B690型牛頭刨床的液壓及控制系統(tǒng)設計含10張CAD圖
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一、選題依據(jù)
1、研究領域
機電控制、機械設計、液壓傳動
2、論文（設計）工作的理論意義和應用價值
牛頭刨床是普通用途的刨削機床，利用往復運動的刀具切割已固定在工作臺上的工件，機床的主要參數(shù)是最大刨削長度，主要用于單件小批量生產(chǎn)中刨削中小型工件的平面、成型面和溝槽。牛頭刨床運動過程中主要涉及兩大系統(tǒng)，分別是傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)有純機械式和液壓式兩種兩種傳動方式，中小型牛頭刨床一般采用機械傳動(曲柄搖桿機構(gòu))例如 B665 等型號，這種牛頭刨的主要特點是滑枕的移動速度不均勻，以及速度變級受限等諸多問題；大型牛頭刨床多采用的是液壓傳動方式， 例如 B690 型液壓牛頭刨床，與傳統(tǒng)的機械式傳動相比，液壓傳動有很大的進步，我們用液壓操縱箱機構(gòu)代替了滑桿搖塊機構(gòu)，保證了滑枕的移動基本是勻速運動，用現(xiàn)代無級變速的液壓技術取代了有限速度變級的機械傳動，大大的擴寬了調(diào)速范圍。所以在傳動系統(tǒng)方面，有很大的進步。
而另一部分為控制系統(tǒng)，無疑也是十分重要的。刨床如果控制和使用得當，不僅能提高效率、節(jié)約成本，還能延長產(chǎn)品的使用壽命。而傳動部分相對來說較為穩(wěn)定，所以機床能否運行在最佳狀態(tài)即取決于電氣控制系統(tǒng)的控制方式。而此次采取的 PLC 控制，能夠?qū)崿F(xiàn)開關邏輯控制和變頻電動機的轉(zhuǎn)速控制，在很大程度上可以提高刨床的效率和加工精度，加強刨床的可靠性和穩(wěn)定性。同時 PLC 具有可靠性高、功耗低、維修方便成本低等諸多優(yōu)勢，從而可以達到減少投資、降低功耗等目的。
牛頭刨床的應用十分廣泛，一般行業(yè)包括模具行業(yè)、汽車行業(yè)，高精尖行業(yè)包括航空航天、軍事裝備等方面。由于我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，也使牛頭刨床等機床持續(xù)有較大的需求，同時我國政府提出了 2025 計劃，這也說明在宏觀政策下，牛頭刨床以及整個機床行業(yè)都是大有可為的，雖然我們在向數(shù)字化智能化邁進，但在現(xiàn)階段以及相當長的一段時間內(nèi)，普通機床例如牛頭刨床等仍然會發(fā)揮巨大作用。所以對牛頭刨床進行深入研究并掌握相關的知識是十分有必要的，所以這個課題也是十分有意義的。
3、目前研究的概況和發(fā)展趨勢
在第一次工業(yè)革命時期，牛頭刨床被發(fā)明于英國，在這個時期，還發(fā)明了許多其他形式的機床。機床的發(fā)明，解放了勞動力，改善了我們的生活水平，在提高生活質(zhì)
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量的同時，又促進了社會的進步。
從目前世界上牛頭刨床的擁有量上看，德國是使用牛頭刨床最多的國家，美國的牛頭刨床擁有量也很多，德國的牛頭刨床首先從外形上來看，整個機床造型墩實厚重， 每個零部件都不會偷工減料，產(chǎn)品精益求精。比如刨削長度是 1 米的機床重量可以達
到 5 噸多，牛頭刨床的穩(wěn)定性很好，精度相應也很高。另一個方面是德系牛頭刨床工
作效率很高，滑枕速度很快，可以達到國內(nèi)同等質(zhì)量水平的一點 5 倍以上，電機功率也很大，效率高、干起活來很快，能源耗費反而很少。
史上最大的牛頭刨床產(chǎn)自俄羅斯，它的刨削長度達到 1.8 米，比國內(nèi)生產(chǎn)的最大
牛頭刨床多出 30 公分（目前我國最大型號是來自沈陽的 1.5 米的。如果超過 1.5 米
就很難生產(chǎn)，對機床的各個零件的性能要求也比較高）機床總重量達到 8 噸，屬于重型設備。據(jù)了解它主要應用于船舶螺旋槳的加工和刨削，以及大型設備的加工。精度也非常高，目前只在北京和上海有現(xiàn)貨和的樣品。一個機床的最大型號能否進行突破和向上發(fā)展，代表了一個國家的綜合實力，此次俄羅斯試生產(chǎn)成功表明了他的重工業(yè)實力非凡。
而我國是在這方面屬于新興國家，牛頭刨床擁有量僅次于德國和美國，位于世界第三位，但是中國自改革開放以來，一直保持高速的發(fā)展，相信在不久的將來，憑著中國的高速發(fā)展和世界對于中國這個世界工廠的需求，中國將成為世界上牛頭刨床擁有量最多的國家。但縱觀我國牛頭刨床，都只是簡單的技術改造，技術水平還停留在比較初級的階段，與國外差距很遠，它能進行一些精度不高的加工。我國目前已經(jīng)擁有了機械牛頭刨床，液壓牛頭刨床，數(shù)控牛頭刨床，還有正在研究的雙向牛頭刨床。但是每一種型號都不是全面的全能的，各有優(yōu)點和缺點，每一種機床都需要進行改進突破和創(chuàng)新。國外機床很多領域都占據(jù)主導地位，中國制造都是中低端產(chǎn)品。開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中國制造，已成為全社會的共識。靠收購不可行，因為高科技是人家的核心機密，是國外經(jīng)濟命脈，國外不可能會輕易把技術傳給你，，所以我們只有一條路可走，那就是自己研發(fā)，這種境況已經(jīng)迫在眉睫，很多低效率的機床所生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，質(zhì)量很差。比如說汽車，國產(chǎn)車經(jīng)常出問題，磨損大，耗油高，性能不好， 就是因為生產(chǎn)汽車零部件的機床精度不夠造成。這個方面的例子比比皆是，從各個方面都能夠反映出來，甚至是 1 顆小小的螺絲釘都能夠反映出這個國家整體質(zhì)量水平如何，所以我們要切切實實的提高機床的質(zhì)量，牛頭刨床廠家要切切實實的提高牛頭刨床的質(zhì)量。目前我國正在處于工業(yè)化國家中期發(fā)展階段，很多行業(yè)需要進一步的鞏固，
現(xiàn)在正處于關鍵發(fā)展階段，在這一期間，我們可以向一些支柱性工業(yè)，比如數(shù)控車床行業(yè)，再比如牛頭刨床行業(yè)，這些中小機床滿足了我國機床工程量 72%以上的項目， 從發(fā)達國家的發(fā)展歷史經(jīng)驗來看，這一階段期間最主要的特點就是制造業(yè)設備更新發(fā)展速度明顯很快，而且其設備改造加速，企業(yè)設備更新改造投資占固定資產(chǎn)投資的比將要逐步提高。在一些歐美發(fā)達國家，他們國家的機床行業(yè)相當發(fā)達，許多中小機床， 數(shù)控機床的應用相當普遍。但是在我國機床人均占有量很低，特別是高端設備方面人均擁有量更少，這就是我們國家與發(fā)達國家的差距之所在，從這一點上來說在很長一段時間內(nèi)我國的機床行業(yè)還有很大的發(fā)展空間，無論是在牛頭刨床上還是在高端設備數(shù)控機床方面都需要一個量的增長和質(zhì)量的增長。
雖說中國現(xiàn)階段市場上最主要的還是機械式和液壓式牛頭刨床，但對于日后的發(fā)展而言，數(shù)控機床，大型加工中心才是日后發(fā)展的方向。德國在 2013 年漢諾威工業(yè)
博覽會上提出了工業(yè) 4.0 的概念，表示人類將迎來以信息物理融合系統(tǒng)（CPS）為基礎，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡化、機器自組織為標志的第四次工業(yè)革命，這也能體現(xiàn)出未來機床行業(yè)的發(fā)展大趨勢。同時，李克強總理也在 2015 年國務院發(fā)布的文件中
正式提出中國制造 2025 的發(fā)展戰(zhàn)略，其中第二條是推進信息化與工業(yè)化深度融合， 第六條也將發(fā)展高檔數(shù)控機床列入了十大重點領域。這無不體現(xiàn)出機床行業(yè)要向高精、高細、高速、柔性、智能等方向發(fā)展。但在現(xiàn)階段以及相當長的一段時間內(nèi)，普通機床例如牛頭刨床等仍然會發(fā)揮巨大作用。
二、論文（設計）研究的內(nèi)容
1.重點解決的問題
B690 型液壓牛頭刨床機械結(jié)構(gòu)設計、計算以及圖紙繪制，液壓系統(tǒng)設計，控制系統(tǒng)編程、調(diào)試及仿真。
2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）
（1） B690 型牛頭刨床的機械結(jié)構(gòu)設計；
（2） B690 型牛頭刨床的液壓系統(tǒng)設計；
（3）控制系統(tǒng)程序的調(diào)控與運行；
（4）基于宇龍機電仿真軟件，對控制系統(tǒng)進行仿真分析。
3.本論文（設計）預期取得的成果
（1）弄清刨床機械結(jié)構(gòu)，順利完成圖紙繪制，完成數(shù)據(jù)計算并分析
（2）完成液壓系統(tǒng)設計與分析，明確其優(yōu)缺點；
（3）完成機電系統(tǒng)設計
（4）基于宇龍的程序的編制和調(diào)試；
（5）相關外文資料的翻譯；
（6）1.0 萬字以上的設計說明書。
三、論文（設計）工作安排
1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)）
