微型數控鉆銑床設計含8張CAD圖

微型數控鉆銑床設計含8張CAD圖,微型,數控,銑床,設計,cad 任 務 書 一、設計題目 微型數控鉆銑床設計 二、主要任務及要求 1）主要任務： 微型數控鉆銑床設計 2）根據主要任務，通過比較、分析，確定最終方案，針對解決方案進行設計計算，完成機械結構和控制系統(tǒng)的設計過程。 3）說明書中要求進行分析、評價方案對社會、健康、安全、法律和文化的影響，以及這些制約因素對項目實施的影響，并理解應承擔的責任。 4）能夠體現機械、電氣、信息等多學科背景，體現團隊的有效溝通、合作共事及個體的作用。 5）圖紙規(guī)范、準確。 四、上交材料 (1) 系統(tǒng)方案圖及相關圖紙； (2) 課程設計說明書(包含方案設計、主要部件的設計計算、根據任務要求進行的方案相關分析等內容，8000字左右) 五、指導教師評語 優(yōu)秀 良好 中等 及格 不及格 滿分 得分 平時 表現 勤奮好學，善于思考 勤奮積極，態(tài)度認真 比較勤奮 不夠勤奮 不勤奮，態(tài)度不端正 10 圖紙 質量 方案合理新穎，表達規(guī)范 方案合理，圖紙比較規(guī)范 方案一般，圖紙基本規(guī)范 方案基本合理，圖紙欠規(guī)范 方案不合理，圖紙不規(guī)范 20 說明書質量 內容全面，準確 內容全面，基本準確 內容一般，準確性一般 內容基本全面，有小錯誤 內容不全，錯誤較多 40 答辯 回答問題準確流利 回答問題比較準確 回答問題基本準確 回答問題欠準確 回答錯誤 30 總分 100 綜合評定成績： □優(yōu)秀 □良好 □中等 □及格 □不及格 指導教師： 日 期： 摘 要 隨著工業(yè)的發(fā)展，數控機床已經成為現代機械制造業(yè)的最主要的裝備，這是一種趨勢。我國數控機床在經歷了30多年的發(fā)展，各項相關技術都取得了重大突破，機床種類越來越多，目前可提供1500種，覆蓋超重型機床、高精度機床、沿高技術機床等領域，產品種類可與日、德、意、美等國并駕齊驅。但國產機床相對來說與發(fā)達國家之間的差距依然很大，體型大、笨重、精度不高等問題仍然是國產機床克服不了的。因此，微型化、高速化、高精度化、功能復合化等成為數控機床的一種發(fā)展趨勢，本文介紹了一種可用于微型加工的微型數控鉆銑床。 本文通過查閱大量國內外文獻資料，經過比較和分析，設計了一臺用于鉆銑加工的微型數控鉆銑床。本文介紹了機床總體布局、伺服控制系統(tǒng)、主傳動系統(tǒng)、其他組件的選型以及設計計算，并分析了機床的功能及其應用范圍。 本文介紹了一種微型數控鉆銑床的設計方案，可適用于教學模型、培訓上使用，讓學生和初學者對數控鉆銑床有一定的認識。 關鍵詞：高精度；微型化；高速化；微型鉆銑床； Abstract With industrial development, CNC machine tools has become the mainstream of modern machinery and equipment manufacturing. Development of domestic CNC machine tools has experienced 30 years of ups and downs, has matured from growth, to provide 1500 kinds of CNC machine tools, covering the super-heavy machine tools, high-precision machine tools, machine tools and other areas along the high-tech product range with the date, Germany, Italy and the United States to keep pace. But the gap between the domestic machine tool with relatively developed countries is still great, large size, heavy, accuracy is still not high domestic machine tool can not overcome. Therefore, miniaturization, high-speed, high precision, functional complex and so become a development trend of CNC machine tools. By consulting a large number of domestic and foreign literature, through comparison and analysis, the use of SolidWorks software for micro CNC milling machine drilling three-dimensional modeling, designed a dedicated micro-drilling and milling CNC milling machine drilling systems. This article