后制动板三大孔粗精镗机床总体设计及电气控制部分设计.docx

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后制动板三大孔粗精镗机床总体设计及电气控制部分设计

目录

1前言1

1.1课题的来源1

1.2国内外现状及发展趋势2

1.3设计的思路及解决的主要问题3

2机床总体设计.........................................................4

2.1工艺方案的拟订4

2.2确定切削用量5

2.3机床尺寸联系总图的确定7

3机床的电气控制部分设计10

3.1机床的控制要求10

3.2机床控制方案的确定11

3.3机床主电路的设计12

3.4PLC控制部分硬件的设计13

3.5PLC控制部分软件的设计18

3.6操作面板的设计20

4结论21

参考文献22

致谢23

附录24

1前言

1.1课题的来源

本课题来源于江苏高精机电设备装备公司，是对后制动板三大孔机床总体设计及电气控制部分设计。

首先设计机床的总体结构，然后通过控制方案的选用，选择PLC控制来实现机床主轴、夹具、滑台之间的调整和整机循环动作控制。

可编程序控制器（PLC）作为一种新型的工业自动化装置已在工业控制各个领域广泛应用，具有体积小、功耗低、寿命长、可靠性高、灵活通用、易于编程、维修及使用方便等特点。

将PLC技术应用于组合镗床，使该机床实现了除装卸工件以外的全部自动循环过程，避免了过去由于大量使用继电器带来的种种缺点，改善并提高了控制性能，提高了生产效率，降低了生产成本。

该公司的组合机床选用PLC控制而不是继电器控制，因为PLC的控制与继电器的控制有以下不同之处：

1、控制逻辑

继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串联或并联，及延时继电器的的滞后动作等到组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。

另外继电器触点数目有限，每只仅有4～8对触点，因此灵活性和扩展性很差。

而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑只需改变程序即可，故称“软接线”。

其接线少，体积小，因此灵活性和扩展性都很好。

PLC由大、中规模集成电路组成，因而功耗较小。

2、工作方式

电源接通时，继电器控制电路中各继电器同时都处于受控状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都应受到某种条件限制不能吸合，它属并联工作方式。

而PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描中，属串联工作方式。

3、可靠性和可维护性

继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线较多。

触点断开或闭合时会受到电弧的损坏，并有机械磨损、寿命短，因此可靠性和维护性差。

而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。

PLC配有自检和监督功能，能检查出自身的故障并随时显示给操作人员，还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。

4、控制速度

继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭一般在几十毫秒数量级；另处，机械触点还会出现抖动问题。

而PLC由程序指令控制半导体电路来实现控制，属无触点控制，速度极快，一条用户指令的执行时间一般在微秒数量级，且不会出现抖动。

5、定时控制

继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。

一般来说，时间继电器存在定时精确度不高、定时范围窄，且易受到环境湿度和温度变化的影响，时间调整困难等问题。

PLC使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体振荡产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时范围一般从0.001S到若干天或更长；用户可根据需要在程序中设置定时值，然后用软件来控制定时时间。

从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上优于继电器控制系统，特别是具有可靠性高，设计施工周期短，调试修改方便的特点；而且体积小、功耗低、使用维护方便。

正是基于以上优点，PLC控制系统正在逐步地取代继电器控制系统。

1.2国内外现状及发展趋势

在机械制造中，对于单件或小批量生产的工件，许多工厂采用通用机床进行加工。

由于通用机床要适应被加工零件形状和尺寸的需要，故机床结构一般比较复杂。

不仅如此，在实际生产加工中，由于只能单人单机操作，一道一道工序地完成，所以工人的劳动强度大、生产效率低，工件的加工质量也不稳定。

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，目前已经广泛应用于汽车、拖拉机、柴油机、电机、仪器仪表、军工及自行车等轻工行业的大批大量生产中，并可用以组成自动生产线；在一些中小批量生产中，如机床、机车、工程制造业中也已推广应用。

以下是PLC的发展历史：

起源：

1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求；1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器PDP—14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程序控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC；1969年，美国研制出世界第一台PDP-14；1971年，日本研制出第一台DCS-8；1973年，德国研制出第一台PLC；1974年，中国研制出第一台PLC。

