PLC控制立式单面前轴主销孔上下面组合机床设计.docx
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PLC控制立式单面前轴主销孔上下面组合机床设计
ANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY
本科毕业论文
PLC控制立式单面前轴主销孔上下面组合机床设计
Thedesignofsingle-sidedverticalcombinedmachinetoolmillingtheupperandlowersurfaceoftheshiftmainpinholebasedonPLCcontrol
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PLC控制立式单面前轴主销孔上下面组合机床设计
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摘要基于当今机械加工行业的迅速发展，尤其是汽车制造业的飞速发展，以加工效率高为特色的组合机床在生产中的应用也日益广泛。
实际中加工汽车前轴主销孔上下面的通用机床不但加工速度慢而且加工精度不高，为弥补通用机床的这一缺陷，相应的组合机床应运而生从而也提高生产效率和工件加工精度。
立式单面前轴主销孔上下面组合机床就是用来粗铣加工汽车前轴主销孔上下面的。
要完好地实现汽车制造，其各个部件的各个工序的加工都极为重要，当然主销孔上下面的粗铣也不例外。
因此，该机床控制系统的设计也就尤为重要。
控制系统采用PLC电气控制方式，以其大规模的集成电路技术和严密的生产工艺制造确保系统的强抗扰性和高可靠性。
同时，PLC还具有配套齐全，功能完善，适用性强，系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，体积小，重量轻，能耗低等优点，从而保证复杂的电气控制过程，使机床能够安全可靠的工作。
该课题基于PLC的控制特点完成了以PLC为核心的立式单面前轴主销孔上下面组合机床控制系统的设计，该方案能充分利用PLC的逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，通过数字式、模拟式的输入和输出，来对复杂电路进行控制。
关键词PLC控制系统机床
Thedesignofsingle-sidedverticalcombinedmachinetoolmillingtheupperandlowersurfaceoftheshiftmainpainholebasedonPLCcontrol
AbstractBasedontheincreasingdevelopmentofthemachinery,especiallytheboomingofautomobilemanufacturingindustry,special-purposemachinetoolwhichistypicalofhighefficiencytakesamoreandmoreimportantpartintheproduction.Intheproductionline,thecommonmachinetoolmillingtheupperandlowersurfaceoftheshiftmainpainholeisslowinspeedandnotofhighaccuracy.Single-sidedverticalcombinedmachinetoolmillingtheupperandlowersurfaceoftheshiftmainpainholeisusedtomilltheupperandlowersurfaceoftheshiftmainpainholeofanautomobile.Inordertocompleteanautomobile,theproductionofeverypartofallsectorsisimportant,soisthemillingoftheupperandlowersurfaceoftheshiftmainpainhole.Therefore,thedesignofthismachine'scontrolsystemisofgreatimportance.ThecontrolsystemadoptsthecontrolsystembasedonPLC,whichusesmodernlarge-scaleintegratedcircuittechnologyandstrictproductionprocess,anditcanimprovetheanti-jammingandreliabilityofthesystem.Atthesametime,PLCalsohasthecompletepackage,perfectfunctions,applicability,systemdesign,constructionworkinsmall,easymaintenance,easytotransform,smallsize,lightweight,lowpowerconsumption,thusensuringtheelectricalcontrolofcomplexprocesses,sothatsafeandreliablemachinetowork.ThedesignisbasedonthecharacteristicsofPLCcontrol,completingthedesignofcontrolsystemofaPLCasthecoretechnologyofsingle-sidedverticalcombinedmachinetoolmillingtheupperandlowersurfaceoftheshiftmainpainhole,theprogramcantakefulladvantageofthePLC’slogicoperations,sequencecontrol,timing,countingandarithmeticoperations,suchasoperationcommands,throughdigital,analoginputandoutput,tocontrolthecomplexityofthecircuit.
