保护
1
SD2
行程开关
JLXK1
摇臂松开到位
1
SD3
行程开关
JLXK1
摇臂夹紧行到
1
SD4
行程开关
JLXK1
立柱和主轴箱松紧
1
SD5
行程开关
JLXK1
主行程开关
1
SD6
行程开关
JLXK1
摇臂下降极限位置保护
1
HL1
指示灯
XD1
立柱松开指示灯
1
HL2
指示灯
XD1
立柱夹紧指示灯
1
HL2
指示灯
XD1
主电机旋转指示灯
1
EL1
照明灯
JC-25
照明
1
TC
变压器
BK-150 380/110-24-6
控制、指示电路电源电压
1
6 总 结
毕业设计是大学学习最后重要的阶段，也是最重要的阶段，它对我们四年以来所学知识的一个综合检验，同时毕业设计锻炼我们所学知识同实际问题相结合的能力。对于Z3040摇臂钻床控制系统PLC的改造，把原有继电器——接触器控制系统改造为性能等各方面更加优化的PLC控制系统，进而实现了Z3040摇臂钻床的自动化控制，设计时解决各种问题时，需要查阅大量的文献资料，因此增加了自己的知识量和检索知识的速度，同时锻炼分析问题和解决问题的能力，这也是完成毕业设计应该具备的能力。这些知识的扩展和能力的增强是我在大学期间很大的收获，为今后走向工作岗位奠定了很好的基础。
Z3040摇臂钻床控制系统的PLC改造，涉及了机械和电气两个学科的知识，首先Z3040摇臂钻床控制系统线路和PLC特点分析，其次根据其原理和特点完成PLC的选型、I/O端口地址的分配及接线图绘制、系统梯形图的设计和程序指令表编写和控制系统仿真，最后对控制系统主要电气元件的选择。
Z3040摇臂钻床的控制系统通过PLC的改造，控制系统的变得简单、编程方便，调试周期短，可靠性高，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低等一系列优点。从而提高了机床的工作性能和工作效率，提高了产品的加工质量，提高了生产率，提高了企业的市场竞争力。
由于时间和所学知识的有限，本设计还有许多问题有待以后完善。第一，没有对电动机的调速问题进行研究，其中主电动机、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，第二，钻床的控制也不属于全自动控制，摇臂必须用手来移动不能精确的移动。第三，对控制系统没有进行抗干扰分析，在工厂车间会有噪声和温度的等外部干扰因素会对PLC控制系统有影响，使得系统不太稳定。这些问题需要在以后的学习工作中进一步完善。
参 考 文 献
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致 谢
第二篇: Z32K型摇臂钻床变速箱设计
摘 要
本次毕业设计是以Z3040-13摇臂钻床为参考机型，对主轴控制系统进行了液压系统进行设计。该系统设计主要是实现主传动和进给传动的低速运转，且实现低速段的无级变速，高速段可采用机械无级变速，其间配以齿轮传动过渡。在本次设计过程中首先了解该钻床的运动形式，然后确定液压传动系统采用限压试变量泵与调速调速阀组成的调速回路实现了执行机构数的稳定，功率损失小，发热小效率高。在辅助元件的选择上大量采用了标准件，由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化使得液压传动装置的重量轻、结构紧凑、简单、惯性小、传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。且使得整个液压系统整体结构简化，缩短制造周期，同时实现在加工过程中的无极变速。
关键字:Z3040摇臂钻床、主轴控制、液压传动、无级变速
1 绪论液压传动是以流体（液压油液）为工作介质，在密闭容器内进行能量的转换、调节控制和传递的一种传动形式。液压传动所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理，就是说，液体各处的压强是一致的，这样，在平衡的系统中，比较小的活塞上面施加的压力比较小，而大的活塞上施加的压力也比较大，这样能够保持液体的静止。所以通过液体的传递，可以得到不同端上的不同的压力，这样就可以达到一个变换的目的。我们所常见到的液压千斤顶就是利用了这个原理来达到力的传递[2]。
图1-1 液压传动基本原理
液压作为一个广泛应用的技术，在未来更是有广阔的前景。随着计算机的深入发展，液压控制系统可以和智能控制的技术、计算机控制的技术等技术结合起来，这样就能够更多的场合中发挥作用，也可以更加精巧的、更加灵活地完成预期的控制任务。
1.1 液压系统在工程中的应用液压传动相对于机械传动来说，是一门新技术。自1795年制成第一台水压机起，液压技术就进入了工程领域，1906年开始应用于国防战备武器。第二次世界大战期间，由于军事工业迫切需要反应快和精度高的自动控制系统，因而出现了液压伺服系统。20世纪60年代以后，由于原子能、空间技术、大型船舰及计算机技术的发展，不断地对液压技术提出新的要求，液压技术相应也得到了很大发展，渗透到国民经济的各个领域中。在工程机械、冶金、军工、农机、汽车、轻纺、船舶、石油、航空、和机床工业中，液压技术得到普遍应用。近年来液压技术已广泛应用于智能机器人、海洋开发、宇宙航行、地震预测及各种电液伺服系统，使液压技术的应用提高到一个崭新的高度。目前，液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声和高度集成话等方向发展；
同时，减小元件的重量和体积，提高元件寿命，研制新的传动介质以及液压传动系统的计算机辅助设计、计算机仿真和优化设计、微机控制等工作，也日益取得显著成果。
