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1、立式钻削中心的机械结构设计第1章 绪论1.1 数控机床的概念数字控制是利用数字化信息对机械运动以及加工过程进行控制的一种方法，简称数控(Numerical Control, NC).数控机床是指采用了数控技术控制的机床，或者说是装备了数控系统的机床，也可称作NC机床。由于现在数控系统是通过计算机进行控制的，因此，数控机床又称CNC机床。1.2 数控机床的组成数控机床主要由数控系统、伺服系统、程序载体、输入输出装置、强电控制装置、辅助装置、和机床主体组成。输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。1.3 数控技术发展状况及发展趋势我国的机床制造工
2、业完全是在解放后建立起来的，现在，我国的机床工业已经从无到有，从小到大的成长起来了，形成了比较完整的机床体系。目前我国的机床产量不断的上升，完全的可以满足社会的需求，并有大量的机床出口，但是我国的机床技术水平和世界现进的水平还有一定的差距，主要表现在生产率低，寿命短和质量不稳定，此外在掌握某些重型机床，精度高的机床及数控机床方面，还需要进一步的努力，我国想达到发达的水平就必须发奋图强，努力的工作，还需做进一步的努力，深入广泛的开展科学的研究技术的革命，要善于吸取国外的先进技术，并和自己的创新结合起来，以加快我们的发展速度，把我国的机床事业推向辉煌。 随着电子技术和自动化技术的发展，数控技术的应
3、用越来越广泛。大地推动了数控机床的发展，但是结合我国的国情普遍机床仍占有很突出的地位，普通车床的万能性大，它适用加工各种轴类，套筒类和盘类零件上的回转面，如外圆柱面，圆锥面，环槽类及成型回转表面；车削端面及加工各类常用的公制，英制，模数制和节制螺纹；在普通车床上还能作钻孔，扩孔，铰孔，滚花等工作。用处很广，考虑到我国的劳动力众多，和一些企业的资金和技术能力普通机床还是很有市场的，普通机床按照它们的万能程度分为(1) 专门化机床，这类机床重要用于加工不同尺寸的一类或几类零件的特定工序。(2) 通用机床，这种机床的加工范围广，在这种机床上可以加工各种零件的不同工序，例如普通车床，卧式车床，万能升降
4、台铣床等，都属于通用机床，通用机床由于万能性较大，它的结构往往比较复杂，通用机床主要适用于单量小批生产。(3) 专用机床，这类机床是加工某一种零件的特定工序，例如：加工汽车后桥盖的组合镗床，机床主轴箱专用镗床等等，都是专用机床，专用机床是根据工艺要求专门设计的，它的生产率比较高，机床的自动化的程度往往也比较高，所以专用机床主要用于成批及大量生产1-3。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着它的发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。当前世界上
5、数控系统的发展呈现如下发展趋势：(1) 高速度高精度化速度和精度是数控系统地两个重要技术指标，它直接关系到加工效率和产品质量。对于数控系统，高速度化，首先是要求计算机数控系统在读入加工指令数据后，能高速度处理并计算出伺服电机的位移量，并要求伺服电机高速度的作出反应；其次，要是下生产系统的高速度化，必须使主轴转速、进给率、刀具交换、托盘交换等各种关键部件实现高速度化。提高数控机床的加工精度，一般是通过减少数控系统的误差和采用补偿技术来达到。在减少数控系统误差方面，一般采取三种方法：提高数控系统的分辨率，以微小程序段实现连续进给；提高位置检测精度；位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制。在采用补偿技
