【多头组合钻床工作机理分析及其传动系统优化设计15000字（论文）】

多头组合钻床工作机理分析及其传动系统优化设计摘要通过对普通钻床与数控钻床的研究及了解，从而更清楚地明白在何时何种情况下应用何种钻床，从而更好地体现零件的工艺性，以提高产品质量。

本课题对普通钻床与数控钻床的加工工艺进行了详细的分析，就其孔的加工提出了“一次装夹，多工位加工，达到产品图样的精度要求”的思路。而组合机床则是根据工件加工需要，以大量通用部件为基础，配之以少量的专用部件和按工件形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动的专用机床。组合钻床一般用于加工箱体类或特殊形状等零件。加工时，工件一般不旋转，由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔等加工。本课程是机械设计制造及与自动化专业的专业必修课。课程设计的目的和任务在于使学生掌握机械设备电器控制的基本知识、基本原理和基本方法,以培养学生对电气控制系统的分析和设计的基本能力。加深学生对课程内容的理解，验证理论和巩固、扩大所学的基本理论知识。本机为专用千斤顶油缸两端面的加工，采用装在动力滑台上的左、右两个动力头（电机均为3KW）同时进行切削。动力头的快进、工进及快退由液压油缸驱动。液压系统采用两位四通电磁阀控制，并用死挡铁方法实现位置控制。关键词：多头组合钻床;工作机理;传动系统;优化AbstractBasedontheresearchoftheordinarydrillingmachineandCNCdrillingmachineandunderstanding,tounderstandmoreclearlywhatdrillwhencircumstancesunderwhichtheapplication,tobetterreflectthemanufacturabilityofparts,inordertoimprovethequalityoftheproduct.Thistopicforordinarydrillingmachineandtheprocessingtechnologyofthencdrillingmachinehascarriedonthedetailedanalysis,withrespecttoitsholeprocessingisputforward"aclamping,multistepprocess,toachievetheprecisionrequirementofproductpattern".Andcombinationmachinetoolsisaccordingtotheworkpiecemachiningneeds,onthebasisofalargenumberofgeneralpartsandmatchitwithasmallamountofspecialpartsandspecialpartsaccordingtotheshapeofworkpieceandmachiningprocessdesignandfixture,specialmachineofsemi-automaticorautomatic.Combinationdrillingmachineisgenerallyusedinprocessingboxorspecialshapeofparts.Whentheworkpiecesaregenerallynotrotate,bytherotationofthecuttingtoolmovementandrelativefeedmovement,cuttingtoolandtheworkpiecetoachievedrilling,reaming,counterboring,reaming,boringandotherprocessing.Thiscourseisamechanicaldesignmanufactureandautomationspecializedspecializedrequiredcourse.Coursedesignofthepurposeandmissionistoenablestudentstomasterbasicknowledgeofthemechanicalequipmentelectricalcontrol,thebasicprincipleandbasicmethods,totrainthestudenttotheelectricalcontrolsystemanalysisanddesignofbasicskills.Deepenstudents'understandingofcoursecontentandverifythetheorystudiesthebasictheoryandconsolidateandexpandtheknowledge.Thismachineisspecializedonbothendsofthejackcylindersurfaceprocessing,usedinapowerslidingtableofleftandrighttwopowerheadare3kw(motor)forcuttingatthesametime.Powerheadfastforward,intoandretreatquicklydrivenbyhydrauliccylinder.HydraulicsystemUSEStwofour-waysolenoidvalvecontrol,andpositioncontrolimplementedwithdieblockironmethod.Keywords:longcombinationdrillingmachine;Workingmechanism;Thetransmissionsystem;Tooptimizethe

