基于PLC控制的小型钻床机械设计

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。-I--I-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， ， ， 。 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-II--II-ABSTRACTThedesignofthesmalldrillingmachinedesign.Thedrillingprocessisafundamentalpartoftheprocessinghole,aslongasthemachiningprecisiondrillingtechnologyimproves,theprocessbehindthemoreconcise,improveprocessingsavetime,improveeconomicThispapercarriesonthedesigntothesmalldrillingmachine,mainlycompletesthedesignofmechanicalstructure.Thewholestructureismainlycomposedofthemotorpowerwillneedtotransferthepowertothewheelsthroughabeltandthentransferredtothebeltwheel,pinionandthentransitiontothevolumeoftheduplexgearthrough,doublegearshaftisprovidedwithadrillbitAtthesametime,thispaperelaboratesontheschemeofsmallmachinekeycomponentsdesignprocess,themaincontentincludestheoveralldesign,thechoiceofdesign,transmissionpartsofthedesign,designofshaftandbearingselectionandchecking.Thecontentofthispaper:theoverallstructuredesignofsmalldrill.ofsmalldrillingperformance.thechoiceofmotor.transmissionpartsofsmalldrill.thedesignofpartsofthedesigncalculationandcheck.theassemblydrawingandpartsdrawingassemblydrawingsandpartsdrawingsdesign.Keywords:ballscrew;motor;gearbox;drillingtechnology-I--I-摘 要 IABSTRACT II绪论 11钻床的发展及趋势 1本课题解决的问题和设计时主要的工作 1三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5小型钻床主轴箱设计 7基本传动数据计算 7带传动设计 89第一级齿轮传动设计 9第二级齿轮传动设计： 11轴的校核 13键的校核 19轴承的校核 20传动系统电机的选用 22钻头轴向进给系统的设计 24钻头轴向进给丝杠螺母副的计算和选型 24工作台基本参数 24

F(N)m

计算最大动载荷 C 滚珠丝杠螺母副的选型 传动效率计算 25刚度检验 26稳定性校核 28步进电机的计算和选型 28初选电机型号 28电机校核计算 28X轴、 Y轴的设计 32-II--II-工作台滚珠丝杠螺母副的计算和选型 32工作台基本参数 32

F(N)m

轨道的选择 33控制程序的编写 可编程控制器的选取 的 地址分配 36状态图及梯形图（程序）的设计 结 论 参 考 文 献 致谢 -PAGE41-1 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、 ， ， 、 。 ， 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。 。 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。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， 提高了工作效和加工精度。本课题的主要工作包括以下几个方面：.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。.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。设计三轴钻床的整体结构。.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.1课题的技术要求定位精度： ±0.5mm；运动速度： >2m/min；功率： 加工孔径范围 :1.5-10mm；转速范围： 50-1500rpm；： ,,m；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：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。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 ,轴的运转由主电机经过交换齿轮来驱动。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。钻头轴向进给系统的设计：采用滚珠丝杠轴向进给。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 例连续运动 机往复运动 往复摆动 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。必须考虑到工作机对原动机所提出的起动、必须考虑到其经济效益及其成本，这也是非常重要的一项。必须考虑到现场能源的供应情况及工作环境因素；必须考虑原动机的机械特性与工作机的匹配情况；必须考虑到维修是否方便，操作是否简单，工作是否可靠；过载、 运转平稳性等方面的要求；2.5 小型钻床的动力性能比较表2-2原动机性能比较功率及取范围电动机较大功率大；气缸马达较小功率比电动液压马达较小功率最大；受柴油机较大功 率 大 ；，范围广

机大； 一般在2.2KW以下，尤其适用

实际油压和马达尺寸的限制

538000KW0.75KW以下的高速传动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许应值于排气时空膨胀， 噪声大， 排气处应安装消声器气对油箱进风冷或水冷行调整方法和性直流电动机用气阀控制，通过阀或泵较难能用改变电电阻、电压或改变磁通方法；交流电动机用变频、变极或变差率的方法枢的转简单，迅速，但不够精确控制改变量，调速范围大流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， 需要力电源小功率高场合速较广很广，辆，机械、如各种车船舶、 农工程机械和压缩机等等和压缩机等等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：M 0.34D2k

