机械毕业设计（论文）20台钻数控改造设计

江苏城市职业学院毕业论文20台钻数控改造设计作 者：学 号： 班 级：10机械CAD/CAM指导教师： 江苏城市职业学院二一三年四月 全套三维图，加153893706摘要摘 要本文主要介绍了对普通手动式20台钻的数控改造和设计，通过加入数控进给系统、86步进电机、驱动器和控制器将手动的20台钻改造为数控自动钻床，并可通过数控系统实现自动控制。数控技术水平的高低已经成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已成为当今制造业的发展方向。我国是世界上机床产量最多的国家，但在数控机床的产品竞争力仍然处于较低的水平。因为开发一台新的数控机床的周期比较长，不能及时针对用户的需求提供满意的产品。为此我们应该在普通机床上考虑，不能一味的大量添置全新的数控机床，这样会造成资金投资量大，成本高，而且又会造成原有设备闲置浪费。把普通机床改造为数控机床不失为一条提高数控化率的有效途径。普通机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。这种机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原机床缺点和存在的问题生产效率高，尤其适合中国机床拥有量大、生产规模小的具体国情。目前我国机床市场的需求结构已经发生了很大的变化，数控机床，特别是普及型数控机床将逐步成为市场需求的主体。国内的机床制造企业在努力开拓高档数控机床市场的同时，一定要加速普及型数控机床产业化步伐。通过生产和进口数控机床并不能满足我国日益增长的制造业需求，而且淘汰大型企业原有的大量普通金属切削机床不但造成了很大的浪费，而且会因为缺乏资金购买大量的数控机床来填补淘汰普通金属切削机床后的机床空缺造成停产。所以，目前数控化改造是适应我国制造业迅猛发展、资金短缺、旧有机床所占比例大的国情所需。针对此次改造中，由于对机床的认识有限，在改造过程中一定有很多问题，技术还不够成熟，以后在实际工作中能多学习把这方面的知识进一步扩充。关键词：数控改造 十字滑台 步进电机 法兰设计 数控系统I目录目 录摘 要I目 录III第一章 绪论11.1概述：11.2软件简介11.2.1UG软件11.2.2AutoCAD简介2第二章 数控机床的应用52.1数控机床的产生与发展52.1.1数控机床的产生52.1.2数控机床的发展趋势52.2机床进行数控化改造的必要性72.2.1微观看改造的必要性72.2.2宏观看改造的必要性82.3机床数控化改造的现状82.3.1国外改造业的兴起82.3.2我国机床改造业的现状8第三章 数控改造主要步骤和总设计方案113.1十字滑台的选用与安装123.1.1 Z4120钻床的基本参数123.1.2十字滑台的选用123.2机械传动部件的计算与选择143.2.1步进电机的选用143.2.2减速器的选择243.3法兰的设计与加工243.4步进电机、丝杠、联轴器和法兰的安装343.4.1步进电机与法兰的连接343.4.2步进电机与丝杠的连接343.4.3法兰与十字滑台的连接35第四章 数控系统374.1数控系统的概述374.1.1四轴控制器的介绍374.1.2驱动器以及驱动电源的介绍384.2数控系统的工作原理以及工作原理图394.2.1驱动器与四轴控制器的电路连接图如下394.2.2数控系统的整体工作图及工作电路实物图如下：404.3改造后的20台钻效果图41结 论43参考文献45III第一章 绪论第一章 绪论1.1概述：20台钻多为普通手动式的，本文主要对20台钻进行数控改造和设计，改造中主要用到一个十字滑台、三个步进电机、两个法兰、一个减速器、一个数控系统、电路连接，将三个步进电机分别通过两个法兰一个减速器连接到X，Y，Z轴上，然后通过对控制器和驱动电源等的连接，使其能够进行数控化自动移动进给。改造过程中要用到一些工具和方法，例如钳子，螺丝螺母，扳子，电焊等。设计过程中采用的软件是UG软件和CAD软件。1.2软件简介1.2.1UG软件UG公司的产品主要有为机械制造企业提供包括从设计、分析到制造应用的Unigraphics软件、基于Windows的设计与制图产品Solid Edge、集团级产品数据管理系统品可视化技术ProductVision以及被业界广泛使用的高精度边界表示的实体建模核心Parasolid在内的全线产品。