【文章內容簡介】 太網聯(lián)網的網絡能力 ，強勁的內部集成功能 ，全面的故障診斷功能 ；模塊式結構 可用于各處性能的擴展 ，脈沖輸出晶閘管步進電機和直流電機 ；快速的指令處理大 大縮短了 循環(huán)周期 ，并采用了高速計數器 ，高速中斷處理可以分別響應過程事件 ， 3 Z3040 搖臂鉆床 PLC 控制系統(tǒng)設計 大幅度降低了成本。由于電氣控制系統(tǒng)的可靠性日益受到人們的重視 ，一些公司己 將自診斷技術、冗余技術、容錯技術廣泛應用到現有產品中 ，推出了高可靠性的冗 余系統(tǒng) ，并采用熱備用或并行工作、多數表決的工作方式。由于 PLC 的眾多優(yōu)點 ， 使其迅速在工業(yè)控制中得到推廣。雖然國內 PLC 技術的應用前景很大 ，并且取得 了一定的經濟效益 ，而相比之下 ，由于受經濟和技術水平的限制 ，大多數企業(yè)在生 產上使用的 Z3040 搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng) ，還是采用采用繼電器 —接觸器控制方 式 ，而這種控制方式存在著明顯的缺陷和隱患。極易發(fā)生故障。而且 ，由于線路復 雜 ，要想找到問題所在也相當的困難。和國外大量采用 PLC 技術替代繼電器 —接 觸器系統(tǒng)相比 ，我們還存在很大差距。 1998 年世界機床進口額中大部分是數控機床 ，美國進口機床的數控化率達 70， 我國為 60%。目前世界數控機床消費 趨勢已從初期以數控電加工機床、數控車床、 數控銑床為主轉向以加工中心、專用數控機床、成套設備為主。 國外數控機床的網絡化。 隨著計算機技術、網絡技術日益普遍運用 ，數控機床走向網絡化、集成化已 成為必然的趨勢和方向 ，互聯(lián)網進入制造工廠的車間只是時間的問題。從另一角度 來看 ，目前流行的 ERP 即工廠信息化對于制造業(yè)來說 ，僅僅局限于通常的管理部 門（人、財、物、產、供、銷 ）或設計、開發(fā)等等上層部分的信息化是遠遠不夠的 ， 工廠、車間的最底層加工設備 —— 數控機床不能夠連成網絡或信息化就必然成為制 造業(yè)工廠信息 化的制約瓶頸 ，所謂的 ERP 就比較 “ 虛 ” 沒有能夠真正地解決制造工 廠的最關鍵的問題。所以 ，對于面臨日益全球化競爭的現代制造工廠來說 ，{HotTag} 第一是要大大提高機床的數控化率 ，即數控機床必須達到起碼的數量或比例 ；第二 就是所擁有的數控機床必須具有雙向、高速的聯(lián)網通訊功能 ，以保證信息流在工廠、 車以 FANVC 和西門子為代表的數控系統(tǒng)生產廠商已在幾年前推出了具有網絡功能 的數控系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中 ，除了傳統(tǒng)的 RS232 接口外 ，還備有以太網接口 ，為 數控機床聯(lián)網提供了基本條件。由于國外企業(yè)的 發(fā)展水平 ，數控機床的網絡接口功 能被定義為用于遠程監(jiān)控、遠程診斷 [4]。 4 Z3040 搖臂鉆床 PLC 控制系統(tǒng)設計 機床改造的意義 數控系統(tǒng)的基本結構及作用 數控系統(tǒng) （CNC 系統(tǒng) ）是在存儲器內裝有可以實現部分或全部數控功能軟件的 專用計算機 ，并配有接口電路和伺服驅動裝置的系統(tǒng)。它由加工程序、輸入輸出設 備、計算機數控裝置、 可編程控制器 （PLC）、主軸控制單元及進給驅動裝置等組成。 、數控系統(tǒng)能進行處理的 工件加工程序。 2．輸入輸出設備是指能完成程序編輯、程序和數據輸入、顯示及打印等功能的 設備 ，包括 ：鍵盤、紙帶、紙帶閱讀機、磁帶、磁盤、 CRT 顯示器、編程機等。 3．計算機數控裝置是指能根據輸入的信息進行數值計算、邏輯判斷、軌跡插補 和輸入輸出控制的裝置 ，它是數控系統(tǒng)的核心部分。 4．可編程控制器是實現換刀、主軸起 （停 ）及變速、零件裝卸等輔助功能 （M、 S、 T）控制和處理的專用微機。 制器實現主軸定向停止的功能模塊組成。 ，經過數字信號向模擬信號轉 化后 ，使位置控制部分驅動進給軸按要求的坐標位置和進給速度進行控制 ，它分為 位置控制和速度控制兩個單元 ，數控機床對它的要求很高 ，因為它直接關系到加工 質量的高低。 數控裝置的結構 數控裝置由硬件和軟件共同組成 ，二者缺一不可。其硬件除具有通用計算機應 用的 CPU、存儲器、輸 入輸出接口外 ，還有數控機床專用的總線、位置控制器、紙 帶閱讀接口、手動數據輸入接口和 CRT 顯示器接口等。 