自动钻床的总体方案设计.pdf

1=1=绪论绪论1.1问题分析及其对策1.1.1 现代制造业的发展状况金属切削加工是指利用刀具切除被加工零件多余材料的方法，是机械制造行业中最基本的加工方法，金属切削加工过程是由金属切削机床来实现的。金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器。在现代机械制造行业中，随着加工零件方式多样化及工艺合理化的发展的要求，加工零件的方法也呈现出多样化，如：除切削加工外，还有铸造、锻造、焊接、冲压、挤压和辊轧等，在这其中机床切削加工的工作量约占总制造工作量的 40%60%(其中钻床占 11.2%),所以在目前的机械制造行业中金属切削机床是主要的加工设备。而机床的技术性能又直接影响机械制造行业的产品质量和劳动生产率，所以为了提高国家的工业生产能力和科学技术水平，必须对机床的发展作出新的要求。随着机械工业的扩大和科学技术的进步，尤其是计算机的出现和数控技术的发展，我国的机械制造行业正朝着自动化、精密化、高效率和多样化的方向发展。我国机床工业自 1949 年建立以来，虽然在短短的时间内取得了很大的成就，但与世界先进水平相比还有较大的差矩。就现状看，主要表现在：我国机床工业起步晚、技术不成熟；大部分高精度和超精度机床的性能还不能满足要求，精度保持度也差，特别是高效自动化和数控机床的产量、技术水平和质量等方面都明显落后。据有关部门统计我国数控机床的产量仅是全部机床产量的 1.5%，产值数控化仅为 8.7%（至 1990年底）；我国数控机床基本上是中等规格的车床、铣床和加工中心等，而精密、大型、重型或小型数控机床还远远不能满足要求；另外我国机床在技术水平和性能方面的差矩也很明显，机床理论和应用技术的研究也明显落后。所以我们要不断学习和引进国外先进科学技术，大力发展研究，推动我国机床工业的发展。1.1.2 问题的提出由以上现状分析我们可以看出，在机床加工中钻床的加工工作量在总制造工作量中占有很大的比重。钻床为孔加工机床，按其结构形式不同可以分为摇臂钻床、立式钻床、卧式钻床、深孔钻床、多轴钻床等。主要用来进行钻孔、扩孔、绞孔、攻丝等。长期以来我国的机械机械制造工业中孔类加工多数由传统钻床来完成，但是传统的钻床在大批量生产时存在许多的不足之处：（1）自动化程度不高.，难以进行大批量的生产；第 1 页（2）工作效率低，且工人的工作环境恶劣；（3）占用人力较多，操作固定不变易出错；（4）精度不高，工件装夹费时；（5）加工产品质量不高；针对以上传统钻床的不足之处及生产中存在的问题，我们有必要对传统钻床进行结构改进。通过对传统钻床手动的进给系统、夹紧系统及人工送料系统的改进和设计，从而提高产品质量和生产效率，实现自动化，降低劳动强度及工作量。1.1.3 问题的分析以及解决方案当前传统钻床问题的存在主要在于自动化程度、生产效率、工作环境及产品质量。在生产过程中，手动的操作、繁锁的装夹、大量生产力的投入和单一的生产流程导致了钻床加工的自动化程度低、生产效率低、工作环境恶劣和产品质量不高，因此，我们要解决的问题在于如何实现钻床加工的自动化、减少生产力的投入生产和与其它工艺流程相结合，同时也要考虑经济问题。经过分析，我们可以从机构设计和控制系统两方面去考虑。通过对钻床机构的改造来实现自动化控制的要求，提高产品的加工精度及质量；通过导入先进的控制系统来进行自动操控，从而实现自动化，便于导入到其它生产流程中去。为了解决问题和便于设计改造，我们将钻床分为传动系统、进给系统、夹紧系统、送料系统和控制系统五个部分，下面分别对各部分的问题提出解决方案：（1）传动系统 为满足改进后的加工及工作要求，在作出相应的计算后对传动系统进行改进和调整。（2）进给系统 传统的钻床主轴进给系统主要由主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条和轴承等组成。主轴在加工时即要作旋转运动，也要作轴向的进给运动。机床主轴被装置在主轴套筒内，套筒放置在主轴箱体孔的镶套内，主轴上侧由花键连接。机床加工时，旋转运动由花键传入，而进给运动则由齿轮通过齿条带动套筒在镶套内运动。为了实现自动化控制的要求，主轴进给机构改进主要有：主轴旋转运动依然由电动机传入，而进给则由液压传动替代手动的齿条传动，通过液压控制系统来实现进给动作。亲，由于某些原因，没有上传完整的毕业设计（完整的应包括毕业设计说明书、相关图纸 CAD/PROE、中英文文献及翻译等），此文档也稍微删除了一部分内容（目录及某些关键内容）如需要的朋友，请联系我的叩扣:2215891151，数万篇现成设计及另有的高端团队绝第 2 页对可满足您的需要。