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1、自动进给微小孔钻床设计绪论1.1 问题分析及其对策金属切削加工是指利用刀具切除被加工零件多余材料的方法，是机械制造行业中 最基本的加工方法，金属切削加工过程是由金属切削机床来实现的。金属切削机床是 用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器。 在现代机械制造行业中，随着加工零件方式多样化及工艺合理化的发展的要求， 加工零件的方法也呈现出多样化，如：除切削加工外，还有铸造、锻造、焊接、冲压、 挤压和辊轧等，在这其中机床切削加工的工作量约占总制造工作量的 40%60%(其中 钻床占 11.2%),所以在目前的机械制造行业中金属切削机床是主要的加工设备。而机 床的技术性能又直接影响机械制造行业的产品
2、质量和劳动生产率，所以为了提高国家 的工业生产能力和科学技术水平，必须对机床的发展作出新的要求。 随着机械工业的扩大和科学技术的进步， 尤其是计算机的出现和数控技术的发展， 我国的机械制造行业正朝着自动化、精密化、高效率和多样化的方向发展。 我国机床工业自 1949 年建立以来， 虽然在短短的时间内取得了很大的成就， 但与 世界先进水平相比还有较大的差矩。就现状看，主要表现在：我国机床工业起步晚、 技术不成熟；大部分高精度和超精度机床的性能还不能满足要求，精度保持度也差， 特别是高效自动化和数控机床的产量、技术水平和质量等方面都明显落后。据有关部 门统计我国数控机床的产量仅是全部机床产量的 1
3、.5%， 产值数控化仅为 8.7% （至 1990 年底） ；我国数控机床基本上是中等规格的车床、铣床和加工中心等，而精密、大型、 重型或小型数控机床还远远不能满足要求；另外我国机床在技术水平和性能方面的差 矩也很明显，机床理论和应用技术的研究也明显落后。所以我们要不断学习和引进国 外先进科学技术，大力发展研究，推动我国机床工业的发展。1.1.1 现代制造业的发展状况1.1.2 问题的提出由以上现状分析我们可以看出， 在机床加工中钻床的加工工作量在总制造工作量 中占有很大的比重。钻床为孔加工机床，按其结构形式不同可以分为摇臂钻床、立式 钻床、卧式钻床、深孔钻床、多轴钻床等。主要用来进行钻孔、扩
4、孔、绞孔、攻丝等。 长期以来我国的机械机械制造工业中孔类加工多数由传统钻床来完成，但是传统的钻 床在大批量生产时存在许多的不足之处： （1）自动化程度不高.，难以进行大批量的生产；机械设计制造及其自动化 何峰雷 第 1 页 （2）工作效率低，且工人的工作环境恶劣； （3）占用人力较多，操作固定不变易出错； （4）精度不高，工件装夹费时； （5）加工产品质量不高； 针对以上传统钻床的不足之处及生产中存在的问题， 我们有必要对传统钻床进行 结构改进。 通过对传统钻床手动的进给系统、 夹紧系统及人工送料系统的改进和设计， 从而提高产品质量和生产效率，实现自动化，降低劳动强度及工作量。1.1.3 问题
5、的分析以及解决方案当前传统钻床问题的存在主要在于自动化程度、 生产效率、 工作环境及产品质量。 在生产过程中，手动的操作、繁锁的装夹、大量生产力的投入和单一的生产流程导致 了钻床加工的自动化程度低、生产效率低、工作环境恶劣和产品质量不高，因此，我 们要解决的问题在于如何实现钻床加工的自动化、减少生产力的投入生产和与其它工 艺流程相结合，同时也要考虑经济问题。 经过分析，我们可以从机构设计和控制系统两方面去考虑。通过对钻床机构的改 造来实现自动化控制的要求，提高产品的加工精度及质量；通过导入先进的控制系统 来进行自动操控，从而实现自动化，便于导入到其它生产流程中去。为了解决问题和 便于设计改造，
