机械毕业设计（论文）-数控液压钻动力头结构设计.doc

湖北工业大学2014届本科生毕业论文 毕 业 设 计（论 文）题 目 数控液压钻动力头结构设计 姓 名 学 号 1010100f12 所在学院 机械工程学院 专业班级 10机电6 指导教师 日 期 2014 年 5 月 25 日 摘 要4ABSTRACT5一 前 言61.1 数控液压钻动力头概况61.2 国内外研究现状的分析比较61.3 小结7二 机械结构系统不同方案的比较82.1 液压钻动力头系统运动方案的具体要求82.2总体方案的确定82.2.1方案的选择82.2.2最终方案的确定12三 传动机构的设计与计算133.1 电机的选型133.1.1 选择电机的类型和结构133.1.2 确定电机的容量143.1.3确定电机的转速153.2联轴器的选型153.2.1联轴器的分类和特点153.2.2联轴器的选择计算153.3 齿轮的设计计算163.3.1齿轮材料的选择163.3.2 根据齿根弯曲疲劳强度初步确定齿轮参数163.3.3 确定传动尺寸173.4 键的选用173.4.1键的类型173.4.2键的选择173.5花键的选用173.5.1花键的类型183.5.2矩形花键183.5.3 花键的挤压强度校核183.6主轴的选择计算193.6.1主轴的材料193.6.2 轴的结构设计19（1）轴的直径设计20（2）轴的结构设计20（3）径向尺寸和轴向尺寸的确定203.6.3 轴强度的校核21四 液压控制系统的设计224.1液压系统的组成224.2 液压系统的类型和特点224.3 液压系统原理图的设计224.3.1 液压控制系统动力源的选择234.3.2 液压执行元件的选择234.3.3 液压系统原理图的绘制23五 PLC控制系统设计255.1 PLC控制系统分析255.2 PLC控制系统设计25六 液压元件的选择计算276.1 液压系统的主要参数276.1.1 初选系统的工作压力276.2 液压缸主要尺寸的设计计算276.2.1 液压缸主要尺寸的计算276.2.2 液压缸的选型286.2.3 液压缸流量的计算306.3液压泵306.3.1液压泵的分类和用途306.3.2液压泵的选择30七 结论31八 致谢32参 考 文 献33摘 要数控液压钻动力头是一种将动力头的主运动与进给运动结合在一起，并采用液压驱动和数控系统的设备。本装置具有体积小，重量轻，结构紧凑刚性良好等。由于设计动力头采用了液压驱动的进给运动，所以在工作的时候有工作稳定，较少辅助时间，效率高和能实现无极调速等不同优势。本论文特别采用了模块化的设计思路，将液压钻动力头的整体设计分为机械结构系统不同方案的比较、主传动机构的设计计算、液压控制系统的设计计算、液压进给系统的设计及选型等四个不同部分来展开分析比较。机械结构系统主要是对两个典型方案的对比，分析不同系统的优缺点，从而选择最适合本设计的机械结构系统。主传动结构主要是对主轴的选择、主轴的运动方式和与主轴相连的主要结构的选择与计算。对液压控制系统的设计，主要体现在液压系统的回路设计与PLC控制系统的设计。液压进给系统的设计与上面的有所不同，主要体现在对主要液压元件液压缸、液压泵等设计与选型。综合通过以上各个模块的设计，是液压钻动力头能实现“快进工进暂停快退停止”的功能。关键词：设计计算；液压；动力头；主轴ABSTRACTCNC hydraulic drill head is a head of the main motion and feed movement unifies in together, and adopts hydraulic drive and equipment of numerical control system. This device has small volume, light weight, compact structure rigidity is good, and so on. Due to design power head adopts hydraulic drive feed movement, so at work have a stable work, less auxiliary time, high efficiency and can realize the infinite speed advantage.This paper adopted the modular design idea in