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Z32K型摇臂钻床变速箱设计4篇
Z32K型摇臂钻床变速箱设计篇1
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
Z32K型摇臂钻床变速箱设计篇2
第1章 引 言
1.1本课题选题背景和意义
钻床指主要用钻头在工件上加工孔的机床。通常钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进给运动。钻床结构简单，加工精度相对较低，可钻通孔、盲孔，更换特殊刀具，可扩、锪孔，铰孔或进行攻丝等加工。加工过程中工件不动，让刀具移动，将刀具中心对正孔中心，并使刀具转动(主运动)。钻床的特点是工件固定不动，刀具做旋转运动，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝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、台式钻床、深孔钻床、多轴钻床、摇臂钻床及其他专用钻床等。
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，特别适用于单件或批量生产带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常见的机床。
Z3040摇臂钻床是一种立式钻床，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，它适用于单件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，在机械行业中得到了广泛应用。目前机械行业中使用的摇臂钻床其控制系统大多数是采用继电器接触器控制方式，电路接线复杂，触点多、噪音大、维修工作量大。长期使用后，故障率高，故障排查困难，常常影响企业正常生产。因此，对Z3040摇臂钻床控制系统的技术改造是非常必要的。
可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC或PC，是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，逐渐适合复杂的控制任务。
PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。比之单片机，它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程。用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。
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，被日益广泛应用于机械加工设备的电气控制系统中。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，取代传统继电接触控制的方法, 使得钻床的可靠性和效率大为提高, 在工业上有广泛的应用前景。
1.2 现状及发展状态
1.2.1 PLC的应用领域
目前，PLC在国内和国外都已有广泛的应用，主要应用于钢铁、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．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。
2．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。
3．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.
4．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。
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。
1.2.2 PLC的国内外状况
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
1.3 本文的主要工作
本设计的主要任务是应用可编程控制器（PLC）对Z3040摇臂钻床控制系统加以改造，最终要达到使控制系统满足Z3040摇臂钻床对电力拖动和控制要求，简化控制线路，提高系统可靠性，使用率。具体设计任务要求如下：
1．Z3040型摇臂钻床控制线路原理分析
2．基于PLC的Z3040型摇臂钻床控制系统设计
（1）PLC的硬件选型
（2）Z3040型摇臂钻床PLC控制I/O端口分配表
（3）Z3040型摇臂钻床PLC控制系统电路
（4）Z3040型摇臂钻床PLC控制软件设计
（5）PLC 控制分析
3．主要电气元件及选择
（1）断路器
（2）接触器
（3）热继电器
（4）熔断器
4．元器件布置图和接线图设计
第2章 主要电气元件及选择
2.1断路器
2.1.1 断路器结构、原理
断路器一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成。
当短路时，大电流（一般10至12倍）产生的磁场克服反力弹簧，脱扣器拉动操作机构动作，开关瞬时跳闸。当过载时，电流变大，发热量加剧，双金属片变形到一定程度推动机构动作（电流越大，动作时间越短）。
现在有电子型的，使用互感器采集各相电流大小，与设定值比较，当电流异常时微处理器发出信号，使电子脱扣器带动操作机构动作。
断路器的作用是切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，防止事故扩大，保证安全运行。而高压断路器要开断1500V，电流为1500-2000A的电弧，这些电弧可拉长至2m仍然继续燃烧不熄灭。故灭弧是高压断路器必须解决的问题。
吹弧熄弧的原理主要是冷却电弧减弱热游离，另一方面通过吹弧拉长电弧加强带电粒子的复合和扩散，同时把弧隙中的带电粒子吹散，迅速恢复介质的绝缘强度。
2.1.2 断路器的选择
1．低压断路器的选用
低压断路器的选用应符合GB/T 14048.1-1992《低压开关设备和控制设备总则》、GB/T 14048.2-1993《低压电器外壳防护等级》、GB/T 14048.2-1994《低压开关设备和控制设备低压断路器》等国家标准，而且与国际标准接轨。
2．选用的技术原则
（1）断路器的额定工作电压应大于或等于线路或设备的额定工作电压。对于配电电路来说应注意区别是电源端保护还是负载保护，电源端电压比负载端电压高出约5%左右。
（2）断路器主电路额定工作电流大于或等于负载工作电流。
（3）断路器的过载脱扣整定电流应等于负载工作电流。
（4）断路器的额定通断能力大于或等于电路的最大断路电流。
