数控枪钻机床总体及钻削系统设计学士学位论文.doc
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1、数控枪钻机床-总体及钻削系统设计摘 要数控枪钻技术广泛应用于国防工业、石油采掘、航空航天、机床、汽车等行业。但钻削加工固有难题是:排屑难,导热性差,刀具振动、易折断等。因此高效、高精度的钻削加工机床是国内外机床厂争相研究的方向之一。如大连机床集团生产的主油道孔、连杆孔、缸体斜油道孔等钻削加工机床,将钻削钴削与数控技术有机的结合起来形成高精度、高效率的钻削加工机床,成为国内钻削加工技术的排头兵。本文主要针对加工,设计一种经济型专用数控枪钻加工机床。将钻削加工技术与经济型数控系统结合,形成结构简单,柔性好,换型方便的实用型专用机床。论文论述了机床机械与电气方案的确定,重点探讨了提高钻削钻削稳定性的
2、方法及刀具的选用。另外针对各种不同形式的数控系统,选择了相对比PLC控制方式效率更髙,比标准数控系统价格更便宜的经济型数控系统一德国的丁公司的IADRAMAT系统。该系统是一种紧凑型、模块化二/四轴交流伺服数控系统,可直接驱动DKC完成伺服电机的精确定位运行。同时本文还介绍了伺服电机的选择,机床电气的硬件电路的设计、电器元件的选择。文中重点介绍了该机床的设计思路,通过对机械系统与电气控制系统的设计与选用,为孔的加工做出了有重要实际意义的探索。关键词:钻削加工;枪钻机床;经济型数控系统CNC gun drill machine - overall and drilling system desi
3、gnABSTRACTCNC gun drill technology is widely applied in national defense industry, oil extraction, aerospace, machine tools, automotive industries. But drilling inherent problem is: scraps discharge difficult, thermal conductivity is poor, tool vibration, easy broken, etc. Therefore efficiency, high
4、 precision drilling machine is domestic and international research direction of the machine tool plant scramble. Such as dalian machine group production main oil tao hole, connecting holes, cylinder inclined oil drilling hole and tao drilling machine, cutting and numerical control (nc) technology co
5、balt organic combine forming high precision, high efficiency of drilling machine, become domestic drilling technology platoon guide.This article mainly aims at processing, design a cost-effective special nc process machine gun drill. Will drilling technology and economical nc system combined to form
6、, simple in structure, convenient HuanXing flexible, practical special machine. This paper discusses the mechanical and electrical machine, the scheme determination of mainly discusses how to improve the stability of drilling drilling methods and tools to choose. In addition to various kinds of diff
7、erent forms of CNC system, chose relatively than the PLC control way more than standard, high efficiency of CNC system cheaper prices of economical nc system - a German butyl company IADRAMAT system. This system is a compac.This paper mainly introduces the machine design, through to the mechanical s
8、ystem and electric control system, the design and selection for hole processing made an important practical significance to exploreKEY WORDS The deep hole processing; Gun drill machine tools; Economical nc system第1章 绪论- 5 -1总体方案的确定- 8 -1.1机械装置主要部件方案的确定:- 9 -1.2电气系统主要部件方案的确定:- 9 -1.21控制装置方案- 9 -1.2.2
