上海電機學(xué)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(xué) 號指 導(dǎo) 教 師 （簽字學(xué) 院（系）院長（簽字）2015 年 月 日注：本任務(wù)書由上海電機學(xué)院教務(wù)處印制。-I--I-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， ， ， 。 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-II--II-ABSTRACTThedesignofthesmalldrillingmachinedesign.Thedrillingprocessisafundamentalpartoftheprocessinghole,aslongasthemachiningprecisiondrillingtechnologyimproves,theprocessbehindthemoreconcise,improveprocessingsavetime,improveeconomicThispapercarriesonthedesigntothesmalldrillingmachine,mainlycompletesthedesignofmechanicalstructure.Thewholestructureismainlycomposedofthemotorpowerwillneedtotransferthepowertothewheelsthroughabeltandthentransferredtothebeltwheel,pinionandthentransitiontothevolumeoftheduplexgearthrough,doublegearshaftisprovidedwithadrillbitAtthesametime,thispaperelaboratesontheschemeofsmallmachinekeycomponentsdesignprocess,themaincontentincludestheoveralldesign,thechoiceofdesign,transmissionpartsofthedesign,designofshaftandbearingselectionandchecking.Thecontentofthispaper:theoverallstructuredesignofsmalldrill.ofsmalldrillingperformance.thechoiceofmotor.transmissionpartsofsmalldrill.thedesignofpartsofthedesigncalculationandcheck.theassemblydrawingandpartsdrawingassemblydrawingsandpartsdrawingsdesign.Keywords:ballscrew;motor;gearbox;drillingtechnology-I--I-摘 要 IABSTRACT II緒論 11鉆床的發(fā)展及趨勢 1本課題解決的問題和設(shè)計時主要的工作 1三軸鉆床結(jié)構(gòu)設(shè)計的總體方案 32.1課題的技術(shù)要求32.2鉆床總體結(jié)構(gòu)32.3小型鉆床的動力選擇32.4小型鉆床的驅(qū)動方式42.5小型鉆床的動力性能比較42.6小型鉆床動力的計算與選擇5小型鉆床主軸箱設(shè)計 7基本傳動數(shù)據(jù)計算 7帶傳動設(shè)計 89第一級齒輪傳動設(shè)計 9第二級齒輪傳動設(shè)計： 11軸的校核 13鍵的校核 19軸承的校核 20傳動系統(tǒng)電機的選用 22鉆頭軸向進給系統(tǒng)的設(shè)計 24鉆頭軸向進給絲杠螺母副的計算和選型 24工作臺基本參數(shù) 24

F(N)m

計算最大動載荷 C 滾珠絲杠螺母副的選型 傳動效率計算 25剛度檢驗 26穩(wěn)定性校核 28步進電機的計算和選型 28初選電機型號 28電機校核計算 28X軸、 Y軸的設(shè)計 32-II--II-工作臺滾珠絲杠螺母副的計算和選型 32工作臺基本參數(shù) 32

F(N)m

軌道的選擇 33控制程序的編寫 可編程控制器的選取 的 地址分配 36狀態(tài)圖及梯形圖（程序）的設(shè)計 結(jié) 論 參 考 文 獻 致謝 -PAGE41-1 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、 ， ， 、 。 ， 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(dāng)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。 。 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(dāng)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。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， 提高了工作效和加工精度。本課題的主要工作包括以下幾個方面：.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。.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。設(shè)計三軸鉆床的整體結(jié)構(gòu)。.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.1課題的技術(shù)要求定位精度： ±0.5mm；運動速度： >2m/min；功率： 加工孔徑范圍 :1.5-10mm；轉(zhuǎn)速范圍： 50-1500rpm；： ,,m；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)、 電機等部分組成可調(diào)式立式三軸鉆床的設(shè)計需要完成以下幾個步驟：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。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 ,軸的運轉(zhuǎn)由主電機經(jīng)過交換齒輪來驅(qū)動。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。鉆頭軸向進給系統(tǒng)的設(shè)計：采用滾珠絲杠軸向進給。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 例連續(xù)運動 機往復(fù)運動 往復(fù)擺動 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(fù)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。必須考慮到工作機對原動機所提出的起動、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。必須考慮到現(xiàn)場能源的供應(yīng)情況及工作環(huán)境因素；必須考慮原動機的機械特性與工作機的匹配情況；必須考慮到維修是否方便，操作是否簡單，工作是否可靠；過載、 運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性等方面的要求；2.5 小型鉆床的動力性能比較表2-2原動機性能比較功率及取范圍電動機較大功率大；氣缸馬達較小功率比電動液壓馬達較小功率最大；受柴油機較大功 率 大 ；，范圍廣

