双面钻孔组合机床控制系统分析与设计.doc

1、 目 录摘要1关键词1Abstract1Key words1引言 21 双面钻孔组合机床的总体分析31.1 机床的主要结构部件31.2 双面钻孔组合机床工作过程31.3 液压元件的选择41.3.1 液压阀及过滤器的选择41.3.2 油管的选择5 1.4 双面钻孔组合机床液压系统控制分析5 2 双面钻孔组合机床的控制系统的总体设计62.1 双面钻孔组合机床主电路设计62.2 双面钻孔组合机床总控制过程72.3 PLC 控制系统的简介82.3.1 PLC 的定义及组成82.3.2 PLC 的工作方式与运行框图93 PLC 控制系统硬件设计113.1 PLC 的选型113.2 PLC I/O 分配和

2、接线114 PLC 控制系统软件设计134.1 PLC 的编程方式134.2 PLC 控制系统设计思路144.3 PLC 控制程序设计及顺序功能图15总结17参考文献18致谢19双面钻孔组合机床控制系统分析与设计1双面钻孔组合机床控制系统分析与设计摘要：新型组合钻床，属于机械加工用钻床。它由工作台、安装在工作台两端及一侧的导轨，导轨与工作台的边缘平行，钻架通过吊铁和锁紧螺钉安装在导轨上；导轨上设有燕尾，钻架可在导轨上水平移动；钻架包括溜板、溜板上装有传动机构，溜板底面上设有与导轨上的燕尾相配合的燕尾槽，机械滑台上装有主支撑架，主支撑架上装有纵向机械滑台及控制系统，控制系统连接一控制活动按钮站，

3、纵向机械滑台上装有附属支撑架，附属支撑架上通过机械滑台装有水平方向的钻削动力头。它解决了现有的钻床加工大型零部件特别是回转体直径较大时操作不方便、加工困难等技术问题。关键词：PLC；双面钻孔；组合机床；控制系统Analysis and Design of Double Hole Modular Machine Tool Control SystemAbstract：The new combination drilling machine, belongs to the mechanical processing with the drilling machine. It consists of

4、 the workbench, installed on both ends of the workbench, and one side of the guide rail, rail is parallel to the edge of the table, the drill stand by hanging and lock screw is installed on the guide rail; Equipped with dovetail guideway, drill stand can move on the guide rail level; Drill stand inc

5、luding actuator mounted on the slip board, slip board, sliding board on the bottom has to match the dovetail on the guide rail of the dovetail groove, mechanical sliding table is equipped with the support frame, the main supporting frame is equipped with longitudinal mechanical sliding table and con

6、trol system, control system to connect a control activity button station, longitudinal mechanical sliding table is equipped with auxiliary support leg, auxiliary supporting frame through mechanical sliding table equipped with horizontal drilling power head. It solves the existing special drilling ma

7、chine.Key words: PLC; Double-sided drilling; Combination machine tools; Control system引言最早的组合机床是 1911 年在美国制成的，用于加工汽车零件。初期，各机床制造厂都有各自的通用部件标准。为了提高不同制造厂的通用部件的互换性，便于用户使用和维修，1953 年美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂协商，确定了组合机床通用部件标准化的原则，即严格规定各部件间的联系尺寸，但对部件结构未作规定。在我国，组合机床的科研和生产都具有相当的基础，应用也已深入到很多行业。2是当前机械制造业实现产品更新，进行技术

8、改造，提高生产效率和高速发展必不可少的设备之一。组合机床未来的发展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。工业生产对电器控制设备的可靠行的要求非常高，需具有很强的抗干扰能力强，能在很恶劣的环境下（如温度高、湿度大、金属粉尘多、距离高压设备近、有较强的高频电磁干扰等）长期连续可靠地工作，平均无故障时间(MTBF) 长，故障修复时间短。能适应工业现场的恶劣环境。可以说，没有任何一种工业控制设备能够达到可编程控制器的可靠性。在 PLC 的设计和制造过程中，采取了精选元器件及多层次抗干扰等措

