長(zhǎng)春工程學(xué)院龍門(mén)式數(shù)控鉆床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

數(shù)控鉆床 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）龍門(mén)式數(shù)控鉆床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)The Mechanical Structural Design For Gantry CNC Drilling Machine長(zhǎng) 春 工 程 學(xué) 院： 周 海 東 ： 機(jī) 電 學(xué) 院 ： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 ： 機(jī)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(zhuān)業(yè)所在班級(jí)指導(dǎo)教師教師職稱(chēng)完成時(shí)間數(shù)控鉆床 摘 要近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外機(jī)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(jī)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(huì)碰到一些大型回轉(zhuǎn)體類(lèi)零件，其上需加工很多孔。用普通機(jī)床對(duì)其加工往往會(huì)遺漏，而小型數(shù)控加工中心則難以對(duì)其進(jìn)行加工。本課題就是針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)一臺(tái)龍門(mén)式數(shù)控鉆床，專(zhuān)門(mén)適合對(duì)這一類(lèi)零件進(jìn)行鉆削加工。它不僅大大減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。本次設(shè)計(jì)包括了數(shù)控鉆床的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中包括：主軸箱中的主傳動(dòng)系裝配；進(jìn)給系統(tǒng)中的工作臺(tái)裝配和傳動(dòng)系統(tǒng)中的絲杠螺母等設(shè)計(jì)。同時(shí)，將各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)合理運(yùn)用，以達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。機(jī)械制造工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。機(jī)床工業(yè)則是機(jī)械制造工業(yè)的基礎(chǔ)，它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著至關(guān)重要的作用，但我國(guó)機(jī)床工業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大差距，我們必須奮發(fā)圖強(qiáng)，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(tái) 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(jī)床及其重要地位 .11.2 問(wèn)題的提出 .11.3 國(guó)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(jī)部分總體方案確定 .4三 橫梁滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 .53.1 動(dòng)載強(qiáng)度計(jì)算 .53.2 滾珠絲杠軸向負(fù)荷 F 的計(jì)算 .63.3 確定滾珠絲杠型號(hào) .73.4 珠絲杠副的幾何參數(shù) .73.5 傳動(dòng)效率計(jì)算 .73.6 剛度檢驗(yàn) .8四 機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 .84.1 主傳動(dòng)系設(shè)計(jì)計(jì)算 .84.1.1 動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 .84.2 主軸的設(shè)計(jì)與計(jì)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(qiáng)度條件計(jì)算 .154.2.4 按疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)校核計(jì)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(qiáng)度校核 .204.4.2 耐磨條件校核 .20五 工作臺(tái)設(shè)計(jì)與計(jì)算 .205.1 工作臺(tái)電機(jī)的選擇 .215.1.1 確定脈沖當(dāng)量 .215.1.3 等效力矩計(jì)算 .225.1.4 確定蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比 .225.1.5 確定電機(jī)型號(hào) .225.2 工作臺(tái)蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 .235.2.1 確定蝸輪蝸桿模數(shù) .23m5.2.2 蝸桿軸的剛度驗(yàn)算 .24數(shù)控鉆床 5.2.3 蝸桿蝸輪幾何尺寸計(jì)算 .245.2.4 蝸桿傳動(dòng)的效率和散熱計(jì)算 .275.3 工作臺(tái)彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 .285.4 工作臺(tái)滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算 .285.4.1 滾動(dòng)體的尺寸要求及確定 .295.4.2 滾動(dòng)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(jī)床及其重要地位金屬切削機(jī)床（Metal cutting machine tools）是用切削的方法將金屬毛坯加工成機(jī)械零件的機(jī)器。它是制造機(jī)器的機(jī)器，所以稱(chēng)它為“工作母機(jī)” 。習(xí)慣上簡(jiǎn)稱(chēng)為機(jī)床。機(jī)床的母機(jī)屬性決定了它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位。