臺式鉆床進(jìn)給機構(gòu)的數(shù)控化改造

1、畢業(yè)設(shè)計臺式鉆床進(jìn)給機構(gòu)的數(shù)控化改造Numerical Control Reform of Feed Mechanism of Bench PressX學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明： 所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。論文作者簽名： 日期： 年 月 日摘要 本文主要介紹了臺式鉆床的改造和設(shè)計，前期工作主要是研究總體方案并進(jìn)行確定，接下來就是針對鉆床各個具體的機械

2、部件開始設(shè)計，主要需要設(shè)計和選擇的包括了工作臺、滾珠絲杠和導(dǎo)軌以及電動機。電動機為執(zhí)行元件，功能是驅(qū)動滾珠絲杠，使得絲杠螺母可以帶著滑塊和工作臺在導(dǎo)軌上運行，實現(xiàn)工作臺平面內(nèi)縱橫兩向的直線運動。選擇元件時，選擇的各個部件的參數(shù)需要參考標(biāo)準(zhǔn)值來完成后續(xù)的計算，一般選擇專門的廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品，所以在設(shè)計過程中，要根據(jù)工作載荷來進(jìn)行選擇。通過設(shè)計改造，使普通的臺式鉆床最終能夠?qū)崿F(xiàn)自動化控制，成為真正的機電一體化的產(chǎn)品。關(guān)鍵詞：臺式鉆床；進(jìn)給系統(tǒng)；數(shù)控改造AbstractThis paper mainly introduces the reconstruction and design of the b

3、ench drill, preliminary work is mainly on overall plan and determined, the next step is to drill in various mechanical components for began to design, mainly to design and selection, including the worktable, ball screw and guide rail and motor. The motor is the actuating element, the function is the

4、 ball screw, which makes the screw nut can run with the slider and the working table, and realizes the movement of the longitudinal and transverse two direction in the plane.Choice of components and parts of the selection of parameters need standard reference values to complete the calculation of su

5、bsequent, generally choose the specialized manufacturers of products, so in the design process to, according to the work load to choose.Through the design and transformation, the ordinary desktop drilling machine can realize the automation control, and become the product of the mechatronics integrat

6、ion.Keywords: drilling machine feeding system NC transformation目 錄1 引言11.1 問題分析及其對策11.1.1 現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r11.1.2 問題的提出11.1.3 問題的分析以及解決方案11.2 本文研究的內(nèi)容及目標(biāo)21.3 本章小結(jié)22 設(shè)計方案的確定32.1 方案的確定32.2 運動方式42.3 傳動方式42.4伺服系統(tǒng)的選擇42.5 絲杠、導(dǎo)軌、伺服電機的計算選型42.6總體布局設(shè)計52.7本章小結(jié)53 XY工作臺數(shù)控改造53.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量53.2 初步確定工作臺尺寸及其重量63.2.1 工作臺質(zhì)量73.2

7、.2 上、下托板質(zhì)量73.2.3 導(dǎo)軌質(zhì)量73.2.4 夾具及螺桿支承座質(zhì)量估算：83.2.5 加工最大工件質(zhì)量是：83.3 滾珠絲杠的傳動計算與選型83.3.1 絲杠螺母機構(gòu)的傳動形式83.3.2 滾珠絲杠副的組成及特點93.3.3 求絲杠螺母副傳動的靜載荷：93.3.4 額定動載荷及壽命計算103.3.5 滾珠絲杠的選用103.3.6 絲杠傳動效率113.3.7 穩(wěn)定性驗算113.3.8 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊133.3.9 滾珠絲杠應(yīng)注意的問題143.4 滾動導(dǎo)軌參數(shù)計算與選型153.4.1 導(dǎo)軌的組成種類及其應(yīng)滿足的要求153.4.2 導(dǎo)軌的選型153.4.3 計算滾動導(dǎo)軌的工

8、作壽命Th（小時）173.4.4 計算導(dǎo)軌行程長度壽命173.4.5 計算工作載荷173.4.6 計算導(dǎo)軌的額定動載荷Ca（N）173.4.7 選定滾動導(dǎo)軌的型號及結(jié)構(gòu)尺寸183.4.8 導(dǎo)軌的注意事項183.4.9 導(dǎo)軌防護(hù)罩的設(shè)計193.5 聯(lián)軸器的選擇203.5.1 聯(lián)軸器的介紹203.5.2 聯(lián)軸器的選擇203.5.3 轉(zhuǎn)矩的校核213.5.4 銷的抗剪強度的校核223.6 絲杠支承座的選擇223.6.1 支承方式的選擇223.6.2 軸承的選擇223.6.3 軸承使用注意事項243.6.4 選擇絲杠支承座244 電機的選擇254.1 步進(jìn)電機的選型及計算254.1.1 步進(jìn)電機的特點

