专用镗孔机床的改进设计.doc

1、摘 要 随着我国工业控制水平的不断提高，可编程控制器技术已经在各行各业得到广泛的应用。使用这一技术来实现对设备的稳定可靠控制，提升产品的竞争力，成为此技术发展的主要驱动力量。 PLC 技术日益成熟，它以性能好 、 速度快 、 可靠性高 、 环境适应能力和抗干扰能力强，以及编程灵活 、 方便接线 、 简单等特点 、 在工业控制领域得到很好的应用。 专业镗孔机床用于大批量生产零件的镗孔和铰孔加工， 本人 根据其特点设计了一套运动控制系统，既满足工艺要求又降低了生产成本，同时使控制系统的复杂性降低，降低了维修难度。 关键词： PLC 镗床 流程图 镗床的改进 目录 第一章 绪论 1 1.1 研究目的

2、 1 1.2 机械结构的设计 1 第二章 控制系统的构建 4 2.1 机械系统的控制要求 4 2.2 PLC 及其选型 4 2.2.1 PLC 的概述 4 2.2.2 PLC 的常用语言 6 2.2.3 I/O 分析 6 2.2.4 PLC 的选型 7 第三 章 编制 PLC流程分析 8 3.1 PLC 的 I/O 地址的分配 8 3.1.1 I/O 点数扩展 8 3.2 PLC 与外部器件的连接 10 3.3 PLC 与外部接线图 11 3.4 工艺流程图及分析 11 第四章 梯形图 14 第五章 调试 16 第 六 章 小结 17 致谢 18 参考文献 19镗床的改进 第 1 页 第一章

3、绪论 1.1 研究目的 (一 )通过对专用镗孔机床的编程设计，实现对大批量零件的镗孔和铰孔操作，提高了工作效率，降低了生产成本。此设计采用经济性的控制系统，缩短设备的开发周期及控制系统的复杂性和维修难度 。 （二） 此设计要达到的目的： （ 1） 根据实际控制要求选择合适的 PLC 型号及对应的电气元件。 （ 2） 编写专用机床的 PLC 流程，并配置好相应的运动参数。 （ 3） 了解设计的基本工作原理，对设备的维修和程序的优化有很大的帮助。 （三） 通过设计可使机床具有以下优点： （ 1） 机械的运动控制简单，工艺参数调整柔性好。在各自的伺服单元的控制下主轴和工作台都可随时调整，优化的伺服运

4、动加减速运动平稳，采用能耗制动，停止定位准确，有效的改善了普通机床电机控制启停时的机械振动、冲击和定位不准确现象，优越的加减速性能，缩短了空行程的运动时间，使机床的切削时间最大化，提高加工效率和加工精度 。 （ 2）在运动控制方式上比传统的普通机床更灵活、平稳，而且利用液压系统来控 制滑台的快进和工进 ,既省电，又减少了产品的生产成本。系统的复杂性也大大降低，具有更高的性价比。 (3) 改进 后的机床的主轴加工可以采用两地控制，且具有必要的电气连锁和保护，在一台机床上可以进行多种操作选择，如镗孔，铰孔，先铰再镗等等。 （ 4）尤其是既要镗孔又要铰孔的机械零部件，而且采用 PLC 体积小，使得控

5、制系统占用的空间小而功能更强大，为生产提供了很大的帮助。 1.2 机械结构的设计 在设计 前，我发现普通镗床和普通铰床普遍采用的是工件固定刀头镗床的改进 第 2 页 移动对零部件进行加工。而此 设计 把两种开孔 技术用在同一个机床上 ,使它成为组合机床，由于 设计 中要求工进使用液压系统控制，若采用工件固定刀头移动的方式加工，则需要两个液压系统对两个刀头进行工进驱动，同时为了实现精确定位，需要两个位控模块，两个钻头的转动也必须分别由两个主轴电机来驱动，这样，不仅成本高，而且由于钻头和主轴电机的质量太大，会引起振动，就会不容易驱动，定位精度也不好控制，滑台上如果只有工作台和随动夹具的话，就可以灵

