毕业论文双面铣削组合机床控制系统设计Word文档下载推荐.docx
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Keywords:
combination；
machine；
toolsmilling；
control；
PLC
第一章绪论
1.1本课题的研究背景及意义
随着生产的发展，产品精度的提高，机床加工的自动化程度也越来越高。
数控机床，加工中心已构成现代加工方法之代表。
但是我国的实际情况，对现有机床进行全部更新换代，几乎是不可能的。
为提高机床的生产率，改善工人的劳动条件，提高一般机床切削加工的自动化程度，提高控制系统的可靠性，因此研究组合机床的设计具有十分重要的理论意义和现实意义。
组合机床及其自动线是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。
它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用于工程机械交通、能源、军工、轻工、家电等行业。
我国传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制,它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型箱体类和轴类零件，完成钻孔、扩孔、浇孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成形面等。
随着技术的不断进步，一种新型的组合机床——柔性组合机床越来越受到人们的青眯，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制器（PLC）、数字控制（NC）等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。
1.2本课题国内外研究概况
由于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品，是根据用户特殊要求而设计的，它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。
我国组合机床及组合机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后，国内所需的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。
工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大，并使产品生产成本提高。
因此，市场要求我们不断开发新技术、新工艺，研制新产品，由过去的“刚性”机床结构，向“柔性”化方向发展，满足用户需求，真正成为刚柔兼备的自动化装备。
从2002年年底第21届日本国际机床博览会上获悉，在来自世界10多个国家和地区的500多家机床制造商和团体展示的最先进机床设备中，超高速和超高精度加工技术装备与复合、多功能、多轴化控制设备等深受欢迎。
据专家分析，机床装备的高速和超高速加
工技术的关键是提高机床的主轴转速和进给速度。
该届博览会上展出的加工中心，主轴转速10000～20000r/min，最高进给速度可达20～60m/min；
复合、多功能、多轴化控制装备的前景亦被看好。
在零部件一体化程度不断提高、数量减少的同时，加工的形状却日益复杂。
多轴化控制的机床装备适合加工形状复杂的工件。
另外，产品周期的缩短也要求加工机床能够随时调整和适应新的变化，满足各种各样产品的加工需求。
然而更关键的是现代通信技术在机床装备中的应用，信息通信技术的引进使得现代机床的自动化程度进一步提高，操作者可以通过网络或手机对机床的程序进行远程修改，对运转状况进行监控并积累有关数据；
通过网络对远程的设备进行维修和检查、提供售后服务等。
在这些方面我国组合机床装备还有相当大的差距，因此我国组合机床技术装备高速度、高精度、柔性化、模块化、可调可变、任意加工性以及通信技术的应用将是今后的发展方。
1.3本课题研究目标、基本内容及特色
（1）研究的目标：
设计基于PLC的双面铣削组合机床控制系统，用于对铸件、钢件及有色金属件的大平面铣削。
从而把机械加工设备的功能、效率、柔性提高到一个新的水平。
（2）基本内容：
根据各设备控制要求，进行系统总体控制方案设计。
铣削机床液压系统设计，继电器-接触器控制设计。
PLC的电路设计：
包括系统硬件配置图、I/O分配表。
PLC控制程序设计与说明：
控制梯形图、液压泵电动机控制、左右动力头电动机控制、左右机滑台自动循环进给。
（3）特色和创新之处：
