深孔钻说明书 - 副本

内容摘要

深孔钻是加工深孔的专用设备。钻深孔时为保证加工质量、提高工效，加工中钻头的冷却和定时排屑是需要解决的主要问题。

深孔钻组合机床是进行深孔加工的专用设备。加工质量和工作效率是衡量深孔加工性能的两个指标。好的加工设备不仅加工出来的产品质量很高，并且加工效率也很高。但是钻头的冷却和排屑深深地影响着深孔加工的性能，为了使深孔加工能正常进行，进而生产出高质量的产品，必须想出可行的办法很好地解决这两个问题。即使在机械加工中，深孔钻都是一项比较难的工艺，因为它不仅对设备的转速、进给等性能要求极高，而且对钻头的要求业极高，只有高性能的设备才能非常完美的完成深孔加工这项工艺传统的控制方案是采用继电器－接触器控制与液压控制相结合的方法，进给次数多，且有快进、快退、工进等多种进给速度的变换，控制系统较复杂，大量的硬件系统接线使系统的可靠性降低，也间接的降低了设备的工作效率，影响了设备的加工质量。

采用可编程控制器PLC控制，可大大的减少系统的硬件接线，提高了工作可靠性。而且在加工工艺改变时，只需要修改程序，就可适应新的加工要求，大大的提高了工作效率。

关键词：深孔钻；继电器－接触器控制；PLC控制

目录

第 1 章引言 (1)

1.1深孔钻技术的发展状况 (1)

1.2深孔钻组合机床的控制系统 (1)

第 2 章继电接触器控制方案设计 (3)

2.1 电气原理图设计 (3)

2.1.1 主电路设计 (3)

2.1.2 控制电路设计 (4)

2.2 电器元器件选型 (5)

第 3 章PLC控制方案设计 (8)

3.1 PLC控制系统硬件电路设计 (8)

3.1.1 主电路的设计 (8)

3.1.2 确定PLC的选择类型 (8)

3.1.3 I/O点的分配与编号 (9)

3.1.4 PLC I/O接线图设计 (10)

3.2 PLC控制系统软件程序设计 (10)

3.2.1 顺序功能图的绘制 (10)

3.2.2 控制程序编制 (11)

3.2.3 控制程序调试 (15)

结论 (16)

设计总结 (17)

谢辞 (18)

附录 (19)

参考文献 (21)

第 1 章引言

1.1深孔钻技术的发展状况

在机械制造业中，人们一般把那些孔的深度对孔的直径的比值大于五的圆柱形的孔叫做深孔，而孔深与孔径的比值被人们称为“长径比”。然而在深孔加工中，长径比往往大于十。

深孔加工技术有广义和狭义之分。从狭义上来讲，深孔加工就是指使用切削加工的方法和工业设备进行深孔加工的技术。从广义上来讲，深孔加工技术不仅包括用于此加工的设备和生产原理，还包括生产过程中的一些工作章程和操作技巧。随着科学技术的日益发展，上世纪末出现了一些能够用于深孔加工的新技术，这些技术增加了深孔加工的功能性，极大地拓展了深孔加工技术的领域。

人类对深孔加工技术的需求至少可以上溯到14世纪欧洲滑膛枪的问世，远比第一次产业革命现代化机械技术革命来的要早。在某些装备中的深孔零件，常常具有功能越多，对深孔和深孔加工技术的要求越高，其加工难度就越大。

至上世纪60年代深孔加工技术被用来应用于石油、煤炭采掘、水火力发电机组制造、船舶、航空航天、冶金化工、木材加工机械、饲料机械、等不同行业的装备制造。以深孔零件外特征的民品装备不断涌现出新的品种，成为20世纪下半页装备制造业中的一只新秀。

1.2深孔钻组合机床的控制系统

在深孔加工中，钻孔深度与钻头直径之比往往在5倍以上。因此，在加工深孔的过程中，排屑与冷却成为主要的问题。而在深孔加工的过程中，采用分级进给的方法，可以使切屑顺利排出，钻头也可以得到较好的冷却。分级进给的加工方法是将被加工孔分为数段进行加工，每次加工只加工其中的一段距离。每次加工后，钻头就后退一定距离，并暂停一定时间，以利于排屑和冷却。这样经过往复多次的加工，直到孔深达到要求，钻头退会原位。

