说明书数控平面钻床液压进给钻削动力头设计

更新时间：2024-05-31 15:54:01 阅读量：综合文库文档下载

说明：文章内容仅供预览，部分内容可能不全。下载后的文档，内容与下面显示的完全一致。下载之前请确认下面内容是否您想要的，是否完整无缺。

说明书格式范文推荐度：
相关推荐

陕西理工学院毕业设计

毕业论文﹙设计﹚任务书

院(系) 机械工程学院专业班级机自055 学生姓名符永富一、毕业论文﹙设计﹚题目数控平面钻床液压进给钻削动力头设计二、毕业论文﹙设计﹚工作自2009年3月9日起至2009年6 月 20日止

三、毕业论文﹙设计﹚进行地点: 校内四、毕业论文﹙设计﹚的内容要求：

钢结构在工业与民用建筑中的应用广泛，H钢的钻孔加工已成为钢结构行业中的关键技术之一。采用数控平面钻床液压进给钻削动力头实现H钢的孔加工是较为理想的加工方式之一。采用模块化的设计思路，设计一种数控平面钻床自控行程钻削动力头，要求运动行程可控，结构简单、紧凑，合理；制造成本低、钻削过程简单，可使钻头快速接近工件，钻完快速自动返回。

设计要求及任务：

（1）查阅资料，熟悉数控平面钻床液压进给钻削动力头国内外研究概况；（2）完成数控平面钻床液压进给钻削动力头的总体方案设计；（3）完成传动系统，进给系统设计计算；

（4）完成主要零件——主轴及其相关安装零部件的设计计算及校核；（5）完成液压进给控制系统设计；（6）绘制动力头装配图及主轴零件图；（7）绘制进给系统控制原理图；（8）按要求编写详细设计说明书一份；

指导教师李玉玲系(教研室)

系(教研室)主任签名批准日期接受论文 (设计)任务开始执行日期 2009-3-9 学生签名

陕西理工学院毕业设计

数控平面钻床液压进给钻削动力头设计

姓名：符永富

（陕理工机械工程学院机械设计制造及其自动化专业 055班，陕西汉中 723003）

指导教师：李玉玲

[摘要] 数控平面钻床液压进给钻削动力头是一种将动力头的主运动与进给运动集为一体的设备。具有结构

紧凑、体积小、重量轻、刚性好等特点。又由于动力头的进给运动采用液压驱动，因此具有钻进平稳、无极调速、辅助时间少，钻进效率高等优点。

本论文采用模块化的设计思路，将动力头的设计分为主运动传动系统，液压进给系统，控制系统和机械结构设计等四个方面的主要内容。主运动传动系统主要是选择主运动的传动方式和进行与主运动相关零件的设计计算；进给系统主要对液压缸的设计计算与轴向进给的驱动设计；控制系统主要是液压控油回路与PLC控制系统的设计；机械结构设计主要是进行整体零部件的布置和主轴及相关零件的设计计算。通过以上各模块的设计，使主轴在自控行程进给时能达到“快进-工进-停留-快退-停止”的功能。

本课题所设计的数控平面钻床液压进给钻削动力头主要用于H钢的钻孔加工。钻孔范围10-30mm，最大工作形成200mm。

[关键词] 钻削动力头液压进给设计计算主轴

陕西理工学院毕业设计

The Design of NC flat surface Drilling Machine for

Hydraulic Feed drilling driving head

Yongfu-FU

(Grade05,Class5,Machine Design Manufacture and Automation,School of Mechanical Engineering,Shanxi

University of Technology,Hanzhong,723003, Shanxi)

Tutor: Li Yuling

【Abstract】 The Hydraulic Feed drivlling driving Heed of NC flat surface is a equipment which integrate the main

motion and feed motion,so it will be compact,light and rigid.Because of it’s Hydraulic Feed driving Head,it can achieve classless speed,little auxiliary time,and great efficiency.

This paper cuts the design for driving head into main motion,hydraulic feed motion,control system and feature of mechanical structure under the moduling ideology.The main movement system mainly selects the way of main motion transmission and finishes the computation of interrelated spare parts;feed system design is formed by the design and calculation of hydraulic equipment and axial motion;it is the hydraulic return circuit and PLC control system design that compose the control system;feature design of mechanical structure is made up of the arranging of all spare parts and design and calculation of sprindle and interrelated parts.As done,the motion of sprindle can achieve “Fast Forward—Implementation—Suspended—Rewind—Stop”.

The driving head designed above applying mainly in the drilling of H type structural steel,with cutting range intensively 10-30mm,and maximal working stroke 200mm.

