第頁共35頁XX學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)題目：Z3040鉆床工作臺Y向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)（PLC控制）

二○XX年十二月目錄1．設(shè)計(jì)任務(wù)書······································32．總方案確定······································33．機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算······························43.1確定尺寸及估計(jì)重量·······························43.2橫向（Y向）設(shè)計(jì)計(jì)算····························43.2.1切削力的計(jì)算·····························3.2.2直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型···········3.2.3滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算·······························63.2.4步進(jìn)電機(jī)選用···································103.2.5步進(jìn)電機(jī)減速箱的選用···························14、工作臺機(jī)械裝配圖的繪制··························255、電器部分設(shè)計(jì)··················265.1PLC簡介·····················265.2Z3040搖臂鉆床的工作原理·············265.3PLC設(shè)計(jì)···················296、設(shè)計(jì)小結(jié)········································337、參考文獻(xiàn)········································35

任務(wù)書(機(jī)電方向)題目：Z3040鉆床工作臺Y向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)（PLC控制）要求：在該鉆床的結(jié)構(gòu)上，設(shè)計(jì)數(shù)控工作臺，尺寸400*360mm；保留主傳動(dòng)系統(tǒng)；脈沖當(dāng)量為0.005,定位精度為0.01mm,空載移動(dòng)速度為3100mm/min時(shí)間：20XX年11月19日至20XX年12月29日具體任務(wù)：總體方案確定；機(jī)械部風(fēng)設(shè)計(jì)及計(jì)算，要求數(shù)據(jù)具有科學(xué)性；繪制裝配圖及其零件圖若干張；控制部分包括硬件和軟件的設(shè)計(jì)（流程）；編寫設(shè)計(jì)說明書（不少于一萬字）。機(jī)電工程系20XX年11月

2.總方案確定1.機(jī)械傳動(dòng)方案的選擇（1）導(dǎo)軌副的選擇：要設(shè)計(jì)的工作臺與z3040鉆床配套使用的，因此，選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有麼擦系數(shù)小，不宜爬行，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。（2）絲杠螺母副的選用：伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，要滿足0.005的脈沖當(dāng)量和0.001的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到。滾珠絲杠副的傳動(dòng)精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)塊，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，壽命長，效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。（3）減速裝置的選用：選擇了步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠副以后，為了脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可能需要減速裝置且應(yīng)有消息機(jī)構(gòu)。因此，決定采用無間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。（4）伺服電動(dòng)機(jī)的選用：任務(wù)書的脈沖當(dāng)量尚未到達(dá)0.001mm,定位精度也未達(dá)到微米級，空載最快移動(dòng)速度也只有3000mm/min。因此，本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，如交流伺服電動(dòng)機(jī)或直流伺服電動(dòng)機(jī)等，可以選用性能好一些的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以降低成本，提高性價(jià)比。(5)步進(jìn)電機(jī)的控制方式：由于任務(wù)書所給精度對于步進(jìn)電機(jī)來說還可應(yīng)付，因此工作臺僅要求單坐標(biāo)定位，選用開環(huán)控制。2.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）對于步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制，選用8031作為控制系統(tǒng)的cpu,可滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。（2）要設(shè)計(jì)一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇cpu以后，還需進(jìn)行存儲器的選擇和擴(kuò)展，輸入\輸出接樓電路的設(shè)計(jì)，隔離電路，報(bào)警電路，運(yùn)行指示電路等。