钻床Z向进给系统改造设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 大 学 设 计（论 文） 题 目： 钻床 Z 向进给系统改造设计 院 （系） ： 专 业： 班 级： 学生姓名： 导师姓名： 职称： 起止时间： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 中文摘要 随着科学与技术的发展，计算机数字控制技术的日趋成熟。加工技术在世界的工业范围内都有了显著的提高。我国由于存在大量的金属切削机床，把它们全部淘汰不符合我国国情，所以对金属切削机床进行适当的数控化改造，提高生产效率是最明智的选择。本次设计是对台式钻床的工作台进行数控化改造。首先，了解台式钻床的结构，确定改造方案。其次，选择滚珠丝杠、步进电机和消隙齿轮等零件，来达到提高传动精度，减小加工误差的目的。第三，采用芯片控制代替原有的电气控制形式，达到提高控制精度、减小响应时间和减小占 地空间等目的，并且可视化的数控代码编程和模拟加工过程，可以提前发现程序的纰漏。最后，利用 编程控制器对液压回路等进行控制，方便工程技术人员编写和使用。本次设计的结果可以顺利达到设计任务的要求，完成 X、 Y 两方向单独运行和同时运行，提高了加工效率。普通机床数控化改造的技术可以广泛的应用在机械加工行业中。工程技术人员也应掌握并创新该项技术为振兴我国机械制造业而努力。 关键词： 创新 ;改造 ;数控技术 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 of to is a in in of a of in of to to on an to a is is in a of to an of it a to to to of in In of LC to it to of a of , Y in be in in 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 第一章 绪论 . 1 进制造技术的提出与发展 . 5 国数控机床发展现状 . 5 控机床的优缺点 . 5 论文研究的内容及目的 . 6 第二章 机械部分设计与计算 . 7 定尺寸及估计重量 . 7 向（ 计计算 . 7 珠丝杠设计计算 . 7 动齿轮的相关计算 . 10 动惯量计算及其步进电机的选择 . 11 轮的验算 . 14 第三章 轴的设计与校核 . 22 的材 料选择 . 22 选滚动轴承 . 22 步确定传动轴的轴向、径向尺寸 . 22 弯扭合成强度校核轴的强度 . 22 第四章 零件校核计算 . 27 动轴承的支反力计算 . 27 动轴承的寿命校核 . 27 的强度校核 . 27 第五章 数控系统的硬件电路设计 . 29 片机简介 . 29 片机在设计中的应用 . 31 结论 . 35 致谢语 . 36 参考文献 . 37 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 钻床 Z 向进给系统改造设计 摘要 随着科学技术的发展，计算机 数字控制技术的日趋成熟，加工技术在世界的工业范围内都有了显著的提高。我国由于存在大量的金属切削机床，把它们全部淘汰不符合我国国情，所以对金属切削机床进行适当的数控化改造是最明智的选择。本次设计是对台式钻床的工作台进行数控化改造。首先，了解台式钻床的结构，确定改造方案。其次，选择滚珠丝杠、步进电机和消隙齿轮等零件，达到提高传动精度，减小加工误差的目的。第三，采用芯片控制代替原有的电气控制形式，从而达到提高控制精度、减少响应时 间和减小占地空间等目的，并且可视化的数控代码编程和模拟加工过程可以提前发现程序的纰漏。最后，利用单片机对液压回路等进行控制，方便工程技术人员编写和使用。本次设计的结果可以顺利达到设计任务的要求，提高加工效率。普通机床数控化改造的技术可以广泛的应用在机械加工行业中，工程技术人员也应掌握并创新该项技术为振兴我国机械制造业而努力。 关键字： 经济性数控钻床 滚珠丝杠 滚动轴承买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 1 页 共 50 页 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 2 页 共 50 页 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 3 页 共 33 页 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 4 页 共 50 页 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 5 页 共 33 页 第一章 绪论 进制造技术的提出与发展 1949年，在美国麻省理工学院伺服机构研究室的协助下开始数控机 床研究，并于 1952 年试制成 功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产。 从 1952年至今， 数控机床按数控系统的发展经历了五代： 第一代 1955年，数控系统以电子管组成，体积大，功耗大； 第二代 1959年，数控系统以晶体管组成，广泛采用印刷电路板； 第三代 1965年，数控系统采用小规模集成电路，其特点是体积小，功耗低，可靠性有了提高； 第四代 1970年，数控系统采用小型计算机取代专用计算机，其部分功能由软件实现，首次出现在 1970年美国芝加哥国际机床 展览会上，具有价格低，可靠性高和功能多等特点； 第五代 1974年，数控系统以微处理器为核心，不仅价格进一步降低，体积进一步缩小，使实现真 正意义上机电一体化成为可能。