1、1=緒論1.1 問題分析及其對策1.1.1現代制造業的發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。在現代機械制造行業中，隨著加工零件方式多樣化及工藝合理化的發展的要求，加工零件的方法也呈現出多樣化，如：除切削加工外，還有鑄造、鍛造、焊接、沖壓、擠壓和輥軋等，在這其中機床切削加工的工作量約占總制造工作量的40%60%(其中鉆床占11.2%),所以在目前的機械制造行業中金屬切削機床是主要的加工設備。而機床的技術性能又直接影響機械制造行業的產品質量和

2、勞動生產率，所以為了提高國家的工業生產能力和科學技術水平，必須對機床的發展作出新的要求。隨著機械工業的擴大和科學技術的進步，尤其是計算機的出現和數控技術的發展，我國的機械制造行業正朝著自動化、精密化、高效率和多樣化的方向發展。我國機床工業自1949年建立以來，雖然在短短的時間內取得了很大的成就，但與世界先進水平相比還有較大的差矩。就現狀看，主要表現在：我國機床工業起步晚、技術不成熟；大部分高精度和超精度機床的性能還不能滿足要求，精度保持度也差，特別是高效自動化和數控機床的產量、技術水平和質量等方面都明顯落后。據有關部門統計我國數控機床的產量僅是全部機床產量的1.5%，產值數控化僅為8.7%（至

3、1990年底）；我國數控機床基本上是中等規格的車床、銑床和加工中心等，而精密、大型、重型或小型數控機床還遠遠不能滿足要求；另外我國機床在技術水平和性能方面的差矩也很明顯，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國外先進科學技術，大力發展研究，推動我國機床工業的發展。問題的提出由以上現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有很大的比重。鉆床為孔加工機床，按其結構形式不同可以分為搖臂鉆床、立式鉆床、臥式鉆床、深孔鉆床、多軸鉆床等。主要用來進行鉆孔、擴孔、絞孔、攻絲等。長期以來我國的機械機械制造工業中孔類加工多數由傳統鉆床來完成，但是傳統的鉆床在大批量

4、生產時存在許多的不足之處：（1）自動化程度不高.，難以進行大批量的生產；（2）工作效率低，且工人的工作環境惡劣；（3）占用人力較多，操作固定不變易出錯；（4）精度不高，工件裝夾費時；（5）加工產品質量不高；針對以上傳統鉆床的不足之處及生產中存在的問題，我們有必要對傳統鉆床進行結構改進。通過對傳統鉆床手動的進給系統、夾緊系統及人工送料系統的改進和設計，從而提高產品質量和生產效率，實現自動化，降低勞動強度及工作量。問題的分析以及解決方案當前傳統鉆床問題的存在主要在于自動化程度、生產效率、工作環境及產品質量。在生產過程中，手動的操作、繁鎖的裝夾、大量生產力的投入和單一的生產流程導致了鉆床加工的自動化

5、程度低、生產效率低、工作環境惡劣和產品質量不高，因此，我們要解決的問題在于如何實現鉆床加工的自動化、減少生產力的投入生產和與其它工藝流程相結合，同時也要考慮經濟問題。經過分析，我們可以從機構設計和控制系統兩方面去考慮。通過對鉆床機構的改造來實現自動化控制的要求，提高產品的加工精度及質量；通過導入先進的控制系統來進行自動操控，從而實現自動化，便于導入到其它生產流程中去。為了解決問題和便于設計改造，我們將鉆床分為傳動系統、進給系統、夾緊系統、送料系統和控制系統五個部分，下面分別對各部分的問題提出解決方案：（1）傳動系統 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進行改進和調整。（2

6、）進給系統 傳統的鉆床主軸進給系統主要由主軸、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，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內，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運動。為了實現自動化控制的要求，主軸進給機構改進主要有：主軸旋轉運動依然由電動機傳入，而進給則由液壓傳動替代手動的齒條傳動，通過液壓控制系統來實現進給動作。親，由于某些原因，沒有上傳完整的畢業設計（完整的應包括畢業設計說明書、相關圖紙CAD/PROE、中英文文獻及翻譯等），此文檔也稍微刪除了一部分內容（目