08kp式中，

Mk——切削力矩（ NM）D——钻头直径（ mm）f——每转进给量（ kp——修正系数轴向切削力的计算公式如下：

k ( bp

)0.75F f

Kp式中，

Ff——轴向切削力（ N）D——钻头直径（ mm）f——每转进给量 (mm)kp——修正系数已知被加工材料为 Q235 结构钢，结构钢和铸钢取f=0.2mm，所以可分别计算出切削转矩和轴向切削为：Mk=13.5N·M

=736MPa，D=10mm，bFf=2595Nb由金属切削原理可知，主轴切削功率的计算公式为：P (

F f

n)103nm 100060 60式中：

Ff——轴向切削力（ N）f——每转进给量 (mm)n——主轴固定转速（ Mk——切削力矩（ NM）将以上数值代入公式中可计算出功率

P=0.35KWm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m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2.2N·m，质量17Kg。3 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传动系统要求设计：、， 于 ,在 3～55）、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。、。 。计算机构各轴的运动及动力参数各轴的转速ⅠⅡⅢⅠ 轴 n1Ⅱ 轴 n2

mnnn0n 1ni1n

96024806.475

480r/min75r/minⅢ 轴 n 3 i2

15r/min5各轴的输入功率Ⅰ 轴 p1

pη01

2.29406kwⅡ 轴 p2

p1

.068.97.98.96kwⅢ 轴 p3

pη2

966979886kw 电动机输出转矩Td

2.2

1.9NmⅠ 轴 T1

T i d 0

28929441NmⅡ 轴 T2Ⅲ 轴 T3

Tiη1 1 Ti 2 2

41.156.40.970.98250.35Nm250.3550.970.98m： V为 为 为 。知 取 KA=1.5，取 A型 V为 d1m带速的确定：πd nv1

3.14100960

5.0m/s601000 601000中心矩、带长及包角的确定由式 0.7(1d201d2) 0.7(100+200)<a0<2(100+200)得 210〈a0〈600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：πL 2a （πd 0 2

d d）1 2

(d d)21 24a0

2400π2

(100200)

(200100)24400

1277.25mm查《机械设计手册》选取带的长度为 1250mm计算实际中心矩：aa0

Ld2

400

12501277.252

386mm

取386mm验算小带轮包角：d dα1802 157.3a

165.2确定带的根数pZp 1

pck k1 a

查《机械设计手册》知p1=0.97Δka=0.965kl=0.93则 Z

2.40

取Z=30.970.110.9650.93张紧力p 2.5F 500 c(0

qv23.3

查《机械设计手册》 q=0.10kg/m2.5F0作用在轴上的载荷

50

5.02α

( )0.15.020.96516.2

13.NF 2ZFq

sin2

2413.1sin2

1059N带轮结构与尺寸见零件图图3.1 带轮的结构与尺寸图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

m3第一级齿轮传动设计选材料、确定初步参数选材料 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 260HBS初选齿数 小齿轮的齿数为 Z1=20，则大齿轮的齿数为 Z2=20×2.1=4242

i 选择尺宽系数 ψd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 ψd=0.6小齿轮直径 d1=60mm为 ψd×1×齿轮圆周速度为：πdnv 1 1