機大； 一般在2.2KW以下，尤其適用

實際油壓和馬達尺寸的限制

538000KW0.75KW以下的高速傳動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)低許應(yīng)值于排氣時空膨脹， 噪聲大， 排氣處應(yīng)安裝消聲器氣對油箱進風(fēng)冷或水冷行調(diào)整方法和性直流電動機用氣閥控制，通過閥或泵較難能用改變電電阻、電壓或改變磁通方法；交流電動機用變頻、變極或變差率的方法樞的轉(zhuǎn)簡單，迅速，但不夠精確控制改變量，調(diào)速范圍大流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， 需要力電源小功率高場合速較廣很廣，輛，機械、如各種車船舶、 農(nóng)工程機械和壓縮機等等和壓縮機等等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：M 0.34D2k

08kp式中，

Mk——切削力矩（ NM）D——鉆頭直徑（ mm）f——每轉(zhuǎn)進給量（ kp——修正系數(shù)軸向切削力的計算公式如下：

k ( bp

)0.75F f

Kp式中，

Ff——軸向切削力（ N）D——鉆頭直徑（ mm）f——每轉(zhuǎn)進給量 (mm)kp——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f=0.2mm，所以可分別計算出切削轉(zhuǎn)矩和軸向切削為：Mk=13.5N·M

=736MPa，D=10mm，bFf=2595Nb由金屬切削原理可知，主軸切削功率的計算公式為：P (

F f

n)103nm 100060 60式中：

Ff——軸向切削力（ N）f——每轉(zhuǎn)進給量 (mm)n——主軸固定轉(zhuǎn)速（ Mk——切削力矩（ NM）將以上數(shù)值代入公式中可計算出功率

P=0.35KWm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m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 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)速傳動系統(tǒng)要求設(shè)計：、， 于 ,在 3～55）、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。、。 。計算機構(gòu)各軸的運動及動力參數(shù)各軸的轉(zhuǎn)速ⅠⅡⅢⅠ 軸 n1Ⅱ 軸 n2

mnnn0n 1ni1n

96024806.475

480r/min75r/minⅢ 軸 n 3 i2

15r/min5各軸的輸入功率Ⅰ 軸 p1

pη01

2.29406kwⅡ 軸 p2

p1

.068.97.98.96kwⅢ 軸 p3

pη2

966979886kw 電動機輸出轉(zhuǎn)矩Td

2.2

1.9NmⅠ 軸 T1

T i d 0

28929441NmⅡ 軸 T2Ⅲ 軸 T3

Tiη1 1 Ti 2 2

41.156.40.970.98250.35Nm250.3550.970.98m： V為 為 為 。知 取 KA=1.5，取 A型 V為 d1m帶速的確定：πd nv1

3.14100960

5.0m/s601000 601000中心矩、帶長及包角的確定由式 0.7(1d201d2) 0.7(100+200)<a0<2(100+200)得 210〈a0〈600初步確定中心矩為 a0=400根據(jù)相關(guān)公式初步計算帶的基準長度：πL 2a （πd 0 2

d d）1 2

(d d)21 24a0

2400π2

(100200)

(200100)24400

1277.25mm查《機械設(shè)計手冊》選取帶的長度為 1250mm計算實際中心矩：aa0

Ld2

400

12501277.252

386mm

取386mm驗算小帶輪包角：d dα1802 157.3a

165.2確定帶的根數(shù)pZp 1

pck k1 a

查《機械設(shè)計手冊》知p1=0.97Δka=0.965kl=0.93則 Z

2.40

取Z=30.970.110.9650.93張緊力p 2.5F 500 c(0

qv23.3

查《機械設(shè)計手冊》 q=0.10kg/m2.5F0作用在軸上的載荷

50

5.02α

( )0.15.020.96516.2

13.NF 2ZFq

sin2

2413.1sin2

1059N帶輪結(jié)構(gòu)與尺寸見零件圖圖3.1 帶輪的結(jié)構(gòu)與尺寸圖齒輪傳動設(shè)計應(yīng)盡量使相嚙合齒輪的齒數(shù)之間沒有公約數(shù)，以便使齒輪在使用過程中各齒之間都能相互嚙合，以加速磨合，模數(shù)

m3第一級齒輪傳動設(shè)計選材料、確定初步參數(shù)選材料 小齒輪： 40Cr鋼調(diào)制，平均取齒面硬度為 260HBS大齒輪： 45鋼調(diào)制，平均取齒面硬度為 260HBS初選齒數(shù) 小齒輪的齒數(shù)為 Z1=20，則大齒輪的齒數(shù)為 Z2=20×2.1=4242

i 選擇尺寬系數(shù) ψd和傳動精度等級情況，參照《機械設(shè)計手冊》并根據(jù)以前學(xué)過的知識選取 ψd=0.6小齒輪直徑 d1=60mm為 ψd×1×齒輪圓周速度為：πdnv 1 1