9、施，使 PLC 的平均无故障时间 MTBF 通常在 10 万小时以上，有些 PLC 的平均无故障时间可以达到几十万小时以上，如三菱公司的 F1， F2 系列的 MTBF 可达到 30 万小时，有些高档的 MTBF 还要高得多，绝这是其他电气设备根本做不到的。本课题介绍了一种全新的自动化控制理念，由双面钻孔机床自动控制的实际条件出发，利用 PLC 对双面钻孔组合机床的电气控制系统经行了改造设计。机床对面布置两个液压动力滑台，两边的滑台上分别固定着左、右刀具电动机，工件定位夹紧装置装在中间底座上。双面钻孔组合机床是一种高效自动化的装用加工设备，它可以用来在工件两相对表面上钻孔，并取得了良好效果。组

10、合机床的控制系统大多采用机械、液压、气动和电气控制相结合的控制方式。组合机床的控制线路的总体设计是由通用部件的典型控制线路和一些基本的环节组成。双面钻孔组合机床是针对在工件两相对表面进行钻孔加工而设计的一种高效自动化专用加工设备,其主要结构为：左、右两个动力滑台对称布置，安装在标准侧底座上。左、右刀具电动机分别固定在左、右滑台上，中间底座上装有工件定位、工件夹紧装置。该双面钻孔组合机床采用电动机驱动和液压系统驱动相结合的驱动方式，其控制过程是典型的顺序循环控制。1 双面钻孔组合机床的总体分析组合机床是一种专用高效自动化技术装备，目前它仍是大批量机械产品实现高效、高质量和经济生产的关键装备。显然

11、，在大批量生产的机械工业部门，大量采用的设备是组合机床和自动线。因此，组合机床及自动化的技术性能和综合自动化水平，在很大程度上决定了这些工业部门产品的生产效率、产品质量和企业生产组织的结构，也在很大程度上双面钻孔组合机床控制系统分析与设计3决定了产品的竞争力和企业的发展前景 1。1.1 机床的主要结构部件 机床主要由底座、床身、主轴箱及钻头、工件定位及夹紧装置、动力滑台、工作台、油缸、多种液压阀等组成。床身的两边各安装左、右高速钢椎柄麻花钻头，可以同时对定位于中间工件进行双面加工。两个动力滑台对面布置并安装在标准侧底座上，刀具电动机M2、M3 分别固定在左、右动力滑台上，中间底座上装有工件定位

12、夹紧装置 2。机床主要结构及结构简图如图 1-1 所示。左机右机54321图 1-1 双面钻孔组合机床主结构简图1.侧底刀；2.刀具电动机；3 工件定位夹紧装置；4.主轴箱及钻头； 5.动力滑台；1.2 双面钻孔组合机床工作过程 机床的电气控制要求：液压泵电动机先启动，系统正常供油后，其它控制电路通电工作；左、右刀具电动机在滑台进给循环开始时启动，滑台退回到原来位置后停机。冷却泵电动机可手动控制启停，也可在左、右滑台工作时，进给自动提供油液。其控制过程是典型的顺序控制，所以当把工件装入夹紧装置后，按下启动按钮 SB3，机床便开始进行自动循环的过程，其循环过程如图 1-2 所示。4S B 3工件

13、定位S Q 2工件夹紧K P滑台快进 滑台快进S Q 3 S Q 6工进 工进S Q 4 S Q 7快退快退S Q 5 S Q 8松开工件拔定位销S Q 9S Q 1图 1-2 机床动力头工作循环示意图1.3 液压元件的选择1.3.1 液压阀及过滤器的选择 根据液压阀在系统中的最高工作压力与通过该阀的最大流量，可选出这些元件的型号及规格。本例所有阀的额定压力都为 56310Pa，额定流量根据各阀通过的流量，确定为 10L/min，25L/min 和 63L/min 三种规格，所有元件的规格型号列于表 1-1 中，过滤器按液压泵额定流量的两倍选取吸油用线隙式过滤器。表 1-1 液压元件明细表序号

