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Φ430mm的数控车床总体设计及六角回转刀架设计说明书.doc
直径430mm的数控车床总体设计与六角回转刀架设计【版本2】[含CAD高清图纸文档所见所得]
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版本2
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直径
430
mm
数控车床
总体
设计
六角
回转
刀架
版本
CAD
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所得
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毕业设计(论文)430mm的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 日摘 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430mm数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：430mm，数控车床，机床，设计，数控系统。 IIIAbstractModern CNC machine tools is the basis for the future of factory automation. CNC design range, potential is great, less investment, quick effect, promote manufacturing industry technological progress is an important means of. Therefore, the design of NC system for lathe has important significance to the research of.This paper describes the CNC technology history, current situation and development on the basis of machine tool design, through the overall idea, put forward the technical scheme design of NC and CNC system selection scheme; the drive to improve the accuracy, to design machine tool control logic, through the servo system of a machine tool, completed the main parameters optimization and matching.NC lathe can do boring, facing, drilling and Reaming in addition to turning.The use of lathes in the production than the other types of machine tools and more. And compared to other types of machine tools, lathes in the production is the most widely used.In this design ,the development and current situation of NC machine in China was introduced and a series of problems were presented .The development trend to NC lathe was discussed.Some countermeasures was presented for the development of NC machine in China and then the headstock of 430 lathe has been calculatly designed . Headstocks is composed of the hollow spindle which is installed in precision bearings and a series of transmission gears. The spindle can obtain any speed in the speed range to meet the processing requirements of cutting.At present, the development trend is to provide a continuously variable speed through the electrical or mechanical devices . Variable Frequency Motor conveys the power through belt drive and a set of transmission gears. The speed range of Variable Frequency Motor is usually 3-5 , which is difficult to meet the speed range requirements of the spindle speed; The transmission gears is to expand the scope of a variable-speed to meet the speed range of the spindle .In addition, in this design the design of the belt drive has been changed from the original unloading structure into the loading structure, transmissed the force to the lathe body so that input shaft is only forced torque, improved the forcing state of the input shaft. Key words: 430mm, CNC lathes, machine tools, design, numerical control system.