双头锪组合机床自动夹具及其PLC设计【机+PLC】【1张图纸】
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双头锪
组合
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及其
plc
设计
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双头锪组合机床自动夹具及其PLC设计
37页 16000字数+说明书+1张CAD图纸
PLC程序流程（梯形图）.doc
PLC输入口分配表.doc
PLC输出口分配表.doc
双头锪组合机床自动夹具及其PLC设计说明书.doc
总装图.dwg
目录.doc
目 录
1 绪论2
1.1 工件概述2
1.2 专用机床简述3
1.3组合机床简述3
1.4 双头锪端面倒角组合专机机床概述4
1.5 机床使用条件5
1.6 机床的动作程序5
2 总体方案设计6
2.1 设计任务6
2.2 总体方案设计分析6
3 设计计算说明7
3.1夹具结构及其液压系统设计7
3.1.1 夹具驱动方式选择7
3.1.2 刀具的选择及切削力计算9
3.1.3 夹具夹紧力计算及校核10
3.1.4 V型块设计12
3.1.5 夹具结构设计13
3.1.6 夹具夹紧油缸设计13
3.1.7顶出油缸设计18
3.1.8摆动油缸的设计20
3.1.9确定液压的流量21
3.1.10夹具液压系统22
3.2 可编程控制器（PLC）介绍24
3.3夹具电气部分控制设计26
3.3.1 电气控制硬件及操作说明介绍26
3.3.2 上转向轴双头锪平面倒角专机行程开关及接近开关说明28
3.3.3 PLC程序编制28
4 结论36
参考文献37
致 谢38
1.4 双头锪端面倒角组合专机机床概述
330207-1ZJ(ZC-V009)型新桑车上转向轴双头锪端面倒角专机是专门为上海汇众汽车制造公司汽车底盘厂新桑车上转向轴（工件图号：325.419.515）第10号工序，双头豁端面并倒角加工而设计制造的专用设备。
该机床布局为双面卧式，工件不转动，由刀具旋转进行切削。进给运动为液压动力。从人工将坯料加入料库后，工件由料库通过提升机构进入步伐式上料机构，并逐根进入到家具体内定位，夹紧后进行切削加工，加工完毕，再由顶料装置顶出落入到落料箱的整个加工循环过程是自动完成的。机床也备有手动操作。可为调试过程或某一局部加工补缺等情况提供方便。机床的主要部件构成:
液压滑台
2）动力头
3）外倒角端面刀
4）虎钳夹具
5）顶料装置
6）内倒角端面刀
7）操作台
8）底座
9）料库
10）提升上料装置
11）步伐式送料装置
12）中间底座
13）定位装置（摆动）
14）落料装置
15）落料箱
1.5 机床使用条件
环境温度： -5 ～ +40℃
电源电压：
1.6 机床的动作程序
本机床的正常工作状况是全自动的，机床在进入自动操作时其整个工作循环过程的动作程序为：
1）由提升机构逐根从料库中勾出坯料，并向上提升；
2）提升机构将坯料提升至最高位置后坯料滚入到步伐式送料机构的固定架上；
3）步伐式送料机构的活动部分上下运动，使坯料逐步前进；
4）坯料从步伐式送料机构的最尾位置落入夹具体内；
5）定位油缸动作，是坯料在夹具体内准确定位；
6）夹紧油缸动作，使已定位的坯料夹紧（若双头机床则此时定位油缸复位）；
7）液压滑台运动，同时铣削头带动刀具一起旋转，滑台由快进趋进工件后转入工进，对坯料进行切削加工；
8）切削完毕后液压滑台快退；
9）夹紧油缸复位，使夹具放松工件（若单头机床则此时定位油缸复位）；
10）顶料油缸作用，将工件顶出，落入落料滚道滚入落料箱中，同时顶料油缸复位。
如此反复，一次次循环工作不断进行。
2 总体方案设计
2.1 设计任务
本次设计任务是设计上转向轴双头锪端面倒角专机的夹具部分及其电气控制部分，在充分了解设备结构和功能的基础上，确定自动夹具的总体方案，并进行分析计算；设计定位机构、夹紧机构和顶出机构的结构、液压系统和动作流程，编制PLC程序。
- 内容简介：
-
（2）液压夹具部分PLC程序在整个机床PLC程序中的关系及位置如下PLC输入口分配表输入设备输入端口编号接近开关S2I32.0接近开关S1I32.1接近开关S3I32.2接近开关S4I32.3接近开关S5I32.4接近开关S6I32.5接近开关S7I32.6接近开关S8I32.7接近开关S9I33.0接近开关S10I33.1接近开关S11I33.2接近开关S12I33.3接近开关S13I33.4接近开关S14I33.5行程开关S15I33.6行程开关S16I33.7“步伐式”按钮I34.0“定位”按钮I34.1“夹紧”按钮I34.2“顶料”按钮I34.3“进”按钮I34.4“退”按钮I34.5“主轴”按钮I34.6“进”按钮I34.7“退”按钮I35.0“主轴”按钮I35.1“提升机构/开始工作”按钮I35.2“系统开”锁钮I35.3“自动”开关选择I35.4“手动”开关选择I35.5续表3-6输入设备输入端口编号“工作终了”开关选择I35.6“送料准备”开关选择I35.7“总停”按钮I36.0“PLC”按钮I36.1“液压开”按钮I36.2行程开关S17I36.3行程开关S18I36.4“急停”按钮I36.5PLC输出口分配表输出设备输入端口编号提升机构电机Q32.0步伐式送料油缸（上）Q32.1步伐式送料油缸（下）Q32.2定位油缸（上）Q32.3定位油缸（下）Q32.4左夹紧油缸（松开）Q32.5左夹紧油缸（夹紧）Q32.6右夹紧油缸（松开）Q33.0右夹紧油缸（夹紧）Q33.1左面主轴电机Q33.2右面主轴电机Q33.3左滑台油缸（后退）Q33.4右滑台油缸（后退）Q33.5左滑台油缸（快进）Q33.6右滑台油缸（快进）Q33.7左滑台油缸（工进）Q34.0右滑台油缸（工进）Q34.1顶料油缸（顶）Q34.2 