長春工程學(xué)院龍門式數(shù)控鉆床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計畢業(yè)論文

數(shù)控鉆床 畢業(yè)設(shè)計（論文）龍門式數(shù)控鉆床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計The Mechanical Structural Design For Gantry CNC Drilling Machine長 春 工 程 學(xué) 院： 周 海 東 ： 機 電 學(xué) 院 ： 機械設(shè)計制造及其自動化 ： 機制 0545 ： 杜 華 ： 教 授 ： 2015 年 4 月 18 日 學(xué)生姓名所在院系所學(xué)專業(yè)所在班級指導(dǎo)教師教師職稱完成時間數(shù)控鉆床 摘 要近些年來，國內(nèi)外機床工業(yè)的發(fā)展十分迅速，以數(shù)控為特征的現(xiàn)代化機床在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常會碰到一些大型回轉(zhuǎn)體類零件，其上需加工很多孔。用普通機床對其加工往往會遺漏，而小型數(shù)控加工中心則難以對其進(jìn)行加工。本課題就是針對這一問題，設(shè)計一臺龍門式數(shù)控鉆床，專門適合對這一類零件進(jìn)行鉆削加工。它不僅大大減輕了操作者的勞動強度，而且大大提高了勞動生產(chǎn)率。本次設(shè)計包括了數(shù)控鉆床的主要機械結(jié)構(gòu)，其中包括：主軸箱中的主傳動系裝配；進(jìn)給系統(tǒng)中的工作臺裝配和傳動系統(tǒng)中的絲杠螺母等設(shè)計。同時，將各項相關(guān)技術(shù)合理運用，以達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計的目的。機械制造工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)。機床工業(yè)則是機械制造工業(yè)的基礎(chǔ)，它在國民經(jīng)濟中起著至關(guān)重要的作用，但我國機床工業(yè)與發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距，我們必須奮發(fā)圖強，努力工作，以便早日趕上世界先進(jìn)水平。關(guān)鍵詞數(shù)控鉆床 主軸箱 工作臺 絲杠螺母AbstractIn 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 數(shù)控鉆床 lot of holes to be processed. Ordinary machine tools are often left out of its processing, and 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 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 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 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 leadscrew and nut. 數(shù)控鉆床 目 錄一 緒論 .11.1 金屬切削機床及其重要地位 .11.2 問題的提出 .11.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r .1二 方案論證 .22.1 總體布局方案論證 .22.1.1 數(shù)控立式鉆床 .22.1.2 鉆削中心 .22.1.3 印刷線路板數(shù)控鉆床 .32.1.4 其它大型數(shù)控鉆床 .32.2 數(shù)控鉆床功能組成及各部件方案論證 .32.2.1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案確定 .32.2.2 主機部分總體方案確定 .4三 橫梁滾珠絲杠設(shè)計計算 .53.1 動載強度計算 .53.2 滾珠絲杠軸向負(fù)荷 F 的計算 .63.3 確定滾珠絲杠型號 .73.4 珠絲杠副的幾何參數(shù) .73.5 傳動效率計算 .73.6 剛度檢驗 .8四 機械部分設(shè)計計算 .84.1 主傳動系設(shè)計計算 .84.1.1 動設(shè)計計算 .84.2 主軸的設(shè)計與計算 .144.2.1 選擇軸的材料 .144.2.2 估算軸的直徑 .144.2.3 按彎扭軸上合成強度條件計算 .154.2.4 按疲勞強度的安全系數(shù)校核計算 .164.3 軸承的選擇與校核 .184.4 主軸上鍵的選擇與校核 .204.4.1 擠壓強度校核 .204.4.2 耐磨條件校核 .20五 工作臺設(shè)計與計算 .205.1 工作臺電機的選擇 .215.1.1 確定脈沖當(dāng)量 .215.1.3 等效力矩計算 .225.1.4 確定蝸輪蝸桿的傳動比 .225.1.5 確定電機型號 .225.2 工作臺蝸輪蝸桿的設(shè)計計算 .235.2.1 確定蝸輪蝸桿模數(shù) .23m5.2.2 蝸桿軸的剛度驗算 .24數(shù)控鉆床 5.2.3 蝸桿蝸輪幾何尺寸計算 .245.2.4 蝸桿傳動的效率和散熱計算 .275.3 工作臺彈簧的設(shè)計計算 .285.4 工作臺滾動導(dǎo)軌設(shè)計計算 .285.4.1 滾動體的尺寸要求及確定 .295.4.2 滾動體數(shù)目確定 .295.4.3 保持架樣式 .29總結(jié) .30致謝 .31參考文獻(xiàn) .321一 緒論1.1 金屬切削機床及其重要地位金屬切削機床（Metal cutting machine tools）是用切削的方法將金屬毛坯加工成機械零件的機器。