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濟南大學畢業(yè)設(shè)計
上海電機學院
畢業(yè)設(shè)計
課 題 基于PLC控制的小型鉆床機械設(shè)計
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
年 級 2011級
姓 名 學 號
指 導 教 師 （簽字）
學 院（系）院長（簽字）
2015 年 月 日
注：本任務(wù)書由上海電機學院教務(wù)處印制。
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摘 要
此次設(shè)計的小型鉆床設(shè)計。鉆孔工藝是加工孔類的基礎(chǔ)部分，只要鉆孔工藝的加工精度提高了，在后面的加工工藝過程就會更加簡潔，提高加工效率，節(jié)省時間，提高經(jīng)濟效益。
本文對小型鉆床進行設(shè)計，主要完成機械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計。整機結(jié)構(gòu)主要由電動機產(chǎn)生動力將需要的動力傳遞到帶輪上，然后通過帶輪傳遞到帶輪，通過小齒輪再過渡到卷雙聯(lián)齒輪上，雙聯(lián)齒輪軸上裝有鉆頭機構(gòu)。同時本文對該方案小型鉆床關(guān)鍵零部件設(shè)計過程進行了詳細闡述，其主要內(nèi)容包括系統(tǒng)總體方案的設(shè)計、電動機的選擇、執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計、傳動零部件的設(shè)計、軸的設(shè)計與校核以及軸承的選擇等。
本論文研究內(nèi)容：
(1) 小型鉆床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。
(2) 小型鉆床工作性能分析。
(3)電動機的選擇。
(4) 小型鉆床的傳動系統(tǒng)、執(zhí)行部件。
(5)對設(shè)計零件進行設(shè)計計算分析和校核。
(6)繪制整機裝配圖及重要部件裝配圖和設(shè)計零件的零件圖。?
關(guān)鍵詞：滾珠絲杠；電動機；變速箱；鉆孔工藝
ABSTRACT
The 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
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目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 鉆床簡介 1
1.2 鉆床的發(fā)展及趨勢 1
1.3 本課題解決的問題和設(shè)計時主要的工作 1
2 三軸鉆床結(jié)構(gòu)設(shè)計的總體方案 3
2.1課題的技術(shù)要求 3
2.2鉆床總體結(jié)構(gòu) 3
2.3 小型鉆床的動力選擇 3
2.4 小型鉆床的驅(qū)動方式 4
2.5 小型鉆床的動力性能比較 4
2.6 小型鉆床動力的計算與選擇 5
3 小型鉆床主軸箱設(shè)計 7
3.1 基本傳動數(shù)據(jù)計算 7
3.2 帶傳動設(shè)計 8
3.3 齒輪傳動設(shè)計 9
3.3.1 第一級齒輪傳動設(shè)計 9
3.3.2 第二級齒輪傳動設(shè)計： 11
3.4 軸的校核 13
3.5 鍵的校核 19
3.6 軸承的校核 20
3.7 傳動系統(tǒng)電機的選用 22
4 鉆頭軸向進給系統(tǒng)的設(shè)計 24
4.1 鉆頭軸向進給絲杠螺母副的計算和選型 24
4.1.1工作臺基本參數(shù) 24