KeywordscontrolsystemmachinetoolPLC
引言
工业生产的各个领域，无论是过程控制系统还是传动控制系统，都包含着大量的开关量和模拟量。
开关量也称数字量，如电动机的启停、电灯的亮灭、阀门的开闭、电子电路的置位与复位、计时、计数等；模拟量也称连续量，如不断变化的温度、压力、速度、流量、液位等。
从生产机械所应用的电器与控制方法看，最初是采用一些手动电器来控制执行电器，这类手动控制适应于一些容量小、操作单一的场合。
随后发展为采用自动控制电器的继电器-接触器控制系统。
这种控制系统主要由一些继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，其特点是结构简单，价格低廉，维护方便，抗干扰强，因此广泛应用于各种机械设备上。
并且该系统不仅可以方便的实现生产过程自动化，而且还可以实现集中控制和远距离控制。
但由于该控制接线形式固定，导致其通用性和灵活性较差，又因采用有触点的开关动作，工作频率低，触点易损坏，可靠性差。
随着生产力的发展和科技的进步，人们对所使用的控制设备提出新的更高的要求。
在实际生产中，大量存在一些以开关量控制的程序控制过程，而且生产工艺及流程经常会发生变化，基于满足这些控制要求，由集成电路组成的顺序控制器应运而生。
它具有程序变更容易、程序存储量大、通用性强的优点。
20世纪60年代，出现了板式顺序控制器SC（SequenceController）。
所谓顺序控制，是以预先规定好的时间或条件为依据，按预先规定好的动作次序，对控制过程各阶段顺序的进行以开关量为主的自动控制。
其通用性和灵活性强，但程序的实现和更改方式并没有从本质上改变。
1969年，基于计算机技术和继电器接触控制技术的结合，出现了可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController）。
具有逻辑控制、定时、计数等功能。
20世纪70年代出现了以一位微处理机为核心的可变程序控制器，又称为工业控制单元ICU（IndustrialControlUnit）。
它将原来顺序控制器中程序的编制和执行改由计算机软件来实现，成为一种新型的工业控装置，在顺序控制领域开辟了新途径。
1980年前后，出现了可编程控制器PC（ProgrammableController），它是在可编程逻辑控制器基础上进一步发展而来的。
其在功能上不仅继承了PLC原有的功能，而且有顺序控制、算术运算、数据转换和通讯等更为强大的功能，指令系统丰富，程序结构灵活。
为区别与个人计算机PC，人们通常称可编程控制器为PLC。
当前PLC主要是朝着小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的方向发展。
第一章绪论
1.1课题背景
当今，工业、农业、科学和国防的现代化，要求机械产业不断地提供各种先进设备，如电力机车、内燃机车、各种车辆、起重运输机械、装卸机械、工程机械、养路机械等设。
为制造和维修这些技术设备，就必须具备制造各种金属零件的设备，如铸造、锻造、焊接、冲压和切削加工设备等。
机械零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙程度要求较高，主要靠切削加工来达到，特别是形状复杂、精度要求高和表面粗糙程度要求高的零件，往往需要几道到几十道切削加工程序才能完成。
利用刀具对金属毛坯进行切削，从而加工出机械零件的工作机械就叫做切削机床，简称机床。
机床是现代机械制造行业中最重要的加工设备，在一般机械制造厂中，机床所担负的机械加工工作量，约占机械制造总工作量的40%～60%。
机床的性能直接影响机械产品的性能、质量和经济化，因此，它是国民经济中具有战略意义的基础工业，机床的拥有量及其先进程度将直接影响到国民经济各部门生产发展和技术进步的能力。
电力拖动方式经过几十年的发展、演变，其控制方式也由手动控制逐步向自动控制方向迈进。
尤其是在电气控制迅速发展的今天，可编程控制器PLC在机床上的广泛应用，使机床的加工精度和加工速度都得到了很大的改善，尤其是各种专用机床的成功研发，为机床的发展迈出了新的一步。
1.2机床的电气控制系统
