畢業(yè)設計（說明書）題 目 學生姓名 學 院 專 業(yè) 班 級 學 號 指導教師 摘 要臺式鉆床是現(xiàn)在工業(yè)設計必須的一類機床，大到大型加工廠，小到家庭使用，臺式鉆床在生活是有著極其重要的作用，傳統(tǒng)的機床技術經過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已成為一種較為成熟的技術，其由如下構件組成，底盤，工件夾具，支柱，電動機，傳動系統(tǒng)，鉆頭，手柄等。先將工件通過夾具進行固定，然后通過手搖手柄升降鉆頭，抵達工件表面后開啟電動機進行鉆孔、攻絲等工藝加工。其優(yōu)缺點顯而易見，能加工的工件加工位置有限，并且只能進行單一零件的定位、夾緊、加工等。在這篇設計中，我們設計了一種小型臺式鉆機，對傳統(tǒng)的臺式鉆床進行了如下改動，將傳統(tǒng)的圓盤式夾具改為十字滑臺式夾具，在使用時，使用手柄可以控制滑臺的移動，這樣可以最大化的擴大夾具的使用，同時可以對多個零件進行加工，同時擴大了加工零件的水平移動范圍。其次將傳統(tǒng)臺式鉆床的支柱進行了改進，改為一種套筒式立柱，這樣改動可以擴大鉆床的Z 軸升降范圍。第三，將鉆頭的升降改為使用步進電機控制，可以最大效率的利用機械。在設計中，在安全可靠的前提下，優(yōu)先對設計進行優(yōu)化設計，使其性能在現(xiàn)有前提條件下能達到最優(yōu)。關鍵詞：臺式鉆床；步進電機；十字滑臺；優(yōu)化設計 ABSTRACTBench drilling machine is a type of machine tool that is now necessary for industrial design. It can be used in large-scale processing plants and small to home use. Bench drilling machine has an extremely important role in life. After decades of development, the traditional machine tool technology has become a kind of machine tool. The more mature technology consists of the following components: chassis, workpiece fixtures, pillars, motors, transmission systems, drills, handles, etc. The workpiece is fixed by a fixture first, and then the drill bit is lifted and lowered by a hand crank to reach the surface of the workpiece and the motor is started to perform drilling, tapping and other processing. The advantages and disadvantages are obvious. The processing position of the workpiece can be limited, and only the positioning, clamping, and processing of a single part can be performed.In this design, we designed a small bench drilling rig and made the following changes to the traditional bench drilling machine, changing the traditional disc fixture to a cross slide fixture, which can maximize the use of fixtures while Multiple parts can be machined and the horizontal movement range of the machined part can be expanded. Secondly, the pillars of traditional bench drilling machines have been modified to be sleeve-type pillars. Such changes can expand the Z-axis lifting range of drilling machines. Third, changing the lifting of the drill to electric control can make the most efficient use of machinery. In the design, under the premise of safety and reliability, the design of the design is optimized, so that the performance can be optimized under the existing preconditions.Key words: bench drill; stepper motor; cross slide; optimal design目 錄第 1 章 緒論 11.1 鉆床簡介 .11.2 鉆床的發(fā)展及趨勢 .11.2.1 國內研究的現(xiàn)狀 .21.2.2 國外研究現(xiàn)狀 .21.3 研究目的 .31.4 研究意義 .3第二章 課題任務 42.1 主要內容 .42.2 技術要求 .42.3 任務要求 .42.4 成果要求 .52.5 其他要求 .5第三章 