基于PLC的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造和進給系統(tǒng)設(shè)計論文

1、1 / 39學 士 學 位 論 文基于 PLC 的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造與其進給系統(tǒng)設(shè)計姓姓 名：名：學學 號：號：指指導導教教師師：院院系系( (部部所所) )：機電工程學院專專 業(yè)：業(yè)：機械設(shè)計制造與其自動化完完成成日日期期：2013 年 5 月 31 日學校代碼：109042 / 39學學 士士 學學 位位 論論 文文基于 PLC 的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造與其進給系統(tǒng)設(shè)計姓姓 名：名：學學 號：號：指指導導教教師師：院院系系( (部部所所) )：機電工程學院專專 業(yè)：業(yè)：機械設(shè)計制造與其自動化完完成成日日期期：2013 年 5 月 31 日3 / 39摘 要本文介紹的是對臺式鉆床的改造與設(shè)計

2、，通過導入液壓進給系統(tǒng)和 PLC 控制系統(tǒng)將其改造成為自動鉆床。設(shè)計的過程首先是按照機床的一般設(shè)計步驟進行，然后再對進給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行具體設(shè)計。設(shè)計的重點在于進給系統(tǒng)的設(shè)計和 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計。4 / 39液壓系統(tǒng)的設(shè)計主要是根據(jù)已知的條件，來確定液壓工作方案、液壓泵、液壓缸結(jié)構(gòu)、控制油路的設(shè)計。PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計主要是電氣控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計，其中包括 PLC 機型的選擇、I/O 端口的分配、I/O 硬件接線圖的繪制、PLC 梯形圖程序的設(shè)計。最后，利用 PLC 可編程控制器對液壓回路等進行控制。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：自動鉆床；液壓進給系統(tǒng)；PLCAbstractThe bench

3、drill is the metal cutting tools in mechanical machining, this paper is transformation and design of the desktop machine, mainly through the introduction of hydraulic system and PLC control system will be transformed into the automatic drilling machine.5 / 39The design process is first carried out i

4、n accordance with the general machine design steps, and then the feed system and control system were designed in details. The design focuses on the design of feed system design and PLC control system. The design of hydraulic system is based on the known conditions, to determine the design of hydraul

5、ic project, hydraulic pump, hydraulic cylinder structure, control circuit. The design of PLC control system is mainly the design of electrical control system of hardware and software, including the choice of PLC models, the I/O port assignment, I/O hardware wiring diagram, ladder diagram of PLC prog

6、ram design. Finally, the programmable controller of the hydraulic circuit is controlled by PLCK Ke ey y w wo or rd ds s:Automatic drilling machine；Hydraulic feed system ； PLCI / 39目 錄第 1 章緒論 11.1 研究的目的意義 11.2 問題的提出、分析以與解決方案 1第 2 章自動鉆床的總體設(shè)計方案 32.1 自動鉆床的改造方案的確定 32.2 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計 32.2.1 執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計 42.2.2

7、 執(zhí)行系統(tǒng)的運動規(guī)律 42.2.3 執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計原則 52.2.4 執(zhí)行系統(tǒng)的方案評價 52.3 傳動系統(tǒng)方案設(shè)計和原動機選擇 52.4 傳動系統(tǒng)方案設(shè)計 52.5 控制方案設(shè)計 62.6 本章小結(jié) 7第 3 章鉆床進給系統(tǒng)的設(shè)計 83.1 進給系統(tǒng)概述與分析 83.2 進給系統(tǒng)方案圖的確定 93.3 工況分析 93.4 切削力的計算 103.4.1 切削刀具與相關(guān)參數(shù)的選擇 103.4.2 主軸轉(zhuǎn)速與鉆孔時間的計算 103.4.3 切削力的計算 113.5 鉆床主軸設(shè)計 123.5.1 主軸材料的選擇 123.5.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 123.5.3 軸強度的校核 13II / 393.6

8、 進給液壓系統(tǒng)設(shè)計 143.6.1 負載分析 143.6.2 液壓缸執(zhí)行元件主要參數(shù)的確定 163.7 本章小結(jié) 22第 4 章自動鉆床控制系統(tǒng)設(shè)計 234.1 自動鉆床的自動化控制要求 234.2 可編程控制器 PLC 的簡述 234.3 自動鉆床主軸進給系統(tǒng)控制流程 244.4 鉆床進給系統(tǒng)電氣原理圖 264.5 PLC 控制系統(tǒng)程序設(shè)計如下圖 274.6 本章小結(jié) 28第 5 章設(shè)計總結(jié) 29參考文獻 30致 311 / 39第 1 章 緒論1.1 研究的目的意義當今社會，在現(xiàn)實生產(chǎn)中，存在自動化程度不高，難以進行大批量的生產(chǎn)；工作效率低，且工人的工作環(huán)境惡劣；占用人力較多，操作固定不變

