大型结构件专用数控钻孔机床整体和床身设计

摘要： 大型结构件专用数控机床设计 随着先进制造技术的发展和进步， 控加工已成为机加工过程中的一种主流 技术。这一技术的运用提高了机加工过程中工作效率和加工精度。数控多工位钻 床就是提高钻削加工精度和效率的一种很好的机加工工具。 文对数控多工位钻 床进行了设计，采用了普通车床设计的步骤和方法，综合考虑数控机床的特点。 从切削力入手确定主轴及电机，到整个机床的结构设计和机床的控制。最后到对 机床初始化程序设计。 本文所做的工作: 1.完成数控多工位钻床的资料收集与国、内外现状的调查比较，提出较为可 行的方案; 2.完成机床的机械结构设计计算与电气控制系统设计， 步完成控制系统的 软硬件设计； 交论文及机械系统的装配与关键零部件的相应图纸及数控系统的 硬件图，同时提交电子文档; 3.编写 设 计计 算 说明 书 。完成了一台经济型的数控机床的设计。 关键词 数控技术、钻床、钻削、计算机控制、单片机 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Large CNC machine tool design structure-specific Abstract With the manufacturing development, numerical control manufactur ing has become one of the major advanced technologies. efficiency and accuracy has been improved in application of the technology. Numer ical control autodrilling machine is a kind of the new machine tools that can improve the machining accuracy and efficiency. The paner has designed for Numer ical control autodrilling 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 multistagedr illing 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 numer ical 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、dr illing、 computer control、single chip computer目 次 1 引言 1 .1.数控机 床简介 1.2. 数控机床 的工 作原理与 组成 1 .3. 数控 技术的发 展现 状与趋 势 1 .4. 我国 数控产业 现状 及发展 1.5.本次 设计所完成 内容 2 系统总体方案设计 2.1.机械 系统 2.2.接口 设计 2.3.伺服 系统设计 2.4.控制 系统设计 3 系统结构布局图 3.1 机床总体布局设计 3.2 设计方案分析 4 机械系统的设计计算 4.1.滚珠丝杠的选型与计算 4.2.滚动直线导轨的选型与计算 4.3.电机的选择 5.光电开关的选择 6. 结论 7.参考文献 5 5 7 7 9 10 11 11 11 11 12 12 12 13 14 14 18 19 21 22 231. 引言 1.1 数控机床简介 1.1.1 数控机床的产生及其重要性 随着科学技术的飞跃发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新越 来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加。同时，随着航空工业、汽车工 业和轻工消费品生产的高速增长，复杂形状的零件越来越多，精度要求也越来越 高。此外，激烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短，传统的加工设备和 制造方法已难于适应这种多样化、 性化与复杂形状零件高效和高质量的加工要 求。 数字控制机床，就是为了解决单件、小批量，特别是复杂型面零件加工的自 动化并保证质量要求而生产的。1947 年，美国 Parsons 公司为了精确制造直升 机翼、桨叶和直升机框架，开始探讨用三坐标曲线数据来控制机床的运动，并进 行实验，加工飞机零件。