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Φ630mm的数控车床总体设计及四方回转刀架设计【3张CAD图纸】【机械毕业论文】【原创独家资料】

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Φ630mm的数控车床总体设计及四方回转刀架设计

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关键词：: mm 妹妹数控车床总体整体设计四方回转刀架

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　　　　　　　　　　Φ630mm的数控车床总体设计

　　　　　　　　　　　　　　及四方回转刀架设计

摘要

　　　在数控机床系统中，加工精度和加工可靠性是伺服系统决定的，本文对数控车床进行了分析和设计，全面阐述了数控车床的结构原理，设计特点，论述了采用伺服电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了数控车床的结构设计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。

　　　其中着重介绍了四方刀架的原理包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等。

关键词：车床，数控，电机，刀架

Abstract

In the system of the CNC machine tool, machining precision and reliability are servo system is determined, based on the CNC lathe are analyzed and designed, elaborated in the round CNC lathe structure principle, design features, discusses the use of servo motor and ball screw nut pair advantages. Introduces the NC lathe structure design and verification, and analysis. In addition to collect the related technology parameters.

Which focuses on the four knife principles including type selection, parameter selection, precision, circulation mode selection, matched with the host machine and the selection principle of manufacturers.

Key Words: Lathes, CNC, machine, tool

摘要II

AbstractIII

目录IV

第1章数控机床发展概述6

1.1数控机床及其特点6

1.2数控车床的主要功能及加工对象6

1.3 数控机床的经济分析7

1.3.1中小企业数控机床选用中存在的问题7

1.3.2 数控机床选购的策略7

1.4 数控机床的发展趋向9

第2章数控机床总体方案的制订及比较10

2.1 总体设计方案10

2.2 主传动的系统设计12

2.2.1机械部分的数控设计12

2.2.2电气部分的数控化设计12

2.3进给系统的设计13

2.3.1进给机构的设计13

2.3.2 Φ630MM的数控车床的设计要求13

2.3.3 Φ630MM的数控车床机床主要参数13

2.3.4导轨副的设计14

2.4 微机系统的硬件与软件设计14

2.4.1系统软件的设计14

2.4.2硬件系统设计14

2.2设计方案论证15

第3章确定切削用量及选择刀具17

3.1科学选择数控刀具17

3.1.1选择数控刀具的原则17

3.1.2选择数控铣削用刀具17

3.2 设置刀点和换刀点18

3.3.1确定主轴转速18

3.3.2确定进给速度19

3.3.3 确定背吃刀量19

第4章传动系统图的设计计算19

4.1 参数的确定20

4. 2 传动设计22

4.3转速图的拟定24

第5章四方自动回转刀架总体结构设计27

5.1减速传动机构的设计27

5.1.1上刀体锁紧与精定位机构的设计27

5.1.2自动回转刀架的工作原理27

5.2 主要传动部件的设计30

5.2.1 蜗杆副的设计计算30

5.2 螺杆的设计计算34

第6章数控硬件电路设计35

6.1硬件电路设计35

6.1.1 数控系统的硬件结构35

6.1.2 数控系统硬件电路的功能36

6.2关于各线路元件之间线路连接36

6.3关于电路原理图的一些说明37

结论40

致谢41

参考文献42

第1章数控机床发展概述

1.1数控机床及其特点

　　　数字控制机床是用数字代码形式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。

　　　数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。

　　　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。

　　　随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。

　　　未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。

1.2数控车床的主要功能及加工对象

　　　数控车床的功能分为一般功能和特殊功能。一般功能是指各类数控车床普遍所具有的功能。如点位控制功能、刀具半径自动补偿功能、镜象加工功能、固定循环功能等。特殊功能是指数控车床在增加了某些特殊装置或附件后，分别具有或兼备的一些特殊功能。如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自动变换工作台功能、自适应功能、数控采集功能等。

　　　在使用数控车床加工工件时，只要充分利用数控车床的各种功能，就可以加工许多普通车床难加工的工件。数控车床的主要加工对象有：平面类零件；变斜角类零件；曲面类（立体类）零件。

