对置双工位数控缸体孔钻床设计

摘要Double Work Spaces CNC Machine Design for Deep Hole DrillerBy Supervisor: i对置双工位数控缸体孔钻床设计本设计是根据设计要求，设计一套组合机床系统对汽车制动泵缸体进行深孔加工，由于该课题是工厂实际加工任务，所以在部件选择上以能够在市场上采购到的通用部件为主，以降低加工成本。本设计主要包括四部分：第一部分是根据设计要求对组合机床进行总体方案设计，包括加工方式的确定、机床主参数选择计算和机床控制系统的选择。第二部分是根据总体方案对组合机床中机械部分进行设计，包括机床动力头、数控滑台、侧底座和中间底座的选择计算，工件夹具设计、计算及校核，并设计用于夹紧的液压站系统，完成液压站原理图。第三部分是设计PLC组合机床控制系统，利用三菱FX2N PLC对机床进行加工控制，并编制实际加工的电气控制图。第四部分是利用机械制图的基本原理，应用CAXA电子图板对组合机床及夹具进行装配设计，并生成二张二维装配图纸。关键词：深组合机床，PLC，液压夹具，枪钻 AbstractDouble Work Spaces CNC Machine Design for Deep Hole DrillerThe design is mainly to design the combined machine tool what machining the deep bore in the brake pump of automobile according the bases of design specification.This design is the fact assignment in manufactory,so the components mainly choose that standardized unit can be purchased in market, in order to reduce production costs.The design is mainly divided into four parts:The first part is a content of total project design of the combined machine tool,including confirming the working method and the main parameter.The second part is design the mechanical part of the combined machine tool according the total project design,including confirming the cutter head,the side base and the middle base,designing the hydraulic grip and the hydraulic system, completing the rationale design of the hydraulic system.The third part is to design the PLC control system for the combined machine tool,make the woking control using the FX2N PLC.Complete the rationale drawing of the hydraulic system.The finally part is to design the assembling drawing for the combined machine tool and the hydraulic grip useing CAXA software according to the rationale of theory of machines,and get two dimensional assembling drawings.Abstract: combined machine tool, PLC, hydraulic grip, gun drillii 目录目录目录目录1第一章 绪论- 3 -1.1 组合机床特点及发展状况- 3 -1.2 枪钻及深孔加工- 4 -1.2.1深孔加工的特点- 4 -1.2.2 枪钻的特点- 5 -第二章 总体方案设计- 7 -2.1 组合机床通用部件特点及分类- 7 -（1）动力部件：- 7 -（2）支撑部件：- 8 -（3）控制部件：- 8 -（4）辅助部件：- 8 -2.2 设计基本要求- 8 -2. 