机电一体化专业系统设计方案报告.doc

机电一体化系统设计课程设计
(阐明书)

龙门式数控钻床机械构造设计

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《龙门式数控钻床机械构造设计分析与综合》
摘 要
近些年来，国内外机床工业发展十分迅速，以数控为特性当代化机床在生产中广泛应用。在工农业生产中，经常会遇到某些大型回转体类零件，其上需加工诸多孔。用普通机床对其加工往往会漏掉，而小型数控加工中心则难以对其进行加工。本课题就是针对这一问题，设计一台龙门式数控钻床，专门适合对这一类零件进行钻削加工。它不但大大减轻了操作者劳动强度，并且大大提高了劳动生产率。
本次设计涉及了数控钻床重要机械构造，其中涉及：主轴箱中主传动系装配；进给系统中工作台装配和传动系统中丝杠螺母等设计。同步，将各项有关技术合理运用，以达到最优化设计目。
机械制造工业是国民经济基本。机床工业则是机械制造工业基本，它在国民经济中起着至关重要作用，但国内机床工业与发达国家相比尚有较大差距，咱们必要奋发图强，努力工作，以便早日赶上世界先进水平。

核心词
数控钻床 导轨 工作台 滚珠丝杠

目 录
一、绪论 1
1.1国内外发呈现状 1
1.2方案论证 1
1.3数控系统总体方案拟定 2

二、 构造设计 2
2.1主机某些总体方案拟定 2
2.1.1床身 2
2.1.2 工作台 2
2.1.3重要参数 2
三、实体建模 3、4
3.1 Solidworks三维建模 4
四、滚珠丝杠设计计算 4
4.1 动载强度计算 4
4.2滚珠丝杠轴向负荷F计算 5
4.2.1摩擦力计算 5
4.2.2惯性力计算 5
4.2.3丝杠螺母长度估算 5
4.2.4拟定最大动载荷 5
4.3拟定滚珠丝杠型号 6
4.4滚珠丝杠副几何参数 6
4.5传动效率计算 6
五、机械某些设计计算 7
5.1 轴承选取与校核 7
5.2等效力矩计算 8
5.3 电机选取 8
5.3.1步进电机选取 8
5.3.2直线电机选取 8

设计小结 9
致 谢 9
参照文献 10
一、绪论
1.1国内外发展状况
1.1.1 国内数控机床现状

近年来国内公司数控机床占有率逐年上升，在大中公司已有较多使用，在中小公司甚至个体公司中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处在单机运营状态，并且相称某些处在使用效率不高，管理方式落后状态。
1.1.2国外数控机床现状况
（1）、国际机床市场消费主流是数控机床
　1998年世界机床进口额中大某些是数控机床，美国进口机床数控化率达70%，国内为60%。当前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。
（2）、国外数控机床网络化。
　　以西门子为代表数控系统生产厂商已在几年前推出了具备网络功能数控系统。在这些系统中，除了老式RS232接口外，还备有以太网接口，为数控机床联网提供了基本条件。由于国外公司发展水平，数控机床网络接口功能被定义为用于远程监控、远程诊断。
1.2方案论证
数控钻床按其布局形式及功能特点可分为数控立式钻床、钻削中心、印刷线路板数控钻床，数控深孔钻床及其他大型数控钻床等。
数控立式钻床是在普通立式钻床基本上发展起来，可以完毕钻，扩，铰，攻丝等多道工序。合用于孔间距离有一定精度规定零件中小批量生产。它普通带有两坐标数控十字型工作台，被加工零件装夹在工作台上可进行两坐标移动，其控制系统普通是点位控制系统。属于经济型数控，价格便宜。
数控钻床普通涉及如下几种某些：（1）主机 涉及床身，立柱，工作台，和主轴箱等机械部件；（2）数控系统；（3）驱动装置；（4）其他辅助装置，如冷却系统，防护罩，排屑器。

1.3数控系统总体方案拟定
1.3.1系统运动方式拟定
数控系统运动方式可分为点位控制系统，持续控制系统。点位控制系统只可以实现由一种位置到另一种位置精准移动，在移动过程中不进行任何加工。持续控制系统规定工作台或刀具沿各个坐标轴运动有精准运动关系。数控钻床在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工，因而数控装置可采用点位控制方式。点位系统规定是迅速定位，保证定位精度。
1.3.2伺服系统选取
开环控制系统没有检测反馈部件，不能纠正系统传动误差。但其构造简朴，调节维修以便，在速度和精度规定不太高场合广泛应用。
闭环控制系统在机床移动部件上装有检测反馈元件来检测实际位移，能补偿系统传动误差，伺服控制精度高，调试复杂，系统造价高。
由于该机床是加工敢距精度有规定但不太高零件，采用开环控制系统。精度规定满足，构造简朴，调节维修容易，可减少机床造价。并采用步进电机作为伺服电机。
1.3.3执行机构传动方式拟定
为保证数控系统传动精度和工作台平稳性，普通提出低摩擦，低质量，高刚度，无间隙，高谐振，以及由适当阻尼比规定。为满足低摩擦，尽量消除传动间隙规定。本设计竖直方向切削加工传动采用滚珠丝杠螺母传动副。由于本机床设计规定精度不高，因此丝杠支撑为一端轴向固定，一端自由并加预拉伸构造。横梁采用直线电机直接驱动，横梁导轨采用直线导轨。
二、构造设计
2.1主机某些总体方案拟定

