毕业设计论文----PLC在多工步机床控制中的应用.doc

武汉科技大学本科毕业设计摘 要组合机床极其自动线在当今机械制造业中扮演着越来越重要的角色，其技术性能和综合自动化水平在很大程度上决定着相关部门的发展。随着科学技术的不断发展，传统的以继电器控制为基础的组合机床愈加与先进生产力不相适应，在这种情况下，可编程序控制技术以其灵活性好，可靠性高，通用性强，逐渐取代了继电器控制方式，成为当代工业控制的主要发展方向。本论文详细叙述了组合机床及控制系统的元件型号，作出了PLC的外部接线图。软件设计分别从全线自动/半自动，单机半自动，单机手动三种工作方式对钻孔、扩孔、镗孔和攻丝四个工位的PLC控制进行了叙述，完成了各工作方式下的功能图，梯形图及指令表，并列举了机床运行、控制方面易出现的故障及解决方法。关键词: 组合机床； PLC； 程序设计AbstractNowadays,modular machine tool and its automatic lines play a more and more important role in machine manufacturing industry,its technique function and automate level decide the development of the related section to alarg extent.Along with the development of science techuique,traditional combined machine based on relay-control cannot adapt to the advanced productivity,in that case,the programmable controlling technique,with its flexibility,high reliability,good generalization,gradually replaced the ralay-control,becoming the main development direction of the cortemporary industry control.This paper introduces indetail about the design of PLC on the control system,analyzes thediagram of main electric circuit and the controlling electric circuit of the system,and determines the type of apparatus,makes out the connecting-line diagram of the PLC.then the software design descripes the PLC controlling of drilling,espanding and boring respectively from the whole line auto/half auto,single machine half auto and single machine hand,then completes the function diagram,trapezoid diagram and the instruction form,enumerates the breakdown and the solution menthod of the machine and controlling system when running.Key words: Modular machine tool； PLC ； Program design目 录前 言11 概述21.1 机床在国民经济的地位及其发展简史21.2 组合机床的国内、外现状31.2.1 国内组合机床现状31.2.2 国外组合机床现状51.3 多工位组合机床的组成和用途61.3.1 组成61.3.2 用途61.4 多工位组合机床的设计目的和设计要求71.4.1 设计目的71.4.2 设计要求72 组合机床的机械部分设计82.1 机床加工示意图各部件的选择82.1.1 刀具的选择82.1.2 导向套的选择92.1.3 初定主轴类型、尺寸、外伸长度和选择接杆、浮动卡头92.1.4 确定动力部件的工作循环及工作行程112.2 机床联系尺寸图112.2.1 动力滑台的选择112.2.2 动力箱的选用122.2.3 确定夹具轮廓尺寸122.2.4 中间底座轮廓尺寸132.2.5 初步确定多轴箱轮廓尺寸132.2.6 机床联系尺寸图132.3 