定位孔专机控制系统设计.doc

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1、2011届毕业生江汉大学毕业论文（设计）论 文论文题目 定位孔专机控制系统设计（英 文） drilling holes machine tool controller design学 院： 物理与信息工程学院 专 业： 自动化 姓 名： 苏正家 学 号： 200707201124 指导教师 ： 周荣政 2011 年 月 日 摘要本文介绍了工厂中定位孔组合机床的工序流程和结构工艺，通过分析机床控制系统及组合机床的整体设计，了解实际生产中在工件上精确的钻孔的方法，熟练掌握机床的电气设计方法及步骤以及学会基本的电气图纸的绘制。关键词：钻孔；电气控制；强电Abstract：Introduced the

2、 process and the structure of hole-positing machine tools in a industral factory to know how to posit the holes highly accurately by analysing the design of controlling system and the structure in machine tools.At the mean time ,to learn how to drill holes and command the way to design a machines to

3、ols.Also to study the drawing of the electrical areas. Key words:drilling holes;electrical controlling;great power目录1 绪论51.1 机床在国民经济的地位及其发展简史51.2 组合机床的国内、外现状61.2.1 国内组合机床现状71.2.2 国外组合机床现状81.3 定位孔专机控制系统设计的目的、内容、要求91.3.1 设计的目的91.3.2 设计目标及内容91.4 组合机床的设计步骤【3】101.4.1 调查研究101.4.2 拟定方案101.4.3 工作图设计102 定位孔专

4、机控制系统的总体设计122.1 定位孔专机方案的制定122.2 确定切削用量及选择刀具142.2.1 确定工序间余量142.2.2 选择切削用量142.2.3 选择刀具结构152.3 控制系统的设计152.3.1 控制要求152.3.2 机床循环示意图162.3.3 液压元件动作表182.3.4 电气原理图及元件清213 控制电柜及控制面板的设计233.1 控制电柜的设计233.1.1 控制电柜的选择233.1.2 控制电柜的实物接线图244 结论27参考文献28致谢291 绪论1.1 机床在国民经济的地位及其发展简史现代社会人们为了高效、经济地生产各种高质量产品，日益广泛的使用各种机器、仪器

5、和工具等技术设备和装备。为制造这些技术设备和装备，又必须具备各种加工金属零件的设备，诸如铸造、锻造、焊接、冲压和切削加工设备等。由于机械零件的形状、尺寸精度和表面粗糙度，目前主要靠切削加工的方法来达到，尤其是形状复杂、精度要求高和表面粗糙度要求小的零件，往往需要在机床上经过多道切削加工工艺才能完成。因此，机床是现代机械制造业中最重要的加工设备。在一般机械制造厂中，机床所担负的加工工作量约占机械制造总工作量的40%60%，因此机床的技术性能直接影响机械产品的质量及其制造的经济性，进而决定着国民经济的发展水平。一个现代话的机械制造业必须要有一个现代化的机床制造业做后盾。机床工业是机械制造业的“装备

6、部”、“总工艺师”，对国民经济发展起着重大作用。因此，许多国家都十分重视本国机床工业的发展和机床技术水平的提高，使本国国民经济的发展建立在坚实可靠的基础上。机床是人类在长期生产实践中，不断改进生产工具的基础上生产的，并随着社会生产的发展和科学技术的进步而渐趋完善。最原始的机床是木制的，所有运动都是由人力或畜力驱动，主要用于加工木料、石料和陶瓷制品的泥坯，热门实际上并不是一种完整的机器。现代意义上的用于加工金属机械零件的机床，是在18世纪中叶才开始发展起来。当时，欧美一些工业最发达的国家，开始了从工场手工业向资本主义机器大工业生产方式的过度，需要越来越多的各种机器，这就推动了机床的迅速发展。为使

