机械专业多工位数控钻床设计毕业设计.docx

机械设备数控多工位钻床设计毕业论文【摘要】 本文主要针对形状相对复杂的工件的孔加工工件，现在一般都采用钻床加工，但随着科技的发展和对制造精度有了更高的要求，因此数控技术成为了主流。而数控多工位钻床就是提高钻削加工精度和效率的一种很好的机加工工具，在满足制造精度的前提下，更是节约了人力、时间的成本。在一般情况下，数控钻床就满足需求，而基于采用西门子数控系统，能完成连续精确的高速钻孔。相对于传统的数控钻床，该方案能适合较大直径的深孔加工，且还满足加工速度、高精度、高生产效率的要求;运动方式而采用点位控制系统，先以较快速度移动到终点附近位置，再以低速正确移动到终点定位位置，保证了良好的定位精度；而控制方式则采用半闭环控制系统，该系统通过检测移动部件的位置，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入的原指令位置进行比较，用比较后的差值进行控制，是移动部件补充位置，直到差值交出为止，因此增大了工件的加工精度；【关键词】 精度、数控技术、多工位、钻削Design of CNC drilling machine with multi-position progressive die【Abstract】 This article which mainly aimed at the shape of the hole of the work pieces those relatively complicated process work pieces. At present，the drilling machine processing have been typically used, but with the development of science and technology and manufacturing precision need the higher request. The numerical control technology became the mainstream. And the numerical control of progressive drilling machine is a kind of very good machining tool to enhance drilling processing precision and efficiency. It not only meets manufacturing precision, but also low the manpower and the time.Usually, The Numerical Control Drilling Machine will meet the demands, and the numerical control system based on Siemens, it can do high speed drilling and accurately. Compared with the traditional Numerical Control Drilling Machine, its suitable for some larger diameter and deep hole processing, and still meet the requests of speed, high precision, high production efficiency requirements.The Position Control System will take care of the mode of motion. Firstly, in a rapid rate moves to the near position of the end. And it with a low speed to the correct end position. To ensure it can be in the good location accuracy.And control the half-closed-loop control system, by detecting the position of the moving parts of the system, and then