卧式单面钻铰工艺销孔组合机床控制系统设计.docx

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卧式单面钻铰工艺销孔组合机床控制系统设计

ANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

本科毕业论文

卧式单面钻铰工艺销孔组合机床控制系统设计

Processsingle-sidedhorizontalhingepinholedrillingmachinecombinationscontrolsystemdesign

系（院）名称：

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届自动化班

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指导教师姓名：

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卧式单面钻铰工艺销孔组合机床控制系统设计

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职称：

摘要基于当今汽车制造业及其他机械行业的迅速发展，专用组合机床以其独特的优点在机床使用中占有重要的地位。

目前加工六缸缸体发动机的常用机床加工速度慢，而且精度不够高，因此需设计专用机床来弥补这一缺点，从而提高加工速度和精度。

因此生产加工六缸缸体发动机的生产加工线应运而生，卧式单面钻铰工艺销孔组合机床是这一生产线的第一部机床，主要负责在加工发动机六缸缸体时加工工艺销孔，这是六缸缸体加工的第一步，也是最关键的一步，这一步的成败直接影响到工件的后续加工，因此对该组合机床的控制系统的设计就尤为重要。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术和严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

同时，PLC还具有配套齐全，功能完善，适用性强，系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，体积小，重量轻，能耗低等优点，从而保证复杂的电气控制过程，使机床能够安全可靠的工作。

PLC凭借着这些自身特点在机床控制系统中被广泛应用。

本设计基于PLC的控制特点完成了以PLC为核心的卧式单面钻铰工艺销孔组合机床控制系统的设计，该方案能充分利用PLC的逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，通过数字式、模拟式的输入和输出，来对复杂电路进行控制。

关键词PLC机床发动机控制系统

Processsingle-sidedhorizontalhingepinholedrillingmachinecombinationscontrolsystemdesign

AbstractBasedontherapiddevelopmentoftoday'sautomobilemanufacturingindustryandothersectorsofmachinery,special-purposemachinetoolplaysanimportantroleintheuseofthemachineforitsuniquecombinationofadvantages.Currently,thecommonlymachineusedtoprocessSix-cylinderengineisslow,andtheaccuracyisnothighenough,sothedesignofspecialtoolsrequiredtomakeupforthisshortcoming,enhancingtheprocessingspeedandaccuracy. Thereforetheblockproductionlinetoproductsix-cylinderenginecomesintobeing,horizontaltechnologyononesideofhingepinholedrillingmachineisthefirstproductionofthelineofmachinetools,itsprimarilyresponsibleistoprocessholeforsix-cylinderengineintheprocessing,thisisnotonlythefirststepinprocessingofsix-cylinder,butalsothemostcrucialstep.Thestepisadirectimpactonthesuccessorfailureoffollow-upprocessingoftheworkpiece,sothecontrolsystemdesignofthecombinationofmachinetoolisparticularlyimportant.PLCasaresultoftheuseofmodernlarge-scaleintegratedcircuittechnologyandstrictproductionprocess,theinternalcircuittotakeanadvancedanti-jammingtechnology,withhighreliability. Atthesametime,PLCalsohasthecompletepackage,perfectfunctions,applicability,systemdesign,constructionworkinsmall,easymaintenance,easytotransform,smallsize,lightweight,lowpowerconsumption,thusensuringtheelectricalcontrolofcomplexprocesses,sothatsafeandreliablemachinetowork. PLCwithitsowncharacteristicswiththoseiswidelyusedinthemachinetoolcontrolsystem.ThedesignisbasedonthecharacteristicsofPLCcontrol,completingthedesignofcontrolsystemofaPLCasthecoretechnologyofhorizontalsinglehingepinholedrillingmachinecombination,theprogramcantakefulladvantageofthePLC’slogicoperations,sequencecontrol,timing,countingandarithmeticoperations,suchasoperationcommands,throughdigital,analoginputandoutput,tocontrolthecomplexityofthecircuit.