顶料油缸（恢复）Q34.3“首有料”指示灯Q34.4“首无料”指示灯Q34.5续表3-7输出设备输入端口编号“尾有料”指示灯Q34.6“尾无料”指示灯Q35.0“加工有料”指示灯Q35.1“加工无料”指示灯Q35.2“滑台原位”指示灯Q35.3“滑台原位”指示灯Q35.4“滑台终位”指示灯Q35.5“滑台终位”指示灯Q35.6 39 目 录1 绪论21.1 工件概述21.2 专用机床简述31.3组合机床简述31.4 双头锪端面倒角组合专机机床概述41.5 机床使用条件51.6 机床的动作程序52 总体方案设计62.1 设计任务62.2 总体方案设计分析63 设计计算说明73.1夹具结构及其液压系统设计73.1.1 夹具驱动方式选择73.1.2 刀具的选择及切削力计算93.1.3 夹具夹紧力计算及校核103.1.4 V型块设计123.1.5 夹具结构设计133.1.6 夹具夹紧油缸设计133.1.7顶出油缸设计183.1.8摆动油缸的设计203.1.9确定液压的流量213.1.10夹具液压系统223.2 可编程控制器（PLC）介绍243.3夹具电气部分控制设计263.3.1 电气控制硬件及操作说明介绍263.3.2 上转向轴双头锪平面倒角专机行程开关及接近开关说明283.3.3 PLC程序编制284 结论36参考文献37致 谢381 绪论1.1 工件概述汽车行驶过程中，经常需要改变行驶方向，即所谓的转向，这就需要有一套能够按照司机意志使汽车转向的机构，它将司机转动方向盘的动作转变为车轮(通常是前轮)的偏转动作。 按转向力能源的不同，可将转向系分为机械转向系和动力转向系。 机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构、转向器、转向传动机构三大部分组成。转向操纵机构由方向盘、转向轴、转向管柱等组成，它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。双头锪端面倒角专机就用于加工其中的转向轴的专机设备，图1-1所示为一简单的转向操纵机构。图1-2所示为转向轴。方向盘转向轴图1-1 转向操纵机构图1-2 转向轴（材料16Mn）1.2 专用机床简述专用机床是一种专门适用于特定零件和特定工序加工的机床，而且往往是组成自动生产线式生产制造系统中，不可缺的机床品种。而目前一些机床厂对其生产的通用机床若作改动时，也习惯用专用机床来取代。比如数控车床由于盘改为专用设计的，这台数控车床则不用原机床型号，而采取编专用机床号的办法。由于专用机床是一种量体裁衣产品，具有高效自动化的优点，是大批量生产企业的理想装备。随着制造技术的进步，数控技术的普及，专用机床的数控化发展也很快，专用机床在生产实践中占有一定的比重。专用机床及其自动化生产线的制造，与大量生产汽车等性质不一样，也与普通机床的制造性质不一样，它具有两个极其鲜明的特征：一、是集成性。用户订购专用机床都是要求交钥匙工程，它集加工工艺（含工艺方法及工艺参数），机床、夹具、工具（包含辅助）的开发设计与选择，检验测量（包括进入机床前的毛坯检验、加工中及成品的检验测量）物流的输送，切屑和冷却液的防护与处理等于一体。它不仅仅解决其中的某一问题，而是要解决好涉及较宽的技术领域可能遇到的每一个问题。二、是单一性。专用机床几乎都是单台性生产，要根据用户提出的要求，进行一次性开发，一次性制造，而且还要保证一次性成功。1.3组合机床简述组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定外形和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。它一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。由于通用部件已经标准化和系列化，可根据需要灵活配置，能缩短设计和制造周期。因此，组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。组合机床一般用于加工箱体类或非凡外形的零件。加工时，工件一般不旋转，由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转，由刀具作进给运动，也可实现某些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥半轴等)的外圆和端面加工。组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。通用部件按功能可分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件五类。动力部件是为组合机床提供主运动和进给运动的部件。主要有动力箱、切削头和动力滑台。支承部件是用以安装动力滑台、带有进给机构的切削头或夹具等的部件，有侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等。输送部件是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件，主要有分度回转工作台、环形分度回转工作台、分度鼓轮和往复移动工作台等。控制部件是用以控制机床的自动工作循环的部件，有液压站、电气柜和操纵台等。辅助部件有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。 