1、毕业设计(论文)小型数控钻床及其控制系统设计学 院 ： 机 械 工 程 学 院 专 业 ： 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化姓 名 ： 学 号 ： 指 导 教 师 ： 2008 年 6 月摘 要随着我国电子制造业和印制电路板（PCB)行业的快速发展给电子制造装备提出越来越高的要求，印制电路板数控钻床向着高速、高精度、高可靠性、智能化、柔性化、集成化的发展趋势越来越明显，目前，高精度高速微孔印制电路板数控钻床是制约和影响我国电子制造业水平和电子信息产业基础配套能力的重要因素，是我国电子制造业与世界先进水平差距体现的重要环节之一。因此，开展高精度高速微孔印制电路板数控钻床关键技术的研究与
2、应用，改善和提高 PCB 数控钻床的整体性能，对于提高我国电子制造工艺装备水平和电子信息制造业自我配套能力具有重要的现实意义。本文系统的介绍了自行设计与制造的加工印刷电路板微型数控钻床及其控制系统的组成及原理，并对各部分功能进行了分析，特别是 MCS-51 系列单片机的具体应用及扩展，研究结果具有实用价值.关键词：印制板数控钻床；MCS-51 单片机；步进电机；滚珠丝杠副AbstractIt is proposed that more and more demands to the electron manufacturing manufacturing industry and PCBs p
3、rofession. The PCBs numerical controlled drill machine development tendency that faces high speed, high accuracy, high dependability, intelligentization, flexibleization and integrationization is more and more obvious. Currently, high-precision high-speed catalysis PCBs numerical controlled drill ma
4、chine is constrained and influenced the level of Chinas electronics manufacturing industry and the electronic information infrastructure capacity is an important element of our electronic manufacturing gap with the worlds advanced level of one of the important links. Thus, high-precision high-speed
5、PCBs numerical controlled drill machine research and application of key technologies to improve and enhance the overall performance of PCBs numerical controlled drill machine for electronic manufacturing processes and equipment to improve our level of self-supporting capacity of the manufacturing se
6、ctor and electronic information will be of practical significance. This paper systematically introduces the composition and principle of a self-design and manufactured miniature NC drill machine and control system used for processing printing circuit board. It analyzes the function of every part, es
7、pecially for the specific application and expandability of MCS-51 single chip processors. The result possesses value.Key word: the PCBs numerical controlled drill machine; MCS-51single chip; Step Motor;Ball screw目 录摘 要 . IABSTRACT（英文摘要） . 目 录 . 第一章 绪论 11.1 概述 11.2 CNC 钻床技术 21.2.1 CNC 钻 床 技 术 的 主 要 特
8、 点 21.2.2 CNC 钻 床 技 术 发 展 的 由 来 41.2.3 CNC 钻 床 技 术 发 展 的 几 个 阶 段 41.2.4 CNC 钻 床 技 术 的 发 展 现 状 51.2.5 CNC 钻 床 技 术 的 发 展 趋 势 71.3 对我国先进 CNC 技术发展的几点考虑 81.4 课题研究的目的和意义 10第二章 总体方案的确定 112.1 机床总体设计的要求 112.1.1 机 床 布 局 的 基 本 要 求 . 112.1.2 机 床 应 具 有 的 性 能 指 标 . 122.1.3 人 机 关 系 122.2 总体设计方案的确定 12第三章 机械部分设计计算 .
9、16 3.1 切削参数的计算 163.1.1 切 削 力 的 计 算 163.1.2 切 削 功 率 的 计 算 163.2 步进电机的选用 173.2.1 步 进 电 机 的 特 点 173.2.2 步 进 电 机 的 种 类 183.2.3 步 进 电 机 的 工 作 原 理 . 193.2.4 步 进 电 机 的 选 择 计 算 . 213.2.5 步 进 电 机 的 控 制 223.3 滚珠丝杠螺母副的选用 233.3.1 滚 珠 丝 杠 螺 母 机 构 工 作 原 理 和 特 点 . 243.3.2 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 结 构 . 253.3.3 滚 珠 丝 杠 螺 母
10、副 的 支 撑 方 式 263.3.4 滚 珠 丝 杠 的 选 择 计 算 . 263.4 导轨的选用 303.4.1 导 轨 应 满 足 的 要 求 . 303.4.2 滚 动 直 线 导 轨 副 的 结 构 . 313.4.3 直 线 运 动 滚 动 导 轨 副 的 特 点 323.4.4 滚 动 直 线 导 轨 副 型 号 的 选 择 333.5 滚动轴承及联轴器的选用 333.5.1 滚 动 轴 承 的 选 用 333.5.2 联 轴 器 的 选 择 353.6 主轴系统及工作台的设计 . 353.6.1 主 轴 的 结 构 设 计 353.6.2 主 轴 轴 承 的 选 用 363.
