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摇臂钻床电气控制系统改造设计
作者：李红 任雪鸿
来源：《山东工业技术》2016年第20期
摘 要：采用西门子LOGO！和通用变频器重新设计了摇臂钻床电气控制系统。完成了控制模块选型、地址分配和硬件接线图设计等控制系统硬件设计及主轴转速和逻辑控制软件设计。与传统继电器-接触器控制系统比较，具有可靠性高、接线简化、维护方便等优点。 关键词：西门子LOGO！；摇臂钻床；变频器 DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.038
摇臂钻床是一种通用加工机床，主要应用于大型零件钻孔、扩孔、铰孔和攻螺纹等，增加辅助设备，还可以进行镗孔。传统机床采用继电器控制系统，控制线路触点多、接线复杂，故障率较高，维修不便，影响正常生产和加工质量。基于PLC的控制系统，可有效简化控制系统，却成本较高。采用西门子LOGO！和通用变频器控制摇臂钻床可大大减少继电器等硬件逻辑元件，简化接线、便于维护，较好地实现了机床的控制要求。 1 摇臂钻床运动形式及电气控制线路分析
以Z3050为例，摇臂钻床主要由底座、立柱（内、外）、主轴箱、摇臂、工作台等部分组成[1]。
摇臂钻床的切削工作由三种运动完成，即主轴的旋转运动和主轴的进给运动，以及机床的辅助运动。辅助运动包含：
①摇臂沿外立柱的移动（垂直）； ②主轴箱沿摇臂的移动（水平）； ③摇臂及外立柱绕内立柱的运动（回转）。
Z3050电气控制系统采用4台电动机拖动，电气控制方案如下：
M1：主轴电动机，直接启动；为满足加工需求，主轴的旋转运动需有较大的调速范围，由机械变速装置实现；螺纹加工要求主轴能正反转，由液压系统操纵结构配合摩擦离合器实现，主轴电机单向运转。
M2：摇臂升降电机，直接启动，正反转控制；摇臂的运动严格按照放松→上升/下降→夹紧进行。
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M3： 液压泵电机，实现内外立柱、主轴与摇臂的夹紧与放松，直接启动，正反转控制，点动运行；
M4：冷却泵电动机，单向直接起动。
传统机床采用继电器控制系统，触点多、控制线路接线复杂，故障率较高；为此采用西门子LOGO智能逻辑控制器及通用变频器对传统控制系统进行改造，实现了摇臂钻床运动控制要求。
2 智能逻辑控制器LOGO！选用及控制系统构建
LOGO！是西门子研发的一种智能逻辑控制器。通过集成的8种基本功能和31种特殊功能，从计数器、时间继电器到接触器，LOGO！可替代数以百计的开关电器，方便地搭建各种机电控制电路。同时其输出继电器的电流驱动能力高达10A。主机集成8个数字量输入（包括2路AI 在12/24V DC状态下）和4路数字量输出，还可选配扩展模块，增设输入/输出控制点。
2.1 智能控制器模块选配及地址分配
基于Z3050摇臂钻床电气控制线路分析，查阅 LOGO！智能逻辑控制器技术手册，选择： ①LOGO！CPU 模块（基本型）12/24RC 供电电压：12V/24V DC 输入：8路数字量 输出：4个继电器（10A） ②LOGO！扩展模块DM16 24R 供电电压：24V DC 输入：8路数字量 输出：4个继电器（5A）
各控制信号对应的输入/输出点分配如表1： 2.2 主轴运动控制策略及实现
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选用DC24V稳压电源，作为改造后的Z3050控制系统的供电电源，各控制按钮、各输出接触器、状态指示灯等均采用DC24V工作电压。
Z3050主轴电动机M1选用Y100L1-4三相异步电动机，选择通用变频器三菱FR-A520对其进行运动控制。LOGO！各输出端子（Q1、Q2、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14）与变频器相应端子的连接如下图示：
——LOGO！扩展模块DM16 24R输出端子Q13与变频器AU端子连接，设定变频器控制信号为直流信号；
——LOGO！模块输出公共端与变频器公共端SD连接；
——LOGO！输出端子Q1、Q2输出的正、反转控制信号分别接至变频器正/反转启动端子STF/ STR；
——主轴停止SB3常开触头与变频器MRS端子相连，实现制动功能；
——LOGO！输出端子Q10、Q11、Q12输出的主轴转速控制信号接至变频器的多段速度选择端子RH、RM、RL，并通过设定变频器基本功能参数Pr.4（3速设定-高速）、Pr.5（3速设定-中速）、Pr.6（3速设定-低速）及扩展功能参数Pr.24- Pr.27（多段速度设定4速、5速、6速、7速），实现主轴转速7速控制。
——LOGO！输出端子Q14与变频器CS端子连接，通过设定变频器扩展功能参数Pr.232—Pr.239，可以实现主轴最高15级调速控制。 电路设计充分考虑短路、过载等必要保护。 2.3 控制程序编制
Z3050机床控制程序的编制借助LOGO编程软件（LOGO！ SOFT Comfort）V6.0.17。该编程软件可以通过梯形图或功能块图来设计程序逻辑，不仅两种编程方式可转换，还可在个人电脑上通过软件进行控制程序的设计，并进行仿真操作，以便在实际调试前完善逻辑控制功能实施过程中，将Z3050电气控制系统分为主轴运动（起/停、转向）、主轴转速、摇臂升降、夹紧/与松开等控制环节，借鉴摇臂钻床电气控制线路间的逻辑关系，分别设计梯形图控制逻辑，然后集零为整，经修改优化，并借助编程软件在线测试功能，对所编程序在线监控，最终设计出符合整体控制要求的逻辑图。下图为主轴控制逻辑图。 4 结束语
采用LOCO！ 智能逻辑控制器及通用变频器，对摇臂钻床传统控制系统进行改造，两者均为DIN导轨安装，配线少，方便易行；在PC机上快速地编写和测试用户程序；还可借助