小型钻床设计【小钻床 台钻】【含5张CAD图纸+说明书资料完整】

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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 录 第一章 引言 1 1 1 问题分析及其对策 1 1 1 1 现代制造业的发展状况 1 1 1 2 问题的提出 1 1 1 3 问题的分析以及解决方案 1 1 2 本文研究的内容及目标 2 1 3 本章小结 3 第二章 自动钻床的总体方案设计 4 2 1 自动专用钻床已知条件和设计要求的概述 4 2 2 自动钻床的工艺路线分析与确定 5 2 3 执行系统的方案设计 5 2 3 1 执行系统的功能原理设计 5 2 3 2 执行系统的运动规律 6 2 3 3 执行机构的形式设计 6 2 4 传动系统方案设计和原动机选择 7 2 4 1 原动机选择 7 2 4 2 传动系统方案设计 7 2 5 控制方案设计 8 2 6 总体布局设计 8 2 7 本章小结 8 第三章 专用钻床进给系统的设计 9 3 1 进给系统概述与分析 9 3 2 进给系统方案图的确定 10 3 3 工况分析 10 3 4 切削力的计算 11 3 4 1 切削刀具及相关参数的选择 11 3 4 2 主轴转速及钻孔时间的计算 11 3 4 3 切削力的计算 12 3 5 钻床主轴设计 13 3 5 1 主轴材料的选择 13 3 5 2 轴径的计算 13 3 5 3 轴的结构设计 14 3 5 4 轴强度的校核 15 3 6 进给液压系统设计 16 3 6 1 负载分析 16 3 6 2 液压缸执行元件主要参数的确 18 3 6 3 活塞杆及活塞材料的选择 25 3 6 4 活塞杆与活塞的连接方式及活塞密封装置的选择 26 3 6 5 液压缸盖与液压缸连接方式及密封方式的选择 26 3 7 本章小结 27 第四章 专用钻床主轴传动系统的设计 28 4 1 主轴传动系统的分析 28 4 2 主轴花键的设计 28 4 3 主轴电机选择 28 4 4 V 带传动设计 29 4 4 1 设计功率 的计算 29cP 4 4 2 选择带型 29 4 4 3 选取带轮基准直径 和 291d2 4 4 4 验算带速 30V 4 4 5 确定中心距 a和带的基准长度 30dL 4 4 6 验算小带轮包角 301 4 5 本章小结 31 第五章 自动钻床控制系统设计 32 5 1 自动钻床的自动化控制要求 32 5 2 可编程控制器 PLC 的简述 32 5 3 自动钻床进给系统控制流程 32 5 4 自动钻床进给系统电气原理图 34 5 5 自动钻床进给系统控制元件的选择 35 5 5 1 可编程控制器 PLC 的选择 35 5 5 2 刀开关的选择 35 5 5 3 熔断器的选择 35 5 5 4 交流接触器的选择 36 5 5 5 行程开关与接近开关的选择 36 5 5 6 继电器的选择 36 5 5 7 控制元件选择明细表 37 5 6 控制系统程序的编写 37 5 6 1 输入与输出的分配 37 5 6 2 PLC 程序清单 37 5 7 本章小结 38 结 束 语 39 致 谢 40 参 考 文 献 41 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 引言 1 第一章 引言 1 1 问题分析及其对策 1 1 1 现代制造业的发展状况 在当今国际机械加工行业中 零件的加工方法越来越多样化 可选择的方法很 多除去切削加工 铸造 锻造 焊接 冲压 挤压和辊轧等 而一半以上的工作量 则由机床切削加工完成 所以机械生产过程中的主要设备是金属切削机床 所以机 床的性能和生产方法直接影产品质量和生产效率 1 1 2 问题的提出 在切削加工中钻床的生产工作量占总制造工作量的很大的比重 孔的加工是由 钻床 由摇臂钻床 立式钻床 卧式钻床 深孔钻床 多轴钻床等 进行钻孔 扩 孔 绞孔 攻丝等 传统的钻床在生产中的问题 1 自动化程度不高 难以进行大批量的生产 2 工作效率低 且工人的工作环境恶劣 3 占用人力较多 操作固定不变易出错 4 精度不高 工件装夹费时 5 加工产品质量不高 1 1 3 问题的分析以及解决方案 过去传统的钻床的不足主要是自动化程度低下 生产率一般 生产环境和产品 质量 进给和上料系统都是需要人力完成 所以 我们要实现钻床加工自动化 减 少生产力的投入生产和与其它工艺流程相结合 同时也要考虑经济问题 4 考虑分析 我们主要对机构设计和控制系统的改进去解决问题 通过对钻床机 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 引言 2 构的改造来实现自动化控制的要求 提高产品的加工精度及质量 通过导入先进的 控制系统来进行自动操控 从而实现自动化 便于导入到其它生产流程中去 为了 解决问题和便于设计改造 我们将钻床分为传动系统 进给系统 夹紧系统 送料 系统和控制系统五个部分 下面分别对各部分的问题提出解决方案 1 传动系统 为满足改进后的加工及工作要求 在做出相应的计算后对传动系 统进行改进和调整 2 进给系统 传统的钻床主轴进给系统主要由主轴 主轴套筒 主轴套筒镶套 齿轮齿条和轴承等组成 主轴在加工时作旋转运动的同时作轴向的进给运动 机床 主轴被装置在主轴套筒内 套筒放置在主轴箱体孔的镶套内 主轴上侧由花键连接 机床加工时 旋转运动由花键传入 而进给运动则由齿轮通过齿条带动套筒在镶套 内运动 为了实现自动化控制的要求 主轴进给机构改进主要有 主轴旋转运动依 然由电动机传入 而进给则由液压传动替代手动的齿条传动 通过液压控制系统来 实现进给动作 3 夹紧系统 