6、活控制滑台的运动，精度要求也能很好的实现，同时节约了成本。故本 设计 将系统设计成主轴钻机固定在底座上，载物台动态固定在滑台上 ,由液压 系统控制系统的快进及工进的加工方式。 因而本设计只需要一个主轴电机控制两个刀头的旋转，一套液压系统控制工件运动，一套简单辅助液压系统控制工件的夹具，为了能在一台机床上实现既铰孔又镗孔，则需要工作台能旋转，而且是有一定的角度调整功能，这也就需要一台步进电动机。 因为主轴电机和液压泵不宜频繁启停 ,所以将电机和液压泵设计成手动启停的方式。夹具的松开和夹紧，采用三位四通电磁换向阀控制液压缸通液的方式来控制。 设计中需要液压系统控制工进及快进，首先则使用容积节流调速

7、液压回路控制液体的流量以达到控制液压缸移 动速度，进而控制滑台速度。又因工件的镗铰孔操作在机床的两端实现，那么则需要采用三位四通电磁换向阀使载有工件的滑台到达某位置时能够换向，换工件及工作台旋转时滑台要停止运动。 为了控制工作台的一定角度的转动，步进电动机则需要得到一定的信号才能准确定位，这就需要特殊继电器发送脉冲，和计数器计数。 由于每一种规格的零件的镗或绞的深度不同然后滑台方向改变，还有可能每次所使用刀具的长短不一样，开始工进的位置也就有所不同。为了实现上面的要求，就需要在相应的位置安放行程开关。防止工作台碰到刀架，在接近刀架位置的 底座安装上位限开关。 为达到卸装工件的方便，需要定一个参

8、考点，因而在滑台的正中间定一个参考点 RP。 主运动采用三相异步电动机驱动，主轴单相运转，还要求停车制镗床的改进 第 3 页 动。由于异步电动机的反接制动容易造成反转用于准确停车有一定的困难，而且电能损耗较大 ;反馈制动虽是比较经济的方法，但它只能在高于同步转速下使用 ;因此能耗制动更适用此设计的主轴制动停止。 由于在加工过程中会产生大量的热量，故可以设计中空的刀具，在刀座处通入冷却液，为了达到控制切削液的通断 ,可以利用电动按钮控制每条线路上的电 磁阀 结构示意图见 图 1.1 图 1.1 系统结构示意图 镗床的改进 第 4 页 第二章 控制系统的构建 2.1 机械系统的控制要求 本 设计

9、的研究对象是某批零件加工需要进行镗铰孔的专用加工机床的电气控制系统。此机床加工工艺内容是对一零部件进行镗孔或铰孔或既镗孔也绞孔。采用顶部的液压控制和底平面电磁吸合的夹具定位，人工上下料，工件自动定位，零件随着滑台向两侧进给，加工的孔深及大小由实际产品决定，加工时间要求控制根据实际产品上孔的多少及各自对应的深度决定的。使用硬质合金刀头进行孔加工，加工中的 排屑和冷却用刀头中心高压冷却孔来实现。 该设备加工工艺的特点是镗 .铰工序在同一机床上进行，而且有一定的先后顺序，时间上也要有所控制。如果是使用一个刀架配一个换刀系统，也有一定的合理性，但是那样使整个设备的体积变大，增加了产品加工时间，更重要的

10、是这样加大了生产的成本。而把两刀安置在机床底座上，让滑台进行进给，就可以解决这一问题。如使用普通组合的机床，在进行镗铰孔操作时不能做到及时使刀具与工件分离，就会导致加工精度不够 ;铰完后再镗，如果在普通机床就需要手动转换工作台或将工件取下转换方位再装上。这不仅延长 了加工时间，更可能使产品因为精度不够而报废，这对讲求高产出率高效率的大批量生产是非常不经济实用的。 对此我们来说需要一种灵活的控制系统，在监控设备的各个输入点的状态和控制设备辅助动作输出的同时，使得我们能够有效的控制机械的进给运动，能够准确定位，能够在需要加工的地方进给运动使用慢速，在不进行加工的地方使用快速运动。 PLC 及其位控

11、模块就是为了满足这种进给过程中的位置和速度不断变化需求而产生的。 2.2 PLC 及其选型 2.2.1 PLC 概述 可编程控制器 (Programmable Logic Controller，简称 PLC) 基本原理 PLC 是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器 ，是在传统的继电器顺序逻辑控制的基础上引入微电子技术和计算机技术镗床的改进 第 5 页 而产生的， 但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于 PLC 内存中的程序，进行入出信息变换实现控制 。 工业过程中使用的可编程控制器的种类很多，它们虽然各有特点，但作为工业标准控制设备，它们在结构组成、编

