CK6140车床刀架系统设计【说明书+CAD】
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说明书+CAD
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典型零件的数控编程编制如图所示零件的加工程序材料为45钢，棒直径为80mm，该零件采用棒料毛坯，由于加工余量大，在外圆精车前采用粗车循环指令去除大部分毛坯余量，留有单边0.25mm余量。1、刀具设置选择外圆粗车刀为1号刀，外圆精车刀为2号刀，割槽刀（宽2mm）为3号刀，60度硬质合金螺纹刀为4号刀。2、 工艺路线1） 把长轴在车床上找正位置后进行夹紧定位；2） 用外圆粗车刀从右到左粗车工件各面，分别留0.2mm精车余量；3） 然后用外圆精车刀从右到左精车各面到尺寸要求；4） 换螺纹车刀车螺纹；5） 割退刀槽，并用割槽刀右刀尖倒出C1倒角；6） 程序结束。3、 加工程序程序号O0008；设置工件坐标系；返回参考点；主轴正转，调用01号粗车刀，打开冷却液；快速走到粗车右端面起点（82.0，332.0）；粗车右端面，车削进给速度0.3mm/r；快速走到外圆粗车循环起点；快速定位，靠近工件；粗车外圆面；快速退刀；粗车外圆面；快速退刀；粗车外圆面；快速退刀；粗车外圆面；快速退刀；粗车外圆面；O0008； N10 G92 X100.0 Z350.0； N15 G28 U0 W0； N20 S1000 T0101 M03 M08； N25 G00 X82.0 Z332.0； N30 G95 G01 X-1.6 W0 F0.3； N35 G50 X100.0 Z350.0； N40 G00 X42.0 Z332.0； N45 G01 Z34.0； N50 G00 X37.0 Z332.0； N55 G00 Z77.0； N60 G00 X32.0 Z332.0； N65 G00 Z100.5； N70 G00 X27.0 Z332.0； N75 G00 Z184.5； N80 G00 X22.0 Z332.0； N85 G00 Z311.5； 快速退刀；粗车外圆面；返回参考点；快速走到外圆粗车循环起点；粗车循环，每次车削深度1.0mm，退刀1.0mm；留粗车余量X向0.4mm，Z向0.2mm；快速走到车削起点，精车进给0.15mm/r；刀具右偏；精车15外圆面；精车台阶端面；精车20外圆面；精车台阶端面；精车25外圆面；精车台阶端面；精车30外圆面；精车台阶端面；精车35外圆面；精车台阶端面；精车40外圆面；精车台阶端面；取消刀补；返回参考点；限制主轴最高转速为1500r/min；调用02号精车刀，02号刀补；粗车后精车；回退到精车端面快速运动起始点；快速走到精车端面的工进点；精车右端面；返回参考点；调用03号割槽刀，03号刀补；刀具快速运动到切槽起点；切槽；返回参考点；刀具快速运动到切槽起点；切槽；返回参考点；刀具快速运动到切槽起点；切槽；切槽刀退出；返回参考点；N90 G00 X17.0 Z332.0； N95 G00 Z330.0； N100 G28 U0 W0； N105 G00 X82.0 Z332.0； N110 G71 U1.0 R1.0； N115G71P120Q190U0.4W0.2F0.3S800 N120 G00 X82.0 Z332.0； N125 G42 G01 X15.0 Z330.0； N130 W-18.5； N135 X20.0； N140 W-127.0； N145 X25.0； N150 W-84； N155 X30.0； N160 W-23.5； N165 X35.0； N170 W-43.0； N175 X40.0； N180 W-25.0； N185 X80.0； N190 G40.0； N195 G28 U0 W0； N200 G50 S1500；N205 G96 S20 T0202； N210 G70 P120Q190； N215 G00 X82.0 Z332.0； N220 X17.0； N225 G01 X-2.0； N230 G28 U0 W0； N235 T0303； N240 G00 X16.0 Z326.5； N245 G01 X12.0 F0.15； N250 G28 U0 W0；N255 G00 X21.0 Z299.5； N260 G01 X16.0 F0.15； N265 G28 U0 W0； N270 G00 X21.0 Z189.5； N275 G01 X16.0 W-5.0 F0.15； N280 G00 X40； N285 G28 U0 W0； 取消恒定切削速度，指定主轴转速，调用04号螺纹车刀；快速运动到螺纹车削起始点；复合螺纹加工循环；复合螺纹加工循环；返回参考点；快速运动到螺纹车削起点；复合螺纹加工循环；复合螺纹加工循环；螺纹刀退出；调用03号割槽刀，03号刀补；快速运动到倒角起点；倒角；返回参考点；快速运动到倒角起点；倒角；返回参考点；快速运动到倒角起点；倒角；返回参考点；快速运动到倒角起点；倒角；返回参考点；主轴停，关闭冷却液；程序结束。 N290 G97 S1500 T0404；N295 G01 X21.0 Z311.5； N300 G76 P3 12 60 Q0.1 R0.1； N305G76X16.8W-14.5P1.5Q0.85F2.0； N310 G28 U0 W0； N315 G01 X26.0 Z184.5； N320 G76 P3 12 60 Q0.1 R0.1； N325G76X16.8W-14.5P2.0Q0.85F2.0；N330 G00 X42.0；N335 T0303； N340 G00 X28.0 Z100.6； N345 G01 X30.1 Z-1； N350 G28 U0 W0； N355 G00 X23.0 Z184.6； N360 G01 X25.1 Z-1； N365 G28 U0 W0； N370 G00 X18.0 Z311.6； N375 G01 X20.1 Z-1； N380 G28 U0 W0； N385 G00 X13.0 Z330.1； N390 G01 X15.1 Z-1； N395 G00 X 20.0 Z332.0； N400 G28 U0 W0 M05 M09； N405 