14、 元件名称 最大通过流量/L。min -1型号1 双联叶片泵 22.5 YB-A26B2 单向阀 12 I-25B3 三位五通电磁阀 32 35D-63BY4 二位二通电磁阀 32 22D-63BH5 调速阀 0.32 Q-10B6 压力继电器 - DP-63B7 单向阀 16 I-25B8 液控顺序阀 0.16 XY-25B9 背压阀 0.16 B-10B10 液控顺序阀（卸载用） 16 XY-25B11 单向阀 12 I-25B12 溢流阀 4 Y-10B13 过滤器 45 XU-BU2*10014 压力表开关 - K-6B15 减压阀 20 J-63B16 单向阀 20 24D-40B1

15、7 而维思通电磁阀 20 XI-63B18 单向顺序阀 - DP-63B19 压力继电器 - DP-63B20 压力继电器 - -双面钻孔组合机床控制系统分析与设计51.3.2 油管的选择 根据选定的液压阀的连接油口尺寸确定管道尺寸。液压缸的进、出油管按输入、排出的最大流量来计算。由于本系统液压缸差动连接快进快退时，油管内通油量最大，其实际流量为泵的额定流量的两倍达 45L/min，则液压缸进、出油管直径 d 按产品样本，选用内径为 10mm，外径为 18mm 的冷拔钢管。1.4 双面钻孔组合机床液压系统控制分析 机床动力滑台和工件定位、夹紧装置由液压系统驱动。定位装置和夹紧装置用液压系统控制

16、，传感器传递信号完成工件的定位和夹紧，实现自动加工。钻孔滑台的前进后退和钻孔动力头的动作用由 PLC 控制，行程开关传出信号，实现钻孔加工量的调整和钻孔加工。电磁阀线圈 YV9 和 YV10 控制定位销液压缸活塞运动方向；YV1 和 YV2 控制夹紧装置液压缸活塞运动方向；YV3、YV4 和 YV7 为左机滑台油路中电磁阀换向线圈；YV5、YV6和 YV8 为右机滑台油路中电磁阀换向线圈，电磁阀动作状态见表 1-2。表 1-2 电磁阀动作状态表序号动作名称 定位 夹紧 左机 右机 卸荷左电机右电机液压泵切削液电机YV9 YV10 YV1 YV2 YV3 YV4 YV7 YV5 YV6 YV8

17、YV11 M1 M2 M3 M41 启动 - - - - - - - - - - + - - + -2 工件定位 + - - - - - - - - - - - - + -3 工件夹紧 + - + - - - - - - - - - - + -4 快进 + - + - + - + + - + - - - + -5 工进 + - + - + - - + - - - + + + +6 快退 + - + - - + + - + + - - - + -7 松开夹紧 + - - + - - - - - - - - - + -8 拔销 - + - - - - - - - - - - - + -9 紧急停止

18、 - - - - - - - - - - - - - - -从表 1-2 中可以看出，电磁阀 YV9 线圈通电时，机床工件定位装置将工件定位；当电磁阀 YV1 通电时，机床工件夹紧装置将工件夹紧；当电磁阀 YV1、YV3 通电时，左机滑台快速移动；当电磁阀 YV1、YV5 通电时，右机滑台快速移动；当电磁阀 YV1、YV7 或YV1、YV8 通电时，左机滑台或右机滑台工进；当电磁阀 YV1、YV4 或 YV1、YV6 通电时，左机滑台或右机滑台快速后退；当电磁阀 YV2 通电时，松开定位销；当电磁阀 YV10通电时，机床拨开定位销；定位销松开后，撞击行程开关 SQ1，机床停止运行 3。液压控制

