數(shù)控專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì).pdf

鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)論文鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)論文 專 業(yè) 數(shù)控技術(shù)專業(yè) 姓 名 準(zhǔn)考證號(hào) 論文題目 鉆床的自動(dòng)化改造 2014 年 03 月 22 日 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文評(píng)語(yǔ)： 論文建議成績(jī)： 評(píng)審教師簽名： 年 月 日 論文綜合成績(jī)： 答辯組長(zhǎng)簽名： 院系蓋章： 年 月 日 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 學(xué)校自考辦意見(jiàn)： 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 目目 錄錄 摘 要 . I Abstract . II 緒 論 . III 1.1 機(jī)械加工技術(shù)概況 . III 1.1.1 現(xiàn)代機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r . III 1.1.2 問(wèn)題的提出 . III 1.1.3 問(wèn)題的分析以及解決方案 . IV 1.2 本文研究的內(nèi)容及目標(biāo) .V 1.3 本章小結(jié) . VI 二、自動(dòng)鉆床的總體方案設(shè)計(jì) . 1 2.1 自動(dòng)專用鉆床已知條件和設(shè)計(jì)要求的概述 . 1 2.2 自動(dòng)鉆床的工藝路線分析與確定 . 2 2.3 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) . 2 2.3.1 執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì) . 3 2.3.2 執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 . 3 2.3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式設(shè)計(jì) . 4 2.3.4 執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì) . 4 2.3.5 執(zhí)行系統(tǒng)方案評(píng)價(jià)與決策 . 4 2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和原動(dòng)機(jī)選擇 . 4 2.4.1 原動(dòng)機(jī)選擇 . 4 2.4.2 傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) . 5 2.5 控制方案設(shè)計(jì) . 6 2.6 總體布局設(shè)計(jì) . 6 2.7 輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 7 2.8 本章小結(jié) . 7 三 專用鉆床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 8 3.1 進(jìn)給系統(tǒng)概述與分析 . 8 3.2 進(jìn)給系統(tǒng)方案圖的確定 . 9 3.3 工況分析 . 10 3.4 切削力的計(jì)算 . 10 3.4.1 切削刀具及相關(guān)參數(shù)的選擇 . 10 3.4.2 主軸轉(zhuǎn)速及鉆孔時(shí)間的計(jì)算 . 11 3.4.3 切削力的計(jì)算 . 11 3.5 鉆床主軸設(shè)計(jì) . 12 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3.5.1 主軸材料的選擇 . 12 3.5.2 軸徑的計(jì)算 . 13 3.5.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 13 3.5.4 軸強(qiáng)度的校核 . 14 3.6 進(jìn)給液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 15 3.6.1 負(fù)載分析 . 15 3.6.2 液壓缸執(zhí)行元件主要參數(shù)的確 . 18 3.6.3 活塞桿及活塞材料的選擇 . 27 3.6.4 活塞桿與活塞的連接方式及活塞密封裝置的選擇 . 27 3.6.5 液壓缸蓋與液壓缸連接方式及密封方式的選擇 . 27 3.7 本章小結(jié) . 28 四 專用鉆床主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 29 4.1 主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的分析 . 29 4.2 主軸花鍵的設(shè)計(jì) . 29 4.3 主軸電機(jī)選擇 . 30 4.4 V 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) . 30 4.4.1 設(shè)計(jì)功率 c P 的計(jì)算 . 30 4.4.2 選擇帶型 . 30 4.4.3 選取帶輪基準(zhǔn)直徑 1d d 和 2d d . 30 4.4.4 驗(yàn)算帶速V . 31 4.4.5 確定中心距a和帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度 d L . 31 4.4.6 驗(yàn)算小帶輪包角 1 . 32 4.5 本章小結(jié) . 32 五 自動(dòng)鉆床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 33 5.1 自動(dòng)鉆床的自動(dòng)化控制要求 . 33 5.2 可編程控制器 PLC 的簡(jiǎn)述 . 33 5.3 自動(dòng)鉆床進(jìn)給系統(tǒng)控制流程 . 34 5.4 自動(dòng)鉆床進(jìn)給系統(tǒng)電氣原理圖 . 36 5.5 自動(dòng)鉆床進(jìn)給系統(tǒng)控制元件的選擇 . 37 5.5.1 可編程控制器 PLC 的選擇 . 37 5.5.2 刀開(kāi)關(guān)的選擇 . 37 5.5.3 熔斷器的選擇 . 37 5.5.4 交流接觸器的選擇 . 38 5.5.5 行程開(kāi)關(guān)與接近開(kāi)關(guān)的選擇 . 38 5.5.6 繼電器的選擇 . 39 5.5.7 控制元件選擇明細(xì)表 . 39 5.6 控制系統(tǒng)程序的編寫 . 40 5.6.1 輸入與輸出的分配 . 40 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5.6.2 PLC 程序清單 . 40 5.7 本章小結(jié) . 40 總 結(jié) . 41 致 謝 . 42 參 考 文 獻(xiàn) . 43 附 錄 1 . 44 附 錄 2 . 46 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) I 摘摘 要要 數(shù)控機(jī)床是一種高效率的自動(dòng)化設(shè)備，它的效率高于普通機(jī)床的 35 倍，要充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的這一特點(diǎn)，就要對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)加工設(shè)備進(jìn) 行自動(dòng)化升級(jí)改造。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(lái)進(jìn)行鉆孔、 擴(kuò)孔、絞孔、攻絲等。