(3)選擇適合的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電機(jī)配套使用。3.機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1確定尺寸及估計(jì)重量根據(jù)鉆床工作臺的尺寸初步確定Y軸方向移動(dòng)的工作臺尺寸重量約為200N。X軸方向移動(dòng)的工作臺尺寸重量約為150N。XY工作臺總重量（包括夾具及工件）不超過450N。3.2橫向（Y向）設(shè)計(jì)計(jì)算3.2工件為(45#HB250)C=1063.12V=0.129d=0.903f=0.956f=0.966V=18m/mind=6mmf=0.102mm/rF=CVdf=1063.12×18×6×0.102=877.82(N)對于麻花鉆鉆削加工F=0.57F=0.57877.82=500.4(N)F=0.4F=0.4877.82=351.128(N)F=0.03F=0.03877.82=26.33(N)3.2.2（1）滑塊承受工作載荷Fmax的計(jì)算及導(dǎo)軌型號的選取工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。工作臺為水平放置，采用雙導(dǎo)軌，四滑塊的支撐形式，考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為： Fmax=G/4+F其中，移動(dòng)部件重量G=800N,外加載荷F=Fx=556N，代入式，的最大工作載荷Fmax=756N=0.756KN。查表，根據(jù)工作載荷F=0.756KN,出選定直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號為KL系列的JSA—LG15型，器可定動(dòng)載荷Ca=7.94KN,額定靜載荷Coa=9.5KN。任務(wù)書規(guī)定工作臺尺寸為400mm*360mm，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表3-35，安標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長度為700mm。（2）距離額定壽命L的計(jì)算上述選取的KL系列JSA-LG15導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100攝氏度，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為四級，工作速度較低，載荷不大，查表分別取硬度系數(shù)Fh=1.0,溫度系數(shù)Ft=1.00,接觸系數(shù)fC=0.81,精度系數(shù)Fr=0.9,載荷系數(shù)Fw=1.5，帶入式，得距離壽命：L=6649km遠(yuǎn)大于期望值50km,故距離額定壽命滿足要去。3.2.3滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算1)強(qiáng)度計(jì)算對于導(dǎo)軌的牽引力計(jì)算F=KF+f(F+2F+G)取K=1.4f=0.2考慮工作臺在移動(dòng)過程中只受G影響故F=fG=0.2×450=90(N)考慮工作臺在加工時(shí)靜止只受FX影響故F=KF=1.4×500.4=700.56(N)取F=F2)計(jì)算最大動(dòng)載荷C初選螺母副導(dǎo)程L0=6mm絲杠的轉(zhuǎn)速n=100r/minL=查[2]表6-7取T=15000hL===90考慮滾珠絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中有沖擊振動(dòng)和考慮滾珠絲杠的硬度對壽命的影響。查[2]表6-7取f=1.2查[2]表6-8取f=1.0Q=ffF=×1.2×1×877.82=4.72(KN)查[3]表2-27選取G2506型滾珠絲杠(Ca=13.1KN>Q),所以剛度足夠3)效率計(jì)算根據(jù)[7]的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率η為η=摩擦角Φ=10′由[2]可知螺旋角γ=4°22′由[3]可知η===0.963滾珠絲杠的傳動(dòng)效率高，這可使絲杠副的溫度變化較小，對減小熱變形，提高剛度、強(qiáng)度都起了很大作用。4)剛度驗(yàn)算：滾珠絲杠受工作載荷Fm引起的導(dǎo)程變化量△L1=±L=6mm=0.6cmE=21×10N/cmF=2π=3.46(cm)△L1=±=±=±5.78×10滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量△L2很小，可忽略，既△L=△L1所以導(dǎo)程變形總誤差△為△===9.64(μm/m)查[2]表6-9知E級精度絲杠允許的螺距誤差（1m長）為15μm/m，故剛度足夠。5)穩(wěn)定驗(yàn)算機(jī)床的進(jìn)給絲杠通常是軸向力的壓桿，若軸向力過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生彎曲，依據(jù)[8]中的歐拉公式計(jì)算F=式中截面慣性矩，對實(shí)心圓柱J===0.95(N·cm)F===1972613.719(N)[n]=2.4～4n===2815.77>[n]所以滾珠絲杠安全不至失穩(wěn)6)滾珠絲杠基本尺寸表3.1滾珠絲杠副主要尺寸列表主要尺寸計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果公稱直徑d0——25基本導(dǎo)程L0——6滾珠直徑d3——3.969滾珠圓弧半徑R——2.064螺旋升角γ——4°22′滾道圓弧偏心距e——0.056絲杠大徑d————絲杠小徑d1d=d+2e-2R20.984絲杠長度SS〈700500螺母大徑D——53螺母小徑D0————螺母長度——603.2.4（1）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算選型工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J=()2·G=()2×450=65.66(N·cm2)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