毕业设计（论文）深孔钻床电液自动控制系统设计

1、深孔钻床电液自动控制系统设计序言深孔加工是机械加工中的一个重要分支，同时深孔加工工艺理论也是机械加工研究中的一个重要课题。深孔钻床就是有别于传统的孔加工方式，依靠特定的钻削技术，对长径比大于10的深孔孔系进行钻削加工的的专用机床统称。深孔加工技术代表着先进、高效的孔加工技术，通过一次走刀就可以获得精密的加工效果，加工出来的孔位置准确，尺寸精度好,直线度、同轴度高，并且有很高的表面光洁度和重复性。深孔钻削加工（孔深和孔径的比值10）在机械加工领域中占有非常重要的地位，约占孔加工量的40%以上,随着科学技术的进步和新型高强度、高硬度和高价值难加工深孔零件的不断出现，加工工件在加工深度、加工精度以及

2、加工效率上要求的不断提高，使得深孔加工成为机械加工的关键工序和加工难点。因此在毕业设计之际,选择深孔钻床的电气自动控制系统设计,既是对大学四年本专业所学知识的综合运用,又具有非常强的现实经济意义。本毕业设计说明书共分为四章，第一章是毕业设计课题分析以及提出系统设计方案，在此章节里主要阐述了本次控制系统的设计方案及其论证过程；第二章是工作系统动作部件的设计与选择，主要设计与选择驱动工作台运动的伺服电机及完成工作台相关传动部件设计；第三章是回转工作台设计，设计了一个合理的能驱动工作台回转的机械结构并设计出最终完成工作台回转的电气控制系统；第四章是整机深孔钻床电气控制设计，主要是plc 硬件外部接线

3、及内部系统程序设计。综合四个章节，最终实现深孔钻床的各个动作及完成自动加工过程，完成设计任务书的要求。 第1章 课题分析与系统方案设计1.1课题任务分析本课题的主要任务是完成深孔钻床电气控制系统设计并调试至生产要求。深孔钻床在工作过程中必须要能实现手动和自动控制。手动控制是为了满足调试需求，主要应能实现速度、进给量的调整并能实现一系列辅助功能。因此必须对深孔钻床的主轴正反转、驱动工作台直线运动的伺服电机正反转、进给速度的调节、工件夹紧与松开气缸的控制、切削液开与关等部件进行点动，以方便调整机床的实施。进入正常工作阶段，必须充分考虑加工的效率，实现自动加工，在自动加工模式下应完成以下功能：两个工

4、位同时装入工件（人工手动），按下自动加工按钮（程式启动），两个工位气缸同时夹紧，主轴启动，开始加工工件。工件加工过程是分为快进、工进（冷却液打开）、退回排屑、再工进、再退回直到第一工位工件加工完成后，工作台快速退回，退回到原点时，压下行程开关，工作台自动回转180，实现工位的切换，重复刚才动作开始加工工件。工作台回转180后，加工工位气缸夹紧且不能松开，后一工位气缸可以自行松开或者夹紧，有按钮完成，实现在加工第一工位工件的同时自行跟换第二工位的工件，大大提高了深孔加工工作效率。本次设计的深孔钻床采用工具钻头回转运动，工件装夹在工作台上直线运动，完成加工的。课题初步分析设计为以下三大模块：工作台

5、伺服传动系统设计、工作台回转及其电气控制系统设计、机床整体控制系统的设计（主轴电机以及冷却液电机选择等）。1.2 系统方案设计 系统总体设计非常重要，是对一部机器的总体布局和全局的安排。总体设计是否合理将对后面几步的设计产生重大影响，也将影响机器的尺寸大小、性能、功能和设计质量。所以，在总体设计时应多花时间、考虑清楚，以减少返工现象。当伺服系统的负载不大、精度要求不高时，可采用开环控制。一般来讲，开环伺服系统的稳定性不成问题，设计时主要考虑精度方面的要求，通过合理的结构参数设计，使系统具有良好的动态响应性能。在机电一体化产品中，典型的开环控制位置伺服系统是简易数控机床，其结构原理如图1-1所示

