数控枪钻机床总体及钻削系统设计毕业设计论文.doc

数控枪钻机床-总体及钻削系统设计摘 要数控枪钻技术广泛应用于国防工业、石油采掘、航空航天、机床、汽车等行业。但钻削加工固有难题是：排屑难，导热性差，刀具振动、易折断等。因此高效、高精度的钻削加工机床是国内外机床厂争相研究的方向之一。如大连机床集团生产的主油道孔、连杆孔、缸体斜油道孔等钻削加工机床，将钻削钴削与数控技术有机的结合起来形成高精度、高效率的钻削加工机床，成为国内钻削加工技术的排头兵。本文主要针对加工，设计一种经济型专用数控枪钻加工机床。将钻削加工技术与经济型数控系统结合，形成结构简单，柔性好，换型方便的实用型专用机床。论文论述了机床机械与电气方案的确定，重点探讨了提高钻削钻削稳定性的方法及刀具的选用。另外针对各种不同形式的数控系统，选择了相对比PLC控制方式效率更髙，比标准数控系统价格更便宜的经济型数控系统一德国的丁公司的IADRAMAT系统。该系统是一种紧凑型、模块化二/四轴交流伺服数控系统，可直接驱动DKC完成伺服电机的精确定位运行。同时本文还介绍了伺服电机的选择，机床电气的硬件电路的设计、电器元件的选择。文中重点介绍了该机床的设计思路，通过对机械系统与电气控制系统的设计与选用，为孔的加工做出了有重要实际意义的探索。关键词：钻削加工；枪钻机床；经济型数控系统CNC gun drill machine - overall and drilling system designABSTRACTCNC gun drill technology is widely applied in national defense industry, oil extraction, aerospace, machine tools, automotive industries. But drilling inherent problem is: scraps discharge difficult, thermal conductivity is poor, tool vibration, easy broken, etc. Therefore efficiency, high precision drilling machine is domestic and international research direction of the machine tool plant scramble. Such as dalian machine group production main oil tao hole, connecting holes, cylinder inclined oil drilling hole and tao drilling machine, cutting and numerical control (nc) technology cobalt organic combine forming high precision, high efficiency of drilling machine, become domestic drilling technology platoon guide.This article mainly aims at processing, design a cost-effective special nc process machine gun drill. Will drilling technology and economical nc system combined to form, simple in structure, convenient HuanXing flexible, practical special machine. This paper discusses the mechanical and electrical machine, the scheme determination of mainly discusses how to improve the stability of drilling drilling methods and tools to choose. In addition to