【小型数控钻孔机设计14000字（论文）】

小型数控钻孔机设计TOC\o"1-3"\h\u31154第一章绪论 117461.1背景 1147311.2数控机床的国内外现状 247411.3课题研究的目的及意义 4301681.4论文主要研究内容 4317531.4.1设计要求 4102801.4.2研究内容 514885第二章方案设计 625112.1总体方案的确定 6286402.2钻床控制系统 7196342.3钻床工作原理 878322.4机身部分设计 8285472.5导轨的选用 9271042.6传动方式的确定 11124472.6.1滚珠丝杠螺母副的选用 118442.6.2滚珠丝杠螺母机构的特点 12320552.6.3滚珠丝杠螺母副的支撑方式 13178072.7工作台的尺寸确定 13262202.8本章小结 14408第三章机械部分计算与校核 15134343.1切削参数的计算 15219083.1.1切削力的计算 15123403.1.2切削功率的计算 15258523.2滚珠丝杠的选择计算 16157033.2.1最大动载荷Q的计算 16169233.2.2效率计算 17298253.2.3刚度的验算 1873393.2.4稳定性验算 1986533.3纵向步进电机的选择及计算 1998513.3.1选择步进电机 20300503.3.2最大负载转矩计算 20261823.3.3负载惯量计算 20239353.3.4空载转矩计算 21128223.4滚珠丝杠轴承的选择及校核 22321903.4.1丝杠轴承的选择 2256113.4.2滚珠丝杠轴承校核 2355473.5联轴器的选择 23206093.6主轴系统结构设计 24309513.6.1确定轴的最小直径 2480463.6.2主轴电机的选择 2534243.6.3主轴轴承的选用 2573983.6.4主轴轴承的疲劳寿命校核 26103543.6.5轴的强度校核 26176383.7本章小结 2710732第四章经济性分析与环境安全保护 2993824.1经济性分析 29277194.2环境保护与安全性分析 293692第五章结论 317060参考文献 33第一章绪论1.1背景钻孔机的工作形式就是使用比被加工工件硬度更高的刀具通过高速旋转刀头对工件表面进行切削和钻孔等一系列常规加工，在想要加工的工件上加工出规则的圆形孔或者凹槽的机械加工机床。同时钻孔机的名称也有很多种最常见的有通孔机、打眼机、打孔机、钻机等。在当今发展迅速的社会氛围下，随着电子科学技术不断进步，不同用途，不同功能的电子设备也犹如雨后春笋版不断涌出，与此同时电子技术发展地愈发完善和快速，各个行业，各个领域都在进行电子信息技术的更新换代。零件的加工方面也同样如此，数控钻床就是电子技术在该方面的重要体现。数控钻床具有多功能性和高性能性，并且数控编程简单方便，可以大大提高加工的智能化，数控钻床代表着将来机械加工钻床领域的发展目标。数控钻床是汇聚液压技术、气体动力系统、传统机械结构、电气工程、微电子技术和信息技术等多项技术为一体的高科技数字机床[1]，是一种兼具速度、自动化、效率、精准度、整体集成度的全自动机床。在当今社会，伴随科技的飞速进步，各式各样的新型实用机床也不断涌现。伴随我国电子科技的逐渐完善，电子设备的创造与应用得到了疾速发展，各行各业都在进行着电子信息技术的更新。机械加工领域自然也不会落后，数控钻床是电子技术在机械加工领域中的一个重要表现。数控钻床具有多功能和高性能，数控编程简单方便，可大大提高钻床加工的智能化水平，数控钻床代表了机械加工领域钻孔技术未来的发展方向。数控钻床不同于传动钻床。目前为止，绝大部分的数控钻床采用的是自动模式进行对工件进行加工和测试。而且加工精度普遍高于传统的钻床，加工速度也是传统钻床的数倍。所谓数控钻床，即通过数字化信息控制的机床，数字信号是处理信号。数控钻床的出现和广泛使用，导致了传统钻床的大规模淘汰[2]。与数控钻床相比，传统钻床自动化程度较低，加工工件的精度高低完全取决于工人操作的熟练程度，加工速度慢，效率低，人力资源浪费大。在这个高速信息时代，完全跟不上时代的步伐。另外，现有的传统钻床大多是老旧的钻床，维修频率高，维修困难，维修成本高。