双头钻床的控制系统设计.

2013届毕业生

毕业设计说明书题目: 双头钻床的控制系统设计

学院名称：电气工程学院班级：自动F0904

2013 年5 月20 日

目次

1 概述 (1)

1.1 课题研究背景及意义 (1)

1.2 国内外发展现状 (2)

1.3 设计任务及要求 (3)

2 卧式双头钻床介绍 (4)

2.1 送料装置和加紧装置 (4)

2.2 动力头 (5)

2.3 液压站 (5)

2.4 机床辅助装置 (6)

3 硬件电路设计 (6)

3.1 卧式双头钻床的工艺流程 (6)

3.2 主电路图 (7)

3.3 卧式双头钻床各电动和液压系统油路的控制 (8)

3.4 I/O分配及PLC选型 (12)

3.5 硬件接线图 (13)

4 系统软件设计 (14)

4.1 卧式双头钻床的逻辑控制流程 (14)

4.2 梯形图和指令表 (15)

总结 (18)

致谢 (19)

参考文献 (20)

1 概述

可编程逻辑控制器,英文全称为Programmable Logical Controller ，通常被人们简称为PLC。它是20世纪70年代以来以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置，它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点。基于以上优点以及PLC技术的不断发展，如今PLC已被广泛应用于自动化控制的各个领域。

钻床是机床的一种，是专门进行孔加工的机床。追溯到上世纪七十年代初期，那时候世界上最先进的钻床依然还是用普通继电器来控制的。但随着PLC技术的发展，人们逐渐将PLC应用于机床的控制当中。相比之下，传统的继电器控制系统电气线路复杂，触点多，灵活性差，要想改变机床的加工工艺，就得改变硬件接线，长期使用后，故障率还高，故障排除困难，影响企业的正常生产。因此普通继电器控制的机床越来越难以适应复杂多变的现代化生产过程。而采用PLC 作为机床的控制器使得机床的效率和加工精度都得到了大大的提高，机床的性能也更趋完善，可靠性更高，功能更完善，故障率更低，故障排除更加容易，编程也简单。

1.1 课题研究背景及意义

金属切削机床是使用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，它是制造机器的机器，一般简称为机床。普通机床主要包括车床、铣床、钻床、镗床、刨床、磨床。金属切削加工是机械制造行业中最基本的加工方法。

随着机械制造行业的不断发展，机械零件的加工方法也越来越多样化，除了切削加工以外，又出现了铸造、锻造、焊接、冲压、挤压和辊轧等加工方法。但是，在机械制造的总工作量当中，机床切削加工占到了40%——60%，所以在目前的机械制造行业中金属切削机床仍然是主要的加工设备。而机床的技术性能又直接影响到机械制造行业的产品质量和生产效率，传统的金属切削机床越来越难以适应现代化的机械加工要求。所以必须应用先进的科学技术来改造传统落后的机床，提高其技术性能，以满足高速发展的机械制造行业的加工要求。

钻床是一种在工件上进行孔加工的机床，如钻孔、扩孔、绞孔、攻丝等。20世纪70年代初，世界上钻床的控制还是通过继电器逻辑控制方式来实现的。采

用这种控制方式的电气系统当中，使用了大量的中间继电器、时间继电器、行程开关等，这就不免使得整个系统存在如下诸多问题：

1.由于控制触点多、工作频繁，电路系统故障率高、检查周期长；

2.线路易老化，长时间使用以后，系统常出现故障，造成机械、液压或气动系统工作不正常，直接影响机械加工的质量，耽误加工的进行，降低了工作的可靠性；

3.如果工艺要求发生变化，就得重新设计线路连线，而继电器逻辑控制线路的触点数量有限，线路连线很多，这不利于设备加工工艺的更新，降低了设备的利用率。

除了以上问题以外，传统钻床还存在自动化程度不高、加工精度低、难以进行大批量生产等问题。

为了解决传统钻床存在的诸多不足之处，我们有必要采用更先进的控制方案，并通过改进传统钻床的机械结构，实现对传统钻床的自动化改造。

1.2 国内外发展现状

纵观当今世界，机械制造行业蓬勃发展，人们对机械零件加工的要求越来越高。只有机床工业的同步发展才能保证机械制造行业的发展不被限制。因此，人们不断研究设计更加先进的机床来满足蓬勃发展的机械制造行业。