　　　1、直线插补: 数控车床在完成工作时所具有的基本功能之一，一般情况下分为直线插补和空间直线插补等一些插补方式

2、圆弧插补: 这也是数控车床在完成工作时所具

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内容简介：: 毕业设计(论文)630mm的数控车床总体设计及四方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在数控机床系统中，加工精度和加工可靠性是伺服系统决定的，本文对数控车床进行了分析和设计，全面阐述了数控车床的结构原理，设计特点，论述了采用伺服电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了数控车床的结构设计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。其中着重介绍了四方刀架的原理包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等。关键词：车床，数控，电机，刀架IIAbstractIn the system of the CNC machine tool, machining precision and reliability are servo system is determined, based on the CNC lathe are analyzed and designed, elaborated in the round CNC lathe structure principle, design features, discusses the use of servo motor and ball screw nut pair advantages. Introduces the NC lathe structure design and verification, and analysis. In addition to collect the related technology parameters.Which focuses on the four knife principles including type selection, parameter selection, precision, circulation mode selection, matched with the host machine and the selection principle of manufacturers.Key Words: Lathes, CNC, machine, tool目录摘要IIAbstractIII目录IV第1章数控机床发展概述61.1数控机床及其特点61.2数控车床的主要功能及加工对象61.3 数控机床的经济分析71.3.1中小企业数控机床选用中存在的问题71.3.2 数控机床选购的策略71.4 数控机床的发展趋向9第2章数控机床总体方案的制订及比较102.1 总体设计方案102.2 主传动的系统设计122.2.1机械部分的数控设计122.2.2电气部分的数控化设计122.3进给系统的设计132.3.1进给机构的设计132.3.2 630MM的数控车床的设计要求132.3.3 630MM的数控车床机床主要参数132.3.4导轨副的设计142.4 微机系统的硬件与软件设计142.4.1系统软件的设计142.4.2硬件系统设计142.2设计方案论证15第3章确定切削用量及选择刀具173.1科学选择数控刀具173.1.1选择数控刀具的原则173.1.2选择数控铣削用刀具173.2 设置刀点和换刀点183.3.1确定主轴转速183.3.2确定进给速度193.3.3 确定背吃刀量19第4章传动系统图的设计计算194.1 参数的确定204. 2 传动设计224.3转速图的拟定24第5章四方自动回转刀架总体结构设计275.1减速传动机构的设计275.1.1上刀体锁紧与精定位机构的设计275.1.2自动回转刀架的工作原理275.2 主要传动部件的设计305.2.1 蜗杆副的设计计算305.2 螺杆的设计计算34第6章数控硬件电路设计356.1硬件电路设计356.1.1 数控系统的硬件结构356.1.2 数控系统硬件电路的功能366.2关于各线路元件之间线路连接366.3关于电路原理图的一些说明37结论40致谢41参考文献4242第1章数控机床发展概述1.1数控机床及其特点数字控制机床是用数字代码形式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。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。随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。1.2数控车床的主要功能及加工对象数控车床的功能分为一般功能和特殊功能。一般功能是指各类数控车床普遍所具有的功能。如点位控制功能、刀具半径自动补偿功能、镜象加工功能、固定循环功能等。特殊功能是指数控车床在增加了某些特殊装置或附件后，分别具有或兼备的一些特殊功能。如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自动变换工作台功能、自适应功能、数控采集功能等。在使用数控车床加工工件时，只要充分利用数控车床的各种功能，就可以加工许多普通车床难加工的工件。数控车床的主要加工对象有：平面类零件；变斜角类零件；曲面类（立体类）零件。1、直线插补:数控车床在完成工作时所具有的基本功能之一，一般情况下分为直线插补和空间直线插补等一些插补方式2、圆弧插补:这也是数控车床在完成工作时所具有的基本功能之一，一般情况下可分为平面圆弧插补以及逼近圆弧插补等。3、固定循环:固定循环是指通过各种参数使用不同的加工要求，主要用于实现一些鱼油经典型的需要多次重复的工作，这样使用固定循环是可以有效的简化程序的编制。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。1.3.1中小企业数控机床选用中存在的问题目前中小型企业缺乏数控设备的使用经验和掌握数控加工技术的人才,在数控机床选购中存在着盲目性、片面性,主要表现在以下几方面: 1.决策者对数控机床的认识有误区,部分企业领导认为配置高精度数控设备是企业档次的象征。选型时不考虑投资效益,忽略性价比,盲目追求进口、高档,片面讲究功能齐全。而在后来的使用过程中才发现有些功能用不上或几乎不用。