立式钻床多轴头架设计毕业论文

摘 要

本文是立式钻床用多轴头架设计，多轴头架各轴在圆周方向均布，固定式

多轴头是根据一个典型法兰盘类零件而设计的，用于零件中大批量生产要求。

多轴头架的设计参数来源于一般的加工工艺条件，以适应更广阔的加工范围。针对工厂里多孔钻削时，孔径一般较小，多在20mm左右，而且大部分是箱体、法兰盘等，箱体、法兰盘多为铸造件，材料是铸铁，也有个别的被加工零件的材料是低碳钢。根据这些工件的切削条件，可以确定多轴头架的工艺主参数。

可以看出，改装后的多轴钻床，可以同时完成多个孔的钻、扩、铰等工序。工艺范围可以满足一般加工情况的孔类钻削要求。可调多轴头架可以起到提高生产效率、降低成本、提高孔系加工精度等作用。参照该调节原理可进行其他任意孔系加工装置的设计，还可以用于攻丝、扩、锪孔等加工装置。此外该装置具有结构简单、操作方便、应用范围广等特点，值得推广。

关键词：立式 钻床 多轴头

I

Abstract

The design of multiple spindles heads for drilling machine whose drills spindles are

adjustable or fixed are introduced

The adjustable spindles of the multiple spindles heads are located evenly in the circuit and

can be adjusted synchronism on the diameter’s direction to meet the small scale production needs of the screw hole manufacture for flange plate parts.And the fixed multiple spindles heads is design for the big scale production needs of the screw hole manufacture for flange plate parts,it can’t be used to manufacture another farts, because it’s spindle distance is designed for the only part.

Because of the un-development in our manufacture industry ,most company’s plant lack of

the machine to drill multiple holes at the same time , and it’s a waste of funding on the manufacturing facilities which will be laid after the parts are produced . so the economic multiple spindles heads enable the normal company to drill the multiple holes in a fast way .And same company gained the economic performance by the way of reequips the machine tools. It’s the fact that the reequipped drilling machine can satisfy the process precision requirement .so the design is feasible.

Key words:drilling machine adjustable multiple spindles heads

II

目 录

摘 要.............................................................. I ABSTRACT........................................................... II 第1章 绪 论....................................................... 1 1.1 组合机床的国内外现状 ......................................... 1 1.1.1 国内组合机床现状 ......................................... 1 1.1.2 国外组合机床现状 ......................................... 3 1.2 多轴钻床设计的目的 ............................................ 4 1.3多轴钻床的应用 ............................................... 5 1.4立式钻床不同种类 .............................................. 5 第2章 概 述....................................................... 7 2.1 问题的提出 .................................................... 7 2.2同行业概况 .................................................... 7 2.3课题的意义 .................................................... 7 第3章 总体方案设计................................................. 8 3.1对工件进行工艺分析 ............................................ 8 3.1.1 检查图纸的完整性和正确性 .................................. 8 3.1.2 分析工件的结构特点 ........................................ 8 3.1.3 分析工件的材料及加工性能 .................................. 8 3.1.4 工件的生产批量 ............................................ 9 3.2 确定工件的加工方法 ............................................ 9 3.3 对被改装钻床的分析 ............................................ 9 3.4 总体布局 ..................................................... 10 图3-2多轴头架总体布局 ........................................... 10 3.5其他问题分析 ................................................. 11 第4章 齿轮固定式三轴头架的结构设计................................ 12 4.1 齿轮固定式三轴头架的传动原理及调整方法 ....................... 12 4.2方案的工艺设计参数 ........................................... 13 4.2.1 Z535钻床动力所允许的工况条件............................ 13 4.2.2 确定用于钻削计算的极限值 ................................. 16 4.3三轴头架的传动设计 ........................................... 18

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4.3.1齿轮的设计演算（参考《机械设计工程学I》） ................. 18 4.3.2 轴承的校核计算 ........................................... 22 4.3.3 键的校核计算 ............................................. 24 4.3.4螺栓的设计校核计算（参考〈〈机械设计工程学Ⅱ〉〉）........... 24 4.3.5小轴的设计与校核.......................................... 26 第5章 润滑与密封.................................................. 30 第6章 结 论...................................................... 31 致 谢............................................................. 32 参考文献........................................................... 33

IV

第1章 绪 论

众所周知，在现代机械制造业中，企业对专用机床有着广泛的需求。一般钻床劳动强度大，专用性能低，生产率不高且不能保证精度；而多轴专用钻床操纵方便、省力、容易掌握，不易发生操作错误和故障，不仅能减少工人的疲劳，保证工人和钻床的安全，还能提高钻床的生产率。

1.1 组合机床的国内外现状

世界上第一台组合机床于1908年在美国问世，30年代后组合机床在世界各国得到迅速发展。至今，它已成为现代制造工程（尤其是箱体零件加工）的关键设备之一。现代制造工程从各个角度对组合机床提出了愈来愈高的要求，而组合机床也在不断吸取新技术成果而完善和发展。

1.1.1 国内组合机床现状

我国加入WTO以后，制造业所面临的机遇与挑战并存、组合机床行业企业适时调整战略，采取了积极的应对策略，出现了产、销两旺的良好势头，截至2005年4月份，组合机床行业企业仅组合机床一项，据不完全统计产量已达1000余台，产值达3.9个亿以上，较2004年同比增长了10%以上，另外组合机床行业增加值、产品销售率、全员工资总额、出口交费值等经济指标均有不同程度的增长，新产品、新技术较去年年均有大幅度提高，可见行业企业运营状况良好。

（1）行业企业产品结构的变化

组合机床行业企业主要针对汽车、摩托车、内燃机、农机、工程机械、化工机械、军工、能源、轻工及家电行业提供专用设备，随着我国加入WTO后 与世界机床进一步接轨，组合机床行业企业产品开始向数控化、柔性化转变。从近两年是企业生产情况来看，数控机床与加工中心的市场需求量在上升，而传统的 钻、镗、铣组合机床则有下降趋势，中国机床工具工业学会的《机床工具行业企业主要经济指标报表》是统计数据显示，仅从几个全国大型重点企业生产情况看，2003年生产数控机床890台，产值16187万元，生产加工中心148台，产值5770万元；2004年生产数控机床985台，产值25838万元，生产加工中心159台，产值7099万元；而2005年，截至4月份，数控机床、加工中

