毕业设计plc控制组合钻床设计.docx

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毕业设计plc控制组合钻床设计

摘要

制造业是一个同家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国家或地区的经济实力、科技水平、生活水准和国防实力。

而制造业的生产能力主要取决于制造装备——机床的先进程度。

木文对减速器箱盖连接孔的加工工艺进行了详细的分析，就其孔的加工提出了“一次装夹，多工位加工，达到产品图样的精度要求”的思路。

根据这一思路设计了组合钻床。

该组合钻床由立柱、立柱底座、中问底座、Y、Z轴液K滑台、液压站、

动力头、刀具、控制部分等组成。

本文对各部分的设计进行了详细的计算和论证，并提出了优化工艺结构的方法。

采用的PLC控制稳定可靠。

它的研

制成功对提高箱盖孔加工的工作效率和质量具有重要的意义。

机床设计分析后，提高工效3〜5倍，达到了国内同行业的领先水平。

关键词：

制造业；减速器；网轴头多工位同步钻床；组合机床；PLC控制

摘要I

第1章绪论l

1.1机床在国民经济的地位及其发展

l

1.2机床设计的日的、内容、要求2

1.2.1设计的目的

2

I.2.2设计内

容2

1.2.3设汁要

求2

1.3机床的设计步

骤2

第2章四轴头多工位同步钻床总体设

计4

2.1组合机床方案的制

定4

2.1.1制定工艺办

案4

2.1.2确定组合机床的配置形式和结构方案一••••4

2.2确定切削用量及选择刀具•••.…6

2.2.1确定工序问余量…一….6

2.2.2选择切削用量……一….6

2.2.3确定切削刀、切削扭矩、切削功率…一•••.6

2.2.4选择刀具结构…….…7

2.3四轴头多工位同步钻床总设计“三图一^”的编制…..….7

2.3.1被加工零件工序图一••••7

2.3.2加工示意图……一….9

2.3.3机床联系尺寸图….,•-13

2.3.4生产率计算卡…….…l5

第3章电气控制17

3.1运动分析……一…17

3.2控制要求及功能分配17

3.2.1控制要求17

3.2.2功能分配….18

3.3PLC的选择及其I/O端子分配18

3.3.1PLC的选择18

3.3.2I/O分配表18

3.3.3PLC接线图19

3.4应用程序的编制….19

3.4.1整体程序结构19

3.4.2手动操作模块21

3.4.3自动操作模块.22

3.4.4编制程序…….26

参考文献.,,,28

致谢29

III

第1章绪论

1.1机床在国民经济的地位及其发展简史

现代社会中，人们为了高效、经济地牛产各种高质量产品，日益广泛的使用各种机器、仪器和工具等技术设备与装备。

为制造这些技术设备与装备，乂必须具备各种加工金届零件的设备，诸如铸造、锻造、焊接、冲压和切削加工设备等。

由于机械零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙度，日前主要靠切削加工的方法来达到，特别是形状复杂、精度要求高和表面粗糙度要求小的零件，往往需要在机床上经过几道甚至几十道切削加工工艺才能完成。

因此，机床是现代机械制造业中最重要的加工设备。

在一般机械制造厂中，机床所担负的加工工作量，约占机械制造总工作量的40吮60%机床的技

术性能直接影响机械产品的质量及其制造的经济性，进而决定着国民经济的发展水平。

可以这样说，如果没有机床的发展，如果不具备今天这样晶种繁多、结构完善和性能精良的各种机床，现代社会目前所达到的高度物质文明将是不可想象的。

上世纪初以来，由于高速钢和硬质合金等新型刀具材料相继出现，刀具切削性能不断提高，促使机床沿着提高主轴转速、加人驱动功率和增强结构刚度的方向发展。

与此同时，由于电动机、齿轮、袖承、电气和液压等技术有了很大的发展，使机床的转动、结构和控制等方面也得到相应的改进，加工精度和生产率显著提高。

此外，为了满足机械制造业日益广阔的各种使用要求，机床品种的发展也与日俱增，例如，各种高效率自动化机床、重型机床、精密机床以及适应加工特殊形状和特殊材料需要的特种加工机床相继问世。