2.机床选型混乱, 数控机床类型、规格不配套。选购不同厂家的产品, 数控系统不统一, 购置后给操作、编程、维修带来困难。3.购置数控机床时只重视主机性能, 而忽略附件和刀具的配套, 致使在使用中因缺少某个附件或刀具而影响整个主机的运行。4.对企业发展和产品变化预测不足, 所购设备的功能的发挥受到制约。 1.3.2 数控机床选购的策略 1.实用性。选购数控机床时，企业要有明确的目的和出发点，首先考虑的是数控机床的实用性。 (1)数控机床规格、精度的实用性。在选择数控机床时,首先应确定数控机床上加工的典型零件。零件的尺寸决定机床的加工范围；零件关键部位的精度决定了所选机床的精度等级。机床精度的评定指标较多，因数控机床类别而异,但共有的关键项目是定位精度、重复定位精度以及综合加工精度。定位精度与传动链各环节的弹性、间隙等因素有关,反映了机械系统中的扭曲、挠度、爬行、共振等诸因素造成的综合误差。这些指标既反映了伺服机构的刚度,也说明了位置反馈测量系统的质量。重复定位精度反映了数控轴在全行程内定位点的稳定性，传动链刚性直接影响重复定位精度。综合加工精度指最后加工出来的工件尺寸与所要求尺寸之间的误差。选购时应避免盲目追求高精度，注意机床精度与工件精度相匹配。 (2)数控系统功能的实用性。数控系统功能可分为基本功能与选用功能, 各知名品牌数控系统的基本功能差别不大。除基本功能以外, 数控系统还为用户提供多种可选功能。通常数控系统具备的基本功能比较便宜, 而特定选择的功能很贵。在可供选择的功能模块中, 性能差别很大,价格也相差数倍，所以要根据加工要求和机床性能的需要来选择。从控制方式、驱动形式、反馈形式、检测、操作方式、接口形式和故障诊断等方面来衡量, 合理地选择适合机床的可选功能,放弃可有可无或不实用的可选功能。比如，自动换刀装置(ATC) 是加工中心的基本特征，ATC装置的投资往往占整机的30%50%。因此在满足使用要求的前提下尽量选用结构简单和可靠性高的ATC, 以提高机床的可靠性和降低整机的价格。应当注意，单独签订合同购买附件的单价大大高于随同主机一起供货的附件单价,应尽可能在购买主机时一并购置部分易损部件及其他附件。 2.经济性。经济性是指选用的数控机床在满足加工要求的条件下, 所支付的“钱”最少或较为合理的。经济性往往是和实用性紧密相连的, 机床选得实用、经济, 可避免不必要的浪费, 避免以高代价换来功能过多而又不实用的较复杂的数控机床，避免在操作使用、维护保养等诸多方面带来困难。数控机床的设计使用寿命一般为7年, 主要以数控方面的使用寿命为准。同时还得考虑市场占有率, 市场占有率高的数控设备说明是旺销产品, 已受到多数用户的青睐和肯定, 一般不会有太多的质量问题。选购数控机床应考虑投资回报, 能够在短期内收回投资的机床才是好机床。因为数控机床的主要优势是实现工序集中，从而提高生产率和加工精度，所以数控机床既适于单件小批生产，又适于大批量生产。多数中小型企业购买的数控机床用于批量生产，因为批量生产不仅节省编程、对刀等辅助时间，提高机床利用率；而且对操作者的技术要求不高，人工费用也相对较低。所以用于大批量生产的机床投资回报较快。少数产品附加值高，具有一定经济实力的企业，为了生产组织方便而购买用于单件生产的数控机床。机床利用率较低时，不仅要考虑设备的使用费用，比如润滑油、冷却液、电力消耗等，还要计算设备折旧。另外一个不可忽视的因素是设备的贬值，数控机床的升级、更新较快，同配置的一台机床，现在售价40万，三年后可能降至35万，这样算起来贬值和折旧一样不可忽视。所以没有定型产品或产品附加值较低的中小型企业，在购置贵重数控设备之前，一定要充分研究收回投资的周期。有些企业事先确定较稳定的批量加工意向，甚至已经接到订单，选购机床时要求机床厂为其准备工装、编制程序、培训工人，即所谓“交钥匙”工程，这是投资数控机床最理想的情况。 3.稳定可靠性。数控设备的可靠性是广大数控设备用户必须关心的焦点问题, 因此在选用数控设备时应注意生产厂家的规模和市场占有率, 确认其产品是否达到国家规定的平均无故障时间标准(规定为500h)。目前多数机床厂都采购成熟的数控系统和零部件进行组装。国内应用较多的数控系统有日本FANUC、德国的西门子等。立式加工中心的床身出自昆明和南京的居多，而床身中的直线导轨、主轴又分别来自德国和台湾等地。所以机床的主要零部件的质量一般是可靠的，需要重点考察的是数控机床组装企业的售后服务网络是否健全,服务队伍的素质是否能胜任工作,服务能否及时,是否能履行承诺等。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，包括铣-车复合、车铣复合、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、车铣复合机床、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 总体设计方案床身的上部内装主轴传动系统为主轴变速系统，这部分采用原机床的主轴传动系统即保留原机床的电动机等等，还有添加的变速箱。床身的底部是可作冷却液箱的底座，数控系统显示器及按键位于操作者的右边，便于调试、和操作观察。床身右侧的电器箱内装有两坐标的进给伺服控制系统，床身左侧的电器箱内装有主控器和强电系统。显示器采用LED，用以显示输入的程序，机床的实际位置和已存储的各种信息。手动操作时，显示器可作为数字读出装置使用。控制部分数控系统采用为两坐标CNC开环控制，由步进电机经一级齿轮变速箱后减速驱动。可实现两坐标直线插补和两坐标圆弧插补。采用MCS51系列单片机组成微机控制系统，它的可靠性高、能在恶劣的环境下工作，适应能力较好，且功能强，速度高。数控系统还具有刀具长度偏移和半径补偿功能，自诊断功能，可进行自动加、减速，并具有备用电池，停电时可做存储已编程序的电极。采用CNC51微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出脉冲信号，经光电隔离电路，功率放大再传给步进电机，步进电动机驱动滚珠丝杠转动，从而实现X、Z 两个方向的进给运动，加工零件。总体设计如图2-1所示：信号分配及放大电路步进电动机（X轴）信号分配及放大电路步进电动机（Z轴）图2-1 无反馈控制电路方案2显示器采用LED，用以显示输入的程序，机床的实际位置和已存储的各种信息。手动操作时，显示器可作为数字读出装置使用。假如数控系统采用为两坐标闭环或者半闭环控制，那么必须要有电路反馈信息，反馈位移或角位移的电路，这样可以有更加精确的加工路线，更加便于操作者了解机床的行经过程。仍由步进电机经一级齿轮变速箱后减速驱动。可实现两坐标直线插补和两坐标圆弧插补。