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

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目 录

一、 绪论 ......................................................... 0 1。1国内外发展现状 ...............................................................................................0 1.2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、4 3.1 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

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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。

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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。

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2。1。3主要参数

工件为1.5m的盘形零件 钻孔大小为530mm 工件高度为500mm

查表：最大钻孔直径30mm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H600mm

主轴端面到底座工作台面的最大距离H11400mm

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。

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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Fr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，

610r运动，而有90%不产生疲劳损伤时所能承受的最大轴向载荷。 能通过

当n10r/min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Cc(N)应小于或等于滚珠丝杠螺母副的额定动负荷,有公式：

［15］

式中，fd动载荷系数，从《数控机床系统设计》可查得:fd1.0

Cc3T/fdfHFeqFrfH硬度影响系数，同上，查表可得：fH1.56

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Feq当量动负荷，单位N

6Fr滚珠丝杠螺母副的额定动负荷,单位N

T/寿命，以10r为1个单位。

60neqT6T/10K610 式中，T使用寿命，h; K循环次数； neq滚珠丝杠的当量转速，r/min。

Feq3

式中，F1、F2滚珠丝杠螺母副所承受的轴向载荷，N； n1、n2与F1、F2相对应的转速，r/min;

F31n1t1F32n2t2n1t1n2t2t1、t2相对应的工作时间，min

4。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, 0.1知； F1N0.11000N100N

4.2.2惯性力计算

TG有公式：

Vj2JmJkJj()0.44104(Kgm2)T1nmTM30ta

m

显然惯性力很小,可忽略,所以.轴向负荷FF1100N

4。2.3丝杠螺母长度估算

由公式：

60nLhL106

查表得,使用推荐寿命 Lh15000h，

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初选丝杠螺距t5mm由此可以算出丝杠转速：

n1000551000r/min

所以： L60100015000106900mm

4.2.4 确定最大动负荷：

Q3LPfwftfhfafk

式中，P滚珠丝杠轴向负荷；

fw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 fw=1。2

ft温度系数；同上书中在表4—3中可得：ft=1；

fh硬度系数；同上书中表4-4中得到:fh=1; fa精度系数;同上书中表4-5中得到：fa=1;

fk可靠性系数；同上在表4—6中可得：fk=1；

将查得数值：fw=1。2； ft=1; fh=1; fa=1; fk=1；代入公式得：Q3LPfwf39001001.211168.2Ntfhfafk

4.3 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 D032mm 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 D032mm 螺距 t5mm

螺旋升角 32/ 滚珠直径

d03mm

滚道半径 R1.65mm 偏心距 e0.045mm 丝杠外径 31.1mm 丝杠内径

28.9mm

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螺母配合外径 D76mm 螺母装配总长度 L47mm

4.5 传动效率计算

tantan32/0.95//tan()tan(3210) 式中,为摩擦角；为丝杠螺旋升角.

3。6 刚度检验

滚珠丝杠受工作负载F引起的导程L的变化量

PLL1EA

P=100N; L=0。45cm；

9E=20010Pa (材料为钢）

28.92AR23.14()655.6106(m2)2

3100410L10.0031(um)9620010655.610所以

丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小,可以忽略.所以导程总误差为： L900L10.0030.675(um)t4

查标志B级精度的丝杠允许误差为50μm 故刚度足够。

五、机械部分设计计算

5.1 轴承的选择与校核

由上面滚珠丝杠的设计中可知,轴承处的轴颈d70mm，转速n75r/min，两支承

N（的径向载荷Fr1559N,Fr2618N.轴向外载荷FA10420《切削用量简明手册》

[10］

表2—19查得)

试选角接触球轴承7211AC，查《机械设计课程设计手册》可知：Cr50.5KN，

C0r38.5KN。

［12]

对于70000AC型轴承，按《机械设计》表9—9，轴承内部轴向力Fs0.68Fr，并由表9-7可知判断系数e0.68。 Fs10.68Fr10.68559N380.12N Fs20.68Fr20.68618N420.24N

N10840.24NFs1 因为Fs2FA420.24N10420所以，轴承的轴向载荷为：

Fa110840.24N Fa2380.12N

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1和P2，由于在该结构中，用的是3个轴承支承则受力按均分计算轴承的当量载荷P计算，各力除以3得： Fa110840.24/36.4e0.68Fr1559 Fa2380.12/30.205eFr2618

由表9—7可查得径向动载荷系数和轴向载荷系数 对于轴承1 X10.41 Y10.87

对于轴承2 X21 Y20

f1.2~1.8f1.5由于载荷平稳，查《机械设计》[12]表9—8，p，取p则

55910840.24P1fp(X1Fr1Y1Fa1)1.5(0.410.87)4830N33

P2fp(X2Fr2Y2Fa2)1.5(61810380.12)927N /

1计算轴承应具有的额定动载荷C 由于P1P2按P60nL/10h610根据公式（9-5)

由于机床在一般工作条件下工作,取ft1，3则

PCft/ε48306012524000C/27271N27KN1106 它比所选轴承的额定动载荷C50.5KN小.