50年代，在综合应用电子技术、检测技术、计算技术、自动控制和机床设计等各个领域最新成就的基础上发展起来的数控机床，使机床自动化进入了一个崭新的阶段，与早期发展的仅适用于大批大量生产的纯机械控制和继电器接触器控制的自动化相比，它具有很高柔性，即使在单件和小批生产中也能得到经济的使用。

我同机床行业的发展是迅速的，成就是巨大的。

但由于起步晚、底子薄，与世界先进水平相比，还有较大差距。

为了适应我国工业、农业、国防和科学技术现代化的需要，为了提高机床产品在同际市场上的竞争能力，必须深

入开展机床基础理论研究，加强工艺试验研究，人力开发精密、重型和数控机床，使我国的机床工业尽早跻身于世界先进行列。

1.2机床设计的目的、内容、要求

1.2.1设计的目的

机床设计毕业设计，其目的在于通过机床主运动机械变速传动系统的结构设计，使我们在拟定传动和变速的结构方案过程中，得到设计构思、方案的分析、结构工艺性、机械制图、零件计算、编写技术文件和查阅资料等方面的综合训练，树立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，培养基本的设计办法，并培养了自己具有初步的结构分析、结构设计和计算能力。

1.2.2设计内容

1、运动设计根据给定的被加工零件，确定机床的切削用量，通过分

析比较拟定传动方案和传动系统图，确定传动副的传动比及齿轮的齿数，并计算主轴的实际转速.与标准的相对误差。

2、动力设计根据给定的工件，初算传动轴的直径、齿轮的模数；确

定动力箱；计算多轴箱尺寸及设计传动路线。

完成装配草图后，要验算传动轴的直径，齿轮模数是否在允许范罔内。

还要验算主轴主件的静刚度。

3、结构设计进行主运动传动轴系、变速机构、主轴主件、箱体、润

滑与密封等的布置和机构设计。

即绘制装配图和零件工作图。

4、编写设计说明书

1.2.3设计要求

评价机床性能的优劣，主要是根据技术一经济指标来判定的。

技术先进合理，亦即“质优价廉”才会受到用户的欢迎，在国内和国际市场上才有党争力。

机床设计的技术一经济指标可以从满足性能要求、经济效益和人机关系等方而进行分析。

1.3机床的设计步骤

a调查研究b拟定方案c工作图设计

第2章四轴头多工位同步钻床总体设计

2.1组合机床方案的制定

2.1.1制定工艺方案

根据被加工零件（减速箱箱盖）的零件图（图2-1）,加工八个螺栓孔的工艺

过程。

1.加工孔的主要技术要求。

加工8个中①10的孔。

表面粗糙度Ra3.2um.