深孔钻组合机床进行深孔钻削时，为利于钻头排屑和冷却，需要啄式进给钻削。根据课程设计任务书的控制要求，分析出刀具进退与行程开关示意图如图1-1所示。

图1-1 深孔钻组合机床工作示意图

在起始位置时，行程开关SQ0被压合，按启动按钮SB2，电动机正转启动，刀具前进。退刀由行程开关控制，当动力头依次压在SQ1、SQ2、SQ3上时，电动机反转，刀具会自动退刀，退刀到起始位置时，SQ0被压合，退刀结束，又自动进刀，直到三个过程全部结束。

第2章继电器—接触器控制方案设计

2.1电气原理图的设计

2.1.1主电路的设计

1.电机的保护装置

1）短路电流的保护装置：短路保护的作用在于防止电动机突然流过短路电流而引起电动机绕组，导线绝缘及机械上的严重损坏，或防止电源损坏。常用的短路保护元件有熔断器（FU）、过电流继电器（KA）及自动开关。

2）长期过载保护装置：所谓的长期过载是指电动机带有比额定负载稍微高一点（（115%-125%））的伏在长期运行，这样会使电动机等电气设备发热而导致问得升高，甚至会超过设备允许的升温使电动机等电气设备的绝缘层损坏，所以必须给予保护。目前使用最多的长期过载保护装置是热继电器（FR）。

3）零励磁保护。直流电动机中使用，本文使用的是三相异步交流电机。

2.气动控制原理

在电机控制中，为了防止突然断电后，有来电，保证电动机不处于开启状态，为了安全电机必须复位为断开状态，因此在电机控制的接线中通常用一个接触起来控制电机的启动与停止。通常接触器的常开触点与并联从而起到自锁（本电气设计过程中正反转故不需自锁）。并保持电机一直处于接通状态。

1) 由接触器KM1，KM2主电动机的正反转。

2) 由熔断器FU1,FU2实现短路保护,由热继电器 FR1,FR2实现过载保护。

3) 由空气开关QF 作为电源控制。

深孔钻床的主电路图如下图2-1所示

图2-1 深孔钻床主电路图

2.1.2控制电路设计

在实际运行中，设计关键：保证工作台第2次前进以后压下SQ1时行程开关不起作用和工作台第3次前进压下SQ2时行程开关也不起作用。采用两个时间继电器（KT1和KT2）即可解决这个问题。

控制电路图如图2-2所示。

图2-2 深孔钻床控制电路图

按下按钮SB时，由于SQ0是压下的，因此中间继电器KA1得电自锁，电磁阀YA得电，四通阀打向右边，工作台前进；当工作台压下行程开关SQ1时，KA2得电自锁，KA2的动断触头断开，YA失电复位，四通阀打向左边，工作台后退，与此同时，KT1得电自锁，其延时断开触头延时断开，保证工作台下次前进压下SQ1时KA2不再得电动作；当工作台退回到原位压下SQ0时，KA2断电复位，YA重新得电，工作台再次前进，直到压下SQ2时，KA3得电自锁，YA再次失电复位，工作台再次后退，此时由于KT2得电自锁，保证了工作台下次前进压下SQ2时KA3不得电；当工作台退回到原位压下SQ0时，KA3失电复位，YA重新得电，工作台再次前进，当压下SQ3时，KA4得电自锁，其动断触头断开，YA再次失电复位，工作台再次后退，同时KT1、KT2失电复位，为下一次循环作好准备；当工作台退回到原位压下SQ0时，KA4断电复位，此时由于KA1已经复位，YA 不会得电工作台停止在原位，一个循环结束。

2.2电器元件的选择

1.电动机的选型（1台）

选择依据：1）由液压组合机床对电机起动转矩高而起动电流小及需要小范围调速、铁屑飞溅多、灰尘多、而性能要求不很严故选YR系列异步电动机。2）用于钻床。

综合可选如下电动机：型号Y2-802-8 规格1.5KW,380V,1400r/min

2.电器元件的选择

1）空气开关（1个）

作用：空气开关主要起短路保护和过载保护两个作用。

选择依据：也就是按合理选择工作电流，空气开关大小应该是总容量的1.2倍左右空气开关太大时相应的保护效果要降低的。IN=[(1.5-2.5)*I1+I2]*1.2=20.76 经查手册选：空开 DZ20Y—400 短路通断能力30A、额定电压380V、额定电流400A 机械寿命5000 电气寿命1000

2）熔断器：（2个）

选择依据：由于各种电气设备都具有一定的过载能力，允许在一定条件下较长时间运行；而当负载超过允许值时，就要求保护熔体在一定时间内熔断。还有一些设备起动电流很大，但起动时间很短，所以要求这些设备的保护特性要适应设备运行的需要，要求熔断器在电机起动时不熔断，在短路电流作用下和超过允许过负荷电流时，能可靠熔断，起到保护作用。熔体额定电流选择偏大，负载在短路或长期

