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论文方法大全-U型工件钻孔机的设计

2021-03-12 13:17


   数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息技术于一体的机电一体化产品。机床是具有高精度,高效率,高自动化和高的优点灵活性机制造装置。

 

  在当今社会,电子科学技术发展迅速,电子设备日新月异。在电子技术发展地愈发完善和快速的背景下,各个行业,各个领域都在进行电子信息技术的更新换代。机械加工领域也不例外,数控机床就是电子技术在机械加工领域的体现。数控机床拥有多功能性和高性能性,并且数控编程简单方便,可以大大提高加工的智能化,数控机床代表着未来机械加工领域的发展方向。

 

  数控机床不同于传动机床,目前我国数控机床多数研究采用全自动模式可以进行分析加工检测,加工精度普遍高于传统机床,在加工速度方面,更是传统机床的几倍有余。所谓的数控机床,即通过数字化信息进行操控的机床,数字信号即是加工信号。数控机床的产生以及普遍使用,造成了传统机床大规模的淘汰。传统机床与数控机床相比,自动化程度低,精确度高低取决于工人加工工件的熟练程度,加工速度慢,效率低,极大地浪费劳动力资源,在这个高速信息化的时代,与时代发展趋势渐行渐远。另外,现存的传统机床多为老旧机床,维修率较高,维修困难及维修成本较高。就两者优缺点对比而言,数控机床取代传统机床指日可待。

 

  从机床控制的方式来看,传统的中小规模工厂依旧使用着手动的控制方式,而较大的私人企业和国企的机床较多选择PLC进行自动化控制。PLC技术也被界内称为:工业自动化三大支柱之一,另外两项分别为工业机器人和CAD/CAM技术。

 

  21世纪以来,数控机床在我国的数量明显增多,数控机床的自动程度从之前的半自动到全自动发展,虽然我国不属于发达国家,但是一直以来都是不停探索技术的应用与发展,我们在引进机床的同时,也淘汰国内一些老机床,更注重的是数控机床使用及研发人才的培养,数控机床在我国飞快兴起。

 

  在工程机械快速发展的今天,专用钻孔机在机械加工领域需求巨大。虽然中国钻孔机行业取得了长足的进步和发展,但现在制造技术的飞速发展,为略显薄弱的基础的一部分,所以整体而言,仍需不懈努力进步,由于基础部分略显薄弱,所以从整体上看,仍需不懈努力进步。所谓的机械制造技术就是指利用机械设备对工件进行加工,达到所谓的制造要求,而机械设备目前多数指的是机床,机床加工工件是目前多数加工方法,由于世界各国发展水平存在较大的差异,故机械技术比较成熟的国家,多数会用数控机床进行工件加工,而随之网络化程度不断提高,数字化以及网络化不断整合,通过网络线上控制数字信号的输入与输出,从而控制机床的运行,这样的好处在:能够及时、准时的进行加工调整,以及加工误差最小化。对于人口较小的国家,数控机床的普遍能够帮助其弥补劳动力资源不足的劣势。

 

  随着5G时代的到来,未来数控机床的发展方向会朝着网络信息化方向发展,融合网络化通讯和控制;朝向超高精度方向发展,钻床的定位精度,加工精度大大提高;智能方向发展,由于人工控制成本高,易出现失误,所以智能化控制是数控机床的大势所趋。首先,数控机床之所以能被现在企业家、专家以及工厂师傅所喜爱,原因在于:他们生产速度快,能够省去大部分人力所需要消耗的资金成本;其次,循环性的生产线,以及昼夜不停的工作模式,能在极短的时间内完成大量的订单或者说及时完成科学研究所需的数据采集以及结果。5G时代寓意着生产加工也进入了一个新时代,即加工速度明显增快,呈倍数增长趋势,零件生产以通过网络化加工为主,即现在流行的数控加工机床。数控加工机床在国内外都深受欢迎,通过网络化的手段,只需要在电脑中输入合理的编程数据,机床即可自动实行精准操作,全程只需一两人即可,在欧美这种急需劳动力的国家有着较大的发展前景,所以有着发达国家技术的及时更新换代,带动全球数控机床的蓬勃发展以及今后的普遍施行。而同时,在国内技术不断追逐欧美发达国家的道路上,中国自然不敢在技术方面上落后,技术全面追逐的路上,数控加工机床的完善和应用也成为国内专家研究的必然发展方向。

