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長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
編號(hào)20130952225
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
PLC控制的鉆床設(shè)計(jì)
Drilling machine design PLC control
學(xué) 生 姓 名
王金鋼
專 業(yè)
機(jī)械電子工程
學(xué) 號(hào)
0952225
指 導(dǎo) 教 師
吳翠紅
分 院
機(jī)電工程分院
2013年 6 月
摘 要
隨著進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，數(shù)控加工已成為機(jī)加工過(guò)程中的一種主流技術(shù)。這一技術(shù)的運(yùn)用提高了機(jī)加工過(guò)程中工作效率和加工精度。數(shù)控多工位鉆床就是提高鉆削加工精度和效率的一種很好的機(jī)加工工具。本文對(duì)數(shù)控多工位鉆床進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用了普通車床設(shè)計(jì)的步驟和方法，綜合考慮數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)。完成數(shù)控多工位鉆床的資料收集與國(guó)、內(nèi)外現(xiàn)狀的調(diào)查比較，提出較為可行的方案。從切削力入手確定主軸及電機(jī)，到整個(gè)機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)床的控制。最后到對(duì)機(jī)床初始化程序設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù)、鉆床、鉆削、計(jì)算機(jī)控制、單片機(jī)
Abstract
With the manufacturing development, numerical control manufacturing has become one of the major advanced technologies. efficiency and accuracy has been improved in application of the technology. Numerical control auto-drilling machine is a kind of the new machine tools that can improve the machining accuracy and efficiency. The paner has designed for Numerical control auto-drilling machine, using design method of the ordinary lathe, and considering the characteristic of the numerical control machine tools synthetically.Completed a investigation of internal and external of current situation for numerical control multistage-drilling machine, and compared it, put forward a feasible scheme cutting force has been calculated, the structural and the control system has been designed. Finally, the software routine has been explored.
Key words: numerical control machining、drilling machine、drilling、
computer control、single chip computer
目錄
緒論…………………………………………………………………………… 1
引言………………………………………………………………………………1
1數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介 …………………………………………………………………1
2數(shù)控機(jī)床的工作原理與組成 …………………………………………………3
3數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) …………………………………………………3
4我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展 ……………………………………………………5
5本文所做的工作 ………………………………………………………………6
第一章總體機(jī)械設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)選擇………………………………………………7
第二章機(jī)械傳動(dòng)部件設(shè)計(jì) ……………………………………………………8
2.1切削力的計(jì)算 ……………………………………………………………8
2.2主軸齒輪傳動(dòng)方案確 ………………………………………………………10
2.3主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 ………………………………………………………15
2.4縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的分析及計(jì)算 ………………………………………………18
2.5橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的分析及計(jì)算 ………………………………………………22
2.6Z向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的分析及計(jì)算…………………………………………………25
2.7齒輪強(qiáng)度校核 ………………………………………………………………28
2.8回轉(zhuǎn)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的分析及計(jì)算 ……………………………………………30
2.9齒輪強(qiáng)度校核 ………………………………………………………………33
2.10滑動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu) …………………………………………………………35
2.11導(dǎo)軌及齒輪傳動(dòng)間隙調(diào)整分析 …………………………………………41
2.12 本章小結(jié)…………………………………………………………… ……42
第三章數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………………………………………………43
3.1確定機(jī)床控制系統(tǒng)方案 ……………………………………………………43
3.2單片機(jī)型號(hào)的選用 …………………………………………………………43
3.3存儲(chǔ)器的選用、擴(kuò)展及連接 ………………………………………………45
3.4地址鎖存器 …………………………………………………………………46
3.5鍵盤與顯示接口電路 ………………………………………………………46
3.6 8255與8031的連接 ………………………………………………………59
3.7步進(jìn)電機(jī)接口電路 …………………………………………………………61
3.8總程序流程框圖 ……………………………………………………………64
3.9本章小結(jié) ……………………………………………………………………64
第四章總結(jié) ………………………………………………………………………65
參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………66
致謝…………………………………………………………………………… …67
引 言
數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志之一，隨著這種機(jī)床在機(jī)加工中的廣泛應(yīng)用，使傳統(tǒng)的機(jī)械加工行業(yè)得到了質(zhì)的飛躍。由于數(shù)控機(jī)床相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)床極大地提高了加工精度、生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度，應(yīng)用變得極為廣泛。而數(shù)控多工位機(jī)床則因其一次裝夾卻能進(jìn)行多工位的加工。某種意義上講，更大大的提高了機(jī)加工的加工效率，很適合工件的批量生產(chǎn)。
