PLC控制的鉆床設計【數(shù)控多工位立式鉆床】

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The paner has designed for Numerical control auto-drilling machine, using design method of the ordinary lathe, and considering the characteristic of the numerical control machine tools synthetically.Completed a investigation of internal and external of current situation for numerical control multistage-drilling machine, and compared it, put forward a feasible scheme cutting force has been calculated, the structural and the control system has been designed. Finally, the software routine has been explored. Key words: numerical control machining、drilling machine、drilling、 computer control、single chip computer 目錄 緒論…………………………………………………………………………… 1 引言………………………………………………………………………………1 1數(shù)控機床簡介 …………………………………………………………………1 2數(shù)控機床的工作原理與組成 …………………………………………………3 3數(shù)控技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 …………………………………………………3 4我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展 ……………………………………………………5 5本文所做的工作 ………………………………………………………………6 第一章總體機械設計與結(jié)構(gòu)選擇………………………………………………7 第二章機械傳動部件設計 ……………………………………………………8 2.1切削力的計算 ……………………………………………………………8 2.2主軸齒輪傳動方案確 ………………………………………………………10 2.3主軸結(jié)構(gòu)設計及計算 ………………………………………………………15 2.4縱向進給運動的分析及計算 ………………………………………………18 2.5橫向進給運動的分析及計算 ………………………………………………22 2.6Z向進給運動的分析及計算…………………………………………………25 2.7齒輪強度校核 ………………………………………………………………28 2.8回轉(zhuǎn)工作臺運動的分析及計算 ……………………………………………30 2.9齒輪強度校核 ………………………………………………………………33 2.10滑動導軌的結(jié)構(gòu) …………………………………………………………35 2.11導軌及齒輪傳動間隙調(diào)整分析 …………………………………………41 2.12 本章小結(jié)…………………………………………………………… ……42 第三章數(shù)控系統(tǒng)設計……………………………………………………………43 3.1確定機床控制系統(tǒng)方案 ……………………………………………………43 3.2單片機型號的選用 …………………………………………………………43 3.3存儲器的選用、擴展及連接 ………………………………………………45 3.4地址鎖存器 …………………………………………………………………46 3.5鍵盤與顯示接口電路 ………………………………………………………46 3.6 8255與8031的連接 ………………………………………………………59 3.7步進電機接口電路 …………………………………………………………61 3.8總程序流程框圖 ……………………………………………………………64 3.9本章小結(jié) ……………………………………………………………………64 第四章總結(jié) ………………………………………………………………………65 參考文獻 …………………………………………………………………………66 致謝…………………………………………………………………………… …67 引 言 數(shù)控機床是現(xiàn)代科學技術發(fā)展的重要標志之一，隨著這種機床在機加工中的廣泛應用，使傳統(tǒng)的機械加工行業(yè)得到了質(zhì)的飛躍。由于數(shù)控機床相對于傳統(tǒng)機床極大地提高了加工精度、生產(chǎn)率和自動化程度，應用變得極為廣泛。而數(shù)控多工位機床則因其一次裝夾卻能進行多工位的加工。某種意義上講，更大大的提高了機加工的加工效率，很適合工件的批量生產(chǎn)。 針對數(shù)控多工位鉆床的設計，我們要完成： 首先，對數(shù)控多工位鉆床進行結(jié)構(gòu)設計。應滿足：機床的結(jié)構(gòu)剛度要達要求，數(shù)控機床的剛度系數(shù)應該比同類普通機床高50%；應盡量提高機床的抗振性，通常機床的振動包括強迫振動和受迫振動。要提高機床在低速進給時的平穩(wěn)性和運動精度。 第二，對鉆床的主傳動和主軸部件進行設計。數(shù)控鉆床主軸傳動特點是：要使主軸能在軸向方向上移動和使主傳動能進行多級調(diào)速。 第三，多工位的數(shù)控鉆床，必須有主軸箱的進給和工作臺的滑動。