【正文】 ..........................31基于 PLC 的臺(tái)式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作者：田素坤 第 1 頁 共 31 頁第 1 章 緒論 研究的目的意義當(dāng)今社會(huì)，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，存在自動(dòng)化程度不高，難以進(jìn)行大批量的生產(chǎn)；工作效率低，且工人的工作環(huán)境惡劣；占用人力較多，操作固定不變易出錯(cuò)；精度不高，工件裝夾費(fèi)時(shí)，加工產(chǎn)品質(zhì)量不高問題，因此，我們要在實(shí)現(xiàn)鉆床加工的自動(dòng)化、減少生產(chǎn)力的投入生產(chǎn)和與其它工藝流程相結(jié)合等問題上來解決這些問題，同時(shí)也要考慮經(jīng)濟(jì)問題。PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是電氣控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)，其中包括 PLC 機(jī)型的選擇、I/O 端口的分配、I/O 硬件接線圖的繪制、PLC 梯形圖程序的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文基于 PLC 的臺(tái)式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓 名：學(xué) 號(hào)：指 導(dǎo) 教 師 ：院 系 (部 所 )： 機(jī)電工程學(xué)院專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化完 成 日 期 ： 2022 年 5 月 31 日學(xué)校代碼：10904 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文基于 PLC 的臺(tái)式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓 名：學(xué) 號(hào)：指 導(dǎo) 教 師 ：院 系 (部 所 )： 機(jī)電工程學(xué)院專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化完 成 日 期 ： 2022 年 5 月 31 日摘 要本文介紹的是對(duì)臺(tái)式鉆床的改造與設(shè)計(jì)，通過導(dǎo)入液壓進(jìn)給系統(tǒng)和 PLC 控制系統(tǒng)將其改造成為自動(dòng)鉆床。設(shè)計(jì)的過程首先是按照機(jī)床的一般設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行，然后再對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)已知的條件，來確定液壓工作方案、液壓泵、液壓缸結(jié)構(gòu)、控制油路的設(shè)計(jì)。最后，利用 PLC 可編程控制器對(duì)液壓回路等進(jìn)行控制。 我們可以通過對(duì)鉆床機(jī)構(gòu)的改造來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的要求，提高產(chǎn)品的加工精度及質(zhì)量；通過導(dǎo)入先進(jìn)的控制系統(tǒng)來進(jìn)行自動(dòng)操控，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。 問題的提出、分析以及解決方案鉆床指主要是用鉆頭在工件上加工孔的機(jī)床。鉆床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工精度相對(duì)較低，可鉆通孔、盲孔，更換特殊刀具，可擴(kuò)、锪孔，鉸孔或進(jìn)行攻絲等加工。鉆床的特點(diǎn)是工件固定不動(dòng)，刀具做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).由現(xiàn)存的狀況分析我們可以看出，在機(jī)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。主要用來進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、絞孔、攻絲等。通過對(duì)傳統(tǒng)鉆床手動(dòng)的進(jìn)給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)的改進(jìn)和設(shè)計(jì)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度及工作量。在生產(chǎn)過程中，手動(dòng)的操作、繁鎖的裝夾、大量生產(chǎn)力的投入和單一的生產(chǎn)流程導(dǎo)致了鉆床加工的自動(dòng)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實(shí)現(xiàn)鉆床加工的自動(dòng)化、減少生產(chǎn)力的投入生產(chǎn)和與其它工藝流程相結(jié)合，同時(shí)也要考慮經(jīng)濟(jì)問題。通過對(duì)鉆床機(jī)構(gòu)的改造來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的要求，提高產(chǎn)品的加工精度及質(zhì)量；通過導(dǎo)入先進(jìn)的控制系統(tǒng)來進(jìn)行自動(dòng)操控，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，便于導(dǎo)入到其它生產(chǎn)流程中去。主軸在加工時(shí)即要作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也要作軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。機(jī)床加工時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由花鍵傳入，而進(jìn)給運(yùn)動(dòng)則由齒輪通過齒條帶動(dòng)套筒在鑲套內(nèi)運(yùn)動(dòng)。 [1]（2）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。（3）控制系統(tǒng) 當(dāng)前機(jī)床控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)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(dòng)關(guān)系復(fù)雜，維修困難，故障率高，經(jīng)常影響正常生產(chǎn)，計(jì)算機(jī)數(shù)控造價(jià)高、系統(tǒng)復(fù)雜，而 PLC 控制系統(tǒng)可靠性好、造價(jià)低、抗干擾能力強(qiáng)、柔性好、編程簡(jiǎn)單、使用方便、擴(kuò)充靈活、功能完善，所以我們利用 PLC 控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)和夾緊系統(tǒng)的控制。