立式多轴钻钻床设计-多轴钻孔自动升降机工件架机械设计及钻模头说明书

摘要机械现代化加工行业里面，专业化的机床现在需求是非常大的。普通的钻床在进行工作的时候产生的强度是很大的，而且专业性也不高，生产效率也是比较低的，加工出来的产品精确度没有保证；但是多轴专用的钻床就不一样了，在进行操作的时候没有那么复杂，而且很简单就可以上手了，一般情况下设备不会有故障出现，工人操作起来比较轻松，工作时候安全性能也是比较高的，这样一来整个设备的生产效率就大大的提高了。基于上述原因本文将对立式多轴钻工件架及钻模头进行设计。在查阅国内外相关资料的基础上，了解和掌握多轴钻床的工作原理、工作特性、研究现状及发展趋势等内容，对本次设计的总体方案进行选择、分析论证与确定，对总体方案中涉及到的多轴钻工件架及钻模头进行详细的设计、计算与校核。在完成了主要的设计和计算后，通过proe三维绘图零件对本次设计的产品进行实体造型，用AutoCad二维绘图零件对产品总装配图及主要零部件图进行绘制。之后，将论文的写出来。通过上面的设计、分析和计算，圆满的完成了本次毕业设计的所有任务，在巩固大学所学知识的同时，还为自己步入社会夯实基础。关键词：立式多轴钻、工件架、钻模头、设计、proe、AutoCadABSTRACTModern processing machinery inside the industry, specialized machine tool demand is now very large. Strength during normal drilling work when generated is great, professional and not high, production efficiency is relatively low, the processing of products precision is not guaranteed; but dedicated multi-axis drilling machine is not the same, when performing the operation is not so complicated, and very simple to get started, under normal circumstances the device will not have a failure, the workers operate more easily, when the work safety performance is relatively high, so that the productivity of the entire apparatus greatly improved.For these reasons this article will be multi-axis vertical drilling and drilling of the workpiece holder die design. Now at home and abroad on the basis of relevant information, to understand and master multi-axis drilling works, operating characteristics, current situation and development trend of the contents of this overall program design selection, analysis and appraisal and determination of the overall program It relates to multi-axis drilling jig head and a workpiece holder for detailed design, calculation and checking.After the completion of the main design and calculation, by proe three-dimensional mapping parts of the design of the product solid modeling, dimensional drawing with AutoCad part of the product general assembly drawings and parts diagrams major draw. Thereafter, write papers. Through the above design, analysis and calculation, the successful completion of all the tasks of the graduation project, in the consolidation of the university is knowledge, but also lay a solid foundation for themselves into the community.Keywords: Multi-axis vertical drilling, the workpiece holder, the jig head, design, proe, AutoCad - 8 -目 录摘要IABSTRACTII第一章 