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機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 前言 數(shù)控機床是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志之一 隨著這種機床在機加工中 的廣泛應(yīng)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(yīng)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(shè)計 我們要完成 首先 對數(shù)控多工位鉆床進行結(jié)構(gòu)設(shè)計 應(yīng)滿足 機床的結(jié)構(gòu)剛度要達(dá)要 求 數(shù)控機床的剛度系數(shù)應(yīng)該比同類普通機床高 50 應(yīng)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(shè)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(shè)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(dǎo)軌實現(xiàn)工作臺的進給和主軸箱的進給 多個滑動導(dǎo) 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(shè)計應(yīng)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(shè)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(shè)計選擇是重點部分 對于我們的設(shè)計 只要求設(shè)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(shè)計 我們認(rèn)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(shè)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(shè)計培養(yǎng)我們綜合應(yīng)用所學(xué) 的專業(yè)知識和基礎(chǔ)理論 基本技能的能力 培養(yǎng)我們一種正確的設(shè)計思想 了 解工程設(shè)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(shè)計要達(dá)到 的真正目的吧 攀枝花學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 論文 1 數(shù)控多工位鉆床設(shè)計 劉 錕 攀枝花學(xué)院機電工程學(xué)院 617000 摘要 隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展和進步 數(shù)控加工已成為機加工過程中的一種主 流技術(shù) 這一技術(shù)的運用提高了機加工過程中工作效率和加工精度 數(shù)控多工 位鉆床就是提高鉆削加工精度和效率的一種很好的機加工工具 本文對數(shù)控多 工位鉆床進行了設(shè)計 采用了普通車床設(shè)計的步驟和方法 綜合考慮數(shù)控機床 的特點 從切削力入手確定主軸及電機 到整個機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計和機床的控制 最后到對機床初始化程序設(shè)計 本文所做的工作 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 2 完成機床的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計計算與電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 初步完成控制系統(tǒng) 的軟硬件設(shè)計 提交論文及機械系統(tǒng)的裝配與關(guān)鍵零部件的相應(yīng)圖紙及數(shù)控系 統(tǒng)的硬件圖 同時提交電子文檔 3 編 寫 設(shè) 計 計 算 說 明 書 完成了一臺經(jīng)濟型的數(shù)控機床的設(shè)計 關(guān)鍵詞 數(shù)控技術(shù) 鉆床 鉆削 計算機控制 單片機 攀枝花學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 論文 2 Abstract With the manufacturing development numerical control manufacturing has become one of the major advanced technologies efficiency and accuracy has been improved in application of the technology Numerical control auto drilling machine is a kind of the new machine tools that can improve the machining accuracy and efficiency 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 cutting force has been calculated the structural and the control system has been designed Finally the software routine has been explored This paner has finished major works 1 Completed a investigation of internal and external of current situation for numerical control multistage drilling machine and compared it put forward a feasible scheme 2 Completed the mechanical structural design an calculated and designed the electric control system and finished the software and hardware of the control system tentatively Submit thesis and the assembly of mechanical system and hardware picture of key spare part and drawing of numerical control system submit the electronic file at the same time 3 Write the specification of designing and calculating has designed an economy numerical control machine tool Keywords numerical control machining drilling machine