滑动轴承专用镗床技术改造设计

摘要 ·························· 6 1 设计内容概要 ······················ 7

1.1 工艺设备的关键技术问题 ················ 8

1.2 工艺设备的历史状况简析 ················ 9

1.3 毕业设计的基本内容和意义 ················ 11 §2 机床工作原理 ······················ 11

2.1 机床的组成 ······················ 11

2.2 机床液压系统的组成和工作原理 ············· 11

2.3 角位置检测原理 ····················

3． 技术改造设计 ·······················

3．1 主轴角位置调整方法及部件改装 ··············

3．2 控制系统改造方案选择 ··················

3.2.1 可编程控制器（PLC ）技术特点 ··············

3.2.2 可编程控制器（PLC ）选型 ················

3.3 输入信号及输出信号的配置 ················

3.4 输入输出接口电路及系统强电电路设计 ···········

3.4.1 PLC的I/O端口接线设计 ·················

3.4.2 控制系统强电电路设计 ··················

3.5 控制程序设计 ······················

3.5.1 程序结构概况 ······················

3.5.2 初始化程序部分 ·····················

3.5.3 手动操作程序部分 ····················

3.5.4 自动加工程序部分 ····················

3.5.5 公共处理程序部分 ····················

4． 设计小节 ························

4.1 设计内容小节 ······················

4.2 本次毕业设计体会与建议 ················· 参考文献 ························

致谢 ··························

【摘要】

13 15 15 16 16 17 18 19 19 21 22 22 23 24 25 27 29 29 30 33 34

对开滑动轴承内孔精镗加工是该类产品工艺流程的最后一道工序，也是其全部机械加工工序中的关键工序，本工序的加工质量直接影响所在主机的综合工作质量，该镗削专用机床的自动化水平是提高加工效率的主要技术环节，而其中镗削结束后的主轴定向停止退刀问题又是本机床自动控制系统中的技术难点。本毕业设计论文文在分析加工过程的基础上论述了采用PLC 对控制系统进行技术改造的意义并对相关技术问题予以说明。

【关键词】 滑动轴承 可编程控制器 机械切削 技术改造

1 设计内容概要

1.1工艺设备的关键技术问题

对开滑动轴承是各类内燃机中的重要工作部件，轴承内孔精镗加工是该类产品工艺流程的最后关键工序，内孔精镗加工设备通常采用机电液一体化的专用镗床，采用电液联合控制加工过程中的工件夹紧、快进、工进、快退、工件松开等运动，执行过程均由液压系统完成，镗削结束主电机停止时应进行刀具角位置检测、调整，在刀具切削刃位于允许的退刀角位置范围内时执行退刀操作，长期以来影响该工序技术进步的关键技术问题是如何实现加工结束退前刀具角位置的检测、快速调整及机电液联合控制，以保证加工的高质量和高效率。主轴定向制动退刀问题显然是本工序提高加工质量和工作效率的技术要点。本毕业设计论文文在分析该类工件加工工艺过程和加工专用设备结构和工作原理的基础上讨论了采用PLC 对控制系统进行技术改造的过程并对设备技术改造相关技术问题予以说明。

轴承制造业的工程技术人员为解决该问题多年来设计研发了许多方案，例如人工手动调节方法，主轴电机点动调节方法，模拟数控机床的主轴准停调节方法等。但是这些方法在实际应用中都存在着不同程度的技术缺陷和操作应用的不理想状态，如人工调节法，必然是费时费力且十分不安全，主轴电机点动调节法则是典型的以牺牲加工效率为代价换取加工自动化的没有实用价值的控制方法，而模拟仿用数控机床的主轴准停或主轴C 轴功能技术来解决该工序的定向退刀问题显然是采用具有宽泛技术功能的软、硬件功能单元解决本身功能单一、专门化程度高的技术问题，很明显又是高成本、不合算的大马拉小车类的无奈的技术方案。

在本设计中，为更好地解决对开滑动轴承内孔精镗机床定向退刀问题，并且使本设计确实具有实用，安全，经济，可靠，体积小，重量轻，环保无污染，我们在指导教师的帮助下对该技术现象，问题的提出，历史上的各类方案的特点、技术优势、可取之处、存在的问题和不足等逐一进行了分析和讨论，提出我们的创意和设计思路，再经反复的分析对比，最终确定为机、电、液联合控制、驱动工作方式， 其中的控制系统则大胆的采用当今全球极为风靡的高度柔性，高可靠，高自动化性能的可编程控制器（PLC ），由PLC 统一控制管理机床传动系统、液压系统、检测调节伺

服系统，方便、可靠、迅速地完成主轴刀具在正确的角位置范围内准停及退刀，从

而真正实现该工序真正意义的半自动化加工，既可确保内孔精镗加工质量，又可大幅度的提高加工效率，并且十分显著的降低操作人员的劳动强度，该技术方案一定可以为相关制造业带来可观的技术经济效益和人文社会效益。

1.2工艺设备的历史状况简析

回顾轴承内孔精镗加工，不同企业在生产中使用过多种不同类型的专用机床，加工结束后的主轴定向停止控制同样曾有若干种不同的方式方法。

例如曾经在许多加工企业长期广泛使用的人工主轴角位置观察调整，每一次镗削结束，主轴停止并制动后由操作者目测观察刀具和加工半圆表面的位置关系，若刀具刀位点恰好脱离以加工表面，则可手动换向操作使工作台返回加工起点，否则即由人工手动的方式攀动主轴镗刀杆，使刀具转动到非加工区域，然后再执行退刀返回操作。毋庸置疑这种角位置判断调整方法完全依赖加工者的熟练程度和工作态度，虽然设备简单，加工成本低，但是很高的劳动强度和极低的工作效率已注定该方法是没有生命力的原始的落后的工艺方案。