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心、产值已接近2003年全年水平，故市场在向数控、高精制造技术和成套工艺装备方面发展。

（2）行业企业的快速转变

“九五”后期，在组合机床行业企业的50多家组合机床分会会员中，仅有两家企业实行了股份改造，一家企业退出国有转为民营，其余的都是国有企业。而从2001至2002年，不到两年的时间，就先后有十几家企业实行股份制改造，一些小厂几乎全部退出国有转为民营，现在一些国家重点国有企业也在酝酿股份制改造，转制已势不可档，“民营经济在经历了从被歧视，被藐视到不可小视和现在高度重视4个阶段后，焕发勃勃生机。”组合机床行业企业正在以股份制、民营化等多种形式快速发展。

（3）组合机床技术装备现状与发展趋势

组合机床及其自动线是集机电于一体是综合自动化度较高的制造技术和成套工艺装备。它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用与工程机械、交通、能源、 军工、轻工、家电行业。我国的传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型的箱体类和轴类零 件（近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额），完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和 成型面等。组合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台组合机床等；随着技术 的不断是进步，一种新型的组合机床——柔性组合机床越来越受人们是亲昧，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制 器（PLC）、数字控制（NC）等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多种加工的可调可变的组合机床。另外，近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机等在组合机床行业中所占份额也越来越大。

由 于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品，是根据用户特殊要求而设计的，它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和 试漏等技术。我国组合机床及其组合机床自动线总体技术水平比发达国家相对落后，国内所需的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。工艺装备的大量进 口势必导致投资规模的扩大，并使产品生产成本提高。因此，市场要求我们不断开发新技术、新工艺、研制新产品，由过去的“刚性”

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机床结构，向“柔性”化方向 发展，满足用户需要，真正成为刚柔兼备的自动化装备。

1.1.2 国外组合机床现状

80年 代以来，国外组合机床技术在满足精度和效率要求的基础上，正朝着综合成套和具备柔性的方向发展。组合机床的加工精度、多品种加工的柔性以及机床配置的灵活 多样方面均有新的突破性进展，实现了机床工作程序软件化、工序高度集中、高效短节拍和多功能知道监控。组合机床技术的发展趋势是：

（1）广泛应用数控技术

国外主要的组合机床生产厂家都有自己的系列化完整的数控组合机床通用部件,在组合机床上不仅一般动力部件应用数控技术,而且夹具的转位或转角、换箱装置的自动分度与定位也都应用数控技术,从而进一步提高了组合机床的工作可靠性和加工精度。广州标致汽车公司由法国雷诺公司购置的缸盖加工生产线,就是由三台自动换箱组合机床组成的,其全部动作均为数控,包括自动上下料的交换工作台、环形主轴箱库、动力部件和夹具的运动,其节拍时间为58秒。

(2)发展柔性技术

80年代以来,国外对中大批量生产,多品种加工装备采取了一系列的可调、可变、可换措施,使加工装备具有了一定的柔性。如先后发展了转塔动力头、可换主轴箱等组成的组合机床;同时根据加工中心的发展,开发了二坐标、三坐标模块化的加工单元,并以此为基础组成了柔性加工自动线(FTL)。这种结构的变化,既可以实现多品种加工要求的调整变化快速灵敏,又可以使机床配置更加灵活多样。

(3)发展综合自动化技术

汽车工业的大发展,对自动化制造技术提出了许多新的需求,大批量生产的高效率,要求制造系统不仅能完成一般的机械加工工序,而且能完成零件从毛坯进线到成品下线的全部工序,以及下线后的自动码垛、装箱等。德国大众汽车公司KASSEL变速箱厂1987年投入使用的造价9000万马克的齿轮箱和离合器壳生产线,就是这种综合自动化制造系统的典范。该系统由两条相似对称布置的自动线组成,三班制工作,每条线日产2000件,节拍时间为40秒。全线由12台双面

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组合机床、18台三坐标加工单元、空架机器人、线两端的毛坯库和三坐标测量机组成,可实现3种零件的加工。空架机器人完成工件下线的码垛装箱工作。随着综合自动化技术的发展,出现了一批专门从事装配、试验、检测、清洗等装备的专业生产厂家,进一步提高了制造系统的配套水平。

(4)进一步提高工序集中程度

国外为了减少机床数量,节省占地面积,对组合机床这种工序集中程度高的产品,继续采取各种措施,进一步提高工序集中程度。如采用十字滑台、多坐标通用部件、移动主轴箱、双头镗孔车端面头等组成机床或在夹具部位设置刀库,通过换刀加工实现工序集中,从而可最大限度地发挥设备的效能,获取更好的经济效益。

1.2 多轴钻床设计的目的

据有关资料报道，在一些工业发达的国家，设备的平均役龄控制在 10~20年之间，设备的“技术老化”期短于10年，10年役龄以内的设备数量能够达到设备总数的50%左右，由此可见，设备更新速度相当快，一是用技术 更为先进的新设备来代替技术性能“老化”了的旧设备；另一是进行有效的技术改造，使旧设备适应新的生产需要。

一般，普通单轴摇臂钻床只在主轴上装一个钻头，进行单孔钻削。如果大批量生产中也用这种方法加工，不仅生产率低，而且劳动强度大。为提高劳动生产率，在钻床主轴上装一个多轴头架，可以同时加工工件上的几个孔。 可以看出，改装后的多轴钻床，可以同时完成多个孔的钻、扩、铰等工序。工艺范围可以满足一般加工情况的孔类钻削要求。多轴头架可以起到提高生产效率、降低成本、提高孔系加工精度等作用。此外该装置具有结构简单、操作方便、应用范围广等特点，值得推广。

