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深孔钻
组合
机床
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深孔钻组合机床,深孔钻,组合,机床
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目 录第一章 设计任务及认识11.1 课题设计任务11.2 设计课题的认识及现状1第二章 深孔钻组合机床设计总体方案42.1 设计总体方案42.2 设计流程（或详细设计阐述）6第三章 深孔钻组合机床主电路设计73.1 深孔钻机床的控制方式.73.2 控制电路设计.83.3 PLC选用原则.9第四章 硬件及选型设计124.1电动机的分类及选用.124.2热继电器的选用.134.3交流接触器的选用.134.4熔断器的选用.14第五章 梯形图编写165.1梯形图分解说明.16总结19参考文献20I第一章 设计任务及认识1.1 课题设计任务图 1-1工艺流程图及I/O分配1）实现功能：钻头从初始位置开始向右进行钻深孔工作,钻孔过程中,钻头向右钻一段距离后返回初始位置,然后再向右钻一段距离后再返回初始位置,如此反复,完成钻深孔工作过程。2）控制要求：深孔钻时采用三次进给循环运动实现。钻头初始位置在原点（光电开关SQ1处）按下启动按钮SB1，钻头进给至SQ2光电开关处后返回原点，然后再进给至SQ3光电开关处后返回原点，紧接着钻头再次进给至SQ4光电开关处后返回原点停止，至此完成钻床主轴进给控制系统全过程。有冷却及必要的保护措施。1.2 设计课题的认识及现状1.2.1深孔钻发展现状及认识在机械制造业中,人们一般把那些孔的深度对孔的直径的比值大于五的圆柱形的孔叫做深孔，而孔深与孔径的比值被人们称为“长径比”。然而在深孔加工中，长径比往往大于十。深孔加工技术有广义和狭义之分。从狭义上来讲，深孔加工就是指使用切削加工的方法和工业设备进行深孔加工的技术。从广义上来讲，深孔加工技术不仅包括用于此加工的设备和生产原理，还包括生产过程中的一些工作章程和操作技巧。随着科学技术的日益发展，上世纪末出现了一些能够用于深孔加工的新技术,这些技术增加了深孔加工的功能性，极大地拓展了深孔加工技术的领域。深孔钻组合机床是进行深孔加工的专用设备。加工质量和工作效率是衡量深孔加工性能的两个指标。好的加工设备不仅加工出来的产品质量很高，并且加工效率也很高。但是钻头的冷却和排屑深深地影响着深孔加工的性能，为了使深孔加工能正常进行，进而生.产出高质量的产品，必须想出可行的办法很好地解决这两个问题。即使在机械加工中，深孔钻都是-项比较难的工艺，因为它不仅对设备的转速、进给等性能要求极高，而且对钻头的要求业极高，只有高性能的设备才能非常完美的完成深孔加工这项工艺。1.2.2 PLC的认识及发展PLC, (Programmable Logic , Controller),乃是-种电子装置，早期称为顺序控制器Sequence Controller, 1978 NEMA(National Electrical Manufacture Association)美 国国家电气协会正式命名为Programmable Logic Controller, PLC)， 其定义为一种电子装置，主要将外部的输入装置如:按键、感应器、开关及脉冲等的状态读取后，依据这些输入信号的状态或数值并根据内部储存预先编写的程序，以微处理机执行逻辑、顺序、定时、计数及算式运算，产生相对应的输出信号到输出装置如:继电器(Relay)的开关、电磁阀及电机驱动器，控制机械或程序的操作，达到机械控制自动化或加工程序的目的。并藉由其外围的装置(个人计算机/程序书写器)轻易地编辑/修改程序及监控装置状态，进行现场程序的维护及试机调整。而普遍使用于PLC程序设计的语言，即是梯形图(Ladder Diagram)程序语言。而随着电子科技的发展及产业应用的需要，PLC的功能也日益强大，例如位置控制及网络功能等，输出入信号也包含了DI (Digital Input)、 AI (Analog Input)、 PI (Pulse Input)及 NI (Numerical Input), DO(Digital Output)、AO (Analog Output)、PO (Pulse Output)及NO (Numerical Output),因此PLC在未来的工业控制中，仍将扮演举足轻重的角色。1.2.3 PLC控制的特点使用灵活、通用性强PLC的硬件是标准化的，加之PLC的产品已系列化，功能模块品种多，可以灵活组成各种不同大小和不同功能的控制系统。可靠性高、抗干扰能力强微机功能强大但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能导致一般通用微机不能正常工作；传统的继电器接触器控制系统抗干扰能力强，但由于存在大量的机械触点（易磨损、烧蚀）而寿命短，系统可靠性差。PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。接口简单、维护方便PLC的接口按工业控制的要求设计，有较强的带负载能力（输入输出可直接与交流220V，直流24V等强电相连），接口电路一般亦为模块式，便于维修更换。有的PLC甚至可以带电插拔输入输出模块，可不脱机停电而直接更换故障模块，大大缩短了故障修复时间。体积小、功耗小、性价比高以小型PLC（TSX21）为例，它具有128个I/O接口，可相当于400800个继电器组成的系统的控制功能，其尺寸仅为216127110mm3，重2.3kg，不带接口的空载功耗为1.2W，其成本仅相当于同功能继电器系统的1020。PLC的输入输出系统能够直观地反应现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通讯状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。1.2.4 PLC的发展趋势随着PLC应用领域日益扩大，PLC技术及其产品结构都在不断改进，功能日益强大，性价比越来越高。在产品规模方面，向两极发展。一方面，大力发展速度更快、性价比更高的小型和超小型PLC。以适应单机及小型自动控制的需要。另一方面，向高速度、大容量、技术完善的大型PLC方向发展。随着复杂系统控制的要求越来越高和微处理器与计算机技术的不断发展，人们对PLC的信息处理速度要求也越来越高，要求用户存储器容量也越来越大。向通信网络化发展。PLC网络控制是当前控制系统和PLC技术发展的潮流。PLC与PLC之间的联网通信、PLC与上位计算机的联网通信已得到广泛应用。目前，PLC制造商都在发展自己专用的通信模块和通信软件以加强PLC的联网能力。各PLC制造商之间也在协商指定通用的通信标准，以构成更大的网络系统。PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的组成部分。第二章 深孔钻组合机床设计总体方案2.1 设计总体方案分析设计要求可知，将工件装上机床时需要一个夹紧装置，深孔的加工需要分解成3次工进，每一次的工进位置需要由位置开关来控制，在加工过程中还需要冷却液来辅助排屑和降温，同时还需要一个指示灯来指示机床是否启动。在机床中一般采用机械、液压或气动、电气相结合的控制方式，在此方案中可以采用一个电机控制钻头的右移和左移动，一个电机控制钻头的正转与反转，再用一个电机控制冷却液的供给，其中工件的夹紧采用一个气动系统来实现，通过控制电磁阀来实现工件的夹紧与松开。安全性设计：在夹紧装置中采用气压夹紧的方式夹紧工件，防止压力过大而加入了压力传感器来检测气压大小，当超出压力许可值时则可以保护工件和夹紧装置。而工件的夹紧和松开有两种方式：（1） 使用一个开关控制电磁阀的夹紧与松开，优点是节省了元器件，缺点是在断电时无法保证工件夹紧。（2） 使用两个开关分别控制电磁阀的夹紧与松开，优点是能更可靠的夹紧工件，当发生意外断电的时候，夹紧电磁阀会机械自锁从而保证夹紧压力。而缺点是要多使用一个电磁阀，增加了设计成本。在本方案中出于安全性考虑选择第二种方式。横移电机的安全性考虑，当行程开关出现故障时，横移电机不会接收到位置信号，将继续向左或向右移动，此时容易造成事故，故采用两个限位开关来限制电机的移动范围，当机床向右或向左移动到达限位开关以后，就会停止工作，方便维修员寻找和维修故障，以避免造成不必要的损失。图 2-1深孔钻示意图方案系统框图：图 2-2方案系统框图PLC硬件结构图如下：图2-3 PLC硬件结构图2.2设计流程设计流程：在装夹时判断机器是否触碰机床的原点行程开关，若没有到达则将机床拉回到原点。工件装夹完毕且处于原点后加工开始，启动机床主轴和横移电机打开冷却泵电机，循环工进3次，最后停止加工，松开工件，完成加工，设计流程图如下：图 2-4设计流程图 第三章 深孔钻组合机床主电路设计3.1深孔钻机床的控制方式由于本方案中机床配置的三个电机功率均在10kw以下，满足电动机直接启动的要求，故可采用直接启动方式。电路中有基本的保护环节，如过载保护和短路保护等，主电路图如下：图 3-1主电路图图中FU3、FU4、FU5是主电路的短路保护环节的熔断器，FR1、FR2、FR3是主电路过载保护环节使用的热继电器。主电路中M1为横移电机，用接触器KM3、KM4控制电机的右移、左移。M2为主轴电机，用接触器KM5、KM7来控制主轴的正转，反转。M3为冷却泵电机，用接触器KM6控制。3.2 控制电路设计（1）横移电机控制：利用KM3、KM4线圈及其常闭触点实现横移电机左移和右移的逻辑互锁，实现对深孔钻头的左移和右移控制。其控制电路如下:图3-2横移电机控制电路（2） 主轴电机控制：同样使用KM5、KM7线圈及KA5、KA7的常闭触点实现主轴电机正转反转的逻辑互锁。