引言

    摇臂钻床使用于单件或批量生产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械，由于其控制系统是采用继电器控制系统，电路接线复杂，出点多，长期使用后，故障多，故障排除困难。常常影响企业生产。PLC具有可靠性强，使用方便，维护简单的优点。因此，利用PLC对摇臂钻床继电器控制线路进行改造，有利于提高设备的可靠性，使用率。正是由于PLC控制系统的种种优点，因此本次对Z3050摇臂钻床的电气控制系统的改造，可以大大提高Z3050摇臂钻床工作性能和系统的工作稳定性，为工业生产的现代化带来生机。同时，提高了PLC编程水平和实践能力，为今后在实际工作中熟练使用PLC进行工业系统的设计打好基础。

一 Z3050摇臂钻床的简介

1.1 摇臂钻床的主要结构

   摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、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，在他的外面套有外立柱，外立柱可绕内立柱回转360度。摇臂的一端为套筒，它套装在外立柱做上下移动。由于丝杆与外立柱练成一体，而升降螺母固定在摇臂上，因此摇臂不能绕外立柱转动，只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构、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，可以通过手轮操作，使其在水平导轨上沿摇臂移动。

1.2摇臂钻床的运动形式

    当摇臂钻床进行加工时，由特殊的加紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上，而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。钻削加工时，钻头一边进行旋转切削，一边进行纵向进摇臂钻床给，其运动形式为：

（1）摇臂钻床的主运动为主轴的旋转运动；

（2）进给运动为主轴的纵向进给；

（3）辅助运动有：摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向的移动，摇臂与外立柱一起内立柱的回转运动。

Z3050摇臂钻床实物图

1.3 摇臂钻床电气拖动特点

3.Z3050摇臂钻床运动部件较多，为了简化传动装置，采用4台电机拖动。，他们分别是主轴电动机（M1），摇臂升降电动机（M2），液压泵电动机（M3）和冷却泵电动机（M4），这电动机都采用直接启动方式。

4.为了适应多种形式的加工要求，摇臂钻床主轴的旋转及进给运动有较大的调速范围，一般情况下由机械变速机构实现。主要变速机构与进给变速机构均装在主轴箱内。

5.Z3050摇臂钻床的主运动和进给运动为主轴的运动，为此这两项运动有一台主轴电动机拖动，分别经主轴传动机构，进给传动机构实现主轴的旋转和进给。

6.在加工螺纹时，要求主轴能正反转。摇臂钻床主轴正反转一般采用机械方法实现。因此主轴电动机仅需要单向旋转。

1.4 摇臂钻床及原理图说明 

Z3050摇臂钻床主电路图如下：

                                      主电路图

主电路分析：

    Z3050摇臂钻床共有4台电动机，冷却泵电动机为开关直接启动，其余三台电动机采用接触器控制。M1是主轴电动机由接触器KM1控制，只要求能单方向旋转。电动机型空机Q1能起到过载、短路、启动电流过大保护，而热继电器FR1也起过载保护的作用，这样就形成了一个双重保护的作用。

    M2是摇臂升降电动机，装设于主轴顶部，用KM2和KM3来控制正反转。使用电动机型空开Q2进行保护。

    M3是液压泵电动机，要求能够实现正反转，用KM4和KM5来控制正反转。电路中用电动机型开Q3和热继电器FR2进行双重保护。M4冷却泵电动机，功率小，直接用开关控制启动与停止。

Z3050摇臂钻床控制电路图：

控制电路分析：

（1）主轴电动机M1的控制

    按下启动按钮SB2，则接触器KM1吸合并自锁，使主轴电动机M1启动并连续运行，同时HL3亮。按停止按钮SB1，则接触器KM1释放，使主轴电动机M1停止旋转，同时HL3熄灭。

（2）摇臂升降控制

摇臂上升  按上升按钮SB3，时间继电器KT1同电吸合，它的瞬间闭合的动合触头闭合，接触器KM4得电，液压泵电动机M3启动并正向旋转，供给压力油。最后通过液压系统使摇臂松开。同时，活动杆通过弹簧片位置开关SQ2，使其动断触点断开，动合触点闭合。前者切断了接触器KM4的线圈电路，KM4的主触头断开，液压泵电动机停止工作。后者使交流接触器KM2的线圈通电，主触头接通M2电源，摇臂升降电动机启动正向旋转，带动摇臂上升，如果此时摇臂尚未松开，则位置开关SQ2动合触点不闭合，接触器KM2就能吸合，摇臂就不能上升。

当摇臂上升到所需位置时，松开按钮SB3，则接触器KM2和时间继电器KT1同时断电释放，M2停止工作，随之摇臂停止上升。由于时间继电器KT1是断电释放，经3秒时间后，其延时闭合的动断触点闭合，使接触器KM5吸合，液压泵电动机反向旋转，随之泵内压力油经分配阀进入摇臂的“夹紧油腔”，摇臂夹紧。在摇臂夹紧的同时，活塞杆通过弹簧片使位置开关SQ3的动断触点断开，KM5断电释放，最终停止M3工作，完成了摇臂松开、上升、夹紧的整套动作。