根據(jù)生產(chǎn)要求，自動(dòng)鉆床的動(dòng)作流程如下： [19]啟動(dòng)（電源及控制模塊）→放料→自動(dòng)夾緊→主軸快進(jìn)→主軸工進(jìn)→主軸停留→主軸快退→夾具松開→出料→電機(jī)停轉(zhuǎn)鉆床主要部分的動(dòng)作流程圖如下（圖 21）： 圖 21 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)是機(jī)械總體方案設(shè)計(jì)的核心，也是整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的過程主要包括七個(gè)步驟，分別是：計(jì)；；；；設(shè)計(jì)；；。因此在進(jìn)行鉆床的功能原理設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)考慮鉆床功能的可行性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。改造后全自動(dòng)鉆床能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)率，符合了工廠的生產(chǎn)需求，適應(yīng)了現(xiàn)代機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展要求。根據(jù)設(shè)計(jì)，我們要分析的運(yùn)動(dòng)規(guī)律包括鉆頭切削運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給液壓缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。鉆床執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下圖示（圖 22）：圖 22 自動(dòng)鉆床運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡(jiǎn)圖基于 PLC 的臺(tái)式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作者：田素坤 第 5 頁 共 31 頁 執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)原則當(dāng)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求確定了機(jī)械的工作原理和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、并確定了各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的型式及驅(qū)動(dòng)方式后，還必須將各執(zhí)行機(jī)構(gòu)統(tǒng)一于一個(gè)整體，形成一個(gè)完整的執(zhí)行系統(tǒng)，使這些機(jī)構(gòu)以一定的次序協(xié)調(diào)工作，互相配合，以完成機(jī)械預(yù)定的功能和生產(chǎn)過程。 [4]執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)原則：1）．滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作先后的順序性要求 2）．滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作在時(shí)間上的同步性要求 3）．滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在空間布置上的協(xié)調(diào)性要求 4）．滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作上的協(xié)同性要求 執(zhí)行系統(tǒng)的方案評(píng)價(jià)方案評(píng)價(jià)原則包括： 客觀性 可比性 合理性 整體性○ 1 ○ 2 ○ 3 ○ 4 傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和原動(dòng)機(jī)選擇 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)是機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。 [5]在完成了執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和原動(dòng)機(jī)的預(yù)選型后，即可根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力條件及原動(dòng)機(jī)的類型和性能參數(shù)，進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。由自動(dòng)鉆床執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律我們可以選擇原動(dòng)機(jī)。 傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) (一) 確定傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比基于 PLC 的臺(tái)式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作者：田素坤 第 6 頁 共 31 頁全自動(dòng)鉆床的總傳動(dòng)比的確定要建立在計(jì)算切削力和傳動(dòng)效率的基礎(chǔ)上，當(dāng)確定自動(dòng)鉆床的工作功率后，查表選擇電動(dòng)機(jī)，對(duì)照鉆床的工作參數(shù)確定總傳動(dòng)比（主軸系統(tǒng)總傳動(dòng)比在傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)計(jì)算后確定）。技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是確定傳動(dòng)方案的主要因素，只有通過對(duì)多種傳動(dòng)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作細(xì)致的綜合分析和對(duì)比，才能比較合理地選用機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的類型 [5]。 