手工操作夹紧是效率低下的一个原因 自动化控制工件夹紧解决 的人力完成效率低下的问题 系统通过液压控制系统来实现夹紧动作自动化 4 送料系统 传统钻床的送料主要由人力手工完成 和夹紧系统相同 动力源 可由电机或液压系统提供 共同实现自动化控制 5 控制系统 当前机床控制系统主要由计算机数控 继电器电气控制和 PLC 控 制等 由于继电器电气控制系统 其联动关系复杂 维修困难 故障率高 经常影 响正常生产 计算机数控造价高 系统复杂 而 PLC 控制系统可靠性好 造价低 抗干扰能力强 柔性好 编程简单 使用方便 扩充灵活 功能完善 所以我们利 用 PLC 控制技术来实现对进给系统 夹紧系统和送料系统的液压控制系统的控制 3 1 2 本文研究的内容及目标 对传统钻床的机构和控制系统进行改进 主要改进的方面是普通台式钻床传动 系统的改进 进给系统的设计 进给系统液压缸的设计和 PLC 控制系统的设计等四 个方面 重点是进给系统 进给系统液压缸系统的设计 改进和设计要达到的目标 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 引言 3 是能够实现工作自动化 满足以下要求 1 能实现自动化连续生产 改善产品加工质量 提高生产效率 2 降低工作人员劳动强度和工作量 3 钻床系统工作平稳 满足工作要求 4 经济因素合理 1 3 本章小结 本章主要介绍了机械制造行业的现状及问题 重点介绍分析了钻床的生产方式及 现今的不足之处 分析并提出解决问题的方案 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 自动钻床的总体方案设计 4 第二章 自动钻床的总体方案设计 2 1 自动专用钻床已知条件和设计要求的概述 总体方案设计的内容主要包括以下几个方面 1 执行系统的方案设计 2 原动机类型的选择和传动系统的方案设计 3 控制系统的方案设计 4 总体布局设计 5 辅助系统的设计 本文对普通台式钻床的自动化改造及进给系统设计是以某五金工具厂钢丝钳生 产线的自动化改造为背景 已知 加工对象为钢丝钳 加工工序为在钢丝钳上钻削直径为 12mm 钻床最 大钻削直径 的通孔 钢丝钳材料为 Q235 改造后的全自动钻床应满足以下设计要求 1 满足自动连续生产 且生产率为 3 把 分钟 2 自动化改造应是机械 电气和液压的有机结合 3 传动系统设计应包含切削力计算 电动机选择 传动装置设计 床身结构设 计等 4 设计重点为钻床液压进给系统之进给油缸设计 5 自动控制系统应以 PLC 与手动相结合的方式实现 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 自动钻床的总体方案设计 5 2 2 自动钻床的工艺路线分析与确定 自动化加工是改进后相比较于传统钻床的优势所在 结合实际要求 设计工艺 路线如下 开启 送料 夹紧 主轴快速进给 主轴工进 主轴停顿 主轴快速退回 夹 具打开 出料 完成 成批生产的工艺流程 自动钻床的动作流程图如图 2 1 所示 图 2 1 自动钻床动作流程图 2 3 执行系统的方案设计 本文自动钻床的执行系统主要包括钻头加工和进给液压缸驱动进给 2 3 1 执行系统的功能原理设计 系统功能的设计决定产品的技术水平 质量 成本等 所以钻床的系统功能原 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 自动钻床的总体方案设计 6 理的设计 要考虑钻床功能的可实现性 先进性和经济性 对钻床改造的目的主要是实现自动化连续生产 提高生产效率 符合工厂的生 产要求 适应现代械加工业生产的发展需求 2 3 2 执行系统的运动规律 本文设计的重点在于钻床液压进给系统之进给油缸设计 我们要研究钻头在进 行切削运动和进给液压缸驱动进给运动时的运动规律 钻头在加工时的主要运动方 式包括旋转切削运动和钻头直线进给运动 进给液压缸驱动进给运动要完成驱动主 轴进给 为直线运动 钻床执行系统的运动规律如图 2 2 所示 图 2 2 自动钻床运动规律简图 2 3 3 执行机构的形式设计 在此设计过程中 我们需要满足执行机构的工艺动作和运动要求 减小运动链 和机构尺寸 考虑动力源的形式 让整个系统有良好的传力和动力 让机械具有调 节运动参数的能力 保证机械使用过程中的安全 5 所以 动力源与主轴之间我们选择以带轮传动的方式去完成 使用运动的液压 缸 去实现钻头的直线往复的进给运动 主轴直线进给运动 主轴旋转切削运动 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 自动钻床的总体方案设计 7 2 4 传动系统方案设计和原动机选择 2 4 1 原动机选择 由执行部件的运动规律选择原动机 用电动机来实现主轴旋转运动 进给液压 缸原动力选择电动机驱动液压泵 具体型号在下面章节中计算后选择 2 4 2 传动系统方案设计 1 确定传动系统总传动比 总传动比是通过切削力和传动效率的计算得出的 确定工作功率后 查表确认 电动机的型号 通过钻床的工作参数确定总传动比 2 选择传动类型 传统台式钻床主轴旋转运动选择带轮 V 带传动 它在运转过程中提供过载保护 液压传动实现钻头的直线进给运动 这种传动方式的优点有 a 在输出功率相同的条件下 体积小 重量轻 b 运动平稳 吸振能力强 c 启动 制动迅速 在频繁换向的过程中保持稳定 还可以实现无级调速 d 布局安装的限制比较少 3 绘制传动系统运动简图 根据以上分析 确定传动系统的运动简图如 2 3 所示 图 2 3 传动系统运动简图 液压缸进给传动 V 带传动 花键传动 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 