变速箱组合镗床设计及工作PLC原理设计

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 摘 要

该篇论文为粗镗主轴箱的6个孔的变速箱组合镗床设计。镗床是主要用镗刀对工件已有的预制孔进行镗削的机床。通常，镗刀旋转为主运动，镗刀或工件的移动为进给运动。它主要用于加工高精度孔或一次定位完成多个孔的精加工，此外还可以从事与孔精加工有关的其他加工面的加工。使用不同的刀具和附件还可进行钻削、铣削、切削，,其加工精度和表面质量要高于钻床。镗床是大型箱体零件加工的主要设备。也可加工螺纹及外圆和端面等。

以箱体零件同轴孔系为代表的长孔镗削，是金属切削加工中最重要的内容之一。尽管现在仍有采用镗模、导套、台式铣镗床后立柱支承长镗杆或人工找正工件回转180°等方法实施长孔镗削的实例。但近些年来，一方面由于数控铣镗床和加工中心的大量使用，使各类卧式铣镗床的坐标定位精度和工作台回转分度精度有了较大提高。从机床结构上使工作台回转180°自定位的调头镗孔，几乎成为在该种机床上镗削长孔的唯一方法。

本设计说明书主要包括组合机床总体设计过程和PLC设计两个部分，分别对工艺方案设计、总体设计、部件设计等几方面加以论述。

其中第一部分的内容有产品工序分析，组合机床总体布置以及镗床主轴图。第二部分是过程PLC设计，包括液压原理图设计。

关键词：主轴箱；组合机床；加工工艺

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） Abstract

The thesis for rough boring spindle box of five holes of gearbox combination boring machine design.Boring machine is mainly used for boring on the workpiece has a preformed hole boring machine.Usually, boring cutter rotating main motion, boring

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cutter or workpiece moving to feed motion.It is mainly used for machining high precision hole or a location to complete a number of finish machining of holes, moreover also can be engaged with the hole machining in relation to other machined surface processing.The use of different tools and accessories can also be drilling, milling, cutting the processing precision and the surface quality is higher than that of drilling machine.Boring machine is a large box parts processing of major equipment.Can also be processing thread and outer circle and end.

In case part coaxial hole system as the representative of the long hole boring, metal cutting processing is one of the most important contents in.Although still use the boring die, a guide sleeve, desktop milling and boring machine after columns support the long boring bar or artificial aligning a workpiece rotating 180 ° and other methods of long hole boring examples, but in recent years, as a result of CNC boring and milling machine and machining center is used in great quantities, so that various types of horizontal boring and milling machine positioning accuracy and the rotary table indexing accuracy improved, long hole boring being efficient rotary table 180 ° self positioning of turning-round boring on the other hand shaped bed layout of the ordinary or CNC planer milling and boring machine of large production and application, from the machine structure to make the rotary table 180 ° self positioning of turning-round boring, almost in the machine tool for boring holes in the only way long.

This paper mainly includes the modular machine tool design and PLC design two parts, respectively on the process design, overall design and component design. The first part of the contents of product process analysis, the aggregate machine-tool general arrangement as well as the boring spindle graph.The second part is the process of PLC design, including hydraulic schematic design.

Key words: spindle box; combination machine; processing technology

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文）

目 录

摘 要 Abstract

第1章 概述 ................................................... 1 1.1 组合机床及其特点 ........................................ 1 1.2 组合机床的分类和组成 .................................... 2 1.3 通用部件的分类及简介 .................................... 3 1.4 组合机床的工艺范围及发展方向 ............................ 3 第2章 组合机床总体设计 ....................................... 5 2.1 组合机床工艺方案的制定 .................................. 5 2.2 组合机床总体设计 ....................................... 10 2.3 本章小结 ............................................... 22 第3章 装置的确定 ............................................ 23 3.1 导向装置的作用、类型及结构形式 ......................... 23 3.2 定主轴的类型、外伸长度及选择浮动卡头 ................... 24 3.3 本章小结 ............................................... 25 第4章 液压系统设计 .......................................... 26 4.1 液压传动的工作原理及组成 ............................... 26 4.2 液压传动的优缺点 ....................................... 26 4.3 液压传动在组合机床中的应用 ............................. 27 4.4 液压系统分析 ........................................... 27 4.5 本章小结 ............................................... 30 第5章 PLC的系统设计 ........................................ 31 5.1 控制系统分析 ........................................... 31 5.2 可编程序控制器的组成 ................................... 32 5.3 可编程序控制器的特点 ................................... 33

I

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 5.4 PLC型号的选择 .......................................... 34 5.5 编制I/O地址号分配对照表 ............................... 35 5.6 组合机床控制系统程序设计 ............................... 36 5.7 本章小结 ............................................... 38 第6章 组合机床生产率的计算 .................................. 39 6.1 机床生产率的计算 ....................................... 39 6.2 编写组合机床生产率计算卡 ............................... 41 6.3 本章小结 ............................................... 42 结 论 ........................................................ 43 参考文献 ..................................................... 44 致 谢 ........................................................ 45 附 录 ........................................................ 46

II

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文）

第1章 概述

1.1 组合机床及其特点

制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国家或地区的经济实力、科技水平、生活水准和国防实力。而制造业的生产能力和制造水平主要取决于机械制造装备——金属切削机床的先进程度。作为金属切削机床的主力军的组合机床是以通用部件为基础配，以少量专用部件组成的一种专用高效自动化设备，具有设计制造周期短、投资少、加工精度稳定、改装方便、经济效益高等优点。

在机械加工工业中，机械产品大批量生产中，组合机床已得到广泛运用。一些复杂的壳体类零件，加工工艺复杂、定位夹紧困难的工件，要提高其加工精度、生产效率，单凭普通机床是很难办到的，而在用普通机床加工复杂工件的过程中，对操作者的技术也提了较高的要求，这就迫切的要求生产一定数量的组合机床。这样，不但可以提高零件的加工精度和生产率，而且成本低、生产周期断，适合我国的经济水平、教育水平和生产水平。更能够在激烈的竞争中为企业获得更多利润、提高企业核心竞争力。

现代组合机床和自动线作为机电一体化产品，它是控制、驱动、测量、监控、刀具和机械组件等技术的综合反映。组合机床及其自动线的技术性能和综合自动化水平，在很大程度上决定了机械生产部门产品的生产效率、产品质量和企业生产组织的结构，也在很大程度上决定了企业产品的竞争力。所以对组合机床的设计研究具有十分重要的意义。近年来，这些技术有长足进步，同时作为组合机床主要用户的汽车和内燃机等行业也有很大的变化，其产品市场寿命不断缩短，品种日益增多且质量不断提高。这些因素有力地推动和激励了组合机床和自动线技术的不断发展，目前组合机床的研制正向高效、高精度、高自动化的柔性化方向发展。

组合机床是用按系列化标准化设计的通用部件和按被加工零件的形状及加工工艺要求设计的专用部件组成的专业机床。它能够对一种或几种零件进行多刀、多轴、多工位加工。

在组合机床上可以完成钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻丝、车削、磨削、及滚压等工序，生产效率高，加工精度高。

组合机床与万能机床和专用机床相比，有如下特点：

1

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 1. 由于组合机床是由70~90%的通用零、部件组成，在需要的时候，它可以

部分或全部的进行改装，以组成适应新的加工要求的新设备。这就是说，组合机床有重新改装的优越性，其通用零部件可以多次重复利用。 2. 组合机床是按具体加工对象专门设计的，可以按最合理的工艺过程进行加

