機電一體化技術(shù)改造設(shè)計論文

1、 機電一體化技術(shù)改造設(shè)計論文 摘 要對開滑動軸承內(nèi)孔精鏜加工是該類產(chǎn)品工藝流程的最后一道工序，也是其全部機械加工工序中的關(guān)鍵工序，本工序的加工質(zhì)量直接影響所在主機的綜合工作質(zhì)量，該鏜削專用機床的自動化水平是提高加工效率的主要技術(shù)環(huán)節(jié)，而其中鏜削結(jié)束后的主軸定向停止退刀問題又是本機床自動控制系統(tǒng)中的技術(shù)難點。本畢業(yè)設(shè)計論文文在分析加工過程的基礎(chǔ)上論述了采用PLC對控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造的意義并對相關(guān)技術(shù)問題予以說明?！娟P(guān)鍵詞】 滑動軸承 可編程控制器 機械切削 技術(shù)改造第一章 概論1.1工藝設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)問題對開滑動軸承是各類內(nèi)燃機中的重要工作部件，軸承內(nèi)孔精鏜加工是該類產(chǎn)品工藝流程的最后關(guān)鍵工序

2、，內(nèi)孔精鏜加工設(shè)備通常采用機電液一體化的專用鏜床，采用電液聯(lián)合控制加工過程中的工件夾緊、快進(jìn)、工進(jìn)、快退、工件松開等運動，執(zhí)行過程均由液壓系統(tǒng)完成，鏜削結(jié)束主電機停止時應(yīng)進(jìn)行刀具角位置檢測、調(diào)整，在刀具切削刃位于允許的退刀角位置范圍內(nèi)時執(zhí)行退刀操作，長期以來影響該工序技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵技術(shù)問題是如何實現(xiàn)加工結(jié)束退前刀具角位置的檢測、快速調(diào)整及機電液聯(lián)合控制，以保證加工的高質(zhì)量和高效率。主軸定向制動退刀問題顯然是本工序提高加工質(zhì)量和工作效率的技術(shù)要點。本畢業(yè)設(shè)計論文文在分析該類工件加工工藝過程和加工專用設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上討論了采用PLC對控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造的過程并對設(shè)備技術(shù)改造相關(guān)技術(shù)問題

3、予以說明。軸承制造業(yè)的工程技術(shù)人員為解決該問題多年來設(shè)計研發(fā)了許多方案，例如人工手動調(diào)節(jié)方法，主軸電機點動調(diào)節(jié)方法，模擬數(shù)控機床的主軸準(zhǔn)停調(diào)節(jié)方法等。但是這些方法在實際應(yīng)用中都存在著不同程度的技術(shù)缺陷和操作應(yīng)用的不理想狀態(tài)，如人工調(diào)節(jié)法，必然是費時費力且十分不安全，主軸電機點動調(diào)節(jié)法則是典型的以犧牲加工效率為代價換取加工自動化的沒有實用價值的控制方法，而模擬仿用數(shù)控機床的主軸準(zhǔn)?；蛑鬏SC軸功能技術(shù)來解決該工序的定向退刀問題顯然是采用具有寬泛技術(shù)功能的軟、硬件功能單元解決本身功能單一、專門化程度高的技術(shù)問題，很明顯又是高成本、不合算的大馬拉小車類的無奈的技術(shù)方案。在本設(shè)計中，為更好地解決對開滑動

4、軸承內(nèi)孔精鏜機床定向退刀問題，并且使本設(shè)計確實具有實用，安全，經(jīng)濟，可靠，體積小，重量輕，環(huán)保無污染，我們在指導(dǎo)教師的幫助下對該技術(shù)現(xiàn)象，問題的提出，歷史上的各類方案的特點、技術(shù)優(yōu)勢、可取之處、存在的問題和不足等逐一進(jìn)行了分析和討論，提出我們的創(chuàng)意和設(shè)計思路，再經(jīng)反復(fù)的分析對比，最終確定為機、電、液聯(lián)合控制、驅(qū)動工作方式， 其中的控制系統(tǒng)則大膽的采用當(dāng)今全球極為風(fēng)靡的高度柔性，高可靠，高自動化性能的可編程控制器（PLC），由PLC統(tǒng)一控制管理機床傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、檢測調(diào)節(jié)伺服系統(tǒng)，方便、可靠、迅速地完成主軸刀具在正確的角位置范圍內(nèi)準(zhǔn)停及退刀，從而真正實現(xiàn)該工序真正意義的半自動化加工，既可確保

5、內(nèi)孔精鏜加工質(zhì)量，又可大幅度的提高加工效率，并且十分顯著的降低操作人員的勞動強度，該技術(shù)方案一定可以為相關(guān)制造業(yè)帶來可觀的技術(shù)經(jīng)濟效益和人文社會效益1.2工藝設(shè)備的歷史狀況簡析回顧軸承內(nèi)孔精鏜加工，不同企業(yè)在生產(chǎn)中使用過多種不同類型的專用機床，加工結(jié)束后的主軸定向停止控制同樣曾有若干種不同的方式方法。例如曾經(jīng)在許多加工企業(yè)長期廣泛使用的人工主軸角位置觀察調(diào)整，每一次鏜削結(jié)束，主軸停止并制動后由操作者目測觀察刀具和加工半圓表面的位置關(guān)系，若刀具刀位點恰好脫離以加工表面，則可手動換向操作使工作臺返回加工起點，否則即由人工手動的方式攀動主軸鏜刀桿，使刀具轉(zhuǎn)動到非加工區(qū)域，然后再執(zhí)行退刀返回操作。毋庸