【Key words】 drilling driving head , hydraulic feed motion , design and calculation , spindle.

陕西理工学院毕业设计

目录 ................................................................. 4 引言 ................................................................... 1 1 . 数控平面钻床液压进给钻削动力头概况 ................................... 2 1.1 研究现状 ............................................................ 2 1.2 应用领域 ............................................................ 3 2 . 数控平面钻床液压进给钻削动力头总体方案设计 ........................... 4 2.1 钻削动力头系统运动方案要求 .......................................... 4 2.2 总体方案的确定 ...................................................... 5 2.2.1方案的选择 ...................................................... 5 2.2.2 方案的确定 ..................................................... 7 3.主要参数设计计算 ....................................................... 8 3.1 切削力计算 .......................................................... 8 3.2 钻削扭矩计算 ........................................................ 9 3.3 切削功率计算 ....................................................... 10 3.4 预计工作时间 ....................................................... 10 4 . 主运动传动系统的设计 ................................................ 11 4.1 电动机的选择 ....................................................... 11 4.2 带传动的设计 ....................................................... 13 4.2.1 传动方式 ...................................................... 13 4.2.2 同步带与同步带轮的设计计算 .................................... 14 4.2.3 同步带轮的张紧和带轮的安装 .................................... 18 4.2.4 同步带轮轴承的选用 ............................................ 19 5 . 进给系统的设计 ...................................................... 21 5.1 进给系统的方案确定 ................................................. 21 5.2 液压缸的选用 ....................................................... 22 5.2.1 主要尺寸的确定 ................................................ 22 5.2.2液压缸最低速度验算 ............................................. 24 5.2.3 缸筒壁厚 ...................................................... 24 5.3 弹簧的设计计算 ..................................................... 25 5.3.1弹簧工作条件的确定 ............................................. 25

陕西理工学院毕业设计

5.3.2 弹簧的参数计算 ................................................ 26 5.3.3弹簧的设计验算: ................................................ 27 5.4 液压进给控制系统设计 ............................................... 27 5.4.1 液压进给控制系统的方案确定 .................................... 27 5.4.2液压进给系统工作状态及工作循环设计 ............................. 28 5.4.3 液压进给系统工作原理 .......................................... 28 6. PLC控制系统设计 ...................................................... 32 6.1 PLC控制系统分析 .................................................. 32 6.2 PLC控制系统设计 .................................................. 32 7. 主轴及其相关零部件的设计计算与校核 ................................... 37 7.1 拟定主轴上零件的装配方案 ........................................... 37 7.2 主轴的材料与热处理 ................................................. 38 7.3 确定主轴的最小直径 ................................................. 39 7.4 主轴的结构尺寸设计 ................................................. 39 7.5 主轴的校核 ......................................................... 40 7.5.1 主轴的扭转强度 ................................................ 40 7.5.2 主轴的扭转刚度校核计算 ........................................ 40 7.5.3 主轴的花键校核 ................................................ 41 7.6 主轴轴承 ........................................................... 42 7.6.1 主轴轴承的选用 ................................................ 42 7.6.2主轴轴承的寿命计算 ............................................. 42 8. 综合评价 ............................................................. 44 设计总结 ................................................................ 45 致谢 .................................................................. 46 参考文献 ................................................................ 47

英文翻译附录

陕西理工学院毕业设计

引言

本毕业设计课题是数控平面钻床液压进给钻削动力头，目的是通过在数控平面钻床液压进给钻削动力头设计的基础上，学习机床主轴及其相关的轴承、传动等部件的设计计算，了解机电控制PLC等知识。以便更好的将机械专业所学知识运用到实际生产中，为以后的工作打下基础，巩固所学知识。

机械加工行业中，孔加工占重要的地位。钻床加工的自动化和生产效率要求越来越高，钻床的发展急需改进。本课题的目的在于以自控行程钻削动力头为研究目标，主要解决当前H钢的钻孔加工专用钻削动力头。随着钢结构在工业与民用建筑中的广泛应用，H钢的钻孔加工已成为钢结构行业中的关键技术之一。因此对H钢的钻孔加工通过数控平面钻床液压进给钻削动力头实现是钻孔加工是较为理想的加工方式。数控平面钻床液压进给钻削动力头一种集动力头的主运动、进给运动和控制装置于一体，具有体积小、重量轻、结构紧凑，钻削过程简单，可使钻头快速接近工件，立即自动转换好的工进速度开始钻孔，钻完快速自动返回。它可用于H钢结构、汽车工业、摩托车制造业、燃气器具制造业、电梯制造业等行业的钻、扩、铰加工,具有广泛的应用前景。数控平面钻床自控行程的钻削动力头。这不仅有助于提高钻床加工的自动化，而且对于满足生产效率要求越来越高也具有重要意义。

