對(duì)置雙工位數(shù)控缸體孔鉆床設(shè)計(jì)

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摘要 Double Work Spaces CNC Machine Design for Deep Hole Driller By Supervisor: i 對(duì)置雙工位數(shù)控缸體孔鉆床設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)是根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)一套組合機(jī)床系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)制動(dòng)泵缸體進(jìn)行深孔加工，由于該課題是工廠實(shí)際加工任務(wù)，所以在部件選擇上以能夠在市場(chǎng)上采購(gòu)到的通用部件為主，以降低加工成本。本設(shè)計(jì)主要包括四部分： 第一部分是根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)組合機(jī)床進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，包括加工方式的確定、機(jī)床主參數(shù)選擇計(jì)算和機(jī)床控制系統(tǒng)的選擇。 第二部分是根據(jù)總體方案對(duì)組合機(jī)床中機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括機(jī)床動(dòng)力頭、數(shù)控滑臺(tái)、側(cè)底座和中間底座的選擇計(jì)算，工件夾具設(shè)計(jì)、計(jì)算及校核，并設(shè)計(jì)用于夾緊的液壓站系統(tǒng)，完成液壓站原理圖。 第三部分是設(shè)計(jì)PLC組合機(jī)床控制系統(tǒng)，利用三菱FX2N PLC對(duì)機(jī)床進(jìn)行加工控制，并編制實(shí)際加工的電氣控制圖。 第四部分是利用機(jī)械制圖的基本原理，應(yīng)用CAXA電子圖板對(duì)組合機(jī)床及夾具進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，并生成二張二維裝配圖紙。 關(guān)鍵詞：深組合機(jī)床，PLC，液壓夾具，槍鉆 Abstract Double Work Spaces CNC Machine Design for Deep Hole Driller The design is mainly to design the combined machine tool what machining the deep bore in the brake pump of automobile according the bases of design specification.This design is the fact assignment in manufactory,so the components mainly choose that standardized unit can be purchased in market, in order to reduce production costs.The design is mainly divided into four parts: The first part is a content of total project design of the combined machine tool,including confirming the working method and the main parameter. The second part is design the mechanical part of the combined machine tool according the total project design,including confirming the cutter head,the side base and the middle base,designing the hydraulic grip and the hydraulic system, completing the rationale design of the hydraulic system. The third part is to design the PLC control system for the combined machine tool,make the woking control using the FX2N PLC.Complete the rationale drawing of the hydraulic system. The finally part is to design the assembling drawing for the combined machine tool and the hydraulic grip useing CAXA software according to the rationale of theory of machines,and get two dimensional assembling drawings. Abstract: combined machine tool, PLC, hydraulic grip, gun drill ii 目錄 目錄 目錄 目錄 1 第一章 緒論 - 3 - 1.1 組合機(jī)床特點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r - 3 - 1.2 槍鉆及深孔加工 - 4 - 1.2.1深孔加工的特點(diǎn) - 4 - 1.2.2 槍鉆的特點(diǎn) - 5 - 第二章 總體方案設(shè)計(jì) - 7 - 2.1 組合機(jī)床通用部件特點(diǎn)及分類(lèi) - 7 - （1）動(dòng)力部件： - 7 - （2）支撐部件： - 8 - （3）控制部件： - 8 - （4）輔助部件： - 8 - 2.2 設(shè)計(jì)基本要求 - 8 - 2.３ 總體方案 - 8 - 2.3.1 加工方案 - 8 - 2.3.2 參數(shù)計(jì)算： - 9 - 第三章　機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 10 - 3.1　組合機(jī)床通用部件選用 - 10 - 3.1.1 切削動(dòng)力頭選擇 - 10 - 3.1.2 數(shù)控機(jī)械滑臺(tái)選擇 - 12 - 3.1.3 側(cè)底座的選擇 - 13 - 3.1.4 中間底座的選擇 - 14 - 3.2 刀具的選擇 - 14 - 3.2.1 深孔加工發(fā)展?fàn)顩r - 14 - 3.2.2 槍鉆工作原理 - 15 - 3.2.3 槍鉆的結(jié)構(gòu) - 16 - 3.2.4 槍鉆切削冷卻液霧化系統(tǒng) - 18 - 3.2.5 槍鉆刃磨設(shè)備 - 18 - 3.3 夾具設(shè)計(jì) - 18 - 3.3.1 組合機(jī)床夾具機(jī)械部分設(shè)計(jì) - 18 - 3.3.2 夾具液壓部分設(shè)計(jì) - 20 - Pf≥P+∑△p1=5.5MPa - 22 - 第四章 PLC組合機(jī)床控制系統(tǒng) - 24 - 4.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇 - 24 - 4.1.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理 - 24 - 4.1.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器 - 26 - 4.1.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器 - 27 - 4．