自动钻床的总体方案设计 8 2 5 控制方案设计 根据设计改进的要求 控制系统主要由 PLC 和手动去完成顺序控制和定时控制 应用 PLC 的原因主要因为它的一下特点 1 可靠性高 2 编程容易 易于使用 3 控制功能极强 4 扩展及与外部连接极为方便 5 通用性好 体积小 使用灵活 6 设计施工和调试的周期短 2 6 总体布局设计 本文对传统钻床的改进是在其原有的机构的基础上加入了液压进给驱动系统 在液压夹紧系统方面 由于台式钻床固定不动 用变动工作台的结构去协调总体布 局的设计 2 7 本章小结 本章主要介绍了在传统钻床的基础上加以改进设计 实现加工自动化 确认工 艺流程 设计流程及其他前期设计准备 综上 我们对改进方向方法有了清晰明确 的认识和思路 确定了设计改进的重点 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 9 第三章 专用钻床进给系统的设计 3 1 进给系统概述与分析 传统的台式钻床主轴进给系统主要由主轴 主轴套筒 主轴套筒镶套 齿轮齿 条和轴承等组成 主轴在加工时即要作旋转运动 也要作轴向的进给运动 机床主 轴被装置在主轴套筒内 套筒放置在主轴箱体孔的镶套内 主轴上侧由花键连接 4 机床加工时 旋转运动由花键传入 而进给运动则由齿轮通过齿条带动套筒在镶套 内运动 由总体方案可知 自动钻床进给系统设计导入了液压缸进给系统 由液压 缸驱动替代齿轮齿条的手动进给 来实现主轴的快进 工进和快退动作 传统钻床的加工主要由主轴的高速旋转运动和直线进给运动去完成 但导入液 压缸进给系统后 液压缸活塞杆不能作高速的旋转运动 所以我们要应用合适的轴 承和结构来使主轴的高速旋转 如图 3 1 所示 图 3 1 普通台式钻床进给系统简图 1 主轴套筒镶套 2 推力球轴承 3 主轴套筒 4 主轴 5 深沟球轴承 6 齿轮齿条手动进给系统 7 主轴箱 1 1 2 3 4 5 6 7 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 10 3 2 进给系统方案图的确定 首先我们要对普通台式钻床的进给系统做出详细的研究后 才能在原有系统基 础上加以改进 根据图 3 1 的进给系统特点 确定改进后钻床的进给系统如图 3 2 所示 图 3 2 自动钻床的进给系统简图 1 主轴 2 深沟球轴承 3 活塞杆 4 液压缸筒 5 油路口 6 液压缸盖 7 锁紧螺钉 8 推力球轴承 9 密封圈 3 3 工况分析 根据设计任务可知 生产工件时 要求生产率为 3 把 分钟 即要求在 20 秒内 要完成一件工件的送料 夹紧 钻削加工和出料 已知件材料为 Q235 钢 工件厚度大约为 15mm 查 机械工程材料实用手册 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 1 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 11 可知 Q235 为碳素结构钢 其韧性良好 有一定的强度和伸长率 在一般机械制造 中应用广泛 是一般机械制造中的主要材料 其切削加工性能较好 钻削直径为 12mm 的通孔 钻削行程 孔的长度 l 15mm 由此可确定钻床主轴行程为 100mm 也就是液压缸行程为 100mm 在钻床的切削加工过程中 钻床主轴主要受到切削扭矩和轴向进给力的作用 轴向进给力是沿主轴轴向的 在主轴保持其与工作台的垂直度的情况下 轴向力作 用产生的弯矩基本可忽略不计 所以 钻床主轴为仅受转矩作用的轴类 6 主轴进给液压缸在工作过程中受到力的作用可分为三个阶段 主轴快速进给过 程中 液压缸受到钻床主轴组件重力和液压缸系统自身的的摩擦力作用 在主轴工 作进给过程中 液压缸受到钻床主轴组件的重力 轴向切削力和液压缸系统自身的 摩擦力作用 在主轴快速退回的过程中 液压缸受到主轴组件的重力 退刀阻力和 液压缸系统摩擦力 综上我们要计算最大受力来作为液压缸的设计标准 3 4 切削力的计算 3 4 1 切削刀具及相关参数的选择 目前在钻孔加工中使用的麻花钻主要有高速钢麻花钻和硬质合金麻花钻两类 由于高速钢麻花钻在采用物理沉积法 TiN 涂层处理后 其耐用度和钻孔精度都有了 很大的保障 所以该钻头得到了广泛的应用 因此 我们在加工过程中 应用高速 钢麻花钻头 查 金属切削手册 17 标准圆柱锥柄麻花钻中等长度第一系列 刀具 直径为 12mm 钻头与主轴用莫氏锥孔连接 莫氏锥孔为 1 号莫氏锥孔 由于 Q235 钢切削性能较好 所以查 金属切削手册 17 选择加工时进给量 f 为 f 0 2mm r 其对应的切削速度 V 32m min 3 4 2 主轴转速及钻孔时间的计算 查 金属切削手册 17 由切削速度计算公式可得出主轴在工艺长期稳定时的 固定转速 n 的计算公式如下 3 1 dv 10 min r 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 12 式中 选定的切削速度 m min v 刀具或工件的直径 mm d 将 V 32m min d 12mm 代入公式中 计算得出 n 850r min 查 金属切削手册 17 钻孔时间 T 的计算公式为 3 2 式中 l 被钻孔厚度 mm f 切削进给量 mm r 刀具或工件的直径 mm d n 主轴固定转速 r min 将 l 15mm f 0 2mm r d 12mm n 850r min 代入公式中 计算得出 T 6 6s 由此 确定一件工件的加工工时为 送料过程 1s 工件夹紧 2s 快速进给 2s 工作过程 7s 主轴停留 2s 快退 2s 出料 1s 加工一件工件用时 17s 达到了加工 