主轴箱设计132.3.1 通用零件选择132.3.2 箱体类零件142.3.3 轴类零件142.4 主轴箱总图设计152.4.1 主视图和侧视图152.4.2 展开图162.4.3 主轴和传动轴装配表163 PLC控制组合机床的总体方案183.1 PLC的概述1183.2 加工工艺及总的控制要求194 硬件部分的设计214.1 PLC硬件部分的组成214.1.1 CPU的构成 214.1.2 I/O模块 214.1.3 电源模块234.1.4 底板或机架234.2 PLC硬件部分的设计234.2.1 I/O分配234.2.2 控制系统设计235 PLC软件设计265.1 PLC软件部分的组成265.2 PLC提供的编程语言265.3 状态转移图265.4 步进梯形图265.5 程序指令表306 故障检测347 结束语36参考文献37致谢3841前 言组合机床是机械制造业中的主要加工工具，因为绝大多数机械零件都是由机床加工而成的。组合机床水平的高低，对提高生产率，提高产品质量，减轻体力劳动等方面起着很重要的作用。因此，组合机床的发展，对机械工业，乃至整个国民经济的发展，都具有重要的意义。 目前组合机床已普遍采用PLC控制，只有少数用单片机控制，用继电器控制的只存在于老式的组合机床中。由于每个工厂加工流程都不尽相同，无法为其从市场上买到一个完全符合本厂工艺流程要求的控制系统。所以，必须依靠自己的技术力量开发研制出符合要求的控制系统。从组合机床的工艺流程来看，其控制系统应属于顺序控制系统。本多工位组合机床电气控制系统设计能够实现全机全自动/半自动、单机半自动/手动的工作方式。另外，对于控制系统中，单机手动的控制功能若采用较为原始落后的方法设计，即单机的每一个工步都设置手动按钮，每一个手动按钮都要占用一个PLC的输入点，占用了PLC的大量的输入点。这样，不仅要大大增加控制系统的研制成本，而且会给安装、接线增加很多工作量，并给操作带来的很多不便。PLC控制的成本是和输入输出点数成正比的。因此，本多工位组合机床电气控制系统将采用以减少单机手动按钮及其占用的PLC输入点为目的的新型设计方法。 同时，本多工位组合机床电气控制系统PLC设计是采用模块化设计，互相不受牵连，使设计简化，分析查找故障方便。公用程序、手动程序、故障报警信号显示程序用经验法设计。由于其它的工作方式是按工序进行的，所以程序采用顺序控制法设计。1 概述1.1 机床在国民经济的地位及其发展简史现代社会中，人们为了高效、经济地生产各种高质量产品，日益广泛的使用各种机器、仪器和工具等技术设备与装备。为制造这些技术设备与装备，又必须具备各种加工金属零件的设备，诸如铸造、锻造、焊接、冲压和切削加工设备等。由于机械零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙度，目前主要靠切削加工的方法来达到，特别是形状复杂、精度要求高和表面粗糙度要求小的零件，往往需要在机床上经过几道甚至几十道切削加工工艺才能完成。因此，机床是现代机械制造业中最重要的加工设备。在一般机械制造厂中，机床所担负的加工工作量，约占机械制造总工作量的40%60%，机床的技术性能直接影响机械产品的质量及其制造的经济性，进而决定着国民经济的发展水平。可以这样说，如果没有机床的发展，如果不具备今天这样品种繁多、结构完善和性能精良的各种机床，现代社会目前所达到的高度物质文明将是不可想象的。一个国家要繁荣富强，必须实现工业、农业、国防和科学技术的现代化，这就需要一个强大的机械制造业为国民经济各部门提供现代化的先进技术设备与装备，即各种机器、仪器和工具等。然而，一个现代化的机械制造业必须要有一个现代化的机床制造业做后盾。机床工业是机械制造业的“装备部”、“总工艺师”，对国民经济发展起着重大作用。因此，许多国家都十分重视本国机床工业的发展和机床技术水平的提高，使本国国民经济的发展建立在坚实可靠的基础上。机床是人类在长期生产实践中，不断改进生产工具的基础上生产的，并随着社会生产的发展和科学技术的进步而渐趋完善。最原始的机床是木制的，所有运动都是由人力或畜力驱动，主要用于加工木料、石料和陶瓷制品的泥坯，它们实际上并不是一种完整的机器。现代意义上的用于加工金属机械零件的机床，是在18世纪中叶才开始发展起来的。当时，欧美一些工业最发达的国家，开始了从工场手工业向资本主义机器大工业生产方式的过渡，需要越来越多的各种机器，这就推动了机床的迅速发展。为使蒸汽机的发明付诸实用，1770年前后创制了镗削蒸汽机汽缸内孔用的镗床。1797年发明了带有机动刀架的车床，开创了用机械代替人手控制刀具运动的先声，不仅解放了人的双手，并使机床的加工精度和工效起了一个飞跃，初步形成了现代机床的雏型。续车床之后，随着机械制造业的发展，其他各种机床也陆续被创制出来。