2 PLC控制系統(tǒng) - 27 - 4.2.1 可編程序控制器組成及特點(diǎn) - 27 - 4.2.2 PLC及脈沖模塊的選取 - 29 - 4.3 PLC編程 - 30 - 4.3.1 輸入繼電器（X） - 31 - 4.3.2 輸出繼電器（Y） - 32 - 4.3.3 輔助繼電器（M） - 32 - 4.3.4 定時(shí)器（T） - 32 - 4.3.5 數(shù)據(jù)寄存器 - 33 - 4.3.6 應(yīng)用指令(MOV，DRVA，CMP) - 34 - 第五章 CAXA電子圖板 - 38 - 參考文獻(xiàn) - 42 - 結(jié)束語(yǔ) - 43 - 數(shù)控機(jī)床準(zhǔn)靜態(tài)誤差和操作誤差評(píng)定 - 54 - 2 第一章 緒論 第一章 緒論 1.1 組合機(jī)床特點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r 組合機(jī)床是以通用部件為基礎(chǔ)，配以少量專(zhuān)用部件，對(duì)一種或若干種工件按預(yù)定的工序進(jìn)行加工的機(jī)床。它能夠?qū)ぜM(jìn)行多刀、多軸、多工位、同時(shí)加工。在組合機(jī)床上可以完成鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、鏜孔、攻絲、車(chē)削、銑削、磨削及滾壓等工序，隨著組合機(jī)床技術(shù)的發(fā)展，它能夠完成的工藝范圍日益擴(kuò)大。 組合機(jī)床與通用機(jī)床、專(zhuān)用機(jī)床相比，有如下特點(diǎn)： （1）組合機(jī)床由70～90%的通用零、部件組成，可以縮短設(shè)計(jì)和制造周期。而且在需要的時(shí)候，還可以部分或全部進(jìn)行改裝，以組成適應(yīng)新加工要求的新設(shè)備。這就是說(shuō)，組合機(jī)床有重新改裝的優(yōu)越性，其通用零、部件可以多次重復(fù)利用。組合機(jī)床是按具體加工對(duì)象專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，可以按最佳工藝方案進(jìn)行加工。 （2）在組合機(jī)床上可以同時(shí)從幾個(gè)方向采用多把刀具對(duì)幾個(gè)工件進(jìn)行加工，是實(shí)現(xiàn)集中工序，提高生產(chǎn)效率的最好途徑。 （3）機(jī)床是在工件一次裝夾下用多軸實(shí)現(xiàn)多孔同時(shí)加工，有利于保證各孔相互之間的精度要求，提高產(chǎn)品質(zhì)量；減少了工件工序間的搬運(yùn)，改善了勞動(dòng)條件；減少了占地面積。 （4）由于組合機(jī)床大多零、部件是同類(lèi)的通用部件，簡(jiǎn)化了機(jī)床的維護(hù)和修理。 （5）組合機(jī)床的通用部件可以組織專(zhuān)門(mén)工廠集中生產(chǎn)，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平，降低制造成本。 專(zhuān)用機(jī)床是隨著汽車(chē)工業(yè)的興起而發(fā)展起來(lái)的。在專(zhuān)用機(jī)床中某些部件因重復(fù)使用，逐步發(fā)展成為通用部件，因而產(chǎn)生了組合機(jī)床。 最早的組合機(jī)床是1911年在美國(guó)制成的，用于加工汽車(chē)零件。初期，各機(jī)床制造廠都有各自的通用部件標(biāo)準(zhǔn)。為了提高不同制造廠的通用部件的互換性，便于用戶(hù)使用和維修，1953年美國(guó)福特汽車(chē)公司和通用汽車(chē)公司與美國(guó)機(jī)床制造廠協(xié)商，確定了組合機(jī)床通用部件標(biāo)準(zhǔn)化的原則，即嚴(yán)格規(guī)定各部件間的聯(lián)系尺寸，但對(duì)部件結(jié)構(gòu)未作規(guī)定。 二十世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著可轉(zhuǎn)位刀具、密齒銑刀、鏜孔尺寸自動(dòng)檢測(cè)和刀具自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，組合機(jī)床的加工精度也有所提高。銑削平面的平面度可達(dá)0.05毫米／1000毫米，表面粗糙度可低達(dá)2.5～0.63微米；鏜孔精度可達(dá)IT7～6級(jí)，孔距精度可達(dá)0.03～0.02微米。 1.2 槍鉆及深孔加工 1.2.1深孔加工的特點(diǎn) 孔加工分為淺孔加工和深孔加工兩類(lèi)，也包括介于兩者之間的中深孔加工。一般規(guī)定孔深L與孔徑d之比大于5的孔稱(chēng)為深孔。深孔加工難度高、加工工作量大，已成為機(jī)械加工中的關(guān)鍵性工序。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品的更新?lián)Q代十分頻繁，新型高強(qiáng)度、高硬度的難加工零件不斷出現(xiàn)，無(wú)論是對(duì)深孔加工的質(zhì)量、加工效率、還是刀具的耐用度都提出了更高的要求。 隨著生產(chǎn)與科技的進(jìn)步，深孔零件在材質(zhì)及毛坯制造、刀具材料、深孔加工機(jī)床、基礎(chǔ)理論研究、檢測(cè)等方面都有了較大的進(jìn)展。深孔零件的材質(zhì)，過(guò)去多采用碳素結(jié)構(gòu)鋼。低合金鋼和高強(qiáng)度合金鋼。新型工程材料，如鈦合金、不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、陶瓷、塑料、碳素纖維塑料、復(fù)合材料等，開(kāi)始在深孔零件上采用。新材料的逐步采用對(duì)深孔加工提出了新的技術(shù)難題。除了深孔零件的材質(zhì)外，零件的毛坯質(zhì)量也有了很大的改觀?，F(xiàn)在深孔零件的毛坯除了采用一般的鑄、鍛、軋制毛坯外，對(duì)于機(jī)械性能要求高的深孔零件，采用真空冶煉、電渣重熔等方法獲得高質(zhì)量的鑄錠后，進(jìn)行壓力加工。在管坯生產(chǎn)中，除了一般的熱軋、冷軋無(wú)縫管材外，現(xiàn)已采用精軋無(wú)縫管材。冶金技術(shù)的進(jìn)步，提高了材料的機(jī)械性能，使材料的加工性能發(fā)生了顯著的變化。鍛造及壓力加工技術(shù)的進(jìn)步，使得毛坯材料的去除率大為降低。另外，由于熱處理技術(shù)的發(fā)展，深孔工件經(jīng)過(guò)熱處理后，在機(jī)械性能、結(jié)晶與顯微組織上都有了較大的改善，這直接影響著材料的再加工性。 深孔加工機(jī)床現(xiàn)在多采用常規(guī)機(jī)床，有深孔鉆鏜床、深孔磨床、珩磨機(jī)及通用車(chē)床改造成的深孔鉆鏜床。近年來(lái)，已出現(xiàn)數(shù)控深孔鉆鏜床（CNC）?，F(xiàn)代深孔加工技術(shù)的發(fā)展，面臨著多品種、小批量、新型工程材料及愈來(lái)愈高的精度要求的挑戰(zhàn)。由于機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品多品種、小批量的比重日益增加，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本成為深孔加工技術(shù)的中心課題。發(fā)展成組技術(shù)和開(kāi)展計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)輔助制造(CAD/CAM)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)是提高深孔加工勞動(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益的根本途徑。新型工程材料對(duì)深孔加工技術(shù)的挑戰(zhàn)，在于要求提高傳統(tǒng)深孔加工方法的水平，開(kāi)發(fā)新的制造技術(shù)與工藝方法。愈來(lái)愈高的精度要求，需要發(fā)展深孔精密加工技術(shù)，并相應(yīng)地發(fā)展精密測(cè)量及精密機(jī)械設(shè)計(jì)。在實(shí)現(xiàn)深孔加工自動(dòng)化生產(chǎn)中，需要解決加工中異常情況的監(jiān)控及自動(dòng)檢測(cè)。目前，深孔加工中的這些問(wèn)題，雖然落后于車(chē)削、銑削，但已有一些國(guó)家在開(kāi)發(fā)研制，進(jìn)行解決。 