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南京林業(yè)大學(xué)2007屆本科畢業(yè)設(shè)計論文
1．前言
1.1．課題名稱及其具體要求
1.1.1．課題名稱
車床主軸箱箱體左側(cè)8-M8螺紋攻絲機設(shè)計
1.1.2．題目內(nèi)容及要求
本題目的主要內(nèi)容是設(shè)計一臺能加工的通孔，總共八個孔的右側(cè)面螺紋攻絲機，機床類型為臥式單面，液壓驅(qū)動，由PLC控制，一臺機床年產(chǎn)量為3-6萬件。其余設(shè)計內(nèi)容均自定。
1.1.3．實驗、數(shù)據(jù)及圖紙要求
本設(shè)計完成后必須包括被加工零件工序圖、加工示意圖、機床聯(lián)系尺寸總圖、組合機床多軸箱圖、夾具裝配總圖、液壓系統(tǒng)原理圖、控制系統(tǒng)原理圖各一張，折合A0圖紙共4張。
此外，設(shè)計說明書需1.5萬字。
1.2．研究目的及意義
目前，組合機床的需求量很大，國家鼓勵其出口。而國內(nèi)汽車工業(yè)的迅速發(fā)展也勢必導(dǎo)致各類零部件加工量的增大。因此，組合機床可多刀、多軸、多面、多工位加工的優(yōu)點就顯得猶為突出。本設(shè)計就是在攻絲組合機床的設(shè)計基礎(chǔ)上，將PLC控制技術(shù)和液壓控制技術(shù)應(yīng)用到其中，以便進一步提高組合機床的自動化程度。
1.3．國內(nèi)外同類研究概況
1． 國外研究狀況
1952年美國生產(chǎn)出了第一臺數(shù)控機床，此后，日本、德國、意大利等國家的一些木工機床的制造廠家應(yīng)用機電一體化技術(shù)，相繼推出了各種先進的機床。目前，螺紋加工機床已經(jīng)與液壓系統(tǒng)，氣壓系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合生產(chǎn)出了很多先進的攻絲機，例如：西班牙的才CMA攻絲機系列，等等。
目前，機床加工正在向復(fù)合化，高速化，精密化，高效能化，智能化，環(huán)保化方向發(fā)展而螺紋加工正在向高效率，高自有度，高生產(chǎn)率，高自動化，高定位速度和高切削速度，低成本方向發(fā)展。
2． 國內(nèi)研究狀況
我國自改革開放以來，雖然機床加工機械的技術(shù)水平及產(chǎn)品質(zhì)量有著顯著的提高，但與先進的發(fā)達國家相比差距較大，主要存在的問題有：水平低、仿制多、品種少、自動化程度不高，外觀質(zhì)量不高，機床機械合格率低，遠低于同類機械產(chǎn)品的平均合格率。螺紋加工機床和其他機床一樣發(fā)展緩慢。
國內(nèi)生產(chǎn)的中檔普及型數(shù)控機床的功能、性能和可靠性方面已具有較強的市場競力。
但在中、高檔數(shù)控機床方面，與國外一些先進產(chǎn)品相比，仍存在較大差距。螺紋加工的數(shù)控化程度也很低。雖然我國現(xiàn)在的水平很低不過我們有很好的發(fā)展前景：首先，我國的政策調(diào)整有利于車床行業(yè)的發(fā)展；第二，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移給車床行業(yè)的發(fā)展帶來了機遇；第三，下游行業(yè)成長較快；第四，數(shù)控車床消費增長較快。而螺紋加工的攻絲機只是車床中的一個部分，當(dāng)然也具有很好的發(fā)展前景。目前國內(nèi)有很多的組合機床仍然采用繼電器控制，使用不便，且較為落后。而國外同行業(yè)則較多采用PLC先進技術(shù)集成控制來實現(xiàn)生產(chǎn)自動化，已形成一系列自動化程度較高的生產(chǎn)流水線，大大提高了生產(chǎn)效率和節(jié)省了成本。
2．組合機床概述
2.1．組合機床及其特點
組合機床是由大量的通用部件和少量專用部件組成的工序集中的高效率專用機床。它能夠?qū)σ环N（或幾種）零件進行多刀、多軸、多面、多工位加工。在組合機床上可以完成鉆孔、擴孔、鉸孔、鏜孔、攻絲、車削、銑削、磨削及滾壓等工序，生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定。
組合機床與通用機床，其他專用機床比較，具有以下特點：
（1）組合機床上的通用部件和標(biāo)準(zhǔn)零件約占全部機床零、部件總量的，因此設(shè)計和制造的周期短，投資少，經(jīng)濟效果好。
（2）由于組合機床用多刀加工，并且自動化程度高，因而比通用機床生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，勞動強度低。
（3）組合機床的通用部件是經(jīng)過周密設(shè)計和長期生產(chǎn)實踐考驗的，又有專門廠成批制造，因此結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，工作可靠，使用和維修方便。
（4）在組合機床上加工零件時，由于采用專用夾具、刀具和導(dǎo)向裝置，加工質(zhì)量靠工藝裝備保證，對操作工人的技術(shù)水平要求不高。
（5）當(dāng)被加工產(chǎn)品更新時，采用其他類型的專門機床時，其大部分部件要報廢。用組合機床時，其通用部件和標(biāo)準(zhǔn)零件可以重復(fù)利用，不必另行設(shè)計和制造。
（6）組合機床易于聯(lián)成組合機床自動線，以適應(yīng)大規(guī)模的生產(chǎn)需要。
圖2-1表示由通用部件和少量專用部件組成的臥式組合機床。
圖2-1 臥式組合機床及其組成部件
1—中間底座；2—夾具；3—主軸箱；4—動力箱
5—滑臺；6—滑座；7—床身（側(cè)底座）
組合機床常用的通用部件有：動力部件、輸送部件、支承部件、控制部件和輔助部件。其中動力部件有4種：（1）主運動動力部件—動力箱、多軸箱、單軸頭；（2） 進給運動部件—液壓滑臺、機械滑臺； （3） 既能實現(xiàn)主運動又能實現(xiàn)進給運動的部件—動力頭；為單軸頭變化主軸轉(zhuǎn)速的跨系列通用部件。
動力箱、各種工藝切削頭和動力滑臺是組合機床完成切削主運動或進給運動的動力部件。其中還有能同時完成切削主運動和進給運動的動力頭。而只能完成進給運動的動力部件稱為動力滑臺。固定在動力箱上的主軸箱是用來布置切削主軸，并把動力箱輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動傳遞給各主軸的切削刀具，由于各主軸的位置與具體被加工零件有關(guān)，因此主軸箱必須根據(jù)被加工零件設(shè)計，不能制造成完全通用的部件，但其中有很多零件（例如：主軸、傳動軸、齒輪和箱體等）是通用的。
床身、立柱、中間底座等是組合機床的支承部件，起著機床的基礎(chǔ)骨架作用。組合機床的剛度和部件之間的精度保持性，主要是由這些部件保證。移動的或回轉(zhuǎn)的工作臺的重復(fù)定位精度直接影響組合機床的加工精度。
除了上述主要部件之外，組合機床還有各種控制部件，主要是控制機床按順序動作，以保證機床按規(guī)定的程序進行工作。
組合機床的通用部件，絕大多數(shù)已頒布成國家標(biāo)準(zhǔn)，并按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的名義尺寸、主參數(shù)、互換尺寸等定型，各通用部件之間有配套關(guān)系。
