874380982Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的改造设计论文.doc
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1、第1章 绪论1.1国内外关于本课题的技术研究现状和发展动态早在上世纪六十年代国外就已经出现了可编程序控制器(PLC)的应用,之后世界各国争相在该领域投入大量资金进行新产品的开发,在1995年西门子又成功地开发出了S7200、S7300系列,它具有 TD 200和 COROS OPS操作模板为用户提供了方便人机界面,用户程序三级口令保护,极强的计算性能,完善的指令集,MPI接口和通过工业现场总线PROFD3US以及以太网联网的网络能力,强劲的内部集成功能,全面的故障诊断功能;模块式结构可用于各处性能的扩展,脉冲输出晶闸管步进电机和直流电机;快速的指令处理大大缩短了循环周期,并采用了高速计数器,高
2、速中断处理可以分别响应过程事件,大幅度降低了成本。由于电气控制系统的可靠性日益受到人们的重视,一些公司己将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中,推出了高可靠性的冗余系统,并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。由于PLC的众多优点,使其迅速在工业控制中得到推广。虽然国内PLC技术的应用前景很大,并且取得了一定的经济效益,而相比之下,由于受经济和技术水平的限制,大多数企业在生产上使用的Z3040摇臂钻床的电气控制系统,还是采用采用继电器接触器控制方式,而这种控制方式存在着明显的缺陷和隐患。极易发生故障。而且,由于线路复杂,要想找到问题所在也相当的困难。和国外大量采用PLC技术替
3、代继电器接触器系统相比,我们还存在很大差距。随着PLC技术在我国的迅猛发展,我们和国外先进技术的差距会不断缩小。因此,抓住这个有利时机进一步促进PLC技术的推广与应用,是提高我国工业自动化水平的迫切任务,此次对于Z3040摇臂钻床电气控制系统改造设计,就是希望借鉴国外先进的工业控制技术,应用到工业现场,以提高摇臂钻床的工作性能。随着信息化产业的高速发展,数控机床的功能日趋完善,数控机床已经完全取代了普通机床,而数控技术是机械加工自动化的基础,是数控机床的核心技术,其水平高、低关系到国家战略地位、国民经济水平和体现国家综合实力的水平。今后数控技术又将向着高精化,高速化,高效化,系统化,自动化,智
4、能化,集体化方向发展,并注重工艺适用性和经济性。1.2 Z3040摇臂钻床简介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
5、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。摇臂回转和主轴箱的左右移动采用手动.1.3 本论文研究的对象及意义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
6、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
7、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。由于Z-3040型摇臂钻床的电气控制系统存在线路复杂、故障率高、维护工作量大、可靠性低、灵活性差等缺点,本文提出了用PLC对z-3040型摇臂钻床的继电器接触式模拟控制系统进行技术改造,从而保证了电控系统的快速性、准确性、合理性,更好地满足了实际生产的需要,提高了经济效益。第2章 总体方案2.1 PLC与继电器-接触器的对比目前,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
8、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。因此有必要对旧式机床进行自动化改造。2.2 具体方案阐述方案一:依照旧式Z3040摇臂钻床
9、,利用“翻译法”进行PLC改造。 其中摇臂回转、主轴箱左右移动为手动操作把旧式Z3040摇臂钻床电气图翻译成PLC的梯形图即可图2.1 方案1图方案二:在旧式Z3040摇臂钻床基础上,加入摇臂回转自动操作,主轴箱左右移动为自动操作,可提高生产效率。并加入工件加工计数功能、PC通信功能。 图2.2 方案2图方案三:在旧式Z3040摇臂钻床基础上,引入PC技术,以芯片为控制中心,实现智能操作。把摇臂上升、下降的限位开关,换成限位传感器,把信号传递给智能芯片,然后智能芯片在操作电磁阀工作,进而操作电动机转动。在机床夹具旁边加一个感应“笔”,可以与机床刀具的刀头产生感应(像用磁铁、特殊传感器等)来给芯
