钻削加工控制系统设计.doc
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钻削加工控制系统设计
课程设计
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目录
一.课程设计内容 4
一、设计要求 4
二、总体设计方案及内容 4
二．机械传动设计说明 13
2.1有关限位开关SQ1的说明 13
三.液压系统的设计内容 14
3.1机床类型及动作循环要求：
14
3.2参数要求及液压系统预计设计目标 14
3.3负载——工况分析 14
3.31工作负载 14
3.32.摩擦阻力 15
3.33惯性负荷 15
3.4绘制负载图和速度图 16
3.5．初步确定液压缸的参数 16
3.51．初选液压缸的工作压力 16
3.52．计算液压缸尺寸。
17
3.53液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率的计算值如下表 18
3.6．绘制液压缸的工况图（图10） 19
3.7．拟定液压系统图 20
3.71．选择液压基本回路 20
3.8．选择液压元件 21
3.81选择液压泵的容量及电动机功率 21
3.82控制阀的选择 21
3.9确定油管直径及油箱容积 22
四.液压系统的性能验算 23
4.1液压系统的效率 23
4.2液压系统的温升 23
五．软件调试及注意事项 24
5.1软件调试 24
六．总结 27
七.参考资料：
28
绪论
一．课程设计的目的
《机电一体化系统设计》课程设计是大学生在完成《机电一体化系统设计》等专业课学习后,进行综合性实践性教学环节，总的目的是在老师的指导下,使学生通过课程设计,对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查复习和提高,并运用所学理论,通过调研,设计一个机电控制方面的课题,受到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力.
二．课题的来源及现实意义
钻床系指主要用钻头在工件上加工孔的机床。
通常钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进给运动。
钻床结构简单，加工精度相对较低，可钻通孔、盲孔，更换特殊刀具，可扩、锪孔，铰孔或进行攻丝等加工。
钻床可分为下列类型：
1）台式钻床：
可安放在作业台上，主轴垂直布置的小型钻床。
2）立式钻床：
主轴箱和工作台安置在立柱上，主轴垂直布置的钻床。
3）摇臂钻床：
摇臂可绕立柱回转、升降，通常主轴箱可在摇臂上作水平移动的钻床。
它适用于大件和不同方位孔的加工。
4）铣钻床：
工作台可纵横向移动，钻轴垂直布置，能进行铣削的钻床。
5）深孔钻床：
使用特制深孔钻头，工件旋转，钻削深孔的钻床。
6）平端面中心孔钻床：
切削轴类端面和用中心钻加工的中心孔钻床。
7）卧式钻床：
主轴水平布置，主轴箱可垂直移动的钻床。
8）多轴钻床：
立体钻床，有多个可用钻轴，可灵活调节。
钻床的加工特点：
加工过程中工件不动，让刀具移动，将刀具中心对正孔中心，并使刀具转动（主运动）。
钻床的特点是工件固定不动，刀具做旋转运动，并沿主轴方向进给，操作可以是手动，也可以是机动。
机电一体化毕业设计在机电一体化专业教学中占有重要位置，它关系到学生知识的综合运用和学生动手能力的培养及机电产品开发的能力.因此设计内容选择很重要.基于多工位加工线上钻削加工电气控制系统是典型的机电一体化系统，以此为设计内容有较强的教学研究意义.
数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础.这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位.因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展的数控技术及其产业.在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步.特别是在通用微机数控领域，以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列.但是我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力
等方面情况尤为突出.在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领
域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争
中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门所面临的重要任务.
一.课程设计内容
一、设计要求
1.1控制要求
用PLC控制一条多工位加工线，其中第三工位的头道工序为钻孔.此工序的动作要求如下：
起动后，夹紧装置动作.为确保可靠夹紧，延时10s钟，控制冷却油的电磁阀吸合.同时，钻头向工件方向快进.当接近工件时，限位开关SQ1动作延时5秒，钻头变为慢进，开始钻削.达到预定深度，限位开关SQ2动作延时10秒，钻头快速退回.回到原始位置，限位开关SQ3动作，钻头停止移动，钻削工序结束.
1.2课题要求
1）画出加工过程流程图.
2）画出继电器控制的电气原理图.
3）画出PLC控制的输入输出接线图.
4）设计PLC控制钻削加工的梯形图.
5）完成加工程序设计.
6）整理设计说明书，答辩.
二、总体设计方案及内容
可编程控制器PLC的使用与继电器有极为相似的梯形图语言，用PLC改造继电器控制系统时，根据继电器电路来设计梯形图是一条捷径，因为原有的继电器控制系统经过长期的使用和考验已经被证明能完成系统要求的控制功能，因此可以将继电器电路图转换成梯形图，即用PLC的外部硬件接线图和梯形图来实现继电器系统的功能.