自動化技術的應用 63.1 產生 .63.2 發(fā)展趨勢 .6第四章 電動機選擇 94.1 臺式鉆床的動力性能比較 .94.2 臺式鉆床動力的計算與選擇 10第五章 步進電機選擇 .125.1 計算進給牽引力 125.2 系統(tǒng)等效轉動慣量的計算 125.3 切削力計算 135.4 初選步進電機 165.5 步進電機的校驗 18第六章 帶傳動設計 .216.1 確定計算功率 216.2 選擇 V 帶的型號 216.3 確定帶輪直徑 216.4 定中心矩和基準帶長： 216.5 驗算包角： 216.6 確定 V 帶根數(shù)： 22第 7 章 主要零件的加工工藝 237.1 零件圖樣分析 .237.2 零件工序和裝夾方式的確定 .237.3 加工順序的確定 .247.4 進給路線的確定 247.5 夾具的選擇 .247.6 刀具的選擇 .247.7 切削用量的選擇 .257.8 加工所需工、量具 25結束語 .27致 謝 .28參考文獻 .291第 1章 緒論1.1鉆床簡介目前將機床分為 12 大類：車床、鉆床、鏜床、磨床、齒輪加工機床、螺紋加工機床、銑床、刨插床、拉床、特種加工機床、鋸床及其他機床。在每一類機床中，又可以按照工藝范圍、步型型式和結構等等，可以分為若干組，每一組又可以分為若干系列。如鉆床又包括：坐標鏜鉆床、深孔鉆床、搖臂鉆床、臺式鉆床、立式鉆床、臥式鉆床、中心孔鉆床及其他鉆床。在上述的基本分類方法的基礎上，還可以根據(jù)機床的其他特征進一步進行分類。同類型機床按照應用范圍（通用性程度），可以分為通用機床（或者稱萬能機床）、專門化機床和專用機床三大類。其中通用機床是可以加工多種工件，完成多種多樣工序的加工范圍較廣的機床，如臥式車床、搖臂鉆床等等。搖臂鉆床主要由立柱，搖臂，主軸箱，和底座等部分組成。主軸箱裝在搖臂上，可沿立柱上下移動，以適應加工不同高度工件的要求。此外，搖臂還可以隨外立柱在 360°范圍回轉，因此主軸很容易調整到所需要的加工位置。為了使主軸在加工時保持確定的位置，搖臂鉆床還具有內立柱，搖臂及主軸箱的夾緊機構，當主軸的位置調整確定后，可以快速將它們夾緊。 搖臂鉆床的其他變形如萬向搖臂鉆床搖臂和主軸箱可以回轉或傾斜，使主軸可在空間任意方向都可以進行鉆削，適用于重型機器，機車車輛，船舶和鍋爐等制造業(yè)中加工大型工件。車式搖臂鉆床的底座有車輪，可以在軌道上移動，適用于橋梁和機床等行業(yè)窄長形工件的孔加工。1.2鉆床的發(fā)展及趨勢進入市場經濟后，國內機床行業(yè)競爭日趨激烈，與中捷搖臂鉆廠生產相同型號產品的企業(yè)有 40 多家，中捷搖臂鉆廠產品領先優(yōu)勢受到挑戰(zhàn)。為了應對挑戰(zhàn)，中捷搖臂鉆廠在產品賣得正火的時候，提出了進行跨越產品結構調整。第一，用先進技術改造傳統(tǒng)產品。如普通搖臂鉆床實現(xiàn)了五軸聯(lián)動，價格由幾萬元上升到幾十萬元，達到中國搖臂鉆床最高水平。第二，向國際先進水平靠攏，不斷擴大產品領先優(yōu)勢。ZK 系列、橋式和動橋系列產品，十幾項技術居國內領先地位。ZK3050 獲得自主知識產權，并成為國家重點新產品；Z3580A 萬向搖臂鉆，在任何空間、任意方向、任意位置上實現(xiàn)鉆削功能，不僅填補了國內空白，在國外也不多見。在國際著名的芝加哥機床展覽會上，中捷搖臂鉆廠參展產品被一位美籍華商相中并當場拉走。德國、意大利、西臘、瑞典、伊朗等國家和地區(qū)紛紛提出做中捷牌搖臂鉆的代理經銷商。在上海國際機床展覽會上，沈陽2機床股份有限公司參展的數(shù)控鉆銑床，同時被國內三家企業(yè)看好。搖臂鉆床和大多數(shù)機床一樣，將向數(shù)控自動化、機電一體化和智能化方向發(fā)展。搖臂鉆床未來的發(fā)展趨勢是：應用電子計算機技術，簡化機械結構，提高和擴大自動化工作的功能，使機床適應于納入柔性制造系統(tǒng)工作；提高功率主運動和進給運動的速度，相應提高結構的動、靜剛度以適應采用新型刀具的需要，提高切削效率；提高加工精度并發(fā)展超精密加工機床，以適應電子機械、航天等新興工業(yè)的需要。1.2.1國內研究的現(xiàn)狀 鉆床廣泛地在我國紡織機械、石油機械、印刷機械、包裝機械、醫(yī)療器械、航空航天、汽車拖拉機、橡塑模具以及發(fā)電機制造、機床制造等行業(yè)有關零件的鉆孔加工得到應用。目前我國機床工業(yè)自 1949 年建立以來，雖然在短短的時間內取得了很大的成就，但與世界先進水平相比還有很大的差距。就現(xiàn)狀看，主要表現(xiàn)在：我國機床工業(yè)起步晚、技術不成熟；大部分高精度和超精度機床的性能還不能滿足要求，精度保持度也很差，特別是高效自動化和數(shù)控機床的產量、技術水平和質量等方面都明顯落后。據(jù)有關部門統(tǒng)計，我國數(shù)控機床的產量僅是全部機床產量的 1.5% 。我國數(shù)控機床基本上是中等規(guī)格的車床、銑床、鉆床等，而精密、大型、重型或小型數(shù)控機床還遠遠不能滿足要求；另外我國機床在技術水平和性能方面的差距也很明顯，機床理論和應用技術的研究也明顯落后。所以為了滿足市場需求，我們要不斷創(chuàng)新、改進，學習國外的先進技術加強自動化、數(shù)字化的控制，從而實現(xiàn)數(shù)控機床加工的升級換代，為機械加工產品商業(yè)化創(chuàng)造條件，推動機械產品商品化的進程，使我國的機械加工產品以及先進機械設備出現(xiàn)在世界先進的行列。1.2.2國外研究現(xiàn)狀在發(fā)達國家，對于這一塊的發(fā)展遠超過我國目前這樣的現(xiàn)狀。國外的發(fā)達國家已經普遍采用自動化臺鉆來加工產品，如德國 IXION 公司、TBT 公司、英國 MOLLART 公司等，都采用自動化鉆床技術，其獨到之處是對長鉆頭的輔助支撐，在加工過程中能自動就位和撤回，并且使用用戶化編程軟件 GE.FANUC 數(shù)控系統(tǒng)，大大優(yōu)化了加工過程。