4.1.2計算進給牽引力 24
4.1.3計算最大動載荷C 24
4.1.4滾珠絲杠螺母副的選型 25
4.1.5 傳動效率計算 25
4.1.6剛度檢驗 26
4.1.7穩(wěn)定性校核 28
4.2步進電機的計算和選型 28
4.2.1初選電機型號 28
4.2.2電機校核計算 28
5 X軸、Y軸的設(shè)計 32
5.1工作臺滾珠絲杠螺母副的計算和選型 32
5.1.1工作臺基本參數(shù) 32
5.1.2計算進給牽引力 32
5.2軌道的選擇 33
6 PLC控制程序的編寫 34
6.1 可編程控制器的選取 34
6.2 PC的I/O地址分配 36
6.3 PLC狀態(tài)圖及梯形圖（程序）的設(shè)計 39
結(jié) 論 45
參 考 文 獻 46
致謝 47
1 緒論
1.1 鉆床簡介
目前將機床分為12大類：車床、鉆床、鏜床、磨床、齒輪加工機床、螺紋加工機床、銑床、刨插床、拉床、特種加工機床、鋸床及其他機床。在每一類機床中，又可以按照工藝范圍、步型型式和結(jié)構(gòu)等等，可以分為若干組，每一組又可以分為若干系列。如鉆床又包括：坐標鏜鉆床、深孔鉆床、搖臂鉆床、臺式鉆床、立式鉆床、臥式鉆床、中心孔鉆床及其他鉆床。在上述的基本分類方法的基礎(chǔ)上，還可以根據(jù)機床的其他特征進一步進行分類。同類型機床按照應(yīng)用范圍（通用性程度），可以分為通用機床（或者稱萬能機床）、專門化機床和專用機床三大類。其中通用機床是可以加工多種工件，完成多種多樣工序的加工范圍較廣的機床，如臥式車床、搖臂鉆床等等。
搖臂鉆床主要由立柱，搖臂，主軸箱，和底座等部分組成。主軸箱裝在搖臂上，可沿立柱上下移動，以適應(yīng)加工不同高度工件的要求。此外，搖臂還可以隨外立柱在360°范圍回轉(zhuǎn)，因此主軸很容易調(diào)整到所需要的加工位置。為了使主軸在加工時保持確定的位置，搖臂鉆床還具有內(nèi)立柱，搖臂及主軸箱的夾緊機構(gòu)，當主軸的位置調(diào)整確定后，可以快速將它們夾緊。 搖臂鉆床的其他變形如萬向搖臂鉆床搖臂和主軸箱可以回轉(zhuǎn)或傾斜，使主軸可在空間任意方向都可以進行鉆削，適用于重型機器，機車車輛，船舶和鍋爐等制造業(yè)中加工大型工件。車式搖臂鉆床的底座有車輪，可以在軌道上移動，適用于橋梁和機床等行業(yè)窄長形工件的孔加工。
1.2 鉆床的發(fā)展及趨勢
進入市場經(jīng)濟后，國內(nèi)機床行業(yè)競爭日趨激烈，與中捷搖臂鉆廠生產(chǎn)相同型號產(chǎn)品的企業(yè)有40多家，中捷搖臂鉆廠產(chǎn)品領(lǐng)先優(yōu)勢受到挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對挑戰(zhàn)，中捷搖臂鉆廠在產(chǎn)品賣得正火的時候，提出了進行跨越產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整。第一，用先進技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)品。如普通搖臂鉆床實現(xiàn)了五軸聯(lián)動，價格由幾萬元上升到幾十萬元，達到中國搖臂鉆床最高水平。第二，向國際先進水平靠攏，不斷擴大產(chǎn)品領(lǐng)先優(yōu)勢。ZK系列、橋式和動橋系列產(chǎn)品，十幾項技術(shù)居國內(nèi)領(lǐng)先地位。ZK3050獲得自主知識產(chǎn)權(quán)，并成為國家重點新產(chǎn)品；Z3580A萬向搖臂鉆，在任何空間、任意方向、任意位置上實現(xiàn)鉆削功能，不僅填補了國內(nèi)空白，在國外也不多見。