斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)銑鉆組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)及電氣控制部分設(shè)計(jì)

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計(jì)，PLC的硬件與軟件的設(shè)計(jì)以及操作面板的設(shè)計(jì)。使用組合機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)，可以 大幅度的提高生產(chǎn)效率，從而降低生產(chǎn)成本，這正是零件的生產(chǎn)廠家所迫切需要的。 通過(guò)控制方案的選用，選擇PLC控制來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸、夾具、滑臺(tái)之間的調(diào)整 和整機(jī)循環(huán)動(dòng)作控制。 斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)銑鉆組合機(jī)床是對(duì)斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行特定加工的一種高效率、自 動(dòng)化的專(zhuān)用加工設(shè)備。原來(lái)的加工專(zhuān)用機(jī)床是由大量的繼電器控制，可靠性低，容 易產(chǎn)生誤動(dòng)作，故障不易檢查，維修頻繁，噪聲大且耗能，越來(lái)越滿(mǎn)足不了生產(chǎn)需 要。同時(shí)可編程序控制器(PLC)作為一種新型的工業(yè)自動(dòng)化裝置已在工業(yè)控制各個(gè) 領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，具有體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、可靠性高、靈活通用、易于編程、 維修及使用方便等特點(diǎn)。將PLC技術(shù)應(yīng)用于轉(zhuǎn)向節(jié)加工專(zhuān)用機(jī)床，使該機(jī)床實(shí)現(xiàn)了 除裝卸工件以外的全部自動(dòng)循環(huán)過(guò)程，避免了過(guò)去由于大量使用繼電器帶來(lái)的種種 缺點(diǎn)，改善并提高了控制性能，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。 PLC控制電路相對(duì)于繼電器控制電路的優(yōu)點(diǎn)如下： (a)控制方式上看：電器控制硬接線，邏輯一旦確定，要改變邏輯或增加功能 很是困難；而PLC軟接線，只需改變控制程序就可輕易改變邏輯或增加功能。 (b)工作方式上看：電器控制并行工作，而PLC串行工作，不受制約。 (c)控制速度上看：電器控制速度慢，觸點(diǎn)易抖動(dòng)；而PLC通過(guò)半導(dǎo)體來(lái)控制， 速度很快，無(wú)觸點(diǎn)，故而無(wú)抖動(dòng)一說(shuō)。 (d)定時(shí)、記數(shù)看：電器控制定時(shí)精度不高，容易受環(huán)境溫度變化影響，且無(wú) 記數(shù)功能；PLC時(shí)鐘脈沖由晶振產(chǎn)生，精度高，定時(shí)范圍寬；有記數(shù)功能。 (e)可靠、維護(hù)看：電器控制觸點(diǎn)多，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損和電弧燒傷，接線也多， 可靠性、維護(hù)性能差；PLC無(wú)觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，且有自我診斷功能，對(duì)程序執(zhí)行的監(jiān) 控功能，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)方便。 因此在工業(yè)控制領(lǐng)域，隨著電力電子技術(shù)、可編程序控制器與變頻技術(shù)的發(fā)展， 以PLC控制為核心的電控技術(shù)在各類(lèi)機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用越來(lái)越廣，它將逐漸取代傳 統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，上升為交流電氣控制的主流。隨著PLC的廣泛應(yīng)用和機(jī)床電 控技術(shù)的不斷發(fā)展，利用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)組合機(jī)床的自動(dòng)控制，這將是未來(lái)的發(fā)展方向。 斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)銑鉆組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)及電氣控制部分設(shè)計(jì) 2 1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)是重型汽車(chē)的關(guān)鍵零件之一，為安全件，它既支撐車(chē)體重量，又 傳遞轉(zhuǎn)向力矩并承受前輪剎車(chē)制動(dòng)力矩，因此對(duì)其機(jī)械性能和外形結(jié)構(gòu)要求非常嚴(yán) 格，制造難度較大。目前,國(guó)內(nèi)外汽車(chē)行業(yè)廣泛采用CAD/CAE/CAM技術(shù)進(jìn)行汽車(chē)轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),大大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和制造周期,提高了產(chǎn)品的質(zhì)量,降低了 生產(chǎn)成本。 組合機(jī)床是以通用部件為基礎(chǔ)，配以少量專(zhuān)用部件，對(duì)一種或若干種工件按預(yù) 先確定的工序進(jìn)行加工的機(jī)床。配以按工件特定形狀和加工工藝設(shè)計(jì)的專(zhuān)用部件和 夾具，組成的半自動(dòng)或自動(dòng)專(zhuān)用機(jī)床。組合機(jī)床一般采用多軸、多刀、多工序、多 面或多工位同時(shí)加工的方式，生產(chǎn)效率比通用機(jī)床高幾倍至幾十倍。由于通用部件 已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，可根據(jù)需要靈活配置，能縮短設(shè)計(jì)和制造周期。因此，組合 機(jī)床兼有低成本和高效率的優(yōu)點(diǎn)，在大批、大量生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，并可用以組 成自動(dòng)生產(chǎn)線。 組合機(jī)床一般用于加工箱體類(lèi)或特殊形狀的零件。加工時(shí)，工件 一般不旋轉(zhuǎn)，由刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和刀具與工件的相對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆孔、擴(kuò)孔、 锪孔、鉸孔、鏜孔、銑削平面、切削內(nèi)外螺紋以及加工外圓和端面等。有的組合機(jī) 床采用車(chē)削頭夾持工件使之旋轉(zhuǎn)，由刀具作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，也可實(shí)現(xiàn)某些回轉(zhuǎn)體類(lèi)零件 (如飛輪、汽車(chē)后橋半軸等)的外圓和端面加工。 組合機(jī)床將更多的采用調(diào)速電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠等傳動(dòng)，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、縮短生產(chǎn) 節(jié)拍；采用數(shù)字控制系統(tǒng)和主軸箱、夾具自動(dòng)更換系統(tǒng)，以提高工藝可調(diào)性；以及 納入柔性制造系統(tǒng)等。PLC在在組合機(jī)床上的應(yīng)用現(xiàn)狀表明，在改造或研發(fā)組合機(jī) 床自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，PLC取代了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，是首選的控制器。隨著微 電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，PLC不斷地采用新技術(shù)以及不斷增 強(qiáng)系統(tǒng)的開(kāi)放性，其技術(shù)和產(chǎn)品日趨完善。