工，这在万能机床上往往是不易实现的。

3. 在组合机床上可以同时从几个方向采用多把刀具对几个工件进行加工，是

实现集中工序的最好途径，是提高生产效率的有效设备。

4. 组合机床常常是用多轴对箱体零件一个面上的许多孔同时进行加工。这样

就能比较好的保证个孔相互之间的精度要求，提高产品质量；减少了工件工序件的搬运，改善劳动条件；也减少了机床占地面积。

5. 由于组合机床大多数零、部件是同类的通用部件，这就简化了机床的维护

和修理。必要时可以更换整个部件，以提高机床的维修速度。

6. 组合机床的通用部件可以组织专门工厂集中生产。这样可以采用专用高效

设备进行加工，有利于提高通用部件的性能，降低制造成本。 组合机床虽然有很多优点，但也还有缺点：

1．组合机床的可变性较万能机床低，重新改装时有10~20%的零件不能重复使用，而且改装时劳动量比较大。

2．组合机床的通用部件不是为某一种机床设计的，而是具有较广的适应性。这样，就使组合机床的结构较专用机床稍微复杂些。

1.2 组合机床的分类和组成

组合机床的通用部件分大型和小型两大类。

大型通用部件是指电机功率为1.5~30千瓦的动力部件及其配套部件。这类动力部件多为箱体移动的结构形式。

小型通用部件是指电机功率在0.1~2.2千瓦的动力部件及其配套部件。这类动力部件多为套筒移动的结构形式。

用大型通用部件组成的机床称为大型组合机床，用小型通用部件组成的机床称为小型组合机床。

组合机床除分为大型和小型外，按配置形式又分为单工位和多工位机床两大类。单工位机床又有单面、双面、三面和四面几种，多工位机床则有移动工作台式、回转工作台式、中央立柱式和回转鼓轮式等配置型式。

单工位组合机床通常是用于加工一个或两个工件，特别适用于大中型箱体件的加工。

根据HT-200变速箱是典型箱体零件，且被加工孔的位置处于箱体两侧，应采用单工位的双面机床，又被加工孔的中心线与定为基准平行，而且被加工工件的

2

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 长度较长，因此本次设计采用的就是这类机床中的卧式双面镗孔组合机床。

多工位组合机床使按工件能够变为来配置的，工件的变位有手动和机动的方式。这类机床工序集中程度高，如回转多工位机床的辅助时间和机动时间相重合，生产效率高，适用于大批大量生产、需要多部位加工的中小零件。

1.3 通用部件的分类及简介

1. 动力部件

动力部件是通用部件中最基本的部件，第一种动力部件，包括动力箱和完成各种专能工艺的切削头，如铣削头，镗削头等，第二种是传递进给运动的部件，包括有液压滑台和机械滑台，第三种是转塔动力部件，包括多轴转塔头和单轴转塔头。 2. 输送部件

要用作夹具和工件的移动和转位，如移动工作台，回转工作台回转鼓轮。

3. 支撑部件

是组合机床的基础部件，它包括中间底座、侧底座、立柱、立柱底座等。 4. 控制部件

控制部件是控制组合机床按规定程序运动的一些部件，包括电器元件、液压元件及操作台。 5. 辅助部件

辅助部件包括液压与润滑装置、气动或液压夹具装置和机械板等。

1.4 组合机床的工艺范围及发展方向

在组合机床上可以完成钻孔、扩孔、铰孔、攻丝、镗孔、镗孔车断面、车削和铣削等工序，还可以进行尺寸检验及简单的装配工序。往往，一台机床就能同时完成上述工序。但就大多数组合机床来说，目前主要用来完成钻孔、扩孔、铰孔、攻丝、镗孔及铣削等工序。完成这些工序，在工厂常常要采用大量的立钻、镗床、万能铣床，占用很大的厂房面积和很多工人。而采用组合机床，由于采用多轴多面加工，就能大大地缩小占地面积，成倍和几十倍的提高劳动生产率。

近几年来组合机床在汽车、拖拉机、柴油机、电机、仪表、仪器、自行车、阀门、矿山机械、冶金、航空、纺织机械及军工等部门已获得广泛的使用，一些中小批量生产部门也开始推广使用。在光辉的二十一世纪，组合机床及其自动线将获得更加迅速的发展。其发展方向为：

[1]

1）提高生产率

目前组合机床及其自动线的生产效率不断提高，循环时间一般是1~2分钟，

3

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 有的是10~30秒。提高生产率的主要方法是改善机床布局，增加同时工作的刀具，减少加工余量，提高切削用量，提高工作可靠性以及缩短辅助时间等。为了减少自动线的停车损失，提高自动线的柔性，采用电子计算机进行自动线的管理。 2）扩大工艺范围

现在组合机床及其自动线一般已不是完成一个工件的某几道工序，而常常是用于完成工件的全部加工工序。除完成平面铣削、钻孔、扩孔、攻丝、镗孔外，现在已扩展到能完成车削、仿行车削、磨削、精镗以及非切削加工（如检查、自动装配、清洗、试验等）工序。为了使自动线能稳定地保证加工精度，已广泛采用自动测量和刀具自动补偿技术，做到调刀不停车。 3）提高自动化程度

重点是解决工件夹压自动化和装卸自动化。 4）提高组合机床及其自动线的可调性

为了提高中小批生产的一些箱体件的生产效率，进几年来发展了可调的多工序多刀具的组合机床及其自动线，它们大多采用数字程序控制。 5）创造超小型组合机床

这种组合机床多由超小型气动液压动力头配置而成，体积小，效率高，并能达到高的加工精度。 6）发展专能组合机床及自动线

这种机床不需要每次按具体加工队形进行专门设计，而是可以作为通用品种进行成批生产，用户根据自己加工产品的需要，配上刀具及工艺装备，即可组成加工一定对象的高校机床。

今后，随着科学技术的不断进步，组合机床技术将获得更广泛、更快的发 展。

4

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 第2章 组合机床总体设计

组合机床的设计，目前基本上有两种情况：

[2]

其一，是根据具体加工对象的具体情况进行专门的设计，这是当前最普遍的做法。

其二，随着组合机床在我国机械行业的广泛使用，广大工人总结自己生产和使用组合机床的经验，发现组合机床不仅在其组成部件方面有共性，可设计成通用部件，而且一些行业在完成一定工业范围的组合机床是极其相似的，有可能设计为通用的组合机床，这种机床称为“专能组合机床”。这种专能组合机床就不需要每次按具体加工对象进行专门设计和生产，而是可以设计为通用品种，组织成批生产，然后按被加工零件的具体需要，配以简单的夹具及刀具，即可组成加工一定对象的高效设备。

2.1 组合机床工艺方案的制定

制定组合机床工艺方案是设计组合机床最重要的步骤之一。工艺方案制定的正确与否，将决定机床能否达到“重量轻、体积小、结构简单、使用方便、效率高、质量好”的要求。

[3]

为了使机床方案制定的合理、先进，必须密切联系实际，总结生产实践经验，全面了解被加工零件的加工情况和影响机床方案制定的因素。影响机床工艺方案制定的主要因素有：

1) 加工的工序和加工精度的要求

被加工零件需要在组合机床上完成的工序和加工精度，是制定机床工艺方案的主要依据。制定工艺方案时，首先需要全面分析工件的加工精度及技术要求，了解现场加工工艺及保证精度的有效措施。HT-200变速箱加工的工序是镗双面共12个孔的粗加工，精度要求轴线Ⅰ至Ⅵ两对孔公共轴线的不同轴度小于0.04mm，轴线与轴线间的平行度不低于0.015/100mm。 2） 被加工零件的特点

