直径430mm的数控车床总体设计与六角回转刀架设计.doc
直径430mm的数控车床总体设计与六角回转刀架设计（全套含CAD图纸）
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外文资料翻译 f at of nc of of be so or is to -7 to to so as to If a of so of no of in of a a of to to is is a In or 2 of of in 970s 980s of is to in nc in in of In of in of of to in we in to in 0 If of of 995 994, so of of is on of nc to of n as a is in to as as is a In NC a of nc In in o., o., US to in of 机床进行数控化改造的必要性 。 首先从 微观看改造的必要性 ： 微观上看， 数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3 7 倍。 由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和 小批生产得以自动化，故被称为实现了 “ 柔性自动化 ” 。 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要 “ 修配 ” 。 可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 性制造单元）、 性制造系统）以及 算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 其次 宏观看改造的必要性 ： 宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末 、 80 年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床 、 ，还包括在产品开发中推行 虚 拟制造以及在生产管理中推行 理信息系统）、 等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 ，而日本在 1994 年已达 ，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 如何进行机床数控化改造 国外改 造业的兴起 在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个 永恒 的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（ 。从事再生业的著名公司有： 程公司、 宝）服务集团、 备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装（ 。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。 毕业设计 (论文 ) 430数控 车床 总体设计 及 六角回转刀架设计 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 年 月 日 要 现代数控机床是未来工厂自动化的基础。数控 设计范围大、 潜力大、投资少、见效快，促进制造业技术进步 的重要手段。因此，数控系统设计车床的研究具有重要意义。 本文在叙述了数控技术的历史、现状和发展的基础上，通过机床设计的总体思想，提出了数控化设计的技术方案和新数控系统的选型配置方案 ;提高了传动的精度，重新设计 机床的控制逻辑，通过对伺服系统的分析，完成了机床各主要参数的优化和匹配。 数控车床不仅能够车外圆还能用于镗孔、车端面、钻孔与铰孔。与其他种类的机床相比，车床在生产中使用最广。 本论文首先 介绍了我国数控机床发展的过程与现状 ,并分析了其存在的问题 ;对数控机床的发展趋势进行了探讨 ；并对 430 主轴箱有安装在精密轴承中的空心主轴和一系列变速齿轮组成。数控车床主轴可以获得在调速范围内的任意速度，以满足加工切削要求。 目前，数控车床的发展趋势是通过电气与机械装置进行无级变速 。 变频电机通过带传动和变速齿轮为主轴提供动力。通常变频电机调速范围 35，难以满足主轴变速要求；串联变速齿轮则扩大了齿轮的变速范围 。 本设计将原来的带轮不卸荷结构变为了带轮卸荷结构，使输入轴在带处只受转矩，将轴上的径向力传动到车床机体上 ,改善了输入轴的受力情况。 关键词： 430数控车床 ，机床，设计，数控系统。 NC is of is is an C to NC on of C NC to to of a NC do in to of in of to of in is In C a of C C 30 is of is in a of in to of At is to a or a of is is to of is to of a to of In in of to so is of 430 录 摘 要 . . 录 . 1 章 数控机床发展概述 . 1 控机床及其特点 . 1 控机床的工艺范围及加工精度 . 1 艺范围 . 1 工精度 . 1 控机床的 经济分析 . 2 控机床的发展趋向 . 3 第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较 . 4 体方案设计内容 . 4 统运动方式的确定 . 5 制方式的选择 . 5 体方案确定 . 5 统的运动方式伺服系统的选择 . 5 控系统 . 5 械传动方式 . 6 第 3 章 确定切削用量及选择刀具 . 6 学选择数控刀具 . 6 择数控刀具的原则 . 6 择数控车削用刀具 . 7 置刀点和换刀点 . 7 定切削用量 . 8 定 主轴转速 . 8 定进给速度 . 8 定背吃刀量 . 