机电、钻削加工控制系统设计.doc

河南工业职业技术学院机电一体化 课程设计（论文） 题 目钻削加工电气控制系统设计学生姓名马海龙专 业机电一体化班 级机电0806班指导教师田林红目 录绪 论.3第一章 课程设计要求.4 1.1 设计要求.4 1.2 课题要求.2第二章 课程设计内容.42.1 钻削加工的流程 .52.2 继电器控制的电器原理.72.3 继电器控制的电器原理图. 72.4电器原理图的符号意义.82.5电磁阀的选择.92.6 电器控制系统设计功能树.112.7 系统负载速度图.11 第三章 机械传动设计.11 3.1 限位开关SQ1的设计.11 3.2 限位开关SQ2的设计.12 3.3 限位开关SQ3的设计.12 3.4. 滚珠丝杠的介绍、选择及计算说明.12 3.5 步进电动机的选用.16 3.6 蜗杆与滚珠丝杠配合.19 3.7 钻削深度计算.20 第四章 调试及注意事项.20致谢. 22 参考文献.23绪 论一、课程设计的目的：机电一体化系统设计课程设计是大学生在完成机电一体化系统设计等专业课学习后,进行综合性实践性教学环节，总的目的是在老师的指导下,使学生通过课程设计,对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查复习和提高,并运用所学理论,通过调研,设计一个机电控制方面的课题,受到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力,具体有以下几点：1、通过检索查阅运用有关手册、标准及参考资料，培养起学生检索查阅资料、使用资料的方法和能力。2、通过回顾查阅课程理论知识、运用所学的基础课,专业技术课和专业课知识，培养学生根据实际问题正确设计总体方案, 分析具体问题、进行工程设计的能力。二、 设计意义钻床是指主要用钻头在工件上加工孔的机床。通常钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进给运动。钻床结构简单，加工精度相对较低，可钻通孔、盲孔，更换特殊刀具，可扩、铰空或进行攻丝等加工。钻床可分为以下类型：一，台式钻床：是安装在工作台上操作的一种小钻床，一般最大钻孔直径为12MM。广泛用于小型维修工厂。二，立式钻床：主要用于钻、扩、铰、惚中小型工作上攻螺纹等，其最大钻孔直径25MM。三，摇臂钻床：主要用于对大中型零件的孔加工和螺纹加工，其最大钻孔直径50MM。四，特殊钻床：只用于特殊零件的加工。比如深孔钻床、多轴钻床等。钻床的加工特点：加工过程中工件不动，刀具移动，将刀具中心对准孔中心，并使刀具转动（主运动）。操作可以是手动也可是机动。机电一体化的课程设计在机电一体化专业教学中占有重要的位置的，它关系到学生知识的综合运用和学生的动手能力的培养及机电类及机电产品开发的能力。因此设计内容的选择很重要。基于钻削加工电气控制系统的设计是典型的机电一体化系统，以此为设计内容有较强的教学研究意义。第一章 课程设计要求及内容1.1 设计要求 用继电器控制一条多工位加工线，其中第三工位的第一道工序为钻孔。此工序的动作要求如下：气动后，夹紧装置动作。为确保其可靠夹紧，延时10秒钟，控制冷却油的电磁阀吸合。同时，钻头向工件方向快进。当接近工件时，限位开关SQ1动作，钻头开始慢进，开始钻削。达到预定深度，限位开关SQ2动作，钻头快速退回。回来原始位置，限位开关SQ3动作，钻头停止移动，钻削结束。1.2 课题要求 1）画出加工过程流程图 2）画出继电器控制的电器原理图 3）完成加工程序设计。4）整理设计说明书，答辩。第二章 课程设计设计内容2.1钻削加工的流程 钻削加工工序的动作要求如下：启动后，夹紧装置动作。为确保其可靠夹紧，延时10秒钟，控制冷却油的电磁阀吸合。同时，钻头向工件方向快进。当接近工件时，限位开关SQ1动作，钻头开始慢进，开始钻削。达到预定深度，限位开关SQ2动作，钻头快速退回。回来原始位置，限位开关SQ3动作，钻头停止移动，钻削结束。 流程图如图1图1 加工过程流程图2.2 继电器的控制原理 1）过程如下：将工件放在工作台上，按下起动开关SB1，钻头旋转，同时夹紧装置动作将箱体夹紧，延时10s后，喷油控制继电器KM2得电，喷油电磁阀YV闭合冷却液流出，同时快进接触器KM2启动，钻头向箱体快进，到达距离箱体表面设定值时限位开关SQ1，进给继电器KM3得电，钻头快进变为工进，开始钻削。步进电机控制滚珠丝杠旋转，蜗杆转动N圈时，霍尔传感器发出信号给限位开关，SQ2动作，快退接触器KM4得电，钻头由工进变为快退，退回到原位置时碰触限位开关SQ3,步进电机停止移动，钻头停止移动。本工序结束，转到下一工序。2.3继电器控制的电器原理图1、控制原理图的绘制注意事项1）在继电器电路图中，触点可以放在线圈的左边，也可以放在线圈的右边。并联多的应放右边。在串联电路中，单个触点应放在右边；在并联电路中，单个触点应放在下面。2）设置中间单元，若多个线圈都受某一触点串并联电路的控制，为了简化电路 ，可设置该电路控制的辅助继电器它类似继电器电路中的中间继电器.4）外部联锁电路的设立为了防止控制正反转的两个接触器同时动作造成三相电源短路。图 1中 KM1 KM3 的线圈不能同时通电图2.3 继电器控制的电气原理图2.4 电器原理图的符号意义 SB1 起动 SB2 停止K1 夹紧控制继电器K2 喷油控制继电器K3 进给继电器K4 快退控制继电器SQ1 快进结束限位开关SQ2 进给到位开关SQ3 钻头退到原位开关KM1 夹紧控制接触器KM2 快进接触器KM3 进给接触器KM4 快退接触器T1 定时器YV 电磁阀2.5 电磁阀的选择 电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动.