2.1多工位加工线上钻削加工的过程流程图
多工位加工线钻削加工工序的动作要求如下：
启动后，夹紧装置动作，为确保可靠夹紧，延时10s控制冷却油的电磁阀吸合；同时，钻头向工件方向快进，当接近工件时，限位开关SQ1动作延时5秒钻头变为慢进，开始钻削，达到预定深度时限位开关SQ2动作延时10秒，钻头快速退回，回到原始位置限位开关SQ3动作，钻头停止移动，钻削工序结束.（延时环节是当液压总阀关闭液压系统停止移动即延时环节实现，液压缸压力由限压阀保护）
其加工过程流程图：
图1加工过程流程图
2.2继电器控制的电器原理图
2.2.1按照课程设计的要求，画出继电器控制的电气原理图如图2：
图2继电器控制的电气原理图
2.2.2其中所用电气原理图的符号意义如下表所示：
表1电气元器件的说明
SB1
SB2
K1
K2
K3
K4
SQ2
SQ3
起动
停止
夹紧控制继电器
喷油控制继电器
进给继电器
快退控制继电器
进给到位开关
钻头退到原位开关
KM1
KM2
KM3
KM4
T1,T2,T3
YV
SQ1
液压电磁阀
夹紧控制接触器
快进控制接触器
进给控制接触器
快退控制接触器
定时器
电磁阀
快进结束限位开关
见后面表格
2.2.3有关电磁阀原理、分类及选择说明：
电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动.电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀.
1）电磁阀的工作原理：
电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动.这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动.
2）电磁阀从原理上分为三大类：
（1）直动式电磁阀：
原理：
通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。
特点：
在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。
（2）分步直动式电磁阀：
原理：
它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。
当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。
特点：
在零压差或真空、高压时亦能可动作，但功率较大，要求必须水平安装。
（3）先导式电磁阀：
原理：
通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。
特点：
流体压力范围上限较高，可任意安装（需定制），但必须满足流体压差条件。
3）电磁阀的选型依据：
一、根据管道参数选择电磁阀的：
通径规格（即DN）、接口方式
1、按照现场管道内径尺寸或流量要求来确定通径（DN）尺寸。
2、接口方式，一般>DN50要选择法兰接口，≤DN50则可根据用户需要自由选择。
二、根据流体参数选择电磁阀的：
材质、温度组
1、腐蚀性流体：
宜选用耐腐蚀电磁阀和全不锈钢；食用超净流体：
宜选用食品级不锈钢材质电磁阀。
2、高温流体：
要选择采用耐高温的电工材料和密封材料制造的电磁阀，而且要选择活塞式结构类型的。
3、流体状态：
大至有气态，液态或混合状态，特别是口径大于DN25订货时一定要区分开来。
4、流体粘度：
通常在50cSt以下可任意选择，若超过此值，则要选用高粘度电磁阀。
三、根据压力参数选择电磁阀的：
原理和结构品种
1、公称压力：
这个参数与其它通用阀门的含义是一样的，是根据管道公称压力来定。
2、工作压力：
如果工作压力低则必须选用直动或分步直动式原理；最低工作压差在0.04Mpa以上时直动式、分步直动式、先导式均可选用。
四、电气选择：
电压规格应尽量优先选用AC220V、DC24较为方便。
五、根据持续工作时间长短来选择：
常闭、常开、或可持续通电
1、当电磁阀需要长时间开启，并且持续的时间多余关闭的时间应选常开型。
2、要是开启的时间短或开和关的时间不多时，则选常闭型。
3、但是有些用于安全保护的工况，如炉、窑火焰监测，则不能选常开的，应选可长期通电型。
2.3多工位加工线钻削加工电气控制系统设计功能树
图3钻削加工电气控制系统设计功能树
2.4系统负载速度图
图4系统负载速度图
2.5用PLC外部接线方案
该设备采用美国通用电气公司的GE-1/J型PLC来实现对该钻削加工的控制.由图1和图2确定输入信号和输出信号先把外部输入信号（来自限位开关按钮以及其它来自现场的控制信号）连接到PLC的输入接口的端子，得到用PLC控制的外部接线图如图5所示：
图5PLC的外部接线图
2.6PLC控制钻削加工的梯形图
按照加工过程流程图并参考继电器控制电路图，遵循编程规则，用PLC的内部继电器，计数器/计时器等单元设计出PLC控制钻削加工的梯形图.如图6所示PLC各输入、输出线圈内部继电器线圈及触头，特殊功能单元，计时器计数器等都有规定的编号和地址.
