鉆床的自動化改造及進給系統(tǒng)設計和實現(xiàn) 機械制造自動化專業(yè)

1、目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc170980864 摘 要1 HYPERLINK l _Toc170980865 Abstract2 HYPERLINK l _Toc170980866 1 緒 論5 HYPERLINK l _Toc170980867 1.1問題分析及其對策5 HYPERLINK l _Toc170980876 1.1.1 現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展狀況5 HYPERLINK l _Toc170980876 1.1.2 問題的提出5 HYPERLINK l _Toc170980876 1.1.3 問題的分析以及解決方案6 HYPERLINK l _

2、Toc170980868 1.2本文研究的內(nèi)容及目標7 HYPERLINK l _Toc170980869 1.3本章小結7 HYPERLINK l _Toc170980872 2 自動鉆床的總體方案設計8 HYPERLINK l _Toc170980873 2.1 自動專用鉆床已知條件和設計要求的概述8 HYPERLINK l _Toc170980874 2.2自動鉆床的工藝路線分析與確定8 HYPERLINK l _Toc170980875 2.3 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計9 HYPERLINK l _Toc170980876 2.3.1 執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設計9 HYPERLINK l _To

3、c170980877 2.3.2 執(zhí)行系統(tǒng)的運動規(guī)律10 HYPERLINK l _Toc170980878 2.3.3 執(zhí)行機構的形式設計10 HYPERLINK l _Toc170980879 2.3.4 執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調設計10 HYPERLINK l _Toc170980880 2.3.5 執(zhí)行系統(tǒng)方案評價與決策11 HYPERLINK l _Toc170980875 2.4 傳動系統(tǒng)方案設計和原動機選擇11 HYPERLINK l _Toc170980876 2.4.1 原動機選擇11 HYPERLINK l _Toc170980877 2.4.2 傳動系統(tǒng)方案設計11 HYPERLI

4、NK l _Toc170980875 2.5 控制方案設計12 HYPERLINK l _Toc170980875 2.6 總體布局設計13 HYPERLINK l _Toc170980875 2.7 輔助系統(tǒng)的設計13 HYPERLINK l _Toc170980875 2.8 本章小結13 HYPERLINK l _Toc170980881 3 專用鉆床進給系統(tǒng)的設計14 HYPERLINK l _Toc170980882 3.1 進給系統(tǒng)概述與分析14 HYPERLINK l _Toc170980883 3.2 進給系統(tǒng)方案圖的確定14 HYPERLINK l _Toc170980887

5、 3.3 工況分析15 HYPERLINK l _Toc170980887 3.4 切削力的計算16 HYPERLINK l _Toc170980876 3.4.1 切削刀具及相關參數(shù)的選擇16 HYPERLINK l _Toc170980876 3.4.2 主軸轉速及鉆孔時間的計算16 HYPERLINK l _Toc170980876 3.4.3 切削力的計算17 HYPERLINK l _Toc170980887 3.5 鉆床主軸設計17 HYPERLINK l _Toc170980876 3.5.1 主軸材料的選擇17 HYPERLINK l _Toc170980876 3.5.2 軸

6、徑的計算18 HYPERLINK l _Toc170980876 3.5.3 軸的結構設計18 HYPERLINK l _Toc170980876 3.5.4 軸強度的校核18 HYPERLINK l _Toc170980887 3.6 進給液壓系統(tǒng)設計20 HYPERLINK l _Toc170980876 3.6.1 負載分析20 HYPERLINK l _Toc170980876 3.6.2 液壓缸執(zhí)行元件主要參數(shù)的確定22 HYPERLINK l _Toc170980876 3.6.3 活塞桿及活塞材料的選擇29 HYPERLINK l _Toc170980876 3.6.4 活塞桿與

7、活塞的連接方式及活塞密封裝置的選擇29 HYPERLINK l _Toc170980876 3.6.5 液壓缸蓋與液壓缸連接方式及密封方式的選擇30 HYPERLINK l _Toc170980887 3.7本章小結30 HYPERLINK l _Toc170980888 4 專用鉆床主軸傳動系統(tǒng)的設計31 HYPERLINK l _Toc170980889 4.1 主軸傳動系統(tǒng)的分析31 HYPERLINK l _Toc170980890 4.2 主軸花鍵的設計31 HYPERLINK l _Toc170980891 4.3 主軸電機選擇31 HYPERLINK l _Toc17098089

8、2 4.4 V帶傳動設計32 HYPERLINK l _Toc170980876 4.4.1設計功率的計算32 HYPERLINK l _Toc170980876 4.4.2選擇帶型32 HYPERLINK l _Toc170980876 4.4.3選取帶輪基準直徑和32 HYPERLINK l _Toc170980876 4.4.4驗算帶速32 HYPERLINK l _Toc170980876 4.4.5確定中心距和帶的基準長度33 HYPERLINK l _Toc170980876 4.4.6驗算小帶輪包角33 HYPERLINK l _Toc170980893 4.5本章小結33 HY