drilling computer control single chip computer 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 1 第一章 數(shù)控機床概述 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(xué)技術(shù)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(fù)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(shè)備和制造方法已難于適應(yīng)這種多樣化 柔性化與復(fù)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(fù)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(biāo)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(shè)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(xué)院 MIT Massachusetts Instiute of Technology 承擔(dān)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(shù) 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(yīng)用了微電子 計算機 自動檢測以及精密機械等技術(shù)的 最新成果而發(fā)展起來的完全新型的機床 它標(biāo)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(shù)的發(fā)展非常迅速 使制 造技術(shù)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(yīng)用領(lǐng)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(shù)也會在繪圖儀 坐標(biāo)測量儀 激光加工與線切割機 等機械設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用 努力發(fā)展數(shù)控加工技術(shù) 并向更高層次的自動 化 柔性化 敏捷化 網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化制造方向推進 是當(dāng)前機械制造業(yè)發(fā)展 的方向 從 20 世紀(jì) 50 年代末期 我國就開始研究數(shù)控技術(shù) 開發(fā)數(shù)控產(chǎn)品 1958 年 清華大學(xué)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(guān)鍵技術(shù) 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(dá)到國際 20 世紀(jì) 80 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 2 年代中期水平 部分達(dá)到國際 20 世紀(jì) 90 年代水平 為國家重點建設(shè)提供了一 批高水平數(shù)控機床 技術(shù)上也取得很大突破 如高速主軸制造技術(shù) 快速進給 快速換刀 柔性制造等技術(shù) 為國產(chǎn)數(shù)控機床的下一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ) 雖然 在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)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(shù)是機械加工現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù) 應(yīng)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(fù) 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(shè)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(yīng)能力并提高企業(yè)綜合經(jīng)濟效益 數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用 使 機械加工的大量前期準(zhǔn)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(shè)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(shù)也是發(fā)展軍事工業(yè)的重要戰(zhàn)略技術(shù) 美國與西方各國在高檔 數(shù)控機床與技工技術(shù)方面 一直通過巴黎統(tǒng)籌委員會對我國進行封鎖限制 應(yīng) 為許多先進武器裝備的制造 如飛機 導(dǎo)彈 坦克等的關(guān)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(biāo)數(shù)控銑床 用其制造出具有復(fù)雜曲面的潛艇的噪聲大為降低 西 方的反潛艇設(shè)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(biāo)機床等高檔數(shù)控設(shè)備 但其使用受到國外的 監(jiān)控和限制 不準(zhǔn)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(zé)我國將從美國購買的二手?jǐn)?shù)控機床用于軍事工業(yè) 這一切均說明數(shù)控加工技術(shù)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(yīng)用范圍及特點 目前的數(shù)控加工主要應(yīng)用于以下兩方面 一方面的應(yīng)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(rèn)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(shè)備 縮短產(chǎn)品制造周期 適應(yīng)市場需求 這類零件 一般形狀較簡單 實現(xiàn)上述目的的關(guān)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(shè)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(yīng)用是復(fù)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(fù)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(shù)的產(chǎn)生 而且也一直是數(shù)控加工技術(shù)的主要研究及應(yīng)用對象 由于零 件型面復(fù)雜 在加工技術(shù)方面 