若采用可编程控制器（PLC）来构成其电气控制系统，则电气系统具有体积小、维修量少、工作可靠、操作简单并能适应控制要求等优点。
第二章双面铣削组合机床的介绍
2.1组合机床的特点
常采用多刀（多轴）、多面、多工位同时进行钻、扩、铰、镗、铣等加工工件，并且具有自动化循环的功能，在机械制造业的成批和大量生产中得到了广泛的应用。
组合机床通常是具有一定功能的通用部件（如动力部件、支撑部件、输送部件等）和加工专用部件（如夹具、多轴箱等）组成，其中动力部件是组合机床通用部件中最主要的一类部件。
常用的动力部件有动力头和动力滑台，在动力头上只安装多轴箱，而滑台上还可以安装由各种切削头组成的动力头，因此动力滑台比动力头通用性更强。
动力部件常采用电动机驱动或液压系统驱动，由电气控制系统实现工作自动循环的控制，是典型的机电或机电一体化的自动化加工设备。
2.2双面铣削组合机床的结构组成
两个动力滑台对面布置并安装在底座上，左、右铣削动力头固定在滑台上，中间的铣削工作台是用以完成铣削的通用进给动力部件，与铣削头配套，再配以各种夹具，选择合理的刀具和切削参数即可进行平面铣削。
如图2-1所示。
如图2-1结构示意图
2.3双面铣削组合机床控制过程
双面铣削组合机床的控制过程是典型的顺序控制，铣削工作滑台及左右动力滑台的工作循环如图2-2所示。
工作时，先将工件装入夹具定位，夹紧后，按下起动按钮，机床工作的自动循环过程开始。
首先两面动力滑台同时快进，此时刀具电动机也起动工作，滑台至行程终端停下；
为了更好地控制加工尺寸，应该在终点设置挡铁，接着工件工作台快进、工进；
铣削完毕后，左、右动力滑台快速退回原位，到达原位后刀具电动机停止转动；
铣削工作台快速退回原位；
最后松开夹具并取出工件，一次加工循环结束。
图2-2工作循环图
组合机床由大量的通用部件和少量专用部件组成的工序集中的高效率专用机床。
它能够对一种（或几种）零件进行多刀、多轴、多面、多工位加工。
在组合机床上可以完成钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻丝、车削、铣削、磨削及滚压等工序，生产效率高，加工质量
稳定
根据上述所述组合机床的优点，本次设计分为两大部分
第一部分：
液压传动控制设计；
第二部分：
电气控制设计；
第三章双面铣削组合机床液压系统设计
3.1液压传动简述
用液体作为工作介质来实现能量传递的传动方式称为液体传动。
液体传动按其工作原理的不同可分为两类。
主要以液体动能进行工作的称为液力传动；
主要以液体压力能进行工作的称为液压传动。
液压传动系统的组成：
（1）动力装置是将原动机输出地机械能转换成液体压力能地元件，其作用是向液压系统提供压力油，液压泵是液压系统的心脏
（2）执行装置把液体压力能转换成机械能，执行元件包括液压缸和液压马达。
（3）控制装置包括压力阀、方向阀、流量阀等，是对系统中油液压力、流量、方向等进行控制和调节的元件。
（4）辅助装置上述三个组成部分以为的其他元件，如管道、管接头、油箱、滤油器等。
（5）工作介质即传动液体，通常称为液压油。
液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式液压传动更容易实现其运动参数（流量）和动力参数（压力）的控制，而液压传动较之液力传动具有良好的低速负荷特性。
由于具有传递效率高，可进行恒功率输出控制，功率利用充分，系统结构简单，输出转速无级调速，可正、反向运转，速度刚性大，动作实现容易等突出优点，液压传动在工程机械中得到了广泛的应用。
几乎所有工程机械设备都能见到液压技术的踪迹，其中不少已成为主要的传动和控制方式。
与纯机械和液力相比，液压传动的主要优点是调节的便捷和布局的灵活性，传动系统都能发挥出较大的牵引力，而且传动系统在很宽的输出转速范围内仍能保持较高的效率，并能方便地获得各种优化的动力传动特性，以适应各种作业的负荷状态。
现在随着科技的技术的发展，借助电子技术与液压技术的结合，可以很方便地实现对液压系统的各种调节和控制。
而计算机控制的引入和各类传感元件的应用，更极大地扩展了液压元件的工作范围。
电子技术在信号处理的能力和速度方面占有很大的优势，而液压与电力传动在各自功率元件的特性方面各有所长。
因此，除了现在已普遍存在的“电子神经+液压肌肉”这种
模式外，两者在功率流的复合传输方面也有许多成功的实例，如：
由变频或直流调速电机和高效、低脉动的定量液压泵构成的可变量液压油源，用集成安装的电动泵—液压缸或低速大扭矩液压马达构成的电动液压执行单元，以及混合动力驱动系统等。
随着液压技术的发展，液压伺服系统在工业中越来越广泛，对液压技术提出了更高的要求。
3.2左右液压动力滑台液压系统具体工作
左右液压动力滑台液压系统具体工作如下：
压力油经过电磁阀YV3左位（需要YA4得电）→左滑台液压缸左腔→左动力头快进；
