1、 燕山大学 毕业设计（论文） 滑动轴承专用镗床技术改造设计 学 院 燕山大学 年级专业 2013 级机电一体化 学生姓名 指导教师 专业负责人 答辩日期 燕山大学毕业设计（论文）任务书 学院： 教研室 ： 学 号 学生 姓名 专 业 班 级 2013 级 机电一体化 课 题 题 目 滑动轴承专用镗床技术改造设计 来 源 主 要 内 容 对开滑动轴承内孔精镗加工是该类产品工艺流程的最后一道工序，也是其全部机械加工工序中的关键工序，本工序的加工质量直接影响所在主机的综合工作质量，该镗削专用机床的自动化水平是提高加工效率的主要技术环节，而其中镗削结束后的主轴定向停止退刀问题又是本机床自动控制系统中的
2、技术难点。本毕业设计论文文在分析加工过程的基础上论述了采用 PLC 对 控制系统进行技术改造的意义并对相关技术问题予以说明。 基 本 要 求 (1)按时完成所规定的内容和工作量。 (2)依据课题任务，进行资料收集、加工、整理和正确使用工具书；锻炼分析与解决工程实际问题的能力。 (3)内容完整，文字顺畅，符合毕业论文规范。 参 考 资 料 邓志良，刘维亭编著 .电器控制技术与 PLC.南京：东南大学出版社， 2002；郑堤，唐可洪 .机电一体化设计基础 .北京：机械工业出版社， 1997； 孙志永，赵砚江 .数控与电控技术 . 北京：机械工业出版社， 2002； 邱士安，胥宏 .机电一体化技术
3、.西 安：西安电子科技大学出版社 2005； 林明海主编 .电器控制及可编程控制器 . 北京：机械工业出版社， 2004； 张凤珊主编 . 电器控制及可编程控制器 . 北京：中国轻工业出版社， 2002； 王炳实主编 .机床电器控制 . 北京：机械工业出版社， 1998 周 次 1 4 周 5 8 周 9 12 周 13 16 周 17 18 周 应 完 成 的 内 容 指导教师： 教研室 审批： （输 入章及标题） I 摘 要 对开滑动轴承内孔精镗加工是该类产品工艺流程的最后一道工序，也是其全部机械加工工序中的关键工序，本工序的加工质量直接影响所 在主机的综合工作质量，该镗削专用机床的自动化
4、水平是提高加工效率的主要技术环节，而其中镗削结束后的主轴定向停止退刀问题又是本机床自动控制系统中的技术难点。本毕业设计论文文在分析加工过程的基础上论述了采用 PLC 对控制系统进行技术改造的意义并对相关技术问题予以说明。 关键词 滑动轴承 可编程控制器 机械切削 技术改造 i 目 录 摘 要 . I 第 1 章 绪论 .2 1.1 工艺设备的关键技术问题 .2 1.2 工艺设备的历史状况简析 .2 第 2 章 机床工作原理 .4 2.1 机床的组成 .4 2.2 机床液压系统的组成和工作原理 .5 2.3 角位置检测原理 .6 第 3 章 技术改造设计 .7 3.1 主轴角位置调整方法及部件改
5、装 .7 3.2 控制系统改造方案选择 .8 3.2.1 可编程控制器（ PLC）技术特点 .9 3.2.2 可编程控制器（ PLC）选型 .10 3.3 输入信号及输出信号的配置 .10 3.4 输入输出接口电路及系统强电电路设计 .12 3.4.1 PLC 的 I/O 端口接线设计 .12 3.4.2 控制系统强电电 路设计 .14 3.5 控制程序设计 .15 3.5.1 程序结构概况 .15 3.5.2 初始化程序部分 .15 3.5.3 手动操作程序部分 .16 3.5.4 自动加工程序部分 .17 3.5.5 公共处理程序部分 .19 结论 .21 参 考 文 献 .22 致谢 .