目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 数控机床发展概述11.1数控机床及其特点11.2数控机床的工艺范围及加工精度11.2.1工艺范围11.2.2加工精度11.3 数控机床的经济分析21.4 数控机床的发展趋向3第2章 数控机床总体方案的制订及比较42.1 总体方案设计内容42.1.1系统运动方式的确定52.1.2控制方式的选择52.2 总体方案确定52.2.1 系统的运动方式伺服系统的选择52.2.2 数控系统52.2.3 机械传动方式6第3章 确定切削用量及选择刀具63.1科学选择数控刀具63.1.1选择数控刀具的原则63.1.2选择数控车削用刀具73.2 设置刀点和换刀点73.3 确定切削用量83.3.1确定主轴转速83.3.2确定进给速度83.3.3 确定背吃刀量9第4章 430mm传动系统图的设计94.1主传动系统的设计要求94.2总体设计94.2.1 拟定传动方案94.2.2 选择电机114.2.3 主运动调速范围的确定、计算各轴计算转速、功率和转矩144.2.4 转速图154.3传动皮带的设计和选定164.3.1 同步带传动设计164.4轴系部件的结构设计194.4.1 I轴结构设计194.4.2 II轴结构设计224.4.3电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295.1数控车床的六角回转刀架的换刀工程295.2数控车床的六角回转刀架的设计要求315.3数控车床的六角回转刀架的机构设计中的几个主要问题315.4本章小结31第6章 数控车床的六角回转刀架的机构设计326.1数控车床的六角回转刀架的分度机构结构设计326.1.1分度机构结构设计的总思路326.1.2分度机构的刀架主轴设计326.1.3主活塞的设计346.1.4端齿盘离合器的设计386.1.5分度活塞的设计456.2精定位机构活动插销机构设计466.2.1定位原理、设计思路466.2.2材料选择476.2.3活动插销机构的结构设计476.2.4插销机构的公差带设计486.2.5对插销轴进行校核496.2.6校核结论506.3 刀夹衬套的设计简述51第7章 微机数控系统的设计527.1 微机数控系统的设计纲要527.1.1 硬件电路设计527.1.2 软件电路设计537.2 8031单片机及其扩展537.2.1 8031单片机的简介537.2.2 8031单片机的系统扩展547.2.3 存储器扩展567.2.4 I/O口的扩展587.2.5 步进电机驱动电路597.2.6 脉冲分配器（环行分配器）607.2.7 光电隔离电路607.2.8 功率放大器607.2.9 其他辅助电路61结 论63致 谢64参考文献6567第1章 数控机床发展概述1.1数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。1.2数控机床的工艺范围及加工精度1.2.1工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。1.2.2加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。1.精度要求高的回转体零件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。2.表面粗糙度要求高的回转体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回转体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回转体零件。4.带特殊螺纹的回转体零件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。1.3 数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。 1.4 数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： 1.机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括车-车复合、车车复合、车-镗-钻-齿轮加工等复合，车磨复合，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（0.01mm）提升到目前 的微米级（0.001mm），有些品种已达到0.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m左右，形状精度可达 0.01m左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001m）。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 2.1 总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1.机床基础件必须有足够的刚度2.改装的费用要合适，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=0.01mm/脉冲，选用步距角=0.6 。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。