7、錄及某些關鍵內容）如需要的朋友，請聯系我的叩扣:2215891151，數萬篇現成設計及另有的高端團隊絕對可滿足您的需要。（3）夾緊系統 傳統鉆床的夾緊主要是手工操作，由夾具夾緊工件。為了便于實現自動化控制，工件夾緊由夾具完成，動力源由夾緊液壓缸導入，通過液壓控制系統來實現夾緊動作的自動化。（4）送料系統 在生產過程中，鉆床的送料主要由人工輸入，這使得投入了大量的生產力，消耗了大量的工時，使的生產率不高，為此我們通過導入自動送料系統來減少生產力的投入和工時的消耗。自動送料系統機構傳動要根據生產的需求作出相應的設計需求，動力源可由電機或液壓系統傳入，二者均可實現自動化控制。（5）控制系統 當前機床

8、控制系統主要由計算機數控、繼電器電氣控制和PLC控制等，由于繼電器電氣控制系統，其聯動關系復雜，維修困難，故障率高，經常影響正常生產，計算機數控造價高、系統復雜，而PLC控制系統可靠性好、造價低、抗干擾能力強、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控制技術來實現對進給系統、夾緊系統和送料系統的液壓控制系統的控制。1.2本文研究的內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鉆床的機構和控制系統進行設計及改進。研究的主要內容是普通臺式鉆床傳動系統的改進、進給系統的設計、進給系統液壓缸的設計和PLC控制系統的設計等四個方面。其中重點在于進給系統、進給系統液壓缸和P

9、LC控制系統的設計。進給系統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；進給系統液壓缸設計包括液壓缸的設計、液壓缸與主軸的配合和液壓缸油路控制； PLC控制系統的設計主要是通過應用PLC控制程序來實現對液壓油路的動作控制及鉆床加工過程的動作控制。我們通過對傳統臺式鉆床的改進及設計，要達到的目標在于通過改進鉆床能夠實現工作自動化，最終能滿足以下要求：（1）能實現自動化連續生產，改善產品加工質量，提高生產效率；（2）降低工作人員勞動強度和工作量；（3）鉆床系統工作平穩，滿足工作要求；（4）經濟因素合理；1.3本章小結本章節主要對現代機械制造業作了簡單的總概括，并對機床切削加工作出分析。提

10、出當前金屬切削加工中存在的一些問題，以及針對鉆床加工現存的缺點作出剖析，提出對傳統鉆床改造的必要性和可行性，并對改造的任務和目標作出簡述。通過對改造任務和目標簡述，為設計方案的確定了設計對象。2自動鉆床的總體方案設計總體方案設計的構思和方案擬定關系到產品的功能是否齊全、性能是否優良、經濟效益是否顯著，因此，我們要確定良好的總體方案設計思想，保證產品的功能、經濟效益和實用性能。總體方案設計的內容主要包括以下幾個方面：（1） 執行系統的方案設計 ；（2） 原動機類型的選擇和傳動系統的方案設計；（3） 控制系統的方案設計；（4） 總體布局設計；（5） 輔助系統的設計；為了完成普通臺式鉆床的改造及進給

11、系統的設計，我們依循機床設計的一般步驟確定自動鉆床的總體方案設計。2.1自動專用鉆床已知條件和設計要求的概述本文對普通臺式鉆床的自動化改造及進給系統設計是以某五金工具廠鋼絲鉗生產線的自動化改造為背景。已知：加工對象為鋼絲鉗，加工工序為在鋼絲鉗上鉆削直徑為12mm（鉆床最大鉆削直徑）的通孔，鋼絲鉗材料為Q235。改造后的全自動鉆床應滿足以下設計要求：（1） 滿足自動連續生產，且生產率為3把/分鐘；（2） 自動化改造應是機械、電氣和液壓的有機結合；（3） 傳動系統設計應包含切削力計算、電動機選擇、傳動裝置設計、床身結構設計等；（4） 設計重點為鉆床液壓進給系統之進給油缸設計；（5） 自動控制系統應

12、以PLC與手動相結合的方式實現；2.2自動鉆床的工藝路線分析與確定與傳統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整，這其中主要是導入了自動化加工動作。結合設計及生產要求，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為了完成自動化加工，自動鉆床按照上述工藝路線進循環行動作來完成成批工件的加工過程。根據工藝流程，可確定自動鉆床的動作流程圖如下（圖2-1）：圖2-1自動鉆床動作流程圖2.3執行系統的方案設計執行系統是機械系統中的重要組成部分，直接完成機械系統預期工作任務。機械執行系統的方案設計是機械系統總體方案設計的核