电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀.1）电磁阀的工作原理：电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动.这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动. 电磁阀包括（线圈、磁铁、顶杆）。简单来说就是当线圈接通电流，便产生了磁性，跟磁铁相互吸引，磁铁就会拉动顶杆。关闭电源，磁铁和顶杆就复位了，这样电磁阀就完成了作功过程。这就是电磁阀的工作原理。电磁阀一般用于液压系统，来关闭和开通油路。到目前为止，国内外的电磁阀从原理上分为三大类(即：直动式、分步直动式、先导式)，而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类(直动膜片结构、分步膜片结构、先导式膜片结构、直动活塞结构、分步活塞结构、先导活塞结构) 。 (一)、直动式电磁阀 原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧力把关闭件压在阀座上，阀门关闭。 特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但一般通径不超过25mm。 (二)、分步直动式电磁阀 原理：它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口压差0.05Mpa，通电时，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。 当入口与出口压差0.05Mpa，通电时，电磁力先打开先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀和主阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。 特点：在零压差或真空、高压时亦能可靠工作，但功率较大，要求竖直安装。 (三)、先导式电磁阀 原理：通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速进入上腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，推动关闭件向下移动，关闭阀门。 特点：流体压力范围上限很高，但必须满足流体压差条件3）电磁阀的选型依据： 一、根据管道参数选择电磁阀的：通径规格(即DN)、接口方式 1、按照现场管道内径尺寸或流量要求来确定通径(DN)尺寸。 2、接口方式，一般DN50要选择法兰接口，DN50则可根据用户需要自由选择。二、根据流体参数选择电磁阀的：材质、温度组 1、腐蚀性流体：宜选用耐腐蚀电磁阀和全不锈钢；食用超净流体：宜选用食品级不锈钢材质电磁阀。 2、高温流体：要选择采用耐高温的电工材料和密封材料制造的电磁阀，而且要选择活塞式结构类型的。 3、流体状态：大至有气态，液态或混合状态，特别是口径大于DN25订货时一定要区分开来。 4、流体粘度：通常在50cSt以下可任意选择，若超过此值，则要选用高粘度电磁阀。 三、根据压力参数选择电磁阀的：原理和结构品种 1、公称压力：这个参数与其它通用阀门的含义是一样的，是根据管道公称压力来定。 2、工作压力：如果工作压力低则必须选用直动或分步直动式原理；最低工作压差在0.04Mpa以上时直动式、分步直动式、先导式均可选用。 四、电气选择：电压规格应尽量优先选用AC220V、DC24较为方便。五、根据持续工作时间长短来选择：常闭、常开、或可持续通电1、当电磁阀需要长时间开启，并且持续的时间多余关闭的时间应选常开型。2、要是开启的时间短或开和关的时间不多时，则选常闭型。 3、但是有些用于安全保护的工况，如炉、窑火焰监测，则不能选常开的，应选可长期通电型。2.6 电器控制系统设计功能树2.7 系统负载速度图第三章 机械传动设计3.1 有关限位开关SQ1的说明限位开关SQ1用于在钻头向工件快进过程中判断其之间距离，采用双极霍尔开关元件177A.霍尔开关原理简述如下：当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应.两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为 U=KIB/d.其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦慈力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度.霍尔开关就属于这种有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求.霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转.输出端一般采用晶体管输出，和接近开关类似有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分.霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作.霍尔开关可应用于接近开关，压力开关，里程表等，作为一种新型的电器配件.其内部原理图如图3.1所示： 图3.1钻头向工件方向快进，当接近工件设定的距离时，霍尔开关元件开始作用，发出信号给限位开关SQ1,SQ1动作输出信号给PLC.3.2 有关限位开关SQ3的说明限位开关SQ3用于钻头快速退回到原始位置时，发出信号给PLC控制钻头停止移动，其型号选择及工作原理如上文限位开关SQ1.3.3 有关限位开关SQ2的说明： 限位开关SQ2用于钻头钻削到预定深度时，其动作输出信号给PLC控制钻头快速退回.通过步进电机驱动滚珠丝杠转动从而带动钻头旋转，设定工件需要钻削的深度值，通过计算滚珠丝杠转动的转数计算出钻头钻削工件是否到达预定深度.3.4 滚珠丝杠的介绍、选择及计算说明 1） 滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。2） 滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。3） 滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。4）滚珠丝杠的特点：1与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。 2高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 3微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。 4无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。 5高速进给可能 滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。5）滚珠丝杠的选择滚珠丝杠的选择包括其精度选择、尺寸规格 (包括导程与公程直径 )、支承方式等几个方面的内容。滚珠丝杠副的承载能力用额定动载荷或额定静载荷来表示, 在加工中心的设计中一般按额定动载荷来确定滚珠丝杠副的尺寸规格, 对细长而又承受压缩载荷的滚珠丝杠作压杆稳定性核算; 对转速高, 支承距离大的滚珠丝杠副作临界转速校核; 对精度要求高的滚珠丝杠作刚度校核; 对数控机床, 需核算其转动惯量; 对全闭环系统, 需核算其谐振频率。1滚珠丝杠副选择计算1.1精度选择滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度,在滚珠丝杠精度参数中, 其导程误差对机床定位精度影响最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300mm行程变动量 V300p应小于目标设定位的定位精度值的 1 /31 /2, 在最后精度验算中确定。1.2 丝杠导程的确定丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速度为 v max、伺服电机的最高转速 nmax及电机与丝杠的传动比 i来确定。1.3按额定动载荷初步确定滚珠丝杠规格滚珠丝杠副设计时一般按额定动载荷来确定滚珠丝杠副的尺寸规格。额定动载荷是指一批相同规格的滚珠丝杠经过运转一百万次后, 90%的丝杠副 (螺纹表面或滚珠)不产生疲劳剥伤 (点蚀)时的轴向载荷。6） 滚珠丝杠的选择计算滚珠丝杠的选择计算负荷包括钻削力及运动部件的重量所引起的进给抗力.应按钻削时的情况计算.1. 最大动负载Q的计算查表得系数，寿命值设定使用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速所以 X向丝杠牵引力 Y向丝杠牵引力 所以最大动负荷X向 Y向 查表，取滚珠丝杠公称直径 ，选用滚珠丝杠螺母副 的型号为 SFK1004，其额定动载荷为390N，符合要求.2滚珠丝杠螺母副几何参数计算表2 滚珠丝杠螺母副几何参数名 称符 号计算公式和结果螺纹滚道公称直径10mm螺距mm接触角钢球直径mm螺纹滚道法面半径mm偏心距mm螺纹升角螺杆螺杆外径螺杆内径螺杆接触直径螺母螺母螺纹外径螺母内径（外循环）3传动效率计算式中：摩擦角；丝杠螺纹升角.4稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算.3.5步进电动机的选用步进电动机又称脉冲电动机或为阶跃电动机，目前，随着电子技术，控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统的电机分类的间界面越来越模糊；步进电动机的传动定义为：根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角落，若不改变励磁状态则保持一定的状态而静止；广义的定义为，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的电动机.步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原始模型起源于1830年至1860年间.在20世纪60年代后期，随着永磁材料的发展，各种实用型的步进电动机应运而生，半导体的发展使得步进电动机得到了广泛的应用.