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论文正文
PLC在组合机床中的应用
摘要
:
组合机床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,广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工等行业。
我国传统的组合机床主要采用机、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、铰孔,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,其控制系统的设计对于提高机加工控制对象的整体技术性能来说具有十分重要的意义。
本文首先组合机床进行了理论分析,阐述了其国内外应用现状和发展前景,研究了组合机床中各种控制器的应用,指出了PLC在其中的应用特色;以双面铰孔组合机床为实例对象,设计了基于PLC的机床数控系统,依据机床的功能特点和加工工艺要求,提出了总体设计方案,设计了液压动力滑台的左右移动控制回路、液压夹紧机构的夹紧-松开控制回路;完成了左右主轴、液压泵、电磁阀控制电气线路的设计,完成了操纵面板的设计,进行了电动机及低压电器元件的选型;以三菱FX2N-16MR型PLC为主控制器,基于FXGP/WIN-C编程软件,采用顺序控制的程序设计思路,设计了系统控制程序,实现了机床的自动循环加工。
该系统由于采用了PLC控制,因此可靠性高,抗扰能力强,故障率低,对工作环境要求低,维护方便,具有一定的实际应用价值。
关键词:
PLC控制;组合机床;镗孔;多工序;铰孔
ApplicationofPLC inthemodularmachinetool.
Abstract
:
Thecombinationmachinetoolisacomprehensiveautomationtechnologyandcompletesetofprocessequipment,whichiswidelyusedinengineeringmachinery,transportation,energy,militaryindustry,lightindustryandotherindustries.. China'straditionalcombinationmachinemainlyusesthemachine,electricity,gas,hydrauliccontrol,itsprocessingobjectismainlybatchproductionoflargeandmedium-sizedboxandshaftparts,completedrilling,reaming,reaming,andprocessingofvariousthread,boring,carsandtheendsurfaceofthelugboss,inholeboringallgrooveshape,andmillingplaneandshapeface,thecontrolsystemdesignforimprovingmachinecontrolobjectoftheoveralltechnicalperformancehasveryimportantsignificance.
Thispapercombinedmachinetoolisanalyzedintheory,expoundstheapplicationstatusofthedomesticandforeignresearchanddevelopmentprospectsoftheapplicationofvariouscontrollersinthemachinetools,pointsouttheapplicationofPLCincharacteristic;withdoublereamingmodularmachinetoolasanexample,thedesignofNCsystemofmachinetoolbasedonPLC,accordingtotherequirementsandcharacteristicsoftheprocessingfunctiontheprocessofmachinetools,putforwardtheoveralldesignscheme,designthehydraulicpowerslidermovearoundthecontrolloop,hydraulicclampingmechanismofclampingoffcontrolcircuit;thespindle,hydraulicpump,solenoidvalvecontrolcircuitdesign,completedthedesignofthecontrolpanel,theselectionofthemotorcomponentsandlow-voltageelectricalappliances;withMITSUBISHIFX2N-16MRPLCasthemaincontroller,FXGP/WIN-Cprogrammingsoftwarebasedontheprogramdesignofsequencecontrolsystem,designacontrolprogram,toachieveautomaticcirculationmachine.
The system adopts PLC control,thereliabilityishigh,theimmunityisstrong,thefailurerateislow,andithassomepracticalapplicationvaluefortheworkenvironment.