目录摘要 2目录 31. 概述 41.1机电传动控制概述 41.2课程设计 52. 总体设计 72.1控制要求的分析 72.2液压控制回路中电磁阀被控逻辑表达式 93. 局部设计 103.1原理图 103.2接线图 143.3元件选型 144. PLC控制电路设计 164.1PLC的I/O接线 164.2PLC的I/O口分配 184.3PLC型号的确定 195. 程序设计 205.1主回路控制系统程序设计 205.2回转工作台回转控制程序设计 205.3动力头液压系统控制程序 206. 小结 21参考文献 31概述1.1机电传动控制概述机电传动（又称电力传动或电力拖动）是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统之总称。它的目的是将电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止以及速度调节，满足各种生产工艺过程的要求，保证生产过程正常运行。在现代工业中，为了实现生产过程自动化的要求，机电传动不仅包括拖动生产机械的电动机，而且包括控制电动机的一整套控制系统。也就是说，现代机电传动是和由各种控制元件组成的自动控制系统紧密地联系在一起的，所以，本课程被命名为《机电传动控制》（也称为《机械电气控制》）。从现代化生产的要求出发，机电传动控制系统所要完成的任务，从广义上讲，就是要使生产机械设备、生产线、车间甚至整个工厂都实现自动化；从狭义上讲，则专指控制电机驱动生产机械，实现产品数量的增加、产品质量的提高、生产成本的降低工人劳动条件的改善以及能源的合理利用。例如，一些精密机床要求加工精度达百分之几毫米，甚至几微米；重型镗床为保证加工精度和控制表面粗糙度，要求能在极慢的稳速下进给，即要求能在很宽的范围内调速；轧钢车间的可逆式轧机及其辅助操作频繁，要求在不到一秒的时间内疚能完成从正转到反转的过程，即要求能迅速地启动、制动和反转；对于电梯和提升机，要求启动和制动平稳，能并能准确地停止在给定的位置上；对于冷、热连轧机以及造纸机的各机架或各部分，要求它们的转速保持一定的比例关系，以便进行协调运转；为了提高效率，要求对由数台或数十台设别组成的生产自动线实行统一控制和管理。诸如此类要求，都是靠电动机及其控制系统和机械传动装置来实现的。我国组合机床及其组合机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后，国内所需的一些高水平组合机床几乎都从国外进口。第21届日本国际机床博览会上来自世界10多个国家和地区的500多家机床制造商和团体展示的最先进的机床设备中，超高速和超高精度加工技术装备与复合、多功能、多轴化控制设备等深受欢迎。该届博览会上展出的加工中心中，主轴转速10000-20000r/min，最高进给速度可达20-60m/min；复合、多功能、多轴化控制装备的前景亦被看好。在零部件一体化程度不断提高、数量减少的同时，加工的形状却日益复杂。在工程机械快速发展的今天，由于组合机床所具有的一系列有优点，在产品规模上，品质提升上所遭遇的难题，运用组合机床来进行加工都可以得到解决，相信组合机床在工程机械领域有着更大的发展空间。

最早的组合机床于1911年在美国制成，用于加工汽车零件之后便广泛应用于大批量生产的机械工业中，并且随着机械工业的发展而逐步完善。我国的组合机床的发展已有28年的历史，其科研和生产都具有相当的基础，应用也深入到很多行业，它是提高生产效率和实现高速发展必不可少的设备之一。组合机床及其自动线是集机电于一体的综合自动化程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，因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。国外组合机床技术的特点有：广泛使用数控技术。国外主要的组合机床生产厂家都有各自的系列化完整的数控组合机床通用部件,在组合机床上不仅很多动力部件应用数控技术,而且夹具的转位或转角、换箱装置的自动分度与定位等等也都应用数控技术,从而进一步提高了组合机床的工作可靠性和提高了工件的加工精度。发展柔性技术。80年代以来,国外对中批量和大批量生产,多品种加工装备采取了一系列的可调、可变、可换等措施,使加工装备具有了一定的柔性化。这些结构的变化,既可以实现多品种加工要求的调整变化且快速灵敏,又可以使机床配置更加灵活多样变化。③发展综合自动化技术。汽车工业的迅速发展,对自动化制造技术提出了许多新的要求,大批大量生产的高效率,要求机械制造系统不仅能完成一般的机械加工工序,而且要求能完成零件从毛坯进线到成品下线的全部工序,以及下线后的自动码垛、装箱等等。④进一步提高工序集中的程度。国外为减少机床的数量,节省厂房占地面积,对组合机床这些工序集中程度高的产品,继续采取各种各样的措施,进一步提高工序集中的程度，从而最大限度地发挥设备的效能,获取更好更高的经济效益。

综上所述，比较国内外组合机床的现状，国内相比国外的组合机床在自动化和柔性化方面还是有一定的差距，同时在加工精度和加工效率方面，国内组合机床还有很大的提升空间，这需要我们不断的努力和奋斗。在近代机械工业的发展过程中，机电传动的发展，经历了一个复杂的过程：（1）电机的拖动的发展过程如下：成组拖动成组拖动多电机拖动（不同机构由单独电机拖动）单电机拖动（2）控制系统的发展过程如下：继电器控制继电器控制接触器控制电机放大机控制磁放大器控制电力功率晶体管控制计算机数字控制（PLC）由整个发展过程，不难看出，随着机械加工要求不断提高，机电传动控制系统的复杂度也在不断增加。本课程的重点在与控制部分，如何利用电气元件或计算机控制电气来拖动机械实现所要求的功能。在设计控制系统时，就要求设计人员对执行元件（电动机）、控制元件的熟练掌握与运用，同时也要求对控要求进行了解。1.2课程设计在本次课程设计中，我们完成的是“全自动双面钻床控制系统”的设计任务。此次课程设计的目的旨在学会利用电气元件（继电器——接触器）的控制方法，故在整个设计过程中，要求使用的元件为传统控制系统中的继电器、接触器来实现钻床的全自动工作过程。另外，在本次课程设计中，我们还应学会如何设计主回路、控制回路以及辅助回路（照明与显示）。同时，在回路的总体连接上，要熟悉设计的技巧；在液压控制回路的设计中，要学会利用“起保停”电路来实现液压系统的控制。通过本次课程设计，除了复习掌握已学过的电气知识外，还应熟悉控制系统的设计流程与设计方法，从而增加自己的阅历，提高自己的工作能力。作为组合钻床的重要组成部分，液压系统的工作性能设计是主机设计的重要部分，驱动组合钻床工作台的液压系统是由油箱、液压泵、液压缸、液压控制阀及各种连接元件组成。本次设计过程主要涵盖机床负载的分析，运动工况的分析，系统原理图的设计，液压元件的选择，液压油缸的设计，液压系统的验算等等。