9 第 4 章 430动系统图的设计 . 9 V 传动系统的设计要求 . 9 体设计 . 9 定传动方案 . 9 择电机 . 11 主运动调速范围的确定、 计算各轴计算转速、功率和转矩 . 14 速图 . 15 动皮带的设计和选定 . 16 步带传动设计 . 16 系部件的结构设计 . 19 I 轴结构设计 . 19 I 轴结构设计 . 22 磁摩擦离合器的计算和选择 . 28 第 5 章 数控车床的六角回转刀架的设计原理 . 29 控车床的六角回转刀架的换刀工程 . 29 控车床的六角回转刀架的设计要求 . 31 控车床的六角回转刀架的机构设计中的几个主要问题 . 31 章小结 . 31 第 6 章 数控车床的六角回转刀架的机构设计 . 32 控车床的六角回转刀架的分度机构结构设计 . 32 度机构结构设计的总思路 . 32 度机构的刀架主轴设计 . 32 活塞的设计 . 34 齿盘离合器的设计 . 38 度活塞的设计 . 45 定位机构 活动插销机构设计 . 46 位原理、设计思路 . 46 料选择 . 47 动插销机构的结构设计 . 47 销机构的公差带设计 . 48 插销轴进行校核 . 49 校核结论 . 50 夹衬套的设计简述 . 51 第 7 章 微机数控系统的设计 . 52 微机数控系统的设计纲要 . 52 件电路设计 . 52 件电路设计 . 53 8031 单片机及其扩展 . 53 031 单片机的简介 . 53 031 单片机的系统扩展 . 54 储器扩展 . 56 I/O 口的扩展 . 58 步进电机驱动电路 . 59 脉冲分配器（环行分配器） . 60 光电隔离电路 . 60 率放大器 . 60 他辅助电路 . 61 结 论 . 63 致 谢 . 64 参考文献 . 65 1 第 1 章 数控机床发展概述 控机床及其特点 随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床 、 车 床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。 数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。 控机床的工艺范围及加工精度 艺范围 数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数量最多的数控机床，约占数控机床总数的 25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、轮廓形状复杂的轴类、盘类等回转体零件的加工，能够通过程序 控制自动完成园柱面、圆锥面、圆弧面和各种螺纹的切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。 工精度 由于数控车床具有加工精度高、能作直线和圆弧插补功能，有些数控车床还具有非圆曲线插补功能以及加工过程中具有自动变速功能等特点，所以它的工艺范围要比普通车床要宽得多。 由于数控车床刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以车代磨。 数控车床具有恒线速切削功能，能加工出表面粗 糙度小的均匀的零件。使用恒线速切削功能，就可选用最佳速度来切削锥面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。数控车床还适合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位选用较大的进给量，要求小的部位选用小的进给量。 由于数控车床具有直线和圆弧插补功能，部分车床数控装置还有某些非圆曲线和平面曲线插补功能，所以可以加工形状特别复杂或难于控制尺寸的的回转体零件。 2 普通车床所能车削的螺纹类型相当有限，它只能车等导程的直、锥面公、英制螺 纹，而且一台车床只能限定加工若干导程的螺纹。而数控车床不但能车削任何等导程的直、锥面螺纹和端面螺纹，而且能车变螺距螺纹，还可以车高精度螺纹。 控机床的经济分析 近几年，随着国民经济快速稳定发展，我国机床制造行业受益于国家振兴装备制造业的大环境，有了长足进展，这其中领先当今机械制造技术水平的数控机床产业更胜一筹。 由于数控设备的先进性、复杂性和发展的迅速性 ,以及品种型号、档次的多样性 ,决定了选用数控设备的复杂性和难度。如何从品种繁多、价格昂贵的产品中选择适用的设备 , 成为中小型企业十分关心的 问题。 数控 车床 是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数量最多的数控机床，约占数控机床总数的 25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、轮廓形状复杂的轴类、盘类等零件的加工，能够通过程序控制自动完成园柱面、圆锥面、圆弧面和各种螺纹的切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。 由于数控 车床 具有加工精度高、能作直线和圆弧插补功能，有些数控 车床 还具有非圆曲线插补功能以及加工过程中具有自动变速功能等特点，所以它的工艺范围要比普通车床 要宽得多。 1、 精度要求高的零件 由于数控 机床 刚性好，制造和对刀精度高，以 及能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以 铣 代磨。 2、 表面粗糙度要求高的零件 数控 车床 具有恒线速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均匀的零件。使用恒线速切削功能，就可选用最佳速度来切削锥面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。数控 车床 还适合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位选用较大的进给量，要求小的部位选用小的进给量。 