針對(duì)數(shù)控多工位鉆床的設(shè)計(jì)，我們要完成：
首先，對(duì)數(shù)控多工位鉆床進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。應(yīng)滿足：機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度要達(dá)要求，數(shù)控機(jī)床的剛度系數(shù)應(yīng)該比同類普通機(jī)床高50%；應(yīng)盡量提高機(jī)床的抗振性，通常機(jī)床的振動(dòng)包括強(qiáng)迫振動(dòng)和受迫振動(dòng)。要提高機(jī)床在低速進(jìn)給時(shí)的平穩(wěn)性和運(yùn)動(dòng)精度。
第二，對(duì)鉆床的主傳動(dòng)和主軸部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。數(shù)控鉆床主軸傳動(dòng)特點(diǎn)是：要使主軸能在軸向方向上移動(dòng)和使主傳動(dòng)能進(jìn)行多級(jí)調(diào)速。
第三，多工位的數(shù)控鉆床，必須有主軸箱的進(jìn)給和工作臺(tái)的滑動(dòng)。在本次設(shè)計(jì)中，進(jìn)給傳動(dòng)和傳動(dòng)部件也是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)多是用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過(guò)滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)傳動(dòng)。對(duì)于鉆床來(lái)說(shuō)，工作臺(tái)進(jìn)給機(jī)床不加工。故可采用簡(jiǎn)單的滑動(dòng)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的進(jìn)給和主軸箱的進(jìn)給，多個(gè)滑動(dòng)導(dǎo)軌的疊加組合便可以使鉆床實(shí)現(xiàn)X、Y、Z軸三軸向的運(yùn)動(dòng)進(jìn)給。
第四，無(wú)論任何機(jī)床床身和立柱都是不可少的，數(shù)控多工位鉆床也是不例外的。床身和立柱的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮：要保證機(jī)床各部分的剛度。床身、立柱的結(jié)構(gòu)和材料選擇是必不可少的。
第五，對(duì)于數(shù)控多工位鉆床，多工位是必不可少的一步。要實(shí)現(xiàn)多工位就必須設(shè)計(jì)針對(duì)鉆床的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。
最后，涉及到數(shù)控機(jī)床控制部分的設(shè)計(jì)選擇是重點(diǎn)部分。對(duì)于我們的設(shè)計(jì)只要求設(shè)計(jì)出機(jī)床的硬件部分就是控制元件的選擇和對(duì)控制進(jìn)行初始化處理就可以了。
對(duì)于本次數(shù)控多工位鉆床的設(shè)計(jì)，我們認(rèn)為：使鉆削加工能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的數(shù)控加工正是運(yùn)用到了數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)：提高了加工精度、生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度。采用多工位則更為縮短了裝夾時(shí)間等輔助時(shí)間，使生產(chǎn)率得到更大的提高等。這就是本設(shè)計(jì)課題經(jīng)濟(jì)意義。
然而更為重要的是：我們希望通過(guò)這樣的畢業(yè)設(shè)計(jì)培養(yǎng)我們綜合應(yīng)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)和基礎(chǔ)理論、基本技能的能力，培養(yǎng)我們一種正確的設(shè)計(jì)思想。了解工程設(shè)計(jì)的一般程序、規(guī)范和方法。我想這才是我們做這次畢業(yè)設(shè)計(jì)要達(dá)到的真正目的吧！
緒 論
1.1 數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介
1.1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及其重要性
隨著科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣化的要求日益強(qiáng)烈，產(chǎn)品更新越來(lái)越快，多品種、中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加。同時(shí)，隨著航空工業(yè)、汽車工業(yè)和輕工消費(fèi)品生產(chǎn)的高速增長(zhǎng)，復(fù)雜形狀的零件越來(lái)越多，精度要求也越來(lái)越高。此外，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來(lái)越短，傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造方法已難于適應(yīng)這種多樣化、柔性化與復(fù)雜形狀零件高效和高質(zhì)量的加工要求。
數(shù)字控制機(jī)床，就是為了解決單件、小批量，特別是復(fù)雜型面零件加工的自動(dòng)化并保證質(zhì)量要求而生產(chǎn)的。1947年，美國(guó)Parsons公司為了精確制造直升機(jī)翼、槳葉和直升機(jī)框架，開始探討用三坐標(biāo)曲線數(shù)據(jù)來(lái)控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，加工飛機(jī)零件。1949年，為了能在短時(shí)間內(nèi)制造出經(jīng)常變更設(shè)計(jì)的零件，美國(guó)空軍（U。S。AirForce）與Parsons公司簽定了制造第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的合同。1951年，美國(guó)麻省理工學(xué)院MIT（Massachusetts Instiute of Technology）承擔(dān)了這一項(xiàng)目。1952年，MIT伺服機(jī)構(gòu)研究所用實(shí)驗(yàn)室制造的控制裝置和辛辛那提（Cincinnati Hydrotel）公司的立式銑床成功地實(shí)現(xiàn)了三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控運(yùn)動(dòng)，可控制銑刀進(jìn)行連續(xù)空間曲面的加工，揭開了數(shù)控加工技術(shù)的序幕。隨著不斷的改進(jìn)與完善，1955年，NC（數(shù)控）機(jī)床開始用于工業(yè)加工。
數(shù)控機(jī)床是綜合應(yīng)用了微電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)檢測(cè)以及精密機(jī)械等技術(shù)的最新成果而發(fā)展起來(lái)的完全新型的機(jī)床，它標(biāo)志著機(jī)床工業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。從第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床問(wèn)世到現(xiàn)在40多年中，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展非常迅速，使制造技術(shù)發(fā)生了根本性的變化，幾乎所有品種的機(jī)床都實(shí)現(xiàn)了數(shù)控化。數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用領(lǐng)域也從航空工業(yè)部門逐步擴(kuò)大到汽車、造船、機(jī)床、建筑等民用機(jī)械制造行業(yè)。此外，數(shù)控技術(shù)也會(huì)在繪圖儀、坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、激光加工與線切割機(jī)等機(jī)械設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。努力發(fā)展數(shù)控加工技術(shù)，并向更高層次的自動(dòng)化、柔性化、敏捷化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化制造方向推進(jìn)，是當(dāng)前機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的方向。
