畢業(yè)論文--鉆床的自動化改造及進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　　鉆床的自動化改造及進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文主要介紹了臺式鉆床的改造和設(shè)計(jì)，通過導(dǎo)入液壓進(jìn)給系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)將臺式鉆床改造為自動鉆床，并可通過PLC實(shí)現(xiàn)自動控制。</p>&

2、lt;p>　　設(shè)計(jì)過程按照機(jī)床的一般設(shè)計(jì)步驟先進(jìn)行總體方案的確定，然后再分別對進(jìn)給系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。</p><p>　　設(shè)計(jì)的目標(biāo)在于通過導(dǎo)入液壓進(jìn)給系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，改造后的鉆床能實(shí)現(xiàn)自動化連續(xù)生產(chǎn)、改善產(chǎn)品的加工質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)效率；降低工作人員勞動強(qiáng)度和工作量；鉆床系統(tǒng)能夠工作平穩(wěn)，滿足工作要求；經(jīng)濟(jì)因素合理。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于

3、進(jìn)給系統(tǒng)液壓缸的設(shè)計(jì)和PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。進(jìn)給液壓缸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制油路的設(shè)計(jì)；PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)工作要求和控制需要，選擇電氣元件和編寫控制程序來實(shí)現(xiàn)對自動鉆床的控制。</p><p>　　改造后的鉆床，能實(shí)現(xiàn)自動化控制，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。</p><p>　　關(guān)鍵詞 自動鉆床；液壓進(jìn)給系統(tǒng)；PLC</p><p><

4、b>　　I</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　1.1 問題分析及其對策</p><p>　　1.1.1 現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　金屬切削加工是指利用刀具切除被加工零件多余材料的方法，是機(jī)械制造行業(yè)中最基本的加工方法，金屬切削加工過程是由金屬切削機(jī)床

5、來實(shí)現(xiàn)的。金屬切削機(jī)床是用切削的方法將金屬毛坯加工成機(jī)器零件的機(jī)器。</p><p>　　在現(xiàn)代機(jī)械制造行業(yè)中，隨著加工零件方式多樣化及工藝合理化的發(fā)展的要求，加工零件的方法也呈現(xiàn)出多樣化，如：除切削加工外，還有鑄造、鍛造、焊接、沖壓、擠壓和輥軋等，在這其中機(jī)床切削加工的工作量約占總制造工作量的40%～60%(其中鉆床占11.2%),所以在目前的機(jī)械制造行業(yè)中金屬切削機(jī)床是主要的加工設(shè)備。而機(jī)床的技術(shù)性能又直接影

6、響機(jī)械制造行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率，所以為了提高國家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學(xué)技術(shù)水平，必須對機(jī)床的發(fā)展作出新的要求。</p><p>　　隨著機(jī)械工業(yè)的擴(kuò)大和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，我國的機(jī)械制造行業(yè)正朝著自動化、精密化、高效率和多樣化的方向發(fā)展。</p><p>　　我國機(jī)床工業(yè)自1949年建立以來，雖然在短短的時間內(nèi)取得了很大的成就，但與世界先進(jìn)水平相比還有較

7、大的差矩。就現(xiàn)狀看，主要表現(xiàn)在：我國機(jī)床工業(yè)起步晚、技術(shù)不成熟；大部分高精度和超精度機(jī)床的性能還不能滿足要求，精度保持度也差，特別是高效自動化和數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量、技術(shù)水平和質(zhì)量等方面都明顯落后。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)我國數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量僅是全部機(jī)床產(chǎn)量的1.5%，產(chǎn)值數(shù)控化僅為8.7%（至1990年底）；我國數(shù)控機(jī)床基本上是中等規(guī)格的車床、銑床和加工中心等，而精密、大型、重型或小型數(shù)控機(jī)床還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求；另外我國機(jī)床在技術(shù)水平和性能方面的差矩也

8、很明顯，機(jī)床理論和應(yīng)用技術(shù)的研究也明顯落后。所以我們要不斷學(xué)習(xí)和引進(jìn)國外先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，大力發(fā)展研究，推動我國機(jī)床工業(yè)的發(fā)展。</p><p>　　1.1.2 問題的提出</p><p>　　由以上現(xiàn)狀分析我們可以看出，在機(jī)床加工中鉆床的加工工作量在總制造工作量中占有很大的比重。鉆床為孔加工機(jī)床，按其結(jié)構(gòu)形式不同可以分為搖臂鉆床、立式鉆床、臥式鉆床、深孔鉆床、多軸鉆床等。主要用來進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)

9、孔、絞孔、攻絲等。長期以來我國的機(jī)械機(jī)械制造工業(yè)中孔類加工多數(shù)由傳統(tǒng)鉆床來完成，但是傳統(tǒng)的鉆床在大批量生產(chǎn)時存在許多的不足之處：</p><p>　　（1）自動化程度不高.，難以進(jìn)行大批量的生產(chǎn)；</p><p>　　（2）工作效率低，且工人的工作環(huán)境惡劣；</p><p>　?。?）占用人力較多，操作固定不變易出錯；</p><p>　?。?/p>

10、4）精度不高，工件裝夾費(fèi)時；</p><p>　　（5）加工產(chǎn)品質(zhì)量不高；</p><p>　　針對以上傳統(tǒng)鉆床的不足之處及生產(chǎn)中存在的問題，我們有必要對傳統(tǒng)鉆床進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。通過對傳統(tǒng)鉆床手動的進(jìn)給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)及人工送料系統(tǒng)的改進(jìn)和設(shè)計(jì)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)自動化，降低勞動強(qiáng)度及工作量。</p><p>　　1.1.3 問題的分析以及解決方案<

11、/p><p>　　當(dāng)前傳統(tǒng)鉆床問題的存在主要在于自動化程度、生產(chǎn)效率、工作環(huán)境及產(chǎn)品質(zhì)量。在生產(chǎn)過程中，手動的操作、繁鎖的裝夾、大量生產(chǎn)力的投入和單一的生產(chǎn)流程導(dǎo)致了鉆床加工的自動化程度低、生產(chǎn)效率低、工作環(huán)境惡劣和產(chǎn)品質(zhì)量不高，因此，我們要解決的問題在于如何實(shí)現(xiàn)鉆床加工的自動化、減少生產(chǎn)力的投入生產(chǎn)和與其它工藝流程相結(jié)合，同時也要考慮經(jīng)濟(jì)問題。</p><p>　　經(jīng)過分析，我們可以從機(jī)構(gòu)設(shè)

12、計(jì)和控制系統(tǒng)兩方面去考慮。通過對鉆床機(jī)構(gòu)的改造來實(shí)現(xiàn)自動化控制的要求，提高產(chǎn)品的加工精度及質(zhì)量；通過導(dǎo)入先進(jìn)的控制系統(tǒng)來進(jìn)行自動操控，從而實(shí)現(xiàn)自動化，便于導(dǎo)入到其它生產(chǎn)流程中去。為了解決問題和便于設(shè)計(jì)改造，我們將鉆床分為傳動系統(tǒng)、進(jìn)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：</p><p>　?。?）傳動系統(tǒng) 為滿足改進(jìn)后的加工及工作要求，在作出相應(yīng)的計(jì)算后對傳動系統(tǒng)進(jìn)行改