解放前，我国经济落后，液压工业完全是空白。解放后，我国经济获得迅速发展，液压工业也和其它工业一样，发展很快。20世纪50年代就开始生产各种通用液压元件。当前，我国已生产出许多新型和自行设计的系列产品，如插装式锥阀、电液比例阀、电液伺服阀、电液脉冲马达以及其它新型液压元件等。但由于过去基础薄弱，所生产的液压元件，在品种与质量等方面和国外先进水平相比，还存在一定差距，我国液压技术也将获得进一步发展，它在各个工业技术的发展，可以预见，液压技术也将获得进一步发展，它在各个工业部门中的用应，也将会越来越广泛。
现代机械一般多是机械、电气、液压三者紧密联系，结合的一个综合体。液压传动与机械传动、电气传动并列为三大传统形式，液压传动系统的设计在现代机械的设计工作中占有重要的地位。
1.2 液压传动系统的优缺点液压传动中所需要的元件主要有动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件等。其中液压动力元件是为液压系统产生动力的部件，主要包括各种液压泵。液压泵依靠容积变化原理来工作，所以一般也称为容积液压泵。齿轮泵是最常见的一种液压泵，它通过两个啮合的齿轮的转动使得液体进行运动。其他的液压泵还有叶片泵、柱塞泵，在选择液压泵的时候主要需要注意的问题包括消耗的能量、效率、降低噪音。
除了上述的元件以外，液压控制系统还需要液压辅助元件。这些元件包括管路和管接头、油箱、过滤器、蓄能器和密封装置。通过以上的各个器件，我们就能够建设出一个液压回路。所谓液压回路就是通过各种液压器件构成的相应的控制回路。根据不同的控制目标，我们能够设计不同的回路，比如压力控制回路、速度控制回路、多缸工作控制回路等。
液压传动的应用性是很强的，比如装卸堆码机液压系统，它作为一种仓储机械，在现代化的仓库里利用它实现纺织品包、油桶、木桶等货物的装卸机械化工作。也可以应用在万能外圆磨床液压系统等生产实践中。这些系统的特点是功率比较大，生产的效率比较高，平稳性比较好。
1.2.1 优点
1) 传动平稳 在液压传动装置中，由于油液的压缩量非常小，在通常压力下可以认为不可压缩，依靠油液的连续流动进行传动。油液有吸振能力，在油路中还可以设置液压缓冲装置，故不像机械机构因加工和装配误差会引起振动扣撞击，使传动十分平稳，便于实现频繁的换向；
因此它广泛地应用在要求传动平稳的机械上，例如磨床几乎全都采用了液压传动。
2) 质量轻体积小 液压传动与机械、电力等传动方式相比，在输出同样功率的条件下，体积和质量可以减少很多，因此惯性小、动作灵敏；
这对液压仿形、液压自动控制和要求减轻质量的机器来说，是特别重要的。例如我国生产的1m3挖掘机在采用液压传动后，比采用机械传动时的质量减轻了1t。
3) 承载能力大 液压传动易于获得很大的力和转矩，因此广泛用于压制机、隧道掘进机、万吨轮船操舵机和万吨水压机等。
4) 容易实现无级调速 在液压传动中，调节液体的流量就可实现无级凋速，并且调速范围很大，可达2000：1，很容易获得极低的速度。
5) 易于实现过载保护 液压系统中采取了很多安全保护措施，能够自动防止过载，避免发生事故。
6) 液压元件能够自动润滑 由于采用液压油作为工作介质，使液压传动装置能自动润滑，因此元件的使用寿命较长。
7) 容易实现复杂的动作 采用液压传动能获得各种复杂的机械动作，如仿形车床的液压仿形刀架、数控铣床的液压工作台，可加工出不规则形状的零件．
8) 简化机构 采用液压传动可大大地简化机械结构，从而减少了机械零部件数目。
9) 便于实现自动化 液压系统中，液体的压力、流量和方向是非常容易控制的，再加上电气装置的配合，很容易实现复杂的自动工作循环。目前，液压传动在组合机床和自动线上应用得很普遍。
10) 便于实现“三化” 液压元件易于实现系列比、标准化和通用化．也易于设计和组织专业性大批量生产，从而可提高生产率、提高产品质量、降低成本[3]。
1.2.2 缺点
1) 液压元件制造精度要求高 由于元件的技术要求高和装配比较困难，使用维护比较严格。
2) 实现定比传动困难 液压传动是以液压油为工作介质，在相对运动表面间不可避免的要有泄漏，同时油液也不是绝对不可压缩的。因此不宜应用在在传动比要求严格的场合，例如螺纹和齿轮加工机床的传动系统。
3) 油液受温度的影响 由于油的粘度随温度的改变而改变，故不宜在高温或低温的环境下工作。
4) 不适宜远距离输送动力 由于采用油管传输压力油，压力损失较大，故不宜远距离输送动力。
5) 油液中混入空气易影响工作性能 油液中混入空气后，容易引起爬行、振动和噪声，使系统的工作性能受到影响。
6) 油液容易污染 油液污染后，会影响系统工作的可靠性。
7) 发生故障不易检查和排除。
2 液压系统的初步设计
液压系统是机械伺服装置中的经典结构。即使在机电类元件获得长足进步的今天，液压系统仍以其高功率/重量比，响应快，低速特性好等特点而在不少系统当中扮演举足轻重的角色。在现代电子和控制技术推动下涌现出了一些原理新颖，物美价廉的液压元器件，给这一传统的技术带来了新的生机。液压传动系统是液压机械的一个组成部分，液压传动系统的设计要同主机的总体设计同时进行。着手设计时，必须从实际情况出发，有机地结合各种传动形式，充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修方便的液压传动系统。
2.1 液压系统的设计步骤1) 明确设计方案；
2) 确定液压执行元件的形式；
3) 进行工况分析，确定系统的主要参数；
4) 制定基本方案，拟定液压系统原理图；
5) 选择液压元件；
6) 液压系统的性能验算。