机床的运行，一是需要动力，二是需要控制。
现代机床主要有电动机提供动力即由电动机拖动机床的主轴和给进系统。
实现对主轴转速和给进量的控制是机床控制系统要完成的任务，有时控制系统还要完成诸如保护、冷却、照明等系统的控制。
机床的电气控制系统就是用电气手段为机床提供动力，并实现上述控制任务的系统。
1.2.1电气控制系统的组成
实现自动控制的手段多种多样，可以用电气的方法实现，也可以用机械、液压、气动等方法实现。
由于现代化的金属切削机床均采用交流或直流电动机作为原动机，因而电气自动控制是现代机床的主要控制手段。
即使采用其他控制方法，也离不开电气自动控制的配合，而且电气自动控制程度越高，机床的加工性能、质量和效率也越高。
通常，电气控制系统主要包括以下三个主要环节：
*动力部分：
他是整个系统的电源供给环节，是整个系统的主干，是电能转化为其他形式的能量的通道部件，包括动力开关、电气控制部件、电动机等。
*生产过程自动控制部件：
它是生产过程自动化的核心，也是间接控制、指挥动力电器及系统工作的部件，包括继电器和各种控制仪表、智能仪表等。
*传动装置：
该部分是生产机械的连接及传动环节，位于电动机和工作机械之间，如减速箱、皮带、连轴器等。
这三部分之间的关系如下图1-1所示。
图1-1电气控制系统示意图
其中，反馈装置只在闭环系统中才会需要，开环系统则不需要。
反馈装置往往采用控制电动机来实现反馈功能。
控制设备传统采用继电器-接触器控制系统，因继电器、接触器均为带触点的控制电器，所以又称为有触电系统。
为提高系统的工作可靠性，进而出现了以数字电路为主的无触点系统。
数字电路发展很快，从分立元件到集成电路，现又发展到微型计算机控制系统。
1.2.2机床电力拖动自动控制系统
生产机械一般由三个基本部分组成，即工作机构、传动机构和原动机。
当原动机为电动机时，也就是说有电动机通过传动机构带动工作机构进行工作时，这种拖动方式就称为电力拖动。
一般来说，机床电力拖动系统是将电能转化为机械能，是由使机器动作的电动机、电气控制装置、以及电动机和机床运动部件相互联系的传动机构组成。
可以分为两部分：
电力拖动部分（包括电动机以及使电动机和机床相互连接起来的传动机构）和电气控制部分。
人们把电动机以及与电动机有关联的传动机构合并在一起视为电力拖动部分；把满足加工工艺要求使电动机启动、制动、反向、调速等电气控制和电气操作部分视为电气控制部分，或为电气自动控制装置。
第二章机床电气控制系统设计的总体方案
2.1组合机床概述
组合机床是由一些通过用部件和按加工需要而设计的专用部件组成的高效率自动化或半自动化的专用机床。
在此类机床上可进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、车削、铣削、磨削及精加工等工序，一般采用多轴、多刀、多工序、多面同时加工，大多具有自动工作循环。
组合机床适用于大批量产品或定型产品的生产。
组合机床的通用部件中的动力部件有动力头和动力滑台。
动力头能同时完成刀具切削运动和给进运动，而动力滑台则只能完成给进运动。
通用部件中还有支撑部件：
滑座、床身、立柱等；控制部件：
液压元件、控制板、按钮台、电气挡铁等。
组合机床的控制系统大多采用机械、液压、电气相结合的控制方式。
2.2立式单面前轴主销孔上下面组合机床及其构成
立式单面前轴主销孔上下面组合机床也可以称为立式单面粗铣前轴主销孔上下面组合机床，本机床由一台1TX50铣削头、两个Φ400铣刀盘（铣刀盘厚度小于60毫米，中心孔100毫米）、一个专用立柱、一台500×300专用液压移动工作台、一个整体床身、专用夹具等组成，主要用于汽车前轴主销孔上下面的加工。
同时，机床还配有独立的电气柜、液压站、集中润滑等装置、大流量冷却磁性排屑装置，并具有高防护。
该机床的机械构成主要有工作床身、电气控制柜和液压站等几部分。
2.2.1机床的床身
机床的床身是完成加工任务的机械主体，各种加工任务都是在机床床身上完成加工的。
立式单面前轴主销孔上下面组合机床床身由工作台、冷却装置、排屑装置、冲屑装置、润滑装置和液压装置几部分组成。
机床结构分布图如图2-1所示。
1）工作台：
将需要加工的零件固定在操作台上，工件三面定位，液压夹紧，由主轴电机带动刀具进行铣削面加工，加工内容有移动工作台配合控制。
