1、 数控钻床 http:/ 毕业设计（论文） 龙门式数控钻床机械结构设计 The Mechanical Structural Design For Gantry CNC Drilling Machine 长 春 工 程 学 院： 周 海 东 ： 机 电 学 院 ： 机械设计制造及其自动化 ： 机制 0545 ： 杜 华 ： 教 授 ： 2015 年 4 月 18 日 学生姓名 所在院系 所学专业 所在班级 指导教师 教师职称 完成时间 数控钻床 http:/ 摘 要 近些年来，国内外机床工业的发展十分迅速，以数控为特征的现代化机床在生产中广泛应用。在工农业生产中，经常会碰到一些大型回转体类零件，
2、其上需加工很多孔。用普通机床对其加工往往会遗漏，而小型数控加工中心则难以对其进行加工。 本课题就是针对这一问题，设计一台龙门式数控钻床，专门适合对这一类零件进行钻削加工。它不仅大大减轻了操作者的劳动强度，而且大大提高了劳动生产率。 本次设计包括了数控钻床的主要机械结构，其中包括：主轴箱中的主传动系装配；进给系统中的工作台装配和传动系统中的丝杠螺母等设计。同时，将各项相关技术合理运用，以达到最优化设计的目的。 机械制造工业是国民经济的基础。机床工业则是机械制造工业的基础，它在国民经济中起着至关重要的作用，但我国机床工业与发达国家相比还有较大差距，我们必须奋发图强，努力工作，以便早日赶上世界先进水
3、 平。 关键词 数控钻床 主轴箱 工作台 丝杠螺母 Abstract In recent years, domestic machine tool industry developed rapidly, to a modern CNC machine tool is characterized by widely used in the production. In the industrial and agricultural production, often encounter a number of large-scale rotating body parts, its a lot
4、of holes to be processed. Ordinary machine tools are often left out of its processing, and 数控钻床 http:/ small-scale CNC machining center is difficult to carry out its processing. The subject is a response to this problem, the design of a gantry CNC Drilling Machine, specifically suited for this type
5、of drilling parts. It not only greatly reduces the operators labor intensity and labor productivity increased significantly. The design includes a CNC drilling machine of the main mechanical structure, including: the main spindle box powertrain assembly; feeding system table in the assembly and the
6、lead screw nut drive system design. At the same time, the related technology will be used in a reasonable manner, so as to achieve the purpose of optimum design. Machinery manufacturing industry is the foundation of the national economy. Machine tool industry is the basis of mechanical manufacturing
7、 industry, which in the national economy plays a vital role, but Chinas machine tool industry and still a wide gap between developed countries, we must work hard, work hard in order to catch up with the world at an early date advanced level. Keywords: CNC drilling machine headstock worktable leadscr
8、ew and nut. 数控钻床 http:/ 目 录 一 绪论 . 1 1.1 金属切削机床及其重要地位 . 1 1.2 问题的提出 . 1 1.3 国内外发展状况 . 1 二 方案论证 . 2 2.1 总体布局方案论证 . 2 2.1.1 数控 立式钻床 . 2 2.1.2 钻削中心 . 2 2.1.3 印刷线路板数控钻床 . 3 2.1.4 其它大型数控钻床 . 3 2.2 数控钻床功能组成及各部件方案论证 . 3 2.2.1 数控系统总体方案确定 . 3 2.2.2 主机部分总体方案确定 . 4 三 横梁滚珠丝杠设计计算 . 5 3.1 动载强度计算 . 5 3.2 滚珠丝杠轴向负荷
