PLC改造Z3040搖臂鉆床的設計

傳統機床控制系統基本上采用繼電—接觸器電氣控制方式。由于這種控制線路觸點多、線路復雜，使用多年后，常會因為故障多、維修量大、維護不便及可靠性差而影響正常生產。還有部分機床雖然還能正常工作，但其精度、效率以及自動化程度已不能滿足當前生產工藝要求，對這些機床進行改造勢在必行。下面，筆者以三菱公司的FX2N-32MR型PLC為例，對Z3040型搖臂鉆床的電氣控制線路進行改造，探討傳統機床電氣控制線路改造的設計方法。

一、Z3040搖臂鉆床的電氣控制線路及控制原理

圖1為Z3040搖臂鉆床的電氣控制線路圖，其控制過程簡述如下:

1.主電路分析

控制的電動機共有四臺。

Z3040搖臂鉆床主運動和進給運動共用一臺主電動機M1。加工螺紋時要求主軸能正反向旋轉，主軸正反轉是采用機械方法來實現的，所以M1只需單向旋轉，主電動機功率為3kW，用SBl、SB2實現啟動和停止控制，用熱繼電器FRl作過載保護。

搖臂的升降由升降電動機M2拖動，要求電動機能正反向旋轉，M2功率為1.1kW。SB3、SB4分別為搖臂上升和下降按鈕，由KM2、KM3控制電動機M2正反轉以實現搖臂的升降移動。

立柱、主軸箱與搖臂的夾緊與松開是采用電動機M3帶動液壓泵，通過夾緊機構實現的。其夾緊與松開是通過控制電動機的正反轉送出不同流向的壓力油推動活塞帶動菱形塊動作來實現的。所以，液壓泵電動機M3要求能正反向旋轉，由KM4、KM5實現正反轉控制，M3功率為0.6kW，用熱繼電器FR2作過載保護。

冷卻泵電動機M4只需單向旋轉，其功率為0.125kW，由旋轉開關SA1直接控制單向旋轉。

2.控制電路分析

(1)主軸電動機M1的控制。按啟動按鈕SB2→接觸器KM1吸合并自鎖→主軸電動機M1啟動運行，同時指示燈HL3顯亮。按停止按鈕SB1→KM1釋放→M1停止，同時指示燈HL3熄滅。

(2)搖臂升降控制。按下上升點動按鈕SB3→時間繼電器KT線圈得電→KM4、YV同時線圈得電，液壓泵電動機M3啟動，搖臂松開→SQ2動作，KM2得電、KM4斷電→搖臂上升→搖臂上升到位后，松開按鈕SB3→KM2和KT同時斷電釋放→M2停止，搖臂停止上升→由于KT線圈失電，經1~3秒延時，其延時閉合的常閉觸點復位→KM5吸合→液壓泵電動機反轉→壓力油經分配閥體進入搖臂的“夾緊油腔”搖臂夾緊。同時，活塞桿通過彈簧片使SQ3的動斷觸點斷開→KM5斷電釋放→液壓泵電動機停止，最終完成搖臂的“松開—上升—夾緊”的整套動作。搖臂的下降由SB4控制KM3，啟動M2反轉來實現，與搖臂上升過程類似。

其中，搖臂的松開及夾緊到位分別由行程開關SQ2及SQ3的動作發出信號。搖臂升降的上下限位保護分別由SQ1及SQ5實現。KT為斷電延時型時間繼電器，其作用是在搖臂升降到位后，延時1~3秒再啟動M3將搖臂夾緊。

(3)立柱和主軸箱的夾緊與松開控制。SB5和SB6分別為松開與夾緊控制按鈕，由它們點動KM4、KM5，去控制M3的正、反轉，由于SB5、SB6的動斷觸點(5-21-22)串聯在YV線圈支路中。所以在操作SB5、SB6點動M3的過程中，電磁閥YV斷電，液壓泵供出的壓力油進入主軸箱和立柱的松開、夾緊油腔，而不進入搖臂松開夾緊油腔，進而推動松、緊機構實現主軸箱和立柱的松開、夾緊，同時“松開/夾緊指示燈”HL1或HL2亮。

