Φ600mm的数控车床总体设计及液压尾座设计【通过答辩毕业论文+CAD图纸】
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I 毕业设计说明书 设计题目 ： 600数控 车床 总体设计及 液压尾座设计 学 生 班 级 学 号 指导教师 继 续 教 育 学 院 二零一 三 年 十 月 要 数控机床即数字程序控制机床，是一种自动化机床 ，数控技术是数控机床研究的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。 随着制造 技术的发展，现代数控机床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。 本设计是对 600控车床主要进行尾座设计。 液压尾座设计的主要内容是尾座体、套筒、顶尖、尾座孔系、尾座导轨，挠度、转角、液压缸内径及压板处螺栓直径、锁紧力的计算及校核。其中选择莫氏 4 号锥度的尾座顶尖，是利用莫氏锥度自身的结构特性来卡紧尾座顶尖的，它解决了顶尖在工作时会出现松动或转动现象。在套筒中设计了滑键槽和顶尖顶出孔，解决了顶尖在工作时会随套筒转动从而影响工件的加工精度；还在 套筒中设计了顶卸的装置，便于顶尖的拆卸。 关键词： 数控车床，数控，液压尾座 C is is an is of is of NC of 600MM of of , of of o. 4 of is to of in or In of to so as to of 录 摘 要 . . I 目 录 . 1 章 数控机床发展概述 .未定义书签。 控机床及其特点 . 错误 !未定义书签。 控车床的主要功能及加工对象 . 错误 !未定义书签。 控机床的经济分析 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 控机床选购的策略 . 错误 !未定义书签。 控机床的发展趋向 . 错误 !未定义书签。 第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较 . 5 体方案设计内容 . 5 统运动方式的确定 . 6 制方式的选择 . 6 体方案确定 . 6 统的运动方式伺服系统的选择 . 6 控系统 . 6 械传动方式 . 7 行性论证 . 7 第 3 章 确定切削用量及选择刀具 . 8 学选择数控刀具 . 8 择数控刀具的原则 . 8 择数控车削用刀具 . 9 置刀点和换刀点 . 9 定切削用量 . 10 定主轴转速 . 10 定进给速度 . 10 确定背吃刀量 . 10 第 4 章 传动系统图的计算 . 11 数的确定 . 11 动设计 . 13 速图的拟定 . 15 第 5 章 液压尾座部分设计 . 19 压尾座研究背景和意义 . 19 压系统的发展现状 . 20 座的整体设计 . 22 第 6 章 尾座结构计算设计 . 23 座体的设计 . 23 座主轴的设计 . 24 座顶尖的设计 . 24 塞缸的设计 . 25 座导轨的设计 . 25 座孔系设计 . 26 轴孔的设计 . 26 和键的设计 . 26 合 . 27 封及偏心轴的设计 . 28 度、转角、锁紧力的计算及校核 . 28 度的计算 . 29 角的计算 . 29 板处螺栓的选择及校核 . 29 第 7 章 单片机控制应用系统电路设计 . 31 件电路设计 . 31 控系 统的硬件结构 . 31 控系统硬件电路的功能 . 31 于各线路元件之间线路连接 . 32 于电路原理图的一 些说明 . 33 总 结 . 37 参考文献 . 38 致 谢 . 39 1 第 1 章 数控机床发展概述 控机床及其特点 数控机床可以较好的解决形状复杂、精密多品种及中小批零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，随着制造技术向自动化、柔性化方向的发展，当前机床的数控化率已经成为衡量一个国家制造工业水平的重要标志。 机床的数控化 设计 一般是指对现有某台车床的某些部位做一定的装，配上经济型数控装置或标准型数控数控系统，从而使原机床具有数控加工能力。这种技术工作有其独特的特点。 控机床的工艺范围及加工精度 数控 车 床用途广泛，不仅可以加工各种平面、沟槽、螺 旋槽、成型表面和孔。而且还能加工各种平面曲线和空间曲线等复杂型面。适用于各种模具、凸轮、板类及箱体类零件的加工。 随着计算机技术应用到机床上，机械产品的质量在很大程度上不再依赖于机床操作者的操作水平，能实现复杂零件的加工。 控机床的经济分析 近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段、六代的发展。 （ 1）硬件数控阶段 50年代至 70年代初期，计算机的运算速度低，不能适应对机床进行实时控制的要求，人们不得不采用数字逻辑电路搭成机床专用的计算机，作为数控系统，被称为硬件数控系统。随着元器件的发展，这个阶 段经历了三代： 1) 1952年开始的第一代 电子管元件。 