9、PERLINK l _Toc170980916 5 自動鉆床控制系統(tǒng)設計 PAGEREF _Toc170980916 h 34 HYPERLINK l _Toc170980889 5.1 自動鉆床的自動化控制要求34 HYPERLINK l _Toc170980890 5.2 可編程控制器PLC的簡述34 HYPERLINK l _Toc170980891 5.3 自動鉆床進給系統(tǒng)控制流程35 HYPERLINK l _Toc170980891 5.4 自動鉆床進給系統(tǒng)電氣原理圖36 HYPERLINK l _Toc170980892 5.5 自動鉆床進給系統(tǒng)控制元件的選擇37 HYPERLI

10、NK l _Toc170980876 5.5.1可編程控制器PLC的選擇37 HYPERLINK l _Toc170980876 5.5.2刀開關的選擇37 HYPERLINK l _Toc170980876 5.5.3熔斷器的選擇38 HYPERLINK l _Toc170980876 5.5.4交流接觸器的選擇38 HYPERLINK l _Toc170980876 5.5.5行程開關與接近開關的選擇38 HYPERLINK l _Toc170980876 5.5.6繼電器的選擇39 HYPERLINK l _Toc170980876 5.5.7控制元件選擇明細表39 HYPERLINK

11、l _Toc170980892 5.6 控制系統(tǒng)程序的編寫39 HYPERLINK l _Toc170980876 5.6.1輸入與輸出的分配39 HYPERLINK l _Toc170980876 5.6.2PLC程序清單40 HYPERLINK l _Toc170980892 5.7 本章小結40 HYPERLINK l _Toc170980917 6 設計總結41 HYPERLINK l _Toc170980920 參 考 文 獻 PAGEREF _Toc170980920 h 42 HYPERLINK l _Toc170980923 致 謝 PAGEREF _Toc170980923

12、h 43摘 要本文主要介紹了臺式鉆床的改造和設計，通過導入液壓進給系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)將臺式鉆床改造為自動鉆床，并可通過PLC實現(xiàn)自動控制。設計過程按照機床的一般設計步驟先進行總體方案的確定，然后再分別對進給系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行具體設計。設計的目標在于通過導入液壓進給系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，改造后的鉆床能實現(xiàn)自動化連續(xù)生產(chǎn)、改善產(chǎn)品的加工質量、提高勞動生產(chǎn)效率；降低工作人員勞動強度和工作量；鉆床系統(tǒng)能夠工作平穩(wěn)，滿足工作要求；經(jīng)濟因素合理。本文設計的重點在于進給系統(tǒng)液壓缸的設計和PLC控制系統(tǒng)的設計。進給液壓缸系統(tǒng)的設計主要包括液壓缸結構設計和控制油路的設計；PLC控制系統(tǒng)設計主要是根據(jù)

13、工作要求和控制需要，選擇電氣元件和編寫控制程序來實現(xiàn)對自動鉆床的控制。改造后的鉆床，能實現(xiàn)自動化控制，是典型的機電一體化產(chǎn)品。關鍵詞 自動鉆床；液壓進給系統(tǒng)；PLCABSTRACTThis thesis mainly illustrates the improving and design of Bench-type drilling machine. We change the Bench-type drilling machine to automatic drilling machine by transmitting into hydraulic system and PLC cont

14、rol system, the automatic drilling machine can be controlled by PLC.We ascertain the entire scheme by the general machine design steps in the design process, and then separately design the feed system、drives system and control system.The purpose of this design as below: By transmitting into hydrauli

15、c system and PLC control system, the automatic drilling machine can automatically produce continuously、ameliorate the quality of the production、improve the production efficiency;reduce the labor intensity and the workload of worker; the system of the automatic drilling machine can work reposefully a

16、nd satisfy the require; the spent of design is economic.The important parts of the thesis are the design of hydraulic feeds system and PLC control system. The design of feed hydraulic system includes the designs of hydraulic tanks structure and control; the design of PLC control system is choosing t

17、he electrical components and programming control program to controlling the automatic drilling machine according to the requirements of work and control.The Bench-type drilling machine improved can be controlled automatically. It is a typical machine of Mechatronics.Key works automatic drilling mach