13、心，是整個機械設計工作的基礎。本文自動鉆床的執行系統主要包括鉆頭加工和進給液壓缸驅動進給。執行系統的功能原理設計功能原理設計決定產品的技術水平、工作質量、傳動方案、結構型式、制造成本等。因此在進行鉆床的功能原理設計時，我們應當考慮鉆床功能的可行性、先進性和經濟性。普通臺式鉆床的改造主要是實現自動化功能。改造后全自動鉆床能實現自動化連續生產，提高了生產率，符合了工廠的生產需求，適應了現代機械加工業的發展要求。執行系統的運動規律本文設計的重點在于鉆床液壓進給系統之進給油缸設計，也就是用液壓缸驅動來替代手動進給。根據設計，我們要分析的運動規律包括鉆頭切削運動和進給液壓缸驅動進給運動。鉆頭加工運動包括

14、旋轉切削運動和鉆頭直線進給運動。進給液壓缸驅動進給運動要完成驅動主軸進給，為直線運動。鉆床執行系統的運動規律如下圖示（圖2-2）：主軸直線進給運動主軸旋轉切削運動圖2-2自動鉆床運動規律簡圖2.3.3執行機構的形式設計在進行執行機構的形式設計時，要遵循以下原則：滿足執行構件的工藝動作和運動要求、盡量簡化和縮短運動鏈、盡量減小機構尺寸、選擇合適的運動副形式、考慮動力源的形式、使執行系統具有良好的傳力和動力特性、使機械具有調節某些運動參數的能力和保證機械的安全運轉。考慮以上設計原則，在實現鉆頭的旋轉切削運動時，動力源與主軸之間的執行機構我們選擇帶輪傳動；在實現鉆頭的直線進給運動時，我們選擇能夠往復

15、運動的液壓缸。執行系統的協調設計執行系統協調設計原則：滿足各執行機構動作先后的順序性要求、滿足各執行機構動作在時間上的同步性要求、滿足各執行機構在空間布置上的協調性要求、 滿足各執行機構在操作上的協同性要求、各執行機構的動作安排要有利于提高勞動生產率、 各執行機構的的布置要有利于系統的能量協調和效率的提高。自動鉆床的主軸帶輪傳動減少了傳動鏈，且可過載保護；液壓缸驅動進給不需要改變運動形式，且易于實現自動化控制。執行系統方案評價與決策自動鉆床執行系統在功能上能滿足鉆床加工的工作要求，主軸帶輪傳動能起到過載保護作用。液壓缸執行系統能實現鉆床切削加工的進給運動，易于控制，是實現自動化控制的首選機構。

16、2.4傳動系統方案設計和原動機選擇原動機選擇由自動鉆床執行部件的運動規律我們可以選擇原動機。主軸旋轉運動的原動機選擇電動機，進給液壓缸原動力選擇電動機驅動液壓泵（具體型號在下面章節中計算后選擇）。傳動系統方案設計(一) 確定傳動系統總傳動比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功率后，查表選擇電動機，對照鉆床的工作參數確定總傳動比（主軸系統總傳動比在傳動系統設計中經計算后確定）。（二）選擇傳動類型依據傳統臺式鉆床的結構特點，主軸旋轉運動選擇帶輪V帶傳動，此傳動類型可實現過載保護；鉆頭直線進給運動選擇液壓傳動，此類型傳動有以下優點：（1）在輸出功率相

17、同的條件下，體積小、重量輕；（2）運動平穩，吸振能力強；（3）易于實現快速啟動、制動、頻繁換向以及無級調速；（4）布局安裝比較靈活，液壓元件易于實現系列化、標準化、通用化；（5）與機構相結合易實現自動化控制；（三）繪制傳動系統運動簡圖根據以上分析，確定傳動系統的運動簡圖如下（圖2-3）：花鍵傳動V帶傳動液壓缸進給傳動圖2-3傳動系統運動簡圖2.5控制方案設計綜合考慮全自動鉆床的改造要求、功能要求、控制要求及經濟因素，控制系統采用PLC與手動相結合的方法進行控制。PLC即可編程控制器，其英文全稱為 ProgrammableController。PLC舉起于20世紀70年代，是微機技術與繼電器常規

18、控制技術相結合的產物。經過30多年的發展，可編程控制器已經成為最重要、最可靠、應用場合最廣泛的工業控制微型計算機。PLC不僅充分利用微處理器的優點來滿足各種工業領域的實時控制要求，同時也照顧到操作維護人員的技能和習慣，摒棄了微機常用的計算機的編程語言，獨具風格地使用以繼電器梯型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、調試和查錯容易，且編程方便易學。PLC的主要功能有：順序控制、數據處理、邏輯控制、運行狀態監控、記數控制、通訊與聯網、定時控制。在自動鉆床的控制系統中，我們主要應用PLC的順序控制和定時控制。另外PLC作為現代最重要、最可靠、應用場合最廣泛的工業控制微型