发展：

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。

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。

个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（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。

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；20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30~40%。

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。

这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、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。

PLC技术发展呈现新的动向：

a：

产品规模向大、小两个方向发展大：

I/O点数达14336点、32位为微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。

小：

由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本；

b：

PLC在闭环过程控制中应用日益广泛；

c：

不断加强通讯功能；

d：

.新器件和模块不断推出高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块；

e：

编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的PLC指令系统；

f：

发展容错技术采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式；

g：

追求软硬件的标准化。

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1.3设计的思路及解决的主要问题

设计思路：

本课题是后制动板三大孔机床总体设计及电气控制部分设计，首先根据系统设计的总体要求，选用总体方案，绘制机床总体联系图，然后将选择PLC实现机床主轴、夹具、滑台的调整和整机循环动作控制。

拟解决以下问题：

a.确定机床总体结构方案；

b.根据机床的总体电气控制要求，绘制机床总体电气分布图；

c.按照仪表面板要求，进行操作台面板的设计；

d.进行主电路设计，绘制控制系统的主电路电气控制原图；

e.选定PLC的型号，分配输入/输出点，绘制PLC输入/输出端子接线图，绘制PLC伺服控制接线图；

f.进行PLC编程，编制机床主轴、滑台、夹具的调整和整机循环的动作程序。

通过这次设计达到：

机床运转平稳，控制动作准确、可靠，结构简单，装卸方便，便于维修；通过学习与设计，使自己综合能力得到提高。

2组合机床总体设计

组合机床是按高度集中工序原则，针对被加工零件的特点及工艺要求设计的一种高效率专用机床。

2.1工艺方案的拟订

制订工艺方案是设计组合机床最重要的步骤.为了使工艺方案制订得合理、先进，必须认真分析被加工零件，深入现场全面了解被加工零件的结构特点、加工部位、尺寸精度、表面粗糙度和技术要求及生产率要求等，总结设计、制造、使用单位和操作者丰富的实践经验，理论与生产实际紧密结合，从而确定零件在组合机床上完成的工艺内容及方法。

2.1.1设计内容及依据

课题来源于江苏高精机电装备公司。

为保证对后制动板进行镗孔加工，需设计一台多工序组合机床。

主要完成机床的总体设计及电气控制部分设计。

后制动板的材料为HT200,硬度为HB170-220，主要为对后制动板的三大孔粗精镗，控制对象为机床的动力头、两个进给滑台，采用伺服系统，控制方式为日本的三菱PLC控制器。

生产规模：

大批大量生产。

2.1.2技术要求

a.机床整体布局要合理，美观，结构简单，装卸方便，便于维修；

b.机床应运转平稳，控制动作要准确可靠；

c.保证各动力头部件由电气控制；

d.用对电机进行控制，实现滑台快进、工进、快退等一系列动作；

2.1.3确定机床的配置模式

机床的配置型式主要有卧式和立式两种。

卧式组合机床床身由滑座、侧底座及中间底座组合而成。

其优点是加工和装配工艺性好，无漏油现象；同时，安装、调试与运输也都比较方便；而且，机床重心较低，有利于减小振动。

其缺点是削弱了床身的刚性，占地面积大。

立式组合机床床身由滑座、立柱及立柱底座组成。

其优点是占地面积小，自由度大，操作方便。

其缺点是机床重心高，振动大。

考虑到此零件有工序要求双面加工,同时为了装夹方便，减轻了工人的劳动强度以及机床运行的平稳性等，选用卧式组合机床。

机床配置示意图见附录机床尺寸示意图HZDBT.01。

2.1.4定位基准的选择

组合机床是针对某种零件或零件某道工序设计的。

正确选择定位基准，是确保加工精度的重要条件，同时也有利于实现最大限度的集中工序。

从而获到减少机床台数的效果。

本工序采用“一面两孔”的定位方案，其特点为：

“一面两孔”的定位方案，广泛用于机加工的面与面的定位，它符合六点定位的原则，但由于一面两孔中有两个圆孔面作定位基准面，易出现过定位现象，为了消除孔的大小，长度的误差，常采用以一孔为定位销，另一孔为辅助定位的削边销方法。