π60480

1.5m/

参照《机械设计手册》选精度等级为9

601000

601000计算小齿轮转矩 T1p

2.068T 9.551061 n1

9.55106

480

4.1104Nmmε 确定重合度系数 Z、Yε ε1.883.21 1 1.69520 128则由手册中相应公式可知：4ε4ε3εY 0.25ε

441.6953ε

0.877数 KH、KF数

为

=1.85确定动载系数

A：查阅《机械设计手册》选取动载系数

A=1.10v v确定齿间载荷分布系数 a、a：tKAF t

2*K *TA 1

21.854.1104

70.23N/mm100N/mmb b*d1

6036则K Ha

1 1Z2 0.8772ε

K 1Fa Y1ε

10.692

1.45K 载荷系数 、 K H FK K

K K 1.851.101.151.33.09H A VK K KFaF HKHa

β Hα3.091.451.3

3.42齿面疲劳强度计算确定许用应力 [σH]① 总工作时间 th为 0作 0天，每天工作 8个小时，则

t 5300812000hh② 应力循环次数 N1、N21h31h

6.6tN N

60rnt i 1 1 t i1 1 h601480120001108

16.60.20.76.60.50.46.60.3N N2 v2

N1u

11086.4

1.56107③ 寿命系数 Zn1、Zn2，查阅相关 《机械设计手册》 选取 Zn1=1.0、Zn2=1.15④ 接触疲劳极限取： σhlim1=720MPa、σhlim2=580MPa⑤ 安全系数取： Sh=1.0⑥ 许用应力 [σh1]、[σh2]σ σHlimZn2Sh

76019720 Pa1σ σHlimZnh2 Sh

5701.34667MPa1弹性系数 ZE查阅《机械设计手册》可选

Z 190E

MPa节点区域系数 ZH查阅《机械设计手册》可选取 ZH=2.5求所需小齿轮直径 d132k32kTuh1ψdu1ZZZu e hε2σh132323.094.110416.41902.50.87772055.34mm分度圆直径 d1,d2d mz1 1

32060mm

d mz2

342126mm确定尺宽：取大齿轮尺宽为 b1=20mm小齿轮尺宽取 b2=20mm第二级齿轮传动设计：选材料、确定初步参数选材料 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 260HBS初选齿数 取小齿轮的齿数为 18，则大齿轮的齿数为 18×2.22=40

i18数 ψd取 ψd=2/3径 d1m为 ψd×1×齿轮圆周速度为：dn 1 1601000

84750.055m/s601000

参照手册选精度等级为 9级。计算小齿轮转矩 p

1.966T9.551061 n1

9.5510675

2.5105Nmmε 6) 确定重合度系数 Z、Yε ε1.883.21 1 1.7428 140则由手册中相应公式可知：4ε4ε3εY 0.25ε

441.743ε

0.868数 KH、KF数

为

=1.85确定动载系数

A：查阅《机械设计手册》选取动载系数

A=1.0v v确定齿间载荷分布系数 a、a：K FA t

2K TA 1

21.852.5105

196.6N/mm100N/mmb bd1

8456则K Ha

1 1Z2 0.8642ε

1.33

K 1Fa Yε

10.681

1.47K 载荷系数 、 K H FK K KH A V

K K

1.851.01.151.332.83KK K F HKHa

2.83

1.471.33

3.13齿面疲劳强度计算确定许用应力 [σH]间 th为 0作 0作8个小时，则：

t 5300812000hh②应力循环次数 N1、N21h31h

6.6tN N

60rnt i 1 v1 t 1i1 h160175120001.35107

16.60.20.76.60.50.46.60.3N N

1.35107

2.71062 v2 u 5③寿命系数 Zn1、Zn2，查阅《机械设计手册》选取 Zn1=1.33、Zn2=1.48④接触疲劳极限取： σhlim1=760MPa、σhlim2=760MPa⑤安全系数取： Sh=1力 [σh1]、[σh2]σ σHlimZn2Shσ σHlimZn2

7601.331010.8MPa17601.481124.8MPah2 S 1h弹性系数 ZE查阅《机械设计手册》可选

Z 190E

MPa节点区域系数 ZH查阅《机械设计手册》可选取 ZH=2.5求所需小齿轮直径 d12k2kT u1ZZZ3ψh1du e hε2σh32322.51052.832/351902.50.86821124.870.0mm与初估大小基本相符。5）分度圆直径 d1,d2d mz1 1