在本次設計中，進給傳動和傳動部件也是一個重要的環(huán)節(jié)。數(shù)控機床的傳動多是用步進電機經(jīng)過滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)傳動。對于鉆床來說，工作臺進給機床不加工。故可采用簡單的滑動導軌實現(xiàn)工作臺的進給和主軸箱的進給，多個滑動導軌的疊加組合便可以使鉆床實現(xiàn)X、Y、Z軸三軸向的運動進給。 第四，無論任何機床床身和立柱都是不可少的，數(shù)控多工位鉆床也是不例外的。床身和立柱的設計應考慮：要保證機床各部分的剛度。床身、立柱的結(jié)構(gòu)和材料選擇是必不可少的。 第五，對于數(shù)控多工位鉆床，多工位是必不可少的一步。要實現(xiàn)多工位就必須設計針對鉆床的回轉(zhuǎn)工作臺。 最后，涉及到數(shù)控機床控制部分的設計選擇是重點部分。對于我們的設計只要求設計出機床的硬件部分就是控制元件的選擇和對控制進行初始化處理就可以了。 對于本次數(shù)控多工位鉆床的設計，我們認為：使鉆削加工能實現(xiàn)自動化的數(shù)控加工正是運用到了數(shù)控機床的特點：提高了加工精度、生產(chǎn)率和自動化程度。采用多工位則更為縮短了裝夾時間等輔助時間，使生產(chǎn)率得到更大的提高等。這就是本設計課題經(jīng)濟意義。 然而更為重要的是：我們希望通過這樣的畢業(yè)設計培養(yǎng)我們綜合應用所學的專業(yè)知識和基礎理論、基本技能的能力，培養(yǎng)我們一種正確的設計思想。了解工程設計的一般程序、規(guī)范和方法。我想這才是我們做這次畢業(yè)設計要達到的真正目的吧！ 緒 論 1.1 數(shù)控機床簡介 1.1.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生及其重要性 隨著科學技術的飛躍發(fā)展，社會對產(chǎn)品多樣化的要求日益強烈，產(chǎn)品更新越來越快，多品種、中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加。同時，隨著航空工業(yè)、汽車工業(yè)和輕工消費品生產(chǎn)的高速增長，復雜形狀的零件越來越多，精度要求也越來越高。此外，激烈的市場競爭要求產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來越短，傳統(tǒng)的加工設備和制造方法已難于適應這種多樣化、柔性化與復雜形狀零件高效和高質(zhì)量的加工要求。 數(shù)字控制機床，就是為了解決單件、小批量，特別是復雜型面零件加工的自動化并保證質(zhì)量要求而生產(chǎn)的。1947年，美國Parsons公司為了精確制造直升機翼、槳葉和直升機框架，開始探討用三坐標曲線數(shù)據(jù)來控制機床的運動，并進行實驗，加工飛機零件。1949年，為了能在短時間內(nèi)制造出經(jīng)常變更設計的零件，美國空軍（U。S。AirForce）與Parsons公司簽定了制造第一臺數(shù)控機床的合同。1951年，美國麻省理工學院MIT（Massachusetts Instiute of Technology）承擔了這一項目。1952年，MIT伺服機構(gòu)研究所用實驗室制造的控制裝置和辛辛那提（Cincinnati Hydrotel）公司的立式銑床成功地實現(xiàn)了三軸聯(lián)動數(shù)控運動，可控制銑刀進行連續(xù)空間曲面的加工，揭開了數(shù)控加工技術的序幕。隨著不斷的改進與完善，1955年，NC（數(shù)控）機床開始用于工業(yè)加工。 數(shù)控機床是綜合應用了微電子、計算機、自動檢測以及精密機械等技術的最新成果而發(fā)展起來的完全新型的機床，它標志著機床工業(yè)進入了一個新的階段。從第一臺數(shù)控機床問世到現(xiàn)在40多年中，數(shù)控技術的發(fā)展非常迅速，使制造技術發(fā)生了根本性的變化，幾乎所有品種的機床都實現(xiàn)了數(shù)控化。數(shù)控機床的應用領域也從航空工業(yè)部門逐步擴大到汽車、造船、機床、建筑等民用機械制造行業(yè)。此外，數(shù)控技術也會在繪圖儀、坐標測量儀、激光加工與線切割機等機械設備中得到廣泛的應用。努力發(fā)展數(shù)控加工技術，并向更高層次的自動化、柔性化、敏捷化、網(wǎng)絡化和數(shù)字化制造方向推進，是當前機械制造業(yè)發(fā)展的方向。 從20世紀50年代末期，我國就開始研究數(shù)控技術，開發(fā)數(shù)控產(chǎn)品。1958年，清華大學和北京第一機床廠合作研制了我國第一臺數(shù)控銑床。經(jīng)過多年的不斷努力，數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了長足的發(fā)展：國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)基本上掌握了關鍵技術，可靠性已有很大提高；新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)品大部分達到國際20世紀80年代中期水平，部分達到國際20世紀90年代水平，為國家重點建設提供了一批高水平數(shù)控機床；技術上也取得很大突破，如高速主軸制造技術、快速進給、快速換刀、柔性制造等技術，為國產(chǎn)數(shù)控機床的下一步發(fā)展奠定了基礎。雖然在數(shù)控技術領域中，我國和先進的工業(yè)國家之間還存在著不小的差距，但這種差距正在迅速縮小。 數(shù)控技術是機械加工現(xiàn)代化的重要基礎與關鍵技術。應用數(shù)控加工可大大提高生產(chǎn)效率、穩(wěn)定加工質(zhì)量、縮短加工周期、增加生產(chǎn)柔性、實現(xiàn)對各種復雜精密零件的自動化加工，易于在工廠或車間實行計算機管理，還使車間設備總數(shù)減少，節(jié)省人力、改善勞動條件，有利于加快產(chǎn)品的開發(fā)和更新?lián)Q代，提高企業(yè)對市場的適應能力并提高企業(yè)綜合經(jīng)濟效益。