1、目 錄摘 要 1abstract 21 緒論 31.1 數控機床的發展 31.2 數控機床原理和特點 41.3 數控機床的結構 62 plc的概述 62.1 plc的基本特點 72.2 plc的工作原理 82.3數控機床采用plc電氣控制系統的優點 9 2.3.1 plc與繼電器、接觸器相比較 9 2.3.2 plc與單片機比較 103 z3040搖臂鉆床的基本概述 113.1 z3040搖臂鉆床控制線路概述 123.1.1 操縱機構液壓系統123.1.2 夾緊機構液壓系統 123.2 z3040搖臂鉆床控制線路原理分析 123.3 z3040搖臂鉆床控制線路主電路分析 143.4 z3040

2、搖臂鉆床控制線路控制電路分析 143.4.1 主電動機控制電路 143.4.2 搖臂升降控制電路 143.4.3 立柱和主軸箱松開、夾緊控制電路 153.4.4 冷卻泵控制電路 163.4.5 照明、信號線路電路 164 z3040搖臂鉆床的plc控制系統 164.1 plc的選型 174.1.1 確定i/o點數 174.1.2選配plc的型號 174.2 z3040搖臂鉆床的plc控制i/0（輸入、輸出）地址分配表 194.3 plc控制系統分析 194.3.1主軸電動機控制 204.3.2 搖臂升降控制 204.3.3 立柱與主軸松開、夾緊控制 204.4 plc梯形圖程序設計 204.4

3、.1 系統預開程序 4.4.2主軸電動機控制程序 4.4.3 搖臂升降控制程序 4.4.4 立柱箱、立柱、搖臂松開、夾緊控制程序 4.4.5 立柱箱、立柱松開、夾緊控制程序 4.4.6 冷卻泵控制 4.4.7信號指示梯形圖程序 4.4.8 完整的plc控制梯形圖 參考文獻 25附 錄 26總 結 31致 謝 32摘 要 可編程控制器（plc）廣泛應用于數控機床等工業控制中。數控機床的控制部分可分為數字控制和順序控制兩部分。 本文描述了數控機床的基本組成、工作原理、分類及各自的特點。并且對數控機床中的plc作了詳細的介紹，把plc在數控機床上的控制做了設計。然后以搖臂鉆床z3040為例，描述了它

4、的設計過程，包括控制系統電路的分析，z3040搖臂鉆床原理圖，用plc編寫程序對機床進行控制。關鍵詞：可編程控制器 數控機床 數字控制 順序控制 abstract programmable controller (plc) is widely used in nc machine tools and other industrial control. part of cnc control can be divided into digital control and sequence control two parts.this paper describes the basic cnc c

5、omposition, working principle, classification and their respective characteristics. and the plc for nc machine tools have also been introduced in detail, the plc in the control nc machine design. then z3040 with radial drilling machine as an example, describes its design process, including control s

6、ystem circuit analysis, z3040 radial drilling machine principle diagram, using plc programming control of machine.keywords: programmable controller；nc machine tools；digital control；sequence control； 1 緒論隨著科學技術的發展，機電產品日趨精密復雜。產品的精度要求越來越高、更新換代的周期也越來越短，從而促進了現代制造業的發展。尤其是宇航、軍工、造船、汽車和模具加工等行業，用普通機床進行加工（精度低、

7、效率低、勞動度大）已無法滿足生產要求，從而一種新型的用數字程序控制的機床應運而生。這種機床是一種綜合運用了計算機技術、自動控制、精密測量和機械設計等新技術的機電一體化典型產品。數控機床是一種裝有程序控制系統（數控系統）的自動化機床。該系統能夠邏輯地處理具有使用號碼，或其他符號編碼指令（刀具移動軌跡信息）規定的程序。具體地講，把數字化了的刀具移動軌跡的信息輸入到數控裝置，經過譯碼、運算，從而實現控制刀具與工件相對運動，加工出所需要的零件的機床，即為數控機床。1.1 數控機床的發展高速度高精度化數控系統的高速度高精度化要求數控系統在讀入加工指令數據后，能高速度計算出伺服電動機的位移量，并能控制伺服

8、電動機高速度準確地運動。此外，要實現生產系統的高速度化，還必須要求主軸轉速、進給率、刀具交換、托板交換等實現高速度化。提高微處理器的位數和速度是提高cnc速度的最有效的手段。智能化 數控系統應用高級速的重要目標是智能化。智能化技術主要體現在以下方面。自適應控制技術 ，自適應控制系統（ac,adaptive control）可對機床主軸轉矩、功率、切削力、切削溫度、刀具磨損等參數值進行自動測量，并由cpu進行比較運算后，發出修改主軸轉速和進給量大小的信號，確保ac系統處于最佳切削狀態，從而在保證加工質量條件下，使加工成本最低或生產率最高。附加人機會話自動變成功能 建立切削用量專家系統和示教系統，