6、。深孔钻床开环伺服系统在结构原理上大同小异，其方案设计实质上就是在图1-1的基础上选择和确定各构成环节的具体实现方案。图1-1 开环伺服系统结构原理框图1、执行元件的选择 选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性及体积、成本等多方面要求。开环系统中可采用伺服电机、步进电机、电液脉冲马达等作为执行元件，其中伺服电机应用较为广泛，也能满足于本次毕业设计，所以初步决定执行元件选择伺服电机。2、传动机构方案的选择传动机构实质上是执行元件与执行机构以输出旋转运动和转矩为主，而执行机构则多为直线运动。用于将旋转运动转换为直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。前者可获得较

7、大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂，后者因结构简单、制造容易而广泛使用。因此本次设计选择丝杠螺母传动方案。在伺服电机与丝杠之间运动的传递有多种方式，可将伺服电机与丝杠通过联轴器直接连接，其优点是结构简单，可获得较高的速度，对伺服电机的负载能力要求较高。3、执行机构方案的选择 执行机构是伺服系统中的被控对象，是实现实际操作的机构，应根据具体操作对象及其特点来选择和设计。一般来讲，执行机构中都包含有导向机构，执行机构的选择主要是导向机构的选择。4、控制系统方案的选择控制系统方案的选择包括微控制器、步进电机控制方式、驱动电路等的选择

8、。常用的微控制器有单片机、plc、微机插卡、微机并行口、串行口和下位机等，其中plc由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统中得到广泛的应用。因此设计控制系统采用plc控制。5、本次毕业设计方案的选择执行元件选用伺服电机，伺服电机的功率通过计算后选定电机的型号而确定；传动方案选择丝杠螺母传动机构，在已知丝杠导程和步进电机步距角的情况下，查询丝杠的型号，以满足传动的要求；执行机构为拖板导轨；控制系统采用plc驱动伺服电机。最终确定的plc驱动整体方案框图1-2如下：电脑p l c 硬件 其他辅助设备显示单元工作台回转步进电机单元工作台运动伺服电机单元主轴回转交流电机单

9、元图1-2 整体方案框图电机的选择以及对联轴器、丝杠的选择，可以绘制如图所示的传动系统结构示意图1-3，如下： 图1-3 传动系统结构示意图第2章 深孔钻床动作部件设计2.1伺服驱动系统设计相关参数 本次设计驱动系统相关参数已给出，详见下表2-1：表2-1 步进驱动系统设计相关参数项目名称数值备 注项目名称数值备 注走刀长度1000mm主切削力fz 500n丝杠导程4mm吃刀抗力f(n)500n脉冲当量p10mx向拖板质量1000n步距角1.5度空载启动时间t70ms最大进给速度v30r/min等效惯量(jm+je)0.09kgm2.2 伺服电机的选择伺服电机主要靠脉冲来定位，伺服电机接收到1

10、个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移。伺服电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。1、伺服电机所需转矩计算：选择伺服电机应按照电机额定输出转矩t电机所需的最大转矩tmax 的原则，首先计算电机所需的负载转矩。作用在步进电机轴上的总负载转矩t可按下面简化公式计算： （2-1）式中，为启动加速引起的惯性力矩，为工作台重力和工作台其它力折算到电机轴上的当量摩擦力矩，为加工负载折算到电机轴上的负载力矩，为因丝杠预紧引

