Z3040型摇臂钻床课程设计说明说

课程设计说明书

课程名称： 机床电气控制技术 设计题目： Z3040型摇臂钻床电气控制设计 专 业： 机械设计制造及其自动化班级：0804 学生姓名: 周志鹏 学 号: 0812110436 指导教师: 吴吉平

湖南工业大学科技学院教务部 制

年 月 日

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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。由于传统继电器－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，因此对Z3040摇臂钻床控制系统的技术改造是非常必要的。

本文在分析Z3040型摇臂钻床继电接触控制系统工作原理的基础上，提出了用可编程控制器（PLC）对摇臂钻床控制系统进行改造设计。文中介绍了PLC的原理和特点；给出了摇臂钻床PLC控制系统的硬件组成和软件设计；其中包括PLC的选型、输入/输出（I/O）地址分配、PLC外部接线图、PLC梯形图程序设计；分析了用PLC控制摇臂钻床的工作过程；对主要电器元件进行了选择。

改造后的Z3040型摇臂钻床简化了控制线路，使机床功能完善，使用方便，维护简单，降低了设备运行的故障率，提高了设备运行的使用率，可实现生产过程的高效、节能和低成本。在工业上有广泛的应用前景。

关键词：可编程控制器（PLC）;摇臂钻床;梯形图;控制系统

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目录

摘 要 ·········································································································· 2 目录 ················································································································· 3

第1章 引 言 ······························································································· 5

第2章 Z3040控制线路原理分析 ·································································· 7

2.1 Z3040摇臂钻床简介 ····························································································································· 7

2.1.1 Z3040摇臂钻床的结构及运行 ································································································· 7

2.1.2 Z3040摇臂钻床的电力拖动的特点和控制要求 ······································································ 7

2.1.3 Z3040控制线路概述 ················································································································· 8

2.2 Z3040控制线路原理分析 ····················································································································· 9

2.2.1 主电路分析 ······························································································································ 10

2.2.2 控制电路分析 ·························································································································· 10

第3章 基于PLC的Z3040控制系统设计 ··················································· 13

3.1 PLC的型号选择 ·································································································································· 13

3.1.1 PLC的型号选择 ······················································································································ 13

3.1.2 Z3040摇臂钻床PLC控制系统电路图设计 ·········································································· 14

3.2 基于PLC的Z3040型摇臂钻床控制系统软件设计 ····································································· 15

3.2.1 PLC梯形图程序设计 ·············································································································· 15

3.2.2 PLC梯形图系统调试 ·············································································································· 19

3.2.3 PLC控制指令表 ······················································································································ 19

3.2.4 PLC 控制系统分析 ················································································································· 20

3.2.5 元器件布置接线图设计 ·········································································································· 21

第4章 结论 ··································································································· 22 参 考 文 献 ··································································································· 23 附 录 ········································································································ 24 附录1Z3040型摇臂钻床PLC控制系统电气原理图1 ······································································· 24 附录2： S7-200 CPU的技术指标 ········································································································· 24 附录3 Z3040型摇臂钻床PLC控制I/O(输入、输出）地址分配表 ················································ 26 3

附录4：Z3040型摇臂钻床控制系统电路图 ························································································· 27 附录5 Z3040型摇臂钻床配电箱元件位置及接线图 ··········································································· 28 附录6 Z 3040型摇臂钻床PLC控制系统梯形图 ················································································ 29

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第1章 引 言

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

1．开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

2．模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

3．运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

4．过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用.

5．数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大 5

型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

6．通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

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第2章 Z3040控制线路原理分析

2.1 Z3040摇臂钻床简介

摇臂钻床适合于在大、中型零件上进行钻孔、扩孔、铰孔及攻螺纹等工作，在具有工艺装备的条件下还可以进行镗孔。摇臂钻床的主轴旋转运动和进给运动由一台交流异步电动机拖动，主轴的正反向旋转运动是通过机械转换实现的。故主电动机只有一个旋转方向。