3、 轮廓形状特别复杂和难于控制尺寸的零件 由于数控 车床 具有直线和圆弧插补功能，部分 车床 数控装置还有某些非圆曲线和平面曲线插补功能，所 以可以加工形状特别复杂或难于控制尺寸的的零件。 4、 带特殊螺纹的零件 3 普通 车床 所能车削的螺纹类型相当有限，它只能车等导程的直、锥面公、英制螺纹，而且一台 车床 只能限定加工若干导程的螺纹。而数控 车床 不但能车削任何等导程的直、锥面螺纹和端面螺纹，而且能车变螺距螺纹，还可以车高精度螺纹。 控机床的发展趋向 数控机床是由美国发明家 约翰 帕森斯 上个世纪发明的。随着电子信息技 术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业 的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。 技术发展趋势 ： 高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在： 合加工技术日趋成熟，包括车 车 复合、车 钻 磨复合，成形复合加工、特种复合加工等 ，复合加工的精度和效率大大提高。 “一台机床就是一个加工厂 ”、 “一次装卡，完全加工 ”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防 碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能 进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线 更加灵活、 功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车 车 复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机 床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。 4精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（ 升到目前 的微米级（ 有些品种已达到 右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到 右，形状精度可达 右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度 可达到纳米级（ 通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用 高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入 4 亚微米、纳米级超精加工时代。 5功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。 第 2 章 数控机床总体方案 的制订及比较 体方案设计内容 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普通车床的某些部位做一定的改装，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。 机床的数控设计，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一 体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有相似之处。然而，现代的数控机床不是简单将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足，抗震性差，热变形大，滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度，表面质量，生产率以及使用寿命等要求。现代机床的部件结构，整体布局，外部造型都已经形成了数控机床独特的机械部件。因此，我们在对数控机床进行数控设计的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能的 与数控机床相接近。 机床的设计主要应具备两个条件 济性好。改装前要对机床的性能指标做出决定，改装后其各项指标能达到数控加工的要求。 机械部分数控化设计需涉及电机的选择、工作台进给结构、传动比分配与计算等方面的内容。 1伺服驱动元件 5 进给电机选用混合式步进电机，其不仅步距角小运行频率高且功耗低低频噪音小等优点。广泛用于开环控制系统，不需要反馈装置，结构简单可靠，寿命长。横垂直进给电机均选用同一型号以便于设计和日后维修。 脉冲当量 t=冲，选用步距角 =对原 机床的主传动系统均维持不变，以节约资金及缩短改装时间。 接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。 机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。 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。 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 6 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 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 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 7 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。 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。 