particular, the overall design of hydraulic drilling power head can be divided into different scheme of mechanical structure system comparison, the design calculation of the main transmission mechanism, the design calculation of hydraulic control system, hydraulic feeding system for the design and type selection of four different parts to analysis and comparison. Mechanical structure of the system is mainly for two typical schemes comparison, analysis the advantages and disadvantages of different systems, so as to select the most suitable for the design of mechanical structure system. Main transmission structure is mainly on the choice of the spindle, spindle motion mode and connected to the main shaft of the selection and calculation of main structure. The design of the hydraulic control system, mainly reflected in the circuit design of hydraulic system and PLC control system design. Hydraulic feed system design and the different, mainly in the main hydraulic components, hydraulic cylinder, hydraulic pump and so on design and type selection.The design of the integrated through the above modules, is hydraulic drilling power head can realize fast forward - - suspended - fast rewind in work - stop function.Key words: design and calculation; Hydraulic pressure; Power head; The spindle一 前 言1.1 数控液压钻动力头概况随着装备制造业在我国的持续发展，特别是在国家重大装备开发和技术改造，技术转让的大环境下，我们的整体制造技术水平和综合制造能力得到了新的提高。高精端产品，广泛应用于我们的日常生活中，并作为支持制造钻铣床等基本加工的发展，已然成为制约产品的性能的关键因素。随着技术的不断进步，人们也越来越重视一些功率重量比大，频率响应高，体型小而压力较大的液压技术。在设计产品的同时，实现机床和工具形式的设计已经成为提高产品的综合性能的关键步骤。作为一款全液压动力头钻机，欧美市场已经早在1990年初被使用过，并已经占有欧洲和美国主流市场。即使在机械制造相关行业我国已然取得了不错的进步，但是我们也应该清楚的知道，在同西方发达国家相比，我们同他们还是有一定的差距。目前，钻机的发展方向，作为一个传统的机械垂直轴型液压凿岩机，无论从力学性能，适宜性，在价格方面具有一定的优势，在一定时间内将有一定的市场。但随着工程技术人员知识的加强，单位经济实力不断增强，液压钻动力头将越来越受到用户的关注，价格也可以接受。可以这么说，数控液压动力头钻机一定是以后的主流发展方向。1.2 国内外研究现状的分析比较苏联和美国是组合机床发展较早的国家，在30年前就已经掌握了生产和使用液压设备。在50年代末期，以苏联为代表的自动生产线上制造了一种机械动力头，这种动力头能够使用电磁离合控制，并有两次工作进给，在很大程度上提高了动力头的可靠性。