金屬切削加工機(jī)床的種類很多，其中，車床、銑床、刨床、磨床是最常見的機(jī)床。近年來組合機(jī)床也漸漸多起來，較先進(jìn)的金屬加工機(jī)床是工作母機(jī)，也叫機(jī)械加工中心。長(zhǎng)期以來，金屬切削加工機(jī)床多采用繼電接觸器電路實(shí)現(xiàn)電氣控制。其實(shí)，這類機(jī)械的電氣控制主要以邏輯控制為主，這正是可編程控制器工作的強(qiáng)項(xiàng)。因此，PLC在機(jī)械加工機(jī)床的電氣控制領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，不但更多的新品機(jī)床開始采用PLC作為主要控制設(shè)備，而且舊的機(jī)床電路也開始用PLC實(shí)現(xiàn)電氣改造。

    一、Z3040搖臂鉆床電器設(shè)備的分布及分工

    搖臂鉆床利用旋轉(zhuǎn)的鉆頭對(duì)工件進(jìn)行加工，它由底座、內(nèi)外立柱、搖臂、主軸箱和工作臺(tái)構(gòu)成。主軸箱固定在搖臂上，可以沿?fù)u臂徑向運(yùn)動(dòng)。搖臂借助于絲桿，可以作升降運(yùn)動(dòng)，也可以與外立柱固定在一起，沿內(nèi)立柱旋轉(zhuǎn)。鉆削加工時(shí)，通過夾緊裝置，主軸箱緊固在搖臂上，搖臂緊固在外立柱上，外立柱緊固在內(nèi)立柱上。Z3040搖臂鉆床的結(jié)構(gòu)圖如圖7-1所示。

    圖7-1    Z3040搖臂鉆床結(jié)構(gòu)圖

    機(jī)械加工機(jī)床的加工運(yùn)動(dòng)往往是機(jī)械與電氣配合實(shí)現(xiàn)的。在討論電氣電路之前需弄清電器的設(shè)置及電器控制的分工。Z3040搖臂鉆床設(shè)有4臺(tái)電動(dòng)機(jī)，即主軸電動(dòng)機(jī)、冷卻泵電動(dòng)機(jī)、搖臂升降電動(dòng)機(jī)及液壓泵電動(dòng)機(jī)。主軸電動(dòng)機(jī)提供主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力，是鉆床加工主運(yùn)動(dòng)動(dòng)力源。主軸應(yīng)具有正反轉(zhuǎn)功能，但主軸電動(dòng)機(jī)只有正轉(zhuǎn)工作模式，反轉(zhuǎn)由機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)。冷卻泵電動(dòng)機(jī)用于提供冷卻液，只需正轉(zhuǎn)。搖臂升降電動(dòng)機(jī)提供搖臂升降的動(dòng)力，需正反轉(zhuǎn)。液壓泵電動(dòng)機(jī)提供液壓油，用于搖臂、立柱和主軸箱的夾緊和松開，也需要正反轉(zhuǎn)。

    Z3040搖臂鉆床的操作主要通過手輪及按鈕實(shí)現(xiàn)。手輪用于主軸箱在搖臂上的移動(dòng)，這是手動(dòng)的。按鈕用于主軸的啟動(dòng)停止、搖臂的上升下降、立柱主軸箱的放松及夾緊等操作，再配合限位開關(guān)完成機(jī)床調(diào)節(jié)的各種動(dòng)作。

    Z3040搖臂鉆床的電氣元件表如表7-1所示。

    表7-1    Z3040搖臂鉆床電氣元件表

    二、Z3040搖臂鉆床繼電器原理圖解讀

    在討論Z3040搖臂鉆床的PLC控制方案前，仔細(xì)解讀它的繼電接觸器電路圖是有益的。Z3040搖臂鉆床以繼電接觸器構(gòu)成的電氣原理圖如圖7-2所示。