主轴电机配合角位置传感器的点动调整方案在国内许多轴瓦加工企业曾经使用过一个阶段，该方案的特点是在主轴尾端设置安装角位置传感器（例使用光电式角位置传感器、感应式角位置传感器、霍尔磁场式角位置传感器等）镗削结束，主轴停止并制动后首先由传感器检测主轴角位置，若刀具刀位点位于菲加工表面，则自动换向使工作台返回加工起点，若检测结果是刀具切削刃位于加工表面内，检测信号立刻驱动执行主轴点动、制动，刀具角位置的再次检测，力图以这样的方式使刀具脱离退刀禁止状态，但是由于主轴电机的极高转速（约3000r/min），点动后的随机状态将导致刀位点的不确定性，若检测的结果仍然是刀位点位于已加工表面，则再一次执行下一次的点动调整操作，可以清楚地看到该方案显然是以牺牲加工效率为代价而勉强换取加工自动化和降低劳动强度，由于调整方案的粗糙、不合理和非人性化而不具有使用价值。

模拟数控机床主轴准停控制方式的调整是模仿移植数控机床中的主轴准停功能机电一体化装置或采用数控机床主轴C 轴功能技术措施完成本机床主轴定向停止控

制，数控机床的主轴准停功能机构主要应用于刀具库的换刀辅助操作，因其准停定

位精度要求较高，所以机构的检测调节和定位止动系统结构复杂且精度高，技术难度大而成本高，采用这样的措施完成本机床的功能单一的主轴定向停止控制的性价比是很低的。而数控机床的C 轴功能是NC 系统的旋转坐标轴控制加工功能，使用的圆光栅和光电编码盘等传感器完成角位置检测，反馈，再由NC 系统完成联动插补轨迹控制实现工件轮廓切削加工，其工作精度和控制要求远远高于本机床工作工艺要求，并且结构复杂价格昂贵，显然仍是高成本低效益的控制方案。

这些方式虽然可以完成镗削后主轴角位置调整控制任务，但作为专用设备和特定工艺的控制

要求加以应用均存在一定的技术缺陷，其中人工观察调整必然是费时费力低效且安全性差的方案；主电机点动调整方式显然是以牺牲工作效率为代价而换取加工过程自动化的不实用的控制方案；而移植数控机床中的主轴准停功能或采用主轴C 轴功能技术完成本机床的功能单一的主轴定向停止控制则又是高成本低效益的控制方案。由此分析可见，必须采用可靠、高效、低成本的主轴定向停止控制方法才是优化本机床控制系统的关键技术环节。并且该方案要适应特定的控制精度要求以求得结构简化，技术改造成本低廉，具有较高的性能价格比。

1.3毕业设计的基本内容和意义

本毕业设计方案的设计要点是在指导教师的总体设计改造方案条件下，通过对该轴瓦专用精镗机床加工工艺要求和加工工作过程的分析，通过对该机床工作流程的分析，通过对该机床完成加工个工步对控制系统功能要求的分析，通过对加工设备机、电、液个功能部件的组成结构和工作原理的分析，通过对各种控制方案的控制特点，系统功能，控制能力和控制精度水平，系统组成结构的复杂性和难易程度、

技术含量、可靠性和稳定性、安全性能和经济性的综合分析，制定编写切实可行，性价比高，安全可靠且技术含量高稳定性好的控制系统方案，在通过对设计方案的进一步论证，查阅相关资料，咨询指导教师，对方案进一步改进完善，进一步提高方案的理论上的正确性和完整性，然后绘制机械改造部件的装配图工作图样，绘制改造后的机床液压系统工作原理图，绘制控制系统硬件部分原理图工作图样，绘制控制软件流程图和用户控制程序控制梯形图，在设计方案基本完整和设计图样绘制结束的基础上，撰写设计论文，论文撰写力求条理清晰，论据充分，表述全面完整，所有的技术改造设计内容和技术条件均进行充分细致的讨论分析论述，相关技术数

据和设计工作参数应列出明确条理的数据表格，尤其是对控制系统改造设计采用的可编程控制器部分的硬件系统设计和软件程序的设计内容、控制原理、组成特点、

软件结构程序流程基本思路等关键技术部分的关键内容和要点，在论文中更必须认真条理的予以论证和说明。所达到的设计基本要求就是在可编程控制器（PLC ）管理下，由高速切削并配合传感器采样、判断、低速调整的机电一体化主体运动系统实现可靠且高效的定向停止，同时协同机床电液传动系统实现真正意义上的半自动加工循环。

在设计中，我们要达到的主要目的就是力图尝试在指导老师的帮助下，综合应用三年来所学习的机电液一体化学科知识，对该既有使用价值，又对我们十分具有吸引力的机电一体化技术问题进行调研，查阅资料，原理分析，方案讨论，最后展开为系统总体设计，子系统设计，机械系统关键部件装配设计，电气系统及检测控制系统原理，结构，硬件和软件功能模块设计，并通过

本次毕业设计再一次对我们三年来所学的基础课，专业基础课和专业课进行一次系统，全面的综合复习和工作前的模拟实训，对提高我们的机电一体化应用系统分析能力和设计水平具有十分重要的促进和综合提升效力。