在國際著名的芝加哥機床展覽會上，中捷搖臂鉆廠參展產(chǎn)品被一位美籍華商相中并當場拉走。德國、意大利、西臘、瑞典、伊朗等國家和地區(qū)紛紛提出做中捷牌搖臂鉆的代理經(jīng)銷商。在上海國際機床展覽會上，沈陽機床股份有限公司參展的數(shù)控鉆銑床，同時被國內(nèi)三家企業(yè)看好。搖臂鉆床和大多數(shù)機床一樣，將向數(shù)控自動化、機電一體化和智能化方向發(fā)展。搖臂鉆床未來的發(fā)展趨勢是：應(yīng)用電子計算機技術(shù)，簡化機械結(jié)構(gòu)，提高和擴大自動化工作的功能，使機床適應(yīng)于納入柔性制造系統(tǒng)工作；提高功率主運動和進給運動的速度，相應(yīng)提高結(jié)構(gòu)的動、靜剛度以適應(yīng)采用新型刀具的需要，提高切削效率；提高加工精度并發(fā)展超精密加工機床，以適應(yīng)電子機械、航天等新興工業(yè)的需要。
1.3 本課題解決的問題和設(shè)計時主要的工作
單頭鉆床是機械行業(yè)最通用的設(shè)備，主要用于工件上孔的加工.本課題就設(shè)計了這么一種三軸鉆床，這種鉆床價格相對低廉，體積小、重量輕、操作方便、可靠性高，且可以同時鉆兩孔的工作方式大大提高了工作效率，減輕了工作量，提高了工作效率和加工精度。
本課題的主要工作包括以下幾個方面：
1. 廣泛查閱國內(nèi)外關(guān)于多軸鉆床的研究資料，闡述了課題的研究意義，在綜述了國內(nèi)外研究資料和研究目的之后，給出了本文研究的主要內(nèi)容。
2. 深入研究三軸鉆床的設(shè)計原理，提出多種三軸鉆床的總體設(shè)計方案，進行各功能的求解，通過分析各個方案的優(yōu)缺點，確定了最優(yōu)方案。
3.設(shè)計三軸鉆床的整體結(jié)構(gòu)。
4.對鉆床整體及各個零件進行尺寸設(shè)計并進行校核，合理調(diào)整各零件的相對位置，并繪制鉆床的裝配圖和主要零件的零件圖。
2 三軸鉆床結(jié)構(gòu)設(shè)計的總體方案
2.1課題的技術(shù)要求
定位精度：±0.5mm ；運動速度：>2m/min；功率：50W；
加工孔徑范圍:1.5-10mm；
轉(zhuǎn)速范圍：50-1500rpm；
工作范圍：X:150mm, Y:150mm, Z:100mm；
工作要求：X、Y軸用于被加工孔中心位置的精確定位，Z軸則完成快速接近工件以及加工進給，動力頭完成夾緊鉆頭并使鉆頭按給定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。
2.2鉆床總體結(jié)構(gòu)
可調(diào)式立式三軸鉆床主要由床身、工作臺、鉆頭、主傳動系統(tǒng)、電機等部分組成?？烧{(diào)式立式三軸鉆床的設(shè)計需要完成以下幾個步驟：
1.可調(diào)式雙頭鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計：
通過齒輪間的位置轉(zhuǎn)動實現(xiàn)兩鉆頭間距離的可調(diào)性。
2.傳動系統(tǒng)變速箱的設(shè)計：
雙軸鉆床的主運動為旋轉(zhuǎn)，由主電動機驅(qū)動，動力通過皮帶輪傳遞給主軸箱,主軸箱是雙軸鉆床的主要驅(qū)動裝置。主運動（旋轉(zhuǎn)）及進給運動同時進行。主軸箱驅(qū)動軸的運轉(zhuǎn)由主電機經(jīng)過交換齒輪來驅(qū)動。
3.傳動系統(tǒng)驅(qū)動電機的選型;
通過將加工工件時所需的轉(zhuǎn)矩折算到電機主軸上，通過電機主軸上的轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)速算出功率，然后進行電機的篩選。
