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普通立式鉆床數控化改造設計說明書
目 錄
第1章 緒 論 1
1.1 課題來源及研究目的和意義 1
1.2 普通立式鉆床數控化的現狀及趨勢 1
1.3 普通立式鉆床數控化進給機構的方案分析 5
1.3.1 機械結構分析 5
1.3.2 機械結構總體方案和布局 6
第2章 機械結構的設計 10
2.1滾珠絲杠的設計…………………………………………………………………13
2.2滾珠絲杠副絲杠副傳動法面截形，循環(huán)方式等的確定……………………….14
2.3滾珠絲杠的預緊…………………………………………………………………15
2.4滾珠絲杠選取與校核……………………………………………………………17
3 滾動軸承的選取與計算…………………………………………………………..20
3.1 軸向滾珠絲杠軸和徑向滾珠絲杠軸受力分析……………………………….20
3.2 計算軸承壽命………………………………………………………………….22
3.3當量載荷…………………………………………………..................................23
4步進電機的選取及設計計算……………………………………………………..26
4.1轉動慣量計算……………………………………………………………………26
4.2將負載質量換算成電機輸出軸上的轉動慣量…………………………………27
4.3計算電機輸出的總力矩……………………………………………………….27
4.4負載起動頻率估算…………………………………………………………….27
5 聯軸器的選取……………………………………………………………………28
6 齒輪減速器的選取………………………………………………………………28
7 進給系統精度校核……………………………………………………………….33
7.1支承滾珠絲杠軸承的變形………………………………………………………33
7.2支承滾珠絲杠軸承的軸向變形…………………………………………………34
結 論 25
參 考 文 獻 26
致 謝 27
第1章 緒 論
1.1 概述
立式鉆床設備用途用于機械加工中的鉆孔、擴孔、鉸孔、锪平面、鉆沉頭孔和鏜孔及攻螺紋。而數控鉆床主要用于鉆孔、擴孔、鉸孔、攻絲等加工。在汽車、機車、造船、航空航天、工程機械行業(yè)；尤其對于超長型疊板，縱梁、結構鋼、管型件等多孔系零件。相對于普通立式鉆床而言，數控鉆床具有定位精度高，加工精度高，高效率，能夠減少人工，等等普通立式鉆床無法實現的優(yōu)越性。
1.2 普通鉆床數控化（數控鉆床）的現狀及趨勢
從20世紀中葉數控技術出現以來，數控鉆床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產管理的現代化以及經濟效益的提高。數控鉆床是一種高度機電一體化的產品，適用于加工多品種小批量零件、結構較復雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件、要求精密復制的零件、需要縮短生產周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數控鉆床的特點及其應用范圍使其成為國民經濟和國防建設發(fā)展的重要裝備。進入21世紀，我國經濟與國際全面接軌，進入了一個蓬勃發(fā)展的新時期。機床制造業(yè)既面臨著機械制造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機，也遭遇到加入世界貿易組織后激烈的國際市場競爭的壓力，加速推進數控鉆床的發(fā)展是解決機床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關鍵。隨著制造業(yè)對數控鉆床的大量需求以及計算機技術和現代設計技術的飛速進步，數控鉆床的應用范圍還在不斷擴大，并且不斷發(fā)展以更適應生產加工的需要。為了應對國際金融危機，企業(yè)紛紛調整數控機床產業(yè)政策，競相發(fā)展高檔數控機床，以促進工業(yè)和國民經濟的發(fā)展。而目前我國處于裝備更新換代的高峰期和工業(yè)產業(yè)升級的關鍵期，對數控機床尤其是高檔數控機床的需求，仍將維持30%以上的高增長水平，預計這一增長速度仍將維持35年。