效率的要求 3 4 3 切削力的计算 钻床切削力的计算包括钻床主轴转矩计算和主轴轴向切削力的计算 由于加工 材料为 Q235 钢 其属于碳素结构钢 钻头为高速钢麻花钻 加工方式为钻孔 所 以查 机床夹具设计手册 16 得 钻床转矩计算公式如下 3 pkkfD M08234 3 式中 切削力矩 N M k 钻头直径 mm 每转进给量 mm f 修正系数pk 分fnd lT30 75036 b 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 13 3 4 轴向切削力的计算公式如下 3 p fKDfF706 5 式中 轴向切削力 N f 钻头直径 mm 每转进给量 mm f 修正系数pk 已知被加工材料为 Q235 结构钢 结构钢和铸钢取 736MPa 12mm 0 2mm 所以可分别计算出切削转矩和轴向切削为 b Df 13 5 N M 2595 NkMfF 3 5 钻床主轴设计 3 5 1 主轴材料的选择 要考虑的因素有 1 轴的强度 刚度和耐磨性要求 2 轴的热处理方式和机加工工艺性要求 3 轴的材料来源和经济性 轴的常用材料有碳钢和合金钢 碳钢的价格要比合金钢的价格低 而亲对应力 集中的敏感性低 我们可以对其进行热处理改善其综合性能 加工工艺性好 而合 金钢虽然机械性能和淬火性能优于碳钢 但其价格较贵 一般用于强度和耐磨性要 求高的场合 19 综上钻床主轴材料选 45 号钢 经调质处理后 HB 要达到 240 左右 其机械性能 参数如下 b 650MPa s 360MPa 1 300MPa 1 155MPa 1 b 60MPa T 35MPa 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 14 3 5 2 轴径的计算 由金属切削原理 14 可知 主轴切削功率的计算公式为 3 MK 6 式中 轴向切削力 N fF 每转进给量 mm f n 主轴固定转速 r min 切削力矩 N M kM 将以上数值代入公式中可计算出功率 1 2KWmP 考虑到轴承传动效率 查得为 0 99 和花键传动效率 5 查得为 0 98 由上计 算出钻床主轴要传递的功率 P 为 P 0 99 0 99 0 98 1 25KW 3 m 7 查 机械设计 6 得钻床最小直径的计算公式如下 3 3npCdmin 8 选 C 110 计算出 dmin 13mm 所以我们可以得出钻床主轴的最小直径大于等于 13mm 基于普通台式钻床的 主轴结构 得出改进后的自动钻床主轴直径为 40mm 3 5 3 轴的结构设计 由进给系统结构简图可知 钻床主轴上主要安装有一对深沟球轴承 一对推力 球轴承 一个轴承挡环 一个锁紧螺栓和轴端的花键连接 根据钻床轴径选用轴承 及花键尺寸如表 3 1 所示 根据主轴的的行程 可确定钻床主轴的基本长度尺寸如图 3 3 所示 表 3 1 主轴零件选用表 3106201 nf Pkm 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 15 主轴零件 型号 深沟球轴承 滚动轴承 6208 GB T 276 1994 推力球轴承 滚动轴承 51308 GB T 301 1995 花键 8 32 36 6 GB T 1144 1987 图 3 3 钻床主轴基本尺寸简图 3 5 4 轴强度的校核 由工况分析可知 钻床主轴的受力图如图 3 4 所示 图 3 4 钻床主轴受力简图 图 3 5 钻床主轴转矩简图 基于传动效率的考虑 钻床主轴要传递的转矩 M Mk 0 99 0 99 0 98 14 fF液 压 力F M Mk 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 16 N M 液压力为对称受为 合力方向沿钻床主轴方向 大小与进给切削力 相互抵消 fF 所以 绘制主轴所受转矩图如图 3 5 根据整体结构 轴的危险截面为轴端花键处 所以要对它进行轴强度校验 扭转强度约束条件 3 WMTT 9 式中 T 轴的扭转应力 MP a M 轴的传递转矩 N mm WT 轴的抗扭截面模量 mm 3 T 轴的许用扭转应力 aMP 查 机械设计 6 得花键的抗扭截面模量 WT的计算公式为 3 D d bzdT161 41 10 式中 d 1 花键内径 mm b 花键齿宽 mm z 花键的齿数 D 花键的外径 mm 将基本参数代入公式计算 WT 5739 计算出钻床主轴的扭转应力 2 443mT aMP 由于 35 显然 所以 轴满足强度要求 T aPT 3 6 进给液压系统设计 3 6 1 负载分析 工作阻力主要是钻床的轴向切削力产生的 其大小 2595 N fF 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 17 系统摩擦阻力在机械效率中考虑 轴承传动效率取 0 99 花键传动效率取 0 98 液压传动效率取 0 95 所以计算出整下系统的机械效率 为 6 0 99 0 99 0 98 0 95 0 91 3 11 钢材密度取 7 85 主轴体积 V 为 3mt 3 9 2104 ldV 12 式中 V 主轴体积 m 3 d 主轴直径 mm 取 40mm 主轴长度 mm 取 550mml 所以主轴重力 为 主 轴G 3 主 轴 gVm 13 式中 V 主轴体积 m 3 主轴材料密度 kg g 重力加速度 取 102s2ms 主轴重力 N 主 轴G 加上轴上零件的重力作用 整个系统承受的总重力 200N G 惯性力 Fm指运动部件在启动或制动过程中的惯性力 查 液压与气压传动 3 得其计算公式为 3 14 式中 系统重力G 重力加速度g 时间内的速度变化量v