1、 学 士 学 位 论 文基于 PLC 的台式钻床控制系统改造及其进给系统设计姓 名：学 号：指 导 教 师 ：院 系 (部 所 )： 机电工程学院专 业： 机械设计制造及其自动化完 成 日 期 ： 2013 年 5 月 31 日学校代码：10904学 士 学 位 论 文基于 PLC 的台式钻床控制系统改造及其进给系统设计姓 名：学 号：指 导 教 师 ：院 系 (部 所 )： 机电工程学院专 业： 机械设计制造及其自动化完 成 日 期 ： 2013 年 5 月 31 日摘 要本文介绍的是对台式钻床的改造与设计，通过导入液压进给系统和 PLC 控制系统将其改造成为自动钻床。设计的过程首先是按照机
2、床的一般设计步骤进行，然后再对进给系统和控制系统进行具体设计。设计的重点在于进给系统的设计和 PLC 控制系统的设计。液压系统的设计主要是根据已知的条件，来确定液压工作方案、液压泵、液压缸结构、控制油路的设计。PLC 控制系统设计主要是电气控制系统硬件和软件的设计，其中包括 PLC 机型的选择、I/O 端口的分配、I/O 硬件接线图的绘制、PLC 梯形图程序的设计。最后，利用 PLC 可编程控制器对液压回路等进行控制。关键词：自动钻床；液压进给系统；PLCAbstractThe bench drill is the metal cutting tools in mechanical machi
3、ning, this paper is transformation and design of the desktop machine, mainly through the introduction of hydraulic system and PLC control system will be transformed into the automatic drilling machine.The design process is first carried out in accordance with the general machine design steps, and th
4、en the feed system and control system were designed in details. The design focuses on the design of feed system design and PLC control system. The design of hydraulic system is based on the known conditions, to determine the design of hydraulic project, hydraulic pump, hydraulic cylinder structure,
5、control circuit. The design of PLC control system is mainly the design of electrical control system of hardware and software, including the choice of PLC models, the I/O port assignment, I/O hardware wiring diagram, ladder diagram of PLC program design. Finally, the programmable controller of the hy
6、draulic circuit is controlled by PLCKey words: Automatic drilling machine；Hydraulic feed system ； PLCI目 录第 1 章 绪论 .11.1 研究的目的意义 .11.2 问题的提出、分析以及解决方案 .1第 2 章 自动钻床的总体设计方案 .32.1 自动钻床的改造方案的确定 .32.2 执行系统的方案设计 .32.2.1 执行系统的功能原理设计 .42.2.2 执行系统的运动规律 .42.2.3 执行系统的协调设计原则 .52.2.4 执行系统的方案评价 .52.3 传动系统方案设计和原动机选择
7、 .52.4 传动系统方案设计 .52.5 控制方案设计 .62.6 本 章小结 .7第 3 章 钻床进给系统的设计 .83.1 进给系统概述与分析 .83.2 进给系统方案图的确定 .93.3 工况分析 .93.4 切削力的计算 .103.4.1 切削刀具及相关参数的选择 .103.4.2 主轴转速及钻孔时间的计算 .103.4.3 切削力的计算 .113.5 钻床主轴设计 .123.5.1 主轴材料的选择 .123.5.2 轴的结构设计 .123.5.3 轴强度的校核 .13II3.6 进给液压系统设计 .143.6.1 负载分析 .143.6.2 液压缸执行元件主要参数的确定 .163.