通过本次毕业设计论文的撰写，有助于将在校学习三年所学的基础课专业基础课和专业课等学科知识进行一次综合系统的联系，并通过这样的综合联系而将本专业的知识结构体系理顺和融会贯通，明确理解本专业的学科特点和专业方向，本专业的当前技术水平和前沿学科状态及发展趋势和技术走向，为即将走向工作岗位进入专业定位和专业发展奠定良好基础，总之，通过本次毕业设计论文的撰写，确实在三年的学习最后阶段用最耀眼、最鲜艳、最绚丽的色彩画上一个光彩夺目、色彩斑斓圆满的句号。

2 机床工作原理

2.1 机床的组成

剖切滑动轴承（即轴瓦，对开滑动轴承）内孔圆柱表面精镗加工专用设备在国内大多数轴瓦行业基本均使用卧式结构布局的液压传动专用镗床，这类机床主要由床身、镗削主轴箱、工作台、镗削工艺装备液压夹具、机床液压传动系统、检测装置和电气控制系统等部件组成，其中镗削主轴箱目前高档的加工设备已升级为为静压主轴支承结构以确保镗削质量，而中低档的加工机床则使用单油契动压滑动轴承主轴支承结构或使用双列短圆柱滚子轴承构成机床主轴支承，检测控制系统一般位于机床主轴的尾端，采用的角位置检测器件多采用感应检测传感器件或光电检测传感器件，（完全没有必要采用价格昂贵的高精度高分辨率的角位置检测传感器，例如圆光栅，光电编码盘圆感应同步器等）改造后的控制系统中包括PLC 控制单元和机床强电工作部分。机床组成简图见图1。

图1 机床组成结构原理图

1―监测装置 2―主轴电机及调整装置 3―主轴箱 4―终点位置开关 5―镗杆6―刀具7―工进点位置开关8―夹紧油缸9―镗削夹具10―工作台11―碰块12―起点位置开关13―床身 14―进给油缸

机床液压系统的组成和工作原理

为提高加工效率并减轻劳动强度，目前该类机床的加工过程循环及工件夹紧松开机构操作均采用液压传动工作方式，并通过电液联合控制实现半自动循环。为使夹

紧压力稳定以保证加工质量和工作安全性，系统中夹紧油缸的工作压力由系统工作压力经减压阀二次调节后提供。2个压力继电器的作用是向PLC 控制系统提供系统系统工作压力和夹具的夹紧压力信息，以确保加工过程中进给速度稳定，

正常的快进快退速度及加工中的人生安全和设备安

全。在工件夹紧液压回路中，为防止加工中因阀用电磁铁意外失电使油路换向而造成夹具松开从而引发人生设备事故，特别地将该回路设计成阀用电磁铁得电松开工件、失电夹紧工件的工作方式。液压系统原理图见图2。

图2 机床液压系统原理图

1-二位四通电磁阀 2－镗削胎具 3－工件4－压板 5－夹紧油缸 6－终点位置开关7－工进 点位置开关 8－工作台 9－起点位置开关 10－导轨11－碰块12－进给油缸13－三位四通电磁阀 14－夹紧压力继电器15－减压阀 16－溢流阀 17－系统压力继电器 18－调速阀 19－二位二通电磁阀20－油泵 21－滤油器 22－联轴器 23－三相异步电机 24－油箱

当液压泵启动后，若供油系统正常，当系统工作压力达到溢流阀的设定压力时，压力继电器KP1激活动作，其常开触头动作闭合，并将该系统压力正常信号经PLC 的X14输入点送至PLC 。PLC 控制系统首先在初始化阶段驱动工作台返回加工起点SQ1处，SQ1的常开触头闭合信号使夹紧油路二位四通电磁阀的电磁铁DT4得电，夹紧油路的二位四通电磁阀换向，夹紧缸活塞上行，驱动夹具松开，进入工件装夹准备状

态。在操作者将工件放置于夹具中的正确位置并按下加工启动按钮SB3，则DT4失电油路换向，夹紧油缸活塞下行将工件夹紧，当夹紧缸工作油腔压力上升至设定的夹

紧压力时；夹紧缸上腔的夹紧压力将使夹紧压力继电器KP2激活，KP2的常开触头闭合，KP2的继电器动作信号经X15输入PLC ，使三位四通电磁阀的电磁铁DT1得电，油路换向，其右位机能使进给油缸活塞左行，驱动工作台向左，油缸左腔的回油经二位二通电磁阀直接回油箱，工作台拖动夹具系统向左执行快进运动；当工作台上的碰块11触及工进点位置开关SQ2

时，二位二通

电磁阀的电磁铁DT3得电，切断了进给油缸左腔的直通回油油路，左腔的回油仅可通过调速阀18回油箱，向左的进给速度受调速阀控制而下降至设定的工进速度，同时主轴电机启动，进入工作进给和镗削加工，当左行至左极限位置镗削结束时，碰块触及左极限终点位置开关SQ3，该信号使DT1失电，向左的运动停止，DT3失电回油路又转换为直通、 主电机停止并制动；此时控制系统进行主轴角位置检测和调整，当检测到或调整到主轴角位置正确即刀具切削刃位于设定的非加工区域内时，叫位置检测正确信号触发DT2，进给油缸左腔进油，右腔经二位二通电磁阀直接回油，工作台快速右移快退，当碰块触及加工起点的位置开关SQ1时，DT2失电工作台静止，DT4得电夹具松开，一个工作循环结束。