13、進(jìn)和調(diào)整。</p><p>　?。?）進(jìn)給系統(tǒng) 傳統(tǒng)的鉆床主軸進(jìn)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(zhuǎn)運(yùn)動，也要作軸向的進(jìn)給運(yùn)動。機(jī)床主軸被裝置在主軸套筒內(nèi)，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內(nèi)，主軸上側(cè)由花鍵連接。機(jī)床加工時，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由花鍵傳入，而進(jìn)給運(yùn)動則由齒輪通過齒條帶動套筒在鑲套內(nèi)運(yùn)動。為了實(shí)現(xiàn)自動化控制的要求，主軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)改進(jìn)主要有：主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動依然由電動機(jī)傳入，

14、而進(jìn)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(shí)現(xiàn)進(jìn)給動作。</p><p>　?。?）夾緊系統(tǒng) 傳統(tǒng)鉆床的夾緊主要是手工操作，由夾具夾緊工件。為了便于實(shí)現(xiàn)自動化控制，工件夾緊由夾具完成，動力源由夾緊液壓缸導(dǎo)入，通過液壓控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)夾緊動作的自動化。</p><p>　?。?）送料系統(tǒng) 在生產(chǎn)過程中，鉆床的送料主要由人工輸入，這使得投入了大量的生產(chǎn)力，消耗了大量的工時，使的生產(chǎn)

15、率不高，為此我們通過導(dǎo)入自動送料系統(tǒng)來減少生產(chǎn)力的投入和工時的消耗。自動送料系統(tǒng)機(jī)構(gòu)傳動要根據(jù)生產(chǎn)的需求作出相應(yīng)的設(shè)計(jì)需求，動力源可由電機(jī)或液壓系統(tǒng)傳入，二者均可實(shí)現(xiàn)自動化控制。</p><p>　?。?）控制系統(tǒng) 當(dāng)前機(jī)床控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)數(shù)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(lián)動關(guān)系復(fù)雜，維修困難，故障率高，經(jīng)常影響正常生產(chǎn)，計(jì)算機(jī)數(shù)控造價高、系統(tǒng)復(fù)雜，而PLC控制系統(tǒng)可靠性好、造價

16、低、抗干擾能力強(qiáng)、柔性好、編程簡單、使用方便、擴(kuò)充靈活、功能完善，所以我們利用PLC控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對進(jìn)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。</p><p>　　1.2 本文研究的內(nèi)容及目標(biāo) </p><p>　　本文主要是通過應(yīng)用機(jī)床設(shè)計(jì)的一般方法對傳統(tǒng)鉆床的機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)及改進(jìn)。研究的主要內(nèi)容是普通臺式鉆床傳動系統(tǒng)的改進(jìn)、進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、進(jìn)給系統(tǒng)液壓缸的設(shè)計(jì)和PLC控

17、制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等四個方面。其中重點(diǎn)在于進(jìn)給系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)液壓缸和PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是解決主軸高速旋轉(zhuǎn)與軸向進(jìn)給兩個自由度的實(shí)現(xiàn)；進(jìn)給系統(tǒng)液壓缸設(shè)計(jì)包括液壓缸的設(shè)計(jì)、液壓缸與主軸的配合和液壓缸油路控制； PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是通過應(yīng)用PLC控制程序來實(shí)現(xiàn)對液壓油路的動作控制及鉆床加工過程的動作控制。</p><p>　　我們通過對傳統(tǒng)臺式鉆床的改進(jìn)及設(shè)計(jì)，要達(dá)到的目標(biāo)在于通過改進(jìn)鉆床能夠?qū)崿F(xiàn)工

18、作自動化，最終能滿足以下要求：</p><p>　　（1）能實(shí)現(xiàn)自動化連續(xù)生產(chǎn)，改善產(chǎn)品加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率；</p><p>　　（2）降低工作人員勞動強(qiáng)度和工作量；</p><p>　　（3）鉆床系統(tǒng)工作平穩(wěn)，滿足工作要求；</p><p>　　（4）經(jīng)濟(jì)因素合理；</p><p><b>　　1.3

19、本章小結(jié)</b></p><p>　　本章節(jié)主要對現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)作了簡單的總概括，并對機(jī)床切削加工作出分析。提出當(dāng)前金屬切削加工中存在的一些問題，以及針對鉆床加工現(xiàn)存的缺點(diǎn)作出剖析，提出對傳統(tǒng)鉆床改造的必要性和可行性，并對改造的任務(wù)和目標(biāo)作出簡述。</p><p>　　通過對改造任務(wù)和目標(biāo)簡述，為設(shè)計(jì)方案的確定了設(shè)計(jì)對象。</p><p>　　2 自動

20、鉆床的總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　總體方案設(shè)計(jì)的構(gòu)思和方案擬定關(guān)系到產(chǎn)品的功能是否齊全、性能是否優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)效益是否顯著，因此，我們要確定良好的總體方案設(shè)計(jì)思想，保證產(chǎn)品的功能、經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用性能?！?lt;/p><p>　　總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括以下幾個方面：</p><p>　　執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) ；</p><p>　　原動機(jī)類型的

21、選擇和傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)；</p><p>　　控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)；</p><p><b>　　總體布局設(shè)計(jì)；</b></p><p><b>　　輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；</b></p><p>　　為了完成普通臺式鉆床的改造及進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我們依循機(jī)床設(shè)計(jì)的一般步驟</p><p

22、>　　確定自動鉆床的總體方案設(shè)計(jì)。</p><p>　　2.1 自動專用鉆床已知條件和設(shè)計(jì)要求的概述</p><p>　　本文對普通臺式鉆床的自動化改造及進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以某五金工具廠鋼絲鉗生產(chǎn)線的自動化改造為背景。</p><p>　　已知：加工對象為鋼絲鉗，加工工序?yàn)樵阡摻z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。 </

23、p><p>　　改造后的全自動鉆床應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)要求：</p><p>　　滿足自動連續(xù)生產(chǎn)，且生產(chǎn)率為3把/分鐘；</p><p>　　自動化改造應(yīng)是機(jī)械、電氣和液壓的有機(jī)結(jié)合；</p><p>　　傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)包含切削力計(jì)算、電動機(jī)選擇、傳動裝置設(shè)計(jì)、床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等；</p><p>　　設(shè)計(jì)重點(diǎn)為鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)之

24、進(jìn)給油缸設(shè)計(jì)；</p><p>　　自動控制系統(tǒng)應(yīng)以PLC與手動相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)；</p><p>　　2.2 自動鉆床的工藝路線分析與確定</p><p>　　與傳統(tǒng)臺式鉆床的加工工藝路線相比較，改造后的全自動鉆床基本動作有很大的調(diào)整，這其中主要是導(dǎo)入了自動化加工動作。結(jié)合設(shè)計(jì)及生產(chǎn)要求，確定工藝路線如下：</p><p>　　啟動（電源及

25、控制模塊）→自動送料→自動夾緊→主軸快進(jìn)→主軸工進(jìn)→主軸停</p><p>　　留→主軸快退→夾具松開→出料→</p><p>　　為了完成自動化加工，自動鉆床按照上述工藝路線進(jìn)循環(huán)行動作來完成成批工件的加工過程。</p><p>　　根據(jù)工藝流程，可確定自動鉆床的動作流程圖如下（圖2-1）：</p><p>　　圖2-1自動鉆床動作流程圖&