2.1.1床身
采用龙门式构造。由两立柱，顶梁，横梁，工作台，主轴箱等构成。其钻孔位置定们分别由主轴箱沿横梁横向移动和工作台转动来实现。横梁可沿两个立柱导轨上下调节位置，以适应不同高度加式需要。这种布局形式由两个立柱，顶梁和床身构成龙门框架式构造，主轴中心线悬身距离也很小，因此刚度较高，可提高加工精度。
2.1.2工作台
工作台是数控机床重要部件，其形式尺寸往往体现机床规格和性能。工作台有矩形，回转形式，以及倾斜成各种角度万能工作台等三种。由于该机床是加工大型盘形零件。故采用回转工作台。并采用开环控制。其定们精度由控制系统决定。
2.1.3重要参数
工件为盘形零件
钻孔大小为
工件高度为
查表：最大钻孔直径拟定主轴圆锥孔莫氏号数为4
主轴端面到工作台最大距离
主轴端面究竟座工作台面最大距离
三、实体建模
3.1 Solidworks三维建模
依照已知数据和求出数据用solidworks建模如图3-1。基于机构图解法和解析法设计思路，设计出了纵横两个方向不同传动方式，此机械运动示意图，反映了机械从原动件到执行机构之间运动转换功能及分功能解定性描述，不能定量地拟定出执行机构运动参数，由于必要对机构进行尺度综合。此图形象直观地展示了龙门式数控钻床各个执行机构以及动力传动机构运动形式，清晰地表达出了机床工作路线和工作原理。

图3-1 solidworks建模
四、滚珠丝杠设计计算
4.1 动载强度计算

额定动负荷是指当一批规格相似滚珠丝杠螺母副，在一负荷力测试运转下，能通过运动，而有不产生疲劳损伤时所能承受最大轴向载荷。
当时，滚珠丝杠螺母重要破坏形式是工作表面疲劳点蚀，因而要进行动载荷强度计算，其计算动载荷应不大于或等于滚珠丝杠螺母副额定动负荷，有公式：
式中，动载荷系数，从《数控机床系统设计》[15]可查得：
硬度影响系数，同上，查表可得：
当量动负荷，单位N
滚珠丝杠螺母副额定动负荷，单位N
寿命，觉得1个单位。

式中，使用寿命，h;
循环次数；
滚珠丝杠当量转速，。

式中，、滚珠丝杠螺母副所承受轴向载荷，N；
、与、相相应转速，；
、相相应工作时间，
4.2滚珠丝杠轴向负荷F计算
4.2.1摩擦力计算

初估算主轴箱重量为1000N， 知；

4.2.2惯性力计算

有公式：

显然惯性力很小，可忽视，因此。轴向负荷

4.2.3丝杠螺母长度估算

由公式：

查表得，使用推荐寿命
，
初选丝杠螺距由此可以算出丝杠转速：

因此：
4.2.4 拟定最大动负荷：

式中，滚珠丝杠轴向负荷；
负荷性质系数；查《数控机床机器人机械系统设计指引》[6]中表42得
=1.2
温度系数；同上书中在表4-3中可得：=1;
硬度系数；同上书中表4-4中得到：=1;
精度系数；同上书中表4-5中得到：=1;
可靠性系数；同上在表4-6中可得：=1；
将查得数值：=1.2； =1； =1； =1； =1;代入公式得：

4.3 拟定滚珠丝杠型号

额定动负荷应满足条件为：
额定动负荷最大动负荷
查书《数控机床设计实践指南》[7]表F-8可得：取公称直径
滚珠丝杠螺母副型号为：FF3204-3；
其基本额定动负荷为96000N，足够用。

4.4 滚珠丝杠副几何参数

公称直径
螺距
螺旋升角
滚珠直径
滚道半径
偏心距
丝杠外径
丝杠内径
螺母配合外径
螺母装配总长度

4.5 传动效率计算

式中，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。
3.6 刚度检查
滚珠丝杠受工作负载引起导程L变化量

P=100N； L=0.45cm;
E= (材料为钢)

因此
丝杠因受扭矩而引起导程变化量很小，可以忽视。因此导程总误差为：

查标志B级精度丝杠容许误差为50
故刚度足够。
五、机械某些设计计算
5.1 轴承选取与校核
由上面滚珠丝杠设计中可知，轴承处轴颈，转速，两支承径向载荷，。轴向外载荷（《切削用量简要手册》[10]表2-19查得）
试选角接触球轴承7211AC，查《机械设计课程设计手册》可知：，。
对于70000AC型轴承，按《机械设计》[12]表9-9，轴承内部轴向力，并由表9-7可知判断系数。