7、蒸汽机的发明付诸实用，1770年前后创制了镗削蒸汽机汽缸内孔用的镗床。1779年发明了带有机动刀架的车床，开创了用机械代替人手控制刀具运动的先声，初步形成了现代机床的雏形。续车床之后，随着机械制造业的发展，其他各种机床也陆续被创制出来。至19世纪末，车床、钻床、镗床、刨床、拉床、铣床、磨床、齿轮加工机床等基本类型的机床已先后形成。上世纪初以来，由于高速钢和硬质合金等新型刀具材料相继出现，刀具切削性能不断提高，促使机床沿着提高主轴转速、加大驱动功率和增强结构刚度的方向发展。与此同时，由于电动机、齿轮、轴承、电器和液压等技术有了很大的发展，使机床的转动、结构和控制等方敏也得到相应的改进，加工精度和

8、生产率显著提高。50年代，带综合应用电子技术、检测技术、计算技术、自动控制和机床设计等各个领域最新成就的基础上发展起来的数控机床，使机床自动化进入了一个崭新的阶段，与早期发展的仅适用于大批大量生产的纯机械控制和继电器接触器控制的自动化相比，它具有很高的柔性，即使在单件和小批生产中也能得到经济的使用。综观机床的发展史，它总是随着机械工业的扩大和科学技术的进步而发展，并始终围绕着不断提高生产效率、加工精度、自动化程度和扩大产品品种而进行的，现代机床总的趋势仍然是据需沿着这一方向发展。我国的机床工业是在1949年新中国成立后才考试建立起来的。解放前，由于长期的封锁统治和19世纪中叶以后帝国主义的侵略

9、和掠夺，我国的工农业生产非常落后，既没有独立的机械制造业，更谈不上机床制造业。至解放前夕，全国只有少数城市的一些规模很小的机械厂，制造少量简单的皮带车间、牛头刨床和砂轮等.1949年全国机床产量仅1000多台，品种不到10个。解放后，党和人民政府十分重视机床工业的发展。在解放初期的三年经济恢复时期，就把一些原来的机修修配厂改建为专业厂,在随后开始的几个五年计划时期，又陆续扩建、新建了一系列机床厂。经过50多年的建设，我国机床工业从无到有，从小到大，现在已经成门类比较齐全，具有一定实力的机床工业体系，能生产5000多种机床通用品种，数控机床1500多种，不仅装备了国内的工业，而且每年还有一定数量

10、的机床出口。我国机床行业的发展是迅速的，成就是巨大的。单由于起步晚，底子薄，与世界先进水平相比，还有较大差距。为了适应我国工业、农业、国防和科学积水现代化的需要，为了提高机床产品在国际市场上的竞争能力，必须深入开展机床基础理论研究，加强工艺试验研究，大力开发精密、重型、和数控机床，使我国机床工业尽早跻身于世界先进行列。1.2 组合机床的国内、外现状世界上第一台组合机床于1908年在美国问世，30年代后组合机床在世界各国得到迅速发展。至今，它已成为现代制造工程的关键设备之一。现代制造工程从各个角度对组合机床提出了越来越高的要求，而组合机床也不断的吸取新技术成果而完善和发展。1.2.1 国内组合机

11、床现状我国加入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2005年4月份，组合机床行业企业仅组合机床一项，据不完全统计产量已达1000余台，产值达3.9亿以上，较2004年同比增长了10%以上，另外组合机床行业增加值、产品销售率、全员工资总额、出口交费值等经济指标均有不同程度的增长，新产品、新技术较去年年均有大幅度提高，可见行业企业运营状况良好。1) 行业企业产品结构的变化组合机床行业企业主要针对汽车、摩托车、内燃机、农机、工程机械、化工机械、军工、能源、轻工及家电行业提供专用设备，随着我国加入WTO后与世界机

12、床进一步接轨，组合机床行业产品开始向数控化，柔性化转变。从近两年企业生产情况来看，数控机床与加工中心的市场需求量在上升，而传统的钻、镗、铣组合机床则有下降趋势，中国机床工具工业学会的机床工具行业企业主要经济指标报表的统计数据显示，仅从几个全国大型重点企业生产情况看，2003年生产数控机床890台，产值16187万元，生产加工中心148台，产值5770万元；2004年生产数控机床985台，产值25838万元，生产加工中心159台，产值7099万元；而2005年，截至4月份，数控机床、加工中心、产值已接近2003年全年水平，故市场在向数控、高精制造技术和成套工艺装备方面发展。2) 行业企业的快速转