因此，在進行本設(shè)計時，主要根據(jù)被加工零件的尺寸、形狀和技術(shù)要求等來完成組合機床的整體設(shè)計。
2.2．攻絲組合機床的結(jié)構(gòu)方案
通用機床加工螺紋的特點是主運動和進給運動之間保持嚴(yán)格的傳動比關(guān)系，即內(nèi)聯(lián)系傳動。攻絲組合機床也不例外，根據(jù)實現(xiàn)內(nèi)聯(lián)系傳動系統(tǒng)所選用的機構(gòu)不同，攻絲組合機床可以分為下列兩大類：
1）采用攻絲動力頭的攻絲組合機床
攻絲動力頭用于同一方向單純攻絲工序。利用絲杠進給，攻絲行程較大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動誤差大，所以加工螺紋精度較低（一般低于7H級），因此未能得到廣泛的應(yīng)用。
2）采用攻絲靠模裝置的組合機床
用攻絲靠模裝置加工內(nèi)螺紋的特點是，攻絲主軸系統(tǒng)的進給運動由攻絲靠模機構(gòu)得到?？磕C構(gòu)由靠模螺桿和靠模螺母組成，其螺距應(yīng)等于被加工螺孔的螺距，當(dāng)靠模螺桿每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時，則帶動絲錐向前進給一個螺距，要求盡量接近。
攻絲靠模應(yīng)用于攻絲裝置中的情況如圖2-2所示。從圖中可見，電機傳動主軸通過靠模螺桿帶動絲錐回轉(zhuǎn)，靠模螺桿5通過攻絲卡頭6與絲錐連接，攻絲卡頭6是攻絲主軸靠模系統(tǒng)進給量與絲錐自行引進量的補償環(huán)節(jié)。
當(dāng)主軸及靠模螺桿5正轉(zhuǎn)時，由于靠模螺
母4的作用，使靠模螺桿按螺母的螺距帶動絲
錐進給，攻絲結(jié)束后，主軸反轉(zhuǎn)，絲錐退回。
由于攻絲過程中，只是靠模螺桿5帶動絲 圖2-2 攻絲裝置原理圖
錐軸向移動，因此主軸與靠模螺桿連接處軸向 1—電機；2—多軸箱；3—主軸；
可以相對滑動，一般用滑鍵連接，滑動的最大 4—靠模螺母；5—靠模螺桿；6—攻絲卡頭
距離即攻絲的最大行程，一般不超過。
此種攻絲方法，靠模可以經(jīng)磨制得到較準(zhǔn)確的螺距，由于靠模螺桿帶動絲錐進給比較輕巧，同時又有攻絲接桿補償攻絲主軸靠模系統(tǒng)與絲錐自行引進的進給差，因而攻絲時可得到較高的精度。該靠模裝置除了具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本較低的特點外，還由于每根靠模螺桿都各自具有自己的螺距數(shù)值，因此可用一個攻絲裝置方便地加工出不同尺寸規(guī)格的螺紋，且可各自選用合理的切削用量，目前應(yīng)用很廣泛。
綜上所述，可知攻絲工序的工作循環(huán)如下：
2.3．組合機床發(fā)展趨勢
一、提高通用部件的技術(shù)水平；
二、發(fā)展適應(yīng)中、小批生產(chǎn)的組合機床；
三、采用新刀具；
四、發(fā)展自動檢測技術(shù)；
五、擴大工藝范圍。
3．組合機床總體設(shè)計
3.1．組合機床方案確定
3.1.1．被加工零件特點
被加工零件在攻絲機體左側(cè)，材料為，硬度為，攻絲孔徑為的通孔8個，個孔在3個圓上規(guī)律分布。
被加工零件的外形如圖3-1所示。
圖3-1 被加工零件外形圖
3.1.2．機床布局確定
工件底面為主要定位面。因為底面有3個腳所以用3個支承塊支撐，用短銷和支承釘定位。裝夾方便、平穩(wěn)，故可采用臥式機床。
3.1.3．工件定位基準(zhǔn)的確定
由于工件采用底面為定位面，根據(jù)該零件的特點，可采用孔和2面定位。
3.1.4．夾壓表面及夾緊方式
由于要加工的工件是箱體而且上表面是空的，為了確保工件夾壓穩(wěn)定，為了保證定位基準(zhǔn)和定位面的良好接觸，采用開口長壓板作定位夾緊。
3.2．確定切削用量
3.2.1．選擇切削用量
由于攻絲孔徑只有一種，所以可以采用同樣的主軸和刀具使得所有刀具的每分鐘進給量相同。
根據(jù)《專用機床設(shè)備設(shè)計》表7-18查得：
高速鋼絲錐攻絲切削速度
查《機械加工工藝手冊》得：
螺紋間距，
選
切削速度：
∴
∴滿足要求
每分鐘進給量
式中：——主軸系統(tǒng)的進給量（）；
——絲錐每分鐘自行引進量（）；
——絲錐每分鐘轉(zhuǎn)速（）；
——絲錐的螺距，多頭螺紋為導(dǎo)程（）。
∴
3.2.2．確定F.P.T
1）切削扭矩的計算
根據(jù)《專用機床設(shè)備設(shè)計》表7-24查得：
式中：——工件螺距（）；
——加工直徑（）。
∴
2）切削力的計算
∴
∴總切削力
3）切削功率的計算
根據(jù)《專用機床設(shè)備設(shè)計》表7-24查得：
∴
∴總功率
考慮到功率損失，∴
3.3．組合機床總體設(shè)計——三圖一卡
三圖一卡的內(nèi)容主要包括：被加工零件工序圖、加工示意圖、機床聯(lián)系尺寸總圖和編制生產(chǎn)率計算卡。
3.3.1．被加工零件工序圖
一、被加工零件工序圖的作用及內(nèi)容
被加工零件工序圖是根據(jù)選定的工藝方案，表示一臺組合機床或自動線完成的工藝內(nèi)容，加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度及技術(shù)要求、加工用定位基準(zhǔn)、夾壓部位及被加工零件的材料、硬度、重量和本道工序加工前毛坯或半成品狀況的圖紙。因此，它是在原零件圖基礎(chǔ)上，突出本機床或自動線的加工內(nèi)容，加上必要的說明繪制成的。它是組合機床設(shè)計的主要依據(jù)，也是制造、使用、檢驗和調(diào)整機床的重要技術(shù)文件。圖上應(yīng)表示出：
1）被加工零件的形狀和輪廓尺寸及與本機床設(shè)計有關(guān)的部位的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸。尤其是當(dāng)需要設(shè)置中間導(dǎo)向套時，應(yīng)表示出零件內(nèi)部的肋、壁布置及有關(guān)結(jié)構(gòu)的形狀及尺寸。以便檢查工件、夾具、刀具是否發(fā)生干涉。
2）加工用定位基準(zhǔn)、夾壓部位及夾壓方向。以便依此進行夾具的定位支承（包括輔助定位支承）、限位、夾緊、導(dǎo)向系統(tǒng)的設(shè)計。
3）本道工序加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度、形狀位置尺寸精度及技術(shù)要求，還包括本道工序?qū)η暗拦ば蛱岢龅囊螅ㄖ饕付ㄎ换鶞?zhǔn)）。
4）必要的文字說明。如被加工零件編號、名稱、材料、硬度、重量及加工部位的余量等。
二、繪制被加工零件工序圖的注意事項
1）為了使被加工零件工序圖清晰明了，一定要突出本機床的加工內(nèi)容。繪制時，應(yīng)按一定比例，選擇足夠的視圖及剖視圖，突出加工部位（用粗實線），并把零件輪廓及與機床、夾具設(shè)計有關(guān)的部位（用細(xì)實線）表示清楚。凡本道工序保證的尺寸、角度等，均應(yīng)在尺寸數(shù)值下方畫粗實線標(biāo)記。加工用定位基準(zhǔn)、機械夾壓位置及方向、輔助支承均須使用規(guī)定的符號表示出來。