采用MCS-51系列单片机组成微机控制系统，它的可靠性高、能在恶劣的环境下工作，适应能力较好，且功能强，速度高。数控系统还具有刀具长度偏移和半径补偿功能，自诊断功能，可进行自动加、减速，并具有备用电池，停电时可做存储已编程序的电极。采用mcs-51微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出脉冲信号，经光电隔离电路，功率放大再传给步进电机，步进电动机驱动滚珠丝杠转动，从而实现X、Y 两个方向的进给运动，加工零件。如图2-2所示图2-2 有反馈控制电路方案的取舍：比较两者的设计方案，方案1的布置比较合理，完全按照机床的正常布置而设计，没有其他什么多余的功能，是经过了市场调查后而进行的，虽然没有位移的反馈信息电路，加工精度也不如方案2高，但是却可以节约资金，在很多加工要求不必太高，不需要反馈信息进行控制的电路时，也是能够达到精度要求的，所以在本设计中无须反馈电路，即采用开环系统。在很多的小工厂里也是可以进行这种数控设计，其范围广。并且对CNC和NC控制作比较，CNC的功能比NC强大许多，在现在软件发展如此之快的情况下，CNC已经完全取代了NC，采取CNC不但经济，而且功能又符合630MM的数控车床机床的数控设计。综合，在本设计中，方案1-1是可行的方案。2.2 主传动的系统设计2.2.1机械部分的数控设计数控机床机械结构的主要特点：结构简单，操作方便，自动化程度高；广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品；具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件；对机械结构、零部件的要求高。主传动系统采用电动机（7.5KW）。进给系统采用滚动丝杠副螺母副代替原有丝杠副，以提高机床运行精度和传动效率。考虑到设计的目标及成本的原因，决定主轴支承仍采用滚动轴承支承，导轨仍使用动压导轨。2.2.2电气部分的数控化设计机床加工的零件多属中小型，且加工精度要求不是很高，原有的交流电机就能够满足加工要求。因此其主传动系统的电气部分仍采用其原来配置的7.5KW的交流电动机驱动。2.3进给系统的设计2.3.1进给机构的设计考虑到该数控系统是开环控制，没有位置反馈电路，故进给系统尽可能的要减少中间传动环节。本车床的X，Y，Z两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节，直接采用了步进电机一级减速齿轮滚珠丝杆的传动方案。拆除原来的丝杆，增加少量的机械附件，就可安装步进电机及滚珠丝杆螺母副。本设计选用步进电机的型号为110BF004，步进电机步距角选用，扭距是4.61Nm，电机脉冲当量：。2.3.2 630MM的数控车床的设计要求进给伺服系统设计后性能的好坏将直接影响到整个系统的性能的好坏。也因此对进给伺服系统提出了设计设计要求：提高传动部件的刚度，减小传动部件的惯量；减小传动部件的间隙，并减小系统的摩擦阻力；高精度就是说伺服系统的输出量能复现输入量的精确程度。稳定性好指系统在给定输入或受外界干扰作用下，能在短暂的调节后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。快速响应，无超调它是衡量伺服系统动态品质的重要指标，反映了系统的跟踪精度。低速大转矩机床加工的特点是在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。调速范围宽指机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。在数控机床中，由于加工用刀具、被加工材质及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。2.3.3 630MM的数控车床机床主要参数最大回转直径 630mm电机功率 7.5KW 640mm快进速度纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min定位精度 0.015mm移动部件重量纵向 1200N 横向 800N加速时间 30ms机床效率 0.72.3.4导轨副的设计630MM的数控车床采用的是铸铁-淬火钢滑动导轨，动、静摩擦系数相差较大，低速易出现爬行，平稳性和定位精度较低，能量损失大。在数控设计中可采用在原导轨上粘贴聚四乙炔软带涂层的方法，以减小摩擦系数，增加耐磨性，且具有良好的自润滑性和抗震性，该方法实现易、费用低。2.4 微机系统的硬件与软件设计控制系统设计的总体考虑：确定功能指标；明确硬、软件分工；重视接口设计；认真选择微机。2.4.1系统软件的设计本系统采用8031单片机对步进电机进行控制，使机床移动部件沿X、Y坐标方向移动，实现刀具与工件的相对运动，完成零件加工。软件系统由初始化模块、键盘处理模块、LED显示模块、输入输出处理模块等组成。其中步进电机控制程序由软件实现脉冲分配（由单片机实现环形分配），通过改变相应端口的状态完成控制过程。2.4.2硬件系统设计本系统采用MCS-51系列单片机芯片8031为控制器，1片8kb的eprom2764作为程序存储器扩展芯片；数据存储器扩展芯片用1片8kb的ram6264；而选用1片可编程并行接口芯片8255作为系统扩展的口，对、轴步进电机及主轴进行控制,通过键盘的命令可使X、Y 工作台联动，并可以灵活地输入切削程序和数据。用片做为机床开关、刀架控制信号及主轴编码器反馈信号口用；1片8279作为键盘显示器接口，识别键盘按键信号，对显示器自动扫描，完成键盘输入和led显示控制功能；采用74ls138做为统一地址译码器寻址，并用74ls343为地址锁存器，并由8031对各步进电机脉冲信号进行环形分配，如图1-3所示。图2-3 数控系统硬件结构框图为避免强电干扰可采用光电耦合电路(GO102)进行光电隔离。因为8255输出的信号功率很小，故用功率放大器对输出的脉冲信号放大，以驱动步进电机工作。2.2设计方案论证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。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，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。2机床导轨的选择采用滑动导轨，在低速时容易发生“爬行”现象，直接影响运动部件的定位精度。较经济的处理方法是采用贴塑滑动导轨。3进给传动系统数控机床要求进给部分移动元件灵敏度高、精度高、反应快、低速时无爬行。