 

  数控加工机床中包含的数控钻床,本课题设计的U型工件钻孔机属于数控钻床的一种。U型工件钻孔机床主要是通过plc控制整个钻孔设备在机床上随着丝杠的转动而左右移动,移动期间精准的定位则是plc控制的主要要求,定位失准则会导致加工工件的空位偏移或者钻漏等状况。而plc的起源正式如今的美国,1969年第一台世界公认的PLC于美国通用汽车公司的生产线上成功诞生,PLC全称:Programmable Logic Controller。自从PLC控制取代继电器的控制,为全世界的机床朝着数控化的方向发展加快了脚步。在未来,人口的多少不能决定发展水平的高低,机械化的盛行使得,得技术者得天下,数控机床的发展将随着时代的发展而升级。

 

  1.3目前存在问题

 

  我国数控技术在20世纪50年代开始发展,经过“七五”组织消化吸收“科技”期间推出的“七五”期间数控技术的,然后让我们的NC和数控技术产业取得了长足大步迈进。最近几年我国数控产业发展迅速,特别是从2002年开始,中国连续三年为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国,这说明我国的机械制造业虽然发展迅速但是国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距特别明显,70%以上的此类设备和绝大多数的专用零件都依赖进口,这就会造成技术碾压,不仅如此,数控技术人才的培养也非常困难,需要从国外聘请专家进行教授。由于数控机床的制造技术在我国尚未成熟,所以导致大部分数控机床仍需进口,对于数控机床的关键技术学习也是依赖于国外人才的培养,多轴联动机床的研发国外仍处于领先地位。由于千百年来,中国一直属于农业大国,以种植业为主,且机械发展兴起到现在不过百年时间,所以人们对于机械的探索及认知,既缺乏好奇心又缺少创新的能力基础,从而导致数控机床的技术研发尚未达到欧美强国的研发水平。

 

  1.4课题研究的目的和意义

 

  我国数控钻床大都依赖国外引进,限制了我国数控钻床的发展水平,数控钻床多用于加工工件孔,因此自主研发以数控技术为核心的PLC数控钻床对我国机械加工水平的提高具有重要意义。本课题则是设计一款自动加工U型工件的钻孔机床,隶属于数控钻床。

 

  目前,虽然国内数控机床的数量不断增多,但是对于种类分的不是特别精细,大多数数控机床,属于全能型,但是有部分零件的加工不能完成其全部要求,而本课题设计从最基本方面入手,即设计一台能够加工U型工件孔位的钻孔机床。设计此机床的目的在于,希望能够满足一部分人的工件加工需求。

 

  1.5论文主要研究内容

 

  1.5.1.设计要求:

 

  (1)U型工件的放入和已完成工件的取走都采用人工实现,以降低设备的制造成本;

 

  (2)完成U型工件的夹具设计,要求定位准确,夹紧可靠。装卸方便;

 

  (3)要求完成一个孔的钻削加工后,钻孔设备能够自动移动到第二个孔的位置钻孔,进行驱动装置的合理设计;

 

  (4)完成钻孔装置的设计,能够实现切削和进给两个工艺动作,进行相关计算,完成整个传动装置的计算和设计;

 

  (5)完成整个钻孔机的结构设计,绘制零件和装配。

 

  1.5.2研究内容

 

  设计U型工件钻孔机的机械机构部分,设计合适的电机,设计合理的X轴.Y轴移动方案,设计合理的传动方式和机架结构;计算传动方案电机选型,齿轮参数,丝杠参数以及关键零件的校核;设计plc部分的方案,并对关键部分进行说明;设计机床底部夹具的准确定位。

 

  2总体方案设计

 

  2-1加工零件

 