而随着时代的进步，以美国为首的西方发达国家慢慢率先使用了数控技术，并很好的应用到机械制造这一领域，取得了举世瞩目的成绩。从此，数控技术，特别是计算机技术的发展及其在数控机床上的应用进入了高速发展阶段。可以这么说，数控液压系统在机械行业所占据的比重，直径反映一个国家机械制造业的现代化程度，由此可见一斑。当今世界，西方发达国家在机电一体化、高精、高效、智能、高质量的先进机床这方面，竞争是十分激烈的。随着中国经济的高速增长，国家宏观政策对内需的持续拉动，中国的机床市场明显在升温，特别是在液压系统高度发展的时期，液压的应用范围日益扩大，普遍应用于各个行业。在中国加入WTO后，可以正式参与国际市场竞争，而现在的当务之急是如何加强机床工业实力，加速数控机床产业链的发展。我们可以预知，谁能够在21世纪掌握先进的数控机床和数控液压技术，谁就有足够的发言权，这是永恒不变的事实。液压行业在中国的统一组织开始于1963年，为了满足当时的中、高压液压元件的需求，我国通过引进国外技术建设液压元件生产厂家，并通过测绘、仿制、共同设计和开发了大量的液压产品，从此液压行业在中国进入的高速发展时期。更让人振奋的是，经过几代人不懈的努力，通过对国外先进技术的消化吸收，我们能够为自己的工程机械，工程设备进行自行组装，这为我国液压行业来说是一个不小的进步，至少在代替进口货中起到一定的作用。就目前来说与先进国家，在整体水平仍存在一定的差距，尤其是在高、新、尖技术和设备相比，我国尚处于引入期，尚未能实现完全的消化和吸收。至于引起这类结果的原因，中国目前的液压控制技术可以说是：（ 1 ）对液压产品的一些技术指标如动态性能不是很重视，执行力不达标;（ 2 ）间隙传感器的性能差和落后的加工条件（ 3 ）加工设备老化（ 4 ）知识更新换代缓慢和缺乏科学和技术人才。目前，中国面临的问题是如何在较短的时间里，能充分发挥现有的实力和技术，缩小与世界先进技术之间的差距。我们知道，中国在改革开放实施以来，大量引进国外先进的技术和装备，这在某种程度上是改善了国内落后的技术现状，也使我们的设计、制造和使用水平有了一定提高，但我觉得这只是短暂的，不是长远之计。我们应该利用国外的先进元部件、数控系统，开始自行设计及制造属于中国自己的技术，这在很大程度上依赖国家的大力扶植这一大环境，但更重要的是我们这些高新技术人员能抱着中华民族的优秀传统，不怕苦，不怕累的精神，全身心的投入到工作中去，为祖国的社会主义现代化建设尽心尽力。更难能可贵的是，有一大批个人和企业走在了时代的前列，充分发挥他们的聪明才智，正在迎头赶上，相信不久的将来，我们国家的技术水平一定能屹立于世界先进水平之林！1.3 小结本论文所使用的软件有CAD2003和proe4.0野火版等软件。通过这些仿真软件的配合使用，结合模块化的设计思路，将液压钻动力头的整体设计分为机械结构系统不同方案的比较、主传动机构的设计计算、液压控制系统的设计计算、液压进给系统的设计及选型等四个不同部分来展开分析比较，达到设计目的。二 机械结构系统不同方案的比较2.1 液压钻动力头系统运动方案的具体要求由于设计的多样性，满足机械运动系统的某一个功能要求可能有不只一个，所以，出于对机械系统运动方案的设计，在满足基本的功能要求前提下，还应遵循以下几点原理： 机械系统尽可能简单易行如何才能实现机械系统的简短，要从机构运动链这一点来看，在确保既定功能的要求下，尽可能的选用那些运动副较少的机构，这样的话，不仅有效的降低了制造成本，简化了机构，还可以减少因零件的制造误差带来的累计误差。选择运动副：高副机构可减少构建数的运动副数目，且设计简单。但低副运动机构的运动副加工简单，且容易保证配合精度以及有较高的承载能力。在正常情况下，应优先考虑低级的运动机构，并尽量避免移动副的使用。选择原动机：机械系统的运动与原动机的形式关系密切。应结合具体情况合理选择。机构应具有比较不错的动力特性机构在机械系统中不仅要传递动力，同时还要传动动力，因此要选择不错的动力特性的机构。 尽量减小装配尺寸有大小和不同类型的机构类型在重量上差别也较大。本设计选择三相异步电动机来提供主运动动力，从而使动力头的尺寸有所减小，其制造成本也相应的降低。机械系统要充分考虑人机性能我们知道，任何机械系统都是由人类设计，并被用于服务人类，而且大多数机械系统都是要靠人来操作和使用的，因此在设计机械时，必须考虑人的特点，来达到人与机械的和谐统一。