深孔钻床电气自动控制

深孔钻床电液自动控制系统设计序言深孔加工是机械加工中的一个重要分支，同时深孔加工工艺理论也是机械加工研究中的一个重要课题。

深孔钻床就是有别于传统的孔加工方式，依靠特定的钻削技术，对长径比大于10的深孔孔系进行钻削加工的的专用机床统称。

深孔加工技术代表着先进、高效的孔加工技术，通过一次走刀就可以获得精密的加工效果，加工出来的孔位置准确，尺寸精度好,直线度、同轴度高，并且有很高的表面光洁度和重复性。

深孔钻削加工（孔深和孔径的比值＞10）在机械加工领域中占有非常重要的地位，约占孔加工量的40%以上,随着科学技术的进步和新型高强度、高硬度和高价值难加工深孔零件的不断出现，加工工件在加工深度、加工精度以及加工效率上要求的不断提高，使得深孔加工成为机械加工的关键工序和加工难点。

因此在毕业设计之际,选择深孔钻床的电气自动控制系统设计,既是对大学四年本专业所学知识的综合运用,又具有非常强的现实经济意义。

本毕业设计说明书共分为四章，第一章是毕业设计课题分析以及提出系统设计方案，在此章节里主要阐述了本次控制系统的设计方案及其论证过程；第二章是工作系统动作部件的设计与选择，主要设计与选择驱动工作台运动的伺服电机及完成工作台相关传动部件设计；第三章是回转工作台设计，设计了一个合理的能驱动工作台回转的机械结构并设计出最终完成工作台回转的电气控制系统；第四章是整机深孔钻床电气控制设计，主要是PLC硬件外部接线及内部系统程序设计。

综合四个章节，最终实现深孔钻床的各个动作及完成自动加工过程，完成设计任务书的要求。

第1章课题分析与系统方案设计1.1课题任务分析本课题的主要任务是完成深孔钻床电气控制系统设计并调试至生产要求。

深孔钻床在工作过程中必须要能实现手动和自动控制。

手动控制是为了满足调试需求，主要应能实现速度、进给量的调整并能实现一系列辅助功能。

因此必须对深孔钻床的主轴正反转、驱动工作台直线运动的伺服电机正反转、进给速度的调节、工件夹紧与松开气缸的控制、切削液开与关等部件进行点动，以方便调整机床的实施。

进入正常工作阶段，必须充分考虑加工的效率，实现自动加工，在自动加工模式下应完成以下功能：两个工位同时装入工件（人工手动），按下自动加工按钮（程式启动），两个工位气缸同时夹紧，主轴启动，开始加工工件。

工件加工过程是分为快进、工进（冷却液打开）、退回排屑、再工进、再退回……直到第一工位工件加工完成后，工作台快速退回，退回到原点时，压下行程开关，工作台自动回转180°，实现工位的切换，重复刚才动作开始加工工件。

工作台回转180°后，加工工位气缸夹紧且不能松开，后一工位气缸可以自行松开或者夹紧，有按钮完成，实现在加工第一工位工件的同时自行跟换第二工位的工件，大大提高了深孔加工工作效率。

本次设计的深孔钻床采用工具钻头回转运动，工件装夹在工作台上直线运动，完成加工的。

课题初步分析设计为以下三大模块：工作台伺服传动系统设计、工作台回转及其电气控制系统设计、机床整体控制系统的设计（主轴电机以及冷却液电机选择等）。

1.2 系统方案设计系统总体设计非常重要，是对一部机器的总体布局和全局的安排。

总体设计是否合理将对后面几步的设计产生重大影响，也将影响机器的尺寸大小、性能、功能和设计质量。

所以，在总体设计时应多花时间、考虑清楚，以减少返工现象。

当伺服系统的负载不大、精度要求不高时，可采用开环控制。

一般来讲，开环伺服系统的稳定性不成问题，设计时主要考虑精度方面的要求，通过合理的结构参数设计，使系统具有良好的动态响应性能。

在机电一体化产品中，典型的开环控制位置伺服系统是简易数控机床，其结构原理如图1-1所示。

深孔钻床开环伺服系统在结构原理上大同小异，其方案设计实质上就是在图1-1的基础上选择和确定各构成环节的具体实现方案。

图1-1开环伺服系统结构原理框图1、执行元件的选择选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性及体积、成本等多方面要求。

开环系统中可采用伺服电机、步进电机、电液脉冲马达等作为执行元件，其中伺服电机应用较为广泛，也能满足于本次毕业设计，所以初步决定执行元件选择伺服电机。

2、传动机构方案的选择传动机构实质上是执行元件与执行机构以输出旋转运动和转矩为主，而执行机构则多为直线运动。

用于将旋转运动转换为直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。

前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂，后者因结构简单、制造容易而广泛使用。

因此本次设计选择丝杠螺母传动方案。

在伺服电机与丝杠之间运动的传递有多种方式，可将伺服电机与丝杠通过联轴器直接连接，其优点是结构简单，可获得较高的速度，对伺服电机的负载能力要求较高。

3、执行机构方案的选择执行机构是伺服系统中的被控对象，是实现实际操作的机构，应根据具体操作对象及其特点来选择和设计。

一般来讲，执行机构中都包含有导向机构，执行机构的选择主要是导向机构的选择。

4、控制系统方案的选择控制系统方案的选择包括微控制器、步进电机控制方式、驱动电路等的选择。

常用的微控制器有单片机、PLC 、微机插卡、微机并行口、串行口和下位机等，其中PLC 由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统中得到广泛的应用。