(1）依靠資料及所學知識對機械系統(tǒng)進行合理的設計；
B690 型液壓牛頭刨床技術規(guī)格如下： 產(chǎn)品型號：B690 液壓牛頭刨床
最大刨削長度：900mm 滑枕行程：150mm
工作臺最大橫向行程：750mm 工作臺最大垂直行程：320mm
滑枕底面到工作臺最大距離：400mm 刀具最大回轉(zhuǎn)角度： 正負 60 度
刀架最大垂直行程： 200mm
刨刀最大尺寸（寬*高）：30*45mm
滑枕每次往復行程工作臺橫向進給范圍:0.25-5mm 滑枕最大工作力：28KN
滑枕無級變速范圍： 3-37m/min 工作臺工作面尺寸：900*450mm 工作臺最大承載質(zhì)量：300kg
(2)對控制系統(tǒng)進行選型、編程及調(diào)試。
(3)對液壓系統(tǒng)進行分析
2.論文（設計）進度計劃
（1）查閱并收集相關資料，了解國內(nèi)外情況，掌握與該題目相關的理論和知識， 翻譯一篇外文獻，根據(jù)老師下達的設計任務書寫出開題報告；（第一周～第三周）
（2）完成開題報告答辯工作；（第四周）
（3）明確 B690 型液壓牛頭刨床的結(jié)構(gòu)及工作原理，具體工作過程等；（第五周）
（4）根據(jù)整體設計完成 B690 型液壓牛頭刨床機電控制部分設計和選型，熟練應用宇龍軟件；（第六周～第八周）
（5）基于宇龍完成以上相關程序的編制和調(diào)試；（第九周）
（6）進行 B690 型液壓牛頭刨床的總體設計、機構(gòu)選型、圖紙繪制及相關設計分析；（第十周～第十二周）
（7）擬定論文提綱，撰寫論文初稿；（第十三周）
（8）總體設計和功能設計的最終完成，相應工作的完善，修改論文并定稿，同時寫出中英文摘要；（第十四周～第十五周）
（9）總結(jié)論文，準備答辯。（第十六周）
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附：文獻綜述
文獻綜述
本次設計題目我選擇的是 B690 型液壓牛頭刨床結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設計。通過前一階段對機械設計，機電一體化及機電控制技術課程的學習，我已經(jīng)掌握和具備了一定的結(jié)構(gòu)分析、電氣控制技術等相關的知識和能力，完成此次設計可以使我掌握針對實際將設計與家電一體化結(jié)合起來，培養(yǎng)自己設計機電綜合系統(tǒng)硬件部分的能力。
牛頭刨床是工程中應用最多的機械之一，近年來我國設計制造的許多牛頭刨床新品，無論是在外觀和剛性或是在操作方便程度和加工性能等方面都已經(jīng)達到了比較先進的水平，雖然與國際先進水平還是有差距，但是相信隨著政府對制造業(yè)的重視，機床行業(yè)還是會有一個較好的發(fā)展。
本次的設計題目主要設計到了機械設計、液壓傳動、PLC 控制等相關領域，在后邊的敘述中，會針對本次設計的機床機械部分的設計(包括結(jié)構(gòu)、運行情況等）、機床傳動系統(tǒng)的選擇及優(yōu)缺點、機電控制系統(tǒng) PLC 的選型及設計思路逐一進行說明，并進行總結(jié)。相信通過這次的工作過程，能夠進一步幫助自己理清思路，為后期正式開始的設計打下一個堅實的基礎。
刨床是伴隨著蒸汽機一起產(chǎn)生的，由于蒸汽機閥座平面加工的需要，技術人員開始了這方面的研究，從 1814 年開始的數(shù)十年間，刨床有了快速的發(fā)展，1839 年第一次有了帶送刀裝置的刨床，在刨床發(fā)展上具有重大的意義。此后由于刀具的改進以及電動機的出現(xiàn)，刨床一方面朝著高速切割、高精度的方向發(fā)展，另一方面也朝著大型化發(fā)展。在現(xiàn)在的機床行業(yè)，高速、精密、復合、智能和綠色是數(shù)控技術現(xiàn)在的總體趨勢，并取得了很大的成績：比如復合上，銑-車復合、成形復合加工、特種復合加工。數(shù)控機床的智能化技術有新的突破，在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了較多體現(xiàn)。如： 自動調(diào)整干涉防碰撞功能、斷電后工件自動退出安全區(qū)斷電保護功能、加工零件檢測和自動補償學習功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過程自動消除機床震動等功能進入了實用化階段，智能化提升了機床的功能和品質(zhì)。機器人使柔性化組合效率更高機器人與主機的柔性化組合得到廣泛應用，使得柔性線更加靈活、功能進一步擴展、柔性線進一步縮短、效率更高。機器人與加工中心、車銑復合機床、磨床、齒輪加工機床、工具磨床、電加工機床、鋸床、沖壓機床、激光加工機床、水切割機床等組成多種形式的柔性單元和柔性生產(chǎn)線已經(jīng)開始應用。精密加工技術有了新進展數(shù)控金切機床的加工精度已從原來的絲級（0.01mm）提升到微米級（0.001mm），有些品種已達到 0.05μm 左右。超精密數(shù)控機床的微細切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達到 0.05μm 左右，形狀精度可達 0.01μm 左右。采用光、電、化學等能源的特種加工精度可達到納米級（0.001μm）。通過機床結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化、機床零部件的超精加工和精密裝配、采用高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動等動態(tài)誤差補償技術，提高機床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進入亞微米、納米級超精加工時代。功能部件性能不斷提高功能部件不斷向高速度、高精度、大功率和智能化方向發(fā)展，并取得成熟的應用。全數(shù)字交流伺服電機和驅(qū)動裝置，高技術含量的電主軸、力矩電機、直線電機，高性能的直線滾動組件，高精度主軸單元等功能部件推廣應用， 極大的提高數(shù)控機床的技術水平。機床工業(yè)是裝備制造業(yè)乃至整個工業(yè)發(fā)展的“母 機”，數(shù)控機床又代表著機床行業(yè)里最先進的水平，相信它還會蓬勃發(fā)展，為制造業(yè)帶來更大的變革。
根據(jù)加工工件長度，牛頭刨床可分為大中小三種形式。加工長度在 400 毫米以內(nèi)
的為小型，加工長度在 400 到 600 之間的為中型，大于 600 時就已屬于大型牛頭刨了。而此次設計研究的 B690 牛頭刨床刨刀的尺寸可以達到 900 毫米，是當之無愧的大型
牛頭刨床。它的機械結(jié)構(gòu)主要由床身、工作臺、橫梁、主刀架、立柱、側(cè)刀架等部分組成。機床的主運動是又一單出桿活塞缸帶動滑枕（滑枕上帶有刨刀）進行的往復直線運動；進給運動是直流電動機拖動床身上的工作臺做間歇進給。其中床身為箱體零件，上有 V 型導軌，工作臺安放在床身上，橫梁用于安裝滑枕，在刨削加工時橫梁處于靜止狀態(tài)，當工作臺停止時，可上下調(diào)整刀架高度。兩個垂直刀架可沿著橫梁導軌在水平方向、或沿刀架本身的滑板導軌在垂直方向上做快速進給或工作進給。右側(cè)刀架可沿立柱上下移動，以刨削垂直面。具體如圖 1 所示：
圖 1 刨床結(jié)構(gòu)示意圖
刨床的一個重要參數(shù)是最大刨削長度，以為以此為標志將牛頭刨分為了大中小三種， 一般加工長度能達到 600 毫米以上就算是大型的了，而 B690 牛頭刨最大刨削長度可以達到 900 毫米，是當之無愧的大型牛頭刨了。但同是作為大型牛頭刨床，B690 卻與
B665 型之類的機械傳功牛頭刨床截然不同，因為它是采用液壓系統(tǒng)來完成運動和動力的傳輸?shù)?。對于兩者傳動方式的?yōu)劣問題，學界爭論由來已久。一部分認為機械式傳動更好，因為不僅結(jié)構(gòu)簡單可以由電動機直接拖動來回運動，解除了中間動力傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)以及液壓泵這一環(huán)節(jié)，減少了環(huán)境污染；同時針對國情來說，機械牛頭刨床價格低廉、操作簡單，無需過硬的特殊人才，易于上手加工，維修維護方便等。所以優(yōu)勢要大于液壓傳動。但還有一部分人則認為，液壓傳輸過程中雖然有一些損耗動力，可是通過液壓泵，一部分動力傳輸?shù)脚俚队直患訌娏耍怨β蕪妱?。同時，液壓箱的存在替代了傳統(tǒng)的滑塊搖桿機構(gòu)，使用了無級變速大大擴寬了調(diào)速范圍，所以優(yōu)勢明顯。在查閱資料的過程中，我發(fā)現(xiàn)了許多的牛頭刨床存在的問題，例如刨床在工作時換向頻繁，而且沖擊特別大，對機床的損傷特別嚴重，如果采用液壓傳動我覺得可以適當減少一些問題，因為可以保證滑枕的運行更加平穩(wěn)，刀具換向時沖擊更小一些， 這些對于機床本身都是十分有益的。同時液壓系統(tǒng)便于實現(xiàn)過載保護，更加安全可靠， 這在我們生產(chǎn)加工領域意義也是十分重大的，所以我個人本身也比較傾向于液壓系 統(tǒng)。當然我的意思不是說液壓系統(tǒng)就是完美的，當然也存在一些問題，比如現(xiàn)在工程技術人員正在積極探討解決的液壓油溫度過高，液壓油的泄露問題較為嚴重等，但我相信隨著技術的不斷進步，這些問題都會逐漸被解決。