本设计采用PLC控制系统，实现工作的自控，这在很大程度上减轻了工人的劳动强度。2.2总体方案的确定2.2.1方案的选择对于整个方案的设计，我综合了不同的方案设计思想，最后采用了最合适的设计思想，即模块化的设计方法。通过化整为零的思想，将动力头的结构细分为控制系统，传动系统和进给系统三个主体部分。（1） 主运动方案设计通常液压钻动力头的动力源为电动机，他将电能转换成动力头的旋转运动，其主运动。传统的普通钻床一般使用电动机作为动力源的主要运动，然后通过电机的运动和动力主轴通过齿轮传动，传动功率。这里我们来比较下下列两个方案:方案 主运动采用电动机作为动力源，后经齿轮吧运动和动力传递给主轴，如下图2-1所示图 2-1 方案其工作原理是，电机将耦合传输到一对齿轮，齿轮轴通过啮合传动功率，完成主轴的旋转主运动。该传动的特点是传动平稳，工作可靠性高，且经久耐用，这也造就了他的速度和须用尺寸范围较广。方案 还是采用电动机作为动力源，但这里注意不是用齿轮把运动和动力传递给主轴，而是采用变频器作为电动机的电源，进一步通过变频器调速来实现调节主轴的运动，接下来经过带轮把变频电机的运动与动力传递给主轴，实现主轴的主运动。如下图2-2所示图 2-2 方案该机构采用了带传动，使得传动更加平稳，主要优点是结构简单，成本低，但正是这样才使得他的传动比不是很准确，寿命也没有齿轮传动高，更重要的一点不足时轴向力大，传递效率也低。（2） 进给运动方案的选择液压钻动力头的进给方式是本方案的核心。有关资料表明，传统的液压动力头有内部和外部两种分布方式。内置 从表明上看，就是将液压缸放置在内部，这样的话，可以与主轴的套筒融为一体的同时为动力头提供进给运动。这种结构的有点是动力头体积较小，钻削平稳，且精度有保证，但是缺点是工作行程比外置式的小。一般多用于普通机加工。如图2-3所示图 2-3 内置式外置 也就是说将液压缸安装在外面，在给动力头提供工作进给的时候，通过机械滑动配合来实现移动副的进给运动。它的优点是工作行程大，可用于钻井，钻深孔，石油采矿等。但是缺点也很明显，那就是动力头的体积较大，机构相对较复杂，制造起来相对困难。如图2-4所示。图 2-4 外置式本次设计，我结合了内外置液压缸两种传统钻削动力头的优缺点，设计出来第三种方案。内外结合式 即液压缸置于主轴外部，当活塞杆固定时，液压缸的移动带动滑板的移动，动力头固定在滑板上，当进给油箱带动滑板在导轨上移动时，动力头通过通过套筒与滑板的焊接传递动力，实现自动进给。其主要优点是刚性较大、导向性好且间隙可以实现调节。经过对比分析，可以确定第三种方案最为合理，因为他既能减小钻削动力头的体积，又能提高工作行程。所以本论文选用第三种液压缸内外结合的组合方式，为液压钻动力头的主轴进给提供动力。如图2-5所示。 图 2-5 内外结合式（3） 控制系统的方案选型 本论文采用PLC控制系统。这是基于PLC控制系统以下几点优点：实时性 可以满足各个领域在大、中、小型的控制项目。高可靠性 各模块均采用屏蔽措施，且元器件都进行了严格的筛选。出色的自我诊断功能，一旦出现特殊状况时，CPU能立即行动起来，防止故障的进一步扩大。系统配置简单灵活 这主要是因为控制器种类的多样性。I/O也同样是丰富多彩，功能的不同，其进行的配置也不太一样。控制系统采用了模块化机构 现在的话，大部分控制器都采用了模块化的设计，这是一种适应如今日新月异的工业控制的需要。价格优势 质优价廉，性价比高。安装容易，维修方便 可以运行于不同的工业环境。在即将投入使用时，只需将设备与PLC对应的端口连接即可。为了使用户实时了解运行情况和故障排查，我们均安装了故障指示装置。 2.2.2最终方案的确定根据对以上几个方案的分析，基本确定数控液压钻动力头的设计方案为：如图2-6所示。图 2-6 总体方案三相异步电动机为主运动提供动力，变频器调节主轴的转速；运动和动力同联轴器传递给一对齿轮，齿轮再将电机输出的这些准确无误的传导给主轴；进给运动为当进给油箱带动滑板在导轨上移动时，动力头通过通过套筒与滑板的焊接传递动力，实现自动进给。由PLC控制的数控系统，其工作原理为：快进工进（限位计碰到工件时，感应器发出信号给PLC控制液压回路）快退（暂停一定时间后，延时开关闭合，主轴快退）停止（退到起始位置，碰到位置挡块，使主轴停止进给）。三 传动机构的设计与计算设计技术指标：1最大进给行程250mm;2. 进给位置精度0.15mm;4. 