这种齿轮式多轴头架的润滑性能好，不易生热，适应于在较高转速下工作，但是结构复杂一些，尤其钻孔主轴比较多时，更显的比较突出。机床的总体设计，就是针 对具体的被加工零件，在选定的工艺和结构方案的基础上，进行方案和图纸的设计。这些图纸包括：被加工零件工序图，加工示意图，生产率计算卡片，机床联系尺 寸图等。

本次设计的题目为多轴钻床，多轴钻床是为加工汽车轮辐，为汽车轮辐外侧的扩孔而专门设计的专用机床，由底座、液压立式滑台、立体床身、动力头以及多轴箱、专用夹具等有关部件组成。

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专用机床区别于普通机床的基本特点就是它是专为某一固定工序服务的。因此，多轴钻床机床又属于工艺装备。由于专用机床是为某一固定的，所以专用机床的先进程度、种类、型式和规格都取决于工艺需要。只有定出先进合理的工艺，才能设计出合理的专用机床。

在生产中用机械加工方法直接改变毛坯的形状，尺寸和材料性能，使之成为零件的过程，叫做机械加工工艺过程。设计时，工艺方案的制定是否合理，对生产效率和产品质量有着极大的影响。制定工艺方案时，应首先分析生产类型。生产类型是衡量生产规模的标志。

1.3多轴钻床的应用

多轴钻床广泛应用于机械行业多孔零部件的钻孔及攻丝加工。如汽车、摩托车多孔零部件：发动机箱体、铝铸件壳体、制动鼓、刹车盘、转向器、轮毂、差速壳、轴头、半轴、车桥等，泵类、阀类、液压元件、太阳能配件等等。多轴钻床可分为可调式和固定式两种规格，可调式多轴钻床在其加工范围内，其主轴的数量、主轴间的距离，相对可以任意调整，一次进给同时加工数孔。在其配合液压机床工作时，可自动进行快进、工进（工退）、快退、停止.同单轴钻（攻丝）比较，工件加工精度高、工效快，可有效的节约投资方的人力、物力、财力。尤其机床的自动化大大减轻操作者的劳动强度。固定式多轴钻床采用单件（加工件）专机的设计方案，根据其加工件加工频率高、量大之原因，专门量身定制一件一机的设备，在其工作中勿须担心尺寸跑偏而伤脑筋。除用到常规的产品外，还可根据客户的特殊要求进行专项设计磨床的分类

1.4立式钻床不同种类

加工前，须先调整工件在工作台上的位置，使被加工孔中心线对准刀具轴线。加工时，工件固定不动，主轴在套筒中旋转并与套筒一起作轴向进给。工作台和主轴箱可沿立柱导轨调整位置，以适应不同高度的工件。

立钻有方柱立钻和圆柱立钻两种，还有排式、多轴坐标和转塔等多种变型。

①排式钻床：一般由2~6个立柱和主轴箱排列在一个公用底座上，各主轴顺次加工同一工件上的不同孔或分别进行各种孔加工工序，可节省更换刀具的时间，用于中小批量生产。

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②多轴立式钻床：机床的多个主轴可根据加工需要调整轴心位置，由主轴箱带动全部主轴转动，进行多孔同时加工，用于成批生产。

③坐标立式钻床：在方柱立钻上加可纵、横移动的十字工作台而成，可按坐标尺寸进行钻削。④转塔立式钻床：多采用程序控制或数字控制，使装有不同刀具的转塔头自动转位、主轴自动改变转速和进给量，工件自动调整位置，实现多工序加工的自动化循环。

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第2章 概 述

2.1 问题的提出

本次毕业设计任务的提出，是为适应目前我国大部分制造厂的实际生产状况。当前制造业设备更新特别快，大部分企业遇到同一端面的多孔钻削的零件时，为此购置专用设备又往往不经济的条件下，可以通过改造现有普通单轴钻床使之具有多轴钻削的能力。既解决了加工要求与现有设备的矛盾，又有效的利用了闲置机床，极大的提高了设备利用率，给企业带来了巨大的经济效益。

2.2同行业概况

在国内的相关企业中已经有一部分企业开始原有设备的改造以适应新的加工生产。其中有一些结构相对比较复杂，当然这与加工零件的相关工艺参数有关。在法兰盘周向均布孔的加工上应用已经相当广泛。比如在郑州的一个汽车制造车间上，运用了改造后的钻床进行加工，取得了良好的经济效果。由于这些厂家的生产对象的特殊性，他们加工的孔径一般较大，改造后的钻床，除了加装多轴头架外，还需设计额外的夹具以减轻头架的重量对钻床的作用力影响及保证头架进给的精度。

2.3课题的意义

为了使广大的一般小型生产厂家具有同一端面的多孔加工能力，我设计了重量较轻，钻削轴均布的三轴头架。可以实现同时三孔位的加工，那样可以节省时间、改善工人的劳动强度、提高劳动效率。齿轮固定式三轴头架，因为它是一种固定式的设备，所以适应生产过程中大批量的生产。

根据多孔的加工要求，确定机床的主要参数如下： 最大钻孔深度（单侧钻） 50mm 主轴数目 3 主轴中心线至工作台面高 750mm 主轴转速 1000r/min左右

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第3章 总体方案设计

总体方案是部件和零件的设计依据，对整个机床的设计影响较大。因此，在拟定总体方案的过程中，必须综合的考虑，使所定方案技术上先进，经济效果好。确定总体方案，包括下列内容：

3.1对工件进行工艺分析

3.1.1 检查图纸的完整性和正确性

工件的图纸应能清晰的表达工件的形状结构，标注全部尺寸及技术要求，

说明工件的材料和所需要的工件数量等。加工零件为典型的盘类零件，砂轮机端盖，如图：

图3-1 砂轮机端盖

3.1.2 分析工件的结构特点

工件的结构决定了它的安装方式和加工厂方法。要求用多轴头架加工的孔

为精度要求不甚高的φ20mm螺栓孔，在加工时，以大端面为基准装夹，根据批量的要求需另外设计专用夹具，以适应中大批量的生产要求。

3.1.3 分析工件的材料及加工性能

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工件的材料对加工方法有很大的影响。如材料的软硬对刀具进给量、走刀量都有较大的影响。砂轮机端盖的毛坯为铸件，材料是球墨铸铁，可根据相关手册计算加工时的加工参数，以此来确定多轴头架的设计参数。

