基于西门子S7-1200PLC的CVD金刚石涂层刀具预处理设备的研发
摘要：本课题针对CVD金刚石涂层刀具预处理方面存在的人工处理工作量大，效率不高，精度不稳定等问题。结合实际情况，设计研发了一套用于CVD金刚石涂层刀具预处理的自动化设备。本文整体上面分为设备设计方案的总体布局，机械系统设计，电气控制系统设计，plc编程四大部分。本文的主要内容如下：首先，结合涂层刀具预处理的工作要求，对预处理设备进行总体的布局;根据实际情况，对进给系统采用同步带传动；为提高设备的稳定性，将设备的刀具安装架与竖直方向的导轨端部连接，从而带动工件运动；接着运用UG软件进行三维建模，并绘制装配图；然后，结合工作环境，对控制系统进行选型和设计；最后，利用博图软件进行编程设计。本文设计的CVD金刚石预处理设备操作简便，成本低廉，安装方便，对涂层刀具的批量处理，提高刀具生产效率等具有重要意义。
关键词：金刚石薄膜；CVD；涂层刀具；预处理设备；PLC
Development of CVD Diamond Coating Tool Pretreatment Equipment
Absrtact: this paper aims at the problems of large workload, low efficiency and unstable precision in the pretreatment of CVD diamond coated tools. According to the actual situation, an automatic equipment for CVD diamond coating tool pretreatment was designed and developed. As a whole, this paper is divided into four parts: general layout, mechanical system design, electrical control system design and plc programming. The main contents of this paper are as follows: first, combined with the working requirements of coating tool pretreatment, the overall layout of the pretreatment equipment is carried out; according to the actual situation, the feed system is driven by synchronous belt; in order to improve the stability of the equipment, the knife of the equipment is made A mounting frame is connected with the vertical end of the guide rail, thus driving the movement of the workpiece; then the UG software is used for 3D modeling and drawing assembly drawings; then, combined with the working environment, the control system is selected and designed; finally, the programming design is carried out by using the Bogu software. CVD diamond pretreatment equipment designed in this paper has the advantages of simple operation, low cost and convenient installation, which is of great significance the batch processing of coated tools and the improvement of tool production efficiency.
Key words: diamond film; CVD; coated tool; pretreatment equipment; PLC;
目录
第一章 绪论 1
1.1 CVD金刚石技术的研究价值 1
1.2CVD金刚石涂层技术的现状和发展 1
1.2.1国外CVD涂层技术的研究情况 1
1.2.2国内CVD涂层技术的研究情况 2
1.2.3CVD金刚石涂层刀具的前景 3
1.3CVD金刚石涂层刀具的制备方法 3
1.3.1HFCVD法制备金刚石薄膜 4
1.3.2MPCVD法制备金刚石薄膜 4
1.4 CVD涂层刀具的预处理方法 4
1.5本文研究的主要内容 6
本章小结 7
第二章 预处理设备总体方案设计 8
2.1CVD金刚石涂层刀具预处理设备的工作原理 8
2.2总体布局的基本要求 8
2.3总体结构框架的选择 10
本章小结 11
第三章 刀具安装座的设计 12
3.1连接件的设计 12
3.2刀具固定板的设计 12
本章小结 13
第四章 进给系统的设计 14
4.1各个直线进给运动方案 14
4.1.1齿轮齿条副 14
4.1.2滚珠丝杠副 14
4.1.3同步带传动 14
4.2同步带式进给系统设计方案 14
4.2.1设计准则 14
4.2.2同步带设计计算 15
本章小结 21
第五章 电气部件选型选型 22
5.1电机的选型 22
5.2超声波振子的选用 22