  U型工件的加工要求在左侧加工深20mm,直径为20mm的孔,右侧加工深70mm,直径为20mm的孔,要求孔的圆度为公差为0.010mm,圆跳动公差为0.015mm。

 

  钻孔机是直接用于钻孔的机械设备,设计钻孔机时,首先应该以保证设计的钻孔机能高效、安全、低耗完成钻孔为前提,使设计的钻孔机技术更加先进、经济更加合理,具有良好的经济技术指标。本U型工件钻孔机的设计,主要是针对U型工件加工困难,精确度不高等因素进行研究。本设计的主要零件为:电机、齿轮副、丝杠、plc装置、床身等等。机床底部为夹紧装置,夹紧装置主要用于固定U型工件,防止工件在加工的过程,产生滑动,导致加工事故的发生。(注:由于机床体积较为庞大,需要多处安装螺钉、螺栓进行加固,此处不一一陈述)。

 

  在进行具体设计时,设计要求为依据。首先一点就是要保证电机输出功率在一定范围内稳定,并且产生足够使钻孔机应在工件钻孔的扭矩,可靠稳定并且经济实惠。其次钻孔机应保证加工精度,运转时平稳,产生的震动比较小,打孔时对钻杆的导向性良好。并且应具有较强的孔内处理事故的能力和完成特种功能的性能。需要钻孔机自动定位到第二个孔的位置,这就要求钻孔机的自动化、机械化程度要高,能够在一定程度上代替人力;并且在钻进过程中能够根据孔内情况自动调节和控制打孔参数;并且能够及时选择、调整和保持最优钻进工程。在夹紧装置方面,要求保证机床底部的夹紧装置的牢固性,防止加工过程工件松动,不能产生太大的加工误差甚至是加工事故。保证丝杠转动的同时能够使钻孔设备的精准定位,防止钻孔时的定位不准确,防止钻孔偏差而造成工件的浪费。

 

  2.1丝杠进给部分设计

 

  2-2丝杠进给部分示意

 

  丝杠是机床结构中一种精度很高的部分,丝杠是一种细长柔性轴结构形状复杂,表面附有螺纹,加工要求很高,刚度比较差,结构形状复杂,丝杠的功能是准确定位工作台坐标信息,将旋转运动转换成直线运动,并且还要能传递一定的动力。

 

  钻床加工的位置精度要求高,刚度高,对轴向的进给精度要求高。这是对钻床的整体布局的要求以及主轴箱体结构的要求。钻床要求稳定的进给速度稳定性,所以钻床的核心在进给系统与主轴箱体两个因素。因此在设计钻床时,主轴箱体结构和组成主轴结构这两部分的设计是重中之重,分别为导轨(含滑块)与主轴。对于导轨和主轴的承受力需要进一步校核,防止加工过程出现丝杠和导轨的弯曲甚至断裂。

 

  2.2机架设计

 

  本结构的机架,材料选择为Q235,根据诸多钻床的结构设计,选择如所示的机架外观,要求简单经济实惠,但质量要可靠。

 

  2-3机架部分示意

 

  2.3钻头部分设计

 

  钻头部分通过齿轮和轴进行传动,由plc控制进给。

 

  2-4钻头部分示意

 

  2.4主轴箱部分设计

 

  2-5主轴箱部分示意

 

  主轴箱进给采用PLC控制(开停、转速)控制电机,通过联轴节直联导轨的方式进行工作。如2-5连接主轴箱和驱动电机丝杠。在变频电机的作用下,驱动滚珠丝杠,丝杠与螺母产生位移,主轴箱与螺母固定在一起,从而推动主轴箱使其处于运动状态,使变频电机转动变成到主轴箱的直线运动。

 

  2.5夹紧部分设计

 

  2-6夹紧结构原理

 

  Fig.2-6 Schematic of clamping structure

 

  夹紧装置,由于是专门用来加工U型工件的夹具,所以采用两块L型楔块来固定后端面和左端面以及右端面,上面采用一个偏心轮的夹紧机构,通过手动的方式控制夹紧程度,以此来固定上端面和下端面。