2） 1959年开始的第二代 晶体管元件。 3) 1965年开始的第三代 小规模集成电路。 （ 2） 软件数控阶段 软件数控阶段也叫计算机数控 (段，是数控系统的第二阶段 (1970 年现 2 在 )，这个阶段同样经历了三代： 1)1970年开始的第一代 小型计算机。 2)1974年开始的第二代 微处理器。 3)1990年以后的第三代 从 1970年开始，通用小型计算机业己出现，并成批生产，它比专用计算机成本低，可靠性高，数控系统进入 1971，产生了微处理器， 1974年，微处理器被应用于数控系统， 1990年， 满足作为数控系统核心部件的要求，而且 格便宜，可靠性高，数控系统从此进入基于 数控系统经历了几十年来的发展，到了 20 世纪 70年代后期，才从根本上解决了可靠性低、价格昂贵、应用不便等关键问题。因此，即使在工业发达国家，数控机床也是在 70年代末 80年代初才开始得到大规模应用和普及的。 控技术的发展 趋向 随着计算机技术及信息处理的发展 ,数控技术未来发展的趋 势主要体现在以下几个方面： （ 1）开放式、低成本、高可靠性 程通讯诊断和维修将更加普遍。 （ 2）高速化、高精度 数控系统高速处理并计算出伺服电机的移动量，并要求伺服电机能高速度地做出反应，为使在极短的时间内达到高速度和高速度下实现高定位精度，必须具备高加减速和高精度的位置检测系统和伺服品质。 （ 3）智能化 (1)应用自适应控制技术、数字伺服驱动装置 数控系统能检测加工过程中的一些重要信息并自动调整系统的有关参数，使机床处于最佳工作状态。 3 2)引入专家系统指导 加工、故障诊断 将熟练工人和专家的经验、加工的一般规律与特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （ 4）网络化 通过网络连接，构成一个整体的系统解决方案，通过网络高速传输数据，进行整体化、一元化管理。 （ 5）直线交流伺服系统 直线交流伺服系统是 21世纪数控机床不可缺少的功能部件。目前我国还没有成熟产品，因此应加强研究，开发和推广应用。 内外现状 当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。 赶上计算机体系结构前进的步伐、加快数控系统的开发速度，已成为数控发展的最主要趋势。以第四代计算机的工程结构和微电子工艺技术为基础，充分利用现有微机的硬件、软件资源，发展总线式、模块式、开放型、嵌入式的柔性数控系统，使之 既 适合加工复杂零件、分机床用的数控系统的组成，又适合未来自动化升级时功能可扩展的要求。 我国数控系统发展具有以下 3个特征 : (1)高档数控系统技术已经突破。如华中 I 型等数控系统，都具有多轴联动功能，快速进给速度在 s 以上，具有较强的通信、管理功能。 (2)普及型数控系统技术已经成熟 。如北京机床研究所的 些系统一般配有 配置直流和交流司服驱动， 2 4轴联动。 (3)经济型数控系统仍有广阔的市场前景。由于这类系统结构简单，价格便宜，非常适合中小型企业，目前仍是我国应用面最广的数控系统。比较典型的有南京大方的 我国是机床生产大国，又是使用大国。数控机床是机械工业发展的关键产品，我国的数控机床在机床产品中的比例总体水平低。但是我国是发展中国家，许多企业财力薄 4 弱，不可能花费大量的资金添置许多全新的数控机床，但是大量的通用机床不可能全部淘汰。 因此，把机 床 设计 为数控机床则不失为是一条提高数控化率的有效途径，机床 设计 花费少， 设计 针对性强，时间短， 设计 后的机床大多能克服原机床的缺点和存在的问题，生产效率高。 1. 6 本章小结 本章节首先介绍了数控技术的背景发展历程，进而分析了数控技术的国内外现状及未来趋势，最后介绍了研究的主要内容和意义。 5 第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较 体方案设计内容 (1) 数控机床工作原理： 数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数 控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。 (2) 数控机床的组成： 数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如图 2 2控机床的组成图 一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可 行的总体方案。 属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应结构简化，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电动机的开环控制系统。 