基于三菱PLC的Z3040搖臂鉆床電控系統設計摘要本設計是研究機械加工中常用的Z3040搖臂鉆床傳統電氣控制系統的改造問題,旨在解決傳統繼電器接觸器電氣控制系統存在的線路復雜、可靠性和穩定性差、不便于控制電路的故障診斷和排除等難題。由于PLC電氣控制系統與繼電器接觸器電氣控制系統相比，具有通用性強、結構簡單、體積小、易于安裝、性能優越、可靠性高、編程簡單、抗干擾能力強、使用維護方便，對工作環境要求低等優點。因此，本設計在不改變原機床操作及工藝要求的前提下，進行Z3040搖臂鉆床電控系統的PLC改造，將把PLC控制技術應用到改造方案中去，完成系統設計，從而大大提高搖臂鉆床的工作性能。關鍵詞三菱PLC，Z3040，搖臂鉆床，電控系統，改造目錄1緒論12三菱FX1N系列PLC概述221PLC的產生和發展222PLC的用途及特點2221PLC的用途2222PLC的特點423PLC的基本結構和工作原理5231PLC的基本結構5232PLC的工作原理1024PLC的主要指標性能1125三菱FX1N系列PLC的基本指令123Z3040搖臂鉆床機床的電控系統分析1431Z3040搖臂鉆床機床結構和運動情況1432Z3040搖臂鉆床的電力拖動特點及控制要求1533Z3040搖臂鉆床的電氣控制原理圖1534主電路分析1635控制電路分析16351搖臂上升16352搖臂下降17353立柱與主軸箱的夾緊與松開17354互鎖與保護環節17355指示燈電路分析1836Z3040搖臂鉆床的電控系統特點184Z3040搖臂鉆床電控系統的PLC改造1941Z3040搖臂鉆床的PLC控制要求1942PLC的選擇1943I/O地址分配表2144I/O接線圖2245控制流程圖23451主電動機運行的流程圖23452搖臂上升流程圖24453搖臂下降流程圖25454立柱與主軸箱PLC控制流程圖2646PLC控制梯形圖2747系統仿真調試28471搖臂上升程序仿真圖28472搖臂下降程序仿真圖29473主軸箱與立柱松開程序仿真圖30474主軸箱與立柱夾緊程序仿真圖3148PLC改造前后的性能測試325結論34參考文獻35致謝36附錄A基于三菱PLC的Z3040搖臂鉆床電控系統原理圖37附錄BZ3040搖臂鉆床PLC電控系統語句表程序381緒論19世紀，由于紡織、動力、交通運輸機械和軍火生產的推動，各種類型的機床相繼出現。隨著社會科技進步，單一的車床已逐漸演化出了銑床、刨床、磨床、鉆床等等，這些主要機床已經基本定型，這樣就為20世紀前期的精密機床和生產機械化和半自動化創造了條件。普通車床是能對軸、盤、環等多種類型工件進行多種工序加工的臥式車床，常用于加工工件的外圓、內圓、端面、螺紋和定型表面，采用相應的刀具和附件，還可進行鉆孔、擴孔、攻絲和滾花等。普通車床是車床中應用最廣泛的一種，約占車床類總數的65，因其主軸以水平方式放置故稱為臥式車床。鉆床是普通車床中的一種，鉆床按用途和結構可分為立式鉆床、臺式鉆床、搖臂鉆床、多軸鉆床、深孔鉆床、臥式鉆床及其它專用鉆床等，搖臂鉆床屬于立式鉆床，能進行多種形式的機械加工，可以鉆孔、擴孔、餃孔、鏜孔、攻螺紋及刮平面等多種形式的加工。搖臂鉆床屬于立式鉆床，其操作方便、靈活，適用范圍廣，具有典型性。Z3040是中型搖臂鉆床，其型號意義為Z鉆床，3搖臂鉆床，0圓柱形主軸，40最大鉆孔直徑40MM。20世紀20年代出現的接觸器、各種繼電器、定時器、其他電器及其觸頭按一定邏輯關系連接的繼電接觸器控制系統。其結構簡單,價格便宜,易于掌握，在一定范圍內滿足控制要求。但它設備體積大、動作速度慢、功能少而固定可靠性差、難于實現復雜的控制的缺點，所以隨著現在社會科技日新月異的快速發展，人們對各種產品的要求也越來越高了，特別是在機械制造方面，要求的工藝和產品的質量也越來越高了。一些傳統的車床加工出來的產品已經很難達到人們的要求，所以發明一種新的加工方法是一種必然趨勢。隨著微電子技術和計算機技術的迅速發展，微處理器、單片機和大規模集成電路引入PLC中。由于它的結構簡單、操作方便,使用戶程序編制清晰直觀、方便易學，且調試和查錯容易。而且還具有通用性強、可靠性高、使用維護方便、體積小、抗干擾能力強、控制功能完善、通用性強、編程簡單、易于安裝等優點，所以本次畢業設計針對Z3040搖臂鉆床的電控系統改造，改造后不但使控制系統的結構簡化,而且還提高了控制系統的可靠性,維修量也減小了許多。2三菱FX1N系列PLC概述21PLC的產生和發展可編程序控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER），簡稱PLC，是在繼電順序控制基礎上發展起來的以微處理器為核心的通用的工業自動化控制裝置。20世紀60年代末期，美國汽車制造工業競爭激烈，為了適應生產工藝不斷更新的需要，在1968年美國通用汽車公司（GM）首先公開招標，并從用戶角度提出了新一代控制器應具有的十大條件。這十大條件中比較主要的是編程方便，可現場修改程序；維修方便，采用插件式結構；可靠性高于繼電器控制裝置；體積小于繼電器控制盤；數據可直接送入管理計算機；成本可與繼電器控制盤競爭；擴展時原系統改變最少。1969年美國數字設備公司（DEC）根據上述要求，研制出世界上第一臺PLC，并在GM公司汽車生產線上首次試用成功，實現了生產的自動化。其后日本、德國等相繼引入，可編程序控制器迅速發展起來，但是主要應用于順序控制，只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC。其定義可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計的。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作指令，并通過數字、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關外部設備，都應按易于使工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。PLC在其內部結構和功能上都類似于計算機，它可以采用傳統電氣圖為基礎的梯形圖語言編程，方法簡單且易于學習和掌握。在控制系統應用方面優于計算機，它易于與自動控制系統相連接，可以方便靈活地構成不同的要求、不同規模的控制系統，其環境適應性和抗干擾能力極強，所以亦稱為工業控制計算機。由于這些特點，PLC在自動控制系統中的使用非常廣泛。22PLC的用途及特點221PLC的用途（1）邏輯控制PLC具有邏輯運算功能，能夠進行與、或、非等邏輯運算，可以代替繼電器進行開關量控制，故它可替代繼電器進行開關量控制。（2）定時控制為滿足生產控制工藝對時間的要求，PLC一般提供時間繼電器。FX1N提供T0T199共200點（100MS），T200T245共46點（10MS），T246T249共4點（1MS累計型）通過電容停電保持，T250T255共6點（10MS累計型）通過電容停電保持。并且計時時間常數在范圍內用戶編寫程序時自己設定接通延時、關斷延時和定時脈沖等方式。并且在PLC運行中也可以讀出、修改，使用方便。（3）計數控制為滿足計數的需要，不同的PLC提供不同數量、不同類型的計數器。FX1N提供16位增量計數C0C15（一般用）、C16C199（保持用），32位增/減計數器C200C219（雙向）、C220C234（雙向電容保持）、C235C255（高速計數器）。用脈沖控制可以實現加、減計數模式，可以連接碼盤進行位置檢測，且在PLC運行中也可以讀出、修改，使用方便（4）步進順序控制步進順序控制是PLC最基本的控制方式。是為有時間或運行順序的生產過程專門設置的指令，在前道工序完成之后，就轉入下一道工序，使一臺PLC可作為多部步進控制器使用。（5）對控制系統的監控PLC具有較強的監控能力，操作人員可以根據PLC的監控信息，通過監控命令，可以監視系統的運行狀態，從而改變對異常值的設定。（6）數據處理PLC具有較強的數據處理能力，隨著PLC的發展，已經能對大量的數據進行快速處理。如數據采集、存儲與處理功能。（7）通信和聯網現代PLC大多數都采用了通信、網絡技術，有RS232或RS485接口，可進行遠程I/O控制，多臺PLC可彼此間聯網、通信，外部器件與一臺或多臺可編程控制器的信號處理單元之間，實現程序和數據交換，如程序轉移、數據文檔轉移、監視和診斷。通信接口或通信處理器按標準的硬件接口或專有的通信協議完成程序和數據的轉移。在系統構成時，可由一臺計算機與多臺PLC構成“集中管理、分散控制”的分布式控制網絡，以便完成較大規模的復雜控制。通常所說的SCADA系統，現場端和遠程端也可以采用PLC作現場機。（8）輸入/輸出接口調理功能具有A/D、D/A轉換功能，通過I/O模塊完成對模擬量的控制和調節。位數和精度可以根據用戶要求選擇。具有溫度測量接口，直接連接各種電阻或電偶。（9）人機界面功能提供操作者以監視機器、過程工作必需的信息。允許操作者和PLC系統與其應用程序相互作用，以便作出決策和調整。實現人機界面功能的手段從基層的操作者屏幕文字顯示，到單機的CRT顯示與鍵盤操作和用通信處理器、專用處理器、個人計算機、工業計算機的分散和集中操作與監視系統。222PLC的特點可編程序控制器是屬于存儲程序控制的一種裝置，其控制功能是通過存放在存儲器內的程序來實現的，若要對控制功能作修改，在很大程度上只須改變軟件指令即可，使得硬件軟件化。因此它在工業控制中的地位越來越高，占有極其重要的地位，最重要的原因是它具有如下獨特的特點（1）可靠性高PLC是專門為工業控制設計的，在設計和制造過程中采取了多層次抗干擾、精選元件的措施，可在惡劣的工業環境下與強電設備一起工作，運行的穩定性和可靠性較高。PLC是以集成電路為基本單元的電子設備，內部處理不依賴于接點，元件的壽命長，平均無故障工作時間高。（2）編程簡單易學PLC的最大特點之一，就是采用易學易懂的梯形圖語言，它是以計算機軟件技術構成人們慣用的繼電器模型，形成一套獨具風格的以繼電器梯形圖為基礎的形象編程語言。方便電氣人員在了解PLC工作原理和它的編程技術后，就可迅速地結合實際需要進行應用設計，進而將PLC用于實際控制系統中。（3）通用性強，使用方便由于PLC自身硬件特點，用戶在進行控制系統的設計時，不需要自己設計和制作硬件裝置，只需要根據控制要求進行模塊的配置；用戶所作的工作只是設計滿足控制對象的控制要求的應用程序。對于一個控制系統，當控制要求改變時，只需修改程序，就能變更控制功能；與外圍設備的連接方便，通訊協議標準。（4）系統設計周期短由于系統硬件的設計任務僅僅是根據對象的控制要求配置適當的模塊，而不要設計具體的接口電路，同時軟件設計和外圍電路設計可以同時進行，這樣大大縮短了整個系統設計的時間，加快了系統的設計周期。（5）對生產工藝改變適應性強其控制功能是通過軟件編程來實現的，當生產工藝改變時，在很大程度上只需改變用戶程序，這對現代化的小批量、多品種產品的生產尤其適合；現今PLC已經朝著嵌入式系統發展，將進入日常生活中。