由于
因此，轴承轴向载荷为：

计算轴承当量载荷和，由于在该构造中，用是3个轴承支承则受力按均分计算，各力除以3得：

由表9-7可查得径向动载荷系数和轴向载荷系数
对于轴承1
对于轴承2
由于载荷平稳，查《机械设计》[12]表9-8，，取则

由于按计算轴承应具备额定动载荷
依照公式（9-5）
由于机床在普通工作条件下工作，取，则

它比所选轴承额定动载荷小。
因而所选轴承强度满足。别的也可以按上述办法进行校核。

5.2 等效力矩计算

由公式：
式中：为转动件所受力矩（Nm）
，转动件速度
为移动件所受力（N）
移动件速度
转动件所受力矩为蜗杆磨擦力距，润滑良好可忽视。
移动件所受力，无切削力，可忽视。
故工作台旋转所克服转矩很小，但考虑到工件较大，故取电机转矩。

5.3 电机选取

5.3.1步进电机选取
步进电动机每走一步步距角，按理论设计是圆周等分值。但是实际步距角与理论值有误差。在数控机床中常用反映式步进电动机步距角普通为。步距角越小，数控机床控制精度越高。但是，必要保证步进电动机输出转矩不不大于负载所需要转矩。普通。其中为步进电动机最大静态转矩，为负载转矩。
初取
由《数控机床设计实践指南》[7]表F-9（P154）可以查得：
110BF003型步进电动机。相数为三相，最大静转矩7.84N.m，最大启动频率1500Hz,最大运营频率7000Hz。步距角。外形尺寸：外径，长度
轴径，质量。

5.3.2 直线电机选取
依照最大推力和持续推力选取电机，安全系数为20-30%以便将摩擦力和外界应力消除。选取外部驱动式电机，43000系列，1.8度，固定轴式，每步移动0.00096英寸5VDC 出轴长度290mm（256mm）配丝母。

设计小结
这次设计题目是龙门式数控钻床机械构造设计，设计内容重要涉及工作台设计、机械某些设计、滚珠丝杠设计。
工作台设计涉及工作台电机选取、直线电机选型、工作台滚珠丝杠选取与计算、工作台导轨设计计算。工作台作用是按照控制装置信号或指令作回转分度或持续回转进给运动，以使数控机床能完毕指定加工工序。本次设计采用是数控回转工作台，此工作台采用了液压装置，可以实现自锁等某些功能。
滚珠丝杠设计包括了动载强度计算、如何拟定滚珠丝杠型号和几何参数、传动效率以及刚度校验。本次设计龙门式数控钻床经济型性价比较高，各个部件选取也是原则件，材料选取也是在满足规定后选取低价材料，为机床总体性价提高了较多。
这次设计我本着认真.精确原则，使我增强了自信心，也为我将来工作打下良好基本。本次设计使咱们在实践、理论方面均有了很大提高，也为机械设计课程做了充分准备。本次设计不是很完美，但我坚信后来我将做得更好。在设计我真正懂得搞设计艰难，勉励我后来更加努力学习有关知识。

致 谢
通过本学期课程设计，我学到了诸多，机构选取，电机选型，轴承选型，滚珠丝杠选型与计算校核，三维实体建模等，从这些工作中我学会了机械设计最基本东西。总之这次课程设计让我这学期非常故意义，虽然这期间有过诸多困难，但是通过不懈努力，终于解决了困难，完毕了设计。特别是在学习solidworks和软件中，遇到了诸多困难，但都通过查阅资料和请教同窗得到理解决，是使我纯熟掌握了计算机辅助设计和分析软件，为后来工作打下了良好基本。通过本次课程设计，重新结识了机械设计行业基本知识，也进一步巩固了自己所学知识，为后来毕业设计打好了基本。在这里，不但要感谢同窗协助，更要感谢教师多次认真课堂解说和课后答疑，最后但愿本次课程设计可以获得获得完美必定。

参照文献
1. 王新华主编. 机械设计基本. 北京：化学工业出版社，
2. 王新华主编. 高等机械设计. 北京：化学工业出版社，
3. 俞竹青，金卫东主编. 北京： 电子工业出版社，
4. 龙振宇主编. 机械设计. 北京：械工业出版社，
5. 黄茂林，秦伟主编. 机械原理. 北京：机械工业出版社，
6. 申永胜主编. 机械原理教程. 北京：清华大学出版社，1999
7. 彭文生，李至明，黄华梁主编. 机械设计. 北京：高等教诲出版社，
8. 吴克坚，于晓红，钱瑞明主编. 机械设计. 北京：高等教诲出版社，