describes the overall layout of the machine, the servo control system, the main transmission system, as well as other components of the selection of the design calculations and analysis of the function and application of the machine. This article describes a CNC milling machine drilling miniature design, suitable for teaching model, the use of training, so that students and beginners to CNC milling machine has a certain understanding. Keywords: High Precision; miniaturization；High speed； micro-drilling and milling machine 目 錄 摘要 II Abstract III 目 錄 IV 1.前言 1 1.1數控鉆銑技術的發(fā)展趨勢 1 1.2國內外鉆銑技術的發(fā)展現狀 3 1.2.1國外鉆銑技術的現狀 3 1.2.2國內鉆銑技術的現狀 4 1.3對我國先進數控技術發(fā)展戰(zhàn)略的幾點思考 4 1.3.1先進的數控鉆銑床技術是振興我國工業(yè)的重要技術支撐 4 1.3.2先進數控技術的發(fā)展和應用突出強調市場需求 5 2.總體設計方案 6 2.1基本參數 6 2.2布局形式 6 2.3整體結構方案 7 3.伺服控制系統(tǒng) 9 3.1伺服電機選型 9 3.2交流伺服電動機伺服系統(tǒng)的組成 10 3.3伺服電動機控制方式 11 4.主傳動系統(tǒng)組件及其它組件的選型 12 4.1電主軸選型與校核 12 4.2滾珠絲杠螺母副的選型 16 4.3滑動導軌的選型 17 4.4聯(lián)軸器的選型 18 5.其它部件的設計與計算 19 5.1電主軸軸座設計 19 5.2滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估計 20 5.3軸承的計算 21 5.4軸承座的設計 22 5.5微型鉆銑床立柱設計 23 5.6微型鉆銑床底座的設計 24 6.整體結構設計 26 7.總結 27 參考文獻 28 1前言 1.1數控鉆銑技術的發(fā)展趨勢 數控鉆銑技術的發(fā)展 ,概括起來有以下發(fā)展趨勢。 （1）總線、開放式、模塊化結構的數控鉆銑床將是今后發(fā)展的主流 近幾十年來，數控鉆銑技術在改革開放大船的帶動下取得了非常大的成就，不論是在結構和功能上還是在操作與控制上。然后將印刷電路板或根據各個功能模塊中的板插座插入其他的模板，并適合于鉆銑技術，使形成有由CPU控制的多個鉆孔和銑削裝置，在該構成今天這個行業(yè)已經十分普遍。在人機對話，顯示器（CRT）能夠直觀地表達各種字符，圖形，同時也顯示了不同的處理程序。如果別的一個問題，CRT及時顯示對話框，并提示下一步該怎么做。連同一些輔助功能，諸如圖形處理，從而使整個鍵盤操作更簡單，方便。舉個例子，像電主軸，采用模塊化設計，整個裝卸過程只需十幾分鐘就能完成，十分便利。數控系統(tǒng)一般都設有一些功能軟件及下拉菜單的驅動方式，使整個人機對話模塊更加簡潔方便。數控鉆銑床的控制機構可以用PLC和PMC，這種邏輯控制使得鉆銑床的精度大大提高?，F代數控系統(tǒng)一般都要求控制系統(tǒng)各個功能模塊之間具有兼容性，各部分結構要求標準化，如模塊結構、接口等，規(guī)范化以后的各結構不僅為生產，也為自身結構的隨時添加、更換大大提供了便利，這一方面方便機床用戶在以后的使用中有自動化的開發(fā)環(huán)境，還為機床二次開發(fā)提供了前提，最大限度提高機床自身價值。 （2）數控鉆銑床的自動化程度會越來越高，將向無人看管的生產機器發(fā)展 數控系統(tǒng)變得越來越先進，越來越多的存儲容量大到足以存放數控系統(tǒng)系統(tǒng)本身程序外，至少可以節(jié)省數萬預留鉆孔程序段。它為向自動化鉆孔和無人看守提供了保證。在實現多機網絡結構，模塊化設計使得多進程，多渠道的控制，具有很大的靈活性，為大規(guī)模自動化生產提供了便利。如意大利Pluritec公司最近上市的數控鉆床---多站多模鉆孔機，現在可以由1至6工作站組成，經過技術設計，最多連接可多達32個。每個工作站配備有主軸頭和一個CNC44.00控制單元，每個工作站再由中央系統(tǒng)CNC56.00整體管理和獨立控制。6個工作站可以執(zhí)行相同的鉆孔和銑削程序，也可以執(zhí)行獨立的彼此不同的鉆孔和銑削加工程序。網絡工作站還可以通過以太網網絡和CAD站和一個主計算機以執(zhí)行數控鉆孔和銑削加工程序的組合物的直接控制，機器配置有聯(lián)合國第九操作系統(tǒng)，它是很容易實現多機網絡。自動上下料裝置的不斷發(fā)展和技術不斷地成熟，為大規(guī)模自動化鉆孔提供了保證。