從20世紀(jì)50年代末期，我國(guó)就開始研究數(shù)控技術(shù)，開發(fā)數(shù)控產(chǎn)品。1958年，清華大學(xué)和北京第一機(jī)床廠合作研制了我國(guó)第一臺(tái)數(shù)控銑床。經(jīng)過(guò)多年的不斷努力，數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展：國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)基本上掌握了關(guān)鍵技術(shù)，可靠性已有很大提高；新開發(fā)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品大部分達(dá)到國(guó)際20世紀(jì)80年代中期水平，部分達(dá)到國(guó)際20世紀(jì)90年代水平，為國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)提供了一批高水平數(shù)控機(jī)床；技術(shù)上也取得很大突破，如高速主軸制造技術(shù)、快速進(jìn)給、快速換刀、柔性制造等技術(shù)，為國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的下一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。雖然在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域中，我國(guó)和先進(jìn)的工業(yè)國(guó)家之間還存在著不小的差距，但這種差距正在迅速縮小。
數(shù)控技術(shù)是機(jī)械加工現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)用數(shù)控加工可大大提高生產(chǎn)效率、穩(wěn)定加工質(zhì)量、縮短加工周期、增加生產(chǎn)柔性、實(shí)現(xiàn)對(duì)各種復(fù)雜精密零件的自動(dòng)化加工，易于在工廠或車間實(shí)行計(jì)算機(jī)管理，還使車間設(shè)備總數(shù)減少，節(jié)省人力、改善勞動(dòng)條件，有利于加快產(chǎn)品的開發(fā)和更新?lián)Q代，提高企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的適應(yīng)能力并提高企業(yè)綜合經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用，使機(jī)械加工的大量前期準(zhǔn)備工作與機(jī)械加工過(guò)程聯(lián)為一體，使零件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（CAPP）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）的一體化成為現(xiàn)實(shí)，使機(jī)械加工的柔性化自動(dòng)化水平不斷提高。
數(shù)控加工技術(shù)也是發(fā)展軍事工業(yè)的重要戰(zhàn)略技術(shù)。美國(guó)與西方各國(guó)在高檔數(shù)控機(jī)床與技工技術(shù)方面，一直通過(guò)巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)對(duì)我國(guó)進(jìn)行封鎖限制，應(yīng)為許多先進(jìn)武器裝備的制造，如飛機(jī)、導(dǎo)彈、坦克等的關(guān)鍵零件，都離不開高性能數(shù)控機(jī)床的加工。如著名的“東芝事件”，即是由于前蘇聯(lián)利用從日本獲得的大型五坐標(biāo)數(shù)控銑床，用其制造出具有復(fù)雜曲面的潛艇的噪聲大為降低，西方的反潛艇設(shè)備頓時(shí)失效，對(duì)西方構(gòu)成了重大威脅。我國(guó)的航空、能源、交通等行業(yè)也從西方引入了一些五坐標(biāo)機(jī)床等高檔數(shù)控設(shè)備，但其使用受到國(guó)外的監(jiān)控和限制，不準(zhǔn)用語(yǔ)軍事用途的零件加工。特別是1999年美國(guó)的考克斯報(bào)告，其中一項(xiàng)主要內(nèi)容就是指責(zé)我國(guó)將從美國(guó)購(gòu)買的二手?jǐn)?shù)控機(jī)床用于軍事工業(yè)，這一切均說(shuō)明數(shù)控加工技術(shù)在國(guó)防現(xiàn)代化方面所起的重要作用。
1.1.2 數(shù)控機(jī)床應(yīng)用范圍及特點(diǎn)
目前的數(shù)控加工主要應(yīng)用于以下兩方面：
一方面的應(yīng)用是常規(guī)零件加工，如二維車削、箱體類鏜銑等。其目的在于：提高加工效率，避免認(rèn)為誤差，保證產(chǎn)品質(zhì)量；以柔性加工方式取代高成本的工裝設(shè)備，縮短產(chǎn)品制造周期，適應(yīng)市場(chǎng)需求。這類零件：一般形狀較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)上述目的的關(guān)鍵一方面在于提高機(jī)床的柔性自動(dòng)化程度、高速精加工能力、加工過(guò)程的可靠性與設(shè)備的操作性能，另一方面在于合理的生產(chǎn)組織、計(jì)劃調(diào)度和工藝過(guò)程安排。
另一方面的應(yīng)用是復(fù)雜形狀零件加工，如模具型腔、渦輪葉片等。該類零件在眾多的制造行業(yè)中具有重要的地位，其加工質(zhì)量直接影響以至決定著整機(jī)床品的質(zhì)量。這類零件型面復(fù)雜，常規(guī)加工方法難以實(shí)現(xiàn)，它不僅促使了數(shù)控加工技術(shù)的產(chǎn)生，而且也一直是數(shù)控加工技術(shù)的主要研究及應(yīng)用對(duì)象。由于零件型面復(fù)雜，在加工技術(shù)方面，除要求數(shù)控機(jī)床具有較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制能力（如多軸聯(lián)動(dòng)）外，更重要的是如何有效地獲得高效優(yōu)質(zhì)的數(shù)控加工程序，并從加工過(guò)程整體上提高生產(chǎn)效率。
數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造領(lǐng)域中得到日益廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗哂腥缦绿攸c(diǎn)：高柔性、生產(chǎn)效率高、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠、自動(dòng)化程度高、能完成復(fù)雜型面的加工、有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。
1.2. 數(shù)控機(jī)床的工作原理與組成
1.2.1 數(shù)控機(jī)床的工作原理
數(shù)控機(jī)床是數(shù)字信息進(jìn)行控制的機(jī)床。即凡是用代碼化和數(shù)字信息將刀具移動(dòng)軌跡信息記錄在程序介質(zhì)上，然后送入數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)譯碼和運(yùn)算，控制機(jī)床刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，加工出所需工件的一類機(jī)床即為數(shù)控機(jī)床。數(shù)控加工基本過(guò)程見圖1所示：
圖1、 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC）系統(tǒng)框圖
數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)，首先編制零件的數(shù)控程序，這是數(shù)控機(jī)床的工作指令。將數(shù)控程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的變速、啟停，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向、速度和位移大小，以及其他諸如刀具選擇交換，工件夾緊、松開和冷卻、潤(rùn)滑的啟、停等動(dòng)作，使刀具與其他輔助裝置嚴(yán)格地按照數(shù)控程序規(guī)定的順序、路程和參數(shù)進(jìn)行工作，從而加工出形狀、尺寸與精度等符合要求的零件。