至19世纪末，车床、钻床、镗床、刨床、拉床、铣床、磨床、齿轮加工机床等基本类型的机床已先后形成。上世纪初以来，由于高速钢和硬质合金等新型刀具材料相继出现，刀具切削性能不断提高，促使机床沿着提高主轴转速、加大驱动功率和增强结构刚度的方向发展。与此同时，由于电动机、齿轮、轴承、电气和液压等技术有了很大的发展，使机床的转动、结构和控制等方面也得到相应的改进，加工精度和生产率显著提高。此外，为了满足机械制造业日益广阔的各种使用要求，机床品种的发展也与日俱增，例如，各种高效率自动化机床、重型机床、精密机床以及适应加工特殊形状和特殊材料需要的特种加工机床相继问世。50年代，在综合应用电子技术、检测技术、计算技术、自动控制和机床设计等各个领域最新成就的基础上发展起来的数控机床，使机床自动化进入了一个崭新的阶段，与早期发展的仅适用于大批大量生产的纯机械控制和继电器接触器控制的自动化相比，它具有很高柔性，即使在单件和小批生产中也能得到经济的使用。综观机床的发展史，它总是随着机械工业的扩大和科学技术的进步而发展，并始终围绕着不断提高生产效率、加工精度、自动化程度和扩大产品品种而进行的，现代机床总的趋势仍然是继续沿着这一方向发展。我国的机床工业是在1949年新中国成立后才开始建立起来的。解放前，由于长期的封锁统治和19世纪中叶以后帝国主义的侵略和掠夺，我国的工农业生产非常落后，既没有独立的机械制造业，更谈不上机床制造业。至解放前夕，全国只有少数城市的一些规模很小的机械厂，制造少量简单的皮带车间、牛头刨床和砂轮等；1949年全国机床产量仅1000多台，品种不到10个。解放后，党和人民政府十分重视机床工业的发展。在解放初期的三年经济恢复时期，就把一些原来的机械修配厂改建为专业厂；在随后开始的几个五年计划期间，又陆续扩建、新建了一系列机床厂。经过50多年的建设，我国机床工业从无到有，从小到大，现在已经成门类比较齐全，具有一定实力的机床工业体系，能生产5000多种机床通用品种，数控机床1500多种；不仅装备了国内的工业，而且每年还有一定数量的机床出口。我国机床行业的发展是迅速的，成就是巨大的。但由于起步晚、底子薄，与世界先进水平相比，还有较大差距。为了适应我国工业、农业、国防和科学技术现代化的需要，为了提高机床产品在国际市场上的竞争能力，必须深入开展机床基础理论研究，加强工艺试验研究，大力开发精密、重型和数控机床，使我国的机床工业尽早跻身于世界先进行列1。1.2 组合机床的国内、外现状世界上第一台组合机床于1908年在美国问世，30年代后组合机床在世界各国得到迅速发展。至今，它已成为现代制造工程（尤其是箱体零件加工）的关键设备之一。现代制造工程从各个角度对组合机床提出了愈来愈高的要求，而组合机床也在不断吸取新技术成果而完善和发展。1.2.1 国内组合机床现状我国加入WTO以后，制造业所面临的机遇与挑战并存、组合机床行业企业适时调整战略，采取了积极的应对策略，出现了产、销两旺的良好势头，截至2005年4月份，组合机床行业企业仅组合机床一项，据不完全统计产量已达1000余台，产值达3.9个亿以上，较2004年同比增长了10%以上，另外组合机床行业增加值、产品销售率、全员工资总额、出口交费值等经济指标均有不同程度的增长，新产品、新技术较去年年均有大幅度提高，可见行业企业运营状况良好2。 行业企业产品结构的变化组合机床行业企业主要针对汽车、摩托车、内燃机、农机、工程机械、化工机械、军工、能源、轻工及家电行业提供专用设备，随着我国加入WTO后与世界机床进一步接轨，组合机床行业企业产品开始向数控化、柔性化转变。从近两年是企业生产情况来看，数控机床与加工中心的市场需求量在上升，而传统的钻、镗、铣组合机床则有下降趋势，中国机床工具工业学会的机床工具行业企业主要经济指标报表是统计数据显示，仅从几个全国大型重点企业生产情况看，2003年生产数控机床890台，产值16187万元，生产加工中心148台，产值5770万元；2004年生产数控机床985台，产值25838万元，生产加工中心159台，产值7099万元；而2005年，截至4月份，数控机床、加工中心、产值已接近2003年全年水平，故市场在向数控、高精制造技术和成套工艺装备方面发展。 行业企业的快速转变“九五”后期，在组合机床行业企业的50多家组合机床分会会员中，仅有两家企业实行了股份改造，一家企业退出国有转为民营，其余的都是国有企业。而从2001至2002年，不到两年的时间，就先后有十几家企业实行股份制改造，一些小厂几乎全部退出国有转为民营，现在一些国家重点国有企业也在酝酿股份制改造，转制已势不可档，“民营经济在经历了从被歧视，被藐视到不可小视和现在高度重视4个阶段后，焕发勃勃生机。”组合机床行业企业正在以股份制、民营化等多种形式快速发展。 组合机床技术装备现状与发展趋势组合机床及其自动线是集机电于一体是综合自动化度较高的制造技术和成套工艺装备。