2）冷却装置：
采用大流量冷却，由冷却电机和油冷电机分别控制。
以保证机床工作在允许的温度范围，同时也保证机床能够长时间的处于工作状态，在铣削加工过程中不会由于温度过高而烧坏被加工零件。
3）冲屑装置：
将加工产生的铁屑冲刷掉，保持工作台的清洁才能保证零件加工的精度。
4）排屑装置：
采用磁刮板自动排屑，铁屑被排放在水槽堆积，排屑电机带动磁铁链通过磁场作用将其直接排除。
5）润滑装置：
采用递进式自动集中润滑，给机床加入润滑油以减小磨擦。
6）液压装置：
液压电机控制液压站，一方面夹紧被加工零件，另一方面移动操作台进行加工。
本机床采用500×300专用液压移动工作台用来实现进给运动的动力部件。
该滑台可根据被加工零件的工艺要求，在其上配置不同形式的切削头和支承部件组成组合机床，可完成扩孔、铰孔、镗孔、车端面、铣削及攻丝工序。
滑台配有分级进给装置，可完成深孔加工。
图2-1立式单面前轴主销孔上下面组合机床的结构分布图
2.2.2电气控制柜
电气控制柜是立式单面前轴主销孔上下面组合机床的电气控制部分，是本设计的主要内容，电气控制柜主要用于控制各个电机的运行，从而控制机床的正常铣削加工工作。
电气柜的设计可分为两步。
第一步，电气元件的布置，即在已设计好的空机柜中布置如可编程控制器PLC、熔断器、交流接触器、继电器、直流稳压电源变压器等电气元件。
布置完之后，按照设计的电气原理图接线。
第二步，电气元件的安装，即根据布置后的元器件分布图，并按照已设计的电器硬件接线图接线。
此外，电气控制柜还需安装空调和照明灯，空调用于保证可编程控制器PLC以及其它电气元件正常运行的环境温度；照明灯采用门开关控制，即当关上机柜门时灯灭，当打开机柜门时开关处于闭合状态，以便于检修。
2.2.3液压站
液压站由各种液压油缸组成，通过液压装置的配合完成被加工机件的加紧以及工作滑台的进退。
2.3立式单面前轴主销孔上下面组合机床的加工过程
机床的加工工作过程概括起来可分为上件过程、铣削面过程、下件过程和其他辅助动作。
1）上件过程
上件过程是有夹紧油缸和抱紧油缸及其相应装置相互配合共同完成的。
整个过程主要靠手动操作来完成，具体过程是：
人工上件后，手动按下夹紧油缸启动按钮，夹具夹紧被加工机件；再按下抱紧油缸，被加工机件被抱紧。
2）铣削面过程
铣削面过程是整个加工过程的核心环节，它是半自动化的加工过程。
该加工过程的完成主要是依赖主轴电机和液压移动工作台的协同工作。
其具体过程如下：
在上件过程结束后工件已被放到工作台上，通过相应按钮启动半自动加工程序，移动工作台在相应的液压油缸的驱动下开始移动，移动工作台快进到移动工作台终点，与此同时主轴电机启动，接着工作台工进，铣刀具在主轴电机的带动下开始对工件进行铣面加工，铣面完成后工作台经快退和缓退到达原位，此时铣面过程完成，主轴电机终止工作。
3）下件过程
该过程与上件过程相似，也是有夹紧油缸、抱紧油缸以及相应的夹具和抱紧装置共同完成，只是各工作部件的哦那个做次序不同。
具体操作是：
按下抱紧油缸松开按钮接着按下夹紧油缸的松开按钮，松开被加工工件。
然后人工卸件。
若进行连续加工时，下一个工件上件时前一个工件自动下件。
4）其他动作
机床要顺利的完成工件的加工还会需要其它的辅助加工过程，比如：
冷却过程、润滑过程、冲屑过程、排屑过程等。
这些过程虽是起辅助作用的，但也是顺利完成工件加工不可缺少的过程，且每一步都会影响到加工的效果。
故这些过程的操作和控制也应密切的关注。
机床进行工件加工各过程动作顺序示意图如图2-2所示
图2-2机床动作工序图
2.4机床加工过程的控制要求
该组合机床是为了完成汽车前轴主销孔的上下面的铣削而设计的，要顺利的完成加工目标，其机械运动过程中的电力拖动需要满足一些控制要求。
（1）该专用机床的主运动和进给运动之间没有速度比例协调的要求，故主轴和移动工作台各自采用单独的三相交流异步电动机拖动。
（2）主轴电机M1是在空载时直接启动的，为完成顺铣和逆铣，要求电机可以正反转。
可根据刀具的种类预先选择转向，在加工过程中不允许变换转向。
（3）为减小负载波动对铣刀转速的影响以保证加工质量，主轴上装有飞轮，其转动惯性较大。
因此，要求主轴电动机有停车制动控制，以提高工作效率。