9、易出錯；精度不高，工件裝夾費時，加工產(chǎn)品質(zhì)量不高問題，因此，我們要在實現(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)合等問題上來解決這些問題，同時也要考慮經(jīng)濟問題。我們可以通過對鉆床機構(gòu)的改造來實現(xiàn)自動化控制的要求，提高產(chǎn)品的加工精度與質(zhì)量；通過導入先進的控制系統(tǒng)來進行自動操控，從而實現(xiàn)自動化控制。所以，本文研究的是基于 PLC 的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造與其進給系統(tǒng)設(shè)計。1.2 問題的提出、分析以與解決方案鉆床指主要是用鉆頭在工件上加工孔的機床。通常鉆頭旋轉(zhuǎn)為主運動，鉆頭軸向移動為進給運動。鉆床結(jié)構(gòu)簡單，加工精度相對較低，可鉆通孔、盲孔，更換特殊刀具，可擴、锪孔，鉸孔或進行攻絲等加

10、工。加工過程中工件不動，讓刀具移動，將刀具中心對正孔中心，并使刀具轉(zhuǎn)動（主運動）。鉆床的特點是工件固定不動，刀具做旋轉(zhuǎn)運動.由現(xiàn)存的狀況分析我們可以看出，在機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。主要用來進行鉆孔、擴孔、絞孔、攻絲等。長期以來我國的機械機械制造工業(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：（1）自動化程度不高.，難以進行大批量的生產(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，操作固定不變易出錯；（4）精度不高，工

11、件裝夾費時；（5）加工產(chǎn)品質(zhì)量不高；針對以上傳統(tǒng)鉆床的不足之處與生產(chǎn)中存在的問題，我們有必要對傳統(tǒng)鉆床進行結(jié)構(gòu)改進。通過對傳統(tǒng)鉆床手動的進給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)的改進和設(shè)計，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實現(xiàn)自動化，降低勞動強度與工作量。當前傳統(tǒng)鉆2 / 39床問題的存在主要在于自動化程度、生產(chǎn)效率、工作環(huán)境與產(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)濟問題。經(jīng)過分析，我們可以從機構(gòu)設(shè)計

12、和控制系統(tǒng)兩方面去考慮。通過對鉆床機構(gòu)的改造來實現(xiàn)自動化控制的要求，提高產(chǎn)品的加工精度與質(zhì)量；通過導入先進的控制系統(tǒng)來進行自動操控，從而實現(xiàn)自動化，便于導入到其它生產(chǎn)流程中去。為了解決問題和便于設(shè)計改造，我們將鉆床分為進給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分，下面分別對它們的問題提出解決方案：（1）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。主軸在加工時即要作旋轉(zhuǎn)運動，也要作軸向的進給運動。機床主軸被裝置在主軸套筒，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套，主軸上側(cè)由花鍵連接。機床加工時，旋轉(zhuǎn)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運動。為了實現(xiàn)自動化

13、控制的要求，主軸進給機構(gòu)改進主要有：主軸旋轉(zhuǎn)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(xiàn)進給動作。1（2）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入，通過液壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn)夾緊動作的自動化。（3）控制系統(tǒng) 當前機床控制系統(tǒng)主要由計算機數(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)，計算機數(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

14、我們利用 PLC 控制技術(shù)來實現(xiàn)對進給系統(tǒng)和夾緊系統(tǒng)的控制。23 / 39第 2 章 自動鉆床的總體設(shè)計方案2.1 自動鉆床的改造方案的確定與傳統(tǒng)臺式鉆床的制造相比較，改造后的自動鉆床基本加工有很大的調(diào)整，這其中主要是導入了液壓進給系統(tǒng)和 PLC 控制系統(tǒng)。根據(jù)生產(chǎn)要求，自動鉆床的動作流程如下：19啟動（電源與控制模塊）放料自動夾緊主軸快進主軸工進主軸停留主軸快退夾具松開出料電機停轉(zhuǎn)鉆床主要部分的動作流程圖如下（圖 2-1）：圖 2-12.2 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計機械執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計是機械總體方案設(shè)計的核心，也是整個機械設(shè)計工作的基礎(chǔ)。執(zhí)行系統(tǒng)方案設(shè)計的好壞，對機械能否完成預(yù)期的功能目標，起著