9、從而提高變成效率和降低對變成操作人員的技術水平的要求。具有設備故障自診斷功能 數控系統出了故障，控制系統能夠進行自診斷，并自動采取排除故障的措施，以適應長時間無人操作環境的要求。3.計算機群控 計算機群控也叫做計算機直線數控系統（dnc）。它是用一臺大型通用計算機為數臺數控機床進行編程，并直接控制一群數控機床的系統。機床的發展趨勢數控機床總的發展趨勢是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提高可靠性等。工序集中 20世紀50年代末期，在一般數控機床的基礎上開發了數控加工中心，即自備刀具庫的自動換刀數控機床。在加工中心機床上，工件一次裝夾后，機床的機械手可以自動更換刀具，連續的對工件進行多種

10、工序加工。 目前，加工中心機床的刀具庫容量達到100多把刀具，自動換刀裝置的換刀時間僅需0.52秒。加工中心機床使工序集中在一臺機床上完成，減少了由于工序分散，工件多次安裝引起的定位誤差，提高了加工精度，同時也減少了機床的臺數與占地面積，壓縮了半成品的庫存量，減少了工序間的輔助時間，有效的提高了數控機床的生產效率和數控加工的經濟效益。高速、高效、高精度是機械加工的目標，數控機床因其價格昂貴，在上述三方面的發展也更為突出。數控機床制造廠把建立友好的人機界面、提高數控機床的可靠性作為提高競爭能力的主要方面。手工編程和自動編程已經使用了幾十年，有了長足的發展，在手工編程方面，開發多種加工循環、參數編

11、程和除直線、圓弧以外的各種插補功能，cad/cam的研究發展，從技術上來講可以替代手工編程。但是一套適用的cad/cam軟件加上計算機硬件，投資較大，學習、掌握時間較長，對大多數的簡單工件很不經濟。近年來，發展起來的圖形交互式編程系統（wop,又稱面向車間編程），很受用戶歡迎。這種編程方式不使用g/m代碼，而是借助圖形菜單，輸入整個圖形塊以及相應參數作為加工指令，形成加工程序，與傳統加工時的思維方式類似。圖形交互編程方法在制定標準后，有可能成為各種型號的數控機床統一的編程方法。數控機床普遍采用彩色crt進行人機對話、圖形顯示和圖形模擬的。有的數控機床將采用說明書、編程指南、潤滑指南等存入系統供

12、使用者調閱。1.2 數控機床原理和特點在對零件進行數控加工之前，首先要根據被加工零件的圖樣和工藝方案，用規定的代碼和程序格式編寫加工程序，并用適當的方法將程序指令輸入到機床的數控裝置中。數控系統對輸入的加工程序進行譯碼、運算之后，想機床輸出各種信息和指令，控制其各部分按規定有序地動作（包括機床主運動的變速、啟停，進給運動的速度、方向和位移大小，以及其他諸如刀具選擇交換、工件夾緊松開和冷卻潤滑液的啟、停等）。伺服系統的作用就是將進給速度、位移量等信息轉換成機床的進給運動，數控系統要求伺服系統能準確、快速地跟隨控制信息，執行機械運動，同時，檢測犯規系統將機械運動的實際位置、速度等信息反饋至數控系統

13、中，并與指令數值進行比較后發出相應指令，修正所產生的偏差，提高數控機床的位置控制精度。總之，數控機床的運行在數控系統的嚴密監控下，處在不斷地計算、輸入、輸出、反饋等控制過程中，從而保證數控機床能嚴格按照輸入程序的要求來執行動作。從數控機床最終要完成的任務看，主要有以下三個方面的內容：1 主軸運動 和普通機床一樣，主軸運動主要完成切削任務，其動力約占機床動力的70%80%。基本控制功能是主軸的正、反轉和停止，可自動換擋及無極調速；對加工中心和有些數控車床，還要求主軸進行高精確度準停和分度功能、 進給運動 進給運動是數控機床區別于普通機床最主要的地方，即用電氣驅動代替了機械驅動，數控機床的進給運動

14、是由進給伺服系統完成的。進給伺服系統由進給伺服驅動裝置、伺服電動機、進給傳動鏈及位置檢測反饋裝置等組成。cnc伺服驅動裝置伺服電動機速度檢測工作臺位置檢測反饋位置檢測速度反饋 一般說來，數控機床功能的強弱主要取決于計算機數控系統（cnc）裝置，而數控機床性能的優勢，如運動速度與精度等，主要取決于進給伺服驅動系統。為了保證進給運動的位置精度，人們采取了一些有效的措施。如對機械傳動鏈進行預緊和反向間隙調整；采用高精度的位置檢測裝置；采用高性能的伺服驅動裝置和伺服電動機，來提高數控系統的運算速度等。如圖1-1所示圖1-1 數控機床進給伺服系統 輸入/輸出（i/o）接口 數控系統對加工程序處理后輸出的