摇臂钻床除了主轴的旋转和进给运动外，还有摇臂的上升、下降及立柱的夹紧和放松。摇臂的上升、下降由一台交流异步电动机拖动，主轴箱、立柱的夹紧和放松由另一台交流电动机拖动。通过电动机拖动一台齿轮泵，供给夹紧装置所需要的压力油。而摇臂的回转和主轴箱的左右移动通常采用手动。此外还有一台冷却泵电动机对加工的刀具进行冷却。

2.1.1 Z3040摇臂钻床的结构及运行

Z3040摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成，内立柱固定在底座上，在它的外面套着空心的外立柱，外立柱可绕着内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，它包括主轴及主轴旋转和进给运动的全部传动变速和操作机构。主轴箱安装于摇臂的水平导轨上，可以通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。

钻削加工时，主轴箱可由夹紧装置将其固定在摇臂的水平导轨上，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。

2.1.2 Z3040摇臂钻床的电力拖动的特点和控制要求

摇臂钻床运动部件较多，为简化传动装置，采用多台电动机控制，通常没有主轴电动机、摇臂升降电动机、立柱夹紧和放松电动机及冷却泵电动机。

摇臂钻床为适应各种形式加工，要求主轴及进给有较大的调速范围。主轴一般速度下的钻床加工为恒功率负载，而低速是用于扩孔、绞孔及螺纹加工，属于恒转矩负载。摇臂钻床的主运动与进给运动皆为主轴运动，这两个运动由 7

一台主轴电动机拖动，分别经主轴和进给传动机构实现主轴旋转和进给。主轴变速机构与进给变速机构均装在主轴箱内。

为加工螺纹，主轴要求有正、反转，一般由机械方法获得，为此主轴电动机只需单方向旋转。

摇臂的升降由升降电动机拖动，要求电动机能正、反转。

摇臂的夹紧和放松是由电气和液压联合控制，并且有夹紧和放松指示。 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-液压-机械装置等方法来实现。

钻削加工时，需要对刀具和工件进行冷却，为此需冷却泵电动机输送冷却液。

要有必要的限位、连锁和过载保护，且具有局部安全照明。

2.1.3 Z3040控制线路概述

Z3040摇臂钻床主要有两种主要运动和其他辅助运动，主运动是指主轴带动钻头的旋转运动；进给运动是指钻头的垂直运动；辅助运动是指主轴箱沿摇臂水平运动，摇臂沿外立柱上下移动以及摇臂和外立柱一起相对于内立柱的回转运动。

Z3040摇臂钻床具有两套液压控制系统：一套是由主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过操纵机构实现主轴正反转、停车控制、空挡、预选与变速；另一套是由液压电动机拖动液压泵送出压力油来实现摇臂的夹紧和松开、主轴箱的夹紧与松开、立柱的夹紧与松开。前者安装在主轴箱内，后者安装在摇臂电器盒下部。

1．操纵机构液压系统

该系统压力油由主轴电动机拖动齿轮泵送出，由主轴操作手柄来改变两个操纵阀的相互位置，获得不同的动作。操作手柄有五个空间位置：上、下、里、外和中间位置，其中上为“空挡”，下为“变速”，外为“正转”，里为“反转”，中间位置为“停车”。而主轴转速及主轴进给量各有一个旋钮预选，然后在操作 8

主轴手柄。

主轴旋转时，首先按下主轴电动机起动按钮，主轴电动机起动旋转，拖动齿轮泵，送出压力油。然后操纵主轴手柄，板至所需转向位置（里或外），于是两个操纵阀相互位置转变，使一股压力油将制动摩擦离合器松开，为主轴旋转创造条件；另一股压力油压紧正转（反转）摩擦离合器，接通主轴电动机的主轴的传送链，驱动主轴正转或反转。

在主轴正转或反转过程中，可转动变速按钮，改变主轴转速或主轴进给量。 主轴停车时，将操作手柄扳回中间位置，这时主轴电动机仍拖动齿轮泵旋转。但此时整个液压系统为低压油，无法松开制动摩擦离合器，而在制动弹簧作用下将制动摩擦离合器压紧，使制动轴上的齿轮不能转动，实现主轴停车。所以主轴停车时主轴发动机仍在旋转，只是不能将动力传到主轴。