空进给速度8.5m/min;5钻头转速 1502800r/m传动机构设计主要包括了电机的选型，传动比的计算，及运动和驱动装置的动态参数，这些都是为设计传输设备做的准备工作。本设计以3040钻机为原型，加以液压控制。单个传动比齿轮替换使用异步电机的速度调节，因此要进行主轴的计算校核，电动机的选择，以及主要部分的设计与校核。确定传动方案是在设计传动装置时要首先考虑的，主要是以运动简图的形式表达。用一些简单的机构、构件和运动副的代表符号来表示某些运动的特性的图形，我们叫做运动简图，这是我们在设计和计算电动机、传动装置和工作机构之间的力和运动传递关系的理论依据。传动方案的好坏，关系到设计的优劣，因此，在拟定传动方案时应从多方面考虑。首先要充分了解设计任务，并根据各类传动的特点，考虑制造、应力、规模、经济、使用和维修方便等各种方面，选择合理的方案和适当的配置，在能够实现工作可靠、结构简单、尺寸合理、加工方便、成本可控、传动效率高和使用维护方便的前提下，能够很好的实现既定功能。3.1 电机的选型电动机是系列化的标准产品。一般我们在设计时，要综合多方面的内容来考量，有工作载荷（它的大小、变化规律和具体特性等），有工作要求（转速、许用误差、启动和反转频繁程度等的要求），有对工作环境（例如油温，液体，气体等），还有安装要求及对尺寸的要求等等，最终去确定具体的型号。3.1.1 选择电机的类型和结构电流种类还有工作条件以及载荷特点这三个方面是我们选择电动机类型的关键依据。而我的设计时采用了三相鼠笼异步电动机，这是出于对Y系统电机高效、节能和它的启动制动平稳，噪音可控，及其不错的可靠性等优点的考虑。3.1.2 确定电机的容量我们知道，电机容量（也就是功率）是否选择恰当，不仅影响电机的给工作方式，也对经济性产生影响，容量小的话肯定不能满足工作要求，或者因为电机长期处于过载保护状态而影响它的寿命。反而当容量过大时，又会产生诸如电机价格偏高，能力未得到充分利用，而且若经常不在满负载工作状态下，效率和功率因素低，不经济。若我们选择的电动机功率Pe等于或略大于所需电动机功率Pd，这样的话我们就不必作发热计算。因此所需电动机功率为：工作机构所需功率（KW）由电机至工作机构的总效率。工作机构的效率=上式中分别为传动装置中每一个联轴器、每对轴承和每一个传动机构的效率。弹性联轴器=0.99滚动轴承（稀油润滑）=0.99无极变变速器=0.93滑动轴承（润滑正常）=0.97 =2.73.1.3确定电机的转速同类型的容量相同的电动机，有不同的转速。在确定电动机转速时，应考虑综合因素，进行分析比较，是整个设计既合理，又较经济。因此，电动机的转速范围可根据我们前面计算出来的工作机构的转速和传动机构的传动比范围来确定，即电机的可选转速数值范围（r/min）传动装置总传动比的合理范围工作机构转速（r/min）在通常情况下，我们多选择同步转速为1500和1000r/min的电机，我们这里采用了齿轮啮合的方式改变了转速，为此选择电机的型号为Y100L2。它的参数为：满载荷下的转速达1430r/min，起动额定转矩2.2N*m，最大额定转矩也是2.2 N*m，同步转速取1500r/min，它的额定功率为3KW。3.2联轴器的选型联轴器的基本功能是实现轴与轴连接，轴与其他旋转件一起旋转，并传递动力和运动。3.2.1联轴器的分类和特点联轴器一般用来连接电动机和主轴，属于中间机构。我们大致可以把联轴器分为两种，即刚性联轴器和弹性联轴器。根据设计需要及联轴器特点，选用弹性柱销联轴器。3.2.2联轴器的选择计算我们一般在选择联轴器时，是综合考虑负载条件，如选定计算转矩、轴的直径和工作转速等方面。 （）式中理论转矩， ；许用转矩， ；驱动功率，KW ；驱动功率，马力 ；工作转速，r/min ;工作情况系数（仅用于滚子联轴器） 而对于齿轮联轴器，还应考虑改变补偿量的旋转速度和角度对传递扭矩的影响。即 （）式中转矩修正系数根据电机及系统工作情况，选择弹性柱销联轴器本设计选择LX2弹性柱销联轴器，公称转矩560N*m、许用转速6300r/min，轴孔直径选择30mm。3.3 齿轮的设计计算3.3.1齿轮材料的选择通过查阅相关资料，我们选择打、小齿轮的材料均为40Cr，且钢的表明进行淬火处理，精度等级选择8级3.3.2 根据齿根弯曲疲劳强度初步确定齿轮参数已知电机的功率P1=3KW，电机的转速n1=1500r/min，我们取齿轮的齿数比为u=5,电动机驱动，单向运转，伴有中等载荷冲击。