數(shù)控加工技術的應用，使機械加工的大量前期準備工作與機械加工過程聯(lián)為一體，使零件的計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工藝規(guī)劃（CAPP）和計算機輔助制造（CAM）的一體化成為現(xiàn)實，使機械加工的柔性化自動化水平不斷提高。 數(shù)控加工技術也是發(fā)展軍事工業(yè)的重要戰(zhàn)略技術。美國與西方各國在高檔數(shù)控機床與技工技術方面，一直通過巴黎統(tǒng)籌委員會對我國進行封鎖限制，應為許多先進武器裝備的制造，如飛機、導彈、坦克等的關鍵零件，都離不開高性能數(shù)控機床的加工。如著名的“東芝事件”，即是由于前蘇聯(lián)利用從日本獲得的大型五坐標數(shù)控銑床，用其制造出具有復雜曲面的潛艇的噪聲大為降低，西方的反潛艇設備頓時失效，對西方構(gòu)成了重大威脅。我國的航空、能源、交通等行業(yè)也從西方引入了一些五坐標機床等高檔數(shù)控設備，但其使用受到國外的監(jiān)控和限制，不準用語軍事用途的零件加工。特別是1999年美國的考克斯報告，其中一項主要內(nèi)容就是指責我國將從美國購買的二手數(shù)控機床用于軍事工業(yè)，這一切均說明數(shù)控加工技術在國防現(xiàn)代化方面所起的重要作用。 1.1.2 數(shù)控機床應用范圍及特點 目前的數(shù)控加工主要應用于以下兩方面： 一方面的應用是常規(guī)零件加工，如二維車削、箱體類鏜銑等。其目的在于：提高加工效率，避免認為誤差，保證產(chǎn)品質(zhì)量；以柔性加工方式取代高成本的工裝設備，縮短產(chǎn)品制造周期，適應市場需求。這類零件：一般形狀較簡單，實現(xiàn)上述目的的關鍵一方面在于提高機床的柔性自動化程度、高速精加工能力、加工過程的可靠性與設備的操作性能，另一方面在于合理的生產(chǎn)組織、計劃調(diào)度和工藝過程安排。 另一方面的應用是復雜形狀零件加工，如模具型腔、渦輪葉片等。該類零件在眾多的制造行業(yè)中具有重要的地位，其加工質(zhì)量直接影響以至決定著整機床品的質(zhì)量。這類零件型面復雜，常規(guī)加工方法難以實現(xiàn)，它不僅促使了數(shù)控加工技術的產(chǎn)生，而且也一直是數(shù)控加工技術的主要研究及應用對象。由于零件型面復雜，在加工技術方面，除要求數(shù)控機床具有較強的運動控制能力（如多軸聯(lián)動）外，更重要的是如何有效地獲得高效優(yōu)質(zhì)的數(shù)控加工程序，并從加工過程整體上提高生產(chǎn)效率。 數(shù)控機床在機械制造領域中得到日益廣泛的應用，是因為它具有如下特點：高柔性、生產(chǎn)效率高、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠、自動化程度高、能完成復雜型面的加工、有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。 1.2. 數(shù)控機床的工作原理與組成 1.2.1 數(shù)控機床的工作原理 數(shù)控機床是數(shù)字信息進行控制的機床。即凡是用代碼化和數(shù)字信息將刀具移動軌跡信息記錄在程序介質(zhì)上，然后送入數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)過譯碼和運算，控制機床刀具與工件的相對運動，加工出所需工件的一類機床即為數(shù)控機床。數(shù)控加工基本過程見圖1所示： 圖1、 計算機數(shù)字控制（CNC）系統(tǒng)框圖 數(shù)控機床加工零件時，首先編制零件的數(shù)控程序，這是數(shù)控機床的工作指令。將數(shù)控程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置機床主運動的變速、啟停，進給運動的方向、速度和位移大小，以及其他諸如刀具選擇交換，工件夾緊、松開和冷卻、潤滑的啟、停等動作，使刀具與其他輔助裝置嚴格地按照數(shù)控程序規(guī)定的順序、路程和參數(shù)進行工作，從而加工出形狀、尺寸與精度等符合要求的零件。 1.2.2 數(shù)控機床的組成 數(shù)控機床的種類繁多，但從組成一臺完整的數(shù)控機床來講，它由信息輸入裝置、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、機床本體以及復雜裝置組成。 1.3. 數(shù)控技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 近十幾年來，數(shù)控機床借助于微電子、計算機技術的飛速進步著高精度、多功能、高速化、高效率、，正向復合加工功能、智能化等方向邁進，明顯地反映出時代的特征，其主要表現(xiàn)為以下幾方面。 1.3.1 精度化 當代工業(yè)產(chǎn)品對精度提出了越來越高的要求，像儀表、鐘表、家用電器等都有相當高精度的零件，典型的高精度零件如陀螺框架、伺服閥體、渦輪葉片、非球面透鏡、光盤、磁頭、反射鼓等，這些零件的尺寸精度要求均在微米、亞微米級。因此，加工這些零件的機床也必須受到需求的牽引而向高精度發(fā)展。 1.3.2 高速度化 提高生產(chǎn)率是機床技術發(fā)展追求的基本目標之一，而實現(xiàn)這個目標的最主要、最直接的方法就是提高切學速度和減少輔助時間。隨著刀具、電機、軸承、數(shù)控系統(tǒng)等相關技術的突破及機床本身基礎技術的進步，使各種運動速度大為提高。 1.3.3 高柔性化 柔性是指機床適應加工對象變化的能力，當代產(chǎn)品的多樣化和個性化，對機床提供了更高的柔性加工要求。數(shù)控機床在提高單機柔性化的同時，朝著單元柔性化和系統(tǒng)柔性化方向發(fā)展。