钻加工站毕业设计论文.doc

毕业设计（论文）答辩成绩记录表自动化工程系 专业 机电一体化技术 班级 083351 学员王清 课题名称工业自动化编程技术课题来源校内自定起止时间学员在本课题中完成任务的情况：指导教师对学员完成本课题的评语及成绩：指导教师签字 年 月 日答考评组的评语及成绩组长签字 年 月 日毕业设计（论文）总成绩：答辩委员会签字 年 月 日目 录第一部分：绪论*（1）1.1 概述1.2：设计目的、内容与意义第二部分：设计方案的选择与各部分的组成（2）21执行、与控制系统的比较 第三部分：气动系统与控制系统*（4） 3.1 气动系统图及各元件的介绍3.2 S7-300的简介3.2.1 SP 307的介绍3.2.2 PLC输入系统接线图3.2.3 PLC输出系统接线图3.3 电源 电灯设计电路图第四部分：系统主要元件的选型与I/O分配*（15） 4.1 各动作气缸的参数选择及换向阀、传感器的选择42 I/O分配表第五部分：工艺流程图*（15）第七部分：设计参考资料*（20）第一部分：绪论1.1 概述在机械制造中，切削加工占有极其重要的地位，目前切削加工约占整个机械加工工作量的60%以上。据专家估计，到本世纪前半叶切削加工仍然占机械加工量的一半以上。随着机械加工设备的不断发展，如数控机床、加工中心等的问世以及普及，最大限度地利用这些设备的效率成为机械加工中的首要问题。与此同时，计算机技术的飞速发展使得CAD/CAPP/CAM、PDM/CIMS等技术很快发展并成熟起来，其目的在于实现信息的集成从而实现设计制造的一体化。钻削是金属切削加工中最常用的孔加工方法之一。在机械制造工厂里，钻削加工不仅用于钻床，而且广泛用于车床、镗床及其它机床。麻花钻头的发明和使用已有百余年的历史。其结构和几何形状，早已订有标准；其工作特点和应用范围，已为广大使用者所熟悉。但是，麻花钻头的标准结构和几何形状尚存在着若干缺点，严重影响到工作效率的进一步提高。为此，人们常用各种方法，适当改变其原来的结构和几何形状，以达到提高切削性能的目的。显然，对于这种应用十分广泛的切削工具，即使切削性能少许提高，也能获得极大的经济效果。2钳工出身的倪志福同志创造性地修磨了标准钻头，改变了原来的几何形状，使钻头的切削性能有了显著的提高。该钻头创始于1953年，后称为“群钻”。此后，这种钻头即逐步为国内各地区许多工厂及苏联某些工厂所采用，并培养出了一批使用倪志福钻头的骨干。后来，有很多工厂和机床上都使用群钻。经过长期的生产实践和科学研究证明，与标准钻头相比，倪志福钻头即群钻的耐用度约可提高25倍，轴向力约可降低30%40%，扭矩约可降低10%20%，加工质量亦有所提高；特别是对钢料及塑性较大的合金钢材料的加工，效果更为显著。群钻的优点和使用价值虽已为机械制造业所公认，但目前除一部分工厂仍坚持使用外，多数工厂使用情况有所减少，甚至只有个别老师傅在个别工序上使用。推其原因，我们认为有以下三点：第一，广大使用者对群钻几何形状的特点及取得高工作效率的原因还认识不足；第二，钻头几何形状比较复杂，掌握刃磨比较困难；第三，工厂新技术推广工作做得不够踏实巩固。我们也认为，推广群钻有着现实意义和广阔的前景，关键在于解决上述三个方面的问题。12 设计的目地、内容及意义设计的题目：钻加工站教学模型设计的内容：钻加工站教学模型系统方案的设计与比较、气动系统的设计、控制程序的编制、主要元件的选型设计的目的：该设备主要将机械结构和气动技术及电气技术有机的结合在一起，通过对系统方案的比较、气动系统的设计、控制程序的编制、主要元件的选型使我们将所学的机械制图、机械设计、电工电子技术、气动技术、电机拖动技术、传感器技术、PLC技术、电气安装技术有机的结合在一起，对所学的知识进行综合检测，通过大家的共同努力，在完成项目的过程中培养了我们的团队合作的精神。钻加工站教学模型主要功能： （1）.工件的传送、工件的固定、钻头的进给动作的是利用气动技术实现的，可以在本设备上进行气动技术的实训教学；（2）.设备具有拆装能力，既是一台教学演示设备，学生又可动手拆装组合。（3）.