钻镗两用组合机床的液压控制系统及电气控制系统设计

目录

摘要 (1)

Abstract (2)

1、绪论 (1)

1.1、课题的背景 (1)

1.2、组合机床概述 (1)

1.3、专用组合机床的介绍 (3)

1.4、 PLC简介 (4)

1.4.1 PLC的定义 (5)

1.4.2 PLC的基础知识 (6)

1.4.3 PLC的用途 (8)

2、钻镗两用组合机床控制概述 (9)

2.1、钻镗两用组合机床主电路原理图 (10)

2.2、钻镗两用组合机床的工作流程图 (11)

2.3、钻镗两用组合机床的控制过程 (11)

2.3.1各电磁阀动作状态 (12)

2.3.2专用组合机床的总控制过程 (12)

3、钻镗两用组合机床的液压系统设计 (12)

3.1、确定系统方案 (13)

3.2、拟定液压系统图 (14)

3.3、液压缸的设计计算 (14)

3.3.1液压缸的类型及结构形式 (15)

3.3.2液压缸的工作压力 (15)

3.3.3计算液压缸的尺寸 (16)

3.3.4液压缸各工作阶段的压力、流量和功率计算 (17)

3.4、液压缸工况图 (18)

3.5、液压缸推力的计算 (19)

3.6、液压系统的压力损失计算 (19)

4、专用钻孔机床的PLC设计 (19)

4.1、输入输出点分配 (21)

4.2 、PLC的选择 (22)

4.3、专用组合机床PLC控制系统接线图 (23)

5、钻镗两用组合机床PLC控制程序 (24)

结论 (25)

致谢 (26)

参考文献 (27)

摘要

钻镗两用组合机床，属于机械加工用机床。它由工作台、安装在工作台两端及一侧的导轨，导轨与工作台的边缘平行，钻架通过吊铁和锁紧螺钉安装在导轨上；导轨上设有燕尾，钻架可在导轨上水平移动；钻架包括溜板、溜板上装有传动机构，溜板底面上设有与导轨上的燕尾相配合的燕尾槽，机械滑台上装有主支撑架，主支撑架上装有纵向机械滑台及控制系统，控制系统连接一控制活动按钮站，纵向机械滑台上装有附属支撑架，附属支撑架上通过机械滑台装有水平方向的钻削动力头。它解决了现有的钻床加工大型零部件特别是回转体直径较大时操作不方便、加工困难等技术问题。

关键词：组合钻床；PLC；可编程控制器；问题

1、绪论

1.1、课题的背景

随着生产的发展，产品精度的提高，机床加工的自动化程度也越来越高。数控机床，加工中心已构成现代加工方法之代表。但是根据我国的实际情况，对现有机床进行全部更新换代，几乎是不可能的。因此为提高机床的生产率，

改善工人的劳动条件，提高一般机床切削加工的自动化程度，提高控制系统的可靠性，对现有机床进行PC改造，仍然具有非常现实的意义，正是利用了PC

控制技术具有功能强，速度快，可靠性高，经济实用等特点，针对双面组合钻床的控制部分进行了改造，并分析了系统的性能。

1.2、组合机床概述

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。我国传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型箱体类和轴类零件，完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成形面等。随着技术的不断进步，一种新型的组合机床——柔性组合机床越来越受到人们的青睐，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制器（PLC）、数字控制（NC）等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，

并能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。

1.3、专用组合机床的介绍

专用组合钻床是一种钻削较厚工件的加工钻床，加工要求双面同时钻削，

并同轴钻孔，加工精度要求高，采用传统的继电器----接触器控制，要用大量的中间继电器，时间继电器，计数器，存在线路复杂，故障率高，控制柜体积大，成本高等特点，而采用可编程控制器S7-200，不仅可以提高控制系统的可靠性，降低运行故障率，而且改变程序即可实现不同工件的加工钻削工艺要求，充分发挥组合钻床的多种加工功能。

1.4、PLC简介

1.4.1 PLC的定义

PLC即可编程控制器（Programmable Logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（InternationalElectrical Committee颁布的PLC标准草案中对PLC 做了如下定义;PLC英文全称Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC是可编程逻辑控制电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。