2）加工部位的位置尺寸應(yīng)由定位基準(zhǔn)注起。為便于加工及檢查，尺寸應(yīng)采用直角坐標(biāo)系標(biāo)注，而不采用極坐標(biāo)系。但有時因所選定位基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)不重合,則需對加工部位要求的位置尺寸精度進行分析換算。此外，應(yīng)將零件圖上的不對稱位置尺寸公差應(yīng)換算成對稱尺寸公差，其公差數(shù)值的決定要考慮兩方面，一是要能達到產(chǎn)品圖紙要求的精度，二是采用組合機床能夠加工出來。
3）應(yīng)注明零件加工對機床提出的某些特殊要求。
3.3.2．加工示意圖
一、加工示意圖的作用和內(nèi)容
零件加工的工藝方案要通過加工示意圖反映出來。加工示意圖表示被加工零件在機床上的加工過程，刀具、輔具的布置狀況以及工件、夾具、刀具等機床各部件間的相對位置關(guān)系，機床的工作行程及工作循環(huán)等。因此，加工示意圖是組合機床設(shè)計的主要圖紙之一，在總體設(shè)計中占據(jù)重要地位。它是刀具、輔具、主軸箱、液壓電氣裝置設(shè)計及通用部件選擇的主要原始資料，也是整臺組合機床布局和性能的原始要求，同時還是調(diào)整機床、刀具及試車的依據(jù)。其內(nèi)容為：
1）應(yīng)反映機床的加工方法、加工條件及加工過程。
2）根據(jù)加工部位特點及加工要求，決定刀具類型、數(shù)量、結(jié)構(gòu)、尺寸（直徑和長度）。
3）決定主軸的結(jié)構(gòu)類型、規(guī)格尺寸及外伸長度。
4）選擇標(biāo)準(zhǔn)的或設(shè)計專用的接桿、浮動卡頭、導(dǎo)向裝置、攻絲靠模裝置、刀桿托架等，并決定它們的結(jié)構(gòu)、參數(shù)及尺寸。
5）標(biāo)明主軸、接桿（卡頭）、夾具（導(dǎo)向）與工件之間的聯(lián)系尺寸、配合及精度。
6）根據(jù)機床要求的生產(chǎn)率及刀具、被加工零件材料特點等，合理確定并標(biāo)注各主軸的切削用量。
7）決定機床動力部件的工作行程及工作循環(huán)。
二、加工示意圖的畫法及注意事項
1）加工示意圖的繪制順序是：先按比例用細(xì)實線繪出工件加工部位和局部結(jié)構(gòu)的展開圖，加工表面用粗實線畫。為簡化設(shè)計，相同加工部位的加工示意（指對同一規(guī)格的孔加工，所用刀具、導(dǎo)向、主軸、接桿等的規(guī)格尺寸、精度完全相同），允許只表示其中之一，亦即同一主軸箱上結(jié)構(gòu)尺寸相同的主軸可只畫一根。但必須在主軸上標(biāo)注軸號（與工件孔號相對應(yīng)）。當(dāng)軸數(shù)較多時，可縮小比例，用細(xì)實線畫出工件加工部位的外形簡圖，并在孔旁標(biāo)注孔號，以便設(shè)計和調(diào)整機床。
2）一般情況下，在加工示意圖上，主軸分布可不按真實距離繪制。當(dāng)被加工孔間距很小或需設(shè)置徑向結(jié)構(gòu)尺寸較大的導(dǎo)向裝置時，相鄰主軸必須嚴(yán)格按比例繪制，以便檢查相鄰主軸、刀具、輔具、導(dǎo)向是否干涉。
3）主軸應(yīng)從主軸箱端面畫起。刀具畫加工終了位置（攻絲加工則應(yīng)畫開始位置）。標(biāo)準(zhǔn)的通用結(jié)構(gòu)只畫外形輪廓，但須加注規(guī)格代號。對一些專用結(jié)構(gòu)，為顯示其結(jié)構(gòu)而必須剖視，并標(biāo)注尺寸、精度及配合。
三、刀具選擇
根據(jù)攻絲孔的深度及直徑大小，并結(jié)合加工條件及要求，根據(jù)《機械加工工藝手冊》，選擇的刀具為絲錐，其直徑分別為。
絲錐的具體結(jié)構(gòu)和尺寸如圖3-2所示：
)
圖3-2 絲錐外形圖
四、初定主軸類型、尺寸和外伸長度
根據(jù)《專用機床設(shè)備設(shè)計》表7-29（攻螺紋主軸直徑的確定）查得：
當(dāng)螺紋為，扭矩時，主軸直徑
再查表7-30（通用攻絲主軸的系列參數(shù)），確定主軸類型為：
前后支承均為圓錐滾子軸承的主軸
確定主軸直徑：
攻絲靠模規(guī)格代號：2
具體結(jié)構(gòu)如圖3-3所示：
圖3-3 主軸外伸圖
五、選擇攻絲卡頭
攻絲卡頭用于連接絲錐和攻絲主軸（或靠模裝置），其主要作用是：
1） 保證絲錐與被加工的螺紋底孔自動對中，并保證絲錐順利引進。
2） 補償絲錐每分鐘引進量與攻絲主軸（或靠模裝置）每分鐘進給量之差值，保證絲錐引進與攻絲裝置進給同步。
因此，要求攻絲卡頭有很好的定心性及補償靈活性，徑向尺寸應(yīng)較小，以適應(yīng)中心距小的螺孔加工。攻絲卡頭的主要形式有：①絲錐“超前”進給的單向補償攻絲卡頭；②主軸或攻絲靠?！俺啊边M給的單向補償攻絲卡頭。
在此，可選用主軸“超前”進給的單向補償攻絲卡頭。主軸“超前”進給是指攻絲主軸每分鐘進給量大于絲錐每分鐘的引進量，其差值由攻絲卡頭中的壓力彈簧來補償。彈簧的預(yù)壓力，最好稍大于絲錐開始切入被加工螺紋底孔所需的軸向力，而小于絲錐的進給拉力。
其具體結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。
圖3-4 主軸“超前”進給的單向補償攻絲卡頭
1—卡頭芯桿；2—銷；3—套罩；4—卡頭體；5—壓力彈簧
六、攻絲靠模裝置
攻絲靠模裝置的原理是“自引法”攻絲。這種攻絲裝置的進給運動，直接由靠模螺桿、螺母得到。
常用的攻絲靠模裝置有型和型。型攻絲靠模通常由攻絲靠模機構(gòu)和攻絲卡頭配合組成攻絲裝置，并由攻絲裝置配置成攻絲組合機床。型主要用于組成活動攻絲模板和鉆攻復(fù)合模板。
根據(jù)，查得《專用機床設(shè)備設(shè)計》表7-42（第Ⅰ、第Ⅱ類攻絲靠模規(guī)格）：選用型號為的攻絲靠模裝置
其具體參數(shù)為：
，
，，
這類靠模用于組成固定式攻螺紋裝置時，有較好的敞開性，裝卸和調(diào)整較為方便。松開壓板后，整套靠模就可以很方便地從靠模頭前端抽出，利用攻螺紋卡頭上的調(diào)整
螺母，能方便地調(diào)整絲錐的軸向位置。缺點是軸向尺寸很大。
其具體結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。
七、確定動力部件的工作循環(huán)及工作行程
動力部件的工作循環(huán)是指：加工時動力部件從原始位
置開始運動到加工終了位置又返回到原始位置的動作過程。
一般包括快速引進、工作進給、快速退回等動作。
1．工作行程長度的確定
工作進給長度應(yīng)等于工件加工部位長度（多軸加
工時應(yīng)按最長孔計算）與刀具切入長度和切出長度之
和。如圖3-6所示。
圖3-6 工作進給長度
切入長度L1應(yīng)根據(jù)工件端面的誤差情況在之
間選擇，誤差大時取大值。切出長度根據(jù)《專用機床設(shè)
備設(shè)計》表7-32查得：
式中：——絲錐前端錐部的長度。
由于加工深度一定，選擇。
2．快進、快退長度
按加工具體情況而定，保證加工所有刀具均退至夾具
套內(nèi)，不影響工件裝卸，因此取快進長度為。
3．動力部件總行程長度
動力部件的總行程除應(yīng)保證要求的工作循環(huán)行程外， 圖3-5 第Ⅰ類攻絲靠模