除要求數(shù)控機床具有較強的運動控制能力 如 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 3 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(lǐng)域中得到日益廣泛的應(yīng)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(fù)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 計 算 機 數(shù)字 控 制裝 置 CN裝 置 通 信線 路編 程 器CAD M系 統(tǒng)上 位 機 輸 出裝 置輸 入裝 置程 序 清 單信 息 載 體 機 床速 度 控 制 單 元 位 置 檢 測 器進 給 電 動 機可 編 程 控 制 器 PLC 主 軸 控 制單 元 主 軸 電 動 機 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(yán)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(fù)雜裝置組成 1 3 數(shù)控技術(shù)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(shù)的飛速進步著高精度 多功能 高速化 高效率 正向復(fù)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 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 4 1 3 1 精度化 當(dāng)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(dāng)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(shù)發(fā)展追求的基本目標(biāo)之一 而實現(xiàn)這個目標(biāo)的最主要 最直接的方法就是提高切學(xué)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(guān)技術(shù)的突破及機床本身基礎(chǔ)技術(shù)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(yīng)加工對象變化的能力 當(dāng)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(biāo)動力單元等具有柔性的高效率加工設(shè)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(wù) 它包括物料流和信息流的自動化 自 20 世紀(jì) 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(shù)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 FMS 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(fù)合化 復(fù)合化包含了工序復(fù)合化和功能復(fù)合化 在一臺數(shù)控設(shè)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(fù)合的加工中心 1 3 6 智能化 數(shù)控技術(shù)的一個重要發(fā)展趨勢是加工過程的智能化 帶有自適應(yīng)控制功能 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 5 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(dá)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(dǎo)加 工 1 3 7 網(wǎng)絡(luò)化 為適應(yīng)制造業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化和全球化發(fā)展趨勢 數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化功能也日趨 重要 在企業(yè)內(nèi)部 具有網(wǎng)絡(luò)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(yīng)未來車間的面向任務(wù)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(luò)化功能可以更 好地適應(yīng)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(luò)功能進行遠(yuǎn)程診斷服務(wù) 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(guān)鍵性指標(biāo) 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(guān)鍵取決于可靠性 衡 量可靠性的重要的量化指標(biāo)是平均無故障工作時間 MTBF 數(shù)控系統(tǒng)的 MTBF 已由 20 世紀(jì) 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(jì) 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 IMTS 94 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(dǎo)軌和拖板 也稱為虛軸機床 Virtual Axis Machine 其精度相當(dāng)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(shè)想是德國 STEWART1962 年提出的 稱之為數(shù)學(xué)造型機床 今天借助計算 機技術(shù)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(jì) 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(shù) 八五 期間科技攻關(guān)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(chǔ) 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(dá)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(guān)鍵設(shè)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(dá)到 50 數(shù)控機床新開發(fā)品種 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 6 300 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(dá)到國際 20 世 紀(jì) 80 年代中期水平 部分達(dá)到 90 年代水平 為國家重點建設(shè)提供了一批高水 