3.1.4 工件的生产批量

被加工工件的生产批量的大小对改装方案的制定也有较大的影响。工件的批量大，改装后的机床的生产效率则要求高，若工件的批量小，则对机床的效率要求不高。工件批量大时要求要考虑机床的专用性，工件批量小时要求要考虑机床的通用性。砂轮机端盖的生产为中批量生产，设计周期短、经济的三轴头架十分适合它的生产批量加工条件。

3.2 确定工件的加工方法

不同的加工方法可带来不同的经济效益，故工件加工方法选择的是否合适，对钻床改装来说是非常重要的，他不仅关系到改装形式，还直接影响改装后机床加工质量的优劣、生产效率的高低等。所以确定工件加工方法时，应考虑以下主要问题：（1）加工表面要求的精度和粗糙度；（2）工件的生产批量；（3）工件的结构形状和尺寸（4）钻床改装的实际可能性。

3.3 对被改装钻床的分析

分析被改装钻床时包括的主要内容有：（1）分析机床能否适应改装要求；（2）调查和了解机床的使用情况；（3）考虑机床的动力情况；（4）分析改装后机床的强度和刚度问题。

Z535型立式钻床是一种传统的立式钻床，在机械制造和维修中的单件、小批量生产中，对中小型零件进行钻孔、扩孔、铰孔、锪孔及攻螺纹等加工工艺上得到了普遍的应用。但由于其为单孔钻床，对多孔钻削的加工比较麻烦，很费工时，给操作者增加了劳动强度。为此，为了挖掘设备潜力，将其改装成多头钻床，根据在实际加工中的要求，同一加工平面三孔或四孔加工比较常见，设计了齿轮式多轴头架，以便于更高效的使用Z535立式钻床。在完成一批生产任务后，三轴头架可以从钻床上拆下来，立式钻床恢复原貌，不会影响钻床原来的参数。有关Z535钻床的动力参数将在以下内容进行详尽的分析计算。

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3.4 总体布局

图3-2多轴头架总体布局

一般包括：分配运动、选择传动形式和支承形式的位置、拟定从布局上改善机床性能和技术经济指标的措施等。最后，绘制多轴头架与机床的总联系尺寸图，以表达所用的总体布局，规定联系尺寸，并确定主要的技术参数。查相关的机床手册，得到Z535的相关联系尺寸，列于下表（单位：mm）

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表2-1 Z535的相关联系尺寸

最大钻孔直径d 最大钻孔深度h 从主轴端面到工作台端面H 从主轴中心到导轨距离A 从工作台T型槽中心到凸肩距离B 凸肩高度h0 工作台最大升高 主轴箱最大垂直移动量 主轴最大行程 主轴外径尺寸 锥孔莫式号数 35 175 0~750 175 160 -3 325 200 225 40d4 4号

3.5其他问题分析

在制定改装方案时，除了以上各因素外，还要注意维护要方便、制造和装陪要简单、结构要紧凑、通用化程度要高、外型要平整协调等，同时也要考虑因地制宜的改装问题。考虑到在钻床上安装了三轴头架之后，再装上钻头，钻头前端到被加工工件之间必须留有一定的高度用于进刀用，在加上工件孔的深度，钻头架的垂直尺寸必须满足一定的范围。根据钻床外的联系尺寸、钻头长度和一般被加工工件的尺寸，钻头架的垂直尺寸应在400mm左右。

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第4章 齿轮固定式三轴头架的结构设计

4.1 齿轮固定式三轴头架的传动原理及调整方法

固定式三轴头架的传动原理如图1所示。主轴1由钻床主轴来带动旋转，经齿轮副2与3和3与5，使小轴4（即钻削主轴）得到动力旋转，于是带动钻头进行钻削。

图4-1三轴头架原理图

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图4-2 传动原理简图

1.主轴 2.中心轮 3.介轮 4.小轴 5.小齿轮

4.2方案的工艺设计参数

4.2.1 Z535钻床动力所允许的工况条件

多轴头架是根据加工工件的需要进行设计的，与之相配套的立钻动力是否

够用，设计前必须验证。常用的验证方法有两种：一是类比法，即加工同类零件机床动力进行比较，以此决定所选用的动力是否能满足要求，另一种是计算法，将计算所得的切削功率与配套机床的动力进行比较，以此决定配套机床的动力是否够用。

应用公式计算切削速度、切削力和切削功率，根据设计说明书的要求，最大孔径为φ20mm，此时在各种工况条件下的V、F、P。考虑到齿轮传动有功率损失，单根钻削轴能承受的最大功率（Z535的额定功率围4.5kw）

P3?P????6?4.5/3?0.986=1.33kw

(1) 用高速钻头钻孔时

查《机械加工工艺师手册》（以下简称《工艺师》）表28-14高速钢钻头钻削结构钢（?b?650Mpa），当d=10mm时，最大进给速度为f=0.25mm/r，对应的

切削速度 V=15m/min 轴向力 F=3010N 转矩 T=10.03N·m

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功率 P=0.51KW

查《工艺师》表28-15高速钢钻头钻削灰铸铁（190HBS），当d=10mm时，最大的进给速度为f=0.60mm/r，对应的

切削速度 V=12m/min 轴向力 F=3765N 转矩 T=13.93N·m

功率 P=0.52KW

由于Z535钻床没有0.6mm/r的进给速度，采用与之相近的f=0.57mm/r，再用公式重新对所选公式进行核算

相关公式查《工艺师》表28-2钻、扩、铰孔时切削速度的计算公式 ??cvd0vTmzapvfxyvKv

（注：T为刀具的寿命） 表28-4钻孔时轴向力、转矩、功率的计算公式

f?0.25?0.2

T?CTd0zfTyTKT

P?Tv30d0

式中的Kv、KF、KT为修正参数，在这里的计算采用的材料为其实验用的，故都按Kv?1、KF?1、KT?1计算。

（1） 钻削结构碳钢（?b?650Mpa）时的切削速度V、轴向力F、转矩

T、功率P

查表得 f?0.25?0.2 Cv?6.1 Zv?0.4

Xv?0 yv?0.5 m?0.2

CF?600 ZF?1.0 yF?0.7 CT?0.305 ZT?2.0 yT?0.8 有

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6.1?10250.210.40.5v??0.252?1?16.1m/min0.7