15、決定性的作用。機械執(zhí)行系統(tǒng)方案設(shè)計的過程主要包括七個步驟，分別是：1.功能原理設(shè)計；2.運動規(guī)律設(shè)計；3.執(zhí)行機構(gòu)型式設(shè)計；4.執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計；5.機構(gòu)尺度設(shè)計；6.運動和動力分析；7.方案評價。4 / 392.2.12.2.1 執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計功能原理設(shè)計決定產(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。因此在進行鉆床的功能原理設(shè)計時，我們應(yīng)當考慮鉆床功能的可行性、先進性和經(jīng)濟性。普通臺式鉆床的改造主要是實現(xiàn)自動化功能。改造后全自動鉆床能實現(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)代機械加工業(yè)的發(fā)展要求。32.2.22.2.2 執(zhí)

16、行系統(tǒng)的運動規(guī)律執(zhí)行系統(tǒng)的運動規(guī)律 本文設(shè)計的重點在于鉆床液壓進給系統(tǒng)之進給油缸設(shè)計，也就是用液壓缸驅(qū)動來替代手動進給。根據(jù)設(shè)計，我們要分析的運動規(guī)律包括鉆頭切削運動和進給液壓缸驅(qū)動進給運動。鉆頭加工運動包括旋轉(zhuǎn)切削運動和鉆頭直線進給運動。鉆床執(zhí)行系統(tǒng)的運動規(guī)律如下圖示（圖 2-2）：圖圖 2-22-2 自動鉆床運動規(guī)律簡圖自動鉆床運動規(guī)律簡圖5 / 392.2.32.2.3 執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計原則原則當根據(jù)生產(chǎn)工藝要求確定了機械的工作原理和各執(zhí)行機構(gòu)的運動規(guī)律、并確定了各執(zhí)行機構(gòu)的型式與驅(qū)動方式后，還必須將各執(zhí)行機構(gòu)統(tǒng)一于一個整體，形成一個完整的執(zhí)行系統(tǒng)，使這些機構(gòu)以一定的

17、次序協(xié)調(diào)工作，互相配合，以完成機械預(yù)定的功能和生產(chǎn)過程。這方面的工作稱為執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計。4執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計原則：1）滿足各執(zhí)行機構(gòu)動作先后的順序性要求2）滿足各執(zhí)行機構(gòu)動作在時間上的同步性要求3）滿足各執(zhí)行機構(gòu)在空間布置上的協(xié)調(diào)性要求4）滿足各執(zhí)行機構(gòu)操作上的協(xié)同性要求2.2.42.2.4 執(zhí)行系統(tǒng)的方案評價執(zhí)行系統(tǒng)的方案評價方案評價原則包括：客觀性可比性合理性整體性 1 2 3 42.3 傳動系統(tǒng)方案設(shè)計和原動機選擇機械傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計是機械系統(tǒng)方案設(shè)計中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。傳動系統(tǒng)方案設(shè)計的好壞，在很大程度上決定了所設(shè)計機械產(chǎn)品是否先進合理、質(zhì)高價廉與具有市場競爭力。5在完成了執(zhí)行系

18、統(tǒng)的方案設(shè)計和原動機的預(yù)選型后，即可根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)所需要的運動和動力條件與原動機的類型和性能參數(shù)，進行傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計。原動機的選擇，主要根據(jù)機械系統(tǒng)的工作環(huán)境（溫度、濕度、粉塵、酸堿等）、工作特點（起動頻繁程度、起動載荷大小等），并考慮各種電動機的特點與供應(yīng)情況等來確定。由自動鉆床執(zhí)行部件的運動規(guī)律我們可以選擇原動機。主軸旋轉(zhuǎn)運動的原動機選擇電動機，進給液壓缸原動力選擇電動機驅(qū)動液壓泵 。2.4 傳動系統(tǒng)方案設(shè)計 (一) 確定傳動系統(tǒng)總傳動比6 / 39全自動鉆床的總傳動比的確定要建立在計算切削力和傳動效率的基礎(chǔ)上，當確定自動鉆床的工作功率后，查表選擇電動機，對照鉆床的工作參數(shù)確定總傳動比（

19、主軸系統(tǒng)總傳動比在傳動系統(tǒng)設(shè)計中經(jīng)計算后確定）。（二）傳動類型的選擇機械傳動類型的選擇關(guān)系到傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計和工作性能參數(shù)。技術(shù)經(jīng)濟指標是確定傳動方案的主要因素，只有通過對多種傳動方案的技術(shù)經(jīng)濟指標作細致的綜合分析和對比，才能比較合理地選用機構(gòu)傳動的類型5。（1）機械傳動類型選擇的依據(jù) 1）執(zhí)行系統(tǒng)的性能參數(shù)和工況要求。 2）原動機的機械特性和調(diào)速性能。 3）對機械傳動系統(tǒng)的性能、尺寸、重量和安裝布置的要求。 4）工作環(huán)境 5）制造工藝性和經(jīng)濟性（三）繪制傳動系統(tǒng)運動簡圖根據(jù)以上分析，確定傳動系統(tǒng)的運動簡圖如下（圖 2-3）：2-32-3 傳動系統(tǒng)運動簡圖傳動系統(tǒng)運動簡圖2.5 控制方案設(shè)計