機(jī)械制造業(yè)肩負(fù)著為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部分提供現(xiàn)代化技術(shù)裝備的任務(wù)。機(jī)械制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，而機(jī)床工業(yè)則是機(jī)械制造工業(yè)的基礎(chǔ)，一個(gè)國(guó)家的機(jī)床工業(yè)技術(shù)水平在很大程度標(biāo)志著這個(gè)國(guó)家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學(xué)技術(shù)水平。1.2 問(wèn)題的提出在生產(chǎn)活動(dòng)中，經(jīng)常會(huì)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(jī)床，往往會(huì)遺漏加工，故需設(shè)計(jì)一臺(tái)大型數(shù)控鉆床來(lái)對(duì)其進(jìn)行加工。這不僅減輕了勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r（一）國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀 近年來(lái)我國(guó)企業(yè)的數(shù)控機(jī)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(gè)體企業(yè)中也普遍開(kāi)始使用。在這些數(shù)控機(jī)床中，除少量機(jī)床以 FMS 模式集成使用外，大都處于單機(jī)運(yùn)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(guó)機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值已進(jìn)入世界第 5 名，機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第 3 位，達(dá)47.39 億美元，僅次于美國(guó)的 53.67 億美元，消費(fèi)額比上一年增長(zhǎng) 25%。但由于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場(chǎng)的需求，使我國(guó)機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢(shì)，2001 年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第 2 位，達(dá) 24.06 億美元，比上年增長(zhǎng) 27.3%。 （二）國(guó)外數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀況 1、國(guó)際機(jī)床市場(chǎng)的消費(fèi)主流是數(shù)控機(jī)床。 1998 年世界機(jī)床進(jìn)口額中大部分是數(shù)控機(jī)床，美國(guó)進(jìn)口機(jī)床的數(shù)控化率達(dá) 70%，我國(guó)為 60%。目前世界數(shù)控機(jī)床消費(fèi)趨勢(shì)已從初期以數(shù)控電加工機(jī)床、數(shù)控車(chē)床、數(shù)控銑床為主轉(zhuǎn)向以加工中心、專(zhuān)用數(shù)控機(jī)床、成套設(shè)備為主。 2、國(guó)外數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益普遍運(yùn)用，數(shù)控機(jī)床走向網(wǎng)絡(luò)化、集成化已成為必然的趨2勢(shì)和方向，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入制造工廠的車(chē)間只是時(shí)間的問(wèn)題。從另一角度來(lái)看，目前流行的 ERP 即工廠信息化對(duì)于制造業(yè)來(lái)說(shuō)，僅僅局限于通常的管理部門(mén)（人、財(cái)、物、產(chǎn)、供、銷(xiāo)）或設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)等等上層部分的信息化是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，工廠、車(chē)間的最底層加工設(shè)備數(shù)控機(jī)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(méi)有能夠真正地解決制造工廠的最關(guān)鍵的問(wèn)題。所以，對(duì)于面臨日益全球化競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)代制造工廠來(lái)說(shuō)，第一是要大大提高機(jī)床的數(shù)控化率，即數(shù)控機(jī)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(jī)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(chē)間的底層之間及底層與上層之間通訊的暢通無(wú)阻。 以西門(mén)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(jī)床聯(lián)網(wǎng)提供了基本條件。由于國(guó)外企業(yè)的發(fā)展水平，數(shù)控機(jī)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(jī)床。在數(shù)控機(jī)床的發(fā)展過(guò)程中，數(shù)控鉆床的出現(xiàn)是比較早的。50 年代末，我國(guó)已有幾種數(shù)控鉆床的雛形。美國(guó)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(guó)、日本等國(guó)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(diǎn)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(lái)的，可以完成鉆，擴(kuò)，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(tái)，被加工零件裝夾在工作臺(tái)上可進(jìn)行兩坐標(biāo)移動(dòng)，其控制系統(tǒng)一般是點(diǎn)位控制系統(tǒng)。屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控，價(jià)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(kù)及自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)而成的采用無(wú)級(jí)調(diào)速的主軸電動(dòng)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變換主軸轉(zhuǎn)速，可以進(jìn)行鉆、擴(kuò)、鉸、锪、攻絲等加工工序，而且，可以完成具有直線和圓弧插補(bǔ)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(lái)加工，故增加自動(dòng)換刀裝置并同時(shí)自動(dòng)變換主軸轉(zhuǎn)速?？