绪论31.1 本课题研究的背景31.2 本课题设计的目的及意义31.3 多轴钻床的简介41.4 多轴钻床的应用51.5 多轴钻床的研究现状61.6 本课题研究的主要内容及技术路线71.6.1 本课题研究的主要内容71.6.2 本课题研究的技术路线7第二章 多轴钻总体方案的设计与确定82.1 技术参数与设计要求的确定82.1.1 设计参数的确定82.1.2 设计要求的确定82.2 多轴钻总体方案的设计82.3 主要组成结构的设计与确定102.3.1 工件架机械设计102.3.2 钻模头设计122.4 动力所允许的工况条件12第三章 工件架的设计与计算163.1 传动系统的设计与计算163.1.1 气缸的设计与计算163.1.2 U型架的设计与计算203.1.3 传动臂的设计与计算213.1.4 传动轴的设计与计算223.1.5 四杆的设计与计算233.2 夹紧系统的设计与计算243.2.1 钻模板的设计与计算243.2.2 凸轮的设计与计算243.2.3 螺栓螺母的选择与计算27第四章 钻模头的设计与计算294.1 定位套的设计与计算294.2 内部芯轴的设计与计算294.3 轴承的选择与计算31第五章 控制系统的设计与确定335.1 控制流程的设计与确定335.2 电气原理图的设计与确定355.3 控制元件的选择与确定35结论37致谢38参考文献39第一章 绪论1.1 本课题研究的背景用机床来生产产品的时候，钻床工作的这个量是最多的。钻床在整个设备上来说其实就是对孔进行的相关加工，有钻孔，扩孔，铰孔，攻丝等。原来的时候，我们国家在进行机械加工的时候，对孔进行加工一般都是通过原始的钻床来进行的。不过，原来对孔进行加工的这种钻床在进行加工的时候有很多不好的地方：1、机器自身不是自动化的，如果生产的数量很多的话就没有办法进行了；2、工人进行操作的时候消耗的体能很大，工作效率不高，而且所在的工作环境非常不好；3、占用的人工非常多，在进行操作的时候随时会有情况出现4、生产出来的产品精确度很低，将工件装夹到钻床上的时候非常耽误时间耗费力气；5、生产出来的产品质量达不到要求；上面我们列出来几点钻床加工不好的地方，所以这种旧式的机床已经越来越不能满足现代化生产的需要了，我们有必要对这种机床进行改造了，这样才能将生产效率提高，产品质量提高，要能够进行自动化的生产，减轻工人的工作负担。1.2 本课题设计的目的及意义通常来说，一般的只有一个轴的摇臂钻床，它的主轴上面只有一个钻头，这样只能对一个孔进行加工。但是，如果说需要加工的产品数量很多的话，还是用这种方法来进行的话，不仅工作效率非常差，而且工人的工作强度是很大的。所以，为了改善这种情况，我们可以在这个钻床的主轴上面再多安装一个多轴头架，这样一来同时加工的零件就多。这种结构的钻床在进行生产的时候效率是很高的，而且加工的产品数量也比原来多了很多，并且产品的质量还能达到要求。这种钻床的结构是比较简单的，使用的范围还比较大。我们这篇论文主要针对的是多轴钻床进行的研究，这种钻床主要加工的是多孔零件，它的组成部分有底座、立体床身、钻模头以及液压装置等。专用的机床跟一般机床最大的不一样就是，专用机床是专门为特定的工序来进行工作的。所以说，这种多轴的钻床实际上也时一种工艺加工机器。因为这个机床是专门为某一道工序服务的，所以机床具体的性能都跟产品的工艺有很大的关系。只有工艺合理合情的制定出来了，机床才能被合理合情的设计出来。1.3 多轴钻床的简介多轴钻床，在日常生活里面我们又叫他是多轴器、多孔钻或多轴钻孔器。这种机床专门是对孔来进行加工的。这种机床最开始被研制出来是在日本，后来台湾人也开始有，最后这项技术从台湾引进到我们内陆地区。距今已有二十年的历史。因为引进到内陆的时间没有多长，现在很多企业还没有看到这种机床。简单来说，它的结构是比较简单的，它所处的位置就是在钻床或者是攻床上的刀头子，而且轴有两个以上，对孔进行加工的时候是同一时间的。普通的一个多轴钻床，加工一次开始加工出来的零部件数量大概有二十个左右，假如说，再在这个机床上加一个气压或者是液压的装置，这样，这个机床还可以自己调整进度。 图1.1 多轴钻床立式钻床不同种类：要进行生产之前，一定要把钻床上零部件的位置调整好，要让这个需要加工的孔的中心线跟这个刀具的轴线是对准的。进行加工的时候，零部件的位置是不会有变化的，主轴在这个套筒里面进行转动而且跟这个套筒一起顺着轴的方向进行运动。工作的这个台面和主轴箱可以顺着立柱导轨对位置进行调整，满足工件的要求。立式钻床的种类很多，有方柱型的，还有圆柱形的，还有排式的还有多轴坐标式的，还有转塔式的等等。下面具体来介绍一下。（1）排式钻床这种钻床通常立柱有两个到六个，这些立柱跟主轴箱一起都在同一个底座的上面，将需要加工的产品安装在每一个主轴的上面，这样一来换刀具的时间就大大的缩短了，加工的数量是中小型的。（2）多轴立式钻床这种钻床上面轴是可以进行调整的，加工产品的要求不一样，那么对轴进行调整，所有的主轴转动的动力来源都是主轴箱，可以多很多个孔同一时间进行加工，生产数量比较多。（3）坐标立式钻床在方柱立钻的上面可以再加上一个十字形状的工作台，在对产品进行加工的时候可以根据坐标来进行。（4）转塔立式钻床这种钻床在进行控制的时候，一般都是用程序或者是数字，可以让这个刀头自己调整位置，主轴自己也可以进行速度的调整，产品也可以根据需要改变位置，这样就可以很多刀工序按照顺序进行生产。1.4 多轴钻床的应用按照有关部门的统计，通常来说一般的机床在对产品进行切削的时候所耗费的时间只有整个加工产品时间的百分之十五，别的时间都是用来做一些准备工作或者是在生产中操作工作，还有后期的收尾工作。