孔的位置度公差为①0.3mm

工件材料为HT200HB17砂255

要求生产纲领为（考虑废品及备品率）年产量6万件，单班制生产

2.工艺分析

加工该孔时，除粗糙度要求外（Ra3.2um）,孔的位置度公差为0.3mm

根据组合机床用的工艺方法及能达到的经济精度，可采用如下的加工方案。

钻>扩或钻>皎

3.定位基准及夹紧点的选择

加工此箱盖的孔，以底面的三个支承点限制ZA和X、YA三个自由度，位于右

边上的两个支承点限制了XA和ZA自由度，位于前面上的一个支承点限制YA一个自由度。

这样工件的6个自由度被完全限制了。

2.1.2确定组合机床的配置形式和结构方案。

1.被加工零件的加工精度

被加工零件需要在组合机床上完成的加工工序及应保证的加工精度，是制造

机床方案的主要依据。

箱盖加工孔的精度要求不高，可采用多工位组合钻床，

工件各孔间的位置精度为0.3mm它的位置精度要求不是很高，安排加工时可以在

下一个安装工位上对所有孔进行最终精加工。

为了加工出表面粗糙度为Ra3.2um

的孔。

采取提高机床原始制造精度和工件定位基准精度并减少夹压变形等措施就

可以了。

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图2-1被加工零件图

2.被加工零件的特点

零件的加工特点是中心线与定位基准平■面是垂直的，并且定位基准面是水平

的。

孔的分布范围是直线形状，工件比较长，一次钻完，多轴箱体积较大，采用两工位以减小多轴箱的体积，使整个钻床瘦身，因而适合选择立式多工位钻床。

3.零件的生产批量

零件的生产批量是决定采用单工位、多工位、自动线或按中小批量生产特点设计组合机床的重要冈素。

4.机床使用条件

使刚组合机床对对车间布置情况、工序间的联系、使用厂的技术能力和自然条件等一定的要求。

综合以上所述：

通过对箱盖零件的结构特点、加工部位、尺寸精度、表而粗糙度和技术要求、定位、夹紧方式、工艺方法，并定出影响机床的总体布局和技术性能等方面的考虑，最终决定设计四轴头多工位同步钻床。

2.2确定切削用量及选择刀具

2.2.1确定工序问余量

为使加工过程顺利进行并稳定的保证加工精度，必须合理地确定工序余量。

生产中常用查表给出的组合机床对孔加工的工序余量，由丁在本钻床上钻孔

后重新安装或在其他多工位机床上加工下道工序，应适当加大余量，以消除

转、定位误差的影响。

①lOmm勺孔在钻孔后扩孔，直径上工序问余量1.5〜

2.Omm

2.2.2选择切削用量

确定了在组合机床上完成的工艺内容了，就可以着手选择切削用量了。

因

此，同一主轴箱上的刀具主轴可设计成不同转速和不同的每转进给量

（mm/r）与其适应。

以满足不同直径的加需要，即：

ni-fi=,n2•f2=…

=ni-fi=vf

式中：

ni、n2、•••ni各主轴转速（r/min）

fi、f2、-fi各主轴进给量（mm/r）

vf动力滑台每分钟进给量（mm/min）

由丁箱盖孔的加工精度、工件材料、工作条件、技术要求都是相同的。

按照

经济地选择满足加工要求的原则，采用查表的方法查得：

钻头直径D=lOmm

铸铁HB17砂255、进给量f=O.lmm/r、切削速度v=15m/min.

2.2.3确定切削力、切削扭矩、切削功率

根据选定的切削用量（主要指切削速度v及进给量f）确定切削力，作为选择动力部件（滑台）及夹具设计的依据；确定切削扭矩，用以确定主轴及其它传动件（齿轮，传动轴等）的尺寸；确定切削功率，用以选择主传动电动