（5）断路器的欠电压脱扣器额定电压等于主电路的最大短路电流。
（6）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。
根据以上选择原则以Z3040摇臂钻床总电源输入断路器QF1为例说明：Z3040摇臂钻床额定工作电压为380V负载的工作电流既为4台电动机的工作电流之和，即I=IMN1+IMN2+IMN3+ =6.8+3.7+2.1=12.6A，故选择DZ5-50/500，15A型断路器。其它断路器的选择型号、规格、数量请祥见附录7Z3040型摇臂钻床主要电元器件明细表。
2.2接触器
2.2.1 接触器结构、原理
接触器是一种用来频繁接通或断开交直流主电路及大容量控制电路的自动切换电器。它是利用电磁吸力和弹簧反作用配合动作而使触头闭合或分断的一种电器，还具有低压释放保护的功能，并能实现远距离控制，在自动控制系统中应用得相当广泛。接触器按其主触头通过电流的种类不同，可分为直流接触器和交流接触器
交流接触器主要由电磁铁和触点两部分组成，当电磁铁线圈通电后，吸住动铁心（也称衔铁），使常开触点闭合，因而把主电路接通。电磁铁断电后，靠弹簧反作用力使动铁心释放，切断主电路。
交流接触器的触点分为两类，一类接在电动机的主电路中通过的电流较大，称作主触点；
另一类接在控制电路中，通过的电流较小，称为辅助触点。
主触点断开瞬间，触点间会产生电弧烧坏触点，因此交流接触器的动触点都做成桥式，有两个断点，以降低当触点断开时加在断点上的电压，使电弧容易熄灭。在电流较大的接触器的主触点上还专门装有灭弧罩，其外壳由绝缘材料制成，里面的平行薄片使三对主触点相互隔开，其作用是将电弧分割成小段， 使之容易熄灭。
2.2.2 接触器的选择
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．接触器的选择原则
（1）接触器类型的选择
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，支流负载应选用支流接触器。
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，例如，AC-3设计的控制4kW电动机的接触器，用于中任务时，应降低一个容量等级，只能控制2.2kW电动机等。支流接触器的选择类别于交流接触器类似。
（2）接触器主触点的额定电压选择
被选用的接触器主触点的额定电压应大于或等于负载的额定电压。
（3）接触器主触点额定电流的选择
对于电动机负载，接触器主触点额定电流按下式计算
IN=PN×103/UN cosφ.η (2－1)
式中：PN－电动机功率（kW）。
UN－电动机额定线电压（V）
Cosφ－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。
（4）接触器吸引线圈电压的选择
如果控制线路比较简单，所用接触器数量较少，则交流接触器线圈的额定电压一般直接选用380V或220V。如果控制线路比较复杂，使用的电器又比较多，为了安全起见，线圈的额定电压可选底一些。例如，交流接触器线圈电压可选择127V、36V等，这时需要附加一个控制变压器。
支流接触器线圈的额定电压应视控制回路的情况而定。同一系列、同一容量等级的接触器，其线圈的额定电压有几种，可以选线圈的额定电压与支流控制电路的电压一致。
直流接触器的线圈加的是直流电压，交流接触器的线圈一般是加交流电压。有时为了提高接触器的最大操作频率，交流接触器也有采用直接线圈的。
2．接触器的选择
（1）主轴电动机接触器KM1的选择
主轴电动机需要起动、停止控制。因此选择AC3类接触器。
额定电流按下式计算
==6.7A
考虑到留有一定余量故选CJ0-20B型。线圈电压110V
（2）其他接触器的选择
其他接触器的选择型号、规格、数量见附录5 Z3040型摇臂钻床主要电元器件明细表。
2.3热继电器
2.3.1 热继电器结构、原理
电动机在工作时，当负载过大、电压过低或发生一相断路故障时，电动机的电流都要增大，其值往往超过额定电流。如果超过不多，电路中熔断器的熔体不会熔断，但时间长了会影响电动机的寿命，甚至烧毁电动机，因此需要有过载保护。热继电器用于电动机的过载保护，它是利用电流热效应使双金属片受热后弯曲，通过联动机构使触点动作的自动电器。
它由发热元件、双金属片、触点及一套传动和调整机构组成。发热元件是一段阻值不大的电阻丝，串接在被保护电动机的主电路中。双金属片由两种不同热膨胀系数的金属片辗压而成。
图中所示的双金属片，下层一片的热膨胀系数大，上层的小。当电动机过载时，通过发热元件的电流超过整定电流，双金属片受热向上弯曲脱离扣板，使常闭触点断开。由于常闭触点是接在电动机的控制电路中的，它的断开会使得与其相接的接触器线圈断电，从而接触器主触点断开，电动机的主电路断电，实现了过载保护。
热继电器动作后，双金属片经过一段时间冷却，按下复位按钮即可复位。
热继电器的主要技术数据是整定电流。整定电流是指长期通过发热元件而不致使热继电器动作的最大电流。当发热元件中通过的电流超过整定电流值的20％时，热继电器应在20分钟内动作。热继电器的整定电流大小可通过整定电流旋钮来改变。选用和整定热继电器时一定要使整定电流值与电动机的额定电流一致
由于热继电器是间接受热而动作的，热惯性较大，因而即使通过发热元件的电流短时间内超过整定电流几倍，热继电器也不会立即动作。只有这样，在电动机起动时热继电器才不会因起动电流大而动作，否则电动机将无法起动。
反之，如果电流超过整定电流不多，但时间一长也会动作。由此可见，热继电器与熔断器的作用是不同的，热继电器只能作过载保护而不能作短路保护，而熔断器则只能作短路保护而不能作过载保护。在一个较完善的控制电路中，特别是容量较大的电动机中，这两种保护都应具备。
2.3.2 热继电器的选择
1．热继电器选用原则
（1）热继电器额定电流的选择
热继电器额定电流应大于电动机额定电流，然后根据额定电流来选择热继电器的型号。
（2）热继电器热元件额定电流的选择
IFRN=(0.95～1.05)IMN (2─2)
式中：IFRN－热继电器热元件的整定电流；
IMN－电动机额定电流；
2．热继电器的选择：
（1）主轴电动机热继电器FR1的选择
IFRN =（0.95～1.05）IMN
=（0.95～1.05）×6.8
=（6.46～7.14）A
故选用热继电器的型号为JR0-20/3，热元件额定电流6.8～11A，取6.8A
（2）液压泵电动机热继电器FR2的选择
IFRN =（0.95～1.05）IMN3
=（0.95～1.05）×2.1
=（1.995～2.2）A
故选用热继电器的型号为JR0-20/3，热元件额定电流2.2～3.5A，取2.2A
2.4熔断器
2.4.1 熔断器结构、原理
