斯太尔转向节铣钻组合机床总体设计及电气控制部分设计.docx

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斯太尔转向节铣钻组合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1

1.3设计的思路及解决的主要问题2

2机床总体方案设计.....................................................4

2.1工艺方案的拟订4

2.2机床联系尺寸总图10

3机床的电气控制部分设计12

3.1机床的控制要求12

3.2机床控制方案的确定................................................13

3.3机床主电路的设计14

3.4PLC控制部分硬件的设计15

3.5PLC控制部分软件的设计19

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

本课题是主要是对斯太尔转向节铣钻组合机床的总体及电气控制部分进行设计，课题来源于江苏高精机电设备装备公司。

设计的主要内容包括，工艺方案的拟定，加工工序的确定，机床联系尺寸总图的绘制。

电气控制部分包括，机床主电路的设计，PLC的硬件与软件的设计以及操作面板的设计。

使用组合机床进行生产，可以大幅度的提高生产效率，从而降低生产成本，这正是零件的生产厂家所迫切需要的。

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。

斯太尔转向节铣钻组合机床是对斯太尔转向节进行特定加工的一种高效率、自动化的专用加工设备。

原来的加工专用机床是由大量的继电器控制，可靠性低，容易产生误动作，故障不易检查，维修频繁，噪声大且耗能，越来越满足不了生产需要。

同时可编程序控制器（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技术应用于转向节加工专用机床，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。

PLC控制电路相对于继电器控制电路的优点如下：

（a）控制方式上看：

电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难；而PLC软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。

（b）工作方式上看：

电器控制并行工作，而PLC串行工作，不受制约。

（c）控制速度上看：

电器控制速度慢，触点易抖动；而PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，故而无抖动一说。

（d）定时、记数看：

电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无记数功能；PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有记数功能。

（e）可靠、维护看：

电器控制触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可靠性、维护性能差；PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。

因此在工业控制领域，随着电力电子技术、可编程序控制器与变频技术的发展，以PLC控制为核心的电控技术在各类机械设备中的应用越来越广，它将逐渐取代传统的继电器控制系统，上升为交流电气控制的主流。

随着PLC的广泛应用和机床电控技术的不断发展，利用PLC实现对组合机床的自动控制，这将是未来的发展方向。

1.2国内外现状及发展趋势

斯太尔转向节是重型汽车的关键零件之一，为安全件，它既支撑车体重量，又传递转向力矩并承受前轮刹车制动力矩，因此对其机械性能和外形结构要求非常严格，制造难度较大。

目前,国内外汽车行业广泛采用CAD/CAE/CAM技术进行汽车转向系统的优化设计,大大缩短了产品开发周期和制造周期,提高了产品的质量,降低了生产成本。

组合机床是以通用部件为基础，配以少量专用部件，对一种或若干种工件按预先确定的工序进行加工的机床。

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，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。

组合机床一般用于加工箱体类或特殊形状的零件。

加工时，工件一般不旋转，由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。

有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转，由刀具作进给运动，也可实现某些回转体类零件（如飞轮、汽车后桥半轴等）的外圆和端面加工。

组合机床将更多的采用调速电动机和滚珠丝杠等传动，以简化结构、缩短生产节拍；采用数字控制系统和主轴箱、夹具自动更换系统，以提高工艺可调性；以及纳入柔性制造系统等。

PLC在在组合机床上的应用现状表明，在改造或研发组合机床自动控制系统时，PLC取代了传统的继电器控制系统，是首选的控制器。

随着微电子技术、计算机技术、自动控制技术的发展，PLC不断地采用新技术以及不断增强系统的开放性，其技术和产品日趋完善。

目前，组合机床正朝着数控组合机床方向发展，在加快我国装备制造业的发展中将有广阔的应用空间。

综合国内外特别是欧美发达国家及国内的发展动态，其发展趋势有以下几个方面:

（1）可编程控制技术的标准化。

（2）大型计算机特点的集成。

（3）系统的开放性和兼容性。

（4）通用性和专业化的结合。

（5）可编程控制技术的智能化。

1.3设计的思路及解决的主要问题

本课题是斯太尔转向节铣钻组合机床总体设计及电气控制部分设计，根据系统设计的总体要求，通过总体方案的选用，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，解决以下问题：

1.确定机床总体结构方案。

2.根据机床的总体电气控制要求，绘制机床联系尺寸总图。

3.按照仪表面板要求，进行操纵台面板的设计。

4.进行主电路设计，绘制控制系统的电路图。

5.选定PLC的型号，分配输入/输出点，绘制输入/输出端子接线图。

预期效果

6.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。

（1）机床整体布局要合理、美观，结构简单，装卸方便，便于维修；

（2）机床应运转平稳，控制动作要准确、可靠；

（3）机床各动力部件用电气控制；

（4）组合机床结构合理，符合工作现场的需要，更易于操作和使用；

（5）用PLC对电机进行控制，实现滑台快进、工进、快退等一系列动作。

2机床总体方案设计

该机床是可用于铣端面、钻中心孔的组合机床,其加工循环包括人工上料—液压夹紧工件—快进移至加工位置—工进加工或多工位加工—快退至原位—液压松开工件—下料,分别能实现调整、单循环、总循环三种工作方式。

由PLC接受各端口信号，自动运算，保证机床的各操作正常有序。

根据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。

机床的主要功能包括可手动调整各工作台的位置，主轴的运作，滑台的点动，液压泵的运作，夹具的夹紧及松开辅助支承的上下；以及可以单循环，总循环加工零件并添加滑台复位功能使机床能快速复位，节约时间，提高效率；为保证安全也提供急停功能使机床能迅速停止动作，保证安全运行。