9、和種類254.1.2 電機的選擇依據(jù)254.1.3 步距角的計算264.1.4 電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量264.1.5 步進(jìn)電機空載啟動時，電機軸上的加速力矩274.1.6 工作臺移動部件這算到電機軸上的摩擦力矩274.1.7 因絲杠副預(yù)緊力引起的電機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩274.1.8 空載啟動時電機軸上的最大靜轉(zhuǎn)矩274.2 步進(jìn)電機的選擇285 專用鉆床主軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計285.1 主軸傳動系統(tǒng)的分析285.2 主軸花鍵的設(shè)計295.3 V帶傳動設(shè)計295.3.1 設(shè)計功率的計算295.3.2 選擇帶型305.3.3 選取帶輪基準(zhǔn)直徑和305.3.4 驗算帶速305.3.5 確定中心距和帶的基準(zhǔn)

10、長度305.3.6 驗算小帶輪包角315.4 本章小結(jié)31結(jié)論31致謝32參 考 文 獻(xiàn)321 引言1.1 問題分析及其對策1.1.1 現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r當(dāng)今社會，加工零件形式更加豐富，工藝發(fā)展速度更加迅速，出現(xiàn)了更多的零件加工方法，不僅有切削加工，而且涌現(xiàn)出像鑄造、焊接、鍛造、焊接、沖壓、擠壓和輥軋等方法。機床切削所完成的工作量相當(dāng)大，在總制造工作量中占據(jù)的比例很大,所以金屬切削機床成為最重要的加工裝置。對機床發(fā)展作出新的要求才能使國家工業(yè)能力以及科學(xué)水平得到提高。我國機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展時間相對短暫，短時間內(nèi)的成就很高，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到世界先進(jìn)水平。我國工業(yè)化發(fā)展起步晚，機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展時間過短，技

11、藝還在慢慢摸索；很多機床滿足不了精度方面的高要求，更嚴(yán)峻的問題是低產(chǎn)量的高效自動化和數(shù)控機床加上落后的技術(shù)水平和低劣的產(chǎn)品質(zhì)量等方面。我國現(xiàn)如今共有機床 370 多萬臺，其中很多舊機床，做不到在短期內(nèi)淘汰和更新。為了提升我國機械制造水平，用低檔和經(jīng)濟性數(shù)控系統(tǒng)改造部分舊機床是一項順應(yīng)我國國情的辦法。1.1.2 問題的提出因此，在機械加工中的鉆孔機加工的工作量是相當(dāng)大的。孔加工類的鉆床有多種不同的結(jié)構(gòu)形式，比如搖臂式、立式、臥式、深孔、多軸等，孔加工的類型主要有鉆孔、擴孔、絞孔、攻絲等。然而傳統(tǒng)的鉆床在大批量生產(chǎn)時有很多缺陷: (1) 自動化水平低，滿足不了大批量生產(chǎn)的條件； (2) 精度低，

12、工件裝夾費時；(3) 加工產(chǎn)品質(zhì)量低；因此，有必要改進(jìn)傳統(tǒng)鉆床的結(jié)構(gòu)來使產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率得到提高。1.1.3 分析問題并提出解決方案眼前有很多問題需要解決，涉及多個方面，比如自動化程度、生產(chǎn)效率、及產(chǎn)品質(zhì)量等。 手動操作、裝夾瑣碎、產(chǎn)量大和程序單一，形成鉆床加工的自動化程度低、生產(chǎn)效率低和產(chǎn)品質(zhì)量低等現(xiàn)象，是以有必要提升鉆床的數(shù)控化率。鉆床進(jìn)給機構(gòu)的主要作用是控制鉆頭的運動軌跡，完成其精確定位，以保證鉆孔的位置精度，所以本課題以臺式鉆床為例，通過對進(jìn)給結(jié)構(gòu)的數(shù)控化改造，保證鉆頭定位的準(zhǔn)確性，從而滿足加工精度的要求。本課題為臺式鉆床的數(shù)控化改造提供了實際的技術(shù)參考，對提高鉆孔的效率和精度具有重

