喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 摘 要 生產力的競爭是當今國際的主要競爭點所在，生產力的發(fā)展決定著一個項目乃至一個企業(yè)的命運,而生產力的發(fā)展的根本是要不斷地提高生產的效率，而臺式鉆床正是以新型鉆床為基礎發(fā)展起來的以針對性的加工特定零件為目的專用機床。 而在本次設計的題目正是針對臺式功能設計的臺式鉆床。臺式鉆床的應用相比較于傳統(tǒng)的加工方法，擴孔的效率大大的提升。 為了解決傳統(tǒng)鉆床在生產工程中存在的不足和問題，在保證產品質量的前提下，對傳統(tǒng)鉆床的結構進行改進。傳統(tǒng)鉆床的進給系統(tǒng)和送料系統(tǒng)的是靠人力去完成，我們通過設計改進，來提高產品質量和生產率，降低工人的勞動強度和工作量。 關鍵詞：臺式鉆床；進給系統(tǒng)；夾緊系統(tǒng)；送料系統(tǒng) Abstract Productivity is the main point of competition in today's international competition, the development of productive forces determines a project and the fate of an enterprise, and the development of productive forces is to continuously improve the efficiency of production, and bench drilling machine is developed on the basis of the new type of drilling machine for the purpose of targeted processing specific parts for machine tools. And in the title of this design is for desktop function design of bench drill. Bench drill application compared to the traditional machining method, expanding the efficiency greatly. In order to solve the defects of traditional drilling machine in the production of engineering and problems, on the premise of guarantee the quality of products, to improve the traditional structure of drilling machine. The traditional drilling machine feeding system and feeding system is to rely on human to accomplish, we through the design improvement, to improve product quality and productivity, reduce labor intensity and workload. Key words: bench drilling machine; Feed system; The clamping system; Feeding system 目 錄 第一章 引言 1 1.1 問題分析及其對策 1 1.1.1 現代制造業(yè)的發(fā)展狀況 1 1.1.2 問題的提出 1 1.1.3 問題的分析以及解決方案 1 1.2 本文研究的內容及目標 2 1.3 本章小結 3 第二章 自動鉆床的總體方案設計 4 2.1 自動專用鉆床已知條件和設計要求的概述 4 2.2 自動鉆床的工藝路線分析與確定 5 2.3 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計 5 2.3.1 執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設計 5 2.3.2 執(zhí)行系統(tǒng)的運動規(guī)律 6 2.3.3 執(zhí)行機構的形式設計 6 2.4 傳動系統(tǒng)方案設計和原動機選擇 7 2.4.1 原動機選擇 7 2.4.2 傳動系統(tǒng)方案設計 7 2.5 控制方案設計 8 2.6 總體布局設計 8 2.7 本章小結 8 第三章 專用鉆床進給系統(tǒng)的設計 9 3.1 進給系統(tǒng)概述與分析 9 3.2 進給系統(tǒng)方案圖的確定 10 3.3 工況分析 10 3.4 切削力的計算 11 3.4.1 切削刀具及相關參數的選擇 11 3.4.2 主軸轉速及鉆孔時間的計算 11 3.4.3 切削力的計算 12 3.5 鉆床主軸設計 13 3.5.1 主軸材料的選擇 13 3.5.2 軸徑的計算 13 3.5.3 軸的結構設計 14 3.5.4 軸強度的校核 15 3.6 進給液壓系統(tǒng)設計 16 3.6.1 負載分析 16 3.6.2 液壓缸執(zhí)行元件主要參數的確 18 3.6.3 活塞桿及活塞材料的選擇 25 3.6.4 活塞桿與活塞的連接方式及活塞密封裝置的選擇 26 