6、置疑這種角位置判斷調(diào)整方法完全依賴加工者的熟練程度和工作態(tài)度，雖然設(shè)備簡單，加工成本低，但是很高的勞動強度和極低的工作效率已注定該方法是沒有生命力的原始的落后的工藝方案。主軸電機配合角位置傳感器的點動調(diào)整方案在國內(nèi)許多軸瓦加工企業(yè)曾經(jīng)使用過一個階段，該方案的特點是在主軸尾端設(shè)置安裝角位置傳感器（例使用光電式角位置傳感器、感應(yīng)式角位置傳感器、霍爾磁場式角位置傳感器等）鏜削結(jié)束，主軸停止并制動后首先由傳感器檢測主軸角位置，若刀具刀位點位于菲加工表面，則自動換向使工作臺返回加工起點，若檢測結(jié)果是刀具切削刃位于加工表面內(nèi)，檢測信號立刻驅(qū)動執(zhí)行主軸點動、制動，刀具角位置的再次檢測，力圖以這樣的方式使刀具

7、脫離退刀禁止?fàn)顟B(tài)，但是由于主軸電機的極高轉(zhuǎn)速（約3000r/min），點動后的隨機狀態(tài)將導(dǎo)致刀位點的不確定性，若檢測的結(jié)果仍然是刀位點位于已加工表面，則再一次執(zhí)行下一次的點動調(diào)整操作，可以清楚地看到該方案顯然是以犧牲加工效率為代價而勉強換取加工自動化和降低勞動強度，由于調(diào)整方案的粗糙、不合理和非人性化而不具有使用價值。模擬數(shù)控機床主軸準(zhǔn)?？刂品绞降恼{(diào)整是模仿移植數(shù)控機床中的主軸準(zhǔn)停功能機電一體化裝置或采用數(shù)控機床主軸C軸功能技術(shù)措施完成本機床主軸定向停止控制，數(shù)控機床的主軸準(zhǔn)停功能機構(gòu)主要應(yīng)用于刀具庫的換刀輔助操作，因其準(zhǔn)停定位精度要求較高，所以機構(gòu)的檢測調(diào)節(jié)和定位止動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精度高，技

8、術(shù)難度大而成本高，采用這樣的措施完成本機床的功能單一的主軸定向停止控制的性價比是很低的。而數(shù)控機床的C軸功能是NC系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸控制加工功能，使用的圓光柵和光電編碼盤等傳感器完成角位置檢測，反饋，再由NC系統(tǒng)完成聯(lián)動插補軌跡控制實現(xiàn)工件輪廓切削加工，其工作精度和控制要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本機床工作工藝要求，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜價格昂貴，顯然仍是高成本低效益的控制方案。這些方式雖然可以完成鏜削后主軸角位置調(diào)整控制任務(wù)，但作為專用設(shè)備和特定工藝的控制要求加以應(yīng)用均存在一定的技術(shù)缺陷，其中人工觀察調(diào)整必然是費時費力低效且安全性差的方案；主電機點動調(diào)整方式顯然是以犧牲工作效率為代價而換取加工過程自動化的不實用的控制方

9、案；而移植數(shù)控機床中的主軸準(zhǔn)停功能或采用主軸C軸功能技術(shù)完成本機床的功能單一的主軸定向停止控制則又是高成本低效益的控制方案。由此分析可見，必須采用可靠、高效、低成本的主軸定向停止控制方法才是優(yōu)化本機床控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。并且該方案要適應(yīng)特定的控制精度要求以求得結(jié)構(gòu)簡化，技術(shù)改造成本低廉，具有較高的性能價格比。1.3畢業(yè)設(shè)計的基本內(nèi)容和意義本畢業(yè)設(shè)計方案的設(shè)計要點是在指導(dǎo)教師的總體設(shè)計改造方案條件下，通過對該軸瓦專用精鏜機床加工工藝要求和加工工作過程的分析，通過對該機床工作流程的分析，通過對該機床完成加工個工步對控制系統(tǒng)功能要求的分析，通過對加工設(shè)備機、電、液個功能部件的組成結(jié)構(gòu)和工作原理的

10、分析，通過對各種控制方案的控制特點，系統(tǒng)功能，控制能力和控制精度水平，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和難易程度、技術(shù)含量、可靠性和穩(wěn)定性、安全性能和經(jīng)濟性的綜合分析，制定編寫切實可行，性價比高，安全可靠且技術(shù)含量高穩(wěn)定性好的控制系統(tǒng)方案，在通過對設(shè)計方案的進(jìn)一步論證，查閱相關(guān)資料，咨詢指導(dǎo)教師，對方案進(jìn)一步改進(jìn)完善，進(jìn)一步提高方案的理論上的正確性和完整性，然后繪制機械改造部件的裝配圖工作圖樣，繪制改造后的機床液壓系統(tǒng)工作原理圖，繪制控制系統(tǒng)硬件部分原理圖工作圖樣，繪制控制軟件流程圖和用戶控制程序控制梯形圖，在設(shè)計方案基本完整和設(shè)計圖樣繪制結(jié)束的基礎(chǔ)上，撰寫設(shè)計論文，論文撰寫力求條理清晰，論據(jù)充分，表述全

11、面完整，所有的技術(shù)改造設(shè)計內(nèi)容和技術(shù)條件均進(jìn)行充分細(xì)致的討論分析論述，相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)和設(shè)計工作參數(shù)應(yīng)列出明確條理的數(shù)據(jù)表格，尤其是對控制系統(tǒng)改造設(shè)計采用的可編程控制器部分的硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件程序的設(shè)計內(nèi)容、控制原理、組成特點、軟件結(jié)構(gòu)程序流程基本思路等關(guān)鍵技術(shù)部分的關(guān)鍵內(nèi)容和要點，在論文中更必須認(rèn)真條理的予以論證和說明。所達(dá)到的設(shè)計基本要求就是在可編程控制器（PLC）管理下，由高速切削并配合傳感器采樣、判斷、低速調(diào)整的機電一體化主體。第二章 機床工作原理2.1 機床的組成剖切滑動軸承（即軸瓦，對開滑動軸承）內(nèi)孔圓柱表面精鏜加工專用設(shè)備在國內(nèi)大多數(shù)軸瓦行業(yè)基本均使用臥式結(jié)構(gòu)布局的液壓傳動專用鏜床，