1.2.2 數(shù)控機(jī)床的組成
數(shù)控機(jī)床的種類繁多，但從組成一臺(tái)完整的數(shù)控機(jī)床來(lái)講，它由信息輸入裝置、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、機(jī)床本體以及復(fù)雜裝置組成。
1.3. 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
近十幾年來(lái)，數(shù)控機(jī)床借助于微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步著高精度、多功能、高速化、高效率、，正向復(fù)合加工功能、智能化等方向邁進(jìn)，明顯地反映出時(shí)代的特征，其主要表現(xiàn)為以下幾方面。
1.3.1 精度化
當(dāng)代工業(yè)產(chǎn)品對(duì)精度提出了越來(lái)越高的要求，像儀表、鐘表、家用電器等都有相當(dāng)高精度的零件，典型的高精度零件如陀螺框架、伺服閥體、渦輪葉片、非球面透鏡、光盤、磁頭、反射鼓等，這些零件的尺寸精度要求均在微米、亞微米級(jí)。因此，加工這些零件的機(jī)床也必須受到需求的牽引而向高精度發(fā)展。
1.3.2 高速度化
提高生產(chǎn)率是機(jī)床技術(shù)發(fā)展追求的基本目標(biāo)之一，而實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的最主要、最直接的方法就是提高切學(xué)速度和減少輔助時(shí)間。隨著刀具、電機(jī)、軸承、數(shù)控系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)的突破及機(jī)床本身基礎(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步，使各種運(yùn)動(dòng)速度大為提高。
1.3.3 高柔性化
柔性是指機(jī)床適應(yīng)加工對(duì)象變化的能力，當(dāng)代產(chǎn)品的多樣化和個(gè)性化，對(duì)機(jī)床提供了更高的柔性加工要求。數(shù)控機(jī)床在提高單機(jī)柔性化的同時(shí)，朝著單元柔性化和系統(tǒng)柔性化方向發(fā)展。不僅中、小批量的生產(chǎn)方式在努力提高柔性化能力，就是在大批量生產(chǎn)方式中，也積極向柔性化方向轉(zhuǎn)向。如出現(xiàn)了可編程控制器（PLC）控制的可調(diào)組合機(jī)床、數(shù)控多軸加工中心、換刀換箱式加工中心、數(shù)控三坐標(biāo)動(dòng)力單元等具有柔性的高效率加工設(shè)備，柔性加工單元（FMC），柔性制造系統(tǒng)（FMS）以及介于傳統(tǒng)自動(dòng)線與FMS之間的柔性制造線（FTL）。
1.3.4 高自動(dòng)化
高自動(dòng)化是指在全部加工過(guò)程中盡量減少“人”的介入而自動(dòng)完成規(guī)定的任務(wù)，它包括物料流和信息流的自動(dòng)化。自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，以數(shù)控機(jī)床為主體的加工自動(dòng)化已從“點(diǎn)”的自動(dòng)化（單臺(tái)數(shù)控機(jī)床）發(fā)展到“線”的自動(dòng)化（柔性制造車間），結(jié)合信息管理系統(tǒng)的自動(dòng)化，逐步形成整個(gè)工廠“體”的自動(dòng)化，并出現(xiàn)了FA（自動(dòng)化工廠）和CIM（計(jì)算機(jī)集成制造）工廠的雛形實(shí)體。盡管由于這種高自動(dòng)化的技術(shù)還不夠完備。投資過(guò)大，回收期較長(zhǎng)，而提出“有人介入”的自動(dòng)化觀點(diǎn)，但數(shù)控機(jī)床的高自動(dòng)化并向FMC，F(xiàn)MS集成方向發(fā)展的總趨勢(shì)仍然是機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的主流。數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化除進(jìn)一步提高其自動(dòng)編程、上下料、加工等自動(dòng)化程度外，還在自動(dòng)檢索、監(jiān)控、診斷、自動(dòng)對(duì)刀、自動(dòng)傳輸?shù)确较蜻M(jìn)一步發(fā)展。
1.3.5 復(fù)合化
復(fù)合化包含了工序復(fù)合化和功能復(fù)合化。在一臺(tái)數(shù)控設(shè)備上能完成多工序切削加工（如車、銑、鏜、鉆等）的加工中心，打破了傳統(tǒng)的工序界限和分開加工的規(guī)程。一臺(tái)具有自動(dòng)換刀裝置、自動(dòng)交換工作臺(tái)和自動(dòng)轉(zhuǎn)換立臥主軸頭的鏜銑加工中心，不僅一次裝夾便可以完成鏜、銑、鉆、鉸、攻絲和檢驗(yàn)等工序，而且還可以完成箱體件五個(gè)面粗、精加工的全部工序。此外，還出現(xiàn)了與車削或磨削復(fù)合的加工中心。
1.3.6 智能化
數(shù)控技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)是加工過(guò)程的智能化。帶有自適應(yīng)控制功能的控制系統(tǒng)，可以在加工過(guò)程中根據(jù)切削力和切削溫度等加工參數(shù)，自動(dòng)優(yōu)化加工過(guò)程，從而達(dá)到提高生產(chǎn)率，增加刀具壽命并改善加工表面質(zhì)量等目的。刀具破損監(jiān)控和刀具智能管理功能可以智能的管理刀具，使得刀具保持最佳工作狀態(tài)。以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐的、具有人工智能的專家系統(tǒng)被用于指導(dǎo)加工。
1.3.7 網(wǎng)絡(luò)化
為適應(yīng)制造業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化和全球化發(fā)展趨勢(shì)，數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化功能也日趨重要。在企業(yè)內(nèi)部，具有網(wǎng)絡(luò)功能的數(shù)控系統(tǒng)可以充分實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的資源和信息共享，適應(yīng)未來(lái)車間的面向任務(wù)的定單的生產(chǎn)發(fā)展模式，使得底蹭生產(chǎn)控制系統(tǒng)的集成更加簡(jiǎn)便有效。在生產(chǎn)企業(yè)之間，數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化功能可以更好地適應(yīng)敏捷制造（AM）等先進(jìn)制造模式。同時(shí)，系統(tǒng)制造商也可以通過(guò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷服務(wù)。
1.3.8 高可靠性
數(shù)控機(jī)床的可靠性是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)，數(shù)控機(jī)床能否發(fā)揮其高性能、高精度、高效率，并獲得良好的效益，關(guān)鍵取決于可靠性。衡量可靠性的重要的量化指標(biāo)是平均無(wú)故障工作時(shí)間（MTBF），數(shù)控系統(tǒng)的MTBF已由20世紀(jì)80年代的10000h以上，提高到90年代的30000h以上，而數(shù)控整機(jī)的MTBF也從20世紀(jì)80年代的100~200h，提高到現(xiàn)在的500~800h。
除上述發(fā)展趨勢(shì)外，近年來(lái)還出現(xiàn)了全新結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床，最早在美國(guó)IMTSˊ94機(jī)床博覽會(huì)上，出現(xiàn)了被稱為“六條腿”的機(jī)床。這種新型結(jié)構(gòu)機(jī)床的六條腿能自由伸縮，沒(méi)有導(dǎo)軌和拖板，也稱為虛軸機(jī)床（Virtual Axis Machine）。其精度相當(dāng)于測(cè)量機(jī)，比傳統(tǒng)機(jī)械加工中心高2~10倍；剛度為傳統(tǒng)機(jī)械加工的5倍；對(duì)零件輪廓的加工效率是傳統(tǒng)加工中心的5~10倍。這種機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)想是德國(guó)STEWART1962年提出的，稱之為數(shù)學(xué)造型機(jī)床，今天借助計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步得以實(shí)現(xiàn)。
