PLC控制的多工位钻削加工设计

前言
本设计是一篇关于PLC控制的多工位钻削加工设计，钻削加工再现代工业中应用广泛，主要有继电器控制和PLC控制。

本设计主要包括五章，第一章主要介绍设计的目的和钻削加工的作用意义，第二章主要说明本设计的总体设计方案控制要求、过程流程图、电磁阀的选择、功能树的设计和负载速度图；第三章主要介绍单片机控制系统，包括单片机控制总体设计以及单片机核心89C-51的介绍，以及软件程序的编写；第四章主要是介绍机械传动设计，包括限位开关的说明、滚珠丝杠的选用、步进电机的选用以及钻削深度的计算；第五章和六章主要介绍调试和实例。

本次设计在老师的指导帮助下，经过多次的查阅文献资料才完成。

此次设计不仅有电学还有机械，是一次许多学科结合在一起的设计，他不仅开拓额我们的思维，还锻炼了我们独立完成任务的能力。

目录
前言 (1)
第一章绪论 (3)
1.1 课程设计的目的 (3)
1.2课题的来源及现实意义 (3)
第二章课程设计内容 (5)
2.1 控制要求 (5)
2.2课题要求 (5)
第三章总体设计方案 (6)
3.1多工位加工线上钻削加工的过程流程图 (6)
3.2继电器控制的电器原理图 (8)
3.3 有关电磁阀原理、分类及选择说明： (9)
3.4多工位加工线钻削加工电气控制系统设计功能树 (11)
3.5 系统负载速度图 (12)
3.6用PLC改造原继电器控制电路的方案 (12)
3.7PLC控制钻削加工的梯形图 (13)
3.8PLC控制钻削加工的指令表 (14)
第四章机械传动设计说明 (16)
4.1有关限位开关SQ1的说明 (16)
4.2 有关限位开关SQ3的说明 (17)
4.3有关限位开关SQ2的说明： (17)
4.3.1 滚珠丝杠的介绍、选择及计算说明 (17)
4.3.2 步进电机的选用 (21)
4.3.3 蜗杆与滚珠丝杠配合 (24)
第五章软件调试及注意事项 (26)
5.1软件调试 (26)
5.2 注意事项 (26)
5.3 加工过程示例： (27)
总结 (29)
参考文献 (30)
第一章绪论
1.1 课程设计的目的
《机电一体化系统设计》课程设计是大学生在完成《机电一体化系统设计》等专业课学习后,进行综合性实践性教学环节，总的目的是在老师的指导下,使学生通过课程设计,对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查复习和提高,并运用所学理论,通过调研,设计一个机电控制方面的课题,受到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力.
1.2课题的来源及现实意义
钻床系指主要用钻头在工件上加工孔的机床。