2.3 角位置检测原理

镗削结束退刀之前的主轴角位置检测方法很多，由于本专用镗床退刀时允许刀具停止状态的角位置区域范围较大，检测精度及控制要求较低，因此不需要使用具性功能高精度高分辨率的角位置传感器，综合考虑检测要求、检测精度及技术改造的经济性，实用性和可靠性，拟设计采用图3所示的光电传感方式的角位置检测装置。在主轴后端固定安装一光电检测盘，该盘采用高强度透明有机材料，检测盘的

200范围扇形区域涂黑而成为不透明状态，装配在主轴上时应使刀具切削刃位于160透明扇形区的中心线角位置处，检测光源和光电继电器组件分别位于该盘两侧的图示位置。按图示位置关系可知，在镗削结束主轴电机制动后，若刀具位于上半周160角度范围内时，经聚焦后的光束可穿透光电检测盘的透明区域而使光敏继电器激励，该信号触发DT2产生退刀运动，因而可确保退刀时刀具刃口不会和位于下半周的已加工表面发生干涉；否则若刀具位于下半周加工区角范围内，光源光束被涂黑区域遮挡，该非激励状态信号会启动执行角位置调整操作，直至刀具角位置正确后才可获得光电继电器激励信号而产生退刀运动。

°°°

图3 光电检测装置原理图

1－光源 2－聚光镜 3－光电检测盘 4－光电继电器 5－主轴 6－刀具 7－胎具 8－工件 9－压板

3．技术改造设计

3．1 主轴角位置调整方法及部件改装

由上述分析可知，退刀前在检测到角位置错误状态信号时必须进行角位置调整，如前所述曾经使用过的角位置调整方法均存在一定的不足和缺陷，角位置调整的正确思路应该是以较低的角速度执行角位置调整，调整过程中同步进行角位置检测，一旦检测到刀具进入允许退刀的非加工表面家位置区域的临界边缘时，检测信号立即停止角位置调整运动，并且开始执行工作台向右的退刀运动。一种较经济、实用可靠的结构方案原理如图4所示。

图4

该装置分别使用主轴电机和小功率的调节电机独立完成镗削加工驱动和低速小功率的调节驱动，两种不同的工作内容由传动装置中的电磁离合器实现二者工作状态隔离和切换。

由于调节运动必须使用转速很低的转动，所以在装置中设置了减速比极大的谐波减速器，由谐波减速器将调节电机的高转速减至很低的调节速度输出，使主轴得到大约每分20～30转的低调节转速。镗削加工时，电磁离合器3失电分离，调节电机5停止，主轴电机2运转，其高切削转速经三角皮带轮传输至镗头主轴进行镗削加工，此加工状态不会对电磁离合器右侧的低速调节部分产生任何影响和干涉；在刀具角位置调整时则主轴电机2停止，调节电机5启动运转，电磁离合器3得电结合，则电机5的高转速首先经谐波减速器4减速，产生约20转/分的低调节转速，再经已结合的电磁离合器3和主轴电机2的转子并通过三角皮带轮将调节速转动送至镗头主轴，在主轴调节转动的同时控制系统同步启动检测装置进行角位置检测，一旦刀具转入退刀允许的角范围内，则光电继电器的激励信号停调整电机5，电磁离合器4失电分离，同时DT2得电驱动进给油缸活塞右行退刀。由于调节转速很低，在退刀过程中镗杆因惯性所致的转动幅度很小，在整个退刀过程中确定刀具不会进入已加工区域，因而可确保刀具不会和已加工表面发生干涉。在工作台碰块触及起点位置开关SQ1时，DT2失电工作台静止，同时DT4得电夹具松开，一个加工循环完成。本角位置调节机械系统结构具有二个特点：