19、程序系统及各工步转换主令、电磁阀线圈通电状态如图 1-3 所示。 61Y V 1 1324Y V 9Y V 8Y V 7Y V 3 Y V 5Y V 4 Y V 6Y V 1 Y V 2Y V 1 01 71 9 2 02 11 81 61 51 31 21 01 19762 32 2581 4图 1-3 液压系统原理图1 液压泵；2 溢流阀；3 电磁阀；4 减压阀；5 过滤器；6 换向阀；7 调速阀；8 单向阀；9 定位液压缸；10 溢流阀；11 压力继电器；12 换向阀；13 节流阀；14 单向阀；15 夹紧液压缸；16 节流阀；17 换向阀；18 换向阀；19 液压缸；20 液压缸；21

20、 换向阀；22 节流阀；23 换向阀；双面钻孔组合机床左、右机液压滑台控制要求完全相同，都是完成“快进工进快退停止”循环过程，可采用顺序程序设计法设计。2 双面钻孔组合机床控制系统总体设计2.1 双面钻孔组合机床主电路设计 本机床采用四台电动机和液压系统相结合的驱动方式，其中电动机 M2，M3 分别带动左、右主轴箱的刀具主轴提供切削运动，而左、右动力滑台和工件定位夹紧装置则由液压系统驱动，M1 为液压泵的驱动电动机， M4 为冷却泵电动机。生产实践中很多机械（如龙门刨床、导轨磨床等）的工作台需要往复运动，利用行程开关可实现往复运动控制。双面钻孔组合机床的左，右钻头的旋转，分别由交流电机带动，而

21、左右滑台的移动由液压缸通过电磁阀实现驱动，控制主电路如图 2-1 所双面钻孔组合机床控制系统分析与设计7示。液压泵电动机 左刀电机 右刀电机 切削液电机M13M13M33M43L1L2L3QSFU1 FU2 FU3 FU4KM1 KM2 KM3 KM4FR1 FR2 FR3 FR4图 2-1 双面钻孔组合机床主电路原理图2.2 双面钻孔组合机床总控制过程 （1）系统启动：按下系统启动按钮 SB3接触器 KM1 启动并自锁液压泵电动机M1 启动 系统启动。（2）液压回路启动：按下液压回路启动按钮 SB2启动液压回路。（3）工件定位：当启动液压回路后由于 KM1 自锁电磁铁 YV9 得电，液压缸工

22、作实现工件定位。（4）工件的夹紧：当工件定好位后遇到定位行程开关 SQ2接通电磁铁 YV1，液压缸夹紧工件。工件夹紧后压力继电器 KP 闭合电磁铁 KM2、KM3 通电左机刀具电动机 M2,右机刀具电动机 M3 接通，电机工作。KM2、KM3 通电后自锁使电磁铁 KM4 得电切削液电动机 M4 启动。（5）滑台快进：工件定位后接通中间继电器 KA3电磁铁 YV3 得电左机滑台液压缸快进或者 KA6 接通电磁铁 YV5 得电右机滑台液压缸快进。（6）滑台工进：当快进结束时碰到左机滑台快进结束行程开关 SQ3YV3 失电，电磁阀 YV7 得电左机滑台液压缸工进或者遇到 SQ6 右机滑台快进结束行程

23、开关YV5 失电，电磁阀 YV8 得电右机滑台工进。（7）滑台快退：当工进结束时遇到左机滑台工进结束行程开关 SQ4电磁铁 YV7 失8电，电磁铁 YV4 得电左机滑台液压缸快退或者遇到右机滑台工进结束行程开关 SQ7电磁铁 YV8YV8 失电结束工进，电磁铁 YV6 得电右机滑台快退。（8）松开工件：当左机滑台快退结束遇到行程开关 SQ5 和右机滑台快退结束遇到行程开关 SQ8 时电磁铁 YV4,YV6 失电结束快退电磁铁 YV2 得电液压缸松开工件。（9）拔定位销：当松开工件后，同时回到原位遇到工件压紧原位行程开关 SQ1电磁铁 YV10 得电液压缸拔出定位销完成一次加工过程。（10）点动