3.6.5 液壓缸蓋與液壓缸連接方式及密封方式的選擇 26 3.7 本章小結 27 第四章 專用鉆床主軸傳動系統(tǒng)的設計 28 4.1 主軸傳動系統(tǒng)的分析 28 4.2 主軸花鍵的設計 28 4.3 主軸電機選擇 28 4.4 V帶傳動設計 29 4.4.1 設計功率的計算 29 4.4.2 選擇帶型 29 4.4.3 選取帶輪基準直徑和 29 4.4.4 驗算帶速 30 4.4.5 確定中心距和帶的基準長度 30 4.4.6 驗算小帶輪包角 30 4.5 本章小結 31 第五章 自動鉆床控制系統(tǒng)設計 32 5.1 自動鉆床的自動化控制要求 32 5.2 可編程控制器PLC的簡述 32 5.3 自動鉆床進給系統(tǒng)控制流程 32 5.4 自動鉆床進給系統(tǒng)電氣原理圖 34 5.5 自動鉆床進給系統(tǒng)控制元件的選擇 35 5.5.1 可編程控制器PLC的選擇 35 5.5.2 刀開關的選擇 35 5.5.3 熔斷器的選擇 35 5.5.4 交流接觸器的選擇 36 5.5.5 行程開關與接近開關的選擇 36 5.5.6 繼電器的選擇 36 5.5.7 控制元件選擇明細表 37 5.6 控制系統(tǒng)程序的編寫 37 5.6.1 輸入與輸出的分配 37 5.6.2 PLC程序清單 37 5.7 本章小結 38 結 束 語 39 致 謝 40 參 考 文 獻 41 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 第一章 引言 1.1 問題分析及其對策 1.1.1 現代制造業(yè)的發(fā)展狀況 在當今國際機械加工行業(yè)中，零件的加工方法越來越多樣化，可選擇的方法很多除去切削加工，鑄造、鍛造、焊接、沖壓、擠壓和輥軋等。而一半以上的工作量則由機床切削加工完成。所以機械生產過程中的主要設備是金屬切削機床。所以機床的性能和生產方法直接影產品質量和生產效率。 1.1.2 問題的提出 在切削加工中鉆床的生產工作量占總制造工作量的很大的比重?？椎募庸な怯摄@床，由搖臂鉆床、立式鉆床、臥式鉆床、深孔鉆床、多軸鉆床等。進行鉆孔、擴孔、絞孔、攻絲等。傳統(tǒng)的鉆床在生產中的問題： （1）自動化程度不高.，難以進行大批量的生產； （2）工作效率低，且工人的工作環(huán)境惡劣； （3）占用人力較多，操作固定不變易出錯； （4）精度不高，工件裝夾費時； （5）加工產品質量不高； 1.1.3 問題的分析以及解決方案 過去傳統(tǒng)的鉆床的不足主要是自動化程度低下、生產率一般、生產環(huán)境和產品質量。進給和上料系統(tǒng)都是需要人力完成。所以，我們要實現鉆床加工自動化、減少生產力的投入生產和與其它工藝流程相結合，同時也要考慮經濟問題[4]。 考慮分析，我們主要對機構設計和控制系統(tǒng)的改進去解決問題。通過對鉆床機構的改造來實現自動化控制的要求，提高產品的加工精度及質量；通過導入先進的控制系統(tǒng)來進行自動操控，從而實現自動化，便于導入到其它生產流程中去。為了解決問題和便于設計改造，我們將鉆床分為傳動系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)、送料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)五個部分，下面分別對各部分的問題提出解決方案： (1)傳動系統(tǒng) 為滿足改進后的加工及工作要求，在做出相應的計算后對傳動系統(tǒng)進行改進和調整。 (2)進給系統(tǒng) 傳統(tǒng)的鉆床主軸進給系統(tǒng)主要由主軸、主軸套筒、主軸套筒鑲套、齒輪齒條和軸承等組成。主軸在加工時作旋轉運動的同時作軸向的進給運動。機床主軸被裝置在主軸套筒內，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內，主軸上側由花鍵連接。機床加工時，旋轉運動由花鍵傳入，而進給運動則由齒輪通過齒條帶動套筒在鑲套內運動。為了實現自動化控制的要求，主軸進給機構改進主要有：主軸旋轉運動依然由電動機傳入，而進給則由液壓傳動替代手動的齒條傳動，通過液壓控制系統(tǒng)來實現進給動作。 (3)夾緊系統(tǒng) 手工操作夾緊是效率低下的一個原因。自動化控制工件夾緊解決的人力完成效率低下的問題。系統(tǒng)通過液壓控制系統(tǒng)來實現夾緊動作自動化。 (4)送料系統(tǒng) 傳統(tǒng)鉆床的送料主要由人力手工完成，和夾緊系統(tǒng)相同，動力源可由電機或液壓系統(tǒng)提供，共同實現自動化控制。 (5)控制系統(tǒng) 當前機床控制系統(tǒng)主要由計算機數控、繼電器電氣控制和PLC控制等，由于繼電器電氣控制系統(tǒng)，其聯動關系復雜，維修困難，故障率高，經常影響正常生產，計算機數控造價高、系統(tǒng)復雜，而PLC控制系統(tǒng)可靠性好、造價低、抗干擾能力強、柔性好、編程簡單、使用方便、擴充靈活、功能完善，所以我們利用PLC控制技術來實現對進給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)和送料系統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)的控制[3]。 1.2 本文研究的內容及目標 對傳統(tǒng)鉆床的機構和控制系統(tǒng)進行改進。