CM6132卧式车床数控化改造总体设计及自动回转刀架设计说明书.doc
CM6132卧式车床数控化改造总体设计及自动回转刀架设计
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CM6132卧式车床数控化改造总体设计及自动回转刀架设计
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CM6132卧式车床数控化改造总体设计及自动回转刀架设计,CM6132卧式车床数控化改造总体设计及自动回转刀架设计
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毕业设计说明书设计题目：CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及自动回转刀架设计 学 生 班 级 学 号 指导教师 继 续 教 育 学 院二零一二年九月毕业设计任务书设计题目：CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及自动回转刀架设计 学 生 班 级 学 号 指导教师 胡世军 继 续 教 育 学 院二零一二年九月兰 州 理 工 大 学毕 业 设 计 任 务 书 学 生 指导教师 胡世军 班 级 职 称 副教授 一 毕业设计题目CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及横向进给设计CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及纵向进给设计CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及液压尾座设计CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及自动回转刀架设计C6142型卧式车床数控化改造总体设计及液压尾座设计C6142型卧式车床数控化改造总体设计及四方回转刀架设计C6142型卧式车床数控化改造总体设计及六角回转刀架设计C6142型卧式车床数控化改造总体设计及纵向进给设计C6142型卧式车床数控化改造总体设计及横向进给设计C6142型卧式车床数控化改造总体设计及液压尾座设计C6142型卧式车床数控化改造总体设计及四方回转刀架设计C6142型卧式车床数控化改造总体设计及六角回转刀架设计C6142型卧式车床数控化改造总体设计及纵向进给设计C6142型卧式车床数控化改造总体设计及横向进给设计CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及液压尾座设计CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及四方回转刀架设计CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及六角回转刀架设计CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及纵向进给设计CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及横向进给设计C6150型卧式车床数控化改造总体设计及液压尾座设计C6150型卧式车床数控化改造总体设计及四方回转刀架设计C6150型卧式车床数控化改造总体设计及六角回转刀架设计C6150型卧式车床数控化改造总体设计及纵向进给设计C6150型卧式车床数控化改造总体设计及横向进给设计CW6163型卧式车床数控化改造总体设计及液压尾座设计CW6163型卧式车床数控化改造总体设计及四方回转刀架设计CW6163型卧式车床数控化改造总体设计及六角回转刀架设计CW6163型卧式车床数控化改造总体设计及纵向进给设计CW6163型卧式车床数控化改造总体设计及横向进给设计二、主要设计参数及技术指标1、 X轴(横向)、Z轴(纵向)改为微机控制，采用步进电机或直流伺服电机驱动，滚珠丝杠传动。其中X轴(横向)脉冲当量：0.005mm/脉冲，Z轴(纵向)脉冲当量：0.010mm/脉冲。2、 实现功能：车削外圆、端面、圆弧、圆锥及螺纹加工3、 操作要求：起动、点动、单步运行、自动循环、暂停、停止4、 采用回转刀架及液压尾座5、 其余参数见原机床三、毕业设计内容及工作量（一） 设计计算说明书 一份0.81.0万字（二）、 图纸部分 1、普通车床数控化改造总体方案图 A0一张2、机床尺寸联系图 A0一张3、主要部件装配图（主轴箱等） A0一张4、数控机床硬件电路图 A0一张（选做）四 毕业设计的基本要求： 能按时独立完成毕业设计规定的全部内容，方案选择正确，论据充分，对设计中的主要问题分析深入，解决合理，有独立见解，能很好运用所学理论和提供的资料解决设计中的问题，能独立查阅和正确引用中外文参考资料，说明书文字通顺、清楚、选用数据论证合理、计算准确，图面整洁。