340120mm

d mz2

31854mm6)确定尺宽：取大齿轮尺宽为 b1=39×2/3=26mm小齿轮尺宽取 b2=26mm轴的校核轴直径的设计式106P3106P3T3Pn

27.89mm33轴的刚度计算按当量弯矩法校核设计轴系结构，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求作用在轴上的力如表 3.2c垂直面（Fv）水平面（Fh垂直面（Fv）水平面（Fh）轴承1F2=12NF4=891N齿轮2F =1367NBvF 498NAH34F 0vF BH3） 表 图 图 3.2e表3.2作用在轴上的弯矩垂直面（垂直面（Mv）水平面（Mh）Ⅰ截面M -Ft1091308N.mmv1M F109-97119N.mmH1 c合成弯矩M 8292mⅠM 49820412313105348N.mⅡMHⅡ891313-136720415N.mm合成弯矩M 8252mⅡ图 3.2f图 图 3.2a表 3.3。表3.3截面的弯矩Ⅱ截面M ⅠM ⅡM2T2105431N.mmⅠM2ⅡT2106160N.mm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b =102.5MP，

=60MPa。

60 0.590b 校核轴径如表 3.4

0表3.4验算轴径

102.5Ⅰ截面Ⅰ截面d 3MⅠⅠe26mm66mmⅡ截面d 3MⅡⅡ1b26mm48mm结论：按当量弯矩法校核，轴的强度足够。b) 轴的刚度计算0

53nGi1

TLi iIpi

532716578.1104i1

TLi i Ipi

7

TLi iIpi4I 1324I 232

2512005208884I 3p3 324I 4p4 324I 5p5 324I 6p6 324I 7p7 324I 8p8 32

834362127170018618968343622512001648120 19.2 30

27

53

40

157

27

59

95 2512000.120.5所以轴的刚度足够

520888

834362

1271700

1861896

834362

251200

164812求作用在轴上的力如表 3.5，并作图如图 3-3c垂直面（Fv）水平面（Fh垂直面（Fv）水平面（Fh）1F3=1627NF1=8362NF =2381NBvF 867NAH2轴F 0vF BH表 图 图 3.3e垂直面（M）垂直面（M）水平面（Mh）Ⅰ截面M -Fp193.5-314824.5N.mmv1M F193.51618047N.mH1 c合成弯矩M 5272mmmⅠM 189272N.mmⅡMHⅡ3154675.5N.mm合成弯矩M 2252mmmⅡ图 3.2f作出当量弯矩图如图 如表 3.7表3.7危险截面的弯矩Ⅰ截面Ⅰ截面M M2T21640000N.mⅠ ⅠⅡ截面M ⅡM2ⅡT23160000N.m确定许用应力已知轴材料为 45钢调质，查表得 =102.5MP， 0b

=650MPa。用插入法查表得b 601050

0.59校核轴径如表 3.8表3.8校核轴径Ⅰ截面Ⅰ截面d 3MⅠⅠe64.89mm84mmⅡ截面d 3MⅡⅡ1b80.58mm90mm结论：按当量弯矩法校核，轴的强度足够。b) 轴的刚度计算0 53nTL

53271657TL

7TLGi1

i iIpi

8.1104

i1

i iIpi

i iIi1 00.0000.5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。键的校核平键的强度校核 .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 高 h)度 。键的横截面尺寸 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=30mm验算挤压强度 .， ， 或耐磨性的条件计算，即：静联接

]p kld p式中T矩 (Nmm)d————轴的直径 (mm)h2k————键与轮毂的接触高度 (mm，一般取 kh2l————键的接触长度 (mm).圆头平键 lLb[]p

————许用挤压应力

(MPa))键的工作长度

lLb(2514)mm11mm挤压面高度

k 102

5mmh2转矩 h2

9.55106

9.551061.87

1.19106Nmpn15许用挤压应力，查《机械设计手册》表则 挤压应力pn15

[]p

60MPa p kl

21.19106a96511 MPa

43.62MPa60MPa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 ， 如 钢 Q275等。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、 尺寸和公差级等，并进行轴承的组合结构设计。初选轴承型号试选 10000K轴承，查《机械设计手册》 GB281-1994，查得 10000K轴承的性参数为：C=14617N Co=162850N寿命计算计算轴承内部轴向力 .