26、lt;/p><p>　　2.3 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)</p><p>　　執(zhí)行系統(tǒng)是機(jī)械系統(tǒng)中的重要組成部分，直接完成機(jī)械系統(tǒng)預(yù)期工作任務(wù)。</p><p>　　機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)是機(jī)械系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的核心，是整個機(jī)械設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。</p><p>　　本文自動鉆床的執(zhí)行系統(tǒng)主要包括鉆頭加工和進(jìn)給液壓缸驅(qū)動進(jìn)給。</p>&l

27、t;p>　　2.3.1 執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)</p><p>　　功能原理設(shè)計(jì)決定產(chǎn)品的技術(shù)水平、工作質(zhì)量、傳動方案、結(jié)構(gòu)型式、制造成本等。因此在進(jìn)行鉆床的功能原理設(shè)計(jì)時，我們應(yīng)當(dāng)考慮鉆床功能的可行性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　　普通臺式鉆床的改造主要是實(shí)現(xiàn)自動化功能。改造后全自動鉆床能實(shí)現(xiàn)自動化連續(xù)生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)率，符合了工廠的生產(chǎn)需求，適應(yīng)了現(xiàn)代機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展要求

28、。</p><p>　　2.3.2 執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)之進(jìn)給油缸設(shè)計(jì)，也就是用液壓缸驅(qū)動來替代手動進(jìn)給。根據(jù)設(shè)計(jì)，我們要分析的運(yùn)動規(guī)律包括鉆頭切削運(yùn)動和進(jìn)給液壓缸驅(qū)動進(jìn)給運(yùn)動。</p><p>　　鉆頭加工運(yùn)動包括旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動和鉆頭直線進(jìn)給運(yùn)動。</p><p>　　進(jìn)給液壓缸驅(qū)動進(jìn)給運(yùn)

29、動要完成驅(qū)動主軸進(jìn)給，為直線運(yùn)動。</p><p>　　鉆床執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律如下圖示（圖2-2）：</p><p>　　圖2-2 自動鉆床運(yùn)動規(guī)律簡圖</p><p>　　2.3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式設(shè)計(jì)</p><p>　　在進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式設(shè)計(jì)時，要遵循以下原則：滿足執(zhí)行構(gòu)件的工藝動作和運(yùn)動要求、盡量簡化和縮短運(yùn)動鏈、盡量減小機(jī)構(gòu)尺寸、

30、選擇合適的運(yùn)動副形式、考慮動力源的形式、使執(zhí)行系統(tǒng)具有良好的傳力和動力特性、使機(jī)械具有調(diào)節(jié)某些運(yùn)動參數(shù)的能力和保證機(jī)械的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p>　　考慮以上設(shè)計(jì)原則，在實(shí)現(xiàn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動時，動力源與主軸之間的執(zhí)行機(jī)構(gòu)我們選擇帶輪傳動；在實(shí)現(xiàn)鉆頭的直線進(jìn)給運(yùn)動時，我們選擇能夠往復(fù)運(yùn)動的液壓缸。</p><p>　　2.3.4 執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)</p><p>

31、;　　執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)原則：滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作先后的順序性要求、滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作在時間上的同步性要求、滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在空間布置上的協(xié)調(diào)性要求、 滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在操作上的協(xié)同性要求、各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作安排要有利于提高勞動生產(chǎn)率、 各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的的布置要有利于系統(tǒng)的能量協(xié)調(diào)和效率的提高。</p><p>　　自動鉆床的主軸帶輪傳動減少了傳動鏈，且可過載保護(hù)；液壓缸驅(qū)動進(jìn)給不需要改變運(yùn)動形式，且易于實(shí)現(xiàn)自動化控制。<

32、;/p><p>　　2.3.5 執(zhí)行系統(tǒng)方案評價與決策</p><p>　　自動鉆床執(zhí)行系統(tǒng)在功能上能滿足鉆床加工的工作要求，主軸帶輪傳動能起到過載保護(hù)作用。液壓缸執(zhí)行系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)鉆床切削加工的進(jìn)給運(yùn)動，易于控制，是實(shí)現(xiàn)自動化控制的首選機(jī)構(gòu)。</p><p>　　2.4 傳動系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和原動機(jī)選擇 </p><p>　　2.4.1 原動機(jī)選擇

33、</p><p>　　由自動鉆床執(zhí)行部件的運(yùn)動規(guī)律我們可以選擇原動機(jī)。主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的原動機(jī)選擇電動機(jī)，進(jìn)給液壓缸原動力選擇電動機(jī)驅(qū)動液壓泵 （具體型號在下面章節(jié)中計(jì)算后選擇）。 </p><p>　　2.4.2 傳動系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)</p><p>　　(一) 確定傳動系統(tǒng)總傳動比</p><p>　　全自動鉆床的總傳動比的確定要建立在計(jì)算切削力

34、和傳動效率的基礎(chǔ)上，當(dāng)確定自動鉆床的工作功率后，查表選擇電動機(jī)，對照鉆床的工作參數(shù)確定總傳動比（主軸系統(tǒng)總傳動比在傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)計(jì)算后確定）。</p><p><b>　?。ǘ┻x擇傳動類型</b></p><p>　　依據(jù)傳統(tǒng)臺式鉆床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動選擇帶輪V帶傳動，此傳動類型可實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)；</p><p>　　鉆頭直線進(jìn)給運(yùn)動選

35、擇液壓傳動，此類型傳動有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　?。?）在輸出功率相同的條件下，體積小、重量輕；</p><p>　?。?）運(yùn)動平穩(wěn)，吸振能力強(qiáng)；</p><p>　?。?）易于實(shí)現(xiàn)快速啟動、制動、頻繁換向以及無級調(diào)速；</p><p>　　（4）布局安裝比較靈活，液壓元件易于實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化；</p><

36、p>　?。?）與機(jī)構(gòu)相結(jié)合易實(shí)現(xiàn)自動化控制；</p><p>　?。ㄈ├L制傳動系統(tǒng)運(yùn)動簡圖</p><p>　　根據(jù)以上分析，確定傳動系統(tǒng)的運(yùn)動簡圖如下（圖2-3）：</p><p>　　圖2-3 傳動系統(tǒng)運(yùn)動簡圖</p><p>　　2.5 控制方案設(shè)計(jì)</p><p>　　綜合考慮全自動鉆床的改造要求、功能

37、要求、控制要求及經(jīng)濟(jì)因素，控制系統(tǒng)采用PLC與手動相結(jié)合的方法進(jìn)行控制。</p><p>　　PLC即可編程控制器，其英文全稱為 Programmable Controller。PLC舉起于20世紀(jì)70年代，是微機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。經(jīng)過30多年的發(fā)展，可編程控制器已經(jīng)成為最重要、最可靠、應(yīng)用場合最廣泛的工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)。PLC不僅充分利用微處理器的優(yōu)點(diǎn)來滿足各種工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)時控制要求，同時也

38、照顧到操作維護(hù)人員的技能和習(xí)慣，摒棄了微機(jī)常用的計(jì)算機(jī)的編程語言，獨(dú)具風(fēng)格地使用以繼電器梯型圖為基礎(chǔ)的形象編程語言和模塊化的軟件結(jié)構(gòu)，使用戶編制的程序清晰直觀、調(diào)試和查錯容易，且編程方便易學(xué)。</p><p>　　PLC的主要功能有：順序控制、數(shù)據(jù)處理、邏輯控制、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、記數(shù)控制、通訊與聯(lián)網(wǎng)、定時控制。在自動鉆床的控制系統(tǒng)中，我們主要應(yīng)用PLC的順序控制和定時控制。 </p><p

