微型钻床设计

PAGEPAGEI题目微型钻床设计PAGEPAGEII摘要目前，工业、经济和医学等领域对微型化产品的需求不断增加，产品微型化技术已经成为了一种趋势。与此同时，高精度的微小零件需求量也越来越大，使用正常机床制造微小零件难免产生了一些问题，比如说功耗大，成本高，效率低，占地面积大等缺陷，于是微型机床应运而生。项目设计采用步进电机和PLC控制，设计三轴微型数控钻床，研究并设计微型数控三轴机床结构系统和控制系统。详细调研三轴数控钻床和微机电技术，在此基础上，研究并设计微型数控三轴钻床，完成微型数控三轴钻床结构设计，包括床身、X轴、Y轴、Z轴等结构设计；完成微型数控三轴钻床控制系统设计，包括控制原理图、数控平台选型等设计。开发三轴数控钻床，对于中国制造业的发展有着重大意义。关键词：微型钻床，PLC，数控，步进电机ABSTRACTAt

present,

the

demand

for

miniaturization

products

in

the

fields

of

industry,

economy

and

medicine

is

increasing,

and

the

miniaturization

technology

has

become

a

trend.

At

the

same

time,

the

demand

for

high-precision

small

parts

is

also

increasing,

the

use

of

normal

machine

tools

to

manufacture

small

parts

will

inevitably

produce

some

problems,

such

as

high

power

consumption,

high

cost,

low

efficiency,

large

footprint

and

other

defects,

so

micro

machine

tools

came

into

being.The

design

of

the

project

adopts

stepping

motor

and

PLC

control,

designs

the

three-axis

micro-cnc

drilling

machine,

studies

and

designs

the

micro-cnc

three-axis

machine

tool

structure

system

and

control

system.

Detailed

investigation

of

three-axis

CNC

drilling

machine

and

mems

technology,

on

the

basis

of

this,

research

and

design

of

micro-cnc

three-axis

drilling

machine,

complete

the

micro-cnc

three-axis

drilling

machine

structure

design,

including

the

bed,

X

axis,

Y

axis,

Z

axis

and

other

structural

design;

Complete

the

design

of

micro

CNC

triaxial

drilling

machine

control

system,

including

control

schematic

diagram,

CNC

platform

selection

and

other

design.

The

development

of

three-axis

CNC

drilling

machine

is

of

great

significance

to

the

development

of

China's

manufacturing

industry.