目前已上市的產品有 Pluritec公司的 Mega系列和 Multistion，Schmo ll Maschinen公司的BELA系統(tǒng)，Posalux 公司的 Shottle System (穿梭系統(tǒng) )等。為了自動化生產的便利，大型刀庫順勢而出現，這將在很長一段時間內。未來數控鉆銑床，將配備大型刀具庫，至少可容納一個直徑為0.1?635mm的刀具庫，數量達300至400個，并且刀具直徑是不相同的物種中只有一個，有可能有幾個，甚至有一天三班倒24小時不間斷也足夠了。目前Posaiux公司生產的的雙陣列刀具可以準備216把刀具，Pluritec公司滾筒式回轉刀架可裝載360個刀具。PCB（印刷電路板）夾層無引腳氣動夾緊裝置，改變了傳統(tǒng)的孔 - 槽定位方法，實現大規(guī)模地自動化無人值守鉆是更有利的。 數控鉆銑床內部都裝有自動檢測裝置，一旦出現出現意外情況，如鉆頭斷掉，機床主軸就會自動停止旋轉并移至安全位置更換鉆頭，然后繼續(xù)工作，這也為自動化生產解決了由斷鉆造成的一系列問題。 （3）數控鉆銑床將繼續(xù)向高速、高精度、鉆微細孔和盲孔方向發(fā)展 我們都知道，開發(fā)和生產高速并且高精度的微型數控鉆床主要就是為了解決在鉆微型孔時鉆頭斷裂問題。隨著科技的發(fā)展，電子產品本身也逐漸趨于微型化，比如在質量，體積。因此就要求我們的加工機器（鉆床）在各方面如精度、速度、體積等也有很大改觀。在今后研發(fā)道路上，我們還有很長一段路要走。只僅僅介紹了一方面，在加工其他產品上，或許微型鉆床也是不可或缺的。因此，在未來很長一段時間內它仍是數控機床的發(fā)展目標。 數控鉆銑床將使用在市場上盡可能已被開發(fā)出來并且使用很多的組件為我所用，來有效地縮短開發(fā)時間和生產周期，技術集成的重復，以便減少不必要地努力，加速完成市場成交額。德國西門子公司開發(fā)的數控系統(tǒng)，現在在德國，意大利，英國制造商已經選擇了它。不僅機械行業(yè)如此，別的行業(yè)像電子行業(yè)也如此，三星公司生產的手機屏幕，不僅三星手機用，別的手機生產廠家也有使用。 （4）WOP技術和智能化，將是數控鉆銑床發(fā)展的方向 WOP（面向車間的編程方法）技術和智能化，是一種全新的計算機數控機床編程方法，它可以實現會話編程，藍圖編程和 CAD /CAM 等，并且可以實現二維、三維加工過程的動態(tài)仿真，直觀表達出整個加工過程。 1.2國內外鉆銑技術的現狀 1.2.1國外鉆銑技術的現狀 國外鉆銑技術總結起來有以下幾點： 基座超過200毫米厚，精密研磨過地花崗巖，為導向平面的軸向移動，穩(wěn)定而且不會變形，有效地防止了常規(guī)臺面機械振動。一些還使用原來自流平空氣軸承系統(tǒng)，使機器以高的速度和加速度無沖擊運行。 與機器零件的加工和裝配花崗巖基座都經過激光干涉儀嚴格測試其幾何形狀和位置精度，從而保證了機床系統(tǒng)，這使得鉆機定位精度可以達到為0.002mm的準確性。 五套環(huán)或旋轉式鉆機的管理體系和雙陣列雜志，大部分鉆孔要更換360多鉆頭。新的刀具管理系統(tǒng)由于減少了工具的處理，從而避免了在安裝過程中斷裂鉆機利率很可能造成，極大地提高了鉆孔精度。 有兩個剛性工具架，位于所述主軸之間和刀庫地自動更換鉆頭所使用。存放序列由數控裝置控制。 激光檢測器電主軸鉆頭的長度，直徑和動態(tài)徑向偏移，使得具有高穩(wěn)定性和非常高的精度的鉆孔和銑削主軸，可以經?？刂沏@尖和蓋中，Z的電子裝置的光軸可以間的距離控制鉆更多，特別是對于多層PCB加工的深度。配置斷鉆自動檢測系統(tǒng)，它會自動關閉鉆，位置和檢測合格后，通知更換鉆頭和重新鉆孔。 自動裝卸設備是非常成熟的，在一般情況下，存在由CNC控制升降，裝卸16左右層狀托盤。裝卸時間約19S每批。 1.2.2國內鉆銑技術的現狀 目前中國數控鉆銑床技術的整體技術水平鉆孔精度已經達到0.1mm左右，電主軸最高轉速達到90000r / min，大部分主軸轉速還在60000r / min左右。鉆孔直徑0.3?6.0毫米，約0.001毫米系統(tǒng)分辨率之間，在加工幅面460毫米?610毫米之間，傳輸模式通常用于較先進的滾珠絲桿。從宏觀來講，近幾年我國數控鉆銑床的結果，是在技術功能和可靠性達到或接近國際先進水平，雖然價格比國外同類產品低5-8倍，有的只有國外的三分之一產品之一，甚至更低，使用壽命長，維修和更新，相對于國外產品具有明顯的優(yōu)勢。但相對于一些對整個數控鉆銑床制造商在世界知名的有個人之間的一個偉大的產品的差距，如伺服電路，我國還停留在開放或半封閉狀態(tài)，工業(yè)生產在發(fā)達國家數控鉆銑床20年前采用的是全封閉的環(huán)境控制系統(tǒng)，在110000r /min?120000r / min的大多是發(fā)達的工業(yè)電主軸轉速的產品，雖然是迫在眉睫120000r / min以上的速度電主軸的出現，與我國最高80000r / min時，有光柵，驅動電機等，從技術層面上的狀態(tài)，而不只是比國外的差，一些較大的缺口的一部分。 1.3對我國先進數控技術發(fā)展戰(zhàn)略的幾點思考 1.3.1先進的數控鉆銑技術是振興我國工業(yè)的重要技術支持 衡量一個國家或者地區(qū)的工業(yè)產業(yè)與企業(yè)的產能主要體現在工業(yè)是否發(fā)達，工業(yè)生產設備是否先進。