其电路如下：图 3-3主轴电机控制电路（3） 冷却泵与夹紧控制：利用接触器KA1和KA6实现控制，电路图如下：图 3-4夹紧控制电路3.3 PLC选用原则随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从美国、日本、德国等国引进的PLC产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列、上百种型号。PLC的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用起着重要作用。PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它情况则最好选用模块式结构的PLC。本次设计使用的西门子S7-200有如下特点：S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列出色表现在以下几个方面:1)极高的可靠性。2)极丰富的指令集。3)易于掌握。4)便捷的操作。5)丰富的内置集成功能。6) 实时特性。7) 强劲的通讯能力。8) 丰富的扩展模块。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供您使用。CPU单元设计集成的24V负载电源:可直接连接到传感器和变送器(执行器)，CPU 221，222具有180mA输出， CPU 224，CPU 224XP，CPU 226分别输出280，400mA。可用作负载电源。不同的设备类型。CPU 221226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。本机数字量输入/输出点。CPU 221具有6个输入点和4个输出点，CPU 222具有8个输入点和6个输出点，CPU 224具有14个输入点和10个输出点，CPU 224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU 226具有24个输入点和16个输出点。为了满足I/O口的需要本方案中选择CPU226型。方案的I/O点数表如下表所示：表3-1 I/O点数表输入部分I/O点数输出部分I/O点数开关SB3电源提示灯1压力传感器1接触器KM6行程开关SQ6电磁阀线圈YV2输入总数10输出总数9总计19所以CPU226满足使用要求，并且预留了更多的I/0口方便与其他模块配合和拓展。S7-200PLC接口图如下： 图 3-5 S7-200PLC接口图如表3-2所示为PLC输入输出分配表：表 3-2 PLC输入输出分配表输入信号输出信号信号名称编号输入地址信号名称编号输出地址启动按钮SB1I0.0开关指示灯HLQ0.0停止按钮SB2I0.1夹紧KA1Q0.1压力传感器S1I0.2松开KA2Q0.2原点行程开关SQ1I0.3右移动KA3Q0.3第一工位行程开关SQ2I0.4左移动KA4Q0.4第二工位行程开关SQ3I0.5主轴正转KA5Q0.5第三工位行程开关SQ4I0.6冷却泵KA6Q0.6左限位保护开关SQ5I0.7主轴反转KA7Q0.7右限位保护开关SQ6I1.0工件放松按钮SB3I1.1输入输出动作表如下：表 3-3输入输出动作表第四章 硬件及选型设计4.1 电动机的分类及选用三相异步电机（Triple-phase asynchronous motor）是感应电动机的一种，是靠同时接入380V三相交流电流（相位差120度）供电的一类电动机，由于三相异步电动机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速成旋转，存在转差率，所以叫三相异步电动机。三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而产生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。考虑到机床运行时的稳定和电机成本，所以本方案中使用的三个电机均采用三相异步笼形电动机，根据使用的具体功能不同采用三种不同功率的电机满足使用要求。三种电机型号如下表所示：表4-1电机型号表所选用的Y系列电动机具有高效、节能、性能好、振动小、噪声低、寿命长、可靠性高、维护方便、起动转矩大等优点，Y系列电动机应用于一般无特殊要求的机械设备、如农业机械、食品机械、风机、水泵、机床、拌搅机、空气压缩机等。4.2热继电器的选用 热继电器主要用于保护电动机的过载，为了保证电动机能够得到既必要又充分的过载保护，就必须全面了解电动机的性能，并给其配以合适的热继电器，进行必要的整定。一 般涉及到电动机的情况有工作环境、起动电流、负载性质、工作制、允许的过载能力等。则上应使热继电器的安秒特性尽可能接近甚至重合电动机的过载特性，或者在电动机的过载特性之下，同时在电动机短时过载和起动的瞬间，热继电器应不受影响(不动作)。