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数控 钻床 横纵两 进给 系统 设计 优秀 优良 机械 机电 电机 毕业设计 论文 a6103

资源描述：

文档包括:

说明书一份,62页,16100字左右.

英文翻译一份.

图纸共7张:

A0-[横向]Y向进给装配图.dwg

A0-[纵向]X向进给装配图.dwg

A0-控制电路图.dwg

A3-Ⅱ轴.dwg

A3-大齿轮.dwg

A3-小齿轮.dwg

A3-轴.dwg

内容简介：

毕业设计（论文）课题任务书 院 (系 )：机械工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 指导教师 学生姓名 课题名称 数控钻床横纵两向进给系统的设计 内容及任务 机械制造中采用自动化技术，可以有效地改善劳动条件，提高劳动生产率和产品质量，缩短生产周期，并能显著降低制造成本。本课题以某五金工具厂 数控钻床 的 横纵两向进给系统 设计为背景，对其中钻孔工序设备 数控台钻进行自动化设计 ，具体内容及任务如下： 1、钻床的自动化整体方案设计； 2、钻床 纵向 传动系统 设计； 3、 钻床横向传动系统设计 ； 4、钻床自动控制系统设计。 拟达到的要求或技术指标 所设计的全自动专用钻床应达到的技术要求如下： 1、钻床的自动化改造整体方案应 机械、电气、液压的有机结合； 2、钻床传动系统应包含切削力计算、电动机选择、传动装置设计、床身结构设计等； 3、设计重点为钻床液压进给系统之进给油缸设计，该油缸之活塞杆应能实现圆周运动和直线运动两自由度运动； 4、钻床自动控制系统应以 单片机 与手动相结合的方式实现； 5、设计应满足毕业设计指导书要求之全部内容。 进 起止日期 工作内容 备注 度安排 0 成开题报告 实习并查阅相关资料，完成方案设计 完成设计说明书及施工图设计 完成毕业论文，进行毕业答辩 主要参考资料 1 朱光力，专用自动钻床液压传动系统设计，机床与液压， 2004年第一期， 9799 2 徐灏 主编，机械设计手册， 机械工业出版社， 1991年 9月 3 王卫兵等，可编程序控制器原理及应用，北京，机械工业出版社， 1998年 8月 4 许福玲，陈尧明主编，液压与气压传动，北京，机械工业出版社， 2004年 2月 5 邱宣怀主编，机械设计，北京，高等教育出版社， 1997年 7月 6 王伯平主编，互换性与测量技术基础， 北京，机械工业出版社， 2000年 2月 7 孙训方 主编，材料力学， 北京， 高等教育 出版社， 1994年 9月 8 齐占元等主编， 电气控制技术 ， 北京，机械工业出版社， 2002年 5月 9 张正明 主编，电路与电子技术， 北京， 北京航天航空大学 出版社， 2003年 9月 10 郑修本 主编，机械制造工艺学， 北京，机械工业出版社 ， 2005年 1月 11 陈日曜 主编， 金属切削原理 ， 北京，机械工业出版社， 2005年 9月 12 戴曙 主编，金属切削机床， 北京，机械工业出版社， 2005年 9月 13 陈明 主编， 机械制造技术 ， 北京， 北京航天航空大学 出版社， 2005年 1月 教研室 意见 年 月 日 院 (系 )主管领导意见 年 月 日 of he of be a of in of to by of as as of of a of 1)or 2)in of 3)ar in of to of it A of of 947 by to of a to by to to it in to of to 951. A be to a of a an as by of a 952 a a as 952, in or of C. C of As NC of in C in to of to to A of in it to to In to of by of in of be as of A to in by an to of to or in as of or as of a is to of NC is in or in it to in as NC or C on a In 000 to a of of be to C to of of NC As of By of NC NC in on in 0 as at it is in is to in NC to of of to “, be in an an be be to In NC to as be to or up or by or to as or to in of be by or a on -6 6667-J is 0-J of go To a it on of to of of of NC of or of is to to in of NC to of is it is to is to to is it be as a it or as as in be to as of s It be is is to in or to in is to to of we in to NC 数字控制的发展 机床工业的发展很难用 简单的几句话 来形容它的产生和成长。约翰威廉森在18 世纪 建立了他自己的金属切削钻床；但是，在近两个世纪的的改革中模仿铣床和车床的具有液压系统控制的钻床一样被社会所需要。大批量自动化的引进在农业，家庭工具和化学生产的应用，就像账本在财务数据上的使用，即将成为下一个关注的焦点。 