毕业设计（论文）-后制动板三大孔粗精镗机床总体设计及电气控制部分设计.doc

毕业设计说明书 目目 录录 1 前言 .1 1.1 课题的来源 .1 1.2 国内外现状及发展趋势 .2 1.3 设计的思路及解决的主要问题 .3 2 机床总体设计. 4 2.1 工艺方案的拟订 .4 2.2 确定切削用量 .5 2.3 机床尺寸联系总图的确定 .7 3 机床的电气控制部分设计 10 3.1 机床的控制要求 10 3.2 机床控制方案的确定 11 3.3 机床主电路的设计 12 3.4 plc 控制部分硬件的设计.13 3.5 plc 控制部分软件的设计.18 3.6 操作面板的设计 20 4 结论 21 参考文献 22 致谢 23 附录 24 毕业设计说明书 1 1 1 前言前言 1.1 课题的来源 本课题来源于江苏高精机电设备装备公司，是对后制动板三大孔机床总体设计 及电气控制部分设计。首先设计机床的总体结构，然后通过控制方案的选用，选择 plc控制来实现机床主轴、夹具、滑台之间的调整和整机循环动作控制。可编程序 控制器(plc)作为一种新型的工业自动化装置已在工业控制各个领域广泛应用，具 有体积小、功耗低、寿命长、可靠性高、灵活通用、易于编程、维修及使用方便等 特点。将plc技术应用于组合镗床，使该机床实现了除装卸工件以外的全部自动循 环过程，避免了过去由于大量使用继电器带来的种种缺点，改善并提高了控制性能， 提高了生产效率，降低了生产成本。 该公司的组合机床选用plc控制而不是继电器控制，因为plc的控制与继电器 的控制有以下不同之处： 1、控制逻辑 继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串联或并联，及延时继电 器的的滞后动作等到组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率 高，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。另 外继电器触点数目有限， 每只仅有48对触点，因此灵活性和扩展性很差。而plc采用存储器逻辑，其控制 逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑只需改变程序即可，故称“软接线” 。其接线少，体积小，因此灵活性和扩展性都很好。plc由大、中规模集成电路组 成，因而功耗较小。 2、工作方式 电源接通时，继电器控制电路中各继电器同时都处于受控状态，即该吸合的都 应吸合，不该吸合的都应受到某种条件限制不能吸合，它属并联工作方式。而plc 的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描中，属串联工作方式。 3、可靠性和可维护性 继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线较多。触点断开或闭合时会受到 电弧的损坏，并有机械磨损、寿命短，因此可靠性和维护性差。而plc采用微电子 技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。 plc配有自检和监督功能，能检查出自身的故障并随时显示给操作人员，还能动态 地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。 4、控制速度 继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭一般 在几十毫秒数量级；另处，机械触点还会出现抖动问题。而plc由程序指令控制半 导体电路来实现控制，属无触点控制，速度极快，一条用户指令的执行时间一般在 微秒数量级，且不会出现抖动。 后制动板三大孔粗精镗机床总体设计及电气控制部分设计 2 5、定时控制 继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。一般来说，时间继电器存在定 时精确度不高、定时范围窄，且易受到环境湿度和温度变化的影响，时间调整困难 等问题。plc使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体振荡产生，精度相当 高，且定时时间不受环境的影响，定时范围一般从0.001s到若干天或更长；用户可 根据需要在程序中设置定时值，然后用软件来控制定时时间。 从以上几个方面的比较可知，plc在性能上优于继电器控制系统，特别是具有 可靠性高，设计施工周期短，调试修改方便的特点；而且体积小、功耗低、使用维 护方便。正是基于以上优点，plc控制系统正在逐步地取代继电器控制系统。 1.2 国内外现状及发展趋势 在机械制造中，对于单件或小批量生产的工件，许多工厂采用通用机床进行加 工。由于通用机床要适应被加工零件形状和尺寸的需要，故机床结构一般比较复杂。 不仅如此，在实际生产加工中，由于只能单人单机操作，一道一道工序地完成，所 以工人的劳动强度大、生产效率低，工件的加工质量也不稳定。 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。组合机床一般采用多轴、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，目前已经广泛应用于汽车、拖拉机、柴油机、 电机、仪器仪表、军工及自行车等轻工行业的大批大量生产中，并可用以组成自动 生产线；在一些中小批量生产中，如机床、机车、工程制造业中也已推广应用。 