t 加速或减速时间t tvg 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 18 5N 3 60231 Fm 15 快速进给时 在不考虑背压的情况下 主轴会在重力的作用下自动下移 且加 速度大约为 9 8 因此 液压缸在快进时受到的最大作用力 F G 182N 2s 工进时 液压缸要克服工作阻力自身系统的摩擦力和系统重力的作用 所以 F G 为了设计的可行性 我们取系统重力的一半代入到式中 f F 2742N 快速退回时 液压缸要克服重力和系统摩擦力 所以 F G 考虑到钻头退出工 件时的摩擦力 在计算时取 0 89 所以计算出此时 F 225N 由上得出数据表 3 2 和图 3 6 表 3 2 液压缸各运动阶段负载表 运动阶段 计算公式 负载大小 N 主轴快进 F G 182 主轴工进 F G fF2742 主轴快退 F G 225 图 3 6 液压系统负载及速度简图 F N 0 182 225 2742 70 72 ml V m min ml 70 72 3 3 0 17 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 19 3 6 2 液压缸执行元件主要参数的确 1 初选液压缸的工作压力 表 3 3 液压设备常用的工作压力表 机床 设备类型 磨床 组合机 床 龙门 刨床 拉 床 农业机械 或中型工 程机械 液压机 重型机 械起重运输机械 工作压力 P1 MPa 0 8 2 0 3 5 2 8 8 10 10 16 20 32 我们初选液压缸的工作压力为 3 1PaM 2 确定液压缸的类型及主要结构尺寸 根据我们的设计要求 选择中空的双杆活塞缸 在活塞杆两端装上轴承 固定 主轴 活塞沿主轴方向可做往复运动 根据需要 活塞缸采用缸筒固定式 缸筒固 定式双杆活塞缸简图如图 3 7 所示 图 3 7 缸筒固定式双杆活塞缸结构简图 为了防止钻头钻透时主轴突然前冲 要在回油路上安装背压阀 查表 3 4 液压 缸参考背压表 回油路背压选择 0 8 2PaM 表 3 4 液压缸参考背压 系统类型 背压 2PaM 回油路上有节流阀的调速系统 0 2 0 5 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 20 回油路上有调速阀的调速系统 0 5 0 8 回油路上装有背压阀 0 5 1 5 带补油泵的闭式回路 0 8 1 5 由表 3 1 可知 深沟球轴承选用滚动轴承 6208 GB T 276 1994 其外径为 80mm 查表 3 5 活塞杆直径系列表 活塞杆直径选用 100mm d 表 3 5 活塞杆直径系列 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 当主轴工进时液压系统的负载最大 F 2742N 由此可计算出液 压缸的有效面积 S 为 bPFdD 124 3 16 式中 液压缸内径 m 液压缸活塞杆直径 100mmdd 液压缸负载 F 2742FN 液压缸工作压力 31PaMP1a 回油路背压力 0 8b b2P 所以可计算也液压缸内径 117 为了使原件使用标准化 查表 3 6 圆整Dm 后取 125 Dm 表 3 6 液压缸内径尺寸系列 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 在基本尺寸确定后 液压缸按最低加工运动速度验算尺寸 保证液压缸的有效 工作面积要不小于最小稳定速度时的最小有效面积 minA 3 4 2 dD A miniVqA 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 21 17 式中 流量阀的最小稳定流量 0 05minqminqi L 液压缸的最低速度 0 17iVminV 由计算可得 A 2767 294 所以基本尺寸满足设计要求 2i2 3 液压缸材料的选择 液压缸材料的选择主要受以下几个因素的制约 a 液压缸要有足够的强度 b 液压缸要有足够的刚度 c 液压缸要有很好的耐磨性能 综上原因 材料选择 45 号无缝钢管 4 液压缸各工作阶段的工作压力 流量和功率计算 根据液压缸的负载图和速度图以及上述液压缸的计算数值 可以计算出液压缸 工作各阶段的压力 流量和功率 在计算时工进时背压按 0 8 代入 快退快bPaM 进时背压按 0 5 代入计算 计算公式及计算结果列于表 3 5 中 bPaM 主轴下压时 液压缸上油缸进油下油缸回油 上移时液压缸下油缸进油上油缸 回油 表 3 7 液压缸所需的实际流量 压力和功率 进油压力 回油压力 所需流量 输入功率 工作循环 计算公式 jP aM naP qmin L P kw 主轴快进 j nAF qV P j 0 43 0 5 8 3 0 06 主轴工进 j nAF qV P j 1 8 0 8 0 47 0 02 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 22 主轴快退 jP nAF qV P j 0 6 0 5 8 3 0 08 注 表中 A 为液压缸有效面积 V 为各阶段稳定速度 5 液压缸壁厚和最小导向长度的计算 液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算 液压缸的内径 D 与其壁厚 的比值 圆筒称为薄壁圆筒 工程机械的液10 D 压缸大多属于薄壁圆筒结构 其壁厚按薄壁圆筒公式计算 3 18 式中 液压缸壁厚 m D 液压缸的内径 m 试验压力 一般取最大工作压力的 1 25 1 50 倍 yp 缸筒材料的许用应力 其值 锻钢 110 120 