2.1.1系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。2.1.2控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。2.2 总体方案确定2.2.1 系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。2.2.2 数控系统根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，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MCS-51系列的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。2.2.3 机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2-1 系统总体方案框图第3章 确定切削用量及选择刀具3.1科学选择数控刀具3.1.1选择数控刀具的原则 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15-30min。对于装刀、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。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。3.1.2选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RD应小于零件内轮廓面的最小曲率半径Rmin，一般取RD=(0.8一 0.9)Rmin。二是零件的加工高度HRdp，电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，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故前面传动比分配可取。各轴计算转速 各轴输入功率 各轴输入转矩 将以上计算结果整理后列于表2.2，供以后计算选择，供以后计算使用：表2.3 各轴的传动参数参数 轴0轴（电机轴）I轴(传动轴）II轴（中间传动轴）III轴（主轴)计算转（）1000416.7208 104/416.7输入功率（Kw） 5.5 5.285.124.79转矩（） 54121235 456.4/114传动比 ，4.2.4 转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4-2. 图4.2 转速图4.3传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0.7、梯形截面环行带。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V2530m/s;传动功率P700kW;传动比i10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； 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。4.3.1 同步带传动设计 (1)设计功率的确定：由表8-7查得工况系数(2) 选定带型：根据和由图8-10确定选用A型。确定带轮的基准直径并验算带速传V：1初选带轮的基准直径由表8-6和表8-8确定：取小带轮直径=125mm2验算带速V：因为5m/sV计算大带轮的基准直径。=i=2.4125=300mm根据表8-8圆整为=315mm确定同步带的中心距a和基准长度Ld 1初定带轮距得： 即: 初取 2计算带所需的基准长度：由表8-2选带的基准长度Ld=1800mm3计算实际中心距：安装时所需最小轴间距：张紧或补偿伸长所需最大轴间距：(5)验算小带轮包角：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：根据dd1和=1000r/min查表8-4a得基本额定功率=1.428Kw。再根据=1000r/min、i=2.4和A型带查表8-4b得=0.12Kw查表8-5得：2计算带的根数z。取 根。计算单根同步带的初拉力的最小值：应使带的实际初拉力计算压轴力压轴力的最小值为：(9)带轮的结构和尺寸：由表8-10可查得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。4.4轴系部件的结构设计4.4.1 I轴结构设计（如无特殊说明，本小节公式均出自资料14）I轴上的零件主要是齿轮1。一端用凸台定位,另一端用紧定螺钉定位。1.选定齿轮类型,精度等级,材料及齿数.根据选定的传动方案,选用直齿圆柱齿轮传动.（1）本次设计属于金属切削机床类,一般齿轮传动,故选用6级精度.（2）材料选择.由表10-1选择小齿轮材料为40Cr(调质),硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢(调质)硬度为240HBS,二者材料硬度差为40HBS.（3）选小齿轮齿数大齿轮齿数 2.按齿面接触强度设计 由设计计算公式(10-9a)进行试算,即： (2.5)确定公式内的各计算数值（1）试选载荷系数（2）计算小齿轮传递的转矩由上文可知为121N/m（3）由表10-7选取齿宽系数（4）由表10-6查得材料的弹性影响系数（5）由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限大齿轮的接触疲劳强度极限;（6）由式10-13计算应力循环次： (2.6)（7）由图10-19查得接触疲劳寿命系数（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（10-12）得： (2.7)2）计算（1）小齿轮分度圆直径，代入中较小的值：(2.8) （2）计算圆周速度： (2.9)（3）计算齿宽： (2.10)（4）计算齿宽与齿高之比： 模数 (2.11) 齿高 (2.12) (2.13)（5）计算载荷系数根据，6级精度，由图10-8查得动载系数；直齿轮，假设。