12、這類機床主要由床身、鏜削主軸箱、工作臺、鏜削工藝裝備液壓夾具、機床液壓傳動系統(tǒng)、檢測裝置和電氣控制系統(tǒng)等部件組成，其中鏜削主軸箱目前高檔的加工設(shè)備已升級為為靜壓主軸支承結(jié)構(gòu)以確保鏜削質(zhì)量，而中低檔的加工機床則使用單油契動壓滑動軸承主軸支承結(jié)構(gòu)或使用雙列短圓柱滾子軸承構(gòu)成機床主軸支承，檢測控制系統(tǒng)一般位于機床主軸的尾端，采用的角位置檢測器件多采用感應(yīng)檢測傳感器件或光電檢測傳感器件，（完全沒有必要采用價格昂貴的高精度高分辨率的角位置檢測傳感器，例如圓光柵，光電編碼盤圓感應(yīng)同步器等）改造后的控制系統(tǒng)中包括PLC控制單元和機床強電工作部分。機床組成簡圖見圖1。圖1 機床組成結(jié)構(gòu)原理圖1監(jiān)測裝置 2主軸

13、電機及調(diào)整裝置 3主軸箱 4終點位置開關(guān)5鏜桿 6刀具 7工進(jìn)點位置開關(guān)8夾緊油缸9鏜削夾具10工作臺 11碰塊 12起點位置開關(guān)13床身 14進(jìn)給油缸2.2機床液壓系統(tǒng)的組成和工作原理為提高加工效率并減輕勞動強度，目前該類機床的加工過程循環(huán)及工件夾緊松開機構(gòu)操作均采用液壓傳動工作方式，并通過電液聯(lián)合控制實現(xiàn)半自動循環(huán)。為使緊壓力穩(wěn)定以保證加工質(zhì)量和工作安全性，系統(tǒng)中夾緊油缸的工作壓力由系統(tǒng)工作壓力經(jīng)減壓閥二次調(diào)節(jié)后提供。2個壓力繼電器的作用是向PLC控制系統(tǒng)提供系統(tǒng)系統(tǒng)工作壓力和夾具的夾緊壓力信息，以確保加工過程中進(jìn)給速度穩(wěn)定，正常的快進(jìn)快退速度及加工中的人生安全和設(shè)備安全。在工件夾緊液壓回

14、路中，為防止加工中因閥用電磁鐵意外失電使油路換向而造成夾具松開從而引發(fā)人生設(shè)備事故，特別地將該回路設(shè)計成閥用電磁鐵得電松開工件、失電夾緊工件的工作方式。液壓系統(tǒng)原理圖見圖2。圖2 機床液壓系統(tǒng)原理圖1- 二位四通電磁閥 2鏜削胎具 3工件 4壓板 5夾緊油缸6終點位置開關(guān)7工進(jìn)點位置開關(guān) 8工作臺 9起點位置開關(guān) 10導(dǎo)軌11碰塊12進(jìn)給油缸13三位四通電磁閥 14夾緊壓力繼電器15減壓閥16溢流閥 17系統(tǒng)壓力繼電器 18調(diào)速閥 19二位二通電磁閥20油泵21濾油器 22聯(lián)軸器23三相異步電機 24油箱當(dāng)液壓泵啟動后，若供油系統(tǒng)正常，當(dāng)系統(tǒng)工作壓力達(dá)到溢流閥的設(shè)定壓力時，壓力繼電器KP1激活

15、動作，其常開觸頭動作閉合，并將該系統(tǒng)壓力正常信號經(jīng)PLC的X14輸入點送至PLC。PLC控制系統(tǒng)首先在初始化階段驅(qū)動工作臺返回加工起點SQ1處，SQ1的常開觸頭閉合信號使夾緊油路二位四通電磁閥的電磁鐵DT4得電，夾緊油路的二位四通電磁閥換向，夾緊缸活塞上行，驅(qū)動夾具松開，進(jìn)入工件裝夾準(zhǔn)備狀態(tài)。在操作者將工件放置于夾具中的正確位置并按下加工啟動按鈕SB3，則DT4失電油路換向，夾緊油缸活塞下行將工件夾緊，當(dāng)夾緊缸工作油腔壓力上升至設(shè)定的夾緊壓力時；夾緊缸上腔的夾緊壓力將使夾緊壓力繼電器KP2激活，KP2的常開觸頭閉合，KP2的繼電器動作信號經(jīng)X15輸入PLC，使三位四通電磁閥的電磁鐵DT1得電，

16、油路換向，其右位機能使進(jìn)給油缸活塞左行，驅(qū)動工作臺向左，油缸左腔的回油經(jīng)二位二通電磁閥直接回油箱，工作臺拖動夾具系統(tǒng)向左執(zhí)行快進(jìn)運動；當(dāng)工作臺上的碰塊11觸及工進(jìn)點位置開關(guān)SQ2時，二位二通電磁閥的電磁鐵DT3得電，切斷了進(jìn)給油缸左腔的直通回油油路，左腔的回油僅可通過調(diào)速閥18回油箱，向左的進(jìn)給速度受調(diào)速閥控制而下降至設(shè)定的工進(jìn)速度，同時主軸電機啟動，進(jìn)入工作進(jìn)給和鏜削加工，當(dāng)左行至左極限位置鏜削結(jié)束時，碰塊觸及左極限終點位置開關(guān)SQ3，該信號使DT1失電，向左的運動停止，DT3失電回油路又轉(zhuǎn)換為直通、 主電機停止并制動；此時控制系統(tǒng)進(jìn)行主軸角位置檢測和調(diào)整，當(dāng)檢測到或調(diào)整到主軸角位置正確即刀

