Z3040型摇臂钻床PLC控制系统设计.doc

沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计(论文)摘 要随着PLC技术在我国的迅猛发展，我们和国外先进技术的差距会不断缩小。因此，抓住这个有利时机进一步促进PLC技术的推广与应用，是提高我国工业自动化水平的迫切任务，此次对于Z3040摇臂钻床电气控制系统改造设计，就是希望借鉴国外先进的工业控制技术，应用到工业现场，以提高摇臂钻床的工作性能。今后数控技术又将向着高精化，高速化，高效化，系统化，自动化，智能化，集体化方向发展，并注重工艺适用性和经济性。  关键词: PLC；摇臂钻床；继电器AbstractTherefore, seized the favorable opportunity to further facilitate the promotion and application of the PLC technology is to enhance our industrial automation the urgent task, and the pitman arm under the bed for z3040 electrical control system design, it is hoped that this industrial control technology and advanced applied to industrial site to enhance the pitman arm under the bed's work performance. digit control technology in the future will have a high speed of systemic,efficiency,automation and intelligent, collectivization, and importance of good workmanship and economical.Key word：PLC； Pitman arm under the bed ； Relays目 录1 绪 论11.1PLC在电气控制系统中的应用11.2Z3040摇臂钻床简介21.3本论文研究的对象及意义22系统总体设计42.1PLC与继电器-接触器的对比42.2具体方案阐述42.3PLC控制系统的设计基本内容62.4PLC控制系统设计原则与步骤72.4.1PLC 控制系统设计的基本原则72.4.2 PLC 控制系统设计与调试步骤83Z3040型摇臂钻床控制系统工艺分析93.1Z3040摇臂钻床的运动形式和主要结构93.2具体电动机的配置情况及控制形式113.3电路分解133.4行程开关SQ1SQ3的作用143.5时间继电器KT的作用及Z3040摇臂钻床的图形143.6电路工作过程153.6.1主轴电动机M1的控制153.6.2摇臂升降的控制153.6.3以摇臂上升为例分析摇臂升降的控制163.6.4主轴箱、立柱松开与夹紧的控制173.7液压控制系统183.7.1夹紧液压控制系统183.7.2摇臂移动与主轴箱移动液压系统图193.8系统的硬件连线204系统的软件设计214.1PLC的编程语言214.2PLC的系统结构和基本工作原理244.2.1PLC的系统结构244.2.2PLC的基本工作原理254.3 PLC的基本功能和基本指令264.3.1 PLC的基本功能264.3.2 PLC的基本指令275实验及调试过程中遇到的问题295.1 PLC程序的调试295.2 调试过程中遇到的问题及解决方法29结束语30致 谢31参考文献32附录 主要电气元件表33附录II 控制电路原理图35附录III PLC控制系统I/O分配表37附录IV PLC控制系统I/O接线图39附录V PLC控制程序清单40431 绪论1.1 PLC在电气控制系统中的应用现代工业生产中，中小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高，传统的普通钻床已经越来越难以适应现代化生产的要求，制造业的竞争已从早期降低劳动力成本、产品成本，提高企业整体效率和质量的竞争，发展到全面满足顾客要求、积极开发新产品的竞争，将面临知识技术产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，而对质量、性能的要求更高，同时社会对环境保护、绿色制造的意识不断加强，因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得竞争和生存、发展的主要手段。