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 摇臂钻床利用旋转的钻头对工件进行加工，它由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱和工作台构成：主轴箱固定在摇臂上，可以沿摇臂径向运动；摇臂借助于丝杠，可以做升降运动；也可以与外立柱固定在一起，沿内立柱旋转。在进行钻削加工时，通过夹紧装置，主轴箱紧固在摇臂上，摇臂紧固在外立柱上，外方柱紧固在内立柱上。

  Z3040摇臂钻床的机械结构和主要运动

  1. Z3040摇臂钻床的机械结构

  Z3040摇臂钻床的结构组成如图7-11所示。

  图7-11 Z3040型摇臂钻床的结构示意图

  1-底座;2-工作台;3-进给量预置手轮;4-离合器操纵杆;5-电源自动开关;6-冷却泵自动开关;7-外立柱;8-招聘上下运动极限保护行程开关触杆;9-福臂升降电动机;10-升降传动就杠;11-摇臂：12-主轴驱动电机13-主轴箱：14-电气设备操作按钮盒;15-组合阀手柄;16-手动进给小手轮;17-内齿离合器操作手柄;18-主轴

  2. Z3040摇臂钻床的主要运动

  摇臂钻床的内立柱固定在底座的一端，在它的外面套有外立柱，外立柱可绕内立柱回转360°。摇臂的一端有套筒，它套装在外立柱上，并借助丝杠的正反转可沿外立柱做上下移动；由于该丝杠与外立柱连成一起，且升降螺母固定在摇臂上，所以摇臂不能绕外立柱转动，

  只能与外立柱一起绕内立柱转动。主轴箱是一个复合部件，它由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构，以及机床的操作机构等部分组成，主轴箱安装在摇臂的水平导轨上，可通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。当进行加工时，由特殊的夹紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上，外立柱紧固在内立柱上，播臂紧固在外立柱上，然后进行钻削加工。钻削加工时，钻头一面进行旋转切削，一面进行纵向进给。

  Z3040型摇臂钻床的主运动为主轴旋转(产生切削)运动。进给运动为主轴的纵向进给。辅助运动包括摇臂在外立柱上的垂直运动(摇臂的升降)，摇臂与外立柱一起绕内立柱的旋转运动及主轴箱沿摇臂长度方向的运动。对于摇臂在立柱上的升降时的松开与夹紧，Z3040型摇臂钻床则是依靠液压推动松紧机构自动进行的。Z3040型摇臂钻床的结构与运动情况示意图如图7-12所示。

  图7-12 Z3040摇臂钻床的结构与运动情况示意图

  Z3040摇臂钻床的“继电器-接触器”控制电路

  Z3040摇臂钻床的电气控制电路如图7-13所示。它主要包括主轴电动机M1的控制、摇臂升降电动机M2、液压泵电动机M3和冷却泵电动机M4的控制，以及立柱主轴箱的松开和夹紧控制等。

  图7-13 Z304摇臂钻床的电气控制电路

  (a)主电路;(b)控制电路

  主轴电动机MI提供主轴转动的动力，是钻床加工主运动的动力源；主轴应具有正反转功能，但主轴电动机只有正转工作模式、反转由机械方法实现。冷却泵电动机用于损供冷却液、只需正转。摇臂升降电动机提供摇臂升降的动力，需要正反转。液压泵电动机提供液压油，用于摇臂、立柱、主轴箱的夹紧和松开，也需要正反转。

  Z3040摇臂钻床的操作主要通过手轮及按钮实现。手轮用于手动控制主轴箱在摇臂上的移动。按钮用于主轴的启动/停止、摇臂的上升/下降、立柱主轴箱的夹紧/松开等操作，再配合限位开关实现对机床的调控。

  (1) 主轴电动机M1的控制。按下按钮SB2，接触器KMI得电吸合并自锁，主轴电动机MI启动运转，指示灯HL3亮。按下停止按钮SB1时，接触器KM1失电释放，M1失电停止运转。热继电器FR1起过载保护作用。

  (2) 摇臂升降电动机M2和液压泵电动机M3的控制。按下按钮SB3(或SB4)时，断电延时时间继电器KT导电吸合，接触器KM4和电磁铁YA得电吸合。液压泵电动机M3启动运转，供给压力油，压力油经分配阀进入摇臂松开油腔，推动活塞和菱形块使摇臂松开。同时限位开关SQ2被压住，SQ2的动断触点断开，接触器KM4失电释放，液压泵电动机M3停止运转。SQ2的动合触点闭合，接触器KM2(或KM3)得电吸合，摇臂升降电动机M2启动运转，使摇臂上升(或下降)。若摇臂未松开，SQ2的动合触点不闭合，接触器KM2 (或KM3)也不能得电吸合，摇臂就不可能升降。摇臂升降到所需位置时松开按钮SB3(或SB4)，接触器KM2(或KM3)和时间继电器KT失电释放，电动机M2停止运转，摇臂停止升降。时间继电器KT延时闭合的动断触点经延时闭合，使接触器KM5吸合，液压泵电动机M3反方向运转，供给压力油。经过机械液压系统，压住限位开关SQ3，使接触器KM5释放。同时，时间继电器KT的动合触点延时断开，电磁铁YA释放液压泵电动机M3停止运转。