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动机直接驱动主轴不能满足恒功率变速要求，因此需要串联一个有级变速箱，以满足主轴的恒功率调速范围。 取 6f 则 f对于数控车床，为了加工端面时满足恒线速度切削的要求，应使转速有一些重复，故取 Z=2 故前面传动比分配可取。 各轴计算转速 15 m i n/ 60 . 5i n/1 0 42m i 82i n/ i n/1 0 0n2100j各轴输入功率 00各轴输入转矩 N . 2110以后计算选择，供以后计算使用： 表 轴的传动参数 参数 轴 0 轴（电机轴） I 轴 (传动轴） （中间传动轴） （主轴 ) 计算转（ 1000 08 104/入功率（ 矩（ ） 54 121 235 14 16 传动比 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 ， 速图 由电机的转速范围 (包括恒功率变速范围 )和各轴传动比 ,作数控车床的转速图 , 见图 4 图 速图 动皮带的设计和选定 （如无特殊说明，本小节公式均出自资料 14） 带传动是由带和带轮组成传递运动和动力的传动。根据工作原理可分为两类：摩擦带传动和啮合带传动。摩擦带传动是机床主要传动方式之一，常见的有平带传动和 同步带 传动；啮合传动只有同步带一种。 普通 同步带 传动是常见的带传动形式，其结构为：承载层为绳芯或胶帘布，楔角为40 、相对高度进似为 形截面环行带。其特点为：当量摩擦系数大，工作面与轮槽粘附着好，允许包角小、传动比大、预紧力小。绳芯结构带体较柔软，曲挠疲劳性好。其应用于：带速 V 25 30m/s;传动功率 P 700动比 i 10 轴间距小的传动。 一主要失效形式 1带在带轮上打滑，不能传递动力； 2带由于疲劳产生脱层、撕裂和拉断； 17 3带 的工作面磨损。 保证带在工作中不打滑的前提下能传递最大功率，并具有一定的疲劳强度和使用寿命是 同步带 传动设计的主要依据，也是靠摩擦传动的其它带传动设计的主要 依据。 步带 传动设计 (1)设计功率 由表 8 6 K 51 P (2) 选定带型： 根据型。 确定带轮的基准直径1： 1初选带轮的基准直径1 取小带轮直径125验算带速 V： 因为 5m/ 2dd=i1125=300据表 815定 同步带 的中心距 d 1初定带轮距 得： 即 : 初取 2计算带所需 的基准长度： 000125100060 11V 21021 27.0 880 )315125( ）（ 18 )125315()315125(250024)()(220202122100由表 8d=1800计算实际中心距 a ： 45)2 00 安装时所需最小轴间距： d 5 1 80 1 m 张紧或补偿伸长所需最大轴间距： d 5 9 m a x (5)验算小带轮包角 1 ： 90160545 25315(21 a dd 所以小带轮包角合适。 (6)计算带的根数 Z。 1单根 同步带 的基本额定功率1P： 根据 000r/表 8 再根据000r/i=型带查表 8表 8是得查表 K ： 4 8 ( 00 2计算带的根数 z。 取5根。 计算单根 同步带 的初拉力的最小值F： 19 00)00)(220应使带的实际初拉力(计算压轴力 压轴力的最小值为： 15262s 2)( 1m i i n (9)带轮的结构和尺寸： 由表 8为了减轻传动轴上载荷，采用卸荷式带轮结构，使带轮上的载荷由轴承支撑进而传给箱体，轴只承受转矩，装配装置参见装配图。 系部件的结构设计 毕业设计 (论文 ) 430床 总体设计 及 六角回转刀架设计 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 年 月 日 要 现代数控机床是未来工厂自动化的基础。数控设计范围大、 潜力大、投资少、见效快，促进制造业技术进步 的重要手段。因此，数控系统设计车床的研究具有重要意义。 本文在叙述了数控技术的历史、现状和发展的基础上，通过机床设计的总体思想，提出了数控化设计的技术方案和新数控系统的选型配置方案 ;提高了传动的精度，重新设计 机床的控制逻辑，通过对伺服系统的分析，完成了机床各主要参数的优化和匹配。 数控车床不仅能够车外圆还能用于镗孔、车端面、钻孔与铰孔。与其他种类的机床相比，车床在生产中使用最广。 本论文首先 介绍了我国数控机床发展的过程与现状 ,并分析了其存在的问题 ;对数控机床的发展趋势进行了探讨 ；并对 430控车床传动系统进行了设计与计算。 主轴箱有安装在精密轴承中的空心主轴和一系列变速齿轮组成。数控车床主轴可以获得在调速范围内的任意速度，以满足加工切削要求。 目前，数控车床的发展趋势是通过电气与机械装置进行无级变速 。 变频电机通过带传动和变速齿轮为主轴提供动力。通常变频电机调速范围 3 5，难以满足主轴变速要求；串联变速齿轮则扩大了齿轮的变速范围 。 本设计将原来的带轮不卸荷结构变为了带轮卸荷结构，使输入轴在带处只受转矩，将轴上的径向力传动到车床机体上 ,改善了输入轴的受力情况。 关键词： 430数控车床 ，机床，设计，数控系统。 NC is of is is an C to NC on of C NC to to of a NC do in to of in of to of in is In C a of C C 30 is of is in a of in to of At is to a or a of is is to of is to of a to of In in of to so is of 430 录 摘 要 . . 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。 控机床的工艺范围及加工精度 . 错误 !未定义书签。 艺范围 . 错误 !未定义书签。 工精度 . 错误 !未定义书签。 控机床的 经济分析 . 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 .