在 20 世纪，有三种自动化形式广泛适用于社会，它们是 1)机动或者固定装配生产线的自动化 2)加工控制自动化，主要用于化学工艺和食品的生产 3)为计算报表，数据收集和商品报表而发展的数据处理自动化 第二次世界大战标志金属切削机床工业在面向处理社会需求能力上的转折点；充满野心的美国空军的航空，导弹事业的发展，十分明了的显示出常规的制造工业根本不能满足将来的需要。一份美国政府的研究数据显示在 1947 年整个美国的金属切削机床工业的资源配合 在一起 也满足不了空军的部分需要。 在美国空军的合约下，帕森公司 肩负重任，设计突出对达到所需要的精度细节来扩大生产率的一个灵活的、有动力的制造业体系。这个系统允许设计的改变但却没有材料的浪费，并且它符合现代小批量生产制造的管理的需要。帕森公司在 1951 年承担了麻省理 工学院的控制系统的改造，一个广泛适用于各种机床的控制在得到计算机的指示后通过一个分界面推动了滑架丝杠的发展。麻省理工学院实验的成功，在 1952 年对外宣布一台辛辛那提市的含先进技术并把控制面板作为输入媒介被命名为数字控制的铣床设备产生了。自从 1952 年开始，在西方国家，每台实际应用的机床全部转化成数控化的形式。 每一台数控机床均使用了真空管道，电子继电器，复杂的机床界面。第二代可利用机床发展成成缩小电子继电器，更新固态电路。计算机的迅猛发展，数控技术经历了一个又一个的巨大历史变革。第三代使用的是集成电 路。低费用的电脑软件的进步，变得更可靠和只读存储器技术第一次被数字控制设计者的引进。只读存储器是一个典型应用在特殊目的程序存储器，引导计算机数控系统的出现。计算机数字控制系统是一个成功的引进每一台实际操作的制造工艺。钻床、铣床逐渐演变成加工中心或者是车削中心，计算机数字控制系统采用玻璃切削，制模工具，电火花加工，轧辊抛光和坐标测量电子束焊。管子弯头，绘图，打印回路地板，线圈绕组性能测验，机器人，和许多其他的工艺程序。 一组既定程序的子程序，在周期往复操作中使用存储循环，它们记录着只读存储器并且在关闭 电源后还能继续保持，首先 读入存储器程序，然后再用程序去操作机床。除此这些优点之外，读入的内存错误的消失是一个问题之一。伴随着许多存储循环的选择，工程师们设计了一个在存储器中部分程序的可视化编辑，各种循环问题都能产生警报而且适用的各种特征信息都能显示。实际上，机床中的每一个函数在操作中都是消耗系统的，一个表面的速度控制是被混合的，而且能不停的估计切削加速度效果，为下一次缩小加速度值的损失做准备。传统的生产线和在迪卡坐标系中的圆弧插补在极坐标和螺旋内部坐标中有所增加并且设置了一个电子碰撞障碍来阻止碰撞，后者标志了金属切削机床技术又上升 了一个新的高度。 驱动的加速对系统来说数就像微处理器和微型计算机所做的贡献一样重要。 传动系统的驱动一般被广泛的称为由马达和从计算机数字控制接受马达指示的控制的伺服驱动。计算机数字控制制系统的动作是非常的准确，稳定和灵活的。 虽然技术的进步使它能够在轮廓操作中安装，但是开环系统还只是普遍适用在简单点 对点的 控制上。 虽然计算机控制系统还在使用液压或脉冲马达，但是直流驱动在很大成度上已经占了统治的地位。大部分情况下，这个驱动的组件通过特别的驱动系统范围在 3000r/m 到 1r/m 是可以购买的。在使系统最优 化的同时高速低惯性的扩展峰值转矩的大小。许多驱动系统在通过加大的电压范围在晶体硅控制校核和脉冲宽度的调制中提供一个选择。这些驱动能应用在典型的螺纹导程，他们的高响应内部回路电流提供了可靠的转矩负载调节。他们能被设计成高增益前置放大器进而去接近高宽频段的高速回路。直流发电机驱动提供最基本的加速度、减速度、停止和恒高速需求的方法。并且还包括固有轴的硬度来对计算机控制系统进行控制。相同的驱动系统使遥控装置、生产线、飞行模拟机、绘图机等变得更加精确。因为这些驱动是极其不稳定并且全部回热的驱动系统，所以他们能为增强它 们整个自定范围的性能和控制做准备。通过消除变速箱和离合器，第三代计算机控制系统的花费在逐步下降。 第四代微处理器计算机控制系统在许多情况下混合成传统的气泡形式存储，这种形式是一种范围在 2米的范围内具有磁性的红水晶，加深了对非磁性物的影响，并且作为永存储器来使用。 虽然在这个部分他不能与大型计算机竞争，但是气泡式存储器是缩小成本差额的存储方案；温度的相反变化、集尘、波动都相对的不敏感。气泡式存储器曾经实验了在车间环境具有很高的可靠性。 总体来说数字控制介绍了它使用气泡式存储的第四代计算机控制系统的使用 。可是，另一个电子巨头认为气泡式存储器将会对数字控制技术产生直接的经济影响。 第四代微处理器的发展逐步增加了程序存储、电路板还原打印、程序界面、快速存储，参数与子程序，超大容量的功能。 客户们现在为特种加工可以写出特殊的循环程序，越来越多的经济与效率问题被关注多于传统的循环。循环的精确计算易变的循环子程序的精确计算在部分程序中现在能被混合到一起。微处理器控制是一个动态估算的命令。因此在加工测量中，一个超差零件将要被进给，并且进行自动刀具补偿修改进而达到所需要的尺寸 。 除此之外，第四代微处理器计算机控制系统有 一定的能力去控制典型自动操做控制函数例如装载和卸载部分。使用教学案例自动操控装置能自动的改变程序去移动碎片。 维护部分，并没有同体统一样的发展，许多控制系统并没有作为计算机控制系统提供的具有相同能量的由焊接设备、螺线管、马达或者荧光灯引起的足够的电源、波动、信号和过渡的保护。潜在的问题是存储 程序 的信息毁坏和流失。 许多令人不适应的维护过程通过高速和低噪音或者控制面板上反应和高能消声都能被消除。