13、变“九五”后期，在组合机床行业企业的50多家组合机床分会会员中，仅有两家企业实行了股份改造，一家企业退出国有转为民营，其余的都是国有企业。而从2001至2002年，不到两年时间，就先后有十几家企业实行股份制改造，一些小厂几乎全部退出国有转为民营，现在一些国家重点国有企业也在酝酿股份制改造，转制已势不可挡，组合机床行业企业正在以股份制、民营化等多种形式快速发展。3) 组合机床技术装备现状与发展趋势组合机床及其自动化是集机电于一体是综合自动化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，我国的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

14、较大的大中型的箱体类和轴类零件,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，以及铣削平面和成型面等。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、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台组合机床等。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，并能灵活适应多种加工的可调可变的组合机床。另外，今年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅轨等在组合机床行业中所占份额也越来越大。1.

15、2.2 国外组合机床现状 80年代以来，国外组合机床技术在满足精度和效率要求的基础上，整朝着中和成套和具备柔性的方向发展，组合机床的加工精度、多品种加工的柔性以及机床配置的灵活多样方面均有心得突破性进展，实现了机床工作程序软件化、工序高度集中、高效短节拍和多功能监控。组合机床技术的发展趋势是： （1)广泛应用数控技术国外主要的组合机床生产厂家都有自己的系列化完整的数控组合机床通用部件，在组合机床上不仅一般动力部件应用数控技术，而且家具的转位或转角、换箱装置的自动分度与定位也都应用数控技术，从而进一步提高了组合机床的工作的可靠性和加工精度。（2）发展柔性技术 80年代以来，国外对中大批量生产，多

16、品种昂加工装备采取了一系列的可调、可变、可换措施，使加工装备具有了一定的柔性。如先后发展了转塔动力头、可换主轴箱等组成的组合机床，同时根据加工中心的发展，开发了二坐标、三坐标模块化的加工单元，并以此为基础组成了柔性加工自动线（FTL）。这种结构的变化，既可以实现多品种加工要求的调整变化快速灵敏，又可以使机床配置更加灵活多样。 （3）发展综合自动化技术汽车工业的大发展，对自动化制造技术提出了许多新的需求，大批量生产的高效率，要求制造系统不仅能完成一半的机械加工工序，而且能完成零件从毛坯到成品下线的全部工序，以及下线后的自动码垛、装箱等。德国大众汽车公司KASSEL变速箱厂1987年投入十一年共的

17、早教9000万马克的齿轮箱和离合器壳生产线，就是这种综合自动化制造系统的典范。该系统由两条相似对此不知的自动线组成，三班制工作，每条线日产2000件，节拍时间为40秒。全线由12台双面组合机床、18台三坐标加工单元、空架机器人、线两端的毛坯库和三坐标测量机组成，可实现3种零件的加工。空架机器人完成弓箭下线的码垛装箱工作。随着综合自动化技术的发展，出现了一批专门从事装配、试验、检测、清洗等装备的专业生产厂家，进一步提高了制造系统的配套水平。4) 进一步提高工序集中程度国外为了减少机床数量，节省占地面积，采取各种措施，进一步提高工序集中程度。如采用十字滑台、多坐标通用部件、移动主轴箱、双头镗孔车端

18、面头等组成机床或在夹具部位设置刀库，通过换刀加工实现工序集中，从而可最大限度的发挥设备的效能，获取更好的经济效益。1.3 定位孔专机控制系统设计的目的、内容、要求1.3.1 设计的目的定位孔专机控制系统毕业设计，其目的在于通过机床中主运动机械变速传动控制系统的结构设计，使我们在拟定方案过程中，得到设计构思、方案的分析、结构工艺性、机械制图、编写技术文件和查阅资料等方面的综合训练，掌握基本的设计思想和基本的设计方法，培养自主学习及团队合作的能力。1.3.2 设计目标及内容（1）定位孔专机控制方案及强电控制系统设计根据给定的零件以及钻孔要求，画出零件机械图，确定工艺流程及机床循环示意图。（2）选择

