用PLC改造Z3050摇臂钻床控制系统

传统机床控制系统基本上采用交流继电接触器控制方式，可靠性较差。存在触点寿命低、故障率高、线路维护困难等缺点。可编程序控制器(PLC)是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展起来的一种工业自动控制装置，应用灵活、可靠性高、维护方便。应用PLC对传统机床控制系统进行改造可取得良好效果。本文试探讨应用三菱公司的FX2N-32MR型PLC对Z3050型摇臂钻床的继电-接触器控制线路进行改造的方法。

二、问题的提出

Z3050型摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱、工作台等组成。为简化传动装置，摇臂钻床的运动部件使用多电机拖动，共有四台电动机：主轴电动机M1，摇臂升降电动机M2，液压泵电动机M3，冷却泵电动机M4。

主轴箱上装有4个按钮：SB1、SB2、SB3与SB4，它们分别是主轴电动机停止、起动按钮，摇臂上升、下降按钮。主轴箱移动手轮上装有2个按钮SB5、SB6，分别为主轴箱、立柱松开按钮和夹紧按钮。

（一）Z3050摇臂钻床的电气控制线路分析

1．主轴电动机M1的控制

按起动按钮SB2→接触器KM1吸合并自锁→主轴电动机M1启动运行，同时指示灯HL3显亮。按停止按钮SB1→KM1释放→M1停止，同时指示灯HL3熄灭。

2．摇臂升降控制

按下上升点动按钮SB3→时间继电器KT线圈得电→摇臂上升到位后，松开按钮SB3→KM2和KT同时断电释放→M2停止，摇臂停止上升→由于KT线圈失电，经1～3秒延时，其延时闭合的常闭触点复位→KM5吸合→液压泵电机反转→压力油经分配阀体进入摇臂的“夹紧油腔”摇臂夹紧。同时，活塞杆通过弹簧片使SQ3的动断触点断开→KM5断电释放→液压泵电机停止，最终完成摇臂的“松开－上升－夹紧”的整套动作。

摇臂的下降由SB4控制KM3，启动M2反转来实现，与摇臂上升过程类似。

其中，摇臂的松开及夹紧到位分别由行程开关SQ2及SQ3的动作发出信号。摇臂升降的上下限位保护分别由SQ1及SQ5实现。KT为断电延时型时间继电器，其作用是在摇臂升降到位后，延时1～3S再起动M3将摇臂夹紧。

3．立柱和主轴箱的夹紧与松开控制

SB5和SB6分别为松开与夹紧控制按钮，由它们点动KM4、KM5，去控制M3的正、反转，由于SB5、SB6的动断触点（5－21－22）串联在YA线圈支路中。所以在操作SB5、SB6点动M3的过程中，电磁阀YA断电，液压泵供出的压力油进入主轴箱和立柱的松开、夹紧油腔，而不进人摇臂松开夹紧油腔，进而推动松、紧机构实现主轴箱和立柱的松开、夹紧，同时“松开/夹紧指示灯”HL1或HL2亮。

（二）控制线路的常见问题

Z3050型摇臂钻床的工作过程是由电气、机械、液压系统配合实现的。由于采用交流继电接触器控制方式，继电器、接触器控制线路部分故障率较高，这是造成经常待机维修的主要因素。例如：若时间继电器KT线圈断线，或其动合触点闭合时接触不良，则可导致摇臂松开的专用电路故障；若接触器KM4主触点接触不良，或KM5的动合互锁触点接触不良等则会使主轴箱和立柱的松开不正常等等。

此种常见故障可由器件本身故障造成，也可由触点老化、连接点接触不良等线路故障造成。若采用可编程序控制器用程序来实现控制功能，即用“存储逻辑”取代继电器-接触器系统的“接线逻辑”，则在控制电路中，不存在触点老化，触点接触不良，接点虚焊等现象，具有很高的可靠性。下面就试述用PLC对其进行控制线路的改造的方法。#p#副标题#e#

三、用PLC进行控制线路的改造

（一）分析控制对象

前面已分析了机床控制系统的动作过程。在用PLC控制系统时，为节省I/O点，主轴电机的过载保护热继电器FR1及液压泵电机的过载保护热继电器FR2的动断触点串联接入PLC，共用一个输入点。冷却泵由组合开关QS2直接启动，不接入PLC。各指示灯与相应的接触器并联输出或直接由相应开关控制，不单独占用输出点。

（二）PLC选型及分配I/O点

根据控制系统的I/O点数量的情况，选用三菱公司的FX2N-32MR型PLC。I／O设备及I／O点分配如表1所示。

（三）外部接线图

为了提高信号的准确性，避免由于机器机械振动等原因使常闭触点脱开而给出错误指令，PLC输入端的信号元件SB1，SQ1，SQ5，SQ2，SQ3等在传统控制线路中使用常闭触头的，都改用常开触头，而在PLC的程序中做相应调整。

（四）程序设计

由于摇臂上升和下降都需要先松开摇臂，同时也都受“升降限位→开关”的限位保护，所以可以用这些条件去控制PLC内的一个虚拟辅助继电器M，使其成为有人按下摇臂上升或下降按钮（发出摇臂升降命令）的标志，从而简化后续程序的设计。

另外，前文已经分析：在摇臂上升的控制中，按下SB3使摇臂上升到所需位置后，松开SB3则摇臂停止上升。同时时间继电器KT断电释放，经1S－3S时间的延时后，其延时闭合的触点动作闭合使液压泵电机反向旋转，最终使摇臂夹紧（下降过程类似）。因而程序中需要一个“断电延时型”的时间继电器，而PLC里的时间继电器都是属于“通电延时型”，所以需要通过一个程序段构造一个“断电延时型”的时间继电器。

如图3所示，M0得电闭合后，M1得电并自锁，而T0受M0的封锁不能得电；M0断电后，其常闭触点复位闭合，T0得电开始定时，定时时间到了之后，T0的常闭触点才动作断开，这时M1才失电；即T0成了一个“断电延时型”的时间继电器，M1也有了“失电延时断开”的功能。

根据上述的分析及原来的继电器系统控制线路图，结合“翻译法”可以很方便的设计出PLC的梯形图。

（五）调试运行

写好程序后，先利用计算机软件模拟运行，修改、完善程序，确定能实现原线路的各种功能后，再与机床联机调试运行。

四、结束语

改造后的机床PLC控制系统比原来的继电接触器控制系统有如下优点：用程序实现器件的“软连接”，节省了电气元件、导线等材料，减少了硬件接线的工作量，缩短设计周期；PLC控制系统便于运行监控，检查和排除故障，减少平时维护的工作量；提高了控制系统的可靠性和抗干扰能力，降低了故障率。

可编程序控制器应用灵活、编程容易，应用PLC对传统控制方式的机床进行改造可取得良好的效果。目前已广泛应用于传统工业技术改造和工业新产品的设计中。

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