因此本设计中采用滚珠丝杠可以满足要求。滚珠丝杠螺母副由丝杠、螺母、滚珠、反向器组成。其工作原理为：当丝杠和螺母相对运动时，在螺母上设有滚珠循环返回装置，使得滚珠沿滚道面运动后能通过这个装置自动的返回其入口处，继续参加工作。滚珠丝杠螺母副安装时需要预紧，通过预紧可消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙，提高传动刚度。本设计中的预紧方法是采用双螺母垫片预紧式结构。即通过改变两个螺母的轴向相对位置，使每个螺母中滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧来实现预紧。其特点是预紧结构简单，轴向刚度好，预紧可靠，轴向尺寸适中，工艺性好如图2-1。为消除传动系统中的反向间隙，提高重复定位精度，传动元件连接采用无键锥环连接。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. 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。3.1.2选择数控铣削用刀具在数控加工中，铣削平面零件内外轮廓及铣削平面常用平底立铣刀，该刀具有关参数的经验数据如下:一是铣刀半径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H(1/4-1/6)RD,以保证刀具有足够的刚度。三是用平底立铣刀铣削内槽底部时，由于槽底两次走刀需要搭接，而刀具底刃起作用的半径Re=R-r,，即直径为d=2Re=2(R-r)，编程时取刀具半径为Re=0.95(Rr)。对于一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常用球形铣刀、环形铣刀、鼓形铣刀、锥形铣刀和盘铣刀。目前，数控机床上大多使用系列化、标准化刀具，对可转位机夹外圆车刀、端面车刀等的刀柄和刀头都有国家标准及系列化型号对于加工中心及有自动换刀装置的机床，刀具的刀柄都已有系列化和标准化的规定，如锥柄刀具系统的标准代号为TSG-JT，直柄刀具系统的标准代号为DSG-JZ,此外，对所选择的刀具，在使用前都需对刀具尺寸进行严格的测量以获得精确数据，并由操作者将这些数据输入数据系统，经程序调用而完成加工过程，从而加工出合格的工件。3.2 设置刀点和换刀点刀具究竟从什么位置开始移动到指定的位置呢?所以在程序执行的一开始，必须确定刀具在工件坐标系下开始运动的位置，这一位置即为程序执行时刀具相对于工件运动的起点，所以称程序起始点或起刀点。此起始点一般通过对刀来确定，所以，该点又称对刀点。在编制程序时，要正确选择对刀点的位置。对刀点设置原则是:便于数值处理和简化程序编制。易于找正并在加工过程中便于检查;引起的加工误差小。对刀点可以设置在加工零件上，也可以设置在夹具上或机床上，为了提高零件的加工精度，对刀点应尽量设置在零件的设计基准或工艺基谁上。实际操作机床时，可通过手工对刀操作把刀具的刀位点放到对刀点上，即“刀位点”与“对刀点”的重合。所谓“刀位点”是指刀具的定位基准点，车刀的刀位点为刀尖或刀尖圆弧中心。平底立铣刀是刀具轴线与刀具底面的交点;球头铣刀是球头的球心，钻头是钻尖等。用手动对刀操作，对刀精度较低，且效率低。而有些工厂采用光学对刀镜、对刀仪、自动对刀装置等，以减少对刀时间，提高对刀精度。加工过程中需要换刀时，应规定换刀点。所谓“换刀点”是指刀架转动换刀时的位置，换刀点应设在工件或夹具的外部，以换刀时不碰工件及其它部件为准。3.3 确定切削用量数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写人程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。切削用量的选择原则是:保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度，并充分发挥机床的性能，最大限度提高生产率，降低成本。3.3.1确定主轴转速主轴转速应根据允许的切削速度和工件(或刀具)直径来选择。其计算公式为:n=1000v/71D式中:v切削速度，单位为m/m动，由刀具的耐用度决定;n一一主轴转速，单位为r/min,D工件直径或刀具直径，单位为mm。计算的主轴转速n，最后要选取机床有的或较接近的转速。3.3.2确定进给速度进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。确定进给速度的原则:当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。一般在100一200mm/min范围内选取; 在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在20一50mm/min范围内选取;当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选小些，一般在20-50mm/min范围内选取;刀具空行程时，特别是远距离“回零”时，可以设定该机床数控系统设定的最高进给速度。3.3.3 确定背吃刀量背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般0.2一0.5mm,总之，切削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法确定。同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响。所谓“合理的”切削用量是指充分利用刀具切削性能和机床动力性能(功率、扭矩)，在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。第4章传动系统图的设计计算630机床主要技术参数如表3-1：最大回转直径630mm电机功率10KWLmax2000mm快进速度纵向2.4m/min横向1.2m/min切削速度纵向0.5m/min横向0.25m/min定位精度0.015mm移动部件重量纵向1200N横向800N加速时间30ms机床效率0.7表3-1 630机床主要技术参数4.1 参数的确定了解车床的基本情况和特点-车床的规格系列和类型1. 通用机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应该遵照的基础。因此，对这些基本知识和资料作些简要介绍。