如被加工零件的材料及硬度、加工部位的结构形式、工件的刚性、工艺基面等，对于机床工艺方案的制定都有重要的影响。HT-200变速箱是拖拉机上的典型箱体类零件，材料HT200、HB170~241。在加工双面孔之前，工件需经过铣工艺基准面、铣端面、加工定位孔等。因工件有无适

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 当的工艺基面也是工艺方案制订的重要因素。 3） 工件的生产方式

被加工零件的生产批量的大小，对机床工艺方案的制定也有影响。对大批量生产的箱体零件，工序安排上，一般趋于分散。而且其粗加工、半精加工及精加工也分别在不同机床上进行。这样，机床虽然多一些，但由于生产批量很大，从提高生产率、稳定地保证加工精度的角度来说仍然是合理的。

2.1.1 工艺基面的分析

选择工艺基面和夹压部位是制定工艺方案极其重要的问题。工艺基面选择的正确，将能实现最大限度的工序集中，从而减少机床台数，也是保证加工精度的重要条件。结合HT-200拖拉机变速箱的结构特点及箱体零件在组合机床上典型的定位方式，采用“一面两销”定位。“一面两销”的定位方法有如下特点：

[3]

1. “一面两销”的定位方法很简便的消除工件的六个自由度，使工件获得

稳定的固定位置。

2. “一面两销”的定位方法，有同时加工五个面的可能。既能高度的集中加

工工序，又有利于提高各面上孔的位置精度。

3. “一面两销”的定位方法可以作为从粗加工到精加工的全部工序加工的基

准，使整个工艺过程实现基准统一。

4. “一面两销”的定位方法使夹紧方便，夹紧机构简单。容易使夹紧力对准

支承，消除夹紧力引起工件变形对加工精度的影响。

5. “一面两销”的定位方法易于实现自动化定位，并有利于防止切屑落入基

面。

在选择工艺基面的同时要相应的决定夹压位置。因为它对定位的可靠，工件的稳定以及保证加工精度都有直接的影响。确定夹压位置时应注意如下的问题：

1. 保证工件夹压后定位稳定。组合机床是按集中工序组成的。常常是多轴、

多面同时加工，切削负荷重。为了使工件在加工过程中不产生位移和振动，必须将工件牢固的夹住，并具有足够的夹压刚度。

2. 夹压点应避免放在工件加工部位的上方，力求使其靠近箱体的筋或壁，以

减少夹压变形而影响加工精度。

3. 对刚性差的工件，力求使夹压点对着定位支承点。

2.1.2 加工工艺的分析

分析被加工零件的工艺，亦是制定工艺方案极其重要的问题，我们要认真地分析被加工零件加工工艺的需要和组合机床完成工艺的可能，正确的确定组合机

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 床的加工方案。

当被加工孔直径在φ40mm以上时，组合机床上多采用镗削方法加工。但当被加工孔较短，直径虽在φ40mm以下，甚至直径为φ10mm左右的孔，亦可采用镗削的方法加工。

组合机床上镗孔可达IT6~IT7级精度，表面粗糙度在1.6左右，孔间的位置精度可达φ0.025~φ0.05mm , 若用一根镗杆镗削几层同心孔系时，孔的不同轴度可以保证在φ0.015~φ0.02mm范围内，若分别由两根镗杆从两端加工时，孔的不同轴度可以达到φ0.03~φ0.05mm。

组合机床镗孔分别采用导向加工和不导向的刚性主轴两种加工。大直径深孔，多采用刚性主轴加工。一些中等直径单层或多层孔，一般都采用导向加工。HT-200拖拉机变速箱粗镗组合机床就是采用的导向加工，同时考虑到粗镗孔的过程中，切削量大，震动影响大，势必影响镗孔的位置精度和同轴度，满足不了零件的技术要求和加工精度，因此才用“内滚式”导向或浮动卡头，以提高和保证加工质量。

2.1.3 加工余量的确定

为了使加工过程能正常地进行，可靠的保证加工精度，还必须合理的确定工序间的余量。组合机床上进行孔加工及制订工艺方案划分工序余量时，要注意以下的问题：

1. 粗镗时，考虑工件的冷硬层、铸孔的铸造黑皮和铸造偏心。粗镗余量（直

径上）一般不得小于6~7mm。

2. 在工件经过重新安装、定位误差较大时，余量应当适当增大。当工件不经

过重新安装，而在一次安装下进行半精和精加工，则最后精加工的余量就可以减小。但精镗孔（1~2级）直径上余量一般不应超过0.4~0.5mm。 在确定镗孔机床余量时，还需要注意到加工余量对镗杆直径的影响。尤其是在工件需要让刀以便通过刀具时，由于加工余量和工件让刀量的影响，往往要减小镗杆直径。

表2-1本次加工的加工余量（基孔制7级精度）

被加工 孔直径 52 62 72 80 115

第一次 50.0 60.0 70.0 78.0 113.0

粗 镗（mm）

第二次 51.5 61.5 71.5 79.5 114.5

粗镗精度 51.5H7 61.5H7 71.5H7 79.5H7 114.5H7

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文）

2.1.4 确定加工工艺方案应注意的问题

一个正确的组合机床工艺方案的确定，必须正确的处理粗加工和精加工、工序集中和分散、单一工序和混合加工等矛盾，才能使组合机床很好的满足加工工艺的要求。

1. 粗加工和精加工工序的安排

在确定组合机床完成工艺时，合理的处理粗、精工序的安排是很重要的。

在大批量的生产中，粗、精加工应当分开进行。这样做有如下优点：

a) 工件能得到较好的冷却，减少热变形及内应力变形的影响，有利于保证加

工精度。

b) 可以避免粗加工产生振动的不利影响。粗加工时切削力很大，并且产生很

大的振动，会影响到精加工孔的光洁度和精度。

c) 有利于精加工机床的精度持久的保持。粗、精加工分开时，精加工工序就

可以采用较小的夹紧力，减小夹压变形，有利于保证加工精度。 d) 使机床结构简单，便于维修。 2. 工序集中原则

集中工序是近代机械加工主要的发展方向之一。组合机床就是按照工序集

中的工艺原则建立起来的，即运用各种不同的刀具，在机床上同时加工一个或几个工件的不同表面。在组合机床上通常是采用多轴、多面、多工位和复合刀具等方法来集中工序，在一台机床上完成复杂的工艺过程，从而有效地提高生产率。

具体决定机床工序集中程度时应注意的问题： 1) 适当考虑单一工序

在可靠的条件下，应把相同的工序集中在同一个工位或一台机床上加工。但大量的钻孔和镗孔最好分开，不要集中在一个主轴箱上进行加工。 2) 相关工序应集中在同一工位或同一台机床上加工

当箱体零件各方面上的孔相互之间有严格的位置精度要求时，这些孔的精加工应集中在一台机床上并在一次安装下完成，并且粗加工最好也集中在一台机床上完成，可以使得精加工机床余量分布的更均匀，有利于保证精度。

3) 确定工序集中程度时，必须充分考虑工件的刚性

4) 确定工序集中程度时，必须充分考虑粗、精加工工序的安排问题

保证不因粗加工时热变形以及由于工件和夹具刚性不足产生变形，影响加工精度。

5) 集中工序必须考虑机床调整时使用方便性和提高工作可靠性。 3. 其它应注意的问题

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 为了保证加工精度，除了正确的处理粗、精加工工序安排及工序集中程

