普通小型臺鉆的自動化改造設計【含SW三維圖】
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16 屆畢業設計
普通小型臺鉆的自動化改造設計
學生姓名 李猛
學 號 8011212128
所屬學院 機械電氣化工程學院
專 業 機械設計制造及其自動化
班 級 16-1
指導老師 楊丙輝
日 期 2016 .06
塔里木大學機械電氣化工程學院制
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、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，已成為當今制造業的發展方向。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、生產規模小的具體國情。
目前我國機床市場的需求結構已經發生了很大的變化，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需求，所以，目前數控化改造是適應我國制造業迅猛發展、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 1
1.1概述： 1
2.自動化技術的應用 1
2.1自動化的產生與發展 1
2.1.1產生 1
2.1.2發展趨勢 2
2.2臺鉆進行自動化改造的必要性 4
2.2.1微觀看改造的必要性 4
2.2.2宏觀看改造的必要性 4
2.3臺鉆自動化改造的現狀 5
2.3.1國外改造業的興起 5
2.3.2我國改造業的現狀 5
3.自動化改造主要步驟和總設計方案 6
3.1十字滑臺的選用與安裝 7
3.1.2十字滑臺的選用 7
3.2動力部件的計算與選擇 8
3.2.1步進電機的選用 8
3.2.2減速電機的選擇 18
3.3法蘭的設計與加工 19
3.4步進電機、絲杠、聯軸器和法蘭的安裝 21
3.4.1步進電機與法蘭的連接 21
3.4.2步進電機與絲杠的連接 22
3.4.3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、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，并可通過數控系統實現自動控制。其中重點是傳動系統和工作臺的改造。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。
塔里木大學畢業設計
1.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，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自動化的產生與發展
2.1.1產生
社會需求是推動生產力發展最有力的因素。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展，加工精度和生產效率不斷提高。數控機床的發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，這就是硬件連接數控，簡稱數控（NC）。隨著電子元器件的發展，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年的第五代——微型計算機數控系統，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展，數控技術也隨之不斷更新，發展非常迅速，幾乎每5年更新換代一次，其在制造領域的加工優勢逐漸體現出來。
2.1.2發展趨勢
數控機床的出現不但給傳統制造業帶來了革命性的變化，使制造業成為工業化的象征，而且隨著數控技術的發展和應用領域的擴大，它對國計民生的一些重要行業（IT、汽車、輕工、醫療等）的發展起著越來越重要的作用，因為這些行業所需裝備的數字化已是現代發展的大趨勢。當前世界上數控機床的發展呈現如下趨勢：
? （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的誤差和采用補償技術來達到。在減少數控系統誤差方面，一般采取三種方法：①提高數控系統的分辨率、以微小程序段實現連續進給；②提高位置檢測精度；③位置伺服系統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，數控系統就能控制機床自動地更換刀具，連續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和機床結構上也有所改革。例如，采取多系統混合控制方式，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：
?? ①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，通過自動調節加工過程中所測得的工作狀態、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。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，從而在保證質量條件下使加工成本最低或生產率最高。AC系統主要在宇航等工業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和示教系統，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 數控系統出了故障，控制系統能夠進行自診斷，并自動采取排除故障的措施，以適應長時間無人操作環境的要求。
? （4）小型化 蓬勃發展的機電一體化設備，對數控系統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 數控系統比較貴重，用戶期望發揮投資效益，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境下運行的數控系統，可靠性成為人們最為關注的問題。提高可靠性，通常可采取如下一些措施：
?? ①提高線路集成度 采用大規?；虺笠幠５募呻娐贰Ｓ眯酒盎旌鲜郊呻娐?，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。新型數控機床還具有故障預報、自恢復功能、監控與保護功能。例如，有的系統設有刀具破損檢測、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，數控機床比傳統機床有以下突出的優越性，而且這些優越性均來自數控系統所包含的計算機的威力。 可以加工出傳統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，然后按程序規定的順序自動去執行，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）以及CIMS（計算機集成制造系統）等企業信息化改造的基礎。數控技術已經成為制造業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，工業發達國家的軍、民機械工業，在70年代末、80年初已開始大規模應用數控機床。其本質是，采用信息技術對傳統產業（包括軍、民機械工業）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）、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的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統產業方面比發達國家約落后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國外改造業的興起
在美國、日本和德國等發達國家，它們的機床改造作為新的經濟增長行業，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，也從老的行業進入到以數控技術為主的新的行業。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。在美國，機床改造業稱為機床再生（Remanufacturing）業。從事再生業的著名公司有：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，機床改造業稱為機床改裝（Retrofitting）業。從事改裝業的著名公司有：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我國改造業的現狀
我國的數控系統以傳統的封閉式體系結構為主。在傳統的封閉式結構中，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及自動編程系統進行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環節，整個改造過程中CNC只是一個封閉式的開環執行機構。在復雜環境以及多變條件下，無法在現場環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節隨機修正CAD/CAM 中的設定量，因而影響CNC的工作效率。由此可見，傳統CNC系統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展，已不適應日益復雜的控制過程，因此，變革勢在必行。
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塔里木大學畢業設計
3.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：
圖3-3
3.1十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，然后與數控系統連接才能形成一個自動化的十字滑臺，如圖3-6：
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、確定系統的脈沖當量
脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執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Q235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：
式中，：切削力矩（）
：鉆頭直徑（20mm）
：每轉進給量（0.1mm）
：修正系數：
2.軸向切削力的計算公式如下：
式中，：軸向切削力（N）
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：
=21.6
=2661.7 N
（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，它的切削基本規律與車削相似。
1.削抗力的合力為：
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算。
式中：V：主軸傳遞全部功率時的最低切削速度，100m/s；
：機床主傳動系統的效率。
這里按電機功率進行計算。
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′與銑刀刀齒的銑削抗力的余力大小相同方向相反，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、Fy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，求出后，即可計算出工作臺工作載荷、和。即 ：
,
則： = 207.36N,
= 207.36 N,
= 172.8 N.
