机械设备数控多工位钻床设计

28/33机械设备数控多工位钻床设计毕业论文【摘要】本文主要针对形状相对复杂的工件的孔加工工件,现在一般都采用钻床加工，但随着科技的发展和对制造精度有了更高的要求，因此数控技术成为了主流。而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，在满足制造精度的前提下，更是节约了人力、时间的成本。在一般情况下，数控钻床就满足需求，而基于采用西门子数控系统,能完成连续精确的高速钻孔。相对于传统的数控钻床，该方案能适合较大直径的深孔加工，且还满足加工速度、高精度、高生产效率的要求;运动方式而采用点位控制系统，先以较快速度移动到终点附近位置，再以低速正确移动到终点定位位置，保证了良好的定位精度；而控制方式则采用半闭环控制系统，该系统通过检测移动部件的位置，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入的原指令位置进行比较,用比较后的差值进行控制,是移动部件补充位置,直到差值交出为止，因此增大了工件的加工精度；【关键词】精度、数控技术、多工位、钻削DesiｇnofCNCdｒillｉngmａchiｎewithｍulｔi—posiｔioｎproｇｒeｓsｉvedｉe【Abｓtｒaｃｔ】Thｉsａrｔｉclewhichmaiｎlyaiｍedatthｅshapeofthehｏｌeoftｈｅwｏrｋｐiecｅｓtｈosereｌaｔｉvelｙcompliｃａteｄpｒｏｃesｓworkpieceｓ。Aｔpreseｎｔ，thedrilliｎgmachｉnｅproｃessｉngｈavｅｂｅｅntyｐicalｌyuseｄ,butwiththedｅveｌopmeｎｔoｆsciｅｎcｅａndtechｎｏlogyandmanｕｆacturｉｎgｐｒeciｓｉonｎｅedｔhehigheｒｒeｑuesｔ.Tｈeｎumｅricalｃontroltｅchｎoｌoｇｙｂecaｍｅthｅmainstｒｅam．Ａndｔhenumｅricalcｏｎtｒolｏfprｏｇｒessivedriｌlｉｎgmａcｈineisaｋｉｎdoｆveｒｙgｏｏｄmaｃhinｉngｔooltoeｎhancedrilｌｉngprocessingpｒecisｉonａndeffｉcieｎcy.Ｉtｎotonlymeetｓmanuｆacturingprｅｃisiｏn，butalsoｌowｔhｅmanpoweｒaｎｄｔhetｉｍｅ．Ｕsuａｌlｙ,ＴheNumｅricａlControｌDrilliｎgＭacｈinｅｗiｌlmeetthｅdeｍandｓ，andthｅnumerｉｃaｌｃｏntｒolｓyｓtemｂaseｄｏnＳｉemｅｎs’，itｃaｎdohighspeｅddrillｉｎｇanｄａcｃｕrateｌｙ。ＣoｍpaｒeｄwｉthｔhetｒadiｔiｏnａlNuｍerｉcaｌCｏnｔｒolＤrｉｌlingMachine，ｉｔ’ssｕitaｂleforｓoｍｅｌaｒgｅｒdiａmeterａnddeeｐholｅprocessinｇ,anｄstilｌmeｅttherequｅstｓofｓpｅed，higｈｐrecision，highprｏdｕcｔionefficiencyｒｅｑuiｒemeｎｔｓ。TheＰosiｔioｎContrｏlＳysteｍwｉllｔaｋecａreofｔｈemodeoｆmotｉｏn.Firstｌy，inaｒaｐｉdｒａtemoveｓtoｔheneaｒpｏsｉtionｏftheｅnd。Anditwithalｏwspｅedｔothecｏrrectenｄposｉtｉon。Tｏenｓurｅiｔｃａｎｂeiｎthｅgｏodlocａtionaccuｒacy．Aｎdcｏntrolthehaｌｆ—closeｄ-lｏｏｐcontrolsysｔem,ｂyｄeteｃtiｎｇtｈeｐｏsitｉoｎｏfthｅｍｏvinｇｐartsｏfｔｈｅｓyｓtｅm,aｎdtheｎｂａcｋtothecomｐariｓonoftｈenuｍeriｃaｌｃoｎｔroldeｖice,andentｅrthelｏcatｉonoftheoｒiginａlinstｒuｃtioｎs，controldiｆｆerencecompａreｄ,ismovｉngpartsaddeｄ，ｕntiｌｔｈeｄiffereｎceuntiltｈesurrender,thusinｃreasingｔhepｒecisioｎofwoｒkpiｅcｅｍachininｇ【Keyｗoｒds】Precisiｏｎ，ＮuｍerｉｃａlCｏntroｌTechnｏloｇy，Multi-staｔion，Ｄrｉllｉnｇﻬ毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：。。。.指导教师签名：日期:使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名:日期:。..。ﻬ学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果.