19、电气元件，列出材料清单根据基本参数要求，选择电气元件，并将整个材料列成清单。（3） 设计控制电柜（4） 设计控制面板，掌握面板设计的基本要求。由钻孔工序流程设计控制面板，要求可以单独进行操控、调节各个单项步骤，亦可一键自动完成。（5） 熟练掌握组合机床的电气设计方法及步骤。1.4 组合机床的设计步骤【3】1.4.1 调查研究研究市场和用户设计机床的要求，然后检索有关资料。其中包括情报、预测、实验研究成果、发展趋势、新技术应用以及相应的图纸资料等。更需要通过网络检索技术查阅先进国家的有关资料和专利等。通过对上述资料的分析研究再来拟定适当的方案。1.4.2 拟定方案通常可以拟定出几个方案进行分析比

20、较。每个方案包括：工艺分析、主要技术参数、总布局、传动系统、液压系统、控制操作系统、主要部件的机构草图、电气设计图等。在制定方案时应注意一下几个方面；（1） 当使用和制造出现矛盾是，应先满足使用要求，其次才是尽可能便于制造。要尽量用先进的工艺和创新的结构：（2） 设计必须以生产时间和科学实验为依据，凡是未经实践考验的发难，必须经过实践证明可靠后才能用于设计；（3） 继承与创造相结合，既要遵循原有的基础，又要大胆的应用创新，以便取得更好的发展。1.4.3 工作图设计首先，在选定工艺方案并确定机床配置形式、结构方案基础上，进行方案图纸的设计。图纸包括：被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸图和

21、生产率计算卡，统称“三图一卡”设计。其次，绘制机床的总装图、部分部件装配图、液压系统图、PLC接线图和梯形图。然后，整理机床有关部件与主要零件的设计计算书，编制各类零件明细表，编写机床说明书等技术文件。最后，对有关图纸进行工艺审查和标准化审查。2 定位孔专机控制系统的总体设计2.1 定位孔专机方案的制定零件加工工艺将决定机床的加工质量、生产率、总体布局和夹具结构等。所以，在制定工艺方案时必须计算分析被加工零件图，并深入现场了解零件的形状、大小、材料、硬度、刚度等基本参数，还要了解加工部位的结构特点、加工精度、表面粗糙度等技术要求。被加工零件实物图及零件图如下所示：（注：实物图红色标记处为加工的

22、孔）被加工零件实物图 （注：实物图箭头标记处为加工的孔）加工孔的主要技术要求：加工2个直径为16mm的孔。孔的位置度公差为0.1mm 工件材料为HT21-40加工零件机械图2.2 确定切削用量及选择刀具2.2.1 确定工序间余量由于如果一次性钻孔的不可能确保孔的直径为16mm，误差会相当大，因此整个钻孔过程当中要分如下三部分完成：1、钻初步的钻孔过程，在零件在指定位置定下后完成第一道钻 的工序，初步钻孔，此时孔的直径约为13mm。2. 扩进一步将钻好孔的零件再次定位，进行第二道扩 工序，经过此工序主要是将孔扩大，此时孔直径约为15.6mm。3. 铰钻孔的最后一道工序铰，此工序是进一步将扩好的孔

23、进行精铰，以便达到要求的16mm的直径。因此钻孔后扩孔直径上工序间余量为2.52.8mm；扩孔后铰孔，直径上工序间余量0.20.4mm。2.2.2 选择切削用量确定了工艺内容后就开始选择切削用量了，多轴主轴箱上所有刀具共用一个进给系统，通常为标准动力滑台，工作时，要求所有刀具的每分钟进给量相同，且等于动力滑台的每分钟进给量（mm/min)应是适合所有刀具的平均值。因此，同一主轴箱上的刀具主轴可设计成不同转速和不同的每转进给量（mm/r）与其适应，以满足不同直径的加工需要，即：n1*f1=n2*f2=.=ni*fi=vf 式中：n1 n2 。ni各主轴转速 f1 f2 。fi各主轴进给量 vf动

