基于PLC的全自動氣動鉆床畢業(yè)設計

內(nèi)容提要氣動傳動作為一種易于推廣普及的實現(xiàn)工業(yè)自動化的應用技術，其氣源容易獲得，環(huán)境污染小，工作速度快，動作頻率高，工程容易實現(xiàn),而PLC是一種功能強，編程簡單、可靠性高的自動化控制產(chǎn)品，二者在工業(yè)生產(chǎn)上都得到了廣泛的應用。正是基于以上考慮，為提高生產(chǎn)效率，提高自動化程度，現(xiàn)設計一臺基于PLC的全自動氣動鉆床，該機床能對工件進行快速定位，夾緊及鉆削加工。本文主要是通過應用機床設計的一般方法對傳統(tǒng)機床的機構和控制系統(tǒng)進行設計及改進。設計的主要內(nèi)容是普通臺式鉆床傳動系統(tǒng)的改進、送料夾緊系統(tǒng)設計、進給系統(tǒng)的設計、PLC控制系統(tǒng)的設計和鉆床的結構設計等方面，其中重點在于進給系統(tǒng)、進給系統(tǒng)氣壓缸的設計和PLC控制系統(tǒng)的設計。氣壓系統(tǒng)的設計主要是解決主軸高速旋轉與軸向進給兩個自由度的實現(xiàn)；PLC控制系統(tǒng)的設計主要是通過應用PLC控制程序來實現(xiàn)對氣壓回路的動作控制及鉆床加工過程的動作設計。word文檔可自由復制編輯SummaryAsapopularindustrialautomationtechnology,thepneumaticdriveiseasytospreadwithadvantageeasyaccesstothegassourse,lowenvironmentalpollution,highworkingspeed,highmovementfrequencyandhighengineeringfeasibility.BecausePLCisaautomationandcontrolproductswithhighfunction,simpleprogrammingandhighreliability.Botthemhavebeenwidelyusedinindustrialproduction.Itisbasedontheaboveconsiderations,hereIamtodisignafullyautomaticpneumaticdrimachinethatbasedonPLCwhichcanquicklylocate,clampanddrillonttheworkpieceinordertoimprovetheproductionefficiencyandthedegreofautomation.Thispaperismainlytodesignandimprovetheinstitutionoftraditmachinetoolsandcontrolsystemsthroughgeneralapplicationofmachinetooldesigning.Themaincontentofthedesignisordinarydesktopdrilltransmissionsystemimprovement,feedingclampingsystemdesign,thefeedsystemdesign,PLCcontrolsystemdesignandstructuraldesignofdrillingmachine,etc.Ofwhichmainlyliesinthefeedingsystem,feedsofpneumaticcylinderdesignandPLCcontrolsystemdesign.Pneumaticsystemisdesignedtosolvethefreedomrealizationofspindlehigh-speedaxial.ThePLCcontrollingsystemismainlydesignedtorealizetheactioncontrolofthepneumaticcircuitandtheactiondesignofdrillingprocessthoughtheapplicationofthePLCcontrolprogram.word文檔可自由復制編輯目錄摘要.....................................................................ⅠABSTRACT...................................................................Ⅱ1緒論.....................................................................1.1鉆床的概述........................................................................11.2現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展狀況............................................................11.3傳統(tǒng)鉆床的改進方法................................................................21.4本課題設計的內(nèi)容及目標.........................................................3全自動鉆床的總體方案設計.................................................自動鉆床加工的工件及設計要求..................................................4自動鉆床的工藝路線分析與確定..................................................5執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計................................................................5傳動系統(tǒng)的方案設計................................................................6送料夾緊系統(tǒng)的方案設計.........................................................7控制系統(tǒng)的方案設計..............................................................7鉆床總體布局設計..................................................................8自動鉆床氣動系統(tǒng)的設計....................................................