目前中國的不同地區(qū)的數控鉆銑床的開發(fā)程度與運用程度跟那些發(fā)達的國家相比較依舊存在著相當大的差距，工業(yè)在所有國家中都占據著相當重要的地位，所以對于這一產業(yè)需要國家和社會的扶持與幫助。關于國家的幫助應該像我國以前那樣提出的各種方針與計劃，女里科研，專心公關，為我國的數控技術以及工業(yè)生產不斷的努力，縮小與國外工業(yè)水平之間的差距，甚至在某些方面領先他們。 1.3.2先進制造技術的發(fā)展和應用突出強調市場需求 先進的數控鉆銑床技術的發(fā)展與進步需要從中國的實際情況出發(fā)，根據市場需求，而且在規(guī)律和技術發(fā)展的趨勢都一致。縱觀幾十年的技術發(fā)展，它通常被認為是更多的技術趨勢和市場需求被認為略顯不足。當然，無論是在長期和根本上是不矛盾的，但在短期內，仍然有安排的優(yōu)先問題，突出了市場需求，可以讓技術先進的數控鉆銑床的開發(fā)和應用在工業(yè)振興和盡快發(fā)展有效的國家經濟，我們可以使數控鉆銑床制造商的市場競爭力顯著的改善，從而使先進的數控銑削和鉆孔技術應用到從科學的殿堂經濟建設的主戰(zhàn)場。從目前情況看，最好是經國家主管部門，若干優(yōu)先產品和重點培育的研究和開發(fā)領導，有中國特色的經濟型數控銑床系列產品，逐步形成以滿足我們行業(yè)的迫切需要。 2總體方案設計 2.1基本參數 機床的設計，一定要有確定的參數，用作設計的出發(fā)點，決定其他參數的大??；它作為選用機床的主要依據，能直接反映出機床的加工能力和特性，影響產品能否滿足所需功能的要求。 微型數控鉆銑床的基本參數如下表2.1所示： 項目 技術參數 技術指標 床身本體 結構 立式 加工能力 三軸聯(lián)動 微型銑床整體尺寸 1610mm×1020mm×1130mm 工作臺 行程 400mm×300mm×390mm 工作臺尺寸 400mm×320mm 電主軸 最高轉速 24000r/min 額定扭矩 6Nm 軸承潤滑形式 油脂潤滑 表2.1微型數控鉆銑床參數表 surface2.1Parameter?table?of?Micro?NC?drilling?and?milling?machine 2.2布局形式 本次設計的微型數控鉆銑床用于加工軟質合金、銅合金與石英等金屬，主要用于復雜的曲面、薄壁類等復雜的零部件。采用立式銑床的布局，在此基礎上又根據加工的零件結構特征，零件的工藝要求，工件的材料硬度和加工難度等因素。本次設計的微型數控鉆銑床以占用空間小，加工時間短為設計標準，對數控鉆銑床進行總體設計，本數控鉆銑床具有體積小、結構簡單、成本低的優(yōu)點。 本設計采用的是工作臺X，Y軸相互疊加移動，電主軸在Z軸方向上下移動的布局形式。 2.3整體結構方案 數控鉆銑床應該滿足的要求有：良好地靜動剛度；機床的總體結構布局要有好的人際關系；較小的熱變形；機床進給具有好的低速性能；還有較高的的綠色環(huán)保標準。這些也是本設計微型鉆銑床總體布局結構應滿足的要求。 在鉆銑的過程中，鉆銑要做兩個運動：1主要的運動是刀具地旋轉運動；2還有一個是上下的進給運動。 微型鉆銑床一定要能夠加工微小零件，它們具有不同形狀、厚度。因此，就需要微型鉆銑床的主軸要在垂直方向上可以適當調整，另外，水平方向要具有相對地運動。一面垂直方向上需要采用地是主軸升降來進行實現；另一面，對于水平方向相主軸的運動是為了具有一定的加工長度，這部分使用工作臺的運動進行實現，另外加上主軸地自身旋轉，因此整個微型鉆銑床都具有四個自由度，它們?yōu)閄方向、Y方向、Z方向和主軸的旋轉運動n。下圖2.1為微型鉆銑床運動模型圖 圖2.1微型立式銑床運動模型圖 Chart2.1 Motion?model?diagram?of?micro?vertical?milling?machine 本設計主要的目的是構建一臺適用于小零件地微細鉆銑的微型數控鉆銑床，本機床采用地是立式三坐標設置，X，Y方向工作臺帶動工件用于X，Y兩個方向地直線運動；豎直方向上的Z向軸座帶動安裝于上面的電主軸實現上下的直線運動，它們不干擾。 為了提高構件的動剛度，在確保靜剛度的要求下，選擇阻尼系數較大材料——HT250/HT300作為微型銑床的底座材料。為了減少運動部件的重量與傳動系統(tǒng)的慣量，工作臺三軸的支撐部分均可選用比較小的鋁合金材料來作為運動部件的材料。三軸伺服電機與電主軸的使用簡化了傳動系統(tǒng)，減少了傳動鏈。 電主軸 本設計所采用的電主軸尺寸與重量較小，所加工零件，它們的尺寸，重量和加工時的切削力也很小，因此微型鉆銑床設計成水平X,Y工作臺疊加的進給平臺結構，刀具安裝在電主軸上，隨Z軸一起豎直移動。按照下面結構示意圖所示的結構，保證X,Y,Z三個運動軸相互正交，主軸的回轉精度平行于Z軸如下圖2.2 圖2.2微型數控鉆銑床結構示意圖 Chart2.2Structure?diagram?of?micro? vertical?drilling?and?milling?machine 本機床各活動部件之間均用導軌實現連接，各部件的運動均采用滾珠絲杠螺母副實現傳動，滾珠絲杠螺母副直接與伺服電機連接實現傳動 3伺服控制系統(tǒng) 3.1伺服電機選型 1伺服電機的類型及特點 伺服電機大部分可分為直流伺服電機與交流伺服電機。 