本科生课程设计报告
题 目 摇臂钻床电气控制系统 课 程 电气控制及可编程控制器 专 业 电气工程及其自动化 班 级 0 学 号 0 姓 名 0 指导老师 0
完成日期 2012.12.28
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目 录
1 绪论 …………………………………………………………………………1
1.1 课程题目…………………………………………………………………1 1.2 设计目的及要求…………………………………………………………1 1.3 原始资料…………………………………………………………………1 1.4 课题要求…………………………………………………………………4 1.5 日程安排…………………………………………………………………4 1.6 主要参考书………………………………………………………………4
2 器件选择 ……………………………………………………………….…5
2.1 摇臂钻床简介……………………………………………………………5 2.2 总体结构…………………………………………………………………5 2.3摇臂钻床电气控制特点与控制要求………………………………….…5 2.4电气控制电路分析…………………………………………………….…6
3 程序设计……………………………………………………………….….…8
3.1 总体设计思路…………………………………………………….…….8 3.2 PLC输入输出口分配…………………………………….…….....…….8 3.3 主电路设计……………………………………………….…………….8 3.4摇臂钻床的输入输出接线图…………………………….……….…….8 3.5 摇臂钻床的梯形图……………………………………………….…….9
4 安装、接线及系统联合测试 …………………………………………14
4.1 硬件调试................................................................................................14 4.2 软件调试和模拟调试............................................................................14
5 总结…………………………………………………………………….……15 6 参考文献……………………………………………………………………16
1 绪论
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1.1 课程题目
摇臂钻床电气控制系统
1.2 设计目的及要求
1、熟悉电气控制系统的一般设计原则、设计内容及设计程序。
2、掌握电气设计制图的基本规范，熟练掌握PLC程序设计的方法和步骤。 3、学会收集、分析、运用电气设计有关资料及数据。
4、培养独立工作和工程设计能力以及综合运用专业知识解决实际工程技术问题的能力。
1.3 原始资料
1．设备概况
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。
钻床的种类很多，有台钻、立钻、卧钻、专门化钻床和摇臂钻床。台钻和立钻的电气电路比较简单，其他型式的钻床在控制系统上也大同小异。
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．控制要求
(1) 主要控制电器为四台电机：主电动机、摇臂升降电动机、液压泵电动机、冷却泵电机。
(2)主电动机和液压泵电机采用热继电器进行过载保护，摇臂升降电动机、冷却泵电机均为短时工作，不设过载保护。
(3)摇臂的升降，主轴箱、立柱的夹紧放松都要求拖动摇臂升降电动机、液压泵电动机
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能够正反转。
(4)摇臂的升降控制：按下摇臂上升起动按钮，液压泵电动机起动供给压力油，经分配阀体进入摇臂的松开油腔，推动活塞使摇臂松开。同时摇臂升降电动机旋转使摇臂上升。如果摇臂没有松开，摇臂升降电动机不能转动，必须保证了只有摇臂的可靠松开后方可使摇臂上升或下降，可使用限位开关控制。
当摇臂上升到所需要的位置时，松开摇臂上升起动按钮，升降电动机断电，摇臂停止上升。当持续1~3s后，液压泵电动机反转，使压力油经分配阀进入的夹紧液压腔，摇臂夹紧，同时液压泵电动机停止，完成了摇臂的松开—上升—夹紧动作。
(5)摇臂升降电动机的正转与反转不能同时进行，否则将造成电源两相间的短路。 (6)因为摇臂的上升或下降是短时的调整工作，所以应采用点动方式。 (7)摇臂的上升或下降要设立极限位置保护。