度之外，还应当根据被加工零件的具体情况注意许多问题：

a) 粗镗第一次时要切除掉大量黑皮和冷硬层，切削深度大，势必带来很大振

动，所以第二次粗镗应避开第一次粗镗的影响，减少振动。这样，同一镗杆上要安排好镗刀间的距离，第一次粗镗进行完后，在进行第二次粗镗。 b) 镗孔不同轴度要求在0.05mm以内时，精加工应尽量由一面进行。尤其是

多轴加工及同一轴线有多层孔加工时更为必要。

c) 孔的相互位置精度要求在±0.05mm以内时，最好在同一个工位上进行加

工。

d) 对于镗孔机床，应注意精加工后孔的表面是否允许留有退刀的刀痕。 e) 当采用卧式双面镗床加工时，应注意同轴镗杆之间的干涉情况，即两镗杆

不要相撞。

2.1.5 制定工件加工工艺路线

0# 铸造

5# 人工时效处理 10# 非加工面涂漆处理 15# 粗铣壳体底面 20# 粗、精铣壳体结合面 25# 粗、精铣箱盖结合面 30# 钻箱体、箱盖结合面螺纹孔 35# 合箱

40# 粗、半精、精镗6个轴承孔 45# 粗铣两侧面凸台和两端面凸台 50# 钻其他面上的孔 55# 去毛刺 60# 检验

2.1.6 组合机床切削用量的选择

组合机床的正常工作与合理的选用切削用量，即确定合理的切削速度和工作进给量，有很多关系。切削用量选的适当，能使组合机床有最少的停车损失，最高的生产效率，最长的刀具寿命和最好的加工质量，也就是多快好省的进行生产。

组合机床大多为多刀加工，而且常常是多种刀具同时加工，因此在选择切削用量时应注意下列问题：

1. 切削用量的选择要尽可能达到合理的利用所有刀具，充分发挥其性能。因

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 在组合机床的动力头上往往同时有多把或多种刀具，其切削用量各有特点。但组合机床上动力头的每分钟进给量是一样的。一般是用拼凑的方法使各种刀具能有较合理的切削用量，就是按各类刀具选择较合理的转速及每转进给量，然后进行调整，使各种刀具的每分钟进给量一致，即使其转数和每转进给量的乘积相等。

2. 复合刀具切削用量选择的特点：进给量按复合刀具最小直径选择，切削速

度按复合刀具最大直径选择。

表2-2 本次加工镗刀的切削用量选择

被加工孔直径

（mm） 52 62 72 80 115

切削速度 m/min 36.5 37.5 38 39 40

主轴转速 r/min 158 197 112 158 112

每转进给量 mm/r 0.57 0.46 0.8 0.57 0.8

动力头进给 mm/min 90 90 90 90 90

3. 在选择切削用量时，应注意工件生产批量的影响。在生产率要求不高时，

就没必要把切削用量选得很高，以免增加刀具的损耗。在大批大量生产中，组合机床需要有很高的生产率，只需提高那些“限制性”工序刀具的切削用量。对于非限制性工序刀具的切削用量仍然应该采用比较低的。 4. 在选择切削用量时，还必须考虑通用部件的性能。如所选的每分钟进给量

一般要高于动力头允许的最小进给量，这在采用液压驱动的动力头时更为重要。因为若选取的进给量低于动力头允许的最小值，机床就不能正常工作。

总之，我们必须从实际出发，首先根据加工精度、加工材料、工作条件和技术要求来进行分析，按照经济的满足加工要求的原则合理的选择切削用量。

2.2 组合机床总体设计

组合机床的总体设计，就是针对具体的被加工零件，在选定的工艺和结构方案的基础上，进行方案图纸设计。这些图纸包括：被加工零件工序图、加工示意图、生产率计算卡片、机床联系尺寸图等。

2.2.1 被加工零件工序图

被加工零件工序图是根据选定的工艺方案，表示在一台机床上或一条自动线

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 上完成的工艺内容、加工部位的尺寸及精度、技术要求、加工用定位基准、夹压部位、以及被加工零件的材料、硬度和在本机床加工前毛坯情况的图纸。它是在原有的工件图基础上，以突出本机床或自动线加工内容，加上必要的说明绘制的。

[4]

它是组合机床设计的主要依据，也是制造使用时调整机床、检查精度的重要技术文件。其中包括：

1. 被加工零件的形状，尤其是要设置中间导向时，工件内部筋的布置和尺寸。 2. 加工用基面和夹压的方向及位置，以便进行夹具的支承、定位及夹压系统

的设计。

3. 加工表面的尺寸、精度、材料、光洁度、位置尺寸及精度和技术条件。 4. 被加工零件的名称、编号、材料、硬度以及被加工部位的余量。

图2-1 HT-200拖拉机变速箱加工工序图

加工部位的基本尺寸按切削加工余量及本道工序的余量确定，粗镗可以达到IT12~IT10。

根据孔的加工精度要求，可以算出本工序加工保证的尺寸公差，计算记过要保证准确无误。

[5]

标准公差计算:

IT???0.453D?0.001D??a7 (2-1)

??其中：D---基本尺寸分段的计算尺寸

a7---公差等级系数

11

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 基本尺寸?52属于50~80mm(由表2-3) 计算尺寸

D?50?80?63.24mm （2-2）

公差单位

I?0.45?363.24?0.001?63.24?1.86mm （2-3） 标准公差

IT11?100?1.86mm?186?m （2-4） 所以计算得本工序尺寸精度是

?51.5?0.095mm

同理其他孔的尺寸精度：

?61.5?0.095mm ?71.5?0.095mm

?79.5?0.095mm ?114.5?0.11mm2.2.2 加工示意图

加工示意图是组合机床设计的重要图纸之一，在机床总体设计中占有重要地位。它是设计刀具、夹具、主轴箱以及选择动力部件的主要资料，同时也是调整机床和刀具的依据。

加工示意图要反映机床的加工过程和加工方法，并决定浮动卡头或接杆的尺寸，镗杆长度，刀具种类及数量，刀具长度及加工尺寸，主轴尺寸及伸出长度，主轴、刀具、导向与工件间的联系尺寸等。根据机床要求的生产率及刀具特点，

[6]

合理的选择切削用量，决定动力头的工作循环。

加工示意图应绘制成展开图，其绘制顺序是：

首先按比例绘制工件的外形及加工部位的展开图。特别注意将那些距离很近的孔严格按比例相邻绘制，以便清晰的看出相邻刀具、导向及工具、主轴等是否相碰。然后，根据工件要求及选定的加工方法绘制刀具，并确定导向形式、位置及尺寸，选择主轴和接杆。对于采用浮动夹头的镗孔刀杆，必须考虑并解决刀杆推出导向时防止下垂的问题，一般是用托架来托住退出的刀杆。

加工示意图还要绘制出工件部位的图形。在轴数多时，必须在孔旁标上号码，以便于设计和调整机床。

加工示意图还要考虑一下特殊要求（如工件的抬起、主轴定位、危险区等），决定动力头的工作循环和行程。

刀具选择是否合理，直接影响机床的加工精度和生产率，除工件的加工精度、

12

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 光洁度、加工尺寸、台阶孔、排屑以及生产率等因素外，影响刀具选择的其他因素还有：当孔表面不许有刀痕时要将工件抬起，让刀退出这时只能采用镗刀。本次设计采用的便是镗刀。

镗刀通常作成方形截面，方形截面镗刀比较简单，但是刀杆上的方形孔制造复杂，为了提高镗杆的刚性及顺利排屑的前提下，要尽量可能用较粗的镗杆，根据文献[2]，表4-5，可查阅镗杆直径d和镗刀截面B×B如表（2-3）：

表2-3 镗孔、镗杆直径

镗孔直径D 镗杆直径d 镗刀截面B×B

52 20~30 12×12

62 30~40 12×12

72 40~50 12×12

80 50~65 16×16

115 65~90 16×16

镗杆通常采用优质合金钢，经过锻造、淬火表面精确磨制，镗刀采用硬质合金刀片，用压紧螺钉固定在刀体上。粗镗铸铁时，镗刀的几何参数如下：

主偏角??75?~90?前角??0?~5?主后角??8~12??副偏角?1?45?~15?刃倾角??0?~3?副后角?1?1~8??