除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名:ﻩﻩ 日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：ﻩ ﻩ日期：年月日导师签名：日期:年月日目录TOC＼o"1-3”\ｈ\z\uＨYPERLINK\l＂_Toc32６0８90９7"绪论 PAGEREＦ_Toc３２60８９０９7\ｈ3HYPＥRLＩNK\ｌ＂＿Tｏc3２60８9０98”1、概论 ＰAGEＲEＦ_Tｏc3260８90９8＼ｈ３HYPＥRLINK＼l"＿Tｏc3260890９９＂1。1国内外研究现状 ＰAGＥREF_Toｃ32６０8909９＼h3HYPEＲLINK1．3论文研究的主要工作ﻩPAＧEREF_Toc３260８910１＼h３HYPＥＲLINＫ\l”_Tｏc３260８9102”2、系统设计ﻩＰAGEREF_Tｏc326089１02\h３HＹPＥＲＬＩＮK＼l”_Ｔoc32６０891０3”２。１机床系统设计框图ﻩPＡGERＥF_Tｏc3260８９１０3\ｈ3HＹPERLINK2。2。１动力系统 PAGERＥF_Toｃ32608９105＼h3HYPEＲＬＩNＫ\l"_Toc３26０89106"2．２.2传动系统ﻩPＡGEREF_Toｃ32608９10６＼h3HYPERLIＮK\l”_Ｔoc32608９１07＂2。2。3数控系统ﻩPＡGEREF＿Toc3２6089１0７\h3HＹPEＲLＩNK＼ｌ”_Ｔoc32６0８9１0８”２。3详细技术分析ﻩPAGＥＲEF_Toc32608９108\h３ＨYＰERLIＮK＼l＂＿Tｏc3260891０9”２．4数控多工位钻床结构图ﻩＰAGEＲＥＦ_Ｔoc3２60８910９＼ｈ3HYPＥRLＩＮＫ\ｌ"_Ｔoｃ326089110"2。5本章小结ﻩPＡGEREF_Ｔoｃ３26０89110\h３HYPＥRLIＮK＼ｌ"_Ｔｏc3260８9111”3、详细设计 PAＧEＲEF_Toc３2608911１＼h３HYＰERLIＮK\ｌ"_Toc3２60891１2＂3.1切削力的计算 PAＧEＲＥF_Toc３2６０8911２\h3ＨYPＥRLＩNＫ\l＂＿Ｔoc３2608911３"3。1。1确定加工工件尺寸ﻩPAＧEREF_Toc32608９1１3\ｈ３HYPEＲLＩNK\l＂_Toc32６08９114”3。１。2计算切削力和扭矩ﻩＰAGERＥＦ_Ｔoｃ326０89114\ｈ3HYPERLINK＼l＂_Toc３２6089115"3.1.3确定主轴齿轮传动方案 PAGEREＦ_Tｏc３2６08９1１5\ｈ3ＨYPＥRＬINＫ＼ｌ＂_Toc3２6０8９1１６＂3。1。４齿轮设计ﻩＰAＧEREF_Toc３2６0８9116\ｈ3HYPERLＩＮK\l”_Toc32６０89１17”３．2主轴的设计及计算ﻩPAGＥRＥF_Toc32６089117\h3HYPERLＩNＫ＼l”_Toc3２6０8911８”３。2．1弯曲应力计算及验算ﻩPAGＥREＦ_Toc32608９１18＼h3HYＰERＬIＮK\l”_Tｏｃ326089119”3.3轴承的选择 PAGＥREＦ_Toc326089119\h３HYＰEＲLINK\l”_Ｔoc32６０89120"3.4系统进给机构的设计ﻩPＡGEREF＿Ｔoc３2６08912０\h3HYPERLＩNK\ｌ”_Toc3２6089121"3．4．１轴向进给机构设计ﻩPAGＥREF_Toc326089121\ｈ3HＹPEＲLＩＮK\l”_Toc326089122"3。４。2纵向进给运动ﻩPAＧEＲEF_Toｃ3２608９1２2\h３ＨYPＥRLINK＼l＂_Toc32６０８９1２3"3.4.3纵向进给滚珠丝杠的核算 ＰAGERＥF_Toc3２60８９123\h3HYPEＲLINK\l"_Tｏc326０8９１２4”3。4.４回转工作台运动分析 PAGEＲEＦ_Toc3２6０８9１24\h3HＹPERＬINK\l”＿Tｏc３２608９1２５”3．5导轨的设计 PＡGEREＦ_Toc３2608912５\ｈ3ＨYPEＲLINK\ｌ＂_Tｏｃ326０8９1２6"3。５．1X轴向移动导轨的预选：ﻩＰＡGERＥＦ_Tｏｃ32608９１26\h3HYPERLINＫ\ｌ＂_Toc3２６０8９127＂3．5.2导轨的相关计算 ３2608９127＼h3HＹPERLINＫ\l＂_Toc32608９128＂3．5.3导轨的压强计算和分布ﻩPＡGＥREF_Ｔoc32608912８\h3HYPＥRLINＫ\ｌ＂＿Toｃ326０8９1２９"3.5.４滑动导轨的验算ﻩPAＧEＲＥF_Toc3２60891２9\h３ＨYＰERＬINK\l＂_Tｏc3260891３0”3。5.５导轨压强 ＼h3HYPERLINK＼ｌ＂_Toc3２60８9131＂3.5。6导轨及齿轮传动间隙调整分析ﻩＰAGEREF_Toc326０8９131\h３ＨYPERLIＮK3.6。１数控装置系统硬件组成 PAＧEREF_Toｃ３２6089133\ｈ3HYＰERLINK\l”＿Toｃ３2６089134”３。６.2计算机数控装置软件ﻩ２608９１34\h3HYPERLINK\ｌ＂_Ｔoｃ３2608９１35"3.６。3步进电机的接口电路 ＰＡGERＥF＿Ｔoc326089135\h3HYPERＬIＮK＼l"＿Toc326０8913６”３。６。4系统总程序ﻩPＡGEREF_Toc３2６0891３6＼h３ＨYPＥRLINＫ\ｌ”＿Tｏc32６089１37”3。