Z3040型搖臂鉆床的PLC控制

嵇海旭，梁秀娟（廣東海洋大學(xué)，廣東湛江　524088）

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Z3040型搖臂鉆床的PLC控制

嵇海旭，梁秀娟
（廣東海洋大學(xué)，廣東湛江524088）

摘要：采用PLC對(duì)Z3040進(jìn)行控制，可以使復(fù)雜接線(xiàn)大為簡(jiǎn)化，降低故障率。介紹了用PLC對(duì)傳統(tǒng)Z3040型搖臂鉆床的控制，完成了輸入輸出設(shè)備的接線(xiàn)圖和控制梯形圖的設(shè)計(jì)工作，指出了外部輸入設(shè)備常閉觸點(diǎn)在梯形圖中的處理，斷電延時(shí)的處理，正反轉(zhuǎn)控制的安全處理等，對(duì)其他機(jī)床設(shè)備的PLC控制提供借鑒作用。

關(guān)鍵詞：Z3040型搖臂鉆床；PLC控制；梯形圖

0　引言

Z3040型搖臂鉆床是工廠(chǎng)常用的一種設(shè)備，通常采用傳統(tǒng)的繼電接觸器進(jìn)行控制。繼電器控制為接線(xiàn)程序控制，它是由分立元件(繼電器、接觸器、電子元件等)用導(dǎo)線(xiàn)連接起來(lái)加以實(shí)現(xiàn)的；它的控制邏輯程序就在接線(xiàn)之中，對(duì)于控制程序的修改必須通過(guò)改變接線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，缺乏通用性和靈活性。由于器件的老化、脫焊、觸頭的抖動(dòng)及電弧損害等，大大降低了系統(tǒng)的可靠性，容易出現(xiàn)故障，維修困難，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，加大維修成本，影響設(shè)備正常使用[1-2]。

將Z3040型搖臂鉆床采用PLC控制，可使原復(fù)雜接線(xiàn)大為簡(jiǎn)化，工作可靠，降低故障率，減少維修量，提高功效[3-6]。PLC控制系統(tǒng)的輸入、輸出部分與傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)基本相同，其差別僅在于其控制部分。PLC是通過(guò)存放在存儲(chǔ)器中的程序來(lái)完成控制功能，代替了繼電接觸器中硬接線(xiàn)的邏輯控制電路。PLC不僅能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制，還具有數(shù)值運(yùn)算及過(guò)程控制等其他功能，因此可以靈活、方便的實(shí)現(xiàn)各種控制功能[7-8]。

1　Z3040型搖臂鉆床基本組成

搖臂鉆床一般由底座、內(nèi)外立柱、搖臂、主軸箱和工作臺(tái)等部件組成，并配有相應(yīng)電器元件，如圖1所示。內(nèi)立柱固定在底座的一端，外立柱套在內(nèi)立柱上，并可繞內(nèi)立柱回轉(zhuǎn)360°。搖臂的一端為套筒，它套在外立柱上，借助于電機(jī)帶動(dòng)絲杠的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)。主軸箱安裝在搖臂的水平導(dǎo)軌上，通過(guò)手輪操作可使主軸箱沿?fù)u臂水平導(dǎo)軌左右移動(dòng)。鉆床工作時(shí)，主軸箱夾緊在搖臂的水平導(dǎo)軌上，搖臂與外立柱夾緊在內(nèi)立柱上。