热继电器的正确选用，与电动机的工作制有密切关系。当热继电器用以保护长期工作制或间断长期工作制的电动机时，一般按电动机的额定电流来选用。例如，热继电器的整定值可等于0.95- 1.05倍电动机的额定电流，或者取热继电器整定电流的中值等于电动机的额定电流，然后进行调整。当热继电器用以保护反复短时工作制的电动机时，热继电器仅有一定范围的适应性。如果每小时操作次数很多,就要选用带速饱和电流互感器的热继电器。根据所选用的三个电动机的额定电流分别为2A、1.5A、1.5A，故可以采用1.05倍电动机的额定电流作为整定电流值，即I=2.1A。选用上海富继电器有限公司的JR36-20/3型热继电器，其基本结构及工作条件为：全系列产品均带有过载与断相两种保护，热继电器中热元件的整定电流为交叉式重叠排列，便于用户选用。在-5C+40C的空气温度范围内具有温度补偿，确保脱扣动作灵敏、可靠，是替代JR16B系列的新一代产品。正常工作条件：环温温度:-5C+40C，24h内其平均值不超过35C。海拔高度:安装地点的海拔不超过2000m。大气条件:周围空气温度为+40C时相对湿度不超过50%，*湿月的月平均*低温度为25C， 该月平均*大相对湿度为90%，并应考虑到因温度变化发生在产品上的凝露。污染等级:空气中不得有过量的尘埃、酸、盐、腐蚀性及爆炸性气体。污染等级3级。使用条件:主电路为AC-3，辅助触头为AC-15。 与安装垂直面的倾斜度不超过5。4.3交流接触器的选用（1） 交流接触器的电压等级要和负载相同，选用的接触器类型要和负载相适应。（2）负载的计算电流要符合接触器的容量等级，即计算电流小于等于接触器的额定工作电流。接触器的接通电流大于负载的启动电流，分断电流大于负载运行时分断需要电流，负载的计算电流要考虑实际工作环境和工况，对于启动时间长的负载，半小时峰值电流不能超过约定发热电流。（3）按短时的动、热稳定校验。线路的三相短路电流不应超过接触器允许的动、热稳定电流，当使用接触器断开短路电流时，还应校验接触器的分断能力。（4）接触器吸引线圈的额定电压、电流及辅助触头的数量、电流容量应满足控制回路接线要求。要考虑接在接触器控制回路的线路长度，一般推荐的操作电压值，接触器要能够在85110%的额定电压值下工作。如果线路过长，由于电压降太大，接触器线圈对合闸指令有可能不起反映；由于线路电容太大，可能对跳闸指令不起作用。为了满足工作要求，选用正泰集团的CJ20-10交流接触器，参数为额定电压220V，工作电流10A。工作环境为：周围空气温度为: -5C+40C，24小时内其平均值不超过+35C。海拔高度:不超过2000m。大气条件:最高温度+40C时，空气的相对湿度不超过50%;在较低温度下可以允许有较高的相对湿度，例如20C时达90%。 对由于温度变化偶尔产生的凝露应采取特殊的措施。污染等级: 3级。安装类别: I类。安装条件:安装面与垂直面倾斜度不大于士5。冲击振动:产品应安装和使用在无显著摇动、冲击和振动的地方。4.4 熔断器的选用（1）熔断器的保护特性应与被保护对象的过载特性相适应，考虑到可能出现的短路电流，选用相应分断能力的熔断器；（2）熔断器的额定电压要适应线路电压等级，熔断器的额定电流要大于或等于熔体额定电流；（3）线路中各级熔断器熔体额定电流要相应配合，保持前一级熔体额定电流必须大于下一级熔体额定电流；（4）熔断器的熔体要按要求使用相配合的熔体，不允许随意加大熔体或用其他导体代替熔体。电动机启动电流的大小约为额定电流的47倍，则启动电流I=7x2=14A，则熔体电流为I*2.5=35A，取熔体电流I=32A选用上海沪工公司的RT14-32 规格为380V 32A。元件明细表如下：表 4-1元件明细表第五章 梯形图编写5.1梯形图分解（1） 机床启动，如图5-1图 5-1机床启动程序说明：按下SB1后I0.0得电，初始位置为原点，故原点的位置开关SQ1得电即I0.3得电，PLC寄存器M0.0置1。（2） 工件夹紧，如图5-2图 5-2工作夹紧程序说明：M0.0置1之后给一个上升沿信号，之后Q0.1得电，电磁阀通电后夹紧工件。冷却液Q0.6得电，开始释放冷却液，冷却泵电机得电，M0.1置1。（3） 主轴旋转，如图5-3图 5-3主轴旋转程序说明：M0.1已为1，则主轴旋转Q0.6得电，主轴正向旋转（4） 第一次工进，如图5-4图 5-4第一次工进程序说明：Q0.3得电，横移电机向右启动。M0.3置1，之后当触碰到第一工位开关SQ2，I0.4得电后右横移电机关闭。（5） 反向横移启动，如图5-5图 5-5反向横移启动程序说明：M0.4置1，横移电机拖动工作台向左移动。（6） 工退回到原点，如图5-6图 5-6工退程序说明：当工作台返回到原点时触碰位置开关SQ1，然后I0.3得电，关闭向左横移电机。 总 结于我们大学生而言，课程设计无疑是一个锻炼和提升自己的机会，
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