（6）安裝簡單、調試方便、維護工作量小PLC控制系統的安裝接線工作量比繼電器控制系統少得多，只需將現場的各種設備與PLC相應的I/O口相連。PLC軟件設計和調試大部分可以在實驗室模擬進行，模擬調試好后再將PLC控制系統進行現場聯機調試，方便省時。其本身可靠性高，有完善的自診斷能力和系統監控能力，方便迅速故障查明和排除，維護的工作效率高。（7）適應工業環境PLC的技術條件能在一般高溫、振動、沖擊和粉塵等惡劣環境下工作，能在強電磁干擾環境下可靠工作。這是PLC產品的市場生存價值。23PLC的基本結構和工作原理PLC由于其自身的特點，在工業生產的各個領域得到了愈來愈廣泛的應用。而作為PLC的用戶，要正確地應用PLC去完成各種不同的控制任務，首先應了解其組成結構和工作原理。231PLC的基本結構可編程序控制器實施控制，其實質就是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變換與以物理實現。輸入輸出變換、物理實現可以說是PLC實施控制的兩個基本點，同時物理實現也是PLC與普通微機相區別之處，其需要考慮實際控制的需要，應能排除干擾信號適應于工業現場，輸出應放大到工業控制的水平，能為實際控制系統方便使用，所以PLC采用了典型的計算機結構，主要是由微處理器（CPU）、存儲器（RAM/ROM）、輸入輸出接口（I/O）電路、通信接口及電源組成。PLC的基本結構如圖21所示圖21系統的組成（1）中央處理單元CPU中央處理單元CPU是PLC的控制核心。它按照PLC系統程序賦予的功能A接收并存儲從用戶程序和數據；B檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式采集現場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入I/O映象寄存區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規定執行邏輯或算數運算并將結果送入I/O映象寄存區或數據寄存器內。等所有的用戶程序執行完畢之后，最后將I/O映象寄存區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環直到停止運行。為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統，或采用三CPU的表決式系統。這樣，即使某個CPU出現故障，整個系統仍能正常運行。（2）存儲器可編程序控制器的存儲器分為系統程序存儲器和用戶程序存儲器。存放系統軟件（包括監控程序、模塊化應用功能子程序、命令解釋程序、故障診斷程序及其各種管理程序）的存儲器稱為系統程序存儲器；存放用戶程序（用戶程序存和數據）的存儲器稱為用戶程序存儲器，所以又分為用戶存儲器和數據存儲器兩部分。PLC常用的存儲器類型RAM（RANDOMASSESSMEMORY）這是一種讀/寫存儲器隨機存儲器，其存取速度最快，由鋰電池支持。EPROM（ERASABLEPROGRAMMABLEREADONLYMEMORY）這是一種可擦除的只讀存儲器。在斷電情況下，存儲器內的所有內容保持不變。在紫外線連續照射下可擦除存儲器內容。EEPROM（ELECTRICALERASABLEPROGRAMMABLEREADONLYMEMORY）這是一種電可擦除的只讀存儲器。使用編程器就能很容易地對其所存儲的內容進行修改。PLC存儲空間的分配雖然各種PLC的CPU的最大尋址空間各不相同，但是根據PLC的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區域系統程序存儲區系統程序存儲區在系統程序存儲區中存放著相當于計算機操作系統的系統程序。包括監控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統診斷子程序等。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該PLC的性能。系統RAM存儲區系統RAM存儲區包括I/O映象寄存區以及各類軟元件存儲區，如邏輯線圈、數據寄存器、計時器、計數器、變址寄存器、累加器等存儲器。AI/O映象寄存區由于PLC投入運行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態和數據，在輸出刷新階段才將輸出的狀態和數據送至相應的外設。因此，它需要一定數量的存儲單元RAM以存放I/O的狀態和數據，這些單元稱作I/O映象寄存區。一個開關量I/O占用存儲單元中的一個位，一個模擬量I/O占用存儲單元中的一個字。因此整個I/O映象寄存區可看作兩個部分組成開關量I/O映象寄存區；模擬量I/O映象寄存區。B系統軟元件存儲區除了I/O映象寄存區區以外，系統RAM存儲區還包括PLC內部各類軟元件（邏輯線圈、計時器、計數器、數據寄存器和累加器等）的存儲區。該存儲區又分為具有失電保持的存儲區域和失電不保持的存儲區域，前者在PLC斷電時，由內部的鋰電池供電，數據不會丟失；后者當PLC斷電時，數據被清零。用戶程序存儲區用戶程序存儲區存放用戶編制的用戶程序。不同類型的PLC，其存儲容量各不相同。（3）輸入接口電路輸入輸出信號有開關量、模擬量、數字量三種，在我們實習室涉及到的信號當中，開關量最普遍，也是實驗條件所限，在次我們主要介紹開關量接口電路。可編程序控制器優點之一是抗干擾能力強。