1.4.2 PLC的基础知识

PLC的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。在传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。PLC最基本最广泛的用于开关量的逻辑控制，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制，顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机，印刷机，订书机，组合机床，磨床，包装等。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁，石油，化工，电力，建材，机械制造，汽车，轻纺，交通运输，环保及文化娱乐等各个行业，使用广泛。

1.4.3 PLC的用途

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

1、开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线，如注塑。

2、模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现

模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC 厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

3、运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

4、过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

2、钻镗两用组合机床控制概述

2.1钻镗两用组合机床主电路原理图

液压系统在组合机床上主要是用于实现工作台的直线运动和回转运动，如图1所示，如果动力滑台要实现二次进给，则动力滑台要完成的动作循环通常包括：原位停止-快进I-工进II-工进-死挡铁停留-快退-原位停止，其电气控制原理图如图2所示。

图1 组合机床动力滑台工作循环

图2 电气控制原理图

2.2钻镗两用组合机床的工作流程图

组合钻床工作流程图如图3所示，钻镗两用组合机床各电动机控制要求：钻镗两用组合机床各电动机只有在液压泵电动机M1正常启动时启动运转，滑台液压系统只有在液压泵工作后，才能启动。刀具电动机M2,M3应在滑台进给循环开始时启动运转，滑台退回原位后停止运转。切削液压泵电动机M4可以在滑台工进时自动启动，在工进结束后自动停止，也可以用手动方式控制启动和停止。

图3 工作流程图

2.3、钻镗两用组合机床的控制过程

2.3.1各电磁阀动作的控制

机床动力滑台、工件定位、加紧装置控制要求：机床动力滑台、工件定位、加紧装置由液压系统驱动。电磁阀YV1和YV2控制定位销液压缸的运动方向；YV3、YV4控制夹紧液压缸活塞的运动方向；YV5、YV6及YV7为左机滑台油路的换向电磁阀；YV8、YV9、YV10为右机滑台油路中

的换向电磁阀。如表1-1所示：

从表1-1中可以看出，电磁阀YV1线圈通电时，机床工件定位装置将工件定位；当电磁阀YV3通电时，机床工件夹紧装置将工件夹紧；当电磁阀YV3、YV5通电时，左机滑台快速移动；当电磁阀YV3、YV8通电时，右机滑台快速移动；当电磁阀YV3、YV7或YV3、YV10通电时，左机滑台或右机滑台工进；当电磁阀YV3、YV6或V3、YV9通电时，左机滑台或右机滑台快速后退；当电磁阀YV4通电时，松开定位销；当电磁阀YV2通电时，机床拨开定位销；定位销松开后，撞击行程开关ST1，机床停止运行。

2.3.2钻镗两用组合机床的总控制过程

当需要机床工作时，将工件装入定位夹紧装置，按下液压系统启动按钮SB4，机床按如下步骤工作: 按下液压系统启动按钮SB4→原位停止-快进I-工进II-工进-死挡铁停留-快退-原位停止。在左、右两面动力滑台快速进给的同时，左机刀具电动机M2、右机刀具电动机M3启动运转工作，提供切削动力；在左、右两面动力滑台工进时，切削液电动机M4自动启动，在工进结束时切削液泵电动机自动停止。在滑台退回原位后，左、右机刀具电动机M2、M3停止运转。

3、钻镗两用组合机床的液压系统设计

3.1确定系统方案

a) 执行机构的确定

液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，前者实现直线运动，后者完成回转运动。本系统选择双作用单活塞杆液压缸。

b) 执行机构的运动控制回路

液压执行元件确定后，其运动方向和速度的控制是拟定液压回路的核心问题。由于本系统工作在小流量场合，因此采用适合此流量的方向控制回路，即通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。速度控制的相应调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节流调速。节流调速一般定量泵供油，用流量控制阀改变输入或输出液压执行元件的流量来调节速度，这种调速方式结构简单，适用于功率不大的场合，本系统就是采用这种方式。缺点是效率低，发热量交大，但是对于不是频繁工作的系统来说，只要按发热功率计算出合适的油箱即可解决。正是因为其发热量大，所以节流调速一般用开式循环。在开式系统中，液压泵从油箱吸油，压力油经系统释放能量后，再排回油箱。开式回路，结构简单，散热性好，但就是油箱体积大。