过负荷时不能及时熔断；选择过小，可能在正常负载电流作用下就会熔断，影响正常运行，为保证设备正常运行，必须根据负载性质合理地选择熔体额定电流。一台电机：熔体额定电流＝(1.5～2.5)×电动机额定电流。多台电机: 熔体额定电流＝(1.5～2.5)×最大电动机额定电流+其余电动机额定电流。

经查手册选: FU1型号RC1A-30规格380V,20A FU1型号RC1A-15规格380V,15A 3）热继电器选型：（2个）

作用：热继电器是电流通过发热元件产生热量，使检测元件受热弯曲而推动机构动作的一种继电器。由于热继电器中发热元件的发热惯性，在电路中不能做瞬时过载保护和短路保护。它主要用于电动机的过载保护、断相保护和三相电流不平衡运行的保护及其它电气设备状态的控制。

选择依据：（1）一般情况下，可选用两相结构热继电器，但当三相电压的均衡性较差，工作环境恶劣或无人看管的电动机，宜选用三相结构的热继电器。对于三角形接线的电动机，应该选用带断相保护装置的热继电器。

（2）热继电器额定电流选择。热继电器的额定电流应大于电动机额定电流。然后根据该额定电流来选择热继电器的型号。

（3）热元件额定电流的选择和整定。热元件的额定电流应略大于电动机的额定电流。当电动机启动电流为其额定电流的6倍及启动时间不超过5S时，热元件的整定电流调节到等于电动机的额定电流；当电动机的启动时间较长、拖动冲击性负载或不允许停车时，热元件整定电流调节到电动机额定电流的1.1～1.15倍。

（4）如果启动，制动，反转频繁将额定电流上升一级

经查手册选KM1~ KM2型号CJ20-10规格380V,10A

4）继电器选型：（6个）

选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。注意器具的容积。若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器产品。

时间继电器的类型：可分为通电延时型和断电延时型两种类型。查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号。若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。最后考虑尺寸是否合适。

经查手册选可选用中间继电器4个KA1~KA4型号：JZ7-44规格380V,5A 时间继电器两个KT1~KT2 型号DS-35H 规格380V,25W

综上所述各电器元件的的选择如下表2-1所示：

表2-1 深孔钻控制电器元件表

第3章 PLC控制方案设计

3.1 PLC控制系统硬件电路设计

3.1.1 主电路的设计

在机床硬件系统中，机床的所有动力均有电动机提供。主轴电动机为动力头提供动力。动力头的移动由电动机拖动液压泵，推动液压缸完成。整个系统需M台电动机。

在实际运行中，过负载、欠电压、断相等因素都可能造成电动机超过其负载，即广义上的过载。电动机的短时过载是允许的，但如果长时间过载，则会对电动机造成破坏，甚至烧毁电动机。因此需采取保护措施，目前比较常用的是热继电器。主电路的设计如图3-1所示。

图3-1 深孔钻床控制主电路图

电动机使用交流接触器控制，其中接触器KM1、KM2分别控制电动机的正反转，FR 为电动机提供过负载保护，FU为电动机提供短路保护。

3.1.2 确定PLC的选择类型

1.机型选择

1）I/O点数统计：输入8点（SB1、SB2、SB3、SB4、SQ1、SQ3、SQ4、SQ5）；输出2点（KM1、KM2），控制电动机的正反转。SB3为进刀点动按钮，SB1为停止按钮。

2）估算PLC用户程序长度：为I/O总点数的（10-20）倍,大约135字节，选用

S7-200CPU222 AC/DC/DC继电器输出的PLC即能满足要求.

2.系统配置

S7-200CPU222单机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点，选用AC/DC/DC继电器输出的主机，构成一个独立的单机控制系统，该系统能满足上述控制要求。

3.1.3 I/O点的分配与编号

根据I/O总数的确定以及PLC的类型选择，I/O点的分配与编号如表3-2所示

表3-2 深孔钻控制I/O点分配表

3.1.4 PLC I/O接线图设计

根据I/0分配表可得I/O接线图如图3-2所示

图3-2 深孔钻床控制I/O接线图

3.2 PLC控制系统软件程序设计

3.2.1 控制要求分析，绘制顺序功能图

根据深孔钻工作示意图以及控制要求可画出顺序功能图3-3所示。

图3-3 深孔钻床顺序功能图

3.2.2 控制程序编制

钻头进刀和退刀是由电动机正传和反转实现的，电动机的正、反转切换是使用两个接触器KM1（正转）、KM2（反转）切换三相电源中的任意两相。在设计时，为防止由于电源换相所引起的短路事故，减少换相对电动机的冲击，软件上采用了换相延时措施，梯形图中的T37、T38的延时时间应设在0.5秒内。同时在硬件电路上也采取了互锁措施。I/O接线图中的FR用于过载保护。为了便于调整，程序中备有电动控制功能。程序图如3-4所示：

