Z3050搖臂鉆床電氣控制系統改進分析

鉆床是一種用途廣泛的孔加工機床，主要用于鉆削精度要求不太高的孔，另外還可用來擴孔、鉸孔、鏜孔以及刮平面、攻螺紋等。鉆床的結構形式很多，有立式鉆床、臥式鉆床、深孔鉆床及多軸鉆床等。Z3050搖臂鉆床是一種立式鉆床，它適用于單件或批量生產中帶有多孔的大型零件的孔加工。Z3050搖臂鉆床的電動機有4臺，分別是承擔主鉆削及進給任務主軸電動機、橫梁升降電機、液壓夾緊放松電機和冷卻泵電動機，其電氣控制系統也主要由這四部分組成。
1、電氣控制工作原理
Z3050搖臂鉆床的電氣控制原理見圖1。

圖1 Z3050 搖臂鉆床的電氣控制原理圖
1)Z3050型搖臂鉆床的4臺電動機，除冷卻泵電動機采用開關直接啟動外，其余3臺異步電動機均采用接觸器直接啟動。
2)主軸電動機Ml的控制方式如下: 按啟動按鈕SB2，接觸器KMl吸合并自鎖，使主電動機Ml啟動運行，同時指示燈HL3亮; 按停止按鈕SB1，接觸器KMl釋放，使主電動機M1停止旋轉，同時指示燈HL3熄滅; 熱繼電器FRl是過載保護元件。
3)搖臂升降控制方式如下: 按住搖臂上升按鈕SB3，SB3動斷觸點斷開，切斷KM3線圈支路; SB3動合觸點閉合，時間繼電器KT線圈通電，KT動合觸點閉合，KM4線圈通電，搖臂升降電動機M3正轉;延時動合觸點閉合，電磁閥線圈YV通電，搖臂松開，行程開關SQ2動作，SQ2動斷觸點斷開，KM4線圈斷電，搖臂升降電動機M3停轉; SQ2動合觸點閉合，KM2線圈通電，M2正轉，搖臂上升，上升到位后松開SB3，KM2線圈斷電，M2停轉; KT線圈斷電，延時3s，KT動合觸點斷開，YV線圈通過SQ3仍然通電; KT動斷觸點閉合，KM5線圈通電，搖臂升降電動機M3反轉，搖臂夾緊后，壓下行程開關SQ3，SQ3動斷觸點斷開，YV線圈斷電; KM5線圈斷電，搖臂升降電動機M3停轉; 搖臂的下降由SB4控制KM3→M2反轉來實現，其控制過程同上。M3出現長期過載，因此M3須由熱繼電器FR2進行過載保護。
4)M4是冷卻泵電動機，功率很小，由開關直接啟動和停止。
2、控制電路存在的問題
1)從電路工作原理及動作順序來看，電氣動作順序比較復雜，控制電路不直觀，電氣控制元器件較多，不便于排查電氣故障。
2)因電路比較復雜、電氣元件及電接點多，產生電氣故障點相對增多。出現故障后排查較難。電氣故障點主要體現在控制回路、控制繼電器、變壓器、指示燈等部位。
常見的電氣故障見表1。

表1 常出現的電氣故障
3、采用可編程PLC控制器對控制電路實行優化
3．1優化思路
設計優化方案由兩部分組成: 一部分為電氣控制系統的硬件設計，也就是PLC的機型的確定，另一部分是電氣控制系統的軟件設計，即編寫控制程序。為了使優化改造后的搖臂鉆床仍能保持原有功能不變，因此改造原則是保留原有電氣控制主斷路、所有輸入輸出設備不變，只是改進電氣控制系統，并用軟件編程來實現。
3．2PLC型號的選擇
在選擇機型前首先對控制對象的相關內容進行估測，估測項目有開關量輸入、開關量輸出、輸出功率、模擬量輸入和輸出等。Z3050搖臂鉆床電氣控制系統的輸入信號共15個，輸出信號共9個，考慮到將來輸入、輸出點可能出現故障，因此信號點要留有一定的余量。對此，選用日本三菱FX1N－32MR－001型PLC，輸入、輸出點數各16點，輸出為繼電器、交流電源型。該PLC的硬件接線圖見圖2。

圖2 日本三菱FX1N－32MR－001型PLC的硬件接線圖
3．3改造內容
PLC程序設計。PLC梯形圖的設計本著簡單、可靠的設計原則。設計中不僅有電氣互鎖，還有熱繼電器的保護，可以使系統在正常情況下完好運行。PLC的梯形圖見圖3。

圖3 電氣系統優化后的PLC梯形圖
從圖3 可以看出，只要按照按鈕控制面板正常操作，就可以實現Z3050主軸運轉、停止，橫梁上升、下降、夾緊和放松等操作功能。
4、優化改造后的優點及結論
利用PLC對Z3050搖臂鉆床的電氣控制系統進行改造后，控制系統結構變得清晰明了，控制回路及控制電氣元器件大量減少，電氣故障率明顯下降。Z3050搖臂鉆床運行使用一年來，電氣故障由改造前的每月6～7次減少到每年2次，同時運行維護也更為便捷。


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