UG特点:（1）建模的灵活性复合建模：无需草图,需要时可进行全参数设计,无需定义和参数化新曲线可直接利用实体边缘。几何特征 ：具有凸垫、键槽、凸台、斜角、挖壳等特征、用户自定义特征 、引用模式 。光顺倒圆: 业界最好的倒圆技术 ，可自适应于切口、陡峭边缘及两非邻接面等几何构形，变半径倒圆的最小半径值可退化至极限零。装配建模通过施加约束与配合关系，采用拖放方式操作，使得零件装配就像搭积木一样方便，对装配、子装配、零件、装配特征、约束及辅助视图以记录树形式进行管理，可以完成装配件爆炸、剖切、干涉检查、运动仿真、最小间隙、物性计算、零件列表等。可提供自顶向下、自底向上两种产品结构定义方式并可在上下文中设计编辑 ，高级的装配导航工具 ，可图示装配树结构，可方便快速的确定部件位置 ， 对装配件的简化表达，隐藏或关掉特定组件。局部着色 ，强大的零件间的相关性 ，配对条件，零件间的表达式（关系） ，协同化团队工作 ，可方便的替换产品中任一零部件，刷新部件以取得最新的工作版本，团队成员可并行设计产品中各子装配或零件。（2）直观的二维绘图对制图员来讲，简单并富于逻辑性 ，剖视图自动相关于模型和剖切线位置 ，正交视图的计算和定位可简便的由一次鼠标操作完成 ，自动隐藏线消除 ，自动尺寸排列不需要了解设计意图 ，自动工程图草图尺寸标注。（3）被业界证实的数控加工轴铣 ，车加工， 线切割， 钣金件制造 ，刀轨仿真和验证 ，刀具库标准工艺数据库功能 。（4）领先的钣金件制造可在成型或展开的情况下设计或修改产品结构 ，折弯工序可仿真工艺成型过程 ，钣料展开几何自动与产品设计相关 ，可在一幅工程图中直接展示产品设计和钣料展开几何 。（5）集成的数字分析机构运动学分析 ，硬干涉检查和软干涉检查 ，运动仿真和分析 ，动画过程中的动态干涉检查。（6）照片真实效果渲染利用基于数字的设计审视，加快产品上市时间 ，快速成型。1.2.2AutoCAD简介AutoCAD是由美国Autodesk欧特克公司于二十世纪八十年代初为微机上应用CAD技术而开发的绘图程序软件包，经过不断的完美，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。 AutoCAD具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。AutoCAD具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行，并支持分辨率由320200到20481024的各种图形显示设备40多种，以及数字仪和鼠标器30多种，绘图仪和打印机数十种，这就为AutoCAD的普及创造了条件。特点AutoCAD软件具有如下特点： (1)具有完善的图形绘制功能。(2)有强大的图形编辑功能。 (3)可以采用多种方式进行二次开发或用户定制。 (4)可以进行多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力。 (5)支持多种硬件设备。 (6)支持多种操作平台 (7)具有通用性、易用性，适用于各类用户此外，从AutoCAD2000开始，该系统又增添了许多强大的功能，如AutoCAD设计中心（ADC）、多文档设计环境（MDE）、Internet驱动、新的对象捕捉功能、增强的标注功能以及局部打开和局部加载的功能，从而使AutoCAD系统更加完善.基本功能:平面绘图。能以多种方式创建直线、圆、椭圆、多边形、样条曲线等基本图形对象。绘图辅助工具。AutoCAD提供了正交、对象捕捉、极轴追踪、捕捉追踪等绘图辅助工具。正交功能使用户可以很方便地绘制水平、竖直直线，对象捕捉可 帮助拾取几何对象上的特殊点，而追踪功能使画斜线及沿不同方向定位点变得更加容易。编辑图形。AutoCAD具有强大的编辑功能，可以移动、复制、旋转、阵列、拉伸、延长、修剪、缩放对象等。标注尺寸。可以创建多种类型尺寸，标注外观可以自行设定。书写文字。能轻易在图形的任何位置、沿任何方向书写文字，可设定文字字体、倾斜角度及宽度缩放比例等属性。图层管理功能。