PBC数控四轴钻铣床的设计(本科毕业设计)

1摘要PCB数控四轴钻铣床是一种机电一体化的产品，是专用于PCB加工的四轴三联动数控机床。本机床采用先进的直线滚动轨迹、高精度滚珠丝杆和交流伺服电机；涉及微电子、计算机、自动控制、精密机械、图像处理等多种技术,综合性强，知识、技术、资金密度高，适用于高精度PCB的成形加工。本文对PCB机床的整机系统结构、伺服进给机构、工作装置、机电匹配进行了讨论和分析，特别是对整机系统结构和伺服进给机构进行了详细的设计，主要包括机床动力参数、整机的结构布置、伺服系统的选择以及滚珠丝杆、滚动导轨、联轴器、滚动轴承、交流伺服电机、高速电主轴等关键零部件的选择和设计。关键词：数控机床，印刷电路板，伺服系统，机电匹配2Abstract:ThePCBnumbercontrolsfourstalkstodrilltheproductthatthemillerisakindofmachineelectricityintegralwholetoturn,isfourstalksthattheappropriationprocessesatthePCBthreealliedmoveanumbertocontroltoolmachine.Thetrack,highaccuracyofstraightlyrolloverofthethistoolmachineadoptionforerunnerrollsbeadsilkapoleandcommunicateservoelectricalengineering;Involveamicro-electronics,calculator,automaticcontrol,theprecisemachine,pictureprocessing...etc.bevarioustechniquesandsynthesizesexstrong,knowledge,technique,fundsdensityGao,beapplicabletotakeshapeofhighaccuracyPCBtoprocess.ThistexttothewholemachinesystemstructureofthePCBtoolmachine,servoentertoequiptotheorganization,work,themachineelectricitymatchedtocarryondiscussionandanalyze,especiallytothewholemachinesystemstructureandservoenteredtocarryonadetaileddesignfororganization,mainlyincludethestructuredecoration,servosystemoftoolmachinemotiveparameter,thewholemachineofchoiceandrollabeadsilkpole,rollovertoleadatrack,uniteastalkmachine,rolloverbearingsandcommunicateservoelectricalengineering,highspeedelectricityprincipalaxisetc.keythechoiceanddesignofzeropartses.Keyword:Thenumbercontrolstoolmachine,PCboard,servosystem,themachineelectricitymatch3绪论本毕业设计课题就是关于PCB四轴数控加工机床的设计，机械加工前沿先进技术在PCB行业取得了广泛应用。数控钻床和数控铣床是线路板加工中的一种重要设备，该设备价格昂贵，选用数控机床不但对于操作、工艺设定和维护包括对于生产产品的质量都十分重要。本设计的目的在于通过毕业设计，了解PCB四轴数控加工机床总体方法，结构分析和结构布置，明白设计方法和思路，为以后进一步的工作打下基础。通过设计加深对基础知识的理解，并学会理论知识的实际应用，并在原有的基础上有所改进和创新突破。在论文中一共分为三部分：1机床总体设计主要对机床的总体系统和结构方案进行了初步的设计和分析；2伺服进给系统的设计主要进行了两个方面的设计和计算：⑴伺服进给系统的选择⑵关键零部件的选择何设计；3机床的工作装置及其数控装置主要对机床的工作装置的数控装置进行了选择和分析，其主要包括以下两方面的内容：⑴机床的工作装置的设计⑵机床的数控装置的设计在完成整个设计过程中，掌握的学习方法和团队协作能力有很大的提高，尤其是对各种设计手册的查阅，对一个即将走向工作岗位的毕业生来说，这种能力是不可或缺的，同时也提高了分析和解决问题的能力。4第一章机床总体设计§1.1机床主要技术参数1.1.1主参数及基本参数1)机床主参数的确定机床的主要技术参数包括主参数和基本参数。主参数是机床参数中最主要的，它必须满足以下要求：⑴直接反映出机床的加工能力和特性；⑵决定其他基本参数值的大小；⑶作为机床设计的出发点；⑷作为用户选用机床的主要依据。对于通用机床（包括专门机床）主参数通常都以机床的最大加工尺寸来表示。由文献[3]表7.1—1可知，数控机床的主参数包括以下参数：⑴最大加工面积：根据设计要求，机床的最大加工面积为4—400600mm2;⑵坐标轴移动的最大行程：由设计要求知：X—420mm，Y—620mm，Z—40mm；⑶机床的最大加工能力：43块/次（每块1.6mm）。由相关资料可知：我国大多PCB生产商生产的加工厚度为1.6mm的4层印刷板。根据设计要求将加工能力确定为每次3块，每块1.6mm，即：1.63=4.8mm。2)机床基本参数及主要技术指标⑴工作尺寸：由机床最大加工面积确定为：16806002mm；⑵系统分辨率：系统分辨率为0.001mm；⑶机床定位精度：定位精度为0.005/300mm；5⑷复定位精度：机床的重复定位精度为0.0025/300mm；⑸刀具直径：铣：0.8—175mm,钻：0.3—6mm；⑹电源：220±10%V；⑺功率：约9Kw；⑻机床重量：约2600Kg。