数控多工位钻床设计.doc

湖南铁路科技职业技术学院毕业论文 题 目：数控多工位钻床设计 专 业：机电一体化系 部：机械工程系姓 名：颜杰班 级：309-1摘 要随着先进制造技术的发展和进步，数控加工已成为机加工过程中的一种主流技术。这一技术的运用提高了机加工过程中工作效率和加工精度。数控多工位钻床就是提高钻削加工精度和效率的一种很好的机加工工具。本文针对大尺寸，多孔零件及直径较大的深孔加工，提出了一种可调式大直径数控多工位专用钻床设计方案。对多工位专用钻床的上滑台，下滑台等机械结构进行设计，实现了加工不同中心距不同厚度的工件及一专多用的要求。基于西门子数控系统完成电气控制部分的设计，实现立柱钻头与回转工作台在数控系统的统一控制下，完成连续精确的高速钻孔。相比于传统钻床，该方案适合大直径的深孔加工，以及满足高加工节拍、高形位精度，不同尺寸加工自适应，高效率要求，并具有低成本的特点。关键词：数控 钻削 多工位 钻床 大直径目 录摘要.2目录.3 1. 前言.52 数控机床概述.62.1 数控机床简介.62.2数控机床的产生及其重要性.62.3 数控机床应用范围及特点.72.4 我国数控技术的发展.82.5 数控机床的工作原理.82.6数控机床的组成.92.7 数控技术的发展现状与趋势.9 2.7.1 精度化.10 2.7.2 高速度化.102.7.3 高柔性化.102.7.4 高自动化.112.7.5 复合化.112.7.6 智能化.112.7.7 网络化.122.7.8 高可靠性.123 机械结构选择.134 一种多工位专用数控钻床的设计研究.144.1 总体设计分析.144.2 可调式功能的实现.154.3机械部分.154.4 钻头的选型与计算.174.5控制部分.18结语.20致 谢.21参考文献.221. 前 言机床是制造装备的“工作母机”，数控系统是机床的“大脑”。数控机床的制造水平，已经成为衡量国家制造业水平、工业现代化程度和国家综合竞争力的重要标志。以钻床来说，目前，钻孔用的设备一般为台式钻床和摇臂钻床，但这两种设备只适合钻削小型零件上的孔，且孔的长径比一般不超过4。如果要加工大直径孔且孔数目较多，设计一种专用钻床就很有必要。针对大尺寸，多孔零件及直径较大的深孔加工，在此提出了一种可调式大直径数控多工位专用钻床设计方案。对多工位专用钻床的上滑台，下滑台等机械结构进行设计，实现了加工不同中心距不同厚度的工件及一专多用的要求。该设计满足高加工节拍、高形位精度、不同尺寸加工自适应、高效率要求，并具有低成本的特点。是一种新型的数控多工位钻床2. 数控机床概述2.1 数控机床简介数控车床可分为卧式和立式两大类。卧式车床又有水平导轨和倾斜导轨两种。档次较高的数控卧车一般都采用倾斜导轨。按刀架数量分类，又可分为单刀架数控车床和双刀架数控车，前者是两坐标控制，后者是4坐标控制。双刀架卧车多数采用倾斜导轨。数控车床与普通车床一样，也是用来加工零件旋转表面的。一般能够自动完成外圆柱面、圆锥面、球面以及螺纹的加工，还能加工一些复杂的回转面，如双曲面等。车床和普通车床的工件安装方式基本相同，为了提高加工效率，数控车床多采用液压、气动和电动卡盘。数控车床的外形与普通车床相似，即由床身、主轴箱、刀架、进给系统压系统、冷却和润滑系统等部分组成。数控车床的进给系统与普通车床有质的区别，传统普通车床有进给箱和交换齿轮架，而数控车床是直接用伺服电机通过滚珠丝杠驱动溜板和刀架实现进给运动，因而进给系统的结构大为简化。2.2 数控机床的产生及其重要性随着科学技术的飞跃发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加。同时，随着航空工业、汽车工业和轻工消费品生产的高速增长，复杂形状的零件越来越多，精度要求也越来越高。此外，激烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短，传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件高效和高质量的加工要求。数字控制机床，就是为了解决单件、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而生产的。