（3）夹紧系统 传统钻床的夹紧主要是手工操作，由夹具夹紧工件。为了便于实现自动化控制，工件夹紧由夹具完成，动力源由夹紧液压缸导入，通过液压控制系统来实现夹紧动作的自动化。（4）送料系统 在生产过程中，钻床的送料主要由人工输入，这使得投入了大量的生产力，消耗了大量的工时，使的生产率不高，为此我们通过导入自动送料系统来减少生产力的投入和工时的消耗。自动送料系统机构传动要根据生产的需求作出相应的设计需求，动力源可由电机或液压系统传入，二者均可实现自动化控制。（5）控制系统 当前机床控制系统主要由计算机数控、继电器电气控制和 PLC 控制等，由于继电器电气控制系统，其联动关系复杂，维修困难，故障率高，经常影响正常生产，计算机数控造价高、系统复杂，而 PLC 控制系统可靠性好、造价低、抗干扰能力强、柔性好、编程简单、使用方便、扩充灵活、功能完善，所以我们利用 PLC控制技术来实现对进给系统、夹紧系统和送料系统的液压控制系统的控制。1.2 本文研究的内容及目标本文主要是通过应用机床设计的一般方法对传统钻床的机构和控制系统进行设计及改进。研究的主要内容是普通台式钻床传动系统的改进、进给系统的设计、进给系统液压缸的设计和 PLC 控制系统的设计等四个方面。其中重点在于进给系统、进给系统液压缸和 PLC 控制系统的设计。进给系统设计主要是解决主轴高速旋转与轴向进给两个自由度的实现；进给系统液压缸设计包括液压缸的设计、液压缸与主轴的配合和液压缸油路控制；PLC 控制系统的设计主要是通过应用 PLC 控制程序来实现对液压油路的动作控制及钻床加工过程的动作控制。我们通过对传统台式钻床的改进及设计，要达到的目标在于通过改进钻床能够实现工作自动化，最终能满足以下要求：（1）能实现自动化连续生产，改善产品加工质量，提高生产效率；（2）降低工作人员劳动强度和工作量；（3）钻床系统工作平稳，满足工作要求；（4）经济因素合理；1.3 本章小结本章节主要对现代机械制造业作了简单的总概括，并对机床切削加工作出分析。提第 3 页出当前金属切削加工中存在的一些问题，以及针对钻床加工现存的缺点作出剖析，提出对传统钻床改造的必要性和可行性，并对改造的任务和目标作出简述。通过对改造任务和目标简述，为设计方案的确定了设计对象。2自动钻床的总体方案设计总体方案设计的构思和方案拟定关系到产品的功能是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显著，因此，我们要确定良好的总体方案设计思想，保证产品的功能、经济效益和实用性能。总体方案设计的内容主要包括以下几个方面：（1）执行系统的方案设计；（2）原动机类型的选择和传动系统的方案设计；（3）控制系统的方案设计；（4）总体布局设计；（5）辅助系统的设计；为了完成普通台式钻床的改造及进给系统的设计，我们依循机床设计的一般步骤确定自动钻床的总体方案设计。2.1 自动专用钻床已知条件和设计要求的概述本文对普通台式钻床的自动化改造及进给系统设计是以某五金工具厂钢丝钳生产线的自动化改造为背景。已知：加工对象为钢丝钳，加工工序为在钢丝钳上钻削直径为12mm（钻床最大钻削直径）的通孔，钢丝钳材料为 Q235。改造后的全自动钻床应满足以下设计要求：（1）满足自动连续生产，且生产率为 3 把/分钟；第 4 页（2）自动化改造应是机械、电气和液压的有机结合；（3）传动系统设计应包含切削力计算、电动机选择、传动装置设计、床身结构设计等；（4）设计重点为钻床液压进给系统之进给油缸设计；（5）自动控制系统应以 PLC 与手动相结合的方式实现；2.2 自动钻床的工艺路线分析与确定与传统台式钻床的加工工艺路线相比较，改造后的全自动钻床基本动作有很大的调整，这其中主要是导入了自动化加工动作。结合设计及生产要求，确定工艺路线如下：启动（电源及控制模块）自动送料自动夹紧主轴快进主轴工进主轴停留主轴快退夹具松开出料为了完成自动化加工，自动钻床按照上述工艺路线进循环行动作来完成成批工件的加工过程。根据工艺流程，可确定自动钻床的动作流程图如下（图 2-1）：图图 2-12-1 自动钻床动作流程图自动钻床动作流程图第 5 页2.3 执行系统的方案设计执行系统是机械系统中的重要组成部分，直接完成机械系统预期工作任务。机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的核心，是整个机械设计工作的基础。本文自动钻床的执行系统主要包括钻头加工和进给液压缸驱动进给。2.3.1 执行系统的功能原理设计功能原理设计决定产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构型式、制造成本等。