6、我们将钻床分为传动系统、进给系统、夹紧系统、送料系统和控制系 统五个部分，下面分别对各部分的问题提出解决方案： （1）传动系统 为满足改进后的加工及工作要求，在作出相应的计算后对传动系 统进行改进和调整。 （2）进给系统 传统的钻床主轴进给系统主要由主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、 齿轮齿条和轴承等组成。主轴在加工时即要作旋转运动，也要作轴向的进给运动。机 床主轴被装置在主轴套筒内， 套筒放置在主轴箱体孔的镶套内， 主轴上侧由花键连接。 机床加工时，旋转运动由花键传入，而进给运动则由齿轮通过齿条带动套筒在镶套内 运动。为了实现自动化控制的要求，主轴进给机构改进主要有：主轴旋转运动依然由 电动机传
7、入，而进给则由液压传动替代手动的齿条传动，通过液压控制系统来实现进 给动作。 （3）夹紧系统 传统钻床的夹紧主要是手工操作，由夹具夹紧工件。为了便于实 现自动化控制，工件夹紧由夹具完成，动力源由夹紧液压缸导入，通过液压控制系统 来实现夹紧动作的自动化。 （4）送料系统 在生产过程中，钻床的送料主要由人工输入，这使得投入了大量 的生产力，消耗了大量的工时，使的生产率不高，为此我们通过导入自动送料系统来机械设计制造及其自动化 何峰雷 第 2 页 减少生产力的投入和工时的消耗。自动送料系统机构传动要根据生产的需求作出相应 的设计需求，动力源可由电机或液压系统传入，二者均可实现自动化控制。 （5）控制
8、系统 当前机床控制系统主要由计算机数控、继电器电气控制和 PLC 控 制等，由于继电器电气控制系统，其联动关系复杂，维修困难，故障率高，经常影响 正常生产，计算机数控造价高、系统复杂，而 PLC 控制系统可靠性好、造价低、抗干 扰能力强、柔性好、编程简单、使用方便、扩充灵活、功能完善，所以我们利用 PLC 控制技术来实现对进给系统、夹紧系统和送料系统的液压控制系统的控制。1.2 本文研究的内容及目标本文主要是通过应用机床设计的一般方法对传统钻床的机构和控制系统进行设计 及改进。研究的主要内容是普通台式钻床传动系统的改进、进给系统的设计、进给系 统液压缸的设计和 PLC 控制系统的设计等四个方面
9、。其中重点在于进给系统、进给系 统液压缸和 PLC 控制系统的设计。进给系统设计主要是解决主轴高速旋转与轴向进给 两个自由度的实现；进给系统液压缸设计包括液压缸的设计、液压缸与主轴的配合和 液压缸油路控制； PLC 控制系统的设计主要是通过应用 PLC 控制程序来实现对液压油 路的动作控制及钻床加工过程的动作控制。 我们通过对传统台式钻床的改进及设计，要达到的目标在于通过改进钻床能够实 现工作自动化，最终能满足以下要求： （1）能实现自动化连续生产，改善产品加工质量，提高生产效率； （2）降低工作人员劳动强度和工作量； （3）钻床系统工作平稳，满足工作要求； （4）经济因素合理；1.3 本章小
10、结本章节主要对现代机械制造业作了简单的总概括， 并对机床切削加工作出分析。 提 出当前金属切削加工中存在的一些问题，以及针对钻床加工现存的缺点作出剖析，提 出对传统钻床改造的必要性和可行性，并对改造的任务和目标作出简述。 通过对改造任务和目标简述，为设计方案的确定了设计对象。机械设计制造及其自动化何峰雷第 3 页 2自动钻床的总体方案设计总体方案设计的构思和方案拟定关系到产品的功能是否齐全、性能是否优良、经 济效益是否显著，因此，我们要确定良好的总体方案设计思想，保证产品的功能、经 济效益和实用性能。 总体方案设计的内容主要包括以下几个方面： （1） 执行系统的方案设计 ； （2） 原动机类型
11、的选择和传动系统的方案设计； （3） 控制系统的方案设计； （4） 总体布局设计； （5） 辅助系统的设计； 为了完成普通台式钻床的改造及进给系统的设计，我们依循机床设计的一般步骤 确定自动钻床的总体方案设计。2.1 自动专用钻床已知条件和设计要求的概述本文对普通台式钻床的自动化改造及进给系统设计是以某五金工具厂钢丝钳生 产线的自动化改造为背景。 已知：加工对象为钢丝钳，加工工序为在钢丝钳上钻削直径为12mm（钻床最大 钻削直径）的通孔，钢丝钳材料为 Q235。 改造后的全自动钻床应满足以下设计要求： （1） 满足自动连续生产，且生产率为 3 把/分钟； （2） 自动化改造应是机械、电气和液压