计算机信息技术和制造自动化技术的结合越来越紧密，作为自动化柔性生产重要基础的“软”控制系统机床，在生产中所占比例将越来越高。20世纪70年代以前，电气自动控制的任务基本上是由继电器控制系统来完成。继电器控制系统的优点是结构简单、价格低廉、抗干扰能力强，所以当时应用的十分广泛，至今仍在许多简单的机械设备中应用。但是，该类控制系统的缺点也十分明显，它采用固定的硬件接线方式来完成各种逻辑控制，灵活性差；另外机械性触点的工作频率低，易损坏，因此可靠性较差。随着信息化产业的高速发展，数控机床的功能日趋完善，数控机床已经完全取代了普通机床，而数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高、低关系到国家战略地位、国民经济水平和体现国家综合实力的水平。今后数控技术又将向着高精化，高速化，高效化，系统化，自动化，智能化，集体化方向发展，并注重工艺适用性和经济性。PLC的应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。PLC以软件手段实现了各种控制功能，与继电器控制系统相比，灵活性大大提高；与普通的计算机相比，又具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、组合灵活、扩展方便、体积小等突出优点，因而在机床电气控制系统中得到广泛的应用。1.2 Z3040摇臂钻床简介钻床是一种孔加工机床，可用来钻孔、扩孔、绞孔、攻螺纹及修刮端面等多种形式的加工。钻床的结构形式很多，有立式钻床、卧式钻床、深孔钻床等。摇臂钻床是一种立式钻床，它适用于单件或批量生产中带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机床。摇臂钻床主要由底座、内外立座、摇臂、主轴箱和工作台等组成。摇臂的一端为套筒，套装在外立柱上，并借助丝杠的正、反转可沿外立柱作上下移动。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上可通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。加工时，根据工件高度的不同，摇臂借助于丝杠可带着主轴箱沿外立柱上下升降。在升降之前，应自动将摇臂松开，再进行升降，当达到所需的位置时，摇臂自动夹紧在立柱上。摇臂钻床钻削加工分为工作运动和辅助运动。工作运动包括：主运动（主轴的旋转运动）和进给运动（主轴轴向运动）；辅助运动包括：主轴箱沿摇臂的横向移动，摇臂的回转和升降运动。钻削加工时，钻头一面旋转一面作纵向进给。钻床的主运动是主轴带着钻头作旋转运动。进给运动是钻头的上下移动。辅助运动是主轴箱沿摇臂水平移动，摇臂沿外立柱上下移动和摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。摇臂回转和主轴箱的左右移动采用手动.1.3 本论文研究的对象及意义本论文是研究机械加工中常用的Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的改造问题,旨在解决传统继电器接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难题。由于PLC电气控制系统与继电器接触器电气控制系统相比，具有结构简单，编程方便，调试周期短，可靠性高，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低等一系列优点。因此，本论文对Z3040摇臂钻床电气控制系统的改造，将把PLC控制技术应用到改造方案中去，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。论文分析了摇臂钻床的控制原理，制定了可编程控制器改造Z3040摇臂钻床电气控制系统的设计方案，完成了电气控制系统硬件和软件的设计，其中包括PLC机型的选择、I/O端口的分配、I/O硬件接线图的绘制、PLC梯形图程序的设计。对PLC控制摇臂钻床的工作过程作了详细阐述，论述了采用PLC取代传统继电器接触器电气控制系统从而提高机床工作性能的方法。由于Z-3040型摇臂钻床的电气控制系统存在线路复杂、故障率高、维护工作量大、可靠性低、灵活性差等缺点,本文提出了用PLC对Z-3040型摇臂钻床的继电器接触式模拟控制系统进行技术改造,从而保证了电控系统的快速性、准确性、合理性,更好地满足了实际生产的需要,提高了经济效益。2 系统总体设计2.1 PLC与继电器-接触器的对比目前，我国的Z3040摇臂钻床的电气控制系统普遍采用的是传统的继电器接触器控制方式。