因此所选轴承强度满足。其余也可以按上述方法进行校核。

35。2 等效力矩计算

TKj1由公式：

式中：Ti为转动件所受力矩（Nm)

n1Tiink2i1mFjnVJnk

ni , nk转动件的速度(r/min) Fi为移动件所受力（N）

Vj移动件的速度(m/min)

Ti转动件所受力矩为蜗杆磨擦力距，润滑良好可忽略. Fi移动件所受力,无切削力,可忽略。

故工作台旋转所克服的转矩很小，但考虑到工件较大，故取电机转矩T5Nm。

5.3 电机的选择

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5.3。1步进电机的选择

步进电动机每走一步的步距角

是实际的步距角与理论值有误差。在数控机床中常见的反应式步进电动机的步距角一般为0.5~3。步距角越小，数控机床的控制精度越高。但是，必须保证步进电

M0.2~0.5MM动机的输出转矩大于负载所需要的转矩。通常jmax。其中jmax为步进电动机最大静态转矩，M为负载转矩。 初取0.75

由《数控机床设计实践指南》[7］表F—9（P154）可以查得： 110BF003型步进电动机.相数为三相，最大静转矩7.84N。m，最大启动频率1500Hz，最大运行频率7000Hz。步距角0.75/1.5().外形尺寸：外径110mm，长度160mm 轴径11mm，质量M6kg。

5.3.2 直线电机的选择

根据最大推力和持续推力选择电机，安全系数为20—30%以便将摩擦力和外界应力消除。选择外部驱动式电机,43000系列，1.8度,固定轴式，每步移动0。00096英寸5VDC 出轴长度290mm（256mm）配丝母。

360mZQ，按理论设计是圆周360的等分值.但

设计小结

这次的设计题目是龙门式数控钻床机械结构设计,设计的内容主要包括工作台的设计、机械部分的设计、滚珠丝杠的设计。

工作台的设计包括工作台电机的选择、直线电机的选型、工作台的滚珠丝杠选择与计算、工作台的导轨设计计算.工作台的作用是按照控制装置的信号或指令作回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床能完成指定的加工工序.本次设计采用的是数控回转工作台，此工作台采用了液压装置，能够实现自锁等一些功能。

滚珠丝杠的设计包含了动载强度的计算、如何确定滚珠丝杠型号和几何参数、传动效率以及刚度的校验。此次设计的龙门式数控钻床经济型性价比较高,各个部件的选择也是标准件，材料的选择也是在满足要求后选择的低价材料,为机床的总体性价提高了较多。

这次设计我本着认真.准确的原则，使我增强了自信心,也为我将来工作打下良好基础。本次设计使我们在实践、理论方面都有了很大的提高，也为机械设计的课程做了充分的准备。本次设计的不是很完美，但我坚信以后我将做得更好.在设计我真正懂得搞设计的艰难，激励我以后更加的努力学习相关知识。

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致 谢

通过本学期的课程设计，我学到了很多,机构的选择,电机的选型,轴承的选型，滚珠丝杠的选型与计算校核,三维实体建模等，从这些工作中我学会了机械设计最基础的东西。总之这次课程设计让我这学期非常有意义，虽然这期间有过很多困难，但是经过不懈努力,终于解决了困难，完成了设计。尤其是在学习solidworks和软件中，遇到了很多困难,但都通过查阅资料和请教同学得到了解决，是使我熟练掌握了计算机辅助设计和分析软件，为以后的工作打下了良好的基础。通过此次课程设计，重新认识了机械设计行业的基础知识，也进一步巩固了自己所学的知识，为以后的毕业设计打好了基础。在这里，不但要感谢同学的帮助，更要感谢老师多次认真的课堂讲解和课后答疑，最后,希望此次课程设计能够取得取得完美的肯定.

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参考文献

1。 王新华主编. 机械设计基础. 北京：化学工业出版社,2010 2。 王新华主编. 高等机械设计. 北京：化学工业出版社，2013 3。 俞竹青,金卫东主编。 北京: 电子工业出版社，2013 4。 龙振宇主编. 机械设计。 北京：械工业出版社,2002

5。 黄茂林，秦伟主编. 机械原理。 北京：机械工业出版社，2002 6. 申永胜主编. 机械原理教程. 北京:清华大学出版社，1999

7。 彭文生，李至明，黄华梁主编。 机械设计。 北京：高等教育出版社，2002 8. 吴克坚,于晓红,钱瑞明主编. 机械设计. 北京：高等教育出版社，2003

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