图6GE—1/J型PLC控制钻削加工梯形图
2.7PLC控制钻削加工的指令表
根据GE-1/J型PLC的语句编程规则，把梯形图转换为如下指令表：
LD01
OR301
AND02
OUT301
LD301
MPS
OUT201//夹紧控制器启动
OUTT601为保证加紧延时10秒
SP100
MRD
LDT601
OUT302
MPP
LDI03
ORI303
ANDLDI04
ORB304
OUT208
LD03
OUTT602延时5秒
SP50
LD602
OUT303
LD302
MPS
OUT202//电磁阀启动
MRD
LDI303
OUT203//快进接触器启动
LD04
OUTT603
SP100延时10秒
LD603
AND04
ANB304
OUT304
LD303
ANI304
OUT204//进给接触器启动
LD204
MPS
MPS
LD05
OR305
OUT305
MPP
LDI305
OUT205//快退接触器启动
二．机械传动设计说明
2.1有关限位开关SQ1的说明
限位开关SQ1用于在钻头向工件快进过程中判断其之间距离，采用双极霍尔开关元件177A.霍尔开关原理简述如下：
当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应.两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为U=K·I·B/d.其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦慈力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度.霍尔开关就属于这种有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求.霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转.输出端一般采用晶体管输出，和接近开关类似有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分.霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作.霍尔开关可应用于接近开关，压力开关，里程表等，作为一种新型的电器配件.其内部原理图如图7所示：
图7霍尔开关原理图
钻头向工件方向快进，当接近工件设定的距离时，霍尔开关元件开始作用，发出信号给限位开关SQ1,SQ1动作保持原位5秒后输出信号给PLC.
3.2有关限位开关SQ3的说明
限位开关SQ3用于钻头快速退回到原始位置时，发出信号给PLC控制钻头停止移动，其型号选择及工作原理如上文限位开关SQ1.
3.3有关限位开关SQ2的说明：
限位开关SQ2用于钻头钻削到预定深度时延时10秒后，其动作输出信号给PLC控制钻头快速退回.
三.液压系统的设计内容
3.1机床类型及动作循环要求：
设计一台用成型铣刀在工件上加工出成型面的专用机床夜压系统。
机床工作循环为：
手工上料→按电钮→自动定位夹紧→工作台快进→延时→铣削进给→延时→工作台快退→夹具松开→手工卸料。
（延时用电气控制实现这里只介绍液压系统）
3.2参数要求及液压系统预计设计目标
机床的铣头驱动电机的功率N=7.5KW，铣刀直径D=120mm，转速n=350rpm，工作台重量G1=4000N，工件及夹具重量G2=1500N，工作台行程L=400mm，（快进300mm，工进100mm）快进速度为4.5m/min，工金速度为60～1000mm/min，其往复运动和加速（减速）时间t=0.05s，工作台用平导轨，静摩擦系数fs=0.2，动摩擦系数fd=0.1。
设计其液压控制系统。
3.3负载——工况分析
3.31工作负载
3.32.摩擦阻力
3.33惯性负荷
查液压缸的机械效率，可计算出液压缸在各工作阶段的负载情况，如下表表2所示：
表2 液压缸各阶段的负载情况
工 况
负载计算公式
液压缸负载
液压缸推力/N
启 动
1100
1222.22
加 速
1390.98
1545.53
快 进
550
611.11
工 进
3960.46
4400.51
快 退
550
611.11
3.4绘制负载图和速度图
根据工况负载和以知速度和及行程S，可绘制负载图和速度图，如下图（图8、图9）所示
图8（负载图）
图9（速度图）
3.5．初步确定液压缸的参数
3.51．初选液压缸的工作压力
查各类液压设备常用工作压力初选，
3.52．计算液压缸尺寸。
选用差动液压缸，无杆腔与有杆腔的有效面积为；回油路上有背压阀或调压阀，取背压;回油管路压力损失。
按JB2183—77取标准值D=50mm
活塞杆的直径为：
由此求得液压缸的实际有效工作面积
3.53液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率的计算值如下表
表3所示：
表3液压缸所需的实际流量、压力和功率
工况
负载
回油腔压力
进油腔压力
输入流量
输入功率
计算公式
快进
启动
1222.22
—
12.7
—
加速
1545.53
21.27
