（机械工程专业论文）基于plc控制的三轴钻专用机床设计.pdf

中国农业大学硕士学位论文摘要 摘要 本文以加工刮板运输机的重要零件一刮板的三轴钻专用机床为研究对象，完成了机床的 总体设计、主轴箱设计、迸给系统设计和p l c 控制系统的设计。本机床的工作过程是：当装有 工件的专用夹具与机床工作台上的两个定位触点相接触时，工件装夹完成的信号传送给机床控 制系统。机床控制系统发出指令，驱动机床主轴箱快进、工进1 、( 钻孔) 、工进2 ( 锪孔) 然 后机床主轴箱回零，完成一个工作循环。 通过对国内外大量相关文献进行检索和研究，在分析多轴机床、立式钻( 铣) 床、摇臂钻 床、组台机床的配置方案和技术参数的基础上，确定了机床的配置方案，并按工艺要求，确定 了机床的运动参数和动力参数，完成了机床的总体设计 基于对数控机床主传动系统的设计特点、数控机床主轴要求的认真研究，结合可调多轴机 床的调整方案和结构特点，设计了机床的主传动系统、主轴组件，并对主轴箱中重要的传动件 和联接件进行了计算和校核。 按照数控机床伺服进给系统的要求，设计了机床的伺服进给系统，对系统所需硬件进行了 选择和验算，并对机床的定位精度进行了计算和校核，以满足工件的加工要求。 对p ie 控制系统中硬件的参数进行匹配，编写了机床定位模块的定位程序和机床p l c 的 控制程序，实现了用p l c 控制变频器对机床主轴无级调速，用定位模块对机床主轴的进给位置 进行精确控制。 关键词：p ie 控制系统，三轴钻，主轴箱。伺服进给 中国农业大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , lt a k et h et r i a x i a la n ds p e c i a ld r i l l i n gt o o lf o rm a c h i n i n ga x m o u r e df a c ew h i c hi s a l li m p o r t m a n tp a r to fa n n o u r e df a c ec o n v e r o ra so b j e c to fs t u d y , h a v ea c o m p l i s h e dt h et a s ko ft o t a l d e s i g n ，s p i n d l e sb o xd e s i g n , f e e ds y s t e md e s i g n ，a n dp l cc o n t r o ls y s t e md e s i g n t h ed r i l l i n g m a c h i n ew o r k sa sf o l l o w ： w h e nt h es p e c i a lc l a m p i n ga p p a r a t u sw h i c hw o r k p i e c ei sf i x e dw i t hi si t o u c hw i t ht w o c o n t a c tf i x c dp o s i t i o no nw o r kt a b l e as i g n a li ss e n tt ot h em a c h i n ec o n t r o ls y s t e m i ts e n d sas i g n a lt o d r i v et h es p i n d l e sb o xm o v ei naw o r kc y c l e t h ew o r kc y c l ec o n s i s t so fr a p i df e e d ，f e e d l ，f e e d 2 , a n d r e t u r n i n gt ot h ez e r op o s i t i o n o nt h eb a s i so fe x t e n s i v er e a d i n gh o m ea n da b r o a dr e l e v a n tl i t e r a t u r e ，t h ep r i n c i p l e s ，t h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ef i e l d so fa p p l e c a t i o no fm u l f i a x l a ld r i l l i n gm a c h i n em o l s ，v e r t i c a ld r i l l i n g m a c b i n ea n dm o d u l a rm a c h i n e ，if u l 翩t h ew o r ko ft h ec o n f i g u r a t i o n # a n ，t h et e c h n i c a lp a r a m e t e r s a n dt o t a ld e s i g no f t h ed r i l l i n gm a c h i n et 0 0 1 1d