限位开关SQ1和SQ2用做摇臂升降超程保护。上升到极限位时，压断SQ1，接触器KM2断电释放，M2停止工作，摇臂上升停止；同理可分析出下降到极限位置是，压断SQ2，接触器KM3断电释放，M3停止工作，摇臂下降停止。

摇臂的自动夹紧由位置开关SQ3控制。如果液压夹紧系统出现故障，不能自动将摇臂夹紧，或由于SQ3位置调整不当，在摇臂夹紧后不能SQ3动断触点断开，都会使液压泵电机因长时间过载运行而损坏。因此，电路中设有热继电器FR2和电动机型空开Q3,其整定值应根据液压电动机M3的额定电流进行调整。

（3）立柱和主轴箱的夹紧与放松控制

立柱和主轴箱的放松既可以同时进行，也可以单独进行，由转换开和复合按钮SB5进行控制。SA有三个位置。扳到中间位置时，立柱和主轴箱的松开同时进行；扳到左边位置时，立柱夹紧；扳到右边位置时，主轴箱夹紧。复合开关SB5是松开控制按钮，SB6是夹紧控制按钮。

1.5 电源图

、

     二 系统元器件选型

2.1 Z3050摇臂钻床主回路元件表

    摇臂钻床的电气控制系统需要12个输入口和6个输出口，PLC的实际输出点数应等于或大于所需输入点数12，PLC的实际输出点数应等于或大于所需输出点数6，在条件许可的情况下尽可能留有10%-20%的余量，因为实际的输出点刚好是12个，而选择PLC输入点有16个的显然是浪费，所以该系统采用西门子PLC CPU224 AC/DC CAP PLC作为主控制器，该型号的PLC输入点有18个，完全满足要求。并且输出点数留有比较多得余量为今后的改进做好准备。

2.3、硬件的设计

   Z3050摇臂钻床电气控制系统的设计方案由两部分组成，一部分分为电气控制系统的硬件设计，也就是PLC的机型的确定；另一部分是电气控制系统的软件设计，就是PLC控制程序的编写。为了使改造后的摇臂钻床仍能保持原有功能不变，此次改造的一个重要原则之一就是，不对原有机床的控制结构做过大的调整，只是将原继电器控制中的硬件接线改为用软件编程来替代。

    由于Z3050摇臂钻床控制对象对PLC输出点的动作表达速度要求不高，继电器型输出模块的动作速度完全能满足要求，且每一点的输出容量较大，在同一时间内对导通的输出点的个数没有，这将给设计工作带来很大的方便。所以本课题选用继电器输出模块，结合Z3050摇臂钻床电气控制系统的实际情况，需要输入点数大于18个，输出点数大于12个，在条件许可的情况下尽可能留有10%-20%的裕量。

2.4 PLC的I/O分配

根据系统的改造原则I/O分配如下：

三 软件设计

3.0功能介绍

　　由于摇臂上升和下降都需要先松开摇臂，同时也都受“升降限位→开关”的限位保护，所以可以用这些条件往控制PLC内的一个虚拟辅助继电器M，使其成为有人按下摇臂上升或下降按钮（发出摇臂升降命令）的标志，从而简化后续程序的设计。

　　另外，前文已经分析：在摇臂上升的控制中，按下SB3使摇臂上升到所需位置后，松开SB3则摇臂停止上升。同时时间继电器KT断电开释，经1S－3S时间的延时后，其延时闭合的触点动作闭合使液压泵电机反向旋转，终极使摇臂夹紧（下降过程类似）。因而程序中需要一个“断电延时型”的时间继电器，而PLC里的时间继电器都是属于“通电延时型”，所以需要通过一个程序段构造一个“断电延时型”的时间继电器。

　　如图M0得电闭合后，M1得电并自锁，而T0受M0的封闭不能得电；M0断电后，其常闭触点复位闭合，T0得电开始定时，定时时间到了之后，T0的常闭触点才动作断开，这时M1才失电；即T0成了一个“断电延时型”的时间继电器，M1也有了“失电延时断开”的功能。

　　根据上述的分析及原来的继电器系统控制线路图，结合“翻译法”可以很方便的设计出PLC的梯形图。

3.1程序如下|：

四  整个PLC控制系统的抗干扰设计

 虽然S7-300系列PLC在设备的硬件设计方面采取了各种措施来提高其可靠性和抗干扰能力，防止外界的噪声干扰。但过于恶劣的环境下，如强电路或强电设备所形成的恶劣电磁环境，可能破坏PLC的内部信息，导致控制系统混乱，严重时可能破坏PLC的内部元件。所以控制系统的抗干扰设计十分重要。

    影响PLC控制系统的干扰源大都产生在电流或电压剧烈变化的部位。PLC控制系统中电磁干扰的主要来源有：来自空间的辐射干扰、来自系统外引线的干扰、来自PLC系统内部干扰、变频器干扰等。其中变频器干扰处理比较麻烦，因为变频器启动及运行过程的输出会产生较强的电磁辐射干扰，影响周边设备的正常工作。处理办法有加隔离变压器、使用滤波器和加输出电抗器。