F?600?10?0.25?1?2273.6N0.8T?0.305?10?0.25P?Tv30d0?30?10?1?10.1N.m

10.1?16.1?0.54kw??P??1.33kw满足功率要求。

（2） 钻削灰铸铁（190HBS）时的切削速度V、轴向力F、转矩T、功

率P

查表得 f?0.57?0.3 Cv?9.4 Zv?0.25

Xv?0 yv?0.4 m?0.125

CF?420 ZF?1.0 yF?0.8 CT?0.206 ZT?2.0 yT?0.8 有

v?9.4?10350.20.250.5

?0.2512?1?13.4m/min0.8

F?420?10?0.57?1?2678.9N0.8T?0.206?10?0.57P?Tv30d0?30?10?1?13.1N.m

13.1?13.4?0.59kw??P??1.33kw满足功率要求。

综上所述，高速钢钻头加工碳素钢（?b?650Mpa）时，fmax?0.25mm/r高速钢钻头加工灰铸铁（190HBS）时，fmax?0.56mm/r

（3） 用硬质合金钻头（YG8）钻孔时

一般，用硬质合金钻头用于加工灰铸铁，这里按HBS=190HBS计算 据表28-11硬质合金钻头加工灰铸铁的进给量（HBS>170HBS）,这里按f=0.25mm/r计算

查表得 Cv?22.2 Zv?0.45

Xv?0 yv?0.4 m?0.2

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CF?410 ZF?1.2 yF?0.75 CT?0.117 ZT?2.2 yT?0.8 有

v?22.2?10350.20.450.3?0.251.2?1?47.4m/min0.75

F?410?10?0.252.2?1?2274.5N?1?6.1N.mT?0.117?10P?Tv30d0??0.250.8

6.1?47.430?10?0.96kw??P??1.33kw满足功率要求。

则用硬质合金钻头YG8钻削时，fmax?0.25mm/r

4.2.2 确定用于钻削计算的极限值

由于以上所计算的进给量是在机床功率允许的最大值，此时转速为最小值，而在多轴头架中从主轴到钻削主轴是升速运动，可以充分发挥Z535的各级转速对比各种工况下的钻削速度，小轴钻削速度为：

（1） 高速钢钻头钻削加工碳素结构钢（?b?650Mpa）时

v=16.1m/min

n=v/?D=16.1/?×0.010=512.7r/min (2) 高速钢钻头加工灰铸铁（190HBS）时 v=13.4m/min

n=v/?D=13.4/?×0.010=426.8r/min

(3) 用硬质合金钻头YG8加工灰铸铁（190HBS）时

v=47.4m/min

n=v/?D=47.4/?×0.010=1509.6r/min

对比可以看出在钻床所允许的功率下，工作最低转速为426.8 r/min，根据有关手册查得Z535钻床的各级转速为：68、100、140、190、275、400、530、750、1100r/min 为了减小轴头架的尺寸，防止头架过重，应尽量缩小头架的传动比，取主轴最低转速为140r/min进行升速，此时钻削轴转速为426.8r/min 则总的传动比为：i?n钻n主?426.8140?3.049

考虑钻头都有一定的转向，一般为右旋，为了使钻削主轴与机床主轴的转动方

16

向一致（都为右旋），采用两级齿轮传动。如果把传动比分配的合理，传动系统结构紧凑、重量轻、对机床的作用力就小，润滑条件也好。若分配不合理，可能会造成种种不便，因此分配传动比时要考虑以下原则：

（1） 各级传动比应在每一级传动的范围内，各类传动比允许的推荐值可

参见《实用机械设计手册》（以下简称《实用手册》）表1-3：

（2） 各级传动尺寸要协调合理。 取 i2?1.4i1

总传动比 i?i1?i2?i2?1.4i12 i1? i2?3.0491.43.0491.5?1.5

?2.0

为保证头架总体尺寸不至于过大，取小齿轮的齿数取Z3=20，根据有关资料的设计经验，取模数m=2

则个齿轮的尺寸为： 小齿轮 Z3=20

d3?Z3?m?20?2?40mm 介轮

中心轮

Z1?30?2?60d2?60?2?120mmZ2?20?1.5?30d2?30?2?60mm

齿轮齿数确定后，算得传动比误差，总齿数比为：

u?'Z1Z26030????3 Z2Z33020

传动比误差为：

误差在?5%内，满足误差要求。

17

?uu?u?u'u?3.049?33.049?1.6%

图4-3 三轴头架的俯视图

则轴头架的工艺尺寸（见图3）

（1） 进行正式的三孔加工时

dmin?2?(

dmax?2?(d32?d2?d12)?2?(402?60?1202)?280mmd12?d22?d32)?2?(1202?602?402)?20mm

但由于支架的尺寸影响，不可能达到理论最小均布直径，根据支架的外型尺寸，头架能够加工的最小均布直径为50mm.

(20) 作双轴头架使用，钻削双孔时

Lmax?dmaxcos30?242.5mmLmind?d????d??12060??d?6040??00?2???1?2?cos30??2?3???2??????cos30?????39.6mm22222222????????????0 但是，

作用轴头架使用时算的Lmin是达不到的，因为钻削主轴支架的厚度限制，具体尺寸在装配图完全确定后才能确定。（约为50mm）

4.3三轴头架的传动设计

4.3.1齿轮的设计演算（参考《机械设计工程学I》）

18

（！）选择齿轮的材料

查表8—17 小齿轮选用40Cr调制处理 介轮选用45调质处理 中心轮选用45正火处理 （2） 对中心轮进行齿根弯曲强度校核计算 由式（8—66） ?F?2KT1bd1mYFaYSaY????F?

