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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,thedrillingmachineprocessinghavebeentypicallyusedbutwiththedevelopmentofscienceandtechnologyandmanufacturingprecisionneedthehigherrequest.Thenumericalcontroltechnologybecamethemainstream.Andthenumericalcontrolofprogressivedrillingmachineisakindofverygoodmachiningtooltoenhancedrillingprocessingprecisionandefficiency.Itnotonlymeetsmanufacturingprecisionbutalsolowthemanpowerandthetime.UsuallyTheNumericalControlDrillingMachinewillmeetthedemandsandthenumericalcontrolsystembasedonSiemens’itcandohighspeeddrillingandaccurately.ComparedwiththetraditionalNumericalControlDrillingMachineit’ssuitableforsomelargerdiameteranddeepholeprocessingandstillmeettherequestsofspeedhighprecisionhighproductionefficiencyrequirements.ThePositionControlSystemwilltakecareofthemodeofmotion.Firstlyinarapidratemovestothenearpositionoftheend.Anditwithalowspeedtothecorrectendposition.Toensureitcanbeinthegoodlocationaccuracy.Andcontrolthehalf-closed-loopcontrolsystembydetectingthepositionofthemovingpartsofthesystemandthenbacktothecomparisonofthenumericalcontroldeviceandenterthelocationoftheoriginalinstructionscontroldifferencecomparedismovingpartsaddeduntilthedifferenceuntilthesurrenderthusincreasingtheprecisionofworkpiecemachining【Keywords】PrecisionNumericalControlTechnologyMulti-stationDrilling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 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日期年月日导师签名日期年月日目录绪论
31、概论
31.1国内外研究现状
31.2论文工作的意义
31.3论文研究的主要工作
32、系统设计
32.1机床系统设计框图
32.2系统的详细组成
32.
2.1动力系统
32.
2.2传动系统
32.
2.3数控系统
32.3详细技术分析
32.4数控多工位钻床结构图
32.5本章小结
33、详细设计
33.1切削力的计算
33.
1.1确定加工工件尺寸
33.
1.2计算切削力和扭矩
33.
1.3确定主轴齿轮传动方案
33.
1.4齿轮设计
33.2主轴的设计及计算
33.
2.1弯曲应力计算及验算
33.3轴承的选择
33.4系统进给机构的设计
33.
4.1轴向进给机构设计
33.
4.2纵向进给运动
33.
4.3纵向进给滚珠丝杠的核算
33.
4.4回转工作台运动分析
33.5导轨的设计
33.
5.1X轴向移动导轨的预选
33.
5.2导轨的相关计算
33.
5.3导轨的压强计算和分布
33.
5.4滑动导轨的验算
33.
5.5导轨压强
33.
5.6导轨及齿轮传动间隙调整分析
33.6计算机数控装置系统设计
33.
6.1数控装置系统硬件组成
33.
6.2计算机数控装置软件
33.
6.3步进电机的接口电路
33.
6.4系统总程序
33.7本章小结3总结与展望3参考文献3致谢3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总体方案设计总体方案综合评价与选择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口存储器单片机急停、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=得n=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=
9.81aF=
9.81(b)=2c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Fmax=
3149.02N、最大转矩Tmax=
15.49Nm、最大功率Pmax=
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Tmax=
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3×106NL1010,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
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]×
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=25Z2=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JZ
1、JZ2J=
7.8×d4×b×10-4kgm2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=25mmL=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=
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Δt
0.1Δt1s,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=
8.2KNQ 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d1Ad=85=
9.94取d1=33mm;齿宽b=φdd1=
0.75×33=25mm
②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=20Z2=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+Bb/d12+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107NL109则指数m=
8.78NL1=NV1=60γithiTi/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=
57.75mm
3.