6、23 燕山大学函授本（专）科毕业设计（论文） 2 第 1 章 绪论 1.1 工艺设备的关键技术问题 对开滑动轴 承是各类内燃机中的重要工作部件，轴承内孔精镗加工是该类产品工艺流程的最后关键工序，内孔精镗加工设备通常采用机电液一体化的专用镗床，采用电液联合控制加工过程中的工件夹紧、快进、工进、快退、工件松开等运动，执行过程均由液压系统完成，镗削结束主电机停止时应进行刀具角位置检测、调整，在刀具切削刃位于允许的退刀角位置范围内时执行退刀操作，长期以来影响该工序技术进步的关键技术问题是如何实现加工结束退前刀具角位置的检测、快速调整及机电液联合控制，以保证加工的高质量和高效率。主轴定向制动退刀问题显然
7、是本工序提高加工质量和工 作效率的技术要点。本毕业设计论文文在分析该类工件加工工艺过程和加工专用设备结构和工作原理的基础上讨论了采用 PLC 对控制系统进行技术改造的过程并对设备技术改造相关技术问题予以说明。 轴承制造业的工程技术人员为解决该问题多年来设计研发了许多方案，例如人工手动调节方法，主轴电机点动调节方法，模拟数控机床的主轴准停调节方法等。但是这些方法在实际应用中都存在着不同程度的技术缺陷和操作应用的不理想状态，如人工调节法，必然是费时费力且十分不安全，主轴电机点动调节法则是典型的以牺牲加工效率为代价换取加工自动化的没有实用价值 的控制方法，而模拟仿用数控机床的主轴准停或主轴 C轴功能
8、技术来解决该工序的定向退刀问题显然是采用具有宽泛技术功能的软、硬件功能单元解决本身功能单一、专门化程度高的技术问题，很明显又是高成本、不合算的大马拉小车类的无奈的技术方案。 1.2 工艺设备的历史状况简析 回顾轴承内孔精镗加工，不同企业在生产中使用过多种不同类型的专用机床，加工结束后的主轴定向停止控制同样曾有若干种不同的方式方法。例如曾经在许多加工企业长期广泛使用的人工主轴角位置观察调整，每一次镗削结束，主轴停止并制动后由操作者目测观察刀具和加工半圆表面 的位置关系，若刀具刀位点恰好脱离以加工表面，则可手动换向操作使工作燕山大学函授本（专）科毕业设计（论文） 3 台返回加工起点，否则即由人工手
9、动的方式攀动主轴镗刀杆，使刀具转动到非加工区域，然后再执行退刀返回操作。毋庸置疑这种角位置判断调整方法完全依赖加工者的熟练程度和工作态度，虽然设备简单，加工成本低，但是很高的劳动强度和极低的工作效率已注定该方法是没有生命力的原始的落后的工艺方案。 主轴电机配合角位置传感器的点动调整方案在国内许多轴瓦加工企业曾经使用过一个阶段，该方案的特点是在主轴尾端设置安装角位置传感器（例使用光电式角位置传感器、感应式角位置传感 器、霍尔磁场式角位置传感器等）镗削结束，主轴停止并制动后首先由传感器检测主轴角位置，若刀具刀位点位于菲加工表面，则自动换向使工作台返回加工起点，若检测结果是刀具切削刃位于加工表面内，
10、检测信号立刻驱动执行主轴点动、制动，刀具角位置的再次检测，力图以这样的方式使刀具脱离退刀禁止状态，但是由于主轴电机的极高转速（约 3000r/min） ，点动后的随机状态将导致刀位点的不确定性，若检测的结果仍然是刀位点位于已加工表面，则再一次执行下一次的点动调整操作，可以清楚地看到该方案显然是以牺牲加工效率为代价而勉强换取加工自动化 和降低劳动强度，由于调整方案的粗糙、不合理和非人性化而不具有使用价值。 模拟数控机床主轴准停控制方式的调整是模仿移植数控机床中的主轴准停功能机电一体化装置或采用数控机床主轴 C 轴功能技术措施完成本机床主轴定向停止控制，数控机床的主轴准停功能机构主要应用于刀具库的