15、控制信號除了對進給運動軌跡進行精確的控制外，還需要對機床主軸啟/停、換向、刀具更換、工件夾緊/松開以及液壓、冷卻、潤滑、分度工作臺轉位等輔助運動進行控制。例如，通過對加工程序中的m代碼指令、機床操作面板上的控制開關及分布在機床各部位的行程開關、接近開關、壓力開關等輸入原件的檢測，由數控系統內的可編程控制器（plc）進行邏輯運算，輸出控制信號驅動中間繼電器、接觸器、電磁閥及電磁制動器等輸出原件，對冷卻泵、潤滑泵、液壓系統和啟動系統進行控制。數控機床是一種高效能自動化加工設備。與普通機床相比，數控機床具有以下特點：對零件加工的適應性強、靈活性好。因此數控機床能實現若干個坐標聯動，加工工程序可按對加

16、工零件的要求而變換、而不需改變機械部分和控制部分的硬件，就能適應新的工作要求。加工精度高、加工質量穩定。在數控機床上加工零件，零件加工的精度和質量有機床保證，完全消除了操作者的認為誤差。所以數控機床的加工精度高，一致性好，加工質量穩定。加工生產效率高。在數控機床上可以采用較大的切削用量，有效的節省了加工時間。還有自動換刀。自動轉速和其他輔助操作自動化等功能，而且無需工序間的檢驗與測量，故使輔助時間大為縮短。能完成復雜型面的加工。許多復雜曲線和曲面的加工，普通機床無法實現而數控機床則完全可以做到。減輕勞動強度，改善勞動條件。數控機床的加工，除了裝卸零件、操作鍵盤、觀察機床運行外，其他機床動作都是

17、按照程序要求自動連結地盡享切削加工，操作者不需要進行繁重的重復手工操作。因此能減輕工人勞動強度，改善勞動條件。有利于生產管理。采用數控設備，有利于向計算機控制和管理生產方向發展，為實現制造和生產管理自動化創造了條件。1.3 數控機床結構數控機床主要由控制介質、數控裝置、伺服系統和機床本體四個部分組成，如圖1-2所示。 圖1-2 數控機床的加工過程控制介質 控制介質以指令的形式記載各種加工信息，如零件加工的工藝過程、工藝參數和刀具運動等，將這些信息輸入到數控裝置，控制數控機床對零件切削加工。數控裝置 數控裝置是數控機床的核心，其功能是接受輸入的加工信息，經過數控裝置的系統軟件和邏輯電路進行譯碼、

18、運算和邏輯處理，向伺服系統發出相應的脈沖，并通過伺服系統控制機床運動部件按加工程序指令運動。伺服系統 伺服系統由伺服電機和伺服驅動裝置組成，通常所說數控系統是指數控裝置與伺服系統的集成，因此說伺服系統是數控系統的執行系統。數控裝置發出的速度和位移指令控制執行部件按進給速度和進給方向位移。每個進給運動的執行部件都配備一套伺服系統，有的伺服系統還有位置測量裝置，直接或間接測量執行部件的實際位移量，并反饋給數控裝置，對加工的誤差進行補償。機床本體 數控機床的本體與普通機床基本類似，不同之處是數控機床結構簡單、剛性好，傳動系統采用滾珠絲杠代替普通機床的絲杠和齒條傳動，主軸變速系統簡化了齒輪箱，普遍采用

19、變頻調速和伺服控制。2 plc的概述可編程控制器（以下簡稱plc）從其生產到現在，實現了接線邏輯到存儲邏輯的飛躍，其功能從弱到強，實現了邏輯控制到數字控制的進步；其應用領域從小到大，實現了單體設備簡單控制到勝任運動控制、過程控制及集散控制等各種任務的跨越。今天的plc在處理模擬量、數字運算、人機接口和網絡的各方面能力都已大幅度提高，成為工業控制領域的主流控制設備，在各行業發揮著越來越大的作用。 plc是基于電子計算機，且適用于工業現場工作的點控制器。它源于繼電控制裝置，但它不像繼電裝置那樣，通過電路的物理過程實現控制，而主要靠運行存儲于plc內存中的程序，進行入出信息變換實現控制。plc基于電

20、子計算機，但并不等同于普通計算機。普通計算機進行如初信息變換，多只考慮信息本身，信息的如初，只要人機界面就可以了。而plc則還要考慮信息入出的可靠性、實時性，以及信息的使用等問題。特別要考慮怎么適應于工業環境，入便于安裝，抗干擾等問題。 2.1 plc的基本特點高可靠性（1）所有的i/o接口電路均采用光電隔離，使工業現場的外電路與plc內部電路之間電氣上隔離。（2）各輸入端均采用r-c濾波器，其濾波器時間常數一般為1020ms。（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。（4）采用性能優良的開關電源。（5）對采用的器件進行嚴格的刷選。（6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟件、硬件發生異常情況