因此在进行钻床的功能原理设计时，我们应当考虑钻床功能的可行性、先进性和经济性。普通台式钻床的改造主要是实现自动化功能。改造后全自动钻床能实现自动化连续生产，提高了生产率，符合了工厂的生产需求，适应了现代机械加工业的发展要求。2.3.2 执行系统的运动规律本文设计的重点在于钻床液压进给系统之进给油缸设计，也就是用液压缸驱动来替代手动进给。根据设计，我们要分析的运动规律包括钻头切削运动和进给液压缸驱动进给运动。钻头加工运动包括旋转切削运动和钻头直线进给运动。进给液压缸驱动进给运动要完成驱动主轴进给，为直线运动。钻床执行系统的运动规律如下图示（图 2-2）：图图 2-22-2 自动钻床运动规律简图自动钻床运动规律简图主轴旋转切削运动主轴直线进给运动2.3.3 执行机构的形式设计第 6 页在进行执行机构的形式设计时，要遵循以下原则：满足执行构件的工艺动作和运动要求、尽量简化和缩短运动链、尽量减小机构尺寸、选择合适的运动副形式、考虑动力源的形式、使执行系统具有良好的传力和动力特性、使机械具有调节某些运动参数的能力和保证机械的安全运转。考虑以上设计原则，在实现钻头的旋转切削运动时，动力源与主轴之间的执行机构我们选择带轮传动；在实现钻头的直线进给运动时，我们选择能够往复运动的液压缸。2.3.4 执行系统的协调设计执行系统协调设计原则：满足各执行机构动作先后的顺序性要求、满足各执行机构动作在时间上的同步性要求、满足各执行机构在空间布置上的协调性要求、满足各执行机构在操作上的协同性要求、各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率、各执行机构的的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高。自动钻床的主轴带轮传动减少了传动链，且可过载保护；液压缸驱动进给不需要改变运动形式，且易于实现自动化控制。2.3.5 执行系统方案评价与决策自动钻床执行系统在功能上能满足钻床加工的工作要求，主轴带轮传动能起到过载保护作用。液压缸执行系统能实现钻床切削加工的进给运动，易于控制，是实现自动化控制的首选机构。2.4 传动系统方案设计和原动机选择2.4.1 原动机选择由自动钻床执行部件的运动规律我们可以选择原动机。主轴旋转运动的原动机选择电动机，进给液压缸原动力选择电动机驱动液压泵（具体型号在下面章节中计算后选择）。2.4.2 传动系统方案设计(一)确定传动系统总传动比全自动钻床的总传动比的确定要建立在计算切削力和传动效率的基础上，当确定自动钻床的工作功率后，查表选择电动机，对照钻床的工作参数确定总传动比（主轴系统总传动比在传动系统设计中经计算后确定）。（二）选择传动类型依据传统台式钻床的结构特点，主轴旋转运动选择带轮 V 带传动，此传动类型可实现过载保护；第 7 页钻头直线进给运动选择液压传动，此类型传动有以下优点：（1）在输出功率相同的条件下，体积小、重量轻；（2）运动平稳，吸振能力强；（3）易于实现快速启动、制动、频繁换向以及无级调速；（4）布局安装比较灵活，液压元件易于实现系列化、标准化、通用化；（5）与机构相结合易实现自动化控制；（三）绘制传动系统运动简图根据以上分析，确定传动系统的运动简图如下（图 2-3）：V 带传动花键传动液压缸进给传动图图 2-32-3 传动系统运动简图传动系统运动简图2.5 控制方案设计综合考虑全自动钻床的改造要求、功能要求、控制要求及经济因素，控制系统采用 PLC 与手动相结合的方法进行控制。PLC 即可编程控制器，其英文全称为 Programmable Controller。PLC 举起于 20世纪 70 年代，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物。经过 30 多年的发展，可编程控制器已经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。PLC不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机的编程语言，独具风格地使用以继电器梯型图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户编制的程序清晰直观、调试和查错容易，且编程方便易学。PLC 的主要功能有：顺序控制、数据处理、逻辑控制、运行状态监控、记数控制、通讯与联网、定时控制。在自动钻床的控制系统中，我们主要应用 PLC 的顺序控制和定时控制。