就其优缺点对比而言，数控钻床完全取代传统钻床是指日可待的。从钻床控制的角度来看，传统的中小型工厂仍然采用手动控制方式，而较大的民营企业和国有企业更多地采用来实现机床的自动控制。目前为止技术被业界统一认为是工业自动化的三大重要支柱之一，另外两大支柱是工业机器人和技术[3]。进入世纪以来，我国数控钻床的数量上有了大幅的增长。数控钻床的自动化水平已经从半自动化向全自动化过渡，然而，我们一直在不断地探索技术的应用和发展。在引进国外先进钻床的同时，我们也淘汰了一些国内的老旧钻床床。数控钻床的制作和研发人才的培养越来越受到重视，数控类的机床在我国迅速崛起。1.2数控机床的国内外现状现如今在工程机械飞速进步的情况下，钻孔机在机械加工领域需求巨大。虽然中国在钻床领域已经获得了很大的进步和发展，但当今制造业技术也无时无刻不在飞速发展，由于我国在此领域的基础相当薄弱，从整体上看，仍需不懈努力。所谓的机械制造技术就是指利用机械设备对工件进行加工，达到所谓的制造要求，而机械设备目前多数指的是机床，机床加工工件是目前多数加工方法，由于世界各国发展水平存在较大的差异，故机械技术比较成熟的国家，大多会采用数控机床对工件进行加工，而随之网络化程度不断提高，数字化以及网络化不断整合，通过网络线上控制数字信号的输入与输出，从而控制机床的运行，这样的好处在：能够及时、准时的进行加工调整，以及加工误差最小化。对于人口较小的国家，数控机床的普遍能够帮助其弥补劳动力资源不足的劣势。到现在为止，中国还需要不断的从德国西门子和日本发那科两家公司进口较为先进的数子信息化控制系统而且在市场上方面基本处于垄断的地位总共的占有率超过了，而现在国内还没有成功研制出属于自己的高端数字化控制系统来将其取代，因此和拥有绝对的价格优势。而且在该领域相对发达的国家终究还是不会向我国出售全部的高端数字化控制系统，比如五轴联动以上的高性能数字化控制系统还被明令禁止向我国出售[4]。随着时代的到来，未来数控钻床的方向发一定是朝着信息化和网络化，融合网络化通讯和控制；朝向超高精度方向发展，钻床的定位精度和工件的加工精度必然会大大提高；智能方向发展，由于人工控制成本高，易出现失误，所以智能化控制是数控机床的大势所趋。首先，数控机床之所以能被现在企业家、专家以及工厂师傅所喜爱，原因在于：他们生产速度快，能够省去大部分人力所需要消耗的资金成本；其次，循环性的生产线，以及昼夜不停的工作模式，能在极短的时间内完成大量的订单或者说及时完成科学研究所需的数据采集以及结果。时代寓意着生产加工也进入了一个新时代，即加工速度明显增快，呈倍数增长趋势，零件生产以通过网络化加工为主，即现在流行的数控加工机床。数控加工机床在国内外都深受欢迎，通过网络化的手段，只需要在电脑中输入合理的编程数据，机床即可自动实行精准操作，全程只需一两人即可，在欧美这种急需劳动力的国家有着较大的发展前景，所以有着发达国家技术的及时更新换代，带动全球数控机床的蓬勃发展以及今后的普遍施行。而同时，在国内技术不断追逐欧美发达国家的道路上，中国自然不敢在技术方面上落后，技术全面追逐的路上，数控加工机床的完善和应用也成为国内专家研究的必然发展方向。我国的数控技术从建国初期起才开始逐渐得到稳定发展，在“六五”期间通过吸收国外先进的数控技术的成熟经验，并且在“七五”期间对这些内容逐渐理解透彻并采取“科技攻关”加强认知，才使得我国在数字化控制领域与数字化控制产业上获得了长足的进步。自年以来，中国成为了世界上最大的机床进口国和机床消费国。这也充分说明了我国机械制造业方面进步的速度之快，但与此同时国内的数控机床制造厂商在中高端和大型数控机床研发方面与国外的科技差距也被逐渐拉大[5]。1.3课题研究的目的及意义本科阶段的毕业设计是完成所有大学课程后对自己在校期间学到的全部知识的一次综合性运用，结合自己的基础理论和知识用于解决工程与现实生活中的技术问题的一次基础训练。这将对未来从事机械行业相关的技术工作和未来的职业发展都有着深远的影响。总体目标就是为学生提供基本的科学训练，包括：培养了综合性地分析、解决自己所学专业中的一般工程技术方面的问题能力,深化了自己对于所学知识的认识。培养形成正确的设计思想、设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序、规范和方法。