畢業(yè)論文（設計）任務書學院 機械電氣化工程學院 班級學生姓名課題名稱 普通小型臺鉆的自動化改造設計起止時間指導教師 職稱 講師課題設計隨著機械生產的不斷發(fā)展進步，人們對節(jié)約勞動力的生產方式需求不斷加大。為了把人們從繁重的生產機械操作中解放出來，各種新型自動化生產機械層出不窮，并且智能化程度不斷加深。 在各種生產機械中經過篩選，針對普通小型臺鉆的工作方式，主軸轉動、鉆頭進給、鉆孔，各種生產操作的自動化需求。特選擇設計普通小型臺鉆的自動化改造，可以節(jié)約工人的勞動量，也可以克服手工操作的些許弊端。課題內容1、設計普通小型臺鉆的機械部分，確定裝置的傳動方式，初步明確的是主運動采用塔型帶輪帶動，進給運動采用減速電機控制傳動。明確裝置的傳動效率，進而確定機械標準件型號。2、設計普通小型臺鉆的控制部分，實現智能化的要求，搜集關于本設計的影響因素的數據。選擇控制部件及控制方式，編寫控制程序，連接電路進行校核仿真。3、完成控制部分和機械部分的結合，應該在加入影響因素后利用控制軟件控制機械部分運作，實現整體自動化的功能。4、選擇機械部分的關鍵零件，對所選零件的工藝設計過程進行說明，達到設計生產要求。5、完成三維圖的繪制。繪制裝置的關鍵零件的二維圖和裝置的裝配圖。擬定工作進度（以周為單位）第 1--2 周：查閱相關文獻、期刊，熟悉設計內容。第 3--4 周：撰寫開題報告，確定總體設計方案。第 5--9 周：設計普通小型臺鉆自動化改造的機械部分，選擇電動機型號和傳動方式。完成初步的裝置三維實體圖。第 10--12 周：對機械部分進行校核，確定校核成功的標準件的型號和其他零件設計數據。對校核失敗的零件進行修改，達到要求后修改裝置三維實體圖。第 13--16 周：設計裝置的自動控制部分實體部件。連接控制電路。第 17--19 周：進行控制編程，調試。第 20--22 周：整理設計過程，撰寫產品設計說明書。第 23--25 周：根據定型的產品結構，繪制二維裝配圖和零件圖。第 26--27 周：撰寫答辯提綱，準備答辯材料。第 28--29 周：畢業(yè)答辯。主要參考文獻[1]蘭希園.臺鉆改裝成自動往返攻絲機的研究與應用[J]湖北：咸寧技術職業(yè)學院.2012[2]熊順源、童幸生.臺式鉆床的自動化改造[J].武漢： 江漢大學 機電與建工學院.2008[3]呂英波.微機控制鉆攻兩用機床的研制及工藝參數的確定[J]福建農林大學 農業(yè)機械化工程.2003[4]內螺紋錐銷自動鉆孔攻絲機[J] 沈陽第三機床廠七車間、工藝科.1976[5]王衛(wèi)華.臺鉆的自動進給裝置[J] 1983.[6]朱桂成.Z512 臺鉆自動進給裝置[J] 江蘇靖江機器廠[7]秦雄志.PLC 在微型臺鉆自動化改造中的應用[J].廣東.佛山職業(yè)技術學院.2004[8]段明忠、王婷婷.臺式鉆床的數控化改造[J].武漢. 武鋼工程職業(yè)技術學院.2004任務下達人（簽字）年 月 日任務接受人意見此次設計能極大的鍛煉了自己理論與實踐相結合的能力，增強動手動力，我誠摯接受此項設計任務。任務接受人簽名 李 猛 2015 年 11 月 14 日注：1、此任務書由指導教師填寫，任務下達人為指導教師。2、此任務書須在學生畢業(yè)實踐環(huán)節(jié)開始前一周下達給學生本人。3、此任務書一式三份，一份留學院存檔，一份學生本人留存，一份指導教師留存。 畢業(yè)論文（設計）開題報告課題名稱 普通小型臺鉆的自動化改造設計 學生姓名學 號所屬學院專 業(yè)班 級指導教師起止時間機械電氣化工程學院教務辦制填 表 說 明一、學生撰寫《開題報告》應包含的內容：1、本課題來源及研究的目的和意義；2、本課題所涉及的問題在國內（外）研究現狀及分析；3、對課題所涉及的任務要求及實現預期目標的可行性分析；4、本課題需要重點研究的、關鍵的問題及解決的思路；5、完成本課題所必須的工作條件及解決的辦法；6、完成本課題的工作方案及進度計劃；7、主要參考文獻（不少于 7 篇）。二、本報告必須由承擔畢業(yè)論文（設計）課題任務的學生在接到“畢業(yè)論文（設計）任務書”的兩周內獨立撰寫完成，并交指導教師審閱。三、開題報告要求手寫體，字數在 3000 字以上，由學生在本報告冊內填寫，頁面不夠可自行添加 A4 紙張。四、每個畢業(yè)論文（設計）課題須提交開題報告一式三份，一份學生本人留存，一份指導教師存閱，一份學生所在學院存檔，備檢備查。開題報告正文一 來源及研究的目的和意義1.1 課題的來源：自選題1.2 研究的目的 鉆床是進行鉆孔、擴孔、攻絲等不可缺少的的設備，主要應用于機械制造業(yè)。在當今飛速發(fā)展的時代，通過提高設備的性能與節(jié)約工作時間，從而達到提高工作效率的目的已越來越受歡迎，近年來放眼望去有關的機電設備生產車間都在逐步被自動化管理所取代，在當今的經濟建設中發(fā)揮了重要作用，此次把傳統(tǒng)手工操作的臺式鉆床改裝成自動化工作的鉆床，大大節(jié)約了勞動力，提高了生產效率，同時讓機械制造業(yè)也緊跟時代的發(fā)展腳步。1.3 研究的意義在拿到設計題目之后，經過查資料，資詢同學，詢問老師，了解臺式鉆床機械加工的發(fā)展，以及鉆床加工設備的類型，得知設備的工作類型可分為以下幾種：臺式鉆床、立式鉆床、搖臂鉆床、銑鉆床、深孔鉆床、平端面中心孔鉆床、臥式鉆床等。每種鉆床都有各自的優(yōu)缺點，也有各自不同的配置。本次我們所要研究的就是如何對臺式鉆床進行改進從而達到我們所要設計的目的，也讓臺鉆的自動化加工生產方式在市場上及其他不可缺少的地方使企業(yè)的生產效率不斷滿足市場的需求，盡快縮短與國際的差距。