 

  根据零件的结构以及加工精度的要求,采用U型工件的后端面为基准面,

 

  要保证钻孔的质量,一方面看钻头的质量与钻床上下进给之间的配合,另一方面则要看工件的夹紧装置,完全固定住工件的自由度,并且要考虑到钻头进给时产生的振动能否使夹紧装置产生松动的现象,如果工件松动了,脱离了原来的定位基准则会产生加工错误或者是加工误差较大的现象,为符合本论文的加工要求,所以夹紧装置的设计必须紧密科学,不能出现技术性的错误。

 

  2.6总体方案设计

 

  2-7总体结构

 

  Fig.2-7 General structure diagram

 

  本设计的总体方案设计为:电机1的正反转控制,控制丝杠的旋转方向,丝杠变电机1的旋转运动为工作台的直线运动,光杠起导向作用,电机2通过齿轮传动控制钻头的旋转运动,然后加工夹紧部分固定的U型工件。

 

  3关键部件的设计计算

 

  3.1传动部分设计计算

 

  传动部分采用丝杠传动,以保证平稳的传动和较高的传动效率。

 

  丝杠的设计计算:

 

  已知数据:

 

  工作台重量:;工件最大重量:;

 

  工作台最大行程:;

 

  工作台滑动导轨摩擦系数:

 

  丝杠副寿命:;工作可靠性:95%;

 

  丝杠两端为固定支承,每个支座安装两个滚动球轴承,需要背靠背安装,并进行预拉伸。

 

  设计计算步骤:

 

  1.丝杠载荷:

 

  导轨摩擦力

 

  根据上述动力头的选用,得钻孔时轴向最大工进阻力应为:;

 

  因此,丝杆轴向总载荷:

 

  2.丝杠导程

 

  设计空载时,工作台最大速度应为:

 

  (初选丝杆转速为1000r/min)

 

  3.当量转速

 

  丝杆转速有空载时快速进给,钻孔时工进慢速进给,退刀时中速进给

 

  183 r/min

 

  4.当量负荷

 

  5.初选滚珠丝杠

 

  (1)计算动负荷

 

  (2)要求寿命:

 

  寿命系数转速系数

 

  (3)综合系数

 

  影响滚珠丝杠副寿命的综合系数计算为:

 

  (4)滚珠丝杠副的型号CMD3210-2.5

 

  额定动负荷:

 

  预紧力:

 

  可见丝杠符合设计要求。

 

  6.丝杠螺纹部分长度Lu

 

  7.支承距离L

 

  支承距离:,因此取:

 

  8.临界转速校核

 

  (1)丝杠底径

 

  ,所以取25mm。

 

  (2)支承方式系数查表(两端固定)

 

  (3)临界转速计算长度

 

  临界转速:

 

  可见,所以符合要求;

 

  9.压杆稳定校核

 

  两端均为固定支架,丝杠不受压缩力,故无需检查稳定性。

 

  10.预拉伸计算设温升为3.5C

 

  (1)温升引起的伸长量

 

  ==11×10×3.5×0.59=22um

 

  (2)丝杠全长伸长量

 

  =11×10×3.5×0.7=27um

 

  (3)预紧力Ft==×2.1×10=459N;

 

  11.轴承选择

 

  (1)轴端结构选用E型和F型(并排)轴端

 

  (2)轴承型号主要尺寸和参数

 

  轴承型号为7602020TVP

 

  查表得:d=20mm D=47mm B=14mm Z=15 Dw=5.953

 

  Ca=19600N;

 

  (3)预紧力确定

 

  预紧力:

 

  轴承的最大轴向载荷为:

 

  由于

 

  所以,符合要求.