c) 其它回路

因为为了保证整个系统的可靠性和安全性，所以必须设置安全锁止机构。这需要锁紧即保压回路。锁紧回路的主要功用是使液压缸能在任意位置上停留，且不因外力作用而移动位置，本系统采用液控单向阀的锁紧回路。压力油经左边液控单向阀进入液压缸左腔，同时通过控制口打开右边液控单向阀，使液压缸右腔的回路可经右边液控单向阀及换向阀流回油箱，活塞向上运动。反之，活塞则向下运动。到了需要停留的位置，只要使换向阀处于中位，因阀的中位为H型机能，所以两个液控单向阀均关闭，使活塞双向锁紧。回路中由于液控单向阀的密封性好，泄漏极少，锁紧的精度主要取决于液压缸的泄漏。为加强安全系数，还用到了平衡回路，功用是机构不工作时，不致因受负载重力作用而使执行机构自行下落。本系统采用液控单向阀串连单向节流阀的平衡回路，这种回路锁定性好，工作可靠。卸荷回路采用M型中位机能，切换时液压冲击小。

3.2、拟定液压系统图

液压执行元件及各基本回路确定之后，把它们有机地组合在一起，去掉重复多余的元件即可。具体的液压系统图如下图4所示：

图4液压系统图

本液压系统主要实现动力滑台的上升、下降等几个动作，它的液压油流向不一样。要实现液压缸的上升动作，首先要把三位四通换向阀打到左位液压油从油箱通过过滤器过滤被液压泵吸收。经过换向阀左位运行到节流阀和单向阀的交接处，因为单向阀只允许液压油从上往下流动，所以液压油经过节流阀，同时节流阀可以通过调节流量来调节举升机举升的速度。液压油流到双控液压阀左边液控单向阀经过单向阀进入液压缸左腔，同时通过控制口打开右边液控单向阀，使液压缸右腔的回路可经右边液控单向阀及换向阀流回油箱，活塞向右运动，实现举升机举升的动作。要实现液压缸的下降动作，则要把三位四通换向阀打到右位液压油从油箱通过过滤器过滤被液压泵吸收。经过换向阀右位流到双控液压阀右边液控单向阀进入液压缸右，同时通过控制口打开右边液控单向阀，使液压缸左腔的回路经过节流阀，液控单向阀，单向阀及换向阀流回油箱，活塞向左运动，实现举升机下降的动作。液压缸和液控单向阀之间的节流阀可以改变举升机下降的速度。要实现锁止的动作，举升机动作时到了需要停留的位置，只要使换向阀处于中位，因阀的中位为H 型机能，所以两个液控单向阀均关闭，使活塞双向锁紧。回路中由于液控单向阀的密封性好，泄漏极少，锁紧的精度主要取决于液压缸的泄漏。

对于此液压系统一般都是把换向阀至于中位，打开液压泵，由于换

向阀中位卸荷能力，所以液压泵打开之后液压油也会流到油箱。而如果先开液压泵，换向阀没有调整，则可能会引起事故，如果换向阀左位举升机就会举升，如果在右位举升机就会下降。所以液压泵的开启要等换向阀调到中位才可以。

3.3、液压缸的设计计算

3.3.1 液压缸的类型及结构形式

液压缸有多种类型。按作用方式可分为单作用式和双作用式两种；按结构形式可分为活塞式、柱塞式、组合式和摆动式四大类。

其中，单作用液压缸分为：单活塞杆液压缸、双活塞杆液压缸、柱塞式液压缸、差动液压缸和伸缩液压缸。但是，差动式液压缸和柱塞式液压缸只能单作用而不能双作用。组合液压缸包括：弹簧复位式、齿条式、串联式和增压式四种。摆动液压缸又分为：单叶片式和双叶片式两种。下面以一种典型液压缸为例，说明液压缸的基本组成。