20、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）簡稱 PLC，是從早期的繼電器邏輯電氣控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它不斷吸收微型計算機控制技術(shù)，使之功能不斷增強，逐漸適合復(fù)雜的電氣控制系統(tǒng)。PLC 之所以有較強的生命力，液壓缸進給傳動V 帶傳動花鍵傳動7 / 39在于它更加適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場和市場要求?？煽啃愿撸垢蓴_能力強、編程方便、價格低、壽命長。與單片機相比，它的輸入/輸出端更接近現(xiàn)場設(shè)備，不需添加太多的中間部件，這樣可以大大的節(jié)省用戶的開發(fā)時間與生產(chǎn)成本。162.6 本章小結(jié)本章主要介紹了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

21、案、傳動系統(tǒng)方案和控制系統(tǒng)方案作了詳細介紹和分析。8 / 39第 3 章 鉆床進給系統(tǒng)的設(shè)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(zhuǎn)切削運動，也要作軸向的直線進給運動。機床主軸被裝置在主軸套筒，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套，主軸上側(cè)由花鍵連接。機床加工時，旋轉(zhuǎn)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運動。由總體方案可知，自動鉆床進給系統(tǒng)設(shè)計導入了液壓缸進給系統(tǒng)，由液壓缸驅(qū)動替代齒輪齒條的手動進給，來實現(xiàn)主軸的快進、工進、停留和快退動作。15鉆床在加工時，主軸要作高速的旋轉(zhuǎn)運動和進給運動。導

22、入液壓缸進給系統(tǒng)后，因此，我們要結(jié)合合適的軸承和結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)主軸的高速旋轉(zhuǎn)。往復(fù)進給運動由液壓缸來完成動作。圖圖 3-13-1 普通臺式鉆床進給系統(tǒng)簡圖普通臺式鉆床進給系統(tǒng)簡圖12345679 / 391 1、主軸套筒鑲套、主軸套筒鑲套 2 2、推力球軸承、推力球軸承 3 3、主軸套筒、主軸套筒 4 4、主軸、主軸 5 5、深溝球軸承、深溝球軸承6 6、齒輪齒條手動進給系統(tǒng)、齒輪齒條手動進給系統(tǒng) 7 7、主軸箱、主軸箱3.2 進給系統(tǒng)方案圖的確定全自動鉆床是在原有臺式鉆床的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行改造設(shè)計的，所以，我們首先要對普通臺式鉆床的進給系統(tǒng)仔細的研究。臺式鉆床主軸進給系統(tǒng)主要部件有主軸、主軸套筒、

23、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：20根據(jù)普通臺式鉆床的進給系統(tǒng)設(shè)計特點，綜合考慮本文設(shè)計的要求、改造后自動鉆床的工作條件和液壓缸工作特性，確定自動鉆床的進給系統(tǒng)如圖 3-2所示：圖圖 3-23-2 自動鉆床的進給系統(tǒng)簡圖自動鉆床的進給系統(tǒng)簡圖1 1、主軸、主軸 2 2、深溝球軸承、深溝球軸承 3 3、活塞桿、活塞桿 4 4、液壓缸筒、液壓缸筒 5 5、油路口、油路口12345678910 / 396 6、液壓缸蓋、液壓缸蓋 7 7、鎖緊螺釘、鎖緊螺釘 8 8、推力球軸承、推力球軸承 9 9、密封圈、密封圈3.3 工況分析根據(jù)設(shè)計任務(wù)可知，生產(chǎn)工件時，要求生產(chǎn)率為 3

24、把/分鐘，即要求在 20秒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(jié)構(gòu)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(yīng)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 10mm 的通孔，鉆削行程（孔的長度）l15mm。由此可確定鉆床主軸行程為 100mm，也就是液壓缸行程為 100mm。18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。所以，鉆床主軸為僅受轉(zhuǎn)矩作用的軸類。主軸進給液壓缸在工作中受到作用力可以分為三個階段分析。在主軸快進工序中，液壓

25、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，在進給液壓缸設(shè)計時，我們要以最大受力作為設(shè)計標準。3.4 切削力的計算3.4.13.4.1 切削刀具與相關(guān)參數(shù)的選擇切削刀具與相關(guān)參數(shù)的選擇目前在鉆孔加工中，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，選擇高速鋼麻花鉆頭。查金屬切削手冊選擇標準圓柱錐柄麻花鉆中等長度第一系列，刀具直徑為 10m