4.鉆頭軸向進給系統(tǒng)的設(shè)計：
采用滾珠絲杠軸向進給。
5.工作臺的橫向、縱向的進給系統(tǒng)的設(shè)計：
工作臺橫向、縱向進給：采用滾珠絲杠進給。
2.3 小型鉆床的動力選擇
常用原動機有以下三種運動形式，具體見表2-1：
表2-1 原動機運動形式
運動形式
實例
連續(xù)運動
電動機、液壓馬達、氣壓馬達、柴油機、汽油機
往復運動
直線電動機、汽缸、液壓缸
往復擺動
擺動油缸、擺動汽缸
2.4 小型鉆床的驅(qū)動方式
由一臺原動機通過傳動裝置驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)工作，叫做單機集中驅(qū)動。而多機分別驅(qū)動自然而然是用多臺原動機來驅(qū)動各執(zhí)行機構(gòu)工作。兩種驅(qū)動方式中，單機集中驅(qū)動傳動裝置復雜，操作麻煩，功率大，但價格便宜。而多機分別驅(qū)動傳動裝置簡單，電動機功率小，但成本比較高。
1）必須考慮到工作機對原動機所提出的起動、過載、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性等方面的要求；
2）必須考慮到其經(jīng)濟效益及其成本，這也是非常重要的一項。
3）必須考慮到現(xiàn)場能源的供應(yīng)情況及工作環(huán)境因素；
4）必須考慮原動機的機械特性與工作機的匹配情況；
5）必須考慮到維修是否方便，操作是否簡單，工作是否可靠；
2.5 小型鉆床的動力性能比較
表2-2 原動機性能比較
類別
電動機
氣缸馬達
液壓馬達
柴油機
尺寸
較大
較小
較小
較大
功率及取范圍
功率大；0.3~1000KW，范圍廣
功率比電動機大；一般在2.2KW以下，尤其適用于0.75KW以下的高速傳動
功率最大；受實際油壓和馬達尺寸的限制
功率大；5~38000KW
重量
大
比電動機大
最大
大
輸出剛度
硬
軟
較硬
較硬
運行溫度控制
溫度應(yīng)低于許應(yīng)值
排氣時空氣膨脹，噪聲較大，排氣處應(yīng)安裝消聲器
對油箱進行風冷或水冷
調(diào)整方法和性能
直流電動機用改變電樞電阻、電壓或改變磁通的方法；交流電動機用變頻、變極或變轉(zhuǎn)差率的方法
用氣閥控制，簡單，迅速，但不夠精確
通過閥或泵控制改變流量，調(diào)速范圍大
較難
噪聲
小
較大
較大
較大
維護要求
較少
少
較多
較多
初始成本
低
較高
高
高
運轉(zhuǎn)費用
最低
最高
高
高
應(yīng)用
很廣，需要動力電源
小功率高速場合
較廣
很廣，如各種車輛，船舶、農(nóng)用機械、工程機械和壓縮機等等
2.6 小型鉆床動力的計算與選擇
鉆床切削力的計算包括鉆床主軸轉(zhuǎn)矩計算和主軸軸向切削力的計算。由于加工材料為Q235鋼，其屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，鉆頭為高速鋼麻花鉆，加工方式為鉆孔，所以查《機床夾具設(shè)計手冊》得：
鉆床轉(zhuǎn)矩計算公式如下：
式中，—— 切削力矩（N·M）
—— 鉆頭直徑（mm）
—— 每轉(zhuǎn)進給量（mm）
—— 修正系數(shù)
軸向切削力的計算公式如下：
式中，—— 軸向切削力（N）
—— 鉆頭直徑（mm）
—— 每轉(zhuǎn)進給量(mm)
—— 修正系數(shù)
已知被加工材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼，結(jié)構(gòu)鋼和鑄鋼取=736MPa，D=10mm，=0.2mm，所以可分別計算出切削轉(zhuǎn)矩和軸向切削為：
=13.5 N·M
=2595 N