39、>　　另外PLC作為現(xiàn)代最重要、最可靠、應(yīng)用場合最廣泛的工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)，其具有以下特點(diǎn)：</p><p><b>　　（1）可靠性高 ；</b></p><p>　　（2）編程容易，易于使用；</p><p>　?。?）控制功能極強(qiáng)；</p><p>　?。?）擴(kuò)展及與外部連接極為方便；</p>

40、<p>　　（5）通用性好、體積小、使用靈活；</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)施工和調(diào)試的周期短；</p><p>　　結(jié)合以上PLC的特點(diǎn)，我們在控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時選擇PLC作為主要的控制方式，另外根據(jù)實(shí)際的工作要求，配合適當(dāng)?shù)氖謩涌刂圃?lt;/p><p>　　2.6 總體布局設(shè)計(jì)</p><p>　　機(jī)床總布局的設(shè)計(jì)任務(wù)是解決

41、機(jī)床各部件間的相對運(yùn)動和相對位置的關(guān)系，并使機(jī)床具有一個協(xié)調(diào)完美的造型。工藝分析和工件的形狀、尺寸及重量，在很大程度上左右著機(jī)床的布局形式。</p><p>　　普通臺式鉆床的自動化改造及進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是在原有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上導(dǎo)入了液壓進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)：主軸箱要做變動。同時還導(dǎo)入了液壓夾緊系統(tǒng)：考慮到臺式鉆床固定不動，可變動工作臺的結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)總體布局的協(xié)調(diào)。</p><p>　　2.7 輔助系統(tǒng)的

42、設(shè)計(jì)</p><p>　　輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、故障檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)和照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)。</p><p>　　設(shè)計(jì)過程中可根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和實(shí)際的鉆床工作需求進(jìn)行輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　2.8 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了通過對已知設(shè)計(jì)條件

43、的分析如何確定自動鉆床總體方案的問題。章節(jié)中主要對自動鉆床總體方案中的工藝路線、執(zhí)行系統(tǒng)方案、傳動系統(tǒng)方案和控制系統(tǒng)方案作了詳細(xì)介紹和分析。</p><p>　　通過本章節(jié)的敘述和圖文表達(dá)，我們對自動鉆床的總體設(shè)計(jì)有了一個清晰的概念，確定了下面章節(jié)中設(shè)計(jì)的步驟和設(shè)計(jì)重點(diǎn)。</p><p>　　3 專用鉆床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 進(jìn)給系統(tǒng)概述與分

44、析 </p><p>　　傳統(tǒng)的臺式鉆床主軸進(jìn)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(zhuǎn)運(yùn)動，也要作軸向的進(jìn)給運(yùn)動。機(jī)床主軸被裝置在主軸套筒內(nèi)，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內(nèi)，主軸上側(cè)由花鍵連接。機(jī)床加工時，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由花鍵傳入，而進(jìn)給運(yùn)動則由齒輪通過齒條帶動套筒在鑲套內(nèi)運(yùn)動。由總體方案可知，自動鉆床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)入了液壓缸進(jìn)給系統(tǒng)，由液壓缸驅(qū)動替代齒輪齒條的手動進(jìn)給，來實(shí)

45、現(xiàn)主軸的快進(jìn)、工進(jìn)和快退動作。</p><p>　　鉆床在加工時，主軸要作高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和直線的進(jìn)給運(yùn)動。導(dǎo)入液壓缸進(jìn)給系統(tǒng)后，由于液壓缸結(jié)構(gòu)和性能的限制，液壓缸活塞桿不宜作高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此，我們要結(jié)合合適的軸承和結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)主軸的高速旋轉(zhuǎn)。往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動由液壓缸來完成動作。</p><p>　　圖3-1 普通臺式鉆床進(jìn)給系統(tǒng)簡圖</p><p>　　1、主軸套筒鑲

46、套2、推力球軸承3、主軸套筒4、主軸5、深溝球軸承</p><p>　　6、齒輪齒條手動進(jìn)給系統(tǒng)7、主軸箱</p><p>　　3.2 進(jìn)給系統(tǒng)方案圖的確定</p><p>　　全自動鉆床是在原有臺式鉆床的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造設(shè)計(jì)的，所以，我們首先要對普通臺式鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)作出詳細(xì)的研究。</p><p>　　臺式鉆床主軸進(jìn)給系統(tǒng)主要部件有主軸

47、、主軸套筒、主軸套筒鑲套、齒輪齒條和軸承等。其結(jié)構(gòu)圖如圖3-1示：</p><p>　　根據(jù)普通臺式鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，綜合考慮本文設(shè)計(jì)的要求、改造后自動鉆床的工作條件和液壓缸工作特性，確定自動鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2自動鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)簡圖</p><p>　　1、主軸2、深溝球軸承3、活塞桿4、液壓缸筒5、油路口</p

48、><p>　　6、液壓缸蓋7、鎖緊螺釘8、推力球軸承9、密封圈</p><p><b>　　3.3 工況分析</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)可知，生產(chǎn)工件時，要求生產(chǎn)率為3把/分鐘，即要求在20秒內(nèi)要完成一件工件的送料、夾緊、鉆削加工和出料。</p><p>　　已知件材料為Q235鋼，工件厚度大約為15mm，查《

49、機(jī)械工程材料實(shí)用手冊》可知，Q235為碳素結(jié)構(gòu)鋼，其韌性良好，有一定的強(qiáng)度和伸長率，在一般機(jī)械制造中應(yīng)用廣泛，是一般機(jī)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。</p><p>　　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(jìn)給力的作用。軸向進(jìn)給力是沿主軸軸向的，在主軸保持其與工

50、作臺的垂直度的情況下，軸向力作用產(chǎn)生的彎矩基本為零，可忽略不計(jì)。所以，鉆床主軸為僅受轉(zhuǎn)矩作用的軸類。</p><p>　　主軸進(jìn)給液壓缸在工作中受到作用力可以分為三個階段分析。在主軸快進(jìn)工序中，液壓缸受到鉆床主軸組件重力和液壓缸系統(tǒng)的摩擦力的作用；在主軸工進(jìn)工序中，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)的摩擦力作用；在主軸快退的工序中，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。因此，在進(jìn)

51、給液壓缸設(shè)計(jì)時，我們要以最大受力作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　3.4 切削力的計(jì)算</p><p>　　3.4.1 切削刀具及相關(guān)參數(shù)的選擇</p><p>　　目前在鉆孔加工中，麻花鉆主要有高速鋼麻花鉆和硬質(zhì)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有了較大提高，所以該鉆頭應(yīng)用極廣。所以，在本文的鉆削加工過程中，選擇

52、高速鋼麻花鉆頭。查《金屬切削手冊》選擇標(biāo)準(zhǔn)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。</p><p>　　由于被加工材料為Q235鋼，其切削性能較好，所以查《金屬切削手冊》選擇加工時進(jìn)給量f為：f=0.2mm/r；其對應(yīng)的切削速度V=32m/min。</p><p>　　3.4.2 主軸轉(zhuǎn)速及鉆孔時間的計(jì)算</p>

53、<p>　　查《金屬切削手冊》，由切削速度計(jì)算公式可得出主軸在工藝長期穩(wěn)定時的固定轉(zhuǎn)速n的計(jì)算公式如下：</p><p>　　式中，——選定的切削速度（m/min）</p><p>　　——刀具或工件的直徑（mm）</p><p>　　將V=32m/min，d=12mm代入公式中，計(jì)算得出n=850r/min.</p><p>　　

