CK6125型半闭环系统数控车床设计【说明书+CAD】
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南 京 工 程 学 院 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者： 罗 毅 学 号： 201080426 系 部： 机械工程学院 专 业： 机械电子专业 题 目： 半闭环系统数控车床设计 指导者： 李雪 讲师 评阅者： 2012 年 06 月 南 京南京工程学院毕业设计说明书（论文） I 摘 要 给系统和控制系统三部分组成。设计中首先进行总体方案的确定，画出简易的传动系统图，根据给定的设计参数对 主传动和进给系统中 的主要传动件进行了校验计算。进给系统由步进电机驱动滚珠丝杠实现进给。控制系统是由 盘，显示， 接口电路 ，脉冲 分配 器和电机驱动部分组成。 片机反馈 补偿实现半闭环控制 。最后进了技术经济分析得出设计生产该产品是经济合理的。 关键词 ：数控 车床 设计 a NC NC is up by is In to of a by of of of is in 文） I 目 录 第一章 前 言 . 1 第二章 总体方案设计 . 2 计参数 . 2 体方案的确定 . 2 本参数的确定 . 2 动参数 . 3 力参数 . 3 动原理 . 4 第三章 传动系统设计 . 7 轮设计 . 7 的初步确定 . 10 削力的计算 . 11 珠丝杠的设计计算 . 12 向丝杠的设计 . 12 向 (床鞍 )进给丝杠设计 . 14 进电机选择 . 15 向步进电机选择 . 15 向步进电机选择 . 16 第四章 校核 . 17 的校核 . 17 的校核 . 17 承的校核 . 20 第五章 数控系统硬件电路设计 . 21 机控制系统硬件组成 . 21 定硬件电路方案 . 21 031 储存器扩展电路设计 . 24 序存储器扩展 . 24 据存储器扩展 . 24 线方式 . 25 址锁存器 74. 25 ，显示器，接口电路 . 26 进电机驱动电路设计 . 26 算机接口 . 27 冲分配器 . 27 离电路的设计 . 28 它辅助电路设计 . 32 031 时钟电路 . 32 位电路 . 32 程报警电路 . 33 电编码器 . 34 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 六章 技术经 济分析 . 36 提高技术经济价值： . 36 械零件的设计 . 36 结构的设计 . 36 总 结 . 38 参考文献 . 39 附 录 . 40 致 谢 . 41 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 1 第一章 前 言 据了解， 2001 年中国机床产值已进入世界前 10 名的第 5 名，机床消费额在世界排名上升到第 3 位，达 美元，仅次于美国的 美元，消费额比上一年增长 25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势， 2001 年进口机床跃升至世界第 2 位，达 美元，比上年增长 我国近几年数控机床虽然发展较快，但与国际先进水平还存 在一定的差距，主要表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。 随着电子技术和自动化技术的发展，数控技术的应用越来越广泛。以微处理器为基础，以大规模集成电路为标志的数控设备，已在我国批量生产、大量引进和推广应用，它们给机械制造业的发展创造了条件，并带来很大的效益。但同时，由于它们的先进性、复杂性和智能化高的特点，在维修理论、技术和手段上都发生了飞跃的变化。 随着科学技术不断发展，数控机床的发展也越来越快，数控机床也正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展。高性能：随着数控 系统集成度的增强，数控机床也实现多台集中控制，甚至远距离遥控。高精度：数控机床本身的精度和加工件的精度越来越高，而精度的保持性要好。高速度：数控机床各轴运行的速度将大大加快。高柔性：数控机床的柔性化将向自动化程度更高的方向发展，将管理、物流及各相应辅机集成柔性制造系统。模块化：数控机床要缩短周期和降低成本，就必然向模块化方向发展，这既有利于制造商又有利于客户。 机床工业被称之为装备工业，装备工业又是技术密集、技术更新速度十分快的行业， 数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度 上就代表这个国家的制造业水平和竞争力。 面对入世和世界经济一体化的进程， 我们 必须在新一轮经济结构调整中找准自己的位置，加快发展、更新的频率，用 限普增数 来加快集约化进程，促进装备工业的发展，参与世界经济竞争 。