采用氣動自動化的經(jīng)濟效果.......................................................9鉆床氣動系統(tǒng)的動作分析及結構設計..............................................10自動鉆床進給系統(tǒng)的設計...........................................................12自動鉆床傳動系統(tǒng)的設計...........................................................19自動鉆床送料夾緊系統(tǒng)的設計.....................................................21自動鉆床控制元件的選擇...........................................................25氣源裝置及氣動輔助元件的選擇....................................................26鉆床的氣動回路設計..............................................................29鉆床的PLC控制系統(tǒng)設計....................................................31PLC概述..........................................................................31PLC在順序控制中的應用..........................................................31用PLC控制氣動鉆床的優(yōu)點.........................................................31PLC的控制系統(tǒng)設計內(nèi)容..........................................................32PLC的硬件系統(tǒng)設計................................................................32PLC的軟件系統(tǒng)設計................................................................35PLC控制程序的調(diào)試................................................................42word文檔可自由復制編輯結論.....................................................................45參考文獻...................................................................46致謝.....................................................................47word文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯1緒論1.1鉆床的概述鉆床是指主要用鉆頭在工件上加工孔的機床。通常鉆頭旋轉為主運動，鉆頭軸向移動為進給運動。鉆床結構簡單，加工精度相對較低，可鉆通孔、盲孔，更換特殊刀具，可擴、锪孔，鉸孔或進行攻絲等加工。加工過程中工件不動，讓刀具移動，將刀具中心對正孔中心，并使刀具轉動(主運動)。根據(jù)其用途和結構主要分為以下幾類：立式鉆床、臺式鉆床、搖臂鉆床、深孔鉆床等。1.2現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展狀況金屬切削加工是指利用刀具切除被加工零件多余材料的方法，是機械制造行業(yè)中最基本的加工方法，金屬切削加工過程是由金屬切削機床來實現(xiàn)的。金屬切削機床是用切削的方法將金屬毛坯加工成機器零件的機器。在現(xiàn)代機械制造行業(yè)中，隨著加工零件方式的多樣性以及工藝合理化的發(fā)展的要求，加工零件的方法也呈現(xiàn)出多樣化，在這其中機床切削加工的工作量約占總制造量的40%-60%（其中鉆床約占11.2%），所以在目前的機械制造業(yè)中金屬切削加工機床是主要的加工設備。而機床的技術性能又直接影響著機械制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率。我國機床工業(yè)自1949年建立以來，雖然在短短的時間內(nèi)取得了很大的成就，但與世界先進水平相比還有較大的差距。就現(xiàn)狀看，主要表現(xiàn)在：我國機床工業(yè)起步晚、制造技術不成熟；大部分高精度和超精度的機床性能不能滿足需求，精度保持也差，特別是數(shù)控機床的產(chǎn)量、技術水平和質(zhì)量等方面都明顯落后。目前我國數(shù)控機床基本上是中等規(guī)格的車床、銑床和加工中心等，而精密、大型、重型或小型數(shù)控機床還遠遠不能滿足要求。另外我國的機床在制造的技術水平和性能上與外國的差距也很明顯，機床理論和應用技術的研究也明顯落后。所以我們要不斷學習和引進外國先進科學技術，大力發(fā)展研究，推動我國機床工業(yè)的發(fā)展。由以上現(xiàn)狀分析我們可以看出，在機床加工中鉆床的加工工作量在總制造工作量中占很大的比重。鉆床為孔加工機床，長期以來我國的機械機械制造業(yè)中孔類加工多數(shù)由傳統(tǒng)鉆床來完成，但是傳統(tǒng)的鉆床在大批量生產(chǎn)時存在許多的不足之處：自動化程度低；工人勞動效率低，工作環(huán)境惡劣；占用的人力較多，操作固定不變易出錯；精度低，工件裝夾浪費時間；加工的產(chǎn)品質(zhì)量低。針對以上的傳統(tǒng)鉆床的不足之處以及生產(chǎn)中存在的問題，我們有必要對傳統(tǒng)鉆床進行自動化的改進。通過對傳統(tǒng)鉆床手動的進給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)及人工送料系統(tǒng)的改進和設計，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實現(xiàn)自動化，降低勞動強度及工作量。1.3傳統(tǒng)鉆床的改進方法當前傳統(tǒng)鉆床問題的存在主要在于自動化程度、生產(chǎn)效率、工作環(huán)境及產(chǎn)品質(zhì)量。在生產(chǎn)過程中，手動的操作、繁瑣的裝夾、大量生產(chǎn)力的投入和單一的生產(chǎn)流程導致了鉆床加工的自動化程度低、生產(chǎn)效率低、工作環(huán)境惡劣和產(chǎn)品質(zhì)量不高，因此，我們要解決的問題在于如何讓實現(xiàn)鉆床加工的自動化、減少生產(chǎn)力的投入和與其它工藝流程相結合，同時也要考慮經(jīng)濟問題。為了解決問題和便于設計改造，我們將鉆床分為傳動系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)、送料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)五部分，下面分別對各部分的問題提出解決方案：傳動系統(tǒng)：為滿足改進后的加工及工作要求，在作出相應的計算后對傳動系統(tǒng)進行改進和調(diào)整。進給系統(tǒng)：傳統(tǒng)的鉆床主軸進給系統(tǒng)主要由主軸、主軸套筒、主軸套筒鑲套、齒輪齒條和軸承等組成。主軸在加工時即要作旋轉運動，也要作軸向的進給運動。機床主軸被裝置在主軸套筒內(nèi)，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內(nèi)，主軸上側由花鍵連接。機床加工時，旋轉運動由花鍵傳入，而進給運動則由齒輪通過齒條帶動套筒在鑲套內(nèi)運動。