24、力滑台每分钟进给量 2.2.3 选择刀具结构在生产线现场观察以及记录，得出如下信息：加工作业指导书如此指导书所示，选用钻头为：2.3 控制系统的设计2.3.1 控制要求1. 机床电气采用PLC控制；2. 机床电气动作应符合动作周期表和机床循环示意图；3. 机床控制设调整、自动两种状：调整状态；用按钮操作对专机的每一种运动单独进行控制。自动状态：按一下按钮，即能完成整个工作循环。4. 液压元件动作详见“液压元件动作表”；5. 液压电磁阀及气阀线圈均为直流24V，液压电磁阀额定工作电流1.1A；6. 机床设控制按钮盒和控制柜各一个，大小根据需要设计；7. 控制系统需安全、可靠、操作灵活、维修方便。

25、2.3.2 机床循环示意图根据钻孔的实际要求和工序，要求设计的钻孔机床完成如下工序，其机床循环示意图如下； 按钮 压力继电器手动上料移动工作台右移原位死挡铁停留导 限位开关发讯 压力继电器 压力继电器 行程调速阀调速轨压紧缸压紧工件压紧缸压紧立滑台快进工 压力继电器进终位死挡铁停留立滑台快退原位导轨压紧 开冷却 限位开关发讯限位开关发讯 压力继电器缸松开移动工作台左移快进转左移慢进终位行程调速阀调速死挡停留导轨压紧缸压紧立滑台快进工进终位死挡铁停留立滑台快退原位导轨压紧缸松 压力继电器+延时 限位开关发讯行程调速阀调速开定位缸上升移动工作台右移快退1右移工 压力继电器 1中位死挡停留导轨压紧缸

26、压紧立滑台快限位开关发讯行程调速阀调速进工进终位死挡铁停留立滑台快退原位限位开关发讯压力继电器 导轨压紧缸松开定位缸下降移动工作台右移快退行程调速阀调速2移动工作台右移工退2滑台原位死挡铁停留限位开关发讯 压力继电器工件压紧缸松开手动下料关冷却2.3.3 液压元件动作表根据上述示意图，要求设计的液压元件有对应的动作，通过研究设计出液压元件动作表如下图示： 液压元件动作表通过网络查阅搜集资料得到液压系统的原理图如下： 液压系统原理图2.3.4 电气原理图及元件清 元件清单表1元件清单表2元件清单表33 控制电柜及控制面板的设计3.1 控制电柜的设计3.1.1 控制电柜的选择选择柜体的基本过程：1

27、， 由于电动机的功率不大，可以考虑直接全压启动，所以柜内不需要考虑启动装置。题中未提及采取电气制动措施、可以只考虑控制电路。2， 由于是单向运转的电动机，所以每一个电动机只要一个接触器就可以了。没有提及电动机之间需要连锁关系，也不需要中间控制电路（没有控制用继电器）。3， 每一个电动机需要有自己的过载保护回路，每一个接触器必须配备相应的热继电器。每一条电动机的出线回路都有可能发生短路，整个电柜内考虑一个总的短路保护空气断路器。4， 为显示各相电路的线路电压、电流，选择、安装符合实际电压、电流的测量表计。由于低压电路采用0线，所以电压是对称，采用一个电压表测量三个电压，而电流不一定是对称的，应采

28、用三个电流表进行实际的测量。但由于具体电流与电流表的实际情况。应考虑安装电流互感器用于电流的测量5， 电柜的上部考虑采用铜质汇流排统一供电，各路输出考虑采用电缆，所以在电柜的底部应装设有动力线路的接线端、供接地线（PE）连接用的PE汇流排和N线汇流排6， 结合汇流排、断路器、电流互感器、接触器、热继电器的外形尺寸，加上必要的间隙，可以确定电柜的外形。7， 电柜外形尽量选用标准型。标准电柜的高度有：1.6m、1.8 m 2.0m 2.2 m 2.4m标准电柜的宽度有：0.4m 0.6m 0.8m 1.0m 1.2m 1.4m 1.6m标准电柜的深度有 0.4m 0.6m 0.8m 1.0m 1.