還要考慮裝卸和調(diào)整刀具方便，即考慮前、后備量。 1—靠模桿；2—套筒；3—壓板
前備量是指因刀具磨損或補償制造、安裝誤差，動力 4—襯套：5—彈簧；6—結(jié)合子
部件尚可向前調(diào)節(jié)的距離。后備量是指考慮刀具從接桿中 7—靠模螺母；8—攻絲卡頭
或接桿連同刀具一起從主軸孔中取出所需要的動力部件尚能向后退的距離。理想情況是保證刀具退離夾具導(dǎo)套外端面的距離大于接桿插入主軸孔內(nèi)（或刀具插入接桿孔內(nèi)）的長度。
因此，動力部件的總行程為快退行程長度與前后備量之和。
∴
依此作為選擇標(biāo)準(zhǔn)動力滑臺或設(shè)計專用動力部件的依據(jù)。
3.3.3．機床聯(lián)系尺寸圖
一、聯(lián)系尺寸圖的作用及內(nèi)容
一般來說，組合機床是由標(biāo)準(zhǔn)的通用部件——動力滑臺、動力箱、各種工藝切削頭、側(cè)底座、立柱、立柱底座及中間底座加上專用部件——主軸箱、輔具系統(tǒng)、夾具、液、電、冷卻、潤滑、排屑系統(tǒng)組合裝配而成。聯(lián)系尺寸圖用來表示機床各組成部件的相互裝配聯(lián)系和運動關(guān)系，以檢驗機床各部件的相對位置及尺寸聯(lián)系是否滿足加工要求，通用部件的選擇是否合適，并為進一步開展主軸箱、夾具等專用部件、零件的設(shè)計提供依據(jù)。聯(lián)系尺寸圖也可看成是簡化的機床總圖，它表示機床的配置型式及總體布局。
聯(lián)系尺寸圖的主要內(nèi)容如下：
1） 以適當(dāng)數(shù)量的視圖（一般為主、左、右視圖）按同一比例畫出機床各主要組成部件的外形輪廓及相對位置，表明機床的配置型式及總體布局，主視圖的選擇應(yīng)與機床實際加工狀態(tài)一致。
2） 圖上應(yīng)盡量減少不必要的線條及尺寸，但反映各部件的聯(lián)系尺寸、專用部件的主要輪廓尺寸、運動部件的極限位置及行程尺寸，必須完整齊全。各部件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)不必畫出，留在具體設(shè)計部件時完成。
3） 為便于部件設(shè)計，聯(lián)系尺寸圖上應(yīng)標(biāo)注通用部件的規(guī)格代號、電動機型號、功率及轉(zhuǎn)速，并注明機床部件的分組情況及總行程。
二、選擇動力箱
確定攻絲電機功率時，應(yīng)考慮到絲錐鈍化的影響，一般按計算功率的倍選取。根據(jù)前面計算功率，即，且考慮到攻絲時對轉(zhuǎn)速要求較低，如果選用的電動機轉(zhuǎn)速過高，將導(dǎo)致傳動比較大，使機床結(jié)構(gòu)龐大，不利于成本的降低，一般采用同步轉(zhuǎn)速為左右的電動機。
根據(jù)《組合機床設(shè)計簡明手冊》表5-38選用動力箱型號為，電動機型號為，電動機的功率為，（為電動機安裝端面至罩殼后面間的軸向長度）。
根據(jù)前面計算的行程，選擇動力滑臺為型，滑臺側(cè)底座為型，行程為。二級進給及壓力繼電器型號為。導(dǎo)軌防護裝置型號為。分級進給裝置型號為。
由于攻絲時，工作行程不是很長，液壓滑臺可固定在滑軌上，由固定塊受力。所以當(dāng)進給力大于滑臺所受最大進給力時，仍可使用該滑臺滑軌。
根據(jù)選定的動力滑臺型號為，其臥式配置時具體聯(lián)系尺寸如圖3-7所示。
圖3-7 型液壓滑臺臥式配置時聯(lián)系尺寸
三、夾具輪廓尺寸確定
綜合考慮工件的輪廓尺寸形狀、結(jié)構(gòu)以及夾具底座與機床其他部件連接固定尺寸，初步定夾具長寬高為。
四、機床裝料高度
機床裝料高度是指機床上工件的定位基準(zhǔn)面到地面的垂直距離。為提高通用部件及支承部件的剛度并考慮自動線設(shè)計時中間底座內(nèi)要安裝夾具輸送裝置、冷卻排屑裝置，新頒布的組合機床標(biāo)準(zhǔn)推薦裝料高度，與國際標(biāo)準(zhǔn)一致。在現(xiàn)階段設(shè)計組合機床時，裝料高度可根據(jù)具體情況在之間選取。
由于受工件最低孔位置、多軸箱最低主軸高度和所選通用部件、中間底座、夾具高度等尺寸的限制（滑臺與滑座總高，側(cè)底座高度，夾具底座高度，中間底座高度），本設(shè)計的機床裝料高度。
五、中間底座輪廓尺寸
中間底座的輪廓尺寸要滿足夾具在其上面安裝連接的需要。根據(jù)選定的動力箱滑臺、側(cè)底座等標(biāo)準(zhǔn)的位置關(guān)系，并考慮到毛坯誤差和裝配偏移，中間底座支承夾具底座的空余邊緣尺寸，算出的長度應(yīng)圓整，并按優(yōu)選數(shù)系選用。攻絲時需要使用冷卻液，應(yīng)使空余邊緣尺寸不小于。
中間底座外形圖如圖3-8所示。
圖3-8 中間底座外形圖
中間底座長度方向尺寸可按下式確定：
式中：——加工終了位置，主軸箱端面至工件端面間的距離，本設(shè)計中；
——主軸箱厚度，本設(shè)計；
——工件沿機床長度方向的尺寸，本設(shè)計；
——機床長度方向上，主軸箱與動力滑臺的重合長度，本設(shè)計；
——加工終了位置，滑臺前端面至滑座前端面的距離，對于通用的標(biāo)準(zhǔn)動力滑臺，尺寸的最大范圍為。本設(shè)計；
——滑座前端面至側(cè)底座前端面的距離，本設(shè)計。
∴
根據(jù)，查《專用機床設(shè)備設(shè)計》表7-10（中間底座主要尺寸）：
選定中間底座長為
又根據(jù)被加工零件的寬度為，夾具底座寬度為，以及其他聯(lián)系尺寸，選定中間底座寬度為。
∴中間底座的長寬為。
六、確定多軸箱輪廓尺寸
標(biāo)準(zhǔn)通用多軸箱的厚度是一定的，臥式為。因此，確定多軸箱尺寸，主要是確定多軸箱寬度和高度及最低主軸高度。如圖3-9所示，被加工零件輪廓以點劃線、多軸箱輪廓用粗實線表示。多軸箱寬度、高度的大小主要與被加工零件孔的分布位置有關(guān)，可按下式確定：
式中：——工件在寬度方向相距最遠的兩孔距離（）。
——最邊緣主軸中心距箱外壁的距離（）。
——工件在高度方向相距最遠的兩孔距離（）。
——最低主軸高度（）。
圖3-9 多軸箱輪廓尺寸的確定
為保證多軸箱有排布齒輪的足夠空間，推薦，取。
主軸箱最低主軸高度須考慮到與工件最低孔位置（）、機床裝料高度（）、滑臺滑座總高（）、側(cè)底座高度（）、滑座與側(cè)底座之間調(diào)整墊高度（）等尺寸之間的關(guān)系而確定。對于臥式組合機床，要保證潤滑油不致從主軸襯套處泄露，通常推薦：
∴
∴
根據(jù)上述計算值，按多軸箱輪廓尺寸系列標(biāo)準(zhǔn)，最后確定多軸箱輪廓尺寸為
七、機床聯(lián)系尺寸圖繪制注意事項
1）畫主視圖時，主視圖的圖形布置應(yīng)與實際機床工作布置一致，并選擇合適比例。為便于機床的調(diào)整和維修，滑座與側(cè)底座之間需加厚的調(diào)整墊。
2）機床各主要組成部件的輪廓尺寸及相關(guān)聯(lián)系尺寸必須標(biāo)注的完整、恰當(dāng)，應(yīng)使機床在長、寬、高三個方向的尺寸鏈封閉。
3）應(yīng)注明工件、夾具、動力部件、中間底座對稱中心線間的位置關(guān)系。
4）應(yīng)注明電動機的型號、功率、轉(zhuǎn)速及所選標(biāo)準(zhǔn)通用部件的型號規(guī)格和其主要輪廓尺寸，并對組成機床的所有部件進行分組編號，作為部件和零件設(shè)計的原始依據(jù)。