由金屬切削原理可知，主軸切削功率的計算公式為：
式中：—— 軸向切削力（N）
—— 每轉(zhuǎn)進給量(mm)
n——主軸固定轉(zhuǎn)速（r/min）
—— 切削力矩（N·M）
將以上數(shù)值代入公式中可計算出功率=0.35KW
考慮到小型鉆床的現(xiàn)場工作環(huán)境及工作需求，小型鉆床的起動力矩和調(diào)速范圍等要求，我選擇電動機作為其原動機。由于生產(chǎn)機械裝置及工作機所處的工作環(huán)境各不相同，電動機的 工作環(huán)境也自然而然就各不一樣。在絕大多數(shù)情況下，電動機工作的周圍大氣中有不同分量的灰塵和水分，有的處于潮濕之處甚至水下工作，有的周圍含有腐蝕性氣體甚至爆炸物，為了保證電動機能在不同的工作環(huán)境中順利地安全運行，電動機的外殼也就有多種型式，其型式有：開啟式、防護式、封閉式、防爆式。由于小型鉆床工作常處于灰塵較多的場合，其外殼選用封閉式，電動機型號為Y系列，Y801-6，額定功率2.2kW，滿載轉(zhuǎn)速960r/min，額定轉(zhuǎn)矩2.2N·m，質(zhì)量17Kg。
3 小型鉆床主軸箱設(shè)計
主軸箱傳動設(shè)計，是根據(jù)動力箱驅(qū)動軸位置和動力轉(zhuǎn)速、各主軸位置及其轉(zhuǎn)速要求，設(shè)計傳動鏈，把驅(qū)動軸與各主軸連接，使各主軸獲得預(yù)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。主軸箱傳動系統(tǒng)要求設(shè)計：
1)、在保證主軸的強度、剛度、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的條件下，力求使傳動軸和齒輪的規(guī)格、數(shù)量為最少。
2)、不用主軸帶動主軸的方案，以免增加主軸負荷，影響加工質(zhì)量。
3)、為了結(jié)構(gòu)緊湊，主軸箱內(nèi)齒輪副的傳動比不大于1/2,后蓋內(nèi)齒輪傳動比取在1/3～1/3.5，不用升速傳動。
4)、由于是粗鉆孔，主軸設(shè)置在第Ⅰ排位置，以減少主軸的扭轉(zhuǎn)變形。
5）、剛性鉆孔主軸上的齒輪，其分度圓直徑大于被加工孔的孔徑，以減少振動，提高運動平穩(wěn)性。
6)、驅(qū)動軸帶動的轉(zhuǎn)動軸不能超過兩根，以免給裝配帶來困難。
7）、主軸的分布被加工零件上加工孔的位置決定主軸的分布情況。孔的位置分布大致可歸納為：同心圓分布、支線分布和任意分布三種類型。
3.1 基本傳動數(shù)據(jù)計算
計算機構(gòu)各軸的運動及動力參數(shù)
a) 各軸的轉(zhuǎn)速ⅠⅡⅢ
Ⅰ 軸
Ⅱ 軸
Ⅲ 軸
b) 各軸的輸入功率
Ⅰ 軸
Ⅱ 軸
Ⅲ 軸
c) 各軸的輸入轉(zhuǎn)矩
電動機輸出轉(zhuǎn)矩
Ⅰ 軸
Ⅱ 軸
Ⅲ 軸
3.2 帶傳動設(shè)計
3.2.1 選擇皮帶
由設(shè)計可知：V帶傳動的功率為2.2kw，小帶輪的轉(zhuǎn)速為960r/min，大帶輪的轉(zhuǎn)速為480r/min。
查《機械設(shè)計手冊》可知 工況系數(shù)取 KA=1.5 ，Pc=1.5×2.2=3.3kw。根據(jù)以上數(shù)值及小帶輪的轉(zhuǎn)速查相應(yīng)的圖表選取A型V帶。
3.2.2 帶輪基準直徑：
查閱《機械設(shè)計手冊》選取小帶輪基準直徑為d1=100mm，則大帶輪基準直徑為d2=2×100=200mm
3.2.3 帶速的確定：
3.2.4 中心矩、帶長及包角的確定
由式0.7(d1+d2)
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