以下是 plc 的发展历史： 起源：1968 年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求；1969 年，美 国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器 pdp14 ，在美国通用汽车公司的 生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程序 控制器，称 programmable，是世界上公认的第一台 plc；1969 年，美国研制出世界 第一台 pdp-14；1971 年，日本研制出第一台 dcs-8；1973 年，德国研制出第一台 plc；1974 年，中国研制出第一台 plc。 发展：20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使 plc 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制 装置。此时的 plc 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发 展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为 programmable logic controller（plc）；20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器 进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞 跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、pid 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位；20 世纪 80 年代初，可编程控 制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多， 产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段；20 世纪 80 年代至 90 年代 毕业设计说明书 3 中期，是 plc 发展最快的时期，年增长率一直保持为 3040%。在这时期，plc 在处 理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，plc 逐 渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 dcs 系 统；20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时 期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界 面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。 plc 技术发展呈现新的动向： a：产品规模向大、小两个方向发展 大：i/o 点数达 14336 点、32 位为微处理 器、多 cpu 并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。 小：由整体结构向小型 模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本； b：plc 在闭环过程控制中应用日益广泛； c：不断加强通讯功能； d：.新器件和模块不断推出 高档的 plc 除了主要采用 cpu 以提高处理速度外， 还有带处理器的 eprom 或 ram 的智能 i/o 模块、高速计数模块、远程 i/o 模块等专 用化模块； e：编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化 有各种简单或复 杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的 plc 指令系统； f：发展容错技术 采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式； g：追求软硬件的标准化。 1.3 设计的思路及解决的主要问题 设计思路：本课题是后制动板三大孔机床总体设计及电气控制部分设计，首先 根据系统设计的总体要求，选用总体方案，绘制机床总体联系图，然后将选择plc 实现机床主轴、夹具、滑台的调整和整机循环动作控制。 拟解决以下问题： a.确定机床总体结构方案； b.根据机床的总体电气控制要求，绘制机床总体电气分布图； c.按照仪表面板要求，进行操作台面板的设计； d. 进行主电路设计，绘制控制系统的主电路电气控制原图； e. 选定plc的型号，分配输入/输出点，绘制plc输入/输出端子接线图，绘制 plc伺服控制接线图； f. 进行plc编程，编制机床主轴、滑台、夹具的调整和整机循环的动作程序。 通过这次设计达到：机床运转平稳，控制动作准确、可靠，结构简单，装卸方 便，便于维修；通过学习与设计，使自己综合能力得到提高。 后制动板三大孔粗精镗机床总体设计及电气控制部分设计 4 2 组合机床总体设计 组合机床是按高度集中工序原则，针对被加工零件的特点及工艺要求设计 的一种高效率专用机床。 2.1 工艺方案的拟订 制订工艺方案是设计组合机床最重要的步骤.为了使工艺方案制订得合理、 先进，必须认真分析被加工零件，深入现场全面了解被加工零件的结构特点、 加工部位、尺寸精度、表面粗糙度和技术要求及生产率要求等，总结设计、制 造、使用单位和操作者丰富的实践经验，理论与生产实际紧密结合，从而确定 零件在组合机床上完成的工艺内容及方法。 