π60480

1.5m/

參照《機械設(shè)計手冊》選精度等級為9

601000

601000計算小齒輪轉(zhuǎn)矩 T1p

2.068T 9.551061 n1

9.55106

480

4.1104Nmmε 確定重合度系數(shù) Z、Yε ε1.883.21 1 1.69520 128則由手冊中相應(yīng)公式可知：4ε4ε3εY 0.25ε

441.6953ε

0.877數(shù) KH、KF數(shù)

為

=1.85確定動載系數(shù)

A：查閱《機械設(shè)計手冊》選取動載系數(shù)

A=1.10v v確定齒間載荷分布系數(shù) a、a：tKAF t

2*K *TA 1

21.854.1104

70.23N/mm100N/mmb b*d1

6036則K Ha

1 1Z2 0.8772ε

K 1Fa Y1ε

10.692

1.45K 載荷系數(shù) 、 K H FK K

K K 1.851.101.151.33.09H A VK K KFaF HKHa

β Hα3.091.451.3

3.42齒面疲勞強度計算確定許用應(yīng)力 [σH]① 總工作時間 th為 0作 0天，每天工作 8個小時，則

t 5300812000hh② 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1、N21h31h

6.6tN N

60rnt i 1 1 t i1 1 h601480120001108

16.60.20.76.60.50.46.60.3N N2 v2

N1u

11086.4

1.56107③ 壽命系數(shù) Zn1、Zn2，查閱相關(guān) 《機械設(shè)計手冊》 選取 Zn1=1.0、Zn2=1.15④ 接觸疲勞極限?。?σhlim1=720MPa、σhlim2=580MPa⑤ 安全系數(shù)取： Sh=1.0⑥ 許用應(yīng)力 [σh1]、[σh2]σ σHlimZn2Sh

76019720 Pa1σ σHlimZnh2 Sh

5701.34667MPa1彈性系數(shù) ZE查閱《機械設(shè)計手冊》可選

Z 190E

MPa節(jié)點區(qū)域系數(shù) ZH查閱《機械設(shè)計手冊》可選取 ZH=2.5求所需小齒輪直徑 d132k32kTuh1ψdu1ZZZu e hε2σh132323.094.110416.41902.50.87772055.34mm分度圓直徑 d1,d2d mz1 1

32060mm

d mz2

342126mm確定尺寬：取大齒輪尺寬為 b1=20mm小齒輪尺寬取 b2=20mm第二級齒輪傳動設(shè)計：選材料、確定初步參數(shù)選材料 小齒輪： 40Cr鋼調(diào)制，平均取齒面硬度為 260HBS大齒輪： 45鋼調(diào)制，平均取齒面硬度為 260HBS初選齒數(shù) 取小齒輪的齒數(shù)為 18，則大齒輪的齒數(shù)為 18×2.22=40

i18數(shù) ψd取 ψd=2/3徑 d1m為 ψd×1×齒輪圓周速度為：dn 1 1601000

84750.055m/s601000

參照手冊選精度等級為 9級。計算小齒輪轉(zhuǎn)矩 p

1.966T9.551061 n1

9.5510675

2.5105Nmmε 6) 確定重合度系數(shù) Z、Yε ε1.883.21 1 1.7428 140則由手冊中相應(yīng)公式可知：4ε4ε3εY 0.25ε

441.743ε

0.868數(shù) KH、KF數(shù)

為

=1.85確定動載系數(shù)

A：查閱《機械設(shè)計手冊》選取動載系數(shù)

A=1.0v v確定齒間載荷分布系數(shù) a、a：K FA t

2K TA 1

21.852.5105

196.6N/mm100N/mmb bd1

8456則K Ha

1 1Z2 0.8642ε

1.33

K 1Fa Yε

10.681

1.47K 載荷系數(shù) 、 K H FK K KH A V

K K

1.851.01.151.332.83KK K F HKHa

2.83

1.471.33

3.13齒面疲勞強度計算確定許用應(yīng)力 [σH]間 th為 0作 0作8個小時，則：

t 5300812000hh②應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1、N21h31h

6.6tN N

60rnt i 1 v1 t 1i1 h160175120001.35107

16.60.20.76.60.50.46.60.3N N

1.35107

2.71062 v2 u 5③壽命系數(shù) Zn1、Zn2，查閱《機械設(shè)計手冊》選取 Zn1=1.33、Zn2=1.48④接觸疲勞極限?。?σhlim1=760MPa、σhlim2=760MPa⑤安全系數(shù)?。?Sh=1力 [σh1]、[σh2]σ σHlimZn2Shσ σHlimZn2

7601.331010.8MPa17601.481124.8MPah2 S 1h彈性系數(shù) ZE查閱《機械設(shè)計手冊》可選

Z 190E

MPa節(jié)點區(qū)域系數(shù) ZH查閱《機械設(shè)計手冊》可選取 ZH=2.5求所需小齒輪直徑 d12k2kT u1ZZZ3ψh1du e hε2σh32322.51052.832/351902.50.86821124.870.0mm與初估大小基本相符。5）分度圓直徑 d1,d2d mz1 1