2）原動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)速性能。 4）工作環(huán)境 5）制造工藝性和經(jīng)濟(jì)性（三）繪制傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖根據(jù)以上分析，確定傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下（圖 23）：23 傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 控制方案設(shè)計(jì)可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）簡(jiǎn)稱 PLC，是從早期的繼電器邏輯電氣控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它不斷吸收微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，使之功能不斷增強(qiáng)，逐漸適合復(fù)雜的電氣控制系統(tǒng)?？煽啃愿撸垢蓴_能力強(qiáng)、編程方便、價(jià)格低、壽命長(zhǎng)。 [16] 本章小結(jié)本章主要介紹了如何確定自動(dòng)鉆床總體方案的問題?；?PLC 的臺(tái)式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作者：田素坤 第 8 頁 共 31 頁第 3 章 鉆床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 進(jìn)給系統(tǒng)概述與分析 傳統(tǒng)的臺(tái)式鉆床主軸進(jìn)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。機(jī)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(cè)由花鍵連接。由總體方案可知，自動(dòng)鉆床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)入了液壓缸進(jìn)給系統(tǒng)，由液壓缸驅(qū)動(dòng)替代齒輪齒條的手動(dòng)進(jìn)給，來實(shí)現(xiàn)主軸的快進(jìn)、工進(jìn)、停留和快退動(dòng)作。導(dǎo)入液壓缸進(jìn)給系統(tǒng)后，因此，我們要結(jié)合合適的軸承和結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)主軸的高速旋轉(zhuǎn)。圖 31 普通臺(tái)式鉆床進(jìn)給系統(tǒng)簡(jiǎn)圖主軸套筒鑲套 推力球軸承 主軸套筒 主軸 深溝球軸承齒輪齒條手動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng) 主軸箱1 1 234567基于 PLC 的臺(tái)式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作者：田素坤 第 9 頁 共 31 頁 進(jìn)給系統(tǒng)方案圖的確定全自動(dòng)鉆床是在原有臺(tái)式鉆床的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造設(shè)計(jì)的，所以，我們首先要對(duì)普通臺(tái)式鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)仔細(xì)的研究。其結(jié)構(gòu)圖如圖 31 示： [20]根據(jù)普通臺(tái)式鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，綜合考慮本文設(shè)計(jì)的要求、改造后自動(dòng)鉆床的工作條件和液壓缸工作特性，確定自動(dòng)鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)如圖 32所示：圖 32 自動(dòng)鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)簡(jiǎn)圖主軸 深溝球軸承 活塞桿 液壓缸筒 油路口液壓缸蓋 鎖緊螺釘 推力球軸承 密封圈 工況分析根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)可知，生產(chǎn)工件時(shí)，要求生產(chǎn)率為 3 把/分鐘，即要求在 20秒內(nèi)要完成一件工件的送料、夾緊、鉆削加工和出料。鉆削直徑為 10mm 的通孔，鉆削行程（孔的長(zhǎng)度）l ≈15mm。 [18]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(jìn)給力的作用。主軸進(jìn)給液壓缸在工作中受到作用力可以分為三個(gè)階段分析。因此，在進(jìn)給液壓缸設(shè)計(jì)時(shí)，我們要以最大受力作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。所以，在本文的鉆削加工過程中，選擇高速鋼麻花鉆頭。 [17]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(cè)》選擇加工時(shí)進(jìn)給量 f 為：f=；其對(duì)應(yīng)的切削速度 V=32m/min。 切削力的計(jì)算鉆床切削力的計(jì)算包括鉆床主軸轉(zhuǎn)矩計(jì)算和主軸軸向切削力的計(jì)算。M） —— 鉆頭直徑（mm）k—— 每轉(zhuǎn)進(jìn)給量（ mm） —— 修正系數(shù)f p軸向切削力的計(jì)算公式如下： ???)3(bpk?基于 PLC 的臺(tái)式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作者：田素坤 第 12 頁 共 31 頁式中， —— 軸向切削力（N） —— 鉆頭直徑（mm） fFD—— 每轉(zhuǎn)進(jìn)給量 (mm) —— 修正系數(shù)f pk已知被加工材料為 Q235 結(jié)構(gòu)鋼，結(jié)構(gòu)鋼和鑄鋼取=736MPa，D=12mm， =，所以可分別計(jì)算出切削轉(zhuǎn)矩和軸向切削為：b?f= N根據(jù)工作條件要求，軸都要整體熱處理，一般是調(diào)質(zhì)，對(duì)不重要的軸采用正火處理。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由圖 32 進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可知，鉆床主軸上主要安裝有一對(duì)深溝球軸承、一對(duì)推力球軸承、一個(gè)軸承擋環(huán)、套筒、鎖緊螺栓和軸端花鍵連接等。M,液壓力為對(duì)稱受為，合力