當然這需要時間也需要我們大家共同的努力，通過我們以后不斷的改進、實驗、加強自身的探索，讓自動化的臺鉆走向各個需要它的領域發(fā)揮其重要的作用，這是一條充滿挑戰(zhàn)的道路，前進的道路困難重重，堅持下去，就是我們設計的意義所在。二 課題所涉及的問題在國內外現狀及分析2.1 國內研究的現狀 目前我國機床工業(yè)自 1949 年建立以來，雖然在短短的時間內取得了很大的成就，但與世界先進水平相比還有很大的差距。就現狀看，主要表現在：我國機床工業(yè)起步晚、技術不成熟；大部分高精度和超精度機床的性能還不能滿足要求，精度保持度也很差，特別是高效自動化和數控機床的產量、技術水平和質量等方面都明顯落后。據有關部門統(tǒng)計，我國數控機床的產量僅是全部機床產量的 1.5% 。我國數控機床基本上是中等規(guī)格的車床、銑床、鉆床等，而精密、大型、重型或小型數控機床還遠遠不能滿足要求；另外我國機床在技術水平和性能方面的差距也很明顯，機床理論和應用技術的研究也明顯落后。所以為了滿足市場需求，我們要不斷創(chuàng)新、改進，學習國外的先進技術加強自動化、數字化的控制，從而實現數控機床加工的升級換代，為機械加工產品商業(yè)化創(chuàng)造條件，推動機械產品商品化的進程，使我國的機械加工產品以及先進機械設備出現在世界先進的行列。2.2 國外研究現狀在發(fā)達國家，對于這一塊的發(fā)展遠超過我國目前這樣的現狀。國外的發(fā)達國家已經普遍采用自動化臺鉆來加工產品，如德國 IXION 公司、TBT 公司、英國 MOLLART 公司等，都采用自動化鉆床技術，其獨到之處是對長鉆頭的輔助支撐，在加工過程中能自動就位和撤回，并且使用用戶化編程軟件 GE.FANUC 數控系統(tǒng)，大大優(yōu)化了加工過程。國外先進鉆床技術效率高、自動化程度高、加工速度快、操作方便，可完成大規(guī)模的機械生產任務，遠超過我國目前的現狀。 三 課題需要重點研究的關鍵的問題及解決的思路3.1 本課題需要研究的難點問題解決的思路3.1.1 出現的主要問題：1、普通小型自動化臺鉆的設備很少，大部分都是獨立的2、進給系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)在機械中的應用3、工件定位裝夾的實現4、主運動與進給運動的自動控制及鉆頭壽命保證5、國內臺式鉆床設備的精密性與國外有較大的差距6、鉆床類型與控制系統(tǒng)的分類，如何選擇7、如何引進自動化的機械加工系統(tǒng)8、如何將送料機與臺式鉆床結合在一起設計提出一種全新的研究方案，主要解決以下問題：1、對比國內外的臺式鉆床類型，采用較為先進的一種2、增添接線設備實現自動控制3、對現有普通臺式鉆床系統(tǒng)加以改進，創(chuàng)新設計4、加強主軸進給系統(tǒng)與 PLC 控制系統(tǒng)的結合度5、工作過程中減小鉆頭磨損、提高工作效率6、完善臺式鉆床的輔助設備、以及采用自動化機械控制系統(tǒng)四 完成本課題需要的工作條件及解決的辦法（1）查閱有關資料選擇相關參數及材料,設計自動化小型臺鉆機構。（2）設計完各裝置的應用選擇后，進行連接組合，試驗設計的可行性。（3）運用 Solid works 軟件和 Auto CAD 軟件，繪制三維裝配工程圖。（4）運用三維設計軟件完成機構各零部件的三維建模并進行運動仿真五 工作方案及進度計劃工作方案：第一-二周：查閱相關資料、熟悉本次設計課題內容，了解普通小型臺式鉆床、現有的 PLC 控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點，以及如何配合在一起。第三-四周：根據查閱相關的資料，擬定普通小型臺鉆自動化改造的總體方案，并撰寫開題報告。第五-九周：分析普通小型臺鉆自動化改造的設計要求，完成對自動化臺鉆的設計，并生成關鍵部件的工程圖。第十-十二周：改進設計的不足，修改不合理的地方，作出裝置的三維實體圖。第十三-十九周：對設計好的裝置進行編程調試。第二十-二十二周：整理設計過程，撰寫產品設計說明書。第二十三-二十五周：根據定型的設備結構，繪制修改二維裝配圖和零件圖。第二十六-二十七周：撰寫答辯提綱，準備答辯材料。第二十八-二十九周：畢業(yè)答辯。六 參考文獻[1]機械制圖 第六版 高等教育出版社[2]王旭東，周嶺.機械制圖零部件測繪，暨南大學出版社 2010.6[3]楊柯楨.李機械設計基礎 第五版 高等教育出版社[4]高志，李威.機械設計課程設計手冊，第四版，高等教育出版社[5]機械工程材料 第二版 清華大學出版社[6]熊順源、童幸生.臺式鉆床的自動化改造. 江漢大學 機電與建工學院.2008[7]王衛(wèi)華.臺鉆的自動進給裝置. 1983[8]秦雄志.PLC 在微型臺鉆自動化改造中的應用. 佛山職業(yè)技術學院.2004[9]段明忠、王婷婷.臺式鉆床的數控化改造.武漢. 武鋼工程職業(yè)技術學院.2004學生簽名 李 猛 2015 年 11 月 10 日指導教師審閱意見指導教師簽名 年 月 日普通小型臺鉆的自動化改造設計學生姓名學 號所屬學院專 業(yè)班 級指導老師日 期機械電氣化工程學院制16 屆畢業(yè)設計前 言本文主要介紹了對普通手動式小型臺鉆的數控改造和設計，通過加入數控進給系統(tǒng)、86 步進電機、驅動器和控制器將手動的小型臺鉆改造為數控自動臺鉆，并可通過數控系統(tǒng)實現自動控制。