平數(shù)控機床 在技術(shù)上也取得了突破 如高速主軸制造技術(shù) 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(shù)等為下一步國產(chǎn)數(shù)控機床的發(fā)展奠定了基礎(chǔ) 當(dāng)前 我 國數(shù)控系統(tǒng)正處在由研究開發(fā)階段向推廣應(yīng)用階段過度的關(guān)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(shù)上已趨于成熟 在重大關(guān)鍵技術(shù)上 包括核心技術(shù) 已達(dá) 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(biāo)有大幅度提高 我國數(shù)控機床的可靠性指標(biāo) MTBF 一直是其市場信譽及市場競爭力的主要問題 九五 時期 我國加工 中心的 MTBF 已達(dá)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(dá)到 20000h 曾長期捆擾我國 并受到西方國家封鎖的多坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控技術(shù) 已漸成熟 并進入生產(chǎn)應(yīng)用階段 九五 期間 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(lǐng)域里應(yīng)用 有效地打破了國 外對我國進口此類設(shè)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(shè)計計算與電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 初步完成控制 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計 提交論文及機械系統(tǒng)的裝配與關(guān)鍵零部件的相應(yīng)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(shè) 計 計 算 說 明 書 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 7 第二章 機械結(jié)構(gòu)選擇 經(jīng)過畢業(yè)設(shè)計給出的題目要求和數(shù)據(jù) 要設(shè)計加工工件的最大直徑為 10mm 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(shè)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(shè)計這樣的機床考慮其經(jīng)濟性 合理性應(yīng)該是最為重要的和成為設(shè)計的主導(dǎo)思 想 查相關(guān)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(dāng)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(shè) 計成為臥式結(jié)構(gòu)的話就應(yīng)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(shè)計的機床加工零件的尺寸是很小 的 僅為最大加工為 10mm 的孔 從經(jīng)濟的角度上來說 我們設(shè)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(dá)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(shè)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(rèn)識我們認(rèn)為 對于我們即將設(shè)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 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 8 第三章 機械傳動部件設(shè)計 由于電機工作時 其負(fù)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(shè)計及計算 3 1 切削力的計算 3 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 b 0 638GPa 灰鑄鐵 190HBS 加工精度為 IT8 IT10 級以下孔初加工 3 1 2 確定切削力和扭矩 3 1 2 1 計算 1 當(dāng)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(yīng)的它們的切削速度為 V 0 99m s 0 43m s 則由 得 10ndv 0dv 鉆頭或工件的轉(zhuǎn)速 srdn 53 9 01 6 14 02 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(dá)式中的系數(shù) 指數(shù)及修正系數(shù)可知 1 FyXFKfdC081 9 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 9 2 MyXKfdCT081 9 3 32 nmP 其中對于鋼 b 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 75 063 b 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(dāng)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(yīng)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 10ndv 01dv srdVn 6 2579 1033 sr 1 03 044 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(dá)式中的系數(shù) 指數(shù)及修正系數(shù)可知 1 FyXFKfdC081 9 2 MT 3 32 nmP 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 10 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 H B 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 P 1 PMmax 總 其中 總 花鍵軸 軸承 深溝球軸承 0 99 取 3 個 角接觸推力軸承 0 98 取 2 個 花鍵軸 0 97 0 98 由 金屬切削機床 查得 總 花鍵軸 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(dá)到符合相應(yīng)電機的額定轉(zhuǎn)矩 