替代的固态消声都有一个反应的时间在 4微秒的范围内，这种比金属氧化方式 10 倍。它们的能量损耗 16667 焦耳远高于 金属氧化的能量损耗 40 焦耳。 这样的技术将来会怎么发展 ?总体来看它应该同系统的使用者和设计者的设计还有最实际的计算机辅助设计和计算机辅助制造的发展而发展。 构成数控机床的基础硬件包括输入单元，计算插补单元，控制单元和输出单元。许多输入单元的功能是用数字指令的形式提供数据进入计算机。现代的数字控制系统是这样设计的，可以被不同输入介质操作。最普遍的是用纸带打孔，因为它是缺少敏感性处理、购买便宜并且制作答孔的设备不用太多和存储数据也不用花太多的空间。可是打孔带的缺点是他不能重复使用。磁带已经在数控系统中局部使用， 他需要精密复杂的（昂贵）设备，才能对程序进行记录和读取，并且编程人员和操作人员不能看那间记录的代码，因此编程人员不能读到这些代码，记录错误不像他们购买打孔纸袋那样显而易见的。磁带需要特殊的存储地方并且操作必须十分小心，从而擦除指令程序。打印机 普遍知道的键盘 已经有限的应用，因为打字机能提高操作的速度，打字机不能被大量输入时使用，但是可以应用于较小的程序段。打字机主要应用于编辑（修改）已经存在介质中的程序式。应用于一般的操作在手动数据输入方式，这里是介绍读者是我们在我们同计算机交流的输入单元的发展。 毕业设计（论文）开题报告 一 、 结合课题任务情况，根据所查阅的文献资料，撰写 1500 2000 字左右的文献综述。 、概述 在现找机械制造工业中，加工机器零件的方法有很多种，如铸造、锻造、焊接、切削加工和各种特种加工等。其中切削加工所担负的工作量约占总制造工作量40% 60%。 而在这 其中钻床 所占 的比例也已经达到了 从而可以看出钻床在 机械制造工业中起着非常重要的 作用。 1 钻床是 孔加工用机床，主要是用来加工外形较复杂，没有对称回转轴线的工件上的孔。 钻床的工作特点是，工作 时 工 件固定不动，刀具 做旋转 主运动，同时沿主轴方向移动而作 进给运动。主要用于钻孔，也可用于扩孔、铰孔 、 刮平面以及攻螺纹等。 钻床可分为立式钻床 、 台式钻床 、 摇臂钻床和深孔钻床等。我们结合课题任务书中的要求与设计任务，下面着重对台式钻床作下简要的说明及介绍。 台 式钻床是钻床中结构最简单的一种，主要由工作台、主轴、主轴箱、立柱、底座、皮带轮和电动机等组成。用于加工工件上直径小于 12小孔，加工孔时工件装夹在工作台上或虎钳及夹具中，钻头由安装在主轴上的钻夹头夹紧，由电动机经皮带轮带动旋转。立式钻床是用与加 工中小型工件上中 小孔的主要设备。主要由底座、立柱、主轴变速箱、电动机、主轴、进给变速箱及工作台等组成。 主轴变速箱和进给变速箱是由电动机经皮带轮传动的，钻头向工件的进给运动，有机动和手动两种装置。加工孔时，工件装夹与工作台上或虎钳及夹具中，主轴带动钻头边旋转，边下降进行加工。摇臂钻床用于加工笨重工件或多孔工件上的中小型孔，主要由底座、立柱、摇臂、主轴箱、主轴工作台等组成。摇臂钻床等工作时，摇臂可绕立柱旋转，主轴箱可在摇臂上做径向移动。 这样可使钻头对准每一个加工孔的轴线，以便进行孔加工，使用较灵活。一般工 件 钻孔时常将工件装夹在工作台上。大型工件加工时，可将工件装夹在钻床底座上。根据工件高度的不同，在松开锁紧装置后，摇臂可沿立柱做上、下移动，使轴 1 箱及钻头处于恰当的高度位置。摇臂钻床一般配置在机械产品单件、小批量生产车间、产品装配车间及机械修理车间等场合 。 另外， 传统的钻床主轴进给系统主要由主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条和轴承等组成。主轴在加工时即要作旋转运动，也要作轴向的进给运动。机床主轴被装置在主轴套筒内，套筒放置在主轴箱体孔的镶套内，主轴上侧由花键连接。机床加工时，旋转运动由花键传入，而进给运动则 由齿轮通过齿条带动套筒在镶套内运动。主轴的轴向力及重量由安装在主轴上的上下两个推力轴承承受，而径向力由安装在主轴上深沟球轴承承受。 、 优缺点的论述 从钻床在机械切削工作 中的 重要地位，以及其长时间 普遍 应用 的 性能 ，我们不难发现作为传统的孔类加工机床，传统的钻床有着其本身的优 点和缺点： 优 点如下： （ 1） 较车床 、 镗床等孔类加工方法方便而多用。 （ 2） 操作流程简单，动作单一化。 （ 3） 加工对象 多样化。 （ 4） 结构简单，经过改进可以实现自动化。 另外 其本身有着明显的缺点： （ 1）精度不高，不利于各种工件的精加工。 （ 2） 占用 人力 较多，操作固定不变易出错 。 （ 3）自动 化 程度不高 .，难以进行大批量的生产。 （ 4）工作效率低 ，且工人的工作环境恶劣。 结合以上 钻床的 优 缺点，毕业设计老师给我们提出了本课题，即 钻床的自动化改造 。 具体来说就是改进钻床的进给 系统 、 夹紧系统和送料系统，并通过 进行顺序控制 ，从而实现钻床的自动化 。从目前的研究资料和方向来看，这方面的研究还不是很多， 因此我们的设计是有重要意义的。针对我们的课题而对钻床进行改造，可以说是 专用钻床 的设计 ， 它具有一定的针对性，即针对 工件的加工要求 和工作要素 来具体考虑我们的设计。 、内容及任务： 以上简要叙述了整个课题（即 钻床的纵横两向的 自动化改造 设计 ）的基本内容 2 及设计意义。下面针对个人的课题任务书， 说明本课题即 钻床的自动化改造及进给系统设计 的内容及任务。 为提高产品质量，提高生产效率，实现自动化和降低 劳动强度 及工作量 ， 同时结合工厂实际需要 和工作设计要求，设计一种自动化 专用钻床，实现钻床的全自动作业。