培养正确使用技术资料、国家标准、有关手册、图册等工具书，进行设计计数、数据处理、编写技术文件等方面的工作能力。培养进行调查研究，面向实际，面向生产，面向工人和工程技术人员学习的基本工作态度和工作方法。实现自动化设计，将数控技术注入产品设计开发，提高了企业产品自主开发能力和产品档次。同时，也提高了企业对市场的应变能力和快速响应能力。本课题是在学完本科阶段课程后进行的一次综合性练习，为将来的工作或是继续深造及一般的机械设计打下一定的基础。1.4论文主要研究内容1.4.1设计要求（1）调研国内外钻床发展现状和技术进展；（2）确定合适的方案及主要设计参数；（3）完成整个传动方案的设计；（4）设计小型钻孔机的结构，绘制零件图、装配图和三维图；（5）设计过程中，需对装置的经济性进行分析和评价，并考虑环境、安全、法律等因素。1.4.2研究内容设计小型钻孔机的机械机构部分；规划合理的工作台的X轴、Y轴移动方案；设计合理的传动方式和机架结构；计算传动方案、电机选型、主轴设计计算、丝杠参数以及关键零件的校核；选用合适的数控系统，满足小型钻床的预定能力。

第二章方案设计数控钻床总体方案的设计包括主轴系统的设计，丝杠进给系统的设计、机架框架的搭建、三轴方向的运动方案的确定等内容，结合设计要求、机床设计时的实际情况，提出几套大致的总体方案然后进行综合性分析，通过比较确定最贴合设计需求的方案，最终确定最合理的总体设计方案。2.1总体方案的确定本设计中的小型数控钻床采用龙门式结构的总体布局，因为相较其他类型的布局形式，结构简单节省材料，能够经受的负载更大，结构稳定，而且尺寸灵活，其总体布局示意图如图2.1：图2.1小型数控钻床总体结构布局其机械系统的基本组成如图2.2：图2.2机械系统基本组成2.2钻床控制系统单片机是目前世界上应用最为广泛的单片机系列。从最早的、、到后来的、，兼容结构和指令但具有各种新特性的单片机越来越多，几乎所有单片机厂家的产品中都可以找到兼容的产品，熟悉了系列的编程和应用就意味着拥有了一个庞大的单片机家族，可以适合绝大多数单片机应用场合。由于数控钻床的主要功能有攻丝、钻孔、扩孔和铰孔等功能，所以选择连续控制系统。根据机床要求，采用8位微型计算机。由于系列单片机具有集成度高、速度快、功能强、可靠性好、抗干扰能力强、性价比高等特点，因此，在此设计中，采用的是系列的单片机进行控制。的基本特征如下：具有8位的中央处理单元(CPU)；片内有时钟发生电路(或),每执行一条指令时间为或者；具有5个中断源，配备两个优先级；具有21个特殊功能寄存器；具有128字节的RAM；可寻址的外部数据存储器和的外部程序存储器；具有两个16位定时器/计数器；具有四个I/0口，32根I/0线；具有位寻址能力，适用逻辑运算；具有一个全双工串行接口。从上述特性得知：一块的功能相当于微型计算机系统，足以担当本次设计小型数控钻床控制系统的重任。2.3钻床工作原理信号从人机界面交互产生，发送到单片机内处理，然后对电机等控制元件发送指令，动力从电机产生经过联轴器传递给主轴，使主轴高速旋转，主轴旋转带动刀具旋转在Z轴进给系统的带领下对工件进行切削工作。三个轴的电机产生动力经联轴器带动滚珠丝杠转动，使工作台以及主轴系统在导轨上进行定位或者切削等工作。加工过程中工件不动，而刀具随着加工需求运动。2.4机身部分设计本设计中采用龙门式的框架构造，把顶梁作为横梁，不再单独设计横梁。钻头部分能沿横向导轨做X方向的水平移动，也可以沿Z向导轨做竖直方向的升降运动。工作台可以借助安装在底座上的滚动导轨沿Y向进行水平移动。其机架框架如图2.3。图2.3机架框架图2.4底座部分为了确保系统在运行时拥有足够的稳定性，在设计钻床时特别注意了以下几点：机床在进行结构设计时应确保其有足够的刚性，以抵抗工件加工过程中带来的振动；减少X,Y,Z各轴向运动物体的重量，减轻在轴向运动时产生的惯性冲击；减少移动物体质量，使驱动功率减小，可以进一步减小电机工作压力；为了使机床拥有较强的抗震性和吸震性，应该在允许范围内增加固定部分的重量。此数控钻床的底座采用大理石材质，因为该材料的受力变形小、而且拥有较高的稳定性、其抗振性比铸铁材质的强、受热也不会产生较大的尺寸变化、精度保持性也很高，很适合作为精密机床的平台，底座部分设计如图2.4。