第 8 页另外 PLC 作为现代最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机，其具有以下特点：（1）可靠性高；（2）编程容易，易于使用；（3）控制功能极强；（4）扩展及与外部连接极为方便；（5）通用性好、体积小、使用灵活；（6）设计施工和调试的周期短；结合以上 PLC 的特点，我们在控制系统方案设计时选择 PLC 作为主要的控制方式，另外根据实际的工作要求，配合适当的手动控制元件。2.6 总体布局设计机床总布局的设计任务是解决机床各部件间的相对运动和相对位置的关系，并使机床具有一个协调完美的造型。工艺分析和工件的形状、尺寸及重量，在很大程度上左右着机床的布局形式。普通台式钻床的自动化改造及进给系统设计，是在原有机构的基础上导入了液压进给驱动系统：主轴箱要做变动。同时还导入了液压夹紧系统：考虑到台式钻床固定不动，可变动工作台的结构以实现总体布局的协调。2.7 辅助系统的设计辅助系统的设计主要包括润滑系统设计、冷却系统设计、故障检测系统设计、安全保障系统设计和照明系统设计。设计过程中可根据设计的要求和实际的钻床工作需求进行辅助系统的设计。2.8 本章小结本章主要介绍了通过对已知设计条件的分析如何确定自动钻床总体方案的问题。章节中主要对自动钻床总体方案中的工艺路线、执行系统方案、传动系统方案和控制系统方案作了详细介绍和分析。通过本章节的叙述和图文表达，我们对自动钻床的总体设计有了一个清晰的概念，确定了下面章节中设计的步骤和设计重点。第 9 页3专用钻床进给系统的设计3.1 进给系统概述与分析传统的台式钻床主轴进给系统主要由主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条和轴承等组成。主轴在加工时即要作旋转运动，也要作轴向的进给运动。机床主轴被装置在主轴套筒内，套筒放置在主轴箱体孔的镶套内，主轴上侧由花键连接。机床加工时，旋转运动由花键传入，而进给运动则由齿轮通过齿条带动套筒在镶套内运动。由总体方案可知，自动钻床进给系统设计导入了液压缸进给系统，由液压缸驱动替代齿轮齿条的手动进给，来实现主轴的快进、工进和快退动作。钻床在加工时，主轴要作高速的旋转运动和直线的进给运动。导入液压缸进给系统后，由于液压缸结构和性能的限制，液压缸活塞杆不宜作高速的旋转运动，因此，我们要结合合适的轴承和结构来实现主轴的高速旋转。往复进给运动由液压缸来完成动作。21第 10 页54367图图 3-13-1 普通台式钻床进给系统简图普通台式钻床进给系统简图1 1、主轴套筒镶套、主轴套筒镶套 2 2、推力球轴承、推力球轴承 3 3、主轴套筒、主轴套筒 4 4、主轴、主轴 5 5、深沟球轴承、深沟球轴承6 6、齿轮齿条手动进给系统、齿轮齿条手动进给系统 7 7、主轴箱、主轴箱3.2 进给系统方案图的确定全自动钻床是在原有台式钻床的结构基础上进行改造设计的，所以，我们首先要对普通台式钻床的进给系统作出详细的研究。台式钻床主轴进给系统主要部件有主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条和轴承等。其结构图如图 3-1 示：根据普通台式钻床的进给系统设计特点，综合考虑本文设计的要求、改造后自动钻床的工作条件和液压缸工作特性，确定自动钻床的进给系统如图 3-2 所示：图图 3-23-2 自动钻床的进给系统简图自动钻床的进给系统简图1 1、主轴、主轴 2 2、深沟球轴承、深沟球轴承 3 3、活塞杆、活塞杆 4 4、液压缸筒、液压缸筒 5 5、油路口、油路口6 6、液压缸盖、液压缸盖 7 7、锁紧螺钉、锁紧螺钉 8 8、推力球轴承、推力球轴承 9 9、密封圈、密封圈1329458673.3 工况分析第 11 页根据设计任务可知，生产工件时，要求生产率为 3 把/分钟，即要求在 20 秒内要完成一件工件的送料、夹紧、钻削加工和出料。已知件材料为 Q235 钢，工件厚度大约为15mm，查机械工程材料实用手册可知，Q235 为碳素结构钢，其韧性良好，有一定的强度和伸长率，在一般机械制造中应用广泛，是一般机械制造中的主要材料，其切削加工性能较好。钻削直径为 12mm 的通孔，钻削行程（孔的长度）l15mm。由此可确定钻床主轴行程为 100mm，也就是液压缸行程为 100mm。在钻床的切削加工过程中，钻床主轴主要受到切削扭矩和轴向进给力的作用。轴向进给力是沿主轴轴向的，在主轴保持其与工作台的垂直度的情况下，轴向力作用产生的弯矩基本为零，可忽略不计。所以，钻床主轴为仅受转矩作用的轴类。主轴进给液压缸在工作中受到作用力可以分为三个阶段分析。