—
恒速
611.11
11.56
4.33
0.08
工进
4400.51
8
26.5
1.96～0.12
0.086
快退
启动
1222.22
—
12.2
—
加速
1545.53
25.24
—
恒速
611.11
15.91
4.5
0.119
3.6．绘制液压缸的工况图（图10）
22
3.7．拟定液压系统图
3.71．选择液压基本回路
从工况图可知：
该系统的流量、压力较小，可选用定量泵和溢流阀组成的供油源，如图a所示。
铣床加工有顺锉和逆锉之分，宜采用出口节流调速，具有承受负切削的能力，如图b所示。
考虑到工作进给时负载大、速度低，而快进、快退行程中负载小、速度快，所以采用由换向阀联通的差动快速回路，如图c所示。
根据一般专用铣床的要求不高，采用电磁阀的快慢换接回路，其特点是结构简单。
选用简便的电气行程开关和挡铁控制行程方式，如图d所示。
\
（a）（b）
（c）（d）
3.8．选择液压元件
3.81选择液压泵的容量及电动机功率
（1）液压泵的工作压力和流量计算。
进油路的压力损失取，回路泄露系数取，则液压泵的最高工作压力和流量为：
根据上述计算数据查泵的产品目录，选用ＹＢ－６型定量叶片泵。
（２）确定驱动电动机功率。
由工况图表明，最大功率出现在快退阶段，液压泵总
效率η＝0.75,则电动机功率为：
3.82控制阀的选择
根据泵的工作压力和通过各阀的实际流量，选取各元件的规格，如表4所示。
表4各元件的规格
序号
元件名称
最大通流量/（L/min）
型号规格
1
定量叶片泵
６
ＹＢ－６
2
溢流阀
６
Y—10B
3
三位四通电磁阀
６
34D—10B
4
单向调速阀
６
QI—10B
5
二位三通电磁阀
６
23D—10B
6
单向阀
６
I—10B
7
过滤器
６
XU—B
3.9确定油管直径及油箱容积
进出液压缸无杆腔的流量，在快退和差动工况时为，所以管道流量按计算。
取压油管流速
，取内径为的管道。
吸油管的流速，通过流量为，则
，取内径为管道。
确定管道尺寸应与选定的液压元件接口处的尺寸一致。
确定油箱容积
四.液压系统的性能验算
4.1液压系统的效率
（经计算，）
取泵的效率，液压缸的机械效率，回路效率为：
当工进速度为时，
当工进速度为时，
4.2液压系统的温升
（只验算系统在工进时的发热和温升）定量泵的输入功率为：
工进时系统的效率，系统发热量为：
取散热系数，油箱散热面积时，
计算出油液温升的近似值：
，固合理。
五．软件调试及注意事项
5.1软件调试
1）程序的输入，检查，调试考核和运行，通过编程器把由梯形图生成的语句表输入到PLC存放在用户程序存储器中，应用PLC的自诊断功能对输入程序进行语法分析和校验，若发现错误PLC便拒绝接收，并在显示器上提示出错误信息此时应及时修改错误程序，并重新检验，直到排除所有的错误，使PLC控制实现的钻削加工过程完全符合工艺的要求.
2）连机调试，可以把PLC输出的信号真正连接到钻床的接触器和电磁阀等设备上进行空机调试，若发现有问题可以用PLC中的移位，删除插入等编辑命令对程序再次进行修改和调整，直到满足预定工艺控制要求为止.
3）动态测试，连机调试通过后，还要对已调试通过的程序进行连续运行和考核以检验其动态性能等指标，在连续运行过程中PLC的另一个自诊断功能，即周期性地对PLC内部各个器件部件进行检查，如判断数值是否溢出，数字的存取是否出错，各主要触点的电源电压是否正常，备用锂电池电压值正常与否等，发现异常情况PLC会立即输出报警信号，显示出错代码，若是灾难性错误则会自动停止运行，操作人员应根据具体情况进行具体分析处理，如果是程序上的问题则应进一步修改程序，重复上述有关步骤，直到完全通过为止.
4）最后，把调试通过的程序固化到EPROM中即可.
5）注意事项
（1）遵守梯形图语言中的语法规定，在继电器电路图中，触点可以放在线圈的左边，也可以放在线圈的右边，但是在梯形图中，线圈必须放在电路的最右边.
（2）设置中间单元，在梯形图中，若多个线圈都受某一触点串并联电路的控制，为了简化电路，在梯形图中可设置该电路控制的辅助继电器它类似继电器电路中的中间继电器.
（3）尽量减少PLC的输入信号和输出信号，PLC的价格与I/O点数有关，每一输入信号和每一输出信号分别要占用一个输入点和一个输出点，因此减少输入信号和输出信号的点数是降低硬件费用的主要措施，在继电器电路图中，如果几个输入器件触点的串并联电路总是作为一个整体出现，可以将它们作为PLC的一个输入信号，只占PLC的一个输入点某些器件的触点如果在继电器电路图中只出现一次，并且与PLC输出端的负载串联如热继电器的常闭触点，不必将其作为PLC的输入信号，可以将其放在PLC外部的输出回路，仍与相应的PLC的负载串联，继电器控制系统中某些相对独立且比较简单的部分，可以仍用继电器线路控制，这样同时减少了所需的PLC的输入点和输出点.
（4）外部联锁电路的设立为了防止控制正反转的两个接触器同时动作造成三相电源短路，应在PLC外部设置硬件互锁电路.图1中KM1KM3的线圈不能同时通电，除了在梯形图中设置对应的Y1Y3之间的软件联锁电路外，还在P
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