总体方案- 8 -2.3.1 加工方案- 8 -2.3.2 参数计算：- 9 -第三章机械系统设计- 10 -3.1组合机床通用部件选用- 10 -3.1.1 切削动力头选择- 10 -3.1.2 数控机械滑台选择- 12 -3.1.3 侧底座的选择- 13 -3.1.4 中间底座的选择- 14 -3.2 刀具的选择- 14 -3.2.1 深孔加工发展状况- 14 -3.2.2 枪钻工作原理- 15 -3.2.3 枪钻的结构- 16 -3.2.4 枪钻切削冷却液雾化系统- 18 -3.2.5 枪钻刃磨设备- 18 -3.3 夹具设计- 18 -3.3.1 组合机床夹具机械部分设计- 18 -3.3.2 夹具液压部分设计- 20 -PfP+p1=5.5MPa- 22 -第四章 PLC组合机床控制系统- 24 -4.1 步进电机的选择- 24 -4.1.1步进电动机工作原理- 24 -4.1.2 步进电动机驱动器- 26 -4.1.3 步进电动机控制器- 27 -42 PLC控制系统- 27 -4.2.1 可编程序控制器组成及特点- 27 -4.2.2 PLC及脉冲模块的选取- 29 -4.3 PLC编程- 30 -4.3.1 输入继电器（X）- 31 -4.3.2 输出继电器（Y）- 32 -4.3.3 辅助继电器（M）- 32 -4.3.4 定时器（T）- 32 -4.3.5 数据寄存器- 33 -4.3.6 应用指令(MOV，DRVA，CMP)- 34 -第五章 CAXA电子图板- 38 -参考文献- 42 -结束语- 43 -数控机床准静态误差和操作误差评定- 54 -2第一章 绪论第一章 绪论1.1 组合机床特点及发展状况组合机床是以通用部件为基础，配以少量专用部件，对一种或若干种工件按预定的工序进行加工的机床。它能够对工件进行多刀、多轴、多工位、同时加工。在组合机床上可以完成钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻丝、车削、铣削、磨削及滚压等工序，随着组合机床技术的发展，它能够完成的工艺范围日益扩大。组合机床与通用机床、专用机床相比，有如下特点：（1）组合机床由7090%的通用零、部件组成，可以缩短设计和制造周期。而且在需要的时候，还可以部分或全部进行改装，以组成适应新加工要求的新设备。这就是说，组合机床有重新改装的优越性，其通用零、部件可以多次重复利用。组合机床是按具体加工对象专门设计的，可以按最佳工艺方案进行加工。（2）在组合机床上可以同时从几个方向采用多把刀具对几个工件进行加工，是实现集中工序，提高生产效率的最好途径。（3）机床是在工件一次装夹下用多轴实现多孔同时加工，有利于保证各孔相互之间的精度要求，提高产品质量；减少了工件工序间的搬运，改善了劳动条件；减少了占地面积。（4）由于组合机床大多零、部件是同类的通用部件，简化了机床的维护和修理。（5）组合机床的通用部件可以组织专门工厂集中生产，有利于提高产品质量和技术水平，降低制造成本。专用机床是随着汽车工业的兴起而发展起来的。在专用机床中某些部件因重复使用，逐步发展成为通用部件，因而产生了组合机床。 最早的组合机床是1911年在美国制成的，用于加工汽车零件。初期，各机床制造厂都有各自的通用部件标准。为了提高不同制造厂的通用部件的互换性，便于用户使用和维修，1953年美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂协商，确定了组合机床通用部件标准化的原则，即严格规定各部件间的联系尺寸，但对部件结构未作规定。 二十世纪70年代以来，随着可转位刀具、密齿铣刀、镗孔尺寸自动检测和刀具自动补偿技术的发展，组合机床的加工精度也有所提高。铣削平面的平面度可达0.05毫米1000毫米，表面粗糙度可低达2.50.63微米；镗孔精度可达IT76级，孔距精度可达0.030.02微米。1.2 枪钻及深孔加工1.2.1深孔加工的特点孔加工分为浅孔加工和深孔加工两类，也包括介于两者之间的中深孔加工。一般规定孔深L与孔径d之比大于5的孔称为深孔。深孔加工难度高、加工工作量大，已成为机械加工中的关键性工序。随着科学技术的进步，产品的更新换代十分频繁，新型高强度、高硬度的难加工零件不断出现，无论是对深孔加工的质量、加工效率、还是刀具的耐用度都提出了更高的要求。随着生产与科技的进步，深孔零件在材质及毛坯制造、刀具材料、深孔加工机床、基础理论研究、检测等方面都有了较大的进展。深孔零件的材质，过去多采用碳素结构钢。低合金钢和高强度合金钢。新型工程材料，如钛合金、不锈钢、耐热钢、耐磨钢、陶瓷、塑料、碳素纤维塑料、复合材料等，开始在深孔零件上采用。新材料的逐步采用对深孔加工提出了新的技术难题。除了深孔零件的材质外，零件的毛坯质量也有了很大的改观。现在深孔零件的毛坯除了采用一般的铸、锻、轧制毛坯外，对于机械性能要求高的深孔零件，采用真空冶炼、电渣重熔等方法获得高质量的铸锭后，进行压力加工。在管坯生产中，除了一般的热轧、冷轧无缝管材外，现已采用精轧无缝管材。冶金技术的进步，提高了材料的机械性能，使材料的加工性能发生了显著的变化。锻造及压力加工技术的进步，使得毛坯材料的去除率大为降低。另外，由于热处理技术的发展，深孔工件经过热处理后，在机械性能、结晶与显微组织上都有了较大的改善，这直接影响着材料的再加工性。深孔加工机床现在多采用常规机床，有深孔钻镗床、深孔磨床、珩磨机及通用车床改造成的深孔钻镗床。