双面钻孔组合机床设计.docx

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双面钻孔组合机床设计

双面钻孔组合机床

摘要

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、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。

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睐，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。

本文对可编程序控制器（PLC）应用于双面钻孔组合机床电气控制系统的设计思想作了介绍。

对系统的硬件组成和软件设计作了较为详细的阐述。

关键词：

可编程控制器（PLC）,组合机床,步进梯形指令（STL），

动力滑台。

Abstract

Combinationmachinetoolsandautomaticlineisacomprehensivecollectionandintegrationofhighdegreeofautomationinthemanufacturingtechnologyandprocessequipmentpackages.Itischaracterizedbyhighlyefficient,highquality,economicalandpractical,theyhavebeenwidelyusedformechanicalengineering,communications,energy,industry,lightindustry,andhomeelectricalappliancesindustry.Ourtraditionalcombinationmachinetoolsandmachinetoolportfolioautomaticallyroutesprimarilyusemachines,electricity,gas,hydrauliccontrol,anditsprocessingistargetedattheproductionlotlarger-andmedium-boldtypeandZhouLeipartsandcompletedrilling,reaming,cutKong,theprocessingofthread,boring,carscarrynoodlesandprotrudeTaiwaninConederasmooth-borevariousshapesshaftsandhorizontalXianxiaoandshapeface.Astechnologyadvances,anewportfolioofmachinetools--softcombinationmachinetoolsincreasinglybeenfavored,itappliedalinebox,convertiblemainboxes,codingandcutleryaccompanyingjigautomaticreplacement,coupledwithprogrammablecontroller（PLC）,numericalcontrol（NC）,toarbitrarilychangetheworkcyclecontrolanddrivesystems,andtheflexibilitytoadapttothemulti-speciesprocessingscalevariableportfoliotools.

ThisarticlemainlyintroducesthedesignthoughtofPLCapplyingforModularMachineToolelectroniccontrolsystem.Itgivesadetailedstatementonthecomponentsofthesystemhardwareanddesignofsoftware.

Keywords:

PLC；ModularMachineTool；STL。

第一章引言

1.1课题背景

我国加入WTO以后，制造业所面临的机遇与挑战并存。

组合机床行业企业适时调整战略，采取了积极的应对策略，出现了产、销两旺的良好势头，截至2002年9月份，组合机床行业企业仅组合机床产品一项，据不完全统计产量已达800余台，产值达3个亿以上，较2001年同比增长了10%以上,另外组合机床行业工业增加值、产品销售率、全员工资总额、出口交货值等经济指标均有不同程度的增长，新产品、新技术较上年均有大幅度提高，可见行业企业运营状况良好。

组合机床及其PLC电气控制系统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电气控制系统主要采用机、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（近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额），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。

组合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台式组合机床等；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睐，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。

另外，近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机（清洗机、装配机、综合测量机、试验机、输送线）等在组合机床行业中所占份额也越来越大。

1.1.1组合机床的国内外现状

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向。

1.1.2PLC控制技术的国内外现状

可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。

从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。

我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。

最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。

接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。

目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。

上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。

此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。

可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。

1.2组合机床的概述

1.2.1组合机床的概念

组合机床是由一些通用部件及少量的专用部件组成的高效自动化或半自动化的专用机床，可完成钻孔，扩孔，铰孔，镗孔，攻丝，车削，铣削，磨削等工艺，一般采用多轴、多刀、多工序、多面同时加工。

1.2.2双面钻孔组合机床的介绍

组合机床的控制系统大多采用机械、液压、气动和电气控制相结合的控制方式。

组合机床的控制线路的总体设计是由通用部件的典型控制线路和一些基本的环节组成。

组合机床构成：

通用部件、动力部件（动力头和滑台），支撑部件、（滑坐、床身、立柱），输送部件（回转台、机械手等零件和产品的输送装置）。

动力头：

能同时完成切削和进给运动的动力装置（部件）。

动力滑台：

只完成进给运动的动力装置（部件），有液压和机械两种结构形式。

1.3可编程序控制器及应用

1.3.1可编程序控制器概述

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及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

1.3.2可编程控制器的结构和工作方式

从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

PLC源于用计算机控制来取代继电接触器，所以PLC具有同通用计算机的相同之处，如具有相同基本结构和相同的指令执行原理。

但是，两者的工作方式上确有着重要的区别，不同之处体现在PLC的CPU上采用循环扫描工作方式，集中进行输入采样，集中进行输出刷新，I/O映像区分别存放执行程序之前的各输入状态和执行过程中个结果的状态。

