毕业设计（论文）-基于PLC的组合机床控制系统设计.pdf

- i - 基于基于基于基于 plcplcplcplc 的组合机床控制系统设计的组合机床控制系统设计的组合机床控制系统设计的组合机床控制系统设计 摘摘摘摘要要要要 为了充分发挥设备效能，迅速提升加工技术与精度，越来越多的企业每年 投入大量资金和技术对传统老式组合机床进行技术改造，取得了良好的效果。 用 plc 模块、变频驱动技术、操控监控设备等组成电气数字控制系统，以实现 编程输入、人机交互、自动化加工的控制方式，扩大加工能力，减少故障，提 高效率，已成为企业进行技术改造的有效途径。 论文以 a7-39 组合机床的数控化改造为背景，概述了组合机床数控化改造 的设计方案与应用技术，并对 plc 的发展与应用作了简要介绍。论文介绍了 plc 编程特点和方式，重点以三菱 fx2n 型 plc 为例，介绍了 plc 编程环 境，并对 a7-39 组合机床应用编程作了阐述。论文还进一步阐述了 plc 接口与 通信技术，介绍了 fx2n 系列 plc 的网络协议，另外对人机界面 hmi 也做了 论述。 关键词：plc；编程技术；组合机床 哈尔滨理工大学学士学位论文 - ii - 基于基于基于基于 plcplcplcplc 的组合机床控制系统设计的组合机床控制系统设计的组合机床控制系统设计的组合机床控制系统设计 thethethethe designdesigndesigndesign ofofofof transfertransfertransfertransfer andandandand unitunitunitunit machinemachinemachinemachine controlcontrolcontrolcontrol systemsystemsystemsystem basedbasedbasedbased onononon plcplcplcplc abstractabstractabstractabstract more and more financing and technology are plough into the tradition machine for exerting efficiency and prompting precision rapidly, acquire well impression. now it become efficiency approach for corporation reconstructive ， by numeric control systemcomposing plc module frequency and conversion control and inspect equipment carry out programme import and automatization control ， to reduce trouble and improve efficiency. the paper summarize the design project and application technology in machine numeric control system, and introduce the plc development and applicationinsimply,bythemachinenumericcontrolsystem reconstructive.the paper introduce the plc programme specialty and mode ， emphases the step7- micro/win 32 design project and application technology for example fx2n plc. combined to apply the plait distance to make to elaborate to a7-39 pair pillarses sign type lathe.and the paper introduces the plc interface technology，network protocol fx2n and the hmi. keywords：plc；programme technology；transfer and unit machine 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iii - 目目目目录录录录 摘要.i abstract ii 第 1 章概述.1 1.1 组合机床概述1 1.2 组合机床的发展1 1.3 组合机床装配模型2 1.4 组合机床及其体系结构的发展现状3 1.5 本章小结5 第 2 章组合机床结构与运动流程.6 2.1 组合机床结构6 2.2 组合机床的基本配置7 2.3 组合机床的运动流程9 2.4a7-39 组合机床的主要结构.10 2.5 a7-39 组合机床运动形式11 第 3 章a7-39 组合机床电气控制系统. 14 3.3 a7-39 组合机床电气控制. 