2.2 设计要求设计要求是进行每项工程设计的依据，在制定基本方案并进一步着手液压系统各部分设计之前，必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了解清楚。
目前，大部分的钻床机床的卡盘，钻头等都是由液压来控制的。而他们的基本工作原理都是：通过液压系统回路，来实现控制卡盘的夹紧，松开及对不同的零件类型来实现正转，反转的控制。而它们的工作循环大都为：
夹紧保压快进钻孔快退松开
其中快进和卡紧并是通过高低压的换向来控制来实现的，而保压过程是通过换向阀来实现的，它是保证工件在加工过程中不会发生移动和在突然断电等事故发生时保护设备和人员安全的必要设备。
2.3 钻床对液压系统的要求1) 卡盘夹紧，松开时动作要求平稳，在进行动做换向时不应有冲击；
2) 当卡盘夹紧后，液压缸机构应具有足够的保压能力，以防止因系统内泻而造成工件的脱落或当数控机床在加工零件时因为卡紧力不够而使工件轴向不垂直，加工零件尺寸出现偏差。
3) 系统中要有减压装置，其作用为当卡盘接触工件时，系统压力忽然升高，为防止因压力过大而造成加上工件的事故发生，该系统在工作过程中因为恒压。
4) 钻头工作时应没有冲击，爬行等不良现象。所以对系统的密封应有较高的标准。
Z3040液压传动系统由3部分组成：主轴传动系统、进给传动系统、及立柱加紧系统。主轴传动系统和进给传动系统均采用液压马达配以锥轮机械无级变速器和同步带，以扩大变速范围，并满足主轴转矩匹配的要求。立柱加紧液压系统基本保留了原Z3040D的设计，只是由原来独立供油系统改为现在的共用供油系统。
主轴传动部分采用限压传动系统（即系统压力越高流量越小从而实现低速转动）进油路由变量泵和调速阀实现二级减速，回路有顺序阀回油路上有一定的背压，使系统运动更平稳。系统图如图3-1：
图3-1 主轴传动系统
进给传动部分同样采用限压式传动系统在进油路上由两个减压阀和一个调压阀组成同样实现二级减速，使马达可实现很的转速从而现实低转速工作。系统图如图3-2：
图3-2 进给传动系统
立柱加紧部分基本保持原来的设计，有两个电磁换向阀和一个液控单向阀组成实现对工件的加紧保压和主轴的快进快退。系统图如图3-3：
图3-3 夹紧系统
3.2 调速方式式与液压泵的选择液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。在选择液压泵时，我们考虑过两种调速回路，一是限压试变量泵与调速阀组成的调速回路，其优点是泵的压力和流量在工进和快进时能自动变换，但是在负载变化大且大部分时间在小负载下工作的场合使用并不合适。这是泵的供油压力高，而执行元件的工作压力低，损失在调速阀的压降和液压泵泄漏的能量很大，油液温升也高。二是压差式变量泵与节流阀组成的调速回路，其工作特性是工作压力和泵的供油压力随负载变化，而且始终保持节流阀前后压差和流量不变，从而不但保证执行机构速度稳定，而且功率损失小，发热小，效率高。
为节省能源提高效率，液压泵的供油量要尽量与系统所需流量相匹配。对在工作循环各阶段中系统所需油量相差较大的情况，一般采用多泵供油或变量泵供油。对长时间所需流量较小的情况，可增设蓄能器做辅助油源。
油液的净化装置是液压源中不可缺少的。一般泵的入口要装有过滤器，进入系统的油液根据被保护元件的要求，通过相应的精过滤器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁性过滤器或其他型式的过滤器。根据液压设备所处环境及对温升的要求并不，还要考虑加热、冷却等措施。
3.3 制定调速方案液压执行元件确定之后，其运动方向和运动速度的控制是拟定液压回路的核心问题。
方向控制用换向阀或逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，大多通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。对高压大流量的液压系统，现多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。
速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调整方式有节流调速、容积调速以及二者的结合——容积节流调速。
节流调速一般采用定量泵供油，用流量控制阀改变输入或输出液压执行元件的流量来调节速度。此种调速方式结构简单，由于这种系统必须用闪流阀，故效率低，发热量大，多用于功率不大的场合。
容积调速是靠改变液压泵或液压马达的排量来达到调速的目的。其优点是没有溢流损失和节流损失，效率较高。但为了散热和补充泄漏，需要有辅助泵。此种调速方式适用于功率大、运动速度高的液压系统。
容积节流调速一般是用变量泵供油，用流量控制阀调节输入或输出液压执行元件的流量，并使其供油量与需油量相适应。此种调速回路效率也较高，速度稳定性较好，但其结构比较复杂。
节流调速又分别有进油节流、回油节流和旁路节流三种形式。进油节流起动冲击较小，回油节流常用于有负载荷的场合，旁路节流多用于高速。
调速回路一经确定，回路的循环形式也就随之确定了。
节流调速一般采用开式循环形式。在开式系统中，液压泵从油箱吸油，压力油流经系统释放能量后，再排回油箱。开式回路结构简单，散热性好，但油箱体积大，容易混入空气。
容积调速大多采用闭式循环形式。闭式系统中，液压泵的吸油口直接与执行元件的排油口相通，形成一个封闭的循环回路。其结构紧凑，但散热条件差。