自動化技術水平的高低已經成為衡量一個國家制造業(yè)現代化程度的核心標志，實現加工機床及生產過程數控化，已成為當今制造業(yè)的發(fā)展方向。我國是世界上機床產量最多的國家，但在數控機床的產品競爭力仍然處于較低的水平。因為開發(fā)一臺新的數控機床的周期比較長，不能及時針對用戶的需求提供滿意的產品。為此我們應該在普通機床上考慮，不能一味的大量添置全新的數控機床，這樣會造成資金投資量大，成本高，而且又會造成原有設備閑置浪費。把普通機床改造為數控機床不失為一條提高數控化率的有效途徑。普通機床數控化改造，顧名思義就是在機床上增加微機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現預定的加工工藝目標。這種機床改造花費少，改造針對性強，時間短，改造后的機床大多能克服原機床缺點和存在的問題生產效率高，尤其適合中國機床擁有量大、生產規(guī)模小的具體國情。目前我國機床市場的需求結構已經發(fā)生了很大的變化，數控機床，特別是普及型數控機床將逐步成為市場需求的主體。國內的機床制造企業(yè)在努力開拓高檔數控機床市場的同時，一定要加速普及數控機床產業(yè)化步伐。通過生產和進口數控機床并不能滿足我國日益增長的制造業(yè)需求，所以，目前數控化改造是適應我國制造業(yè)迅猛發(fā)展、資金短缺、舊有機床所占比例大的國情所需。針對此次改造中，由于對機床的認識有限，在改造過程中一定有很多問題，技術還不夠成熟，以后在實際工作中能多學習把這方面的知識進一步擴充。關鍵詞：自動化改造；十字滑臺；步進電機；法蘭設計 目 錄 1.緒論 .11.1 概述： 12.自動化技術的應用 12.1 自動化的產生與發(fā)展 .12.1.1 產生 .12.1.2 發(fā)展趨勢 .22.2 臺鉆進行自動化改造的必要性 .42.2.1 微觀看改造的必要性 .42.2.2 宏觀看改造的必要性 .42.3 臺鉆自動化改造的現狀 .52.3.1 國外改造業(yè)的興起 .52.3.2 我國改造業(yè)的現狀 .53.自動化改造主要步驟和總設計方案 63.1 十字滑臺的選用與安裝 .73.1.2 十字滑臺的選用 .73.2 動力部件的計算與選擇 .83.2.1 步進電機的選用 .83.2.2 減速電機的選擇 .183.3 法蘭的設計與加工 .193.4 步進電機、絲杠、聯軸器和法蘭的安裝 .213.4.1 步進電機與法蘭的連接 .213.4.2 步進電機與絲杠的連接 .223.4.3 法蘭與十字滑臺的連接 .22總 結 24致 謝 25參考文獻 26工程概況本文主要介紹了如何將普通的小型臺式鉆床改造為自動化的鉆床的方法，其中包括了加入數控進給系統(tǒng)、86 步進電機、驅動器和控制器將手動的小型臺鉆改造為數控自動臺鉆，并可通過數控系統(tǒng)實現自動控制。其中重點是傳動系統(tǒng)和工作臺的改造。在原來的手動進給改為減速電機控制的進給運動，原固定工作臺改為有步進電機帶動的絲杠傳動工作臺，可實現橫向和縱向的移動，使加工更加全面。通過本次論文的相關設計，提出新的設計理念，改進了普通臺鉆的缺點，推進了生產自動化進程。01.緒論1.1 概述：臺鉆多為普通手動式的，本文主要對臺鉆進行數控改造和設計，改造中主要用到一個十字滑臺、兩個步進電機、一個減速電機、兩個法蘭、電路連接系統(tǒng)，將兩個步進電機分別通過兩個法蘭連接到 X，Y，軸上，減速電機通過螺栓固定安裝在 Z 軸上，然后通過對控制器和驅動電源等的連接，使其能夠進行數控化自動移動進給。改造過程中要用到一些工具和方法，例如鉗子，螺絲螺母，扳子，電焊等。設計過程中采用的軟件是 SolidWorks軟件和 CAD 軟件。2.自動化技術的應用2.1 自動化的產生與發(fā)展2.1.1 產生 社會需求是推動生產力發(fā)展最有力的因素。二十世紀四十年代以來，由于航空航天技術的飛速發(fā)展，對于各種飛行器的加工提出了更高的要求，這些零件大多形狀非常復雜，材料多為難加工的合金。用傳統(tǒng)的機床和工藝方法進行加工，不能保證精度，也很難提高生產效率。為了解決零件復雜形狀表面的加工問題，1952 年，美國帕森斯公司和麻省理工學院研制成功了世界上第一臺數控機床。半個世紀以來，數控技術得到了迅猛的發(fā)展，加工精度和生產效率不斷提高。數控機床的發(fā)展至今已經歷了兩個階段和六個時代：（1）數控（NC）階段（1952 年～1970 年） 早期的計算機運算速度低，不能適應機床實時控制的要求，人們只好用數字邏輯電路“搭”成一臺機床專用計算機作為數控系統(tǒng)，這就是硬件連接數控，簡稱數控（NC）。隨著電子元器件的發(fā)展，這個階段經歷了三代，即 1952 年的第一代——電子管數控機床，1959 年的第二代——晶體管數控機床，1965 年的第三代——集成電路數控機床。（2）計算機數控（CNC）階段（1970 年～現在） 1970 年，通用小型計算機已出現并投入成批生產，人們將它移植過來作為數控系統(tǒng)的核心部件，從此進入計算機數控階段。這個階段也經歷了三代，即 1970 年的第四代——小型計算機數控機床，1974 年的第1五代——微型計算機數控系統(tǒng)，1990 年的第六代——基于 PC 的數控機床。 隨著微電子技術和計算機技術的不斷發(fā)展，數控技術也隨之不斷更新，發(fā)展非常迅速，幾乎每 5 年更新換代一次，其在制造領域的加工優(yōu)勢逐漸體現出來。