五、 进程安排序号主 要 任 务时间备注1查阅文献、调研、收集资料、实习0.5周2总体方案图 1.0周3机床尺寸联系图2.5周4主要部件装配图 2.5周5编写设计计算说明书1.0周6准备答辩0.5周六.主要参考文献数控机床设计 陈婵娟主编 化学工业出版社经济型数控机床系统设计张新义主编 机械工业出版社新编机床数控技术 任玉田主编 北京理工大学出版社机床设计图册 上海纺织工学院等主编 上海科学技术出版社机械设计手册 成大先主编 化学工业出版社7、 设计书的装订及格式 装订必须采用横向翻页方式。内容顺序为：封面，任务书，目录，中文摘要，中文关键词，引言，正文，结论（计算结果），参考文献，致谢。摘 要本次设计是对普通车床CM6132的数控化改造。在这里主要包括:主传动系统的改造、纵向进给系统的改造、横向进给系统的改造、自动回转刀架的设计。而我主要是针对自动回转刀架的设计机械改造。这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件。本课题数控改造主要为自动回转刀架的设计的设计。数控车床的出现对提高生产率、改善产品质量以及改善劳动条件等发挥了重要的作用,为了进一步压缩非切削时间，数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的发展方向。在这类多工序的数控机床中必须带有自动换刀装置，在多工序数控机床出现之后，又逐步发展和完善了各类回转刀具的自动更换装置，扩大了换刀数量，快速准确的实现了换刀操作。数控车床上使用的自动回转刀架是一种在一定的空间范围内，能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。本设计主要论述一种多工位数控自动回转刀架的设计原理、机械结构及自动控制方式。关键词：车床，数控改造，联轴器，刀架目 录第1章 概述11.1数控机床的组成11. 2与普通机床相比的特点11.3 数控机床的优点21.4 数控机床的产生21.5 数控机床的发展31.6 机床数控化改造的意义31.7 车床数控化改造的可行性41.6.1 车床数控化改造的必要性51.6.2 车床数控化改造的优点51.7 车床数控化改造前景5第2章 车床改造总体方案的确定72.1 改造总体方案设计要求72.2总体方案设计72.3 CM6132车床的设计参数82.4 总体方案的确定8第3章 自动回转刀架的总体结构设计103.1 总体结构设计103.1.1减速传动机构的设计103.1.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计103.1.3 刀架抬起机构的设计113.2 刀架主要零件设计113.2.1 动齿盘与静齿盘113.2.2 活塞113.2.3 花键轴113.2.4 防水、防尘设计113.2.5 控制方式123.2.6 刀架定位精度及重复定位精度123.2.7 刀架驱动形式12第4章 自动回转刀架主要传动部件的设计计算134.1 蜗杆副的设计计算134.1.1蜗杆的选型134.1.2蜗杆副的材料134.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计134.1.4 蜗杆和蜗轮的主要计算参数和几何尺寸154.1.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度164.2 蜗杆的设计计算174.2.1 蜗距的确定174.2.2其它参数的确定174.2.3自锁性能校核17第5章 数控硬件电路系统设计185.1硬件电路设计185.1.1 数控系统的硬件结构185.1.2 数控系统硬件电路的功能185.2关于各线路元件之间线路连接195.3 关于电路原理图的一些说明20总 结23参考文献24致 谢25 CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及自动回转刀架设计第1章 概述数字控制机床（Numerical Control Machine Tools）简称数控机床，这是一种将数字计算机技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置，经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性、高效能的自动化机床，是典型的机电一体化产品。1.1数控机床的组成1）主机，它是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件，是用于完成各种切削加工的机械部件。 2）数控装置，是数控机床的核心，相当于人的大脑，它包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 3）驱动装置，它是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动系统、伺服驱动系统、主轴电机及伺服电机等。