缩小与世界先进水平的差距。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 2 第二章 总体方案设计 方案设计主要是确定机床的总体结构，传动原理以及基本的运动动力参数。 计参数 设计任务给出各项指标如下： 1加工对象： 45 号钢 2主轴转速： 50 20003工作台行程： X 450 Z 1304脉冲当量： 5异步 电机驱动 体方案的确定 数控车床 的主要参数 ： 床身上最大工件回转直径 250 最大工件长度 500 最小设定单位 x 轴 z 轴 回转刀架工位数 4 ； 主电机功率 机床净重 1200 主要特点： 控车床的导轨耐磨性好，精度高，主轴采用变频无级调速控制，可自动完成对零件的内外柱面、端面、任意锥面、圆弧面及公英制螺纹切削等工序连续 加工。 本参数的确定 通过主轴孔最大棒料直径 11 2 5 0 2 51 0 1 0d D m m 床身宽度 0 . 8 22 . 1 4 = 9 6 . 6 3 m 经济合理的工件或刀具直径按照以下几种经验公式估定 m a x ( 0 . 5 0 . 7 ) 0 . 6 = 0 . 6 2 5 0 = 1 5 0d D D m m 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 3 m i n ( 0 . 0 8 0 . 1 2 ) 0 . 1 0 = 0 . 1 0 2 5 0 = 2 5 m D 动参数 可通过类比实验和计算等方法综合确定 m a d m a xm a x m vn d 经济加工切削速度和经济合理的工件或刀具直径。 机床的最低、最高转速，其中常用经济加工切削速度硬质合金刀具精车中碳钢 v , v = 2 0 0 2 2 0 / m i m a x 2 2 0 / m i 高速钢刀具精车丝杠 5 。 201000 51000 取 24238 . 计算 额定 转速 力参数 据下列公式及数据估算电机功率 P 。 6120ZF f t s （公斤力） f 单位切削面积上的切削力，取硬质合金刀加工中碳钢 f =200（公/ 2 ； t 切削深度 ； s 进给量 。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 4 切削深度及进给量取半精车中碳钢，故 t 取 1 ； s 取 ； 取 v =297 / 0 0 1 0 . 2 2 9 7 1 . 9 46 1 2 0 6 1 2 0c f t s vP k w / 1 . 9 4 / 0 . 7 2 . 2 7 k w 动原理 此次设计的 用于精加工和半精加工 ,初步确定主轴箱部分为六级变速（手动），用一个三联齿轮和二联齿轮来实现六级变速， 而后用传动比为一比一的齿轮带动 编码 器， 采用双速电机，异步电机的同步转速为 1000实际转速为 960得车床有 3 2=6 级变速。 而对其的选择方案有两种，如下所述： 方案一： 采用 结构式 ：136 3 2， 其 ( 2 1) 32 8 8，故合适。 方案二： 采用结构式：126 2 3，其 ( 3 1) 23 9 8，大于 8，故不合适。 对方案一和方案二进行比较，方案一远优于方案二（因为方案二不合理），故选用方案一。再根据方案 一 画出其转速图。其转速图如下： 图 2速图 如上图可知皮带轮的降速比为： 960 ，由此可知皮带 的降速比也合适，故此方案可行。 再就是纵向和横向进给是靠丝杠来实现的，丝杠用步进电机来带动。因为脉南京工程学院毕业设计说明书（论文） 5 冲当量小于 所以在步进电机和丝杠之间我们用传动比为 1： 1 的齿轮 带 来连接 。 大带轮与带轮轴连接采用卸荷方式，可以使大带轮的重量不压在轴上，减轻了轴的负荷，使传动更平稳。主轴箱内有两对滑移齿轮，把它们 分别 放在第 一 二根轴上，将第 一 二根轴做成花键轴，使整体结构更紧凑，更合理。 主轴与 编码器连接采用齿轮一比一传动，这样方便计算主轴转一圈时 丝杠进给 量 。纵、横向进给系统选择的步进电机步距角都为 纵向进给的 最小进给量为 ，横向进给的最小进给量为 ，所以必须通过减小步距角来实现这个最小进给量。减小步距角 可以通过 同步齿形带传动来减小， 选择齿轮传动来 减小步距角 。 传动要求 : 1） 传动原理主要满足设计任务所给出的精度要求。 2) 应当在保证精度的情况下尽量使结构简单。 3) 主轴的转速范围为 50 2000用双速电机传动 ,然后采用手动六级调速 ,从而实现 50 2000转速范围 . 4) 脉冲当量为 米 /分钟，若采用较高级数的步进电机，通过齿轮减速来带动丝杠就可以达到，并且结构简 单，在该处还没有传动误差，可以使电控部分的结构及程序编制更为简单 。 5) 主传动系统需要一个变速电机通过带轮 带动主轴，从而完成主传动运动。