Keywords:
PLCcontrol;Combinationmachinetool;Boring;Reaming
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1组合机床概述1
1.2组合机床的发展1
1.3组合机床的电气控制3
1.3.1PLC控制…………………………………………………………………………...3
1.3.2单片机控制………………………………………………………………………..3
1.3.3伺服控制…………………………………………………………………………...4
第二章总体设计方案6
2.1铰-镗孔组合机床结构概述6
2.2零件工艺要求7
2.3工艺流程分析9
2.4机械加工精度及其控制10
第三章液压系统设计11
3.1液压回路分析11
3.2总体原理图拟定13
3.3液压元件选型15
3.4辅助元件选型16
3.4.1管道元件选型…………………………………………………………………….16
3.4.2过滤器选型……………………………………………………………………….16
3.4.3密封圈选型……………………………………………………………………….16
第四章电气控制系统设计17
4.1电气原理图设计17
4.2电机选型18
4.3其他电气元件选型19
4.3.1.时间继电器……………………………………………………………………….19
4.3.2.热继电器………………………………………………………………………….19
4.3.3.熔断器…………………………………………………………………………….20
4.3.4.接触器…………………………………………………………………………….20
4.3.5中间继电器………………………………………………………………………20
4.4常用控制电器选型20
4.4.1按钮………………………………………………………………………………20
4.4.2行程开关………………………………………………………………………….21
4.4.3按钮的选择……………………………………………………………………….21
4.4.4电磁铁选型……………………………………………………………………….21
4.4.5牵引电磁铁选型…………………………………………………………………21
4.4.6阀用电磁铁选型………………………………………………………………….21
4.5电气元件清单表21
第五章程序设计23
5.1系统I/O分析23
5.2PLC选型23
5.3I/O分配表设计24
5.4外部接线图25
5.5程序设计27
5.5.1液压启动子程序…………………………………………………………………27
5.5.2工件夹紧子程序…………………………………………………………………27
5.5.3工件松开子程序…………………………………………………………………28
5.5.4铰孔加工子程序…………………………………………………………………28
参考文献30
致谢31
附录32
第一章绪论
1.1组合机床概述
组合机床一般用于加工箱体类或非常见外形零件。
加工时,工件一般不旋转,由刀具的旋转运动和工件的相对进给运动,来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。
有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转,由刀具作进给运动,也可实现某些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥半轴等)的外圆和端面加工。
组合机床系统主要的由底座、立柱、液压动力滑台、铰刀头、镗刀头、动力箱、夹具、等专用部件以及直控制冷却、排屑、润滑等辅助部件,控制挡铁、操纵板、电器盒及电气控制部分等组成。
.
图1.1组合机床结构示意图
通用部件是经过系列设计、试验、和长期生产实践经验,其结构稳定、工作可靠,由专业生产厂成批制造,经济效果好、使用维修方便。
一旦被加工零件的结构与尺寸改变时,这些通用部件可根据需要组合成新的机床。
在组合机床中,通用部件一般占零部件总体总量的70%-80%;其他20%-30%的专用部件由被加工件的形状、工艺、和工序决定。
1.2组合机床的发展
二十世纪70年代以来,随着可转位刀具、密齿铣刀、镗孔尺寸自动检测和刀具自动补偿技术的快速发展,组合机床的加工精度也有了很大的提高。