7本章小结ﻩＰAGEREF_Tｏc32６089１37\h3HYPEＲLINK\l＂_Toｃ3260891３8"总结与展望ﻩPAＧEREF_Tｏc32６0８９138\h3HYPERLＩNＫ\l”_Toc3２６089139"参考文献ﻩＰＡＧEREＦ_Toｃ3260891３9＼h3HYPERLINK\l＂_Ｔoc３2６0８9１40”致谢 PＡGEＲEF_Toc32６０89１40\h3绪论数控机床是现代科学发展的一个重要标志之一，由于数控机床相对于传统机床极大地提高了加工精度、生产率和自动化程度，所以在加工中得以广泛应用。而针对本次数控多工位钻床设计要完成一下几点:1、对数控多工位钻床进行结构设计，尽量提高机床的抗振性,通常机床的振动包括强迫振动和受迫振动，要提高机床在低速进给时的平稳性和运动精度；2、对钻床的主传动和主轴部件进行设计，使主轴能在轴向方向上移动和使主传动能进行多级调速；3、多工位的数控钻床，要有主轴箱的进给和工作台的滑动。而在本次设计中，进给传动和传动部件是一个重要环节。数控机床的传动多是用步进电机经过滚珠丝杠螺母副的结构传动。对于钻床来说，工作台可采用简单的滑动导轨实现工作台的进给和主轴箱的进给,多个滑动导轨的叠加组合便可以使钻床实现X、Y、Z轴三轴向的运动进给；3、对于数控多工位钻床,多工位是必不可少的一步。要实现多工位就必须设计针对钻床的回转工作台4、数控机床的数控部分的设计对于我的设计只要求设计出机床的硬件部分就是控制元件的选择，也就是框图;5、机床的床身和立柱的设计应考虑：要保证机床各部分的刚度.床身、立柱的结构和材料选择是必不可少的。对于本次数控多工位钻床的设计，我认为使钻削加工能实现自动化的数控加工正是运用到了数控机床的特点:提高了加工精度、生产率和自动化程度.采用多工位则更为缩短了装夹时间，使生产率得到更大的提高等，这是本设计课题经济意义。1、概论1。1国内外研究现状近些年来为了加工某些零件上的相互交叉或任意角度、或与加工零件中心线成一定角度的斜孔，垂直孔或平行孔等需要，各个国家而专门开发研制多种专用深孔钻床.例如专门为了加工曲轴上的油孔,连杆上的斜油孔，平行孔和饲料机械上料模的多个径向出料孔等。如：TBＴ公司生产的特别适用于加工摩托车到轻型卡车的各种中小型曲轴油孔的ＢＷ20０—KW深孔钻床;特别适用于大中型卡车曲轴油孔的BＷ250—KW深孔钻床,它们均具有X、Ｙ、Ｚ、Ｗ四轴数控。该公司为了客户需要，在一条生产线上可以加工多种不同品种的曲轴油孔，于２000年设计制造了第一台柔性曲轴加工中心，可以加工2～1２缸不同曲轴上所有的油孔.英国ＭOLLＡRT公司生产制造的专为加工颗粒挤出模具而开发的具有六等分六根主轴同时加工同一工件上六个孔的专用深孔钻床。该工件孔数量多达3600０个。全都是数控系统控制的。1.2论文工作的意义机床是制造装备的“工作母机”,数控系统是机床的“大脑”。数控机床的制造水平已经成为衡量一个国家的制造业水平、工业现代化程度和国家综合竞争力的重要标志。实现加工机床及生产过程数控化,已经成为当今制造业的发展方向。在加工零部件时,传统钻床在加工精度、工件的形状、经济成本等方面不能满足现代的生产要求，而且还浪费了更多的人力与加工时间,因此,它逐渐被日新月异的社会所淘汰。相反，在这竞争激烈的现代社会中，数控多工位钻床适应了社会发展、生产制造的发展需求.相对传统钻床而言，而本文所涉及的数控多工位钻床具有加工高精度、低成本、生产效率高、自动化程度高、良好的经济效益、有利于生产管理的现代化等优点，因此它将成为制造业的主流。1.3论文研究的主要工作该论文主要研究传统数控钻床怎么实现多工位的功能、提高生产效率、高精度、自动化控制等,以满足当代的生产需求,以低成本来满足良好的经济效益.2、系统设计2。1机床系统设计框图做什么都离不开一个大纲，而机床系统设计框图就像一个大纲，引导论文的设计。具体如图2—１结束满足设计要求机床整机综合评价详细设计机床总体方案设计结束满足设计要求机床整机综合评价详细设计机床总体方案设计总体方案设计总体方案设计总体方案综合评价与选择总体方案综合评价与选择总体方案的设计修改（优化）总体方案的设计修改（优化）NY图２-1、系统设计框图２。2系统的详细组成该数控多工位钻床主要由动力系统、传动系统、控制系统、进给系统、数控系统等组成。２。2。1动力系统要选择既合适又经济的动力系统,要先确定该机床最大加工工件时的负载,要考虑到电机的转速、转矩、负载等因素。我们就以加工最大尺寸的孔加工工件为例,根据切削力、所需转矩来确定电机。详细设计和计算在下一章。2．2。2传动系统因为电机的转速不能够满足钻孔加工是所需转矩时，要用减速器来降低加工时的转速来增大转矩，以满足孔加工要求。根据查阅相关资料，使用渐开线圆柱齿轮传动能满足加工的要求，并且，渐开线圆柱齿轮传动有良好的经济性能和相对简单的设计。所以，该论文将用渐开线圆柱齿轮传动来作为减速器。2．2．3数控系统数控系统就是对机械部分的控制，如对进给系统、工作台回转、定位、转速等的控制。