e s i g nt h es p i n d l ed r i v es y s t e m s p i n d l ep a r t sa n dc o n n e c t i o np a r t si ns p i n d l eb o xb a s e0 1 1 s t u d y i n gt h ed e s i g nc h a r a c t e r sa n dr e q u i r e so f n u m e r i c a lm a c h i n et o o l a c o r d l n gt or e q u u eo fs c r v of e e ds y s 把mi n u 皿e d c a lm a c h i n et 0 0 1 is e l e c ts o m es y s t e m h a r d w a r e s , a n dc h e c k 艇霉j n 甜f e e dp r e c i s i o no f t h em a c h i n et o o l im a t c ht h ep a r a m e t e r so fp l cc o n t r o ls y s t e m ，w r i t et h ec o n t r o lp r o g r a m m eo fp o s i t i o na n d p l cc o n t r o ls y s t e m 1a c c o m p l i s hs p i n d l em t a t ec o n t r o lb yp l ca n df r e q u e n c yc o n v e r t e ra n dt h e a c c u r a t e c o n t r o l o f f e d e r a t e o f m a c h i n e t o o ls p i n d l e b y p o s i t i o n m o d u l e k e y w o r d s ：p l cc o n t r o ls y s t e m , t r i x i a ld r i l lm a c h i n et o o l ，s p a w of e e d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生魏枷臣武 帆矽彳年午月b 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：辛l 口世生每 时间：俐年年月眵日 导师签名： 刁隋彳 时间：例f 年朔“日 1 1 课题的背景及要求 1 1 1 课题的背景 第一章绪论 课题来源于中煤总公司张家口煤矿机械公司，课题的任务是设计一台专用钻床，用来加工刮 板输送机上的重要零件一刮板。 刮板输送机主要用于回采工作面的运输，也可用于采区巷道和掘进工作面的运输，可沿水 平巷道运输，也可沿倾斜巷道运输。由于我国煤矿缓倾斜煤层工作面约占7 5 ，因而刮板输送 机应用极广，数量很大；又由于我国地质条件多样，为适应各种不同条件的工作面，刮板输送 机的型号甚多。 1 刮板输送机的组成和工作原理 不同型号的刮板输送机，其组成部件的结构型式和布置方式不尽相同，但其主要部件是类 似的都是由机头、机尾、刮板链和溜槽等组成的。图1 - 1 为s g w - 2 5 0 型刮板输送机的组成框 图。 图i - 1s g w - 2 5 0 型刮扳输送机的组成框图 i 一机头 i i 一机尾1 一刮板链2 一溜槽3 机尾链轮4 一电动机5 一液力联轴器6 减速器卜机头链轮 如图1 - 1 所示，刮板两端与链条联接。电动机经液力联轴器、减速器、机头链轮和机尾链 轮带动刮板链条连续运转，刮板将装在溜槽中的煤炭推运到机头处卸载。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 2 刮板 刮板是刮板输送机输送货载的牵引构件，在工作过程中承受很大的动载荷和静载荷，刮板 用合金钢制造，调质处理使之具有较高的强度、韧性和耐磨性。 刮板和横梁用螺栓连接在一起，通过连接环与圆环链相连，构成刮板链，如图1 2 所示。 田1 - 2 副板链 3 刮板的加工方法 刮板的加工表面为三个螺栓联接孔，加工工艺为钻孔锪孔，加工设备随刮板的尺寸大小 和数量而有所不同。 ( 1 ) 小型刮板、单件小批量生产 小型刮板在单件小批量生产时，可采用立式钻床划线加工。由于立式钻床主轴位置不能调 整，加工前，先使孔的位置与主轴的位置相一致，然后夹紧工件钻孔。加工完一个孔后，再钻另一 个孔时，需要移动工件，使钻头对准另一个孔的中心线。 ( 2 ) 中型刮板、中批生产 中型刮板、中批生产，可采用摇臂钻床。 摇臂钻床的主轴箱既可以沿摇臂的导轨横向调整位置。又可以绕立柱转动一个角度，还可 以通过丝杠上下调整位置，以便顺利地确定主轴的空间位置。调整好后。通过锁紧机构将摇臂 和主轴箱锁紧。摇臂钻床的主轴位置可随意调整而不必调整工件的位置，因此它可以加工中、 小型刮板的螺栓孔。 