主要改進的方面是普通臺式鉆床傳動系統(tǒng)的改進、進給系統(tǒng)的設計、進給系統(tǒng)液壓缸的設計和PLC控制系統(tǒng)的設計等四個方面。重點是進給系統(tǒng)、進給系統(tǒng)液壓缸系統(tǒng)的設計。改進和設計要達到的目標是能夠實現工作自動化，滿足以下要求： (1)能實現自動化連續(xù)生產，改善產品加工質量，提高生產效率； (2)降低工作人員勞動強度和工作量； (3)鉆床系統(tǒng)工作平穩(wěn)，滿足工作要求； (4)經濟因素合理； 1.3 本章小結 本章主要介紹了機械制造行業(yè)的現狀及問題，重點介紹分析了鉆床的生產方式及現今的不足之處。分析并提出解決問題的方案。 41 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 自動鉆床的總體方案設計 第二章 自動鉆床的總體方案設計 2.1 自動專用鉆床已知條件和設計要求的概述 總體方案設計的內容主要包括以下幾個方面： (1)執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計； (2)原動機類型的選擇和傳動系統(tǒng)的方案設計； (3)控制系統(tǒng)的方案設計； (4)總體布局設計； (5)輔助系統(tǒng)的設計； 本文對普通臺式鉆床的自動化改造及進給系統(tǒng)設計是以某五金工具廠鋼絲鉗生產線的自動化改造為背景。 已知：加工對象為鋼絲鉗，加工工序為在鋼絲鉗上鉆削直徑為φ12mm（鉆床最大鉆削直徑）的通孔，鋼絲鉗材料為Q235。 改造后的全自動鉆床應滿足以下設計要求： (1)滿足自動連續(xù)生產，且生產率為3把/分鐘； (2)自動化改造應是機械、電氣和液壓的有機結合； (3)傳動系統(tǒng)設計應包含切削力計算、電動機選擇、傳動裝置設計、床身結構設計等； (4)設計重點為鉆床液壓進給系統(tǒng)之進給油缸設計； (5)自動控制系統(tǒng)應以PLC與手動相結合的方式實現； 2.2 自動鉆床的工藝路線分析與確定 自動化加工是改進后相比較于傳統(tǒng)鉆床的優(yōu)勢所在。結合實際要求，設計工藝路線如下： 開啟→送料→夾緊→主軸快速進給→主軸工進→主軸停頓→主軸快速退回→夾具打開→出料→完成 成批生產的工藝流程，自動鉆床的動作流程圖如圖2.1所示。 圖2.1 自動鉆床動作流程圖 2.3 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計 本文自動鉆床的執(zhí)行系統(tǒng)主要包括鉆頭加工和進給液壓缸驅動進給。 2.3.1 執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設計 系統(tǒng)功能的設計決定產品的技術水平、質量、成本等。所以鉆床的系統(tǒng)功能原理的設計，要考慮鉆床功能的可實現性、先進性和經濟性。 對鉆床改造的目的主要是實現自動化連續(xù)生產，提高生產效率，符合工廠的生產要求，適應現代械加工業(yè)生產的發(fā)展需求。 2.3.2 執(zhí)行系統(tǒng)的運動規(guī)律 本文設計的重點在于鉆床液壓進給系統(tǒng)之進給油缸設計。我們要研究鉆頭在進行切削運動和進給液壓缸驅動進給運動時的運動規(guī)律。鉆頭在加工時的主要運動方式包括旋轉切削運動和鉆頭直線進給運動。進給液壓缸驅動進給運動要完成驅動主軸進給，為直線運動。 鉆床執(zhí)行系統(tǒng)的運動規(guī)律如圖2.2所示。 主軸直線進給運動 主軸旋轉切削運動 圖2.2 自動鉆床運動規(guī)律簡圖 2.3.3 執(zhí)行機構的形式設計 在此設計過程中，我們需要滿足執(zhí)行機構的工藝動作和運動要求、減小運動鏈和機構尺寸、考慮動力源的形式、讓整個系統(tǒng)有良好的傳力和動力、讓機械具有調節(jié)運動參數的能力，保證機械使用過程中的安全[5]。 所以，動力源與主軸之間我們選擇以帶輪傳動的方式去完成；使用運動的液壓缸。去實現鉆頭的直線往復的進給運動。 2.4 傳動系統(tǒng)方案設計和原動機選擇 2.4.1 原動機選擇 由執(zhí)行部件的運動規(guī)律選擇原動機。用電動機來實現主軸旋轉運動，進給液壓缸原動力選擇電動機驅動液壓泵 （具體型號在下面章節(jié)中計算后選擇）。 2.4.2 傳動系統(tǒng)方案設計 (1)確定傳動系統(tǒng)總傳動比 總傳動比是通過切削力和傳動效率的計算得出的，確定工作功率后，查表確認電動機的型號。通過鉆床的工作參數確定總傳動比。 (2)選擇傳動類型 傳統(tǒng)臺式鉆床主軸旋轉運動選擇帶輪V帶傳動，它在運轉過程中提供過載保護； 液壓傳動實現鉆頭的直線進給運動，這種傳動方式的優(yōu)點有： (a)在輸出功率相同的條件下，體積小、重量輕； (b)運動平穩(wěn)，吸振能力強； (c)啟動、制動迅速。在頻繁換向的過程中保持穩(wěn)定。還可以實現無級調速； (d)布局安裝的限制比較少； (3)繪制傳動系統(tǒng)運動簡圖 根據以上分析，確定傳動系統(tǒng)的運動簡圖如2.3所示。 花鍵傳動 V帶傳動 液壓缸進給傳動 圖2.3 傳動系統(tǒng)運動簡圖 2.5 控制方案設計 根據設計改進的要求，控制系統(tǒng)主要由PLC和手動去完成順序控制和定時控制。 應用PLC的原因主要因為它的一下特點： (1)可靠性高； (2)編程容易，易于使用； (3)控制功能極強； (4)擴展及與外部連接極為方便； (5)通用性好、體積小、使用靈活； (6)設計施工和調試的周期短； 2.6 總體布局設計 本文對傳統(tǒng)鉆床的改進是在其原有的機構的基礎上加入了液壓進給驅動系統(tǒng)。