深孔鉆削的鉆桿細(xì)而長(zhǎng)，小深孔鉆削的鉆桿更是細(xì)長(zhǎng)，其剛度很低，因此，在設(shè)計(jì)小深孔刀具時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能提高刀具(包括鉆頭和鉆桿)整體的剛度。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，鉆桿與鉆頭采用了方牙螺紋聯(lián)接方式。這要在管壁很薄的鉆桿上切出方牙螺紋，勢(shì)必更使細(xì)長(zhǎng)鉆桿的強(qiáng)度和剛度下降。 如鉆削5.7mm深孔，鉆桿外徑只能取4mm，在壁厚不足1mm上再挖去一個(gè)方牙螺紋的深度0.25mm，螺紋聯(lián)接處的強(qiáng)度和剛度大大下降，在鉆削中，鉆桿常在螺紋聯(lián)接處扭斷。即使用小進(jìn)給量以降低鉆削扭矩，也不能防止扭斷事故。 為解決這一問(wèn)題，對(duì)于鉆削孔徑f12mm以下孔的鉆桿和鉆頭的聯(lián)接，可采用三種方法： 可以將鉆頭和鉆桿做成90鈄口，用低溫銀焊(有時(shí)也用銅焊)或粘接將鉆頭和鉆桿聯(lián)接。第二種是將鉆頭的鉆柄直徑車(chē)小，鉆桿聯(lián)接處的孔徑鏜大與鉆柄裝配成一體，再在接縫處用低溫焊接或用粘接固定。還可以將硬質(zhì)合金刀片做成 “T”型端面，而在鉆桿上相應(yīng)銑出“T”型溝槽，將刀片插入粘接固定。這3種方法經(jīng)多次試驗(yàn)，均比方牙螺紋聯(lián)接的強(qiáng)度和剛度要好，可適當(dāng)加大小深孔鉆削時(shí)的進(jìn)給量，生產(chǎn)效率也得到相應(yīng)的提高。 1.2.2 槍鉆的特點(diǎn) 槍鉆是一種比較古老的深孔加工刀具，最初用于加工槍管，故名為槍鉆。槍鉆是外排屑深孔鉆的代表，也是小直徑（Φ10mm以下）深孔加工的常用方法。目前，硬質(zhì)合金槍鉆的最小直徑為Φ1mm，鉆孔深度與直徑之比超過(guò)100，最大可至250，鉆孔精度為IT7～I(xiàn)T9，鉆孔表面粗糙度為2.3～2.4μm ，槍鉆具有一次鉆削就獲得良好精度和表面粗糙度低的特點(diǎn)，近幾年來(lái)，已用于精密淺孔和特殊孔加工。以 美 國(guó) 為 例，1963年槍鉆 加工的代表深度為250～300mm，1968年下降到100mm，進(jìn)入20世紀(jì)70年代已降至25～37mm。槍鉆的使用范圍也在不斷擴(kuò)大，不僅用于加工通孔，還可以加工盲孔、階梯孔、斜孔、半圓孔、斷續(xù)孔和疊層板孔等。 槍鉆是理想的深孔加工解決方案，采用槍鉆可以獲得精密的加工效果，加工出來(lái)的孔位置精確，直線度、同軸度高，并且有很高的表面光潔度和重復(fù)性。能夠方便的加工各種形式的深孔,對(duì)于特殊深孔，比如交叉孔，盲孔及平底盲孔等也能很好的解決。槍鉆除了應(yīng)用專(zhuān)業(yè)的深孔鉆機(jī)外，也可用于CNC機(jī)床上，在普通機(jī)床上稍作改動(dòng)也可以實(shí)現(xiàn)深孔加工功能，這樣不必增加太多的成本就可以獲得一套理想的深孔加工的解決方案。 專(zhuān)業(yè)的槍鉆系統(tǒng)由深孔鉆機(jī)、單刃或雙刃的槍鉆及高壓冷卻系統(tǒng)組成，使用時(shí)，鉆頭通過(guò)導(dǎo)引孔或?qū)走M(jìn)入工件表面，進(jìn)入后，鉆刃的獨(dú)特結(jié)構(gòu)起到自導(dǎo)向的作用，保證了切削精度。 　　冷卻液通過(guò)鉆頭中間的通道到達(dá)切削部位，并將切屑從排屑槽帶出工件表面，同時(shí)對(duì)鉆刃進(jìn)行冷卻和對(duì)背部的支撐凸臺(tái)進(jìn)行潤(rùn)滑，從而獲良好的加工表面和加工質(zhì)量。 - 44 - 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 組合機(jī)床通用部件特點(diǎn)及分類(lèi) 組合機(jī)床是一種高效自動(dòng)化的專(zhuān)用機(jī)床。它與一般的專(zhuān)用機(jī)床明顯的不同是，組合機(jī)床是由大量通用部件、通用零件和少量專(zhuān)用部件所組合而成的。因此，通用部件是組合機(jī)床發(fā)展的基礎(chǔ)。 組合機(jī)床通用部件是指在組合機(jī)床及其自動(dòng)化設(shè)計(jì)、制造和使用中，有著統(tǒng)一聯(lián)系尺寸標(biāo)準(zhǔn)，可以相互更換使用的一些專(zhuān)用部件。這些部件經(jīng)過(guò)試制、試驗(yàn)、鑒定而最后定型，因此它的結(jié)構(gòu)可靠，使用性能穩(wěn)定。因此，組合機(jī)床通用部件保證了組合機(jī)床的質(zhì)量，降低了成本，縮短了設(shè)計(jì)制造周期，促進(jìn)了組合機(jī)床的發(fā)展。 組合機(jī)床的通用化程度是衡量組合機(jī)床水平的重要標(biāo)志，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。組合機(jī)床的通用化程度是指在組合機(jī)床的零件總數(shù)中，通用零件所占的百分比。目前一般可達(dá)到60~70%，最高可達(dá)到90%。 通用部件直接影響到組合機(jī)床及其自動(dòng)線的自動(dòng)化水平、加工精度、加工效率以及機(jī)床加工工藝方案和經(jīng)濟(jì)效益。因此，通用部件應(yīng)滿(mǎn)足下列要求： （1）通用部件應(yīng)具有高的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化水平，增加互換性，擴(kuò)大通用部件的使用范圍。 （2） 通用部件在性能上應(yīng)具有先進(jìn)性，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有足夠的剛度和精度，以滿(mǎn)足各方面加工的需要。 （3）通用部件在結(jié)構(gòu)和性能上應(yīng)滿(mǎn)足：使用方便、性能穩(wěn)定、工作可靠、制造容易、維修簡(jiǎn)單和外形美觀等，還要考慮經(jīng)濟(jì)性。動(dòng)力部件要求有適當(dāng)?shù)淖兯俜秶妥兯俜椒ā? （4）必須提高通用部件的靈活性，以適應(yīng)各種組合機(jī)床及其自動(dòng)線的要求。 （5）必須增加通用部件的品種和規(guī)格，以滿(mǎn)足生產(chǎn)的發(fā)展，如發(fā)展適合中小批生產(chǎn)和品種加工組合機(jī)床的通用部件。 通用部件已經(jīng)定制為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并等效于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)貫徹執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)有些企業(yè)有內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，但其主要技術(shù)參數(shù)及部件的聯(lián)系尺寸必須同意執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)部件通用化目標(biāo)。 根據(jù)通用部件的用途和特點(diǎn)，組合機(jī)床的通用部件主要分四大類(lèi)： （1）動(dòng)力部件： 動(dòng)力部件用來(lái)實(shí)現(xiàn)組合機(jī)床的切削運(yùn)動(dòng)，是組合機(jī)床及其自動(dòng)線的主要通用部件，用來(lái)實(shí)現(xiàn)組合機(jī)床的切削運(yùn)動(dòng)，如刀具的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由主傳動(dòng)動(dòng)力部件來(lái)實(shí)現(xiàn)的；刀具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由進(jìn)給動(dòng)力部件來(lái)完成的；將被加工工件由一個(gè)加工工位輸送到另一個(gè)加工工位的部件為輸送部件。動(dòng)力部件主要有四種： 主運(yùn)動(dòng)動(dòng)力部件：用來(lái)實(shí)現(xiàn)組合機(jī)床的切削運(yùn)動(dòng)。