1.3.3S7-200系列PLC指令系统

S7-200PLC的指令由助记符和操作符两部分组成。

常用指令：

1.LD/LDN指令2.A/AN指令3.O/ON指令4.输出指令5.NOT指令6.置位/复位指令7.NOP指令8.END指令。

比较指令：

1.字节比较指令2.整数比较指令3.双字整数比较指令4.实数比较指令5.比较指令应用实例。

程序控制指令：

1.JMP/LBL跳转指令2.FOR/NEXT循环指令3.CALL/CRET子程序指令。

定时器指令，计数器指令。

数据处理指令：

1.传送指令和块传送指令2.算术运算指令。

第二章系统设计的总体方案

2.1机械动力滑台

2.1.1机械动力滑台原理分析

图2-1

图2-2

构成：

滑台、滑座、双驱动电动机（工进电动机M1、快进电动机M2）

功能：

自动加工循环、工步图见上图1-1。

顺序：

为快进→工进→反向工进→反向快退（如图2-2）

2.1.2机械动力滑台主电路原理分析

图2-3

主电路：

KM1、KM2用于工进电动机M1正、反转控制以及快进电动机M2的转动方向控制（与M1转动方向一致）。

KM3用于控制快进电动机M2转动。

2.1.3机械动力滑台控制电路原理分析

图2-4

①主轴与滑台的顺序控制：

控制主轴电动机的KM4辅助常开触点，提供动力滑台控制电源。

②动力滑台自动循环控制

按动SB1→KM1线圈通电自锁→KM3线圈通电→快进电动机M2的断电抱闸制动电磁铁YB线圈通电松闸→电动机M1、M2正转，滑台快进；压下SQ2→KM3线圈断电→YB断电，快进电机M2抱闸制动，滑台工进；压动SQ3→KM1线圈断电，KM2线圈通电→滑台反向工进，SQ2复位→KM3线圈通电，YB通电，M2反转，滑台快退；压下SQ1→KM2、KM3线圈断电，M1、M2、YB断电抱闸制动，滑台停在原位。

③其他：

SQ4用于正向限位保护，压动SQ4后，工作台可自动返回原位。

SB2用于手动返回控制。

2.2液压动力滑台

2.2.1液压动力滑台原理分析

液压动力滑台是组合机床上用以实现进给运动的通用动力部件。

滑台由液压缸拖动工件作进给运动，根据被加工工件的要求实现不同的工作循环。

液压动力滑台通过液压传动系统可方便地进行无级调速，且正反向平衡，冲击力小，便于频繁地换向工作。

液压动力滑台是一种他驱式动力部件，由滑台、滑座和液压缸3部分组成，由于其自身不带液压泵、油箱等装置，需设专门的液压站及其配套装置，由电动机带动液压泵送出压力油，经电气、液压元件的控制，推动油缸中的活塞来带动工作台的运动。

根据加工工艺要求，液压动力滑台可组成一次工作进给、二次工作进给、死挡铁停留、跳跃式进给、反向进给和分级进给等多种工作循环。

2.2.2液压动力滑台的电液控制及其控制电路

1．液压动力滑台液压传动系统中各液压元件的作用

<1>液压泵（17）

该泵为限压式变量泵，随负载的变化而输出不同流量的油液,以适应快速运动和工作进给（慢速）的要求。

<2>液压缸（8）

该液压缸为活塞杆固定的差动液压缸。

活塞杆较粗，无杆腔与有杆腔的有效工作面积之比为2:

1，使快速进给和快速退回的速度相等。

<3>电液换向阀

由三位五通液动换向阀（15）和三位五通电磁换向阀组成,用以控制液压缸的运动方向。

<4>调速阀（5和4）

这两个阀串联在进油路上，实现节流调速。

由调速阀（4）控制Ⅰ工进速度（慢速）,由调速阀（5）控制Ⅱ工进速度（更慢速）,由二位二通阀（6）控制两种工进速度的换接。

<5>行程阀（7）用于控制快进和工进的速度换接。

<6>背压阀

（1）

由于采用进口节流调速，液压缸运动的平稳性差，因此在回油路上设置背压阀，用以提高液压缸运动的平稳性。

<7>顺序阀

（2）

液压缸快进时，系统压力低，顺序阀

（2）关闭，使液压缸形成差动连接；在工进时，由于系统压力升高，顺序阀

（2）打开，回油经背压阀

（1）流回油箱。

<8>单向阀（3）

液压缸工进时，单向阀（3）将进油路与回油路隔开。

<9>单向阀（16）

除防止油液倒流，保护液压泵外，在该回路中，主要是使控制油路具有一定的压力，用以控制三通五位换向阀（14、15）的启动。

<10>压力继电器（KP）

控制电液换向阀（14、15），使液压缸快速退回。