基于PLC控制的小型钻床机械设计【三轴钻床】
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基于PLC控制的小型钻床机械设计【三轴钻床】,基于,PLC,控制,小型,钻床,机械设计
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济南大学毕业设计上海电机学院毕业设计 课 题 基于PLC控制的小型钻床机械设计 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 2011级 姓 名 学 号 指 导 教 师 （签字） 学 院（系）院长（签字） 2015 年 月 日注：本任务书由上海电机学院教务处印制。- 1 -摘 要此次设计的小型钻床设计。钻孔工艺是加工孔类的基础部分，只要钻孔工艺的加工精度提高了，在后面的加工工艺过程就会更加简洁，提高加工效率，节省时间，提高经济效益。本文对小型钻床进行设计，主要完成机械结构部分设计。整机结构主要由电动机产生动力将需要的动力传递到带轮上，然后通过带轮传递到带轮，通过小齿轮再过渡到卷双联齿轮上，双联齿轮轴上装有钻头机构。同时本文对该方案小型钻床关键零部件设计过程进行了详细阐述，其主要内容包括系统总体方案的设计、电动机的选择、执行机构的设计、传动零部件的设计、轴的设计与校核以及轴承的选择等。本论文研究内容：(1) 小型钻床总体结构设计。(2) 小型钻床工作性能分析。(3)电动机的选择。(4) 小型钻床的传动系统、执行部件。(5)对设计零件进行设计计算分析和校核。 (6)绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图。关键词：滚珠丝杠；电动机；变速箱；钻孔工艺ABSTRACTThe design of the small drilling machine design. The drilling process is a fundamental part of the processing hole, as long as the machining precision drilling technology improves, the process behind the more concise, improve processing efficiency, save time, improve economic efficiency.This paper carries on the design to the small drilling machine, mainly completes the design of mechanical structure. The whole structure is mainly composed of the motor power will need to transfer the power to the wheels through a belt pulley, and then transferred to the belt wheel, pinion and then transition to the volume of the duplex gear through, double gear shaft is provided with a drill bit body. At the same time, this paper elaborates on the scheme of small machine key components design process, the main content includes the overall system design, the choice of motor, actuator design, transmission parts of the design, design of shaft and bearing selection and checking.The content of this paper:(1) the overall structure design of small drill.(2) analysis of small drilling performance.(3) the choice of motor.(4) transmission system, execute parts of small drill.(5) the design of parts of the design calculation and check.