back to the comparison of the numerical control device, and enter the location of the original instructions, control difference compared, is moving parts added, until the difference until the surrender, thus increasing the precision of workpiece machining【Key words】Precision, Numerical Control Technology, Multi-station, Drilling目录绪论11、概论21.1 国内外研究现状21.2 论文工作的意义21.3 论文研究的主要工作22、系统设计32.1 机床系统设计框图32.2 系统的详细组成32.2.1 动力系统42.2.2 传动系统42.2.3 数控系统42.3 详细技术分析52.4 数控多工位钻床结构图52.5 本章小结63、详细设计73.1 切削力的计算73.1.1 确定加工工件尺寸73.1.2 计算切削力和扭矩73.1.3 确定主轴齿轮传动方案93.1.4 齿轮设计93.2主轴的设计及计算123.2.1 弯曲应力计算及验算133.3 轴承的选择133.4 系统进给机构的设计133.4.1 轴向进给机构设计133.4.2 纵向进给运动153.4.3 纵向进给滚珠丝杠的核算163.4.4 回转工作台运动分析203.5导轨的设计223.5.1 X轴向移动导轨的预选：223.5.2 导轨的相关计算233.5.3 导轨的压强计算和分布243.5.4 滑动导轨的验算263.5.5 导轨压强273.5.6 导轨及齿轮传动间隙调整分析283.6 计算机数控装置系统设计283.6.1 数控装置系统硬件组成283.6.2 计算机数控装置软件293.6.3 步进电机的接口电路313.6.4 系统总程序323.7 本章小结32总结与展望33参考文献34致谢3543 / 48绪论数控机床是现代科学发展的一个重要标志之一，由于数控机床相对于传统机床极大地提高了加工精度、生产率和自动化程度，所以在加工中得以广泛应用。而针对本次数控多工位钻床设计要完成一下几点：1、对数控多工位钻床进行结构设计，尽量提高机床的抗振性，通常机床的振动包括强迫振动和受迫振动，要提高机床在低速进给时的平稳性和运动精度；2、对钻床的主传动和主轴部件进行设计，使主轴能在轴向方向上移动和使主传动能进行多级调速；3、多工位的数控钻床，要有主轴箱的进给和工作台的滑动。而在本次设计中，进给传动和传动部件是一个重要环节。数控机床的传动多是用步进电机经过滚珠丝杠螺母副的结构传动。对于钻床来说，工作台可采用简单的滑动导轨实现工作台的进给和主轴箱的进给，多个滑动导轨的叠加组合便可以使钻床实现X、Y、Z轴三轴向的运动进给；3、对于数控多工位钻床，多工位是必不可少的一步。要实现多工位就必须设计针对钻床的回转工作台4、数控机床的数控部分的设计对于我的设计只要求设计出机床的硬件部分就是控制元件的选择，也就是框图；5、机床的床身和立柱的设计应考虑：要保证机床各部分的刚度。床身、立柱的结构和材料选择是必不可少的。对于本次数控多工位钻床的设计，我认为使钻削加工能实现自动化的数控加工正是运用到了数控机床的特点：提高了加工精度、生产率和自动化程度。采用多工位则更为缩短了装夹时间，使生产率得到更大的提高等，这是本设计课题经济意义。1、概论1.1 国内外研究现状近些年来为了加工某些零件上的相互交叉或任意角度、或与加工零件中心线成一定角度的斜孔，垂直孔或平行孔等需要，各个国家而专门开发研制多种专用深孔钻床。例如专门为了加工曲轴上的油孔，连杆上的斜油孔，平行孔和饲料机械上料模的多个径向出料孔等。如：TBT公司生产的特别适用于加工摩托车到轻型卡车的各种中小型曲轴油孔的BW200-KW深孔钻床；特别适用于大中型卡车曲轴油孔的BW250-KW深孔钻床，它们均具有X、Y、Z、W四轴数控。该公司为了客户需要,在一条生产线上可以加工多种不同品种的曲轴油孔，于2000年设计制造了第一台柔性曲轴加工中心，可以加工212缸不同曲轴上所有的油孔。英国MOLLART公司生产制造的专为加工颗粒挤出模具而开发的具有六等分六根主轴同时加工同一工件上六个孔的专用深孔钻床。该工件孔数量多达 36000个。全都是数控系统控制的。