18、ine； hydraulic feeds system； PLC1 緒論1.1 問題分析及其對策1.1.1 現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展狀況金屬切削加工是指利用刀具切除被加工零件多余材料的方法，是機械制造行業(yè)中最基本的加工方法，金屬切削加工過程是由金屬切削機床來實現(xiàn)的。金屬切削機床是用切削的方法將金屬毛坯加工成機器零件的機器。在現(xiàn)代機械制造行業(yè)中，隨著加工零件方式多樣化及工藝合理化的發(fā)展的要求，加工零件的方法也呈現(xiàn)出多樣化，如：除切削加工外，還有鑄造、鍛造、焊接、沖壓、擠壓和輥軋等，在這其中機床切削加工的工作量約占總制造工作量的40%60%(其中鉆床占11.2%),所以在目前的機械制造行業(yè)中金屬切削機床是

19、主要的加工設備。而機床的技術性能又直接影響機械制造行業(yè)的產(chǎn)品質量和勞動生產(chǎn)率，所以為了提高國家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學技術水平，必須對機床的發(fā)展作出新的要求。隨著機械工業(yè)的擴大和科學技術的進步，尤其是計算機的出現(xiàn)和數(shù)控技術的發(fā)展，我國的機械制造行業(yè)正朝著自動化、精密化、高效率和多樣化的方向發(fā)展。我國機床工業(yè)自1949年建立以來，雖然在短短的時間內(nèi)取得了很大的成就，但與世界先進水平相比還有較大的差矩。就現(xiàn)狀看，主要表現(xiàn)在：我國機床工業(yè)起步晚、技術不成熟；大部分高精度和超精度機床的性能還不能滿足要求，精度保持度也差，特別是高效自動化和數(shù)控機床的產(chǎn)量、技術水平和質量等方面都明顯落后。據(jù)有關部門統(tǒng)計我國數(shù)

20、控機床的產(chǎn)量僅是全部機床產(chǎn)量的1.5%，產(chǎn)值數(shù)控化僅為8.7%（至1990年底）；我國數(shù)控機床基本上是中等規(guī)格的車床、銑床和加工中心等，而精密、大型、重型或小型數(shù)控機床還遠遠不能滿足要求；另外我國機床在技術水平和性能方面的差矩也很明顯，機床理論和應用技術的研究也明顯落后。所以我們要不斷學習和引進國外先進科學技術，大力發(fā)展研究，推動我國機床工業(yè)的發(fā)展。1.1.2 問題的提出由以上現(xiàn)狀分析我們可以看出，在機床加工中鉆床的加工工作量在總制造工作量中占有很大的比重。鉆床為孔加工機床，按其結構形式不同可以分為搖臂鉆床、立式鉆床、臥式鉆床、深孔鉆床、多軸鉆床等。主要用來進行鉆孔、擴孔、絞孔、攻絲等。長期以

21、來我國的機械機械制造工業(yè)中孔類加工多數(shù)由傳統(tǒng)鉆床來完成，但是傳統(tǒng)的鉆床在大批量生產(chǎn)時存在許多的不足之處：（1）自動化程度不高.，難以進行大批量的生產(chǎn)；（2）工作效率低，且工人的工作環(huán)境惡劣；（3）占用人力較多，操作固定不變易出錯；（4）精度不高，工件裝夾費時；（5）加工產(chǎn)品質量不高；針對以上傳統(tǒng)鉆床的不足之處及生產(chǎn)中存在的問題，我們有必要對傳統(tǒng)鉆床進行結構改進。通過對傳統(tǒng)鉆床手動的進給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)及人工送料系統(tǒng)的改進和設計，從而提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率，實現(xiàn)自動化，降低勞動強度及工作量。1.1.3 問題的分析以及解決方案當前傳統(tǒng)鉆床問題的存在主要在于自動化程度、生產(chǎn)效率、工作環(huán)境及產(chǎn)品質量。在

22、生產(chǎn)過程中，手動的操作、繁鎖的裝夾、大量生產(chǎn)力的投入和單一的生產(chǎn)流程導致了鉆床加工的自動化程度低、生產(chǎn)效率低、工作環(huán)境惡劣和產(chǎn)品質量不高，因此，我們要解決的問題在于如何實現(xiàn)鉆床加工的自動化、減少生產(chǎn)力的投入生產(chǎn)和與其它工藝流程相結合，同時也要考慮經(jīng)濟問題。經(jīng)過分析，我們可以從機構設計和控制系統(tǒng)兩方面去考慮。通過對鉆床機構的改造來實現(xiàn)自動化控制的要求，提高產(chǎn)品的加工精度及質量；通過導入先進的控制系統(tǒng)來進行自動操控，從而實現(xiàn)自動化，便于導入到其它生產(chǎn)流程中去。為了解決問題和便于設計改造，我們將鉆床分為傳動系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)、送料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)五個部分，下面分別對各部分的問題提出解決方案：（1