Keywords:Microdrilling

machine,

PLC,numerical

control，

Stepper

motorPAGEPAGE2目录TOC\o"1-3"\h\u9154摘要 I15332ABSTRACT II23585第一章绪论 147861.1微型数控机床的发展 1301021.2国外现状 150771.3国内现状 151891.4微型钻床研究的意义和价值 212699第二章微型钻床整体设计方案 3115462.1微型数控钻床的组成及其工作原理 3291292.1.1微型数控钻床的组成 3128222.1.2微型数控钻床的工作原理 332482.2设计方案 4218072.3设计方案比较及确定 62235第三章机械结构设计 7177063.1微型数控钻床的结构 7205033.2设计钻床底座 7241523.3设计滚珠丝杆副 759983.3.1滚珠丝杆介绍 7117273.3.2选择滚珠丝杠 877293.3.3校核滚珠丝杠 823463.4设计工作台 10204353.5选用电机 10290003.5.1步进电机控制原理 10184413.5.2步进电机特点 11243.5.3步进电机分类 1166313.5.4选用步进电机 12250113.5.5校核步进电机 1230996第四章控制系统设计 1369944.1控制系统简介 1375304.2控制系统设计方案 1349974.3方案的分析比较与确定 16105894.4PLC应用 1632010第五章总结 175397参考文献 1823472致谢 19PAGEPAGE19第一章绪论1.1微型数控机床的发展20世纪末微型机床概念首次提出。而发展到现在，机床行业的发展呈现两个方向，大型超大型化和。其中的小型微型化数控机床成为了20世纪最具有影响力的核心技术榜之一，可见一斑。1.2国外现状在1988年，由日本的实验室首次提出了一个微型机床概念原型，即缩小机床的尺寸，并用这种微型机床来生产小型零件，这是微型机床概念首次正式出现。MEL在1996年开发制造了全世界第一台小型机床。在随后的时间里，MEL还陆陆续续开发了其他机床。自此，发达国家如美国，日本和西欧等国家在微型机床方面取得了丰硕的成果，然而我们国家相比于发达国家起步较晚。以欧美及日本为代表的发达国家在20世纪的后期开始大力发展数控技术。目前，如欧美日本这样的发达国家的数控技术发展的重点主要可以归纳为以下的几点:高速化、智能化、环境方面的环保化、高精度还有就是我们本次论文着重提到的微型化。在2010年，有一家注重于生产高品质的瑞士公司开发了一台四轴机床，可以实现三轴联动，整个机床采用伺服电机来驱动，在最近几年，在初代四轴机床的基础上又开发了二代，一经面世就受到很多人的欢迎，是一台非常优秀的多功能数控机床，可以做到钻孔，磨孔，除此之外，它还有雕刻机和3D打印功能，性能非常优秀，现在国外对微型机床的研究依旧在稳步发展。1.3国内现状与国外相比，国内对于微型机床的研究虽然不算晚但还仍在一定的差距。在05年之前，国内在微型机床的研制开发方面还没有过报道。直到2005年，哈尔滨工业大学才成功研制出国内首台微型机床，虽然与国外相比落后几十年，但是也是一个里程碑，自此，中国的微型机床研究成爆发增长。上海交大、南航大学等大学也相继开展了机床微型化技术的研究工作。在09年，南京航空航天大学有了成果，他们开发了一台立式三轴微型铣床。此外，近几年其他大学学校也相继研发出微型机床，并成功完成相应的机床加工作业。在2018年，桂林电子科技大学研发明了一种小型四轴数控雕刻机，本发明大大的减少了机床零件加工量，不仅节约时间提高了生产效率，也降低了很大的成本,功能稳定、工作可靠、结构紧凑,适用于小型企业和各高校的教学设备。1.4微型钻床研究的意义和价值产品微型化技术已经成为一种趋势，同时我们国家在微型机床方面的研究与国外相比存在差距，无论是性能，商业化和加工精度。因此开展微型机床的学习和研究十分有必要。对学校来说，引进微型机床能够节约成本，减少占地面积，在不影响教学质量的同时，对于学生来说操作更加安全。对于这个社会来说，大力发展微型机床，高性能的微型机床产品能提高企业产品精度，企业成本，占地面积的减少等，从各方面地减少企业成本。对于国家来说，我国一直非常重视微型机械的发展，甚至把微型机床列为国家发展的重点项目。高性能的微型机床能制造生产出高精度的零件，应用在军事等各个方面，能大大提高我国的国防实力。综上所述，将微小机床进行推广普及，同时让更多的专家学者和优秀的企业进行研究开发，一步步的取代一些性价比低大型机床，对于我国在微型精密加工的领域内会产生重要影响。

第二章微型钻床整体设计方案1.1微型数控钻床的组成及其工作原理1.1.1微型数控钻床的组成数控机床即数字控制机床，是一种由控制系统驱动的自动化机床，数控机床主要由数控装置，伺服系统，机床本体，检测系统还有其他装置组成。以下图2.1即数控钻床的组成简图。。图2.1数控钻床组成2.1.2微型数控钻床的工作原理(1)使用者将其编制好的程序通过键盘或者输入机将数字信息发送给数控设备里的装置。

