1、 - I - 机械设备数控多工位钻床设计 【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
2、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 - II - 【 Abstract】 This article which mainly aimed at the shape of the hole of the work pieces those relatively complicated process work pieces. At present， the drillin
3、g machine processing have been typically used, but with the development of science and technology and manufacturing precision need the higher request. The numerical control technology became the mainstream. And the numerical control of progressive drilling machine is a kind of very good machining to
4、ol to enhance drilling processing precision and efficiency. It not only meets manufacturing precision, but also low the manpower and the time. Usually, The Numerical Control Drilling Machine will meet the demands, and the numerical control system based on Siemens, it can do high speed drilling and a
5、ccurately. Compared with the traditional Numerical Control Drilling Machine, its suitable for some larger diameter and deep hole processing, and still meet the requests of speed, high precision, high production efficiency requirements. The Position Control System will take care of the mode of motion
6、. Firstly, in a rapid rate moves to the near position of the end. And it with a low speed to the correct end position. To ensure it can be in the good location accuracy. And control the half-closed-loop control system, by detecting the position of the moving parts of the system, and then back to the
7、 comparison of the numerical control device, and enter the location of the original instructions, control difference compared, is moving parts added, until the difference until the surrender, thus increasing the precision of workpiece machining 【 Key words】 Precision, Numerical Control Technology, M
8、ulti-station, Drilling - III - 目录 绪论 . 1 1、概论 . 2 1.1 国内外研究现状 . 2 1.2 论文工作的意义 . 2 1.3 论文研究的主要工作 . 2 2、系统设计 . 3 2.1 机床系统设计框图 . 3 2.2 系统的详细组成 . 3 2.2.1 动力系统 . 4 2.2.2 传动系统 . 4 2.2.3 数控系统 . 4 2.3 详细技术分析 . 4 2.4 数控多工位钻床结构图 . 5 2.5 本章小结 . 5 3、详细设计 . 6 3.1 切削力的计算 . 6 3.1.1 确定加工工件尺寸 . 6 3.1.2 计算切削力和扭矩 . 6
9、3.1.3 确定主轴齿轮传动方案 . 7 3.1.4 齿轮设计 . 8 3.2 主轴的设计及计算 . 11 3.2.1 弯曲应力计算及验算 . 11 3.3 轴承的选择 . 12 3.4 系统进给机构的设计 . 12 3.4.1 轴向进给机构设计 . 12 3.4.2 纵向进给运动 . 14 3.4.3 纵向进给滚珠丝杠的核 算 . 15 3.4.4 回转工作台运动分析 . 18 3.5 导轨的设计 . 21 3.5.1 X 轴向移动导轨的预选： . 21 3.5.2 导轨的相 关计算 . 21 3.5.3 导轨的压强计算和分布 . 23 3.5.4 滑动导轨的验算 . 25 3.5.5 导轨
10、压强 . 25 3.5.6 导轨及齿轮传动间隙调整分析 . 26 3.6 计算机数 控装置系统设计 . 26 3.6.1 数控装置系统硬件组成 . 27 3.6.2 计算机数控装置软件 . 28 3.6.3 步进电机的接口电路 . 29 3.6.4 系统总程序 . 29 3.7 本章小结 . 30 总结与展望 . 30 - IV - 参考文献 . 31 致谢 . 32 - 1 - 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
11、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
12、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。 - 2 - 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
13、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
14、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
15、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。 - 3 - 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 N Y 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。 机床总体方案设计 总体方案设计 总体方案综合评价与选
16、择 总体方案的设计修改（优化） 详细设计 机床整机综合评价 满足设计要求 结束 - 4 - 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
17、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 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。 单 片 机 存 储 器 I/O口 驱 动 光 电 功率放大器 驱 动 器 键盘 显示器 X 轴电 Y 轴电 Z 轴电 W 轴电 纵向丝杠 横向丝杠 Z 向丝杠 蜗杆涡轮 继电器 主 轴 机械手控
18、制电路 刀库（铣床） 电机 主 轴脉冲 纵横等轴 急停、 STOP 清零等 - 5 - 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。 - 6 - 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
19、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
20、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 =9.81 0.0311=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