其各功能使用方式及目的安排如下：

（a）调整工作方式需要人为按下操作面板上的按钮，进行对设备进行调试，对被控制对象进行点动调整，达到操作者的操作要求，是循环工作方式的辅助方式。

（b）单循环工作方式就是PLC要对工件单工位循环加工进行控制，此运行方式特点是可以根据生产需要，选择特定被控制对象进行PLC控制，灵活、可靠。

（c）总循环工作方式总循环是控制系统的主要运行方式。

该运行方式的主要特点是在系统工作过程中，系统按照给定的程序自动完成被控对象的动作，不需要人工干预（除了人工上料和人工下料）。

（e）滑台复位按钮可以自动使工件滑台、左镗头滑台、右镗头滑台、自动回到原位，等待操作。

（f）急停按钮在紧急状态下按下，使PLC电路各输出端停止输出，机床停止运作。

2.1工艺方案的拟定

工艺方案的拟定是组合机床设计的关键一步。

因为工艺方案在很大程度上决定了组合机床的结构配置和使用性能。

因此，应根据工件的加工要求和特点，按一定的原则，结合组合机床常用的工艺方法，充分考虑各种影响因素，并技术分析后拟订出先进、合理、经济、可靠的工艺方案。

A.确定组合机床工艺方案的基本原则

粗精加工分开原则

a.粗加工的切削负荷较大，切削产生的热变形、较大夹紧力引起的工件变形以及切削振动等，对精加工工序十分不利，影响加工尺寸精度和表面粗糙度。

因此，在拟订工件一个连续的多工序工序工艺过程时，应选择粗精加工工序分开的原则。

b.工序集中原则

工序集中是近代机械加工主要发展方向之一。

组合机床正是基于这一原则发展而来，即运用多刀（相同或不同刀具）集中在一台机床上完成一个或几个工件的不同表面的复杂工艺过程，从而有效地提高生产效率。

因此，拟订工艺方案时，在保证加工质量和操作维修方便的前提下，应适当提高工序集中程度，以便减少机床台数、占地面积和节省人力，取得理想的经济效益。

但是，工序过于集中会使机床结构过于复杂，增加机床设计和制造的难度，机床使用调整不变，甚至影响机床使用性能。

如刀具数过多，停机率增加，反而会影响机床生产效率，切削负荷过大，当工件刚性不足而产生变形会影响加工质量。

因此须全面分析多方因素，合理决定工序集中程度。

考虑的一般原则如下：

适当考虑相同类型工序的集中。

在条件许可时，把相同工序集中在一台机床或同一工位上加工，能简化循环和结构；有相对位置精度要求的工序应集中加工。

B.拟订组合机床工艺方案的一般步骤如下。

a.分析、研究加工要求和现场工艺

在制定组合机床工艺方案时，首先要分析、研究被加工零件，如被加工零件的用途及工艺特点，加工部位及其精度、表面粗糙度、技术要求及生产纲领。

深入现场调查分析零件的加工工艺方法，定位及加紧方式，所采用的设备刀具及切削用量，生产率情况及工作条件等方面的现行工艺资料，以便制订出切合实际的合理工艺方案。

b.定位基准和夹压部位的选择

组合机床一般为工序集中的多刀加工，不但切削负荷大，而且工件受力方向变化。

因此正确选择定位基准和夹压部位是保证加工精度的重要条件。

对于毛坯基准选择要考虑有关工序加工余量的均匀性；对于光面定位基准的选择要考虑基面与加工部位间位置尺寸关系，使它利于保证加工精度。

定位夹压部位的选择应在有足够的夹紧力下工件产生的变形最小，并且夹具易于设置导向和通过刀具。

本机床所要的加工对象是为斯太尔转向节,材料是42CrMo,硬度为HB269-314,加工内容为粗铣﹑精铣端面，粗镗两中心孔。

采用“两面一销”的定位方式。

夹具为液压夹紧装置,每次装夹一件。

2.1.1切削用量的确定及切削力、切削功率和切削扭矩的计算

A.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，机床的结构型式及工作可靠性均有较大的影响。

a.为了使加工过程顺利进行并稳定保证加工精度要求，必须合理地确定工序间的加工余量，生产中常用的组合机床铣削用量见参考文献[11]表6-16中铣削用量：

表2-1用硬质合金端铣刀的铣削用量

根据上表选择铣削用，我们选择这组工序加工余量，虽然与推进的常用值有一定的距离，但从整体考虑，诸如：

每分钟的进给量、加工精度等，组合刀具的特性，再调铣削刀具的几何参数等，还是合理而可行的。

B.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，用以选择动力头；

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[11]表6-20中公式：

铣端面：

式中，a—两个方向平均切削厚度（mm）；p—单位面积切削力（N·mm

）；n—转速（r·min）；A—切削面积（mm

）；v—切削速度（m/min）；f—进给量（mm/r）；v

—没分钟进给量（mm·min

）；a

—每齿进给量（mm/z）；ap—切削深度（mm）；D—加工（或钻头）直径（mm）；Z—刀具齿数；a

—切削宽度（mm）。

将参数带入计算得：

表2-4用硬质合金端铣刀铣端面的主轴转速及切削功率

1）

式中

为主轴箱的传动效率，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42CrMo，故取

=0.8，由粗铣功率P1=3.5kW，精铣功率P2=4.0kW。

所以式中P切削=4.0kW。

代入公式

（1）计算得P主=5.0kW。

由P主=5.0kW，查参考文献[11]表5-13选用1TX40型铣削头。

其功率为5.5kW.