图3-4 深孔钻床梯形图

程序说明：开机复位，置位状态1；状态1控制开始，电动机正传O-A，到A 点后切换状态2，状态1结束；状态2控制开始，电动机反转A-O，到O点后切换到状态3，状态2结束；状态3控制开始，电动机正传O-B，到B点后切换状态4，状态3结束；状态4控制开始，电动机反转B-O，到O点后切换到状态5，状态4结束；状态3控制开始，电动机正传O-C，到C点后切换状态6，状态5结束；电动机反转C-O，到O点后全部停，状态6结束；进刀延时5s，延时到，进刀；退刀延时5s，延时到，退刀；点动进刀，点动退刀。

3.2.3控制程序调试

首先进行程序调试，将PC与PLC连接好，将梯形图程序下载到PLC200中，连接好实验模板，开始运行程序，对程序进行调试。

按下SQ0，再按下启动按钮SB2，Q0.1亮，表示进刀；

拨回SQ0，再按下SQ1，Q0.2亮，表示正在退刀；

拨回SQ1，再按下SQ0，Q0.1亮，表示正在进刀；

拨回SQ0，再按下SQ2，Q0.2亮，表示正在退刀；

拨回SQ2，再按下SQ0，Q0.1亮，表示正在进刀；

拨回SQ0，再按下SQ3，Q0.2亮，表示正在退刀；

拨回SQ3，按下SB1，整个系统复位。

到此过程，证明程序运行无误。图3-5是部分程序调试的截图

图3-5 深孔钻床程序调试图

结论

深孔钻组合机床控制设计本文用了两种控制方式：继电器与接触器控制与可编程控制器PLC控制。继电器与接触器方案控制设计较简洁，运用了较少的电器元件，但只适用于简单的三次进给控制线路；PLC控制方案的设计是仿照可编程书上的一个例题小车的行程控制而逐步展开思路的，该设计运用了顺序控制，条理性较强，但不足的之处在于输入程序比较繁琐，占用的网络模块较多。两种设计都有问题存在，比如说没有设计急停、慢进等状态。所以在以后的设计中要多方面考虑问题，使方案更加合理化！

设计总结

因理论知识学的不牢固，所以在本次课程设计过程中遇到了不少问题，比如说word 的运用能力不是很强，像最基本的页眉页脚设置、页码的编写、表格的绘制、插图的处理等都是新学习的。通过此次设计，我对以前所学的机电传动课程知识有了更为深刻的认识，理论联系实践，培养了我查阅资料和独立完成任务的能力。

另外了解了电器元件图的基本画法、接线图的真正含义、以及如何设计梯形图。在电器元件选择这块也学到了不少东西，虽然很枯燥，但最后还是基本了解了每个元器件的技术参数、以及选择的依据。在画图这一块，我选用了CAD作图，虽然很方便，但真正的做起来不是那么的容易，这过程涉及很多CAD作图的重难点问题，不过都一个一个被解决了，加强了自己的CAD作图能力。

课程设计过程中综合应用到了以前编程里学到的知识，尤其是PLC里面的顺序控制。先是选择合适的电动机及其它各种元器件，进行PLC的选型和I/O分配，画出主电气原理图和输入/输出接线图。然后设计深孔钻组合机床PLC控制系统的软件部分，画出梯形图。所以说这一次的课程设计综合性还很强的，对以前的学习的知识也起到了很好的回顾。

谢辞

走的最快的总是时间，来不及感叹，大四上学期的课程基本上就结束了，大学生活也接近了尾声。

首先要感谢我的指导老师—陈星洲老师，他指导耐心，让我解决了在课程设计过程中遇到的一个个问题；他教学作风严谨，我们的课程设计说明书他都一页一页的翻阅，错误的地方还用记号笔标出来告诉我们怎么修改；虽然老师对我们的要求很严格，但让我们规范了说明书的书写，认识到不能忽视每一个小细节，为即将到来的毕业设计打下了坚实的基础。

认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈的精神是我在这次课程设计中最大的收益。我想这不仅仅是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法，让我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

回顾大学的学习和生活，还有许多的朋友和同学在各个方面给予了我很多的帮助和支持，让我坚持到了最后。在此我要感谢所有关心和爱护我的人，今后我会继续努力，不辜负你们对我的期望！