熔断器由熔体和绝缘底座（或称熔管）等组成。熔体为丝状或片状，熔体材料通常有两种：一种是由铅锡合金和锌等熔点底、导电性能差的金属制成，因而不易灭弧，多用于小电流的电路：另一种有银、铜等熔点高、导电性能好的金属丝指成，易于灭弧，多用于大电流电路。当正常工作的时候，流过熔体的电流小于或等于它的额定电流，由于熔体发热温度尚未达到熔体的熔点，熔体缓慢熔断；
当流过整体熔体的电流达到额定电流的8～10倍时，熔体迅速熔断。电流越大，熔断越快，熔断器的这种特性成为保护特性或安秒特性，IN为熔体额定电流，通常取2IN为熔断器的熔断电流，其熔断时间约为30～40秒。因此，熔断器对轻度过载反映比较迟钝，一般只能多短路保护用。
2.4.2 熔断器的选择
1．熔断器选择原则
工业上选择熔断器一般应从以下几个方面考虑：
（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）熔断器的选择应考虑电路中其他配电电器、控制电器之间选择性配合等要求。为此，应使上一级（供电干线）熔断器的熔体额定电流比下一级（供电支路）大1~2个级差。
（6）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工作电流，既
IFU≥I (2─3)
式中IFU为熔体的额定电流，I为电路的工作电流。
对于电动机类负载，要考虑起动冲击电流的影响，应按下式计算
IFU≥（1.5～2.5）IN (2─4)
对于多太电动机由一个熔断器保护时，熔体额定电流应按下式计算
IFU≥（1.5～2.5）INMAX+∑IN (2─5)
式中，INMAX为容量最大的一台电动机的额定电流，∑IN为其余电动机额定电流的总和。
（7）降压启动的电动机选用熔体的额定电流等于或略大于电动机的额定电流。
2．熔断器的选择
Z3040型摇臂钻床PLC输出接点短路保护采用熔断器保护。根据所选PLC S7-200 CPU226 DC/CD/继电器型号，每个输出点最大额定电流为2A，公共点最大额定电流为10A，及PLC使用输出点的情况，选FU0、FU1、FU2型号为RL1-15A，熔体额定电流为6A 3只。
根据选择的电器元器件，列表明细表如附录7
第3章 PLC的概述
3.1 PLC的基本知识
3.1.1 PLC的产生及发展
在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。为了使各位初学者更方便地了解PLC，本文对PLC的发展、基本结构、配置、应用等基本知识作一简介，以期对各位网友有所帮助。
PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车制造公司（GM），为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线、减少时间，降低成本。因而设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用“面向控制过程，面向对象”的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller(PC)。上世纪80年代至90年代中期是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
3.1.2 PLC的组成
PLC由中央处理单元，存储器，输入单元，输出单元，电源五部分组成。其结构框图如图（3－1）。
1．中央处理单元（简称CPU）
中央处理单元是PLC的控制中枢，起神经中枢的作用，核心部件，其性能决定了PLC的性能，是PLC不可缺少的组成单元。
组成：由控制器，运算器和寄存器组成，这些电路都集中在一块芯片上，通过地址总线，数据总线，控制总线，与存储器的输入，输出接口电路相连。
常用芯片：通用微处理器，单片机，位片式微处理器。
作用：处理和运行用户程序，进行逻辑和数学运算，控制整个系统，使之协调的工作。具体有：
图3—1 PLC结构简化框图
（1）接收并存储从编程器键入的用户程序和数据，用扫描方式接收现场输入设备的状态或数据，并将输入状态或数据存入输入印象区或数据寄存器。
（2）诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。
（3）PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，经指令解释后按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路，分时、分渠道地去执行数据的存取，传送，组合，比较和变换等操作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算等任务。
（4）根据运算结果，更换有关影像区的状态和输出状态寄存器的内容，根据输出状态寄存器或数据寄存器的内容实现对输出的控制。
2．存储器
存储器是具有记忆功能的半导体电路。
作用：存放系统程序，用户程序，逻辑变量和其它一些信息，用于PLC运行中各类信息的存 取操作。
系统程序：用于存放系统程序，控制PLC完成各种功能的程序，由PLC生产厂家编写，并固化到只读式存储器ROM中，用户不能访问，与硬件共同作用决定该型PLC具备何种功能。
用户程序：用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的程序。通过编程器输入到PLC的随机存储器RAM中，允许修改，由用户启动运行。
（1）结构：由存储体、地址译码电路、读写控制电路、数据寄存器组成。
存储体由存储单元构成，作用：存放二进制数据。
地址译码电路的作用：根据地址总线上的地址编码选取相应的存储单元。
读写控制电路的作用：将选中的存储单元的内容读到数据寄存器中或将数据寄存
器的内容写到选中的存储单元中。
数据寄存器的作用：存放从存储单元读出的数据，或者存放从数据总线送来并准备写到存储单元去的数据。
（2）存储器的工作过程：
数据的写入过程 数据的读出过程
（3）PLC中使用的存储器：只读存储器ROM 随机存储器RAM
ROM为只读存储器，存放PLC制造厂家写入的系统程序，并永远驻留在ROM中，PLC去电后再上电，ROM内容不变。
RAM为可读写的存储器，读出时其内容不被破坏，写入时，新写入的内容覆盖原有的内容。为防止掉电后信息丢失，配有后备锂电池。
除此而外，PLC还有EPROM、EEPROM存储器。
PLC产品样本或使用说明书中给出的存储器形式或容量等均指用户存储器。存储器容量是PLC的一个重要性能指标。
3．输入单元：
输入单元是PLC与工业生产现场被控设备相连的输入接口，是现场信号进入PLC的桥梁。
作用：接收主令元件，检测元件传来的信号。
输入类型：直流输入，交流输入，交直流输入。
输入接口采用光电耦合电路，目的是把PLC与现场电路隔离，提高PLC的抗干扰能力。接口电路内部有滤波，电平转移，信号锁存电路。各PLC生产厂家都提供了多种形式的I/O部件或模块供用户选用。
