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含CAD高清图纸和说明书 500 mm 数控车床 总体 设计 四方 回转 刀架 CAD 图纸 说明书

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毕业设计(论文)500mm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 日目 录摘要1第1章 绪论3第2章 数控机床总体方案的制订及比较82.1 总体方案设计内容82.1.1系统运动方式的确定82.1.2控制方式的选择82.2 总体方案确定92.2.1 系统的运动方式伺服系统的选择92.2.2 数控系统92.2.3 机械传动方式9第3章 确定切削用量及选择刀具103.1科学选择数控刀具103.1.1选择数控刀具的原则103.1.2选择数控车削用刀具103.2 设置刀点和换刀点103.3 确定切削用量113.3.1确定主轴转速113.3.2确定进给速度113.3.3 确定背吃刀量11第4章 传动系统原理图设计124.1主传动系统主要技术指标的确定124.1.1动力参数的确定124.1.2主运动调速范围的确定134.1.3主轴计算转速的确定134.2变速主传动系统的设计144.2.1确定传动方案144.2.2转速图的拟定154.2.3拟定传动变速系统图16第5章 数控机床系统总体设计165.1总体方案设计内容165.2 总体方案确定175.3 数控刀架总体结构设计185.3.1 引言185.3.2 减速传动机构的设计185.3.3 刀架抬起机构设计195.3.4 上刀体锁紧与精定位机构的设计19第6章 数控回转刀架设计计算- 20 -6.1蜗杆副的设计计算- 20 -6.1.1 蜗杆的选型- 20 -6.1.2 蜗杆副的材料- 20 -6.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计- 20 -6.1.4 蜗杆和蜗轮的主要计算参数和几何尺寸- 23 -6.1.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度- 24 -6.5. 螺杆的设计计算- 25 -6.5.1 螺距的确定- 25 -6.5.2 其它参数的确定- 27 -6.5.3 自锁性能校核- 27 -总结与展望- 28 -参考文献- 29 -致 谢- 30 -19摘要本文介绍普通车床500MM的数控车床的数控化设计，重点介绍机床数控化设计方案的确定，基本步骤，目的，经济合理性，机床数控化设计计算。数控车床采用数控回转刀架可以在1次装夹中完成多道工序加工，缩短辅助时间，减少多次安装所带来的误差。本课题通过对数控回转刀架的机械结构以及电气控制进行了研究，探索数控回转刀架的组成和工作原理。通过所学专业知识，完成了数控回转刀架机械部分与电气控制部分的设计，绘制了三维实体装配图及电气控制原理图，编制了数控回转刀架的控制软件。本课题的创新之处在于在设计延时锁紧功能部件的同时，实现了刀架电动机意外短路的保护功能。问题的解决在于采用电磁式过电流继电器来监测电动机中的电流大小。处于调整状态时，继电器处于释放状态；当刀架锁紧时，继电器吸合，常开触点闭合，8255A的PC3被置0，电动机停转。当出现故障，电动机短路时，继电器做出同样的动作，以达到保护目的。所设计的数控回转刀架很好的实现了快速准确自动换刀，提高了数控车床的加工效率。关键词：数控化设计，回转刀架，蜗杆副，微机控制，换刀装置AbstractThis design is about the common Lathe 500MM transformation of NC, It mainly introduce the arragments of NC Transformation, basic steps, purpose, economic rationality, and the calculation of NC Transformation。With a single setup of NC rotary turret , CNC lathe can be completed in multiple processes processing, reducing support time and errors which caused by multiple installation. This topic of NC rotary turret on the mechanical and electrical control system conducted to explore the NC rotary tool holder of the composition and working principle. With the knowledge learned of before, I have finished the completion of the NC rotary tool holder of the mechanical parts and electrical control part of the design, drawing and assembly drawings and three-dimensional entities, electrical control schematics,and developed NC rotary turret control software. The innovation of this issue is delayed locking features in the design, while achieving a turret motor accident short circuit protection. The solution to the problem is making use of electromagnetic over-current relay to monitor of the current size of the motor. In the adjustment state, the relay is in the release state; when the turret is locked, and then normally open contact closure, PC3 of 8255A is setted to 0, and then the motor stalls. When failure is come out, motor short circuit, the relay to make the same movement, to achieve the protection objective. NC rotary tool holder is designed well to achieve a fast and accurate automatic tool changment, improving the processing efficiency of the NC lathe.Key words: NC Transformation ，rotary turret，worm gear pair，micracomputer control，tool-changer第1章 绪论数控技术的产生和发展 当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状，在此基础上讨论了在我国加入WTO和对外开放进1步深化的新环境下，发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性，并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。 数控技术，简称“数控”。英文：Numerical Control（NC）。