目前，組合機(jī)床正朝著數(shù)控組合機(jī)床方 向發(fā)展，在加快我國(guó)裝備制造業(yè)的發(fā)展中將有廣闊的應(yīng)用空間。 綜合國(guó)內(nèi)外特別是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家及國(guó)內(nèi)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，其發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方 面: （1）可編程控制技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化。 （2）大型計(jì)算機(jī)特點(diǎn)的集成。 （3）系統(tǒng)的開(kāi)放性和兼容性。 （4）通用性和專(zhuān)業(yè)化的結(jié)合。 （5）可編程控制技術(shù)的智能化。 1.3 設(shè)計(jì)的思路及解決的主要問(wèn)題 本課題是斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)銑鉆組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)及電氣控制部分設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的總體要求，通過(guò)總體方案的選用，將選擇PLC實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸、夾具、滑臺(tái)的 調(diào)整和整機(jī)循環(huán)動(dòng)作控制，解決以下問(wèn)題： 1.確定機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 3 2.根據(jù)機(jī)床的總體電氣控制要求，繪制機(jī)床聯(lián)系尺寸總圖。 3.按照儀表面板要求，進(jìn)行操縱臺(tái)面板的設(shè)計(jì)。 4.進(jìn)行主電路設(shè)計(jì)，繪制控制系統(tǒng)的電路圖。 5.選定PLC的型號(hào)，分配輸入/輸出點(diǎn)，繪制輸入/輸出端子接線圖。 預(yù)期效果 6.進(jìn)行PLC編程，編制機(jī)床主軸、滑臺(tái)、夾具的調(diào)整和整機(jī)循環(huán)的動(dòng)作程序。 （1）機(jī)床整體布局要合理、美觀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便，便于維修； （2）機(jī)床應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，控制動(dòng)作要準(zhǔn)確、可靠； （3）機(jī)床各動(dòng)力部件用電氣控制； （4）組合機(jī)床結(jié)構(gòu)合理，符合工作現(xiàn)場(chǎng)的需要，更易于操作和使用； （5）用PLC對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)滑臺(tái)快進(jìn)、工進(jìn)、快退等一系列動(dòng)作。 斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)銑鉆組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)及電氣控制部分設(shè)計(jì) 4 2 機(jī)床總體方案設(shè)計(jì) 該機(jī)床是可用于銑端面、鉆中心孔的組合機(jī)床,其加工循環(huán)包括人工上料液 壓夾緊工件快進(jìn)移至加工位置工進(jìn)加工或多工位加工快退至原位液壓松開(kāi) 工件下料,分別能實(shí)現(xiàn)調(diào)整、單循環(huán)、總循環(huán)三種工作方式。由PLC接受各端口信 號(hào)，自動(dòng)運(yùn)算，保證機(jī)床的各操作正常有序。 根據(jù)加工需要以及滿(mǎn)足零件加工的各項(xiàng)工藝要求，對(duì)機(jī)床的操作臺(tái)進(jìn)行按鈕設(shè) 計(jì)以及按鈕之間的布置。并且減少按鈕的使用量。 機(jī)床的主要功能包括可手動(dòng)調(diào)整各工作臺(tái)的位置，主軸的運(yùn)作，滑臺(tái)的點(diǎn)動(dòng)， 液壓泵的運(yùn)作，夾具的夾緊及松開(kāi)輔助支承的上下；以及可以單循環(huán)，總循環(huán)加工 零件并添加滑臺(tái)復(fù)位功能使機(jī)床能快速?gòu)?fù)位，節(jié)約時(shí)間，提高效率；為保證安全也 提供急停功能使機(jī)床能迅速停止動(dòng)作，保證安全運(yùn)行。其各功能使用方式及目的安 排如下： (a)調(diào)整工作方式需要人為按下操作面板上的按鈕，進(jìn)行對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，對(duì) 被控制對(duì)象進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)調(diào)整，達(dá)到操作者的操作要求，是循環(huán)工作方式的輔助方式。 (b)單循環(huán)工作方式就是PLC要對(duì)工件單工位循環(huán)加工進(jìn)行控制，此運(yùn)行方式特 點(diǎn)是可以根據(jù)生產(chǎn)需要，選擇特定被控制對(duì)象進(jìn)行PLC控制，靈活、可靠。 (c)總循環(huán)工作方式總循環(huán)是控制系統(tǒng)的主要運(yùn)行方式。該運(yùn)行方式的主要特 點(diǎn)是在系統(tǒng)工作過(guò)程中，系統(tǒng)按照給定的程序自動(dòng)完成被控對(duì)象的動(dòng)作，不需要人 工干預(yù)(除了人工上料和人工下料)。 (e)滑臺(tái)復(fù)位按鈕可以自動(dòng)使工件滑臺(tái)、左鏜頭滑臺(tái)、右鏜頭滑臺(tái)、自動(dòng)回到 原位，等待操作。 (f)急停按鈕在緊急狀態(tài)下按下，使PLC電路各輸出端停止輸出，機(jī)床停止運(yùn)作。 2.1 工藝方案的擬定 工藝方案的擬定是組合機(jī)床設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步。因?yàn)楣に嚪桨冈诤艽蟪潭壬蠜Q定 了組合機(jī)床的結(jié)構(gòu)配置和使用性能。因此，應(yīng)根據(jù)工件的加工要求和特點(diǎn)，按一定 的原則，結(jié)合組合機(jī)床常用的工藝方法，充分考慮各種影響因素，并技術(shù)分析后擬 訂出先進(jìn)、合理、經(jīng)濟(jì)、可靠的工藝方案。 A.確定組合機(jī)床工藝方案的基本原則 粗精加工分開(kāi)原則 a.粗加工的切削負(fù)荷較大，切削產(chǎn)生的熱變形、較大夾緊力引起的工件變形以 及切削振動(dòng)等，對(duì)精加工工序十分不利，影響加工尺寸精度和表面粗糙度。因此， 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 5 在擬訂工件一個(gè)連續(xù)的多工序工序工藝過(guò)程時(shí)，應(yīng)選擇粗精加工工序分開(kāi)的原則。 b.工序集中原則 工序集中是近代機(jī)械加工主要發(fā)展方向之一。組合機(jī)床正是基于這一原則 發(fā)展而來(lái)，即運(yùn)用多刀（相同或不同刀具）集中在一臺(tái)機(jī)床上完成一個(gè)或幾個(gè)工件 的不同表面的復(fù)雜工藝過(guò)程，從而有效地提高生產(chǎn)效率。因此，擬訂工藝方案時(shí)， 在保證加工質(zhì)量和操作維修方便的前提下，應(yīng)適當(dāng)提高工序集中程度，以便減少機(jī) 床臺(tái)數(shù)、占地面積和節(jié)省人力，取得理想的經(jīng)濟(jì)效益。但是，工序過(guò)于集中會(huì)使機(jī) 床結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，增加機(jī)床設(shè)計(jì)和制造的難度，機(jī)床使用調(diào)整不變，甚至影響機(jī)床 使用性能。如刀具數(shù)過(guò)多，停機(jī)率增加，反而會(huì)影響機(jī)床生產(chǎn)效率，切削負(fù)荷過(guò)大， 當(dāng)工件剛性不足而產(chǎn)生變形會(huì)影響加工質(zhì)量。因此須全面分析多方因素，合理決定 工序集中程度?？紤]的一般原則如下：適當(dāng)考慮相同類(lèi)型工序的集中。在條件許可 時(shí)，把相同工序集中在一臺(tái)機(jī)床或同一工位上加工，能簡(jiǎn)化循環(huán)和結(jié)構(gòu) ；有相對(duì) 位置精度要求的工序應(yīng)集中加工。 B.擬訂組合機(jī)床工藝方案的一般步驟如下。 a.分析、研究加工要求和現(xiàn)場(chǎng)工藝 在制定組合機(jī)床工藝方案時(shí)，首先要分析、研究被加工零件，如被加工零件的 用途及工藝特點(diǎn)，加工部位及其精度、表面粗糙度、技術(shù)要求及生產(chǎn)綱領(lǐng)。