它在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线以及曲面的加工。 4）辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。 5） 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。1. 2与普通机床相比的特点 1）加工精度高，具有稳定的加工质量； 2）可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 3）加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； 4）机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3-5倍）； 5）机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 6）对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。 1.3 数控机床的优点1） 数控机床能缩短生产准备时间，增加切屑加工时间的比率；2） 使用数控机床进行生产，加工的零件精度高，产品质量稳定,从而有效的提高了产品在市场上的竞争力；3） 数控机床具有广泛的适应性和较大的灵活性，因此能够完成很多普通机床很难完成或者根本不能加工的、具有复杂型面、要求高精度的零件的加工；4） 许多数控机床如加工中心具有自动换刀功能，使零件一次装夹之后就能够完成多个加工部位的加工，实现了一机多用，大大节省了设备和厂房面积；5） 生产者可以对生产成本进行预算，并对生产进度进行合理的安排，以达到提高经济效益的目的；6） 应用数控机床进行生产，减轻了工人的劳动强度，提高了工人工作的环境质量，增加了工人的生产积极性，促进了生产，提高了生产效率。随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。1.4 数控机床的产生数控机床最早是从美国开始研制的。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于1952年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。1.5 数控机床的发展自1952年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。第一代数控：1952-1959年采用电子管元件构成的专用数控装置。第二代数控：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。第三代数控：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。第四代数控：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。第五代数控：从1974年开始采用微型电子计算机控制的系统。目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统，形成了现代数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。1.6 机床数控化改造的意义制造技术和自动化水平的高低已成为一个国家或地区经济发展水平的重要标志，而其中最具代表性的就是数控机床。目前，我国是机床生产大国，但不是机床制造强国，国产机床的发展仍然难以支撑国民经济和国防军工的需要。与世界先进水平相比差距仍然十分明显。因为一方面我国普通机床保有量大，要将普通机床淘汰掉是不经济的，也是不现实的；另一方面，从我国目前生产状况来看，仍然以生产普通机床为主。然而，用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、精度低、成本高、供货期长等缺点，从而使产品在国际、国内市场上缺乏竞争力，这将直接影响一个企业的生产效益以及生存和发展。所以大力提高机床的数控化率已迫在眉睫，有很大的意义，而且普通机床的数控化改造将会长期存在，并会不断的发展。机床数控改造的意义： 1）节省资金。 机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。3）提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。4）可以采用最新的控制技术。可以根据技术革新的发展速度及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改造为具有当今水平的机床。1.7 车床数控化改造的可行性随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的质量和性能不断提高，产品的更新换代也不断加快，因此对机床不仅要求具有较高的精度和生产率，而且应能迅速地更换产品的零件。