进给部分也相对简单，当一个脉冲信号传给步进电机时，步进电机转过一个相应的步进角，通过一个一级或二级减速器 将动力传递给丝杠完成工作台（刀架）横、纵向进给运动。另外， 反馈系统保证更高的精度可以增加。 6) 进给部分采用滚珠丝杠副有如下特点： 1）运动平稳，无爬行现象，精度高； 2）有可逆性； 3）磨损小，寿命长；但制作困难，要求自身精度高。所以，采用滚珠丝杠副优点相对较多，比较合理 。滚珠丝杠的循环方式采用外循环方式，这种方式制造加工比较容易，经济性好。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 6 表 2计参数 项 目 单 位 参 数 床身上最大工件回转直径 250 最大工件长度 50 主轴转速范围 0 2000 (手动六级 ) 主轴通孔直径 40 主轴锥孔 莫氏 6度 主轴电机功率 刀架刀位数 4 车刀刀杆最大尺寸 (宽 高 ) 020 刀架快移速度 (纵向（ Z） m/给电机扭矩（功率） 纵向（ Z） 床外型尺寸 15008001360 机床重量（毛重 /净重） 200 电压 80南京工程学院毕业设计说明书（论文） 7 第三章 传动 系统设计 轮设计 设计齿轮的输入功率是 齿轮的转速1n=585/数比 u =95/18=作寿命 15 年（设每年工作 300 天），两班制。 1 选齿轮的类型、 精度等级、材料及齿数 。 1） 按传动方案选用直齿圆柱齿轮传动。 2） 速度不是很高，选用 7 级精度（ 88）。 3)材料的选择。由 机械设计 1表 10 1 选小齿轮的材料是 40C (调质 )，硬度 280 4)齿轮的材料为 45 钢 (调质 )，硬度为 240者材料硬度差 40 5） 选小齿轮的齿数1z=18 大齿轮的齿数2z=95。 6） 以下计算全都根据 机械设计 1上有关图表；公式。 2 按齿面接触强度设计 由设计计算公式 机械设计 1（ 10 9a）进行试算，即 2131t 1d 2 . 3 2 ( )t 1） 确定公式内的各计算数值 （ 1） 试选载荷系数 2） 计算小齿轮传递的扭矩 1T=9550000 p/1n=9550000 4076N （ 3） 由表 机械设计 110 7 选取 齿宽系数d=1 （ 4） 由表 机械设计 110 6 查的材料的弹性影响系数2（ 5） 由表 机械设计 110 21d 查按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 600大齿轮的接触疲劳强度极限550 （ 6） 由式 机械设计 110 13 计算应力循环的次数 91 1 6 0 n j L = 6 0 2 8 0 ( 2 8 3 0 0 1 5 ) 1 = 8 . 6 4 1 0 992 8 . 6 4 1 0 / 3 . 2 = 1 . 6 3 1 0N （ 7） 由图 机械设计 110 19 查得接触疲劳寿命系数1 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 8 2 8） 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1%，安全系数 S =1，由式 机械设计 1（ 10 12）得 1 l i m 11a = 0 . 9 4 6 5 0 = 5 1 4 M S 2 l i m 22a = 0 . 9 8 6 0 0 = 5 8 8 M S 2）计算 （ 1） 试算小齿轮分度圆直径1入 H中较小的值 2131 12 . 2 3 ( )t 23 1 . 3 4 4 0 7 6 3 . 4 1 1 8 9 . 82 . 3 2 ( ) 4 3 . 1 81 3 . 4 5 3 9 （ 2） 计算圆周速度 v 11 4 3 . 1 8 8 6 9 . 5 6 2 . 4 4 3 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0m s （ 3） 计算齿宽 b 1 1 4 3 . 1 8 4 3 . 1 8d m m （ 4） 计算齿宽与齿高之比 /数 1 1 t m = d = 4 3 . 1 8 / 1 8 = 2 . 1 4 m 2 . 2 5 2 . 2 5 2 . 1 4 4 . 8 1 5th m m m b / h = 4 3 . 1 8 / 4 . 8 1 5 = 8 . 9 6 8 m m （ 5） 计 算载荷系数 根据 v =s,6 级精度，由图 机械设计 110 8 查得动载荷系数 直齿轮，假设 / 1 0 0 b N/。由表 机械设计 110 3查得由表 机械设计 110 2 查得使用系数表 机械设计 110 4 查得 6 级精度、小齿轮相对支撑非对称布置时， 2 2 31 . 1 1 0 . 1 8 ( 1 0 . 6 ) 0 . 