未定义书签。 体方案设计内容 . 错误 !未定义书签。 统运动方式的确定 . 错误 !未定义书签。 制方式的选择 . 错误 !未定义书签。 体方案确定 . 错误 !未定义书签。 统的运动方式伺服系统的选择 . 错误 !未定义书签。 控系统 . 错误 !未定义书签。 械传动方式 . 错误 !未定义书签。 第 3章 确定切削用量及选择刀具 .未定义书签。 学选择数控刀具 . 错误 !未定义书签。 择数控刀具的原则 . 错误 !未定义书签。 择数控车削用刀具 . 错误 !未定义书签。 置刀点和换刀点 . 错误 !未定义书签。 定切削用量 . 错误 !未定义书签。 定 主轴转速 . 错误 !未定义书签。 定进给速度 . 错误 !未定义书签。 定背吃刀量 . 错误 !未定义书签。 第 4章 430.未定义书签。 V 传动系统的设计要求 . 错误 !未定义书签。 体设计 . 错误 !未定义书签。 定传动方案 . 错误 !未定义书签。 择电机 . 错误 !未定义书签。 主运动调速范围的确定、 计算各轴计算转速、功率和转矩 错误 ! 未定义书签。 速图 . 错误 !未定义书签。 动皮带的设计和选定 . 错误 !未定义书签。 步带传动设计 . 错误 !未定义书签。 系部件的结构设计 . 错误 !未定义书签。 I 轴结构设计 . 错误 !未定义书签。 I 轴结构设计 . 错误 !未定义书签。 磁摩擦离合器的计算和选择 . 错误 !未定义书签。 第 5章 数控车床的六角回转刀架的设计原理 .未定义书签。 控车床的六角回转刀架的换刀工程 . 错误 !未定义书签。 控车床的六角回转刀架的设计要求 . 错误 !未定义书签。 控车床的六角回转刀架的机构设计中的几个主要问题 . 错误 !未定义书签。 章小结 . 错误 !未定义书签。 第 6章 数控车床的六角回转刀架的机构设计 .未定义书签。 控车床的六角回转刀架的分度机构结构设计 . 错误 !未定义书签。 度机构结构设计的总思路 . 错误 !未定义书签。 度机构的刀架主轴设计 . 错误 !未定义书签。 活塞的设计 . 错误 !未定义书签。 齿盘离合器的设计 . 错误 !未定义书签。 度活塞的设计 . 错误 !未定义书签。 定位机构 活动插销机构设计 . 错误 !未定义书签。 位原理、设计思路 . 错误 !未定义书签。 料选择 . 错误 !未定义书签。 动插销机构的结构设计 . 错误 !未 定义书签。 销机构的公差带设计 . 错误 !未定义书签。 对插销轴进行校核 . 错误 !未定义书签。 核结论 . 错误 !未定义书签。 夹衬套的设计简述 . 错误 !未定义书签。 第 7章 微机数控系统的设计 .未定义书签。 微机数控系统的设计纲要 . 错误 !未定义书签。 件电路设计 . 错误 !未定义书签。 件电路设计 . 错误 !未定义书签。 8031 单片机及其扩展 . 错误 !未定义书签。 031 单片机的简介 . 错误 !未定义书签。 031 单片机的系统扩展 . 错误 !未定义书签。 储器扩展 . 错误 !未定义书签。 I/O 口的扩展 . 错误 !未定义书签。 步进电机驱动电路 . 错误 !未定义书签。 脉冲分配器（环行分配器） . 错误 !未定义书签。 光电隔离电路 . 错误 !未定义书签。 率放大器 . 错误 !未定义书签。 他辅助电路 . 错误 !未定义书签。 结 论 .未定义书签。 致 谢 .未定义书签。 参考文献 .未定义书签。 7 毕业设计 (论文 ) 430数控 车床 总体设计 及 六角回转刀架设计 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 年 月 日 要 现代数控机床是未来工厂自动化的基础。数控 设计范围大、 潜力大、投资少、见效快，促进制造业技术进步 的重要手段。因此，数控系统设计车床的研究具有重要意义。 本文在叙述了数控技术的历史、现状和发展的基础上，通过机床设计的总体思想，提出了数控化设计的技术方案和新数控系统的选型配置方案 ;提高了传动的精度，重新设计 机床的控制逻辑，通过对伺服系统的分析，完成了机床各主要参数的优化和匹配。 数控车床不仅能够车外圆还能用于镗孔、车端面、钻孔与铰孔。与其他种类的机床相比，车床在生产中使用最广。 本论文首先 介绍了我国数控机床发展的过程与现状 ,并分析了其存在的问题 ;对数控机床的发展趋势进行了探讨 ；并对 430 主轴箱有安装在精密轴承中的空心主轴和一系列变速齿轮组成。数控车床主轴可以获得在调速范围内的任意速度，以满足加工切削要求。 目前，数控车床的发展趋势是通过电气与机械装置进行无级变速 。 变频电机通过带传动和变速齿轮为主轴提供动力。通常变频电机调速范围 35，难以满足主轴变速要求；串联变速齿轮则扩大了齿轮的变速范围 。 本设计将原来的带轮不卸荷结构变为了带轮卸荷结构，使输入轴在带处只受转矩，将轴上的径向力传动到车床机体上 ,改善了输入轴的受力情况。 关键词： 430数控车床 ，机床，设计，数控系统。 NC is of is is an C to NC on of C NC to to of a NC do in to of in of to of in is In C a of C C 30 is of is in a of in to of At is to a or a of is is to of is to of a to of In in of to so is of 430 录 摘 要 . . 录 . 1 章 数控机床发展概述 . 1 控机床及其特点 . 1 控机床的工艺范围及加工精度 . 1 艺范围 . 1 工精度 . 1 控机床的 经济分析 . 2 控机床的发展趋向 . 3 第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较 . 4 体方案设计内容 . 4 统运动方式的确定 . 5 制方式的选择 . 5 体方案确定 . 5 统的运动方式伺服系统的选择 . 5 控系统 . 5 械传动方式 . 6 第 3 章 确定切削用量及选择刀具 . 