這也是其I/O設計的優點之處，經過了電氣隔離后，信號才送入CPU執行的,防止現場的強電干擾進入。如圖22所示就是采用光電耦合器一般采用反光二極管和光電三極管組成的開關量輸入接口電路圖22光電耦合器開關量輸入接口電路（4）輸出接口電路可編程序控制器的輸出有繼電器輸出M、晶體管輸出T、晶閘管輸出S三種輸出形式。輸出接口電路的隔離方式有繼電器隔離方式、光電耦合器隔離方式和晶閘管輸出隔離方式。輸出接口電路的主要技術參數A響應時間響應時間是指PLC從ON狀態轉變成OFF狀態或從OFF狀態轉變成ON狀態所需要的時間。繼電器輸出型響應時間平均約為10MS；晶閘管輸出型響應時間為1MS以下；晶體管輸出型在02MS以下為最快。B輸出電流繼電器輸出型具有較大的輸出電流，AC250V以下的電路電壓可驅動純電阻負載2A/1點、感性負載80VA以下（AC100V或AC200V）及燈負載100W以下（AC100V或200V）的負載；Y0、Y1以外每輸出1點的輸出電流是05A，但是由于溫度上升的原因，每輸出4合計為08A的電流，輸出晶體管的ON電壓約為15V，因此驅動半導體元件時，請注意元件的輸入電壓特性。Y0、Y1每輸出1點的輸出電流是03A，但是對Y0、Y1使用定位指令時需要高速響應，因此使用10100MA的輸出電流；晶閘管輸出電流也比較小C開路漏電流開路漏電流是指輸出處于OFF狀態時，輸出回路中的電流。繼電器輸出型輸出接點OFF是無漏電流；晶體管輸出型漏電流在01MA以下；晶閘管較大漏電流，主要由內部RC電路引起，需在設計系統時注意。D輸出公共端（COM）公共端與輸出各組之間形成回路，從而驅動負載。FX1N有1點或4點一個公共端輸出型，因此各公共端單元可以驅動不同電源電壓系統的負載。（5）電源PLC的電源在整個系統中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可靠得電源系統是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在1015范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去。如FX1N額定電壓AC100V240V，而電壓允許范圍在AC85V264V之間。允許瞬時停電在10MS以下，能繼續工作。一般小型PLC的電源輸出分為兩部分一部分供PLC內部電路工作；一部分向外提供給現場傳感器等的工作電源。因此PLC對電源的基本要求A能有效地控制、消除電網電源帶來的各種干擾；B電源發生故障不會導致其它部分產生故障；C允許較寬的電壓范圍；D電源本身的功耗低，發熱量小；E內部電源與外部電源完全隔離；F有較強的自保護功能。232PLC的工作原理由于PLC以微處理器為核心，故具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式，若有鍵按下或有I/O變化，則轉入相應的子程序，若無則繼續掃描等待。PLC則是采用循環掃描的工作方式。對每個程序，CPU從第一條指令開始執行，按指令步序號做周期性的程序循環掃描，如果無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條執行用戶程序，直至遇到結束符后又返回第一條指令，如此周而復始不斷循環，每一個循環稱為一個掃描周期。掃描周期的長短主要取決于以下幾個因素一是CPU執行指令的速度；二是執行每條指令占用的時間；三是程序中指令條數的多少。一個掃描周期主要可分為三個階段。（1）輸入刷新階段在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態并寫入輸入狀態寄存器。完成輸入端刷新工作后，將關閉輸入端口，轉入程序執行階段。在程序執行期間即使輸入端狀態發生變化，輸入狀態寄存器的內容也不會改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。（2）程序執行階段在程序執行階段，根據用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執行，并將相應的邏輯運算結果存入對應的內部輔助寄存器和輸出狀態寄存器。當最后一條控制程序執行完畢后，即轉入輸入刷新階段。（3）輸出刷新階段當所有指令執行完畢后，將輸出狀態寄存器中的內容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器），并通過一定輸出方式輸出，驅動外部相應執行元件工作，這才形成PLC的實際輸出。由此可見，輸入刷新、程序執行和輸出刷新三個階段構成PLC一個工作周期，由此循環往復，因此稱為循環掃描工作方式。由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進行的，所以亦將這兩個階段統稱為I/O刷新階段。實際上，除了執行程序和I/O刷新外，PLC還要進行各種錯誤檢測（自診斷功能）并與編程工具通訊，這些操作統稱為“監視服務”，一般在程序執行之后進行。綜上述，PLC的掃描工作過程如圖23所示圖23PLC的掃描工作過程顯然掃描周期的長短主要取決于程序的長短。掃描周期越長，響應速度越慢。由于每個掃描周期只進行一次I/O刷新，即每一個掃描周期PLC只對輸入、輸出狀態寄存器更新一次，所以系統存在輸入輸出滯后現象，這在一定程度上降低了系統的響應速度。但是由于其對I/O的變化每個周期只輸出刷新一次，并且只對有變化的進行刷新，這對一般的開關量控制系統來說是完全允許的，不但不會造成影響，還會提高抗干擾能力。