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传统机床控制系统基本上采用继电—接触器电气控制方式。由于这种控制线路触点多、线路复杂,使用多年后,常会因为故障多、维修量大、维护不便及可靠性差而影响正常生产。还有部分机床虽然还能正常工作,但其精度、效率以及自动化程度已不能满足当前生产工艺要求,对这些机床进行改造势在必行。下面,笔者以三菱公司的FX2N-32MR型PLC为例,对Z3040型摇臂钻床的电气控制线路进行改造,探讨传统机床电气控制线路改造的设计方法。
一、Z3040摇臂钻床的电气控制线路及控制原理
图1为Z3040摇臂钻床的电气控制线路图,其控制过程简述如下:
1.主电路分析
控制的电动机共有四台。
Z3040摇臂钻床主运动和进给运动共用一台主电动机M1。加工螺纹时要求主轴能正反向旋转,主轴正反转是采用机械方法来实现的,所以M1只需单向旋转,主电动机功率为3kW,用SBl、SB2实现启动和停止控制,用热继电器FRl作过载保护。
摇臂的升降由升降电动机M2拖动,要求电动机能正反向旋转,M2功率为1.1kW。SB3、SB4分别为摇臂上升和下降按钮,由KM2、KM3控制电动机M2正反转以实现摇臂的升降移动。
立柱、主轴箱与摇臂的夹紧与松开是采用电动机M3带动液压泵,通过夹紧机构实现的。其夹紧与松开是通过控制电动机的正反转送出不同流向的压力油推动活塞带动菱形块动作来实现的。所以,液压泵电动机M3要求能正反向旋转,由KM4、KM5实现正反转控制,M3功率为0.6kW,用热继电器FR2作过载保护。
冷却泵电动机M4只需单向旋转,其功率为0.125kW,由旋转开关SA1直接控制单向旋转。
2.控制电路分析
(1)主轴电动机M1的控制。按启动按钮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→KM4、YV同时线圈得电,液压泵电动机M3启动,摇臂松开→SQ2动作,KM2得电、KM4断电→摇臂上升→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→液压泵电动机反转→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→液压泵电动机停止,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1~3秒再启动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YV线圈支路中。所以在操作SB5、SB6点动M3的过程中,电磁阀YV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,而不进入摇臂松开夹紧油腔,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、PLC改造Z3040摇臂钻床的设计过程
1.准备好所需的工具、仪表及器材
2.列出输入/输出元件的地址分配
根据图1所示的Z3040摇臂钻床继电器控制线路,找出Z3040摇臂钻床PLC控制系统的输入/输出信号。其中13个输入信号,9个输出信号。照明灯不通过PLC而由外电路直接控制,以节约PLC的端子数。编程元件的地址分配表见表1。
3.画出主电路图及I/O接线图
根据I/O分配结果,考虑将来的发展需要和维护的要求,留有一定的余量,选FX2N-32MR型可编程序控制器实现Z3040摇臂钻床继电器控制线路的改造。绘制主电路和I/O接线图(见图2),在端子接线图中,热继器仍采用常闭触头作输入,停止按钮改用常开触头作输入,使编程简单,输出增加接触器触头的联锁,防止短路事故的发生,接触器和电磁阀用交流220V电源供电,信号灯采用交流6.3V电源供电。增加了急停按钮,提高系统的安全性。
4.画出梯形图
根据Z3040摇臂钻床控制线路的控制要求,其梯形图如图2所示,说明如下:
(1)时间继电器瞬动触点和断电延时触点的处理。本设计的难点在于时间继电器KT的取代。图1中,时间继电器KT有一对瞬动触点和两对断电延时动作的触点,而FX2N-32MR可编程序控制器没有断电延时的定时器触点。对于瞬动触点的处理,可用—个内部继电器来取代,如图3梯形图中的M0,按SB3(X2)、SB4(X3),接通M0。而断电延时动作的触点,是松开SB3或SB4时才开始计时的,那么可以让M0的常闭点去控制内部定时器T0,而为了避免一开始,未按SB3或SB4时,T0也计时,该程序中巧妙地应用了内部继电器M1,M1则可以当作断电延时继电器使用。
(2)停止按钮、行程开关等常闭触点的处理。在继电器控制线路中,停止按钮、行程开关、热继电器等触点都是用常闭点,根据所画的I/O接线图,除热继电器外常闭触点都改为常开点。这样,相应的触点在梯形图中是常闭点,如图3中的X0、X1等。如果这类触点像继电器控制那样仍用常闭点,则在梯形图中的输入点就应用常开点。这样,一旦接通电源,相应的输入点就接通,有输入,常开点闭合。也就是说,这类触点我们在梯形图中看到的是常开的,但它却是闭合的,这样不合乎逻辑思维。
5.程序输入
(1)在断电状态下,连接好PC/PPI电缆。
(2)打开PLC的前盖,将运行模式的选择开关拨到STOP位置,此时PLC处于停止状态,可以进行程序编写。
(3)在作为编程器的PC上,运行MELSOFT系列GX-Developer编程软件。
(4)用菜单命令[工程]-[创新工程],生成一个新项目;或者用菜单命令[工程]-[打开工程],打开一个已有的项目,或者用菜单命令[工程]-[另存工程为],修改项目的名称。
(5)用菜单命令[工程]-[改变PLC类型],重新设置PLC的型号。
(6)用菜单命令[在线]-[传输设置],设置通信参数。
(7)编写Z3040摇臂钻床PLC程序。
6.系统调试
(1)用菜单命令[在线]-[PLC写入],下载程序文件到PLC。
(2)将PLC运行模式的选择开关拨到RUN位置,使PLC进入运行方式。
(3)按下启动按钮SB2,观察电动机M1是否启动,如果能,则说明主轴电动机程序正确。
(4)按下启动按钮SB作按钮SB4。
(6)按下SB5,观察KM4线圈得电,YV线圈不得电,如果能说明立柱和主轴箱松开程序正确。接下SB6,观察KM5线圈得电,YV线圈不得电,如果能,则说明立柱和主轴箱夹紧程序也正确。观察指示灯HL1、HL2灯是否满足要求。
(作者单位:浙江省杭州市萧山区技工学校)
一、Z3040摇臂钻床的电气控制线路及控制原理
图1为Z3040摇臂钻床的电气控制线路图,其控制过程简述如下:
1.主电路分析
控制的电动机共有四台。
Z3040摇臂钻床主运动和进给运动共用一台主电动机M1。加工螺纹时要求主轴能正反向旋转,主轴正反转是采用机械方法来实现的,所以M1只需单向旋转,主电动机功率为3kW,用SBl、SB2实现启动和停止控制,用热继电器FRl作过载保护。
摇臂的升降由升降电动机M2拖动,要求电动机能正反向旋转,M2功率为1.1kW。SB3、SB4分别为摇臂上升和下降按钮,由KM2、KM3控制电动机M2正反转以实现摇臂的升降移动。
立柱、主轴箱与摇臂的夹紧与松开是采用电动机M3带动液压泵,通过夹紧机构实现的。其夹紧与松开是通过控制电动机的正反转送出不同流向的压力油推动活塞带动菱形块动作来实现的。所以,液压泵电动机M3要求能正反向旋转,由KM4、KM5实现正反转控制,M3功率为0.6kW,用热继电器FR2作过载保护。
冷却泵电动机M4只需单向旋转,其功率为0.125kW,由旋转开关SA1直接控制单向旋转。
2.控制电路分析
(1)主轴电动机M1的控制。按启动按钮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→KM4、YV同时线圈得电,液压泵电动机M3启动,摇臂松开→SQ2动作,KM2得电、KM4断电→摇臂上升→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→液压泵电动机反转→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→液压泵电动机停止,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1~3秒再启动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YV线圈支路中。