深入現(xiàn) 場(chǎng)調(diào)查分析零件的加工工藝方法，定位及加緊方式，所采用的設(shè)備刀具及切削用量， 生產(chǎn)率情況及工作條件等方面的現(xiàn)行工藝資料，以便制訂出切合實(shí)際的合理工藝方 案。 b.定位基準(zhǔn)和夾壓部位的選擇 組合機(jī)床一般為工序集中的多刀加工，不但切削負(fù)荷大，而且工件受力方向變 化。因此正確選擇定位基準(zhǔn)和夾壓部位是保證加工精度的重要條件。對(duì)于毛坯基準(zhǔn) 選擇要考慮有關(guān)工序加工余量的均勻性；對(duì)于光面定位基準(zhǔn)的選擇要考慮基面與加 工部位間位置尺寸關(guān)系，使它利于保證加工精度。定位夾壓部位的選擇應(yīng)在有足夠 的夾緊力下工件產(chǎn)生的變形最小，并且?jiàn)A具易于設(shè)置導(dǎo)向和通過(guò)刀具。 本機(jī)床所要的加工對(duì)象是為斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié),材料是42CrMo,硬度為HB269-314,加 工內(nèi)容為粗銑精銑端面，粗鏜兩中心孔。采用“兩面一銷(xiāo)”的定位方式。夾具為 液壓夾緊裝置,每次裝夾一件。 2.1.1 切削用量的確定及切削力、切削功率和切削扭矩的計(jì)算 A.確定切削用量 在組合機(jī)床工藝方案確定過(guò)程中，工藝方法和關(guān)鍵工序的切削用量選擇十分重 要。切削用量選擇是否合理，對(duì)組合機(jī)床的加工精度，機(jī)床的結(jié)構(gòu)型式及工作可靠 性均有較大的影響。 a.為了使加工過(guò)程順利進(jìn)行并穩(wěn)定保證加工精度要求，必須合理地確定工序間 的加工余量，生產(chǎn)中常用的組合機(jī)床銑削用量見(jiàn)參考文獻(xiàn)11 表6-16中銑削用量： 斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)銑鉆組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)及電氣控制部分設(shè)計(jì) 6 表 2-1 用硬質(zhì)合金端銑刀的銑削用量 加工材料 工序 銑削深度（mm） 銑削速度 v(mmin )1 每齒走刀量 f (mm/z)z 粗銑 2 60 0.242CrMo 精銑 1 90 0.1 b.鉆兩端中心孔的切削用量的選擇參考文獻(xiàn)11 表 6-15 中鏜孔切削用量： 表 2-2 用硬質(zhì)合金鏜刀的切削用量 加工材料 工序 孔深度（mm） 切削速度 v(mmin )1 每轉(zhuǎn)走刀量 (mm/r)fr 42CrMo 粗鏜 11 15 0.15 根據(jù)上表選擇銑削用，我們選擇這組工序加工余量，雖然與推進(jìn)的常用值有一 定的距離，但從整體考慮，諸如：每分鐘的進(jìn)給量、加工精度等，組合刀具的特性， 再調(diào)銑削刀具的幾何參數(shù)等，還是合理而可行的。 B. 計(jì)算切削力、切削扭矩及切削功率 根據(jù)選定的切削用量(主要指切削速度 v 及進(jìn)給量 f),確定切削力，作為選擇動(dòng) 力部件（滑臺(tái)）及夾具設(shè)計(jì)的依據(jù)；確定切削扭矩，用以確定主軸及其他傳動(dòng)件 （齒輪，傳動(dòng)軸等）的尺寸；確定切削功率，用以選擇動(dòng)力頭； 人們根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐及試驗(yàn)研究成果，已經(jīng)整理出不同材料刀具對(duì)不同材料工件 的進(jìn)行計(jì)算的方法，參見(jiàn)文獻(xiàn)11 表 6-20 中公式： 銑端面： 表 2-3 用硬質(zhì)合金端銑刀的銑削功率計(jì)算公式 刀具材料 工件材 料 銑削功率 P（kW） p= 31.0a 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 7 硬質(zhì)合金 端銑刀 42CrMo P= 6120 Apvf A=a apw v =a Znf n= D 10 式中，a兩個(gè)方向平均切削厚度（mm） ；p單位面積切削力（Nmm ） ；n2 轉(zhuǎn)速（rmin） ；A切削面積（mm ） ；v切削速度（m/min） ；f進(jìn)給量（mm/r） ；2 v 沒(méi)分鐘進(jìn)給量（mmmin ） ；a 每齒進(jìn)給量(mm/z)；ap切削深度（mm） ；f 1f D加工（或鉆頭）直徑（mm） ；Z刀具齒數(shù)；a 切削寬度（mm） 。w 將參數(shù)帶入計(jì)算得： 表2-4用硬質(zhì)合金端銑刀銑端面的主軸轉(zhuǎn)速及切削功率 加工材料 工序 主軸轉(zhuǎn)速 （r/min） n 切削功率(kW) P 粗銑 683 3.542CrMo 精銑 1024 4.0 銑削頭的選擇： （2-1） P主主 式中 為主軸箱的傳動(dòng)效率，加工黑色金屬時(shí)取0.80.9，加工有色金屬時(shí)取 0.70.8；主軸數(shù)多、傳動(dòng)復(fù)雜時(shí)取小值，反之取大值。本課題中被加工零件材料 為42CrMo，故取 =0.8 ，由粗銑功率P1 =3.5kW，精銑功率P2 =4.0kW。 所以式中P切削 =4.0kW。 代入公式（1）計(jì)算得P主 =5.0kW。 由P主 =5.0kW，查參考文獻(xiàn)11表5-13選用1TX40型銑削頭。其功率為5.5kW. 鉆中心孔： 斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)銑鉆組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)及電氣控制部分設(shè)計(jì) 8 查參考文獻(xiàn)11表6-20得相關(guān)計(jì)算公式如下表， 表2-5 硬質(zhì)合金鏜刀的切削力 切削功率 切削扭矩計(jì)算公式 刀具材料 工件材料 切削力 (N) 切削扭矩 (Nmm) 切削功率 (kW) 硬質(zhì)合金 42CrMo bDfF75.0.3bfDT7.082.16DTvP940 將參數(shù)帶入計(jì)算得： 表 2-6 硬質(zhì)合金鏜刀的切削力 切削功率 切削扭矩計(jì)算結(jié)果 刀具材料 工件材料 切削力 (N) 切削扭矩 (Nmm) 切削功率 (kW) 硬質(zhì)合金 42CrMo 33930 387045 6.0 鏜削頭的選擇： 本機(jī)床中左右鉆孔采用相同的鏜削頭。 由切削功率 P= 6.0kW,。 代入公式（2-1）計(jì)算得P主 =7.5kW。 由P主 =7.5kW，查參考文獻(xiàn)11表5-13選用1TA40型鏜削頭。 綜上所得機(jī)床動(dòng)力頭的選擇如下表： 表2-7 動(dòng)力頭型號(hào) 動(dòng)力頭 型號(hào) 功率(kW) 銑削頭 1TX40 5.5 左鏜削頭 1TA40 7.5 右鏜削頭 1TA40 7.5 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 9 C.動(dòng)力滑臺(tái)和工件滑臺(tái)的選擇。 左右鏜削頭動(dòng)力滑臺(tái)的選擇： 由左右鏜削頭選用1TA40型鏜削頭，切削力 F=33930N，根據(jù)滑臺(tái)最大進(jìn)給力， 查參考文獻(xiàn)11表5-1選用液壓滑臺(tái)1HY63IB及其配套側(cè)底座1CC632。中間底座長(zhǎng) 1880mm，高500mm，寬560mm； 工件滑臺(tái)的選擇： 根據(jù)銑削及鏜孔過(guò)程中的最大進(jìn)給力，查參考文獻(xiàn)11表5-1選用液壓滑臺(tái) 1HY63IB作為工件滑臺(tái)。具體參數(shù)見(jiàn)表2-7。注：1.最大進(jìn)給力在滑臺(tái)中心線上距臺(tái) 面高= (臺(tái)面寬) 1/2處所能保證的進(jìn)給力。 機(jī)床的電機(jī)的選用，如下：液壓站電機(jī)Y112M-6，2.2kW,5.61A。 冷卻泵電機(jī)Y801-2,0.75kW,1.81A。 沖屑泵電機(jī)Y801-2,0.75kW,1.81A。 磁排屑電機(jī)Y801-2,0.75kW,1.81A。 行程開(kāi)關(guān)SQ1-SQ10選用的是LX0-001型行程開(kāi)關(guān)。 行程開(kāi)關(guān)之間定位距離如下：（單位mm） 表 2-8 液壓滑臺(tái)型號(hào)及其主要技術(shù)性能指標(biāo) 主要性 能 滑臺(tái)型號(hào) 臺(tái)面寬度 (mm) 臺(tái)面長(zhǎng)度 (mm) 行程 (mm) 最大進(jìn)給 力 (N) 工進(jìn)速度 （mm/min） 快速移動(dòng)速 度 （mm/min） 1HY63IB 630 1250 630 50000 6.5250 5 SQ1和SQ10之間為190； SQ9和SQ10之間為180； SQ1和SQ9之間為10； SQ10和SQ2之間為440； SQ3和SQ4之間為22； SQ5和SQ6之間為22； 2.1.2 機(jī)床結(jié)構(gòu)形式的確定 機(jī)床的配置型式主要有臥式和立式兩種。