在數(shù)控機床多工位鉆床的設(shè)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(dá)到相應(yīng)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(shè)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(shè)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 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 11 3 2 主軸齒輪傳動方案確定 3 2 1 設(shè)定齒輪傳動方案 3 2 1 1 如圖 2 所示 軸 為機床主軸 設(shè)計為齒輪花鍵軸 由前面知齒輪花鍵軸的功率為 P1I主 軸 電 機機 床 主 軸 圖 2 主軸傳動示意圖 即軸 P P1 1 13Kw 軸 P P 齒輪 1 13 0 97 1 16KwKwII 16 97 03 取 齒輪 0 97 精度等級為 8 級 則主軸電機輸出功率 P2 P2 P 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(yīng)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(dá)到的最小轉(zhuǎn)矩 可確定變速器 查 機械設(shè)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(guān)數(shù)據(jù)和主軸所需要的相關(guān)數(shù)據(jù) 無級變速器提供的 轉(zhuǎn)矩已經(jīng)可以達(dá)到主軸要求的轉(zhuǎn)矩 同時轉(zhuǎn)速也能達(dá)到要求 故在接下來設(shè)計 的齒輪組中 主要達(dá)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(shè)計就是要完成傳動 為了設(shè)計需要 可以僅設(shè)計一組齒輪 即可 又因為轉(zhuǎn)矩完全達(dá)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(shè)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(shè)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(dá)到 了設(shè)計要求和目的 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 12 3 2 2 設(shè)計齒輪 在齒輪設(shè)計中 取轉(zhuǎn)矩最大時設(shè)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(guān)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 T II 5 49Nm 5490Nmm 齒寬系數(shù) d 由表 12 13 該節(jié)中所指的表均指 機械設(shè)計 一書中的表 取 d 1 0 接觸疲勞極限 Hlim 由圖 12 17c 可取 Hlim1 710MPa Hlim2 580MPa 初步計算的許用接觸硬力 H1 0 9 Hlim1 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 31UTAHd 32154908 其中 u I 1 T 5490Nmm 取 d1 90mm 初取齒寬 b bd1 1 90 90mm 2 校核計算 圓周速度 smnV 8 2106354 061 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 5 6091 dm 則 Z2 iZ1 601Z 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) KH 由表 12 10 先求 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 13 mNbFKd TAIt 10 03 2915 42 端面重合度 式 12 6 cos 821 Z 7 60 31 重合度系數(shù) Z 0 74 式 12 10 7 4 由此得 81 0122 ZKH 齒間載荷分布系數(shù) KH 由表 12 11 非對稱支撐 28 1093 16 09 132321 CbdBAH 載荷系數(shù) K K AKVKH KH 1 5 1 1 1 81 1 28 3 82 彈性系數(shù) ZE由表 12 12 取 ZE 189 8 MPa 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 t h 10 300 8 20 4800h 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) NL 由表 12 15 估計 10 7 NL 109 則指數(shù) m 8 78 NL1 NV1 60 ithi Ti Tmax n1 60 1 631 4800 18 78 0 2 0 58 78 0 5 0 28 78 0 3 3 65 107 原估計應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確 7 712 1065 3 iNL 接觸壽命系數(shù) ZN 由圖 12 18 可取 ZN1 1 13 ZN2 1 18 許用接觸應(yīng)力 H 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 14 MPaSZHN76405 13minl1 2 8in2l2 驗算 H ZEZHZ ubdKT1 13054968 274 0529 18 503 4MPa 計算結(jié)果表明 接觸疲勞強度較為適合 齒輪齒寸無需調(diào)整 3 確定傳動主要尺寸 實際分度圓直徑 d 因模數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)值時 齒數(shù)并未調(diào)整 故分度圓直徑不會 改變 即 d1 mZ1 90mm d2 mZ2 90mm 中心距 mZma60121 齒寬 b bd1 90mm 4 齒根彎曲疲勞強度驗算 重合度系數(shù) Y 67 0 152 075 2 0 Y 齒間載荷分配系數(shù) KF 由表 12 10 49 167 0 YF 齒向載荷分布系數(shù) KF 3 25 9 hb 由表 12 14 KF 1 25 載荷系數(shù) K K KA KVKF KF 1 5 1 1 1 49 1 25 3 07 齒形系數(shù) YF 由圖 12 21 YF1 2 8 YF2 2 29 應(yīng)力修正系數(shù) YSa 由圖 12 22Ysa1 1 54 Ysa2 1 74 彎曲疲勞極限 Flim 由圖 12 23C Flim1 60MPa Flim2 450Mpa 彎曲最小安全系數(shù) SFmin 由表 12 14 SFmin 1 25 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) NL 由表 12 15 估計 3 106 NLTmax 15 49Nm 則花鍵軸能夠達(dá)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 0 1 F 花 f 5338 0 1 533 8N 而 NTT15407 13 02913 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 