11、起的力折算到电机轴上的附加摩擦转矩，为电机转动惯量，为折算到电机轴上的等效转动惯量，为启动时的角加速度，由任务书中给出，由任务中的空载启动时间和最大进给速度计算得到，：为丝杠导程，由任务书中给出，：为工作台重力和主切削力引起丝杠上的摩擦力， （2-2）工作台重量由任务书中给出，注意：钢与钢的摩擦系数可查资料，一般为0.050.2左右，本处取0.2；：在选择横向电机时，为工作台上的最大横向载荷，通过给定吃抗力f得到，：为丝杠螺母副的预紧力，设取的1/5 1/3 ，：为伺服进给系统的总效率，取为0.8 ，jm+je=0.08n.m，启动时 ， =44.86rad/m计算fu，fu=(mg+fz)u

12、 =(500+1000)0.2=300n （2-3）计算fw，fw=(mg+f)u=（500+1000）0.2=300n （2-4）计算fo，fo=fw（1/51/3） （2-5）取fo=60n 由下式可得： （2-6） n.m一般启动时为空载，于是空载启动时电动机轴上的总负载转矩为：=+ （2-7）代入上式计算可得：=4.335n.m在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为：=+ （2-8）代入上式计算可得： =0.378n.m计算出的总负载转矩根据驱动方式，选择电机时还需除以一系数，设为3相驱动方式，则总负载转矩取为： （2-9）t=max4.335/0.8;0.378/(0.30.

13、5)=5.578nm2、由启动最大频率tmax，选取电动机：根据求出的负载转矩，和给定的步距角，上网查询步进电机型号。例如步进电机的步距角为1.5，计算得出负载转矩分别为5.578nm 查得静转矩为6.0nm，步距角1.5的伺服电机型号为110sm06020。(1）由网上查得参数见下表2-2： 表2-2 伺服电机相关参数额定功率静转矩额定转速电流电压相数步距角1.2kw6n.m2000rpm6.0a380v31.5（2）伺服电机尺寸详细见下图2-1:图2-1 三相伺服电机尺寸图2.3 滚珠丝杠的选择当滚珠丝杠副承受轴向载荷时，滚珠和滚道型面间便会产生接触应力。对滚道型面上某一点而言，其应力状态

14、是交变应力。这种交变接触应力作用下，经过一定的应力循环次数后，就要使滚珠和滚道型面产生疲劳点蚀现象，随着麻点的扩大滚珠丝杠副就会出现振动和噪音，而使它失效，这是滚珠丝杠副的主要破坏形式。在设计滚珠丝杠副时，必须保证在一定的轴向工作载荷下，在回转一百万转时，在它的滚道上由于受滚道的压力而不至于出现点蚀现象，此时所能承受的轴向载荷，称为这种滚珠丝杠副的最大（基本）额定动载荷ca。 由查阅相关设计手册可以选择到我们需要的滚珠丝杠。主要尺寸见表2-3表2-3 滚珠丝杠的主要尺寸 主要尺寸符号 计算公式滚道公称直径d0根据承载能力选用基本导程l0根据承载能力选用接触角= 45滚珠直径dbdb=（0.60

15、.66）l0滚道半径rr=（0.520.555）db滚道圆弧偏心距ee =（rdb/2）sin螺纹升角= arctg（l0/d0）丝杠丝杠螺纹大径dd=d0(0.20.25)db丝杠螺纹小径d1d1=d0+2e2r丝杠牙顶圆角r3r3=(0.10.15)db螺 母螺母螺纹大径dd=d02e+2r螺母螺纹小径d1d1=d0+(0.20.25)db(外循环)d1=d0+0.5(d0d) (内循环)其中选d020mm、基本导程l04mm的滚珠丝杠。2.4 联轴器选择根据电机尺寸选择联轴器为弹性套柱销联轴器lt2，联轴器尺寸如下表2-4所示：表2-4 联轴器尺寸表型号额定转矩tn许用转速n轴孔直径轴孔