這是因為輸入采樣階段僅在輸入刷新階段進行，PLC在一個工作周期的大部分時間是與外設隔離的，而工業現場的干擾常常是脈沖、短時間的，誤動作將大大減小。但是在快速響應系統中就M100X401M100輸出刷新輸入刷新掃描周期元件映像寄存器輸出鎖存器輸出端子M100Y430輸入端子輸入映像寄存器會造成響應滯后現象，這個一般PLC都會采取高速模塊。總之，PLC采用循環掃描的工作方式，是區別于其他設備的最大特點之一，我們在學習和使用PLC當中都應加強注意。24PLC的主要指標性能（1）存儲容量指的是用戶程序存儲器的容量，用戶程序存儲器容量決定了PLC可以容納的用戶程序的長短。（2）輸入/輸出點數I/O點數即PLC面板上輸入、輸出信號用的端子的個數。（3）掃描速度指的是PLC執行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指標，一般以執行1K字所用的時間來衡量掃描速度。（4）編程指令的種類和數量編程的指令越多，其功能越強。即處理能力和控制能力也就越強。（5）擴展能力I/O擴展單元進行I/O點數擴展；使用各種功能模塊進行功能的擴展。（6）智能單元的數量利用智能單元可以完成模擬量控制、位置和速度控制以及通信聯網的功能。25三菱FX1N系列PLC的基本指令FX1N系列PLC的基本指令如表21所示表21FX1N系列PLC的基本指令助記符功能梯形圖符號和操作軟元件LD取常開觸點邏輯運算起始常開觸點與左母線連接LDI取反常閉觸點邏輯運算起始常閉觸點與左母線連接）AND與串聯連接常開觸點與其他觸點或觸點組串聯連接ANI與非串聯連接常閉觸點與其他觸點或觸點組串聯連接OR或并聯連接常開觸點與其他觸點或觸點組并聯連接ORI或非并聯連接常閉觸點與其他觸點或觸點組并聯連接ANB電路塊與并聯電路塊的串聯連接電路塊與其他觸點或觸點組串聯連接ORB電路塊或串聯電路塊的并聯連接電路塊與其他觸點或觸點組并聯連接OUT輸出線圈驅動SET置1使線圈接通并保持動作RST復零使線圈斷開,消除動作保持,寄存器清零PLS上升沿脈沖上升沿微分輸出當檢測到輸入脈沖的上升沿時,指令的操作元件閉合一個掃描周期PLF下降沿脈沖下降沿微分輸出當檢測到輸入脈沖的下降沿時,指令的操作元件閉合一個掃描周期MC主控指令公共串聯接點的連接將左母線臨時移到一個所需位置,產生一臨時左母線,形成主控電路塊MCR主控復位公共串聯接點的消除取消臨時左母線,將左母線返回到原來的位置,結束主控電路塊MPS進棧指令進棧將邏輯運算結果存入棧存儲器,存儲器中原來的存儲結果依次向棧存儲器下層推移MRD讀棧指令讀棧將存儲器一號單元的內容讀出,且詹存儲器中的內容不發生變化MPP出棧指令出棧9將存儲器中一號單元的結果取出,存儲器中其他單元的數據依次向上推移NOP空操作無動作END結束輸入輸出處理以及返回到0步STL步進接點步進接點開始將步進接點接到左母線RET步進結束步進接點開始使副母線返回到原來的左母線位置3Z3040搖臂鉆床機床的電控系統分析鉆床是一種用途較廣的萬能機床,可以用來鉆孔、擴孔、餃孔、鏜孔、攻螺紋及刮平面等多種形式的加工。鉆床按用途和結構可分為立式鉆床、臺式鉆床、搖臂鉆床、多軸鉆床、深孔鉆床、臥式鉆床及其它專用鉆床等。搖臂鉆床屬于立式鉆床，其操作方便、靈活，適用范圍廣，具有典型性。Z3040是中型搖臂鉆床，其型號意義為Z鉆床，3搖臂鉆床，0圓柱形主軸，40最大鉆孔直徑40MM。31Z3040搖臂鉆床機床結構和運動情況搖臂鉆床主要由底座、內立柱、外立柱、搖臂、主軸箱及工作臺等部分組成，如圖31所示。內立柱固定在底座的一端，在它外面套著外立柱,外立柱可繞內立柱回轉360，搖臂的一端為套筒，它套在外立柱上,借助絲杠的正反轉可使搖臂沿外立柱作上下移動，由于該絲杠與外立柱連為一體，而升降螺母固定在搖臂上，所以搖臂只能與外立柱一起繞內立柱回轉。主軸箱是一個復合部件，它由主傳動電動機、主軸和主軸傳動機構、進給和變速機構以及機床的操作機構等部分組成。主軸箱安裝在搖臂的水平導軌上，可以通過手輪操作使其在水平導軌上沿搖臂移動。圖31Z3040搖臂鉆床結構圖1底座；2工作臺；3主軸縱向進給；4主軸旋轉主運動；5主軸；6搖臂；7主軸箱沿搖臂徑向運動；8主軸箱；9內外立柱；10搖臂回轉運動；11搖臂垂直移動鉆削加工時，主軸旋轉為主運動，主軸的縱向進給為進給運動。此時,主軸箱由夾緊接置將其緊固在搖臂水平導軌上，外立柱緊固在內立柱上，搖臂緊固在外立柱上,然后進行鉆削加工，輔助運動有搖臂沿外立柱的垂直移動，主軸箱沿搖臂長度方向的水平移動，搖臂與外立柱一起繞內立柱的回轉運動。32Z3040搖臂鉆床的電力拖動特點及控制要求（1）搖臂鉆床運動部件較多，為簡化傳動裝置，采用多電動機拖動。（2）搖臂鉆床為適應多種形式的加工，要求主軸及進給有較大的調速范圍。主軸一般速度下的鉆削加工常為恒功率負載，而低速時主要用于擴孔、餃孔、攻螺紋等加工，這時則為恒轉矩負載。（3）搖臂鉆床的主運動與進給運動皆為主軸的運動，為此這兩種運動由一臺主軸電動機拖動，分別經主軸傳動機構、進給傳動機構實現主軸旋轉和進給。所以主軸變速機構與進給變速機構都裝在主軸箱內。（4）為加工螺紋，主軸要求正、反轉。但采用機械方法來實現，主軸電動機單方向旋轉。（5）搖臂的升降由升降電動機拖動，要求電動機能正、反轉。（6）內外立柱的夾緊與放松、主軸箱與搖臂的夾緊與放松可采用手柄機械操作、電氣一機械裝置、電氣一液壓裝置或電氣一液壓一機械裝置等控制方法來實現。