1949 年，为了能在短时间内制造出经常变更设计的零 件，美国空军（U。S。AirForce）与 Parsons 公司签定了制造第一台数控机床的 合同。1 51 年， 国麻省理工学院 MIT Massachusetts Instiute of Technology） 承担了这一项目。1952 年，MIT 伺服机构研究所用实验室制造的控制装置和辛辛那提（Cincinnati Hydrotel）公司的立式铣床成功地实现了三轴联动数控运动， 可控制铣刀进行连续空间曲面的加工，揭开了数控加工技术的序幕。随着不断的 改进与完善，1955 年，NC（数控）机床开始用于工业加工。 数控机床是综合应用了微电子、计算机、自动检测以及精密机械等技术的最 新成果而发展起来的完全新型的机床，它标志着机床工业进入了一个新的阶段。 从第一台数控机床问世到现在 40 多年中，数控技术的发展非常迅速，使制造技 术发生了根本性的变化，几乎所有品种的机床都实现了数控化。数控机床的应用 领域也从航空工业部门逐步扩大到汽车、 船、 床、 筑等民用机械制造行业。 此外，数控技术也会在绘图仪、坐标测量仪、激光加工与线切割机等机械设备中 得到广泛的应用。努力发展数控加工技术，并向更高层次的自动化、柔性化、敏 捷化、网络化和数字化制造方向推进，是当前机械制造业发展的方向。 从 20 世纪 50 年代末期，我国就开始研究数控技术，开发数控产品。1958 年，清华大学和北京第一机床厂合作研制了我国第一台数控铣床。经过多年的不 断努力，数控产业取得了长足的发展：国产数控系统基本上掌握了关键技术，可 靠性已有很大提高； 开发的国产数控机床产品大部分达到国际 20 世纪 80 年代中期水平，部分达到国际 20 世纪 90 年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床；技术上也取得很大突破，如高速主轴制造技术、快速进给、快速换 刀、柔性制造等技术，为国产数控机床的下一步发展奠定了基础。虽然在数控技 术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在迅 速缩小。 数控技术是机械加工现代化的重要基础与关键技术。 用数控加工可大大提 高生产效率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精 密零件的自动化加工，易于在工厂或车间实行计算机管理，还使车间设备总数减 少，节省人力、改善劳动条件，有利于加快产品的开发和更新换代，提高企业对 市场的适应能力并提高企业综合经济效益。数控加工技术的应用，使机械加工的 大量前期准备工作与机械加工过程联为一体，使零件的计算机辅助设计（CAD） 、 计算机辅助工艺规划（CAPP）和计算机辅助制造（CAM）的一体化成为现实，使 机械加工的柔性化自动化水平不断提高。 数控加工技术也是发展军事工业的重要战略技术。 国与西方各国在高档数 控机床与技工技术方面，一直通过巴黎统筹委员会对我国进行封锁限制，应为许 多先进武器装备的制造，如飞机、导弹、坦克等的关键零件，都离不开高性能数 控机床的加工。如著名的“东芝事件” 即是由于前苏联利用从日本获得的大型 五坐标数控铣床，用其制造出具有复杂曲面的潜艇的噪声大为降低，西方的反潜 艇设备顿时失效，对西方构成了重大威胁。我国的航空、能源、交通等行业也从 西方引入了一些五坐标机床等高档数控设备，但其使用受到国外的监控和限制， 不准用语军事用途的零件加工。特别是 1999 年美国的考克斯报告，其中一项主 要内容就是指责我国将从美国购买的二手数控机床用于军事工业， 一切均说明 数控加工技术在国防现代化方面所起的重要作用。 1.1.2 数控机床应用范围及特点 目前的数控加工主要应用于以下两方面： 一方面的应用是常规零件加工，如二维车削、箱体类镗铣等。其目的在于： 提高加工效率，避免认为误差，保证产品质量；以柔性加工方式取代高成本的工 装设备，缩短产品制造周期，适应市场需求。这类零件：一般形状较简单，实现 上述目的的关键一方面在于提高机床的柔性自动化程度、高速精加工能力、加工 过程的可靠性与设备的操作性能，另一方面在于合理的生产组织、计划调度和工 艺过程安排。 另一方面的应用是复杂形状零件加工，如模具型腔、涡轮叶片等。该类零件 在众多的制造行业中具有重要的地位， 加工质量直接影响以至决定着整机床品 的质量。这类零件型面复杂，常规加工方法难以实现，它不仅促使了数控加工技 术的产生，而且也一直是数控加工技术的主要研究及应用对象。