近年來，隨著家電市場銷售量增大，塑料制品增長速度加快，塑料模具制造業(yè)蓬勃發(fā)展，深孔鉆床為了滿足模具上的水孔、射銷孔等孔系的深孔加工。由過去的單一座標軸的深孔鉆床加工發(fā)展到需要加工3座標孔系的多孔加工而開發(fā)的三座標數(shù)控深孔鉆床近些年來發(fā)展很快。美國TBT 公司生產的特別適用于加工摩托車到輕型卡車的各種中小型曲軸油孔的BW200-KW 深孔鉆床；特別適用于大中型卡車曲軸油孔的 BW250-KW 深孔鉆床，它們均具有 X、Y、Z、W 四軸數(shù)控。該公司為了客戶需要,在一條生產線上可以加工多種不同品種的曲軸油孔，于 2000 年設計制造了第一臺柔性曲軸加工中心，可以加工 2～12 缸不同曲軸上所有的油孔。英國 MOLLART 公司生產制造的專為加工顆粒擠出模具而開發(fā)的具有六等分六根主軸同時加工同一工件上六個孔的專用深孔鉆床。該工件孔數(shù)量多達 36000 個。全都是數(shù)控系統(tǒng)控制的。國外先進鉆床技術效率高、自動化程度高、加工速度快、操作方便，可完成大規(guī)模的機械生產任務，遠超過我國目前的現(xiàn)狀。 1.3研究目的 鉆床是進行鉆孔、擴孔、攻絲等不可缺少的的設備，主要應用于機械制造業(yè)。在當今飛速發(fā)展的時代，通過提高設備的性能與節(jié)約工作時間，從而達到提高工作效率的目的已越來越受歡迎，近年來放眼望去有關的機電設備生產車間都在逐步被自動化管理所取代，在當今的經濟建設中發(fā)揮了重要作用，此次把傳統(tǒng)手工操作的臺式鉆床改裝成自動化工作的鉆床，大大節(jié)約了勞動力，提高了生產效率，同時讓機械制造業(yè)也緊跟時代的發(fā)展腳步。1.4研究意義在拿到設計題目之后，經過查資料，資詢同學，詢問老師，了解臺式鉆床機械加工的發(fā)展，以及鉆床加工設備的類型，得知設備的工作類型可分為以下幾種：臺式鉆床、立式鉆床、搖臂鉆床、銑鉆床、深孔鉆床、平端面中心孔鉆床、臥式鉆床等。每種鉆床都有各自的優(yōu)缺點，也有各自不同的配置。本次我們所要研究的就是如何對臺式鉆床進行改進從而達到我們所要設計的目的，也讓臺鉆的自動化加工生產方式在市場上及其他不可缺少的地方使企業(yè)的生產效率不斷滿足市場的需求，盡快縮短與國際的差距。當然這需要時間也需要我們大家共同的努力，通過我們以后不斷的改進、實驗、加強自身的探索，讓自動化的臺鉆走向各個需要它的領域發(fā)揮其重要的作用，這是一條充滿挑戰(zhàn)的道路，前進的道路困難重重，堅持下去，就是我們設計的意義所在，任重而道遠。4第二章 課題任務2.1主要內容傳統(tǒng)的機床技術經過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已成為一種較為成熟的技術，其由如下構件組成，底盤，工件夾具，支柱，電動機，傳動系統(tǒng)，鉆頭，手柄等。先將工件通過夾具進行固定，然后通過手搖手柄升降鉆頭，抵達工件表面后開啟電動機進行鉆孔、攻絲等工藝加工。其優(yōu)缺點顯而易見，能加工的工件加工位置有限，并且只能進行單一零件的定位、夾緊、加工等?，F(xiàn)如今，我們設計了一種小型臺式鉆機，對傳統(tǒng)的臺式鉆床進行了如下改動，將傳統(tǒng)的圓盤式夾具改為十字滑臺式夾具，這樣可以最大化的擴大夾具的使用，同時可以對多個零件進行加工。將傳統(tǒng)臺式鉆床的支柱進行了改進，改為一種套筒式立柱，可以擴大鉆床的 Z 軸升降范圍。將鉆頭的升降改為電動控制，可以最大效率的利用機械。2.2技術要求（1）在深刻領會任務內吝及要求的基礎上，通過查閱文獻資料、調查研究和方案論證，寫出開題報告。然后開展實驗研究、理論研究、設計、研制、開發(fā)以及數(shù)據(jù)處理、分析總結、資料整理等與任務書要求相應的工作，并撰寫成畢業(yè)論文或設計說明書，獨立地完成畢業(yè)設計的各項任務。完成臺式鉆床的設計，要求在滿足工藝要求的前提下，對所需要加工的零件完成孔以及攻絲的加工，對于定位要求、設計要求、夾緊要求等應滿足設計說明書。（2）設計的臺式鉆床要絕對安全，放心可靠，效率有一定的提高，使用時方便，無特殊操作要求。鉆頭升降高度為 200--800mm。（3）選擇壓緊力產生原理，設計相應的壓緊機構，對臺鉆的工件夾緊機構進行合理的設計，應達到如下要求，夾緊力合適，不會對工件造成表面的損傷，夾緊后工件在加工時應不會發(fā)生移動，轉動等不符合加工要求的移動。（4）整機的設計盡量選取輕型材料，使整機盡量輕便。2.3任務要求已知原始數(shù)據(jù):輸入軸電機:2KW；設計臺式鉆床，變速范圍 50-1600 轉/分;主要任務包括:(1)根據(jù)所設計變速箱轉速級數(shù)要求，確定布局方案和運動形式，計算運動參數(shù);5（2）根據(jù)運動設計及其布局方案，依據(jù)輸入電機功率以及變速特征，計算傳動件參數(shù)《例如齒輪模數(shù)、齒寬等，鈾徑等);（3）根據(jù)運動設計、動力設計得到的主要技術參數(shù)，設計具體零部件結構，完成裝配圖設計;（4）撰寫設計說明書;2.4成果要求（1）完成畢業(yè)設計開題報告和文獻綜述。一份。（2）對所設計的臺式鉆床裝配圖一張（零號）、關鍵零件圖若干，兩項折合零號圖紙 3 張以上。（3）臺式鉆床零件的強度校核，相關設備的參數(shù)選擇。（4）完成編制設計說明書一份。畢業(yè)論文或設計說明書需符合規(guī)范化要求，即:由中外文題名、目錄、中外文摘要、引言(前言)、正文、結論、謝辭、參考文獻和附錄組成，中文摘要在 400 個漢字左右，外文摘要在 250 個實詞左右。中文題名字數(shù)一般不超過 20 個，設計說明書、論文或軟件說明書的總字數(shù)在 1.5萬漢字。2.5其他要求（1）臺式鉆床應該為通用性鉆床，在不同的需要時滿足不同的要求；（2）鉆床上相關標準部件應能調換；（3）臺式鉆床的體積應盡量小，盡量輕。（4）機體裝配時應根據(jù)圖紙要求簡單容易的裝配，維修容易，不需專門工具。（5）盡量使用標準件，對非標準件，應盡可能工藝簡單，加工容易。