16、长度dd2*转动惯量质量lt216 n.m5500 r/min16 mm32mm80mm30mm0.001kgm21.64kg2.5主轴电机选择 根据钻头要求转速在2800rpm左右，且根据现有机床特点，最终确定选择上海力超电机有限公司生产的三相异步电动机作为主轴电机，给钻头刀具提供回转运动。详细数据见表2-5。表2-5 三相异步电动机数据型号y90l-2代号ad20443功率2.2kw额定电压380v转速2840r/min额定电流4.7a接法y效率81%频率50hz质量25kg2.6冷却液水泵的选择根据深孔钻床加工特点、冷却液特性及以往经验，选择型号为ab-25的三相电泵。具体参数见下表2-

17、6。表2-6 电泵的型号数据功率90w电流0.35a电压380v频率50hz流量25升/分钟扬程4米转速2800转/分相数3第3章 双工位回转工作台设计3.1回转工作台总体方案选择3.1.1伺服系统的选择数控机床的伺服驱动系统按有无反馈检测单元分为开环和闭环两种类型，如图3-1所示。这两种类型的伺服驱动系统的基本组成不完全相同。但不管是那种类型，执行元件及其驱动控制单元都不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。比较环节控制单元执行元件机床检测单元进给指令图3-1 伺服系统1、开环伺服系统：开环伺服驱动系统由驱动控制单元、执行

18、元件和机床组成。它主要由步进电机及其驱动线路构成。2、闭环伺服系统：由于开环伺服系统只接受数控系统的指令脉冲，至于执行情况的好坏系统则无法控制。3、半闭环伺服系统：不在机床末端而在中间某一部分拾取反馈信号的伺服系统称为半闭环伺服系统。 经济的角度考虑，选择开环伺服系统控制，结构简单，价格低廉。但是要注意的是精度够不够的问题。因此，从设计题目中给的设计参数中最小指令值出发，选择具有一定脉冲当量的电动机，从而保证机床的精度。3.1.2回转工作台结构选择 回转工作台在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受回转时位移变形，提高加工精度。选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转工作台在每次转位之后

19、具有高的重复定位精度（一般位0.0010.005mm）。回转工作台原理参考回转刀架设计，分为机械螺母升降转位、十字槽轮转位、凸台棘爪式、电磁式及液压式等多种工作方式。虽有好多种，但过程一般均为工作台抬起、工作台转位、工作台压紧并定位等几个步骤。考虑经济性以及利于深孔加工效率的提高，选择两位回转工作台，并设计成螺旋升降式二工位回转机构。3.2回转工作台原理简介1、传动方案的拟定采用蜗轮蜗杆传动和螺旋副加紧、双插销预定位、端面多齿盘精定位、霍尔元件发讯转位停止。2、传动方案示意图 已设计出传动方案示意图，详见下图3-2，具体设计装配图见附录工作台装配图。 图3-2 回转工作台传动示意图 3、工作原

20、理（1）工作台抬起 当数控装置发出工作台回转指令时，电机正转，并经联轴器，带动蜗杆轴转动，从而带动蜗轮旋转，蜗轮通过键带动轴旋转，轴上装有轴套，它可在套筒内孔中的螺旋槽内滑动，从而举起与套筒相连为一体的工作台及上端齿盘，上端齿盘与下端齿盘分开，完成刀架抬起动作。（2）工作台转位 工作台抬起后，轴套仍在继续转动，同时带动工作台转过180，当转过所需的角度后，霍尔元件发出信号给数控装置。（3）工作台压紧 工作台转位后，霍尔元件发出的信号使电机反转，使工作台在驱动力的作用下向下移动，上下端齿盘合拢压紧。电机停止旋转，从而完成一次转位。（4）绘制出工作台回转示意图，如下图： 蜗杆-蜗轮减速步进电动机正

21、转 蜗轮及轴正转轴套正转霍尔元件触发蜗杆-蜗轮减速工作台抬起端面齿错开工作台抬起3mm锁死工作台旋转到位回答 电机反转压缩弹簧推动定位销工作台定位而不随轴套回转工作台下降回位端面齿啮合定位延时锁紧电动机停转图3-3 工作台回转示意图 3.3回转工作台电机的选择 开环伺服系统一般选用步进电机。步进电动机是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移量的执行元件。其转速则与脉冲频率成正比。由于输入为电脉冲，因而易于电子计算机或其他数字电路接口，适用于数字控制系统。步进电动机广泛应用于数控机床、自动生产线、自动化仪表、计算机外部设备、绘图机、计时钟表等方面。步进电动机用于系统具有较好的开环