n 1900min

(脂润滑 )查表得 10000K轴承的内部轴向

F Fs R

/(2Y)Y0.670.67cos1538'32''98629359986293592R111504182F 122470R2则：F F11S R11F FS R2 1

(2Y)N(2Y)计算外加轴向载荷F 0X计算轴承的轴向载荷因为 F F2S S21故轴承 1

F FAS1 AS

90208N

轴承

F FA S1 2

90208N由式 F P

f (XFp )a查表得：

FF 的界限A R

e

0.42F 90208A1

0.90F 105023R2F 90208A2

0.77F 122470R2查表知

F /FA R1 1

0.90e故 X 1

Y 0.41

0.39FA1FRFA1FR1故 X 2则：

Y 0.392F fP1

(XFp 1 R1

YF )A11.2(0.41050230.3990500NF fP1

(XFp 2 R2

YF )A22(41224739902)8101003式中 .

f p

(轻度冲击的运转 )由于寿命计算。

F FP P1

，且轴承 1、2采用型号、尺寸相同的轴承，故只对轴承 2进行F FP P2计算轴承寿命

101003NLh10

106(C)60n FP 1066025

14617010)101003

5119h

4500h由式

mas

ffnlim1 2 C 14617 F 101003P/FA R1 2

0.7737.6查得：载荷系数

f 0.651载荷分布系数故 nmas

f 0.8120.650.811900rmin1000rmin计算结果表明，选用的 10000K型圆柱孔调心轴承能满足要求。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：M4（9)80N)N， TM

Nm）1 8zT 9Tz

11

9.92(Nm)z(6,9)

z 18

z(7,11)5T2zT 121 22.04(N53 z z(6,9)6

zT 3T11 16.40(Nz4 z 34

zT 1T116.401 12.096(Nm)z5 z 42

TT11 6 5

0.9所需电机功率

TnP 66

1344014402.03(kW)9550000 9550000式中n—轴6的转速，

n=n

n 轮 16T—轴6， N6

6

(1)P—所需电机功率， ， 表 12-1[3]得，选用 Y100L1-4型电机， 电机额定功率 速 满载转速 电机质量 34kg。4 向进给系统的设计钻头轴向进给丝杠螺母副的计算和选型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G74N）由3.2.1知当钻头钻削时，受到轴向切削力为 F（N）F2FG（）x

F(N)m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，

KF

（6.1）K—

m xK1.1故得，

F 1.1m

3538(N)荷 CC3

Lf Fw

（6.2）60nTL1061000vn sL0式中：

L—0

L=6(mm)0v—最大切削力下进给速度，s度n 的1/3。max

v等于钻床钻削时钻头进给速度。取最高进给速svnf式中：

)

v /s

n /maxT—按 （h）；L—以 106转为 1单位。f —运转系数，w

f 取1.2 1.5w1000vn sL0

6

=16(r/min)60nT 601615000L 14.4106 106C3

Lf Fw

=3录 A表2[1]

W1

外循环调整预紧的不带衬套的双螺母滚珠丝杠，1列为 （表 3-15[1]选为 3级传动效率计算= tgtg()

（6.3）—螺旋升角，

W1

4o2取 10；滚动摩擦系数 3

0.004= =)

4og(4o)图 6.1为 3538（N），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 1查图 [1]，根

F （）m

D 25(mm0

/LL

105 LL1053102(mm)1 L0

（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

(mm)为：1=1

=7.5103(mm)1 4 1（2） 滚珠与螺纹轨道间接触变形 2查图 [1]，W系列 1列2.5圈滚珠和螺纹轨道接触变形量 ：Q

m)Q 12 2

18.54.25(m2（3）支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形推力球轴承

3d 5(mmQ

18 F2mm

3612

（6.5）3c

d Q

5182

0.010(mm)