钻中心孔：

查参考文献[11]表6-20得相关计算公式如下表，

表2-5硬质合金镗刀的切削力切削功率切削扭矩计算公式

将参数带入计算得：

表2-6硬质合金镗刀的切削力切削功率切削扭矩计算结果

镗削头的选择：

本机床中左右钻孔采用相同的镗削头。

由切削功率P=6.0kW,。

代入公式（2-1）计算得P主=7.5kW。

由P主=7.5kW，查参考文献[11]表5-13选用1TA40型镗削头。

综上所得机床动力头的选择如下表：

表2-7动力头型号

左右镗削头动力滑台的选择：

由左右镗削头选用1TA40型镗削头，切削力F=33930N，根据滑台最大进给力，查参考文献[11]表5-1选用液压滑台1HY63IB及其配套侧底座1CC632。

中间底座长1880mm，高500mm，宽560mm；

工件滑台的选择：

根据铣削及镗孔过程中的最大进给力，查参考文献[11]表5-1选用液压滑台1HY63IB作为工件滑台。

具体参数见表2-7。

注：

1.最大进给力在滑台中心线上距台面高=（台面宽）1/2处所能保证的进给力。

机床的电机的选用，如下：

液压站电机Y112M-6，2.2kW,5.61A。

冷却泵电机Y801-2,0.75kW,1.81A。

冲屑泵电机Y801-2,0.75kW,1.81A。

磁排屑电机Y801-2,0.75kW,1.81A。

行程开关SQ1-SQ10选用的是LX0-001型行程开关。

行程开关之间定位距离如下：

（单位mm）

表2-8液压滑台型号及其主要技术性能指标

主要性能

滑台型号

台面宽度

（mm）

台面长度

（mm）

行程

（mm）

最大进给力（N）

工进速度

（mm/min）

快速移动速度（mm/min）

1HY63IB

630

1250

630

50000

6.5～250

5

SQ1和SQ10之间为190；

SQ9和SQ10之间为180；

SQ1和SQ9之间为10；

SQ10和SQ2之间为440；

SQ3和SQ4之间为22；

SQ5和SQ6之间为22；

2.1.2机床结构形式的确定

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。

根据工作要求，选用卧式组合机床如图2-1所示。

图2-1卧式组合机床结构

滑台传动型式的选用：

本组合机床采用的是液压滑台。

与机械滑台相比较，液压滑台具有如下优点：

在相当大的范围内进给量可以无级调速；可以获得较大的进给力；由于液压驱动，零件磨损小，使用寿命长；工艺上要求多次进给时，通过液压换向阀，很容易实现；过载保护简单可靠；由行程调速阀来控制滑台的快进转工进，转换精度高，工作可靠。

但采用液压滑台也有其弊端，如：

进给量由于载荷的变化和温度的影响而不够稳定；液压系统漏油影响工作环境，浪费能源；调整维修

图2-2立式组合机床结构

比较麻烦。

本课题的加工对象是转向节端面及2个中心孔，位置精度和尺寸精度要求较高，因此采用液压滑台。

本机床为双面卧式双工位结构,中间底座上安装一台液压滑台,此滑台用于安装夹具及工件，两侧各布置一侧底座,右侧底座上安装一只1HY63IB液压滑台,台面布置了一只1TA40镗削头，加工Φ5孔,在对面左侧底座上同样安装一只1HY63IB液压滑台,台面同样布置一只1TA40镗削头，加工另一端面的Φ5孔。

在左镗削头前430mm处安装一只1TX40铣削头，加工端面。

夹具布置于工件滑台上。

本机床由中间底座﹑侧底座﹑动力滑台﹑工件滑台﹑液压夹具﹑铣削头﹑左右镗削头﹑电气系统﹑液压站等组成。

滑台前端带不绣钢防护及滑台配合对导轨滑动面采用贴塑工艺。

机床润滑系统采用国产优质集中润滑系统,具有定时﹑定量供油即缺油报警等功能。

液压站采用节能系统液压控制元件选用国产优质产品,油泵电机组采用优质台湾产品。

操作位置及工作位置设置采光灯,电器盒内设置采光灯,以方便机床操作。

机床的操纵和运转方式:

人工上﹑下料,手动操纵按钮,自动循环.调整状态:

各功能能单独启动和控制各相关部位;循环状态:

人工上料—液压夹紧工件—快进移至加工位置—工进加工或多工位加工—快退至原位—液压松开工件—下料。

2.2.机床联系尺寸总图

机床联系尺寸总图是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。

A.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，动力头型号、功率及转速，并注明机床部件的分组情况及总行程。