第一，采用大减速比的谐波减速器，单级齿轮传动比可达50～500，并且具有承载能力大，

传动精度高，齿侧间隙小，传动平稳，效率高，体积小，重量轻等显著技术优势，机构中通过谐

波减速器可简单且方便地获得约20r/min的很低的调节转速，从而避免因调节转速过高而难以控

制使刀具确定的调整至非加工表面角位置区域，而且同轴输出，结构简单，装配调试方便，技术

可行且性价比比高。

第二，结构中的电磁离合器可以可靠的结合或分离调节驱动速度单元和加工驱动速度单元，

分离时加工速度单元正常输出高速切削转速至主轴箱完成镗削加工，结合时主电机停止且调节电

机启动，调节电机的高转速由谐波减速器减至约20r/min，经结合的电磁离合器和主电机的自由

状态的转子传输至主轴箱，完成低转速角位置调节。

3．2控制系统改造方案选择

较早时期的该类机床控制系统较多地采用继电器控制装置，由于此类装置体积大，接线复杂，

功能固定，体积大，功耗大且故障率高可靠性差，故本机床控制系统设计不予考虑；采用单片机

控制系统具有较高的性价比，但控制系统则需进行难度较大的系统软硬件设计和抗干扰设计，须

进行工作量较大的硬件组装，开发周期长且技术难度较大，对此类并无较多柔性控制功能要求的

小批量的专用机床并非适宜。综合机床加工工艺对系统控制功能的要求等各种因素，对各类控制

方式进行对比，设计方案中首选采用可编程控制器（PLC ）组成机床控制系统的设计方案。

3.2.1可编程控制器（PLC ）技术特点

可编程控制器（PLC ）是20世纪60年代问世的建立在计算机控制基础上的一种新型通用控

制设备，PLC 将计算机控制系统通用性能理想，功能完美，应用灵活等技术优势和继电接触器控

制系统直观易学，简单易懂，价位低廉，操作方便等优点完美的结合，具有良好的柔性控制功能、

执行速度快、系统功能完善、通用性好、功能强大的优势，大规模集成电路技术的应用，完善的

自诊断功能，光耦、滤波、屏蔽、稳压等一系列抗干扰技术措施的应用有效的提高了抗干扰性能

和系统稳定性，系统使用特有的面向控制问题的自然语言编程容易，尤其是广泛采用与继电器电

路极为相似的梯形图语言使程序设计具有继电器电路系统应用设计直观、快捷的特点，PLC 的软

继电器以及由指令实现的软接线柔性控制功能可以根据用户的控制要求任意灵活组合，在控制系

统的硬件装配确定后，用户可以通过修改应用程序来适应工艺过程的变化调整或工作方式在硬件

系统可以匹配执行的新的控制内容，PLC 产品的系列化和标准化使PLC 应用系统的设计、安装、

调试、维修具有周期短，无需进行高难度的系统软硬件设计施工的特点，而且PLC 系统的功耗低，

结构紧凑，坚固，体积小，人机界面友好，平均五故障率为3～5年，系统的插件结构可使平均

修复时间约10min 左右，可使用技术寿命高于10年，输入输出接口I/O模块可直接与AC220V ，

DC24V 、48V 输入输出信号连接，输出驱动功率大，可直接驱动2A 以下的负载，有较高的性价比，

尤其适合现代机电一体化机械加工设备更新换代的控制系统应用。PLC 技术已与工业机器人技

术、CAD/CAM技术并列成为现代工业生产自动化的三大支柱。正是由于PLC 在自动控制系统中的

应用具有许多理想的技术优势，所以众多应用实例已充分证明PLC 应用于机床技术改造尤其是应

用于以开关量为主的控制系统改造的确是理想的选择方案，事实上PLC 在传统机床技术进步控制

系统改造中的应用已日趋广泛。其应用的领域日渐扩大，从加工设备的单机自动化到生产线的自

动化，FMS 应用，PLC 均担任着十分重要的技术角色，其技术意义和控制优势在现代化大生产的

自动控制和管理领域中势必发挥出更为重要的作用。

3.2.2 可编程控制器（PLC ）选型

根据机床改造技术要求及控制规模，本设计采用FX2系列FX2-48MR 型的 PLC。

该款PLC 为整体结构的基本单元，具有24个输入点和24个输出点，采用继电器输出可以分别适

应交流负载（如交流接触器电磁线圈，交流阀用电磁铁等）和直

流负载（如光电继电器，显示发光二极管等）。因PLC 对系统硬件结构，I ／O 接口功能，应

用程序设计语言，抗干扰措施等一系列技术内容均已作了理想周密的设计和技术处理，在组成

PLC 应用控制系统时，用户所需进行的工作主要是外部输入设备、输出设备与PLC 的接线及编号，

根基工作要求的用户控制程序设计以及通过编程器输入用户程序后所进行的相对其他类型控制

器而言更为方便快捷的模拟调试和联机调试。

3.3 输入信号及输出信号的配置

⑴ 输入信号及输入器件

PLC 的输入信号是PLC 在每个扫描周期第一阶段所采样的来自现场的实时命令信息和设备状

态信息，是PLC 在第二阶段进行逻辑运算按控制程序产生输出信号的依据。该机床加工功能所要

求的输入信号应包括控制按钮、位置开关、压力继电器、光电继电器、主电路中的热继电器等开

关量信号，考虑操作及调试要求还需设置工作方式选择开关，以选择自动加工、进给及退回点动

和主轴点动等工作方式，另外还需设有急停按钮以策加工安全。为提高系统可靠性，减小非操作

干扰因素的影响，全部采用开关量电器的动合触头作输入信号。该机床输入信号如表1所示。

⑵ 输出信号及输出设备

PLC 输出信号是PLC 采样现场输入信号后，根据用户程序规定的控制功能进行逻辑运算，经

放大于第三阶段刷新至输出端的控制信号，输出信号直接用于改变控制被控对象的工作状态，以

完成加工工艺要求规定的工作内容。该机床输出信号所控制的外部设备主要包括交流异步电机、

液压系统的阀用电磁铁、电磁离合器、传感器、主电机制动装置和LED 显示器等，本机床输出信

号如表2所示。

设计安排输入输出点时，应在满足控制要求的前提下注重考虑系统的性价比，从而减少系统