现在市场上数控系统都是以微处理器为核心系统，但数控系统的性能随着 一代又可细分为六个发展阶段。 1974年 系统以位片微处理器为核心，有字符显示、自诊断功能， 1979年 系统采用 示、 容量磁泡存储器、可编程接口和遥控接口等， 1981年 具有 人机对话功能 、动态图形显示、实时精度补偿， 1986年 数字伺服控制诞生，大惯量的交直流电机进入实用阶段， 1988年 采用高性能的 32位机作为主机的主从结构系统， 1994年 基于 统诞生，使 性化的新时代， 新型 以说它是 数控技术 发展的又一个里程碑。 国数控机床发展现状 我国数控机床的发展起步较早，从 1958年开始研制，已经历了 40年的发展历程。但到 1978年底，数控机床的发展几经周折，走了不少弯路，当年数控机床的产量仅 223台。 1979年开始的改革开放，为我国的机械工业开辟了新时期，数控机床的发展也进入了一个崭新的阶段。我国近几年数控机床发展迅速，一大批性能较好，价格适宜的产品受到了用户的欢迎，但与工业发达国家仍存在阶段性的差距。就总体来说，我国数控机 床的构成比较落后，以普通精度加工为主的车床、钻床所占比重大，以高精度加工为主的磨床、自动化和高效率的加工中心所占比重小。国产的经济型、低价位的数控机床比重大，其性能和加工效率与国外先进水平差距较大，中档以上的产品竞争力较低。装备各行业所需的数控机床，主要依靠进口，国产数控机床的市场占有率不高。 控机床的优缺点 数控机床较好地解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，尤其对于约占机械加工总量 80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。概括起来， 采用数控机床有以下几方面的优点： 第一 提高加工精度，结构上引入滚珠丝杆、采用软件精度补偿技术、加工全程由程序控制加 工，减少人为因素对加工精度的影响，尤其提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定； 第二 提高生产效率，一般约提高效率 3用数控加工中心机床则可提高生产率 5 节约时间与资金； 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 6 页 共 50 页 第三 可加工形状复杂的零件，如螺旋浆； 第四 减轻了劳动强度，改善了劳动条件； 第五 有利于生产管理和机械加工综合自动化的发展。 但是数控机床也存在着以下缺点： 第一 由于费用高昂，加工大批量零件不利； 第二 操作人员要求素质高，工资成本高； 第三 系统复杂，修理复杂，维护费用高，需要好的工作环境。 论文研究的内容及目的 本次设计是对台式钻床的工作台进行数控化改造。首先，了解台式钻床的结构，确定改造方案；其次，选择滚珠丝杠、步进电机和消隙齿轮等零件，来达到提高传动精度，减小加工误差的目的；第三，采用芯片控 制代替原有的电气控制形式，达到提高控制精度、减小响应时间和减小占地空间等目的，并且可视化的数控代码编程和模拟加工过程，可以提前发现程序的纰漏；最后，利用单片机对液压回路等进行控制，方便工程技术人员编写和使用。本次设计的结果可以顺利达到设计任务的要求，完成 Z、 高了加工效率。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 7 页 共 33 页 第二章 机械部分设计与计算 定尺寸及估计重量 根据钻床工作台的尺寸初步确定： 00N， 约为 150N， 括夹具及工件）不超过 450N。 向（ Z 向）设计计算 珠丝杠设计计算 1)强度计算 对于燕尾型导轨的牵引力计算 f,(2G) 取 K=f,=虑工作台在移动过程中只受 故 200 =40(N) 考虑工作台在加工时静止只受 故 = N) 取 计算最大动载荷 C 初选螺母副导程 杠的转速 n=100r/=61060 由机床设计手册取 T=15000 h L=61060=6101500010060 =90 考虑滚珠丝杠在运转过程中有冲击振动和考虑滚珠丝杠的硬度对寿命的影响。 由机床设计手册取 =3L 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 8 页 共 50 页 =390 1 查看机床设计手册选取 滚珠丝杠（ Q），刚度足够。 3)效率计算 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为 = )v =10 螺旋角 =4 22 =)v v=)0122424 =珠丝杠的传动效率高，这可使丝杠副的温度变化较小，对减小热变形，提高刚度、强度都起了很大作用。 4)刚度验算 滚珠丝杠受工作载荷 .6 E=21 106 N/ F= 22）（ = =00 6 = 106 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 忽略，即 L= 以导程变形总误差为 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 9 页 共 33 页 =01100L L= = m/m) 由机床设计手册知 1m 长）为 15 m/m ，故刚度足够。 