(2)数控装置将一系列信息处理好，将其转变为脉冲信息发送。

(3)当PLC接到这些指令后，机床进行运行且将机床执行指令的实时情况发给数控装置。

(4)当伺服系统接收到这些进给执行指令时，将会驱动坐标轴精准进行移动，完成机床加工。

(5)在坐标轴位移过程中，检测反馈装置会将实测值发送给数控装置，以便和指令值进行比较补偿，直到两者吻合。

(6)在坐标轴位移过程中，如果发生“超量程”的现象，限位装置可以发出警告并停止来保护机床。2.2设计方案1.方案一数控龙门钻床和其他的钻床组成基本相同，但是顾名思义多了一个龙门横梁。数控龙门钻床有三个数控轴。在X轴：龙门即床身上装有直线导轨可使机床在X轴方向上运动。在Y轴：在龙门横梁上装有导轨，钻头可沿Y轴运动。在Z轴：钻头可在垂直方向沿Z轴进行运动。X、Y、Z轴都采用数控伺服电机加滚珠丝杠传动。以下图2.2为数控龙门钻床实物图。图2.2数控龙门钻床实物图2.方案二无论是X,Y或者Z轴，钻头都可以运动，而工作台是不动的，在学校工程实训期间，我们接触到的三坐标测量机就是如此。如图2.3是运用方案二的实物三坐标测量机图。图2.3三坐标测量机实物图3.方案三以下图片的钻床方案主要是在X和Y轴的方向上，工作台进行移动，在Z轴的方向上，钻头进行移动。如下图2.4立式钻床实物图所示。图2.4立式钻床实物图2.3设计方案比较及确定第一种方案是微型龙门式钻床，有普通的龙门式钻床进行参考。第二种方案设计方案钻床中虽然较为少见，但我找到类似的简单微型机床模型可以供我参考，能够给我很大帮助。第三种方案在生活中有一个具体例子，但内里的结构对于我来说较复杂，画出三维较困难。综合思考下来，首先我的钻床将采用步进电机来进行驱动，采用这种驱动方式可以消除传统丝杆的传动误差，提高了钻床的精度。而我的第一种方案里，采用的是伺服电机加滚珠丝杆传动，不是我想设计的机床。其次传动方面选用滚珠丝杆，精度高，耗电少，使用寿命长，第二，三种都符合，这两种方案比较下来，由于方案二找到了类似的微型机床，对于我来说，设计处理比较简单，所以最终思考下来将使用方案二来作为我本次的设计。