(6) the assembly drawing and parts drawing assembly drawings and parts drawings design.Keywords: ball screw; motor; gearbox; drilling technology- 47 -目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 钻床简介11.2 钻床的发展及趋势11.3 本课题解决的问题和设计时主要的工作12 三轴钻床结构设计的总体方案32.1课题的技术要求32.2钻床总体结构32.3 小型钻床的动力选择32.4 小型钻床的驱动方式42.5 小型钻床的动力性能比较42.6 小型钻床动力的计算与选择53 小型钻床主轴箱设计73.1 基本传动数据计算73.2 带传动设计83.3 齿轮传动设计93.3.1 第一级齿轮传动设计93.3.2 第二级齿轮传动设计：113.4 轴的校核133.5 键的校核193.6 轴承的校核203.7 传动系统电机的选用224 钻头轴向进给系统的设计244.1 钻头轴向进给丝杠螺母副的计算和选型244.1.1工作台基本参数244.1.2计算进给牵引力244.1.3计算最大动载荷C244.1.4滚珠丝杠螺母副的选型254.1.5 传动效率计算254.1.6刚度检验264.1.7稳定性校核284.2步进电机的计算和选型284.2.1初选电机型号284.2.2电机校核计算285 X轴、Y轴的设计325.1工作台滚珠丝杠螺母副的计算和选型325.1.1工作台基本参数325.1.2计算进给牵引力325.2轨道的选择336 PLC控制程序的编写346.1 可编程控制器的选取346.2 PC的I/O地址分配366.3 PLC状态图及梯形图（程序）的设计39结 论45参 考 文 献46致谢471 绪论1.1 钻床简介目前将机床分为12大类：车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨插床、拉床、特种加工机床、锯床及其他机床。在每一类机床中，又可以按照工艺范围、步型型式和结构等等，可以分为若干组，每一组又可以分为若干系列。如钻床又包括：坐标镗钻床、深孔钻床、摇臂钻床、台式钻床、立式钻床、卧式钻床、中心孔钻床及其他钻床。在上述的基本分类方法的基础上，还可以根据机床的其他特征进一步进行分类。同类型机床按照应用范围（通用性程度），可以分为通用机床（或者称万能机床）、专门化机床和专用机床三大类。其中通用机床是可以加工多种工件，完成多种多样工序的加工范围较广的机床，如卧式车床、摇臂钻床等等。摇臂钻床主要由立柱，摇臂，主轴箱，和底座等部分组成。主轴箱装在摇臂上，可沿立柱上下移动，以适应加工不同高度工件的要求。此外，摇臂还可以随外立柱在360范围回转，因此主轴很容易调整到所需要的加工位置。为了使主轴在加工时保持确定的位置，摇臂钻床还具有内立柱，摇臂及主轴箱的夹紧机构，当主轴的位置调整确定后，可以快速将它们夹紧。 摇臂钻床的其他变形如万向摇臂钻床摇臂和主轴箱可以回转或倾斜，使主轴可在空间任意方向都可以进行钻削，适用于重型机器，机车车辆，船舶和锅炉等制造业中加工大型工件。车式摇臂钻床的底座有车轮，可以在轨道上移动，适用于桥梁和机床等行业窄长形工件的孔加工。1.2 钻床的发展及趋势进入市场经济后，国内机床行业竞争日趋激烈，与中捷摇臂钻厂生产相同型号产品的企业有40多家，中捷摇臂钻厂产品领先优势受到挑战。为了应对挑战，中捷摇臂钻厂在产品卖得正火的时候，提出了进行跨越产品结构调整。第一，用先进技术改造传统产品。如普通摇臂钻床实现了五轴联动，价格由几万元上升到几十万元，达到中国摇臂钻床最高水平。第二，向国际先进水平靠拢，不断扩大产品领先优势。ZK系列、桥式和动桥系列产品，十几项技术居国内领先地位。ZK3050获得自主知识产权，并成为国家重点新产品；Z3580A万向摇臂钻，在任何空间、任意方向、任意位置上实现钻削功能，不仅填补了国内空白，在国外也不多见。在国际著名的芝加哥机床展览会上，中捷摇臂钻厂参展产品被一位美籍华商相中并当场拉走。德国、意大利、西腊、瑞典、伊朗等国家和地区纷纷提出做中捷牌摇臂钻的代理经销商。在上海国际机床展览会上，沈阳机床股份有限公司参展的数控钻铣床，同时被国内三家企业看好。摇臂钻床和大多数机床一样，将向数控自动化、机电一体化和智能化方向发展。摇臂钻床未来的发展趋势是：应用电子计算机技术，简化机械结构，提高和扩大自动化工作的功能，使机床适应于纳入柔性制造系统工作；提高功率主运动和进给运动的速度，相应提高结构的动、静刚度以适应采用新型刀具的需要，提高切削效率；提高加工精度并发展超精密加工机床，以适应电子机械、航天等新兴工业的需要。1.3 本课题解决的问题和设计时主要的工作单头钻床是机械行业最通用的设备，主要用于工件上孔的加工.本课题就设计了这么一种三轴钻床，这种钻床价格相对低廉，体积小、重量轻、操作方便、可靠性高，且可以同时钻两孔的工作方式大大提高了工作效率，减轻了工作量，提高了工作效率和加工精度。本课题的主要工作包括以下几个方面：1. 广泛查阅国内外关于多轴钻床的研究资料，阐述了课题的研究意义，在综述了国内外研究资料和研究目的之后，给出了本文研究的主要内容。