10、片信号,以实现刀具智能定位。其中摇臂上、下运动,回转运动及主轴箱的左右移动都可与感应“笔”产生信号给智能芯片,实现摇臂上、下运动,回转运动及主轴箱的左右移动智能化。图2.3本设计选用第二种方案,即可实现自动化操作,技术含量、成本、设计周期也低,适合本阶段自身的设计水平。第3章 Z3040钻床控制系统工艺分析3.1 Z3040摇臂钻床的运动形式和主要结构:摇臂钻床适合与在大、中型零件上进行钻孔、扩口、绞孔及攻螺纹等工作,在具有工艺装备的条件下还可以进行镗孔。Z3040摇臂钻床由底座、外立柱、内立柱,摇臂、主轴箱及工作台等部分组成。内立柱固定在底座的一端,外立柱套在内立柱上,工作时用液压夹紧机构与
11、内立柱夹紧,松开后,可绕立柱回转360度。摇臂的一端为套筒,它套在外立柱上,经液压夹紧机构可与外立柱夹紧。夹紧机构松开后,借助升降丝杆的正、反向旋转可沿外立柱上、下移动。由于升降丝杆与外立柱构成一体,而升降螺母则固定在摇臂上,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部分组成。主轴箱安装与摇臂的水平导轨上,可以通过手轮操作使主轴箱沿水平导轨移动,通过液压夹紧机构固在摇臂在。钻削加工时,主轴旋转为主运动,而主轴的直线移动为进给运动。即钻孔使钻头一面做旋转运动,同时做纵向进给运动,主轴变速和进给变速的机构在主
12、轴箱内,用变速机构分别调节主轴转速和上下进给量。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M1机拖到。摇臂钻床的辅助运动有:摇臂沿外立柱的上升、下降、立柱的夹紧和松开以及摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。摇臂的上升、下降由一台交流电动机M2拖动,立柱的夹紧和松开、摇臂的夹紧与松开以及主轴箱的夹紧和松开是有另一台交流电动机M3拖动一台齿轮泵,供给夹紧装置所需的压力油推动夹紧机构液压系统实现的。而摇臂的回转和主轴箱沿摇臂水平导轨方向的左右移动。此外还有一台冷却泵电动机M4对加工的刀具进行冷却。Z3040摇臂钻床的电力拖动要求与控制特点:l 为简化机床传动装置的机构常采用多台电动机拖动。l
13、 主轴的旋转运动、纵向进给运动及其变速机构均在主轴箱内,由一台主电动机拖动。l 为了适应多种加工方式的要求,主轴的旋转与进给运动均有较大的调速范围,由机械变速机构实现。l 加工螺纹时,要求主轴能正反转,采用机械方法来实现。因此,主电动机只需单向旋转,可直接启动,不需要制动。l 摇臂的升降由升降电动机拖动,要求电动机能正反转,多采用鼠笼异步电动机,可实现直接启动,不需要调速和制动。l 内外立柱、主轴箱与摇臂的夹紧与松开,是通过控制电动机的正反转,带动液压泵送出不同流向的压力油,推动活塞、带动菱形块动作来实现。因此拖动液压泵的电动机要求正反转,采用点动控制。l 摇臂钻床主轴箱、立柱的夹紧与松开由一
14、条油路控制,且同时控制。而摇臂的夹紧、松开是摇臂升降工作联成一体,由另一条油路控制。两条油路哪一条处于工作状态,是根据工作要求通过控制电磁阀操纵。由于主轴箱和立柱的夹紧、松开动作是点动操作,因此液压泵电动机采用点动控制。l 根据夹紧要求,操作者可以手控操作冷却泵电动机单向旋转。l 必要的联锁和保护环节。l 机床安全照明及信号指示灯电路。3.2 具体电动机的配置情况及控制形式图3.1 Z3040摇臂钻床主电路该钻床共配置5台电动机。M1为主轴电动机,由继电器KM1控制,带动主轴的旋转和使主轴作轴向进给运动,为单向旋转。主轴的正、反转则由主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油,通过液压系统操作机构配合正反
15、转摩擦离合器驱动主轴正转、反转来实现,并由热继电器做长期过载保护。M2为摇臂上升、下降电动机,由输出继电器KM2、KM3控制正、反向运行。M3为液压泵电动机,由KM4、KM5控制正、反向运行,控制电路保证在操作摇臂升降时,首先时液压泵电动机启动运转,供出压力油,经液压系统使摇臂松开,然后才使电动机M2启动,拖动摇臂上升或下降。当摇臂移动到位后,控制电路又使M2停下,再自动通过液压系统,将摇臂夹紧,然后液压泵电动机M3才停下。M4为冷却电动机,由转换开关SA1控制。在旧式电路图中加一个M5为主轴箱移动步进电动机。由KM6、KM7继电器控制其正反转,进而实现主轴箱移动。短路保护:在主电路中,利用熔
16、断器FU1作总电路M1、M4的短路保护;利用熔断器FU2做电动机N2、M3和控制变压器T原边的短路保护;在控制电路中,利用熔断器FU3作照明回路的短路保护。过载保护:在主电路中,利用热继电器FR1、FR2分别作主电动机M1、液压泵电动机M3的过载保护。如果由于液压系统的夹紧机构出现故障而不能夹紧,那么行程开关SQ3的触电将断不开,或者由于行程开关SQ3安装调整不当,摇臂夹紧后不能压下行程开关SQ3,这时都会使液压泵电动机M3处于长期过载状态,易将M3烧毁,M2为短时工作,不用设长期过载保护。为确保安全生产,摇臂钻床的主轴旋转和摇臂升降不允许同时进行。 图3.2 Z3040摇臂钻床电路原理图3.