(8)立柱和主轴箱的松开与夹紧控制：主轴箱与立柱的松开及夹紧控制可以单独进行，也可以同时进行。由开关SA2和按钮SB5（或SB6）进行控制。SA2有三个位置：在中间位置（零位）时为松开及夹紧控制同时进行，扳到左边位置时为立柱的夹紧或放松，扳到右边位置时为主轴箱的夹紧或放松。SB5是主轴箱和立柱的松开按钮，SB6为主轴箱和立柱的夹紧按钮。
(9)主轴箱的松开和夹紧为的动作过程：首先将组合开关SA2扳向右侧。当要主轴箱松开时，按下按钮SB5，经1～3s后，液压泵电动机正转使压力油经分配阀进入主轴箱液压缸，推动活塞使主轴箱放松。主轴箱和立柱松开指示灯HL2亮。当要主轴箱夹紧时，按下按钮
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SB6，经1～3s后，液压泵电动机反转，压力油经分配阀进入主轴箱液压缸，推动活塞使主轴箱夹紧。同时指示灯HL3亮， HL2灭，指示主轴箱与立柱夹紧。
(10)当将SA2扳到左侧时，立柱松开或夹紧。SA2在中间位置按下SB5或SB6时，主轴箱和主柱同时进行夹紧或放松。其他动作过程和主轴箱松开和夹紧完全相同，不再重复。
(11)机床要有照明设施
摇臂钻床电器元件列表
符 号 M1 M2 M3 M4 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 KT1 KT2 KT3 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 QF1～QF4 QF5 QF6 名 称 及 用 途 主电动机 摇臂升降电动机 液压泵电动机 冷却泵电动机 主轴旋转接触器 摇臂上升接触器 摇臂下降接触器 主轴箱、立柱、摇臂放松接触器 主轴箱、立柱、摇臂夹紧接触器 摇臂上升、下降用时间继电器 主轴箱、立柱和摇臂放松、夹紧用时间继电器 主轴箱、立柱和摇臂放松、夹紧用时间继电器 摇臂升降极限保护限位开关 摇臂放松用限位开关 摇臂夹紧用限位开关 立柱夹紧、放松指示用限位开关 电源引入兼做短路保护用断路器 工作灯用断路器 冷却泵电动机电源断路器 符 号 YA1 YA2 K1 SA1 SA2 FR1 FR2 TC SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SB7 SB8 HL1～HL4 EL 名 称 及 用 途 主轴箱放松、夹紧用电磁铁 立柱松开、夹紧用电磁铁 工作准备用中间继电器 机床工作灯开关 主轴箱、立柱松开、夹紧用转换开关 M1电动机过载保护用热继电器 M3电动机过载保护用热继电器 控制变压器 总起动按钮 主电动机起动按钮 摇臂上升起动按钮 摇臂下降起动按钮 主轴箱、立柱、摇臂松开按钮 主轴箱、立柱、播臂夹紧按钮 总停止按钮 主电动机停止按钮 工作状态指示信号灯 机床工作灯
1.4 课题要求
1、设计原则：国家现行有关电气设计规范及主管部门规定等。
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2、设计范围：控制系统主电路及控制电路设计，电器设备选型。
3、设计成果：课程设计报告（设计说明书及计算书等），主电路图、控制电路图、流程图、I/O端子接线图、梯形图及程序。（所有成果均应为打印稿）
1.5 日程安排
本次课程设计时间共一周，进度安排如下：
1、设计准备，熟悉有关电气设计规范，熟悉课题设计要求及内容。（1天） 2、分析控制要求、主电路及控制电路方案设计。（1天） 3、绘制控制流程图、I/O端子接线图。（1天） 4、梯形图设计、编制程序及程序说明。（1天） 5、整理计算书及图纸、写课程设计报告。（1天）
1.6 主要参考书
1、《电气控制与可编程控制器应用技术》 郁汉琪主编 东南大学出版社 2、《工厂电气控制技术》 方承远主编 机械工业出版社
3、《可编程控制器原理应用网络》 徐世许主编 中国科学技术大学出版社 4、《工厂常用电气设备手册》（第2版）上、下册 中国电力出版社
2器件选择
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2.1 摇臂钻床简介
钻床是一种用途广泛的万能机床，可进行钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹及修刮断面等多种形式的加工。钻床按结构型式可分为立式钻床、卧式钻床、摇臂钻床、深孔钻床、台式钻床等。
在各种钻床中，摇臂钻床操作方便，灵活，使用范围广，特别适用于带有多孔大型工件的孔加工，式机械加工中床用的机床设备，具有典型性。
摇臂钻床的摇臂可绕立柱回转和升降，它与立式钻床的区别是主轴可方便地在水平面上调整位置，使刀具对准被加工孔轴心，而工件则固定不动。因此，对于加工大而重的工件上的孔带来很大的方便。