本次设计中的车床是普通型车床，其品种，用途，性能和结构都是普通型车床所共有的，在此就不作出详细的解释和说明了。 2.车床的主参数（规格尺寸）和基本参数（GB1582-79，JB/Z143-79）最大的工件回转直径D是630mm；刀架上最大工件回转直径D1大于或等于315mm；主轴通孔直径d要大于或等于80mm；主轴头号（JB2521-79）是4.5；最大工件长度L是1800mm；主轴转速范围是：301450r/min可无级调速. 参数确定的步骤和方法a) 极限切削速度umaxumin根据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类工艺要求刀具和工件材料等因素。允许的切速极限参考值如机床主轴变速箱设计指导书。然而，根据本次设计的需要选取的值如下：取umax=300m/min； umin=8m/min。b) 主轴的极限转速计算车床主轴的极限转速时的加工直径，按经验分别取（0.10.2）D和（0.450.5）D。由于D=630mm，则主轴极限转速应为：加工条件硬质合金刀具粗加工铸铁件3050硬质合金刀具半精或精加工碳钢工件150300螺纹（丝杠等）加工铰孔38 nmax=r/min （2.1） =7581517r/min ，取=1000r/m； nmin=r/min （2.2）在中考虑车螺纹和绞孔时，其加工最大直径应根据实际加工情况选取0.1D和50左右。所以 nmin=32r/min由于转速范围 R= = =31.25 ；因为级数Z已知： Z=16级。现以=1.26和=1.41代入R=得R=32和173 ，因此取=1.26更为合适。各级转速数列可直接从标准数列表中查出。标准数列表给出了以=1.06的从110000的数值，因=1.26=，从表中找到nmax=1000r/min，就可以每隔4个数值取一个数，得： 1000，800，630，500，400，315，250，200，160，125，100，80，63，50，40，30。c) 主轴转速级数z和公比已知 =Rn Rn=且： z=因机床的电动机转速往往比主轴的大多数转速高，变速系统以降速传动居多，因此，传动系统中若按传动顺序在前面的各轴转速较高，根据转矩公式（单位N.m） T=，当传递功率一定时，转速较高的轴所传递的扭矩就较小，在其他条件相同时，传动件（如轴、齿轮）的尺寸就较小，因此，常把传动副数较多的变速组安排在前面的高速轴上，这样可以节省材料，减少传动系统的转动惯量。因此选择结构式如下： 16=。d) 主电机功率动力参数的确定合理地确定电机功率N，使用的功率实际情况既能充分的发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。目前，确定机床电机功率的常用方法很多，而本次设计中采用的是：估算法，它是一种按典型加工条件（工艺种类、加工材料、刀具、切削用量）进行估算。根据此方法，中型车床典型重切削条件下的用量：根据设计书表中推荐的数值：取 P=7.5kw4. 2 传动设计1) 传动结构式、结构网的选择结构式、结构网对于分析和选择简单的串联式的传动不失为有用的方法，但对于分析复杂的传动并想由此导出实际的方案，就并非十分有效，可考虑到本次设计的需要可以参考一下这个方案。确定传动组及各传动组中传动副的数目级数为Z的传动系统有若干个顺序的传动组组成，各传动组分别有Z1、Z2、Z3个传动副。即 Z=Z1Z2Z3传动副数由于结构的限制以2和3的因子积为合适，即变速级数Z应为2和3的因子:Z=可以有几种方案，由于篇幅的原因就不一一列出了，在此只把已经选定了的和本次设计所须的正确的方案列出，具体的内容如下：传动齿轮数目 2x（2+2+1）+2x(2+1)+1=17个轴向尺寸 19b传动轴数目 8根操纵机构简单，两个双联滑移齿轮根据以上分析及计算，拟定主轴箱、变速箱传动结构图如下：图二中，第轴至第轴，其结构式为： 4=图一中，第轴至第轴，机床主轴箱传动系统采用分离传动，其主要特点是：（1）在满足传动副极限传动比的条件下，可以得到较大的变速范围。（2）高速由短支传动，有助于减少高速时机床的空运转功率损失。而且高速分支的尺寸可相对小些。（3）变速级数不像常规变速系统那样受2，3因子的限制，如与部分转速重合的方法配合，几乎可以得到任意的变速级数，大大增加了可供选择方案的数目。2) 主传动顺序的安排16级转速传动系统的传动组，可以安排成：2x2x2x2，选择传动组安排方式时，要考虑到机床主轴变速箱的具体结构、装置和性能。在轴上如果安装摩擦离合器时，应减小轴向尺寸，第一传动组的传动副不能多，以2为宜，本次设计中就是采用的2，一对是传向正传运动的，另一个是传向反向运动的。主轴对加工精度、表面粗糙度的影响大，因此主轴上齿轮少些为好，最后一个传动组的传动副选用2，或者用一个定比传动副。(5) 传动系统的扩大顺序的安排对于16级的传动只有一种方案，准确的说应该不只有这一个方案，可为了使结构和其他方面不复杂，同时为了满足设计的需要，选择的设计方案是： 16=22x 21+ 22x 21+ 22x 21x28传动方案的扩大顺序与传动顺序可以一致也可以不一致，在此设计中，扩大顺序和传动顺序就是一致的。这种扩大顺序和传动顺序一致，称为顺序扩大传动。(6) 传动组的变速范围的极限植在主传动系统的降速传动中，主动齿轮的最少齿数受到限制，为了避免被动齿轮的直径过大，齿轮传动副最小传动比umin，最大传动比umax2，决定了一个传动组的最大变速范围rmax=umax/nmin8因此，要按照参考书中所给出的表，淘汰传动组变速范围超过极限值的所有传动方案。极限传动比及指数x，值为：极限传动比指数1.26x：umin=6值；umax=23（x+）值：umin=89(7) 最后扩大传动组的选择正常连续的顺序扩大的传动（串联式）的传动结构式为： Z=Z11Z2Z1Z3Z1Z2即是： Z=16=222122284.3转速图的拟定运动参数确定以后，主轴各级转速就已知，切削耗能确定了电机功率。在此基础上，选择电机型号，确定各中间传动轴的转速，这样就拟定主运动的转图，使主运动逐步具体化。1) 主电机的选定中型机床上，一般都采用三相交流异步电机为动力源，可以在系列中选用。在选择电机型号时，应按以下步骤进行：1) 电机功率N：根据机床切削能力的要求确定电机功率。但电机产品的功率已经标准化，因此，按要求应选取相近的标准值。 N=13kw2.电机转速nd 异步电机的转速有：3000、1500、1000、750r/min 类比同类机床CM6163，在此处选择的是： nd=1450r/min 这个选择是根据电机的转速与主轴最高转速nmax和轴的转速相近或相宜，以免采用过大的升速或过小的降速传动。3.