在主轴快进工序中，液压缸受到钻床主轴组件重力和液压缸系统的摩擦力的作用；在主轴工进工序中，液压缸受到钻床主轴组件的重力、轴向切削力和液压缸系统的摩擦力作用；在主轴快退的工序中，液压缸受到主轴组件的重力、退刀阻力和液压缸系统摩擦力。因此，在进给液压缸设计时，我们要以最大受力作为设计标准。3.4 切削力的计算3.4.1 切削刀具及相关参数的选择目前在钻孔加工中，麻花钻主要有高速钢麻花钻和硬质合金麻花钻两类。由于高速钢麻花钻在采用物理沉积法 TiN 涂层处理后，其耐用度和钻孔精度有了较大提高，所以该钻头应用极广。所以，在本文的钻削加工过程中，选择高速钢麻花钻头。查金属切削手册选择标准圆柱锥柄麻花钻中等长度第一系列，刀具直径为 12mm,钻头与主轴用莫氏锥孔连接，莫氏锥孔为 1 号莫氏锥孔。由于被加工材料为 Q235 钢，其切削性能较好，所以查金属切削手册选择加工时进给量 f 为：f=0.2mm/r；其对应的切削速度 V=32m/min。3.4.2 主轴转速及钻孔时间的计算查 金属切削手册，由切削速度计算公式可得出主轴在工艺长期稳定时的固定转速 n 的计算公式如下：n 1000v/minrd式中，v选定的切削速度（m/min）d刀具或工件的直径（mm）将 V=32m/min，d=12mm 代入公式中，计算得出 n=850r/min.第 12 页查金属切削手册,钻孔时间 T 的计算公式为：T l 0.3d分fn式中，l被钻孔厚度（mm）f切削进给量（mm/r）d刀具或工件的直径（mm）n主轴固定转速（r/min）将 l=15mm，f=0.2mm/r,d=12mm,n=850r/min 代入公式中，计算得出 T=6.6s.由此，确定一件工件的加工工时为：送料1s，工件夹紧2s，快进2s，工进7s，主轴停留 2s，快退 2s，出料 1s，加工一件工件用时 17s，达到了加工效率的要求。3.4.3 切削力的计算此处省略NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN 字。4专用钻床主轴传动系统的设计4.1 主轴传动系统的分析由图 2-3 可知，主轴传动系统的设计主要包括带轮传动、主轴花键传动和液压传动系统的设计。液压传动系统设计已在第三章中介绍并作出了设计，所以本章介绍带轮传动和主轴花键传动的设计。主轴花键传动主要是满足主轴在高速旋转的同时还能够作轴向的进给运动。在主轴花键设计中，主要是根据主轴的轴径大小来选择花键的尺寸。第 13 页主轴系统带轮传动可实现过载保护，设计包括 V 带的选择和带轮尺寸的设计。4.2 主轴花键的设计花键联接，由带有多个键齿的轴和毂孔组成，齿侧面为工作面，可用于静联接和动联接。与键联接相比，花键联接有更高的承载能力，较好的定心性和导向性；可实现滑动联接；对轴的削弱也较小。设计中轴上花键主要传递转矩，并起到轴端的导向定心作用。根据表 3-1 主轴零件的选用，选用花键规格为：（N d DB）832366GB/T 1144-1987（N d DB为齿数内径外径齿宽）。主轴的行程为 100mm，查表 4-1 可确花键的长度为l=160mm。表表 4-14-1 花键长度系列表花键长度系列表（mmmm）10367113012387514015428016018458518022890200255095285610030601103263120由于主轴材料为 45 钢，加工后要调质处理，主轴端花键与毂孔为滑动联接，所以花键尺寸公差选择分别为：d 取 f7，D 取 a11，键宽 B 取 d10。键宽位置度公差取t1=0.015mm,键宽对称度公差取t2=0.012mm。4.3 主轴电机选择根据 3.5.2 章节的计算可知，主轴切削功率Pm=1.2KW。由于花键毂要与带轮固定在机架上，取轴承传动效率为 0.99、花键传动效率为 0.98 和 V 带传动效率为 0.96，所以可计算出电机要传递的最小功率P为：P Pm0.9930.980.96所以可计算出P=1.32KW。查电机样品选取电机型号为：Y90L-4。其额定功率为1.5KW，满载转速为 1400 r/min。4.4 V 带传动设计4.4.1 设计功率Pc的计算Pc KAP式中：KA工况系数；自动钻床一般为空载启动取KA=1.2P传递功率；取电动机额定功率P=1.5KW计算出Pc=1.8KW。第 14 页4.4.2 选择带型根据Pc=1.8KW，n1=1400 r/min，查机械设计选用 Z 型 V 带。4.4.3 选取带轮基准直径dd1和dd2由 3.4.2 章节中计算可知，主轴转速n2=850 r/min。