    圖7-2中，380V交流電源經(jīng)手動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)QS1，進(jìn)入電動(dòng)機(jī)主電路和控制電路的電源變壓器TC。主軸電動(dòng)機(jī)M1由接觸器KM1控制；搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2由接觸器KM2和KM3控制；液壓電動(dòng)機(jī)M3由接觸器KM4和KM5控制；冷卻泵電動(dòng)機(jī)M4功率較小，由組合開關(guān)QS2手動(dòng)控制。機(jī)床操作情況如下：

    (1)按下主軸啟動(dòng)按鈕SB2，接觸器KM1得電吸合且自保持，主軸電動(dòng)機(jī)M1運(yùn)轉(zhuǎn)。按下停止按鈕SB1，主軸電動(dòng)機(jī)停止。

    (2)需要搖臂上升時(shí)，按下?lián)u臂上升按鈕SB3，時(shí)間繼電器KT得電，其瞬動(dòng)觸頭和瞬時(shí)閉合延時(shí)打開的動(dòng)合觸頭使接觸器KM4和電磁閥YA動(dòng)作，液壓電動(dòng)機(jī)M3啟動(dòng)，液壓油進(jìn)入搖臂裝置的油缸，使搖臂松開。待完全松開后，行程開關(guān)SQ2動(dòng)作，其動(dòng)斷觸頭斷開使接觸器KM4斷電釋放，液壓電動(dòng)機(jī)M3停止運(yùn)轉(zhuǎn)，其動(dòng)合觸頭接通使接觸器KM2得電吸合，搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2正向啟動(dòng)，帶動(dòng)搖臂上升。

    上升到所需的位置后，松開上升按鈕SB3，時(shí)間繼電器KT和接觸器KM2斷電釋放，搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2停止運(yùn)轉(zhuǎn)，搖臂停止上升。延時(shí)1～3 s后，時(shí)間繼電器KT的動(dòng)斷觸頭閉合，動(dòng)合觸頭斷開，但由于夾緊到位行程開關(guān)SQ3動(dòng)斷觸頭處于導(dǎo)通狀態(tài)，故YA繼續(xù)處于吸合狀態(tài)，接觸器KM5吸合，液壓電動(dòng)機(jī)M3反向啟動(dòng)，向夾緊裝置油缸中反向注油，使夾緊裝置動(dòng)作。夾緊完畢后，行程開關(guān)SQ3動(dòng)作，接觸器KM5斷電釋放，液壓電動(dòng)機(jī)M3停止運(yùn)轉(zhuǎn)，電磁閥YA斷電。

    時(shí)間繼電器KT的作用是適應(yīng)SB3松開到搖臂停止上升之間的慣性時(shí)間，避免搖臂慣性上升中突然夾緊。

    (3)需要搖臂下降時(shí)，按下?lián)u臂下降按鈕SB4，動(dòng)作過程與搖臂上升時(shí)相似。

    (4)立柱和主軸箱同時(shí)夾緊和同時(shí)松開。按下立柱和主軸箱松開按鈕SB5，接觸器KM4得電吸合，液壓電動(dòng)機(jī)M3正向啟動(dòng)。由于電磁閥YA沒有得電，處于釋放狀態(tài)，因此液壓油經(jīng)2位6通閥分配至立柱和主軸箱松開油缸，立柱和主軸箱夾緊裝置松開。

    按下立柱和主軸箱夾緊按鈕SB6，接觸器KM5得電吸合，M3反向啟動(dòng)，液壓油分配至立柱和主軸箱夾緊油缸，立柱和主軸箱夾緊裝置夾緊。

    (5)搖臂升降限位保護(hù)是靠上、下限位開關(guān)SQIU和SQID實(shí)現(xiàn)的。上升到極限位置后，SQIU動(dòng)斷觸頭斷開，搖臂自動(dòng)夾緊，與松開上升按鈕SB3動(dòng)作相同；下降到極限位置后，SQID動(dòng)斷觸頭斷開，搖臂自動(dòng)夾緊，與松開下降按鈕SB4動(dòng)作相同。