17、3电路分解:根据电动机主电路控制电器主触点的文字符号将控制电路进行分解电动机M1、M2、M3和电磁铁YA控制电路图l 根据主轴电动机M1主电路控制电器主触点文字符号KM1,找到电动机M1的控制电路,这是由按钮SB1、SB2和接触器组成的启动、停止控制电路,如图(a)l 根据摇臂升降电动机M2主电路控制元件主触点文字符号KM2、KM3,找到电动机M2的控制电路,如图(b)所示,图中有行程开关SQ1、SQ2。l 摇臂升降电动机M2由摇臂升降按钮SB3、SB4及正反转接触器KM2、KM3组成放的控制电路实现正反转,这是具有复合连锁的电动机正反转点动控制电路,用来控制摇臂上升或下降。l 根据液压电动机
18、M3主电路控制元件主触点文字符号KM4、KM5,找到电动机M2的控制电路,如图(d)所示,这是由按钮SB5、SB6和接触器KM4、KM5组成的具有接触器连锁的正反转点动控制电路。l 根据电磁铁文字符号YA,找到电磁阀控制电路,如图(e)所示,图中有行程开关SQ3。3.4行程开关SQ1SQ3的作用行程开关SQ1是摇臂上升和下降至极限位的保护开关,有两副动断触电SQ1,分别串联在摇臂上升和下降控制电路中。SQ1与一般开关不同,其两副动断触电不同时动作。当摇臂升至上升极限位置时,SQ1的动断触电SQ1断开,使接触器KM2失电,升降电动机M2停止,上升运动停止。但SQ1另一副动断触点SQ1仍保持闭合,
19、因此可按下降按钮SB4,使接触器KM3得电吸合,控制摇臂升降电动机M2反向旋转,摇臂下降。反之当摇臂在下降位置时,控制过程类似。1. 在摇臂升降电路中,行程开关SQ2为摇臂放松到位的信号开关,行程开关SQ3为摇臂夹紧的信号开关,行程开关SQ2为摇臂放松到位开关,行程开关SQ3为摇臂夹紧到位开关。因此行程开关SQ2及SQ3,是用来检查摇臂是否松开或夹紧,以实现限位连锁。SQ2的动合触点串联在KM2、线圈电路中,它在摇臂完全放松到位才动作闭合,以确保摇臂的升降在其放松后进行。如果摇臂没有放开,SQ2就不能闭合,因此控制摇臂升降的KM2或KM3就不能得电吸合,摇臂就不会上升或下降。行程开关SQ3的动
20、断触点SQ3串联在接触器KM5线圈、电磁铁YA线圈电路中,在摇臂完全夹紧时动作。如果摇臂未夹紧,则行程开关SQ3的动断触点闭合保持原状,使接触器KM5、电磁铁YA得电吸合,对摇臂进行夹紧,直到完全夹紧为止,行程开关SQ3的动断触电SQ3应调整到保证夹紧后能够动作,否则会使液压泵电动机M3处与长时间过载运行状态。 3.5 时间继电器KT的作用 通过KT延时动开的动合触点KT和延时闭合的动触点KT,KT能保证在摇臂升降电动机M2完全停止运行后,才能进行摇臂的夹紧动作,KT的延时长短由摇臂升降电动机M2从切断电源到停止的惯性大小来决定,一般为13S。这就是时间连锁。3.6 电路工作过程3.6.1主轴
21、电动机M1的控制按启动按钮SB2接触器KM1得电吸合并自锁 KM1主触点闭合M1转动,同时KM1辅助触点KM1闭合,指示HL3点亮,表明主轴电动机在旋转。按停止按钮SB1 KM1失电释放M1停转,同时KM1辅助动合触点KM1复合断开,指示灯HL3灭,表明电动机M1停转。主轴的正、反转则由液压系统的操纵机构配合正、反转摩擦离合器实现。3. 6.2 摇臂升降的控制当由摇臂上升或下降点动按钮SB2、SB4发出摇臂升降指令时,先使摇臂松开。然后由正、反转接触器KM2、KM3使电动机M2的正、反转,来拖动摇臂上升或下降,待摇臂上升或下降到位时,又自行重新夹紧。由摇臂的松开与夹紧是由夹紧机构液压系统实现的
22、,因此摇臂升降需与夹紧机构液压系统紧密配合。液压泵电动机M3由正反转接触器KM4、KM5控制,实现电动机正反转,拖动双向液压泵,送出压力油,经二位六通阀YA送至摇臂夹紧机构,实现摇臂夹紧与放松。摇臂升降启动的初始条件:摇臂钻床在平常或加工工件时,其摇臂处于夹紧状态,摇臂夹紧信号开关SQ3被压合,其动断触点SQ3处于断开状态;摇臂放松信号开关SQ3未压合,其动合触点SQ2处于断开状态,而动断触点SQ2处于闭合状态。3.6.3 以摇臂上升为例分析摇臂升降的控制 图3.3 摇臂上升工作电气图按下摇臂上升点动按钮SB3,时间继电器KT线圈通电,瞬动常开触点KT闭合,接触器KM4线圈通电,液压泵电动机M
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