铣削平面的平面度可达0.05毫米/1000毫米,表面粗糙度可低达2.5—0.63毫米:
镗孔精度可达IT7-6级,孔距精度可达0.03-0.02微米。
随着汽车工业的兴起,专用机床也逐渐发展起来。
在专用机床中某些部件因重复使用,逐步发展为通用零件、因而产生了组合机床。
最早的组合机床是在美国制成的,一般都是用于加工汽车零件。
开始初期,每个机床的制造商都有自己的通用部件的标准。
但是后来为了用户的使用和维修,提高不同制造商之间得互换性,所以制定了标准化部件。
组合机床通用部件按功能可分为五类。
(1)动力部件主要有动力箱、切削头和动力滑块,是为了组合机床提供主运动和进给运动的部件。
(2)支撑部件有侧底座。
中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等,是用以安装动力滑台、带有进给机构的切削头或夹具等的部件。
(3)输出部件主要有分度回转工作台、环形分度工作台、分度鼓轮和往复移动工作台等,是用以输送工业或主轴箱至加工工位的部件。
(4)控制部件有液压站、电器柜和操作台等,是用以控制机床的自动工作循环的部件。
(5)辅助部件主要就是有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。
对于一些循序加工的多工位组合机床,还具有移动工作台。
动力箱、各种公益切削头和动力滑台是组合机床完成切削主运动或进给运动的动力部件。
其中还有能同时完成切削主运动和进给运动的动力头。
机身、立柱、中间底座等是组合机场的支撑部件,起着机床的基础骨架作用。
组合机床的刚度和部件之间得精度保持性,主要是由这些部件保证的。
组合机床的通用部件分大型和小型两大类。
大型通用部件是指电动功率为1.5-30千瓦的动力部件及其配套部件。
这类动力部件多为箱体移动的结构形式。
小型通用部件是指电机功率为0.1-2.2千瓦的动力部件及其配套部件。
这类动力部件多为套筒移动的结构形式。
用大型通用动力部件组成的机床称为大型组合机床,用小型通用动力部件组成的机床称为小型组合机床,按设计的要求,本次选择的是大型组合机床,组合机床除了分为大型组合机床和小型组合机床外,按配置又可以分为单工位和多工位两种形式。
单工位又有单面、双面、三面和四面几种,多工位又可以分为移动工作台式、回转工作台式、中央立柱式和回转鼓轮式这几种,本次的设计主要是三面铣组合机床。
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。
1.3组合机床的电气控制
组合机床控制系统一般有PLC控制、数控系统控制和单片机控制三种方式,对三种控制方式进行比较。
1.3.1PLC控制
目前广泛使用的检测方法有PLC控制,继电器控制,单片机控制等。
其中PLC检测控制系统应用最为广泛。
因为其具有以下特点:
(1)可靠性
PLC不需要大量的活动元件,它的连线比较少。
于此同时,系统维修简单,维修时间短。
PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计例如:
冗余的设计。
断电保护,故障诊断和信息保护及恢复。
PLC操作过程简单操作方便,维修容易等特点,一般不容易发生操作的错误。
PLC是为工业生产过程控制而设计的控制装置,它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件[1]。
采用了精简化的编程语言,编程出错率大大降低。
(2)易操作性
对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。
程序的输入直接可接显示,更好改程序的操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻找,然后进行更改。
PLC有多种程序设计语言可供使用,用于梯形图与电气原理图较为接近,容易掌握和理解。
PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低,当系统发生故障时,通过硬和软件的自诊断,维修人员可以很快找到故障的部位。
(3)灵活性
PLC采用的编程语言有梯形图、功能流程图、功能模块和语句描述编程语言。
编程方式的多样性,使编程简单和应用控制方便,操作十分灵活,监视和控制变量十分容易[2]。