具体设计内容及任务如下： （ 1）专用钻床 两向 传动机构 设计； （ 2）专用钻床 进给控制系统设计； （ 3）专用钻床的 床身结构及整体布局设计。 钻床的自动化改造及进给系统设计 重点在于 钻床液压进给系统设计 和 专用钻床 传动机构 设计 ， 钻床液压进给系统设计 是利用液压传动来代替人工进给， 其设计重点在于液压缸的设计； 钻床 传动机构 设计 是针对钻床的主轴传动系统进行设计。 另外 钻床 进给控制系统设计是对整个传动和进给系统进行控制设计，充分利用机械 、 液压和电气控制元件来完成控制功能； 钻床的 床身结构及整体布局设计是要针对钻床整体进行结构设计和总休布局，以达到应用水平和外观造型的优化。 二 、 要研究或解决的问题、拟采用的方法或技术路线： 要研究或解决的 问题： 钻床 传动机构 设计 应满足 以下 要求 ： 满足传动 和切削要求； 满足传动平稳 、 传递功率 要求； 尽可能地使用标准元件。 液压 进给系统 设计应满足 以下使用要求： 在 进给 过程中应 有快进 、 功进和快退工作状态； 3 要求液压进给系统工作稳定 、 噪声低； 液压进给系统实现代替手动进给的功能； 控制易实现 。 为达到设计要求，我采用模块化设计路线。把整个 钻床的自动化改造及进给系统设计 分为传动系统块 、 进给系统块 、 控制系统块和 整体设计和布局系统块 。首先通过对课题任务的分析，根据其要求计算出切削力，再根据所得结果和要求选用电机来 设计传动系统，而后设计进给系统 、 控制系统 ，最后是整体设计和布局系统的设计及整个钻床的校核。 技术路线： 任务分析传动系统设计进给系统设计控制系统设计整体布局和结构设计总体校核 三、 成果预测： （ 1）通过理论的设计与计算 来 确定各系统方案； （ 2）系统总装图及零件图展示 各主要零、部件和总体； （ 3）实验组装后可进行试生产。 试生产后可达到的生产效果： （ 1）能实现 自动 化连续生产，改善产品加工质量，提高生产效率 ； （ 2）降低 工人劳动强度 和工作量 ； （ 3）钻床系统工作平稳，满足工作要求 。 4 四、 时间进 度计划： 第一周第五 周 （ 实习、调研、查阅文献资料 第六 周第八 周 （ 完成方案设计 第九 周第十三周 （ 完成设计说明书及施工图设计 第十四周第十五周（ 完成毕业论文，进行毕业答辩 五、 指导教师意见（对课题方案的可行性、深度、广度及工作量的意见）： 指导教师 _ 年 月 日 5 六、 教研室意见： 教研室主任 _ 年 月 日 说明：开题 报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师指导下，由学生填写，将作为毕业设计（论文）成绩考查的重要依据，经导师签署意见及教研室审查后生效。 备注： 参考文献： 1金属切削机床 主编：戴曙 机械工业出版社 目录 1 绪论 . 错误 !未定义书签。 进制造技术的提出 .未定义书签。 进 制造 技术的特点 .未定义书签。 进性 . 错误 !未定义书签。 用性 . 错误 !未定义书签。 统性 . 2。 成性 . 错误 !未定义书签。 术与管理的更紧密结合 . 错误 !未定义书签。 视人的因素和人的作用 . 错误 !未定义书签。 进制造技术的发展进程 . 错误 !未定义书签。 规制造工艺的优化 . 错误 !未定义书签。 兴（非常规）加工方法的发展 . 错误 !未定义书签。 业、学科间的局限逐渐淡化、消失 . 错误 !未定义书签。 艺设计由经验走向定量分析 . 错误 !未定义书签。 息技术、管理技术与工艺技术紧密结合 . 错误 !未定义书签。 兴传统机械制造业的对策 . 错误 !未定义书签。 强合作、共同开发 . 错误 !未定义书签。 极开展技术改造 . 错误 !未定义书签。 强宣传，提高人员素质 . 错误 !未定义书签。 合国情，逐步发展 . 错误 !未定义书签。 观看改造的必要性 . 错误 !未定义书签。 观看改造的必要性 . 错误 !未定义书签。 控化改造的优缺点 . 错误 !未定义书签。 少投资额、交货期短 . 错误 !未定义书签。 械性能稳定可靠，结构受限 . 错误 !未定义书签。 悉了解设备、便于操作维修 . 错误 !未定义书签。 充分利用现有的条件 . 错误 !未定义书签。 以采用最新的控制技术 . 错误 !未定义书签。 2 设 计方案的确定 . 错误 !未定义书签。 3 机械部分设计与计算 . 错误 !未定义书签。 基本参数确定 .未定义书签。 向（ 计计算 . 错误 !未定义书签。 算 . 错误 !未定义书签。 珠丝杠设计计算 . 错误 !未定义书签。 轮的相关计算 . 14。 动惯量计算 . 16。 轮的验算 . 错误 !未定义书签。 向（ 计计算 . 错误 !未定义书签。 珠丝杠设计计算 . 29。 动齿 轮的相关计算 . 33错误 !未定义书签。 动惯量计算 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 4 轴的设计与校核 . 错误 !未定义书签。 的材料选择 . 错误 !未定义书签。 选滚动轴承 . 错误 !未定义书签。 步确定传动轴的轴向、径向尺寸 . 错误 !未定义书签。 弯扭合成强度校核轴的强度 . 错误 !未定义书签。 5 滚动轴承的寿命校核计算 . 错误 !未定义书签。 6 键的强度校核 . 错误 !未定义书签。 7 数控系统的硬件电路设计 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 8 经济性环保性分析 . 