3.3.4．機床生產(chǎn)率計算卡
根據(jù)選定的機床工作循環(huán)所要求的工作行程長度、切削用量、動力部件的快進及工進速度等，就可以計算機床的生產(chǎn)率并編制生產(chǎn)率計算卡，用以反映機床的加工過程，完成每一動作所需的時間、切削用量、機床生產(chǎn)率及機床的負(fù)荷率等。
一、理想生產(chǎn)率
指完成年生產(chǎn)綱領(lǐng)（包括備品及廢品率在內(nèi)）所要求的機床生產(chǎn)率。它與全年工時總數(shù)有關(guān)，一般情況下，單班制生產(chǎn)取，則
件／h
二、實際生產(chǎn)率
指所設(shè)計機床每小時實際可以生產(chǎn)的零件數(shù)量。
件／h
式中：——生產(chǎn)一個零件所需的時間（），它可以根據(jù)下式計算：
式中：、——分別為刀具第Ⅰ、第Ⅱ工作進給行程長度（）；
、——分別為刀具第Ⅰ、第Ⅱ工作進給速度（）；
——當(dāng)加工沉孔、止口、锪窩、倒角、光整表面時，動力滑臺在死擋鐵上的停留時間，通常指刀具在加工終了時無進給狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)所需的時間（）；
、——分別為動力部件快進、快退行程長度（）；
——動力部件快速行程速度。采用機械動力部件取，液壓動力部件??；
——直線移動或回轉(zhuǎn)工作臺進行一次工位轉(zhuǎn)換的時間，一般可??；
——工件裝、卸（包括定位、夾壓及清除鐵屑等）時間，它取決于工件重量大小、裝卸的方便性及工人的熟練程度。根據(jù)各類組合機床的統(tǒng)計，一般取。
∴取為
∴
∴ 件／h
三、機床負(fù)荷率
當(dāng)時，計算二者的比值即為負(fù)荷率。
∴
根據(jù)組合機床的使用經(jīng)驗，適宜的機床負(fù)荷率為。
所以該負(fù)荷率滿足要求。
四、生產(chǎn)率計算卡
生產(chǎn)率計算卡是按一定格式要求編制的反映零件在機床上的加工過程、生產(chǎn)節(jié)拍、切削用量、機床生產(chǎn)率和機床負(fù)荷率的簡明表格，它是用戶驗收機床的重要依據(jù)之一。
具體情況見附錄二。
4．組合機床夾具設(shè)計
4.1．機床夾具的用途及使用優(yōu)點
一、保證產(chǎn)品質(zhì)量；
二、提高勞動生產(chǎn)率；
三、擴大機床的工藝范圍，解決復(fù)雜或困難的工藝問題；
四、改變原機床的用途，擴大機床使用范圍；
五、減輕操作的勞動強度，做到安全生產(chǎn)。
4.2．定位支承系統(tǒng)設(shè)計
4.2.1．定位六法及定位面
工件采用三面定位，以底面為主要定位面，后面為導(dǎo)向面，左側(cè)面為止推面。采用此方法限制了六個自由度，為完全定位。
4.2.2．定位支承元件及布置
選擇常用定位元件支承板，使用兩塊。為便于排屑，沿縱向用倒角并設(shè)溝槽。為提高支承板耐磨性，采用鋼制造。
導(dǎo)向面使用一個導(dǎo)向板（限位板），止推面使用一個支承釘。
4.2.3．夾緊機構(gòu)設(shè)計
一、夾緊動力
夾緊動力選用螺紋螺栓配合的機械力進行夾緊。
二、夾緊力確定
1）確定摩擦系數(shù)
根據(jù)《機床夾具設(shè)計手冊》，取工件與支承壓板之間摩擦系數(shù)：
2）安全系數(shù)
由于刀具鈍化等原因，準(zhǔn)確地確定夾緊力較困難。
根據(jù)《機床夾具設(shè)計手冊》查得，總安全系數(shù)
式中：——基本安全系數(shù)，
——加工表面光潔度系數(shù)，毛面，光面；
——刀具磨鈍系數(shù)，；
——斷續(xù)切削系數(shù)，；
——疲勞系數(shù)，（人力操縱），（動力操縱）。
∴取，，，，
∴
∴滿足要求。
3）夾緊力計算
根據(jù)夾緊力所需，選擇前法蘭式液壓夾緊油缸。
油缸內(nèi)活塞桿，行程。
4.3．組合機床夾具設(shè)計
因被加工零件為箱體零件，機床為臥式，刀具選用絲錐，本夾具為壓板夾緊工件從一側(cè)推入，然后定位夾緊。
4.3.1．夾具體設(shè)計
夾具體是夾具的基礎(chǔ)件，夾具上的各種裝置和元件通過夾具體連接成一個整體。夾具體要有足夠的強度和剛度，只有這樣，在加工過程中，夾具體在切削力、夾緊力的作用下，才不會產(chǎn)生不允許的變形和振動。此外，在保證強度和剛度的前提下，夾具體應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡單便于制造、裝配和檢驗；體積小、重量輕以便于操作。
考慮到加工的零件是一個箱體而且上表面是空的，為了使其受力比較好所以采用兩邊開闊的常壓辦對加工的零件進行夾緊。夾緊的零件采用雙頭螺栓，螺母夾緊方式。支撐面采用3個小的支撐塊支撐。用一個空和一個面定位。
4.3.2．角鐵的選擇
考慮到被加工零件尺寸較大，選擇標(biāo)準(zhǔn)的角鐵滿足不了本設(shè)計要求，故在標(biāo)準(zhǔn)角鐵的尺寸基礎(chǔ)上，適當(dāng)增大以滿足要求。角鐵所選用的材料均為，毛坯要經(jīng)時效處理。本設(shè)計中角鐵使用數(shù)量為3個，其中加工孔部位角鐵需留出空間以方便加工。
其具體尺寸和結(jié)構(gòu)如圖4-2、4-3、4-4所示。
圖4-2 角鐵一
4.4．夾具總裝配圖技術(shù)要求制定
4.4.1．精度等級
同軸度、平行度和垂直度一般為被加工零件精度1/3左右。
4.4.2．定位精度要求
工件以定位支承塊定位，定位面應(yīng)在同一平面內(nèi)，允差0.02，支承塊在一次安裝下加工到所要精度。
4.4.3．總裝配圖繪制要求
一、被加工零件的外形輪廓、定位基面、夾緊表面及加工表面用雙點劃線繪制在各個視圖的合適位置上。
二、各零件要進行編號，并填寫零件明細(xì)表和標(biāo)題欄。
三、標(biāo)注必要的尺寸、公差配合及技術(shù)要求。
5. 多軸箱的設(shè)計
多軸箱是組合機床的重要部件之一，它關(guān)系到整臺組合機床質(zhì)量的好壞。
具體設(shè)計時，除了要熟悉多軸箱本身的一些設(shè)計規(guī)律和要求外，還須依據(jù)“三圖一卡”，仔細(xì)分析研究零件的加工部位，工藝要求，確定多軸箱與被加工零件、機床其他部分的相互關(guān)系。
5．1 繪制多軸箱設(shè)計原始依據(jù)圖
多軸箱設(shè)計原始依據(jù)圖，是依據(jù)“三圖一卡”整理編繪出來的，其一般應(yīng)包括下列內(nèi)容：
（1） 所有主軸的位置尺寸及工件與多軸箱的相關(guān)尺寸。在標(biāo)注主軸的位置及相關(guān)尺寸時，首先要注意多軸箱和被加工零件在機床上是面對面擺放的，因此多軸箱橫截面上的水平方向尺寸應(yīng)與被加工零件工序圖的水平尺寸方向相反。其次，多軸箱上的坐標(biāo)尺寸基準(zhǔn)和被加工零件工序圖的尺寸基準(zhǔn)常不相重合，應(yīng)根據(jù)多軸箱和被加工零件的相對位置找出統(tǒng)一基準(zhǔn)，并標(biāo)注出其相對位置關(guān)系尺寸。
（2） 在圖中標(biāo)注主軸轉(zhuǎn)向。由于標(biāo)準(zhǔn)刀具多為右旋，因此要求主軸一般為逆時針旋轉(zhuǎn)，逆時針轉(zhuǎn)向可標(biāo)注，只注順時針轉(zhuǎn)向。