1.4. 我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展
20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)家對(duì)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展十分重視，經(jīng)歷了“六五”、“七五”期間的消化吸收引進(jìn)技術(shù)，“八五”期間科技攻關(guān)開發(fā)自主版權(quán)數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)業(yè)化奠定了良好基礎(chǔ)，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步?！熬盼濉逼陂g數(shù)控機(jī)床發(fā)展已進(jìn)入實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模有了較大幅度的提高，形成了十幾個(gè)普及型數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)業(yè)化基地和開發(fā)中心，數(shù)控機(jī)床的年銷量從“八五”末期底000多臺(tái)發(fā)展到2000年的14萬(wàn)多臺(tái)，機(jī)床的產(chǎn)值數(shù)控化率從“八五”的12%增長(zhǎng)到2000年的近30%，一些重點(diǎn)企業(yè)已達(dá)到70%以上，使高檔數(shù)控機(jī)床的進(jìn)口幅度減少，突破了西方在關(guān)鍵設(shè)備方面對(duì)我國(guó)的進(jìn)口限制，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床“八五”期間的市場(chǎng)占有率只有23%，到2000年已達(dá)到50%。數(shù)控機(jī)床新開發(fā)品種300個(gè)，已有一定的覆蓋面。新開發(fā)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品大部分達(dá)到國(guó)際20世紀(jì)80年代中期水平，部分達(dá)到90年代水平，為國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)提供了一批高水平數(shù)控機(jī)床。在技術(shù)上也取得了突破，如高速主軸制造技術(shù)（12000r/min~1800r/min）、快速進(jìn)給（60m/min）、快速換刀（1.5s）、柔性制造、快速成形制造技術(shù)等為下一步國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)前，我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)正處在由研究開發(fā)階段向推廣應(yīng)用階段過(guò)度的關(guān)鍵時(shí)期，也是由封閉型數(shù)控系統(tǒng)向開放型系統(tǒng)過(guò)渡的時(shí)期。從生產(chǎn)規(guī)模上看，已有像航天數(shù)控集團(tuán)、華中數(shù)控系統(tǒng)有限公司、北京機(jī)床研究所等可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化基地。我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于成熟，在重大關(guān)鍵技術(shù)上（包括核心技術(shù)），已達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平，以開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于PC機(jī)的開放式智能化數(shù)控系統(tǒng)。
數(shù)控機(jī)床的可靠性指標(biāo)有大幅度提高。我國(guó)數(shù)控機(jī)床的可靠性指標(biāo)（MTBF）一直是其市場(chǎng)信譽(yù)及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的主要問(wèn)題?！熬盼濉睍r(shí)期，我國(guó)加工中心的MTBF已達(dá)到400h，數(shù)控車床從平均200h提高到平均450h；數(shù)控系統(tǒng)從5000h提高到10000h以上，最高達(dá)到20000h。
曾長(zhǎng)期捆擾我國(guó)，并受到西方國(guó)家封鎖的多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控技術(shù)已漸成熟，并進(jìn)入生產(chǎn)應(yīng)用階段。“九五”期間，我國(guó)生產(chǎn)的五軸聯(lián)動(dòng)及五面加工機(jī)床已有多個(gè)品種，并在軍工、航天、船舶等領(lǐng)域里應(yīng)用，有效地打破了國(guó)外對(duì)我國(guó)進(jìn)口此類設(shè)備的限制。
1.5. 本文所做的工作
1.5.1 完成數(shù)控多工位鉆床的資料收集與國(guó)、內(nèi)外現(xiàn)狀的調(diào)查比較，提出較為可行的方案;
1.5.2 完成機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算與電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，初步完成控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)；提交論文及機(jī)械系統(tǒng)的裝配與關(guān)鍵零部件的相應(yīng)圖紙及數(shù)控系統(tǒng)的硬件圖，同時(shí)提交電子文檔;
1.5.3 編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書。
第一章 總體機(jī)械設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)選擇
設(shè)計(jì)給出的題目要求和數(shù)據(jù):要設(shè)計(jì)加工工件的最大直徑為Φ10mm，且其工作行程為300×300×70的數(shù)孔多工位鉆床。根據(jù)這一特點(diǎn)表明要設(shè)計(jì)的機(jī)床是一臺(tái)中小型的數(shù)控鉆床，而且是用于一般的機(jī)加工中。所以設(shè)計(jì)這樣的機(jī)床考慮其經(jīng)濟(jì)性、合理性應(yīng)該是最為重要的和成為設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想！
查相關(guān)數(shù)控機(jī)床資料和數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)調(diào)查，選擇確定合理的機(jī)床結(jié)構(gòu)很重要。傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)包括立式、臥式兩大類。立式機(jī)床的主軸定位多數(shù)是相同的，它的優(yōu)點(diǎn)在于：機(jī)床小巧、占地空間小、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。適合于工作單一加工工件較小及加工尺寸小的場(chǎng)合。而臥式數(shù)控機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)及主軸箱布局可為單面懸掛主軸箱和主軸箱位于立柱對(duì)面內(nèi)。后者的優(yōu)點(diǎn)在于：主軸箱的自重不會(huì)使立柱產(chǎn)生彎曲變形，相同的切削力所引起的立柱的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形均大為減小。這樣就相當(dāng)于提高了機(jī)床的剛度。故要是采用對(duì)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為臥式結(jié)構(gòu)的話就應(yīng)該選用主軸箱位于立柱內(nèi)的布局形式。然而一般的臥式數(shù)控機(jī)床的加工尺寸都很大，對(duì)于我們要設(shè)計(jì)的機(jī)床加工零件的尺寸是很小的：僅為最大加工為Φ10mm的孔。從經(jīng)濟(jì)的角度上來(lái)說(shuō)：我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)床采用立式的結(jié)構(gòu)更為節(jié)省空間，節(jié)省材料。同時(shí)機(jī)床看上去更為小巧，然而完全可以達(dá)到要求加工范圍的要求。包括此類機(jī)床的其它特點(diǎn)都很滿足我們要設(shè)計(jì)機(jī)床的要求。