為了實現(xiàn)自動化控制的要求，主軸進給機構改進主要有：主軸旋轉依然由電動機傳入，而進給由氣壓傳動替代手動的齒條傳動，通過氣壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn)進給動作。夾緊系統(tǒng)：傳統(tǒng)鉆床的夾緊主要是手工操作，由夾具夾緊工件。為了便于實現(xiàn)自動化控制，工件夾緊由夾具完成，動力源由夾緊氣壓缸導入，通過氣壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn)夾緊動作的自動化。送料系統(tǒng)：在生產(chǎn)過程中，鉆床的送料主要由人工輸入，這使得投入了大量的生產(chǎn)力，消耗了大量的工時，使的生產(chǎn)率不高，為此我們通過導入自動送料系統(tǒng)來減少生產(chǎn)力的投入和工時的消耗。自動送料系統(tǒng)機構傳動要根據(jù)生產(chǎn)的需求作出相應的設計需求，動力源可由電機或氣壓系統(tǒng)傳入，二者均可實現(xiàn)自動化控制?？刂葡到y(tǒng)：當前機床控制系統(tǒng)主要由計算機數(shù)控、繼電器電氣控制和PLC控制等，由于繼電器電氣控制系統(tǒng)，其聯(lián)動關系復雜，維修困難，故障率高，經(jīng)常影響正常生產(chǎn)，計算機數(shù)控造價高、系統(tǒng)復雜，而PLC控制系統(tǒng)可靠性好、造價低、抗干能力強、柔性好、編程簡單、使用方便、擴充靈活、功能完善，所以我們利用PLC控制技術來實現(xiàn)對進給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)、送料系統(tǒng)的氣壓系統(tǒng)的控制1.4本課題設計的內(nèi)容及目標本文主要是通過應用機床設計的一般方法對傳統(tǒng)機床的機構和控制系統(tǒng)進行設計及改進。設計的主要內(nèi)容是普通臺式鉆床傳動系統(tǒng)的改進、送料夾緊系統(tǒng)設計、進給系統(tǒng)的設計、PLC控制系統(tǒng)的設計和鉆床的結構設計等方面，其中重點在于進給系統(tǒng)、進給系統(tǒng)氣壓缸的設計和PLC控制系統(tǒng)的設計。氣壓系統(tǒng)的設計主要是解決主軸高速旋轉與軸向進給兩個自由度的實現(xiàn)；進給系統(tǒng)氣壓缸的設計、氣壓缸與主軸的配合和氣壓缸回路控制；PLC控制系統(tǒng)的設計主要是通過應用PLC控制程序來實現(xiàn)對氣壓回路的動作控制及鉆床加工過程的動作設計。通過對傳統(tǒng)鉆床的改進與設計，要達到的目標在于通過改進鉆床能夠?qū)崿F(xiàn)工作自動化，最終能滿足以下要求：能實現(xiàn)自動化連續(xù)生產(chǎn)，改善產(chǎn)品加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率；降低工作人員勞動強度和工作量；鉆床系統(tǒng)能工作平穩(wěn)，滿足工作要求；經(jīng)濟因素合理。word文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯22全自動鉆床的總體方案設計總體方案設計的構思和方案的擬定關系到產(chǎn)品的功能是否齊全、性能是否優(yōu)良、經(jīng)濟效益是否顯著，因此我們要確定良好的總體方案設計思想，保證產(chǎn)品的功能、經(jīng)濟效益和實用性能。2.1自動鉆床加工的工件及設計要求本文對普通臺式鉆床的自動化改造及設計是以加工一個14（鉆床最大鉆削直徑）的偏心孔線的自動化改造為背景。如圖1所示工件，大批量生產(chǎn)。本工序鉆削工件上的一個14的偏心孔，工件材料為Q235，為了實現(xiàn)自動化加工、提高生產(chǎn)效率、降低勞動強度，現(xiàn)設計一臺全自動專用鉆床，只要將工件堆積在料斗里，一按開關就可重復自動完成從送料到加工結束的全過程。圖2.1鉆床加工的工件改造后的全自動鉆床應滿足以下設計要求：滿足自動連續(xù)生產(chǎn)，且生產(chǎn)率為3個/分鐘；自動化改造應是機械、電子和氣壓的有機結合；傳動系統(tǒng)設計應包括切削力計算、電動機的選擇、傳動裝置設計、床身結構設計等；設計重點為鉆床氣動進給系統(tǒng)之進給氣缸設計；自動控制系統(tǒng)應以PLC與手動相結合的方式實現(xiàn)。自動鉆床的工藝路線分析與確定與傳統(tǒng)的臺式鉆床的加工工藝路線相比較，改造后的全自動鉆床基本動作有很大的調(diào)整，這其中主要是導入了自動化加工動作。結合設計及生產(chǎn)要求，確定工藝路線如下:啟動（電源及控制模塊）→自動送料→自動夾緊→主軸快進→主軸工進→主軸停留→主軸快退→夾具松開→出料執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計執(zhí)行系統(tǒng)是機械系統(tǒng)中的重要組成部分，直接完成機械系統(tǒng)預期工作任務。因此執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計是機械系統(tǒng)設計總體方案設計的核心，是整個機械設計的基礎。本文自動鉆床的執(zhí)行系統(tǒng)主要包括：鉆頭加工和進給氣壓缸驅(qū)動進給。執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設計功能原理設計決定產(chǎn)品的技術水平、工作質(zhì)量、傳動方案、結構型式、制造成本等。因此在進行鉆床的功能設計時，應該考慮鉆床功能的可行性、先進性和經(jīng)濟性。普通臺式鉆床的改造主要是實現(xiàn)自動化功能。改造后全自動鉆床能實現(xiàn)自動化連續(xù)生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)率，符合實際的生產(chǎn)要求，適應了現(xiàn)代機械加工工業(yè)的發(fā)展要求。執(zhí)行系統(tǒng)的運動規(guī)律本文設計的重點在于鉆床氣壓進給系統(tǒng)及進給氣缸的設計，也就是用氣壓缸驅(qū)動來代替手動進給。根據(jù)設計，要分析的運動規(guī)律包括鉆削運動和進給氣壓缸驅(qū)動進給運動。鉆頭加工運動包括旋轉切削運動和鉆頭直線進給運動。進給氣壓缸驅(qū)動進給運動要完成驅(qū)動主軸進給，為直線運動。鉆床執(zhí)行系統(tǒng)的運動規(guī)律如下圖示：圖2.2自動鉆床運動規(guī)律簡圖2.3.3執(zhí)行系統(tǒng)的形式設計在進行執(zhí)行系統(tǒng)的形式設計時，應遵循以下原則：滿足執(zhí)行機構的工藝動作和運動要求、盡量簡化和縮短運動鏈、盡量減少機構尺寸、選擇合理的運動副形式、考慮動力源的形式、使執(zhí)行系統(tǒng)具有良好的傳力和動力特性、使機械具有調(diào)節(jié)某些運動參數(shù)的能力和保證機械的安全運轉。考慮以上設計原則，在實現(xiàn)鉆頭的旋轉切削運動時，動力源與主軸之間的執(zhí)行機構應該選擇帶輪傳動；在實現(xiàn)鉆頭的直線進給運動時，應該選擇能夠往復運動的氣壓缸。2.3.4執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設計執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)原則：滿足各執(zhí)行機構動作先后的順序性要求、滿足各執(zhí)行機構動作在時間上的同步性要求、滿足各執(zhí)行機構在空間布置上的協(xié)調(diào)要求、滿足個執(zhí)行機構在操作上的協(xié)調(diào)性要求、各執(zhí)行機構的動作安排要有利于提高勞動生產(chǎn)率、各執(zhí)行機構的布置要有利于系統(tǒng)的能量協(xié)調(diào)和效率的提高。