6第三章 自動化技術的應用3.1產生 社會需求是推動生產力發(fā)展最有力的因素。二十世紀四十年代以來，由于航空航天技術的飛速發(fā)展，對于各種飛行器的加工提出了更高的要求，這些零件大多形狀非常復雜，材料多為難加工的合金。用傳統(tǒng)的機床和工藝方法進行加工，不能保證精度，也很難提高生產效率。為了解決零件復雜形狀表面的加工問題，1952 年，美國帕森斯公司和麻省理工學院研制成功了世界上第一臺數(shù)控機床。半個世紀以來，數(shù)控技術得到了迅猛的發(fā)展，加工精度和生產效率不斷提高。數(shù)控機床的發(fā)展至今已經歷了兩個階段和六個時代：（1）數(shù)控（NC）階段（1952 年～1970 年）早期的計算機運算速度低，不能適應機床實時控制的要求，人們只好用數(shù)字邏輯電路“搭”成一臺機床專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，這就是硬件連接數(shù)控，簡稱數(shù)控（NC）。隨著電子元器件的發(fā)展，這個階段經歷了三代，即 1952 年的第一代——電子管數(shù)控機床，1959 年的第二代——晶體管數(shù)控機床，1965 年的第三代——集成電路數(shù)控機床。（2）計算機數(shù)控（CNC）階段（1970 年～現(xiàn)在）1970 年，通用小型計算機已出現(xiàn)并投入成批生產，人們將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進入計算機數(shù)控階段。這個階段也經歷了三代，即 1970 年的第四代——小型計算機數(shù)控機床，1974 年的第五代——微型計算機數(shù)控系統(tǒng)，1990 年的第六代——基于 PC 的數(shù)控機床。 隨著微電子技術和計算機技術的不斷發(fā)展，數(shù)控技術也隨之不斷更新，發(fā)展非常迅速，幾乎每 5 年更新?lián)Q代一次，其在制造領域的加工優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)出來。3.2發(fā)展趨勢 數(shù)控機床的出現(xiàn)不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術的發(fā)展和應用領域的擴大，它對國計民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。當前世界上數(shù)控機床的發(fā)展呈現(xiàn)如下趨勢：（1）高速度高精度化 速度和精度是數(shù)控機床的兩個重要技術指標，它直接關系到加工效率和產品質量。對于數(shù)控機床，高速度化首先是要求計算機數(shù)控系統(tǒng)在讀入加工指令數(shù)據(jù)后，能高速度處理并計算出伺服電機的位移量，7并要求伺服電機高速度地做出反應。此外，要實現(xiàn)生產系統(tǒng)的高速度化，還必須謀求主軸轉速、進給率、刀具交換、托盤交換等各種關鍵部件也要實現(xiàn)高速度化。 提高數(shù)控機床的加工精度，一般是通過減少數(shù)控系統(tǒng)的誤差和采用補償技術來達到。在減少數(shù)控系統(tǒng)誤差方面，一般采取三種方法：①提高數(shù)控系統(tǒng)的分辨率、以微小程序段實現(xiàn)連續(xù)進給；②提高位置檢測精度；③位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制。在采用補償技術方面，除采用間隙補償、絲杠螺距補償和刀具補償?shù)燃夹g外，還采用了熱變形補償技術。（2）多功能化 一機多能的數(shù)控機床，可以最大限度地提高設備的利用率。如數(shù)控加工中心（Machining Center——MC）配有機械手和刀具庫，工件一經裝夾，數(shù)控系統(tǒng)就能控制機床自動地更換刀具，連續(xù)對工件的各個加工面自動地完成銑削、鏜削、鉸孔、擴孔及攻螺紋等多工序加工，從而避免多次裝夾所造成的定位誤差。這樣減少了設備臺數(shù)、工夾具和操作人員，節(jié)省了占地面積和輔助時間。為了提高效率，新型數(shù)控機床在控制系統(tǒng)和機床結構上也有所改革。例如，采取多系統(tǒng)混合控制方式，用不同的切削方式（車、鉆、銑、攻螺紋等）同時加工零件的不同部位等?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)控制軸數(shù)多達 15 軸，同時聯(lián)動的軸數(shù)已達到 6 軸。（3）智能化 數(shù)控機床應用高技術的重要目標是智能化。智能化技術主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①引進自適應控制技術 自適應控制技術（Adaptive Control——AC）的目的是要求在隨機的加工過程中，通過自動調節(jié)加工過程中所測得的工作狀態(tài)、特性，按照給定的評價指標自動校正自身的工作參數(shù)，以達到或接近最佳工作狀態(tài)。通常數(shù)控機床是按照預先編好的程序進行控制，但隨機因素，如毛坯余量和硬度的不均勻、刀具的磨損等難以預測。為了確保質量，勢必在編程時采用較保守的切削用量，從而降低了加工效率。AC 系統(tǒng)可對機床主軸轉矩、切削力、切削溫度、刀具磨損等參數(shù)值進行自動測量，并由 CPU 進行比較運算后發(fā)出修改主軸轉速和進給量大小的信號，確保 AC 處于最佳的切削用量狀態(tài)，從而在保證質量條件下使加工成本最低或生產率最高。AC 系統(tǒng)主要在宇航等工業(yè)部門用于特種材料的加工。②附加人機會話自動編程功能 建立切削用量專家系統(tǒng)和示教系統(tǒng)，從而達到提高編程效率和降低對編程人員技術水平的要求。③具有設備故障自診斷功能 數(shù)控系統(tǒng)出了故障，控制系統(tǒng)能夠進行自診斷，并自動采取排除故障的措施，以適應長時間無人操作環(huán)境的要求。