2.2 总体结构
摇臂钻床一般由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱和工作台等部件组成。内立柱固定在底座的一端，外立柱套在内柱上，并可绕内立柱回转360°。摇臂的一端为套筒，塔套在外立柱上，借助于升降丝杆的正反向旋转，摇臂可沿外立柱上下移动。由于升降螺母固定在摇臂上，所以摇臂只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱式一个复合的部件，它由主电动机、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等部分组成。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上，通过手轮操作可是主轴箱沿摇臂水平导轨作径向运动。这样，主轴5可通过主轴箱在摇臂上的水平移动及摇臂的回转可方便的调整至机床尺寸范围内的任意位置。为适应加工不同高度工件的需要，可调节摇臂在立柱上的位置。Z3040钻床中，主轴箱沿摇臂的径向运动和摇臂的回转运动为手动调整。 钻削加工时，主轴旋转为主运动，主轴的纵向运动为进给运动，即转头一面旋转一面作纵向进给。此时主轴箱夹紧在摇臂的水平导轨上，摇臂与外立柱加紧在内立柱上。辅助运动有：摇臂沿外立柱的上下垂直移动；主轴箱沿摇臂水平导轨的径向移动；摇臂的回转运动。
2.3摇臂钻床电气控制特点与控制要求
一 电气控制特点
1）摇臂钻床运动部件比较多，多简化传动装置，采用多电动机拖动，分别是主轴电动机、摇臂升降电动机、液压泵电动机及冷却泵电动机。
2）Z3040型摇臂钻床是机、电、液的综合控制。机床由二套液压系统：一套是单向旋转的主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过操作手柄来操纵机构实现轴正、反转、停车制动、空挡、预选与变速的操纵机构液压系统：另一套使由液压泵电动机拖动液压泵送出压力油来实现摇臂的夹紧与松开、主轴箱和立柱的夹紧和放松的夹紧机构液压系统。
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3）摇臂的升降控制与摇臂夹紧放松的控制有严格的程序要求，以确保先松开，再移动，移动到位后自动加紧。所以对M3、M2电动机的控制有严格程序要求，这些由电气控制电路控制，液压、机械配合来实现。
4）电路具有完善的保护和联锁。 二 控制要求
1）4台电动机容量均较小，采用直接起动方式，主轴要求正反转，但采用机械方法实现，主轴电动机单向旋转。
2）升降电动机要求正反转。液压泵电动机用来驱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内外立柱的夹紧与放松以及主轴箱和摇臂的加紧与放松，故液压泵电动机要求正反转。
3）摇臂的移动严格按照摇臂松开→摇臂移动→移动到位摇臂夹紧的程序进行。因此，摇臂的加紧放松与摇臂升降应按上述程序自动进行。
4）钻削加工时，应由冷却泵电动机拖动冷却泵，共处冷却液进行钻头冷却。 5）要求有必要的联锁与保护环节。
6）具有机床安全照明电路与信号指示电路。
2.4电气控制电路分析
在Z3040型摇臂钻床电气原理图中M1为主轴电动机，M2为摇臂升降电动机，M3为液压泵电动机，M4为冷却泵电动机。
主轴箱上装有4个按钮SB2、SB1、SB3与SB4分别是主电动机起动、停止按钮，摇臂上升、下降按钮。主轴箱转盘上的2个按钮SB5、SB6分别为主轴箱及立柱松开按钮和夹紧按钮。转盘为主轴箱左右移动按钮，操纵杆则操纵主轴的垂直移动，两者均为手动。主轴也可机动进给。 一 主电路分析
三相电源由低压断路器QS控制。M1为单向旋转，由接触器KM1控制。主轴的正反转式另一套由主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油的液压系统，经“主轴变速、正反转及空挡” 操作手柄来获得的。M1由热继电器FR1作过载保护。
M2由正反转接触器KM2、KM3 控制实现正反转，因摇臂移动是短时的，不用设过载保护，但与摇臂的放松与夹紧之间有一定的配合关系，这由控制电路去保证。
M3由接触器KM4、KM5控制实现正反转，设有热继电器FR2作过载保护。 M4电动容量小，仅0.125kW，由开关SA1控制起动、停止。 二 控制电路分析
1.主轴电动机控制
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由按钮SB1、SB2与接触器KM1构成主轴电动机起动-停止控制电路，M1启动后，指示灯HL3亮，表示主轴电动机在旋转。