various kinds of different forms of CNC system, chose relatively than the PLC control way more than standard, high efficiency of CNC system cheaper prices of economical nc system - a German butyl company IADRAMAT system. This system is a compac.This paper mainly introduces the machine design, through to the mechanical system and electric control system, the design and selection for hole processing made an important practical significance to exploreKEY WORDS The deep hole processing; Gun drill machine tools; Economical nc system第1章 绪论- 5 -1总体方案的确定- 8 -1.1机械装置主要部件方案的确定：- 9 -1.2电气系统主要部件方案的确定：- 9 -1.21控制装置方案- 9 -1.2.2执行装置方案- 10 -1.3机械系统主要部件的硏究与实现- 11 -1.4机床主轴- 11 -2.1进给滑台- 12 -2.1.1枪钻滑台的特点- 12 -2.1.2伺服电机的选择- 14 -3刀具设计- 16 -3.1深孔钻削稳定性的研究- 16 -3.2钻头与导向套间隙的影响- 17 -3.3钻尖高度对振动的影响- 18 -4硬件电路设计- 19 -4.1主回路的设计- 20 -4.2主轴变速的硬件设计- 21 -4.2.1机床变速方案选择- 21 -4.2.2机床变速硬件线路设计- 22 -4.3数控系统与伺服系统的连接- 23 -5软件设计- 25 -5.1CLM数控系统的简介- 25 -结束语- 27 -第1章 绪论枪钻机床是一种钻削加工机床，最初是应用于兵器制造业，因此得名枪钻。随着科技的不断发展和钻削加工系统制造商的不懈努力，钻削加工已经成为一种方便高效的加工方式，并被广泛应用。如:汽车工业、航天工业、结构建筑工业、医疗器材工业、模具、刀具、治具工业及油压、空压工业等领域。钻削加工的发展经历了从传统的麻花钻到高速钢枪钻到硬质合金枪钻，20世纪90 年代研制的单管内排屑喷吸钻、数控机床用钻头等。钻削麻花钻由于其无需专用设备、成本低、非常适用于非回转体零件的加工，国内外己研究出多种类型的加工20以下孔径麻花钻，如美国的節&公司的抛物线槽型钻头、德国(昭公司的01系列钻头、英国Bendix公司的蜗杆形钻头、德国Guhring公司的GT槽型钻头、国内生产的钻削麻花钻及西安石油大学的四棱带钻削麻花钻等，加工直径最小可以达到6 14mm但是，当深度超过排屑槽长度时麻花钻钻头需要多次从孔中退出进行润滑和排屑，另外， 麻花钻的抗扭矩性能有限，进给速度低，而且加工孔可能出现螺旋形沟槽，使麻花钻的应用范围受到限制。枪钻：因其自身的特点适用于加工小孔径零件，而且一次走刀就可以加工出高精度、低表面粗糙度的钻削，并可取代现行的钻、扩、铰工艺。近几年出现的新型枪钻较多，结构变化也大，其中突出的有双刃枪钻、断屑枪钻、振动枪钻、speedbit枪钻及销式枪钻，钻孔直径1.9mm50mm或更大的孔径，加工深度可达4m左右，孔加工误差一般0.013mm以内，特别是用于加工直径2-40mm，长径比小于125的超深通孔或盲孔，是其他孔加工刀具所不能胜任的。Doublefeeder钻属于内排屑钻削钻，由于双抽吸作用，最小加工直径可达到6mm，在钻孔深度上，采取逐渐加长钻杆和适当加长导向块的办法，可以加工长径比为300以上的钻削，但是当钻头小于8mm时， 制造成本高于枪钻。单管内排屑喷吸钻克服了枪钻结构不合理、力学性能差、制造困难等缺点它的结构工艺性完善，性能优越，易于国产化。广西工学院研制出一种用于数控机床的高效钻削钻，解决了在数控机床上加工小直径钻削的问题，这种钻削钻的前角为020，后角为120，顶角为120，排屑槽呈120冲型。