3 3 2 3 軸向進給設(shè)計 在主軸外設(shè)計一套筒 設(shè)長為 80mm 的齒條由齒輪帶動 先設(shè)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(shè)計指導(dǎo)書 I t 0 3600 其中 步距角 deg 脈沖當(dāng)量 鉆床取 0 02mm t0 齒距 t 0 m 根據(jù) 機電一體化課程設(shè)計指導(dǎo)書 選步進電機 取 0 1 m 1 25 2 30 3651 I 取 0 75 時 4 230 6517 I 取 I 3 2 0 1 時 可取 Z1 20 Z2 64 m 1 25 b 20mm 20 0 df1 mZ1 25mm df2 mZ2 80mm de1 28 de2 83 齒輪設(shè)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 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 18 244108 7KgmbdJ 251 109 2gZ 44263J 根據(jù) 機電一體化課程設(shè)計指導(dǎo)書 表 1 預(yù)選步進電機為 200BF001 查 得電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動慣量為 231094 2KgmJm 折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 20212121 tZJJSZm25 22553108 5 16405 1649 639 4Kg 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Tm 的計算 取 V 2m min Tm F 軸 F 摩 V 主軸進給 2 n m in 102 36020 rhm NT4 15 3 3 2 4 起動慣量矩的計算 以最不利條件下的快速起動計算 設(shè)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 18 60126 snWm 則 T 慣 273 tnNJm538710 則 J Tm T 慣 1 04 5 038 6 08Nm 3 3 2 5 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(fù)載總轉(zhuǎn)矩為 NmTnK03 18 6705 由預(yù)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 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 19 于或等于 T 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 3 4 縱向進給運動的分析及計算 3 4 1 縱向進給負(fù)載分析及計算 3 4 1 1 摩擦阻力 摩擦阻力應(yīng)等于正壓力乘以摩擦系數(shù) 正壓力應(yīng)包括軸向力 F 1175N 及工 作臺加縱向軌道之重力 設(shè)工作臺重量為 400Kg 縱向軌道重量為 400Kg 400 400 10 1175 0 1 917 5N 摩F 1 0 3 4 1 2 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 根據(jù)要求粗選 0 75 t o 5 0 005 036i 08 25 7 可取 25 52 m 1 5 b 25mm 20o1Z df1 mZ1 1 5 25 37 5mm df2 mZ2 1 5 52 78mm de1 40 5mm d e2 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 45 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 45 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(shè)計指示書 表 1 預(yù)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 221221 4 mnSZm ViJJ 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 20 242 244541026 3 8 08 10 81 106 3 Kgm 3 4 1 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 3 4 1 4 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算 Tm F 縱 F 摩 V 工作 2 n m N35 0 82917 由 in 3 8 630 rnnm 3 4 1 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(shè)起動加速式制動減速的時間 t 0 5s 一般在 0 1 1s 之間 由于步進電機的角速度 2 87603 2 SnWm 角加速度 24 15 t T 慣 J m 6 26 10 4 174 44 0 11Nm 3 4 1 6 步進電機輸出軸總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算 J Tm T 慣 0 35 0 11 0 46Nm 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 為 安全系數(shù)為 K 則比時的負(fù)載總 轉(zhuǎn)矩應(yīng)考 慮為 NmTK9 046 751 由預(yù)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 T 由表查出 Tg T 0 866 T g 4 9 0 866 4 24Nm 0 99Nm 故選擇合適 確定選用 110BF004 步進電機 3 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 3 4 3 1 承載能力的校核 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 21 fHfWPmaxCO 式中 L 滾珠絲杠壽命系數(shù) 3L 轉(zhuǎn)610 P max F 縱 F 摩 0 917 5 917 5N fH 1 fW 1 2 T 15000610min 64 08 23NtLrns KN8 745 36 9172 01 54 3 6 選絲桿 CMD2504 3 查表得絲桿額定載荷為 O 8 2KN Q 滿足要求 3 4 3 2 壓桿穩(wěn)定性驗算 max2PKDEIF 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 4 44180 3269 cmdI 查手冊可知 所用絲杠的最小徑為 d 1 21 9mm 取壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) K 4 絲杠長度 L LS 700mm NPNPK 5 91749 37625 10max 故滿足要求 3 4 3 3 剛度驗算 絲杠的剛度是保證第一導(dǎo)程的變動量要在允許范圍內(nèi) IEMTSPL 200 絲杠最小截面積 22176 