机电一体化系统设计报告

机电一体化系统设计课程设计(说明书)龙门式数控钻床机械结构设计学院专业学生姓名学号指导教师完成日期上海理工大学本科课程设计(说明书)《龙门式数控钻床机械结构设计分析与综合》摘要近些年来，国内外机床工业的发展十分迅速，以数控为特征的现代化机床在生产中广泛应用。

在工农业生产中，经常会碰到一些大型回转体类零件，其上需加工很多孔。

用普通机床对其加工往往会遗漏，而小型数控加工中心则难以对其进行加工。

本课题就是针对这一问题，设计一台龙门式数控钻床，专门适合对这一类零件进行钻削加工。

它不仅大大减轻了操作者的劳动强度，而且大大提高了劳动生产率。

本次设计包括了数控钻床的主要机械结构，其中包括：主轴箱中的主传动系装配；进给系统中的工作台装配和传动系统中的丝杠螺母等设计。

同时，将各项相关技术合理运用，以达到最优化设计的目的。

机械制造工业是国民经济的基础。

机床工业则是机械制造工业的基础，它在国民经济中起着至关重要的作用，但我国机床工业与发达国家相比还有较大差距，我们必须奋发图强，努力工作，以便早日赶上世界先进水平。

关键词数控钻床导轨工作台滚珠丝杠上海理工大学本科课程设计(说明书)目录一、绪论 01.1国内外发展现状 01.2方案论证 (1)1.3数控系统总体方案确定 (2)二、结构设计 (2)2.1主机部分总体方案确定 (2)2.1.1床身 (2)2.1.2 工作台 (2)2.1.3主要参数 (2)三、实体建模.................................................. 3、43.1 Solidworks三维建模 (4)四、滚珠丝杠设计计算 (4)4.1 动载强度计算 (4)4.2滚珠丝杠轴向负荷F的计算 (5)4.2.1摩擦力的计算 (5)4.2.2惯性力计算 (5)4.2.3丝杠螺母长度估算 (5)4.2.4确定最大动载荷 (5)4.3确定滚珠丝杠型号 (6)4.4滚珠丝杠副的几何参数 (6)4.5传动效率计算 (6)五、机械部分设计计算 (7)5.1 轴承的选择与校核 (7)5.2等效力矩计算 (8)5.3 电机的选择 (8)5.3.1步进电机的选择 (8)5.3.2直线电机的选择 (8)设计小结 (9)致谢 (9)参考文献 (10)1上海理工大学本科课程设计(说明书)一、绪论1.1国内外发展状况1.1.1国内数控机床现状近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。

在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。

1.1.2国外数控机床现状况（1）、国际机床市场的消费主流是数控机床。

1998年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控化率达70%，我国为60%。

目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。

（2）、国外数控机床的网络化。

以西门子为代表的数控系统生产厂商已在几年前推出了具有网络功能的数控系统。

在这些系统中，除了传统的RS232接口外，还备有以太网接口，为数控机床联网提供了基本条件。

由于国外企业的发展水平，数控机床的网络接口功能被定义为用于远程监控、远程诊断。

1.2方案论证数控钻床按其布局形式及功能特点可分为数控立式钻床、钻削中心、印刷线路板数控钻床，数控深孔钻床及其它大型数控钻床等。

数控立式钻床是在普通立式钻床的基础上发展起来的，可以完成钻，扩，铰，攻丝等多道工序。

适用于孔间距离有一定精度要求的零件的中小批量生产。

它一般带有两坐标数控十字型工作台，被加工零件装夹在工作台上可进行两坐标移动，其控制系统一般是点位控制系统。

属于经济型数控，价格便宜。

数控钻床一般包括以下几个部分：（1）主机包括床身，立柱，工作台，和主轴箱等机械部件；（2）数控系统；（3）驱动装置；（4）其它辅助装置，如冷却系统，防护罩，排屑器。

