基于PLC实现Z3040摇臂钻床电气控制系统改造

钻床是一种孔加工机床，其在机械生产加工过程中应用非常广泛，被广泛应用在多种形式的加工中，比如钻孔、铰孔、修刮断面等。钻床的结构型式丰富多样，常见的有立式钻床、深孔钻床、卧式钻床等，摇臂钻床属于立式钻床的一种，是一种比较常见的机械加工车间机床，通常被应用在单件或批量生产中带有多空大型零件的孔加工。钻床在机械行业的机床设备中占有一定的比重。本项目针对Z3040摇臂钻床进行电气控制及PLC改造，通过PLC改造后的机床设备不仅能提高设备工作的可靠性、提高产品质量、减少故障、降低成本、还可提高工作效率。
1 Z3040型摇臂钻床工作原理及分析
1.1Z3040型摇臂钻床的主电路
Z3040摇臂钻床的电路原理图如图1所示，包括电动机M1的控制、摇臂升降电动机M2和液压泵电动机M3的控制、立柱主轴箱的松开和夹紧控制等。
Z3040摇臂钻床包括主轴电动机M1、摇臂升降电动机M2、冷却泵电动机、液压泵电动机M3四台电动机。其中主轴电动机是钻床加工主运动的动力源，负责提供主轴转动的动力。主轴兼具正反转功能，但其反转需依靠机械方法实现，一般来说主轴电动机工作模式只有正转一种；摇臂升降电动机需正反转，负责提供摇臂升降的动力；冷却泵电动机只需正转，负责提供冷却液；液压泵电动机提供液压油，决定了摇臂、立柱和主轴箱的夹紧和松开，需正、反转。

（a）主电路

1.2Z3040型摇臂钻床的控制电路
1.2.1主轴电动机M1的控制
热继电器FR1的作用是负责过载保护。SB2按钮被按下，接触器KM1会自锁，并且得电吸合，这时指示灯HL3亮，主轴电动机M1开始启动运转。停止按钮SB1被按下时，接触器KM1失电释放，同时由于失电M1也会停止运转。
1.2.2摇臂升降电动机M2和液压泵电动机M3的控制
按钮SB3（或SB4）被按下时，接触器KM4和电磁铁YA得电吸合，断电延时时间继电器KT得电吸合。启动运转液压泵电动机M3，供给压力油，经液阀压力油流入摇臂松开油腔，推动活塞和菱形块，松开摇臂。同时限位开关SQ2被压住，断开SQ2的动断触头，液压泵电动机M3停止运转，接触器KM4失电释放。闭合SQ2的动合触头，接触器KM2（或KM3）得电吸合，摇臂升降电动机M2开始启动并运转，此时摇臂会发生相应移动，上升或者下降。反之，若SQ2的动合触头不闭合，那么无法升降摇臂。摇臂升降到所需位置时，将按钮SB3（或SB4）松开，时间继电器KT和接触器KM2（或KM3）失电释放，停止运转电动机M2，摇臂保持静止。经过机械液压系统，将限位开关SQ3压住，释放接触器KM5。与此同时，延时断开时间继电器KT的动合触头，释放电磁铁YA，停止运转液压泵电动机M3。
控制KM5的吸合时间，保证M2停转、摇臂停止升降后再进行夹紧是KT的主要作用。限位开关SQ3控制着摇臂的自动夹紧升降。压合SQ3，KM2或KM3会失电释放，摇臂升降电动机M2停止运转。通过控制上下限位开关SQ1U和SQ1D可实现摇臂升降限位保护,但需要注意的是需将SQI的两对动合触头调整在"同时"接通位置,接通或者断开操作都必须同时进行。
1.2.3立柱、主轴箱的松开和夹紧缩控制按动放松按钮SB5，KM4（或KM5）吸合、M3启动、供给压力油，利用机械液压系统，控制立柱和主轴箱分别放松（或夹紧），指示灯亮。M3带动的液压泵负责给主轴箱、摇臂和内外主柱3部分的夹紧提供压力油，利用各自的油缸使其夹紧和放松。
夹紧和松开主轴箱及立柱的操作需同时开展。松开按钮SB5被按下时，接触器KM4线圈通电，压泵电动机M3正转，拖动液压泵，可送出压力油，此时会导致电磁阀YA线圈断电，压力油经二位六通阀，进入主轴箱与立柱松开油腔，推动活塞和菱形块，将主轴箱与立轴松开，而由于YA线圈断电，摇臂松开油腔内不会进入压力油，摇臂的夹紧状态并不会改变。当松开主轴箱与立柱时，行程开关SQ4不受压，触头SQ4（101-109）闭合，指示灯HL1亮，表示主轴箱与立轴确已松开，此时移动时既可以采取手动操作的方式，也可以借助推动摇臂的方式，当移动到位后，再按下夹紧按钮SB6，接触器KM5线圈通电，液压泵电动机M3反转，拖动液压泵送出压力油至夹紧油腔，使主轴箱与立柱夹紧。确认夹紧后，压下SQ4，触头SQ4（101-109）闭合，HL2灯亮，而触头SQ4（101-107）断开，HL1灭，指示主轴箱与立柱已夹紧，可以进行钻削加工。安装机床完毕后，将电源接通，然后采取必要措施检查电源程度是否存在异常，待检查并结果无异常后，再来调整摇臂升降电动机M2的接线。
1.2.4冷却泵电动机风的控制转换开关SA1控制着冷却泵电动机M4。
2 Z3040摇臂钻床电气控制PLC改造硬件的设计参考Z3040型揺臂钻床的电气控制电路，选择输出设备6个，输入设备11个，因此可选S7-200PLCCPU224型的。
2.1PLC的I/O配置

表1为PLC的I/O配置表。
2.2PLC的I/O接线
改造后PLC的I/O接线图如图2所示。

图2 PLC 接线图
3 PLC控制电路梯形图程序设计
当Z3040型揺臂钻床采用PLC控制时，控制程序可用经验法进行设计；该控制系统的梯形图程序可以通过继电器控制电路转化得到。梯形图程序如图3所示。
4 结束语
本文针对Z3040摇臂钻床传统继电器接触器控制进行分析，基于PLC-200控制器对控制系统改造，设计接线图并编写程序，实践表明，该设计提高系统工作性能和工作效率的。


图3 梯形图