在液壓夾緊系統(tǒng)方面，由于臺式鉆床固定不動，用變動工作臺的結構去協(xié)調總體布局的設計。 2.7 本章小結 本章主要介紹了在傳統(tǒng)鉆床的基礎上加以改進設計，實現加工自動化。確認工藝流程，設計流程及其他前期設計準備。綜上，我們對改進方向方法有了清晰明確的認識和思路，確定了設計改進的重點。 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 專用鉆床進給系統(tǒng)的設計 第三章 專用鉆床進給系統(tǒng)的設計 3.1 進給系統(tǒng)概述與分析 傳統(tǒng)的臺式鉆床主軸進給系統(tǒng)主要由主軸、主軸套筒、主軸套筒鑲套、齒輪齒條和軸承等組成。主軸在加工時即要作旋轉運動，也要作軸向的進給運動。機床主軸被裝置在主軸套筒內，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內，主軸上側由花鍵連接[4]。機床加工時，旋轉運動由花鍵傳入，而進給運動則由齒輪通過齒條帶動套筒在鑲套內運動。由總體方案可知，自動鉆床進給系統(tǒng)設計導入了液壓缸進給系統(tǒng)，由液壓缸驅動替代齒輪齒條的手動進給，來實現主軸的快進、工進和快退動作。 傳統(tǒng)鉆床的加工主要由主軸的高速旋轉運動和直線進給運動去完成。但導入液壓缸進給系統(tǒng)后，液壓缸活塞桿不能作高速的旋轉運動，所以我們要應用合適的軸承和結構來使主軸的高速旋轉。如圖3.1所示。 5 4 3 6 2 7 1 圖3.1 普通臺式鉆床進給系統(tǒng)簡圖 1、主軸套筒鑲套2、推力球軸承3、主軸套筒4、主軸5、深溝球軸承 6、齒輪齒條手動進給系統(tǒng)7、主軸箱 3.2 進給系統(tǒng)方案圖的確定 首先我們要對普通臺式鉆床的進給系統(tǒng)做出詳細的研究后，才能在原有系統(tǒng)基礎上加以改進。 根據圖3.1的進給系統(tǒng)特點，確定改進后鉆床的進給系統(tǒng)如圖3.2所示： 6 7 8 5 4 3 9 2 1 圖3.2 自動鉆床的進給系統(tǒng)簡圖 1、主軸2、深溝球軸承3、活塞桿4、液壓缸筒5、油路口 6、液壓缸蓋7、鎖緊螺釘8、推力球軸承9、密封圈 3.3 工況分析 根據設計任務可知，生產工件時，要求生產率為3把/分鐘，即要求在20秒內要完成一件工件的送料、夾緊、鉆削加工和出料。 已知件材料為Q235鋼，工件厚度大約為15mm，查《機械工程材料實用手冊》可知，Q235為碳素結構鋼，其韌性良好，有一定的強度和伸長率，在一般機械制造中應用廣泛，是一般機械制造中的主要材料，其切削加工性能較好。鉆削直徑為12mm的通孔，鉆削行程（孔的長度）l≈15mm。由此可確定鉆床主軸行程為100mm，也就是液壓缸行程為100mm。 在鉆床的切削加工過程中，鉆床主軸主要受到切削扭矩和軸向進給力的作用。軸向進給力是沿主軸軸向的，在主軸保持其與工作臺的垂直度的情況下，軸向力作用產生的彎矩基本可忽略不計。所以，鉆床主軸為僅受轉矩作用的軸類[6]。 主軸進給液壓缸在工作過程中受到力的作用可分為三個階段。主軸快速進給過程中，液壓缸受到鉆床主軸組件重力和液壓缸系統(tǒng)自身的的摩擦力作用；在主軸工作進給過程中，液壓缸受到鉆床主軸組件的重力、軸向切削力和液壓缸系統(tǒng)自身的摩擦力作用；在主軸快速退回的過程中，液壓缸受到主軸組件的重力、退刀阻力和液壓缸系統(tǒng)摩擦力。綜上我們要計算最大受力來作為液壓缸的設計標準。 3.4 切削力的計算 3.4.1 切削刀具及相關參數的選擇 目前在鉆孔加工中使用的麻花鉆主要有高速鋼麻花鉆和硬質合金麻花鉆兩類。由于高速鋼麻花鉆在采用物理沉積法TiN涂層處理后，其耐用度和鉆孔精度都有了很大的保障，所以該鉆頭得到了廣泛的應用。因此，我們在加工過程中，應用高速鋼麻花鉆頭。查《金屬切削手冊》[17]標準圓柱錐柄麻花鉆中等長度第一系列，刀具直徑為12mm,鉆頭與主軸用莫氏錐孔連接，莫氏錐孔為1號莫氏錐孔。 由于Q235鋼切削性能較好，所以查《金屬切削手冊》[17]選擇加工時進給量f為：f=0.2mm/r；其對應的切削速度V=32m/min。 3.4.2 主軸轉速及鉆孔時間的計算 查《金屬切削手冊》[17]，由切削速度計算公式可得出主軸在工藝長期穩(wěn)定時的固定轉速n的計算公式如下： （3-1） 式中，——選定的切削速度（m/min） ——刀具或工件的直徑（mm） 將V=32m/min，d=12mm代入公式中，計算得出n=850r/min. 查《金屬切削手冊》[17],鉆孔時間T的計算公式為： （3-2） 式中，l——被鉆孔厚度（mm） f——切削進給量（mm/r） ——刀具或工件的直徑（mm） n——主軸固定轉速（r/min） 將l =15mm，f =0.2mm/r，d=12mm，n=850r/min代入公式中，計算得出T=6.6s。 由此，確定一件工件的加工工時為：送料過程1s，工件夾緊2s，快速進給2s，工作過程7s，主軸停留2s，快退2s，出料1s，加工一件工件用時17s，達到了加工效率的要求。 3.4.3 切削力的計算 鉆床切削力的計算包括鉆床主軸轉矩計算和主軸軸向切削力的計算。