生产需要促使了数控机床的产生，随着电子技术，特别是计算机技术的发展，数控机床也迅速地发展起来。从第一台数控机床问世至今，世界上主要工业化国家的数控机床进入了批量生产。机床的数控化程度在不断地提高。我国从开放搞活以来，加快了数控机床技术的引进，促进了我国机床数控技术的普及和发展。各大企业不断地购进数控机床，扩大生产和替换陈旧设备，数控机床在企业中也不是凤毛麟角，而是不断地提高普及率。在这种情况下，普通机床的数控改造是重要的。如以下几个方面的说明：1.6.1 车床数控化改造的必要性数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批量和多变零件的加工问题,能够稳定加工质量和提高生产效率,但是应用数控机床还受到其他条件的限制。（1）数控机床价格昂贵，一次性投资大，对中小型企业是心有余而力不足。（2）目前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本可能，而且替换下来的普通机床闲置下来又会造成浪费。（3）在国内订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不可能满足生产的需要。（4）通用数控机床对具体生产有多余功能。要较好地解决上述问题，应走普通机床的数控化改造之路，从美国、日本等工业化国家的经验看，机床地数控化改造必不可少，数控机床占有很大比例。因此，普通机床的数控化改造不但有存在的必要，而且大有可为，尤其对一些中小型企业更是如此。1.6.2 车床数控化改造的优点（1）易对现有的机床实现自动化，而且专业性强，没有多余功能。（2）减少辅助加工时间，提高机床的生产效率。（3）降低对工人技术等级的要求。（4）数控改造费用低，可充分利用原有机床设备。（5）数控改造周期短，可满足生产急需。所有这些目的都是围绕一点，即提高机床的性能价格比，用较少的价格得到较高的机床性能。因此数控改造具有以下几点：（1）易于对现有机床实现自动化、而且专业性强，没有多余的功能。（2）减少辅助加工时间，提高机床的生产效率。（3）降低对工人技术等级的要求。（4）数控改造费用低，可充分利用原有机床设备。（5）数控改造的周期短，可满足生产急需。1.7 车床数控化改造前景数控机床业的发展，机械产品的性能和质量不断提高，产品的更新换代也不断加快，因此对机床位不仅要求具有较高的精度和生产率，而且应该能迅速的适应零件的变换。生产的需要促进数控机床的产生，随着电子技术，特别是计算机技术的发展，数控机床迅速地发展起来。从第一代数控机床问世以来，世界上主要工业化国家得数控机床已经进入批量生产。机床的数控化率在不断的提高到1998年，日本生产机床的数控率达到70%。我国从改革开放以来，加快了数控机床技术的引进，促使我国机床数控技术的普及和发展。各大企业不断购进数控机床扩大再生产和替换陈旧设备，数控机床在企业中再不是凤毛麟角，而是不断提高普及率。广泛的运用到个工业领域。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着重要作用，其可以很好的解决现代制造业中的复杂、精密、小批、多变零件的加工问题，能稳定加工质量，提高劳动生产率。但其价格昂贵，一次性投入大，往往使企业心有余而力不足，我国作为机床大国，数控化的道路漫长，走改革之路为上策。我们对CM6132进行了数控改造，效果良好。6CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及自动回转刀架设计第2章 车床改造总体方案的确定总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择以及进给传动方式和执行机构的选择等。2.1 改造总体方案设计要求（1）卧式车床数控系统化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。（2）卧式车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电动机的开环控制系统。（3）根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS51系列的8为单片机作为数控系统的CPU。MCS51系列8为机具有功能多、速度快、 抗干扰能力强、性/价比搞等优点。（4）根据系统的功能要求，需要扩展成雪存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等；还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。（5）为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙、提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。