包括動(dòng)力箱，多軸箱，單軸頭。 進(jìn)給動(dòng)力部件：實(shí)現(xiàn)刀具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。包括液壓滑臺(tái)，機(jī)械滑臺(tái)。 輸送工件動(dòng)力部件：將工件由一個(gè)工位輸送到另一加工工位的部件。包括回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，回轉(zhuǎn)鼓輪，移動(dòng)工作臺(tái)和自動(dòng)線輸送裝置等。 （2）支撐部件： 支撐部件包括：側(cè)底座、中間底座、立柱、立柱底座及各種支架等。支撐部件是組合機(jī)床及其自動(dòng)線的基礎(chǔ)部件，用以安裝動(dòng)力部件和夾具等。 （3）控制部件： 控制部件用來(lái)控制組合機(jī)床工作循環(huán)。例如液壓擋鐵、控制擋鐵、分級(jí)進(jìn)給機(jī)構(gòu)、液壓控制裝置以及自動(dòng)檢測(cè)裝置等。 （4）輔助部件： 輔助部件包括：潤(rùn)滑、冷卻、排屑以及自動(dòng)線的各種輔助裝置等。 2.2 設(shè)計(jì)基本要求 加工對(duì)象：汽車(chē)制動(dòng)泵缸體孔 材質(zhì)：鑄鐵HT250； 直徑范圍：Φ15.87mm～Φ32mm； 長(zhǎng)度范圍：60～240mm； 盲孔、平底（底角最大10） 技術(shù)參數(shù)：直線度Φ0.01 錐度 0.01 圓柱度 0.015 粗糙度 ≤0.8 主孔深度公差 ≤0.1 設(shè)計(jì)組合機(jī)床對(duì)該孔進(jìn)行加工。 2.３ 總體方案 2.3.1 加工方案 采用槍鉆數(shù)控組合鉆床對(duì)汽車(chē)制動(dòng)泵缸體孔進(jìn)行加工，考慮到加工效率，采用對(duì)置雙工位設(shè)計(jì)，組合鉆床由鏜削動(dòng)力頭、數(shù)控滑臺(tái)、PLC控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、液壓夾具、側(cè)底座和中間底座組成，其中數(shù)控滑臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)控制，組合鉆床控制系統(tǒng)使用三菱PLC系統(tǒng)，夾具使用液壓夾緊方式。 2.3.2 參數(shù)計(jì)算： 由于目前還沒(méi)有適用于槍鉆加工的設(shè)計(jì)公式，其加工時(shí)切削參數(shù)和麻花鉆相似，所以采用麻花鉆計(jì)算公式對(duì)槍鉆切削參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得： 表2.1 組合機(jī)床設(shè)計(jì)中推薦的切削力、扭矩、及功率計(jì)算公式 刀具材料 工件材料 切削力 切削扭矩 切削功率 硬質(zhì)合金 灰鑄鐵 （1.1） （1.2） （1.3） 注：1.表中、均為軸向力，為圓周力。 2.表中未注明符號(hào)：—切削速度(m/min);—每分鐘進(jìn)給量(mm/min);—加工（銑刀或鉆刀）直徑(mm);HB=190HRC 3.若需考慮工件材質(zhì)、切削速度、刀具角度變化影響時(shí)，表中公式應(yīng)做相應(yīng)的修正（修正系數(shù)），可參考《組合機(jī)床切削用量計(jì)算圖》及有關(guān)切削用量手冊(cè)。 根據(jù)以上表中公式計(jì)算如下： 切削力： 切削扭矩： 切削功率： 第三章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第三章　機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1　組合機(jī)床通用部件選用 3.1.1 切削動(dòng)力頭選擇 動(dòng)力頭分為銑削頭、鏜削頭、鉆削頭和鏜孔車(chē)端面動(dòng)力頭。根據(jù)槍鉆的切削特性，選擇鏜削頭作為機(jī)床的切削動(dòng)力頭。 鏜削動(dòng)力頭由鏜削頭主軸部件與同規(guī)格的傳動(dòng)裝置及滑臺(tái)配套組成鏜削動(dòng)力頭，對(duì)鑄鐵、鋼及有色金屬工件進(jìn)行粗精鏜孔，鏜孔精度可以達(dá)到IT7級(jí)，加工表面粗糙度可達(dá)1.6μm。 鏜削共力頭有三種傳動(dòng)形式，頂置式齒輪傳動(dòng)其轉(zhuǎn)速范圍屬于中低速，適用于各種材料零件的粗精鏜孔。皮帶傳動(dòng)裝置其轉(zhuǎn)速范圍為屬于高速，適用于各種零件材料的半精鏜孔和精鏜孔。它只要用于頂置式鏜削頭。尾置式齒輪傳動(dòng)裝置其轉(zhuǎn)速范圍屬于中速，主要用于配置于尾置式鏜削頭，裝在立式機(jī)床上，對(duì)各種零件進(jìn)行粗精鏜孔。 根據(jù)(1.3)式計(jì)算出的,查閱有關(guān)資料選取1TA20型號(hào)鏜削動(dòng)力頭，其技術(shù)參數(shù)如下： 表3.1 1TA20鏜削頭的技術(shù)性能 型號(hào) 功率(kW) 主軸端號(hào) 主軸前軸承軸頸（mm） 傳動(dòng)裝置 主軸轉(zhuǎn)速(r/min) 1TA20 1.5 4 Φ60 頂置 1NGb12 低速 80～400 高速 200～1000 膠帶 1NG20 800～3200 尾置 1NGc20 200～1000 根據(jù)要求轉(zhuǎn)速800～1000r/min,可以選用頂置1NGb12傳動(dòng)裝置，該傳動(dòng)裝置為齒輪式傳動(dòng)，適用于各種材料零件的粗精鏜孔。 　1TA20鏜削頭聯(lián)系尺寸如下： 圖3.1 鏜削頭聯(lián)系尺寸圖 表3.2 1TA20鏜削頭聯(lián)系尺寸 型號(hào) 尺寸（mm） 1TA20 B B1 B2 L L1 L2 L3 200 170 226 320 125 155 40 L4 L5 H H1 H2 H3 C d 285 45 100 236 438 213 100 Φ14 表3.3 鏜削頭的主軸端部尺寸 型號(hào) 尺寸(mm) 莫式錐度號(hào)4 D D1 D2 D3 d1 d2 d3 B L L1 1TA20 110 31.267 63.512 82.56 14 M10 M6 20 12.5 5 由于是對(duì)置雙工位設(shè)計(jì)，所以選擇兩臺(tái)1TA20鏜削動(dòng)力頭對(duì)工件進(jìn)行加工。 3.1.2 數(shù)控機(jī)械滑臺(tái)選擇 交流伺服機(jī)械滑臺(tái)除具有一般機(jī)械滑臺(tái)的用途外，它還使組合機(jī)床及其自動(dòng)線的進(jìn)給系統(tǒng)具有易調(diào)、快速調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)改裝步進(jìn)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)滑臺(tái)位控準(zhǔn)確及人機(jī)對(duì)話(huà)等。 考慮到要應(yīng)用PLC系統(tǒng)對(duì)組合鉆床進(jìn)行控制，選用交流伺服數(shù)控機(jī)械滑臺(tái)，并將該滑臺(tái)交流伺服電機(jī)改裝為步進(jìn)電機(jī)，用PLC控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)完成加工控制，其中滑臺(tái)的快進(jìn)、工進(jìn)、定位由步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制。 考慮到槍鉆換刀空間、側(cè)底座裝配尺寸、工件尺寸范圍以及夾具尺寸，應(yīng)該選取足夠行程的數(shù)控滑臺(tái)，經(jīng)過(guò)計(jì)算選用最大行程為400的NC-1HJ25Ⅱ型交流伺服數(shù)控機(jī)械滑臺(tái)。