2. 深入研究三轴钻床的设计原理，提出多种三轴钻床的总体设计方案，进行各功能的求解，通过分析各个方案的优缺点，确定了最优方案。3.设计三轴钻床的整体结构。4.对钻床整体及各个零件进行尺寸设计并进行校核，合理调整各零件的相对位置，并绘制钻床的装配图和主要零件的零件图。2 三轴钻床结构设计的总体方案2.1课题的技术要求定位精度：0.5mm ；运动速度：2m/min；功率：50W；加工孔径范围:1.5-10mm；转速范围：50-1500rpm；工作范围：X:150mm, Y:150mm, Z:100mm；工作要求：X、Y轴用于被加工孔中心位置的精确定位，Z轴则完成快速接近工件以及加工进给，动力头完成夹紧钻头并使钻头按给定的转速转动。2.2钻床总体结构可调式立式三轴钻床主要由床身、工作台、钻头、主传动系统、电机等部分组成。可调式立式三轴钻床的设计需要完成以下几个步骤：1.可调式双头钻头的结构设计：通过齿轮间的位置转动实现两钻头间距离的可调性。2.传动系统变速箱的设计：双轴钻床的主运动为旋转，由主电动机驱动，动力通过皮带轮传递给主轴箱,主轴箱是双轴钻床的主要驱动装置。主运动（旋转）及进给运动同时进行。主轴箱驱动轴的运转由主电机经过交换齿轮来驱动。3.传动系统驱动电机的选型;通过将加工工件时所需的转矩折算到电机主轴上，通过电机主轴上的转矩和电机转速算出功率，然后进行电机的筛选。4.钻头轴向进给系统的设计：采用滚珠丝杠轴向进给。5.工作台的横向、纵向的进给系统的设计：工作台横向、纵向进给：采用滚珠丝杠进给。2.3 小型钻床的动力选择常用原动机有以下三种运动形式，具体见表2-1：表2-1 原动机运动形式运动形式实例连续运动电动机、液压马达、气压马达、柴油机、汽油机往复运动直线电动机、汽缸、液压缸往复摆动摆动油缸、摆动汽缸2.4 小型钻床的驱动方式由一台原动机通过传动装置驱动执行机构工作，叫做单机集中驱动。而多机分别驱动自然而然是用多台原动机来驱动各执行机构工作。两种驱动方式中，单机集中驱动传动装置复杂，操作麻烦，功率大，但价格便宜。而多机分别驱动传动装置简单，电动机功率小，但成本比较高。1）必须考虑到工作机对原动机所提出的起动、过载、运转平稳性等方面的要求；2）必须考虑到其经济效益及其成本，这也是非常重要的一项。3）必须考虑到现场能源的供应情况及工作环境因素；4）必须考虑原动机的机械特性与工作机的匹配情况；5）必须考虑到维修是否方便，操作是否简单，工作是否可靠；2.5 小型钻床的动力性能比较表2-2 原动机性能比较类别电动机气缸马达液压马达柴油机尺寸较大较小较小较大功率及取范围功率大；0.31000KW，范围广功率比电动机大；一般在2.2KW以下，尤其适用于0.75KW以下的高速传动功率最大；受实际油压和马达尺寸的限制功率大；538000KW重量大比电动机大最大大输出刚度硬软较硬较硬运行温度控制温度应低于许应值排气时空气膨胀，噪声较大，排气处应安装消声器对油箱进行风冷或水冷调整方法和性能直流电动机用改变电枢电阻、电压或改变磁通的方法；交流电动机用变频、变极或变转差率的方法用气阀控制，简单，迅速，但不够精确通过阀或泵控制改变流量，调速范围大较难噪声小较大较大较大维护要求较少少较多较多初始成本低较高高高运转费用最低最高高高应用很广，需要动力电源小功率高速场合较广很广，如各种车辆，船舶、农用机械、工程机械和压缩机等等2.6 小型钻床动力的计算与选择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得：钻床转矩计算公式如下： 式中， 切削力矩（NM） 钻头直径（mm） 每转进给量（mm） 修正系数轴向切削力的计算公式如下：式中， 轴向切削力（N） 钻头直径（mm） 每转进给量(mm) 修正系数已知被加工材料为Q235结构钢，结构钢和铸钢取=736MPa，D=10mm，=0.2mm，所以可分别计算出切削转矩和轴向切削为：=13.5 NM=2595 N由金属切削原理可知，主轴切削功率的计算公式为： 式中： 轴向切削力（N） 每转进给量(mm)n主轴固定转速（r/min） 切削力矩（NM）将以上数值代入公式中可计算出功率=0.35KW考虑到小型钻床的现场工作环境及工作需求，小型钻床的起动力矩和调速范围等要求，我选择电动机作为其原动机。由于生产机械装置及工作机所处的工作环境各不相同，电动机的 工作环境也自然而然就各不一样。在绝大多数情况下，电动机工作的周围大气中有不同分量的灰尘和水分，有的处于潮湿之处甚至水下工作，有的周围含有腐蚀性气体甚至爆炸物，为了保证电动机能在不同的工作环境中顺利地安全运行，电动机的外壳也就有多种型式，其型式有：开启式、防护式、封闭式、防爆式。由于小型钻床工作常处于灰尘较多的场合，其外壳选用封闭式，电动机型号为Y系列，Y801-6，额定功率2.2kW，满载转速960r/min，额定转矩2.2Nm，质量17Kg。3 小型钻床主轴箱设计主轴箱传动设计，是根据动力箱驱动轴位置和动力转速、各主轴位置及其转速要求，设计传动链，把驱动轴与各主轴连接，使各主轴获得预定的转速和转向。