台式钻床进给机构的数控化改造

1、毕业设计台式钻床进给机构的数控化改造Numerical Control Reform of Feed Mechanism of Bench PressX学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日摘要 本文主要介绍了台式钻床的改造和设计，前期工作主要是研究总体方案并进行确定，接下来就是针对钻床各个具体的机械

2、部件开始设计，主要需要设计和选择的包括了工作台、滚珠丝杠和导轨以及电动机。电动机为执行元件，功能是驱动滚珠丝杠，使得丝杠螺母可以带着滑块和工作台在导轨上运行，实现工作台平面内纵横两向的直线运动。选择元件时，选择的各个部件的参数需要参考标准值来完成后续的计算，一般选择专门的厂家生产的产品，所以在设计过程中，要根据工作载荷来进行选择。通过设计改造，使普通的台式钻床最终能够实现自动化控制，成为真正的机电一体化的产品。关键词：台式钻床；进给系统；数控改造AbstractThis paper mainly introduces the reconstruction and design of the b

3、ench drill, preliminary work is mainly on overall plan and determined, the next step is to drill in various mechanical components for began to design, mainly to design and selection, including the worktable, ball screw and guide rail and motor. The motor is the actuating element, the function is the

4、 ball screw, which makes the screw nut can run with the slider and the working table, and realizes the movement of the longitudinal and transverse two direction in the plane.Choice of components and parts of the selection of parameters need standard reference values to complete the calculation of su

5、bsequent, generally choose the specialized manufacturers of products, so in the design process to, according to the work load to choose.Through the design and transformation, the ordinary desktop drilling machine can realize the automation control, and become the product of the mechatronics integrat

6、ion.Keywords: drilling machine feeding system NC transformation目 录1 引言11.1 问题分析及其对策11.1.1 现代制造业的发展状况11.1.2 问题的提出11.1.3 问题的分析以及解决方案11.2 本文研究的内容及目标21.3 本章小结22 设计方案的确定32.1 方案的确定32.2 运动方式42.3 传动方式42.4伺服系统的选择42.5 丝杠、导轨、伺服电机的计算选型42.6总体布局设计52.7本章小结53 XY工作台数控改造53.1 确定系统脉冲当量53.2 初步确定工作台尺寸及其重量63.2.1 工作台质量73.2

7、.2 上、下托板质量73.2.3 导轨质量73.2.4 夹具及螺杆支承座质量估算：83.2.5 加工最大工件质量是：83.3 滚珠丝杠的传动计算与选型83.3.1 丝杠螺母机构的传动形式83.3.2 滚珠丝杠副的组成及特点93.3.3 求丝杠螺母副传动的静载荷：93.3.4 额定动载荷及寿命计算103.3.5 滚珠丝杠的选用103.3.6 丝杠传动效率113.3.7 稳定性验算113.3.8 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧133.3.9 滚珠丝杠应注意的问题143.4 滚动导轨参数计算与选型153.4.1 导轨的组成种类及其应满足的要求153.4.2 导轨的选型153.4.3 计算滚动导轨的工

8、作寿命Th（小时）173.4.4 计算导轨行程长度寿命173.4.5 计算工作载荷173.4.6 计算导轨的额定动载荷Ca（N）173.4.7 选定滚动导轨的型号及结构尺寸183.4.8 导轨的注意事项183.4.9 导轨防护罩的设计193.5 联轴器的选择203.5.1 联轴器的介绍203.5.2 联轴器的选择203.5.3 转矩的校核213.5.4 销的抗剪强度的校核223.6 丝杠支承座的选择223.6.1 支承方式的选择223.6.2 轴承的选择223.6.3 轴承使用注意事项243.6.4 选择丝杠支承座244 电机的选择254.1 步进电机的选型及计算254.1.1 步进电机的特点

9、和种类254.1.2 电机的选择依据254.1.3 步距角的计算264.1.4 电动机轴上的转动惯量264.1.5 步进电机空载启动时，电机轴上的加速力矩274.1.6 工作台移动部件这算到电机轴上的摩擦力矩274.1.7 因丝杠副预紧力引起的电机轴上的附加摩擦转矩274.1.8 空载启动时电机轴上的最大静转矩274.2 步进电机的选择285 专用钻床主轴传动系统的设计285.1 主轴传动系统的分析285.2 主轴花键的设计295.3 V带传动设计295.3.1 设计功率的计算295.3.2 选择带型305.3.3 选取带轮基准直径和305.3.4 验算带速305.3.5 确定中心距和带的基准