比较项目 方案一 方案二 确定后的方案 具体原因 主轴箱 分级变速采用 调速电机 + 齿轮传动 采用三相异步 电机 +减速器 方案一 变速级数比较多 满足多种加工 需要，也符合 任务书要求 数控装置控制介质测量装置伺服系统 机 床 6 进给机构 滚珠丝杠 +步进电机 滚珠丝杠 +伺服电机 方案一 脉冲当量 步进电机控制 的准确 刀架 四工位回转 刀架 六工位回转 刀架 都可以 各有各的好处 尾座 液压尾座 手动普通 尾座 液压尾座 可通过数控系统 调整方便 数控系统 8位单片机 16位单片机 方案一 基本需求可以满足 统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。 制方式的选择 系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。 经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不做检测，所以机床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的 性能。开环伺服系统主要由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反应迅速，调试和维修都比较简单。 体方案确定 统的运动方式伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控机床应具备定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，暂停，循环加工，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑达到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。 控系统 根据机床要求，采用 8 位微机。由于 列单片机具有集成度高，可靠 7 性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很 高的性能价格比等特点，决定采用列的 8031 单片机扩展系统。 控制系统由微机部分、键盘及显示器、 I/O 接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。 械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。 系统总体方案框图如 下： 图 2统总体方案框图 行性论证 根据自动化制造系统，可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样，在进行 数控 车床的经济型数控 设计 之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。 根据传统的论证方法， 数控 车床的经济型数控 设计 的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业生产经营现状及存在的问题分析，企业生产经营目标， 设计 的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析， 设计 后车 床的实施计划，结论等。 8 由于本设计仅作为大学本科生的毕业设计，故在此，设计者仅对 设计 的投资概算作一简要的可行性论证。 本 设计 设计是对 数控 车床进行经济型数控 设计 。在 设计 设计中，采用自己设置的数控装置，加上两台伺服电机，两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副，一台变频调速电动机，四个电磁离合器以及主传动部分的齿轮副。这样设备 设计 费用和旧设备费用总计不会超过 8 万元。因此，对 数控 车床作经济型数控 设计 适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实用性。 第 3 章 确定切削用 量及选择刀具 学选择数控刀具 择数控刀具的原则 刀具寿命与切削用量有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定 . 选择刀具寿命时可考虑如下几点根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。对于机夹可转位刀具，由于换刀时 间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些， 一般取 15于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化 加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些当某工序单位时 间内所分担到的全厂开支 M 较大时，刀具寿命也应选得低些。大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度 来确定。