一臺機床的機械結(jié)構(gòu)是主體，但是它能否運行在最佳狀態(tài)，以及最大限度的延長機床使用壽命，就取決于它的控制系統(tǒng)。對于這部分，我認為這要注意首執(zhí)行機構(gòu)能否按照要求實現(xiàn)動作（例如工作臺的進給、后退，刀架的自動抬起等），其次機電系統(tǒng)必須保證驅(qū)動效率高、耗電量少，系統(tǒng)簡潔，保證機床各個運動協(xié)調(diào)性好。為了滿足各方面性能要求，此次設計決定選用 S7-200 系列 PLC 作為系統(tǒng)控制的核心元件。
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因為它有以下優(yōu)點：S7-200 系列 PLC 的用戶程序和部分或全部數(shù)據(jù)存放在 EPROM 中， 不同型號的 CPU 的用戶程序和數(shù)據(jù)容量略有區(qū)別，但都無需用鋰電池進行掉電保護。平時掉電時靠超級電容保持，如果需要也可以通過程序把數(shù)據(jù)寫入 EPROM，使數(shù)據(jù)永不丟失。同時各種機型上都具有一個存儲卡插孔，可以插入程序器卡。該程序器卡是一個 EPROM 存儲器，是存放用戶程序的附件，體積小，重量輕，保管與傳遞都很方便， 在 STEP7 micro (S7-200 系列 PLC 編程軟件)中使用個人計算機或 S7-200 專用的手持式編程器可將 PLC 中的程序與數(shù)據(jù)寫入程序卡，以備以后使用，故該程序卡也可作為程序與數(shù)據(jù)的備份。需要裝載程序時，只需將己存入程序的存儲卡插入 PLC 后再上電， 幾秒鐘后斷電并把存儲卡拔下，存儲卡上的程序即自動裝入 PLC。選定了 PLC 的型號以后，主要需要完成下列的工作：首先分析控制要求，畫出機床的控制原理圖；然后需要按要求列出 PLC 的輸入/輸出分配表，畫出 PLC 控制接線圖；其次進行編程（梯形圖）；完成上述各項步驟以后在宇龍仿真軟件上選出所需元器件，連出實物接線圖， 連接完成后進行仿真分析。
以上是自己對此次設計機床整體及各部分的理解以及如何進行各部分的設計工作，此刻在回顧自己從開始著手查資料是的一無所知到現(xiàn)在的略有所得，無論從知識上還是心態(tài)上都有了一個提高，這也是我這次的最大收獲。相信接下來正式設計的工作中依然會遇到許多的問題，但我相信在自己的努力下和王艷穎老師的幫助下，我一定會突破這些困難，收獲到知識，收獲到快樂。
B690 型牛頭刨床的液壓及控制系統(tǒng)設計
摘要
牛頭刨床的應用十分廣泛，一般行業(yè)包括模具行業(yè)、汽車行業(yè)，高精尖行業(yè)包括航空航天、軍事裝備等方面。由于我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，也使牛頭刨床等機床持續(xù)有較大的需求，同時我國政府提出了 2025 計劃，這也說明在宏觀政策下，牛頭刨床以及整個機床行業(yè)都是大有可為的，雖然我們在向數(shù)字化智能化邁進，但在現(xiàn)階段以及相當長的一段時間內(nèi)，普通機床例如牛頭刨床等仍然會發(fā)揮巨大作用。所以對牛頭刨床進行深入研究并掌握相關的知識是十分有必要的。
本次設計的主要內(nèi)容包括三部分內(nèi)容。第一部分主要是對機械部分的結(jié)構(gòu)及功能的簡單介紹以。第二部分是液壓系統(tǒng)，B690 牛頭刨床的傳動系統(tǒng)不同于以往的機械傳動， 采用的是液壓傳動，用于加工大型零件。它可以實現(xiàn)無極變速，優(yōu)勢明顯，在第二部分對液壓系統(tǒng)的原理以及主要工作回路進行了分析，并用軟件繪制了系統(tǒng)原理圖以及調(diào)速結(jié)構(gòu)原理圖。在第三部分，主要完成的是機電部分的控制，對于機床來說，機械部分以及液壓部分相對來說是比較穩(wěn)定的，所以機床能否運行在最佳狀態(tài)即取決于電氣控制系統(tǒng)的控制方式。而此次采取的 PLC 控制，能夠?qū)崿F(xiàn)開關邏輯控制和變頻電動機的轉(zhuǎn)速控制，在很大程度上可以提高刨床的效率和加工精度，加強刨床的可靠性和穩(wěn)定性。同時 PLC 具有可靠性高、功耗低、維修方便成本低等諸多優(yōu)勢，從而可以達到減少投資、降低功耗等目的。
通過此次的畢業(yè)設計，不僅對大學四年所學知識進行了總結(jié)回顧，而且將自己所學理論和實踐相結(jié)合，不管是對自己個人能力的提升或者是職業(yè)的發(fā)展，幫助都是十分巨大的。
關鍵詞：牛頭刨床、液壓傳動、PLC 控制
I
ABSTRACT
shaper is widely used, the general industry, including the mold industry, the automotive industry, high-tech industries, including aerospace, military equipment and so on. As a result of the rapid development of China's economy, but also to make a small planer and other machine tools continue to have a greater demand, while my government put forward the 2025 plan, which also shows that under the macro policy, the planer and the machine tool industry is promising, To the digital intelligent forward, but at this stage and for a long period of time, ordinary machine tools such as the black planer will still play a huge role. So it is necessary to thoroughly study and master the relevant knowledge of the planer.
The main contents of this design include three major aspects. The first part is a brief introduction to the structure and function of the mechanical part and the selection of the cutter head of the bulldozer. At the same time, a brief analysis is made on the typical parts of the Noah planer. The second part is the hydraulic system, because the B690 Tau planer transmission system is different from the previous mechanical transmission, the use of hydraulic transmission, so you can achieve stepless speed, obvious advantages, in the second part of the hydraulic system principle and the main working circuit Analysis, and software used to draw the system schematics and speed structure schematic. In the third part, the main part is the control of the electromechanical part. For the machine, the mechanical part and the hydraulic part are relatively stable. Therefore, whether the machine can run in the best condition depends on the control mode of the electrical control system The The PLC control, to achieve the switch logic control and inverter motor speed control, to a large extent can improve the efficiency of planer and machining accuracy, and strengthen the stability and stability of planer. At the same time PLC has high reliability, low power consumption, easy maintenance and low cost and many other advantages, which can reduce investment, reduce power consumption and other purposes. This is the graduation design of the three main aspects.