因其所要控制的电机较多所以电路较复杂，在日常的生产作业当中，经常发生电气故障，从而影响生产。另外，一些复杂的控制如：时间、计数控制用继电器接触器控制方式较难实现，所以，有必要对传统电气控制系统进行改进设计。PLC电气控制系统可以有效的弥补上述系统的这一缺陷。 可编程序控制器(PLC)是以微处理器为核心，将计算机技术、通信技术与自然控制技术融为一体的新型工业自动控制装置。它克服了继电器接触器控制电路存在触点多、组合复杂、通用性和灵活性差等缺点。它不仅具有各种逻辑控制功能，而且还具有各种运算、数据处理、联网通信等功能的控制，同时还具有抗干扰性强、环境适应性好和可靠性高等特点。因而广泛地应用于工业生产各领域中。因此有必要对旧式机床进行自动化改造。2.2 具体方案阐述方案一：依照旧式Z3040摇臂钻床，利用“翻译法”进行PLC改造。其中摇臂回转、主轴箱左右移动为手动操作。把旧式Z3040摇臂钻床电气图翻译成PLC的梯形图即可。图2.1 方案1图方案二：在旧式Z3040摇臂钻床基础上，加入摇臂回转自动操作，主轴箱左右移动为自动操作，可提高生产效率。并加入工件加工计数功能、PC通信功能。图2.2 方案2图方案三：在旧式Z3040摇臂钻床基础上，引入PC技术，以芯片为控制中心，实现智能操作。把摇臂上升、下降的限位开关，换成限位传感器，把信号传递给智能芯片，然后智能芯片在操作电磁阀工作，进而操作电动机转动。在机床夹具旁边加一个感应“笔”，可以与机床刀具的刀头产生感应（像用磁铁、特殊传感器等）来给芯片信号，以实现刀具智能定位。其中摇臂上、下运动，回转运动及主轴箱的左右移动都可与感应“笔”产生信号给智能芯片，实现摇臂上、下运动，回转运动及主轴箱的左右移动智能化。图2.3 方案3图本设计选用第二种方案，即可实现自动化操作，技术含量、成本、设计周期也低，适合本阶段自身的设计水平。2.3 PLC控制系统的设计基本内容1确定系统运行方式与控制方式。PLC可构成各种各样的控制系统，如单机控制系统、集中控制系统等。在进行应用系统设计时，要确定系统的构成形式。    2选择用户输入设备(按钮、操作开关、限位开关、传感器等)、输出设备(继电器、接触器、信号灯等执行元件)以及由输出设备驱动的控制对象(电动机、电磁阀等)。这些设备属于一般的电气元件，其选择的方法属于其他课程的内容。     3PLC的选择。PLC是控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济指标起着重要的作用。选择PLC应包括机型选择、容量选择、IO模块选择、电源模块选择等。    4分配I0点，绘制I0连接图，必要时还须设计控制台(柜)。    5设计控制程序。控制程序是整个系统工作的软件，是保证系统正常、安全、可靠的关键。因此控制系统的程序应经过反复调试、修改，直到满足要求为止。    6编制控制系统的技术文件，包括说明书、电气原理图及电气元件明细表、I0连接图、IO地址分配表、控制软件。2.4 PLC控制系统设计原则与步骤2.4.1 PLC 控制系统设计的基本原则1. 最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。2. 保证PLC控制系统安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。3. 力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。 4. 适应发展的需要    由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。2.4.2 PLC 控制系统设计与调试步骤PLC 控制系统的设计调试过程如图2.4所示。分析控制要求选择PLC确定硬件配置I/O地址分配设计梯形图程序进行模拟调试现场总调试满足要求？设计外部硬件接线图设计制作控制面板进行硬件连接满足要求？交付使用NYYN图2.4 PLC控制系统设计调试过程示意图图2.4 PLC控制系统设计调试过程3 Z3040型摇臂钻床控制系统工艺分析3.1 Z3040摇臂钻床的运动形式和主要结构摇臂钻床适合与在大、中型零件上进行钻孔、扩口、绞孔及攻螺纹等工作，在具有工艺装备的条件下还可以进行镗孔。Z3040摇臂钻床由底座、外立柱、内立柱，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，外立柱套在内立柱上，工作时用液压夹紧机构与内立柱夹紧，松开后，可绕立柱回转360度。摇臂的一端为套筒，它套在外立柱上，经液压夹紧机构可与外立柱夹紧。夹紧机构松开后，借助升降丝杆的正、反向旋转可沿外立柱上、下移动。