1.4 双头锪端面倒角组合专机机床概述330207-1ZJ(ZC-V009)型新桑车上转向轴双头锪端面倒角专机是专门为上海汇众汽车制造公司汽车底盘厂新桑车上转向轴（工件图号：325.419.515）第10号工序，双头豁端面并倒角加工而设计制造的专用设备。该机床布局为双面卧式，工件不转动，由刀具旋转进行切削。进给运动为液压动力。从人工将坯料加入料库后，工件由料库通过提升机构进入步伐式上料机构，并逐根进入到家具体内定位，夹紧后进行切削加工，加工完毕，再由顶料装置顶出落入到落料箱的整个加工循环过程是自动完成的。机床也备有手动操作。可为调试过程或某一局部加工补缺等情况提供方便。机床的主要部件构成:1） 液压滑台2）动力头3）外倒角端面刀4）虎钳夹具5）顶料装置6）内倒角端面刀7）操作台8）底座9）料库10）提升上料装置11）步伐式送料装置12）中间底座13）定位装置（摆动）14）落料装置15）落料箱1.5 机床使用条件环境温度： -5 +40 电源电压： 1.6 机床的动作程序本机床的正常工作状况是全自动的，机床在进入自动操作时其整个工作循环过程的动作程序为：1）由提升机构逐根从料库中勾出坯料，并向上提升；2）提升机构将坯料提升至最高位置后坯料滚入到步伐式送料机构的固定架上；3）步伐式送料机构的活动部分上下运动，使坯料逐步前进；4）坯料从步伐式送料机构的最尾位置落入夹具体内；5）定位油缸动作，是坯料在夹具体内准确定位；6）夹紧油缸动作，使已定位的坯料夹紧（若双头机床则此时定位油缸复位）；7）液压滑台运动，同时铣削头带动刀具一起旋转，滑台由快进趋进工件后转入工进，对坯料进行切削加工；8）切削完毕后液压滑台快退；9）夹紧油缸复位，使夹具放松工件（若单头机床则此时定位油缸复位）；10）顶料油缸作用，将工件顶出，落入落料滚道滚入落料箱中，同时顶料油缸复位。如此反复，一次次循环工作不断进行。2 总体方案设计2.1 设计任务本次设计任务是设计上转向轴双头锪端面倒角专机的夹具部分及其电气控制部分，在充分了解设备结构和功能的基础上，确定自动夹具的总体方案，并进行分析计算；设计定位机构、夹紧机构和顶出机构的结构、液压系统和动作流程，编制PLC程序。2.2 总体方案设计分析 参考上转向轴双头锪端面倒角专机的相关资料，确定总体方案如下：图2-1 夹具示意图夹具其结构参考组合机床用部件相关尺寸进行设计，电气控制方面，采用SIMATIC S5-115U可编程控制器(PLC)对其动作流程进行控制，使用接近开关作为夹具原始及终止位置的检测信号，夹紧油缸的快进和工进的变换采用PLC延时功能实现。由I/O接口输入的位置信号，输出相应的控制信号给液压系统相应的液压泵电动机及各阀，来控制并驱动液压缸，带动液压夹紧机构，顶出机构和定位机构实现夹具工作运动。3 设计计算说明3.1夹具结构及其液压系统设计3.1.1 夹具驱动方式选择 1.夹具的概念夹具最早出现在18世纪后期。随着科学技术的不断进步，夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85左右。现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具；另一方面，在多品种生产的企业中，每隔34年就要更新5080左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为1020左右。特别是近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统（FMS）等新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求：1）能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本2）能装夹一组具有相似性特征的工件；3）能适用于精密加工的高精度机床夹具；4）能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具；5）采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率；6）提高机床夹具的标准化程度。组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。 二十世纪70年代以来，随着可转位刀具、密齿铣刀、镗孔尺寸自动检测和刀具自动补偿技术的发展，组合机床的加工精度也有所提高。铣削平面的平面度可达0.051000mm，表面粗糙度可低达2.50.63m；镗孔精度可达IT76级，孔距精度可达0.030.02m。 专用机床是随着汽车工业的兴起而发展起来的。在专用机床中某些部件因重复使用，逐步发展成为通用部件，因而产生了组合机床。最早的组合机床是1911年在美国制成的，用于加工汽车零件。初期，各机床制造厂都有各自的通用部件标准。为了提高不同制造厂的通用部件的互换性，便于用户使用和维修，1953年美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂协商，确定了组合机床通用部件标准化的原则，即严格规定各部件间的联系尺寸，但对部件结构未作规定。2.