14 3.3.1 机械动力头控制线路.16 3.3.2 机械动力滑台控制电路.17 3.3.3 液压动力滑台控制电路.19 第 4 章plc 在 a7-39 组合机床中的应用24 4.1 plc 概述24 4.1.1 plc 的发展.24 4.1.2 plc 的基本组成.24 4.1.3 plc 各组成部分的作用.25 4.1.4 plc 的工作方式与运行框图.26 4.2 本设计 plc 的选型及其特点.28 4.2.1 fx2n 系列 plc 模块介绍.28 4.2.2 本设计 plc 模块选型29 4.2.3 i/o 地址分配及外部配线.29 4.3 plc 程序实现31 4.3.1 plc 程序的表达方式.31 4.3.2 plc 的 i/o 分配表31 4.3.3 plc 控制的程序设计.33 4.3.4 plc 控制梯形图34 4.4 本章小结36 第 5 章结论.37 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iv - 5.1论文总结37 5.2进一步研究的方向与内容37 致谢.38 参考文献.39 附录.40 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 1 - 第第第第 1 1 1 1 章章章章概述概述概述概述 1.1 组合机床概述 专用机床是随着汽组合机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。 组合机床是一种专用高效自动化技术装备，目前，由于它仍是大批量机械 产品实现高效、高质量和经济性生产的关键装备，因而被广泛应用于汽组合 机、拖拉机、内燃机和压缩机等许多工业生产领域。其中，特别是汽组合机工 业，是组合机床和自动线最大的用户。如德国大众汽组合机厂在 salzgitter 的发 动机工厂，90 年代初所采用的金属切削机床主要是自动线(60%)、组合机床 (20%)和加工中心(20%)。显然，在大批量生产的机械工业部门，大量采用的设 备是组合机床和自动线。因此，组合机床及其自动线的技术性能和综合自动化 水平，在很大程度上决定了这些工业部门产品的生产效率、产品质量和企业生 产组织的结构，也在很大程度上决定了企业产品的竞争力。 最早的组合机床是 1911 年在美国制成的，用于加工汽组合机零件。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 年美国福特汽组合机公司和通用汽组合机公 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。 现代组合机床和自动线作为机电一体化产品，它是控制、驱动、测量、监 控、刀具和机械组件等技术的综合反映。近 20 年来，这些技术有长足进步，同 时作为组合机床主要用户的汽组合机和内燃机等行业也有很大的变化，其 产品 市场寿命不断缩短，品种日益增多且质量不断提高。这些因素有力地推动和激 励了组合机床和自动线技术的不断发展。 组合机床未来的发展将更多的采用调速电动机和滚珠丝杠等传动，以简化 结构、缩短生产节拍；采用数字控制系统和主轴箱、夹具自动更换系统，以提 高工艺可调性；以及纳入柔性制造系统等。 1.2 组合机床的发展 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 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 2 - 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特殊形状的零件。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 机床采用组合机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、汽组合机后桥半轴等)的外圆和端面加工。 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 0.05 毫米1000 毫米，表面粗糙度可低达 2.50.63 微米；镗孔精度可 达 it76 级，孔距精度可达 o.03o.02 微米。专用机床是随着汽组合机工业 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，用于加工汽组合机零件。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 年美国福特汽组合机公司和通用汽组合机公 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。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。为了使组合机床能在中小批量生产中得到应用，往往需要应用成组技 术，把结构和工艺相似的零件集中在一台组合机床上加工，以提高机床的利用 率。这类机床常见的有两种，可换主轴箱式组合机床和转塔式组合机床。组合 机床未来的发展将更多的采用调速电动机和滚珠丝杠等传动，以简化结构、缩 短生产节拍；采用数字控制系统和主轴箱、夹具自动更换系统，以提高工艺可 调性；以及纳入柔性制造系统等。 1.3 组合机床装配模型 产品装配模型是一种描述整个产品信息的数据结构，它能反映产品的功能 需求、结构装配关系以及参数约束等各方面的信息，不仅能支持产品设计，还 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 3 - 能支持产品的制造、装配等后续的各种生产环节。