js=7.8410PL=7.8×10-4×24×48=5.9904(N·cm2)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=7.8410PL=7.8×10-4×(3.775)4×1.7=1.72(N·cm2)J=7.8410PL=7.8×10-4×(5.125)4×2=1.076(N·cm2)J=7.8410PL=7.8×10-4×(3.75)4×2.6=4(N·cm2)J=7.8410PL=7.8×10-4×(6.125)4×2.8=30.738(N·cm2)總傳動(dòng)慣量J=++J+J=+1.72+65.66=79.679(N·cm2)（2）計(jì)算家在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq分快速空載啟動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。1）所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩快速空載時(shí)所需的力矩M=M+M+M當(dāng)n=n時(shí)M=Mn===416.67(r/min)M===1.66(Ncm)M===3.44(N·cm)當(dāng)η=0.9時(shí)預(yù)加載荷P=，則M===3.44(N·cm)M===33.45所以快速啟動(dòng)時(shí)所需力矩M=M+M+M=1.66+2.865+1.765=6.29(N·cm)切削時(shí)所需力矩M=M+M+M=0+0+1.765+27.87=29.635(N·cm)由上分析計(jì)算可知所需最大力矩M發(fā)生切削啟動(dòng)時(shí)M=M=35.568N·cmM===74.0875(N·cm)為滿足最小步進(jìn)距要求，電動(dòng)機(jī)選用三相三拍工作方式查表7-2知=0.886M==102.68(N·cm)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高頻率f===3333.33(HZ)選用110BF003型直流步進(jìn)電機(jī)，能滿足使用要求3.2.5步進(jìn)電機(jī)減速箱的齒輪的相關(guān)計(jì)算1)傳動(dòng)比的計(jì)算i===2.52)初步分配傳動(dòng)比由[2]按獲得最小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的原則分配傳動(dòng)比i=iii=得i=1.52i=1.643)初步估計(jì)齒輪模數(shù)m=1.25小齒輪Z=27大齒輪Z=iZ1=1.5227=41b=17mmb=20mmd=mZ=1.2527=33.75mmd=mZ=1.2541=51.25(mm)a===42.5(mm)小齒輪Z=30大齒輪Z4=iZ=1.6430=49b=26mmb=28mmd=mZ=1.2530=37.5(mm)d=mZ=1.2549=61.25(mm)a===49.375(mm)齒輪的驗(yàn)算1)材料的選擇由[5]機(jī)械設(shè)計(jì)表10-1選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS2)第一對齒輪按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)由[5]設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）d(1)確定公式內(nèi)的各計(jì)算值①試選擇載荷系數(shù)K=1.3②小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T=8000(N·m)③由[5]表10-7選出齒寬系數(shù)=0.5④由[5]表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)Z=189MPa⑤由[5]圖10-21d（按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度）=600MPa大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=550MPa小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限⑥由[5]10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=60njh=608331（2830015）=3.610N===2.36810⑦由[5]圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)K=0.92K=0.96⑧計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為1%安全系數(shù)S=1由式（10-12），得[]===552(MPa)[]===528(MPa)(2)計(jì)算①試算小齒輪分度園直徑d帶入[]中較小的值d=2.32=38.18(mm)②計(jì)算圓周速度vv===1.665(m/s)③計(jì)算齒寬b==0.538.18=19.09(mm)④計(jì)算齒寬與齒高之比b/h模數(shù)m==1.414(mm)齒高h(yuǎn)=2.25m=2.51.414=3.18(mm)=6⑤計(jì)算載荷系數(shù)根據(jù)v=1.665m/s7級精度由[5]圖10-8得動(dòng)載系數(shù)K=1.1直齒輪假設(shè)〈100N/mm由表10-3得K=K=1.2由表10-2得，使用系數(shù)K=1由表10-4得7級精度小齒輪相對支承懸臂布置時(shí)K=1.12+0.18（1+0.7）+0.2310b=1.24由=5.1，K=1.24查圖10-13得K=1.28故載荷系數(shù)K=KKK=11.11.21.24=1.6368⑥按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度園直徑，由式（10-10a），得d=d=38.18=41.23(mm)⑦計(jì)算模數(shù)mm===1.527(mm)3)第一對齒輪按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)由式（10-5）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