26、m,鉆頭與主軸用莫氏錐孔連接。17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給量f為：f=0.2mm/r；其對應(yīng)的切削速度V=32m/min。11 / 393.4.23.4.2 主軸轉(zhuǎn)速與鉆孔時間的計算主軸轉(zhuǎn)速與鉆孔時間的計算查金屬切削手冊，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(zhuǎn)速n的計算公式如下：式中， 選定的切削速度（m/min）v刀具或工件的直徑（mm）d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,鉆孔時間 T 的計算公式為：式中，l被鉆孔厚度（mm） f切削進給量（mm/r） 刀具或

27、工件的直徑（mm） n主軸固定轉(zhuǎn)速（r/min）d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 1s，工件夾緊 2s，快進 2s，工進 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。3.4.33.4.3 切削力的計算切削力的計算鉆床切削力的計算包括鉆床主軸轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(shè)計手冊得：鉆床轉(zhuǎn)矩計算公式如下： pkkfDM08234.

28、0min/1000rdvn分fndlT3 . 012 / 39式中， 切削力矩（NM） 鉆頭直徑（mm）kMD 每轉(zhuǎn)進給量（mm） 修正系數(shù)fpk軸向切削力的計算公式如下：pfKDfF7 . 0667式中， 軸向切削力（N） 鉆頭直徑（mm） fFD 每轉(zhuǎn)進給量(mm) 修正系數(shù)fpk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，所以可分別計算出切削轉(zhuǎn)矩和軸向切削為：bf=13.5 NMkM=2595 NfF3.5 鉆床主軸設(shè)計3.5.13.5.1 主軸材料的選擇主軸材料的選擇軸的材料種類很多，選用時主要根據(jù)對軸的強度、剛度、耐磨性等要求，以與為

29、實現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式，同時考慮制造工藝問題加以選用，力求經(jīng)濟合理。根據(jù)工作條件要求，軸都要整體熱處理，一般是調(diào)質(zhì)，對不重要的軸采用正火處理。對要求高或要求耐磨的軸或軸段要進行表面處理，以與表面強化處理(如噴丸、輻壓等)和化學處理(如滲碳、滲氮、氮化等)，以提高其強度（尤其疲勞強度）和耐磨、耐腐蝕等性能。75. 0)736(bpk13 / 393.5.23.5.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計由圖 3-2 進給系統(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)、套筒、鎖緊螺栓和軸端花鍵連接等。根據(jù)鉆床軸徑選用軸承與花鍵尺寸如下（表 3-1）表示：根據(jù)主軸的行

30、程，可確定鉆床主軸的基本長度尺寸如下圖示（圖 3-3）：表表 3-13-1 主軸零件選用表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矩形花鍵832366 GB/T 1144-1987圖 3-3 鉆床主軸基本尺寸簡圖3.5.33.5.3 軸強度的校核軸強度的校核由工況分析可知，鉆床主軸的受力圖如下（圖 3-4）：圖圖 3-43-4 鉆床主軸受力簡圖鉆床主軸受力簡圖fF液壓力FMMk14 / 39圖圖 3-53-5 鉆床主軸轉(zhuǎn)矩簡圖鉆床主軸轉(zhuǎn)矩簡圖考慮到傳動效率，鉆床主軸要傳遞的轉(zhuǎn)矩 M=Mk/（0.

31、990.990.98）=14 NM,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fF互抵消。所以，繪制主軸所受扭矩圖如圖 3-5。根據(jù)軸上零件的布置，軸的危險截面為受力最大處，所以應(yīng)對該處進行軸的強度效核。扭轉(zhuǎn)強度約束條件：TTTWM式中：T 軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（MPa）M軸的傳遞轉(zhuǎn)矩(N.mm)WT軸的抗扭截面模量（mm3） T軸的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（）aMP查機械設(shè)計得花鍵的抗扭截面模量 WT的計算公式為：DdDdDbzdWT16)(1141式中：d1花鍵徑（mm） b花鍵齒寬(mm) z花鍵的齒數(shù) D花鍵的外徑（mm）將選用花鍵的基本參數(shù)代入公式中可計算出 WT=5739，所以可以計

32、算3mm出鉆床主軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力=2.44。TaMP由于=35，顯然，所以，軸滿足強度要求。TaMPTT3.6 進給液壓系統(tǒng)設(shè)計3.6.13.6.1 負載分析負載分析負載分析中，暫且不考慮回油腔的背時壓力，所以需要考慮的力有：工作阻力、系統(tǒng)摩擦阻力、重力和慣性力。15 / 39負載中工作阻力為鉆床的軸向切削力，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 為：=0.990.990.980.95=0.91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算：查機械設(shè)計手冊鋼材密度取 7.