夹具驱动方式的选择一般根据不同的动力源有以下几种驱动方式的夹具：1）液压夹具，用于大批量生产，复杂的自动化生产加工工序中；2）气动夹具，用于大批量生产，适应各种加工环境中；3）手动夹具，用于小批量生产，加工精度要求低的粗加工工序中；由于本机床所加工零件时夹具的动作及位置要求简单，加工精度要求不是很高，用于自动生产线上，故手动夹具不作考虑，在液压夹具和气动夹具两种方案中选取合适方案，两种夹具各自的优缺点如下：（1）液压夹具相对于手动夹具优点：1）夹紧动作快；2）夹紧力稳定；3）操作简单；4）夹紧力大小和加紧速度可调节；5）机动夹紧可与机床某部分联接，实现自动加紧的操作；6）零件通用化，夹具组成机构中很多零件都已通用化和商品化，便于组织生产和购备；7）由行程调速阀来控制滑台的快进转工进,转换精度高；（2）液压夹具相对于气动夹具优点：1）夹紧力大结构紧凑；2）夹紧刚度高，调速范围大；3）易于实现多工位和多工序加工；4）介质性能好；5）夹紧力平稳；6）易于实现动力源共用；7）自锁性能好；8）可实现自动夹紧；9）传动效率高；通过上述优点的比较，以及考虑到由于是专业机床用于自动生产线上，加工零件频繁，要求夹具易实现加工自动循环，进给次数频繁，即换向及变速容易，工作可靠，安全性高，使用寿命长；且液压夹具为通用部件，有相关具体资料，便于设计参考；再考虑到机床在滑台及送料机构上都使用了液压系统，为了整体系统的统一性，所以最后综合考虑后，决定使用液压夹具的方案。3.1.2 刀具的选择及切削力计算1.刀具的选择目前，我国应用最多的刀具材料是高速钢、硬质合金和陶瓷刀具。1） 高速钢刀具：韧性、耐磨性和工艺性均较好，刃磨锋利，故又称“锋钢”；2） 硬质合金：切削速度比高速钢高4-10倍，硬度、耐磨性和耐热性都很高；3） 陶瓷刀具：具有很高的硬度、高温硬度、耐磨性和化学稳定性以及低摩擦因数，且价格低廉，但强度低、韧性差、热导率低、刀具刃口易破损，故应用范围及其有限，仅用于精加工；由于本机所加工零件为16Mn，是属于高强度结构钢，且加工精度不高，属于大批量生产，故采用硬质合金刀具。2.刀具几何参数的选择刀具几何参数主要包括：刀具角度、前面与后面型式、切削刃与刃口形状等。刀具合理几何参数是指在达到加工质量和刀具寿命的前提下并提高生产率、降低生产成本的几何参数。在生产中由于切削条件的差别，确定刀具几何参数的效果也不相同，因此，在根据选择原则和方法基础上所选定的几何参数，应从生产实践认可或作进一步改进后在确定。根据被加工材料，刀具选择原则为：1）前角选择原则：加工塑性材料、软材料时前角大些；加工脆性材料、硬材料时前角小些。2）后角选择原则：加工塑性材料、软材料时，后角取较大值；加工脆性材料、硬材料时，后角取较小值；加工易产生硬化层的材料时，后角取大值。3）主偏角选择原则：加工高强度、高硬度、热导率小和表面有硬化层的材料，为提高刀具强度和改善散热条件，应选取较小主偏角。4）刃倾角选择原则：粗车时，为提高刀具强度，选择0-5根据金属切削与刀具实用技术表2-56 得 刀具角度的选择： ，。选择合理的切削用量，对于保证加工质量、降低加工成本和提高劳动生产率，都具有十分重要的意义。根据切削用量三要素（vc，f，ap）对刀具耐用度影响程度的不同，在保证刀具经济耐用度的条件下，要取得最高的生产率，应按ap、f、vc的顺序来选择切削用量。即：首先应考虑尽可能选取大的切削深度ap，其次尽可能选用大的进给量f，最后在保证刀具经济耐用度的条件下尽可能选取大的切削速度vc。根据金属切削与刀具实用技术表2-57 得切削用量的选择：，。 3.切削力的计算根据金属切削原理与刀具公式 Fr=kcapf （3-1）根据数控机床现代加工工艺附录A kc=2500N/mm2则切削力 Fr=25001.50.2=750N （3-2）3.1.3 夹具夹紧力计算及校核 1.夹紧力的确定在机械加工过程中，工件将受到切削力、离心力、惯性力等外力的作用。为了保证在这些外力作用下，工件仍能在夹具中保持由定位元件所确定的加工位置，而不致发生振动或位移，一般在夹具设计中必须计算夹紧力，将工件可靠的夹紧。计算夹紧力时，通常将夹具和工件看成是一个刚性系统。根据工件受切削力、夹紧力（大型工件还应考虑工件重力，运动的工件还应考虑惯性力等）的工作情况，找出在加工过程中对夹紧最不利的瞬时状态，按静力平衡原理计算出理论夹紧力。最后为保证夹紧，再乘以安全系数作为实际夹紧力的数值。2.夹紧力的计算根据机床夹具设计手册 表1-2-11典型夹紧形式实际所需夹紧力的计算公式得：1） 防止工件移动： （3-3）根据机床夹具设计手册第三版 表1-2-3 （3-4）其中 （3-5）由表1-2-4得 根据机械工程材料表5-4 得 根据 机床夹具设计手册第三版 表1-2-6 故 （3-6）查机床夹具设计手册第三版表1-2-1 安全系数 式中：基本安全系数；取1.5 加工性质系数；取1.2 刀具钝化系数；取1.1 断续切削系数；取1.0 =2.5根据机床夹具设计手册第三版 表1-2-12 2=0.25夹紧力： 2） 防止工件转动： （3-7）根据机床夹具设计手册第三版 表1-2-11 （3-8） 夹紧力取较大值 Wk=1626N 切削力Fr=750N 故 夹紧力大于切削力，在加工工件时夹紧力合适。 3.夹紧力的校核工件材料：16Mn ，弹性模量：E=206GPa，泊松比：=0.3 取V型块夹紧部分棒料做有限元分析，得出图3-1 受力变形图,变形量为0.22310-5m，在允许期间内，故夹紧力安全。图3-1受力分析图3.1.4 V型块设计1.V型块定位的优点：1） 对中性好，可使工件的定位基准轴线对中在V型块两斜面的对称平面上，不会发生偏移且安装方便； 2）应用范围广，不论定为基准是否经过加工，不论是完整的圆柱面还是局部圆柱弧面，都可采用V型块定位。2V型块的计算及选取V型块上两斜面间的夹角一般选用60、90和120，其中以90应用最多。其典型结构和尺寸均已标准化，设计时可查有关国家标准手册。故夹角取90，取，D=20mm。 mm （3-9）根据机床夹具设计手册表2-1-27取 N=24 , H=16 , L=45 , B=34 。 