具有计算机管理功能：l 电气系统的设计与制图（通过测绘实施）l 气动系统的设计与制图（通过测绘实施）l 计算机的远程监控（4）.系统位置的检测由传感器来完成，可拆装更换，体现了传感器在工业中的应用；（5）.可进行PLC的安装、编程和调试；（6）.与国外同级别设备相比减少了设备投资，增加了组合的能力设计的意义：目前国内生产的气动教学设备多为功能、技术单一或只能演示的设备，很少有将机电一体化技术集中在一起，具有多学科教学功能的设备，在职业教育比较发达的德国等欧洲国家，我们看到他们的教学设备与目前工业的发展极为接近，模拟工业设备，多种技术溶为一体。此次设计、制造的钻加工站教学模型集电气、PLC、气动、传感器技术于一体，参照国际奥林匹克机电一体化设备的模式，进行设计，力求可进行灵活组合，通过PLC方便、灵活的更改产品的加工工艺。主要参考德国FESTO公司的气动技术文献，德国西门子公司的可编程控制器，该设备做为电气专业、机械专业、机电一体化专业的气动技术、PLC技术、电气安装技术等专业课的教学实验台、学生进行动手操作的实训教学仪器、毕业设计的课题等。第二部分：设计方案的选择与各部分的组成21 执行与控制系统的比较一 执行系统的比较气动系统与液压系统相比，气动系统的结构简单，反映速度快，动作迅速，维护简单，管路不容易堵塞，安全可靠性高，且优于电子和电气系统。液压系统价格要比气动系统高，而且结构复杂，液压油会造成环境污染，而且还可能引起火灾爆炸事故，液压元件的制造精度要求高，价格较贵。出现故障时不容易找出原因。使用和维修要求有较高的技术水平。因为设计的加工系统不需要太大的压力，所以选择气动系统，而气动系统与电机相比，电机转化为直线运动比较复杂，不适合经常拆装，维护要求较高，价格昂贵。无论作为实验台或加工站加工工件，气动系统都优于液压系统和电机设备，所以选择气动系统。二 控制系统的比较PLC与继电器相比，继电器控制系统是针对一定的生产机械固定的生产工艺设计的，采用硬接线方式装配而成的，只能完成既定的，逻辑控制、定时、计数等功能，一旦生产工艺过程改变，则控制柜必须重新设计，重新配线。而PLC由于应用了电子技术和计算机技术，各种控制功能都是通过软件来实现的，只要改变程序并改动少量的接线端子，就可以适应生产工艺的改变。从适应性，可靠性，安装维护等各方面比较，PLC都有显著的优势。PLC 与气动系统相比更灵活，过去，电器工程师必须为每套设备配置专用控制装置。有了可编程控制器硬件设备采用相同的可编程控制器，只需编写不同的应用软件即可。而且可以用一台可编程控制器控制几台操作方式不同的设备。而且便于改变和修正，相对传统的电气控制线路可编程控制器为改进和修订原设计提供了极其方便的手段。以前要花几周的时间，而用可编程控制器只需用几分钟就可完成。并且动作快速，编程简单，使用方便。第三部分：气动系统与控制系统31 气动系统图及各元件的介绍气路图： 气动传动是以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号，控制和驱动各种机械设备，以实现生产过程机械化、自动化的一门技术。方向控制阀在气动传动系统中是用来控制压缩空气流通方向或气路的通、断从而达到自动或远程距离控制各种气动执行机构的目的。根据本实验台中系统的需求，选择有单电控电磁换向阀、双电控电磁换向阀、先导式双电控电磁换向阀三种方向控制阀。 在推料处我们选择的是一个二位五通单电控电磁换向阀和一个双作用可调缓冲气缸。 二位五通单电控电磁换向阀：当Y1通电时，缸可迅速把料仓里的料推出到出料槽位置后Y1断电，气缸靠弹簧弹力复位Y1不须带电。 双作用可调缓冲气缸：是气缸上本身带有调节功能，可直接调节活塞杆伸出和退回速度，缓冲装置使活塞接近行程终点时减速，避免与缸体碰撞引起元件的损害。 在取料、送料处我们选择一个先导式双电控三位四通电磁换向阀和一个双作用无杆气缸，在无杆气缸两端回路各加一个可调式单向节流阀。 先导式双电控三位四通电磁换向阀：当Y2通电、Y3断电或Y2断电、Y3通电时无杆缸可靠两端回路的可调式单向阀进行调节速度来实现缸体滑动。