目前工厂所有刮板上的螺栓孔是采用摇臂钻床加工的，通过专门设计的钻模来提高刮板生 产率。 加工中型刮板除了可以采用摇臂钻床外，还可以使用多轴组合钻床、可调多轴钻床和加工 中心。它们与摇臂钻床的性能比较如表1 - 1 所示。 2 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 表1 - 1 几种孔加工机床性能比较 机床类型价格效率精度柔性 摇臂钻床低低低好 多轴组台钻床高高高差 可调多轴钻床 低 高 高 好 加工中心 高低高好 1 1 2 课题的要求 设计的专用机床要满足以下要求： ( 1 ) 适应零件的加工尺寸及范围 田1 - 3 刮板示意田 如图1 - 3 为刮板示意图刮板上有三个螺栓联接孔。中3 3 为本专机加工要素，加工工艺为 钻孔锪孔，钻孔、锪孔的尺寸随刮板的类型而变化。钻孔的尺寸有巾1 8 、由2 1 、巾2 5 、由2 6 、 巾2 8 、巾3 2 和巾3 3 七种，锪孔的尺寸有巾4 0 、巾5 2 、由5 5 、由5 8 和巾6 0 五种。孔的中心距也 随刮板类型而变化，变化范围为1 2 0 3 0 0 m m 。 ( 2 ) 提高生产率 ( 3 ) 具有较高的机床寿命 ( 4 ) 实现一定的经济效益 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 课题研究的内容及意义 1 2 1 课题研究的内容 课题研究的对象是三轴钻专用机床，研究的内容有； 1 机床的总体设计 2 机床主传动系统设计 3 机床进给传动系统设计 4 机床控制系统设计 1 2 2 课题研究的意义 1 采用专机加工刮板，可以显著提高生产率 提高生产率是本专机设计的主要目的。采用原工艺加工刮板，使用3 台摇臂钻床，操作者 每完成个零件的加工，需要分别进行三次迸刀和三次抬刀劳动强度太，生产效率低。生产 任务量大的时候，采用两班倒替制并经常加班加点也难以完成生产任务。可见，刮板的生产已 经成为制约刮板输送机生产的瓶颈，有必要采用新工艺，设计专机来提高生产率。 提高生产率的方法很多，本专机设计时拟从以下三个方面进行改进： 提高切削用量 原工艺采用高速钢刀具，切削速度为1 2 2 0 m r a i n ；本专机采用硬质合金钻锪复合刀具， 切削速度为6 1 7 6n g m i n ，锪钻的切削速度为5 0m r a i n 。在进给量不变的情况下，生产率可提 高2 6 倍。 减小或重合切削行程 原工艺采用摇臂钻床，钻孔和锪孔分别需要三次进刀和三次抬刀：新工艺采用专机与钻锪 复合刀具，可同时对工件上三个螺栓孔进行加工。能使钻孔和锪孔的切削行程重合，钻孔和锪 孔只要一次进刀和一次抬刀。同等条件下，生产率提高6 倍。 缩减布置工作地时间 布置工作地时间的大部分消耗在更换刀具和调整刀具上。专机在设计时，采用专用对刀装 置使三个钻头对刀点在同一基准面上。采用钻锪复合刀具来提高刀具利用率；采用可换硬质台 金刀片减少换刀次数、刀具装卸次数以及对刀时间，来提高劳动生产率。 2 可提高自动化程度 采用原工艺，工件的装夹、机床的变速和刀具的进给是采用手动的方法来实现的；采用专 机后，工件的装夹采用液压控制，机床的变速和刀具的进给可实现无级变速、自动控制。 3 产品一致性好 机床在设计时采取的措施：一是引入滚珠丝杠机构，减小了机械传动的误差；二是采用了 程序控制加工，减小了人为因素对产品一致性的影响。 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 4 可提高经济效益 本机床采用钻锪复合专用刀具，刀具寿命长；加工孔的中心距精度由机床保证节省了原 工艺中钻模板的设计费用与制造费用：机床的生产宰高，刮板不再外委其他工厂加工，经济效 益将明显提高。 5 中国农业大学硕士学位论文第二章三轴钻机床总体设计 第二章三轴钻机床总体设计 三轴钻专用机床总体设计的主要内容是： ( 1 ) 制订工艺方案 内容包括：确定零件在机床上完成的工艺内容和加工方法；选择工件的定位基准和夹紧部 位；确定工步、刀具的类型和结构；选择切削用量；确定主轴转矩、轴向力和切削功率；计算 主轴直径；选择刀具接杆形式。 ( 2 ) 确定机床的配置形式 ( 3 ) 制订“三图一卡” 内容包括：被加工零件工序图；机床加工示意图；动力部件的选择；机床联系尺寸图；机 床生产率计算卡。 2 1 被加工零件工艺方案的拟订 工艺方案的拟订是三轴钻专用机床设计的关键步骤。因为工艺方案在根大程度上决定了机 床的结构配置和使用性能。因此，要根据加工零件的要求和特点，按照一定原则和方法来制订。 2 1 1 制订工艺方案的基本原则 l 姒1 1 - i i t t t i i ，嘉童更t i i l i 。舂童量量量1 ， k 甘# l 1 一l i 弗 “l 鼻史量蠢i k 愀j m l l l - 3 1 0 “毫n i 豳2 - 1 刮板零件田 如图2 - 1 所示为某刮板输送机上的刮板零件图，三轴钻专用机床要加工的对象是刮板纵向 6 中国农业大学硕士学位论文 第二章三轴钻机床总体设计 对称线上分布的三个螺栓联接孔，加工内容是钻孔$ 3 3 、锪孔0 6 0 ，保证三个孔的横向对称度 为0 5 ，相邻两孔的中心距为2 0 0 + 0 5 。