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φ12mm（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）：
机械设计制造及其自动化 何峰雷 第 6 页
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）：
主轴直机械设计制造及其自动化 何峰雷 第 7 页 线进给运动
图2-2 自动钻床运动规律简图
主轴旋转切削运动
2.3.3 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
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、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
机械设计制造及其自动化 何峰雷 第 8 页
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）。 （二）选择传动类型
依据传统台式钻床的结构特点，主轴旋转运动选择带轮V带传动，此传动类型可实现过载保护；
钻头直线进给运动选择液压传动，此类型传动有以下优点： （1）在输出功率相同的条件下，体积小、重量轻； （2）运动平稳，吸振能力强；
（3）易于实现快速启动、制动、频繁换向以及无级调速；
（4）布局安装比较灵活，液压元件易于实现系列化、标准化、通用化； （5）与机构相结合易实现自动化控制； （三）绘制传动系统运动简图
根据以上分析，确定传动系统的运动简图如下（图2-3）：
V带传动 花键传动 液压缸进给传动图2-3 传动系统运动简图
2.5 控制方案设计
综合考虑全自动钻床的改造要求、功能要求、控制要求及经济因素，控制系统采用PLC与手动相结合的方法进行控制。
机械设计制造及其自动化 何峰雷 第 9 页
PLC即可编程控制器，其英文全称为 Programmable Controller。PLC举起于20世纪70年代，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物。经过30多年的发展，可编程控制器已经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。PLC不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机的编程语言，独具风格地使用以继电器梯型图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户编制的程序清晰直观、调试和查错容易，且编程方便易学。
PLC的主要功能有：顺序控制、数据处理、逻辑控制、运行状态监控、记数控制、通讯与联网、定时控制。在自动钻床的控制系统中，我们主要应用PLC的顺序控制和定时控制。
另外PLC作为现代最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机，其具有以下特点：
（1）可靠性高 ；
（2）编程容易，易于使用； （3）控制功能极强；
（4）扩展及与外部连接极为方便； （5）通用性好、体积小、使用灵活； （6）设计施工和调试的周期短；
结合以上PLC的特点，我们在控制系统方案设计时选择PLC作为主要的控制方式，另外根据实际的工作要求，配合适当的手动控制元件。
2.6 总体布局设计
机床总布局的设计任务是解决机床各部件间的相对运动和相对位置的关系，并使机床具有一个协调完美的造型。工艺分析和工件的形状、尺寸及重量，在很大程度上左右着机床的布局形式。
普通台式钻床的自动化改造及进给系统设计，是在原有机构的基础上导入了液压进给驱动系统：主轴箱要做变动。同时还导入了液压夹紧系统：考虑到台式钻床固定不动，可变动工作台的结构以实现总体布局的协调。
2.7 辅助系统的设计
辅助系统的设计主要包括润滑系统设计、冷却系统设计、故障检测系统设计、安全保障系统设计和照明系统设计。
设计过程中可根据设计的要求和实际的钻床工作需求进行辅助系统的设计。
2.8 本章小结
机械设计制造及其自动化 何峰雷 第 10 页