当Y2、Y3同时断电，阀两端靠弹簧弹力回复到中间位置。在中间位置可实现卸压气缸回到初始状态。 从出料槽吸料到放在料盘里我们选择了一个双作用可调缓冲的垂直气缸和一个二位五通单电控电磁换向阀。在这里二位五通单电控电磁换向阀与推料缸处的作用一样，当Y4通电垂直缸伸出直到吸盘吸到料后Y4断电，气缸靠弹簧弹力回到初始状态，活塞伸出和退回速度直接调节气缸实现。 四个放料盘处我们选择了4个双作用可调缓冲气缸和4个二位五通单电控电磁换向阀。阀的作用与推料处的一样，但缸的行程设置为0100mm，活塞杆伸出到100mm处阀断电，靠弹簧弹力回到初始状态。 在3个钻头处我们选择了3个双作用可调缓冲气缸和3个先导式三位五通双电控电磁换向阀。阀与取料、送料处不同的是它们的中位机能。在钻头处取的是中封式，在中间位置给予封死回路使活塞不能伸出和退回，即可实现气缸在任意位置都能够停留不动。 在吸盘处我们用了一个二位五通双电控电磁换向阀，该阀有常闭和常开两种结构形式。 当Y15通电、Y16断电时，气缸带吸盘伸出并吸到料Y15带电保持到把料拿到装料槽Y15断电，Y16通电把料放在装料槽。该阀具有通电保持功能。3.2 S7-300的简述S7300产品简述1. 负载电源 (选项) 2. 后备电池 (CPU 313 以上) 3. 24V DC 连接 4. 模式开关 5. 状态和故障指示灯 6. 存储器卡 (CPU 313 以上) 7. MPI 多点接口 8. 前连接器 9. 前门 模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用 大范围的各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务 由于简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活 方便用户和简易的无风扇设计 当控制任务增加时，可自由扩展 由于大范围的集成功能使得它功能非常强劲 概述S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。其模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。系统组成中央处理单元(CPU)：各种CPU有不同的性能，例如，有的CPU上集成有PROFIBUSDP通讯接口等。信号模块(SM)：用于数字量和模拟量输入输出。通讯处理器(CP)：用于连接网络和点对点连接。功能模块(FM)：用于高速计数，定位操作(开环或闭环定位)和闭环控制。负载电源模块(PS)：用于将SIMATICS7300连接到120230V交流电源，或244860110V直流电源。接口模块(1M)：用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架(ER)。S7300通过分布式的主机架(CR)和3个扩展机架(ER)，可以操作多达32个模块。运行时无需风扇。SIMATICS7300适用于通用领域：高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其具有最高的工业环境适应性。功能SIMATICS7300的大量功能能够支持和帮助用户进行编程、启动和维护，其主要功能如下：高速的指令处理：0106us的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。浮点数运算：用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算。方便用户的参数赋值：一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值。人机界面(HML)：方便的人机界面服务已经集成在S7300操作系统内、因此人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面(HML)从S7300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送。