近年来，已出现数控深孔钻镗床（CNC）。现代深孔加工技术的发展，面临着多品种、小批量、新型工程材料及愈来愈高的精度要求的挑战。由于机械工业产品多品种、小批量的比重日益增加，提高劳动生产率、降低生产成本成为深孔加工技术的中心课题。发展成组技术和开展计算机辅助设计及计算机辅助制造(CAD/CAM)，实现自动化生产是提高深孔加工劳动生产率和经济效益的根本途径。新型工程材料对深孔加工技术的挑战，在于要求提高传统深孔加工方法的水平，开发新的制造技术与工艺方法。愈来愈高的精度要求，需要发展深孔精密加工技术，并相应地发展精密测量及精密机械设计。在实现深孔加工自动化生产中，需要解决加工中异常情况的监控及自动检测。目前，深孔加工中的这些问题，虽然落后于车削、铣削，但已有一些国家在开发研制，进行解决。深孔钻削的钻杆细而长，小深孔钻削的钻杆更是细长，其刚度很低，因此，在设计小深孔刀具时，应当尽可能提高刀具(包括钻头和钻杆)整体的刚度。在传统设计中，钻杆与钻头采用了方牙螺纹联接方式。这要在管壁很薄的钻杆上切出方牙螺纹，势必更使细长钻杆的强度和刚度下降。 如钻削5.7mm深孔，钻杆外径只能取4mm，在壁厚不足1mm上再挖去一个方牙螺纹的深度0.25mm，螺纹联接处的强度和刚度大大下降，在钻削中，钻杆常在螺纹联接处扭断。即使用小进给量以降低钻削扭矩，也不能防止扭断事故。为解决这一问题，对于钻削孔径f12mm以下孔的钻杆和钻头的联接，可采用三种方法：可以将钻头和钻杆做成90钭口，用低温银焊(有时也用铜焊)或粘接将钻头和钻杆联接。第二种是将钻头的钻柄直径车小，钻杆联接处的孔径镗大与钻柄装配成一体，再在接缝处用低温焊接或用粘接固定。还可以将硬质合金刀片做成 “T”型端面，而在钻杆上相应铣出“T”型沟槽，将刀片插入粘接固定。这3种方法经多次试验，均比方牙螺纹联接的强度和刚度要好，可适当加大小深孔钻削时的进给量，生产效率也得到相应的提高。1.2.2 枪钻的特点枪钻是一种比较古老的深孔加工刀具，最初用于加工枪管，故名为枪钻。枪钻是外排屑深孔钻的代表，也是小直径（10mm以下）深孔加工的常用方法。目前，硬质合金枪钻的最小直径为1mm，钻孔深度与直径之比超过100，最大可至250，钻孔精度为IT7IT9，钻孔表面粗糙度为2.32.4m ，枪钻具有一次钻削就获得良好精度和表面粗糙度低的特点，近几年来，已用于精密浅孔和特殊孔加工。以 美 国 为 例，1963年枪钻 加工的代表深度为250300mm，1968年下降到100mm，进入20世纪70年代已降至2537mm。枪钻的使用范围也在不断扩大，不仅用于加工通孔，还可以加工盲孔、阶梯孔、斜孔、半圆孔、断续孔和叠层板孔等。枪钻是理想的深孔加工解决方案，采用枪钻可以获得精密的加工效果，加工出来的孔位置精确，直线度、同轴度高，并且有很高的表面光洁度和重复性。能够方便的加工各种形式的深孔,对于特殊深孔，比如交叉孔，盲孔及平底盲孔等也能很好的解决。枪钻除了应用专业的深孔钻机外，也可用于CNC机床上，在普通机床上稍作改动也可以实现深孔加工功能，这样不必增加太多的成本就可以获得一套理想的深孔加工的解决方案。专业的枪钻系统由深孔钻机、单刃或双刃的枪钻及高压冷却系统组成，使用时，钻头通过导引孔或导套进入工件表面，进入后，钻刃的独特结构起到自导向的作用，保证了切削精度。冷却液通过钻头中间的通道到达切削部位，并将切屑从排屑槽带出工件表面，同时对钻刃进行冷却和对背部的支撑凸台进行润滑，从而获良好的加工表面和加工质量。- 44 - 第二章 总体方案设计第二章 总体方案设计2.1 组合机床通用部件特点及分类组合机床是一种高效自动化的专用机床。它与一般的专用机床明显的不同是，组合机床是由大量通用部件、通用零件和少量专用部件所组合而成的。因此，通用部件是组合机床发展的基础。组合机床通用部件是指在组合机床及其自动化设计、制造和使用中，有着统一联系尺寸标准，可以相互更换使用的一些专用部件。这些部件经过试制、试验、鉴定而最后定型，因此它的结构可靠，使用性能稳定。因此，组合机床通用部件保证了组合机床的质量，降低了成本，缩短了设计制造周期，促进了组合机床的发展。组合机床的通用化程度是衡量组合机床水平的重要标志，具有重要的经济意义。组合机床的通用化程度是指在组合机床的零件总数中，通用零件所占的百分比。目前一般可达到6070%，最高可达到90%。通用部件直接影响到组合机床及其自动线的自动化水平、加工精度、加工效率以及机床加工工艺方案和经济效益。因此，通用部件应满足下列要求： （1）通用部件应具有高的系列化、标准化和通用化水平，增加互换性，扩大通用部件的使用范围。（2） 通用部件在性能上应具有先进性，在结构上应具有足够的刚度和精度，以满足各方面加工的需要。（3）通用部件在结构和性能上应满足：使用方便、性能稳定、工作可靠、制造容易、维修简单和外形美观等，还要考虑经济性。动力部件要求有适当的变速范围和变速方法。（4）必须提高通用部件的灵活性，以适应各种组合机床及其自动线的要求。（5）必须增加通用部件的品种和规格，以满足生产的发展，如发展适合中小批生产和品种加工组合机床的通用部件。