數(shù)控多工位鉆床設(shè)計1

1、第一章 數(shù)控機床概述1.1 數(shù)控機床簡介1.1.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生及其重要性隨著科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展， 社會對產(chǎn)品多樣化的要求日益強烈， 產(chǎn)品更新越 來越快，多品種、中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加。同時，隨著航空工業(yè)、汽車工 業(yè)和輕工消費品生產(chǎn)的高速增長， 復(fù)雜形狀的零件越來越多， 精度要求也越來越 高。此外，激烈的市場競爭要求產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來越短， 傳統(tǒng)的加工設(shè)備和 制造方法已難于適應(yīng)這種多樣化、 柔性化與復(fù)雜形狀零件高效和高質(zhì)量的加工要 求。數(shù)字控制機床， 就是為了解決單件、 小批量， 特別是復(fù)雜型面零件加工的自 動化并保證質(zhì)量要求而生產(chǎn)的。 1947 年，美國 Parsons 公司為了精確

2、制造直升 機翼、槳葉和直升機框架， 開始探討用三坐標(biāo)曲線數(shù)據(jù)來控制機床的運動， 并進 行實驗，加工飛機零件。 1949 年，為了能在短時間內(nèi)制造出經(jīng)常變更設(shè)計的零 件，美國空軍(U。S。AirForce )與Parsons公司簽定了制造第一臺數(shù)控機床的 合同。 1951年，美國麻省理工學(xué)院 MIT(Massachusetts Instiute of Technology ) 承擔(dān)了這一項目。1952年，MIT伺服機構(gòu)研究所用實驗室制造的控制裝置和辛辛 那提( Cincinnati Hydrotel )公司的立式銑床成功地實現(xiàn)了三軸聯(lián)動數(shù)控運動， 可控制銑刀進行連續(xù)空間曲面的加工， 揭開了數(shù)控加

3、工技術(shù)的序幕。 隨著不斷的 改進與完善，1955年，NC (數(shù)控)機床開始用于工業(yè)加工。數(shù)控機床是綜合應(yīng)用了微電子、 計算機、自動檢測以及精密機械等技術(shù)的最 新成果而發(fā)展起來的完全新型的機床，它標(biāo)志著機床工業(yè)進入了一個新的階段。從第一臺數(shù)控機床問世到現(xiàn)在 40 多年中，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展非常迅速，使制造技 術(shù)發(fā)生了根本性的變化， 幾乎所有品種的機床都實現(xiàn)了數(shù)控化。 數(shù)控機床的應(yīng)用 領(lǐng)域也從航空工業(yè)部門逐步擴大到汽車、 造船、機床、建筑等民用機械制造行業(yè)。 此外，數(shù)控技術(shù)也會在繪圖儀、 坐標(biāo)測量儀、 激光加工與線切割機等機械設(shè)備中 得到廣泛的應(yīng)用。努力發(fā)展數(shù)控加工技術(shù)，并向更高層次的自動化、柔性化、

4、敏 捷化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化制造方向推進，是當(dāng)前機械制造業(yè)發(fā)展的方向。從 20 世紀(jì) 50 年代末期，我國就開始研究數(shù)控技術(shù)，開發(fā)數(shù)控產(chǎn)品。 1958 年，清華大學(xué)和北京第一機床廠合作研制了我國第一臺數(shù)控銑床。 經(jīng)過多年的不 斷努力，數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了長足的發(fā)展： 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)基本上掌握了關(guān)鍵技術(shù)， 可 靠性已有很大提高；新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)品大部分達到國際 20世紀(jì) 80年代 中期水平，部分達到國際 20世紀(jì) 90年代水平，為國家重點建設(shè)提供了一批高水 平數(shù)控機床；技術(shù)上也取得很大突破，如高速主軸制造技術(shù)、快速進給、快速換 刀、柔性制造等技術(shù)， 為國產(chǎn)數(shù)控機床的下一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 雖然在數(shù)控技