3.4 制定顺序动作方案主机各执行机构的顺序动作，根据设备类型不同，有的按固定程序运行，有的则是随机的或人为的。工程机械的操纵机构多为手动，一般用手动的多路换向阀控制。加工机械的各执行机构的顺序动作多采用行程控制，当工作部件移动到一定位置时，通过电气行程开关发出电信号给电磁铁推动电磁阀或直接压下行程阀来控制接续的动作。行程开关安装比较方便，而用行程阀需连接相应的油路，因此只适用于管路联接比较方便的场合。
另外还有时间控制、压力控制等。例如液压泵无载启动，经过一段时间，当泵正常运转后，延时继电器发出电信号使卸荷阀关闭，建立起正常的工作压力。压力控制多用在带有液压夹具的机床、挤压机压力机等场合。当某一执行元件完成预定动作时，回路中的压力达到一定的数值，通过压力继电器发出电信号或打开顺序阀使压力油通过，来启动下一个动作。
液压执行元件工作时，要求系统保持一定的工作压力或在一定压力范围内工作，也有的需要多级或无级调节压力，一般在节流调速系统中，通常由定量泵供油，用溢流阀调节所需压力，并保持恒定。在容积调速系统中，用变量泵供油，用安全阀起安全保护作用。
在有些液压系统中，有时需要流量不大的高压油，这时可考虑用增压回路得到高压，而不用单设高压泵。液压执行元件在工作循环中，某段时间不需要供油，而又不便停泵的情况下，需考虑选择卸荷回路。
在系统的某个局部，工作压力需低于主油源压力时，要考虑采用减压回路来获得所需的工作压力。
3.6 绘制液压系统图根据上述分析，可以基本拟订本次所设计的数控机床液压控制系统的原理图及电磁铁动作表：
表3-1 电磁铁动作
YV1
YV2
YV3
YV4
YV5
夹紧
-
-
+
-
-
保压
-
-
-
-
-
快进
-
-
+
-
+
钻孔
+
-
-
-
-
快退
-
-
-
+
+
松开
-
-
-
+
-
图3-4 钻床液压系统
整机的液压系统图由拟定好的控制回路及液压源组合而成。各回路相互组合时要去掉重复多余的元件，力求系统结构简单。注意各元件间的联锁关系，避免错误动作发生。要尽量减少能量损失环节。提高系统的工作效率。
为便于液压系统的维护和监测，在系统中的主要路段要装设必要的检测元件（如压力表、温度计等）。
大型设备的关键部位，要附设备用件，以便意外事件发生时能迅速更换，保证主要连续工作。
各液压元件尽量采用国产标准件，在图中要按国家标准规定的液压元件职能符号的常态位置绘制。
系统图中应注明各液压执行元件的名称和动作，注明各液压元件的序号以及各电磁铁的代号，并附有电磁铁、行程阀及其他控制元件的动作表。
Z3040摇臂钻床液压系统设计参数如下
钻孔最大直径 40
主轴转速范围6级 25~2000
主轴进给量3级 0.10 0.16 0.22mm/r
主轴行程 200
夹紧力 35KN
快速进给 0.1m/s-1
快速退回 0.1m/s-1
4.1.1 初选确定液压系统的主要参数
液压系统的主要参数就是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定与外载荷。流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。
查《机械设计手册》得表：
表4-1
载荷/KN
50
工作压力/Mpa
第三篇: Z32K型摇臂钻床变速箱设计
摘 要
钻床是一种常用的机床，在生产中应用很广泛，种类繁多。然而，在运作中，传统的钻床暴露了越来越多的问题，比如：触点过多、故障出现频繁、维修不方便，影响了钻床的正常工作，引起产品质量降低。
由于各种各样的问题，钻床的改造势在必行。在众多的改造方案中，PLC改造以其他同类产品所不具备的优点脱颖而出。
本文以PLC为控制核心进行的对Z3040摇臂钻床的自动化改造，在本文中阐述了传统钻床继电器控制电路以及行程开关的缺点，提出了详细的改进方案。绘制出了改造过后的电气原理图及PLC接线图等。并编写了PLC的控制程序，取得了良好的效果。
关键词：PLC，传感器，摇臂钻床
目 录
第一章 摇臂钻床的介绍
一、Z3040摇臂钻床系统的机械系统…………………………………3
二、Z3040摇臂钻床系统的电气系统…………………………………4
三、Z3040摇臂钻床的润滑和冷却系统………………………………7
第二章 继电器控制的摇臂钻床的工作原理
一 、控制电路电路原理图……………………………………………8
二、钻床的操作步骤及工作原理……………………………………9
三、电气元件清单……………………………………………………11
第三章 Z3040摇臂钻床的电气控制的改造
一、Z3040摇臂钻床行程开关的改进………………………………14
二、Z3040摇臂钻床继电器控制线路的改进………………………18
三、I/O分配表………………………………………………………21
四、Z3040摇臂钻床改造的接线图…………………………………22
五、程序………………………………………………………………23
结束语…………………………………………………………………26
答谢辞…………………………………………………………………27
参考文献………………………………………………………………28
第一章
Z3040摇臂钻床介绍
钻床是一种常用的机床，分台式钻床、立式钻床和摇臂钻床。种类繁多，在工业生产中应用得非常广泛，本文以Z3040摇臂钻床为对象进行PLC改造。
图1-1 XXXXXX
一 Z3040摇臂钻床系统的机械系统
Z3040摇臂钻床整个系统可实现主轴旋转、主轴进给摇臂升降及主轴箱在摇臂上移动等功能（参看表1-3）
（1）主轴旋转
主轴的旋转有正、反转及停止由手柄16（主轴正反转及停止手柄）操纵。当手柄向左扳动，主轴正转，并在面板
上指示灯显示旋向；
当手柄在中间位置时主轴停止，指示灯熄灭；
当手柄向右扳动，主轴反转，另一指示灯显示旋向。