（F指动力箱）功率，通过查表计算如下：

布氏硬度：

HB=HB-

-1/3（HBax-HBmin）

切削力：

F=26Df0.8H^.6

=26X10X0.10.8X228.330'6

=255-1/3（255-175）

=228.33

=1071.79N

切削扭矩：

T=10D'9f0.8

5HB0'6

切削功率：

p=Tv/9740兀D

=3274.45X15/（9740

X3.14X10）

=10Xl01.9X0.10.8X228.330.6

=0.164kw

=3274.45N

-mm

式中：

HB

-布氏硬度

F

-切削力（N）

D

-钻头直径（mm）

f

-每转进给重（mm/r）

T

-切削扭矩（N-mm）

V

-切削速度（m/min）

P

-切削功率（kw）

2.2.4选择刀具结构

箱盖的布氏硬度在HB17砂255,孔径D为lOmm刀具的材料选择高速钢

钻头（W18Cr4V）,为了使工作可靠、结构简单、刃磨简单，选择标准①10的麻花钻。

孔加工刀具的长度应保证加工终了时刀具螺旋槽尾端与导向套之间有30〜50mnti勺距离，以便排出切屑和刀具磨损后有一定的向前的调整量。

2.3四轴头多工位同步钻床总设计“三图一^”的编制

前而对四轴头多工位同步钻床工艺方案及配置型式、结构方案确走的有关问

题，它是钻床总体设计的重要内容。

下面就以钻床加T箱盖总体设计的另一个问题，既总体设计方案的图纸表达形式“三图一卡”设计，其内容包

括：

绘制被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸图、编制生产率卡。

2.3.1被加工零件工序图

1、被加工零件工序图的作用及内容

组合机床设计的主要依据，也是制造、使用、检验和调整机床的重要技术文件。

箱盖用四轴头多工位组合机床的被加工零件工序图如2-2所示。

图上主要内容：

（l）被加工零件的形状

（2）本工序所选定的定位基准、夹紧部位及夹紧方向。

（3）加工时如需要中间向导。

（4）被加工零件的名称、编号、材料、硬度及被加工部位的加上余量等。

2、绘制被加工零件工序图的注意事项

（l）为了使被加工零件工序图活晰明了，一定要图出被本机床的加工内容。

如图2-2中8——①10加工用定位基准，机械夹压位置及方向，辅助支承均须用规定的符号表示出来

（2）加工部位的位置尺寸应由定位基准注起，为便丁加工及检查，尺寸应米用直角坐标系标出，而不米用极坐标，但有时因所选定位基准.与设计基准不重合，则须对加工部位要求位置尺寸精度进行分析换算。

此外，应将零件图的不对称位置尺寸公差换算成对称尺寸公差，如图2-1中的尺寸60-0.3-0.1应换算为图2-2中的尺寸59.8土0.1,以便在进行火具和主轴箱设计时，确定导向孔与主轴孔的位置坐标尺寸。

图2-2被加T零件T序图

附注：

1.被加工零件名称及编号：

箱盖：

2.材料及硬度：

灰铸铁HT20QHB17砂255;

3.“”上尺寸为本工序保证尺寸；

2.3.2加工示意图

1、加工示意图的作用和内容

加工示意图是被加工零件工艺方案在图样上的反映，是整台组合机床布局形

式的原始要求，也是调整机床和刀具所必需的重要文件。

图2-3为箱盖上8孔立式钻床加工示意图。

在图上应标注的内容：

（1）机床的加工方法，切削用量，工作循环和工作行程。

（2）工件、火具、刀具及多轴箱端而之I可的距离等。

（3）主轴的结构类型，尺寸及外伸长度；刀具类型，数量和结构尺寸、接杆、

导向装置的结构尺寸；刀具与导向装置的配合，刀具、接杆、主轴之间的连接方式，刀具应按加工终了位置绘制。

2、绘制加工示意图之前的有关计算

（l）刀具的选择

（2）导向套的选择

多轴箱端而

主轴1、Lki5、&7、Sn=476r/minv=15m/minf=0.1mm/rvt=470mm/min

图2-3钻床加工示意图

1）选择导向类型根据刀具导向部分直径d=lOmnffi刀具导向的线速度

v=15m/min,选择固定式导向。

2）导向套的参数根据刀具的直径选择固定导向装置,如图2-4所示：

图2-4固定导向装置

固定导向装置的标准尺寸如下表：

表2-1固定导向装置的标准尺

d

D

Di

Di

L

li

R

di

由

Io

】0

18

26

30

28

38

13

22

MS

16

16

固定装置的配合如下表：

表2-2固定装置的配合

导向

类别

T芝

方法

D

D

D,

刀具导向

部分外径

固定

「导向

钻孔

G7（或F8）

H7

H7

扣6

固定导向装置的布置如图2-5所示

导向装置的布置如表2-3所示：

表2-3导向装置的参数（mm）

J

项11、^^

h

与直径d的关系

（2-3）d

加工.铸铁d

d/3+（3〜0

计舞值

3xd=30

10

10/3+8二12

（3）初定主轴类型、尺寸、外伸长度

因为轴的材料为40Cr,剪切弹性模量G=81.OGPa刚性主轴取中=1/4（0）

/m,所以B取2.316,

根据刚性条件计算主轴的直径为：

d>B•4VT=2.316X4V3274.45=17.52mm

式中：

d轴直径（mm）

T轴所承受的转矩（N-mm）

B系数

本设计中所有主轴直径皆取d=20mm主轴外伸长度为：

L=115mmD/d〔为32/20，内孔长度为：

l1=77mm.

