φ460mm的数控车床总体设计及六角回转刀架设计【毕业论文+CAD图纸全套】

购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 毕业设计 (论文 ) 460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 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 要 现代数控机床是未来工厂自动化的基础。数控化设计范围大、 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。 关键词： 460数控车床 ，机床，设计，数控系统。 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 NC is of is is an C to NC on of C NC to to of a 460购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 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 传动系统图的设计 . 9 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 V 传动系统主要技术指标的确定 . 9 . 9 . 10 . 11 速主传动系统的设计 . 12 . 12 . 13 . 14 第 5 章 数控车床的六角回转刀架的设计原理和依据 . 14 控车床的六角回转刀架的换刀工程 . 15 控车床的六角回转刀架的设计要求 . 16 控车床的六角回转刀架的机构设计中的几个主要问题 . 16 章小结 . 16 第 6 章 数控车床的六角回转刀架的机构设计 . 17 控车床的六角回转刀架的分度机构结构设计 . 17 度机构结构设计的总思路 . 17 度机构的刀架主轴设计 . 17 活塞的设计 . 19 齿盘离合器的设计 . 23 度活塞的设计 . 30 定位机构 活动插销机构设计 . 31 位原理、设计思路 . 31 料选择 . 32 动插销机构的结构设计 . 32 销机构的公差带设计 . 33 插销轴进行校核 . 34 核结论 . 35 夹衬套的设计简述 . 36 第 7 章 微机数控系统的设计 . 37 微机数控系统的设计纲要 . 37 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 硬件电路设计 . 37 件电路设计 . 38 8031 单片机及其扩展 . 38 031 单片机的简介 . 38 031 单片机的系统扩展 . 39 储器扩展 . 41 I/O 口 的扩展 . 43 步进电机驱动电路 . 44 脉冲分配器（环行分配器） . 45 光电隔离电路 . 45 率放大器 . 45 他辅助电路 . 46 结 论 . 48 致 谢 . 49 参考文献 . 50 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 X 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 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。 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 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 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 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，从而进入购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 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 合适，经济性好。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 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 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，可靠购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 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，刀具寿命购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 7 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 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。 （ 5） 确定转速级数 Z 取 4，则 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 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 14 （ 6） 拟定转速图和功率特性图如图 定传动变速系统图 拟定传动系统的原则是：在保证机床的运动和使用要求的前提下，运动传动链要尽可能的短而简单；传动效率高以及操作简单方便 。