2.1.12.1.1 设计内容及依据设计内容及依据 课题来源于江苏高精机电装备公司。为保证对后制动板进行镗孔加工，需 设计一台多工序组合机床。主要完成机床的总体设计及电气控制部分设计。 后制动板的材料为 ht200,硬度为 hb170-220，主要为对后制动板的三大孔 粗精镗，控制对象为机床的动力头、两个进给滑台，采用伺服系统，控制方式 为日本的三菱 plc 控制器。 生产规模：大批大量生产。 2.1.22.1.2 技术要求技术要求 a. 机床整体布局要合理，美观，结构简单，装卸方便，便于维修； b. 机床应运转平稳，控制动作要准确可靠； c. 保证各动力头部件由电气控制； d. 用对电机进行控制，实现滑台快进、工进、快退等一系列动作； 2.1.32.1.3 确定机床的配置模式确定机床的配置模式 机床的配置型式主要有卧式和立式两种。卧式组合机床床身由滑座、侧底 座及中间底座组合而成。其优点是加工和装配工艺性好，无漏油现象；同时， 安装、调试与运输也都比较方便；而且，机床重心较低，有利于减小振动。其 缺点是削弱了床身的刚性，占地面积大。立式组合机床床身由滑座、立柱及立 柱底座组成。其优点是占地面积小，自由度大，操作方便。其缺点是机床重心 高，振动大。 考虑到此零件有工序要求双面加工,同时为了装夹方便，减轻了工人的劳动 强度以及机床运行的平稳性等，选用卧式组合机床。 机床配置示意图见附录机床尺寸示意图 hzdbt.01。 2.1.42.1.4 定位基准的选择定位基准的选择 组合机床是针对某种零件或零件某道工序设计的。正确选择定位基准，是 毕业设计说明书 5 确保加工精度的重要条件，同时也有利于实现最大限度的集中工序。从而获到 减少机床台数的效果。 本工序采用“一面两孔”的定位方案，其特点为：“一面两孔”的定位方 案，广泛用于机加工的面与面的定位，它符合六点定位的原则，但由于一面两 孔中有两个圆孔面作定位基准面，易出现过定位现象，为了消除孔的大小，长 度的误差，常采用以一孔为定位销，另一孔为辅助定位的削边销方法。 2.1.52.1.5 滑台型式的选择滑台型式的选择 滑台传动型式的选用：机械滑台的进给量稳定，慢速无爬行，高速无振动， 可以降低加工工件的表面粗糙度；具有较好的抗冲击能力，断续铣削、钻头钻 通孔将要出口时，不会因冲击而损坏刀具；运行安全可靠，易发现故障，调整 维修方便。故选择机械滑台。 由此，根据已定的工艺方案和机床配置形式并结合使用及修理等因素，确 定机床为卧式双面双工位液压传动组合机床，机械滑台实现工作进给运动，选 用配套的动力箱驱动主轴箱粗精镗孔主轴。 2.2 确定切削用量 在组合机床工艺方案确定过程中，工艺方法和关键工序的切削用量选择十 分重要。切削用量选择是否合理，对组合机床的加工精度生产率刀具耐用度机 床的结构型式及工作可靠性均有较大的影响。 2.2.12.2.1 选择切削用量选择切削用量 a.组合机床进给用量选择特点 （1） 在大多数的情况下，组合机床的多轴、多刀、多面同时加工。因此， 所选的进给用量，根据经验应比一般万能机床单刀加工低 30%左右。 （2） 组合机床多轴箱上所有刀具共用一个进给系统，通常为标准的动力 滑台。在工作时要求所有刀具的每分钟进给量都相同，且等于动力滑台的每分 钟进给量。这个每分钟的进给量应该是适合于所有刀具的平均值。 因此，我们把同一主轴箱上的刀具主轴可以设计成不同的转速和选择不同 的每转进给量与其相适应，以满足不同直径工件的加工需要。 转速与每转进给量的关系是：= = = = 11f n 22f n 33n n iif n m f 公式中：、 为各主轴的转速(转/分) 1 n 2 n 3 n i n 、 为各主轴的进给量(毫米/转) 1 f 2 f 3 f i f 动力滑台每分钟进给量(毫米/分) m f b.确定进给用量时的注意点 （1）尽量做到合理利用所有的刀具，充分发挥其性能。 由于同一主轴箱上的刀具每分钟进给量都是相同的，所以要使每把刀具均 能有合适的切削用量是困难的，因此，我们按照刀具的形式及材料的特性选择 了合理的主轴的转速 n（转/分）以及每转进给量（毫米/转） ，然后对各轴进 i f 行适当的调整，使各个刀具在每分钟进给量相同，皆能等于动力滑台的每分钟 后制动板三大孔粗精镗机床总体设计及电气控制部分设计 6 进给量，这样，各类刀具都不是按照最合理的进给用量工作而是按一个中间 m f 切削用量工作。 （2）在选择进给用量时，结合生产批量及速度采取了刀具的耐用度，使得 各个进给用量与刀具的耐用度相适应。 (3) 在确定镗孔切削速度时，除了考虑保证加工精度，表面粗糙度，镗刀 耐用度外，对左主轴箱的镗孔主轴转速采用了不同的主转速。 （4）进给用量的选择，我们考虑了有利于主轴箱设计的因素。尽可能做到 相邻的主轴转速接近相等。 （5）选择进给用量时，考虑所选动力滑台的性能，尤其本机床选用了液压 动力滑台时，所选择的每分钟进给量一般应比动力滑台所实现的最小进给量大 50%。否则会由于温度和其他原因导致进给量的不稳定，影响加工精度，甚至造 成机床不能正常工作。 c.