错误 !未 定义书签。 结 论 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 辽宁科技大学 第 1 页 进制造技术的提出 当今世界各国经济的竞争，主要是制造技术的竞争。在企业的生产力构成中，制造技术的作用一般占 60%左右。美国现在正推行以微电子带动的第三次产业革命，重点就是发展先进制造技术。当前，制造技术已经进入了计算机辅助制作时代，它是通过一个计算机分级结构网络来监测、控制和管理制作过程中各个阶段的工作，其中包括生产管理与控制、工程分析与设计、财务与销售等方面。在制造系统中，存在着以生产对象为中心，由原材料 毛坯零件成品构成的物质流，以生产管理和信息管理等管理技术为主题的信息 流以及为了保证生产活动正常进行而必须的能量流。其中，信息流的引入是形成先进制造系统最关键的要素。 以机械制造为代表的先进制造技术，对一个国家的技术经济发展起着至关重要的作用。它的水平高低在很大程度上反映了一个国家工业发展的水平，是现代企业最重要的看家本领，是企业竞争力的最重要因素，也是提高产品自主开发能力和技术创新能力、提高产品质量的技术基础。 进制造技术的特点 先进制造技术已经不是传统意义上的机械制造技术，它是集机械、电子、光学、信息科学、材料科学、管理科学与许多领域最新成就于一体的 新兴技术与新兴工业，是各种先进技术与制作技术的有机结合，具有以下六个特点。 进性 作为先进技术的基础 制造技术，必须是经过优化的先进工艺。因此，先进制造技术的核心和基础必须是优质、高效、低耗、清洁的工艺。它从传统工艺发展起来，并与新技术实现了局部或系统集成。 用性 先进制造技术不是单独分割在制造过程中的某一环节，它覆盖了产品设计、生产设备、加工制造、维修服务、甚至回收再生的整个过程。 辽宁科技大学 第 2 页 统性 随着微电子、信息技术的引入，先进制造技术能驾驭信息生成、采集、传递、反 馈、调整的信息流动过程。先进制造技术能驾驭生产过程的物质流、能源流和信息流的系统工程。 成性 先进制造技术由于专业、学科间不断渗透、交叉、融合，界限逐渐淡化甚至消失，技术趋于系统化，以发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术于一体的新兴交叉学科，因此有人称其为制造工程。 对市场变化做出更敏捷的反应及对最佳经济效益的追求，使先进制造技术十分生产过程合理化和最佳化。它是技术与管理、自然科学和社会科学紧密结合的产物。 视人的因素和人的作用 在先进制造系统 中，人的智能和技艺再次证明是难以代替的。在决策、管理和作业操作中，人机优化分工较之复杂的自动化系统更有竞争力。以装配作业为例，人机混合装配较之机器人装配更为合理。 进制造技术的发展进程 近二三十年来，先进制造技术的发展进程和未来的发展趋势主要有如下几个方面。 规制造工艺的优化 常规制造工艺的优化方向是高效化、紧密化、清洁化、强韧化，以形成优质高效、低耗、少或无污染的制造技术为主要目标。在保持原有工艺原理不变的情况下，通过改善工艺条件，优化工艺参数来实现。由于常规工艺至今仍然是量大面广、经 济实用的技术，因此对其进行优化有很大的技术经济意义。 兴（非常规）加工方法的发展 由于产品更新换代的要求，常规工艺在某些方面（场合）已不能满足要求，同时高 辽宁科技大学 第 3 页 新技术的发展有其产业化的要求，同时高新技术的发展有其产业化的要求，使新兴加工方法成为必然趋势。新能源（或能源载体）的引入，新型材料的应用，产品特殊功能的要求都促进了新型加工方法的形成和发展，如激光加工技术，电磁加工技术，超塑加工技术及复合加工技术等。 业、学科间的局限逐渐淡化、消失 在制造技术内部，冷热加工之间，加工过程、检测过程、 物流过程、装配过程之间，设计、材料应用、加工制造之间，其局限均逐渐变化，逐步走向一体化。 艺设计由经验走向定量分析 应用计算机技术和模拟技术来确定工艺规范，优化工艺方案，预测加工过程中可能出现的缺陷及防止措施，控制和保障加工工件的质量，使工艺设计由经验判断走向定量分析，加工工艺由技术发展成为工程科学。 息技术、管理技术与工艺技术紧密结合 微电子学、计算机、自动化技术与传统工艺及设备相结合，形成多项自动化单元技术，经局部系统集成后，形成了从单元技术到复合技术、从刚性到柔性、从简单到复杂等不同档次的自动化制造技术系统，使传统工艺产生显著、本质的变化，极大的提高了生产效率及产品质量。 管理技术与制造进一步结合，要求再采用先进工艺方法的同时，不断调整组织结构和管理模式，探索新型生产组织方式，以提高先进工艺方法的使用效果，提高企业竞争力。 兴传统机械制造业的对策 振兴我国的机械制造业，最重要的一点是靠技术振兴，提高我国的机械制造技术水平是根本出路。改革开放以来，通过技术改造和引进国外先进技术，我国机械制造技术水平不断发展和提高，已经具有了相当的规模和实力。 从总体上看，我国制造生产水平依然 比较落后，在质量、品种、成本、效率、效益、交货期和售后服务等方面与国外先进水平相比都有很大差距，缺乏国际竞争力。为发展我国机械制造技术，振兴传统机械工业，在新的技术革命面前，我们应把握时机，超越某些阶段，迎头赶上世界先进水平。 辽宁科技大学 第 4 页 要使这种愿望成为现实，必须采取相应对策。 强合作、共同开发 先进制造技术是集机械、电子、信息、材料和管理技术于一体的综合技术，它的发展涉及规划与管理、资金保证、研究开发、生产与应用等各个方面。