KeywordsPLCMachineControlssystem

引言

随着计算机技术、电力电子技术、自动控制技术的发展，电气控制技术已由继电–接触器接线的常规控制转向以计算机为核心的软件控制。

PLC和变频器是典型的现代电气控制装置。

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。

接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造。

本机床采用PLC控制低压开关电器、接触器、继电器、熔断器等的工作，通过其断开和闭合来控制电机的运行，电机带动刀具进行钻孔加工。

机床本身质量的优劣，直接影响所造机器的质量。

衡量一台机床的质量是多方面的，但主要是艺性好，系列化、通用化、标准化程度高，结构简单，重量轻，工作可靠，生产率高等。

卧式单面钻铰工艺销孔组合机床采用PLC进行控制，能同时加工5个孔，可靠性和生产效率均有提高。

卧式单面钻铰工艺销孔组合机床根据企业对发动机六缸缸体加工工艺要求，量身设计的相应的组合机床的一部分。

功能主要是加工六缸缸体工艺销孔，生产节拍为3.5分/件。

机床要求能够实现手动、自动两种运行方式，有必要的安全保护系统。

利用PLC使机床在车间恶劣的环境下实现自动控制，满足机床动作、加工工艺和保护要求。

第一章绪论

1.1本课题的提出与任务

1.1.1本课题目的提出依据

机械设备绝大多数都是由机床加工而成的，因此机床是机械制造业中的主要加工设备。

机床的质量以及自动化水平，将直接影响整个机械工业的发展。

机械零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙度要求较高，主要靠切削加工来达到，特别是形状复杂、精度要求高的钻孔加工零件，往往需要经过几道甚至几十道的加工工序才能完成。

在电力拖动方式的演变过程中，电力拖动的控制方式也由手动控制逐步向自动控制方向发展。

尤其是在电气控制不断进步的今天，可编程控制器PLC在机床上的应用，使机床的加工精度和加工速度都得到了很大的改善，尤其是各种专用机床的成功研发，为机床的发展迈出了新的一步。

1.1.2本课题的任务

1）本设备用于六缸缸体底面工艺销孔加工，零件进入本工序之前底面已精铣，左右两侧面及瓦盖结合面已粗铣，单边留余量1mm。

本工序完成底面工艺销孔的加工，保证尺寸公差，位置公差及表面粗糙度要求。

2）加工内容：

钻铰底面2-ø16H7工艺销孔。

3）定位基准：

底面，左侧面及开裆工艺台面定位。

4）上料高度：

1060mm

5）生产加工节拍：

生产节拍为3.5分/件。

6）机床型式：

机床为卧式单面钻铰孔组合机床，采用SHHY500/400滑台及LH50两工位立式滑台1000×630多轴箱配置，通过夹具，用液压缸棘手推送。

7）设备采用三菱FX1N系列PLC控制，操作集中控制，PLC输入/输出模块预留10%空点备用。

1.2机床的电气控制技术

随着机床与计算机不断的发展，电气控制技术也由手动方式逐步向自动控制方向发展。

自动控制包括继电器接触器控制和顺序控制器控制等等。

随着计算机技术的发展，出现了以微型计算机为基础的，具有编程、存储、逻辑控制及数字运算功能的可编程控制器PLC。

PLC的设计以工业控制为目标，接线简单、通用性强、编程容易、抗干扰能力强、工作可靠。

它一问世即以强大的生命力，大面积地占领了传统的控制领域。

PLC的发展方向之一是微型、简易、价廉，以图取代传统的继电器控制；而它的另一个发展方向是大容量、高速、高性能、对大规模的复杂电气控制系统进行统合控制。

1.3设计目的及其意义

卧式单面钻铰工艺销孔组合机床是加工六缸缸体发动机生产线的第一台机床，主要功能是加工发动机六缸缸体工艺销孔，这是六缸缸体加工的第一步，也是最关键的一步，工艺销孔是后继加工的定位基准，因此这一步的成败直接影响到工件的后续加工，对该组合机床的控制系统的设计也有很高的要求。