进给用量的选取 根据生产经验，根据文献1 p132 表 6-15 推荐的镗孔参数，如下表： 表 2-1 镗孔的切削用量 铸铁 切削用量 工序刀具材料 v(米/分)f（毫米/转） 高速钢20250.250.80粗镗 硬质合金35500.401.50 高速钢20350.100.30半精镗 硬质合金50700.150.45 精镗硬质合金70900.120.15 查上表并计算可得： 粗大孔 45：v=40m/min,f=0.6mm/r,ap=6mm 精大孔 45：v=80m/min,f=0.15mm/r,ap=0.2mm 粗小孔 28：v=40m/min,f=0.37mm/r,ap=6mm 精小孔 28：v=80m/min,f=0.09mm/r,ap=0.2mm 精扩孔 49：v=80m/min,f=0.16mm/r,ap=0.2mm 2.2.22.2.2 初定主轴直径初定主轴直径 根据文献1 p44 初步选定主轴直径 粗大孔 45：d=35mm,d=50mm,d1=36mm,l=115mm 精大孔 45：d=15mm,d=25mm,d1=16mm,l=85mm 粗小孔 28：d=30mm,d=50mm,d1=36mm,l=115mm 毕业设计说明书 7 精小孔 28：d=15mm,d=25mm,d1=16mm,l=85mm 精扩孔 49：d=15mm,d=25mm,d1=16mm,l=85mm 2.2.32.2.3 计算切削力，切削扭矩及切削功率计算切削力，切削扭矩及切削功率 根据选定的切削用量(主要指切削速度 v 及进给量 f),确定切削力，作为选 择动力部件（滑台）及夹具设计的依据；确定切削扭矩，用以确定主轴及其他 传动件（齿轮，传动轴等）的尺寸；确定切削功率，用以选择主传动电机（一 般指动力箱电机）功率；确定刀具耐用度，用以验证所选刀具是否合理。 人们根据生产实践及试验研究成果，已经整理出不同材料刀具对不同材料 工件的进行计算的方法，参见文献1 p134 表 6-20 中公式： 镗孔： (2-1) 0.750.55 51.4 zp fa fhb (2-2) 1.20.651.1 0.51 xp fafhb 由切削用量计算得到的各主轴的切削功率的总和，根据文献1公 切削 p47p 式： 表 2-2 动力箱性能 动力箱型号电动机型号 电动机功率 (kw) 电动机转速 (r/min) 输出轴转速 (r/min) 左前主轴箱1td50y132m-47.51440720 左后主轴箱1td50y132m2-63.0960480 右主轴箱1td50y132m2-63.0960480 2.3.22.3.2 动力滑台型号的选择动力滑台型号的选择 根据选定的切削用量计算得到的单根主轴的进给力，按文献1公式：62p (2-6) n i i ff 1 多轴箱 式中，各主轴所需的轴向切削力，单位为 n。 i f 左滑台 5086.83+41.39+3539.85+28.5+43.97=8741.04n 多轴箱 f 右滑台 3539.85+28.5=3568.35n 多轴箱 f 实际上，为克服滑台移动引起的摩擦阻力，动力滑台的进给力应大于 。又考虑到所需的最小进给速度、切削功率、行程、主轴箱轮廓尺寸等 多轴箱 f 因素，为了保证工作的稳定性，查文献1p96 表 5-5，左、右两面的液压滑台分 别选用 1hjb10m 型和 1hj40 型。台面宽 400mm，台面长 800mm,行程长分别为 1000 mm、400mm。滑台及滑座总高 320mm,滑座长分别为 1840 mm 和 1240mm。具体相关尺寸可参见下表 2-3： 后制动板三大孔粗精镗机床总体设计及电气控制部分设计 8 表 2-3 主要技术性能及其附属部件的配套关系 2.3.32.3.3 机床联系尺寸总图的作用以及内容机床联系尺寸总图的作用以及内容 机床联系尺寸总图是以被加工零件工序图和加工示意图为依据，并按照初 步选定的主要通用部件以及确定的专用部件的总体结构而绘制的。它用来表示 机床各组成部件的相互装配联系和运动关系，可用以检验：机床各部件相对位 置及尺寸联系是否满足加工要求；通用部件的选者是否适合；并为进一步设计 主轴箱、夹具等专用部件提供依据。总联系尺寸图也可看成是简化的机床总图， 表示机床的配置型式及总体布局。 绘制总联系尺寸图的有关要求： a. 以适当数量的视图（一般为主，左，右视图）按同一比例画出机床各主 要组成部件的外形轮廓及相关位置。主视图的选择应与机床实际加工状态一致。 b. 图上应尽量减少不必要的线条及尺寸。但反映各部件的联系尺寸、专用 部件的主要轮廓尺寸、运动部件的极限位置及行程尺寸，必须完全齐整。至于 各部件的详细结构不必画出，留在具体设计部件时完成。 c. 为便于开展部件设计，联系尺寸图上应标注通用部件的规格代号，电动 机型号、功率及转速，并注明机床部件的分组情况及总行程。 机床联系总图见附录 hzdbt.01。 工作进给电动机快速行程电动机 滑台 型号 滑台 台面 宽 (mm) 滑台 台面 长 (mm) 最大 行程 (mm) 最大 进给 力 型号及型 式 功率 (kw) 转速 (r/min) 工作进给速 度范围 (mm/min) 型号及型 式 功率 (kw) 转速 (r/min) 快速移 动速度 (m/min) 1hjb40miii 400 800 1000y802-4b50.75y90l-4b5 1.5 1hj40iii400 800 400 20000 y801-4b50.55 13909.62-681.4 y90s-4b51.1 14006.3 毕业设计说明书 9 3 机床的电气控制部分设计 3.1 机床的控制要求 根据后制动板组合机床加工需要以及满足零件加工的各项工艺要求，对机 床的操作台进行按钮设计以及按钮之间的布置。并且减少按钮的使用量。 设计的按钮具体功能以及机床的操作顺序说明如下： 合上空气开关,按“总电源”按钮-sb12(-sb22),接触器-km0 吸和,“电源” 指示灯亮,机床得电。将“液压站开/停”旋钮-sa12(-sa22)打至“开”,可以进 行机床的调整和循环。 机床调整部分控制要求： 将机床“循环选择”按钮-sa11(-sa21)打到“调整”位置。 a.按左前、左后、右“镗头高速”按钮-sb13(-sb23)、-sb15(-sb25)、- sb17(-sb27)，相应镗头高速旋转。 b.按左前、左后、右“镗头低速”按钮-sb14(-sb24)、-sb16(-sb26)、- sb18(-sb28)，相应镗头低速旋转。 c.按镗头停按钮-sb19(-sb29)，所有镗头停。 