11、6.3 主 轴 电 动 机 和 工 作 台 37第四章 步进电机控制系统设计 394.1 单片机 394.1.1 单 片 机 的 特 点 及 其 应 用 . 404.1.2 单 片 机 的 选 用 414.1.3 8031 单 片 机 的 引 脚 功 能 . 414.2 可编程计数器/定时器 8253 444.2.1 8253 的 引 脚 444.2.2 8253 的 工 作 模 式 . 454.3 脉冲分配器及功率放大电路 464.4 控制图说明 464.4.1 单 片 机 部 分 . 464.4.2 8253 部 分 474.4.3 CH250 部 分 484.4.4 功 率 放 大 部
12、分 48结 论 . 49参考文献 51致 谢 . 52第 一 章 绪 论 1.1 概 述制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国家或地区的经济实力、科技水平、生活水准和国防实力。其中机械制造业是制造业的核心，为各行业各部门适时的提供各种先进、经济、可靠的机械装备。机械制造业的生产能力和发展水平标志着一个国家或地区国民经济现代化的程度，而机械制造业的生产能力主要取决于机械制造装备的先进程度。金属切削机床是机械制造业的基础装备，是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，习惯上称为机床。在现代制造工业中，机床是加工零件的主要设备，它的技术水平直接影响机械制造工业的产品质量和
13、劳动生产率。我国的机床工业是在新中国成立后建立起来的，虽然已经取得了很大的成就，但与世界先进水平相比还有较大的差距。主要表现在：大部分高精度和超精密机床的性能还不能满足要求，精度保持性也较差，特别是高效自动化和数控化机床的产量、技术水平和质量等方面都明显落后。数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。数控
14、技术是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力的重要途径。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领
15、域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。本文侧重于叙述用于 PCB 板钻孔的数控钻床。 1.2 CNC钻 床 技 术印制电路板(PCB)制造技术是电子信息制造业的重要基础和组成部分。印制电路板(PCB)数控钻床是印制电路板精密孔位加工关键的工艺装备。伴随着以通信、计算机、视听设备等为代表的电子产品“小、轻、薄”的发展趋势和特点，给印制电路板数控钻床提出了更高的要求。精度高、速度快、孔小而多、行程短已成为新一代 PCB 数控钻床发展和提高面临的主要难题。 1.2.1 CNC钻 床 技 术 的 主 要 特
16、点用于 PCB 工业中的 CNC 钻床技术具有诸多的优势与特点：(1) 普遍采用较先进的控制技术 当 PCB 工业中人们使用的 CNC 钻床普遍采用的是较先进的主从结构的多微计算机 CNC 技术或叫一主多从的多 CPU 控制技术。从 CPU 在主CPU 的控制下分控某些特定的功能与部件，使之与主 CPU 保持高度的一致性。(2) CNC 钻床速度快，精度高，质量好 CNC 钻床一般每个电主轴都安装有 Z 轴控制深度测量装置。能实时检测出 PCB 叠层与电主轴压力脚之间的距离，并使之控制在一个合适的范围内，使电主轴移动距离最佳，钻孔速度最高。Z 轴独立驱动，电主轴用气浮轴承，大大地减少了摩擦；使