在加工合金结构钢小直径钻削时效果较好。枪钻机床在机床结构上与传统的钻镗类组合机床有很大的不同，具有自己的特图1-1枪钻机床外形？18016 1.2 1116 011(11116 0(110 11120111116点： 例如独特的刀具枪钻）结构及其切削时独特的受力形式、独特的排屑方式、对机床和切削液的特殊要求等。枪钻机床加工钻削的深度一般可以做到枪钻直径的100倍左右， 采取一定的措施后可以达到直径200倍以上。另外枪钻加工可以达到的精度很高，视不同的被加工材料和选用不同的切削用量可以一次加工出精度很高的孔，孔径精度可以达到117以上，粗糙度可以达到Ra6.3Ra0.4，直线度可以达到0.1/1000。由于枪钻的这些特点，经常可以解决常规钻扩铰工艺不能解决的难题。因此对于精度较高的钻削加工要求，往往是首选的加工。80年代后期由于数控技术的出现，枪钻逐渐开始在深孔钻床上得到应用，特别是90年以后这种先进技术得到推广。如70年代一80年代进入我国的美国的ELDORADO公司的MEGA50，德国TBT丁公司的T30-3-250， NAGEL公司的B4-H30-C/L，日本神崎高级精工制作所的DEG型等深孔钻床都是采用继电器控制的。继电器控制的机床通用性较差，硬件电路复杂。且我国的数控枪钻机床研究大多数集中在机械结构及刀具上， 对控制部分鲜有报道。特别是经济型的数控枪钻机床。现在数控枪钻机床基本上可以分三大类：普通型单座标深孔钻床、专用型深孔钻床、多座标数控深孔钻床。1、普通型单座标深孔钻床。它主要是为轴类零件上钻削深孔，其形式有单面单主轴、单面双主轴、单面三主轴、四主轴、六主轴的结构。其中为了加工与工件轴心线同心但不同孔径或不同心但平行的两端深孔加工，又有双面单主轴深孔钻床等。2、专用型深孔钻床。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。3、多座标数控深孔钻床。随着家电市场销售量增大，塑料制品增长速度加快，塑料模具制造业蓬勃发展，深孔钻床为了满足模具上的水孔、射销孔等孔系的深孔加工。由过去的单一座标轴的深孔钻床加工发展到需要加工座标孔系的多孔加工而开发多的座标数控深孔钻床近些年来发展很快。以上的各类枪钻机床，大多数采用典型数控系统控制，特别是多座标机床。对经济型的数控枪钻机床介绍的较少。根据市场的需求，在吸取国外同类产品的基础上，针对于我国的国情，研究一种性价比高的经济型数控枪钻机床是非常有实际的意义。有力地促进了枪钻技术在我国的进一步推广应用。在深入研究国内外数控枪钻机床的基础上，比较各种机床的优点和不足，根据我国现有的状况和特点，提出一种适合我国的经济型数控枪钻机床。本文主要的内容有： 阐明课题的来源及背景，说明研究的目标，意义与价值。针对实际工作，制定电气控制方案。包括数控系统的选择，伺服驱动的选择及应用1总体方案的确定图1.1机床加工头本机床要完成的任务是缸体后端面主油道孔的加工，缸体前端面惰轮轴孔等的加工，内容详见加工示意图。左头加右头加工示意图见图1.1。左头汽缸主油道孔细而长，加工成通孔，表面粗糙度要求较高，位置精度不高，孔的深径比在40以上，在加工过程中，枪钻机床钻头的切削时独特的受力形式，排屑方法，对机床的切削液的特殊要求等具有自己独特的特点，针对于此，要使枪钻这种加工工艺能得以实现，有三个必要条件：第一要有合格的枪钻刀具，第二要有符合枪钻特殊要求的机床， 第三要有符合枪钻加工的特殊要求的切削液。同时根据实际应用需求有所侧重：一、经济效益要求，既把提高研究成果的性价比作为工作的基本出发点：二、加工精度要求， 通过精度分析，使系统既能达到精度指标要求，又符合经济性要求。因此机床的总体设计思想如下：1.1机械装置主要部件方案的确定：1、机床总占地面积约为4000mmX5000mm，为双面卧式枪钻机床。2、主传动系统设计思路：双面双主轴，主轴传动为定比传动，采用普通电机，由主轴电机通过齿形皮带带动主减速装置来驱动主轴，另外主轴电机通过改变输入频率而改变转速。3、刀具的选用思路：因主油道孔的长度超过800mm，选用适合超深孔加工的枪钻，外排屑，高压冷却，由枪钻加工的特点，机床对主轴的振动要求较高。