d.按左、右“滑台快进”按钮-sb110(-sb210)、-sb113(-sb213)，相应滑 台点动快进。 e.按左、右“滑台工进”按钮-sb111(-sb211)、-sb114(-sb214)，相应滑 台点动工进。 f.按左、右“滑台快退”按钮-sb112(-sb212)、-sb115(-sb215)，相应滑 台点动快退。 g.按“涨紧缸涨紧松开”按钮-sb116(-sb216)、-sb117(-sb217)，涨紧 缸涨紧、松开。 h.按“夹紧缸夹紧松开”按钮-sb118(-sb218)、-sb119(-sb219)，夹紧 缸涨紧、夹开。 后制动板三大孔粗精镗机床总体设计及电气控制部分设计 10 i.按“定位缸定位松开”按钮-sb120(-sb220)、-sb121(-sb221)，定位 缸定位松开。 机床循环部分控制要求： 将“循环选择”按钮-sa11、-sa21 打至“循环” 。 a.两滑台均处于原位，装工件，按“循环启动”按钮-sb122(-sb222)，定 位油缸定位后失压。 b.涨紧缸涨紧，涨紧后压力继电器-sp1 发讯，定位缸定位。 c.定位后夹紧缸夹紧，夹紧到位后压力继电器-sp2 发讯。 d.两滑台同时启动快进，三镗头低速启动，冷却泵启动。 e.压合行程开关-sq12、-sq22，滑台转为工进，进行工件粗镗加工。 f.压合行程开关-sq13、-sq23，镗头变为高速，进行精镗。 g.加工结束，压合行程开关-sq14、-sq24 及死挡铁微动开关-sq16、- sq26，延时 2 秒后滑台快退。 h.滑台快退至原位停，镗头停，冷却停，定位缸松开。 i.夹紧缸松开，涨紧缸松开 卸料，至此完成一个工作循环。 故障处理部分： 加工过程中如出现意外情况，按“急停”按钮，可使机床失电。 3.2 机床控制方案的确定 机床分为两种工作方式，即调整和循环。 a调整工作方式。调整方式需要人为按下操作面板上的按钮，进行对设备 进行调试，对被控制对象进行点动调整，达到操作者的操作要求，是循环工作 方式的辅助方式。 b循环工作方式。循环是控制系统的主要运行方式。该运行方式的主要特 点是在系统工作过程中，系统按照给定的程序自动完成被控对象的动作，不需 要人工干预（除了人工上料和人工下料） 。 根据机床的控制要求，选出以下三种控制方案。 方案一：可编程控制器（plc）控制。可编程控制器是一种数字运算操作的 电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部 存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过 数字式和模拟式的输入和输出，控制各种机械的生产过程。可编程序控制器及 其有关外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原 则设计。 plc 特点性能高，抗干扰能力强；编程简单易学；设计、安装容易，调试 周期短，维护简单；模块品种丰富，通用性好，功能强大；体积小，能耗低。 方案二：单片机控制。单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是 把中央处理器(cpu)、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、输入/输出端 口(i/o)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。这 毕业设计说明书 11 种微型计算机因其制作在一块芯片上而被称为单片机。单片机是大规模集成电 路技术发展的产物。单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、 应用广泛、通用性强等突出优点。 单片机的设计目标主要是增强“控制”能力，满足实时控制（就是快速反 应）方面的需要。因此，它在硬件结构、指令系统、i/o 端口、功率消耗及可 靠性等方面均有其独特之处，其最显著的特点之一就是具有非常有效的控制功 能。因此，单片机又常常被人称为微控制器（mcu 或 c） 。 方案三：继电器控制。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又 称输入回路）和被控制系统（又称输出回路） ，通常应用于自动控制电路中，它 实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自 动调节、安全保护、转换电路等作用。 对以上三种方案进行比较如下： 方案一控制与方案二控制比较，前者主要用于工业控制，适用于工程现场 环境，控制强电设备，程序设计简单易学，价格便宜。 方案一控制与方案三控制比较。控制逻辑：前者体积小，连线少，控制灵 活，易于扩展，后者接线较多，体积大，连线复杂，修改困难。控制速度：前 者比后者动作速度快，不会出现触点抖动。限时控制：前者比后者精度高，受 环境温度影响小。设计与施工：前者在系统设计后，现场施工与程序设计可同 时进行，周期短，调试修改方便，后者设计、施工、调试必须按顺序进行，周 期长，修改困难。 综上比较，方案一控制可靠，易维护，易扩展，价格适中，设计与施工简 单方便，其最能满足该机床完成滑台、主轴和夹具之间的调整和整机循环的顺 序动作。 因此，总体方案选用方案一控制，即 plc 控制。 3.3 机床主电路的设计 主电路部分由电源保护、电源开关、总电源控制、左前镗头电机、左后镗 头电机、右镗头电机、左滑台工进电机、左滑台快速电机、右滑台工进电机、 右滑台快速电机、液压站电机、冷却泵电机、润滑装置、控制保护、直流电源、 变压器保护、控制灯、指示灯、控制电源等部分组成。 