（4）小型化 蓬勃發(fā)展的機電一體化設備，對數(shù)控系統(tǒng)提出了小型化的要求，體積小型化便于將機、電裝置揉合為一體。日本新開發(fā)的 FS16 和FS18 都采用了三維安裝方法，使電子元器件得以高密度地安裝，大大地縮小了8系統(tǒng)的占有空間。此外，它們還采用了新型 TFT 彩色液晶薄型顯示器，使數(shù)控系統(tǒng)進一步小型化，這樣可更方便地將它們裝到機械設備上。（5）高可靠性 數(shù)控系統(tǒng)比較貴重，用戶期望發(fā)揮投資效益，因此要求設備具有高可靠性。特別是對在長時間無人操作環(huán)境下運行的數(shù)控系統(tǒng)，可靠性成為人們最為關注的問題。提高可靠性，通?？刹扇∪缦乱恍┐胧孩偬岣呔€路集成度 采用大規(guī)模或超大規(guī)模的集成電路、專用芯片及混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，精簡外部連線和減低功耗。②建立由設計、試制到生產的一整套質量保證體系 例如，采取防電源干擾，輸入/輸出光電隔離；使數(shù)控系統(tǒng)模塊化、通用化及標準化，以便于組織批量生產及維修；在安裝制造時注意嚴格篩選元器件；對系統(tǒng)可靠性進行全面的檢查考核等。通過這些手段，保證產品質量。③增強故障自診斷功能和保護功能 由于元器件失效、編程及人為操作錯誤等原因，數(shù)控機床完全可能出現(xiàn)故障。數(shù)控機床一般具有故障自診斷功能，能夠對硬件和軟件進行故障診斷，自動顯示出故障的部位及類型，以便快速排除故障。新型數(shù)控機床還具有故障預報、自恢復功能、監(jiān)控與保護功能。例如，有的系統(tǒng)設有刀具破損檢測、行程范圍保護和斷電保護等功能，以避免損壞機床及報廢工件。由于采取了各種有效的可靠性措施，現(xiàn)代數(shù)控機床的平均無故障時間（MTBF）可達到 10000～36000h。9第四章 電動機選擇原動機又被稱之位動力機，是機械設備中的重要驅動部分。原動機泛指利用能源產生原動力的一切機械，按利用的能源分，有熱力發(fā)動機、水力發(fā)動機、風力發(fā)動機和電動機等；是現(xiàn)代生產、生活領域中所需動力的主要來源。電動機（Motor）是把電能轉換成機械能的一種設備。它是利用通電線圈（也就是定子繞組）產生旋轉磁場并作用于轉子（如鼠籠式閉合鋁框）形成磁電動力旋轉扭矩。電動機按使用電源不同分為直流電動機和交流電動機，電力系統(tǒng)中的電動機大部分是交流電機，可以是同步電機或者是異步電機（電機定子磁場轉速與轉子旋轉轉速不保持同步速）。電動機主要由定子與轉子組成，通電導線在磁場中受力運動的方向跟電流方向和磁感線（磁場方向）方向有關。電動機工作原理是磁場對電流受力的作用，使電動機轉動。考慮到此次設計的合理性，我們選擇使用電動機作為原動機1）必須考慮到工作機對原動機所提出的起動、過載、運轉平穩(wěn)性等方面的要求；2）必須考慮到其經濟效益及其成本，這也是非常重要的一項。3）必須考慮到現(xiàn)場能源的供應情況及工作環(huán)境因素；4）必須考慮原動機的機械特性與工作機的匹配情況；5）必須考慮到維修是否方便，操作是否簡單，工作是否可靠；4.1臺式鉆床的動力性能比較表 2-2 原動機性能比較類別 電動機 氣缸馬達 液壓馬達 柴油機尺寸 較大 較小 較小 較大功率及取范圍功率大；0.3~1000KW，范圍廣功率比電動機大；一般在2.2KW 以下，尤其適用于0.75KW 以下的高速傳動功率最大；受實際油壓和馬達尺寸的限制功率大；5~38000KW重量 大 比電動機大 最大 大輸出剛度 硬 軟 較硬 較硬運行溫度控制 溫度應低于許 應值排氣時空氣膨脹，噪聲較大，排氣處應安裝消聲器對油箱進行風冷或水冷調整方法和性能直流電動機用改變電樞電阻、電壓或改變磁通的方法；交流電動機用變用氣閥控制，簡單，迅速，但不夠精確通過閥或泵控制改變流量，調速范圍大較難10頻、變極或變轉差率的方法噪聲 小 較大 較大 較大維護要求 較少 少 較多 較多初始成本 低 較高 高 高運轉費用 最低 最高 高 高應用 很廣，需要動 力電源 小功率高速場 合 較廣很廣，如各種車輛，船舶、農用機械、工程機械和壓縮機等等4.2臺式鉆床動力的計算與選擇鉆床切削力的計算包括鉆床主軸轉矩計算和主軸軸向切削力的計算。由于加工材料為Q235 鋼，其屬于碳素結構鋼，鉆頭為高速鋼麻花鉆，加工方式為鉆孔，所以查《機床夾具設計手冊》得：鉆床轉矩計算公式如下： pkkfDM08234.?式中， —— 切削力矩（N·M）—— 鉆頭直徑（mm）—— 每轉進給量（mm）f—— 修正系數(shù)pk軸向切削力的計算公式如下： pfKDfF7.06?式中， —— 軸向切削力（N）f—— 鉆頭直徑（mm）—— 每轉進給量(mm)f—— 修正系數(shù)pk已知被加工材料為 Q235 結構鋼，結構鋼和鑄鋼取=736MPa， D=13mm， =0.2mm，所以可分別計算出切削轉矩和軸向切削為：b?f=13.5 N·MkM=2595 NfF由金屬切削原理可知，主軸切削功率的計算公式為：式中： —— 軸向切削力（N）fF75.0)36(bpk??KWnMfFPkm310)6201(??????11—— 每轉進給量(mm)fn——主軸固定轉速（r/min）—— 切削力矩（N·M ）kM將以上數(shù)值代入公式中可計算出功率 =0.25KWmP考慮到軸承傳動效率（查得為 0.99）和鍵傳動效率（查得為 0.98），所以可計算出鉆床主軸要傳遞的功率 P 為：P= /(0.99×0.99×0.98)=0.37KWm考慮到臺式鉆床的現(xiàn)場工作環(huán)境及工作需求，臺式鉆床的起動力矩和調速范圍等要求，我選擇電動機作為其原動機。由于生產機械裝置及工作機所處的工作環(huán)境各不相同，電動機的 工作環(huán)境也自然而然就各不一樣。