第三章机械结构设计3.1微型数控钻床的结构数控机床由底座、丝杆导轨、工作台、立柱、机头等组成。我设计的微型立式钻床，在X和Y轴的方向上，工作台进行移动，在Z轴的方向上，钻头进行移动。三个方向上的运动皆使用了滚珠丝杆副将回转运动转化为直线运动，摩擦阻力非常小，具有很好的传动效率，同时由于其特性，还能很大程度上节省电力。3.2设计钻床底座底座是机床的基础，在底座上我们会安装各种各样数控机床装置，它对机床来说主要起的是一个支撑作用。如果没有底座，我们在加工时钻头会上上下下起伏，加工出来的零件自然没有丝毫精度可言。一般来说，机床的底座灰铸铁，偶尔也会使用大理石材料作为底座。灰铸铁有诸多优点，铸造性能好，减震耐磨等。而大理石是种天然材料，容易染上污垢，且不能承受过大撞击，偶尔会由于各种原因会轻微变形。综合考量，我的机床底座材料使用灰铸铁。如图3.1所示的就是我所设计的机床底座440×340mm,具体可见CAD图纸。图3.1机床底座3.3设计滚珠丝杆副3.3.1滚珠丝杆介绍在数控机床里将直线运动和滚动运动互为转化的装置叫做滚珠丝杆，滚珠一出现就被广泛应用在精密的仪器和装置里，它能如此发展的原因就在于它能将滚动运动转化为直线运动且摩擦力极小。滚珠丝杆副的工作原理：在丝杠还有螺母上上加工了弧形螺旋槽，把两者组装在一起就会形成一个螺旋通道，通道里装满滚珠。当丝杆和螺母做相对运动时，滚珠开始在通道内滚动，这种装置产生的摩擦力极小，在螺旋槽的两头有一个回程装置，可以让滚珠逐渐滚回原来的位置，形成闭合回路。如图3.2是滚珠丝杆副结构图。图3.2滚珠丝杆副结构图滚珠丝杆副特点：1.在概述里说过，这是一种直线运动和旋转运动互相转化的理想产品，因此传动效率非常高，大概在85%到98%之间。同时，它的驱动力矩是滑动丝杆副的1/3,动力也是其1/3，因此更加节省电力。2.滚珠丝杆副基本都是由日本制造的机械设备生产，日本在各个工序工厂的环境方面有着非常严格的控制，属于世界最高水平，它完善的品质管理水平对产品的品质做出了严格的保证。3.滚珠丝杆副利用滚珠进行运动，因此启动力矩极小，不会出现滑动丝杆副里的爬行现象，能够精确保证进给。3.3.2选择滚珠丝杠因为选择的精度为±0.050/300mm，所以查阅资料后，选择C7级的滚珠丝杆。根据要求，选择校核的滚珠丝杆的长度为350mm。3.3.3校核滚珠丝杠1.计算丝杆的最大动载荷：(3.1)（=1.2，=1.0）(3.2)查阅资料可得，Fx=Fy=Fz=0，k≈1.1，导轨摩擦系数约0.004，假设G=350N，所以：(3.3)假设转速n为1800r/min，使用期限T为一万五千小时，所以可得最大载荷为20N计算滚珠丝杆副传动效率：（3.4）所以滚珠丝杆副传动效率为：2.计算滚珠丝杆副稳定性由欧拉公式：(3.5)钢的弹性模数E=截面力矩为：丝杆工作长度L约为29cm。所以此丝杆副两头是不动的，是以轴端系数μ=0.5如果=/>,那么这根丝杆肯定安全。3.4设计工作台工作台即放置被钻零件，此次我设计的工作台如下图3.4.1所示，使用的是成品标准件，具体可见成品CAD图。图3.3工作台3.5选用电机3.5.1步进电机控制原理步进电机又称脉冲电机，它能根据收到的电脉冲信号进行驱动，主要是脉冲转变为转变为电动机轴的步进转动，每接收一个脉冲信号，电动机轴将步进转动一步。在数控机床中步进驱动器就是把数控系统输出的脉冲信号经步进驱动器放大后驱动步进电机。三相反应式步进电机的原理图结构图如图3.4所示。在定子上均匀地分布了六个磁极且磁极上都有绕组,而其中相对的磁极组成一组。绕组的连接如图3.5所示。转子上没有绕组,其铁心通称为叠铁芯是由于它是用硅钢片或软磁性钢片叠成的。图3.4三相反应式步进电机原理图图3.5三相反应式步进电机结构原理图3.5.2步进电机特点电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的控制电动机是步进电机。它的主要特点是:

（1）每输入一个电流脉冲，步进电机轴就转动一步，在没有脉冲输入时，步进电机轴能稳定停留在原来的位置上。

（2）随着脉冲数增加，角位移也会随之增加。

（3）输入的脉冲频率越高，电动机转速越快，反之亦然。（4）当我们改变了脉冲相序，电机旋转方向改变。（5）电机输出精度较高，一般只有相邻误差，没有累积的误差。3.5.3步进电机分类步进电机种类繁多,其分类也很多：按力矩产生的原理，可分为反应式、永磁式和永磁感应式。按输出力矩大小，可分为伺服式和功率式。按绕组相数，可分为二相、三相、四相、五相、六相等。以下图3.6为步进电机实物图。图3.6步进电机实物图3.5.4选用步进电机我这次选择了型号为573S09三相六拍的步进电机。相数为3，步距角为1.2°。相电流为3.5A。电压为24V，电阻为0.7Ω。转子转动惯量约为300G.CM2。3.5.5校核步进电机由公式3.6：(3.6）其中，可得：查阅资料可知：时，有最大静转矩所以，所以，

