【正文】 ml70 7233基于 PLC 的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 作者：田素坤 第 17 頁 共 31 頁液壓缸的工作壓力主要根據(jù)液壓設(shè)備的類型來確定，根據(jù)鉆床的工作條件和加工要求，參考液壓設(shè)備常用的工作壓力表（表 33）和同類機(jī)床的液壓工作壓力，初選液壓缸的工作壓力 =3 。所以 F=（ G）/η，為了設(shè)計的可行性，使得液壓fF缸有足夠的液壓作用力，計算中我們?nèi)∠到y(tǒng)重力的一半代入到式中，F(xiàn)=2742N。慣性力 Fm 指運(yùn)動部件在啟動或制動過程中的慣性力，查《液壓與氣壓傳動》得其計算公式為：式中， ——系統(tǒng)重力 ——重力加速度Gg —— 時間內(nèi)的速度變化量 t?——加速或減速時間v?t已知主軸系統(tǒng)重力 G=200N；快進(jìn)行程 70mm；工進(jìn)行程為 20mm；根據(jù)工時安排可確定主軸快進(jìn)快退速度為 3m/min；工進(jìn)速度為 ；加速、減速時間一般取 Δt= ；所以可以計算出慣性力： ??mF=5N快進(jìn)時，在不考慮背壓的情況下，主軸會在重力的作用下自動下移，且加速度大約為 ，因此，液壓缸在快進(jìn)時受到的最大作用力2?msF=Gη =182N。T?aT? 進(jìn)給液壓系統(tǒng)設(shè)計 負(fù)載分析負(fù)載分析中，暫且不考慮回油腔的背時壓力，所以需要考慮的力有：工作阻力、系統(tǒng)摩擦阻力、重力和慣性力。扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度約束條件： ][TTWM????式中：τ T—— 軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（MPa）M——軸的傳遞轉(zhuǎn)矩()WT——軸的抗扭截面模量（mm 3） [τ T]——軸的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（ ）aMP查《機(jī)械設(shè)計》得花鍵的抗扭截面模量 WT的計算公式為：DdbzdT16)(141?????式中：d 1——花鍵內(nèi)徑（mm） b——花鍵齒寬(mm) z——花鍵的齒數(shù) D——花鍵的外徑（mm）將選用花鍵的基本參數(shù)代入公式中可計算出 WT=5739 ，所以可以計算3m出鉆床主軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 = 。所以，繪制主軸所受扭矩圖如圖 35。根據(jù)鉆床軸徑選用軸承及花鍵尺寸如下（表 31）表示：根據(jù)主軸的行程，可確定鉆床主軸的基本長度尺寸如下圖示（圖 33）：表 31 主軸零件選用表主軸零件 型號深溝球軸承 滾動軸承 6208 GB/T 2761994推力球軸承 滾動軸承 51308 GB/T 3011995基于 PLC 的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 作者：田素坤 第 13 頁 共 31 頁矩形花鍵 832366 GB/T 11441987圖 33 鉆床主軸基本尺寸簡圖 軸強(qiáng)度的校核由工況分析可知，鉆床主軸的受力圖如下（圖 34）：圖 34 鉆床主軸受力簡圖圖 35 鉆床主軸轉(zhuǎn)矩簡圖考慮到傳動效率，鉆床主軸要傳遞的轉(zhuǎn)矩 M=Mk/（ ）=14 N對要求高或要求耐磨的軸或軸段要進(jìn)行表面處理，以及表面強(qiáng)化處理(如噴丸、輻壓等)和化學(xué)處理(如滲碳、滲氮、氮化等)，以提高其強(qiáng)度（尤其疲勞強(qiáng)度）和耐磨、耐腐蝕等性能。MkM=2595 NfF 鉆床主軸設(shè)計 主軸材料的選擇軸的材料種類很多，選用時主要根據(jù)對軸的強(qiáng)度、剛度、耐磨性等要求，以及為實現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式，同時考慮制造工藝問題加以選用，力求經(jīng)濟(jì)合理。由于加工材料為 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(jī)床夾具設(shè)計手冊》得：鉆床轉(zhuǎn)矩計算公式如下： pkkfDM08234.?式中， —— 切削力矩（N 主軸轉(zhuǎn)速及鉆孔時間的計算查《金屬切削手冊》，由切削速度計算公式可得出主軸在工藝長期穩(wěn)定時的固定轉(zhuǎn)速 n 的計算公式如下：式中， ——選定的切削速度（m/min）vmin/10rdvn??基于 PLC 的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 作者：田素坤 第 11 頁 共 31 頁 ——刀具或工件的直徑（mm）d將 V=32m/min，d=12mm 代入公式中，計算得出 n=850r/min.