这样看来，用数控机床进行加工，索然说效率提高了百分之八十五，但是前期投入的费用是很大的。在有的时候，虽然说在加工的时候效率高了，不过因为零部件是一样的，成本反而降不下来。所以，我们要尽可能的将生产时间剪短。加工的方法不一样，那么它的特征也就是不一样的，针对钻削加工这个来说，多轴加工耗费的成本没有多高，但是生产效率确实可以提高的。多轴钻床现在多半都是用在机械加工领域，对孔进行加工，对丝进行加工。举个例子，在车上面很多多孔的元件就要通过它来进行加工。多轴钻床的类型有两种，一种是可以调整，一种是不能调整。可以调节的这个钻床，在对产品进行加工的时候，它主轴是多少个，还有每个主轴之间的距离是多少这些都可以进行调整。在进行产品加工的时候，进度也可以进行调整。这种钻床加工出来的产品精确度是很高的，工作效率也是大大提高了，不仅降低成本，工人的强度也降低了。1.5 多轴钻床的研究现状当今社会，机械这个行业的发展是非常迅猛的，机械生产的相关技术也比原来先进了很多，多轴机床可以使用的地方也是很多的，举个例子：汽车、铝铸件壳体、制动鼓、刹车盘等等，不一样的多轴钻床，它的特征也是不一样的，接下来就具体来说一下。对多轴钻床进行分类：可调式和固定式。一 可调式：这种类型的钻床组成部分是齿轮箱还有万向节头，因为这个万向节头是可以进行活动的一个零部件，所以在一定的范围里面进行左右移动。在对需要加工的孔的距离进行调整的时候，不能因为齿轮有一定的影响，可以多很多结构的孔进行加工，这样一来适用的范围是很大的，但是不好的地方就是产品的精确度得不到保证，一旦使用的时间长了以后，跑位率是高的。可以对数量不是很多的产品进行加工。二 固定式：这种钻床主要针对的是一件产品加工的，按照零件之间的距离，布局，还有轴，也就是一个轴上一个产品。这种钻床使用的时间是比较长的，而且在换零部件的时候也是比较方便的，所以加工的产品精确度是很高的。根据需要加工产品的硬度可以将钻床分成中切削型、重切削型和强力超重切削型三种。中切削主要使用来加工零部件的硬度是在150以下的。重切削是用来加工硬度在265以下的零部件，加工的零件大于十个或者是加工的孔在七个以上的。超强的是用来加工零部件硬度在265到330之间的材质的。接下来具体述说以下多轴机床的特征。1、现在我们国家的多轴机床大多数都是在原来的钻床上加一个多轴器，之后因为皮带轮产生传动，人工在往皮带上加润滑剂，设备就开始进行工作了。但是这种设备的缺点就是刚性远远达不到要求，再加上进行加工的时候涉及的面没有多大，加工的范围也没有多大，可以进行加工的距离也没有多远，加工出来产品精确度达不到要求。在操作这个机器的时候，是需要人工进行的，生产效率不高。比较好的是价格方面是比较便宜的。适合对小一点的孔进行加工，加工的零件质量的要求不能太高。2、日本产的多轴钻床，它的导轨是矩形的，齿轮带轮皮带，润滑剂添加的时候也是人工，钻床的速度调节是通过液压来进行的。日本的多轴钻床精确度是很高的，在进行操作的时候对于操作工的要求很低，这个钻床在工作的时候效率是很高的，针对产品质量要求高的可以用这种钻床。但是机器的价格是比较好的。3、新型多轴钻床 引入日本最前沿的多轴钻床技术，结合中国国内的厂家的实际需求，创新研制出多轴钻床。采用矩形导轨，齿轮传动皮带换速，液压自动润滑，液压无极调速，配备了先进的液压装置，可自动进行快进、工进(工退)、快退、停止。钻孔个数可随工件要求在1-20个孔的范围内任意调整。而且售价相比日产多轴钻床性价比要高很多。1.6 本课题研究的主要内容及技术路线1.6.1 本课题研究的主要内容我们这篇论文在设计多轴钻床的结构，还有多轴钻床的系统，主要是建立在应用机床上来进行的。此外，立式多轴钻的钻模头设计以及温度传感器的应用和PLC控制是设计内容的另一重要组成部分。设计的多轴钻床要能够达到下面几点：（1）在生产的时候不间断，而且是自动化的，产品的质量提高，生产效率提高；（2）减轻工人的劳动力度；（3）设备在进行工作的时候一定要温度，能够满足加工产品的需要；（4）经济因素合理；1.6.2 本课题研究的技术路线1、在设计以前，我们要对多轴钻孔机床的结构还有工作原理熟悉一下，这样方便我们对于多轴钻孔机床主要零部件进行相关设计；2、在设计时应对多轴钻孔机床的预期结果、适用范围作一个明确的规定，以便于设计有一个明确的方向；3、通过设计原则对主要零部件进行设计、计算、校核与确定，绘制三维实体图、二维零部件图，装配图；4、利用绘图软件设计出工件架及钻模头的机构和合理布置等部分；5、设计出来的钻床结构一定要合理，紧凑，消耗的能量不能高。第二章 多轴钻总体方案的设计与确定2.1 技术参数与设计要求的确定2.1.1 设计参数的确定根据多轴钻孔升降机适应不同的生产加工要求，设备的设计参数包括加工材质、最大钻孔直径、加工范围和精度等有以下要求：1、主轴数量在：8-16之间；2、最大孔直径：铸铁14-20，钢11-20；3、加工范围：2804、主轴转速范围在：100-500r/min；5、进给运动：气压驱动，无级调速。2.1.2 设计要求的确定所设计的多轴钻孔升降机能实现自动钻孔，自动定位，自动夹紧的过程。1、机械结构设计合理，图纸图面清楚，标注完整，设计和绘图过程符合国标要求等。2、控制系统的设计自动化程度化高，操作安全、方便，工作可靠。2.2 多轴钻总体方案的设计前面叙述了这么多，现在已经知道钻床最大的问题就是自动化程度低，工作效率差，工人工作的强度太大，工作环境不好，生产出来的产品质量不好。