（6）计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副，且应有削间隙机构。（7）选择自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。2.2总体方案设计设计任务：改造后的车床能够完成机床主轴的启动，停止和变速，纵向和横向进给运动的行程和变速，刀具的变速和冷却，都可以自动控制。并具有螺纹和锥螺纹等自动循环机能。在该机床中采用液压尾座快换刀架和机床外对刀装置。该机床适用于加工形状复杂，中小批量的零件。对一般车削加工任意锥面、球面、螺纹端面、回转面等加工工序，能控制主轴的开停变速及一些辅助功能，使加工实现自动化。自动回转刀架的设计是普通机床改造机械方面的关键。由微型控制的自动转位具重复定位精度高、工作刚性好、性能可靠、使用寿命长以及工艺性能好等特点。将原先的普通尾座改造成液压尾座。2.3 CM6132车床的设计参数根据型普通原始数据及数控改造设计要求，确定主要如下： 最大加工直径： 车床身上： 320mm 车床鞍上： 185mm 最大加工长度： 750(或1000)mm脉冲当量： 纵向 0.01mm/step 横向 0.005mm/step 脉冲分配方式： 逐点比较法 控制坐标数： 2 机床定位精度： 0.0152.4 总体方案的确定CM6132车床改造总体设计方案的内容包括：系统运动方式的确定，伺服系统的选择，执行机构及传动方式的确定、数控系统的选择等内容，应仔细考虑各种高性能、自动化等要求，也要考虑被改造机床的具备条件，是技术的先进性与经济性的合理性交好的统一。 对于横向进给机构，保留原手动于调刀，原支承结构也保留。和纵向进给一样步进电机与纵向滚珠丝杠间任何需一级齿轮减速，丝杠螺母与横向施板任用一螺母座连接。施板后部开轴承孔以便滚珠丝杠的连通与支承，后接减速箱与步进电机。纵、横向进给机构减速齿轮采用双片齿轮，靠错位消除啮合间隙。丝杠外加防尘罩，溜板箱上安装急停按钮，以适应意外情况的急停。硬件方面控制系统的硬件配置是，基本系统包括单片机AT89C51、锁存器、EPROM和RAM存储器。并行接口8255用作连接开关量的输入输出和对伺服电机进行控制。8279为键盘显示器接口。软件方面，软包装件设计采用模块化结构，以便于系统功能的扩展。分为三块：手动操作、加工、编辑。图2-1 机床的操作模式图根据设计任务，系统采用轮廓控制形式，控制系统硬件由微机控制部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离器、步进电机、功率放大器等组成。在其纵横向均采用步进电机 减速齿轮 滚珠丝杠螺母副 溜板的传动方式，刀架更换为四刀位回转刀架，将原先的普通尾座改造成液压尾座。改造后的机床传动系统图如图所示：图2-2 改造后车床传动系统图第3章 自动回转刀架的总体结构设计3.1 总体结构设计 设计自动回转刀架，适用于经济型数控车床，使自动回转刀架在结构上具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力，同时具有换刀时的快速性、稳定性和高定位精度的重复性。图3-1为自动回转刀架的传动结构示意图。图3-1 自动回转刀架的传动结构示意图1 发信盘 2 推力轴承 3 螺杆螺母副 4 端面齿盘 5 反靠圆盘6 三相异步电动机 7 联轴器 8 蜗杆副 9 反靠销10 圆柱销 11 上盖圆盘 12 上刀体3.1.1减速传动机构的设计普通的三相异步电动机因转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必须经过适当的减速。根据立式转位刀架的结构特点，采用蜗杆副减速是最佳选择。蜗杆副传动可以改变运动的方向，获得较大的传动比，保证传动精度和平稳性，并且具有自锁功能，还可以实现整个装置的小型化。3.1.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计由于刀具直接安装在上刀体上，所以上刀体要承受全部的切削力，其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。本设计上刀体的锁紧与定位机构选用端面齿盘，将上刀体和下刀体的配合面加工成梯形端面齿。当刀架处于锁紧状态时，上下端面齿相互咬合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；换刀时电动机正传，抬起机构使上刀体抬起，等上下端面齿脱开后，上刀体才可以绕刀架中心轴转动，完成转位动作。3.1.3 刀架抬起机构的设计要想使上，下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计合适的机构使上刀体抬起。本设计选用螺杆-螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆-蜗轮带动蜗杆绕中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动，要么上下移动。