2. 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
則
由
則
由
則
預選的減速電機的扭矩為0.4~1.8
則
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.
2）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：
則要求減速電機的最大輸出轉速大于，很顯然降速后的DS-12SSN204.515500-298K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：
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:；
G：溜板及刀架重力，G=800N。
其中 分別是上面計算的數據，
因此上面的公式可以化為：
（2）系統等效轉動慣量的計算
傳動系統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折算到電機軸上面的總傳動慣量，即是傳動系統等效轉動慣量。
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：
：為脈沖當量，0.01mm;
：步進電動機的步距角，；
：蝸輪蝸桿減速電機的傳動比，=50；
：重力加速度，=10。
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行計算：
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
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：
3) 動系統等效轉動慣量計算
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：
其中 :為傳動系統等效轉動慣量;
根據查資料和計算我們可以得到
（3）初選步進電機
1) 計算步進電機的負載轉矩
式中：
：進給牽引力（N）；
：絲杠的傳動效率，為齒輪、軸承、絲杠效率之積；
：齒輪副的傳動效率，是齒輪副的傳動比；
：十字型導軌副的傳動效率。
因為：，則
2) 估算步進電機的起動轉矩
式中：0.3為安全系數。
3) 計算最大靜轉矩
查表取三相六拍，則
4) 計算步進電機運行頻率和最高起動頻率
試中：：最大快移速度（m/min），這里為2m/min；
：最大切削進給速度（m/min）;這里為0.1 m/min；
：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，可選開環控制，也可選閉環控制。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查得86HS15060A4最大靜轉距為12 >，可以滿足要求，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
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
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：
式中： ：快速空載起動轉矩；
?。嚎蛰d起動時折算到電機軸上的加速轉矩；
?。赫鬯愕诫姍C軸上的摩擦轉矩；
：由于絲杠預緊時折算到電機軸上附加摩擦轉矩。
摩擦轉矩
式中： ?。哼\動部件的總重量（N）；
?。簩к壞Σ料禂怠。?；
：蝸輪蝸桿減速電機的傳動比，i=50。
空載起動時折算到電機軸上的加速轉矩：
式中： ?。赫鬯愕诫姍C軸上的總等效轉動慣量；
?。弘姍C最大角加速度，（）；
?。弘姍C最大轉速，（）；
?。哼\動部件最大快進速度，（）；
?。哼\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）。
上面三項合計為：
2) 快速移動時所需的轉矩：
3) 最大切削負載時所需轉矩：
從上面的計算可以看出，，和三種工作情況下，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：
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
圖3-11
3.3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：
圖3-12 圖3-13
圖3-14
Y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
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：
圖3-18 圖3-19
3.4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3-20
3.4.2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：
圖3-21 圖3-22
3.4.3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：
圖3-25 圖3-26
改造后的臺鉆效果圖如圖3-27和圖3-28
圖3-27 圖3-28
總 結
這次畢業設計對我來說是很有意義的，它綜合運用到了我在學校里學到的很多理論知識，鍛煉了我的動手實踐能力，在設計當中有很多不懂的地方請教老師，老師給我們講解，帶我們到車間看臺鉆實體，了解它的工作原理及實際運作情況并進行測量和推算，對此加深了我對小型臺鉆的了解。我感覺在這次設計中學到了很多，明白了理論與實際動手結合的重要性，也只有自己動手，才能從理論中走到實際，再從實際走到團體，團體協作的探討，一步一步，慢慢走來，讓我受益良多。通過這次比較完整的小型臺鉆自動化改造的設計，擺脫了我單純的理論知識的學習狀態，實際設計讓我學會了綜合運用所學的專業基礎知識，提高了我解決實際工作中遇到問題的能力，同時也提高我查閱設計手冊、文獻資料、設計規范以及CAD\SolidWorks制圖的專業能力水平，通過對整體的把握，對局部的取舍，以及對細節的進一步規劃，都使我的能力得到了很大的提高，意志力得到了加強，經驗得到了豐富，我想，這也是老師讓我們自己動手做著畢業設計的目的，讓每個人都得到了不同的提升，對我來說收益匪淺。
在這次設計中，我發現自己有很多的不足，我需要學習和行動來彌補自己的不足。只有學習，思考和行動才能促使自己不斷的提高，不管做什么事，我都要相信自己可以做到，并努力去做，中間也許會遇到很多困難，但不要放棄要堅持下去，勝利總會到來。同時我得根據自己的實際情況，端正自己的態度，所以在這次設計當中，讓我學到了很多。在以后的工作當中，我會多學習，多動頭腦，多行動，盡量把事情做到更好。
致 謝
隨著我設計的不斷深入，與老師和同學不斷的交流，對我的設計啟發很大，因此，感謝我的指導老師楊丙輝老師和我親愛的同學們。
隨著畢業設計由點滴的不足到逐步完成，我感到自信了，有努力付出就會有回報。由于我的知識和能力缺陷，畢業設計論文多少會有些不足，望老師體諒。最后依然要再次感謝我的指導老師和最親愛的同學們，謝謝你們。未來的日子里，讓我們共同進步。
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