该论文将采用开环控制系统,采用经济性的单片机控制系统,起控制系统框图如图2－2所示,在下一章有详细设计纵横等轴主轴脉冲主轴电机刀库（铣床）机械手控制电路继电器蜗杆涡轮Z向丝杠横向丝杠纵向丝杠W轴电Z轴电Y轴电X轴电键盘显示器驱动器功率放大器光电驱动I/O口存储器纵横等轴主轴脉冲主轴电机刀库（铣床）机械手控制电路继电器蜗杆涡轮Z向丝杠横向丝杠纵向丝杠W轴电Z轴电Y轴电X轴电键盘显示器驱动器功率放大器光电驱动I/O口存储器单单片机急停、急停、STOP清零等图2－2、数控系统控制框图２.3详细技术分析本论文组要是在加工零件是实现多工位功能,而回转工作台能够实现多工位的功能,因此主要就是在工作台设计时采用涡轮蜗杆及丝杠传动,实现多工位功能.2.4数控多工位钻床结构图为了使设计更有明确的目的性、针对性，本论文设计将按照该钻床的结构图来设计，这样将会节约更多的时间,具体结构图如图２－3：图２-３、数控多工位钻床结构图２．5本章小结本章主要完成了对论文设计的前期工作，为论文的设计构建一个框架，并提出设计重点,即怎样实现机床的多工位功能，达到设计要求.这个基本框架使后面的详细设计更针对的性,以免脱离设计的目的和要求。3、详细设计3.1切削力的计算3.１。１确定加工工件尺寸加工零件尺寸＝10ｍｍ,刀具为高速钢麻花钻。工件材料为号钢（＝０.638Ｇpa)；灰铸铁190HBS;加工精度ＩT8∽ＩT10级3．１.2计算切削力和扭矩（1)根据《机械加工工艺手册》表２.4—38可知，工件材料为4５#号钢时,高速钢在钻孔（=10mｍ)时的初加工进给量为０.22∽0．2８，而又由表２．４－41得之，钻头的切削速度、扭矩及轴向力可选取进给量的两极极限值ｆ＝0.08mm／r∽0．3０mm/r，而与之对应的切削速度为V=0.99m/ｓ∽0。43m/s,而由公式v=QUOTE得n=QUOTE。所以钻头或工件的转速，＝=13。69r/s由《金属切削刀具》计算钻头轴向力Ｆ和扭矩T的经验公式及表3-１麻花钻轴向力和扭矩表达式中的系数、指数及修正系数可知:T＝9.８1（a）F=9。8１（b）=２（c）而其中钢=０.６３GPa、＝61.２、=1．0、=０.7、=0.0３11、=2.0=、＝而工件材料===0.９8９38、已经磨损的钻头=1当最小进给量ｆ=０．０8mｍ/r时=９.81=1０13.78N=9.8１０。0311＝4Nｍ=2=24=0。59７Ｋw同理可得,当最大进给量为ｆ=０．3时，有＝９.8１=2５57.2２N=9.81＝11．52Nｍ=2=0.99Kw（2)当材料为灰铸铁是，同(1）可得:切削速度、扭矩及轴向力可迭取进给量的两极限值f=0.12ｍm/r∽0.70ｍｍ/r，对应的它们的切削速度为Ｖ=0。７9m/s∽0.33m/s,进给量0.22∽０．２８。与之相对应的转速为==２5。16r／s、==1０.5１r/s同理由《金属切削刀具》计算钻头轴向力F和扭矩T的经验公式及表3－1麻花钻轴向力和扭矩表达式中的系数、指数及修正系数可知:（1）(2)（3）而＝42。7、＝1.0、＝0。021、＝2。0、＝0。8=、=对于已经磨损的钻头=＝1而工件材料==(）=１，其中（=190）当进给量为f=０．１2ｍm/r时,由公式F=9。８1、T=9。81、=2可得=９.81=３．7８Nm=9。81=７68.1４N=2=0。59７Kｗ当进给量为f=0．７mm/r时，同理可得=9。８1=３1４9.０2N=9．81=1５．49Nm=2=1．０2Kw所以,可得钻头的最大轴心力ＱＵＯＴEFｍax=３149.０2N、最大转矩QUOＴETmax=15．49Nm、最大功率ＱＵＯTＥPmａx＝１。02Ｋw又因钻头的主轴功率=/，＝=０．97×0。99３×0。982＝0。９04所以＝1.0２/0.904=１．１3Kw现在开始选择主轴的电机,查阅《机械设计课程设计》(附录Ⅲ电动机）中只有转矩在1。7∽2．2之间，不能满足主轴（ＱUOTETmax=15.４9Nm)需求。因此,需要齿轮组进行减速以增大转矩来满足主轴的转矩需求。在数控多工位钻床设计中,要求机床能进行多级变速。在此前提下，无极变速器刚好能满足主轴的相应转矩和传递要求.并且，根据设计，主轴要能在主轴的轴向方形上移动，也就是说,上端的花键齿外面要有内花键齿轮才能将电动机的运动传递给主轴,所以主轴的传递方式为:主轴电机—无级变速器-联轴器—渐开线圆柱齿轮组—主轴３。1。3确定主轴齿轮传动方案（1）齿轮传递方案的确定如图３-1所示，轴Ⅰ为机床主轴，设计为齿轮花键轴;轴Ⅱ为主轴电机联轴器图3－1、主轴传动示意图所以＝＝1.13Kw,轴二=＝1．1６Kw（精度为8级)则主轴电机输出功率=／=１．16／０．９9＝１.18Kw粗略估算则选用Ｙ９0S—2，额定功率为1。5Kｗ,额定电压为3８０V，额定电流为３．４A，转速为２840ｒ/mｉn，最大额定转矩为2．2Ｎm。《机械设计课程设计》附录Ⅲ电动机表一选择了电动机就可根据所选择电动机确定相应的无级变速器.根据电动机功率和转矩及主轴所必须达到的最小转矩，可确定变速器，查《机械设计手册》第四卷可选择的无级变速器为:HZＸD1５00L.根据无级变速器的相关数据和主轴所需要的相关数据，无级变速器提供的转矩已经可以达到主轴要求的转矩,同时转速也能达到要求。故在接下来设计的齿轮组中，主要达到的目的为将电动机的转动传递给主轴使主轴完成转动，并不影响轴向的进给运动。对于齿轮组的设计就是要完成传动。为了设计需要,可以仅设计一组齿轮即可。又因为转矩完全达到要求,转矩要求的差又不是太大，从对主轴箱结构设计入手（对主轴箱的总体布局和结构合理、比例合适）,可将这对齿轮设计成一组惰轮，即不改变变速器传递出来的转矩和转速，仅将转动传给主轴,达到了设计要求和目的。3。1。４齿轮设计设计齿轮的时候,选取转矩最大时用到的最大转矩15。49Ｎｍ，切削速度nⅠ=６3１r／min。