它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用与工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电行业。我国的传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型的箱体类和轴类零件（近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额），完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成型面等。组合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台组合机床等；随着技术的不断是进步，一种新型的组合机床柔性组合机床越来越受人们是亲昧，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制器（PLC）、数字控制（NC）等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多种加工的可调可变的组合机床。另外，近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机等在组合机床行业中所占份额也越来越大。由于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品，是根据用户特殊要求而设计的，它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。我国组合机床及其组合机床自动线总体技术水平比发达国家相对落后，国内所需的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大，并使产品生产成本提高。因此，市场要求我们不断开发新技术、新工艺、研制新产品，由过去的“刚性”机床结构，向“柔性”化方向发展，满足用户需要，真正成为刚柔兼备的自动化装备。1.2.2 国外组合机床现状80年代以来，国外组合机床技术在满足精度和效率要求的基础上，正朝着综合成套和具备柔性的方向发展。组合机床的加工精度、多品种加工的柔性以及机床配置的灵活多样方面均有新的突破性进展，实现了机床工作程序软件化、工序高度集中、高效短节拍和多功能知道监控。组合机床技术的发展趋势是3： 广泛应用数控技术国外主要的组合机床生产厂家都有自己的系列化完整的数控组合机床通用部件,在组合机床上不仅一般动力部件应用数控技术,而且夹具的转位或转角、换箱装置的自动分度与定位也都应用数控技术,从而进一步提高了组合机床的工作可靠性和加工精度。广州标致汽车公司由法国雷诺公司购置的缸盖加工生产线,就是由三台自动换箱组合机床组成的,其全部动作均为数控,包括自动上下料的交换工作台、环形主轴箱库、动力部件和夹具的运动,其节拍时间为58秒。 发展柔性技术80年代以来,国外对中大批量生产,多品种加工装备采取了一系列的可调、可变、可换措施,使加工装备具有了一定的柔性。如先后发展了转塔动力头、可换主轴箱等组成的组合机床;同时根据加工中心的发展,开发了二坐标、三坐标模块化的加工单元,并以此为基础组成了柔性加工自动线(FTL)。这种结构的变化,既可以实现多品种加工要求的调整变化快速灵敏,又可以使机床配置更加灵活多样。 发展综合自动化技术汽车工业的大发展,对自动化制造技术提出了许多新的需求,大批量生产的高效率,要求制造系统不仅能完成一般的机械加工工序,而且能完成零件从毛坯进线到成品下线的全部工序,以及下线后的自动码垛、装箱等。德国大众汽车公司KASSEL变速箱厂1987年投入使用的造价9000万马克的齿轮箱和离合器壳生产线,就是这种综合自动化制造系统的典范。该系统由两条相似对称布置的自动线组成,三班制工作,每条线日产2000件,节拍时间为40秒。全线由12台双面组合机床、18台三坐标加工单元、空架机器人、线两端的毛坯库和三坐标测量机组成,可实现3种零件的加工。空架机器人完成工件下线的码垛装箱工作。随着综合自动化技术的发展,出现了一批专门从事装配、试验、检测、清洗等装备的专业生产厂家,进一步提高了制造系统的配套水平。 进一步提高工序集中程度国外为了减少机床数量,节省占地面积,对组合机床这种工序集中程度高的产品,继续采取各种措施,进一步提高工序集中程度。如采用十字滑台、多坐标通用部件、移动主轴箱、双头镗孔车端面头等组成机床或在夹具部位设置刀库,通过换刀加工实现工序集中,从而可最大限度地发挥设备的效能,获取更好的经济效益。1.3 多工位组合机床的组成和用途1.3.1 组成 机床主要由床身、移动工作台、夹具、钻孔滑台、钻孔动力头、攻丝滑台、攻丝动力头、滑台移动控制凸轮和液压系统等组成，如图1.1所示。