在絕大多數(shù)情況下，電動機工作的周圍大氣中有不同分量的灰塵和水分，有的處于潮濕之處甚至水下工作，有的周圍含有腐蝕性氣體甚至爆炸物，為了保證電動機能在不同的工作環(huán)境中順利地安全運行，電動機的外殼也就有多種型式，其型式有：開啟式、防護式、封閉式、防爆式。由于臺式鉆床工作常處于灰塵較多的場合，其外殼選用封閉式，電動機型號為 Y 系列，Y801-4，額定功率 2KW，滿載轉速1390r/min，額定轉矩 2.2N·m，質量 17Kg。12第五章 步進電機選擇脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執(zhí)行部件產生的進給量，它是衡量數(shù)控機床加工精度的一個重要參數(shù)，因此。脈沖當量應根據(jù)機床精度的要求來確定。對經濟型數(shù)控機床來說，常采用脈沖當量為 0.01mm/脈沖——0.005mm/脈沖。一般小型臺鉆的主要技術參數(shù)中要求橫向、縱向脈沖當量為 0.01mm。5.1計算進給牽引力可根據(jù)《機床設計手冊》進給牽引力的實驗公式計算縱向導軌： )2(GFfKFyzxm??K：顛覆力矩影響的實驗系數(shù) K=1.15；：滑動導軌摩擦因素 =0.15~0.18，取 =0.16:；fffG：溜板及刀架重力，G=800N。 其中 分別是上面計算的數(shù)據(jù)， xFyz因此上面的公式可以化為： ??(2)1.507.361.8207.3684myzxKfFGN?????5.2系統(tǒng)等效轉動慣量的計算傳動系統(tǒng)的轉動慣量是一種慣性負載，在電機的選用的時候必須加以考慮。由于傳動系統(tǒng)的各傳動不見并不是與點饑軸同軸線，還存在各傳動部件轉動慣量向電機軸折算的問題。最后，要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上面的總傳動慣量，即是傳動系統(tǒng)等效轉動慣量。（1）對于工作臺溜板的轉動慣量折算到電動機主軸上的計算公式： 222180()bGJkgcmi?????：為脈沖當量， 0.01mm;?：步進電動機的步距角， ；b???8.1b：蝸輪蝸桿減速電機的傳動比， =50；i i：重力加速度， =10。gg13工作臺的質量的折算工作臺是移動不見，其移動質量折算到絲杠軸上的轉動慣量 可以按下面的公式進行GJ計算： 2o222 01.8.1058180 cmkgcmkgiGbJ ??????????????????????（2）對于軸，軸承，齒輪，聯(lián)軸器，絲杠等圓柱體的轉動慣量計算公式為對于鋼材，材料密度為 代入就有3108.7??430.78JDL??其中：D 為圓柱體的直徑；L 為圓柱體的長度。絲杠轉動慣量的折算到電機軸上為： 4 217.8012.5Jkgcm????（3）動系統(tǒng)等效轉動慣量計算我們設計的機床，是采用的是減速電機帶動的減速傳動，因此我們可以根據(jù)下面的公式，進行計算： ??2132180()bGJiJig??????其中 : 為傳動系統(tǒng)等效轉動慣量;根據(jù)查資料和計算我們可以得到 ??223215.0180cmkggiGJiJbZ??????????????5.3切削力計算在進行進給系統(tǒng)的傳動計算,選用步進電機時,都要用到切削力(機床的主要負載) ，我所設計的是數(shù)控鉆床，因此我們在設計中要分析和計算銑削和鉆削。（一）鉆削的載荷的計算普通的麻花鉆每一切削刃都會產生切向方向的切削抗力，徑向切削抗力與軸向方向的14軸向抗力，當左右切削刃對稱時，徑向的抗力就會向平衡。切向的抗力形成鉆削力矩，他消耗了切削功率，所用切削刃上軸向抗力之和就形成了鉆頭上的軸向應力。鉆頭切削力的計算包括鉆頭主軸轉矩計算和主軸軸向切削力的計算。由于加工材料為Q235 鋼，其屬于碳素結構鋼，鉆頭為高速鋼麻花鉆，加工方式為鉆孔，所以查《機床夾具設計手冊》得：1.鉆削轉矩計算公式如下： 20.8.34kpTDfk?式中， ：切削力矩（ ）mN?：鉆頭直徑（20mm）：每轉進給量（0.1mm）f：修正系數(shù)： pk2.軸向切削力的計算公式如下： pfKDfF7.06?式中， ：軸向切削力（N ）f已知被加工材料為 Q235 結構鋼，結構鋼和鑄鋼取=736MPa， D=20mm， =0.1mm，所以可分別計算出切削轉矩和軸向切削力為：b?f=21.6 kTmN?=2661.7 NfF（二）銑削抗刀分析銑削運動的特征是主運動為銑刀繞自身軸線高速回轉，進給運動為工作臺帶動工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進給（鍵槽銑刀可沿軸線進給）。銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端面銑刀為基本形線。圓柱銑和端面銑刀的切削部分都可看做車刀刀頭的演變，銑刀的每一個齒相當于一把車刀，它的切削基本規(guī)律與車削相似。1.削抗力的合力為 ：ZF75.0)3(bp?15將 沿銑刀軸線徑向和切向進給分解，則分別為軸向銑削力 和徑向銑削力 。切ZF XFyF向銑削力 是沿銑刀主運動方向的分力，它消耗的銑床主電機功率最多。因此，切向銑削z力可以按切削功率 （KW ）或主電機功率 （ KW）計算，也可以按切削用量進行計mPEP算。331010()EZZmFNVV?????或式中：V：主軸傳遞全部功率時的最低切削速度，100m/s；：機床主傳動系統(tǒng)的效率。m?這里按電機功率進行計算。 ??3 310(.7508.96)/1045.6EZPF NV?????圖 3-7 銑削力及工作臺上的載荷2.進給工作臺工作載荷的計算作用在進給工作臺上的合力 F′與銑刀刀齒的銑削抗力的余力 F大小相同方向相反，如圖 2-6 所示，合力 ′就是設計和校核工作臺進給系統(tǒng)的時要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺運動方向分解為三個力：工作臺的縱向進給方向載荷 Fx 工作臺橫向進給方向載荷 Fy 和工作臺垂直進給方向載荷 Fz 。 