主轴变速与进给变速：将主轴手柄扳至“变速”位置，于是改变两个操纵阀的相互位置，使齿轮泵送出的压力油进入主轴转速预选阀和主轴进给量预选阀，然后进入各变速油缸。与此同时，另一油路系统推动拔叉缓慢运动，逐渐压紧主轴正转摩擦离合器，接通主轴电动机到主轴的传动链，带动主轴缓慢旋转，称为缓速，以利于齿轮的顺利啮合。当变速完成，松开操作手柄，此时手柄在弹簧作用下由“变速”位置自动复位到主轴“停车”位置，然后在操纵主轴正转或反转，主轴将在新的转速或进给量下工作。

2．夹紧机构液压系统

主轴箱、内外立柱和摇臂的夹紧和松开是由液压泵电动机拖动液压泵电动机送出压力油，推动活塞、菱形块来实现的。其中由一个油路控制主轴箱和立柱的夹紧，另一油路控制摇臂的夹紧和松开，这两个油路均由电磁阀控制。

Z3040摇臂钻床共有四大电动机：主电动机M1，摇臂升降电动机M2，液压泵电动机M3和冷却泵电动机M4。

2.2 Z3040控制线路原理分析

Z3040型摇臂钻床控制线路原理图见附录1，Z3040型摇臂钻床的动作是通过机、电、液进行联合控制实现的。该机床控制电路采用380V/100V隔离变压 9

器供电，但其二次绕组增设24V安全电压供局部照明使用。断路器QF1既作为机床线路的电源总开关，又作为机床线路和主轴电机M1的短路及过载保护元件，断路器QF2卧摇臂升降电动机M2、液压泵电机M3、冷却泵电机M4的隔离开关和过载及短路保护元件。QF3、QF4、QF5分别为机床控制电路、机床工作信号指示电路和机床工作照明电路和过载及短路保护开关。

开车前的准备。首先将隔离开关接通，将电源引入开关QF1扳到“接通”位置，接通三相交流电源，此时总电源指示灯HL1亮，表示机床电气电路已进入带电状态。按下总启动按钮SB1，中间继电器KA线圈通电吸合并自锁，为主电动机及其他电动机启动多准备，同时触点KA闭合，为其他三个指示灯通电做准备。

2.2.1 主电路分析

1．M1为单方向旋转，由接触器KM1控制，主轴的正反转则由机床液压系统操纵机构配合正反转摩擦离合器实现，并由热继电器FR1作电动机长期过载保护。

2． M2由正、反转接触器KM2、KM3控制实现正反转。控制电路保证，在操纵摇臂升降时，首先使液压泵电动机起动旋转，供出压力油，经液压系统将摇臂松开，然后才使电动机M2 起动，拖动摇臂上升或下降。当移动到位后，保证M2先停下，再自动通过液压系统将摇臂夹紧，最后液压泵电机才停下。M2为短时工作，不设长期过载保护。

3．M3由接触器KM4、KM5实现正反转控制，并有热继电器FR2作长期过载保护。

4．M4电机容量小，仅0.125kW，由开关QS控制。

2.2.2 控制电路分析

由变压器TC将380V交流电压降为110V，作为控制电源。指示灯电源为 6V。

1．主电动机控制

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按下起动按钮SB2，接触器KM1吸合并自锁，主轴电动机M1起动并运转。按下停止按钮SB8，接触器KM1释放，主轴电动机M1停转。

2．摇臂升降控制

摇臂上升、下降分别由SB3、SB4点动控制。

按上升按钮SB3，时间继电器KT1得电吸合，瞬时动合触点（33-35）闭合，接触器KM4得电吸合，液压泵电动机M3接通电源正向旋转，供给压力油。压力油经分配阀体进入摇臂松开的油腔，推动活塞，使摇臂松开。当摇臂完全松开后，活塞杆通过弹簧片压下限位开关ST2，使其动断触点ST2（17－33）断开，使接触器KM4线圈断电释放，液压泵电动机M3停转，与此同时，另一动合触点ST2（17-21）闭合，接触器KM2线圈通电吸合，其主触点接通升降电动机M2的电源，M2启动正向旋转，带动摇臂上升。

