PLC电路改造
本论文是研究机械加工中常用的Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的改造问题,旨在解决传统继电器—接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难题。由于PLC电气控制系统与继电器—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，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，本论文对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方案中去，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。论文分析了摇臂钻床的控制原理，制定了可编程控制器改造Z3040摇臂钻床电气控制系统的设计方案，完成了电气控制系统硬件和软件的设计，其中包括PLC机型的选择、I/O端口的分配、I/O硬件接线图的绘制、PLC梯形图程序的设计。对PLC控制摇臂钻床的工作过程作了详细阐述，论述了采用PLC取代传统继电器—接触器电气控制系统从而提高机床工作性能的方法，给出了相应的控制原理图。 1 绪论
1.1 本课题的选题背景和意义
钻床是一种孔加工机床，可用来钻孔、扩孔、绞孔、攻螺纹及修刮端面等多种形式的加工。
钻床的结构形式很多，有立式钻床、卧式钻床、深孔钻床等。摇臂钻床是一种立式钻床，它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用的机床。摇臂钻床主要由底座、内外立座、摇臂、主轴箱和工作台等组成。摇臂的一端为套筒，套装在外立柱上，并借助丝杠的正、反转可沿外立柱作上下移动。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上可通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。加工时，根据工件高度的不同，摇臂借助于丝杠可带着主轴箱沿外立柱上下升降。在升降之前，应自动将摇臂松开，再进行升降，当达到所需的位置时，摇臂自动夹紧在立柱上。摇臂钻床钻削加工分为工作运动和辅助运动。工作运动包括：主运动（主轴的旋转运动）和进给运动（主轴轴向运动）；辅助运动包括：主轴箱沿摇臂的横向移动，摇臂的回转和升降运动。钻削加工时，钻头一面旋转一面作纵向进给。钻床的主运动是主轴带着钻头作旋转运动。进给运动是钻头的上下移动。辅助运动是主轴箱沿摇臂水平移动，摇臂沿外立柱上下移动和摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。目前，我国的Z3040摇臂钻床的电气控制系统普遍采用的是传统的继电器—接触器控制方式。因其所要控制的电机较多所以电路较复杂，在日常的生产作业当中，经 常发生电气故障，从而影响生产。另外，一些复杂的控制如：时间、计数控制用继电器—接触器控制方式较难实现，所以，有必要对传统电气控制系统进行改进设计。PLC电气控制系统可以有效的弥补上述系统的这一缺陷。
可编程序控制器(PLC)是以微处理器为核心，将计算机技术、通信技术与自然控制技术融为一体的新型工业自动控制装置。它克服了继电器—接触器控制电路存在触点多、组合复杂、通用性和灵活性差等缺点。它不仅具有各种逻辑控制功能，而且还具有各种运算、数据处理、联网通信等功能的控制，同时还具有抗干扰性强、环境适应性好和可靠性高等特点。因而广泛地应用于工业生产各领域中。
1.2 国内外关于本课题的技术研究现状和发展动态
图1-1 PLC硬件结构
1. 中央控制处理单元（CPU）
可编程控制器中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。
通常微处理器有8080、8086、80286、80386等；单片机有8031、8096、等；位片式微处理器的AM2900、AM2903等。FX2可编程控制器使用的微处理器是16位的8096单片机.2. 存储器可编程控制器有两种存储器：系统存储器和用户存储器。 系统存储器：存放系统管理程序，用只读存储器实现。 用户存储器：存放用户编制的控制程序，一般用RAM实现或固化到只读存储器中。1. 输入输出接口作用:连接用户输入输出设备和PLC控制器，将各输入信号转换成PLC标准电平供PLC处理，再将处理好的输出信号转换成用户设备所要求的信号驱动外部负载。 对输入输出接口的要求：良好的抗干扰能力；对各类输入输出信号（开关量、模拟量、直流量、交流量）的匹配能力。PLC输入输出接口的类型：模拟量输入输出的接口、开关量输入输出的接口（直流、交流及直流）。用户应根据输入输出信号的类型选择合适的输入输出接口。
① 开关量输入接口电路
各种输入接口均采取了抗干扰措施。如带有光耦合器隔离使PLC与外部输入信号进行隔离；并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。
通常有三种类型：直流(12∽24)V输入、交流(100∽120)V输入与交流
(200∽240)V输入和交直流(12∽24)V输入。直流输入模块的电源一般由机内24v电源提供，输入信号接通时输入电流一般小于10mA；交流输入模块的电源一般由用户提供。