通用部件已经定制为国家标准，并等效于国际标准。设计时，应贯彻执行国家标准，我国有些企业有内部标准，但其主要技术参数及部件的联系尺寸必须同意执行国家标准，以实现部件通用化目标。根据通用部件的用途和特点，组合机床的通用部件主要分四大类：（1）动力部件：动力部件用来实现组合机床的切削运动，是组合机床及其自动线的主要通用部件，用来实现组合机床的切削运动，如刀具的回转运动是由主传动动力部件来实现的；刀具的进给运动是由进给动力部件来完成的；将被加工工件由一个加工工位输送到另一个加工工位的部件为输送部件。动力部件主要有四种：主运动动力部件：用来实现组合机床的切削运动。包括动力箱，多轴箱，单轴头。进给动力部件：实现刀具的进给运动。包括液压滑台，机械滑台。输送工件动力部件：将工件由一个工位输送到另一加工工位的部件。包括回转工作台，回转鼓轮，移动工作台和自动线输送装置等。（2）支撑部件：支撑部件包括：侧底座、中间底座、立柱、立柱底座及各种支架等。支撑部件是组合机床及其自动线的基础部件，用以安装动力部件和夹具等。（3）控制部件：控制部件用来控制组合机床工作循环。例如液压挡铁、控制挡铁、分级进给机构、液压控制装置以及自动检测装置等。（4）辅助部件：辅助部件包括：润滑、冷却、排屑以及自动线的各种辅助装置等。2.2 设计基本要求加工对象：汽车制动泵缸体孔材质：铸铁HT250；直径范围：15.87mm32mm；长度范围：60240mm；盲孔、平底（底角最大10）技术参数：直线度0.01 锥度 0.01 圆柱度 0.015 粗糙度 0.8 主孔深度公差 0.1设计组合机床对该孔进行加工。2. 总体方案2.3.1 加工方案采用枪钻数控组合钻床对汽车制动泵缸体孔进行加工，考虑到加工效率，采用对置双工位设计，组合钻床由镗削动力头、数控滑台、PLC控制系统、冷却系统、液压夹具、侧底座和中间底座组成，其中数控滑台由步进电机控制，组合钻床控制系统使用三菱PLC系统，夹具使用液压夹紧方式。2.3.2 参数计算：由于目前还没有适用于枪钻加工的设计公式，其加工时切削参数和麻花钻相似，所以采用麻花钻计算公式对枪钻切削参数进行计算。由机械设计手册查得：表2.1 组合机床设计中推荐的切削力、扭矩、及功率计算公式刀具材料工件材料切削力切削扭矩切削功率硬质合金灰铸铁（1.1）（1.2）（1.3）注：1.表中、均为轴向力，为圆周力。2.表中未注明符号：切削速度(m/min);每分钟进给量(mm/min);加工（铣刀或钻刀）直径(mm);HB=190HRC3.若需考虑工件材质、切削速度、刀具角度变化影响时，表中公式应做相应的修正（修正系数），可参考组合机床切削用量计算图及有关切削用量手册。根据以上表中公式计算如下：切削力： 切削扭矩：切削功率： 第三章 机械系统设计第三章机械系统设计3.1组合机床通用部件选用3.1.1 切削动力头选择动力头分为铣削头、镗削头、钻削头和镗孔车端面动力头。根据枪钻的切削特性，选择镗削头作为机床的切削动力头。镗削动力头由镗削头主轴部件与同规格的传动装置及滑台配套组成镗削动力头，对铸铁、钢及有色金属工件进行粗精镗孔，镗孔精度可以达到IT7级，加工表面粗糙度可达1.6m。镗削共力头有三种传动形式，顶置式齿轮传动其转速范围属于中低速，适用于各种材料零件的粗精镗孔。皮带传动装置其转速范围为属于高速，适用于各种零件材料的半精镗孔和精镗孔。它只要用于顶置式镗削头。尾置式齿轮传动装置其转速范围属于中速，主要用于配置于尾置式镗削头，装在立式机床上，对各种零件进行粗精镗孔。根据(1.3)式计算出的,查阅有关资料选取1TA20型号镗削动力头，其技术参数如下：表3.1 1TA20镗削头的技术性能型号功率(kW)主轴端号主轴前轴承轴颈（mm）传动装置主轴转速(r/min)1TA201.5460顶置1NGb12低速80400高速2001000胶带1NG208003200尾置1NGc202001000根据要求转速8001000r/min,可以选用顶置1NGb12传动装置，该传动装置为齿轮式传动，适用于各种材料零件的粗精镗孔。1TA20镗削头联系尺寸如下：图3.1 镗削头联系尺寸图表3.2 1TA20镗削头联系尺寸型号尺寸（mm）1TA20BB1B2LL1L2L320017022632012515540L4L5HH1H2H3Cd2854510023643821310014表3.3 镗削头的主轴端部尺寸型号尺寸(mm) 莫式锥度号4DD1D2D3d1d2d3BLL11TA2011031.26763.51282.5614M10M62012.55由于是对置双工位设计，所以选择两台1TA20镗削动力头对工件进行加工。3.1.2 数控机械滑台选择交流伺服机械滑台除具有一般机械滑台的用途外，它还使组合机床及其自动线的进给系统具有易调、快速调节的优点，通过改装步进电机，可以实现滑台位控准确及人机对话等。考虑到要应用PLC系统对组合钻床进行控制，选用交流伺服数控机械滑台，并将该滑台交流伺服电机改装为步进电机，用PLC控制步进电机来完成加工控制，其中滑台的快进、工进、定位由步进电机来控制。