54、查《金屬切削手冊》,鉆孔時間T的計(jì)算公式為：</p><p>　　式中，l——被鉆孔厚度（mm）</p><p>　　f——切削進(jìn)給量（mm/r）</p><p>　　——刀具或工件的直徑（mm）</p><p>　　n——主軸固定轉(zhuǎn)速（r/min）</p><p>　　將l =15mm，f =0.2mm/r, d=1

55、2mm,n=850r/min代入公式中，計(jì)算得出T=6.6s.</p><p>　　由此，確定一件工件的加工工時為：送料1s，工件夾緊2s，快進(jìn)2s，工進(jìn)7s，主軸停留2s，快退2s，出料1s，加工一件工件用時17s，達(dá)到了加工效率的要求。</p><p>　　3.4.3 切削力的計(jì)算</p><p>　　鉆床切削力的計(jì)算包括鉆床主軸轉(zhuǎn)矩計(jì)算和主軸軸向切削力的計(jì)算。

56、由于加工材料為Q235鋼，其屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，鉆頭為高速鋼麻花鉆，加工方式為鉆孔，所以查《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊》得：</p><p>　　鉆床轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下： </p><p>　　式中，—— 切削力矩（N·M）</p><p>　　—— 鉆頭直徑（mm）</p><p>　　—— 每轉(zhuǎn)進(jìn)給量（mm）</p>

57、<p><b>　　—— 修正系數(shù)</b></p><p>　　軸向切削力的計(jì)算公式如下：</p><p>　　式中，—— 軸向切削力（N）</p><p>　　—— 鉆頭直徑（mm）</p><p>　　—— 每轉(zhuǎn)進(jìn)給量(mm)</p><p><b>　　—— 修正系數(shù)&

58、lt;/b></p><p>　　已知被加工材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼，結(jié)構(gòu)鋼和鑄鋼取=736MPa，D=12mm，=0.2mm，所以可分別計(jì)算出切削轉(zhuǎn)矩和軸向切削為：</p><p><b>　　=13.5 N·M</b></p><p><b>　　=2595 N</b></p><p&g

59、t;　　3.5 鉆床主軸設(shè)計(jì)</p><p>　　3.5.1 主軸材料的選擇</p><p>　　在軸的設(shè)計(jì)過程中，軸類的材料選擇要考慮如下因素：</p><p>　　軸的強(qiáng)度、剛度和耐磨性要求；</p><p>　　軸的熱處理方式和機(jī)加工工藝性要求；</p><p>　　軸的材料來源和經(jīng)濟(jì)性；</p>

60、<p>　　軸的常用材料有碳鋼和合金鋼。一般來說碳鋼比合金鋼價格低廉，對應(yīng)力集中的敏感性低，可通過熱處理改善其綜合性能，加工工藝性好，應(yīng)用廣泛。而合金鋼雖然機(jī)械性能和淬火性能優(yōu)于碳鋼，但其價格較貴，一般用于強(qiáng)度和耐磨性要求高的場合。 </p><p>　　綜合以上設(shè)計(jì)要求及因素，鉆床主軸材料選用45號鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后HB要達(dá)到240左右。其機(jī)械性能參數(shù)如下：δb=650MPa；δs=36

61、0MPa；δ-1=300MPa；τ-1=155MPa；[δ-1]b=60MPa；[τT]=35MPa。</p><p>　　3.5.2 軸徑的計(jì)算</p><p>　　由金屬切削原理可知，主軸切削功率的計(jì)算公式為：</p><p>　　式中：—— 軸向切削力（N）</p><p>　　—— 每轉(zhuǎn)進(jìn)給量(mm)</p><p

62、>　　n——主軸固定轉(zhuǎn)速（r/min）</p><p>　　—— 切削力矩（N·M）</p><p>　　將以上數(shù)值代入公式中可計(jì)算出功率=1.2KW</p><p>　　考慮到軸承傳動效率（查得為0.99）和花鍵傳動效率（查得為0.98），所以可計(jì)算出鉆床主軸要傳遞的功率P為：</p><p>　　P=/(0.99×

63、;0.99×0.98)=1.25KW</p><p>　　由工況分析可知，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(jìn)給力的作用。軸向進(jìn)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(chǎn)生的彎矩基本為零，可忽略不計(jì)。所以，鉆床主軸為僅受轉(zhuǎn)矩作用的軸類。查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得鉆床最小直徑的計(jì)算公式如下：</p><p>　　選C=110，計(jì)算出dmin=1

64、3mm</p><p>　　由計(jì)算結(jié)果可知，在滿足加工條件的情況下，鉆床主軸最小直徑不能小于13mm，根據(jù)普通臺式鉆床的主軸結(jié)構(gòu)，現(xiàn)選自動鉆床直徑為40mm。</p><p>　　3.5.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　由圖3-2進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jù)鉆床軸徑選

65、用軸承及花鍵尺寸如下（表3-1）表示：</p><p>　　根據(jù)主軸的的行程，可確定鉆床主軸的基本長度尺寸如下圖示（圖3-3）：</p><p>　　表3-1 主軸零件選用表</p><p>　　圖3-3 鉆床主軸基本尺寸簡圖</p><p>　　3.5.4 軸強(qiáng)度的校核</p><p>　　由工況分析可知，鉆床主軸

66、的受力圖如下（圖3-4）：</p><p>　　圖3-4鉆床主軸受力簡圖</p><p>　　圖3-5鉆床主軸轉(zhuǎn)矩簡圖</p><p>　　考慮到傳動效率，鉆床主軸要傳遞的轉(zhuǎn)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(jìn)給切削力相互抵消。所以，繪制主軸所受轉(zhuǎn)矩圖如圖3-5。

67、</p><p>　　根據(jù)軸上零件的布置，軸的危險截面為軸端花鍵處，所以應(yīng)對該處進(jìn)行軸的強(qiáng)度校驗(yàn)。</p><p><b>　　扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度約束條件：</b></p><p>　　式中：τT—— 軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（MPa）</p><p>　　M——軸的傳遞轉(zhuǎn)矩(N·mm)</p><p>　　

68、WT——軸的抗扭截面模量（mm3）</p><p>　　[τT]——軸的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（）</p><p>　　查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得花鍵的抗扭截面模量WT的計(jì)算公式為：</p><p>　　式中：d1——花鍵內(nèi)徑（mm）</p><p>　　b——花鍵齒寬(mm)</p><p><b>　　z——花鍵的齒數(shù)<

69、;/b></p><p>　　D——花鍵的外徑（mm）</p><p>　　將選用花鍵的基本參數(shù)代入公式中可計(jì)算出WT=5739，所以可以計(jì)算出鉆床主軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力=2.44。</p><p>　　由于[]=35，顯然≤[]，所以，軸滿足強(qiáng)度要求。</p><p>　　3.6 進(jìn)給液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　

70、3.6.1 負(fù)載分析</p><p>　　一般情況下，作往復(fù)直線運(yùn)動的液壓缸的負(fù)載由六部分組成，即工作阻力、摩擦阻力、慣性力、重力、密封阻力和背壓力。</p><p>　　負(fù)載分析中，我們暫不考慮回油腔的背時壓力，液壓缸的密封裝置產(chǎn)生的摩擦阻力在機(jī)械效率中加以考慮。因改造后的自動鉆床和普通臺式鉆床一樣豎直放置，所以需要考慮的力有：工作阻力（鉆床軸向切削力）、系統(tǒng)摩擦阻力（在機(jī)械效率中考慮）