低压断路器 qf1qf16 在电路中主要用作电动机的过载保护。电动机在实 际运行中，如果长期超载、频繁启动、欠电压或断相运行等都可能使电动机的 电流超过其额定植，如果超过值并不大，熔断器在这种情况在会熔断，这样将 引起电动机过热，损坏绕组的绝缘，缩短电动机的使用寿命，严重时甚至烧坏 电动机。 继电器 km11，km12 线圈得电，主触头闭合，左前镗头电机得电，左前镗头 电机高速运转。 继电器 km13 线圈得电，主触头闭合，左前镗头电机得电，左前镗头电机低 后制动板三大孔粗精镗机床总体设计及电气控制部分设计 12 速运转。 继电器 km21，km22 线圈得电，主触头闭合，左后镗头电机得电，左后镗头 电机高速运转。 继电器 km23 线圈得电，主触头闭合，左后镗头电机得电，左后镗头电机低 速运转。 继电器 km31，km32 线圈得电，主触头闭合，右镗头电机得电，右镗头电机 高速运转。 继电器 km33 线圈得电，主触头闭合，右镗头电机得电，右镗头电机低速运 转。 继电器 km4 线圈得电，主触头闭合，左滑台工进电机得电，左滑台工进。 继电器 km51 线圈得电，主触头闭合，左滑台快进电机得电正转，左滑台快 进。 继电器 km52 线圈得电，主触头闭合，左滑台快进电机得电反转，左滑台快 退。 继电器 k6 线圈得电，主触头闭合，右滑台工进电机得电，右滑台工进。 继电器 km71 线圈得电，主触头闭合，右滑台快进电机得电正转，右滑台快 进。 继电器 km72 线圈得电，主触头闭合，右滑台快进电机得电反转，右滑台快 退。 继电器 km8 线圈得电，主触头闭合，液压站电机得电，液压站电机运转。 继电器 km9 线圈得电，主触头闭合，冷却泵电机得电，冷却泵电机运转 继电器 km10 线圈得电，主触头闭合，集中润滑电机得电，集中润滑电机运 转。 交流控制电路有 36、127、220、380v 等规格，电路结构简单的可使用 220v 或 380v 电源，电路复杂，故障多发，选用低压电源，但须经变压器降压 获得。电源插座的 220v 交流电是通过 tc 250va 变压器把 380v 的工厂交流电压 降压得来。 机床所需的直流电是通过交、直流转换器把交流电转换成直流电，当中间 继电器 ka1-ka6 线圈得电，其主触头吸合，电磁阀 yv1-yv6 分别接通。电磁阀 yv1 动作，夹紧缸夹紧；电磁阀 yv2 动作，夹紧缸松开；电磁阀 yv3 动作，辅 助支承上；电磁阀 yv4 动作，辅助支承下；电磁阀 yv5 动作，辅助夹紧缸夹紧； 电磁阀 yv6 动作，辅助夹紧缸松开。中间继电器 ka7 线圈得电，ka7 触头闭合， 继电器 km0 线圈得电，继电器 km0 触头闭合，总电源接通。伺服变压器 tm 4kva 将 380v 交流电变压至 3-220vac。 电气控制原理图设计时，选择典型环节，考虑施工的要求，节省导线的连 接，可靠性高（减少电流流经的触点数） 。继电器和接触器控制电路不能用自身 触点切断线圈的导电电路。 导线的选择包括导线的种类选择和导线的截面积的选择。导线有单股或多 毕业设计说明书 13 股导线，根据走线方式和美观要求进行选择。铜芯导线截面积可按 5a/mm2来估 算。 机床主电路详见附录 hzdbt.05。 3.4 plc控制部分硬件的设计 3.4.13.4.1 plcplc 的种类的种类 plc 是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按 结构形式的不同，plc 可分为整体式和组合式两类。 整体式 plc 是将中央处理单元（cpu） 、存储器、输入单元、输出单元、电 源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的 i/o 扩展单元与主机 配合使用。主机中，cpu 是 plc 的核心，i/o 单元是连接 cpu 与现场设备之间的 接口电路，通信接口用于 plc 与编程器和上位机等外部设备的连接。 组合式 plc 将 cpu 单元、输入单元、输出单元、智能 i/o 单元、通信单元 等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的 总线相互联系。装有 cpu 单元的底板称为 cpu 底板，其它称为扩展底板。cpu 底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过 10m。 无论哪种结构类型的 plc，都可以根据需要进行配置与组合。 plc 的种类也可按照输出方式分类： a.继电器输出： 优点是不同公共点之间可带不同的交、直流负载，且电压也可不同，带负 载电流可达 2a点；但继电器输出方式不适用于高频动作的负载，这是由继电 器的寿命决定的。其寿命随带负载电流的增加而减少，一般在几十万次至 jl 百 万次之间，有的公司产品可达 1000 万次以上，响应时间为 10ms，机械式开关 装置，噪音大，反映时间长，寿命短，适用于大功率、低频率信号 （220v、380v 交直流信号）的切换。本设计采用继电器输出。 b.晶体管输出： 优点是适应于高频动作，响应时间短，一般为 0.2ms 左右，但它只能带 dc 530v 的负载，最大输出负载电流为 05a/点，但每 4 点不得大于 0.8a。电 子开关装置，噪音小，反映时间短，寿命长，适用于小功率开关信号传输，可 用于高频脉冲信号之输出。 当系统输出频率为每分钟 6 次以下时，应首选继电器输出，因其电路设计 简单，抗干扰和带负载能力强。当频率为 10 次min 以下时，既可采用继电器 输出方式；也可采用 plc 输出驱动达林顿三极管（510a） ，再驱动负载，可大 大减小。 