M30； O0008； N10 G92 X100.0 Z350.0； N15 G28 U0 W0； N20 S1000 T0101 M03 M08； N25 G00 X82.0 Z332.0； N30 G95 G01 X-1.6 W0 F0.3； N35 G50 X100.0 Z350.0； N40 G00 X42.0 Z332.0； N45 G01 Z34.0； N50 G00 X37.0 Z332.0； N55 G00 Z77.0； N60 G00 X32.0 Z332.0； N65 G00 Z100.5； N70 G00 X27.0 Z332.0； N75 G00 Z184.5； N80 G00 X22.0 Z332.0； N85 G00 Z311.5； N90 G00 X17.0 Z332.0； N95 G00 Z330.0； N100 G28 U0 W0； N105 G00 X82.0 Z332.0； N110 G71 U1.0 R1.0； N115G71P120Q190U0.4W0.2F0.3S800 N120 G00 X82.0 Z332.0； N125 G42 G01 X15.0 Z330.0； N130 W-18.5； N135 X20.0； N140 W-127.0； N145 X25.0； N150 W-84； N155 X30.0； N160 W-23.5； N165 X35.0； N170 W-43.0； N175 X40.0； N180 W-25.0； N185 X80.0； N190 G40.0； N195 G28 U0 W0； N200 G50 S1500； 程序号O0008；设置工件坐标系；返回参考点；主轴正转，调用01号粗车刀，打开冷却液；快速走到粗车右端面起点（82.0，332.0）；粗车右端面，车削进给速度0.3mm/r；快速走到外圆粗车循环起点；快速定位，靠近工件；粗车外圆面；快速退刀；粗车外圆面；快速退刀；粗车外圆面；快速退刀；粗车外圆面；快速退刀；粗车外圆面；快速退刀；粗车外圆面；返回参考点；快速走到外圆粗车循环起点；粗车循环，每次车削深度1.0mm，退刀1.0mm；留粗车余量X向0.4mm，Z向0.2mm；快速走到车削起点，精车进给0.15mm/r；刀具右偏；精车15外圆面；精车台阶端面；精车20外圆面；精车台阶端面；精车25外圆面；精车台阶端面；精车30外圆面；精车台阶端面；精车35外圆面；精车台阶端面；精车40外圆面；精车台阶端面；取消刀补；返回参考点；限制主轴最高转速为1500r/min；N205 G96 S20 T0202； N210 G70 P120Q190； N215 G00 X82.0 Z332.0； N220 X17.0； N225 G01 X-2.0； N230 G28 U0 W0； N235 T0303； N240 G00 X16.0 Z326.5； N245 G01 X12.0 F0.15； N250 G28 U0 W0；N255 G00 X21.0 Z299.5； N260 G01 X16.0 F0.15； N265 G28 U0 W0； N270 G00 X21.0 Z189.5； N275 G01 X16.0 W-5.0 F0.15； N280 G00 X40； N285 G28 U0 W0； N290 G97 S1500 T0404；N295 G01 X21.0 Z311.5； N300 G76 P3 12 60 Q0.1 R0.1； N305 G76X16.8W-14.5P1.5Q0.85F2.0； N310 G28 U0 W0； N315 G01 X26.0 Z184.5； N320 G76 P3 12 60 Q0.1 R0.1； N325 G76X16.8W-14.5P2.0Q0.85F2.0；N330 G00 X42.0；N335 T0303； N340 G00 X28.0 Z100.6； N345 G01 X30.1 Z-1； N350 G28 U0 W0； N355 G00 X23.0 Z184.6； N360 G01 X25.1 Z-1； N365 G28 U0 W0； N370 G00 X18.0 Z311.6； N375 G01 X20.1 Z-1； N380 G28 U0 W0； N385 G00 X13.0 Z330.1； N390 G01 X15.1 Z-1； N395 G00 X 20.0 Z332.0； N400 G28 U0 W0 M05 M09； N405 M30； 调用02号精车刀，02号刀补；粗车后精车；回退到精车端面快速运动起始点；快速走到精车端面的工进点；精车右端面；返回参考点；调用03号割槽刀，03号刀补；刀具快速运动到切槽起点；切槽；返回参考点；刀具快速运动到切槽起点；切槽；返回参考点；刀具快速运动到切槽起点；切槽；切槽刀退出；返回参考点；取消恒定切削速度，指定主轴转速，调用04号螺纹车刀；快速运动到螺纹车削起始点；复合螺纹加工循环；复合螺纹加工循环；返回参考点；快速运动到螺纹车削起点；复合螺纹加工循环；复合螺纹加工循环；螺纹刀退出；调用03号割槽刀，03号刀补；快速运动到倒角起点；倒角；返回参考点；快速运动到倒角起点；倒角；返回参考点；快速运动到倒角起点；倒角；返回参考点；快速运动到倒角起点；倒角；返回参考点；主轴停，关闭冷却液；程序结束。 湖 南 科 技 大 学英文文献翻译学 生 姓 名： 王金思 学 院： 机电工程学院 专业及班级： 机械设计制造及其自动化三班 学 号： 1103010324 指 导 教 师： 万林林 2015年 5月28日- 7 -湖南科技大学本科生毕业设计（论文）The Automatic Tool Changers main types,characteristics, and the scope of application1、Auto Rotary ToolRotary Tool automatically on the use of CNC machine tool is a simple installation of automatic tool change, the Quartet and 47.60 Turret Tool various forms, such as rotary turret