硬件的投资成本以获得最大的技术经济效益。于本系统则可直接充分使用接触器等强电电器的辅

助触头驱动LED 显示器，再就是正确利用软件的方法取代硬件的功能，从而尽可能减少PLC 输入

输出点的数量，这也是技术改造工作中通常应该予以考虑的问题。

3．4 输入输出接口电路及系统强电电路设计

3.4.1 PLC的I/O端口接线设计

根据上述的输入输出点编号即可设计出本系统PLC 的I/O外部接线图。因为在启动机床后因

任何原因所导致的任何一个热继电器的过载动作都是系统故障信号，所以在PLC 的输入口接线端

X17点接入的是油泵电机、主轴电机、调节电机和电磁离合器这四个强电工作电器的热继电器常

开触头的并联电气状态信号，其中任何一个电器在工作中过载都将使X17点激活有效，再由PLC

在程序处理阶段中针对X17有效进行相应的故障处理，由此可省下3个输入点，既降低了改造成

本又减少了PLC 外部接线工作量而且提高了可靠性。同样地通过使用交流接触器的常开辅助触头

和光电继电器的常开触头控制LED 显示器，也可使系统接线简化并使成本降低。由于该系统输出

端所驱动外部设备的工作电压不一致，（接触器和电磁阀等使用∽220V ，光电继电器使用＋24V ，

LED 显示器使用＋5V ）所以应选用输出接线端子为共点分组输出形式的PLC 。本系统的I/O接口

电路原理图如图5所示。

3.4.2控制系统强电电路设计

本控制系统强电部分既包括一般继电接触电路的主电路单元，又包含有PLC 输出继电器的输

出触点驱动执行电器电磁线圈工作单元。控制电路中所有工作电器的逻辑处理全部由PLC 系统完

成，PLC

在每个扫描周期第一阶段采样来自操作面的人工控制命令和来自机床设备的状态信息，

并在第二阶段依据输入端条件状态执行用户梯形图程序，完成程序规定的逻辑运算，然后然后在

第三阶段将逻辑运算结果刷新PLC 输出继电器，再由经刷新后的输出继电器的物理触头的闭合/

断开状态驱动或复位对应的电磁线圈、LED 显示器等工作器件，从而控制机床完成工艺要求规定

的一系列运动并同步提供机床加工动态显示信息。为在意外情况下能够强制切断输出端执行电器

的工作电源并防止由于供电系统失电后意外供电而非法接通PLC 电源，避免可能发生的人身设备

事故，在强电电路中特别的设计了由SB7、SB8和KM6组成的零压保护电路单元，该电路单元的

零压启动由SB8完成并自锁，SB7可强制切断PLC 系统工作电源和全部执行电器电磁线圈的驱动

电源，电网失电再恢复时后必须人工启动零压才可重新恢复PLC 的运行。在显示电路单元，因为

执行进给、退回和工进的

液压阀用电磁铁不可能提供同步辅助触头，所以进给、退回和工进动作显示由PLC 的输出继电器

物理触头驱动相应的LED 完成，同样的加工方式和系统故障等工作状态的显示也由PLC 输出点直

接驱动LED 完成，该机强电电路原理如图6所示。

而液压泵电机、镗削主电机、角位置调节电机和电磁离合器工作状态的显示则由相应的交流接触

器的常开辅助触头驱动LED 执行，这样的电路方式既充分的利用了强点部分低压电器的控制资

源，又合理的节约了PLC 的硬件资源，在完全不影响系统功能的前提下技术成本下降，提高了经

济性。

3.5控制程序设计

3.5.1 程序结构概况

根据该产品加工特点和精镗加工的工艺要求，结合机床技术改造的硬件组成，

拟定该机床控制程序主要包括四个控制内容。

①初始化程序部分

②手动操作程序部分

③自动加工程序部分

④公共处理程序部分

3.5.2 初始化程序部分

该程序主要包括油泵电机的单按钮起停控制，检测系统工作压力并和PLC 提供的开机初始化

单周期脉冲产生初始化主控信号，然后完成工作台自动返回原点、夹具自动松开等初始化操作，

结束后经延时撤消初始化主控信号使该操作仅在开机时执行一次。其中的单按钮油泵启程序部分

可使油泵在按钮信号X4奇数次出现时油泵电机执行启动，而偶数次出现时则执行油泵电机停止

的操作，该设计既简化了操作面板，又简化了操作方式，并且可以节约PLC 的一个输出点，提高

了经济性，其设计思路是：

（1）由单一启停按钮SB2产生X4输入信号，再将X4转换为微分信号M1。

（2）M1启动油泵电机输出继电器Y0，同时计数器C1对微分信号M1进行计数，计数器设定值为

2。

（3）当第2次按钮信号出现时，计数器激活输出，将油泵电机输出继电器Y0复位，同时复位计

数器自身，而计数器复位后又允许Y0再次启动，以后的循环状况则体现为技术次启动而偶数次

断开。

初始化部分主要的控制梯形图如图7所示。

3.5.3 手动操作程序部分

该控制程序的功能是以人工手动的方式完成工作台双向的手动调整运行，夹具手动方式的夹

紧与松开工作，主轴固定角位移量点动调整等操作，其功能是为了方便完成机床故障诊断，机床

维修和加工前进行的机床调整。该程序部分的内容包括：

①由系统压力和手动方式信号产生主控信号

②工作台进给方向的点动控制

③工作台退回方向的点动控制

④夹具手动夹紧与松开的控制

⑤主轴固定角位移方式的点动调整操作控制

为避免主轴点动操作产生随机超调则按时间原则设计主轴点动控制程序，由点动按钮输入信

号X6上跳沿微分输出M2触发辅助继电器M25产生固定时间脉宽的主电机驱动信号，保证每次点动均可产生较为准确的固定的主轴角位移。手动操作部分主要控制梯形图如图8所示。

3.5.4 自动加工程序部分

自动加工程序用于完成从工件夹紧到加工结束，返回起点并松开夹具的全过程控制，是本控制系统的关键内容，该程序段的程序流程质量和程序结构水平状态将直接影响加工控制状态和机床加工工作效率及镗削工艺效果。工艺要求中关键的刀具角位置检测、判断调整及加工过程所要求的机床运动部件的加工运动工作循环和各工作电机的中作方式的时序管理控制等全部工作内容均在自动加工方式的程序段中执行。其控制流程图如图9所示。