340120mm

d mz2

31854mm6)確定尺寬：取大齒輪尺寬為 b1=39×2/3=26mm小齒輪尺寬取 b2=26mm軸的校核軸直徑的設(shè)計式106P3106P3T3Pn

27.89mm33軸的剛度計算按當(dāng)量彎矩法校核設(shè)計軸系結(jié)構(gòu)，確定軸的受力簡圖、彎矩圖、合成彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖和當(dāng)量彎矩圖。圖3.2 軸的受力轉(zhuǎn)矩彎矩圖求作用在軸上的力如表 3.2c垂直面（Fv）水平面（Fh垂直面（Fv）水平面（Fh）軸承1F2=12NF4=891N齒輪2F =1367NBvF 498NAH34F 0vF BH3） 表 圖 圖 3.2e表3.2作用在軸上的彎矩垂直面（垂直面（Mv）水平面（Mh）Ⅰ截面M -Ft1091308N.mmv1M F109-97119N.mmH1 c合成彎矩M 8292mⅠM 49820412313105348N.mⅡMHⅡ891313-136720415N.mm合成彎矩M 8252mⅡ圖 3.2f圖 圖 3.2a表 3.3。表3.3截面的彎矩Ⅱ截面M ⅠM ⅡM2T2105431N.mmⅠM2ⅡT2106160N.mm確定許用應(yīng)力已知軸材料為 45鋼調(diào)質(zhì)，查表得

=650MPa。用插入法查表得b =102.5MP，

=60MPa。

60 0.590b 校核軸徑如表 3.4

0表3.4驗算軸徑

102.5Ⅰ截面Ⅰ截面d 3MⅠⅠe26mm66mmⅡ截面d 3MⅡⅡ1b26mm48mm結(jié)論：按當(dāng)量彎矩法校核，軸的強度足夠。b) 軸的剛度計算0

53nGi1

TLi iIpi

532716578.1104i1

TLi i Ipi

7

TLi iIpi4I 1324I 232

2512005208884I 3p3 324I 4p4 324I 5p5 324I 6p6 324I 7p7 324I 8p8 32

834362127170018618968343622512001648120 19.2 30

27

53

40

157

27

59

95 2512000.120.5所以軸的剛度足夠

520888

834362

1271700

1861896

834362

251200

164812求作用在軸上的力如表 3.5，并作圖如圖 3-3c垂直面（Fv）水平面（Fh垂直面（Fv）水平面（Fh）1F3=1627NF1=8362NF =2381NBvF 867NAH2軸F 0vF BH表 圖 圖 3.3e垂直面（M）垂直面（M）水平面（Mh）Ⅰ截面M -Fp193.5-314824.5N.mmv1M F193.51618047N.mH1 c合成彎矩M 5272mmmⅠM 189272N.mmⅡMHⅡ3154675.5N.mm合成彎矩M 2252mmmⅡ圖 3.2f作出當(dāng)量彎矩圖如圖 如表 3.7表3.7危險截面的彎矩Ⅰ截面Ⅰ截面M M2T21640000N.mⅠ ⅠⅡ截面M ⅡM2ⅡT23160000N.m確定許用應(yīng)力已知軸材料為 45鋼調(diào)質(zhì)，查表得 =102.5MP， 0b

=650MPa。用插入法查表得b 601050

0.59校核軸徑如表 3.8表3.8校核軸徑Ⅰ截面Ⅰ截面d 3MⅠⅠe64.89mm84mmⅡ截面d 3MⅡⅡ1b80.58mm90mm結(jié)論：按當(dāng)量彎矩法校核，軸的強度足夠。b) 軸的剛度計算0 53nTL

53271657TL

7TLGi1

i iIpi

8.1104

i1

i iIpi

i iIi1 00.0000.5所以軸的剛度足夠附：軸二與軸三的校核與軸一相同。取軸二的直徑為 35，軸三的直徑為 30.經(jīng)檢驗，合格。鍵的校核平鍵的強度校核 .鍵的選擇鍵的類型應(yīng)根據(jù)鍵聯(lián)接的結(jié)構(gòu)使用要求和工作狀況來選擇。 選擇時應(yīng)考慮傳遞拒的大小， 聯(lián)接的對中性要求， 是否要求軸向固定， 聯(lián)接于軸上的零件是否需要沿軸滑動及滑動距離長短， 以及鍵在軸上的位置等。 鍵的主要尺寸為其橫截面尺寸 (鍵寬 高 h)度 。鍵的橫截面尺寸 依軸的直徑 d由標準中選取。鍵的長度 L一般可按輪轂的長度選定，即鍵長略短于輪轂長度，并應(yīng)符合標準規(guī)定的長度系列。故根據(jù)以上所提出的以及該機工作時的要求，故選用 A型普通平鍵由《機械設(shè)計手冊》查得：鍵寬 b=16mm 鍵高 h=10mm 鍵長 L=30mm驗算擠壓強度 .， ， 或耐磨性的條件計算，即：靜聯(lián)接