1.3.2 用途本机加工自动线是对加工工件进行铣端面、钻孔、检查、攻丝等工序的加工设备。由于本机加工自动线有在线/离线功能，故可对加工工件进行其中一种或几种甚至全部的加工工序。另外，本机加工自动线拥有全线自动/半自动、单机半自动/手动和全线自动回原点五种工作方式，用户可根据需要进行工作方式选择。1.4 多工位组合机床的设计目的和设计要求1.4.1 设计目的在机床行业中，多工步机床由于其工步及动作多，控制较复杂，采用传统的继电器控制时，需要的继电器多，接线复杂，因此，故障多，维修困难，费工费时，不仅加大了维修成本，而且影响了设备的工效。 在可编程序控制器问世之前，继电器接触器在工业领域中占主导地位。继电器接触器控制系统是采用固定接线的硬件实现控制逻辑。如果生产工艺或生产任务发生变化，就必须重新设计，改变硬件结构，这样造成时间和资金的浪费。另外，大型控制系统用继电器和接触器控制，使用的继电器数目越多，控制的体积越大，耗电多，且继电器触电为机械触点，工作频率较低，在频繁动作的情况下寿命较短，造成系统故障，系统可靠性差。为了解决这一问题，早在1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司，为了适应汽车型号不断翻新，以求在激烈竞争的汽车工业中占有优势，提出要用一种新型控制装置来取代继电器接触器控制装置，并且对未来的新型控制装置做了具体的设想，药把计算机的完备功能以及灵活性、通用性号等优点溶于新的控制装置中，且要求新的控制装置编程简单，使得步熟悉计算机的人员也能很快掌握它的使用技术4。 PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便、的优点而设计制造和发展的，这就使得PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点。使用PLC控制组合机床，可靠性高，抗干扰能力强；通用性强，使用方便；采用模块化结构，使系统组合灵活方便；编程语言简单、易学，便于掌握；系统设计周期短；对生产工艺改变适应性强；安装简单，调试方便、维护工作量小。1.4.2 设计要求 移动工作台和家具用以完成工件的移动和夹紧，实现自动加工。钻孔滑台和钻孔动力头，用以实现钻孔加工量的调整和钻孔加工。攻丝滑台和攻丝动力头，用以实现攻丝加工量的调整和攻丝加工。工作台的移动（左移、右移），夹具的动作（夹紧、放松），钻孔滑台和攻丝滑台的移动（前移、后移），均由液压系统执行。其中两个滑台移动的液压系统由滑台移动控制凸轮来控制，工作台的移动和夹具的夹紧与放松由电池阀控制。2 组合机床的机械部分设计2.1 机床加工示意图各部件的选择加工示意图是被加工零件工艺方案在图案上的反应，表示被加工零件在机床上的加工过程，刀具的布置以及工件、夹具、刀具的相对位置关系，机床的工作行程及工作循环等，使刀具、夹具、多轴箱、电气和液压系统设计选择动力部件的主要依据，是整台组合机床布局形式的原始要求，也是调整机床和刀具所必需的重要技术文件。该机床加工示意图如图2.1所示。图2.1 加工示意图2.1.1 刀具的选择选择刀具，应考虑工艺要求与加工尺寸精度、工件材质、表面粗糙度及生产率的要求。只要条件允许应尽量选用标准刀具。为了提高工序集中程度或满足精度要求，可以采用复合刀具。孔加工刀具的长度应保证加工终了时刀具螺旋槽尾端与导向套之间有3050mm距离，以便于排出切削和刀具磨损后又一定的向前调整量。所以，根据零件要加工的孔是M8螺孔，参照以上要求，依据加工M8螺孔选择M8丝锥。2.1.2 导向套的选择a) 选择导向类型组合机床加工孔时，除采用刚性主轴加工方案外，零件上孔的位置精度主要靠刀具的导向装置来保证。因此，正确选择导向装置的类型，合理确定其尺寸、精度，是设计组合机床的重要内容，也是绘制加工示意图时必须解决的问题。导向装置有两大类，即固定式导向和旋转式导向。在加工孔径不大于40mm或摩擦表面线速度小于20m/min时，一般采用固定式导向，刀具或刀杆的导向部分，在导向套内即转动又作轴向移动。固定导向装置一般由中间套、可换导套华人压套螺钉组成。中间套的作用是在可换导套磨损后，可较为方便的更换，不会破坏钻模体上的孔的精度。所以本设计选择固定式导向套。b) 确定导向数量、选择导向参数导向数量应根据刀件形状、内部结构、刀具刚性、加工精度及具体加工情况决定。通常对于小孔加工用单个导向加工。导向的主要参数包括：导套的直径及公差配合，导套的长度、导套离工件端面的距离等。导套的直径为8mm，导套长度为（24）=1632，取16导套到工件端面的距离=8（工件材料为铸铁时）5。2.1.3 初定主轴类型、尺寸、外伸长度和选择接杆、浮动卡头a) 主轴类型主轴型式主要取决于进给抗力和主轴-刀具系统结构上的需要。