我国机床工业自1949年建立，经过几十年的快速发展，已经取得了很大的成就。目前，在高档数控机床领域，我国的自主创新成果非常显巨。相关统计显示，我国已连续11年位居世界第一大机床消费国，其中，金属加工机床消费占到全球市场的45%。统计还显示，全球28个主要机床生产国家和地区2012年产值为932亿美元，中国约占30%，位居第一位。

在重型、超重型数控机床研发方面，重型龙门五轴联动复合机床等一批达到国际先进水平的高档数控机床的研制成功，满足了航空航天、发电设备、汽车等重点领域对于超大零件的重点加工需求；高速精密数控车床、加工中心等产品广泛应用于汽车、航空航天、电子、军工等多个行业领域，并带动了众多中小企业设备更新改造和产业升级。

济南二机床集团有限公司压力机类产品已全面进入美国通用汽车公司，被国外客户誉为“世界三大冲压装备制造商”之一；北京第一机床厂的龙门镗床、龙门铣床等产品已出口到韩国；武汉重型机床有限公司的重型机床类产品已出口到英国、日本、法国、韩国等。

种种数据显示，我国的机床工业自建国以来，已经取得了巨大的发展。尽管如此，我国的机床技术与世界先进水平相比还有很大差距。具体表现有：我国每年仍然需要大量进口高精度的机床零部件，而且数量一直在上升，这表明国产机床的加工精度不能完全满足国内机床的制造；尽管目前国产机床的国内市场占有率显着提升，但高档经济型数控机床、核心功能部件在国内市场占有率还很低，而国外公司大约占有我国高档机床85%的市场份额；此外，我国数控机床大部分依赖进口的局面依然没有得到改变，尽管当前有一些产品国内企业能够生产，但产品制造力有限，采用进口的数控系统和功能部件导致产品价格较高，缺乏竞争力。相对于整机方面的较高发展水平而言，我国数控系统、关键功能部件比较滞后。这些深层次的技术问题如果不解决，国产数控机床的成本、价格就下不来，而且产品的精度、可靠性和技术先进性就上不去。

总的来说，我国机床工业由于起步晚等原因，与世界发达国家相比还存在很大差距。但只要我们不断学习国外先进技术并不断创新，总有一天，我们会赶超他们。

1.3 设计任务及要求

本次设计采用PLC作为控制器，进行一种卧式双头钻床的电气控制系统设计。目的是简化传统钻床控制线路，降低机床故障率，提高其自动化程度和生产效率。

具体要求如下：当操作人员按下机床的启动按钮后，机床的送料系统将工件送到工作台上夹具的指定位置处，然后夹具夹紧工件，待夹具加紧工件后，工作台移动，使工件到达钻头加工工位处，然后左右动力头先快进再工进，当两钻头加工到各自的加工深度时快速退回原位，然后工作台退回原位，夹具松开，然后送料系统送料的同时将加工好的工件退掉，接着机床进行下一次加工。机床的整个加工过程是全自动的，而且能够循环加工。

2 卧式双头钻床介绍

卧式双头钻床是一种能够同时对工件两侧进行钻孔加工的钻床，结构形式为卧式。本文主要进行卧式双头钻床电气控制系统的设计，使其克服传统钻床的诸多不足之处，提高机床的技术性能。