用普通的钻床进行生产的时候，因为是人工进行操作，工作强度很大，加工出来产品质量不好，所以我们最首先要解决的问题就是要让钻床可以自动化加工。同时也要考虑经济问题。图2.1多轴钻孔升降机设备图1、工件架的组成通过对上面图2.1升降机设备结构的分析，我们能够知道工件架主要由传动系统和夹紧系统控制系统组成。工件架本身则有主要由钻模板、凸轮、气缸以及四杆机构等组件组成。具体结构如下图2.2所示，图2.2 工件架结构图2、多轴钻钻床多轴钻孔升降机另外一个相对重要的部分就是多轴钻床了。它的结构是机头、钻模头，升降台及气缸等组件组成。具体结构见如下图2.3所示。图2.3 钻孔升降机多轴钻钻床3、立式多轴钻自动升降机的整体机械运动描述如下：（1）当设备接通电源后，工件架的气缸机械运动并输出动力，通过四杆机构传递至凸轮，使之旋转，并作用于加工工件左右两侧的边缘位置，将工件升起。经过水平校准确保工件处于水平，再手动调节上面四个背紧螺母并紧固，然后将下放的四个背紧螺母紧固，最终实现对加工工件的夹紧。（2）工件的定位和夹紧完成后，将启动多轴钻底座上的气缸，推动升降台由初始位置向上垂直运动。与此同时，机头部分的电机工作，带动皮带，齿轮带动钻头转动。当升降台继续升高，升至预设高度，即钻头将工件钻孔完成时，限位开关即刻产生一个信号，通过PLC使升降台开始下降。下移至初始位置时，限位开关产生信号使移动托板停止移动。工件的打孔工作完成。2.3 主要组成结构的设计与确定要想将这个情况改善，主要从两个方面来进行改善，一个是工件架的机械设计，还有一个是钻模头设计：2.3.1 工件架机械设计1、传动系统工件架的机械传动系统由气缸、U型架、传动臂、传动轴以及四杆机构组成。改进之后要想达到生产的要求，计算出来相关数据以后，传动部分还要进行改善。其传动系统详见图2.4。图2.4 四杆机构示意图2、夹紧系统传统钻床的夹紧主要是手工操作，由压板压紧工件，由此造成钻孔的垂直度超差，无法保证加工精度。采用新的设计，夹紧系统由钻模板、凸轮以及背紧螺母和背紧螺栓组成，并在气缸、传动机构组成的传动系统作用下对加工工件实现夹紧。从气压缸里面将动力源带进去，之后通过气压来操作系统，这样一来对零部件夹紧的时候就可以自动化进行了。为了实现工件的夹紧，偏心轮做圆周旋转运动，旋转相应的角度以顶起工件。背紧螺栓、背紧螺母固定不动的时候，因为有偏心轮的作用，这个时候钻模板还有零部件是紧紧的夹在一起的。此外，在借助背紧螺母的水平校准调节的条件下，偏心轮还能起到使工件能处于水平的作用，确保在加工打孔时钻孔的垂直度。图2.5工件夹紧示意图2.3.2 钻模头设计1、传动系统钻模头由外部的定位套、内部芯轴及其两侧的轴承组成，钻套芯轴的动力头由12根外向节连接杆和钻头连接。不同于市场上常见的钻模头长槽设计，带有定位套的设计能更好的保证钻孔的同心度。下面是它的图纸图2.6 钻模头示意图2、控制系统除了升降台的上升、下降和钻孔加工切削的动作控制外，由于钻孔加工过程中，钻头温度的升高导致钻头磨损和打孔失效情况发生，我们将采用温度传感器来探测钻头的工作状态。现在使用的机床的控制系统一般都是通过电脑，电气还有PLC来进行的。如果控制系统用继电器来进行的话，那么在进行联动的时候是非常复杂的，后期进行维修比较复杂，难度很大，这种控制系统很容易出现故障，用它来对系统进行控制会影响正常的工作。用电脑来控制系统，成本是很高的，操作系统也是比较复杂的。用PLC来进行控制的时候，可靠性是很好的，成本不高，工作时候稳定性很好，程序编制的时候不复杂，而且用起来比较简单，灵活，所以这里我们选择钻床的控制系统就是PLC。2.4 动力所允许的工况条件钻床上面的立钻是不是好用，我们在设计之前要先验证一下。常用的验证方法有两种：一是类比法，也就是比较加工零部件的机床的动力，这样就可以看出来用的这个动力能不能达到要求。还有一种方法就是通过计算，将这个钻床的切削功率还有动力算出来，再进行比较。按照说明书的需要，通过公式算出来切削的速度还有切削力，切削效率，孔的直径最大数值是20mm，在这个时候，不一样的状况下V、F、P是什么样。因为进行传动的时候功率会有损耗，一根钻削轴可以收到的功率最大数值就是=1.33kw1、用高速钻头钻孔时查阅有关资料里面的表格（），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=10.03Nm功率：P=0.51KW=1.33KW查阅有关资料里面的表格，在d=10mm时，那么进给速度最大的数值就是f=0.60mm/r，跟它匹配的切削速度：V=12m/min轴向力：F=3765N转矩：T=13.93Nm功率：P=0.52KW=1.33KW因为这个钻床在进给的时候速度达不到0.6mm/r，使用跟它差不多的f=0.57mm/r，之后再验算一次查阅有关资料里面的表格，可以将钻、扩、铰孔时切削速度算出来（注：T为刀具的寿命）根据查阅表格里面的有关公式、公式里面代表的是修正参数，因为使用的材料是用来进行试验的，所以说计算。2、钻削结构碳钢（）时的切削速度V、轴向力F、转矩T、功率P查表得：、有满足功率要求。3、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、有满足功率要求。结合上面所说的，在对碳素钢进行加工的时候用高速钢钻头），对灰铸铁进行加工的时候用高速钢，4、用硬质合金钻头（YG8）钻孔时通常，加工灰铸铁的时候用的钻头材质是硬质合金钻，在进行计算的时候硬度的值是190HBS，参考相关表格可以知道在进行加工的时候进给量的数值f=0.25mm/r查表得、有满足功率要求。