是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现1台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第1台数控机床问世，成为世界机械工业史上1件划时代的事件，推动了自动化的发展。现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可以通过计算机软件来完成。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电1体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。数控技术的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的1些重要行业（IT、汽车、轻工、意料等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面14。11 高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之1，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之1。 在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之1；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。 从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60 000r/min。加工1薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在1般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!000r/mm和1g。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。 在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进1步扩大。1.2 5轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。1般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。 当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。 在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同1台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在1次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。 1.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21世纪的数控装备将是具有1定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统1的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的1个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外1些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。1.4 重视新技术标准、规范的建立1.4.1 关于数控系统设计开发规范 如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的1个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。 1.4.2 关于数控标准 数控标准是制造业信息化发展的1种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定1种新的CNC系统标准ISO14649（STEPNC)，其目的是提供1种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统1数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。 STEP-NC的出现可能是数控技术领域的1次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出1种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75）、加工程序编制时间（约35）和加工时间（约50）。 目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1999.1.12001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的STEP Tools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(Super Model)，其目标是用统1的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。机床数控设计的必要性1、数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。1.1可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。1.2可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换1个程序，就可实现另1工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了柔性自动化。1.3加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配。1.4可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。1.5由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力(1个人可以看管多台机床)，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是1个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行fmc(柔性制造单元)、fms(柔性制造系统)以及cims(计算机集成制造系统)等企业信息化设计的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。二、数控化设计的内容2.1恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；2.2 CNC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，设计成nc机床、cnc机床；2.3翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的cnc系统以最新cnc进行更新；2.4技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上较大幅度地提高水平和档次的更新设计。三、数控化设计的特点3.1减少投资额、交货期短同购置新机床相比，1般可以节省60%80%的费用，设计费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。