所以，我們通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的了解和認(rèn)識(shí)我們認(rèn)為：對(duì)于我們即將設(shè)計(jì)的機(jī)床，采用立式的結(jié)構(gòu)是完全可行的。方案的確定結(jié)果是：數(shù)控多工位立式鉆床。
第二章 機(jī)械傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)
由于電機(jī)工作時(shí)，其負(fù)載阻力有切削力、摩察阻力、慣性力，只有克服這些阻力，才能正常啟動(dòng)及運(yùn)行。因此要對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)及計(jì)算。
2.1. 切削力的計(jì)算
2.1.1、 要求加工的最大孔為d0=10mm,刀具為高速鋼麻花鉆（以磨損）。工件材料為45井鋼（бb=0.638GPa）；灰鑄鐵190HBS。加工精度為：IT8∽IT10級(jí)以下孔初加工。
2.1.2、 確定切削力和扭矩：
計(jì)算：
（1）、當(dāng)工件材料為 45井鋼時(shí)，根據(jù)以知條件查《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.4-38高速鋼鉆頭鉆孔時(shí)的進(jìn)給量知：10mm鉆頭初加工的進(jìn)給量為0.22∽0.28。由表2.4-41高速鋼鉆頭切削時(shí)切削速度、扭矩及軸向力可選取進(jìn)給量的兩極限值f=0.08mm/r∽0.30mm/r,對(duì)應(yīng)的它們的切削速度為V=0.99m/s∽0.43m/s,則由得
鉆頭或工件的轉(zhuǎn)速
由《金屬切削刀具》計(jì)算鉆頭軸向力F和扭矩T的經(jīng)驗(yàn)公式及表3-1麻花鉆軸向力和扭矩表達(dá)式中的系數(shù)、指數(shù)及修正系數(shù)可知：
（1）
（2）
（3）
其中對(duì)于鋼бb=0.638GPa CF=61.2 XF=1.0 YF=0.7
CM=0.0311 XM=2.0 YM=0.8 KF=KFmKFw KM=KMmKMw
對(duì)于已磨損鉆頭KMw=1 KFw=1
工件材料KMm=KFm= =0.98938
則最小進(jìn)給量f=0.08mm/r
F1=9.81×61.2×10×0.080.7×0.98938×1=1013.79N
T1=9.81×0.0311×102×0.080.8×0.98938×1=4.0Nm
PM1=2×3.14×4.0×31.53×10-3=0.79Kw
最大進(jìn)給量f=0.30mm/r
F2=9.81×61.2×10×0.300.7×0.98938×1=2557.22N
T2=9.81×0.0311×102×0.300.8×0.98938×1
=11.52Nm
PM2=2×3.14×11.52×13.69×10-3=0.99Kw
（2） 當(dāng)工件材料為 灰鑄鐵HB190時(shí)，根據(jù)以知條件查《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.4-41高速鋼鉆頭鉆孔時(shí)的進(jìn)給量知：10mm鉆頭初加工的進(jìn)給量為0.22∽0.28。由表2.4-41高速鋼鉆頭切削時(shí)切削速度、扭矩及軸向力可迭取進(jìn)給量的兩極限值f=0.12mm/r∽0.70mm/r，對(duì)應(yīng)的它們的切削速度為V=0.79m/s∽0.33m/s,則由得 鉆頭或工件的轉(zhuǎn)速
由《金屬切削刀具》計(jì)算鉆頭軸向力F和扭矩T的經(jīng)驗(yàn)公式及表3-1麻花鉆軸向力和扭矩表達(dá)式中的系數(shù)、指數(shù)及修正系數(shù)可知：
（1）
（2）
（3）
其中對(duì)于灰鑄鐵 CF=42.7 XF=1.0 YF=0.8 CM=0.021 XM=2.0 YM=0.8 KF=KFmKFw KM=KMmKMw
對(duì)于已磨損鉆頭KMw=1 KFw=1
工件材料KMm=KFm=（HB/190）0.6=1
則最小進(jìn)給量f=0.12mm/r
F3=9.81×42.7×10×0.120.8×1×1=768.14N
T3=9.81×0.021×102×0.120.8×1×1=3.78Nm
PM3=2×3.14×3.78×25.16×10-3=0.597Kw
最大進(jìn)給量f=0.70mm/r
F4=9.81×42.7×10×0.700.8×1×1=3149.02N
T4=9.81×0.021×102×0.700.8×1×1=15.49Nm
PM4=2×3.14×10.51×15.49×10-3=1.02Kw
由此可得鉆頭的最大轉(zhuǎn)矩Tmax=15.49Nm
最大轉(zhuǎn)矩Fmax=3149.02N
最大切削功率PMmax=1.02Kw
則鉆頭主軸所需要的功率為：P1= PMmax/η總
其中η總=η花鍵軸η軸承
深溝球軸承η=0.99 （取3個(gè)）
角接觸推力軸承η=0.98 （取2個(gè)）
花鍵軸η=0.97∽0.98
由《金屬切削機(jī)床》查得：
η總=η花鍵軸η軸承=0.97×0.993×0.982=0.904
則P1=1.02/0.904=1.03Kw
對(duì)于主軸電機(jī)的選擇，查《機(jī)械產(chǎn)品目錄》，對(duì)于中小功率的電機(jī)，一般額定轉(zhuǎn)矩只有2.1-4，而主軸所需要的最大扭矩為15.49Nm，故必須采用齒輪組進(jìn)行減速以提供大的轉(zhuǎn)矩達(dá)到符合相應(yīng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。
在數(shù)控機(jī)床多工位鉆床的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求數(shù)控機(jī)床能夠進(jìn)行多級(jí)變速。在這種情況下，我們正好可以采用一個(gè)變速器來(lái)解決。無(wú)級(jí)變速器就是能使主軸達(dá)到相應(yīng)轉(zhuǎn)矩和使主軸傳遞的轉(zhuǎn)矩符合要求。
同時(shí)，根據(jù)主軸特點(diǎn)設(shè)計(jì)鉆床主軸的特點(diǎn)是主軸在軸向方向上有移動(dòng)，就是說(shuō)上端的花鍵軸外面必須套有內(nèi)花鍵的齒輪或其它才能將電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞給主軸，使主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在本次設(shè)計(jì)中我們就選用花鍵的齒輪作為傳動(dòng)件，把電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳給主軸，則從主軸來(lái)的傳動(dòng)方式為：
主軸（花鍵軸）——內(nèi)花鍵齒輪——嚙合齒輪（一組或多組）——聯(lián)軸器——無(wú)級(jí)變速器——主軸電動(dòng)機(jī)
2.2. 主軸齒輪傳動(dòng)方案確定：
2.2．1、 設(shè)定齒輪傳動(dòng)方案
如圖2所示：
軸Ⅰ為機(jī)床主軸，設(shè)計(jì)為齒輪花鍵軸。由前面知齒輪花鍵軸的功率為P1
圖2、 主軸傳動(dòng)示意圖
即軸Ⅰ PⅠ= P1=1.13Kw
軸Ⅱ PⅡ= PⅠ/η齒輪=1.13/0.97=1.16Kw
（取η齒輪=0.97，精度等級(jí)為8級(jí)）
則主軸電機(jī)輸出功率P2
P2= PⅠ/η聯(lián)軸器=1.16/0.99=1.18Kw
根據(jù)《機(jī)械產(chǎn)品目錄》選擇電機(jī)可用YCP802-2，1.1Kw額定功率和YCP90S-2，1.5Kw額定功率最為接近功率要求。而前者略小于最大輸出功率，而加一個(gè)無(wú)級(jí)變速器相對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)其傳遞功率也不會(huì)消耗太多，粗略估算則選用后者YCP90S-2，額定功率為1.5Kw，額定電壓為380V，額定電流為3.4A，轉(zhuǎn)速為2840r/min，最大額定轉(zhuǎn)矩為2.3Nm。