4．输出单元
输出单元也是PLC与现场设备之间的连接部件，把输出信号送给控制对象的输出接口。
作用：将中央处理器送出的弱电信号转换成现场需要的电平信号，驱动被控设备的执行元件。
输出类型：
继电器输出 晶体管输出 晶闸管输出
输出接口电路也采用光电耦合，每一点输出都有一个内部电路，由指示电路，隔离电路，继电器组成。输出接口电路也有输出状态锁存、显示、电平转移和输出接线端子排，输出部件或模块也有多种类型供选用。
5．电源
作用：将交流电转换成PLC内部所需的直流电源。
类型：目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。
PLC除上述五部分外，随机型的不同还有多种外部设备，其作用是帮助编程，实现监控以及网络通讯，常用的外部设备有编程器，打印机，盒式磁带录音机，计算机等
3.1.3 PLC的工作原理
早期PLC主要用于代替由继电器接触器组成的控制装置，由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。PLC则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：一是CPU执行指令的速度；
二是执行每条指令占用的时间；
三是程序中指令条数的多少。一个扫描周期主要可分为3个阶段。
1．输入刷新阶段
在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。
2．程序执行阶段
在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。
3．输出刷新阶段
当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。
由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。实际上，除了执行程序和I/O
刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为"监视服务"，一般在程序执行之后进行。扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是
脉冲、短时间的，误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象，这个一般PLC都会采取高速模块。
3.1.4 PLC的基本性能指标
1．存储容量
存储容量是指用户程序存储器的容量。用户程序存储器的容量大，可以编制出复杂的程序。一般来说，小型PLC的用户存储器容量为几千字，而大型机的用户存储器容量为几万字
2．I/O点数
输入/输出（I/O）点数是PLC可以接受的输入信号和输出信号的总和，是衡量PLC性能的重要指标。I/O点数越多，外部可接的输入设备和输出设备就越多，控制规模就越大。
3．扫描速度
扫描速度是指PLC执行用户程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。一般以扫描1K字用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以ms/K字为单位。PLC用户手册一般给出执行各条指令所用的时间，可以通过比较各种PLC执行相同的操作所用的时间，来衡量扫描速度的快慢。
4．指令的功能与数量
指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。编程指令的功能越强、数量越多，PLC的处理能力和控制能力也越强，用户编程也越简单和方便，越容易完成复杂的控制任务。
5．内部元件的种类与数量
在编制PLC程序时，需要用到大量的内部元件来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些元件的种类与数量越多，表示PLC的存储和处理各种信息的能力越强。
6．特殊功能单元
特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。近年来各PLC厂商非常重视特殊功能单元的开发，特殊功能单元种类日益增多，功能越来越强，使PLC的控制功能日益扩大
7．可扩展能力
PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。在选择PLC时，经常需要考虑PLC的可扩展能力。
3.1.5 PLC的特点
为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC机有以下特点：
1．可靠性高，抗干扰能力强。
PLC采用了一系列硬件和软件抗干扰措施，使之具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上。因此，PLC以被公认为最可靠的工业控制设备之一，可以直接用于有强烈干扰的工业现场。
在硬件抗干扰方面采用了如下一些措施：主机的输入、输出电源相互独立，避免了电源间的相互干扰；
输入、输出电路采用了光电隔离，提高了抗干扰能力；
用软件代替了大量继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量接线，极大程度地降低了触点接触不良造成的故障；
采用密封防尘抗震的外壳封装及内部结构，可适应恶劣环境等。
在软件方面，程序执行采用扫描加中断方式，这既可以保证它有序的工作，避免触点竞争，又能及时处理应急请求；
内部采用“监视器”（watching dog）电路，保证了CPU工作的可靠性PLC的每次上电后系统程序自动配置完成对系统的初始化和运行自检指令；
PLC还自带很多防止和检测故障的指令，在编制用户程序时通过使用这些指令，可对PLC的控制系统的工作进行监视等。
2．通用性强，控制程序可变，使用方便。
PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备
更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。
3．功能强，适应面广
现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。
4．编程简单，容易掌握
目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。
PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。
5．减少了控制系统的设计及施工的工作量
由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。