2.4傳動系統(tǒng)的方案設計2.4.1原動機的選擇由自動鉆床執(zhí)行部件的運動規(guī)律可以確定原動機。主軸旋轉運動的原動機選電動機，進給氣壓缸原動力選擇電動機驅(qū)動空氣壓縮機。2.4.22.4.2傳動系統(tǒng)方案設計全自動鉆床的總傳動比的確定要建立在計算切削力和傳動效率的基礎上，當確定自動鉆床的工作效率后，查表選擇電動機，對照鉆床的工作參數(shù)確定總的系統(tǒng)傳動比。根據(jù)以上分析，確定傳動系統(tǒng)的運動簡圖如下：圖2.3傳動系統(tǒng)運動簡圖2.5送料夾緊系統(tǒng)的方案設計為了實現(xiàn)自動化，提高生產(chǎn)率，工件的移動與夾緊必須各自設計單獨系統(tǒng)來完成。在生產(chǎn)過程中，鉆床的送料主要由人工輸入，這使得投入了大量的生產(chǎn)力，消耗了大量的工時，生產(chǎn)率不高，為此應該通過導入自動送料系統(tǒng)來減少生產(chǎn)力的投入和工時的消耗。自動送料系統(tǒng)機構傳動要根據(jù)生產(chǎn)的需求作出相應的設計需求，動力源可由氣壓系統(tǒng)傳入。工件在料倉靠重力落下，送料缸的活塞桿伸出，推動工件向右運動實現(xiàn)工件的定位。而為了保證鉆床加工孔的尺寸精度和位置要求,在批量生產(chǎn)中一般都采用鉆床夾具裝夾工件，動力源可由夾緊氣壓缸導入，通過氣壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn)夾緊動的自動化。2.6控制系統(tǒng)的方案設計綜合考慮全自動鉆床的改造要求、功能要求、控制要求及經(jīng)濟因素，控制系統(tǒng)采用PLC與手動相結合的方法進行控制。PLCPLC即可編程控制器，它是微機技術與繼電器常規(guī)控制技術相結合的產(chǎn)物，進過30多年的發(fā)展，可編程控制器已成為最重要、最可靠、應用場合最廣泛的工業(yè)控制微型計算機。PLC不僅充分利用微處理器的優(yōu)點來滿足各種工業(yè)領域的實時控制要求，同時也照顧到操作維修人員的技能和習慣，摒棄了微機常用的計算機編程語言，獨具風格地使用以繼電器梯形圖為基礎的形象編程語言和模塊化的軟件結構，使用戶編制的程序清晰直觀、調(diào)試和查錯容易，且編程方便易學。結合PLC的特點可以得出在控制系統(tǒng)方案設計時選擇PLC作為主要的控制方式，另外根據(jù)實際的工作要求，配合適當?shù)氖謩涌刂圃?。圖2.4鉆床自動化改造檢測及控制功能框圖2.7鉆床總體布局設計機床總布局的設計任務是解決機床各部件間的相對運動和位置關系，并使機床具有一個協(xié)調(diào)完美的造型。工件的形狀、尺寸及重量，很大程度上左右著機床的布局形式。全自動氣動鉆床在普通鉆床的原有機構的基礎上導入了氣壓裝置，主軸箱要做動。3自動鉆床氣動系統(tǒng)的設計3.1采用氣動自動化的經(jīng)濟效果用氣動自動化控制技術實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，是工業(yè)自動化的一種重要技術手段，是一種低成本的自動化技術。所謂低成本自動化技術是指將人工操作改為自動化操作后，對于單位產(chǎn)品的投資較低，即降低生產(chǎn)成本。一種情況是，在已有的人工操作基礎上，投入少量資金，用標準規(guī)格的氣動元件或裝置，將其改裝為自動或半自動機械。另一種情況是，采用各種標準規(guī)格的氣動元件或裝置構成自動化系統(tǒng)后，雖然前期的設備投資較大，但因生產(chǎn)效率提高，因而每個產(chǎn)品的成本亦大為降低。無論何種情況，氣動自動化的快速、安全、可靠、低成本等特點已為現(xiàn)代化生產(chǎn)所認識，并被廣泛應用。因此采用氣動自動化可以獲得如下的經(jīng)濟效果：提高生產(chǎn)效率，增加產(chǎn)量，提高產(chǎn)品附加值；減少產(chǎn)品的廢品率，降低產(chǎn)品成本，改進產(chǎn)品品質(zhì)；提高管理的正確性；提高生產(chǎn)設備的利用率，提高材料的使用率，減少損耗；5)減輕熟練技工的需求，減少員工的培訓時間，節(jié)省費用；為了更好地發(fā)揮氣動自動化的作用，表3.1給出了各種控制方式的比較。表3.1氣壓傳動與其它傳動的性能比較（資料來源：陳利群：《液壓傳動與氣動技術》，中國勞動社會保障出版社，2006）[1]3.23.2鉆床氣動系統(tǒng)的動作分析及結構設計本文課題中的氣動鉆床氣壓傳動系統(tǒng)，是利用氣壓傳動來實現(xiàn)進給運動和送料、夾緊等輔助動作。根據(jù)該鉆床的設計要求，送料、夾緊以及鉆削分別由三個不同的氣缸來控制。它的結構主要是工作臺、原料架、送料缸、夾緊缸、鉆削缸等部分組成，如圖3.1所示。圖3.1自動鉆床加結構原理圖圖中這三個氣缸的動作有嚴格的順序關系，其動作順序如下：起動按鈕 送料缸進 送料缸初始退 送料缸全退同時夾緊缸進其實該氣壓傳動系統(tǒng)就是一個多氣缸順序動作控制的回路。它的工作原理：工件在料倉靠重力落下，送料缸的活塞桿伸出，推動工件向右運動實現(xiàn)工件的定位，工件定位好后，夾緊缸的活塞桿伸出，夾緊工件，隨后鉆削缸的活塞桿帶動非刀具向下進鉆削缸快進給，進行鉆削加工。如果料倉內(nèi)無工件，則系統(tǒng)必須停止在起始位置，并互鎖以防止再啟動；當操作中出現(xiàn)緊急情況，按下復位按鈕后，所有氣缸無論在什么位置，均立即回到起始位置；按下停止按鈕，則在當前位置停止工作，再按一下，則繼續(xù)當前的鉆削缸工進動作。 夾緊缸退 鉆削缸快退延時停留3.33.3自動鉆床進給系統(tǒng)的設計3.3.1鉆床進給系統(tǒng)結構設計傳統(tǒng)的臺式鉆床主軸進給系統(tǒng)主要由主軸、主軸套筒、主軸套筒鑲套、齒輪齒條和軸承等組成。主軸在加工時即要作旋轉運動，也要作軸向的進給運動。機床主軸被裝置在主軸套筒內(nèi)，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內(nèi)，主軸上側由花鍵連接。機床加工時，旋轉運動由花鍵傳入，而進給運動則由齒輪通過齒條帶動套筒在鑲套內(nèi)運動。如圖3.2所示。1-主軸套筒鑲套2-推力球軸承3-主軸套筒4-主軸5-深溝球軸承6-齒輪齒條手動進給系統(tǒng)7-主軸箱圖3.2普通臺式鉆床進給系統(tǒng)簡圖全自動鉆床是在原有臺式鉆床的結構基礎上進行改造設計的，所以根據(jù)普通臺式鉆床的進給系統(tǒng)的特點，綜合考慮本文設計要求，改造后自動鉆床的工作條件和氣壓缸工作特性，確定自動鉆床的進給系統(tǒng)如圖3.3所示。由于氣缸的活塞桿不宜作高速的旋轉運動，因此主軸采用套裝結構：主軸由軸承支承在活塞桿內(nèi)作旋轉運動，活塞和活塞桿由氣壓驅(qū)動完成進給運動。1-鎖緊螺母2-墊圈3-氣壓缸蓋4-深溝球軸承5-墊圈6-推力球軸承7-主軸8-活塞桿9-氣壓缸筒圖3.3自動鉆床的進給系統(tǒng)結構簡圖3.3.2工況的分析根據(jù)設計要求可知，生產(chǎn)工件時，要求生產(chǎn)率為3個/分鐘，即要求在20S內(nèi)完成一個工件的送料、夾緊、鉆削加工和出料。已知工件的材料為Q235，工件厚度大約為10mm，查《機械工程材料實用手冊》可知，Q235為碳素結構鋼，其韌性好，有一定的強度和伸長率，在一般機械制造中應用廣泛，是一般機械制造中的主要材料，其切削加工性能較好[2]。