可編程控制器PLC是一種以微處理器為基礎(chǔ),綜合了計算機技術(shù)、半導體集成技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動控制裝置。它具有可靠性高、抗干擾能力強、通用性強、靈活性好、功能齊全、編程簡單、使用方便等優(yōu)點,因而在國內(nèi)外應用十分普遍。目前,廣泛應用于自動化程度較高的機床設(shè)備,自動化生產(chǎn)線,傳統(tǒng)設(shè)備的電氣控制線路的升級改造等。

Z3050型搖臂鉆床是一種孔加工的機床,可用來鉆孔、鉸孔、鏜孔、攻絲及修刮端面等多種形式加工,它采用繼電接觸器電路實現(xiàn)電氣控制。PLC專為工業(yè)環(huán)境應用而設(shè)計,其顯著的特點之一就是可靠性高,抗干擾能力強。將Z3050型搖臂鉆床電氣控制線路改造為可編程控制器PLC控制,可以提高整個電氣控制系統(tǒng)的工作性能,減少維護、維修的工作量。

1、Z3050型搖臂鉆床結(jié)構(gòu)特點

Z3050型搖臂鉆床主要由底座、工作臺、內(nèi)外立柱、搖臂和主軸箱等組成。外立柱套在內(nèi)立柱上,用液壓夾緊機構(gòu)夾緊后,兩者不能作相對運動;松開后,外立柱用手推動可繞內(nèi)立柱作360°旋轉(zhuǎn)。搖臂一端為套筒,套在外立柱上,與外立柱用液壓夾緊機構(gòu)夾緊后,可隨外立柱一起繞內(nèi)立柱轉(zhuǎn)動;夾緊機構(gòu)松開后,可通過絲桿沿外立柱升降。主軸箱坐落在搖臂的燕尾槽內(nèi),可隨搖臂運動。主軸箱設(shè)有液壓夾緊機構(gòu)與搖臂夾緊,松開后,可沿搖臂導軌水平運動。主軸裝在主軸箱內(nèi),可手動或機動進出主軸箱,刀具裝在主軸中。

圖1 Z3050 搖臂鉆床電氣原理圖
2、Z3050型搖臂鉆床的控制要求及電氣控制線路分析

2.1 主電路分析

該鉆床電氣線路圖如圖1所示,其主電路由四臺電動機組成。其中M1為主軸電動機,只能正轉(zhuǎn)控制;M2為搖臂升降電動機;M3為液壓泵電動機;M4為冷卻泵電動機。電路中QS1為電源總開關(guān);FU1為總?cè)蹟嗥?同時亦為M1、M4的短路保護;FU2為M2、M3和TC一次側(cè)的短路保護;KM1控制主軸電動機M1的運轉(zhuǎn)和停止;KM2、KM3分別為搖臂升降電動機M2的正、反轉(zhuǎn)控制接觸器;KM4、KM5為液壓泵電動機M3的正、反轉(zhuǎn)控制接觸器;冷卻泵電動機M4則用手動開關(guān)QS2進行控制。熱繼電器FR1、FR2分別為M1、M3的過載保護。M2由于是短時運行及M4為手動控制,則不設(shè)過載保護。

2.2 控制電路分析

合上電源開關(guān)QS1,指示燈HL1亮。按下起動按鈕SB2,接觸器KM1通電吸合并自鎖,指示燈HL3亮,電動機M1轉(zhuǎn)動,可進行鉆孔加工。按下停止按鈕SB1,KM1釋放,M1停轉(zhuǎn),指示燈HL3熄滅。

2.2.2 搖臂升降電動機M2控制

搖臂升高和下降要經(jīng)過搖臂松開→搖臂上升(下降)→搖臂上升(下降)到位再夾緊的過程。

按搖臂上升按鈕(不松開)SB3,時間繼電器KT通電吸合,其在圖區(qū)18的常開觸頭閉合,使KM4通電;同時在圖區(qū)20瞬時閉合延時斷開常開觸點閉合,使YA通電。從而液壓泵電動機M3通電旋轉(zhuǎn),供給壓力油,通過液壓控制裝置,使搖臂松開。