因此，必须把政策部门、科研单位、高等院校和企事业中各方面力量组织起来，加强合作、共 同开发、走集团化、规模化的途径 。我们一方面要跟踪国际上高新技术，同时必须花大力气抓新技术、新工艺的推广工作。 目前更应抓好数控和计算机技术的应用和推广，只有现普及后提高，才能使我国制造技术的发展具有稳固的基础。 极开展技术改造 制造技术的发展是通过技术改造的过程实现的，其中也包括人员培训、技术更新。进行技术改造必须从经营战略和生产系统整体出发，不能单纯把技术改造局限与更新设备上 ，还要考虑到原始投资和日后生产管理的经济性。因此，进行技术改造时应进行经济分析与论证，以作出科学的决策和判断，只有这样，才 能走出一条技术改造及经济效益相结合的正确之路。 强宣传 ，提高人员素质 要使先进制造技术对传统制造业的发展起作用，首先要做好宣传工作，使上上下下，从领导到各级管理人员，特别是决策人员对其有较为清楚的了解，从而消除实施这项技术时来自各方的阻力。其次是要培养扎实过硬的技术队伍。进入 90 年代后的机械制造业已不是传统意义上的机械加工，因此，我国的机械制造技术人员知识要更新，技能要拓宽，其主要方向包括信息科学、材料科学、控制论、生物科学、管理科学、微电子技术、计算机技术等。 只有熟练地掌握了以上高新技术，才能 适应新世纪 机械制造工业发展的需要。 合国情，逐步发展 发展和应用先进制造技术一定要适合我国国情，不能把发达国家最先进的技术直接拿来，不问经济效益，就跟着发展，跟着应用，甚至号召“推广”。我国的情况是劳动力过剩，工资较低，人员素质低，企业管理落后，此外我们的企业有国有大中型企业、 辽宁科技大学 第 5 页 中小型集体企业、乡镇企业、私营和个体企业、合资和外资企业等多种形式，条件不同，组织管理方式不同，因此需要的机械制造技术和生产方式也各不相同的。 当前我国各企业应根据不同情况，采取有效的自动化和半自动化，如独立制造岛 做法等。 独立制造岛是上海同济大学张曙教授所提倡的，它以成组技术为基础， 调信息流的自动化， 以“软”取胜和以“人”为中心的生产方式 ，其特征是组织、人员和技术三者有机集成，面向车间，权、利下放，综合治理，并以获取经济效益为主要目标，因此在实质上也是一种精良生产方式。企业应结合各自的情况 ，选用各种先进的制造生产模式。近年来，国外提出的并行工程和敏捷制造等方式应积极探讨和尝试。 我国现有机床 370 多万台，旧机床占有相当大的比重，不可能在短期内统统淘汰 和更新。为了提高我国机械制造水平， 用低档和经济性数控系统改造部分旧机床是一项适合我国国情的策略。 观看改造的必要性 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 可以实现加工的自动化 。 而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 3 7 倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按 程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了 “ 柔性自动化 ” 。 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要 “ 修配 ” 。 可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 由以上五条派生的好处。 辽宁科技大学 第 6 页 如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求 作出快速反应等等。 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 性制造单元）、 性制造系统）以及 算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 观看改造的必要性 从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、 80 年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、 ，还包括在产品开发中 推行拟制造以及在生产管理中推行 理信息系统）、 等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 而日本在 1994 年已达 ，因此每年都有 数控化改造的内容 机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点： 是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复； 是 ，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成 床； 是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的 统以最新 行更新； 是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。 控化改造的优缺 少投资额、交货期短 同 购置新机床相比，一般可以节省 60 80 的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的 1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造 辽宁科技大学 第 7 页 成本提高 2 3 倍，与购置新机床相比，只能节省投资 50 左右。 