由于零件型面复杂，在加工技术方面，除要求数控机床具有较强的运动控制能力（如多轴联动） 外，更重要的是如何有效地获得高效优质的数控加工程序，并从加工过程整体上 提高生产效率。 数控机床在机械制造领域中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点： 高柔性、生产效率高、加工精度高、加工质量稳定可靠、自动化程度高、能完成 复杂型面的加工、有利于生产管理的现代化。 1.2. 数控机床的工作原理与组成 1.2.1 数控机床的工作原理 数控机床是数字信息进行控制的机床。 凡是用代码化和数字信息将刀具移 动轨迹信息记录在程序介质上，然后送入数控系统，经过译码和运算，控制机床 刀具与工件的相对运动，加工出所需工件的一类机床即为数控机床。数控加工基 本过程见图 1 所示：程序清单 信息载体 编程器 CAD/CAM 系统 上位机 输入 装置 通信 线路 输出 装置 计算机数 字控制 装置 （CNC 装置） 可编程控制器 （PLC） 主轴控制 单元 速度控制 单元 主轴电动机 机床 进给电动机 位置检测器 图 1、 计算机数字控制（CNC）系统框图 数控机床加工零件时， 先编制零件的数控程序， 是数控机床的工作指令。 将数控程序输入到数控装置，再由数控装置机床主运动的变速、启停，进给运动 的方向、速度和位移大小，以及其他诸如刀具选择交换，工件夹紧、松开和冷却、 润滑的启、停等动作，使刀具与其他辅助装置严格地按照数控程序规定的顺序、 路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度等符合要求的零件。 1.2.2 数控机床的组成 数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的数控机床来讲，它由信息输入装 置、数控装置、伺服系统、机床本体以及复杂装置组成。 1.3. 数控技术的发展现状与趋势 近十几年来，数控机床借助于微电子、计算机技术的飞速进步着，高精度、 多功能、高速化、高效率、 ，正向复合加工功能、智能化等方向迈进，明显地反映出时代的特征，其主要表现为以下几方面。 1.3.1 精度化 当代工业产品对精度提出了越来越高的要求，像仪表、钟表、家用电器等都 有相当高精度的零件，典型的高精度零件如陀螺框架、伺服阀体、涡轮叶片、非 球面透镜、光盘、磁头、反射鼓等，这些零件的尺寸精度要求均在微米、亚微米 级。因此，加工这些零件的机床也必须受到需求的牵引而向高精度发展。 1.3.2 高速度化 提高生产率是机床技术发展追求的基本目标之一， 实现这个目标的最主要、最直接的方法就是提高切削速度和减少辅助时间。随着刀具、电机、轴承、数控 系统等相关技术的突破及机床本身基础技术的进步，使各种运动速度大为提高。 1.3.3 高柔性化 柔性是指机床适应加工对象变化的能力，当代产品的多样化和个性化，对机 床提供了更高的柔性加工要求。数控机床在提高单机柔性化的同时，朝着单元柔 性化和系统柔性化方向发展。不仅中、小批量的生产方式在努力提高柔性化能力， 就是在大批量生产方式中，也积极向柔性化方向转向。如出现了可编程控制器 （PLC）控制的可调组合机床、数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心、数控三 坐标动力单元等具有柔性的高效率加工设备，柔性加工单元（FMC） ，柔性制造系 统（FMS）以及介于传统自动线与 FMS 之间的柔性制造线（FTL） 。 1.3.4 高自动化 高自动化是指在全部加工过程中尽量减少“人”的介入而自动完成规定的任 务，它包括物料流和信息流的自动化。自 20 世纪 80 年代中期以来，以数控机床 为主体的加工自动化已从“点”的自动化（单台数控机床）发展到“线”的自动 化（柔性制造车间） ，结合信息管理系统的自动化，逐步形成整个工厂“体”的 自动化，并出现了 FA（自动化工厂）和 CIM（计算机集成制造）工厂的雏形实体。 尽管由于这种高自动化的技术还不够完备。投资过大，回收期较长，而提出“有 人介入”的自动化观点，但数控机床的高自动化并向 FMC，FMS 集成方向发展的 总趋势仍然是机械制造业发展的主流。 控机床的自动化除进一步提高其自动编 程、上下料、加工等自动化程度外，还在自动检索、监控、诊断、自动对刀、自 动传输等方向进一步发展。 1.3.5 复合化 复合化包含了工序复合化和功能复合化。在一台数控设备上能完成多工序切 削加工（如车、铣、镗、钻等）的加工中心，打破了传统的工序界限和分开加工 的规程。