主轴箱传动系统要求设计：1)、在保证主轴的强度、刚度、转速和转向的条件下，力求使传动轴和齿轮的规格、数量为最少。2)、不用主轴带动主轴的方案，以免增加主轴负荷，影响加工质量。3)、为了结构紧凑，主轴箱内齿轮副的传动比不大于1/2,后盖内齿轮传动比取在1/31/3.5，不用升速传动。4)、由于是粗钻孔，主轴设置在第排位置，以减少主轴的扭转变形。5）、刚性钻孔主轴上的齿轮，其分度圆直径大于被加工孔的孔径，以减少振动，提高运动平稳性。6)、驱动轴带动的转动轴不能超过两根，以免给装配带来困难。7）、主轴的分布被加工零件上加工孔的位置决定主轴的分布情况。孔的位置分布大致可归纳为：同心圆分布、支线分布和任意分布三种类型。3.1 基本传动数据计算计算机构各轴的运动及动力参数a) 各轴的转速 轴 轴 轴 b) 各轴的输入功率 轴 轴 轴c) 各轴的输入转矩 电动机输出转矩 轴 轴 轴 3.2 带传动设计 3.2.1 选择皮带由设计可知：V带传动的功率为2.2kw，小带轮的转速为960r/min，大带轮的转速为480r/min。查机械设计手册可知 工况系数取 KA=1.5 ，Pc=1.52.2=3.3kw。根据以上数值及小带轮的转速查相应的图表选取A型V带。3.2.2 带轮基准直径：查阅机械设计手册选取小带轮基准直径为d1=100mm，则大带轮基准直径为d2=2100=200mm3.2.3 带速的确定：3.2.4 中心矩、带长及包角的确定由式0.7(d1+d2)a02(d1+d2) 可知： 0.7(100+200)a02(100+200) 得 210a0600 初步确定中心矩为 a0=400 根据相关公式初步计算带的基准长度： 查机械设计手册选取带的长度为1250mm计算实际中心矩： 取386mm验算小带轮包角： 3.2.5 确定带的根数 查机械设计手册知 p1=0.97 p1=0.11 ka=0.965 kl=0.93 则 取Z=33.2.6 张紧力 查机械设计手册 q=0.10kg/m 3.2.7 作用在轴上的载荷 3.2.8 带轮结构与尺寸见零件图图3.1 带轮的结构与尺寸图3.3 齿轮传动设计 应尽量使相啮合齿轮的齿数之间没有公约数，以便使齿轮在使用过程中各齿之间都能相互啮合，以加速磨合，模数3.3.1 第一级齿轮传动设计a) 选材料、确定初步参数1) 选材料 小齿轮：40Cr钢调制，平均取齿面硬度为260HBS 大齿轮：45钢调制，平均取齿面硬度为260HBS2) 初选齿数 小齿轮的齿数为Z1=20，则大齿轮的齿数为Z2=202.1=423) 齿数比即为传动比 4) 选择尺宽系数d和传动精度等级情况，参照机械设计手册并根据以前学过的知识选取 d=0.6小齿轮直径d1=60mm，则小齿轮的尺宽为b=d d1=0.660=20mm5) 齿轮圆周速度为： 参照机械设计手册选精度等级为9级。6) 计算小齿轮转矩T17) 确定重合度系数Z、Y：由公式可知重合度为则由手册中相应公式可知：8) 确定载荷系数 KH 、KF确定使用系数 KA：查阅机械设计手册选取使用系数为KA=1.85确定动载系数Kv：查阅机械设计手册选取动载系数Kv=1.10确定齿间载荷分布系数KHa、KFa：则 载荷系数KH、KF 的确定，由公式可知b) 齿面疲劳强度计算1) 确定许用应力H 总工作时间th，假设该切断机的寿命为10年，每年工作300天，每天工作8个小时，则： 应力循环次数 N1、N2 寿命系数 Zn1、Zn2 ，查阅相关机械设计手册选取Zn1=1.0、Zn2=1.15 接触疲劳极限取：hlim1=720MPa、hlim2=580MPa 安全系数取：Sh=1.0 许用应力 h1、h2 2) 弹性系数ZE 查阅机械设计手册可选取3) 节点区域系数ZH查阅机械设计手册可选取ZH=2.54) 求所需小齿轮直径d1 与初估大小基本相符。5）分度圆直径d1,d2 6）确定尺宽：取大齿轮尺宽为 b1=20mm 小齿轮尺宽取 b2=20mm3.3.2 第二级齿轮传动设计：a) 选材料、确定初步参数1) 选材料 小齿轮：40Cr钢调制，平均取齿面硬度为260HBS 大齿轮：45钢调制，平均取齿面硬度为260HBS2) 初选齿数 取小齿轮的齿数为18，则大齿轮的齿数为182.22=403) 齿数比即为传动比 4) 选择尺宽系数d和传动精度等级情况，参照机械设计手册并根据以前学过的知识选取 d=2/3初估小齿轮直径d1=54mm，则小齿轮的尺宽为b=d d1=2/339=26mm 齿轮圆周速度为： 参照手册选精度等级为9级。