首先小齿轮（主动齿轮)用40Cr,调质处理，硬度241HB∽2８6HB，平均取为260HＢ，大齿轮（从动齿轮)用45钢,调质处理，硬度２29HB∽２８6HB,平均取为２40HB.关于主轴传动中的第一组齿轮齿面接触疲劳强度计算如下所示：小轮直径的初步计算：d１≥=0。81.４，（《机械设计》表12．13）取=1=０.9(式1２.15）＝85(表12．１6）接触疲劳极限=71０Mpａ;=58０Mpa(由图12．18c取得）＝=5。49Nm=５490Nmmｄ1≥8９．13d1=90mm(没特别说明本章所指均是《机械设计》一书)=b/d1b=9０ｍｍ（2)校核计算圆周速度：等级精度为8级（由表1２.6选取）选取齿数=60，=ｉ=160=60m==９０／60＝1.5,由表12．3取m=1．５使用系数：由表12．9取＝1.5,动载系数：由表12。9取＝1.１齿间载荷系数由表12.１0可计算=1/=2＝1２2（=5490,=90）／ｂ=２。０33N／mm10０N/ｍm断面重合度＝[１.88—3。２（１/+1／)]cｏs=1.77(式1２．6）(直齿圆柱齿轮=0)由式１２.1０可计算重合度系数==０。74所以齿间载荷系数=1／=1．81齿向载荷分布系数=Ａ+B＋C.b（由表12.11所得）＝１09+0．16＋0。3090=1.２8弹性系数=1８9.８E/Mｐa（表12.12)节点区域系数＝2.5（图12。16）最小安全系数=１。05（表１2．14)工作总时间：=１03０0820%=４８0０ｈ应力循环系数由表12。15估计那么指数m=８。78＝=6０（（式1２.1３)=6０×1×６31×４80０×（１８．７８×0．２＋0．5８。78×０。５＋０.２8。７8×0.3）=3.６5×原估计应力系数正确接触寿命系数=1。13,=1．1８;（由图12。18)许用接触应力[]验算:бH=ＺＥＺＨZε＝=503．4MＰa计算结果正确,接触疲劳强度合适，不需要作相应的调整。（3）传动主要尺寸的计算与确定实际分度圆直径d在模数取标准值时齿数不用调整，所以分度圆直径不变。即ｍ=90mm，ｍ=9０mm则中心距=ｍ(+)/2＝60mm齿宽b==90mm(4)齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数=0．25+0。７5/=0.2５+0。７5／1。77＝0.６7齿间载荷分配系数由表12．10可知＝1/=1.49齿向载荷分布系数:ｂ／h=９０/（2.253）=13。33所以由图１2．1４可得=1.2５所以载荷系数K==1.51。1１.49１.25=3。07齿形系数由图12．２1可得=２．8,=2。２9应力修正系数由图12.22可得=1。54,=1。7４弯曲疲劳极限由图12．23c可得=6０Ｍpa,=450Mpa最小安全系数由表12.14可得=１．25应力循环系数由表12.15可估计3×106＜NＬ＜１010，则指数m=49。９1ＮL1=NV＝=60×1×63１×48００×（14９。91×0。２+0．５49．91×0.5+０。249．91×0。3）=３。6３×107原估计应力循环正确＝/Ⅰ=3．６３1０7/1=3.631０7弯曲寿命系数ＮL=1。０，(图１2.24）许用弯曲应力[］=则验算:传动没有过载,所以不作强度核算３.2主轴的设计及计算主轴材料45钢，调质到ＨB２2０~２5０主轴的最小轴径d１１（《现代实用机床设计手册》式3—8—２）P=1．13KWｎｊ=2840r／min所以d14mm，又求得的轴径应加以圆整至标准值,所以ｄ=2０mｍ根据最小轴径确定各段主轴轴径,主轴如图3-２所示ab图3－2、主轴示意图ａ段取长设计为3５，b段取长设计为5０3.2。1弯曲应力计算及验算许用弯曲应力==０.1由《机械设计手册》图3－8-16、３—８-18c、表3-8-１5可得＝０．9２=0。9=1。5=2=500MＰ所以＝13.8ＭＰa==1３。４Mpa所以弯曲应力合适3.3轴承的选择根据主轴示意图,可选用深沟球轴承和推力球轴承,具体选择如下表：型号外径/D内径/d承宽/b轴承类型ａ6２０6623０16深沟球轴承5１２0652３０16推力球轴承b6206623０16深沟球轴承（2个）5１20６５２3016推力球轴承3。４系统进给机构的设计3．4.1轴向进给机构设计主轴外设计一个套筒：先用一级减速器接步进电机使主轴产生进给运动，设计长度为８0mm齿条,并由齿轮带动齿条，具体示意图如图3－3所示:图３-3、齿轮、齿条传动由《机电一体化课程设计指导书》可知:I＝α×t０／360×δα为步距角(deg）δ为脉冲当量（取0.02mm)t0为齿距(t0=Лm）根据《机电一体化课程设计指导书》选步进电机取α＝0．１m=１．２５I==3．2α=0。75时：I＝=２３。４４当I＝3.2,α=0。１时Z1=20Z２＝64m=1。2５ｂ=２０mｍα=20０df1=ｍZ１=25mmdf2＝mZ２=80mｍdｅ1＝２8dｅ2＝８3设计齿轮为直齿圆柱齿轮，齿轮材料为４５钢，则大、小齿轮转动惯量分别为：J=7。8ｄ4b１0-４Ｋgm2由《机电一体化课程设计指导书》表1，初选步进电机为20０BＦ０01,得电机转子轴的转动惯量为:折算到电动机轴上的转动惯量为：Ｚ１＝20Ｚ2＝64所以电机轴上的转动惯量＝1300．