刀尖圆角半径r?1.5mm工序间余量的确定：

在编制加工示意图的过程中，要合理地决定工序间的加工余量。关于工序加工余量的确定如表2-1。

导向结构的选择：

组合机床上孔的尺寸和精度都是由导向来保证的。因此在选择导向时要注意以下问题：

a) 正确选择导向类型

在加工小孔时，导向部分直径较小，通常是采用固定式导向。刀具或刀杆在导套内既转动又移动，这种导向方法精度较好，但容易磨损，不利于持久保证精度。当导向直径较大转速较高时，为了避免镗杆由于摩擦发热而变形，产生“别劲”现象；或因导向润滑不良和细切屑进入，而使镗杆与导套“咬死”，则应选用旋转导向。这种导向利于减轻磨损和持久保证精度。

b) 正确的选择导向的形式和结构

必须根据导向的旋转速度、加工精度、刀具工作条件等具体情况，选择导向的形式和结构。粗镗孔时转速高，但精度要求低，可选用圆锥滚子轴承的旋转导向。 c) 选择导向参数

根据导向形式、工件形状及加工精度，以及刀具的性能来决定。导向长度

13

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 要保证刀具开始切削时，其导向部分进入导套的长度不小于一个导向直径。

d) 浮动卡头及接杆的选择

为了提高加工精度，减少主轴位置误差和主轴振摆对加工精度的影响，在采用长导向或多个导向进行镗孔时，镗杆与主轴均选用浮动卡头相联接。 动力头工作循环及其行程的确定：

动力头工作循环一般包括快速引进、工作进给和快速退回等动作。有时还要有中间停止、多次往复进给以及跳跃进给等。

a) 工作进给长度的确定

组合机床上有第一工作进给和第二工作进给之分。第一工作进给是用于钻孔、铰孔及镗孔等工作。因此镗孔属于第一工作进给。工作进给长度应等于被加工部分长度与刀具切入和切出长之和。动力头工作进给的长度是按加工长度最大的孔来选取的。切入长度一般为5~10mm，切出长度镗孔为5~10mm。

因此工作进给长度为：

（35?8?30?7）mm?80mm

图2-2 工件进给长度

b) 快速引进长度的确定

快速引进长度是动力头把刀具送到工作进给的位置，其长度按具体工作情况确定，取其为L=50mm。 c) 快速退回长度的确定

快速退回的长度等于快速引进和工作进给长度之和。一般在固定式夹具的机床上，动力头快速退回的行程，只要所有刀具都退回至导套内，不影响工件的装卸就行了。

快退长度：

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） L?（50?80）mm?130mm

动力头总行程的确定：

动力头的总行程除了满足工作循环所需长度外，还要考虑装卸和调整刀具的方便性。

装卸刀具的理想情况是：刀具退离导向套外端。

图2-3（a） HT-200拖拉机变速箱体粗镗加工示意图(左动力头)

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文）

图2-3（b） HT-200拖拉机变速箱体粗镗加工示意图(右动力头)

图2-3（c） HT-200拖拉机变速箱体粗镗加工示意图

2.2.3 动力部件的选择

动力部件用以实现切削刀具的旋转和进给运动或只用于进给运动，是组合机床最主要的通用部件。

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 组合机床往复运动采用机械传动，即由电动机通过齿轮传递运动和动力，进给运动采用液压滑台，它具有无级调速的优点。

[6]

1.动力头电动机功率的确定：

每种规格的动力头都有一定的范围，根据所选切削用量计算的切削功率及进给功率的需要，并适当考虑提高切削用量的可能性： N动?N切?N进 （2-5）

?其中 ：N动---动力头电动机功率 N切---切削功率 N进---进给功率 ?---传动效率

镗孔的切削功率由文献[3]，图1-7知：

硬质合金镗刀加工：

S最大=0.45mm/r

粗镗孔时切削深度：

t?2mm

切削圆周力：

F.75Z?51.4apf0HB1.4 切削轴向力：

F1.2x?0.51apf0.65HB1.4 扭矩：

T?25.7Da.75pf0HB0.55 切削功率：

P?FZ?V/6000 0 1）镗孔φ80时：

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2-6） 2-7）

2-8） 2-9） （ （ （ （哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） FZ1?51.4apf0.75HB0.55?51.4?4.5?0.60.75?1900.55N?2825.47N.20.65FX1?0.51a1HB1.4?0.51?4.51.2?0.660.65?1901.4N?3446.4NpfP1?FZ1?V/60000?1.88KWT1?25.7Dapf0.75HB0.55?25.7?88.5?4.5?0.660.75?1901.4N?mm?123303N?mm

镗大孔的主轴箱主轴:

取d1?33mm 2）对于φ62的孔：

已知：则：小轴直径同理求得：

3）对于φ52的孔：

已知：则：小轴直径同理求得：

4）对于φ72的孔：

d1?B?4M100?6.2?4123303100mm?33mm （

2-10）S?0.46mm/rV?37.5m/minFZ2?51.4apf0.75HB0.55?2314.4NF.2X2?0.51a1pf0.65HB1.4?3026.8NP2?FZ2?V/60000?1.44KW

T.752?25.7Dapf0HB0.55?77971.6N?mmd2?30mmS?0.57mm/rV?36.5m/minF.55Z2?51.4a.75pf0HB0?2100.4NF0.51a1.2f0.65X2?HB1.4p?3305.8NP2?FZ2?V/60000?1.28KW

T2?25.7Dapf0.75HB0.55?120131N?mmd3?28mm18

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 已知：则：S?0.6mm/rV?38m/minFZ2?51.4apf0.75HB0.55?2100.4N.20.65FX2?0.51a1HB1.4?3400.8NpfP2?FZ2?V/60000?1.33KW小轴直径同理求得：d4?30mm

5）对于φ115的孔

T2?25.7Dapf0.75HB0.55?122101N?mm已知：则：S?0.85mm/rV?45m/minFZ2?51.4apf0.75HB0.55?2100.4N.20.65FX2?0.51a1HB1.4?3700.8NpfP2?FZ2?V/60000?1.58KWT2?25.7Dapf0.75HB0.55?132010N?mm小轴直径同理求得：d5?35mm

2.主轴箱轮廓尺寸的确定:

工件最大间距主轴箱宽度被加工孔上下距离主轴箱高度考虑主轴箱壁厚以及内部润滑齿轮传动的排列最终初选主轴箱规格为：L孔?368mmB?368mmL孔?145mmH?145mm

B?H?800?500mm2.2.4 机床联系尺寸图的绘制

机床联系尺寸图是决定各部件的轮廓尺寸及相互间联系关系的，是开展各专用部件设计和确定机床最大占地面积的指导图纸。

HT-200拖拉机变速箱粗镗组合机床是由标准部件动力滑台、动力箱、侧底座、中间底座等，加上专用部件主轴箱，刀具系统，夹具，液压以及PLC控制系统组成。

绘制机床联系尺寸图应考虑的问题: 1. 机床装料高度的确定

在确定机床装料高度时，要考虑车间运送工件的辊道高度、工件最低孔的

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 位置、主轴箱最低主轴高度和通用部件高度尺寸的限制。根据我国具体情况，为便于操作和省力，对一般卧式组合机床、流水线和自动线，装料高度定位850mm。 2. 夹具轮廓尺寸确定