5) 计算小齿轮转矩T16) 确定重合度系数Z、Y：由公式可知重合度为则由手册中相应公式可知：7) 确定载荷系数 KH 、KF确定使用系数 KA：查阅机械设计手册选取使用系数为KA=1.85确定动载系数Kv：查阅机械设计手册选取动载系数Kv=1.0确定齿间载荷分布系数KHa、KFa：则 载荷系数KH、KF 的确定，由公式可知c) 齿面疲劳强度计算1) 确定许用应力H 总工作时间th，假设该弯曲机的寿命为10年，每年工作300天，每天工作8个小时，则： 应力循环次数 N1、N2寿命系数 Zn1、Zn2 ，查阅机械设计手册选取Zn1=1.33、Zn2=1.48接触疲劳极限取：hlim1=760MPa、hlim2=760MPa安全系数取：Sh=1许用应力 h1、h2 2) 弹性系数ZE 查阅机械设计手册可选取3) 节点区域系数ZH查阅机械设计手册可选取ZH=2.54) 求所需小齿轮直径d1 与初估大小基本相符。5）分度圆直径d1,d2 6)确定尺宽：取大齿轮尺宽为 b1=392/3=26mm 小齿轮尺宽取 b2=26mm3.4 轴的校核轴直径的设计式 取d=30轴的刚度计算a) 按当量弯矩法校核1) 设计轴系结构，确定轴的受力简图、弯矩图、合成弯矩图、转矩图和当量弯矩图。图3.2 轴的受力转矩弯矩图2) 求作用在轴上的力如表3.1，作图如图3.2c表3.1 作用在轴上的力垂直面（Fv）水平面（Fh）轴承1F2=12NF4=891N齿轮 2=N轴承3F1=476NF3=1570N带轮41056N3） 求作用在轴上的弯矩如表3.2，作出弯矩图如图3.2d、图3.2e表3.2 作用在轴上的弯矩垂直面（Mv）水平面（Mh）截面N.mm合成弯矩截面合成弯矩4）作出转弯矩图如图3.2f5）作出当量弯矩图如图3.2g，并确定可能的危险截面、如图3.2a。并算出危险截面的弯矩如表3.3。表3.3截面的弯矩截面截面6）确定许用应力已知轴材料为45钢调质，查表得=650MPa。用插入法查表得=102.5MPa，=60MPa。7）校核轴径如表3.4表3.4 验算轴径截面截面结论：按当量弯矩法校核，轴的强度足够。b) 轴的刚度计算所以轴的刚度足够1） 求作用在轴上的力如表3.5，并作图如图3-3c表3.5 作用在轴上的力垂直面（Fv）水平面（Fh）1F3=1627NF1=8362N =2381N2F4=754NF3=12619N轴21848N2）计算出弯矩如表6，并作图如图3.3d、图3.3e表3.6 轴上的弯矩垂直面（Mv）水平面（Mh）截面N.mm合成弯矩截面合成弯矩3）作出转弯矩图如图3.2f4）作出当量弯矩图如图3.2g，并确定可能的危险截面、和的弯矩如表3.7表3.7危险截面的弯矩截面截面6）确定许用应力已知轴材料为45钢调质，查表得=650MPa。用插入法查表得=102.5MPa，=60MPa7）校核轴径如表3.8表3.8 校核轴径截面截面结论：按当量弯矩法校核，轴的强度足够。b) 轴的刚度计算所以轴的刚度足够附：轴二与轴三的校核与轴一相同。取轴二的直径为35，轴三的直径为30. 经检验，合格。3.5 键的校核平键的强度校核. a) 键的选择 键的类型应根据键联接的结构使用要求和工作状况来选择。选择时应考虑传递转拒的大小，联接的对中性要求，是否要求轴向固定，联接于轴上的零件是否需要沿轴滑动及滑动距离长短，以及键在轴上的位置等。键的主要尺寸为其横截面尺寸(键宽b 键高h)与长度L。键的横截面尺寸bh 依轴的直径d由标准中选取。键的长度L一般可按轮毂的长度选定，即键长略短于轮毂长度，并应符合标准规定的长度系列。故根据以上所提出的以及该机工作时的要求，故选用A型普通平键。由机械设计手册查得：键宽 b=16mm 键高 h=10mm 键长 L=30mmb) 验算挤压强度.平键联接的失效形式有：对普通平键联接而言，其失效形式为键，轴，轮毂三者中较弱的工作表面被压溃。工程设计中，假定压力沿键长和键高均匀分布，可按平均挤压应力进行挤压强度或耐磨性的条件计算，即：静联接 式中 传递的转矩 轴的直径 键与轮毂的接触高度(mm)，一般取 键的接触长度(mm).圆头平键 许用挤压应力) 键的工作长度 挤压面高度 转矩 许用挤压应力，查机械设计手册表， 则 挤压应力 所以 此键是安全的。附：键的材料：因为压溃和磨损是键联接的主要失效形式，所以键的材料要求有足够的硬度。国家标准规定，键用抗拉强度不低于的钢制造，如 45钢 Q275 等。3.6 轴承的校核 滚动轴承是又专业工厂生产的标准件。滚动轴承的类型、尺寸和公差等级均已制订有国家标准，在机械设计中只需根据工作条件选择合适的轴承类型、尺寸和公差等级等，并进行轴承的组合结构设计。3.6.1 初选轴承型号 试选10000K轴承，查机械设计手册GB281-1994，查得10000K轴承的性能参数为： C=14617N Co=162850N (脂润滑)3.6.2寿命计算 a) 计算轴承内部轴向力. 查表得10000K轴承的内部轴向力 则： b) 计算外加轴向载荷 c) 计算轴承的轴向载荷 因为 故 轴承1 轴承2 d) 当量动载荷计算 由式 查表得： 的界限值 查表知 故 故 则： 式中. (轻度冲击的运转)由于 ，且轴承1、2采用型号、尺寸相同的轴承，故只对轴承2进行寿命计算。e) 计算轴承寿命 f) 极限转速计算 由式 查得：载荷系数 载荷分布系数 故 计算结果表明，选用的10000K型圆柱孔调心轴承能满足要求。