不僅中、小批量的生產(chǎn)方式在努力提高柔性化能力，就是在大批量生產(chǎn)方式中，也積極向柔性化方向轉(zhuǎn)向。如出現(xiàn)了可編程控制器（PLC）控制的可調(diào)組合機床、數(shù)控多軸加工中心、換刀換箱式加工中心、數(shù)控三坐標動力單元等具有柔性的高效率加工設備，柔性加工單元（FMC），柔性制造系統(tǒng)（FMS）以及介于傳統(tǒng)自動線與FMS之間的柔性制造線（FTL）。 1.3.4 高自動化 高自動化是指在全部加工過程中盡量減少“人”的介入而自動完成規(guī)定的任務，它包括物料流和信息流的自動化。自20世紀80年代中期以來，以數(shù)控機床為主體的加工自動化已從“點”的自動化（單臺數(shù)控機床）發(fā)展到“線”的自動化（柔性制造車間），結(jié)合信息管理系統(tǒng)的自動化，逐步形成整個工廠“體”的自動化，并出現(xiàn)了FA（自動化工廠）和CIM（計算機集成制造）工廠的雛形實體。盡管由于這種高自動化的技術還不夠完備。投資過大，回收期較長，而提出“有人介入”的自動化觀點，但數(shù)控機床的高自動化并向FMC，F(xiàn)MS集成方向發(fā)展的總趨勢仍然是機械制造業(yè)發(fā)展的主流。數(shù)控機床的自動化除進一步提高其自動編程、上下料、加工等自動化程度外，還在自動檢索、監(jiān)控、診斷、自動對刀、自動傳輸?shù)确较蜻M一步發(fā)展。 1.3.5 復合化 復合化包含了工序復合化和功能復合化。在一臺數(shù)控設備上能完成多工序切削加工（如車、銑、鏜、鉆等）的加工中心，打破了傳統(tǒng)的工序界限和分開加工的規(guī)程。一臺具有自動換刀裝置、自動交換工作臺和自動轉(zhuǎn)換立臥主軸頭的鏜銑加工中心，不僅一次裝夾便可以完成鏜、銑、鉆、鉸、攻絲和檢驗等工序，而且還可以完成箱體件五個面粗、精加工的全部工序。此外，還出現(xiàn)了與車削或磨削復合的加工中心。 1.3.6 智能化 數(shù)控技術的一個重要發(fā)展趨勢是加工過程的智能化。帶有自適應控制功能的控制系統(tǒng)，可以在加工過程中根據(jù)切削力和切削溫度等加工參數(shù)，自動優(yōu)化加工過程，從而達到提高生產(chǎn)率，增加刀具壽命并改善加工表面質(zhì)量等目的。刀具破損監(jiān)控和刀具智能管理功能可以智能的管理刀具，使得刀具保持最佳工作狀態(tài)。以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐的、具有人工智能的專家系統(tǒng)被用于指導加工。 1.3.7 網(wǎng)絡化 為適應制造業(yè)的網(wǎng)絡化和全球化發(fā)展趨勢，數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化功能也日趨重要。在企業(yè)內(nèi)部，具有網(wǎng)絡功能的數(shù)控系統(tǒng)可以充分實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的資源和信息共享，適應未來車間的面向任務的定單的生產(chǎn)發(fā)展模式，使得底蹭生產(chǎn)控制系統(tǒng)的集成更加簡便有效。在生產(chǎn)企業(yè)之間，數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化功能可以更好地適應敏捷制造（AM）等先進制造模式。同時，系統(tǒng)制造商也可以通過系統(tǒng)的網(wǎng)絡功能進行遠程診斷服務。 1.3.8 高可靠性 數(shù)控機床的可靠性是數(shù)控機床產(chǎn)品質(zhì)量的一項關鍵性指標，數(shù)控機床能否發(fā)揮其高性能、高精度、高效率，并獲得良好的效益，關鍵取決于可靠性。衡量可靠性的重要的量化指標是平均無故障工作時間（MTBF），數(shù)控系統(tǒng)的MTBF已由20世紀80年代的10000h以上，提高到90年代的30000h以上，而數(shù)控整機的MTBF也從20世紀80年代的100~200h，提高到現(xiàn)在的500~800h。 除上述發(fā)展趨勢外，近年來還出現(xiàn)了全新結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床，最早在美國IMTSˊ94機床博覽會上，出現(xiàn)了被稱為“六條腿”的機床。這種新型結(jié)構(gòu)機床的六條腿能自由伸縮，沒有導軌和拖板，也稱為虛軸機床（Virtual Axis Machine）。其精度相當于測量機，比傳統(tǒng)機械加工中心高2~10倍；剛度為傳統(tǒng)機械加工的5倍；對零件輪廓的加工效率是傳統(tǒng)加工中心的5~10倍。這種機床結(jié)構(gòu)設想是德國STEWART1962年提出的，稱之為數(shù)學造型機床，今天借助計算機技術的進步得以實現(xiàn)。 1.4. 我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展 20世紀80年代以來，國家對數(shù)控機床的發(fā)展十分重視，經(jīng)歷了“六五”、“七五”期間的消化吸收引進技術，“八五”期間科技攻關開發(fā)自主版權(quán)數(shù)控機床的產(chǎn)業(yè)化奠定了良好基礎，并取得了長足的進步。“九五”期間數(shù)控機床發(fā)展已進入實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模有了較大幅度的提高，形成了十幾個普及型數(shù)控機床的產(chǎn)業(yè)化基地和開發(fā)中心，數(shù)控機床的年銷量從“八五”末期底000多臺發(fā)展到2000年的14萬多臺，機床的產(chǎn)值數(shù)控化率從“八五”的12%增長到2000年的近30%，一些重點企業(yè)已達到70%以上，使高檔數(shù)控機床的進口幅度減少，突破了西方在關鍵設備方面對我國的進口限制，國產(chǎn)數(shù)控機床“八五”期間的市場占有率只有23%，到2000年已達到50%。