确定齿轮传动精度等级，小齿轮的转速算得为426.8r/min以上，最高达1000r/min左右，小齿轮的圆周速度

v1??nd???426.8?0.04?53.6m/min v2??nd???1100?0.04?138.2m/min 参考表8—14，8—15选取

齿宽系数?b?0.4 查表8—23按齿轮相对轴承为悬臂布置

小齿轮转矩，按最大值计算为T3=13.1Nm(高速钢钻头钻削灰铸铁时)，根据介轮受力分析

T2?T3d3d2?13.140?60?19.65Nm

载荷系数K 由式（8—54）得 K?KAKVK?K?

使用系数KA?1.25 查表8-20 动载荷系数KV?1.07 查表8-57 齿向载荷分布系数K??1.11 查表8-60

齿间载荷分布系数K??1.15 查表8-55及?=0得

查表8-21并查值

则动载荷系数K=1.25×1.07×1.11×1.15=1.71 齿型动载荷系数YF 查图8-67得

a 中心轮 YF?2.28

a119

介轮 YF?2.52

a2 应力修正系数YS 查图8-68

a1 中心轮 YS?1.73

a1 介轮 YS?1.625

a2 重合度系数 Y? 由式8-67

Y?=0.25+0.75/??=0.25+0.75/1.72=0.69 许用弯曲应力 ??F?由式8-71

? ??F?=?Flim=?/SF ??F???Flim2YNYx/SF222 弯曲疲劳极限?Flim 查图8-72

应力循环次数由式8-70 得

N1?60njLh?60?140?1?(8?200?8)?3.2?108）

N2=60?140?2?(8?200?8)?2.2?108

弯曲寿命系数YN?1 查图8-73 尺寸系数 Yx?1 查图8-74 安全系数 SF?1.3 查图8-27 则

? ???F???Flim1YNYx/SF=390×1×1/1.3=300N/mm

111? ???F???Flim2YNYx/SF=460×1×1/1.3=354N/mm

222又因为中心轮齿宽

b??dd3?0.4?60?16mmb2?b?16mm

介轮齿宽较大，在计算时按

b3?b2?(5?10)?20mm（已经取得比实际值大，若校核安全，则肯定安全）

20

故 ?F? ?F?2?1.71?1965026?60?2?2.28?1.73?0.69?58.62?1.71?1965020?60?2?2.28?1.73?0.69?76.2

（3） 对小齿轮进行齿面接触疲劳强度校核计算 由式8-63得

?H?ZEZHZ?2KT1u?1? 2bd1u齿宽系数查表8-23，按齿轮相对轴承为悬臂布置，取齿宽

b??dd3?0.4?60?16mm

介轮齿宽暂取b2?b?16mm，实际不止这尺寸，则按照他校核安全，则介轮肯定安全。

小齿齿宽 b3?b2?(5?10)?20mm

小齿轮转矩 T3?13.1N?m （注：为极大值） 载荷系数K 由式（8—54）得

K?KAKVK?K?

使用系数KA?1.25 查表8-20 动载荷系数KV?1.07 查表8-57 齿向载荷分布系数K??1.11 查表8-60

齿间载荷分布系数K??1.10 查表8-55及?=0得

?v?????1.88?3.2?(??1Z2?1?11??)?cos???1.88?3.2?(?)??1.62 Z3?3020?? 查表8-21并查值

则载荷系数

K?1.25?1.07?1.11?1.10?1.63

弹性系数?Hlim2 ZE?189.8 查表8-22 节点影响系数 ZH?2.5 查表8-64

21

重合度系数 Z??0.9 查表8-65（???0） 许用接触应力 ??H? 式8-69得

? ? ??H???Hlim3?ZN?ZW/ZH2 接触疲劳极限应力?Hlim2?570N/mm、?Hlim3?1480N/mm查图8-69 应力循环次数由式8-70 得

N2?2.2?108 （已算得）

N1?60njLh?60?426.8?1?(8?200?8)?3.28?108 则查图8-70得接触强度的寿命系数ZN、ZN（不允许有点蚀）

23 硬化系数 ZW 查图8-71及说明

接触强度安全系数 SH 查表8-27，按一般可靠度查得 SHmin?1.0?1.1 取

?=570×1×1/1.1=518N/mm ???H?3?=1480×1×1/1.1=1345N/mm ???H?3 齿数比 u?

?H?189.8?2.5?0.9?2Z2Z3?3020?1.5 故

2?1.63?13100?(1.5?1)24?40?1.52?581.4N/mm

?H3?189.8?2.5?0.9?2?1.63?13100?(1.5?1)20?40?1.52?649.6N/mm

4.3.2 轴承的校核计算

（1）中心轴上36207型角接触球轴承的校核 1） 计算轴承支反力 合成支反力 R1?FAt?FAr?22266.3?96.9?283.4N

22

22

R2?FBt?FBr?221161?422.6?1235.5N

221）轴承的派生轴向力

由式5-8，估计A（轴向力即头架重力）为200N，

A/Cor?200/17500?0.011，取

e=0.38 得

S1?eR1?0.38?283.4?107.7 S2?eR2?0.38?1235.5?469.5

2）轴承所承受的轴向载荷

因 K??S2?A?S2?200?469.5?669.5?S 由式5-10

A1?A?S2?669.5A2?S2?469.5

4）轴承当量动载荷

（1） 因 A1/R1?2.36?e，查表5-12

X1?0.44，Y1?1.47 式5-7

Pr1?X1R1?Y1A1?0.44?283.4?1.47?699.5 （2） A2/R2?0.38?e 查表5-12 X2?1 Y2?0 式5-7 Pr2?X2R2?Y2A2?1?1235.5?0?469.5

5）轴承的动载荷要求

Pr2?Pr1，接受力要求轴承应当具有的当量动载荷，由表

5-9、表

5-10得fp?1.5，ft?1，按式5-6

C?'fpPft360nLh106'?1.5?1235.51360?140??8?200?8?106 =8912.5

（2） 小轴上8205型单向推力轴承的校核

Fmax?2274.5N（硬 由于单向推力轴承只承受轴向力，在钻削时，

23

质合金YG8钻削灰铸铁时）则 Pr?Fmax?2274.5N

S0Pr?1.2?2274.5?2729.4N??C0r??27500N （S0查表5-16，旋转轴承的安全系数S0取1.2），合格。

4.3.3 键的校核计算

（1）小轴上的平键校核

选用的是6×6×16，A型平键。由式2-49?p?得 ?p?2?1310020?(6?3.5)?16? ?32.75????p??100?120???p???dkl2T，