6．体积小、重量轻、功耗低、维护方便
PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。以三菱公司的F1-40M型PLC为例：其外型尺寸仅为305×110×110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；
而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。现在三菱公司又有FX系列PLC，与其超小型品种F1系列相比：面积为47%,体积为36%，在系统的配置上既固定又灵活，输入输出可达24～128点。
3.2 PLC的编程语言
3.2.1 梯形图编程语言
PLC是专为工业控制而开发的装置，其主要使用者是工厂广大电气技术人员，为了适应他们的传统习惯和掌握能力，通常PLC不采用微机的编程语言，而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。国际电工委员会（IEC）1994年5月公布的IEC1131-3（可编程控制器语言标准）详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言：功能表图（sequential function chart）、梯形图（Ladder diagram）、功能块图（Function black diagram）、指令表（Instruction list）、结构文本（structured text）。梯形图和功能块图为图形语言，指令表和结构文本为文字语言，功能表图是一种结构块控制流程图。
梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。
梯形图编程中，用到以下四个基本概念：
1．软继电器
PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”
或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。
2．能流
如图3-2 所示触点1、2接通时，有一个假想的“概念电流”或“能流”(Power Flow)从左向右流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序是一致的。能流只能从左向右流动。利用能流这一概念，可以帮助我们更好地理解和分析梯形图。图2-2 5-1a中可能有两个方向的能流流过触点5（经过触点1、5、4或经过触点3、5、2），这不符合能流只能从左向右流动的原则，因此应改为如图5-1b所示的梯形图。
a）错误的梯形图 b）正确的梯形图
图3－2梯形图
3．母线
梯形图两侧的垂直公共线称为母线(Bus bar)，。在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线）之间有一个左正右负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动。右母线可以不画出。
4．梯形图的逻辑解算
根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行 的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。
3.2.2 功能图编程语言
这是位于其它编程语言之上的图形语言，用来编程顺序控制的程序（如：机械手控制程序）。编写时，工艺过程被划分为若干个顺序出现的步，每步中包括控制输出的动作，从一步到另一步的转换由转换条件来控制，特别适合于生产制造过程。
3.2.3 语句表编程语言
语句表（STL－Statement List）是一种类似于微机汇编语言的一种文本编程语言，由多条语句组成一个程序段。语言表适合于经验丰富的程序员使用，可以实现某些梯形图不能实现的功能。
第4章 Z3040控制线路原理分析
4.1 Z3040摇臂钻床简介
钻床可以进行多种形式的加工，如；
钻孔、镗孔、铰孔及攻螺纹。因此要求钻床的主轴运动和进给运动有较宽的调速范围。Z3040型摇臂钻床的主轴的调速范围为50:1，正转最低转速为40 r/min，最高为2000 r/min，进给范围为0.05～1.60 r/min。它的调速是通过三相交流异步电动机和变速箱来实现的。也有的是采用多速异步电动机拖动，这样可以简化变速机构。
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。
4.1.1 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。
4.1.2 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。
4.1.3 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。
4.2 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。
4.2.1 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。
4.2.2 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
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：
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。
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5章 基于PLC的Z3040控制系统设计
5.1 PLC的型号选择
5.1.1 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。
三菱公司的产品有：
FX系列：为小型PLC，单元式，单机最大容量为256点。
A系列、ANS系列、Q系列、QNA系列等为模块式大型PLC，最大容量为8K点。
西门子公司的产品有：
S7-200:微型PLC，单机最大容量为256点；
S7-300:小到中型PLC单机最大容量为1K；
S7-400:大到超大型PLC，单机可组态点数过万点。
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。
5.1.2 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：
（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.