在现代机械制造行业中，随着加工零件方式多样化及工艺合理化发展的要求，加工零件的方法也呈现出多样化，金属切削加工是利用刀具切除被加工零件多余材料的方法，是机械制造行业中最基本的加工方法，金属切削加工过程是由金属切削机床来实现的。金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，除切削加工外，还有铸造、锻造、焊接、冲压、挤压和辊轧等，在这其中机床切削加工的工作量约占总制造工作量的40%～60%(其中钻床占11.2%),所以在目前的机械制造行业中金属切削机床是主要的加工设备。而机床的技术性能又直接影响机械制造行业的产品质量和劳动生产率，所以为了提高国家的工业生产能力和科学技术水准，必须对机床的发展作出新的要求。

当前传统钻床问题的存在主要在于自动化程度、生产效率、工作环境及产品质量。在生产过程中，手动的操作、繁锁的装夹、大量生产力的投入和单一的生产流程导致了钻床加工的自动化程度低、生产效率低、工作环境恶劣和产品质量不高，因此，我们要解决的问题在于如何实现钻床加工的自动化、减少生产力的投入生产和与其它工艺流程相结合，同时也要考虑经济问题。

第 1 页共 47页

陕西理工学院毕业设计

1 . 数控平面钻床液压进给钻削动力头概况

1.1 研究现状

金属切削机床是用刀具或磨具对金属工件进行切削加工的机器，在制造业中，尤其是机械行业，机床有着非常广泛的应用。然而钻削加工仍然在零件加工中占有相当的比例，据统计在零件加工中钻孔加工占11.2%以上。钻床是切削加工的主要设备之一。尤其是作为传统的老产品摇臂钻床，有数百年的发展历史，其产品都在不断地更新，功能也越来越齐全、性能也不断地完善。

在机床加工中钻床的加工工作量在总制造工作量中占有很大的比重。钻床为孔加工机床，按其结构形式不同可以分为摇臂钻床、立式钻床、卧式钻床、深孔钻床、数控平面钻床等。而数控平面钻床的钻削动力头是数控平面钻床的核心部件，钻削动力头是将进给运动与主运动集于一体；目前钻削动力头大多数靠液压滑台实现进给，由于采用了滑台使动力头结构复杂。在随着钢结构的不大发展应用，数控平面钻床的钻削动力头是加工钢结构联结孔的理想部件，必将得到大发展。

随着机械工业的扩大和科学技术的进步，尤其是计算机的出现和数控技术的发展，我国的机械制造行业正朝着高精度、高效率、高智能发展。

高精度机床针对钢结构行业加工设计，采用微机控制。在钻孔加工时其最关键的孔位定位由微机控制进行自动、准确、快速定位。其高速、精确的定位是人工无法达到的，同时避免了因人工定位与钻孔的误差而造成工件反修或报废的可能。

高效率数控平面钻床由微机控制，按程序进行自动定位、根据不同的孔径自动调整至最佳的钻孔进给量与旋转速度，人工只需上、下工件即可，减少了人工钻孔时划线定位、辅助钻孔的人员，其钻孔速度是人工的4倍以上；可连续地进行加工，而不需要在上下工件时使机器停止运行；100%的合格率又节省了人工钻孔可能发生的返工工时。

高智能数控平面钻床在人机交流即传统的编程上作了更突出的设计，使用户操作非常简单、迅速，不具备电脑操作经验者也可在很短的时间内完成编程；程序简短，通常只需2-3条指令即可；对于机床的一些参数用户不需处理；同时具有自检，可以全自动地完成所有工作。

高性价比因机床采用微机数值控制系统装置，有精度高、效率高等优越性。其低价格在于仅针对钢结构加工之特点与精度要求进行设计，相对其它数控机床（如数控铣

第 2 页共 47页

陕西理工学院毕业设计

床、车床、钻床）的设备结构较为简单，加工精度要求较低。因此优越性能与低价格便使该机床具有很高的性能价格比。

1.2 应用领域

H钢结构在工业与民用建筑中的应用广泛。主要用于建筑钢结构中的梁、柱构件。工业构筑物的钢结构承重支架。地下工程的钢桩及支护结构。石油化工及电力等工业设备结构。大跨度钢桥构件。船舶、机械制造框架结构。火车、汽车、拖拉机大梁支架。由于H型钢的大量使用，H钢的钻孔加工已成为钢结构行业中的关键技术之一。采用数控平面钻床钻削动力头实现H钢的孔加工是较为理想的加工方式之一。