臥式組合機(jī)床床身由滑座、側(cè)底座及 中間底座組合而成。其優(yōu)點(diǎn)是加工和裝配工藝性好，無(wú)漏油現(xiàn)象；同時(shí)，安裝、調(diào) 試與運(yùn)輸也都比較方便；而且，機(jī)床重心較低，有利于減小振動(dòng)。其缺點(diǎn)是削弱了 床身的剛性，占地面積大。立式組合機(jī)床床身由滑座、立柱及立柱底座組成。其優(yōu) 點(diǎn)是占地面積小，自由度大，操作方便。其缺點(diǎn)是機(jī)床重心高，振動(dòng)大。 根據(jù)工作要求，選用臥式組合機(jī)床如圖2-1所示。 斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)銑鉆組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)及電氣控制部分設(shè)計(jì) 10 圖 2-1 臥式組合機(jī)床結(jié)構(gòu) 滑臺(tái)傳動(dòng)型式的選用：本組合機(jī)床采用的是液壓滑臺(tái)。與機(jī)械滑臺(tái)相比較，液 壓滑臺(tái)具有如下優(yōu)點(diǎn)：在相當(dāng)大的范圍內(nèi)進(jìn)給量可以無(wú)級(jí)調(diào)速；可以獲得較大的進(jìn) 給力；由于液壓驅(qū)動(dòng)，零件磨損小，使用壽命長(zhǎng)；工藝上要求多次進(jìn)給時(shí)，通過(guò)液 壓換向閥，很容易實(shí)現(xiàn)；過(guò)載保護(hù)簡(jiǎn)單可靠；由行程調(diào)速閥來(lái)控制滑臺(tái)的快進(jìn)轉(zhuǎn)工 進(jìn)，轉(zhuǎn)換精度高，工作可靠。但采用液壓滑臺(tái)也有其弊端，如：進(jìn)給量由于載荷的 變化和溫度的影響而不夠穩(wěn)定；液壓系統(tǒng)漏油影響工作環(huán)境，浪費(fèi)能源；調(diào)整維修 圖 2-2 立式組合機(jī)床結(jié)構(gòu) 比較麻煩。本課題的加工對(duì)象是轉(zhuǎn)向節(jié)端面及2個(gè)中心孔，位置精度和尺寸精度要 求較高，因此采用液壓滑臺(tái)。 本機(jī)床為雙面臥式雙工位結(jié)構(gòu),中間底座上安裝一臺(tái)液壓滑臺(tái),此滑臺(tái)用于安裝 夾具及工件，兩側(cè)各布置一側(cè)底座,右側(cè)底座上安裝一只1HY63IB液壓滑臺(tái),臺(tái)面布 置了一只1TA40鏜削頭，加工5孔,在對(duì)面左側(cè)底座上同樣安裝一只1HY63IB液壓滑 臺(tái),臺(tái)面同樣布置一只1TA40鏜削頭，加工另一端面的5孔。在左鏜削頭前430mm處 安裝一只1TX40銑削頭，加工端面。夾具布置于工件滑臺(tái)上。 本機(jī)床由中間底座側(cè)底座動(dòng)力滑臺(tái)工件滑臺(tái)液壓夾具銑削頭左右 鏜削頭電氣系統(tǒng)液壓站等組成。 滑臺(tái)前端帶不繡鋼防護(hù)及滑臺(tái)配合對(duì)導(dǎo)軌滑動(dòng)面采用貼塑工藝。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 11 機(jī)床潤(rùn)滑系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)集中潤(rùn)滑系統(tǒng),具有定時(shí)定量供油即缺油報(bào)警等 功能。 液壓站采用節(jié)能系統(tǒng)液壓控制元件選用國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品,油泵電機(jī)組采用優(yōu)質(zhì)臺(tái) 灣產(chǎn)品。 操作位置及工作位置設(shè)置采光燈,電器盒內(nèi)設(shè)置采光燈,以方便機(jī)床操作。 機(jī)床的操縱和運(yùn)轉(zhuǎn)方式:人工上下料,手動(dòng)操縱按鈕,自動(dòng)循環(huán).調(diào)整狀態(tài):各 功能能單獨(dú)啟動(dòng)和控制各相關(guān)部位;循環(huán)狀態(tài):人工上料液壓夾緊工件快進(jìn)移至 加工位置工進(jìn)加工或多工位加工快退至原位液壓松開(kāi)工件下料。 2.2.機(jī)床聯(lián)系尺寸總圖 機(jī)床聯(lián)系尺寸總圖是按照初步選定的主要通用部件以及確定的專(zhuān)用部件的總體 結(jié)構(gòu)而繪制的。它用來(lái)表示機(jī)床各組成部件的相互裝配聯(lián)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，可用以檢 驗(yàn)：機(jī)床各部件相對(duì)位置及尺寸聯(lián)系是否滿(mǎn)足加工要求；通用部件的選者是否適合； 并為進(jìn)一步設(shè)計(jì)主軸箱、夾具等專(zhuān)用部件提供依據(jù)。總聯(lián)系尺寸圖也可看成是簡(jiǎn)化 的機(jī)床總圖，表示機(jī)床的配置型式及總體布局。 A.繪制總聯(lián)系尺寸圖的有關(guān)要求： a. 以適當(dāng)數(shù)量的視圖（一般為主，左，右視圖）按同一比例畫(huà)出機(jī)床各主要 組成部件的外形輪廓及相關(guān)位置。主視圖的選擇應(yīng)與機(jī)床實(shí)際加工狀態(tài)一致。 b. 圖上應(yīng)盡量減少不必要的線條及尺寸。但反映各部件的聯(lián)系尺寸、專(zhuān)用部 件的主要輪廓尺寸、運(yùn)動(dòng)部件的極限位置及行程尺寸，必須完全齊整。至于各部件 的詳細(xì)結(jié)構(gòu)不必畫(huà)出，留在具體設(shè)計(jì)部件時(shí)完成。 c. 為便于開(kāi)展部件設(shè)計(jì)，聯(lián)系尺寸圖上應(yīng)標(biāo)注通用部件的規(guī)格代號(hào)，動(dòng)力頭 型號(hào)、功率及轉(zhuǎn)速，并注明機(jī)床部件的分組情況及總行程。 B.確定機(jī)床裝料高度H 裝料高度一般是指工件安裝基面至地面的垂直距離。在確定機(jī)床裝料高度時(shí)， 首先要考慮工人操作的方便性；對(duì)于流水線要考慮車(chē)間運(yùn)送工件的滾道高度； 對(duì)于自動(dòng)線要考慮中間底座的足夠高度，以便允許內(nèi)腔通過(guò)隨行夾具返回系統(tǒng) 或冷卻排屑系統(tǒng)。其次是機(jī)床內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸限制和剛度要求。如工件最低孔位置、 多軸箱的最低主軸高度和通用部件、中間底座及夾具底座基本尺寸的限制等。加工 中心線高1150mm，本組合機(jī)床總高1741mm，總長(zhǎng)3577mm，寬3600mm。機(jī)床裝料高度 H為925mm。 斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)銑鉆組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)及電氣控制部分設(shè)計(jì) 12 3 機(jī)床電氣控制部分的設(shè)計(jì) 31 機(jī)床的控制要求 機(jī)床的操作順序說(shuō)明如下： 合上空氣開(kāi)關(guān) -QF，按“總電源”按鈕，電源接通， “電源”指示燈亮，將 “液壓站 開(kāi)/?！毙o開(kāi)關(guān)-SA2打至“開(kāi)” ，可以進(jìn)行機(jī)床動(dòng)力頭、滑臺(tái)、夾具的 調(diào)整和整機(jī)循環(huán)。 機(jī)床調(diào)整部分控制要求： 將“循環(huán)/調(diào)整旋鈕開(kāi)關(guān)-SA1打至“調(diào)整” 。 a.按“銑頭高速”按鈕-SB1、 “銑頭低速”按鈕-SB2，可分別實(shí)現(xiàn)銑頭的高、 低速點(diǎn)動(dòng)。 b.按“左鏜頭電機(jī)”按鈕-SB3、 “右鏜頭電機(jī)”按鈕-SB4，可分別實(shí)現(xiàn)左、右 鏜頭的點(diǎn)動(dòng)。 c.按“滑臺(tái)前進(jìn)”按鈕-SB5、 “滑臺(tái)后退”按鈕-SB6,分別可實(shí)現(xiàn)工件移動(dòng)滑 臺(tái)的點(diǎn)動(dòng)前進(jìn)、后退。 d.按“左鏜頭前進(jìn)”按鈕-SB7、 “左鏜頭后退按鈕-SB8，分別可實(shí)現(xiàn)左鏜頭 移動(dòng)滑臺(tái)的點(diǎn)動(dòng)前進(jìn)、后退。 e.按“右鏜頭前進(jìn)”按鈕-SB9、 “右鏜頭后退按鈕-SB10，分別可實(shí)現(xiàn)右鏜頭 移動(dòng)滑臺(tái)的點(diǎn)動(dòng)前進(jìn)、后退。 f.按“夾緊缸夾緊”按鈕-SB11、 “夾緊缸松開(kāi)”按鈕-SB12，分別可實(shí)現(xiàn)夾緊 缸的點(diǎn)動(dòng)夾緊、松開(kāi)。 g.