按照刮板的加工要求，在制订工艺时，需要考虑： 1 工序集中 工序集中是机械加工的方向之一，多轴钻机床正是基于这原则发展起来的。因此在制订 工艺方案时。在保证加工质量和操作维修方便的前提下，适当提高工序的集中程度，可以减少 机床台数、占地面积和节省人力，取得较好的经济效益。 ( 1 ) 在条件许可时，把相同工序集中在一台机床或同一工位上加工，以简化工作循环。 如在加工刮板螺栓孔时，工作循环为：快进、工进、快退；加工螺栓孔上面的沉孔时，工作循 环也是快进、工进、快遇；采用工序集中原则，工作循环合并为；快进、工进1 、工进2 、快退。 可见，采用工序集中原则，可以简化工作循环。 ( 2 ) 有相对位置精度要求的工序应采用工序集中。 刮钣上三个螺拴联接孔轴线相对于纵向对称线有对称度要求，对称度误差值不超过0 5 m m ， 三个螺栓孔中心距也有精度要求，中心距误差值不超过0 5 m m 。如果在一次装夹中加工，中 心距要求由机床保证。对称度误差由夹具保证，因而可获得较高的位置精度。 2 机床结构的限制 设计三轴钻专机时要注意主轴中心距的限制条件。专机有最小中心距限制。小于最小中 心距的刮板不能在专机上加工。最大中心距取决于主轴箱的传动方案。采用万向联轴节传动， 由于受主轴箱纵向尺寸的限制。主轴的最大调整半径为6 0 毫米，即最大中心距为2 4 0 毫米；采 用齿轮传动，为了不使主轴箱长度和宽度过大，主轴最大中心距不超过3 0 0 毫米。因此确定三 轴钻专用机床主轴中心距的调整范围为1 2 0 - 3 0 0 毫米。 2 1 2 三轴钻专用机床工艺方案的拟订 ( 1 ) 计算生产纲领，确定生产类型 我国煤矿地质条件复杂，刮扳运输机的类型较多，每一种刮板运输机的数量却较少。但分 析各种刮板的形状和尺寸发现，各种刮扳的形状极其相似，只是尺寸不同。在设计专机时，只 要将主轴箱和夹具分别设计成可调的，就可在专机上加工。为了简化生产纲领的计算，对工厂 往年的刮板生产情况进行了分析。年生产量为1 0 0 0 件以上的刮板共计6 0 0 0 0 件按轻型零件处 理，确定为大量生产。 ( 2 ) 确定定位基准和加压部位 刮板的机加工内容为三个螺栓孔的钻孔和锪孔，用一次进刀来实现。三个螺栓孔相对于刮 板纵向对称线有对称度要求；关于横向对称线对称分布：轴线垂直于刮扳的上下平面。因此选 用刮扳的下平面、纵向对称槽和内侧面为定位基准，采用一面两销定位。 刮板的拥压部位为刮扳两侧的上斜面，这样夹紧点分布在定位平面内，工件刚性好。 ( 3 ) 确定刮板的机械加工工艺 刮板螺栓孔的最大直径为3 3 毫米，成批生产可以不留毛坯孔；锪孔直径为4 0 - 6 0 毫米，要 留出毛坯孔。螺栓孔采用钻削的方法：与螺栓头相接触的部位用锪钻锪平。最后确定刮板的机 械加工工艺方案为钻孔锪孔。钻孔、锪孔为一个复合工步。 7 中国农业大学硕士学位论文第二章三轴钻机床总体设计 ( 4 ) 确定工步、刀具的类型和结构 为了提高生产率，三轴钻专用机床采用钻孔锪孔复合刀具。钻孔刀具与锪孔刀具均采用可 转位硬质合金刀片，钻头和锪钻为装配式结构，向国内专业厂订购。 2 2 三轴钻专用机床切削用量的确定 切削用量是指切削速度、进给量和切削深度三个要素。切削用量不仅是调整机床的重要参 数，也是设计机床传动系统的计算依据。切削用量数值是否合理对工件的加工质量、生产率、 生产成本都有着非常重要的影响。所谓“合理的”切削用量是指充分利用刀具的切削性能和机 床的动力性能( 功率、扭矩) ，在保证质量的前提下，获得高生产率和低加工成本的切削用量。 2 2 1 制订切削用量要考虑的问题 三轴钻专用机床在制订切削用量时要考虑如下问题： 1 切削生产率 在金属切削加工中，金属切除率( 即切削生产率) o z 和切削用量三要素吣f 、v 的关系表 示为： 蜴- 学 c 式中：a 一切削深度研坍； ，一进给量m m r ； v 一切削速度m m i n ； 由上式可知，金属切除率与切削用量三要素保持线性关系，即：其中任一要素增大一倍， 都能使生产率提高一倍。但受刀具寿命，机床传动零件强度的制约，增大任一要素，需要减小 其他两要素。在制订切削用量时，三要素最佳组合获得的生产率是台理的。 2 刀具寿命 切削用量三要素对刀具寿命影响大小的顺序为v ，f a p ，因此从保证合理的刀具寿命出发， 在确定切削用量时。首先采用尽可能大的切削深度，然后选用大的进给量，最后按合理的刀具 耐用度求出刀具的切削速度。 考虑到三轴钻专用机床的生产率以及复合刀具的寿命，在制订切削用量时要注意： ( 1 ) 提高三轴钻专用机床的生产率的措施之一是要减少换刀次数，也就是要保证三把复 合刀具有一个合理的寿命。因此在选用切削用量时，数值应比通用机床单刀加工低3 0 左右。 ( 2 ) 三轴钻的三把复合刀具的进给量要相等，都等于滑台的进给量。但就每把刀具而言， 由于钻孔和锪孔的切削用量相差很大，因此将锪孔安排成第二次工进。 ( 3 ) 切削用量的制订要考虑到机床的功率。由- t - - - ：轴钻专用机床主运动与进给运动分别 由单独的电机驱动，适当降低切削速度对降低电机的功率，减小电机的尺寸都有十分重要的意 义。 