11、换刀辅助操作，因其准停定位精度要求较高，所以机构的检测调节和定位止动系统结构复杂且精度高，技术难度大而成本高，采用这样的措施完成本机床的功能单一的主轴定向停止控制的性价比是很低的。而数控机床的 C轴功能是 NC 系统的旋转坐标轴控制加工功能，使用的圆光栅和光 电编码盘等传感器完成角位置检测，反馈，再由 NC 系统完成联动插补轨迹控制实现工件轮廓切削加工，其工作精度和控制要求远远高于本机床工作工艺要求，并且结构复杂价格昂贵，显然仍是高成本低效益的控制方案。 这些方式虽然可以完成镗削后主轴角位置调整控制任务，但作为专用设备和特定工艺的控制要求加以应用均存在一定的技术缺陷，其中人工观察调整必然是费时
12、费力低效且安全性差的方案；主电机点动调整方式显然是以牺牲工作效率为代价而换取加工过程自动化的不实用的控制方案；而移植数控机床中的主轴准停功能或采用主轴 C 轴功能技术完成本机床的功燕山大学函授本（专）科毕业设计（论文） 4 能单一的主轴定向停止控制则又是高成本低效益的控制方案。由此分析可见，必须采用可靠、高效、低成本的主轴定向停止控制方法才是优化本机床控制系统的关键技术环节。并且该方案要适应特定的控制精度要求以求得结构简化，技术改造成本低廉，具有较高的性能价格比。 第 2 章 机床工作原理 2.1 机床的组成 剖切滑动轴承（即轴瓦，对开滑动轴承）内孔圆柱表面精镗加工专用设备在国内大多数轴瓦行业
13、基本均使用卧式结构布局的液压传动专用镗床，这类机床主要由床身、镗削主轴箱、工作台、镗削工艺装备液压夹具、机床液压传动系统、检测装置和电气控制 系统等部件组成，其中镗削主轴箱目前高档的加工设备已升级为为静压主轴支承结构以确保镗削质量，而中低档的加工机床则使用单油契动压滑动轴承主轴支承结构或使用双列短圆柱滚子轴承构成机床主轴支承，检测控制系统一般位于机床主轴的尾端，采用的角位置检测器件多采用感应检测传感器件或光电检测传感器件，（完全没有必要采用价格昂贵的高精度高分辨率的角位置检测传感器，例如圆光栅，光电编码盘圆感应同步器等）改造后的控制系统中包括 PLC 控制单元和机床强电工作部分。机床组成简图见
14、图 1。 图 1 机床组成结构原理图 1监测装置 2主轴电机及调整装置 3主轴箱 4终点位置开关 5镗杆6刀具 7工进点位置开关 8夹紧油缸 9镗削夹具 10工作台 11碰块 12起点位置开关 13床身 14进给油缸 燕山大学函授本（专）科毕业设计（论文） 5 2.2 机床液压系统的组成和工作原理 为提高加工效率并减轻劳动强度，目前该类机床的加工过程循环及工件夹紧松开机构操作均采用液压传动工作方式，并通过电液联合控制实现半自动循环。为使夹 紧压力稳定以保证加工质量和工作安全性，系统中夹紧油缸的工作压力由系统工作压力经减压阀二次调节后提供。 2 个压力继电器的作用是向PLC 控制系统提供系统系
15、统工作压力和夹具的夹紧压力信息，以确保加工过程中进给速度稳定，正常的快进快退速度及加工中的人生安全和设备安全。在工件夹紧液压回路中，为防止加工中因阀用电磁铁意外失电使油路换向而造成夹具松开从而引发人生设备事故，特别地将该回路设计成阀用电磁铁得电松开工件、失电夹紧工件的工作方式。液压系统原理图见图 2。 图 2 机床液压系统原理图 1-二位四通电磁阀 2镗削胎具 3工件 4压板 5夹紧油缸 6终点位置开关 7工进点位置开关 8工作台 9起点位置开关 10导轨 11碰块 12进给 油缸 13三位四通电磁阀 14夹紧压力继电器 15减压阀 16溢流阀 17系统压力继电器 18调速阀 19二位二通电磁
16、阀 20油泵 21滤油器 22联轴器 23三相异步电机 24油箱 当液压泵启动后，若供油系统正常，当系统工作压力达到溢流阀的设定压力时，压力继电器 KP1 激活动作，其常开触头动作闭合，并将该系统压力正常信号经 PLC 的 X14 输入点送至 PLC。 PLC 控制系统首先在初始化燕山大学函授本（专）科毕业设计（论文） 6 阶段驱动工作台返回加工起点 SQ1 处， SQ1 的常开触头闭合信号使夹紧油路二位四通电磁阀的电磁铁 DT4 得电 ，夹紧油路的二位四通电磁阀换向，夹紧缸活塞上行，驱动夹具松开，进入工件装夹准备状态。在操作者将工件放置于夹具中的正确位置并按下加工启动按钮 SB3，则 DT4