工作臺工作載荷 Fx、F y 和 Fz 與銑刀的切向銑削力 Fz 之間有一定的經驗比值（可查《機電綜合指導》表 2-1），因此，求出 Z后，即可計算出工作臺工作載荷 x、 y和 z。即 ：, 6.0?x.Fy 5.0?z16則： = 207.36N,xF= 207.36 N,y= 172.8 N.zF5.4初選步進電機（1）計算步進電機的負載轉矩 mT02miFPT???式中： ：進給牽引力（ N）；m：絲杠的傳動效率，為齒輪、軸承、絲杠效率之積；0?：齒輪副的傳動效率， 是齒輪副的傳動比；i i：十字型導軌副的傳動效率。1因為： ，則fmF? mNPTim ??????7.014.052761310??（2）估算步進電機的起動轉矩 qTmNTmq ???3.073式中：0.3 為安全系數(shù)。（3）計算最大靜轉矩 maxj查表取三相六拍 ，則0.7??NTqf ?32max（4）計算步進電機運行頻率 和最高起動頻率fmaxf17maxax10023.6.1Vf Hz????67.f試中： ：最大快移速度（m/min ），這里為 2m/min；max：最大切削進給速度（m/min）;這里為 0.1 m/min； V：脈沖當量，取 0.01mm/step。?（5）初選步進電機型號選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏低，為了確保電動機在運動過程中不受切削負載和電網的影響而失步，決定采用開環(huán)控制，任務書初選的脈沖當量尚未達到 0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有 1500mm/min,故本設計不必采用高檔次的伺服電機，因此可以選用混合式步進電機，以降低成本，提高性價比。根據(jù)估算出的最大靜轉距 maxjT查得 86HS15060A4 最大靜轉距為 12 maxjT，可N?以滿足要求，考慮到此經濟型數(shù)控銑床有可能使用較大的切削用量，應選稍大轉距的步進電機，以便留有一定的余量，另一方面，與國內同類型機床類比，決定采用86HS15060A4 步進電機，查得 86HS15060A4 步進電機最高空載起動頻率和運行頻率滿足要求。86 步進電機的基本信息，見表 5-1表 5-1 86 步進電機的基本信息18參數(shù)說明，見表 3-9表 3-9 86 步進電機的參數(shù)說明尺寸說明，如圖 3-10圖 3-105.5步進電機的校驗19機床在不同的工作情況下，其所需要的轉矩不同，下面分別按各階段計算。（1）快速空載起動轉距 T在快速空載起動階段，加速轉矩占的比例較大，具體計算公式如下：ofa??mx式中： ：快速空載起動轉矩 ；T??cmN?：空載起動時折算到電機軸上的加速轉矩 ；max ??cmN?：折算到電機軸上的摩擦轉矩 ；f ?：由于絲杠預緊時折算到電機軸上附加摩擦轉矩 。0T ?摩擦轉矩 mNiGfPf??????02.4.054168310??式中： ：運動部件的總重量（N ）；：導軌摩擦系數(shù) ，取 ；f 16.?f：蝸輪蝸桿減速電機的傳動比，i=50。imNPFTi??????14.04.0521387300??6.87.233fFN?空載起動時折算到電機軸上的加速轉矩： mNJtnTZFa??????4.5106.20333maxmx??式中： ：折算到電機軸上的總等效轉動慣量 ；axT??mN?20：電機最大角加速度，（ ）；?2/rads：電機最大轉速，（ ）；maxnmin：運動部件最大快進速度，（ ）；v/i：運動部件從停止起動到加速到最大快進速度所需要的時間，t（0.025s ）。上面三項合計為：mNTTfa????56.0mx（2）快速移動時所需的轉矩：f?10快（3）最大切削負載時所需轉矩：mNifPFTzf?????? ?194.0 4.054.02168132 300切 ??/.138zfF?從上面的計算可以看出， T， 切 和 快 三種工作情況下，以快速空載起動轉矩最大，即以此項作為較核步進電機轉矩的依據(jù)。查表知，當步進電機為三相六拍時， 則最大靜轉矩為：qmax0.7j??NTj ???94.70max而 86HS15060A4 型步進電機最大轉矩為 12 ，大于所需要的最大靜轉矩，可?以滿足此項要求。21第六章 帶傳動設計輸出功率 P=2kw，轉速 190r/min=n21390r/i,=n6.1確定計算功率按最大的數(shù)據(jù)計算 ,K 為工作情況系數(shù)，查 [1]表 3.5. 取0.5kwP6=X1kA=pd1.K，6.2選擇 V帶的型號根據(jù) 查表選擇 A 型 V 帶 1390r/minnpd, 125m=d6.3確定帶輪直徑小帶輪直徑 125=d驗算帶速 6.9/s=10)42/(150=)n/(60v??從動輪直徑取 查[1]表m9Xd23.3計算實際傳動比 2.15/0d2/i6.4定中心矩和基準帶長：（1）初定中心距 a0 30m=ao取2358d2)+)(1.7(d（2）帶的計算基準長度 650m≈9)2/4X0-(+)/(9xaaL 取 Ld0=630mm（3）計算實際中心距290m=65)-(3+=Ld)/2-(+a（3）確定中心距調整范圍 8.0.1X-90.15-a=min 3x226.5驗算包角： 1207=.309)/2X5-(180=/aX57.30取d1-280=16.6確定 V帶根數(shù)：確定額定功率：P 0由查表并用線性插值得 .15kw=P表 37 得功率增量 3表 38 得包角系數(shù) 0.9K查[1]表 3 得長度系數(shù) 81l確定帶根數(shù)： 取 Z=10.87=.91.3)+.6/(5=Z?23第 7 章 主要零件的加工工藝選取皮帶輪作為研究對象7.1 零件圖樣分析皮帶輪如下圖 4-1：圖 7-1 皮帶輪圖紙中所選的材料為 HT200。