图形对象都位于某一图层上，可设定图层颜色、线型、线宽等特性。三维绘图。可创建3D实体及表面模型，能对实体本身进行编辑。网络功能。可将图形在网络上发布，或是通过网络访问AutoCAD资源。 37 第二章 数控机床的应用第二章 数控机床的应用2.1数控机床的产生与发展2.1.1数控机床的产生 社会需求是推动生产力发展最有力的因素。二十世纪四十年代以来，由于航空航天技术的飞速发展，对于各种飞行器的加工提出了更高的要求，这些零件大多形状非常复杂，材料多为难加工的合金。用传统的机床和工艺方法进行加工，不能保证精度，也很难提高生产效率。为了解决零件复杂形状表面的加工问题，1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。半个世纪以来，数控技术得到了迅猛的发展，加工精度和生产效率不断提高。数控机床的发展至今已经历了两个阶段和六个时代：（1）数控（NC）阶段（1952年1970年） 早期的计算机运算速度低，不能适应机床实时控制的要求，人们只好用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，这就是硬件连接数控，简称数控（NC）。随着电子元器件的发展，这个阶段经历了三代，即1952年的第一代电子管数控机床，1959年的第二代晶体管数控机床，1965年的第三代集成电路数控机床。（2）计算机数控（CNC）阶段（1970年现在） 1970年，通用小型计算机已出现并投入成批生产，人们将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入计算机数控阶段。这个阶段也经历了三代，即1970年的第四代小型计算机数控机床，1974年的第五代微型计算机数控系统，1990年的第六代基于PC的数控机床。 随着微电子技术和计算机技术的不断发展，数控技术也随之不断更新，发展非常迅速，几乎每5年更新换代一次，其在制造领域的加工优势逐渐体现出来。2.1.2数控机床的发展趋势 数控机床的出现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，而且随着数控技术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、医疗等）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。当前世界上数控机床的发展呈现如下趋势： （1）高速度高精度化 速度和精度是数控机床的两个重要技术指标，它直接关系到加工效率和产品质量。对于数控机床，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地做出反应。此外，要实现生产系统的高速度化，还必须谋求主轴转速、进给率、刀具交换、托盘交换等各种关键部件也要实现高速度化。 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，还采用了热变形补偿技术。 （2）多功能化 一机多能的数控机床，可以最大限度地提高设备的利用率。如数控加工中心（Machining CenterMC）配有机械手和刀具库，工件一经装夹，数控系统就能控制机床自动地更换刀具，连续对工件的各个加工面自动地完成铣削、镗削、铰孔、扩孔及攻螺纹等多工序加工，从而避免多次装夹所造成的定位误差。这样减少了设备台数、工夹具和操作人员，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，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）同时加工零件的不同部位等。现代数控系统控制轴数多达15轴，同时联动的轴数已达到6轴。 （3）智能化 数控机床应用高技术的重要目标是智能化。智能化技术主要体现在以下几个方面： 引进自适应控制技术 自适应控制技术（Adaptive ControlAC）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状态、特性，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处于最佳的切削用量状态，从而在保证质量条件下使加工成本最低或生产率最高。