71、、重力和慣性力。</p><p>　　負(fù)載中工作阻力為鉆床的軸向切削力，其大小=2595 N</p><p>　　系統(tǒng)摩擦阻力在機(jī)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(jì)算出整下系統(tǒng)的機(jī)械效率η為：</p><p>　　η=0.99×0.99×0.98×0.95=0.91</p&

72、gt;<p>　　系統(tǒng)要克服的重力有鉆床主軸重力和液壓缸活塞桿重力，鉆床主軸重力可按下式計(jì)算：</p><p>　　查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》鋼材密度取7.85 ，主軸體積V為：</p><p>　　式中： V——主軸體積（m3）</p><p>　　d——主軸直徑 (mm)，取40mm</p><p>　　——主軸長度（mm），取55

73、0mm</p><p><b>　　所以主軸重力為：</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　式中： V——主軸體積（m3）</p><p>　　ρ——主軸材料密度（）</p><p>　　g——重力加速度（），取10</p><

74、;p><b>　　——主軸重力（N）</b></p><p>　　計(jì)算出主軸重量=55N.考慮到軸上零件和液壓缸活塞桿重力，現(xiàn)取整個系統(tǒng)要承受的重力=200N。</p><p>　　慣性力Fm指運(yùn)動部件在啟動或制動過程中的慣性力，查《液壓與氣壓傳動》得其計(jì)算公式為：</p><p><b>　　式中，——系統(tǒng)重力</b&g

75、t;</p><p><b>　　——重力加速度</b></p><p>　　——時間內(nèi)的速度變化量</p><p><b>　　——加速或減速時間</b></p><p>　　已知主軸系統(tǒng)重力G=200N；快進(jìn)行程70mm；工進(jìn)行程為20mm；根據(jù)工時安排可確定主軸快進(jìn)快退速度為3m/min；工進(jìn)

76、速度為0.17m/min；加速、減速時間一般取Δt=0.2s；所以可以計(jì)算出慣性力：</p><p><b>　　=5N</b></p><p>　　快進(jìn)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(jìn)時受到的最大作用力F=G×η=182N。</p><p>　　工進(jìn)時，液壓缸要克服工作

77、阻力（主軸軸向切削力）和系統(tǒng)摩擦力，此時系統(tǒng)重力起到動力作用。所以F=（-G）/η，為了設(shè)計(jì)的可行性，使得液壓缸有足夠的液壓作用力，計(jì)算中我們?nèi)∠到y(tǒng)重力的一半代入到式中，F(xiàn)=2742N。</p><p>　　快退時，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(jì)算時取0.89，所以計(jì)算出此時F=225N。</p><p>　　列出主軸系統(tǒng)各運(yùn)動階段的液壓負(fù)

78、載計(jì)算公式及大小如下表（表3-2）：</p><p>　　表3-2 液壓缸各運(yùn)動階段負(fù)載表</p><p>　　根據(jù)液壓缸各運(yùn)動階段負(fù)載計(jì)算結(jié)果和已知各階段的運(yùn)動速度，我們可以畫出負(fù)載圖（F-）和速度圖(V-)如下（圖3-6）：</p><p>　　圖3-6 液壓系統(tǒng)負(fù)載及速度簡圖</p><p>　　3.6.2 液壓缸執(zhí)行元件主要參數(shù)的確定

79、</p><p>　　(一)初選液壓缸的工作壓力</p><p>　　表3-3液壓設(shè)備常用的工作壓力表</p><p>　　液壓缸的工作壓力主要根據(jù)液壓設(shè)備的類型來確定，對不同的液壓設(shè)備，由于工作條件的不同，通常采用的壓力范圍也不同。根據(jù)鉆床的工作條件和加工要求，參考液壓設(shè)備常用的工作壓力表（表3-3）和同類機(jī)床的液壓工作壓力，初選液壓缸的工作壓力=3。</p

80、><p>　　(二)確定液壓缸的類型及主要結(jié)構(gòu)尺寸</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和鉆床主軸的運(yùn)動規(guī)律，選擇雙桿活塞缸，活塞桿為中空桿，以便主軸穿過；活塞桿兩端裝有軸承，以固定主軸。</p><p>　　雙桿活塞缸的活塞桿兩側(cè)都可伸出，根據(jù)工作需要，選用活塞缸采用缸筒固定式。</p><p>　　缸筒固定式雙桿活塞缸簡圖如下（圖3-7）：&l

81、t;/p><p>　　圖3-7 缸筒固定式雙桿活塞缸結(jié)構(gòu)簡圖</p><p>　　自動鉆床在完成工進(jìn)后，為了防止在鉆通要加工的孔后主軸突然前沖，我們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。</p><p>　　表3-4液壓缸參考背壓</p><p>　　由表3-1 主軸零件選用表可知，活塞桿兩端要裝軸承。深溝球

82、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。</p><p>　　表3-5 活塞桿直徑系列（GB2348-80）（mm）</p><p>　　由表3-2可知，當(dāng)主軸工進(jìn)時液壓系統(tǒng)的負(fù)載最大F=2742N，由此可計(jì)算出液壓缸的有效面積A為：</p><p>　　式中：——液壓缸內(nèi)徑

83、（）</p><p>　　——液壓缸活塞桿直徑（）, =100mm</p><p>　　——液壓缸負(fù)載（）, F=2742</p><p>　　——液壓缸工作壓力（）, =3</p><p>　　——回油路背壓力（）, ==0.8</p><p>　　所以可計(jì)算也液壓缸內(nèi)徑=117。為了便于采用標(biāo)準(zhǔn)的密封式元件，查表3

84、-6對液壓缸內(nèi)徑進(jìn)行圓整。圓整后取=125。</p><p>　　表3-4液壓缸內(nèi)徑尺寸系列（GB2348-80）(mm)</p><p>　　液壓缸基本尺寸確定后，要按最低工進(jìn)速度驗(yàn)算液壓缸的尺寸。即保證液壓缸的有效工作面積要大于或等于保證最小穩(wěn)定速度時的最小有效面積。</p><p>　　即： ≥</p><p>　

85、　式中，——流量閥的最小穩(wěn)定流量，=0.05</p><p>　　——液壓缸的最低速度, =0.17</p><p>　　由計(jì)算可得A=2767≥=294,因此，液壓系統(tǒng)基本尺寸滿足最低速度的要求。</p><p>　　（三）液壓缸材料的選擇</p><p>　　液壓缸材料的選擇主要受以下幾個因素的制約：</p><p&g

86、t;　?。?）液壓缸要有足夠的強(qiáng)度；</p><p>　?。?）液壓缸要有足夠的剛度；</p><p>　　（3）液壓缸要有很好的耐磨性能；</p><p>　　因此，基于以上因素及國內(nèi)現(xiàn)有的液壓缸材料，液壓缸材料選擇45號無縫鋼管。</p><p>　?。ㄋ模┮簤焊赘鞴ぷ麟A段的工作壓力、流量和功率計(jì)算</p><p>

87、;　　根據(jù)液壓缸的負(fù)載圖和速度圖以及上述液壓缸的計(jì)算數(shù)值，可以計(jì)算出液壓缸工作各階段的壓力、流量和功率。在計(jì)算時工進(jìn)時背壓按=0.8代入，快退快進(jìn)時背壓按=0.5代入計(jì)算。計(jì)算公式及計(jì)算結(jié)果列于表3-5中。</p><p>　　自動鉆床快進(jìn)和工進(jìn)時，液壓缸上油缸進(jìn)油下油缸回油；快退時液壓缸下油缸進(jìn)油上油缸回油。</p><p>　　因此計(jì)算液壓缸工作各階段的壓力、流量和功率如下表示（表3-