（4）选择刀具接杆由以上可知，多轴箱各主轴的外伸长度为一定值，而

刀具的长度也是一定值，因此，为保证多轴箱上各刀具能同时到达加工终了位置，就需要在主轴与刀具之间设置可调环节，这个可调节在组合机床上是通过可调整的刀具接杆来解决的，连接杆如图2-6所示，

一L一

liJLa

■iIn

图2-6可调连接杆

连接杆上的尺寸d与主轴外伸长度的内孔D配合，因此，根据接杆直径d

选择刀具接杆参数如表2-4所示：

表2-4可调接杆的尺寸

d（h6）

D|（h6）

da

山

L

h

1;

h

螺母

既度

j

20

Tr20X6

莫氏1号

12.061

17

188

46

40

l（X）

12

（5）确定加工示意图的联系尺寸

从保证加工终了时主轴箱端面到工件端面间距离最小来确定全部联系尺寸，加工示意图联系尺寸的标注如图2-3所示。

其中最重要的联系尺寸即工件端面到多轴箱端面之间的距离（图中的尺寸333mm,它等丁刀具悬伸长度、螺母厚度、主轴外伸长度与接杆伸出长度（可调）之和，冉减去加工孔深度和切出值。

（6）工作进给长度的确定如图2-7工作进给长度L工应等丁工件加工部

位长度L与刀具切入长度Li和切出长度L2之和。

切入长应Li应根据工件端而误差情况在5〜lOm佗问选择，误差大时取大值，因此取L1=7mm切出长度L2=l/3d+（3〜8）=1/（3X10）+8q9mm所以L工=10+7+9=26mm

（7）快进长度的确定考虑实际加工情况，在未加工之前，保证工件表面

与刀尖之间有足够的工作空间，也就是快速退回行程须保证所有刀具均退至夹具导套内而不影响工件装卸。

这里取快速退回行程为156mm快退长度

等丁快速引进与工作工进之和，因此快进长度156-26=130mm.