械性能稳定可靠，结构受限 所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。 悉了解设备、便于操作维修 购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特 性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一一 安装好，就可以实现全负荷运转。 充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 以采用最新的控制技术 可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床 辽宁科技大学 第 8 页 初步确定设计的任务后（初步拟定三种传动方案 即 1 电机直接与丝杠相连； 2 电机通过同步带的传动带动丝杠转动； 3 电机通过齿轮传动带动丝杠转动）数控机床按控制方式分为开环、闭环、半闭环，由于采用直流式交流伺服电机的闭环控制方案 ，结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的数控设备中，由于所改造的数控钻床加工精度不十分高，采用闭环系统的必要性不大。若采 用直流或交流伺服电机的半闭环控制，精度较闭环控制 的查，但是稳定性好，成本较低，调试维修较容易；但是对于经济型数控机床来说必要性不大。故在本次设计中，采用开环控制步进电机 驱动即保证改造后的性能不低于原钻床，又保证较高的性价比。步进电机具有如下优点 1)电动机的输出转角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电动机的脉冲个数就能控制位移量； 2)电动机 的转速与输入的脉冲频率成正比，与要控制脉冲频率就能调节步进电动机的转速 ； 3)停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电动机轴可以保持在某个固定位置上，不需要 机械制动装置； 4)变通电相序即可以改变电动机的转向； 5)进电动机存在齿间相邻误差，但是不会产生累积误差； 6)进电动机转动惯量小，启动、停止迅速。滚珠丝杠副具有摩擦因数小，传动效率高，所需的传动转矩小；灵敏度高，传动平稳，不易产生爬行；随着精度和定位精度高，磨损小 ，寿命长，精度保持性好，可通过预紧间隙消除措施提高轴承刚度和反向精度，运动具有可逆性。 故在本次设计中采用它带动 X,Y 向工作台移动。传动方案 1 的结构简单，三是消除由步进电动机引起的振动等现象能力较差，故在本次设计中不采用方案 2，同步带传动保持恒 定传动比，传动精度高工作平稳，结构紧凑，无噪声，有良好减振性能，但制造工艺比较复杂，传递功率较小，寿命较低，故在本次设计中不易采用，所以本次设计中采用齿轮传动，其主要特点是效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长，传动比稳定，传 辽宁科技大学 第 9 页 动过程中采用消隙齿轮 ，消除正反转齿轮间隙提高传动精度，性价比高。控制部分设计要求能控制 X、 Y、 Z 三坐标轴的运动，考虑使用方便决定采用 司的 8051、8255、 8155 等单片机组成键盘，显示控制面板等机床控制电路。 辽宁科技大学 第 10 页 分 设计与计算 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。 作台总重量（包括夹具及工件）不超过 450N。 向 （ 设计计算 削力的计算 工件为 (45# F = f =18m/d=6mm f=r F= V d Fd f =80129 6 0905 =) 对于麻花钻钻削加工 ) 辽宁科技大学 第 11 页 ) ) 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 f(2G) 取 K=f=虑工作台在移动过程中只受 故 50 =90(N) 考虑工作台在加工时静止只受 故 =) 取 算最大动载荷 C 初选螺母副导程 杠的转速 n=100r/= 61060查 2表 6 T=15000 h 辽宁科技大学 第 12 页 L=61060=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 2表 6 查 2表 6=3L =390 查 3表 2取 滚珠丝杠 (N Q),所以刚度足够 3)效率计算 根据 7的公式，丝杠螺母副的传动效率为 = )v =10 由 2可知 螺旋角 =422由 3可知 =)v v=)0122424 =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 、强度都起了很大作用。 