机床的结构设计模块具有铣 削头规格类型确定、铣削工台选择、机床联系尺寸调整、夹具轮廓设计、机床 平面布置等功能。机床铣削头包括带滑套和无滑套两大类型。按所选配的传动 装置又可分为皮带式、顶置式、尾置式、手柄变速等几种型式。通常卧式铣床 采用顶置式, 立式铣床采用尾置式, 高速铣削采用皮带式; 而铣削头的规格大小 则由铣刀盘直径以及铣削功率确定。根据上述准则, 系统自动确定铣削头的类 型和规格, 然后由用户交互修改选择。铣削头确定后, 系统随之确定铣削头轴向 调整方式, 即以滑套调整还是以附加滑板调整。 组合机床功能主要反映在它所完成的加工工艺上，因而，组合机床的功能 需求可通过加工工艺信息进行描述。组合机床的加工工艺信息包括加工工艺 面、工艺类型、精度要求，以及各加工工艺面中各个加工元素的几何形状和位 置信息等。这里所说的加工工艺面不是通常所指的几何表面，而是指几何表面 上所完成的工艺内容，这样一个几何表面可能会有铣削、钻削、攻螺纹等多个 加工工艺面。这种加工工艺面能与机床结构中的加工单元建立起一一对应的关 系，如铣削加工工艺面、孔加工工艺面、攻螺纹工艺面等。 组合机床功能除了需完成的工艺内容之外，还包括工件的装夹、照明、冷 却等辅助功能，它们也将与组合机床的夹具和其它的辅助装置建立一一对应的 关系。 机械产品是由具有层次关系的零部件所组成的系统。一个部件可以分解成 若干零件或子部件，子部件还可再分解成若干更下层的零件和子部件。表现在 装配次序上，就是先由零件组装成部件，然后参与整机的装配。这种层次性的 装配关系可用如图 1 所示的装配树进行表示。由图 1 可见，一台组合机床可由 若干个加工单元和电气、液压、夹具等主辅部件组成，各个加工单元又可分为 侧底座、滑台、动力箱等部件。装配关系树中的连线表示父结点与子结点之间 的隶属关系，而结点表示各个加工单元或零部件的具体描述。 图 1-1组合机床装配树 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 4 - 组合机床标准化、系列化程度较高，在组合机床设计标准中，提供了各通 用部件间可供选择的配套关系表。利用该配套关系表作为组合机床的配套性约 束，以它作为正确选择所需零部件的导航准则。 1.4 组合机床及其体系结构的发展现状组合机床及其体系结构的发展现状组合机床及其体系结构的发展现状组合机床及其体系结构的发展现状 1组合机床品种的发展重点 在组合机床这类专用机床中，回转式多工位组合机床和自动线占有很重要 的地位。因为这 两类机床可以把工件的许多加工工序分配到多个加工工位上， 并同时能从多个方向对工件的几个面进行加工，此外，还可以通过转位夹具(在 回转工作台机床上)或通过转位、翻转装置(在自动线上)实现工件的五面加工或 全部加工，因而具有很高的自动化程度和生产效率，被汽组合机、摩托组合机 和压缩机等工业部门所采用。 2自动线节拍时间进一步缩短 目前，以大批量生产为特征的轿组合机和轻型载货组合机，其发动机的年 产量通常为 60 万台左右，实现这样大的批量 生产，回转式多工位组合机床和 自动线在三班运行的情况下，其节拍时间一般为 2030 秒，当零件生产批量更 大时，机床的节拍时间还要更短些。在 70 年代，自动线要实现这样短的节拍， 往往要采用并列的双工位或设 置双线的办法，即对决定自动线节拍的、工序时 间最长的加工工序要通过并联两个相同的加工工位，如果限制性工序较多时， 则通过采用两条相同的自动线来平衡自动线系统的加工节拍。显然，这样就要 增加设备投资和作业面积。 缩短基本时间的主要途径是采用新的刀具材料和新颖刀具，以通过提高切 削速度和进给速度来缩短基本时间。例如，德国大众汽组合机厂在加工铝合金 缸盖燃烧室侧面时，采用 pcd 铣刀，铣削速度高达 3075m/min，进给速度达 3600mm/min；又如，在镗削灰铸铁缸体的缸孔时，采用装有三个可转位 cbn 刀片的新颖镗刀头，切削速度达 800m/min，进给速度为 1500mm/min，加工深 度为 146mm 的缸孔，其实际加工时间仅为 5.8s，比传统加工工艺可缩 短 2/3 的 加工时间。 缩短辅助时间主要是缩短包括工件输送、加工模块快速引进以及加工模块 由快进转换为工进后至刀具切入工件 所花的时间。为缩短这部分空行程时间， 普遍采用提高工件(工件直接输送)或随行夹具的输送速度和加工模块的快速移动 速度。目前，随行夹具的输送速度可达 60m/min 或更高些，加工模块快速移动 速度达 40m/min。目前，随行夹具高速输送装置常用的有电液比例阀控制的或 摆线驱动的输送装置。70 年代末，honsberg 公司在其加工变速箱体的自动线上 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - 就采用了电液比例阀控制的输送装置。该自动线长 18.2m，有 12 个加工工位， 输送步距为 1400mm，输送重量为 7000kg，输送速度达 45.6m/min，一个步距的 输送时间 仅为 2.5s。为该输送装置的运动特性曲线。由于电液比例阀控制系统 具有良好的启动和制动性能，且系统结 构简单，至今，这种输送装置仍被许多 自动线所采用。 