]p kld p式中T矩 (Nmm)d————軸的直徑 (mm)h2k————鍵與輪轂的接觸高度 (mm，一般取 kh2l————鍵的接觸長度 (mm).圓頭平鍵 lLb[]p

————許用擠壓應(yīng)力

(MPa))鍵的工作長度

lLb(2514)mm11mm擠壓面高度

k 102

5mmh2轉(zhuǎn)矩 h2

9.55106

9.551061.87

1.19106Nmpn15許用擠壓應(yīng)力，查《機械設(shè)計手冊》表則 擠壓應(yīng)力pn15

[]p

60MPa p kl

21.19106a96511 MPa

43.62MPa60MPa所以 此鍵是安全的。附： 鍵的材料： 因為壓潰和磨損是鍵聯(lián)接的主要失效形式， 所以鍵的材料要求有足夠的硬度。 國家標準規(guī)定， 鍵用抗拉強度不低于 ， 如 鋼 Q275等。軸承的校核滾動軸承是又專業(yè)工廠生產(chǎn)的標準件。 滾動軸承的類型、 尺寸和公差等級均已制訂有國家標準， 在機械設(shè)計中只需根據(jù)工作條件選擇合適的軸承類型、 尺寸和公差級等，并進行軸承的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計。初選軸承型號試選 10000K軸承，查《機械設(shè)計手冊》 GB281-1994，查得 10000K軸承的性參數(shù)為：C=14617N Co=162850N壽命計算計算軸承內(nèi)部軸向力 .

n 1900min

(脂潤滑 )查表得 10000K軸承的內(nèi)部軸向

F Fs R

/(2Y)Y0.670.67cos1538'32''98629359986293592R111504182F 122470R2則：F F11S R11F FS R2 1

(2Y)N(2Y)計算外加軸向載荷F 0X計算軸承的軸向載荷因為 F F2S S21故軸承 1

F FAS1 AS

90208N

軸承

F FA S1 2

90208N由式 F P

f (XFp )a查表得：

FF 的界限A R

e

0.42F 90208A1

0.90F 105023R2F 90208A2

0.77F 122470R2查表知

F /FA R1 1

0.90e故 X 1

Y 0.41

0.39FA1FRFA1FR1故 X 2則：

Y 0.392F fP1

(XFp 1 R1

YF )A11.2(0.41050230.3990500NF fP1

(XFp 2 R2

YF )A22(41224739902)8101003式中 .

f p

(輕度沖擊的運轉(zhuǎn) )由于壽命計算。

F FP P1

，且軸承 1、2采用型號、尺寸相同的軸承，故只對軸承 2進行F FP P2計算軸承壽命

101003NLh10

106(C)60n FP 1066025

14617010)101003

5119h

4500h由式

mas

ffnlim1 2 C 14617 F 101003P/FA R1 2

0.7737.6查得：載荷系數(shù)

f 0.651載荷分布系數(shù)故 nmas

f 0.8120.650.811900rmin1000rmin計算結(jié)果表明，選用的 10000K型圓柱孔調(diào)心軸承能滿足要求。傳動系統(tǒng)電機的選用計算折算到電機主軸上的轉(zhuǎn)矩由3.2.2知單個鉆頭扭矩：M4（9)80N)N， TM

Nm）1 8zT 9Tz

11

9.92(Nm)z(6,9)

z 18

z(7,11)5T2zT 121 22.04(N53 z z(6,9)6

zT 3T11 16.40(Nz4 z 34

zT 1T116.401 12.096(Nm)z5 z 42

TT11 6 5

0.9所需電機功率

TnP 66

1344014402.03(kW)9550000 9550000式中n—軸6的轉(zhuǎn)速，

n=n

n 輪 16T—軸6， N6

6

(1)P—所需電機功率， ， 表 12-1[3]得，選用 Y100L1-4型電機， 電機額定功率 速 滿載轉(zhuǎn)速 電機質(zhì)量 34kg。4 向進給系統(tǒng)的設(shè)計鉆頭軸向進給絲杠螺母副的計算和選型工作臺基本參數(shù)經(jīng)估算雙頭鉆頭、減速箱、電機三項總重量約為： 80kg故G74N）由3.2.1知當(dāng)鉆頭鉆削時，受到軸向切削力為 F（N）F2FG（）x

F(N)m作用在工作臺滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括工作臺自身重量和工件重量作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的型式有關(guān)。選定進給為矩形導(dǎo)軌故，