B.确定机床装料高度H

装料高度一般是指工件安装基面至地面的垂直距离。

在确定机床装料高度时，首先要考虑工人操作的方便性；对于流水线要考虑车间运送工件的滚道高度；

对于自动线要考虑中间底座的足够高度，以便允许内腔通过随行夹具返回系统或冷却排屑系统。

其次是机床内部结构尺寸限制和刚度要求。

如工件最低孔位置、多轴箱的最低主轴高度和通用部件、中间底座及夹具底座基本尺寸的限制等。

加工中心线高1150mm，本组合机床总高1741mm，总长3577mm，宽3600mm。

机床装料高度H为925mm。

3机床电气控制部分的设计

3．1机床的控制要求

机床的操作顺序说明如下：

合上空气开关-QF，按“总电源”按钮，电源接通，“电源”指示灯亮，将“液压站开/停”旋钮开关-SA2打至“开”，可以进行机床动力头、滑台、夹具的调整和整机循环。

机床调整部分控制要求：

g.按“滑套缸锁紧”按钮-SB13、“滑套缸松开”按钮-SB14，分别可实现滑套缸的点动锁紧、松开。

h.按“滑套伸出”按钮-SB15、“滑套缩回”按钮-SB16，分别可实现滑套的伸出、缩回。

机床循环部分控制要求：

将“循环／调整”旋钮开关-SA1打至“循环”。

a.滑台处于原位时（-SQ1被压合），上料，按“循环启动”按钮-SB17，夹具自定心夹紧。

b.夹紧后，压力继电器-SP4发讯，滑台前进，铣头、冷却泵、冲屑泵启动，进行工件加工。

c.铣削到位后，行程开关-SQ10发讯，滑台快退。

d.滑台压合行程开关-SQ9，滑台停，滑套锁紧缸松开,松开后，滑套伸出。

e.伸出到位后，接近开关-SQ8及压力继电器-SP6发讯，滑套锁紧缸锁紧。

f.锁紧后，压力继电器-SP5发讯，滑台前进，进行工件加工。

g.滑台压合行程开关-SQ10，铣头停。

h.滑台进给到终位，行程开关-SQ2及压力继电器-SP1发讯，两镗头主轴启动，两镗头移动滑台前进，钻中心孔，同时铣头滑套缩回。

i.加工结束后，行程开关-SQ4、-SQ6及压力继电器-SQ2、-SP3发讯，两镗头移动滑台快退。

j.快退到位原位后，-SQ3、-SQ5发讯，两镗头、冷却泵、冲屑泵停，滑台快退。

k.滑台快退到原位后，行程开关-SQ1发讯，夹具松开。

至此，完成一个工作循环。

3.2机床控制方案的确定

机床分为三种工作方式，即调整﹑单循环和总循环。

a．调整工作方式。

调整方式需要人为按下操作面板上的按钮，进行对设备进行调试，对被控制对象进行点动调整，达到操作者的操作要求，是循环工作方式的辅助方式。

b．单循环工作方式。

单循环方式就是PLC要对工件单工位循环加工进行控制，此运行方式特点是可以根据生产需要，选择特定被控制对象进行PLC控制。

灵活﹑可靠。

c．总循环工作方式。

总循环是控制系统的主要运行方式。

该运行方式的主要特点是在系统工作过程中，系统按照给定的程序自动完成被控对象的动作，不需要人工干预（除了人工上料和人工下料）。

根据机床的控制要求，选出以下三种控制方案。

方案一：

可编程控制器（PLC）控制。

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。

它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种机械的生产过程。

可编程序控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

PLC特点性能高，抗干扰能力强；编程简单易学；设计、安装容易，调试周期短，维护简单；模块品种丰富，通用性好，功能强大；体积小，能耗低。

方案二：

单片机控制。

单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。

它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/O）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

这种微型计算机因其制作在一块芯片上而被称为单片机。

单片机是大规模集成电路技术发展的产物。

单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点。

单片机的设计目标主要是增强“控制”能力，满足实时控制（就是快速反应）方面的需要。

因此，它在硬件结构、指令系统、I/O端口、功率消耗及可靠性等方面均有其独特之处，其最显著的特点之一就是具有非常有效的控制功能。

因此，单片机又常常被人称为微控制器（MCU或μC）。

方案三：

继电器控制。

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

对以上三种方案进行比较如下：

方案一与方案二比较，前者主要用于工业控制，适用于