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)的機(jī)械制造工業(yè)中孔類加工多數(shù)由 傳統(tǒng)鉆床來(lái)完成。本論文就針對(duì)傳統(tǒng)鉆床效率低，加工質(zhì)量不穩(wěn)定等不 足做出了對(duì)傳統(tǒng)鉆床進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞： 數(shù)控機(jī)床、鉆床、自動(dòng)化。 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) II Abstract Nc machine is a kind of efficient automation equipment, it is more efficient than the conventional machine tools of 3 5 times, to give full play to the characteristics of CNC programming, to upgrade traditional machining equipment automation. Drilling machine for hole processing, according to its structure can be divided into different radial drilling machine, vertical drilling machine, horizontal drilling, deep hole drilling machine, multi-axis drilling machine, etc. Mainly used for drilling, reaming, reaming, tapping and so on. For a long time in the mechanical manufacturing industry of our country of hole processing most are done by conventional drilling machine. For a long time in the mechanical manufacturing industry of our country of hole processing most are done by conventional drilling machine. This thesis is aimed at traditional drilling efficiency is low, the processing quality is not stable, to make the design of the traditional drilling machine automation upgraded. Key words:Key words: CNC machine, drilling machine, automation. 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) III 緒緒 論論 1.11.1 機(jī)械加工技術(shù)概況機(jī)械加工技術(shù)概況 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，機(jī)械制造行業(yè)正朝著自動(dòng)化、精密化、高效率和多樣化的方向發(fā)展。 1.1.1 1.1.1 現(xiàn)代現(xiàn)代機(jī)械加工技術(shù)機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r發(fā)展?fàn)顩r 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)性能又直接影響機(jī)械制造行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，所以為了提高國(guó)家 的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學(xué)技術(shù)水平，必須對(duì)機(jī)床的發(fā)展作出新的要求。 我國(guó)機(jī)床工業(yè)自 1949 年建立以來(lái)，雖然在短短的時(shí)間內(nèi)取得了很大的成就，但 與世界先進(jìn)水平相比還有較大的差距。 就現(xiàn)狀看， 主要表現(xiàn)在： 我國(guó)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(dòng)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8。據(jù)有關(guān) 部門統(tǒng)計(jì)我國(guó)數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量?jī)H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(guó)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(guó)機(jī)床在技術(shù)水平和性能方 面的差距也很明顯，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(guó)外先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，大力發(fā)展研究，推動(dòng)我國(guó)機(jī)床工業(yè)的發(fā)展。 1.1.2 1.1.2 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出 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 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) IV 鉆床、臥式鉆床、深孔鉆床、多軸鉆床等1。主要用來(lái)進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、絞孔、攻絲 等。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)的機(jī)械制造工業(yè)中孔類加工多數(shù)由傳統(tǒng)鉆床來(lái)完成，但是傳統(tǒng)的鉆 床在大批量生產(chǎn)時(shí)存在許多的不足之處： (1)自動(dòng)化程度不高，難以進(jìn)行大批量的生產(chǎn)； (2)工作效率低，且工人的工作環(huán)境惡劣； (3)占用人力較多，操作固定不易出錯(cuò)； (4)精度不高，工件裝夾費(fèi)時(shí)； (5)加工產(chǎn)品質(zhì)量不高； 針對(duì)以上傳統(tǒng)鉆床的不足之處及生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，我們有必要對(duì)傳統(tǒng)鉆床進(jìn)行 結(jié)構(gòu)改進(jìn)。 通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)鉆床手動(dòng)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(dòng)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度及工作量。 1.1.3 1.1.3 問(wèn)題的分析以及解決方案問(wèn)題的分析以及解決方案 當(dāng)前傳統(tǒng)鉆床問(wèn)題的存在主要在于自動(dòng)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(guò)程中，手動(dòng)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(dòng)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(wèn)題在于如何實(shí)現(xiàn)鉆床加工的自動(dòng)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(shí)也要考慮經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。 