3组合机床柔性化进展迅速 十多年来，作为组合机床重要用户的汽组合机工业，为迎合人们个性化需 求，汽组合机变型品种日益增多，以多 品种展开竞争已成为汽组合机市场竞争 的特点之一，这使组合机床制造业面临着变型多品种生产的挑战。为适应多 品 种生产，传统以加工单一品种的刚性组合机床和自动线必须提高其柔性。在 70 年代，数控系统的可靠性有了很大的提高，故到 70 年代末和 80 年代初，像 alfing、hller-hille 和 ex-cell-o 等公司相继开发出数控加工模块和柔性自动线 (ftl)，从此数控组合机床和柔性自动线逐年增多。在 1988 年至 1992 年间，日 本组合机床和自动线(包括部分其它形式的专用机床)产量的数控化率已达 32%39%，产值 数控比率达 35%51%；德国组合机床和自动线产量的数控 化率为 18%62%，产值数控化率达 45%66%(表 2)。这 些数字表明，近十年 来，组合机床的数控化发展是十分迅速的。应指出，进入 90 年代以来，汽组合 机市场竞争更趋激烈，产品市场寿命进一步缩短，新组合机型的开发周期日益 缩短(目前一般为 35 个月)，汽组合机品种不断增多，因而汽组合机工业对柔性 自动化技术装备的需求量日益增多。如日本丰田汽组合机公司，在本世纪末的 目标是公司下属工厂的柔性 化加工系统的普及率达到 100%。很显然，组合机 床及其自动线在保持其高生产效率的条件下，进一步提高其柔性 就愈来愈具有 重要意义。 4加工精度日益提高 特别自 80 年代中期以来，汽组合机制造业为增强其汽组合机的竞争力，不 断地加严其发动机关键件的制造公差，并通过计算机辅助测量和分析方法，以 及通过设备能力检验来提高其产品的质量。目前，在验收组合机床和自动线 时，已普遍要求设备的工序能力系数要大于 1.33，有的甚至要求工序能力系数 要大于 1.67，以便确保稳定的加工精度。应指出，采用 cp1.33 来验收设备， 这实际上是加严了工件的制造公差，即工件的实际加工公差仅为工件给定公差 的 1/31/2，这无疑是对组合机床和自动线提出了更高的要求。组合机床制造 厂为了满足用户对工件加工精度的高要求，除了进一步提高主轴部件、镗杆、 夹具(包括镗模)的精度，采用新的专用刀具，优化切削工艺过程，采用刀具尺寸 测量控制系统和控制机床及工件的热变形等一系列措施外，目前，空心工具锥 柄(hsk)和过程统计质量控制(spc)的应用已成为自动线提高和监控加工精度的 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 新的重要技术手段。 空心工具锥柄是一种采用径向(锥面)和轴向(端面)双向定位的新颖工具，其 优点是具有较高的抗弯刚度、扭转刚度和很高的重复精度。在机床上采用空心 锥柄的镗刀，就可使用预调的刀具加工出 it7/it6 精密孔。所示是空心工具锥柄 在缸孔精镗刀具上的应用实例。spc 是基于工序能力的用于监控工件加工质量 的一种方法。目前，在自动线上这种质量保证系统愈来愈多地被用来对整个生 产过程中的加工质量进行连续监控。 5综合自动化程度日益提高 近十年来，为进一步提高工件的加工精度和减少工件在生产过程中的中间 储存、搬运以及缩短生产流程时间，将工件加工流程中的一些非切削加工工序 (如工序间的清洗、测量、装配和试漏等)集成到自动线或自动线组成的生产系统 中，以实现工件加工、表面处理、测量和装配等工序的综合自动化。 1.5 本章小结本章小结本章小结本章小结 本章主要介绍了组合机床的的相关概念，组合机床的发展、装配模型及其 体系结构的发展现状、特点及其应用范围。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 7 - 第第第第 2 2 2 2 章章章章组合机床结构与运动流程组合机床结构与运动流程组合机床结构与运动流程组合机床结构与运动流程 2.1 组合机床结构 以通用部件为基础，配以少量按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件 和夹具（见机床夹具）而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，可以根据需要灵活配置，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。图 1 为曲型组合机床的 组成。组合机床一般用于加工箱体类或特殊形状的零件。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(见钻削)、铰孔（见铰削）、镗孔（见镗削）、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。 图 2-1 组合机床结构图 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - 20 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 0.05 毫米/1000 毫米，表面粗糙度可低达 ra2.50.63 微米;镗孔精度可达 it76 级，孔距精度可达 0.030.02 微米。 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。1973 年，国际标准化组织 (iso)公布了第一批组合机床通用部 件标准。