选用不同的转速时，可转动手轮11（主轴旋转变换手轮）即可得到主轴的12种转速，手轮上设有“0”位，用以校调和对刀。变速时必须使用手柄16（主轴正反转及停止手柄）处于中间位置以停止电机旋转，否则会造成有关齿轮在旋转状态下进行切换，而发生意外。
主轴电机主要带动刀具做旋转运动为零件进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、平面和攻螺纹的动力电机。
（2）主轴进给
主要是调整主轴电机带动刀具的进给；
该进给有三种形式：一、快速移动或手动进给
二、机动进给
三、微动进给
（3）摇臂升降及主轴箱在摇臂上移动
主要是调整主轴电机带动刀具与加工工件的位置。以便于在工件上加工相应的深度。
二 Z3040摇臂钻床的电气系统
本机床的电源是三相380V,50HZ。
电气设备叙述如下：（见表1-3）
M4—主电动机，安装在主轴箱顶部，由手柄16（主轴正反转及停止手柄）与微动开关SQ4操作交流接触器KM2—KM5控制其动作。
M8—摇臂升降电动机，由按钮12（SB3）、13（SB4）操作交流接触器KM8、KM9控制其动作。
M10—立柱夹紧电动机，由主轴箱夹紧手柄2联动操作微动开关SA8和交流接触器KM10控制其动作。
M11—冷却泵电动机，由安装在电源盖板上的按钮19（SB5、SB6）和交流接触器KM1控制其动作。
各电动机设备都有熔丝保护装置，主电动机及冷却泵电动机还装有三相过载保护装置。
本机床设有急停、零压保护及摇臂升降保险装置，并设有信号灯。电气箱及电源箱实现了开门断电，工作照明采用安全电压24伏。
机床各操纵手柄和开关的部位和用途：
表1-3
编号
名称和用途
1
进给量变换盘
2
立柱和主轴箱夹紧手柄
3
主轴快速移动和接通机动进给手柄
4
主轴箱移动手轮
5
摇臂夹紧手柄
6
刻度盘微调捏手
7
定程切削捏手
8
零压按钮
9
主轴正转指示灯
10
主轴反转指示灯
11
主轴转速变换手轮
12
摇臂上升按钮
13
摇臂下降按钮
14
立柱松开、夹紧开关
15
刻度盘微调锁紧捏手
16
主轴正反转及停止手柄
17
接通断开机动进给手柄
18
微量进给手轮
19
冷却泵电动机按钮
20
电源总开关
21
紧急停止按钮
图1-2 主电路电气原理图
主电路简介：
在本钻床中，M4为主轴电机，M8为摇臂电机，M10为立柱夹紧电机，当KM2闭合，主轴电机正转，KM3闭合，主轴电机反转，当KM4闭合，主轴电机低速，KM5闭合，主轴电机高速；
KM8闭合摇臂下降，当KM9闭合，摇臂上升；
KM10闭合，立柱夹紧；
KM11闭合，冷却电机启动，SQ15和SQ16为电气箱门开关。
三 Z3040摇臂钻床的润滑和冷却系统
（1）润滑系统
1）机动润滑：
主轴箱内所有的齿轮、轴承、摩擦片式离合器等，均由安装于主轴箱顶上的专用油泵供油润滑。透过箱体左侧上部的油窗可以观察润滑油的流动情况，以判断油泵工作是否正常。当机床电机不旋转时，油面不应低于油窗的中心。放油塞位于主轴箱的下端。主轴箱油池注油口位于箱体顶部。
2）人工润滑：
主轴上、下轴承的润滑脂是用油枪注入的。将主轴套伸出后，从套上的左侧小孔向下轴承直接注油。主轴上轴承加油是从主轴箱左侧上部油窗下面的表牌所盖孔内对准主轴套上的小孔直接注油。
立柱夹紧用的蜗轮减速箱位于立柱顶部的升降机构的箱体内，采用钙基润滑脂润滑。
机床各部位润滑应严格按照规定进行。
（2）冷却系统
刀具的冷却由专用的冷却泵供给冷却液。冷却液贮存于机床底座的空腔内，其流量大小可用内螺纹球阀调节。
第二章 继电器控制的摇臂钻床的工作原理
一、控制电路原理图
二 继电器控制的钻床操作步骤及工作原理
（1）钻床的操作步骤
1）接通电源，HL1信号灯亮；
2）扳动手柄16（主轴正反转及停止手柄）至中间停车位置上，按SB2光标按钮，HL2光标亮。
3）扳动手柄16（主轴正反转及停止手柄）至正转位置，HL3信号灯亮，仔细观察主轴运动情况，如一切正常，则准备工作完毕。
（2）主轴转速的选择操作如下：
1）停车—将手柄16（主轴正反转及停止手柄）扳到中间位置；
2）选速—将手轮11（主轴旋转变换手轮）扳到所需要的转速档；
3）开车—将手柄16（主轴正反转及停止手柄）扳到主轴正转位置，即获得所选转速。
转速选择的工作原理：
例如要获得50转/分的转速，首先将手轮11（主轴旋转变换手轮）拨到50转/分，将手柄16（主轴正反转及停止手柄）扳向正转位置。这时SA1的常开触点闭合，则电源通过KA1、SQ3的常闭触点、KM3的常闭触点接通交流接触器KM2线圈，KM2线圈带电。交流接触器KM4线圈通过SQ4的常闭触点和KM5的常闭触点接通带电，于是电动机转速在1410转/分速度下，而主轴的转速为50转/分，正转。同时，时间继电器KT1线圈通过KM2的常开触点带电，为主轴停车制动做好准备。
当手柄16（主轴正反转及停止手柄）扳向中间停车位置时，SA1的常开触点闭合断开，则KM2、KT1失电，KT1的一付常开触点延时断开，KM2的一付常闭触点闭合，中间继电器KA2通过KT1、KM2、KM3带电，KA2的一付常开触点闭合，24V交流电通通过桥式整流变成直流电再经过电磁制动器线圈，实现制动。制动时间由KT1控制，制动完毕，电磁离合器线圈失电。
切勿在开车时拨动手轮子11（主轴旋转变换手轮），否则会造成有关齿轮在旋转状态下进行切换，而发生意外事故。
（3）摇臂升降和夹紧
首选把摇臂夹紧手柄5（摇臂夹紧手柄）松开，而后按住上升（或下降）按钮SB3（或SB4），摇臂就上升（或下降），松开按钮摇臂就停止运动。
当按住SB3按钮时，交流接触器KM6线圈通过KA3、SB3、SQ6的常闭触电、KM3的常闭触点带电，使电动机M8旋转，带动摇臂上升，摇臂上升到位后，松开按钮SB3、KM8断电，电动机停止旋转。扳动手柄5至夹紧装置，摇臂夹紧装置将摇臂夹紧。