考虑到电机主轴直径D=24mm及 Z 型 V 带的dmin=50mm，查机械设计取dd1=80mm。dd2n1dd1(1)n2式中：dd2钻床主轴带轮直径；n1主轴电机满载转速；n1=1400 r/minn2钻床主轴转速；n2=850 r/mindd1钻床主轴带轮直径；dd1=80mm滑动率；取=0.02所以可计算出dd2=129.13mm，圆整取标准值后取dd2=132mm。4.4.4 验算带速V带速V的计算公式为：V dd1n1601000由以上确定的数值，代入可计算出带速V=5.86m/s。在520m/s范围之间，带速合适。4.4.5 确定中心距a和带的基准长度Ld由带轮直径和自动钻床的机构尺寸，初选中心距a0=300mm。经计算可知其符合：0.7(dd1+dd2)=148.4a02(dd1+dd2)=424由带长计算公式可计算出Ld0：Ld0(dd2dd1)2=935.1mm 2a0(dd1 dd2)24a0查机械设计对 Z 型带选用基准长度Ld=1080mm，可由下式计算出实际的中心距a为：A Ld(dd1 dd2)186.79mm48第 15 页(dd2 dd1)2B 338mm8a AA2 B 372.7mm4.4.6 验算小带轮包角11180dd2 dd157.3 172a所以1120，在要求的范围之内，包角合适。4.5 本章小结主轴传动系统的设计主要包括带轮传动、主轴花键传动和液压传动系统的设计，由于液压传动已在第 3 章中设计过，因此，本章节主要介绍了带轮传动和花键传动的设计。这两部分是钻床主轴传动的主要部件。完成对传动系统的设计，自动钻床设计已基本成形，剩下的任务就是对自动钻床进行控制设计，所以，下面章节将对钻床控制系统进行设计。5自动钻床控制系统设计5.1 自动钻床的自动化控制要求根据课题设计任务，可总结自动钻床的控制系统设计要求如下：（1）自动控制系统应以 PLC 控制与手动控制相结合的方式实现；（2）从功能和经济角度对控制元件进行选择；（3）根据钻床工作要求完成 PLC 控制编程；5.2 可编程控制器 PLC 的简述PLC 即可编程控制器，其英文全称为 Programmable Controller。PLC 举起于 20第 16 页世纪 70 年代，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物。经过 30 多年的发展，可编程控制器已经成为重要、可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。PLC 不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机的编程语言，独具风格地使用以继电器梯型图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户编制的程序清晰直观、调试和查错容易，且编程方便易学。可编程控制器基本上由中央处理器、存储器、输入输出器件、电源及编程设备几大部分组成。中央处理器是PLC 的“大脑”，它控制所有其它部件的操作，一般由控制电路、运算器寄存器等组成。通过地址总线、数据总线与控制总线、存贮器及 I/O 接口电路联接。中央处理器可完成从存贮器中读取指令、执行指令、预取下条指令和处理中断。存贮器是具有记忆功能的半导体电路。PLC 的存贮器包括系统程序存贮器和用户程序存贮器。输入/输出接口电路用来连接 PLC 主机与外部设备，是动作信号与执行结果输入和输出的主要途径。可编程控制器的电源包括为可编程控制器各工作单元供电的开关电源及为掉电保护电路供电的后备电源，后备电源一般为电池。可编程控制器通过以上组成模块可实现顺序控制、数据处理、逻辑控制、运行状态监控、记数控制、通讯与联网、定时控制等。基于以上功能，目前在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。随着 PLC 控制技术的飞速发展和广泛应用，可编程控制器的优点越来越明显。查阅有关资料我们可将 PLC 的优点归结为以下几点：（1）可靠性高，抗干扰能力强与传统的继电器系统相比，继电器系统容易出现器件老化、脱焊、触点抖动以及触点电弧等现象，而在 PLC 控制系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体器件来完成，加上 PLC 充分考虑了工业生产环境电磁、粉尘、温度等各种干扰，采取了一系列措施。这导致了继电器控制系统的可靠性低于 PLC 控制系统。（2）易学易用，深受工程技术人员的欢迎PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的控制设备，其编程语言易于被工程技术人员所接受。