1.2 论文工作的意义机床是制造装备的“工作母机”，数控系统是机床的“大脑”。数控机床的制造水平已经成为衡量一个国家的制造业水平、工业现代化程度和国家综合竞争力的重要标志。实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。在加工零部件时，传统钻床在加工精度、工件的形状、经济成本等方面不能满足现代的生产要求，而且还浪费了更多的人力与加工时间，因此，它逐渐被日新月异的社会所淘汰。相反，在这竞争激烈的现代社会中，数控多工位钻床适应了社会发展、生产制造的发展需求。相对传统钻床而言，而本文所涉及的数控多工位钻床具有加工高精度、低成本、生产效率高、自动化程度高、良好的经济效益、有利于生产管理的现代化等优点，因此它将成为制造业的主流。1.3 论文研究的主要工作该论文主要研究传统数控钻床怎么实现多工位的功能、提高生产效率、高精度、自动化控制等，以满足当代的生产需求，以低成本来满足良好的经济效益。2、系统设计2.1 机床系统设计框图 做什么都离不开一个大纲，而机床系统设计框图就像一个大纲，引导论文的设计。具体如图2-1 结束满足设计要求机床整机综合评价详细设计机床总体方案设计 总体方案设计总体方案综合评价与选择总体方案的设计修改（优化） N Y 图2-1、系统设计框图2.2 系统的详细组成该数控多工位钻床主要由动力系统、传动系统、控制系统、进给系统、数控系统等组成。2.2.1 动力系统要选择既合适又经济的动力系统，要先确定该机床最大加工工件时的负载，要考虑到电机的转速、转矩、负载等因素。我们就以加工最大尺寸的孔加工工件为例，根据切削力、所需转矩来确定电机。详细设计和计算在下一章。2.2.2 传动系统因为电机的转速不能够满足钻孔加工是所需转矩时，要用减速器来降低加工时的转速来增大转矩，以满足孔加工要求。根据查阅相关资料，使用渐开线圆柱齿轮传动能满足加工的要求，并且，渐开线圆柱齿轮传动有良好的经济性能和相对简单的设计。所以，该论文将用渐开线圆柱齿轮传动来作为减速器。2.2.3 数控系统数控系统就是对机械部分的控制，如对进给系统、工作台回转、定位、转速等的控制。该论文将采用开环控制系统，采用经济性的单片机控制系统，起控制系统框图如图2-2所示，在下一章有详细设计纵横等轴主 轴脉冲主 轴电机刀库（铣床）机械手控制电路继电器蜗杆涡轮Z向丝杠横向丝杠纵向丝杠W轴电Z轴电Y轴电X轴电键盘显示器驱 动 器功率放大器光 电驱 动I/O 口存 储 器单 片 机急停、STOP清零等图2-2、数控系统控制框图2.3 详细技术分析本论文组要是在加工零件是实现多工位功能，而回转工作台能够实现多工位的功能，因此主要就是在工作台设计时采用涡轮蜗杆及丝杠传动，实现多工位功能。2.4 数控多工位钻床结构图为了使设计更有明确的目的性、针对性，本论文设计将按照该钻床的结构图来设计，这样将会节约更多的时间，具体结构图如图2-3：图2-3、数控多工位钻床结构图2.5 本章小结本章主要完成了对论文设计的前期工作，为论文的设计构建一个框架，并提出设计重点，即怎样实现机床的多工位功能，达到设计要求。这个基本框架使后面的详细设计更针对的性，以免脱离设计的目的和要求。3、详细设计3.1 切削力的计算3.1.1 确定加工工件尺寸 加工零件尺寸=10mm,刀具为高速钢麻花钻。工件材料为号钢（=0.638Gpa）；灰铸铁190HBS；加工精度IT8IT10级3.1.2 计算切削力和扭矩（1）根据机械加工工艺手册表2.4-38可知，工件材料为45#号钢时，高速钢在钻孔（=10mm）时的初加工进给量为0.220.28，而又由表2.4-41得之，钻头的切削速度、扭矩及轴向力可选取进给量的两极极限值f=0.08mm/r0.30mm/r,而与之对应的切削速度为V=0.99m/s0.43m/s，而由公式v=得n=。所以钻头或工件的转速,=13.69r/s由金属切削刀具计算钻头轴向力F和扭矩T的经验公式及表3-1麻花钻轴向力和扭矩表达式中的系数、指数及修正系数可知：T=9.81 (a)F=9.81 （b）=2 (c)而其中钢=0.63GPa、=61.2、=1.0、=0.7、=0.0311、=2.0= 、=而工件材料=0.98938、已经磨损的钻头=1当最小进给量f=0.08mm/r时=9.81=1013.78N=9.810.0311=4Nm=2=24=0.597Kw同理可得，当最大进给量为f=0.3时，有=9.81=2557.22N=9.81 =11.52Nm =2 =0.99Kw（2）当材料为灰铸铁是，同（1）可得：切削速度、扭矩及轴向力可迭取进给量的两极限值f=0.12mm/r0.70mm/r，对应的它们的切削速度为V=0.79m/s0.33m/s,进给量0.220.28。