组合机床上一般对高度不大的镗模架厚度取150~200mm，当镗模架较高，为了保证有足够的刚度和稳定性，厚度可取250~300mm，根据变速箱上被加工孔的厚度，确定镗模架厚度为210 mm，此外夹具底座往中间底座上固定凸台尺寸为每边45~50mm，夹具底座高度不小于240mm，根据本次设计机床的特点，确定夹具底座高度为360mm,为了弥补刚性不足的可能,铸造时增加壁厚和铜筋板. 3. 中间底座尺寸的确定

加工示意图中,已确定了工件端面至主轴箱端面在加工终了时的距离L1=400mm。根据选定的动力部件及其配套部件的位置关系，并考虑动力头的向前备量等因素，就可以切断中间底座长度尺寸（L）：

L?2?L1?L2???L3? ??2?l1?l2?l3? （2-11）

2?式中：l1---是动力头支承凸台尺寸

l2---是动力头支承凸台端面到滑座端面的加工完了时的距离

l3---是滑座前端面到床身前端面的距离

因此求得：

L=1204mm

取

L=1250mm

装料高度为850mm时，床身和中间底座之间结合面的高度，定位540mm，由于装料高度H4要调整，根据实际H4?1050mm，中间底座选630mm，所以中间底座为:1250?800?630

主轴箱轮廓尺寸的确定:

标准主轴箱厚180mm,前盖尺寸卧式厚为55mm，后盖为90mm，主轴箱总厚为325mm。 主轴箱宽B，高H， 按下式:

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文）

B?2b1?b2H?h?h1?h2 (2-12)

其中： B=528mm

H=145+155+75mm=375mm

式中: b1---最边缘主轴中心与主轴箱外壁距离

b2---工件上要加工的在宽度方向上相隔最远的两孔的距离 h---工件上要加工的最远两孔距 h1---最低主轴中心到主轴箱底的距离

最低主轴高度h1计算：

h1?1050?hmin??H1?5?H2?H5??0.5 （2-13）

式中：hmin---工件最低孔道定位面的距离 由文献[1]，表2-2， 得：

H1?5?H2?H5?735.5mm

所以

h1?1050?60?735.5?0.5mm?374mm

则主轴箱规格由表2-17查得

B?H?600?400mm

4. 侧底座的确定

根据液压滑台型号，尺寸规格及动力型号查得 侧底座为规格为：1500?1540mm

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文）

图2-4 HT-200拖拉机变速箱体粗镗机床联系尺寸图

2.3 本章小结

本章主要讲述了组合机床工艺方案的制定方法，即按照“重量轻、体积小、结构简单、使用方便、效率高、质量好”的原则，进行方案改良优化，最终确定合理的工艺方案，并分析其工艺基面、加工工艺、加工余量、切削用量等参数。

在确定工艺方案后，要对被加工零件的精度要求、加工特点及其中将会产生的问题加以考虑。科学合理的利用公式进行机床轴径的计算，准确按照计算数据绘制“HT-200拖拉机变速箱粗镗加工示意图”及“变速箱体粗镗机床联系尺寸图”，尺寸设计不得有误，否则会出现工件的安装调试、机床非正常运转的问题。

通过计算和最终的图纸绘制，证明设计合理可用。

22

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 第3章 装置的确定

3.1 导向装置的作用、类型及结构形式

导向装置的作用：保证刀具相对工件的正确位置，保证各刀具系统的支承刚性。

导向装置的类型：

导向通常分为两类：一类是刀具导向部分与夹具导套之间既有相对移动又有相对转动的第一类导向，或称固定式导向。另一类是刀具导向部分与夹具之间只有相对移动而无相对转动的第二类导向，或称旋转式导向。其相对转动部分通常以各种型式设置在刀杆上则称内滚式旋转导向；若相对转动部分设置在夹具上则称外滚式旋转导向。

本道工序因为是镗孔，所以选用卧式单列圆锥滚子轴承导向装置，这种导向精度较高，可以较好地满足镗孔的精度要求。设装置由中间套、可换导套和压套螺钉组成。中间导套采用间隙配合。在导套磨损后，可以较为方便地更换。由于孔的精度要求较高，故选用固定式导向装置，此种导向装置精度较高，可以满足加工要求。此导向装置由中间套，可换导套和压套螺钉组成。

图3-1 导向装置

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 导向装置配合的选择，考虑到以上各种因素，最后选择卧式单列圆锥滚子轴承导向套（T0605-05），导套内径100mm，中间导套采用H7/js6的间隙配合，可换导套采用H7/k6的过盈配合，轴与中间导套配研。

与导套有关的尺寸，导向长度的确定必须保证刀具刚切入工件时，已进入导套内的导向长度L不小于一个导向部分的直径d，再考虑到加工完毕，退刀后，取出工件的方便，最后确定导套的长度为260mm。固定导向支座与工件支承座因相距很远，使用同一支承座，其导套的距离为380mm。

根据工件形状，查《组合机床设计》表8-6，有：镗孔?72时：镗孔?52时：镗孔?62时：镗孔?80时：镗孔?115时：查表：镗孔?70时，L1取225mm，e1取10mm，f1取40mm。镗孔?52的固定异向套顺序与镗孔?62、?80、?72、?115导向套相同故：L2、e2、f2均与L1、e1、f1的长度相同d?70mm；D?85mm；D1?100mmd?50mm；D?65mm；D2?83mmd?60mm；D?75mm；D2?93mmd?100mm；D?115mm；D2?133mmd?115mm；D?135mm；D2?143mm

3.2 定主轴的类型、外伸长度及选择浮动卡头

1.确定主轴形式：

多轴箱主轴选用向心球轴承主轴，前支撑选用推力球轴承或深沟球轴承，后支承受选用深沟球轴承或圆锥滚子轴承。此类轴承可承受较大的径向力和轴向力，且结构简单、装配调整方便，适用于两个方向都有轴向力时宜采用此结构。主轴材料宜用40Cr热处理，通用传动轴用45钢调质。。 2.镗杆的确定：

组合机床上的镗孔，大多采用硬质合金镗刀头装在镗杆上，镗孔直径，镗杆直径及镗刀截面尺寸需参考资料选用。

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 查表得：镗孔?52时，镗杆直径d?35mm，镗刀截面S?12?12，长度L?40mm镗孔?62时，镗杆直径d?45mm，镗刀截面S?16?16，长度L?55mm镗孔?72时，镗杆直径d?55mm，镗刀截面S?16?16，长度L?55mm镗孔?80时，镗杆直径d?65mm，镗刀截面S?16?16，长度L?55mm镗孔?115时，镗杆直径d?95mm，镗刀截面S?16?16，长度L?55mm考虑到刀具的夹紧，在镗杆头部设计一个M10的方头平端紧定螺钉（GB82-76），查资料文献[6]，螺钉长度选取30mm。

3.浮动卡头的选择：

选用大浮动量卡头，型号均为T6112。镗孔?52时，夹紧螺母取：Tr36?2镗孔?62时，夹紧螺母取：Tr40?2镗孔?72时，夹紧螺母取：Tr44?2镗孔?80时，夹紧螺母取：Tr48?2镗孔?115时，夹紧螺母取：Tr60?2