8 中国农业大学硕士学位论文 第- g o 三轴钻机床总体设计 2 2 2 三轴钻专用机床切削用量的确定”。“1 确定切削用量的思路是：先用查表法初定，然后做功率验证，考虑到钻头是装在锪钻上的， 所以使钻头的寿命尽量小于锪钻的寿命。 采用查表法确定的硬质合金钻头钻孔的切削用量如表2 - 1 所示，硬质合金锪钻锪孔的切削 用量如表2 - 2 所示。 裹2 - 1硬质台金钻头钻孔的切削用量 材料钻头直径( m )进给量( r a m r ) 切自4 速度( n w i n ) 2 0 6 4 2 8 j 8o 0 8 _ o 1 3 6 l _ 9 1 i台金钢 i 2 5 4 _ _ 珥 o 1 廿咀1 5 9 9 囊2 - 2 硬质台盒镱铀镑孔的切删用量 材科锪钻直径( m )进给量( r a m r ) 切削速度( m r a i n ) 台金锅4 9 堋0 1 仔0 2 0s 0 - 堋 按照上述原则确定硬质合金刀具加工刮扳时钻孔和锪钻的切削用量如表2 - 3 所示 表2 - 3 硬质台金刀具切俐用 钻头 vff m p 1 r a m r r a i n 皿m ，rk nn 1 3 a k w 中1 81 0 8 02 8 2 6 1 9 2 9 6 q 2 19 2 53 4 4 3 8 7 63 7 6 巾2 56 17 7 50 1 53 5 3 0 4 4 3 2 中2 6 7 4 53 9 25 6 9 24 4 6 0 2 86 9 54 1 06 5 0 54 7 3 中3 27 1 53 7 26 9 2 05 1 9 7 6o 1 2 中3 36 9 53 7 87 3 1 45 3 2 中4 04 0 0 3 6 78 9 3 73 7 3 中5 23 0 5 4 3 01 4 3 3 14 6 0 中5 55 0 2 9 0 o 1 0 4 4 4 1 5 8 5 4 48 1 中5 82 7 5 4 5 81 7 4 4 45 0 2 0 6 02 6 5 4 6 71 8 5 4 25 1 5 9 中国农业大学硕士学位论文 第二章三轴钻机床总体设计 用查表法确定的高速钢锪钻锪孔的切削用量如表2 4 所示，高速钢钻头钻孔时的切削用量 如表2 - 5 所示。 表2 - 4 高速锕镩钻镑孔的切削用 材料锪钻直径( r a m )进给置( r a m r )切削速度( m r a i n ) 台金钢4 伊堋 0 2 - - 0 - 41 2 2 4 表2 - 5 高速钢钻头钻孔时的切削用量 材料直径( m m )进给量( r a m r )切削速度 咖i 1 1 ) 2 0 _ 2 5 o z 卜3 5 合金钢”删0 3 2 - - o 4 01 2 _ 2 4 3 廿删0 4 0 0 5 0 按照上述原则确定高速钢刀具加工刮板时钻孔和锪钻的切削用量如表2 - 6 所示 表2 - 6 高速钢刀 的切削参教 钻头 v ff m p 2 m i m m t m m m m ，tl 矾n mk w 中1 82 03 “o 2 51 3 7 23 21 2 中2 12 7 31 8 1 95 01 5 9 0 3 0 母2 52 2 92 1 矗57 1】8 9 1 8 m 2 62 2 02 瑚8 62 1 9 0 3 5 中2 82 0 5 2 7 0 11 0 02 3 6 中3 21 7 53 3 91 4 32 7 9 1 7o 4 0 中3 31 6 43 4 9 61 5 22 8 8 中4 0 9 50 , 4 04 2 3 72 2 32 4 7 中5 27 3 _ 5 0 34 5 0 4 3 0 8 2 6 2 中5 5 1 26 9 5 3 j 8 62 柏2 0 9 中5 8 6 60 2 3 7 8 22 8 92 2 l 口 6 3 j3 9 1 23 1 02 2 7 2 3 三轴钻专用机床动力参数的确定 根据切削用量可以确定机床的动力参数。机床的动力参数包括切削转矩、切削功率和进给 力。其中切削转矩用来设计主轴箱中的传动零件；进给力作为机床进给机构和机床夹具的计算 依据；切削功率作为选择主电机的依据。 机床的动力参数通常用经验公式计算，网上也有相关的计算软件，如无锡瓦尔特公司的 n o v e x 软件就可以计算相关的动力参数，国内出版的工艺手册或切削用量手册也有相关的经验 1 0 中国农业大学硕士学位论文 第二章三轴钻机床总体设计 公式。通过计算比较，用软件计算出的功率和扭矩与国外刀具供应商提供的公式计算出的结果 相近，进给力有些偏小；而国内出版的相关手册提供的经验公式算出的数据偏大，有的甚至高 出几倍。最后选用三菱公司提供的经验公式作为计算机床动力参数的依据。 经验公式为： f10 8 0 5 x 肿x 厂o 8 x d o 6 9 8 + 1 0 0 i2 5 3 厂o 。8 d o 6 ( 2 2 ) ，o 0 2 3 5 x l i b f o * x d l 一x 9 8 + 1 0 0 一o 7 3 7 f o ? d 1 。 ( 2 - 3 ) p m y ( 3 0 x d l ( 2 4 ) 式中：f ；机床进给力，k n ； h b：工件的硬度，按工艺要求，册= 3 2 0 ； ，：进给量m m r ； d ：加工孔的直径，m m i 膨：切削转矩，n m ： p ：切削功率，l c w ； 计算的硬质合金刀具的动力参数见表2 - 3 所示。 采用无锡瓦尔特公司提供的“n o v 切削数据估算软件”计算的高速钢刀具加工工件的 动力参数见表2 _ 6 所示。 2 4 三轴钻专用机床配置方案的确定 三轴钻专用机床单轴功率为1 2 5 3 2 k w ，属于大中型专用机床，要按大中型专用机床的 配置方法来考虑。 2 4 。1 选择机床配置方案要考虑的问题 通常，在已知工件的结构特点、加工要求、生产率和工艺过程等条件的情况下，就可大体 上确定专用机床的配置方案，但在选择方案时要注意： 1 加工精度 确定机床配置方案要首先考虑如何稳定地保证工件的加工精度。使用夹具时，造成工件 的加工误差的因素包括以下四个方面： ( 1 ) 与工件定位有关的误差： ( 2 ) 与夹具安装有关的误差； ( 3 ) 与对刀有关的误差； ( 4 ) 与加工方法有关的误差：包括机床误差、刀具误差、工艺系统受力变形引起的误差、 工艺系统受热变形引起的误差以及测量误差。 在这四项指标中，前三项为夹具误差，第四项为加工过程误差。通常加工过程误差具有很 大的偶然性，很难精确计算，按工件尺寸公差的三分之一作为估算范围和储备精度之用。 就夹具精度来说，由于三轴钻机床属于粗加工机床，夹具的耩度可以适当降低；但选用周 1 1 中国农业大学硕士学位论文第二章三轴钻机床总体设计 定式单工位夹具获得的加工精度比移动式多工位夹具高，这在机床配景方案的选择中要做考虑。 2 机床生产率 一般而言，设计专用机床就是要解决工件在加工过程中的生产率问题。大批大量生产一般 要使用专用机床。生产率问题决定了是采用单工位机床、多工位机床或自动线，还是按中小批 量生产所需的组合机床特点进行设计的主要因素。 3 被加工零件的大小、形状和加工部位特点 被加工零件的特点在很大程度上决定了是采用卧式、立式还是倾斜式机床。卧式机床多用 于加工中心线与定位基准面平行，又需要由一面或几面同时加工的箱体零件；立式机床用于定 位基准面是水平的，加工孔与定位基准面相垂直。 被加工零件一刮板为长板式零件，定位基准为水平面，加工表面与定位基准面相垂直，所 以确定三轴钻专用机床为立式结构。 4 机床的使用条件 车间内现有三台摇臂钻，拆掉两台用来安装三轴钻专用机床。车间的面积是固定的，设计 时要注意机床的占地面积不能太大，还要注意将来安装生产线的时候，生产线高度对机床布局 的影响。 专用机床配置方案分析比较的主要指标有： 1 机床生产率 在满足生产率的前提下，根据具体情况，采用负荷率适宜的机床配置方案，一般以7 0 9 0 为宜。 2 加工精度 在满足生产率要求的条件下，根据加工精度高低选用合适方案。 3 机床的自动化程度 要求机床的自动化程度与机床的生产率想适应。 4 机床结构的复杂程度和通用化程度 机床结构越简单，通用化程度越高。既可以提高机床工作的可靠性，降低制造成本，义可 以缩短制造工期。 5 机床的外形尺寸 要求机床外形尺寸小整体刚性好。 2 4 2 机床配置方案分析 三轴钻专用机床采用立式结构( 即为立式机床) 。立式机床在配置上有两种类型：一种为 龙门式；另一种为单立柱式。 1 龙门式 田2 - 2 龙门武兰轴钻床 0oo ooo 0o0 间歇进给方向 阳2 - 3 工件装夹示意圈 如图2 - 2 所示，龙门式三轴钻床由主电机、主轴箱、顶粱、立柱、工作台和底座等组成。 机床的主运动是三根主轴的旋转运动进给运动为横粱的上下移动。床身的两侧固定有立柱， 两立柱由顶粱连接，形成刚性较好的龙门框架。在工作台的夹具中一次装夹三个刮板，被加工 工件的三个螺栓联接孔是通过工作台的间歇进给来加工的。工件的装夹示意图见图2 3 。 2 单立柱式 如图2 - 4 所示单立柱式三轴钻床由主电机、主轴箱、滑台和底座等组成。机床的主运动 是主电机通过主轴箱带动的主轴的旋转运动，进给运动是滑台带动主轴箱沿立柱导轨的上下移 动。 工件在夹具中一次装夹一个工件，工件三个螺栓联接孔的中心距通过可调主轴箱来实现。 。，f 嘘柱 刁。久 ，二j 0 0 雌 、 滑台 一 腐座 宙纠单立柱式兰轴钻床 3 三轴钻专用机床的配置方案比较 三轴钻专用机床的配置方案比较如表2 - 7 所示。 袅2 - 7 三轴钻专用机床配置方案比较 机床类型龙门式单立柱式 加工精度低高 生产率高高 自动化程度高高 结构复杂程度复杂 简单 外形尺寸大小 整体刚性好较好 根据表2 - 7 ，确定三轴钻专用机床为单立柱立式结构，机床外观如图2 ，5 所示。 1 4 中国农业大学硕士学位论文第二章三轴钻机床总体设计 芒置 jl j 。1 酒型。l 呷 j 掣 uu 围2 弓三辕钻专用机床外现雹 2 5 三轴钻专用机床总体设计 三轴钻专用机床总体方案设计是编制“三图一卡”，即绘制刮板零件的工序图、加工示意图 和机床联系尺寸图，编制机床的生产率计算卡。 2 5 1 刮板零件的工序图 如前所述，刮板的定位基准为下平面、刮板纵向对称槽和刮板的内侧面，定位元件为一面 两销；刮扳的加压部位为刮板两侧上斜面。