所以在操作SB5、SB6点动M3的过程中,电磁阀YV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,而不进入摇臂松开夹紧油腔,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、PLC改造Z3040摇臂钻床的设计过程
1.准备好所需的工具、仪表及器材
2.列出输入/输出元件的地址分配
根据图1所示的Z3040摇臂钻床继电器控制线路,找出Z3040摇臂钻床PLC控制系统的输入/输出信号。其中13个输入信号,9个输出信号。照明灯不通过PLC而由外电路直接控制,以节约PLC的端子数。编程元件的地址分配表见表1。
3.画出主电路图及I/O接线图
根据I/O分配结果,考虑将来的发展需要和维护的要求,留有一定的余量,选FX2N-32MR型可编程序控制器实现Z3040摇臂钻床继电器控制线路的改造。绘制主电路和I/O接线图(见图2),在端子接线图中,热继器仍采用常闭触头作输入,停止按钮改用常开触头作输入,使编程简单,输出增加接触器触头的联锁,防止短路事故的发生,接触器和电磁阀用交流220V电源供电,信号灯采用交流6.3V电源供电。增加了急停按钮,提高系统的安全性。
4.画出梯形图
根据Z3040摇臂钻床控制线路的控制要求,其梯形图如图2所示,说明如下:
(1)时间继电器瞬动触点和断电延时触点的处理。本设计的难点在于时间继电器KT的取代。图1中,时间继电器KT有一对瞬动触点和两对断电延时动作的触点,而FX2N-32MR可编程序控制器没有断电延时的定时器触点。对于瞬动触点的处理,可用—个内部继电器来取代,如图3梯形图中的M0,按SB3(X2)、SB4(X3),接通M0。而断电延时动作的触点,是松开SB3或SB4时才开始计时的,那么可以让M0的常闭点去控制内部定时器T0,而为了避免一开始,未按SB3或SB4时,T0也计时,该程序中巧妙地应用了内部继电器M1,M1则可以当作断电延时继电器使用。
(2)停止按钮、行程开关等常闭触点的处理。在继电器控制线路中,停止按钮、行程开关、热继电器等触点都是用常闭点,根据所画的I/O接线图,除热继电器外常闭触点都改为常开点。这样,相应的触点在梯形图中是常闭点,如图3中的X0、X1等。如果这类触点像继电器控制那样仍用常闭点,则在梯形图中的输入点就应用常开点。这样,一旦接通电源,相应的输入点就接通,有输入,常开点闭合。也就是说,这类触点我们在梯形图中看到的是常开的,但它却是闭合的,这样不合乎逻辑思维。
5.程序输入
(1)在断电状态下,连接好PC/PPI电缆。
(2)打开PLC的前盖,将运行模式的选择开关拨到STOP位置,此时PLC处于停止状态,可以进行程序编写。
(3)在作为编程器的PC上,运行MELSOFT系列GX-Developer编程软件。
(4)用菜单命令[工程]-[创新工程],生成一个新项目;或者用菜单命令[工程]-[打开工程],打开一个已有的项目,或者用菜单命令[工程]-[另存工程为],修改项目的名称。
(5)用菜单命令[工程]-[改变PLC类型],重新设置PLC的型号。
(6)用菜单命令[在线]-[传输设置],设置通信参数。
(7)编写Z3040摇臂钻床PLC程序。
6.系统调试
(1)用菜单命令[在线]-[PLC写入],下载程序文件到PLC。
(2)将PLC运行模式的选择开关拨到RUN位置,使PLC进入运行方式。
(3)按下启动按钮SB2,观察电动机M1是否启动,如果能,则说明主轴电动机程序正确。
(4)按下启动按钮SB作按钮SB4。
(6)按下SB5,观察KM4线圈得电,YV线圈不得电,如果能说明立柱和主轴箱松开程序正确。接下SB6,观察KM5线圈得电,YV线圈不得电,如果能,则说明立柱和主轴箱夹紧程序也正确。观察指示灯HL1、HL2灯是否满足要求。
(作者单位:浙江省杭州市萧山区技工学校)