經(jīng)過(guò)分析，我們可以從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)兩方面去考慮。通過(guò)對(duì)鉆床機(jī)構(gòu)的改 造來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的要求，提高產(chǎn)品的加工精度及質(zhì)量；通過(guò)導(dǎo)入先進(jìn)的控制系統(tǒng) 來(lái)進(jìn)行自動(dòng)操控，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，便于導(dǎo)入到其它生產(chǎn)流程中去。為了解決問(wèn)題和 便于設(shè)計(jì)改造，我們將鉆床分為傳動(dòng)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(gè)部分，下面分別對(duì)各部分的問(wèn)題提出解決方案： (1)傳動(dòng)系統(tǒng) 為滿足改進(jìn)后的加工及工作要求，在做出相應(yīng)的計(jì)算后對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng) 進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整。 (2)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(shí)即要作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也要作軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。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(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由花鍵傳入，而進(jìn)給運(yùn)動(dòng)則由齒輪通過(guò)齒條帶動(dòng)套筒在鑲套內(nèi) 運(yùn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)依然由 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) V 電動(dòng)機(jī)傳入，而進(jìn)給則由液壓傳動(dòng)替代手動(dòng)的齒條傳動(dòng)，通過(guò)液壓控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn) 給動(dòng)作。 (3)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(dòng)化控制，工件夾緊由夾具完成，動(dòng)力源由夾緊液壓缸導(dǎo)入，通過(guò)液壓控制系統(tǒng)來(lái) 實(shí)現(xiàn)夾緊動(dòng)作的自動(dòng)化。 (4)送料系統(tǒng) 在生產(chǎn)過(guò)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(shí)，使的生產(chǎn)率不高，為此我們通過(guò)導(dǎo)入自動(dòng)送料系統(tǒng)來(lái)減 少生產(chǎn)力的投入和工時(shí)的消耗。自動(dòng)送料系統(tǒng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)要根據(jù)生產(chǎn)的需求作出相應(yīng)的 設(shè)計(jì)需求，動(dòng)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(dòng)化控制。 (5)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(dòng)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(jià)高、系統(tǒng)復(fù)雜，而 PLC 控制系統(tǒng)可靠性好、造價(jià)低、抗干擾 能力強(qiáng)、柔性好、編程簡(jiǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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。 1.2 1.2 本文研究的內(nèi)容及目標(biāo)本文研究的內(nèi)容及目標(biāo) 本文主要是通過(guò)應(yīng)用機(jī)床設(shè)計(jì)的一般方法對(duì)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(tái)式鉆床傳動(dòng)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 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等四個(gè)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(gè)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(guò)應(yīng)用 PLC 控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液 壓油路的動(dòng)作控制及鉆床加工過(guò)程的動(dòng)作控制。我們通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)臺(tái)式鉆床的改進(jìn)及設(shè) 計(jì)，要達(dá)到的目標(biāo)在于通過(guò)改進(jìn)鉆床能夠?qū)崿F(xiàn)工作自動(dòng)化，最終能滿足以下要求： (1)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)，改善產(chǎn)品加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率； (2)降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度和工作量； (3)鉆床系統(tǒng)工作平穩(wěn)，滿足工作要求； (4)經(jīng)濟(jì)因素合理； 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) VI 1.3 1.3 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章節(jié)主要對(duì)現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)作了簡(jiǎn)單的總概括，并對(duì)機(jī)床切削加工做出分析。 提出當(dāng)前金屬切削加工中存在的一些問(wèn)題，以及針對(duì)鉆床加工現(xiàn)存的缺點(diǎn)做出剖析， 提出對(duì)傳統(tǒng)鉆床改造的必要性和可行性，并對(duì)改造的任務(wù)和目標(biāo)作出簡(jiǎn)述。通過(guò)對(duì)改 造任務(wù)和目標(biāo)簡(jiǎn)述，為設(shè)計(jì)方案的確定了設(shè)計(jì)對(duì)象。 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 二、二、自動(dòng)鉆床的總體方案設(shè)計(jì)自動(dòng)鉆床的總體方案設(shè)計(jì) 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。 