17、具切削刃位于設(shè)定的非加工區(qū)域內(nèi)時，叫位置檢測正確信號觸發(fā)DT2，進(jìn)給油缸左腔進(jìn)油，右腔經(jīng)二位二通電磁閥直接回油，工作臺快速右移快退，當(dāng)碰塊觸及加工起點的位置開關(guān)SQ1時，DT2失電工作臺靜止，DT4得電夾具松開，一個工作循環(huán)結(jié)束。2.3 角位置檢測原理鏜削結(jié)束退刀之前的主軸角位置檢測方法很多，由于本專用鏜床退刀時允許刀具停止?fàn)顟B(tài)的角位置區(qū)域范圍較大，檢測精度及控制要求較低，因此不需要使用具有柔性功能高精度高分辨率的角位置傳感器，綜合考慮檢測要求、檢測精度及技術(shù)改造的經(jīng)濟性，實用性和可靠性，擬設(shè)計采用圖3所示的光電傳感方式的角位置檢測裝置。在主軸后端固定安裝一光電檢測盤，該盤采用高強度透明有機材

18、料，檢測盤的200º范圍扇形區(qū)域涂黑而成為不透明狀態(tài)，裝配在主軸上時應(yīng)使刀具切削刃位于160º透明扇形區(qū)的中心線角位置處，檢測光源和光電繼電器組件分別位于該盤兩側(cè)的圖示位置。按圖示位置關(guān)系可知，在鏜削結(jié)束主軸電機制動后，若刀具位于上半周160º角度范圍內(nèi)時，經(jīng)聚焦后的光束可穿透光電檢測盤的透明區(qū)域而使光敏繼電器激勵，該信號觸發(fā)DT2產(chǎn)生退刀運動，因而可確保退刀時刀具刃口不會和位于下半周的已加工表面發(fā)生干涉；否則若刀具位于下半周加工區(qū)角范圍內(nèi)，光源光束被涂黑區(qū)域遮擋，該非激勵狀態(tài)信號會啟動執(zhí)行角位置調(diào)整操作，直至刀具角位置正確后才可獲得光電繼電器激勵信號而產(chǎn)生退刀運

19、動。 圖3 光電檢測裝置原理圖1光源 2聚光鏡 3光電檢測盤 4光電繼電器 5主軸 6刀具 7胎具 8工件 9壓板第三章技術(shù)改造設(shè)計3.1 主軸角位置調(diào)整方法及部件改裝由上述分析可知，退刀前在檢測到角位置錯誤狀態(tài)信號時必須進(jìn)行角位置調(diào)整，如前所述曾經(jīng)使用過的角位置調(diào)整方法均存在一定的不足和缺陷，角位置調(diào)整的正確思路應(yīng)該是以較低的角速度執(zhí)行角位置調(diào)整，調(diào)整過程中同步進(jìn)行角位置檢測，一旦檢測到刀具進(jìn)入允許退刀的非加工表面家位置區(qū)域的臨界邊緣時，檢測信號立即停止角位置調(diào)整運動，并且開始執(zhí)行工作臺向右的退刀運動。一種較經(jīng)濟、實用可靠的結(jié)構(gòu)方案原理如圖4所示 該裝置分別使用主軸電機和小功率的調(diào)節(jié)電機獨立

20、完成鏜削加工驅(qū)動和低速小功率的調(diào)節(jié)驅(qū)動，兩種不同的工作內(nèi)容由傳動裝置中的電磁離合器實現(xiàn)二者工作狀態(tài)隔離和切換。由于調(diào)節(jié)運動必須使用轉(zhuǎn)速很低的轉(zhuǎn)動，所以在裝置中設(shè)置了減速比極大的諧波減速器，由諧波減速器將調(diào)節(jié)電機的高轉(zhuǎn)速減至很低的調(diào)節(jié)速度輸出，使主軸得到大約每分2030轉(zhuǎn)的低調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。鏜削加工時，電磁離合器3失電分離，調(diào)節(jié)電機5停止，主軸電機2運轉(zhuǎn)，其高切削轉(zhuǎn)速經(jīng)三角皮帶輪傳輸至鏜頭主軸進(jìn)行鏜削加工，此加工狀態(tài)不會對電磁離合器右側(cè)的低速調(diào)節(jié)部分產(chǎn)生任何影響和干涉；在刀具角位置調(diào)整時則主軸電機2停止，調(diào)節(jié)電機5啟動運轉(zhuǎn)，電磁離合器3得電結(jié)合，則電機5的高轉(zhuǎn)速首先經(jīng)諧波減速器4減速，產(chǎn)生約20轉(zhuǎn)/分

21、的低調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，再經(jīng)已結(jié)合的電磁離合器3和主軸電機2的轉(zhuǎn)子并通過三角皮帶輪將調(diào)節(jié)速轉(zhuǎn)動送至鏜頭主軸，在主軸調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動的同時控制系統(tǒng)同步啟動檢測裝置進(jìn)行角位置檢測，一旦刀具轉(zhuǎn)入退刀允許的角范圍內(nèi)，則光電繼電器的激勵信號停調(diào)整電機5，電磁離合器4失電分離，同時DT2得電驅(qū)動進(jìn)給油缸活塞右行退刀。由于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速很低，在退刀過程中鏜桿因慣性所致的轉(zhuǎn)動幅度很小，在整個退刀過程中確定刀具不會進(jìn)入已加工區(qū)域，因而可確保刀具不會和已加工表面發(fā)生干涉。在工作臺碰塊觸及起點位置開關(guān)SQ1時，DT2失電工作臺靜止，同時DT4得電夾具松開，一個加工循環(huán)完成。本角位置調(diào)節(jié)機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有二個特點 第一，采用大減速比的諧波減速