第四章控制系统设计4.1控制系统简介控制系统是一种控制管理系统，它控制着设备各部分平稳运行。控制系统使操作更方便，生产设备自动化，节省了工作人员的操作，提高企业的效率，增加了产量。稳定性，快速性和准确性是一个好的控制系统必备的。控制系统早在20世纪40年代就已经投入使用，到现在已发展到第三代，它被广泛应用于各个领域，如工业，军事还有在我们的生活中，同时它的应用领域也在不断扩大。4.2控制系统设计方案方案一：PLC控制PLC即可编程控制器简称PC,然而为了与个人计算机的PC相区别，简称改成了PLC。在传统控制器的基础上添加了各种各样的技术，形成了一种新的控制装置，部分取代了以前的控制器，建立了一种新的柔性控制系统。PLC有着许多优点：1.可靠性较高PLC可靠性高，在技术方面，它采用了集成电路技术。在生产方面，企业生产成品时要求严格监制严格。而在PLC的内部电路里，采用了抗干扰技术，即使环境严苛，依旧可以工作，可靠性高。此外，PLC有自我故障检测功能，如果出现故障，它可以及时发出警报，保障安全。使用者还可以根据需求编入其他器件的故障检测程序，使系统中除了PLC以外的电路及设备也可以获得保护。这样整个PLC系统具有极高的可靠性。举个例子，三菱公司生产的PLC做过实验，产出的PLC平均可以一直工作30万小时而不出故障。2.配套齐全，功能完善，适用性强首先PLC发展到今天，已经有了各种各样规模的系列化产品，可以用于各种工业现场。其次我们目前使用的PLC已经具备了基本且完善的运算能力。最后目前PLC使用性极强，组成控制系统非常容易。3.易学易用PLC作为通用的控制系统，最初就是面向企业的，因此它的编程语言是每个企业编程人员必须会的。PLC的一些知识与继电器十分相似，只需要工程人员会少量的开关控制指令，学习非常容易。为不是特别懂编程和计算机技术等等知识的人行了方便。4.系统的设计、制造周期短，维护方便，易改造PLC减少了设备外部的接线，缩短了设计及制造的周期，与此同时，维护和改造也变得容易。体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，最新出产的PLC产品尺寸小于100mm，重量低于150g，功耗低。且由于体积小很容易装入机械内部。抗干扰能力强PLC可以直接应用在施工现场，具有较强的抗干扰。方案二：单片机控制单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术，把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等具有数据处理能力的功能集成到一块硅片上，形成了一个虽小但十分完善的计算机系统，它在工业控制领域广泛应用，在我们的生活中也随处可见。单片机在1980年左右只发展到4位、8位，到现在已经有300M的高速单片机。图4.1单片机单片机特点：性价格比高在国内市场上，最便宜的单片机芯片只有几块钱，而一张芯片在加上少量的外围器件就可以组成一个功能完善的单片机系统。集成度高，体积小，可靠性好单片机把各种功能都集成在一块芯片上，内部采用总线结构，避免了大量接线，可靠性好且抗干扰能力强，由于所有功能都集成在一块芯片上，所以体积小，对其容易采用密封等措施，相较于PLC更适合在恶劣环境下工作。3.控制能力强单片机指令丰富，能充分满足工业控制上的各种要求。4.耗电量低且便于生产便携式产品。5.易扩展方案三：控制板控制板是一种电路板，满足了大多数控制系统的应用需求。它的运用范围虽然不如电路板来的广，却比普通的电路板来的智能。简单来说，控制板是能起到控制作用的电路板。从孩子用的遥控玩具到企业的自动化生产设备，内部都使用到了控制板。图4.2控制板