按照工艺要求，绘制的刮板钻孔、锪孔工序图如图 2 - 6 所示。 叠：t 1 工车奔簟l 聿置i ：j i l l # 1 3 - 1 毛甘并】嘎l ；h tl i l - | l l l ，l l 耳土爰l n “h 5 ，l 尊 土鼍度i 1l 赛i 上j 【t 毒工序鼻鼍j 【t 。l l i 蔓毫量 j 可 图2 6 刮板工序图 1 5 中国农业大学硕士学位论文 第二章三轴钻机床总体设计 2 5 2 刮板加工示意圈 加工示意图是在工艺方案和机床憩体方案初步确定的基础上绘制的，是表达工艺方案具体 内容的机床工艺方案图。它是设计刀具、辅具、主轴箱、液压系统、电气系统以及选择动力部 件、绘制总联系尺寸图的主要依据，是对机床总体布局和性能的原始要求，也是调整机床和刀 具所必须的重要技术文件。 1 刀具的选择 如前所述三轴钻专用机床采用专门刀具生产厂家提供的钻锪复合刀具。 2 主轴端部结构 为了调整三轴钻三个钻头的长度，使三个钻尖在同一个基准面上，专门设计了主轴端部机 构如图2 - 7 所示。 田2 - 7 主轴端部结构 3 主轴箱工作循环及工作行程的确定 ( 1 ) 三轴钻专用机床的加工过程为： a )将工件放到工作台夹具上工件定位、夹紧。 b ) 主轴箱带动三个钻头钻孔、锪孔，然后快退。 c )夹紧机构松开工件将工件搬离加工位。 因此确定主轴箱的工作循环见图2 - 8 。 1 6 中国农业大学硕士学位论文 第二章三轴钻机床总体设计 快进1 7 0 图2 8 主轴辅的工作诬环田 ( 2 ) 主轴箱工作进给长度 工进i 为钻孔，工进为锪孔。工作进给长度等于被加工部位长度与刀具切入和切出长度 之和。 主轴箱工作进给长度是按加工长度最大的孔来选取，切入长度为5 1 陆m ，切出长度为： k = ( d 届) + ( 3 8 ) ( 2 - 5 ) 式中：d 钻孔直径，肭 l 一争8 - 1 9 m 历 取l o 2 0 r a m 主轴箱的工作进给长度为： l-l,+0+工o(2-6) 式中：厶一切入长度，一1 0 m m ； 0 一加工长度，t - 5 0 m r a ： l - 1 0 + 5 0 + 2 0 8 0 r a m ( 3 ) 快速引进长度 快速引进长度是主轴箱把刀具送到工作进给的位置，其长度可取为1 7 0 r a m 。 ( 4 ) 主轴箱的总行程 考虑到工人装卸工件、调整刀具的方便，参照立式机床7 _ 5 0 4 0 的总行程，取主轴箱的总行 程为2 5 0 m m 。 4 动力部件的选择 ( 1 ) 主电机功率的确定 昂。堑( 2 - 7 ) 式中：墨单主轴的最大切削功率，号一5 3 2 k w 1 7 中国农业大学硕士学位论文第二章三轴钻机床总体设计 ，7 一机床总传动效率，r t 0 9 ； 昂- 塑0 婴9 b 1 7 7 3 肼 取主轴电动机功率昂1 1 8 5 2 2 k w ，2 2 k w 为连续过载3 0 分钟的额定功率。 ( 2 ) 进给力的确定 按表2 3 选取硬质合金刀具最大的进给力为ei4 6 7 k n ( 3 ) 进给量的选择 为避免气温、制造误差对机床主轴箱进给造成的不稳定，不能选取进给电机的最小进给量。 实际进给量应大于其最小进给量的0 5 1 倍。 综合上述因素，确定三轴钻专用机床的加工示意图如图2 - 9 所示。 t t l ：p l t m t t f - i l u t l t t i t 2 s o 主i 工| f l 盖：1 i j 【工j - i i j i ，：i l t m t 3 - 1 扎重爱童：m 22 ，2 粥，一膏l 牟太爱囊n “l 捧 太鼍寞l l 1 i t 。i l - 千- 1 围2 - 9 三轴钻专用机床加工示意田 2 5 3 机床联系尺寸图 机床联系尺寸图是以被加工零件的工序图和加工示意图为依据，并按初步选定的主要通用 部件以及确定的专用部件的总体结构而绘制的，是用来表示机床的配置形式、主要构成、各部 件安装位置、相互联系、运动关系和操作方位的总体布局图，用以检验各部件相对位置及尺寸 联系能否满足加工要求和通用部件选择是否合适，它是主轴箱、机床夹具等专用部件设计的主 要依据，它可以看成是机床总体外观图，其轮廓尺寸、占地面积、操作方式等可以检验是否适 合用户现场的使用环境。三轴钻专用机床的机床联系尺寸图见图2 1 0 。 中国农业大学硕士学位论文 第- - 章三轴钻机床总体设计 m l 川 = | i 引 = n 毫t j r 。制 【 u 毫r i l 图2 1 0 机床联系尺寸田 1 确定机床数控滑台的技术参数 参照n c - 1 1 i , j 4 0 数控机械滑台来确定三轴钻专用机床的滑台技术参数如表2 - 8 所示 囊2 - 8 三轴钻专用机床滑台技术参数 台面宽台面长晟大行程最大进给力电机型号电机功率工迸速度工进速度快进速度 ii i k n删 m m m i nm m m i n 1 1 2 01 3 5 0 2 5 01 5 6 4 2s g h i ( 删2 98 8 2 6 5 1 2 挂：专机滑台最大进给力1 5 6 4 2 e q 是考虑到主轴旋转及滑台预鬟对导轨正压力的髟响计算得到的r 计算过程见公式4 3 。 