由于升降丝杆与外立柱构成一体，而升降螺母则固定在摇臂上，所以摇臂只能与外立柱一起绕内立柱回转。 主轴箱是一个复合部件，它由主传动电动机。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部分组成。主轴箱安装与摇臂的水平导轨上，可以通过手轮操作使主轴箱沿水平导轨移动，通过液压夹紧机构固定在摇臂在。钻削加工时，主轴旋转为主运动，而主轴的直线移动为进给运动。即钻孔使钻头一面做旋转运动，同时做纵向进给运动，主轴变速和进给变速的机构在主轴箱内，用变速机构分别调节主轴转速和上下进给量。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M1机拖到。摇臂钻床的辅助运动有：摇臂沿外立柱的上升、下降、立柱的夹紧和松开以及摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。摇臂的上升、下降由一台交流电动机M2拖动，立柱的夹紧和松开、摇臂的夹紧与松开以及主轴箱的夹紧和松开是有另一台交流电动机M3拖动一台齿轮泵，供给夹紧装置所需的压力油推动夹紧机构液压系统实现的。而摇臂的回转和主轴箱沿摇臂水平导轨方向的左右移动。此外还有一台冷却泵电动机M4对加工的刀具进行冷却。Z3040摇臂钻床的电力拖动要求与控制特点：为简化机床传动装置的机构常采用多台电动机拖动。主轴的旋转运动、纵向进给运动及其变速机构均在主轴箱内，由一台主电动机拖动。为了适应多种加工方式的要求，主轴的旋转与进给运动均有较大的调速范围，由机械变速机构实现。加工螺纹时，要求主轴能正反转，采用机械方法来实现。因此，主电动机只需单向旋转，可直接启动，不需要制动。摇臂的升降由升降电动机拖动，要求电动机能正反转，多采用鼠笼异步电动机，可实现直接启动，不需要调速和制动。内外立柱、主轴箱与摇臂的夹紧与松开，是通过控制电动机的正反转，带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。因此拖动液压泵的电动机要求正反转，采用点动控制。摇臂钻床主轴箱、立柱的夹紧与松开由一条油路控制，且同时控制。而摇臂的夹紧、松开摇臂升降工作联成一体，由另一条油路控制。两条油路哪一条处于工作状态，是根据工作要求通过控制电磁阀操纵。由于主轴箱和立柱的夹紧、松开动作是点动操作，因此液压泵电动机采用点动控制。根据夹紧要求，操作者可以手控操作冷却泵电动机单向旋转。必要的联锁和保护环节。机床安全照明及信号指示灯电路。3.2 具体电动机的配置情况及控制形式图3.1 Z3040摇臂钻床主电路该钻床共配置5台电动机。M1为主轴电动机，由继电器KM1控制，带动主轴的旋转和使主轴作轴向进给运动，为单向旋转。主轴的正、反转则由主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过液压系统操作机构配合正反转摩擦离合器驱动主轴正转、反转来实现，并由热继电器做长期过载保护。M2为摇臂上升、下降电动机，由输出继电器KM2、KM3控制正、反向运行。M3为液压泵电动机，由KM4、KM5控制正、反向运行，控制电路保证在操作摇臂升降时，首先是液压泵电动机启动运转，供出压力油，经液压系统使摇臂松开，然后才使电动机M2启动，拖动摇臂上升或下降。当摇臂移动到位后，控制电路又使M2停下，再自动通过液压系统，将摇臂夹紧，然后液压泵电动机M3才停下。M4为冷却电动机，由转换开关SA1控制。在旧式电路图中加一个M5为主轴箱移动步进电动机。由KM6、KM7继电器控制其正反转，进而实现主轴箱移动。短路保护：在主电路中，利用熔断器FU1作总电路M1、M4的短路保护；利用熔断器FU2做电动机M2、M3和控制变压器T原边的短路保护；在控制电路中，利用熔断器FU2作照明回路的短路保护。过载保护：在主电路中，利用热继电器FR1、FR2分别作主电动机M1、液压泵电动机M3的过载保护。如果由于液压系统的夹紧机构出现故障而不能夹紧，那么行程开关SQ3的触点将断不开，或者由于行程开关SQ3安装调整不当，摇臂夹紧后不能压下行程开关SQ3，这时都会使液压泵电动机M3处于长期过载状态，易将M3烧毁，M2为短时工作，不用设长期过载保护。为确保安全生产，摇臂钻床的主轴旋转和摇臂升降不允许同时进行。 图3.2 Z3040摇臂钻床电路原理图3.3 电路分解根据电动机主电路控制电器主触点的文字符号将控制电路进行分解电动机M1、M2、M3和电磁铁YV控制电路图。根据主轴电动机M1主电路控制电器主触点文字符号KM1，找到电动机M1的控制电路，这是由按钮SB1、SB2和接触器组成的启动、停止控制电路，如图所示。