這時,活塞桿通過彈簧片壓位置開關(guān)SQ2,使KM4釋放,M3停止轉(zhuǎn)動,同時KM2吸合,升降電動機M2正轉(zhuǎn)帶動搖臂上升。

當搖臂上升到所需位置時,松開SB3,使KM2和KT釋放,M2停止轉(zhuǎn)動,搖臂停止上升。KT斷電后經(jīng)一定時間延時(1～3秒)后,延時閉合常閉觸點復位閉合,KM5通電吸合,電動機M3反向轉(zhuǎn)動,此時由于YA仍為吸合狀態(tài),壓力油經(jīng)液壓裝置使搖臂夾緊。同時,活塞桿通過彈簧片壓位置開關(guān)SQ3,使KM5和YA斷電釋放,液壓泵停止轉(zhuǎn)動,搖臂上升到預定的位置。

搖臂下降時按住按鈕SB4,KT吸合,并使YA和KM4同時吸合,搖臂松開。與此同時,微動開關(guān)SQ2動作,KM4釋放,使KM3吸合,電動機M2反轉(zhuǎn),搖臂下降。當下降到所需位置時,松開SB4,使KM3和KT均釋放,經(jīng)一定延時后,KM5吸合,使搖臂再夾緊。

搖臂上升或下降的極限位置是由行程開關(guān)SQ1控制的。當上升(或下降)到極限位置。行程開關(guān)動作,使常閉觸點SQ1斷開,KM2(或KM3)釋放,M2停止轉(zhuǎn)動。不再帶動搖桿升降,防止碰壞機架。

2.2.3 立柱和主軸箱的松開和夾緊控制

SB5為松開按鈕,SB6為夾緊按鈕。立柱和主軸箱的松開和夾緊是同時進行的。按住SB5,接觸器KM4通電吸合,電動機M3轉(zhuǎn)動,供給壓力油,使液壓機構(gòu)動作,把立柱和主軸箱分別松開。按SB6,接觸器KM5通電吸合,從而使立柱和主軸箱分別夾緊。

表1 I/O 地址分配表

3、Z3050型搖臂鉆床的PLC控制方案

3.1 分析控制對象確定控制要求

通過對該Z3050型搖臂鉆床的控制過程進行分析可知:(1)對電動機M1的要求:單方向旋轉(zhuǎn),有過載保護。(2)對電動機M2的要求:全壓正反轉(zhuǎn)控制,點動控制;起動時,先起動電動機M3,再起動電動機M2;停機時,電動機M2先停止,然后電動機M3才能停止。電動機M2設(shè)有必要的互鎖保護。(3)對電動機M3的要求:全壓正反轉(zhuǎn)控制,設(shè)長期過載保護。(4)電動機M4容量小,由開關(guān)SA控制,單方向運轉(zhuǎn)。

3.2 確定I/O點數(shù)和PLC的選型

通過控制電路分析可知,輸入端有按鈕開關(guān)6個(SB1～SB6);行程開關(guān)4個(SQ1～SQ4);其中為了保證搖臂上下限位行程開關(guān)SQ1動作后,搖臂能夠正常上下控制,因此SQ1的兩組觸點要分開控制占用兩個輸入點; 熱保護觸點2 個。輸出端有交流接觸器5 個(KM1～KM5),電磁閥1個,指示燈3個。所以輸入端開關(guān)量有13個,輸出控制端9 個。現(xiàn)選用日本三菱公司生產(chǎn)的微型可編程控制器FX2N—32MR,其I/O點數(shù)為16/16點,已夠用了,且還留有一定的余量。將輸入信號,輸出信號與PLC的I/O端一一對應,從而得出表1所示I/O地址分配表。

3.3 PLC控制I/O接線圖的設(shè)計

Z3050搖臂鉆床的原電路主要劃分為主電路、照明和信號指示電路和電氣控制電路。用PLC對其進行升級改造時,全面改造的是電氣控制電路。根據(jù)對Z3050搖臂鉆床的控制要求及PLC控制系統(tǒng)的I/O地址的定義,設(shè)計出Z3050型搖臂鉆床PLC控制I/0接線圖如圖2所示。