 

  (4)疲劳寿命计算

 

  由轴承动负荷计算公式校核

 

  由于可变负荷的输送方向可以是(Ft+Fm/2)或(Ft-Fm/2),在这两种情况下机会相等,取两者平均值:

 

  Kn=0.56取,则

 

  初选7602020TVP参数如下:d=20mm,D=47mm,B=14mm

 

  ,,

 

  可见额定动负荷:

 

  所以,轴承满足寿命要求。

 

  12.定位精度校核

 

  (1)丝杠结构在拉压载荷下的最大弹性位移

 

  快速移动时F=50.6N,=1.2um

 

  钻孔时F=295N,=7.8um

 

  (2)丝杠与螺母间的接触变形

 

  =

 

  查表得CMD3210-2.5滚珠丝杠和螺母的接触刚度为

 

  所以得:

 

  快速移动时:

 

  钻孔时:

 

  (3)轴承的接触变形

 

  角接触轴承的轴向刚度

 

  快速移动时:

 

  钻孔时:

 

  (4)丝杠系统的总位移:

 

  快速移动时:

 

  钻孔时

 

  (5)定位精度

 

  发生在螺母处于丝杠中部处时,和与螺母的位置无关。所以以上求得的位移均为/650mm。查表得丝杠进行精度不同等级是1级,任意300mm的行程以及公差6um。再加上快速移动2.97um的总位移。可以得到满足轮廓进行控制系统定位精度0.01/300mm的要求。与上面的分析,定位精度,以满足精密研磨的&viewmn;0.02/300毫米的要求。可以满足钻孔时定位要求。

 

  通过以上的分析计算可知,该丝杠符合定位精度的要求。

 

  3.2齿轮的设计计算

 

  本部分是电机通过联轴器与一根轴相互连接,然后轴上通过键连接,带上一个小齿轮,小齿轮与丝杠轴上的大齿轮啮合带动丝杠转动,相当于一个减速器。

 

  下方为齿轮传动校核部分:

 

  参数的选择

 

  选用直齿圆柱齿轮传动,压力角α选20°。

 

  材料选择:小齿轮此处选40Cr(调质),齿面硬度280HBS

 

  小齿轮齿数为,大齿轮齿数,齿数比为u=1.64

 

  按照齿面接触疲劳强度计算

 

  试算出大齿轮分度圆直径,即

 

  确定公式中的各部分参数

 

  ①试选

 

  ②计算大齿轮的转矩:

 

  ③选取齿宽系数

 

  ④查得区域系数

 

  ⑤查得材料的弹性影响系数

 

  ⑥计算接触疲劳强度用重合系数

 

  ⑦计算接触疲劳许用应力

 

  根据选用材料测得小齿轮和大齿轮的接触疲劳强度极限分别是,

 

  计算应力循环次数:

 

  查资料得,

 

  取失效概率为1%,安全系数S=1,得

 

  试算大齿轮分度圆直径

 

  调整大齿轮分度圆

 

  计算实际载荷系数的数据准备

 

  ①圆周速度

 

  ②齿宽b

 

  2)计算实际载荷系数KH

 

  ①使用系数KA=1

 

  ②根据v=3.8m/s,查得动载系数Kv=1.3

 

  ③齿轮的圆周力

 

  查表得齿间载荷分配系数KHα=1.2

 

  ④齿向载荷分配系数KHβ=1.421

 

  按照实际载荷系数算得分度圆直径为

 

  及相应的齿轮模数:

 

  按齿根弯曲疲劳强度设计

 

  试算模数,即

 

  确定公式中的各参数值

 

  ①试选KFt=1.3

 

  ②计算弯曲疲劳强度用重合系数

 

  ③计算

 

  查得齿形系数

 

  查得应力修正系数

 

  查得小齿轮大齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为

 

  查得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.85,KFN2=0.88

 

  取弯曲疲劳安全系数S=1.4

 

  大齿轮的大于小齿轮

 

  取

 

  2)试算模数

 

  调整齿轮模数

 

  计算实际载荷系数之前所需的数据准备

 

  ①圆周速度v

 

  ②齿宽b

 

  ③宽高比b/n

 

  2)计算实际载荷系数KF

 

  ①根据v=1.55m/s,查得动载系数kv=1.08

 

  ②由

 

  查资料得齿间载荷分配系数KFa=1

 