铸钢 aMPa 100 110 无缝钢管 100 110 高强度铸铁 aMPa 60 灰铸铁 25 aMP 根据表 3 5 中计算的结果 代入计算公式中 可计算出液压缸壁厚 4mm 考 虑到与缸盖的联接 所以设计中取液压缸的壁厚 8mm 最小导向长度 满足H 3 19 式中 液压缸的最大行程 L 液压缸的内径 D 我们要求液压缸的最大行程为 100mm 液压缸的内径为 125mm 可计算出 H 67 5mm 设计中取 H 70mm 2py 20 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 23 6 液压系统原理图 快速进给和加工时上油缸进油下油缸出油 快速退回时下油缸进油上油缸出油 只需一次换向 由于在加工孔钻透后 系统需要定时停留 所以 换向阀选择具有 中位封闭功能的三位四通电磁换向阀 因为下压和上移时主轴的运动速度不一样 负载小运动速度不快 液压泵选用单向定量液压泵 自动钻床液压进给系统控制原理图如图 3 8 所示 图 3 8 自动钻床液压进给系统控制原理图 1 三位四通电磁换向阀 2 二位二通电磁换向阀 3 调速阀 4 液压缸 5 二位三通电磁换向阀 6 7 8 溢流阀 6 7 作背压阀用 9 液压泵 10 过滤器 快速下降时 在 PLC 控制下 电磁铁 1Y 通电电 三位四通电磁换向阀 1 接入左位 液压泵 9 供油通过二位二通电磁换向阀 2 流入液压缸 4 上腔 回油过程 三位四通电 磁换向阀 1 二位三通电磁换向阀 5 溢流阀 6 回油箱 工进时 电磁铁 1Y 3Y 和 4Y 得电 三位四通电磁换向阀 1 接入左位 二位 二通电磁换向阀 2 接入左位 二位三通电磁换向阀 5 位入左位 液压泵 9 供油经调 整阀 3 进入液压缸 4 上腔 回油经三位四通电磁换向阀 1 二位三通电磁换向阀 5 和溢流阀 7 回油箱 主轴停留 三位四通电磁换向阀 1 处于中位 液压泵 9 供油在达到一定压力的 条件下回油箱 液压系统处于稳定平衡状态 停留时间由 PLC 定时控制 快退时 电磁铁 2Y 三位四通电磁换向阀 1 接入右位 液压泵 9 供油到液压缸 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 24 4 下腔 回油经二位二通电磁换向阀 2 三位四通电磁换向阀 1 二位三通电磁换向 阀 5 和溢流阀 6 回油箱 工作循环过程中电磁铁动作表 3 8 所示 表 3 8 电磁铁动作表 工作阶段 1Y 2Y 3Y 4Y 快进 工进 停留 快退 7 液压元件的选择 a 液压泵的选择 液压泵的最高工作压力可按下式计算 3 3 Pp 1 20 式中 液压泵的最高工作压力p 液压缸的最大工作压力 查表 3 5 1 81P1PaM 进油管路总压力损失 简单系统可取 0 5 复杂取 0 2aP0 5 1 5 取 0 5 aMaP aM 由上数据可得 2 3 计算出的 是系统的静态压力 选泵的额定压力p pP 应满足 额定压力 为 nP 1 25n 6 n 1 25 2 9 3 pPa 21 液压泵的最大流量 应满足下面公式 pq 3 KmaxLP 22 式中 液压泵的最大流量pq 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 25 所需流量的最大值 当溢流阀工作时 要考虑溢流阀最小溢流量 maxq 2 3 查表 3 5 取 8 3 系统泄漏系数 一般取in Li maxqin LLK 式中取 所以计算出 9 96 1 K 1 2LK pmi 综上 查 机械设计手册 1 产品样本 选择 YB1 12 型 额定压力为 6 3 aMP 排量为 12 额定转速为 960 驱动功率为 2 其结构简单 工作性能r min rW 稳定 压力流量脉动小 a 液压泵驱动电机的选择 根据已选择的液压泵的规格 我们可知已选液压泵需要的驱动功率 2 所K 以选择 Y132S 6 电动机 额定功率为 3 满载转速为 960 Kmin r b 液压系统液压阀的选择 根据表 3 5 液压系统各工作阶段所需的实际流量 压力和设计中所选的背压大 小 所选液压阀见液压系统液元件明细表 3 9 表中序号与自动钻床液压进给系统控 制原理图中序号一致 表 3 9 液压系统液元件明细表 序号 元件名称 最大通过流量 min L型号 1 三位四通电磁换向阀 15 WE5E5 AW220 50 2 二位二通电磁换向阀 15 3WE5E5 AW220 50 3 调速阀 0 6 31 2FRM5 0 6 min L 5 二位三通电磁换向阀 15 4WE5E5 AW220 50 6 溢流阀 100 BT 03 L 32 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 26 7 溢流阀 100 BT 03 L 32 8 溢流阀 100 BT 03 L 32 9 定量叶片泵 11 52 YB1 12 10 过滤器 25 XU 25 80J 备注 溢流阀 6 压力调至 0 5 溢流阀 7 压力调至 0 8 溢流阀 8 压力调至 6 4aMPaMPaMP c 液压系统油管的选择 油路管道选用钢管 油管尺寸与液压元件接口尺寸相同 d 液压系统油箱的选择 因为液压系统属中低压系统 所以油箱容积一般是液压泵额定流量的 5 7 倍 设计中取液压泵额定流量的 7 倍 故油箱容积为 7 11 52 80 64VL 查相关产品样本油箱型号选择 AB40 33 0100N 其公称容积为 100 e 液压油的选择 选择液压油时 我们需要考虑到粘度 工作压力 温度 运动速度和液压泵的 类型 所以选择普通液压油 牌号为 46 3 6 3 活塞杆及活塞材料的选择 