4、滑台的设计要求：要求重复定位精度可达到+0.005，进给直线精度为0.015/10000mm可实现不同深度孔的加工。保证滑台有足够的进给力，根据不同的产品的加工深度及切入点不同，可很方便的修改程序，调整切削参数。要求设有软极限限位，确保在硬极限开关无效时起保护作用。进给过程中，如有异常现象，能够及时停车。1.2电气系统主要部件方案的确定：1.21控制装置方案数控系统一般有下列三种形式：一是经济型数控机床：经济型数控机床是指采用步进电动机驱动的开环控制的数控机床。这种机床一般精度较低、价格便宜、功能简单， 适用于自动化程度不高的场合。二是全功能型数控机床，全功能型数控机床的功能齐全、价格较贵。它适用于加工复杂零件。三是精密型数控机床，精密型数控机床采用闭环控制，它不仅具有全功能型数控机床的全部功能，而且机械系统的动态响应较快。它适用于精密和超精密加工。在方案的选择上主要考虑以下几个方面:(1)由于主油道孔加工精度不高，功能较简单，所以采取精心的简约结构设计的经济型数控机床，一方面能发挥最佳性能，另一方面功能又很简洁，为许多生产厂家所接受， 也是我们设计的主导思想。(2)本机床需要两个动力头，要求系统能较容易的完成 。(3)多轴控制编程语言相对简单，操作容易接受。（4）要求有较高的自动化程度和可靠性。综上所述如果采用单片机的方法，开发工作量较大，生产周期不够，如果采用PLC机，因需控制2个轴，而且需要变速和变行程控制，软件设计较繁琐，性价比不高，如采用典型数控系统，价格较贵，而且功能没有得到充分的发挥。从价格、生产周期、可靠性、售后服务等各个方面考虑采用德国INDRAMAT公司的经济型CLM数控系统。力士乐位置控制器CLM是一种紧凑型、模块化二/四轴数控系统，直接驱动力士乐伺服驱动器完成交流伺服电机的精确定位运行。位控系统又分为半闭环和闭环控制：采用直流或交流伺服电机作为驱动部件，可以采用内装於电机内的脉冲编码器，旋转变压器作为位置力速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，也可以采用直接安装在工作臺的光栅或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度的全闭环位置控制系统。由于螺距误差的存在，使得从半闭环系统位置检测器反馈的丝杠旋转角度变化量， 还不能精确地反映进给轴的直线运动位置。但是，经过数控系统对螺距误差的补偿後， 它们也能达到相当高的位置控制精度。与全闭环系统相比，它们的价格较低，安装在电机内部的位置反馈器件的密封性好，工作更加稳定可靠，几乎无需维修，所以广泛地应用于各种类型的数控机床。1.2.2执行装置方案在电机驱动方面，执行元器件目前主要有交流伺服、直流伺服以及步进电机几种。其中，步进电机是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的执行器。它接受一个脉冲，即转过一个步距角。由于它的调速范围不高，一般用于开环系统中。直流伺服电机调速简单，造价相对较高。随着半导体元件的发展交流伺服电机的调速变得越来越容易，而且造价低。其主要优点有：(1) 无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。(2) 定子绕组散热比较方便。(3) 惯量小，易于提高系统的快速性。(4) 适应于高速大力矩工作状态。(5) 同功率下有较小的体积和重量。基于分析研究，根据机械的要求任意改变行程与进给速度，可适应产品换形的需要, 釆用半闭环交流伺服电机控制方案。检测装置与电机同轴安装。其优点是:（1）交流伺服电机的稳定性较高。（2）半闭环系统可以满足精度要求，而且结构简单，调试方便。（3）成本相对合理。基于数控装置的选择，与之相配套我们选择的交流伺服电机。1.3机械系统主要部件的硏究与实现本机床为双面卧式枪钻机床，因机床采用半闭环结构，所以机械系统是机床基础框架，其性能的优劣对整个系统的品质影响重大，将直接影响到机床的加工精度。本章主要针对机床主轴、进给滑台、刀具等主要部件进行设计。图1-2机床总布局图1.4机床主轴除了一般机床主轴的常规要求外，左头由于枪钻加工时刀具每转进给在5微米以内， 因此枪钻主轴对其轴向窜动要求严格，一般应控制在3微米以内。