若采用液壓裝置則備有液壓泵電動機，拖動液壓泵供出壓力油來實現。（7）搖臂的移動嚴格按照搖臂松開移動搖臂夾緊的程序進行。因此,搖臂的夾緊放松與搖臂升降按自動控制進行。（8）根據鉆削加工需要，應由冷卻泵電動機拖動冷卻泵，供出冷卻液進行鉆頭的冷卻。（9）具有機床安全照明和信號指示。（10）具有必要的聯鎖和保護環節。33Z3040搖臂鉆床的電氣控制原理圖Z3040搖臂鉆床的電氣控制原理圖如圖32所示圖32Z3040搖臂鉆床的電氣控制原理圖34主電路分析（1）主軸電動機的控制主軸電動機啟動M1為單向旋轉，由按鈕SB1,SB2和接觸器KM1構成主軸電動機單向啟動停止控制電路。主軸電動機啟動后拖動齒輪泵送出壓力油，再操縱主軸操縱手柄，驅動主軸實現轉動。（2）搖臂的升降控制當搖臂的升降指令發出，先使搖臂松開，而后搖臂上升或下降，待搖臂升降到位時，又自行重新夾緊。由于搖臂的松開與夾緊是由夾緊機構液壓系統實現的，所以搖臂升降控制需與夾緊機構液壓系統緊密配合。（3）M2為搖臂升降電動機，由按鈕SB3、SB4點動控制正、反轉接觸器KM2、KM3實現M2電動機的正、反轉拖動搖臂上升或下降。（4）M3為液壓泵電動機，由正、反轉接觸器KM4、KM5控制，實現電動機正、反轉，拖動雙向液壓泵M3。（5）送出壓力油，經二位六通閥送至搖臂夾緊機構實現夾緊與松開。（6）M4為冷卻泵電動機，由于冷卻泵電動機容量小（0125KW），由SA1開關控制單向旋轉。35控制電路分析351搖臂上升按下搖臂上升按鈕SB3，使定時器KT得電，驅使線圈KM4和電磁閥YV得電，液壓泵電動機M3正轉，搖臂松開。搖臂松開到位，壓下行程開關SQ2，驅使接觸器線圈KM4失電，液壓泵電動機停轉，而同時接觸器線圈KM2得電，搖臂升降電動機M2正轉，搖臂上升。搖臂上升到位，松開搖臂上升按鈕SB3，使接觸器線圈KM2和KT線圈失電，搖臂升降電動機M3停轉，搖臂停止上升。定時器KT為斷電延時型，搖臂完全停止后，液壓泵電動機M3反轉，搖臂夾緊。搖臂夾緊到位，壓下行程開關SQ3時，使接觸器線圈KM5失電，液壓泵電動機M3停轉。352搖臂下降按下搖臂下降按鈕SB4，使定時器KT得電，驅使線圈KM4和電磁閥YV得電，液壓泵電動機M3正轉，搖臂松開。搖臂松開到位，壓下行程開關SQ2，驅使接觸器線圈KM4失電，液壓泵電動機停轉。而同時接觸器線圈KM3得電，搖臂升降電動機M2反轉，搖臂下降。搖臂下降到位，松開搖臂下降按鈕SB4，接觸器線圈KM3和電磁閥YV失電，搖臂升降電動機M3停轉，搖臂停止下降。353立柱與主軸箱的夾緊與松開按下立柱與主軸箱松開按鈕SB5，使KM4線圈得電，液壓泵電動機M3正轉，立柱與主軸箱松開，SQ4常閉觸頭得電，松開到位，立柱與主軸箱松開指示燈HL1亮。按下立柱與主軸箱夾緊按鈕SB6，使KM5線圈得電，液壓泵電動機M3反轉，立柱與主軸箱夾緊。夾緊到位時壓下SQ4，SQ4常閉觸頭斷開，燈HL1滅，SQ4常開觸頭閉合，立柱與主軸箱夾緊指示燈HL2亮。354互鎖與保護環節SQ1行程開關實現搖臂上升和下降的限位保護。SQ2行程開關實現搖臂松開到位，開始升降的聯鎖。SQ3行程開關實現搖臂完全夾緊，液壓泵電動機M3停止運轉的聯鎖。KT時間繼電器實現升降電動機M2斷開電源、待停止后再進行夾緊的聯鎖。M2電動機正反轉具有雙重聯鎖，M3電動機正反轉具有電氣聯鎖。SB4、SB5立柱與主軸箱松開、夾緊按鈕的常閉觸頭串接在電磁閥YV線圈電路中，實現立柱與主軸箱松開、夾緊操作時，壓力油只進入立柱與主軸箱夾緊油腔而不進入搖臂夾緊油腔的聯鎖。熔斷器FU1FU2實現電路的短路保護。熱繼電器FR1、FR2為電動機M1、M3的過載保護。355指示燈電路分析（1）HL1為主軸箱與立柱松開指示燈，燈亮表示已松開，手動操作主軸箱沿搖臂移動或推動搖臂回轉。（2）HL2為主軸箱與立柱夾緊指示燈，燈亮表示已夾緊，可以進行鉆銷加工。（3）HL3為主軸正轉指示燈。（4）EL為照明燈，由控制變壓器TC供給24V安全電壓，由開關SA2控制。36Z3040搖臂鉆床的電控系統特點（1）Z3040型搖臂鉆床是由機、電、液的綜合控制。（2）搖臂的升降控制與搖臂夾緊放松的控制有嚴格的程序要求，以確保先松開，再移動，移動到位后自動夾緊。所以M2、M3電動機的控制有嚴格的程序要求，這些由電氣控制電路控制，液壓、機械配合來實現。（3）電路具有完善的保護和聯鎖，有明顯的信號指示。4Z3040搖臂鉆床電控系統的PLC改造41Z3040搖臂鉆床的PLC控制要求（1）主軸電動機M1的單向轉動。（2）搖臂升降電動機M2正反轉。（3）搖臂松開、夾緊液壓泵電動機M3的正反轉運動。（4）完成各種操作之間的互鎖控制及延時控制。冷卻根據加工任務來選用，冷卻泵電動機M4控制簡單，故采用手動控制。（5）由于搖臂升降電動機M2和搖臂松開、夾緊電動機M3的轉速較小，故不考慮電動機的制動。42PLC的選擇隨著PLC技術的發展，PLC產品的種類越來越多，而且功能也日趨完善，各有特色，PLC的生產廠家主要有美國的AB公司、通用電氣公司，德國的西門子公司，法國的TE公司，日本的三菱公司、歐姆龍公司、日立公司。本設計是以日本三菱公司的FX1N系列PLC進行改裝。FX1N有12種基本單元如表41所示，可組成24128個I/O點的系統，并能使用特殊功能模塊、顯示模塊和擴展板。用戶存儲器容量為8KB步，有內置的實時時鐘。PID指令可實現模擬量閉環控制，每個基本單元可同時輸出2點100KHZ的高速脈沖，有7條特殊的定位指令，有2個內置的設置參數用的小電位器。