直流伺服電機使用較早，具有廣泛的應用，有優(yōu)良的調速性能。然而，直流伺服電機它們卻有一些本身的缺點：它們的電刷與換向器容易壞掉，需常常維護；有時換向器換向時會產生電火花，這樣電機的最高轉速就會被限制，因此應用環(huán)境也受到限制。直流伺服電機的缺點：結構復雜、制造困難、所有銅鐵材料消耗大、制造成本高。 交流伺服電機轉動慣量小，使得動態(tài)響應更好。在相等的體積下，交流電機的輸出功率高比直流電機提高10%—30%；交流電機的優(yōu)點就是：容量更大、轉速和承受電壓更高、壽命更長、故障也更少。 2伺服電機的選型 伺服電機具有的優(yōu)點：響應迅速，精度和效率，負載能力大，控制性能優(yōu)越，因此廣泛使用在閉環(huán)或半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。 （1）伺服電動機的主要技術參數 伺服電動機的主要技術參數是設計時選用電動機的依據。具體如下： a.額定功率 b.額定電壓 c.額定電流 d.額定轉速 e.額定轉矩 f.最大扭矩 （2）伺服電動機的選型 1)轉動慣量匹配驗算 在數控機床伺服系統(tǒng)中，最終經計算到電動機軸上的轉動慣量與電動機自身的轉動慣量的比值，應在一定的范圍內，這個值不能太大，亦不能太小。如果這個比值過大，這個進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性取決于負載特性。這個時候，工作臺位置、切削參數的變化將引起負載質量，剛度，阻尼等的變化，而這整個伺服系統(tǒng)的綜合性能就會變差。如果這個比值過小，這表明電動機的選擇或者進給傳動系統(tǒng)的設計出現了問題，經濟性也比較差。因此，要讓系統(tǒng)的負載慣量達到一定合理的匹配，我們將該比值控制在規(guī)定范圍內，即： 2)力矩匹配驗算 為了保證進給伺服系統(tǒng)的正常工作，伺服電動機的最大力矩和額定力矩Tm應滿足下列關系： 式中：-空載啟動力矩 - 切削力矩 經過以上分析及查詢相關資料，本數控機床采用交流伺服電動機。 3.2交流伺服電動機伺服系統(tǒng)的組成 交流伺服電動機由以下幾部分組成： 1交流伺服電動機 2 PWM功率逆變器 3電動機專用集成電路和異位處理技術為核心的數字控制器，可分為單片機、數字信號處理器(DSP)、DSP+CPU、多功能DSP。 4位置傳感器（含速度傳感器） 5電源及能耗制動電路 6鍵盤及顯示電路 7接口電路，包括模擬電壓、數字I/O及RS232串口通信電路。 8故障檢測、保護電路。 各部分之間的關系如下圖3.1所示： 圖3.1控制系統(tǒng)各部分關系圖 Chart3.1 Relationship?diagram?of?each?part?of?control?system 3.3伺服電動機控制方式 伺服電機由伺服電動機驅動器控制,本次選用安川伺服電機及相應的伺服驅動器。如下圖3.2所示： 圖3.2驅動器 Chart3.2 Driver 4主傳動系統(tǒng)組件及其它組件的選型 4.1電主軸選型與校核 1.電主軸的選型 鉆銑加工過程中的所用的鉆頭、銑刀，零件的尺寸和切削力都很小，同時為了實現高精度運動控制和高效率的加工，選擇何種主軸技術以達到超高轉速的同時保證較小的主軸跳動量，是實現微細銑削的關鍵因素之一。 鉆加工的特點要求選用的主軸需要較高的轉速要求、很高的剛度與回轉地精度。因此采用高速電主軸作為該鉆銑床的主軸。 電主軸技術就是把機床的主軸和電機合為一個軸。電主軸技術的關鍵就是將主軸電機的定子，轉子通通裝入主軸組件的內部，傳遞方式是齒輪傳動副與皮帶。電主軸的優(yōu)點有：結構緊湊，慣性小，重量輕，動態(tài)特性，調速范圍廣等。 此次設計以高回轉精度，高剛度，高轉速，小尺寸與低成本為選型原則，故選用DGZX-09524型小型電主軸，如下圖4.1所示 圖4.1 DGZX-09524電主軸 Chart4.1 DGZX-09524 Motorized?spindle? 其主要性能參數見下表4.1所示 技術參數表1： 主軸型號 DGZX-09524/3.7-BFPWV 最高轉速(rpm) 24000 最高頻率（Hz) 800 S1(額定)功率（kW） 3.7 S6功率（kW） 4.5 最高電壓（V） 380 額定電流（A） 16 最大電流（A） 30 額定扭矩（Nm） 6 技術參數表2： 序號 項?目 標?準?值 1 軸承潤滑形式 油脂潤滑 2 刀具接口形式 自動BT30-45° 3 主軸卸刀氣壓（MPa） 0.5-0.6 4 主軸夾刀氣壓（MPa） 0.5-0.6 5 主軸吹塵氣流量（L/min） 60±2（氣壓0.15-0.25MPa）（換刀時） 6 主軸氣封氣流量（L/min） 40±1（氣壓0.15-0.25MPa）（工作時） 7 冷卻水流量（L/min） 3-4（水壓0.25MPa時） 8 冷卻油流量（L/min） 5-6（油壓0.3MPa時） 9 冷卻水壓力（MPa） 0.25-0.4 10 冷卻水溫度(℃) 24-28 11 主軸徑向剛度（N/μm） ≥150 12 主軸軸向剛度（N/μm） ≥120 13 主軸軸端錐孔跳動（μm） ≤1.0 14 