计算公式为：式中，Kt取1.6 T1=1.91104N*m 其中=0.7 取z1=20个，则z2=u*z1=100有上式算出来的mt=3.203.3.3 确定传动尺寸取标准模数m=4mm，则两个齿轮间的中心距为：a=m(z1+z2)/2=240mm分别计算各齿轮的分度圆直径D1=m*z1=80mmD2=m*z2=400计算各齿轮的齿宽B=*d1=56mm取b2=56mm则b1=b+(510)=62mm3.4 键的选用键连接是在轴的外圆上和零件的内孔中分别开键槽，利用键作为连接过渡零件传递运动和动力。3.4.1键的类型键可分为平键、半圆键和楔键。而我们把平键又细分为普通平键、滑键和导向平键，而把锲键又分为普通锲键、切向键和钩头锲键。3.4.2键的选择我们在选择键的类型时，可以根据其使用要求、联接的结构特点和工作环境来选取。键的长度我们可以从查标准来选择，并按其传递的转矩来对其进行校验。本次设计选用A型普通平键，根据主轴直径选择标准件（选自GB/T 10962003）。3.5花键的选用花键的连接是由轴和毂孔上的多个键齿和键槽来实现，其工作面为齿侧面，可用于静态和动态连接。3.5.1花键的类型花键分为矩形花键和渐开线花键。3.5.2矩形花键这里我们先来看看矩形花键的特点，可以查资料得起定心不仅稳定度可靠，而且精度较高，且最值得称道的是能用磨削的方法来抵消热处理变形。本次设计根据需要选择矩形花键（GB/T 1144.12001），规格（），键数8，大径36，键宽6，如下图3-1。图3-1 矩形花键3.5.3 花键的挤压强度校核式中T转矩，;各齿载荷不均匀系数，一般取=0.7-0.8；Z齿数；L齿的工作（配合）长度，mm;平均直径，mm，矩形花键=，渐开线花键=d;h齿的工作高度，单位mm,矩形花键（C为倒角尺寸）渐开线花键h=m（其中m为模数）；许用比压，MPa 。3.6主轴的选择计算3.6.1主轴的材料轴的材料应该有一定的刚度、强度和耐磨性，这是为了对抗轴的实效；我们还要考虑工艺性和对经济的要求。碳素钢和合金钢的综合性能良好，常常作为轴的材料。而我们常提到的碳素钢，它的优点是相对合金钢价格低廉，且对应力集中这点上有更小的敏感度，因此应用范围也较广。常用的材料有35、45、50钢等优质中碳钢，其中以45号钢最为常用。本次设计因主轴不仅有轴向进给运动，还有径向旋转运动，中间用花键连接实线主轴的轴向进给主运动，因此选用40Cr，其力学性能如下：40Cr，热处理调质，毛坯直径100，硬度241286HB，N/mm2，N/mm2, N/mm2, N/mm2, 许用弯曲应力，,用于载荷较大，而无很大冲击的轴根据轴的扭转强度计算的最小直径，只考虑轴向承载转矩计算，并考虑与应力的方法减小力矩的影响。轴的设计公式： 其中， P-轴传递的功率（kw） C-由轴的材料和承载情况确定的常数 n-轴的转速（r/min）计算出的最小直径轴扭转部分，如果有键槽的剖面，应适当加大轴径，当有一个键槽时，增加%4-%5，如果同一截面开了两个键槽时，增大7%-10%，最后圆整为标准直径即可。3.6.2 轴的结构设计轴上安装的零件类型、尺寸和配置，甚至零件的固定方式都可以改变州的结构和形状，轴的加工装配工艺及对轴的变形要求等有关。我们就是为了设计轴的合理形状和符合要求的尺寸。影响轴的结构的因素有很多，但是不论何种情况，轴的结构都应以以下要求为准：保证轴和轴类零件的轴向位置，以确定适当的周向位置，常用的轴向固定有轴肩，轴环，套筒和紧定螺钉，常用的周向固定有键、花键、销、过盈联接；轴应易于加工，轴上零件应易于拆装；轴的应力必须合理，尽可能降低应力的集中。（1）轴的直径设计本次设计以Z3040为原型加以改造，实线液压控制，因此其主轴径取d=40mm（2）轴的结构设计实心轴.如图3-2图3-2 主轴（3）径向尺寸和轴向尺寸的确定钻主轴处直径以Z3040为原型，取标准值=40mm。采用双滚动轴承传递轴向力，与主轴相配符合轴承内径系列。初选滚动轴承1204。，1204轴承宽度B=15mm。采用推力球轴承传递径向力，与主轴相配符合轴承内径系列。初选推力球轴承51204。，51204轴承宽度T=14mm。因主轴要做径向旋转又要做轴向进给运动，初步决定由长套筒带动主轴做轴向进给运动，由此还需再加一个滚动轴承和一个推力球轴承，为了符合同一轴上两轴承型号相同，选择滚动轴承1204，推力球轴承51204。d2考虑到装配要求，锁紧螺母处直径，d2=35mm, d3 配合轴径，无特殊要求，直径变化5-10mm，取d3 =30mm， L3=126mm，d4连接端盖与机架处直径，可取d4=25mm，L4 =40mm同一轴上两轴承型号相同，d7=B=40mm。