本课题是卧式单面钻铰工艺销孔组合机床控制系统的设计，是根据企业对发动机六缸缸体加工工艺要求，量身设计的相应的组合机床的一部分。

机床能够实现手动、自动两种运行方式，有必要的安全保护系统。

利用PLC使机床实现自动控制，来满足机床动作、加工工艺和保护要求，能同时加工5个孔，可靠性和生产效率均有提高。

第二章卧式单面钻铰工艺销孔组合机床的基本结构和工作原理

2.1卧式单面钻铰工艺销孔组合机床的结构

卧式单面钻铰工艺销孔组合机床可分为工作床身和控制柜两大部分。

2.1.1机床的床身

卧式单面钻铰工艺销孔组合机床床身由工作台、冷却装置、排屑装置、冲屑装置、润滑装置和液压装置几部分组成。

机床结构分布图如图2-1所示。

1）工作台：

将需要加工的零件固定在操作台上，工件三面定位，液压夹紧，由主轴电机带动刀具进行钻孔销孔加工，加工内容有立滑台和卧滑台配合控制。

2）冷却装置：

采用大流量冷却，由冷却电机和油冷电机分别控制。

以保证机床工作在允许的温度范围，同时也保证机床能够长时间的处于工作状态，在钻孔加工过程中不会由于温度过高而烧坏被加工零件。

3）冲屑装置：

将加工产生的铁屑冲刷掉，保持工作台的清洁才能保证零件加工的精度。

4）排屑装置：

采用磁刮板自动排屑，铁屑被排放在水槽堆积，排屑电机带动磁铁链通过磁场作用将其直接排除。

5）润滑装置：

采用递进式自动集中润滑，给机床加入润滑油以减小磨擦。

6）液压装置：

液压电机控制控制液压站，一方面夹紧被加工零件，另一方面移动两个操作台进行轮换加工。

本机床采用SEHY500/400液压滑台（图2-2）是用来实现进给运动的动力部件。

该滑台可根据被加工零件的工艺要求，在其上配置不同形式的切削头和支承部件组成组合机床，可完成钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、车端面、铣削及攻丝工序。

滑台配有分级进给装置，可完成深孔加工。

图2-1卧式单面钻铰工艺销孔组合机床的结构分布图

图2-2SEHY500/400滑台

2.1.2电气控制柜

电气控制柜是卧式单面钻铰工艺销孔组合机床的电气控制部分，是本设计的重点，主要用于控制各个电机的运行，从而控制机床的正常工作。

首先，在已设计好的空机柜中布置电气元件，如可编程控制器PLC、熔断器、交流接触器、继电器、直流稳压电源变压器等。

布置完之后，按照设计的电气原理图接线。

其次，电气控制柜需安装空调和照明灯，空调用于保证可编程控制器PLC以及其它电气元件正常运行的环境温度；照明灯采用常闭控制，即当关上机柜门时灯灭，当打开机柜门时开关处于闭合状态，照明灯发光以便于检修。

2.2卧式单面钻铰工艺销孔组合机床的运动过程

机床的工作过程概括起来可分为上件过程、钻铰销孔过程、下件过程和其他过程。

1）上件过程

上件过程是由输送油缸，定位油缸，反靠油缸，加紧油缸相互配合完成的。

该过程是手动过程，需要手动操作。

具体过程是：

人工上件之后，按下输送按钮，输送油缸工作，工件开始向前输送；按下定位按钮，定位油缸定位出工件的位置；按下反靠按钮，反靠油缸把工件反靠定位；按下夹紧按钮，夹紧油缸夹紧工件，至此上件定位过程完成。

2）钻铰销孔过程

该过程是整个加工过程的核心，是半自动的，主要靠主轴电机，立滑台，卧滑台相互配合完成。

具体动作过程如下：

上件完成以后启动半自动程序，立滑台从原位开始上升，同时主轴电机开始工作，立滑台到达终点后，卧滑台快进到加工位置，开始工进钻孔，到达卧滑台终点后，钻孔完成，卧滑台快退到原位，进入铰孔工序，立滑台下降到原位，卧滑台快进到加工位置，开始工进铰孔，到达卧滑台终点后，铰孔完成，卧滑台快退到原位，钻铰销孔过程完成，主轴电机停止工作。

3）下件过程

该过程和上件过程一样，要定位油缸，反靠油缸，加紧油缸相互配合完成，不过顺序不一样，该过程的具体步骤是：

先定位返回，夹紧油缸松开，最后再反靠返回，然后就可以人工卸件了。

连续加工时，下一个工件上件时，上一个工件自动下件。

4）其他过程

在机床工作时还有其他的工作过程，比如冷却过程，润滑过程，冲屑过程，排屑过程等。

这些过程是加工过程的辅助过程，但也是不容忽视的过程，每一步都会影响到加工的效果。

机床加工各个部分动作顺序如图2-3所示。

图2-3机床动作工序图

2.3控制要求

该组合机床是加工六缸缸体工作线的其中一部，主要负责钻铰底面2-ø16H7工艺孔成，以便后继加工时定位时使用。

加工时，工件由输送油缸输送到定位处，定位油缸定位，反靠油缸反靠定位，加夹紧油缸夹紧，由主轴电机带动刀具转动，由立滑台的原位和终点位置控制钻刀和铰刀的工作，在立滑台终点时钻孔，原位时铰孔，由卧滑台控制加工过程，卧滑台工进时开始加工，到达终点时加工完成加工，卧滑台退回原位。

工步分解如表2-1所示。

控制系统要能实现自动与手动的转换，各个动作要到位，有序，精确；要有多个按钮对不同的工序进行控制；加工过程使用自动控制，工人只需按下自动按钮就可以实现加工过程自动控制，且工步井然有序；整个控制系统设计要本着经济，使用，美观的要求进行设计，各个元器件的选择应在满足厂家要求的基础上实现经济实惠。