KF

（6.1）K—

m xK1.1故得，

F 1.1m

3538(N)荷 CC3

Lf Fw

（6.2）60nTL1061000vn sL0式中：

L—0

L=6(mm)0v—最大切削力下進給速度，s度n 的1/3。max

v等于鉆床鉆削時鉆頭進給速度。取最高進給速svnf式中：

)

v /s

n /maxT—按 （h）；L—以 106轉(zhuǎn)為 1單位。f —運轉(zhuǎn)系數(shù)，w

f 取1.2 1.5w1000vn sL0

6

=16(r/min)60nT 601615000L 14.4106 106C3

Lf Fw

=3錄 A表2[1]

W1

外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的不帶襯套的雙螺母滾珠絲杠，1列為 （表 3-15[1]選為 3級傳動效率計算= tgtg()

（6.3）—螺旋升角，

W1

4o2取 10；滾動摩擦系數(shù) 3

0.004= =)

4og(4o)圖 6.1為 3538（N），距 L=400（mm），需預(yù)緊絲杠，螺母及軸承進行預(yù)緊。圖6.1鉆頭軸向進給系統(tǒng)（1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量 1查圖 [1]，根

F （）m

D 25(mm0

/LL

105 LL1053102(mm)1 L0

（6.4）兩端均采用推力球軸承 52205，且絲杠進行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高四倍，其實際變形量

(mm)為：1=1

=7.5103(mm)1 4 1（2） 滾珠與螺紋軌道間接觸變形 2查圖 [1]，W系列 1列2.5圈滾珠和螺紋軌道接觸變形量 ：Q

m)Q 12 2

18.54.25(m2（3）支撐滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形推力球軸承

3d 5(mmQ

18 F2mm

3612

（6.5）3c

d Q

5182

0.010(mm)

F為 kgm根據(jù)以上計算：

12

10.0100.005(mm)2

<定位精度1 2 3穩(wěn)定性校核滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。步進電機的計算和選型初選電機型號計算步進電機空載啟動頻率和切削時的工作頻率kv f kp

（6.7）evf ep

由于計算齒輪傳動比時選步距角載啟動頻率為 電機校核計算

b

號 其最高空等效轉(zhuǎn)動慣量計算計算簡圖見圖 3-1。傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的傳動慣量

J cm2式計算：z2 （6.8）J J M

J1

1)[J+Jz 2 s2式中：

J —M

cm2)J、J—齒輪1 2

zz1 2

cm2)J—滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量s

cm2)機

J M

cm2)表 圓柱體（材料為鋼）轉(zhuǎn)動慣量：

JD4L103(cm2)JDLs 0

3

40gm)2式中D—0L—0代入上式：J J M

J(1

z1)2(J+J)z 2 s23.50.4(0.8)2(0.975+1.22)5.305(kgcm2)電機力矩計算機床在不同的工況下， 其所需的轉(zhuǎn)矩不同， 下面分別按各階段計算： （1）快速空載啟動力矩

M ，（2）快速移動時所需力矩q

M ，（3）最大切削負載時所需力矩 M。k t

MqM=M +Mq a0

（6.9）M J

nmax

102amax

60t2a

（6.10）n J max102 60tav n bp

360將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。vbn /vb p

t aMamax

2nJ 60ta

102

260 102600.04

8.33(Ncm)矩 M0， ， 、 和 G為 KG。KGL KGL zM 0i(12) 01(12)0

0 z 021.17840.620.8

0.8(10.92

（6.11）式中K—

5.22(Ncm)K1.1G—絲杠受雙頭鉆頭、變速箱及主驅(qū)動電機的重力之和?！獋鲃渔溈傂?，一般取—0以上兩項合計：

0.7

0M=M +M

cm)q a03） 矩 MkM Mk

5.22(Ncm)4） 矩 MtFL

（6.12）M= x 0i 0.8307.26(Nt 式中：

F—進給方向最大切削力x（5） 力矩最大，以此項作為校核電機的依據(jù)。

M 、M q k

M三種工況下，以最大切削負載時所需t從表 3-22[1]查出，當(dāng)步進電機為五相十拍時

= qMMM

0.963最大靜力矩

MM q

72.074.86(

cm)

jmaxjmax

0.963查表 [1]，4為 4N)表 3-23[1]得， 型步進電機允許的最高空載啟動頻率為 500(Hz)再從圖 3-17(o)[1]、圖 3-18(e)[1]查出 圖 3-17(n)[1]看出，當(dāng)步進電機啟動時，

f q

M50(Ncm)。矩 （）由6.4軌道的選擇錄 為 5X、Y的設(shè)計工作臺縱橫向進給結(jié)構(gòu)完全相同工作臺滾珠絲杠螺母副的計算和選型工作臺基本參數(shù)工作臺材料：碳鋼 ;查表 1-5[3]得碳鋼密度 （ mm）：

7.8(g/cm3)lbh工作臺重量：

Gglbh31

m

G 2

F(N)m作用在工作臺滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括工作臺自身重量和工件重量作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的型式有關(guān)。選定進給為矩形導(dǎo)軌。故，F(xiàn) fG)