（4）为缩短调整运动的时间，提高生产效率，工作台配有快速移动控制。
（5）为适应加工的需要，主轴转速与进给速度应有较宽的调节范围。
设计的专用机床是采用机械变速的方法，通过改变变速箱传动比来实现的。
为保证变速时齿轮易于啮合，减小齿轮槽面的冲击，要求变速时有电动机冲动控制。
（6）冷却泵由一台电动机拖动，供给铣削时的冷却液。
2.5PLC电气控制系统的选定
2.5.1电气控制系统设计的任务和内容
生产机械电气控制系统设计的基本任务是根据控制要求设计、编制出设备制造和使用维修过程中所必须的图样、资料等。
图样包括电气原理图、电气系统的组件划分图、元器件布置图、安装接线图、电气箱图、元器件安装底板图和非标准件加工图等，另外，还要编制外购件目录、单台材料消耗清单、设备说明书等文字资料。
电气控制系统的设计内容包括两个基本的方面：
一个是原理设计，即要满足生产机械和工艺的各种控制只要求；另一个是工艺设计，即要满足电气控制装置本身的制造、使用和维修的需要。
原理设计决定着生产机械设备的合理性与先进性；工艺设计决定电气控制系统是否具有生产可行性、经济性、美观、使用维修方便等特点，所以电气控制系统设计要全面考虑两方面的内容。
2.5.2电气控制系统设计的原则
电气控制系统的设计一般应遵循以下几项原则：
v最大限度的满足生产机械和生产工艺对电气控制系统的要求。
电气控制系统设计的依据主要来源于生产机械和生产工艺的要求。
v设计方案要合理。
在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济、便于操作和维修，不要盲目追求高指标和自动化。
v机械设计和电气设计应相互配合。
许多生产机械采用机电结合控制的方式来实现控制要求，因此要从工艺要求、制作成本、结构复杂性、使用维护方便等方面协调处理好机械和电气的关系。
v确保控制系统安全可靠地工作。
2.5.3PLC控制方案的选择
该机床控制系统可分手动和自动两部分，其中自动控制部分有不同的控制方案，既可选择继电接触器控制系统实现自动控制，也可以用微机（MC）实现，又可选择PLC实现自动控制，下面就以第一种和第三种这两种控制方案进行比较选择：
Ø传统的继电器控制系统是针对一定得生产机械，固定的生产工艺而设计，采用硬接线方式安装而成，只能进行开关量的控制；而PLC采用软件编程来时此案各种控制功能，只要改变程序，就可适应生产工艺的改变，并且可以实现开关量和模拟量的控制，因而适应性强。
Ø传统的继电接触器控制系统中，随着控制对象的增多，必然要增加继电器数目，提高系统的运营成本；而对于PLC来说，只需要该变程序就可以实现较复杂的控制功能。
Ø继电接触器控制系统在长期使用的过程中，受接触不良和触点寿命的影响，可靠性低；PLC由于采用了微电子和计算机技术，可靠性比较高，抗干扰能力强。
Ø继电接触器控制系统要扩充、改装都必须重新设计重新配置；而PLC在I/O点数及内容允许范围内，可以扩充。
Ø与传统继电接触器控制系统相比，PLC体积小、重量轻、结构紧凑、开发周期短，安装和维护工作量小，PLC还有完善的监控和自诊断功能，可以及时发现和排除故障。
微机控制和PLC控制在实现自动控制上也有所差异。
简言之，微机是通用的专用机，而PLC是专用的通用机，下面就此两种控制方式进行比较：
Ø应用范围微机除应用于控制领域外，还大量用于科学计算、数据处理、计算机通信等方面。
PLC主要用于工业控制。
Ø使用环境微机对环境要求较高，一般要在干扰小，具有一定的温度和湿度要求的机房内使用。
PLC主要用于工业现场环境。
Ø输入输出微机系统的I/O设备与主机之间采用微电联系，一般不需要电气隔离。
PLC一般控制强电设备，需要电气隔离，输入输出均用“光-电”耦合，输出还采用继电器、晶闸管或大功率晶体管进行功率放大。
Ø程序设计微机具有丰富的程序设计语言，例如汇编语言、FORTRAN语言、COBOL语言、PASCAL语言、C语言等，其语句多，语法关系复杂，要求使者必须具有一定水平的计算机硬件和软件知识。
PLC提供给用户的编程语句数量少，逻辑简单，易于学习和掌握。
Ø系统功能微机系统一般配有较强的系统软件，
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