Z3040型搖臂鉆床的主軸箱里共有12根軸，完成主運(yùn)動(dòng)與軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。其中VII軸是主軸，通過(guò)軸II的雙向多片摩擦離合器控制正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，不需要主軸電機(jī)M1反向旋轉(zhuǎn)。軸III、IV、V、VI上各有一個(gè)雙聯(lián)滑移齒輪，其中VI軸上的雙聯(lián)滑移齒輪有三個(gè)變換位置，“中位”為“空擋”，只有上下兩檔可以傳至主軸，所以VII軸共有16種轉(zhuǎn)速。在每個(gè)雙聯(lián)滑移齒輪所在軸的上端都有一個(gè)變速油缸，油缸的活塞穿入傳動(dòng)軸中心孔，可以通過(guò)橫銷(xiāo)推動(dòng)滑移齒輪移動(dòng)。各個(gè)雙聯(lián)滑移齒輪的上移或下移取決于變速預(yù)選閥的位置，由手動(dòng)旋轉(zhuǎn)預(yù)選閥來(lái)控制。預(yù)選閥閥芯應(yīng)能轉(zhuǎn)換16級(jí)轉(zhuǎn)速，因此閥芯在圓周方向應(yīng)分十六等分，每相鄰兩轉(zhuǎn)速位置之間相位差為22.5°(360°/ 16)。預(yù)選閥一方面使壓力油通向變速油缸的下腔，一方面又使變速油缸的上腔接通壓力油或卸油池，使得活塞向下或向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)有壓力油通過(guò)預(yù)選閥同時(shí)進(jìn)入變速油缸的下腔和上腔時(shí)，因其上腔活塞面積比下腔活塞面積大，產(chǎn)生壓力差，使活塞推移到下端，從而使相應(yīng)的雙聯(lián)滑移齒輪下移；若油缸上腔與閥的回油孔接通，活塞在下腔壓力油的作用下被推移到上端，這樣相應(yīng)的雙聯(lián)滑移齒輪就上移了。Z3040就是通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)不同齒輪組的嚙合，得到不同的轉(zhuǎn)速。

Z3040外立柱繞內(nèi)立柱回轉(zhuǎn)后的夾緊、搖臂沿外立柱升降后的夾緊和主軸箱在搖臂上移動(dòng)后的夾緊均采用了菱形塊夾緊機(jī)構(gòu)。菱形塊夾緊機(jī)構(gòu)如圖2所示，其工作原理如下：V形塊2和4分別裝卡在軸3上，當(dāng)軸3的右端作用一個(gè)F1力后，軸與V形塊向左移動(dòng)，直至兩個(gè)菱形塊l、5處于垂直軸線(xiàn)時(shí)，夾緊塊6以?shī)A緊力F3將被夾物7夾緊在平面8上；當(dāng)軸3的右端受到一個(gè)相反的F2力后，軸與V形塊向右移動(dòng)，使兩個(gè)菱形塊傾斜，被夾物7被松開(kāi)。其中F1和F2由雙向液壓泵通過(guò)油路推動(dòng)活塞來(lái)提供。

圖1　Z3040型搖臂鉆床的基本構(gòu)成

圖2　菱形塊夾緊機(jī)構(gòu)

2　Z3040型搖臂鉆床的PLC控制

2.1PLC接線(xiàn)圖

Z3040型搖臂鉆床的繼電接觸器控制電路如圖3所示[9-10]。

采用三菱FX系列PLC進(jìn)行控制，其操作功能應(yīng)該和采用繼電接觸器電路時(shí)完全一致。機(jī)床原配的按鈕、限位開(kāi)關(guān)、變壓器、指示燈、熱繼電器、接觸器等都要保留。作為主要操作器件的按鈕及限位開(kāi)關(guān)要接入PLC的輸入口；作為主要執(zhí)行器件的接觸器及電磁閥線(xiàn)圈要接入PLC的輸出口。在PLC的接線(xiàn)方案中，可以把所有的輸入輸出設(shè)備都接進(jìn)來(lái)，也可以只把具有復(fù)雜控制邏輯關(guān)系的主要設(shè)備接進(jìn)來(lái)，而把僅具有簡(jiǎn)單控制關(guān)系的一些設(shè)備直接保留在原傳統(tǒng)電路中。本設(shè)計(jì)采用后一種方案，冷卻泵電動(dòng)機(jī)和指示燈的簡(jiǎn)單控制，沒(méi)有引入PLC控制中，接線(xiàn)圖如圖4所示。