2.5导轨的选用导轨的作用是根据设计时的的运动需求和运动方向来支撑和限制运动单元的运动。其主要承受的力来自于运动单元、工件的质量以及工件加工时伴随的切削应力。导轨主要由导轨和活动部件组成。常用的导轨副有多种。根据其实际工作时摩擦的种类可分为滚动导轨、滑动导轨、流体摩擦导轨等。其最主要的功能为承载和导向，所以在挑选时必须充分考虑其导向精度、精度保持性、刚度、运动平稳性、工艺性好、制作简单等各方面因素，本设计的小型数控钻床采用的是滚动导轨来替代传统机床的滑动导轨，使导轨与运动单元之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，所以滚动导轨的摩擦力大大减小，对于滚动导轨其摩擦系数，而且动、静摩擦系数很接近；滚动导轨上运动单元运动时所需的功率比滑动导轨小很多，而且运动平稳，很少出现爬行的现象；滚动导轨因为摩擦力很小所以磨损相较来说也小，在一定的范围内能够保持其精度，不会产生较大的波动，所以说滚动导轨拥有稳定的移动精度和定位精度。滚动直线导轨副由钢球、滑块、导轨、保持架、返向器、挡板及密封端盖等组成。其工作原理为：当运动单元在导轨上做相对移动时，其中的钢球顺着导轨上的淬火和精磨加工后的凹槽通道上滚动，钢球运动到滑块的最边缘滚道时进入返向器返回另一端再次重复刚才的运动，构成环路，于是钢球就就可以通过该方式一直在凹槽内运动实现运动单元在导轨上的滑动。灰尘以及加工时产生的碎屑会进入滑块，影响滚珠直线导轨的正常运动，因此在返向器的两侧都装有端盖来杜绝此类现象的发生[6]。该小型数控钻孔机选用GGB型等载荷四方向滚动直线导轨副。导轨最根本的需求就是在传动的过程中有足够的精度、可靠性以及能够稳定的实现运动单元的直线运动，该导轨副拥有4列圆弧和接触角的钢珠相接触的设计，可以承受来自径向拉力、径向压力以及横截面上各个方向的力，适用于该钻床上X、Y、Z轴的设计方案，在安装时也灵活多样，而且可以在对导轨副施加载荷来增强导轨在受力时的刚性时依然可以保持较低的摩擦，这种设计方式使它即使在高负荷的条件下机床仍然可以保持较高的精度。该导轨的设计使得导轨在实际工作时平均了四个方向的载荷，此设计方案使得不论导轨怎样安装润滑油能够在每条回路中都能够起到相同的润滑效果，减小了摩擦阻力产生的同时也提高了整条导轨的使用寿命。导轨上的弧型凹槽设计，让导轨拥有了自我调控的功能，在给定预紧力的情况下也可以抵消安装过程中产生的相对误差，同时不会影响运动单元在导轨上的运动。导轨的滚珠设计相比滑动导轨在大大减小运动单元与导轨之间的摩擦力的同时，提高了整体的流畅性，启动时电机所需功率，以及大幅降低噪音污染。所选导轨副型号为，额定动载，额定静载，额定力矩，，。三个方向进给系选用同一型号导轨副，X向导轨长，Y向导轨长，Z向导轨长。图2.5滚动直线导轨副2.6传动方式的确定2.6.1滚珠丝杠螺母副的选用大多数机床的进给系统都是直线运动，而电机作为动力输出设备输出的为旋转运动，所以，在进给系统设计时，常用的运动形式转化设计方案有凸轮杆机构、齿轮齿条机构和丝杠螺母机构等。本钻床选用丝杠螺母机构，其工作方式示意图如下：图2.6丝杠螺母机构工作原理丝杠螺母机构在进给系统中的作用就是将电机产生的旋转动力经过该机构转变为运动单元的水平直线运动。其摩擦形式也分为滑动和滚动。滑动摩擦为主的丝杠螺母副构造简单、加工方法简单、制造的成本低、而且可以自锁，但是因为摩擦阻力过大其传动效率不高只有。滚动摩擦为主的丝杠螺母副虽然结构相较滑动的更复杂、制造成本也高，但是滚动摩擦的摩擦力小所以传动效率更高一般为。因此滚动式的丝杠螺母机构在数控化机床上被广泛的使用。滚动丝杠螺母副一般应用在精密度高的机床和数控机床的进给系统中，此次设计的钻孔机就是将滚珠丝杠螺母副应用于进给传动系统中。2.6.2滚珠丝杠螺母机构的特点滚珠丝杠的效率更高。相较滑动丝杠而言，滚珠丝杠内部的滚珠大大减小了运动单元与丝杠之间的摩擦，这使得效率可以提升3-4倍，同理在等负载的情况下，电机的启动力矩将会大大减小。运动灵敏，低速无爬行现象。正因为滚珠的存在，滑块的动摩擦系数与静摩擦系数差距不大，转向更加灵活，而且在运转速度较低的条件下轻易不会出现爬行的状况。