一台具有自动换刀装置、自动交换工作台和自动转换立卧主轴头的镗铣 加工中心，不仅一次装夹便可以完成镗、铣、钻、铰、攻丝和检验等工序，而且还可以完成箱体件五个面粗、精加工的全部工序。此外，还出现了与车削或磨削 复合的加工中心。 1.3.6 智能化 数控技术的一个重要发展趋势是加工过程的智能化。 有自适应控制功能的 控制系统，可以在加工过程中根据切削力和切削温度等加工参数，自动优化加工 过程，从而达到提高生产率，增加刀具寿命并改善加工表面质量等目的。刀具破 损监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状态。 以工艺参数数据库为支撑的、具有人工智能的专家系统被用于指导加工。 1.3.7 网络化 为适应制造业的网络化和全球化发展趋势， 控系统的网络化功能也日趋重 要。在企业内部，具有网络功能的数控系统可以充分实现企业内部的资源和信息 共享，适应未来车间的面向任务的定单的生产发展模式，使得底蹭生产控制系统 的集成更加简便有效。在生产企业之间，数控系统的网络化功能可以更好地适应 敏捷制造（AM）等先进制造模式。同时，系统制造商也可以通过系统的网络功能 进行远程诊断服务。 1.3.8 高可靠性 数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标， 控机床能否发 挥其高性能、高精度、高效率，并获得良好的效益，关键取决于可靠性。衡量可 靠性的重要的量化指标是平均无故障工作时间（MTBF） ，数控系统的 MTBF 已由 20 世纪 80 年代的 10000h 以上，提高到 90 年代的 30000h 以上，而数控整机的 MTBF 也从 20 世纪 80 年代的 100200h，提高到现在的 500800h。 除上述发展趋势外， 年来还出现了全新结构的数控机床， 早在美国 IMTS 94 机床博览会上，出现了被称为“六条腿”的机床。这种新型结构机床的六 条腿能自由伸缩，没有导轨和拖板，也称为虚轴机床（Virtual Axis Machine） 。 其精度相当于测量机，比传统机械加工中心高 210 倍；刚度为传统机械加工的 5 倍；对零件轮廓的加工效率是传统加工中心的 510 倍。这种机床结构设想是 德国 STEWART1962 年提出的，称之为数学造型机床，今天借助计算机技术的进步 得以实现。 1.4. 我国数控产业现状及发展 20 世纪 80 年代以来， 家对数控机床的发展十分重视， 历了 六五” 七 五”期间的消化吸收引进技术， 八五”期间科技攻关开发自主版权数控机床的 产业化奠定了良好基础，并取得了长足的进步。 九五”期间数控机床发展已进 入实现产业化阶段，产业化规模有了较大幅度的提高，形成了十几个普及型数控机床的产业化基地和开发中心，数控机床的年销量从“八五”末期底 000 多台发展到 2000 年的 14 万多台，机床的产值数控化率从“八五”的 12%增长到 2000 年的近 30%，一些重点企业已达到 70%以上，使高档数控机床的进口幅度减少， 突破了西方在关键设备方面对我国的进口限制，国产数控机床“八五”期间的市 场占有率只有 23%，到 2000 年已达到 50%。数控机床新开发品种 300 个，已有一 定的覆盖面。 开发的国产数控机床产品大部分达到国际 20 世纪 80 年代中期水平，部分达到 90 年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。在技 术上也取得了突破，如高速主轴制造技术（12000r/min1800r/min） 、快速进给 （60m/min） 、快速换刀（1.5s） 、柔性制造、快速成形制造技术等为下一步国产 数控机床的发展奠定了基础。当前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广 应用阶段过度的关键时期，也是由封闭型数控系统向开放型系统过渡的时期。从 生产规模上看，已有像航天数控集团、华中数控系统有限公司、北京机床研究所 等可实现批量生产的产业化基地。我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关 键技术上（包括核心技术） ，已达到国外先进水平，以开发出具有自主知识产权 的基于 PC 机的开放式智能化数控系统。数控机床的可靠性指标有大幅度提高。我国数控机床的可靠性指标（MTBF） 一直是其市场信誉及市场竞争力的主要问题。 五” 期， 国加工中心的 MTBF 已达到 400h，数控车床从平均 200h 提高到平均 450h；数控系统从 5000h 提高到 10000h 以上，最高达到 20000h。 