2.1.5滑台型式的选择

滑台传动型式的选用：

机械滑台的进给量稳定，慢速无爬行，高速无振动，可以降低加工工件的表面粗糙度；具有较好的抗冲击能力，断续铣削、钻头钻通孔将要出口时，不会因冲击而损坏刀具；运行安全可靠，易发现故障，调整维修方便。

故选择机械滑台。

由此，根据已定的工艺方案和机床配置形式并结合使用及修理等因素，确定机床为卧式双面双工位液压传动组合机床，机械滑台实现工作进给运动，选用配套的动力箱驱动主轴箱粗精镗孔主轴。

2.2确定切削用量

在组合机床工艺方案确定过程中，工艺方法和关键工序的切削用量选择十分重要。

切削用量选择是否合理，对组合机床的加工精度生产率刀具耐用度机床的结构型式及工作可靠性均有较大的影响。

2.2.1选择切削用量

a.组合机床进给用量选择特点

（1）在大多数的情况下，组合机床的多轴、多刀、多面同时加工。

因此，所选的进给用量，根据经验应比一般万能机床单刀加工低30%左右。

（2）组合机床多轴箱上所有刀具共用一个进给系统，通常为标准的动力滑台。

在工作时要求所有刀具的每分钟进给量都相同，且等于动力滑台的每分钟进给量。

这个每分钟的进给量应该是适合于所有刀具的平均值。

因此，我们把同一主轴箱上的刀具主轴可以设计成不同的转速和选择不同的每转进给量与其相适应，以满足不同直径工件的加工需要。

转速与每转进给量的关系是：

=

=

…=

=

公式中：

、

、

…

为各主轴的转速（转/分）

、

、

…

为各主轴的进给量（毫米/转）

动力滑台每分钟进给量（毫米/分）

b.确定进给用量时的注意点

（1）尽量做到合理利用所有的刀具，充分发挥其性能。

由于同一主轴箱上的刀具每分钟进给量都是相同的，所以要使每把刀具均能有合适的切削用量是困难的，因此，我们按照刀具的形式及材料的特性选择了合理的主轴的转速n（转/分）以及每转进给量