5.2 基于PLC的Z3040型摇臂钻床控制系统软件设计
5.2.1 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（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5－1所示。
图5－1
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5－2所示。
图5－2
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5－3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5－4所示。
图5－3
图5－4
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5－5所示。
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。
图5－5
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5－6所示。
图5－6
5.2.2 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。
5.2.3 PLC控制指令表
LD I0.0 ALD ALD
AN I0.1 AN I0.6 = M0.0
LD I0.2 A I0.4 LRD
O Q0.0 = Q0.1 A I1.3
ALD LRD LPS
= Q0.0 LD I0.7 A I0.7
LD I0.3 AN I1.1 AN I1.0
LPS LD I1.0 AN Q0.3
LD I0.5 AN I1.2 = Q0.2
O Q0.1 OLD LPP
A B4:I1.0 A M0.2 O I2.3
AN B3:I0.7 ON I1.4 ALD
AN Q0.2 ALD A T38
= Q0.3 AN T37 = Q0.6
LRD A I1.5 LRD
LD I0.7 AN Q0.4 LD I2.2
AN I1.1 = Q0.5 O I2.3
LD I1.0 LRD ALD
AN I1.2 LD I0.7 A T38
OLD AN I1.1 = Q0.7
A M0.0 LD I1.0 LPP
AN I1.3 AN I1.2 A M0.1
AN M0.1 OLD = M0.2
LD T39 ALD TON T39, 100
AN I1.7 TOF T37, 30 LD SM0.0
A M0.1 LRD = Q1.0
OLD LD I1.6 LD I0.3
ALD O I1.7 LPS
A I1.5 AN M0.0 AN I2.0
AN Q0.5 ALD = Q1.1
= Q0.4 = M0.1 LRD
LPP TOF T38, 30 A I2.0
LPS LRD = Q1.2
LDN I1.6 LD I2.1 LPPA Q0.1
= Q1.3
5.2.4 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，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。
5.2.5 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6章 结论
应用PLC对摇臂钻床电气控制系统的改造，实现了Z3040摇臂钻床的控制自动化。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，控制系统有结构简单，抗干扰性强，编程方便等特点，从而提高了机床的工作效率，工作稳定性和可靠性，而且，有利于降低工人的劳动强度，改善加工质量，减少设备故障和提高生产率。
参 考 文 献
[1] 、齐占庆主编，机床电气自动控制，北京：机械工业出版社2005
[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] 、雷霖，微机自动检测与系统设计。北京：电子工业出版社，2003
[14] 、陈立定，等。电气控制与可编程序控制器的原理及应用。北京：机械工业出版社，2004
[15] 、SIEMENS WINCC手册，西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团，2004
致 谢
本文的研究与开发工作是在导师的悉心引导下完成的，在此向他表示崇高的敬意和衷心的感谢。
另外我还要衷心感谢老师，在工作中他给予了我及时有效的帮助，还有我的同学，我们经常一起讨论工作和学习中遇到的各种问题。可以说，我这篇论文的完成，是与这些老师和同学的无私帮助和合作分不开的。在此，谨向关心过和帮助过我的各位尊敬的老师和热心的同学表示深深的敬意和诚挚的感谢。
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
CPU221
CPU222
CPU224
CPU226
物理特性：
尺寸（长×宽×高）
90×80×62mm3
90×80×62mm3
120.5×80×62 mm3
196×80×62 mm3
功耗
3~6W
5~7W
7~10W
11~17W
存储器特性：
程序存储器
2048字
4096字
数据存储器
1024字
2560字
存储器类型
E2PROM
I/O特性：
本机数字量I/O点数
6输入/4输出
8输入/6输出
14输入/10输出
24输入/16输出
数字I/O映像区