2.1.2 發(fā)展趨勢 數控機床的出現不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數控技術的發(fā)展和應用領域的擴大，它對國計民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數字化已是現代發(fā)展的大趨勢。當前世界上數控機床的發(fā)展呈現如下趨勢：（1）高速度高精度化 速度和精度是數控機床的兩個重要技術指標，它直接關系到加工效率和產品質量。對于數控機床，高速度化首先是要求計算機數控系統(tǒng)在讀入加工指令數據后，能高速度處理并計算出伺服電機的位移量，并要求伺服電機高速度地做出反應。此外，要實現生產系統(tǒng)的高速度化，還必須謀求主軸轉速、進給率、刀具交換、托盤交換等各種關鍵部件也要實現高速度化。 提高數控機床的加工精度，一般是通過減少數控系統(tǒng)的誤差和采用補償技術來達到。在減少數控系統(tǒng)誤差方面，一般采取三種方法：①提高數控系統(tǒng)的分辨率、以微小程序段實現連續(xù)進給；②提高位置檢測精度；③位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制。在采用補償技術方面，除采用間隙補償、絲杠螺距補償和刀具補償等技術外，還采用了熱變形補償技術。（2）多功能化 一機多能的數控機床，可以最大限度地提高設備的利用率。如數控加工中心（Machining Center——MC）配有機械手和刀具庫，工件一經裝夾，數控系統(tǒng)就能控制機床自動地更換刀具，連續(xù)對工件的各個加工面自動地完成銑削、鏜削、鉸孔、擴孔及攻螺紋等多工序加工，從而避免多次裝夾所造成的定位誤差。這樣減少了設備臺數、工夾具和操作人員，節(jié)省了占地面積和輔助時間。為了提高效率，新型數控機床在控制系統(tǒng)和機床結構上也有所改革。例如，采取多系統(tǒng)混合控制方式，用不同的切削方式（車、鉆、銑、攻螺紋等）同時加工零件的不同部位等。現代數控系統(tǒng)控制軸數多達 15 軸，同時聯動的軸數已達到 6 軸。（3）智能化 數控機床應用高技術的重要目標是智能化。智能化技術主要體現在以下幾個方面：2①引進自適應控制技術 自適應控制技術（Adaptive Control——AC）的目的是要求在隨機的加工過程中，通過自動調節(jié)加工過程中所測得的工作狀態(tài)、特性，按照給定的評價指標自動校正自身的工作參數，以達到或接近最佳工作狀態(tài)。通常數控機床是按照預先編好的程序進行控制，但隨機因素，如毛坯余量和硬度的不均勻、刀具的磨損等難以預測。為了確保質量，勢必在編程時采用較保守的切削用量，從而降低了加工效率。AC系統(tǒng)可對機床主軸轉矩、切削力、切削溫度、刀具磨損等參數值進行自動測量，并由 CPU進行比較運算后發(fā)出修改主軸轉速和進給量大小的信號，確保 AC 處于最佳的切削用量狀態(tài)，從而在保證質量條件下使加工成本最低或生產率最高。AC 系統(tǒng)主要在宇航等工業(yè)部門用于特種材料的加工。②附加人機會話自動編程功能 建立切削用量專家系統(tǒng)和示教系統(tǒng)，從而達到提高編程效率和降低對編程人員技術水平的要求。③具有設備故障自診斷功能 數控系統(tǒng)出了故障，控制系統(tǒng)能夠進行自診斷，并自動采取排除故障的措施，以適應長時間無人操作環(huán)境的要求。（4）小型化 蓬勃發(fā)展的機電一體化設備，對數控系統(tǒng)提出了小型化的要求，體積小型化便于將機、電裝置揉合為一體。日本新開發(fā)的 FS16 和 FS18 都采用了三維安裝方法，使電子元器件得以高密度地安裝，大大地縮小了系統(tǒng)的占有空間。此外，它們還采用了新型 TFT 彩色液晶薄型顯示器，使數控系統(tǒng)進一步小型化，這樣可更方便地將它們裝到機械設備上。（5）高可靠性 數控系統(tǒng)比較貴重，用戶期望發(fā)揮投資效益，因此要求設備具有高可靠性。特別是對在長時間無人操作環(huán)境下運行的數控系統(tǒng)，可靠性成為人們最為關注的問題。提高可靠性，通?？刹扇∪缦乱恍┐胧孩偬岣呔€路集成度 采用大規(guī)?；虺笠?guī)模的集成電路、專用芯片及混合式集成電路，以減少元器件的數量，精簡外部連線和減低功耗。②建立由設計、試制到生產的一整套質量保證體系 例如，采取防電源干擾，輸入/ 輸出光電隔離；使數控系統(tǒng)模塊化、通用化及標準化，以便于組織批量生產及維修；在安裝制造時注意嚴格篩選元器件；對系統(tǒng)可靠性進行全面的檢查考核等。通過這些手段，保證產品質量。③增強故障自診斷功能和保護功能 由于元器件失效、編程及人為操作錯誤等原因，數控機床完全可能出現故障。數控機床一般具有故障自診斷功能，能夠對硬件和軟件進行故障診斷，自動顯示出故障的部位及類型，以便快速排除故障。新型數控機床還具3有故障預報、自恢復功能、監(jiān)控與保護功能。例如，有的系統(tǒng)設有刀具破損檢測、行程范圍保護和斷電保護等功能，以避免損壞機床及報廢工件。由于采取了各種有效的可靠性措施，現代數控機床的平均無故障時間（MTBF）可達到 10000～36000h。2.2 臺鉆進行自動化改造的必要性 2.2.1 微觀看改造的必要性 微觀上看，數控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。 由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。 