mm （3-10）故 V型块长宽高：556034mm3.1.5 夹具结构设计1.主要设计参数及依据本设计夹具的参数定为：1）夹具夹紧机构工作行程：30mm2）夹具顶出机构工作行程：30mm3）夹具定位机构摆动角度：904）切削轴向力：460N5）夹紧油缸快进速度：1.8m/min6）夹紧油缸工进速度：0.2m/min7）夹紧油缸快退速度：1.8m/min2.夹具结构分析由机床相关数据可知，左右夹具夹紧油缸工作情况相同，对其也采取相同的设计，故只对其中一个的设计进行说明。夹具主要由夹紧机构、定位机构、顶出机构三部分组成。3.夹具总体设计参考双头锪组合机床总装图及机床夹具手册，根据实际大小限制，对夹具结构进行设计。具体详见夹具装配图及主要零件图。3.1.6 夹具夹紧油缸设计设计的双头锪端面倒角专机的夹具夹紧油缸液压系统要求完成：快进工进快退停止；切削推力460N，快进行程20mm，工进行程10mm，快进速度1.8m/min，工进速度0.2m/min，快退速度1.8m/min，运动部件重16N，静摩擦系数fj=0.2，动摩擦系数fd=0.1，液压缸机械效率=0.9，快速启动时间不大于0.2秒。1.运动部件重量估算V型块 材料45钢，密度7.85103kg/m3根据V型块尺寸，估算其重量为0.8kg夹具体 材料HT200，密度7103kg/m3根据其尺寸，估算其重量为0.8kg 2.工况分析 切削推力： N静摩擦力： N （3-11）动摩擦力： N （3-12）启动惯性力： N （3-13）夹紧力： N 切削力： N 3.液压缸推力启动推力： N （3-14）加速推力： N （3-15）快进推力： N （3-16）工进推力： N （3-17）反向启动过程作用力与F1、F2、F3大小相同，方向相反。 工况运行图3-1所示图3-1 双头锪端面倒角专机液压滑台液压缸工况图图3-2工况运行图4.确定液压缸工作压力、主要结构尺寸、初定液压流量由于左右夹紧油缸工作情况相同，将其（1）工作压力查液压系统设计简明手册(杨培元、朱福元主编)，根据表3-1、表3-2、3-3对液压缸的相关参数进行选定。 表3-1 液压设备常用的工作压力表设备类型机床农业机械或中型工程机械液压机、重型机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力p/（MPa）0.82.0352881010162032表3-2 液压缸内径D与活塞杆直径d的关系按机床类型选取d/D按液压缸工作压力选取d/D机床类别d/D工作压力p/(MPa)d/D磨床、衍磨及研磨机床0.20.320.20.3插床、拉床、刨床0.5250.50.58钻、镗、车、铣床0.7570.620.70表3-3 执行元件背压估计值系统类型背压力p2（MPa）中、低压系统08MPa简单的系统和一般轻载的节流调速系统0.20.5回油路带调速阀的调速系统0.50.8回油路带背压阀0.51.5采用带补液压泵的闭式回路0.81.5中高压系统816MPa同上比中压系统高50%100%由上述三个表,分别取工作压力=4MPa；背压力=0.5MPa；d/D=0.7。（2）液压缸内径D和活塞杆直径d的确定查液压系统简明手册得求直径公式为 （3-18）参考夹具设计手册机床用液压缸系列的液压缸内径，且考虑到液压缸尺寸规格，取D=45mm，则d=25mm。（3）液压缸壁厚和外径的计算1）液压缸壁厚计算中低压液压系统,由其切削加工性能确定液压缸筒壁厚，按薄壁圆筒计算壁厚： （3-19）式中液压缸壁厚（m）；液压缸内径（m）；试验压力，一般取最大工作压力的（12.51.5）倍（MPa），取1.5倍。缸筒材料的许用应力。采用锻钢：=110120MPa，取115MPa。则参考机床夹具用系列的液压缸的内径，取=13.5mm2）液压缸外径的计算 （3-20）3）液压缸工作行程的确定根据液压缸的工作的最大行程=100mm，取液压缸活塞行程为L=30mm。4）缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。查液压系统设计简明手册，一般不超过（2030）D，参考机床用T5014型液压缸的液压缸的缸体长度，取5）活塞杆稳定性的验算 （3-21）所以需进行活塞杆稳定性验算，验算过程具体如下：查新编液压工程手册（雷天觉主编），可知活塞杆弯曲失稳临界负荷，可按下式计算 （3-22）在弯曲失稳临界负荷时，活塞杆将纵向弯曲。因此，活塞杆最大工作负荷应按下式验证 （3-23）式中活塞杆材料的弹性模量（MPa），采用钢材： （MPa）；活塞杆横截面惯性矩，圆截面；安装及导向系数，采用一端固定,一端自由，取为=2；安全系数，一般取=3.5。则 N显然，该液压缸活塞杆的稳定性能很好,可靠性高。6）液压缸各截面积可得液压刚各截面积为（图3-3为液压缸各截面示意图）图3-3 液压缸各各截面积示意图 （3-24） （3-25） （3-26）按最低工进速度验算液压缸最小稳定速度，即式中是由产品样本查得GE系列调速阀AQF3-E10B的最小流量为0.05L/min。本设计中调速阀安装在回油路上，故液压缸节流腔有效工作面积应选取液压缸有杆腔的实际面积A=A2=946=9.5可见，上述不等式能满足，液压缸能达到所需低速。7）液压缸各工作阶段所需的流量为：快进： （3-27）工进： （3-28）快退： （3-29）3.1.7顶出油缸设计1.主要设计参数及依据本设计的顶出油缸的参数定为：1）活塞杆工作行程：30mm2）工件重力：18N3）快进速度：1.8m/min4）快退速度：3m/min2.液压缸内径D和活塞杆直径d的确定参照表3-3、3-4、3-5分别取工作压力=4MPa；背压力=0.5MPa；d/D=0.7。