与之相对应的转速为=25.16r/s、=10.51r/s同理由金属切削刀具计算钻头轴向力F和扭矩T的经验公式及表3-1麻花钻轴向力和扭矩表达式中的系数、指数及修正系数可知： （1） （2） （3）而=42.7、=1.0、=0.021、=2.0、=0.8= 、=对于已经磨损的钻头=1而工件材料=（）=1，其中（=190）当进给量为f=0.12mm/r时，由公式F=9.81 、T=9.81 、=2可得=9.81 =3.78Nm =9.81=768.14N=2=0.597Kw当进给量为f=0.7mm/r时，同理可得=9.81=3149.02N=9.81 =15.49Nm=2=1.02Kw所以，可得钻头的最大轴心力Fmax=3149.02N、最大转矩Tmax=15.49Nm、最大功率Pmax=1.02Kw又因钻头的主轴功率=/，=0.970.9930.982=0.904所以=1.02/0.904=1.13Kw现在开始选择主轴的电机，查阅机械设计课程设计（附录 电动机）中只有转矩在1.72.2之间，不能满足主轴(Tmax=15.49Nm)需求。因此，需要齿轮组进行减速以增大转矩来满足主轴的转矩需求。在数控多工位钻床设计中，要求机床能进行多级变速。在此前提下，无极变速器刚好能满足主轴的相应转矩和传递要求。并且，根据设计，主轴要能在主轴的轴向方形上移动，也就是说，上端的花键齿外面要有内花键齿轮才能将电动机的运动传递给主轴，所以主轴的传递方式为：主轴电机无级变速器联轴器渐开线圆柱齿轮组主轴3.1.3 确定主轴齿轮传动方案 （1）齿轮传递方案的确定如图3-1所示，轴为机床主轴，设计为齿轮花键轴；轴为主轴电机联轴器图3-1、主轴传动示意图所以=1.13Kw，轴二=1.16Kw （精度为8级）则主轴电机输出功率=/=1.16/0.99=1.18Kw粗略估算则选用Y90S-2，额定功率为1.5Kw，额定电压为380V，额定电流为3.4A，转速为2840r/min，最大额定转矩为2.2Nm。 机械设计课程设计附录 电动机 表一选择了电动机就可根据所选择电动机确定相应的无级变速器。根据电动机功率和转矩及主轴所必须达到的最小转矩，可确定变速器，查机械设计手册第四卷可选择的无级变速器为：HZXD1500L。根据无级变速器的相关数据和主轴所需要的相关数据，无级变速器提供的转矩已经可以达到主轴要求的转矩，同时转速也能达到要求。故在接下来设计的齿轮组中，主要达到的目的为将电动机的转动传递给主轴使主轴完成转动，并不影响轴向的进给运动。对于齿轮组的设计就是要完成传动。为了设计需要，可以仅设计一组齿轮即可。又因为转矩完全达到要求，转矩要求的差又不是太大，从对主轴箱结构设计入手（对主轴箱的总体布局和结构合理、比例合适），可将这对齿轮设计成一组惰轮，即不改变变速器传递出来的转矩和转速，仅将转动传给主轴，达到了设计要求和目的。3.1.4 齿轮设计设计齿轮的时候，选取转矩最大时用到的最大转矩15.49Nm,切削速度n=631r/min。首先小齿轮（主动齿轮）用40Cr，调质处理，硬度241HB286HB，平均取为260HB，大齿轮（从动齿轮）用45钢，调质处理，硬度229HB286HB，平均取为240HB。关于主轴传动中的第一组齿轮齿面接触疲劳强度计算如下所示：小轮直径的初步计算：d1=0.81.4,（机械设计表12.13） 取=1=0.9 （式12.15） =85 （表12.16）接触疲劳极限=710Mpa；=580Mpa （由图12.18c取得）=5.49Nm=5490Nmmd189.13 d1=90mm （没特别说明本章所指均是机械设计一书）=b/d1 b=90mm（2） 校核计算圆周速度：等级精度为8级（由表12.6选取）选取齿数=60，=i=160=60m=90/60=1.5，由表12.3取m=1.5使用系数:由表12.9取1.5，动载系数:由表12.9取1.1齿间载荷系数由表12.10可计算=1/=2=122 （=5490，=90）/b=2.033N/mm100N/mm断面重合度=1.88-3.2（1/+1/）cos =1.77 (式12.6)（直齿圆柱齿轮=0）由式12.10可计算重合度系数=0.74所以齿间载荷系数=1/=1.81齿向载荷分布系数=A+B+C.b （由表12.11所得）=109+0.16+0.3090=1.28弹性系数=189.8E/Mpa （表12.12）节点区域系数=2.5 （图12.16）最小安全系数=1.05 （表12.14）工作总时间：=10300820%=4800h应力循环系数由表12.15估计那么指数m=8.78=60（ （式12.13） =6016314800(18.780.2+0.58.780.5+0.28.78 0.3) =3.65原估计应力系数正确接触寿命系数=1.13，=1.18；（由图12.18）许用接触应力 验算：H=ZEZHZ 503.4MPa计算结果正确，接触疲劳强度合适，不需要作相应的调整。（3） 传动主要尺寸的计算与确定实际分度圆直径d在模数取标准值时齿数不用调整，所以分度圆直径不变。即m=90mm，m=90mm则中心距=m（+）/2=60mm齿宽b=90mm（4） 齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数=0.25+0.75/=0.25+0.75/1.77=0.67齿间载荷分配系数由表12.10可知=1/=1.49齿向载荷分布系数：b/h=90/（2.253）=13.33所以由图12.14可得=1.25所以载荷系数K=1.51.11.491.25=3.07齿形系数由图12.21可得=2.8，=2.29应力修正系数由图12.22可得=1.54，=1.74弯曲疲劳极限由图12.23c可得=60Mpa，=450Mpa最小安全系数由表12.14可得=1.25应力循环系数由表12.15可估计3106NL13.03Nm，故选择合适。3.4.2 纵向进给运动摩擦力F摩=F正 =0.1设工作台重量为400Kg，纵向轨道重量为400Kg，又F轴向=1175N所以F摩=F正=（400+400）10+11750.1=917.5N（1） 计算等效转动惯量粗选：=0.75 t0=5 =0.005所以=2.08所以取=25 , Z2=52 m=1.5 b=25mm =20odf1=mZ1=1.525=37.5mm df2=mZ2=1.552=78mm de140.5mm de2=81mm齿轮材料为45#钢，大、小齿轮的转动惯量分别为JZ1、JZ2J=7.8d4 b10-4 (kgm2)所以JZ1=7.83.7542.510-4=3.8610-5Kgm2 JZ2=7.88.1042.510-4=8.4010-4Kgm2选择滚珠丝杆直径d0=25mm, L=700mm,材料为钢，则丝杆的转动惯量近似的计算为：JS=7.82.547010-4=2.1310-4Kgm2步进电机110BF004电机转子轴的转动惯量 ：Jm=3.4310-4Kgm2叠加到电机轴上的总转动惯量为m=m1=400Kg 由上节可知i=2.08所以=6.2610-4Kgm2由于用的是滚珠丝杠，摩擦阻力很小，所以摩擦阻力矩可以忽略不计（2） 等效负载转矩的计算：Tm=(F纵+F摩) V工作/2nm由（3） 计算启动惯性阻力矩在最不利条件下的快速起动，设起动加速式制动减速的时间为t0.1t1s，取中间值t=0.5s 步进电机的角速度角加速度a=Wm/t=174.44rad/s-2所以启动惯性阻力矩T惯Ja=6.2610-4174.44=0.11Nm所以步进电机输出轴总的负载转矩为：J=Tm +T惯=0.35+0.11=0.46Nm（4） 纵向进给步进电机加工匹配选择机械传动系统效率为,安全系数为K,则此时的负载总转矩为 而预选的步进电机型号为110BF004，三相六拍，步距角0.75%step.其最大转矩Tymax=4.9Nm，为保证正常的起动与停止，满足步进电机的起动转矩的条件，即TgT,由表查出Tg/T=0.866所以Tg=4.90.866=4.24Nm0.99Nm ，所以选择的电机合适3.4.3 纵向进给滚珠丝杠的核算初选丝杠型号为CMD2504-3，必须对承载能力、压杆稳定性、刚度进行校核(1)验算承载能力fHfWPmaxCO （L为滚珠丝杠寿命系数（）Pmax=F纵+F摩0+917.5917.5NfH=1 fW=1.2 T=15000查表得丝杆额定载荷为O=8.2KNQ满足设计要求（2） 验算压杆稳定性取双推简支式支承，由FK=2钢的弹性模量E=2.1105Mpa丝杠小径的截面惯性矩查手册可知，所用丝杠的最小径为：d1=21.9mm压杆稳定安全系数K=4丝杠长度L=LS=700mm 