40第三章 工件架的设计与计算3.1 传动系统的设计与计算3.1.1 气缸的设计与计算1、负载分析进行来回直线运动的气缸承受的重量来自于六个方面，分别是工作阻力、摩擦阻力、惯性力、重力、密封阻力和背压力。对这个承受的负荷进行分析，回腔的背时压力是需要考虑进去的，需要考虑的因素有：工作阻力（钻床轴向切削力）、系统摩擦阻力（在机械效率中考虑）、重力和惯性力。在收到一定负荷的时候，这个力是工作阻力，那么这个轴向的切削力的大小就是=2595 N我们已经知道轴承在进行传动的时候产生的效率是0.99，花键在进行传动的时候产生的效率是0.98，液压传动产生的效率是0.95，这样可以通过下面的公式算出来总的机械效率：=0.990.990.980.95=0.91整个操作系统需要克服的重力有两个方面，一个是钻床主轴重力，还有一个是气缸活塞杆重力，通过下面的公式算出来钻床主轴的重力大小：查阅有关资料可以知道钢材密度是7.85 ，主轴体积V为：式中：V主轴体积（m3）d主轴直径 (mm)，取40mm；主轴长度（mm），取550mm；所以主轴重力为：=式中：V主轴体积（m3）；主轴材料密度（）；g重力加速度（），取10；主轴重力（N）；算出来这个主轴的重=55N.因为这个轴上面的零部件有重力，气缸也有重力，那么整个系统需要受到的重力的大小就是=200N。惯性力Fm说的就是在动的地方进行启动或者是停下来的时候有一个惯性产生，查阅有关表格，计算按照下面公式进行：式中，系统重力；重力加速度；时间内的速度变化量；加速或减速时间；已知主轴系统重力G=200N；快进行程70mm；工进行程为20mm；按照实际的工时的要求，将主轴的速度可以确定下来3m/min；工进速度为0.17m/min；加速、减速时间一般取t=0.2s；所以可以计算出惯性力： 向前快进的时候，因为背压不需要考虑，所以这个时候主轴因为重力的原因，会自己向下移动，并且这个时候加速度的大小应该是9.8，所以，气缸向前快进的时候受到的力的最大值是F=G=182N。在工作的时候，气缸需要克服的力有工作阻力还有摩擦力，所以这个时候动力由系统重力提供。这样的话F=（-G）/，要想让设计合理，这样气缸里面液压的作用力是够大的，在进行计算的时候将重力的二分之一带入到公式里面F=2742N。在向后退的时候，气缸需要克服的力有重力还有摩擦力，这样时候F=G/，需要将这个钻头推出工件的摩擦力退出来，在算的时候数值是0.89，那么F=225N。2、气缸执行元件主要参数的确定2.1 初选气缸的工作压力表3.1 液压设备常用的工作压力表设备类型机床农业机械或中型工程机械液压机、重型机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床L拉床工作压力P1/（MPa）0.82.03528881010162032气缸的工作压力在确定的时候要按照液压设备的种类来进行的，按照钻床在进行工作的时候条件和要求，再查阅有关数据初选气缸的工作压力=3。2.2确定气缸的类型及主要结构尺寸按照任务书的要求还有钻床主轴在工作时候的轨迹，使用的活塞杆是一根杆子的，这个活塞杆是中空的，方便主轴从里面穿过去；在这个活塞杆的两头都有轴承装着，是为了将主轴固定起来。一根杆子的活塞杆的活塞杆从两头都可以伸出来，按照实际的需要，使用的活塞缸的类型是缸筒固定式的。下面就是它的图纸： 图3.1 缸筒固定式单杆活塞缸结构简图自动化钻床工进结束了以后，要想避免钻通在加工好孔以后主轴忽然往前冲，在这个回路上要装一个背压阀。查阅有关表格回路背压=0.8。通过表格可以看到，在这个活塞杆的两头都加轴承。深沟球轴承使用的滚动轴承 6208 GB/T 276-1994，这个轴承外面的直径大小是80mm，查阅有关表格，这个活塞杆的直径就是=100mm。表3.2 活塞杆直径系列（GB2348-80）（mm）456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400通过查阅表格可以知道，在主轴的状态是工进是液压系统受到的最大的负荷就是F=2742N，按照下面的公式将气缸的有效面积算出来：式中气缸内径（）气缸活塞杆直径（）, =100mm气缸负载（）, F=2742气缸工作压力（）, =3回路背压力（）, =0.8所以可计算也气缸内径=117。气缸内径选取的数值要进行圆整。圆整后取=125。表3.3气缸内径尺寸系列（GB2348-80）(mm)810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200220250320400500630气缸的大小都定下来之后，根据最小的工进速度算出来气缸的大小。也就是确保气缸的有效工作面积比最小稳定速度的最小面积要大。即式中，流量阀的最小稳定流量，=0.05气缸的最低速度,=0.17A=2767=294,所以，这个系统的大小符合要求。3、气缸材料的选择确定气缸用什么材料的时候注意下面几点：（1）气缸要有足够的强度；（2）气缸要有足够的刚度；（3）气缸要有很好的耐磨性能；所以，45号无缝钢管作为气缸的材料。4、气缸壁厚和最小导向长度的计算通过气缸的强度条件来算气缸的壁的厚度。气缸的壁厚说的就是在气缸里面最薄的地方，因为气缸壁有两种，一种是薄的，一种是厚的。气缸里面的直径比上气缸的壁厚，这个比值要是比10大的话，这个壁就是薄壁。一般来说，气缸里面的壁都是薄壁：经过计算出气缸壁厚=4mm。因为连接的时候跟缸筒连接在一起，那么气缸里面的壁厚的数值就是=8mm。