卧式双头钻床主要由床身、移动工作台、液压站、两台滑套液压钻削动力头、送料装置、夹紧装置和照明冷却等辅助装置组成。卧式双头钻床的俯视结构示意图如图2.1所示：

5

12

3

4

6

8

7

1 送料装置

2 料仓

3 夹紧装置

4 移动工作台

5 液压站

6 床身

7 右滑套钻削动力头 8 左滑套钻削动力头

图2.1 卧式双头钻床俯视结构示意图

这里只是画了一个简单的示意图，整个机床并没有全部画上，包括冷却装置和照明装置都没有在图中显示。下面将具体介绍机床每个机械部分的工作过程及原理。

2.1 送料装置和加紧装置

卧式双头钻床的送料装置和加紧装置的示意图如图2.2所示：

料仓

液压缸1

液压缸2

工件

移动工作台

图2.2 送料装置和夹紧装置示意图

这里简单地说明一下送料装置和夹紧装置的工作原理。工件自料仓中靠重力下落，当上一个工件加工完毕后，移动工作台退回原位，这时送料推杆液压缸（即图中液压缸1）左腔进油，活塞向右移动，推动工件右移，同时此工件推动上一个加工好的工件进入收集料仓中。当工件到达夹具上指定位置时，液压缸1右腔进油，活塞向左移动，退回原位，等待下一次送料。同时，夹具液压缸上腔进油，活塞向下移动，逐渐加紧工件。夹具压力达到要求时，夹具保持夹紧状态，移动工作台向加工工位移动，到达加工工位时，左右动力头开始进行钻孔加工。移动工作台的移动也是靠液压驱动的。

2.2 动力头

卧式双头钻床具有左右两个滑套钻削动力头，其运动形式包括主轴的旋转运动和动力头横向进给运动。两动力头主轴的旋转运动分别靠电动机M1、M2驱动，动力头进给运动靠液压驱动。当移动工作台到达加工工位时，左右动力头主轴开始旋转，同时做横向快速进给运动。当动力头快进到工进限位时，动力头由快进转工进。当工进完成后，两动力头快速退回原位，主轴停止旋转，等待下一个工件到达加工工位。

2.3 液压站

卧式双头钻床采用机械、液压、电气相结合的控制方式。系统中，液压动力由液压站提供。液压站油泵由电动机M3驱动。当操作人员按下机床启动按钮时，液压泵开始运转。直到操作人员停机时，液压泵停止运转。

2.4 机床辅助装置

机床辅助装置包括冷却装置和照明装置等。当钻头进行钻削加工时，需要由冷却装置提供冷却液进行冷却。冷却泵由电动机M4驱动。当两动力头开始工进加工时，冷却泵启动。当两动力头工进都结束时，冷却泵停止运转。机床靠一个照明灯提供照明，照明灯由一个按钮控制其开关。

3 硬件电路设计

3.1 卧式双头钻床的工艺流程

本设计的设计目标是使卧式双头钻床能够自动完成如下工作循环：送料（退料）——加紧——工作台前移——钻削加工——工作台后移——卸料（送料）。其工艺流程图如如图3.1所示：

送料（卸料）

工件加紧

左动力头快进

工进左动力头快退

右动力头快进

工进

右动力头快退

工作台退回

工件松开

工作台移动

卸料（送料）

图3.1 卧式双头钻床工艺流程图3.2 主电路图

卧式双头钻床的主电路如图3.2所示：

KM1KM2KM3L1L2L3

FU1

FU2

FU3

QS

EP

FR1FR2FR3FR4

M13～

M23～

M33～

M43～

电源开关及保护左动力头电机右动力头电机

液压泵电动机冷却泵电动机

12345

KM4

图3.2 卧式双头钻床主电路图

卧式双头钻床总共配置了4台三相异步电动机，分别为左动力头主轴电动机M1，右动力头主轴电动机M2，液压泵电动机M3，冷却泵电动机M4。由于这4台电动机功率最大的也只有5.5kW ，满足直接启动的要求，所以这里均采用直接启动的方式启动。此外，这4台电动机均为单向启停控制，不需要正反转控制。低压断路器QS 为机床的电源开关，熔断器FU2、FU3、FU4为各电动机的短路保护，交流接触器KM1、KM2、KM3、KM4分别控制电动机M1、M2、M3、M4的启停，同时交流接触器KM1、KM2、KM3、KM4的电磁机构还能够为这四台电动机提供零压、欠压保护。热继电器FR1、FR2、FR3、FR4为各电动机提供过载和电源断相保护，防止电动机因上述故障导致过热而损坏。

