數控鉆床總體方案設計案例綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u13549數控鉆床總體方案設計案例綜述 1247121.1總體方案的確定 17831.2鉆床控制系統 2182801.3鉆床工作原理 3252841.4機身部分設計 3212241.5導軌的選用 424371.6傳動方式的確定 6101141.6.1滾珠絲杠螺母副的選用 6172131.6.2滾珠絲杠螺母機構的特點 675291.6.3滾珠絲杠螺母副的支撐方式 770361.7工作臺的尺寸確定 7數控鉆床總體方案的設計包括主軸系統的設計，絲杠進給系統的設計、機架框架的搭建、三軸方向的運動方案的確定等內容，結合設計要求、機床設計時的實際情況，提出幾套大致的總體方案然后進行綜合性分析，通過比較確定最貼合設計需求的方案，最終確定最合理的總體設計方案。1.1總體方案的確定本設計中的小型數控鉆床采用龍門式結構的總體布局，因為相較其他類型的布局形式，結構簡單節(jié)省材料，能夠經受的負載更大，結構穩(wěn)定，而且尺寸靈活，其總體布局示意圖如圖1.1：圖1.1系統總體結構其機械系統的基本組成如圖1.2：圖1.2系統基本組成1.2鉆床控制系統單片機是目前世界上應用最為廣泛的單片機系列。從最早的、、到后來的、，兼容結構和指令但具有各種新特性的單片機越來越多，幾乎所有單片機廠家的產品中都可以找到兼容的產品，熟悉了系列的編程和應用就意味著擁有了一個龐大的單片機家族，可以適合絕大多數單片機應用場合。由于數控鉆床的主要功能有攻絲、鉆孔、擴孔和鉸孔等功能，所以選擇連續(xù)控制系統。根據機床要求，采用8位微型計算機。由于系列單片機具有集成度高、速度快、功能強、可靠性好、抗干擾能力強、性價比高等特點，因此，在此設計中，采用的是系列的單片機進行控制。的基本特征如下：具有8位的中央處理單元(CPU)；片內有時鐘發(fā)生電路(或),每執(zhí)行一條指令時間為或者；具有5個中斷源，配備兩個優(yōu)先級；具有21個特殊功能寄存器；具有128字節(jié)的RAM；可尋址的外部數據存儲器和的外部程序存儲器；具有兩個16位定時器/計數器；具有四個I/0口，32根I/0線；具有位尋址能力，適用邏輯運算；具有一個全雙工串行接口。從上述特性得知：一塊的功能相當于微型計算機系統，足以擔當本次設計小型數控鉆床控制系統的重任。1.3鉆床工作原理信號從人機界面交互產生，發(fā)送到單片機內處理，然后對電機等控制元件發(fā)送指令，動力從電機產生經過聯軸器傳遞給主軸，使主軸高速旋轉，主軸旋轉帶動刀具旋轉在Z軸進給系統的帶領下對工件進行切削工作。三個軸的電機產生動力經聯軸器帶動滾珠絲杠轉動，使工作臺以及主軸系統在導軌上進行定位或者切削等工作。加工過程中工件不動，而刀具隨著加工需求運動。1.4機身部分設計本設計中采用龍門式的框架構造，把頂梁作為橫梁，不再單獨設計橫梁。鉆頭部分能沿橫向導軌做X方向的水平移動，也可以沿Z向導軌做豎直方向的升降運動。工作臺可以借助安裝在底座上的滾動導軌沿Y向進行水平移動。其機架框架如圖1.3。圖1.3機架框架三維圖示圖1.4底座三維圖示為了確保系統在運行時擁有足夠的穩(wěn)定性，在設計鉆床時特別注意了以下幾點：機床在進行結構設計時應確保其有足夠的剛性，以抵抗工件加工過程中帶來的振動；減少X,Y,Z各軸向運動物體的重量，減輕在軸向運動時產生的慣性沖擊；減少移動物體質量，使驅動功率減小，可以進一步減小電機工作壓力；為了使機床擁有較強的抗震性和吸震性，應該在允許范圍內增加固定部分的重量。此數控鉆床的底座采用大理石材質，因為該材料的受力變形小、而且擁有較高的穩(wěn)定性、其抗振性比鑄鐵材質的強、受熱也不會產生較大的尺寸變化、精度保持性也很高，很適合作為精密機床的平臺，底座部分設計如圖1.4。1.5導軌的選用導軌的作用是根據設計時的的運動需求和運動方向來支撐和限制運動單元的運動。其主要承受的力來自于運動單元、工件的質量以及工件加工時伴隨的切削應力。導軌主要由導軌和活動部件組成。常用的導軌副有多種。根據其實際工作時摩擦的種類可分為滾動導軌、滑動導軌、流體摩擦導軌等。其最主要的功能為承載和導向，所以在挑選時必須充分考慮其導向精度、精度保持性、剛度、運動平穩(wěn)性、工藝性好、制作簡單等各方面因素，本設計的小型數控鉆床采用的是滾動導軌來替代傳統機床的滑動導軌，使導軌與運動單元之間的滑動摩擦轉變?yōu)闈L動摩擦，所以滾動導軌的摩擦力大大減小，對于滾動導軌其摩擦系數，而且動、靜摩擦系數很接近；滾動導軌上運動單元運動時所需的功率比滑動導軌小很多，而且運動平穩(wěn)，很少出現爬行的現象；滾動導軌因為摩擦力很小所以磨損相較來說也小，在一定的范圍內能夠保持其精度，不會產生較大的波動，所以說滾動導軌擁有穩(wěn)定的移動精度和定位精度。