2.摇臂升降及夹紧、放松控制
摇臂钻床工作时摇臂应夹紧在外立柱上，发出摇臂移动信号后，须先松开夹紧装置，当摇臂移动到位后，夹紧装置再将摇臂夹紧。本电路能自动完成这一过程。
3.主轴箱与立柱的夹紧、放松控制
立柱与主轴箱均采用液压操纵加紧与放松，两者是同时进行的，工作时要求二位六通阀YV不通电。松开与夹紧分别有松开按钮SB5和夹紧按钮SB6控制。指示灯HL1、HL2指示其动作。
4.冷却泵电动机M4的控制
M4电动机由开关SA1手动控制、单向旋转。 5.联锁与保护环节
SQ1行程开关实现摇臂上升与下降的限位保护。SQ2行程开关实现摇臂松开到位，开始升降的联锁。SQ3行程开关实现摇臂完全夹紧，液压泵电动机M3停止运转的联锁。KT时间继电器实现升降电动机M2断开电源、带M2停止后在进行夹紧的联锁。M2电动机正反转具有双重互锁，M3电动机正反转具有电气互锁。
SB5、SB6立柱与主轴箱松开、夹紧按钮的常闭触头串接在电磁阀YV线圈电路中，实现露珠与主轴箱松开、夹紧操作时，压力油至进入立柱与主轴箱夹紧油腔而不进入摇臂夹紧油腔的联锁。
熔断器FU1~FU3实现电路的短路保护。热继电器FR1、FR2为电动机M1、M3的过载保护。 三 照明与信号指示电路分析
HL1为主轴箱与立柱松开指示灯，灯亮表示已松开，可以手动操作主轴箱沿摇臂移动或推动摇臂回转。
HL2为主轴箱与立柱加紧指示灯，灯亮表示已夹紧，可以进行钻削加工。 HL3为主轴箱旋转工作指示灯。
3 程序设计
3.1 总体设计思路
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三相电源由低压断路器QS控制。M1为单向旋转，由接触器KM1控制。主轴的正反转式另一套由主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油的液压系统，经“主轴变速、正反转及空挡” 操作手柄来获得的。M1由热继电器FR1作过载保护。
M2由正反转接触器KM2、KM3 控制实现正反转，因摇臂移动是短时的，不用设过载保护，但与摇臂的放松与夹紧之间有一定的配合关系，这由控制 电路去保证。
M3由接触器KM4、KM5控制实现正反转，设有热继电器FR2作过载保护。 M4电动容量小，仅0.125kW，由开关SA1控制起动、停止。
3.2 PLC输入输出口分配
输入信号 启动按钮 摇臂上升上限位行程开关 摇臂下降下限位行程开关 主轴电动机M1启动按钮 立柱夹紧放松指示行程开关 SB2 主电动机旋转指示 HL1 SQ1-D 主轴箱、立柱、摇臂松开接触器 KM4 摇臂上升接触器 SB3 SQ1-U 电压继电器 KV KM2 输出信号 SQ4 立柱松开指示 HL2 3.3 主电路设计（见下图）
3.4摇臂钻床的输入输出接线图（见下图）
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3.5 摇臂钻床的梯形图
据Z3040型摇臂钻床电气控制要求，其输入输出均为开关量。需要PLC检测的输入信号包括8个按钮、６个限位开关、２个热继电器等输人信号，共计16个。而PLC的输出控制信号为６个接触器、1个电磁阀、３个指示灯等，共１０个。因此，选用三菱公司的FX1N-40MR（继电器输出，整体式）PLC即能满足控制要求。输入输出设备与PLC端子分配及I/O接线图如下图所示。
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SB1KM1SB2KM2SB3KM3SB1SB4KM4SB5KM5SB6YASQ1-UHL1SQ1-DHL2SQ2HL3SQ3SQ4FR1FR2
Z3040型摇臂钻床主要是电动机正反转控制和限位控制，相对比较简单。根据控制要求，
并参考电气控制线路图，可直接画出PLC控制的梯形图。在设计中要考虑PLC控制与继电接触器控制的不同，主要注意以下几点：
（1） 在继电接触器控制系统中，停止按扭与热继电器均用常闭点，为了与继电接触器控制电路一致，在PLC梯型图中同样也要用常闭点，这样一来，与输入端子相接的停止按扭和热继电器触点，就必须用常开触点。
（2） 根据PLC的工作原理图可知，当输入端接常闭触点，若输入端的常闭触点未动作，相对应的输入继电器线圈得电。若此输入继电器的常闭触点与输出继电器线圈串联，则输出继电器不能得电。
（3） 对同一台电动机进行正反转切换控制时，因为PLC执行梯形图程序的速度要比接触器动作速度快得多，必须采用PLC内部的时间继电器（定时器T0）进行延时控制，否则会
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造成正反转同时接通引起电源短路。综上所述，Z3040型摇臂钻床的梯形图程序（该程序用三菱编程软件GX编制）如下图所示。