I believe that this graduation design, not only the four years of university knowledge of the summary of the review, it is a meaningful exploration, it let me learn their own theory and practice combined, whether it is their own personal ability Promotion or career development, help is very great
Key words : shaper hydraulic system Programmable Logic Controller
II
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 論文（設計）工作的背景及研究意義 1
1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3 論文的主要工作及章節(jié)安排 3
2 牛頭刨床的機械結(jié)構(gòu) 4
2.1 牛頭刨床結(jié)構(gòu)組成 4
2.2 牛頭刨床的傳動系統(tǒng) 5
2.3 牛頭刨床的部分典型零件 6
3 牛頭刨床液壓系統(tǒng)設計 10
3.1 液壓系統(tǒng)工作原理 10
3.2 液壓系統(tǒng)中的主要液壓元器件 11
3.3 主運動回路工作過程 12
3.4 此液壓系統(tǒng)優(yōu)缺點分析 13
4 機電控制系統(tǒng)設計 15
4.1 設計原理 15
4.2 電器元件的選擇及安裝接線圖 15
4.3 PLC 控制系統(tǒng)設計 17
4.4 基于宇龍平臺的仿真分析 20
5. 總結(jié)與展望 23
5.1 總結(jié) 23
5.2 展望 23
參 考 文 獻 24
附錄 1：外文翻譯 25
附錄 2：外文原文 30
致 謝 35
I
1 緒論
1.1 論文（設計）工作的背景及研究意義：
牛頭刨床是普通用途的刨削機床，利用往復運動的刀具切割已固定在工作臺上的工件，機床的主要參數(shù)是最大刨削長度，主要用于單件小批量生產(chǎn)中刨削中小型工件的平面、成型面和溝槽。牛頭刨床運動過程中主要涉及兩大系統(tǒng)，分別是傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)有純機械式和液壓式兩種兩種傳動方式，中小型牛頭刨床一般采用機械傳動(曲柄搖桿機構(gòu))例如 B665 等型號，這種牛頭刨的主要特點是滑枕的移動速度不均勻， 以及速度變級受限等諸多問題；大型牛頭刨床多采用的是液壓傳動方式，例如 B690 型液壓牛頭刨床，與傳統(tǒng)的機械式傳動相比，液壓傳動有很大的進步，我們用液壓操縱箱機構(gòu)代替了滑桿搖塊機構(gòu)，保證了滑枕的移動基本是勻速運動，用現(xiàn)代無級變速的液壓技術取代了有限速度變級的機械傳動，大大的擴寬了調(diào)速范圍。所以在傳動系統(tǒng)方面， 有很大的進步。
而另一部分為控制系統(tǒng)，無疑也是十分重要的。刨床如果控制和使用得當，不僅能提高效率、節(jié)約成本，還能延長產(chǎn)品的使用壽命。而傳動部分相對來說較為穩(wěn)定，所以機床能否運行在最佳狀態(tài)即取決于電氣控制系統(tǒng)的控制方式。而此次采取的 PLC 控制， 能夠?qū)崿F(xiàn)開關邏輯控制和變頻電動機的轉(zhuǎn)速控制，在很大程度上可以提高刨床的效率和加工精度，加強刨床的可靠性和穩(wěn)定性。同時 PLC 具有可靠性高、功耗低、維修方便成本低等諸多優(yōu)勢，從而可以達到減少投資、降低功耗等目的。
牛頭刨床的應用十分廣泛，一般行業(yè)包括模具行業(yè)、汽車行業(yè)，高精尖行業(yè)包括航空航天、軍事裝備等方面。由于我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，也使牛頭刨床等機床持續(xù)有較大的需求，同時我國政府提出了 2025 計劃，這也說明在宏觀政策下，牛頭刨床以及整個機床行業(yè)都是大有可為的，雖然我們在向數(shù)字化智能化邁進，但在現(xiàn)階段以及相當長的一段時間內(nèi)，普通機床例如牛頭刨床等仍然會發(fā)揮巨大作用。所以對牛頭刨床進行深入研究并掌握相關的知識是十分有必要的，所以這個課題也是十分有意義的。
1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀：
在第一次工業(yè)革命時期，牛頭刨床被發(fā)明于英國，在這個時期，還發(fā)明了許多其他形式的機床。機床的發(fā)明，解放了勞動力，改善了我們的生活水平，在提高生活質(zhì)量的同時，又促進了社會的進步。
從目前世界上牛頭刨床的擁有量上看，德國是使用牛頭刨床最多的國家，美國的牛頭刨床擁有量也很多，德國的牛頭刨床首先從外形上來看，整個機床造型墩實厚重，每
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個零部件都不會偷工減料，產(chǎn)品精益求精。比如刨削長度是 1 米的機床重量可以達到 5 噸多，牛頭刨床的穩(wěn)定性很好，精度相應也很高。另一個方面是德系牛頭刨床工作效率很高，滑枕速度很快，可以達到國內(nèi)同等質(zhì)量水平的一點 5 倍以上，電機功率也很大， 效率高、干起活來很快，能源耗費反而很少。，
史上最大的牛頭刨床產(chǎn)自俄羅斯，它的刨削長度達到 1.8 米，比國內(nèi)生產(chǎn)的最大牛
頭刨床多出 30 公分（目前我國最大型號是來自沈陽的 1.5 米的。如果超過 1.5 米就很
難生產(chǎn)，對機床的各個零件的性能要求也比較高）機床總重量達到 8 噸，屬于重型設備。據(jù)了解它主要應用于船舶螺旋槳的加工和刨削，以及大型設備的加工。精度也非常高， 目前只在北京和上海有現(xiàn)貨和的樣品。一個機床的最大型號能否進行突破和向上發(fā)展， 代表了一個國家的綜合實力，此次俄羅斯試生產(chǎn)成功表明了他的重工業(yè)實力非凡。
而我國是在這方面屬于新興國家，牛頭刨床擁有量僅次于德國和美國，位于世界第三位，但是中國自改革開放以來，一直保持高速的發(fā)展，相信在不久的將來，憑著中國的高速發(fā)展和世界對于中國這個世界工廠的需求，中國將成為世界上牛頭刨床擁有量最多的國家。但縱觀我國牛頭刨床，都只是簡單的技術改造，技術水平還停留在比較初級的階段，與國外差距很遠，它能進行一些精度不高的加工。我國目前已經(jīng)擁有了機械牛頭刨床，液壓牛頭刨床，數(shù)控牛頭刨床，還有正在研究的雙向牛頭刨床。但是每一種型號都不是全面的全能的，各有優(yōu)點和缺點，每一種機床都需要進行改進突破和創(chuàng)新。國外機床很多領域都占據(jù)主導地位，中國制造都是中低端產(chǎn)品。開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中國制造，已成為全社會的共識?？渴召彶豢尚?，因為高科技是人家的核心機密，是國外經(jīng)濟命脈，國外不可能會輕易把技術傳給你，，所以我們只有一條路可走，那就是自己研發(fā)，這種境況已經(jīng)迫在眉睫，很多低效率的機床所生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，質(zhì)量很差。比如說汽車，國產(chǎn)車經(jīng)常出問題，磨損大，耗油高，性能不好，就是因為生產(chǎn)汽車零部件的機床精度不夠造成。這個方面的例子比比皆是，從各個方面都能夠反映出來，甚至是