3.3 卧式双头钻床各电动和液压系统油路的控制

1.左右动力头电动机的控制

电动机M1、M2为机床两动力头主轴电动机，功率为5.5kW，单向运转，采用直接启动方式启动。当移动工作台移动到指定位置压下工作台返回行程开关SQ5时，左右两动力头主轴开始旋转，即电动机M1、M2启动。当左右两动力头退回原位分别压下各自的原位行程开关SQ6、SQ9时，左右两动力头主轴停转，即电动机M1、M2停转。分别用交流接触器KM1、KM2来控制左右动力头主轴电动机的启停。

2.液压泵电动机M3的控制

电动机M3为机床液压泵电动机，功率为3kW，单向运转，采用直接启动方式启动。当机床处于启动状态时，液压泵也处于运转状态。即当操作人员按下机床启动按钮SB0时，液压泵电动机启动；当操作人员按下机床停机按钮SB1时，液压泵电机停转。用交流接触器KM3来控制液压泵电动机M3的启停。

3.冷却泵电动机M4的控制

电动机M4为机床冷却泵电动机，功率为0.5kW，单向运转，采用直接启动方式启动。当左右动力头开始工进时，冷却泵开始工作。即当左右动力头分别压下各自的工进行程开关SQ7、SQ10时，启动电动机M4。当左右动力头工进结束时，冷却泵停止工作。即当左右动力头分别压下各自的快退行程开关SQ8、SQ11时，冷却泵电动机M4停转。用交流接触器KM4来控制冷却泵电动机M4的启停。

4.液压系统油路的控制

电磁阀电磁线圈YV1、YV2控制送料推杆液压缸活塞运动方向。电磁线圈YV1通电时，送料推杆向右移动，推动工件向工作台夹具方向运动，完成送料（卸料）过程。电磁线圈YV2通电时，送料推杆退回原位。

卧式双头钻床的夹具采用油路失电夹紧液压系统进行控制。电磁阀电磁线圈YV3、YV4控制夹紧液压缸活塞运动方向。当电磁线圈YV3通电时，夹紧液压缸活塞乡下移动，逐渐加紧工件。当压力达到要求时，压力继电器KP触头动作，夹具保持夹紧状态。当电磁线圈YV4通电时，加紧液压缸活塞向上移动，夹具逐渐松开工件。

电磁阀电磁线圈YV5、YV6控制移动工作台液压缸活塞运动方向。当电磁线圈YV5通电时，移动工作台由原位向加工工位运动。当电磁线圈YV6通电时，移动工作台由加工工位向原位运动。

机床左动力头的运动由电磁阀电磁线圈YV7、YV8、YV9控制，右动力头的运动由电磁阀电磁线圈YV10、YV11、YV12控制。当电磁线圈YV7、YV9通电时，左动力头做快速进给运动。当电磁线圈YV7通电时，左动力头做工进运动。当电磁线圈YV8通电时，左动力头做快退运动。当电磁线圈YV10、YV12通电时，右动力头快进。当电磁线圈YV10通电时，右动力头工进。当电磁线圈YV11通电时，右动力头快退。