數控機床較好地解決了復雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性的、高效能的自動化機床，代表了現代機床控制技術的發(fā)展方向，是一種典型的機電一體化產品。
國內數控機床的需求日益增長，數控機床的發(fā)展推動了數控機床功能部件的創(chuàng)新升級。目前我國高檔數控機床關鍵功能部件工業(yè)還不能滿足國內需要，國內數控功能部件產業(yè)主要存在以下問題：適應性和滿足度遠達不到市場需求；我國數控功能部件生產企業(yè)的規(guī)模?。缓诵牧悴考罅恳揽窟M口；缺乏高技術含量威脅產業(yè)安全。
機床行業(yè)高端化發(fā)展四步曲
業(yè)內人士表示，我國機床產業(yè)的發(fā)展需要以市場需求為導向，以發(fā)展數控機床為主導、主機為龍頭、完善配套為基礎，力爭早日實現數控機床產品從低端到高端、從初級產品加工到高精尖產品制造的轉變。更有專家為機床行業(yè)高端化發(fā)展提出了四方面觀點，為機床行業(yè)高端發(fā)展進程盡微薄之力。
一是積極落實“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技專項，創(chuàng)造國內自主創(chuàng)新技術的大環(huán)境，以市場為導向，企業(yè)為主題，以科研院校為根基，全方位帶動我國高新技術的創(chuàng)新。
二是開拓新的數控機床市場或升級現有的數控機床市場，帶動普通機床及半自動機床的升級改造和淘汰更新。極力拉動國內數控機床的內需，帶動高端機床產業(yè)的快速升級。
三是緊抓技術改造，促進中高檔數控機床產業(yè)化整體升級。充分利用國家技術改造貼息等優(yōu)惠政策，圍繞重點，加強管理，提高資金投入產出比，打好根基，為技術創(chuàng)新提供長足發(fā)展。
四是強化企業(yè)管理，節(jié)省成本提提高高效。數控機床企業(yè)要從內部管理的強化切入，開展結本高效的行動，維持資金流合理運轉，人力資源的合理分配，避免勞民傷財，確保企業(yè)正常的運營。
展望未來
高檔數控機床與基礎制造裝備專項將實現自主創(chuàng)新能力顯著提高，掌握一大批具有自主知識產權的核心技術，總體技術水平進入國際先進行列；屆時，主機、數控系統、功能部件“中檔規(guī)?；?、高檔產業(yè)化”將得以實現，我國將研制出一批具備國際先進水平的關鍵裝備；進口量大的高速、精密立臥式加工中心、數控車床等產品市場占有率將有明顯提升。
近年來，中國通過引進技術、消化吸收和自主開發(fā)數控系統，為數控機床的產業(yè)化奠定了技術基礎。希望未來機床行業(yè)可以帶來更多最新設備和前沿技術，以滿足制造業(yè)對高效加工日益增長的需求。
1.3 普通鉆床數控化進給機構的方案分析
1.3.1機械結構分析
本課題是設計一種普通立式鉆床數控化進給的機構，此機構的工作臺可以在X,Y軸兩個方向自由移動，由電動機控制，人們只需啟動和關閉開關，即可實現病床在任意位置的停止，可以實現將工件移動到指定的位置，為加工提供方便。
由于為了進給機構可以實現多種方案，本課題升降裝置采用電機驅動滾珠絲桿的方式來帶動工作臺的平移，現提供以下設計方案：
步進電機
工作臺
滾滾絲桿
聯軸器
圖1 步進電機驅動滾珠絲桿進給機構方案1
此種方案為傳統的的進給機構設計方案，此種方案步進電機與滾珠絲桿通過聯軸器固結，絲桿螺母裝在滾珠絲桿上面，保持滾珠絲桿與工作臺通過螺紋連接，，這種方法由于滾珠絲桿動，從而帶動絲桿螺母轉動，從而實現工作臺的平移，可以做X、Y方向的移動，從而實現鉆床工作臺的快速進給。此種方案結構簡潔，造價低廉，定位精準，可靠，符合此次設計的要求，因此此種方案雖然是傳統的設計方法，但切合實際，我們優(yōu)先考慮。
1.3.2 機械結構總體方案和布局