式m(1)確定公式內(nèi)的各計(jì)算值①由圖10-20C查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa,大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=380MPa②由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)K=0.8K=0.87③計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞完全系數(shù).S=1.4[]===307.14(MPa)[]===236.14(MPa)④計(jì)算載荷系數(shù)K=KKKK=11.11.21.28=1.6896⑤查取齒形系數(shù)由表10-5查得Y=2.57Y=2.39⑥查取應(yīng)力校正系數(shù)由表10-5查得Y=1.6Y=1.672⑦計(jì)算大，小齒輪的并加以比較==0.0134==0.0169大齒輪數(shù)值大(2)設(shè)計(jì)計(jì)算m==1.078對比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度多決定的承載能力，而齒面接觸強(qiáng)度多決定的承載能力，僅與只論直徑歸類，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)1.078〈mm=1.25故齒輪強(qiáng)度適合。4）第二對齒輪按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)由[5]設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）d(1)確定公式內(nèi)的各計(jì)算值①試選擇載荷系數(shù)K=1.3②小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T=i=13120(N·m)③由[5]表10-7選出齒寬系數(shù)=0.7④由[5]表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)Z=189MPa⑤由[5]圖10-21d（按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度）=600MPa大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=550MPa⑥由[5]10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=60njh=60457.691（2830015）=1.97710N===1.210⑦由[5]圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)K=0.95K=0.99⑧計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為1%安全系數(shù)S=1由式（10-12），得[]===570(MPa)[]===544.5(MPa)(2)計(jì)算①試算小齒輪分度園直徑d帶入[]中較小的值d=2.32=39.04(mm)②計(jì)算圓周速度vv===0.94(m/s)③計(jì)算齒寬b==0.739.04=27.328(mm)④計(jì)算齒寬與齒高之比b/h模數(shù)m===1.3(mm)齒高h(yuǎn)=2.25m=2.51.414=3.18(mm)=9.34⑤計(jì)算載荷系數(shù)根據(jù)v=0.94m/s7級精度由[5]圖10-8得動(dòng)載系數(shù)K=1.06直齒輪假設(shè)〈100N/mm由表10-3得K=K=1.2由表10-2得，使用系數(shù)K=1由表10-4得7級精度小齒輪相對支承懸臂布置時(shí)K=1.12+0.18（1+0.7）+0.2310b=1.12+0.18（1+0.70.7）0.7+0.231027.328=1.24由=9.34，K=1.24查圖10-13得K=1.23故載荷系數(shù)K=KKKK=11.061.21.24=1.57728⑦按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度園直徑，由式（10-10a），得d=d=39.04=41.64(mm)⑧計(jì)算模數(shù)mm===1.388(mm)5)按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)由式（10-5）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式m(1)確定公式內(nèi)的各計(jì)算值①由圖10-20C查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa,大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=380MPa②由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)K=0.8K=0.87③計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞完全系數(shù).S=1.4[]===300(MPa)[]===233.43(MPa)④計(jì)算載荷系數(shù)K=KKKK=11.061.21.23=1.56456⑤查取齒形系數(shù)由表10-5查得Y=2.57Y=2.39⑥查取應(yīng)力校正系數(shù)由表10-5查得Y=1.625Y=1.696⑦計(jì)算大，小齒輪的并加以比較==0.0136==0.0169大齒輪數(shù)值大(2)設(shè)計(jì)計(jì)算m==0.92對比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度多決定的承載能力，而齒面接觸強(qiáng)度多決定的承載能力，僅與只論直徑歸類，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)0.92〈m，m=1.25故齒輪強(qiáng)度適合4.工作臺機(jī)械裝配圖的繪制5.