22、器，單級齒輪傳動比可達(dá)50500，并且具有承載能力大，傳動精度高，齒側(cè)間隙小，傳動平穩(wěn)，效率高，體積小，重量輕等顯著技術(shù)優(yōu)勢，機構(gòu)中通過諧波減速器可簡單且方便地獲得約20r/min的很低的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而避免因調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速過高而難以控制使刀具確定的調(diào)整至非加工表面角位置區(qū)域，而且同軸輸出，結(jié)構(gòu)簡單，裝配調(diào)試方便，技術(shù)可行且性價比比高。第二，結(jié)構(gòu)中的電磁離合器可以可靠的結(jié)合或分離調(diào)節(jié)驅(qū)動速度單元和加工驅(qū)動速度單元，分離時加工速度單元正常輸出高速切削轉(zhuǎn)速至主軸箱完成鏜削加工，結(jié)合時主電機停止且調(diào)節(jié)電機啟動，調(diào)節(jié)電機的高轉(zhuǎn)速由諧波減速器減至約20r/min，經(jīng)結(jié)合的電磁離合器和主電機的自由狀態(tài)的轉(zhuǎn)子傳輸至

23、主軸箱，完成低轉(zhuǎn)速角位置調(diào)節(jié)。3.2控制系統(tǒng)改造方案選擇較早時期的該類機床控制系統(tǒng)較多地采用繼電器控制裝置，由于此類裝置體積大，接線復(fù)雜，功能固定，體積大，功耗大且故障率高可靠性差，故本機床控制系統(tǒng)設(shè)計不予考慮；采用單片機控制系統(tǒng)具有較高的性價比，但控制系統(tǒng)則需進(jìn)行難度較大的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計和抗干擾設(shè)計，須進(jìn)行工作量較大的硬件組裝，開發(fā)周期長且技術(shù)難度較大，對此類并無較多柔性控制功能要求的小批量的專用機床并非適宜。綜合機床加工工藝對系統(tǒng)控制功能的要求等各種因素，對各類控制方式進(jìn)行對比，設(shè)計方案中首選采用可編程控制器（PLC）組成機床控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。3.2.1可編程控制器（PLC）技術(shù)特點可編

24、程控制器（PLC）是20世紀(jì)60年代問世的建立在計算機控制基礎(chǔ)上的一種新型通用控制設(shè)備，PLC將計算機控制系統(tǒng)通用性能理想，功能完美，應(yīng)用靈活等技術(shù)優(yōu)勢和繼電接觸器控制系統(tǒng)直觀易學(xué)，簡單易懂，價位低廉，操作方便等優(yōu)點完美的結(jié)合，具有良好的柔性控制功能、執(zhí)行速度快、系統(tǒng)功能完善、通用性好、功能強大的優(yōu)勢，大規(guī)模集成電路技術(shù)的應(yīng)用，完善的自診斷功能，光耦、濾波、屏蔽、穩(wěn)壓等一系列抗干擾技術(shù)措施的應(yīng)用有效的提高了抗干擾性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)使用特有的面向控制問題的自然語言編程容易，尤其是廣泛采用與繼電器電路極為相似的梯形圖語言使程序設(shè)計具有繼電器電路系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計直觀、快捷的特點，PLC的軟繼電器以及

25、由指令實現(xiàn)的軟接線柔性控制功能可以根據(jù)用戶的控制要求任意靈活組合，在控制系統(tǒng)的硬件裝配確定后，用戶可以通過修改應(yīng)用程序來適應(yīng)工藝過程的變化調(diào)整或工作方式在硬件系統(tǒng)可以匹配執(zhí)行的新的控制內(nèi)容，PLC產(chǎn)品的系列化和標(biāo)準(zhǔn)化使PLC應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試、維修具有周期短，無需進(jìn)行高難度的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計施工的特點，而且PLC系統(tǒng)的功耗低，結(jié)構(gòu)緊湊，堅固，體積小，人機界面友好，平均五故障率為35年，系統(tǒng)的插件結(jié)構(gòu)可使平均修復(fù)時間約10min左右，可使用技術(shù)壽命高于10年，輸入輸出接口I/O模塊可直接與AC220V，DC24V、48V輸入輸出信號連接，輸出驅(qū)動功率大，可直接驅(qū)動2A以下的負(fù)載，有較高的性

26、價比，尤其適合現(xiàn)代機電一體化機械加工設(shè)備更新?lián)Q代的控制系統(tǒng)應(yīng)用。PLC技術(shù)已與工業(yè)機器人技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)并列成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大支柱。正是由于PLC在自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用具有許多理想的技術(shù)優(yōu)勢，所以眾多應(yīng)用實例已充分證明PLC應(yīng)用于機床技術(shù)改造尤其是應(yīng)用于以開關(guān)量為主的控制系統(tǒng)改造的確是理想的選擇方案，事實上PLC在傳統(tǒng)機床技術(shù)進(jìn)步控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用已日趨廣泛。其應(yīng)用的領(lǐng)域日漸擴大，從加工設(shè)備的單機自動化到生產(chǎn)線的自動化，F(xiàn)MS應(yīng)用，PLC均擔(dān)任著十分重要的技術(shù)角色，其技術(shù)意義和控制優(yōu)勢在現(xiàn)代化大生產(chǎn)的自動控制和管理領(lǐng)域中勢必發(fā)揮出更為重要的作用。3.2.2 可編程控制器（P

27、LC）選型根據(jù)機床改造技術(shù)要求及控制規(guī)模，本設(shè)計采用FX2系列FX2-48MR型的 PLC。該款PLC為整體結(jié)構(gòu)的基本單元，具有24個輸入點和24個輸出點，采用繼電器輸出可以分別適應(yīng)交流負(fù)載（如交流接觸器電磁線圈，交流閥用電磁鐵等）和直流負(fù)載（如光電繼電器，顯示發(fā)光二極管等）。因PLC對系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，IO接口功能，應(yīng)用程序設(shè)計語言，抗干擾措施等一系列技術(shù)內(nèi)容均已作了理想周密的設(shè)計和技術(shù)處理，在組成PLC應(yīng)用控制系統(tǒng)時，用戶所需進(jìn)行的工作主要是外部輸入設(shè)備、輸出設(shè)備與PLC的接線及編號，根基工作要求的用戶控制程序設(shè)計以及通過編程器輸入用戶程序后所進(jìn)行的相對其他類型控制器而言更為方便快捷的模擬調(diào)試