21、，cpu立即采用有效措施，以防止故障擴大。（7）大型plc還可以采用由雙cpu構成冗余系統或有三cpu構成表決系統，使可靠性進一步提高。豐富的i/o接口模塊:plc針對不同的工業現場信號，如：交流或直流、開關量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、強電或弱電等。有相應的i/o模塊與工業現場的器件或設備，如：按鈕、行程開關、接近開關、傳感器及變送器、電磁線圈、控制閥等直接連接。 另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊；為了組成工業局部網絡，它還有多種通訊聯網的接口模塊等等。 采用模塊化結構為了適應各種工業控制需求，除了單元式的小型plc以外，絕大多數plc均采用模塊化結構。plc的各個

22、部件，包括cpu、電源、i/o等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統的規模和功能可根據用戶的需要自行組合。 編程簡單易學 plc的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式。對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。安裝簡單，維修方便 plc不需要專門的機房，可以在各種工業環境下直接運行。使用時只需將現場的各種設備與plc的相應的i/o端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。 由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統迅速恢復運行。本設計中plc實現

23、的功能：開關量的邏輯控制。這是plc最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現組合邏輯控制、順序邏輯控制與定時控制。運動控制。plc使用專用的指令或運動控制模塊，使運動控制與順序控制功能有機結合在一起。現場數據采集處理。目前plc都具有數據處理指令、數據傳送指令、算術與邏輯運算指令和循環位移與移位指令、所以由plc構成的監控系統，可以方便地堆生產現場的數據進行采集、分析和加工處理。數據通常應用于數控機床的機械手的控制系統中。位置控制。位置控制是指plc使用的位置控制模塊來控制步進電動機和伺服電動機，從而實現對各種機械構件的運動控制，如控制構件的速度、位移、運動方向等。數控機床機械手

24、的位置控制就是plc的位置控制的典型應用。2.2 plc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，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

25、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3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

26、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。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

27、、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會造成響應滯后現象，這個一般plc都會采取高速模塊。2.3 數控機床采用plc電氣控制系統的優點數控機床的電氣控制理論上講可以采用繼電器接觸器電氣控制系統，單片機控制系統和plc控制系統

28、來實現。但是在實際工程中往往選擇一種經濟、有效、性能優越的控制方案，考慮到上述幾點，plc較適合組合機床的電氣控制。plc、單片機、繼電器-接觸器控制系統相比具有以下優點：2.3.1 plc與繼電器-接觸器相比較繼電器-接觸器控制系統自上世紀二十年代問世以來，一直是機電控制的主流。由于它的結構簡單、使用方便、價格低廉，所以使用廣泛。它的缺點是動作速度慢，可靠性差，采用微電腦技術的可編程順序控制器的出現，使得繼電接觸式控制系統更加遜色。plc等取代繼電接觸式控制邏輯。具體如下：(1) 控制邏輯：繼電接觸式控制系統采用硬接線邏輯，它利用繼電器等的觸電串聯、并聯、串并聯，利用時間繼電器的延時動作等組

29、合或控制邏輯，連線復雜、體積大、功耗也大。當一個電氣控制系統研制完后，要想再做修改都要隨著現場接線的改動而改動。特別是想要能夠增加一些邏輯時就更加困難了，這都是硬接線的緣故。所以，繼電接觸式控制系統的靈活性和擴展性較差。可編程控制器采用存儲邏輯。它除了輸入端和輸出端要與現場連線以外，而控制邏輯是以程序的方式存儲在plc的內存當中。若控制邏輯復雜時，則程序會長一些，輸入輸出的連線并不多。若需要對控制邏輯進行修改時，只要修改程序就行了，而輸入輸出的連接線改動不多，并且也容易改動，因此，plc的靈活性和擴展性強。而且plc是由中大規模集成電路組裝成的，因此，功耗小，體積小。(2) 控制速度：繼電器接

30、觸式控制系統的控制邏輯是依靠觸電的動作來實現的，工作頻率低。觸點的開閉動作一般是幾十毫秒數量級。而且使用的繼電器越多，反映的速度越慢，還是容易出現觸點抖動和觸點拉弧問題。而可編程控制器是由程序指令控制半導體電路來實現控制的，速度相當快。通常，一條用戶指令的執行時間在微秒數量級。由于plc內部有嚴格的同步，不會出現抖動問題，更不會出現觸點拉弧問題。(3) 定時控制和計數控制：繼電接觸式控制系統利用時間繼電器的延時動作來進行定時控制。用時間繼電器實現定時控制會出現定時的精度不高，定時時間易受環境的濕度和溫度變化而影響。有些特殊的時間繼電器結構復雜，維護不方便。而可編程程序控制器使用半導體集成電路作