二、PLC改造Z3040搖臂鉆床的設計過程

1.準備好所需的工具、儀表及器材

2.列出輸入/輸出元件的地址分配

根據圖1所示的Z3040搖臂鉆床繼電器控制線路，找出Z3040搖臂鉆床PLC控制系統的輸入/輸出信號。其中13個輸入信號，9個輸出信號。照明燈不通過PLC而由外電路直接控制，以節約PLC的端子數。編程元件的地址分配表見表1。

3.畫出主電路圖及I/O接線圖

根據I/O分配結果，考慮將來的發展需要和維護的要求，留有一定的余量，選FX2N-32MR型可編程序控制器實現Z3040搖臂鉆床繼電器控制線路的改造。繪制主電路和I/O接線圖(見圖2)，在端子接線圖中，熱繼器仍采用常閉觸頭作輸入，停止按鈕改用常開觸頭作輸入，使編程簡單，輸出增加接觸器觸頭的聯鎖，防止短路事故的發生，接觸器和電磁閥用交流220V電源供電，信號燈采用交流6.3V電源供電。增加了急停按鈕，提高系統的安全性。

4.畫出梯形圖

根據Z3040搖臂鉆床控制線路的控制要求，其梯形圖如圖2所示，說明如下:

(1)時間繼電器瞬動觸點和斷電延時觸點的處理。本設計的難點在于時間繼電器KT的取代。圖1中，時間繼電器KT有一對瞬動觸點和兩對斷電延時動作的觸點，而FX2N-32MR可編程序控制器沒有斷電延時的定時器觸點。對于瞬動觸點的處理，可用—個內部繼電器來取代，如圖3梯形圖中的M0，按SB3(X2)、SB4(X3)，接通M0。而斷電延時動作的觸點，是松開SB3或SB4時才開始計時的，那么可以讓M0的常閉點去控制內部定時器T0，而為了避免一開始，未按SB3或SB4時，T0也計時，該程序中巧妙地應用了內部繼電器M1，M1則可以當作斷電延時繼電器使用。

(2)停止按鈕、行程開關等常閉觸點的處理。在繼電器控制線路中，停止按鈕、行程開關、熱繼電器等觸點都是用常閉點，根據所畫的I/O接線圖，除熱繼電器外常閉觸點都改為常開點。這樣，相應的觸點在梯形圖中是常閉點，如圖3中的X0、X1等。如果這類觸點像繼電器控制那樣仍用常閉點，則在梯形圖中的輸入點就應用常開點。這樣，一旦接通電源，相應的輸入點就接通，有輸入，常開點閉合。也就是說，這類觸點我們在梯形圖中看到的是常開的，但它卻是閉合的，這樣不合乎邏輯思維。

5.程序輸入

(1)在斷電狀態下，連接好PC/PPI電纜。

(2)打開PLC的前蓋，將運行模式的選擇開關撥到STOP位置，此時PLC處于停止狀態，可以進行程序編寫。

(3)在作為編程器的PC上，運行MELSOFT系列GX-Developer編程軟件。

(4)用菜單命令[工程]-[創新工程]，生成一個新項目;或者用菜單命令[工程]-[打開工程]，打開一個已有的項目，或者用菜單命令[工程]-[另存工程為]，修改項目的名稱。

(5)用菜單命令[工程]-[改變PLC類型]，重新設置PLC的型號。

(6)用菜單命令[在線]-[傳輸設置]，設置通信參數。

(7)編寫Z3040搖臂鉆床PLC程序。

6.系統調試

(1)用菜單命令[在線]-[PLC寫入]，下載程序文件到PLC。

(2)將PLC運行模式的選擇開關撥到RUN位置，使PLC進入運行方式。

(3)按下啟動按鈕SB2，觀察電動機M1是否啟動，如果能，則說明主軸電動機程序正確。

(4)按下啟動按鈕SB作按鈕SB4。

(6)按下SB5，觀察KM4線圈得電，YV線圈不得電，如果能說明立柱和主軸箱松開程序正確。接下SB6，觀察KM5線圈得電，YV線圈不得電，如果能，則說明立柱和主軸箱夾緊程序也正確。觀察指示燈HL1、HL2燈是否滿足要求。

(作者單位:浙江省杭州市蕭山區技工學校)