【数控钻床总体方案设计案例3700字】

数控钻床总体方案设计案例综述目录TOC\o"1-3"\h\u13549数控钻床总体方案设计案例综述 1247121.1总体方案的确定 17831.2钻床控制系统 2182801.3钻床工作原理 3252841.4机身部分设计 3212241.5导轨的选用 424371.6传动方式的确定 6101141.6.1滚珠丝杠螺母副的选用 6172131.6.2滚珠丝杠螺母机构的特点 675291.6.3滚珠丝杠螺母副的支撑方式 770361.7工作台的尺寸确定 7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。1.1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1.1：图1.1系统总体结构其机械系统的基本组成如图1.2：图1.2系统基本组成1.2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。1.3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。1.4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1.3。图1.3机架框架三维图示图1.4底座三维图示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1.4。1.5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1.5导轨三维图示1.6传动方式的确定1.6.1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1.6丝杠螺母结构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。1.6.2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。1.6.3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