考虑到枪钻换刀空间、侧底座装配尺寸、工件尺寸范围以及夹具尺寸，应该选取足够行程的数控滑台，经过计算选用最大行程为400的NC-1HJ25型交流伺服数控机械滑台。主要联系尺寸表、图如下：图3.2 数控滑台联系尺寸图表3.4 NC-1HJ25型交流伺服数控机械滑台联系尺寸型号BB1B4LL1L2L3NC-1HJ2525025079.540050094095L4Hb1Cnd403250220554M12由于是对置双工位设计，所以选择两台NC-1HJ25型交流伺服数控机械滑台，查得该数控机械滑台的滚珠丝杠直径为40mm，导程为10mm,长度为900mm。根据滚珠丝杠以及最大切削力计算步进电机的扭矩，通过扭矩选择步进电机，查得有关资料如下： M=Ptan(+)d2/2；其中P为最大切削力，为导程，d2为中径； 计算得：M=2.87 N/m由于永磁式步进电机的转矩较小，根据扭矩选择日本东方二相混合式步进电机PH2610（转矩为3.2M）。3.1.3 侧底座的选择侧底座也称为卧式床身，在卧式组合机床中用来安装动力滑台。侧底座的长度是由动力滑台的长度决定的，动力滑台有几种行程，侧底座在长度上就有几种规格，新的系列标准规定侧底座的高度为560或630mm，但是当组合机床需要较低的高度时，其高度可以按450mm设计。为了适应机床一定的装料高度，对于不同的被加工零件的机床，在侧底座和滑座之间可以增加调整垫。本系列滑台侧底座长度按滑台行程长度分型并与其配套。滑座安装在侧底座上，侧底座与中间底座用螺钉及销联结成一体。滑台预测底座之间装有5mm后的调整垫，采用调整垫对机床的制造和维修都方便。根据数控机械滑台NC-1HJ25行程选择两台配套的滑台侧底座1CC251,滑台行程400mm，侧底座高度为560mm。其联系尺寸为：图3.3 1CC251型滑台侧底座联系尺寸图表3.51CC251型滑台侧底座联系尺寸（mm）型号名义尺寸b滑台行 程L1L2BB1H1CC2512502704001050650450395560侧底座与中间底座之间用M20的紧固螺栓连结，定位方式为锥销（20）定位，机床精度调整好之后，打锥销定位。组合机床在机床制造厂拆开运到用户厂后，要重新调整精度，重新打锥销定位。采用这种锥销定位方式时，侧底座与滑台之间在紧固螺栓和定位销处可以采用一个5mm厚的调整垫。采用调整垫后，对机床的维修就方便了。滑台导轨磨损后，只需取下滑座，将导轨面重新修磨，并更换调整垫，使之恢复到应有的高度即可。但是在出厂时，这些调整垫应保持等高。3.1.4 中间底座的选择中间底座是用于安装输送部件和夹具的支撑部件。它可以与侧底座、支架和立柱等相联结。中间底座在配制组合机床时往往不能用一种系列满足不同使用要求，因此，中间底座无标准化系列，尚需根据情况设计专用的中间底座。中间底座其侧面可以安装侧底座、支架等支撑部件，上面可安装夹具或回转工作台。中间底座的上平面开有较大的孔，铁屑能通过该孔落入中部的储屑腔中。机床在需要冷却时，中间底座的后侧面可以装冷却泵，底腔即可作为储存冷却液腔。在中间底座的中部设网状隔板，使铁屑留在上部，冷却液通过网状隔板流入底腔。根据机床的配置形式不同，中间底座有多种多样，如双面卧式组合机床的中间底座两侧面都可以安装侧底座；三面卧式组合机床的中间底座，可三面安装侧底座；总之，随着机床形式不同，中间底座在结构、尺寸等方面也就有着不同的要求。中间底座生产批量较小，大部分作为专用件处理。中间底座的高度为630mm，也可以根据具体要求，选为560mm或710mm。选择双面中间底座，在中间底座两侧安装两侧底座，由于侧底座高为560mm，所以选择560mm作为中间底座的高度，宽度选用国家标准710mm(如表3.8)，中间底座的长度由夹具尺寸及安装位置决定，实际长度为2000mm。表3.8 中间底座选择尺寸（mm）中间底座长中间底座宽8005005606307108009001000630710800900100012507108009001000125071080090010003.2 刀具的选择3.2.1 深孔加工发展状况最早用于加工金属的深孔钻头是扁钻，它发明于18世纪初。1860年美国人对扁钻做了改进，发明了麻花钻，在钻孔领域迈出了重要的一步。但用麻花钻钻深孔时，不便于冷却与排屑，生产效率很低。随着枪炮生产的迅速发展，在20世纪初期，德、英、美等国家的军事工业部门先后发明了单刃钻孔工具，因用于加工枪孔而得名枪钻。枪钻也称为月牙钻、单刃钻及外排屑深孔钻。枪钻钻杆为非对称形，故扭转强度差，只能传递有限扭矩，适用于小孔零件加工生产，效率较低。在第二次世界大战前和战争期间，由于战争的需要，枪钻已不能满足高生产效率的要求，在1943年，德国海勒公司研制出毕斯涅耳加工系统(即我国常称的内排屑深孔钻削系统)。战后，英国的维克曼公司、瑞典的卡尔斯德特公司、德国的海勒公司、美国的孔加工协会、法国的现代设备商会等联合组成了深孔加工国际孔加工协会，简称BTA协会。经过他们的努力，这种特殊的加工方法又有了新的发展，并被定名为BTA法，在世界各国普遍应用。后来瑞典的山特维克公司首先设计出可转位深孔钻及分屑多刃错齿深孔钻，使BTA法又有了新的飞跃。