數(shù)控機床新開發(fā)品種300個，已有一定的覆蓋面。新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)品大部分達到國際20世紀80年代中期水平，部分達到90年代水平，為國家重點建設提供了一批高水平數(shù)控機床。在技術上也取得了突破，如高速主軸制造技術（12000r/min~1800r/min）、快速進給（60m/min）、快速換刀（1.5s）、柔性制造、快速成形制造技術等為下一步國產(chǎn)數(shù)控機床的發(fā)展奠定了基礎。當前，我國數(shù)控系統(tǒng)正處在由研究開發(fā)階段向推廣應用階段過度的關鍵時期，也是由封閉型數(shù)控系統(tǒng)向開放型系統(tǒng)過渡的時期。從生產(chǎn)規(guī)模上看，已有像航天數(shù)控集團、華中數(shù)控系統(tǒng)有限公司、北京機床研究所等可實現(xiàn)批量生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化基地。我國數(shù)控系統(tǒng)在技術上已趨于成熟，在重大關鍵技術上（包括核心技術），已達到國外先進水平，以開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于PC機的開放式智能化數(shù)控系統(tǒng)。 數(shù)控機床的可靠性指標有大幅度提高。我國數(shù)控機床的可靠性指標（MTBF）一直是其市場信譽及市場競爭力的主要問題?！熬盼濉睍r期，我國加工中心的MTBF已達到400h，數(shù)控車床從平均200h提高到平均450h；數(shù)控系統(tǒng)從5000h提高到10000h以上，最高達到20000h。 曾長期捆擾我國，并受到西方國家封鎖的多坐標聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控技術已漸成熟，并進入生產(chǎn)應用階段?！熬盼濉逼陂g，我國生產(chǎn)的五軸聯(lián)動及五面加工機床已有多個品種，并在軍工、航天、船舶等領域里應用，有效地打破了國外對我國進口此類設備的限制。 1.5. 本文所做的工作 1.5.1 完成數(shù)控多工位鉆床的資料收集與國、內(nèi)外現(xiàn)狀的調(diào)查比較，提出較為可行的方案; 1.5.2 完成機床的機械結(jié)構(gòu)設計計算與電氣控制系統(tǒng)設計，初步完成控制系統(tǒng)的軟硬件設計；提交論文及機械系統(tǒng)的裝配與關鍵零部件的相應圖紙及數(shù)控系統(tǒng)的硬件圖，同時提交電子文檔; 1.5.3 編寫設計計算說明書。 第一章 總體機械設計與結(jié)構(gòu)選擇 設計給出的題目要求和數(shù)據(jù):要設計加工工件的最大直徑為Φ10mm，且其工作行程為300×300×70的數(shù)孔多工位鉆床。根據(jù)這一特點表明要設計的機床是一臺中小型的數(shù)控鉆床，而且是用于一般的機加工中。所以設計這樣的機床考慮其經(jīng)濟性、合理性應該是最為重要的和成為設計的主導思想！ 查相關數(shù)控機床資料和數(shù)控機床的市場調(diào)查，選擇確定合理的機床結(jié)構(gòu)很重要。傳統(tǒng)的數(shù)控機床結(jié)構(gòu)包括立式、臥式兩大類。立式機床的主軸定位多數(shù)是相同的，它的優(yōu)點在于：機床小巧、占地空間小、經(jīng)濟實惠。適合于工作單一加工工件較小及加工尺寸小的場合。而臥式數(shù)控機床的主軸結(jié)構(gòu)及主軸箱布局可為單面懸掛主軸箱和主軸箱位于立柱對面內(nèi)。后者的優(yōu)點在于：主軸箱的自重不會使立柱產(chǎn)生彎曲變形，相同的切削力所引起的立柱的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形均大為減小。這樣就相當于提高了機床的剛度。故要是采用對數(shù)控機床結(jié)構(gòu)設計成為臥式結(jié)構(gòu)的話就應該選用主軸箱位于立柱內(nèi)的布局形式。然而一般的臥式數(shù)控機床的加工尺寸都很大，對于我們要設計的機床加工零件的尺寸是很小的：僅為最大加工為Φ10mm的孔。從經(jīng)濟的角度上來說：我們設計的機床采用立式的結(jié)構(gòu)更為節(jié)省空間，節(jié)省材料。同時機床看上去更為小巧，然而完全可以達到要求加工范圍的要求。包括此類機床的其它特點都很滿足我們要設計機床的要求。 所以，我們通過對數(shù)控機床結(jié)構(gòu)的了解和認識我們認為：對于我們即將設計的機床，采用立式的結(jié)構(gòu)是完全可行的。方案的確定結(jié)果是：數(shù)控多工位立式鉆床。 第二章 機械傳動部件設計 由于電機工作時，其負載阻力有切削力、摩察阻力、慣性力，只有克服這些阻力，才能正常啟動及運行。因此要對進給系統(tǒng)進行必要的設計及計算。 2.1. 切削力的計算 2.1.1、 要求加工的最大孔為d0=10mm,刀具為高速鋼麻花鉆（以磨損）。工件材料為45井鋼（бb=0.638GPa）；灰鑄鐵190HBS。加工精度為：IT8∽IT10級以下孔初加工。 2.1.2、 確定切削力和扭矩： 計算： （1）、當工件材料為 45井鋼時，根據(jù)以知條件查《機械加工工藝手冊》表2.4-38高速鋼鉆頭鉆孔時的進給量知：10mm鉆頭初加工的進給量為0.22∽0.28。