由于加工材料為Q235鋼，其屬于碳素結構鋼，鉆頭為高速鋼麻花鉆，加工方式為鉆孔，所以查《機床夾具設計手冊》[16]得： 鉆床轉矩計算公式如下： （3-3） 式中，—— 切削力矩（N·M） —— 鉆頭直徑（mm） —— 每轉進給量（mm） —— 修正系數 （3-4） 軸向切削力的計算公式如下： （3-5） 式中，—— 軸向切削力（N） —— 鉆頭直徑（mm） —— 每轉進給量(mm) —— 修正系數 已知被加工材料為Q235結構鋼，結構鋼和鑄鋼取=736MPa，=12mm，=0.2mm，所以可分別計算出切削轉矩和軸向切削為： =13.5 N·M =2595 N 3.5 鉆床主軸設計 3.5.1 主軸材料的選擇 要考慮的因素有： (1)軸的強度、剛度和耐磨性要求； (2)軸的熱處理方式和機加工工藝性要求； (3)軸的材料來源和經濟性； 軸的常用材料有碳鋼和合金鋼。碳鋼的價格要比合金鋼的價格低，而親對應力集中的敏感性低，我們可以對其進行熱處理改善其綜合性能，加工工藝性好。而合金鋼雖然機械性能和淬火性能優(yōu)于碳鋼，但其價格較貴，一般用于強度和耐磨性要求高的場合[19]。 綜上鉆床主軸材料選45號鋼，經調質處理后HB要達到240左右。其機械性能參數如下：δb=650MPa；δs=360MPa；δ-1=300MPa；τ-1=155MPa；[δ-1]b=60MPa；[τT]=35MPa。 3.5.2 軸徑的計算 由金屬切削原理[14]可知，主軸切削功率的計算公式為： （3-6） 式中：—— 軸向切削力（N） —— 每轉進給量(mm) n——主軸固定轉速（r/min） —— 切削力矩（N·M） 將以上數值代入公式中可計算出功率=1.2KW 考慮到軸承傳動效率（查得為0.99）和花鍵傳動效率[5]（查得為0.98），由上計算出鉆床主軸要傳遞的功率P為： P=/(0.99×0.99×0.98)=1.25KW （3-7） 查《機械設計》[6]得鉆床最小直徑的計算公式如下： （3-8） 選C=110，計算出dmin=13mm 所以我們可以得出鉆床主軸的最小直徑大于等于13mm，基于普通臺式鉆床的主軸結構，得出改進后的自動鉆床主軸直徑為40mm。 3.5.3 軸的結構設計 由進給系統(tǒng)結構簡圖可知，鉆床主軸上主要安裝有一對深溝球軸承、一對推力球軸承、一個軸承擋環(huán)、一個鎖緊螺栓和軸端的花鍵連接。根據鉆床軸徑選用軸承及花鍵尺寸如表3.1所示。 根據主軸的的行程，可確定鉆床主軸的基本長度尺寸如圖3.3所示。 表3.1 主軸零件選用表 主軸零件 型號 深溝球軸承 滾動軸承 6208 GB/T 276-1994 推力球軸承 滾動軸承 51308 GB/T 301-1995 花鍵 8×32×36×6 GB/T 1144-1987 圖3.3 鉆床主軸基本尺寸簡圖 3.5.4 軸強度的校核 由工況分析可知，鉆床主軸的受力圖如圖3.4所示。 Mk M 圖3.4 鉆床主軸受力簡圖 圖3.5 鉆床主軸轉矩簡圖 基于傳動效率的考慮，鉆床主軸要傳遞的轉矩M=Mk/（0.99×0.99×0.98）=14 N·M,液壓力為對稱受為，合力方向沿鉆床主軸方向，大小與進給切削力相互抵消。所以，繪制主軸所受轉矩圖如圖3.5。 根據整體結構,軸的危險截面為軸端花鍵處，所以要對它進行軸強度校驗。 扭轉強度約束條件： （3-9） 式中：τT—— 軸的扭轉應力（MPa） M——軸的傳遞轉矩(N·mm) WT——軸的抗扭截面模量（mm3） [τT]——軸的許用扭轉應力（） 查《機械設計》[6]得花鍵的抗扭截面模量WT的計算公式為： （3-10） 式中：d1——花鍵內徑（mm） b——花鍵齒寬(mm) z——花鍵的齒數 D——花鍵的外徑（mm） 將基本參數代入公式計算WT=5739，計算出鉆床主軸的扭轉應力=2.44。 由于[]=35，顯然≤[]，所以，軸滿足強度要求。 3.6 進給液壓系統(tǒng)設計 3.6.1 負載分析 工作阻力主要是鉆床的軸向切削力產生的，其大小=2595 N。 系統(tǒng)摩擦阻力在機械效率中考慮，軸承傳動效率取0.99，花鍵傳動效率取0.98，液壓傳動效率取0.95，所以計算出整下系統(tǒng)的機械效率η為[6]： η=0.99×0.99×0.98×0.95=0.91 （3-11） 鋼材密度取7.85 ，主軸體積V為： （3-12） 式中： V——主軸體積（m3） d——主軸直徑 (mm)，取40mm ——主軸長度（mm），取550mm 所以主軸重力為： = （3-13） 式中： V——主軸體積（m3） ρ——主軸材料密度（） g——重力加速度（），取10 ——主軸重力（N） 加上軸上零件的重力作用，整個系統(tǒng)承受的總重力=200N。 慣性力Fm指運動部件在啟動或制動過程中的慣性力，查《液壓與氣壓傳動》[3]得其計算公式為： （3-14） 式中，——系統(tǒng)重力 ——重力加速度 ——時間內的速度變化量 ——加速或減速時間 =5N （3-15） 快速進給時，在不考慮背壓的情況下，主軸會在重力的作用下自動下移，且加速度大約為9.8，因此，液壓缸在快進時受到的最大作用力F=G×η=182N。 工進時，液壓缸要克服工作阻力自身系統(tǒng)的摩擦力和系統(tǒng)重力的作用。所以F=（-G）/η，為了設計的可行性。我們取系統(tǒng)重力的一半代入到式中，F=2742N。 快速退回時，液壓缸要克服重力和系統(tǒng)摩擦力，所以F=G/η考慮到鉆頭退出工件時的摩擦力，η在計算時取0.89，所以計算出此時F=225N。 由上得出數據表3.2和圖3.6。 表3.2 液壓缸各運動階段負載表 運動階段 計算公式 負載大?。