13、要意義。為了解決以上問題，我們將對鉆床的數(shù)控改造問題提出解決方案:(1)傳動系統(tǒng) 在做出相應(yīng)的計算后進(jìn)行適當(dāng)?shù)母膭印?2)進(jìn)給系統(tǒng) 普通鉆床的主軸的進(jìn)給系統(tǒng)的組成部分分為主軸、套筒、套筒鑲套、齒輪齒條和軸承。主軸外面安裝有套筒，而套筒外安裝有鑲套安插在主軸箱體孔內(nèi)，通過花鍵銜接主軸上側(cè)。加工時，主軸一邊作旋轉(zhuǎn)運動，通過花鍵傳入；一邊作軸向進(jìn)給運動。選擇的進(jìn)給系統(tǒng)伺服電機要確保：最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩要低于電機的額定轉(zhuǎn)矩；電機的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配；快移時，轉(zhuǎn)矩要低于伺服電機的最大轉(zhuǎn)矩。 (3)夾緊系統(tǒng) 主要還是依靠人工手動操縱夾緊。(4）鉆床進(jìn)給部分的仿真 鉆床運動方式分為工作臺縱向、橫向以及

14、豎直方向的運動，通過滾珠絲杠螺母副機構(gòu)使工作臺分別進(jìn)行縱向、橫向的運動。首先區(qū)分鉆床中的可動元件、固定元件以及可動元件之間的連接情況，然后將各個零件按照一定的連接條件一一裝配起來，在Pro/e軟件中的機構(gòu)模塊，設(shè)立一個伺服電動機，以作為機構(gòu)運動的動力能源，對機構(gòu)進(jìn)行運動仿真。1.2 本文研究的內(nèi)容及目標(biāo) 本文標(biāo)題是臺式鉆床進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控化改造，就以普通臺式鉆床為例，其中的重點在于進(jìn)給系統(tǒng)的改造，革新之處在于能夠?qū)崿F(xiàn)主軸高速旋轉(zhuǎn)與軸向進(jìn)給兩個自由度的實現(xiàn)。使設(shè)計改良后的臺式鉆床要能夠?qū)崿F(xiàn)：(1)能持續(xù)進(jìn)行自動化的生產(chǎn)，提高工件加工質(zhì)量，獲得更多收益；(2)由電腦控制代替人力勞動，減少工作人員的工

15、作量，降低勞動強度；(3)鉆床系統(tǒng)工作穩(wěn)定；(4)在經(jīng)濟方面要能夠被普遍接受；1.3 本章小結(jié)這里提出并剖析了現(xiàn)代機械制造業(yè)中機床切削加工的問題，提出對傳統(tǒng)鉆床革新的必要性和可行性，擬定改造的任務(wù)和方針，為設(shè)計方案的確定了設(shè)計對象。2 設(shè)計方案的確定。4 電機的選擇4.1 步進(jìn)電機的選型及計算4.1.1 步進(jìn)電機的特點和種類步進(jìn)電機，又可以叫做脈沖電動機，能夠把電脈信號轉(zhuǎn)變成機械角位移。優(yōu)點有： （1） 構(gòu)造簡易，成本小，比較適合中低檔機電產(chǎn)品；（2） 步進(jìn)電動機的步距角有誤差，可是轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)之后，其累計誤差降為零，所以不會長期積累；（3） 控制性能好，與計算機接口簡單。步進(jìn)電機有很多種類，

16、應(yīng)用與各種不同的情況下。4.1.2 電機的選擇依據(jù)一般電機要承受兩種形式的力矩，即不變的負(fù)載力矩及切削力矩和加/減速力矩。充分考慮運動過程中的各種情況，確保選取的電機要達(dá)到以下要求：然后根據(jù)任務(wù)要求和電機負(fù)載來選取電動機。4.1.3 步距角的計算 步距角與脈沖當(dāng)量及導(dǎo)程的關(guān)系如下： 式（4.1）其中，取為0.01所以步距角= 360×0.01×1/50.724.1.4 電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動慣量的計算公式見式（4.2）： e012 式（4.2）式中：0通常情況下忽略不計1滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量，相對于圓柱體環(huán)繞其中心軸線轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)動慣量可按照下述公式得到，計算公式如下： 因此

17、：1= 0.77×16×610×100.31×10 kg.M 2工作臺、工件等移動部件換算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量，計算公式見式（4.4）： 因此：2=（5/2×3.14）×310×10=1.97×10 kg.M所以：e=（0.31+1.97）10=2.28×10 kg.M4.1.5 步進(jìn)電機空載啟動時，電機軸上的加速力矩計算公式如下： 代入數(shù)據(jù)，得到：M= 2.28×720×104.1.6 工作臺移動部件這算到電機軸上的摩擦力矩摩擦力矩涉及到的因素及關(guān)系式如下： 代入數(shù)據(jù)，得到：M=