过大的轴向窜动将使刀具切削量很不均匀而使机床不能正常工作。另外枪钻主轴转速一般都比较高，本台机床的主轴转速为1500r/min左右。主轴系统不应有明显的震动，主传动一般采用齿形皮带，传动应平稳而且噪声小，主轴的振动将影响到刀具的使用寿命，对主轴的径向跳动一般不做特殊要求。由于枪钻切削时切削力比较小因此对主轴的刚性的要求明显低于其他机床，根据这些要求枪钻主轴一般直径较细，主轴轴承一般采用向心推力球轴承。另外，为了不断适应生产的需要，在加工中经常遇到产品换型的问题，主油道孔的尺寸由16到20不等，缸体的材料也由HT250到QT320不同，甚至有时加工铝合金缸体，因此要求刀具的线速度不同，大约在60-100m/min，由下列公式3-1可得主轴转速应为：955-1990r/min，主轴转速的调整比较经济的有两种方法：机械齿轮箱调整，电机加变频器，前者造价低，简单、但速比固定，后者造价高些，但速比的改变可以任意改变，适应产品换型能力强，因此为了枪钻主轴的无极变速功能，采用变频器与交流异步电机的组合进行调速。另外右头只是一般的锪孔与钻孔，但为了适应产品换型的需要， 右头主轴与左头的主轴采用相同的交流电机与变频器组合的方式来进行变速。切削速度n*3.14*D2.1进给滑台2.1.1枪钻滑台的特点1、滑台的分类与选择:一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台(1) 液压滑台，用于切削量大，加工精度要求较低的组加工工序中.(2) 机械滑台，用于切削量中等，具有一定加工精度要求的半精加工工序中.(3) 数控滑台，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中枪钻对进给滑台的要求是运行平稳绝对不允许爬行。这和主轴不允许窜动是同一道理，因此一般不使用液压滑台，考虑到实际应用中滑台的进给量需要调整，因此滑台常带有调速功能， 枪钻滑台一般宽度规格较小但行程较长，这是枪钻滑台的一个特点【10】。综合以上特点， 在这里选用数控滑台。右头进给滑台考虑到适应产品换型的需要，也选用数控滑台。2、数控滑台的位置控制的实现:由于机床为多轴系统，对驱动多轴的位8控制装置来说采用PLC会使结构太过复杂，而典型数控系统又价格昂贵，所以选用善于驱动多轴的CLM位控装置是经济且控制精度较高，大连机床集团成立的发动机加工线的专机上，多采用此种位控系统。该位置控制装置单元(位控模块）是实现数控滑台工作循环的主要环节。(1) 对象马达驱动装置该模块根据CLM程序的控制命令输出相应的脉冲串到步进电机或伺服电机驱动器。(2) 控制轴数和控制内容该模块为单轴控制单元。设置各种数据(参数数据，速度数据，位置数据），可实现对速度和位置的控制。(3) 手动运行由CLM发出命令，可以进行高速JOG，低速JOG，微动3种手动运行方式。 (4) 位控模块的数据传送存储在CLM中DM区域和其它内部继电器区域中的位置动作和速度的数据，能由CLM根据数据传送指令，很快传送到该位控模块。这样PC能够实现超过位控模块本身控制能力(位置控制点20 ，速度控制点15的位置功能。3数控滑台位置控制原理枪钻组合机床的位置控制是由CLM内部程度控制的位控模块输出脉冲信号，脉冲信号通过伺服驱动系统控制数控滑台上的伺服电机，使数控滑台按照数据区给定的位置数据和速度数据进行工作循环。DM数据区的位置数据和速度数据是根据机床机械设计者提供的滑台进给距离、进给速度、丝杠螺距以及减速齿轮比等实际数据计算出来的位置精度=P(mm/r)Xs/360XMmm/脉冲，由于普通组合机床的精度都在1um以下，因此，我们将数控滑台的位置精度设置为1um或更高，便于计算脉冲频率和脉冲数。同时，也提高了整个机床的加工精度。伺服驱动系统采用了半闭环控制方式控制伺服电机，它是把旋转编码器检测出的脉冲数反馈到伺服系统的误差计数器中去与位控模块输出的脉冲数进行比较，产生的偏差由位控模块进行补偿，这种控制方式能够使数控滑台的运行更可靠，位置控制更准确。导轨：由于滑动导轨材料的动静摩擦系数差别较大，启动阻力较大，易产生爬行，且导轨结构复杂，要求加工精度高。-故机床采用外购的直线滚珠导轨副，它克服了滑动导轨的缺点。