按“滑套缸鎖緊”按鈕-SB13、 “滑套缸松開(kāi)”按鈕-SB14，分別可實(shí)現(xiàn)滑套 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 13 缸的點(diǎn)動(dòng)鎖緊、松開(kāi)。 h.按“滑套伸出”按鈕-SB15、 “滑套縮回”按鈕-SB16，分別可實(shí)現(xiàn)滑套的伸 出、縮回。 機(jī)床循環(huán)部分控制要求： 將“循環(huán)調(diào)整”旋鈕開(kāi)關(guān)-SA1打至“循環(huán)” 。 a.滑臺(tái)處于原位時(shí)（-SQ1被壓合） ，上料，按“循環(huán)啟動(dòng)”按鈕-SB17，夾具 自定心夾緊。 b.夾緊后，壓力繼電器-SP4發(fā)訊，滑臺(tái)前進(jìn)，銑頭、冷卻泵、沖屑泵啟動(dòng)， 進(jìn)行工件加工。 c.銑削到位后，行程開(kāi)關(guān)-SQ10發(fā)訊，滑臺(tái)快退。 d.滑臺(tái)壓合行程開(kāi)關(guān)-SQ9，滑臺(tái)停，滑套鎖緊缸松開(kāi),松開(kāi)后，滑套伸出。 e.伸出到位后，接近開(kāi)關(guān)-SQ8及壓力繼電器-SP6發(fā)訊，滑套鎖緊缸鎖緊。 f.鎖緊后，壓力繼電器-SP5發(fā)訊，滑臺(tái)前進(jìn)，進(jìn)行工件加工。 g.滑臺(tái)壓合行程開(kāi)關(guān)-SQ10，銑頭停。 h.滑臺(tái)進(jìn)給到終位，行程開(kāi)關(guān)-SQ2及壓力繼電器-SP1發(fā)訊，兩鏜頭主軸啟動(dòng)， 兩鏜頭移動(dòng)滑臺(tái)前進(jìn)，鉆中心孔，同時(shí)銑頭滑套縮回。 i.加工結(jié)束后，行程開(kāi)關(guān)-SQ4、-SQ6及壓力繼電器-SQ2、-SP3發(fā)訊，兩鏜頭 移動(dòng)滑臺(tái)快退。 j.快退到位原位后，-SQ3、-SQ5發(fā)訊，兩鏜頭、冷卻泵、沖屑泵停，滑臺(tái)快 退。 k.滑臺(tái)快退到原位后，行程開(kāi)關(guān)-SQ1發(fā)訊，夾具松開(kāi)。 至此，完成一個(gè)工作循環(huán)。 3.2 機(jī)床控制方案的確定 機(jī)床分為三種工作方式，即調(diào)整單循環(huán)和總循環(huán)。 a調(diào)整工作方式。調(diào)整方式需要人為按下操作面板上的按鈕，進(jìn)行對(duì)設(shè)備進(jìn) 行調(diào)試，對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)調(diào)整，達(dá)到操作者的操作要求，是循環(huán)工作方式的 輔助方式。 b單循環(huán)工作方式。單循環(huán)方式就是PLC要對(duì)工件單工位循環(huán)加工進(jìn)行控制， 此運(yùn)行方式特點(diǎn)是可以根據(jù)生產(chǎn)需要，選擇特定被控制對(duì)象進(jìn)行PLC控制。靈活 可靠。 c總循環(huán)工作方式。總循環(huán)是控制系統(tǒng)的主要運(yùn)行方式。該運(yùn)行方式的主要 特點(diǎn)是在系統(tǒng)工作過(guò)程中，系統(tǒng)按照給定的程序自動(dòng)完成被控對(duì)象的動(dòng)作，不需要 人工干預(yù)（除了人工上料和人工下料） 。 根據(jù)機(jī)床的控制要求，選出以下三種控制方案。 方案一：可編程控制器（PLC）控制?？删幊炭刂破魇且环N數(shù)字運(yùn)算操作的電 子系統(tǒng)，專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí) 行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式和模 擬式的輸入和輸出，控制各種機(jī)械的生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備， 斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)銑鉆組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)及電氣控制部分設(shè)計(jì) 14 都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 PLC特點(diǎn)性能高，抗干擾能力強(qiáng)；編程簡(jiǎn)單易學(xué)；設(shè)計(jì)、安裝容易，調(diào)試周期 短，維護(hù)簡(jiǎn)單；模塊品種豐富，通用性好，功能強(qiáng)大；體積小，能耗低。 方案二：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制。單片機(jī)，亦稱(chēng)單片微電腦或單片微型計(jì)算機(jī)。它是把中 央處理器(CPU)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、輸入/輸出端口(I/O) 等主要計(jì)算機(jī)功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。這種微型計(jì)算 機(jī)因其制作在一塊芯片上而被稱(chēng)為單片機(jī)。單片機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn) 物。單片機(jī)具有性能高、速度快、體積小、價(jià)格低、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛、通用性 強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)。 單片機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要是增強(qiáng)“控制”能力，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制（就是快速反應(yīng)） 方面的需要。因此，它在硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、I/O端口、功率消耗及可靠性等方 面均有其獨(dú)特之處，其最顯著的特點(diǎn)之一就是具有非常有效的控制功能。因此，單 片機(jī)又常常被人稱(chēng)為微控制器（MCU或C） 。 方案三：繼電器控制。繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸 入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸出回路） ，通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上 是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)” 。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、 安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。 對(duì)以上三種方案進(jìn)行比較如下： 方案一與方案二比較，前者主要用于工業(yè)控制，適用于工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，控制強(qiáng) 電設(shè)備，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易學(xué)，價(jià)格便宜。 方案一與方案三比較。控制邏輯：前者體積小，連線少，控制靈活，易于擴(kuò)展， 后者接線較多，體積大，連線復(fù)雜，修改困難。控制速度：前者比后者動(dòng)作速度快， 不會(huì)出現(xiàn)觸點(diǎn)抖動(dòng)。限時(shí)控制：前者比后者精度高，受環(huán)境溫度影響小。設(shè)計(jì)與施 工：前者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，現(xiàn)場(chǎng)施工與程序設(shè)計(jì)可同時(shí)進(jìn)行，周期短，調(diào)試修改方便， 后者設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試必須按順序進(jìn)行，周期長(zhǎng)，修改困難。 綜上比較，方案一控制可靠，易維護(hù)，易擴(kuò)展，價(jià)格適中，設(shè)計(jì)與施工簡(jiǎn)單方 便，其最能滿(mǎn)足該機(jī)床完成滑臺(tái)、主軸和夾具之間的調(diào)整和整機(jī)循環(huán)的順序動(dòng)作。 因此，總體方案選用方案一控制，即PLC控制。 3.3機(jī)床主電路的設(shè)計(jì) 主電路分為電源保護(hù)、電源開(kāi)關(guān)、直流電源、變壓器保護(hù)、變壓器、工作燈、 指示燈、控制電源、總電源控制、伺服變壓器、左鏜頭電機(jī)、右鏜頭電機(jī)、銑頭電 機(jī)、液壓站電機(jī)、冷卻泵電機(jī)、磁排屑電機(jī)、液壓站電機(jī)、集中潤(rùn)滑裝置和熱 交換器等部分。 