像梯形图语言的图形符号和表达方式与继电器电路图非常接近，另外只是用 PLC 的少量开关逻辑控制指令就可以方便地实现继电器接触器电路的功能。（3）配套齐全，功能完善，适用性强PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能模块大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控第 17 页制、温度控制、计算机数控等各种控制系统变得非常容易。（4）系统设计周期短，维护方便，改造容易PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计周期大大缩短，同时也维护也变的容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序来改变生产过程成为可能。因此很适合多品种、批量生产的场合。（5）体积小，重量轻，能耗低由于 PLC 控制技术的飞速发展，现代 PLC 的产品底部尺寸可以做到仅为100mm2，重量大约为 150g，功耗也仅仅只有数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。5.3 自动钻床进给系统控制流程自动钻床进给系统的控制流程包括主轴电机和液压泵电机的启动控制、主轴快进控制、主轴工进控制、主轴停留控制、主轴快退控制、主轴快退停止控制和主轴电机和液压泵电机的停止控制。主轴电机和液压泵电机的启动控制：主轴电机和液压泵电机的启动控制可分别通过主轴电机和液压泵电机电路上的交流接触器 KM1 和 KM2 控制。为了使 PLC 在写入控制程序后进入稳定状态后执行和便于操作人员进行初态监控，在写入控制程序 5S 后，主轴电机和液压泵电机电路上的交流接触器 KM1 和 KM2 闭合，主轴电机和液压泵电机启动，5S 定时由定时器 T1 完成。主轴快进控制：当工件检测器检测到工件后，工件检测开关 SB1 闭合，进行工件的夹紧计时，定时器 T2 计时 2S 完成后，三位四通电磁换向阀电磁铁 1Y 得电，液压控制系统接入快进油路，主轴快速进给。主轴工进控制：主轴快进行程完成后，快进行程开关 SQ0 闭合，三位四通电磁换向阀电磁铁 1Y、二位二通电磁换向阀电磁铁3Y 和二位三通电磁换向阀 4Y 得电，液压控制系统接入工进油路，主轴工进。主轴停留：钻头完成对工件的加工后，主轴工进行程到达终点，工进行程开关 SQ1闭合，计时器 T3 开始 2S 计时，三位四通电磁换向阀电磁铁 1Y 失电复位，主轴停留对加工孔进行修磨。主轴快退：计时器 T3 完成 2S 计时后，三位四通电磁换向阀电磁铁 2Y 得电，二位二通电磁换向阀电磁铁 3Y 和二位三通电磁换向阀 4Y 失电复位，液压控制系统接入快退油路，主轴快退。主轴快退停止：主轴快退至行程开关 SQ2 处时，行程开关 SQ2 闭合，三位四通电磁换向阀电磁铁 2Y 失电复位，主轴停止快退。主轴电机和液压泵电机停止：当工件检测器检测不到工件时，PLC 控制程序中 SB1第 18 页常闭开关处于闭合状态，此时定时器T4 开始 300S 计时，当计时完成后，也就是300S内没有工件待加工时主轴电机和液压泵电机停止工作。图图 5-15-1 自动钻床进给系统自动钻床进给系统 PLCPLC 控制流程简图控制流程简图钻床控制系统的手动操作包括 PLC 电源的启动和总电路刀开关 QK 的接通。5.4 自动钻床进给系统电气原理图FuQkFu1SB0SB2KM1KT2SB3SB4KM2KM3SB1KM4SQ1KT3KM5SQ0Fu2KM1KM2SQ1SQ1SQ2SQ2KT3M1M2KM1KM2KM3KT21YKM4KT32YKM53Y4Y图图 5-25-2 自动钻床进给系统电气原理图自动钻床进给系统电气原理图电气原理图中相关代号见表 5-1：表表 5-15-1图中文字符号QKM1第 19 页符号名称刀开关主轴电机M2KM1KM2FU、FU1、FU2SB0、SB2、SB3、SB4SB1SQ0SQ1SQ2KM3、KM4、KM5KT2、KT31Y、2Y、3Y、4Y液压泵驱动电机主轴电机交流接触器液压泵驱动电机交流接触器熔断器按钮工件检测开关主轴快进行程开关主轴工进行程开关主轴快退停止行程开关继电器廷时继电器液压换向阀电磁铁5.5 自动钻床进给系统控制元件的选择本节根据以上章节中所选的电器元件的参数和控制要求，对控制元件进行选择。