6、术方面，除采用间隙补偿、丝杠螺距补偿和刀具补偿等技术外，还可以采用热变形补偿技术4。(2) 多功能化一机多能的数控系统，可以最大限度的提高设备的利用率。数控加工中心（Machining Center-MC）便是一种能实现多工序加工的数控机床。这类数控系统控制的机床，一般配有机械手和刀具库（可存放16100把刀具）。工件一经装夹，数控系统就能控制机床自动的更换刀具，连续对工件的各个加工面完成铣削、铰孔、扩孔及攻螺纹等多工序加工，从而可以避免多次装夹所造成的定位误差。这样减少了设备台数、工件夹具和操作人员，节省了占地面积和辅助时间。为了提高效率，新型数控机床在控制系统和机床结构上也有所改革。例如，
7、采取多系统混合控制方式，用不同的切削方式（车、钻、铣、攻螺纹等）同事加工零件的不同部件等。现代数控系统控制轴数多达15轴，同事联动的轴数已达到6轴5。(3) 智能化数控系统应用高技术的重要目标是这能化。智能化技术主要体现在以下几个方面：(a) 引进自适应控制技术引进自适应控制技术（Adaptive Control-AC）的目的是要求在随机的加工过程中，通过自动调节加工过程中所测得的工作特征、状态，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，以达到或接近最佳的工作状态。通常数控机床是按照预先编好的程序进行控制，但随机因素，如毛坯余量和硬度的不均匀、刀具的磨损等难以预测。为了确保质量，势必在编程时采
8、用较保守的切削用量，从而降低了加工效率。AC系统可对机床主轴转矩、切削力、切削温度、刀具磨损等参数值进行自动测量，并由CPU进行比较运算后发出修改主轴转速和进给量大小的信号，确保AC处于最佳切削用量状态，从而在保证质量条件下使加工成本最低或生产率最高6。（b） 附加人机械化自动编程功能 建立切削用量专家系统和示数系统，从而达到提高编程效率和降低对编程人员技术水平的要求。（c） 具有设备故障诊断功能 数控系统出了故障，控制系统能够进行自诊断，并自动采取排除故障的措施，以适应长时间无人操作环境的要求。(4) 小型化蓬勃发展的机电一体化设备，对CNC系统提出了小型化的要求，体积小型化便于将机、电装置
9、糅合为一体。日本新开发的FS16和FS18都采用了三维安装方法，使电子元器件得以高精度的安装，缩小了新型TFT彩色液晶薄型显示器，使CNC系统进一步小型化，这样可更方便地将它们装到机械设备上7。1.4 设计的目的与意义在机床加工中钻床的加工工作量在总制造工作量中占有很大的比量。钻床为孔加工机床，按其机构形式不同可以分为摇臂钻床、立式钻床、卧式钻床、深孔钻床、多轴钻床等。主要用来进行钻孔、扩孔、铰孔、攻丝等。长期以来我国的机械制造工业中孔类加工多数由传统钻床来完成，但是传统的钻床在大批生产时存在许多的不足之处：(1) 自动化程度不高，难以进行大批量生产；(2) 工作效率低，且工人的工作环境恶劣；
10、(3) 占用人力较多，操作固定不交易出错；(4) 精度不高，工件装夹费时；(5) 加工产品质量不高。再生产过程中，手动的操作、繁琐的装夹、大量生产力的投入和单一的生产流程导致了钻床加工的自动化程度低、生产效率低、共作环境恶劣和产品质量不高，因此，我们需要解决的问题在于如何实现钻削加工的自动化、减少生产力的投入生产和与其他工艺流程相结合同时也要考虑经济问题7。针对以上传统钻床的不足之处及生产中存在的问题，我们有必要在传统钻床的基础上研究出新型数控钻床立式钻销中心。通过对传统钻床手动的进给系统、夹紧系统及传动系统的创新设计，假如新技术，从而提高产品质量和生产效率，实现自动化，降低劳动强度及工作量。
11、钻销中心具有自动换刀功能，可减少工件在机床上的两次安装，提高加工精度，稳定产品质量，减轻操作者的劳动强度，提高生产率，降低生产成本。钻销中心适用于机械制造各行业中的中小型零件的孔、平面加工，并可加工平面凸轮8。第2章 总体设计方案的确定2.1 设计方案本设计从角度入手，主要对主轴系统结构进行设计，通过分析，确定出主轴系统结构包括以下三部分，并对其提出设计方案，方案如下： 1. 传动系统 主轴的调速取消了齿轮变速机构，而是由交流电动机来实现，且主轴与电机轴之间采用带传动。主轴上的传动件，主要有齿轮和带。齿轮能够传递较大的转矩，是一般机床常用的传动副。但其线速度不能太高，传动也不够平稳。对于较高速
