经济性数控钻床设计.doc

目录第一章绪论.11.1先进制造技术的提出与发展.11.2我国数控机床发展现状.11.3数控机床的优缺点.11.4本论文研究的内容及目的.2第二章机械部分设计与计算.32.1确定尺寸及估计重量.32.2横向（Y向）设计计算.32.2.1切削力的计算.32.2.2滚珠丝杠设计计算.32.2.3传动齿轮的相关计算.62.2.4转动惯量计算及其横向步进电机的选择.82.2.5齿轮的验算.102.3纵向（X向）设计计算.182.3.1滚珠丝杠设计计算.182.3.2传动齿轮的相关计算.212.3.3转动惯量计算及其步进电机的选择.222.3.4齿轮的验算.25第三章轴的设计与校核.343.1轴的材料选择.343.2初选滚动轴承.343.3初步确定传动轴的轴向、径向尺寸.343.4按弯扭合成强度校核轴的强度.34第四章零件校核计算.394.1滚动轴承的支反力计算.394.2滚动轴承的寿命校核.394.3键的强度校核.39第五章数控系统的硬件电路设计.415.1单片机简介.415.2单片机在设计中的应用.43结论.47致谢语.48参考文献.49经济性数控钻床设计摘要随着科学技术的发展，计算机数字控制技术的日趋成熟，加工技术在世界的工业范围内都有了显著的提高。我国由于存在大量的金属切削机床，把它们全部淘汰不符合我国国情，所以对金属切削机床进行适当的数控化改造是最明智的选择。本次设计是对台式钻床的工作台进行数控化改造。首先，了解台式钻床的结构，确定改造方案。其次，选择滚珠丝杠、步进电机和消隙齿轮等零件，达到提高传动精度，减小加工误差的目的。第三，采用芯片控制代替原有的电气控制形式，从而达到提高控制精度、减少响应时间和减小占地空间等目的，并且可视化的数控代码编程和模拟加工过程可以提前发现程序的纰漏。最后，利用单片机对液压回路等进行控制，方便工程技术人员编写和使用。本次设计的结果可以顺利达到设计任务的要求，提高加工效率。普通机床数控化改造的技术可以广泛的应用在机械加工行业中，工程技术人员也应掌握并创新该项技术为振兴我国机械制造业而努力。关键字：经济性数控钻床滚珠丝杠滚动轴承2010届机械设计制造及其自动化专业毕业设计第1页共50页第一章绪论1.1先进制造技术的提出与发展1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。1949年，该公司在美国麻省理工学院伺服机构研究室的协助下开始数控机床研究，并于1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产。从1952年至今，数控机床按数控系统的发展经历了五代：第一代1955年，数控系统以电子管组成，体积大，功耗大；第二代1959年，数控系统以晶体管组成，广泛采用印刷电路板；第三代1965年，数控系统采用小规模集成电路，其特点是体积小，功耗低，可靠性有了提高；第四代1970年，数控系统采用小型计算机取代专用计算机，其部分功能由软件实现，首次出现在1970年美国芝加哥国际机床展览会上，具有价格低，可靠性高和功能多等特点；第五代1974年，数控系统以微处理器为核心，不仅价格进一步降低，体积进一步缩小，使实现真正意义上机电一体化成为可能。现在市场上数控系统都是以微处理器为核心系统，但数控系统的性能随着CPU的不断升级而不断提高，这一代又可细分为六个发展阶段。1974年系统以位片微处理器为核心，有字符显示、自诊断功能，1979年系统采用CRT显示、VLIC、大容量磁泡存储器、可编程接口和遥控接口等，1981年具有人机对话功能、动态图形显示、实时精度补偿，1986年数字伺服控制诞生，大惯量的交直流电机进入实用阶段，1988年采用高性能的32位机作为主机的主从结构系统，1994年基于PC的NC系统诞生，使NC系统的研究开发进入了开放型、柔性化的新时代，新型NC系统的开发周期日益缩短。可以说它是数控技术发展的又一个里程碑。1.2我国数控机床发展现状我国数控机床的发展起步较早，从1958年开始研制，已经历了40年的发展历程。但到1978年底，数控机床的发展几经周折，走了不少弯路，当年数控机床的产量仅223台。1979年开始的改革开放，为我国的机械工业开辟了新时期，数控机床的发展也进入了一个崭新的阶段。我国近几年数控机床发展迅速，一大批性能较好，价格适宜的产品受到了用户的欢迎，但与工业发达国家仍存在阶段性的差距。就总体来说，我国数控机床的构成比较落后，以普通精度加工为主的车床、钻床所占比重大，以高精度加工为主的磨床、自动化和高效率的加工中心所占比重小。国产的经济型、低价位的数控机床比重大，其性能和加工效率与国外先进水平差距较大，中档以上的产品竞争力较低。装备各行业所需的数控机床，主要依靠进口，国产数控机床的市场占有率不高。