我国的步进电动机开始于21世纪50年代后期，其发展过程大致经历了四个阶段：第一阶段从50年代后期到60年代后期主要是高等院校和科研机构开发并使用少量的步进电机，以多段结构三相反应式步进电动机为主；第二阶段，70年代初期反映在步进电机的生产和研究发展到了一个水平；第三阶段，70年代中期至80年代后期新产品种高性能电动机层出不穷，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品得到广泛应用.步进电动机的分类：步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。步进电动机的特点： 步进电机有三大部分组成：步进电动机本体，步进电动机控制器及步进电动机驱动器.其特点如下：1） 用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价.2） 位移与输入脉冲数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构简单又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高组成闭环控制系统.3） 无刷，电动机本体部件少，可靠性高.4） 抑郁启动正反转和变速停止，影响性好.5） 平滑性好，步距角选择范围大，停止时可有自锁能力步进电机的选择：步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1. 步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。 2. 静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸） 3. 电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）步进电机的参数：步进电机的步距角取系统脉冲当量，初选步进电机步距角.步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系式中： 电机转角； 移动部件的相应位移； 机械传动效率.若取 ，则，且，所以式中： 移动部件负载（N）；G移动部件重量（N）； 与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）； 导轨摩擦系数；步进电机步距角，（rad）；T电机轴负载力矩（N/cm）取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），为丝杠牵引力，.考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取，所以若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩取安全系数为0.3，则 对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 、步进电机的最高工作频率查表选用45BF005-型步进电机，电机的有关参数见表3. 表3 步进电机的参数型 号主要技术数据外形尺寸步距角最大静转距最高空载启动频率()相数电压电流外径长度轴径45BF005-1.519.630003272.5455843.6 蜗杆与滚珠丝杠配合普通圆柱蜗杆可分为阿基米德蜗杆(ZA蜗杆)、渐开线蜗杆(ZI蜗杆)、法向直廓蜗杆(ZN蜗杆)和锥面包络圆柱蜗杆(ZK蜗杆)等四种.滚珠丝杠与蜗杆联接，蜗杆一头安装钻头。取蜗杆头数Z1=1，取滚珠丝杠直径与蜗杆直径比例为10：1，即滚珠丝杠每转动1圈，蜗杆转动10圈。蜗杆的材料与选择如下所述：表4 常用蜗杆材料表3.7 钻削深度计算设定工件钻削深度为Lmm,则滚珠丝杠转动的转数，由上述计算所得t=4mm.即（转），钻头旋转转数N1=。确定滚珠丝杠转的转数到达预定值时，传感器即输出信号给限位开关SQ2，SQ2控制步进电机的正反转向以及转速. 4. 调试及注意事项1）程序的检查，调试考核和运行，先检查线路是否连接牢固，有无遗漏线头，检查继电器、中间继电器、接触器是否完好。给机床主轴箱、进给箱、液压夹紧箱和导轨加注相应标号与油量的润滑油。按机床额定的电量，安装好相应的电源。调试好机床主轴的正反转，检查机床的各开关按钮与功能是否正常。检查继电器、中间继电器、接触器是否完好。2） 注意事项外部负载的额定电压 的继电器输出模块和双向晶闸管输出模块只能驱动额定电压 AC220V 的负载，如果系统原来的交流接触器的线圈是 380V 的应将线圈换成 220V 的 继电器输出模块不能直接驱动DC220V的负载。开机前先转动主轴，检查机床各档位是否挂好，机床开机变换档位时，必须停机操作，否则会打坏齿轮。工作中不准用反车的方法来制动主轴回转，用钻头钻孔时，不准用杠杆转动手轮进刀。摇臂作快速移动时，须在离极限位置前50100毫米处停止快速移动，防止碰撞。不得戴手套操作机床3）加工过程示例：比如需要加工一发动机箱体，端面箱盖用螺纹与箱体连接。第一道工序为钻光孔，深度L为20mm，有上式计算公式得=50（转）。过程如下：将工件放在工作台上，按下起动开关SB1，钻头旋转，同时夹紧装置动作将箱体夹紧，延时10s后，喷油控制继电器KM2得电，喷油电磁阀YV闭合冷却液流出，同时快进接触器KM2启动，钻头向箱体快进，到达距离箱体表面设定值