22、稳定性，系统结构简单，有可能省去闭环系统中的测量元件。3.3.1电机种类的选择(1)反应式步进电动机的特点：步距角小，启动和运行频率高，在一相绕组长期通电状态下，具有自锁能力，消耗功率较大，应用范围比较广泛。例如阀门控制、数控机床及其他数控装置。 (2)永磁式步进电动机的特点：功率比较小，在断电的情况下，有定位转矩，步距角大，启动和运行频率较低，主要应用在自动化仪表方面。(3) 永磁感应子式步进电动机的特点：有较小的步距角，启动和运行频率较高，消耗功率较小，有定位转矩，它具有反应式和永磁式两种步进电机的特点，因是混合式结构，故结构较复杂，制造成本高。纵上所述，从精度和经济的角度来选，选用反应式

23、步进电机。3.3.2电机型号的选择 步进电机在负载力矩的作用下，转过一个步距角时，所做的功为 （3-1）初步估计工作台重量为1000n，即克服负载f1000n，位移所做的功为 （3-2）根据能量守恒原则（3-3），其中为电机的传动效率。取0.964 由以上可求得： （3-4） 若不考虑启动时运动部件的惯性影响，则启动转矩为 （3-5） 取安全系数0.4，则 （3-6）为了满足最小步距角的要求，反应式电动机选用三相六拍工作方式，查表得： （3-7）所以步进电机运动频率: （3-8）根据以上参数选用反应式步进电机56byg250e-0601。从网上截图如下： 图 3-4 电机型号图3.4工作台设计

24、的要点及计算3.4.1蜗杆副的选择已知电动机额定功率p=0.9kw，额定转速n1=1440rmin，工作台设计转速n2=30rmin，则蜗杆副的传动比i= =48。1、蜗杆的选型 gbt100851988推荐采用渐开线蜗杆(zi蜗杆)和锥面包络蜗杆(zk蜗杆)。本设计采用结构简单、制造方便的渐开线型圆柱蜗杆(zi型)。2、蜗杆副的材料 蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为4555hrc，以提高表面耐磨性；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜zcusnl0p1，采用金属模铸造。3、按齿面接触疲劳强度进行设计 蜗杆副采用闭式传

25、动，多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为： （3-9） （1）确定作用在蜗轮上的转矩t2 设蜗杆头数z1=1，蜗杆副的传动效率取=0.8。由电动机的额定功率p1=90w，可以算得蜗轮传递的功率p2=p1，再由蜗轮的转速n2=30r min求得作用在蜗轮上的转矩： （3-10）（2）确定载荷系数k 载荷系数k=kakbkv，。其中ka为使用系数，由于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取ka=1.15；kb为齿向载荷分布系数，因工作载荷在起动和停止时有变化，故取kb=1.15；kv

26、为动载系数，由于转速不高、冲击不大，可取kv=1.05。则载荷系数： k=kakbkv=1.151.151.051.39 （3-11）（3）确定弹性影响系数ze 铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查得弹性影响系数。（4）确定接触系数 先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值，查机械设计手册第四版从而可得出=2.9。（5）确定许用接触应力h 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜zcusnl0p1、金属模铸造、蜗杆螺旋齿面硬度大于45hrc，可得蜗轮的基本许用应力h =268mpa。已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数j=1；蜗轮转速n1=30rmin；蜗杆副的使用寿命lh=10000h