    圖7-2  Z3040搖臂鉆床電氣原理圖

    三、Z3040搖臂鉆床的PLC控制方案

    1．機(jī)型選擇及硬件連接

    采用可編程控制器的Z3040搖臂鉆床的操作及功能應(yīng)與采用繼電接觸器電路時(shí)完全一致。機(jī)床原配的按鈕、限位開關(guān)、變壓器、指示燈、熱繼電器、接觸器等電器均需保留。作為主要操作器件的按鈕及限位開關(guān)要接入PLC的輸入口，每個(gè)（組）觸點(diǎn)占用一個(gè)輸入口。作為主要執(zhí)行器件的接觸器及電磁閥線圈要接入PLC的輸出口，每個(gè)（組）線圈也要占用一個(gè)輸出口。指示燈按理也需接入輸出口，但如控制觸點(diǎn)在硬件連接上與其他控制功能不沖突，不接入PLC也是可以的。本次采用不接入方案。熱繼電器也有接入PLC與不接入PLC兩種方案。不接入PLC時(shí)，可直接將熱繼電器的觸點(diǎn)和相關(guān)接觸器的線圈串起來。接入輸入口時(shí)，則需通過程序設(shè)置熱繼電器的控制功能。本次熱繼電器也采用機(jī)外連接方案。此外，原電路中接觸器KM2與KM3、KM4與KM5之間均設(shè)有互鎖觸點(diǎn)，考慮到硬件互鎖比軟件互鎖更可靠，它們的互鎖也設(shè)在機(jī)外進(jìn)行。

    清點(diǎn)Z3040型搖臂鉆床需接入PLC的輸入/輸出器件后，確定需14個(gè)輸入口及6個(gè)輸出口，據(jù)此選用西門子S7-200系列CPU224AC/DC/RELAY。這是一種具有14個(gè)輸入口及10個(gè)輸出口的PLC，輸出口為繼電器型，它的主要性能完全滿足鉆床的工作需要。

    系統(tǒng)的硬件連接如圖7-3所示，各端口的標(biāo)號(hào)都標(biāo)在了圖上。選用定時(shí)器T37代替原電路中的KT，另為編程需要還選了Ml0.0及Ml0.1兩個(gè)輔助繼電器。

    圖7-3    搖臂鉆床PLC接線圖

    2．Z3040搖臂鉆床的PLC程序編制

    Z3040搖臂鉆床的PLC程序以梯形圖語言設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方法為參照繼電器原理圖在保持原有控制邏輯基礎(chǔ)上改繪。在繼電接觸器電路中，由于器件的觸點(diǎn)有限，往往一個(gè)觸點(diǎn)具有較多的功能，體現(xiàn)在電氣原理圖上往往是一些觸點(diǎn)接有復(fù)雜的觸點(diǎn)及線圈的組厶。圖7-2中SB3與SQIU串聯(lián)及SB4與SQID串聯(lián)再并聯(lián)的區(qū)域之后連接著復(fù)雜的觸點(diǎn)及線圈組合。這樣的區(qū)域在改繪為梯形圖時(shí)將十分不便。這時(shí)可以發(fā)揮PLC具有許多輔助繼電器的特點(diǎn)，將繼電接觸器電路中的一些觸點(diǎn)區(qū)域的功能用輔助繼電器代替，經(jīng)這樣的簡(jiǎn)化處理，最后一般都能得到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的梯形圖。在進(jìn)行繼電接觸器電路圖向梯形圖轉(zhuǎn)化時(shí)還需注意實(shí)際電器與PLC模擬電器功能上的差異，如圖中時(shí)間繼電器KT是具有瞬動(dòng)觸點(diǎn)的而PLC的定時(shí)器不具有這種功能，這時(shí)可用與定時(shí)器并聯(lián)的輔助繼電器觸點(diǎn)代替。設(shè)計(jì)并調(diào)試成功的Z3040型搖臂鉆床PLC控制程序如圖7-4所示。圖7-4中輔助繼電器M10.0的觸點(diǎn)即可用來表示SB3與SQIU串聯(lián)及SB4與SQID串聯(lián)再并聯(lián)區(qū)域的邏輯狀態(tài)以及圖7-2中時(shí)間繼電器KT的瞬動(dòng)觸點(diǎn)。

    圖7-4    搖臂鉆床梯形圖