由表10-3查得；由表10-2查得使用系数；由表10-4查得6级精度，小齿轮悬臂支承时： (2.14) 将数据代入得： ； (2.15)由，查图10-13得；故载荷系数： (2.16) （6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式（10-10a）得： (2.17)（7）计算模数： (2.18)3.按齿根弯曲强度设计：由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为： (2.19)1）确定公式内的各计算数值（1）由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限；（2）由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数，；（3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-12）得： (2.20) （4）计算载荷系数K： (2.21) （5）查取齿形系数由表10-5查得；。（6）查取应力校正系数由表10-5查得；。（7）计算大小齿轮的并加以比较： (2.22)大齿轮的数值大。2）设计计算：对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数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，可取由弯曲疲劳强度算得的模数2.31并就近圆整为标准值m=2.5，按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数：大齿轮齿数这样设计出的齿轮传动，即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。4.几何尺寸计算1）计算分度圆直径：2）计算中心距：3）计算齿轮宽度：取。5.验算：，合适。4.4.2 II轴结构设计（如无特殊说明，本小节公式均出自资料14）1.轴的支承形式该轴不受或只受极小的轴向力，而右端所受径向力矩明显高于左端，故左端选用深沟球轴承，而右端选用一对角接触球轴承背靠背安装，如图所示：图4.4 中间轴的支承形式2.轴上零件的轴向定位II轴上的主要零件主要有三对直齿圆柱齿轮及其中两直齿圆柱齿轮对应的电磁离合器。滚子轴承的左端靠在端盖上，右端用轴肩定位。与电机轴上齿轮相啮合的齿轮左端用圆螺母固定,右端用轴肩定位.另外两齿轮所对应的电磁离合器位于它们中间，相互紧靠，两齿轮的另两端用螺钉锁紧挡圈定位。轴右端的轴承左边利用轴肩定位，右端用一摔油盘（有套筒的作用）和圆螺母进行定位。（1）轴的选材和最小直径得确定轴的材料选择为：45号钢（调质处理）。轴的最小尺寸，由式（152）， 式中，由表153，可取得110，故： 取35mm。由于取值较计算值大的多，所以不用再按弯扭合成强度条件计算和进行疲劳强度校合。轴的零件图如图2-5.图4.5 中间轴零件图（2）齿轮的设计齿轮1和2的直径相差较大，对齿轮1（小齿轮）在模数和选材及热处理方面要求较高，所以首先进行该对齿轮的设计。1.选定齿轮的精度等级和材料，初选齿数本数控机床的运行速度较高，精度等级选择6级精度；由表101，小齿轮材料选择为40，调质后表面淬火，硬度为280HBS；大齿轮材料选择为45钢，调制后表面淬火，硬度为240HBS。小齿轮的齿数初选为24， 242=482.按齿面接触强度进行设计按式（109）试算： 确定公式内的各计算值：初选载荷系数Kt1.6；计算小齿轮传递的转矩由前文可知小齿轮传递的转矩为235;由表107及其说明，可选定齿宽系数； 由表106，查得材料的弹性影响系数189.8；由图1021d，按齿面接触硬度查得小齿轮的接触疲劳强度650MPa；大齿轮的接触疲劳强度600MPa；两齿轮的设计寿命为50000h，由式1013，计算应力循环次数： 由图1019查得接触疲劳寿命系数=0.9,=0.95;计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%,安全系数s1。由式（1012），=0.9650/1585MPa =0.95600/1=570MPa 将以上参数代入公式进行计算 算小齿轮分度圆直径d1t，代入H-中较小的值：计算圆周速度v： 计算齿宽： 计算齿宽与齿高之比： 齿轮模数 齿高 计算载荷系数K由图108，查得动载系数；由表103，查得;由表102，查得使用系数1.25；小齿轮精度为6级，相对支撑作对称分布。由表104， 由b/h4.27，=1.15,查图1013，得1.12，故，动载系数： 按实际得载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（1010a）得： 计算模数 ： 3.按齿根弯曲强度设计由式（105）得弯曲疲劳的设计公式为 以下确定式中各参数的值：由图1020c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限520MPa；大齿轮的弯曲疲劳强度极限440MPa；由图1018查得弯曲疲劳寿命系数0.82，0.87；计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S1.3，由式（1012）得：0.82520/1.3328MPa0.87440/1.3294.46Mpa 计算载荷系数 K： 查取齿形系数由表10-5查得。查取应力校正系数由表105,查得；。计算大、小齿轮的并加以比较： 大齿轮数值大，将用于以下计算。将以上参数代入式（105）进行计算： 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而由齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度所算得的模数m=4，按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数4.几何尺寸计算1）计算分度圆直径2）计算中心距3）计算齿轮宽度取。