349 cmd 設(shè) T0 0 5 I 2 26cm4 M Tmaxi 4 9 2 08 10 20Nm 1020Ncm 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 22 號用于拉伸 一 號用于壓縮 都取 號 則 mcL 618 081 60 265167 310 259 4 由于選擇要求滾珠絲杠精度等級為 C 級 L 0 4 m 0 681 m 所以滿足要求 3 4 4 縱向進給軸承的選擇 推力球軸承 51305 向心球軸承 6205 3 5 橫向進給運動的分析及計算 3 5 1 橫向進給負(fù)載分析及計算 3 5 1 1 摩擦阻力 當(dāng)鉆床的工作臺與導(dǎo)軌間的相對運動為滑動摩擦 取摩擦系數(shù) 摩1 0 擦阻力應(yīng)等于正壓力乘摩擦系數(shù) 正壓力應(yīng)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 3 5 1 2 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 根據(jù)要求粗選 0 36 t o 5 0 002 036i 5 2 7 初取 20 50 m 1 5 b 25mm 20o1Z df1 mZ1 1 5 20 30mm df2 mZ2 1 5 50 75mm de1 33mm d e2 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 45 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 45 近似的算出為 JS 7 8 24 70 10 4 0 87 10 3Kgm2 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 23 預(yù)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 221221 4 mnSZm ViJJ 242 244541096 5 107 8 703 76 Kgm 3 5 1 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 3 5 1 4 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算 Tm F 橫 F 摩 V 工作 2 n m N16 0257 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 min 10 3600 rVnnm 3 5 1 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(shè)起動加速式制動減速的時間 t 0 5s 一般在 0 1 1s 之間 由于步進電機的角速度 27 104620 SnWm 角加速度 24 95 tm T 慣 J m 4 96 10 4 209 44 0 14Nm 3 5 1 6 步進電機輸出軸總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算 J Tm T 慣 0 16 0 14 0 30 Nm 3 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 0 7 安全系數(shù)為 K 1 5 則此時的負(fù)載 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 24 總轉(zhuǎn)矩應(yīng)考慮為 NmTK64 03 751 由預(yù)選的步進電機型號為 90BF006 五相十拍 步距角 0 36 step 其最大轉(zhuǎn)矩 Tymax 2 156Nm 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 T 由表查出 Tg T 0 951 T g 2 156 0 951 2 05Nm 0 49Nm 所以選擇合適 確定選用 90BF006 步進電機 3 5 3 橫向進給滾珠絲杠的校核 初選絲杠型號為 CMD2005 3 因此必須進行以下幾個項目的校核 3 5 3 1 承載能力的校核 fHfWPmaxCO 式中 L 滾珠絲杠壽命系數(shù) 3L 轉(zhuǎn)610 P max F 橫 F 摩 0 517 5 517 5N fH 1 fW 2 T 15000 610 min 45 2NtLrns KN37 0 765 120 1 436 選絲桿 CMD2005 3 查表得絲桿額定載荷為 O 9KN Q 滿足要求 3 5 3 2 壓桿穩(wěn)定性驗算 max2PKDEFI 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 444180 3269 cmdI 查手冊可知 所用絲杠的最小徑為 d 1 1 69mm 取壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) K 2 5 絲杠長度 L LS 700mm 5 17 83 12205 1maxNPNPK 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 25 故滿足要求 3 5 3 3 剛度驗算 絲杠的剛度是保證第一導(dǎo)程的變動量要在允許范圍內(nèi) IEMTSPL 200 絲杠最小截面積 2214 69 4cmd 設(shè) T0 0 5 I 0 80cm4 M Tmaxi 0 882 2 5 2 21Nm 221Ncm 號用于拉伸 一 號用于壓縮 都取 號 則 mcL 602 102 61 280524 10 57 4 由于選擇要求滾珠絲杠精度等級為 C 級 L 0 4 m 0 602 m 所以滿足要求 3 5 4 橫向進給軸承的選擇 推力球軸承 51304 向心球軸承 6204 3 6 Z 向進給運動的分析及計算 3 6 1 Z 向進給負(fù)載分析及計算 3 6 1 1 摩擦阻力 摩擦阻力應(yīng)等于正壓力乘以摩擦系數(shù) 因主軸箱自重被平衡 對軌道無壓 力 所以摩擦阻力為零 3 6 1 2 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 根據(jù)要求粗選 0 75 t o 5 0 02 360i 5208 7 i 可取 46 24 m 1 5 b 25mm 20o1Z2 df1 mZ1 1 5 46 69mm df2 mZ2 1 5 24 36mm de1 72mm d e2 39mm 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 26 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 45 為 J 7 8 d4 b 10 4 kgm2 JZ1 7 8 7 24 2 5 10 4 5 24 10 5Kgm2 JZ2 7 8 3 94 2 5 10 4 0 45 10 4Kgm2 滾珠絲桿直徑選擇為 d0 32mm L 400mm 材料 鋼 則絲桿的轉(zhuǎn)動慣量可 45 近似的算出為 JS 7 8 3 24 40 10 4 3 27 10 4Kgm2 由 機電一體化課程設(shè)計指示書 表 1 預(yù)選步進電機為 110BF003 查得 電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動慣量為 Jm 4 