選擇了電動(dòng)機(jī)就可根據(jù)所選擇電動(dòng)機(jī)確定相應(yīng)的無(wú)級(jí)變速器。根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩及主軸所必須達(dá)到的最小轉(zhuǎn)矩，可確定變速器，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四卷可選擇的無(wú)級(jí)變速器為：HZXD1500L。
根據(jù)無(wú)級(jí)變速器的相關(guān)數(shù)據(jù)和主軸所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)，無(wú)級(jí)變速器提供的轉(zhuǎn)矩已經(jīng)可以達(dá)到主軸要求的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)轉(zhuǎn)速也能達(dá)到要求。故在接下來(lái)設(shè)計(jì)的齒輪組中，主要達(dá)到的目的為將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給主軸使主軸完成轉(zhuǎn)動(dòng)，并不影響軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
對(duì)于齒輪組的設(shè)計(jì)就是要完成傳動(dòng)。為了設(shè)計(jì)需要，可以僅設(shè)計(jì)一組齒輪即可。又因?yàn)檗D(zhuǎn)矩完全達(dá)到要求，轉(zhuǎn)矩要求的差又不是太大，從對(duì)主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手（對(duì)主軸箱的總體布局和結(jié)構(gòu)合理、比例合適），可將這對(duì)齒輪設(shè)計(jì)成一組惰輪，即不改變變速器傳遞出來(lái)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，僅將轉(zhuǎn)動(dòng)傳給主軸，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求和目的。
3.2．2、 設(shè)計(jì)齒輪
在齒輪設(shè)計(jì)中，取轉(zhuǎn)矩最大時(shí)設(shè)計(jì)用到最大轉(zhuǎn)矩15.49,切削速度nI=631r/min。
首先小齒輪（主動(dòng)齒輪）用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB∽286HB，平均取為260HB，大齒輪（從動(dòng)齒輪）用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度229HB∽286HB，平均取為240HB。計(jì)算如下：
關(guān)于主軸傳動(dòng)中的第一組齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
（1）初步計(jì)算：
轉(zhuǎn)矩:TII= 5.49Nm=5490Nmm
齒寬系數(shù):φd 由表12.13（該節(jié)中所指的表均指《機(jī)械設(shè)計(jì)》一書中的表） 取φd＝1.0
接觸疲勞極限：σHlim 由圖12.17c可取
σHlim1=710MPa σHlim2=580MPa
初步計(jì)算的許用接觸硬力:
[σH1]=0.9σHlim1=0.9×710=639MPa
Ad值由表12.16，取Ad＝85
初步計(jì)算的小齒輪直徑：
d1≥=29.14
(其中u=I=1, T=5490Nmm)
取d1＝90mm
初取齒寬：b=φbd1=1×90=90mm
（2）校核計(jì)算：
圓周速度:
精度等級(jí)：由表12.6選8級(jí)精度
齒數(shù)Z和模數(shù)m:取齒數(shù)Z1=60,Z2=iZ1=1×60=60
模數(shù)由表12.3取m=1.5
則 Z2= iZ1=60
使用系數(shù)KA:由表12.9取KA＝1.5
動(dòng)載系數(shù)K V:由表12.9取KV＝1.1
齒間載荷分配系數(shù)KHα:由表12.10先求：
端面重合度： （式12.6）
重合度系數(shù):Zε==0.74 (式12.10)
由此得：
齒間載荷分布系數(shù)KHβ: 由表12.11（非對(duì)稱支撐）
載荷系數(shù)：K=KAKVKHαKHβ=1.5×1.1×1.81×1.28=3.82
彈性系數(shù)ZE由表12.12取ZE＝189.8
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)ZH:由圖12.16可取ZH＝2.5
接觸最小安全系數(shù)SHmin:由表12.14取SHmin＝1.05
總工作時(shí)間：th=10×300×8×20%=4800h
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)NL:由表12.15估計(jì)：107
Tmax=15.49Nm
則花鍵軸能夠達(dá)到所需傳遞的轉(zhuǎn)矩。
對(duì)于花鍵軸傳遞轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)中產(chǎn)生的摩擦力為F花：取μ=0.1
F花=μf=5338×0.1=533.8N
而
則軸所受軸向力：
F合= F花+ Fmax =154.5+3149.02=3304N
則軸向方向齒條受力F合K=1.1×F合=3635N（K=1.1）
（2） 軸向進(jìn)給設(shè)計(jì)：
在主軸外設(shè)計(jì)一套筒：設(shè)長(zhǎng)為80mm的齒條由齒輪帶動(dòng)。先設(shè)計(jì)用一級(jí)減速接步進(jìn)電機(jī)使主軸進(jìn)給。如圖4所示：
圖4、主軸進(jìn)給圖示
由《機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》：
I=α×t0/3600×δ
其中α—步距角（deg） δ—脈沖當(dāng)量（鉆床取0.02mm）
t0—齒距（t0=Лm）
根據(jù)《機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》選步進(jìn)電機(jī) 取α=0.1 m=1.25
取α=0.75時(shí)
取I=3.2（α=0.1時(shí)）可?。?
Z1=20 Z2=64 m=1.25 b=20mm α=200
df1=mZ1=25mm df2=mZ2=80mm de1=28 de2=83
齒輪設(shè)計(jì)成直齒圓柱齒輪，齒輪材料為45鋼，則大小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為：
根據(jù)《機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表1，預(yù)選步進(jìn)電機(jī)為200BF001，查得電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm的計(jì)算：取V=2m/min
Tm=（F軸+F摩）V主軸進(jìn)給/2Πnm
（3） 起動(dòng)慣量矩的計(jì)算：
以最不利條件下的快速起動(dòng)計(jì)算，設(shè)起動(dòng)加速度或制動(dòng)減速度的時(shí)間
△t=0.3s，由于步進(jìn)電機(jī)的角速度
則： T慣=
則J∑=Tm+T慣=1.04+5.038=6.08Nm
（4） 步進(jìn)電機(jī)的匹配選擇：
如考慮機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的效率為n，安全數(shù)值為K，則此時(shí)負(fù)載總轉(zhuǎn)矩為：
由預(yù)選的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)200BF001，五相十步，步距角0.1%Step，其最大靜轉(zhuǎn)矩Tymax=14.7Nm，為保證正常的起動(dòng)和停止，步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tg必須大于或等于TΣˊ，由表可知Tg/Tymax的比值，取Tg/Tymax=0.951，
則Tg=14.7×0.951=13.98Nm>13.03Nm
故選擇合適。
2.4. 縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的分析及計(jì)算
2.4.1、 縱向進(jìn)給負(fù)載分析及計(jì)算
（1）摩擦阻力：
摩擦阻力應(yīng)等于正壓力乘以摩擦系數(shù)。正壓力應(yīng)包括軸向力F=1175N及工作臺(tái)加縱向軌道之重力，設(shè)工作臺(tái)重量為400Kg，縱向軌道重量為400Kg.