综上所述，完成整个设计过程需要进行一系列的工作。设计者首先需要正确的设计思想，同时努力掌握先进的理论知识和科学的辩证思维。同时，还要坚持理论联系实际，并在实践中不断总结和积累设计经验，向有关领域的科技工作者和从事生产实践的工作者学习，不断发展和创新，才能较好地完成机械设计任务。对于一部完整的机器而言，主要有原动机、传动机构、控制部分和工作机（含辅助装置）四部分。其中传动机构又分为机械传动、电气传动和流体传动机构。流体传动是以流体为工作介质进行能量转换、传递和控制的传动。它包括液压传动、液力传动和气压传动。

液压传动技术是以液体作为工作介质，并利用液体压力实现机械设备的运动或能量传递,并控制其功能。随着现代科技的发展，液压传动在机床、工程机械、交通运输机械、农业机械、化工机械、船舶及航空航天等领域都得到了广泛的应用。由于液压技术充分应用了21世纪新型技术成果，如自动化技术、计算机控制技术、微电子集成技术、可靠性技术及新型工艺和新型材料，揭开了传统技术的新的篇章，同时也相应提高了液压系统和元件的质量及水平。纵然如此，走向二十一世纪的液压技术不可能有惊人的技术突破，惟其借助现有技术的改进和扩展，才能不断发展其应用领域以满足未来的要求。

液压系统与我们比较熟悉的电气系统相类似。液压系统由动力装置（油泵）、执行装置（油缸）、控制调节元件（各种阀类元件等）以及辅助装置等组成，而电气系统有电源、耗电设备、控制装置（包括电键、继电器、接触器等）以及导线等组成。液压油泵相当于电源，液压油缸相当于用电器，液压控制调节元件相当于电键、继电器等，油管则相当于导线。液压传动介质则相当于电流，液压油的压力和流量，则相当于电压和电流；液压马达的工作循环几乎和电动机一样，电动机接通电源，转子旋转向外输出扭矩，而液压马达输入压力油液时，也是转子旋转向外输出扭矩；液压元件在回路中既可以串联连接，又可以并联连接等。液压技术的发展历史并不长，但发展速度却很快。尤其是电子技术日益发展的今天，液压与气压传动技术深深应用到我们的生活中去了，与我们生活比较接近的拖拉机、联合收割机的液压悬挂系统，汽车、拖拉机等机动车辆的刹车系统，汽车起重机的控制系统等，都广泛使用了液压或气压传动技术。因此，学好本课程，对我们今后的学习和工作有着十分重要的意义。液压传动系统工作时，液压泵4的驱动力是由电机提供的,其作用为向系统供给一定流量的压力油。该泵是由一对相互啮合的齿轮来完成吸油和排油过程的，是一种齿轮泵。齿轮泵的结构组成虽和千斤顶的手动泵不同，且动力是由电机驱动的，但其功能都相同，都是向液压系统供给具有一定流量、压力的油液。由液压泵吸入的压力油经手动换向阀11，节流阀13、换向阀15流入液压缸18的左腔，使活塞17和工作台19向右移动，液压缸18右腔的油液经换向阀15排回油箱。当手动换向阀15转换方向后，液压油进入液压油缸18的右腔，使活塞杆17和液压工作台19向左移动。当液压节流阀调大时，进入液压油缸18的油液会增多，液压工作台的移动速度会增大；而当液压节流阀调小时，工作台的移动速度又会减小。若将手动换向阀9改变为如图1．1（C）所示的状态，液压泵输出的油液通过手动换向阀9回到油箱，这时工作台停止运动，液压系统处卸荷状态。液压传动系统主要由下列5部分组成：

（1）动力装置，指液压油泵，主要表现在将原动机的机械能转变为液压动能（表现为压力、流量），其作用是为液压系统提供压力油，是系统的动力源[5]。

（2）执行装置，包括液压缸和液压马达，主要表现在将液压能转变为机械能从而对外做功，其中液压油缸能驱动工作机构完成循环直线运动，液压马达可实现回转运动。

（3）控制调节装置，指各种阀利用这些元件可以实现对液压系统中液体的压力、流量和方向的控制和调节，以保证执行装置能按照人们预期的目的工作。

（4）辅助装置，包括管道、管接头、密封件、蓄能器、油箱等。这些元件为使系统正常工作并便于监控提供了必要的条件。

（5）工作介质，即传动液体，通常称液压油。液压系统通常是经工作介质完成运动和动力传递的，另外对液压元件中相互运动的零件而言，液压油还可以起到润滑作用。液压传动的优点