17、加速和减速的时间缩短，从而使精度提高，速度加快，同时由于使用了高动态伺服马达， 只需若干毫秒就能使电主轴加速到最高速度。目前电主轴的最高运转时速能达到 120 000rmin 。钻孔直径 0.1 mm 小孔。位置反馈采用线性磁尺或直线光栅，组成闭环反馈回路，使钻孔定位精度可达0.003mm，重复定位精度可达 0.002mm。(3) 具有自检自控功能 CNC 钻床，一般都具有较强的自检自控功能。其设计思路是，在主 CPU 的控制下，有一个从 CPU 在全闭环控制系统下，负责对钻床的各个部位进行动态检查，发现问题及时在显示器上显示出来。有的还一边显示，一边报警。有的在工作人员排障方法不得力时，为了
18、保护机器，甚至能自动停止机器运转，使之处于待命状态，以保护机器不出大的问题。同时，每个主轴都安装激光测试径向跳动装置，使每个主轴处于最佳状态。折断钻头是实际生产过程中常有的事，如果不能及时发现更换，就有可能出现该钻的孔没钻，折断的钻头还可能划伤 PCB，直接影响 PCB 的质量。为了解决这个问题，如今 CNC 钻床在主轴上都安装了断钻检测装置，钻头断了机床会自动停机，告知断钻位置，并更换新钻头，自动检测钻头直径后，再重新钻孔。另钻铣床具有了自检自控功能后，能自动控制钻孔深度及钻尖与盖板之间的距离，一般不会钻坏床子的工作台面。(4) 工作台面移动采用气垫加磁浮，确保工作台面不划伤。一般情况下，当
19、空气轴承出现问题，机器处于不平衡状态时，很容易划伤工作台面。CNC 钻床普遍采用气垫加磁浮的方法，X 轴和 Y 轴用气浮导向，工作台面用气浮支撑，台面定位驱动采用 DC 伺服马达，配有精密的滚珠丝杠和预加载双螺母校正。使工作台面移动更轻更稳定，加减速的时间大为缩短。一旦机器出现不平衡，磁浮会吸住台面，让机器停下来，保护整个工作台面不受损伤。同时，X 轴和 Y 轴分离改变了传统的重叠结构。X 轴和 Y 轴置于大理石结构的中央，这样始终保持工作台面处于最佳平衡状态，提高了钻孔的精度。CNC 钻床还可进行软件编程限位，除了能自动测量刀具长短大小外，还能管理刀具等。(5) 电主轴头数多、幅面大 为了提
20、高生产效率，适应大规模自动化生产的需要，如今的 CNC 钻床一般都是 46 个钻主轴。主轴增加以后，台面尺寸就要相应地增加，X 轴和 Y 轴的编程也要随之扩大， (普遍地在 600mm600mm 以上)，轴行程增加则钻孔面积也都要相应地增加。(6) 具有多种编程功能 现在市场上的 CNC 钻床至少具有两种以上的编程功能。 1.2.2 CNC钻 床 技 术 发 展 的 由 来二 十 世 纪 中 叶 以 前 ， 人 们 用 于 PCB 打 孔 的 手 段 主 要 是 靠 人 工 作 坊 式 的手 动 和 半 自 动 的 金 属 冲 、 钻 、 压 等 机 床 设 备 。 既 笨 、 重 、 厚 、
21、 大 ， 且 速 度 慢 、功 能 少 ， 性 能 差 。 60 年 代 初 以 来 ， 工 业 发 达 国 家 的 许 多 PCB 加 工 设 备 设计 、 生 产 厂 家 ， 为 了 满 足 人 们 的 要 求 ， 使 自 己 生 产 的 产 品 具 有 强 劲 的 市 场 竞争 能 力 ， 纷 纷 投 入 较 大 的 人 力 、 物 力 和 财 力 ， 对 PCB 加 工 设 备 存 在 的 问题 进 行 针 对 性 攻 关 ， 终 于 在 60 年 代 初 取 得 了 可 喜 的 成 果 。 据 有 关 资 料 记 载 ，世 界 上 第 一 台 CNC 机 床 是 1952 年 在 芝
22、 加 哥 机 床 博 览 会 上 面 世 的 ， 专 门 用于 PCB 工 业 的 CNC 钻 机 ， 约 比 用 于 金 属 切 削 用 CNC 机 床 晚 10 年 ， 是60 年 代 初 才 面 世 的 ， 从 此 开 辟 了 PCB 工 业 CNC 钻 床 技 术 发 展 的 新 局 面 。 1.2.3 CNC钻 床 技 术 发 展 的 几 个 阶 段CNC 钻床技术的发展已有近 40 年的历史了， 关于其发展阶段的划分，目前学术界暂尚无严格的统一说法，概括起来大致分为以下三个发展阶段。(2) 数据控制(NC)阶段 据有关资料记载，专门用于 PCB 工业的 CNC 钻床技术起步于 60