19、計算機，其具有以下特點： （1）可靠性高 ；（2）編程容易，易于使用；（3）控制功能極強；（4）擴展及與外部連接極為方便；（5）通用性好、體積小、使用靈活；（6）設計施工和調試的周期短；結合以上PLC的特點，我們在控制系統方案設計時選擇PLC作為主要的控制方式，另外根據實際的工作要求，配合適當的手動控制元件。2.6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相對位置的關系，并使機床具有一個協調完美的造型。工藝分析和工件的形狀、尺寸及重量，在很大程度上左右著機床的布局形式。普通臺式鉆床的自動化改造及進給系統設計，是在原有機構的基礎上導入了液壓進給驅動系統：主軸箱要做變動。同時還

20、導入了液壓夾緊系統：考慮到臺式鉆床固定不動，可變動工作臺的結構以實現總體布局的協調。2.7輔助系統的設計輔助系統的設計主要包括潤滑系統設計、冷卻系統設計、故障檢測系統設計、安全保障系統設計和照明系統設計。設計過程中可根據設計的要求和實際的鉆床工作需求進行輔助系統的設計。2.8本章小結本章主要介紹了通過對已知設計條件的分析如何確定自動鉆床總體方案的問題。章節中主要對自動鉆床總體方案中的工藝路線、執行系統方案、傳動系統方案和控制系統方案作了詳細介紹和分析。通過本章節的敘述和圖文表達，我們對自動鉆床的總體設計有了一個清晰的概念，確定了下面章節中設計的步驟和設計重點。3專用鉆床進給系統的設計3.1進給

21、系統概述與分析傳統的臺式鉆床主軸進給系統主要由主軸、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，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內，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運動。由總體方案可知，自動鉆床進給系統設計導入了液壓缸進給系統，由液壓缸驅動替代齒輪齒條的手動進給，來實現主軸的快進、工進和快退動作。鉆床在加工時，主軸要作高速的旋轉運動和直線的進給運動。導入液壓缸進給系統后，由于液壓缸結構和性能的限制，液壓缸活塞桿不宜作高速的旋轉運動，因此，我們要結合合適的軸承和

22、結構來實現主軸的高速旋轉。往復進給運動由液壓缸來完成動作。5436721圖3-1普通臺式鉆床進給系統簡圖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7、主軸箱3.2進給系統方案圖的確定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，我們首先要對普通臺式鉆床的進給系統作出詳細的研究。臺式鉆床主軸進給系統主要部件有主軸、主軸套筒、主軸套筒鑲套、齒輪齒條和軸承等。其結構圖如圖3-1示：根據普通臺式鉆床的進給系統設計特點，綜合考慮本文設計的要求、改造后自動鉆床的工作條件和液壓缸工作特性，確定自動鉆床的進給系統如圖3-2所示：765843921圖3

23、-2自動鉆床的進給系統簡圖1、主軸2、深溝球軸承3、活塞桿4、液壓缸筒5、油路口6、液壓缸蓋7、鎖緊螺釘8、推力球軸承9、密封圈3.3工況分析根據設計任務可知，生產工件時，要求生產率為3把/分鐘，即要求在20秒內要完成一件工件的送料、夾緊、鉆削加工和出料。已知件材料為Q235鋼，工件厚度大約為15mm，查機械工程材料實用手冊可知，Q235為碳素結構鋼，其韌性良好，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。鉆削直徑為12mm的通孔，鉆削行程（孔的長度）l15mm。由此可確定鉆床主軸行程為100mm，也就是液壓缸行程為100mm。在鉆床的切削加

24、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。軸向進給力是沿主軸軸向的，在主軸保持其與工作臺的垂直度的情況下，軸向力作用產生的彎矩基本為零，可忽略不計。所以，鉆床主軸為僅受轉矩作用的軸類。主軸進給液壓缸在工作中受到作用力可以分為三個階段分析。在主軸快進工序中，液壓缸受到鉆床主軸組件重力和液壓缸系統的摩擦力的作用；在主軸工進工序中，液壓缸受到鉆床主軸組件的重力、軸向切削力和液壓缸系統的摩擦力作用；在主軸快退的工序中，液壓缸受到主軸組件的重力、退刀阻力和液壓缸系統摩擦力。因此，在進給液壓缸設計時，我們要以最大受力作為設計標準。3.4切削力的計算切削刀具及相關參數的選擇目前在鉆孔加工中，麻花