如果摇臂没有松开，ST2的动合触点也不能闭合，KM2就不能吸合，M2不能旋转，摇臂也就不可能上升，保证了只有在摇臂可靠松开后才能使摇臂上升。

当摇臂上升到所需位置时，松开按钮SB3，接触器KM2和时间继电器KT1同时断电释放，摇臂升降电动机M2停转，摇臂停止上升。由于KT1释放，其延时闭合的动断触点（47-49）经1-3秒延时后闭合，接触器KM5的线圈经（1-3-5-7-47-49-51-6-2）线路通电吸合，液压电动机M3反向起动旋转，供给压力油。压力油经分配阀进入摇臂夹紧油腔，向相反方向推动活塞，使摇臂夹紧。同时，活塞杆通过弹簧片压下限位开关ST2动断触点（7-47）断开，接触器KM5断电释放，液压泵电动机M3停止旋转，完成了摇臂的松开－上升－夹紧动作。

摇臂上升的动作过程如下：

按SB3→

{

KT1吸合

KM4吸合

}→M3正转→压下ST2→{

KM2吸合→M2正转KM4断电→M3停转

}→摇臂上升到预定

位置，松开SB3。

摇臂的下降过程与上升基本相同，它们的夹紧和放松电路完全一样。所不同的是按下降按钮SB4时为KM3线圈得电，摇臂升降电动机M2反转，带动摇臂下降。

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时间继电器KT1的作用是控制KM5的吸合时间，使M2停止运转后，再夹紧摇臂。KT1的延时时间应视摇臂在M2断电至停转前的惯性大小调整，应保证摇臂上升（或下降）后才进行夹紧，一般调整在1～3秒。

摇臂升降的限位保护，由组合开关ST1来实现。ST1有两对触点，ST1-1是摇臂上升时的极限位置保护，ST1-2（27-17）是摇臂下降时的极限位置保护。当摇臂上升到极限位置时，ST1-1(15-17)动作，将电路断开，则KM2断电释放，摇臂升降电动机M2停止旋转。但ST1的另一触点ST1-2（27-17）仍处于闭合状态，保证摇臂能够下降。同理，当摇臂下降到极限位置时，ST1-2（27-17）动作，电路断开，KM3释放，摇臂升降电动机M2停转。而ST1的另一动断触点ST1-1(15-17)仍闭合，以保证摇臂能够上升。

摇臂的自动夹紧是由行程ST3来控制的。如果液压夹紧系统出现故障而不能自动夹紧摇臂，或者由于ST3调整不当，在摇臂夹紧后不能使ST3（7-47）的动断触点断开，都会使液压泵电动机处于长期过载运行状态，这是不允许的。为了防止损坏液压泵电动机，电路中使用了热继电器FR2。

摇臂夹紧动作过程如下：

摇臂升到预定位置，松开SB3→KT1（47-49）断电延时闭合→KM5吸合、M3反转→摇臂夹紧→ST3（7-47）受压断开→KM5、M3、均断电释放。

3．立柱和主轴箱松开、夹紧控制

立柱和主轴箱的松开及夹紧控制可单独进行，也可同时进行，由转换开关SA2和复位按钮SB7（或SB8）进行控制。SA2有3个位置：中间位（零位）时，立柱和主轴箱的松开或夹紧同时进行；左边位为立柱的夹紧或放松；右边位为主轴箱的夹紧或放松。复合按钮SB7、SB8分别为松开、夹紧控制按钮。

以主轴箱的松开和夹紧为例：先将SA2扳到右侧，触点（57-59）接通，（57-63）断开。当要主轴箱松开时，按松开按钮SB7，时间继电器KT2、KT3的线圈同时得电，，KT2是断电延时型时间继电器，它的断电延时断开的常开触点 （7-57）在通电瞬间闭合，电磁铁YA1通电吸合。经1-3秒延时后，KT3的延时闭合常开触点（7-41）闭合，接触器KM4线圈经（1-3-5-7-41-43-37-39-6-2）线圈断电，液压泵电动机M3正转，压力油经分配阀进入主轴箱右缸，推动活塞使主轴箱放松。活塞杆使行程开关 ST4复位，触点ST4常闭开关,ST4常开闭合。指示灯