以上特点使PLC控制系统具有可靠性高,程序设计灵活,抗干扰能力强,运行稳定等诸多优点PLC控制系统会得到更广泛的应用。
1.3.2单片机控制
PLC和单片机控制机床的区别是:
(1)PLC是应用单片机构成的比较成熟的控制系统,是已经调试成熟稳定的单片机应用系统的产品。
有较强的通用性。
(2)而单片机可以构成各种各样的应用系统,使用范围更广。
单就“单片机”而言,它只是一种集成电路,还必须与其它元器件及软件构成系统才能应用。
(3)从工程的使用来看,对单项工程或重复数极少的项目,采用PLC快捷方便,成功率高,可靠性好,但成本较高。
(4)对于量大的配套项目,采用单片机系统具有成本低、效益高的优点,但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定。
从本质上说,PLC其实就是一套已经做好的单片机(单片机范围很广的)系统.但PLC也有其特点:
PLC广泛使用梯形图代替计算机语言,对编程有一定的优势。
单片机控制系统采用的是C语言编程,它的编程起点比较高没有PLC的梯形图编程直观方便,不能适用于工业控制过程。
单片机控制系统是基于C语言的节构来设计系统,PLC是根据工业生产过程步骤来编制程序更实用。
1.3.3伺服控制
数控伺服系统的组合机床特点:
(1)广泛的适应性
数控伺服系统能完成普通控制系统不可能胜任的多种复杂型曲面零件的加工,若要改变加工对象,只要重新编制一段数控加工程序,这就为高精度小批量生产以及试制新产品提供了极大的方便,缩短了生产周期,节省了大量工装和费用,提高了企业快速应变能力。
(2)精度高
由于数控系统组合机床是按照先编制好的数控程序进行自动加工,不受人为因素的影响,还可以利用软件来校正和补偿各种误差,因此零件的加工精度高,产品质量稳定,同一批加工零件的尺寸一致性好。
(3)加工生产效率高
在数控系统组合机床上可以选择最有利的加工参数自动加工,有效的缩短了调整和检验等辅助时间;又由于采取自动加速、自动减速等措施,使数控系统的组合机床移动部件能快速移动和定位,大大节省了加工过程中的空程时间,生产效率明显提高。
(4)能实现复杂零件的加工
普通零件难以实现或无法实现轨迹为二次以上曲线或曲面的运动,而数控系统控制的机床由于采用了计算机插补技术和多坐标联动控制,可以实现几乎是任意轨迹的运动和加工形状的空间曲面,适用于各种复杂形面的零件加工。
(5)易实现闭环控制
在数控系统控制的组合机床中,有一种闭环进给伺服系统,它加入反馈和调节部分。
能够更好地调节和监控生产过程,极快的自动调整生产过程中的偏差,这是PLC和单片机控制的系统所没有的。
第二章总体设计方案
2.1铰-镗孔组合机床结构概述
铰-镗组合机床有底座、立柱、滑台、铰孔动力头、镗孔动力头、工作台等通用部件组成多轴箱等专用部件组成以及控制、冷却、排屑、润滑等辅助部件组成。
在铰-镗组合机床结构图中主要有机床床身、工作台、夹具、导轨、铰孔滑台和镗孔滑台。
铰刀滑台和镗刀滑台是整个机床在加工中最重要的部分,铰刀滑台有铰孔电机、铰孔动力头和铰刀等组成,整体结构见下图2-1所示。
图2-1铰-镗组合机床结构图
1、铰孔加工:
钻孔是在实体材料中钻出一个孔,而铰孔是扩大一个已经存在的孔。
铰孔和钻孔、扩孔一样都是由刀具本身的尺寸来保证被加工孔的尺寸的,但铰孔的质量要高得多。
铰孔时,铰刀从工件孔壁上切除微量金属层,以提高其尺寸精度和减小其表面粗糙度值,铰孔是孔的精加工方法之一,常用作直径不很大、硬度不太高的工件孔的精加工,也可用于磨孔或研孔前的预加工。
机铰生产率高,劳动强度小,适宜于大批大量生产。
铰孔加工精度可达IT9~IT7级,表面粗糙度一般达Ra1.6~0.8μm[3]。
这是由于铰孔所用的铰刀结构特殊,加工余量小,并用很低的切削速度工作的缘故。
直径在100mm以内的孔可以采用铰孔,孔径大于100mm时,多用精镗代替铰孔。
在镗床上铰孔时,孔的加工顺序一般为:
钻(或扩)孔一镗孔一铰孔。
对于直径小于12mm的孔,由于孔小镗孔非常困难,一般先用中心钻定位,然后钻孔、扩孔,最后铰孔,这样才能保证孔的直线度和同轴度。
2、镗孔加工:
镗孔是镗削的一种用麻花钻、扁钻或中心钻等在实体材料上钻削通孔或盲孔称为钻削加工。
钻削加工除钻孔外,还包括扩孔及锪孔。
所以钻孔是钻削的一种。
用反镗刀对反镗孔进行加工的方法叫反镗加工。
在数控机床上,我们往往使用非标准刀具(偏心镗刀、转动刀片、专用的反镗刀)利用数控加工程式进行反镗加工[5]。