3.4.23.4.2 plcplc 各部分的作用各部分的作用 plc 的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同 小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主 要部分组成。 后制动板三大孔粗精镗机床总体设计及电气控制部分设计 14 主机部分包括中央处理器（cpu）系统等。 1、主机程序存储器和用户程序及数据存储器。cpu 是 plc 的核心，它用 以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即 读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外 部设备（如电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。plc 的内部存 储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户 程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用 户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结 果。 2、输入/输出（i/o）接口 i/o 接口是 plc 与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（如 按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将主机经处理后 的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等） 。i/o 接 口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。i/o 点数即 输入/输出端子数是 plc 的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机 有几百个点，大型机将超过千点。 3、电源 图中电源是指为 cpu、存储器、i/o 接口等内部电子电路工作所配置的 直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。 4、编程 编程是 plc 利用外部设备，用户用来输入、检查、修改、调试程序或 监示 plc 的工作情况。通过专用的 pc/ppi 电缆线将 plc 与电脑联接，并利用专 用的软件进行电脑编程和监控。 5、输入/输出扩展单元 i/o 扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即 主机）连接在一起。 6、外部设备接口 此接口可将打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相联，以完成相 应的操作。 3.4.33.4.3 plcplc 的型号的选择的型号的选择 输入元件中包括工作方式选择开关、循环启动、急停、原点复归等按钮和 旋钮，用于检测各工位工作行程开关,，用于控制滑台的行程开关和压力继电器， 总共 40 个。输入设备总计 40 个；输出元件包括控制动力头主轴电机（机械滑 台电机以及滑台工进和快速电机）运行的接触器线圈、夹紧、松开等电磁换向 阀线圈（共 30 个输出线和指示灯） 。 该机床由 plc 组成的电控系统共有各种输入信号 40 个，输出信号 30 个。 三菱 fx2n-80mr-001 型 plc 的输入和输出点数各为 40，输入输出点数总数 为 80，fx2n-16ex 扩展模块的输入点数为 16，输出点数为 0，即可满足输入输 毕业设计说明书 15 出信号的数量要求，以及备用量的要求。 三菱 fx2n-80mr-001 型 plc 特性：超高速的运算速度，50%小型化设计，程 序容量：内置 8kstepram,最大可扩展模块进行扩展。 plc 的输出点选用分组式接法。不选用隔离式接法，隔离式的各组输出点 之间可以采用不同的电压种类和电压等级，但这种 plc 平均每点的价格较高， 所以，输出点不采用隔离式接法。 同时由于各工位动作频率不是很高，但控制线路电流较大，故选用继电器 输出方式的 plc，日本三菱 fx2n 系列是三菱 plc 中功能最强的。继电器输出型 的 plc 优点：导通压降小，有隔离作用，价格相对便宜，承受瞬时过电压和过 电流的能力较强，其负载电压灵活，且电压等级范围大。所以动作不频繁的交、 直流负载可以选择继电器输出型的 plc。 综上所述，选用三菱 fx2n-80-001 型号 plc(并带有 fx2n-16ex 扩展模块)。 3.4.43.4.4 分配输入分配输入/ /输出点输出点 三菱fx2n系列可编程序控制器的内部资源：各种不同型号和档次的plc具有 不同数量和功能的内部资源，但构成plc基本特征的内部软元件是类似的。现介 绍fx2n系列plc其内部资源。并分配输入/输出点,如表3-1和表3-2所示。 表3-1 输入信号地址分配表 15y022km13左前主轴低速30y042km10集中润滑 内部继电器：在可编程控制器内部可多次使用，但不能输出的继电器叫做 内部继电器或辅助继电器。内部继电器与输出继电器的不同点是它只在程序中 使用，既不能直接读取外部输入状态，也不能直接驱动外部负载。内部继电器m 在程序中的作用相当与继电器控制系统中的中间继电器，其功能是在程序中用 于中间状态暂存、移位、辅助运算或赋予特别用途。plc的内部继电器分普通型、 掉电保持型和赋予特殊用途型三类。 a)普通型 普通型继电器在断电或停止运行时线圈将失电，机内不记忆停 电瞬间的状态，再来电时从失电状态开始执行程序。