图10控制梯形图

按该自动加工控制流程所设计的控制梯形图如图10所示。

自动方式加工控制梯形图设计几点说明：

（1）方式主控母线的确定

由自动加工方式信号X12和系统压力正常输入信号X14（KP1常开触头闭合状态信号）的与运算结果M201产生自动方式加工主控母线，同时该与运算结果点亮自动加工方式的LED 显示器。

（2）加工流程的梯形图控制内容要点

①加工启动信号X5复位输出继电器Y10，使二位四通电磁阀的电磁铁DT4失电而压紧工件，这种失电压紧的工作方式可有效的避免加工中因电磁铁意外失电致使松开工件而引发的事故；

②当工件确实压紧时，压紧油缸上腔压力上升而使压力继电器KP2常开触头闭合

输入信号X15产生加工启动单脉冲M60，并由M60产生进给中间驱动信号M30，至终点X3结束；

③ 职工进点信号X2时，激活工进输出Y7和主轴启动中间驱动信号M26，至终点X3结束； ④ 终点单脉冲M61激活T3为主电机制动缓冲延时1S ，1S 到激活能耗制动输出继电器Y3，再由T4执行2S 延时，2S 到复位制动继电器Y3并由Y3的下跳沿产生角位置检测调整主控母线信号M202。

（3）角位置检测调整控制

角位置不正确的信号Y16—将激活调节电机和电磁离合器的驱动输出继电器Y2、Y3，执行角位置调节操作，若角位置正确或调整至正确，则Y2和Y3复位停止且角位置正确信号Y16置位工作台退回的中间驱动信号M24，至工作台退回起点X1处时，产生的单脉冲M25复位清除退回驱动信号M24，此时角位置调节母线（N1级）结束，返回上一级自动加工控制母线（N0级）。

（4）松开夹具，主控结束

返回自动加工控制母线后，返回起点X1的单脉冲使夹紧油路二位四通电磁阀电磁铁DT4得电，弧形压板上升抬起，工件松开，一个完整的镗削加工自动循环结束。

3.5.5公共处理程序部分

本程序部分的3点基本功能是：

① 对在不同工作方式程序中产生的具有完全相同动作内容的中间辅助驱动控制信号进行相应的逻辑组合，再将逻辑运算结果驱动目标物理输出继电器，从而使不同方式程序段可共用同一的输出继电器并且不会出现重复输出语法错误。

② 执行工作台进、退、工件夹紧有效和液压系统压力异常故障的显示驱动（工作进给、自

动方式、手动方式的显示驱动在自动及手动方式程序中）。

③ 加工中意外状态时的急停处理。

为防止阀用电磁铁电路在夹紧工作过程中因故障失电松开而产生意外，采取Y10=0电磁铁失电时为夹紧状态而Y10=1电磁铁得电时为松开状态。

因该机为专用镗加工机床，功能较专用化，在故障显示处理时强调：

① 在系统工作压力低于溢流阀设定工作压力

② 夹紧油缸的上腔夹紧压力低于减压阀设定压力

③ 液压泵电机、镗削电机、角位置调节电机和电磁离合器强电电器过载

④ 其他工作电器的工作状态的LED 显示器也同时提供相应的故障信息。

当以上几种情况出现时，有对应的LED 显示器给出相应的故障信息。

当急停按钮X0按下时，其微分输出信号M3锁定特殊辅助继电器M8034而禁止一

切输出，使所有的运动立即停止，只有在转为手动方式后，手动主令信号X13的微分输出M4才可解除M8034的禁止输出锁定并转为手动调整以排除故障，这样的禁止一切输出状态在任一电机等强电电器过载热继电器动作时同样产生。公共处理部分主要控制梯形图如图11所示。

4．设计小节

4.1设计内容小节

1．在充分调研的基础上，对剖分式对开滑动轴承内孔精镗机床的加工工艺要求和机床镗削

加工的工艺过程作了全面地分析，通过剖析讨论，充分而深刻的认识到加工工艺装备的技术关键和控制难点，并通过对角位置检测和调整的技术意义和技术难度的涉及分析，为控制系统的设计思路奠定基础。

2．调研分析了机床布局和总体结构，机床液压系统的组成和工作原理，尤其是机床夹紧机

构的要求和工作特点，明确了采用夹紧液压回路的二位四通电磁阀的阀用电磁铁采用失电夹紧而得电松开在安全方面的特别意义，为该部分的PLC 梯形图设计做好理论准备。

3．设计中研究分析了机床主轴角位置检测控制的方式方法，通过对各种不同角位置调整操

作形式的对比分析，结合本机床的实际工艺要求和经济的控制进度考虑，拟定了切实可行的剖分式对开滑动轴承内孔表面精镗机床主轴准停控制方案，方案包括两个方面，一个是主轴角位置的传感检测，一个是主轴角位置的驱动调整。