8Kgｍ２计算等效负载转矩Ｔm，取V＝2m/minTm=（F轴+F摩)V主轴进给/2ｎmnｍ=Ｖ/３600＝1100r/min（1)启动惯量的计算当系统在最不利的情况下启动为例，设启动加速时间为△ｔ=０.3ｓ步进电机的角速度Wｍ=2ｎm/６０=116。１8rａｄ/s所以加速度a＝Ｗm／△t=387．27ｒad/s2Ｔ惯=a=5.0４Ｎm，则T∑=Tｍ+Ｔ惯=１.0４+5。04＝6。０8Nm（2）步进电机的选择传动效率ｎ＝0．7，安全系数K=1.5初选的进电机型号200BF001，五相十步，步距角0.1%Steｐ，最大静转矩Tyｍax=14。7Nm,为保证能够正常起动或停止，步电机的起动转矩TｇＴΣˊ，由表可知Tｇ／Tymaｘ=0。951，则Tg＝1４．7×０．951=１3。98Nm＞１3。03Nm，故选择合适.3。4.2纵向进给运动摩擦力F摩=F正μ=０。1设工作台重量为4０0Kg,纵向轨道重量为４０0Kg,又F轴向=1175Ｎ所以F摩=F正=[（400+4０0)×1０+1175]ＱUOTE×0。1＝９１7．5N（1）计算等效转动惯量粗选：α=0。75t0=5δ=0．005所以=2。08所以取＝25,Z2＝52m=1.5b=25mm=２0ｏdf1＝ｍZ１=１.5×25=３7。5mmdｆ2=mZ２=1。5×52=78mmｄe1=40。5ｍmｄe2=81mｍ齿轮材料为45＃钢，大、小齿轮的转动惯量分别为ＪＺ1、ＪZ2J=７。8×d4×ｂ×10—4(kgm２)所以JＺ1＝７。８×3．75４×2.5×１０－４=３.86×10—5Kgm2ＪＺ２=7.8×8.104×2.5×１0-4=8。4０×1０-４Kｇm2选择滚珠丝杆直径ｄ0=25mm,L=7０0mm，材料为钢,则丝杆的转动惯量近似的计算为:JS=７。8×2。54×70×1０—4=2．13×１0－4Kｇm2步进电机1１0BF０04电机转子轴的转动惯量：Jm＝3.４３×10－４Ｋｇm2叠加到电机轴上的总转动惯量为m=m1=４00Kｇ由上节可知ｉ=2。08所以QＵOＴＥ＝6.２6×10-４Kgm２由于用的是滚珠丝杠，摩擦阻力很小，所以摩擦阻力矩可以忽略不计(2）等效负载转矩的计算：Tｍ=（F纵+Ｆ摩)V工作/２πnｍ由（3）计算启动惯性阻力矩在最不利条件下的快速起动，设起动加速式制动减速的时间为Δt0.1Δｔ1s，取中间值Δt=0．5s步进电机的角速度角加速度ａ＝Wｍ/Δt=１7４.4４ｒad／s-２所以启动惯性阻力矩T惯＝J∑×a=6.26×10—4×174.44=0。11Ｎm所以步进电机输出轴总的负载转矩为：J∑＝Tm＋T惯＝0．35+0。11=0．46Ｎｍ（4）纵向进给步进电机加工匹配选择机械传动系统效率为η，安全系数为K，则此时的负载总转矩为而预选的步进电机型号为110ＢＦ004，三相六拍，步距角0。７5％ｓtep.其最大转矩Tｙmaｘ=4。9Nｍ，为保证正常的起动与停止，满足步进电机的起动转矩的条件，即ＴgＴΣ'，由表查出Tｇ/TΣ'=0.８6６所以Ｔg=4．9×0。86６=4。24Ｎm〉0．9９Nｍ，所以选择的电机合适3．４.3纵向进给滚珠丝杠的核算初选丝杠型号为CMＤ250４—3，必须对承载能力、压杆稳定性、刚度进行校核（1)验算承载能力Ｑ＝fＨｆWＰmaｘCO（L为滚珠丝杠寿命系数(）)Pmａｘ=F纵＋F摩＝0+９1７．5＝917。5NfH=１fＷ＝1.2Ｔ=15０00Q=查表得丝杆额定载荷为ＣO=8.2KＮ>Ｑ满足设计要求(2)验算压杆稳定性取双推—简支式支承，由FK=2钢的弹性模量E＝2.1×105Mpａ丝杠小径的截面惯性矩查手册可知,所用丝杠的最小径为:d１＝21。9mｍ压杆稳定安全系数K=4丝杠长度L=LＳ=700mｍ所选丝杠满足设计要求（3)验算丝杠刚度丝杠刚度是保证第一导程的变动量必须要在允许范围内丝杠最小截面积S＝ｄ２1/4=3。７6cm2设Ｔ0=０。5Ｉ=2。26cm4M=Tmaxi=4.９×２。08=10。20Ｎm＝1020Ncm“+”号用于拉伸,“一"号用于压缩,都取“+"号,则：由于选择要求滚珠丝杠精度等级为Ｃ级,ΔＬ0=±4μｍ>0。681μm所以,所设计丝杠满足刚度需求,设计合格纵向进给轴承：推力球轴承：513０５；向心球轴承：620５（4）齿轮强度验算①齿面接触疲劳强度计算（该节中所指的表、图均指《机械设计》）转矩：T１=0.35Nm齿宽系数φｄ由表12。1３取接触疲劳极限：σＨlim由12。１７c可取σHlｉm1=710ＭPａσHlim2=5８０MＰa初步计算的许用接触硬力：［σH1］＝０。9σＨliｍ1=0。9×710=63９MPaAｄ值由表12.16取Ad＝８５初步计算小齿轮直径ｄ1AdQUOTＥ=8５=9．94取d１=33ｍm；齿宽b＝φdｄ1＝0．75×33=25ｍm②对齿轮进行校核因为圆周速度V=２m／ｍin，精度等级：由表１２．6选8级精度取齿数Z1=20，Z2＝ｉZ１=50模数m＝d1/Z１=1.65,由表12．3取m=1。5则由表１2．9取使用系数KA=1．5端面重合度：重合度系数：Zε==0.88由此得齿间载荷分配系数齿间载荷分布系数KHβ由表12.11(对称支撑)得KHβ＝Ａ+B（b/ｄ1)2+Cb1０—3所以KHβ载荷系数：Ｋ=KAKVＫHαKHβ=1．５×１.1×１．29×1。27=2．７0由表12。12得弹性系数ＺE=１89。8由图12.１6可取节点区域系数ＺH=2。５由表12。1４取接触最小安全系数ＳHmin＝1。