空心活塞式液压缸如上图所示。它由缸筒，活塞，活塞杆，缸盖，密封圈，导向套，压板等主要零件成。这种液压缸活塞杆固定，缸筒带动工作台作往复运动。活塞用锥销与空心活塞杆连接，并用堵头堵死活塞杆的一头。缸筒两端外圆上套有钢丝环，用于阻止压板向外移动，从而通过螺栓将缸盖与压板相连（图中没有画出），并把缸盖压紧在缸筒的两端。为了减少泄漏，在液压缸中可能发生泄漏的结合面安放了密封圈和纸垫。空心活塞杆和其上的油口a、c提供了液压缸的进、出油口。

当缸筒移动到左、右终端时，油口a、c的开度逐渐减小，造成回油阻力逐渐增大，对运动部件起到制动缓冲作用。在缸盖上设有与排气阀（图中没有画出）相连的排气孔，可以排出液压缸中的空气，使运动更加平稳。

表2-1液压缸的类型和特点

类型速度作用力特点

双活塞杆液压缸U=q/A

3

F=p1A1

活塞的两侧

都装有活塞

杆，只能向活

塞一侧供给

压力油，由外

力使活塞反

向运动

单活塞杆液压缸U=q/A

3

F1=p1A1 活塞仅单向

运动，返回行

程利用自重

或负荷将活

塞推回

柱塞式液压缸U=q/A

3

F1=p1A1 柱塞仅单向

运动，由外力

使柱塞反向

运动

差动液压缸U3=q/

A3

F3=p1A1 可使速度加

快，但作用力

相应减小

伸缩液压缸--- ---

以短缸获得

长行程；缸由

大到小逐节

推出，靠外力

由小到大逐

节缩回

双活塞杆液压缸U1=q/

A3

U2=q/

A2

F1=（p1-p2）

A1

F2=（p2-p1）

A2

双边有杆，双

向液压驱动，

双向推力和

速度均相等

单活塞杆液压缸U1=q/

A3

U2=q/

A2

F1=（p1-p2）

A1

F2=（p2-p1）

A2

单边有杆，双

向液压驱动，

u1〈V U2，F1〉

F2

伸缩液压缸--- --- 双向液压驱

动，由大到小

逐节推出，由

小到大逐节

缩回

弹簧复位液压缸--- --- 单向由液压

驱动，回程弹

簧复位

串联液压缸U1=q/

（A1+

A2）

U2=q2

A2

F1=p1

（A1-A2）

-2qA2

F1=2p2A2-A2

-q1（A1+A2）

用于缸的直

径受限制，而

长度不受限

制处，可获得

在的推力

增压

缸--- --- 由活塞缸和柱塞缸组合而成，低压油送入A腔，B 腔输出高压油

齿条液

压缸--- --- 活塞的移动通过传动机构变成齿轮的往复回转运动

单叶片液压缸W

=8q/

（b

（D2-

d2）

T=p

（D^2-d^2）

b/8

把液压能变

为回转的机

械能，输出轴

摆动角 < 300

度

双叶片液压缸W

=4q/

（b

（D2-

d2）

T=p

（D^2-d^2）

b/4

把液压能变

为回转的机

械能，输出轴

摆动角 < 150

度

注：b—叶片宽度；D—叶片的底端、顶端直径；w—叶片轴的角速度；T-- 理论转矩

3.3.2 液压缸的工作压力

根据负载并查表，初选工作压力P1=3MPa。

3.3.3 计算液压缸的尺寸

鉴于磨头要求快进、快退速度相等，可选用单杆式轻负载型油缸。无杆腔工作面积A1，有杆腔工作面积A2，且A1=2A2，即活塞杆直径d与缸筒直径D呈d=0.707D的关系。

回油路上背压P2取0.8MPa；

油路压力损失△P 取0.5MPa ；

A 1=F/(P 1-P 2/2)=4182×10-6/(3-0.8/2)m 2=0.0016m 2 D=π/)14(A =45.13mm d=0.707D=31.91mm

按GB/T2348-2001将直径元整成就进标准值 D=50mm d=35mm;

油缸两腔的实际有效面积为： A 1=πD 2/4=19.63×10-4m 2 A 2=π(D 2-d 2)/4=10.01×10-4m 2

根据上述D 与d 的值，可估算油缸在各个工作阶段中的压力。 3.3.4 液压缸各工作阶段的压力、流量和功率计算

工况

推力 F/N 回油腔压

力P 2/MPa 进油腔压

力P 1/MPa 输入流

量

/J Q （L/min ） 输入功率

/P kW 计算公式

快进 启

动

1289 0 1.86

—

-

2112

F A P

p A A +?=

-121Q v =（A -A ） 1P p Q =?