4)刚度验算： 滚珠丝杠受工作载荷 起的导程变化量 辽宁科技大学 第 13 页 .6 E=21106 N/F= 22）（ =00 6 =0 6 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 小，可忽略，既 L= 以导程变形总误差 为 =0100L = =m/m) 查 2表 6 1m 长） 为 15 m/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 8中的欧拉公式计算 2)( 式中截面惯性矩，对实心圆柱 J=6441d =64 =N2)( 辽宁科技大学 第 14 页 =262)101( =N) =4 所以滚珠丝杠安全不至失稳 6)滚珠丝杠基本尺寸 表 珠丝杠副主要尺寸列表 轮的相关计算 1)传动比的计算 主要尺寸 计算公式 计算结果 公称直径 25 基本导程 6 滚珠直径 珠圆弧半径 R 旋升角 4 22 滚道圆弧偏心距 e 杠大径 d 丝杠小径 d1 2杠长度 S S 700 螺母大径 D 45 螺母小径 螺母长度 58（ 2列） 辽宁科技大学 第 15 页 L3600= =)初步分配传动比 由 2按获得最小转动惯量的原则分配传动比 it=i1 21i 得 )初步估计齿轮模数 m=齿轮 27 大齿轮 1 =27 =41 17 20mm =27 = =41 =2 21 =2 辽宁科技大学 第 16 页 =42.5(小齿轮 0 大齿轮 3=30 =49 6 28mm 30 =37.5( =49 = 2 43 =2 =动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量： (180)2G =(80 )2450 =丝杠的转动惯量 10 4 =0 448 = 辽宁科技大学 第 17 页 齿轮的转动惯量 J 1Z =10 4 =0J 2Z =10 4 =02 =10 4 =04(NJ 4Z =10 4 =0总传动惯量 J=2221 4S +21 23Z +J 1Z +=222 +所需转动力矩 快速空载时所需的力矩 M=f+n=a =6 25100 =r/ 辽宁科技大学 第 18 页 =Mf=2 0 = =当 = 预加载荷 M0=61 200 ）（ = ）（=Mt=2 0=00 =以 快速启动时所需力矩 M=f+切削时所需力矩 M=f+0+ 辽宁科技大学 第 19 页 由上分析计算可知 所需最大力矩 M=q=5=N为满足最小步进距要求，电动机选用三相三拍工作方式 查表 766.0 =N步进电动机的最高频率 0Z) 选用 110直流步进电机，能满足使用要求 轮 的 验算 1)材料的选择 由 5 机械设计表 10择小齿轮材料为 40质），硬度为 280齿轮材料为 45 钢（调质），硬度为 240)第一对齿轮 按齿面接触强度设计 由 5设计计算公式 （ 10 1211)()(1(i (1)确定公式内的各计算值 辽宁科技大学 第 20 页 试选择载荷系数 小齿轮传递的转矩 T=8000(Nm) 由 5表 10出齿宽系数d= 由 5表 10得材料的弹性影响系数 189 由 5图 10齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度） 1=600齿轮的接触疲劳强度极限 2=550 齿轮的接触疲劳强度极限 由 510算应力循环次数 60n1 j h =60 833 1 （ 2 8 300 15） =109 11 =109 由 5图 101 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1%安全系数 S=1 由式（ 10，得 H 1 = =1 =552( H 2 = =1 辽宁科技大学 第 21 页 =528( (2)计算 试 算小齿轮分度园直径 H 中较小的值 1211)()(1(i =2)528( = 计算圆周速度 v v=100060 11 nd t=100060 =m/s) 计算齿宽 b= 计算齿宽与齿高之比 b/h 模数 1齿高 h=6 辽宁科技大学 第 22 页 计算载荷系数 根据 v=s 7 级精度 由 5图 10 动载系数 齿轮 假设 100 N/ 由表 10 KH= KF=表 10，使用系数 1 由表 107 级精度小齿轮相对支承悬臂布置时 KH=（ 1+d） 2d+10 3 b = KH=图 10KF= 载荷系数 K=K=1 按实际的载荷系数校正所算得的分度园直径，由式（ 10得 = 计算模数 m m=113)第一对齿轮 按齿根弯曲强度设计 由式（ 10弯曲强度的设计公式 辽宁科技大学 第 23 页 m 311 2 (1)确定公式内的各计算值 由图 10得小齿轮的弯曲疲劳强度极限1500齿轮的弯曲疲劳强度极限 2380 由图 10 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳完全系数 1F=1 =2F=2 = 计算载荷系数 K=1 查取齿形系数 由表 10 查取应力校正系数 由表 10 计算大，小齿轮的 加以比较 辽宁科技大学 第 24 页 111= =22Y=齿轮数值大 (2)设计计算 m 311 2 = 32)27( =比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 于齿 轮模数 齿面接触疲劳强度多决定的承载能力，而齿面 接触强度多决定的承载能力，仅与只论直径归类，可取由弯曲强度算得的模数 m m= 齿轮强度适合 。 4）第二对齿轮 按齿面接触强度设计 由 5设计计算公式（ 10 1211)()(1(i (1)确定公式内的各计算值 试选择载荷系数 小齿轮传递的转矩 T =13120(Nm) 由 5表 10出齿宽系数d= 由 5表 10E =189 由 5图 10齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度） 辽宁科技大学 第 25 页 1=600齿轮的接触疲劳强度极限 2=550 由