25、鉆主要有高速鋼麻花鉆和硬質合金麻花鉆兩類。由于高速鋼麻花鉆在采用物理沉積法TiN涂層處理后，其耐用度和鉆孔精度有了較大提高，所以該鉆頭應用極廣。所以，在本文的鉆削加工過程中，選擇高速鋼麻花鉆頭。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12mm,鉆頭與主軸用莫氏錐孔連接，莫氏錐孔為1號莫氏錐孔。由于被加工材料為Q235鋼，其切削性能較好，所以查金屬切削手冊選擇加工時進給量f為：f=0.2mm/r；其對應的切削速度V=32m/min。主軸轉速及鉆孔時間的計算查金屬切削手冊，由切削速度計算公式可得出主軸在工藝長期穩定時的固定轉速n的計算公式如下：式中，選定的切削速度（m/mi

26、n）刀具或工件的直徑（mm）將V=32m/min，d=12mm代入公式中，計算得出n=850r/min.查金屬切削手冊,鉆孔時間T的計算公式為：式中，l被鉆孔厚度（mm）f切削進給量（mm/r）刀具或工件的直徑（mm） n主軸固定轉速（r/min）將l =15mm，f =0.2mm/r,d=12mm,n=850r/min代入公式中，計算得出T=6.6s.由此，確定一件工件的加工工時為：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，加工一件工件用時17s，達到了加工效率的要求。切削力的計算此處省略 NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN字。4專

27、用鉆床主軸傳動系統的設計4.1主軸傳動系統的分析由圖2-3可知，主軸傳動系統的設計主要包括帶輪傳動、主軸花鍵傳動和液壓傳動系統的設計。液壓傳動系統設計已在第三章中介紹并作出了設計，所以本章介紹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作軸向的進給運動。在主軸花鍵設計中，主要是根據主軸的軸徑大小來選擇花鍵的尺寸。主軸系統帶輪傳動可實現過載保護，設計包括V帶的選擇和帶輪尺寸的設計。4.2主軸花鍵的設計花鍵聯接，由帶有多個鍵齒的軸和轂孔組成，齒側面為工作面，可用于靜聯接和動聯接。與鍵聯接相比，花鍵聯接有更高的承載能力，較好的定心性和導向性；可實現滑動聯接；對軸的削

28、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。根據表3-1主軸零件的選用，選用花鍵規格為：（ ）8×32×36×6 GB/T 1144-1987（為齒數×內徑×外徑×齒寬）。主軸的行程為100mm，查表4-1可確花鍵的長度為=160mm。表4-1 花鍵長度系列表 （mm）10121518222528303236384245850566063717580859095100110120130140160180200由于主軸材料為45鋼，加工后要調質處理，主軸端花鍵與轂孔為滑動聯接，所以花鍵尺寸公差選擇分別為：d取f7，D

29、取a11，鍵寬B取d10。鍵寬位置度公差取=0.015mm,鍵寬對稱度公差取=0.012mm。4.3主軸電機選擇根據章節的計算可知，主軸切削功率=1.2KW。由于花鍵轂要與帶輪固定在機架上，取軸承傳動效率為0.99、花鍵傳動效率為0.98和V帶傳動效率為0.96，所以可計算出電機要傳遞的最小功率為：所以可計算出=1.32。查電機樣品選取電機型號為：Y90L-4。其額定功率為1.5，滿載轉速為1400r/min。4.4V帶傳動設計設計功率的計算式中： 工況系數；自動鉆床一般為空載啟動取=1.2傳遞功率；取電動機額定功率=1.5計算出=1.8。選擇帶型根據=1.8，=1400r/min，查機械設計

30、選用Z型V帶。選取帶輪基準直徑和由章節中計算可知，主軸轉速=850r/min。考慮到電機主軸直徑D=24mm及Z型V帶的=50mm，查機械設計取=80mm。式中： 鉆床主軸帶輪直徑；主軸電機滿載轉速；=1400r/min鉆床主軸轉速；=850r/min鉆床主軸帶輪直徑；=80mm滑動率；取=0.02所以可計算出=129.13mm，圓整取標準值后取=132mm。驗算帶速帶速的計算公式為：由以上確定的數值，代入可計算出帶速=5.86。在520范圍之間，帶速合適。確定中心距和帶的基準長度由帶輪直徑和自動鉆床的機構尺寸，初選中心距=300mm。經計算可知其符合：0.7(+)=148.42(+)=424

