数控液压钻动力头结构设计

机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩摘 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；主轴机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩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机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩目录摘 要 .4ABSTRACT.5一 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 .22机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩4.3.1 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机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩一 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、高压液压元件的需机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩求，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。机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩二 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。机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩（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，实现主轴的主运机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩动。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，通过机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩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：机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩实时性 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；进给运动为当进给机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩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，有机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩工作载荷（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： aWdp工作机构所需功率（KW）由电机至工作机构的总效率。aWnTp950工作机构的效率= n.321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 =0.991滚动轴承（稀油润滑） =0.992机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩无极变变速器 =0.933滑动轴承（润滑正常） =0.974321W= 8.097.09=2.74.51WnTp3.1.3 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 Wadni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ai工作机构转速（r/min）Wn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。机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩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。（ ）nHWTPKnTK70295c mN式中理论转矩， ；mN许用转矩， ；nT驱动功率，KW ；WP驱动功率，马力 ；H工作转速，r/min ;n工作情况系数（仅用于滚子联轴器） K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（ ）nT1cmN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。机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩计算公式为： 3321*FaSt XdYKtTmz式中，Kt 取 1.6T1= =1.91 104N*m9.5106Pn其中 =0.7d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=56mmd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。机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩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，BDdN6328键宽 6，如下图 3-1。图 3-1 矩形花键机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩3.5.3 花键的挤压强度校核 pzhlDTpm2式中 T转矩， ;N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;mDmD2dmDh齿的工作高度，单位 mm,矩形花键 （C 为倒角尺寸）渐开线花键h2h=m（其中 m 为模数） ；许用比压，MPa 。p534.1875.02P3.6 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，