正是由于 PLC 電氣控制系統(tǒng)的種種優(yōu)點 ,因此本次對 Z3040 搖臂鉆床的電氣控 制系統(tǒng)的改造 ,可以大大提高 Z3040 搖臂鉆床工作性能和系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性 ,為工業(yè) 生產的現代化帶來生機 ．同時 ，提高了 PLC 編程水平和實踐能力 ,為今后在實際工 作中熟練使用 PLC 進行工業(yè)系統(tǒng)的設計打好基礎。 近年來 ，由于經濟的迅速發(fā)展 ，數控搖臂鉆床在機械制造業(yè)上應用十分廣泛 ， 5 Z3040 搖臂鉆床 PLC 控制系統(tǒng)設計 因此迫切需要研究一臺多功能的數控機床 ，進行零部件設計制造。這對機床業(yè)乃至 機械制造業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。 機床數控化改造的意義 一般說來 ，控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性。 、曲面等復雜的零件。 ，而且是柔性自動化 ，效率可比傳統(tǒng)機床提高 3～ 7 倍。 ，尺寸分散度小 ，使裝配容易 ，不再需要工人 “修配 ”。 4.可實現多工序的集中 ，減少零件在機床間的頻繁搬運。 、自動監(jiān)控、自動補償等多種自律功能 ，因而可實現長時間無 人看管加工。 ，節(jié)省了勞動力 （一個人可以看管多臺 機床 ），減少了 工裝 ，縮短了新產品試制周期和生產周期 ，可對市場需求作出快速反應等等。 數 控技術現已經成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術 [5]。 機床數控化改造的市場 由于機床下游行業(yè)固定資產投資連續(xù)幾年 快速增長 ，國內機電產品市場需求年 均增長 30%，帶動了機床市場需求 30%以上的增長。從 2021 年開始 ，我國就成為 世界第一機床消費大國。 2021 年國產金屬切削機床年產量達到 萬臺、數控機 床產量 萬臺 ；2021 年前三季度 ，我國金屬切削機床和數控機床產量分別達到 萬臺和 萬臺。 我國的大多數制造行業(yè)和企業(yè)的生產、加工裝備大多數是傳統(tǒng)的機床 ，而且多 數是役齡在 10 年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產品普遍存在質量差、品 種少、檔次低、成 本高、供貨期長 ，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力 ，直接影 響到企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數控化率。 由于近幾年國內外數控系統(tǒng)的高速發(fā)展 ，使原來進口的高檔數控系統(tǒng)已不再滿 足日新月異的產品需求 ，迫切需要更換最新的數控系統(tǒng)及軟件。 我國自改革開放以來 ，很多企業(yè)從國外引進技術、設備和生產線進行技術改造。 在這些項目中 ，大部分項目為我國的經濟建設發(fā)揮了應有的作用。但是有的引進項 目由于種種原因 ，設備或生產線不能正常運轉 ，甚至癱瘓 ，使企業(yè)的效益受到影響 ， 嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設備、有 的生產線的產品銷路很好 ，但是因為設備故 6 Z3040 搖臂鉆床 PLC 控制系統(tǒng)設計 障不能達產達標 ；有的因為能耗高、產品合格率低而造成虧損 ；有的已引進較長時 間 ，需要進行技術更新。種種原因使有的設備不僅沒有創(chuàng)造財富 ，反而消耗著寶貴 財富 [6]。 這些不能使用的設備、生產線是個包袱 ，也是一批很大的存量資產 ，修好了就 是財富。只要找出主要的技術難點 ，解決關鍵技術問題 ，就可 以最小的投資盤活最 大的存量資產 ，爭取到最大的經濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。 由于機床數控技術的不斷進步 ，機床改造是個 永恒 的課題。我國的機床改造 業(yè) ，也已進入到以數控技術為主的新的行業(yè)。 