29、2m3.1.2 控制电柜的实物接线图经过在生产线现场的观察记录以及向技术员工请教，控制电柜的实际接线图如下所示:控制电柜接线方面属于强电控制，整个系统包括硅整流电源装置、PLC控制器连接、过流保护、空气开关/断路器等。3.1.3 控制电柜图纸 柜门仪表布置平面图3.2 控制面板的设计由于控制设计要求：机床控制设调整、自动两种状：调整状态；用按钮操作对专机的每一种运动单独进行控制。自动状态：按一下按钮，即能完成整个工作循环。因此设计出控制面板必须的按钮如图： 控制面板实物图 4 结论本毕业设计研究分析了定位孔立式组合机床，用于在柴油机汽缸面上定位钻孔，研究过程中针对其各个工序涉及到的自动控制以及

30、机械相关的知识进行深究，主要完成以下工作：1、 对加工的孔进行工艺分析研究，明确其基本要求。参数和工艺要点。2、 深入研究了机床各道工序以及完成所需的条件，整理出流程图。3、 通过电气控制图来正确选择各个元件以及系统保护措施。4、 设计了安全可靠的控制电柜以及满足要求的控制面板。5、 深刻体会到科技的强大力量。此项工作还有许多需要完善的地方，比如需要更加熟练的使用protel以及CAD软件绘制各种电气图，同时，在设计的过程中感觉到还存在许多后期值得改进的地方，比如自动化不够彻底，上下料必须手动操作、加工后清洗工作不够彻底等。相信经过不断的实践以及新技术的应用，这些问题都会迎刃而解，从而使生产效

31、率更高，精度更强。参考文献1 徐旭东、周菊琪主编 现代组合机床技术及其发展 中国机械工程，1995 年第6卷第3期2 佟璞玮主编 组合机床行业概况及今后发展对策、组合机床与自动化加 工技术 1996年第8期3 金振华主编 组合机床及其调整与应用 机械工业出版社，19904 顾维邦主编 金属切削机床概论 机械工业出版社，20025 左健民主编 液压与气压传动 机械工业出版社，20026 章宏甲、黄谊主编 液压传动 机械工业出版社，20037 邱宜怀主编 机械设计 高等教育出版社，20038 陈在平主编 可编程序控制器技术与应用系统设计 机械工业出版社， 20029 王炳实 机床电气控制 机械工业

32、出版社 第二版10 FX1N系列微型可编程序控制器使用手册 日本三菱电气公司11 工厂常用电气设备手册编写组 水利电力出版社12 吴宗泽主编 机械设计实用手册 化学工业出版社，200313 张利平主编 液压站设计与应用 海军出版社， 200414 储凯、许斌等主编 机械工程材料 重庆大学出版社，200215 许景辉等编 机床装配 四川人民出版社，1982致谢本次毕业设计在江苏常柴股份有限公司完成，由衷感谢贵公司为我们提供良好的学习研究条件以及住宿环境，感谢姚工和葛部长对我们设计和生活上的关心和帮助，他们的热情、严谨、平易近人的作风让我们受益匪浅，感动颇深。贵公司的技术员工也耐心认真的为我解决不少难题，再次表示感谢。同时，在此特别感谢指导老师周荣政教授，感谢周教授给我提供了这次良好的课题条件和学习机会，周教授对我们倍加关心，不仅教诲我们学识上的方法，更对我们今后工作、为人方面教育良多。感谢他在百忙之中给予我们的教导。最后，还要感谢我们的江汉大学，让我们度过了极有意义的四年大学生涯，使我们成人成才！30