任务实施：摇臂升降电机控制与保护方法详解

1.任务分析

1)主轴电机控制线路分析

(1)主电路分析:主轴电机M1 由接触器KM1 控制，为单方向旋转，并由热继电器FR1 做电机长期过载保护。主轴的正、反转则由机床液压系统操纵机构配合正、反转摩擦离合器实现。

(2)控制电路分析:停止按钮SB1、主轴启动按钮SB2 与KM1 构成主轴电机的单方向启动—停止控制电路。按下SB2→KM1 线圈通电并自锁→M1 启动；按下SB1→KM1 线圈断电→M1 自由停车。

2)摇臂升降及夹紧、放松控制

(1)主电路分析。

摇臂升降电机M2 由正、反转接触器KM2、KM3 控制实现正、反转。液压泵电机M3 由正、反转接触器KM4、KM5 控制，实现电机的正、反转，拖动双向液压泵，送出压力油，经二位六通阀送至摇臂夹紧机构实现夹紧与松开。

(2)控制电路分析。

控制电路保证在操纵摇臂升降时，首先使液压泵电机M3 正向启动旋转，送出压力油，经液压系统将摇臂松开，然后才使电机M2 启动，拖动摇臂上升或下降，当移动到位后，控制电路又保证M2 先停下，再自动使M3 反向启动，通过液压系统将摇臂夹紧，最后M3 停转。M2 为短时工作，不用设过载保护。M3 由接触器KM4、KM5 实现正、反转控制，并有热继电器FR2 做长期过载保护。

摇臂上升控制:按下摇臂上升点动按钮SB3，时间继电器KT 线圈通电，瞬动常开触头KT 闭合，接触器KM4 线圈通电，液压泵电机M3 正向启动旋转，拖动液压泵送出压力油，经二位六通阀进入摇臂夹紧机构的松开油腔，推动活塞和菱形块，将摇臂松开。同时KT 的断电延时的常闭触点K 闭合，电磁阀YV 线圈通电。同时，活塞杆通过弹簧片压上行程开关SQ2，发出摇臂松开信号，即常闭触头SQ2 (6－13)断开，常开触头SQ2 (6－7)闭合，前者断开KM4 线圈电路，液压泵电机停止旋转，液压泵停止供油，摇臂维持在松开状态；后者接通KM2 线圈电路，使KM2 线圈通电，摇臂升降电机M2 正向启动旋转，拖动摇臂上升。行程开关SQ2 是用来反映摇臂是否松开且发出松开信号的元件。

当摇臂上升到所需位置时，松开SB3，KM2 与KT 线圈同时断电，摇臂停止上升。而KT 线圈断电，其断电延时闭合触头KT (17－18)经延时1 ～3 s后才闭合，断电延时断开触头KT (1－17)经延时后才断开。在KT 断电延时的1 ～3 s时间内KM5 线圈仍处于断电状态，这段延时就确保了摇臂升降电机在断开电源后到完全停止运转才开始摇臂的夹紧动作。所以，时间继电器KT 延时长短是根据电机M2 切断电源到完全停止的惯性大小来调整的。

当时间继电器KT 断电延时时间到，断电延时闭合触头KT (17－18)闭合，断电延时断开触头KT (1－17)断开，KM5 线圈通电吸合，液压泵电机M3 反向启动，拖动液压泵，供出压力油，这时压力油经二位六通阀进入摇臂夹紧油腔，反向推动活塞和菱形块，将摇臂夹紧。同时，活塞杆通过弹簧片压下行程开关SQ3，使触头SQ3 (1－17)断开，KM5 线圈及电磁阀YV 线圈断电，M3 停止旋转，摇臂夹紧完成。SQ3 为摇臂夹紧信号开关。

摇臂升降的极限保护由行程开关SQ1 来实现。SQ1 有两对常闭触头，分别接于KM2 和KM3 电路，当摇臂上升或下降到极限位置时，相应触头断开，切断对应上升或下降接触器KM2 与KM3 电路，使M2 停止旋转，摇臂停止移动，实现极限位置的保护。摇臂自动夹紧程度由行程开关SQ3 控制。若夹紧机构液压系统出现故障不能夹紧，则将使触头SQ3 (1－17)断不开，或者由于SQ3 开关安装调整不当，摇臂夹紧后仍不能压下SQ3，KM5 不能断电，会使M3 长期处于过载状态，易将电机烧毁。为此，M3 主电路采用热继电器FR2 做过载保护。摇臂下降过程和上升情况类似，由下降启动按钮SB4 和下降接触器KM3 实现控制。

3)主轴箱与立柱的夹紧与放松控制

主轴箱的夹紧与松开和立柱的夹紧与松开是同时进行的，均采用液压机构控制。工作过程如下:

按下松开按钮SB5，接触器KM4 线圈通电，液压泵电机M3 正转，拖动液压泵送出压力油，这时电磁阀YV 线圈处于断电状态，压力油经二位六通阀进入主轴箱与立柱松开油腔，推动活塞和菱形块，使主轴箱与立柱松开。而由于YV 线圈断电，压力油不会进入摇臂松开油腔，摇臂仍处于夹紧状态。当主轴箱与立柱松开时，可以手动操作主轴箱在摇臂的水平导轨上移动，也可推动摇臂使外立柱绕内立柱做回转移动，当移动到位，按下夹紧按钮SB6，接触器KM5 线圈通电，M3 反转，拖动液压泵送出压力油至夹紧油腔，使主轴箱与立柱夹紧。(www.xing528.com)

4)冷却泵电机M4 的控制

冷却泵电机M4 容量小，仅为0.125 kW，由组合开关SA1 直接控制单向启动和停车。

5)照明电路与保护环节

照明灯EL 由控制变压器T 供给24 V 安全电压，经开关SA2 操作实现钻床局部照明，其他6 V 电压的照明如主轴电机运行指示灯电路、立柱放松与夹紧指示灯电路，图7－7 的控制电路没有绘制出。

此电路具有完善的联锁、保护环节:行程开关SQ2 实现摇臂松开到位与开始升降的联锁，行程开关SQ3 实现摇臂完全夹紧与液压泵电机M3 停止旋转的联锁。时间继电器KT 实现摇臂升降电机M2 断开电源待惯性旋转停止后再进行摇臂夹紧的联锁。摇臂升降电机M2正、反转具有双重互锁。SB5 与SB6 常闭触头接入电磁阀YV 线圈电路实现主轴箱与立柱夹紧、松开操作时，压力油不进入摇臂夹紧油腔的联锁。熔断器FU1 为总电路和电机M1、M4的短路保护。熔断器FU2 为电机M2、M3 及控制变压器T 一次侧的短路保护。熔断器FU3、FU4 为照明电路的短路保护，熔断器FU5 为控制电路的短路保护。热继电器FR1、FR2 为电机M1、M3 的长期过载保护。限位开关SQ1－1 和SQ1－2 为摇臂上升、下降的极限位置保护。带自锁触头的启动按钮与相应接触器实现电机的欠电压、失电压保护。

2.确定PLC 的变量

根据摇臂钻床控制电路中涉及的按钮及行程开关等确定PLC 的输入量，根据电路中涉及的接触器、电磁阀等控制对象确定PLC 的输出量。PLC 变量表如图7－10所示，图中除了输入、输出的变量外，还增加了两个位存储器变量M0.0 和M0.1，作为系统启动标志位和中间状态的临时存储位，PLC 外部接线图与前文电机正反转的外部接线图类似，不再重复绘制。

图7-10　PLC 变量表

3.程序设计与调试

Z3040 摇臂钻床的PLC 程序如图7－11所示。按下总启动按钮SB0，I0.0 常开触点接通，启动标志位M0.0 线圈通电，其程序中所有的M0.0 常开触点闭合。按下主轴启动按钮SB2 ，Q0.0 线圈接通，主轴电机启动，按下主轴停止按钮SB1，电机停止。按下摇臂上升按钮SB3，临时标志位M0.1 线圈接通，同时T1 关断延时定时器也接通，Q0.5 线圈接通，电磁阀通电，接通摇臂放松和夹紧的油路，同时Q0.3 线圈接通，KM4 线圈接通，液压泵电机正转实现摇臂的放松。放松到位后，SQ2 放松限位开关动作，I1.2 常闭触点断开，Q0.3断开，放松停止，同时I1.2 常开触点闭合，Q0.1 接通，摇臂上升，在上升到目标位置后，松开上升按钮SB3，M0.1 断开，T1 定时器开始断电延时，Q0.1 断电，摇臂停止上升。断电延时时间到，T1 定时器常闭触点闭合，Q0.4 接通，KM5 通电，液压泵电机反转实现摇臂的夹紧，夹紧到位后，夹紧限位开关SQ3 动作，I1.3 常闭触点断开，Q0.4 断开，液压泵电机停止，摇臂停止夹紧。按下摇臂下降按钮SB4 的过程与上升情况类似。为了实现上升和下降的联锁保护，把I0.3 和I0.4 的常闭触点串在对应的程序线路中，把Q0.1 和Q0.2 的常闭触点也串在对应的程序线路中。当按下主轴箱与立柱的松开按钮SB5，I0.5 常开触点接通，I0.5 常闭触点断开，此时Q0.5 断电，电磁阀处于断电状态，接通电磁换向阀，接通主轴箱与立柱的放松和夹紧油路，Q0.3 接通，液压泵电机正转实现主轴箱与立柱的放松，这时可进行人工移动主轴箱和立柱，到达目的地后，按下夹紧按钮SB6，I0.6 常开触点接通，Q0.4接通，KM5 通电，液压泵电机反转实现主轴箱与立柱的夹紧。

图7-11　Z3040 摇臂钻床的PLC 控制程序

图7-11　Z3040 摇臂钻床PLC 控制程序(续)

打开仿真软件S7－PLCSIM 生成IB0、QB0 的SIM 表。单击对应的按钮I，观察输出Q的输出状态，若调试结果与原控制要求一致，则说明调试成功，完成任务。请读者自行仿真并查看运行结果。