图2-7工作进给长度

2.3.3机床联系尺寸图

1、联系尺寸图的作用和内容

一般来说，组合机床是由标准的通用部件——动力箱、动力滑台、立柱、立柱底座加上专用部件多轴箱、刀、辅具系统、夹具、液、电、冷却、润滑、排屑

系统组合而成。

联系尺寸图用来表示机床各组成部件的相互装配和运动关系，以

检验机床各部件的相对位置及尺寸联系是否满足要求，通用部件的选择是否合适，并为进一步开展主轴箱、火具等专用部件、零件的设计提供依据。

联系尺寸图也可以看成是简化的机床总图，它表示机床的配置型式及总体布局。

如图2-8所示，机床联系尺寸图的内容包括机床的布局形式，通用部件的型号、规格、动力部件的运动尺寸和所用电动机的主要参数、工件与各部件

间的主要联系尺寸，专用部件的轮廓尺寸等。

2、选用动力部件

选用动力部件主要选择型号、规格合适的动力滑台、动力箱。

（1）滑台的选用通常，根据滑台的驱动方式、所需进给力、进给速度、最大行程长度和加工精度等因素来选用合适的滑台。

1）驱动形式的确定根据对液压滑台和机械滑台的性能特点比较，并结合

具体的加工要求，使用条件选择HY系列液压滑台。

2）确定轴向进给力滑台所需的进给力

F进=EFi=4X1071.79=4287.16N

式中：

Fi主轴加工时所产生的轴向力

由丁滑台工作时，除了克服各主轴的轴的向力外，还要克服滑台移动时所产生的摩擦力。

因而选择滑台的最大进给力应大丁F进=4.29KN。

3）确定进给速度液压滑台的工作进给速度规定一定范围内无级调速，对液压滑台确定切削用量时所规定的工作进给速度应大丁滑台最小工作进给速度的0.5〜1倍：

液压进给系统中采用应力继电器时，实际进给速度应更大一些。

本系统中进给速度Vf=n-f=47.8mm/min。

所以选择HY251A液压滑台，工作进给速度范围32〜800mm/min快速速度12m/min。

4）确定滑台行程滑台的行程除保证足够的工作行程外，还应留有前备量和后备量。

即：

行程L>156+20+40=236mm取L=250mm综合上述条件，确定液压动力滑台型号HY251A

（2）由下式估动力箱的选用动力箱主要依据多轴所需的电动机功率来选

用，在多轴箱没有设计之前，P主可算

P主=P切/T]

=4X0.164/0.8

=0.82KW

式中：

7]——多轴箱传动效率，加工黑色金届时7]=0.8〜0.9;有色金届时

T]=0.7〜0.8，本系统加工HT200,取可=0.8.

动力箱的电动机功率应大丁计算功率，并结合丰轴要求的转速大小选择。

因此，选用电动机型号为Y100L-6B5的1TD25IA型动力箱，电动机功率1.5K叫驱动轴转速为520r/min，动力箱输出轴至箱底面高度为125mm

（3）Y轴液压滑台的选用

工件质量计算V=420X240X10+（2X160+2X340）X10X30m=p-v=7.0x103X1.308xl0-3=9.156kg磨擦系数：

f=0.07〜0.12取f=0.1

F=f-N=0.1mg=0.1X9.156X10=9.156N

由工作台和夹具还未设计，初选滑台时进给力大丁9.156N,由丁工件长

X宽为420X240mm选择液压滑台HY32IA型.

2、配套支承部件的选用

立柱1CL25型，立柱底座1CD25

3、确定装料高度

装料高度指工件安装基面至机床底面的垂直距离，在现阶段设计组合机床时，装料高度可视具体情况在H=580〜1060mm^问选取，本系统取装料高度为976mm

4、中间底座轮廓尺寸

中间底坐的轮廓尺寸应满足Y轴滑台在其上面联接安装的需要，乂考虑到

与立柱底座相连接。

冈此，中间底座采用侧底座1CC32

5、确定多轴箱轮廓尺寸

本机床配置的多轴箱总厚度为301mm宽度和高度按标准尺寸中选取。

计

算时，多轴箱的宽度B和高度H可按下式确定：

B=b+2bi=190+2X100=390mm

H=h+h1+b1=100+100+100=300mm

式中：

b工件在宽度方向相距最远的两孔的距离

bi最边缘主轴中心距箱外壁的距离，一般取b1>70〜lOOmm

h工件在高度方向相距最远的曲孔距离

hi最低主轴高度h1>85〜140mm取h〔=lOOmm

根据上述计算值，按主轴箱轮廓J迂寸系列标准，最后确定主轴箱轮廓尺寸

B

XH=400X320mm

2.3.4生产率计算卡

生产率计算卡是反映所设计机床的工作循环过程、动作时间、切削用量、生

产率、负荷率等技术文件，通过生产率计算卡，可以分析拟定的方案是否满足用户对生产率及负荷率的要求。

计算如下：

切削时间：

T切=L/Vf+t停

=2X26/47.8+2X15/478=1.151min

式中：

T切加工时间（min）

L工进行程长度（mm）

vf刀具进给量（mm/min）

t停死挡铁停留时间。

一般为在动力部件进给停止状态下，

刀具旋转5〜15r所需要时间。

这坐取15r

辅助时间T辅=（L3+L4）/Vfk+t移+t装

=（150+