5、 術(shù)領(lǐng)域中， 我國和先進的工業(yè)國家之間還存在著不小的差距， 但這種差距正在迅 速縮小。數(shù)控技術(shù)是機械加工現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)。 應(yīng)用數(shù)控加工可大大提 高生產(chǎn)效率、穩(wěn)定加工質(zhì)量、縮短加工周期、增加生產(chǎn)柔性、實現(xiàn)對各種復(fù)雜精 密零件的自動化加工， 易于在工廠或車間實行計算機管理， 還使車間設(shè)備總數(shù)減 少，節(jié)省人力、改善勞動條件，有利于加快產(chǎn)品的開發(fā)和更新?lián)Q代，提高企業(yè)對 市場的適應(yīng)能力并提高企業(yè)綜合經(jīng)濟效益。 數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用， 使機械加工的 大量前期準(zhǔn)備工作與機械加工過程聯(lián)為一體，使零件的計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助工藝規(guī)劃（CAPP和計算機輔助制造（CAM的一體化成為現(xiàn)實，使

6、機械加工的柔性化自動化水平不斷提高。數(shù)控加工技術(shù)也是發(fā)展軍事工業(yè)的重要戰(zhàn)略技術(shù)。 美國與西方各國在高檔數(shù) 控機床與技工技術(shù)方面， 一直通過巴黎統(tǒng)籌委員會對我國進行封鎖限制， 應(yīng)為許 多先進武器裝備的制造，如飛機、導(dǎo)彈、坦克等的關(guān)鍵零件，都離不開高性能數(shù) 控機床的加工。如著名的“東芝事件” ，即是由于前蘇聯(lián)利用從日本獲得的大型 五坐標(biāo)數(shù)控銑床， 用其制造出具有復(fù)雜曲面的潛艇的噪聲大為降低， 西方的反潛 艇設(shè)備頓時失效，對西方構(gòu)成了重大威脅。我國的航空、能源、交通等行業(yè)也從 西方引入了一些五坐標(biāo)機床等高檔數(shù)控設(shè)備，但其使用受到國外的監(jiān)控和限制， 不準(zhǔn)用語軍事用途的零件加工。特別是 1999 年美國

7、的考克斯報告，其中一項主 要內(nèi)容就是指責(zé)我國將從美國購買的二手?jǐn)?shù)控機床用于軍事工業(yè)， 這一切均說明 數(shù)控加工技術(shù)在國防現(xiàn)代化方面所起的重要作用。1.1.2 數(shù)控機床應(yīng)用范圍及特點目前的數(shù)控加工主要應(yīng)用于以下兩方面： 一方面的應(yīng)用是常規(guī)零件加工，如二維車削、箱體類鏜銑等。其目的在于：提高加工效率，避免認為誤差，保證產(chǎn)品質(zhì)量；以柔性加工方式取代高成本的工 裝設(shè)備，縮短產(chǎn)品制造周期，適應(yīng)市場需求。這類零件：一般形狀較簡單，實現(xiàn) 上述目的的關(guān)鍵一方面在于提高機床的柔性自動化程度、高速精加工能力、加工過程的可靠性與設(shè)備的操作性能，另一方面在于合理的生產(chǎn)組織、計劃調(diào)度和工 藝過程安排。另一方面的應(yīng)用是復(fù)雜

8、形狀零件加工，如模具型腔、渦輪葉片等。該類零件 在眾多的制造行業(yè)中具有重要的地位，其加工質(zhì)量直接影響以至決定著整機床品 的質(zhì)量。這類零件型面復(fù)雜，常規(guī)加工方法難以實現(xiàn)，它不僅促使了數(shù)控加工技 術(shù)的產(chǎn)生，而且也一直是數(shù)控加工技術(shù)的主要研究及應(yīng)用對象。 由于零件型面復(fù) 雜，在加工技術(shù)方面，除要求數(shù)控機床具有較強的運動控制能力（如多軸聯(lián)動） 外，更重要的是如何有效地獲得高效優(yōu)質(zhì)的數(shù)控加工程序， 并從加工過程整體上 提高生產(chǎn)效率。數(shù)控機床在機械制造領(lǐng)域中得到日益廣泛的應(yīng)用，是因為它具有如下特點： 高柔性、生產(chǎn)效率高、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠、自動化程度高、能完成 復(fù)雜型面的加工、有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)