通過通信擴展板或特殊適配器可實現多種通信和數據鏈接，如CCLINK，ASI網絡，RS232C、RS422和RS485通信，NN鏈接、并行鏈接、計算機鏈接和I/O鏈接。表41FX1N系列的基本單元AC電源，24V直流輸入DC電源，24V直流輸入繼電器輸出晶體管輸出續電器輸出晶體管輸出輸入點數輸出點數FX1N24MR001FX1N24MT001FX1N24MRDFX1N24MTD1410FX1N40MR001FX1N40MT001FX1N40MRDFX1N40MTD2416FX1N60MR001FX1N60MT001FX1N60MRDFX1N60MTD3624Z3040搖臂鉆床的PLC輸入、輸出信號如表42所示、43所示表42Z3040搖臂鉆床輸入信號表形式序號名稱作用1SB1主軸停止按鈕2SB2主軸轉動按鈕3SB3搖臂上升按鈕4SB4搖臂下降按鈕5SB5立柱與主軸箱松開按鈕6SB6立柱與主軸箱夾緊按鈕7SQ1搖臂上升限位行程開關8SQ2搖臂松開行程開關9SQ3搖臂夾緊行程開關10SQ4立柱與主軸箱夾緊、松開行程開關11SA1冷卻泵電動機的啟、停開關12SA2照明燈開關13FR1主軸電動機過載保護輸入14FR2液壓泵電動機過載保護15QS總電源開關表43Z3040搖臂鉆床輸出信號表形式序號名稱作用1KM1主軸電動機正轉交流接觸器2KM2搖臂升降電動機正轉交流接觸器3KM3搖臂升降電動機反轉交流接觸器4KM4液壓泵電動機正轉交流接觸器5KM5液壓泵電動機反轉交流接觸器6YV電磁閥7HL1立柱與主軸箱、搖臂松開指示燈8HL2立柱與主軸箱、搖臂夾緊指示燈9HL3主軸轉動指示燈輸出10EL照明燈由上表可知Z3040搖臂鉆床的輸入信號有15個，輸出信號有10個，但由于PLC的I/O點數的價格比較高，因此應該合理選用PLC的I/O點的數量，不僅可以降低系統成本，還可以解決已使用的PLC進行擴展時I/O點數不夠的問題。在滿足控制要求的的前提下力爭使用的I/O點最少，但必須留有一定的備用量。通常I/O點數是根據被控對象的輸入、輸出信號的實際需要，在加上1015的備用量來確定。減少PLC輸入點數的方法是可以把信號設置在PLC之外，即把手動操作按鈕、電動機過載保護的熱繼電器觸點等放在外部電路中，所以本設計把手動操作開關QS、SA1、SA2和熱繼電器FR1、FR2放在外電路中，以便減少輸入點數節約成本。本設計中Z3040搖臂鉆床的照明燈EL是由開關SA2手動控制的，因此沒有必要將照明燈EL作為本次畢業設計的輸出信號。故本次畢業設計中PLC的輸入信號數為10個，輸出信號數為9個。綜上，本設計中Z3040搖臂鉆床的PLC輸入點數應選101012112點；輸出點數應選99121008點，通過查看三菱FX1N系列基本單元表，選定三菱FX1N40MR001（其中輸入點數24點，輸出點數16點，繼電輸出型）。因為繼電輸出的價格便宜，既可用于驅動交流負載，又可用于直流負載，而且適用的電壓大小范圍較寬、導通降壓小，同時承受瞬時過電壓和過電流的能力較強。43I/O地址分配表Z3040搖臂鉆床的I/O地址分配情況如表44、45所示表44Z3040搖臂鉆床輸入地址分配表形式序號名稱作用地址1SB1主軸停止按鈕X0002SB2主軸轉動按鈕X0013SB3搖臂上升按鈕X0034SB4搖臂下降按鈕X0045SB5立柱與主軸箱松開按鈕X0056SB6立柱與主軸箱夾緊按鈕X0067SQ1搖臂上升限位保護行程開關X0078SQ2搖臂松開到位行程開關X0119SQ3搖臂夾緊到位行程開關X012輸入10SQ4立柱與主軸箱夾緊松開行程開關X010表45Z3040搖臂鉆床輸出地址分配表形式序號名稱作用地址1KM1主軸電動機正轉交流接觸器Y0012KM2搖臂升降電動機正轉交流接觸器Y002輸3KM3搖臂升降電動機反轉交流接觸器Y0034KM4液壓泵電動機正轉交流接觸器Y0045KM5液壓泵電動機反轉交流接觸器Y0056YV電磁閥Y0067HL1立柱與主軸箱、搖臂松開指示燈Y0108HL2立柱與主軸箱、搖臂夾緊指示燈Y011出9HL3主軸轉動指示燈Y01244I/O接線圖Z3040搖臂鉆床的電控系統改造的三菱FX1N系列PLC的I/O接線圖如圖41所示圖41PLC的I/O接線圖45控制流程圖451主電動機運行的流程圖圖42主電動機運行的流程圖452搖臂上升流程圖圖43搖臂上升流程圖453搖臂下降流程圖圖44搖臂下降流程圖454立柱與主軸箱PLC控制流程圖圖45立柱與主軸箱PLC控制流程圖46PLC控制梯形圖圖46PLC控制梯形圖47系統仿真調試三菱GXDEVELOPER編程軟件是應用于三菱系列PLC的中文編程軟件，可在WINDOWS9X及以上操作系統中運行。其主要功能有（1）在GXDEVELOPER中，可通過線路符號、列表語言及SFC符號來創建PLC程序，建立注視數據和設置寄存器數據。（2）創建PLC程序以及將其存儲為文件，可用打印機打印。（3）該程序可在串行系統中與PLC進行通信、文件傳送、操作監控以及各種測試功能。（4）改程序可脫離PLC進行仿真調試。所以本設計選用的編程軟件是三菱GXDEVELOPER編程軟件。Z3040搖臂鉆床的搖臂升降及夾緊、放松控制是自動快速完成的。但在設計中的仿真圖為分段仿真調試的畫面圖。