31、為定時器，時基脈沖由晶體震蕩器產生，精度相當高并且定時時間長，定時范圍廣。用戶可以根據需要在程序中設定定時值。plc根據給定的定時值，由軟件和硬件計數器來控制制定時間，定時精度高、定時時間不受環境的影響，并且一旦調好，不會變化。并且plc可以完成計數功能，而繼電接觸系統通常沒有計數功能。(4) 設計與施工。使用繼電接觸式控制系統完成一項控制工程，設計施工，調試必須順序進行，周期長，而且修改困難而使用plc來完成一項控制工程。設計完成以后，現場施工和控制邏輯的設計可以同時進行，周期短，而且調試和修改均很方便。(5) 可靠性和維護性。繼電接觸式控制系統使用了大量的機械觸點，連線也多。觸點在開閉時會

32、受到電弧的損壞，壽命短。因而可靠性和維護性差。plc采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，可靠性高。plc還配備了自檢和監控功能，能自診斷出自身的故障，并隨時顯示給操作人員，還能動態的監視控制程序的執行情況，為現場調試和維護提供了方便。總之，plc在性能上均優越于繼電接觸式控制系統，特別是控制速度快，可靠性高，設計施工周期短，調試方便，控制邏輯修改方便，而且體積小，功耗低。2.3.2 plc與單片機比較單片機具有結構簡單，使用方便，價格比較便宜等優點，一般用于數據采集和工業控制。但是，單片機不是專門針對工業現場的自動化控制而設計的，所以它與plc比較起來有以下缺點：(1)

33、單片機不如plc容易掌握使用單片機來實現自動控制，一般要使用微處理器的匯編語言編程。這就要求設計人員遇有一定的計算機硬件和軟件知識。對于那些只熟悉機電控制的技術人員來說，需要進行相當長一段時間系統地學習單片機的知識才能掌握。而plc采用了面向操作者的語言編程，如梯形圖狀態轉移圖等，對于使用者來說，無需了解復雜的計算機知識，而只要用較短時間去熟悉plc的簡單指令系統及操作方法，就可以使用和編程。(2) 單片機不如plc使用簡單使用單片機來實現自動控制，一般要在輸入輸出接口上做大量的工作。例如，要考慮工程現場與單片機的連接，輸出帶負載能力、接口的擴展，接口的工作方式等。除了要進行控制程序的設計，還

34、要在單片機的外圍進行很多硬件和軟件工作，才能與控制現場連接起來，調試也較繁瑣。而plc的輸入/輸出接口已經做好，輸入接口可以與無外接電源的開關直接連接，非常方便。輸出接口具有一定的驅動負載能力，能適應一般的控制要求。而且，在輸入接口、輸出接口，由光電耦合器件，使現場的干擾信號不容易進入plc。(3) 單片機不如plc可靠使用單片機進行工業控制，突出的問題就是抗干擾性能較差。通過上面的比較，針對數控機床的電氣控制系統，雖然plc的價格高一些，但良好的穩定性和高度的可靠性可確保機床在加工零件時的精度，所以決定采用plc控制系統來實現。3 z3040搖臂鉆床的基本概述鉆床是孔加工機床，用來進行鉆孔、

35、擴孔、鉸孔、攻絲及修刮端面等多種形式的加工。在各類鉆床中，搖臂鉆床操作方便、靈活，適用范圍廣，具有典型性，特別適用于單件或批量生產中帶有多孔大型零件的孔加工，是一般機械加工車間常見的機床。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。內立柱固定在底座的一端，外面套有外立柱，外立柱可繞內立柱回轉360。搖臂的一端為套筒，套裝在外立柱上，并借助絲杠的正反轉沿外立柱做上下移動。由于絲杠與外立柱連成一體，而升降螺母固定在搖臂上，所以搖臂不能繞外立柱轉動，只能與外立柱一起繞內立柱回轉。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。當進行加工時，由特殊的夾

36、緊裝置將主軸箱緊固在搖臂導軌上，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。鉆削加工時，鉆頭一面旋轉進行切削，一面進行縱向進給。綜上所述，搖臂鉆床的運動方式有：1主運動，主軸的旋轉運動；2進給運動，主軸的縱向進給；3輔助運動，搖臂沿外立柱垂直移動，主軸箱沿搖臂長度方向移動，搖臂與外立柱一起繞內立柱回轉運動。z3040型搖臂鉆床適合于在大、中型零件上進行孔加工，其運動形式有主軸的旋轉運動、進給運動、搖臂的升降運動、立柱的夾緊和放松、搖臂的回轉和主軸箱的左右移動。主軸的旋轉運動和進給運動由一臺異動電動機拖動，搖臂的升降由一臺異步電動機拖動，搖臂、立柱和主軸箱的夾緊/放松由一臺液壓泵