were installed on four, six or more of the Tool , NC instructions by ATC. Rotary Tool has two vertical and horizontal, relatively simple structure, applicable to economic CNC lathe. Rotary Tool in the structure must have good strength and stiffness, resistance to bear rough Cutting Tool in the cutting force and reduce the role of deformation and improve processing accuracy. Rotating Tool to choose reliable positioning project structure and reasonable position, in order to ensure that each rotary turret to a higher position after 图1 螺旋升降式四方刀架 repeated positioning accuracy (typically 0.001 to 0.005mm). Figure 2.1 shows the spiral movements of the Quartet Turret.Auto Rotary Tool in the simplest of ATC, is 180 rotary ATC devices, as shown in Figure 2 ATC instructions received, the machine control system put ATC spindle control to the designated location at the same time, the tool movement to the appropriate location, ATC, with the rotary axis and at the same time, the knives matching tool; Draw bars from Spindle Cutting Tools rip, ATC, will be the tool from their position removed; ATC, 180 rotary tool spindle and the tool and tool away; ATC, the Rotary At the same time, the tool refocusing its position to accept Spindle removed from the cutting tool; Next, ATC, will be replaced with the cutter knives were unloaded into the spindle and tool: Finally, back to the original ATC, standby position. At this point, ATC completed procedures to continue to run. This ATC, the main advantage of simple structure, the less movement, fast tool change. The main disadvantage is that knives must be kept in parallel with the axis of the plane, and after the home side compared to the tool, chip and liquid-cutting knife into the folder, it is necessary to the tool plus protection. Cone knife folder on the chip will cause ATC error, or even damage knife folders, and the possibility of spindle. Some processing center at the transfer, and the tool side. When the ATC command is called, the transfer-cutter knives will be removed, the machine go forward, and positioning with the ATC, in line with the position. 180 Rotary ATC devices can be used horizontal machine, can also be used for vertical machining centers.图2 180回转式换刀装置2 、ATC head-turret installedWith rotating CNC machine tool often used such ATC devices, with a few turret head spindle, each with a spindle on both knives, the first tower interim process can be automatic tool change-realization. The advantage is simple structure, tool change time is short, only about 2 s. However, due to spatial constraints, the number of spindle can not be too much, usually only apply to processes less, not to high precision