最小导向长度说的就是在这个活塞杆都伸到外面去的时候，活塞支撑面中间的点到缸盖滑动的支撑面的中点的这段距离就是对一般的气缸，H要满足下面的关系式式中：气缸的最大行程；气缸的内径。我们这篇论文里面气缸的最大行程就是100mm，气缸里面的直径就是125mm，把数值代到公式里面进行计算H67.5mm, H=70mm。5、活塞杆及活塞材料的选择通常45号钢作为活塞杆的原材料，因为在这个论文里面气缸是一根杆子，所以对这个原材料还要进行调质，还要淬火处理，在进行淬火处理的时候深度是在0.5mm。活塞的原材料使用的是强度最高的铸铁，型号是HT200。6、活塞杆与活塞的连接方式及活塞密封装置的选择图3.2 活塞杆与活塞连接方式及活塞密封方式图活塞在连接活塞杆的时候方式有几个，整体的，组合的。组合的这种联系方式又分为螺纹的，半环连接和锥削连接，这篇课题使用的连接时卡环式的，好处就是结构不复杂，拆也好装也好都简单。选择什么样的活塞还有活塞杆这个地方的密封圈，要根据密封这个地方所处的地点，还有压力，温度等等来确定。我们选用O型密封圈密封。气缸盖与气缸连接的时候方式是法兰连接。这种连接结构是很简单的，加工起来也方便，装也好，拆也好都方便。气缸盖进行密封的时候是组合式的，还要再这个缸盖的里面加一个金属材质的环。3.1.2 U型架的设计与计算1、U形架的作用支撑所有零部件的装置，也是机构能够有序工作的基础，在我们考虑了机构对所有零件重量的承受以后，还零件的合理设计还能够对整个机构的正常运动，起到一定的助推作用。在我们进行设计之前，首先要了解机架零件一般要有以下要求：（1）足够的强度和刚度；（2）形状简单，便于制造；（3）便于在机架上安装附件。我们设计的机架要具有比较好的抗摩擦的性能，保证机架具有足够长的寿安，另外还要能够保证机器在正常工作的时候拥有足够的稳定性。2、零件材料的选择本次设计的U型架起固定和支撑零件的作用，经过权衡确定选择器材料为Q235L型角钢。Q235的机械性能如下：抗拉强度伸长率、。3、零件结构的确定考虑到我们设计的工件自动输送机外部的形状是比较的庞大的。我们采用Q235L型角钢作为支撑。使用这样的结构可以将成本大大的降低，材料也可以少用一点，同时设备的性能也能得以确保。具体结构见零件图。3.1.3 传动臂的设计与计算1、传动臂的作用前面的零部件，后面的零部件都连接在一起，将动力还有运动都传递出去。要求拥有足够的强度和刚度；形状简单，便于制造。2、零件材料的选择在这篇论文里面，传动臂的原材料是45号钢，而且还要对这个材料进行一个热处理。3、零件结构的确定在对传动臂进行设计的时候，我们采用的方法是确定了前后零件的位置，通过proe绘图而后确定其位置和形状。具体结构见零件图3.3。图3.3 传动臂结构图3.1.4 传动轴的设计与计算1、传动轴轴最大转矩2、作用力圆周力：径向力：3、确定轴的最小直径轴使用的材料是45号钢，还要进行调质处理，查阅有关表格，这个轴最小的直径大小就是A=115，那么可以知道钻削碳素钢用高速钢钻头钻削碳素钢用高速钢钻头钻削灰铸铁的时候用硬质合金钻头在这个轴的上面开一个键槽，这个时候轴的强度就会降低，轴的直径要加大一点。这个轴的上面有一个键槽的时候，轴的直径加大的数值大概是35%，故4、轴的结构设计（1）将这个轴上面零部件怎么安装的方案制定下来；（2）顺着这个轴的方向进行定位，需要确定这个轴每一段的直径大小还有轴的长度；（3）轴的强度校核（1）求轴的载荷一开始要按照轴的内部结构图纸将它的计算图纸画出来，将这个轴承的支点地点确定下来之后，因为它受到轴这个方向上的力量，轴的强度是没有什么关系的，但是这个铜套在跟轴进行配合的这个地方当做是墙壁。按照这个轴计算图纸可以将这个轴的弯矩图，扭矩图还有当量弯矩图画出来。根据这个轴的结构还有弯矩图可以知道，当量弯矩在A截面上是最大的，也就是这个轴的危险截面。A截面处的及的数值如下弯矩和水平面垂直面合成弯矩扭矩当量弯矩（2）校核轴的强度轴使用的原材料是45号钢，经过调质以后，则，即5865N/mm,取，轴上面的应力是通过算出来的结果，可以看出来这个轴的强度是达到需要的。3.1.5 四杆的设计与计算1、四杆结构的作用平面连杆机构在很多领域都在使用，主要用于传递运动和动力。2、零件的采用本身设计的杆件主要有3个，即连杆1、2、3。比较之后我们使用的材料还是45号钢。该材料综合性能较好。3、杆件结构的确定曲柄要想存在在铰链四杆机构里面：（1）曲柄在整个曲柄摇杆机构里面是最短的；（2）在曲柄机构里面最短的杆长度加上最长的杆长度最终结果要比另外两根杆相加的和还要小。上面说的这两地那都是必须要存在的要求。因此，当各杆长度不变而取不同杆为机架时，可得到不同类型的铰链四杆机构。（a）在这个机构里面，跟最短的杆子靠在一起的部分就是机架的时候，最短的就是曲柄，还有一个就是摇杆，所以又叫做是曲柄摇杆机构。（b）最短的这个杆子就是机架，别的连架杆就是曲柄，这个就是双曲柄机构。（c）设定最短的这个杆子的对面就是机架，那么这个连在一起的架子不能一起进行整周的运动，就是双摇杆机构。本结构是上述三种基本结构的演化。本次涉及到的杆件其长度和截面具体结构见零件图。3.2 夹紧系统的设计与计算3.2.1 钻模板的设计与计算1、钻模板的作用其主要作用安装钻套引导钻头对需要加工的进行进行钻孔，是钻床上面不可或缺的重要组成部分。2、钻模板材料的确定经过分析我们能够发现其主要作用是安装钻套，对钻模板本身而言不承受切削力，因此，我们将其材料定为Q235钢板。3、钻模板结构的确定在进行钻模板结构设计的时候，我们需要结合零件本身的形状和钻床的布局。