（6.1）m 1 2矩形滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：

f0.15故得，

F m

長 400mm。圖7.1工作臺進給系統(tǒng)計算簡圖計算過程參照主進給系統(tǒng)的計算過程由計算可得絲杠型號為為 90BF002型步進電機軌道的選擇

W1

外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的不帶襯套的雙螺母滾珠絲杠；根據(jù)額定載荷查附錄 選定導(dǎo)軌為 JSA-LG156PLC6.1 可編程控制器的選取PLC是一種專用微機， 其硬件結(jié)構(gòu)與普通微機相同， 但它主要是用于完成較復(fù)雜的繼電器接觸器控制系統(tǒng)的功能。 在電氣控制系統(tǒng)中， 要想成功的設(shè)計出完善， 可的電氣控制系統(tǒng)首先要正確選擇所使用可編程控制器。 在實際應(yīng)用中， 根據(jù)設(shè)計要求、輸入輸出點數(shù)以及所需繼電器數(shù)來選擇型號。 因此， 本設(shè)計經(jīng)分析并考慮隨著技術(shù)展需具備一定的兼容，選用 FX—48MR力 X軸 Y，， ，。菱 FX：PLC內(nèi)部具有很多不同功能的器件， 實際上這些器件是有電子電路或者存儲器組成的。例如輸入繼電器是由輸入電路和映象輸入接點的存儲器組成，定時器 T器 C器 M器 器 D器 器組成。菱 FX2系列的編程器件主要有①輸入繼電器（ X0-X177） 必須有外部信號驅(qū)動②輸出繼電器（ Y0-Y177）③輔助繼電器 M其常開觸點可以無限次的使用，但不能驅(qū)動外部負載電路④狀態(tài)器 S是構(gòu)成狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的重要軟器件，它與步進順控指令配合使用⑤定時器（ T0-T255）其相當(dāng)于一個時間繼電器。它有一個設(shè)定值寄存器，一個當(dāng)前值寄存器。⑥計數(shù)器（ C0-C255）又可分外內(nèi)部計數(shù)器和高速計數(shù)器。⑦指針（ P/I）分支指令用指針 P0-P63,共 64的跳轉(zhuǎn)目標。（ K/H）⑨數(shù)據(jù)寄存器：在進行輸入輸出處理、 模擬量控制、 位置控制時， 需要許多數(shù)據(jù)寄存器存儲數(shù)據(jù)和數(shù)。有可以分為以下幾類：?.通用數(shù)據(jù)寄存器，當(dāng) PLC由運行到停止時，該類數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)均為零。但當(dāng)特殊輔助繼電器 M8031為“1”時PLC由運行轉(zhuǎn)向停止時，數(shù)據(jù)可以保持。?.斷電保持數(shù)據(jù)寄存器?.特殊數(shù)據(jù)寄存器?.文件數(shù)據(jù)寄存器：主要用于儲存大量的數(shù)據(jù)，例如采集數(shù)據(jù)、統(tǒng)計計算數(shù)據(jù)、多組控制數(shù)據(jù)等。⑩變址寄存器（ V/）X2由基本單元、擴展單元、擴展模塊和特殊適配器等類型組成。僅使用基本單元或與上述部件組合使用均可。最大 到 （ （ CPU）器 ROM和RAM編程器接口、 開關(guān)量輸入輸出接口、 總線驅(qū)動擴展接口等。 基本單元是用戶的最小系統(tǒng)。（ 含 CPU加主機的 是 1：的 I/O為 48點，基本輸入輸出各占 24點。擴展模塊， 它類似擴展單元也只有輸入輸出接口。 所不同之處， 它是以 8點為單元擴充 點數(shù)的部件。有全輸入、全輸出或混合 模塊。主要用于改變系統(tǒng) 如 上 FX2-8EXR擴展模塊，即擴展 8點輸入，此時系統(tǒng) 為 4：3的 PLC如F1系列其 點數(shù)的配比固定為 3：2。特殊適配器包括光纜適配器、連接適配器、電位適配器、 RS422/RS232C轉(zhuǎn)換器等類型。FX2型號基本格式如下：FX2輸入、輸出編址都是以 8進制安排其號碼。除此之外的輔助繼電器等均以 10進制編號。例如 FX2—48MR，其 為 入 為 X0～X70～7、0～7，X從 0為 4為 Y0～Y7、Y0～Y7、 Y0～Y7。Y為輸出標志，而且是繼電器型輸出。如果基本單元有帶擴展模塊， 則它的輸入、 本單元的號碼連續(xù)編號?？蛇x的基本單元有 FX2-16M、24M、32M、48M、80M；擴展單元有 FX-32E、48E；擴展模塊有 FX-8E、8EX、16EX、8EY、16EY、24EI；特殊功能適配器有 FX2-40AP（光纖通訊） 、） 、位器設(shè)定） 、。： 元 ，、 塊 可編程凸輪控制器 F2-32RM，定位控制單元 F2-30GM。以M為例介紹其有關(guān)參數(shù)。 輸入點 8X～7； 點 8碼 器 M0～M499器 S～S499器 0碼 ～9圍1～s器 0號 C0～C199圍 1～7器 ～9；針 8，號 0～。為 K，為 ×步。的 用 一， 名 稱邏量輯變PC址號地名 稱邏輯變量PC 地址號手開關(guān)動轉(zhuǎn) 換Zk1x000Ⅳ號進、X軸 Y軸工4QA2x017主軸轉(zhuǎn)動按鈕回 原 點 轉(zhuǎn)Zk2x023Ⅳ號退按鈕I號X軸Y軸快4QA3x020換開關(guān)單循環(huán)轉(zhuǎn)Zk3x001X軸Y軸快進1xkx025換開關(guān)限位行程開回 原 點 啟QA1x024IXY軸工進2xkx025動按鈕 限位行程開關(guān)自 動 啟 按鈕