=[（400+400）×10＋1175]×0.1=917.5N
（2） 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算:
根據(jù)要求粗選：α=0.75 to=5
δ=0.005
∴
∴可取 =25 , =52 m=1.5 b=25mm =20o
df1=mZ1=1.5×25=37.5mm df2=mZ2=1.5×52=78mm
de1＝40.5mm de2=81mm
將齒輪看作近似的圓柱體，材料為鋼，則大、小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為:
J=7.8×d4 ×b×10-4 (kgm2)
JZ1=7.8×3.754×2.5×10-4=3.86×10-5Kgm2
JZ2=7.8×8.104×2.5×10-4=8.40×10-4Kgm2
滾珠絲桿直徑選擇為d 0=25mm, L=700mm,材料鋼，則絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可近似的算出為：
JS=7.8×2.54×70×10-4=2.13×10-4Kgm2
由《機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)指示書》表1，預(yù)選步進(jìn)電機(jī)為110BF004，查得電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
Jm=3.43×10-4Kgm2
折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
（3） 絲杠摩擦阻力矩的計(jì)算：
由于用的是滾珠絲杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不計(jì)。
（4） 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算：
Tm=(F縱+F摩) V工作/2πnm
由
（5） 起動(dòng)慣性阻力矩的計(jì)算：
以最不利條件下的快速起動(dòng)計(jì)算，設(shè)起動(dòng)加速式制動(dòng)減速的時(shí)間
Δt=0.5s(一般在0.1～1s之間)，由于步進(jìn)電機(jī)的角速度
∴角加速度
T慣＝J∑×εm=6.26×10-4×174.44=0.11Nm
（6） 步進(jìn)電機(jī)輸出軸總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算：
J∑=Tm +T慣=0.35+0.11=0.46Nm
2.4.2 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)加工匹配選擇
考慮機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的效率η為,安全系數(shù)為K,則比時(shí)的負(fù)載總，轉(zhuǎn)矩應(yīng)考慮為
由預(yù)選的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為110BF004，三相六拍，步距角0.75%step.其最大轉(zhuǎn)矩Tymax=4.9Nm為保證正常的起動(dòng)與停止，步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tg必須大于或等于TΣ',由表查出Tg/TΣ'=0.866
∴Tg=4.9×0.866=4.24Nm>0.99Nm 故選擇合適。
確定選用110BF004步進(jìn)電機(jī)。
2.4.3、 縱向進(jìn)給滾珠絲杠的校核
初選絲杠型號(hào)為CMD2504-3，因此必須進(jìn)行以下幾個(gè)項(xiàng)目的校核
（1） 承載能力的校核：
Ｑ＝fHfWPmaxCO 式中L—滾珠絲杠壽命系數(shù)（）
Pmax=F縱+F摩＝0+917.5＝917.5N
fH=1 fW=1.2 T=15000
Ｑ＝
選絲桿CMD2504－3
查表得絲桿額定載荷為ＣO=8.2KN>Q 滿足要求。
（2） 壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算：
取雙推—簡(jiǎn)支式支承，由FK=2
E-鋼的彈性模量2.1×10 5（Mpa）
I-絲杠小徑的截面慣性矩（）
查手冊(cè)可知，所用絲杠的最小徑為：d1 =21.9mm
取壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K=4
絲杠長(zhǎng)度L=LS=700mm
故滿足要求。
（3） 剛度驗(yàn)算：
絲杠的剛度是保證第一導(dǎo)程的變動(dòng)量要在允許范圍內(nèi)
絲杠最小截面積
設(shè)T0=0.5
I=2.26cm4 M= Tmaxi=4.9×2.08=10.20Nm=1020Ncm
∴“＋”號(hào)用于拉伸，“一”號(hào)用于壓縮，都取“＋”號(hào)，則:
由于選擇要求滾珠絲杠精度等級(jí)為C級(jí)，ΔL0=±4μm>0.681μm
所以滿足要求。
2.4.4、 縱向進(jìn)給軸承的選擇
推力球軸承：51305
向心球軸承：6205
2.5. 橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的分析及計(jì)算
2.5.1、 橫向進(jìn)給負(fù)載分析及計(jì)算
（1） 摩擦阻力：
當(dāng)鉆床的工作臺(tái)與導(dǎo)軌間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為滑動(dòng)摩擦，取摩擦系數(shù) 摩擦阻力應(yīng)等于正壓力乘摩擦系數(shù)。正壓力應(yīng)包括軸向力及工作臺(tái)之重力。工作臺(tái)的重量為400kg 。故可算出起摩擦阻力為：
F摩＝（400+1175）×0.1＝517.5N
（2） 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算：
根據(jù)要求粗選：α=0.36 to=5
δ=0.002
∴
∴初取 =20 , =50 m=1.5 b=25mm =20o
df1=mZ1=1.5×20=30mm df2=mZ2=1.5×50=75mm
de1＝33mm de2=78mm
將齒輪看作近似的圓柱體，材料為鋼，則大、小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為：
J=7.8×d4 ×b×10-4 (kgm2)
JZ1=7.8×3.34×2.5×10-4=2.31×10-5Kgm2
JZ2=7.8×7.84×2.5×10-4=7.22×10-4Kgm2
滾珠絲桿直徑選擇為d o=20mm, L=700mm,材料鋼，則絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可近似的算出為：
JS=7.8×24×70×10-4=0.87×10-3Kgm2
預(yù)選步進(jìn)電機(jī)為90BF006,查得電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
Jm=1.764×10-4Kgm2
折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
（3） 絲杠摩擦阻力矩的計(jì)算：
由于用的是滾珠絲杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不計(jì)。
（4） 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算：
Tm=(F橫+F摩) V工作/2πnm
鉆床工作臺(tái)行程速度為2 m/min根據(jù)絲桿螺距算出絲桿速度。再根據(jù)齒輪減速比算出步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為由
（5） 起動(dòng)慣性阻力矩的計(jì)算：
以最不利條件下的快速起動(dòng)計(jì)算，設(shè)起動(dòng)加速式制動(dòng)減速的時(shí)間 Δt=0.5s(一般在0.1～1s之間)，由于步進(jìn)電機(jī)的角速度
∴角加速度
T慣＝J∑×εm=4.96×10-4×209.44=0.14Nm
（6） 步進(jìn)電機(jī)輸出軸總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算：
J∑=Tm +T慣=0.16+0.14=0.30 Nm
2.5.2、 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)加工匹配選擇
如果考慮機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的效率為η=0.7,安全系數(shù)為K=1.5,