1 顆小小的螺絲釘都能夠反映出這個國家整體質(zhì)量水平如何，所以我們要切切實實的提高機床的質(zhì)量，牛頭刨床廠家要切切實實的提高牛頭刨床的質(zhì)量。目前我國正在處于工業(yè)化國家中期發(fā)展階段，很多行業(yè)需要進一步的鞏固，現(xiàn)在正處于關鍵發(fā)展階段，在這一期間，我們可以向一些支柱性工業(yè)，比如數(shù)控車床行業(yè)，再比如牛頭刨床行業(yè)，這些中小機床滿足了我國機床工程量 72%以上的項目，從發(fā)達國家的發(fā)展歷史經(jīng)驗來看，這一階段期間最主要的特點就是制造業(yè)設備更新發(fā)展速度明顯很快，而且其設備改造加 速，企業(yè)設備更新改造投資占固定資產(chǎn)投資的比將要逐步提高。在一些歐美發(fā)達國家， 他們國家的機床行業(yè)相當發(fā)達，許多中小機床，數(shù)控機床的應用相當普遍。但是在我國機床人均占有量很低，特別是高端設備方面人均擁有量更少，這就是我們國家與發(fā)達國
家的差距之所在，從這一點上來說在很長一段時間內(nèi)我國的機床行業(yè)還有很大的發(fā)展空間，無論是在牛頭刨床上還是在高端設備數(shù)控機床方面都需要一個量的增長和質(zhì)量的增長。
雖說中國現(xiàn)階段市場上最主要的還是機械式和液壓式牛頭刨床，但對于日后的發(fā)展而言，數(shù)控機床，大型加工中心才是日后發(fā)展的方向。德國在 2013 年漢諾威工業(yè)博覽
會上提出了工業(yè) 4.0 的概念，表示人類將迎來以信息物理融合系統(tǒng)（CPS）為基礎，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡化、機器自組織為標志的第四次工業(yè)革命，這也能體現(xiàn)出未來機床行業(yè)的發(fā)展大趨勢。同時，李克強總理也在 2015 年國務院發(fā)布的文件中正式提出中
國制造 2025 的發(fā)展戰(zhàn)略，其中第二條是推進信息化與工業(yè)化深度融合，第六條也將發(fā)展高檔數(shù)控機床列入了十大重點領域。這無不體現(xiàn)出機床行業(yè)要向高精、高細、高速、柔性、智能等方向發(fā)展。但在現(xiàn)階段以及相當長的一段時間內(nèi)，普通機床例如牛頭刨床等仍然會發(fā)揮巨大作用。
1.3 論文的主要工作及章節(jié)安排：
本次設計工作的主要工作有以下幾點：首先對機床本身有一個把握，弄清它的加工范圍加工方法等基本問題，繪制出機床傳動系統(tǒng)以及機床本身的一些典型零件的圖紙。其次對其液壓傳動系統(tǒng)有一個掌握，畫出液壓原理圖以及無極調(diào)速系統(tǒng)的變級圖，弄清楚它有哪些工作回路等等，然后須用 PLC 完成其控制部分的設計，并繪制出一些必要圖紙，并在宇龍平臺上完成對控制系統(tǒng)的仿真分析。最后在整個的一個基礎上，有一個感悟與總結(jié)。
這次的設計，主軀干章節(jié)在 3、4、5，分別是機械，液壓及控制部分，當然還有文首的緒論及最后的感想與展望。故而擬定用 5 章完成本次的設計工作。
。
2 牛頭刨床的機械結(jié)構(gòu)
2.1 牛頭刨床結(jié)構(gòu)組成：
對于薄板較大型工件，刨床的加工難度又兩個方面，一個在與裝夾，是如何定位的， 又是如何夾緊的；第二個在于加工時容易產(chǎn)生熱變形，使加工不容易達到精度要求。這兩點就決定了刨工怕刨薄板。刨工工種是一個粗加工工種，凹凸不平的大平面、側(cè)面、深的溝槽等，都需要刨工去粗加工、整形，然后交給精加工工序，最終結(jié)果由精加工享受。
技術上刨工磨刀難度不亞于車工，他們的主要區(qū)別在于：車工有時要能磨出既鋒利， 又耐沖擊的刨刀。兩工種對刀具要求各有特點。
刨工加工時的最大特點是：工件對刀具的沖擊很大，每次刨削，都是對刨刀的一次沖擊，刀具容易斷裂。由于刨工加工時，刀具有沖擊現(xiàn)象，工人在使用刨床時，絕不能站在有刀具沖擊的方向去操作機床，而是要站在刨床的側(cè)面，防備刀具突然斷裂飛出， 擊傷自己。沖擊斷裂飛出的刨刀，比打子彈還要厲害。
幾乎每個刨床操作著都碰到過悶車，所謂悶車，就是加工時刨刀切到工件后，刨刀停止進給刨削，而此時機床仍在運轉(zhuǎn)，電動機傳送帶出現(xiàn)打滑。這是操作著未調(diào)整好刨床誤開車或刨削余量太大而導致。出現(xiàn)悶車現(xiàn)象，也是正常的，只要馬上停車，重新調(diào)整機床即可。
圖 2-1 牛頭刨床外形圖
1.底座 2.床身 3.滑枕
4.刀架 5.滑板 6.工作臺牛頭刨床基本組成如下：
1) 底座：底座位于床身最下邊，機床的全部重量都落在它的上面。潤滑油就儲存在其中間的空心部分。
2) 床身：床身作用主要是用于連接、支撐別的部件，別的部件間的相對位置同樣是由床身保證。所以其應具有足夠大的強度與剛度，導軌同樣應該有好的耐摩擦性能和抗震性能。
3) 滑枕：滑枕的位置一般是在床身的頂部，可以沿著床身頂部的導軌進行前后往復的直線運動，以此來帶動刀架做直線刨削。
4) 刀架：刀架的作用是安裝刀具，它后面與滑枕連接在一起，在一定范圍的角度內(nèi)可以任意回轉(zhuǎn)。它能夠使刀具在垂直方向或傾斜的方向上進行移動，用于垂直面或者斜面的刨削。
5) 滑板：滑板裝在床身之前的豎直導軌上，它主要是沿著導軌面直向移動，從而調(diào)整了工作臺面和刨刀的距離。
6) 工作臺：工作臺就裝在梁的前部，用于工件以及夾具的安裝，既可以沿橫梁導軌進行水平移動，亦能夠在垂直面上旋轉(zhuǎn)相對范圍的角度，從而適應刨削斜面的需要。
7) 曲柄搖桿機構(gòu)與變速機構(gòu)：此機構(gòu)一般是在床身里面進行安裝，電機的旋轉(zhuǎn)運由過變速機構(gòu)與曲柄搖桿機構(gòu)的參與之后，變成為了滑枕的運動，即往復直線行駛。
8) 走刀機構(gòu)：走刀機構(gòu)是用來改變工作臺橫行移動速度的。一般為棘輪機構(gòu)刨削加工的特點及范圍：
1. 單刀斷續(xù)切削，返回行程不切削，為空行程。生產(chǎn)率比較低，一般用于單件的、少量的加工生產(chǎn)需要。
2. 加工精度低，一般只作為整形，去除大余量的粗加工工序。
3. 在刨削使有沖擊現(xiàn)象。
4. 正規(guī)的刨刀均設計為防沖擊、防扎刀的結(jié)構(gòu)。
5. 刨工加工的范圍主要在平面、側(cè)面、溝槽、T 形槽、燕尾槽。
2.2 牛頭刨床的傳動系統(tǒng)：
圖 2-2 是牛頭刨床的傳動系統(tǒng)圖，因為 B690 型號刨床在液壓系統(tǒng)下實現(xiàn)了運動和力的傳輸過程，所以在此處只對其傳動做一個簡要介紹，具體傳動情況見第 3 章。
圖 2-2 傳動系統(tǒng)圖
如圖 2-2 所示，油箱中的液壓油經(jīng)雙聯(lián)葉片泵 YB63 吸出，通過油管將帶有壓力能的油液輸入液壓缸，在活塞（1078）的推動下，使滑枕向左運動（刀架在滑枕上），這個過程為機床的主運動。
進給運動則是由一單出桿活塞缸（2062）經(jīng)過齒輪齒條機構(gòu)（2063），再經(jīng)由超越離合器機構(gòu)（2061），到齒輪機構(gòu)（2032），再傳遞至絲桿（2106）螺母（2092）工作臺的一系列機械傳動機構(gòu)完成的。
2.3 牛頭刨床的部分典型零件：
牛頭刨床的組成來源于數(shù)個零部件相配合，每一個零部件在加工過程中都有著自己的作用，所以選擇部分零件繪制出圖紙，以供更好的分析和使用機床。
在此，選擇了床身、底座、法蘭盤、活塞、活塞桿等部件進行繪制，圖紙如 2-3、2-4、2-5、2-6、2-7 所示。
圖 2-3 牛頭刨床床身
圖 2-4 牛頭刨床底座
圖 2-5 牛頭刨床法蘭盤
圖 2-6 牛頭刨床活塞
圖 2-7 牛頭刨床活塞桿
3.牛頭刨床液壓系統(tǒng)設計
3.1 液壓系統(tǒng)工作原理
圖 3-1 液壓系統(tǒng)原理圖
1.雙聯(lián)葉片泵（1.1 小流量液壓泵 1.2 大流量液壓泵） 2.變級閥
3.換向閥
7.調(diào)速閥
4.節(jié)流閥
8.背壓閥
5.操縱閥
9.小操縱閥
6.制動閥
10.小換向閥
11.開停閥
12.13 溢流閥
14.進給閥
15.進給液壓缸
16.滑枕液壓缸
17.濾油器
18.分油器
19.壓力開關表
20.壓力表