上海理工大学本科课程设计(说明书)1.3数控系统总体方案确定1.3.1系统运动方式的确定数控系统的运动方式可分为点位控制系统，连续控制系统。

点位控制系统只能够实现由一个位置到另一个位置的精确移动，在移动过程中不进行任何加工。

连续控制系统要求工作台或刀具沿各个坐标轴的运动有精确的运动关系。

数控钻床在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工，因此数控装置可采用点位控制方式。

点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。

1.3.2伺服系统的选择开环控制系统没有检测反馈部件，不能纠正系统的传动误差。

但其结构简单，调整维修方便，在速度和精度要求不太高的场合广泛应用。

闭环控制系统在机床移动部件上装有检测反馈元件来检测实际位移，能补偿系统的传动误差，伺服控制精度高，调试复杂，系统造价高。

由于该机床是加工敢距精度有要求但不太高的零件，采用开环控制系统。

精度要求满足，结构简单，调整维修容易，可降低机床造价。

并采用步进电机作为伺服电机。

1.3.3执行机构传动方式确定为确保数控系统的传动精度和工作台平稳性，通常提出低摩擦，低质量，高刚度，无间隙，高谐振，以及由适宜阻尼比的要求。

为满足低摩擦，尽量消除传动间隙的要求。

本设计竖直方向的切削加工传动采用滚珠丝杠螺母传动副。

由于本机床设计要求精度不高，所以丝杠支撑为一端轴向固定，一端自由并加预拉伸的结构。

横梁采用直线电机直接驱动，横梁导轨采用直线导轨。

二、结构设计2.1主机部分总体方案确定2.1.1床身采用龙门式结构。

由两立柱，顶梁，横梁，工作台，主轴箱等组成。

其钻孔的位置定们分别由主轴箱沿横梁的横向移动和工作台的转动来实现。

横梁可沿两个立柱的导轨上下调整位置，以适应不同高度的加式需要。

这种布局形式由两个立柱，顶梁和床身构成龙门框架式结构，主轴中心线的悬身距离也很小，所以刚度较高，可提高加工精度。

2.1.2工作台工作台是数控机床的重要部件，其形式尺寸往往表现机床的规格和性能。

工作台有矩形，回转形式，以及倾斜成各种角度的万能工作台等三种。

由于该机床是加工大型盘形零件。

故采用回转工作台。

并采用开环控制。

其定们精度由控制系统决定。

1上海理工大学本科课程设计(说明书)2 2.1.3主要参数工件为m5.1Φ的盘形零件钻孔大小为mm305Φ-Φ工件高度为mm500查表：最大钻孔直径mm30Φ确定主轴圆锥孔莫氏号数为4 主轴端面到工作台的最大距离mm600=H主轴端面到底座工作台面的最大距离mm14001=H三、实体建模3.1 Solidworks三维建模根据已知数据和求出的数据用solidworks建模如图3-1。

基于机构图解法和解析法的设计思路，设计出了纵横两个方向不同的传动方式，此机械运动示意图，反映了机械从原动件到执行机构之间的运动转换功能及分功能解的定性描述，不能定量地确定出执行机构的运动参数，因为必须对机构进行尺度综合。

此图形象直观地展示了龙门式数控钻床的各个执行机构以及动力传动机构的运动形式，清晰地表达出了机床的工作路线和工作原理。

上海理工大学本科课程设计(说明书)3图3-1 solidworks 建模四、滚珠丝杠设计计算4.1 动载强度计算额定动负荷r F 是指当一批规格相同的滚珠丝杠螺母副，在一负荷力的测试运转下，能通过r 106运动，而有%90不产生疲劳损伤时所能承受的最大轴向载荷。

当r/min 10>n 时，滚珠丝杠螺母的主要破坏形式是工作表面的疲劳点蚀，因此要进行动载荷强度计算，其计算动载荷)N (c C 应小于或等于滚珠丝杠螺母副的额定动负荷，有公式：req H d 3/c F F f f T C ≤=式中，d f 动载荷系数，从《数控机床系统设计》[15]可查得：0.1d =f H f 硬度影响系数，同上，查表可得：56.1H =f上海理工大学本科课程设计(说明书)4eqF 当量动负荷，单位Nr F 滚珠丝杠螺母副的额定动负荷，单位N/T 寿命，以r 610为1个单位。

K 10106066eq /-==T n T 式中，T 使用寿命，h; K 循环次数； eqn 滚珠丝杠的当量转速，r/min 。

3221122231113eq KK K K ++++=t n t n t n F t n F F式中，1F 、ΛΛ2F 滚珠丝杠螺母副所承受的轴向载荷，N ； 1n 、ΛΛ2n 与1F 、ΛΛ2F 相对应的转速，r/min ；1t 、ΛΛ2t 相对应的工作时间，min4.2滚珠丝杠轴向负荷F 的计算 4.2.1摩擦力的计算初估算主轴箱重量为1000N ， 1.0=μ知； N 100N 10001.01=⨯==N F μ4.2.2惯性力计算有公式：a Mm 1G 30t T n T T =∑-⨯=+=)m K (1044.0)(2g 42mj j k m ϖV J J J显然惯性力很小，可忽略，所以。

轴向负荷N 1001==F F4.2.3丝杠螺母长度估算由公式：6h 1060nL L =查表得，使用推荐寿命 h L 15000h =，上海理工大学本科课程设计(说明书)5初选丝杠螺距mm t 5=由此可以算出丝杠转速：r/min1000551000=⨯=n所以： mm 90010150001000606=⨯⨯=L4.2.4 确定最大动负荷：k a h t w3f f f f f PL Q =式中，P 滚珠丝杠轴向负荷； wf 负荷性质系数；查《数控机床机器人机械系统设计指导》[6]中表4-2得 wf =1.2 t f 温度系数；同上书中在表4-3中可得：t f=1; h f 硬度系数；同上书中表4-4中得到：h f =1; af 精度系数；同上书中表4-5中得到：af =1;k f 可靠性系数；同上在表4-6中可得：k f =1；将查得数值：w f =1.2; t f =1; h f =1; a f=1; k f =1;代入公式得：N2.116821.11009003ka h t w3=⨯⨯==f f f f f P L Q4.3 确定滚珠丝杠型号额定动负荷应满足的条件为： 额定动负荷≥最大动负荷查书《数控机床设计实践指南》[7]表F-8可得：取公称直径 mm320=D滚珠丝杠螺母副的型号为：FF3204-3； 其基本额定动负荷为96000N ，足够用。

4.4 滚珠丝杠副的几何参数公称直径 mm320=D 螺距 mm 5=t螺旋升角 /23︒=λ滚珠直径 mm30=d滚道半径 mm 65.1=R 偏心距 mm 045.0=e 丝杠外径 mm 1.31 丝杠内径mm 9.28上海理工大学本科课程设计(说明书)6螺母配合外径 mm 76=D 螺母装配总长度 mm 47=L4.5 传动效率计算95.0)1023tan(23tan )tan(tan ///=+︒︒=+=ϕλλη式中，ϕ为摩擦角；λ为丝杠螺旋升角。