  ③KHβ取1.417结合b/h=10.67,得KFβ=1.34

 

  由实际载荷系数算得的齿轮模数为:

 

  根据计算结果取整,得m=2mm,分度圆直径为d1=49.28mm,算出大齿轮齿,取,取。z1与z2互为质数,既满足设计美观,又满足硬件要求。

 

  中心距检验

 

  中心距初始设定为66mm

 

  由得

 

  与初始中心距仅差0.542mm,满足误差

 

  当取整模数和重新取定齿数后,重新进行部分校核

 

  齿面接触疲劳强度校核

 

  计算数据:

 

  齿面接触疲劳强度满足使用要求,并且齿面接触应力比标准齿轮齿面接触应力有所下降。

 

  齿根弯曲疲劳强度校核

 

  按之前同样计算过程,计算出的各参数如下:

 

  设计能满足各种强度要求,小齿轮抗弯曲疲劳破坏能力大于大齿轮。

 

  3.3丝杠轴的设计计算

 

  下为常用几种轴的值和A0值:

 

  注:①表中值是考虑了弯矩影响因而降低了许用的扭转切应力。

 

  ②当满足下列条件,应尽可能高,以较小者A0为准:弯矩较小或者只受扭矩作用、载荷较平稳.无轴向截荷或只有较小的轴向载荷、减速器的低速轴、轴只做单向旋转:反之,取较小值,A0取较大值。

 

  当轴截面上开有键槽时,考虑到键槽对轴的强度的削弱应增大轴径。对于要求直径d>100mn的轴,有一个要求键槽时,轴径增大3%;有两个要求键槽时,应增大7%。对于要求直径d≤100mm的轴,有一个要求键槽时,轴径增大5%-7%;有两个要求键槽时,应增大10%-15%。

 

  中心轴选用45钢,查表得在25~45MPa之间,A0在126~103之间

 

  轴的扭转强度条件为:

 

  式中:——扭转切应力,MPa

 

  T——轴所受的扭矩,

 

  Wr——轴的抗扭截面系数,mm3

 

  n——轴的转速,r/min

 

  P——轴传递的功率,kW

 

  d——计算截面处轴的直径,mm

 

  ——许用扭转切应力,MPa

 

  由式得轴的直径:

 

  当A0取120时,

 

  当A0取101时,

 

  选用丝杠直径为35mm的轴完全符合强度要求.

 

  3.4.夹紧部分的设计

 

  3-1夹紧部分结构

 

  夹紧装置,由于是专门用来加工U型工件的夹具,所以采用两块L型楔块来固定后端面和左端面以及右端面,上面采用一个偏心轮的夹紧机构,通过手动的方式控制夹紧程度,以此来固定上端面和下端面。

 

  3.5.PLC的作用

 

  钻孔机随丝杠的转动而左右移动,利用PLC准确定位钻头的位置,从而达到钻孔位置的精确度,所以说PLC在本论文设计占有不可或缺的一席之地。PLC是数控机床的核心系统,而本论文只是采用PLC系统进行局部定位,但重要性不言而喻。由于PLC能够精准检测,且自动化程度很高,稳定性比较强,操作简单。

 

  由于本系统的实际需求和被控对象的特征要求,应当采用电机+传动齿轮+传感器的半闭环控制。此种方式使PLC机发挥了强大的数据处理能力、信号控制能力和人机交互能力,通过精准的控制转速达到控制移动向量的目的,借此控制位置精度,而传感器则可以保证机床在可控制范围内活动。同时为强电部分设计了隔离驱动板,通过PLC直接控制,操作者可以在一块面板上完全控制机床。

 

  机床自动化在目前已经普遍流行,而自动化大部分会采用PLC,PLC的准确操作离不开完美的程序编辑,程序的编辑在本机床的设计中要考虑钻头的进给,钻头的转速以及工件进给等等要素。各项参数的准确性是工件钻孔精准性的保证。另外在实际操作中,也需要考虑环境影响。最终数据处理的精确性即是要求工件达标的重要保证。



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