数控机床是综合应用了微电子、计算机、自动检测以及精密机械等技术的最新成果而发展起来的完全新型的机床，它标志着机床工业进入了一个新的阶段。从第一台数控机床问世到现在40多年中，数控技术的发展非常迅速，使制造技术发生了根本性的变化，几乎所有品种的机床都实现了数控化。数控机床的应用领域也从航空工业部门逐步扩大到汽车、造船、机床、建筑等民用机械制造行业。此外，数控技术也会在绘图仪、坐标测量仪、激光加工与线切割机等机械设备中得到广泛的应用。努力发展数控加工技术，并向更高层次的自动化、柔性化、敏捷化、网络化和数字化制造方向推进，是当前机械制造业发展的方向。数控技术是机械加工现代化的重要基础与关键技术。应用数控加工可大大提高生产效率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精密零件的自动化加工，易于在工厂或车间实行计算机管理，还使车间设备总数减少，节省人力、改善劳动条件，有利于加快产品的开发和更新换代，提高企业对市场的适应能力并提高企业综合经济效益。数控加工技术的应用，使机械加工的大量前期准备工作与机械加工过程联为一体，使零件的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺规划（CAPP）和计算机辅助制造（CAM）的一体化成为现实，使机械加工的柔性化自动化水平不断提高。2.3 数控机床应用范围及特点目前的数控加工主要应用于以下两方面： 常规零件加工，如二维车削、箱体类镗铣等。其目的在于：提高加工效率，避免认为误差，保证产品质量；以柔性加工方式取代高成本的工装设备，缩短产品制造周期，适应市场需求。这类零件一般形状较简单，实现上述目的的关键一方面在于提高机床的柔性自动化程度、高速精加工能力、加工过程的可靠性与设备的操作性能，另一方面在于合理的生产组织、计划调度和工艺过程安排。 复杂形状零件加工，如模具型腔、涡轮叶片等。该类零件在众多的制造行业中具有重要的地位，其加工质量直接影响以至决定着整机床品的质量。这类零件型面复杂，常规加工方法难以实现，它不仅促使了数控加工技术的产生，而且也一直是数控加工技术的主要研究及应用对象。由于零件型面复杂，在加工技术方面，除要求数控机床具有较强的运动控制能力（如多轴联动）外，更重要的是如何有效地获得高效优质的数控加工程序，并从加工过程整体上提高生产效率。数控机床在机械制造领域中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点：高柔性、生产效率高、加工精度高、加工质量稳定可靠、自动化程度高、能完成复杂型面的加工、有利于生产管理的现代化。2.4 我国数控技术的发展从20世纪50年代末期，我国就开始研究数控技术，开发数控产品。1958年，清华大学和北京第一机床厂合作研制了我国第一台数控铣床。经过多年的不断努力，数控产业取得了长足的发展：国产数控系统基本上掌握了关键技术，可靠性已有很大提高；新开发的国产数控机床产品大部分达到国际20世纪80年代中期水平，部分达到国际20世纪90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床；技术上也取得很大突破，如高速主轴制造技术、快速进给、快速换刀、柔性制造等技术，为国产数控机床的下一步发展奠定了基础。虽然在数控技术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在迅速缩小。2.5 数控机床的工作原理数控机床是数字信息进行控制的机床。即凡是用代码化和数字信息将刀具移动轨迹信息记录在程序介质上，然后送入数控系统，经过译码和运算，控制机床刀具与工件的相对运动，加工出所需工件的一类机床即为数控机床。数控加工基本过程见图1所示：图1 计算机数字控制（CNC）系统框图数控机床加工零件时，首先编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将数控程序输入到数控装置，再由数控装置机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移大小，以及其他诸如刀具选择交换，工件夹紧、松开和冷却、润滑的启、停等动作，使刀具与其他辅助装置严格地按照数控程序规定的顺序、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度等符合要求的零件。