8、7 本章小结 .22第 4 章 自动钻床控制系统设计 .234.1 自动钻床的自动化控制要求 .234.2 可编程控制器 PLC 的简述 .234.3 自动钻床主轴进给系统控制流程 .244.4 钻床进给系统电气原理图 .264.5 PLC 控制系统程序设计如下图 .274.6 本章小结 .28第 5 章 设计总结 .29参考文献 .30致谢 .31基于 PLC 的台式钻床控制系统改造及其进给系统设计 作者：田素坤 第 1 页 共 31 页第 1 章 绪论1.1 研究的目的意义当今社会，在现实生产中，存在自动化程度不高，难以进行大批量的生产；工作效率低，且工人的工作环境恶劣；占用人力较多，操作
9、固定不变易出错；精度不高，工件装夹费时，加工产品质量不高问题，因此，我们要在实现钻床加工的自动化、减少生产力的投入生产和与其它工艺流程相结合等问题上来解决这些问题，同时也要考虑经济问题。我们可以通过对钻床机构的改造来实现自动化控制的要求，提高产品的加工精度及质量；通过导入先进的控制系统来进行自动操控，从而实现自动化控制。所以，本文研究的是基于 PLC 的台式钻床控制系统改造及其进给系统设计。1.2 问题的提出、分析以及解决方案钻床指主要是用钻头在工件上加工孔的机床。通常钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进给运动。钻床结构简单，加工精度相对较低，可钻通孔、盲孔，更换特殊刀具，可扩、锪孔，铰孔或进行
10、攻丝等加工。加工过程中工件不动，让刀具移动，将刀具中心对正孔中心，并使刀具转动（主运动）。钻床的特点是工件固定不动，刀具做旋转运动.由现存的状况分析我们可以看出，在机床加工中钻床的加工工作量在总制造工作量中占有很大的比重。钻床为孔加工机床，按其结构形式不同可以分为摇臂钻床、立式钻床、卧式钻床、深孔钻床、多轴钻床等。主要用来进行钻孔、扩孔、绞孔、攻丝等。长期以来我国的机械机械制造工业中孔类加工多数由传统钻床来完成，但是传统的钻床在大批量生产时存在许多的不足之处：（1）自动化程度不高.，难以进行大批量的生产；（2）工作效率低，且工人的工作环境恶劣；（3）占用人力较多，操作固定不变易出错；（4）精度
11、不高，工件装夹费时；（5）加工产品质量不高；针对以上传统钻床的不足之处及生产中存在的问题，我们有必要对传统钻床进行结构改进。通过对传统钻床手动的进给系统、夹紧系统的改进和设计，从而提高产品质量和生产效率，实现自动化，降低劳动强度及工作量。基于 PLC 的台式钻床控制系统改造及其进给系统设计 作者：田素坤 第 2 页 共 31 页当前传统钻床问题的存在主要在于自动化程度、生产效率、工作环境及产品质量。在生产过程中，手动的操作、繁锁的装夹、大量生产力的投入和单一的生产流程导致了钻床加工的自动化程度低、生产效率低、工作环境恶劣和产品质量不高，因此，我们要解决的问题在于如何实现钻床加工的自动化、减少生
12、产力的投入生产和与其它工艺流程相结合，同时也要考虑经济问题。经过分析，我们可以从机构设计和控制系统两方面去考虑。通过对钻床机构的改造来实现自动化控制的要求，提高产品的加工精度及质量；通过导入先进的控制系统来进行自动操控，从而实现自动化，便于导入到其它生产流程中去。为了解决问题和便于设计改造，我们将钻床分为进给系统、夹紧系统和控制系统三部分，下面分别对它们的问题提出解决方案：（1）进给系统 传统的钻床主轴进给系统主要由主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条和轴承等组成。主轴在加工时即要作旋转运动，也要作轴向的进给运动。机床主轴被装置在主轴套筒内，套筒放置在主轴箱体孔的镶套内，主轴上侧由花键连接。
13、机床加工时，旋转运动由花键传入，而进给运动则由齿轮通过齿条带动套筒在镶套内运动。为了实现自动化控制的要求，主轴进给机构改进主要有：主轴旋转运动依然由电动机传入，而进给则由液压传动替代手动的齿条传动，通过液压控制系统来实现进给动作。 1（2）夹紧系统 传统钻床的夹紧主要是手工操作，由夹具夹紧工件。为了便于实现自动化控制，工件夹紧由夹具完成，动力源由夹紧液压缸导入，通过液压控制系统来实现夹紧动作的自动化。（3）控制系统 当前机床控制系统主要由计算机数控、继电器电气控制和 PLC控制等，由于继电器电气控制系统，其联动关系复杂，维修困难，故障率高，经常影响正常生产，计算机数控造价高、系统复杂，而 PL
14、C 控制系统可靠性好、造价低、抗干扰能力强、柔性好、编程简单、使用方便、扩充灵活、功能完善，所以我们利用 PLC 控制技术来实现对进给系统和夹紧系统的控制。 2基于 PLC 的台式钻床控制系统改造及其进给系统设计 作者：田素坤 第 3 页 共 31 页第 2 章 自动钻床的总体设计方案2.1 自动钻床的改造方案的确定与传统台式钻床的制造相比较，改造后的自动钻床基本加工有很大的调整，这其中主要是导入了液压进给系统和 PLC 控制系统。根据生产要求，自动钻床的动作流程如下： 19启动（电源及控制模块）放料自动夹紧主轴快进主轴工进主轴停留主轴快退夹具松开出料电机停转钻床主要部分的动作流程图如下（图 2-1）：图 2-12.2 执行系统的方案设计机械执行系统的方案设计是机械总体方案设计的核心，也是整个机械设计工作的基础。执行系统方案设计的好坏，对机械能否完成预期的功能目标，起着决定性的作用。机械执行系统方案设计的过程主要包括七个步骤，分别是：1.功能原理设计；2.运动规律设计；3.执行机构型式设计；4.执行系统协调设计；5.机构尺度设计；6.运动和动力分析；7.方案评价。