由表2.4-41高速鋼鉆頭切削時切削速度、扭矩及軸向力可選取進給量的兩極限值f=0.08mm/r∽0.30mm/r,對應的它們的切削速度為V=0.99m/s∽0.43m/s,則由得 鉆頭或工件的轉(zhuǎn)速 由《金屬切削刀具》計算鉆頭軸向力F和扭矩T的經(jīng)驗公式及表3-1麻花鉆軸向力和扭矩表達式中的系數(shù)、指數(shù)及修正系數(shù)可知： （1） （2） （3） 其中對于鋼бb=0.638GPa CF=61.2 XF=1.0 YF=0.7 CM=0.0311 XM=2.0 YM=0.8 KF=KFmKFw KM=KMmKMw 對于已磨損鉆頭KMw=1 KFw=1 工件材料KMm=KFm= =0.98938 則最小進給量f=0.08mm/r F1=9.81×61.2×10×0.080.7×0.98938×1=1013.79N T1=9.81×0.0311×102×0.080.8×0.98938×1=4.0Nm PM1=2×3.14×4.0×31.53×10-3=0.79Kw 最大進給量f=0.30mm/r F2=9.81×61.2×10×0.300.7×0.98938×1=2557.22N T2=9.81×0.0311×102×0.300.8×0.98938×1 =11.52Nm PM2=2×3.14×11.52×13.69×10-3=0.99Kw （2） 當工件材料為 灰鑄鐵HB190時，根據(jù)以知條件查《機械加工工藝手冊》表2.4-41高速鋼鉆頭鉆孔時的進給量知：10mm鉆頭初加工的進給量為0.22∽0.28。由表2.4-41高速鋼鉆頭切削時切削速度、扭矩及軸向力可迭取進給量的兩極限值f=0.12mm/r∽0.70mm/r，對應的它們的切削速度為V=0.79m/s∽0.33m/s,則由得 鉆頭或工件的轉(zhuǎn)速 由《金屬切削刀具》計算鉆頭軸向力F和扭矩T的經(jīng)驗公式及表3-1麻花鉆軸向力和扭矩表達式中的系數(shù)、指數(shù)及修正系數(shù)可知： （1） （2） （3） 其中對于灰鑄鐵 CF=42.7 XF=1.0 YF=0.8 CM=0.021 XM=2.0 YM=0.8 KF=KFmKFw KM=KMmKMw 對于已磨損鉆頭KMw=1 KFw=1 工件材料KMm=KFm=（HB/190）0.6=1 則最小進給量f=0.12mm/r F3=9.81×42.7×10×0.120.8×1×1=768.14N T3=9.81×0.021×102×0.120.8×1×1=3.78Nm PM3=2×3.14×3.78×25.16×10-3=0.597Kw 最大進給量f=0.70mm/r F4=9.81×42.7×10×0.700.8×1×1=3149.02N T4=9.81×0.021×102×0.700.8×1×1=15.49Nm PM4=2×3.14×10.51×15.49×10-3=1.02Kw 由此可得鉆頭的最大轉(zhuǎn)矩Tmax=15.49Nm 最大轉(zhuǎn)矩Fmax=3149.02N 最大切削功率PMmax=1.02Kw 則鉆頭主軸所需要的功率為：P1= PMmax/η總 其中η總=η花鍵軸η軸承 深溝球軸承η=0.99 （取3個） 角接觸推力軸承η=0.98 （取2個） 花鍵軸η=0.97∽0.98 由《金屬切削機床》查得： η總=η花鍵軸η軸承=0.97×0.993×0.982=0.904 則P1=1.02/0.904=1.03Kw 對于主軸電機的選擇，查《機械產(chǎn)品目錄》，對于中小功率的電機，一般額定轉(zhuǎn)矩只有2.1-4，而主軸所需要的最大扭矩為15.49Nm，故必須采用齒輪組進行減速以提供大的轉(zhuǎn)矩達到符合相應電機的額定轉(zhuǎn)矩。 在數(shù)控機床多工位鉆床的設計過程中，要求數(shù)控機床能夠進行多級變速。在這種情況下，我們正好可以采用一個變速器來解決。無級變速器就是能使主軸達到相應轉(zhuǎn)矩和使主軸傳遞的轉(zhuǎn)矩符合要求。 同時，根據(jù)主軸特點設計鉆床主軸的特點是主軸在軸向方向上有移動，就是說上端的花鍵軸外面必須套有內(nèi)花鍵的齒輪或其它才能將電動機的運動傳遞給主軸，使主軸轉(zhuǎn)動。在本次設計中我們就選用花鍵的齒輪作為傳動件，把電機的轉(zhuǎn)動傳給主軸，則從主軸來的傳動方式為： 主軸（花鍵軸）——內(nèi)花鍵齒輪——嚙合齒輪（一組或多組）——聯(lián)軸器——無級變速器——主軸電動機 2.2. 主軸齒輪傳動方案確定： 2.2．1、 設定齒輪傳動方案 如圖2所示： 軸Ⅰ為機床主軸，設計為齒輪花鍵軸。由前面知齒輪花鍵軸的功率為P1 圖2、 主軸傳動示意圖 即軸Ⅰ PⅠ= P1=1.13Kw 軸Ⅱ PⅡ= PⅠ/η齒輪=1.13/0.97=1.16Kw （取η齒輪=0.97，精度等級為8級） 則主軸電機輸出功率P2 P2= PⅠ/η聯(lián)軸器=1.16/0.99=1.18Kw 根據(jù)《機械產(chǎn)品目錄》選擇電機可用YCP802-2，1.1Kw額定功率和YCP90S-2，1.5Kw額定功率最為接近功率要求。而前者略小于最大輸出功率，而加一個無級變速器相對于電機來說其傳遞功率也不會消耗太多，粗略估算則選用后者YCP90S-2，額定功率為1.5Kw，額定電壓為380V，額定電流為3.4A，轉(zhuǎn)速為2840r/min，最大額定轉(zhuǎn)矩為2.3Nm。 選擇了電動機就可根據(jù)所選擇電動機確定相應的無級變速器。根據(jù)電動機功率和轉(zhuǎn)矩及主軸所必須達到的最小轉(zhuǎn)矩，可確定變速器，查《機械設計手冊》第四卷可選擇的無級變速器為：HZXD1500L。 根據(jù)無級變速器的相關數(shù)據(jù)和主軸所需要的相關數(shù)據(jù)，無級變速器提供的轉(zhuǎn)矩已經(jīng)可以達到主軸要求的轉(zhuǎn)矩，同時轉(zhuǎn)速也能達到要求。故在接下來設計的齒輪組中，主要達到的目的為將電動機的轉(zhuǎn)動傳遞給主軸使主軸完成轉(zhuǎn)動，并不影響軸向的進給運動。 對于齒輪組的設計就是要完成傳動。為了設計需要，可以僅設計一組齒輪即可。又因為轉(zhuǎn)矩完全達到要求，轉(zhuǎn)矩要求的差又不是太大，從對主軸箱結(jié)構(gòu)設計入手（對主軸箱的總體布局和結(jié)構(gòu)合理、比例合適），可將這對齒輪設計成一組惰輪，即不改變變速器傳遞出來的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，僅將轉(zhuǎn)動傳給主軸，達到了設計要求和目的。 