根据摇臂升降电动机M2主电路控制元件主触点文字符号KM2、KM3，找到电动机M2的控制电路，如图所示，图中有行程开关SQ1、SQ2。摇臂升降电动机M2由摇臂升降按钮SB3、SB4及正反转接触器KM2、KM3组成放的控制电路实现正反转，这是具有复合连锁的电动机正反转点动控制电路，用来控制摇臂上升或下降。根据液压电动机M3主电路控制元件主触点文字符号KM4、KM5，找到电动机M2的控制电路，如图所示，这是由按钮SB5、SB6和接触器KM4、KM5组成的具有接触器连锁的正反转点动控制电路。根据电磁铁文字符号YV，找到电磁阀控制电路，如图所示，图中有行程开关SQ3。根据该系统的控制要求，输入输出设备，确定了I/O点数。根据需要控制的开关、设备大约有11个输入点，9个输出点需进行控制，现将I/O地址分配如附录I所示。3.4 行程开关SQ1SQ3的作用行程开关SQ1是摇臂上升和下降至极限位的保护开关，有两副动断触点SQ1，分别串联在摇臂上升和下降控制电路中。SQ1与一般开关不同，其两副动断触点不同时动作。当摇臂升至上升极限位置时，SQ1的动断触点SQ1断开，使接触器KM2失电，升降电动机M2停止，上升运动停止。但SQ1另一副动断触点SQ1仍保持闭合，因此可按下降按钮SB4，使接触器KM3得电吸合，控制摇臂升降电动机M2反向旋转，摇臂下降。反之当摇臂在下降位置时，控制过程类似。在摇臂升降电路中，行程开关SQ2为摇臂放松到位的信号开关，行程开关SQ3为摇臂夹紧的信号开关，行程开关SQ3为摇臂夹紧到位开关。因此行程开关SQ2及SQ3，是用来检查摇臂是否松开或夹紧，以实现限位连锁。SQ2的动合触点串联在KM2、线圈电路中，它在摇臂完全放松到位才动作闭合，以确保摇臂的升降在其放松后进行。如果摇臂没有放开，SQ2就不能闭合，因此控制摇臂升降的KM2或KM3就不能得电吸合，摇臂就不会上升或下降。行程开关SQ3的动断触点SQ3串联在接触器KM5线圈、电磁铁YV线圈电路中，在摇臂完全夹紧时动作。如果摇臂未夹紧，则行程开关SQ3的动断触点闭合保持原状，使接触器KM5、电磁铁YV得电吸合，对摇臂进行夹紧，直到完全夹紧为止，行程开关SQ3的动断触电SQ3应调整到保证夹紧后能够动作，否则会使液压泵电动机M3处与长时间过载运行状态。3.5 时间继电器KT的作用及Z3040摇臂钻床的图形通过KT延时动合触点KT和延时闭合的触点KT，KT能保证在摇臂升降电动机M2完全停止运行后，才能进行摇臂的夹紧动作，KT的延时长短由摇臂升降电动机M2从切断电源到停止的惯性大小来决定，一般为13S。这就是时间连锁。Z3040摇臂钻床的图形图3.3 Z3040摇臂钻床图形3.6 电路工作过程3.6.1 主轴电动机M1的控制按启动按钮SB2接触器KM1得电吸合并自锁KM1 主触点闭合M1转动，同时KM1辅助触点KM1闭合，指示HL3点亮，表明主轴电动机在旋转。按停止按钮SB1 KM1失电释放M1停转，同时KM1辅助动合触点KM1复合断开，指示灯HL3灭，表明电动机M1停转。主轴的正、反转则由液压系统的操纵机构配合正、反转摩擦离合器实现。3.6.2 摇臂升降的控制当由摇臂上升或下降点动按钮SB3、SB4发出摇臂升降指令时，先使摇臂松开。然后由正、反转接触器KM2、KM3使电动机M2的正、反转，来拖动摇臂上升或下降，待摇臂上升或下降到位时，又自行重新夹紧。由摇臂的松开与夹紧是由夹紧机构液压系统实现的，因此摇臂升降需与夹紧机构液压系统紧密配合。液压泵电动机M3由正反转接触器KM4、KM5控制，实现电动机正反转，拖动双向液压泵，送出压力油，经二位六通阀YV送至摇臂夹紧机构，实现摇臂夹紧与放松。摇臂升降启动的初始条件：摇臂钻床在平常或加工工件时，其摇臂处于夹紧状态，摇臂夹紧信号开关SQ3被压合，其动断触点SQ3处于断开状态；摇臂放松信号开关SQ3未压合，其动合触点SQ2处于断开状态，而动断触点SQ2处于闭合状态。3.6.3 以摇臂上升为例分析摇臂升降的控制图3.4 摇臂上升工作电气图按下摇臂上升点动按钮SB3，时间继电器KT线圈通电，瞬动常开触点KT闭合，接触器KM4线圈通电，液压泵电动机M3反向启动旋转，拖动液压泵送出压力油。同时KT的断电延时断开触点KT闭合，电磁铁YV线圈通电，液压泵送出压力油经二位六通阀进入摇臂夹紧机构的松开油腔，推动活塞和菱形块将摇臂松开。摇臂松开时，活塞杆通过弹簧片压下行程开关，发出摇臂松开信号，即常闭触点断开，常开触点闭合，前者断开线圈电路，电动机M3停止旋转，液压泵停止供油，摇臂维持在松开状态；后者接通KM2线圈电路，控制摇臂升降电动机M2正向启动旋转，拖动摇臂上升。当摇臂上升到所需位置时，松开按钮SB3，KM2与KT线圈同时断电，电动机M2依惯性旋转，摇臂停止上升。而KT线圈断电，其断电延时闭合触点KT经延时13S后才闭合，断电延时断开触点KT经同样延时后才断开。