9、代化。12 數(shù)控機床的工作原理與組成1.2.1 數(shù)控機床的工作原理數(shù)控機床是數(shù)字信息進行控制的機床。即凡是用代碼化和數(shù)字信息將刀具移 動軌跡信息記錄在程序介質(zhì)上，然后送入數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)過譯碼和運算，控制機床 刀具與工件的相對運動，加工出所需工件的一類機床即為數(shù)控機床。數(shù)控加工基 本過程見圖1所示：圖1、計算機數(shù)字控制（CNC系統(tǒng)框圖數(shù)控機床加工零件時，首先編制零件的數(shù)控程序，這是數(shù)控機床的工作指令。 將數(shù)控程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置機床主運動的變速、 啟停，進給運動 的方向、速度和位移大小，以及其他諸如刀具選擇交換，工件夾緊、松開和冷卻、 潤滑的啟、停等動作，使刀具與其他輔助裝置嚴(yán)格地按照

10、數(shù)控程序規(guī)定的順序、路程和參數(shù)進行工作，從而加工出形狀、尺寸與精度等符合要求的零件。1.2.2 數(shù)控機床的組成數(shù)控機床的種類繁多， 但從組成一臺完整的數(shù)控機床來講， 它由信息輸入裝 置、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、機床本體以及復(fù)雜裝置組成。1.3. 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢近十幾年來，數(shù)控機床借助于微電子、計算機技術(shù)的飛速進步著高精度、 多功能、高速化、高效率、 ，正向復(fù)合加工功能、智能化等方向邁進，明顯地反 映出時代的特征，其主要表現(xiàn)為以下幾方面。1.3.1 精度化當(dāng)代工業(yè)產(chǎn)品對精度提出了越來越高的要求， 像儀表、 鐘表、家用電器等都 有相當(dāng)高精度的零件，典型的高精度零件如陀螺框架、伺服閥體、渦輪葉

11、片、非 球面透鏡、光盤、磁頭、反射鼓等，這些零件的尺寸精度要求均在微米、亞微米 級。因此，加工這些零件的機床也必須受到需求的牽引而向高精度發(fā)展。1.3.2 高速度化提高生產(chǎn)率是機床技術(shù)發(fā)展追求的基本目標(biāo)之一， 而實現(xiàn)這個目標(biāo)的最主要、 最直接的方法就是提高切學(xué)速度和減少輔助時間。隨著刀具、電機、軸承、數(shù)控 系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)的突破及機床本身基礎(chǔ)技術(shù)的進步，使各種運動速度大為提高。1.3.3 高柔性化 柔性是指機床適應(yīng)加工對象變化的能力，當(dāng)代產(chǎn)品的多樣化和個性化，對機 床提供了更高的柔性加工要求。數(shù)控機床在提高單機柔性化的同時，朝著單元柔 性化和系統(tǒng)柔性化方向發(fā)展。 不僅中、 小批量的生產(chǎn)方式在努力

12、提高柔性化能力， 就是在大批量生產(chǎn)方式中，也積極向柔性化方向轉(zhuǎn)向。如出現(xiàn)了可編程控制器（PLC控制的可調(diào)組合機床、數(shù)控多軸加工中心、換刀換箱式加工中心、數(shù)控三 坐標(biāo)動力單元等具有柔性的高效率加工設(shè)備，柔性加工單元（FMC，柔性制造系統(tǒng)（FMS以及介于傳統(tǒng)自動線與FMS之間的柔性制造線（FTL）。1.3.4 高自動化 高自動化是指在全部加工過程中盡量減少“人”的介入而自動完成規(guī)定的任 務(wù)，它包括物料流和信息流的自動化。 自 20世紀(jì) 80年代中期以來， 以數(shù)控機床 為主體的加工自動化已從“點”的自動化（單臺數(shù)控機床）發(fā)展到“線”的自動 化（柔性制造車間），結(jié)合信息管理系統(tǒng)的自動化，逐步形成整個工

13、廠“體”的 自動化，并出現(xiàn)了 FA（自動化工廠）和CIM（計算機集成制造）工廠的雛形實體。 盡管由于這種高自動化的技術(shù)還不夠完備。投資過大，回收期較長，而提出“有 人介入”的自動化觀點，但數(shù)控機床的高自動化并向FMC FMS集成方向發(fā)展的總趨勢仍然是機械制造業(yè)發(fā)展的主流。 數(shù)控機床的自動化除進一步提高其自動編 程、上下料、加工等自動化程度外，還在自動檢索、監(jiān)控、診斷、自動對刀、自動傳輸?shù)确较蜻M一步發(fā)展。1.3.5 復(fù)合化 復(fù)合化包含了工序復(fù)合化和功能復(fù)合化。在一臺數(shù)控設(shè)備上能完成多工序切 削加工（如車、銑、鏜、鉆等）的加工中心，打破了傳統(tǒng)的工序界限和分開加工 的規(guī)程。一臺具有自動換刀裝置、自動