蓽p輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少換刀時(shí)間，既提高了機(jī)床的自動(dòng)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(diǎn)位控制數(shù)控系統(tǒng)?？蛇M(jìn)行具有直線和圓弧插補(bǔ)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(jī)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(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)換及自動(dòng)換刀。由于轉(zhuǎn)塔中需要布置多根主機(jī)，并由主軸主傳動(dòng)，分度，定位等機(jī)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(wèn)題，很多廠家開(kāi)發(fā)了單軸式鉆削中心，它是在同一根主軸上自動(dòng)換裝有各種刀具的刀柄實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，并采用轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)，克服了多軸式的缺點(diǎn)。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(zhuān)門(mén)用來(lái)加工印刷線路板的專(zhuān)用鉆孔機(jī)床。2.1.4 其它大型數(shù)控鉆床對(duì)于某些大型零件，在一般數(shù)控鉆床，鉆削中心上無(wú)法加工。故使用大型數(shù)控鉆床。由于該設(shè)計(jì)的鉆床是要求鉆妃的最大直徑為 ，且工件為的盤(pán)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(jì)m50成龍門(mén)式數(shù)控 鉆床，其也可完成鉆、擴(kuò)、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(gè)部分：（1） 、主機(jī) 包括床身，立柱，工作臺(tái)，和主軸箱等機(jī)械部件（2） 、數(shù)控系統(tǒng)（3） 、驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)方式的確定數(shù)控統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)，點(diǎn)們直線系統(tǒng)，連續(xù)控制系統(tǒng)。點(diǎn)位控罅系統(tǒng)只能夠?qū)崿F(xiàn)由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行任何加工。連續(xù)控制系統(tǒng)要求工作臺(tái)或刀具沿各個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有精確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。數(shù)控鉆床在工作臺(tái)移動(dòng)過(guò)程中鉆頭并不進(jìn)行鉆孔加工，回此數(shù)控裝置可采用點(diǎn)位控制方式。點(diǎn)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(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)沒(méi)有檢測(cè)反饋部件，不能糾正系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差。但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整維修方便，在速度和精度要求不太高的場(chǎng)合廣泛應(yīng)用。閉環(huán)控制系統(tǒng)在機(jī)床移動(dòng)部件上裝有檢測(cè)反饋元件來(lái)檢測(cè)實(shí)際位移，能補(bǔ)償系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差，伺服控制精度高，調(diào)試復(fù)雜，系統(tǒng)造價(jià)高。由于該機(jī)床是加工敢距精度有要求但不太高的零件，采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。精度要求滿足，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整維修容易，可降低機(jī)床造價(jià)。并采用步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī)。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式確定為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作臺(tái)平穩(wěn)性，通常提出低摩擦，低質(zhì)量，高剛度，無(wú)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(dòng)間隙的要求。本設(shè)計(jì)橫梁采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度，保證加工精度，絲杠支撐設(shè)計(jì)成兩端軸向固定，并加預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)。2.2.2 主機(jī)部分總體方案確定 工作臺(tái)工作臺(tái)是數(shù)控機(jī)床的重要部件，其形式尺寸往往表現(xiàn)機(jī)床的規(guī)格和性能。工作臺(tái)有矩形，回轉(zhuǎn)形式，以及傾斜成各種角度的萬(wàn)能工作臺(tái)等三種。由于該機(jī)床是加工大型盤(pán)形零件。故采用回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。并采用開(kāi)環(huán)控制。其定們精度由控制系統(tǒng)決定。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)由傳動(dòng)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(mén)式結(jié)構(gòu)。由兩立柱，頂梁，橫梁，工作臺(tái)，主軸箱等組成