主轴尺寸规格应根据选定的切削用量计算出切削扭矩M，查组合机床设计书表3-19，3-20，3-21，3-22。得：加工M8螺纹，被加工材料是铸铁时，攻丝主轴的直径是17mm，扭矩是5000主轴类型为前后支承均为圆锥滚子轴承的主轴。攻丝靠模规格为1。主轴外伸选长主轴。，接杆莫氏圆锥号为1。b) 接杆连接 选择接杆主要是决定其号数，应根据刀具莫氏锥号和主轴外伸部分的内孔直径d1而定。选择接杆1（接杆1-L T0635-41，螺母23 T0642-41，垫22 T0654-41，平键420 GB1096-72）.c) 攻丝卡头和攻丝靠模装置 攻丝卡头主要型式：丝锥超前进给的单向补偿攻丝卡头和主轴超前进给的单向补偿攻丝卡头。选主轴超前进给的攻丝卡头。 攻丝靠模装置的原理是“自引法”攻丝。选通用的TO281型攻丝靠模装置。这种装置易于调整。如图2.2所示，攻丝靠模装置由靠模杆1、靠模螺母7及支承套筒2等元件组成。丝锥通过心杆和攻丝卡头8装在靠模杆1的前端。靠模杆的中部支承在衬套4上，并与靠模螺母7相啮合。靠模杆的尾部与攻螺纹主轴相连接。攻螺纹主轴借助双键将主运动传给靠模杆，靠模杆随着转动可在主轴孔内移动一段距离，即攻螺纹靠模的工作行程。套筒装在靠模头前壁上，并用两个压板3固定，两个压板之连的布置角度决定于多轴箱的主轴数和主轴的分布情况。靠模螺母借助结合子6与套筒相连接，当靠模杆回转时，因靠模螺母固定不动而迫使靠模杆向前进给，并推动丝锥切人工件。带丝锥遇故障使靠模杆不能前进时，转矩增大导致压板打滑靠模螺母跟随靠模杆同步回转而停止进给，避免机构或丝锥损坏。所以装配时压板的压力要适当。为了保证丝锥稳定可靠地攻入工件，又不干扰丝锥的自行引进，应使靠模杆每转进给量与丝锥的自行引进量一致，即保证靠模杆螺距与丝锥螺距名义尺寸相同。而靠模螺距和丝锥螺距的制造误差，可以通过套筒2内压簧5和配用攻螺纹卡头的方法进行补偿。 图2.2 攻丝靠模装置2.1.4 确定动力部件的工作循环及工作行程动力部件的工作循环是指：加工时动力部件从原始位置开始运动到加工终了位置又返回到原始位置的动作过程。工作进给长度应等于工件加工部位长度与刀具切人长度和切出长度之和。因为是盲孔，所以=0，=510=10,=12-4=8，再多加上一部分余量，得工件进给长度=18。快退长度等于快速引进与工件进给长度之和。快速引进是指动力部件把主轴箱连同刀具从原始位置送进到工作进给开始位置，其长度按加工具体情况确定。快退138=120+18动力部件总行程长度除了应保证要求的工作循环工作行程外，还要考虑装卸和调整刀具方便，即前后备量。总行程138+82=2202.2 机床联系尺寸图一般来说，组合机床是由标准的通用部件动力滑台，动力箱，各种工艺切削头，侧底座，立柱，立柱底座及中间底座加上专用部件主轴箱，刀、辅具系统，夹具，液、电、冷却、润滑、排屑系统组合装配而成。联系尺寸图用来表示机床各组成部件的相互装配联系和运动关系，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；通用部件的选择是否合适；并为进一步开张主轴箱、夹具设计提供依据。2.2.1 动力滑台的选择通常根据滑台的驱动方式所需进给力、进给速度、最大行程长度和加工精度等因素来选用合适的滑台6。初选1HY型液压滑台：a) 选择动力滑台及附属部件根据动力滑台中，液压滑台与机械滑台的优缺点的比较：快进转工进时，转换位置精度较低且考虑到过载保护方面的原因，选择液压滑台，根据前面计算得到的动力滑台每分钟进给量应比滑台的最小进给量大50%，选择1HY25型系列液压滑台。具体液压滑台的主要技术参数见下表2.1：表2.1型号台面宽台面长行程进给力快进速度最小进给量1HY25250 500400100001025根据1HY25系列液压滑台，选择该系列滑台的附属部件、支承部件以及配套设施部件，经过查组合机床设计简明手册可知，如下表2.2所示：表2.2部件型号立柱滑台侧底座立柱侧底座1HY251HY25M1HY25GABAB2504001CL251CL25M1CC2511CC2521CC251M1CC252M1CD2511CD2521CD251M1CD252M由于该机床所选择的加工方式是立式单面，则该液压滑台的配置型式为立式。其具体配置时联系尺寸以及相关部件的位置关系根据组合机床设计简明手册中表53来确定，相关的图纸亦见参考书7。b) 确定进给速度液压滑台是靠液压系统中变量叶片泵供油，进口节流调速来实现液压滑台的工作进给速度在一定范围内的无级调节。液压在确定刀具的切削用量是所规定的工作进给速度应大于滑台最小进给速度，1HY型滑台为无级变速，工作进给速度为4800范围内快速移动速度为定值。则选取滑台的型号为 1HY25型 c) 确定滑台进程 由于滑台的行程除保证足够的工作行程外还应留有前备量和后备量。