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HL2亮，表示主轴箱已松开。主轴箱夹紧的控制线路及工作原理与松开时相似，只要按松开按钮SB7换成夹紧按钮SB8，接触器KM4换成KM5，M3由正向转动变成反向转动，指示灯HL2换成HL3即可。

当把转换开关SA3拌到左侧时，触点（57-63）接通，（57-59）断开。按松开按钮SB7或夹紧按钮SB8时，电磁铁YA2通电，此时，立柱松开或夹紧；SA2在中间位时，触点（57-59）、（57-63）均接通。按SB7或SB8，电磁铁YA1、YA2均通电，主轴箱和立柱同时进行松开或夹紧。其他动作过程与主轴箱松开或夹紧时完全相同，不在论述。

由于立柱和主轴箱的松开与夹紧是短时间的调整工作，故采用点动控制方式。

4．冷却泵控制

冷却泵电动机M4容量小，所以用组合开关QS直接控制其运行和停止。 5．照明、信号电路

（1）机床照明电路QF5机床工作照明电路开关，同时过载及短路保护作用，EL为工作照明灯。

（2）工作信号指示HL1电源指示灯，当和上QF2时HL1指示灯亮，HL2为立柱和主轴箱松开指示灯，HL3为立柱和主轴箱夹紧指示灯，分别由限位开关ST4长闭触头和ST4常开触头控制。HL4为主轴电动机旋转指示灯，由KM1常开触头控制。

第3章 基于PLC的Z3040控制系统设计

3.1 PLC的型号选择

3.1.1 PLC的型号选择

随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标

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有着重要意义。PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。

1．PLC类型简介

目前各国生产的PLC品种繁多，发展迅速。在中国的市场上最具竞争力的有德国西门子公司、日本三菱系列、欧姆龙公司、AB公司所推出的PLC均为从

小到大全系列的产品，可满足各种各样的需求。

2．选配PLC的型号

S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。S7-200 CPU的技术指标见附录2

（1）确定I/O点数

在改造设计中尽可能利用原有电器，以利于节省投资。根据原控制电路来确定I/O端口点数，其中：按钮8个，行程开关5个，转换开关1个（触点位置3个），热继电器常闭2个，电压继电器触点1个，控制线路电源总开关1个，共20个输入端口点数；接触器7个，电压继电器一个，信号灯4个，共计12个输出端口点数。

（2）选配PLC的型号

在选用PLC上，考虑到只是对Z3040型钻床做电器部分的改造，输出端口需要12个，输入端口需要20个。而且并不通过网络或其他方式做远程控制。因此，考虑到经济，实用，稳定等方面因素。我决定选用SIMATIC S7-200系列的S7－200系列CPU226AC/DC/RELAY型，作为本次设计所用PLC。其I/O地址分配见附录3。

3.1.2 Z3040摇臂钻床PLC控制系统电路图设计

根据I/O地址分配表设计PLC控制系统电路图。 1．设计中的几个问题：

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（1）控制电源

接触器、电磁铁及指示灯仍采用原来的110V、6.3V电压不变。 （2）Z3040型摇臂钻床照明灯、通电指示灯和信号控制电路的处理 手动控制Z3040型摇臂钻床照明灯的电路和电源指示灯电路可用原控制电路控制，也可以用PLC 控制，本设计照明灯的电路采用原控制电路控制，信号控制电路采用PLC 控制。

（3）在控制电路中，摇臂升降电动机和液压泵电动机都需要正反转控制，必须设置互锁环节。

其方案有三

方案一是在梯形图中设置互锁；

方案二是利用正反转接触器常闭触点在输出电路中实现互锁；

方案三是在编制梯形图时对这两台电动机都设置互锁并结合正反转接触器常闭触点在输出电路中的互锁。

从这三个方案来看方案三实现了双重保护，可避免电源短路，有效保证安全。因此本设计采用第三个方案。

（4）主轴电动机和液压泵电动机过载保护元件热继电器常闭触点放置问题 热继电器常闭触点可直接接在输出端，本设计为控制方便将热继电器常闭触点接在PLC的输入端。

2．Z3040摇臂钻床控制系统电路图

根据上述设计理念设计出Z3040摇臂钻床控制系统电路图。见附录4.