33、85 ，主軸體積 V 為：3mt92104ldV式中： V主軸體積（m3） d主軸直徑 (mm)，取 40mm 主軸長度（mm），取 550mml所以主軸重力為：主軸G=主軸GgVmg式中： V主軸體積（m3）主軸材料密度（） 3mkgg重力加速度（），取 10主軸重力（N）132ms2ms主軸G計算出主軸重量=55N.考慮到軸上零件和液壓缸活塞桿重力，現(xiàn)取整主軸G個系統(tǒng)要承受的重力=200N。G慣性力 Fm指運動部件在啟動或制動過程中的慣性力，查液壓與氣壓傳動得其計算公式為：式中，系統(tǒng)重力 重力加速度Gg時間的速度變化量 加速或減速時間vtt已知主軸系統(tǒng)重力 G=200N；快進行程 70mm

34、；工進行程為 20mm；根據(jù)工時安排可確定主軸快進快退速度為 3m/min；工進速度為 0.17m/min；加速、減速時間一般取 t=0.2s；所以可以計算出慣性力：=5N602 . 0310200mFtvgGFm16 / 39快進時，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2msF=G=182N。7工進時，液壓缸要克服工作阻力（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）/，為了設(shè)計的可行性，使得液壓fF缸有足夠的液壓作用力，計算中我們?nèi)∠到y(tǒng)重力的一半代入到式中，F(xiàn)=2742N。快退時，液壓

35、缸要克服重力和系統(tǒng)摩擦力，所以 F=G/ 考慮到鉆頭退出工件時的摩擦力， 在計算時取 0.89，所以計算出此時 F=225N。列出主軸系統(tǒng)各運動階段的液壓負載計算公式與大小如下表（表 3-2）：表表 3-23-2 液壓缸各運動階段負載表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=G182主軸工進F=（-G）/fF2742主軸快退F=G/225根據(jù)液壓缸各運動階段負載計算結(jié)果和已知各階段的運動速度，我們可以畫出負載圖（F- ）和速度圖(V- )如下（圖 3-6）：ll圖圖 3-63-6 液壓系統(tǒng)負載與速度簡圖液壓系統(tǒng)負載與速度簡圖3.6.23.6.2 液壓缸執(zhí)行元件主要參數(shù)的

36、確定液壓缸執(zhí)行元件主要參數(shù)的確定( (一一) )初選液壓缸的工作壓力初選液壓缸的工作壓力表表 3-33-3 液壓設(shè)備常用的工作壓力表液壓設(shè)備常用的工作壓力表F（N）018222527427072)(mmlV（m/min）)(mml7072-330.1717 / 39機床設(shè)備類型磨床組合機 床龍門刨床拉床農(nóng)業(yè)機械或中型工程機械液壓機、重型機械起重運輸機械工作壓力P1/（MPa）0.82.0352881010162032液壓缸的工作壓力主要根據(jù)液壓設(shè)備的類型來確定，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）和同類機床的液壓工作壓力，初選液壓缸的工作壓力=3。1PaMP

37、( (二二) )確定液壓缸的類型與主要結(jié)構(gòu)尺寸確定液壓缸的類型與主要結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)設(shè)計的要求和鉆床主軸的運動規(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。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。缸筒固定式雙桿活塞缸簡圖如下（圖 3-7）：圖圖 3-73-7 缸筒固定式雙桿活塞缸結(jié)構(gòu)簡圖缸筒固定式雙桿活塞缸結(jié)構(gòu)簡圖自動鉆床在完成工進后，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。2PaMP表表 3-43-4 液壓缸參考背壓液壓缸參考背壓18 / 39

38、系統(tǒng)類型背壓（）2PaMP回油路上有節(jié)流閥的調(diào)速系統(tǒng)0.20.5回油路上有調(diào)速閥的調(diào)速系統(tǒng)0.50.8回油路上裝有背壓閥0.51.5帶補油泵的閉式回路0.81.5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。d表表 3-53-5 活塞桿直徑系列（活塞桿直徑系列（GB2348-80GB2348-80）（）（mmmm）4568101214161820222528323640455056637080901001101251401601802002202

39、50280320360400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 A 為：bPPFdDA1224)(式中：液壓缸徑（） 液壓缸活塞桿直徑（Dmmd）,=100mm液壓缸負載（）, F=2742液壓缸工作壓力mmdFNN1P（）,=3回油路背壓力（）,=0.8aMP1PaMPbPaMPbP2PaMP所以可計算也液壓缸徑=117。為了便于采用標準的密封式元件，查Dmm表 3-6 對液壓缸徑進行圓整。圓整后取=125。Dmm表表 3-43-4 液壓缸徑尺寸系列（液壓缸徑尺寸系列（GB2348-80GB2348-80）(mm)(mm)8101