1975 年，中国第一机械工业部颁布了中国的第一批组合机床通用部件 标准。这个标准综合考虑了汽车、农业机械、纺织和仪器仪表等各行业的需 要，适用范围比较广泛。 通用部件通用部件按功能分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部 件和辅助部件 5 类。 动力部件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。动力箱：它的功能是将电动机的旋转运动传递给主轴箱。 主轴箱是按工艺要求而设计的专用部件，一般具有几个至几十个主轴，供安装 刀具之用。切削头:它的功能是将电动机的旋转运动经减速后传递给主轴，用 于单一工序的加工，有钻削头、铣削头、攻丝头、镗削头和车削头等。动力 滑台：用于安装动力箱或切削头，以实现刀具的进给运动。动力滑台有台面沿 单一轴线移动的普通滑台和台面沿相互垂直的两个轴线移动的十字滑台，由丝 杠、凸轮、液压、气动和气动液压等驱动。 支承部件用以安装动力滑台、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。 输送部件用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件，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。 控制部件用以控制机床的自动工作循环，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。 2.22.22.22.2 组合机床的基本配置组合机床的基本配置组合机床的基本配置组合机床的基本配置 组合机床的基本配置型式有单工位和多工位两大类，每类中又有多种配置 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 9 - 方式。 单工位组合机床工件被夹压在机床的固定夹具上，根据被加工面的数量 （单面和多面）和位置（水平、垂直和倾斜）布置动力部件。这种单工位组合 机床通常只能对各个加工部位同时进行一次加工，能够保证各加工面有较高的 相互位置精度，适用于大、中型箱体件的加工。 图 2-2转塔式组合机床 图 2-3 可换主轴箱式组合机床 多工位组合机床工件及其夹具由输送部件依次送到各加工工位，能对加 工部位进行多次加工。这种机床通常设有单独的装卸工位，使辅助时间的机动 时间相重合，生产率较高，适用于大批、大量生产各种形状复杂的中、小型工 件。多工位组合机床依输送部件又分为 4 种。回转工作台式组合机床：工作 由分度回转工作台输送到各工位顺次加工。动力部件按工序分布于工作台周 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 10 - 围，卧式或立式安装均可。这种机床适用于对工件的顶面和侧面进行多工序加 工。鼓轮式组合机床:工件装夹在鼓轮的棱面或端面上，鼓轮回转轴常为水平 安装。动力部件布置在鼓轮两侧。通过鼓轮的回转分度，将工件顺次送到各工 位进行加工。这种机床可以同时从两个相对的方向加工，如在鼓轮的径向安置 动力部件，还可从第三个方向加工。中央立柱式组合机床：工件由环形分度 回转工作台输送。动力部件安装在工作台中央的多面体立柱上，也可在工作台 周围布置卧式或倾斜式动力部件。这种机床适用于加工有相互垂直要求的孔和 面的复杂零件，不用中央立柱时也可在工作台中央布置卧式动力部件。往复 移动工作台式组合机床：工件由往复移动工作台输送，动力部件布置在工作台 的两侧，一般为两工位；若移动工作台采取适当定位机构，也可成为三工位 的。这种机床在同一时间内只能有一个工位加工，且装卸时间与加工时间不能 重合，适用于大、中型工件的中批量生产。 为了使组合机床能在中小批量生产中得到应用，往往需要应用成组技术， 把结构和工艺相似的零件集中在一台组合机床上加工，以提高机床的利用率。 这类机床常见的有两种。可换主轴箱式组合机床：机床带有各种形式的主轴 箱存储库（回转式、步进式、多格仓库式），靠输送装置和更换装置来更换动 力箱上的主轴箱。转塔式组合机床：将几个主轴箱装在转塔棱面上，按工序 自动转位，对工件的一面进行各种工序的粗、精加工。完成一个面的加工后， 工件转位，顺序对其他各面进行加工。 2.3 组合机床的运动流程运动流程运动流程运动流程 组合机床上最主要的通用部件是动力头和动力滑台，它们是完成刀具切削 运动和进给运动的部件。通常对能同时完成切削运动及进给运动的动力部件称 为动力头，而对只能完成进给运动的动力部件称为动力滑台。动力滑台按机构 划分有机械动力滑台和液压动力滑台。动力滑台可配置成卧式或立式的组合机 床，动力滑台配置不同的控制电路，可完成多种自动循环。动力滑台的基本工 作循环形式有： （1）一次工作进给 快进 工作进给（延时停留）快退 可用于钻孔、扩孔、镗孔或加工 盲孔、刮端面等。 （2）二次工作进给 快进一次工作进给二次工进（时延停留 ）快退可用于镗孔完后又 要车削或刮端面等。 （3）跳跃进给 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 11 - 快进工进快进 工进（延时停留）快退 例如镗削两层壁上的同 心空，可用跳跃进给自动工作循环。 （4）双向工作进给 快进工作进给反向进给快退 例如用于正向工进粗加工，反向工进精 加工。 （5）分级进给 快进工进快退快进工进快退 快进工进快退 主要用于钻深 孔。 2.4a7-39 组合机床的主要结构 图 2-4 a7-39 组合机床实物图 a7-39 组合机床由底座、床身、液压动力滑台等通用部件以及有关专用部 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 12 - 件组成。其实物图如图 2-4，结构图如图 2-5 所示. 图 2-5 组合机床结构图 加工时，工件随文具安装在液压动力滑台上，当发山加工指令后，工作台 作快速前进，工件接近动力头时，工作台改为工作进给速度进给，同时，左铣 削动力头起动加工，当进给到一定位置时，右动力头也起动两面同时加工，直 至终点时工作进给停止，两动力头停转，经死挡铁停留后，液压动力滑台快速 退回至原位停止，工作循环结束。 2.5 a7-39 组合机床运动形式 本设计面向加工缝纫机部件的 a7-39 专用组合机床，改机床用以生产家用 缝纫机。如对家用缝纫机的机壳实施机械切削加工的组合机床，其动力头分布 与运动情况如图 1 所示。图 1 中动力头、分别用于针距大孔和夹线器孔 的钻削加工，动力头用于挑线杆行线槽的铣削加工。m1，m2 和 m3 均为三 相异步电动机，分别为、和 iii 动力头的切削主运动提供动力。为便于控 制组合机床运动，在组合机床上装了许多行程开关，以获取的位置信号。图 1 中的行程开关的压动情况为：sq51、sq61 和 sq71 分别为、和 iii 动力 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 13 - 头在原位时压动；sq52、sq63 和 sq72 分别为、和 iii 动力头工进到位 时压动；加工时动力头先动作，当压合 sq62 时，、iii 动力头才能离开 原位。另外还有：后插销滑台降、升到位分别压动 sq11、sq12；人工拔、插 定位销分别压动 sq21、sq22；针孔杆拔、插销分别压动 sq31、sq32；夹具 松开、夹紧分别压动 sq41、sq42。 图 2-6组合机床的动力头分布与运动示意图 a7-39 组合机床中的液压系统的油泵也由一台三相异步电动机 m0 驱动。 液压系统的第一个功能是给三个动力头的进、后运动提供动力，液压系统三个 动力头的进给、后退运动由液压系统中的三个三位五通换向电磁阀分别控制， 动力头从快进转换到工进由液压行程调速阀控制，与电气控制无关。液压系统 的第二个功能是：用于加工件机壳的夹紧和松开。其中机壳的装夹过程 是：将机壳（工件）放于工作台上，先由液压驱动后插销滑台上升，再进行人 工插销定位，接着由液压驱动针孔杆插销定位，最后是液压驱动下夹具压夹紧 工件。夹紧过程的动作由液压系统中的三个二位五通换向电磁阀控制，这三个 换向阀带有机械自锁。加工好的机壳（工件）的下卸过程正好与装夹过程相 反。同样，松开过程的动作也由液压系统中的另三个二位五通换向电磁阀控 制。所以加上三个动力头的进、退动作，共有 12 个电磁阀线圈的通断电进行 控制。 组合机床的单循环、循环和调整三种工作状态的选择由组合开关 sa 的三 个位置选择；sb1、sb2 为油泵电动机 m0 的起动、停止按钮；sb3、sb4 为 选择循环工作（含单循环）状态时组合机床工作的起动、停动按钮；其余按钮 sb11sb62（共 15 个）均为选择调整工作状态时组合机床的点动调整控制按 钮。无论选择何种组合机床工作状态，油泵起动是组合机床工作的前提，油泵 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 14 - 停止组合机床立即停止工作。选择单循环或循环工作状态时，点动调整按钮 sb11sb62 不起作用；选择调整工作状态时，组合机床工作起动、停止按钮 sb3、sb4 不起作用 因此原组合机床的控制电路有一个组合开关、19 个按钮、4 个接触器、12 个行程开关、12 个电磁阀线圈、还有众多的中间继电器、时间继电器，其控制 电路的接线非常复杂，电器触点易损坏。所以使用时间一长，可靠性变差，故 障率增大，维修困难，从而使生产受到很大的影响，因此迫切需要对此专用组 合机床的电气控制电路进行技术改造，经分析决定采用 plc 控制技术，以满足 生产可靠性的要求。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 15 - 第第第第 3 3 3 3 章章章章a7-39a7-39a7-39a7-39 组合机床电气控制系统组合机床电气控制系统组合机床电气控制系统组合机床电气控制系统 3.1 a7-39 组合机床电气控制 a739 液压传动组合机床采用三台电动机进行拖动，m1、m2 为左右动力 头电动机，m3 为冷却泵电动机，其对应的控制交流接触器分别为 km1、 km2、km3.sa1 为左动力头单独调整开关，sa2 为右动力头单独调整开关，通 过它们实现左右动力头的单独调整。sa3 为冷却泵电动机工作选择开关。