5.验算，合适。第二对齿轮的模数可取得比齿轮1小，4。由于这两齿轮得中心距与齿轮1和2的中心距相等，故,四个齿轮的尺寸参数如表2.4所示。表2.4 齿轮尺寸参参数 齿轮1234模数m4444齿数z38767638中心距a228分度圆直径d152304304152齿顶圆直径160312312160齿根圆直径142194194142全齿高h99压力角基圆直径142.8285.67285.67 142.8传动比2/11/2齿轮宽B45404045齿宽系数0.254.4.3电磁摩擦离合器的计算和选择本课题中数控机床得转速较高，对工作可靠性要求高，根据资料13中的结构选择原则，选取湿式多片电磁离合器。形式选定后，应进一步确定其规格（本小节公式及参数除非特别说明，均出自资料15）（1）规格计算其规格选择计算的基本原则是使其计算转矩小于或等于其薄弱环节的失效条件限制而允许其传递的许用转矩T，即 (2.23)其中-理论转矩-计算转矩-公称转矩-许用转矩-最大转矩-许用最大转矩-许用转速1）计算转矩由于各类联轴器，离合器实际工况不同，在确定计算转矩时应将理论转矩乘以不同系数K。本机床承受长期平稳载荷，故： (2.24)式中，-分别为离合器的计算转矩，公称，许用转矩，N/m；-离合器理论转矩,N/m；K离合器工况系数离合器接合频率系数离合器滑动速度系数本文中为金属切学机床，由表15.2-3查得K=1.4，由表15.2-4查得 =1.00，由表15.2-4查得=1.08从而得到： (2.25)根据计算转矩，查表资料00000选取规格为DLMS-16A的湿式多片电磁离合器，相关尺寸可从资料中查取。第5章 数控车床的六角回转刀架的设计原理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。5.1数控车床的六角回转刀架的换刀工程图5.1所示为数控车床的六角回转刀架，它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： 图5.1 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A进入压紧液压缸的下腔，活塞上升，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C孔转入液压缸左腔，活塞向右移动，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，端齿离合器与空套齿轮脱开。（4）转位液压缸复位。刀架压紧后，压力油从D孔进入转位油缸右腔，活塞带动齿条复位，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-马氏机构转位和鼠盘定位，以及其它转位和定位机构。5.2数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0.0010.005mm）。5.3数控车床的六角回转刀架的机构设计中的几个主要问题1. 回转刀架的分度机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。2. 刀盘机构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。3. 定位精度的保证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0.0010.005mm）。4. 定位动作结束的反馈机构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CNC控制，因此CNC系统必须获得反馈信号。5.4本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。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。6.1数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。6.1.1分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，尽量用常用的材料和常见结构，减低成本。6.1.2分度机构的刀架主轴设计刀架主轴的作用主要是为刀盘的分度转动提供转轴和扭矩传动，为刀盘的升高和压紧提供动力传动。主轴的设计包括其形状/尺寸设计、材料选择。1.主轴的材料的选择。考虑到主轴作为刀架所受切削力的受力中心，材料应该选择具有一定强度和刚度的材料，同时由于经常转动和抬压刀盘，故要求其具有耐磨性。查表.4.1，考虑到最常用的轴类材料是45钢，故选用45钢，调质处理。表4.2列出了45钢的力学性能。表6.1表6.2优质碳素结构钢的力学性能力学性能|b/MPa: 600力学性能|s/MPa: 355力学性能|5(%): 16力学性能|(%): 40力学性能|AKU/J: 39由于刀架的分度旋转速度低、扭矩小，故刀盘转动时主轴受到的扭矩相对很小；当刀架定位完毕，刀具切削工件时，主轴受到切削力，和弯矩的作用，但是主轴外面有很厚的高强度铸钢包裹配合，同时45钢调制后具有很好的韧性和强度，力学性能良好，主要受力轴段轴径为30，所以不需要校核。2. 。主轴的形状结构主要考虑轴向零件的定位特点。主轴上的零件主要是主活塞和端齿盘离合器，轴的两端制造螺纹用于顶端连接刀盘和底端轴向固定端齿盘。结构形状及相关参数如图4.1所示。根据现有的回转刀架产品常见主轴轴径，取d1=d2=d3=30。轴环宽度b11.4d2，d2为安装主活塞处的轴径。则由上公式得：b11.430=4.2为了减少主轴的体积，选b1=4.2。图6.1主轴由机械设计手册查到轴肩高h=（0.070.1）d，其中d为零件所在轴径。故可得到如轴肩数据：h1=（0.070.1）d2=0.07300.130=2.13取h1=3，由此得轴环轴径：d6=d2+2h1=30+23=36。 b2处的轴段用于放置卡环，顶住主活塞的下端面，卡环的厚度取2，取b2=8，故得d7=26。 为了在主轴下端固定端齿盘，必须有轴肩h2。