∟） 主軸快進 F=G×η 182 主軸工進 F=（-G）/η 2742 主軸快退 F=G/η 225 V（m/min） 0.17 3 -3 72 70 72 70 2742 225 182 0 F（N） 圖3.6 液壓系統(tǒng)負載及速度簡圖 3.6.2 液壓缸執(zhí)行元件主要參數的確 (1)初選液壓缸的工作壓力 表3.3 液壓設備常用的工作壓力表 設備類型 機床 農業(yè)機械或中型工程機械 液壓機、重型機械起重運輸機械 磨床 組合機 床 龍門刨床 拉床 工作壓力P1/（MPa） 0.8～2.0 3～5 2～8 8～10 10～16 20～32 我們初選液壓缸的工作壓力為=3。 (2)確定液壓缸的類型及主要結構尺寸 根據我們的設計要求，選擇中空的雙桿活塞缸；在活塞桿兩端裝上軸承，固定主軸?；钊刂鬏S方向可做往復運動，根據需要，活塞缸采用缸筒固定式。缸筒固定式雙桿活塞缸簡圖如圖3.7所示。 圖3.7 缸筒固定式雙桿活塞缸結構簡圖 為了防止鉆頭鉆透時主軸突然前沖，要在回油路上安裝背壓閥。查表3.4液壓缸參考背壓表，回油路背壓選擇=0.8。 表3.4 液壓缸參考背壓 系統(tǒng)類型 背壓（） 回油路上有節(jié)流閥的調速系統(tǒng) 0.2～0.5 回油路上有調速閥的調速系統(tǒng) 0.5～0.8 回油路上裝有背壓閥 0.5～1.5 帶補油泵的閉式回路 0.8～1.5 由表3.1可知，深溝球軸承選用滾動軸承 6208 GB/T 276-1994，其外徑為80mm，查表3.5活塞桿直徑系列表，活塞桿直徑選用=100mm。 表3.5 活塞桿直徑系列（GB2348-80）（mm） 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 由表3.2可知，當主軸工進時液壓系統(tǒng)的負載最大F=2742N，由此可計算出液壓缸的有效面積S為： （3.16） 式中：——液壓缸內徑（） ——液壓缸活塞桿直徑（）, =100mm ——液壓缸負載（）, F=2742 ——液壓缸工作壓力（）, =3 ——回油路背壓力（）, ==0.8 所以可計算也液壓缸內徑=117。為了使原件使用標準化，查表3.6圓整后取=125。 表3.6 液壓缸內徑尺寸系列（GB2348-80）(mm) 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （90） 100 （110） 125 （140） 160 （180） 200 220 250 320 400 500 630 在基本尺寸確定后，液壓缸按最低加工運動速度驗算尺寸。保證液壓缸的有效工作面積要不小于最小穩(wěn)定速度時的最小有效面積。 ≥ （3-17） 式中，——流量閥的最小穩(wěn)定流量，=0.05 ——液壓缸的最低速度, =0.17 由計算可得A=2767≥=294,所以基本尺寸滿足設計要求。 (3)液壓缸材料的選擇 液壓缸材料的選擇主要受以下幾個因素的制約： （a）液壓缸要有足夠的強度； （b）液壓缸要有足夠的剛度； （c）液壓缸要有很好的耐磨性能； 綜上原因，材料選擇45號無縫鋼管。 (4)液壓缸各工作階段的工作壓力、流量和功率計算 根據液壓缸的負載圖和速度圖以及上述液壓缸的計算數值，可以計算出液壓缸工作各階段的壓力、流量和功率。在計算時工進時背壓按=0.8代入，快退快進時背壓按=0.5代入計算。計算公式及計算結果列于表3-5中。 主軸下壓時，液壓缸上油缸進油下油缸回油；上移時液壓缸下油缸進油上油缸回油。 表3.7 液壓缸所需的實際流量、壓力和功率 工作循環(huán) 計算公式 進油壓力 回油壓力 所需流量 輸入功率 （） （） （） P（） 主軸快進 =- = P= 0.43 0.5 8.3 0.06 主軸工進 =+ = P= 1.8 0.8 0.47 0.02 主軸快退 =+ = P= 0.6 0.5 8.3 0.08 注：表中A為液壓缸有效面積，V為各階段穩(wěn)定速度。 (5)液壓缸壁厚和最小導向長度的計算 液壓缸的壁厚由液壓缸的強度條件來計算。 液壓缸的內徑D與其壁厚δ的比值圓筒稱為薄壁圓筒。工程機械的液壓缸大多屬于薄壁圓筒結構，其壁厚按薄壁圓筒公式計算： （3-18） 式中δ—液壓缸壁厚（m）； D—液壓缸的內徑（m）； —試驗壓力，一般取最大工作壓力的（1.25～1.50）倍； [σ]—缸筒材料的許用應力。其值：鍛鋼：[σ]=110～120；鑄鋼：[σ]=100～110；無縫鋼管：[σ]= 100～110；高強度鑄鐵：[σ]=60；灰鑄鐵：[σ]=25。 根據表3-5中計算的結果，代入計算公式中，可計算出液壓缸壁厚δ=4mm?？紤]到與缸蓋的聯接，所以設計中取液壓缸的壁厚δ=8mm。 最小導向長度滿足 （3-19） 式中 —液壓缸的最大行程； —液壓缸的內徑。 我們要求液壓缸的最大行程為100mm，液壓缸的內徑為125mm，可計算出H≥67.5mm,設計中取H=70mm。 (6)液壓系統(tǒng)原理圖 快速進給和加工時上油缸進油下油缸出油，快速退回時下油缸進油上油缸出油，只需一次換向。由于在加工孔鉆透后，系統(tǒng)需要定時停留。所以，換向閥選擇具有中位封閉功能的三位四通電磁換向閥。因為下壓和上移時主軸的運動速度不一樣，負載小運動速度不快。液壓泵選用單向定量液壓泵。 自動鉆床液壓進給系統(tǒng)控制原理圖如圖3.8所示。 圖3.8 自動鉆床液壓進給系統(tǒng)控制原理圖 1、三位四通電磁換向閥2、二位二通電磁換向閥3、調速閥4、液壓缸 5、二位三通電磁換向閥6、7、8、溢流閥（6、7作背壓閥用）9、液壓泵10、過濾器 快速下降時,在PLC控制下,電磁鐵1Y通電電，三位四通電磁換向閥1接入左位，液壓泵9供油通過二位二通電磁換向閥2流入液壓缸4上腔，回油過程,三位四通電磁換向閥1、二位三通電磁換向閥5、溢流閥6回油箱。 