23、 年代初。从 60 年代初至 70 中期年代是用于 PCB 工业 CNC 钻床技术发展的初始阶段。这个时期的 CNC 钻床许多地方还基本上没有脱离开金属切削机床的模式，是一种数字控制(NC) 或硬件 CNC 装置。硬件 CNC 是一种布线编程的数字控制装置，主要是由硬件来实现 CNC 功能的，其装置是用各种电子元器件、逻辑元件、记忆元件布线组成随机逻辑电路，在各元器件之间以固定的硬线联接，从而搭成专门用来完成某个特定 CNC 功能的装置。(2) 计算机数字控制(CNC)阶段 70 年代中期到 80 年代后期，这一时期基本上是同一生产厂家生产的 CNC 钻床，同 60 年代相比，是两个完全不一样
24、的产品，看不到太多的继承性，给人以脱胎换骨的全新感觉。这个时期的 CNC 钻床，布线程序控制器被可编程序存储控制器取代，人们以小型或微型计算机作为核心装置的数字控制系统被称之为 CNC装置或软件 CNC。(3) NC 和 CNC 兼顾的普及应用阶段 NC 过于死板，很难适应 PCB 工业发展的需要。CNC 虽然很灵活，但也受到了计算机内存储空间狭小等因素的制约，满足不了大规模工业化生产的要求。80 年代后期和 90 年代以来，科技工作者在实践中摸索出了许多将软件功能硬件化，硬件功能软件化的方法与途径，较好地实现了硬、软功能的高度兼容与互补，使得用于 PCB 工业的 CNC 钻床又有了很大进步。
25、如今的 CNC 系统大部分都装有 PLC 硬件结构一般可分为单微处理机结 构和多微处理机结构。多微处理机结构的 CNC 系统不断地随着现代制造技术的发展而发展，使之能适应更高更广泛 CNC 功能的需要。 1.2.4 CNC钻 床 技 术 的 发 展 现 状1. 国 外 CNC 钻 床 技 术 的 现 状纵观国外 CNC 钻床技术的现状，综合起来具有以下的共同点：(1)底座为 200 多毫米厚，经过精密研磨加工的花岗石，以供作工作台面轴向移动的导向基准面，稳定不变形，有救地防止了有规则的机械振动。有的还采用独创的自平衡空气轴承系统，可使机床以极高速度及加速度运行而无震动。(2) 花岗岩基座与机器
26、零、部件加工和装配均经过激光干涉测量仪严格地检测了其几何形状及位置精度，从而确保了机床的系统精度，才使得钻机的钻孔定位精度能达到0.002mm。(3) 大部分钻床的无套环钻头管理系统与回转或双阵列刀具库，可更换多达 360 个钻头。新的刀具管理系统由于减少了刀具的装卸，从而避免了在装配过程中容易造成的断钻机会，提高了钻孔精度。(4) 有两个刚性刀具夹，位于主轴与刀具库之间供作自动更换钻头之用，其存放顺序由 CNC 装置控制。(5) 激光检测电主轴中的钻咀长度、直径及动态径向偏移，从而使钻铣的主轴具有高度稳定性和精度，一般都能自动控制钻头尖与盖板之间的距离，Z 轴的光学电子尺更可控制钻孔的深度，
27、特别适合于多层 PCB 加工。配置的断钻自动检测装置，钻头断了会自动停机， 告知位置并更换新钻头，检测合格再重新钻孔。(6) 自动上下料装置都已十分成熟，一般地有 16 个左右的分层托盘，由 CNC 控制升降，进行装御。装御时间每批次约 19s。目前世界上 CNC 钻铣床生产厂家，如美国 Excellon 2000 系列及 Adranced Controls 的2500、1000 系列，意大利 Pluritec 公司的 MEGA 系列、德国 Klinglnberg 公司的 Mieronig系列及日本日立公司和瑞士 Posalux 公司的产品，都是不相上下，各有特点的好产品。2. 国 内 CNC
28、 钻 铣 床 技 术 的 现 状目前我国 CNC 钻铣床的整体技术水平是钻孔精度已达0.1mm，电主轴最高转速有的已达 80 000rmin， 大部分均在 50 000rmin 左右。钻孔直径在 0.3 mm6.0mm 之间，系统分辨率在 0.001mm 左右，加工幅面在 460mm610mm 之间，传动方式普遍采用了较先进的滚珠丝杠。从宏观上说，我国 CNC 钻铣床近几年来的成果在技术功能和可靠性方面均接近或达到了国外的先进水平，而价格却比国外产品差不多要低 58 倍(有的只有国外产品三分之一，甚至更低) ，从长远的服务、维修和更新方面，比国外产品具有明显的优势。但整体上来讲比世界上几家著名