查《金屬切削手冊》,鉆孔時間 T 的計算公式為：式中，l——被鉆孔厚度（mm） f——切削進(jìn)給量（mm/r） ——刀具或工件的直徑（mm） n——主軸固定轉(zhuǎn)速（ r/min）d將 l =15mm，f =, d=12mm,n=850r/min 代入公式中，計算得出T=.由此，確定一件工件的加工工時為：送料 1s，工件夾緊 2s，快進(jìn) 2s，工進(jìn)7s，主軸停留 2s，快退 2s，出料 1s，加工一件工件用時 17s，達(dá)到了加工效率的要求。查《金屬切削手冊》選擇標(biāo)準(zhǔn)圓柱錐柄麻花鉆中等長度第一系列，刀具直徑為 10mm,鉆頭與主軸用莫氏錐孔連接。 切削力的計算 切削刀具及相關(guān)參數(shù)的選擇目前在鉆孔加工中，由于高速鋼麻花鉆在采用物理沉積法 TiN 涂層處理后，其耐用度和鉆孔精度有了較大提高，所以該鉆頭應(yīng)用極廣。在主軸快進(jìn)工序中，液壓缸受到鉆床主軸組件重力和液壓缸系統(tǒng)的摩擦力的作用；在主軸工進(jìn)工序中，液壓缸受到鉆床主軸組件的重力、軸向切削力和液壓缸系統(tǒng)的摩擦力作用；在主軸快退的工序中，液壓缸受到主軸組件的重力、退刀~阻力和液壓缸系統(tǒng)摩擦力。所以，鉆床主軸為僅受轉(zhuǎn)矩作用的軸類。由此可確定鉆床主軸行程為 100mm，也就是液壓缸行程為 100mm。1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 1 基于 PLC 的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 作者：田素坤 第 10 頁 共 31 頁已知件材料為 Q235 鋼，工件厚度大約為 15mm，查《機(jī)械工程材料實用手冊》可知，Q235 為碳素結(jié)構(gòu)鋼，其韌性良好，有一定的強(qiáng)度和伸長率，在一般機(jī)械制造中應(yīng)用廣泛，是一般機(jī)械制造中的主要材料，其切削加工性能較好。臺式鉆床主軸進(jìn)給系統(tǒng)主要部件有主軸、主軸套筒、主軸套筒鑲套、齒輪齒條和軸承等。往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動由液壓缸來完成動作。 [15]鉆床在加工時，主軸要作高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動。機(jī)床加工時，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由花鍵傳入，而進(jìn)給運(yùn)動則由齒輪通過齒條帶動套筒在鑲套內(nèi)運(yùn)動。主軸在加工時即要作旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動，也要作軸向的直線進(jìn)給運(yùn)動。章節(jié)中主要對自動鉆床總體方案中的工藝路線、執(zhí)行系統(tǒng)方案、傳動系統(tǒng)方案和控制系統(tǒng)方案作了詳細(xì)介紹和分析。與單片機(jī)相比，它的輸入/輸出端更接近現(xiàn)場設(shè)備，不需添加太多的中間部件，這樣可以大大的節(jié)省用戶的開發(fā)時間與生產(chǎn)成本。PLC 之所以有較強(qiáng)的生命力，液壓缸進(jìn)給傳動V 帶傳動花鍵傳動基于 PLC 的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 作者：田素坤 第 7 頁 共 31 頁在于它更加適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場和市場要求。 3）對機(jī)械傳動系統(tǒng)的性能、尺寸、重量和安裝布置的要求。（1）機(jī)械傳動類型選擇的依據(jù) 1）執(zhí)行系統(tǒng)的性能參數(shù)和工況要求。（二）傳動類型的選擇機(jī)械傳動類型的選擇關(guān)系到傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計和工作性能參數(shù)。主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的原動機(jī)選擇電動機(jī)，進(jìn)給液壓缸原動力選擇電動機(jī)驅(qū)動液壓泵 。原動機(jī)的選擇，主要根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的工作環(huán)境（溫度、濕度、粉塵、酸堿等）、工作特點(diǎn)（起動頻繁程度、起動載荷大小等），并考慮各種電動機(jī)的特點(diǎn)及供應(yīng)情況等來確定。傳動系統(tǒng)方案設(shè)計的好壞，在很大程度上決定了所設(shè)計機(jī)械產(chǎn)品是否先進(jìn)合理、質(zhì)高價廉及具有市場競爭力。