工進時，電磁鐵1Y、3Y和4Y得電，三位四通電磁換向閥1接入左位，二位二通電磁換向閥2接入左位，二位三通電磁換向閥5位入左位，液壓泵9供油經調整閥3進入液壓缸4上腔，回油經三位四通電磁換向閥1、二位三通電磁換向閥5和溢流閥7回油箱。 主軸停留，三位四通電磁換向閥1處于中位，液壓泵9供油在達到一定壓力的條件下回油箱，液壓系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。停留時間由PLC定時控制。 快退時，電磁鐵2Y，三位四通電磁換向閥1接入右位，液壓泵9供油到液壓缸4下腔，回油經二位二通電磁換向閥2、三位四通電磁換向閥1、二位三通電磁換向閥5和溢流閥6回油箱。 工作循環(huán)過程中電磁鐵動作表3.8所示。 表3.8 電磁鐵動作表 工作階段 1Y 2Y 3Y 4Y 快進 + - - - 工進 + - + + 停留 - - + + 快退 - + - - (7)液壓元件的選擇 (a)液壓泵的選擇 液壓泵的最高工作壓力可按下式計算[3]： （3-20） 式中，——液壓泵的最高工作壓力 ——液壓缸的最大工作壓力；查表3.5 =1.8 ——進油管路總壓力損失；簡單系統(tǒng)可取～0.5，復雜取～1.5。取=0.5。 由上數據可得=2.3。計算出的是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，選泵的額定壓力應滿足～，額定壓力為： =1.25=2.9 （3-21） 液壓泵的最大流量應滿足下面公式： （3-22） 式中，——液壓泵的最大流量 ——所需流量的最大值。當溢流閥工作時，要考慮溢流閥最小溢流量～3；查表3.5取=8.3；——系統(tǒng)泄漏系數，一般取～，式中??；所以計算出≥9.96。 綜上,查《機械設計手冊》[1]產品樣本，選擇YB1-12型，額定壓力為6.3，排量為12,額定轉速為960，驅動功率為2。其結構簡單、工作性能穩(wěn)定、壓力流量脈動小。 (a)液壓泵驅動電機的選擇 根據已選擇的液壓泵的規(guī)格，我們可知已選液壓泵需要的驅動功率2，所以選擇Y132S-6電動機。額定功率為3，滿載轉速為960。 (b)液壓系統(tǒng)液壓閥的選擇 根據表3.5液壓系統(tǒng)各工作階段所需的實際流量、壓力和設計中所選的背壓大小，所選液壓閥見液壓系統(tǒng)液元件明細表3.9。表中序號與自動鉆床液壓進給系統(tǒng)控制原理圖中序號一致。 表3.9 液壓系統(tǒng)液元件明細表 序號 元件名稱 最大通過流量（） 型號 1 三位四通電磁換向閥 15 WE5E5/AW220-50 2 二位二通電磁換向閥 15 3WE5E5/AW220-50 3 調速閥 0.6 31-2FRM5/0.6 5 二位三通電磁換向閥 15 4WE5E5/AW220-50 6 溢流閥 100 BT-03-L-32 7 溢流閥 100 BT-03-L-32 8 溢流閥 100 BT-03-L-32 9 定量葉片泵 11.52 YB1-12 10 過濾器 25 XU-25×80J 備注：溢流閥6壓力調至0.5，溢流閥7壓力調至0.8，溢流閥8壓力調至6.4 (c)液壓系統(tǒng)油管的選擇 油路管道選用鋼管。油管尺寸與液壓元件接口尺寸相同。 (d)液壓系統(tǒng)油箱的選擇 因為液壓系統(tǒng)屬中低壓系統(tǒng)，所以油箱容積一般是液壓泵額定流量的5～7倍。設計中取液壓泵額定流量的7倍，故油箱容積為：=7×11.52=80.64 查相關產品樣本油箱型號選擇：AB40-33-0100N。其公稱容積為100。 (e)液壓油的選擇 選擇液壓油時，我們需要考慮到粘度、工作壓力、溫度、運動速度和液壓泵的類型。所以選擇普通液壓油，牌號為46。 3.6.3 活塞桿及活塞材料的選擇 因為我們選用雙桿液壓缸，因此活塞桿用45號鋼，經調質和淬火處理，淬火深度為0.5mm。 活塞材料選用高強度的鑄鐵，選擇HT200。 3.6.4 活塞桿與活塞的連接方式及活塞密封裝置的選擇 圖3.9 活塞桿與活塞連接方式及活塞密封方式圖 活塞和活塞桿的連接結構有以下幾種，整體式結構和組合式結構。組合式結構又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接，我們采用的是結構簡單，裝拆方便的卡環(huán)連接。活塞及活塞桿處的密封圈選用O型密封圈密封。（見圖3.9） 3.6.5 液壓缸蓋與液壓缸連接方式及密封方式的選擇 液壓缸蓋與液壓缸采用法蘭連接。它結構簡單，加工簡單，裝卸容易。液壓缸蓋密封采用組合式密封，在缸蓋內加上非金屬材料導向環(huán)。具體結構見圖3.10示： 防塵圈 U型密封 導向環(huán) 圖3.10 缸蓋與缸連接方式及缸蓋密封方式 3.7 本章小結 本章我們通過計算確定了液壓系統(tǒng)的原件型號,為下章的進行打下了基礎. 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 專用鉆床主軸系傳動系統(tǒng)的設計 第四章 專用鉆床主軸傳動系統(tǒng)的設計 4.1 主軸傳動系統(tǒng)的分析 由圖2.3可知，主要設計的項目包括帶輪傳動、主軸花鍵傳動和液壓傳動系統(tǒng)的設計。液壓傳動系統(tǒng)的設計在上章已完成，所以本章進行帶輪傳動和主軸花鍵傳動的設計。 主軸花鍵傳動是主軸高速旋轉時進行軸向進給的關鍵。花鍵的尺寸根據主軸的軸徑來選擇。 主軸系統(tǒng)帶輪傳動設計包括V帶的選擇和帶輪尺寸的設計。 