BTA法存在着切削液压力较高，密封困难等缺点，为克服这些不足，1963年山特维克公司发明了喷吸钻法。这是一种巧妙应用喷吸效应的方法，可以采用较低的切削液压力，使切屑在推、吸效应下容易排出，有利于系统的密封。但是喷吸钻法本身也有缺点，它使用两根钻管，使排屑空间受到限制，加工孔径一般不能小于18nm。由于特殊的切削液供给方式，缺乏了BTA法中切削液对钻杆振动的抑制作用，刀杆易擦伤，其系统刚性和加工精度要略低于BTA法。20世纪70年代中期，由日本冶金股份有限公司研制出的DF法为单管双进油装置，它是把BTA法与喷吸钻法两者的优点结合起来的一种加工方法，用于生产后得到了满意的结果，目前广泛应用于中、小直径内排屑深孔钻削。3.2.2 枪钻工作原理深孔枪管钻最初是应用于兵器制造业,因此得名枪钻,随着科技的不断发展和深孔加工系统制造商的不懈努力,深孔加工已经成为一种方便高效的加工方式。并被广泛应用于如:汽车工业、航天工业、结构建筑工业、医疗器材工业、模具/刀具/治具工业及油压、空压工业等领域。枪钻是理想的深孔加工解决方案，采用枪钻可以获得精密的加工效果，加工出来的孔位置精确，直线度、同轴度高，并且有很高的表面光洁度和重复性。能够方便的加工各种形式的深孔,对于特殊深孔，比如交叉孔，盲孔及平底盲孔等也能很好的解决。枪钻除了应用专业的深孔钻机外，也可用于CNC机床上，在普通机床上稍作改动也可以实现深孔加工功能，这样不必增加太多的成本就可以获得一套理想的深孔加工的解决方案。专业的枪钻系统由深孔钻机、单刃或双刃的枪钻及高压冷却系统组成，使用时，钻头通过导引孔或导套进入工件表面，进入后，钻刃的独特结构起到自导向的作用，保证了切削精度。冷却液通过钻头中间的通道到达切削部位，并将切屑从排屑槽带出工件表面，同时对钻刃进行冷却和对背部的支撑凸台进行润滑，从而获良好的加工表面和加工质量。为便于操作，高压冷却液从机床后端提供，钻头通过旋转夹持套固定在主轴上，可以选择工件旋转和刀具旋转的形式位置的调整也可选择主轴移动或工作台移动的方式。机床上设有切屑回收箱，切屑由此排出，并将冷却液回收冷却循环使用，在回收箱前端装有导引套从而引导钻头进入工件表面。对于钻头长度超过无支撑长度的情况，还要适当增加中间支撑。见图3.4图3.4枪钻加工系统3.2.3 枪钻的结构图3.5 枪钻的结构标准的枪钻是由超硬钨钢钻刃、航天钢材经热处理制成的刀身及钢制驱动柄经高精度的银焊、铜焊组合而成的，各组成部分特点如下：（1）钻刃图3.6 钻刃钻刃是整个枪钻的关键部分，其独特科学的组合结构保证在完成切削工作同时还起到自导向的作用， 可以通过一次贯穿得到一个高精度的深孔，钻刃有两个基本度，我们可以根据被切削工件的材料及形式来选择最恰当的组合，以便于工作更好的平衡切削力和断屑，并将切削力传递给支撑凸肩，保证良好的直线度和同轴度。钻刃有很小的倒锥度并且直径较刀身略大，可以保证钻身可以在切削孔内自由旋转而不会磨擦孔内壁的切削表面，根据不同要求，刃部有单圆孔、肾型孔各双圆孔的通道同刀身的油道连接，高压的冷却液可以通过此通道到达切削点，并将切屑带出工件。（2）刀身刀身采用航天工业专用合金钢材并经热处理制成，刀身有110-120度的V型槽，高压切削冷却液经驱动柄、刀身油孔到达刃部后从此V型槽排出孔外，并将切屑带走，为保证切削的直线度和同轴度，刀身必须有足够的强度以便在较小的扭转变形下提供切削所需的扭矩，同时刀身也必须有足够的韧性，这样才能吸收刀身高速旋转产生的震动。（）驱动柄驱动柄完全依照标准工业加工法的规定制造。其与刀身相接的颈部处有消除应力的光滑弧状凹槽以避免因应力集中而产生破坏，驱动柄为圆柱形，侧面一般加工有两个平面，供夹持套筒锁紧整个钻头本体。由于枪钻在工作中转速高，并且切削冷却液的压力很高，因此驱动柄的设计很重要，尽量增大驱动柄的长度可以增加枪钻的刚度和轴度，驱动柄可以根据自己的需要在厂家订做。 图3.7 钻尾端驱动柄支持套筒3.2.4 枪钻切削冷却液雾化系统切削冷却液及其雾化系统，是深孔精密切削加工不可或缺的环节；加工过程中可以根据钻削尺寸的不同，调整配合不同的油液输送压力，通过贯穿钻头全长的中心输送管道，将冷却液强制输送至切削点，以达到冷却刀刃、润滑刀肩的效果，并将切屑强制带出工作物之外。冷却液雾化系统是随枪钻、夹持套筒一起在厂家订做的，节省了设计时间。3.2.5 枪钻刃磨设备刃磨是枪钻使用过程中的一个重要环节,如何高效、省时省力并最大限度的减少钻头的刃磨损耗是这个环节的关键。枪钻磨损后，刃磨时必须在万能刃具磨床或专用刃磨机床上将枪钻装在专用夹具上进行刃磨,每次刃磨只修磨内外角的后刃面。必须保证正确的几何角度和刃尖位置。3.3 夹具设计3.3.1 组合机床夹具机械部分设计组合机床夹具是组合机床的重要组成部分，用于实现对被加工零件的准确定位、加压、对刀具的导向以及装卸工件时的限位等。组合机床的加工精度基本上是由夹具来保证的，因此它与一般机床夹具不同。一般机床夹具只是机床的辅助部件。此外，不要把组合机床夹具和一般的组合夹具混淆起来。组合夹具用于万能机床上为完成某一道工序加工，用一些标准化和通用化的元件组装成的定位夹紧装置。