本次设计的钻模板结构详见零件图或装配图。3.2.2 凸轮的设计与计算1、凸轮的作用为了实现工件的夹紧，偏心轮做圆周旋转运动，旋转相应的角度以顶起工件。偏心轮的支撑作用使钻模板与工件处于夹紧状态。2、凸轮材料的确定材料是不是能够正确的选择，材料是不是选择的合理、对整个材料的综合影响是比较的深远的。因为这不仅仅是零件造价的问题，也有可能是机器能不能正常的工作和运转的问题。在进行详细的分析和权衡以后，本次设计的零件其材料，我们确定为45钢。3、凸轮轴的技术要求。（1）凸轮的位置精度；（2）凸轮的形状精度。4、反转法设计原理在我们对该方法讲述的时候，我们将采用尖底偏置的直动从动件作为我们分析和简述的方案。在图静止，我们可以运用这里讲述的反转的方法作为设计和分析的依托，具体构造图见3.4。这样绘制的好处是能够保证整个机构中在圆周方向上面转动了一定的角度以后，这里面的转动中心的原点是O。这样运动以后的后果是从动的动作件和主动的动作件在互相动作的前提下，主动件是包成原有的位置不发生任何变化的。固定不动的零件和从动的动作件也将在圆周的方向上转动一定的角度。这样的动作是往复工作和运转的。根据这种关系，得到凸轮轮廓曲线。图3.4反转法通过上面讲述的方法，经过一系列的总结，我们得到了下面的设计步骤：（1）以r0为半圆的切点，导路始位置。（2）通过把位移干等分。 （3）自OC0开角、近休止角，在基圆件位移线点。（4）画切线，分别相切于C1、C2、C3等。（5）沿以量。（6）把B0、曲线。图3.5 凸轮轮廓曲线本次设计的凸轮其结构图如下：图3.6 凸轮结构图3.2.3 螺栓螺母的选择与计算在多轴头中螺纹比较重要，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：查表选6.8级；，（2）螺栓受力分析计算螺栓处在头架这个地方的时候，受到的重力知识介轮轴向下的重力，大概这个力的重量应该是。受到的力量就是P=5.59.8=53.9N 螺栓工作拉力F=P/Z=53.9/1=53.9N残余预紧力，查表选螺栓总拉力相对刚度系数，查表2-6 螺栓预紧力/=86.24-53.90.3=70.07N（3）初定螺栓直径 选安全系数，查表 许用拉应力所需螺栓小径cm 螺栓大径 查阅有关资料可以知道d=20mm,其d1=17.294mm（4）螺栓疲劳强度校核螺栓尺寸系数，查表螺栓材料的疲劳极限应力幅安全系数，查表应力集中系数，查表螺栓许用应力幅螺栓应力幅由式。第四章 钻模头的设计与计算4.1 定位套的设计与计算1、定位套的作用定位套主要的作用是固定钻头，分离上下圆板，使得钻模头拥有正确合理的工作位置。2、定位套材料的确定定位套的作用上面我们已经对其进行讲述，其在工作的时候需要承受上下的压力，因此Q235已不能满足使用要求。为了保险起见，其定位套的采用我们选用45钢。3、定位套结构的设计本次设计的定位套其主要的作用就是分离上下两块圆盘，结构简单。具体构造见图4.1定位套结构图。图4.1 定位套零件图4.2 内部芯轴的设计与计算1、内部芯轴的作用内部芯轴连接钻头和机床，是典型的连接元件用以传递运动和动力。2、内部芯轴材料的确定论文里面轴使用的材料是碳钢，合金钢。在轴还是毛坯的时候用的材料是轧钢圆钢还有锻件，有的零部件使用的原材料就是圆钢。从造价上来说，碳钢的价格要比合金钢的价格便宜，而且碳钢的敏感性也没有合金钢的高，所以我们可以进行热处理或者是用化学热处理的方法来增加它的耐磨性还有抗疲劳，所以我们在生产轴的时候用的比较多的这种材质，其中最为常见的是用45钢。合金钢相对于碳钢来说，它的力的性能还有淬火的性能都比碳钢的要好，所以如果我们传送的动力很大的时候，同时我们还要体积小，重量小，轴的耐磨性又好，工作的环境又是比较极端的高温或者是低温，在这个时候使用的材料通常都是合金钢。如果说轴的应力是比较低的话，从成本上来考虑，一般来说，碳素钢的强度是没有多好的，举个例子Q235-A钢，我们有的时候也会选择比较优质的碳素钢，比方说45号钢等，一般以其毛坯供应的热处理状态作为材料的热处理要求，图样上不再做任何要求。如果我们的轴的应力比较高的话，一般情况下用的材质是调质钢，调质钢在很多时候含碳的比例都是在，它是碳素结构钢还有合金结构钢，我们所说的调质钢也就是可以进行调质处理的。调质钢的钢种相比较而言比较多的，比较常见的有45Mn2、，这种材质的钢的强度在经过调质了以后都变好了，但是它们的淬透性能是不好的，不能够得到比较均匀的物质，强度也是很低的，正常用的话都是用在生产比较小，应力也比较低的轴的上面。我们设计的轴，经过比较综合的思考以后，我们还是选择使用45号钢。3、内部芯轴结构的设计在对轴进行设计就是设计外面的形状还有全部的内部还有外部结构的大小。轴的组成部分有：我们的轴在机器里面装在什么地方还有装好以后是个什么形式；我们轴里面装的零部件是什么类型，大小，还有多少数量还有这些零部件怎么跟轴连接起来；轴所承受的力量的性质，大小，还有力的方向，还有分布的具体的情况；轴是用什么工艺来进行加工。我们看到，对于轴有影响的因素实在是太多了，并且轴的结构要根据实际的需要又有不一样，所以对于轴是没有一个标准的形状的。所以，我们在对轴进行设计的时候，要将实际的需要考虑进去。我们课题里面的芯轴结构没有多复杂，就跟光轴差不多，外观上看上去稍微小一点。具体构造详见升降机装配图。4.3 轴承的选择与计算轴承是标准件，生产厂家是专业的生产厂家。滚动轴承的种类，大小还有公差等级都有相应的国家的标准，我们在机械设计的时候，只要根据我们实际的需要，就可以选择符合条件的轴承，然后在对轴承进行选择。