37、電動機拖動，搖臂的回轉和主軸箱的左右移動通常采用手動。此外，還有一臺冷卻泵電動機對刀具和工件進行冷卻。加工螺紋時，主軸需要正反轉，該機床采用機械變換方法來實現，故主電動機只有一個旋轉方向。此外，為保證安全生產，其主軸旋轉和搖臂升降不允許同時進行。3.1 z3040搖臂鉆床控制線路概述 z3040搖臂鉆床主要有兩種主要運動和其他輔助運動，主運動是指主軸帶動鉆頭的旋轉運動；進給運動是指鉆頭的垂直運動；輔助運動是指主軸箱沿搖臂水平運動，搖臂沿外立柱上下移動以及搖臂和外立柱一起相對于內立柱的回轉運動。z3040搖臂鉆床具有兩套液壓控制系統：一套是由主軸電動機拖動齒輪泵送出壓力油，通過操縱機構實現主軸正

38、反轉、停車控制、空擋、預選與變速；另一套是由液壓電動機拖動液壓泵送出壓力油來實現搖臂的夾緊和松開、主軸箱的夾緊與松開、立柱的夾緊與松開。前者安裝在主軸箱內，后者安裝在搖臂電器盒下部。3.1.1 操縱機構液壓系統該系統壓力油由主軸電動機拖動齒輪泵送出，由主軸操作手柄來改變兩個操縱閥的相互位置，獲得不同的動作。操作手柄有五個空間位置：上、下、里、外和中間位置，其中上為“空擋”，下為“變速”，外為“正轉”，里為“反轉”，中間位置為“停車”。而主軸轉速及主軸進給量各有一個旋鈕預選，然后在操作主軸手柄。主軸旋轉時，首先按下主軸電動機起動按鈕，主軸電動機起動旋轉，拖動齒輪泵，送出壓力油。然后操縱主軸手柄，

39、板至所需轉向位置（里或外），于是兩個操縱閥相互位置轉變，使一股壓力油將制動摩擦離合器松開，為主軸旋轉創造條件；另一股壓力油壓緊正轉（反轉）摩擦離合器，接通主軸電動機的主軸的傳送鏈，驅動主軸正轉或反轉。在主軸正轉或反轉過程中，可轉動變速按鈕，改變主軸轉速或主軸進給量。主軸停車時，將操作手柄扳回中間位置，這時主軸電動機仍拖動齒輪泵旋轉。但此時整個液壓系統為低壓油，無法松開制動摩擦離合器，而在制動彈簧作用下將制動摩擦離合器壓緊，使制動軸上的齒輪不能轉動，實現主軸停車。所以主軸停車時主軸發動機仍在旋轉，只是不能將動力傳到主軸。主軸變速與進給變速：將主軸手柄扳至“變速”位置，于是改變兩個操縱閥的相互位置

40、，使齒輪泵送出的壓力油進入主軸轉速預選閥和主軸進給量預選閥，然后進入各變速油缸。與此同時，另一油路系統推動拔叉緩慢運動，逐漸壓緊主軸正轉摩擦離合器，接通主軸電動機到主軸的傳動鏈，帶動主軸緩慢旋轉，稱為緩速，以利于齒輪的順利嚙合。當變速完成，松開操作手柄，此時手柄在彈簧作用下由“變速”位置自動復位到主軸“停車”位置，然后在操縱主軸正轉或反轉，主軸將在新的轉速或進給量下工作。3.1.2夾緊機構液壓系統主軸箱、內外立柱和搖臂的夾緊和松開是由液壓泵電動機拖動液壓泵電動機送出壓力油，推動活塞、菱形塊來實現的。z3040搖臂鉆床共有四大電動機：主電動機m1，搖臂升降電動機m2，液壓泵電動機m3和冷卻泵電動

41、機m4。3.2 z3040搖臂鉆床控制線路原理分析圖3-1 z3040搖臂鉆床原理圖z3040型搖臂鉆床控制線路原理圖上圖，z3040型搖臂鉆床的動作是通過機、電、液進行聯合控制實現的。該機床控制電路采用380v/100v隔離變壓器供電，但其二次繞組增設24v安全電壓供局部照明使用。斷路器qf1既作為機床線路的電源總開關，又作為機床線路和主軸電機m1的短路及過載保護元件，斷路器qf2臥搖臂升降電動機m2、液壓泵電機m3、冷卻泵電機m4的隔離開關和過載及短路保護元件。qf3、qf4、qf5分別為機床控制電路、機床工作信號指示電路和機床工作照明電路和過載及短路保護開關。開車前的準備。首先將隔離開關

42、接通，將電源引入開關qf1扳到“接通”位置，接通三相交流電源，此時總電源指示燈hl1亮，表示機床電氣電路已進入帶電狀態。按下總啟動按鈕sb1，中間繼電器ka線圈通電吸合并自鎖，為主電動機及其他電動機啟動多準備，同時觸點ka閉合，為其他三個指示燈通電做準備。3.3 z3040搖臂鉆床控制線路主電路分析1.m1為單方向旋轉，由接觸器km1控制，主軸的正反轉則由機床液壓系統操縱機構配合正反轉摩擦離合器實現，并由熱繼電器fr1作電動機長期過載保護。 2. m2由正、反轉接觸器km2、km3控制實現正反轉。控制電路保證，在操縱搖臂升降時，首先使液壓泵電動機起動旋轉，供出壓力油，經液壓系統將搖臂松開，然后