這方面的工作稱為執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計。鉆頭加工運(yùn)動包括旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動和鉆頭直線進(jìn)給運(yùn)動。 [3] 執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律 本文設(shè)計的重點(diǎn)在于鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)之進(jìn)給油缸設(shè)計，也就是用液壓缸驅(qū)動來替代手動進(jìn)給。普通臺式鉆床的改造主要是實現(xiàn)自動化功能?；?PLC 的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 作者：田素坤 第 4 頁 共 31 頁 執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計功能原理設(shè)計決定產(chǎn)品的技術(shù)水平、工作質(zhì)量、傳動方案、結(jié)構(gòu)型式、制造成本等。執(zhí)行系統(tǒng)方案設(shè)計的好壞，對機(jī)械能否完成預(yù)期的功能目標(biāo)，起著決定性的作用。 [2]基于 PLC 的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 作者：田素坤 第 3 頁 共 31 頁第 2 章 自動鉆床的總體設(shè)計方案 自動鉆床的改造方案的確定與傳統(tǒng)臺式鉆床的制造相比較，改造后的自動鉆床基本加工有很大的調(diào)整，這其中主要是導(dǎo)入了液壓進(jìn)給系統(tǒng)和 PLC 控制系統(tǒng)。為了便于實現(xiàn)自動化控制，工件夾緊由夾具完成，動力源由夾緊液壓缸導(dǎo)入，通過液壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn)夾緊動作的自動化。為了實現(xiàn)自動化控制的要求，主軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)改進(jìn)主要有：主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動依然由電動機(jī)傳入，而進(jìn)給則由液壓傳動替代手動的齒條傳動，通過液壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn)進(jìn)給動作。機(jī)床主軸被裝置在主軸套筒內(nèi)，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內(nèi)，主軸上側(cè)由花鍵連接。為了解決問題和便于設(shè)計改造，我們將鉆床分為進(jìn)給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分，下面分別對它們的問題提出解決方案：（1）進(jìn)給系統(tǒng) 傳統(tǒng)的鉆床主軸進(jìn)給系統(tǒng)主要由主軸、主軸套筒、主軸套筒鑲套、齒輪齒條和軸承等組成。 經(jīng)過分析，我們可以從機(jī)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)兩方面去考慮?；?PLC 的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 作者：田素坤 第 2 頁 共 31 頁 當(dāng)前傳統(tǒng)鉆床問題的存在主要在于自動化程度、生產(chǎn)效率、工作環(huán)境及產(chǎn)品質(zhì)量。長期以來我國的機(jī)械機(jī)械制造工業(yè)中孔類加工多數(shù)由傳統(tǒng)鉆床來完成，但是傳統(tǒng)的鉆床在大批量生產(chǎn)時存在許多的不足之處：（1）自動化程度不高.，難以進(jìn)行大批量的生產(chǎn)；（2）工作效率低，且工人的工作環(huán)境惡劣；（3）占用人力較多，操作固定不變易出錯；（4）精度不高，工件裝夾費(fèi)時；（5）加工產(chǎn)品質(zhì)量不高； 針對以上傳統(tǒng)鉆床的不足之處及生產(chǎn)中存在的問題，我們有必要對傳統(tǒng)鉆床進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。鉆床為孔加工機(jī)床，按其結(jié)構(gòu)形式不同可以分為搖臂鉆床、立式鉆床、臥式鉆床、深孔鉆床、多軸鉆床等。加工過程中工件不動，讓刀具移動，將刀具中心對正孔中心，并使刀具轉(zhuǎn)動（主運(yùn)動）。通常鉆頭旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動，鉆頭軸向移動為進(jìn)