29、 CNC 钻铣床厂家生产的产品的差距的确仍还很大，个别的如伺服电路，我国现还停留在开环或半闭环状态，而工业发达的国家生产的 CNC钻铣床在 20 年前就采用的是全闭环控制系统，电主轴的转速工业发达国家的产品太多在110 000rmin120 000rmin 之间，同时，即将会有 120 000rmin 以上速度的主轴问世，而我们国家目前最高也就是 80 000rmin，还有如光栅尺、驱动电机等，从技术水平性能状态上，都比人家要差一节，有的差距还很大。目前我国 CNC 钻铣床生产已形成批量的有石狮天马、成都维科(原四川台钻总厂)、重庆万象、上海东源、重大机电 江苏康尼、镇江润州等企业，他们的产品
30、都各有特色。 1.2.5 数 控 钻 床 技 术 的 发 展 趋 势数控钻床技术的发展，概括起来有以下发展趋势。1. 总线、开放式、模块化结构 CNC 钻床将是今后发展的主流CNC 钻床技术发展近几十年来无论在结构与功能上，还是在操作与控制上都有了非常大的发展和可喜的成就，以大板或总线模板结构为基础，在插槽中置备各种相应的功能模块组成多 CPU 的 CNC 钻床装置，已成为当今 CNC 钻床硬件的主要形式。在显示方面，CRT 直观形象，配合图形输入软件，人机会话功能等，不但能有效地显示字符，还能并行显示图形及加工程序，彩显示的对话框及提示，提问式的操作帮助，使键盘操作十分简单方便。电主轴等采用
31、模块设计，装卸方便，约 15 分钟可完成主轴装卸的全过程。CNC 上一般都设有功能软件和下拉菜单驱动方式，使人机对话方便快捷明了。用 PLC 和 PMC 作为 CNC 钻床的控制器，用作 CNC 钻床的逻辑控制，使 CNC 钻床控制能力得到了极大的提高。现代 CNC 系统要求控制系统的硬件体系结构的功能模块要具有兼容性，软件的层次结构、模块结构，接口关系等规范标准，以便于机床用户有自动化开发环境和二次开发，最大限度提高用户的使用效益。2. CNC 钻床的自动化程度会越来越高CNC 系统越来越先进、存储容量越来越大，足可除了存储机器系统程序外，至少可以存储几万个钻孔程序段。为自动化钻孔提供了保证
32、。多机联网、单元模式结构的设计概念能实现多过程、多通道控制，具有极大的柔性，为大规模的自动化生产提供了基础。如意大利 Pluritec 公司推向市场的一种组合式 CNC 钻孔机Multistation 是单主轴模式的多工作间钻孔机床，可由 16 个工作站组成，技术设计最多可连接 32 个工作站。每个工作站装备有一个主轴头和一个 CNC44.00 控制装置。并由中央 CNC56.00 系统对各工作站进行整体管理与独立控制 。6 个工作站可以执行同一钻加工程序，也可以相互独立地执行不同的钻加工程序。各工作站还可以通过 Ethernet 网络与 CAD 站及主计算机组成的网络系统执行直控的 CNC
33、钴加工程序，该机配置有 UNIX操作系统，很容易实现多机联网。自动上下料装置的发展和技术不断成熟的程度，也为大规模自动化钻孔提供了保证。大型刀具库的出现，为较长时间自动化生产提供了便利。PCB 叠层采用无销钉气动夹紧装置，一改传统的孔槽定位方法，对实现大规模自动化钻孔更为有利。CNC 钻削过程中所有主轴都配备有断钻自动检测装置，为大规模 自动化生产过程解决了由于断钻造成PCB 质量事故这一大难题。3. CNC 钻床将继续向高速、高精度、钻微细孔和盲孔方向发展众所周知，研制生产高速、高精度 CNC 钻床的目的主要是为了解决钻微细 孔(0.1mm 0.5mm)时容易发生的断钻头和多层 PCB 板加
