搖臂鉆床電氣控制系統改造設計

李 紅，任雪鴻

（西安鐵路職業技術學院機電工程系，西安 710014）

搖臂鉆床電氣控制系統改造設計

李 紅，任雪鴻

（西安鐵路職業技術學院機電工程系，西安 710014）

采用西門子LOGO！和通用變頻器重新設計了搖臂鉆床電氣控制系統。完成了控制模塊選型、地址分配和硬件接線圖設計等控制系統硬件設計及主軸轉速和邏輯控制軟件設計。與傳統繼電器-接觸器控制系統比較，具有可靠性高、接線簡化、維護方便等優點。

西門子LOGO！；搖臂鉆床；變頻器

搖臂鉆床是一種通用加工機床，主要應用于大型零件鉆孔、擴孔、鉸孔和攻螺紋等，增加輔助設備，還可以進行鏜孔。傳統機床采用繼電器控制系統，控制線路觸點多、接線復雜，故障率較高，維修不便，影響正常生產和加工質量。基于PLC的控制系統，可有效簡化控制系統，卻成本較高。采用西門子LOGO！和通用變頻器控制搖臂鉆床可大大減少繼電器等硬件邏輯元件，簡化接線、便于維護，較好地實現了機床的控制要求。

1 搖臂鉆床運動形式及電氣控制線路分析

以Z3050為例，搖臂鉆床主要由底座、立柱（內、外）、主軸箱、搖臂、工作臺等部分組成［1］。

搖臂鉆床的切削工作由三種運動完成，即主軸的旋轉運動和主軸的進給運動，以及機床的輔助運動。輔助運動包含：

①搖臂沿外立柱的移動（垂直）；

②主軸箱沿搖臂的移動（水平）；

③搖臂及外立柱繞內立柱的運動（回轉）。

Z3050電氣控制系統采用4臺電動機拖動，電氣控制方案如下：

M1：主軸電動機，直接啟動；為滿足加工需求，主軸的旋轉運動需有較大的調速范圍，由機械變速裝置實現；螺紋加工要求主軸能正反轉，由液壓系統操縱結構配合摩擦離合器實現，主軸電機單向運轉。

M2∶搖臂升降電機，直接啟動，正反轉控制；搖臂的運動嚴格按照放松→上升/下降→夾緊進行。

M3∶ 液壓泵電機，實現內外立柱、主軸與搖臂的夾緊與放松，直接啟動，正反轉控制，點動運行；

M4：冷卻泵電動機，單向直接起動。

傳統機床采用繼電器控制系統，觸點多、控制線路接線復雜，故障率較高；為此采用西門子LOGO智能邏輯控制器及通用變頻器對傳統控制系統進行改造，實現了搖臂鉆床運動控制要求。

2 智能邏輯控制器LOGO！選用及控制系統構建

LOGO！是西門子研發的一種智能邏輯控制器。通過集成的8種基本功能和31種特殊功能，從計數器、時間繼電器到接觸器，LOGO！可替代數以百計的開關電器，方便地搭建各種機電控制電路。同時其輸出繼電器的電流驅動能力高達10A。主機集成8個數字量輸入（包括2路AI 在12/24V DC狀態下）和4路數字量輸出，還可選配擴展模塊，增設輸入/輸出控制點。

2.1 智能控制器模塊選配及地址分配

基于Z3050搖臂鉆床電氣控制線路分析，查閱 LOGO！智能邏輯控制器技術手冊，選擇：

①LOGO！CPU 模塊（基本型）12/24RC

供電電壓：12V/24V DC

輸入：8路數字量

輸出：4個繼電器（10A）

②LOGO！擴展模塊DM16 24R

供電電壓：24V DC

輸入：8路數字量

輸出：4個繼電器（5A）

各控制信號對應的輸入/輸出點分配如表1：

表1 I/O分配表

2.2 主軸運動控制策略及實現

選用DC24V穩壓電源，作為改造后的Z3050控制系統的供電電源，各控制按鈕、各輸出接觸器、狀態指示燈等均采用DC24V工作電壓。Z3050主軸電動機M1選用Y100L1-4三相異步電動機，選擇通用變頻器三菱FR-A520對其進行運動控制。LOGO！各輸出端子（Q1、Q2、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14）與變頻器相應端子的連接如下圖示：

——LOGO！擴展模塊DM16 24R輸出端子Q13與變頻器AU端子連接，設定變頻器控制信號為直流信號；

——LOGO！模塊輸出公共端與變頻器公共端SD連接；

——LOGO！輸出端子Q1、Q2輸出的正、反轉控制信號分別接至變頻器正/反轉啟動端子STF/ STR；

——主軸停止SB3常開觸頭與變頻器MRS端子相連，實現制動功能；

——LOGO！輸出端子Q10、Q11、Q12輸出的主軸轉速控制信號接至變頻器的多段速度選擇端子RH、RM、RL，并通過設定變頻器基本功能參數Pr.4（3速設定-高速）、Pr.5（3速設定-中速）、Pr.6 （3速設定-低速）及擴展功能參數Pr.24- Pr.27（多段速度設定4速、5速、6速、7速），實現主軸轉速7速控制。

表2 主軸7級速度選擇與變頻器信號輸入、功能參數之間對應關系

——LOGO！輸出端子Q14與變頻器CS端子連接，通過設定變頻器擴展功能參數Pr.232—Pr.239，可以實現主軸最高15級調速控制。電路設計充分考慮短路、過載等必要保護。

圖1 西門子LOGO！的輸入/輸出及主軸控制接線圖

2.3 控制程序編制

Z3050機床控制程序的編制借助LOGO編程軟件（LOGO！ SOFT Comfort）V6.0.17。該編程軟件可以通過梯形圖或功能塊圖來設計程序邏輯，不僅兩種編程方式可轉換，還可在個人電腦上通過軟件進行控制程序的設計，并進行仿真操作，以便在實際調試前完善邏輯控制功能實施過程中，將Z3050電氣控制系統分為主軸運動（起/停、轉向）、主軸轉速、搖臂升降、夾緊/與松開等控制環節，借鑒搖臂鉆床電氣控制線路間的邏輯關系，分別設計梯形圖控制邏輯，然后集零為整，經修改優化，并借助編程軟件在線測試功能，對所編程序在線監控，最終設計出符合整體控制要求的邏輯圖。下圖為主軸控制邏輯圖。

圖2 主軸控制邏輯圖

4 結束語

采用LOCO！ 智能邏輯控制器及通用變頻器，對搖臂鉆床傳統控制系統進行改造，兩者均為DIN導軌安裝，配線少，方便易行；在PC機上快速地編寫和測試用戶程序；還可借助LOCO！模塊面板及變頻器面板指示信息，進行故障判斷，故障排除也得以簡化，有效地簡化了維護工作，節省維護費用。

［1］代禮前.電機與電氣控制［M］.北京：中國鐵道出版社，2012（02）.

［2］陳浩.案例解說-西門子LOGO！與變頻器的綜合應用［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［3］熊軼娜，林章輝，許文斌.基于PLC的搖臂鉆床電控系統改造［J］.組合機床與自動化加工技術，2010（04）：93-95.

［4］陳浩.圖解西門子LOGO！應用技術［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［5］陳浩.案例解說PLC、觸摸屏及變頻器的應用［M］.北京：中國電力出版社，2007.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.038

李紅（1968-），女，碩士研究生，講師，主要研究方向：機電一體化技術。