F为 kgm根据以上计算：

12

10.0100.005(mm)2

<定位精度1 2 3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。步进电机的计算和选型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kv f kp

（6.7）evf ep

由于计算齿轮传动比时选步距角载启动频率为 电机校核计算

b

号 其最高空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

J cm2式计算：z2 （6.8）J J M

J1

1)[J+Jz 2 s2式中：

J —M

cm2)J、J—齿轮1 2

zz1 2

cm2)J—滚珠丝杠转动惯量s

cm2)机

J M

cm2)表 圆柱体（材料为钢）转动惯量：

JD4L103(cm2)JDLs 0

3

40gm)2式中D—0L—0代入上式：J J M

J(1

z1)2(J+J)z 2 s23.50.4(0.8)2(0.975+1.22)5.305(kgcm2)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

M ，（2）快速移动时所需力矩q

M ，（3）最大切削负载时所需力矩 M。k t

MqM=M +Mq a0

（6.9）M J

nmax

102amax

60t2a

（6.10）n J max102 60tav n bp

360将前面数据代入，式中各符号意义同前。vbn /vb p

t aMamax

2nJ 60ta

102

260 102600.04

8.33(Ncm)矩 M0， ， 、 和 G为 KG。KGL KGL zM 0i(12) 01(12)0

0 z 021.17840.620.8

0.8(10.92

（6.11）式中K—

5.22(Ncm)K1.1G—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—0以上两项合计：

0.7

0M=M +M

cm)q a03） 矩 MkM Mk

5.22(Ncm)4） 矩 MtFL

（6.12）M= x 0i 0.8307.26(Nt 式中：

F—进给方向最大切削力x（5） 力矩最大，以此项作为校核电机的依据。

M 、M q k

M三种工况下，以最大切削负载时所需t从表 3-22[1]查出，当步进电机为五相十拍时

= qMMM

0.963最大静力矩

MM q

72.074.86(

cm)

jmaxjmax

0.963查表 [1]，4为 4N)表 3-23[1]得， 型步进电机允许的最高空载启动频率为 500(Hz)再从图 3-17(o)[1]、图 3-18(e)[1]查出 图 3-17(n)[1]看出，当步进电机启动时，

f q

M50(Ncm)。矩 （）由6.4轨道的选择录 为 5X、Y的设计工作台纵横向进给结构完全相同工作台滚珠丝杠螺母副的计算和选型工作台基本参数工作台材料：碳钢 ;查表 1-5[3]得碳钢密度 （ mm）：

7.8(g/cm3)lbh工作台重量：

Gglbh31

m

G 2

F(N)m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，F fG)

（6.1）m 1 2矩形滑动导轨摩擦系数：

f0.15故得，

F m

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为 90BF002型步进电机轨道的选择

W1

外循环调整预紧的不带衬套的双螺母滚珠丝杠；根据额定载荷查附录 选定导轨为 JSA-LG156PLC6.1 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展需具备一定的兼容，选用 FX—48MR力 X轴 Y，， ，。菱 FX：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器 C器 M器 器 D器 器组成。菱 FX2系列的编程器件主要有①输入继电器（ X0-X177） 必须有外部信号驱动②输出继电器（ Y0-Y177）③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④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⑤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。⑥计数器（ C0-C255）又可分外内部计数器和高速计数器。⑦指针（ P/I）分支指令用指针 P0-P63,共 64的跳转目标。（ K/H）⑨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数。有可以分为以下几类：⑪.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。⑫.断电保持数据寄存器⑬.特殊数据寄存器⑭.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。⑩变址寄存器（ V/）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 到 （ （ CPU）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。（ 含 CPU加主机的 是 1：的 I/O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 点数的部件。有全输入、全输出或混合 模块。主要用于改变系统 如 上 FX2-8EXR扩展模块，即扩展 8点输入，此时系统 为 4：3的 PLC如F1系列其 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 FX2—48MR，其 为 入 为 X0∼X70∼7、0∼7，X从 0为 4为 Y0∼Y7、Y0∼Y7、 Y0∼Y7。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、 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） 、） 、位器设定） 、。： 元 ，、 块 可编程凸轮控制器 F2-32RM，定位控制单元 F2-30GM。以M为例介绍其有关参数。 输入点 8X∼7； 点 8码 器 M0∼M499器 S∼S499器 0码 ∼9围1∼s器 0号 C0∼C199围 1∼7器 ∼9；针 8，号 0∼。为 K，为 ×步。的 用 一， 名 称逻量辑变PC址号地名 称逻辑变量PC 地址号手开关动转 换Zk1x000Ⅳ号进、X轴 Y轴工4QA2x017主轴转动按钮回 原 点 转Zk2x023Ⅳ号退按钮I号X轴Y轴快4QA3x020换开关单循环转Zk3x001X轴Y轴快进1xkx025换开关限位行程开回 原 点 启QA1x024IXY轴工进2xkx025动按钮 限位行程开关自 动 启 按钮