??查表2-21（轴联接的许用挤压应力）按有轻微冲击载??p?荷取，校核合格。

（3） 中心轴上的平键校核

选用的是10×8×18A型平键，有

?p??98.4???p??100?120 ??30?(10?5)?182?141750 稍微有些危险，改为采用双键，成1800对称布置，考虑到制

造误差使键上载荷分布不均，按1.5个键计算，

?p?98.4??65.?6???p??1.51?00120 安全。

4.3.4螺栓的设计校核计算（参考〈〈机械设计工程学Ⅱ〉〉）

在多轴头架中，只有介轮轴上的螺纹比较重要，需要进行校核。 （1） 螺栓材料及其性能等级

螺栓材料 45钢

性能等级 查表2—7选6.8级

?B?600M/mm，?s?600M/mm

22（2） 螺栓受力分析计算

螺栓在头架中只承受介轮轴往下的零件（介轮轴、介轮、支架、小齿轮、

24

小轴及钻头）的重力，经过估算，承受的重量约为5.5kg。受力为

P=5.5×9.8=53.9N

螺栓工作拉力 由式2-15 F=P/Z=53.9/1=53.9N 残余预紧力 查表2-5选 F0?0.6F?0.6?53.9?32.34N 螺栓总拉力 由式 2-26

F??F0?F?32.34?53.9?86.24N'

相对刚度系数 查表2-6 cb/?cm?cb??0.3 螺栓预紧力 由式2-27

F0?F??F/cb/?cm?cb?=86.24-53.9×0.3=70.07N

（3）初定螺栓直径

选安全系数 查表2-11 S?1.5 许用拉应力 由式2-33

?????s/S?480/1.5?320N/mm2

所需螺栓小径 由式2-29

d1?4?1.3F??????4?1.3?86.24??320?0.67cm

螺栓大径 查有关手册并根据轴的直径 取 d=20mm,其d1=17.294mm （4）螺栓疲劳强度校核

螺栓尺寸系数 查表2-9 ???0.8 螺栓材料的疲劳极限

??1?0.34?B?0.34?600?204N/mm2

应力幅安全系数 查表2-11 Sa?1.6 应力集中系数 查表2-10 K??3.9 螺栓许用应力幅 由式2-36

??a??????1k?Sa?0.8?2043.9?1.6?26N/mm2

螺栓应力幅 由式 2-30

25

?a?2F?d12?cbcm?cb?2?53.9??17.2942?0.3?0.03N/mm???a?

24.3.5小轴的设计与校核

1）小轴最大转矩 T3?13.1N/m 2）作用在齿轮的力 圆周力 Ft?2T3d3?2?13.10.04?655N

径向力 Fr?Fttan200?238.4N 3）确定轴的最小直径

选取轴的材料为45钢调质处理，按式4-2初估轴的最小直径，查表4-2取A=115，可得

高速钢钻头钻削碳素钢时 dmin1?11530.54512.7?11.7mm

高速钢钻头钻削灰铸铁时 dmin2?115?30.59426.8?13.5mm

硬质合金钻头钻削灰铸铁时 dmin3?115?30.961509.6?9.9mm

当轴上开有键槽时会削弱轴的强度，要适当增大轴的直径。轴段上有一个键槽时，轴径增大3～5%，故

dmin?dmin2(1?5%)?14.5?(1?5%)?14.175mm 4）轴的结构设计

A 拟定轴上零件的装配方案（见图4） B 按轴向定位要求确定各轴段直径和长度

轴段1 齿轮左端用弹簧挡圈定位，按轴段1的直径d1?20mm，取挡圈直径D=18.5mm(GB894.1-86).取d1?19.9mm.

26

轴段2 该轴段安装滚动轴承。此轴承主要承受切削力，即轴向力，选用单向推力轴承，取轴段直径d2?25mm，选用8205型单向推力轴承，尺寸d×D×T=25×47×15.取齿轮垫圈的厚度为2mm,铜套的长度取为45mm,L3?2?45?15?62mm

轴段3 该轴段为夹头，起加紧钻头的作用，其具体尺寸有相关标准，此处不再详细分析。

夹头 图3-4 小轴的装配简图 5）轴上零件的周向定位

齿轮与轴的周向定位采用A型普通平键，尺寸为b?h?l?6?6?16，为了保证齿轮与轴有良好的对中性，取齿轮与轴的配合为H7/r6。

滚动轴承与轴的周向定位是采用过渡配合保证的，此轴段公差取为j6。 6）确定轴上零件圆角和倒角尺寸

各轴肩处的圆角半径见图3，轴端倒角取1?450。 7）轴的强度校核 A）求轴的载荷

首先根据轴的结构图作出计算简图，在确定轴承支点位置时，因其只承受轴向力，对轴的强度无影响，而铜套与轴的配合段可视为墙壁。

根据轴的计算简图作出轴的弯矩图、扭矩图和当量弯矩图。从轴的结构图和弯矩图可以看出，A截面的当量弯矩最大，是轴的危险截面。 A截面处的、、M及????60N/mm2的数值如下 弯矩 MH和 MV