9、F 的计算 . 6 3.3 确定滚珠丝杠型号 . 7 3.4 珠丝杠副的几何参数 . 7 3.5 传动效率计算 . 7 3.6 刚度检验 . 8 四 机械部分设计计算 . 8 4.1 主传动系设计计算 . 8 4.1.1 动设计计算 . 8 4.2 主轴的设计与计算 .14 4.2.1 选择轴的材料 .14 4.2.2 估算轴的直径 .14 4.2.3 按弯扭轴上合成强度条件计算 .15 4.2.4 按疲劳强度的安全系数校核计算 .16 4.3 轴承的选择与校核 .18 4.4 主轴上键的选择与校核 .20 4.4.1 挤压强度校核 .20 4.4.2 耐磨条件校核 .20 五 工作台设计与计
10、算 .21 5.1 工作台电机的选择 .21 5.1.1 确定脉冲当量 .21 5.1.3 等效力矩计算 .22 5.1.4 确定蜗轮蜗杆的传动比 .22 5.1.5 确定电机型号 .22 5.2 工作台蜗轮蜗杆的设计计算 .23 5.2.1 确定蜗轮蜗杆模数 m .23 5.2.2 蜗杆轴的刚度验算 .24 数控钻床 http:/ 5.2.3 蜗杆蜗轮几何尺寸计算 .24 5.2.4 蜗杆传动的效率和散热计算 .27 5.3 工作台弹簧的设计计算 .28 5.4 工作台滚动导轨设计计算 .28 5.4.1 滚动体的尺寸要求及确定 .29 5.4.2 滚动体数目确定 .29 5.4.3 保持架
11、样式 .29 总结 .30 致谢 .31 参考文献 .32 1 一 绪论 1.1 金属切削机床及其重要地位 金属切削机床（ Metal cutting machine tools）是用切削的方法将金属毛坯加工成机械零件的机器。它是制造机器的机器，所以称它为“工作母机”。习惯上简称为机床。 机床的母机属性决定了它在国民经济中的重要地位。机械制造业肩负着为国民经济各部分提供现代化技术装备的任务。机械制造业是国民经济的基础，而机床工业则是机械制造工业的基础，一个国家的机床工业技术水平在很大程度标志着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。 1.2 问题的提出 在生产活动中，经常会遇到需要在大型回转体零
12、件上加工出许多孔。如用普通机床，往往会遗漏加工，故需设计一台大型数 控钻床来对其进行加工。这不仅减轻了劳动者的劳动强度，而且大大提高了劳动生产率。 1.3 国内外发展状况 （一）国内数控机床现状 近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以 FMS 模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 2001 年，我国机床工 业产值已进入世界第 5 名，机床消费额在世界排名上升到第 3 位，达47.39 亿美元，仅次于美国的 53.67 亿美元，消费额比上一年增长
13、25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势， 2001 年进口机床跃升至世界第 2 位，达24.06 亿美元，比上年增长 27.3%。 （ 二 ）国外数控机床现状况 1、国际机床市场的消费主流是数控机床。 1998 年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控化率达 70%，我国为 60%。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。 2、国外数控机床的网络化。 随着计算机技术、网络技术日益普遍运用，数 控机床走向网络化、集成化已成为必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只
14、是时间的问题。从另一角度来看，目前流行的 ERP 即工厂2 信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常的管理部门（人、财、物、产、供、销）或设计、开发等等上层部分的信息化是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备 数控机床不能够连成网络或信息化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶颈，所谓的 ERP 就比较 “虚 ”没有能够真正地解决制造工厂的最关键的问题。所以，对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来说，第一是要大大提高机床的数控化率，即数控机床必须达到起码的 数量或比例；第二就是所拥有的数控机床必须具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅通无阻。 以西门子
15、为代表的数控系统生产厂商已在几年前推出了具有网络功能的数控系统。在这些系统中，除了传统的 RS232 接口外，还备有以太网接口，为数控机床联网提供了基本条件。由于国外企业的发展水平，数控机床的网络接口功能被定义为用于远程监控、远程诊断。 二 方案论证 2.1 总体布局方案论证 数控钻床是数字控制为主的孔加工机床。在数控机床的发展过程中，数控钻床的出现是比较早 的。 50 年代末，我国已有几种数控钻床的雏形。美国普拉特惠特尼公司在 1961 年就成批生产Tape-O-Matic 数控钻床。它也是数控钻床的最早产品。此后，美国、日本等国家的公司也陆续生产数控钻床，数控转塔钻床等产品。 数控钻床按其
16、布局形式及功能特点可分为数控立式钻床、钻削中心、印刷线路板数控钻床，数控深孔钻床及其它大型数控钻床等。 2.1.1 数控立式钻床 数控立式钻床是在普通立式钻床的基础上发展起来的，可以完成钻，扩，铰，攻丝等多道工序。适用于孔间距离有一定精度要求的零件的中小批量生产。它一般带有两坐标数控十字型工 作台，被加工零件装夹在工作台上可进行两坐标移动，其控制系统一般是点位控制系统。属于经济型数控，价格便宜。 2.1.2 钻削中心 钻削中心是在 3 坐标数控立式钻床的基础上增加转塔刀库及自动换刀机构而成的 采用无级调速的主轴电动机，可实现自动变换主轴转速，可以进行钻、扩、铰、锪、攻丝等加工工序，而且，可以完