可消除轴向间隙，轴向刚度高。滚珠丝杠可以在加工时增加预紧力，依次来减小轴向的缝隙，增加进给系统的定位精度。磨损小，精度保持性好。相较滑动摩擦，滚动摩擦对丝杠的磨损更小，而且丝杠和螺母都经过淬火，增加其刚度和使用寿命，便于保持较高的精度。摩擦系数小，无自锁现象。这种机构可以使电机产生的旋转动力与运动单元的水平直线运动之间相互转化，即有运动的可逆性。因此当用于垂直传动时须有制动装置或自锁机构。工艺复杂，成本高。滚珠丝杠以及螺母等零件形状复杂，加工工艺以及工件表面粗糙度要求高，所以铸造的成本也将变高。2.6.3滚珠丝杠螺母副的支撑方式机床丝杠一般的安装方法有固定--自由、固定--支撑、两端都固定三种，第一种在固定一端的轴承会受到来自径向和轴向的双重压力，仅适用于行程较短的丝杠副；第二种的固定端同样会受到径向和轴向的压力，在支撑的一端承受径向压力，而且可以有小幅度的轴向滑动，可以有效的减小丝杠因为自身重力问题产生的扭曲；最后一种两端都采取固定的方式，两端的轴承都会受到来自径向和轴向的压力，此时可以对丝杠增加合适的预紧力来加强丝杠的强度，同时也可以有效预防小幅热变形带来的影响。为了提高支撑刚度，滚珠丝杠副以两端都以固定的形式安装。最后确定滚珠丝杠部分的装配如图：图2.7滚珠丝杠装配图2.7工作台的尺寸确定工作台的主要功能就是在加工过程中承载工件，暂定工作台的尺寸长×宽×高为,重量约为，最大行程为，T形槽螺栓，T形槽宽度，总高度。具体构造三维图如图：图2.8工作台三维图示2.8本章小结本章主要对钻孔机的框架结构的选型，控制系统的确定以及工作原理进行了介绍，最后对机架、导轨、工作台等主要工件的选型尺寸确定，传动部分的丝杠以及支撑方式进行选择。第三章机械部分计算与校核3.1切削参数的计算3.1.1切削力的计算工件加工时的切削应力与工作时加工材料的硬度以及被吃刀量和需要加工的孔径大小有关，可以按《机械加工工艺手册》中的计算公式来进行计算。方向的切削力为：考虑到钻床钻削铜板或铝板上的孔，所以工件材其中料以铜来设计，其中的最大孔径为计算。查手册中有关数据得，，，，进给量查得，取。则3.1.2切削功率的计算切削扭矩：查表，可知：，，，，所以：切削速度：式中：为刀具耐用度，查表取；取，，，，，因此：切削功率：3.2滚珠丝杠的选择计算3.2.1最大动载荷Q的计算在选择滚珠丝杠的具体参数时应当着重考虑其当量动载荷Q来选择：式中的为工作时丝杠的最大载荷；为工作寿命；为载荷性质系数，无冲击，一般情况取，有较大的冲击或震动时取，本设计取；为硬度系数取为。丝杠的工作时最大负载是指数控钻床在加工工件时，施加在滚珠丝杠上的轴向载荷，由于加工时夹具稳定理论上不会产生位移，所以加工工件时施加在滚珠丝杠上的力为：式中的为轴方向的切削应力，由3.1.1计算结果得；为工作台和工件质量取极限下的重量，取。即丝杠的工作寿命为：其中，为工作寿命，以为一个单位，为丝杠使用寿命，对于数控机床可以取。为丝杠的转速，这里取。计算当量动载荷为：根据当量动载荷选择滚珠丝杠副的型号，按滚珠丝杠的额定动载荷大于等于的原则确定滚珠丝杠副的型号为，即内循环方式，基本导程为，公称直径为，丝杠内径为，丝杠外径为，螺纹为左旋，刚球直径，负荷钢球圈数为，4级精度的传动滚珠丝杠副。该滚珠丝杠的额定动载荷为，而，符合设计要求。轴向刚度。预紧力，三个方向的进给系选用同一型号滚珠丝杠，因为Y向负载最大，所以只需对Y向的丝杠进行校核，如图为Y向的丝杠。图3.1滚珠丝杠示意图图3.2Y向滚珠丝杠示意图3.2.2效率计算滚珠丝杠的传动效率：式中的为螺纹的螺旋升角，为丝杠上螺纹的摩擦角，其摩擦系数。由式得知摩擦角约等于；为滚珠丝杠的导程。所以该滚珠丝杠的传动效率为。3.2.3刚度的验算数控钻床传动系统中的滚珠丝杠具有很高的精密度，在工作载荷P的压力下，它会伸长或缩短，同时对于力矩M也会对其有较大的影响，会使其弯向一边或另一边，同时滚珠丝杠的螺距也会发生相应的改变，使其传动精度和定位精度变差。所以滚珠丝杠应该计算其在满负荷工作情况下的形变情况以及对精度的影响。《材料力学》中指出，丝杠在因承受工作载荷的作用而发生一个螺距的变化量,可按下式计算：式中的为丝杠轴向的工作负载；为滚珠丝杠的螺距；为材料的弹性模量，本设计中丝杠的材料为，取其；A为滚珠丝杠的横截面积。