12、程方法和工作原理等许多方面是基本相同的。 PLC 是以用户需要为主，又尽量采用先进技术，因此它具有可靠性高、结构紧凑、性能齐全 、编程简单、体积小、直接带负载能力强等特点。能够适应复杂的工业环境，能在恶劣的工业环境下可靠地工作，具有强抗干扰能力，平均无故障工作时间为 5 万到 10 万小时。 PLC 作为现代工业的三大支柱 (机器人、 CAD/CAM, PLC/CNC)之一，以其高可靠性、灵活性、编程使用方便在工业控制领域迅猛发展，得到了越来越广泛的应用，是实现机械机电一体化的重要的控制手段。PLC 控制系统由于其高可靠性、价格的低廉和控制功能的强大成了设计现代自动控制系统的潮流。原来的大量采

13、用传统继电器逻辑控制的系统通过改造或更新，成了 PLC 控制 的自动化系统、同时新的自动化系统也越来越多的采用 PLC 控制系统。 现在比较主流的 PLC 主要有欧姆龙、三菱、富士、西门子、施耐德、 A-B,GE-FANUC、夏普、中达“司米克斯等厂商。 PLC 的功能经过几十年的发展已经越来越强大，除了标准的逻辑顺序动作控制功能外，还不断开发出新的功能模块 13，如 :模拟量输入 /输出模块、热电阻热电偶模块、并行接口模块、位置控制模块 (脉冲串输出 /电压输出 )、声音输出模块、计算机链接模块、高速计数模块、中断模块、智能通信模块、总线驱动模块、以太网接口模块等，这些都是针对不同行业的特殊

14、需求来专门开发研制的。 现在 PLC 的发展正向着高速度大容量网络化方向发展，中大型的PLC 都具有支持总线网络的功能，通过选用不同档次的 PLC 来构建不同层次的控制网络。如三菱电机 (MELSEC)的 CC-LINK 现场网络总线系统，在由具有总线驱动功能的 QnA 系列 PLC 驱动的 CC-LINK 最低层次的现场总线上连接直接面向控制现场的设施如数字仪表、 FX 系列 PLC、显示终端、带总线控制功能的变频器等构成设备层的网络 ;向上一层为由各个 QnA 系列 PLC 之间相连接构建的如 MELSECNET/10, Profibus 之类镗床的改进 第 6 页 的控制层网络。通过构建

15、控制层、设备层、信息层的控制网络，使不同授权的人员如工艺技术人员、机电维修人员、车间管理者都可以在相应的网络上得到所需要的信息和执行权限内必要的操作。 2.2.2 PLC 常用语言 由于可编程控制器各个生产厂家的硬件和软件体系结构互不相通，各厂家的编程语言和指令系统也各不相同。为解决这一问题， IEC制定了 PLC 标准 IEC60031,在 IEC60031 3 中定义了 5 种可编程控制器编程语言，包括： (1)梯形图（ Ladder Diagram） 程序设计语言 LD 语言是用梯形图的图形符号来描述程序的，是最常用的一种程序设计语言。广泛应用于北美，在中国也慢慢被接受使用。它的左边描述

16、事情发生的条件，事情发生的结果在右边。 (2)指令集（ Lnstruction List） 程序设计语言 也称为语句表程序设计语言，是一种基于文本的语言，用布尔助记 符表达式来描述程序的一种程序设计语言。在欧洲应用广泛。 (3)功能表图（ Sequential Function Charts,SFC） 程序设计语言 它是近年来新发展起来的新型程序设计语言，不仅仅是一种语言，SFC 更是一种图形化的方法，它采用功能表图的描述，将控制程序系统分为若干个子系统，从功能入手。 功能表图编程由于具有图形表达方式，能简单和清楚地描述并发系统和复杂系统的所有现象，并能对系统中存在的死锁 .不安全等问题进行分