可以實現加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高 3～7 倍。 由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現自動化。數控機床只要更換一個程序，就可實現另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱為實現了“柔性自動化 ”。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。 可實現多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償等多種自律功能，因而可實現長時間無人看管加工。由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。 以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數控化還是推行 FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及 CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。數控技術已經成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。 2.2.2 宏觀看改造的必要性 宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在 70 年代末、80 年初已開始大規(guī)模應用數控機床。其本質是，采用信息技術對傳統(tǒng)產業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術改造。除在制造過程中采用數控機床、FMC、FMS 外，還包括在產品開發(fā)中推行CAD、 CAE、CAM、虛擬制造以及在生產管理中推行 MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS 等等。以及在其生產的產品中增加信息技術，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產品在國際軍品和民品4的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)方面比發(fā)達國家約落后 20 年。如我國機床擁有量中，數控機床的比重（數控化率）到 1995 年只有 1.9％，而日本在 1994年已達 20.8％，因此每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了機床數控化改造的必要性。 2.3 臺鉆自動化改造的現狀 2.3.1 國外改造業(yè)的興起 在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術的不斷進步，機床改造是個“永恒“ 的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數控技術為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數控技術改造機床和生產線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產線數控改造的新的行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生（Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche 工程公司、ayton 機床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務集團、 US 設備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團、崗三機械公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。2.3.2 我國改造業(yè)的現狀我國的數控系統(tǒng)以傳統(tǒng)的封閉式體系結構為主。在傳統(tǒng)的封閉式結構中，CNC 只能作為非智能的機床運動控制器。加工過程變量根據經驗以固定參數形式事先設定，加工程序在實際加工前用手工方式或通過 CAD/CAM 及自動編程系統(tǒng)進行編制。CAD/CAM 和 CNC之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個改造過程中 CNC 只是一個封閉式的開環(huán)執(zhí)行機構。在復雜環(huán)境以及多變條件下，無法在現場環(huán)境下根據外部干擾和素基因數實時外部調整，更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機修正 CAD/CAM 中的設定量，因而影響 CNC 的工作效率。由此可見，傳統(tǒng) CNC 系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結構，限制了 CNC 向多變量智能化控制發(fā)展，已不適應日益復雜的控制過程，因此，變革勢在必行。塔里木大學畢業(yè)設計03.