表2-1加工工步分解

名称

动作分解

上件

输送油缸输送（下件）→定位油缸定位→反靠油缸反靠→夹紧油缸夹紧→输送油缸返回（等待进入下一工件上件工步）

钻孔

立滑台到第一工位→卧滑台快进→卧滑台工进→卧滑台快退→立滑台到第二工位（进入销孔工步）

销孔

立滑台到第二工位→卧滑台快进→卧滑台工进→卧滑台快退（进入下一工件加工）

下件

定位油缸定位返回→反靠油缸反靠返回→夹紧油缸松开→等待下件

2.4控制方案的选择

本设计控制系统可分手动和自动两部分，其中自动控制部分有不同的控制方案，既可选择继电接触器控制系统实现自动控制，又可选择PLC实现自动控制，下面就这两种控制方案进行比较选择：

1）传统的继电器控制系统是针对一定得生产机械，固定的生产工艺而设计，采用硬接线方式安装而成，只能进行开关量的控制；而PLC采用软件编程来时此案各种控制功能，只要改变程序，就可适应生产工艺的改变，并且可以实现开关量和模拟量的控制，因而适应性强。

2）传统的继电接触器控制系统中，随着控制对象的增多，必然要增加继电器数目，提高系统的运营成本；而对于PLC来说，只需要该变程序就可以实现较复杂的控制功能。

3）继电接触器控制系统在长期使用的过程中，受接触不良和触点寿命的影响，可靠性低；PLC由于采用了微电子和计算机技术，可靠性比较高，抗干扰能力强。

4）继电接触器控制系统要扩充、改装都必须重新设计重新配置；而PLC在I/O点数及内容允许范围内，可以扩充。

5）与传统继电接触器控制系统相比，PLC体积小、重量轻、结构紧凑、开发周期短，安装和维护工作量小，PLC还有完善的监控和自诊断功能，可以及时发现和排除故障。

因此，PLC在性能上比继电接触器逻辑控制优异，本设计选择PLC控制系统。

2.5PLC的基本知识

2.5.1PLC的定义

可编程序控制器（PoogrannableController）简称为PC,但是由于个人计算机（PersonalComputer）也简称为PC,为了区别,同时由于早期的可变程序控制旗帜是具有逻辑控制功能,因此人们仍习惯称可编程序控制器为PLC（ProgrammableLogicalController）．

1982年国际电工委员会在颁布可编程序控制器标准草案中所作的定义为:

可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统.它采用一种可编程序的存储器,在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字或模拟式的输入／输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备应按易于与工业系统连成一个整体和具有扩充功能的原则进行设计。

2.5.2PLC的功能及特点

PLC把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体，能完成以下功能：

多种控制功能（开关量的逻辑控制，定时控制，计数控制，步进控制，回路控制）；A/D、D/A转换；数据处理、存储与处理；通信联网；输入/输出接口调理功能；人机界面功能；监控；编程、调试功能；停电记忆；故障诊断。

为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC机有以下特点：

●可靠性高，抗干扰能力强。

●故障修复时间（平均修复时间）短

●功能强、适应面广

●编程简单、容易掌握

●减少了控制系统的设计及施工的工作量

●体积小、重量轻、功耗低、维护方便

2.5.3PLC的基本结构

PLC实质是一种专门用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。

中央处理单元（CPU）：

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

存储器：

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

电源：

PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。

如果没有一个良好的、可*得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

2.5.4PLC的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

1）输入采样阶段：

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

2）用户程序执行阶段：

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

3）输出刷新阶段：

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出。

2.5.5PLC的编程语言

PLC是专为工业自动控制而开发的装置，主要使用对象是广大电气技术人员及操作维护人员。

为了他们的传统习惯和掌握能力，通常PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，这些编程语言有梯形图LAD、语句表STL、控制系统流程图CSF、逻辑方程式或布尔代数式等。

2.6PLC的控制系统设计原则

2.6.1PLC控制系统设计的基本内容与步骤

一PLC控制系统设计的主要内容

1）选择用户输入/输出设备以及由输出设备驱动的控制对象。

2）PLC的选择。

3）分配I/O点，设置I/O连接图。

4）设计控制程序。

包括设计梯形图，语句表或控制系统流程图。

5）设计控制柜。

6）编制控制系统技术文件。

二PLC控制系统设计的一般步骤

1）确定设计任务书。

被控对象就是受控的机械、电气设备、生产线或生产过程。

控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和连锁。

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