1）在同样的体积下，液压执行元件能比电气装置产生出更大的动力。在相同功率的要求下，液压执行元件的体积小、重量轻、结构紧凑。

2）液压执行元件工作时较为平稳。由于液压元件具有重量轻、运动惯性小、反应快等特点，故而易于完成快速起动、制动和高频换向等工作循环。

3）液压传动可以在大范围内实现无级调速（调速比可达1：2000），并可在液压装置运行的过程中进行调速。

4）液压传动容易通过自动化控制，操控起来较为便捷。当液压控制和电气控制或气动控制相互结合时，还可实现一些相当复杂的顺序动作和远程控制等操作。

5）液压系统过载保护能力强，且液压元件可自行润滑，因此生命周期长。

6）由于液压元件已完成了标准化、系列化和通用化设计，所以液压系统在设计、制造和使用时都较为方便。

液压传动的缺点1)液压传动是以液体为工作介质，在相对运动表面间不可避免地要有泄漏，同时，液体又不是绝对不可压缩的，因此不宜在传动比要求严格的场合采用，例如螺纹和齿轮加工机床的内传动链系统。

2）液压传动在工作过程中有较多的能量损失，如摩擦损失、泄漏损失等，故不宜于远距离传动。

3）液压传动对油温的变化比较敏感，油温变化会影响运动的稳定性。因此，在油温较高或较低时，系统要采用液压传动均会有一定的困难。

4）为了减少泄漏，液压元件的制造精度要求高，因此，液压元件的生产成本高，而且对油液的污染敏感度高。

5）液压装置故障的诊断比较困难，故而对维修人员提出了更多的要求，既要系统地掌握液压传动的理论知识，又要有一定的实践经验。

6）在高压、高速、高效率和大流量化的发展趋势下，液压元件和系统的工作噪声日益增大，这也是亟需解决的问题。

总之，液压传动技术的优点是明显的、积极的，而随着新的科学技术的出现和发展，液压技术的缺点也会得到进一步改善，在液压技术与电子技术及其它传动方式的结合下，还将会有更好的发展。总体设计2.1控制要求的分析组合机床具有如下的优点：(1)主要用于棱体零件和杂件等的孔面加工。(2)生产率高。因为工序集中，可以多面、多工位、多轴、多刀同时进行加工。(3)加工精度稳定。因为工序固定，可选用成熟的通用部件、精密夹具和自动工作循环来确保加工精度的一致。(4)研制周期短，便于设计、制造和使用维护，成本较低。因为通用化、系列化、标准化程度高，通用件可组织批量生产进行预先制造或外购。(5)自动化程度高，劳动强度较低。(6)配置灵活。因结构是模块化、组合化。可按照工件或工序要求，用大量通用部件和少量专用部件灵活组成各种类型的组合机床和自动线；机床便于改装：产品或工艺发生变化时，通用部件一般还可以重复使用。

作为机械设计制造专业的学生，通过《金属切削机床》这门课程对组合钻床的了解，结合《机械设计》、《机械原理》等专业课程的学习，对组合钻床有了一定的感性和理性认知，特别是对多面、多工位、多轴、多刀同时加工产生的浓厚的兴趣，组合钻床的设计对我们机械专业学生对本人也是比较大的挑战，所以我才选择组合钻床的设计作业我的毕业设计，这是对我大学四年所学知识的综合运用，也是对我大学四年来的综合考验和考量。机械滑台有滑座、滑鞍、丝杠螺母副及传动装置等组成。普通级滑台刚度高热变形小，进给稳定性高，常用于粗加工和半精加工；高精度滑台适用于精加工。同时机械滑台具有精度保持性较好、导向约束稳定性好及动态性能好的优点。动力头包括铣削头、钻削头、镗削、攻螺纹头与车端面头。铣削头主要用于平面铣削、沟槽铣和成型铣削等工序；镗削头主要用于对金属工件粗、精镗加工；攻螺纹头主要用于对工件的攻螺纹加工；车端面头主要用于粗或精镗孔、车端面、车止口、切槽及倒角；钻削头用于对钻孔、扩孔、倒角及锪孔等工序。根据零件孔加工的特点，宜选用钻削头。

液压传动属于流体传动的一种，17世纪物理学家帕斯卡提出了液体静压力传动原理，流体传动是依据其成长起来的新兴技术，在工农业生产中得到广泛应用。当今世界，流体传动已逐渐成为工业发展的风向标。第一个应用液压技术的是英国的约瑟夫·布拉曼，1795年他以水为工作介质，以水压机的形式制造了世界上第一台水压机。然后他又将工作介质由水改为油，进一步改善了其工作性能。

在流体传动的工业帝国里，著名的有美国的派克（Parket）公司、德国的博士――力士乐公司和德国的ZF公司等。其中，成立于1918年美国的派克（Parket）公司，可以提供品种丰富的、高技术水平的液压件、密封件及所有的液压附件，位于行业前列。而德国的博士――力士乐公司，主要服务于静液压系统的变量液压元件制造，也已有200多年的历史，其生产的用于静液压传动的变量系统液压元件，无论是斜盘式或斜轴式，闭式（泵控）或开式（阀控）系统液压元件品种都非常齐全，能配合各种需要静液压系统元件的工程机械完整系统使用。还有德国的ZF公司，成立于1915年，可生产各种工用机械所需的传动部件，为本行业内种类最全。在电气配套件方面，世界最大的德国西门子公司、博士公司，以及日本的东芝公司、川崎公司等，实力都很雄厚，能满足工程机械所要求的高水平电气系统及元件的需要。

第一次世界大战后液压传动开始广泛应用，特别是20世纪20年代以后，更加是迅猛发展。液压元件大约在19世纪末上世纪初的20来年间，才开始进入正规的工业生产阶段。1925年维克斯（F.