27、。则应力循环次数： n=6qjn2lh=60130 x 10000=1.8107 （3-12）寿命系数： 许用接触应力： h=khnh=0.929268mpa 249mpa （3-13） （6）计算中心距 （3-14） 取中心距，已知蜗杆头数=1，m=1.25mm，蜗杆分度圆直径d1=22.4mm。这时0.448，从而可查得接触系数，因为，因此以上计算结果可用。3.4.2蜗杆和蜗轮主要几何尺寸计算1、蜗杆 分度圆直径：d1=28mm 直径系数：q=17.92， 蜗杆头数：z1=1 分度圆导程角：=31138 蜗杆轴向齿距：pa=3.94mm 蜗杆齿顶圆直径： （3-15） 蜗杆齿根圆直径： （

28、3-16）蜗杆轴向齿厚： =2.512mm （3-17） 蜗杆轴向齿距：2、蜗轮 蜗轮齿数：z2 =45 验算传动比：i=/=45/1=45 （3-18） 蜗轮分度圆直径：d2=mz2=72mm （3-19） 蜗轮喉圆直径：da2=d2+2ha2=93.5 （3-20） 蜗轮齿顶圆直径： （3-21） 蜗轮齿根圆直径： （3-22） 蜗轮外圆直径：当在z=1时， （3-23）3.4.3 阶梯轴的计算1、轴的材料选择，确定许用应力考虑轴主要传递蜗轮的转矩，为普通用途中小功率减速传动装置。选用45号钢， 2、按扭转强度初步估算轴的最小直径 （3-24） 扭转切应力为脉动循环变应力，取=0.6， 取

29、dmin=15.14mm。3、阶梯轴数据 初步计算阶梯轴具体数据如下图3-5， 图 3-5 转动轴示意图3.4.4齿盘的选择（1） 齿盘的材料选择和精度等级 上下齿盘均选用45号钢，淬火，180hbs。初选7级精度等级（2） 确定齿盘参数考虑齿盘主要用于精确定位和夹紧，齿形选用三角齿形，上下齿盘由于需相互啮合，参数可相同。当蜗轮轴旋转150时，上刀架上升5mm，齿盘的齿高取4mm，由 （3-25）且有标准值ha*=1.0, c*=0.25。求出m=1.78mm,取标准值m=2mm。故齿盘齿全高h=（2ha*+c*）m=(21+0.25)2=4.5mm。取齿盘内圆直径d为120mm，外圆直径为1

30、40mm，齿顶高 ha=ha*m=12=2m齿根高 hf=(ha*+c*)m=2.5mm， 齿数z=38，齿宽b=10mm，齿厚，齿盘高为5mm。3.4.5轴承的选择 圆锥滚子轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。它是依靠主要元件的滚动接触来支撑转动零件的。与滑动轴承相比，滚动轴承摩擦力小，功率消耗少，启动容易等优点。并且常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，因此使用滚动轴承时，只要根据具体工作条件正确选择轴承的类型和尺寸。验算轴承的承载能力。以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置设计”问题。考虑到轴各个方面的误差会直接传递给加工工件时的加工误差，因此选用调心性能比较好的深沟球轴承。此

31、类轴承可以同时承受径向载荷及轴向载荷，安装时可调整轴承的游隙。然后根据安装尺寸和使用寿命选出深沟球轴承（gb/t 276-1994）的代号为：6204。3.5 夹紧气缸的选择 采用双气缸夹紧，由上计算得到的切削f=196250.12=1177n，气缸夹紧力2f (为垂直摩擦系数），取0.3，1960n， 缸径的计算公式： （3-26）式中：f-负载力 （f） p-工作压力（pa） 工作参数：工作压力0.5mp，气缸往复运动时间推出2s，缩回1.2s，气缸的行程l=300mm，摩擦因数，取，=1960n。 （3-27）故选择气缸的内径为并带缓冲结构类型，选的是qgbm100-300。第4章 电气