取d5=26，则由h=（0.070.1）d得：h2=h=（0.070.1）d5=0.07260.126=1.822.6 ， 取h2=2 。为了轴向固定下端齿盘，主轴底端用螺母固定下端齿盘。查下页的表4.3可得公称直径为M24,标记为M24 - 8h。轴的上端，制作螺纹用于固定连接刀盘的链接件。查下页的表4.3，可得公称直径为M24,标记为M24 - 8h。查机械设计手册，轴径1830, 轴的过度圆角全部取1.0 。6.1.3主活塞的设计主活塞仅仅在刀盘的升起和压紧时受到相对较小的轴向力，故可以选用较低强度的廉价材料。又考虑到必须保证气密性和制作难度应该尽量的降低，以降低成本，选用铸钢。常见的铸钢的力学性能如下表6.4所示。表6.3 螺纹标准表6.4 常见铸钢常温下力学性能表6.5液压缸内径公称直径由表可选择ZG340640。查上表6.5，获得活塞的公称直径d=100 。活塞厚度取b=20。主活塞的结构如下图，图4.2。图6.2 主活塞结构主活塞中心毂的倒角必须比与之配合的主轴的倒角大，故取2 。液压系统必须有良好的密封性，查手册得如下表，表4.6 。主轴轴径为30，查表取毂孔处的两个o型密封圈为：O型圈 303.55 -A - N - GB/T3452.1 - 2005 。查手册得表4.7，根据O圈外径100查得外圆轮廓的O圈为： O型圈 5.7 -A - N - GB/T3452.1 - 2005 。表6.6 液压密封圈（O圈）参数(内径)表6.7 液压密封圈（O型圈）参数（外径D）6.1.4端齿盘离合器的设计端齿盘是分度机构的核心，其关键之处是端齿盘的离合作用及上端齿盘的空套齿轮。1. 下端齿盘的设计。查相关手册得到端齿盘的常用牙型如下表4.8所示。由于分度机构的离合器传动时受到的载荷小，低速转动，考虑制造的成本，选择简单而实用矩形牙型端齿盘。表4.8端齿盘常见牙型端齿盘的材料选择，如下表4.9所示。低载荷低速，考虑常用材料，选用45钢。为了提高耐磨性和强度，进行调制处理。表4.9常用端齿盘材料端齿盘的结构几何参数如下表4.10所示。表6.10端齿盘几何参数牙齿外径D=(1.53)d ，取d=26，则计算得D=3978,取D=60 。牙齿内径D1=(0.70.75)D,代入数据计算得 D1=4245 。又由下表4.11得到：齿数Z=7,1=2443，2=2643，S=12.84,h=6 。表6.11齿数、齿高及几何角度2.上端齿盘的设计。上端齿盘是非标准件，分为上下两部分：上部的空套齿轮，下部的端齿盘端齿。下部分的端齿齿形参数跟下端齿盘参数相同，故这里设计的重点是上部分的空套齿轮的设计。由于端齿盘离合器低负荷低速运转，故由简化公式计算其参数，入下表4.12所示。表4.12简化公式式中：a 中心距，mm；小齿轮的分度圆直径，mm；m、端面模数及法面模数，mm；小齿轮的齿数；、齿宽系数；u齿数比，；复合齿形系数；许用接触应力（MP），简化基计算中近似去，为试验的接触疲劳极限应力（MP），；许用抗弯强度（MP），简化计算中可以近似取，为齿轮材料的抗弯疲劳强度的基本值，为抗弯强度计算的最小安全因数，可取 ；小齿轮传递的额定转矩，；K载荷系数，常用值1.22，当载荷平稳，齿宽系数较小，齿轮对轴承对称布置，轴的刚度较大，齿轮精度高（6级以上）及齿数轮的螺旋角较大时，应取较小值，反之取较大值。抗弯强度计算公式中的应代入及中的大值。由于端齿盘离合器工作在低载荷低扭矩条件下，故只需要按照上面的抗弯强度公式算出模数m的值，然后根据经验法对照现有产品参数进行适当修正即可。因为空套齿轮是与齿条啮合，在分度定位的动作过程中，要求齿条的行程至少使空套齿轮转动六分之一周，带动刀盘转过六分之一的圆周分度，所以齿条的有效啮合长度至少为六分之一的空套齿轮的分度圆圆周长。考虑到齿条的行程直接影响到刀架的体积空间，这里选择最近简单，但相对最稳定的分度方案：齿条的行程等于六分之一的空套齿轮的分度圆圆周长。即齿条的最大行程只能使刀盘转位六分之一圆周，但是节省了刀架的占位空间，使其适用于常见的小型廉价车床，同时简单的分度方案使得数控系统更加简单稳定。但是为了简化计算，这里取齿数比u的值为：u=1 ；是齿宽系数，= 。通常，对于直齿轮，=612 ，越大则齿宽b越大，齿轮轴向尺寸越大，安全性和成本提高，散热性能降低。反之亦然。由于空套齿轮在啮合转动的时候是处于低载荷低速度的条件下，故齿宽b不需要很大，但为了使使用简化公式计算出来的参数具有更好的安全性，不妨取的值为：=10；算出来的b值偏大，可根据实际经验适当修正即可。根据现场观察现有产品的分度转位的转速，目测转速n8.57线速度v=0.046，查机械设计手册 单行本 齿轮传动p16-73，表16.2-71，取齿轮的精度等级为8级，即IT8。查机械设计手册 单行本 齿轮传动p16-62，表16.2-59，选择45钢调质作为上端齿盘的材料。查机械设计手册 单行本 齿轮传动p16-65表16.2-65，得到如下的硬度数据：齿轮硬度300330HBS，齿条硬度 260280 HBS 。图6.3 抗弯疲劳强度基本值又由上图6.3查得：齿轮=430；齿条=430 。故得：；。取齿数=26，则查课本机械设计p200，表10-5得到：齿形系数 ；校正系数；所以;所以值较大的;转矩与扭转转惯量J有关。根据实际现有产品目测，设刀盘为高h=145, 直径为D=294的铸钢圆柱体。查阅材料手册，得铸钢的密度为。由体积公式得刀盘的体积V=；由质量与密度的关系得刀盘的质量M 。由扭转惯量与扭矩的关系得J=，代入数据计算得=744。事实上，刀盘是六角形的，而且内部有很大的减重槽，实质质量比上面估算的质量的十分之一还要低。但考虑到刀盘转动时遇到摩擦力等等阻碍因素，取估算质量的十分之一左右的质量进行下一步的计算。此时可取=67.7。把上面所有相关参数代入简化公式，计算得 。对照m的标准值，取，这样保证了齿轮在其主要受力方向上有足够的强度。由模数与分度圆的关系得，计算得=91 。由得b=35。因为是大大人为的增大，且空套齿轮在轴向方向受到的力很小，基本可以忽略，故参照现有产品参数，选择b=14。总结空套齿轮的参数：模数；分度圆直径=91；齿宽b=14。上端齿盘的结构图如下图4.4所示：图4.4 上端齿盘结构6.1.5分度活塞的设计分度活塞作用主要是将液压能量转化为齿条动能，使得空套齿轮可以转动，又使齿条可以复位。