则：L?300?2??225?245?45?70?mm?1470mm

3.3 本章小结

本章简述了在镗孔过程中装置导向的确定方法，即选用卧式单列圆锥滚子轴承导向装置，这种导向精度较高，可以较好地满足镗孔的精度要求，更换方便，是理想的选择方案。

通过资料查找，最终合理的确定了主轴的形式，并选择在加工不同孔径时所需的镗杆规格和夹紧螺母的大小，装置的确定得到完善。

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 第4章 液压系统设计

4.1 液压传动的工作原理及组成

液压传动是以流体为工作介质进行能量传递和控制的一种传动形式。它们通过各种元件组成不同功能的基本回路，再由若干基本回路有机地组成合成具有一定控制功能的传动系统。

[7]

液压系统主要由四部分组成： 1. 能源装置：

把机械能转换成流体压力能的装置。常见的是液压泵，给系统提供压力油。 2. 执行元件：

把流体的压力能转换成机械能输出的装置。它可以是作直线运动的液压缸，也可以是作回转运动的液压马达。 3. 控制元件：

对系统中液体压力、流量和流动方向进行控制或调节的装置，以及进行信号转换、逻辑运算和放大等功能的信号控制元件。如溢流阀、流量控制阀、换向阀等。 4. 辅助元件：

保证系统正常工作所需的上述三种以外的装置。如油箱、过滤器、分水过滤器、油雾器、管件等。

4.2 液压传动的优缺点

与机械传动和电力拖动系统相比，液压传动有以下优点：

1. 液压元件的布置不受严格的空间位置限制，系统中各部分用管道相连，布

局安装有很大的灵活性，能构成有其他方法难以组成的复杂系统。 2. 可以在运动过程中实现大范围的无级调速，调速范围可达2000：1。 3. 液压传动传动运动均匀平稳，易于实现快速启动、制动和频繁的换向。 4. 操作控制方便、省力，易于实现自动控制、中远程距离控制、过载保护。

与电气控制、电子控制相结合，易于实现自动工作循环和自动过载保护。 5. 液压元件属机械工业基础件，标准化、系列化和通用化程度较高，有利于

缩短机器的设计、制造周期和降低制造成本。

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 除此之外，液压传动突出的优点还有单位质量输出功率大。因为液压传动的动力元件可采用很高的压力，因此，在同等输出功率下具有体积下、质量小、运动惯性小、动态性能好的特点。

[7]

液压传动也存在一些缺点：

1. 在传动过程中，能量需经两次转换，传动效率低。

2. 由于传动介质的可压缩性和泄漏等因素的影响，不能严格保证定比传动。 3. 液压传动性能对温度比较敏感，不能在发高温下工作，采用石油基液压油

作传动介质时还须注意防火问题。

4. 液压元件制造精度高，系统工作过程中发生故障不易诊断。

总的来说，液压传动的优点是主要的，其缺点将随着科学技术的发展会不断得到克服。

4.3 液压传动在组合机床中的应用

由于液压传动具有一系列优点，它在组合机床及其自动线中已被广泛的应用。 目前，液压传动在组合机床中主要实现进给运动，如钻、镗、铣、铰等工序的进给运动，以及一些辅助运动，如工件的定位、夹紧、运输等。在主运动中，也有采用液压驱动的。

进年来，为降低管路的压力损失、简化装置，采用了无管连接的方式。 集成化元件就是一种。

随着液压机械自动化程度的不断提高，液压元件应用数量急剧增加，元件小型化、系统集成化市必然的发展趋势。特别是液压技术与传感技术、微电子技术密切结合，出现了许多诸如电液比例控制阀、数字阀等机（液）电一体化元器件，使液压技术在高压、高速、大功率、节能高效、低噪音、使用寿命长、高度集成化等方面取得了重大进展。

4.4 液压系统分析

在液压系统中，本次设计利用了二个三位五通阀（电磁换向阀），二个二位五通阀，三个二位二通阀，二个调速阀，一个减压阀，一个溢流阀，二个压力继电器。为了达到预期的控制效果，要分析原件的功能原理，合理化设计方案，进而进行液压系统回路设计。

[7]

为了完成液压系统的工作，首先要选则原件型号：

27

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文）

表4-1 液压系统阀门型号

名称 三位五通阀 二位五通阀 二位二通阀 调速阀 减压阀 溢流阀

型号 E35DO-25 E25DW-25 E25DT-25 Q-10B J-25B EAZ63-25

数量 2 2 3 2 1 1

根据元件型号及机床的控制流程，绘制液压原理图：

图4-1 HT-200型变速箱体粗镗组合机床液压原理图

工作过程：

为了完成加工任务，首先电磁铁1DT通电，这样使液压系统处于工作状态。但电磁铁1DT断电时，油泵处于空载状态，系统无法工作。下面分别介绍系统的各个部分的工作情况：

一、 插销过程

根据工件采用的是“一面两销”的定位方式，在工件被加工前首先要进行定位—插销。完成此动作的是在液压系统处于工作状态即电磁铁1DT得电时，使电磁铁2DT得电，定位油缸动作，当插销定位完成时，压力继电器1YJ工作。压力继电器工作，使电磁铁3DT得电。

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 二、 夹紧过程

当工件定位完成时，工件应当被夹紧。定位完成时，压力继电器1YJ工作，使得电磁铁3DT得电，此时，夹紧油缸动作，当达到2YJ压力继电器的预定压力时，工件被夹紧，同时2YJ工作，使电磁铁4DT、电磁铁7DT同时得电。

三、 进给过程

工件的定位、夹紧部分完成时，工件进入被加工阶段。工件加紧时，压力继电器2YJ工作，使得电磁铁4DT、电磁铁7DT得电，进给油缸动作，开始进给加工。

左动力头：当电磁铁4DT得电时，左动力头开始快进，当压到限位开关时，电磁铁8DT得电，完成快进。由于调速阀的作用，左动力头进入工进阶段。随着工进的完成，工进限位开关压合，电磁铁4DT、电磁铁8DT断电，电磁铁5DT得电，左动力头进入快退阶段。当左动力头退回原位时，电磁铁5DT失电。

右动力头：当电磁铁7DT得电时，右动力头开始快进，当压到限位开关时，电磁铁9DT得电，完成快进。由于调速阀的作用，右动力头进入工进阶段。随着工进的完成，工进限位开关压合，电磁铁7DT、电磁铁9DT断电，电磁铁6DT得电，右动力头进入快退阶段。当右动力头退回原位时，电磁铁6DT失电。

左、右动力头的快进、工进、快退是一齐动作的。当左、右动力头同时退回原位，即电磁铁5DT、电磁铁6DT失电时，电磁铁3DT失电，加紧油缸动作，工件被松开，同时电磁铁2DT失电，插销油缸动作，进行拔销。当夹紧油缸、插销油缸都退回原位时，电磁铁10DT、11DT得电，工件被松开、拔销，油泵开始卸载。整个动作完成结束。

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文）

图4-2 电磁铁工作顺序

4.5 本章小结

本章对该组合镗床的功能分析后，制定了合理的液压系统。

在此次设计的液压系统中，利用了二个三位五通阀（电磁换向阀），二个二位五通阀，三个二位二通阀，二个调速阀，一个减压阀，一个溢流阀，二个压力继电器，可以有效的完成机床插销、夹紧、进给过程的控制。