主軸軸端靜態(tài)回轉精度（μm） ≤3.0(標準棒10mm)；≤8.0(標準棒200mm) 15 主軸振動（mm/s） ≤0.5（18000rpm時）；≤0.8（24000rpm時） 16 主軸裝配直徑（mm） φ95h6（帶法蘭） 17 主軸噪聲（dBA） ≤70 18 刀柄拉緊力（N） 2900×(1±10％） 19 卸刀方式 氣缸+浮動打刀 20 電機繞組絕緣電阻（MΩ） ≥500（H級） 21 電機繞組耐壓試驗（V/M） 1500V/1分鐘耐電壓試驗 表4.1DGZX-09524電主軸技術參數表 Surface4.1DGZX-09524Electric?spindle?technical?parameter?table DGZX-09524電主軸尺寸圖見下圖4.2 圖4.2電主軸尺寸圖 Chart4.2 Dimension?drawing?of?electric?spindle? 該主軸最大的特點是將以往的直聯(lián)主軸與伺服電機有效的結合在一起，避免了高速鉆攻主軸（直聯(lián)主軸）安裝的瓶頸。該主軸內置三相變頻異步高效電機，由控制系統(tǒng)進行驅動控制。由于本主軸具有結構緊湊、重量輕、慣性小、振動小、噪聲低等特點，所以可以實現高轉速、高精度、高效率、高質量的加工。本電主軸應該具有油氣潤滑冷卻裝置，這樣就可確保在高轉速的狀態(tài)下進行運行，而且還能帶走因摩擦所產生的熱量，進行冷卻。同時，本裝置配有液體冷卻水冷卻電主軸，利用水的循環(huán)流動降低電主軸產生的熱量。 2.電主軸的校核 ①電主軸的變形計算公式： 采用平均直徑d1計算，計算電主軸時選擇用平均直徑（d1）或當量直徑（d2）。 平均直徑 慣性矩 ②電主軸的校核計算 電主軸的受力簡圖4.3： 圖4.3電主軸的受力簡圖 Chart4.3 Mechanical?diagram?of?motorized?spindle? 1)電主軸的計算 1>計算 功率： 轉矩： 圓周力 徑向力 軸向力 2>水平面內的支反力，∑MA=0 ，∑ME=0 FtB×228+FtD×(228+71+48)=FNHE×(228+71+48+130) FNHE=23468.7N FNHA×477=FtB×249+FtD×130 FNHA=13336.3N 3>垂直面內的支反力，∑MA=0 ，∑ME=0 FrB×228+FNVE×477=FrD×347+FaD×d32 FNVE=5076.8N FrB×249+FNVA×477=FrD×130+FaD×d32 FNVA=820.7N 4>D截面的最大合成彎矩為 2）最大合成彎矩圖4.4和扭矩圖4.5 圖4.4彎矩圖 Chart4.4 Moment?diagram? 圖4.5扭矩圖 Chart4.5 Torque?diagram? 3）軸的強度校核， D所在的截面為危險截面，按第三強度理論 計算彎矩 軸的抗彎截面系數： 故滿足第三強度理論。 4.2滾珠絲杠螺母副的選型 絲杠是機床傳動機構中不可缺少的元件，在傳動中它可以把回轉運動轉化為直線運動，也可以把直線運動轉化為回轉運動。滾珠絲杠螺母副可分為兩大類：高精度和低精度。低精度的絲杠就是傳統(tǒng)意義上的絲杠，它僅有兩部分組成，絲桿和螺母，這種絲杠螺母副可以稱為大號的螺栓螺母，它可以傳動，但本身精度卻不高。作為機床的傳動機構，保證較高的精度是首要的，本次設計的微型數控鉆銑床屬于高精密機床，顯然這種絲杠螺母不適用。其次就是壽命，一般的絲杠和螺母之間，如果加工時間長，難免不受到磨損，這樣絲杠精度就會降低。 所以本次傳動部件選用高精度滾珠絲杠螺母副。高精度滾珠絲杠螺母副由螺桿、螺母、鋼球，預壓片、反向器、防塵器等部分組成，這種絲杠結構和軸承相似，就是在普通意義的絲杠螺母副中加入滾珠，大大減小了絲杠和螺母之間的摩擦，而這種結構的絲杠螺母副中還加有防塵片，保證絲杠螺母福內部就夠的潔凈，不僅提高了精度，還延長了壽命。 本次機床選用BNFN20005一5RRGo+610LC5型滾珠絲杠螺母副 其參數為：公稱直徑為20mm；右螺紋；導程為0.5mm；螺母滾珠回路數為5；RR表示密封圈代號；GO表示軸向間隙等級代號； 610L表示絲杠全長為610 mm；C5表示精度等級。 4.3滑動導軌的選型 導軌的作用就是用來支撐與引導運動部件沿著一定的運動軌跡。在所有的導軌副中，把運動的一方作為動導軌，靜止的一方作為支撐導軌。這樣動導軌相對于支撐導軌來進行運動，一般作直線運動與回轉運動。 1對導軌的要求 （1）導向精度高 導軌的導向精度通常導軌沿支撐導軌方向的直線度與圓度。 （2）耐磨性好及壽命長 導軌的耐磨性取決于導軌的精度保持性。決定維持準確性。沿支撐軌道移動導軌從長遠來看會引起不均勻磨損，損壞精密導軌，這樣會影響加工精度。 （3）足夠的剛度 導軌要確保在載荷地作用下不彎曲，不產生較大的變形，這樣就能確保每個部件間的位置與它們的精度。 （4）低速運動的平穩(wěn)性 速度比較低的狀態(tài)下運行時，運動部件的導軌就會產生向上爬。進給運動也會爬行，這楊就會影響到加工表面的粗糙度值，粗糙度會增加，所以導軌在低速運動地時候，要保持平穩(wěn)，不能爬行。 （5）工藝性好 在設計導軌的結構中，要特別地了解制造，調整與維護的方便，要求保證結構地簡單，加工和技術性要好，要經濟。 2導軌的選擇 本設計導軌的精度要求比較高，還要要求結比較簡單，而且調整，裝配與維修都要要方便。 