3.7 传动系统电机的选用计算折算到电机主轴上的转矩由3.2.2知单个钻头扭矩：故，所需电机功率 式中轴6的转速， 注：（为齿轮1的转速）轴6的转矩，所需电机功率，综上，由表12-13得，选用型电机，电机额定功率2.2kW,同步转速1500r/min,满载转速1430r/min,电机质量34kg。4 钻头轴向进给系统的设计4.1 钻头轴向进给丝杠螺母副的计算和选型4.1.1工作台基本参数经估算双头钻头、减速箱、电机三项总重量约为：80kg 故由3.2.1知当钻头钻削时，受到轴向切削力为4.1.2计算进给牵引力作用在工作台滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括工作台自身重量和工件重量作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。选定进给为矩形导轨故， （6.1）考虑颠覆力矩影响的实验系数，故得，4.1.3计算最大动载荷C （6.2）式中：滚珠丝杠导程，初选最大切削力下进给速度，等于钻床钻削时钻头进给速度。取最高进给速度的1/3。，故，式中：使用寿命，按15000（h）；寿命、以转为1单位。运转系数，取4.1.4滚珠丝杠螺母副的选型查阅附录A表21，可采用外循环调整预紧的不带衬套的双螺母滚珠丝杠，1列2.5圈，其额定动负载为13100（N），精度等级按表3-151选为3级4.1.5 传动效率计算 （6.3）螺旋升角， 摩擦角取；滚动摩擦系数4.1.6刚度检验先画出此进给滚珠丝杠支撑方式草图如图6.1所示。最大牵引力为3538（N），支撑间距L=400（mm），需预紧丝杠，螺母及轴承进行预紧。图6.1 钻头轴向进给系统（1） 丝杠的拉伸或压缩变形量查图3-61，根据，查出可算出： （6.4）两端均采用推力球轴承52205，且丝杠进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高四倍，其实际变形量为：（2） 滚珠与螺纹轨道间接触变形查图3-71，W系列1列2.5圈滚珠和螺纹轨道接触变形量：因为进行了预紧，故（3）支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形推力球轴承52205，滚动体直径，滚动体数量 （6.5）注意，此公式中单位应为因施加预紧力，故根据以上计算：定位精度4.1.7稳定性校核滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。4.2步进电机的计算和选型4.2.1初选电机型号计算步进电机空载启动频率和切削时的工作频率 （6.7）由于计算齿轮传动比时选步距角。故，初选电机型号110BF004，其最高空载启动频率为500(Hz)。4.2.2电机校核计算1.等效转动惯量计算计算简图见图3-1。传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量可由下式计算： （6.8）式中：步进电机转子转动惯量 、齿轮、的转动惯量滚珠丝杠转动惯量参考同类型机床，初选反应步进电机110BF003，其转子转动惯量查表3-201圆柱体（材料为钢）转动惯量：() 式中滚珠丝杆公称直径滚珠丝杠支撑间距代入上式：2.电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需的转矩不同，下面分别按各阶段计算：（1）快速空载启动力矩，（2）快速移动时所需力矩，（3）最大切削负载时所需力矩。（1）快速空载启动力矩 （6.9） （6.10）将前面数据代入，式中各符号意义同前。设定启动加速时间附加摩擦力矩 空载启动时，丝杠不受轴向切削力，但会受双头钻头、变速箱及主驱动电机的重力之和G。又因为丝杠未进行预紧，故丝杠此时的预加载荷即为KG。 （6.11）式中考虑颠覆力矩影响的实验系数，丝杠受双头钻头、变速箱及主驱动电机的重力之和。传动链总效率，一般取，此处取0.8滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取以上两项合计：（3） 快速移动时所需力矩（4） 最大切削负载时所需力矩 （6.12）式中： 进给方向最大切削力（5） 从上面计算可以看出，、三种工况下，以最大切削负载时所需力矩最大，以此项作为校核电机的依据。从表3-221查出，当步进电机为五相十拍时最大静力矩 查表3-231，110BF004型步进电机最大静转矩为7.84。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电动机的启动矩频特性。3.查表3-231得，110BF004型步进电机允许的最高空载启动频率为500()再从图3-17(o) 1、图3-18(e) 1查出110BF004步进电机启动矩频特性和运行矩频特性曲线。从图3-17(n) 1看出，当步进电机启动时，时，。能够满足所需空载启动力矩（）直接使用不会出现失步现象可直接使用。