5.3限位开关的选用 22
5.4电磁阀的选型 23
本章小结 24
第六章 控制系统和plc编程 25
6.1工作流程及要求 25
6.1.1控制要求 25
6.1.2控制系统工作过程 25
6.2控制系统plc的介绍 25
6.3plc的选型 25
6.4plc的I/O点数分配 26
6.5 S7-1200控制步进电机的工作原理 27
6.6程序的编写 28
本章小结 29
结论 31
致谢 32
参考文献 33
附录 34
附录1 刀具安装座图 34
附录2 悬挂式连接件图 34
附录3 装配图 34
附录4 电气原理图 34
附录5 PLC程序图 34
第一章 绪论
1.1CVD金刚石技术的研究价值
金刚石凭借其半导体特性，化学惰性等优异的物理化学特性，使金刚石成为具有广泛应用前景的新型的材料。随着金刚石技术的研究的深入，它在社会中的作用得到发掘，它在技术发展中起到的作用越来越大，科学家们已经十分重视这项技术了。
第一颗金刚石是由瑞典的ASEA实验室所制备出来的，之后，金刚石的许多优异的特性被开发。1977年GE公司成功研制出了可以代替天然金刚石的刀具，是金刚石逐渐向低成本方面转变。
但金刚石的应用由于科学技术的缺陷，在当时没有其他的选择，所用的都是天然的金刚石，这种资源十分有限，研究的步伐迟迟没有进展。经过科学家们的不断钻研，使得化学气相沉积法生成CVD（金刚石薄膜）的得以成功研制，才使得他的光芒得到扩散。专家断言，随着研究的深入，人们对金刚石有了更深入的解析，金刚石在新型材料方面的应用能力将无限开发。它成为在经济支柱型产业，比如汽车零部件，现代化加工，国防军事等领域的核心材料，能有效的改善产业的结构。
1.2CVD金刚石涂层技术的现状和发展
1.2.1国外CVD涂层技术的研究情况
随着工业的逐步发展，世界上已经有很多国家，特别是发达国家越来越重视 CVD 金刚石这项技术的研发。许多国家已经在新型材料的开发、刀具的加工、刀具的应用等方面投入了很多人力物力，这进一步推动了 CVD 金刚石技术在工业领域的发展。
就目前而言，CVD金刚石涂层技术在社会科技的不断发展中不断进化，国外已经有多家企业把CVD金刚石涂层刀具技术的研发作为主要工作项目。CVD金刚石涂层刀具在如今的精密型加工领域，比如是汽车精密制造、航空航天技术、集成电路板卡的研发等的应用越来越广泛 。
村上良彦【2】等人曾发表文章称 Crystallume 与美国车企和航天企业合作，联合开发了 13 个系列的复杂形状的金刚石涂层刀具。Ceme Con 公司通过对传统金刚石薄膜涂层刀具进一步深入研究 ，研发出金刚石涂层刀具的微米复合型，日本 OSG【5】 株式会社通过工艺控制获得了晶粒度一致、更加平整光滑的薄膜，使加工易粘刀材料时的机械性粘刀的问题得以有效解决。
1.2.2国内CVD涂层技术的研究情况
在1987年4月，在邹广田教授带领的科研人员的不懈努力下，终于用热灯丝低压CVD方法制备出我国第一片金刚石膜。
多年以来，在各代人不断钻研，不断探索中，国内专家学者已经研制出了高效先进的热丝法CVD金刚石厚膜生长技术，使得其具有产业化的能力。同时，为了跟好的完成对金刚石的加工，科学家们不懈努力，使我国在改技术领域内达到国际领先水平。
近年来，国内金刚石领域内的成果颇丰，无论是金刚石的制备，还是金刚石产业化生产都取得重大成就。国内金刚石的市场需求和技术地位越来越高。其中具有代表性的公司有：希波尔科技发展有限公司、天地东方超硬材料股份有限公 等。
虽然国内该技术进展迅速，但国内目前还没有单位能够设计与制造工业化生产CVD 涂层的设备。此外，国内的研制的CVD金刚石膜在技术的先进性、产品的多样性、质量的保障及应用的领域等方面还存在较大差距。当然， CVD 技术本身也存在一些缺点，如反应温度高，沉积速率低，并且制备金刚石涂层的气体含有毒性等。
1.2.3CVD金刚石涂层刀具的前景
CVD金刚石涂层技术的出现，为刀具在制造方法和材料的选用等方面提供了一种全新的方法。涂层刀具技术是刀具技术研发方面的一项重大的突破，其对于工业辅助刀具领域具有划时代的意义。
CVD技术所受的枷锁在人们的探索中打破。包括美国在内的许多国家已经把金刚石薄膜技术列入国家关键性技术之中，我国也十分重视这项技术的研发，为此建立了多个相关方面的项目。CVD金刚石材料和与之相关的产品的市场需求在随着技术的突破导致的材料成本的降低而不断地扩大。随新型材料的创新性产品不断问世，CVD金刚石已经逐渐中融入到社会经济的各行各业当中去了，并对各个行业产生重大的影响。因此，对于本课题所研究的刀具预处理设备对刀具的批量处理，十分有益。
1.3CVD金刚石涂层刀具的制备方法
将金刚石作为刀具的选用材料来制备成金刚石涂层刀具，可以有效的提高使用刀具的耐用度，提高刀具的使用寿命，同时减少加工过程中产生的废液污染，显著改善加工的环境。目前所普遍的制备方法有：热丝法（ HFCVD）、电子增强热丝法（EACVD）、微波等离子体法（MPCVD）、火焰燃烧法（CFCVD）等[7]。其中HFCVD 法和 MPCVD 法使用最为广泛。
1.3.1HFCVD法制备金刚石薄膜
热丝化学气相沉积法【3】作为金刚石薄膜制备的最早方法之一 ，其基本原理是，用温度在在2000～2700℃之间的灯丝，通入混合气体（气体的主要由H2和CH4）在该温度下进行反应，从而分解成具有化学活性的基团，再在氢原子的作用下生成金刚石厚膜。对HFCVD法造成影响的因素很多如碳源浓度等，因此沉积得到的金刚石涂层质量有所不同。
1.3.2MPCVD法制备金刚石薄膜
微波等离子体化学气相沉积法，与HFCVD法比较类似，两者的在制备上的主要差距是，前者是利用微波能量电离出含碳的活性基团，而微博等离子体法所制备的金刚石薄膜通过沉积的方法形成，可以获得更高精度的薄膜。到目前为止，MPCVD 法是最具有应用前景的方法。