2.6 数控机床的组成数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的数控机床来讲，它由信息输入装置、数控装置、伺服系统、机床本体以及复杂装置组成。2.7数控技术的发展现状与趋势近十几年来，数控机床借助于微电子、计算机技术的飞速进步着高精度、多功能、高速化、高效率，正向复合加工功能、智能化等方向迈进，明显地反映出时代的特征，其主要表现为以下几方面。2.7.1 精度化当代工业产品对精度提出了越来越高的要求，像仪表、钟表、家用电器等都有相当高精度的零件，典型的高精度零件如陀螺框架、伺服阀体、涡轮叶片、非球面透镜、光盘、磁头、反射鼓等，这些零件的尺寸精度要求均在微米、亚微米级。因此，加工这些零件的机床也必须受到需求的牵引而向高精度发展。2.7.2 高速度化提高生产率是机床技术发展追求的基本目标之一，而实现这个目标的最主要、最直接的方法就是提高切学速度和减少辅助时间。随着刀具、电机、轴承、数控系统等相关技术的突破及机床本身基础技术的进步，使各种运动速度大为提高。2.7.3 高柔性化柔性是指机床适应加工对象变化的能力，当代产品的多样化和个性化，对机床提供了更高的柔性加工要求。数控机床在提高单机柔性化的同时，朝着单元柔性化和系统柔性化方向发展。不仅中、小批量的生产方式在努力提高柔性化能力，就是在大批量生产方式中，也积极向柔性化方向转向。如出现了可编程控制器（PLC）控制的可调组合机床、数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心、数控三坐标动力单元等具有柔性的高效率加工设备，柔性加工单元（FMC），柔性制造系统（FMS）以及介于传统自动线与FMS之间的柔性制造线（FTL）。2.7.4 高自动化高自动化是指在全部加工过程中尽量减少“人”的介入而自动完成规定的任务，它包括物料流和信息流的自动化。自20世纪80年代中期以来，以数控机床为主体的加工自动化已从“点”的自动化（单台数控机床）发展到“线”的自动化（柔性制造车间），结合信息管理系统的自动化，逐步形成整个工厂“体”的自动化，并出现了FA（自动化工厂）和CIM（计算机集成制造）工厂的雏形实体。尽管由于这种高自动化的技术还不够完备。投资过大，回收期较长，而提出“有人介入”的自动化观点，但数控机床的高自动化并向FMC，FMS集成方向发展的总趋势仍然是机械制造业发展的主流。数控机床的自动化除进一步提高其自动编程、上下料、加工等自动化程度外，还在自动检索、监控、诊断、自动对刀、自动传输等方向进一步发展。2.7.5 复合化复合化包含了工序复合化和功能复合化。在一台数控设备上能完成多工序切削加工（如车、铣、镗、钻等）的加工中心，打破了传统的工序界限和分开加工的规程。一台具有自动换刀装置、自动交换工作台和自动转换立卧主轴头的镗铣加工中心，不仅一次装夹便可以完成镗、铣、钻、铰、攻丝和检验等工序，而且还可以完成箱体件五个面粗、精加工的全部工序。此外，还出现了与车削或磨削复合的加工中心。2.7.6 智能化数控技术的一个重要发展趋势是加工过程的智能化。带有自适应控制功能的控制系统，可以在加工过程中根据切削力和切削温度等加工参数，自动优化加工过程，从而达到提高生产率，增加刀具寿命并改善加工表面质量等目的。刀具破损监控和刀具智能管理功能可以智能的管理刀具，使得刀具保持最佳工作状态。以工艺参数数据库为支撑的、具有人工智能的专家系统被用于指导加工。2.7.7 网络化为适应制造业的网络化和全球化发展趋势，数控系统的网络化功能也日趋重要。在企业内部，具有网络功能的数控系统可以充分实现企业内部的资源和信息共享，适应未来车间的面向任务的定单的生产发展模式，使得底蹭生产控制系统的集成更加简便有效。在生产企业之间，数控系统的网络化功能可以更好地适应敏捷制造（AM）等先进制造模式。同时，系统制造商也可以通过系统的网络功能进行远程诊断服务。2.7.8 高可靠性数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标，数控机床能否发挥其高性能、高精度、高效率，并获得良好的效益，关键取决于可靠性。