其中低壓繼電器QF1-QF17作用為電路的過(guò)載保護(hù)。繼電器KM11，KM12動(dòng)作，銑 頭電機(jī)M1啟動(dòng)，銑削動(dòng)力頭運(yùn)轉(zhuǎn)。繼電器KM2線圈得電，主觸頭閉合，左鏜頭電機(jī) M2得電，左鏜削頭轉(zhuǎn)。繼電器KM3線圈得電，主觸頭閉合，右鏜頭電機(jī)M3得電，右 鏜削頭轉(zhuǎn)。繼電器KM4線圈得電，主觸頭閉合，液壓站電機(jī)得電啟動(dòng)。繼電器KM5線 圈得電，主觸頭閉合，冷卻泵電機(jī)啟動(dòng)。繼電器KM6線圈得電，主觸頭閉合，沖屑 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 15 泵電機(jī)啟動(dòng)。繼電器KM7線圈得電，主觸頭閉合，磁排屑電機(jī)得電啟動(dòng)。 低壓斷路器QF1QF7在電路中主要用作電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)。電動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行 中，如果長(zhǎng)期超載、頻繁啟動(dòng)、欠電壓或斷相運(yùn)行等都可能使電動(dòng)機(jī)的電流超過(guò)其 額定植，如果超過(guò)值并不大，熔斷器在這種情況不會(huì)熔斷，這樣將引起電動(dòng)機(jī)過(guò)熱， 損壞繞組的絕緣，縮短電動(dòng)機(jī)的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至燒壞電動(dòng)機(jī)。交流控制電路 有36、127、220、380V等規(guī)格，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的可使用220V或380V電源，電路復(fù)雜， 故障多發(fā)，選用低壓電源，但須經(jīng)變壓器降壓獲得。電源插座的220V交流電是通過(guò) TC 250VA變壓器把380V的工廠交流電壓降壓得來(lái)。 機(jī)床所需的直流電是通過(guò)交、直流轉(zhuǎn)換器把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，當(dāng)中間繼電 器KA1-KA6線圈得電，其主觸頭吸合，電磁閥YV1-YV6分別接通。電磁閥YV1動(dòng)作， 夾緊缸夾緊；電磁閥YV2動(dòng)作，夾緊缸松開(kāi)；電磁閥YV3動(dòng)作，輔助支承上；電磁閥 YV4動(dòng)作，輔助支承下；電磁閥YV5動(dòng)作，輔助夾緊缸夾緊；電磁閥YV6動(dòng)作，輔助 夾緊缸松開(kāi)。中間繼電器KA7線圈得電，KA7觸頭閉合， 繼電器KM0線圈得電，繼電 器KM0觸頭閉合，總電源接通。伺服變壓器TM 4KVA將380V交流電變壓至3-220VAC. 并通過(guò)不同級(jí)的變壓值滿(mǎn)足不同電壓值的需。 根據(jù)電氣控制原理，在控制電路圖中，設(shè)計(jì)并分析如下： 斷路器QF起電路短路保護(hù)，即當(dāng)電路中出現(xiàn)短路故障時(shí)，斷路器的熔體立即熔 斷，切斷電源，使電路中元件免受損壞。 電氣控制原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，選擇典型環(huán)節(jié)，考慮施工的要求，節(jié)省導(dǎo)線的連接， 可靠性高（減少電流流經(jīng)的觸點(diǎn)數(shù)） 。繼電器和接觸器控制電路不能用自身觸點(diǎn)切 斷線圈的導(dǎo)電電路。 導(dǎo)線的選擇包括導(dǎo)線的種類(lèi)選擇和導(dǎo)線的截面積的選擇。導(dǎo)線有單股或多股導(dǎo) 線，根據(jù)走線方式和美觀要求進(jìn)行選擇。銅芯導(dǎo)線截面積可按6A/mm2來(lái)估算。 3.4 PLC控制部分硬件的設(shè)計(jì) a. PLC的種類(lèi) PLC是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機(jī)系統(tǒng)基本相同。按結(jié)構(gòu) 形式的不同，PLC可分為整體式和組合式兩類(lèi)。 整體式PLC是將中央處理單元（CPU） 、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、電源、 通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機(jī)。另外還有獨(dú)立的I/O擴(kuò)展單元與主機(jī)配合使用。 主機(jī)中，CPU是PLC的核心，I/O單元是連接CPU與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的接口電路，通信接 口用于PLC與編程器和上位機(jī)等外部設(shè)備的連接。 組合式PLC將CPU單元、輸入單元、輸出單元、智能I/O單元、通信單元等分別 做成相應(yīng)的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過(guò)底板上的總線相互聯(lián) 系。裝有CPU單元的底板稱(chēng)為CPU底板，其它稱(chēng)為擴(kuò)展底板。CPU底板與擴(kuò)展底板之 間通過(guò)電纜連接，距離一般不超過(guò)10m。 無(wú)論哪種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的PLC，都可以根據(jù)需要進(jìn)行配置與組合。 根據(jù)電氣控制原理，在控制電路圖中，設(shè)計(jì)并分析如下： 熔斷器FU1起電路短路保護(hù)，即當(dāng)電路中出現(xiàn)短路故障時(shí)，熔斷器的熔體立即 斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)銑鉆組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)及電氣控制部分設(shè)計(jì) 16 熔斷，切斷電源，使電路中元件免受損壞。 電源插座的220V交流電是通過(guò)TC250VA變壓器把380V的工廠交流電壓降壓得來(lái)。 同時(shí)滿(mǎn)足各種不同電壓值的需要。 PLC型號(hào)的選擇 三菱公司的FX系列產(chǎn)品有如下特點(diǎn)： 1 功能強(qiáng)大 FX系列PLC配置了強(qiáng)大而完善的功能指令，尤其是FX2N系列PLC，按其功能分 類(lèi)共有程序流向、傳送和比較、四則運(yùn)算和邏輯運(yùn)算、循環(huán)移位與移位、數(shù)據(jù)處理、 高速處理、便利命令、外部機(jī)器I/O、外部機(jī)器SER、浮動(dòng)、時(shí)鐘運(yùn)算、二進(jìn)制循環(huán) 碼以及接點(diǎn)比較共13大類(lèi)130條指令，如PID運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算等，而其它品牌的PLC 往往在高檔系列中才配置有較完善的指令。所以，在完成一些特別的功能時(shí)，用FX 系列的PLC就可輕松配置完成，例如此系統(tǒng)的的配置，如果采用SIEMENS的PLC，至 少要用S7-300系列的PLC才能完成此系統(tǒng)的控制功能。 2 性?xún)r(jià)比高 對(duì)于系統(tǒng)集成來(lái)說(shuō)，價(jià)格不單是指單個(gè)自動(dòng)元件的價(jià)格，更主要是完成整個(gè) 系統(tǒng)的配置的費(fèi)用，F(xiàn)X2N系列PLC有比較完善的各種配置供用戶(hù)選擇，并且有多種 類(lèi)多規(guī)格的特殊模塊供用戶(hù)選擇，你總是可以在眾多的配置中做出你最需要的合適 的性?xún)r(jià)比較高的選擇。 3 系統(tǒng)配置完善 如果按I/O點(diǎn)數(shù)來(lái)分，F(xiàn)X2N系列共有6大基本單元，如果按輸出類(lèi)型分，則共有 三大類(lèi)共17種基本單元；擴(kuò)展單元有12種，同時(shí)還兼容FXON系列的擴(kuò)展模塊，除此 外還有各種模擬量模塊、定位控制模塊及其它通訊機(jī)能模塊，基本上滿(mǎn)足各種小型 控制要求。 4 應(yīng)用方便簡(jiǎn)單 FX系列的PLC應(yīng)用非常簡(jiǎn)單，無(wú)論從選型還是硬件組態(tài)及軟件編程，它避免了 其它公司除產(chǎn)品型號(hào)外還有一大串定貨號(hào)的煩瑣要求；也沒(méi)有過(guò)多的通訊協(xié)議，讓 人感到無(wú)所適從，即使是新手上路也會(huì)很快掌握其方便簡(jiǎn)單的應(yīng)用。 輸入元件中包括工作方式選擇開(kāi)關(guān)、循環(huán)啟動(dòng)、急停、原點(diǎn)復(fù)歸等按鈕和旋鈕 （共31個(gè)） ，用于檢測(cè)各工位工作行程開(kāi)關(guān)（SQ1SQ10）共12個(gè)，壓力繼電器 (SP1SP7)（共7個(gè)） 。