通常钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进给运动。

钻床结构简单，加工精度相对较低，可钻通孔、盲孔，更换特殊刀具，可扩、锪孔，铰孔或进行攻丝等加工。

钻床可分为下列类型：
1)台式钻床：可安放在作业台上，主轴垂直布置的小型钻床。

2)立式钻床：主轴箱和工作台安置在立柱上，主轴垂直布置的钻床。

3)摇臂钻床：摇臂可绕立柱回转、升降，通常主轴箱可在摇臂上作水平移动的钻床。

它适用于大件和不同方位孔的加工。

4)铣钻床：工作台可纵横向移动，钻轴垂直布置，能进行铣削的钻床。

5)深孔钻床：使用特制深孔钻头，工件旋转，钻削深孔的钻床。

6)平端面中心孔钻床：切削轴类端面和用中心钻加工的中心孔钻床。

7)卧式钻床：主轴水平布置，主轴箱可垂直移动的钻床。

8)多轴钻床：立体钻床，有多个可用钻轴，可灵活调节。

钻床的加工特点：加工过程中工件不动，让刀具移动，将刀具中心对正孔中心，并使刀具转动(主运动)。

钻床的特点是工件固定不动，刀具做旋转运动，并沿主轴方向进给，操作可以是手动，也可以是机动。

机电一体化毕业设计在机电一体化专业教学中占有重要位置，它关系到
学生知识的综合运用和学生动手能力的培养及机电产品开发的能力.因此设计内容选择很重要.基于多工位加工线上钻削加工电气控制系统是典型的机电一体化系统，以此为设计内容有较强的教学研究意义.
数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础.这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位.因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展的数控技术及其产业.在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步.特别是在通用微机数控领域，以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列.但是我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力等方面情况尤为突出.在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门所面临的重要任务.
针对某生产线钻削加工工序的动作要求，设计了采用可编程控制器改造原继电器控制电路的方案，并提出了设计中需要注意的问题，该设计方法一般不需要改变控制面板，保持了系统原有的外部特性，工作人员不用改变长期形成的操作习惯，某生产线钻削加工设备采用可编程控制器改造原继电器控制电路效果显著.
第二章课程设计内容
2.1 控制要求
用PLC控制一条多工位加工线，其中第三工位的头道工序为钻孔.此工序的动作要求如下：起动后，夹紧装置动作.为确保可靠夹紧，延时10s钟，控制冷却油的电磁阀吸合.同时，钻头向工件方向快进.当接近工件时，限位开关SQ1动作，钻头变为慢进，开始钻削.达到预定深度，限位开关SQ2动作，钻头快速退回.回到原始位置，限位开关SQ3动作，钻头停止移动，钻削工序结束。

2.2课题要求
1）画出加工过程流程图.
2）画出继电器控制的电气原理图.
3）画出PLC控制的输入输出接线图.
4）设计PLC控制钻削加工的梯形图.
5）完成加工程序设计.
第三章总体设计方案
可编程控制器PLC 的使用与继电器有极为相似的梯形图语言，用PLC 改造继电器控制系统时，根据继电器电路来设计梯形图是一条捷径，因为原有的继电器控制系统经过长期的使用和考验已经被证明能完成系统要求的控制功能，因此可以将继电器电路图转换成梯形图，即用PLC 的外部硬件接线图和梯形图来实现继电器系统的功能。

3.1多工位加工线上钻削加工的过程流程图
多工位加工线钻削加工工序的动作要求如下：启动后，夹紧装置动作，为确保可靠夹紧，延时10s 控制冷却油的电磁阀吸合；同时，钻头向工件方向快进，当接近工件时，限位开关SQ1 动作钻头变为慢进，开始钻削，达到预定深度时限位开关SQ2 动作，钻头快速退回，回到原始位置限位开关SQ3 动作，钻头停止移动，钻削工序结束.其加工过程流程图如图3-1：
图3-1 加工过程流程图
3.2继电器控制的电器原理图
按照课程设计的要求，画出继电器控制的电气原理图如图3-2：
图3-2 继电器控制的电气原理图
其中所用电气原理图的符号意义如下表所示：
表1 电气元器件的说明
3.3 有关电磁阀原理、分类及选择说明：
电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动.电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀.
1）电磁阀的工作原理：电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动.这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动.
2）电磁阀从原理上分为三大类：
（1）直动式电磁阀：
原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。