衡量可靠性的重要的量化指标是平均无故障工作时间（MTBF），数控系统的MTBF已由20世纪80年代的10000h以上，提高到90年代的30000h以上，而数控整机的MTBF也从20世纪80年代的100-200h，提高到现在的500-800h。除上述发展趋势外，近年来还出现了全新结构的数控机床，最早在美国IMTS94机床博览会上，出现了被称为“六条腿”的机床。这种新型结构机床的六条腿能自由伸缩，没有导轨和拖板，也称为虚轴机床（Virtual Axis Machine）。其精度相当于测量机，比传统机械加工中心高2-10倍；刚度为传统机械加工的5倍；对零件轮廓的加工效率是传统加工中心的5-10倍。这种机床结构设想是德国STEWART1962年提出的，称之为数学造型机床，今天借助计算机技术的进步得以实现。3.机械结构选择查相关数控机床资料和数控机床的市场调查，选择确定合理的机床结构很重要。传统的数控机床结构包括立式、卧式两大类。立式机床的主轴定位多数是相同的，它的优点在于：机床小巧、占地空间小、经济实惠。适合于工作单一加工工件较小及加工尺寸小的场合。而卧式数控机床的主轴结构及主轴箱布局可为单面悬挂主轴箱和主轴箱位于立柱对面内。后者的优点在于：主轴箱的自重不会使立柱产生弯曲变形，相同的切削力所引起的立柱的弯曲和扭转变形均大为减小。这样就相当于提高了机床的刚度。故要是采用对数控机床结构设计成为卧式结构的话就应该选用主轴箱位于立柱内的布局形式。然而一般的卧式数控机床的加工尺寸都很大，对于我们要设计的机床加工零件的尺寸是很小的：仅为最大加工为10mm的孔。从经济的角度上来说：我们设计的机床采用立式的结构更为节省空间，节省材料。同时机床看上去更为小巧，然而完全可以达到要求加工范围的要求。包括此类机床的其它特点都很满足我们要设计机床的要求。4 一种多工位专用数控钻床的设计研究以钻床来说，目前，钻孔用的设备一般为台式钻床和摇臂钻床，但这两种设备只适合钻削小型零件上的孔，且孔的长径比一般不超过4。如果要加工大直径孔，且孔数目较多。那么设计一种专用钻床就很有必要。例如要加工直径为2.5m的某新产品，需加工33孔102个，深度达130mm，位置度0.4。按照零件的要求分析，孔的长径比为4基本上应该属于深孔，要加工的孔的数目较多，零件的尺寸很大，是大直径的深孔加工。根据以往的生产规律，需要4台摇臂钻床，至少2名操作工，加上辅助时间需要14小时/件，而且很难达到图样要求，报废率高。若采用大型加工中心进行加工，确实可以达到生产要求，但是加工成本过于昂贵。针对以上问题的存在，提出了一种专用数控钻床设计方案。4.1 总体设计分析这种新设备需要满足以下几项特点：（1）适合大直径的深孔加工；（2）满足加工节拍的要求即每天钻孔612个；（3）满足零件的形状位置精度的要求；（4）由于内外圈的直径不一样，该设备还应该能适应不同尺寸的钻削要求。经过认真地分析，调查，研究，在参考大量钻床设备的基础上，结合目前比较先进的加工方法，设计出了这套钻孔的专用设备，由于设备要具有前述的4个特点，该套设备称为可调式大直径数控多工位专用钻床。4.2 机械部分首先设计多工位专用钻床，总共采用3个分式的立柱加工部分，每个加工部分，由下滑台、上滑台、主轴箱、床身等组成。设计简图，如图2所示：图2 机床简图1.下滑台 2.立柱十字滑台 3.特制钻削头 4.传动装置 5.刀具4.3 可调式功能的实现如图2所示，立柱2可以在下滑台的拖动下沿横向水平移动以适应工件尺寸的变化，下滑台的行程为630mm所以可加工工件的尺寸范围是（1.53.5）m，当工件的厚度变化时，可以通过安装在立柱2上的纵向滑板进行调整，使特制钻削头3与工件始终保持合适的距离，当孔的中心线与钻头的中心线不在同一铅直线上时，可以通过纵向滑板进行调整保证加工的零件满足要求。这种同时在立柱上安装两个方向的滑板的装置称为十字滑板。配有锁紧装置以保证调整好的位置不发生变化。十字滑板两个方向的移动示意图，如图3、图4所示：图3 横向滑板调整示意图 图4 纵向滑板调整示意图通过调整每个滑板的位置与三个分式立柱的相互位置，活地实现加工不同中心距不同厚度的工件。实现了一专多用的目的。工作进给（Z轴）由变频电机控制。其中三个下滑台和数控回转工作台的布置图，如图5所示：图5 下滑台和数控工作台布置图1.下滑台安装地板 2.下滑台 3.主轴传动装置4.主轴电机 5.工件 6.水平转台 7.