按照不同位置工作要求，绘制了电磁铁工作顺序表，对机床的工作状态更为详细准确的掌握。

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 第5章 PLC的系统设计

5.1 控制系统分析

设计PLC控制系统时，首先必须分析控制过程与要求，全面清楚地掌握具体的控制任务，确定被控系统必须完成的动作及完成这些动作的顺序。

具体到本次设计，该组合机床由两个动力头分别完成变速箱两面共12个孔的粗镗工作，两个动力头分别由两个电机启动控制，可构成工作循环。工作台进行有电插销、电夹紧。工作循环有快进、工进、快退，本机要求6个限位开关。

采用PLC控制时，主电路与原来相同，PLC控制任务主要是对两台电机起停控制及对各动力头的快进、工进、快退的点动控制。

其自动控制流程图见液压原理图。

定位夹紧快进工进拔销松开 快退上限位开关中限位开关下限位开关

图5-1 自动控制流程图

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 5.2 可编程序控制器的组成

可编程序控制器主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成。

可编程序控制器按纽选择开关限位开关电源输入模块CPU模 块输出模块接触器电磁阀指示灯电源编程装置

图5-2 PLC控制系统示意图

1. CPU模块

可编程序控制器系统中，CPU模块相当于人的大脑，他不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。

2. I/O模块

输入模块和输出模块简称I/O模块，他们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。

输入模块用来接收和采集输入信号。数字量输入模块用来解释从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、压力继电器等来的数字量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。 3. 编程装置

编程装置用来生产用户程序，并对它进行编辑、检查和修改。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型可编程序控制器编程，或者用于现场调试和维修。

使用编程软件可以在屏幕上直接生产和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同程序语言的相互转换。

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 4. 电源

可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC5V、±12V、24V等直流电源。

5.3 可编程序控制器的特点

1. 编程方法简单易学

梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达式方式与继电器电路原理图相似。梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

2. 功能强，性能价格比高

一台小型可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。可编程控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

3. 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

可编程序控制器产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。可编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。可编程控制器有较强的带负载能力、可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。 4. 可靠性高，抗干扰能力强

可编程序控制器采用了一系列硬件和软件干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，可编程序控制器已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。 5. 维修工作量小，维修方便

可编程序控制器的故障很低，且有完善的自诊断和显示功能。可编程序控制器或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据可编程序控制器上的发光二极管或编程器提供的信息迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速的排除故障。

6. 系统的设计、安装、调试工作量少

可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数继电器等软件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

可编程序控制器的梯形图程序一般采用顺序控制设计法，这种编程方法很有

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 规律，很容易掌握，对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。 7. 体积小，能耗低

可编程序控制器的配线比继电器控制系统的配线少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。

5.4 PLC型号的选择

首先应估计需要的PLC规模的大小，选择功能和容量满足要求的PLC。 1.PLC规模的估算

为完成预定的控制任务所需要的PLC规模，主要取决于设备对输入输出点的需求量和控制过程的难易程度。因此估计PLC需要的各种类型的输入、输出点数，并据此估算出用户的存储容量是系统设计的重要环节。

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2.输入、输出点数的估算

为了准确的统计出被控设备对输入、输出点的总需求量，把被控设备的信号源一一列出，并分析输入、输出点的信号类型。

表5-1 输入输出设备及I/O点数

输入设备 按钮（启动、停止、点动、松紧）

点数 4

压力开关

2

输入设备 限位开关

点数 6

输出设备 电磁铁

点数 11

输入点数共12个，输出点数共计11个。

本次设计输入为开关量处理，PLC对于这类型的输入处理简单方便，而且十分可靠。 1) 存储容量的计算

微小型的PLC的用户存储器是固定的，不能随意扩充选择。因此，选择PLC时，要计算它的用户存储容量是否够用。估算工式：指令条数=（输入点数+输出点数）×（10~12）经过一般估算方法大约为254条，再按上述数据估算后，通常在增加15%~20%的备用量，作为选择PLC内存的依据。 2) PLC的选择

PLC产品的种类，型号很多，他们的功能，价格，使用条件各不相同。选用

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 时，除输入点、输出点外，一般应考虑价格，扩展，执行速度等方面的内容。 综合各方面因素，采用西门子公司的SIMATIC S7-200系列中的226XM型。该型号属于小型可编程序控制器，可用于代替镗床继电器的控制场合，对其进行自动化控制。

变速箱镗床组合机床的自动控制属于简单的逻辑、顺序控制，只要选用具有逻辑运算、定时器、计数器、状态器等基本功能的微小型PLC就可以了。S7-206的可靠性高，可用梯形图、STL、FBD等语言来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便。

具体技术指标见下表：

表5-2（a） S7-226XM的主要技术指标

特性 本机数字量I/O 最大数字量I/O 最大模拟量I/O 程序空间 用户数据存储器

扩展模块 数字量I/O镜像区

CPU226XM 24入/16出 256入/256出 32入/32出 8129字 5120字 7个 256

特性 模拟量调节电位器

脉冲捕捉 实时时钟 RS-485通信口 模拟量I/O镜像区 内置高速计数器 高速脉冲输出

CPU226XM 2个8位分辨率

14个 有 2 32AI/2AO 6个 2个

表5-2（b） S7-226XM的电源指标

特性 电源电压允许范围

隔离 断电保持时间 24V传感器输出

CPU226XM 85~264V 耐压1500V 80ms,240V 不隔离

特性 电压范围 纹波噪声 电源的内部熔断器

冲击电流

CPU226XM 20.4~28.8V 峰值<1V 2A 250V慢速 20A，254V

5.5 编制I/O地址号分配对照表

一般的工业现场，各输入节点和输出设备都有各自的代号，PLC内的I/O继电器也有地址编号，为使程序设计，现场调试和查找故障方便，要编制一个已确定下来的输入输出信号和分配到PLC内与其相连的输入/输出继电器或器件号的对照表，简称I/O分配表。

同时还要确定需要的定时器、计数器、内部继电器、状态继电器等的数量及其编号。作为硬件设计和绘制梯形图的主要依据。

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表5-3（a）I/O可编程序控制器输入信号分配表

输入 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1

符号 SA1 1YJ 2YJ SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SQ5 SQ6 SA2

功能 启动 插销压力继电器 夹紧压力继电器 中限位开关 下限位开关 上限位开关 中限位开关 下限位开关 上限位开关

卸载

备注

插销完成时作用 夹紧完成时作用 左动力头 左动力头 左动力头 右动力头 右动力头 右动力头

表5-3（b） I/O可编程序控制器输出信号分配表

输出 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2

符号 1DT 2DT 3DT 4DT 8DT 5DT 6DT 9DT 7DT 10DT 11DT

功能 工作 定位 夹紧 快进 工进 快退 快进 工进 快退 拔销 松开

备注 左动力头 左动力头 左动力头 右动力头 右动力头 右动力头

5.6 组合机床控制系统程序设计

该组合机床的顺序功能图采用起保停电路控制。当操作人员放好工件时，按下启动按钮SA1（I0.0），此时电磁铁1DT、2DT（Q0.0、Q0.1）得电，进行插销定位，完成时，压力继电器1YJ（I0.1）作用，使得电磁铁3DT（Q0.2）得电，开始夹紧，当工件夹紧时，压力继电器2YJ（I0.2）作用，使得电磁铁4DT、7DT（Q0.3、Q1.0）得电，左右动力头开始快进，左动力头达到中限位开关SQ1（I0.3）时，8DT（Q0.4）得电，左动力头工进，工件加工完后，左动力头遇到下限位开关SQ2（I0.4），开始快退动作，直到遇到上限位开关SQ3（I0.5）。（右动力头与左动力头相似，只

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