诊断功能：CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件(例如：超时、模块更换等)。口令保护：多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改，操作方式选择开关：操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序。通讯这是一个经济而有效的解决方案；方便用户的STEP7的用户界面提供了通讯组态功能，这使得组态非常容易、简单。SIMATICS7300具有多种不同的通讯接口。中央处理单元(CPU)：CPU 312C紧凑型CPU，带集成的数字量输入和输出 适用于具有较高要求的小型应用 带有与过程相关的功能CPU运行时需要微存储器卡信号模块(SM)： 概述 SIMATIC S7-300 的数字输入/输出模块 使控制器灵活地与任务相适应 用于连接数字传感器和执行元件应用数字I/O模块包括用于 SIMATIC S7-300的数字输入和输出。通过这些模块，可将数字传感器和执行元件与 SIMATIC S7-300相连。数字 I/O模块具有下列优点： 优化配合可利用可以任何方式组合的模块使输入/输出点数与任务相配合 灵活的过程连接可通过各种不同的数字执行元件和传感器使 S7-300 与过程相连接设计数字I/O模块具有下列机械性能：结构紧凑牢固的塑料机壳中包括： 绿色的 LED 用来显示输入/输出端的信号状态 由前盖保护的前连接器 前盖上的标签区组装简单模块安装在 DIN 标准导轨上，通过总线连接器与相邻模块相连接。没有插槽规则：输入地址由插槽决定。方便用户的接线模块通过插入式的前连接器进行接线。第一次插入连接器时，有一个编码元件与之啮合，这样该连接器就只能插入同样类型的模块中。更换模块时，可保持前连接器的接线状态，用于同样类型的新模块。负载电源模块(PS)：3.2.1 PS 307电源模块 概述 为S7-300/ET 200M提供电源 将120/230伏交流电压转变到所需要的24伏直流工作电压 输出电流2安、5安或10安 应用 - S7-300需要24伏直流电源。 PS 307负载电源模块将120 或230伏交流电压转变为24伏直流工作电压。 - 24伏直流电源用来为SIMATIC S7-300和传感器及执行元件供电。 结构 - 电源模块安装在DIN导轨上(插槽1)，紧靠在CPU的左侧。使用电源连接器 (已包括) 连接到的CPU上。模块的前面板上有： 电源输出指示器用一个LED指示24伏直流输出 线电压选择开关一个带有保护罩的开关可用来选择120伏交流或230伏交流线电压 24伏直流的on/off开关。前面板上还有由盖板保护着的 连接端子线电源电缆，输出电源电缆和保护接地可连接到这些端子上负载。导轨：概述 SIMATIC S7-300的机械安装架 用于保持住模块 可用螺丝紧固在墙上应用 DIN 导轨是S7-300 可编程序控制器的机械安装机架，需要该导轨来安装单元。 该导轨用螺丝紧固安装在墙上，S7-300的所有模块均直接使用螺丝紧固在导轨上。 即使在有可能发生机械问题的场合，有了DIN导轨也可以使用SIMATIC S7-300可编程控制器。3.2.2 PLC输入接线图0V+24VS1I0.0S1I0.1S1I0.2S1I0.3B1I0.4B2I0.5B3I0.6B4I0.7B5B6I4.0I4.1B7I4.2B8I4.3B9I4.4+24VB100VI4.5B11B12I4.6B13I4.7I8.0B14I8.1B15I8.2B16I8.3B17B18I8.4I8.5B19I8.6B20I8.7B21I16.03.2.3 