AC系统主要在宇航等工业部门用于特种材料的加工。 附加人机会话自动编程功能 建立切削用量专家系统和示教系统，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。 具有设备故障自诊断功能 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，对数控系统提出了小型化的要求，体积小型化便于将机、电装置揉合为一体。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密度地安装，大大地缩小了系统的占有空间。此外，它们还采用了新型TFT彩色液晶薄型显示器，使数控系统进一步小型化，这样可更方便地将它们装到机械设备上。 （5）高可靠性 数控系统比较贵重，用户期望发挥投资效益，因此要求设备具有高可靠性。特别是对在长时间无人操作环境下运行的数控系统，可靠性成为人们最为关注的问题。提高可靠性，通常可采取如下一些措施： 提高线路集成度 采用大规模或超大规模的集成电路、专用芯片及混合式集成电路，以减少元器件的数量，精简外部连线和减低功耗。 建立由设计、试制到生产的一整套质量保证体系 例如，采取防电源干扰，输入/输出光电隔离；使数控系统模块化、通用化及标准化，以便于组织批量生产及维修；在安装制造时注意严格筛选元器件；对系统可靠性进行全面的检查考核等。通过这些手段，保证产品质量。 增强故障自诊断功能和保护功能 由于元器件失效、编程及人为操作错误等原因，数控机床完全可能出现故障。数控机床一般具有故障自诊断功能，能够对硬件和软件进行故障诊断，自动显示出故障的部位及类型，以便快速排除故障。新型数控机床还具有故障预报、自恢复功能、监控与保护功能。例如，有的系统设有刀具破损检测、行程范围保护和断电保护等功能，以避免损坏机床及报废工件。由于采取了各种有效的可靠性措施，现代数控机床的平均无故障时间（MTBF）可达到1000036000h。2.2机床进行数控化改造的必要性 2.2.1微观看改造的必要性 微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。 由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 2.2.2宏观看改造的必要性 宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 2.3机床数控化改造的现状 2.3.1国外改造业的兴起 在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofitting）业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。2.3.2我国机床改造业的现状我国的数控系统以传统的封闭式体系结构为主。在传统的封闭式结构中，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个改造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、背吃刀量、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和素基因数实时外部调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM 中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的控制过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。第三章 数控改造主要步骤和总设计方案第三章 数控改造主要步骤和总设计方案20台钻数控改造主要分4个步骤进行，首先第一步，根据Z4120钻床的底座尺寸大小确定需要的十字滑台的大小，十字滑台可以自己订做；然后第二步由钻床的参数性能十字滑台的丝杠推算出所选的步进电机；第三步设计三个步进电机和丝杠钻床的连接，X，Y轴连接中要设计法兰通过联轴器使步进电机和丝杠连接，Z轴要使用与所用步进电机相符合的减速器；第四步确定步进电机和控制器，驱动电源等的连接，中间要用到汇接板等器件。