用旋转的单刃镗刀把工件上的预制孔扩大到一定尺寸,使之达到要求的精度和表面粗糙度的切削加工。
镗削一般在镗床、加工中心和组合机床上进行,主要用于加工箱体、支架和机座等工件上的圆柱孔(见图)、螺纹孔、孔内沟槽和端面;当采用特殊附件时,也可加工内外球面、锥孔等。
对钢铁材料的镗孔精度一般可达IT9~7,表面粗糙度为Ra2.5~0.16微米。
镗削时,工件安装在机床工作台或机床夹具上,镗刀装夹在镗杆上(也可与镗杆制成整体),由主轴驱动旋转。
当采用镗模时,镗杆与主轴浮动联接,加工精度取决于镗模的精度;不采用镗模时,镗杆与主轴刚性联接,加工精度取决于机床的精度。
由于镗杆的悬伸距离较大,容易产生振动,选用的切削用量不宜很大。
镗削加工分粗镗、半精镗和精镗。
采用高速钢刀头镗削普通钢材时的切削速度一般为20~50米/分;采用硬质合金刀头时的切削速度,粗镗可达40~60米/分,精镗可达150米/分以上。
对精度和表面粗糙度要求很高的精密镗削,一般用金刚镗床,并采用硬质合金、金刚石和立方氮化硼等超硬材料的刀具,选用很小的进给量(0.02~0.08毫米/转)和切削深度(0.05~0.1毫米)高于普通镗削的切削速度。
精密镗削的加工精度能达到IT7~6,表面粗糙度为Ra0.63~0.08微米。
精密镗孔以前,预制孔要经过粗镗、半精镗和精镗工序,为精密镗孔留下很薄而均匀的加工余量。
2.2零件工艺要求
为了更好地分析被加工的加工过程,应用PRO-E的三维功能绘制出被加工零件的三维机构。
对左边孔采用铰的加工方式,右边孔采用镗的加工方式。
图2.1加工零件三维结构
本系统中使用了两种孔加工方法:
镗孔和铰孔与外圆表面加工相比,孔加工要比加工外圆困难。
这是因为:
(1)孔加工所用刀具的尺寸受被加工孔尺寸限制,刚性差,容易产生弯曲变形和振动:
(2)用定尺寸刀具加工孔时,孔加工的尺寸往往直接取决与刀具的相应尺寸,刀具制造误差和磨损将直接影响孔的加工精度:
(3)加工孔时,切削区在工件内部,排屑及散热条件差,加工精度和表面质量不容易控制。
(1)铰孔的工艺
铰孔余量对铰孔质量影响很大,余量太大,铰刀的负荷大,切削刃很快被磨钝,不易获得光洁的加工表面,尺寸公差也不容易保证:
余量太小,不能去掉上道工序留下的刀痕,自然也没有改善孔加工质量的作用。
一般粗铰余量取0.15~0.35mm,精铰取0.05~0.15mm[6]。
为了避免产生积屑瘤,铰孔通常采用较低的切削速度进行加工。
进给量的取值与被加工孔径有关,孔径越大进给量取值越大。
铰孔时必须用适当的切削液进行冷却、润滑、和清洗。
以防止产生积屑瘤并及时清除切削。
与磨孔和镗孔相比,铰孔生产效率高,容易保证孔的精度;但铰孔不能校正孔轴线的位置误差,孔的位置精度应由前面工序保证。
铰孔不宜加工阶梯孔和不同孔。
铰孔尺寸精度一般为IT9~IT7级,表面粗糙度Ra一般为3.2~0.8um[6]。
(2)镗孔的工艺
镗孔与钻-扩-铰工艺相比,孔径尺寸不受刀具尺寸的限制,且镗孔具有较高的误差修正能力,可通过多次走刀来修正原孔轴线偏斜误差,而且能使镗孔与定位表面保持较高的位置精度。
镗孔和车外圆相比,由于刀杆系统的刚性差、变形大、散热排屑条件不好,工件和刀具的热变形比较大,因此,镗孔的加工质量和生产效率不高。
镗孔的加工范围广,可加工不同尺寸和不同精度等级的孔。
对于孔径较大、尺寸和位置精度要求较高的孔和孔系,镗孔几乎是唯一的加工方法。
镗孔的加工精度为IT9~IT7级,表面粗糙度Ra为3.2~0.8um。
镗孔可以在镗床、车床、铣床等机床上进行,具有机动灵活的优点,生产应用中十分广泛。
2.3工艺流程分析
该机床用于大批量生产某零件的镗孔与铰孔加工工序。
其加工精度与加工效率的要求均较高,宣采用专用设备。
机床主运动采用动力头,由Y100L-6型(1.5kW,4A)三相异步电动机拖动,单向运转。
该设备能进行镗孔加工,当更换刀具和改变进给速度时,又能进行铰孔加工(有镗孔与铰孔加工选择),加工动作流程如图2.2所示。
进给系统采用液压控制,为提高工效,进给分快进与工进两种且自动变换。
液压系统中的液压泵拖动电机为Y801—2型(750W,1.9A),由电磁阀(YV1~YV4)
图2.2铰-镗组合机床工作流程图
工序为:
1、当工件夹紧后,触动压力继电器BP,主轴电机M1启动;
2、主轴电机启动后,延时一段时间后,左滑台快进开
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