32、控制系统设计4.1 plc的介绍及选择4.1.1 plc的基本概念plc主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器，用于控制机械的生产过程。可编程控制器(programmable controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(programmable logic controller)，简称plc，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称pc。但是为了避免与个人计算机(personal computer)的简称混淆，所以将可编程控

33、制器简称plc 。4.1.2 plc的基本结构 plc实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。 分为中央处理单元(cpu)、存储器、电源三大部分。 4.1.3 plc的工作原理当plc投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，plc的cpu以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 1、输入采样阶段 2、用户程序执行阶段 3、输出刷新阶段 4.1.4 plc控制系统设计的一般步骤 plc控制系统设计可以按以下步骤进行。1、熟悉被空对象，制定指控方案 分析被控对象的工艺过程及工作特

34、点，了解被控对象机、电、液之间的配合确定被控对象对plc控制系统的控制要求。2、确定i/o设备 根系系统的控制要求，确定用户所需的输入（如按钮、行程开关、选择开关等）和输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等），由此确定plc的i/o点数。3、选择plc 选择时主要包括plc机型、容量、i/o模块、电源的选择。4、分配plc的i/o地址 根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量：根据所选的plc的型号，列出输入/输出设备与plc输入输出端子的对照表，以便绘制plc外部i/o接线图和编制程序。 5、设计软件及硬件 进行plc程序

35、设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，plc控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电器孔氏线路后才能进行施工设计。6、联机调试 联机调试是指将模拟调试通过的程序进行再线统调。开始时，先带上输出设备（接触器线圈、信号指示灯等），不带负载进行调试。利用编程器的监控功能，采用分段调试的方法进行。各部分都调试正常后，再带上实际负载运行。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部分程序即可。4.1.5 plc最终的确定 从plc选择上来目前主要有：西门子simatic s7-200、s7-300、三菱fxplc。 simati

36、c s7-300 是模块化小型plc系统，能满足中等性能要求的应用。与s7-200 plc比较，s7-300 plc采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在s7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。simatic人机界面（hmi）从s7-300中取得数据，s7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。fx系列plc拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点； fx2n是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；

37、 fx2n系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于fx系列中最高档次的超小形程序装置。 除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等 特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的plc。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。s7-200小型可编程控制器是西门子公司生产的一种结构紧凑、功能齐全、操作方便、控制可靠、价格低廉的plc。 它适用于中、小规模的自动化控制，在性能上优于继电器控制逻辑，具有可靠性高，设计施工周期短，控制逻辑修改容易，调试方便等特点，而且体积小，功耗低，使用和维护简便#尤其对小型专用机床

38、的控制具有很强的市场竞争能力。 综合比较，本次设计选择西门子公司的s7-200plc作为本次开发的plc。 cpu选择cpu 226 本机集成24输入/16输出共40个数字量i/o 点，满足了此次设计17个输入和10个输出的要求。并且可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量i/o 点或35路模拟量i/o 点。13k字节程序和数据存储空间。6个独立的30khz高速计数器，2路独立的20khz高速脉冲输出，具有pid控制器。2个rs485通讯/编程口，具有ppi通讯协议、mpi通讯协议和自由方式通讯能力。i/o端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块

39、扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于此次控制系统开发。 4.2 电气系统设计4.2.1 整机电气系统主电路图 首先，根据此次电器系统要求以及前几章设计，必须要有四个电机，分别是控制主轴正反转的三相异步电动机、控制冷却液启闭的三相电动机、控制工作他移动的交流伺服电机以及控制工作台回转换位的步进电机。根据四个电机特点，现绘制整机电气主电路图如下图4-1：图 4-1 电气系统主电路图4.2.2 plc外部硬件接线图根据控制的要求，在此共用到17个i输入口和9个q输出口。先将每一个输入输出口对应的按钮及作用列出表4-1,表4-1 plc 地址分配表i/o输入设备对应输入点