所以本次設計選用上HGR25R1100P型上銀直線導軌HG系列 其參數為：R表示單出導軌；25表示尺寸；R表示上鎖式；1100表示導軌長度；P表示精度 4.4聯(lián)軸器的選型 1聯(lián)軸器類別 （1）剛性聯(lián)軸器（固定式） 安裝精度要求較高，不具有補償性能，但結構簡單，制造容易，成本較低。這類聯(lián)軸器有套筒式、夾克式和凸緣式等。 （2）撓性聯(lián)軸器 a無彈性元件的撓性聯(lián)軸器 b裝有彈性元件的撓型聯(lián)軸器 2聯(lián)軸器選擇 本次設計選用梅花形彈性聯(lián)軸器。 對于這樣的簡單結構，好制造，外部結構相對緊湊，性能可靠，還有就是不經常維護，成本也比較低，然而安裝的時候要做到沿軸向移動。它適用于載荷變化不大，對緩沖減振要求不高，而需要有一定的補償兩軸相對位移的中小功率傳動中的兩軸的連接，符合本次的設計要求。 5其他部件的設計與計算 5.1電主軸軸座設計 鋁材質量較輕，可減輕軸座的重量，而且鋁材延展性較好，便于電主軸安裝，還有就是主軸在鉆銑過程中不免受到沖擊，而且沖擊力又不大。因此，選用鋁材作為主軸軸座的材料。而鋁材本身質量輕，但卻質地較軟，因此本次主軸軸座選用硬鋁合金。 電主軸軸座的設計技術要求為:在保證電主軸能夠順利安裝的基礎上，確保不影響電主軸的自身性能，根據電主軸配套技術要求，主軸孔的大小為，粗糙度為0.8um。 結構設計主要考慮到兩個方面；保證電主軸的裝夾精度和整個微型數控鉆銑床各個部分的相對位置要求。為了穩(wěn)定的固定電主軸，電主軸孔采用整體式圓柱孔結構，為了保證工作臺的行程，孔的中心與X, Y工作臺的幾何中心正對。 電主軸軸座尺寸： 1. 安裝電主軸部分的尺寸按電主軸尺寸確定 2. 其余尺寸見主軸軸座零件圖5.1 圖5.1主軸軸座零件圖 Chart5.1 Parts?drawing?of?spindle?seat? 5.2滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估計 1確定滾珠絲杠的導程 mm 式中：-移動部件的最大速度（mm/min）； i- 傳動比，當滾珠絲杠與電動機直接連接時i=1； -電動機的最大轉速（r/min） 2滾珠絲杠的當量載荷與當量轉速計算 r/min N 當載荷與轉速接近正比變化，各種轉速試用機會均等時，可采用下列公式計算： r/min N 式中：-機床空載時滾珠絲剛所受軸向力（此時軸向力最小，N） -機床空載時滾珠絲剛所受軸向力（此時軸向力最大，N） -滾珠絲杠的最高轉速（r/min） -滾珠絲杠的最小轉速（r/min） 3確定預期的額定載荷 確定預期的額定動載荷 N 式中：-預加載荷系數。 4根據位置精度要求確定滾珠絲杠螺母副允許的最小紋底徑 （1）滾珠絲杠螺母副允許的最大軸向變形量 查閱資料和書籍影響定位精度的的主要是螺距誤差以及所受摩擦力矩的變化，初選滾珠絲杠規(guī)定最大軸向變形量必須滿足下式： 定位精度 （2）估計滾珠絲杠螺母副螺紋的底徑 mm 式中：L-滾珠絲杠螺母副兩個固定之城之間的距離（mm）,L=行程+安全行程+2X余程+螺母長度+支撐長度≈（1.2-1.4）行程+（25-30） 5滾珠絲杠螺母副螺紋底徑應滿足的基本條件 根據計算出的基本導程，預期額定動載荷和滾珠絲杠螺紋底徑，可以查出對應的滾珠絲杠螺紋底徑和額定動載荷，應使 5.3軸承的計算 選用軸承的重要依據是軸承的基本壽命，并使之小于或等于基本額定壽命。在實際使用中，習慣上常用工作小時數表示軸承的基本額定壽命，用下式計算： 式中：-軸承的基本額定壽命（h），對于數控機床滾珠絲杠上采用的軸承，一般取=20000h； n-軸承的工作轉速（r/min），與滾珠絲杠的當量轉速相同； -壽命系數，對于球軸承=3； C-軸承的基本額定動載荷（N）； P-軸承的當量動載荷（N），其計算公式為 X-徑向動載荷系數，可從《機械設計》表13-5選?。? Y-軸向動載荷系數，選取同上； -徑向載荷（N），，其中，為軸承所承受的最大軸向力（N）； -軸向載荷（N），。 對球軸承，可將軸承的基本額定壽命公式變形得 根據此式即可計算球軸承的基本額定動載荷C值，使之小于軸承樣本上列出的基本額定動載荷值。 5.4軸承座的設計 軸承座材料選用灰鑄鐵，強度較高，塑性韌性還可以。軸承座內圈與軸承外圈為基軸制過盈配合，這樣可以保證軸承內圈在運動過程中外圈不至于來回往返移動。 本次設計軸承座尺寸圖如下圖5.2所示 圖5.2軸承座 Chart5.2 Bearing?pedestal? 軸承座技術要求如下： （1） 軸承座的底面、內孔、端面有技術要求，其余的表面粗糙度按鑄造精度； （2） 不要求部分粗糙度為12.5； （3） 35內孔和11孔端面精度值要求為1.6； （4） 軸承座前后端面粗糙度值要求為1.6； （5） 軸承座安裝端面粗糙度要求為1.6； （6） 軸承座材料為HT200，鑄件； （7） 未注倒角C1，未注圓角R2。 5.5微型鉆銑床立柱設計 微型數控鉆銑床的立柱在整個結構中起支撐作用，支撐整個Z軸所有組件，立柱正面安裝有直線導軌、軸承座、電機支架，立柱下端固定在機床底座上。機床立柱個體大，采用鑄造方法，材料選用灰鑄鐵（HT200）。 立柱技術要求如下： （1） 立柱底面粗糙度值要求為1.6； （2） 立柱正面凸臺作安裝導軌用，表面粗糙度值要求1.6； （3） 安裝軸承座的兩個矩形凹臺表面粗糙度值要求1.6； （4） 其他未加工面采用12.5。 