可以通过预加负载来提高承载能力及传动刚度，同时大大简化了机床导轨部分的设计，制造和装配过程。2.1.2伺服电机的选择该枪钻组合机床采用德国INDRAMAT的CLM半闭环控制系统，系统选用了 CLM可编程控制器，CLM位置控制模块，INDRAMAT了的交流伺服驱动系统以及常规的交流接触器等进行控制。20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展， 永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。力士乐INDRAMAT的交流伺服在世界组合机床行业中以它的高效、可靠、柔性、安装方便、便于工厂自动化而得到广泛应用。在我厂自制的柴油机生产线设备中，其中有九台组合机床选用了这套伺服系统。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有:(1) 无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。(2) . 定子绕组散热比较方便。(3) 惯量小，易于提高系统的快速性。(4) 适应于髙速大力矩工作状态。(5) 同功率下有较小的体积和重量。交流伺服电机的工作原理是伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度线数）。现在常采用功率变化率POWERRATE这一综合指标作为伺服电动机的品质因数，衡量对比各种交直流伺服电动机和步进电动机的动态响应性能。功率变化率表示电动机连续额定）力矩和转子转动惯量之比。一般来说，选用的电机组件应符合以下几个方面的要求：一是电机输出功率应满足进给所需的最大功率；二是电机输出转矩应满足最大负载转矩；三是转速要符合快速进给的速度要求；四是电机转子转动惯量与负载转动惯量相匹配，通常情况下应满足下式关系：MMOTOR（电机额定转矩）MEFF(负载转矩)图2-1 机床参数表3刀具设计深孔加工是指深径比即孔深L与孔径d之比)大于510的孔加工。普通的深孔(L/d20100则必须在专用设备、专用深孔加工机床上用深孔刀具进行加工。在深孔加工时，孔为半封闭，其固有难题是：断屑、排屑难，导热性差，冷却润滑不易，还会出现刀具刚性差、易抖动、震动、变形、折断等情况。深孔钻削稳定性的问题上，由其需要注意。3.1深孔钻削稳定性的研究深孔钻削在机械加工中占有重要的地位，但由于有一些技术问题尚未解决，至今仍是金属切削加工的难题。在深孔加工中，常常发生钻头刀齿突然崩断，即钻头破损，其结果是工件孔表面损伤，钻杆扭弯、断裂，甚至机床被损坏。破损是深孔钻最主要的损坏形式，其破损耐用度主要取决于刀刃受冲击的次数和力度，即深孔钻削稳定性，特别是入钻和出钻的稳定性。据不完全统计80%的钻头早期破损都发生在入钻或出钻时。因此，深孔钻削稳定性将直接影响钻头耐用度和钻孔质量。那么是什么在影响深孔钻的稳定性呢？影响深孔钻削稳定性的因素：影响钻削稳定性的因素很多，总的说是由切削力变化而产生的。因此，这里主要以切削力变化，导向套与钻头间隙、钻尖高度和导向块布置方面加以论证。1、钻削过程中切削力变化的影响切削扭矩变化如图3-1所示，可分为五个阶段。在导向套引导下，各切削刃依次切入工件，切削扭矩迅速增大。这时，切削合力使钻头上导向块紧贴导向套孔壁，起导向作用，见图3-1中的OA八段。钻头所有刀齿切入工件后，切削扭矩达到最大。由于导向块端部与钻头外刃刀尖之间的轴向位置之差，导向块仍然停留在导向套内，这时扭矩不会发生明显变化，见图3-1 中的AB段。导向块进入工件后，与孔壁发生摩擦、挤压。这时扭矩会突然增大，随着导向块全部进入，钻头定心作用加强，钻削趋于平稳，扭矩逐渐地减小，见图3-1中的BC段。钻头在已加工表面上稳定导向，切削扭矩没有明显的波动，进入稳定钻削阶段，见图3-1中的CD段工件快被钻透时，中心处发生塑性变形，钻头中心齿及部分中间齿不起切削作用， 只有外齿和部分中间齿在切除残余部分，此时能量瞬时释放，切削扭矩一下趋于零。见图3-1中的DE段。由此可知，钻头的入钻使切削扭矩骤然产生，钻头的出钻使切削扭矩骤然消失，其变化幅度很大，足以影响工件加工质量和钻头耐用度，是钻削稳定性的主要影响因素。