改造前的台钻如图3-1和图3-2所示： 图3-1 图3-2改造后的台钻如图3-3所示：图3-33.1十字滑台的选用与安装3.1.1 Z4120钻床的基本参数Z4120钻床的基本参数如表3-1所示：表3-1 Z4120钻床的基本参数通过对普通20台钻的底座大小的测量，可以确定出所要用的十字滑台的尺寸大小，从图片工作台尺寸280*300mm可以得出十字滑台的尺寸大概为多少。因此，在用制图软件画图时就有了参考数据以其购买十字滑台时有了依据这样给你的设计带来很大的便捷。3.1.2十字滑台的选用图3-4由图3-4可以看到十字滑台大概是由上中下三大块两个轴动丝杠相组成的一个十字型的可以相互滑动的一个部件，同时它也带有一定的刻度，它四个顶端分别有四个刻度手摇柄。根据对普通20台钻底座的测量我们可以大致确定出需要的十字滑台的大小。下面将为大家展示通过测量传统20台钻的底座，使用UG画图软件画出的立体图的十字滑台，如图3-5和图3-6图3-5图3-6下面的是将两个滑块连接起来的部件，如图3-7图3-7通过UG软件把它们组装成一个完整的十字滑台，效果如图3-8：图3-8通过在台钻底座打孔使用紧固件和电焊使十字滑台与20台钻的底座连接。要想这样的十字滑台可以自动化还必须要加步进电机，然后与数控系统连接才能形成一个自动化的十字滑台，如图3-9：图3-9步进电机如何通过法兰和联轴器与十字滑台连接，下面的章节中会有详细的讲解及效果图。3.2机械传动部件的计算与选择3.2.1步进电机的选用 1. 确定脉冲当量，计算切屑力一、确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量，它是衡量数控机床加工精度的一个重要参数，因此。脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用脉冲当量为0.01mm/脉冲0.005mm/脉冲。在Z4120的主要技术参数中要求横向、纵向脉冲当量为0.01mm。二、切削力计算在进行进给系统的传动计算,选用步进电机时,都要用到切削力(机床的主要负载)，我所设计的是数控钻床，因此我们在设计中要分析和计算铣削和钻削。 （一）钻削的载荷的计算普通的麻花钻每一切削刃都会产生切向方向的切削抗力，径向切削抗力与轴向方向的轴向抗力，当左右切削刃对称时，径向的抗力就会向平衡。切向的抗力形成钻削力矩，他消耗了切削功率，所用切削刃上轴向抗力之和就形成了钻头上的轴向应力。钻头切削力的计算包括钻头主轴转矩计算和主轴轴向切削力的计算。由于加工材料为Q235钢，其属于碳素结构钢，钻头为高速钢麻花钻，加工方式为钻孔，所以查机床夹具设计手册得：1.钻削转矩计算公式如下：式中，：切削力矩（NM）：钻头直径（20mm）：每转进给量（0.1mm）：修正系数： 2.轴向切削力的计算公式如下：式中，：轴向切削力（N）已知被加工材料为Q235结构钢，结构钢和铸钢取=736MPa，D=20mm，=0.1mm，所以可分别计算出切削转矩和轴向切削为：=21.6 NM=2661.7 N（二）铣削抗刀分析铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给）。铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端面铣刀为基本形线。圆柱铣和端面铣刀的切削部分都可看做车刀刀头的演变，铣刀的每一个齿相当于一把车刀，它的切削基本规律与车削相似。1.削抗力的合力为：将沿铣刀轴线径向和切向进给分解，则分别为轴向铣削力和径向铣削力。切向铣削力是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗的铣床主电机功率最多。因此，切向铣削力可以按切削功率（kw）或主电机功率（ kw）计算，也可以按切削用量进行计算。 式中：V：主轴传递全部功率时的最低切削速度，100m/s； ：机床主传动系统的效率。这里按电机功率进行计算。图3-10：铣削力及工作台上的载荷2.