所以变化量为：丝杠因承受扭矩作用而引起一个螺距的变化量，因为在实际的传动过程中扭矩不大，因此该变化量忽略不计。导程变化总误差为：查《机械设计》得丝杠在4级精度下允许的误差，所以滚珠丝杠的选用符合要求。3.2.4稳定性验算滚珠丝杠在工作时主要承受的力是轴向力，当时如果轴向力的大小一旦超过该丝杠所能承受的极限时，就会产生弯曲形变，并且失去固有的稳定性，所以应当验算其压杆稳定性。丝杠失稳时的临界负载，可用欧拉公式计算：其中：为材料的弹性模量，本设计中丝杠的材料为，取；为截面的惯性力矩，本设计中丝杠为实心杆，因此其截面惯性力矩为；为滚珠丝杠的总长，对Y向丝杠校核，；为丝杠的轴端系数，根据固定的方式有关，该部分采取的是两段固定的方式，取.临界负载与工作负载之比称为为稳定性安全系数。如果稳定性安全系数大于许用稳定性安全系数，则该压杆安全不致失稳。故此滚珠丝杠不会失稳。较长的滚珠丝杠在高速转动时会有共振现象产生，因此需要检验滚珠丝杠的临界转速即不会产生共振现象的最高转速。而由于本传动系统中，滚珠丝杠转速不高且相较普通钻床丝杠长度更短，因此，临界转速就不需校核。本钻床使用步进电机直接驱动滚珠丝杠，因为步进电机有一定范围转速内的自锁的能力，所以该系统不需要加装机械制动装置。3.3纵向步进电机的选择及计算3.3.1选择步进电机在进行步进电机选择时有以下几点需要满足：工件加工过程中，步进电机上最大的负载转矩必须小于电机的额定转矩；电机的转子惯量应与负载惯量相匹配；空载进行快速定位时丝杠电机上的转矩也需要小于选择步进电机的最大转矩。3.3.2最大负载转矩计算在选择步进电机时应当根据加工工件时最大负载转矩小于等于电机的额定转矩。最大切削负载转矩T可根据下式计算，即:由前文数据得知钻床最大进给力，为工作台和工件的最大质量，取；钻削时工作台停止移动，故；为脉冲当量，这里取；丝杠导程，预紧力，总机械效率取，因此由于滚珠丝杠上施加的预紧力而产生的摩擦力矩为：查《角接触推力球轴承组配技术手册》可知单个角接触轴承的摩擦力矩为，故一对轴承的摩擦力矩。其摩擦力可忽略不计。电机与丝杠直连，其传动比。3.3.3负载惯量计算步进电机的转子惯量应与负载惯量有关，而负载惯量的计算方式如下。（1）工件和工作台折算到电机轴上的惯量，工件与工作台的最大质量，可按下式计算，即：其中，v为工作台的移动速度（m/s），丝杠导程，w为步进电机的角速度（rad/s），m为加工时工件和工作台的总重量（kg）。（2）丝杠加在电机轴上的惯量，丝杠名义直径为，，丝杠材料钢的密度。根据下式公式，丝杠加在电机轴上的惯量为：（3）联轴器加在锁紧螺母等的惯量可以查阅资料得到：（4）负载总惯量为：按照数控机床惯量匹配条件，，所选步进电机的转子惯量应在范围内。根据以上计算公式，根据参数选择满足要求的型反应式步进电动机。型步进电动机的主要参数如下：相数为；步距角；相电流；最大静转矩；电压；电阻；尺寸外形；重量0.65kg；转子转动惯量，额定转矩；最大转矩，机械时间常数。3.3.4空载转矩计算当运动单元空载时从静止转变为快移动速度模式时，需要施加的转矩为：（1）空载加速时，主要克服的是惯量。选用该步进电机总惯量为：（2）加速时间经常取的倍，取所以：空载加速转矩不得超过电机最大输出转矩，型步进电动机的，满足设计要求。三个方向进给系选择相同的步进电机。3.4滚珠丝杠轴承的选择及校核3.4.1丝杠轴承的选择轴承的类型与滚珠丝杠副的固定方式以及应力状态等有着密切的联系。为了使该数控钻床的进给系统的传动刚度保持在较高水平，需要加强滚珠丝杠螺母的刚度的同时，也要正确安装滚珠丝杠并选择合适的支承结构以保证其具有较高的刚度，提高螺母座和支撑座的刚度和精度也是保证系统拥有高传动刚度的有效方法。提高螺母座的接触强度和刚度的方法，一般为加大机床与连接件的接触面，设计钻床时在加工工艺允许的情况下，往往将机床本体与螺母座和支承座制做成一个整体以获取较高的刚度。滚珠丝杠上的轴承往往需要有一定的轴向刚度，因此滚动轴承的选择也很重要。目前来说，我国轴承组合的方式有两种。一种是径向轴承与圆锥轴承相组合，结构简单，但不具有良好的轴向刚度。