確定好設計方案后我們對整體方案進行大體設計布局，整個傳動裝置由電動機帶動，由于需要在任意位置能停止，本次設計的電動機我們采用步進電動機，由于步進電動機輸出轉速很快，需要分配傳動減速比，需要加減速器進行減速，經過減速器出來后為了能與齒輪傳動軸連接，我們再加上同步帶傳動，使得傳動更加平穩(wěn)快速，經過傳動軸后，齒輪就和傳動軸連接，連接的齒條我們做成圓柱形狀，其上頂端是法蘭形狀，四個齒條頂端法蘭狀和頂端連接盤相連接，醫(yī)療床就和連接盤相連接。在齒輪齒條和傳動軸連接部位，為了保證傳動平穩(wěn)，我們還需設計軸承座。在整個裝置下部由方管架支撐，在方管架四個地腳采用萬向腳輪，可以任意方向移動。
滾珠螺母
桿
滾珠螺母
桿
進給機構安裝架
橫向滾珠絲桿
桿
雙面齒條齒輪
小同步帶輪
步進電機+減速器
方管底架
萬向腳輪
圖3 進給機構大體布局圖
第2章 機械結構的設計
2 滾珠絲杠的設計
2.1滾珠絲杠的設計
（1）傳動效率高
滾珠絲杠傳動系統的傳動效率高達90%～98%，為傳統的滑動絲杠系統的2～4倍，能以較小的扭矩得到較大的推力，亦可由直線運動轉為旋轉運動（運動可逆）。
（2）運動平穩(wěn)
滾珠絲杠傳動系統為點接觸滾動運動，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、動時無顫動、低速時無爬行現象，因此可精密地控制微量進給。
（3）高精度
滾珠絲杠傳動系統運動中溫升較小，并可預緊消除軸向間隙和對絲杠進行預拉伸以補償熱伸長，因此可以獲得較高的定位精度和重復定位精度。
（4）高耐用性
鋼球滾動接觸處均經硬化（HRC58～63）處理，并經精密磨削，循環(huán)體系過程純屬滾動，相對對磨損甚微，故具有較高的使用壽命和精度保持性。
（5）同步性好
由于運動平穩(wěn)、反應靈敏、無阻滯、無滑移，用幾套相同的滾珠絲杠傳動系統同時傳動幾個相同的部件或裝置，可以獲得很好的同步效果。
（6）高可靠性
與其它傳動機械，液壓傳動相比，滾珠絲杠傳動系統故障率很低，維修保養(yǎng)也較簡單，只需進行一般的潤滑和防塵。在特殊場合可在無潤滑狀態(tài)下工
一般來說滾珠絲杠在工作中應該預緊以提高絲杠的剛度，從而提高傳動精度，但在本機械系統中由于絲杠所承受的彎矩很小，所以我覺得沒必要進行預緊，所以安裝方式是一端固定一端游動的形式。X軸向的工作臺與其上面所安裝的機械結構重力約10N，焊槍在焊接時由于電流作用與工件之間的相互吸引力約2N。
2.2滾珠絲杠副絲杠副傳動法面截形，循環(huán)方式等的確定
查《機械傳動設計手冊》，根據滾珠絲杠副螺紋滾道法面截形、參數和特點的比較選擇如下：
（1）確定選擇螺紋滾道法面截形為單圓弧，參數公式見表8.2-11，接觸角為=45°。其特點是：磨削滾道的砂輪成形簡便，可得到較高的加工精度。有較高的接觸強度，但比值/小，運行時摩擦損失增大。接觸角α隨初始間隙和軸向載荷的大小變化，為保證α=，必須嚴格控制徑向間隙。圖示如圖2
圖2 單圓弧法面截形
（2）單圓弧法面截形要求消除間隙和調整預緊必須采用雙螺母結構。
（3）根據機床的特點，選用內循環(huán)浮動式反向器，其特點是徑向尺寸小，循環(huán)通道短，摩擦損失小，傳動效率高。
2.3 滾珠絲杠的預緊
滾珠絲杠副除了對本身單一方向的傳動精度有要求外，對其軸向間隙也有要求，以保證其反向傳動的精度。我們通常采用雙螺母結構預緊方式（圖3）
圖3 雙螺母結構預緊示意圖
雙螺母預緊的結構通常有三種：
1.墊片調隙式(圖4)
圖4 墊片調隙式
調整方法：調整墊片厚度，使螺母產生軸向位移。為便于調整，墊片常制成剖分式。
特點：結構簡單，裝卸方便，剛度高；但調整不便，滾道有磨損時，不能隨時消除間隙和預緊。適用于高剛度重載傳動。
2.螺紋調隙式(圖5)
圖5 螺紋調隙式
調整方式：調整端部的圓螺母，使螺母產生軸向位移。
特點：結構緊湊，工作可靠，調整方便；但準確性差，且易于松動。用于剛度要求不高或需隨時調節(jié)預緊力的傳動。
3.齒差調隙式(圖6)
圖6 齒差調隙式
調整方式：螺母1、2的凸緣上有外齒，分別與緊固在螺母座兩端的內齒圈3、4嚙合，其齒數風別為Z1和Z2，且Z2=Z1+1。兩個螺母向相同方向同時轉動，每轉過一個齒，調整軸向位移量為：(Ph—導程)。
特點：能夠精確地調整預緊力，但結構尺寸較大，裝配調整比較復雜，宜用于高精度的傳動機構。
本設計中將采用的是雙螺母內循環(huán)墊片調整式滾動螺旋副來消除間隙。
墊片調整式有結構比較簡單，裝卸方便，剛度高的特點。
2.4滾珠絲杠選取與校核
（1） 初始條件
本設計的軸向進給長度大于徑向進給結構，只校核軸向進給結構用的絲杠如下：