自動化改造主要步驟和總設計方案臺鉆數控改造主要分 4 個步驟進行，首先第一步，根據鉆床的底座尺寸大小確定需要的十字滑臺的大小，十字滑臺可以自己訂做；然后第二步由鉆床的參數性能十字滑臺的絲杠推算出所選的步進電機；第三步設計三個步進電機和絲杠鉆床的連接，X，Y 軸連接中要設計法蘭通過聯軸器使步進電機和絲杠連接，Z 軸要使用合適的減速電機；第四步確定步進電機和控制器，驅動電源等的連接，中間要用到匯接板等器件。改造前的臺鉆如圖 3-1 和圖 3-2 所示：圖 3-1 圖 3-2改造后的臺鉆如圖 3-3 所示：塔里木大學畢業(yè)設計1圖 3-33.1 十字滑臺的選用與安裝3.1.2 十字滑臺的選用圖 3-4由圖 3-4 可以看到十字滑臺大概是由上中下三大塊兩個軸動絲杠相組成的一個十字型的可以相互滑動的一個部件，同時它也帶有一定的刻度，它四個頂端分別有四個刻度手搖柄。根據對普通小型臺鉆底座的測量我們可以大致確定出需要的十字滑臺的大小。通過 SolidWorks 軟件畫出十字滑臺的三維模型圖，效果如圖 3-5：圖 3-5通過在臺鉆底座打孔使用緊固件和電焊使十字滑臺與臺鉆的底座連接。要想這樣的十字滑臺可以自動化還必須要加步進電機，然后與數控系統(tǒng)連接才能形成一個自動化的十字滑臺，如圖 3-6：塔里木大學畢業(yè)設計2圖 3-6步進電機如何通過法蘭和聯軸器與十字滑臺連接，下面的章節(jié)中會有詳細的講解及效果圖。3.2 動力部件的計算與選擇3.2.1 步進電機的選用 1. 確定脈沖當量，計算切屑力一、確定系統(tǒng)的脈沖當量脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執(zhí)行部件產生的進給量，它是衡量數控機床加工精度的一個重要參數，因此。脈沖當量應根據機床精度的要求來確定。對經濟型數控機床來說，常采用脈沖當量為 0.01mm/脈沖——0.005mm/脈沖。一般小型臺鉆的主要技術參數中要求橫向、縱向脈沖當量為 0.01mm。二、切削力計算在進行進給系統(tǒng)的傳動計算,選用步進電機時,都要用到切削力(機床的主要負載) ，我所設計的是數控鉆床，因此我們在設計中要分析和計算銑削和鉆削。（一）鉆削的載荷的計算普通的麻花鉆每一切削刃都會產生切向方向的切削抗力，徑向切削抗力與軸向方向的軸向抗力，當左右切削刃對稱時，徑向的抗力就會向平衡。切向的抗力形成鉆削力矩，他消耗了切削功率，所用切削刃上軸向抗力之和就形成了鉆頭上的軸向應力。鉆頭切削力的計算包括鉆頭主軸轉矩計算和主軸軸向切削力的計算。由于加工材料為塔里木大學畢業(yè)設計3Q235 鋼，其屬于碳素結構鋼，鉆頭為高速鋼麻花鉆，加工方式為鉆孔，所以查《機床夾具設計手冊》得：1.鉆削轉矩計算公式如下： 20.8.34kpTDfk?式中， ：切削力矩（ ）mN?：鉆頭直徑（ 20mm）：每轉進給量（0.1mm）f：修正系數： pk2.軸向切削力的計算公式如下： pfKDfF7.06?式中， ：軸向切削力（ N）f已知被加工材料為 Q235 結構鋼，結構鋼和鑄鋼取=736MPa，D=20mm ， =0.1mm，所以可分別計算出切削轉矩和軸向切削為：b?f=21.6 kTmN?=2661.7 NfF（二）銑削抗刀分析銑削運動的特征是主運動為銑刀繞自身軸線高速回轉，進給運動為工作臺帶動工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進給（鍵槽銑刀可沿軸線進給） 。銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端面銑刀為基本形線。圓柱銑和端面銑刀的切削部分都可看做車刀刀頭的演變，銑刀的每一個齒相當于一把車刀，它的切削基本規(guī)律與車削相似。1.削抗力的合力為 ：ZF將 沿銑刀軸線徑向和切向進給分解，則分別為軸向銑削力 和徑向銑削力 。切Z XFyF向銑削力 是沿銑刀主運動方向的分力，它消耗的銑床主電機功率最多。因此，切向銑削z75.0)3(bp?塔里木大學畢業(yè)設計4力可以按切削功率 （KW）或主電機功率 （ KW）計算，也可以按切削用量進行計mPEP算。331010()EZZmFNVV?????或式中：V：主軸傳遞全部功率時的最低切削速度，100m/s；：機床主傳動系統(tǒng)的效率。m?這里按電機功率進行計算。 ??3 310(.7508.96)/1045.6EZPF NV?????圖 3-7：銑削力及工作臺上的載荷2.進給工作臺工作載荷的計算作用在進給工作臺上的合力 F′與銑刀刀齒的銑削抗力的余力 F大小相同方向相反，如圖 2-6 所示，合力 ′就是設計和校核工作臺進給系統(tǒng)的時要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺運動方向分解為三個力：工作臺的縱向進給方向載荷 Fx 工作臺橫向進給方向載荷 Fy 和工作臺垂直進給方向載荷 Fz 。 工作臺工作載荷 Fx、F y 和 Fz 與銑刀的切向銑削力 Fz 之間有一定的經驗比值（可查《機電綜合指導》表 2-1） ，因此，求出 Z后，即可計算出工作臺工作載荷 x、 y和 z。即 ：, 6.0?x.Fy 5.0?z則： = 207.36N,xF塔里木大學畢業(yè)設計5= 207.36 N,yF= 172.8 N.z2. 減速電機傳動比的計算1）為滿足脈沖當量的設計要求和增大轉矩，同時也為了是傳動系統(tǒng)負載慣量盡可能小，傳動鏈中采用蝸輪蝸桿傳動。根據小型鉆床的基本參數，主軸行程 L=125mm。