Vikers）发明了压力平衡式叶片泵，为近现代液压传动元件工业的逐步建立奠定了实践基础。第二次世界大战期间,在美国30%的机床应用了液压传动。应该指出,日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近

20

多年。在

1955

年前后

,

日本迅速发展液压传动,1956

年成立了“液压工业会”。近20~30

年间，日本液压传动发展之快，居世界领先地位。

我国液压工业源于建国初期，液压元件最开始只用于机床和一些锻压设备。60年代开始有了较大发展，逐渐渗透到各个工业产业链，在各类机械、机床、石油、汽车等生产生活以及军工工业中都得到了广泛的使用。当前液压技术正向高压、高速、大功率、高效率等方向发展，同时兼顾了低噪声、低能耗、长寿命以及高度集成化等特点。此外，新型元件的应用和计算机辅助设计、仿真优化及微机控制等工作，也是硕果显著。当前，我国的液压件从低压到高压排列，已形成系列，并创造出许多新的液压元件，例如插装阀等各种液压阀。我国机械工业不但注重引进和学习西方先进液压技术，更是大力研制、开发属于本国技术的新型液压产品，在保证产品质量可靠性的前提下，着力进行新技术应用的研究。在满足国际标准的前提下，合理调整现有的产品结构，逐步淘汰当前存在的性能差，且不符国标的液压件产品。由此可见，我国的液压技术也在自己的发展道路上越走越远，液压传动在机械设备上的应用将越来越广泛。任务书中的控制要求有以下几点：动力头位单向运转，停车采用能耗制动；只有在油泵工作，油压达到一定压力后（由油压继电器控制）才能进行其他的控制；专业机床能进行半自动循环，又能各个动作单独进行调整；需要一套局部照明装置以及工作状态指示灯；有必要地过电流保护和连锁；钻孔过程中需用冷却泵进行冷却，冷却泵电动机功率为0.125kW。由上述控制要求，可分析出以下几点：在主回路中仅需对电机的启停进行控制和对动力头电机进行能耗制动的设计，不需控制正反转；在液压回路的液压泵附近处应添加压力继电器，并在液压控制回路的首端加入该压力继电器的常开触点，以实现满足油压后才能进行其他控制的要求；对于机床的半自动循环，可以采用起保停电路来实现，而对于各个动作的单独调整则可在控制首端加入万能转换开关，并对各个动作设置手动按钮来实现该控制要求；控制回路中可添加辅助回路，以控制照明和显示功能；在每个电动机的连接处，均接入一个适合的热继电器，以实现过热保护，在主回路中各个支路与主电源相连接处均接入一个适合的熔断器，以实现过流保护（短路保护），而在控制回路与变压器相连处也应接入适合的熔断器，同样实现过流保护；增选一个冷却泵，并接入主回路，在控制回路中加设一支路，通过按钮控制冷却泵的启停。2.2液压控制回路中电磁阀被控逻辑表达式据分析，电磁阀被控逻辑表达式如下：局部设计在局部设计中，我们主要完成三部分内容：原理图、设计元器件选型、接线图的设计。这三部分内容是整个设计的核心部分，通过这部分，我们得出了整个设计的结果：两张A3图纸，一张元器件明细表。（见附录）3.1原理图在原理图的设计部分，我们将其分为3大模块进行分工设计。其中包括有主电路模块的设计、控制电路模块的设计与辅助电路模块的设计三部分。而在控制电路模块中，我们将其又分为电机控制电路与液压控制回路两部分。辅助回路中主要包括有照明与显示电路部分。主电路的设计中主要应满足一下几点要求：动力头电机应实现能耗制动；动力头电机、液泵电机、冷却泵电机三者应分开接向主电源，并由不同的接触器控制；三种电机君应实现短路保护（过流保护）与过热保护；电源处应有一个总闸控制电源的关断。对于要求（1）我们将左右动力头的两电机接在同一个接触器上进行控制，然后在接触器的首位接上一个可控的直流电源（由变压器和整流桥组成）来实现。对于要求（2）我们选用三个接触器来控制三种不同功率的电动机，并分开三个回路来控制即可。对于要求（3）我们选用合适的熔断器，在三个回路接向电源出接上相应的熔断器来实现短路保护；再选用合适的热继电器，在接向电动机处接如相应热继电器来实现过热保护。对于要求（4）我们在电源处，添加一个刀开关QS即可。具体电路图如下：图1主回路电路设计图在控制回路中，主要有两部分：电机控制回路与液压控制回路。这两部分均应接向110V交流电压，故该回路与主回路相连接时，应将主电源的L1、L2相接如变压器来降压，以提供110V的两相交流电。（1）电机控制回路在控制电机时，为满足动力头电机的能耗制动，我们利用时间继电器来控制直流电源的延时断开。在三种电机的启停控制上，我们利用接触器的“起保停”电路来控制，我们分别加入启停按钮。而在动力头电机的停止上，我们利用联动开关来控制，以其常闭触点为停止，常开触点为直流电源的接入。这样，保证了动力头电机的停止，同时也接入了能耗制动。另外，我们在主电路的最后加上了一个急停回路，利用接触器KM0与刀开QS0关来控制。同时，在控制回路的起始端接入接触器KM0的常闭触点，来实现急停功能。具体电路图如下：图2电机控制回路设计图（2）液压控制回路在液压控制回路中，应分为自动控制和手动控制两部分。在自动控制中，主要由行程开关（SQ1到SQ6）、压力继电器（YJ1与YJ2）和按钮SB1来共同控制电磁阀（YV1到YV5）来实现整个动作。其动作表如下：YV1YV2YV3YV4YV5定位（SB1）+夹紧（YJ1）++入位（YJ2）-++--工进（SQ1\SQ5）-+++-退位（SQ2\SQ4）-+--+复位（SQ3\SQ6）表1液压回路电磁阀被控一览表由上表可知，在设计液压控制回路时，可以直接利用起保停电路直接控制电磁阀的动作。