3.2．2、 設計齒輪 在齒輪設計中，取轉(zhuǎn)矩最大時設計用到最大轉(zhuǎn)矩15.49,切削速度nI=631r/min。 首先小齒輪（主動齒輪）用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB∽286HB，平均取為260HB，大齒輪（從動齒輪）用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度229HB∽286HB，平均取為240HB。計算如下： 關于主軸傳動中的第一組齒輪齒面接觸疲勞強度計算 （1）初步計算： 轉(zhuǎn)矩:TII= 5.49Nm=5490Nmm 齒寬系數(shù):φd 由表12.13（該節(jié)中所指的表均指《機械設計》一書中的表） 取φd＝1.0 接觸疲勞極限：σHlim 由圖12.17c可取 σHlim1=710MPa σHlim2=580MPa 初步計算的許用接觸硬力: [σH1]=0.9σHlim1=0.9×710=639MPa Ad值由表12.16，取Ad＝85 初步計算的小齒輪直徑： d1≥=29.14 (其中u=I=1, T=5490Nmm) 取d1＝90mm 初取齒寬：b=φbd1=1×90=90mm （2）校核計算： 圓周速度: 精度等級：由表12.6選8級精度 齒數(shù)Z和模數(shù)m:取齒數(shù)Z1=60,Z2=iZ1=1×60=60 模數(shù)由表12.3取m=1.5 則 Z2= iZ1=60 使用系數(shù)KA:由表12.9取KA＝1.5 動載系數(shù)K V:由表12.9取KV＝1.1 齒間載荷分配系數(shù)KHα:由表12.10先求： 端面重合度： （式12.6） 重合度系數(shù):Zε==0.74 (式12.10) 由此得： 齒間載荷分布系數(shù)KHβ: 由表12.11（非對稱支撐） 載荷系數(shù)：K=KAKVKHαKHβ=1.5×1.1×1.81×1.28=3.82 彈性系數(shù)ZE由表12.12取ZE＝189.8 節(jié)點區(qū)域系數(shù)ZH:由圖12.16可取ZH＝2.5 接觸最小安全系數(shù)SHmin:由表12.14取SHmin＝1.05 總工作時間：th=10×300×8×20%=4800h 應力循環(huán)次數(shù)NL:由表12.15估計：107Tmax=15.49Nm 則花鍵軸能夠達到所需傳遞的轉(zhuǎn)矩。 對于花鍵軸傳遞轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動中產(chǎn)生的摩擦力為F花：取μ=0.1 F花=μf=5338×0.1=533.8N 而 則軸所受軸向力： F合= F花+ Fmax =154.5+3149.02=3304N 則軸向方向齒條受力F合K=1.1×F合=3635N（K=1.1） （2） 軸向進給設計： 在主軸外設計一套筒：設長為80mm的齒條由齒輪帶動。先設計用一級減速接步進電機使主軸進給。如圖4所示： 圖4、主軸進給圖示 由《機電一體化課程設計指導書》： I=α×t0/3600×δ 其中α—步距角（deg） δ—脈沖當量（鉆床取0.02mm） t0—齒距（t0=Лm） 根據(jù)《機電一體化課程設計指導書》選步進電機 取α=0.1 m=1.25 取α=0.75時 取I=3.2（α=0.1時）可取： Z1=20 Z2=64 m=1.25 b=20mm α=200 df1=mZ1=25mm df2=mZ2=80mm de1=28 de2=83 齒輪設計成直齒圓柱齒輪，齒輪材料為45鋼，則大小齒輪轉(zhuǎn)動慣量分別為： 根據(jù)《機電一體化課程設計指導書》表1，預選步進電機為200BF001，查得電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動慣量為： 折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量： 等效負載轉(zhuǎn)矩Tm的計算：取V=2m/min Tm=（F軸+F摩）V主軸進給/2Πnm （3） 起動慣量矩的計算： 以最不利條件下的快速起動計算，設起動加速度或制動減速度的時間 △t=0.3s，由于步進電機的角速度 則： T慣= 則J∑=Tm+T慣=1.04+5.038=6.08Nm （4） 步進電機的匹配選擇： 如考慮機械傳動系統(tǒng)的效率為n，安全數(shù)值為K，則此時負載總轉(zhuǎn)矩為： 由預選的步進電機型號200BF001，五相十步，步距角0.1%Step，其最大靜轉(zhuǎn)矩Tymax=14.7Nm，為保證正常的起動和停止，步進電機的起動轉(zhuǎn)矩Tg必須大于或等于TΣˊ，由表可知Tg/Tymax的比值，取Tg/Tymax=0.951， 則Tg=14.7×0.951=13.98Nm>13.03Nm 故選擇合適。 2.4. 縱向進給運動的分析及計算 2.4.1、 縱向進給負載分析及計算 （1）摩擦阻力： 摩擦阻力應等于正壓力乘以摩擦系數(shù)。