在KT断电延时13S时，KM5线圈仍处于断电状态，电磁铁YV仍处于通电状态，这段延时就确保了摇臂升降电动机在断开电源后直到完全停止运转才开始摇臂的夹紧动作，因此，时间继电器KT延时长短是根据电动机M2切断电源到完全停止的惯性大小来调整。当时间继电器KT断电延时时间到时，常闭触点KT闭合，KM5线圈通电吸合，液压泵电动机M3正向启动，拖动液压泵，供出压力油，同时常闭触点KT断开，电磁铁YV线圈断电，这时压力油经二位六通阀进入摇臂夹紧油腔，反向推动活塞和菱形块，将摇臂夹紧，活塞杆通过弹簧片压下行程开关SQ3，其常闭触点SQ3断开，KM5线圈断电，M3停止旋转，实现摇臂夹紧，上升过程结束。摇臂自动夹紧程度由行程开关SQ3控制，若夹紧机构液压系统出现故障不能夹紧，将使常闭触点SQ3断不开，或者由于SQ3安装位置调整不当，摇臂夹紧后仍不能压下SQ3，都将使M3长期处于过载状态，易将电动机烧坏，为此，M3主电路采用热继电器FR2作过载保护。3.6.4 主轴箱、立柱松开与夹紧的控制轴箱和立柱的夹紧与松开是同时进行的，当按下按钮SB5，接触器KM4线圈通电，液压泵电动机M3反转，拖动液压泵送出压力油，这时电磁阀YV线圈处于断电状态，压力油经过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，使主轴和立柱松开，由于YV线圈断电，压力油不能进入摇臂松开油腔，摇臂处于夹紧状态，当主轴箱与立柱松开时，行程开关SQ4没有受压，常闭触点SQ4闭合，指示灯HL1亮，表示主轴箱与立柱已松开，此时可以手动操作主轴箱在摇臂水平导轨上移动，也可推动摇臂使外立柱作回转移动。当移动到位后，按下夹紧按钮，接触器KM5线圈通电，M3正转，拖动液压泵送出压力油至夹紧油腔，使主轴箱与立柱夹紧。当确以夹紧时，压下SQ4，常开触点SQ4闭合，HL2亮，而常闭触点SQ4断开，HL1灭，指示主轴箱与立柱已夹紧，可以进行钻削加工。3.7 液压控制系统3.7.1 夹紧液压控制系统电磁阀YA控制摇臂上升、下降夹紧松开，当M3电动机正转时松开，反转时夹紧。电磁阀YV控制主轴箱左移、右移夹紧松开，当M3电动机正转时夹紧，反转时松开。电磁阀YH控制立柱夹紧松开，当M3电动机正转时夹紧，反转时松开。 图3.5 液压夹紧系统控制图3.7.2 摇臂移动与主轴箱移动液压系统图电磁阀YM控制摇臂上升、下降，当M2电动机正转时，摇臂上升，反转时，摇臂下降。电磁阀YN控制主轴箱左移、右移，当M2电动机正转时，摇臂左移，反转时，摇臂右移。图3.6主轴箱移动液压系统图3.8 系统的硬件连线按照Z3040摇臂钻床电气原理电路图和PLC接线图将电动机控制电路和控制回路及电磁吸盘的控制回路的各部分硬件连接在一起，在连接过程中一定要仔细、认真，并确保各个部分连接无误。如图附录。4 系统的软件设计4.1 PLC的编程语言在PLC中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的报印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软件连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在PLC中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。 根据PLC应用范围，程序设计语言可以组合使用，常用的程序设计语言是：梯形图程序设计语言；布尔助记符程序设计语言（语句表）；功能表图程序设计语言；功能模块图程序设计语言；结构化语句描述程序设计语言；梯形图与结构化语句描述程序设计语言；布尔助记符与功能表图程序设计语言；布尔助记符与结构化语句描述程序设计语言。1、梯形图（Ladder Diagram） 程序设计语言梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。 在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。梯形图程序设计语言的特点是：（1）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；（2）与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习；（3）与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（Power FLow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待； （4）与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。