1般大型机床设计，只花新机床购置费用的 1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往设计成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节省投 资50%左右。3.2机械性能稳定可靠，结构受限所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，设计后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的设计。3.3熟悉了解设备、便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。设计则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。设计的机床1安装好，就可以实现全负荷运转。3.4可充分利用现有的条件可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。3.5可以采用最新的控制技术可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，将旧机床改成当今水平的机床。四、数控系统的选择数控系统主要有三种类型，设计时，应根据具体情况进行选择。4.1、步进电机拖动的开环系统(满足大部分机床的设计需要，价格便宜。)该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机 转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要 将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的 位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。4.2、异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统4.3、交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如siemens公司、fanuc公司；国内著名公司如仁和公司(经济实用型)和沈阳高档数控国家工程研究中心等。选择数控系统时主要是根据数控设计后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。五、数控设计中主要机械部件改装探讨1台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控设计时应尽量达 到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在1起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的设计使其达到1定的设计要求，才能获得预期的设计 目的。5.1、滑动导轨副对数控车床来说，导轨除导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，并要有合理的导轨防护和润滑。5.2、齿轮副1般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。5.3、滑动丝杠与滚珠丝杠丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。1般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。5.4、安全防护高效必须以安全为前提。在机床设计中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进 入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。第2章 数控机床总体方案的制订及比较 2.1 总体方案设计内容接到1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。1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1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1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。1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，1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1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1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:1是车刀半径RD应小于零件内轮廓面的最小曲率半径Rmin，1般取RD=(0.81 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1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1些重复，故取Z=2（6）拟定转速图和功率特性图如图4.2.3拟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b要大于于滑移齿轮的宽度（齿轮2与齿轮宽度之和），1般b+, =14 mm。 综合考虑个因素，拟订传动系统图。第5章 数控机床系统总体设计5.1总体方案设计内容接到1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。1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1个可行的总体方案。一、 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。二、 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。5.2 总体方案确定（1）、系统的运动方式伺服系统的选择由于设计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）、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。（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1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1系统总体方案框图5.3 数控刀架总体结构设计5.3.1 引言简易经济型数控刀架目前主要为立式四工位,通常采用双插销机构实现转位和预定位,电机采用右置式或转塔式。1般只能单向转位,采用齿轮,蜗杆传动,螺旋副加紧,多齿盘精定位。此种刀架价格便宜,适用于要求不高的数控机床,在我国应用最为广泛。但是,该刀架工位少,回转空间大,易发生干涉,所以正向工序长,回转空间小的卧式刀架过渡。高精度型数控刀架目前1般多为卧式八工位到十二工位。分为抬起式和不抬起式。抬起式仿意大利巴罗法蒂公司的 TA 刀架,其缺点是转阻塞度不能过高,只能单向回转；不抬起式仿意大利 IOE 型刀架,采用行星齿轮机构。或仿美国的三联分齿盘精定位,转位采用平行分度凸轮(又叫共辄凸轮)或槽轮机构此种刀架目前正逐渐推广。带动力刀具的数控刀架此种刀架只有烟台机床附件厂生产,全套引进意大利的生产线和专利,1般用于车削加工中心。5.3.2 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。