所选丝杠满足设计要求（3） 验算丝杠刚度丝杠刚度是保证第一导程的变动量必须要在允许范围内丝杠最小截面积S=d21/4=3.76cm2设T0=0.5I=2.26cm4 M= Tmaxi=4.92.08=10.20Nm=1020Ncm “”号用于拉伸，“一”号用于压缩，都取“”号，则:由于选择要求滚珠丝杠精度等级为C级，L0=4m0.681m所以，所设计丝杠满足刚度需求，设计合格纵向进给轴承：推力球轴承：51305；向心球轴承：6205（4）齿轮强度验算齿面接触疲劳强度计算 (该节中所指的表、图均指机械设计)转矩:T1=0.35Nm齿宽系数d 由表12.13 取接触疲劳极限：Hlim 由12.17c可取 Hlim1=710MPa Hlim2=580MPa初步计算的许用接触硬力:H1=0.9Hlim1=0.9710=639MPaAd值由表12.16取Ad85初步计算小齿轮直径d1Ad =85=9.94取d1=33mm ；齿宽b=dd1=0.7533=25mm对齿轮进行校核因为圆周速度V=2m/min，精度等级：由表12.6选8级精度取齿数Z1=20,Z2=iZ1=50模数m=d1/Z1=1.65，由表12.3取m=1.5则 由表12.9取使用系数KA=1.5端面重合度：重合度系数:Z=0.88由此得齿间载荷分配系数齿间载荷分布系数KH由表12.11（对称支撑）得KH=A+B(b/d1)2+Cb10-3所以KH载荷系数：K=KAKVKHKH=1.51.11.291.27=2.70由表12.12得弹性系数ZE189.8由图12.16可取节点区域系数ZH2.5由表12.14取接触最小安全系数SHmin1.05工作总时间th=15000由表12.15估计应力循环次数107NL1m/min 时，则许用压强取0.2MPa。而所选导轨在不加塑料板时，平均压强和最大许用压强都能满足要求，在镶入塑料板时许用压强则Pav有0.25Mpa，而设计滑行速度为2m/min时Pav=0.2Mpa，则不能符合要求，则必须对导轨参数进行重新选择。而对于数控钻床来讲，工件进给过程中不受切削力的影响，所以在加上镶入塑料导轨板时的平均压力可以适当增加。这种情况下，取许用平均压强在0.60.8Mpa，所以导轨的平均许用压强Pav=0.35Mpa0.60.8Mpa，即所选导轨符合设计要求。 由Pav=(Pmax+Pmin)/2 即Pav=PF=F/al 由此可确定：令PF=0.2MPa=Pav ，F=RAZ不变，则a=B=0.05m,则重取接触长度L，即： 得L=0.5m或 得L=0.1m要使贴塑料板的导轨平均压力取0.2Mpa,导轨面的接触长度必须取L=0.5m=500mm,有 或 或或经计算各条件符合许用压力和平均压力的要求Y轴移动导轨的选择：由于结构与前面的相同选择参数：H=20 B=70 B1=12 A=400h=12 h1=H-0.5 b=6（平）3.5.4 滑动导轨的验算 Z轴导轨受力分析如图3-7 图3-7、Z轴受力分析（1）各外力对坐标轴取矩X轴：MX=Ff e/2+WXQXQ=0.05或0.4e=A-B=330mm W=500Kg当XQ=0.05时，MX=0.33/2 3149+500100.05=769.59Nm当XQ=0.4时，MX=2519.59NmMy=Mz=0（2）支反力计算各导轨面的支反力分别为RA、RB、RC则有：或（3）牵引力：对于钻床进给力很小或为0，即Ff=03.5.5 导轨压强按线形分布的导轨压强：a=B值=0.07 L=0.35m（接触强度）上导轨的宽度基本上等于下导轨的接触长度。（根据工作台大小和导轨长度初步确定）或 或或经计算各条件符合许用最大压强和许用平均压强的要求3.5.6 导轨及齿轮传动间隙调整分析（1） 导轨的分析 对导轨的基本要求有：a、有良好的导向精度及直线度；b、良好的耐磨性，从而降低对加工精度的影响；c、要有足够的刚度，提高各部件之间的相对位置和导向精度；d、要具有低速运动平稳性。由于加工精度为7级，而钻床为一般机床，所以可选择贴塑的矩形滑动导轨。因为机床的运动部件沿导轨运动，对导轨的磨损较大，所以要采取措施提高导轨的耐磨性。除选取合适的材料、热处理、润滑外，还应采用防护罩，使机床导轨不外露，这样直接能防止切屑及灰尘等落到导轨上，提高导轨的寿命。（2）齿轮传动间隙调整分析 要达到一定的加工精度和表面粗糙度，就要齿轮无间隙啮合，并能灵活旋转，所以要对齿轮进行间歇调