128输入/128输出
本机模拟量I/O点数
无
模拟I/O映像区
无
16输入/16输出
32输入/32输出
允许最大的I/O模块
无
2个模块
7个模块
允许最大的智能模块
无
2个模块
7个模块
脉冲捕捉输入
6
8
14
24
高速计数器
4单相（kHz）、30两相(20kHz)
6单相(30kHz)、4两相(20kHz)
脉冲输出
2个20kHz(仅限于DC输出)
常规特性：
定时器总数
256个（1ms:4个;10ms:16个;100ms:236个）
计数器总数
256（由超级电容和电池备份）
时间中断
2个1ms分辨率
边沿中断
4个上升沿和/或4个下降沿
模拟电位器
1个8位分辨率
2个8位分辨率
布尔量运算时间
0.22
时钟
可选卡位
内置
口令保护
有
通信功能：
接口
1个RS-485接口
2个RS-485接口
PPI，DP/T波特率
9.6，19.2和187.5k Baud
自由口波特率
1.2～115.2 k Baud
最大站点数
32
每段32个站，每个网络126个站
编程语言
LAD、FBD、STL
程序结构
一个主程序块（可包括子程序）
子程序级
8
用户程序保护
3级口令保护
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
I（输入）
序号
名称
代号
地址
1
控制线路电源总开关
QF3
I0.0
2
总停止按钮
SB7
I0.1
3
总启动按钮
SB1
I0.2
4
电压继电器
AV
I0.3
5
主轴电动机M1热继电器
FR1
I0.4
6
主轴电动机M1启动按钮
SB2
I0.5
7
主轴电动机M1停止按钮
SB8
I0.6
8
摇臂上升按钮
SB3
I0.7
9
摇臂下降按钮
SB4
I1.0
10
摇臂上升上限位行程开关
ST1-1
I1.1
11
摇臂下降下限位行程开关
ST1-2
I1.2
12
主轴箱、立柱、摇臂松开行程开关
ST2
I1.3
13
主轴箱、立柱、摇臂夹紧行程开关
ST3
I1.4
14
液压泵电动机M3热继电器
FR2
I1.5
15
主轴箱、立柱松开按钮
SB5
I1.6
16
主轴箱、立柱夹紧按钮
SB6
I1.7
17
立柱夹紧放松指示行程开关
ST4
I2.0
18
主轴箱松开、夹紧
SA-1
I2.1
19
立柱松开、夹紧
SA-2
I2.2
20
主轴箱、立柱松开、夹紧
SA-3
I2.3
O（输出）
序号
名称
代号
地址
1
电压继电器
KV
Q0.0
2
主轴电动机M1接触器
KM1
Q0.1
3
摇臂上升接触器
KM2
Q0.2
4
摇臂下降接触器
KM3
Q0.3
5
主轴箱、立柱、摇臂松开接触器
KM4
Q0.4
6
主轴箱、立柱、摇臂夹紧接触器
KM5
Q0.5
7
主轴箱松开、夹紧电磁铁
YA1
Q0.6
8
立柱松开、夹紧电磁铁
YA2
Q0.7
9
电源指示
HL1
Q1.0
10
立柱松开指示
HL2
Q1.1
11
立柱夹紧指示
HL3
Q1.2
12
主电动机旋转指示
HL4
Q1.3
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
附录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6 Z 3040型摇臂钻床PLC控制系统梯形图
Z3040型摇臂钻床PLC控制系统梯形图
附录7 Z3040元器件明细表
符号
名称
型号规格
用途
数量
M1
电动机
Y100L2-4 4kW
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
KM1
交流接触器
CJ0-20B线圈电压110V
主轴电动机启、停
1
KM2
交流接触器
CJ0-10B线圈电压110V
摇臂升降电动机正转
1
KM3
交流接触器
CJ0-10B线圈电压110V
摇臂升降电动机反转
1
KM4
交流接触器
CJ0-10B线圈电压110V
液压泵电动机正转
1
KM5
交流接触器
CJ0-10B线圈电压110V
液压泵电动机反转
1
ST1
行程开关
LX5-11
摇臂升降限位保护
1
ST2
行程开关
LX5-11
主轴箱、立柱、摇臂松开行程开关
1
ST3
行程开关
LX5-11
主轴箱、立柱、摇臂夹紧行程开关
1
ST4
行程开关
LK3-11K
立柱和主轴箱松紧指示
1
QF1
低压断路器
DZ5-50/500,15A
总电源输入
1
QF2
低压断路器
DZ5-20/380,4.5A
除主电动机外的其他电源控制
1
QF3
低压断路器
DZ5-10,2A
控制线路的电源开关
1
QF4
低压断路器
DZ5-10,2A
指示等电路电源开关
1
QF5
低压断路器
DZ5-10,2A
照明灯电路电源开关
1
YA1
电磁铁
MFJ1-3
主轴箱松紧
1
YA2
电磁铁
MFJ1-3
立柱松紧
1
QS1
组合开关
HZ5-10/1.7
冷却泵电动机启、停
1
SA2
转换开关
LW6-2/BO>1
立柱、主轴箱松紧控制
1
FR1
热继电器
JR0-20/3,11.5A
主轴电动机过载保护
1
FR2
热继电器
JR0-20/3,1.5A
液压泵电动机过载保护
1
TC1
变压器
BK-150 380/110-24-6
控制、指示电路电源
1
SB1
按钮（红色）
LA19-11J
总停
1
SB2
按钮
LA19-11
总启动
1
SB3
按钮
LA19-11
主轴电机停止
1
SB4
按钮
LA19-11D
主轴电机启动
1
SB5
按钮
LA19-11
摇臂上升
1
SB6
按钮
LA19-11
摇臂下降
1
SB7
按钮
