金屬切削加工機床的種類很多，其中，車床、銑床、刨床、磨床是最常見的機床。近年來組合機床也漸漸多起來，較先進的金屬加工機床是工作母機，也叫機械加工中心。長期以來，金屬切削加工機床多采用繼電接觸器電路實現電氣控制。其實，這類機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項。因此，PLC在機械加工機床的電氣控制領域得到了越來越廣泛的應用，不但更多的新品機床開始采用PLC作為主要控制設備，而且舊的機床電路也開始用PLC實現電氣改造。

    一、Z3040搖臂鉆床電器設備的分布及分工

    搖臂鉆床利用旋轉的鉆頭對工件進行加工，它由底座、內外立柱、搖臂、主軸箱和工作臺構成。主軸箱固定在搖臂上，可以沿搖臂徑向運動。搖臂借助于絲桿，可以作升降運動，也可以與外立柱固定在一起，沿內立柱旋轉。鉆削加工時，通過夾緊裝置，主軸箱緊固在搖臂上，搖臂緊固在外立柱上，外立柱緊固在內立柱上。Z3040搖臂鉆床的結構圖如圖7-1所示。

    圖7-1    Z3040搖臂鉆床結構圖

    機械加工機床的加工運動往往是機械與電氣配合實現的。在討論電氣電路之前需弄清電器的設置及電器控制的分工。Z3040搖臂鉆床設有4臺電動機，即主軸電動機、冷卻泵電動機、搖臂升降電動機及液壓泵電動機。主軸電動機提供主軸轉動的動力，是鉆床加工主運動動力源。主軸應具有正反轉功能，但主軸電動機只有正轉工作模式，反轉由機械方法實現。冷卻泵電動機用于提供冷卻液，只需正轉。搖臂升降電動機提供搖臂升降的動力，需正反轉。液壓泵電動機提供液壓油，用于搖臂、立柱和主軸箱的夾緊和松開，也需要正反轉。

    Z3040搖臂鉆床的操作主要通過手輪及按鈕實現。手輪用于主軸箱在搖臂上的移動，這是手動的。按鈕用于主軸的啟動停止、搖臂的上升下降、立柱主軸箱的放松及夾緊等操作，再配合限位開關完成機床調節的各種動作。

    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成的電氣原理圖如圖7-2所示。

    圖7-2中，380V交流電源經手動轉換開關QS1，進入電動機主電路和控制電路的電源變壓器TC。主軸電動機M1由接觸器KM1控制；搖臂升降電動機M2由接觸器KM2和KM3控制；液壓電動機M3由接觸器KM4和KM5控制；冷卻泵電動機M4功率較小，由組合開關QS2手動控制。機床操作情況如下：

    (1)按下主軸啟動按鈕SB2，接觸器KM1得電吸合且自保持，主軸電動機M1運轉。按下停止按鈕SB1，主軸電動機停止。

    (2)需要搖臂上升時，按下搖臂上升按鈕SB3，時間繼電器KT得電，其瞬動觸頭和瞬時閉合延時打開的動合觸頭使接觸器KM4和電磁閥YA動作，液壓電動機M3啟動，液壓油進入搖臂裝置的油缸，使搖臂松開。待完全松開后，行程開關SQ2動作，其動斷觸頭斷開使接觸器KM4斷電釋放，液壓電動機M3停止運轉，其動合觸頭接通使接觸器KM2得電吸合，搖臂升降電動機M2正向啟動，帶動搖臂上升。

    上升到所需的位置后，松開上升按鈕SB3，時間繼電器KT和接觸器KM2斷電釋放，搖臂升降電動機M2停止運轉，搖臂停止上升。延時1～3 s后，時間繼電器KT的動斷觸頭閉合，動合觸頭斷開，但由于夾緊到位行程開關SQ3動斷觸頭處于導通狀態，故YA繼續處于吸合狀態，接觸器KM5吸合，液壓電動機M3反向啟動，向夾緊裝置油缸中反向注油，使夾緊裝置動作。夾緊完畢后，行程開關SQ3動作，接觸器KM5斷電釋放，液壓電動機M3停止運轉，電磁閥YA斷電。

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

    (3)需要搖臂下降時，按下搖臂下降按鈕SB4，動作過程與搖臂上升時相似。

    (4)立柱和主軸箱同時夾緊和同時松開。按下立柱和主軸箱松開按鈕SB5，接觸器KM4得電吸合，液壓電動機M3正向啟動。由于電磁閥YA沒有得電，處于釋放狀態，因此液壓油經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，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)搖臂升降限位保護是靠上、下限位開關SQIU和SQID實現的。上升到極限位置后，SQIU動斷觸頭斷開，搖臂自動夾緊，與松開上升按鈕SB3動作相同；下降到極限位置后，SQID動斷觸頭斷開，搖臂自動夾緊，與松開下降按鈕SB4動作相同。

    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與采用繼電接觸器電路時完全一致。機床原配的按鈕、限位開關、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要接入PLC的輸入口，每個（組）觸點占用一個輸入口。作為主要執行器件的接觸器及電磁閥線圈要接入PLC的輸出口，每個（組）線圈也要占用一個輸出口。指示燈按理也需接入輸出口，但如控制觸點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，可直接將熱繼電器的觸點和相關接觸器的線圈串起來。接入輸入口時，則需通過程序設置熱繼電器的控制功能。本次熱繼電器也采用機外連接方案。此外，原電路中接觸器KM2與KM3、KM4與KM5之間均設有互鎖觸點，考慮到硬件互鎖比軟件互鎖更可靠，它們的互鎖也設在機外進行。

    清點Z3040型搖臂鉆床需接入PLC的輸入/輸出器件后，確定需14個輸入口及6個輸出口，據此選用西門子S7-200系列CPU224AC/DC/RELAY。這是一種具有14個輸入口及10個輸出口的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。

    系統的硬件連接如圖7-3所示，各端口的標號都標在了圖上。選用定時器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計。設計方法為參照繼電器原理圖在保持原有控制邏輯基礎上改繪。在繼電接觸器電路中，由于器件的觸點有限，往往一個觸點具有較多的功能，體現在電氣原理圖上往往是一些觸點接有復雜的觸點及線圈的組厶。圖7-2中SB3與SQIU串聯及SB4與SQID串聯再并聯的區域之后連接著復雜的觸點及線圈組合。這樣的區域在改繪為梯形圖時將十分不便。這時可以發揮PLC具有許多輔助繼電器的特點，將繼電接觸器電路中的一些觸點區域的功能用輔助繼電器代替，經這樣的簡化處理，最后一般都能得到結構簡單的梯形圖。在進行繼電接觸器電路圖向梯形圖轉化時還需注意實際電器與PLC模擬電器功能上的差異，如圖中時間繼電器KT是具有瞬動觸點的而PLC的定時器不具有這種功能，這時可用與定時器并聯的輔助繼電器觸點代替。設計并調試成功的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的觸點即可用來表示SB3與SQIU串聯及SB4與SQID串聯再并聯區域的邏輯狀態以及圖7-2中時間繼電器KT的瞬動觸點。

    圖7-4    搖臂鉆床梯形圖