它是制造機器的機器，所以稱它為“工作母機” 。習(xí)慣上簡稱為機床。機床的母機屬性決定了它在國民經(jīng)濟中的重要地位。機械制造業(yè)肩負(fù)著為國民經(jīng)濟各部分提供現(xiàn)代化技術(shù)裝備的任務(wù)。機械制造業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，而機床工業(yè)則是機械制造工業(yè)的基礎(chǔ)，一個國家的機床工業(yè)技術(shù)水平在很大程度標(biāo)志著這個國家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學(xué)技術(shù)水平。1.2 問題的提出在生產(chǎn)活動中，經(jīng)常會遇到需要在大型回轉(zhuǎn)體零件上加工出許多孔。如用普通機床，往往會遺漏加工，故需設(shè)計一臺大型數(shù)控鉆床來對其進(jìn)行加工。這不僅減輕了勞動者的勞動強度，而且大大提高了勞動生產(chǎn)率。1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r（一）國內(nèi)數(shù)控機床現(xiàn)狀 近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機床中，除少量機床以 FMS 模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001 年，我國機床工業(yè)產(chǎn)值已進(jìn)入世界第 5 名，機床消費額在世界排名上升到第 3 位，達(dá)47.39 億美元，僅次于美國的 53.67 億美元，消費額比上一年增長 25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢，2001 年進(jìn)口機床躍升至世界第 2 位，達(dá) 24.06 億美元，比上年增長 27.3%。 （二）國外數(shù)控機床現(xiàn)狀況 1、國際機床市場的消費主流是數(shù)控機床。 1998 年世界機床進(jìn)口額中大部分是數(shù)控機床，美國進(jìn)口機床的數(shù)控化率達(dá) 70%，我國為 60%。目前世界數(shù)控機床消費趨勢已從初期以數(shù)控電加工機床、數(shù)控車床、數(shù)控銑床為主轉(zhuǎn)向以加工中心、專用數(shù)控機床、成套設(shè)備為主。 2、國外數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)化。 隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益普遍運用，數(shù)控機床走向網(wǎng)絡(luò)化、集成化已成為必然的趨2勢和方向，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入制造工廠的車間只是時間的問題。從另一角度來看，目前流行的 ERP 即工廠信息化對于制造業(yè)來說，僅僅局限于通常的管理部門（人、財、物、產(chǎn)、供、銷）或設(shè)計、開發(fā)等等上層部分的信息化是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，工廠、車間的最底層加工設(shè)備數(shù)控機床不能夠連成網(wǎng)絡(luò)或信息化就必然成為制造業(yè)工廠信息化的制約瓶頸，所謂的 ERP 就比較“虛”沒有能夠真正地解決制造工廠的最關(guān)鍵的問題。所以，對于面臨日益全球化競爭的現(xiàn)代制造工廠來說，第一是要大大提高機床的數(shù)控化率，即數(shù)控機床必須達(dá)到起碼的數(shù)量或比例；第二就是所擁有的數(shù)控機床必須具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在工廠、車間的底層之間及底層與上層之間通訊的暢通無阻。 以西門子為代表的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商已在幾年前推出了具有網(wǎng)絡(luò)功能的數(shù)控系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的 RS232 接口外，還備有以太網(wǎng)接口，為數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)提供了基本條件。由于國外企業(yè)的發(fā)展水平，數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)接口功能被定義為用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷。二 方案論證2.1 總體布局方案論證數(shù)控鉆床是數(shù)字控制為主的孔加工機床。在數(shù)控機床的發(fā)展過程中，數(shù)控鉆床的出現(xiàn)是比較早的。50 年代末，我國已有幾種數(shù)控鉆床的雛形。美國普拉特惠特尼公司在 1961 年就成批生產(chǎn) Tape-O-Matic 數(shù)控鉆床。它也是數(shù)控鉆床的最早產(chǎn)品。此后，美國、日本等國家的公司也陸續(xù)生產(chǎn)數(shù)控鉆床，數(shù)控轉(zhuǎn)塔鉆床等產(chǎn)品。數(shù)控鉆床按其布局形式及功能特點可分為數(shù)控立式鉆床、鉆削中心、印刷線路板數(shù)控鉆床，數(shù)控深孔鉆床及其它大型數(shù)控鉆床等。2.1.1 數(shù)控立式鉆床數(shù)控立式鉆床是在普通立式鉆床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，可以完成鉆，擴，鉸，攻絲等多道工序。適用于孔間距離有一定精度要求的零件的中小批量生產(chǎn)。