PLC输出接线图Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Y5Y4Y2Y1Y30V0V0V0VK20V0VK10V0VY160V0VY150V0VY140V0VY130V0VY120V0VY110V0VY100V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0VY9Y8Y7Y6Q0.6Q0.7Q4.0Q4.1Q4.2Q4.3Q4.4Q4.5Q4.6Q4.7Q8.0Q8.10V0V0VY180V0VY170V0VK40V0VK3Q8.2Q8.3Q8.4Q8.50V0VY19Q8.63.3 电机 电灯电路图第四部分：系统主要元件的选型与I/O分配4.1 各动作气缸的参数选择及换向阀、传感器的选择一、推料缸及相关元件的选型被加工工件尺寸为直径4040mm圆柱体，如图1。料仓内有五个待加工件，其所需推力F1=100N，行程L=40mm,系统工作压力P=6bar因为:F1=PA1 A1=R12则代入计算得：R1=0.007m D=14mm经此计算考虑摩擦力的存在气缸内径选为20mm，实际推力F1=184N则活塞杆直径d,一般取d/D=0.30.4.经计算活塞杆直径d8mm实际拉力：F2=PA2 A2=（D2 -d2）/4=263mm2 代入得：F2=156N由结果查SMC产品手册4.10选择双动标准气缸CM2B20-50A及气缸角座2个，CJ-LO16B此气缸活塞上装有一个永久磁环，其磁场可用来触发行程开关。气缸的传感器轨道上装一个或多个行程开关，行程开关的非接触感触气缸的运动装置。由SMC产品手册D-A73L。由此该设计选择结果为：需气缸1个、脚座2个、行程开关1个。二、电钻进给气缸及其相关元件的选型系统所需推力F1=120N，行程L=30mm，系统工作压力P=6bar因为F1=PA1A1=R12 则代入计算得：R1=0.008mD=16mm经计算考虑到摩擦阻力气缸内径为25mm，实际进给缸的进给力F1=294N则活塞杆直径d,一般取d/D=0.4,则d=10mm实际拉力：F2=PA2 A2=（D2 -d2）/4=412mm2代入计算得：F2=247N由结果查SMC产品手册4.10选择双动标准气缸CM2B25-50A（带缓冲）及法兰1个，CJ-FO16B此缸活塞上有一个永久磁环，故安装SMC产品手册4.160上选择D-A73L，环带安装非接触式行程开关。由此该设计选择结果为：气缸3个、行程开关3个、法兰3个。三、垂直缸及其相关元件的选型 系统所需推力F1=120N，行程L=60mm,系统工作压力P=6bar因为F1=PA1A1=R12则代入计算得：R1=0.008mD=16mm经计算气缸内径为16mm考虑到摩擦阻力气缸内径为25mm，实际进给缸的进给力F1=294N，则活塞杆直径d,一般取d/D=0.4,则d=10mm实际拉力：F2=PA2 A2=（D2 -d2）/4=412mm2代入计算得：F2=247N由结果查SMC产品手册4.10选择双动标准气缸 CM2B25-60A（带缓冲）及法兰1个，CJ-FO16B此缸活塞上有一个永久磁环，故安装SMC产品手册4.160上选择D-A73L，环带安装非接触式行程开关。由此该设计选择结果为：气缸1个、行程开关1个、脚座1个四、夹紧缸及其相关元件的选型 系统所需推力F1=80N、行程L=5mm、系统压力P=6bar因为F1=PA1A1=R12则代入计算得：R1=6.5mm，D=13mm经计算考虑缸的阻力内径为16mm，实际推力为120N则活塞杆直径d，一般取d/D=0.3-0.4,取d=7mm实际拉力：F2=PA2 A2=（D2 -d2）/4=162mm2代入计算得：F2=97N由结果查SMC产品手册选择，双动针型气缸CDJ2B16-15-A此气缸活塞上安装有永久磁环，其磁场可用来触发行程开关，气缸的传感器坑槽中可安装一个或多个，由系统要求安装一个，经查手册4.160选择坑道安装非接触行程开关D-90AC由此该设计选择结果为：气缸4个、行程开关4个。五、无杆气缸及其相关元件选型 系统要求其最大负载为F=30N，行程L=300mm,系统工作压力P=6bar由SMC产品手册-96中图3-65（b）所给无杆缸的负载，处于移动件中位作水平移动时的最大允许负载，由行程及SMC产品手册查到结果取d=25mm，所需型号为滑R型无杆气缸CYIL25H-400，其内置有磁环，又由系统要求选合适的轨道安装行程开关。