輸入設(shè)備總計(jì)42個(gè)；輸出元件包括控制動(dòng)力頭主軸電機(jī)（液 壓滑臺(tái)的液壓站電機(jī)）運(yùn)行的接觸器線圈、夾緊、松開(kāi)等電磁換向閥線圈（共29個(gè) 輸出線） 。 該機(jī)床由PLC組成的電控系統(tǒng)共有各種輸入信號(hào)42個(gè)，輸出信號(hào)29個(gè)。 三菱FX2N-80MR-001型PLC的輸入和輸出點(diǎn)數(shù)各為40，輸入輸出點(diǎn)數(shù)總數(shù)為 80；FX2N-16EX擴(kuò)展模塊的輸入點(diǎn)數(shù)為16，輸出點(diǎn)數(shù)為0，輸入輸出總數(shù)為16，尚有 27% 的輸入/輸出備用點(diǎn)，輸入點(diǎn)的備用量有26%。即可滿(mǎn)足輸入輸出信號(hào)的數(shù)量要 求，以及備用量的要求。且預(yù)留輸入/輸出端子數(shù)很充分，可滿(mǎn)足以后系統(tǒng)改進(jìn)對(duì) 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 17 輸入/輸出端子數(shù)的需求。 三菱FX2N-80MR型PLC特性：超高速的運(yùn)算速度，50%小型化設(shè)計(jì)，程序容量： 內(nèi)置8KSTEPRAM,最大可擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò)展。 PLC的輸出點(diǎn)選用分組式接法。不選用隔離式接法，隔離式的各組輸出點(diǎn)之間 可以采用不同的電壓種類(lèi)和電壓等級(jí)，但這種PLC平均每點(diǎn)的價(jià)格較高。如果輸出 信號(hào)之間不需要隔離,則不需選用。 同時(shí)由于各工位動(dòng)作頻率不是很高，但控制線路電流較大，故選用繼電器輸出 方式的PLC，日本三菱FX2N系列是三菱PLC中功能最強(qiáng)的。繼電器輸出型的PLC優(yōu)點(diǎn)： 導(dǎo)通壓降小，有隔離作用，價(jià)格相對(duì)便宜，承受瞬時(shí)過(guò)電壓和過(guò)電流的能力較強(qiáng)， 其負(fù)載電壓靈活，且電壓等級(jí)范圍大。所以動(dòng)作不頻繁的交直流負(fù)載可以選擇繼 電器輸出型的PLC。 綜上所述，選用三菱FX2N-80MR-001型號(hào)PLC（并帶有FX2N-16EX擴(kuò)展模塊） 。 d分配輸入/輸出點(diǎn) 三菱FX2N系列可編程序控制器的內(nèi)部資源：各種不同型號(hào)和檔次的PLC具有不 同數(shù)量和功能的內(nèi)部資源，但構(gòu)成PLC基本特征的內(nèi)部軟元件是類(lèi)似的?，F(xiàn)介紹 FX2N系列PLC其內(nèi)部資源。并分配輸入輸出點(diǎn),如表3-1和表3-2。 輸入觸點(diǎn)X:FX2N是基本單元中的輸入點(diǎn)按照X000X007，X010X017，這樣的 八進(jìn)制格式進(jìn)行編號(hào)；擴(kuò)展單元的輸入點(diǎn)則接著基本單元的輸入點(diǎn)順序進(jìn)行編寫(xiě)。 來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的外部輸入信號(hào)與硬件上的輸入點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，被PLC掃描讀入后，存 入輸入映象寄存器，表現(xiàn)為程序可多次調(diào)用的輸入觸點(diǎn)狀態(tài)。輸入觸點(diǎn)X的基本功 能是可以讀取外部輸入信號(hào)的狀態(tài)。 輸出繼電器Y:FX2N的基本單元中的輸出點(diǎn)按照Y000Y007，X010X017，這樣 的八進(jìn)制格式進(jìn)行編號(hào)；擴(kuò)展單元的輸出點(diǎn)也接著基本單元的輸出點(diǎn)順序進(jìn)行編號(hào)。 PLC運(yùn)行時(shí)，要接受各路X的輸入狀態(tài)、運(yùn)行控制程序，然后將運(yùn)行結(jié)果傳送至輸出 繼電器Y進(jìn)行輸出。因此，所有輸出繼電器都對(duì)應(yīng)一個(gè)硬件上的輸出信號(hào)，用來(lái)驅(qū) 動(dòng)PLC的各路負(fù)載。輸出繼電器Y的基本功能是可以在用戶(hù)程序的控制下改變負(fù)載的 狀態(tài)。 內(nèi)部繼電器:在可編程控制器內(nèi)部可多次使用，但不能輸出的繼電器叫做內(nèi)部 繼電器或輔助繼電器。內(nèi)部繼電器與輸出繼電器的不同點(diǎn)是它只在程序中使用，既 不能直接讀取外部輸入狀態(tài)，也不能直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。內(nèi)部繼電器M在程序中的 作用相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的中間繼電器，其功能是在程序中用于中間狀態(tài)暫存、 移位、輔助運(yùn)算或賦予特別用途。PLC的內(nèi)部繼電器分普通型、掉電保持型和賦予 特殊用途型三類(lèi)。 a)普通型 普通型繼電器在斷電或停止運(yùn)行時(shí)線圈將失電，機(jī)內(nèi)不記憶停電瞬 間的狀態(tài)，再來(lái)電時(shí)從失電狀態(tài)開(kāi)始執(zhí)行程序。FX2N系列PLC中普通型內(nèi)部繼電器 按十進(jìn)制編號(hào)，從M0M499共500個(gè)。 b)掉電保持型 掉電保持型繼電器在斷電或停止運(yùn)行時(shí)機(jī)內(nèi)記憶停電瞬間的狀 態(tài)，再來(lái)電時(shí)恢復(fù)停電瞬間的狀態(tài)，從此時(shí)狀態(tài)開(kāi)始執(zhí)行程序。FX2N系列PLC中掉 斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)銑鉆組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)及電氣控制部分設(shè)計(jì) 18 電保持型內(nèi)部繼電器按十進(jìn)制編號(hào)，從M500M1023共524個(gè)。 c)賦予特殊用途型 賦予特殊用途的內(nèi)部繼電器有兩大類(lèi)，第一類(lèi)信號(hào)由PLC 的系統(tǒng)程序自身產(chǎn)生，用戶(hù)編程時(shí)可調(diào)用其觸點(diǎn)，如特殊繼電器M8000的功能是在 程序RUN時(shí)保持ON狀態(tài)；M8002的功能是在程序RUN的第一個(gè)周期產(chǎn)生一個(gè)脈沖寬度 為一個(gè)掃描周期的脈沖輸出，供用戶(hù)初始化使用；M8011M8014的功能是為提供 10ms、100ms、1s、1min的周期性脈沖輸出。第二類(lèi)信號(hào)由PLC的用戶(hù)程序驅(qū)動(dòng)，用 戶(hù)編程時(shí)可置位其線圈，如程序置位M8033，則程序停止運(yùn)行時(shí)輸出會(huì)保持，如程 序置位M8034，則PLC輸出全被禁止。 e.PLC硬件系統(tǒng)的選擇設(shè)計(jì) 由于 PLC 的高性能和高可靠性，目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，并從單純 的邏輯控制發(fā)展為集邏輯控制、過(guò)程控制、伺服控制、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信功能于 一體的多功能控制器，并結(jié)合機(jī)床的生產(chǎn)實(shí)際選用市場(chǎng)上廣泛使用技術(shù)成熟品種多 樣的三菱系列PLC。 FX2N系列是三菱PLC中性能最好的，其主要優(yōu)點(diǎn)有：一個(gè)程序包的單元型可編 程控制器，采用裝卸式端子臺(tái)，內(nèi)裝RUN/STOP開(kāi)關(guān)、程序存儲(chǔ)器、鐘表功能，RUN 寫(xiě)入，元件注解，利用鍵盤(pán)保護(hù)程序，豐富的輸出入擴(kuò)展設(shè)備，豐富的特殊擴(kuò)展設(shè) 備，用SFC表現(xiàn)的編程，簡(jiǎn)便的應(yīng)用指令群，高速處理等優(yōu)點(diǎn)并結(jié)合機(jī)床的生產(chǎn)環(huán) 境以及其所需要的高可靠性所以選擇FX2N系列PLC。 由于機(jī)床控制系統(tǒng)具有42個(gè)輸入信號(hào)，而其中接點(diǎn)最多的80MR系列只具有40個(gè) 輸入接點(diǎn)和40個(gè)輸出接點(diǎn)，為滿(mǎn)足輸入輸出端口的需要，需要再增加一個(gè)具有16個(gè) 輸入接點(diǎn)的輸入擴(kuò)展模塊FX2N-16EX，所以PLC硬件部分由FX2N-80MR-001和FX2N- 16EX擴(kuò)展模塊構(gòu)成。PLC硬件接線如示意圖3-1所示。 