图2-2 直接输入接口
②开关量输出接口电路
有三种形式，即继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2A。
开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2A。
图2-3 交直流输出接口（继电器输出型）
输出端子的两种接法：
l 隔离式
输出各自独立，无公共点：各输出端子各自形成独立回路。
l 汇点式
全部输入点（输出点）共用一个公共点。或者将输入点（输出点）分成几组，组内各点共用一个公共点。各组的公共点之间相互隔离。组内的各点必须使用同一电压类型和同一电压等级，各组可使用不同电压类型和等级的负载。
2. 电源
PLC的供电电源一般是市电，也有用直流24V电源供电的。
3. 外围设备：编程器、打印机、演示板等
链轮设计利用编程器可将用户程序输入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序、修改程序；利用编程器还可以监视PLC的工作状态。
4. 用户输入输出设备:
用户输入器件有控制开关和检测元件，即各种开关、按钮、传感器等；
用户输出设备主要有接触器、电磁阀、指示灯等。
( 二 ) PLC 的软件结构
在可编程控制器中，PLC的软件分为两大部分：
1. 系统监控程序：用于控制可编程控制器本身的运行。主要由管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块，系统调用。
2. 用户程序：它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。
2.2 PLC 执行用户程序的过程
PLC执行过程分为输入采样、程序处理和输出刷新等三个阶段。
输入采样阶段以扫描方式，顺序读入所有输入端的状态点（接通或断开状态），并将此状态输入寄存器中，接着转入程序执行阶段，即使输入状态变化，输入寄存器的内容也不会改变，状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才能被读入。
程序执行总是按先后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描。当遇到跳转指令时则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转。当指令涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像
寄存器和输出映像寄存器中读取信息，并根据用户程序进行运算，运算的结果再存入输出映像寄存器中，对输出寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。
2.3 PLC 等效电路
程PLC是如何工作的呢？看一下图4PLC控制的等效电路。PLC控制的等效电路由三部分组成：
（1 ）输入控制部分。该部分接收操作指令（如：启动按钮、停止按钮等）和被控对象的各种状态信息（如：行程开关、接近开关等）。PLC 的每一个输入点对应一个内部输入继电器，当输入点与输入COM 端接通时，输入继电器线圈通电，它的常开触点闭合、常闭触点断开；当输入点与输入COM 断开时，输入继电器线圈断电，它的常开触点断开、常闭触点闭合。
（2 ）控制部分。这一部分是用户编制的控制程序，通常用梯形图表示，如图4-6 所示。控制程序放在PLC 的用户程序存储器中。系统运行时，PLC 依次读取用户存储器中的程序语句，对它的内容进行解释并执行，又将输出的结果送到PLC 的输出端子，以控制外部负载的工作。
（3 ）输出部分。该部分根据程序执行的结果直接驱动负载。在PLC 内部有多个输出继
电器，每个输出继电器对应一个硬触点，当程序执行的结果使输出继电器线圈通电时，对应的硬输出触点闭合，控制外部负载的动作。例如，图2-4 的输出触点自动美甲机01000 ，01001 ，分别连结接触器KM1 、KM2 的线圈，控制两个线圈通电或断电。
图 2--4 开路电压PLC 控制的等效电路图
梯形图是从继电器控制电路原理图演变而来的。PLC 内部的继电器并不是实际的硬继电器，每个内部继电器都是PLC 内部存储单元。因此，称为“ 软继电器” ，梯形图是由这些“ 软继电器” 组成的控制线路，他们并不是真正的物理连接，而是逻辑关系的连接，称为“ 软连接” 。PLC 内部继电器线圈用表示，常开触点用表示，常闭触点用表示。当存储单元某位状态为1 时，相当于某个继电器线圈得电；当该位状态为0 时，相当于该继电器线圈断电。软继电器的常开触点、常闭触点可以在程序中使用次数不受限制。
PLC 为用户提供的继电器一般有：输入继电器、输出继电器、辅助继电器、特殊功能继电器、移位继电器、定时器/ 计数器等。其中，输入、输出继电器一般与外部输入输出继电器相连接，而其它继电器与外部设备没有直接联系。现在看一下图4-6 的控制原理：当按下SB1 时，输入继电器00000 的线圈通电，00000 常闭触点闭合，使输出继电器01000 线