立柱尺寸： 1. 安裝滾珠絲杠螺母副部分按照滾珠絲杠螺母副的尺寸確定 2. 其余尺寸見立柱零件圖，如下圖5.3 圖5.3立柱零件圖 Chart5.3 Column?part?drawing? 5.6微型鉆銑床底座的設計 對于微型數控鉆銑床底座的結構沒有特殊要求，只需根據工作臺及立柱的結構，在特定位置加工螺紋孔以便將工作臺及立柱固定在其上方，并保證其位置精度和垂直度。機床底座材料采用灰鑄鐵（HT200）。機床底座上面兩邊鉆有兩排螺紋孔的兩個凸臺為安裝直線導軌，凸臺外側的槽為調整兩直線導軌直線度用。底座前端及兩側延伸出來的部分主要為接加工零件后所留下的碎屑，底座下端兩邊6個凸臺作固定用。 機床底座各部分技術要求如下： （1） 與立柱相接觸面粗糙度要求1.6，平行度要求達到0.01； （2） 安裝導軌的面要求為1.6。 機床底座尺寸： 1. 安裝工作臺及導軌部分按工作臺尺寸及導軌尺寸確定 2. 其余部分尺寸見機床底座零件圖，如下圖5.4： 圖5.4機床底座零件圖 Chart5.4 Machine?tool?base?parts?drawing? 6整體結構設計 按照微型銑床的結構示意圖，將選好的各零部件以及設計的部件裝配成整機結構。本次設計的微型數控鉆銑床結構乃是立式結構，采用三軸聯(lián)動加工，機床的整體尺寸為1616mmx1020mmx1030mm，工作空間為400mmx300mmx390mm，主軸部分采用高速電主軸，最高轉速可達24000r/min，最大進給速度50r/min，定位精度1μm，完全可以滿足本機床加工的要求。 本次設計的微型數控鉆銑床XYZ三個方向采用伺服電機直接驅動工作臺的方式驅動，但須保證X， Y，Z三個運動軸相互正交，主軸的回轉精度平行于Z軸。刀具安裝在電主軸上，隨電主軸軸一起上下移動。設計了電主軸端座，電主軸裝夾在端座內上，實現了電主軸與機體的連接，工件在工作臺上被夾具固定好后，要能夠達到準確定位，保障足夠的直角度和平行度，而且夾持牢靠無相對滑動。在裝配時要選用正確的裝配方法，正確的裝配工具，電主軸在裝配前要進行性能測試，裝配完成后必須進行系統(tǒng)實驗，對各性能指標進行檢驗。 微型數控鉆銑床工作時，由鉆銑床的數控系統(tǒng)根據數控加工程序的內容，發(fā)出各種控制指令，控制電主軸、X-Y方向驅動平臺，以及輔助系統(tǒng)，共同完成被加工件的加工。 7總結 通過這短時間的課程設計，我學到了很多，這次課設是對我大學期間所學知識的綜合考驗，一套完整系統(tǒng)的設計對我而言是一個巨大的挑戰(zhàn)，也是對我學習和動手能力的一次考驗。這次課設相比之前做的課設難度增加了很多，所用到的知識也要十分全面和廣泛。這次課設是理論與實踐的結合，通過本次設計我獲益非淺。本次設計題目為微型數控鉆銑床，主要對機床的整體結構進行設計，在我的努力下最終完成了各項任務。對于微型數控鉆銑床的關鍵的主軸部件，本設計采用電主軸，因為電主軸具有結構緊湊、慣性小、重量輕、動態(tài)特性好、調速范圍廣等優(yōu)點，特別適用于微型數控鉆銑床的設計。工作臺驅動系統(tǒng)采用伺服電機，伺服電機可使控制速度，位置精度非常精確，機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，完全可以滿足本次設計微型鉆銑床的加工要求。 通過本次課設，綜合運用了所學的知識，在導師的指導下，完成了對微型數控鉆銑床的設計，機床總體設計采用單柱布置方案，加工精度、生產率和自動化水平高，布局簡單、緊湊、具有較好的加工性能。 參考文獻 [1] 吳宗澤，機械零件設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003 [2] 艾興，肖詩綱，切削用量簡明手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002 [3] 文懷興，數控銑床設計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006 [4] 王愛玲，現代數控機床[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006 [5] 文懷興，夏田，數控機床系統(tǒng)設計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006 [6] 晏初宏，數控機床機械結構[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005 [7] 劉寶廷，步進電動機及其驅動控制系統(tǒng)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1997 [8] 董愛梅，叢紅，基于PC的教學型數控銑床實驗系統(tǒng)設計[M].機械與電子，2004 [9] 濮良貴，機械設計[M].北京:高等教育出版社，2012 [10]范超毅，數控技術課程設計[M].北京:華中科技大學出版社，2007 [11]趙則祥，公差配合與質量控制[M].開封:河南大學出版社，1999 [12]戴署，金屬切削機床[M].北京:機械工業(yè)出版社，2014