另一种是推力轴承或径向推力轴承与径向轴承的组合，在轴向刚度方面有了一定的提升，但就其缺点而言轴承的在运转时产生的热量和与轴之间的摩擦力都有所增加，轴承支架的基本尺寸也有所增加。最近几年，各个地区的轴承制造商纷纷产出专用于滚珠丝杠的滚珠轴承，它是在实际的工作中能经受的起较大轴向力的。与普通此类轴承相比，它的接触角能够达到，轴承内小球的个数更多，从而使轴承的直径比普通的此类轴承更小。相较一般的滚珠轴承向心推力球轴承的轴向刚度最少翻了一倍，使用起来很便捷，产品在出厂时一般都为一对，并在工厂中选用与内外圈厚度相匹配的内外圈来组装，内圈与外圈可与螺母和端盖紧密压合，出厂时可获得预紧力。为了增加滚珠丝杠的刚度，丝杠选用两端固定的方式，固定的轴承都为的角接触轴承，主要有以下的优点：刚度高，承载能力强；钢球多，接触角大；能够经受来自径向和轴向载荷，且可以使丝杠框架更加简洁。因为滚珠存在降低了滚珠轴承的启动力矩，从而降低电机的启动压力，从而提升了整个系统的灵敏性。所以依据上述的描述，选择轴承的型号为，内径，外径，宽度，基本额定动载荷，基本额定静载荷，极限转速（脂润滑）为。3.4.2滚珠丝杠轴承校核轴承的基本额定寿命可由《机械设计》上的公式确定：式中：为丝杠工作时的最大载荷；为基本额定寿命；为寿命指数，对于球轴承；n为轴承的工作转速，取；C为基本额定动载荷，。故所选轴承合格。3.5联轴器的选择由于电机轴和丝杠要求轴线始终在一条线上，在工作中不会发生相对位移，所以选用刚性联轴器，又由于支架内空间小，而这种设计要求传递扭矩不大，所以选用简单的套筒联轴器，并用两个垂直销传递扭矩。因为两个不同的轴颈连接，所以特定尺寸要设计，在工厂定制。结合丝杠和电机轴的尺寸确定联轴器的尺寸为，圆锥销从GB117-86标准中选取，其中电机端圆锥销为，丝杠端圆锥销为。3.6主轴系统结构设计3.6.1确定轴的最小直径主轴结构形式要根据零件加工工艺决定，并应考虑主轴的工作条件和受力情况，轴的材料选为45钢，并对其调制处理：由《机械设计》第四版式16-2可知，传动以转矩为主的轴，按许用切应力计算，轴的最小直径：式中：P为轴传递的功率，这里按切削功率来计算，由3.1.2可知：；n为轴的转速，这里取；为许用切应力；为与轴的材料有关的系数，该主轴系统中轴的材料选择为45号钢。查表得：，，所以综合安全因素和圆锥销对主轴强度的影响考虑，这里取最小直径主轴的具体直径情况与设计方案如图：图3.3主轴设计示意图主轴与联轴器通过圆锥销进行连接固定，根据连联轴器部分，由《机械设计课程设计手册》可以查得圆锥销的尺寸取。3.6.2主轴电机的选择主轴电动机是数控钻床主传动部分的主要部件之一，它的型号与功能直接影响后续的调速以及进行加工的方式。伺服电机和脉冲步进电机都是恒转矩的，而且功率并不会很大，所以他们的适用范围仅限于直线进给等简单运动上。直流电机结构复杂，而且价格高不经济实用，其内部的换向器和电刷很容易在实际运行中出现故障，所以也很难担起主传动系统中的重任。所以本数控钻床主轴电机采用交流调速电动机，因为交流调速电动机的体积相对较小，转动惯量小，动态响应更加迅捷，没有电刷，而且能达到的最高转速比同功率的直流电动机还要高，磨损和故障也相对较少。目前来说适用于本钻床的系列交流主轴电机，它们的连续运转额定功率分别为7.5kw、11kw、15kw、18.5kw、22kw五种规格，电机的最高转速，额定转速，最低转速。在丝杠螺母副部分已经算出主轴传递全部功率时的最低切削速度n，即电机的额定转数，为。所以电机所需最大功率由于所需切削功率并不是很高所以选择电机功率即可，电动机额定转速为额定最高转速为最低转速3.6.3主轴轴承的选用主轴轴承主要承受得的载荷是轴向载荷、径向载荷，其中轴向载荷是主要的，所以选用角接触轴承，同时可以承受轴向和径向载荷。其主要选择如下：现选用型号，基本尺寸为：，外径，宽度，基本额定动负荷，基本额定动载荷，极限转速为（在正常润滑下）。3.6.4主轴轴承的疲劳寿命校核由公式可知，轴承的基本额定寿命为：式中的P为当量动载荷，由公式可计算得，其中为冲击载荷系数，取1.1；为径向载荷，因钻削时主要受轴向力，径向力很小，在次计算中忽略这部分；为轴向载荷，为；X、Y为径向动载荷系数和轴向动载荷系数，，；所以；为基本额定寿命；为寿命指数，球轴承；滚子轴承；n为轴承工作转速，；C为基本额定动载荷，。