如圖 3-1 所示，B690 型號刨床在液壓系統(tǒng)下實現(xiàn)了運動和力的傳輸過程。整個床子主運動過程是一個單桿活塞缸體牽引著滑枕實現(xiàn)了直線往復運動過程。對于其進給運動的過程，則是由另一單桿活塞缸體在多步機械傳動機構(gòu)的協(xié)調(diào)下最終實現(xiàn)，這個傳動鏈可以簡要視為液壓缸體傳遞到齒輪、齒條機構(gòu)上，再進而通過超越離合器，到達另一齒輪傳動機構(gòu)，最后傳遞至絲桿、螺母工作臺。查閱機床全套基本零件簡圖冊可知，床子的主運動切削速度大小是在 3-37m/min 范圍之內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)無極變速，其工作壓力最高可達 28000N。
當然，對于一個完備的液壓系統(tǒng)而言，當然不只有主運動回路和進給運動回路，還
包含一些其他的運動回路，就眼前設計的 B690 型牛頭刨床來說，諸如機床還有開?；芈?、滑枕導軌的潤滑回路等。比如開?；芈愤^程：滑枕的動作和靜止在開停閥 11 與制
動閥 6 配合之下實現(xiàn)，當開停閥 11 的左位接入到回路中以后，溢流閥 12 進行卸荷，整
個回路壓力會降下來，制動閥 6 由于彈簧作用換成右位接入到回路中，滑枕此時停止，
系統(tǒng)處在卸荷的狀態(tài)中。而當開停閥 11 右位接在回路中的時候，系統(tǒng)的工作壓力會重
新恢復，制動閥的左位接在回路中，滑枕 16 即開始運動。所以，滑枕液壓缸在任意位置的開或停是由開停閥實現(xiàn)的，且滑枕靜止時，能量消耗明顯下降。對于此機床來說極為重要的主運動回路，在下節(jié)做了更為細致的介紹
3.2 液壓系統(tǒng)中的主要液壓元器件：
B690 型號的牛頭床液壓系統(tǒng)中使用了許多常見的液壓元件。例如為系統(tǒng)提供動力的裝置雙聯(lián)葉片泵，執(zhí)行回路工作的裝置單出桿活塞缸，還有回路里的調(diào)控裝置如溢流閥、節(jié)流閥、換向閥等。
雙聯(lián)葉片泵：這個泵是由兩個單級葉片泵分配在一同個泵體里面在回路里并聯(lián)而成。葉片泵的兩個轉(zhuǎn)子是在相同傳動軸的帶動下旋轉(zhuǎn)的，二者都有分立的油出口，這兩個配合使用的泵既可以是相同流量大小的，也可以不是同一流量大小的。在 B690 牛頭刨床中，選用的是不等流量的。
單出桿活塞缸：如原理圖 15、16 所示，在它的一個方向伸出去活塞桿，兩邊的容積也是不相等的，所以由供油量的多少與其活塞的有效面積一起影響了它里邊油液的速度大小。
換向閥：如原理圖中的的閥 3，這種閥在液壓系統(tǒng)中的使用極為廣泛，它利用了閥芯在閥體里的移動，從而控制閥口的通和斷，就可以改變油液運動方向，從而控制執(zhí)行機構(gòu)。
溢流閥：如原理圖中的 12、13，這種閥一般有兩種作用，既可以用于保證系統(tǒng)中壓力穩(wěn)定，與節(jié)流閥配合使用；也可以用于過載時的溢流，這時起的是安全閥的作用，所以有時也叫安全閥。
3.3 主運動回路工作過程：
圖 3-2 無極調(diào)速結(jié)構(gòu)原理圖
此處，以主運動回路為例，對液壓系統(tǒng)的運動進行分析。
變級閥在第一級位置時的油路情況如圖 9-5a 所示，進油路：流量為 50L/min 液壓泵→油路 3→變級閥的環(huán)槽 32、31→油路 37→換向閥的環(huán)槽 11、12→制動閥的環(huán)槽 29、
30→油路①→液壓缸的左腔。此時活塞向右移動，即滑枕向右運動，為工作行程。同時油路 37 還與溢流閥相連，而環(huán)槽 12 還與調(diào)速閥相連，可以完成安全溢流與旁路調(diào)速?；赜吐罚阂簤焊子仪弧吐?2→制動閥的環(huán)槽 27、28→換向閥的環(huán)槽 10、9→先導閥的環(huán)槽 16、17→油路 4→變級閥的環(huán)槽 33、34→油路 5→背壓閥→油箱。當工作臺行至右端通過擋鐵和換向杠桿將先導閥撥到左端位置，此時，先導閥的環(huán)槽 24 和 23 相互連通。工作時，液壓系統(tǒng)的壓力保持較高的工作壓力（安全閥調(diào)值為 5MPa）。當先導閥移動到左端位置時，換向閥要開始移動的瞬間，溢流閥的控制油路 40 通過油路 8、環(huán)槽 26、
25、24、23 油路 38 來連通了 A 閥（背壓閥的調(diào)整壓力在 0.6-0.8MPa），此時溢流閥控制腔的壓力由 A 閥決定，而油路 39 的工作壓力也由此決定，也就是說，在換向的瞬間， 整個液壓系統(tǒng)壓力下降為 0.6-0.8MPa 左右，以減少換向沖擊。當先導閥移動到左端之后，環(huán)槽 15 和 14 接通，換向閥右端和和壓力油連通，同時切斷了環(huán)槽 20 和 21，使環(huán)
槽 21 和 22 連通，換向閥左端的油液通過環(huán)槽 21、22 及油路 7 流回油箱。此時換向閥向左移動換向。換向閥換向時向左切斷了環(huán)槽 25 和 26，也就是切斷了油路 40 與 A 閥的連接，而油路 40 與 B 閥仍然連接，因而此時最大工作壓力由 B 閥決定，使液壓系統(tǒng)恢
復了正常的工作壓力。此時油路是：壓力油由環(huán)槽 11→環(huán)槽 10、28、27→油路 2→液壓缸右腔。液壓缸左腔回油→油路 1→環(huán)槽 30、29、12、13、19、18→油路 7→油箱，此時滑枕快速退回。以上是從工作行程到回程的一次工作行程。同理，可再重復由回程變到再一次工作行程。
當變級閥在第二位置時的油路狀況如圖 9-5b 所示，流量為 50L/min 的液壓泵不供油，經(jīng)油路 3 到達 32、31 再到 34、35，然后經(jīng)回路 5 流回到油箱。而流量為 100L/min 的液壓泵的油沿油路 6 流入環(huán)槽 35、36，其它運動與變級閥的第一位置相同?；淼乃俣扔闪髁繛?100L/min 的液壓泵的供油而決定。
當變級閥在第三級位置時的油路情況如圖 9-5c 所示，從流量為 50L/min 的液壓泵來的油液，經(jīng)由路 3、環(huán)槽 32、31 流入油路 37。從流量為 100L/min 的液壓來的油液， 沿油路 6 經(jīng)環(huán)槽 35、36 頁流入油路 37。兩個泵交匯的油共同流入環(huán)槽 11、12。其他運動與變級閥的第一位置相同。變級閥第三位置時，工作時液壓缸是由兩個液壓泵供油的。
當變級閥在第四位置時的油路狀況如圖 9-5d 所示，除了流量為 50L/min 與流量為
100L/min 的兩個液壓泵的油同時供油之外，而且回油腔的油液也會補充到操縱箱中，即回油沿著油路 2 及環(huán)槽 27、28，環(huán)槽 10、9、16、17，再經(jīng)油路 4 流入變級閥的環(huán)槽 33， 然后經(jīng)環(huán)槽 32 和 31 流入油路 37，實現(xiàn)液壓缸的差動連接。其它運動循環(huán)都與變級閥第一位置時相同。
3.4 此液壓系統(tǒng)優(yōu)缺點分析：
B690 牛頭床的整個液壓系統(tǒng)回路，綜合來說既有優(yōu)點，也有部分瑕疵，此處進行簡要說明。
系統(tǒng)回路優(yōu)勢體現(xiàn)在三個方面：第一是液壓系統(tǒng)回路未采用一個定量泵節(jié)流調(diào)速或者是價格比較昂貴的變壓型油泵容積調(diào)速回路，而使用的是兩個定量泵體組合變級調(diào)速加以調(diào)速閥而成的旁路節(jié)流調(diào)速，而且是無極調(diào)速，所以實現(xiàn)了很大的范圍內(nèi)的變速能力。此調(diào)速形式可以視為節(jié)流調(diào)速與容積調(diào)速的相融合，故而系統(tǒng)包含有多個優(yōu)勢，在滿足結(jié)構(gòu)簡單的同時，還使價保持在較低的水平，并且其輸出功率會隨著回路里負載改變而隨之發(fā)生改變，功率的消耗也很少。
第二點是此液壓系統(tǒng)的換向時間是可以調(diào)整的，在換向閥方向改變的時刻，同步進行了回路的釋壓，確保了系統(tǒng)壓力維持在了比較低水平上，故而換向的過程也顯得更加的平穩(wěn)。