前备量的作用是使动力部件有一定的向前移动的余地，以弥补机床的制造误差及刀具磨损后能向前调整，前备量一般取值范围为1020 本设计取前备量为20，后备量的作用是使动力部件有一定的向后移动的余地以方便装卸刀具，后备量一般不小于4050本设计取为50 所以总行程为：工作行程+前备量+后备量=138+20+62=2202.2.2 动力箱的选用查组合机床设计简明手册，选择1TD40型动力箱。电动机型号Y100L-6，电动机功率3.0，电动机转速960，驱动轴转速为480，动力箱输出轴至箱底面高度为170.2.2.3 确定夹具轮廓尺寸根据工件尺寸和形状，考虑工件的定位件、夹紧机构、刀杆导向装置的要求空间；并应满足排屑和安装的需要。夹具底座的轮廓尺寸由与之配合的滑台底座轮廓尺寸，工件的轮廓尺寸形状，具体结构为：底座直径为700，高为356。2.2.4 中间底座轮廓尺寸中间底座的轮廓尺寸要满足夹具在其上面安装连接的需要。其长度方向尺寸要根据所选动力部件（滑台和滑座）及其配套部件（侧底座）的位置关系，照顾各部件联系尺寸的合理性来确定。非常重要的是，一定要保证加工终了位置时，工件端面至主轴箱前端面的距离不小于加工示意图上要求的距离。同时，要考虑动力部件处于加工终了位置时，主轴箱与夹具轮廓间应有便于机床调整、维修的距离。为便于切屑及冷却液回收，中间底座周边须有足够宽度的沟槽。因此，中间底座采用侧底座1CC32。2.2.5 初步确定多轴箱轮廓尺寸 标准中规定立式配置的多轴箱总厚度为340 宽度和高度按标准尺寸系列表选取，通用主轴箱箱体的前盖厚度为70，基型后盖厚度为90，其余三种后盖厚度为50，100，125，绘制机床联系尺寸图时，着重要确定的尺寸是主轴箱的宽度B和高度H及最低主轴高度。主轴箱宽度B、高度H的大小主要与被加工零件孔的分布位置有关，按主轴箱轮廓尺寸系列标准，最后确定主轴箱轮廓尺寸为：BH=6306302.2.6 机床联系尺寸图机床联系尺寸图如图2.3所示。2.3 主轴箱设计主轴箱是组合机床的主要部件之一，按专用要求进行设计，由通用零件组成。其主要作用是，根据被加工零件的加工要求，安排各主轴位置，并将动力和运动由电动机或者动力部件传给各工作主轴，使之得到要求的转速和转向。主轴箱按结构大小分为大型主轴箱和小型主轴箱。按结构特点分为通用（标准）和专用主轴箱。2.3.1 通用零件选择本设计选用通用主轴箱。被加工零件最大直径305，所以选择500500T0711-11。（立式）动力箱型号：1TD40A。图2.3 机床联系尺寸图2.3.2 箱体类零件主轴箱箱体标准厚度为180,立式的前盖厚度为70（兼作油池）基型后盖厚度为90,变型后盖厚度为50、100、125三种，可根据主轴箱内传动系统安排等合理选用。2.3.3 轴类零件a） 攻丝主轴：选择前后支承均为圆锥滚子轴承的主轴。（组合机床设计pg83）主轴材料为40Cr钢，热处理C42。b） 传动轴：选择攻螺纹用蜗杆轴。传动轴材料为45钢，调质处理T215。c） 齿轮：通用齿轮有三种，传动齿轮、动力箱齿轮和电机齿轮。材料均为45钢，热处理为齿部高频淬火G54。查通用齿轮的系列参数表。通用的齿轮有三种，即传动齿轮、动力箱齿轮和电机齿轮。材料均为45钢，热处理为齿部高频淬火G54。本机床齿轮的选用按照下表3.1选用2.4 主轴箱总图设计主轴箱总图的设计包括绘制主视图、展开图、侧视图以及编制装配表和制定技术条件。2.4.1 主视图和侧视图主视图重要用以表明主轴箱的传动系统、齿轮排列位置，附加机构及润滑油泵的位置，润滑点的配置和各轴的编号。其实只要在原来的传动系统图的基础上，加上润滑系统、轴的编号即可。画出主轴箱轮廓，注上主轴箱联系尺寸等，便完成了主视图，本组合机床的主轴箱总装图如图2.4所示。 图2.4 多轴箱主视图2.4.2 展开图组合机床通用主轴箱与普通机床变速箱相比，一方面主轴多，齿轮啮合关系比较复杂，另一方面主轴箱中各主轴和传动轴及其上的零件大多通用化，且排列是有规律的，因此除很简单的主轴箱外，一般采用简化的展开图并配合装配表来表达主轴箱的装配结构。具体的内容包括： 1） 展开图主要表示各轴装配关系，主轴、传动轴、齿轮、隔套、防油套、轴承等的形状和相对位置，图中各零件的轴向尺寸按照比例画出；各轴径向可不按传动关系和展开顺序画。注明齿轮排数，轴的编号，直径和规格。2） 对于结构相同的同类型主轴和传动轴，可以只画一根，在轴头上注明相同轴的编号即可。7、8、9、10轴和11轴就是属于此种情况，所以只画出一根轴来表示。3） 展开图上完整标注主轴箱的厚度尺寸和与厚度有关的尺寸，主轴外伸部分长度及内、外径，具体的图见下图2.5。图2.5 多轴箱展开图2.4.3 主轴和传动轴装配表主轴箱内的零件数量很多，规格不一。