圖3　Z3040型搖臂鉆床電氣原理圖

圖4　PLC接線(xiàn)圖

在梯形圖程序設(shè)計(jì)時(shí)，雖然已經(jīng)有了內(nèi)部軟繼電器的互鎖觸點(diǎn)，并通過(guò)延時(shí)程序接通電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路，但在外部硬件輸出電路中還是必須使用KM2、KM3及KM4、KM5的常閉觸頭進(jìn)行互鎖。PLC內(nèi)部軟繼電器互鎖只相差一個(gè)掃描周期，而外部硬件接觸器觸點(diǎn)的斷開(kāi)時(shí)間往往大于掃描周期，來(lái)不及響應(yīng)，會(huì)引起主電路短路，因此必須采用軟硬件雙重互鎖。采用雙重互鎖，也避免了主觸頭因?yàn)殡娀∪紵l(fā)生點(diǎn)焊不斷開(kāi)引起的電動(dòng)機(jī)主電路短路。

2.2控制梯形圖的設(shè)計(jì)

2.2.1對(duì)外部設(shè)備常閉觸點(diǎn)的處理

設(shè)計(jì)梯形圖時(shí)，輸入繼電器的觸點(diǎn)狀態(tài)全部按相應(yīng)的輸入設(shè)備為常開(kāi)進(jìn)行設(shè)計(jì)更為合適，不易出錯(cuò)[11]。

圖5是電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)控制的繼電接觸器控制電路，其中停止按鈕SB1是常閉觸點(diǎn)。如用PLC來(lái)控制，則停止按鈕SB1和起動(dòng)按鈕SB2是它的輸入設(shè)備；在進(jìn)行外部接線(xiàn)時(shí)，SB1有兩種接法。

按照?qǐng)D6（a）的接法，SB1仍接成常閉，接在PLC輸入繼電器的X000端子上，則在編制梯形圖時(shí)，用的是常開(kāi)觸點(diǎn)X000，如圖6（b）所示。因?yàn)镾B1閉合，對(duì)應(yīng)的輸入繼電器接通，這時(shí)它的常開(kāi)觸點(diǎn)X000是閉合的。按下SB1，斷開(kāi)輸入繼電器，它才斷開(kāi)。

按照?qǐng)D7（a）的接法，將SB1接成常開(kāi)形式，則在梯形圖中，用的是常閉觸點(diǎn)X000，如圖7（b）所示。因?yàn)镾B1斷開(kāi)，這時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入繼電器斷開(kāi)，其常閉觸點(diǎn)X000仍然閉合。當(dāng)按下SB1時(shí)，接通輸入繼電器，它才斷開(kāi)。

圖5　電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)電路

圖6　SB1接成常閉形式

圖7　SB1接成常開(kāi)形式

從圖5和圖7可以看出，為了使梯形圖和繼電接觸器控制電路一一對(duì)應(yīng)，PLC輸入設(shè)備的觸點(diǎn)應(yīng)盡可能地接成常開(kāi)形式。

此外，熱繼電器FR的觸點(diǎn)只能接成常閉的，通常不作為PLC的輸入信號(hào)，而將其直接通斷接觸器線(xiàn)圈。

2.2.2對(duì)正反轉(zhuǎn)的處理

搖臂升降電動(dòng)機(jī)和液壓泵電動(dòng)機(jī)有正反轉(zhuǎn)的控制，必須保證每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)不能同時(shí)接通，否則會(huì)引起短路。為此，在每臺(tái)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)啟動(dòng)前加入一個(gè)由PLC輔助繼電器和定時(shí)器組成的0.5 s延時(shí)程序，保證正反轉(zhuǎn)的安全過(guò)渡。由于原電路中液壓泵電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)控制已經(jīng)有了約3 s的延時(shí)控制，所以只在正轉(zhuǎn)前加了0.5 s的延時(shí)控制程序。搖臂升降電動(dòng)機(jī)和液壓泵電動(dòng)機(jī)有正反轉(zhuǎn)的延時(shí)控制程序如圖8所示。