機床數控化改造的主要形式 其一是恢復原功能 ，對機床、生產線存在的故障部分進行診斷并恢復 ； 其二是 NC 化 ，在普通機床上加數控系統(tǒng) ，改造成 NC 機床、 CNC 機床 ； 其三是翻新 ，為提高精度、效率和自動化程度 ，對機械、電氣部分進行翻新 ， 對機械部分重新裝配加工 ，恢復原精度 ；對其不滿足生產要求的 CNC 系統(tǒng)以最新 CNC 進行更新 ； 其四是技術更新或技術創(chuàng)新 ，為提高性能或檔次 ，或為了使用新工藝、新技術 ， 在原有基礎上進行較大規(guī)模的技術更新或技術創(chuàng)新 ，較大幅度地提高水平和檔次的 更新改造。 機床改造的優(yōu)缺點 、交貨期短。 ，改造費用低。特別是大型、特殊機床尤其明顯。一般大 型機床改造 ，只花新機床購置費用的 1/3，交貨期短。 ，結構受限。 、立柱等基礎件都是重而堅固的鑄造構件 ，而不是那種焊接構 件 ，改造后的機床性能高、質量好 ，可以作為新設備繼續(xù)使用多年。但是受到原來 機械結構的限制 ，不宜做突破性的改造。 、便于操作維修。 ，不了解新設備是否能滿足其工藝要求。改造則不然 ，可以精 確地計算出機床的加工能力 ；另外 ，由于多年使用 ，操作者對機床的特性早已了解 ， 在操作使用和維修方面培訓時間短 ，見效快。改造的機床一安裝好 ，就可以實現全 負荷運轉 [7]。 7 Z3040 搖臂鉆床 PLC 控制系統(tǒng)設計 第二章 Z3040 搖臂鉆床功能分析及電氣原理圖 Z3040 搖臂鉆床研究 鉆床是一種孔加工機床。可用來對工件進行鉆孔、擴孔、鉸孔、鐣孔和攻螺紋 等。它的形式很多 ，有立式鉆床、臺式鉆床、搖臂鉆床和專用鉆床等。在各類鉆床 中 ，搖臂鉆床應用的很廣泛 ，是一般機械加工行業(yè)常見的機床。 主軸箱可在搖臂上移動 ，并隨搖臂繞立柱回轉的 鉆床 （見圖 ）。搖臂還可沿立 柱上下移動 ，以適應加工不同高度的工件。較小的工件可安裝在工作臺上 ，較大的 工件可直接放在機床底座或地面上。搖臂鉆床廣泛應用于單件和中小批生產中 ，加 工體積和重量較大的工件的孔。搖臂鉆床加工范圍廣 ，可用來鉆削大型工件的各種 螺釘孔、螺紋底孔和油孔等。搖臂鉆床的主要變型有滑座式和萬向式兩種?；? 搖臂鉆床是將基型搖臂鉆床的底座改成滑座而成 ，滑座可沿床身導軌移動 ，以擴大 加工范圍 ，適用于鍋爐、橋梁、機車車輛和造船等行業(yè)。萬向搖臂鉆床的搖臂除可 作垂直和回轉運動外 ，并可作 水平移動 ，主軸箱可在搖臂上作傾斜調整 ，以適應工 件各部位的加工。此外 ，還有車式、壁式和數字控制搖臂鉆床。 圖 11 搖臂鉆床 8 Z3040 搖臂鉆床 PLC 控制系統(tǒng)設計 搖臂鉆床的主要結構 搖臂鉆床主要由底座、內立柱、外立柱、搖臂、主軸箱及工作臺等部分組成。 內立柱固定在底座的一端 ，在他的外面套有 外立柱 ，外立柱可繞內立柱回轉 360 度。 搖臂的一端為套筒 ，它套裝在外立柱做上下移動。由于絲桿與外立柱連成一體 ，而升 降螺母固定在搖臂上 ，因此搖臂不能繞外立柱轉動 ，只能與外立柱一起繞內立柱回轉。 主軸箱是一個復合部件 ，由主傳動電動機、主軸和主軸傳動機構、進給和變速機構、 機床的操作機構等部分組成。主軸箱安裝在搖臂的水平導軌上 ，可以通過手輪操作 ， 使其在水平導軌上沿搖臂移動 [8]。 搖臂鉆床的運動形式 當進行加工時 ，由特殊的加緊裝置將主軸箱緊固在搖臂導軌上 ，而外立柱緊固在 內立 柱上 ，搖臂緊固在外立柱上 ，然后進行鉆削加工。鉆削加工時 ，鉆頭一邊進行旋 轉切削 ，一邊進行縱向進給 ，其運動形式為 ： ； ； ：搖臂沿外立柱垂直移動 ，主軸箱沿搖臂長度方向的移動 ，搖臂與 外立柱一起繞內立柱的回轉運動。 搖臂鉆床電氣拖動特點及控制要求 ，為了簡化傳動裝置 ，采用多臺電動機拖動。例如 Z3040 型搖臂鉆床采用 4 臺電動機拖動 ，他們分別是主軸電動機 ，搖臂升降電動機 ， 液壓泵電動機和冷卻泵電動機 ，這些電動機都采用直接啟動方式。 ，搖臂鉆床主軸的旋轉及進給運動有較大的調 速范圍 ，一般情況下多由機械變速機構實現。主軸變速機構與進給變速機構均裝在 主軸箱內。 ，為此這兩項運動有一臺主軸 電動機拖動 ，分別經主軸傳動機構 ，進給傳動機構實現主軸的旋轉和進給。 ，要求主軸能正反轉。搖臂鉆床主軸正反轉一般采用機械方法 實現。因此主軸電動機僅需要單向旋轉。 向旋轉。 、主軸與搖臂的夾緊與放松可用機械操作、電氣 —機 9 Z3040 搖臂鉆床 PLC 控制系統(tǒng)設計 械裝置 ，電氣 —液壓或電氣 —液壓 —機械等控制方法實現。若采用液壓裝置 ，則備 有液壓泵電機 ，拖動液壓泵提供壓力油來實現 ，液壓泵電機要求能正反向旋轉 ，并 根據要求采用點動控制。 → 移動 → 搖臂夾緊的程序進行。因此搖臂的夾