1.3数控机床的优缺点数控机床较好地解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，尤其对于约占机械加工总量80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。概括起来，采用数控机床有以下几方面的优点：第一提高加工精度，结构上引入滚珠丝杆、采用软件精度补偿技术、加工全程由程序控制加工，减少人为因素对加工精度的影响，尤其提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定；赖浩：经济性数控钻床设计第2页共50页第二提高生产效率，一般约提高效率3-5倍，使用数控加工中心机床则可提高生产率5-10倍，节约时间与资金；第三可加工形状复杂的零件，如螺旋浆；第四减轻了劳动强度，改善了劳动条件；第五有利于生产管理和机械加工综合自动化的发展。但是数控机床也存在着以下缺点：第一由于费用高昂，加工大批量零件不利；第二操作人员要求素质高，工资成本高；第三系统复杂，修理复杂，维护费用高，需要好的工作环境。1.4本论文研究的内容及目的本次设计是对台式钻床的工作台进行数控化改造。首先，了解台式钻床的结构，确定改造方案；其次，选择滚珠丝杠、步进电机和消隙齿轮等零件，来达到提高传动精度，减小加工误差的目的；第三，采用芯片控制代替原有的电气控制形式，达到提高控制精度、减小响应时间和减小占地空间等目的，并且可视化的数控代码编程和模拟加工过程，可以提前发现程序的纰漏；最后，利用单片机对液压回路等进行控制，方便工程技术人员编写和使用。本次设计的结果可以顺利达到设计任务的要求，完成X、Y两方向单独运行和同时运行，提高了加工效率。2010届机械设计制造及其自动化专业毕业设计第3页共50页第二章机械部分设计与计算2.1确定尺寸及估计重量根据钻床工作台的尺寸初步确定：Y轴方向移动的工作台尺寸重量约为200N，X轴方向移动的工作台尺寸重量约为150N，XY工作台总重量（包括夹具及工件）不超过450N。2.2横向（Y向）设计计算2.2.1切削力的计算工件为(45#HB250)CF=1063.12VF=0.129dF=0.903fF=0.956fFf=0.966V=18m/mind=6mmf=0.102mm/rF=CFVFVdFdfFf=1063.12×180129×60905×0.102096=877.82(N)对于麻花钻钻削加工FX=0.57F=0.57877.82=500.4(N)FY=0.4F=0.4877.82=351.128(N)FZ=0.03F=0.03877.82=26.33(N)2.2.2滚珠丝杠设计计算1)强度计算对于燕尾型导轨的牵引力计算Fm=KFX+f(FZ+2FY+G)取K=1.4，f=0.2考虑到工作台在移动过程中只受G影响所以F1m=fG=0.2×450赖浩：经济性数控钻床设计第4页共50页=90(N)考虑工作台在加工时静止只受FX影响故F2m=KFX=1.4×500.4=700.56(N)取Fmax=F2m2)计算最大动载荷C初选螺母副导程L0=6mm丝杠的转速n=100r/minL=61060nT查机床设计手册，取T=15000hL=61060nT=6101500010060=90考虑滚珠丝杠在运转过程中有冲击振动和考虑滚珠丝杠的硬度对寿命的影响，查机床设计手册取fW=1.2，fH=1.0Q=3LfWfHF=390×1.2×1×877.82=4.72(KN)故选取W2506型滚珠丝杠(Ca=13.1KN>Q),刚度足够。3)效率计算根据的公式，丝杠螺母副的传动效率为=)tan(tanvv摩擦角=10螺旋角=4°22=)tan(tanvv=)01224tan(224tan=0.963滚珠丝杠的传动效率高，这可使丝杠副的温度变化较小，对减小热变形，提高刚度、强度都起2010届机械设计制造及其自动化专业毕业设计第5页共50页了很大作用。4)刚度验算：滚珠丝杠受工作载荷Fm引起的导程变化量L1=±ZFLFm0L0=6mm=0.6cmE=21×106N/cm2F=82=3.46(cm2)L1=±ZFLFm0=±46.310216.056.7006=±5.78×106滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L2很小，可忽略，既L=L1所以导程变形总误差为=0100L=6.01078.51006=9.64(m/m)查机床设计手册知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15m/m，故刚度足够。5)稳定验算机床的进给丝杠通常是轴向力的压杆，若轴向力过大，将使丝杠失去稳定而产生弯曲，依据欧拉公式计算FK=2)(LZJ式中截面惯性矩，对实心圆柱J=6441d=64984.2014.3=0.95(N·cm)FK=2)(LZJ