（毫米/转），然后对各轴进行适当的调整，使各个刀具在每分钟进给量相同，皆能等于动力滑台的每分钟进给量

，这样，各类刀具都不是按照最合理的进给用量工作而是按一个中间切削用量工作。

（2）在选择进给用量时，结合生产批量及速度采取了刀具的耐用度，使得各个进给用量与刀具的耐用度相适应。

（3）在确定镗孔切削速度时，除了考虑保证加工精度，表面粗糙度，镗刀耐用度外，对左主轴箱的镗孔主轴转速采用了不同的主转速。

（4）进给用量的选择，我们考虑了有利于主轴箱设计的因素。

尽可能做到相邻的主轴转速接近相等。

（5）选择进给用量时，考虑所选动力滑台的性能，尤其本机床选用了液压动力滑台时，所选择的每分钟进给量一般应比动力滑台所实现的最小进给量大50%。

否则会由于温度和其他原因导致进给量的不稳定，影响加工精度，甚至造成机床不能正常工作。

c.进给用量的选取

根据生产经验，根据文献[1]P132表6-15推荐的镗孔参数，如下表：

表2-1镗孔的切削用量

工序

刀具材料

铸铁

切削用量

V（米/分）

f（毫米/转）

粗镗

高速钢

20～25

0.25～0.80

硬质合金

35～50

0.40～1.50

半精镗

高速钢

20～35

0.10～0.30

硬质合金

50～70

0.15～0.45

精镗

硬质合金

70～90

0.12～0.15

查上表并计算可得：

粗大孔Φ45：

v=40m/min,f=0.6mm/r,ap=6mm

精大孔Φ45：

v=80m/min,f=0.15mm/r,ap=0.2mm

粗小孔Φ28：

v=40m/min,f=0.37mm/r,ap=6mm

精小孔Φ28：

v=80m/min,f=0.09mm/r,ap=0.2mm

精扩孔Φ49：

v=80m/min,f=0.16mm/r,ap=0.2mm

2.2.2初定主轴直径

根据文献[1]P44初步选定主轴直径

粗大孔Φ45：

d=35mm,D=50mm,d1=36mm,L=115mm

精大孔Φ45：

d=15mm,D=25mm,d1=16mm,L=85mm

粗小孔Φ28：

d=30mm,D=50mm,d1=36mm,L=115mm

精小孔Φ28：

d=15mm,D=25mm,d1=16mm,L=85mm

精扩孔Φ49：

d=15mm,D=25mm,d1=16mm,L=85mm

2.2.3计算切削力，切削扭矩及切削功率

根据选定的切削用量（主要指切削速度v及进给量f）,确定切削力，作为选择动力部件（滑台）及夹具设计的依据；确定切削扭矩，用以确定主轴及其他传动件（齿轮，传动轴等）的尺寸；确定切削功率，用以选择主传动电机（一般指动力箱电机）功率；确定刀具耐用度，用以验证所选刀具是否合理。

人们根据生产实践及试验研究成果，已经整理出不同材料刀具对不同材料工件的进行计算的方法，参见文献[1]P134表6-20中公式：

镗孔：

（2-1）

（2-2）

（2-3）

（2-4）

式中，F、Fx—轴向切削力（N）；Fz—圆周力；T—切削转矩（N·㎜）；P—切削功率（Kw）；v—切削速度（m/min）；f—进给量（mm/r）；ap—切削深度（mm）；HB—布氏硬度，

，在本设计中，

，

，得HB=203.33，其中D为孔的直径。

由以上公式（2-1,2-2,2-3,2-4）分别可得：

粗大孔Φ45：

Fz=3910.5N,Fx=5086.83N,T=87986.52N·mm,P=2.56kw,d=34mm

精大孔Φ45：

Fz=46.09N,Fx=41.89N,T=1036.9N·mm,P=0.06kw,d=12mm

粗小孔Φ28：

Fz=2721.3N,Fx=3539.85N,T=38098.2N·mm,P=1.78kw,d=28mm

精小孔Φ28：

Fz=31.42N,Fx=28.5N,T=439.85N·mm,P=0.04kw,d=9mm

精扩孔Φ49：

Fz=48.37N,Fx=43.97N,T=1185N·mm,P=0.06kw,d=12mm

2.3机床尺寸联系总图的确定

2.3.1选择动力部件

由切削用量计算得到的各主轴的切削功率的总和

，根据文献[1]

公式：

（2-5）

式中,

—消耗于各主轴的切削功率的总和（kw）；

—多轴箱的传动效率,加工黑色金属时取0.8～0.9，加工有色金属时取0.7～0.8；主轴数多、传动复杂时取小值，反之取大值。

本课题中，被加工零件材料为灰铸铁，属黑色金属，左面主轴数量较多、传动复杂，故取

=0.8，右面主轴数量不多、传动不复杂，故取

=0.9，右面主轴数量不多、传动不复杂，故取

=0.9。

左前主轴箱：

＝0.06+2.56+0.06=2.68kw

则根据公式（2-5）得:

=

=3.35kw

左后主轴箱：

＝1.78+0.04=1.82kw

则根据公式（2-5）得:

=

=2.275kw

右主轴箱：

＝1.78+0.04=1.82kw

则根据公式（2-5）得:

=

=2.275kw

根据机械滑台的配套要求，滑台额定功率应大于电机功率的原则，查文献[1]

表5-38得出动力箱及电动机的型号。

表2-2动力箱性能

动力箱型号

电动机型号

电动机功率（kw）

电动机转速（r/min）

输出轴转速（r/min）

左前主轴箱

1TD50

Y132M-4

7.5

1440

720

左后主轴箱

1TD50

Y132M2-6

3.0

960

480

右主轴箱

1TD50

Y132M2-6

3.0

960

480

2.3.2动力滑台型号的选择

根据选定的切削用量计算得到的单根主轴的进给力，按文献[1]

公式：

（2-6）

式中，

—各主轴所需的轴向切削力，单位为N。

左滑台

＝5086.83+41.39+3539.85+28.5+43.97=8741.04N

右滑台

＝3539.85+28.5=3568.35N

实际上，为克服滑台移动引起的摩擦阻力，动力滑台的进给力应大于

。

又考虑到所需的最小进给速度、切削功率、行程、主轴箱轮廓尺寸等因素，为了保证工作的稳定性，查文献[1]P96表5-5，左、右两面的液压滑台分别选用1HJb10M型和1HJ40型。