fx2n系列plc中普通型内部 继电器按十进制编号，从m0m499共500个。 b)掉电保持型 掉电保持型继电器在断电或停止运行时机内记忆停电瞬间 后制动板三大孔粗精镗机床总体设计及电气控制部分设计 16 的状态，再来电时恢复停电瞬间的状态，从此时状态开始执行程序。fx2n系列 plc中掉电保持型内部继电器按十进制编号，从m500m1023共524个。 c)赋予特殊用途型 赋予特殊用途的内部继电器有两大类，第一类信号由 plc的系统程序自身产生，用户编程时可调用其触点，如特殊继电器m8000的功 能是在程序run时保持on状态；m8002的功能是在程序run的第一个周期产生一个 脉冲宽度为一个扫描周期的脉冲输出，供用户初始化使用；m8011m8014的功 能是为提供10ms、100ms、1s、1min的周期性脉冲输出。第二类信号由plc的用 户程序驱动，用户编程时可置位其线圈，如程序置位m8033，则程序停止运行时 输出会保持，如程序置位m8034，则plc输出全被禁止。 内部继电器m在程序中的作用相当与继电器控制系统中的中间继电器，其功 能是在程序中用于中间状态暂存、移位、辅助运算或赋予特别用途。普通型继 电器在断电或停止运行时线圈将失电，机内不记忆停电瞬间的状态，再来电时 从失电状态开始执行程序。plc系统内部继电器的地址分配如表3-3。 表3-3 内部继电器地址分配表 序 号 地 址说明 序 号 地 址说明 1m0 循环启动 9m8 右镗头电机 2m1 定位缸定位 10m9 镗头低速 3m2 涨紧缸涨紧 11m10 冷却泵电机 4m3 夹紧缸夹紧 12m11 镗头高速 5m4 左滑台前进 13m12 左滑台后退 6m5 右滑台前进 14m13 右滑台后退 7m6 左前镗头电机 15m14 循环结束 8m7 左后镗头电机 3.4.53.4.5 plcplc硬件系统的选择设计硬件系统的选择设计 fx2n系列是三菱plc中性能最好的，其主要优点有：一个程序包的单元型可 编程控制器，采用装卸式端子台，内装run/stop开关、程序存储器、钟表功能， run写入，元件注解，利用键盘保护程序，丰富的输出入扩展设备，丰富的特殊 扩展设备，用sfc表现的编程，简便的应用指令群，高速处理等优点并结合机床 的生产环境以及其所需要的高可靠性所以选择fx2n系列plc。 plc接线图详见附录hzdbt.06（图中未标出扩展模块） 。 3.5 plc控制部分软件的设计 plc要达到两种控制要求，即调整和循环。 a调整运行方式。调整方式需要人为按下操作面板上的按钮，进行对设备 进行调试，对被控制对象进行点动调整，达到操作者的操作要求，是循环工作 方式的辅助方式。 b循环运行方式。总循环是控制系统的主要运行方式。该运行方式的主要 特点是在系统工作过程中，系统按照给定的程序自动完成被控对象的动作，不 毕业设计说明书 17 需要人工干预（除了人工上料和人工下料） 。 该机床 plc 控制系统的软件有公用程序、调整程序、循环程序等 3 部分组 成。 公用程序主要用来处理组合机床的各种操作信号，如启动、急停以及各滑 台原位信号，机床启动前应具备的各种初始信号，并将处理结果作为机床启动、 停止、程序转化或故障报警等的依据，公用程序一般采用经验法设计。 循环程序是软件中的最重要的部分，它实现组合机床在只要装料和卸料的 情况下自动连续工作。循环程序就是编程的关键的关键。梯形图是用梯形图语 言去编制 plc 程序。这是一种模仿继电器控制系统的编程方法。其图形甚至元 件名称都与继电器控制电路十分相近。 机床总循环工作流程图如附录 7：hzdbt.07。 3.5.13.5.1 plcplc 程序的编写程序的编写 根据表 31、32 输入和输出点分配，以及表 33 内部继电器的分配， 按照机床操作顺序流程进行梯形图的绘制。 fx 系列 plc 的指令系统分三种类型共 119 条，其中基本指令 20 条，步进 指令两条，功能指令 97 条。其中基本指令包括：常开、常闭接点指令 ld、ldi；线圈逻辑状态位输出指令 out；强迫置为与复位指令 set、rst 等。 一般应用 20 条基本指令编制用户程序，plc 就能取代继电器控制框完成各种开 关量的逻辑控制。 在本次程序的编制中，除了使用了基本指令，还运用内部继电器代表电动 机的启动与停止信号，用于定时控制。程序中 set 与 rst 指令都是成对出现。 本机床 plc 程序的电控系统共有各种输入信号 40 个，输出信号 30 个，内 部继电器 15 个。根据输入输出点编写程序。 本程序采用 gx developer 编写，以下是 gx developer 软件的特点： (1) 软件的共通化 gx developer能够制作q系列，qna系列，a系列（包括 运动控制（scpu）,fx系列的数据,能够转换成gppq,gppa格式的文档。 此外， 选择fx系列的情况下，还能变换成fxgp(dos),fxgp(win)格式的文档。 (2) 利用windows的优越性，使操作性飞跃上升能够将excel,word等作成的 说明数据进行复制，粘贴，并有效利用。 (3) 程序的标准化 a 标号编程 用标号编程制作可编程控制器程序的话， 就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。 用标号编程做成 的程序能够依据汇编从而作为实际的程序来使用。 b 功能块（以下，略称作 fb） fb是以提高顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。把开发顺序程 序时反复使用的顺序程序回路块零件化，使得顺序程序的开发变得容易。此外， 零件化后，能够防止将其运用到别的顺序程序时的顺序输入错