17、析和建模，在模型的基础上能直接编程，所以得到广泛的应用。 (4)功能模块图（ Function Block Diagram;FBD） 程序设计语言 采用功能模块来表示模块所具有的功能，作为一种图形语言，广泛应用于过 程工业中。 (5)结构化语句（ Structured Text;ST） 描述程序设计语言 使用结构化的描述语句来编写程序，应用于大中型 PLC 系统。 2.2.3 I/O 分析 经过仔细的研究，以及对设计控制要求和机械机构的仔细分析，可以明确输入 .程序容量的大小，输出点的个数，运算响应速度和其他镗床的改进 第 7 页 特殊控制要求选择合适的主控 PLC。通过对初步设计的机械系统示

18、意草图的分析，可以得出输入输出点的个数。 输入点：液压泵的启动，手动镗启动，手动铰启动，总停按钮，中间工作台参考点行程开关，左权限开关，右权限开关，镗 深行程开关，夹具压力传感器输入，铰深行程开关，镗工进，铰工进，夹具位限，夹具夹紧，夹具松开，工作台角度行程开关，主轴电机启动，加工形式选择按钮 输出点 : 液压泵启动继电器，步进电机接触器，主轴电机启动继电器，工件停止继电器，制动继电器，电磁阀线圈 1，电磁阀线圈 2（滑台左移），电磁阀线圈 3（滑台右移），电磁阀线圈 4（夹具夹紧），电磁阀线圈 5（夹具松开），步进电机工作显示，工进显示，定位显示，暂停显示 由以上可初步确定输入点有 18个，

19、输出点有 14 个。 2.2.4 PLC 的选型 随着 PLC 制 造技术的不断发展， PLC 产品的种类、型号越来越多，它们的功能、价格、使用条件各不相同。由于本课题的控制任务比较简单，对 PLC 功能的要求不是很高，由于三菱采用结构化编程，使得调试和故障查找非常方便，而且与同类产品相比它质量好、运行稳定、可扩展性超强、抗干扰性强、售后服务优良。因此本 设计 采用三菱公司的 FX2N型 PLC。 FX2N型 PLC 是日本三菱公司生产的一种小型 PLC,其许多功能达到大 ,中型 PLC 的水 平 ,而价格却和小型 PLC 的一样 。 根据上面分析的 I/O 点数和本课题的相关要求，参照相关书

20、籍，可以确定选 择 FX2N型系列中的 FX2N 48M 作为此设计中的控制结构主机。 FX2N 48M 有 24 个输入点和 24 个输出点，也可以进行模块扩展，最多可以扩展 7 个模块，此课题不需要使用扩展模块。 镗床的改进 第 8 页 第三章 编制 PLC 控制程序分析 3.1 PLC 的 I/O 地址的分配 无论是什么系列的 PLC，它的合理 .正确分配，为程序的设计 .现场调试和故障查找带来了很大的方便。作为核心技术资料， I/O 分配也是以后的系统优化改进及维修的中很重要的依据。 一般在工业现场，各输入结点和输出设备都由自己的代号， PLC内的 I/O 继电器也有编号。为使现场调查

21、 .程序设计和查找故障方便，所以编制一个已确定下来的现场输入 /输出信号的代号和分配到 PLC内与其相连的输入 /输出继电器号或器材号的分配表，还是很有必要的。 3.1.1 I/O 点数扩展 （ 1） FX2N 系列的每种主机所提供的 I/O 点的 I/O 地址是固定的，进行扩展时，可以在 CPU 右边连接多个扩展模块，每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模块在 I/O 链中所处的位置。编址方法是同种类型的输入或输出点的模块在链中按与主机的位置而递增，其他模块所处的位置并不影响本类型模块的 编号。经过查找知道FX2N 48M 有 24 个输入和 24 个输出点。设计中 18 个点输入和 14 点输出，且要按估算数再增加 15 20%输入和输出点数，经计算 FX2N48M 作为此设计中的 PLC 系统，是很恰当的选择。 其实由 18 个输入点， 14 个输出点本可以选择 FX2N 32M 外加以个独立端子模块，但是按规定， PLC 主机选型时，它的输入输出点要再其估算数上再增加 15 20的输入 .输出点数，以备将来调整 .扩充使用。 综上，在这 PLC 系统类型选型上，就决定一个 PLC 主机，不使用模块的情况下，作为此数控复合组合 机床控制系统，来控制整个设备的运行。 （ 2） 各输入、输出点进行地址分配