在表中，每一列以第一个“+”为该电磁阀的得电信号，而以连续“+”后的第一个“-”为失电信号。但应该注意的是行程开关的串并联关系：在夹紧动作时（YV2），若要使其失电，则应两动力头均达复位位置才可松开，故此时SQ3与SQ6应为并联关系；在工进或退位时（YV4、YV5），若要使其得电，则只要有一个行程开关的信号，则应该立即动作，故SQ1与SQ5或SQ2与SQ4应为并联关系；在要求入位、工进或退位（YV3、YV4、YV5）的停止信号时，必须两个行程开关均有信号才可失电，故此时SQ2与SQ4或SQ3与SQ6应为串联关系。在手动控制中，我们利用万能选择开关来控制自动与手动的转换。另外，在控制电磁阀（YV1到YV5）的电路上，我们直接设计5个按钮（SB2到SB6）来实现手动调节。在万能转换开关与110V交流电源连接的部分，我们增加一盒压力继电器YJ0，以实现在液压回路中达到一定压力才进行控制动作的要求。具体电路图如下：图3液压控制回路设计图在辅助回路中，主要包含有照明灯的控制与显示灯的控制。照明灯所需电源为24V交流电，而显示灯所需电源为6V交流电。故将它们分别有变压器TC的不同变压接口引出即可。照明灯应与总电源开关相同时亮灭，故在电源刀开关QS选型的时候应选择有三个主触点并带有一对常开常闭辅助触点的刀开关，并将照明灯的控制接入刀开关QS的辅助常开触点。在本设计中，我们共设置了3个指示灯（HL1、HL2、HL3），分别为启动、工进与急停。故它们分别由交流接触器KM1、KM3、KM0的辅助常开触点来控制。另外，在控制回路的起始端（即由变压器TC引出的3端110V、24V、6V）应设置短路保护。故在该处分别接上相合适的熔断器。具体电路图如下：图4.辅助回路（照明与显示）设计图3.2接线图在接线图的设计上，我们首先对箱体内元器件进行排版：第一排为总闸、变压器与熔断器；第二排为时间继电器、交流接触器；第三排为急停闸、整流桥与热继电器；第四排为中间继电器。总共4排，并在每排间安排走线槽，便于安装与维修。然后，我们在箱盖上按功能将按钮与指示灯排列出来。另外对于放置在其他设备上的器件，我们也一同画在了接线图的左端。在以上两部分的中间，我们选用一个接线端子来将其进行连接。该接线端子的作用主要是将电柜箱体内的线走出来，防止因导线杂乱而造成的事故发生。在接线图的下部分，放置了万能转换开关与接地铜板，它同样是放在箱体内部的。这样排版是为了方便接线工人识图。最后我们将原理图中各线编号，以该编号对应在接线图上进行连线。另外，在万能转换开关的编号中，由于该开关有外线与内线之分，故我们以4位数将其编号，前两位为外线号，后两位为内线号。3.3元件选型电动机的选型根据任务书中要求得知液泵电动机M1的功率为370W，冷却泵电动机M2的功率为0.125kW，动力头电动机M3、M4的功率均为1.5kW。而工业用电一般都为380V三相交流电，故查[3]，选择功率相近的电动机得一下结果：M1：Y2-90L-8M2：Y2-801-8M3、M4：Y2-100L1-4 其中，M1功率0.55kW，转速660r/min；M2功率0.18kW，转速630r/min；M3、M4功率2.2kW，转速1430r/min。（注：在实际设计当中，应同时考虑工况、班制等选择因素）熔断器的选型根据选择出的电机型号，可大致计算该电机工作时的最大电流：再根据以下经验公式，计算出所需熔断器的最大允许电流值：故计算得：另外，根据经验，控制回路中的电流最大不会超法国5A，照明显示回路电流最大不会超过2A，故查[2]，并选择熔断器结果如下FU1：RL-15/4,最大熔断电流4A；FU2：RL-15/2,最大熔断电流2A；FU3：RL-60/25,最大熔断电流25A；FU4：RL-15/6,最大熔断电流6A；FU5：RL-15/2最大熔断电流2A。热继电器的选型根据前面算出的电动机工作电流，查[2]可直接选出热继电器，得如下结果：FR1：LR1-D09307，整定电流范围1.6~2.5；FR2：LR1-D09306，整定电流范围1~1.6；FR3：LR1-D09310，整定电流范围4~6；FR4：LR1-D09310，整定电流范围4~6。交流接触器、中间继电器与时间继电器的选型根据前面计算出的电动机工作电流值，可知交流接触器的工作电流应在10A以内，而由设计的原理图知交流接触器所需要的主触点为3对辅助触点不超过2常开2常闭，再根据380V三相交流电的要求，查[2]，可选出交流接触器如下：KM0~4：CJ20-10，允许功率4kW，辅助触点2常开2常闭。由于控制回路中，电压为110V交流电，且根据控制回路设计图得知中间继电器所需触点不超过4常开4常闭，故查[2]，可选择中间继电器如下：KA1~5：JZ14-44J/Z，110V吸引线圈电压，触点数4常开4常闭。由于动力头电动机的能耗制动时间较短，故可确定在0.4~60s的范围内。根据110V交流电，同样查[2]，选择时间继电器如下：KT：JS7-1A，110V吸引线圈电压，定时时间调节范围0.4~60s。照明与显示灯的选型根据经验，一般照明灯使用的是24V交流电，故查[2]得，照明灯选择型号为：AD1-22/11。在我们设计的系统中，有三种指示灯：启动、工进以及急停。根据经验，启动指示灯一般用绿色，工进用黄色，急停用红色。而工厂中，一般指示灯使用电压为6V。故查[2]，选择指示灯型号如下：启动：AD1-22/11，电压6V，绿色；工进：AD1-22/11，电压6V，黄色；急停：AD1-22/11，电压6V，红色。