摇臂下降原理与此相同。
（4）立柱夹紧和松开
立柱夹紧和松开是和主轴箱夹紧手柄2联动操纵的。当夹紧手柄2处在松开位置时，则SA常开触点闭合，交流接触器KM10线圈通过SA8、SQ9带电，电动机M10旋转，内外柱松开。当松开到位后，限位形状SQ9常闭断开，KM10断电，电动机停止旋转。
立柱夹紧原理与松开相同。
开关14是单独控制立柱松开与夹紧的。
（5）摇臂升降保险及机床急停装置
摇臂升降保险装置由微动开关SQ6、SQ7及上、下触杆联动操纵的，当摇臂升（或降）到极限位置时，触动上（或下）触杆，将微动开关SQ6（或SQ7）的常闭触点断开，使交流接触器KM8（或KM9）线圈断电，电动机M8停止旋转，起到了保险作用。
当遇有异常情况时，按动操作面牌上的红色蘑菇头急停按钮SB1整个控制回路断电，机床所有动作中止。
（6）开门断电
当电气箱门（或电源箱门）打开时，SQ15（或SQ16）的常闭触电闭合，这时使电源自动开关的分励线圈带电，从而使电源自动开关（QF）自动切断电源。
当电气箱门（或电源箱门）打开后，需要送电时，只需把SQ15（或SQ16）门开关的触头拉开并向右旋转锁定，再把电源开关（QF）合上，这时配电板内就有电，便于维修检查。
三 电气元件清单
电气代号
名称
用途
技术数据
数量
M4
电动机
主轴旋转
YD90L-4/2，B5，1．3/1．8KW
1430/2850转/分（Z3025）
1
M8
摇臂升降
YO7124T3,0．55KW
1400转/分
1
M10
立柱夹紧松开
YO6334T3,0．37KW
1400转/分
1
M11
冷却
AB-25,0．09KW
2800转/分
1
FU2
熔断器
保护M8、M10、M11
RT18-32
3
FU3
保护工作灯
BCF．3A
1
FU4
保护指示灯
BCF．1A
1
FU5
保护控制回路
BCF．3A
1
QF
自动开关
电源总开关
DZ5/20FHS/330,10A.24V
1
SA
主令开关
立柱松开和夹紧
LS3-2
1
SB1
按钮
急停
LAY3-01ZS/1 红色
1
SB2
零压保护
LA19-11D 绿色
1
SB3
摇臂上升
LA19-11A 黑色
1
SB4
摇臂下降
LA19-11A 黑色
1
SB5
冷却泵停
LA19-11A 红色
1
SB6
冷却泵启动
LA19-11A 绿色
1
KA1
中间继电器
零压保护
CAZ-DN140 110V
1
KA2
主电机制动
CAZ-DN122 110V
1
KM2
KM3
交流接触器
主电机正反转
ZC1-D093+LA1-D22
110V
2
KM4
主电机低速
LC1-D099 110V
1
KM5
主电机高速
LC1-D099+LA1-D31
110V
1
KM8
KM9
摇臂升降电机旋转
LC1-D099,110V
2
KM10
立柱夹紧电动旋转
LC1-D099,110V
1
KM11
冷却泵电机旋转
LC1-D099,110V
1
KT1
时间继电器
控制制动时间
JS7-1A,110V,0.4-60秒
1
FR4
热继电器
主电机过载保护
LR1-D09310
1
FR11
冷却泵电机过载保护
LR1-D09303
1
XT
接线板
连接导线端子
LR1-D09306
11
YB1
电磁制动器
主电机制动
DZD5-10,10Nm
1
SA1
微动开关
主轴正转
KWX
1
SA2
主轴反转
KWX
1
SQ3
主轴限位
KWX
1
SQ4
主电机低速高速
JWL1-11
1
SA5
摇臂升降和夹紧互锁
JWL1-11
1
SQ6
摇臂上升限位
JWL1-11
1
SQ7
摇臂下升限位
JWL1-11
1
SA8
立柱松开夹紧
JWL1-11
1
SQ9
立柱松开夹紧限位
JWL1-11
1
SA10
旋钮开关
控制工作灯
1
TC
控制变压器
控制回路照明及信号灯
110V,80W
JBK4-160,380/ 28V,30W
24V,40W
63V,10W
1
SQ15
门开关
电气箱门开关控制
JWM8-11
1
SQ16
JWM8-11
1
VC
硅二极管
主轴制动
2CZ5,2A,500Y
5
HL1
指示灯
电源指示
XDX1-R,白色
1
HL2
零压指示
光标按钮SB2,绿色
1
HL3
主轴正转
XDX1-Za,绿色
1
HL4
主轴反转
XDX1-Z,兰色
1
EL
工作灯
工作照明
JC-25、24Y、40W
1
第三章 Z3040摇臂钻床的电气控制的改造
一 Z3040摇臂钻床中行程开关的改进
机床控制线路中的行程开关存在响应速度低、精度差、接触检测容易损坏被检测物及寿命短等缺点。
行程开关作为限位元件的最大缺点，是只能断开接触器的控制回路。当遇到接触器的主触点熔焊，或滞后释放时，那么限位保护就会失灵。因此，在一些重要设备中，就须设置超行程后备保护。
若用传感器代替则解决这一问题了。
这里我用光电传感器来代替行程开关
因为光电传感器：
1具有自诊断稳定工作区指示功能，可及时告知工作状态是否可靠；
2对射式、反射式、镜面反射式光电开关都有防止相互干扰功能，安装方便；
3对ES外同步（外诊断）控制端的进行设置可在运行前预检光电开关是否正常工作。并可随时接受计算机或可编程控制器的中断或检测指令，外诊断与自诊断的适当组合可使光电开关智能化；
4响应速度快，高速光电开关的响应速度可达到0.1ms，每分钟可进行30万次检测操作，能检出高速移动的微小物体；
5采用专用集成电路和先进的SMT表面安装工艺，具有很高的可靠性；