查液压系统简明手册得求直径公式为 取D=30mm，则d=20mm3.液压缸壁厚和外径的计算1）液压缸壁厚计算中低压液压系统,由其切削加工性能确定液压缸筒壁厚，按薄壁圆筒计算壁厚： 式中液压缸壁厚（m）；液压缸内径（m）；试验压力，一般取最大工作压力的（12.51.5）倍（MPa），取1.5倍。缸筒材料的许用应力。采用锻钢：=110120MPa，取115MPa。则壁厚取2）液压缸外径的计算 3） 液压缸工作行程的确定根据液压缸的工作的最大行程=100mm，取液压缸活塞行程为L=30mm4）缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。查液压系统设计简明手册，一般不超过（2030）D，参考机床用单向作用型液压缸的液压缸的缸体长度，取4.活塞杆稳定性的验算 查新编液压工程手册（雷天觉主编），可知活塞杆弯曲失稳临界负荷，可按下式计算 在弯曲失稳临界负荷时，活塞杆将纵向弯曲。因此，活塞杆最大工作负荷应按下式验证 式中活塞杆材料的弹性模量（MPa），采用钢材： （MPa）；活塞杆横截面惯性矩，圆截面；安装及导向系数，采用一端固定,一端自由，取为=2；安全系数，一般取=3.5。则 N显然，该液压缸活塞杆的稳定性能很好,可靠性高。3.1.8摆动油缸的设计 1.摆动液压缸概述摆动液压缸是一种输出轴做往复摆动运动的液压执行元件。它能使负载直接获得往复摆动运动，无需任何变速机构。摆动液压缸有单叶片和双叶片两种，摆动频率可控制进入缸体的流量大小来实现。2.摆动液压缸的选取参照机械设计手册-液压传动与控制表23.6-127 UB型摆动缸技术参数转矩计算式 （3-30）参照机械设计手册-液压传动与控制表23.6-128 且根据机床实际情况选取UBFZD40型号摆动角90法兰式摆动液压缸。3.1.9确定液压的流量 1.确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格因为该机床除液压夹具外还要好几个液压部分，而液压泵使用的是一台总的，其他液压部分的数据都不知道，所以无法具体确定，这里只给出相关计算公式，具体如下：泵的工作压力： （3-31）式中 为液压泵最大工作压力； 为执行元件最大工作压力； 为进油管中的压力损失，初算时简单系统可取0.20.5MPa，复杂系统取0.51.5MPa。上述计算所得的是系统的静态压力，考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力。另外考虑到一定的压力储备量，并确保泵的寿命，因此选择泵的额定压力应满足（1.251.6）。中低压系统去小值，高压系统取大值。泵的流量： （3-32）式中，为液压泵的最大流量； 为同时动作的各执行元件所需要量之和的最大值； 为系统泄露系数，一般去=1.11.3。液压泵的规格按上述两个参数查阅相关手册选取。电动机的选定，先按不同工况下功率较大的值为依据选择电机，然后按以下公式进行验算： （3-33）式中，为泵的限定压力； 为压力为时，泵的输出流量； 为所选电机额定功率2.油管的选择本系统部分主油路流量为q=15L/min，压油管的允许流速取v=4m/s，则油管内径尺=9mm，参考液压夹具相关资料，取油管内径d=15mm。 液压油箱容积，与液压泵情况相同，只给出确定方法：油箱容积按泵的流量57倍来确定，再参考相关手册选取容量值。3.1.10夹具液压系统1.调速方式的选择在中小型专用机床的液压系统中，进给速度的控制一般采用节流阀或调速阀，这里使用调速阀对其进行调速。2.速度换接方式的选择本系统采用电磁阀的快慢速换接回路，它的特点是结构简单、调节行程比较方便，阀的安装也较容易。最后把所选择的液压回路组合起来，即可组成图3-4所示的液压系统原理图。表3-4为液压缸各工况时各个电磁阀的动作；系统中的各液压元件名称如表3-5中所示。图3-4双头锪组合机床液压夹具液压系统表3-4 电磁铁动作表 工况1DT2DT3DT4DT5DT6DT7DT8DT9DT10DT定位+顶出+快进+工进+快退+表3-5 液压元件列表 序号元件名称序号元件名称1油箱26压力表开关2滤油器27溢流阀3液压泵7、18、25压力继电器4、8、19、20单向阀5、9、14、21三位四通换向阀13减压阀15、22单向调速阀12蓄能器16、23二位三通换向阀6定位缸17、24夹紧缸10顶出油缸3.2 可编程控制器（PLC）介绍可编程控制器（Programmable Controller，简称PC）。与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。双头锪端面倒角专机使用的是SIMATIC S5-115U可编程控制器，现在在这简要注释该系统。SIMATIC S5-115U可编程控制器广泛应用于世界范围大多数领域，每个模板化元件处理一特定的任务，所以可以根据起要求扩充其系统，通讯系统可在多个控制器间传递信息，S5-115U系统提供操作板，监视装置和编程器，以适于各种要求，STEP5编程语言和功能强的软件使编程变得容易。很多工业使用S5-115U，即使每个自动控制任务不同，S5-115U也能适用于不同的工作，无论是简单的开环控制还是复杂的闭环控制，系统部件：S5-115U系统由各种模板式部件组成，这些部件包括：电源模板（PS）、中央处理单元（CPU）、输入/输出模板（I/OS）、智能输入/输出模板（IPS,WFS）和通讯处理器（CP）。1.电源模板电源模板（PS）把外部电源转换成为内部工作电压，S5-115U所用电源电压为24V DC，115V AC和230V AC，螺钉型端子把电源线连接PS底部，可用三种最大输出电流，根据所用的模板号或其电功率消耗选择3A，7A或15A，对输出电流不超过7A的电源可不用风扇。