主要聯(lián)系尺寸表、圖如下： 圖3.2 數(shù)控滑臺(tái)聯(lián)系尺寸圖 表3.4 NC-1HJ25Ⅱ型交流伺服數(shù)控機(jī)械滑臺(tái)聯(lián)系尺寸 型號(hào) B B1 B4 L L1 L2 L3 NC-1HJ25 250 250 79.5 400 500 940 95 L4 H b1 C n d 403 250 220 55 4 M12 由于是對(duì)置雙工位設(shè)計(jì)，所以選擇兩臺(tái)NC-1HJ25Ⅱ型交流伺服數(shù)控機(jī)械滑臺(tái)， 查得該數(shù)控機(jī)械滑臺(tái)的滾珠絲杠直徑為40mm，導(dǎo)程為10mm,長(zhǎng)度為900mm。 根據(jù)滾珠絲杠以及最大切削力計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的扭矩，通過(guò)扭矩選擇步進(jìn)電機(jī)，查得有關(guān)資料如下： M=Ptan(λ+ρ)d2/2； 其中P為最大切削力，λ為導(dǎo)程，d2為中徑； 計(jì)算得：M=2.87 N/m 由于永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩較小，根據(jù)扭矩選擇日本東方二相混合式步進(jìn)電機(jī)PH2610（轉(zhuǎn)矩為3.2M）。 3.1.3 側(cè)底座的選擇 側(cè)底座也稱(chēng)為臥式床身，在臥式組合機(jī)床中用來(lái)安裝動(dòng)力滑臺(tái)。側(cè)底座的長(zhǎng)度是由動(dòng)力滑臺(tái)的長(zhǎng)度決定的，動(dòng)力滑臺(tái)有幾種行程，側(cè)底座在長(zhǎng)度上就有幾種規(guī)格，新的系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定側(cè)底座的高度為560或630mm，但是當(dāng)組合機(jī)床需要較低的高度時(shí)，其高度可以按450mm設(shè)計(jì)。為了適應(yīng)機(jī)床一定的裝料高度，對(duì)于不同的被加工零件的機(jī)床，在側(cè)底座和滑座之間可以增加調(diào)整墊。 本系列滑臺(tái)側(cè)底座長(zhǎng)度按滑臺(tái)行程長(zhǎng)度分型并與其配套?；惭b在側(cè)底座上，側(cè)底座與中間底座用螺釘及銷(xiāo)聯(lián)結(jié)成一體?；_(tái)預(yù)測(cè)底座之間裝有5mm后的調(diào)整墊，采用調(diào)整墊對(duì)機(jī)床的制造和維修都方便。 根據(jù)數(shù)控機(jī)械滑臺(tái)NC-1HJ25Ⅱ行程選擇兩臺(tái)配套的滑臺(tái)側(cè)底座1CC251Ⅱ,滑臺(tái)行程400mm，側(cè)底座高度為560mm。其聯(lián)系尺寸為： 圖3.3 1CC251Ⅱ型滑臺(tái)側(cè)底座聯(lián)系尺寸圖 表3.5　1CC251Ⅱ型滑臺(tái)側(cè)底座聯(lián)系尺寸（mm） 型號(hào) 名義尺寸 b 滑臺(tái)行 程 L1 L2 B B1 H 1CC251Ⅱ 250 270 400 1050 650 450 395 560 側(cè)底座與中間底座之間用M20的緊固螺栓連結(jié)，定位方式為錐銷(xiāo)（Φ20）定位，機(jī)床精度調(diào)整好之后，打錐銷(xiāo)定位。組合機(jī)床在機(jī)床制造廠拆開(kāi)運(yùn)到用戶(hù)廠后，要重新調(diào)整精度，重新打錐銷(xiāo)定位。采用這種錐銷(xiāo)定位方式時(shí)，側(cè)底座與滑臺(tái)之間在緊固螺栓和定位銷(xiāo)處可以采用一個(gè)5mm厚的調(diào)整墊。采用調(diào)整墊后，對(duì)機(jī)床的維修就方便了?；_(tái)導(dǎo)軌磨損后，只需取下滑座，將導(dǎo)軌面重新修磨，并更換調(diào)整墊，使之恢復(fù)到應(yīng)有的高度即可。但是在出廠時(shí)，這些調(diào)整墊應(yīng)保持等高。 3.1.4 中間底座的選擇 中間底座是用于安裝輸送部件和夾具的支撐部件。它可以與側(cè)底座、支架和立柱等相聯(lián)結(jié)。中間底座在配制組合機(jī)床時(shí)往往不能用一種系列滿(mǎn)足不同使用要求，因此，中間底座無(wú)標(biāo)準(zhǔn)化系列，尚需根據(jù)情況設(shè)計(jì)專(zhuān)用的中間底座。 中間底座其側(cè)面可以安裝側(cè)底座、支架等支撐部件，上面可安裝夾具或回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。中間底座的上平面開(kāi)有較大的孔，鐵屑能通過(guò)該孔落入中部的儲(chǔ)屑腔中。機(jī)床在需要冷卻時(shí)，中間底座的后側(cè)面可以裝冷卻泵，底腔即可作為儲(chǔ)存冷卻液腔。在中間底座的中部設(shè)網(wǎng)狀隔板，使鐵屑留在上部，冷卻液通過(guò)網(wǎng)狀隔板流入底腔。 根據(jù)機(jī)床的配置形式不同，中間底座有多種多樣，如雙面臥式組合機(jī)床的中間底座兩側(cè)面都可以安裝側(cè)底座；三面臥式組合機(jī)床的中間底座，可三面安裝側(cè)底座；總之，隨著機(jī)床形式不同，中間底座在結(jié)構(gòu)、尺寸等方面也就有著不同的要求。中間底座生產(chǎn)批量較小，大部分作為專(zhuān)用件處理。中間底座的高度為630mm，也可以根據(jù)具體要求，選為560mm或710mm。 選擇雙面中間底座，在中間底座兩側(cè)安裝兩側(cè)底座，由于側(cè)底座高為560mm，所以選擇560mm作為中間底座的高度，寬度選用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)710mm(如表3.8)，中間底座的長(zhǎng)度由夾具尺寸及安裝位置決定，實(shí)際長(zhǎng)度為2000mm。 表3.8 中間底座選擇尺寸（mm） 中間底座長(zhǎng) 中間底座寬 800 500 560 630 710 800 900 1000 630 710 800 900 1000 1250 710 800 900 1000 >1250 710 800 900 1000 3.2 刀具的選擇 3.2.1 深孔加工發(fā)展?fàn)顩r 最早用于加工金屬的深孔鉆頭是扁鉆，它發(fā)明于18世紀(jì)初。1860年美國(guó)人對(duì)扁鉆做了改進(jìn)，發(fā)明了麻花鉆，在鉆孔領(lǐng)域邁出了重要的一步。但用麻花鉆鉆深孔時(shí)，不便于冷卻與排屑，生產(chǎn)效率很低。隨著槍炮生產(chǎn)的迅速發(fā)展，在20世紀(jì)初期，德、英、美等國(guó)家的軍事工業(yè)部門(mén)先后發(fā)明了單刃鉆孔工具，因用于加工槍孔而得名槍鉆。槍鉆也稱(chēng)為月牙鉆、單刃鉆及外排屑深孔鉆。槍鉆鉆桿為非對(duì)稱(chēng)形，故扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度差，只能傳遞有限扭矩，適用于小孔零件加工生產(chǎn)，效率較低。在第二次世界大戰(zhàn)前和戰(zhàn)爭(zhēng)期間，由于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，槍鉆已不能滿(mǎn)足高生產(chǎn)效率的要求，在1943年，德國(guó)海勒公司研制出畢斯涅耳加工系統(tǒng)(即我國(guó)常稱(chēng)的內(nèi)排屑深孔鉆削系統(tǒng))。戰(zhàn)后，英國(guó)的維克曼公司、瑞典的卡爾斯德特公司、德國(guó)的海勒公司、美國(guó)的孔加工協(xié)會(huì)、法國(guó)的現(xiàn)代設(shè)備商會(huì)等聯(lián)合組成了深孔加工國(guó)際孔加工協(xié)會(huì)，簡(jiǎn)稱(chēng)BTA協(xié)會(huì)。經(jīng)過(guò)他們的努力，這種特殊的加工方法又有了新的發(fā)展，并被定名為BTA法，在世界各國(guó)普遍應(yīng)用。后來(lái)瑞典的山特維克公司首先設(shè)計(jì)出可轉(zhuǎn)位深孔鉆及分屑多刃錯(cuò)齒深孔鉆，使BTA法又有了新的飛躍。BTA法存在著切削液壓力較高，密封困難等缺點(diǎn)，為克服這些不足，1963年山特維克公司發(fā)明了噴吸鉆法。這是一種巧妙應(yīng)用噴吸效應(yīng)的方法，可以采用較低的切削液壓力，使切屑在推、吸效應(yīng)下容易排出，有利于系統(tǒng)的密封。