我们本次课题使用的轴承的类型是单向推力轴承，轴承的型号是8205。因为只有一个轴的方向上的力作用在单向推力轴承上，所以在进行钻削的时候，那么 查阅有关资料里面的表格，这个可以旋转的轴承安全系数数值是1.2，所以是达到要求的。1、轴承润滑的选择在进行工作的时候既有滚动又有滑动，所以这样以后就摩擦和磨损都少了很多，这样就可以很好的降低了烧伤还有锈蚀的可能性，所以我们一定要进行润滑。我们经常用的润滑剂有油还有脂状的还有固体状的。油比脂要好，可以在高温的情况下使用，在脂不能满足的情况下我们都是使用油。但是脂比油好在密封性好而且不容易流失，加一次可以用好久，所以脂用的也是比较多的。我们论文里面需要的轴承转动的速度要低一点而且要能够承受一定的重量，并且在工作的时候是不间断的，所以我们在对它进行润滑的时候，还是润滑脂更好一点。2、轴承的密封（1）滚动轴承的预紧预紧的意思就是我们把轴承撞到座和轴的上面以后，我们通过一定的方式让里面滚动的物体和里面还有外面的全之间保持压紧的状态。我们对轴承进行预紧的目的：在支撑的时候刚性更好，震动和噪音能够有效的降低，也要防止滚动体因为惯性在圈内和圈外进行滑动。（2）轴承的安装和拆卸在我们的轴承没有进行破开的时候我们必须要按照轴的方向进行安装还有拆卸，我们应该最先选择使用里面的圈还有外面的圈来把轴承分开。在我们的轴承在长一点的轴上面安装的时候，为了能够方便我们进行安装，我们选择圈里面的孔是1：12的。第五章 控制系统的设计与确定5.1 控制流程的设计与确定钻床自动化，在整个钻床的进给系统里面，对它进行控制的时候有很多方面，有对主轴的电机进行控制，对液压泵的电机启动的时候进行控制，主轴在快进的时候进行的控制，主轴工进，停留，快退，快退停止都要进行控制，主轴的电动机还有液压泵的电动机要想停下来也要进行控制。在启动主轴的电动机还有液压泵的电动机的时候进行的控制是：要想实现这个控制要经过在这两个电动机的电路上面交流接触器进行控制。要想让PLC有程序输入之后，按照事先设定好的程序进行工作，主轴和液压泵的电动机在电路上，他们的交流接触器都是关起来的，这个时候这两个电动机就开动了，那么定时器T1就实现了5s定时。主轴快进控制：一旦零部件被工件检测器发现了，这个时候开关SB1就关起来了，在零部件被紧紧的夹住进行时间的计时的时候，计时器在计时两秒之后，三维四通的电磁换向阀这个时候就有电了，快进油路跟液压控制系统就连接起来了，这个时候就实现了主轴的快速进给了。主轴工进控制：快进这个步骤主轴已经完成了，这个时候快进开关就关起来了，三位四通电磁换向铁，还有二位二通电磁换向阀电磁铁3Y和二位三通电磁换向阀4Y就有电了，这个时候共进油路跟液压控制系统就连接在一起，这个时候主轴就实现了工进控制了。主轴停留：工件在被钻头加工好了之后，主轴就到了目的地了，工进行程开关这个时候就关起来了，计时器就进行了两秒钟的计时，三位四通电磁换向阀电磁铁1Y就没有电又回复到原来的位置，主轴停下来对需要加工的这个孔进行修磨处理。主轴快退：计时器T3在计时两秒钟之后，三位四通电磁换向阀电磁铁就有电了，二位二通电磁换向阀电磁铁3Y和二位三通电磁换向阀4Y没有电回到原来的位置上，快退油路和液压控制系统连接在一起，这个时候主轴就进行快退的操作了。主轴快退停止：主轴快退到行程开关这个地方的时候，因为行程开关是关起来的，所以三位四通电磁换向阀电磁铁2Y就没有电回到原来的位置上，之前进行的快退操作就结束了。主轴电机和液压泵电机停止：一旦工件检测器检测不到零部件的时候，在PLC这个程序里面，SB1一直是关着的，这个时候定时器计时三百秒，计时结束了之后，换句话来说，在这三百秒里面，没有零部件需要进行加工，所以这段时间主轴和液压泵的电动机都没有进行工作。图5.1 PLC控制流程简图5.2 电气原理图的设计与确定图5.2 电气原理图 5.3 控制元件的选择与确定1、可编程控制器PLC的选择PLC 需要7个输入点，10个输出点，由于螺母自动钻孔机的控制比较简单，按照电气控制原理图，那么行程开关直接将输入信号输入进去，在进行控制的时候是有时间限定的，输出的这个部分进行的控制就是电磁铁通电有否进行的控制，所以说PLC的种类就是：FX2N-48MR。2、刀开关的选择因为在进行控制的时候既要自动化也要有人工操作，那么在这个主电路的上面就要再装一个刀开关，这样可以将整个电路都控制住。按照在系统里面电动机使用的类型还有整个电路消耗的能量，选择使用的刀开关的类型就是：HK1-3-30/380。3、熔断器的选择FU1选择型号为：RC1A-10；FU2选择型号为：RC1A-15。主电路上的熔断器FU在确定的时候，要参照整个电路的总的电流，在这个主要的电路里面主轴电机还有液压泵的电机是主要的元件，因为还有别的，所以FU使用的是：RC1A-30。4、交流接触器的选择查阅有关资料KM1和KM2：CJ20-10/03。5、行程开关与接近开关的选择电容式接近开关的感应头实际上就是一个圆的平板式的电机，这种电极跟振荡电路的地线一起组成了分布电容。在有东西靠近这个感应头的时候，电容量就变大了，这个时候振荡器就不工作了，输出电路就有一个信号发出来。因为这种电容式跟开关靠近的时候可以测量到金属，还可以测量到不是金属的物质，所以使用的很多，型号一般是LXJl5系列和TC系列等。在用的时候按照电源的不一样，电压不一样，电流不一样，还有触头来进行选择。结合以上我们采用LJ12A3-4-J/DZ接近开关。6、继电器的选择电气原理图中的继电器的种类有自锁电器和延时继电器，它的功能有自锁还有延时。按照论文里面的实际要求，那么