31、由帶長計算公式可計算出：=935.1mm查機械設計對Z型帶選用基準長度=1080mm，可由下式計算出實際的中心距為：4.4.6驗算小帶輪包角所以120°，在要求的范圍之內，包角合適。4.5本章小結主軸傳動系統的設計主要包括帶輪傳動、主軸花鍵傳動和液壓傳動系統的設計，由于液壓傳動已在第3章中設計過，因此，本章節主要介紹了帶輪傳動和花鍵傳動的設計。這兩部分是鉆床主軸傳動的主要部件。完成對傳動系統的設計，自動鉆床設計已基本成形，剩下的任務就是對自動鉆床進行控制設計，所以，下面章節將對鉆床控制系統進行設計。5自動鉆床控制系統設計5.1自動鉆床的自動化控制要求根據課題設計任務，可總結自動鉆床的

32、控制系統設計要求如下：（1） 自動控制系統應以PLC控制與手動控制相結合的方式實現；（2） 從功能和經濟角度對控制元件進行選擇；（3） 根據鉆床工作要求完成PLC控制編程；5.2可編程控制器PLC的簡述PLC即可編程控制器，其英文全稱為 ProgrammableController。PLC舉起于20世紀70年代，是微機技術與繼電器常規控制技術相結合的產物。經過30多年的發展，可編程控制器已經成為重要、可靠、應用場合最廣泛的工業控制微型計算機。PLC不僅充分利用微處理器的優點來滿足各種工業領域的實時控制要求，同時也照顧到操作維護人員的技能和習慣，摒棄了微機常用的計算機的編程語言，獨具風格地使用以

33、繼電器梯型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、調試和查錯容易，且編程方便易學。可編程控制器基本上由中央處理器、存儲器、輸入輸出器件、電源及編程設備幾大部分組成。中央處理器是PLC的“大腦”，它控制所有其它部件的操作，一般由控制電路、運算器寄存器等組成。通過地址總線、數據總線與控制總線、存貯器及I/O接口電路聯接。中央處理器可完成從存貯器中讀取指令、執行指令、預取下條指令和處理中斷。存貯器是具有記憶功能的半導體電路。PLC的存貯器包括系統程序存貯器和用戶程序存貯器。輸入/輸出接口電路用來連接PLC主機與外部設備，是動作信號與執行結果輸入和輸出的主要途徑。可編程控制

34、器的電源包括為可編程控制器各工作單元供電的開關電源及為掉電保護電路供電的后備電源，后備電源一般為電池。可編程控制器通過以上組成模塊可實現順序控制、數據處理、邏輯控制、運行狀態監控、記數控制、通訊與聯網、定時控制等。基于以上功能，目前在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業。隨著PLC控制技術的飛速發展和廣泛應用，可編程控制器的優點越來越明顯。查閱有關資料我們可將PLC的優點歸結為以下幾點：（1） 可靠性高，抗干擾能力強 與傳統的繼電器系統相比，繼電器系統容易出現器件老化、脫焊、觸點抖動以及觸點電弧等現象，而在PLC控制系統中，大

35、量的開關動作是由無觸點的半導體器件來完成，加上PLC充分考慮了工業生產環境電磁、粉塵、溫度等各種干擾，采取了一系列措施。這導致了繼電器控制系統的可靠性低于PLC控制系統。（2）易學易用，深受工程技術人員的歡迎PLC作為通用工業控制計算機，是面向工礦企業的控制設備，其編程語言易于被工程技術人員所接受。像梯形圖語言的圖形符號和表達方式與繼電器電路圖非常接近，另外只是用PLC的少量開關邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器接觸器電路的功能。（3）配套齊全，功能完善，適用性強PLC發展到今天，已經形成了大、中、小各種規模的系列化產品，可以用于各種規模的工業控制場合。除了邏輯處理功能外，現代PLC大多具有完

36、善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能模塊大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、計算機數控等各種控制系統變得非常容易。（4） 系統設計周期短，維護方便，改造容易PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大地減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計周期大大縮短，同時也維護也變的容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序來改變生產過程成為可能。因此很適合多品種、批量生產的場合。（5）體積小，重量輕，能耗低由于PLC控制技術的飛速發展，現代PLC的產品底部尺寸可以做到僅為，重量大約為150g，功耗也僅僅只有數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。5.3