曾长期困扰我国， 受到西方国家封锁的多坐标联动数控系统和数控技术已 渐成熟，并进入生产应用阶段。 九五”期间，我国生产的五轴联动及五面加工 机床已有多个品种，并在军工、航天、船舶等领域里应用，有效地打破了国外对 我国进口此类设备的限制。 1.5.本次设计所完成内容 要求完成机床的主体设计，并在此基础上完成床身、底座等主要结构零件的 设计。要求设备钻孔直径 D30mm。加工范围：XZ=2000mm100mm。机床布 置、加加工方式为卧式、双侧同时加工。 2.系统总体方案设计由设计任务书知,本次设计可采用如下方 案此图为卧式数控钻床，以此为参考设计本命题系统 2.1.机械系统 1.传动机构采用滚珠丝杠副 2.导向机构采用滚动直线导轨 3.执行机构采用步进电机 2.2.接口设计 1.人机接口 (1)采用键盘作为输入 (2)采用 LED 作为指示标志(3)采用数码管作为显示器 2.机电接口 采用光电耦合器作为微型机与步进电动机驱动电路的接口,实现电气隔离. 2.3.伺服系统设计 采用开环控制 2.4.控制系统设计 构布局图 3. 系 统 结大型结构件专用数控钻孔机床整体和床身设计是一种高效率、多功能的大型、 经济型数控加工设备。它的加工方式为卧式、双侧同时加工，既避免了采用普通 钻床钻孔则需要设计制造许多相应模具，又增加了产品的加工柔性 3.1 机床总体布局设计 专用数控钻孔机床主要用于大型结构件的加工。不但要求加工精度较高，而且要 求实现高速切削，其主轴转速高达 24 000rmin 左右。其移动部件不但要刚性 好，而且要尽可能轻巧，以保证其灵活性。对数控系统，要求其具有高的速度和 极好的伺服电机特性。 对于数控钻床，从机械的角度分析，其结构应满足：非移动部件刚性要好， 移动部件在保证其具有良好刚性的前提下，尽可能轻巧，灵活性要好。要从机械 上满足既轻巧又刚性好的要求，关键在于机械结构的合理设计上.系统结构布局示意见图上 机床主要组成： 二维数控十字工作台 ( X-Z 向) 立柱 一维数控工作台 (Y 向) 主轴组件 泵站 操作及控制柜 3.2 设计方案分析 本设计中大型结构件专用数控钻孔机床选用龙门式结构。 门式结构具有良 好的刚性和对称性，一直是高速切削设备的首选结构。本机床总体布局采用龙门 架式钻床结构，并设计了较宽的立柱和横梁。为克服不良力矩的问题，尽量加宽 了 X、Y、Z 三向的两根直线滚动导轨之间的跨距，从整体布置上有效保证了机床 的刚性。 因孕育铸铁（米汉那铸铁）具有良好的稳定性、吸振性和耐冲击性，可使床 身的结构强度和刚性有显著提高， 本机床整体式床身底座采用孕育铸铁铸造而 成。它为箱形结构，内部筋板采用米字型筋配合的网状结构，确保了对 Y 轴工作台和两立柱的刚性支承，使机床动态加工的稳定性可达最好。因机床的刚性主要 用于克服移动部分在高速移动时对非移动部分的强大冲击， 以导轨和丝杆在设 计时应尽量要求粗一些，以加强刚性。 由于采取了这些措施，所设计的数控钻床的最大优点是能进行双侧同时加 工，提高加工效率 4.机械系统的设计计算 4.1.滚珠丝杠的选型与计算滚珠丝杠副特性 滚珠丝杠传动系统是一个以滚珠作为滚动媒介的滚动螺旋传动的体系。 以传动形式分为两种： （1）将回转运动转化成直线运动。 （2）将直线运动转化成回转运动。 传动效率高 滚珠丝杠传动系统的传动效率高达 90%98%， 传统的滑动丝杠系统的 24 倍，如图 1.1.1 所示，所以能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动转为旋 转运动（运动可逆） 。 运动平稳 滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无 颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。 高精度 滚珠丝杠传动系统运动中温升较小， 可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸 以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。 高耐用性 钢球滚动接触处均经硬化（HRC5863）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯 属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。 