88、5）：</p><p>　　表3-5 液壓缸所需的實(shí)際流量、壓力和功率</p><p>　　注：表中A為液壓缸有效面積，V為各階段穩(wěn)定速度。</p><p>　　（五）液壓缸壁厚和最小導(dǎo)向長度的計(jì)算</p><p>　　液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來計(jì)算。</p><p>　　液壓缸的壁厚一般是指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄處的厚

89、度。因壁厚不同可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。</p><p>　　液壓缸的內(nèi)徑D與其壁厚δ的比值圓筒稱為薄壁圓筒。工程機(jī)械的液壓缸大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒公式計(jì)算：</p><p>　　式中 δ—液壓缸壁厚（m）；</p><p>　　D—液壓缸的內(nèi)徑（m）；</p><p>　　—試驗(yàn)壓力，一般取最大工作壓力的（1.25～1

90、.50）倍；</p><p>　　[σ]—缸筒材料的許用應(yīng)力。其值：鍛鋼：[σ]=110～120；鑄鋼：[σ]=100～110；無縫鋼管：[σ]= 100～110；高強(qiáng)度鑄鐵：[σ]=60；灰鑄鐵：[σ]=25。</p><p>　　根據(jù)表3-5中計(jì)算的結(jié)果，代入計(jì)算公式中，可計(jì)算出液壓缸壁厚δ=4mm?？紤]到與缸蓋的聯(lián)接，所以設(shè)計(jì)中取液壓缸的壁厚δ=8mm。</p><

91、;p>　　最小導(dǎo)向長度是指當(dāng)活塞桿全部外伸時，從活塞支撐面中點(diǎn)到缸蓋滑動支撐面中點(diǎn)的距離H稱為對一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長度應(yīng)滿足以下要求</p><p>　　式中 —液壓缸的最大行程；</p><p><b>　　—液壓缸的內(nèi)徑。</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)中液壓缸的最大行程為100mm，液壓缸的內(nèi)徑為125mm，代入上式

92、可計(jì)算得出H≥67.5mm,設(shè)計(jì)中取H=70mm。</p><p>　?。┮簤合到y(tǒng)原理圖</p><p>　　自動鉆床要完成快進(jìn)、工進(jìn)和快退的工作循環(huán)。快進(jìn)和工進(jìn)時進(jìn)給液壓缸上油缸進(jìn)油下油缸出油，而快退時進(jìn)給液壓缸下油缸進(jìn)油上油缸出油，因此液壓控制時只需一次換向。考慮到系統(tǒng)工進(jìn)完后，需要定時停留，因此，換向閥選擇具有中位封閉功能的三位四通電磁換向閥。由于快進(jìn)快退和工進(jìn)時的速度不一樣，所

93、以系統(tǒng)要有調(diào)整裝置。根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)可知，液壓系統(tǒng)運(yùn)動速度不是太大，負(fù)載也不大，因此，調(diào)整系統(tǒng)選擇進(jìn)口節(jié)流調(diào)整，該調(diào)整系統(tǒng)具有較好的低速穩(wěn)定性和速度負(fù)載特性；液壓泵選用單向定量液壓泵。</p><p>　　自動鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)控制原理圖如圖3-8示。</p><p>　　圖3-8 自動鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)控制原理圖</p><p>　　1、三位四通電磁換向閥2、二位二通電磁

94、換向閥3、調(diào)速閥4、液壓缸</p><p>　　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</p><p>　　快進(jìn)時，液壓系統(tǒng)在PLC自動控制下啟動，電磁鐵1Y得電，三位四通電磁換向閥1接入左位，液壓泵9供油經(jīng)二位二通電磁換向閥2進(jìn)入液壓缸4上腔，回油經(jīng)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。</p><p&

95、gt;　　工進(jìn)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(jīng)調(diào)整閥3進(jìn)入液壓缸4上腔，回油經(jīng)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。</p><p>　　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(dá)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。</p>

96、;<p>　　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(jīng)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。</p><p>　　工作循環(huán)過程中電磁鐵動作表（表3-6）：</p><p>　　表3-6 電磁鐵動作表</p><p>　　（七）液壓元件的選擇</p>&

97、lt;p><b>　　1、液壓泵的選擇</b></p><p>　　液壓泵的最高工作壓力可按下式計(jì)算：</p><p>　　式中，——液壓泵的最高工作壓力</p><p>　　——液壓缸的最大工作壓力；查表3-5 =1.8</p><p>　　——進(jìn)油管路總壓力損失；初算時簡單系統(tǒng)可取～，復(fù)雜系統(tǒng)可取～。取=<

98、;/p><p>　　根據(jù)上式及數(shù)據(jù)值，可計(jì)算出=2.3。計(jì)算出的是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，因?yàn)橄到y(tǒng)在各種工況的過度階段出現(xiàn)的動態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力。另外考慮到一定的壓力儲備量，并確保泵的壽命，因此選泵的額定壓力應(yīng)滿足～，中低壓系統(tǒng)取小值，高壓系統(tǒng)取大值。所以泵的額定壓力為：</p><p><b>　　=1.25=2.9</b></p><p>　　液壓

99、泵的最大流量應(yīng)滿足下面公式：</p><p>　　式中，——液壓泵的最大流量</p><p>　　——同時動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。如</p><p>　　果這時溢流閥正在進(jìn)行工作，需加上溢流閥的最小溢流量～；查表3-5取=8.3；</p><p>　　——系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取～，式中??；</p><p>

100、　　所以計(jì)算出≥9.96。</p><p>　　根據(jù)上面計(jì)算的壓力和流量，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》液壓泵產(chǎn)品樣本，選擇YB1-12型，其額定壓力為6.3，排量為12,額定轉(zhuǎn)速為960，驅(qū)動功率為2。其具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、壓力流量脈動小、噪聲低和壽命長等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　2、液壓泵驅(qū)動電機(jī)的選擇</p><p>　　根據(jù)已選擇的液壓泵的規(guī)格，我們可知已選液壓泵

101、需要的驅(qū)動功率2，查電機(jī)樣本表可選液壓泵驅(qū)動電機(jī)型號為：Y132S-6。其額定功率為3，滿載轉(zhuǎn)速為960。</p><p>　　3、液壓系統(tǒng)液壓閥的選擇</p><p>　　根據(jù)表3-5液壓系統(tǒng)各工作階段所需的實(shí)際流量、壓力和設(shè)計(jì)中所選的背壓大小，所選液壓閥見液壓系統(tǒng)液元件明細(xì)表（表3-7）。表中序號與自動鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)控制原理圖中序號一致。</p><p>　　

102、表3-7 液壓系統(tǒng)液元件明細(xì)表</p><p>　　備注：溢流閥6壓力調(diào)至0.5，溢流閥7壓力調(diào)至0.8，溢流閥8壓力調(diào)至6.4</p><p>　　4、液壓系統(tǒng)油管的選擇</p><p>　　液壓傳動中，常用的油管有鋼管、銅管、塑料管、尼龍管、橡膠軟管等。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和工作環(huán)境的不同選擇相應(yīng)的材料。本設(shè)計(jì)中，考慮到自動鉆床的工作環(huán)境，油路管道選用鋼管。油管尺寸參