4.2 主軸花鍵的設計 設計中軸上花鍵主要傳遞轉矩，并起到軸端的導向定心作用。根據表3-1我們選用花鍵規(guī)格為：（ ）8×32×36×6 GB/T 1144-1987（為齒數×內徑×外徑×齒寬）。主軸的行程為100mm，查表4.1可確花鍵的長度為=160mm。 表4.1 花鍵長度系列表 （mm） 10 12 15 18 22 25 28 30 32 36 38 42 45 8 50 56 60 63 71 75 80 85 90 95 100 110 120 130 140 160 180 200 由于主軸端花鍵與轂孔為滑動聯接，所以花鍵尺寸公差選擇分別為：d取f7，D取a11，鍵寬B取d10。鍵寬位置度公差取=0.015mm,鍵寬對稱度公差取=0.012mm。 4.3 主軸電機選擇 由3.5.2章節(jié)的計算我們知道，主軸切削功率=1.2KW。由于花鍵轂要與帶輪固定在機架上，取軸承傳動效率為0.99、花鍵傳動效率為0.98和V帶傳動效率為0.96，所以可計算出電機要傳遞的最小功率為： （4-1） 可計算出=1.32。查電機樣品選取電機型號為：Y90L-4。額定功率1.5，滿載轉速1400 r/min。 4.4 V帶傳動設計 4.4.1 設計功率的計算 （4-2） 式中： ——工況系數；自動鉆床一般為空載啟動取=1.2 ——傳遞功率；取電動機額定功率=1.5 計算出=1.8。 4.4.2 選擇帶型 因為=1.8，=1400 r/min，查《機械設計》選用Z型V帶。 4.4.3 選取帶輪基準直徑和 由3.4.2章節(jié)中計算可知，主軸轉速=850 r/min?？紤]到電機主軸直徑D=24mm及Z型V帶的=50mm，查《機械設計》[6]取=80mm。 （4-3） 式中： ——鉆床主軸帶輪直徑； ——主軸電機滿載轉速；=1400 r/min ——鉆床主軸轉速；=850 r/min ——鉆床主軸帶輪直徑；=80mm ——滑動率；取=0.02 得=129.13mm，圓整取標準值=132mm。 4.4.4 驗算帶速 帶速的計算公式為： （4-4） 得帶速=5.86。在5～20范圍之間。 4.4.5 確定中心距和帶的基準長度 由帶輪直徑和自動鉆床的機構尺寸，初選中心距=300mm。經計算可知其符合： 0.7(+)=148.4＜＜2(+)=424 （4-5） 由帶長計算公式可計算出： =935.1mm （4-6） 查《機械設計》對Z型帶選用基準長度=1080mm，可由下式計算出實際的中心距為： mm （4-7） mm （4-8） mm （4-9） 4.4.6 驗算小帶輪包角 （4-10） 所以＞120°，在要求的范圍之內，包角合適。 4.5 本章小結 主軸傳動系統(tǒng)的設計主要包括帶輪傳動、主軸花鍵傳動和液壓傳動系統(tǒng)的設計，由于液壓傳動已在第3章中設計過，因此，本章節(jié)主要介紹了帶輪傳動和花鍵傳動的設計。這兩部分是鉆床主軸傳動的主要部件。完成對傳動系統(tǒng)的設計，自動鉆床設計已基本成形，剩下的任務就是對自動鉆床進行控制設計，所以，下面章節(jié)將對鉆床控制系統(tǒng)進行設計。 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第五章 自動鉆床控制系統(tǒng)的設計 第五章 自動鉆床控制系統(tǒng)設計 5.1 自動鉆床的自動化控制要求 （1）自動控制系統(tǒng)應以PLC控制與手動控制相結合的方式實現； （2）從功能和經濟角度對控制元件進行選擇； （3）根據鉆床工作要求完成PLC控制編程； 5.2 可編程控制器PLC的簡述 PLC的優(yōu)點歸結為以下幾點： （1）可靠性高，具有很強的抗干擾能力。 （2）簡單易學，使用簡單。 （3）配套齊全，功能完善。 （4）系統(tǒng)設計周期短，維護方便，改造容易。 （5）體積小，重量輕，能耗低。 5.3 自動鉆床進給系統(tǒng)控制流程 自動鉆床進給系統(tǒng)的控制流程包括主軸電機和液壓泵電機的啟動控制、主軸快進控制、主軸工進控制、主軸停留控制、主軸快退控制、主軸快退停止控制和主軸電機和液壓泵電機的停止控制。 主軸電機和液壓泵電機的啟動控制：主軸電機和液壓泵電機的啟動控制可分別通過主軸電機和液壓泵電機電路上的交流接觸器KM1和KM2控制。為了使PLC在寫入控制程序后進入穩(wěn)定狀態(tài)后執(zhí)行和便于操作人員進行初態(tài)監(jiān)控，在寫入控制程序5S后，主軸電機和液壓泵電機電路上的交流接觸器KM1和KM2閉合，主軸電機和液壓泵電機啟動，5S定時由定時器T1完成[7]。 主軸快進控制：當工件檢測器檢測到工件后，工件檢測開關SB1閉合，進行工件的夾緊計時，定時器T2計時2S完成后，三位四通電磁換向閥電磁鐵1Y得電，液壓控制系統(tǒng)接入快進油路，主軸快速進給。 主軸工進控制：主軸快進行程完成后，快進行程開關SQ0閉合，三位四通電磁換向閥電磁鐵1Y、二位二通電磁換向閥電磁鐵3Y和二位三通電磁換向閥4Y得電，液壓控制系統(tǒng)接入工進油路，主軸工進。 主軸停留：鉆頭完成對工件的加工后，主軸工進行程到達終點，工進行程開關SQ1閉合，計時器T3開始2S計時，三位四通電磁換向閥電磁鐵1Y失電復位，主軸停留對加工孔進行修磨。 主軸快退：計時器T3完成2S計時后，三位四通電磁換向閥電磁鐵2Y得電，二位二通電磁換向閥電磁鐵3Y和二位三通電磁換向閥4Y失電復位，液壓控制系統(tǒng)接入快退油路，主軸快退。 主軸快退停止：主軸快退至行程開關SQ2處時，行程開關SQ2閉合，三位四通