进给工作台工作载荷的计算作用在进给工作台上的合力与铣刀刀齿的铣削抗力的余力大小相同方向相反，如图2-6所示，合力就是设计和校核工作台进给系统的时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台的纵向进给方向载荷Fx 工作台横向进给方向载荷Fy 和工作台垂直进给方向载荷Fz 。工作台工作载荷Fx、Fy和Fz与铣刀的切向铣削力Fz之间有一定的经验笔直比值（可查机电综合指导表2-1），因此，求出后，即可计算出工作台工作载荷、和。即 ：, 则： = 207.36N, = 207.36 N, = 172.8 N.2. 传动比的计算1）为满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了是传动系统负载惯量尽可能小，传动链中采用蜗轮蜗杆传动。根据Z4120钻床的基本参数，主轴行程L=125mm。由 则 由 则 由则预选的86HS15060A4步进电机的扭矩为3.512则则圆弧圆柱蜗轮蜗杆减速器的最小传动比为4，最大传动比为16，这里我们初选圆弧圆柱蜗轮蜗杆减速器的传动比。计算出传动比后，再根据降速级数决定蜗轮蜗杆传动，再决定各对蜗轮的齿数、模数和各项技术参数。因为进给伺服系统传递功率不大，一般取模数m=12，数控车床、铣床取m=2，所以这里我们取m=2。2）传动比的校验以主轴钻孔时最大转速为,主轴进给速度为，则有： 则要求步进电机的最大输出转速大于，很显然86HS15060A4步进电机满足此要求。通过以上的预算，这里我们选用圆弧圆柱蜗轮蜗杆减速器的传动比为15。3. Z轴进给步进电机（1）计算进给牵引力Fm（N）可根据机床设计手册进给牵引力的实验公式计算纵向为燕尾型导轨：K：颠覆力矩影响的实验系数K=1.15；：滑动导轨摩擦因素=0.150.18，取=0.16:； G：溜板及刀架重力，G=800N。 其中 分别是上面计算的数据， 因此上面的公式可以化为：（2）系统等效转动惯量的计算传动系统的转动惯量是一种惯性负载，在电机的选用的时候必须加以考虑。由于传动系统的各传动不见并不是与点饥轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算的问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上面的总传动惯量，即是传动系统等效转动惯量。1) 对于工作台溜板的转动惯量折算到电动机主轴上的计算公式：为脉冲当量，0.01mm;：步进电动机的步距角，；：蜗轮蜗杆减速器的传动比，=15；：重力加速度，=10。工作台的质量的折算 工作台是移动不见，其移动质量折算到丝杠轴上的转动惯量可以按下面的公式进行计算：2) 对于轴，轴承，齿轮，联轴器，丝杠等圆柱体的转动惯量计算公式为对于钢材，材料密度为代入就有其中：D为圆柱体的直径；L为圆柱体的长度。丝杠转动惯量的折算到电机轴上为：3) 动系统等效转动惯量计算我们设计的机床，是采用的是一对齿轮传动的减速传动，因此我们可以根据下面的公式，进行计算：其中 :为传动系统等效转动惯量;根据查资料和计算我们可以得到（3）初选步进电机1) 计算步进电机的负载转矩式中： ：进给牵引力（N）； ：丝杠的传动效率，为齿轮、轴承、丝杠效率之积； ：齿轮副的传动效率，是齿轮副的传动比； ：燕尾型导轨副的传动效率。因为：，则2) 估算步进电机的起动转矩式中：0.3为安全系数。3) 计算最大静转矩查表取三相六拍，则4) 计算步进电机运行频率和最高起动频率试中：最大快移速度（m/min），这里为2m/min； ：最大切削进给速度（m/min）;这里为0.1 m/min； ：脉冲当量，取0.01mm/step。5） 初选步进电机型号选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏低，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用开环控制，任务书初选的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有1500mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。