6体积小（最小仅20×31×12mm）、重量轻，安装调试简单，并具有短路保护功能
对于传感器的用途、概念和分类我就做下简单的介绍
现代信息技术的三大基础是信息的采集、传输和处理技术，即传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。信息采集系统的首要部件是传感器，且置于系统的最前端。在一个现代自动检测系统中，如果没有传感器，就无法监测与控制表征生产过程中各个环节的各种参量，也就无法实现自动控制。在现代技术中，传感器实际上是现代测试技术和自动化技术的基础。下图所示为传感器应用的系统框图。
1．传感器的概念和分类
一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器，测量电路和显示记录装置等部分组成，分别完成信息获取，转换，显示和处理等功能。
传感器是把被测量（如物理量，化学量，生物量等）变换为另一种与之有确定对应关系，并且便于测量的量（通常是电学量）的装置。为检测系统提供必需的原始信息。它是整个检测系统最重要的环节。
按应用目的分类：
机械量传感器：如位移传感器、力传感器、速度传感器、加速度传感器。
热工量传感器：如温度传感器、压力传感器、流量传感器。
化学量传感器。
生物量传感器。
按传感器按输出量的性质分：
参量型：它的输出是电阻、电感、电容等无源电参量，相应的有电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器
发电型：它的输出是电压或电流，相应的有热电偶传感器、光电传感器、磁电传感器、压电传感器。
我们主要介绍光电传感器
光电传感器
光电传感器是采用光电元件做为检测元件的的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源，光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高，反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活，因此在检测系统控制领域内得到广泛运用。光电传感器常用光源有发光二极管、钨丝灯泡+滤光片、激光。
光电式传感器负责检测加工工件的到位情况
光电式传感器的外型图
那么用它来代替机床控制线路的行程开关就比较合理。
但光电式传感器有两种类型它分为NPN型和PNP型传感器。
如果选择PNP型传感器,其输出端电流是向传感器外流的,如果传感器接PLC,则电流由传感器输出端流向PLC.而NPN型传感器,其输出端电流是向传感器里流的,如果传感器接PLC,则电流由PLC流向传感器。
因此我选择PNP型的传感器，检测距离为5mm。
一般光电式传感器有三根线（紅色、黑色、白色）或（棕色、藍色、黃色）
接线一般是紅色和棕色接电源的火线
黑色和藍色接电源的零线
白色和黃色接信号线
光电传感器的接线图如下
传感器与PLC的接线如图
二 Z3040摇臂钻床继电器控制线路的改进
继电器－接触器控制的摇臂钻床存在电路接线复杂，触点多、噪音大、可靠性差、故障诊断与排除困难等缺点，当遇到接触器的主触点熔焊时控制线路会出现故障。
若用PLC控制就避免了这一问题。
因为PLC：
编程方法简单易学
功能强，性能价格比高
硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强
系统的设计、安装、调试工作量少
维修工作量少，维修方便
体积小，能耗低
所以选用PLC控制来代替继电器控制。根据Z3040摇臂钻床的控制要求：
输入 输出
急停按钮：SB1 主电机正转：KM2
零压保护按钮：SB2 主电机反转：KM3
摇臂上升按钮：SB3 主电机低速：KM4
摇臂下降按钮：SB4 主电机高速：KM5
冷却泵停止按钮：SB5 主电机制动：YB1
冷却泵启动按钮：SB6 摇臂上升：KM8
主轴正转：SA1 摇臂下降：KM9
主轴反转：SA2 立柱夹紧和松开：KM10
主轴限位：SQ3 冷却泵工作：KM11
主电机低速高速：SQ4 零压指示：HL2
摇臂升降和夹紧互锁：SA5 主轴正转指示：HL3
摇臂上升限位：SQ6 主轴反转指示：HL4
摇臂下降限位：SQ7 工作照明：EL
立柱松开夹紧：SA8
立柱松开夹紧限位：SQ9
工作灯开关：SA10
立柱松开和夹紧：SA
从这输入、输出可看出要选的PLC的输入端必须大于17个而输出端必须大于13个。但是机床控制线路的电压等级比较多。所以在选PLC时必须注意PLC的输出。
其中三菱PLC的输出是一个COM配几个输出，所以电压等级不同就不能用同一个COM下的输出。
选择三菱PLC系列中的FX1N-40MR，原因是其输入端有24个，输出端有16个。对该机床的改造是非常合适的。
2．PLC的构成
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置FX1N-40MR三菱PLC是属于继电器输出型的PLC。因为继电器输出适用于低频大功率直流或交流负载。而该机床的输出继电器是交流，主电机的制动电磁阀是直流这更能说明FX1N-40MR三菱PLC对该机床的改造是非常适用的。
4．ＰＬＣ的循环扫描工作过程
1）ＰＬＣ的循环扫描
ＰＬＣ的ＣＰＵ是采用分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，随着时间的延伸一个动作接一个动作顺序地进行，这种分时操作进程称为ＣＰＵ对程序的扫描。ＰＬＣ的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按序号顺序排列。ＣＰＵ从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。