總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面： (1)執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)； (2)原動(dòng)機(jī)類型的選擇和傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)； (3)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)； (4)總體布局設(shè)計(jì)； (5)輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)； 為了完成普通臺(tái)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 確定自動(dòng)鉆床的總體方案設(shè)計(jì)。 2.1 2.1 自動(dòng)專用鉆床已知條件和設(shè)計(jì)要求的概述自動(dòng)專用鉆床已知條件和設(shè)計(jì)要求的概述 本文對(duì)普通臺(tái)式鉆床的自動(dòng)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(dòng)化改造為背景。 已知：加工對(duì)象為鋼絲鉗，加工工序?yàn)樵阡摻z鉗上鉆削直徑為12mm（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(dòng)鉆床應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)要求： (1)滿足自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn)，且生產(chǎn)率為 3 把/分鐘； (2)自動(dòng)化改造應(yīng)是機(jī)械、電氣和液壓的有機(jī)結(jié)合； (3)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)包含切削力計(jì)算、電動(dòng)機(jī)選擇、傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)、床身結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)等； (4)設(shè)計(jì)重點(diǎn)為鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)之進(jìn)給油缸設(shè)計(jì)； 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 (5)自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)以 PLC 與手動(dòng)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)； 2.2 2.2 自動(dòng)鉆床的工藝路線分析與確定自動(dòng)鉆床的工藝路線分析與確定 與傳統(tǒng)臺(tái)式鉆床的加工工藝路線相比較，改造后的全自動(dòng)鉆床基本動(dòng)作有很大的 調(diào)整，這其中主要是導(dǎo)入了自動(dòng)化加工動(dòng)作。結(jié)合設(shè)計(jì)及生產(chǎn)要求，確定工藝路線如 下： 啟動(dòng)（電源及控制模塊）自動(dòng)送料自動(dòng)夾緊主軸快進(jìn)主軸工進(jìn)主軸停 留主軸快退夾具松開(kāi)出料 為了完成自動(dòng)化加工，自動(dòng)鉆床按照上述工藝路線進(jìn)循環(huán)行動(dòng)作來(lái)完成成批工件 的加工過(guò)程。根據(jù)工藝流程，可確定自動(dòng)鉆床的動(dòng)作流程圖如圖 2.1 所示。 圖 2.1 自動(dòng)鉆床動(dòng)作流程圖 2.3 2.3 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 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)。 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(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)工作 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 的基礎(chǔ)。 本文自動(dòng)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(dòng)進(jìn)給。 2.3.1 2.3.1 執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì) 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(dòng)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(shí)，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。 普通臺(tái)式鉆床的改造主要是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化功能。改造后全自動(dòng)鉆床能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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。 2.3.2 2.3.2 執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 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(dòng)來(lái) 替代手動(dòng)進(jìn)給。根據(jù)設(shè)計(jì)，我們要分析的運(yùn)動(dòng)規(guī)律包括鉆頭切削運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給液壓缸驅(qū) 動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。鉆頭加工運(yùn)動(dòng)包括旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)和鉆頭直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給液壓缸驅(qū)動(dòng) 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)要完成驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)給，為直線運(yùn)動(dòng)。 鉆床執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖 2.2 所示。 圖 2.2 自動(dòng)鉆床運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡(jiǎn)圖 主 軸 直 線 進(jìn) 主軸旋轉(zhuǎn)切 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 2.3.3 2.3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式設(shè)計(jì) 在進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循以下原則：滿足執(zhí)行構(gòu)件的工藝動(dòng)作和運(yùn) 動(dòng)要求、盡量簡(jiǎn)化和縮短運(yùn)動(dòng)鏈、盡量減小機(jī)構(gòu)尺寸、選擇合適的運(yùn)動(dòng)副形式、考慮 動(dòng)力源的形式、使執(zhí)行系統(tǒng)具有良好的傳力和動(dòng)力特性、使機(jī)械具有調(diào)節(jié)某些運(yùn)動(dòng)參 數(shù)的能力和保證機(jī)械的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。 