圖2 I/O 接線圖

圖3 梯形

3.4 程序設(shè)計

根據(jù)PLC控制I/0接線圖及Z3050型搖臂鉆床電氣控制的特點及要求,進行控制系統(tǒng)程序設(shè)計,設(shè)計出PLC控制梯形圖如圖3所示。

3.5 PLC控制過程分析

3.5.1 主軸電動機控制

合上電源開關(guān),按下啟動按鈕SB2,則X1閉合,Y1得電并自鎖,電動機M1連續(xù)運轉(zhuǎn);按下停止按鈕SB1,X0斷開,Y1失電,電動機M1停止運轉(zhuǎn)。

3.5.2 搖臂上升控制

按下?lián)u臂上升按鈕SB3,則X2閉合,同時由于與之串聯(lián)的搖臂上升限位行程開關(guān)X6也為閉合,因此中間繼電器M0得電,當M0得電時,Y0、Y4同時得電,因此電磁閥得電,液壓泵電動機M3得電正

轉(zhuǎn),液壓油控制搖臂松開。

當松開油缸運行到位時,搖臂自動松開行程開關(guān)SQ2動作,因此對應輸入點X10動作。常閉觸點X10分斷,Y4斷電,液壓泵電動機停止運轉(zhuǎn);常開X10觸點閉合,Y2得電,搖臂電機M2得電正向運轉(zhuǎn),搖臂上升。

當松開上升按鈕SB3或搖臂上升到觸動搖臂上升限位行程開關(guān)SQ1-1時,X2或X6動作。中間繼電器M0失電,時間繼電器T0得電計時,3S鐘后,Y5得電,液壓泵電動機M3得電反轉(zhuǎn);這時由于X10為閉合,因此電磁閥Y0也是得電的;所以液壓油控制搖臂夾緊。

3.5.3 搖臂下降控制

按下?lián)u臂下降按鈕SB4,則X3閉合,同時由于與之串聯(lián)的搖臂上升限位行程開關(guān)X7也為閉合,因此中間繼電器M0得電。當M0得電時,Y0、Y4同時得電,因此電磁閥得電,液壓泵電動機M3得電正轉(zhuǎn),液壓油控制搖臂松開。

當松開油缸運行到位時,搖臂自動松開行程開關(guān)SQ2動作,因此對應輸入點X10動作。常閉觸點X10分斷,Y4斷電,液壓泵電動機停止運轉(zhuǎn);常開X10觸點閉合,Y3得電,搖臂電機M2得電反向運轉(zhuǎn),搖臂下降運行。

當松開下降按鈕SB4或搖臂下降到觸動搖臂上升限位行程開關(guān)SQ1-2時,X3或X7動作。中間繼電器M0失電,時間繼電器T0得電計時,3S鐘后,Y5得電,液壓泵電動機M3得電反轉(zhuǎn);這時由于X10為閉合,因此電磁閥Y0也是得電的;所以液壓油控制搖臂夾緊。

3.5.4 立柱和主軸箱的松開和夾緊控制

當按下立柱和主軸箱的松開控制按鈕SB5,觸點X4得電,線圈Y4得電,而線圈Y0無電,因此這時液壓電磁閥失電復位,而液壓泵電動機M3得電正轉(zhuǎn),所以液壓油控制立柱和主軸箱松開。

當按下立柱和主軸箱的夾緊控制按鈕SB6,觸點X5得電,線圈Y5得電,而線圈Y0無電,因此這時液壓電磁閥失電復位,而液壓泵電動機M3得電反轉(zhuǎn),所以液壓油控制立柱和主軸箱夾緊。

4、結(jié)語

傳統(tǒng)機床的控制大多使用繼電器邏輯控制系統(tǒng),這種控制系統(tǒng)功能比較單一,在用于具有復雜邏輯關(guān)系的機床控制中時,電路復雜,元器件多,可靠性差。用PLC對機床控制進行技術(shù)改造成為一個很好的選擇。本例中,改用PLC控制后,整個控制電路簡化了,安裝十分方便,經(jīng)過現(xiàn)場的安裝調(diào)試,運行情況良好,基本達到了預期目標,充分發(fā)揮了PLC控制系統(tǒng)運行可靠、控制靈活、維護方便的優(yōu)點,它的成功應用,表明了PLC在傳統(tǒng)設(shè)備的技術(shù)改造中大有作為。

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