变压器的选型由于我们设计的系统中，需要将380V三相交流电转换成110V、24V、6V等三种不同压值的交流电，故选择变压器时应同时考虑考虑变压器的容量与接处的点数。查[3]，选择变压器结果如下：TC：BK-100，4变压接出头。按钮及刀开关的选型在液压控制回路中，共有6个常开按钮。其中SB2~SB6为手动控制按钮，故可选择黄色；SB1为定位启动按钮，故选择绿色。在电机控制回路中，共有3个常开按钮、2个常闭按钮与1个联动开关。其中SB11、SB21、SB31为电机启动按钮，故可选择绿色；SB10、SB20为电机停止按钮，故选择红色；SB30为联动开关，控制动力头电机的停止，同时也开始能耗制动，故也选择红色。查[2]，选择按钮型号如下：SB1：LA19-11，绿色；SB2~SB6：LA19-11，黄色；SB11、SB21、SB31：LA19-11，绿色；SB10、SB20：LA19-11，红色；SB30：LAZ-11A/XR，红色。而在整个设计中，我们用到了两个刀开关，总闸一个（即控制电源，又控制照明灯），急停一个。故总闸刀开关QS选用蓝色；急停刀开关QS0选用红色色。查[2]选择刀开关如下：QS：DZ20-100/3，蓝色；QS0：DZ20-100/3，红色。PLC控制电路设计4.1PLC的I/O接线由电气控制原理图，可以知道PLC控制系统主要由以下几部分组成，其接线原理图如图7所示。原电路要求M1、M2电动机同时起动工作。由复合开关SA3、SA4控制M1与M2各自单独起动、停止;M3电动机在动力头工进时自动起动,也可以由按钮SB3单独控制。按动电动机起动按钮SB2,交流接触器KM1、KM2得电动作,M1、M2电动机起动。停止时,按动按钮SB1,KM1、KM2同时断电，M1、M2电机停止。其中控制按钮SB1、SB2、SB3，复合开关SA3、SA4如图7PLC外部接线图中所示；电动机M1、M2、M3控制交流接触器接线如图7PLC外部接线图中的KM1、KM2、KM3所示。回转工作台转位过程:自锁销脱开及回转台抬起→回转台回转及缓冲→回转台反靠→回转台夹紧。原电气图要求M1、M2电动机起动后,动力头在原位,限位开关ST1被压合,按下回转台起动按钮SB4,电磁铁YA5得电动作(电磁铁控制相应的电磁阀动作,控制相应油路的通、断)，自锁销脱开,回转台抬起。回转台抬起后,压动行程开关ST5,电磁铁YA7通电，从而使回转台回转。回转台转到接近定位点时,压合行程开关ST6,电磁铁YA9通电动作，工作台低速回转(缓冲动作),回转台继续低速回转,ST6复位,电磁铁YA7断电,电磁铁YA8通电动作,回转台反靠。回转台反向靠紧后压合行程开关ST7,电磁阀YA6得电动作,将工作台夹紧,同时顶起自图5PLC外部接线图锁销。回转台夹紧压力达到一定值后,电磁阀YA8、YA9断电,电磁铁YA10通电,使离合器脱开。离合器脱开时压合行程开关ST8,电磁铁YA8得电,使活塞复位。活塞复位后,压动行程开关ST9,电磁铁YA10断电,离合器重新结合以备下次循环。其行程开关ST1、ST5、ST6、ST7、ST8、ST9，控制按钮SB4电磁铁YA5、YA6、YA7、YA8、YA9、YA10如图7PLC外部接线图中所示。原电气图要求当回转工作台夹紧,液压回转台的回转油缸活塞返回原位后,行程开关ST9被压合,当按下按钮SB5时，电磁铁YA1、YA3同时得电,动力头快速前进。当动力头快进压动行程开关ST3,电磁铁YA3断电,动力头转为工作进给。当动力头工进到达终点时,压动行程开关ST4,电磁铁YA1失电,动力头停止前进,同时时间继电器得电,并延时停留。经一定时间后,输出继电器Y2得电,电磁铁YA2得电动作,控制油缸,使动力头快速退回。当动力头退回原位后,压动行程开关ST1,电磁铁YA2断电,动力头停止。动力头退回原位后,压动行程开关ST1,也为回转工作台的回转,进入下一道工序做好准备。其行程开关ST1、ST3、ST4、ST9，控制按钮SB5，YA1、YA2、YA3如图7PLC外部接线图YA1、YA2、YA3。4.2PLC的I/O口分配组合机床的电气控制属单机控制,输入、输出均为开关量。前面我们通过对继电器接触器的详细分析设计出了PLC外部接线图，从所设计出的PLC外部接线图我们可以看出本设计需要PLC检测的输人信号包括6个控制按钮、8个行程开关、3个选择开关、3个复合开关和1个继电器开关，共计21个点输入，其具体的输入口分配如表2所示。表2PLC输入出口分配地址元件功能X000SB1停止X001SB2启动X002SB3冷却启动X003SB4回转X004SB5快进X005SB6快退X006S冷却方式X007SA3液压泵启动X010SA4主电机启动X011S1长动／点动X012S2动力头控制X013ST1动力头原位X014ST3快进到位X015ST4工进到位X016ST5微抬到位X017ST6回转到位X020ST7回转台反靠X021ST8离合器脱开X022ST9回转缸返回X023KP回转台夹紧X024SA5冷却泵电源输出信号包括9个电磁离合器、3个继电器、1个指示灯，共计13个点输出其具体输出口分配如表3所示。表3PLC输出口分配地址元件功能Y000KM1控制主电机Y001KM2控制液压泵电机Y002KM3控制冷却泵电机Y003HL电源指示灯Y004YA1动力头向前Y005YA2动力头快退Y006YA3动力头快进Y010YA5回转台微抬Y011YA6转台夹紧Y012YA7回转台回转Y013YA8回转缸返回Y014YA9低速回转Y015YA10离合器脱开4.3PLC型号的确定