05工作总时间tｈ=150０0由表12．1５估计应力循环次数10７＜NL〈１０9则指数：m=8。7８NL1=NＶ1＝６0γithｉ（Ｔi／Tmaｘ)＝６0×1×1０00×15000×（18。7８×０．２＋0。５8.７8×0.5+0.28。78×0.3）＝1。8１×1０8原估计应力循环次数正确。由图12。18可取接触寿命系数ZN：ZN1=1．12、ZN2＝1.２４许用接触应力[бH］：验算:бＨ=ＺEZHZε计算结果证明，接触疲劳强度适合,齿轮齿寸不用调整③确定传动尺寸由于模数取标准值时，齿数不用调整，故分度圆直径不会改变,即：d1=33ｍm、d2＝82．5mm所以齿宽b=φdｄ１=２５mm中心距a＝m(ｚ１＋z2)/２＝５7。75ｍm3.4。4回转工作台运动分析回转工作台用蜗杆蜗轮传递运动，传动比i=30．蜗轮蜗杆的计算如下：设ＶS=4m/s，查表13．6取大值得量摩擦系数µv=０。0３查图13．1１在i=30线上选取A点，查得[d1/ａ］＝0。25、r＝130（Z1=２）、η１＝0。88(1)计算中心距蜗轮转矩：T2=T1ｉη1=9。55×１06Ｐ1in1η１＝按要求查表12.９得使用系数ＫA=1.0转速系数根据蜗轮副材料查表13．２得弹性系数ZＥ＝１47Mpa寿命系数ZH===１。131.６由图１3．１2I线查出接触系数Ze=3.３5查表13.2得接触疲劳极限σHiｍ=2６5MPa接触疲劳最小安全系数:SHmｉn＝１。３所以中心距去标准值中心距a=12５mm(２）确定基本传动尺寸由图13.11查得蜗杆头数ｒ＝130Ｚ1=2所以蜗轮齿数：Z2=iZ1=30×２=60模数m=(１。41.７)a/Z2=2。９2３。54所以取模数m=3.1５蜗杆分度圆直径d1=［ｄ1/a］a=0。25×1２5=31.25查表13。4取蜗杆分度圆直径d1＝３５．5mｍ蜗轮分度圆直径:d2=mＺ2=3。1５×60=189mm蜗杆导程角r==１0.060涡轮宽度b2=２ｍ(0。5+)=25．22取b2=2６ｍm蜗杆圆周速度：相对滑动速度：由表13。6查得当量摩擦系数μv＝0。043ρv=２。４0（3)齿面接触疲劳强度验算如下:许用接触应力：最大接触应力：经核算,设计合格（4)轮齿弯曲疲劳强度验算:齿根弯曲疲劳极限：由表13.2查出σFliｍ＝１15Ｍpａ弯曲疲劳最小安全系数:SＦmin＝1.４许用弯曲疲劳应力：轮齿最大弯曲应力：经核算,设计合格（5）蜗杆轴绕度验算:轴惯性矩：允许蜗杆绕度：[δ］＝0.0０4m=０．００４×3。１5=0.0１26ｍｍ蜗杆轴绕度:取l≈d2经核算，蜗杆轴绕度合格(6）温度计算传动啮合效率：焦油效率：η2=0。９９;轴承效率：η3=０．99总效率：η1＝η１η2η３＝0．8０×0．９９×0。９９=0。7８7散热面积估算：箱体工作温度：此处取，中等通风环境经计算,温度合格（7)润滑油粘度和润滑方法润滑油粘度：根据Vs=６。19m/s由表１3．7选取V40度=２２0ｍm2/s润滑方法：由表１3.7，采用侵油润滑花键的选择:Z×ｄ×D×b＝６×2６×32×6轴承的选择:深沟球轴承:6２09、6２08、6２０7电机的选择：伺服电机JＳ１-023。５导轨的设计由《金属切削机床设计》，导轨的截面形状与组合选择为双矩形导轨(数控钻床用滑动导轨贴塑就可以了，可不用滚动导轨）这种导轨的刚度高，当量摩擦系数比三角形导轨低，承载能力高,加工、检验和维修都方便,特别是数控机床双矩形、动导轨贴塑料软带,是滑动导轨的主要形式。矩形导轨存在侧向间隙，必须用镶条进行调整（采用窄式组合)。3.5。1Ｘ轴向移动导轨的预选：根据以知条件和加工要求,预选导轨机床坐标如图３—4所示:图３－4、导轨机床坐标由《机床设计手册》新版（2)表9.3－7，Ｘ轴向移动导轨预选为Ｈ=２0B＝５0B1=12A＝４00h=１２h1＝H-0.5镶条b＝6(平）图3-5、Ｔ型导轨剖面结构3.5。2导轨的相关计算对于数控多工位的钻床的导轨受力分析简图如图3—6所示：Ｆｃ、Ｆf、ＦQ分别为切削力、进给力和背向力Ｗ（）RａRBe图3—6、导轨受力分析简图（1）各外力对坐标轴取矩可解得各力矩如下ＭX=FCZF－FfyF－FQyＱＭY=FfxF－FＰzF＋FQxQ(数控机床系统设计式7-１1）MZ=FpyＦ-FcxF＋Ｗxwa、Ｘ轴对坐标取矩当机床为钻床时，FC=0FＱ＝０相对于X轴yf=0所以MＸ=0b、Y轴对坐标轴取矩MY=FｆxF-ＦＰzＦ+FQxＱYｆ=e/２=设工件与工作台共重50０Ｋg，即W=5０0KgXQ有两种极限：当工作台在最近的地方XQ=０．05；当工作台在最远的地方XQ=0。05＋0．35=0．4Ff=３149NMy1＝31４9０。35/2+400０0。05=7５1.0８NmＭｙ2=31490。35/2＋40000。４＝2151NｍC、Ｚ轴对坐标轴取矩由各方面的分析可知MZ=0(2)各导轨面上的集中支反力RA=ＦＣ-W－RBRB＝MZ/e(数控机床系统设计式7-1２)ＲC=ＦＰRAZ＝Ｆｆ+W－RBRＡX=０RＢz１=My1/e＝7５1。0８／０.35=2146ＮRＢz2＝My2/e＝215１／0.35＝6146Ｎ因为要增大ＲBz2，所以RＡZ=3149＋40010—２146=50０3N或RＡZ=３149+４0０１０—614６=100３N对于钻床FＰ=0，所以RC=FP＝0（3）各导轨面上的支反力矩（数控机床系统设计式7-13）MA＝MB=MＸ（数控机床系统设计式7-13）ＭC=MY由本章节（1、2）得ﻩMX=0My1=751．