（3） 圖中應(yīng)標(biāo)出多軸箱的外形尺寸。
（4） 列表標(biāo)明工件材料，加工表面要求，并標(biāo)出各主軸的工序內(nèi)容，主軸外伸部分尺寸和切削用量等。
（5） 注明動力箱型號，功率，轉(zhuǎn)速和其它主要參數(shù)。
5.2 主軸結(jié)構(gòu)型式的選擇
5.2.1 主軸結(jié)構(gòu)型式的選擇
主軸結(jié)構(gòu)型式由零件加工工藝決定，并應(yīng)考慮主軸的工作條件和受力情況。軸承型式是主軸部件結(jié)構(gòu)的主要特征，如進行鉆削加工的主軸，軸向切削力較大，最好用推力球軸承承受軸向力，而用向心球軸承承受徑向力。又因鉆削時軸向力是單向的，因此推力球軸承在主軸前端安排即可。進行鏜削加工的主軸，軸向切削力較小，但不能忽略。有時由于工藝要求，主軸進退都要切削，兩個方向都有切削力，一般選用前后支承均為圓錐滾子軸承的主軸結(jié)構(gòu)。在本設(shè)計中我選用推力球軸承。主軸的直徑在前面已經(jīng)算過了這邊就不說了。
5.3 傳動系統(tǒng)的設(shè)計與計算
多軸箱的傳動系統(tǒng)設(shè)計，就是通過一定的傳動鏈把動力箱輸出軸傳進來的動力和轉(zhuǎn)速按要求分配到各主軸。傳動系統(tǒng)設(shè)計的好壞，將直接影響多軸箱的質(zhì)量、通用化程度、設(shè)計和制造工作量的大小以及成本的高低。
5.3.1 對傳動系統(tǒng)的一般要求
設(shè)計傳動系統(tǒng)，應(yīng)在保證主軸強度、剛度、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的前提下，力求使主要傳動件的規(guī)格少，數(shù)量少，體積??；因此，在設(shè)計傳動系統(tǒng)時，要注意下面幾點：
（1） 盡量用一根中間轉(zhuǎn)動軸帶動多根主軸。當(dāng)齒輪嚙合中心距不符合標(biāo)準(zhǔn)時，可用變位齒輪或略變傳動比的方法解決。
（2） 一般情況下，盡量不采用主軸帶動主軸的方案，因為這會增加主動主軸的負(fù)荷。
（3） 為使結(jié)構(gòu)緊湊，多軸箱體內(nèi)的齒輪傳動副的最佳傳動比為1-1.5,在多軸箱后蓋內(nèi)的第4排齒輪，根據(jù)需要，其傳動比可以取大些，但一般不超過3-3.5。
（4） 根據(jù)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩成反比的道理，一般情況下如驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速較高時，可采用逐步降速傳動；如驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速較低時可先使速度升高一點再降速；這樣可使傳動鏈前面幾根軸、齒輪等在比較高轉(zhuǎn)速下工作，結(jié)構(gòu)可小些。組合機床多軸箱的傳動和結(jié)構(gòu)與普通機床差異較大，其一是由于傳動鏈較短，難分前后，另外，經(jīng)常是一中間傳動軸帶多根主軸。所以，合理安排結(jié)構(gòu)往往成為設(shè)計的主要矛盾。如為了使主軸上的齒輪不過大，最后一級經(jīng)常采用升速傳動。
（5） 粗加工切削力大，主軸上的齒輪應(yīng)盡量安排靠近前支承，以減少主軸的扭轉(zhuǎn)變形。
（6） 齒輪排數(shù)可按下面方法安排
1） 不同軸上齒輪不相碰，可放在箱體內(nèi)同一排上。
2） 不同軸上齒輪與軸或軸套不相碰，可放在箱體內(nèi)不同排上。
3） 齒輪與軸相碰，可放在后蓋內(nèi)。
5．3．2 主軸分布類型及傳動系統(tǒng)設(shè)計
1）已知各主軸轉(zhuǎn)速及驅(qū)動軸到主軸之間的傳動比。
一層二層的齒輪的,三層的齒輪的
多軸箱的具體布置如下圖所示
6．PLC控制系統(tǒng)設(shè)計
6.1．可編程控制器概述
6.1.1．可編程控制器的定義和特點
可編程控制器（PLC）是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計，它采用一類可編程的存貯器，用于其內(nèi)部存貯程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、記數(shù)和算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式輸入輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。世界上第一臺可編程控制器產(chǎn)生于1969年。
PLC的特點主要有以下四點：
一、 通用性強。PLC這種控制裝置硬件是標(biāo)準(zhǔn)化的，要改變控制功能只需改變程序即可。同一臺PLC可以用于不同的控制對象。
二、硬件設(shè)計和接線簡單。由于PLC的接口按工業(yè)控制的要求設(shè)計，輸出接口的驅(qū)動功率強，能直接驅(qū)動接觸器、電磁閥等線圈，可免除二次開發(fā)的困難，因而，用戶在硬件方面的設(shè)計工作只是確定PLC的硬件配置和外部接線而已。對于接線，只需將提供輸入信息的按鈕、限位開關(guān)、光電開關(guān)、無觸點開關(guān)等接入PLC的輸入端子；把電磁鐵、電磁閥、接觸器等線圈接到PLC的輸出端子并配上對應(yīng)的負(fù)載電源和保護裝置，即完成了全部接線任務(wù)。
三、可靠性高，抗干擾能力強?？煽啃允强刂蒲b置的生命。PLC采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，能適應(yīng)有各種強烈干擾的工業(yè)現(xiàn)場，并具有故障自診斷能力。
四、體積小、功耗小、性能價格比高。由于體積小，PLC很容易裝入機械設(shè)備內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。
6.1.2．基本結(jié)構(gòu)
PLC的主體由微處理器（CPU）、存儲器、輸入模塊、輸出模塊、電源以及編程器等組件構(gòu)成。
電源是將交流電轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部所需的直流電，電源組件具有高的抗干擾能力，適合工業(yè)現(xiàn)場使用，供電穩(wěn)定、安全可靠。電源組件內(nèi)還裝有備用電池，以保證在斷電時，存放在存儲器（RAM）中的信息仍能保持。
PLC的存儲器包括只讀存儲器（ROM）和讀寫存儲器（RAM），前者用來存放系統(tǒng)程序，后者用來存放用戶程序，它通過外接的專用編程器寫入。
輸入模塊主要包括光電耦合器輸入接口，輸入狀態(tài)寄存器和輸入數(shù)據(jù)寄存器。輸入端子接受各種有觸點的和無觸點的開關(guān)是信號或連續(xù)變化的模擬量（經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換），輸入到輸入狀態(tài)寄存器或輸入數(shù)據(jù)寄存器中。
輸出模塊包括輸出狀態(tài)寄存器，輸出鎖存器，光電耦合器和功率放大器等部分。PLC提供三種類型的輸出：機械觸頭繼電器、無觸點型交流開關(guān)和無觸點型直流開關(guān)。