数控平面钻床液压进给钻削动力头除了用于H钢结构孔加工，它还可以用于机床零件加工、汽车工业、摩托车制造业、电梯制造业等行业的钻、扩、铰加工具有广泛的应用前景。数控平面钻床自控行程的钻削动力头可以像组合机床那样实现多动力头在一台机床上使用，大大的提供加工效率。这不仅有助于提高钻床加工的自动化，而且对于满足生产效率要求越来越高也具有重要意义。

第 3 页共 47页

陕西理工学院毕业设计

2 . 数控平面钻床液压进给钻削动力头总体方案设计

2.1 钻削动力头系统运动方案要求

由于设计的多解性和复杂性，满足某种功能要求的机械系统运动方案可能会有多种，因此，在考虑机械系统运动方案时，除满足基本的功能要求外，还应遵循以下原则：

① 机械系统尽可能简单

机构运动链尽量简短在保证实现功能要求的前提下，应尽量采用构建数和运动副数少的机构，这样可以简化机器的构造，从而减轻重量，降低成本。此外，也可以减少由零件的制造误差形成的运动链的累计误差。

选择运动副高副机构可减少构建数的运动副数，设计简单。但低副机构的运动副元素加工方便，容易保证配合精度以及有较高的承载能力，究竟选用何种机构，应根据具体设计要求全面衡量得失，尽可能做到扬长避短。在一般情况下，应优先考虑低副机构，而且尽量少用移动副。

选择原动机机械系统的运动与原动机的形式密切相关。目前，电动机、内燃机使用最广泛，但是应结合具体情况灵活选择。

② 尽量缩小装备的尺寸

机械的尺寸和重量随所选择的机构类型不同而有很大差别。该设计中选用变频三相电动机提供主运动动力，省去了齿轮传动部分，使钻削动力头尺寸减小，制造成本也降低。

③ 机构应具有较好的动力特性

机构在机械系统中不仅传递动力，同时还要传动动力，因此要选择有较好动力学特性的机构。

采用对称布置的机构。对于高速运转的机构，其往复运动和平面一般运动的构建以及偏心的回转构建的惯性力和惯性力矩较大，在选择机构时，应尽可能考虑机构的对称性，以减少运转过程中的动载荷和振动。

该钻削动力头采用双液压对称布置在主轴两侧，为主轴提供对称的轴向力，避免了主轴受到侧向颠覆力。

④ 机械系统应具有良好的人机性能

第 4 页共 47页

陕西理工学院毕业设计

任何机械系统都是由人类设计，并用来为人类服务的，而且大多数机械系统都要由人来操作和使用，因此在进行机械设计时，必须考虑人的人理特点，以求得人与机械系统的和谐统一。

该钻削动力头采用了PLC控制系统，控制相应的液压回路系统，能使动力头工作时进给行程可控，并能自控形成，很大程度上降低了工人的劳动强度。

2.2 总体方案的确定

2.2.1方案的选择

本论文的数控平面液压进给钻削动力头，采用模块化的设计思路，把钻削动力头分为三个主要部分：主运动传动系统部分，进给系统部分，控制系统部分。然后再把这三个部分集为一体。

（1）主运动方案选择

主运动，即旋转运动，其动力源使用电动机和内燃机比较广泛。传统的钻床一般都用电动机作为主运动的动力源，然后再通过齿轮传动，把电动机的运动与动力传递给主轴。

本论文的数控平面钻床液压进给钻削动力头的主运动采用电动机作为动力源，但不是经过齿轮把运动与动力传递给主轴，而是使用变频器作为电动机的电源，通过变频调速来改变提供给主轴的运动转速。然后经过带轮把变频电机的运动与动力传递给主轴，由于没有齿轮的传动，为了避免带轮打滑而影响运动传递，在此采用同步带轮传动。这样就使动力头的体积减小，加工简单，成本降低。