由 Ld??則 12539.8m?r0由 ??dz?其 中 設 為則 2?由 TFr?則 mNf ????23.507.261預選的減速電機的扭矩為 0.4~1.8 ?則 98.135min?5602max?則圓弧圓柱蝸輪蝸桿減速器的最小傳動比為 30，最大傳動比為 67，這里我們初選圓弧圓柱蝸輪蝸桿減速器的傳動比 .i2）傳動比的校驗以主軸鉆孔時最大轉速為 ,主軸進給速度為 ，則有：80/minr0.1/mr80.1/i??/min25.64/i??.649./inrr則要求減速電機的最大輸出轉速大于 ，很顯然降速后的 DS-9./inr塔里木大學畢業(yè)設計612SSN204.515500-298K 減速電機滿足此要求。通過以上的預算，這里我們選用減速電機的傳動比為 50。3. 步進電機選擇（1）計算進給牽引力 Fm（N）可根據《機床設計手冊》進給牽引力的實驗公式計算縱向導軌： )2(GFfKFyzxm??K：顛覆力矩影響的實驗系數 K=1.15；：滑動導軌摩擦因素 =0.15~0.18，取 =0.16:；fffG：溜板及刀架重力，G=800N。 其中 分別是上面計算的數據， xFyz因此上面的公式可以化為： ??(2)1.507.361.8207.3684myzxKfFGN?????（2）系統(tǒng)等效轉動慣量的計算傳動系統(tǒng)的轉動慣量是一種慣性負載，在電機的選用的時候必須加以考慮。由于傳動系統(tǒng)的各傳動不見并不是與點饑軸同軸線，還存在各傳動部件轉動慣量向電機軸折算的問題。最后，要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上面的總傳動慣量，即是傳動系統(tǒng)等效轉動慣量。1) 對于工作臺溜板的轉動慣量折算到電動機主軸上的計算公式： 222180()bGJkgcmi?????：為脈沖當量， 0.01mm;：步進電動機的步距角， ；b ??8.1b?：蝸輪蝸桿減速電機的傳動比， =50；i i：重力加速度， =10。gg工作臺的質量的折算工作臺是移動不見，其移動質量折算到絲杠軸上的轉動慣量 可以按下面的公式進GJ塔里木大學畢業(yè)設計7行計算： 2o222 01.81058180 cmkgcmkgiGbJ ??????????????????????2) 對于軸，軸承，齒輪，聯軸器，絲杠等圓柱體的轉動慣量計算公式為對于鋼材，材料密度為 代入就有3108.7??430.JDL?其中：D 為圓柱體的直徑；L 為圓柱體的長度。絲杠轉動慣量的折算到電機軸上為： 4 217.8012.5Jkgcm?????3) 動系統(tǒng)等效轉動慣量計算我們設計的機床，是采用的是減速電機帶動的減速傳動，因此我們可以根據下面的公式，進行計算： ??2132180()bGJiJig??????其中 : 為傳動系統(tǒng)等效轉動慣量 ;根據查資料和計算我們可以得到 ??223215.0180cmkggiGJiJbZ??????????????（3）初選步進電機1) 計算步進電機的負載轉矩 mT02miFPT???式中： ：進給牽引力（N） ；m塔里木大學畢業(yè)設計8：絲杠的傳動效率，為齒輪、軸承、絲杠效率之積；0?：齒輪副的傳動效率， 是齒輪副的傳動比；i i：十字型導軌副的傳動效率。1因為： ，則fmF? mNPTim ??????7.014.052761310??2) 估算步進電機的起動轉矩 qTmNTmq ???3.2073.式中：0.3 為安全系數。3) 計算最大靜轉矩 maxj查表取三相六拍 ，則0.7??mNTqf ?32max4) 計算步進電機運行頻率 和最高起動頻率fmaxfmaxax10023.6.1Vf Hz????67.f試中： ：最大快移速度（m/min） ，這里為 2m/min；max：最大切削進給速度（m/min）; 這里為 0.1 m/min； V：脈沖當量，取 0.01mm/step。?5） 初選步進電機型號選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏低，為了確保電動機在運動過程中不受切削負載和電網的影響而失步，決定采用開環(huán)控制，任務書初選的脈沖當量尚未達到 0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有 1500mm/min,故本設計不必采用高檔次的伺服電塔里木大學畢業(yè)設計9機，因此可以選用混合式步進電機，以降低成本，提高性價比。根據估算出的最大靜轉距 maxjT查得 86HS15060A4 最大靜轉距為 12 maxjT，可N?以滿足要求，考慮到此經濟型數控銑床有可能使用較大的切削用量，應選稍大轉距的步進電機，以便留有一定的余量，另一方面，與國內同類型機床類比，決定采用 86HS15060A4步進電機，查得 86HS15060A4 步進電機最高空載起動頻率和運行頻率滿足要求。86 步進電機的基本信息，見表 3-8表 3-8 86 步進電機的基本信息參數說明，見表 3-9表 3-9 86 步進電機的參數說明尺寸說明，如圖 3-10塔里木大學畢業(yè)設計10圖 3-10（4）步進電機的校驗機床在不同的工作情況下，其所需要的轉矩不同，下面分別按各階段計算。1) 快速空載起動轉距 T在快速空載起動階段，加速轉矩占的比例較大，具體計算公式如下：ofa??mx式中： ：快速空載起動轉矩 ；T??cmN?：空載起動時折算到電機軸上的加速轉矩 ；max ??cmN?