經分析：該零件圖結構合理；輪廓幾何要素所給定的條件充分；精度及各項技術要求齊全、合理；由圖紙得出，該零件的加工精度要求不是很高，加工方法也就根據(jù)所生產批量的不同而有所不同，當然，要考慮到經濟性時，用普通機床就可以加工出來，要是考慮到時間及中批量方面的話，可以選用車床。在這里我選用加工。其位置精度有三處，基準都是 A 基準，加工時要考慮它們跟孔一起進行加工；中心孔的尺寸公差等級為六級公差帶，在車床上加工難達到此種精度，需要進行精磨，精磨的時候要以右端面為定位基準，這樣才能保證位置度的正確性，關于磨床著方面，就不做介紹了。磨削時要以右端面為定位基準。對于內孔槽的加工是：在本設計中，我選用插床加工的方法來加工內孔槽，方便。7.2 零件工序和裝夾方式的確定24對皮帶輪的加工工序，可以分為五個。裝夾是指將工件在機床上或夾具中定位、夾緊的過程，可采用三角卡盤等方式裝夾。在確定定位基準與夾緊方案時應注意如下 3 點：（1）力求設計、工藝與編程計算的基準統(tǒng)一。（2）盡量減少裝夾次數(shù)，盡可能做到在一次裝夾定位后就能加工出全部待加工的部位。（3）夾具要開暢，其定位、夾緊機構不能影響加工中的走刀，避免刀具與夾緊機構碰撞。遇到此類情況時，可采用用虎鉗或加底板抽螺絲的方式裝夾。7.3 加工順序的確定在分析了零件圖樣和確定了工序、裝夾方式之后，接下來即要確定零件的加工順序。制定零件車削加工順序一般遵循下列原則：（1）先粗后精 按照粗車半精車精車的順序進行，逐步提高加工精度。粗車將在較短的時間內將工件表面上的大部分加工余量切掉，一方面提高金屬切削率，另一方面滿足精車的余量均勻性要求。若粗車后所留余量的均勻性滿足不了精加工的要求時，則要安排半精車，以此為精車做準備。精車要保證加工精度，按圖樣尺寸，一刀切出零件輪廓。（2）先近后遠 這里所說的遠與近，是按加工部位相對于對到的距離大小而言的。在一般情況下，離對刀點遠的部位后加工，以便縮短刀具移動距離，減少空行程時間。對于車削而言，先近后遠還有利于保持坯件或半成品的剛性，改善其切削條件。（3） 內外交叉 對既有內表面，又有外表面需要加工的零件，安排加工順序時，應先進行內外表面粗加工，后進行內外表面精加工。切不可將零件上一部分表面加工完后，再加工其它表面。7.4進給路線的確定在加工中，刀具好刀位點相對于工件運動軌跡稱為加工路線。編程時，加工路線的確定原則主要有以下幾點：（1）加工路線應保證被加工零件的精度和表面粗糙度，且效率高；（2）使數(shù)值計算簡單，以減少編程工作量；（3）應使加工路線最短，這樣既可減少程序段，又可減少空行程時間。（4）確定加路線時，還要考慮工件的加工余量和機床、刀具的剛度等情況，確定一次走刀，還是多次走刀來完成所有加工表面，具體綜合上面進給線的特點再根據(jù)具體零件具體分析確定進給路線的工作重點，主要在于確定粗加工及空行程的進給路線，因精加工切削過程的進給路線基本上都是沿其零件輪廓順序進行的。對于銑削加工時，當工件表面無硬皮，機床進給機構無間隙時，應選用順銑，按照順銑安排進給路線。當工件表面有硬皮，機床的進給機構有間隙時，應選用逆銑，按照逆銑安排進給路線。因為逆銑時，刀齒是從已加工表面切入，不會崩刃。對該方案，粗加工時用逆銑，精加工時用順銑。銑削封閉的內輪廓表面時，刀具不能沿輪廓曲線的法向切入和切出。此時刀具可以沿一過渡圓弧切入和切出工件輪廓。7.5 夾具的選擇由圖紙可得出，該零件的尺寸精度及粗糙度都屬于 IT8∽IT10 公差等級，夾具的選擇都采用機床通用的夾具就可以達到圖紙要求了。7.6 刀具的選擇刀具的選擇是加工工藝設計中的重要內容之一。刀具選擇合理與否不僅影響機床的加25工效率，而且還直接影響加工質量。選擇刀具通常要考慮機床的加工能力、工序內容、工件材料等因素。與傳統(tǒng)的車削方法相比，車削對刀具的要求更高。不僅要求精度高、剛度好耐用度高、而且要求尺寸穩(wěn)定、安裝調整方便。這就要求采用新型優(yōu)質材料制造加工刀具，并優(yōu)選刀具參數(shù)。車刀和刀片的種類有焊接式與機械夾固式兩大類。焊接式車刀 將硬質合金刀片用焊接的方法固定在刀體上稱為焊接式車刀。這種車刀的優(yōu)點是結構簡單，制造方便，剛性較好。缺點是由于存在焊接應力，是刀具材料的使用性能受到影響，甚至出現(xiàn)裂紋。另外，刀桿不能重復使用，硬質合金刀片不能充分回收利用，造成刀具材料的浪費。我們在實習期間就是用的這種刀具，所以對這種刀具還是比較了解的，在本設計中，用到的就是該類刀具。機夾可轉位刀具 機械夾固式可轉為車刀由刀桿、刀片、刀墊以及夾緊元件組成。刀片每邊都有切削刃，當某切削刃磨損鈍化后，只需松開夾緊元件，將刀片轉一個位置便可繼續(xù)使用。經分析圖紙得出加工該零件時要用到外端面 90°車刀內孔刀以及如下圖 4-2 所示的成型刀 1 和如圖 4-3 所示的成型刀 2。銑刀要一把底角半徑為 3mm 長度大于 43mm 直徑為12mm 的銑刀。直徑為 12mm 平底銑刀長度為 30mm 左右。 Φ40mm 的磨刀，精磨內孔。圖 4-2 成刀型 1 圖 4-3 成刀型 27.7 切削用量的選擇車床加工中的切削用量包括：背吃刀量、主軸轉速或切削速度（用于恒線速切削）、進給速度或進給量。上述切削用量應在機床說明書給定的允許范圍內選取。實習中背吃刀量為 1mm 主軸轉速選擇車每分鐘 600 轉，進給速度為 80mm/min。銑床的刀具選用高速鋼鉆頭，其切削用量包括：切削速度、進給速度、背吃刀量和側吃到量，從刀具耐用度出發(fā)，切削用量的選擇方法是：先選取背吃刀量或側吃刀量，其次確定進給速度，最后確定切削速度。由于圖紙上工件表面粗糙度值要求是 6.3，則需分粗銑和半精銑兩步進行。粗銑是背吃刀量或側吃刀量選取同前。粗銑后留 0.6 的余量，在半精銑時切除。進給速度是單位時間內工件與銑刀沿進給方向的相對位移，單位為 mm/min。它與轉速 n、銑刀齒數(shù) Z 及每齒進給量 f（單位為 mm/z）的關系為：V=f·Z·n刀具是硬質合金銑刀，查表得出粗銑時 f 取 0.18，精銑時 f 取 0.13切削速度經查表得取 Vc 為 80m/min。7.8加工所需工、量具種類 序號 名稱 規(guī)格 精度 單位 數(shù)量