锂电池用于掉电情况下保存程序和内部保存标志、计时器及计数器，并由一个LED指示故障。在关断电源更换电池时，要冲外部电源连接一备用电压到电源模板的插座上。2.中央处理单元中央处理单元（CPU）是可编程控制器的“大脑”，它执行控制程序，根据S5-115U必须具备的性能等级，可选以下几种CPU：（1）CPU941 （2）CPU942 （3）CPU943 （4）CPU944CPU944是几个CPU中功能最强的，CPU性能越高，执行程序的处理时间越短，所控制的用户存储器越大。3.输入/输出模板输入/输出模板（I/OS）是连接传感器和机器或控制器系统、执行元件的接口，其具有快速安装、机械定码和大标识域的特点，使得S5-115U容易使用。（1）数字量模板：数字量模板能匹配用户机器的电压和电流电平，用户不必适配已有电平到可编程控制器，S5-115U本身能适配机器，数字量模板具有经前连接器连接信号线、可选择螺紧型或压紧型连接器的方便特性。本专用机床将使用数字量模板。（2）模拟量模板：模拟量模板主要处理闭环控制任务，如自动调整温度或温度控制，S5-115U提供浮地和非浮地模拟量输入模板，它们使用一个量程卡对4个通道适配所要求的信号电平，该特点允许做据一个模板具有的通道数，最多可有4个不同测量量程；简单更换范围卡可改变测量量程的工作。三种模拟量输出模板覆盖模拟量执行器中的各种电压、电流量程。4.智能输入/输出模板S5-115U提供智能输入/输出模板（IPS,WFS）以处理这些实时性工作，使用这些模板可与程序并行，迅速处理测量闭环控制和开环控制任务，大多数模板有自己的处理器而独立处理任务，所有这些模板有较高的处理速度，并容易处理，标准软件使它们投入工作。5.通讯处理器S5-115U提供一些专用通讯处理器（CP）使得人和机器或机器和机器间容易通讯，而主要CP如下：（1）用于局部网络的CP；（2）用于连接，信号传输和记录的CP。6.扩展能力如果一个中央处理器的连接能力不能满足用户的机器或系统的需要，可用扩展单元（EU）增加起容量，接口模板以适于所需控制器结构。（1）集中式结构：集中式结构允许连接三个EU到一个中央处理器上，用于此目的的接口模板总线是连接电源电压到EU，所以这种结构下的EU不需自己的电源，每个控制器间的连接电缆最长为2.5m（8.2英尺）。（2）分散式结构：分散式结构允许安装扩展单元，更接近于机器的传感器和执行元件，分散式结构减少了这些装置的连接费用。3.3夹具电气部分控制设计3.3.1 电气控制硬件及操作说明介绍 1.操作面板说明操作面板示意图如图3-5所示。图3-5 操作面板示意图1）“首有料”指示灯：当步伐式传送机构首部有工件时亮起；2）“首无料”指示灯：当步伐式传送机构首部无工件时亮起；3）“尾有料”指示灯：当步伐式传送机构尾部有工件时亮起；4）“尾无料”指示灯：当步伐式传送机构尾部无工件时亮起；5）“加工有料” 指示灯：夹具体内有工件时亮起；6）“加工无料” 指示灯：夹具体内无工件时亮起；7）“滑台原位”指示灯：滑台处于原位时亮起；8）“步伐式”按钮：按下时，步伐机构点动（仅手动工况时可操作）；9）“定位”按钮：按下时，定位装置点动（仅手动工况时可操作）；10）“夹紧”按钮：按下时，夹具夹紧；再按时，夹具放松（仅手动工况时可作）；11）“顶料”按钮：按下时，顶料机构点动（仅手动工况时可操作）；12）“滑台原位”指示灯：滑台处于原位时亮起；13）“滑台终位”指示灯：滑台处于终位时亮起；14）“滑台终位”指示灯：滑台处于终位时亮起；15）“进”按钮：按下时，滑台前进（点动）（仅手动工况时可操作）；16）“退”按钮：按下时，滑台后退（点动）（仅手动工况时可操作）；17）“主轴”按钮：按下时，铣削头主轴（点动）（仅手动工况时可操作）；18）“进”按钮：按下时，滑台前进（点动）（仅手动工况时可操作）；19）“退”按钮：按下时，滑台后退（点动）（仅手动工况时可操作）；20）“主轴”按钮：按下时，铣削头主轴（点动）（仅手动工况时可操作）；21）“提升机构/开始工作”按钮：手动工况时，按下可使提升机构点动；自动工况时，按下则自动工作循环启动；22）“系统开”锁钮：用钥匙打开锁钮，系统处于准备状态，随时可进入工作；关闭锁钮，整个系统关闭；23）“自动 手动”选择开关：用于自动工况与手动工况的选择与切换；24）“工作终了 送料准备”选择开关：当开关拨至“工作终了”位置时，当在夹具体内的工件加工完毕后自动加工循环结束，步伐机构及提升机构停止运行，不再进行送料；当开关拨至“送料准备”位置时，提升机构、步伐机构进入自动循环状态，而加工区域尚未进入自动循环；25）“PLC”按钮：按下PLC启动运行；再按一下PLC停止运行；26）“液压开”按钮：按下液压系统启动；再按一下液压系统停止运行；27）“电源”指示灯：电源接通时亮起；电源切断时熄灭；28）“总停”按钮：按下时，机床各系统均停止运行，异常或紧急情况下亦可作急停用；重新启动机床前按钮必须旋拉至原位。2.操作程序（1）工作前准备：先合上电气箱电源开关，此时面板上的电源指示灯亮起；用钥匙打开“系统开”锁钮，再按下“液压”按钮启动液压系统，并按下“PLC”按钮启动PLC系统。此后即可开始工作；（2）手动工况：将“自动 手动”选择开关拨至“手动”位置，此时可对滑台、铣削头、提升机构、步伐机构、夹具、定位机构和顶料机构等实现点动控制；（3）自动工况：将“自动 手动”选择开关拨至“自动”位置，“工作终了 送料准备”选择开关拨至“送料准备”位置，此时提升机构、步伐机构进入自动循环状态，而加工区域尚未进入自动循环；当再按下“提升机构/开始工作”按钮时，整台机床才进入自动加工循环状态。