滾動直線導軌副由鋼球、滑塊、導軌、保持架、返向器、擋板及密封端蓋等組成。其工作原理為：當運動單元在導軌上做相對移動時，其中的鋼球順著導軌上的淬火和精磨加工后的凹槽通道上滾動，鋼球運動到滑塊的最邊緣滾道時進入返向器返回另一端再次重復剛才的運動，構成環(huán)路，于是鋼球就就可以通過該方式一直在凹槽內運動實現運動單元在導軌上的滑動?；覊m以及加工時產生的碎屑會進入滑塊，影響滾珠直線導軌的正常運動，因此在返向器的兩側都裝有端蓋來杜絕此類現象的發(fā)生[6]。該小型數控鉆孔機選用GGB型等載荷四方向滾動直線導軌副。導軌最根本的需求就是在傳動的過程中有足夠的精度、可靠性以及能夠穩(wěn)定的實現運動單元的直線運動，該導軌副擁有4列圓弧和接觸角的鋼珠相接觸的設計，可以承受來自徑向拉力、徑向壓力以及橫截面上各個方向的力，適用于該鉆床上X、Y、Z軸的設計方案，在安裝時也靈活多樣，而且可以在對導軌副施加載荷來增強導軌在受力時的剛性時依然可以保持較低的摩擦，這種設計方式使它即使在高負荷的條件下機床仍然可以保持較高的精度。該導軌的設計使得導軌在實際工作時平均了四個方向的載荷，此設計方案使得不論導軌怎樣安裝潤滑油能夠在每條回路中都能夠起到相同的潤滑效果，減小了摩擦阻力產生的同時也提高了整條導軌的使用壽命。導軌上的弧型凹槽設計，讓導軌擁有了自我調控的功能，在給定預緊力的情況下也可以抵消安裝過程中產生的相對誤差，同時不會影響運動單元在導軌上的運動。導軌的滾珠設計相比滑動導軌在大大減小運動單元與導軌之間的摩擦力的同時，提高了整體的流暢性，啟動時電機所需功率，以及大幅降低噪音污染。所選導軌副型號為，額定動載，額定靜載，額定力矩，，。三個方向進給系選用同一型號導軌副，X向導軌長，Y向導軌長，Z向導軌長。圖1.5導軌三維圖示1.6傳動方式的確定1.6.1滾珠絲杠螺母副的選用大多數機床的進給系統都是直線運動，而電機作為動力輸出設備輸出的為旋轉運動，所以，在進給系統設計時，常用的運動形式轉化設計方案有凸輪桿機構、齒輪齒條機構和絲杠螺母機構等。本鉆床選用絲杠螺母機構，其工作方式示意圖如下：圖1.6絲杠螺母結構絲杠螺母機構在進給系統中的作用就是將電機產生的旋轉動力經過該機構轉變?yōu)檫\動單元的水平直線運動。其摩擦形式也分為滑動和滾動。滑動摩擦為主的絲杠螺母副構造簡單、加工方法簡單、制造的成本低、而且可以自鎖，但是因為摩擦阻力過大其傳動效率不高只有。滾動摩擦為主的絲杠螺母副雖然結構相較滑動的更復雜、制造成本也高，但是滾動摩擦的摩擦力小所以傳動效率更高一般為。因此滾動式的絲杠螺母機構在數控化機床上被廣泛的使用。滾動絲杠螺母副一般應用在精密度高的機床和數控機床的進給系統中，此次設計的鉆孔機就是將滾珠絲杠螺母副應用于進給傳動系統中。1.6.2滾珠絲杠螺母機構的特點滾珠絲杠的效率更高。相較滑動絲杠而言，滾珠絲杠內部的滾珠大大減小了運動單元與絲杠之間的摩擦，這使得效率可以提升3-4倍，同理在等負載的情況下，電機的啟動力矩將會大大減小。運動靈敏，低速無爬行現象。正因為滾珠的存在，滑塊的動摩擦系數與靜摩擦系數差距不大，轉向更加靈活，而且在運轉速度較低的條件下輕易不會出現爬行的狀況?？上S向間隙，軸向剛度高。滾珠絲杠可以在加工時增加預緊力，依次來減小軸向的縫隙，增加進給系統的定位精度。磨損小，精度保持性好。相較滑動摩擦，滾動摩擦對絲杠的磨損更小，而且絲杠和螺母都經過淬火，增加其剛度和使用壽命，便于保持較高的精度。摩擦系數小，無自鎖現象。這種機構可以使電機產生的旋轉動力與運動單元的水平直線運動之間相互轉化，即有運動的可逆性。因此當用于垂直傳動時須有制動裝置或自鎖機構。工藝復雜，成本高。滾珠絲杠以及螺母等零件形狀復雜，加工工藝以及工件表面粗糙度要求高，所以鑄造的成本也將變高。1.6.3滾珠絲杠螺母副的支撐方式機床絲杠一般的安裝方法有固定--自由、固定--支撐、兩端都固定三種，第一種在固定一端的軸承會受到來自徑向和軸向的雙重壓力，僅適用于行程較短的絲杠副；第二種的固定端同樣會受到徑向和軸向的壓力，在支撐的一端承受徑向壓力，而且可以有小幅度的軸向滑動，可以有效的減小絲杠因為自身重力問題產生的扭曲；最后一種兩端都采取固定的方式，兩端的軸承都會受到來自徑向和軸向的壓力，此時