12、主轴，用带传动可以使运转平稳。本次设计采用多楔带传动。多楔带兼有V平带和V带的优点：柔性好，摩擦力大，能传递的功率大，并解决了多根V带长短不一使各带受力不均的问题。多楔带主要用于传递功率较大而结构要求紧凑的场合，传动比可达10，带速可达40m/s.本次设计最高转速为3000r/min，为较高速的传动，故选择多楔带传动合适9。 主轴上的传动件，主要由齿轮和带。齿轮能传递较大的转矩，是一般机床常用的传动副。缺点是线速度不能太高，传动也不够平稳。通常，线速度V12-15m/s。为使主轴运行平稳，可采用斜齿轮。螺旋倾角一般不宜超过15-20，以免引起有太大的轴向分力。主轴上尽量不要有华裔齿轮或其它活装
13、零件（如离合器），以免因轴颈与活装零件孔间有间隙而引起震振动。齿轮与主轴最好用圆锥配合。 较高速的主轴，用带传动可使运转平稳。在带传动中，常用的有平带传动、V带传动、多楔带传动和同步带传动等。平带传动结构最简单，带轮也容易制造，在传动中心距较大的情况下应用较多。常用的平带有帆布芯平带、编织平带（棉织、毛织和缝合棉布带）、棉纶片复合平带等数种。其中以帆布芯平带应用最广，它的规格可查阅国家标准或手册。在一般的机械传动中应用最广泛的是V带传动。V带的横截面呈等腰梯形，带轮上也做出相应的轮槽。传动时，V槽只和轮槽的两个侧面接触，即以两侧面为工作面。根据槽面摩擦的原理，在同样的张紧力下，V带传动较平带传
14、动能产生更大的摩擦力，这是V带传动性能上的最主要优点。再加上V带传动允许的传动比较大，结构较紧凑，以及V带多以标准化并能大量生产等优点，因而V带传动的应用比平带传动广泛的多。多楔角兼有V平带和V带的优点：柔性好，摩擦力大，能传递的功率大，并解决了多根V带长短不一而使各带受力不均的问题。多楔角主要由于传递功率较大而结构要求紧凑的场合，传动比可达10，带速可达40m/s. 传动带易拉长和磨损，设计时必须注意能调解中心距；磨损后易于更换；有可靠的防护装置以及防止与油接触受侵蚀。当线速度v30m/s时，可用V形带、多楔角或同步齿形带；v30m/s时，可用橡胶或皮革平带；v35m/s时，可用丝（天然丝、
15、涤纶丝）织呆由于本设计为较高速主轴，线速度v30m/s，故选用多楔角运动10。2. 主轴进给系统传统的钻床主轴进给系统主要由主轴、主轴套筒、主轴套筒箱套、齿轮齿条和轴承等组成。主轴在加工时即要做旋转运动，也要做轴向的进给运动。机床的主轴被安装在主轴的套筒内，套筒安置在主轴箱体孔的箱套内，主轴上侧由花键连接。机床加工时，旋转运动由花键传入，而进给运动则有齿轮通过齿条带动套筒在箱套内运动。本设计中采用了半闭环控制系统，半闭环系统的精度比闭环系统的精度略低，但是其结构简单而且调整方便。3. 夹紧系统传统钻床的夹紧主要是手工操作，由夹具夹紧工件。为了便于实现自动化控制，主轴内部刀具的自动加紧，则采用了
16、碟形弹簧与气压传动技术。2.2 方案的可行性分析2.2.1 钻销中心的设计特点采用本文提出的设计方案，所设计出的钻销中心具有如下特点：(1) 自动化程度较高 钻销中心不仅具有一般数控钻床的自动加工功能，而且装有转塔式刀库，可以自动更换刀具，进行多工序加工。由于采用了半闭环、连续轮廓控制的数控系统，可进行轮廓控制的铣削工序。当配有工业机器人时，尚可自动装卸工件，实现无人化生产。(2) 加工效率高 为了适应各种材料、各种尺寸的零件加工，采用了宽调速电机，使主轴调速范围宽，最高转速可达3000r/min。适合进行高速切削，以减少加工时的切削时间。机床快速定位速度也较高，工作台X向和Y向快速进给速度可达15r