34、工问题。随着电子产品轻、薄、短、小要求的不断深化，打微细小孔和盲孔，生产多层 PCB 板，将是今后 PCB 生产的主产品，在 CNC 钻床现有技术的基础上，继续探讨，研制 高速(120 k rmin 以上) ，高精度(0.003mm 以上)，CNC 钻床是未来打微细小孔、钻深孔( 深度直径比为 20：1 ) 和盲孔的需要，也仍是今后一个时期内 CNC 钻机发展的主攻目标。CNC 钻床的生产同时将会尽可能地采用市场上业已成熟的部件，以有效地缩短研制时间和生产周期，从而达到减少重复劳动，技术集成，为我所用，加快市场周转的目的。德国西门子公司生产的 CNC 系统，现德国、意太利、英国的生产厂家都选用
35、它。英国西风公司生产的电主轴也已被好几个著名 CNC 钻床生产厂家所选用。4. WOP 技术和智能化，将是 CNC 钻床发展的方向WOP 技术和智能化 CNC 钻床系统能提供会话编程、蓝图编程和 CA DCAM 等面向车间的编程技术和实现二三维加工过程的动态仿真，将引入在线测试和模糊控制等智能机制。 1.3 对 我 国 先 进 CNC技 术 发 展 战 略 的 几 点 思 考1. 先进的 CNC 钻床技术是振兴我国 PCB 业的重要技术支撑，决不能疏忽和掉以轻心在机电产品中，PCB 是先进制造技术中的基础，从某种意义上讲，PCB 工业发达和先进程度是一个国家或一个地区或一个企业的工业现代化程度
36、的象征。从宏观上看，我国现在的 CNC 钻床技术与工业发达国家相比差距仍还很大，但也是不可忽视的重要产业，仍需要国家给予重点扶持。 同时还需象原来那样，打破部门条块分割局面，对关键技术和上台阶发展技术集中资金和人力攻关，取得突破与经验，即广为推广，以提高我国 CNC钻床技术的水平，振兴我国的 PCB 工业。2. 先进 CNC 技术的发展和应用突出强调市场需求发展先进的 CNC 钻床技术，要从我国的实际出发，既要按市场需求又要符合技术发展规律与趋势。纵观我国几十年来的技术发展历程，较多考虑的是技术发展趋势，而较少考虑市场需求。当然，两者从长远和根本上来说并不矛盾，但从眼前来看，仍存在一个轻重缓急
37、的安排问题，突出强调市场需求，可以使先进 CNC 钻床技术的发展和应用在振兴PCB 工业和发展国民经济中尽快见效，可以使 PCB 生产厂家尽快上档次发展，也可以使CNC 钻床生产厂家的市场竞争力得到明显提高，从而使先进 CNC 钻技术从科学的殿堂走人经济建设的主战场。从目前情况看，最好是国家主管部门牵头，优先几个产品，重点扶植开发研嗣、逐 步形成中国特色的经济实用的 CNC 钻床系列产品，以满足我国 PCB 工业的急需。3. 通过引进技术和对外合作，加强引进技术的消化吸收，形成自己开发能力从国内几家合资公司的发展经验看，走外引内联，引进国外先进技术，然后加以消化吸收的引进、吸收、开发、生产之路
38、，实在是一种既快又省的便捷通道。对于尽快缩短我国 CNC 钻床技术与国外同行的差距，形成自主开发生产能力，提高我国 CNC 钻床的市场竞争力，都是十分有益的。4. 加强政策引导和政府组织能力，为先进 CNC 钻床技术的发展和应用提供有力支持，形成较为有利的内部环境先进 CNC 钻床技术的发展是一个复杂的系统工程，必须要涉及到方方面面。政府的扶持是首当其冲，从发展战略的确定，到重点技术项目的选择；从重点攻关技术的选定，到实施单位的确定；从经费的保证到成果的推广应用，都离不开政府的组织协调和宏观指导。自我国加入 WTO 后，我国 CNC 钻床产业面临着更为激烈的国际的竞争。在这种严峻的形势下，我国
39、 CNC 钻床产业发展的主要出路，就是要在政府的统一协调指导下，集中力量，组织攻关，开发具有自主知识产权的 CNC 钻床关键和整体技术，用质优价廉的全新国产 CNC 钻床，与国外产品争夺国内市场的份额并争取进入国外市场。5. 增强对与此相关的基础科学理论和先进技术的自主研发，以推动数控钻床技术的持续发展。 1.4 课 题 研 究 的 目 的 及 意 义毕业设计是学生在完成全部大学课程之后进行的最后一个综合实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。这对学生即将从事的有关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。总的目的是