1 5 1 0H d 将数据代入后得 1+1） 1+000 /机械设计 1查图 10 13 得载荷系数 A V H K K K= 6） 按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径，由式 机械设计 1（ 10南京工程学院毕业设计说明书（论文） 9 10a）得 3311 / 4 3 . 1 8 * 1 . 7 7 / 1 . 3 4 7 . 1 5d k k 7） 计算模数 11/m d z=0=按齿跟弯曲强度设计 由式 机械设计 1（ 10 5）得弯曲强度的设计公式为 13212 ()确定公式内的各计算数值 由 机械设计 1图 10 20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限1500齿轮的弯曲疲劳强度极限2380 由图 机械设计 110 18 查得弯曲疲劳寿命系数2计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S = 机械设计 1公式（ 10 12）得 111 0 . 8 5 5 0 0 3 0 3 . 5 71 . 4F N F 222 0 . 8 8 3 8 0 2 3 8 . 8 61 . 4F N F 计算载荷系数 K A V F K K K1*取齿形系数 由 机械设 计 1表 10 5 查得 1 2 取应力校正系数 由 机械设计 1表 10 5 查得 1 2 算大、小齿轮的并加以比较 1112 . 9 1 1 . 5 3 0 . 0 1 4 6 3 0 3 . 5 7 0 2222 . 2 2 1 . 7 7 8 0 . 1 6 4 2 3 8 . 8 6 大齿轮的数值大。 2）设计计算 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 10 3 22 1 . 7 0 1 3 0 7 5 0 0 . 0 1 6 4 1. 7 4 2 m 8m 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能 力，而齿面接触疲劳强度所所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数 的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数 就近圆整为标准值 m =接触强度算得的分度圆直径1d=算出小齿轮齿数 11 47 2 3 . 52 . 0dz m 取 24 大齿轮的齿数2z=24=82 这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费 1。 4 )几何尺寸计算 计算分度圆直 11 2 4 2 . 0 4 8d z m m m 22 8 2 2 . 0 1 6 4d z m m m 计算中心距 12 / 2 ( 1 6 4 4 8 ) / 2 1 0 6a d d m m 计算齿轮宽度 根据经验一般齿宽取模数的 610 倍 所以 6=6 2 5)验算 112 2 4 4 0 7 6 1 8 3 6 . 2 548 而根据公式 :1 1 4 8 4 8db d m m 故 : 1 1 8 3 6 . 2 5 3 8 . 2 6 1 0 0 / m i 所以合适 . 的初步确定 第一根轴：设其传动效率为 则其功率为3p 3 0 . 9 6 2 . 8 8 3P3 确定轴的计算转速 主轴 ( 1 )3m i n 5 0 2 . 3 1 1 5 r/则主轴速度取171r/算转速传递全功率 所以得 316r/85r/京工程学院毕业设计说明书（论文） 11 按式 机械设计 1（ 15 2）初步估算轴的最小直径，选轴的材料为 45 钢，调质处理， 据 机械设计 115 3 取0 110A 于是得： 3 33m i n 032 . 7 71 1 0 1 7 . 1 8585 N m 第二根轴：齿轮和轴的传动效率是 则其功率为3 2 . 7 7 0 . 9 7 2 . 5 9p K W 3 1 6 / m 按 式 机械设计 1（ 15 2）初步估算轴的最小直径，选轴的材料为 45 钢，调质处理，根据 机械设计 115 3 取0 110A 于是得：3 33m i n 032 . 5 91 1 0 2 1 . 6 8316 m 削力的计算 以下公式，数据根据 机床切削手册 获得 7： 切削速度的计算公式 ( / m i n )a f加工材料碳素结构钢 b=650圆纵车，刀具 刀刀杆尺寸B*H（ 16*25，工件直径 D=40 车削深度3 进给量 。 f=.5(mm/r)( 2 4 2 . 0 . 1 5 . 0 . 3 5 . 0 . 