17、 失电油路换向，夹紧油缸活塞下行将工件夹紧，当夹紧缸工作油腔压力上升至设定的夹紧压力时；夹紧缸上腔的夹紧压力将使夹紧压力继电器 KP2 激活， KP2的常开触头闭合， KP2 的继电器动作信号经 X15 输入 PLC，使三位四通电磁阀的电磁铁 DT1 得电，油路换向，其右位机能使进给油缸活塞左行，驱动工作台向左，油缸左腔的回油经二位二通电磁阀直接回油箱，工作台拖动夹具系统向左执 行快进运动；当工作台上的碰块 11 触及工进点位置开关SQ2 时，二位二通电磁阀的电磁铁 DT3 得电，切断了进给油缸左腔的直通回油油路，左腔的回油仅可通过调速阀 18 回油箱，向左的进给速度受调速阀控制而下降至设定的
18、工进速度，同时主轴电机启动，进入工作进给和镗削加工，当左行至左极限位置镗削结束时，碰块触及左极限终点位置开关SQ3，该信号使 DT1 失电，向左的运动停止， DT3 失电回油路又转换为直通、 主电机停止并制动；此时控制系统进行主轴角位置检测和调整，当检测到或调整到主轴角位置正确即刀具切削刃位于设定的非加工区域内时，叫位置检测正确信号触发 DT2，进给油缸左腔进油，右腔经二位二通电磁阀直接回油，工作台快速右移快退，当碰块触及加工起点的位置开关 SQ1时， DT2 失电工作台静止， DT4 得电夹具松开，一个工作循环结束。 2.3 角位置检测原理 镗削结束退刀之前的主轴角位置检测方法很多，由于本专
19、用镗床退刀时允许刀具停止状态的角位置区域范围较大，检测精度及控制要求较低，因此不需要使用具有柔性功能高精度高分辨率的角位置传感器，综合考虑检测要求、检测精度及技术改造的经济性，实用性和可靠性，拟设计采用图 3 所示的光电传感方式的角位置检测装置 。在主轴后端固定安装一光电检测盘，该盘采用高强度透明有机材料，检测盘的 200范围扇形区域涂黑而成为不透明状态，装配在主轴上时应使刀具切削刃位于 160透明扇形区的中心线角位置处，检测光源和光电继电器组件分别位于该盘两侧的图示位置。按图示位置关系可知，在镗削结束主轴电机制动后，若刀具位于上半周 160角度范围内时，经聚焦后的光束可穿透光电检测盘的透明区
20、域而燕山大学函授本（专）科毕业设计（论文） 7 使光敏继电器激励，该信号触发 DT2 产生退刀运动，因而可确保退刀时刀具刃口不会和位于下半周的已加工表面发生干涉；否则若刀具位于下半周加工区角范围内，光源光束 被涂黑区域遮挡，该非激励状态信号会启动执行角位置调整操作，直至刀具角位置正确后才可获得光电继电器激励信号而产生退刀运动。 第 3 章 技术改造设计 3.1 主轴角位置调整方法及部件改装 由上述分析可知，退刀前在检测到角位置错误状态信号时必须进行角位置调整，如前所述曾经使用过的角位置调整方法均存在一定的不足和缺陷，角位置调整的正确思路应该是以较低的角速度执行角位置调整，调整过程中同步进行角位置检测，一旦检测到刀具进入允许退刀的非加工表面家位置区域的临界边缘时，检测信号立即停止角位置调整运动，并且开始执行工作 台向右的退刀运动。一种较经济、实用可靠的结构方案原理如图 4所示。 该装置分别使用主轴电机和小功率的调节电机独立完成镗削加工驱动和低速小功率的调节驱动，两种不同的工作内容由传动装置中的电磁离合器实现二者工作状态隔离和切换。 由于调节运动必须使用转速很低的转动，所以在装置中设置了减速比极大的谐波减速器，由谐波减速器将调节电机的高转速减至很低的调节速度输出，使主轴得到大约每分 20 30 转的低调节转速。镗削加工时，电磁