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=130Z1=
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WRaRBe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/2MC=MY由本章节(
1、2)得MX=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V1m/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所示机床本体伺服系统数控装置输入输出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MDI/CRTCNC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,输出相应的位置信号给伺服系统,经电机和滚珠丝杠螺母副驱动工作台或刀具进行移动,最后加工出零件其数据转换过程如图3-10所示伺服系统滚珠丝杠工作台或刀具合格零件数控加工程序位置控制插补计算速度控制刀补计算诊断译码输入图3-
10、CNC装置内部数据流转换过程当有了数据、信息转换后,我们就可以启动软件,输入程序,该程序功能简化如图3-11CRT显示、监控结束零件插补结束?本段插补结束?预译下一段并进行预处理开放插补标志置数据交换结束标志译一段程序,预处理信息送插补缓冲存储区、复杂信息送系统工作寄存器按启动按键初始化NYNNY图3-
11、程序功能简化
3.
6.3步进电机的接口电路前面完成了数控系统的软、硬件的设计,所以接下来应该设计步进电机的接口电路,由于采用的是开环控制,且采用单片机控制,控制信号由单片机产生,硬件连接具体设计PLC实现对步进电机控制主要在于脉冲分配,实现脉冲分配(也就是通电换相控制)的方法有两种一种是软件法,另一种是硬件法本论文通过单片机发出信号后,经过环形分配器驱动放大直接控制,所以采用软件实现脉冲分配
3.
6.4系统总程序该数控系统软、硬件、步进电机电路都已设计完成,因此,该数控系统装置只需按照所设定的总程序就能正常按用户所输入的程序生产加工工件,具体总程序框图如图3-13开始键盘扫描子程序调试子程序编译子程序工作方式判别键处理读键开中断清除数据区初始化关中断求键值子程序编程子程序调试图3-
13、总程序框图经过这章对数控多工位钻床的详细设计,该论文所设计的数控多工位钻床设计已基本完成
3.7本章小结通过对传动部分、进给机构、导轨和工作台的设计和计算,特别是对工作台的设计,使其实现了多工位的功能,达到了设计要求总结与展望大学期间毕业设计是最后一个环节,它带给了我一个非常好的锻炼机会,对以前学过的专业知识加以复习和巩固,弥补了一些知识漏洞和一些薄弱环节这次毕业设计按照机床设计的步骤已经设计完成该设计为立式数控多工位钻床,以三相异步电动机提供动力,实现主轴的轴向进给,并由无极变速器提供多种转速,该钻床主要加工10及以下的孔类零件由电机提供动力,机床的回转工作台通过涡轮蜗杆的传动实现了工作台的旋转及移动,实现了数控机床的多工位的功能对数控机床的控制部分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对于数控多工位钻床的主体结构,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不足之处就是对数控部分的设计,该部分遇到了很多问题,经过老师的知道和对资料的查阅,基本完成了对数控部分的设计经过这次毕业设计,使我得到了很好的锻炼,拓展了专业知识,在以后的工作中遇到困难时,它将增强我解决问题的能力参考文献易红著数控技术机械工业出版社张毅刚、彭喜元著单片机原理与应用设计电子工业出版社孙恒、陈作模、葛文杰著机械原理高等教育出版社文怀兴、夏田著数控机床系统设计化学工业出版社侯力著机电一体化系统设计高等教育出版社邱宣怀、郭可谦等著机械设计高等教育出版社现代实用机床设计手册编委会编著现代实用机床设计手册机械工业出版社林光春、樊庆文著机械设计课程设计四川大学出版社王杰、李方信等著机械制造工程学北京邮电大学出版社郭欣宾著金属切削刀具宋德玉等著可编程序控制器原理及应用系统设计技术冶金工业出版社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)机械工业出版社马俊、王攻机械制图(第四版)北京邮电大学出版社致谢在本文的撰写过程中,我的指导老师治学严谨、学识渊博,并且有远见的视野,他为我创造了一个良好的学术环境使我不仅接受了全新的思想观念,树立了明确的学术目标,领会了基本的思考方式,掌握了通用的研究方法在这段时间里,我从他身上不仅学到了许多的专业知识,更感受到他工作中的兢兢业业,生活中的平易近人此外,他严谨的治学态度和忘我的工作精神非常值得我去学习历时数月,从论文选题到搜集资料,从开题报告、写初稿到反复修改,期间经历了喜悦、聒噪和彷徨,在写作论文的过程中心情是如此复杂如今,伴随着这篇毕业论文的最终成稿,复杂的心情烟消云散总之,在以后的学习生活中我将以加倍的努力对给予我帮助的学校、老师及同学们的回报型号外径/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。