圈得电，01000 对应的硬输出触点闭合，KM1 得电，M1 开始运转。同时，01000 的一个常开触点闭合并自锁，时间继电器TIM 000 的线圈通电开始延时，10 ｓ后TIM 000 的常开触点闭合，输出继电器01001 的线圈得电，01001 对应的硬输出触电闭合，KM2 得电，M2 开始运转。当按下SB2 时，输入继电器00001 的线圈通电，00001 的常闭触电断开，01000 、TIM 000 的线圈均断电，01001 的线圈也断电，01000 ，01001 的两个硬输出点随之断开，KM1 、KM1 断电，M1 、M2 停转。
3 Z3040 摇臂钻床介绍
3．1 摇臂钻床简介
钻床是一种用途较广的万能机床,可以用来钻孔、扩孔、饺孔、攻螺纹及修刮端面等多种形式的加工。钻床按用途和结构可分为立式钻床、台式钻床、摇臂钻床、多轴钻床、深孔钻床、卧式钻床及其它专用钻床等。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。下面以Z3040型摇臂钻床为例,分析其电气控制。
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,如图3-1所示。内立柱固定在底座的一端,在它外面套着外立柱,外立柱可绕内立柱回转360°,摇臂的一端为套筒,它套在外立柱上,借助丝杠的正反转可使摇臂沿外立柱作上下移动,由于该丝杠与外立柱连为一体,而升降螺母固定在摇臂上,所以摇臂只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱是一个复合部件,它由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构以及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。如图3-1所示主轴箱可在摇臂上移动，并随摇臂绕立柱回转的钻床(见图 摇臂钻床)摇臂还可沿立柱上下移动，以适应加工不同高度的工件。较小的工件可安装在工作
台上，较大的工件可直接放在机床底座或地面上。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。万向摇臂钻床的摇臂除可作垂直和回转运动外，并可作水平移动，主轴箱可在摇臂上作倾斜调整，以适应工件各部位的加工。此外，还有车式﹑壁式和数字控制摇臂钻床等。
海洋工程船图3-1 摇臂转床结构及运动情况示意图
（1） 摇臂钻床的主要结构及运动情况
透水石 钻削加工时,主轴旋转为主运动;主轴的纵向进给为进给运动。此时,主轴箱由夹紧接置将其紧固在摇臂水平导轨上,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,辅助运动有:摇臂沿外立柱的垂直移动;主轴箱沿摇臂长度方向的水平移动;摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。
为了加工各种旋转表面，钻床必须具有钻削运动和辅助运动。钻削运动包括主运动和进给
运动，而除此之外的所有运动都称之为辅助运动
钻床的主运动为主轴的旋转运动，由主轴通过卡爪带动刀具旋转，它承受钻削加工时的主要切削功率。 根据工艺要求，主轴应有不同的切削速度。主轴变速是由主轴电动机经V带传递到主轴变速箱实现的。
钻床的进给运动是摇臂的左右或上下直线运动，其运动形式有手动和机动两种。 加工螺纹是工件的旋转和刀具的移动之间有严格的比例关系，所以主运动和进
给运动采用同一台电动机来拖动。钻床主轴箱输出轴经挂轮箱传给进给箱，进行钻削或攻丝。
钻床的辅助运动是钻床上除钻削运动以外的其他一切必需的运动。如摇臂的快速移动和模具的夹紧与放松
（2） 摇臂钻床的电力拖动特点及控制要求
(1)摇臂钻床运动部件较多,为简化传动装置,采用多电动机拖动。
(2)摇臂钻床为适应多种形式的加工,要求主轴及进给有较大的调速范围。
主轴一般速度下的钻削加工常为恒功率负载;而低速时主要用于扩孔、饺孔、攻螺纹等加工,这时则为恒转矩负载。
(3)摇臂钻床的主运动与进给运动皆为主轴的运动,为此这两种运动由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旋转和进给。所以主轴变速机构与进给变速机构都装在主轴箱内。
(4)为加工螺纹,主轴要求正、反转。摇臂钻床主轴正反转一般采用机械方法来实现,这样主轴电动机只需单方向旋转。
(5)摇臂的升降由升降电动机拖动,要求电动机能正、反转。
(6)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、电气一机械装置、电气一液压装置或电气一液压一机械装置等控制方法来实现。若采用液压装置则备有液压泵电动机,拖动液压泵供出压力油来实现。
(7)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,摇臂的夹紧放松与摇臂升降按自动控制进行。
(8)根据钻削加工需要,应有冷却泵电动机拖动冷却泵,供出冷却液进行刀具的冷却。
(9)具有机床安全照明和信号指示。
(10)具有必要的联锁和保护环节
（3 ） Z3040型摇臂钻床的电气控制
玻璃门夹Z3040 型摇臂钻床在机械上有两种结构型式,相应的电气控制也有两种型式,下面以沈阳生产的Z3040型摇臂钻床为例进行分析。
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