用完后，卸下这些元件可以重新组装成新的加压装置。而组合机床夹具是为某种零件的特定工序而专门设计的，它是由标准件，通用件以及专门设计的元件构成的专用构件，是组合机床的一个重要组成部分。 组合机床夹具按结构特点，可以分为单工位夹具和多工位夹具两大类。单工位夹具是指在一个工位上完成加工工序的机床夹具。按被加工零件结构和要求，单工位夹具有固定的，带滚道或浮动辊道的，带水盆和小车等形式。多工位组合机床夹具是指工件需要在几个工位上顺序或平行顺序加工的机床夹具。按移位方法它又可分为：固定式多位夹具、回转夹具、移动工作台夹具和回转鼓轮夹具等。此外按操纵方式又可分为：手动定位夹紧的组合机床夹具和自动定位夹紧的组合机床夹具。由于组合机床是多面、多刀、多工序同时加工，在加工过程中产生很大的切削力，所以要求夹具要有足够的刚性和夹压力。一般在夹具上都设有引导刀具的导向装置，以保证工件的加工精度。有的夹具要求具有自动定位机构和夹压机构，实现定位和夹压的自动化，并设有动作完成的检查讯号，以减轻工人的劳动强度和提高生产率。在所有的夹具上都要有足够的空间，以便排除切屑，以便与维修和更换易损零件等。机床夹具是根据被加工零件专门设计的，所以形式各不相同，下图是被加工的零件图形。图3.8 工件图由于工件定位端是圆柱面和立平面组成，所以在前端设计套筒定位、后端用夹紧液压缸带动顶尖夹紧，通过摩擦力限制工件转动。工件夹具由底座、回收箱、导套、前定位支撑板、顶尖及顶尖套筒、液压系统组成，其中底座采用钢板压制而成，起支撑作用；回收箱用来回收冷却液和铁屑，并由下部方孔流入中间底座的回收箱内；导套采用通用导套，对刀具起到支撑和导向的作用，刀具加工完工件后并不推出回收箱，而是停留在导套内，等到工件换完后继续加工；前定位支撑板用于工件定位，要求控制定位精度；夹紧装置使用夹紧液压缸带动顶尖夹紧工件。由于工件直径较小，且钻削时力和力矩均较小，夹具各部件及支撑刚度和强度较大，根据经验强度、刚度符合要求，不必再校核了。图3.9 夹具组成3.3.2 夹具液压部分设计（）液压缸的选择：组合机床的加紧液压缸已进行了通用化系列化设计，根据资料选用T50系列加紧液压缸，这种液压缸的缸体采用无缝钢管，两端是嵌入式的，在缸体的两端内壁开有环槽，将段改放入后旋转90度，端盖的边沿进入缸体两端的环槽，即可承受轴向力。液压缸和夹具的连接方式是通过两个半圆键用法兰盘连接，可以向前固定，也可以向后固定。采用角铁形式的连接件后，可以变地脚式的固定。计算夹紧力时，应考虑到切削余量有可能超过计算值以及材质的不均匀性。因此，加紧力的实际值应相对于计算值有1.52的安全系数由上面计算得到的轴向切削力 F=1743.803N，所以实际夹紧力 F1743.8032=3487.604N根据实际夹紧力和夹紧行程选择T5033型夹紧液压缸表3.9 夹紧液压缸的技术参数型号液压直径(mm)活塞杆直径行程(mm)大腔工作面积小腔工作面积活塞杆推力活塞杆拉力油的工作压力5MPa5 MPaT503332mm16mm63mm8cm26cm24kN3kN（2）液压站其它部件选择在工件加工过程中可以采用三位两通的电磁阀进行控制，形成卸荷回路。所谓卸荷，是指液压泵在很低的压力下运转。此时泵的输出功率接近于零。需要使回路卸荷,以节省动力消耗,可以选取M型电磁换向阀,原理图如下图:图3.10利用M型换向阀使泵卸荷的回路当换向阀置于中间时，液压油不经过液压缸直接回到油缸，此时油的压力接近于零，所以可以保证液压泵输出功率接近于零。由于需要控制两个液压缸体，所以采用分流阀控制的同步回路，图3.11节流式同步运动回路如图3.11为用分流阀控制两个并联液压缸同步运动回路。两个尺寸相同的液压缸的进油路上，串联分流阀。该分流阀能保证进入两液压缸的流量相同，从而实现速度同步。其工作原理如下：分流阀中左右两个固定节流口的尺寸和甜点相同，阀芯可以依据液压缸负载变化自由地轴向移动，来调节左右两个节流口的开度，保证阀芯左端压力和右端压力相等从而使进入两液压缸的流量相同，来实现两缸速度同步。例如，当阀芯停留在某一平衡位置（p1=p1）时,若左液压缸的负载增大，p1也会随之增大。但是，p1在增大时，由于p1p2，使阀芯右移，右节流口变大，左节流口变小，结果使p1减小，p2增大，直到p1=p2时阀芯停留在新的平衡位置。只要，左右两固定节流口上的工作压差相等，流过节流阀的流量就相等，保证两缸的速度同步。反向时，它们分别通过各自的单向阀回油，不受分流阀控制。因为液压系统是指使用来夹紧工件，速度根据经验选取一个合适的数值，选取为20mm/s，如果取进油路总的压力损失为，则液压泵最高工作压力为：PfP+p1=5.5MPa因此，液压泵的流量可以取为5.5+5.50.25（MPa）=6.875MPa泵的流量为 根据所拟定的液压系统原理图，计算分析通过各液压阀油液的最高压力和最大流量，选择个各液压阀的型号规格。油管内径一般可参照所选元件油口尺寸决定，也可以按管路允许的流速进行计算，油箱容量的确定如下：图3.12中1为电机和液压泵油缸，2为分流阀，3为溢流阀，4为调速阀，5为单向阀阀，6为压力表，7为电磁换向阀，8为液压缸，9为油缸。