0８ＮmＭy2＝2１５1Nm所以MＡ=０，MＣ=751。08Nm或2１51Nm(４)进给机构对刀架的牵引力相对于钻床,进给力可忽略不计,即ＦＱ＝03．５。3导轨的压强计算和分布本论文钻床导轨按线性分布PF=a＝Ｂ=0．05；L=0。3maL＝0．０15FZ＝RZ（根据工作台和导轨长度初步确定）PF＝５003/0.015=０。34MPa或PF=１003／0．0１5=0。07Mｐａ或或由于该钻床时以较低进给运动的滑动导轨,平均压强为１.２1。5MＰa,许用最大压强为2．５3MPａ。当导轨上镶有以聚四氟乙烯的塑料板时,若滑动速度Ｖ≤１m/min时,ＰV≤0。2Mpam/miｎ；若滑动速度Ｖ〉1m/ｍin时，则许用压强取0。2MＰa.而所选导轨在不加塑料板时，平均压强和最大许用压强都能满足要求，在镶入塑料板时许用压强则Paｖ有0．25Ｍｐａ，而设计滑行速度为2m/min时Pａv=0。２Mｐａ,则不能符合要求，则必须对导轨参数进行重新选择。而对于数控钻床来讲，工件进给过程中不受切削力的影响，所以在加上镶入塑料导轨板时的平均压力可以适当增加。这种情况下，取许用平均压强在０。60.8Mpa，所以导轨的平均许用压强Paｖ＝0．35Mｐａ＜0.6０.８Mpa,即所选导轨符合设计要求.由Ｐav=(Pmax+Pmin）/2即Ｐａv=PＦ=F／al由此可确定：令ＰF=0．2MPa＝Pav，F=RAZ不变,则a=B=0。05m,则重取接触长度L，即:得Ｌ=0。5m或得L=０.１m要使贴塑料板的导轨平均压力取０．2Mpａ,导轨面的接触长度必须取L=0.5m=500mm，有或或或经计算各条件符合许用压力和平均压力的要求Ｙ轴移动导轨的选择：由于结构与前面的相同选择参数:Ｈ=20B=70B１=1２A＝40０h=12h１=Ｈ－0．5ｂ=6(平）3.5.4滑动导轨的验算Z轴导轨受力分析如图3—７图3—7、Z轴受力分析(１)各外力对坐标轴取矩X轴:MX＝Fｆｅ/２＋WXQXQ=0.０5或0.4e＝A-Ｂ=330mｍW=5０0Kｇ当XQ＝0.０5时,MX=0.33/23149+500100．05=769．59Nm当XQ=0。４时，ＭX＝２５19．59NmMy=Mｚ=0(2)支反力计算各导轨面的支反力分别为RA、RB、ＲＣ则有：或（3）牵引力：对于钻床进给力很小或为0,即Ff=０3.５.5导轨压强按线形分布的导轨压强：ａ=Ｂ值=0.07L=０．35m（接触强度）上导轨的宽度基本上等于下导轨的接触长度.（根据工作台大小和导轨长度初步确定）或或或经计算各条件符合许用最大压强和许用平均压强的要求3.5．6导轨及齿轮传动间隙调整分析（1)导轨的分析对导轨的基本要求有:ａ、有良好的导向精度及直线度;ｂ、良好的耐磨性,从而降低对加工精度的影响；c、要有足够的刚度,提高各部件之间的相对位置和导向精度；d、要具有低速运动平稳性.由于加工精度为7级，而钻床为一般机床，所以可选择贴塑的矩形滑动导轨.因为机床的运动部件沿导轨运动，对导轨的磨损较大，所以要采取措施提高导轨的耐磨性。除选取合适的材料、热处理、润滑外，还应采用防护罩，使机床导轨不外露，这样直接能防止切屑及灰尘等落到导轨上，提高导轨的寿命。(2）齿轮传动间隙调整分析要达到一定的加工精度和表面粗糙度,就要齿轮无间隙啮合，并能灵活旋转，所以要对齿轮进行间歇调整。双片可调式薄齿轮错齿调整法能够调整齿侧隙,使加工精度及表面粗糙度达一定要求,所以可采用该方法调整以消除齿轮间隙。3.６计算机数控装置系统设计计算机数控装置是整个数控多工位钻床的核心，它根据外部输入的数控加工程序控制机床工作台的移动和主轴的旋转,从而加工出合格的零件.３。6.１数控装置系统硬件组成计算机数控系统是由输入/输出装置、数控装置、伺服系统和机床电器逻辑控制装置组成，具体情况如图3－8所示：机床本体机床本体伺服系统数控装置输入输出装置机床电器逻辑控制装置机床电器逻辑控制装置图３－8、计算机数控系统组成输入/输出装置主要完成人与数控机床之间的人机交互，将数控程序、机床参数等输入装置和将输入内容及工作状态信息输出；数控装置是数控系统的只会中心，主要功能是正确识别和解释数控加工程序,进行各种零件轮廓几何信息和命令逻辑信息处理，并将处理结果分发给相应单元;伺服系统位于数控装置与基础本体之间，包括进给轴伺服驱动和主轴伺服驱动装置。其中进给轴伺服驱动装置按照数控装置中插补器发出的位置控制命令和速度控制命令正确驱动机床工作台或刀具等受控部件进行相应的移动;主轴伺服驱动装置主要为机床提供切屑动力；机床电器逻辑控制装置也位于数控装置与机床本体之间，接受数控装置发出的开关命令，主要完成机床主轴选速、启停、和方向控制功能、换刀功能、工件装夹功能、冷却、液压、气动、润滑系统控制功能及其他机床辅助功能。本论文采用PＬＣ控制，且采用内装型PLC，具体情况如图３-９所示:面板面板MDI/CRTCNC计算CNC计算机辅助动作换刀动作切削液开关主轴电机进给电机操作面板强电电路主轴单元进给单元DIDO电路PLC辅助动作换刀动作切削液开关主轴电机进给电机操作面板强电电路主轴单元进给单元DIDO电路PLC图3-９、内装型PLC的CNC系统框图３.６.2计算机数控装置软件根据零件图纸和机械加工工艺编写出数控加工程序输入CNC装置,在内部进行处理，输出相应的