103、照選用的液壓元件接口尺寸決定。</p><p>　　5、液壓系統(tǒng)油箱的選擇</p><p>　　由以上計(jì)算可知，本液壓系統(tǒng)屬中低壓系統(tǒng)，所以在確定油箱容積時一般取液壓泵額定流量的5～7倍。設(shè)計(jì)中取液壓泵額定流量的7倍，故油箱容積為：</p><p>　　=7×11.52=80.64</p><p>　　查相關(guān)產(chǎn)品樣本油箱型號選擇：A

104、B40-33-0100N。其公稱容積為100。</p><p><b>　　（八）液壓油的選擇</b></p><p>　　液壓系統(tǒng)中的工作油液具有雙重作用，一是作為傳遞能量的介質(zhì)，二是作為潤滑劑潤滑運(yùn)動零件的工作表面。要選擇液壓油時，一般要考慮的因素有：液壓油的粘度、液壓系統(tǒng)的工作壓力、環(huán)境溫度、運(yùn)動速度和液壓泵的類型。綜合以上因素液壓油選擇普通液壓油，牌號為46。

105、</p><p>　　3.6.3 活塞桿及活塞材料的選擇</p><p>　　活塞桿材料一般選用中碳鋼（如45號鋼），由于該設(shè)計(jì)為選用雙桿液壓缸，所以活塞桿材料選用45號鋼，需經(jīng)調(diào)質(zhì)和淬火處理，淬火深度為0.5mm.</p><p>　　活塞材料選用高強(qiáng)度的鑄鐵，選擇HT200。</p><p>　　3.6.4 活塞桿與活塞的連接方式及活塞密

106、封裝置的選擇</p><p>　　圖3-9 活塞桿與活塞連接方式及活塞密封方式圖</p><p>　　活塞和活塞桿的連接結(jié)構(gòu)有以下幾種，整體式結(jié)構(gòu)和組合式結(jié)構(gòu)。組合式結(jié)構(gòu)又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接，我們采用的是卡環(huán)連接，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便?；钊盎钊麠U處的密封圈的選用，應(yīng)根據(jù)密封的部位、使用的壓力、溫度、運(yùn)動速度的范圍的不同而選擇不同類型的密封圈。我們選用O型密封圈密封。

107、O型密封圈密封原理是依靠O型密封圈預(yù)壓縮，消除間隙而實(shí)現(xiàn)密封。O型密封能隨壓力的增加而自動提高密封件與密封表面的接觸應(yīng)力，從而提高密封作用，并且O型密封圈可在磨損后自動補(bǔ)償。（見圖3-9）</p><p>　　3.6.5 液壓缸蓋與液壓缸連接方式及密封方式的選擇</p><p>　　液壓缸蓋與液壓缸采用法蘭連接。法蘭連接結(jié)構(gòu)較簡單，易加工，易裝卸。液壓缸蓋密封采用組合式密封，并且在缸蓋內(nèi)側(cè)

108、加非金屬材料導(dǎo)向環(huán)。具體結(jié)構(gòu)見圖3-10示：</p><p>　　圖3-10 缸蓋與缸連接方式及缸蓋密封方式</p><p><b>　　3.7 本章小結(jié)</b></p><p>　　在本章節(jié)自動鉆床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要包括機(jī)床主軸的設(shè)計(jì)的進(jìn)給液壓缸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是整個設(shè)計(jì)中的一個重點(diǎn)。其中機(jī)床主軸設(shè)計(jì)中有關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算貫穿整個設(shè)計(jì)，為下面章節(jié)中的

109、設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)，提供了方便；進(jìn)給液壓缸的設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提。</p><p>　　4 專用鉆床主軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 主軸傳動系統(tǒng)的分析</p><p>　　由圖2-3可知，主軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括帶輪傳動、主軸花鍵傳動和液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)已在第三章中介紹并作出了設(shè)計(jì)，所以本章介紹帶輪傳動和主軸花鍵傳動的設(shè)計(jì)。&l

110、t;/p><p>　　主軸花鍵傳動主要是滿足主軸在高速旋轉(zhuǎn)的同時還能夠作軸向的進(jìn)給運(yùn)動。在主軸花鍵設(shè)計(jì)中，主要是根據(jù)主軸的軸徑大小來選擇花鍵的尺寸。</p><p>　　主軸系統(tǒng)帶輪傳動可實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，設(shè)計(jì)包括V帶的選擇和帶輪尺寸的設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.2 主軸花鍵的設(shè)計(jì)</p><p>　　花鍵聯(lián)接，由帶有多個鍵齒的軸和轂孔組成，齒側(cè)

111、面為工作面，可用于靜聯(lián)接和動聯(lián)接。與鍵聯(lián)接相比，花鍵聯(lián)接有更高的承載能力，較好的定心性和導(dǎo)向性；可實(shí)現(xiàn)滑動聯(lián)接；對軸的削弱也較小。</p><p>　　設(shè)計(jì)中軸上花鍵主要傳遞轉(zhuǎn)矩，并起到軸端的導(dǎo)向定心作用。根據(jù)表3-1主軸零件的選用，選用花鍵規(guī)格為：（ ）8×32×36×6 GB/T 1144-1987（為齒數(shù)×內(nèi)徑×外徑×齒寬）。主軸的行程為100m

112、m，查表4-1可確花鍵的長度為=160mm。</p><p>　　表4-1 花鍵長度系列表 （mm）</p><p>　　由于主軸材料為45鋼，加工后要調(diào)質(zhì)處理，主軸端花鍵與轂孔為滑動聯(lián)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。</p><p>　　4.3 主軸電機(jī)選擇&

113、lt;/p><p>　　根據(jù)3.5.2章節(jié)的計(jì)算可知，主軸切削功率=1.2KW。由于花鍵轂要與帶輪固定在機(jī)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(jì)算出電機(jī)要傳遞的最小功率為：</p><p>　　所以可計(jì)算出=1.32。查電機(jī)樣品選取電機(jī)型號為：Y90L-4。其額定功率為1.5，滿載轉(zhuǎn)速為1400 r/min。</p><p&

114、gt;　　4.4 V帶傳動設(shè)計(jì)</p><p>　　4.4.1 設(shè)計(jì)功率的計(jì)算</p><p>　　式中： ——工況系數(shù)；自動鉆床一般為空載啟動取=1.2</p><p>　　——傳遞功率；取電動機(jī)額定功率=1.5</p><p><b>　　計(jì)算出=1.8。</b></p><p>　　4.4.

115、2 選擇帶型</p><p>　　根據(jù)=1.8，=1400 r/min，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》選用Z型V帶。</p><p>　　4.4.3 選取帶輪基準(zhǔn)直徑和</p><p>　　由3.4.2章節(jié)中計(jì)算可知，主軸轉(zhuǎn)速=850 r/min?？紤]到電機(jī)主軸直徑D=24mm及Z型V帶的=50mm，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》取=80mm。</p><p>　　式中：

116、——鉆床主軸帶輪直徑；</p><p>　　——主軸電機(jī)滿載轉(zhuǎn)速；=1400 r/min</p><p>　　——鉆床主軸轉(zhuǎn)速；=850 r/min</p><p>　　——鉆床主軸帶輪直徑；=80mm</p><p>　　——滑動率；取=0.02</p><p>　　所以可計(jì)算出=129.13mm，圓整取標(biāo)準(zhǔn)值后取=