24、按钮：在加工过程中可以实现点动控制：SB5左刀具电动机 M2 点动按钮；SB6右刀具电动机 M3 点动按钮；SB7夹紧松开点动按钮；SB8左机快进点动按钮；SB9左机快退点动按钮；SB10右机快进点动按钮；SB11右机快退点动按钮。综上，双面钻孔组合机床的工作过程为，启动液压泵电动机 M1,按下启动按钮SB3， KM1 自锁接通 KM1，液压泵电动机工作按下液压回路启动按钮 SB2工件定位电磁阀 YV9 得电，工件定位碰上工件定位结束行程开关 SQ2工件夹紧电磁阀YV1 得电，同时断开定位电磁阀 YV10接触器 KA3、KA6 通电并自锁同时接通左机快进电磁阀 YV3 和右机快进电磁阀 YV5

25、，实现快进碰上左机快进结束行程开关SQ3，断开 YV3，工进电磁阀 YV7 工作；同时遇到右机结束行程开关 SQ6，YV5 失电，YV8 工作，实现工进碰到左机工进结束行程开关 SQ4，右机工进结束行程开关SQ7，电磁阀 YV7，YV8 断电，结束工进过程KM7 断电，YV3 失电，同时YV4、YV6 通电，滑台快退遇到 SQ5，SQ8 快退结束行程开关，结束快退过程YV4、YV6 失电，同时 YV2 得电松开工件工件压紧原位行程开关 SQ9，YV10 得电并拔定位销完成工作过程。2.3 PLC 控制系统简介2.3.1 PLC 的定义及组成 PLC 是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置，即

26、可编程控制器（Programmable Logic Controller）。在 1987 年国际电工委员会颁布的PLC 标准草案中对 PLC 做了这样的定义：一种基于数字运算操作的、专为在工业环境而设计的电子控制系统。PLC 英文全称 Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器，它采用了存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、计数、定时与算术操作等面向用户的指令，并通过模拟或数字式 I/O 控制各种类型的机械或生产过程 4。PLC 是一种数字运算操作的电子系统。它采用了可编程序的存储器，用来在其内双面钻孔组合机床控制系统分析与设计9部存储逻辑运算

27、、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程；而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩散其功能的原则设计。PLC 的发展经历了五个阶段：初始阶段、崛起阶段、成熟阶段、飞速发展阶段、开放性，标准化阶段。PLC 总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能、信息化、软 PLC、标准化、与现场总线技术机密结合等方向发展。由于微处理器芯片及有关元件的价格大大降低使得 PLC 的成本下降；随着计算机、芯片、软件、控制等技术的飞速发展，也使得 PLC 的功能大大增强。它不仅能更好的完成原来得心应手的顺序逻辑控制

28、任务，也能处理大量的模拟量，解决复杂的计算和通信连网问题。在当前最热的现场总线控制系统中，主站何从站几乎都有 PLC 的身影，PLC 的通信技术又往前发展了一大步。现在开放式、标准化的 PLC 也已走向前台，为适应现在和未来自动化技术的发展要求做好了准备 5。PLC 专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，与计算机的组成十分相似。从硬件结构看，它也有中央处理器（CPU）、电源、储存器和专门设计的输入/输出接口电路等组成，PLC 的结构框图如图 2-2 所示。被控对象采样设备采样设备采样设备开关输入模块模拟量输入块开关量输出块模拟量输出块其他电源模块计算外围机可接终端或设备系统总线主控模块（ C P U 内存 ， 用户内存 ， 通信接口等 ）编程器图 2-2 PLC 结构框图2.3.2 PLC 的工作方式与运行框图 PLC 的工作原理类似于计算机工作原理，是一种工业控制计算机。即通过执行用户程序来实现，并且在执行过程中反映控制要求 6。CPU 是按分时操作方式来完成各项任务的，计算机在同一时间只能做一件事，所以程序属于串行工作方式，它是按程序顺序依次完成相应各电器的动作 7。PLC 工作的整个过程可用图 2-3 所示的运行框图来表示。整个运行流程可大致分为三