加

速

1193

1p p p =+?

△P=0.5

1.76 — -

恒

速

645 1.29

4.81

0.10

工进

4182

0.8

2.54

1.57～

0.098

0.07

22

11

F p A p A +=

12Q Av =

1P p Q =?

快启1289 0 1.29

— -

21

12

F p A p A +=

退动

2 Q A v

=

1

P p Q =?

加

速

1193

0.5

2.17 —-

恒

速

645 1.62 5.01 0.135

3.4、液压缸工况图

3.5、液压缸推力的计算

根据系统工况，可知油压范围介于14MPa之间，故根据油缸推力计算公式可知：F=PXS=14X3.14X20X20=1758.4N。

3.6、液压系统的压力损失计算

1）快进

滑台快进时，油缸差动连接，进油路上通过单向阀3的流量是6L/min，通过电液换向阀4，油缸有杆腔的回油与进油路汇合，以12.24L/min通过行程阀5并进入无杆腔。因此进油路上的总压降为

∑△p v=[0.2×(6/63)2+0.5×(6/80)2+0.3×(12.24/63)2]

=(0.019+0.038+0.058)MPa=0.115MPa。

压力阀不会被打开，油泵的流量全部进入油缸。回油路上，油缸有杆腔中的油液通过电液换向阀4和单向阀9的流量都是6.24L/min，然

后与液压泵的供油合并，经行程阀5流入无杆腔。由此可算出快进时有杆腔压力p2与无杆腔压力p1之差

△p=p2-p1=[0.5×(6.24/80)2+0.2×(6.24/63)2+0.3×(12.24/63)2]

=(0.039+0.020+0.058)MPa =0.117MPa此值小于原估计值0.5MPa，所以是安全的。

2）工进

工进时，油液在进油路上通过电液换向阀4的流量为0.5L/min,在调速阀7处得压力损失为0.5MPa，油液在回油路上通过换向阀4的流量是0.25L/min，在背压阀10处得压力损失为0.5MPa，通过顺序阀11的流量为（6+0.24）=6.24L/min，因此这时油缸回油腔的压力p2为p2=[0.5×(0.24/80)2+0.5+0.3×(6.24/63)2]

=(0.002+0.5+0.030)MPa =0.532MPa

此值小于原估计值0.8MPa。

重新计算工进时油缸进油腔压力p1

p1=(F`+p2A2)/A1

=(4182+0.532×106×10.01×10-4)/19.63×106×10-4

=2.40MPa，此数值与2.54MPa接近。

3）快退

快退时，油液在进油路上通过换向阀4的流量为6L/min；油液在回油路上通过单向阀7、换向阀4和单向阀13的流量都是11.76L/min，因此进油路上总压降为

∑△p v1=[0.2×(6/63)2+0.5×(6/80)2]=(0.019+0.038)MPa=0.057 MPa 此值较小，所以液压泵驱动电动机的功率是足够的。回油路上总压降为∑△p v2=[0.2×(11.76/63)2+0.5×(11.76/80)2+0.2×（11.76/63）2] =(0.037+0.074+0.037)MPa=0.148MPa。

此值与0.135MPa接近，不必重算。所以快退时液压泵的最大工作压力p p应为p p=p1+∑△p v1=(2.17+0.057)MPa=2.227MPa；

因此液压泵卸荷的顺序阀11的调压应大于2.227MPa。

4、钻镗两用组合机床的PLC设计

4.1、输入输出点分配

列出钻镗两用组合机床PLC的输入\输出点分配表，见表2-2.

4.2、PLC的选择

由表3.1可知，24个输入点，16个输出点，根据电压的不同选用输入有4个点的输入模块，分别为M1、M2、M3、M4、M5、M6;S输出有4个点的模块分别为L1、L2、L3、L4。

4.3组合钻孔组合机床PLC控制接线图

根据表3.1和如上所述，画出钻镗两用组合机床PLC控制接线