根据估算出的最大静转距查得86HS15060A4最大静转距为12 ，可以满足要求，考虑到此经济型数控铣床有可能使用较大的切削用量，应选稍大转距的步进电机，以便留有一定的余量，另一方面，与国内同类型机床类比，决定采用86HS15060A4步进电机，查得86HS15060A4步进电机最高空载起动频率和运行频率满足要求。86步进电机的基本信息，见表3-2表3-2 86步进电机的基本信息参数说明，见表3-3表3-3 86步进电机的参数说明尺寸说明，如图3-11图3-11（4）步进电机的校验机床在不同的工作情况下，其所需要的转矩不同，下面分别按各阶段计算。1) 快速空载起动转距在快速空载起动阶段，加速转矩占的比例较大，具体计算公式如下：式中：快速空载起动转矩；：空载起动时折算到电机轴上的加速转矩；：折算到电机轴上的摩擦转矩； ：由于丝杠预紧时折算到电机轴上附加摩擦转矩。摩擦转矩式中：运动部件的总重量（N）；：导轨摩擦系数，取； ：蜗轮蜗杆减速器的传动比，。 空载起动时折算到电机轴上的加速转矩：式中：折算到电机轴上的总等效转动惯量，（）；：电机最大角加速度，（）；：电机最大转速，（）；：运动部件最大快进速度，（）；：运动部件从停止起动到加速到最大快进速度所需要的时间，（0.025s）。上面三项合计为： 2) 快速移动时所需的转矩：3) 最大切削负载时所需转矩：从上面的计算可以看出，和三种工作情况下，以快速空载起动转矩最大，即以此项作为较核步进电机转矩的依据。查表知，当步进电机为三相六拍时，则最大静转矩为：而86HS15060A4型步进电机最大转矩为12，大于所需要的最大静转矩，可以满足此项要求。3.2.2减速器的选择减速器顾名思义本质就是用于减速用的，它的工作原理一般是用于大扭矩低转速的传动设备，把电动机一类高速运转的动力通过减速器来达到减速的目的，这样对加工方面能够更好的控制精度，从而达到更好的效果，20台钻数控化改造中，在Z轴用到减速器可以方便精度的控制，它是跟86步进电机配套用的。下面将展示减速器以及与步进电机连接的效果图如图3-12和图3-13： 图3-12 图3-133.3法兰的设计与加工法兰（Flange），又叫法兰盘或凸缘盘。法兰是使管子与管子相互连接的零件，连接于管端；也有用在设备进出口上的法兰，用于两个设备之间的连接，如减速机法兰。法兰连接接或法兰接头，是指由法兰、垫片及螺栓三者相互连接作为一组组合密封结构的可拆连接，管道法兰系指管道装置中配管用的法兰，用在设备上系指设备的进出口法兰。法兰上有孔眼，螺栓使两法兰紧连。法兰间用衬垫密封。法兰分螺纹连接（丝扣连接）法兰和焊接法兰和卡夹法兰,在连接方面法兰连接（flange joint）由一对法兰、一个垫片及若干个螺栓螺组成，垫片放在两法兰密封面之间，拧紧螺母后，垫片表面上的比压达到一定数值后产生变形，并填满密封面上凹凸不平处，使连接严密不漏。法兰连接是一种可拆连接。根据十字滑台上下块两端的尺寸大小及丝杠和步进电机的尺寸，设计出X，Y轴上需要使用的法兰的形状与大小。X轴上的法兰（1），三维效果图及CAD二维效果图如图3-14，图3-15和图3-16： 图3-14 图3-15图3-16法兰（1）设计的主要步骤：1.在桌面上打开UG软件 2.点击工具栏上的进入UG草图状态 3.选择Y-Z平面，画草图，如图3-17所示 图3-174.点击工具栏上的，进入建模状态5.点击工具栏上的，选择刚画的草图进行拉伸，如图3-18和图3-19所示： 图3-18 图3-196.在拉伸面上再进入草图，进行绘制如图3-20：图3-207.选择草图再进行拉伸并求和，如图3-21和图3-22： 图3-21 图3-228.点击图标，对刚才拉伸的实体进行边倒圆，如图3-23和图3-24： 图3-23 图3-249.在拉伸面上进行草图并拉伸求差，如图3-25和图3-26： 图3-25 图3-2610.在实体表面上进行草绘，并拉伸求和，如图3-27和图3-28： 图3-27 图3-2811. 在实体表面上进行草绘，并拉伸求和，如图3-29和图3-30： 图3-29 图3-3012. 在实体表面上进行草绘，并拉伸求差，如图3-31和图3-32： 图3-31 图3-3213. 在实体表面上进行草绘，并拉伸求差，如图3-33和图3-34： 图3-33 图3-3414.