当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互咬合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，所以螺杆的转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离咬合时，上刀体就与螺杆一同转动。3.2 刀架主要零件设计3.2.1 动齿盘与静齿盘动齿盘与静齿盘是数控刀架的两个主要零件，其精度决定刀架性能的好坏，齿盘的齿形可设计成向心齿（即齿面为梯形齿、齿的截面也为梯形）或设计成矩形齿（即齿面为矩形、齿的截面为梯形）。本刀架采用工艺性能好的矩形齿，齿的啮合深度通常设计为45mm，可获得所需的锁紧力满足刀架刚度要求。3.2.2 活塞对活塞的设计要求：当花键轴转动时，活塞是不允许随之转动的，所以两者之间应有轴承来传动转动，显然在这里用滚动轴承是不合适的，必需采用滑动轴承。本设计直接在活塞孔内开螺旋形润滑油槽，把活塞孔设计成滑动轴承。由于省去了花键轴与活塞孔之间的滑动轴承，使刀架的结构进一步得到简化。3.2.3 花键轴花键轴是本刀架的重要零件之一，它既是刀架的传动轴又是液压缸的活塞杆；它既有往复运动，又有转动，所以花键轴与活塞配合部分的配合采用G7/h6。配合特点是：间隙很小的滑动配合，用于不希望自由转动，但可自由移动和滑动并精确定位时。3.2.4 防水、防尘设计 防水、防尘设计是刀架设计的重要环节之一，刀架工作过程中铁屑会进入刀架本设计采用O型密封圈和毡圈进行密封。 3.2.5 控制方式控制方式也是数控刀架设计需要考虑的重要环节之一，控制元件的选取决定着刀架的自动化程度和编程方法，本文采用控制过程中普遍使用的行程开关和编码器来实现对刀架的自动控制。行程开关控制转塔的松开与锁紧，编码器控制转塔的转位。 3.2.6 刀架定位精度及重复定位精度 定位精度是指转塔到位后，刀架指定工位把刀孔中心线与设计中心 竖直平面内的偏差，重复定位精度是指刀架各工位反复锁紧多次后的偏差平均值。由于该刀架转塔到位前，控制刀架初定位的行程开关发出信号使控制电机的 电磁阀断电，此时电机内部的机械自锁部件使电机停在预定位置上，所以刀架具有较高的定位精度和重复定位精度。3.2.7 刀架驱动形式由于滚珠丝杠具有摩擦系数小，传动效率高的优点，所以刀架的驱动方式采用AC伺服电机带动丝杠旋转，实现刀架的直线运动。25CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及自动回转刀架设计 第4章 自动回转刀架主要传动部件的设计计算设计自动回转刀架，适用于CM6132经济型数控车床。推荐刀架所用电动机的 额定功率为90W，额定转速为1440r/min，换刀时要求刀架转动的速度为30r/min。4.1 蜗杆副的设计计算自动回转刀架的动力源时三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直连，刀架转位时蜗轮与上刀体直连。已知电动机额定功率P 1=90W，额定转速n1 =1440r/min，上刀体设计转速 n2 =30r/min，则蜗杆副的传动比i =n1/n2 =1440 /30=48.刀架从转位刀锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，启动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命Lh =10000h 。4.1.1蜗杆的选型GB/T10085-1988推荐采用渐开线蜗杆（Z1蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。本设计采用结构简单，制造方便的渐开线型圆柱蜗杆(Z1型)。4.1.2蜗杆副的材料刀架中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此蜗杆的材料选择45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC，以提高表面耐磨性；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZcuSn10P1,采用金属模铸造。4.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为： 式中 a-蜗杆副的传动中心距，单位为mm； K-载荷系数； -作用在蜗轮上的转矩T ，单位N.mm; -弹性影响系数，单位为MPa； -接触系数 -许用接触应力，单位为MPa；从式中算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比i=48，可以选择合适的中心距a值，以及相应的蜗杆，蜗轮参数。（1）确定作用在蜗轮上的转矩T设蜗杆头数z1 =1,蜗杆副的传动效率取 =0.8。