为了减少干扰对系统的干扰，提高系统的可靠性，必须从控制系统的设计阶段开始便采取以下措施：抑制干扰源的产生：切断或衰减干扰源和控制系统之间的路径;提高设备的抗干扰能力。具体措施如下。

4.1安装场所的选择

尽量减少干扰源对PLC控制系统的影响，安装环境的温度和湿度适宜，温度约在0-55摄氏度，注意通风散热，相对湿度控制在10%-90%，保持设备良好的绝缘性能。另外，PLC控制柜的安装要远离强震动源，以免造成接线或插件的松动。

4.2电源干扰的抑制

    主要采取的手段有：使用隔离变压器、使用滤波器和分离供电系统。使用隔离变压器时注意将屏蔽层接地以及二次侧连接要使用双绞线，使用滤波器时，根据电网干扰的频率范围选择滤波器的频率范围比较困难，所以常将隔离变压器和滤波器一起使用，如下图所示：

4.3完善接地系统

    良好的接地是控制系统可靠运行的重要条件。良好的接地可以抑制混入电源和输入输出端的干扰，防止有漏电电流产生的感应电压等。最好的接地方式是将控制器和其他设备分别接地，避免它们之间串联接地。

总结

本论文介绍下在Z3050型摇臂钻床电气控制线路的PLC改造系统的应用设计，关键是系统总体的设计，核心则是控制程序设计。重点要掌握PLC系统设计的基本原则和设计的一般流程，要有一个整体的概念。在满足控制要求、环境要求和性价比等条件下，合理选择PLC的机型和硬件配置，正确的进行内存估算，合理选择输入/输出模块，完成PLC的硬件与软件的设计通过此课程设计，一方面使我对大学所学知识有了加深理解，另一方面让我熟悉工程设计的过程、规范和方法，能正确查阅技术资料、技术手册和标准，培养了我的工程设计能力。虽然在做课程设计的过程中遇到了很多困难，但都经过我的执着努力和老师以及同学的帮助下全部克服，最终顺利完成了课程设计，同时培养了我不怕困难，执着的科研精神。

致 谢

 本论文从选题到完成，每一步都是老师的指导下完成的，倾注了老师大量的心血在此，谨向老师表示崇高的敬意和衷心的感谢!

   今天终于可以顺利的完成毕业论文的谢辞了，想了很久，要怎样写下这一段谢词。求学期间的点点滴滴历历涌上心头，时光匆匆飞逝，大学几年的努力与付出，随着论文的完成，终于让大学生活，得以划下完美的句点。

论文得以完成，要感谢的人实在太多了，首先我要感谢我的学校，他让我这几年成长了不少，在就是感谢我的指导老师，因为论文是在老师的悉心指导下完成的。老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严于律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等每一步都是在他的悉心指导下完成的。刘老师指引我的论文的写作的方向和架构，并对论文初稿进行逐字批阅，指正出其中的错误之处，使我有了思考的方向，他循循善诱的教导和不拘一格的思路给我无尽的启迪，他的严谨细致、一丝不苟的作风，将一直是我工作、学习中的榜样。

同时，论文的顺利完成，离不开其他各老师、同学和朋友的关心和帮助。在整个的论文写作中，各个老师、同学和朋友积极帮助我查资料和提供有利于论文写作的建议和意见，在他们的帮助下，论文得以不断的完善，最终帮助我完整的写完了整个论文，另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们在悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。让我在这里再说声感谢你们。

结束语

本论文所论述的是Z3050摇臂钻床控制系统的PLC改造，实现了摇臂钻床的控制自动化。方便了工人在生产中对机床的实际操作。从而提高了机床的生产效率，工作稳定性和可靠性，而且，还大大降低了工人的劳动强度，改善了产品的加工质量，降低了设备故障率，提高了生产率。另外，通过这次毕业设计使我对PLC和电控方面的知识又有了更加深刻地了解和掌握，为今后走向工作岗位和相关工作奠定了基础。我也发现了不足之处。例如，钻床的摇臂上升所要达到的位置是靠按住摇臂上升按钮SB4不放来实现的，若松开Sb4，则摇臂上升就停止，这是凭着自己的判断力来实现摇臂上升所要达到的位置的，所以精确度当然不高，此论文只对主轴的旋转，摇臂的升降，立柱和主轴的松开和夹紧进行PLC的改造，还有许多运动没有用PLC控制。例如，对工作加工时的时间控制，摇臂旋转时的角度控制，所以，此次改造最多算半自动化的改造，离钻床控制的全动化还有一定的差距。

参考文献

1.机电传动控制（第四版）                         邓星钟等编著

2.西门子S7-200系列PLC（人民邮电出版社）        陈忠瓶等编著

3.现代电气控制及PLC应用技术(第二版）            王永华编著

4.PLC基础与应用 （机械工业出版社）              廖常初编著

5.机械设计手册  （清华大学出版社）               方呈远编著

6.简明维修电工手册 （机械工业出版社）             易传绿编著下载本文