第三點則為開停閥被放在了溢流閥遠程的控制口位置，同時加上了制動閥 6，能夠使系統(tǒng)的運行和停止和回路的卸荷相配合在一快，從而保證在運動過程中，刨床的滑枕
可以在任何一個位置上開或者停，而且在機床停下來的時候回路很自然的就進入了卸荷的情況中。
系統(tǒng)的缺點則主要體現(xiàn)在兩點：第一點是系統(tǒng)的發(fā)熱情況較為嚴重，查資料可以了解到牛頭刨床在連續(xù)工作 3 個小時左右時油液的溫度會上升到 36 度左右。試想一下， 假如是在炎熱的夏季機床進行工作時，那油溫上升必定更為明顯，產(chǎn)生這個問題的主要原因在于機床的液壓系統(tǒng)與牛頭刨床本身的結(jié)構(gòu)設計有關，因為油箱容量太小。散熱條件就會很差。其次整個系統(tǒng)的動力裝置液壓泵是沉浸在油液當中的，所以它在工作上產(chǎn)生的熱量也直接傳遞給了液壓油。
第二個缺點在于溢流閥 12 的作用本身應該是其一個限定壓力的作用從而防止系統(tǒng)過載，然而在實際的工作過程中，卻并沒有完全達到要求，因為其壓力 5MPa 是按照變級閥在第一級速度工作時而設定的，然而當機床在其他幾個級別運行的時候，因為電動機功率是一定的，所以工作的壓力是不可以達到 5MPa，查閱資料可知，其他幾級時的壓力會逐次減少，也就是說，在其他幾級工作時，溢流閥并不能起到安全限壓的作用，即在其他幾級工作時，如果切削負荷增量超過預定值的時候，系統(tǒng)會有過載的現(xiàn)象產(chǎn)生， 最后導致的是電動機的超載，其轉(zhuǎn)速會下降，從而滑枕速度也會下降，如果像這樣長時間的進行工作的話，對液壓回路是極為不利的。以上就是液壓系統(tǒng)主要的優(yōu)缺點。
4 機電控制系統(tǒng)設計
4.1 設計原理
圖 4-1 機電控制原理圖
如圖 4-1 所示，B690 牛頭刨的控制由兩個電機帶動，主軸控制電機 M1 以及工作臺進行迅速移動的電機 M2。在按下了按鈕 SB2 的時候，接觸器 KM1 的線圈會得電，KM1 觸點將吸合并立刻完成自鎖，主軸電動機 M1 此時在運轉(zhuǎn)；當按下了按鈕 SB3 時，接觸器
KM2 的線圈也將得電，KM2 觸點吸合在一起，電動機 M2 就啟動運行起來；如果松開了 SB3 按鈕的話，接觸器 KM2 將釋放，電動機 M2 也會停止運轉(zhuǎn)，故而工作臺的快速移動電動機 M2 是點動控制的方式。在右側(cè)是機床的照明電路。
4.2 電器元件的選擇及安裝接線圖：
表 4-1 元器件選型
元器件名稱
功能實現(xiàn)
元器件型號
按鈕和熔斷器的組合
進行電源開關及短路保護
BS 系列按鈕開關
交流接觸器
觸點負責打開閉合控制
線圈得失電
CJ20-10
熔斷器
單純進行短路保護
RT18 型組合熔斷器
熱繼電器
進行電路的過載保護
NR2-200
選型計算：
熔斷器的選擇：對于已經(jīng)選定的電動機，其額定電流為 8.32A，兩臺電動機其啟動電流都為額定電流 7 倍，所以選擇一個即可。故而：
I = IM 1 ′ 7 + IM 2 = 8.32′ 7 + 8.32 = 26.6A
R 2.5 2.5
（4.1）
所以可選用 RT18 型組合熔斷器，配用 32A 熔斷體。
交流接觸器的選擇：主要由主觸點額定電流決定，根據(jù)電動機功率進行計算：
P ′103 (0.7 +1)′103
I 3 d = = 4.47 A
（4.2）
d
C KU 1′ 380
故而可選用 CJ20-10 型號的交流接觸器，額定電流 10A。
熱繼電器的選擇：用于保護電路，根據(jù)電機額定電流選擇，應接近或略大于均可， 在 0.95-1.05 屬于正常范疇：
IRT = (0.95 -1.05)Ied = 7.91- 8.74A
故而可選用 NR2-200 型號的熱繼電器，其電流范圍符合要求。
（4.3）
對于其他元件的選用只要滿足電路需求即可，由于標準較低，故而不單做計算，例如按鈕，直接選用 BS 系列即可，顏色醒目，不同顏色代表其通斷情況，電源與熔斷器相連，有三個接口，故直接選用三相四線制即可。
4.3 PLC 控制系統(tǒng)設計
圖 4-2 安裝接線圖
1. PLC 基 本 概 念 及 特 點 介 紹 ： PlC 的英文全稱是 Programmable Logic Controller ，在 1985 年的時候國際電
工委員會曾明確規(guī)定：這是一種進行數(shù)字運算的電子操作系統(tǒng)裝置，專們在工業(yè)的情況下使用而研發(fā)的。
PLC 最初的起始甚至可以到上世紀 60 年代美國的通用公司，他們?yōu)闈M足汽車型號總是更新的要求，對生他們產(chǎn)線上的那些起控制作用的機器提出了（與、或、非）新的使用要求，從而研制出來了第一臺可編程序控制設備，使用在他們的生產(chǎn)線上面。可以通過調(diào)整存在內(nèi)部指令的方式來改變生產(chǎn)線的調(diào)控流程。因此供給了繼電接觸器這種控制系統(tǒng)所不能相比的靈活性。但在那個時候它主要的作用是替代繼電接觸器控制系統(tǒng)順序控制，即使也有著計算機的設計思維，然而實際上卻只可以進行邏輯運算而已，主要是應用開關量的邏輯控制，所以也變成可編程序邏輯控制器，到了 80 年
代之后，由于微電子技術與計算機技術的迅速進步，可編程序控制器的作用已然大大的超過了邏輯控制、順序控制的范疇，能夠進行模擬量控制、位置控制。尤其是遠程通訊能力的實現(xiàn)，容易實現(xiàn)柔性加工以及制造系統(tǒng)。故而將其稱為可編程序控制器， 簡稱 PLC。
PLC 有以下幾大典型特點：首先結(jié)構(gòu)比較靈活，受周圍環(huán)境的影響較小，于此同時它在傳輸?shù)馁|(zhì)量上那也是極其的高，速度比較快同時很穩(wěn)定，在這么巨大的優(yōu)勢前提下他它的費用相對來說還是較為優(yōu)良的，所以說它的適用面是很廣泛的。
PLC 一共分為 6 大模塊：控制器與輸入輸出模塊、傳感器與執(zhí)行器、人機交互、網(wǎng)絡通信、編程設備、項目管理軟件。
PLC 是在微型計算機技術、自動控制技術、通信技術基礎上而發(fā)揚的一種現(xiàn)代化的工業(yè)控制裝置，在隨著電子技術的迅速發(fā)展下，PLC 自身功能亦不斷的加強，在很多領域的生產(chǎn)過程當中，也有了越開越廣闊的應用。PlC 工業(yè)應用主要包括：開關邏輯控制、過程控制和運動控制。PLC 在世界各地也已經(jīng)廣泛的應用在很多方面諸如鋼鐵、石油、電力、機械制造、汽車、環(huán)保甚至是文化領域等行業(yè)。工業(yè) 4.0 浪潮的到
來，必然會促使信息化與工業(yè)化的高度相融，PLC 使用的范圍必然也會更為廣泛。2.PLC 輸入輸出分配表：
表 4-2 輸入輸出分配表
輸入信號
輸出信號
名稱
代號
輸入點編號
名稱
代號
輸入點編號
主軸電動機 M1 熱繼電器
KR
I0.0
主軸電動機M1 接觸器
KM1
Q0.0
總停止按鈕
SB1
I0.1
快速移動電
機 M2 接觸器
KM2
Q0.1
主軸電動機 M1 啟動按鈕
SB2
I0.2
快速移動電機
M2 點動按鈕
SB3
I0.3
由于前邊已經(jīng)對接觸器繼電器等元器件進行了選型計算，所以此處不再做贅述，對于 PLC 的選型，由于此控制電路較為簡單，有 4 個輸入接口，兩個輸出接口，所以 S7-200 最簡易型 PLC 即可滿足其使用，所以在此處選用 S7200-221 型號的 PLC，即可滿足電路的使用。
3. PLC 控制接線圖如下圖所示：
圖 4-3 控制接線圖
4. PLC 梯形圖及指令語句如下：
圖 4-4 PLC 梯形圖
表 4-3 指令語句表
LDN
I0.1
LPS
LD
I0.2
O
Q0.0
ALD
A
I0.0
=
Q0.0
LPP
A
I0.3
=
Q0.1
5. PLC 安裝接線圖：
4.4 基于宇龍平臺的仿真分析
圖 4-5 PLC 安裝接線圖
在完成了原理圖分析，各類電器元件的選型以及 PLC 的選擇工作以后，還需要對這次的機電控制系統(tǒng)進行仿真，以檢驗此次的設計成果，此次仿真選用的是宇龍機電仿真
軟件。