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(dòng)時(shí)，動(dòng)力源與主軸之間的執(zhí)行機(jī) 構(gòu)我們選擇帶輪傳動(dòng)；在實(shí)現(xiàn)鉆頭的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們選擇能夠往復(fù)運(yùn)動(dòng)的液壓 缸。 2.3.4 2.3.4 執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì) 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(dòng)作先后的順序性要求、滿足各執(zhí)行機(jī) 構(gòu)動(dòng)作在時(shí)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(dòng)作安排要有利于提高勞動(dòng)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 5。 自動(dòng)鉆床的主軸帶輪傳動(dòng)減少了傳動(dòng)鏈，且可過(guò)載保護(hù)；液壓缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)給不需要 改變運(yùn)動(dòng)形式，且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。 2.3.5 2.3.5 執(zhí)行執(zhí)行系統(tǒng)方案評(píng)價(jià)與決策系統(tǒng)方案評(píng)價(jià)與決策 自動(dòng)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(dòng)能起到過(guò) 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(dòng)，易于控制，是實(shí)現(xiàn)自 動(dòng)化控制的首選機(jī)構(gòu)。 2.4 2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和原動(dòng)機(jī)選擇傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和原動(dòng)機(jī)選擇 2.4.1 2.4.1 原動(dòng)機(jī)選擇原動(dòng)機(jī)選擇 由自動(dòng)鉆床執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律我們可以選擇原動(dòng)機(jī)。主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)機(jī)選 擇電動(dòng)機(jī)，進(jìn)給液壓缸原動(dòng)力選擇電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵 （具體型號(hào)在下面章節(jié)中計(jì)算 后選擇） 。 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 2.4.2 2.4.2 傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) (1)確定傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比 全自動(dòng)鉆床的總傳動(dòng)比的確定要建立在計(jì)算切削力和傳動(dòng)效率的基礎(chǔ)上，當(dāng)確定 自動(dòng)鉆床的工作功率后，查表選擇電動(dòng)機(jī)，對(duì)照鉆床的工作參數(shù)確定總傳動(dòng)比（主軸 系統(tǒng)總傳動(dòng)比在傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)計(jì)算后確定） 4。 (2)選擇傳動(dòng)類型 依據(jù)傳統(tǒng)臺(tái)式鉆床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)選擇帶輪 V 帶傳動(dòng)，此傳動(dòng)類型可 實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)； 鉆頭直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)選擇液壓傳動(dòng)，此類型傳動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)： (a)在輸出功率相同的條件下，體積小、重量輕； (b)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，吸振能力強(qiáng)； (c)易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)、頻繁換向以及無(wú)級(jí)調(diào)速； (d)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； (e)與機(jī)構(gòu)相結(jié)合易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制； (3)繪制傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 根據(jù)以上分析，確定傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如 2.3 所示。 圖 2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 液 壓 缸 進(jìn) V 帶 花 鍵 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 2.5 2.5 控制方案設(shè)計(jì)控制方案設(shè)計(jì) 綜合考慮全自動(dòng)鉆床的改造要求、功能要求、控制要求及經(jīng)濟(jì)因素，控制系統(tǒng)采 用 PLC 與手動(dòng)相結(jié)合的方法進(jìn)行控制。 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(guò) 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(chǎng)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(lái)滿足各種工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)時(shí)控制要求，同時(shí)也照顧到操 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(yǔ)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(yǔ)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(cuò)容易，且編程方便易學(xué) 3。 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(shí)控制。在自動(dòng)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(shí)控制。 