5)稳定验算 机床的进给丝杠通常是轴向力的压杆，若轴向力过大，将使丝杠失去稳定而产生弯曲，依据材料力学中的欧拉公式计算 2)( 式中截面惯性矩，对实心圆柱 J=6441d =64 =N 2)( =262)101( = =4 = 所以滚珠丝杠安全不至失稳。 6) 滚珠丝杠副主要尺寸列表，见表 要尺寸 计算公式 计算结果 公称直径 25 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 10 页 共 50 页 基本导程 6 滚珠直径 珠圆弧半径 R 旋升角 4 22 滚道圆弧偏心距 e 杠大径 d 丝杠小径 d1 d1=杠长度 S S 700 螺母大径 D 45 螺母小径 螺母长度 58（ 2列） 表 珠丝杠副主要尺寸列表 动齿轮的相关计算 1)传动比的计算 L360 0= =)初步分配传动比 按获得最小转动惯量的原则分配传动比 21i it=i1 得 )初步估计齿轮模数 m=齿轮 27 大齿轮 1 =27 =41 1720mm 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 11 页 共 33 页 =27 = =41 =2 21 =2 =42.5(小齿轮 0 大齿 轮 3=30 =49 6 28mm 30 =37.5( =49 = 2 43 =2 = 动惯量计算及其步进电机的选择 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 (180)2 G =( )2 200 =N 丝杠的转动惯量 104 =1024 48 = 齿轮的转动惯量 104 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 12 页 共 50 页 =10( J 2Z =104 =10( 2 = 104 =10( 4(N 104 =10( 总传动惯量 J=2221 4S +21 23Z +=22 + +需转动力矩 : =N 1)快速空载时所需的力矩 M=f+ n=6 25100=r/=N Mf=2 0 = = 当 =预加载荷 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 13 页 共 33 页 M0=61 200 ）（ = ）（=N Mt=2 0=00 =N 2) 快速启动时所需力矩 M=f+N 3) 切削时所需力矩 M=f+t=0+0+N 由上分析计算可知 所需最大力矩 M= q=5=N 为满足最小步进距要求，电动机选用三相三拍工作方式 查机械设计手册得 66.0 =N 步进电动机的最高频率 0纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 14 页 共 50 页 =选用 110满足使用要求。 轮的验算 1)材料的选择 由机械设计表选择小齿轮材料为 40质），硬度为 280齿轮材料为 45 钢（调质），硬度为 240 2)第一对齿轮按齿面接触强度设计 设计计算公式为 1211)(1(i (1)确定公式内的各计算值 试选 择载荷系数 小齿轮传递的转矩 T=8000N m 由机床设计手册选出齿宽系数d=查得材料的弹性影响系数 189按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度 1=6002=550度极限 计算应力循环次数 60n1 j h =60 833 1 （ 2 8 300 15） =109 11=60 833 1 （ 2 8 300 15） =109 由机床设计手册查得接触疲劳寿命系数 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1%，安全系数 S=1，得 H 1 = =1 =552( 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 15 页 共 33 页 H 2 = =1 =528( (2)计算 试算小齿轮分度园直径 H 中较小的值 1211)()(1(i =2)528( =计算圆周速度 v v=100060 11 nd t=100060 =m/s) 计算齿宽 b=计算齿宽与齿高之比 b/h 模数 1=齿高 h=6 计算载荷系数 根据 v=s， 7级精度，查得动载系数 直齿轮，假设 100N/机买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 16 页 共 50 页 械设计手册得 KH= KF=用系数 1。由机床设计手册得 7级精度小齿轮相对支承悬臂布置时 KH=（ 1+d） 2d+103 b = KH=KF=载荷系数 K=K=1 按实际的载荷系数校正所算得的分度园直径，由下式得 = 计算模数 m m=11=3)第一对齿轮按齿根弯曲强度设计 得弯曲强度的设计公式 m 311 2 (1)确定公式内的各计算值 由机床设计手册查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限1500齿轮的弯曲疲劳强度极限 2380查得弯曲疲劳寿命系数 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳完全系数 S=1F=1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 17 页 共 33 页 =2F=2 =计算载荷系数 K=1 查取齿形系数 由机床设计手册查得 查取应力校正系数 由机床设计手册查得 计算大，小齿轮的 加以比较 111= =22Y=大齿轮数值大。 (2)设计计算 m 311 2 = 32)27( =比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，可取由弯曲强度算得的模数 m ，m=轮强度适合。 4）第二对齿轮按齿面接触强度设计 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 18 页 共 50 页 由设计计算公式 1211)()(1(i (1)确定公式内的各计算值 试选择载荷系数 小齿轮传递的转矩 T =13120(N m) 由机床设计手册选出齿宽系数d=查得材料的弹性影响系数 189按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度 1=6002=550计算应力循环次数 0n1 60 1 （ 2 8 300 15） =109 23= =109 由机床设计手册查得接触疲劳 寿命系数 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1%，安全系数 S=1，得 H 3=1 =570( H 4 =1 =(2)计算 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 19 页 共 33 页 试算小齿轮分度园直径 入 H 中较小的值 3231)(1(i =2) 3 1 2 =计算圆周速度 v v=100060 21 nd t=1 00 060 =m/s) 计算齿宽 b=计算齿宽与齿高之比 b/h 模数 3=.3(齿高 h=计算载荷系数 根据 v=s， 7级精度，得动载系数 直齿轮，假设 100N/ KH= KF=使用系数 1， 7级精度小齿轮相对支承悬臂布置时 KH=（ 1+d） 2d+103 b =（ 1+ 103 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 20 页 共 50 页 = KH=F=载荷系数 K=KH=1 按实际的载荷系数校正所算得的分度园直径，由下式得 d3= 计算模数 m m=33=5)按齿根弯曲强度设计 弯曲强度的设计公式为 m 332 2 (1)确定公式内的各计算值 由机床设计手册查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限3500齿轮的弯曲疲劳强度极限 4380由机床设计手册查得弯曲疲劳寿命系数 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳完全系数 S= F 3=3 =300( F 4 =4 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 21 页 共 33 页 =计算载荷 系数 K=KF=1 查取齿形系数 由机床设计手册查得 查取应力校正系数 由机床设计手册查得 计算大，小齿轮的 加以比较 333= 300 =44Y=大齿轮数值大。 (2)设计计算 m 311 2 = 32)30(6 4 5 1 2 02 =比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数 取由弯曲强度算得的模数 m ， m=齿轮强度适合。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 22 页 共 50 页 第三章 轴的设计与校核 的材料选择 选用 45号钢调质处理 初 步估计轴端直径 d T=选滚动轴承 传动采用的是直齿轮，因其基本不受轴向力影响故采用深沟球轴承 6203。 步确定传动轴的轴向、径向尺寸 (1)考虑到初步估计的直径与轴承内圈的通用性的要求由轴承产品目录中初步选取，基本游隙组 、标准精度级的深沟球轴承 6203，故此段轴径 d=17 (2)由于齿轮段与轴承段为非配合表面和考虑到同轴安装的小齿轮 保证 2d,故取此段轴径 d=19一端同。 (3)齿轮段右端设计为轴环与齿轮段为配合表面 d+(3 4) 整为 d=24 (4)轴环的宽度为 b 轴环宽 b= (5)齿轮段考虑到套筒要能准确实现轴向定位，故轴宽要比齿轮的宽度小一些故设计为 ，取 b=193段取 b=24 (6)考虑到齿轮距箱体内壁之间有一定距离，考虑到轴承的润滑方式的影响，取 l= (7)确定轴上圆角和倒角尺寸。取轴端倒角为 45，各轴肩处的圆角半径见后图 。 弯扭合成强度校核轴的强度 确定轴支撑跨距 L=99 (1)绘制轴受力简图，见图 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 23 页 共 33 页 图 a 轴简图 F rF tF tF r 图 b 受力简图 图 c 水平受力 M 图 d 水平弯矩图 F B图 e 垂直受力图 M 图 f 垂直弯矩图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 24 页 共 50 页 g 扭矩图 图 受力弯矩图 由力矩平衡条件确定齿轮受力 22=512（ N） 32=N） =512 =N） 3= = N） (2)绘制垂直弯矩图，见图 3223 l =99 =N) N) 截面 3l= N） 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 40133