3.2 基于PLC的Z3040型摇臂钻床控制系统软件设计

3.2.1 PLC梯形图程序设计

1．系统预开程序

本段梯形图程序是为主电动机及其他电动机启动做准备。当合上FQ3

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（I0.0）按下SB1(I0.2)低电压继电器KV（Q0.0）得电并自锁,其常开触点KV(I0.3)闭合接通了控制电路电源为机床工作做准备。梯形图程序如图4－1所示。

I0.0

I0.1

I0.2Q0.0

Q0.0

图4－1

2．主轴电动机控制程序

主轴电动机只做单方向旋转，需要过载保护，过载保护由热继电器FR1(I0.4)完成。梯形图程序如图4－2所示。

I0.3

I0.5Q0.1

I0.6

I0.4

Q0.1

图4－2

3．摇臂升降控制程序

摇臂的升（或降）严格按照摇臂松开－升（或降）－夹紧的顺序进行。为此，要求夹紧与放松作用的液压泵电动机与摇臂升降电动机按一定顺序启动工作，由摇臂松开行程开关与摇臂夹紧行程开关发出控制信号进行控制。当要求摇臂上升（或下降）时，按下SB3(或SB4)首先启动主轴箱、立柱、摇臂松开电路当松开到位时ST2(I1.3)常开触点闭合,使液压泵电动机旋转（正转或反转）,摇臂上升（或下降）。液压泵电动机正、反转需必要的互锁。梯形图如图4－3所示。

4．主轴箱、立柱、摇臂松开、夹紧控制程序

Z3040摇臂钻床，摇臂的松开、夹紧与摇臂的升降要求能自动控制，本设计采用定时器与行程开关配合完成，有必要的联锁保护。梯形图程序如图4－4所示。

16

M0.0I1.3M0.1I1.5Q0.5Q0.4

M0.1I1.7T39

I1.6

M0.2

T37I1.5

Q0.4Q0.5

I1.4

图4－

4

M0.0

I0.7I1.0

I1.1

I1.2

M0.0I1.3

I0.7I1.0

Q0.3Q0.2

Q0.2Q0.3

图4－3

5．主轴箱、立柱松开、夹紧控制程序

主轴箱、立柱松开与夹紧控制要求可单独操作，也可以同时操作，由转换开关SA和SB5、SB6配合定时器进行控制。梯形图程序如图4－5所示。

17

6．冷却泵控制

冷却泵电动机采用组合开关QS直接控制其启停。

I1.6

I1.7

I2.1

T38

Q0.6

I2.2I2.3

T38

Q0.7

I2.2

图4－5

7．信号指示梯形图程序电源指示灯HL1（Q1.0）当机床上电时指示，采用

S－200PLC特殊内部继电器SM0.0实现；立柱、主轴箱松开、夹紧指示灯HL2（Q1.1

）、HL3(Q1.2)由限位开关ST4(I2.0)控制；主轴电动机旋转指示灯HL4（Q1.3）由KM1（Q0.1）控制。梯形图程序如图4－6所示。

SM0.0

Q1.0

I0.3I2.0I2.0Q0.1

Q1.1Q1.3

图4－6

18

3.2.2 PLC梯形图系统调试

将各部分梯形图程序上机调试并合并成如附录5所示的Z3040型摇臂钻床PLC控制系统梯形图，经过调试和模拟实验，所设计的梯形图程序完全满足Z3040型摇臂钻床对控制系统的要求。 3.2.3 PLC控制指令表