图3-1深孔钻削过程中的扭矩变化3.2钻头与导向套间隙的影响读为了正确引导钻头入钻，通常采用在工件上采用导向套或加工出导孔的方法，前者入钻误差由钻头与导向套之间的间隙造成，并随轴向力的增大而加大。导向套与钻头间隙对入钻误差的影响如图3-2所示。钻削开始，径向力将钻头导向块压向导向套孔壁， 由于有间隙，钻头中心相对工件回转中心发生偏移(见图3-2a)，这时钻出的孔径小于钻头直径。当导向块开始进入己加工孔时，在直径略小的孔壁作用下，将外刃向外挤，使钻头中心相对工件回转中心向相反方向偏移(见图3-21b)，使孔径扩大，这一过程与图3-1中的BC段相对应。此时钻头突然发生抖动，容易发生破损。随着导向块逐渐进入，定心作用加强，加工孔径也趋于稳定(见图3-2c)。这样在工件入口处产生一个喇叭口，大端尺寸约等于导向套的内径，长度约等于导向块长度。由此可见，导向套与钻头的间隙也是钻削稳定性的主要影响因素之一轴向力将会加大入钻时的误差，影响钻削稳定性。在入钻时，轴向力从零增加到最大，放大系数也不断增加，钻杆挠度转角亦不断地被放大，当切削刃全部切入时，转角达到最大。由于钻头与导向块之间有间隙，钻头相对于工件端面发生倾斜，这就相当于在斜面上钻孔(见图3-2d)，入钻发生偏斜，钻头与钻杆绕着工件回转中心转动，产生周期振动，容易使钻头破损，使工件表面产生螺旋沟槽，并随着钻孔深度的增加而加大。图3-2 导向套与钻头间隙的影响3.3钻尖高度对振动的影响钻尖高度是指钻头的钻尖点到导向块前端的轴向距离，见图3-3中的h。钻尖高度越大，入钻和出钻的时间就越长，不稳定钻削时间也越长。由于位于钻尖的中心齿切削速度较低，切削力大，挤压摩擦严重，卷屑、断屑困难，定心、导向较差。入钻时，钻尖单薄，容易断齿或崩刃。出钻吋钻尖首先钻穿工件，失去孔底的反锥尖定心（见图3-4）钻削力突然失去平衡，钻头晃动加剧，非常容易崩刃(特别是外齿因此钻尖的高低直接影响钻削稳定性、钻头耐用度和钻孔精度。图3-3尖齿内折线刃深孔钻图3-4孔底的形状图3-4 计算温度子程序 图3-5 刷新温度子程序4硬件电路设计此机床是加工孔，机械的动作如4-1图所示图4-1机床动作循环图整个机床的对各控制对象进行控制的具体方法是：第一，输送带的动作，通过各电磁阀控制液压缸的动作来实现输送带的送料，慢进，退回，和慢退以及夹具的松开与夹紧的动作；第二，动力头的加工通过数控装置来控制其行程，快进，工进，以及快退的行程；第三，主轴转速由电机与变频器组成完成无极变速及任位停止；第四：通过电磁铁来控制孔检，以及油泵和润滑的启动和停止等。4.1主回路的设计电动机的电源由三相电源引入开关引入。电动机线路中由空气开关完成短路，过载的双重保护。其电气原理图为图4-2、 4-3：图4-2 主回电路原理图4-3 机床电气原理图4.2主轴变速的硬件设计4.2.1机床变速方案选择机床常用的几种变速方法：通过齿轮变速的方法：通过双速电机变速通过电磁离合器变速以上三种无法实现无极变速，下面两种方法可以实现无极变速。伺服电机+驱动器的方法 变频器十交流电机此台机床主轴要求变速，但不需要定位。所以如果采用上述第四种方法价格高，而且功能没有完全使用。所以本台机床采用第五种方法。4.2.2机床变速硬件线路设计变频器是交流电动机的调速控制电源，它与传统的恒速交流驱动系统相比，具有节约电能、自动化及提高生产力、高频度起停及正反转切换、大容量、高转速及高电压运行，结构简单、实现软启动和快速制动、防爆，环境适应广、维修省力、体积小和造价低等特点。机床控制原理如图4-4所示，接线图如图4-5所示。图4-4 机床控制原理图4-5 变频器的接线电路4.3数控系统与伺服系统的连接伺服控制单元是数控系统中与机械直接相关联的部件，它们的性能与机床的切削速度和位置精度关系很大，其价格也占数控系统的很大部分。相对来说，伺服部件的故障率也较高，约占电气故障的70%以上，所以选配伺服控制单元十分重要。伺服故障除了与伺服控制单元的可靠性有关外，还与机床的使用环境、机械状况和切削条件密切相关。例如环境温度过高，易引起器件过热而损坏；防护不严可能引起电机进水，造成短路；导轨和丝杠润滑不好或切削负荷过重会引起电机过流。机械传动机构卡死更会引起功率器件的损坏，虽然伺服控制单元本身有一定的过载保护能力，但是故障情况严重或者多次发生时，仍然会使器件损坏。