但是噴吸鉆法本身也有缺點(diǎn)，它使用兩根鉆管，使排屑空間受到限制，加工孔徑一般不能小于18nm。由于特殊的切削液供給方式，缺乏了BTA法中切削液對(duì)鉆桿振動(dòng)的抑制作用，刀桿易擦傷，其系統(tǒng)剛性和加工精度要略低于BTA法。20世紀(jì)70年代中期，由日本冶金股份有限公司研制出的DF法為單管雙進(jìn)油裝置，它是把BTA法與噴吸鉆法兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)的一種加工方法，用于生產(chǎn)后得到了滿(mǎn)意的結(jié)果，目前廣泛應(yīng)用于中、小直徑內(nèi)排屑深孔鉆削。 3.2.2 槍鉆工作原理 深孔槍管鉆最初是應(yīng)用于兵器制造業(yè),因此得名槍鉆,隨著科技的不斷發(fā)展和深孔加工系統(tǒng)制造商的不懈努力,深孔加工已經(jīng)成為一種方便高效的加工方式。并被廣泛應(yīng)用于如:汽車(chē)工業(yè)、航天工業(yè)、結(jié)構(gòu)建筑工業(yè)、醫(yī)療器材工業(yè)、模具/刀具/治具工業(yè)及油壓、空壓工業(yè)等領(lǐng)域。 　　槍鉆是理想的深孔加工解決方案，采用槍鉆可以獲得精密的加工效果，加工出來(lái)的孔位置精確，直線度、同軸度高，并且有很高的表面光潔度和重復(fù)性。能夠方便的加工各種形式的深孔,對(duì)于特殊深孔，比如交叉孔，盲孔及平底盲孔等也能很好的解決。槍鉆除了應(yīng)用專(zhuān)業(yè)的深孔鉆機(jī)外，也可用于CNC機(jī)床上，在普通機(jī)床上稍作改動(dòng)也可以實(shí)現(xiàn)深孔加工功能，這樣不必增加太多的成本就可以獲得一套理想的深孔加工的解決方案。 專(zhuān)業(yè)的槍鉆系統(tǒng)由深孔鉆機(jī)、單刃或雙刃的槍鉆及高壓冷卻系統(tǒng)組成，使用時(shí)，鉆頭通過(guò)導(dǎo)引孔或?qū)走M(jìn)入工件表面，進(jìn)入后，鉆刃的獨(dú)特結(jié)構(gòu)起到自導(dǎo)向的作用，保證了切削精度。 冷卻液通過(guò)鉆頭中間的通道到達(dá)切削部位，并將切屑從排屑槽帶出工件表面，同時(shí)對(duì)鉆刃進(jìn)行冷卻和對(duì)背部的支撐凸臺(tái)進(jìn)行潤(rùn)滑，從而獲良好的加工表面和加工質(zhì)量。 為便于操作，高壓冷卻液從機(jī)床后端提供，鉆頭通過(guò)旋轉(zhuǎn)夾持套固定在主軸上，可以選擇工件旋轉(zhuǎn)和刀具旋轉(zhuǎn)的形式位置的調(diào)整也可選擇主軸移動(dòng)或工作臺(tái)移動(dòng)的方式。 機(jī)床上設(shè)有切屑回收箱，切屑由此排出，并將冷卻液回收冷卻循環(huán)使用，在回收箱前端裝有導(dǎo)引套從而引導(dǎo)鉆頭進(jìn)入工件表面。對(duì)于鉆頭長(zhǎng)度超過(guò)無(wú)支撐長(zhǎng)度的情況，還要適當(dāng)增加中間支撐。見(jiàn)圖3.4 圖3.4　槍鉆加工系統(tǒng) 3.2.3 槍鉆的結(jié)構(gòu) 圖3.5 槍鉆的結(jié)構(gòu) 標(biāo)準(zhǔn)的槍鉆是由超硬鎢鋼鉆刃、航天鋼材經(jīng)熱處理制成的刀身及鋼制驅(qū)動(dòng)柄經(jīng)高精度的銀焊、銅焊組合而成的，各組成部分特點(diǎn)如下： （1）鉆刃 圖3.6 鉆刃 鉆刃是整個(gè)槍鉆的關(guān)鍵部分，其獨(dú)特科學(xué)的組合結(jié)構(gòu)保證在完成切削工作同時(shí)還起到自導(dǎo)向的作用， 可以通過(guò)一次貫穿得到一個(gè)高精度的深孔，鉆刃有兩個(gè)基本度，我們可以根據(jù)被切削工件的材料及形式來(lái)選擇最恰當(dāng)?shù)慕M合，以便于工作更好的平衡切削力和斷屑，并將切削力傳遞給支撐凸肩，保證良好的直線度和同軸度。鉆刃有很小的倒錐度并且直徑較刀身略大，可以保證鉆身可以在切削孔內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)而不會(huì)磨擦孔內(nèi)壁的切削表面，根據(jù)不同要求，刃部有單圓孔、腎型孔各雙圓孔的通道同刀身的油道連接，高壓的冷卻液可以通過(guò)此通道到達(dá)切削點(diǎn)，并將切屑帶出工件。 （2）刀身 刀身采用航天工業(yè)專(zhuān)用合金鋼材并經(jīng)熱處理制成，刀身有110-120度的V型槽，高壓切削冷卻液經(jīng)驅(qū)動(dòng)柄、刀身油孔到達(dá)刃部后從此V型槽排出孔外，并將切屑帶走，為保證切削的直線度和同軸度，刀身必須有足夠的強(qiáng)度以便在較小的扭轉(zhuǎn)變形下提供切削所需的扭矩，同時(shí)刀身也必須有足夠的韌性，這樣才能吸收刀身高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的震動(dòng)。 （３）驅(qū)動(dòng)柄 驅(qū)動(dòng)柄完全依照標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)加工法的規(guī)定制造。其與刀身相接的頸部處有消除應(yīng)力的光滑弧狀凹槽以避免因應(yīng)力集中而產(chǎn)生破壞，驅(qū)動(dòng)柄為圓柱形，側(cè)面一般加工有兩個(gè)平面，供夾持套筒鎖緊整個(gè)鉆頭本體。由于槍鉆在工作中轉(zhuǎn)速高，并且切削冷卻液的壓力很高，因此驅(qū)動(dòng)柄的設(shè)計(jì)很重要，盡量增大驅(qū)動(dòng)柄的長(zhǎng)度可以增加槍鉆的剛度和軸度，驅(qū)動(dòng)柄可以根據(jù)自己的需要在廠家訂做。 圖3.7 鉆尾端驅(qū)動(dòng)柄支持套筒 3.2.4 槍鉆切削冷卻液霧化系統(tǒng) 切削冷卻液及其霧化系統(tǒng)，是深孔精密切削加工不可或缺的環(huán)節(jié)；加工過(guò)程中可以根據(jù)鉆削尺寸的不同，調(diào)整配合不同的油液輸送壓力，通過(guò)貫穿鉆頭全長(zhǎng)的中心輸送管道，將冷卻液強(qiáng)制輸送至切削點(diǎn)，以達(dá)到冷卻刀刃、潤(rùn)滑刀肩的效果，并將切屑強(qiáng)制帶出工作物之外。冷卻液霧化系統(tǒng)是隨槍鉆、夾持套筒一起在廠家訂做的，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間。 3.2.5 槍鉆刃磨設(shè)備 刃磨是槍鉆使用過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),如何高效、省時(shí)省力并最大限度的減少鉆頭的刃磨損耗是這個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵。槍鉆磨損后，刃磨時(shí)必須在萬(wàn)能刃具磨床或?qū)Ｓ萌心C(jī)床上將槍鉆裝在專(zhuān)用夾具上進(jìn)行刃磨,每次刃磨只修磨內(nèi)外角的后刃面。必須保證正確的幾何角度和刃尖位置。 3.3 夾具設(shè)計(jì) 3.3.1 組合機(jī)床夾具機(jī)械部分設(shè)計(jì) 組合機(jī)床夾具是組合機(jī)床的重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)被加工零件的準(zhǔn)確定位、加壓、對(duì)刀具的導(dǎo)向以及裝卸工件時(shí)的限位等。組合機(jī)床的加工精度基本上是由夾具來(lái)保證的，因此它與一般機(jī)床夾具不同。一般機(jī)床夾具只是機(jī)床的輔助部件。此外，不要把組合機(jī)床夾具和一般的組合夾具混淆起來(lái)。組合夾具用于萬(wàn)能機(jī)床上為完成某一道工序加工，用一些標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的元件組裝成的定位夾緊裝置。用完后，卸下這些元件可以重新組裝成新的加壓裝置。而組合機(jī)床夾具是為某種零件的特定工序而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，它是由標(biāo)準(zhǔn)件，通用件以及專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的元件構(gòu)成的專(zhuān)用構(gòu)件，是組合機(jī)床的一個(gè)重要組成部分。 