数控多工位钻床设计1

1、第一章 数控机床概述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、 柔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

2、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。 1951年，美国麻省理工学院 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

3、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、 造船、机床、建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、

4、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；新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

5、 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。 应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

6、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。 美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

7、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， 这一切均说明 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

8、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，其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

9、代化。12 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。即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：图1、计算机数字控制（CNC系统框图数控机床加工零件时，首先编制零件的数控程序，这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

10、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

11、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， 而实现这个目标的最主要、 最直接的方法就是提高切学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

12、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

13、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。 数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

14、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。 带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

15、应制造业的网络化和全球化发展趋势， 数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， 数控机床能否发 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

16、统的 MTB F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， 近年来还出现了全新结构的数控机床， 最早在美国 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

17、STEWART1 96年2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，国家对数控机床的发展十分重视， 经历了“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 200

18、0 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。新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

19、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。 “九五”时期，我国加工中心的 MTBF 已达到400h,数控车床从平均200h提高到

20、平均450h;数控系统从5000h提高到 10000h 以上，最高达到 20000h。曾长期捆扰我国, 并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. 本文所做的工作1.5.1 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 ;1.5.2 完成机床的机械结构设计计算与电气控制系统设计, 初步完成控制系统的软硬件设计；提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

21、，同时提交电子文档 ;1.5.3 编 写设计计 算说明书 。第二章 机械结构选择经过毕业设计给出的题目要求和数据：要设计加工工件的最大直径为10mm,且其工作行程为300X 300X 70的数孔多工位钻床。根据这一特点表明要 设计的机床是一台中小型的数控钻床， 而且是用于一般的机加工中。 所以设计这 样的机床考虑其经济性、合理性应该是最为重要的和成为设计的主导思想！查相关数控机床资料和数控机床的市场调查, 选择确定合理的机床结构很重 要。传统的数控机床结构包括立式、 卧式两大类。 立式机床的主轴定位多数是相 同的,它的优点在于：机床小巧、占地空间小、经济实惠。适合于工作单一加工 工件较小及加工尺寸小的场合。 而卧式数控机床的主轴结构及主轴箱布局可为单 面悬挂主轴箱和主轴箱位于立柱对面内。 后者的优点在于： 主轴箱的