液压回路电磁阀动作顺序及液压元件工作状态如表1所示：

表1 液压控制回路电磁阀动作表

动作名称发讯

元件

电磁阀工作状态

YV1 YV2 YV3 YV4 YV5 YV6 YV7 YV8 YV9 YV10 YV11 YV12

送料

（退

料）

SQ3 + - - - - - - - - - - -

送料

杆退

回

SQ2 - + - - - - - - - - - -

工件

夹紧

SQ2 - - + - - - - - - - - - 工作

台向

前移

动

KP - - + - + - - - - - - -

左动

力头

快进

SQ5 - - + - - - + - + - - -

左动

力头

工进

SQ7 - - + - - - + - - - - -

左动

力头

快退

SQ8 - - + - - - - + - - - -

右动

力头

快进

SQ5 - - + - - - - - - + - +

右动

力头

工进

SQ10 - - + - - - - - + - -

右动

力头

快退

SQ11 - - + - - - - - - - + -

工作台退回SQ6、

SQ9

- - + - - + - - - - - -

工件

松开

SQ4 - - - + - - - - - - - - 送料（退

料）

夹具工作台左动力头右动力头注：“+”表示对应电磁阀线圈通电，“-”表示对应电磁阀线圈断电

3.4 I/O分配及PLC选型

根据以上介绍，我们可以确定PLC的输入信号和输出信号数量和功能。输入信号有：启动按钮SB0，停机按钮SB1，急停按钮SB2，送料推杆原位行程开关SQ1，送料杆返回行程开关SQ2，夹具液压缸活塞原位行程开关SQ3，夹具压力继电器KP，移动工作台原位行程开关SQ4，移动工作台返回行程开关SQ5，左动力头原位行程开关SQ6，左动力头工进行程开关SQ7，左动力头快退行程开关SQ8，右动力头原位行程开关SQ9，右动力头工进行程开关SQ10，右动力头快退行程开关SQ11，热继电器FR1-FR4的常闭触头。这里为了减少PLC输入点数，将急停按钮SB2和四个热继电器的常闭触头并联接入PLC的一个输入口。输出信号有4个中间继电器线圈和12个液压回路电磁阀线圈。交流接触器线圈没有接到PLC 输出端，分别用中间继电器KA1、KA2、KA3、KA4来控制。另外，照明灯的控制也不经过PLC来控制，直接将照明灯接到电源上，用一个开关SA来控制其开关。此外，本次设计暂不设置指示灯。PLC的I/O分配如表2所示：

表2 I/O分配表

输入信号地址输出信号地址

启动按钮SB0 X0 KA1 Y0

停机按钮SB1 X1 KA2 Y1 送料推杆原位行程开关SQ1 X2 KA3 Y2

送料推杆返回行程开关SQ2 X3 KA4 Y3 夹具液压缸活塞原位行程开关SQ3 X4 YV1 Y4 工作台原位行程开关SQ4 X5 YV2 Y5

工作台返回行程开关SQ5 X6 YV3 Y6

左动力头原位行程开关SQ6 X7 YV4 Y7

左动力头工进行程开关SQ7 X8 YV5 Y8

左动力头快退行程开关SQ8 X9 YV6 Y9

右动力头原位行程开关SQ9 X10 YV7 Y10

右动力头工进行程开关SQ10 X11 YV8 Y11

右动力头快退行程开关SQ11 X12 YV9 Y12 夹具压力继电器KP X13 YV10 Y13 急停按钮SB2、热继电器FR1-FR4 X14 YV11 Y14

YV12 Y15 由表知，共有15个输入点，16个输出点，考虑到系统以后性能的扩展，这里选用三菱公司的FX2N -48MR机型。FX2N -48MR型的PLC的基本单元共有48个I/O 点，24个输入点，24个输出点。

3.5 硬件接线图

根据I/O 分配表，可以画出PLC 硬件接线图，PLC 的硬件接线图如图3.3所示：

DC 24V

DC 24V

DC 24V

DC 24V

X0X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12

X13

X14

P

COM

SB0SB1SQ1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6SQ7SQ8SQ9SQ10SQ11

KP

FR1

FR2

FR3

FR4

SB2

Y0Y1Y2Y3COM1

Y4Y5Y6Y7COM2

Y8Y9

Y10Y11

COM3

Y12

Y13

Y14Y15

COM4

KA1KA2KA3KA4

YV1YV2YV3YV4

YV5YV6

YV7YV8YV9

YV10YV11YV12FX2N-48MR

FU5

FU6

FU7

FU8

L N L N FU4

图

3.3 PLC 硬件接线图

PLC输入端子外电路总共接了15个输入点，分别连接按钮、行程开关、压力继电器等主令和检测元件，由PLC内部提供的DC 24V直流电源供电。输出端子外电路共接了16个输出点。其中中间继电器采用DC 24V电源供电，电磁铁阀用DC 24V 电源供电，共分为4个端子组。