QA2 X002 IXY原位行程開關(guān)

停止按鈕 號 X軸 Y進限位行程開關(guān)

工 件 夾按鈕緊GAX021Ⅱ號 X軸進限位行程開關(guān)Y軸工x031工 件 松開SAX022Ⅱ號滑古快退原x032按鈕位行程開關(guān)夾 緊 壓力YJX004III號 X軸Y軸快x033繼電器進限位行程開關(guān)I號 X軸Y1QA1X005III號 X軸Y軸工x034軸 快 進按進限位行程開關(guān)鈕I號 X軸Y1QA2X006III號X軸Y軸快x035軸工進、主退原位行程開關(guān)軸 轉(zhuǎn) 動按鈕I號 X軸Y2QA1X007Ⅳ號 X軸Y軸快10xkx036軸 快 退按進限位行程開關(guān)鈕Ⅱ號 XY 軸進2QA2X010Ⅳ號 X軸進限位行程開關(guān)Y軸工11xkx037按鈕I號 X軸Y2QA3X011Ⅳ號滑古快退原12xkx040軸工進、主位行程開關(guān)軸 轉(zhuǎn) 動按鈕Ⅱ號 XY 軸退3QA1X012冷卻泵啟動按鈕QA3X041按鈕I號軸 鈕X軸進Y按3QA2X013冷卻泵停止按鈕TA3X042I號X軸Y3QA3X014油泵啟動按鈕QA4X043主軸 轉(zhuǎn)動按鈕I號X軸Y4QA1X015油泵停止按鈕TA4X044軸 快退按鈕X快軸進X按鈕輸出點地址分配名 稱 邏 輯 量

PC 址號

稱 邏輯變量 PC 址號件 夾 電磁鐵件 松 電磁鐵

1DT Y001 轉(zhuǎn)接觸器2DT Y002 Ⅱ號 X軸 Y軸主軸電機接觸器

2C4 Y0152C5 Y016油 泵接觸器電機5CY003III號速電器X軸機正Y軸快轉(zhuǎn)接觸3C1Y017玲 卻機接觸器泵電6CY004III號速電X軸機制Y軸快動接觸3C2Y020器I號軸快X軸速Y電1C1Y005III號精臺工進電機接觸器3C3Y021機正轉(zhuǎn)接觸器I號X軸Y1C2Y006III號精臺快速電3C4Y022軸機觸器快制速動電接機反轉(zhuǎn)接觸器I號X軸Y1C3Y007III號主軸電機接3C5Y023軸工進電觸器機接觸器I號X軸Y1C4Y010Ⅳ號X軸Y軸快4C1Y024軸快速電速電機正轉(zhuǎn)接觸機反轉(zhuǎn)接器觸器I號X軸Y1C5Y011Ⅳ號精臺快速電4C2Y025I軸機觸器快正X軸速轉(zhuǎn)Y電接2C1Y012Ⅳ號精機接觸器臺工進電4C3Y026I號X軸Y2C2Y013Ⅳ號精臺快速電4C4Y027軸快速電機反轉(zhuǎn)接觸器機制動接觸器I號X軸Y2C3Y014Ⅳ號 X軸Y軸主4C5Y030軸工進電軸電機接觸器軸 主 軸 電機制動接觸器機接觸器軸 主 軸 電機制動接觸器機接觸器機接觸器PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是梯形圖的設(shè)計。 為了使設(shè)計的梯形圖既能滿足組合機床的加工工藝要求， 并有嚴密的互鎖， 又達到電路結(jié)構(gòu)最簡單。 圖的設(shè)計分成個電路， 一個是由輸入開關(guān)信號控制輔助繼電器的步進電路； 另一個是由輔助繼電器控制輸出繼電器的輸出電路