6 学选择数控刀具 . 6 择数控刀具的原则 . 6 择数控车削用刀具 . 7 置刀点和换刀点 . 7 定切削用量 . 8 定 主轴转速 . 8 定进给速度 . 8 定背吃刀量 . 9 第 4 章 430动系统图的设计 . 9 V 传动系统的设计要求 . 9 体设计 . 9 定传动方案 . 9 择电机 . 11 主运动调速范围的确定、 计算各轴计算转速、功率和转矩 . 14 速图 . 15 动皮带的设计和选定 . 16 步带传动设计 . 16 系部件的结构设计 . 19 I 轴结构设计 . 19 I 轴结构设计 . 22 磁摩擦离合器的计算和选择 . 28 第 5 章 数控车床的六角回转刀架的设计原理 . 29 控车床的六角回转刀架的换刀工程 . 29 控车床的六角回转刀架的设计要求 . 31 控车床的六角回转刀架的机构设计中的几个主要问题 . 31 章小结 . 31 第 6 章 数控车床的六角回转刀架的机构设计 . 32 控车床的六角回转刀架的分度机构结构设计 . 32 度机构结构设计的总思路 . 32 度机构的刀架主轴设计 . 32 活塞的设计 . 34 齿盘离合器的设计 . 38 度活塞的设计 . 45 定位机构 活动插销机构设计 . 46 位原理、设计思路 . 46 料选择 . 47 动插销机构的结构设计 . 47 销机构的公差带设计 . 48 插销轴进行校核 . 49 校核结论 . 50 夹衬套的设计简述 . 51 第 7 章 微机数控系统的设计 . 52 微机数控系统的设计纲要 . 52 件电路设计 . 52 件电路设计 . 53 8031 单片机及其扩展 . 53 031 单片机的简介 . 53 031 单片机的系统扩展 . 54 储器扩展 . 56 I/O 口的扩展 . 58 步进电机驱动电路 . 59 脉冲分配器（环行分配器） . 60 光电隔离电路 . 60 率放大器 . 60 他辅助电路 . 61 结 论 . 63 致 谢 . 64 参考文献 . 65 1 第 1 章 数控机床发展概述 控机床及其特点 随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种 日益增多，有车床、 车 床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。 数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。 控机床的工艺范围及加工精度 艺范围 数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数量最多的数控机床，约占数控机床总数的 25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、轮廓形状复杂的轴类、盘类等回转体零件的加 工，能够通过程序控制自动完成园柱面、圆锥面、圆弧面和各种螺纹的切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。 工精度 由于数控车床具有加工精度高、能作直线和圆弧插补功能，有些数控车床还具有非圆曲线插补功能以及加工过程中具有自动变速功能等特点，所以它的工艺范围要比普通车床要宽得多。 由于数控车床刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以车代磨。 数控车床具有恒线速切削功能 ，能加工出表面粗糙度小的均匀的零件。使用恒线速切削功能，就可选用最佳速度来切削锥面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。数控车床还适合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位选用较大的进给量，要求小的部位选用小的进给量。 由于数控车床具有直线和圆弧插补功能，部分车床数控装置还有某些非圆曲线和平面曲线插补功能，所以可以加工形状特别复杂或难于控制尺寸的的回转体零件。 2 普通车床所能车削的螺纹类型相当有限，它只能车等导程的直 、锥面公、英制螺纹，而且一台车床只能限定加工若干导程的螺纹。而数控车床不但能车削任何等导程的直、锥面螺纹和端面螺纹，而且能车变螺距螺纹，还可以车高精度螺纹。 控机床的经济分析 近几年，随着国民经济快速稳定发展，我国机床制造行业受益于国家振兴装备制造业的大环境，有了长足进展，这其中领先当今机械制造技术水平的数控机床产业更胜一筹。 由于数控设备的先进性、复杂性和发展的迅速性 ,以及品种型号、档次的多样性 ,决定了选用数控设备的复杂性和难度。如何从品种繁多、价格昂贵的产品中选择适用的设备 , 成为中小 型企业十分关心的问题。 数控 车床 是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数量最多的数控机床，约占数控机床总数的 25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、轮廓形状复杂的轴类、盘类等零件的加工，能够通过程序控制自动完成园柱面、圆锥面、圆弧面和各种螺纹的切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。 由于数控 车床 具有加工精度高、能作直线和圆弧插补功能，有些数控 车床 还具有非圆曲线插补功能以及加工过程中具有自动变速功能等特点，所以它的工艺范围要比普通车床 要宽得多。 1、 精度要求高的零件 由于数控 机床 刚性好，制造 和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以 铣 代磨。 2、 表面粗糙度要求高的零件 数控 车床 具有恒线速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均匀的零件。使用恒线速切削功能，就可选用最佳速度来切削锥面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。