由电动机的额定功率P1 =90W,可以算出蜗轮传递的功率P2 =P 1 ,再由蜗轮的转速n2 =30r/min,求得作用在蜗轮上的转矩： T2=9.55P2/n2=9.55P1 /n2=22920N.mm（2）确定载荷系数K载荷系数.其中为使用系数，由于工作载荷分布步均匀，启动时冲击较大，因此取 =1.15;K 为齿向载荷分布系数，因工作载荷在启动和停止时有变化，故取 =1.15； 为动载系数，由于转速不高，冲击不大，可取=1.05,则载荷系数（3）确定弹性影响系数铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从参考文献中差得弹性影响系数 =160MPa（4）确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径d1 和传动中心距a的比值d 1/a=0.35,可得系数=2.9（5）确定许用接触力 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1,金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，蜗轮的基本许用力 =268MPa，已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿咬合的次数j=1;蜗轮转速n =30r/min;蜗杆副的使用寿命L =10000h。则应力循环次数N=60jn2Lh=1.8107寿命系数：KHN=0.929许用接触应力：（6）计算中心距将以上各参数代入式 ，求得中心距： 48mm取中心距a=50mm,已知蜗杆头数z1 =1,设模数m=1.6mm,得直径d1 =20mm,这时d1/a=0.4,可得接触系数 =2.74。因为2mm,即P4.24mm.今取蜗杆的涡距P=6mm.4.2.2其它参数的确定采用单头梯形螺杆，头数n=1,牙侧角b=15，外螺纹达径d1=50mm,牙顶间隙ac=0.5mm,基本牙形高度H1=0.5P=3mm,外螺纹牙高h1=3.5mm,外螺纹中经d2=47mm,外螺纹校径d3=43mm,螺杆螺纹部分长度H=50mm。4.2.3自锁性能校核螺杆-螺母材料均用45钢，取二者的摩擦因数f=0.11;再求得梯形螺旋副的当量摩擦角约为6.5，而螺纹升角约为2.33，小于当量摩擦角。因此，所选几何参数满足自锁条件。第5章 数控硬件电路系统设计数控系统最核心的控制是位置控制，最重要的运算是插补运算，最主要的数据处理是刀具补偿。位置控制的实质就是位置负反馈，即指令位置和实际位置进行比较，用位置偏差进行控制；插补运算就是根据加工程序所确定的坐标点，通过一定的运算法则实时获得位置指令；刀具补偿就是要解决编程轨迹和刀具中心不相符的矛盾。5.1硬件电路设计5.1.1 数控系统的硬件结构数控系统根据其使用单片机结构的划分，一般可分为单微处理器和多微处理器结构两大类。单微处理器数控系统由于结构简单，价格便宜，在一些标准型数控系统中应用广泛。多微处理器数控系统可以满足当今数控机床高速度、高精度和许多复杂功能的要求，代表当今数控发展的水平。根据设计任务要求，本设计将采用较经济的单微处理器数控结构，对于一般切削加工而言，其速度和精度已能满足实际要求。 数控机床单微处理器硬件结构电路概括起来有以下几个部分组成：（1）中央处理单元CPU；（2）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；（3）存储器，包括只读可编程存储器和随机读写存储器；（4）输入输出接口电路；（5）外围设备，如键盘、显示器及光电编码器等。5.1.2 数控系统硬件电路的功能 根据设计要求，确定数控系统应具有以下功能：读取键盘输入数据；读取操作面板开关及按钮信号；读取螺纹/光电编码器信号 ；读取电动刀架刀位信号；接受车床行程开关信号；控制LED显示；控制电动刀架自动选刀；控制纵向、横向电动机驱动；控制主轴正转、反转与停止；(10) 控制交流变频器；(11) 控制冷却泵启停；(12) 可与PC进行串行通信。本次设计在采用8031作为主控芯片,采用两片2764程序存储器之外还扩展了一片6264数据存储器,用一片74LS373锁存P0口传递低8位地址,地址译码采用74LS138C38译码器;采用全地址码,采用二个8155芯片,完成对执行元件的控制。此外,还设有越界报警急停处理电路.5.2关于各线路元件之间线路连接8031芯片的P 和P用来传送外部存储器的地址和数据, P口送的是8位地址, P口传送低八位地址和数据,故采用74LS373地址锁存器,锁存低八位地址,ALE作为首选通信号,当ALE为高电位,锁存器的输入输出速度,即输入的低八位地址在输出端出现,此时不需锁存,当ALE从高电平变为低电平,出现下降沿时,低八位地址在输出端出现,此时不需锁存,当ACE这样POD共组成16位地址,2764和6264芯片都是8KB,需要13根地址线, AA低8位安74L373芯片的输出,AA按8031芯片的PP系统采用全地址译码,两片2764新片选信号CE分别按74LS138译码器的和,系统复位以后程序从0000H开始执行,6264芯片的片选信号CE地址按74LS138的,单片机的扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址,8031芯片控制信号PSEN按2764的OE引脚,读写控制信号WR和RD分别按6264芯片内部沿有ROM,始终要选片外程序存储器,故按EA地址由于8031只有P口和P口的部分能提供用户作I/O接口使用,不能满足输入输出口的需要,因此比喻扩展输入输出扩展电路.