同步性好 由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同 时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。 高可靠性 与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较 简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。 由技术要 求, 平支承方式 固定-固定 适用于高转速、高精度。 由技术要求,平均载荷 F=1500N,丝杠工作长度 L=1000mm, 工作寿命 ,传动精度要求 5 设导程 P=5 mm ,则 5 4.1.1 求计算载荷 FC KF KH KA KM 1.21.01.01600 1920 N K F K H 由条件,查 机电一体化系统设计 2-6 取 表 2-4 取 D 精度, 查表 2-6 取 =1.0, 4.1.2 计算额定动载荷计算值 Ca由式(2-4) =1.2, 查表 2-6 取 =1.2, Ca Fc 1.6710 4 1920c 1.67 10 9336 N 4.1.3 根据 Ca 选择滚珠丝杠副 Ca假设选用 DFU 型号,按滚珠丝杠副的额定动载荷 Ca 等于或稍大于 则,查表 2-9 选以下型号规格 DFU10020-4 Ca=9420 38 的原 公称直径 D=100mm 导程 P=20mm 螺旋角 滚珠直径 d0=9.525mm4 L 8250 8 16000 600 n 120r /min m 6000 n 1200r / min K m h h 按表中尺寸计算 0 滚道半径 R=0.52 d =0.52 3.175=1.651mm 3.175 偏心距 0 2 ) 0.07 (1.651 2 ) 0.0044 m 丝杠内径 1 0 2e 2R 2520.0044 21.651 21.71 m 4.1.4 稳定性验算 1由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳,所以在设计时应验 算其安全系数 S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数 丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷 其中 E=206Gpa L=0.3m 64 64 取 3 则 3 20610 1.09 10 d e 0.07 (R d D2 EI F 2 ( 4 4 d 0.02171 1 I 1.0910 m a 2 9 F 5.5310 N 2 2( 0.3) S 安全系数 Fc rF 5.530 1.510 368.98 查表 2-10 S=2.5-3.3 SS 丝杠是安全的,不会失稳 2 速长丝杠工作时可能发生共振,因此需验算其不会发生共振的最高转速 -临界转速 ,要求丝杠的最大转速 3 所以丝杠不会发生共振 3此外滚珠丝杠副还受 值的限制,通常要求 0 D0 n 25 120mm r / min 310 mm r / min 7 10 mm r / min (5)刚度验算 滚珠丝杠在工作负载 F(N)和转矩 T(N m)共同作用下引起每个导程的变形量 为 EA 2 GJ C 式中,A 为丝杠截面积,A= 4 为丝杠的极惯性矩, 32 G 为丝杠切变模量,对钢 G=83.3GP a;T(N m)为转矩 . 2 式中, 为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数; m 为平均工作载荷.取摩擦系 数为 ,则得 2 按最不利的情况取(F=Fm) EA 2GJC Ed1 Gd1 3.14 206 10 0.02171 3.14 83.310 0.02171 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为53 n n n 2 2 f d 3.927 0.02821 n 9910 9910 8293328r / min 2 2 2 ( 0.3) n n D n 4 D n 7 10 mm r / min 3 4 (m 2 pF p T L 1 1 d (m ) J J d ( m ) D T F tan() F 25 2 2 3 2 pF p T 4 pF 16 p T 4 51500 10 16(5 0 ) 1.25 L 9.84 0 2 2 4 9 2 2 9 4 L l 0 p 0.3 9.84 10 50 m 5.9 通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的 1/2,即 2 2 该丝杠的 满足上式 ,所以其刚度可满足要求 . (6)效率验算 tan() tan(338 840要求在 90%-95%之间,所以该丝杠副合格. 