三 I/O分配表
由PLC的选择及输入输出端子确定的输入输出分配表如下：
输入
输出
名称
代号
输入点编号
名称
代号
输出点编号
急停
SB1
X1
主电机正转
KM2
Y10
零压保护
SB2
X2
主电机反转
KM3
Y11
摇臂上升
SB3
X3
主电机低速
KM4
Y12
摇臂下降
SB4
X4
主电机高速
KM5
Y13
冷却泵停
SB5
X5
主电机制动
YB1
Y1
冷却泵启动
SB6
X6
摇臂上升
KM8
Y14
主轴正转
SA1
X7
摇臂下降
KM9
Y15
主轴反转
SA2
X10
立柱夹紧和松开
KM10
Y16
主轴限位
SQ3
X11
冷却泵工作
KM11
Y0
主电机低速高速
SQ4
X12
零压指示
HL2
Y5
摇臂升降和夹紧互锁
SA5
X13
主轴正转指示
HL3
Y6
摇臂上升限位
SQ6
X14
主轴反转指示
HL4
Y7
摇臂下降限位
SQ7
X15
工作照明
EL
Y2
立柱松开夹紧
SA8
X16
立柱松开夹紧限位
SQ9
X17
工作灯开关
SA10
X20
立柱松开和夹紧
SA
X21
四 Z3040摇臂钻床改造的接线图
（注：其中的传感器的接线如图3-2）
五 程序
1 整体程序
2各部分程序及注释
1）指示灯程序
当零压保护X2闭合，M1线圈得电自锁，M1常开闭合，Y5线圈得电，零压指示灯亮。当主电机正转时，线圈Y10得电，Y6也得电，主轴正转指示灯亮。当主电机反转时，线圈Y11得电，Y7也得电，主轴正转指示灯亮。当按下工作灯开关时，工作灯亮。
2）主电机制动
当M2得电，主电机开始制动，定时器时间到，制动结束。
3）主电机运转
当主轴正转开关按下时，主电机正转线圈Y10得电，主轴正转，当主轴反转开关按下时，主电机反转线圈Y11得电，主轴反转。当X12断开时，主电机低速运转，当X12闭合时，主电机高速运转。主轴电机运转时，M3得电。
4）摇臂上下及立柱和冷却泵的动作
当X13得电，主电机低速运转时，摇臂上升线圈Y14得电，摇臂上升；
当X13得电，主电机高速运转时，摇臂下降线圈Y15得电，摇臂下降；
在升降过程中，限位传感器得电，摇臂停止动作。
当X16和X21得电，立柱夹紧线圈Y16得电，立柱夹紧。当夹紧限位传感器得电，立柱夹紧线圈失电。
当冷却泵启动开关X6闭合，冷却泵线圈得电自锁，冷却泵工作。
结束语
这次对于Z3040摇臂钻床的控制线路的改造，是把传统继电器控制转换成用可编程控制器控制。在传统继电器控制的摇臂钻床线路中，接线十分繁琐，在出现故障的时候检修比较复杂；
用PLC控制的机床设备的控制线路，接线较为方便，精力基本可以放在编程方面，在检修方面，可以根据PLC的控制面板上I/O的指示灯和故障的现象，可以很快地查出故障点来。在机床线路的改进方面，传统继电器的改进几乎要把控制线路全都重接，而用PLC控制的机床设备，只需改一些线路，重要的是把编程程序按要求编写就行了。现在在数控机床的控制线路上基本上是用的可编程控制器。PLC应用于摇臂钻床这一课题是一个技术改造的课题，它既有软硬件的设计和调试，也有理论研究。完成该课程设计，巩固了和加强了专业知识，特别是PLC知识，提高了我的动手能力。在本次课题中我所做的工作包括：一，对摇臂钻床的工作流程及其自动控制方面进行了学习和探索，分析了PLC应用于摇臂钻床的可行与优势；
其二，对于传感技术也有了进一步的学习和研究。
答 谢 辞
本毕业设计的全部工作是在都晔凯老师的悉心指导下完成的，论文的完成离不开都老师悉心的指导和帮助，在此深深的向都老师表示谢意。都老师治学态度严谨，实践经验丰富，对同学和蔼可亲，同时也对学生严格要求，也就是在他的严格要求下我们顺利的完成了毕业设计。
在这里向所有关心、帮助过我的各位老师、各位同学、各位朋友表示最衷心的感谢!
最后，谨向所有在百忙中审阅我论文的各位老师、专家表示深深的谢意，感谢评委们的付出。
参考文献
1 廖常初 主编 可编程序控制器的编程方法与工程应用 重庆大学出版社
2 宫淑贞 王冬青 编著 可编程控制器原理及应用 人民邮电出版社
3 . 主编：王也仿 《可编程控制器原理及应用》 北京 机械工业出版社 2001 第一版
4王卫星 傅立思 孙耀杰 主编 可编程控制器原理及应用 中国水利水电出版社 2002
5 江秀汉等编著 可编程序控制器原理及应用 西安电子科技大学出版社，1996
6 张晓坤主编 可编程控制器原理及应用 西北工业大学出版社，1998.12
7 陈立定等编 电气控制与可编程控制器 华南理工大学出版社，2001、2
8 MITSUBISHI..FX1S.FX1N.FX2N.F2N.F2NC编程手册 2001
第四篇: Z32K型摇臂钻床变速箱设计
摇臂钻床维修项目：● 主轴箱部分维修： 1、更换整机轴承及损坏零配件；
2、主轴内键研磨达精度要求；
● 机身部分维修： 1、 精磨底座方箱工作台面，调整主轴与工作台面的垂直度；
2、 精磨伸出臂导轨面（X轴），配刮机头导轨副，更换传动轴承1套；
3、 升降导轨（Z轴）部分检修：各部分锁紧装置维修；
4、 更换Z轴传动丝杆及丝母1套；
● 各部分间隙调整，油路疏通润滑；
● 整机电路、液压部分、冷却水泵检修；
● 外观部分翻新：整机床补灰油漆。 精度要求： 1、主轴轴向圆跳动≤0.02mm 2、主轴与工作台垂直度≤0.05mm(300*120mm2) 3、横梁导轨与工作台平面度≤0.05mm（全长）
推荐访问:钻床 变速箱 设计 Z32K型摇臂钻床变速箱设计 Z32K型摇臂钻床变速箱设计 z32k型摇臂钻床变速箱设计开题报告