水平面 MH?26200N?mm

27

垂直面 MV?9536N?mm 合成弯矩M

M?(MH2?MV2?(262002?95362)?27881.5N.mm 扭矩 T

T?13100N.mm 当量弯矩 Mca?(M B）校核轴的强度

轴的材料为45钢，调质处理，由表4-1查得 ?B?650N.mm2，则

22?(?T)?2(8364.4?(0.6?131002)?11477.9N.mm

????0.09?0.1?B，即58～65N/mm,取????60N/mm，轴的计算应力为

2 ?ca?McaW?27811.51?183?47.8?????60N/mm2

根据计算结果可知，该轴满足强度要求。

28

图3-5小轴的受力分析简图

29

第5章 润滑与密封

作为一个齿轮传动机构，为避免齿轮表面直接接触，以减小磨檫，减轻磨损，降低工作表面温度，应对齿轮进行适当的润滑，润滑方式应该根据轮齿速度来选择。

在固定式三轴头架中，最高转速在1000r/min左右，对于分度圆最大的中心轮半径，它的最高齿轮速度是主轴在1100r/min工作时的速度，此时

V?110060???50?10?3?2.88m/min,查《机械设计工程学Ⅰ》表4-2应采用油

浴润滑，但由于头架加工时位置摆放的特殊性—竖直安装，采用油浴润滑很难实现，而压力喷油润滑又因为支架的尺寸太小也不好布置，所以 采用人工定期润滑，这是本次设计改进的地方之一。

头架中轴孔连接的部位都必须密封防尘及防止漏油，由于齿轮在工作时相当于平放，头架下端的密封显得格外重要，而且属于动密封，加上轴与孔之间的配合的限制，只能采用接触式密封。

30

第6章 结 论

1.经过改造的单轴立式钻床变为立式多轴头钻床，具有劳动强度小，专用性能高，生产率高且能保证精度；而且多轴钻床操纵方便、省力、容易掌握，不易发生操作错误和故障，不仅能减少工人的疲劳，保证工人和钻床的安全，还能提高钻床的生产率。

2.我们在了解和掌握钻削加工国内外相关研究现状的基础上，综合运用所掌握的机械方面知识，按照所给定的技术要求，对传统的单轴立式钻床进行改造，采用多刀加工思路，从而提高钻削效率。

3.固定式多轴钻床采用单件（加工件）专机的设计方案，根据其加工件加工频率高、量大之原因，专门量身定制一件一机的设备，在其工作中勿须担心尺寸跑偏而伤脑筋。

4.这次毕业设计使我建立了正确的设计思想，初步掌握了解决本专业工程技术问题的方法和手段，锻炼了自己查阅资料的能力，让我熟悉有关技术政策，熟练运用国家标准，规范手册，图册等工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件的独立工作能力。从而，让我受到了一次工程师般的训练，相信在以后的学习、工作中一定会大有用处的。

31

致 谢

本次毕业设计现已经接近尾声，共历时近两个多月。回顾整个设计过程，深觉得受益匪浅，通过这次毕业设计，不仅提高了我对四年来所学的各种知识的综合运用能力，还使我学到了书本所不能获取的知识，在看待问题和处理问题方面有了新的认识与方法，让我学会了用不同的立场去思考问题。

在本次设计中，我做的主要是立式钻床多轴头架的设计，对于钻床来说，它是一种常用的机床设备，但是它的加工能力却只局限在单一孔的加工，如果能够在它的轴头部分加一种装备，使它能够实现多孔位的加工，那样不仅可以节省时间、改善工人的劳动强度、提高劳动效率，而且对于机械行业也是一种革新，而我这次的课题就是要设计这样的一种装备，经过查阅资料及指导老师的细心帮助，这次设计基本达到了预期的目的，我设计成了一种固定式的三轴头架，可以实现同时三孔位的加工，基本达到了预期的效果。

本次毕业设计，我得到了指导老师的精心指导，以及机制教研组其他老师的耐心指导和批评指正，给我提出了许多宝贵的意见和建议，在此表示由衷的感谢！还有在设计过程中，给予我莫大帮助的同学们也表示深深的谢意！

此次毕业设计中，我所设计的题目是立式钻床多轴头架设计，在整个设计过程中，指导教师刘薇娜老师付出了很大的心血，从开始制定设计日程表到去系实验室实地考察实习，从图纸的绘制到说明书的整理，都在指导老师的指导下有条不紊的进行。

在平时的设计中，老师深入设计教室，到我们学生中间来，就设计过程中存在的问题及时提出改进方案和建议，同时针对设计中中存在的问题给予详细而准确的解答，并且时时不忘督导我们按设计日程进行设计。正是由于有了老师的诸多帮助，我的毕业设计顺利进行直至结束。老师渊博的专业知识和丰富的生产实践经验，严谨务实的学术精神也在深深的感染着我，为我在以后的工作中树立了榜样，在此，我向刘老师表达我由衷的感谢。

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参考文献

[1]杨叔子 .机械加工工艺手册[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]吴相宪，王正为，黄玉堂.实用机械设计手册[M].北京：中国矿大出版社，1993. [3]王洪欣，李木，刘秉忠.机械设计工程学Ⅰ[M].北京：中国矿大出版社，2001. [4]唐大放，冯小宁，杨现卿.机械设计工程学Ⅱ[M].北京：中国矿大出版社，2001. [5]陈榕林，张磊.巧改机床[M].北京： 中国农业机械出版社，1985.

[6]中国纺织大学工程图学教研室.画法几何及工程制图[M].上海：上海科学技术出版社，1997.

[7]孔庆华，刘传绍.极限配合与测量技术基础[M].上海：同济大学出版社， 2002. [8]顾崇衔.机械制造工艺学[M].陕西：陕西科学技术出版社.1999. [9]濮良鬼，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，1960. [10]吴宗泽.机械结构设计[M].北京：机械工业出版社，1988.

[11]汝元功，唐照民.机械设计手册[M].北京：高等教育出版社，1995. [12]冯辛安.机械制造装备设计[M]. 北京：机械工业出版社，1998. [13]吴相宪，王正为.实用机械手册[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001. [14]徐灏.新编机械设计师手册[M].北京：机械工业出版社,1995. [15]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社,2001(2004). [16]李天无.简明机械工程师手册[M].云南：云南科技出版社，1988.

[17]Robet J Schilling.Fundamentals of Robotics-Analysis and Control[M].New Jersey:Prentice Hall,1990.

[18]Aguilar R J. Systems Analysis and Design[M].Prentice-Hall Inc.Englewood,Cliff N.J.1973.

[19]Gill P E,Murray W,Wright M H.Practical Optimization[M].Academic Press Inc London:LTD,1981.

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