系统扩展3片8155可编程I/O接口芯片,8155(1)的片选信号按74LS138的端74LS138译码器有3个输入A B C 分别按8031的 P P P8个输出,低电平有效. 对应输出A B C DE 000至111 8种现合.其中对应A B C 为111.74LS138有3个使能端,其中2个为低电平使能端,另一个为高电平使能端.只有当使能端均处于有效电平是,输出才能产生,否则输出才能处在高电平无效.I/O接口芯片与外设的联接是这样安排的.8155芯片PA作为显示器段选信号, 输出PAP为显示器的位选信号,输出PC0PC4 5根线是键盘输入.8155芯片的20个引脚按8031芯片的P2.0,因此使用8155的I/O口时P2.0为高电平.8155(2),按X Z 向直流电机硬件环形分配器为输出,系统各芯片采用全地址译码,各存储器及I/O接口芯片.X向Z向直流电机硬件环形分配器采用YB0153-2相5相10拍方式工作,故 均按+5V,时钟输入端CP按8155芯片的TIME007用以决定脉冲分配器是如脉冲的频率,为实现插补时不同的进给的速度,可给8155芯片定时/计数器中设置不同的常数.5.3 关于电路原理图的一些说明在此电路图中,还有其他功能电路,如报警电路,急停电路,复位电路,隔离电路,功效电路等,此外还有对自动回转刀架,螺纹加工进行控制.1、 复位电路 通常8031的复位有自动复位,和人工按钮复位两种,下面将分别显示电路结构 （A）(A)上电复位电路 （B）开关复位电路2、时钟电路 时钟电路如图所示,XTAL和XTAL2为内振荡电路输入线,这两个端口用来外接石英晶体和微调电器,用来联接8031片内OSC的定时反馈回路.3、 光电隔离电路 在直流电机驱动电路,脉冲分配器输出的信号经过放大后,控制直流电机的励磁绕组.由于直流电机需要的驱动电压数高,电流也较大,如果将I/O口输出信号直接与功率放大电路相连,将引起电路干扰,轻则影响计数机程序的正常运行,重则导致接口电路的破坏.因此一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路,实行数控隔离使用最多的是光电耦合器.如下图光电耦合器是以发光二级管和光敏二级管组成,为输入信号的输入端时,发光二级管导通激发红外光,受光三极管照射后,由于光敏效应产生光电流。通过输出端输出，从而实现了以光为信号的输出，输入端与输出端在电器绘出一种光隔离输出电路，当开关断开，发光二级管不通，光敏三级管截止，输出+5V高电平，当闭合，发光二级管导通，激励输出三级管导通。适当选择电阻R，可使输出三级管饱和，输出0.3左右的TTL低电平。 随着运行频率的增高，直流电机输出力矩C带动负载的能力，这一产生的原因，作为功率放大器负载的直流电机是电感负载。当改变通电时，电流从零逐渐增大，产生感应电动势使电流按指数规律上升。4、键盘显示 本次设计中，采用PCPC 作为扫描口信号反向放大器按显示器公共级，8031P口作为片选数据口。8155的PBPB作为行线输入。基本工作原理如下：键盘显示口电路图 当键松开时，测试信号为 1，键闭合，测试信号为0 ，当测试信号为1 则禁止，不能对键进行识别。键盘是由若干个按键组成的开关阵列，图中行线通过电阻接+5V，当键盘上沿有闭和时，所有行线和列线都以断开，行线PCPCX是4根行线，PA0PA7Ss是6 根列线，在行线与列线交叉点上安装有键，PA口的6 根列线按一定的时间间隔轮流输出低电平。当扫描到某一列线上时，若无键按下，则行线都是高电平；若有一键按下时，交叉点上对应的行线变为低电平。这个低电平信号被计算机捕获后，根据此间对应的行线和列线的位置，计算机可以判断出键值，完成控制。5、越界报警电路X，Z方向的越界和急停信号经过门引入8031的P中断原LNT，采用硬件申请中断软件查询的方法。这样无论哪个方向都能引起中断，当X，Z等一越界，则相应的红灯亮报警。总 结毕业设计是对我们大学知识的总结和应用，通过这次毕业设计不仅巩固、深化了所学的基础理论和专业知识，注重对基本概念、原理的应用，还近一步培养和训练了分析问题、解决问题的能力。本论文主要是对CM6132液自动回转刀架进行设计，是机床的重要组成部件。本次课题是针对经济型数控车床的刀架进行主要设计，刀架是数控机床的主要部件之一。刀架的精度，刚度以及可靠性都直接影响机
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