23、）傳動系統(tǒng) 為滿足改進后的加工及工作要求，在作出相應的計算后對傳動系統(tǒng)進行改進和調整。（2）進給系統(tǒng) 傳統(tǒng)的鉆床主軸進給系統(tǒng)主要由主軸、主軸套筒、主軸套筒鑲套、齒輪齒條和軸承等組成。主軸在加工時即要作旋轉運動，也要作軸向的進給運動。機床主軸被裝置在主軸套筒內(nèi)，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內(nèi)，主軸上側由花鍵連接。機床加工時，旋轉運動由花鍵傳入，而進給運動則由齒輪通過齒條帶動套筒在鑲套內(nèi)運動。為了實現(xiàn)自動化控制的要求，主軸進給機構改進主要有：主軸旋轉運動依然由電動機傳入，而進給則由液壓傳動替代手動的齒條傳動，通過液壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn)進給動作。（3）夾緊系統(tǒng) 傳統(tǒng)鉆床的夾緊主要是手工操作，由夾具夾緊工件

24、。為了便于實現(xiàn)自動化控制，工件夾緊由夾具完成，動力源由夾緊液壓缸導入，通過液壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn)夾緊動作的自動化。（4）送料系統(tǒng) 在生產(chǎn)過程中，鉆床的送料主要由人工輸入，這使得投入了大量的生產(chǎn)力，消耗了大量的工時，使的生產(chǎn)率不高，為此我們通過導入自動送料系統(tǒng)來減少生產(chǎn)力的投入和工時的消耗。自動送料系統(tǒng)機構傳動要根據(jù)生產(chǎn)的需求作出相應的設計需求，動力源可由電機或液壓系統(tǒng)傳入，二者均可實現(xiàn)自動化控制。（5）控制系統(tǒng) 當前機床控制系統(tǒng)主要由計算機數(shù)控、繼電器電氣控制和PLC控制等，由于繼電器電氣控制系統(tǒng)，其聯(lián)動關系復雜，維修困難，故障率高，經(jīng)常影響正常生產(chǎn)，計算機數(shù)控造價高、系統(tǒng)復雜，而PLC控制系統(tǒng)可

25、靠性好、造價低、抗干擾能力強、柔性好、編程簡單、使用方便、擴充靈活、功能完善，所以我們利用PLC控制技術來實現(xiàn)對進給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)和送料系統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)的控制。1.2 本文研究的內(nèi)容及目標 本文主要是通過應用機床設計的一般方法對傳統(tǒng)鉆床的機構和控制系統(tǒng)進行設計及改進。研究的主要內(nèi)容是普通臺式鉆床傳動系統(tǒng)的改進、進給系統(tǒng)的設計、進給系統(tǒng)液壓缸的設計和PLC控制系統(tǒng)的設計等四個方面。其中重點在于進給系統(tǒng)、進給系統(tǒng)液壓缸和PLC控制系統(tǒng)的設計。進給系統(tǒng)設計主要是解決主軸高速旋轉與軸向進給兩個自由度的實現(xiàn)；進給系統(tǒng)液壓缸設計包括液壓缸的設計、液壓缸與主軸的配合和液壓缸油路控制； PLC控制系統(tǒng)的設計

26、主要是通過應用PLC控制程序來實現(xiàn)對液壓油路的動作控制及鉆床加工過程的動作控制。我們通過對傳統(tǒng)臺式鉆床的改進及設計，要達到的目標在于通過改進鉆床能夠實現(xiàn)工作自動化，最終能滿足以下要求：（1）能實現(xiàn)自動化連續(xù)生產(chǎn)，改善產(chǎn)品加工質量，提高生產(chǎn)效率；（2）降低工作人員勞動強度和工作量；（3）鉆床系統(tǒng)工作平穩(wěn)，滿足工作要求；（4）經(jīng)濟因素合理；1.3 本章小結本章節(jié)主要對現(xiàn)代機械制造業(yè)作了簡單的總概括，并對機床切削加工作出分析。提出當前金屬切削加工中存在的一些問題，以及針對鉆床加工現(xiàn)存的缺點作出剖析，提出對傳統(tǒng)鉆床改造的必要性和可行性，并對改造的任務和目標作出簡述。通過對改造任務和目標簡述，為設計方案的確定了設計對象。2 自動鉆床的總體方案設計總體方案設計的構思和方案擬定關系到產(chǎn)品的功能是否齊全、性能是否優(yōu)良、經(jīng)濟效益是否顯著，因此，我們要確定良好的總體方案設計思想，保證產(chǎn)品的功能、經(jīng)濟效益和實用性能?？傮w方案設計的內(nèi)容主要包括以下幾個方面：執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計 ；原動機類型的選擇和傳動系統(tǒng)的方案設計；控制系統(tǒng)的方案設計；總體布局設計；輔助系統(tǒng)的設計；為了完成普通臺式鉆床的改造及進給系統(tǒng)的設計，我們依循機床設計的一般步驟確定自動鉆床的總體方案設計。2.1 自動專用鉆床已知條件和設計要求的概述本文對普通臺式鉆床的自動