与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要冈牲好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断和排性能坛同时要求安 装调整 方便，这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料 (如高速钢、超细粒度硬质合金 )并使用可转位刀片。 9 择数控 车 削用刀具 在数控加工中，车削平面零件内外轮廓 及车削平面常用平底立车刀，该刀具有关参数的经验数据如下 :一是车刀半径 小于零件内轮廓面的最小曲率半径 般取 是零件的加工高度 H(1/4)保证刀具有足够的刚度。三是用平底立车刀车削内槽底部时，由于槽底两次走刀需 要搭接，而刀具底刃起作 用的半径 即直径为 d=2(编程时取刀具半径为 r)。对于一些立体型面和变斜 角轮廓外形的加工，常用球形车刀、环形车刀、鼓形车刀、锥形车刀和盘车刀。 目前，数控机床上大多使用系列化、标准化刀具，对可转 位机夹外圆车刀、端面车刀等的刀柄和刀头都有国家标准及系列化型号对于加工中心及有自动换刀装置的机床，刀具的刀柄都已有系列化和标准化的规定，如锥柄刀 具系统的标准代号为 柄刀具系统的标准代号为 外，对所选择的刀具，在使用前都需对刀具 尺寸进行严格的测量以获得精确数据， 并由操作者将这些数据输入数据系统，经程序调用而完成加工过程，从而加工出合格的工件。 置刀点和换刀点 刀具究竟从什么位置开始移动到指定的位置呢 ?所以在程序执行的一开始，必须确定刀具在工件坐标系下开始运动的位置，这一位置即为程序执行时刀具相对于工 件运动的起点，所以称程序起始点或起刀点。此起始点一般通过对刀来确定，所以，该点又称对刀点。在编制程序时，要正确选择对刀点的位置。对刀点设置原则 是 :便于数值处理和简化程序编制。易于找正并在加工过程中便于检查 ;引起的加工误差 小。对刀点可以设置在加工零件上，也可以设置在夹具上或机床上，为了提 高零件的加工精度，对刀点应尽量设置在零件的设计基准或工艺基谁上。实际操作机床时，可通过手工对刀操作把刀具的刀位点放到对刀点上，即 “刀位点 ”与 “对 刀点 ”的重合。所谓 “刀位点 ”是指刀具的定位基准点，车刀的刀位点为刀尖或刀尖圆弧中心。平底立车刀是刀具轴线与刀具底面的交点 ;球头车刀是球头的球心， 钻头是钻尖等。用手动对刀操作，对刀精度较低，且效率低。而有些工厂采用光学对刀镜、对刀仪、自动对刀装置等，以减少对刀时间，提高对刀精度。加工过程中 需要换 刀时，应规定换刀点。所谓 “换刀点 ”是指刀架转动换刀时的位置，换刀点应设在工件或夹具的外部，以换刀时不碰工件及其它部件为准。 10 定切削用量 数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写人程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要 选用不同的切削用量。切削用量的选择原则是 :保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度，并充分发挥机床的性能，最大限 度提高生产率，降低成本。 定主轴转速 主轴转速应根据允许的切 削 速度和工件 (或刀具 )直径来选择。其计算公式为 :n=1000v/71D 式中 :v切削速度，单位为 m/m 动，由刀具的耐用度决定 ;n 一一主轴转速，单位为 r/D工件直径或刀具直径，单位为 算的主轴转速 n，最后要选取机床有的或较接近的转速。 定进给速度 进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的 性能限制。确定进给速度的原则 :当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速 度。一般在 100 一 200mm/围内选取 ; 在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在 20 一 50mm/围内选取 ;当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选 小些，一般在 20围内选取 ;刀具空行程时，特别是远距离 “回零 ”时，可以设定该机床数控系统设定的最高进给速度。 定背吃刀量 背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。为了保 证加工表面质量， 可留少量精加工余量，一般 之，切削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法确定。同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。 切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响。所谓 “合理的 ”切削用量是指 充分利 11 用刀具切削性能和机床动力性能 (功率、扭矩 )，在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。 