首先要考虑某些结构方面的问题，考虑结构能否实现：如小齿轮的齿根圆是否大于轴的直径，大齿轮的顶圆是否会碰及相邻轴等；其次因考虑结构是否合理，如布置是否紧凑，操纵是否方便等。 该机床采用双 联滑移齿轮变速组，采用窄式排列结构，使机床结构紧凑。主轴变速拟采用通过滑移齿轮的移位来实现，需保证当齿轮 2与齿轮 4完全脱开啮合之后，齿轮3 和齿轮 6 才能开始进入啮合，所以齿轮 5 与齿轮 6 相邻间的距离 轮 b 2与齿轮宽度 3b 之和），一般 b 3b + 2b + , =1 4 综合考虑个因素，拟订传动系统图。 第 5 章 数控车床的六角回转刀架的设计原理和依据 回转刀架也称为转塔式刀架，它是数控车床上最常用，也是最简单的一种自动换刀装置。回转刀架使用回转头各刀座来安装或夹持各种不同用途的刀具，通过回转头的旋转分度定位来实现车床的自动换刀动作。回转刀架可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式，其上可安装 4 把、 6 把或更多的刀具，并可按数控装置的指令换刀。 我国目前 制造业 中广泛使用 的数控车床六角回转刀架虽然是上世纪开发的产品，但其结构具有当代自动换刀装置的典型结构， 和相对成熟的技术使得它极具经济性是使用性，它仍是我国大部分中小企业广泛使用的数控车床部件。 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 15 控车床的六角回转刀架的换刀工程 图 适用于盘类零件的加工。在加工轴类零件时可以换成四方刀架，它们底部测尺寸是相同的，互换更换起来非常方便，因此在数控车床中使用得很广泛。 这种刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，其换刀过程如下四个步骤：活塞杆齿条活塞触头拉杆活动插销齿条固定插销活塞杆齿轮压盘缸体刀架体活塞 - 数控车床的六角回转刀架 （ 1）刀架抬起。当数控装置发出换刀指令后，压力油由 塞上升，刀架体抬起，使定位活动插销与固定插销脱离。同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮结合 （ 2）刀架转位。当刀架抬起之后，压力油从 塞向右移动，通过连接板带动齿条移动，使空套齿轮作逆时针方向转动，通过端齿离合器使刀架转过60。活塞的行程应等于齿轮节圆周长的 1/6，并由限位开关控制。 （ 3）刀架压紧。刀架转位之后，压力油从 B 孔进入压紧液压缸的上 腔，活塞带动刀架体下降。缸体的底盘上精确地安装六个带斜楔的圆柱固定插销，利用活动插销消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。刀架体下降时，定位活动插销与另一个固定插销卡紧，同时缸体与压盘的锥面接触，刀架在新的位置定位并压紧。这时，端齿离合器与购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 16 空套齿轮脱开。 （ 4）转位液压缸复位。刀架压紧后，压力油从 塞带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮在轴上空转。 如果定位和压紧动作正常，拉杆与相应的接触头接触，发出信号表示换刀过程已结束，可以继续进行切削加工。 回转刀架除了采用液压 缸驱动转位和定位销定位外，还可以采用电动机 及其它转位和定位机构。 控车床的六角回转刀架的设计要求 回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为 控车床的六角回转刀架的机构设计中的几个主要问题 构 分度机构是回转刀架的核心机构之一，要特别处理好分度的准确性。 刀盘是刀具装填机构，也是分度机构直接作用的机构。刀盘在设计时要注意刀具的大小、材料的选择、大小和重量。 必须选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为 回转刀架的动作启动和结束是通过液压系统驱动的，而液压系统由数控系统的 此 章小结 本章分析了六角回转刀架的设计依据，分析了六角回转刀架的结构及工作原理，提出了设计过程中要注意的几个问题。 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 17 第 6 章 数控车床的六角回转刀架的机构设计 回转刀架，它是数控车床上最常用，也是最简单的一种自动换刀装置。回转刀架使用回转头各刀座来安装或夹持各种不同用途的刀具，通过回转头的旋转分度定位来实现车床的自动换刀动作。它相对成熟的技术使其具有经济性和实用性，目前，我过大部分中小企业还在使用六角回转刀架，常见于数控车床上的自动换刀装置的应用。本课题对数控车床的六角回转刀架的机 构设计具有现实意义。 控车床的六角回转刀架的分度机构结构设计 回转刀架的工作原理简单来说，就是利用几何分度，在每个不同的分度上安装不同的刀具，并能根据指令进行转动定位。因此，分度机构是回转刀架的核心机构。 度机构结构设计的总思路 分度机构主要包括刀架主轴、主活塞、端齿盘离合器（分上下两个端齿盘）、分度齿条和分度活塞。因此，结构设计也围绕这五个方面进行。刀架主轴设计包括主轴的形状 /尺寸设计、材料选择；主活塞设计包括其形状 /尺寸、材料选择；端齿盘离合器的下端齿盘是不完全标准件，主要是上端齿盘 是个特殊结构，要进行特别设计；分度齿条结构简单，主要考虑其长度；分度活塞主要考虑其与活塞杆连接的结构。 分度机构主要作用是分度，其精度主要由液压系统和数控控制系统决定。而六角回转刀架的重复定位精度是由刀盘定位系统决定的，故分度机构定位精度没有作为重要设计要求。 设计原则：保重分度性能，尽量用常用的