特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。

（2）分步直动式电磁阀：
原理：它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。

当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。

特点：在零压差或真空、高压时亦能可动作，但功率较大，要求必须水平安装。

（3）先导式电磁阀：
原理：通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。

特点：流体压力范围上限较高，可任意安装（需定制），但必须满足流体压差条件。

3）电磁阀的选型依据：
一、根据管道参数选择电磁阀的：通径规格(即DN)、接口方式
1、按照现场管道内径尺寸或流量要求来确定通径(DN)尺寸。

2、接口方式，一般>DN50要选择法兰接口，≤DN50则可根据用户需要自由选择。

二、根据流体参数选择电磁阀的：材质、温度组
1、腐蚀性流体：宜选用耐腐蚀电磁阀和全不锈钢；食用超净流体：宜选用食品级不锈钢材质电磁阀。

2、高温流体：要选择采用耐高温的电工材料和密封材料制造的电磁阀，而且要选择活塞式结构类型的。

3、流体状态：大至有气态，液态或混合状态，特别是口径大于DN25订货时一定要区分开来。

4、流体粘度：通常在50cSt以下可任意选择，若超过此值，则要选用高粘度电磁阀。

三、根据压力参数选择电磁阀的：原理和结构品种
1、公称压力：这个参数与其它通用阀门的含义是一样的，是根据管道公称压力来定。

2、工作压力：如果工作压力低则必须选用直动或分步直动式原理；最低工作压差在0.04Mpa以上时直动式、分步直动式、先导式均可选用。

四、电气选择：电压规格应尽量优先选用AC220V、DC24较为方便。

五、根据持续工作时间长短来选择：常闭、常开、或可持续通电
1、当电磁阀需要长时间开启，并且持续的时间多余关闭的时间应选常开型。

2、要是开启的时间短或开和关的时间不多时，则选常闭型。

3、但是有些用于安全保护的工况，如炉、窑火焰监测，则不能选常开的，应选可长期通电型。

3.4多工位加工线钻削加工电气控制系统设计功能树
图3-3 钻削加工电气控制系统设计功能树
3.5 系统负载速度图
图3-4 系统负载速度图
3.6用PLC改造原继电器控制电路的方案
该设备采用美国通用电气公司的 GE-1/J 型PLC 来实现对该钻削加工的控制.由图3-1 和图3-2 确定输入信号和输出信号先把外部输入信号(来自限位开关按钮以及其它来自现场的控制信号)连接到 PLC 的输入接口的端子，得到用 PLC 控制的外部接线图如图3-5所示：
图3-5 PLC的外部接线图
3.7PLC控制钻削加工的梯形图
按照加工过程流程图并参考继电器控制电路图，遵循编程规则，用PLC 的内部继电器，计数器/计时器等单元设计出PLC 控制钻削加工的梯形图.如图3-6所示PLC 各输入、输出线圈内部继电器线圈及触头，特殊功能单元，计时器计数器等都有规定的编号和地址
图3-6 GE—1/J型PLC控制钻削加工梯形图
3.8PLC控制钻削加工的指令表
根据GE-1/J 型PLC 的语句编程规则，把梯形图转换为如下指令表：LD 01
OR 301
AND 02
OUT 301
LD 301
MPS
OUT 201 //夹紧控制器启动
OUT T601
SP 100
MRD
LD T601
OUT 302
MP
LD 03
OR 303
OUT 303
LD 302
MPS
OUT 202 //电磁阀启动
MRD
LDI 303
OUT 203 //快进接触器启动
LD 04
OR 304
OUT 304
LD 303
ANI 304
OUT 204 //进给接触器启动LD 204
MPS
LD 05
OR 305
OUT 305
MPP
LDI 305
OUT 205 //快退接触器启动
第四章机械传动设计说明
4.1有关限位开关SQ1的说明
限位开关SQ1用于在钻头向工件快进过程中判断其之间距离，采用双极霍尔开关元件177A.霍尔开关原理简述如下：
当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应.两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为U=K·I·B/d.其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B 为外加磁场的磁感应强度，d是薄片的厚度.霍尔开关就属于这种有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求.霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转.输出端一般采用晶体管输出，和接近开关类似有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分.霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作.霍尔开关可应用于接近开关，压力开关，里程表等，作为一种新型的电器配件.其内部原理图如图4-1所示：
图4-1霍尔开关原理图
钻头向工件方向快进，当接近工件设定的距离时，霍尔开关元件开始作用，发出信号给限位开关SQ1,SQ1动作输出信号给PLC.
4.2 有关限位开关SQ3的说明
限位开关SQ3用于钻头快速退回到原始位置时，发出信号给PLC控制钻头停止移动，其型号选择及工作原理如上文限位开关SQ1。

4.3有关限位开关SQ2的说明：
限位开关SQ2用于钻头钻削到预定深度时，其动作输出信号给PLC控制钻头快速退回.通过步进电机驱动滚珠丝杠转动从而带动钻头旋转，设定工件需要钻削的深度值，通过计算滚珠丝杠转动的转数计算出钻头钻削工件是否到达预定深度.
4.3.1 滚珠丝杠的介绍、选择及计算说明
1）滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。

2）滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。

它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。

由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。

3）滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。

4）滚珠丝杠的特点：
1．与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3
由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。

与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以
下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。

在省电方面很
有帮助。

2．高精度的保证
滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来
的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了
严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。

3．微进给可能
滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运
动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。

4．无侧隙、刚性高
滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到
较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由
于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。

5．高速进给可能
滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。

5）滚珠丝杠的选择
滚珠丝杠的选择包括其精度选择、尺寸规格 (包括导程与公程直径 )、支承方式等几个方面的内容。

滚珠丝杠副的承载能力用额定动载荷或额定静
载荷来表示, 在加工中心的设计中一般按额定动载荷来确定滚珠丝杠副的尺
寸规格, 对细长而又承受压缩载荷的滚珠丝杠作压杆稳定性核算; 对转速高, 支承距离大的滚珠丝杠副作临界转速校核; 对精度要求高的滚珠丝杠作刚度
校核; 对数控机床, 需核算其转动惯量; 对全闭环系统, 需核算其谐振频率。

1．滚珠丝杠副选择计算
1.1精度选择
滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度,在滚珠丝杠精度参数中, 其导程误差对机床定位精度影响最明显。

一般在初步设计时设定丝杠的任意300mm行程变动量 V300p应小于目标设定位的定位精度值的 1 /3～1 /2, 在最后精度验算中确定。

1.2 丝杠导程的确定
丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速度为 v max、伺服
电机的最高转速 nmax 及电机与丝杠的传动比 i 来确定。