鉆削直徑為14mm的孔，鉆削行程（孔的深度）L=10mm，由此可確定鉆床主軸行程為100mm，也就是氣壓缸的行程為100mm。在鉆床的切削加工過程中，鉆床主軸主要受到切削扭矩和軸向進給力的作用。所以鉆床主軸為僅受扭矩作用的軸類。主軸進給氣壓缸在工件中受到的作用力分為三個階段分析。在主軸快進工序中，氣缸受到鉆床主軸組件重力和氣壓缸系統(tǒng)的摩擦力作用；在主軸工進工序中，氣缸受到鉆床主軸組件的重力、軸向切削力和氣壓缸系統(tǒng)的摩擦力作用；在主軸快退階段，氣壓缸受到主軸組件的重力、退刀阻力和氣壓缸系統(tǒng)摩擦力。因此，在進給氣壓缸的設計時，要以最大受力為設計標準。3.3.3切削力的計算切削刀具及相關參數(shù)的選擇目前在鉆孔加工中，由于高速鋼麻花鉆采用物理沉積法TiN涂層處理后，其耐用度和鉆孔精度有了較大提高，所以該鉆頭應用廣泛。所以，在本文的鉆削加工中選擇高速麻花鉆頭。查《金屬切削手冊》選擇標準圓柱錐柄麻花鉆中等長度第一系列，刀具直徑為14mm，鉆孔與主軸用莫氏錐孔連接，莫氏錐孔為1號莫氏錐孔[3]。由于被加工的材料為Q235，其切削性能較好，所以查《金屬切削手冊》選擇加工時的進給量f=0.2mm/r和對應的切削速度V=32m/min[3]主軸轉速及鉆孔時間的計算根據(jù)工件材料查《金屬切削手冊》由切削速度計算公式可得主軸在工藝長期穩(wěn)定時的固定轉速n的計算公式如下：1000v nr/mind（3.1）式中,v-選定的切削速度（m/min）d-刀具或工件的直徑（mm）[3]將V=32m/min，d=14mm代入公式中，計算得出n=728r/min查《金屬切削手冊》，鉆孔時間T的計算公式為：l0.3dT分fn（3.2）式中,l-被鉆孔的厚度（mm）f-切削進給量（mm/r）d-刀具或工件的直徑（mm）n-主軸固定轉速（r/min）將l=10mm，f=0.2mm/r,d=14mm,n=728r/min代入公式中，計算得出T=6.3s由此，確定一個工件的加工工時為：送料1s,工件夾緊2s,快進2s，工進7s，主軸停留2s，快退2s，出料1s，加工一個工件用時17s，達到了加工效率的要求。切削力的計算鉆床切削力的計算包括鉆床主軸轉矩計算和主軸軸向切削力的計算。由于加工材料為Q235鋼，抗拉強度430MPa，其屬于結構碳素鋼，鉆頭為高速鋼麻花鉆，加工方式為鉆孔，所以查《械加工工藝手冊》得鉆床轉矩、軸向切削力計算公式如下：MCdZMfyMk(3.3) M Mword文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯FCdzFfyFk(3.4) f F F查《機械加工工藝手冊》表1.6-8可知：C0.305,Z2.0,y0.8;C600,Z1.0,y0.7;KK0.75 M M F F F F M F[4]將這些代入式中可得：M12.4Nm，F(xiàn)2042Nf3.3.4主軸的設計軸徑的計算綜合考慮，鉆床主軸材料選用45號鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后HB達到240左右，由金屬切削原理可知，主軸切削功率的計算公式為：PMfnKW（3.5）C 30d將M12.4Nm,f0.2mm/r,n728r/min,d14mm代入，可得P1.1KW。C考慮到軸承傳動功率（查的為0.99）和花鍵傳動效率（查的為0.98），所以可計算出鉆床主軸要傳遞的功率為：PP/(0.990.990.98)1.15KW(3.6)C由上可知鉆床主軸為僅受轉矩作用的軸類。查《機械設計》得鉆床最小直徑的計算公式如下：PdA3（3.7）min n查《機械設計》表15-3，取A=140[5],于是d16mm。由計算結果可知，鉆床主軸的最小直徑為16，根據(jù)主軸結構要求，現(xiàn)選自動鉆床前軸頸直徑為40mm，后軸頸的直徑為35mm。軸的結構設計由圖3-3進給系統(tǒng)結構簡圖可知，鉆床主軸上主要安裝一對深溝球軸承、一對推力球軸承、一個軸承擋環(huán)、一個鎖緊螺栓和軸端的花鍵連接。根據(jù)鉆床軸徑選用軸承及花鍵的尺寸如下：表表3.2主軸零件的選用表主軸零件型號深溝球軸承滾動軸承6208推力球軸承滾動軸承51308花鍵)(636328mm（資料來源：羅圣國：《機械設計課程設計手冊第三版》，高等教育出版社，2006）[6]根據(jù)主軸的行程，可確定鉆床主軸的基本長度尺寸如圖：圖3.4鉆床主軸基本尺寸簡圖限于篇幅，軸強度的校核在這里不再敘述。3.3.5進給氣缸的設計（1）負載的分析一般情況下，做往復運動的氣缸的負載由六部分組成，即工作阻力、摩擦力、慣性力、重力、密封阻力和背壓力。負載分析中，暫不考慮回氣腔的背壓力，所以需要考慮：工作阻力（鉆床軸向切削力）、系統(tǒng)摩擦阻力（在機械效率中考慮）、重力和慣性力。負載阻力即軸向切削力NFf2042。系統(tǒng)摩擦阻力在機械效率中考慮，軸承傳動效率0.99，花鍵傳動效率0.98，氣壓傳動效率取0.9。所以計算出整個系統(tǒng)的機械效率為：86.090.098.099.099.0系統(tǒng)要克服的重力有鉆床主軸重力和氣缸活塞桿的重力。查《機械設計手冊》鋼材密度取385.7mt[7]，主軸體積為：92104ldV（3.8） 所以主軸重力:G mgVg主軸 （3.9）把d=40mm,l=550mm，7850kgm3代入得G55N.考慮到軸上零件主軸和氣缸活塞桿重力，現(xiàn)取整個系統(tǒng)要承受的重力G=200N.慣性力F指運動部件在啟動或制動過程中的慣性力，查《液壓氣壓速查手冊》mGv得其計算公式為：[8]Fm gt（3.10）已知主軸系統(tǒng)的重力G=200N，根據(jù)工作要求，快進行程為70mm,工進行程為15mm，主軸快進快退速度為2.2m/min;工進速度為0.13m/min;加速、減速時間一般取△t=0.2s,所以可得慣性力為：2002.2F3.7Nm9.80.260快進時，在不考慮背壓情況下，主軸會在重力的作用下自動下移，且加速度大約為9.8m/s，因此氣缸在快進時受到的最大作用力FG172N.工進時，氣缸要克服工作阻力（主軸軸向切削力）和摩擦力，此時系統(tǒng)重力起動FG力作用。所以Ff ,為了設計的可行性，使得氣壓缸有足夠的氣壓作用力，計算中取系統(tǒng)重力的一半代入式中得F=2258N.快退時，氣缸要克服重力和摩擦力，所以FG/，所以計算出此時F=233N.列出主軸系統(tǒng)各運動階段的氣壓負載計算公式及大小如下表（由于慣性很小未列入加減速階段的負載）：表3.3氣缸各運動階段負載表運動運動階段計算公式負載大小(N)工件快進GF172工件工進/)(GFFf2258工件快退/GF233（資料來源：張利平：《液壓氣動技術速查手冊》，化學工業(yè)出版社，2006.）[8]（（2）進給氣缸的選擇氣壓缸的工作壓力較低（通常不超過1MPa），根據(jù)鉆床的工作條件和加工要求，初選氣壓缸的工作壓力為0.7Mpa。根據(jù)設計的要求和鉆床主軸的運動規(guī)律，選擇雙活塞桿氣缸，活塞桿為中空桿，便于主軸穿過。活塞桿兩端裝有軸承，以固定主軸。雙桿活塞缸的活塞桿兩側都可伸出，根據(jù)工件需要，選用活塞缸采用缸筒固定式。缸筒固定式雙桿活塞缸缸筒如下：圖3.5缸筒固定式雙桿活塞缸缸筒由于氣缸的往復頻率較高，為了防止氣缸活塞在行程終端撞擊缸蓋，應選擇緩沖氣缸。同時為了控制氣缸到達行程終點時發(fā)出相應的信號來完成預定的動作，氣缸可采用磁性開關來檢測控制氣缸的工作行程。它是一種有源傳感器，工作原理是基于材料的壓磁效應。由表3-2主軸零件選用表可知，活塞桿兩端要裝軸承。深溝球軸承選用滾動軸承6208，其外徑為80mm，查《機械設計手冊.