圖8　正反轉(zhuǎn)的延時(shí)控制程序

2.2.3斷電延時(shí)的處理

PLC中定時(shí)器都是接通延時(shí)型的，但在實(shí)際的電力拖動(dòng)控制線(xiàn)路中常常用到斷電延時(shí)型的控制，所以斷電延時(shí)型必須自己編寫(xiě)。圖9所示為斷電延時(shí)程序的梯形圖，程序的運(yùn)行過(guò)程為：當(dāng)M0常開(kāi)觸點(diǎn)接通時(shí)，M1輔助繼電器通電并自鎖；當(dāng)M0輔助繼電器線(xiàn)圈斷電使M0常閉觸點(diǎn)復(fù)位后，T0開(kāi)始計(jì)時(shí)，3秒后斷開(kāi)M1。

圖9　斷電延時(shí)程序

圖10　整體梯形圖設(shè)計(jì)

在Z3040型搖臂鉆床的控制中，液壓泵電動(dòng)機(jī)的控制就要用到斷電延時(shí)控制程序。在繼電接觸器控制電路中，時(shí)間繼電器KT使用了瞬時(shí)斷開(kāi)延時(shí)閉合常閉觸點(diǎn)和瞬時(shí)閉合延時(shí)斷開(kāi)常開(kāi)觸點(diǎn)，這兩種觸點(diǎn)都是在斷電后延時(shí)動(dòng)作的，所以，在PLC程序設(shè)計(jì)中要使用斷電延時(shí)程序來(lái)完成其控制功能。

2.2.4時(shí)間繼電器瞬時(shí)動(dòng)作觸點(diǎn)的處理

在Z3040型搖臂鉆床的繼電接觸器控制電路中，時(shí)間繼電器KT還使用了瞬時(shí)動(dòng)作觸點(diǎn)，可以采用代替KT地位的M0的常開(kāi)觸點(diǎn)來(lái)代替，完成瞬時(shí)動(dòng)作控制功能。

2.3整體梯形圖設(shè)計(jì)

對(duì)繼電接觸器控制電路進(jìn)行移植，對(duì)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)進(jìn)行延時(shí)處理，增加輔助繼電器來(lái)管理公共觸點(diǎn)，并對(duì)KT的斷電延時(shí)動(dòng)作的觸點(diǎn)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，最后得到的完整的梯形圖如圖10所示。本程序設(shè)計(jì)已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了主軸電動(dòng)機(jī)控制，搖臂升降及夾緊、放松控制，主軸箱與立柱的夾緊、放松控制，具有完善的聯(lián)鎖與保護(hù)環(huán)節(jié)。

3　小結(jié)

本次Z3040型搖臂鉆床的PLC控制的設(shè)計(jì)是在完全掌握其機(jī)械結(jié)構(gòu)，電氣控制規(guī)律的前提下進(jìn)行的，重點(diǎn)解決了PLC接線(xiàn)、電機(jī)正反轉(zhuǎn)安全控制、常閉觸點(diǎn)的處理，以及斷電延時(shí)等主要問(wèn)題，對(duì)類(lèi)似機(jī)床及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)控制提供借鑒作用。

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(編輯：向飛)

The PLC Control of Z3040 Type Radial Drilling Machine

JI Hai-xu，LIANG Xiu-juan
（Guangdong Ocean University，Zhanjiang524088，China）

Abstract:Using PLC to control Z3040 can make the complex wiring is simplified greatly，reduce the failure rate. The paper introduces the use of PLC on the traditional Z3040 type radial drilling machine control，completes the design of wiring diagram of input and output devices，and designs the complete ladder chart. The paper points out the processing on the external input device normally closed contact，power failure delay ,and the security processing reversing control，etc. It can provide reference to the PLC cotrol of other machine tools.

Key words:Z3040 type radial drilling machine；PLC control；ladder chart

作者簡(jiǎn)介：第一嵇海旭，男，1974年生，吉林梨樹(shù)人，碩士，講師。研究領(lǐng)域：機(jī)械制造及其自動(dòng)化。已發(fā)表論文12篇。

收稿日期：2015－05－14

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 024

中圖分類(lèi)號(hào)：TG522

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009－9492 ( 2015 ) 11－0089－05