它一般帶有兩坐標(biāo)數(shù)控十字型工作臺，被加工零件裝夾在工作臺上可進(jìn)行兩坐標(biāo)移動，其控制系統(tǒng)一般是點位控制系統(tǒng)。屬于經(jīng)濟型數(shù)控，價格便宜。2.1.2 鉆削中心鉆削中心是在 3 坐標(biāo)數(shù)控立式鉆床的基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)塔刀庫及自動換刀機構(gòu)而成的采用無級調(diào)速的主軸電動機，可實現(xiàn)自動變換主軸轉(zhuǎn)速，可以進(jìn)行鉆、擴、鉸、锪、攻絲等加工工序，而且，可以完成具有直線和圓弧插補的輪廓控制銑削。3由于一般中小型零件大多需要幾把刀具來加工，故增加自動換刀裝置并同時自動變換主軸轉(zhuǎn)速?？蓽p輕勞動強度，減少換刀時間，既提高了機床的自動化程度，又提高了生產(chǎn)率。由于用輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)代替了點位控制數(shù)控系統(tǒng)?？蛇M(jìn)行具有直線和圓弧插補功能的銑削加工，更適合于鉆銑聯(lián)合加工的零件。根據(jù)換刀原理及機床結(jié)構(gòu)的不同，目前鉆削中心分為單立柱式玉雙立柱式兩種。多立柱式的換刀方式是在磚塔中徑布置 6 或 8 根主軸，由轉(zhuǎn)塔回轉(zhuǎn)實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)換及自動換刀。由于轉(zhuǎn)塔中需要布置多根主機，并由主軸主傳動，分度，定位等機構(gòu)。由于轉(zhuǎn)塔頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工困難，還有尺寸限制，主軸剛性受到一定影響，各主軸間的位置精度也不理想，因此多主軸式鉆削中心存在上述一些問題，很多廠家開發(fā)了單軸式鉆削中心，它是在同一根主軸上自動換裝有各種刀具的刀柄實現(xiàn)自動換刀，并采用轉(zhuǎn)塔式刀庫，克服了多軸式的缺點。2.1.3 印刷線路板數(shù)控鉆床印刷線路板數(shù)控鉆床是一種專門用來加工印刷線路板的專用鉆孔機床。2.1.4 其它大型數(shù)控鉆床對于某些大型零件，在一般數(shù)控鉆床，鉆削中心上無法加工。故使用大型數(shù)控鉆床。由于該設(shè)計的鉆床是要求鉆妃的最大直徑為 ，且工件為的盤形零件 ，工件高度為m30m5.1，屬大型多孔零件，加工所需刀雎較少，且不頻繁換刀，孔距精度要求不太高，故設(shè)計m50成龍門式數(shù)控 鉆床，其也可完成鉆、擴、鉸、攻絲等多道工序。2.2 數(shù)控鉆床功能組成及各部件方案論證數(shù)控鉆床一般包括以下幾個部分：（1） 、主機 包括床身，立柱，工作臺，和主軸箱等機械部件（2） 、數(shù)控系統(tǒng)（3） 、驅(qū)動裝置（4） 、其它輔助裝置，如冷卻系統(tǒng)，防護(hù)罩，排屑器。2.2.1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案確定 系統(tǒng)運動方式的確定數(shù)控統(tǒng)的運動方式可分為點位控制系統(tǒng)，點們直線系統(tǒng)，連續(xù)控制系統(tǒng)。點位控罅系統(tǒng)只能夠?qū)崿F(xiàn)由一個位置到另一個位置的精確移動，在移動過程中不進(jìn)行任何加工。連續(xù)控制系統(tǒng)要求工作臺或刀具沿各個坐標(biāo)軸的運動有精確的運動關(guān)系。數(shù)控鉆床在工作臺移動過程中鉆頭并不進(jìn)行鉆孔加工，回此數(shù)控裝置可采用點位控制方式。點位系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。 伺服系統(tǒng)的選擇4開環(huán)控制系統(tǒng)沒有檢測反饋部件，不能糾正系統(tǒng)的傳動誤差。但其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整維修方便，在速度和精度要求不太高的場合廣泛應(yīng)用。閉環(huán)控制系統(tǒng)在機床移動部件上裝有檢測反饋元件來檢測實際位移，能補償系統(tǒng)的傳動誤差，伺服控制精度高，調(diào)試復(fù)雜，系統(tǒng)造價高。由于該機床是加工敢距精度有要求但不太高的零件，采用開環(huán)控制系統(tǒng)。精度要求滿足，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整維修容易，可降低機床造價。并采用步進(jìn)電機作為伺服電機。 執(zhí)行機構(gòu)傳動方式確定為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作臺平穩(wěn)性，通常提出低摩擦，低質(zhì)量，高剛度，無間隙，高諧振，以及由適宜阻尼比的要求。為滿足低摩擦，盡量消除傳動間隙的要求。本設(shè)計橫梁采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高系統(tǒng)的傳動剛度，保證加工精度，絲杠支撐設(shè)計成兩端軸向固定，并加預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)。2.2.2 主機部分總體方案確定 工作臺工作臺是數(shù)控機床的重要部件，其形式尺寸往往表現(xiàn)機床的規(guī)格和性能。工作臺有矩形，回轉(zhuǎn)形式，以及傾斜成各種角度的萬能工作臺等三種。由于該機床是加工大型盤形零件。故采用回轉(zhuǎn)工作臺。并采用開環(huán)控制。其定們精度由控制系統(tǒng)決定。開環(huán)系統(tǒng)中的數(shù)控轉(zhuǎn)臺由傳動系統(tǒng)，間隙消除裝置，及蝸輪夾緊裝置等組成。 床身采用龍門式結(jié)構(gòu)。由兩立柱，頂梁，橫梁，工作臺，主軸箱等組成