40、21620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）20022025032040050063019 / 39液壓缸基本尺寸確定后，要按最低工進速度驗算液壓缸的尺寸。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。minA即： 4)(22dDAminminminVqA式中，流量閥的最小穩(wěn)定流量，=0.05minqminqmin/L液壓缸的最低速度,=0.17minVminVmin/m由計算可得 A=2767=294,因此，液壓系統(tǒng)基本尺寸滿足最2mmminA2mm低速度的要求。（三）液壓缸各工作階段的工作壓力、流量和功率計算（三）液壓

41、缸各工作階段的工作壓力、流量和功率計算根據(jù)液壓缸的負載圖和速度圖以與上述液壓缸的計算數(shù)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，bPaMP快退快進時背壓按=0.5代入計算。計算公式與計算結(jié)果列于表 3-5 中。bPaMP自動鉆床快進和工進時，液壓缸上油缸進油下油缸回油；快退時液壓缸下油缸進油上油缸回油。因此計算液壓缸工作各階段的壓力、流量和功率如下表示（表 3-5）：表表 3-53-5 液壓缸所需的實際流量、壓力和功率液壓缸所需的實際流量、壓力和功率進油壓力回油壓力所需流量輸入功率工作循環(huán)計算公式（）jPaMP（）nPaMP（qmin/L）P（）kw主

42、軸快進=-jPnPAF=qVAP=jPq0.430.58.30.06主軸工進=+jPnPAF=qVAP=jPq1.80.80.470.0220 / 39主軸快退=+jPnPAF=qVAP=jPq0.60.58.30.08注：表中 A 為液壓缸有效面積，V 為各階段穩(wěn)定速度。（四）液壓系統(tǒng)原理圖（四）液壓系統(tǒng)原理圖自動鉆床要完成快進、工進和快退的工作循環(huán)?？爝M和工進時進給液壓缸上油缸進油下油缸出油，而快退時進給液壓缸下油缸進油上油缸出油，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。10由于快進快退和工進時的速度不一樣，所以系

43、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)運動速度不是太大，負載也不大，因此，調(diào)整系統(tǒng)選擇進口節(jié)流調(diào)整，該調(diào)整系統(tǒng)具有較好的低速穩(wěn)定性和速度負載特性；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 示。21 / 39圖圖 3-83-8 自動鉆床液壓進給系統(tǒng)控制原理圖自動鉆床液壓進給系統(tǒng)控制原理圖1 1、油箱、油箱 2 2、過濾器、過濾器 3 3、變量液壓泵、變量液壓泵 4 4、溢流閥、溢流閥 5 5、三位四通電磁閥、三位四通電磁閥 6 6、二位三通電磁閥二位三通電磁閥 7 7、二位二通電磁閥、二位二通電磁閥 8 8、調(diào)速閥、調(diào)速閥 9 9、液壓缸、液壓缸快進時，液壓系統(tǒng)在

44、 PLC 自動控制下啟動，電磁鐵 1Y 得電，三位四通電磁閥 1 接入左位，液壓泵 3 供油經(jīng)二位二通電磁閥 7 進入液壓缸 9 上腔，回油經(jīng)三位四通電磁閥 5、二位三通電磁閥 6、溢流閥 4 回油箱。工進時，電磁鐵 1Y、3Y 和 4Y 得電，三位四通電磁閥 6 接入左位，二位二通換向閥 7 接入左位，二位三通電磁閥 6 位入左位，液壓泵 3 供油經(jīng)調(diào)整閥 8進入液壓缸 9 上腔，回油經(jīng)三位四通電磁閥 5、二位三通電磁閥 6 和溢流閥 4回油箱。主軸停留，三位四通電磁閥 5 處于中位，液壓泵 3 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?？焱藭r

45、，電磁鐵 2Y，三位四通電磁閥 5 接入右位，液壓泵 3 供油到液壓缸9 下腔，回油經(jīng)二位二通電磁閥 7、三位四通電磁閥 5、二位三通電磁閥 6 和溢流閥 4 回油箱。工作循環(huán)過程中電磁鐵動作表（表 3-6）：表表 3-63-6 電磁鐵動作表電磁鐵動作表工作階段1Y2Y3Y4Y快進+-工進+-+停留-+快退-+-（五）液壓元件的選擇（五）液壓元件的選擇1 1、液壓泵的選擇、液壓泵的選擇液壓泵的最高工作壓力可按下式計算：PPPp1式中，液壓泵的最高工作壓力pP液壓缸的最大工作壓力；查表 3-5 =1.81P1PaMP22 / 39進油管路總壓力損失；初算時簡單系統(tǒng)可P取，復(fù)雜系統(tǒng)可取0.20.5

46、MPa0.5。取=1.5MPaP0.5MPa根據(jù)上式與數(shù)據(jù)值，可計算出=2.3。計算出的是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，pPaMPpP因為系統(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nP，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(1.25nP 1.6)pP為：nP=1.25=2.9nPpPaMP液壓泵的最大流量應(yīng)滿足下面公式：pq)(maxqKqLP式中，液壓泵的最大流量pq同時動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。如maxq果這時溢流閥正在進行工作，需加上溢流閥的最小溢流量；查表 3-523 /minL取=8.3；m