CPU是PLC的控制中樞，它包括運算器和控制器。PLC的控制器比微機簡單的原因是它采用循環(huán)處理方式工作，且對于小型PLC，指令類型比較少。PLC的運算器具有很強的邏輯運算功能，但其他運算功能就比較少。
編程器主要是用來輸入和編輯用戶程序，但也可用來監(jiān)視PLC工作時各種編程元件的工作狀態(tài)。
6.1.3．PLC的工作方式
PLC是通過一種周期工作方式來完成控制的，每個周期包括輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個階段。
一、輸入采樣階段。當(dāng)PLC開始周期工作時，控制器首先以掃描方式順序讀入所有的輸入端的信號狀態(tài)（1或0），并逐一存入輸入狀態(tài)寄存器。輸入狀態(tài)寄存器的位數(shù)與輸入端子的數(shù)目相對應(yīng)，因而輸入狀態(tài)寄存器又可稱為輸入映象寄存器。輸入采樣結(jié)束后轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間，即使輸入狀態(tài)變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會改變。這些變化只能在下一個工作周期的輸入采樣階段才被讀入。
二、程序執(zhí)行階段。PLC的用戶程序決定了輸入信號與輸出信號之間的具體關(guān)系。組成程序的每條指令都有順序號，指令按步序號依次存入存儲單元。程序執(zhí)行期間，在無跳轉(zhuǎn)指令時，地址計數(shù)器順序?qū)ぶ?，依次指向每個存儲單元，控制器順序執(zhí)行這些指令。執(zhí)行指令時先讀入輸入狀態(tài)寄存器的狀態(tài)，然后進行邏輯運算，運算結(jié)果存入輸出狀態(tài)寄存器。
三、輸出刷新階段。在所有的指令執(zhí)行完畢后，輸出狀態(tài)寄存器中的狀態(tài)在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器鎖存，驅(qū)動輸出線圈，形成PLC的實際輸出。
在一個周期執(zhí)行完后，地址計數(shù)器恢復(fù)到初始值，重復(fù)執(zhí)行由以上三個階段構(gòu)成的工作周期。
6.1.4．PLC的發(fā)展
自1969年世界上第一臺可編程控制器問世以來，PLC的發(fā)展十分迅猛。目前，已有許多國家的著名企業(yè)，如日本三菱、美國通用電氣、德國西門子等，都相繼開發(fā)出了適合他們國家的產(chǎn)品類型，并廣泛推廣應(yīng)用。正是由于這些公司的激烈競爭，PLC的更新?lián)Q代非?？?，周期一般為3～5年。
為了適應(yīng)不同層次的需要，進一步擴大PLC在自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用，PLC正朝著以下兩個方向發(fā)展。
一、低檔PLC向微型、簡易、價廉方向發(fā)展，使之能更廣泛地成為繼電器的替代物。在傳統(tǒng)制造業(yè)市場上小型PLC是實現(xiàn)自動化的理想選擇。
二、高檔PLC向大容量、高速、高性能方向發(fā)展。不斷增強過程控制功能，使大型PLC具有個人計算機功能，使之能取代工業(yè)控制微機的部分功能，對大規(guī)模、復(fù)雜控制系統(tǒng)進行綜合控制。
PLC控制技術(shù)將成為今后工業(yè)自動化的主要手段。它的發(fā)展必將愈來愈快速。
6.2．動作循環(huán)圖
攻絲組合機床的行程特點與其他機床相比有很大的不同，因此在設(shè)計動作循環(huán)圖時必須充分考慮到這一特點。根據(jù)第一章所闡述的攻絲組合機床結(jié)構(gòu)原理，并結(jié)合本設(shè)計特點，現(xiàn)擬定攻絲機床動作循環(huán)圖如圖6-1所示。
圖6-1 動作循環(huán)圖
6.3．端子分配圖
6.3.1．PLC的選型
選擇PLC的型號，應(yīng)從以下幾個方面考慮：
一、結(jié)構(gòu)形式及檔次
按照物理結(jié)構(gòu)，PLC可分為整體式和模塊式。整體式的每一I/O點的價格較低。對于單臺僅需開關(guān)量控制的設(shè)備，一般選小型整體式PLC就可滿足要求。
二、容量
PC的容量指用戶存儲器容量和I/O點數(shù)兩方面的含義。
選擇存儲器容量可按25%留裕量。I/O點數(shù)可按10%～15%考慮裕量。
三、開關(guān)量I/O模塊的選擇
輸入模塊有交流輸入和直流輸入兩種類型。交流輸入方式接觸可靠，適合有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境下使用。直流輸入的延遲時間短，還可以與接近開關(guān)，光電開關(guān)等電子輸入開關(guān)連接。
輸出模塊中，繼電器輸出的價格便宜，適用的電壓范圍較寬，承受瞬時過電壓和過電流的能力較強，對于不頻繁通斷的負(fù)載應(yīng)優(yōu)先選用。對于頻繁通斷的負(fù)載，應(yīng)采用無觸點開關(guān)輸出，即選用晶體管輸出或雙向晶閘管輸出。
在選用輸入、輸出模塊時還應(yīng)考慮同時接通的點數(shù)，一般來講，同時接通的輸入或輸出點數(shù)不要超過輸入或輸出點數(shù)的60%。
6.3.2．端子分配圖
根據(jù)上一小節(jié)中所闡述的PLC選型規(guī)則，以及考慮到本設(shè)計的實際需要，現(xiàn)選用的PLC型號為日本三菱公司生產(chǎn)的FX0S-30MR。該型號PLC體積小、容量大、價格適中，十分適合本設(shè)計要求。
本設(shè)計所要用到的FX0S-30MR型號PLC的編程元件如下：
一、輸入繼電器（X）
輸入繼電器是專門用來接收從外部開關(guān)或敏感元件發(fā)來的信號的，它有輸入端子相連，只能由外部信號所驅(qū)動，不能在內(nèi)部由程序指令來驅(qū)動。輸入繼電器可提供無數(shù)對常開、常閉觸點供內(nèi)部使用。
本設(shè)計中所要用到的輸入繼電器編號為：X0～X7，X10～X13共12點輸入。
二、輸出繼電器（Y）
輸出繼電器專門用來將輸出信號傳送給外部負(fù)載。
本設(shè)計中所要用到的輸出繼電器編號為：Y2～Y6，Y10～Y11共7點輸出。
三、輔助繼電器（M）
輔助繼電器供內(nèi)部使用，它的觸點不可驅(qū)動外部負(fù)載。
本設(shè)計中所要用到的輔助繼電器編號為：M0，M1，M3～M10。
四、定時器（T）
本設(shè)計中所要用到的定時器編號為：T10，T20。
延時時間均為1S。
結(jié)合動作循環(huán)圖，并根據(jù)該PLC型號的結(jié)構(gòu)特點，端子分配圖如圖5-2所示。
圖5-2 端子分配圖
6.4．梯形圖設(shè)計
6.4.1．梯形圖設(shè)計規(guī)則
梯形圖編程是各種PLC的通用編程方式。它的優(yōu)點為直觀、易懂，是應(yīng)用最多的一種編程方式，也是PLC程序設(shè)計的核心內(nèi)容。
梯形圖的設(shè)計規(guī)則為：
一、梯形圖按自上而下，從左到右的順序排列，每個編程元件線圈為一邏輯行。元件線圈與右母線直接連接，兩線圈不得串聯(lián)，亦不得在線圈與右母線間連接其他元素。