氣壓傳動與控制》表24.2-5活塞桿直系列表，活塞桿直徑選用d=100mm。由表3.2選擇氣缸的負載F=2258N，查《液壓氣動速查手冊》選用氣缸負載率%50[8]由《液壓氣動速查手冊》表12-2中的公式：pdDF224[8]（3.11）可得F=135mm。根據(jù)表《機械設計手冊.氣壓傳動與控制》表24.2-4選用缸徑D=140mm，行程為mm100的氣缸。又缸筒材料選擇為20鋼管，由《液壓氣動速查手冊》表12-2查壁厚計算公式為：DP 2P （3.12）把D=140mm,P1.5P1.05p,60MP代入式中，得1.2mm?？紤]到機械加工，缸筒兩端安裝缸蓋等需，并參考《氣壓傳動與控制》表24.2.7，取氣缸的壁厚為7mm[9]。3.4自動鉆床傳動系統(tǒng)的設計3.4.1主軸傳動系統(tǒng)的分析由上可知，主軸傳動系統(tǒng)的設計主要包括帶輪傳動、主軸花鍵傳動和氣壓傳動系統(tǒng)設計。氣壓傳動系統(tǒng)設計已詳細介紹了，這里主要是帶輪傳動和主軸花鍵傳動的設計。主軸花鍵傳動主要是滿足主軸在高速旋轉的同時還能夠做軸向的進給運動，在主軸的花鍵設計中主要是根據(jù)主軸的軸徑大小來選擇花鍵的尺寸。主軸系統(tǒng)帶輪傳動可實現(xiàn)過載保護，設計包括V帶的選擇和帶輪尺寸的設計3.4.2主軸花鍵的設計花鍵聯(lián)接，由帶有多個鍵齒的軸和轂孔組成，齒側面為工作面，可用于靜聯(lián)接和動聯(lián)接。與鍵聯(lián)接相比，花鍵聯(lián)接有更高的承載能力，較好的定心性和導向性，可實現(xiàn)滑動聯(lián)接，對軸的削弱也較小。設計中軸上花鍵主要傳遞轉矩，并起到軸端的導向定心作用。由表3-2主軸零件的選取，可知選用的花鍵規(guī)格為：（NdDB）832366(齒數(shù)內(nèi)徑外徑齒寬)。由主軸的行程為100mm，選用花鍵的長度為140mm。3.4.3主軸電機的選擇由上知切削功率為P1.1KW,由于花鍵要與帶輪固定在機架上，取軸承傳動效率為0.99，花鍵的傳效率為0.98和V帶的傳動效率為0.96，所以可計算出電動機要傳動的最小功率P為：P P C 0.9920.980.96(3.13)可得P=1.19KW。查《機械設計課程設計手冊》選擇電機型號為：Y90L-4。其額定功率為1.5KW，滿載轉速為1400r/min。3.4.4V帶傳動設計確定計算功率V帶傳動的計算功率為：PKP(3.14) ca A式中：KA------工況系數(shù)，自動鉆床一般為空載啟動取為1.2P------所需傳動的額定功率，這里取電動機的額定功率為1.5KW。選擇V帶的帶型計算出P1.8KW。同時根據(jù)n=1400r/min由《機械設計》圖8-11選取普通caV帶的帶型為Z型。確定帶輪的基準直徑并驗算帶速由表8-8取小帶輪的基準直徑為：d80mm。d1按《機械設計》式8-13帶速Vdd1n（3.15）601000代入得V=5.86m/s.因為5m/s<V<30m/s,故帶速合適。帶傳動傳動比取i=2,則大帶輪的基準基準：did280160mm d2 d1確定V輪的中心距和基準長度由0.7dda2dd，初定中心距為a300mm。 d1 d2 0 d1 d2 0dd2由 式 L2addd2 d1 d0 02d1 d2 4a0（3.16）23003.1480160160802977mm 2 4300由表8-2選用L1000mm。dLL實 際 中 心 距（3.17）=312mm（5）驗算小帶輪上的包角aad d0 =300+(1000-977)/2 0 2word文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯（（2）負載的計算工件的夾緊裝置采用V型塊，根據(jù)夾具結構畫出受力簡圖，如圖所示，圖3.6受力簡圖根據(jù)理論力學分析進行計算，得出夾緊力：2sin12sin2fDMW（3.20）其中f-摩擦系數(shù)，取0.2；V-型塊夾角，本結構為o90；D-被夾工件直徑，本工件直徑為80mm。故計算出夾緊力：W=638N?？紤]安全系數(shù)2.5～3，取為3。所以夾緊缸所承受負載:NW19143638缸。（3）夾緊缸的選擇由于氣缸的往復頻率較高，為了防止氣缸活塞在行程終端撞擊缸蓋，同時由于氣缸雙向運動，夾緊缸應選用雙作用緩沖氣缸。圖3.7雙作用緩沖氣缸的職能符號根據(jù)《液壓傳動與氣動技術》公式9-3缸徑:PFD4[1](3.21)由NWF57519143.0缸，%70選用，P=0.7Mpa。所以D=39mm。根據(jù)表9-8圓整，取D=50mm。因為d/D=0.2～0.3，所以活塞桿直徑為d=10～15mm。根據(jù)表9-9圓整取d=20mm。最后查《液壓氣動速查手冊》選擇廣東肇慶方大氣動有限公司生產(chǎn)的Dd=50mm20mm10A-5R系列氣缸，行程為125mm，帶有磁性開關，用于檢測氣缸行程位置。1-動作指示燈2-保護電路3-開關外殼4-導線5-活塞6-磁環(huán)（永久磁鐵）7-缸筒8-舌簧開關圖3.8帶磁性開關氣缸的工作原理圖3.5.2送料系統(tǒng)的設計（1）送料缸的受力計算送料缸在推進工件時，工件受料斗上面所堆積重量的壓力而在所推進工件的上下兩面產(chǎn)生磨擦阻力，每個工件的重量約為N6，最多堆積20個，故摩擦阻力為：NNfGFf6.452.0612022）（總故送料缸所受軸向力為摩擦阻力，由于力很小，所以將送料缸的運動近似認為空載運動。（2）送料缸的選擇由于氣缸的往復頻率較高，為了防止氣缸活塞在行程終端撞擊缸蓋，同時由于氣缸雙向運動，夾緊缸應選用雙作用緩沖氣缸。我們選擇。選擇Dd=32mm10mm的10A-5R系列氣缸，行程為125mm,也帶有磁性開關，用于檢測氣缸行程位置。（3）自動送料機構的設計該自動送料機構，應具有由動力源驅(qū)動而往復運動的推料器，該推料器位于料倉的底部，在順序堆放工件的料倉底部的一端為出料口，另一端為進出口。該機構能夠高效地向工位輸送工件。在本文所設計的全自動鉆床中，動力源為氣缸，推料器為V型塊，它與活塞桿相連接。而且，在料倉底部的推料器進出口外，設有推料器引導區(qū)。本機構的優(yōu)點在于：結構簡單但實用、高效并具有良好的可靠性；相對人工作業(yè)而言，更為安全。圖3.9自動送料機構的整體結構工作過程：在料倉底部的推料器進出口外，設有推料器引導區(qū)。工作時，經(jīng)動力源（氣缸）驅(qū)動，推料器（V型塊）在料倉底部的出料口與推料器的進出口之間往復運動，從而將料倉底部最下面的一個工件推到工位。隨著工件的推出，料倉內(nèi)的工件順序落下。3.63.6自動鉆床控制元件的選擇根據(jù)鉆床的工作行程過程，主控閥采用二位五通雙電控先導式電磁閥（帶手控），也可避免在動作過程中因突然斷電造成的機械部件沖擊損傷。電磁閥能夠利用電信號對氣流方向進行控制，使得氣壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)電氣控制。查《機械設計手冊?氣壓傳動與控制》選用廣東肇慶方大有限公司生產(chǎn)的型號規(guī)格為Q25D2C-15的換向閥。圖3.10二位五通雙電控先導式電磁閥(帶手動復位)的職能符號對于氣缸的速度可通過設置單向節(jié)流閥來調(diào)節(jié)。當氣流沿一個方向流動時，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流；反方向流動時，單向閥打開，不節(jié)流，單向節(jié)流閥常用于氣缸的調(diào)速和延時回路。查《機械設計手冊?氣壓傳動與控制》選用廣東肇慶方大有限公司生產(chǎn)的型號規(guī)格為KLA—L10的單向節(jié)流閥。