随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从美国、日本等国引进的PLC产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列、上百种型号。PLC的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用起着重要作用。三菱公司FX2N系列PLC吸收了整体式和模块式PLC的优点，其基本单元、扩展单元和扩展的高度和宽度相等，相互之间的连接无需使用基板，仅通过扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个长方形的整体。FX2N系列PLC具有强大的功能和很高的运行速度，可用于要求很高的机电一体化系统。而其具有的各种扩展单元和扩展模块可以根据现场系统功能的需要组成不同的控制系统，FX2N系列PLC的用户程序存储器可扩展到16步，I/O点最多可扩展到256点，有27条基本指令，其基本指令的执行速度超过了很多大型PLC。该系列还具有多种特殊功能模块，如模拟量输入/输出模块、高速计数模块、脉冲输出模块、位置控制模块。使用特殊功能模块和功能扩展板可以实现模拟量控制、位置控制和联网通信等功能。其内部结构图如下图8所示。本设计根据实际的控制要求,并考虑系统改造成本,在准确计算I/O点数（输入点为21个，输出点为13个）的基础上,选用三菱公司FX2N—48MR型(继电器输出,整体式)PLC为基本单元(输入24点,输出24点);FX2N—32ER(输入16点,输出16点)为扩展单元。既可满足本次改造需要,又为今后生产工艺的调整提供了很大的方便。原系统中,除外部输入设备、输出设备及必要的配电设备外,中间继电器、时间继电器全部都舍弃掉,代之以PLC内部的“软继电器”。输输输输入出单单元元电源部分CPU存储器编程器或其他编程单元电