10、长度305.3.6 验算小带轮包角315.4 本章小结31结论31致谢32参 考 文 献321 引言1.1 问题分析及其对策1.1.1 现代制造业的发展状况当今社会，加工零件形式更加丰富，工艺发展速度更加迅速，出现了更多的零件加工方法，不仅有切削加工，而且涌现出像铸造、焊接、锻造、焊接、冲压、挤压和辊轧等方法。机床切削所完成的工作量相当大，在总制造工作量中占据的比例很大,所以金属切削机床成为最重要的加工装置。对机床发展作出新的要求才能使国家工业能力以及科学水平得到提高。我国机床产业发展时间相对短暂，短时间内的成就很高，但还远远没有达到世界先进水平。我国工业化发展起步晚，机床产业发展时间过短，技

11、艺还在慢慢摸索；很多机床满足不了精度方面的高要求，更严峻的问题是低产量的高效自动化和数控机床加上落后的技术水平和低劣的产品质量等方面。我国现如今共有机床 370 多万台，其中很多旧机床，做不到在短期内淘汰和更新。为了提升我国机械制造水平，用低档和经济性数控系统改造部分旧机床是一项顺应我国国情的办法。1.1.2 问题的提出因此，在机械加工中的钻孔机加工的工作量是相当大的。孔加工类的钻床有多种不同的结构形式，比如摇臂式、立式、卧式、深孔、多轴等，孔加工的类型主要有钻孔、扩孔、绞孔、攻丝等。然而传统的钻床在大批量生产时有很多缺陷: (1) 自动化水平低，满足不了大批量生产的条件； (2) 精度低，

12、工件装夹费时；(3) 加工产品质量低；因此，有必要改进传统钻床的结构来使产品质量和生产效率得到提高。1.1.3 分析问题并提出解决方案眼前有很多问题需要解决，涉及多个方面，比如自动化程度、生产效率、及产品质量等。 手动操作、装夹琐碎、产量大和程序单一，形成钻床加工的自动化程度低、生产效率低和产品质量低等现象，是以有必要提升钻床的数控化率。钻床进给机构的主要作用是控制钻头的运动轨迹，完成其精确定位，以保证钻孔的位置精度，所以本课题以台式钻床为例，通过对进给结构的数控化改造，保证钻头定位的准确性，从而满足加工精度的要求。本课题为台式钻床的数控化改造提供了实际的技术参考，对提高钻孔的效率和精度具有重

13、要意义。为了解决以上问题，我们将对钻床的数控改造问题提出解决方案:(1)传动系统 在做出相应的计算后进行适当的改动。(2)进给系统 普通钻床的主轴的进给系统的组成部分分为主轴、套筒、套筒镶套、齿轮齿条和轴承。主轴外面安装有套筒，而套筒外安装有镶套安插在主轴箱体孔内，通过花键衔接主轴上侧。加工时，主轴一边作旋转运动，通过花键传入；一边作轴向进给运动。选择的进给系统伺服电机要确保：最大切削负载转矩要低于电机的额定转矩；电机的转子惯量应与负载惯量相匹配；快移时，转矩要低于伺服电机的最大转矩。 (3)夹紧系统 主要还是依靠人工手动操纵夹紧。(4）钻床进给部分的仿真 钻床运动方式分为工作台纵向、横向以及

14、竖直方向的运动，通过滚珠丝杠螺母副机构使工作台分别进行纵向、横向的运动。首先区分钻床中的可动元件、固定元件以及可动元件之间的连接情况，然后将各个零件按照一定的连接条件一一装配起来，在Pro/e软件中的机构模块，设立一个伺服电动机，以作为机构运动的动力能源，对机构进行运动仿真。1.2 本文研究的内容及目标 本文标题是台式钻床进给系统的数控化改造，就以普通台式钻床为例，其中的重点在于进给系统的改造，革新之处在于能够实现主轴高速旋转与轴向进给两个自由度的实现。使设计改良后的台式钻床要能够实现：(1)能持续进行自动化的生产，提高工件加工质量，获得更多收益；(2)由电脑控制代替人力劳动，减少工作人员的工

15、作量，降低劳动强度；(3)钻床系统工作稳定；(4)在经济方面要能够被普遍接受；1.3 本章小结这里提出并剖析了现代机械制造业中机床切削加工的问题，提出对传统钻床革新的必要性和可行性，拟定改造的任务和方针，为设计方案的确定了设计对象。2 设计方案的确定。4 电机的选择4.1 步进电机的选型及计算4.1.1 步进电机的特点和种类步进电机，又可以叫做脉冲电动机，能够把电脉信号转变成机械角位移。优点有： （1） 构造简易，成本小，比较适合中低档机电产品；（2） 步进电动机的步距角有误差，可是转子运转一转之后，其累计误差降为零，所以不会长期积累；（3） 控制性能好，与计算机接口简单。步进电机有很多种类，