40、使学生受到基本的科研训练，具有以下几点：一、培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的能力，深化了对所学知识的理解。二、培养学生形成正确的设计思想、设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序、规范和方法。三、培养学生正确使用技术资料、国家标准、有关手册、图册等工具书，进行设计计数、数据处理、编写技术文件等方面的工作能力。四、培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，面向工人和工程技术人员学习的基本工作态度和工作方法。五、实现自动化设计，将数控技术注入产品设计开发，提高了企业产品自主开发能力和产品档次。同时，也提高了企业对市场的应变能力和快速响应能力。六、本课题是在学完本科阶段课程后进行的
41、一次综合性练习，为将来的工作或是继续深造及一般的机械设计打下一定的基础。第 二 章 总 体 方 案 的 确 定 2.1 机 床 总 体 设 计 的 要 求机床的总体设计是机床设计的关键环节，对机床的技术性能和经济性能指标起着决定性作用。机床的总体设计是根据设计要求，通过调查研究，检索资料，掌握机床设计的依据；然后进行工艺分析，拟定出性能先进，经济性好的加工工艺方案，必要时画出加工示意图；在此基础上确定机床的总体布局，画出机床尺寸联系图；确定所涉及机床的主要技术参数。 2.1.1 机 床 布 局 的 基 本 要 求1）机床布局首先必须满足用户提出的各种要求。如机床的加工范围、工作精度、生产率和经
42、济性能等。2）确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置与相对运动。在经济、合理的条件下，尽量采用较短的传动链，以简化机构，提高传动精度和传动效率。3) 确保机床具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗震性、热变形及噪声水平。4）通用机床必须满足参数标准和系列型谱中关于机床布局方面的规定。同时，还最大限度的考虑机床的系列化和通用化程度。5）对于生产率和自动化程度较高的机床或专用机床，以力求便于自动上下料及纳入自动线。6）应便于观察加工过程；便于操作、调整和维修机床；便于输送、装卸工件和排除切屑；注意机床防护，确保安全生产/7）机床结构简单，合理可靠，便于加工和装配，并注意采用新技术8）体积
43、小，重量轻，节省原材料，降低制造成本，缩小机床占地面局，外形美观大方。 2.1.2 机 床 应 具 有 的 性 能 指 标1） 工艺范围 机床的工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力，包括可加工的零件类型、形状和尺寸范围，能完成的工序种类等。这次设计的薄壁活塞缸套精加工机床是专用机床，适于大批量生产，再此机窗上只能完成或赛港套的精镗这一道工序。2）加工精度 机床的加工精度是指被建工工件表面的形状位置、尺寸的精确度、表面的粗糙度。3）生产率自动化 机床的生产率是指机床在单位时间内所能加工的工件数。机床的自动化程度越高，他的生产率越高。另外，机床的自动化可减少对人加工的干预，保证被加工工件的精度稳
44、定性，还可以减少操作者的劳动强度。4）可靠性 机床的可靠性是指机床在整个使用寿命期间内完成规定功能的能力。他是一项重要的技术经济指标。可靠性包括两方面，一是机床在规定的时间内发生实效的难易程度；二十颗修复机床失效后在规定时间内修复的难易程度。 2.1.3 人 机 关 系机床出具有一定的技术性能指标外，还具有良好的人机关系。即使机床符合人的生理和心理特征，实现人际环境高度协调统一，为操作者创造一个安全、舒适、可靠、高效的工作条件；能减轻操作者精神紧张和身体疲劳。 2.2 总 体 设 计 方 案 的 确 定加工 PCB 板类零件的小型数控钻床的总体布局采用龙门式结构，其总体布局见图 1-1、图 1