因为我们选用双杆液压缸 因此活塞杆用 45 号钢 经调质和淬火处理 淬火深 度为 0 5mm 活塞材料选用高强度的铸铁 选择 HT200 3 6 4 活塞杆与活塞的连接方式及活塞密封装置的选择 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 27 图 3 9 活塞杆与活塞连接方式及活塞密封方式图 活塞和活塞杆的连接结构有以下几种 整体式结构和组合式结构 组合式结构 又分为螺纹连接 半环连接和锥销连接 我们采用的是结构简单 装拆方便的卡环 连接 活塞及活塞杆处的密封圈选用 O 型密封圈密封 见图 3 9 3 6 5 液压缸盖与液压缸连接方式及密封方式的选择 液压缸盖与液压缸采用法兰连接 它结构简单 加工简单 装卸容易 液压缸 盖密封采用组合式密封 在缸盖内加上非金属材料导向环 具体结构见图 3 10 示 图 3 10 缸盖与缸连接方式及缸盖密封方式 3 7 本章小结 本章我们通过计算确定了液压系统的原件型号 为下章的进行打下了基础 导向环 U 型密封 防尘圈 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 专用钻床进给系统的设计 28 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 专用钻床主轴系传动系统的设计 29 第四章 专用钻床主轴传动系统的设计 4 1 主轴传动系统的分析 由图 2 3 可知 主要设计的项目包括带轮传动 主轴花键传动和液压传动系统 的设计 液压传动系统的设计在上章已完成 所以本章进行带轮传动和主轴花键传 动的设计 主轴花键传动是主轴高速旋转时进行轴向进给的关键 花键的尺寸根据主轴的 轴径来选择 主轴系统带轮传动设计包括 V 带的选择和带轮尺寸的设计 4 2 主轴花键的设计 设计中轴上花键主要传递转矩 并起到轴端的导向定心作用 根据表 3 1 我们 选用花键规格为 8 32 36 6 GB T 1144 1987 为BDdN BDdN 齿数 内径 外径 齿宽 主轴的行程为 100mm 查表 4 1 可确花键的长度为 160mm l 表 4 1 花键长度系列表 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 由于主轴端花键与毂孔为滑动联接 所以花键尺寸公差选择分别为 d 取 f7 D 取 a11 键宽 B 取 d10 键宽位置度公差取 0 015mm 键宽对称度公差取1t 0 012mm 2t 4 3 主轴电机选择 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 专用钻床主轴系传动系统的设计 30 由 3 5 2 章节的计算我们知道 主轴切削功率 1 2KW 由于花键毂要与带轮mP 固定在机架上 取轴承传动效率为 0 99 花键传动效率为 0 98 和 V 带传动效率为 0 96 所以可计算出电机要传递的最小功率 为 4 9608903 Pm 1 可计算出 1 32 查电机样品选取电机型号为 Y90L 4 额定功率 1 5KW 满载转速 1400 r min K 4 4 V 带传动设计 4 4 1 设计功率 的计算cP 4 KAc 2 式中 工况系数 自动钻床一般为空载启动取 1 2A AK 传递功率 取电动机额定功率 1 5PPW 计算出 1 8 cKW 4 4 2 选择带型 因为 1 8 1400 r min 查 机械设计 选用 Z 型 V 带 cP1n 4 4 3 选取带轮基准直径 和1d2 由 3 4 2 章节中计算可知 主轴转速 850 r min 考虑到电机主轴直径n D 24mm 及 Z 型 V 带的 50mm 查 机械设计 6 取 80mm min 1d 4 dd 12 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 专用钻床主轴系传动系统的设计 31 3 式中 钻床主轴带轮直径 2d 主轴电机满载转速 1400 r min1n1n 钻床主轴转速 850 r min2 2 钻床主轴带轮直径 80mm1d 1d 滑动率 取 0 02 得 129 13mm 圆整取标准值 132mm 2d 2d 4 4 4 验算带速 V 带速 的计算公式为 4 106 nd 4 得带速 5 86 在 5 20 范围之间 Vs ms 4 4 5 确定中心距 a和带的基准长度 dL 由带轮直径和自动钻床的机构尺寸 初选中心距 300mm 经计算可知其符0a 合 0 7 148 4 2 424 4 1d20a1d2 5 由带长计算公式可计算出 0dL 935 1mm 4 0 212104 2aaLddd 6 查 机械设计 对 Z 型带选用基准长度 1080mm 可由下式计算出实际的中dL 心距 为 a 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 专用钻床主轴系传动系统的设计 32 mm 4 79 186 421 ddLA 7 mm 4 38212 d B 8 mm 4 7322 Aa 9 4 4 6 验算小带轮包角 1 4 72358021 ad 10 所以 120 在要求的范围之内 包角合适 1 4 5 本章小结 主轴传动系统的设计主要包括带轮传动 主轴花键传动和液压传动系统的设计 由于液压传动已在第 3 章中设计过 因此 本章节主要介绍了带轮传动和花键传动 的设计 这两部分是钻床主轴传动的主要部件 完成对传动系统的设计 自动钻床 设计已基本成形 剩下的任务就是对自动钻床进行控制设计 所以 下面章节将对 钻床控制系统进行设计 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 