  KT的作用是控制KM5的吸合时间，保证M2停转、摇臂停止升降后再进行夹紧。摇臂的自动夹紧升降由限位开关SQ3来控制。压合SQ3，使KM2或KM3失电释放，摇臂升降电动机M2停止运转。摇臂升降限位保护由上下限位开关SOlU和SOID实现。十升到极限位置后，动断触点SOlU断开，视觉自动夹紧，与松开上升按钮动作相同；下降到极限位置后，动断触点SQ1D断开，摇臂自动夹紧，与松开下降按钮动作相同；SQ1的两对动合触点需调整在"同时"接通位置，动作时一对接通、一对断开。

  (3) 立柱、主轴箱的松开和夹紧控制。按动松开按钮SB5(或夹紧按钮SB6)，KM4(或KM5)吸合、M3启动、供给压力油，通过机械液压系统使立柱和主轴箱分别松开(或夹紧)，指示灯亮。主轴箱、摇臂和内外立柱3部分的夹紧均由M3带动的液压泵提供压力油，通过各自的油缸使其松开和夹紧。

  (4) 冷却泵电动机M4的控制。冷却泵电动机M4由转换开关SAI控制。

为了解决继电器-接触器控制系统存在的通用性、灵活性差，功能局限性大，通信、网络方面欠缺的问题，20世纪50年代末，人们曾设想利用计算机功能完备、通用性和灵活性强的特点来解决以上问题。但由于当时的计算机原理复杂，生产成本高，程序编制难度大，加上工业控制需要大量的外围接口设备，可靠性问题，使得它在面广量大的一般工业控制领域难以普及与应用。

  到了20世纪60年代末，有人这样设想∶能否把计算机通用、灵活、功能完善的特点与继电器-接触器控制系统的简单易懂、使用方便、生产成本低的特点结合起来，生产出一种面向生产过程顺序控制，可利用简单语言编程，能让完全不熟悉计算机的人也能方便使用的控制器呢?

  这一设想早由美国大的汽车制造商————通用汽车公司(GM公司)于1968年提出。当时，该公司为了适应汽车市场多品种、小批量的生产需求，需要解决汽车生产线继电器-接触器控制系统中普遍存在的通用性、灵活性差的问题，提出了对一种新型控制器的技术要求，并面向社会进行招标。技术要求具体如下∶

  a. 编程方便，且可以在现场方便地编辑、修改控制程序;

  b. 价格便宜， 性价比要继电器系统;

  c.体积要明显小于继电器控制系统;

  d.可靠性要明显继电器控制系统;

  e.具有数据通信功能;

  f.输入可以是AC115V;

  g.输出驱动能力在AC115V/2A以上;

  h.硬件维护方便，好采用“插接式”结构;

  i.扩展时，只需要对原系统进行很小的改动;

  j.用户存储器容量至少可以扩展到4KB。

  以上就是的“GM十条”。这些要求的实质内容是提出了将继电器-接触器控制系统的简单易懂、使用方便、价格低廉的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电器-接触器控制系统的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。

  根据以上要求，美国数字设备公司(DEC公司)在1969年研制出了全世界台

  可编程序控制器，并称之为“可编程序逻辑控制器”(Programmable Logic Controller,PLC)。该样机在GM公司的应用获得了成功。此后，PLC得到了快速发展，并被广泛用于各种开关量逻辑运算与处理的场合。

  早期PLC的硬件主要由分立元件与小规模集成电路构成，它虽然采用了计算机技术，但指令系统、软件与功能相对较简单，一般只能进行逻辑运算的处理，同时通过简化计算机的内部结构与改进可靠性等措施，使之能与工业环境相适应。

  正因为如此，在20世纪70年代初期曾经出现过一些由二极管矩阵、集成电路等器件组成的所谓“顺序控制器”20世纪70年代末期曾经出现过以MC14500工业控制单元(Industrial Control Unit，ICU)为核心，由8通道数据选择器(MC14512)、指令计数器(MC14516)、8位可寻址双向锁存器(MC14599)、存储器(2732)等组成的“ICU可编程序控制器”等产品。这些产品与PLC相比，虽然具有一定的价格优势，但终还是由于其可靠性、功能等多方面的原因，未能得到进一步的推广与发展;而PLC则随着微处理器价格的全面下降，终以其优良的性价比，得到了迅猛发展，并终成为了当代工业自动控制技术的重要支柱技术之一。

 PLC执行程序的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段

 1．输入采样阶段

 在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映象寄存器中，此时输入映象寄存器被刷新。接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或其它阶段，即使输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。

    2．程序执行阶段

  在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映象寄存器中。对于元件映象寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。

  3．输出刷新阶段

 当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段里，PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。

   因此，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。这方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。

  在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。这种方式称为集中输出。

对于小型PLC，其I/O点数较少，用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。

    而对于大中型PLC，其I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式，或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式。

     从上述分析可知，当PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这种现象称为PLC输入／输出响应滞后。对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。应该注意的是，这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成，更主要是PLC输入接口的滤波环节带来的输入延迟，以及输出接口中驱动器件的动作时间带来输出延迟，同时还与程序设计有关。滞后时间是设计PLC应用系统时应注意把握的一个参数。