電器部分設(shè)計(jì)5、1可編程控制器（ProgrammableLogicController）簡稱PLC,是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用設(shè)計(jì)[2]，它采用了可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲程序、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算數(shù)運(yùn)算等面向用戶的指令，并通過數(shù)字和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。與傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制方式相比，PLC控制具有以下特點(diǎn)：(1)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。PLC采取屏蔽、濾波、隔離、電源調(diào)整與保護(hù)、元件篩選、模塊化結(jié)構(gòu)、自診斷功能、信息保護(hù)和恢復(fù)、雙CPU冗余系統(tǒng)等措施，使PLC的平均故障間隔時(shí)間達(dá)幾十萬小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過IEC規(guī)定的十萬小時(shí)。(2)豐富的I/O接口模塊。PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備直接相連。輸入輸出端口選擇靈活，有多種機(jī)型，組合方便。(3)編程方便，易于使用。PLC的編程可采用與繼電器極為相似的梯形圖語言，直觀易懂，深受現(xiàn)場電氣人員的歡迎。(4)功能強(qiáng)大。除基本的邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、算數(shù)運(yùn)算外，配合特殊功能模塊還可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制、過程運(yùn)算、數(shù)字控制等功能，為方便工廠管理又可以與上位機(jī)通信，通過遠(yuǎn)程模塊可以控制遠(yuǎn)程設(shè)備。因此，PLC幾乎是全能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)[3]。(5)PLC還具備網(wǎng)絡(luò)功能，能進(jìn)行多臺PLC或PLC與PC機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)通訊，可以很方便的構(gòu)成“集中管理、分散控制”的分布式電氣控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場總線的PLC通訊網(wǎng)絡(luò)，可使工廠的各種資源共享，就更適合工廠自動(dòng)化的需要，為自動(dòng)化提供了技術(shù)保證。日本三菱電機(jī)公司的FX2N系列PLC不但具有上述優(yōu)點(diǎn)，其作為新一代的小型PLC，保留了原小型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)少，結(jié)構(gòu)緊湊，整個(gè)硬件融為一體的特點(diǎn)，且CPU采用了功能更強(qiáng)的16位微處理器和專用邏輯處理芯片，功能大大增強(qiáng)。除了開關(guān)量I/O外，它可以連接模擬量I/O及其他各種特殊功能模塊，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)、定時(shí)、算數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送、高速處理、中斷、通信聯(lián)網(wǎng)各種功能指令。掃描速度很快，存儲器容量大[4]。正是由于PLC電氣控制系統(tǒng)的種種優(yōu)點(diǎn)，采用FX2N系列的PLC對Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的改造，可以大大提高Z3040搖臂鉆床工作性能和系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，為工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化帶來生機(jī)。5、2Z3040搖臂鉆床的工作原理5、2.1Z3040搖臂鉆床的主要結(jié)構(gòu)Z3040搖臂鉆床是一種用途廣泛的萬能機(jī)床，適合用于加工中小零件，可以進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、刮平面及改螺紋等多種形式的加工。主要有底座、內(nèi)外立柱、搖臂、主軸箱、主軸及工作臺等部分組成[5]。它的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-1所示。圖Z3040搖臂鉆床的結(jié)構(gòu)示意圖5、2．2主電路我國原來生產(chǎn)的Z3040搖臂鉆床的主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和搖臂升降運(yùn)動(dòng)的操作是通過不能復(fù)位的十字開關(guān)來操作的,它本身不具有欠壓和失壓保護(hù)。因此在主回路中要用一個(gè)接觸器將三相電源引入?，F(xiàn)在的Z3040搖臂鉆床取消了十字開關(guān)，它的電氣原理圖如下所示：圖2-1主電路它的主電路、控制電路、信號電路的電源均采用自動(dòng)開關(guān)引入，交流接觸器KM1為主電動(dòng)機(jī)M1接通或斷開的接觸器，F(xiàn)R1為主電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)用熱繼電器。搖臂的升降，立柱的夾緊放松都要求拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，所以M2和M3電動(dòng)機(jī)分別有兩個(gè)接觸器，它們?yōu)镵M2、KM3和KM4、KM5。搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2、液壓泵電動(dòng)機(jī)M5均為短時(shí)工作，不設(shè)過載保護(hù)。