組合機(jī)床夾具按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以分為單工位夾具和多工位夾具兩大類(lèi)。單工位夾具是指在一個(gè)工位上完成加工工序的機(jī)床夾具。按被加工零件結(jié)構(gòu)和要求，單工位夾具有固定的，帶滾道或浮動(dòng)輥道的，帶水盆和小車(chē)等形式。多工位組合機(jī)床夾具是指工件需要在幾個(gè)工位上順序或平行－順序加工的機(jī)床夾具。按移位方法它又可分為：固定式多位夾具、回轉(zhuǎn)夾具、移動(dòng)工作臺(tái)夾具和回轉(zhuǎn)鼓輪夾具等。此外按操縱方式又可分為：手動(dòng)定位夾緊的組合機(jī)床夾具和自動(dòng)定位夾緊的組合機(jī)床夾具。由于組合機(jī)床是多面、多刀、多工序同時(shí)加工，在加工過(guò)程中產(chǎn)生很大的切削力，所以要求夾具要有足夠的剛性和夾壓力。一般在夾具上都設(shè)有引導(dǎo)刀具的導(dǎo)向裝置，以保證工件的加工精度。有的夾具要求具有自動(dòng)定位機(jī)構(gòu)和夾壓機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)定位和夾壓的自動(dòng)化，并設(shè)有動(dòng)作完成的檢查訊號(hào)，以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和提高生產(chǎn)率。在所有的夾具上都要有足夠的空間，以便排除切屑，以便與維修和更換易損零件等。 機(jī)床夾具是根據(jù)被加工零件專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，所以形式各不相同，下圖是被加工的零件圖形。 圖3.8 工件圖 由于工件定位端是圓柱面和立平面組成，所以在前端設(shè)計(jì)套筒定位、后端用夾緊液壓缸帶動(dòng)頂尖夾緊，通過(guò)摩擦力限制工件轉(zhuǎn)動(dòng)。 工件夾具由底座、回收箱、導(dǎo)套、前定位支撐板、頂尖及頂尖套筒、液壓系統(tǒng)組成，其中底座采用鋼板壓制而成，起支撐作用；回收箱用來(lái)回收冷卻液和鐵屑，并由下部方孔流入中間底座的回收箱內(nèi)；導(dǎo)套采用通用導(dǎo)套，對(duì)刀具起到支撐和導(dǎo)向的作用，刀具加工完工件后并不推出回收箱，而是停留在導(dǎo)套內(nèi)，等到工件換完后繼續(xù)加工；前定位支撐板用于工件定位，要求控制定位精度；夾緊裝置使用夾緊液壓缸帶動(dòng)頂尖夾緊工件。由于工件直徑較小，且鉆削時(shí)力和力矩均較小，夾具各部件及支撐剛度和強(qiáng)度較大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度、剛度符合要求，不必再校核了。 圖3.9 夾具組成 3.3.2 夾具液壓部分設(shè)計(jì) （１）液壓缸的選擇： 組合機(jī)床的加緊液壓缸已進(jìn)行了通用化系列化設(shè)計(jì)，根據(jù)資料選用T50系列加緊液壓缸，這種液壓缸的缸體采用無(wú)縫鋼管，兩端是嵌入式的，在缸體的兩端內(nèi)壁開(kāi)有環(huán)槽，將段改放入后旋轉(zhuǎn)90度，端蓋的邊沿進(jìn)入缸體兩端的環(huán)槽，即可承受軸向力。液壓缸和夾具的連接方式是通過(guò)兩個(gè)半圓鍵用法蘭盤(pán)連接，可以向前固定，也可以向后固定。采用角鐵形式的連接件后，可以變地腳式的固定。 計(jì)算夾緊力時(shí)，應(yīng)考慮到切削余量有可能超過(guò)計(jì)算值以及材質(zhì)的不均勻性。因此，加緊力的實(shí)際值應(yīng)相對(duì)于計(jì)算值有1.5～2的安全系數(shù) 由上面計(jì)算得到的軸向切削力 F=1743.803N， 所以實(shí)際夾緊力 F≤1743.8032=3487.604N 根據(jù)實(shí)際夾緊力和夾緊行程選擇　T5033Ⅲ型夾緊液壓缸 表3.9 夾緊液壓缸的技術(shù)參數(shù) 型號(hào) 液壓直徑 (mm) 活塞桿直徑 行程(mm) 大腔工作面積 小腔工作面積 活塞桿推力 活塞桿拉力 油的工作壓力 5MPa 5 MPa T5033Ⅲ 32mm 16mm 63mm 8cm2 6cm2 4kN 3kN （2）液壓站其它部件選擇 在工件加工過(guò)程中可以采用三位兩通的電磁閥進(jìn)行控制，形成卸荷回路。所謂卸荷，是指液壓泵在很低的壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí)泵的輸出功率接近于零。 需要使回路卸荷,以節(jié)省動(dòng)力消耗,可以選取M型電磁換向閥,原理圖如下圖: 圖3.10利用M型換向閥使泵卸荷的回路 當(dāng)換向閥置于中間時(shí)，液壓油不經(jīng)過(guò)液壓缸直接回到油缸，此時(shí)油的壓力接近于零，所以可以保證液壓泵輸出功率接近于零。 由于需要控制兩個(gè)液壓缸體，所以采用分流閥控制的同步回路， 圖3.11節(jié)流式同步運(yùn)動(dòng)回路 如圖3.11為用分流閥控制兩個(gè)并聯(lián)液壓缸同步運(yùn)動(dòng)回路。兩個(gè)尺寸相同的液壓缸的進(jìn)油路上，串聯(lián)分流閥。該分流閥能保證進(jìn)入兩液壓缸的流量相同，從而實(shí)現(xiàn)速度同步。其工作原理如下：分流閥中左右兩個(gè)固定節(jié)流口的尺寸和甜點(diǎn)相同，閥芯可以依據(jù)液壓缸負(fù)載變化自由地軸向移動(dòng)，來(lái)調(diào)節(jié)左右兩個(gè)節(jié)流口的開(kāi)度，保證閥芯左端壓力和右端壓力相等從而使進(jìn)入兩液壓缸的流量相同，來(lái)實(shí)現(xiàn)兩缸速度同步。例如，當(dāng)閥芯停留在某一平衡位置（p1=p1）時(shí),若左液壓缸的負(fù)載增大，p1也會(huì)隨之增大。但是，p1在增大時(shí)，由于p1＞p2，使閥芯右移，右節(jié)流口變大，左節(jié)流口變小，結(jié)果使p1減小，p2增大，直到p1=p2時(shí)閥芯停留在新的平衡位置。只要，左右兩固定節(jié)流口上的工作壓差相等，流過(guò)節(jié)流閥的流量就相等，保證兩缸的速度同步。反向時(shí)，它們分別通過(guò)各自的單向閥回油，不受分流閥控制。 因?yàn)橐簤合到y(tǒng)是指使用來(lái)夾緊工件，速度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取一個(gè)合適的數(shù)值，選取為20mm/s，如果取進(jìn)油路總的壓力損失為，則液壓泵最高工作壓力為： Pf≥P+∑△p1=5.5MPa 因此，液壓泵的流量可以取為5.5+5.50.25（MPa）=6.875MPa 泵的流量為 根據(jù)所擬定的液壓系統(tǒng)原理圖，計(jì)算分析通過(guò)各液壓閥油液的最高壓力和最大流量，選擇個(gè)各液壓閥的型號(hào)規(guī)格。 油管內(nèi)徑一般可參照所選元件油口尺寸決定，也可以按管路允許的流速進(jìn)行計(jì)算，油箱容量的確定如下： 圖3.12中1為電機(jī)和液壓泵油缸，2為分流閥，3為溢流閥，4為調(diào)速閥，5為單向閥閥，6為壓力表，7為電磁換向閥，8為液壓缸，9為油缸。 按照習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)合理的安排各液壓元件的位置和技術(shù)參數(shù)。根據(jù)液壓原理圖可以由廠家訂做液壓站。 圖3.12 液壓原理圖 第四章 PLC組合機(jī)床控制系 第四章 PLC組合機(jī)床控制系統(tǒng) 4.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇 4.1.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。 永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種多相或單相同步電動(dòng)機(jī)。單相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由單路電脈沖驅(qū)動(dòng)，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動(dòng)。