取=120mm，确定键的截面尺寸装联轴器处：C型键，由，得=28mm16mm确定键长L=0.85b，且为标准值，3.6.3 轴强度的校核疲劳强度安全系数校核M校核危险截面的疲劳强度安全系数S。轴的疲劳强度是根据长期作用在轴上的最大载荷来计算的。危险截面受力较大，小部分严重的应力集中实则是实际应力较大的截面。安全系数校核公式为（转动心轴）材料的弯曲疲劳强度极限，单位N/mm2是标准零件的疲劳极限到普通零件的换算比例系数有效应力集中系数绝对尺寸影响系数表面状态系数M计算轴在截面上所受的弯矩和扭矩，单位N/mZ计算轴在截面的抗弯和抗扭截面模数 单位 cm3 疲劳强度的许用安全系数满足强度设计要求。四 液压控制系统的设计液压系统是此液压钻动力头的动力来源，液压系统设计的先进性、合理性是液压钻动力头先进性、运行稳定性、可靠性的标志。4.1液压系统的组成一个完整的液压系统主要由以下几个部分组成：（1）能源装置 （2）辅助装置（3）传动介质（4）执行装置 （5）控制调节装置本次设计采用自驱式液压动力头的进给系统，它本身带有油箱、液压泵、能用自己的动力源实现进给。自驱式液压动力头的优点是结构紧凑，占地面积小，过去我国在组合机床中采用自驱式液压动力头，大多为整体控制板式定量泵系统。这种系统的缺点是油温易升高，使液压系统工作不稳定，而且结构复杂，工艺性不好。采用变量泵系统可以减少油温的升高，功率利用合理。4.2 液压系统的类型和特点了解液压系统的工作特点和性能，对液压设备的设计、研究和使用都有不错的帮助。我们在查有关资料时，液压系统的分类方式有多种：（1）当按工作特征来划分的话，可以分为开式系统和闭式系统两种不同的结构。（2）当按用途来进行划分时，我们可以将它分为固定设备系统和移动设备系统两种。（3）当按执行器速度的控制调节方式来分的话，可以分为执行器控制、泵体控制盒阀门控制三种。（4）当按油液循环方式来说的话，我们可以分为开式系统和闭式系统两种。（5）当按工作特性来说的话，可以分为传动系统与控制系统。4.3 液压系统原理图的设计液压钻动力头的工作流程如下：开启系统电磁阀工作液压泵工作液压阀动作钻头主轴快速进给达到位置工作进给钻死挡停留液压阀换向返回，如此循环反复运动，直至关闭系统。4.3.1 液压控制系统动力源的选择我们这里选择的液压系统的工作介质是有液压动力源来提供的，其动力源的核心为液压泵。为了使液压系统的结构尽量简单，采用单个定量泵作为系统的结构简单和开放式的液压传动系统。为了降低泵的不规则脉动对液压阀的冲击，我们在液压回路中加装一个特殊的装置来吸收部分脉动蓄能器，而且我们还在液压回路中加装了压力控制阀来控制回路中的压力，起到过载保护的作用。4.3.2 液压执行元件的选择在此次设计中液压系统的执行元件为液压缸，采用目前使用较为广泛的活塞缸。系统要实现往复功能且系统的控制精度要求较高，因此采用运动比较平稳的单长杆双作用活塞缸。整个液压钻动力头采用水平布置的方式，为了与钻箱体的布局方式想配合，并且符合运动要求，液压缸可采用将活塞杆与箱体连接，动力头与缸筒焊接的方式水平布置。4.3.3 液压系统原理图的绘制液压系统工作循环图4-1：图 4-1 系统循环图液压系统原理图4-2：图 4-2液压系统原理图其工作原理为：参见液压与气压传动16第4版，左健民主编，164页：YT4543动力滑台的液压系统的工作原理。 五 PLC控制系统设计5.1 PLC控制系统分析PLC（可编程控制器的简称），一种以微处理为核心并使用各种软件手段来实现各种不同条件下的控制的工业控制器。可以说，现在可编程控制器已经成为自动化控制系统中应用最为广泛的控制装置。为了实现液压钻动力头进给运动的控制，我们必须首先设计出与之对应的机械和液压回路系统的PLC控制系统。由以上分析，该方案不仅操作简单，价格低廉，而且控制精度高，工作可靠等。这样的话工人的劳动强度得到极大的降低，还在一定程度上提高了生产效率。135.2 PLC控制系统设计我们可以根据液压回路的设计，完成了电气控制系统，从而使主轴在作主运动的同时，还能实现进给运动：快进工进延时快退停止。（1） 快进按下SB2，KA1自锁，1YA得点使电磁换向阀位于左位，实现快速进给。（2） 工进 当钻头碰到工件时，开关SQ1接通，继电器KA2得电，使开关KA2闭合，3YA的电使速度换向阀启动，实现工作进给运动。