故所选轴承合格。3.6.5轴的强度校核主轴在工作时理论上受的力主要为轴向的压力以及所传递的扭矩，但在具体分析时发现，其径向力和轴向力的影响不是很大，故对轴进行扭转强度条件进行校核。由《机械设计》第四版式16-1可知式中的为扭转切应力，单位为；T为轴所受的扭矩，单位为；为轴的抗扭截面系数，单位为；为轴的许用转矩切应力，单位为；：P为轴传递的功率，这里按切削功率来计算，由3.1.2可知：；n为轴的转速，这里取；d为轴的直径，因为此处轴的直径分几段的不同，所以按平均计算。查《机械设计》第四版表16.2，45号钢的，，所以轴的强度符合要求。3.7本章小结本章主要内容是对一些主要部件的计算部分，首先计算钻床在工作时将会产生的切削应力和切削功率，然后根据数据对钻床各部位进行划取选择，然后依据滚珠丝杠所受的最大动载荷选取合适本钻孔机的丝杠型号，然后计算其实际工作时传递动力的效率，验算其刚度和稳定性，以防发生断裂影响钻孔机的运转。根据加工工件时最大切削负载转矩小于等于电机的额定转矩来选择步进电机，和滚珠丝杠相同，Y向上的负载最大，所以只需对Y向进行校核，三轴进给系统选一样即可，接下来是滚珠轴承的选择，并对其疲劳寿命进行校核，确定联轴器的尺寸。在主轴设计时，先确定轴上的最小轴径，再进行轴的设计，通丝杠一样选择合适电机，选择700AC型号的滚珠轴承，然后对疲劳寿命进行校核，最后对设计的主轴进行强度校核。结合二三章的设计内容，总体的三维装配图如下。图3.4数控钻孔机装配图第四章经济性分析与环境安全保护4.1经济性分析此次设计的小型数控钻孔机主要包括三个部分，分别为主轴系统、三个方向的进给系统和机架整体部分。在框架搭建上，底座选用大理石的材质，相比铸铁其抗震性更强，而且性价比高，受力变形也小；机架的设计和普通龙门式钻床的结构相似，不单独设计横梁，用顶梁代替横梁，其功能效果相同，机架的材质选用，其耐热性、耐磨性、强度均较好，铸造性与减震性好；可调机座选用橡胶材质，有良好的降噪功效，而且性价比高。进给系统中滑轨使用滚动滑轨而非滑动导轨，提高钻孔机加工时的精度，而且其产生的噪音也有了一定的改善；将丝杠设计为滚珠丝杠，可以最大限度的减小摩擦带来的精度影响，而且丝杠启动时，对电机功率的需求也有所下降。主轴系统中，主轴工作时要求有足够的刚度，同时轴上配有主轴套筒和与电机之间连接的刚性联轴器，材料均选为45号钢；同时固定电机还需要有电机的支撑架。在价格方面，框架部分的总费用在1500元；一共有三条滚珠丝杠副需要定制，每条费用为200元；步进电机三个，每个70元；滚珠直线导轨四条，每条150元；主轴电机一个，费用在200元左右；主轴也需要定制加工，价格在100元左右；角接触轴承螺钉螺母垫片等费用按200元计算。由于此过程是独自完成，人工费用为0，总计费用为3410元。通过经济性分析可以得知此设计较为合理，具有一定的可行性，与其他国内外的小型数控钻孔机进行比较，减少了资金的消耗。具有良好的经济效益，与一定的实用性。4.2环境保护与安全性分析本设计是靠电能来驱动，所用的能源为绿色能源，对于环境无污染。在机械框架以常用金属为材料，对环境没有任何污染，而且机床在设计时充分考虑噪与减震，可以大大减少噪音污染。而且经过校核可知，机床具有一定的强度，结构稳定安全。而且在钻孔机上还可以加装其他的检测设备，限位开关等，使其结构和功能更加完善。综上说明此设计是可以顺利完成工作要求，而且环保安全。第五章结论通过此次毕业设计的研究与总结，在老师和学长的指导下，对所学课程理论知识进行一次系统的回顾、检查、复习和提高，并运用所学理论，通过调研，解决一个实际工程问题，受到了从理论到实践的综合训练，培养了独立运用所学理论解决具体问题的能力，为将来研究生的生活提供坚实的基础。该小型数控钻孔机在理论上基本上实现了任务说明书中要求的功能、传动方案设计、总体结构设计等要求。尽管设计者已尽自己的最大努力，但由于自身水平有限，设计中难免有欠妥之处；虽然整体设计比传统设备的性能有了很大提高，但与市售产品比较起来还是比较简单的，仍需进一步改进，希望得到各位的斧正。此毕业设计设计的是主要用于板类零件钻孔加工的小型数控钻床。本文对其机械系统及控制系统分别做了设计。主要设计思想如下：1.机床总体