压力油经过电磁阀YV3右位（需要YA5得电）→左滑台液压缸右腔→左动力头快退；
压力油经过电磁阀YV4右位（需要YA7得电）→右滑台液压缸右腔→左动力头快进；
压力油经过电磁阀YV4左位（需要YA6得电）→右滑台液压缸左腔→左动力头快退。
3.3工件工作台的液压系统具体工作
工件工作台的液压系统具体工作如下：
压力油经过电磁换向阀YV1左位（需要YA1得电）→工件台滑台液压缸上腔→下腔
液压油→经过电磁换向阀YV1左位→经过电磁换向阀YV2左位（需要YA3得电）→流入工作台液压缸左腔→快进；
压油经过电磁换向阀YV1左位（需要YA1得电）→工件台滑台液压缸上腔→下腔液压油→经过电磁换向阀YV1左位→节流阀→液压缸→工进；
压力油经过电磁换向阀YV1右位（需要YA2得电）→工件台滑台液压缸下腔→上腔液压油→经过电磁换向阀YV1右位→液压缸→快退。
各工步电气动作见表3-1
表3-1电气动作表
工步
电磁换向阀线圈通电状态
转换开关
YA1
YA2
YA3
YA4
YA5
YA6
YA7
左、右滑台快进
+
SB6
工作台快进
SQ5、SQ7
工作台工进
SQ2
左、右滑台快退
SQ3
工作台快退
SQ4、SQ6
停止
SQ1
备注
铣削工作台
左机滑台
右机滑台
3.4液压系统原理图
根据上述控制要求设计液压系统原理图，如图3—1所示
图3-1液压系统原理图
第四章双面铣削组合机床继电器-接触器控制电路设计
4.1电气控制简述
电气控制技术是随着科学技术的发展和对生产工艺不断提出新要求而迅速发展起来的。
回顾电气控制技术的发展历程，它已经从手动控制发展到自动控制、从断续控制发展到连续控制、从有触电的硬件控制发展到以微处理器为核心的软件控制。
随着新的控制理论、新型电器及新型器件的出现，电气控制技术仍将继续发展。
在生产机械电力拖动的早期，主要采用电气控制线路比较简单的集中拖动方式，即一台电动机拖动多台生产设备。
后来随着生产机械功能的增多，其机械结构越来越复杂，为简化传动机构也就随之出现了分散拖动方式，即各个传动机构分别由不同的电动机拖动，使电气控制电路复杂化。
对于以开关量控制为主的断续控制方式，普遍采用由低压电器组成的继电器-接触器控制系统。
这种控制系统的缺点是往往需要在多种低压电器之间进行复杂的硬件接线，才能实现某一固定的逻辑功能。
若想改变其控制功能就必须改变继电器控制电路的硬件接线，显然这样的控制电路使用起来不灵活、触点易损坏、可靠性差。
从上世纪中叶开始，企业为了提高生产效率而寻求另外一种全新的控制方式。
设想有这样一种控制装置，它既具有计算机控制的功能性、灵活性、通用性，又具有继电器-接触器控制方式的简单性、操作方便性、价廉性，这就是可编程序控制器，它的出现开创了以微电子技术为核心的数字化电气控制技术的新局面，它用软件手段来实现各种控制功能，这一全新的技术很快得到了飞速的发展。
现在的可编程序控制器不仅具有逻辑控制功能，而且还增加了数据运算、传送与处理功能，成为具备计算机功能的一种通用工业自动控制装置。
目前在国际上，可编程序控制器已作为一种标准化通用设备普遍应用于工业控制领域。
上世纪中叶，电气控制领域进行了一场重要的技术变革，即原来只能用于恒速传动的交流电动机实现了速度控制，而引发这一技术变革的导火线就是变频器。
近20年的时间内，变频器经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT器件到采用IGBT器件两个大的发展进程。
目前从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调传动，几乎都可采用交流调速传动。
当前，机械制造业发展的一个明显趋势是越来越广泛地应用数控技术。
普通机械逐渐被数控机械所代替，数控机床则是数控机械的典型代表。
步进电机、伺服电机及其驱动控
制系统在数控机床等现代机电设备中得到了广泛的应用。
随着信息时代的到来，电气控制技术相继出现了直接数字控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统等高新技术，这些高新技术将电气控制技术推进到了更高的水平。
综上所述，电气控制技术的发展总是和社会生产力的发展状况息息相关的。
社会生产规模的扩大、生产水平的提高要求电气控制技术不断地发展创新，而电气控制技术的进步又促进了社会生产力的发展。
4.2电气控制的设计及要求
（1）根据拖动要求设计主电路。
在绘制主电路时，可考虑以下几个方面：
①每台电动机的控制方式，应根据其容量及拖动负载其启动要求，选择适当的启动路线。
对于容量小、启动负载不大的电动机，可采用直接启动，对于大容量电动机应采用降压启动。
②根据运动要求决定转向控制。