针对此类专用机床，主轴角位置采用光电检测传感装置，简单可靠，抗干扰性能好并且结构

简单，实用，经济。

主轴角位置调整驱动则采用大减速比的谐波减速器和电磁离合器获取、传送低转速的主轴调

节转动，传动结构十分紧凑，体积小，重量轻，效率高，方便实现机电一体化控制。

4．控制系统采用FX2系列PLC 装置完成机床液压系统的工作过程，主轴角位置检测、调整、

工件夹紧松开及的系统控制；分析、统计、编制了PLC 的输入器件和输出设备的种类、数量以及对应的PLC 输入、输出继电器的编号明细表；设计了PLC 的输入输出接口电路；设计绘制了自动加工控制功能流程图；设计绘制了初始化、手动调节控制、自动加工控制和公共处理控制四个主要的控制梯形图。PLC 控制系统具有可调、可改、可变换的控制柔性，控制功能强，系统稳定可靠，改造周期短，性价比高。

5．对剖分式对开滑动轴承内孔表面精镗机床主轴准停控制的设计全过程作了简要明确的文字说明，全文附有11张设计图样：

⑴ 图1 机床组成结构原理图

⑵ 图2 机床液压系统原理图

⑶ 图3 角位置光电检测装置原理图

⑷ 图4 角位置调整装置

⑸ 图5 PLC的I/O接口原理图

⑹ 图6 强电电路原理图

⑺ 图7 初始化控制梯形图

⑻ 图8 手动操作控制梯形图

⑼ 图9 自动加工控制流程图

⑽ 图10 自动加工控制梯形图

⑾ 图11 公共处理控制梯形图

全文附有2张图表：

⑴ 表1 PLC输入信号一览表

⑵ 表2 PLC输出信号一览表

4.2本次毕业设计体会与建议

（1）在本次毕业设计过程中，我更清楚的认识到机电一体化的应用，这种清晰的专业思

路取缔了刚入学学习公共课和专业基础课时的迷茫和朦胧感，我认为本专业制定的教学大纲所作

的学科建设设计和课程体系建设是科学的、完整的，学科知识体系是完整的、合理的，全部课程

的学习和考核，为我们将来的定位和发展打下坚实的基础。

（2）通过本次机电液一体化综合毕业设计，也使我们进一步认识到机电一体化专业在经

济发展，在制造业中的重要作用和深远意义，更加激起了我们对本专业学习的兴趣和热情，通过

本设计也使我们初步体验到我们自身专业的作用、意义和价值，使我们对今后的专业技术应用和

专业发展方向有了明确的体会和认识，我们有足够的理由相信在今后的工作中，通过不懈的认真

学习和努力实践，一定会取得扎实的，一步一个脚印的，有效的，有实际意义的更理想的成绩。

（3）本次毕业设计，尤其是类似本设计课题的机电液一体化类型的毕业设计，在指导老师

的指导帮助下，通过整个设计过程的认真的调研、查阅资料、分析问题、讨论方案、拟定提纲、

撰写文稿、绘制图样、反复的斟酌、修改、编辑最终完成全部设计任务，我们体会到从开始到结

束的全过程是真正的将3年所学的相关专业学科知识进行了一次系统的完整的全面地复习和综

合练习，专业理论知识的融会贯通，理论知识和课题实际内容的有机联系形式的方针训练和模拟

实战，的确使我们对本专业的专业建设特点，专业应用意义有了更深层面的理解，更为充分的认

识。

（4）在指导教师的帮助下，通过全过程设计活动，锻炼了我们的计算机辅助设计（CAD ）实

际操作水平，文字处理水平，提高了我们分析机电液一体化技术问题问题、机械系统设计、PLC

系统软件设计和硬件设计的分析能力及设计水平，尤其是采用先进的PLC 控制技术完成工艺过程

复杂、加工精度要求很高、设备工作控制要求难度很大的机电液一体化的系统控制，设计结束后

的体会就是在3年学习的基础上产生了很大的、质的飞跃，使我们对今后进入工作环境，走向工

作岗位深感自信，充满信心深深地相信，坚信以此为良好的起点，通过持之以恒、坚持不懈的努

力学

习，通过踏实认真、勤奋求实的刻苦实践，一定会在工作实践中做出优异的成绩，交给母校和老

师们一份满意的答卷。

（5）几点建议：

① 希望在以后的专业课程教育进程中，分组分题，专组专题，轮换题目，做具有强烈针对

性的业余的类似本设计课题的机电一体化工程性质类的课程设计，使大家在有限的学习时段中有

更多的了解、接触、分析和针对具体的实践性较强的工程问题进行技术改造技术进步性质的设计

活动，结束后各组相互研讨调整纠正以达到最高效果，如此对提高我们的专业素质，实践能力将

起到十分强劲的促进作用。

② 在教学过程中渗透实践经验，多参加个公司，部门的设计研讨，提高大家的学习积极性

和工作经验。

③ 如有可能，最好直接参与指导教师的科研课题活动，在一定的经济条件支持下，在指导

老师的帮助和具体指导下，完成研究项目的某些具体的研究活动，对我们的专业水平的提高，科

研探求能力的发挥所起到的推动作用不言而喻是十分积极的。

参 考 文 献

1 邓志良，刘维亭编著. 电器控制技术与PLC. 南京：东南大学出版社，2002

2 郑堤，唐可洪 .机电一体化设计基础. 北京：机械工业出版社，1997

3 孙志永，赵砚江. 数控与电控技术. 北京：机械工业出版社，2002

4 邱士安，胥宏. 机电一体化技术. 西安：西安电子科技大学出版社 2005

5 林明海主编. 电器控制及可编程控制器. 北京：机械工业出版社，2004

6 张凤珊主编. 电器控制及可编程控制器. 北京：中国轻工业出版社，2002

7 王炳实主编. 机床电器控制. 北京：机械工业出版社，1998