正壓力應包括軸向力F=1175N及工作臺加縱向軌道之重力，設工作臺重量為400Kg，縱向軌道重量為400Kg. =[（400+400）×10＋1175]×0.1=917.5N （2） 等效轉(zhuǎn)動慣量計算: 根據(jù)要求粗選：α=0.75 to=5 δ=0.005 ∴ ∴可取 =25 , =52 m=1.5 b=25mm =20o df1=mZ1=1.5×25=37.5mm df2=mZ2=1.5×52=78mm de1＝40.5mm de2=81mm 將齒輪看作近似的圓柱體，材料為鋼，則大、小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量分別為: J=7.8×d4 ×b×10-4 (kgm2) JZ1=7.8×3.754×2.5×10-4=3.86×10-5Kgm2 JZ2=7.8×8.104×2.5×10-4=8.40×10-4Kgm2 滾珠絲桿直徑選擇為d0=25mm, L=700mm,材料鋼，則絲桿的轉(zhuǎn)動慣量可近似的算出為： JS=7.8×2.54×70×10-4=2.13×10-4Kgm2 由《機電一體化課程設計指示書》表1，預選步進電機為110BF004，查得電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動慣量為 Jm=3.43×10-4Kgm2 折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： （3） 絲杠摩擦阻力矩的計算： 由于用的是滾珠絲杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不計。 （4） 等效負載轉(zhuǎn)矩的計算： Tm=(F縱+F摩) V工作/2πnm 由 （5） 起動慣性阻力矩的計算： 以最不利條件下的快速起動計算，設起動加速式制動減速的時間 Δt=0.5s(一般在0.1～1s之間)，由于步進電機的角速度 ∴角加速度 T慣＝J∑×εm=6.26×10-4×174.44=0.11Nm （6） 步進電機輸出軸總的負載轉(zhuǎn)矩的計算： J∑=Tm +T慣=0.35+0.11=0.46Nm 2.4.2 縱向進給步進電機加工匹配選擇 考慮機械傳動系統(tǒng)的效率η為,安全系數(shù)為K,則比時的負載總，轉(zhuǎn)矩應考慮為 由預選的步進電機型號為110BF004，三相六拍，步距角0.75%step.其最大轉(zhuǎn)矩Tymax=4.9Nm為保證正常的起動與停止，步進電機的起動轉(zhuǎn)矩Tg必須大于或等于TΣ',由表查出Tg/TΣ'=0.866 ∴Tg=4.9×0.866=4.24Nm>0.99Nm 故選擇合適。 確定選用110BF004步進電機。 2.4.3、 縱向進給滾珠絲杠的校核 初選絲杠型號為CMD2504-3，因此必須進行以下幾個項目的校核 （1） 承載能力的校核： Ｑ＝fHfWPmaxCO 式中L—滾珠絲杠壽命系數(shù)（） 　Pmax=F縱+F摩＝0+917.5＝917.5N fH=1 fW=1.2 T=15000 Ｑ＝　　 選絲桿CMD2504－3 查表得絲桿額定載荷為ＣO=8.2KN>Q　滿足要求。 （2） 壓桿穩(wěn)定性驗算： 取雙推—簡支式支承，由FK=2 E-鋼的彈性模量2.1×105（Mpa） I-絲杠小徑的截面慣性矩（） 查手冊可知，所用絲杠的最小徑為：d1 =21.9mm 取壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K=4　 絲杠長度L=LS=700mm 故滿足要求。 （3） 剛度驗算： 絲杠的剛度是保證第一導程的變動量要在允許范圍內(nèi) 絲杠最小截面積 設T0=0.5 I=2.26cm4 M= Tmaxi=4.9×2.08=10.20Nm=1020Ncm ∴“＋”號用于拉伸，“一”號用于壓縮，都取“＋”號，則: 由于選擇要求滾珠絲杠精度等級為C級，ΔL0=±4μm>0.681μm 所以滿足要求。 2.4.4、 縱向進給軸承的選擇 推力球軸承：51305 向心球軸承：6205 2.5. 橫向進給運動的分析及計算 2.5.1、 橫向進給負載分析及計算 （1） 摩擦阻力： 當鉆床的工作臺與導軌間的相對運動為滑動摩擦，取摩擦系數(shù) 摩擦阻力應等于正壓力乘摩擦系數(shù)。正壓力應包括軸向力及工作臺之重力。工作臺的重量為400kg 。故可算出起摩擦阻力為： F摩＝（400+1175）×0.1＝517.5N （2） 等效轉(zhuǎn)動慣量計算： 根據(jù)要求粗選：α=0.36 to=5 δ=0.002 ∴ ∴初取 =20 , =50 m=1.5 b=25mm =20o df1=mZ1=1.5×20=30mm df2=mZ2=1.5×50=75mm de1＝33mm de2=78mm 將齒輪看作近似的圓柱體，材料為鋼，則大、小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量分別為： J=7.8×d4 ×b×10-4 (kgm2) JZ1=7.8×3.34×2.5×10-4=2.31×10-5Kgm2 JZ2=7.8×7.84×2.5×10-4=7.22×10-4Kgm2 滾珠絲桿直徑選擇為do=20mm, L=700mm,材料鋼，則絲桿的轉(zhuǎn)動慣量可近似的算出為： JS=7.8×24×70×10-4=0.87×10-3Kgm2 預選步進電機為90BF006,查得電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動慣量為： Jm=1.764×10-4Kgm2 折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： （3） 絲杠摩擦阻力矩的計算： 由于用的是滾珠絲杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不計。 （4） 等效負載轉(zhuǎn)矩的計算： Tm=(F橫+F摩) V工作/2πnm 鉆床工作臺行程速度為2 m/min根據(jù)絲桿螺距算出絲桿速度。再根據(jù)齒輪減速比算出步進電機的轉(zhuǎn)速為由 （5） 起動慣性阻力矩的計算： 以最不利條件下的快速起動計算，設起動加速式制動減速的時間 Δt=0.5s(一般在0.1～1s之間)，由于步進電機的角速度 ∴角加速度 T慣＝J∑×εm=4.96×10-4×209.44=0.14Nm （6） 步進電機輸出軸總的負載轉(zhuǎn)矩的計算： J∑=Tm +T慣=0.16+0.14=0.30 Nm 2.5.2、 橫向進給步進電機加工匹配選擇 如果考慮機械傳動系統(tǒng)的效率為η=0.7,安全系數(shù)為K=1.5,