该机 床的左右动力头的工作循环如图 31 所示，电磁铁动作顺序表见表 31 表 3-1a7-39 组合机床元件动作顺序表 工步yv1yv2yv3yv4kp1kp2 原位停止- 快进+-+- 工进+-+ 死挡铁停 留 +-+ 快退-+- 图 31 组合机床的工作循环 由图 31 和表 31 可知，组合机床为自动循环状态时，按下启动按钮 后，左、右动力头电动机 m1、m2 同时旋转，按下“快进”按钮，电磁阀 yv1、 yv3 通电，左、右动力头快速进给并离开原位，行程开关 sq1、sq2、sq5、 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 16 - sq6 先复位，行程开关 sq3、sq4 后复位。当 sq3、sq4 复位后，在动力头进 给过程中，靠各自行程阀自动变快进为工进，同时压下行程开关 sq，冷却泵电 动机 m3 工作，供给冷却液。当左动力头加工完毕，将压下 sq7 并顶在死挡铁 上，其油路油压升高，使 kp1 动作，当右动力头加工完毕，将按下 sq8，使 kp2 动作，yv2、yv4 将通电，同时 yv1、yv3 也将失电，左、右动力头将快 退。当左、右动力头使 sq 复位后，冷却泵电动机将停转。左、右动力头快退 至原位时，先压下 sq3、sq4，再压下 sq1、sq2、sq5、sq6，使动力头电动 机 m1、m2 断电，同时 yv2、yv4 断电，动力头停止，机床循环结束。加工过 程中，可随时使左、右动力头快退至原位停止 机床照明灯 el 通过控制变压器 t1 降压为 24v，由开关 sa2 控制。 保护与调整环节。熔断器 fu1 实现对电动机 ml、变压器 t1 与 t2 一次侧短 路保护。fu2 实现对电动机 m2 与 m3 短路保护。fu3 实现对控制电路短路保 护。fu4 实现对照明电路短路保护。fu5 实现对电磁铁线圈电路短路保护。 三台电动机的过载保护分别由 fr1 与 fr2、fr3 热继电器实现。为了保护 刀具与工件安全，当其个一台电动机过载时，要求其余两台电动机均停止工 作。因此，热继电器的动断触点均应接在控制电路的总电路中。 组合机床是由通用部件和专用部件组成的。组合机床在整机安装、调试过 程中，希望各部件能灵活方便地进行单独调试，而不影响其他部件。因此，控 制电路应具有对自动加工与调整工作状态的控制作用。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 17 - 图 3-2 组合机床继电器电气控制路 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 18 - 3.1.1 机械动力头控制线路 a7-39 组合机床动力头是箱体移动式动力头，具有丝杠进给动力装置，由 快速电动机正反转完成快速进退，由主轴电动机完成主轴旋转和进给。主轴电 动机通过两对交换齿轮 a、b、c、d 驱动主轴旋转；又由蜗杆带动蜗轮，经两 对进给齿轮 e、f、g、h 及摩擦离合器(图 3-3 未画出)，将转矩传递给第二副蜗 杆、蜗轮，使套筒回转，装在套筒上的螺母随之回转。此时，丝杠被装在滑座 上的快速移动装置的电磁闸所制动，故螺母的回转驱使动力头作工作进给(工 进)。 1 电磁闸；2 快速电动机；3 主轴、工进电动机；4 蜗轮；5 主轴；6 螺杆；7 蜗轮 图 3-3动力头内传动系统示意图 动力头作快速进退时，主轴电动机停转，套筒和螺母不转动，这时电磁闸 放松，快速移动电动机经丝杠拖动动力头快速进退。 2具有一次工进的控制线路 图 3-2 是动力头具有一次工进的控制线路。m1 是主轴电动机，拖动主轴旋 转及动力头工进；m2 是快速移动电动机，拖动动力头快速进退；yb 是直流电 磁制动器，具有断电制动作用。 动力头的基本工作循环形式如下。 行程开关 sq2 发出“快进一工进“转换信号；sq3 发出“工进一快退”转换信 号；sq1 发出“快退一停止“转换信号。sq4 为超行程保护限位开关，防止工进 过头。线路是按行程控制原则控制动力头运动状态的。 一般分析具有自动循环的控制线路，以自动循环运动轨迹图为依据，研究 控制线路是怎样分段实现这一轨迹图的。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 19 - 组合机床的控制系统多采用机械、液压、电气或气动相结合的控制方式， 而电气控制起着中枢连接作用。组合机床的电气控制系统由通用部件的典型控 制线路及基本控制环节组成。 3.1.2 机械动力滑台控制电路 机械动力滑台由滑台、滑座及双电机(快速和进给电机)、传动装置三部分 组成，滑台的自动工作循环由机械传动及电气控制完成。在一次循环中，要实 现速度差别很大的快进和工进，两者之比通常可达 300：1。快进、进退由快进 电机实现，工进由工进电机实现。当快进电机与工进电机同时工作时，快进速 度为原来的快进速度加上一个工进速度，快退速度为原来的快退速度减去一个 工进速度。 图 3-4 动力头具有一次工进的控制线路 动力滑台的基本工作循环形式如下。 一次工作进给 快进工进(延时停留) 快退 可用于钻、扩、镗孔和加工盲孔、刮端面等。 二次工作进给 快进一次工作进给二次工进(延时停留) 快退 可用于镗孔完后又要车削或刮端面等。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 20 - 跳跃进给 快进工进快进工进(延时停留)快退 例如，镗削两层壁上的同心孔，可跳跃进给 自动工作循环。 双向工作进给 快进工进反向工进快退 例如用于正向工进初加工，反向工进精加工。 分级进给 快进工进快退快进工进快退快进工进快退 主要用于钻深孔。 