圖3.11單向節(jié)流閥的職能符號為了使氣缸快速排氣，加快氣缸的運動速度可通過設置快速排氣閥?？焖倥艢忾y常裝在換向閥和氣缸之間，并盡量靠近排氣裝置。它使氣缸的排氣不用通過換向閥而快速排氣，從而加速了氣缸往復運動速度，縮短了工作周期。查《機械設計手冊?氣壓傳動與控制》選用廣東肇慶方大有限公司生產(chǎn)的型號規(guī)格為KP-L10的快速排氣閥[7]。圖3.12快速排氣閥的職能符號為了實現(xiàn)鉆削缸快進和工進的換接，且保持換接平穩(wěn)，在回路中設置二位二通行程閥。3.7氣源裝置及氣動輔助元件的選擇3.7.1輔助元件的選擇（1）消音器的選擇在氣壓系統(tǒng)中，氣缸等元件工作時，排氣速度較高，氣體體積急劇膨脹，會產(chǎn)生刺耳的噪聲。為了降低噪聲可以在排氣口裝消音器。在該系統(tǒng)中，選擇山東威海氣動元件廠生產(chǎn)的QXS-L6型吸音型消音器，它主要依靠吸音材料消音。其原理：當有壓力氣體通過消音罩時，氣體受到阻力，聲能量被部分吸收而轉化為熱能，從而降低噪音強度。查《現(xiàn)代實用氣動技術》選用SMC中國有限公司生產(chǎn)的型號規(guī)格為AN00的消音器[9]。圖3.13AN00型消音器圖形符號及實物圖（2）管件的選擇管件是氣動系統(tǒng)的動脈，用于連接各氣動元件并通過它向各氣動裝置和控制點輸送壓縮空氣?？紤]到自動鉆床的工作環(huán)境，管道選用無縫鋼管。按各管徑與氣動元件通徑相一致的原則，管道尺寸參照選用的氣壓元件接口尺寸決定。3.7.2空氣壓縮機的選擇查《液壓氣動速查手冊》可知空氣壓縮機的輸出壓力可按下式計算：PPP0(3.22)式中：P----氣動執(zhí)行器的最高使用壓力，為1.0Mpa；p-----氣動系統(tǒng)總壓力損失，取為0.2Mpa。P1.2MPa。氣動系統(tǒng)的最大耗氣量為：qkkk3qo 123 z1（3.23）式中k泄露系數(shù)，取1.3；k備用系數(shù)，取1.5；k利用系數(shù)，取為0.9,2 33q用氣設備的氣動系統(tǒng)總的理論耗氣量。z1表3.3耗氣量的計算3.8鉆床的氣動回路設計在氣動控制系統(tǒng)中，空氣壓縮機將原動力供給的機械能轉換為氣體的壓力能，氣缸則將壓力能轉化為機械能，完成規(guī)定動作。在這兩部分之間，根據(jù)機械或設備工作循環(huán)動作的需求、按照一定順序?qū)⒏鞣N控制元件、傳感元件和氣動輔件連接起來。根據(jù)鉆床的工作動作，參考各種氣動基本回路，設計出的具體氣動回路如下圖：圖3.15鉆床氣動系統(tǒng)的原理圖表3.4全自動鉆床氣動系統(tǒng)的動作循環(huán)表動作名稱電磁鐵工作狀態(tài)行程閥5YA1YA2YA3YA4YA5YA6送料缸進+-----左位送料缸退-+----左位夾緊缸進--+---左位鉆削缸快進----+-左位鉆削缸工進----+-右位延時停留----+-右位鉆削缸退-----+左位夾緊缸退---+--左位停止------左位注：“+”表示電磁鐵得電，“-”表示電磁鐵失電。該氣壓控制回路圖的工作原理：word文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯氣壓系統(tǒng)在PLC自動控制下啟動，電磁鐵YA1得電，二位五通電磁換向閥1接入左位，空氣壓縮機供氣經(jīng)由二位五通電磁閥1進入單向節(jié)流閥，再經(jīng)由快速排氣閥進入送料氣缸無桿腔推動活塞桿移動，當移動到磁性開關B2處，活塞桿停止伸出。電磁鐵YA2得電，二位五通電磁換向閥1右位接入，氣體進入送料氣缸有桿腔，推動活塞桿縮回，同時無桿腔通過快速排氣閥排氣，加快運動速度。當夾緊氣缸縮回到B1位置，縮回停止。電磁閥2的電磁線圈YA3通電，壓縮空氣經(jīng)電磁閥2和單向節(jié)流閥2、快速排氣閥2進入夾緊氣缸左缸體，則夾緊氣缸伸出，伸出到B4位置，氣缸伸出停止。電磁鐵YA5得電，壓縮空氣經(jīng)由電磁換向閥3左位、快速排氣閥進入鉆削缸左位，活塞桿伸出，在一次快進進給結束，擋塊壓下行程開關，二位二通行程閥右位接入，實現(xiàn)鉆削快進和工件的轉換。在活塞桿以工進速度行進到碰上死擋快不再前進時開始，并在系統(tǒng)壓力進一步升高、壓力繼電器經(jīng)由時間繼電器按預定停留時間發(fā)出信號后終止。在時間繼電器發(fā)出信號，電磁鐵YA5斷電、YA6通電開始。壓縮空氣經(jīng)電磁閥3右位和單向閥3進入鉆削氣缸右缸體，則活塞桿縮回，左腔通過快速排氣閥3排氣，加快運動速度。當縮回到B5位置處，電磁鐵YA4通電，壓縮空氣經(jīng)電磁閥2右位進入夾緊氣缸右缸體，則活塞桿縮回，左腔通過快速排氣閥2排氣，加快運動速度。該氣壓控制回路圖的特點：全部采用電磁換向閥的換向回路，有利于系統(tǒng)的電氣控制。各換向閥排氣口均安裝了消聲器，以減少噪聲。送料、夾緊和鉆削機構均采用單向節(jié)流閥調(diào)節(jié)流量或速度，結構簡單，操縱方便。系統(tǒng)采用快速排氣閥使氣缸的排氣不用通過換向閥而快速排氣，加速了氣缸往復運動速度，縮短了工作周期。鉆削缸采用行程閥來實現(xiàn)快進與工進的轉換，不僅簡化了電路，而且使動作可靠，換接精度亦比電氣控制式高。4鉆床的PLC控制系統(tǒng)設計4.1PLC概述可編程控制器，簡稱PLC,它是用于工業(yè)現(xiàn)場的電控制器。它源于繼電器控制技術，但基于電子計算機。它通過運行存儲在其內(nèi)存中的程序，把經(jīng)輸入電路的物理過程得到的輸入信息，變換為所要求的輸出信息，進而再通過輸出電路的物理過程去實現(xiàn)控制。目前PLC已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的自動化控制領域，無論是從國外引進的自動化生產(chǎn)線，還是自行設計的自動控制系統(tǒng)，都普遍采用了數(shù)字控制，而這些數(shù)字控制系統(tǒng)絕大部分是由單臺或多臺可編程控制器構成，PLC以其高可靠性和操作的簡便性等優(yōu)點，已經(jīng)形成了一種趨勢，這種趨勢正方興未艾。4.2PLC在順序控制中的應用傳統(tǒng)的順序控制就是使用開關觸點或繼電器觸點，用這些觸點的通斷控制用電器的得電與失電，進而實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。其邏輯關系的不同，則靠不同的接線實現(xiàn)。由于物理的限制，要用它實現(xiàn)復雜順序控制是不容易的，而且系統(tǒng)也不大可靠。隨著科技進步，出現(xiàn)了無觸點的繼電控制系統(tǒng)。它使用一系列門電路，通過控制電位的高低實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。以上兩種控制手段存在兩個缺點：一是觸點的使用次數(shù)要受到限制，特別是有觸點的繼電控制系統(tǒng)；二是如果設計不好，可能存在“冒險競爭”，達不到預期的控制效果。這兩個是從事繼電器控制系統(tǒng)設計較難處理的問題。此外，用這樣硬件控制，實現(xiàn)復雜的控制，接線也很復雜。而控制要求改變，接線也要改變。這就更麻煩！而使用PLC實現(xiàn)順序控制，則不存在上述兩個問題。因為PLC的觸點是狀態(tài)信息，其使用次數(shù)不受限制。它的控制用運行程序?qū)崿F(xiàn)，而運行程序是執(zhí)行一條條指令的過程，是有序的，所以，也不“冒險競爭”，其指令執(zhí)行的結果總是確定的。