由6.2知于传动比过小可将减速箱去除，且不影响电机的选择。6.4轨道的选择根据额定载荷查附录C1选定导轨为JSA-LG155 X轴、Y轴的设计工作台纵横向进给结构完全相同5.1工作台滚珠丝杠螺母副的计算和选型5.1.1工作台基本参数工作台材料：碳钢;查表1-53得碳钢密度 工作台大小（mm）：工作台重量：初选工件重：5.1.2计算进给牵引力作用在工作台滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括工作台自身重量和工件重量作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。选定进给为矩形导轨。故， （6.1）矩形滑动导轨摩擦系数：故得，丝杠长400mm。图7.1 工作台进给系统计算简图计算过程参照主进给系统的计算过程由计算可得丝杠型号为外循环调整预紧的不带衬套的双螺母滚珠丝杠；电机为90BF002型步进电机。5.2轨道的选择根据额定载荷查附录C1选定导轨为JSA-LG156 PLC控制程序的编写6.1 可编程控制器的选取PLC是一种专用微机，其硬件结构与普通微机相同，但它主要是用于完成较复杂的继电器接触器控制系统的功能。在电气控制系统中，要想成功的设计出完善，可靠的电气控制系统首先要正确选择所使用可编程控制器。在实际应用中，根据设计要求、输入输出点数以及所需继电器数来选择型号。因此，本设计经分析并考虑随着技术发展需具备一定的兼容，选用FX48MR机型。通过采用可编程控制器对原有组合机床的液压动力X轴Y轴进行改进，克服了原有组合机床在继电器控制系统方面的弊病，提高了机床的可靠性和控制精度，给系统维护和灵活改变控制程序带来很大方便，提高了生产效率。下面我们详细介绍一下三菱FX系列基本构成及其内部部件一些简单的功能： PLC内部具有很多不同功能的器件，实际上这些器件是有电子电路或者存储器组成的。例如输入继电器是由输入电路和映象输入接点的存储器组成，定时器T、计数器C、辅助继电器M、状态器S，数据寄存器D和变址寄存器V/Z等都是由存储器组成。三菱FX2系列的编程器件主要有输入继电器（X0-X177） 必须有外部信号驱动输出继电器（Y0-Y177）辅助继电器M 其常开触点可以无限次的使用，但不能驱动外部负载电路状态器S 是构成状态转移图的重要软器件，它与步进顺控指令配合使用定时器（T0-T255） 其相当于一个时间继电器。它有一个设定值寄存器，一个当前值寄存器。计数器（C0-C255） 又可分外内部计数器和高速计数器。指针（P/I） 分支指令用指针P0-P63,共64点用来指定条件跳转，子程序调用等分支指令的跳转目标。常数（K/H）数据寄存器：在进行输入输出处理、模拟量控制、位置控制时，需要许多数据寄存器存储数据和参数。有可以分为以下几类：.通用数据寄存器，当PLC由运行到停止时，该类数据寄存器的数据均为零。但当特殊辅助继电器M8031为“1”时PLC由运行转向停止时，数据可以保持。.断电保持数据寄存器.特殊数据寄存器.文件数据寄存器：主要用于储存大量的数据，例如采集数据、统计计算数据、多组控制数据等。变址寄存器（V/Z）X2由基本单元、扩展单元、扩展模块和特殊适配器等类型组成。仅使用基本单元或与上述部件组合使用均可。最大I/O点可达到256点。基本单元（M）即主机型。其内包括有中央处理器（CPU）、内存储器ROM和RAM、编程器接口、开关量输入输出接口、总线驱动扩展接口等。基本单元是用户的最小系统。扩展单元（E）只有输入输出接口，不含CPU，因此只能与基本单元配合使用，以增加主机的I/O点数。基本单元和扩展单元的输入、输出点数都是1：1，如本系统用到的FX2-48MR，其I/O总点数为48点，基本输入输出各占24点。扩展模块，它类似扩展单元也只有输入输出接口。所不同之处，它是以8点为单元扩充I/O点数的部件。有全输入、全输出或混合I/O模块。主要用于改变系统I/O点数的配比。如FX2-48MR接上FX2-8EXR扩展模块，即扩展8点输入，此时系统I/O点数比为4：3。而其它系列的PLC如F1系列其I/O点数的配比固定为3：2。特殊适配器包括光缆适配器、连接适配器、电位适配器、RS422/RS232C转换器等类型。FX2型号基本格式如下：FX2输入、输出编址都是以8进制安排其号码。除此之外的辅助继电器等均以10进制编号。例如FX248MR，其I/O点数为48点，其中输入24点，号码为X0X7、X10X17、X20X27，X为输入标志符，号码从0开始编址。同理输出也为24点，号码为Y0Y7 、Y0Y7、 Y0Y7。Y为输出标志，而且是继电器型输出。如果基本单元有带扩展模块，则它的输入、输出号码是接着基本单元的号码连续编号。可选的基本单元有FX2-16M、24M、32M、48M、80M；扩展单元有FX-32E、48E；扩展模块有FX-8E、8EX、16EX、8EY、16EY、24EI；特殊功能适配器有FX2-40AP（光纤通讯）、FX2-40AW（双绞线通讯）、FX-8AV（电位器设定）、FX-232AW。