宇龍機電控制仿真軟件，主要是有 3 個大門類功能部件的組成：電路功能的部件、液壓回路實現(xiàn)部件、氣壓系統(tǒng)實現(xiàn)部件。它能夠在一個全為軟件的情況下，依靠系統(tǒng)自身攜帶的各種功能部件實現(xiàn)所需要的自動控制訓練平臺。此功能部件庫為一個完全開放式的內(nèi)容庫，能夠根據(jù)要求不停的將各樣的功能部件加入到現(xiàn)已有的部件庫，同時這些功能部件還能夠自己添加及修改。對于 PLC 來說，它不過是一種電路功能實現(xiàn)部件，現(xiàn)在，宇龍機電控制仿真軟件包括了歐姆龍、西門子、三菱等諸多品種的 PLC 部件，而且還擁有這三種 PLC 部件的仿真程序編輯器，在這些的編輯器當中，使用者能夠進行 PLC 程序的編寫。
在此次的仿真練習中，我發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)電路圖同系統(tǒng)實物圖以及系統(tǒng)當前運行狀態(tài)是密切相關的，當在電路圖中選中這些零件，可以查看到相應的實物模型。我還弄懂了實際電路系統(tǒng)布局、接線情況，當系統(tǒng)的運行狀態(tài)發(fā)生了改變，電路圖上相應的電路狀態(tài)也發(fā)生相應變化。此次的實物連線仿真圖如下圖所示。
圖 4-6 機電接觸器實物仿真圖
圖 4-7 PLC 實物仿真圖
5.總結(jié)與展望
5.1 總結(jié)
此次畢業(yè)設計的題目是 B690 型牛頭刨床的液壓及控制系統(tǒng)設計，機床的正確使用對于機械加工有重要意義，故而了解機床結(jié)構(gòu)并掌握其工作過程是十分重要的。在此次的設計過程中，主要進行的工作有圖紙的繪制、機電控制系統(tǒng)選型、液壓系統(tǒng)分析等，B690 型牛頭床采用了不同于以往的機械傳動，提高了效率，促進了生產(chǎn)， 缺點則是系統(tǒng)發(fā)熱較為嚴重，所以還是有改進空間的。對于個人而言，以前的學習中不擅長制圖，此次設計中，進行了大量圖紙繪制，繪圖水平有了很大的提高。液壓及機電部分的工作也使自己對知識的掌握更加的扎實，設計結(jié)束已經(jīng)基本弄清了牛頭刨床的結(jié)構(gòu)及工作過程，收獲巨大。此次設計，不僅是對自己大學四年所學知識的一次梳理，更像是自己對大學四年各方面的一次審視，我看到了自己的些許長處，但更多的是了自己的不足。
5.2 展望
此次的畢業(yè)設計，絕對不是一次終結(jié)，反而是新旅程的一個起點，在即將完成大學生涯的最后，它帶給我的不僅是一次知識的儲備積累，更像是我職業(yè)生涯道路的第一把火，帶來了光明，帶來了希望，我也一定會將此次設計工作中不怕困難，踏實努力的精神帶到日后的工作中去，我相信我一定得到一份讓自己滿意的收獲！
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附錄 1：外文翻譯
牛頭刨床和龍門刨床刀具頭的改進用于提高生產(chǎn)力以及節(jié)約能源
摘要：在制造車間，許多機床被使用。其中兩個是牛頭刨床和龍門刨床，這兩
個機器被用來加工平面。他們使用單點道具的往復運動來完成工作。在刀具前進的過程中會進行加工，而在回程的時候刀具則會處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。機器的快速返回機制，減少了無效時間和能源損耗。為了進一步減少空轉(zhuǎn)時間，改良后的刀具頭是由兩個擺動刀架設計而成，并且制造和測試的。這種安排確保了在刀具返程過程中，也可以完成材料的祛除。在這篇文章里，實驗的結(jié)果，如何節(jié)約能源減少加工時間以及提高生產(chǎn)力，都會被一一敘述。
關鍵詞：生產(chǎn)率改進、牛頭刨床、節(jié)約能源
簡介
熱能和電能是工業(yè)中使用的兩個能源形勢，以熱的形勢來命名的一些加工過程的能量被用于鍋爐生產(chǎn)蒸汽，爐內(nèi)融化金屬，內(nèi)燃機發(fā)展軸功率以及醫(yī)院的消毒等。同時，電能的形式用在燈泡中產(chǎn)生光，在電動機中產(chǎn)生不同容量的軸功率以滿足不同的應用如電機與泵，洗衣機，風扇以及其它一些電器耦合機。
在制造車間不同類型的機床被用于不同過程，有少部分是旋轉(zhuǎn)式機床， 其它大多數(shù)是往復式機床。典型的例子有車床，外圓磨床，凸輪加工機床， 這些機床中，工件被旋轉(zhuǎn)，而刀具被安裝在固定刀架上。牛頭刨床和龍門刨床是用于加工平面的機床，這類機床有往復運動的刀具或工件，通常一個單點的工具會用這些機床，在刀具前進的過程中，工件將被加工而在刀具返回過程中，刀具將會處于閑置狀態(tài)。為了改變著一點，刀具被安裝在
一個被稱為擺動刀架的裝置上。換句話說，改變返回過程中刀具處于不加工的無效移動狀態(tài)。
為了減少空置時間，用第二擺動刀架提供一個新的刀具形態(tài)用于牛頭刨床和龍門刨床機械。在這篇文章里， 實驗的結(jié)果，如何節(jié)約能源減少加工時間以及提高生產(chǎn)力，都會被提及。
牛頭刨床: 整形是一種往復式機床，主要用于平面機。他們可以分為如下：
l 標準型的或普通的牛頭刨床，
l 曲柄式，
l 齒輪傳動的類型，
l 液壓式，
l 臥式，
l 推式，
l 拉式
l 垂直型和
l 齒輪加工齒輪刨床
工具頭連接到滑枕可往復運動?；砗偷毒叩倪\動是由一個電動機或液壓回路驅(qū)動。一個快速返回機制是用來使返回中速度比向前切削行程快。返回到切割時間的比工率是在 0.3 到 0.5 的范圍內(nèi)。加工過程發(fā)生在 ram 的前進沖程中?；爻讨校S著擺動刀架裝置的幫助下，刀具空置時傾斜一點，傾斜的刀架幫助我們避免損害被加工表面。
工件得到加工，并且是夾在桌子上。它可以縱向或側(cè)向移動提供所需要的切削深度和進給。加工可以分為四個步驟：
l 首先將工件安裝在工作臺上，在刀架上設置粗切削刀具。
l 其次，RAM 的行程長度設置在這樣一種方式，該工具將有過多拍切割從工作的兩側(cè)。
l 第三，切削深度和交叉進給設置和粗切削完成。
l 最后，使用精加工工具完成加工。對于精加工的切削，切削深度與粗切削相比可能很小.
龍門刨床：龍門刨床用于加工大型平面。在這些機床中，刀具安裝在刀架上，刀架將固定在固定機架上，工件應安裝在往復工作臺上.。龍門刨床的工作臺攜帶著固定在上邊的工件進行回轉(zhuǎn)。通常一個單點刀具安裝在刀架上并且有一個固定的位置，而工作臺是由機械，液壓或電動裝置驅(qū)動的回轉(zhuǎn)裝置。工作臺的進給過程中，工作被刨削同時刀具也經(jīng)歷了空置過程。
典型龍門刨床如下：
l 雙柱型，
l 單柱式或開式，
l 邊緣盤式
l 雙工作臺式。
龍門刨床機械特殊的設計可以像平面磨床、龍門銑床。很少有設計能提供一個以上的刀架和可以容納一個單點刀具。這使機器更具生產(chǎn)力。特殊工具可滿足行程長度的表范圍從 1 到 12 米。
牛頭刨床和龍門刨床的工具頭
傳統(tǒng)的工具頭：類似安排用于牛頭刨床和龍門刨床支持刀具和工件。牛頭刨床或龍門刨床的主要部件是鞍，旋轉(zhuǎn)底座，橫進給裝置、垂直進給裝置、擺動刀架、擺動頭和刀架。工具頭支撐刀柱，其中可安裝單點刀具.。擺動刀架和普通刀架由腹板兩側(cè)支撐。在某些設計中，達到 60°的兩邊旋轉(zhuǎn)是可能實現(xiàn)的。提供手輪移動工作臺。在刀具的前進行程中，工件將被加工， 在刀具向后行程時，刀具將處于空轉(zhuǎn)狀態(tài).。要做到這一點，刀具安裝在稱為旋轉(zhuǎn)刀架的裝置上。換句話說，改變返回過程中刀具處于不加工的無效移動狀態(tài)。
改良工具頭：在牛頭刨床和龍門刨床的刀架上做過類似的改進。改進的工具頭的設計和制造用于容納兩個擺動刀架。
一般來說，擺動刀架做的比較小， 刨削長度是主要考慮。擺動刀架分別放置在 180°相移是合適的位置。左邊的刀具使用硬質(zhì)合金刀具用于測試。刀具的工作與牛頭刨床和龍門刨床的普通刀具相同，向前的行程中進行刨削，回程時刀具空載。在修改后的刀架上，由于兩個刀架處于 180°相移， 在向前行程時會有一個粗切，在回程
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