LD I0.0 AN I0.1 LD I0.2 O Q0.0 ALD

= Q0.0 LD I0.3 LPS

LD I0.5 O Q0.1 A B4:I1.0 AN B3:I0.7 AN Q0.2 = Q0.3 LRD

LD I0.7 AN I1.1 LD I1.0 AN I1.2 OLD

A M0.0 AN I1.3 AN M0.1 LD T39 AN I1.7 A M0.1 OLD ALD

A I1.5 AN Q0.5 = Q0.4 LPP LPS

LDN I1.6

ALD

AN I0.6 A I0.4 = Q0.1 LRD

LD I0.7 AN I1.1 LD I1.0 AN I1.2 OLD

A M0.2 ON I1.4 ALD

AN T37 A I1.5 AN Q0.4 = Q0.5 LRD

LD I0.7 AN I1.1 LD I1.0 AN I1.2 OLD ALD

TOF T37, 30 LRD

LD I1.6 O I1.7 AN M0.0 ALD

= M0.1 TOF T38, 30 LRD

LD I2.1

19

ALD

= M0.0 LRD

A I1.3 LPS

A I0.7 AN I1.0 AN Q0.3 = Q0.2 LPP

O I2.3 ALD

A T38 = Q0.6 LRD

LD I2.2 O I2.3 ALD

A T38 = Q0.7 LPP

A M0.1 = M0.2 TON T39, 100 LD SM0.0 = Q1.0 LD I0.3 LPS

AN I2.0 = Q1.1 LRD

A I2.0 = Q1.2 LPPA Q0.1

3.2.4 PLC 控制系统分析

1．开车准备

先将自动开关QF2～QF5接通，在将电源总开关QF1扳倒“接通”位置，引入三相电源。PLC上电，电源指示灯点亮表示机床已处于带电状态。按下SB1， I0.2接通，低电压继电器KV（Q0.0）得电并自锁,其常开触点KV(I0.3)闭合接通了控制电路电源为机床工作做准备。

2．主轴电动机控制

启动时，按下启动按钮SB2，I0.5接通，Q0.1动作并自锁使KM1得电并自锁，KM1主触点闭合主轴电动机M1转动，指示灯HL4亮。停车时，按下停止按钮SB7，I0.6断开Q0.1复位，KM1断电释放，主轴电动机M1停转，指示灯HL4灭。

3．摇臂升降控制

当需要摇臂上升时按下SB3，I0.7闭合，M0.0接通，同时，接通断电延时定时器T37，其长闭触点T37瞬时断开，断开了液压泵电动机M3反转控制的电路。由于主轴箱、立柱、摇臂松开逻辑行I1.5是闭合的，因而Q0.4接通闭合，液压泵电动机M3正转，松开摇臂。摇臂松开到位后，I1.3长闭触点断开，液压泵电动机M3停转，摇臂上升逻辑行I1.3常开触点闭合，Q0.2接通闭合，摇臂上升电动机M2正转，带动摇臂上升。当摇臂上升到一定高度时松开SB3，I0.7复位断开，M0.0断开，断电延时定时器T37断电，其长闭触点T37延时3秒钟闭合Q0.5接通闭合，液压泵电动机M3反转，夹紧摇臂。摇臂夹紧后ST2（I1.3）、ST3（I1.4）恢复初始状态且I1.4断开，Q0.5失电，液压泵电动机M3停转，完成了摇臂松开－上升－夹紧的动作过程。摇臂下降的控制过程与摇臂上升的控制过程相似。

4．立柱与主轴箱松开、夹紧控制

立柱与主轴箱的松开、夹紧控制可单独进行，也可同时进行，由转换开关SA与按钮SB5或SB6控制。转换开关有三个位置，板到中间位置时立柱和主轴箱的松开与夹紧同时进行；板到左边位置时，立柱被夹紧与放松；板到右边位置时主轴箱单独夹紧与放松。

当转换开关置于中间位置时I2.2闭合，若使立柱与主轴箱同时松开，则按下SB5，I1.6闭合，M0.1和断电延时定时器T38同时接通，T38触点瞬时闭合，

20

Q0.6、Q0.7同时得电吸合为主轴箱与立柱同时松开做准备。M0.1常开触点闭合，M0.2和通电延时定时器T39同时接通，M0.2常开触点闭合主轴箱与立柱夹紧准备，T39常开触点经3秒钟延时闭合Q0.4接通闭合，液压泵电动机M3通电正转推动活塞使立柱和主轴箱松开。同时活塞杆使TS4复位I2.0闭合，指示灯HL2；亮。