47、axqmin/L系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取，式中取；LK1.1LK 1.31.2LK 所以計算出9.96。pqmin/L根據(jù)上面計算的壓力和流量，查機械設(shè)計手冊液壓泵產(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，aMPrmL/min/r驅(qū)動功率為 2。KW2 2、液壓泵驅(qū)動電機的選擇、液壓泵驅(qū)動電機的選擇根據(jù)已選擇的液壓泵的規(guī)格，我們可知已選液壓泵需要的驅(qū)動功率2，查電機樣本表可選液壓泵驅(qū)動電機型號為：Y132S-6。其額定功率為 3KW，滿載轉(zhuǎn)速為 960。KWmin/r23 / 393.7 本章小結(jié)在本章節(jié)自動鉆床進給系統(tǒng)設(shè)計中，主要包括機床主軸的設(shè)計的

48、進給液壓缸系統(tǒng)的設(shè)計，是整個設(shè)計中的一個重點。其中機床主軸設(shè)計中有關(guān)數(shù)據(jù)的計算貫穿整個設(shè)計，為下面章節(jié)中的設(shè)計打下了基礎(chǔ)，提供了方便；進給液壓缸的設(shè)計是控制系統(tǒng)設(shè)計的前提。第 4 章 自動鉆床控制系統(tǒng)設(shè)計4.1 自動鉆床的自動化控制要求根據(jù)課題設(shè)計任務(wù)，可總結(jié)自動鉆床的控制系統(tǒng)設(shè)計要求如下：（1） PLC 控制與手動控制相結(jié)合的方式實現(xiàn)；（2） 對控制元件的合理選擇；（3） 完成 PLC 控制編程；4.2 可編程控制器 PLC 的簡述PLC 即可編程控制器，其英文全稱為 ProgrammableController。PLC 舉起于 20 世紀 70 年代，是微機技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的

49、產(chǎn)物。經(jīng)過 30多年的發(fā)展，可編程控制器已經(jīng)成為重要、可靠、應(yīng)用場合最廣泛的工業(yè)控制微型計算機。PLC 不僅充分利用微處理器的優(yōu)點來滿足各種工業(yè)領(lǐng)域的實時控制要求，同時也照顧到操作維護人員的技能和習慣，摒棄了微機常用的計算機的編程語言，獨具風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。11目前的機床普遍采用傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制方式。由于它采用傳統(tǒng)的繼電器和接觸器的聯(lián)鎖觸點構(gòu)成順序控制，該觸點的壽命與接觸不良常常使得機器的故障率提高，發(fā)生故障時又很難找到故障。另一方面，一些復(fù)雜的控制如：時間，計數(shù)控制，用繼電器接觸器控

50、制方式不方便實現(xiàn)，甚至無法實現(xiàn)。24 / 39而采用 PLC 進行控制可以提高機器的運轉(zhuǎn)效率，與繼電器相比 PLC 它有以下幾個優(yōu)勢：（1） 功能強，性價比高。（2） 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強。（3） 可靠性高，抗干擾能力強。（4） 系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少。（5） 編程方法簡單。（6） 維修工作量少，維修方便。（7） 體積小，能耗低。除此之外，PLC 豐富的編程資源，可以在使用 PLC 控制的同時，擴充機床的功能，使它更方便的適合于機械工廠的需要。 4.3 自動鉆床主軸進給系統(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、

51、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。8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。主軸快進控制：當工件檢測器檢測到工件后，工件檢測開關(guān) SB1 閉合，進行工件的夾緊計時，定時器 T37 計時 2S 完成后，三位四通電磁閥電磁鐵 1Y 得電，液壓控制系統(tǒng)接入快進油路，主軸

52、快速進給。13主軸工進控制：主軸快進完成后，快進行程開關(guān) SQ0 閉合，三位四通電磁閥電磁鐵 1Y、二位二通電磁閥電磁鐵 3Y 和二位三通電磁閥 4Y 得電，液壓控制系統(tǒng)接入工進油路，主軸工進。25 / 39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(guān) SQ1 閉合，計時器 T38 開始 5S 計時，三位四通電磁閥電磁鐵 1Y 失電復(fù)位，主軸停留對加工孔進行修磨。16主軸快退：計時器 T38 完成 5S 計時后，三位四通電磁閥電磁鐵 2Y 得電，二位二通電磁閥電磁鐵 3Y 和二位三通電磁閥 4Y 失電復(fù)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(guān) SQ2 處時，行程開關(guān) SQ2 閉合，三位四