16、应用与各种不同的情况下。4.1.2 电机的选择依据一般电机要承受两种形式的力矩，即不变的负载力矩及切削力矩和加/减速力矩。充分考虑运动过程中的各种情况，确保选取的电机要达到以下要求：然后根据任务要求和电机负载来选取电动机。4.1.3 步距角的计算 步距角与脉冲当量及导程的关系如下： 式（4.1）其中，取为0.01所以步距角= 360×0.01×1/50.724.1.4 电动机轴上的转动惯量转动惯量的计算公式见式（4.2）： e012 式（4.2）式中：0通常情况下忽略不计1滚珠丝杠的转动惯量，相对于圆柱体环绕其中心轴线转动时，转动惯量可按照下述公式得到，计算公式如下： 因此

17、：1= 0.77×16×610×100.31×10 kg.M 2工作台、工件等移动部件换算到电动机轴上的转动惯量，计算公式见式（4.4）： 因此：2=（5/2×3.14）×310×10=1.97×10 kg.M所以：e=（0.31+1.97）10=2.28×10 kg.M4.1.5 步进电机空载启动时，电机轴上的加速力矩计算公式如下： 代入数据，得到：M= 2.28×720×104.1.6 工作台移动部件这算到电机轴上的摩擦力矩摩擦力矩涉及到的因素及关系式如下： 代入数据，得到：M=

18、310×10×0.025×5/2×3.14×0.8×1×10=0.077 N.M4.1.7 因丝杠副预紧力引起的电机轴上的附加摩擦转矩附加摩擦力矩的计算如下： M0= F max×S/2i×(1-)×10 式（4.7） =3100×0.025×5/（2×3.14×0.8×1）×（1-0.9）×10=0.015 N.M4.1.8 空载启动时电机轴上的最大静转矩最大静转矩的计算如下： M = Ma+ M f+ M0 式（4.8）=

19、0.171 + 0.077 + 0.015 = 0.223 N.M4.2 步进电机的选择步进电机的型号及参数如下表：5 专用钻床主轴传动系统的设计5.1 主轴传动系统的分析主轴传动系统包含了带轮传动、主轴花键传动和液压传动系统。而花键的作用至关重要，在传动过程中，它不仅可以实现主轴的高速选转，还可以是主轴作轴向的进给运动。主轴轴径的大小决定了花键的尺寸。5.2 主轴花键的设计在主轴行进的过程中，需要确保相当程度的稳定性，而花键联接具有很好的承受能力，定心性和导向性也不错，可完成滑动联接的操作，对轴的削弱也较小。花键最主要的作用是传递转矩，同时确保轴端的导向定心。考虑到表5-1主轴零件的选用以及

20、主轴的行程为100mm，最终确定花键的型号为：（ ）8×32×36×6 GB/T 1144-1987（为齿数×内径×外径×齿宽），长度为=160mm。选取45钢作为主轴材质，加工后还得进行调质处置，主轴端花键与毂孔通过滑动联接的形式连接，因此花键尺寸公差数据的选择如下：5.3 V带传动设计5.3.1 设计功率的计算 计算出=1.8。5.3.2 选择带型各个数据及计算公式如下：代入数据可以得到=129.13mm，基于圆取整值后得到=132mm。5.3.4 验算带速带速的计算公式为： （5.4）代入数据可得到带速=5.86。符合520范围

21、要求，带速恰好合适。5.3.5 确定中心距和带的基准长度设定中心距=300mm。根据下面的计算可知其符合要求：5.3.6 验算小带轮包角根据要求包角必须要大于 120°，经过计算可知符合这一条件： （5.10）5.4 本章小结 本章主要是关于带轮传动和花键传动方面的设计，都属于钻床主轴传动的重要部件。 结论台式钻床的数控化改造是在普通的台式钻床上进行的，有着非凡的意义，不仅完成了技术方面的革新，同时又充分利用了最普遍的台式钻床，避免了资源浪费，一旦得到推广运用的话，必将节省很大的劳动成本，又能够创造出更多的利益。这次设计所选取的结构更加紧凑，性能方面提高了精度与效率，使用寿命增长，适用于很多地方，能够被普遍接受。设计过程中包含了各个部件型号的选取以及数据的计算。涉及多个领域的知识，像机构学、机械运动学、机械设计学、材料力学等都有所涉猎。常规的计算方法适合大多数人的操作，而且从实际情况出发，使工作台更加具有实用性，经济实惠。整个的设计过程大多都参照国家标准规范，尽可能合理地对各个部分进行改进，时刻保持着做事严谨以及实事求是的精神。同样的，设计过程中存在很多难题需要去一一解决，有时需要查阅相当多的资料才能找到解决的办法，解决的过程也让我们加深了对本课题的理解，同时还巩固了大学以来我们所学的本专业的知识。致谢参 考 文 献1陈鸣. MCS-51单片机要数控钻床中的应用