：折算到電機軸上的摩擦轉矩 ；f ?：由于絲杠預緊時折算到電機軸上附加摩擦轉矩 。0T ?摩擦轉矩 mNiGfPf??????02.4.054168310??式中： ：運動部件的總重量（N） ；G：導軌摩擦系數 ，取 ；f 16.0?f：蝸輪蝸桿減速電機的傳動比， i=50。i塔里木大學畢業(yè)設計11mNiPFT??????14.04.0521387300??0687.33fF空載起動時折算到電機軸上的加速轉矩： mNJtnTZFa??????4.5106.20333maxmx??式中： ：折算到電機軸上的總等效轉動慣量 ；axT??mN?：電機最大角加速度， （ ） ；?2/rads：電機最大轉速， （ ） ；maxnin：運動部件最大快進速度， （ ） ；v/im：運動部件從停止起動到加速到最大快進速度所需要的時間， （0.025s） 。t上面三項合計為：mNTTfa ????56.0mx2) 快速移動時所需的轉矩：f?10快3) 最大切削負載時所需轉矩：mNifPFTzf?????? ?194.0 4.054.02168132 300切 ??塔里木大學畢業(yè)設計12/0.5138zfF?從上面的計算可以看出， T， 切 和 快 三種工作情況下，以快速空載起動轉矩最大，即以此項作為較核步進電機轉矩的依據。查表知，當步進電機為三相六拍時， 則最大靜轉矩為：qmaxT0.7j??NTj???94.70max而 86HS15060A4 型步進電機最大轉矩為 12 ，大于所需要的最大靜轉矩，可以?滿足此項要求。3.2.2 減速電機的選擇減速電機顧名思義本質就是用于降低轉速用的，它的工作原理一般是通過封閉式傳動減速裝置來降低轉速和增大轉矩，以滿足機械設備工作的需要，這樣對加工方面能夠更好的控制精度，電機的啟動和正反轉通過改變電機的輸入電壓實現的，從而達到更好的效果，臺鉆數控化改造中，在 Z 軸用到減速電機可以方便精度的控制，由上計算結果減速電機傳動比為 50，可選型號 DS-12SSN204.515500-298K，下面將展示減速電機的參數如圖 3-11塔里木大學畢業(yè)設計13圖 3-113.3 法蘭的設計與加工法 蘭 （ Flange） ， 又 叫 法 蘭 盤 或 凸 緣 盤 。 法 蘭 是 使 管 子 與 管 子 相 互 連 接 的 零 件 ，連 接 于 管 端 ； 也 有 用 在 設 備 進 出 口 上 的 法 蘭 ， 用 于 兩 個 設 備 之 間 的 連 接 ， 如 減 速 機 法 蘭 。法 蘭 連 接 或 法 蘭 接 頭 ， 是 指 由 法 蘭 、 墊 片 及 螺 栓 三 者 相 互 連 接 作 為 一 組 組 合 密 封 結 構的 可 拆 連 接 ， 管 道 法 蘭 系 指 管 道 裝 置 中 配 管 用 的 法 蘭 ， 用 在 設 備 上 系 指 設 備 的 進 出 口法 蘭 。 法 蘭 上 有 孔 眼 ， 螺 栓 使 兩 法 蘭 緊 連 。 法 蘭 間 用 襯 墊 密 封 。 法 蘭 分 螺 紋 連 接（ 絲 扣 連 接 ） 法 蘭 和 焊 接 法 蘭 和 卡 夾 法 蘭 ,在 連 接 方 面 法 蘭 連 接 （ flange joint） 由一 對 法 蘭 、 一 個 墊 片 及 若 干 個 螺 栓 螺 母 組 成 ， 墊 片 放 在 兩 法 蘭 密 封 面 之 間 ， 擰 緊 螺 母后 ， 墊 片 表 面 上 的 比 壓 達 到 一 定 數 值 后 產 生 變 形 ， 并 填 滿 密 封 面 上 凹 凸 不 平 處 ， 使 連 接嚴 密 不 漏 。 法 蘭 連 接 是 一 種 可 拆 連 接 。根 據 十 字 滑 臺 上 下 塊 兩 端 的 尺 寸 大 小 及 絲 杠 和 步 進 電 機 的 尺 寸 ， 設 計 出 X， Y 軸上 需 要 使 用 的 法 蘭 的 形 狀 與 大 小 。X 軸 上 的 法 蘭 （ 1） ， 三 維 效 果 圖 及 CAD 二 維 效 果 圖 如 圖 3-12， 圖 3-13 和 圖 3-14：塔里木大學畢業(yè)設計14圖 3-12 圖 3-13圖 3-14Y 軸 上 的 法 蘭 （ 2） ， 三 維 效 果 圖 及 CAD 二 維 效 果 圖 如 圖 3-15， 圖 3-16 和 圖 3-17塔里木大學畢業(yè)設計15圖 3-15 圖 3-16圖 3-17這里要用到蓋在兩個法蘭上的外殼，外殼的作用是防止灰塵和鐵屑等雜物的進入影響到絲杠的滾動，它起到保護絲杠的作用。外殼的形狀尺寸大小是根據法蘭的形狀大小來設計的，外殼的效果圖如圖 3-18 和圖 3-19：塔里木大學畢業(yè)設計16圖 3-18 圖 3-193.4 步進電機、絲杠、聯軸器和法蘭的安裝3.4.1 步進電機與法蘭的連接步進電機與法蘭連接需要螺絲進行緊固，效果圖如圖 3-20：圖 3-203.4.2 步進電機與絲杠的連接步進電機與絲杠的連接中要用到聯軸器，聯軸器是根據絲杠和步進電機進行選擇的。在聯軸器上用螺絲使絲杠與步進電機連接在一起，效果圖如圖 3-21 和圖 3-22：塔里木大學畢業(yè)設計17圖 3-21 圖 3-223.4.3 法蘭與十字滑臺的連接在法蘭上面需要蓋一外殼，通過螺絲使外殼與法蘭連接，法蘭與十字滑臺連接。效果圖如圖 3-23 和圖 3-24 所示：圖 3-23 圖 3-24最后的組裝整體效果圖如圖 3-25 和圖 3-26 所示：塔里木大學畢業(yè)設計18圖 3-25 圖 3-26改造后的臺鉆效果圖如圖 3-27 和圖 3-28 塔里木大學畢業(yè)設計19圖 3-27 圖 3-28