17、成具有直线和圆弧插补的轮廓控制铣削。 由于一般中小型零件大多需要几把刀具来加工，故增加自动换刀装置并同时自动变换主轴转3 速。可减轻劳动强度，减少换刀时间，既提高了机床的自动化程度，又提高了生产率。 由于用轮廓控制数控系统代替 了点位控制数控系统。可进行具有直线和圆弧插补功能的铣削加工，更适合于钻铣联合加工的零件。 根据换刀原理及机床结构的不同，目前钻削中心分为单立柱式玉双立柱式两种。多立柱式的换刀方式是在砖塔中径布置 6 或 8 根主轴，由转塔回转实现主轴转换及自动换刀。 由于转塔中需要布置多根主机，并由主轴主传动，分度，定位等机构。由于转塔头结构复杂，加工困难，还有尺寸限制，主轴刚性受到一
18、定影响，各主轴间的位置精度也不理想，因此多主轴式钻削中心存在上述一些问题，很多厂家开发了单轴式钻削中心，它是在同一根主轴上自动换装有各种刀具的刀柄实 现自动换刀，并采用转塔式刀库，克服了多轴式的缺点。 2.1.3 印刷线路板数控钻床 印刷线路板数控钻床是一种专门用来加工印刷线路板的专用钻孔机床。 2.1.4 其它大型数控钻床 对于某些大型零件，在一般数控钻床，钻削中心上无法加工。故使用大型数控钻床。由于该设计的钻床是要求钻妃的最大直径为 mm30 ， 且工件为的盘形零件 m5.1 ，工件高度为mm500 ，属大型多孔零件，加工所需刀雎较少，且不频繁换刀，孔距精度要求 不太高，故设计成龙门式数控
19、 钻床，其也可完成钻、扩、铰、攻丝等多道工序。 2.2 数控钻床功能组成及各部件方案论证 数控钻床一般包括以下几个部分：（ 1）、主机 包括床身，立柱，工作台，和主轴箱等机械部件（ 2）、数控系统（ 3）、驱动装置（ 4）、其它辅助装置，如冷却系统，防护罩，排屑器。 2.2.1 数控系统总体方案确定 2.2.1.1 系统运动方式的确定 数控统的运动方式可分为点位控制系统，点们直线系统，连续控制系统。点位控罅系统只能够实现由一个位置到另一个位置的精确移动，在移动过程中不进行任何加 工。连续控制系统要求工作台或刀具沿各个坐标轴的运动有精确的运动关系。数控钻床在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工，
20、回此数控装置可采用点位控制方式。点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。 2.2.1.2 伺服系统的选择 开环控制系统没有检测反馈部件，不能纠正系统的传动误差。但其结构简单，调整维修方便，在速度和精度要求不太高的场合广泛应用。 4 闭环控制系统在机床移动部件上装有检测反馈元件来检测实际位移，能补偿系统的传动误差，伺服控制精度高，调试复杂，系统造价高。 由于该机床是加工敢距精度有要求但不太高的零件 ，采用开环控制系统。精度要求满足，结构简单，调整维修容易，可降低机床造价。并采用步进电机作为伺服电机。 2.2.1.3 执行机构传动方式确定 为确保数控系统的传动精度和工作台平稳性，通常提出低摩擦，低
21、质量，高刚度，无间隙，高谐振，以及由适宜阻尼比的要求。为满足低摩擦，尽量消除传动间隙的要求。本设计横梁采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高系统的传动刚度，保证加工精度，丝杠支撑设计成两端轴向固定，并加预拉伸的结构。 2.2.2 主机部分总体方案确定 2.2.2.1 工作台 工作台是数控机床的重要部件，其 形式尺寸往往表现机床的规格和性能。工作台有矩形，回转形式，以及倾斜成各种角度的万能工作台等三种。由于该机床是加工大型盘形零件。故采用回转工作台。并采用开环控制。其定们精度由控制系统决定。开环系统中的数控转台由传动系统，间隙消除装置，及蜗轮夹紧装置等组成。 2.2.2.2 床身 采用龙门式结构。由两立
22、柱，顶梁，横梁，工作台，主轴箱等组成。其钻孔的位置定们分别由主轴箱沿横梁的横向移动和工作台的转动来实现。横梁可沿两个立柱的导轨上下调整位置，以适应不同高度的加式需要。这种布局形式由两个立柱，顶梁和床身构成龙门框 架式结构，主轴中心线的悬身距离也很小，所以刚度较高，可提高加工精度。 2.2.2.3 主轴箱 带有刀具的主轴箱的垂直移动为 Z 坐标。采用步进电机驱动。其旋转主运动采用交流电机驱动，可变换主轴转速，以适应钻孔直径改变的需要。 各主要参数 工件为 m5.1 的盘形零件 钻孔大小为 mm305 工件高度为 mm500 查表：最大钻孔直径 mm30 确定主轴圆锥孔莫氏号数为 4 5 主轴端面
23、到工作台的最大距离 mm740H 主轴端面到底座工作台面的最大距离 mm13071 H 三 横梁滚珠丝杠设计计算 3.1 动载强度计算 额定动负荷 rF 是指当一批规格相同的滚珠丝杠螺母副，在一负荷力的测试运转下，能通过r106 运动，而有 %90 不产生疲劳损伤时所能承受的最大轴向载荷。 当 r/min10n 时，滚珠丝杠螺母的主要破坏形式是工作表面的疲劳点蚀，因此要进行动载荷强度计算，其计算动载荷 )N(cC 应小于或等于滚珠丝杠螺母副的额定动负荷，有公式：reqHd3 /c FFffTC 式中， df 动载荷系数，从数控机床系统设计 15表 5-1 可查得： 0.1d f Hf 硬度影响系数，同上，表 5-2 可查得： 56.1H f eqF 当量动负荷，单位 N rF 滚珠丝杠螺母副的额定动负荷，单位 N /T 寿命，以 r610 为 1 个单位。 K101060 66eq/ TnT 式中， T 使用寿命， h; K 循环次数； eqn 滚珠丝 杠的当量转速， r/min 。 3221122231113eq tntn tnFtnFF 式中， 1F 、 2F 滚珠丝杠螺母副所承受的轴向载荷， N； 1n 、 2n 与 1F 、 2F 相对应的转速， r/min ； 1t 、 2t 相对应的工作时间， min