其行程跟齿条行程相同，约为六分之一的空套齿轮分度圆的周长。活塞直径。由下表4.12，取活塞直径D=50。厚度b=35。表4.12液压缸内径公称直径分度活塞及其活塞杆的零件装配图如下图4.5所示。图6.5 分度活塞及其活塞杆的零件装配图6.2精定位机构活动插销机构设计精定位是六角回转刀架最终的定位，精定位的精度直接反映于刀架的重复定位精度，六角回转刀架的精定位采用活动插销的定位方式。6.2.1定位原理、设计思路在刀架的底座均布六个固定插销轴，在刀盘底部的对应位置均布六个插销孔，当刀盘抬起时，插销孔被拉起脱离插销轴，当分度转动介绍后，刀盘大致地转到插销轴的正上方，然后液压力作用使刀盘带动插销孔下压。而在插销轴的顶端是个半圆球头，其坚硬的球型曲面使插销孔与之配合的时候能够自动修正分度转位的误差。对于重复定位精度，主要决定于插销定位机构的定位误差。由于回转刀架的重复定位误差为0.0010.005，所以要求定位误差 。6.2.2材料选择作为六角回转刀架的最重要的定位机构，有较严格的精度要求，同时又是相对运动频繁的机构，故材料的选择必须使其具有高强度，高刚度，高耐磨性。可选择合金钢40Cr。6.2.3活动插销机构的结构设计插销轴的顶端是个球头，其球面在刀盘下压的时候能带动插销孔向下压，插销轴的顶端球头曲面能够使插销孔自动对心，从而达到定位目的。插销轴结构简单，其结构和尺寸见下图4.6所示。图6.6 插销轴结构图插销孔的结构及尺寸如下图6.7所示。图6.7 插销孔结构图6.2.4插销机构的公差带设计国家要求优先采用基孔制，故孔的基本偏差为H，由国标优先推荐的常用配合中试选H7/n6，由下表6.13查得如下数据：表6.13 标准公差孔的公差为0.018，上偏差ES=0.018，下偏差EI=0；轴的公差为0.011，上偏差es=0.023，下偏差ei=0.012 。则定位误差=0.003即，所以所选择的公差配合H7/n6复合重复定位精度要求。插销机构的配合如下图4.8所示。图6.8 定位插销机构的公差配合图6.2.5对插销轴进行校核因为插销定位机构决定了六角回转刀架的重复定位精度，同时作为过盈配合，当刀架受到切削力时，刀架底座上均布的六个插销结构先于主轴受力，所以该机构是非常重要的受力机构，要进行校核检验。确定切削力。查金属切削手册，得切屑力y方向上的受力公式：，车床切削外圆是Y方向的受力系数；查表得其值为1795；背吃刀量，mm；对于常见的车床外圆切削，取其常见的大值为5 ；f进给量，查表并取大值为1.4;把上述具体数据代入上面公式计算得：=9834.07N;查金属切削手册，得切屑力y方向上的受力公式：,车床切削外圆时x方向的受力系数，查表得其值为1069；其余参数和取值同上。代入数据计算得=9177.51N；则由上得到在水平面上每个插销轴受到的剪力F为：/6 ;代入数据计算得F=13451.23N;由设计手册得剪切强度公式： ；材料的许用切应力，MPa ;d材料剪切面的直径，mm；F剪切力，N。查手册得40Cr的为800MPa，取安全系数k=1.5，则=把d=14，F=13451.23nN，代入上式得=87.38MPa ， =533.33MPa 。6.2.6校核结论结论：由校核结果知道插销定位机构有足够的强度和安全性，由定位误差的计算和检验，知道插销定位机构能满足重复定位的要求。6.3 刀夹衬套的设计简述刀夹衬套用于与夹持刀具的刀夹柄配合而使之与刀盘连接。目前使用的刀夹很多，有些设计已经标准化。本课题针对目前国内常见的数控车床六角回转刀架的刀夹对刀夹衬套进行设计。下图6.9是常见的刀夹外形。图6.9常见车削刀具刀夹其常见的刀夹刀柄的直径为20、30、40、60等等，最常用于车床的是直径为30的刀夹刀柄。本课题针对直径为30的刀夹刀柄对刀夹衬套进行设计。其结构如下图6.10所示。考虑到切削切削过程中刀夹衬套会受到大量的切削热，而合金钢有热硬性的特性，故选用合金钢为衬套的材料，牌号是40Cr。第7章 微机数控系统的设计7.1 微机数控系统的设计纲要7.1.1 硬件电路设计硬件是组成系统的基础，也是软件编程的前提，数控系统硬件设计包括以下几部分内容：1、 绘制系统电气控制的结构框图据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气控制结构图。机床硬件电路由五部分组成：（1） 主控制器，即中央处理单元CPU；（2） 总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；（3） 存储器，包括程序存储器和数据存储器；（4） 接口，即输入/输出接口电路；（5） 外围设备，如键盘、显示器等。机床数控系统硬件框图如图6所示： 图6机床数控系统硬件框图（开环系统）2、 选择中央处理单元CPU的类型根据设计要求，CNC系统的主CPU采用8031单片机。3、 存储器扩展电路设计存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分。选择EPROM作程序存储器时，应考虑：（1） 速度应与CPU时钟匹配；（2） 容量适中。4、 I/O接口电路设计设计内容包括：据外部要求选用I/O接口芯片，步进电机伺服控制电路，键盘、显示部分以及其他辅助电路设计（如复位、掉电保护等）。这部分设计要求考虑系统的驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠。在存储器扩展和I/O接口电路中，均涉及到地址译码问题。7.1.2 软件电路设计软件是硬件的补充。确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。1、 软件设计步骤软件设计步骤分为以下几步：（3） 据软件要求实现的功能，制定出软件技术要求；（4） 将整个软件模块化，确定个模块的编制要求，包括个模块功能，入口参数，出口参数；（5） 据硬件资源，合理分配好存储单元；（6） 分别对个模块编程，并调试；（7） 连接各模块，进行统一调试及优化；（8） 固化到程序存储器中。2、 数控系统中常用的软件模块（1） 软件实现环形分配器；（2） 插补运算模块；（3） 自动升降速控制模块等。