43、才使電動機m2 起動，拖動搖臂上升或下降。當移動到位后，保證m2先停下，再自動通過液壓系統將搖臂夾緊，最后液壓泵電機才停下。m2為短時工作，不設長期過載保護。 3.m3由接觸器km4、km5實現正反轉控制，并有熱繼電器fr2作長期過載保護。 4.m4電機容量小，僅0.125kw，由開關qs控制。3.4 z3040搖臂鉆床控制線路控制電路分析由變壓器tc將380v交流電壓降為110v，作為控制電源。指示燈電源為 6v。3.4.1主電動機控制電路按下起動按鈕sb2，接觸器km1吸合并自鎖，主軸電動機m1起動并運轉。按下停止按鈕sb8，接觸器km1釋放，主軸電動機m1停轉。3.4.2 搖臂升降控制電

44、路搖臂上升、下降分別由sb3、sb4點動控制。按上升按鈕sb3，時間繼電器kt1得電吸合，瞬時動合觸點（33-35）閉合，接觸器km4得電吸合，液壓泵電動機m3接通電源正向旋轉，供給壓力油。壓力油經分配閥體進入搖臂松開的油腔，推動活塞，使搖臂松開。當搖臂完全松開后，活塞桿通過彈簧片壓下限位開關st2，使其動斷觸點st2（1733）斷開，使接觸器km4線圈斷電釋放，液壓泵電動機m3停轉，與此同時，另一動合觸點st2（17-21）閉合，接觸器km2線圈通電吸合，其主觸點接通升降電動機m2的電源，m2啟動正向旋轉，帶動搖臂上升。如果搖臂沒有松開，st2的動合觸點也不能閉合，km2就不能吸合，m2不能

45、旋轉，搖臂也就不可能上升，保證了只有在搖臂可靠松開后才能使搖臂上升。當搖臂上升到所需位置時，松開按鈕sb3，接觸器km2和時間繼電器kt1同時斷電釋放，搖臂升降電動機m2停轉，搖臂停止上升。由于kt1釋放，其延時閉合的動斷觸點（47-49）經1-3秒延時后閉合，接觸器km5的線圈經（1-3-5-7-47-49-51-6-2）線路通電吸合，液壓電動機m3反向起動旋轉，供給壓力油。壓力油經分配閥進入搖臂夾緊油腔，向相反方向推動活塞，使搖臂夾緊。同時，活塞桿通過彈簧片壓下限位開關st2動斷觸點（7-47）斷開，接觸器km5斷電釋放，液壓泵電動機m3停止旋轉，完成了搖臂的松開上升夾緊動作。搖臂上升的動

46、作過程如下： 搖臂的下降過程與上升基本相同，它們的夾緊和放松電路完全一樣。所不同的是按下降按鈕sb4時為km3線圈得電，搖臂升降電動機m2反轉，帶動搖臂下降。時間繼電器kt1的作用是控制km5的吸合時間，使m2停止運轉后，再夾緊搖臂。kt1的延時時間應視搖臂在m2斷電至停轉前的慣性大小調整，應保證搖臂上升（或下降）后才進行夾緊，一般調整在13秒。搖臂升降的限位保護，由組合開關st1來實現。st1有兩對觸點，st1-1是搖臂上升時的極限位置保護，st1-2（27-17）是搖臂下降時的極限位置保護。當搖臂上升到極限位置時，st1-1(15-17)動作，將電路斷開，則km2斷電釋放，搖臂升降電動機m

47、2停止旋轉。但st1的另一觸點st1-2（27-17）仍處于閉合狀態，保證搖臂能夠下降。同理，當搖臂下降到極限位置時，st1-2（27-17）動作，電路斷開，km3釋放，搖臂升降電動機m2停轉。而st1的另一動斷觸點st1-1(15-17)仍閉合，以保證搖臂能夠上升。搖臂的自動夾緊是由行程st3來控制的。如果液壓夾緊系統出現故障而不能自動夾緊搖臂，或者由于st3調整不當，在搖臂夾緊后不能使st3（7-47）的動斷觸點斷開，都會使液壓泵電動機處于長期過載運行狀態，這是不允許的。為了防止損壞液壓泵電動機，電路中使用了熱繼電器fr2。搖臂夾緊動作過程如下：搖臂升到預定位置，松開sb3kt1（47-4