因此设计控制系统采用PLC 控制。

5、本次毕业设计方案的选择执行元件选用伺服电机，伺服电机的功率通过计算后选定电机的型号而确定；传动方案选择丝杠螺母传动机构，在已知丝杠导程和步进电机步距角的情况下，查询丝杠的型号，以满足传动的要求；执行机构为拖板导轨；控制系统采用PLC 驱动伺服电机。

最终确定的PLC 驱动整体方案框图1-2如下：图1-2 整体方案框图电机的选择以及对联轴器、丝杠的选择，可以绘制如图所示的传动系统结构示意图1-3，如下：其他辅助 设备显示单元工作台回转 步进电机单元工作台运动 伺服电机单元主轴回转 交流电机单元P L C 硬件电脑图1-3传动系统结构示意图第2章 深孔钻床动作部件设计2.1伺服驱动系统设计相关参数本次设计驱动系统相关参数已给出，详见下表2-1：表2-1 步进驱动系统设计相关参数项目名称 数值 备 注 项目名称 数值 备 注 走刀长度 1000 mm 主切削力Fz 500 N 丝杠导程 4 mm 吃刀抗力F(N) 500 N 脉冲当量δp 10 μm X 向拖板质量 1000 N 步距角α 1.5 度 空载启动时间Δt70ms 最大进给速度V 30r/min等效惯量(Jm+Je) 0.09kg ·m ²2.2 伺服电机的选择伺服电机主要靠脉冲来定位，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移。

伺服电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。

控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。

电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。

1、伺服电机所需转矩计算：选择伺服电机应按照电机额定输出转矩T ≥电机所需的最大转矩Tmax 的原则，首先计算电机所需的负载转矩。

作用在步进电机轴上的总负载转矩T 可按下面简化公式计算：i pF i pF i pF J J T T T T W em J 22.0 2 2 )(T 00W πηπηπηεμμ++++=+++= （2-1）式中，JT为启动加速引起的惯性力矩，μT为工作台重力和工作台其它力折算到电机轴上的当量摩擦力矩， W T 为加工负载折算到电机轴上的负载力矩，0T 为因丝杠预紧引起的力折算到电机轴上的附加摩擦转矩， mJ为电机转动惯量，eJ为折算到电机轴上的等效转动惯量，ε为启动时的角加速度，em J J +由任务书中给出，ε由任务中的空载启动时间和最大进给速度计算得到，p ：为丝杠导程，由任务书中给出，μF ：为工作台重力和主切削力引起丝杠上的摩擦力，μμ)(Z F mg F +=（2-2）工作台重量由任务书中给出，注意：钢与钢的摩擦系数可查资料，一般为0.05~0.2左右，本处取0.2；wF ：在选择横向电机时，为工作台上的最大横向载荷，通过给定吃抗力F得到，F ：为丝杠螺母副的预紧力，设取w F 的1/5 ~ 1/3 ，η：为伺服进给系统的总效率，取为0.8 ，Jm+Je=0.08N.m²， 启动时 ，ε=3107060/3014.32-⨯⨯⨯=44.86rad/m²计算Fu ，Fu=(mg+Fz)×u =(500+1000)×0.2=300N （2-3）计算Fw ，Fw=(mg+F)×u=（500+1000）×0.2=300N （2-4）计算Fo ，Fo=Fw （1/5~1/3） （2-5） 取Fo=60N由下式可得：（2-6）()328.4291.0037.41000/67.18.04.1322.06030030046.8449.00T =+=⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯⨯⨯++⨯+⨯=N.m一般启动时为空载，于是空载启动时电动机轴上的总负载转矩为：qT=J T +μT +0T（2-7）代入上式计算可得：qT=4.335N.m在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为：gT=W T +μT +0T （2-8）代入上式计算可得：gT=0.378N.m计算出的总负载转矩根据驱动方式，选择电机时还需除以一系数，设为3相驱动方式，则总负载转矩取为：)}5.0~3.0/( ;8.0/max{gq T T T =（2-9）T=max{4.335/0.8;0.378/(0.3～0.5)}=5.578N·m2、由启动最大频率Tmax ，选取电动机：根据求出的负载转矩，和给定的步距角，上网查询步进电机型号。

例如步进电机的步距角为 1.5°，计算得出负载转矩分别为 5.578N·m 查得静转矩为6.0N·m，步距角1.5°的伺服电机型号为110SM06020。

(1）由网上查得参数见下表2-2：表2-2 伺服电机相关参数额定功率静转矩额定转速电流电压相数步距角1.2Kw 6N.m 2000Rpm 6.0A 380V 3 1.5°（2）伺服电机尺寸详细见下图2-1:图2-1三相伺服电机尺寸图2.3 滚珠丝杠的选择当滚珠丝杠副承受轴向载荷时，滚珠和滚道型面间便会产生接触应力。

对滚道型面上某一点而言，其应力状态是交变应力。

这种交变接触应力作用下，经过一定的应力循环次数后，就要使滚珠和滚道型面产生疲劳点蚀现象，随着麻点的扩大滚珠丝杠副就会出现振动和噪音，而使它失效，这是滚珠丝杠副的主要破坏形式。