9、执行装置方案- 10 -1.3机械系统主要部件的硏究与实现- 11 -1.4机床主轴- 11 -2.1进给滑台- 12 -2.1.1枪钻滑台的特点- 12 -2.1.2伺服电机的选择- 14 -3刀具设计- 16 -3.1深孔钻削稳定性的研究- 16 -3.2钻头与导向套间隙的影响- 17 -3.3钻尖高度对振动的影响- 18 -4硬件电路设计- 19 -4.1主回路的设计- 20 -4.2主轴变速的硬件设计- 21 -4.2.1机床变速方案选择- 21 -4.2.2机床变速硬件线路设计- 22 -4.3数控系统与伺服系统的连接- 23 -5软件设计- 25 -5.1CLM数控系统的简介- 2
10、5 -结束语- 27 -第1章 绪论枪钻机床是一种钻削加工机床,最初是应用于兵器制造业,因此得名枪钻。随着科技的不断发展和钻削加工系统制造商的不懈努力,钻削加工已经成为一种方便高效的加工方式,并被广泛应用。如:汽车工业、航天工业、结构建筑工业、医疗器材工业、模具、刀具、治具工业及油压、空压工业等领域。钻削加工的发展经历了从传统的麻花钻到高速钢枪钻到硬质合金枪钻,20世纪90 年代研制的单管内排屑喷吸钻、数控机床用钻头等。钻削麻花钻由于其无需专用设备、成本低、非常适用于非回转体零件的加工,国内外己研究出多种类型的加工20以下孔径麻花钻,如美国的節&公司的抛物线槽型钻头、德国(昭公司的01系列钻头
11、、英国Bendix公司的蜗杆形钻头、德国Guhring公司的GT槽型钻头、国内生产的钻削麻花钻及西安石油大学的四棱带钻削麻花钻等,加工直径最小可以达到6 14mm但是,当深度超过排屑槽长度时麻花钻钻头需要多次从孔中退出进行润滑和排屑,另外, 麻花钻的抗扭矩性能有限,进给速度低,而且加工孔可能出现螺旋形沟槽,使麻花钻的应用范围受到限制。枪钻:因其自身的特点适用于加工小孔径零件,而且一次走刀就可以加工出高精度、低表面粗糙度的钻削,并可取代现行的钻、扩、铰工艺。近几年出现的新型枪钻较多,结构变化也大,其中突出的有双刃枪钻、断屑枪钻、振动枪钻、speedbit枪钻及销式枪钻,钻孔直径1.9mm50mm
12、或更大的孔径,加工深度可达4m左右,孔加工误差一般0.013mm以内,特别是用于加工直径2-40mm,长径比小于125的超深通孔或盲孔,是其他孔加工刀具所不能胜任的。Doublefeeder钻属于内排屑钻削钻,由于双抽吸作用,最小加工直径可达到6mm,在钻孔深度上,采取逐渐加长钻杆和适当加长导向块的办法,可以加工长径比为300以上的钻削,但是当钻头小于8mm时, 制造成本高于枪钻。单管内排屑喷吸钻克服了枪钻结构不合理、力学性能差、制造困难等缺点它的结构工艺性完善,性能优越,易于国产化。广西工学院研制出一种用于数控机床的高效钻削钻,解决了在数控机床上加工小直径钻削的问题,这种钻削钻的前角为020
13、,后角为120,顶角为120,排屑槽呈120冲型。在加工合金结构钢小直径钻削时效果较好。枪钻机床在机床结构上与传统的钻镗类组合机床有很大的不同,具有自己的特图1-1枪钻机床外形?18016 1.2 1116 011(11116 0(110 11120111116点: 例如独特的刀具枪钻)结构及其切削时独特的受力形式、独特的排屑方式、对机床和切削液的特殊要求等。枪钻机床加工钻削的深度一般可以做到枪钻直径的100倍左右, 采取一定的措施后可以达到直径200倍以上。另外枪钻加工可以达到的精度很高,视不同的被加工材料和选用不同的切削用量可以一次加工出精度很高的孔,孔径精度可以达到117以上,粗糙度可以
14、达到Ra6.3Ra0.4,直线度可以达到0.1/1000。由于枪钻的这些特点,经常可以解决常规钻扩铰工艺不能解决的难题。因此对于精度较高的钻削加工要求,往往是首选的加工。80年代后期由于数控技术的出现,枪钻逐渐开始在深孔钻床上得到应用,特别是90年以后这种先进技术得到推广。如70年代一80年代进入我国的美国的ELDORADO公司的MEGA50,德国TBT丁公司的T30-3-250, NAGEL公司的B4-H30-C/L,日本神崎高级精工制作所的DEG型等深孔钻床都是采用继电器控制的。继电器控制的机床通用性较差,硬件电路复杂。且我国的数控枪钻机床研究大多数集中在机械结构及刀具上, 对控制部分鲜有
15、报道。特别是经济型的数控枪钻机床。现在数控枪钻机床基本上可以分三大类:普通型单座标深孔钻床、专用型深孔钻床、多座标数控深孔钻床。1、普通型单座标深孔钻床。它主要是为轴类零件上钻削深孔,其形式有单面单主轴、单面双主轴、单面三主轴、四主轴、六主轴的结构。其中为了加工与工件轴心线同心但不同孔径或不同心但平行的两端深孔加工,又有双面单主轴深孔钻床等。2、专用型深孔钻床。近些年来为了加工某些零件上的相互交叉或任意角度、或与加工零件中心线成一定角度的斜孔,垂直孔或平行孔等需要,各个国家而专门开发研制多种专用深孔钻床。例如专门为了加工曲轴上的油孔,连杆上的斜油孔,平行孔和饲料机械上料模的多个径向出料孔等。3