4.3方案的分析比较与确定以下表格4.3为三种控制系统比较.单片机PLC控制板性能抗干扰能力一般，环境变化对稳定有影响抗干扰能力较强，可应用在工业现场抗干扰能力较弱价格开发价低，但周期长价高见效快，性价比较高贵维护不易于维护较方便方便体积小较小大表4.3三种控制系统方案比较综合性能，价格，维护，体积等方面，我觉得PLC性价比是最高的，因此钻床的控制系统选择PLC。4.4PLC应用PLC控制原理图，如图4.4：第五章总结经过几个月的努力，我的毕业设计终于完成，在没有做毕设之前，我觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是当我完成毕业设计时，我觉得这是对我四年大学生活的检验及总结。我的本次毕设就是设计一个微型数控立式钻床，这个钻床能用来加工一些微小且精度不太高的零件，比如说木材。通过本次毕业设计，我确实锻炼了自己的思维能力和动手能力，我想这对我的未来是一笔确实的宝贵财富。毕业设计是我作为一名大学在毕业前的最后一次作业，它既是对学校四年所学知识的全面总结和应用，又是我们今后走向社会一个良好开端，毕业设计能够培养和提高设计者独立分析和解决问题的能力，是我在校期间向学校所交的最后一份综和性作业。通过这次毕业设计我明白了自己原来的知识太理论化，面对单独的课题的是感觉有一份迷茫，自己要学习的东西还太多。学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质，学到老，活到老。万事开头难，从不知道如何入手到最后终于做完了有种如释重负的感觉。毕设做完得到的结论：实践出真知，知识必须通过应用才能实现价值！有些东西自以为会了，其实并没有，反向检验不失为一个好方法。本次设计详细调研三轴数控钻床和微机电技术，在此基础上，研究并设计微型数控三轴钻床，完成微型数控三轴钻床结构设计。解决了如下几个问题：1、桌面微型数控三轴机床总体方案设计。2、床身结构的研究设计。3、X轴、Y轴、Z轴等结构的研究设计。4、控制系统设计。参考文献史素敏.微型机械设计基础研究[C].管理科学和工业工程协会.探索科学2016年5月学术研讨.管理科学和工业工程协会:管理科学和工业工程协会,2016:188.朱慧明,王安,徐成峰,谷峰.钻床的三维设计与仿真[J].科技创新与应用,2017(08):132.刘顺,张冬冬,韩雪.PCB数控钻床工作台部分的动力学仿真与分析[J].湖南工程学院学报(自然科学版),2018,28(01):40-44.孙相博.基于PLC的数控钻床电气系统的设计与实现[D].哈尔滨工业大学,2019.周松霖,蔡长韬,周彦君,马飞达.PCB数控钻床工作台的结构分析与优化[J].机械设计与制造,2016(01):179-182.吴加林,李晓丹,达丽哈.自动钻床的设计[J].装备制造技术,2017(09):158-159.李益东,严思杰,廖黎波,杨自建.一种多工位复合自动钻床的设计[J].机电工程,2012,29(12):1419-1422.刘永刚.微型数控磨床的设计与研究[D].南京理工大学,2013.陈磊.微型精密铣床的研究和设计[D].燕山大学,2015.[10]吴晓明.数控机床自动化控制应用研究[J].中国设备工程,2020(05):194-195.[11]王金参,刘霞.传感器在数控机床中的应用分析[J].轻纺工业与技术,2020,49(02):104-105.[12]刘霞.基于PLC的嵌入式数控机床控制系统设计[J].科技创新与应用,2020(06):107-108.[13]焦静.多功能微型精密数控机床的研制[D].长安大学,2013.[14]高成秀,贾振元,卢晓红.微铣加工关键技术研究现状与发展[J].组合机床与自动化加工技术,2012(01):107-112.[15]吴婷,马西沛.微型数控铣床开发平台运动控制卡的设计[J].上海电机学院学报,2013,16(05):246-252.[16]陈磊.微型精密铣床的研究和设计[D].燕山大学,2015.[17]JanC.Aurich,MarinaCarrella,MichaelWalk.Microgrindingwithultrasmallmicropencilgrindingtoolsusinganintegratedmachinetool[J].CIRPAnnals-Ma