I
摘 要
本设计是研究机械加工中常用的Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的改造问题,
旨在解决传统继电器—
接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难
题。由于PLC电气控制系统与继电器—
接触器电气控制系统相比，具有结构简单，编程方便，调试周期短，可靠性高，抗
干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低等一系列优点。因此，本设计对Z3040
摇臂钻床电气控制系统的改造，将把PLC控制技术应用到改造方案中去，从而大大
提高摇臂钻床的工作性能。论文分析了摇臂钻床的控制原理，制定了可编程序控制
器改造Z3040摇臂钻床电气控制系统的设计方案，完成了电气控制系统硬件和软件
的设计，其中包括PLC机型的选择、I/O端口的分配、I/O硬件接线图的绘制、PLC的
SFC图和梯形图程序的设计，由于没有实物，还进行了仿真电路设计。对PLC控制摇
臂钻床的工作过程作了详细阐述，论述了采用PLC取代传统继电器—
接触器电气控制系统从而提高机床工作性能的方法，给出了相应的控制原理图。
关键词：可编程控制器；摇臂钻床；电气控制系统；梯形图
II
目 录
1 绪论..................................................................1
1.1本设计的选题背景和意义 ...........................................1
1.2 国内外关于本课题的技术研究现状和发展状态 ........................2
2 Z3040摇臂钻床及传统电气控制原理分析...................................3
2.1 Z3040摇臂钻床简介 ...............................................3
2.2 Z3040摇臂钻床的结构及运动形式 ...................................3
2.2.1 Z3040摇臂钻床的结构��������������������3
2.2.2 摇臂钻床的运动形式 ��������������������4
2.3 Z3040传统控制线路原理分析 .......................................5
2.3.1主电路分析�������������������������6
2.3.2信号及照明电路分析���������������������7
2.3.3控制电路分析������������������������8
2.4联锁和保护环节 ..................................................13
2.4.1 联锁环节�������������������������13
2.4.2 保护环节�������������������������13
2.5 液压系统 .......................................................14
2.5.1操纵机构液压系统 ���������������������14
2.5.2 夹紧机构液压系统���������������������15
3 系统总体方案设计.....................................................16
4 基于PLC的Z3040电气控制系统硬件设计...................................17
4.1 PLC控制系统设计的基本原则 ......................................17
4.2 电气控制部分 ...................................................18
4.2.1 电气控制主电路����������������������18
4.2.2 电机控制�������������������������18
4.3 PLC的I/O端口分配表 .............................................19
4.4 基于PLC的Z3040摇臂钻床电气控制原理图设计 .......................20
4.5 主要电气元件选型 ...............................................22
4.5.1 PLC的型号选择 ����������������������22
4.5.2 电动机选型������������������������24
III
4.5.3 主令电器选型�����������������������24
4.5.4 继电器及选择�����������������������26
4.5.5 熔断器及选择�����������������������29
4.5.6 其他电器元件及选择��������������������30
5 元器件明细表.........................................................31
6 基于PLC的Z3040电气控制系统软件设计...................................31
6.1 程序SFC图 ......................................................32
6.2 梯形图 .........................................................32
6.3 指令表 .........................................................32
7系统调试..............................................................32
7.1 仿真电路设计 ...................................................32
7.2仿真调试 ........................................................33
8 结论.................................................................37
致谢...................................................................38
参考文献...............................................................39
1
1 绪论
1.1本设计的选题背景和意义
Z3040摇臂钻床是工厂中常用的金属切削机床，它可以进行多种形式的加工，如
：钻孔、镗孔、铰孔及螺纹等。从控制上讲，它需要机、电、液压等系统相互配合
使用，而且要进行时间控制。它的调速是通过三相交流异步电动机和变速箱来实现
的。也有的是采用多速异步电动机拖动，这样可以简化变速机构。摇臂钻床的主轴
旋转运动和进给运动由一台交流异步电动机拖动，主轴的正反向旋转运动是通过机
械转换实现的。故主电动机只有一个旋转方向。此外，摇臂的上升、下降和立柱的
夹紧、放松各由一台交流异步电动机拖动。
[1]
目前，我国的Z3040摇臂钻床的电气控制系统普遍采用的是传统的继电器—
接触器控制方式。因其所要控制的电机较多所以电路较复杂，在日常的生产作业当
中，经常发生电气故障，从而影响生产。另外，一些复杂的控制如：时间、计数控
制用继电器—
接触器控制方式较难实现，所以，有必要对传统电气控制系统进行改进设计。PLC电
气控制系统可以有效的弥补上述系统的这一缺陷。
可编程逻辑控制器（Programmable Logic
Controller）简称PLC，是从早期的继电器逻辑电气控制系统发展而来，它不断吸收
微型计算机控制技术，使之功能不断增强，逐渐适合复杂的电气控制系统。PLC之所
以有较强的生命力，在于它更加适应工业现场和市场要求。可靠性高，抗干扰能力
强、编程方便、价格低、寿命长。与单片机相比，它的输入/输出端更接近现场设备
，不需添加太多的中间部件，这样可以大大节省用户的开发时间与生产成本。
现在应用于各种工业控制领域的PLC种类繁多，规模大小和功能强弱千差万别，
但他们具有以下一些共同的特点。
可靠性高。可靠性是用户的首选要求，目前各厂家生产的PLC，平均无故障时间
都大大超过IEC规定的10万小时，例如：西门子、ABB、松下、三菱等微小型PLC，而
且都有完善的自诊断功能，判断故障迅速。
灵活组态。可编程控制器是系列化产品，通常采用模块化结构来完成不同的任
务组合。输入输出端口选择灵活，有多种机型，组合方便。
功能强大。除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算功能外，配合特殊功能