37、自動鉆床進給系統控制流程自動鉆床進給系統的控制流程包括主軸電機和液壓泵電機的啟動控制、主軸快進控制、主軸工進控制、主軸停留控制、主軸快退控制、主軸快退停止控制和主軸電機和液壓泵電機的停止控制。主軸電機和液壓泵電機的啟動控制：主軸電機和液壓泵電機的啟動控制可分別通過主軸電機和液壓泵電機電路上的交流接觸器KM1和KM2控制。為了使PLC在寫入控制程序后進入穩定狀態后執行和便于操作人員進行初態監控，在寫入控制程序5S后，主軸電機和液壓泵電機電路上的交流接觸器KM1和KM2閉合，主軸電機和液壓泵電機啟動，5S定時由定時器T1完成。主軸快進控制：當工件檢測器檢測到工件后，工件檢測開關SB1閉合，進行工件

38、的夾緊計時，定時器T2計時2S完成后，三位四通電磁換向閥電磁鐵1Y得電，液壓控制系統接入快進油路，主軸快速進給。主軸工進控制：主軸快進行程完成后，快進行程開關SQ0閉合，三位四通電磁換向閥電磁鐵1Y、二位二通電磁換向閥電磁鐵3Y和二位三通電磁換向閥4Y得電，液壓控制系統接入工進油路，主軸工進。主軸停留：鉆頭完成對工件的加工后，主軸工進行程到達終點，工進行程開關SQ1閉合，計時器T3開始2S計時，三位四通電磁換向閥電磁鐵1Y失電復位，主軸停留對加工孔進行修磨。主軸快退：計時器T3完成2S計時后，三位四通電磁換向閥電磁鐵2Y得電，二位二通電磁換向閥電磁鐵3Y和二位三通電磁換向閥4Y失電復位，液壓控

39、制系統接入快退油路，主軸快退。主軸快退停止：主軸快退至行程開關SQ2處時，行程開關SQ2閉合，三位四通電磁換向閥電磁鐵2Y失電復位，主軸停止快退。主軸電機和液壓泵電機停止：當工件檢測器檢測不到工件時，PLC控制程序中SB1常閉開關處于閉合狀態，此時定時器T4開始300S計時，當計時完成后，也就是300S內沒有工件待加工時主軸電機和液壓泵電機停止工作。圖5-1 自動鉆床進給系統PLC控制流程簡圖鉆床控制系統的手動操作包括PLC電源的啟動和總電路刀開關QK的接通。5.4自動鉆床進給系統電氣原理圖圖5-2 自動鉆床進給系統電氣原理圖電氣原理圖中相關代號見表5-1：表5-1圖中文字符號符號名稱QK刀開

40、關M1主軸電機M2液壓泵驅動電機KM1主軸電機交流接觸器KM2液壓泵驅動電機交流接觸器FU、FU1、FU2熔斷器SB0、SB2、SB3、SB4按鈕SB1工件檢測開關SQ0主軸快進行程開關SQ1主軸工進行程開關SQ2主軸快退停止行程開關KM3、KM4、KM5繼電器KT2、KT3廷時繼電器1Y、2Y、3Y、4Y液壓換向閥電磁鐵5.5自動鉆床進給系統控制元件的選擇本節根據以上章節中所選的電器元件的參數和控制要求，對控制元件進行選擇。可編程控制器PLC的選擇由于自動鉆床的控制比較簡單，根據電氣控制原理圖我們可知輸入信號主要由行程開關和光電開關直接輸入，控制中要完成定時控制，輸出全部為電磁鐵的通電與斷電

41、的控制，因此，PLC選擇型號為：SIMATIC S7-200刀開關的選擇由于控制要求中要求控制過程要通過PLC控制和手動操作結合實現，所以在主電路上安裝刀開關，以控制整個電路的開啟和斷開。根據系統中電機的選擇和整個電路的工耗，刀開關選擇型號為：HK1-3-30/380熔斷器的選擇熔斷器用于不同性質的負載時，其熔體額定電流的選用方法也不同。（1）熔斷器類型選擇，其類型應根據線路的要求，使用場合和安裝條件選擇；（2）熔斷器的額定電壓必須等于或高于熔斷器工作點的電壓；（3）熔斷器的額定電流必須等于或高于所裝熔體的額定電流；（4）熔斷器的額定分斷能力必須大于電路可能出現的最大故障電流；該控制系統中，熔

42、斷器FU1和FU2是對主軸電機和液壓泵驅動電機的短路保護，其選用原則可按下式計算：式中，熔體的額定電流電機的額定電流（，I1=4A，I2=8A）系數取1.5，所以計算可得=6A，=12A。所以FU1選擇型號為：RC1A-10；FU2選擇型號為：RC1A-15。主電路上的熔斷器FU主要是根據電路的總電流選擇，主電路中主要電器為主軸電機和液壓泵驅動電機，考慮到其它電器元件，現FU選擇型號為：RC1A-30。交流接觸器的選擇控制系統中，交流接觸器KM1和KM2完成對主軸電機和液壓泵驅動電機啟動和停止控制，所以在選擇時應根據主軸電機和液壓泵驅動電機的參數選取。其主觸頭的額定電流應大于或等于負載的額定電