28、和聯(lián)機調(diào)試。3.3 輸入信號及輸出信號的配置 3.3.1 輸入信號及輸入器件PLC的輸入信號是PLC在每個掃描周期第一階段所采樣的來自現(xiàn)場的實時命令信息和設(shè)備狀態(tài)信息，是PLC在第二階段進(jìn)行邏輯運算按控制程序產(chǎn)生輸出信號的依據(jù)。該機床加工功能所要求的輸入信號應(yīng)包括控制按鈕、位置開關(guān)、壓力繼電器、光電繼電器、主電路中的熱繼電器等開關(guān)量信號，考慮操作及調(diào)試要求還需設(shè)置工作方式選擇開關(guān)，以選擇自動加工、進(jìn)給及退回點動和主軸點動等工作方式，另外還需設(shè)有急停按鈕以策加工安全。為提高系統(tǒng)可靠性，減小非操作干擾因素的影響，全部采用開關(guān)量電器的動合觸頭作輸入信號。該機床輸入信號如表1所示。3.3.2 輸出信號

29、及輸出設(shè)備PLC輸出信號是PLC采樣現(xiàn)場輸入信號后，根據(jù)用戶程序規(guī)定的控制功能進(jìn)行邏輯運算，經(jīng)放大于第三階段刷新至輸出端的控制信號，輸出信號直接用于改變控制被控對象的工作狀態(tài)，以完成加工工藝要求規(guī)定的工作內(nèi)容。該機床輸出信號所控制的外部設(shè)備主要包括交流異步電機、液壓系統(tǒng)的閥用電磁鐵、電磁離合器、傳感器、主電機制動裝置和LED顯示器等，本機床輸出信號如表2所示。設(shè)計安排輸入輸出點時，應(yīng)在滿足控制要求的前提下注重考慮系統(tǒng)的性價比，從而減少系統(tǒng)硬件的投資成本以獲得最大的技術(shù)經(jīng)濟效益。于本系統(tǒng)則可直接充分使用接觸器等強電電器的輔助觸頭驅(qū)動LED顯示器，再就是正確利用軟件的方法取代硬件的功能，從而盡可能

30、減少PLC輸入輸出點的數(shù)量，這也是技術(shù)改造工作中通常應(yīng)該予以考慮的問題。 3.4 輸入輸出接口電路及系統(tǒng)強電電路設(shè)計3.4.1 PLC的I/O端口接線設(shè)計根據(jù)上述的輸入輸出點編號即可設(shè)計出本系統(tǒng)PLC的I/O外部接線圖。因為在啟動機床后因任何原因所導(dǎo)致的任何一個熱繼電器的過載動作都是系統(tǒng)故障信號，所以在PLC的輸入口接線端X17點接入的是油泵電機、主軸電機、調(diào)節(jié)電機和電磁離合器這四個強電工作電器的熱繼電器常開觸頭的并聯(lián)電氣狀態(tài)信號，其中任何一個電器在工作中過載都將使X17點激活有效，再由PLC在程序處理階段中針對X17有效進(jìn)行相應(yīng)的故障處理，由此可省下3個輸入點，既降低了改造成本又減少了PLC

31、外部接線工作量而且提高了可靠性。同樣地通過使用交流接觸器的常開輔助觸頭和光電繼電器的常開觸頭控制LED顯示器，也可使系統(tǒng)接線簡化并使成本降低。由于該系統(tǒng)輸出端所驅(qū)動外部設(shè)備的工作電壓不一致，（接觸器和電磁閥等使用220V，光電繼電器使用24V，LED顯示器使用5V）所以應(yīng)選用輸出接線端子為共點分組輸出形式的PLC。本系統(tǒng)的I/O接口電路原理圖如圖5所示。3.4.2控制系統(tǒng)強電電路設(shè)計本控制系統(tǒng)強電部分既包括一般繼電接觸電路的主電路單元，又包含有PLC輸出繼電器的輸出觸點驅(qū)動執(zhí)行電器電磁線圈工作單元。控制電路中所有工作電器的邏輯處理全部由PLC系統(tǒng)完成，PLC在每個掃描周期第一階段采樣來自操作面

32、的人工控制命令和來自機床設(shè)備的狀態(tài)信息，并在第二階段依據(jù)輸入端條件狀態(tài)執(zhí)行用戶梯形圖程序，完成程序規(guī)定的邏輯運算，然后然后在第三階段將邏輯運算結(jié)果刷新PLC輸出繼電器，再由經(jīng)刷新后的輸出繼電器的物理觸頭的閉合/斷開狀態(tài)驅(qū)動或復(fù)位對應(yīng)的電磁線圈、LED顯示器等工作器件，從而控制機床完成工藝要求規(guī)定的一系列運動并同步提供機床加工動態(tài)顯示信息。為在意外情況下能夠強制切斷輸出端執(zhí)行電器的工作電源并防止由于供電系統(tǒng)失電后意外供電而非法接通PLC電源，避免可能發(fā)生的人身設(shè)備事故，在強電電路中特別的設(shè)計了由SB7、SB8和KM6組成的零壓保護電路單元，該電路單元的零壓啟動由SB8完成并自鎖，SB7可強制切斷