40、号输出设备对应输出点号主轴停止sb13i0.0夹紧气缸指示灯q0.2机床急停sb1i0.1主轴正转km1q0.4气缸夹紧sb10i0.2主轴反转km2q0.5气缸松开sb11i0.3切削液指示灯q0.6冷却液开sb8i0.4切削液电机km3q0.7冷却液关sb9i0.5电机正转km4q1.0主轴真转sb6i0.6电机反转km5q1.1主轴反转sb7i0.7一工位电磁阀ya1q1.6说动调整sb3i1.1二工位电磁阀ya2q1.7自动加工sb2i1.2伺服电机转速q1.3续表4-1 plc地址分配表i/o输入设备对应输入点号输出设备对应输出点号红外开关i1.3伺服电机转动方向q1.4压力开关1i

41、1.4压力开关2i1.5工作台回转按钮i1.6霍尔传感器i1.7原位行程开关sq1i2.0终点行程开关sq2i2.1 根据表4-1结合s7-200自身特点，绘制出图4-2 plc硬件外部接线图。图 4-2 plc硬件接线图4.2.3 plc程序设计1、v4.0 step 7 microwin sp3编程环境介绍step 7 - micro/win是西门子公司专门为s7 - 200/300系列plc设计开发的编程软件，可在全汉化的界面下进行操作。它基于windows操作系统，为用户开发、编辑、调试和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。2、程序说明本程序主要分为三大模块，分别为主程序、自动加工

42、以及手动调整三大模块。下面，将分别介绍三个模块。（1）主程序sm0.0，cpu运行时该位始终为1，不断检测是否有输入信号；机床急停按钮sb1，输入口为i0.1,按下时整机停止工作,无任何动作,用于急停保护作用。自动加工按钮sb2，输入口为i1.2，按下该按钮，机床进入自动加工过程。手动调整按钮sb3，输入口为i1.1，一般用于自动加工前的机床调整，是工件达到最宜加工状态。增加一个互锁功能，使sb2和sb3互锁。从而实现自动加工和手动调整模块的互锁，增加机床保护作用。将程序截图4-3如下，图 4-3 plc主程序图（2）手动调整 将手动调整部分程序截图4-4如下，每一段内已有程序说明，在此不再赘

43、述。图 4-4 plc手动调整程序图续图 4-4 plc手动调整程序图续图 4-4 plc手动调整程序图（3）自动加工 已知设计深孔钻床本次加工工件为曲轴，加工深度为96毫米，而钻头直径仅为5毫米，且设计为内排泄，所以设计钻孔分为三次工进完成加工任务，每一次加工深度本次设计由加工时间完成。具体加工时根据客观加工过程可以调节每一次工进时间以及工进总次数，从而达到最理想的加工效果。加工示意图如下， 图 4-5 自动加工过程示意图程序说明：1、工作台原位停止，前后工位同时装入工件（人工手动），按自动加工按钮（程式启动），q1.7，q1.7置1，使ya1、ya2同时得电，两气缸夹紧工件。且同时i1.4

44、、i1.5输入处压力开关开始检测气路压力，当检测到两工位压力均已达到设定值时，i1.4、i1.5输入型号，气缸夹紧指示灯亮，允许下一步工作。否则，机床不动作。2、红外漫反射式光电开关开始检测是否有冷却液，由i1.3输入。当检测到有冷却液时，冷却液指示灯亮，切削液电机开始工作，允许下一步工作。否则，机床不动作。3、当i1.3、i1.4、i1.5均有信号输入时，q1.4置1，使km1得电，主轴电机开始正转，带动刀具正转。4、驱动工作台动作的伺服电机正转，带动工作台快进，此后工作台快进、共进、快退均由时间计时器控制动作。5、当工作台运动到加工终点，压合行程开关sq2时，加工结束，伺服电机反转，工作台快速退回。6、退回到原点压合行程开关sq1，给工作转台步进电机型号，步进电机开始工作，工作台回转180度，重复前三段模式，开始加工。此时，可以手动松开与夹紧第二工位夹紧气