（3） 暂停 通过端子板进行位置检测，当钻头进给到一定程度时，SQ2开关接通，继电器KT得电，使开关KT断开，从而使各支路断开，开关复位，进给运动停止。（4） 快退 延时开关KT延时到预定时间后接通，2YA得点事电磁换向阀右位接通，实现快速退回。（5） 当钻头退到原始位置时，SQ1接通，继电器KA3得点时开关KA3断电，切断了整个系统的回路，同时主轴也停止了快退。 动力头电气原理图如图5-1图 5-1 电气原理图数控液压钻动力头的动作顺序如图5-2所示，其中，1ST*SB表示1ST与SB同时闭合；“+”代表电磁阀得电，“-”表示电磁阀失电。部序输入条件输出1YA2YA3YA原位1ST-快进1ST*SB+-工进2ST+-+延时3ST-快退3ST*KT-+-原始1ST-图 5-2 动作顺序图PLC现场实际连接图如图5-3图 5-3 现场实际连接图六 液压元件的选择计算6.1 液压系统的主要参数液压系统往复运动最大运动速度：液压系统往复运动最大行程：6.1.1 初选系统的工作压力我们知道，工作压力的选择要根据多个方面来综合考虑，不仅要根据设备类型和工作载荷的大小，还要考虑执行元件的装配空间、供应条件和经济条件的对工作压力的限制。具体可参考表6-1和表6-2。表6-1 按载荷选择工作压力载荷104 N5工作压力MPa0.8-11.5-22.5-33-44-55-7表6-2 各种机械常用的系统工作压力机械类型机 床农业机械、小型工程机械、建筑机械液压机、大中型挖掘机、重型机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力MPa0.8-23-52-88-1010-1820-32根据系统的载荷大小和表1表2中的数据进行综合考虑，初步选定系统压力为5MPa。6.2 液压缸主要尺寸的设计计算6.2.1 液压缸主要尺寸的计算液压缸有关设计参数如下图所示，则存在活塞杆受力为：式中 活塞的有效工作面积液压缸工作腔压力 液压缸回油腔压力 ，可根据回路的具体情况来确定，初算时可参照表3取值。活塞直径 活塞杆直径 表6-3 执行元件背压力系统类型背压力MPa系统类型背压力MPa简单系统或轻载节流调速系统0.2-0.5用补油泵的闭式回路0.8-1.5回油带调速阀的系统0.4-0.6多用于回油路较复杂的工程机械1.2-3回油路设置有背压阀的系统0.5-1.5多用于回油路较短，且直接接回油箱可忽略计在此次设计中，我们可以看到，我们的回油路线较短，且直接接回油箱，故背压力可以忽略不计。一般来说，在2个工况下的液压缸，活塞面积计算公式：运用上式计算活塞直径和活塞杆的直径，必须先确定活塞直径与活塞杆直径的关系，令杆径比，由于为单杆双作用缸，往返速度相等。6.2.2 液压缸的选型我们在前面已经计算出来了活塞杆直径d和活塞直径D,但是这只是理论计算出来的，还要按国家标准规定的液压缸的相关标准进行调整。如果说计算结果与标准值液压缸参数相差不到，则最好选用标准液压缸，这是为了免去自行设计和加工。经常使用到的液压缸内径及活塞杆直径可以通过查阅有关表格。本次设计将标准液压缸加以技术改造，如下图6-1图 6-1 液压缸进给机构带动动力头前进或后退达到钻进或后退的目的，本设计采用长行程单杆液压缸进给机构，动力头给进机构如上图。活塞杆是双层使用时，这时活塞杆是固定不动的，而动力头是固定在滑板上的，从而当液压缸移动时，固定在滑板上的动力头随着移动。当b孔进油时通过内层油管进入液压缸上腔，下腔油通过a孔返回油箱，进行后退工作。当a空进油时，通过两层夹管进入液压缸下腔，下腔油通过b孔返回油箱，进行给进工作。由于上腔工作面积大于下腔工作面积，所以提升力大于给进力，满足钻进工艺要求。进给机构由滑板、进给油箱等组成。进给油箱带动滑板在导轨上移动，动力头通过套筒与滑板焊接传递动力，因此，动力头对钻具的加、减压给进由给进油缸直接驱动，刚性大导向性好、间隙可调节。表6-4 常用液压缸内径 mm4050638090100110125140160180200220250表6-5 常用活塞杆直径 mm456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360根据表6-4和表6-5的标准值，最终选定活塞直径为，活塞杆直径为32mm。国家标准的活塞行程系列如下表所示：表6-6 活塞行程 mm255080100125160200250320400500计算所得的液压缸行程为，根据标准值，选活塞行程为。根据机械设计手册和网上查的的液压产品资