查手册4.160选择D-A73L，需无杆气缸1个，行程开关3关。六、气动换向阀选择 1、推料缸，行程开关L=45mm，直径为16mm，V=90.43ml,工作时间T=5s，流量为20ml/s,则由此系统所需换向阀为单电控二位四通换向阀，由SMC产品手册查知单电控二位五通换向阀的型号为VJ3120-5GB-M3。 2、电钻进给缸，行程L=30mm，直径为16mm，V=60.29ml,工作时间T=20s，流量为3ml/s,则由此系统所需换向阀为双电控三位四通0型中位机能换向阀，由 SMC产品手册查知双电控三位五通0型中位技能换向阀的型号为VJ3320-5GB-M3。 3、垂直缸，行程开关L=60mm，直径为16mm，V=120.58ml,工作时间T=5s，流量为25ml/s,则由此系统所需换向阀为单电控二位四通换向阀，由SMC产品手册查知单电控二位五通换向阀的型号为VJ3120-5GB-M3。 4、夹紧缸，行程开关L=5mm，直径为6mm，V=1.42ml,工作时间T=0.5s，流量为3ml/s,则由此系统所需换向阀为单电控二位四通换向阀，由SMC产品手册查知单电控二位五通换向阀的型号为VJ3120-5GB-M3。 5、无杆缸，有效行程L=230mm，直径为10mm，V=180.55ml，工作时间T=10s，流量为20ml/s，由于系统要求需双电控三位四通y型中位机能，经查SMC产品手册选择双电控三位五通中位加压换向阀VJ3520-5GB-M3。 6、中央汇流板：VV5J3-20-10，M-5P栓塞，M-5ACN-6，直径6/4M5倒钩式肘节头；M-5G1密封环；气管TS0604；减压阀ARJ1020F-M5-06七、吸盘及其相关元件 系统要求静负载为F=mg=0.29.8=1.46（N） 安全系数=2 吸盘提升力F1 计算公式：吸盘提升力=工作质量安全系数 F1=G2=1.962=3.92（N）F1查SMC产品手册定为水平真空接型，带缓冲ZPR04UNJ6-04-A8真空发生器组件ZM053H-K5GB-E15八、空气过滤器组合由系统所要求从SMC产品手册选择AC1010-M5九、电机的选型钻机电机 钻头电机根据工况选择单相串励电动机，因为串励电动机体积小，重力轻，启动力矩大，适应于一些电动工具。根据提供的技术参数，电压为220V，输出功率为100150W，转头的转速n600r/min,选择单相串励电动机型号为JIZ-10。它的输出功率为:150KW,电压为:220V,电流为:2.5A,转速:570r/min.转盘电机转盘电机根据工况选择直流电机，直流电机是电能和机械能相互转换的电机。直流电机的调速特性平滑，过载能力较高，启动、制动转距较大。根据提供的技术参数，电压为220V，输出功率为0.3-0.4KW，转速：n1500r/min,选择Z2系列直流电动机型号为Z2-21,它的输出功率为:0.4KW,电压为:220V,电流为:2.75A,转速:1000r/min。十、传感器 由系统要求需要选择为：B20传感器选择电感式传感器SIEN-M8NB，B21传感器选择光电传感器SOEQ-2T-M12-PS-K-L，其他的传感器选择容性传感器SIEN-M5B-PS-K-L。十一、控制系统选型：控制系统采用的是西门子可编程序控制器，根据系统的具体设计要求选择下列部件。名称型号参数价格电源307-1KA01-0AA0120/230VAC; 24VDC;10A1323.00导轨390-1AJ30-0AA0830mm330.75模块323-1BH01-0AA08点输入, 8点输出, 24VDC; 0.5A1716.75CPU312-5BD00-0AB0CPU312C，24VDC供电，16KB工作内存，集成10DI/6DO，计数器，DI/DO最大256点，AI/AO最大64点 ，20针前连接器2913.75前连接器392-1AJ00-0AA020针, 螺紧型163.01适配器972-0CA23-0XA0PC 适配器