45、-2。机械系统的基本构成如图 1-3 所示。龙门式结构框架不专门设横梁，龙门式框架的顶梁即横梁。切削头既能沿横向导轨做X 方向水平移动，又可以沿 Z 向导轨做竖直升降运动。工作台可沿床身导轨 Y 向移动。PCB 钻孔加工的特点是运动系移动行程很短，起停非常频繁，造成高速准确定位非常困难，其中运动加速度对运动系的动态特性影响最明显，同时为了系统具有良好的抗振性和吸振性。系统必须采用正确的结构形式，合理的移与静止质量的比率，良好的吸震材料。图 1-1 机床总体布局示意图 (a)为改善系统稳定性，在机床结构设计上应遵循以下原则： 机床的结构设计应有适当的刚性，以利于抗拒振动； 应减少 X, Y, Z
46、 各轴向移动物体的质量，以利减少惯性冲击； 应减少移动物体质量，使驱动功率减小，可进一步减小热产生的漂移； 适当的加大静态物体质量，增强机床的抗振性和吸振性。此数控钻床机床床身大多选用大理石，其变形小、稳定性好、抗振性较铸铁强、热膨胀系数小、精度保持性高，很适合作为精密机床的平台。图 1-2 机床总体布局示意图(b)图 1-3 数控钻床机械系统的基本构成机床 X、Y、Z 轴传动采用高精度滚珠丝杠，以尽量减小反向间隙，提高运动的平稳性，减小“爬行”现象。同时，由于滚珠丝杠摩擦因数小、运动灵活，因而所需控制电动机的功率较小。各个方向的进给均由步进电动机控制，由滚动直线导轨导向，以保证其运动精度。X
47、、Y、Z 向的移动，要求有较高的传动精度，又要求结构紧凑，所以选用螺旋机构。但常用的螺旋机构中丝杠和螺母之间的相对运动是滑动，磨损较严重，影响传动精度，寿命短，效率低，不能满足高速度、高效率和高精度等传动要求。因此，应选用滚珠螺旋机构。导轨用于支承并引导运动部件沿一定的轨迹运动。它承受其支承的运动部件和工件(或刀具 )的质量及切削力。此数控钻床采取滚动导轨取代传统的滑动导轨。采用滚动导轨后，使导轨面之间为滚动摩擦而不是滑动摩擦。因此，滚动导轨的摩擦系数很小，通常=0.0020.005，且动、静摩擦系数很接近；运动轻便灵活，滚动导轨起动功率小，运动平稳，不易出现爬行；磨损小，精度保持性好，移动精
48、度和定位精度都较高，重复定位精度可达 0.10.2m。当滚珠导轨有预加载荷时，导轨的刚度将会增加，但是牵引力也会增加。所以，只要在安装导轨的时候，合理地选择预紧力就可以在一定牵引力的作用下增加导轨的刚度。第 三 章 机 械 部 分 设 计加工 PCB 板小型数控钻床机械部分是机床的主体部分，其机械部分的设计计算主要包括：传动方案的确定、进给系统的设计计算和各个组件的选择等。 3.1 切 削 参 数 的 计 算 3.1.1 切 削 力 的 计 算切削力与工作材料的硬度以及进行力量和孔径有关，可按机械加工工艺手册中的计算公式进行计算。Z 方向的切削力为：= (N) 公式（3-1）FFYXKfdCF
49、考虑到钻床不仅加工印刷电路板上的孔，也能钻削铜板或铝板上的孔，所以工件材料以铜来设计， 其中 d 的最大孔径为 4mm 计算。查手册中有关数据得 =310， =1.0，FCFX=0.8, =1.0,进给量 f 查得 0.180.22，取 f=0.20。则FY=3104 1=342NZ8.02（其中 可按 计算） 。8.0axeln 3.1.2 切 削 功 率 的 计 算1. 切削扭矩：（NM） 公式（3-2）yzMkfdC0查表，可知： =0.117， =2.0， =0.8， =1.0，所以，zyMk（NM）516.02.0417.08 2. 切削速度： vyxpmzvfaTkdC0公式（3-3）式中：T刀具耐用度（min） ，查表，取 20min。查表，知： =28.1， ， ， ，m=0.125，因此，vC25.0vzvx5.0vy.6.2014.85015.v（mmin）3. 切削功率： 285.0430dMvPm（kW） 公式（3-4） 3.2 步 进 电 机 的 选 用 3.2