2 确定机床装料的高度 装料高度一般是指工件安装基面至地面的距离，国家标准规定机床的装料高度为1 0 6 0 毫 米，实际设计时，常取8 5 0 1 0 6 0 毫米，本机床取为8 5 0 m m 。 3 确定夹具轮廓尺寸 主要确定夹具的长、宽、高工件的轮廓尺寸和形状是确定夹具底座轮廓尺寸的基本依据。 夹具底座的长、宽可根据所加工最大工件的长、宽以及限位元件的安置需要来确定，高度尺寸， 方面要保证足够的刚度，另一方面要考虑机床的装料高度、底座剐性和排屑等，一般不小于 2 4 0 m m 。 4 中间底座尺寸 中间底座的尺寸，在长、宽方向要满足夹具的安装需要，根据主轴箱、滑台的位置关系来 定。 5 主轴箱轮廓尺寸 中国农业大学硕士学位论文 第二章三轴钻机床总体设计 根据主轴箱的调整原理，初步估算传动零件的尺寸。 2 5 4 机床生产率计算卡 根据加工示意图所确定的机床工作循环及切削用量等，可以计算机床的生产率并编制生产 率计算卡a 生产率计算卡是反映机床生产节拍或实际生产率和切自用量、动作时间、生产纲领 及负荷率等关系的技术文件，是验收机床生产效率的重要依据。 1 理想生产率q q 兰 h 式中：a 一被加i 零件的年生产纲领，件年； 气一年工时总数( 小时) 按两班制 气i 4 6 0 0 小时 q - 等- 1 神州 2 实际生产率q 1 实际生产率是指所设计的机床每小时实际生产的零件数量。 即：q 1 一6 0 ”“景+ 景w “气笋， 式中：o 厶一分别为主轴箱第一次、第二次工作进给长度，柳竹 厶i ； 2 2 沏硼 1 ，2 一分别为主轴箱第一次、第二次工作进给速度，m m m i n ； 11 8 8 m m m i n ； 2i 2 6 5 r a m r n i n 馆一锪孔时滑台的停留时间，取珞一3 秒 避一主轴箱快进行程，k 进1 1 7 0 m m ； 2 0 快退一主轴箱快速退回行程，快退一2 5 嘶m ： 一主轴箱快速行程速度，k 一1 锄m i n ： f 装卸一工件襞刘町1 日j ，f 装卸_ l ，m l n ； - c 嚣+ 罢+ 未，+ c 等筹“s ，一s 叫m m 取一4 m ；n 实际生产率q 1 - 詈等| 1 5 ，q _ 1 3 ，所以满足生产率要求。 3 机床负荷率 机床合理的负荷率为7 0 9 0 - 詈x 1 0 0 西1 3 x 1 0 0 - 8 6 7 ( 2 - l 。) 计簋表明。帆康的俩荷合理。 裹2 9 三轴钻专用机床生产率计算卡 被加图号毛坯类型锻件 工零 名称刮板链1 0 g 球l毛坯重量 件 材料4 5 m n 2硬度2 6 0 - 3 2 0 h 璐 工序名称钻孔、锪孔工序号 序 工序名称 数尺 加工长度工作行程切削速度进给量工时 号量寸 r i mn m 蛐 i n i 钻 锪 钻 锪 钻铙钻锪加 辅 l 装卸工件 1 1 51 5 2 主轴箱 快进1 7 0 01 2 m ，卫血 0 0 1 5 0 0 1 5 工进i 3 33 26 06 9 58 8o 6 8 工进l l6 022 02 6 52 60 7 7 刀具停留 0 n 50 0 5 滑台快退 2 5 0o1 a n ，蚵n0 1 2 5 总计3 0 4 装卸工时取决于操作者熟练程度，本机单件工时 4 备注 床计时取1 _ 5 分钟 机床生产率1 3 件，j 、时 机床负荷率8 6 7 中国农业大学硕士学位论文第三章三轴钻机床主轴箱设计 第三章三轴钻专用机床主轴箱设计 主轴箱是三轴钻专用机床的重要部件。它是根据工件加工孔的数量、位置、切削用量和主轴 类型而设计的传递主轴运动和动力的专用部件。主电动机安装在主轴箱的顶端，主轴箱安装在 数控滑台上，由滑台带动主轴箱完成钻孔和锪孔。 三轴钻专用机床主轴箱的设计内容有： ( i ) 主轴箱的主传动系统设计 ( 2 ) 主轴可调方寨的设计 ( 3 )主轴组件设计 ( 4 ) 主轴箱其他重要零件的设计与校核。 3 1 机床主传动系统设计 3 1 。1 主传动系统设计概述 主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统。它应具有一定的转速范围和一定的变速功 能，以便采用不同的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，井能方便地实现运动的开 停、变速、换向和制动等。 数控机床主传动系统主要包括主轴电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床主传动系 统相比在结构上比较简单，这是由于变速功能大部分由主轴电动机的无级变速来承担，省去了 复杂的齿轮变速机构。 i 数控机床主传动系统的特点 与普通机床相比，数控机床主传动系统具有下列特点： ( 1 ) 转速高、功率大它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。 ( 2 ) 变速范围宽 数控机床的主传动系统有较宽的调速范围，一般r ) 1 0 0 ，以保证加 工对合理的切削用量，从而获得