48、9）斷電延時閉合km5吸合、m3反轉搖臂夾緊st3（7-47）受壓斷開km5、m3、均斷電釋放。3.4.3 立柱和主軸箱松開、夾緊控制電路立柱和主軸箱的松開及夾緊控制可單獨進行，也可同時進行，由轉換開關sa2和復位按鈕sb7（或sb8）進行控制。sa2有3個位置：中間位（零位）時，立柱和主軸箱的松開或夾緊同時進行；左邊位為立柱的夾緊或放松；右邊位為主軸箱的夾緊或放松。復合按鈕sb7、sb8分別為松開、夾緊控制按鈕。以主軸箱的松開和夾緊為例：先將sa2扳到右側，觸點（57-59）接通，（57-63）斷開。當要主軸箱松開時，按松開按鈕sb7，時間繼電器kt2、kt3的線圈同時得電，kt2是斷電延時

49、型時間繼電器，它的斷電延時斷開的常開觸點 （7-57）在通電瞬間閉合，電磁鐵ya1通電吸合。經1-3秒延時后，kt3的延時閉合常開觸點（7-41）閉合，接觸器km4線圈經（1-3-5-7-41-43-37-39-6-2）線圈斷電，液壓泵電動機m3正轉，壓力油經分配閥進入主軸箱右缸，推動活塞使主軸箱放松。活塞桿使行程開關 st4復位，觸點st4常閉開關,st4常開閉合。指示燈hl2亮，表示主軸箱已松開。主軸箱夾緊的控制線路及工作原理與松開時相似，只要按松開按鈕sb7換成夾緊按鈕sb8，接觸器km4換成km5，m3由正向轉動變成反向轉動，指示燈hl2換成hl3即可。當把轉換開關sa3拌到左側時，觸

50、點（57-63）接通，（57-59）斷開。按松開按鈕sb7或夾緊按鈕sb8時，電磁鐵ya2通電，此時，立柱松開或夾緊；sa2在中間位時，觸點（57-59）、（57-63）均接通。按sb7或sb8，電磁鐵ya1、ya2均通電，主軸箱和立柱同時進行松開或夾緊。其他動作過程與主軸箱松開或夾緊時完全相同，不在論述。由于立柱和主軸箱的松開與夾緊是短時間的調整工作，故采用點動控制方式。3.4.4 冷卻泵控制電路冷卻泵電動機m4容量小，所以用組合開關qs直接控制其運行和停止。3.4.5 照明、信號電路（1）機床照明電路qf5機床工作照明電路開關，同時過載及短路保護作用，el為工作照明燈。（2）工作信號指示h

51、l1電源指示燈，當和上qf2時hl1指示燈亮，hl2為立柱和主軸箱松開指示燈，hl3為立柱和主軸箱夾緊指示燈，分別由限位開關st4長閉觸頭和st4常開觸頭控制。hl4為主軸電動機旋轉指示燈，由km1常開觸頭控制。4 z3040搖臂鉆床的plc控制系統搖臂鉆床運動部件較多，為簡化傳動裝置，采用多臺電動機控制，通常沒有主軸電動機、搖臂升降電動機、立柱夾緊和放松電動機及冷卻泵電動機。搖臂鉆床為適應各種形式加工，要求主軸及進給有較大的調速范圍。主軸一般速度下的鉆床加工為恒功率負載，而低速是用于擴孔、絞孔及螺紋加工，屬于恒轉矩負載。搖臂鉆床的主運動與進給運動皆為主軸運動，這兩個運動由一臺主軸電動機拖動，

52、分別經主軸和進給傳動機構實現主軸旋轉和進給。主軸變速機構與進給變速機構均裝在主軸箱內。為加工螺紋，主軸要求有正、反轉，一般由機械方法獲得，為此主軸電動機只需單方向旋轉。搖臂的升降由升降電動機拖動，要求電動機能正、反轉。搖臂的夾緊和放松是由電氣和液壓聯合控制，并且有夾緊和放松指示。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-液壓-機械裝置等方法來實現。鉆削加工時，需要對刀具和工件進行冷卻，為此需冷卻泵電動機輸送冷卻液。要有必要的限位、連鎖和過載保護，且具有局部安全照明。4.1 plc的選型目前各國生產的plc品種繁多，發展迅速。在中國的市場上最具競爭力的有德國西門子

53、公司、日本三菱系列、歐姆龍公司、ab公司所推出的plc均為從小到大全系列的產品，可滿足各種各樣的需求。三菱公司的產品有：fx系列：為小型plc，單元式，單機最大容量為256點。a系列、ans系列、q系列、qna系列等為模塊式大型plc，最大容量為8k點。西門子公司的產品有：s7-200:微型plc，單機最大容量為256點；s7-300:小到中型plc單機最大容量為1k；s7-400:大到超大型plc，單機可組態點數過萬點。 2選配plc的型號s7-300的plc，它適用于各行各業，各種場合中的自動檢測、監測及控制等。s7-300plc的強大功能使其無論單機運行，或連成網絡都能實現復雜的控制功能。4.1.1 確定i/o點數根據控制電路來確定i/o端口點數，其中：按鈕8個，行程開關5