7.2 8031单片机及其扩展7.2.1 8031单片机的简介1、8031芯片引脚及片外总线结构（1）8031芯片引脚功能8031芯片有40个引脚，引脚配置见图7： 图78031芯片引脚（2）各引脚按功能可分为三部分：l I/O口线：P0，P1，P2，P3共4个8位口；l 控制口线：，ALE，RST； l 电源及时钟：V、V；XTAL1，XTAL2。（3）应用特性：l I/O口线不能都用作用户I/O口线；l I/O口的驱动能力，P0口可驱动8个TTL门电路，P1，P2，P3则只能驱动4个；l P3是双重功能口。2、8031单片机片内结构8031单片机由7个部件组成，既微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、特殊功能寄存器、I/O口、串行口、定时/计数器及中断系统，它们都是通过片内单一总线连接而成的。7.2.2 8031单片机的系统扩展 8031单片机内无程序存储器，如不扩展外部程序存储器则不能工作，且片内仅有128字节数据存储器，对于需要较多数据缓冲区的程序来说，片内RAM也不够用，须扩展。8031片内四个I/O口中仅P1口可作为8位双向的I/O接口用户使用，也须扩展，有些情况还须扩展定时/计数器等。1、8031的片外总线结构所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展：（1） 数据总线（DB）：由P0口提供，数据总线要连接到连接的所有外围芯片上，但在同一时间只能够有一个是有效的数据传输通道。（2） 地址总线（AB）：16位，可寻址范围为64K字节，AB由P0口提供低8位地址，与数据分时传送，传送数据时将低8位地址锁存。高8位地址由P2口提供。（3） 控制总线（CB）：系统扩展用控制总线有、ALE、。2、系统扩展能力据地址总线的宽度，在片外可扩展的存储器最大容量为64K字节。片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号。允许两者的地址重复。故片外可扩展的数据存储器与程序存储器分别为64K。扩展的I/O口与片外数据存储器统一编址，不再另外提供地址线。3、地址锁存器8031扩展系统时，由P0口提供数据及低8位地址，分时传送，故须地址锁存。常用的地址锁存器芯片是74LS373（带三态缓冲输出的8D触发器），其引脚及连接见图8。图874LS373引脚及连接图图中：DD：信号输入端；QQ：信号输出端；G：下降沿时，将DD锁存于内部；E：使能端，E=0时，三态门处于导通状态，输出端QQ与输入端DD连通，当E=1时，输出三态门断开，输入数据锁存。4、地址译码8031扩展电路中，都涉及到外部地址空间分配问题，即当8031数据总线分时与多个外围芯片进行数据传送时，首先要进行片选，然后再进行片内地址选择。地址译码实现片选的方法可分为三种：线选法、全地址译码法和部分地址译码法。这里选用部分地址译码法。这种方法是线选与地址译码相结合。图9为74LS138码器的引脚图。当G时，74LS138工作。C、B、A的输出决定译码器的输出引脚。图974LS138引脚图7.2.3 存储器扩展1、存储器常用芯片（1）EPROM芯片 常用的程序存储器芯片（EPROM）有2761（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、27128（16K8）、27256（32K8）和27512（64K8）等，均为28脚双列直插式扁平封装长片，图10为常用EPROM引脚。图10常用EPROM引脚排列EPROM选用原则：（a） 据控制对象和任务的复杂程度，以及是否需要大量计算来确定存储系统容量（粗略估计，留有一定余地，以备系统的功能扩展用），为使电路简化，尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合。（b） 芯片的工作速度满足系统的时序要求。8031访问EPROM时，其所提供的读取时间t与所选的晶体时钟有关，约为3T，不同型号的EPROM工作速度一般为200450ns，故选取芯片时，应使其工作速度小于t。（2）数据存储器数据存储器有动态和静态之分，两者相比，静态RAM无须考虑保持数据而设置的刷新电路，扩展简单，在数据存储器扩展电路中应用较广泛。常用的静态RAM有6116（2K8）、6264（8K8）、62256（2K8）等，它们都由单一的+5V电源供电，28脚双列直插式扁平封装，典型存取时间为150200ns。其引脚如图11所示：图11常用RAM的引脚2、存储器的扩展8031芯片与存储器的连接存储器扩展实质是三总线的连接。1） 据芯片存储容量的大小确定数据、地址线的根数。2） 数据线的连接：将8031芯片的PP按位与RAM数据线DD直连。3） 地址总线的连接：据确定的地址线根数，将相应的低位地址线相连，剩余高位地址线作片选。4） 控制总线的连接：对应控制线连接。7.2.4 I/O口的扩展MCS51单片机共有四个8位并行I/O口，可提供给用户使用的只有P1口和部分P3口线，因此不可避免的要进行I/O端口的扩展。Intel公司常用的外围接口芯片有：8155、8255及8279等。此外还有74LS系列的TTL电路和CMOS电路锁存器、三态门电路也可以为扩展I/O口。1、 I/O口扩展方法据扩展并行I/O口时数据线的连接方式，I/O口扩展方式可分为三种：1） 总线扩展方法2） 串行口扩展方法3） 通过单片机片内I/O口的扩展方法2、 常用接口芯片（1）8155芯片8155芯片内具有256个字节RAM、2个8位、1个6位的可编程I/O口和1个14位计数器。8155的结构和引脚见图12： （a） (b)图128155的逻辑结构与引脚 (2)8255芯片8255具有3个8位的并行I/O口，分别为PA、PB、PC口，其中PC口又分为高4位（PCPC）和低4位（PCPC）。（3）8279芯片8279内部有168显示数据RAM，通过命令字可选择显示器的4种工作方式，内部还有6字节。7.2.5 步进电机驱动电路在经济型数控机床中，大
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