经上述计算验证, DFU10020-4 各项性能均符合题目要求,可选用. 4.2.滚动直线导轨的选型与计算 4.2.1 Y 方向导轨由所给条件得,该导轨的额定工作时间为 h 由 s 得 1000 因滑座数 M=4,所以每根导轨上使用 2 个滑座,由表 2-15-2-18 确定 f 0.81 f 1 f 1 f 2 fh fr f Ca 3 则由式 2-9, 3 TS K ( fw F ) Ca F fTSf / K f f F F 1700 425 N 得 h T c M 4 4.2.2 X 方向导轨h 8250 8 16000 由所给条件得,该导轨的额定工作时间为 ,由 2 s n 得 Ts 2Thls n /103 2 16000 0.3 4 60 1000 km 2304 m L2 1 1 L0.02 0.01mm 10 m tantan38 0.947 L 8250 8 16000 3 T 0 3 h T 2T l n /10 km 1536 m s h s g 3 T 0 T 因滑座数 M=4,所以每根导轨上使用 2 个滑座,由表 2-15-2-18 确定 c f 1 f 1 f 2 fh fr c Ca 3 则由式 2-9, 3 TS K ( fw F ) Ca F f Sf w f F F M 1700 4 425 N 得 3 h T c Ca 425 2304 3762.2 N 0.8111 选用汉江机床厂的 HJG-D 系列滚动直线导轨,查表 1, 其中 HJG-D25 型号的导轨的 Ca 值为 17500,能满足八年的使用要求. 4.3.电机的选择 4.3.1 电机类型选择 在开环控制的大型伺服系统中,可以采用伺服电机。 减速器传动比计算 360p 3600.01 选各传动齿轮齿数分别为 Z1=20, Z2=40,模数 m=2mm,齿宽 b=20mm.。大齿轮采用 双圆柱薄片齿轮错齿调整。强度强度检验略。 (1) 电动机轴上总当量负载转动惯量计算 初选伺服电机 ASMT L250-07, m = 0.617 0 f 0.81 f g T / K f / 502 p 1.55 i 2 2 j jz 7.810 0.04 kg m 2 3.910 kg m 32 3 4 jz 2 7.810 0.0832 kg m 2 6.310 kg m 将各传动惯量及工作台质量折算到电动机轴上，得总当量负载转动惯量。 5 4 2 2 jd jz1 i 2 jz 2i m (3.9 10 4 6.310 22 100)kg m 2.12 10 kg m 惯量匹配验算 j 0.6170 0.34 ，满足要求。 (2)伺服电机负载能力校验 伺服电动机轴上得总惯量： j jm jd (0.617 10 2.12 10 4 )kg m 2 8. 2910 kg m 空载启动时，电动机轴上得惯性转矩： T j jj 8.2910 6 1 N m 8.33 m p t 0.005 250 60 电动机轴上得当量摩擦转矩： TFmg 1009.80.2N m 0.10 N m 2i 2i 20.82 总功率取为 0.8 4 p p 0.005 j 2.120 3 4 0.02 2 0.02 2 2 2 1 p 1 0.005 3 4 2 w 1设滚动丝杠螺母副得预紧力为最大轴向载荷得 3电动机轴上的附加摩擦转矩为 p 2 0.005 2480 2 ,则因预紧力而引起的、折算到 T0 2i 20.82 3 (10.9 ) N m 0.078 m 工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩为 2i 20.82 于是空载启动时电动机轴上的总负载转矩为 Tq Tj TT0 (8.33 0.10 0.078) N m 8.508 m 在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为 Tl Tw TT0 (1.23 0.10 0.078) N m 1.408 m 按表 5-5 查得空载启动时所需电动机最大静转矩为 0.866 0.866 按式 5-39 可求得在最大外载荷下工作时所需电动机最大静转矩为 0.3 0.5 Ts Ts 9.82, 所取步进电机能正常启动 5.