由本設計要求可知，估算工作臺的重量和安裝在工作臺上面的電磁夾具給絲杠的平均工作載荷Fm=4000N，最大軸向行程420 mm，取用絲杠的工作長度為672mm，有效滾道長度是500mm。 兩支承間最大距離為：575mm平均轉速100r/m使用壽命Lh=15000h,Ra為58-62HRC,要求傳動精度±0.03mm，螺桿材料為：50Mn， 高、中頻加熱,表面淬火。螺母材料為：CrWMn ，整體淬火、低溫回火。返向器材料為：40Cr，離子滲氮處理螺紋滾道法面截形為半圓弧，螺母采用雙螺母墊片式預緊方式。
（2） 計算載荷
（公式摘自《機械零件設計手冊》第二版中冊滾動螺旋傳動設計計算部分，下同）
= （式1）
式中為載荷系數，K為硬度系數，為短行程系數。參考《機械零件設計手冊》表18-18，表18-19，表18-20取=1.2，K=1，=1
（3） 計算額定動載荷
計算額定動載荷公式
（式2）
其中n為平均轉速，其中Lh=15000h，取n=100r/min,代入上式后計算得C=21496.42N
（4） 根據必須的額定動載荷C選擇螺旋尺寸
根據內循環(huán)滾動螺旋副結構，查表8.2-18《機械傳動設計手冊》，使選擇規(guī)格的螺旋副C接近 C 或者稍大于C，如下表1，
表1 螺旋尺寸表
結合公稱直徑和公稱導程的優(yōu)先配合，綜合考慮選擇參數如下：
查特征代號確定型號為 FD406-3-3/全長螺紋長度，其尺寸參數如下：
額定動載荷
公稱直徑
公稱導程
鋼球直徑 mm
圈數列數=13,
螺紋升角 =
基本額定靜載荷 =70650N
滾道半徑R = 0.52 =2.064mm
偏心距e = 0.707x（R-/2）=0.0562mm
絲杠螺紋內徑d==35.984mm
（5）穩(wěn)定性驗算
因為絲杠采用一端固定一端鉸支的安裝方式，查表18-7《機械零件設計手冊》長度系數，
參照《機電一體化系統設計基礎》表2-10取安全系數[S]=3，因為螺桿較長，絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷成為臨界載荷F（N）按下式計算：
F= （式3）
式中E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼，E=206GP；l為絲杠工作長度（m），l=672mm；為絲杠危險截面軸慣性矩（m）;
== （式4）
=8.14910m
又
可得：
安全系數S= F/= （式5）
絲杠安全,不會失穩(wěn).
（6） 剛度驗算
按最不利的情況考慮，螺紋螺距因受軸向力引起的彈性變形與受轉矩引起的彈性變形方向是一致的。
滾珠絲杠在工作載荷F(N)和轉矩T(Nm)共同作用下引起每個導程變形量 (m)為
= （式6）
式中,A為絲杠截面積,A=1/4;為絲杠的極慣性矩,=/32(m);G為絲杠的切變模量,對鋼G=83.3GP;T（Nm）為轉矩。
又T=F （式7）
式中，為摩擦角，其正切值為摩擦系數；為平均工作載荷；可以查出螺旋副運動由旋轉運動轉化為直線運動時取參數摩擦系數tan=0.0025，又=，所以樣有下式：
T=F
按最不利的情況計算，F=F有
則每米螺紋距離上彈性變形量為
（式8）
而每米螺紋距離上彈性變形量的許用值見《機械零件設計手冊》第二版中冊表18-17.
通常要求絲杠的導程誤差應小于其傳動精度的1/2，即
=3.02μm/m<1/2()=1/2 10μm/m
所以絲杠的剛度是完全滿足要求的。
（7） 效率驗算
合格 （式9）
綜上所校核，該絲杠是符合要求的。
同理，徑向傳動的滾珠絲杠也好似符合要求的。
3 滾動軸承的選取與計算
3.1 軸向滾珠絲杠軸和徑向滾珠絲杠軸受力分析
軸向滾珠絲杠軸和徑向滾珠絲杠軸一端受力 如圖
根據如圖選取深溝球軸承6006
求當量載荷P。
FA=309.6N
Fr1=111.12+1664.32=1668N
Fr2=831.62+1924.52=2096.2N
查表12-5可得，6306軸承的Cr=27kN，C0r=15.2kN；輕微沖擊，取fP=1.1
因FAC0r=309.615200=0.020，查表可得，e=0.21.
因FAFr1=0.18
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