另外 PLC 作為現(xiàn)代最重要、最可靠、應(yīng)用場(chǎng)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)： (1)可靠性高； (2)編程容易，易于使用； (3)控制功能極強(qiáng)； (4)擴(kuò)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(shè)計(jì)施工和調(diào)試的周期短； 結(jié)合以上 PLC 的特點(diǎn)， 我們?cè)诳刂葡到y(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)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?dòng)控制元件。 2.6 2.6 總體布局設(shè)計(jì)總體布局設(shè)計(jì) 機(jī)床總布局的設(shè)計(jì)任務(wù)是解決機(jī)床各部件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置的關(guān)系，并使 機(jī)床具有一個(gè)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 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 左右著機(jī)床的布局形式。 普通臺(tái)式鉆床的自動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)：主軸箱要做變動(dòng)。同時(shí)還導(dǎo)入了液壓夾緊系統(tǒng)：考慮到臺(tái)式鉆床固定 不動(dòng)，可變動(dòng)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)總體布局的協(xié)調(diào)。 2.7 2.7 輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、故障檢測(cè)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)。 設(shè)計(jì)過(guò)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)。 2.8 2.8 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章主要介紹了通過(guò)對(duì)已知設(shè)計(jì)條件的分析如何確定自動(dòng)鉆床總體方案的問(wèn)題。 章節(jié)中主要對(duì)自動(dòng)鉆床總體方案中的工藝路線、執(zhí)行系統(tǒng)方案、傳動(dòng)系統(tǒng)方案和控制 系統(tǒng)方案作了詳細(xì)介紹和分析。 通過(guò)本章節(jié)的敘述和圖文表達(dá)，我對(duì)自動(dòng)鉆床的總體設(shè)計(jì)有了一個(gè)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)。 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 三三 專用鉆床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)專用鉆床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1 3.1 進(jìn)給系統(tǒng)概述與分析進(jìn)給系統(tǒng)概述與分析 傳統(tǒng)的臺(tái)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(shí)即要作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也要作軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。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 4。機(jī)床 加工時(shí)， 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由花鍵傳入， 而進(jìn)給運(yùn)動(dòng)則由齒輪通過(guò)齒條帶動(dòng)套筒在鑲套內(nèi)運(yùn)動(dòng)。 由總體方案可知，自動(dòng)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(dòng)替代 齒輪齒條的手動(dòng)進(jìn)給，來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸的快進(jìn)、工進(jìn)和快退動(dòng)作。 鉆床在加工時(shí)，主軸要作高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。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(dòng)，因此， 我們要結(jié)合合適的軸承和結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸的高速旋轉(zhuǎn)。往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由液壓缸來(lái)完成 動(dòng)作。如圖 3.1 所示。 圖 3.1 普通臺(tái)式鉆床進(jìn)給系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 1 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 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(dòng)進(jìn)給系統(tǒng) 7、主軸箱 3.2 3.2 進(jìn)給系統(tǒng)方案圖的確定進(jìn)給系統(tǒng)方案圖的確定 全自動(dòng)鉆床是在原有臺(tái)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(duì)普通臺(tái)式鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)做出詳細(xì)的研究。 臺(tái)式鉆床主軸進(jìn)給系統(tǒng)主要部件有主軸、主軸套筒、主軸套筒鑲套、齒輪齒條和 軸承等 4。其結(jié)構(gòu)圖如圖 3.1 示： 根據(jù)普通臺(tái)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(dòng) 鉆床的工作條件和液壓缸工作特性，確定自動(dòng)鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)如圖 3.2 所示： 圖 3.2 自動(dòng)鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)簡(jiǎn)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 1 1 1 1 1 1 1 1 1 鄭州大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 3.3 3.3 工況分析工況分析 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)可知，生產(chǎn)工件時(shí)，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。 已知件材料為 Q235 鋼，工件厚度大約為 15mm，查機(jī)械工程材料實(shí)用手冊(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)度）l15mm。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(guò)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(tái)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 6。 主軸進(jìn)給液壓缸在工作中受到作用力可以分為三個(gè)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