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4 安装、接线及系统联合测试
4.1 硬件调试
PLC内部为输入电路所提供的电压，恰好可以直接驱动负载，满足其输出指标，按接线图接好线，证明PLC选型正确，光电传感器的选择符合要求。
4.1.1现场调试
在模拟调试合格的前提下，将PLC与现场设备连接。现场调试前要全面检查整个PLC控制系统，包括电源、接地线、设备连接线、I/O连线等。在保证整个硬件连接正确无误的情况下才可送电。将PLC的工作方式置为“RUN”。反复调试，消除可能出现的问题。当试运一定时间且系统运行正常后，可将程序固化在具有长久记忆功能的存储器中，做好备份。
4.1.2欧姆龙联机调试
联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐
进，从欧姆龙只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。
全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。
4.2 软件调试和模拟调试
按接线图接好线后，将程序的指令用欧姆龙编程软件输入到PLC系统中，编程器直接对PLC的用户程序储存器进行读写操作。采用脱机编程方式将所编制的用户程序存入编程器的ROM中后，经过多次调试。
将设计好的程序下载到PLC主单元中。由外接信号源加入测试信号，可用按钮或小开关模拟输入信号，用指示灯模拟负载，通过各种指示灯的亮暗情况了解程序运行的情况，观察输入/输出之间的变化关系及逻辑状态是否符合设计要求，并及时修改和调整程序，直到满足设计要求为止。
欧姆龙程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。
1)硬件模拟法是使用一些硬件设备(如用另一台PLC或一些输入器件等)模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。
2)软件模拟法是在欧姆龙中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。
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5 总结
课程设计是培养学生综合运用所学知识、 发现、 提出、 分析和解决实际问题， 锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新月异，PLC 已经成为当今计算机应用中的领域，生活中可以说是无处不在。因此对于二十一世纪的大学生来说掌握 PLC 技术是十分重要的。 回顾此次 PLC 课程设计，我感慨颇多，的确，通过这次对花式喷水装置的 PLC控制，让我们对 PLC 梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解，也让我了解了关于 PLC 设计原理。 有很多设计理念来源于实际，从中找出做适合的设计方法。 从理论到实践，在一星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学的知识，而且学到了很多在书本上没有的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实践相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把理论与实践结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到的问题，可以说得是困难重重，这毕竟是第一次做的，难免会遇到各种各样的问题，同时在设计的过程中发现自己的不足之处，对以前所学的知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固，比如对 PLC 编程部分指令掌握的不好……通过这次课程设计之后，一定要把以前的知识重新温习。我们学习的知 识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。
6 参考文献
1、《电气控制与可编程控制器应用技术》 郁汉琪主编 东南大学出版社 2、《工厂电气控制技术》 方承远主编 机械工业出版社
3、《可编程控制器原理应用网络》 徐世许主编 中国科学技术大学出版社 4、《工厂常用电气设备手册》（第2版）上、下册 中国电力出版社
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