当立柱与主轴箱松开后，可手动使立柱回转或主轴箱做径向移动。当调整到位后可按下SB6夹紧按钮，主轴箱与立柱夹紧工作情况与松开时相似。这里不再赘述。另外两种情况，只有将转换开关SA板到相应位置，再按SB5与SB6即可实现。

3.2.5 元器件布置接线图设计

根据Z3040型摇臂钻床配电箱的规格尺寸，各电器实际外形尺寸进行合理布置以及根据接线图绘制原则设计绘制出元器件布置接线图。见附录6

第4章 结论

本次设计阐述了PLC在Z3040型摇臂钻床控制系统设计的应用，应用可编程控制器（PLC）对Z3040摇臂钻床控制系统加以改造，把PLC控制技术应用到改造设计方案中去，取代传统继电接触控制的方法, 达到了使控制系统满足Z3040摇臂钻床对电力拖动和控制要求，简化了控制线,使得钻床的可靠性和效率大为提高。

参 考 文 献

[1] 、冯垛生，电气实用指南，人民邮电出版社，2006 [2] 、陈伯时，电力拖动控制系统，机械工业出版社，2003 [3] 、赵明等，工厂电气控制设备，机械工业出版社，1995 [4] 、万东梅，电路·电子·电气应用实训，交通大学出版社，2004 [5] 、张运波，工厂电气控制技术，高等教育出版社，2003 [6] 、王 红，可编程控制器使用教程，电子工业出版社，2003 [7] 、张桂香，电气控制与PLC应用，化学工业出版社，2003 [8] 、赵宏家，建筑电气控制，重庆大学出版社，2002 [9] 、齐从谦，PLC技术及应用，机械工业出版社，2002 [10] 、王明昌，建筑电工学（第二版），重庆大学出版社，2000 [11] 、余雷声，电气控制与PLC应用，机械工业出版社，1998 [12] 、常斗南，可编程控制器原理，机械工业出版社，1998 [13] 、齐占山，机床电气控制技术，机械工业出版社，1993 [14] 、方承远，工厂电气控制技术，机械工业出版社，1992

[15] 、SIEMENS WINCC手册，西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团，2004

附 录

附录1Z3040型摇臂钻床PLC控制系统电气原理图1

Z3040型摇臂钻床控制线路原理图

附录2： S7-200 CPU的技术指标

续表

附录3 Z3040型摇臂钻床PLC控制I/O(输入、输出）地址分配表

附录4：Z3040型摇臂钻床控制系统电路图

Z3040型摇臂钻床控制系统电路图

5 Z3040型摇臂钻床配电箱元件位置及接线图

Z3040型摇臂钻床配电箱元件位置及接线图

附录

附录6 Z 3040型摇臂钻床PLC控制系统梯形图

I0.0

I0.3

I0.1

I0.2Q0.0

欠电压保护

Q0.0

I0.5

I0.6

I0.4

Q0.1

主轴电动机控制

M0.0I1.0I1.2M0.0I1.3M0.1I1.5

Q0.5

Q0.4

M0.1I1.7T39主轴箱立柱摇臂松开M0.0

I1.3

I1.0Q0.3Q0.2

摇臂上升

I0.7

Q0.3

摇臂下降

I1.6M0.2I1.5T37

Q0.5

I1.4

主轴箱立柱摇臂夹紧

M0.0

T37

I1.6M0.1

I1.7

Z3040型摇臂钻床PLC控制系统梯形图

Q0.6

主轴箱松开夹紧

I2.1T38

I2.2I2.3

T38

Q0.7

立柱松开夹紧

I2.2

M0.2

SM0.0

Q1.0

电源指示

I0.3I2.0I2.0Q0.1

Q1.1

立柱松开指示

Q1.3

主轴电动机旋转指示立柱夹紧指示