1.1.2运动参数及动力参数1)运动参数的计算a)主轴极限转速和变速范围根据文献[3]中的7.1-6和7.1-7知主轴极限转速为：其中：Vmax和Vmin分别为机床的最大、最小加工速度，dmax和dmin分别为机床在最大、最小加工切削速度时所能使用的最大、最小刀具直径。由设计要求和刀具寿命的相关经验，将机床的加工速度定为：铣削为150—200m/min，钻削为75—470m/min；机床所能加工的最大、最小直径（即刀具直径）为：铣Φ0.8—3.175mm，钻Φ0.3—0.6mm。将以上数据代入1.1式和1.2式中，得：铣削：15038—79577r/min；钻削：26525—79577r/min。又由文献[3]式7.1—9知主轴变速范围计算公式为：将钻削和铣削的最大最小转速分别代入上式得：铣削：Rn=5.3；钻削：Rn=36b)进给量和快移速度：由设计要求知，机床采用伺服电机和高速电主轴系统，实行无级变速，故将进给率定为0—15m/min；快移时速度为15—20m/min。c)主轴计算转速：由公式minmaxnnnj………………………………(1.4)将nmax和nmin代入上式得：铣：nj=34641r/min：钻：nj=44721r/min。d)主运动转速级数和公比由前文所述知，本机床采用高速电主轴，其级数为1，可以实现无级变速。2)动力参数的计算动力参数主要包括：⑴主轴功率计算；⑵进给运动功率计算；⑶快速运动功率计算；由于这些计算要甬道切削参数的相关数据，此处简略，在后文有详细计算。1.1.3切削数据的计算1)钻削力的分析和计算a)钻削力的分析本数控机床采用专用钻铣刀具，起材料为高速钢。由文献[3]式（7.37）得：FfffdvFfdvCF…………………………(1.5)其中：d——钻孔直径（mm），现取d=0.5mm；7FC——轴向扭转系数，标准值可查；图1-1钻削力的分析v——钻削速度（r/min），由前计算知：v=44721r/min；f——进给量（mm/r），f=0.01mm；b)FC参数的拟合FC是与加工材料有关的钻削力系数。由于目前对于印刷电路板的加工还没有标准参数，但FC值与材料的硬度有一定的关系，故可通过立方插值在MATLAB工程软件上拟合FC曲线，以求得其值。由文献[3]表（7.1-31），及文献[8]查得不同材料的FC值，如表（1-1）。表1-1不同材料的FC值材料碳钢灰铸铁青铜镁铝合金玻纤硬度2111701409514.5FC值108.467.44014?由文献[8]查得印刷电路板一般为玻纤填充材料，硬度大约在14.5左右，密度大约是1.9g/mm3.利用立方插值法在MATLAB工程软件上拟合FC曲线，如图1-2所示。图1-2不同材料强度（硬度）的钻削力拟合曲线由上图可知，FC值约为2.1368。8c)计算数据及其结果以上各数据及切削力计算结果如下表所示：表1-2钻削力的计算各参钻数削力FCvdfvFdFfF2.14447210.50.010.4010.8271.176F2N可见，本机床的切削力很小。2)铣削力的分析和计算a)铣削力的分析⑴如图1.3所示：数控机床在对印刷电路板进行铣削时，其加工能力设计为每次3块，每块板厚度为1.6mm。其铣削力可分解为HF、cF、aF和vF四个分力（如图），其中：cF——主切削力；aF——轴向抗力（与刀具螺旋角有关）；HF——铣削进给水平抗力（和vF的合力使刀杆产生弯曲）；vF——铣削进给垂直分力（使工件抬起或是压紧，容易引起振动）。由于铣削过程的铣削面积是不断变化的，故测量或计算出的铣削力是最大值或平均值。本次设计中均采用最大值进行计算。图1-3铣削力的分析9⑵主切削力和其他切削力的关系：由文献[3]表（7.1-16）查得，主切削力cF和其他切削力的比值关系如下表：表1-3削力和其他切削力的比值比值顺铣逆铣最大比值aF/cF0.35~0.40.35~0.4Max{aF/cF}=0.4HF/cF1.0~1.20.8~0.9Max{HF/cF}=1.2vF/cF0.2~0.30.75~0.8Max{vF/cF}=0.8b)铣削力的计算⑴分析本机床采用的刀具为钻铣专用刀具，其材料为高速钢。由于PCB加工目前还没有专门的行业标准，特别在电路板的铣削成型加工方面基本上是没有一个合理的标准，所以我先在文献[3]表（7.1-27）中查得相关的公式（如1.6）。再用MATLAB工程软件对其相关系数进行拟合，并依此作出计算结果，将此结果与同类产品进行比较，结果是比较一致的。ZadaaKCFptfeFFc86.072.086.0……………………………(1.6)其中：cF——主切削力（N）；FC——与加工材料有关的铣削力系数，由于目前还没有一个标准，故用MATLAB工程软件通过立方插值来拟合FC曲线来求其值；FK——与刀具尺寸有关的修正系数，由文献[3]7.1-29中查得，Max[FK]=1.15；ea——铣削接触弧深（mm），由文献[7]查得：ea≈0d/4=0.6mm；fa——每齿进给量(mm/齿),由文献[7]查得：fa=0.105mm/齿；td——铣刀直径(mm)，由机床设计最大加工能力知，td应不10小于所加工工件厚度的1/2，工件厚度为1.6×3=4.8mm，故td=1.6×3/2=2.4mm；pa——铣削深度（mm）,根据相关经验，一般都是一次加工完成，即pa=3×1.6=4.8mm；Z——铣刀齿数，一般Z≤6。⑵FC参数的拟合由于FC值与材料的硬度有一定的关系，由文献[8]中查得印刷电路板的材料一般为玻纤，填充材料的硬度大约是14.5，密度约为1.9g/mm3。又根据文献[3]表(7.1-28)，可查得各种材料的FC值，如下表：表1-4不同材料的FC值材料碳钢灰铸铁青铜镁铝合金玻纤硬度211