第 4 章 传动系统图的 计算 数的确定 1) 了解车 床的基本情况和特点 1. 通用机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应该遵照的基础。因此，对这些基本知识和资料作些简要介绍。本次设计中的车床是普通型车床，其品种，用途，性能和结构都是普通型车床所共有的，在此就不作出详细的解释和说明了。 格尺寸）和基本参数（ 143 最大的工件回转直径 D 是 600架上最大工件回转直径 于或等于 300轴通孔直径 0轴头号（ 大工件 长度700轴转速范围是： 30 1450r/无级调速 . 2) 参数确定的步骤和方法 1. 极限切削速度 据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类 工艺要求 刀具和工件材料等因素。允许的切速极限参考值如机床主轴变速箱设计指导书。然而，根据本次设计的需要选取的值如下： 取 00m/ m/ 2. 主轴的极限转速 加工条件 (硬质合金刀具粗加工铸铁件 30 50 硬质合金刀具半精或精加工碳钢工件 150 300 螺纹（丝杠等）加工铰孔 3 8 12 计算车床主轴的极限转速时的加工直径，按经验分别取（ D 和（ D。由于 D=600主轴极限转速应为： m a 0 u Dr/ （ =758 1517r/取000r/m； m 0 0 u Dr/ （ 在 考虑车螺纹和绞孔时，其加工最大直径应根据实际加工情况选取 0左右。 所以 u=32r/于转速范围 R= 21000= 因为级数 Z=16级 。 现以 = = 1z 得 R=32和 173 ，因此取 = 各级转速数列可直接从标准数列表中查出。标准数列表给出了以 =从1 10000 的数值，因 = 从表中找到 000r/可以每隔 4个数值取一个数，得： 1250， 1000， 800， 630， 600， 400， 315， 250， 200， 160，125， 100， 80， 63， 50， 40， 30。 3. 主轴转速级数 已知 n= ： z= 2 因机床的电动机转速往往 比主轴的大多数转速高，变速系统以降速传动居多，因此，传动系统中若按传动顺序在前面的各轴转速较高，根据转矩公式（单位 T= 当传递功率一定时，转速较高的轴所传递的扭矩就较小， 13 在其他条件相同时，传动件（如轴、齿轮）的尺寸就较小，因此，常把传动副数较多的变速组安排在前面的高速轴上，这样可以节省材料，减少传动系统的转动惯量。因此选择结构式如下： 16=8121212 2222222 。 4. 主电机功率 动力参数 的确定 合理地确定电机功率 N，使用的功率实际情况既能充分的发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。 目前，确定机床电机功率的常用方法很多，而本次设计中采用的是：估算法，它是一种按典型加工条件（工艺种类 、 加工材料 、 刀具 、 切削用量）进行估算。根据此方法，中型车床典型重切削条件下的用量： 根据设计书表中推荐的数值： 取 P=13动设计 1) 传动结构式 、 结构网的选择 结构式 、 结构网对于分析和选择简单的串联式的传动不失为有用的方法，但对于分析复杂的传动并想由此导出实际的方案，就并非十分有效，可考虑到本次设计的需要可以参考一下这个方案。 确定传动组及各传动组中传动副的数目 级数为 传动组分别有 个传动副。即 Z= 传动副数由于结构的限制以 2 和 3 的因子积为合适，即变速级数 Z 应为 2 和 3 的因子 : Z= 2 可以有几种方案，由于篇幅的原因就不一一列出了，在此只把已经选定了的和本次设计所须的正确的方案列出，具体的内容如下： 传动齿轮数目 2x（ 2+2+1） +2x(2+1)+1=17 个 轴向尺寸 19b 传动轴数目 8根 14 操纵机构 简单，两个双联滑移齿轮 根据以上分析及计算，拟定 主轴箱、变速箱传动结构图 如下 ： 图 一 主 轴 箱 传 动 结 构 图发生器带轮Z 15 Z 14Z 6Z 7Z 8Z 9Z 10Z 11Z 12Z 13图 二 中，第轴至第轴，其结构式为： 4= 12 22 图 一 中，第 轴至第 轴，机床主轴箱传动系统采用分离传动，其主要特 点是： （ 1） 在满足传动副极限传动比的条件下，可以得到较大的变速范围。 （ 2） 高速由短支传动，有助于减少高速时机床的空运转功率损失。而且高速分支的尺寸可相对小些。 （ 3） 变速级数不像常规变速系统那样受 2， 3 因子的限制，如与部分转速重合的方法配合，几乎可以得到任意的变速级数，大大增加了可供选择方案的数目。 2) 主传动顺序的安排 16 级转速传动系统的传动组，可以安排成： 2择传动组安排方式时，要考虑到机床主轴变速箱的具体结构 、 装置和性能。在轴上如果安装摩擦离合器时，应减小轴向尺寸，第一传动组的传动副不能多，以 2 为宜，本次设计中就是采用的 2，一对是传向正传运动的，另一个是
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