点击图标，选择需要镜像的拉伸特征，再选择X-Z平面进行镜像，如图3-35和图3-36所示： 图3-35 图3-3615. 在实体表面上进行草绘，并拉伸求差，如图3-37和图3-38： 图3-37 图3-3816. 在实体表面上进行草绘，并拉伸求差，如图3-39和图3-40： 图3-39 图3-4017. 在实体表面上进行草绘，并拉伸求差，如图3-41和图3-42： 图3-41 图3-4218. 选择需要镜像的拉伸特征，再选择X-Z平面进行镜像，如图3-43和图3-44所示： 图3-43 图3-44这样法兰（1）就设计完成了。Y轴上的法兰（2），三维效果图及CAD二维效果图如图3-45，图3-46和图3-47 图3-45 图3-46图3-47法兰（2）的绘图设计步骤与法兰（1）相似，这里就不作详细绘图步骤了，如图3-48所示： 图3-48这里要用到盖在两个法兰上的外壳，外壳的作用是防止灰尘和铁屑等杂物的进入影响到丝杠的滚动，它起到保护丝杠的作用。外壳的形状尺寸大小是根据法兰的形状大小来设计的，外壳的效果图如图3-49和图3-50： 图3-49 图3-50设计步骤如下：1.点击工具栏上的进入UG草图状态2.选择Y-Z平面，进行绘制如图3-51：图3-513.对所绘草图进行拉伸，如图3-52：图3-524.选择实体表面，进行草绘并拉伸求差，如图3-53和图3-54所示： 图3-53 图3-54这样外壳就简单的完成了。3.4步进电机、丝杠、联轴器和法兰的安装3.4.1步进电机与法兰的连接步进电机与法兰连接需要螺丝进行紧固，效果图如图3-55：图3-553.4.2步进电机与丝杠的连接步进电机与丝杠的连接中要用到联轴器，联轴器是根据丝杠和步进电机进行选择的。在联轴器上用螺丝使丝杠与步进电机连接在一起，效果图如图3-56，图3-57和图3-58：图3-56 图3-57 图3-583.4.3法兰与十字滑台的连接在法兰上面需要盖一外壳，通过螺丝使外壳与法兰连接，法兰与十字滑台连接。效果图如图3-59和图3-60所示： 图3-59 图3-60最后的组装整体效果图如图3-61和图3-62所示： 图3-61 图3-62作者简介第四章 数控系统4.1数控系统的概述4.1.1四轴控制器的介绍1.在这里20台钻的数控化改造中我们用的是四轴驱动控制器这种控制器采用高性能32 位Cpu，驱动装置采用细分步进电机或交流伺服电机，配备液晶显示器，全封闭触摸式操作键盘。该系统具有可靠性高，精度高，噪音小，操作方便等特点。本控制器可控制四个电机运动，可实现点位、直线、圆弧插补的操作。具有循环、跳转、子程序、中断、随动、测位等功能。支持中文、英文，文字指令、GM 代码。简单、清晰的参数给您的操作带来方便和快捷。输入/输出的设置功能可方便您的使用和维修。2.主要功能：参数设置、可设置与加工、操作的各个控制参数，使加工效果达到最佳状态。手动操作：可实现高、低速手动、点动、回程序零、回机械零等操作。程序管理：可对当前加工程序进行修改、保存。自动加工：可实现单段/连续、空运行、暂停等功能。示教编程：可使用示教编程或选择示教外部手动：可定义多种外部手动功能，以方便使用自由选择输入功能：使有限输入口可实现各种用户需求指令丰富：17 条多功能指令，能满足您的各种功能需要快速点位：名轴可以最高速度分动，以提高效率子程序：子程序调用，可嵌套8 层中断：由外部信号中断当前的运动转入中断处理随动：各轴运动的过程中，随动轴可根据输入点的状态运动测位停：遇输入点有效后中止当前程序行的执行3.系统组成：数控系统主要由以下几部分组成：高性能、高速度32 位液晶显示器(分辨率:19264)专用运动控制芯片(信号输出为:5V TTL)输入/输出(10 路光电隔离24V 输入,10 路光电隔离24V 输出)用户加工程序存储器(可存储48 个程序)最大程序行数420 行薄膜按键阵列(28 键)4.技术指标： 最小数据单位 0.001mm最大数据尺寸 9999.999mm快速点位运动限速 8000mm/min (脉冲当量为0.001 毫米时)最高加工速度限速 8000mm/min (脉冲当量为0.001 毫米时)5.外观及面板：外形尺寸：长172，宽94，厚30嵌入孔尺寸：长162，宽84，前面板厚4四轴控制器的部分图片如图4-1和图4-2： 图4-1 图4-24.1.2驱动器以及驱动电源的介绍