而氣動技術近年來也得到了迅速發(fā)展，由于氣動技術是以空氣為介質(zhì)，具有防火、防暴、防電磁干擾、結構簡單、工作可靠、成本低及壽命長等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)的各個領域得到了普遍的應用。而PLC技術與氣動技術的一個共同點就是它們最基本的也是最具優(yōu)勢的領域都是順序動作的邏輯系統(tǒng)，PLC的開關量控制和氣動技術的出力、點位控制或兩種功能的復合控制，使它們在各種自動化生產(chǎn)線中大有用武之地。4.3用PLC控制氣動鉆床的優(yōu)點在常用氣動多執(zhí)行元件行程順序動作回路中，通常有全氣控和電氣控二種方法，而由電氣技術參與的電氣控制已由普通繼電器回路控制發(fā)展成為可編程控制器控制（PLC），PLC控制具有工作可靠、編程簡單、使用方便等特點，在工業(yè)自動化控制中應用愈來愈廣，因此運用PLC來控制氣動鉆床。可以說用PLC控制氣動鉆床動作，其成本低，定位準確，結構簡單，突破了傳統(tǒng)工作臺結構特點，并且使全部定位、加工過程實現(xiàn)自動化。與通用數(shù)控鉆床相比，其在保證孔系同樣的精度條件下，大大降低了生產(chǎn)成本，提高了效益，在I/O接口上還可使用拓展模塊進行工藝的改進及系統(tǒng)的擴充，具有較強的實用性和很好的應用前景。4.4PLC的控制系統(tǒng)設計內(nèi)容本設計運用PLC來控制氣動鉆床，控制系統(tǒng)設計中主要考慮以下幾點：深入了解分析氣動鉆床的工藝條件和控制要求；確定I/O設備，根據(jù)氣動鉆床控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設備。常用的輸入設備有按鈕、選擇開關、行程開關、傳感器等，輸出設備有繼電器、接觸器、指示燈等。根據(jù)I/O點數(shù)選擇合適的PLC類型。分配I/O點數(shù)。分配PLC的輸入輸出點，編制出輸入輸出分配表或者輸入輸出端子的接線圖。設計鉆床系統(tǒng)的梯形圖程序，根據(jù)工作要求設計出周密完整的梯形圖程序，這是整個控制系統(tǒng)的核心過程。將程序輸入PLC進行軟件測試，查找錯誤，使系統(tǒng)程序更加完整。4.5PLC的硬件系統(tǒng)設計4.5.1PLC的選型在PLC控制系統(tǒng)設計中，首先要確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設計選型，工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據(jù)。因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、明確PLC的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統(tǒng)。所以選擇基于PLC的臺式鉆床氣動控制系統(tǒng)的PLC機型，應從以下幾個方面考慮：輸入輸出(I/O)點數(shù)的估算根據(jù)本氣動系統(tǒng)的特點和預定的動作可知，有6個行程開關信號的輸入、1個工件監(jiān)測信號的輸入以及啟動、停止和復位的輸入以及6個電磁鐵的輸出。PLC的實際輸入點數(shù)應等于或大于所需輸入點數(shù)10，PLC的實際輸出點數(shù)應等于或大于所需輸出點數(shù)6，在條件許可的情況下盡可能留出10％-20％的裕量。存儲器容量的估算存儲器容量是PLC本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設計階段由于應用程序還未編制，因此程序容量在設計階段還未知，需要在程序調(diào)試之后才知道。為了選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來代替。PLC存儲容量的估算方法：按數(shù)字量I/O點數(shù)的10-15倍，加上模擬量I/O點數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字數(shù)（16位為一個字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。因此本課題的PLC內(nèi)存容量應能存儲2000步，這樣才能在以后的改造中有足夠的空間[14]。類型的選擇根據(jù)物理結構的不同，PLC分為整體式、模塊式、疊裝式。由于不需要PLC之間通訊，鉆床系統(tǒng)規(guī)模較小且整體式的每一個I/O點的平均價格比模塊式便宜，所以氣動鉆床控制系統(tǒng)使用整體式可編程控制器，完全可以滿足控制要求。輸入輸出模塊的選擇考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應用要求，可考慮選擇DC24V的輸入模塊。通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應時間較長等特點，本課題中的輸出模塊我們選擇繼電器輸出型。電源的選擇考慮到電源與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致，PLC的供電電源設計選用220VAC電源。綜上所述，我們選擇三菱公司生產(chǎn)的FX系列的FX32MR型的PLC作為 2N 2N氣動鉆床的控制器。它包含16個輸入繼電器和16個輸出繼電器。足夠滿足控制系統(tǒng)的要求，而且留有一定余量。word文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯圖4.1MRFXN322型PLC實物圖4.5.2系統(tǒng)I/O地址分配由上可知，系統(tǒng)需要10個輸入點和6個輸出點。MRFXN322型PLC輸入點是X0-X17，輸出點式Y0-Y17。則PLC控制系統(tǒng)的I/O地址分配情況如下：表4.1輸入地址分配表地址符號說明X0SB0啟動開關X1B1氣缸A退回位置X2B2氣缸A伸出位置X3B3氣缸B退回位置X4B4氣缸B伸出位置X5B5氣缸C退回位置X6B6氣缸C伸出位置X7C工件監(jiān)測開關X10SB1復位開關X11SB2停止開關表表4.2輸出地址分配表地址符號說明Y0YA1控制缸A伸出Y1YA2控制缸A縮回Y2YA3控制缸B伸出Y3YA4控制缸B縮回Y4YA5控制缸C伸出Y5YA6控制缸C縮回4.5.3PLC硬件接線圖與之對應的PLC系統(tǒng)的硬件接線圖如下：圖4.2PLC硬件接線圖PLC4.6的軟件系統(tǒng)設計該程序采用STL指令的設計方法。STL指令是FX2N系列PLC為編制順序控制程序而專門設計的步進梯形指令，步、轉換和動作是組成SFC的3大要素。STL指令的操作元件是編號S0-S499的狀態(tài)寄存器（S0-S9用于初始步）。轉換條件滿足時，代表下一步的狀態(tài)寄存器被置位，代表當前步序的狀態(tài)寄存器自動復位。4.6.14.6.1順序功能控制圖根據(jù)鉆床的設計要求，送料、夾緊以及切削分別用不同的氣缸來控制，3個氣缸的動作有嚴格的順序關系，其動作順序如下：圖4.3氣缸順序關系圖根據(jù)本設計的控制與工藝要求，按照鉆床的動作順序及每步所完成的任務，可得順序功能控制圖如下：圖4.4順序功能控制圖啟動按鈕送料缸進送料缸初始退鉆削缸快進送料缸全退同時夾緊缸進延時停留鉆削缸工進夾緊缸退鉆削缸快退(4)送料缸退S21得電使得Y1得電且做送料缸返回動作，當送料缸返回退至X1時X1為ON且S22為ON,同時S20和Y0為OFF。(5)夾緊缸進S22為ON使得Y2為ON夾緊缸進，當夾緊缸運動到X4時X4得電使得S23為1同時S22和Y2斷開。(6)鉆削缸進S23為1使得Y4為1做鉆削缸進動作，當氣