台面宽400mm，台面长800mm,行程长分别为1000mm、400mm。

滑台及滑座总高320mm,滑座长分别为1840mm和1240mm。

具体相关尺寸可参见下表2-3：

表2-3主要技术性能及其附属部件的配套关系

滑台

型号

滑台台面宽（mm）

滑台台面长（mm）

最大行程（mm）

最大进给力

工作进给电动机

工作进给速度范围（mm/min）

快速行程电动机

快速移动速度（m/min）

型号及型式

功率（kw）

转速（r/min）

型号及型式

功率（kw）

转速（r/min）

1HJb40M

III

400

800

1000

20000

Y802-4B5

0.75

1390

9.62-681.4

Y90L-4B5

1.5

1400

6.3

1HJ40

III

400

800

400

Y801-4B5

0.55

Y90S-4B5

1.1

2.3.3机床联系尺寸总图的作用以及内容

机床联系尺寸总图是以被加工零件工序图和加工示意图为依据，并按照初步选定的主要通用部件以及确定的专用部件的总体结构而绘制的。

它用来表示机床各组成部件的相互装配联系和运动关系，可用以检验：

机床各部件相对位置及尺寸联系是否满足加工要求；通用部件的选者是否适合；并为进一步设计主轴箱、夹具等专用部件提供依据。

总联系尺寸图也可看成是简化的机床总图，表示机床的配置型式及总体布局。

绘制总联系尺寸图的有关要求：

a.以适当数量的视图（一般为主，左，右视图）按同一比例画出机床各主要组成部件的外形轮廓及相关位置。

主视图的选择应与机床实际加工状态一致。

b.图上应尽量减少不必要的线条及尺寸。

但反映各部件的联系尺寸、专用部件的主要轮廓尺寸、运动部件的极限位置及行程尺寸，必须完全齐整。

至于各部件的详细结构不必画出，留在具体设计部件时完成。

c.为便于开展部件设计，联系尺寸图上应标注通用部件的规格代号，电动机型号、功率及转速，并注明机床部件的分组情况及总行程。

机床联系总图见附录HZDBT.01。

3机床的电气控制部分设计

3.1机床的控制要求

根据后制动板组合机床加工需要以及满足零件加工的各项工艺要求，对机床的操作台进行按钮设计以及按钮之间的布置。

并且减少按钮的使用量。

设计的按钮具体功能以及机床的操作顺序说明如下：

合上空气开关,按“总电源”按钮-SB12（-SB22）,接触器-KM0吸和,“电源”指示灯亮,机床得电。

将“液压站开/停”旋钮-SA12（-SA22）打至“开”,可以进行机床的调整和循环。

机床调整部分控制要求：

将机床“循环选择”按钮-SA11（-SA21）打到“调整”位置。

a.按左前、左后、右“镗头高速”按钮-SB13（-SB23）、-SB15（-SB25）、-SB17（-SB27），相应镗头高速旋转。

b.按左前、左后、右“镗头低速”按钮-SB14（-SB24）、-SB16（-SB26）、-SB18（-SB28），相应镗头低速旋转。

c.按镗头停按钮-SB19（-SB29），所有镗头停。

d.按左、右“滑台快进”按钮-SB110（-SB210）、-SB113（-SB213），相应滑台点动快进。

e.按左、右“滑台工进”按钮-SB111（-SB211）、-SB114（-SB214），相应滑台点动工进。

f.按左、右“滑台快退”按钮-SB112（-SB212）、-SB115（-SB215），相应滑台点动快退。

g.按“涨紧缸涨紧﹑松开”按钮-SB116（-SB216）、-SB117（-SB217），涨紧缸涨紧、松开。

h.按“夹紧缸夹紧﹑松开”按钮-SB118（-SB218）、-SB119（-SB219），夹紧缸涨紧、夹开。

i.按“定位缸定位﹑松开”按钮-SB120（-SB220）、-SB121（-SB221），定位缸定位﹑松