把每根轴上的廉价的规格、尺寸和数量用装配表表示，不仅使图形清楚醒目，节省了设计的时间，而且有利于组织生产，装配方便，表的格式和内容见下表2.3：表2.3主轴箱的技术条件在主轴箱总图上应注明主轴箱部装要求，包括： 主轴箱制造的技术条件 主轴精度等级 加入主轴箱的润滑油种类、数量。此外，还要注明必要的设计、装配、检验、调整和使用说明。3 PLC控制组合机床的总体方案3.1 PLC的概述 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable ,是世界上公认的第一台PLC.限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。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。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。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（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了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。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是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。上世纪80年代至90年代中期，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。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，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。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用8。3.2 加工工艺及总的控制要求 组合机床主要加工工艺及总的控制要求如下。 系统通电，自动启动液压泵电机M1。若机床各部分在原位（工作台在钻孔工位SQ1动作，钻孔滑台在原位ESQ.动作，攻丝滑台在原位SQ3动作），并且液压系统压力正常，压力继电器PV动作，原位指示灯亮。 将工件放在工作台上，按下启动按钮SB，夹紧电池阀YV1得电，液压系统控制夹具将工件夹紧，于此同时控制凸轮电机M2得电远转。当夹紧限位SQ4动作后，表明工件已被夹紧。 启动钻孔动力头电机M3，且由于凸轮电机M2运转，控制凸轮控制相应的液压阀使钻孔滑台前移，进行钻孔加工。当钻孔滑台到达终点时SQ5动作，钻孔滑台自动后退，到原位时停，M3同时停止。 等到钻孔滑台回到原位后，工作台右移电池阀YV2得电，液压系统使工作台右移，当工作台到攻丝1工位时，限位开关SQ6动作，工作台停止。启动攻丝1动力头电机M4正转，攻丝滑台1开始前移，进行攻丝加工，当攻丝滑台1到终点时（终点限位SQ7动作），制动电磁铁DL1得电，攻丝动力头1制动，0.2s后攻丝动力头1电机M4反转，同时攻丝滑台1由控制凸轮控制使其自动后退。 当攻丝滑台1后退到原位时，攻丝动力头电机M4停，延时3s后，工作台右移电池阀YV2得电，液压系统使工作台继续右移，当工作台到攻丝2工位时，限位开关SQ9动作，工作台停止。启动攻丝2动力头电机M6正转，攻丝滑台2开始前移，进行攻丝加工，当攻丝滑台2到终点时（终点限位SQ10动作），制动电磁铁DL2得电，攻丝动力头2制动，0.2s后攻丝动力头2电机M6反转，同时攻丝滑台2由控制凸轮控制使其自动后退。当攻丝滑台2后退到原位时，攻丝动力头电机M6停，延时3s后，工作台右移电池阀YV2得电，液压系统使工作台右移，当工作台到攻丝3工位时，限位开关SQ12动作，工作台停止。启动攻丝3动力头电机M7正转，攻丝滑台3开始前移，进行攻丝加工，当攻丝滑台3到终点时（终点限位SQ13动作），制动电磁铁DL3得电，攻丝动力头3制动，0.2s后攻丝动力头3电机M7反转，同时攻丝滑台3由控制凸轮控制使其自动后退。当攻丝滑台3后退到原位时，攻丝动力头电机M7停，凸轮正好运转一个周期，凸轮电机M2停，延时3s后，左移电磁阀YV3得电，工作台左移，到钻孔工位时停。放松电磁阀YV4得电，放松工件，放松限位SQ8动作后，停止放松。原位指示灯亮，取下工件，加工过程完成。两个滑台的移动，是通过控制凸轮来控制滑台移动的液压阀实现的，电器系统不参与，只需启动控制凸轮电机M2即可。在加工过程中，应启动冷却泵电机M5，供给冷却液。机床的加工工步顺序如表2-1所示。4 硬件部分的设计4.1 PLC硬件部分的组成从结构上