按照习惯和经验合理的安排各液压元件的位置和技术参数。根据液压原理图可以由厂家订做液压站。图3.12 液压原理图 第四章 PLC组合机床控制系第四章 PLC组合机床控制系统4.1 步进电机的选择4.1.1步进电动机工作原理步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。步进电动机实质上是一种多相或单相同步电动机。单相步进电动机由单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机由多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，再经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组，每输入一个脉冲到脉冲分配器，电机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。正常情况下，步进电动机转过的总角度和输入的脉冲数成正比，连续输入一定频率的脉冲时，电机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。（1）步进电机的静态指标术语相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。（2）步进电机动态指标及术语：a、步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。b、失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。c、失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。d、最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。e、最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。f、运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。g、电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。（3）步进电机的一些特点： a. 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 b.步进电机外表允许的最高温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 c.步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 d.步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。本系统选用的步进电机为日本东方二相混合式步进电机，步矩角1.8。定子上有A、B两相绕组。若以（A）表示对A相绕组正向通电，以（-A）表示对A相绕组反向通电，按（A）（B）（-B）（-A）的次序轮流通电，电动机将每次转过1.8。4.1.2 步进电动机驱动器步进电动机不能直接接到直流或工频交流电源上工作，必须使用专用的步进电动机驱动控制器，它一般由脉冲发生分配控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成，将由控制器来的符合要求的脉冲串按时序要求分配给各相，放大后变成功率电流用以驱动步进电动机。本系统所用驱动器为意大利RTA公司UCM系列中的UCM03，该驱动器为单电源供电恒流斩波式，即使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、或高频工作时均保持额定值，使电动机具有恒转矩输出特性。驱动器内部带环形脉冲分配器，若使电机运行只需输入单相脉冲，然后由环形分配器按一定的顺序将脉冲加到控制电机绕组各端的开关管的控制极上。4.1.3 步进电动机控制器步进电动机的工作过程一般由控制器控制。控制器按照设计者的要求完成一定的控制过程、使驱动器按照要求的规律驱动步进电动机运行。简单的控制过程可以用各种逻辑电路来实现，但线路一般较复杂，成本高。自从微处理器问世以来，给步进电动机控制器设计开辟了新的途径。各种PCL的迅速发展和普及，为设计功能很强而且价格低的步进电动机控制器提供了先进的技术和充足的货源。用PLC可以用很低的成本实现很复杂的控制方案，而且由于PLC编程的灵活性、使修改控制方案成为轻而易举的事情，只要重新编制程序或修改部分参数即可。42 PLC控制系统4.2.1 可编程序控制器组成及特点可编程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，简称PC）。与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员