4 系统软件设计

4.1 卧式双头钻床的逻辑控制流程

初始步为等待步，此时整台机床尚未送电，即隔离开关QS为断开状态。当隔离开关接通时，系统从等待状态转换到激活状态。此时按下启动按钮SB0，液压泵电动机接触器KM3线圈得电并自锁，液压泵电动机M3启动，液压泵开始工作。在机床开始工作前，液压泵必须最先启动。此时机床各动力部件还都处于原位。接着，电磁线圈YV1得电，送料缸左腔进油，活塞向右移动，带动送料推杆向右移动，送料推杆推动工件移动。当工件到达移动工作台上夹具的指定位置时，即送料推杆压下送料推杆返回行程开关SQ2时，电磁线圈YV1失电，电磁线圈YV2得电，送料缸右腔进油，送料推杆退回，当送料推杆退到原位时电磁线圈YV2失电，送料推杆停下，等待下一次送料。与此同时，电磁线圈YV3得电，加紧液压缸活塞向下移动，工件逐渐被加紧。当夹具压力达到设定压力值时，压力继电器触头动作，使得电磁线圈YV5得电，移动工作台向前移动。当移动工作台到达指定位置时，即当移动工作台压下移动工作台返回行程开关SQ5时，电磁线圈YV5失电，工作台保持在当前位置。与此同时，KM1、KM2线圈得电，电磁线圈YV7、YV9、YV10、YV12得电，电动机M1、M2启动，两动力头主轴开始旋转并做快进运动。当两动力头分别到达各自的工进限位并压下各自的工进行程开关SQ7、SQ10时，电磁线圈YV9、YV11失电，交流接触器KM4线圈得电，两动力头由快进转工进，冷却泵电机启动，冷却泵开始工作。当两动力头完成工进分别压下各自的动力头返回行程开关SQ8、SQ11时，电磁线圈YV7、YV10失电，电磁线圈YV8、YV11得电，交流接触器线圈KM4失电，两动力头快速退回，冷却泵停止工作。

当两动力头返回到原位时，即当两动力头分别压下各自的原位行程开关SQ6、SQ9时，电磁线圈YV8、YV11失电，两动力头停止运动，在原位等待下一

次加工。当两动力头都回到原位时，电磁线圈YV6得电，移动工作台退向原位。当移动工作台到达原位并压下工作台原位行程开关SQ4时，电磁线圈YV6、YV3失电，电磁线圈YV4得电，移动工作台停止运动，夹具松开工件。当夹紧液压缸活塞退回到原位时，即当夹具液压缸活塞原位行程开关SQ3被压下时，电磁线圈YV4失电，电磁线圈YV1得电，夹具液压缸活塞停在原位，送料杆开始送料并卸料。机床进入下一个工件的加工。当操作人员按下停机按钮或急停按钮，再或者电机热继电器触头动作时，系统停止工作。

4.2 梯形图和指令表

根据卧式双头钻床的逻辑控制流程和I/O分配，设计控制程序梯形图。卧式双头钻床的控制程序梯形图如图4.1所示：

主控线圈

液压泵

送料

送料推杆

退回

夹紧

工作台前移

左动力头主轴

右动力头主轴

左动力头进给

左动力头快退

右动力头进给

右动力头快退

冷却泵

工作台后退

工件松开

主控结束

图4.1 控制程序梯形图

梯形图对应的指令表如表3所示：

表3 指令表

总结

传统机床采用继电器逻辑控制方式进行控制，整个控制系统电气线路复杂，触点多，灵活性差，要想用同一台机床加工加工要求不同的工件，就得改变硬件接线，长期使用后，故障率还高，故障排除困难，影响企业的正常生产。

而采用PLC作为机床的控制器，能够简化传统机床的控制线路，降低机床的故障率，提高机床的自动化程度和生产效率。

本文以卧式双头钻床为例，详细介绍了其电气控制系统的设计过程，包括机床的结构介绍、工艺流程介绍、硬件电路设计、软件设计，使其能够自动循环加工特定工件，大大提高了机床的自动化程度。