16、、多座标数控深孔钻床。随着家电市场销售量增大,塑料制品增长速度加快,塑料模具制造业蓬勃发展,深孔钻床为了满足模具上的水孔、射销孔等孔系的深孔加工。由过去的单一座标轴的深孔钻床加工发展到需要加工座标孔系的多孔加工而开发多的座标数控深孔钻床近些年来发展很快。以上的各类枪钻机床,大多数采用典型数控系统控制,特别是多座标机床。对经济型的数控枪钻机床介绍的较少。根据市场的需求,在吸取国外同类产品的基础上,针对于我国的国情,研究一种性价比高的经济型数控枪钻机床是非常有实际的意义。有力地促进了枪钻技术在我国的进一步推广应用。在深入研究国内外数控枪钻机床的基础上,比较各种机床的优点和不足,根据我国现有的状况和
17、特点,提出一种适合我国的经济型数控枪钻机床。本文主要的内容有: 阐明课题的来源及背景,说明研究的目标,意义与价值。针对实际工作,制定电气控制方案。包括数控系统的选择,伺服驱动的选择及应用1总体方案的确定图1.1机床加工头本机床要完成的任务是缸体后端面主油道孔的加工,缸体前端面惰轮轴孔等的加工,内容详见加工示意图。左头加右头加工示意图见图1.1。左头汽缸主油道孔细而长,加工成通孔,表面粗糙度要求较高,位置精度不高,孔的深径比在40以上,在加工过程中,枪钻机床钻头的切削时独特的受力形式,排屑方法,对机床的切削液的特殊要求等具有自己独特的特点,针对于此,要使枪钻这种加工工艺能得以实现,有三个必要条件
18、:第一要有合格的枪钻刀具,第二要有符合枪钻特殊要求的机床, 第三要有符合枪钻加工的特殊要求的切削液。同时根据实际应用需求有所侧重:一、经济效益要求,既把提高研究成果的性价比作为工作的基本出发点:二、加工精度要求, 通过精度分析,使系统既能达到精度指标要求,又符合经济性要求。因此机床的总体设计思想如下:1.1机械装置主要部件方案的确定:1、机床总占地面积约为4000mmX5000mm,为双面卧式枪钻机床。2、主传动系统设计思路:双面双主轴,主轴传动为定比传动,采用普通电机,由主轴电机通过齿形皮带带动主减速装置来驱动主轴,另外主轴电机通过改变输入频率而改变转速。3、刀具的选用思路:因主油道孔的长度
19、超过800mm,选用适合超深孔加工的枪钻,外排屑,高压冷却,由枪钻加工的特点,机床对主轴的振动要求较高。4、滑台的设计要求:要求重复定位精度可达到+0.005,进给直线精度为0.015/10000mm可实现不同深度孔的加工。保证滑台有足够的进给力,根据不同的产品的加工深度及切入点不同,可很方便的修改程序,调整切削参数。要求设有软极限限位,确保在硬极限开关无效时起保护作用。进给过程中,如有异常现象,能够及时停车。1.2电气系统主要部件方案的确定:1.21控制装置方案数控系统一般有下列三种形式:一是经济型数控机床:经济型数控机床是指采用步进电动机驱动的开环控制的数控机床。这种机床一般精度较低、价格
20、便宜、功能简单, 适用于自动化程度不高的场合。二是全功能型数控机床,全功能型数控机床的功能齐全、价格较贵。它适用于加工复杂零件。三是精密型数控机床,精密型数控机床采用闭环控制,它不仅具有全功能型数控机床的全部功能,而且机械系统的动态响应较快。它适用于精密和超精密加工。在方案的选择上主要考虑以下几个方面:(1)由于主油道孔加工精度不高,功能较简单,所以采取精心的简约结构设计的经济型数控机床,一方面能发挥最佳性能,另一方面功能又很简洁,为许多生产厂家所接受, 也是我们设计的主导思想。(2)本机床需要两个动力头,要求系统能较容易的完成 。(3)多轴控制编程语言相对简单,操作容易接受。(4)要求有较高
21、的自动化程度和可靠性。综上所述如果采用单片机的方法,开发工作量较大,生产周期不够,如果采用PLC机,因需控制2个轴,而且需要变速和变行程控制,软件设计较繁琐,性价比不高,如采用典型数控系统,价格较贵,而且功能没有得到充分的发挥。从价格、生产周期、可靠性、售后服务等各个方面考虑采用德国INDRAMAT公司的经济型CLM数控系统。力士乐位置控制器CLM是一种紧凑型、模块化二/四轴数控系统,直接驱动力士乐伺服驱动器完成交流伺服电机的精确定位运行。位控系统又分为半闭环和闭环控制:采用直流或交流伺服电机作为驱动部件,可以采用内装於电机内的脉冲编码器,旋转变压器作为位置力速度检测器件来构成半闭环位置控制系
22、统,也可以采用直接安装在工作臺的光栅或感应同步器作为位置检测器件,来构成高精度的全闭环位置控制系统。由于螺距误差的存在,使得从半闭环系统位置检测器反馈的丝杠旋转角度变化量, 还不能精确地反映进给轴的直线运动位置。但是,经过数控系统对螺距误差的补偿後, 它们也能达到相当高的位置控制精度。与全闭环系统相比,它们的价格较低,安装在电机内部的位置反馈器件的密封性好,工作更加稳定可靠,几乎无需维修,所以广泛地应用于各种类型的数控机床。1.2.2执行装置方案在电机驱动方面,执行元器件目前主要有交流伺服、直流伺服以及步进电机几种。其中,步进电机是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的执行器。它接受一个脉冲,即转
23、过一个步距角。由于它的调速范围不高,一般用于开环系统中。直流伺服电机调速简单,造价相对较高。随着半导体元件的发展交流伺服电机的调速变得越来越容易,而且造价低。其主要优点有:(1) 无电刷和换向器,因此工作可靠,对维护和保养要求低。(2) 定子绕组散热比较方便。(3) 惯量小,易于提高系统的快速性。(4) 适应于高速大力矩工作状态。(5) 同功率下有较小的体积和重量。基于分析研究,根据机械的要求任意改变行程与进给速度,可适应产品换形的需要, 釆用半闭环交流伺服电机控制方案。检测装置与电机同轴安装。其优点是:(1)交流伺服电机的稳定性较高。(2)半闭环系统可以满足精度要求,而且结构简单,调试方便。
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