61 10 4Kgm2 折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為 221221 4 mnSZm ViJJ 242 24541059 283 508 17 30 0 6 Kgm 3 6 1 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 6 1 4 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算 Tm F 軸 F 摩 V 工作 2 n m N80 13 2750 Tm 0 1175 2 2 208 33 1 80Nm 由 in 3 20 60rnn 3 6 1 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(shè)起動加速式制動減速的時間 t 0 5s 一般在 0 1 1s 之間 由于步進電機的角速度 281 603 2 SnWm 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 27 角加速度 24 095 8120 StWm T 慣 J m 2 59 10 3 43 62 0 11Nm 3 6 1 6 步進電機輸出軸總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算 J Tm T 慣 1 80 0 11 1 91Nm 3 6 2 Z 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 為 安全系數(shù)為 K 則比時的負(fù)載總 轉(zhuǎn)矩應(yīng)考 慮為 T K T 1 5 0 7 1 91 4 09Nm 由預(yù)選的步進電機型號為 110BF003 三相六拍 步距角 0 75 step 其最大 轉(zhuǎn)矩 Tymax 7 84Nm 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 T 由表查出 Tg T 0 866 T g 7 84 0 866 6 79Nm 4 09Nm 故選擇合適 確定選用 110BF003 步進電機 3 6 3 Z 向進給滾珠絲杠的校核 初選絲杠型號為 CMD3205 5 因此必須進行以下幾個項目的校核 3 6 3 1 承載能力的校核 fHfWPmaxCO 式中 L 滾珠絲杠壽命系數(shù) 3L 轉(zhuǎn)610 P max F 向 F 摩 1175 0 1175N fH 1 fW 2 T 15000 610 min 4528 3NtLrns KN72 16520 1 436 選絲桿 CMD3205 5 查表得絲桿額定載荷為 O 19 2KN Q 滿足要求 max2PKDEIF 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 4 41485 6329 cmdI 查手冊可知 所用絲杠的最小徑為 d 1 2 89mm 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 28 取壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) K 4 絲杠長度 L LS 700mm 175 102 932485 610 max4NPNPK 故滿足要求 3 6 3 2 剛度驗算 絲杠的剛度是保證第一導(dǎo)程的變動量要在允許范圍內(nèi) IEMTSPL 200 絲杠最小截面積 2 2156 489 cmd 設(shè) T0 0 5 I 6 85cm4 M Tmaxi 7 84 0 5208 4 083Nm 408 3Ncm 號用于拉伸 一 號用于壓縮 都取 號 則 mcL 438 0138 410 25634856 10 27 45 由于選擇要求滾珠絲杠精度等級為 C 級 L 0 4 m 0 438 m 所以滿足要求 3 6 4 Z 向進給軸承的選擇 推力球軸承 51307 向心球軸承 6207 3 7 齒輪強度校核 3 7 1 齒面接觸疲勞強度計算 3 7 1 1 初步計算 轉(zhuǎn)矩 T 1 0 35Nm 350Nmm 齒寬系數(shù) d 由表 12 13 該節(jié)中所指的表均指 機械設(shè)計 主編一 書中的表 取 75 01 b 接觸疲勞極限 Hlim 由圖 12 17c 可取 Hlim1 710MPa Hlim2 580MPa 初步計算的許用接觸硬力 H1 0 9 Hlim1 0 9 710 639MPa 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 29 Ad 值由表 12 16 取 Ad 85 初步計算的小齒輪直徑 d1 85 9 943 5 2396 750 1 2 5 取 d1 33mm 初取齒寬 b dd1 0 75 33 25mm 3 7 1 2 校核計算 圓周速度 V 2m min 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 20 Z2 iZ1 50 模數(shù) 由表 12 3 取 m 1 5 65 2031 dm 則 Z1iZ 使用系數(shù) KA 由表 12 9 取 KA 1 5 齒間載荷分配系數(shù) KH 由表 12 10 先求 mNFd TTAt 10 27 15 3021 端面重合度 6 152 38cos 38121 Z 重合度系數(shù) Z 0 883 6 4 由此得 29 18 02 ZKH 齒間載荷分布系數(shù) KH 由表 12 11 對稱支撐 321 CbdBAH 70 215 07 6 032 載荷系數(shù) K K AKVKH KH 1 5 1 1 1 29 1 27 2 70 彈性系數(shù) ZE由表 12 12 取 ZE 189 8 MPa 節(jié)點區(qū)域系數(shù) ZH 由圖 12 16 可取 ZH 2 5 機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 論文 30 接觸最小安全系數(shù) SHmin 由表 12 14 取 SHmin 1 05 總工作時間 t h 15000 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) NL 由表 12 15 估計 10 7 NL 109 則指數(shù) m 8 78 NL1 NV1 60 ithi Ti Tmax n1 60 1 1000 15000 18 78 0 2 0 58 78 0 5 0 28 78 0 3 1 81 108 原估計應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確 7812 1024 5 iNL 接觸壽命系數(shù) ZN 由圖 12 18 可取 ZN1 1 12 ZN2 1 24 許用接觸應(yīng)力 H MPaSZHN6850 12457 min2l2i1l1 驗算 H ZEZHZ ubdKT1 2224 1305 3507 8 029 1 HMPa 計算結(jié)果表明 接觸疲勞強度較為適合 齒輪齒寸無需調(diào)整 3 7 2 確定傳動主要尺寸 實際分度圓直徑 d 因模數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)值時 齒數(shù)并未調(diào)整 故分度圓直徑不會 改變 即 d1 mZ1 33mm d2 mZ2 82 5mm 中心距 mZma75 5 121 齒寬 b