双速和多速电机的应用根据本次设计机床的需要，所选用的是：双速电机4.电机的安装和外形根据电机不同的安装和使用的需要，有四种不同的外形结构，用的最多的有底座式和发兰式两种。本次设计的机床所需选用的是外行安装尺寸之一。具体的安装图可由手册查到。5.常用电机的资料根据常用电机所提供的资料，选用： Y132M-42) 轴的转速轴从电机得到运动，经传动系统化成主轴各级转速。电机转速和主轴最高转速应相接近。显然，从传动件在高速运转下恒功率工作时所受扭矩最小来考虑，轴转速不宜将电机转速下降得太低。但如果轴上装有摩擦离合器一类部件时，高速下摩擦损耗、发热都将成为突出矛盾，因此，轴转速不宜太高。轴装有离合器的一些机床的电机、主轴、轴转速数据：参考这些数据，可见，车床轴转速一般取7001000r/min。另外，也要注意到电机与轴间的传动方式，如用带传动时，降速比不宜太大，否则轴上带轮太大，和主轴尾端可能干涉。因此，本次设计选用： n1=1000r/min3) 中间传动轴的转速对于中间传动轴的转速的考虑原则是：妥善解决结构尺寸大小与噪音、震动等性能要求之间的矛盾。中间传动轴的转速较高时（如采用先升后降的传动），中间转动轴和齿轮承受扭矩小，可以使用轴径和齿轮模数小写：d 、 m，从而可以使用结构紧凑。但是，这将引起空载功率N空和噪音Lp（一般机床容许噪音应小于85dB）加大： N空=) KW （2.3）式中：C-系数，两支承滚动或滑动轴承C=8.5，三支承滚动轴承C=10；da-所有中间轴轴颈的平均直径（mm）；d主主轴前后轴颈的平均直径（mm）；n主轴转速（r/min）。（2.4）（mz）a所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值mm；（mz）主主轴上齿轮的分度圆的平均值mm；q-传到主轴所经过的齿轮对数；-主轴齿轮螺旋角；C1、K-系数，根据机床类型及制造水平选取。我国中型车床、铣床C1=3.5。车床K=54，铣床K=50.5。从上诉经验公式可知：主轴转速n主和中间传动轴的转速和n对机床噪音和发热的关系。确定中间传动轴的转速时，应结合实际情况作相应修正：1.功率较大的重切削机床，一般主轴转速较低，中间轴的转速适当取高一些，对减小结构尺寸的效果较明显。2.高速轻载或精密车床，中间轴转速宜取低一些。3.控制齿轮圆周速度u8m/s（可用7级精度齿轮）。在此条件下，可适当选用较高的中间轴转速。4) 齿轮传动比的限制机床主传动系统中，齿轮副的极限传动比：1. 升速传动中，最大传动比umax2。过大，容易引起震动和噪音。2. 降速传动中，最小传动比umin1/4。过小，则使主动齿轮与被动齿轮的直径相差太大，将导致结构庞大。第5章四方自动回转刀架总体结构设计5.1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，采用蜗杆副减速时最佳选择。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。5.1.1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。本设计上刀体的锁进玉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，上下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴旋转；换刀时电动机正转，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。1、刀架抬起机构的设计要想使上、下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计适合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啮合，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。当端面齿脱离啮合时，上刀体就与螺杆一起转动。设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定的角度时，使得上刀梯与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。下图为自动回转刀架的传动机构示意图，详细的装配图在一号图纸上。5.1.2自动回转刀架的工作原理图4-1表示自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置。其中上部的圆柱销2和下部的反靠销6起着重要作用。当刀架处于锁紧状态时，两销的情况如图A所示，此时反靠销6落在圆盘7的十字槽内，上刀体4的端面齿和下刀体的端面齿处于啮合状态（上下端面齿在图中未画出）。需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三项异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动蜗杆正向转动，与螺杆配合的上刀体4逐渐抬起，上刀体4与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘1也随着螺杆正向转动（上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆联接），当转过约1700时，上盖圆盘1直槽的另一端转到圆柱销2的正上方，由于弹簧3的作用，圆柱销2落入直槽内，于是上盖圆盘1就通过圆柱销2使得上刀体4转动起来（此时端面齿已完全脱开）。上盖圆盘1、圆柱销2以及上刀体4在正转的过程中，反靠销6能够从反靠圆盘7中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体4寻找刀位时的正向转动。上刀体4带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘1通过圆柱销2带动上刀体4开始反转，反靠销6马上就会落入反靠圆盘7的十字槽内，至此，完成粗定位。此时，反靠销6从反靠圆盘7的十字槽内爬不上来，于是上刀体4停止转动，开始下降，而上盖圆盘1继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销2的头部压入上刀体4的销空内，之后，上盖圆盘1是下表面开始与圆柱销2的头部滑动。再次期间，上、下刀体的端面齿逐渐啮合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可以稳定地工作。