特制钻削头4.4 钻头的选型与计算切削用的钻头采用国际上先进的内冷式机夹螺旋钻头，该钻头的平均线切削速度为（80100）m/min，进给量（0.070.1）mm/r，以达到快速进给目的。保证刀具在切削过程的切削热能得到及时冷却采用内部冷却方式，在刀体内部设置冷却孔，使冷却液空过冷却孔达到冷却的目的。这样既可以使刀具高速切削，又能保持合适的切削温度。当刀具工作时，外部的冷却液通过内置在刀体的冷却孔流进刀体，切屑及冷却液通过排屑槽流出。单个钻头的加工工时计算如下：式中：S钻头每分钟的钻削深度单位：mm/min；f钻头每转进给量单位：mm/r；n主轴转速单位：r/min；t加工一个孔的工时：min；L加工孔的深度：min；m加工孔的数目；T单个钻头工作时所需要的总工时：min。整台设备加工完一套工件的工时为：T1T/372min加上辅助时间30min所以加工完一套工件的工时大概为100min。控制部分原理图，如图6所示：图6 控制部分原理图4.5 控制部分水平回转台采用烟台环球公司的Tk12系列转台，该转台的分度精度小于15，为了精确控制转台的旋转精度，控制系统采用国际上先进的西门子数控系统，既可以保证整个系统地精度又可以提高整台设备的可靠性。由于要达到专机多用目的，结合钻头的转速要求，不同孔径的工件对钻头的转速要求也是不同的，所以基于以上原因为保证加工的高效性和灵活性，主轴由7.5kw交流变频电机进行驱动，实现电机的无级调速，最后对设备进行系统整合。如前所述，本台设备要实现高速钻孔的加工目的必须具备两个转动条件即转台的转动和刀具的移动，这两个控制部分可以是独立的，其中水平工作台的转动由西门子802C进行控制，刀具的进给运动可以通过可编程控制器进行控制。但这样需要两套电气控制系统，两个操作面板。这样既增加了操作工的难度，又影响了加工效率。为了提高效率和方便操作工人的操作应把两个部分结合起来，让802C系统能够接受可编程控制器的信号就可以了，也就是两个系统的通信问题，可以由控制系统的硬件电路设计来实现。这样实现了两个系统有机结合。达到了统一控制的目的。这样一个控制系统实现了两个运动部分的协同运动。整个加工过程采用西门子802C智能数控系统控制，三个立式的立柱钻头与回转工作台在数控系统地统一控制下，进行连续精确的高速钻孔，有力地保证了加工过程的高速度，高性能，高精度。结 语通过以上一系列设计，现在使用专用钻床加工的零件，远远超过工艺要求，工效达到30min/件。加工时间由原来的28H/套，减少到现在的100min/套，工效提高了16.7倍。如每天加工6套零件，按二班制生产，需要24台钻床12名操作人员，才能达到用户需求，现在我们仅需要1名操作人员，1台钻床就可以完成任务。而且产品的各项精度指标均超过图样要求，因此本可调式大直径高精度高效率数控多工位专用钻床，节约了加工时间，减少加工人力，降低了整个加工成本。数控多工位钻床是综合应用了微电子、计算机、自动检测以及精密机械等技术的最新成果而发展起来的完全新型的机床，在机械制造领域中会得到越来越广泛的应用。致谢在此论文完成之际，首先要感谢张谦老师对我的关心和指导，从论文开题到研究方法的确立，以及研究过程中遇到的各种问题，无不得到这位老师的悉心指导，在整个论文完成过程中，安老师严谨的学术态度，认真负责的学术精神以及系统精湛的专业知识都给我留下了深刻的印象，使学生受益匪浅。另外还要感谢我的各位同学，不论是在此次的研究过程中，还是在这三年的大学生活中，与他们的交往让我受益良多，希望能在今天的学习生活中继续互相勉励，共同进步。最后感谢我的母校湖南铁路科技职业技术学院对我三年来对我的大力栽培参考文献1 王爱玲.机床数控技术.北京：高等教育出版社，2006.2 宋本基.数控机床.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1999.3 SINUMERIK 802C安装调试手册、诊断说明、操作编程手册.西门子（中国）有限公司自动化与驱动部，2005.4 毕承恩.现代数控机床.北京:机械工业出版社.2000.5 周兰,常晓俊.现代数控加工设备.北京:机械工业出版社,2005.6 肖继德.机床夹具设计.北京:机械工业出版社(第二版),2005.7 杨毅数控加工的工艺设计J机械工程师，2001，2(2)：24268 张福润等.机械制造基础M. 武汉:华中科技大学出版社,2000.