数控 车床 还适合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位选用较大的进给量，要求小的部位选用小的进给量。 3、 轮廓形状特别复杂和难于控制尺寸的零件 由于数控 车床 具有直线和圆弧插补功能，部分 车床 数控装置还有某些非圆曲线和平面 曲线插补功能，所以可以加工形状特别复杂或难于控制尺寸的的零件。 4、 带特殊螺纹的零件 3 普通 车床 所能车削的螺纹类型相当有限，它只能车等导程的直、锥面公、英制螺纹，而且一台 车床 只能限定加工若干导程的螺纹。而数控 车床 不但能车削任何等导程的直、锥面螺纹和端面螺纹，而且能车变螺距螺纹，还可以车高精度螺纹。 控机床的发展趋向 数控机床是由美国发明家 约翰 帕森斯 上个世纪发明的 。随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业 的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。 技术发展趋势 ： 高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在： 合加工技术日趋成熟，包括车 车 复合、车 钻 磨复合，成形复合加工 、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。 “一台机床就是一个加工厂 ”、 “一次装卡，完全加工 ”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防 碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能 进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛 应用，使得柔性线更加灵活、 功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车 车 复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机 床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。 4精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（ 升到目前 的微米级（ 有些品种已达到 右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到 右，形状精度可达 右。采用光、电、化学等能 源的特种加工精度可达到纳米级（ 通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用 高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入 4 亚微米、纳米级超精加工时代。 5功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。 第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较 体方案设计内容 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普通车床的某些部位做一定的改装，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。 机床的数控设计，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。 数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有相似之处。然而，现代的数控机床不是简单将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足，抗震性差，热变形大，滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度，表面质量，生产率以及使用寿命等要求。现代机床的部件结构，整体布局，外部造型都已经形成了数控机床独特的机械部件。因此，我们在对数控机床进行数控设计的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能的 与数 控机床相接近。 机床的设计主要应具备两个条件 济性好。改装前要对机床的性能指标做出决定，改装后其各项指标能达到数控加工的要求。 机械部分数控化设计需涉及电机的选择、工作台进给结构、传动比分配与计算等方面的内容。 1伺服驱动元件 5 进给电机选用混合式步进电机，其不仅步距角小运行频率高且功耗低低频噪音小等优点。广泛用于开环控制系统，不需要反馈装置，结构简单可靠，寿命长。横垂直进给电机均选用同一型号以便于设计和日后维修。 脉冲当量 t=冲，选用步距角 =对原机床的主传动系统均维持不变，以节约资金及缩短改装时间。 接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。 机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。 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。 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 6 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 第 3 章 确定切削用量及选择刀具 学选择数控刀具 择数
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