5.5.1 可编程控制器 PLC 的选择由于自动钻床的控制比较简单，根据电气控制原理图我们可知输入信号主要由行程开关和光电开关直接输入，控制中要完成定时控制，输出全部为电磁铁的通电与断电的控制，因此，PLC 选择型号为：SIMATIC S7-2005.5.2 刀开关的选择由于控制要求中要求控制过程要通过 PLC 控制和手动操作结合实现，所以在主电路上安装刀开关，以控制整个电路的开启和断开。根据系统中电机的选择和整个电路的工耗，刀开关选择型号为：HK1-3-30/3805.5.3 熔断器的选择熔断器用于不同性质的负载时，其熔体额定电流的选用方法也不同。（1）熔断器类型选择，其类型应根据线路的要求，使用场合和安装条件选择；（2）熔断器的额定电压必须等于或高于熔断器工作点的电压；（3）熔断器的额定电流必须等于或高于所装熔体的额定电流；（4）熔断器的额定分断能力必须大于电路可能出现的最大故障电流；该控制系统中，熔断器 FU1 和 FU2 是对主轴电机和液压泵驱动电机的短路保护，其选用原则可按下式计算：IRN(1.52.5)IN式中，IRN熔体的额定电流IN电机的额定电流（INP，I1=4A，I2=8A）U系数取 1.5，所以计算可得IRN1=6A，IRN 2=12A。所以 FU1 选择型号为：RC1A-10；第 20 页FU2 选择型号为：RC1A-15。主电路上的熔断器 FU 主要是根据电路的总电流选择，主电路中主要电器为主轴电机和液压泵驱动电机，考虑到其它电器元件，现 FU 选择型号为：RC1A-30。5.5.4 交流接触器的选择控制系统中，交流接触器 KM1 和 KM2 完成对主轴电机和液压泵驱动电机启动和停止控制，所以在选择时应根据主轴电机和液压泵驱动电机的参数选取。其主触头的额定电流应大于或等于负载的额定电流。根据 5.5.3 中的计算 I1=4A，I2=8A，查电气与可编程控制器应用技术KM1 和 KM2 选择型号为：CJ20-10/03。5.5.5 行程开关与接近开关的选择行程开关主要用于检测工作机械的位置，发出命令以控制其运动方向或行程长短。常用行程开关的型号有 LX10、LX21、JLXK1 等系列。查电气与可编程控制器应用技术行程开关型号选择为：JLXK1-211。接近开关是靠移动物体与接近开关的感应头接近时，使其输出一个电信号，故又称为无触头开关。接近开关分为电容式和电感式两种。电感式的感应头是一个具有铁氧体磁心的电感线圈，故只能检测金属物体的接近。常用的型号有 LJ1、LJ2 等系列。接近开关采用非接触型感应输入和晶体管作无触头输出及电放大开关构成的开关，线路具有可靠性高、寿命长、操作频率高等优点。电容式接近开关的感应头只是一个圆形平板电极，这个电极与振荡电路的地线形成一个分布电容。当有导体或介质接近感应头时，电容量增大而使振荡器停振，输出电路发出电信号。由于电容式接近开关既能检测金属，又能检测非金属及液体，因而应用十分广泛，产品型号主要有 LXJl5 系列和 TC 系列等。使用时要根据电源的种类、电压等级、额定电流和触头数进行选用。结合以上我们采用 LJ12A3-4-J/DZ 接近开关。5.5.6 继电器的选择电气原理图中的继电器包括自锁电器和廷时继电器，其分别完成电气控制中的自锁功能和廷时功能。继电器是一种根据某种输入信号的变化，接通或断开控制电路(小电流电路)，实现自动控制和点动自锁功能的电器，其输入量可以是电流、电压等电气量，也可以是转速、时间、温度、压力等非电气量。根据继电器的作用，要求继电器反应灵敏准确，动作迅速路数多，使用耐久等。继电器在控制中完成点动自锁功能，所以根据需要我们选择型号为：JZ7-22 其线圈工作电压为 380V。廷时继电器主要完成工序的廷时动作。在机械设备进行工作时，很多情况都有要求某工序进行廷时或必须廷时后才了发出转移信号控制其它动作，这些都要用廷时继电器来执行。根据我们工序中的廷时要求和电路的工作电压，廷时继电器选用型号为：第 21 页JS11-11 其电源电压为 380V/50HZ。5.5.7 控制元件选择明细表根据以上控制元件的选择，列出控制元件明细表。见表 5-2：表表 5-25-2 控制元件明细表控制元件明细表文字符号PLCQKKM1、KM2FUFU1FU2SB1SQKM3、KM4、KM5KT名称可编程控制器刀开关交流接触器熔继器熔继器熔继器接近开关行程开关继电器廷时继电器型号SIMATIC S7-200HK1-3-30/380CJ20-10/03RC1A-30RC1A-10RC1A-15LJ12A3-4-J/DZJLXK1-211JZ7-22JS11-11数量1121111332单位台个个个个个个个个个5.6 控制系统程序的编写5.6.1 输入与输出的分配