2 0r v vC x y m 耐用度T=120正系数车削力及主车削功率 主车削力 z a f v k N 径向车削力 y y yy a f v kN 走刀力（轴向力） x x a f v k N 车削时消耗的功率46 1 0 W 加工材料：结构钢及铸钢b=650 刀具材料 硬质合金 2 6 5 0 , 1 . 0 , 0 . 7 5 , 0 . 1 51 9 5 0 , 0 . 9 0 , 0 . 6 , 0 . 32 8 8 0 , 1 . 0 , 0 . 5 , 0 . 4Z z Zy y yx x F F F xC x y FC x y FC x y F ,Z y Fk k k 分别为三个分力计算中，当实际加工条件与所求的经验公式的条件不符合时，各种因素对切削力的修正系数积 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 12 0000 . 8 9 0 . 9 1 . 0 0 . 8 7 1 . 0 3 0 . 8 9 1 . 0 81 . 3 0 2 . 0 0 . 7 5 0 . 8 0 1 . 5 6v s P mZ v z z s z z z Z P my v y y s y y y y P mx v xF k F r F F r F M F T V T F TF k F r F F r F M F T V T F TF k F r F F r F M F T V T F TF k F rk k k k k k k k kk k k k k k k k kk k k k k k k k kk k k 00 . 7 8 2 . 0 1 . 0 7 0 . 8 0 1 . 3 4x s x x x x P r F M F T V T F Tk k k k k k 代入车削速度 0 . 2 0 . 1 5 0 . 3 5242 1 0 . 7 . 6 4 / m i 0 3 0 . 4 车削力 1 . 0 0 . 7 5 0 . 1 50 . 9 0 . 6 0 . 31 . 0 0 . 5 0 . 42 6 5 0 3 0 . 4 1 0 7 . 6 4 1 . 0 8 2 1 4 0 . 7 31 9 5 0 3 0 . 4 1 0 7 . 6 4 1 . 5 6 1 1 6 62 8 8 0 3 0 . 4 1 0 7 . 6 4 1 . 3 4 1 1 2 2 . 4 6 车削深度不大，形状不复杂的轮廓时理论车削减少 10%15%，车削时消耗的功率 2 1 4 0 . 7 3 ( 1 1 5 % ) 1 0 7 . 6 4 3 . 2 660000 W 而实际进给量 f=际 . 8 7 360000 W 适合 珠丝杠的设计计算 向丝杠的设计 丝杠传动取等效载荷141N，螺杆有效行程 00效转速 00r/求使用寿命 15000螺杆材料 9道硬度 5860： 1） 计算载荷 2141 = ) 求必需的额定动载荷 = 3 3444 0 1 5 0 0 0 3 0 8 3 . 0 4 1 0 1 7 3 . 21 . 6 7 1 0 1 . 6 7 1 0mh N 3) 选择滚珠丝杠的型号和主要尺寸 根据 =取1 4006循环螺纹调整预紧的不衬套的双螺母滚珠丝杠 副 ， 循环圈数： 1 ， 额定动载荷 C=1970 偏心距 义南京工程学院毕业设计说明书（论文） 13 直径0 40D 丝杠外径的 d=39 螺母配合外径 D=80 两个圆螺母厚度2L=20螺距 t=8， 螺旋升 角 339 。 螺旋导程角：08a r c t a n a r c t a n 2 0 5 3 53 . 1 4 3 9 4) 稳定性验算 因螺杆适中，应验算螺杆的不稳定性，临界载荷为 221()E 螺杆材料的弹性模量 E = 105N/a 螺杆危险截面的轴惯性矩 4 4 441 3 5 . 4 4 . 2 3 1 06 4 6 4a dI m m 长度系数 按一端固定一端铰支 = 0.7 丝杠螺纹全长 1000 2 5 4 522 . 0 6 1 0 4 . 2 3 1 01 . 8 6 1 0( 0 . 7 1 0 0 0 ) 故 531 . 8 6 1 0 862 . 1 4 1 1 0F c 4 通过。 5） 刚度验算 按最不利情况考虑，即在螺距（应 为导程）内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向一致，此时变形量为最大，计算公式为： 21 422 111 6 4 F PG d E d 中： 01 t a n ( )2= 0 392 1 4 1 t a n ( 2 0 5 3 5 8 4 0 )2 = (式中磨擦系数 f 按 ，当量磨擦角v= 8 40 ) 剪切 弹性模量 G = 104 N/ 22 4 4 5 21 6 1 4 5 7 . 9 2 5 4 2 1 4 1 58 . 3 3 1 0 3 5 . 4
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