1.3按额定动载荷初步确定滚珠丝杠规格
滚珠丝杠副设计时一般按额定动载荷来确定滚珠丝杠副的尺寸规格。

额定动载荷是指一批相同规格的滚珠丝杠经过运转一百万次后, 90%的丝杠副 (螺纹表面或滚珠)不产生疲劳剥伤 (点蚀)时的轴向载荷。

6） 滚珠丝杠的选择计算
滚珠丝杠的选择计算负荷包括钻削力及运动部件的重量所引起的进给抗力.应按钻削时的情况计算.
1. 最大动负载Q 的计算
H Q f P ω=
查表得系数1f ω=，1H f =，寿命值
66010nT
L =
设定使用寿命时间T=15000h ，初选丝杠螺距t=4mm ，得丝杠转速
max 100010001250(/min)4V n r t ⨯===
所以 6602501500022510L ⨯⨯=
= X 向丝杠牵引力
1.414x x P f G =当 ()向导轨受的载荷当量摩擦系数，当
X G f x ---- 1.4140.01240 3.39()N =⨯⨯=
Y 向丝杠牵引力
1.4141.4140.01287 4.06()y y P f G N ==⨯⨯=当
所以最大动负荷
()向导轨受的载荷
Y G y --
X 向
11 3.3920.6()x Q N =⨯⨯= Y 向
11 4.0624.7()y Q N =⨯⨯=
查表，取滚珠丝杠公称直径 010d mm =，选用滚珠丝杠螺母副 的型号为 SFK1004，其额定动载荷为390N ，符合要求.
2．滚珠丝杠螺母副几何参数计算
表2 滚珠丝杠螺母副几何参数
3．传动效率计算
7.260.973()(7.260.2)
tg tg tg tg γηγϕ===++
式中：ϕ——摩擦角；γ——丝杠螺纹升角.
4．稳定性验算
由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算.
4.3.2 步进电机的选用
步进电动机又称脉冲电动机或为阶跃电动机，目前，随着电子技术，控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统的电机分类的间界面越来越模糊；步进电动机的传动定义为：根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角落，若不改变励磁状态则保持一定的状态而静止；广义的定义为，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的电动机.
步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原始模型起源于1830年至1860年间.在20世纪60年代后期，随着永磁材料的发展，各种实用型的步进电动机应运而生，半导体的发展使得步进电动机得到了广泛的应用.我国的步进电动机开始于21世纪50年代后期，其发展过程大致经历了四个阶段：第一阶段从50年代后期到60年代后期主要是高等院校和科研机构开发并使用少量的步进电机，以多段结构三相反应式步进电动机为主；第二阶段，70年代初期反映在步进电机的生产和研究发展到了一个水平；第三阶段，70年代中期至80年代后期新产品种高性能电动机层出不穷，各种混合式步
进电动机及驱动器作为产品得到广泛应用.
步进电动机的分类：
步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。

永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。

在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。

它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。

这种步进电机的应用最为广泛。

步进电动机的特点：
步进电机有三大部分组成：步进电动机本体，步进电动机控制器及步进电动机驱动器.其特点如下：
1、用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价.
2、位移与输入脉冲数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构简单又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高组成闭环控制系统.
3、无刷，电动机本体部件少，可靠性高.
4、抑郁启动正反转和变速停止，影响性好.
5、平滑性好，步距角选择范围大，停止时可有自锁能力
步进电机的选择：
步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。

一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

1. 步距角的选择
电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。

电机的步距角应等于或小于此角度。

目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

2. 静力矩的选择
步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。

静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。

单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。

直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。

一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一
旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）
3. 电流的选择
静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）
步进电机的参数：
⑴．步进电机的步距角b θ
取系统脉冲当量0.01/p mm step δ=，初选步进电机步距角 1.5b θ= .
⑵．步进电机启动力矩的计算
设步进电机等效负载力矩为T ，负载力为P ，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系
T Ps ϕη＝
式中：ϕ ——电机转角；s ——移动部件的相应位移；η ——机械传动效率.
若取 b ϕθ=，则p s δ=，且S P P G μ=+，所以
[]
36()2p S b P G T N cm δμπθη+=
式中：S P ——移动部件负载（N ）；G ——移动部件重量（N ）； z P ——与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N ）；μ ——导轨摩擦系数；b θ——步进电机步距角，（rad ）；T ——电机轴负载力矩（N/cm ）
取0.03μ=（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），0.96η=，S P 为丝杠牵引力，
24.7s H P P N ==.考虑到重力影响，
Y 向电机负载较大，因此取287y G G N ==，所以。