12、的有机结合； （3） 传动系统设计应包含切削力计算、电动机选择、传动装置设计、床身结构 设计等； （4） 设计重点为钻床液压进给系统之进给油缸设计； （5） 自动控制系统应以 PLC 与手动相结合的方式实现；2.2 自动钻床的工艺路线分析与确定与传统台式钻床的加工工艺路线相比较，改造后的全自动钻床基本动作有很大的机械设计制造及其自动化 何峰雷 第 4 页 调整，这其中主要是导入了自动化加工动作。结合设计及生产要求，确定工艺路线如 下： 启动（电源及控制模块）自动送料自动夹紧主轴快进主轴工进主轴停 留主轴快退夹具松开出料 为了完成自动化加工，自动钻床按照上述工艺路线进循环行动作来完成成批工件 的
13、加工过程。 根据工艺流程，可确定自动钻床的动作流程图如下（图 2-1） ：自动钻床动作 动作流程图 图 2-1 自动钻床动作流程图2.3 执行系统的方案设计执行系统是机械系统中的重要组成部分，直接完成机械系统预期工作任务。 机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的核心，是整个机械设计工作 的基础。 本文自动钻床的执行系统主要包括钻头加工和进给液压缸驱动进给。2.3.1 执行系统的功能原理设计功能原理设计决定产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构型式、制造成本机械设计制造及其自动化何峰雷第 5 页 等。因此在进行钻床的功能原理设计时，我们应当考虑钻床功能的可行性、先进性和 经济性。 普通
14、台式钻床的改造主要是实现自动化功能。改造后全自动钻床能实现自动化连 续生产，提高了生产率，符合了工厂的生产需求，适应了现代机械加工业的发展要求。2.3.2 执行系统的运动规律本文设计的重点在于钻床液压进给系统之进给油缸设计， 也就是用液压缸驱动来 替代手动进给。根据设计，我们要分析的运动规律包括钻头切削运动和进给液压缸驱 动进给运动。 钻头加工运动包括旋转切削运动和钻头直线进给运动。 进给液压缸驱动进给运动要完成驱动主轴进给，为直线运动。 钻床执行系统的运动规律如下图示（图 2-2） ：主 轴 直 线 进 给 运主轴旋转切削运动动自动钻床运动规律简图 图 2-2 自动钻床运动规律简图2.3.3
15、 执行机构的形式设计在进行执行机构的形式设计时，要遵循以下原则：满足执行构件的工艺动作和运 动要求、尽量简化和缩短运动链、尽量减小机构尺寸、选择合适的运动副形式、考虑 动力源的形式、使执行系统具有良好的传力和动力特性、使机械具有调节某些运动参 数的能力和保证机械的安全运转。 考虑以上设计原则，在实现钻头的旋转切削运动时，动力源与主轴之间的执行机 构我们选择带轮传动；在实现钻头的直线进给运动时，我们选择能够往复运动的液压 缸。2.3.4 执行系统的协调设计机械设计制造及其自动化 何峰雷 第 6 页 执行系统协调设计原则：满足各执行机构动作先后的顺序性要求、满足各执行机 构动作在时间上的同步性要求
16、、 满足各执行机构在空间布置上的协调性要求、 满足各 执行机构在操作上的协同性要求、各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率、 各执行机构的的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高。 自动钻床的主轴带轮传动减少了传动链，且可过载保护；液压缸驱动进给不需要 改变运动形式，且易于实现自动化控制。2.3.5 执行系统方案评价与决策自动钻床执行系统在功能上能满足钻床加工的工作要求，主轴带轮传动能起到过 载保护作用。液压缸执行系统能实现钻床切削加工的进给运动，易于控制，是实现自 动化控制的首选机构。2.4 传动系统方案设计和原动机选择2.4.1 原动机选择由自动钻床执行部件的运动规律我们可以选择原动机。主轴旋转运动的原动机选 择电动机， 进给液压缸原动力选择电动机驱动液压泵 （具体型号在下面章节中计算后 选择） 。2.4.2 传动系统方案设计(一) 确定传动系统总传动比 全自动钻床的总传动比的确定要建立在计算切削力和传动效率的基础上，当确定 自动钻床的工作功率后，查表选择电动机，对照钻床的工作参数确定总传动比（主轴 系统总传动比在传动系统设计中经计算后确定