（1）传动方案的拟定采用蜗轮蜗杆传动和螺旋副加紧、双插销预定位、端面多齿盘精定位、霍尔元件发讯。（2）传动方案简图图2-1 传动方案简图（3）传动方案分析a. 传动机构采用蜗轮蜗杆传动的主要优点：降速比大,结构紧凑,工作平稳无噪声。能阻滞扭转振动。当蜗杆螺旋升角小于摩擦角时,有反向自锁作用。其主要缺点是 : 发热大,加工复杂,需要有与蜗杆参数相同的涡轮滚刀,对装配误差较为敏感。螺旋副加紧采用丝杠螺母机构传动,其特点是：用较小的扭矩转动丝杠(或螺母),可使螺母(或丝杠)获得较大的轴向牵引力。可达到很大的降速传动比,使降速机构大为简化,传动链得以缩短。能达到较高的传动精度。传动平稳,无噪声。在1定条件下能自锁,即丝杠螺母不能进钉逆向传动。此特点特别适用 于作部件升降传动。由于蜗杆传动和丝杠螺母传动均能自锁,即夹紧机构双重自锁，不必再配置制动器。5.3.3 刀架抬起机构设计要想使上，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1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1同转动。5.3.4 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。双差销预定位双差销定位,1般称为反靠定位。具有较高的定位精度和可靠性,并能在有冲击和振动的情况下稳定工作。磨损少,定位附加冲击小。定位精度保持性强。端面齿盘精定位优点 :由于采用了多齿结构,所以定位精度高,1般可达，最高可达；能自动定心,定位精度不受轴承间隙和正反转的影响(也称自由定心)；齿面磨损对定位精度影响不大,随着不断使用磨合,定位精度有可能改善,精度保持性好；承载能力强,定位刚性好。其齿面啮合长度1般不小于60%,齿数啮合率1般不低于90%；适应性强,齿数的所有因数都可作为分度工位数,容易得到不等的分度；重复定位精度稳定。缺点 :齿形加工较为复杂,转位、定位时动齿盘需要升降,并要有夹紧装置,成本高。c. 数控转塔式四工位自动回转刀架传动方案的确定 :采用蜗轮-蜗杆传动 : 螺旋副加紧；电磁离合器制动 : 双插销机构预定位 ；端面齿盘精定位 : 霍尔元件发讯。第6章 数控回转刀架设计计算6.1蜗杆副的设计计算6.1.1 蜗杆的选型根据GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线（ZI）蜗杆，这种蜗杆的端面齿廓是渐开线，所以相当于少1个齿数。6.1.2 蜗杆副的材料由于蜗杆传动效率不高，速度也只是中等 ,故蜗杆用45钢;因希望效率高些,耐磨性好些,故蜗杆螺旋要求淬火硬度为45-55HRC且心部调制蜗轮用铸锡青铜ZcusnlOP1,金属模铸造。为了节约贵重的有色金属,仅齿圈用青铜制造,而轮芯用灰铸铁HT100制造。6.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 根据工作要求和条件 : 功率小,起动转矩低,运转平稳等,无需调速、长期反复工作，异步电动机取转速为1400r/min。由要求 :自锁力Q=1000 kgf500 kgf,此处取 Q=1000kgf 。螺旋副传动的牙型为梯形螺纹,可通过较小的扭矩获得较大的轴向力,并要求自锁。梯形螺纹的牙型角=,则牙型半角 P=,且有f=0.080.10。由于本刀架锁紧系统中的摩擦是由封闭系统弹性变形力所引起的,压力通常超过 3,其摩擦系数比1般23倍,取螺杆中径d=85mm.a.求当量摩擦角 : ，为保证电机驱动力矩消失后刀盘仍处于锁紧状态,丝杠螺母传动必须满足自锁条件:,所以 max=11.7-1=10.7，由实验表明=46 有满意效果,故取 =5 。b.螺杆的转速 n1=28r/min（设计任务书给出） 可得出传动比： （3-1）计算电机容量 ： （3-2） 其中 ,Pd 为电机所需功率 :Pw 为工作机所需工作功率；是由电动机至工作机主动端的总效率： （3-3） （3-4） 其中 分别为轴承、蜗轮蜗杆、联轴器、滑动丝杠的传动效率。取=0.98, =0.45( 自锁时传动效率 ), , （设计任务书给出）W （3-5） c. 计算螺杆上的扭矩 : （3-6）d. ，选取150BF002电机，其技术参数如下：电压 输出功率转速输入功率质量380V120w1400r/min150w6.0kg额定电流起动转矩/:额定转矩最大转矩/额定转矩起动电流0.47(A)5.25.46e. 各轴的运动动力参数 各轴转速I 轴 ( 蜗杆轴 )=1400(r/min)II 轴 ( 丝杠螺母、刀盘 )=1400/28=50(r/min) 各轴输入功率I 轴 （3-7）II 轴 w （3-8）输出功率I 轴 （3-9）II 轴 （3-10）根据闭式蜗杆传动的设计准则,先根据齿面接触疲劳强度进行设计 , 再校核齿根弯 曲强度应有 : (4 1） a.用在蜗轮上的转矩：按，取效率则 (4 2) b.确定载荷系数K：因工作载荷较稳定,所以取齿向载荷分布系数 由表 11-5( 机械设计第七版 ) 中选取使用系数 =1.15 由于转速不高,冲击不大,取动载荷系数 则 （4-3）c.确定弹性影响系数：由选用铸锡磷青铜涡轮和钢蜗杆相配合, 故 (4-4）d.确定接触系数:先假设蜗杆分度圆直径为和中心距 a 的比值从图 11-18( 机械设计第七版 ) 中可查得 =5.75e.确定许用接触应力：根据蜗杆材料为铸锡磷青铜ZCuSn10Pi金属模铸造,蜗杆硬度大于45HRC可以从 11-7( 机械设计第6版 ) 中查得涡轮的基本许用应力=268应力循环次数设计要求寿命为 12000h 则(涡轮每转1转,每个轮齿啮合的次数) (4-5)寿命系数： 则 (4-6)f.计算中心距 :19 (4-7)所以取中心距为20mm ；因i=50，故从表11-12中取模数m=1mm 6.1.4 蜗杆和蜗轮的主要计算参数和几何尺寸6.1.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 (4-8)当量齿数： (4-9)根据 从图11-19中( 机械设计第七版 ) 可查得齿形系数 螺旋角系数许用弯曲应力 从表 11-8( 机械设计第七版 ) 查得ZcuSn10Pi制造的蜗轮的基本许用弯曲应力 。寿命系数： (4-10) (4-11) (4-12)故弯曲强度不满足要求。改用铸铝铁青铜(ZcuAl10Fe3)砂模铸造，其许用应力： （4-13）则 （3-24）所以强度满足。6.5. 螺杆的设计计算6.5.1 螺距的确定a. 选用T55梯形螺纹丝杆，螺距t=12mm;b. 丝杆螺母尺寸： 大径：d=46mm 小径：=40mm 中径： 螺母外径： 螺母小径： 螺母中径：线速n=1。由于连接螺纹要求自锁性。故多用单线螺纹，若要求传动效率高则采用双线或三线螺纹。 导程：S=P=12mm 螺纹升角： 当量摩擦角：，由于选用的是的梯形螺纹，因而。当f=0.1时，此丝杆能自锁。c. 丝杆螺母的传动效率和驱动扭矩的计算：效率：驱动扭矩M：设所受的轴向力P,则螺纹中径的圆周力为，驱动扭矩 ， （kgfcm） (4 16)d. 校核滑动螺旋传动： 滑动螺旋工作时，主要承受转矩及轴向拉力（或压力）的作用，同时在螺旋和螺母的旋合纹间较大的相对滑动。主要的失效形式是螺纹磨损。因此滑动螺旋的基本尺寸(即螺杆直径和螺母高度)，通常是根据耐磨性条件确定的。对于受力较大的传动螺旋，还应校核螺杆的危险截面以及螺母纹牙的强度，以防止发生塑性变形和断裂。对于精密传动螺纹还应该校核螺杆的刚度。 耐磨性校核： 图4-1 刀盘齿形图 作用于螺杆的轴向力主要是刀盘重力。 螺纹的承压面积（指螺纹工作投影到垂直于轴向力的平面上的面积）为A(),螺纹中径（mm）螺纹工作高度h，螺纹螺距为P(mm),螺母高度H(mm),螺纹的工作圈数n=H/p. =43mm h=25mm P=12mm H=64mm n=H/P=5 则螺纹工作面的耐磨性条件为： （4-17）e. 强度计算： 空心轴工作时，承受轴向力Q和扭矩T的作用，螺杆切应力的作用。螺杆危险截面上