471搖臂上升程序仿真圖按下搖臂上升按鈕SB3（X3），交流接觸器KM4（Y4）、電磁閥YV（Y6）得電，液壓泵電動機M3正轉，拖動液壓泵送出壓力油，經二位六通閥進入搖臂松開油腔，使搖臂松開，如圖47所示圖47搖臂松開仿真圖當壓下行程開關SQ2（X11），交流接觸器KM4（Y4）失電，交流接觸器KM2（Y2）得電，搖臂升降電動機M2正轉，搖臂上升，如圖48所示圖48搖臂上升仿真圖472搖臂下降程序仿真圖按下搖臂下降按鈕SB4（X4），交流接觸器KM4（Y4）、電磁閥YV（Y6）得電，液壓泵電動機M3正轉，拖動液壓泵送出壓力油，經二位六通閥進入搖臂松開油腔，使搖臂松開，如圖49所示圖49搖臂松開仿真圖當壓下行程開關SQ2（X11），交流接觸器KM4（Y4）失電，交流接觸器KM3（Y3）得電，搖臂升降電動機M2反轉，搖臂下降，如圖410所示圖410搖臂下降仿真圖473主軸箱與立柱松開程序仿真圖按下松開按鈕SB5（X5），交流接觸器KM4（Y4）得電，液壓泵電動機M3正轉，拖動液壓泵送出壓力油，此時電磁閥線圈不通電，高壓油經二位六通閥到另一油路，進入立柱與主軸箱松開油腔，使立柱與主軸箱同時松開。壓下行程開關SQ4（X10）燈HL1（Y10）點亮，如圖411所示圖411主軸箱與立柱松開程序仿真圖474主軸箱與立柱夾緊程序仿真圖按下夾緊按鈕SB6（X6），交流接觸器KM5（Y5）得電，液壓泵電動機M3反轉，拖動液壓泵送出壓力油，此時電磁閥線圈不通電，高壓油經二位六通閥到另一油路，進入立柱與主軸箱夾緊油腔，使立柱與主軸箱同時閉合，如圖412所示圖412主軸箱與立柱夾緊程序仿真圖壓下行程開關SQ4（X10）燈HL2（Y11）點亮，如圖413所示圖413燈HL2（Y11）點亮48PLC改造前后的性能測試作為傳統的繼電器接線控制系統，它在現代控制系統領域內有許多的局限性。而PLC控制方式的產生將逐漸取代復雜的接線控制方式。作為兩種不同的控制方式，它們有著明顯的優劣區別。（1）從控制方法上看，Z3040搖臂鉆床的電氣控制系統邏輯控制采用硬件接線，利用繼電器機械觸點的串聯或并聯等組合成控制邏輯，其連線多且復雜、體積大、功耗大，系統構成后，想再改變或增加功能較為困難。另外，繼電器的觸點數量有限，所以電氣控制系統的靈活性和可擴展性受到很大限制。而PLC采用了計算機技術，其邏輯控制是以程序的方式存放在存儲器中，要改變邏輯控制只需改變程序，因而很容易改變或增加系統功能。系統連線少、體積小、功耗小，而且PLC所謂“軟繼電器”實質上是存儲器單元的狀態，所以“軟繼電器”的觸點數量是無限的，PLC系統的靈活性和可擴展性好。（2）從工作方式上看，在Z3040搖臂鉆床繼電器控制電路中，當電源接通時，電路中所有繼電器都處于受制約狀態，即該吸合的繼電器都同時吸合，不該吸合的繼電器受某種條件限制而不能吸合，這種工作方式稱為并行工作方式。而PLC的用戶程序是按一定順序循環執行，所以各軟繼電器都處于周期性循環掃描接通中，受同一條件制約的各個繼電器的動作次序決定于程序掃描順序，這種工作方式稱為串行工作方式。（3）從控制速度上看，搖臂鉆床繼電器控制系統依靠機械觸點的動作以實現控制，工作頻率低，機械觸點還會出現抖動問題。而PLC通過程序指令控制半導體電路來實現控制的，速度快，程序指令執行時間在微秒級，且不會出現觸點抖動問題。（4）從定時和計數控制上看，此鉆床電氣控制系統采用時間繼電器的延時動作進行時間控制，時間繼電器的延時時間易受環境溫度和溫度變化的影響，定時精度不高。而PLC采用半導體集成電路作定時器，時鐘脈沖由晶體振蕩器產生，精度高，定時范圍寬，用戶可根據需要在程序中設定定時值，修改方便，不受環境的影響，且PLC具有計數功能，而電器控制系統一般不具備計數功能。（5）從可靠性和可維護性上看，由于電氣控制系統使用了大量的機械觸點，其存在機械磨損、電弧燒傷等，壽命短，系統的連線多，所以可靠性和可維護性較差。而PLC大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，其壽命長、可靠性高，PLC還具有自診斷功能，能查出自身的故障，隨時顯示給操作人員，并能動態地監視控制程序的執行情況，為現場調試和維護提供了方便。5結論通過Z3040搖臂鉆床的電氣控制原理圖可以看出傳統繼電器接觸器控制系統，觸點多、接線復雜、維修困難等缺點。而PLC控制系統與傳統繼電器接觸器系統相比，具有通用性強、結構簡單、體積小、易于安裝、性能優越、可靠性高、編程簡單、抗干擾能力強、使用維護方便、應用靈活等優點。因此，本設計把Z3040搖臂鉆床的電氣控制改造成PLC控制，提高了搖臂鉆床的性能。本設計先對PLC的產生和發展、用途及特點、基本結構和工作原理等進行介紹，然后再根據Z3040搖臂鉆床的機床結構、運動形式及工作原理進行了分析，制定了PLC改造的設計方案并敘述了設計流程，其中包括PLC類型的選擇、I/O地址的分配、接線圖和梯形圖的繪制等，還對Z3040搖臂鉆床電控系統改造后PLC系統的一些程序進行仿真調試。Z3040搖臂鉆床電控系統的改造，使設備的工作效率和可靠性，以及其自動化程度都有很大提高。參考文獻1胡文金可編程序控制器實訓教程重慶重慶大學出版社，20072王淑英電氣控制與PLC應用北京機械工業出版社，20073孫德勝，李偉PLC操作實訓北京機械工業出版社，20114陳定明電機與控制北京高等教育出版社，20045李樹海低壓運行維修電工基本技能圖解北京中國電力出版社，20066姜治臻PLC項目實訓北京高等教育出版社，20087阮友德電氣控制與PLC實訓教程北京人民郵電出版社，20068高勤電氣及PLC控制技術北京高等教育出版社，20029鄭鳳翼，楊洪升怎樣看電氣控制電路圖北京人民郵電出版社，200910劉玉娟PLC編程技能訓練北京高等教育出版社，200911王傳艷工作