內(nèi)部繼電器M在程序中的作用相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的中間繼電器，其功能 是在程序中用于中間狀態(tài)暫存、移位、輔助運(yùn)算或賦予特別用途。普通型繼電器在 斷電或停止運(yùn)行時(shí)線圈將失電，機(jī)內(nèi)不記憶停電瞬間的狀態(tài)，再來(lái)電時(shí)從失電狀態(tài) 開(kāi)始執(zhí)行程序。PLC系統(tǒng)內(nèi)部繼電器的地址分配如表3-3。 表3-1 輸入信號(hào)地址分配表 序號(hào) 地址 輸入 說(shuō)明 序號(hào) 地址 輸出 說(shuō)明 1 X000 SA1 選擇調(diào)整 22 X025 SB17 循環(huán)啟動(dòng) 2 X001 SA2 液壓站開(kāi) 23 X026 SB18 循環(huán)停止 3 X002 SA3 冷卻泵開(kāi) 24 X027 SB19 總電源 4 X003 SA4 沖屑泵開(kāi) 25 X030 SB20 急停 5 X004 SA5 磁排屑機(jī) 26 X031 SQ1 工件滑臺(tái)原位 6 X005 SB1 銑頭高速 27 X032 SQ2 工件滑臺(tái)終位 7 X006 SB2 銑頭低速 28 X033 SQ3 左鏜頭原位 8 X007 SB3 左鏜頭電機(jī) 29 X034 SQ4 左鏜頭終位 9 X010 SB4 右鏜頭電機(jī) 30 X035 SQ5 右鏜頭原位 10 X011 SB5 工件滑臺(tái)進(jìn) 31 X036 SQ6 右鏜頭終位 11 X012 SB6 工件滑臺(tái)退 32 X037 SQ7 滑套縮回到位 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 19 12 X013 SB7 左鏜頭前進(jìn) 33 X040 SQ8 滑套伸出到位 13 X014 SB8 左鏜頭后退 34 X041 SQ9 工件滑臺(tái)一退位 14 X015 SB9 右鏜頭前進(jìn) 35 X042 SQ10 工件滑臺(tái)一工位 15 X016 SB10 右鏜頭后退 36 X043 SP1 工件滑臺(tái)前進(jìn)到位 16 X017 SB11 夾緊缸夾緊 37 X044 SP2 左鏜頭前進(jìn)到位 17 X020 SB12 夾緊缸松開(kāi) 38 X045 SP3 右鏜頭前進(jìn)到位 18 X021 SB13 滑套缸鎖緊 39 X046 SP4 夾緊缸夾緊到位 19 X022 SB14 滑套缸松開(kāi) 40 X047 SP5 滑套鎖緊缸鎖緊到位 20 X023 SB15 滑套伸出 41 X050 SP6 滑套伸出到位 21 X024 SB16 滑套縮回 42 X051 SP7 滑套縮回到位 表3-2 輸出信號(hào)地址分配表 序號(hào) 地址 輸入 說(shuō)明 序號(hào) 地址 輸入 說(shuō)明 1 Y000 HL1 電源燈 16 Y024 KM7 磁排屑機(jī) 2 Y001 HL2 工件滑臺(tái)位 17 Y030 KA1 工件滑臺(tái)進(jìn) 3 Y002 HL3 左鏜頭原位 18 Y031 KA2 工件滑臺(tái)退 4 Y003 HL4 右鏜頭原位 19 Y032 KA3 左鏜頭前進(jìn) 5 Y004 HL5 滑套原位 20 Y033 KA4 左鏜頭后退 6 Y005 HL6 夾緊 21 Y034 KA5 右鏜頭前進(jìn) 7 Y006 HL7 循環(huán)燈 22 Y035 KA6 右鏜頭后退 8 Y014 KM11 銑頭低速 23 Y036 KA7 夾緊缸夾緊 9 Y015 KM12 銑頭高速 24 Y037 KA8 夾緊缸松開(kāi) 10 Y016 KM13 銑頭高速 25 Y040 KA9 滑套缸鎖緊 11 Y017 KM2 左鏜頭電機(jī) 26 Y041 KA10 滑套缸松開(kāi) 12 Y020 KM3 右鏜頭電機(jī) 27 Y042 KA11 滑套伸出 13 Y021 KM4 液壓站電機(jī) 28 Y043 KA12 滑套縮回 14 Y022 KM5 冷卻泵電機(jī) 29 Y044 KA13 總電源 15 Y023 KM6 沖屑泵 表3-3內(nèi)部繼電器地址分配表 序號(hào) 地址 說(shuō)明 序號(hào) 地址 說(shuō)明 1 M0 循環(huán)運(yùn)行狀態(tài) 3 M2 夾緊缸松開(kāi) 2 M1 滑套缸松開(kāi)狀態(tài) 4 M3 夾緊缸夾緊 PLC硬件接線示意圖3-1如下: 斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)銑鉆組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)及電氣控制部分設(shè)計(jì) 20 圖3-1 PLC硬件接線示意圖 3.5 PLC 控制部分軟件的設(shè)計(jì) 3.5.1 PLC 程序的設(shè)計(jì) PLC要達(dá)到三種控制要求，即調(diào)整單循環(huán)和總循環(huán)。 a調(diào)整運(yùn)行方式。調(diào)整方式需要人為按下操作面板上的按鈕，進(jìn)行對(duì)設(shè)備進(jìn) 行調(diào)試，對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)調(diào)整，達(dá)到操作者的操作要求，是循環(huán)工作方式的 輔助方式。 b單循環(huán)運(yùn)行方式。單循環(huán)方式就是PLC要對(duì)工件單工位循環(huán)加工進(jìn)行控制， 此運(yùn)行方式特點(diǎn)是可以根據(jù)生產(chǎn)需要，選擇特定被控制對(duì)象進(jìn)行PLC控制。靈活 可靠。 c總循環(huán)運(yùn)行方式?？傃h(huán)是控制系統(tǒng)的主要運(yùn)行方式。該運(yùn)行方式的主要 特點(diǎn)是在系統(tǒng)工作過(guò)程中，系統(tǒng)按照給定的程序自動(dòng)完成被控對(duì)象的動(dòng)作，不需要 人工干預(yù)（除了人工上料和人工下料） 。 該機(jī)床PLC控制系統(tǒng)的軟件有調(diào)整程序、單循環(huán)程序、總循環(huán)程序、全線回原 點(diǎn)程序等部分組成。 公用程序主要用來(lái)處理組合機(jī)床的各種操作信號(hào)，如啟動(dòng)、急停以及各滑臺(tái)原 位信號(hào)，機(jī)床啟動(dòng)前應(yīng)具備的各種初始信號(hào)，并將處理結(jié)果作為機(jī)床啟動(dòng)、停止、 程序轉(zhuǎn)化等的依據(jù)，公用程序一般采用經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)。 總循環(huán)和單循環(huán)是軟件中的最重要的部分，他實(shí)現(xiàn)組合機(jī)床在只要裝料和卸料 的情況下自動(dòng)連續(xù)工作?？傃h(huán)程序和單循環(huán)程序之間有很大的相似之處，這是由 于單循環(huán)只是總循環(huán)中的一部分，兩者只相差一點(diǎn)點(diǎn)，那總循環(huán)程序就是編程的關(guān) 鍵。梯形圖是用梯形圖語(yǔ)言去編制PLC程序。這是一種模仿繼電器控制系統(tǒng)的編程 方法。其圖形甚至元件名稱(chēng)都與繼電器控制電路十分相近。詳見(jiàn)附件二程序設(shè)計(jì)說(shuō) 明及附件一程序清單。 3.5.2 PLC 程序的測(cè)試仿真 利用GX-Developer編程軟件中的一個(gè)仿真插件GX-Simulator對(duì)編寫(xiě)好的程序進(jìn) 行測(cè)試仿真。通過(guò)仿真可以測(cè)試出程序是否正確，從而驗(yàn)證程序的可使用性，可以 避免由于程序錯(cuò)誤而造成的損失。 詳見(jiàn)附件三PLC仿真報(bào)告。 3.6 機(jī)床操作面板的設(shè)計(jì) 人機(jī)界面是操作人員與控制系統(tǒng)之間進(jìn)行對(duì)話與相互作用的平臺(tái)，結(jié)合機(jī)床總 體的控制要求，考慮按鈕使用頻率，工人操作習(xí)慣，按鈕顏色等因素在內(nèi)的人體工 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 21 程學(xué)要素。根據(jù)儀表面板要求，設(shè)計(jì)操作按鈕板的尺寸大小如下： （1）操作按鈕板總體尺寸：4503003（mm） ； （2）按鈕板中的按鈕尺寸：22.5（其中包括按鈕，旋鈕共31個(gè)） ； （3）按鈕板開(kāi)關(guān)字體均為7號(hào)字體，字頭與按鈕之間距離為23mm。 根據(jù)斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)銑鉆組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)及電氣控制部分設(shè)計(jì)加工需要以及滿(mǎn) 足零件加工的各項(xiàng)工藝要求，對(duì)機(jī)床的操作臺(tái)進(jìn)行按