专用钻床主轴系传动系统的设计 33 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 自动钻床控制系统的设计 34 第五章 自动钻床控制系统设计 5 1 自动钻床的自动化控制要求 1 自动控制系统应以 PLC 控制与手动控制相结合的方式实现 2 从功能和经济角度对控制元件进行选择 3 根据钻床工作要求完成 PLC 控制编程 5 2 可编程控制器 PLC 的简述 PLC 的优点归结为以下几点 1 可靠性高 具有很强的抗干扰能力 2 简单易学 使用简单 3 配套齐全 功能完善 4 系统设计周期短 维护方便 改造容易 5 体积小 重量轻 能耗低 5 3 自动钻床进给系统控制流程 自动钻床进给系统的控制流程包括主轴电机和液压泵电机的启动控制 主轴快 进控制 主轴工进控制 主轴停留控制 主轴快退控制 主轴快退停止控制和主轴 电机和液压泵电机的停止控制 主轴电机和液压泵电机的启动控制 主轴电机和液压泵电机的启动控制可分别 通过主轴电机和液压泵电机电路上的交流接触器 KM1 和 KM2 控制 为了使 PLC 在 写入控制程序后进入稳定状态后执行和便于操作人员进行初态监控 在写入控制程 序 5S 后 主轴电机和液压泵电机电路上的交流接触器 KM1 和 KM2 闭合 主轴电 机和液压泵电机启动 5S 定时由定时器 T1 完成 7 主轴快进控制 当工件检测器检测到工件后 工件检测开关 SB1 闭合 进行工 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 自动钻床控制系统的设计 35 件的夹紧计时 定时器 T2 计时 2S 完成后 三位四通电磁换向阀电磁铁 1Y 得电 液压控制系统接入快进油路 主轴快速进给 主轴工进控制 主轴快进行程完成后 快进行程开关 SQ0 闭合 三位四通电磁 换向阀电磁铁 1Y 二位二通电磁换向阀电磁铁 3Y 和二位三通电磁换向阀 4Y 得电 液压控制系统接入工进油路 主轴工进 主轴停留 钻头完成对工件的加工后 主轴工进行程到达终点 工进行程开关 SQ1 闭合 计时器 T3 开始 2S 计时 三位四通电磁换向阀电磁铁 1Y 失电复位 主 轴停留对加工孔进行修磨 主轴快退 计时器 T3 完成 2S 计时后 三位四通电磁换向阀电磁铁 2Y 得电 二位二通电磁换向阀电磁铁 3Y 和二位三通电磁换向阀 4Y 失电复位 液压控制系统 接入快退油路 主轴快退 主轴快退停止 主轴快退至行程开关 SQ2 处时 行程开关 SQ2 闭合 三位四通 电磁换向阀电磁铁 2Y 失电复位 主轴停止快退 主轴电机和液压泵电机停止 当工件检测器检测不到工件时 PLC 控制程序中 SB1 常闭开关处于闭合状态 此时定时器 T4 开始 300S 计时 当计时完成后 也就 是 300S 内没有工件待加工时主轴电机和液压泵电机停止工作 图 5 1 自动钻床进给系统 PLC 控制流程简图 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 自动钻床控制系统的设计 36 5 4 自动钻床进给系统电气原理图 KT2SB1M34K2SB0KM21M211YTKFuFu1QkQ3Q4S2Q0KM5T32K3M44Y5 图 5 2 自动钻床进给系统电气原理图 电气原理图中相关代号见表 5 1 表 5 1 电器原理图代号 图中文字符号 符号名称 QK 刀开关 M1 主轴电机 M2 液压泵驱动电机 KM1 主轴电机交流接触器 KM2 液压泵驱动电机交流接触器 FU FU1 FU2 熔断器 SB0 SB2 SB3 SB4 按钮 SB1 工件检测开关 SQ0 主轴快进行程开关 SQ1 主轴工进行程开关 SQ2 主轴快退停止行程开关 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 自动钻床控制系统的设计 37 KM3 KM4 KM5 继电器 KT2 KT3 廷时继电器 1Y 2Y 3Y 4Y 液压换向阀电磁铁 5 5 自动钻床进给系统控制元件的选择 控制元件根据之前节所选的电器元件的参数和控制要求选择 5 5 1 可编程控制器 PLC 的选择 根据电气控制原理图 输入信号主要由行程开关和光电开关直接输入 控制中 要完成定时控制 输出全部为电磁铁的通电与断电的控制 因此 PLC 选择型号为 SIMATIC S7 200 5 5 2 刀开关的选择 根据系统中电机的选择和整个电路的工耗 刀开关选择型号为 HK1 3 30 380 5 5 3 熔断器的选择 在熔断器的选择上我们要考虑的问题 1 熔断器的类型根据线路要求 使用场合和安装条件选择 2 熔断器的额定电压不小于熔断器工作点电压 3 熔断器的额定电流不小于所装熔体的额定电流 4 熔断器的额定分断能力大于电路出现的最大故障电流 该控制系统中 熔断器 FU1 和 FU2 是对主轴电机和液压泵驱动电机的短路保护 其选用原则可按下式计算 9 5 NRNI I521 1 式中 熔体的额定电流RNI 电机的额定电流 I 1 4A I 2 8A UPN 系数取 1 5 所以计算可得 6A 12A 所以 FU1 选择型号为 RC1A RRN 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 自动钻床控制系统的设计 38 10 FU2 选择型号为 RC1A 15 主电路上的熔断器 FU 主要是根据电路的总电流选择 主电路中主要电器为主 轴电机和液压泵驱动电机 考虑到其它电器元件 现 FU 选择型号为 RC1A 30 5 5 4 交流接触器的选择 控制系统中 交流接触器 KM1 和 KM2 完成对主轴电机和液压泵驱动