18、310×10×0.025×5/2×3.14×0.8×1×10=0.077 N.M4.1.7 因絲杠副預(yù)緊力引起的電機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩附加摩擦力矩的計算如下： M0= F max×S/2i×(1-)×10 式（4.7） =3100×0.025×5/（2×3.14×0.8×1）×（1-0.9）×10=0.015 N.M4.1.8 空載啟動時電機軸上的最大靜轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩的計算如下： M = Ma+ M f+ M0 式（4.8）=

19、0.171 + 0.077 + 0.015 = 0.223 N.M4.2 步進(jìn)電機的選擇步進(jìn)電機的型號及參數(shù)如下表：5 專用鉆床主軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計5.1 主軸傳動系統(tǒng)的分析主軸傳動系統(tǒng)包含了帶輪傳動、主軸花鍵傳動和液壓傳動系統(tǒng)。而花鍵的作用至關(guān)重要，在傳動過程中，它不僅可以實現(xiàn)主軸的高速選轉(zhuǎn)，還可以是主軸作軸向的進(jìn)給運動。主軸軸徑的大小決定了花鍵的尺寸。5.2 主軸花鍵的設(shè)計在主軸行進(jìn)的過程中，需要確保相當(dāng)程度的穩(wěn)定性，而花鍵聯(lián)接具有很好的承受能力，定心性和導(dǎo)向性也不錯，可完成滑動聯(lián)接的操作，對軸的削弱也較小?；ㄦI最主要的作用是傳遞轉(zhuǎn)矩，同時確保軸端的導(dǎo)向定心?？紤]到表5-1主軸零件的選用以及

20、主軸的行程為100mm，最終確定花鍵的型號為：（ ）8×32×36×6 GB/T 1144-1987（為齒數(shù)×內(nèi)徑×外徑×齒寬），長度為=160mm。選取45鋼作為主軸材質(zhì)，加工后還得進(jìn)行調(diào)質(zhì)處置，主軸端花鍵與轂孔通過滑動聯(lián)接的形式連接，因此花鍵尺寸公差數(shù)據(jù)的選擇如下：5.3 V帶傳動設(shè)計5.3.1 設(shè)計功率的計算 計算出=1.8。5.3.2 選擇帶型各個數(shù)據(jù)及計算公式如下：代入數(shù)據(jù)可以得到=129.13mm，基于圓取整值后得到=132mm。5.3.4 驗算帶速帶速的計算公式為： （5.4）代入數(shù)據(jù)可得到帶速=5.86。符合520范圍

21、要求，帶速恰好合適。5.3.5 確定中心距和帶的基準(zhǔn)長度設(shè)定中心距=300mm。根據(jù)下面的計算可知其符合要求：5.3.6 驗算小帶輪包角根據(jù)要求包角必須要大于 120°，經(jīng)過計算可知符合這一條件： （5.10）5.4 本章小結(jié) 本章主要是關(guān)于帶輪傳動和花鍵傳動方面的設(shè)計，都屬于鉆床主軸傳動的重要部件。 結(jié)論臺式鉆床的數(shù)控化改造是在普通的臺式鉆床上進(jìn)行的，有著非凡的意義，不僅完成了技術(shù)方面的革新，同時又充分利用了最普遍的臺式鉆床，避免了資源浪費，一旦得到推廣運用的話，必將節(jié)省很大的勞動成本，又能夠創(chuàng)造出更多的利益。這次設(shè)計所選取的結(jié)構(gòu)更加緊湊，性能方面提高了精度與效率，使用壽命增長，適用于很多地方，能夠被普遍接受。設(shè)計過程中包含了各個部件型號的選取以及數(shù)據(jù)的計算。涉及多個領(lǐng)域的知識，像機構(gòu)學(xué)、機械運動學(xué)、機械設(shè)計學(xué)、材料力學(xué)等都有所涉獵。常規(guī)的計算方法適合大多數(shù)人的操作，而且從實際情況出發(fā)，使工作臺更加具有實用性，經(jīng)濟實惠。整個的設(shè)計過程大多都參照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，盡可能合理地對各個部分進(jìn)行改進(jìn)，時刻保持著做事嚴(yán)謹(jǐn)以及實事求是的精神。同樣的，設(shè)計過程中存在很多難題需要去一一解決，有時需要查閱相當(dāng)多的資料才能找到解決的辦法，解決的過程也讓我們加深了對本課題的理解，同時還鞏固了大學(xué)以來我們所學(xué)的本專業(yè)的知識。致謝參 考 文 獻(xiàn)1陳鳴. MCS-51單片機要數(shù)控鉆床中的應(yīng)用