在自动加工循环过程中若将“工作终了 送料准备”选择开关拨至“工作终了”位置时，则当在夹具体内的工件加工完毕后自动加工循环结束，步伐机构及提升机构停止运行，不再进行送料；（4）结束工作时的处理：当加工结束后，按一下“总停”按钮，在按下电气箱上电源开关切断电源，清除切屑并将机床擦抹干净，在不涂漆处抹上油脂以防锈蚀。如较长时间里不使用机床，最好用罩子将机床罩住，保持清洁。停机较长时间后重新使用机床前先让机床空转一段时间。3.3.2 上转向轴双头锪平面倒角专机行程开关及接近开关说明具体各行程开关及接近开关： S1： 控制工件在一个工作循环中提升一个节距；S2： 识别送料装置始端是否有料，首有料；S3： 识别送料装置末端是否有料，尾有料；S4： 控制送料油缸行程，油缸起始位置；S5： 控制送料油缸行程，油缸终止位置；S6： 控制定位装置位置，定位装置起始位置；S7： 控制定位装置位置，定位装置终止位置；S8： 识别是否有工件；S9： 控制左边夹紧油缸是否松开，松开位置；S10： 控制左边夹紧油缸是否夹紧，夹紧位置；S11： 控制右边夹紧油缸是否松开，松开位置；S12： 控制右边夹紧油缸是否夹紧，夹紧位置；S13： 控制顶料装置位置，顶料装置起始位置；S14： 控制顶料装置位置，顶料装置终止位置；S15： 控制右滑台行程，右滑台原位；S16： 控制左滑台行程，右滑台原位；S17： 控制右滑台行程，右滑台终位；S18： 控制左滑台行程，右滑台终位。3.3.3 PLC程序编制1.PLC输入口分配表如下表3-6表3-6 PLC输入口分配表输入设备输入端口编号接近开关S2I32.0接近开关S1I32.1接近开关S3I32.2接近开关S4I32.3接近开关S5I32.4接近开关S6I32.5接近开关S7I32.6接近开关S8I32.7接近开关S9I33.0接近开关S10I33.1接近开关S11I33.2接近开关S12I33.3接近开关S13I33.4接近开关S14I33.5行程开关S15I33.6行程开关S16I33.7“步伐式”按钮I34.0“定位”按钮I34.1“夹紧”按钮I34.2“顶料”按钮I34.3“进”按钮I34.4“退”按钮I34.5“主轴”按钮I34.6“进”按钮I34.7“退”按钮I35.0“主轴”按钮I35.1“提升机构/开始工作”按钮I35.2“系统开”锁钮I35.3“自动”开关选择I35.4“手动”开关选择I35.5续表3-6输入设备输入端口编号“工作终了”开关选择I35.6“送料准备”开关选择I35.7“总停”按钮I36.0“PLC”按钮I36.1“液压开”按钮I36.2行程开关S17I36.3行程开关S18I36.4“急停”按钮I36.52.PLC输入口分配表（如下表3-7）表3-7 PLC输出口分配表输出设备输入端口编号提升机构电机Q32.0步伐式送料油缸（上）Q32.1步伐式送料油缸（下）Q32.2定位油缸（上）Q32.3定位油缸（下）Q32.4左夹紧油缸（松开）Q32.5左夹紧油缸（夹紧）Q32.6右夹紧油缸（松开）Q33.0右夹紧油缸（夹紧）Q33.1左面主轴电机Q33.2右面主轴电机Q33.3左滑台油缸（后退）Q33.4右滑台油缸（后退）Q33.5左滑台油缸（快进）Q33.6右滑台油缸（快进）Q33.7左滑台油缸（工进）Q34.0右滑台油缸（工进）Q34.1顶料油缸（顶）Q34.2 顶料油缸（恢复）Q34.3“首有料”指示灯Q34.4“首无料”指示灯Q34.5续表3-7输出设备输入端口编号“尾有料”指示灯Q34.6“尾无料”指示灯Q35.0“加工有料”指示灯Q35.1“加工无料”指示灯Q35.2“滑台原位”指示灯Q35.3“滑台原位”指示灯Q35.4“滑台终位”指示灯Q35.5“滑台终位”指示灯Q35.6液压夹具动作相关的输出点连接相应的继电器线圈，再由各继电器的常开触点连接相应动作的电磁阀，使液压夹具按控制程序进行动作。3.PLC程序流程（梯形图）（1）液压夹具部分PLC程序如下 （2）液压夹具部分PLC程序在整个机床PLC程序中的关系及位置如下4 结论一学期的毕业设计即将结束，我设计的课题是330207-1ZJ(ZC-V009)型新桑车上转向轴双头锪组合机床自动夹具及其PLC控制设计，该机床是专门为上海汇众汽车制造公司汽车底盘厂新桑车上转向轴第10号工序，双头锪端面并倒角加工而设计制造的专用设备。本课题涉及的面很广，包括机械、液压、PLC及电气控制等方面，综合应用性较强。首先通过阅读、研究该机床的相关资料对其有了初步的认识，然后从画图纸着手，对机床的布局及每个主要部件有了相当清楚的了解，将机床的整个工作循环过程作了进一步的研究和分析。在此基础上，对该机床的液压夹具进行了结构设计，并对起工作所涉及的液压系统进行了设计；正确地识别机床的操作面板和操作程序后对其加以一一说明。最后在掌握该部分的结构、性能和工作过程的基础上，编写了PLC程序，使本机床夹具部分的设计趋于完整和全面。通过本次对“双头锪组合机床自动夹具及其PLC控制设计”，将我这几年来所学到的专业知识，特别是机械设计、液压、电气控制、PLC及机电一体化等专业知识作了进一步的巩固和深化，整个毕业设计的过程，就是对所学知识的总结和归纳，培养独立思考、团队合作和解决问题的能力，如何将平时所学的有一点一滴积累起来，并加以灵活运用，这才是学习专业可以的最终目的所在。这也是我在今后的工作和学习中要不断努力的。通过这次的毕业设计，我更清楚知道了如何在学习中知难而进的道理。的确，本次设计中，我遇到了许多困难，首先，涉及的知识太广，很多涉及到的知道以前都没学过；其次，是
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