图 3-5 机械动力滑台控制电路 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 21 - 图 3-5 是具有正反向工作进给机械动力滑台控制电路及其工作循环图，图中 m1 为工作进给电机，m2 为快速进给电机。滑台的快进由 m2 电机经齿轮使丝 杆快速旋转实现。主轴的旋转靠一专门电机拖动，由接触器 km4(图中未画出) 控制。sq1 为原位行程开关，sq2 为快进转工进的行程开关，sq3 为终点行程 开关，sq4 为限位保护行程开关。km1、km2 为控制 m1 及 m2 的接触器，m2 还受 km3 的控制。ya 是制动电磁铁。由电路图可知如下内容。 主轴电机与 m1、m2 有顺序启停关系，只有主轴电机启动后，即 km4 的常开触点闭合，m1、m2 电机才能启动；图 3-9 具有正反向工作进给机械动 力。 滑台在快进或快退过程中，m1、m2 电滑台控制电路及其工作循环图 机都运转，这时，滑台通过机械结构保证，由 m2 快进电机驱动； m2 快进电机的制动器为断电型(机械式)制动器，即在 ya 断电时制动； 滑台正向运动快进转工进由压下 sq2 实现，反向工进转快退，由松开 sq2 实现，这里应用了长挡铁； 正反进给互锁； m1、m2 电机均有热继电器，只要其中之一过载，控制电路就断开。控 制电路中，sb1 为启动向前按钮，sb2 为停止向前并后退的按钮。电路的工作 原理如下。 (1) 滑台原位停止此时，sq1 被压下，其常闭触点断开。 (2) 滑台快进按下 sb1 按钮，km1 线圈得电自锁，并依次使 km3 线圈和 ya 线圈得电，m2 电动机制动器松开，m1、m2 电机同时正向运转，机械滑台 向前快速进给，此时，sq1 复位，其常闭触点闭合。 (3) 滑台工进当滑台长挡铁压下行程开关 sq2，其常闭触点断开，km3 线圈断电，并使 ya 也断电，m2 电机被迅速制动，此时滑台由 m1 电机拖动正 向工进。 (4) 滑台反向工进当挡铁压下行程开关 sq3，其常开触点 km1 线圈断 电，km2 线圈得电自锁，ml 电机反向运转，滑台反向：开触点断开，常闭触 点闭合。 (5) 滑台快退当长挡铁松开 sq2，sq2 复位，其常闭触点闭并使 ya 得 电，m2 电动机反向运转，滑台快退，退到原位时，sq1 开，km2 断电，并使 km3、ya 断电，m1、m2 电机停止。 sq4 为向前超程开关，当 sq4 被压时，其常开触点闭合，常闭触点断开， 使 km1 线圈断电，km2 线圈得电，滑台工进退回，当挡铁松开 sq2 后，滑台 转而快速退回。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 22 - 3.1.33.1.33.1.33.1.3 液压动力滑台控制电路液压动力滑台控制电路液压动力滑台控制电路液压动力滑台控制电路 液压动力滑台与机械滑台的区别在于，液压滑台进给运动的动力是动力 油，而机械滑台的动力来自于电动机。液压动力滑台由滑台、滑座、油缸及控 制挡铁等部分组成，油缸拖动滑台在滑座上移动。其原理图如图： 液压滑台也具有前面所述机械滑台的典型自动工作循环，它通过电气控制 电路控制液压系统实现。滑台的工进速度由节流阀调节，可实现无级调速。电 气控制电路一般采用行程、时间原则及压力控制方式。 1具有一次工作进给的液压动力滑台电气控制电路 具有一次工作进给的液压动力滑台电气控制电路如图 3-4 所示。 (1) 滑台原位停止滑台由油缸 yg 拖动前后进给，电磁铁 ya1、ya2、 ya3 均为断电状态，滑台原位停止，并压下行程开关 sq1，其常开触点闭合， 常闭触点断开。 (2) 滑台快进把转换开关 sa 扳在“1”位置，按下 sb1 按钮，继电器 ka1 通 电并自锁，继而使电磁铁 ya1 及 ya3 通电，使电磁阀 1 hf 及 2hf 推向右端， 于是变量泵打出的压力油经 1hf 流入滑台油缸左腔，右腔流出的油经 1hf、 2hf 也流入左腔，使滑台快进，此时，sq1 复位，其常开触点断开，常闭触点 闭合。 1滤油器; 2变量泵; 3、9、16单向阀; 4、8、10、11、18、20管路; 5电液动换向阀; 6背压阀; 7顺序阀; 12、13调速阀; 14电磁阀; 15压力继电器; 17行程阀; 19液压缸。 (3) 滑台工进当挡铁压动行程开关 sq3 时，其常开触点闭合，ka2 得电 并自锁，ka2 的常闭触点断开，电磁铁 ya3 断电，电磁阀 2hf 复位，滑台右 腔流出的油只能经节流阀 l 流入油箱，滑台转为工进。由于有 ka2 的自锁，滑 台不会因挡铁离开 sq3 而使 ka2 电路断开。此后，sq3 的常开触点断开。 (4) 滑台快退当滑台工进到终点时，挡铁压动行程工关 sq4，其常开触点 闭合，继电器 ka3 得电并自锁，ka3 的常闭触点断开，常开触点闭合分别使得 ya1 断电，ya2 得电使电磁阀 1hf 左移，变量泵打出的油经 1hf 流入滑台油缸 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 23 - 右腔，左腔流出的油经 1hf 直接流入油箱，滑台快退。当滑台退到原位，压动 sq1，其常闭触点断开，继电器 ka3 断电，ya2 断电，1hf 复位，油路断，滑 台停止。 图 3-6 a7-39 型组合机床动力滑台液压系统原理图 哈尔滨理工大学学士学