③根据每台电动机的工作制，决定是否需要设置过载保护或过流控制措施。
④根据拖动负载及工艺要求决定停车时是否需要制动控制，并决定采用何种控制方式。
⑤设置短路保护及其他必要的电气保护。
⑥考虑其他特殊要求如调速要求、主电路参数测量、信号检测等。
（2）根据主电路的控制要求设计控制电路：
①正确选择控制电路的大小。
②根据每台电动机的启动、运行、调速、制动及保护要求，依次绘制各控制环节。
③设置必要的联锁。
④设置短路保护以及位置保护、电压保护、电流保护和各种物理量保护。
⑤根据拖动要求，设计特殊要求控制环节，如自动抬刀、变速与自动循环、工艺参数测量等控制。
⑥按需要设置应急操作。
（3）根据照明、指示、报警等要求设计辅助电路。
（4）总体检查、修改、补充及完善。
主要包括：
①校核各种控制是否满足要求，是否有矛盾或遗漏。
②检查接触器、继电器、主令电路的触点使用是否合理，是否超过电器元件允许的数量。
③检查联锁要求能否实现。
④检查各种保护能否实现。
⑤检查发生误操作所引起的后果与防范措施。
（5）进行必要的参数计算。
（6）正确、合理地选择各电器元件，按规定格式编制元件目录表。
电气控制设计可选用传统的继电器-接触器控制设计和现代的PLC控制的设计。
传统的继电器-接触器控制具有控制原理简单，便于理解，价格比较便宜，大功率的电器也能用等优点；
但接线复杂，故障率较高，可靠性较差。
现代的PLC控制具有可靠性高，抗干扰能力强，系统组合灵活方便，编程语言简单易懂，对生产工艺适应性强等优点；
但成本较高，不适合小型连续工作控制。
4.3电气控制的结构及保护
双面铣削组合机床配置有三台三相交流异步电动机，其中M1为液压泵电动机，要首先直接起动，液压系统供油正常后，其他控制电路才能通电工作；
M2、M3分别为左机和右机的刀具电动机，刀具电动机在滑台进给循环开始后起动，滑台退回原位时停机。
如图附录1和附录2所示。
主电路中，M1、M2、M3三台电动机均为直接起动、单向旋转，分别由交流接触器KM1、KM2、KM3的主触点控制其定子绕组的通电与断电。
FR1～FR3分别对三台电动进行过载保护，FUI～FU3分别对三台电动机进行短路保护。
控制电路所需交、直流电源分别由控制变压器TC二次绕组提供，短路保护分别由FU5、FU6来实现。
控制电路包含交流电路部分和直流电路部分，交流电路部分用于对三台电动机进行控制，直流电路部分用于对液压系统进行控制。
如表4-1所示。
表4-1电气元件及功能说明
电气元件
名称及用途
M1
液压泵电动机
FR1～FR3
电动机热继电器
M2、M3
左、右机刀具电动机
VC
整流器
KM1
液压泵电动机起动接触
YA1～YA7
电磁换向阀的电磁铁
KM2、KM3
左、右刀具电动机起动接触器
KA1～KA10
中间继电器
SQ1～SQ3
铣削工作台行程开关
SB1
总停开关
SQ4、SQ5
右机滑台行程开关
SB2
液压泵电动机起动开关
SQ6、SQ7
左机滑台行程开关
SB3、SB4
刀具电动机起、停按钮
SA1、SA2
电动机摘除选择开关
SB5、SB6
液压系统循环工作起、停按钮
SA3
工作台工作方式选择开关
SB7～SB12
滑台和工作台点动与复位按钮
SA4、SA5
左、右机滑台摘除选择开关
FU1～FU6
熔断器
SA6、SA7
左、右工作台工作方式选择开关
TC
控制变压器
4.4继电器-接触器控制电路设计与分析
1、交流控制电路
交流控制电路，如附录1所示，其中SB1为总停按钮，SB2为液压泵电动机起动按钮。
按下按钮SB2时，液压泵电动机的控制接触器KM1得电，其主触点闭合，M1起动；
KM1辅助动合触点闭合，接通动力头电动机和液压系统的控制电路，满足机床进入加工工作循环的条件。
左机刀具电动机M2和右机刀具电动机M3在加工自动循环过程中，由中间继电器及行程开关控制起停；
在调整时，由按钮SB3、SB4手动控制起停；
选择开关SA1、SA2将刀具电动机M2、M3从工作循环中摘除，这样便于运动部件分别调整。
2、直流控制电路
直流控制电路主要用于控制液压系统中的电磁换向阀工作，实现运动的自动的自动循环，如附录2所示。
直流电路包括铣削工作台控制、左机滑台控制及右机滑台控制三部分，可实现整机自动循环、单机半自动自动循环和点动调整与复位控制。
图为组合机床自动循环工作控制流程图。
开始全自动触点闭合工作循环时，要求接触器KM1的辅助动合（液压泵已起动）；
左、右机滑台在原位并分别压下原位行程开关SQ6、SQ4；
铣削工作台在原位并压下行程开关SQ1，以上条件满足时，按下起动循环的按钮SB6，即可开始自动加工工作循环过程，按钮SB5可终止循环，自动工作循环的全过程如下：
（1）自动工作循环控制
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