33、PLC系統(tǒng)工作電源和全部執(zhí)行電器電磁線圈的驅(qū)動電源，電網(wǎng)失電再恢復(fù)時后必須人工啟動零壓才可重新恢復(fù)PLC的運行。在顯示電路單元，因為執(zhí)行進(jìn)給、退回和工進(jìn)的液壓閥用電磁鐵不可能提供同步輔助觸頭，所以進(jìn)給、退回和工進(jìn)動作顯示由PLC的輸出繼電器物理觸頭驅(qū)動相應(yīng)的LED完成，同樣的加工方式和系統(tǒng)故障等工作狀態(tài)的顯示也由PLC輸出點直接驅(qū)動LED完成，該機強電電路原理如圖6所示。而液壓泵電機、鏜削主電機、角位置調(diào)節(jié)電機和電磁離合器工作狀態(tài)的顯示則由相應(yīng)的交流接觸器的常開輔助觸頭驅(qū)動LED執(zhí)行，這樣的電路方式既充分的利用了強點部分低壓電器的控制資源，又合理的節(jié)約了PLC的硬件資源，在完全不影響系統(tǒng)功能的

34、前提下技術(shù)成本下降，提高了經(jīng)濟性。3.5控制程序設(shè)計3.5.1 程序結(jié)構(gòu)概況根據(jù)該產(chǎn)品加工特點和精鏜加工的工藝要求，結(jié)合機床技術(shù)改造的硬件組成，擬定該機床控制程序主要包括四個控制內(nèi)容。 初始化程序部分手動操作程序部分自動加工程序部分公共處理程序部分3.5.2 初始化程序部分 該程序主要包括油泵電機的單按鈕起?？刂疲瑱z測系統(tǒng)工作壓力并和PLC提供的開機初始化單周期脈沖產(chǎn)生初始化主控信號，然后完成工作臺自動返回原點、夾具自動松開等初始化操作，結(jié)束后經(jīng)延時撤消初始化主控信號使該操作僅在開機時執(zhí)行一次。其中的單按鈕油泵啟程序部分可使油泵在按鈕信號X4奇數(shù)次出現(xiàn)時油泵電機執(zhí)行啟動，而偶數(shù)次出現(xiàn)時則執(zhí)行油

35、泵電機停止的操作，該設(shè)計既簡化了操作面板，又簡化了操作方式，并且可以節(jié)約PLC的一個輸出點，提高了經(jīng)濟性，其設(shè)計思路是：（1）由單一啟停按鈕SB2產(chǎn)生X4輸入信號，再將X4轉(zhuǎn)換為微分信號M1。（2）M1啟動油泵電機輸出繼電器Y0，同時計數(shù)器C1對微分信號M1進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)器設(shè)定值為2。（3）當(dāng)?shù)?次按鈕信號出現(xiàn)時，計數(shù)器激活輸出，將油泵電機輸出繼電器Y0復(fù)位，同時復(fù)位計數(shù)器自身，而計數(shù)器復(fù)位后又允許Y0再次啟動，以后的循環(huán)狀況則體現(xiàn)為技術(shù)次啟動而偶數(shù)次斷開。初始化部分主要的控制梯形圖如圖7所示。3.5.3 手動操作程序部分該控制程序的功能是以人工手動的方式完成工作臺雙向的手動調(diào)整運行，夾具手動

36、方式的夾緊與松開工作，主軸固定角位移量點動調(diào)整等操作，其功能是為了方便完成機床故障診斷，機床維修和加工前進(jìn)行的機床調(diào)整。該程序部分的內(nèi)容包括： 由系統(tǒng)壓力和手動方式信號產(chǎn)生主控信號工作臺進(jìn)給方向的點動控制工作臺退回方向的點動控制夾具手動夾緊與松開的控制主軸固定角位移方式的點動調(diào)整操作控制為避免主軸點動操作產(chǎn)生隨機超調(diào)則按時間原則設(shè)計主軸點動控制程序，由點動按鈕輸入信號X6上跳沿微分輸出M2觸發(fā)輔助繼電器M25產(chǎn)生固定時間脈寬的主電機驅(qū)動信號，保證每次點動均可產(chǎn)生較為準(zhǔn)確的固定的主軸角位移。手動操作部分主要控制梯形圖如圖8所示。3.5.4 自動加工程序部分 自動加工程序用于完成從工件夾緊到加工結(jié)

37、束，返回起點并松開夾具的全過程控制，是本控制系統(tǒng)的關(guān)鍵內(nèi)容，該程序段的程序流程質(zhì)量和程序結(jié)構(gòu)水平狀態(tài)將直接影響加工控制狀態(tài)和機床加工工作效率及鏜削工藝效果。工藝要求中關(guān)鍵的刀具角位置檢測、判斷調(diào)整及加工過程所要求的機床運動部件的加工運動工作循環(huán)和各工作電機的中作方式的時序管理控制等全部工作內(nèi)容均在自動加工方式的程序段中執(zhí)行。其控制流程圖如圖9所示。圖10控制梯形圖按該自動加工控制流程所設(shè)計的控制梯形圖如圖10所示。自動方式加工控制梯形圖設(shè)計幾點說明：（1）方式主控母線的確定 由自動加工方式信號X12和系統(tǒng)壓力正常輸入信號X14（KP1常開觸頭閉合狀態(tài)信號）的與運算結(jié)果M201產(chǎn)生自動方式加工主

38、控母線，同時該與運算結(jié)果點亮自動加工方式的LED顯示器。（2）加工流程的梯形圖控制內(nèi)容要點加工啟動信號X5復(fù)位輸出繼電器Y10，使二位四通電磁閥的電磁鐵DT4失電而壓緊工件，這種失電壓緊的工作方式可有效的避免加工中因電磁鐵意外失電致使松開工件而引發(fā)的事故；當(dāng)工件確實壓緊時，壓緊油缸上腔壓力上升而使壓力繼電器KP2常開觸頭閉合輸入信號X15產(chǎn)生加工啟動單脈沖M60，并由M60產(chǎn)生進(jìn)給中間驅(qū)動信號M30，至終點X3結(jié)束； 職工進(jìn)點信號X2時，激活工進(jìn)輸出Y7和主軸啟動中間驅(qū)動信號M26，至終點X3結(jié)束； 終點單脈沖M61激活T3為主電機制動緩沖延時1S，1S到激活能耗制動輸出繼電器Y3，再由T4執(zhí)