LA19-11D
立柱、主轴箱松开
1
SB8
按钮
LA19-11D
立柱、主轴箱夹紧
1
EL1
照明灯
JC-25,40W
安全照明
1
HL1~HL4
指示灯
XD1
4
Fu0
熔断器
RL1-15A
PLC输出电源短路保护
1
Fu1 fu2
熔断器
RL1-15A
PLC输出公共点短路保护
2
Z32K型摇臂钻床变速箱设计篇3
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）
Z32K型摇臂钻床变速箱设计篇4
123456 控制变压器保护
QF2 1 照明和指示灯电源主轴箱立柱
SB1主电机控制 起动停止横臂升降控制 上升下降液压泵电机
松开夹紧延时分配阀主轴箱立柱
XT1 XT2 给电延时 ,延时开启 DXT2 SB4 13 XT2 15 XT2 SQ2SB5 KT3E 25 XT2 15 SA闭合表 35 1 / 7
SQ2 KT2G 31 XT2 KT2H37DXT1 XT2 SB6SQ3 41 XT1 XT2 43 断电延时 ,延时闭合 SASB643XT2SB7
KT2D49XT1XT253XT2断电延时 ,延时开启 SB2
TC 1.8U V~110V 241 ~24VXT1 XT2 QF3 243
2 / 7
XT5SB3 KM1C 11 XT2 SQ4 CSQ17XT2SQ1SB7-60°60°39 XT1 XT2 KT3GABBA17XT2 SB5 21 XT2SB4 27 XT2 KM2D 29KM5D SQ5 33KT1C 45 KM4DKT1HSA245 XT1
3 / 7
XT2247 XT1 XT2KM3D 55XT2XT357XT2XT3C2 FR1B XT1 PEXB NXT1 XT2 ELXT5 HL1HL2HL3KM1B 1. 32."4KT1BKM2B 2. 51."4 2."5KM3B 1. 52."5KM4B 1. 52."6 FR2B4
4 / 7
KM5B 1. 62."5KT2B 2.5KT3AYA1 2.5YA2B A 使用说明书第1."3 2."6 1."4 1."5 1."5 1."6 2."6 2."5 1. 31."4 1."5 1."5 1."6 2."7 (3摇臂升降
页
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30
按上升 (或下降 按钮 SB4(或 SB5,时间继电器 KT1 吸合,使交流接触器 KM4 得电吸合 ,液压泵电机 M3 旋转 ,压力油经分配阀进入摇臂松开油腔 ,推动活塞和菱形块使摇臂松开 .同时活塞杆通过弹簧片压限位开关 SQ2,使交流接触器 KM4 失电释
放,交流接触器 KM2(或 KM3得电吸合 ,液压泵电机 M3 停止旋转 ,升降电机 M2 旋转,带动摇臂上升 (或下降 。如果摇臂没有松开 ,限位开关 SQ2常开触点不能闭合 ,
交流接触器 KM2(或 KM3就不能得电吸合 ,摇臂不能升降。当摇臂上升 (或下降 到所需的位置时 ,松开按钮 SB4(或 SB5,交流接触器 KM2(或 KM3和时间继电器 KT1 失电释放 ,升降电机 M2 停止旋转 ,摇臂停止上升 (或下降 。
由于时间继电器 KT1失电释放，经 1～
1."5 秒延时后，其延时闭合的常闭触点闭合，交流接触器
紧。同时活塞杆通过弹簧片压限位开关
KM5 得电吸合 ,液
压泵电机 M3 反向旋转 ,供给压力油 ,压力油经分配阀进入摇臂夹紧油腔
,使摇臂夹
SQ3,使交流接触器 KM5 失电释放 ,液压泵
电机 M3 停止旋转。
行程开关 SQ1a.SQ1b用来限制摇臂的升降行程 ,当摇臂升降到极限位置
时,SQ1a.SQ1b动作 ,交流接触器 KM2(或 KM3断电 ,升降电机 M2 停止升降。
摇臂的自动夹紧是由限位开关 SQ3来控制的。如果液压夹紧系统出现故障 , 不能自动夹紧摇臂或由于 SQ3调整不当 ,在摇臂夹紧后不能使 SQ3的常闭触点断开,都会使液压泵电机处于长时间过载运行状态 ,造成损坏。
为了防止损坏液压泵电机 ,电路中使用热继电器 FR2,其整定值应根据液压泵电机的额定电流进行调整。
(4立柱和主轴箱的松开或夹紧即可单独进行 (a立柱和主轴箱的松开或夹紧同时进行
: ,又可同时进行
首先把转换开关 SA扳到中间位置 ,这时按松开 (或夹紧 按钮 SB6(或 SB7,时间继电器 KT
2."KT3 同时得电吸合 ,其延时开启的常闭触点闭合 ,电磁铁 YA 1."YA2 得电吸合 ,而时间继电器 KT3的延时闭合的常开触点过
1-
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1."5 秒后才闭合 ,液压泵电机 M3 正转或反转 ,给压力油 ,压力油经分配阀进入立柱和主轴箱松开 (或夹紧 油腔 ,推动活塞和菱形块使立柱和主轴箱分别松开 (或夹紧 。松开时指示灯 HL
2."HL3 灭（夹紧时指示灯 HL 2."HL3 亮）
(d立柱和主轴箱的松开或夹紧单独进行
: 把转换开关 SA扳到左边 (或右边 ,按松开 (或夹紧 按钮 SB6(或 SB7,仿照同时进行动作的动作原理 YA1(或 YA2单独得电吸合 ,即可实现立柱和主轴箱的单独松开(或夹紧 。BAZ3080×25摇臂钻床电气原理图
(2SizeBDate: File:-Mar-2013E: 工作目录 \..\Z3080-
2."SCHSheetofDrawnBy: 6NumberRevisionTitle
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