除此之外还有特殊模块：如网络接口单元F-16NP/NT，模拟量输入、输出模块F2-6A，可编程凸轮控制器F2-32RM，定位控制单元F2-30GM。以FX2-16M为例介绍其有关参数。输入点8 X0X7点代码；输出点8点代码Y0Y7；辅助继电器M0M499；状态器S0S499；定时器200个，代码T0T199，定时范围0.13276.7s；计数器200个，代号C0C199加计数器，计数范围132767；数据寄存器D0D199；嵌套指针8层，代号N0N7。内存容量为2K，速度为0.7410-6s/步。6.2 PC的I/O地址分配控制系统选用FXZN一80M 可编程控制器，输入点输出点地址分配如下表所示输入点地址分配名 称逻辑变量PC地址号名 称逻辑变量PC地址号手动转换开关Zk1x000号X轴Y轴工进、主轴转动按钮4QA2x017回原点转换开关Zk2x023号X轴Y轴快退按钮4QA3x020单循环转换开关Zk3x001I号X轴Y轴快进限位行程开1xkx025回原点启动按钮QA1x024I号X轴Y轴工进限位行程开关2xkx025自动启动按钮QA2X002I号X轴Y轴快退原位行程开关3xkx027停止按钮TAX003号X轴Y轴快进限位行程开关4xkx030工件夹紧按钮GAX021号X轴Y轴工进限位行程开关5xkx031工件松开按钮SAX022号滑古快退原位行程开关6xkx032夹紧压力继电器YJX004III号X轴Y轴快进限位行程开关7xkx033I号X轴Y轴快进按钮1QA1X005III号X轴Y轴工进限位行程开关8xkx034I号X轴Y轴工进、主轴转动按钮1QA2X006III 号X轴Y轴快退原位行程开关9xkx035I号X轴Y轴快退按钮2QA1X007号X轴Y轴快进限位行程开关10xkx036号X轴Y轴快进按钮2QA2X010号X轴Y轴工进限位行程开关11xkx037I号X轴Y轴工进、主轴转动按钮2QA3X011号滑古快退原位行程开关12xkx040号X轴Y轴快退按钮3QA1X012冷却泵启动按钮QA3X041I号X轴Y轴快进按钮3QA2X013冷却泵停止按钮TA3X042I号X轴Y轴工进、主轴转动按钮3QA3X014油泵启动按钮QA4X043I号X轴Y轴快退按钮4QA1X015油泵停止按钮TA4X044IV号X轴Y轴快进按钮X016输出点地址分配名 称逻辑变量PC地址号名 称逻辑变量PC地址号工件夹紧电磁铁1DTY001号快速电机反转接触器2C4Y015工件松开电磁铁2DTY002号X轴Y轴主轴电机接触器2C5Y016油泵电机接触器5CY003III号X轴Y轴快速电机正转接触器3C1Y017玲却泵电机接触器6CY004III号X轴Y轴快速电机制动接触器3C2Y020I号X轴Y轴快速电机正转接触器1C1Y005III号精台工进电机接触器3C3Y021I号X轴Y轴快速电机制动接触器1C2Y006III号精台快速电机反转接触器3C4Y022I号X轴Y轴工进电机接触器1C3Y007III号主轴电机接触器3C5Y023I号X轴Y轴快速电机反转接触器1C4Y010号X轴Y轴快速电机正转接触器4C1Y024I号X轴Y轴主轴电机接触器1C5Y011号精台快速电机制动接触器4C2Y025I号X轴Y轴快速电机正转接触器2C1Y012号精台工进电机接触器4C3Y026I号X轴Y轴快速电机制动接触器2C2Y013号精台快速电机反转接触器4C4Y027I号X轴Y轴工进电机接触器2C3Y014号X轴Y轴主轴电机接触器4C5Y0306.3 PLC状态图及梯形图（程序）的设计PLC控制系统设计的关键是梯形图的设计。为了使设计的梯形图既能满足组合机床的加工工艺要求，并有严密的互锁，又达到电路结构最简单。梯形图的设计分成两个电路，一个是由输入开关信号控制辅助继电器的步进电路；另一个是由辅助继电器控制输出继电器的输出电路。状态图设计如下图示1)操作方式输人点设定2)初始化电路3)手动方式状态4 )回原点状态，如下图示：5) 自动运行状态转移图结 论本文在研究了众多国内外先进机床技术、查阅了众多研究资料的基础上，完成了三轴钻床的结构设计，并绘制了装配图与非标准零件的零件图，较好的完成了本课题的任务与目的。本方案借鉴了很多国内外先进的钻床方面的书籍、文章，从几个方面全面的介绍了本课题的三轴钻床：(1)进行了结构上的设计研究，设计提出多种反感，通过对比多种方案，最终确定最优方案。(2)进行了非标准零件，如齿轮、轴、皮带轮等的尺寸计算与校核，并用绘图软件绘制了零件图。(3) 进行了标准零件，如丝杠、轴承、电机等的计算及型号选用与校核。(4)从各个零件的选型，整体选材等方面详细的介绍了这方面的研究方向与先进技术。由于设计时间较短而且内容很多，所以还有很多的缺陷与不足之处，还有一些设计方面的不合理，不过总体来说，本文介绍的三轴钻床想法是有新意
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