39、行2S延時，2S到復(fù)位制動繼電器Y3并由Y3的下跳沿產(chǎn)生角位置檢測調(diào)整主控母線信號M202。（3）角位置檢測調(diào)整控制角位置不正確的信號Y16將激活調(diào)節(jié)電機和電磁離合器的驅(qū)動輸出繼電器Y2、Y3，執(zhí)行角位置調(diào)節(jié)操作，若角位置正確或調(diào)整至正確，則Y2和Y3復(fù)位停止且角位置正確信號Y16置位工作臺退回的中間驅(qū)動信號M24，至工作臺退回起點X1處時，產(chǎn)生的單脈沖M25復(fù)位清除退回驅(qū)動信號M24，此時角位置調(diào)節(jié)母線（N1級）結(jié)束，返回上一級自動加工控制母線（N0級）。（4）松開夾具，主控結(jié)束返回自動加工控制母線后，返回起點X1的單脈沖使夾緊油路二位四通電磁閥電磁鐵DT4得電，弧形壓板上升抬起，工件松開，

40、一個完整的鏜削加工自動循環(huán)結(jié)束。 3.5.5公共處理程序部分 本程序部分的3點基本功能是： 對在不同工作方式程序中產(chǎn)生的具有完全相同動作內(nèi)容的中間輔助驅(qū)動控制信號進(jìn)行相應(yīng)的邏輯組合，再將邏輯運算結(jié)果驅(qū)動目標(biāo)物理輸出繼電器，從而使不同方式程序段可共用同一的輸出繼電器并且不會出現(xiàn)重復(fù)輸出語法錯誤。 執(zhí)行工作臺進(jìn)、退、工件夾緊有效和液壓系統(tǒng)壓力異常故障的顯示驅(qū)動（工作進(jìn)給、自動方式、手動方式的顯示驅(qū)動在自動及手動方式程序中）。 加工中意外狀態(tài)時的急停處理。為防止閥用電磁鐵電路在夾緊工作過程中因故障失電松開而產(chǎn)生意外，采取Y10=0電磁鐵失電時為夾緊狀態(tài)而Y10=1電磁鐵得電時為松開狀態(tài)。因該機為專用

41、鏜加工機床，功能較專用化，在故障顯示處理時強調(diào)：在系統(tǒng)工作壓力低于溢流閥設(shè)定工作壓力夾緊油缸的上腔夾緊壓力低于減壓閥設(shè)定壓力液壓泵電機、鏜削電機、角位置調(diào)節(jié)電機和電磁離合器強電電器過載其他工作電器的工作狀態(tài)的LED顯示器也同時提供相應(yīng)的故障信息。當(dāng)以上幾種情況出現(xiàn)時，有對應(yīng)的LED顯示器給出相應(yīng)的故障信息。當(dāng)急停按鈕X0按下時，其微分輸出信號M3鎖定特殊輔助繼電器M8034而禁止一切輸出，使所有的運動立即停止，只有在轉(zhuǎn)為手動方式后，手動主令信號X13的微分輸出M4才可解除M8034的禁止輸出鎖定并轉(zhuǎn)為手動調(diào)整以排除故障，這樣的禁止一切輸出狀態(tài)在任一電機等強電電器過載熱繼電器動作時同樣產(chǎn)生。公共

42、處理部分主要控制梯形圖如圖11所示。 第四章小結(jié)1在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，對剖分式對開滑動軸承內(nèi)孔精鏜機床的加工工藝要求和機床鏜削加工的工藝過程作了全面地分析，通過剖析討論，充分而深刻的認(rèn)識到加工工藝裝備的技術(shù)關(guān)鍵和控制難點，并通過對角位置檢測和調(diào)整的技術(shù)意義和技術(shù)難度的涉及分析，為控制系統(tǒng)的設(shè)計思路奠定基礎(chǔ)。2調(diào)研分析了機床布局和總體結(jié)構(gòu)，機床液壓系統(tǒng)的組成和工作原理，尤其是機床夾緊機構(gòu)的要求和工作特點，明確了采用夾緊液壓回路的二位四通電磁閥的閥用電磁鐵采用失電夾緊而得電松開在安全方面的特別意義，為該部分的PLC梯形圖設(shè)計做好理論準(zhǔn)備。3設(shè)計中研究分析了機床主軸角位置檢測控制的方式方法，通過對各

43、種不同角位置調(diào)整操作形式的對比分析，結(jié)合本機床的實際工藝要求和經(jīng)濟的控制進(jìn)度考慮，擬定了切實可行的剖分式對開滑動軸承內(nèi)孔表面精鏜機床主軸準(zhǔn)?？刂品桨?，方案包括兩個方面，一個是主軸角位置的傳感檢測，一個是主軸角位置的驅(qū)動調(diào)整。針對此類專用機床，主軸角位置采用光電檢測傳感裝置，簡單可靠，抗干擾性能好并且結(jié)構(gòu)簡單，實用，經(jīng)濟。主軸角位置調(diào)整驅(qū)動則采用大減速比的諧波減速器和電磁離合器獲取、傳送低轉(zhuǎn)速的主軸調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動，傳動結(jié)構(gòu)十分緊湊，體積小，重量輕，效率高，方便實現(xiàn)機電一體化控制。4控制系統(tǒng)采用FX2系列PLC裝置完成機床液壓系統(tǒng)的工作過程，主軸角位置檢測、調(diào)整、工件夾緊松開及的系統(tǒng)控制；分析、統(tǒng)計、編制了PLC的輸入器件和輸出設(shè)備的種類、數(shù)量以及對應(yīng)的PLC輸入、輸出繼電器的編號明細(xì)表；設(shè)計了PLC的輸入輸出接口電路；設(shè)計繪制了自動加工控制功能流程圖；設(shè)計繪制了初始化、手動調(diào)節(jié)控制、自動加工控制和公共處理控制四個主要的控制梯形圖。PLC控制系統(tǒng)具有可