（2）进给运动方案选择

图2.1 外置液压缸钻削动力头

第 5 页共 47页

陕西理工学院毕业设计

表5.3 液压系统工作执行情况电磁铁工作状态

工作循环

1YA

快进工进暂停快退原始停止

+ + - - -

2YA - - - + -

3YA - + - - -

换向阀6 左位左位中位右位中位

速度换接阀5

左位右位左位左位左位

液压元件工作状态

注：“+”表示得电， “-”表示失电。

第 31 页共 47页

陕西理工学院毕业设计

6. PLC控制系统设计

6.1 PLC控制系统分析

PLC（Programmable logic Controller 可编程控制器），是一种用软件手段来实现各种控制功能、以微处理器为核心的新型工业控制器。它把计算机的功能完备，灵活性、通用性好等优点和继电器接触器控制系统的操作方便、价格低、简单易懂等优点结合起来，成为一种适应工业环境的通用控制装置，并独具一格地采用以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使变成方法和程序输入更加简便，使不熟悉计算机的人员也能很快掌握其使用技术。现在可编程控制器已成为一种标准化通用设备普遍应用于工业控制，由最初的逻辑控制为主发展到能进行模拟量控制，具有数字运算、数据处理和通信联网等功能。现在可编程序控制器已成为电气自动化控制系统中应用最为广泛的控制装置。

由上述分析，可见采用PLC控制钻削动力头的进给运动是较好的方案，不但操作方便、价格低，而且控制精度高，工作可靠等。使操作人员的劳动强度降低，还提高了生产效率。

要实现钻削动力头进给运动的控制，必须设计出相对应的机械不仅和液压回路系统的PLC控制系统。

6.2 PLC控制系统设计

根据前面所设计的液压回路系统，设计钻削动力头进给运动的电气控制系统，使主轴能够在作主运动的同时，能实现快进——工进——延时——快退——原始停止的动作。

首先设计电气原理图，如图6.1所示。液压进给的电气控制系统工作原理： (1)快进

按下SB2，KA1自锁，1YA得电使电磁换向阀在左位，实现快速进给功能。（2）工进

当钻头碰到工件时，弹簧缓冲装置受到一定压力时，开关SQ1接通，继电器KA2得电使开关KA2合闭，3YA得电使速度换接阀启动，实现工作进给运动。

第 32 页共 47页

陕西理工学院毕业设计

图6.1 钻削动力头电气原理图

（3）暂停

经过端子板进行位置检测，当钻头进给到一定深度或钻头工件时，SQ2开关接通，继电器KT得电使开关KT断开导致各支路断开，各开关复位，进给运动停止。（4）快退

延时开关KT延时到预定时间接通，2YA得电使电磁换向阀在右位，实现快退功能。（5）原始停止

当钻头退到原来的位置时，撞击挡块SQ3接通，继电器KA3得电使开关KA3断电，切断了整个进给系统的线路，同时主轴也停止了快退动作。

经过以上一个完成的工作过程，整个电气控制系统又恢复原位。当按下SB2按钮时才会进入下一个工作循环，此动作由数控系统控制。

在一般的情况下，大多采用电气控制。但在恶劣的工作环境下，电气控制系统的元器件和线路容易老化，老化后更换也不方便。所以在本设计的钻削动力头的工作环境，考虑采用模块式PLC控制，模块式PLC的功能扩展灵活方便，I/O点数量、输入点数于输出点数的比例、I/O模块的种类等方面，选择余地较大。维修时只要更换模块，判断故障的范围也很方便。因此，模块式PLC一般适用于较复杂系统和环境差的场合。

根据钻学动力头的工艺流程，控制液压系统。设计PLC控制系统，图6.2所示，1ST---2ST为限位开关，SB为启动按钮，1YA---3YA为电磁阀，KT为延时继电器。

第 33 页共 47页

陕西理工学院毕业设计

图6.2 钻削动力头工艺流程图

开始时，动力头在原位，压着限位开关1ST，即1ST闭合。当按下启动按钮SB后，电磁阀1YA动作，动力头快进；接近工件时，碰上位置开关2ST，2ST闭合，电磁阀3YA得电动作，动力头转为工进；工进到位，碰上位置开关3ST，则1YA、3YA断电，动力头停止前进；延时继电器KT接通，设延时1S，延时到，电磁阀2YA得电，动力头退回，当退回到原始位置时，碰着1ST，此时，2YA断电，动力头停止在原位上。每按一下启动按钮，重复一次上述循环。可由数控系统执行程序来控制启动按钮。

钻削动力头的动作顺序如表6.1所示。输入条件中，1ST*SB表示1ST于SB同时闭合；在输出栏中，“+”号表示电磁阀得电，“-”表示电磁阀失电。

表6.1 钻削动力头的动作顺序表

步序

输出

输入条件

1YA

2YA - - - - + -

3YA - - + - - -

原位快进工进延时快退原始

1ST 1ST*SB 2ST 3ST 3ST*KT 1ST

- + + - - -

第 34 页共 47页