多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由多相方波脈沖驅(qū)動(dòng)，用途很廣。使用多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，單路電脈沖信號(hào)可先通過(guò)脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號(hào)，再經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組，每輸入一個(gè)脈沖到脈沖分配器，電機(jī)各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度（稱(chēng)為步距角）。正常情況下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比，連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。 （1）步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ) 相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。 拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用θ表示。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱(chēng)整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱(chēng)半步）。 定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的） 靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過(guò)份采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。 （2）步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)： a、步距角精度： 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以?xún)?nèi)。 b、失步： 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱(chēng)之為失步。 c、失調(diào)角： 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。 d、最大空載起動(dòng)頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。 e、最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 f、運(yùn)行矩頻特性： 電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱(chēng)為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。 其它特性還有慣頻特性、起動(dòng)頻率特性等。 g、電機(jī)的共振點(diǎn)： 步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 （3）步進(jìn)電機(jī)的一些特點(diǎn)： a. 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。 b.步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。 步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。 c.步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 d.步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。 步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲? 本系統(tǒng)選用的步進(jìn)電機(jī)為日本東方二相混合式步進(jìn)電機(jī)，步矩角1.8。定子上有A、B兩相繞組。若以（A）表示對(duì)A相繞組正向通電，以（-A）表示對(duì)A相繞組反向通電，按（A）→（B）→（-B）→（-A）…的次序輪流通電，電動(dòng)機(jī)將每次轉(zhuǎn)過(guò)1.8。 4.1.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到直流或工頻交流電源上工作，必須使用專(zhuān)用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，它一般由脈沖發(fā)生分配控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成，將由控制器來(lái)的符合要求的脈沖串按時(shí)序要求分配給各相，放大后變成功率電流用以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。本系統(tǒng)所用驅(qū)動(dòng)器為意大利RTA公司UCM系列中的UCM03，該驅(qū)動(dòng)器為單電源供電恒流斬波式，即使導(dǎo)通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、或高頻工作時(shí)均保持額定值，使電動(dòng)機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部帶環(huán)形脈沖分配器，若使電機(jī)運(yùn)行只需輸入單相脈沖，然后由環(huán)形分配器按一定的順序?qū)⒚}沖加到控制電機(jī)繞組各端的開(kāi)關(guān)管的控制極上。 4.1.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程一般由控制器控制?？刂破靼凑赵O(shè)計(jì)者的要求完成一定的控制過(guò)程、使驅(qū)動(dòng)器按照要求的規(guī)律驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。簡(jiǎn)單的控制過(guò)程可以用各種邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但線路一般較復(fù)雜，成本高。自從微處理器問(wèn)世以來(lái)，給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新的途徑。各種PCL的迅速發(fā)展和普及，為設(shè)計(jì)功能很強(qiáng)而且價(jià)格低的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器提供了先進(jìn)的技術(shù)和充足的貨源。用PLC可以用很低的成本實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜的控制方案，而且由于PLC編程的靈活性、使修改控制方案成為輕而易舉的事情，只要重新編制程序或修改部分參數(shù)即可。 4．2 PLC控制系統(tǒng) 4.2.1 可編程序控制器組成及特點(diǎn) 可編程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，簡(jiǎn)稱(chēng)PC）。與個(gè)人計(jì)算機(jī)的PC相區(qū)別，用PLC表示。 PLC是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來(lái)取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。國(guó)際電工委員