14、交換工作臺和自動轉(zhuǎn)換立臥主軸頭的鏜銑 加工中心，不僅一次裝夾便可以完成鏜、銑、鉆、鉸、攻絲和檢驗等工序，而且 還可以完成箱體件五個面粗、精加工的全部工序。此外，還出現(xiàn)了與車削或磨削 復(fù)合的加工中心。1.3.6 智能化 數(shù)控技術(shù)的一個重要發(fā)展趨勢是加工過程的智能化。 帶有自適應(yīng)控制功能的 控制系統(tǒng)， 可以在加工過程中根據(jù)切削力和切削溫度等加工參數(shù)， 自動優(yōu)化加工 過程，從而達到提高生產(chǎn)率， 增加刀具壽命并改善加工表面質(zhì)量等目的。 刀具破 損監(jiān)控和刀具智能管理功能可以智能的管理刀具，使得刀具保持最佳工作狀態(tài)。 以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐的、具有人工智能的專家系統(tǒng)被用于指導(dǎo)加工。1.3.7 網(wǎng)絡(luò)化 為適

15、應(yīng)制造業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化和全球化發(fā)展趨勢， 數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化功能也日趨重 要。在企業(yè)內(nèi)部，具有網(wǎng)絡(luò)功能的數(shù)控系統(tǒng)可以充分實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的資源和信息 共享，適應(yīng)未來車間的面向任務(wù)的定單的生產(chǎn)發(fā)展模式， 使得底蹭生產(chǎn)控制系統(tǒng) 的集成更加簡便有效。 在生產(chǎn)企業(yè)之間， 數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化功能可以更好地適應(yīng) 敏捷制造（AM等先進制造模式。同時，系統(tǒng)制造商也可以通過系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能 進行遠程診斷服務(wù)。1.3.8 高可靠性 數(shù)控機床的可靠性是數(shù)控機床產(chǎn)品質(zhì)量的一項關(guān)鍵性指標(biāo)， 數(shù)控機床能否發(fā) 揮其高性能、高精度、高效率，并獲得良好的效益，關(guān)鍵取決于可靠性。衡量可 靠性的重要的量化指標(biāo)是平均無故障工作時間（MTBF，數(shù)控系

16、統(tǒng)的 MTB F已由20 世紀(jì) 80 年代的 10000h 以上，提高到 90年代的 30000h 以上，而數(shù)控整機的 MTBF也從20世紀(jì)80年代的100200h,提高到現(xiàn)在的500800h。除上述發(fā)展趨勢外， 近年來還出現(xiàn)了全新結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床， 最早在美國 IMTS / 94機床博覽會上，出現(xiàn)了被稱為“六條腿”的機床。這種新型結(jié)構(gòu)機床的六 條腿能自由伸縮，沒有導(dǎo)軌和拖板，也稱為虛軸機床（ Virtual Axis Machine）。 其精度相當(dāng)于測量機，比傳統(tǒng)機械加工中心高 210倍；剛度為傳統(tǒng)機械加工的 5 倍；對零件輪廓的加工效率是傳統(tǒng)加工中心的 510 倍。這種機床結(jié)構(gòu)設(shè)想是 德國

17、STEWART1 96年2提出的， 稱之為數(shù)學(xué)造型機床， 今天借助計算機技術(shù)的進步 得以實現(xiàn)。1.4. 我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展20 世紀(jì) 80年代以來，國家對數(shù)控機床的發(fā)展十分重視， 經(jīng)歷了“六五”、“七 五”期間的消化吸收引進技術(shù)， “八五”期間科技攻關(guān)開發(fā)自主版權(quán)數(shù)控機床的 產(chǎn)業(yè)化奠定了良好基礎(chǔ)，并取得了長足的進步。 “九五”期間數(shù)控機床發(fā)展已進 入實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段， 產(chǎn)業(yè)化規(guī)模有了較大幅度的提高， 形成了十幾個普及型數(shù)控 機床的產(chǎn)業(yè)化基地和開發(fā)中心， 數(shù)控機床的年銷量從 “八五”末期底 000 多臺發(fā) 展到 2000 年的 14 萬多臺，機床的產(chǎn)值數(shù)控化率從“八五”的 12%增長到 200