图4-1 自动回转刀架的换刀流程5.2 主要传动部件的设计5.2.1 蜗杆副的设计计算自动回转刀架的动力源是三相异步电动机。其中蜗杆与电动机直联，刀架转位时蜗轮与上刀体直联。已知电动机额定功率p1=90W。,额定转速n1=1480r/min，上刀体设计转速n2=40r/min，蜗杆副的传动比i=n1/n2=37。刀架从转位到锁紧时，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。（1）蜗杆的选型 GB/T10085-1988推荐采用渐开线蜗杆和锥面包络蜗杆。本设计采用结构简单，制造方便的渐开线型圆柱蜗杆。（2）蜗杆副的材料刀架中的蜗杆副传动的功率不大，但蜗杆转速干，一次，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要淬火，硬度为4555HRC,以提高其表面耐磨行；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，采用金属模制造。（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，进行载荷计算时，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 a3 KT2( ZEZPH )2 (4-1)式中 a蜗杆副的传动中心距，单位mm； K载荷系数； T2作用在蜗轮上的转矩T2，单位N.mm； ZE弹性影响系数ZE； H许用接触应力，单位为MPa。从式4-1算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比i=35，查表选择一个合适的中心距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T2, 设蜗杆头数Z1=1，蜗杆副的传动效率=0.8，由电动机的额定功率p1=90W，可以算出蜗轮传动的功率p2=p1，再由蜗轮的转速n2=40r/min求得作用在蜗轮上的转矩 T2=9.55p2n2=9.55p1n2=25.47Nm=22923Nmm2）确定载荷系数K 载荷系数K= KA KB K。其中KA为使用系数，有表6-3查得，由于工作载荷不均匀，启动时冲击较大，因此取KA=KA1.15； K为齿向分布系数，因工作载荷在启动和停止时有变化，故取KBK=1.15；KV 为动载系数，由于转数不高。冲击不大，可取KKV=1.05。则载荷系数K=KA KB K 1.39使用系数KA工作类型IIIIII载荷性质均匀，无冲击不均匀，小冲击不均匀，大冲击每小时起动次数50起动载荷小较大大KA11.151.23）确定弹性影响系数ZEZE，铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查的弹性影响系数 ZE=160Mpa 1/2；4）确定接触系数ZP 先假设蜗杆分度圆直径d1 和传动中心距a的比值d1d1/a=0.35。查表的ZpZ=2.9铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力H(MPa)蜗轮材料铸造方法蜗杆螺旋面的硬度45HRC45HRC铸锡磷青铜ZCuSn10P1砂模铸造150180金属模铸造220268铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5砂模铸造113135金属模铸造1281405）确定许用接触应力H 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1金属模制造蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC可查表的蜗轮的基本许用应力H =268MPa已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数j=1；蜗轮转数n2=40r/min；蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。则应力循环次数：N=60j n2 Lh =2.4 10 7寿命系数： KHN =KHN0.693许用接触应力： =KHN H KHN=186MPa6）计算中心距将以上各参数带入4-1，求得中心距： a = 47.1 mm查表取a=63，已知蜗杆头数z1=1，设模数m=1.6mm，得蜗杆分度圆直径d1=28mm。这时d1d1/a=0.59，查表得接触系数=2.35。因为ZP2.4mm，今取螺杆的螺距P=6mm。（2）确定其他参数采用单头梯形螺杆，头数n=1，牙侧角= 150，外螺纹大径=50mm，牙顶间隙=0.5mm，基本牙型高度=0.5P=3mm，外螺纹牙高=3.5mm，外螺纹中径=47mm，外螺纹小径=43mm，螺杆螺纹部分长度H=50mm。（3）自锁性能校核螺杆-螺母材料均用45钢，查表取摩擦系数f=0.11；再求得梯形螺旋副的当量摩擦角： Vtan-1fcos6.50 6.50而螺纹升角： =tan-1nPd2= 2.33 小于当量摩擦角。因此满足自锁条件。第6章数控硬件电路设计数控系统通过对输入的加工程序进行数据处理和运算后，输出控制信号，控制主轴、进给轴和其他辅助装置正确、及时和可靠地执行加工程序所规定的任务，同时接受从机床反馈来的各种信息，对机床控制进行调整。任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成，在处理信息方面，软件和硬件对要完成的任务是等价的，硬件处理速度快，线路复杂，软件设计灵活，适应性强，但速度较慢。随着高性能微处理器的诞生，现代数控已越来越倾向于软件控制。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。6.1硬件电路设计6.1.1 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。6.1.2 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.6.2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.6.3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,XT

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