QA2 X002 IXY原位行程开关

停止按钮 号 X轴 Y进限位行程开关

工 件 夹按钮紧GAX021Ⅱ号 X轴进限位行程开关Y轴工x031工 件 松开SAX022Ⅱ号滑古快退原x032按钮位行程开关夹 紧 压力YJX004III号 X轴Y轴快x033继电器进限位行程开关I号 X轴Y1QA1X005III号 X轴Y轴工x034轴 快 进按进限位行程开关钮I号 X轴Y1QA2X006III号X轴Y轴快x035轴工进、主退原位行程开关轴 转 动按钮I号 X轴Y2QA1X007Ⅳ号 X轴Y轴快10xkx036轴 快 退按进限位行程开关钮Ⅱ号 XY 轴进2QA2X010Ⅳ号 X轴进限位行程开关Y轴工11xkx037按钮I号 X轴Y2QA3X011Ⅳ号滑古快退原12xkx040轴工进、主位行程开关轴 转 动按钮Ⅱ号 XY 轴退3QA1X012冷却泵启动按钮QA3X041按钮I号轴 钮X轴进Y按3QA2X013冷却泵停止按钮TA3X042I号X轴Y3QA3X014油泵启动按钮QA4X043主轴 转动按钮I号X轴Y4QA1X015油泵停止按钮TA4X044轴 快退按钮X快轴进X按钮输出点地址分配名 称 逻 辑 量

PC 址号

称 逻辑变量 PC 址号件 夹 电磁铁件 松 电磁铁

1DT Y001 转接触器2DT Y002 Ⅱ号 X轴 Y轴主轴电机接触器

2C4 Y0152C5 Y016油 泵接触器电机5CY003III号速电器X轴机正Y轴快转接触3C1Y017玲 却机接触器泵电6CY004III号速电X轴机制Y轴快动接触3C2Y020器I号轴快X轴速Y电1C1Y005III号精台工进电机接触器3C3Y021机正转接触器I号X轴Y1C2Y006III号精台快速电3C4Y022轴机触器快制速动电接机反转接触器I号X轴Y1C3Y007III号主轴电机接3C5Y023轴工进电触器机接触器I号X轴Y1C4Y010Ⅳ号X轴Y轴快4C1Y024轴快速电速电机正转接触机反转接器触器I号X轴Y1C5Y011Ⅳ号精台快速电4C2Y025I轴机触器快正X轴速转Y电接2C1Y012Ⅳ号精机接触器台工进电4C3Y026I号X轴Y2C2Y013Ⅳ号精台快速电4C4Y027轴快速电机反转接触器机制动接触器I号X轴Y2C3Y014Ⅳ号 X轴Y轴主4C5Y030轴工进电轴电机接触器轴 主 轴 电机制动接触器机接触器轴 主 轴 电机制动接触器机接触器机接触器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。 图的设计分成个电路， 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