5、2.2控制電路、信號及照明電路控制電路的電源由控制變壓器TC二次側(cè)輸出220V供電，中間抽頭對地為信號燈電源6.3V,照明變壓器TD二次側(cè)輸出36V。圖2-2鉆床控制電路5、1.2Z3040搖臂鉆床的主要運(yùn)動(dòng)形式[6]（1）主軸帶刀具的旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)有一臺三相交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向由機(jī)械及液壓裝置控制。（2）各運(yùn)動(dòng)部分的移位運(yùn)動(dòng)主軸在三維空間的移位運(yùn)動(dòng)有主軸箱沿?fù)u臂方向的水平移動(dòng)；搖臂沿外立柱的升降運(yùn)動(dòng)；外立柱帶動(dòng)搖臂沿內(nèi)立柱的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（3）移位運(yùn)動(dòng)部件的夾緊與放松搖臂鉆床的三種對刀移位裝置對應(yīng)三套夾緊與放松裝置。對刀移動(dòng)時(shí)需要將裝置放松，加工過程中需要將裝置夾緊。三套夾緊裝置分別為搖臂夾緊，主軸箱夾緊，立柱夾緊。5、2.3Z3040搖臂鉆床的主要控制要求搖臂鉆床有以下控制要求：1)對主軸電動(dòng)機(jī)M1的要求：單方向旋轉(zhuǎn)，有過載保護(hù)。2）對搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2的要求是：全壓正反轉(zhuǎn)控制，電動(dòng)控制；啟動(dòng)時(shí)，先啟動(dòng)液壓泵電動(dòng)機(jī)M3，在啟動(dòng)搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2；停機(jī)時(shí)，搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2先停止，然后液壓泵電動(dòng)機(jī)M3才能停止；電動(dòng)機(jī)M3對M2設(shè)有必要的聯(lián)鎖保護(hù)。3）對液壓泵電動(dòng)機(jī)M3的要求：全壓正反轉(zhuǎn)控制，設(shè)長期過載保護(hù)。4）冷卻泵電動(dòng)機(jī)M4容量小，由開關(guān)SA1控制，單方向運(yùn)轉(zhuǎn)。5）主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由一臺電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，經(jīng)主軸與進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給。6）對立柱、主軸箱及搖臂的夾緊放松采用液壓技術(shù)；6）具有必要的聯(lián)鎖與保護(hù)[7]。5、3PLC的Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案由兩部分組成，一部分為電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，也就是PLC機(jī)型的確定；另一部分是電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，也就是PLC控制程序的編寫。為了使改造后的搖臂鉆床仍能保持原有功能不變，改造的重要原則之一就是，不對原有機(jī)床的控制結(jié)構(gòu)做過大的調(diào)整，只將原繼電器控制中的硬件接線改為軟件編程來替代[8]。5、3.1PLC電氣控制系統(tǒng)的硬件部分

選擇基于PLC的搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的PLC機(jī)型，應(yīng)從如下幾個(gè)方面考慮：1）PLC的物理結(jié)構(gòu)；2）PLC的指令功能；3)PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)（共13個(gè)輸入信號9個(gè)輸出信號）；4）PLC的存儲容量；5）輸入、輸出模塊的類型[9]?？紤]留有一定余量，選用FX2N-32MRPLC5、3.2PLC的I/O端口分配表根據(jù)所選PLC的型號進(jìn)行I/O點(diǎn)的端口分配，如表2-1、表2-2。表2-1輸入端口分配表地址號符號名稱用途X0X1X2X3X4X5X6X7X10X11X12X13X14SQ5SB1SB2SB3SB4SB5SB6SQ1SQ2SQ3SQ4FR1FR2搖臂下降限位行程開關(guān)電動(dòng)機(jī)M1起動(dòng)按鈕電動(dòng)機(jī)M1停止按鈕搖臂上升起動(dòng)按鈕搖臂下降起動(dòng)按鈕主軸箱、立柱、搖臂松開按鈕主軸箱、立柱、搖臂夾緊按鈕搖臂上升限位行程開關(guān)搖臂放松用行程開關(guān)搖臂自動(dòng)夾緊行程開關(guān)主軸箱與立柱箱加緊松開行程開關(guān)電動(dòng)機(jī)M1過載保護(hù)電動(dòng)機(jī)M3過載保護(hù)表2-2輸出端口分配表地址號符號名稱用途Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y10Y11Y12YAKM1KM2KM3KM4KM5HL1HL2HL3電磁閥主軸旋轉(zhuǎn)接觸器搖臂上升接觸器搖臂下降接觸器搖臂松開、立柱箱立柱松開接觸器搖臂夾緊、立柱箱立柱夾緊接觸器立柱松開指示信號燈立柱夾緊指示信號燈主電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)指示信號燈5、3.3PLC的I/O電氣接線圖PLC的Z3040搖臂鉆床的I/O電氣接線圖如圖2-1。圖中X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X10、X11、X12、X13、X14共用一個(gè)COM端，輸入開關(guān)的其中一端應(yīng)并接在直流24V電源上，另一端應(yīng)分別接入相應(yīng)的PLC輸入端子上。接線時(shí)應(yīng)注意PLC輸入輸出COM的極性。接觸器的線圈工作電壓若為交流110V，則接觸器線圈連接的Y0、Y1、Y2、Y3；Y4、Y5、Y6、Y7;分別共用一個(gè)COM端。信號燈電源電壓為6.3V，因此Y10、Y11、Y12可以共