有些数控系统具有主轴和进给轴的实时负载显示功能，页面上不仅可以显示轴运动的实时位置数据，而且还同时显示各轴的实时负载百分比，用户可以利用这些信息，釆取措施来防止事故的发生。为了系统的稳定性，数控装置和驱动器的连接采用屏蔽电缆。如图4-6所示。图4-6 数控系统与伺服系统连接图较为全面地介绍了经济型数控机床的硬件设计内容、方法与步骤，其中分别介绍了主电路的设计；变频器电路，及驱动器控制线路的设计及各电气元件的选用。5软件设计机床所采用的电控系统主要由控制装置和执行装置所组成控制系统配置。左、右两头分别由一个电源模块，两个伺服模块，加一个CLM位控模块组成。1#、 2#伺服模块控制滑台进给，电源模块由CLM本身自带，一切给定信号统一由CLM发出。5.1CLM数控系统的简介当前机床电控技术发展迅速，日本、德国等各大公司已先后推出了各种位控系统。INDRAMAT公司针对组合机床的控制要求，研制开发出了一系列产品，其中包括：CLM位控模块、TDM伺服驱动模块、TDA、KDA主轴驱动模块及KDV电源模块等。此外还有做单轴位控的、集各种功能为一体的、使用灵活方便的KDS模块。根据需要用这些模块可灵活配置成各种系统。位控系统结构紧凑，最多可同时运疗4个轴，此外还有许多附加功能，可方便匹配一个PLC：增大控制容量。CLM智能CNC：控制器能同INDRAMAT的不维修快速响应交流伺服驱动装置组合，组成一个强有力的高效控制驱动系统。CLM由于提高了工厂的能源利用率和机床进给力，因而生产率也得到很大提高；同时，由于增加了精确的位置、速度和加速度的控制，产品质量也得到了进一步的改善。在系统工作过程中，各种测量传感器连续监控，使工厂的安全生产得到了保证。CLM是模块式的，以微处理器为基础的定位控制。力士乐位置控制器CLM是一种紧凑型、模块化二7四轴数控系统，直接驱动力士乐DKC伺服驱动器完成交流伺服电机的精确定位运行，CLM外形如图5-1所示。力士乐INDRAMAT的交流伺服及主轴驱动系统在世界组合机床行业中以它的髙效、可靠、柔性、安装方便、便于工厂自动化而得到广泛应用。在我厂自制的柴油机生产线设备中，其中有九台组合机床选用了这套系统。CLM具有以下特点：I/O点方面，标准的CLM控制系统有32个输入点和32个输出点。带扩展的I/O的CLM系统增加到72个输入点和64个输出点。最先的16个输入点和16个输出点是已定义好的输入点和输出点，称为系统I/O；其它的56个输入点和48个输出点是辅助输入点和输出点，可以由用户自定义。值得注意的是，己经在系统参数中指定的输入和输出在用户程序中不能再定义，用户只能对在系统参数中巳指定的输入和输出进行监视。在CLM内部程序执行的输入和输出是不能由用户程序改变的，当CLM的电源合上时，它根据内部程序将某些输出设定为默认状态，只有当出现故障时CLM才转换所有的输出为“0”图5-1 CLM位置控制模块以上是对软件系统和对机床软件系统的介绍。由于本专业没过多设计软件系统，所以在此忽略。结束语 (1) 本论文针对大深径比的发动机主油道孔（78x810）的加工问题，提出了一种具有较高精度，较大柔性和较低价格的经济型数控枪钻机床设计方案。按该方案设计出的产品己经投入运行使用，并通过了用户单位的鉴定，得到了认可。(2) 根据枪钻机床的要求，制定了机械总体方案：主轴传动为定比传动，采用普通电机，由主轴电机通过齿形皮带带动主减速装置来驱动主轴，另外主轴电机采用变频调速电机，以适应不同产品的钻孔速度要求。(3) 制定了电气的总体方案：根据主油道孔加工精度要求和机床功能要求，采取简约结构设计的经济型机床CLM数控方案，使系统能够进行速度，位置控制，主轴能够调速。CLM半闭环数控系统编程语言类似于单片机语言，价格是典型机床数控系统的半，自动化程度及可靠性都较高，结构紧凑，最多可同时运行4个轴，能满足上述需求。(4) 对机床机械及电气的主要部件及其结构进行了分析，详细分析了各元器件的功能。机床运动控制选择了交流伺服电机驱动方案。(5) 分析了机床的动作流程，完成了相关的控制软件编程设计。本系统在诸多方面还有待进一步研究和完善，主要体现在以下几方面：(1) 在系统的故障诊断方面还有待研究。(2) 在控制盒上应加一些故障指示灯，以便于操作者使用。