2、布尔助记符（Boolean Mnemonic）程序设计语言布尔助记符程序设计语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言。布尔助记符程序设计语言与计算机中的汇编语言非常相似，采用布尔助记符来表示操作功能。布尔助记符程序设计语言具有下列特点： （1）采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于撑握的特点；（2）在编程器的键盘上采用助记符表示，具有便于操作的特点，可在无计算机的场合进行编程设计；（3）与梯形图有一一对应关系。其特点与梯形图语言基本类同。3、功能表图（Sepuential Function Chart）程序设计语言功能表图程序设计语言是用功能表图来描述程序的一种程序设计语言。它是近年来发展起来的一种程序设计语言。采用功能表图的描述，控制系统被分为若干个子系统，从功能入手，使系统的操作具有明确的含义，便于设计人员和操作人员设计思想的沟通，便于程序的分工设计和检查调试。4、功能表图程序设计语言的特点是：（1）以功能为主线，条理清楚，便于对程序操作的理解和沟通； （2）对大型的程序，可分工设计，采用较为灵活的程序结构，可节省程序设计时间和调试时间；（3）常用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合； （4）只有在活动步的命令和操作被执行，对活动步后的转换进行扫描，因此，整个程序的扫描时间较其他程序编制的程序扫描时间要大大缩短。功能表图来源于佩特利（Petri）网，由于它具有图形表达方式，能较简单和清楚地描述并发系统和复杂系统的所有现象，并能对系统中存有的象死锁、不安全等反常现象进行分析和建模，在模型的基础上能直接编程，所以，得到了文泛的应用。近几年推出的PLC和小型集散控制系统中也已提供了采用功能表图描述语言进行编程的软件。关于佩特利（Petri）网的一些基本概念，我在以后有机会时再介绍给各位，以有助于对功能表图的进一步理解。5、结构化语句（Structured Text） 描述程序设计语言结构化语句是用结构化的描述语句来描述程序的一种程序设计语言。它是一种类似于高级语言的程序设计语言。在大中型的PLC系统中，常采用结构化语句描述程序设计语言来描述控制系统中各个变量的关系。它也被用于集散控制系统的编程和组态。结构化语句描述程序设计语言采用计算机的描述语句来描述系统中各种变量之间的各种运算关系，完成所需的功能或操作。大多数制造厂商采用的语句描述程序设计语言与BASIC语言、PASCAL语言或C语言等高级语言相类似，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。 结构化程序设计语言具有下列特点：（1）采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算；（2）需要有一定的计算机高级程序设计语言的知识和编程技巧，对编程人员的技能要求较高，普通电气人员无法完成。（3）直观性和易操作性等性能较差；（4）常被用于采用功能模块等其他语言较难实现的一些控制功能的实施。部分PLC的制造厂商为用户提供了简单的结构化程序设计语言，它与助记符程序设计语言相似，对程序的步数有一定的限制，同时，提供了与PLC间的接口或通信连接程序的编制方式，为用户的应用程序提供了扩展余地。 4.2 PLC的系统结构和基本工作原理4.2.1 PLC的系统结构1 CPU运算和控制中心起“心脏”作用。纵：当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。横：输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。组成：CPU由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。2 存储器具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为35年。3输入/输出接口（1）输入接口：光电耦合器由两个发光二极管和光电三极管组成。发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。（2）输出接口PLC的继电器输出接口电路工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。三种类型：继电器输