光电开关的选择 产品简介 E3R 型放大器内置型光电传感器，低成本，小型光电传感器，采用了耐药品、耐油性都很优秀的特氟龙（PFA）能够民晶圆片洗净槽的硫酸等高温液体的检测 相对应。 （-40 +200） ，实现了 0.5mm 的高重复精度。采用了防止液体的结构。F (1) p 0.005 T F 2480N m 1.23 m T q T 9.82 s T T 2.816 4.69 N m 应用范围 能为制造过程提供高性能的目标探测、定位和高分辨率检测,适用于半导体 工业中的目标检测等应用 产品性能说明 检测方式：对射型检出距离：5M 动作模态：遮光时 ON，入光时 ON（可切换） 选择的产品型号：E3R-5E4 2M BY OMC 6. 结论 作为大学期间最后一个环节，毕业设计给了我们一个很好的锻炼机会。通过 本次设计，我们更加巩固了我们的专业知识。 本论文主要通过一般数控钻床的设计步骤完成了： 1、从数控多工位钻床的结构设计开始，确定大型结构件专用数控钻孔机床 的大体结构为卧式结构。 2、 床的主轴转动是采用三相异步电动机提供动力， 一个无级变速器 能 够提供多种转速）经过一级齿轮传动给主轴，而钻床主轴的特点是要能够实现轴 向进给。 从动轮与主轴之间采用花键形式联接， 一过程便实现了主轴的传动。 主轴的传动附件的定位都包括在整个主轴箱的设计中。 3、大型结构件专用数控钻孔机床我们采用了伺服电机带动滚珠死杠转动实 现滑动导轨的移动， 机床工作台通过步进电机经蜗杠蜗轮传动实现工作台的旋 转达到多工位的效果。这些最终的控制都是由单片机控制步进电机来实现的。 4、对于钻床的主体结构，我们选用了一根型号为：CL25 的立柱及相应的立 柱底座和一个通用机床的床身实现机床的定位和总体结构。 5、对于这个数控机床的控制部分我们完成了对控制部分元件的选择和接线 图的连接，并对程序进行了初始化。 6、基本完成了经济型数控钻床的设计，按此设计的钻床可以满足生产的实 际需要。 应该说：本次毕业设计我们达到了预期的目的；完成了老师给出课题的相关 内容。通过设计我们得到了很好的锻炼，专业知识也得到了拓展和深入的了解。 这次设计将对我们以后的学习工作起到巨大的作用！7.参考文献 1主编 徐夏民 邵泽强 数控原理与数控系统北京理工大学出版社 2主编 文怀兴 夏田 数控机床系统设计 化学工业出版社 3主编 赵振起 机械制图手册 国防工业出版社 4. 华东纺织工学院、哈尔滨工业大学、天津大学编。机械设计图册。上海： 上海科学技术出版社，1979 5. 吴振彪主编。机电综合设计指导。北京：中国人民大学出版社，2000 6. 顾熙棠、迟建山、胡宝珍主编。金属切削机床（下册） 。上海：上海科学 技术出版社，2000 7. 机床设计手册编写组编。机床设计手册（一至三册） 北京：机械工 业出版社，1986 8. 吴宗泽主编。机械设计师手册（上册、下册） 。北京：机械工业出版社， 2002 9. 魏俊民、周砚江主编。机电一体化系统设计。北京：中国纺织出版社， 1998 10. 何永然、唐增宝、刘安俊主编。机械设计课程设计（第二版） 。武汉： 华中科学大学出版社，2002 11. 周良德、朱泗芳等编著。现代工程图学。长沙：湖南科学技术出版社， 2000 12. 谢铁邦、李柱、席宏卓主编。互换性与技术测量。武汉：长沙科技大学 出版社，1998 13. 濮良贵，纪名刚主编。机械设计。北京：高等教育出版社，1996 14. 郑堤,唐可洪主编.机电一体化设计基础. 机械工业出版社 15. 成大先主编 机械设计图册 化学工业出版社,2000 16. 成大先主编 机械设计手册(减速器.电机与电器). 化学工业出版 社,2004 17.机电一体化技术手册编委会编. 机电一体化技术手册(上.下). 机械工业出版社,1999 18. S.卡尔帕基安 S.R.施密德主编 制造工程与技术（机加工） （英文版） 及学习辅导（上册） 机械工业出版社 19. 20. 21. 吴宗泽 机械零件设计手册附录光盘机械工程常用材料 戴曙 金属切削机床M北京：机械工业出版社，1993 林宋，田建君 现代数控机床M北京：化学工业出版社，2003 经典婚庆主持词 炮竹声声贺新婚,欢声笑语迎嘉宾. 尊敬各位来宾,各位领导,各位亲朋好友,先生们,女士们,活泼可爱的小朋友们,大家 好! 好歌好语好季节,好人好梦好姻缘. 来宾们今天是公元*年*月*日(农历六月初八)是良辰吉日,在这大吉大利吉祥喜 庆的日子里,我们怀着十二分的真诚的祝