二、除有跳轉(zhuǎn)指令外，一般某編號的線圈在梯形圖中只能出現(xiàn)一次。
三、對并聯(lián)電路的邏輯行，串聯(lián)觸點多的支路應(yīng)排在上面，這樣可以減少指令的條數(shù)。
四、不允許在一個觸點上有雙向電流流過。
五、輸入繼電器的線圈由輸入端子上的外部信號所驅(qū)動，因而輸入繼電器的線圈不應(yīng)出現(xiàn)在梯形圖中。
6.4.2．梯形圖設(shè)計
嚴(yán)格遵循梯形圖設(shè)計規(guī)則，并根據(jù)動作循環(huán)圖和端子分配圖，以及充分考慮到攻絲組合機床的行程特點，梯形圖設(shè)計如圖5-3所示。
圖6-3 梯形圖設(shè)計
6.5．程序設(shè)計
6.5.1．PLC的指令系統(tǒng)
對本設(shè)計所需的PLC基本指令如下：
一、輸入、輸出指令
LD：取指令。取與母線連接的常開觸點。
LDI：取反指令。取與母線連接的常閉觸點。
OUT：輸出指令。用于驅(qū)動輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數(shù)器，但不能用于輸入繼電器。對于定時器和計數(shù)器使用OUT指令后，必須設(shè)定常數(shù)K，常數(shù)K的設(shè)定也作為一條指令。
二、“與”指令
AND：常開觸點串聯(lián)連接指令。
ANI：常閉觸點串聯(lián)連接指令。
三、“或”指令
OR：常開觸點并聯(lián)指令。
ORI：常閉觸點并聯(lián)指令。
四、置位指令
SET：令元件自保持。
五、復(fù)位指令
RST：用于計數(shù)器、移位寄存器的復(fù)位。
六、結(jié)束指令
END：編程結(jié)束時寫入END指令。
6.5.2．指令表
根據(jù)已設(shè)計好的梯形圖，PLC指令書寫見附錄一。
7．組合機床電氣控制電路設(shè)計
7.1．機床電氣設(shè)計的基本原則
7.1.1．機床電氣設(shè)計的基本要求
1）熟悉所設(shè)計機床的總體技術(shù)要求及工作過程，弄清其他系統(tǒng)對電氣控制系統(tǒng)的技術(shù)要求。
2）了解機床的現(xiàn)場工作條件、供電情況及測量儀表的種類。
3）通過技術(shù)經(jīng)濟分析，選擇性能價格比最佳的傳動方案和控制方案。
4）設(shè)計簡單合理、技術(shù)先進、工作可靠、維修方便的電氣控制電路。進行模擬試驗，驗證控制電路能否滿足機床的工藝要求。
5）保證使用的安全性，貫徹最新國家標(biāo)準(zhǔn)。
7.1.2．機床電氣設(shè)計的內(nèi)容及設(shè)計步驟
1）擬定電氣設(shè)計的技術(shù)條件（任務(wù)書）；
2）確定電力傳動方案和控制方案；
3）確定電動機容量；
4）設(shè)計電氣控制原理圖；
5）選擇電氣元器件及裝置；制定電氣設(shè)備裝置、元件、器件的清單及備件，易損件的清單；
6）繪制電氣安裝圖、位置圖、互連圖；
7）設(shè)計電氣柜、操作臺、配電板及非標(biāo)準(zhǔn)器件與零件；
8）編寫設(shè)計計算說明書及使用說明書。包括順序說明、維修說明及調(diào)整方法。
7.1.3．電氣設(shè)計的技術(shù)條件
電氣設(shè)計的技術(shù)條件通常以設(shè)計任務(wù)書的形式表達。它是整個電氣設(shè)計的依據(jù)。在任務(wù)書中，除了簡要說明所設(shè)計的機床型號、用途、工藝過程、技術(shù)性能、傳動參數(shù)及現(xiàn)場工作條件外，還必須說明：
1）用戶供電電網(wǎng)的種類、電壓、頻率及容量；
2）有關(guān)電氣傳動的基本特性，如運動部件的數(shù)量和用途、負(fù)載特性、調(diào)速指標(biāo)、電動機的起動、反向和制動要求等；
3）有關(guān)電氣控制的特性，如電氣控制的基本方式、自動工作循環(huán)的組成、自動控制的動作順序、電氣保護及聯(lián)鎖條件等；
4）有關(guān)操作方面的要求，如操作臺的布置、測量顯示、故障報警及照明等要求；
5）機床主要電氣設(shè)備（如電動機、執(zhí)行電器和行程開關(guān)等）的參數(shù)及布置框圖；
該技術(shù)任務(wù)書是依據(jù)所設(shè)計機床的總體技術(shù)方案擬定的。
7.2．機床傳動的總體方案
一、主軸的運轉(zhuǎn)由主軸電機M1控制，通過M1電動機的正反向運轉(zhuǎn)來實現(xiàn)攻絲主軸的攻進與攻退；
二、液壓滑臺的往復(fù)運動由液壓泵電動機M2拖動，M2電動機單向運轉(zhuǎn)，往復(fù)運動由液壓傳動裝置實現(xiàn)；
三、冷卻泵電動機M3提供攻絲時所需的冷卻液，以免工件和刀具過熱而造成工件精度降低和刀具縮短壽命。
選用電動機型號及參數(shù)如下：
M1 Y100L-6 1.5kW 380V 940r/min 4.00A
M2 Y132S-4 5.5kW 380V 1440r/min 11.6A
M3 Y801-4 0.55kW 380V 1390r/min 1.50A
7.3．主電路設(shè)計
M1電機由接觸器KM1、KM2控制實現(xiàn)正反向運轉(zhuǎn)；M2電機由KM3控制，工作時，由液壓系統(tǒng)控制液壓滑臺的前進與后退，以保證攻絲深度；M3電機由KM4控制，工作時，冷卻液開啟。所有的電機均設(shè)過載保護。主電路如圖6-1所示。
7.4．控制電路設(shè)計
根據(jù)設(shè)計題目要求，采用PLC控制。各按鈕、行程開關(guān)、線圈和指示燈的作用見第六章PLC控制系統(tǒng)設(shè)計中端子分配圖的設(shè)計圖6-2?？刂齐娐芬妶D7-2所示。
7.5．控制電源的確定及總體電路的審核完善
由于交流控制電路比較復(fù)雜，需要控制電源變壓器，選用220V作為控制電路電壓。信號指示采用6V交流供電。
根據(jù)各局部電路之間的相互關(guān)系，考慮必要保護環(huán)節(jié)的設(shè)置，審核各電器元件觸頭的使用是否合理等問題，完善后的電氣原理圖見圖紙：電氣控制電路原理圖。
圖7-1 主電路
圖7-2 控制電路
7.6．電器元件的選擇
7.6.1．電器元件的可靠性
隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，自動化控制系統(tǒng)的規(guī)模越來越大。一個大型的自動控制系統(tǒng)常需要幾萬個元件。因此，整個系統(tǒng)的可靠性與其所用元件的可靠性有著密切的關(guān)系。若某一個串聯(lián)系統(tǒng)，其中只要有一個元件失效，就會使整個系統(tǒng)發(fā)生故障，其整個設(shè)備停工所造成的損失要遠遠超過該元件本身的價格。因此，如何正確選用好元件，對控制系統(tǒng)電路的設(shè)計是很重要的。
7.6.2．電器元件選擇的基本原則
一、根據(jù)對控制元件功能的要求，確定電器元件類型。以繼電接觸器控制系統(tǒng)為例，當(dāng)元件用于通、斷功率較大的主電路時，應(yīng)選用交流接觸器；若元件用于切換較小的電路（如控制電路）時，則應(yīng)選擇中間繼電器；若還伴有延時要求時，則應(yīng)選用時間繼電器。
二、確定元器件承載能力的臨界值及使用壽命。