18、0 年的近 30%，一些重點企業(yè)已達到 70%以上，使高檔數(shù)控機床的進口幅度減少， 突破了西方在關(guān)鍵設(shè)備方面對我國的進口限制， 國產(chǎn)數(shù)控機床 “八五”期間的市 場占有率只有 23%，到 2000 年已達到 50%。數(shù)控機床新開發(fā)品種 300 個，已有一 定的覆蓋面。新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)品大部分達到國際 20 世紀(jì) 80 年代中期水 平，部分達到 90 年代水平，為國家重點建設(shè)提供了一批高水平數(shù)控機床。在技 術(shù)上也取得了突破，如高速主軸制造技術(shù)( 12000r/min1800r/min )、快速進給(60m/min)、快速換刀(1.5s )、柔性制造、快速成形制造技術(shù)等為下一步國產(chǎn) 數(shù)控機床的

19、發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 當(dāng)前，我國數(shù)控系統(tǒng)正處在由研究開發(fā)階段向推廣 應(yīng)用階段過度的關(guān)鍵時期， 也是由封閉型數(shù)控系統(tǒng)向開放型系統(tǒng)過渡的時期。 從 生產(chǎn)規(guī)模上看， 已有像航天數(shù)控集團、 華中數(shù)控系統(tǒng)有限公司、 北京機床研究所 等可實現(xiàn)批量生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化基地。 我國數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于成熟， 在重大關(guān) 鍵技術(shù)上(包括核心技術(shù)) ，已達到國外先進水平，以開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán) 的基于PC機的開放式智能化數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控機床的可靠性指標(biāo)有大幅度提高。我國數(shù)控機床的可靠性指標(biāo)(MTBF)一直是其市場信譽及市場競爭力的主要問題。 “九五”時期，我國加工中心的 MTBF 已達到400h,數(shù)控車床從平均200h提高到

20、平均450h;數(shù)控系統(tǒng)從5000h提高到 10000h 以上，最高達到 20000h。曾長期捆擾我國, 并受到西方國家封鎖的多坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控技術(shù)已 漸成熟,并進入生產(chǎn)應(yīng)用階段。 “九五”期間,我國生產(chǎn)的五軸聯(lián)動及五面加工 機床已有多個品種,并在軍工、航天、船舶等領(lǐng)域里應(yīng)用,有效地打破了國外對 我國進口此類設(shè)備的限制。1.5. 本文所做的工作1.5.1 完成數(shù)控多工位鉆床的資料收集與國、 內(nèi)外現(xiàn)狀的調(diào)查比較, 提出較 為可行的方案 ;1.5.2 完成機床的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計計算與電氣控制系統(tǒng)設(shè)計, 初步完成控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計；提交論文及機械系統(tǒng)的裝配與關(guān)鍵零部件的相應(yīng)圖紙及數(shù)控系 統(tǒng)的硬件圖

21、，同時提交電子文檔 ;1.5.3 編 寫設(shè)計計 算說明書 。第二章 機械結(jié)構(gòu)選擇經(jīng)過畢業(yè)設(shè)計給出的題目要求和數(shù)據(jù)：要設(shè)計加工工件的最大直徑為10mm,且其工作行程為300X 300X 70的數(shù)孔多工位鉆床。根據(jù)這一特點表明要 設(shè)計的機床是一臺中小型的數(shù)控鉆床， 而且是用于一般的機加工中。 所以設(shè)計這 樣的機床考慮其經(jīng)濟性、合理性應(yīng)該是最為重要的和成為設(shè)計的主導(dǎo)思想！查相關(guān)數(shù)控機床資料和數(shù)控機床的市場調(diào)查, 選擇確定合理的機床結(jié)構(gòu)很重 要。傳統(tǒng)的數(shù)控機床結(jié)構(gòu)包括立式、 臥式兩大類。 立式機床的主軸定位多數(shù)是相 同的,它的優(yōu)點在于：機床小巧、占地空間小、經(jīng)濟實惠。適合于工作單一加工 工件較小及加工尺寸小的場合。 而臥式數(shù)控機床的主軸結(jié)構(gòu)及主軸箱布局可為單 面懸掛主軸箱和主軸箱位于立柱對面內(nèi)。 后者的優(yōu)點在于： 主軸箱的