43、流。根據中的計算I1=4A，I2=8A，查電氣與可編程控制器應用技術KM1和KM2選擇型號為：CJ20-10/03。行程開關與接近開關的選擇行程開關主要用于檢測工作機械的位置，發出命令以控制其運動方向或行程長短。常用行程開關的型號有LX10、LX21、JLXK1等系列。查電氣與可編程控制器應用技術行程開關型號選擇為：JLXK1-211。接近開關是靠移動物體與接近開關的感應頭接近時，使其輸出一個電信號，故又稱為無觸頭開關。接近開關分為電容式和電感式兩種。電感式的感應頭是一個具有鐵氧體磁心的電感線圈，故只能檢測金屬物體的接近。常用的型號有LJ1、LJ2等系列。 接近開關采用非接觸型感應輸入和晶體管

44、作無觸頭輸出及電放大開關構成的開關，線路具有可靠性高、壽命長、操作頻率高等優點。電容式接近開關的感應頭只是一個圓形平板電極，這個電極與振蕩電路的地線形成一個分布電容。當有導體或介質接近感應頭時，電容量增大而使振蕩器停振，輸出電路發出電信號。由于電容式接近開關既能檢測金屬，又能檢測非金屬及液體，因而應用十分廣泛，產品型號主要有LXJl5系列和TC系列等。使用時要根據電源的種類、電壓等級、額定電流和觸頭數進行選用。結合以上我們采用LJ12A3-4-J/DZ接近開關。繼電器的選擇電氣原理圖中的繼電器包括自鎖電器和廷時繼電器，其分別完成電氣控制中的自鎖功能和廷時功能。繼電器是一種根據某種輸入信號的變化

45、，接通或斷開控制電路(小電流電路)，實現自動控制和點動自鎖功能的電器，其輸入量可以是電流、電壓等電氣量，也可以是轉速、時間、溫度、壓力等非電氣量。根據繼電器的作用，要求繼電器反應靈敏準確，動作迅速路數多，使用耐久等。繼電器在控制中完成點動自鎖功能，所以根據需要我們選擇型號為：JZ7-22 其線圈工作電壓為380V。廷時繼電器主要完成工序的廷時動作。在機械設備進行工作時，很多情況都有要求某工序進行廷時或必須廷時后才了發出轉移信號控制其它動作，這些都要用廷時繼電器來執行。根據我們工序中的廷時要求和電路的工作電壓，廷時繼電器選用型號為：JS11-11 其電源電壓為380V/50HZ。控制元件選擇明細

46、表根據以上控制元件的選擇，列出控制元件明細表。見表5-2：表5-2 控制元件明細表文字符號名稱型號數量單位PLC可編程控制器SIMATIC S7-2001臺QK刀開關HK1-3-30/3801個KM1、KM2交流接觸器CJ20-10/032個FU熔繼器RC1A-301個FU1熔繼器RC1A-101個FU2熔繼器RC1A-151個SB1接近開關LJ12A3-4-J/DZ1個SQ行程開關JLXK1-2113個KM3、KM4、KM5繼電器JZ7-223個KT廷時繼電器JS11-112個5.6控制系統程序的編寫輸入與輸出的分配根據控制流程圖和控制設備我們可定義輸入輸出如下表示（表5-3）： PLC程序

47、清單根據輸入/輸出的定義，可編寫PLC控制程序。程序清單見附表。表5-3 輸入/輸出分配表輸入/I輸出/QI0.0SB0Q0.0KM1I0.1SB1Q0.1KM2I0.2SQ0Q0.21YI0.3SQ1Q0.32YI0.4SQ2Q0.43YQ0.54Y5.7本章小結完成自動化控制是設計的目的所在，本章主要介紹了如何應用控制元件來實現對執行元件的自動化控制。章節中包括控制設備的選取、控制過程的分析、控制原理的說明、控制元件的選擇和控制程序的編寫等。通過本章的設計，自動鉆床的改造任務已經完成，改造后的鉆床通過PLC控制執行機構和傳動機構已可實現自動化生產。6設計總結自動鉆床的設計是在原有傳統鉆床的基礎上進行改造和設計的，改造后的自動鉆床是典型的機電一休化產品。設計內容主要