machine tools, such as the NC drill, such as CNC milling machine. In recent years there has been a mechanical hand and the turret head with a knife for the automatic tool change ATC devices, as shown in Figure 2.3. It is in fact a turret head ATC, and the knife-ATC device combination. The principle is as follows:图3 机械手和转塔头配合刀库换刀的自动换刀装置5 turret on the first two tool spindle 3 and 4, when using the tool spindle 4 processing tool, the manipulator 2 will be the next step to the need for the tool does not work on the tool spindle 3 until after the completion of this process , the first rotary turret 180 , ATC completed. ATC most of their time and processing time coincidence, the only real tool change time turret transposition of the first time, this approach mainly used for ATC and NC NC drilling file bed.3、 Automatic tool changer with tool magazine Figure 4 showsthe knife and split-type machine to the appearance of CNC machine tool plans. Figure 5 shows the knife and the whole machine tool CNC machine tools for the appearance of Fig. At this point, knife storage capacity, a heavier tool can, and often additional transport unit to complete the knife between the spindle and cutting tool transport. The ATC with tool magazine , the election knives, automatic loading and unloading machine tool and tool exchange institutions (manipulator), composed of four parts, used widely. Tool Automatic Tool Change the manipulator system, the whole process more complicated ATC. We must first used in the processing of all installed in the standard tool on the knife handle in the machine outside the pre-size, according to a certain way Add to the knife. ATC, selected first in the knife knife, and then from ATC, from the knife from the knife or spindle, exchange, the new knife into the spindle, the old knife back into the knife. ATC, as the former two knives to accommodate a limited number can not be too many, can not meet the needs of complex parts machining, CNC machine tool Automatic Tool Changer with tool magazine the use of the automatic tool change devices. The knife has more capacity, both installed in the spindle box side or above. As for the automatic tool change with tool magazine device CNC machine tool spindle box only a spindle, spindle components to high stiffness to meet the machining requirements. The number of establishments in larger knife, which can meet the more complex parts of the machining processes, significantly improving productivity. the automatic tool changer with tool magazine applied to drilling centers and CNC machining centers. The comparison drawn automatic tool changer with tool magazine system is the most promising. 图4 刀库与机床为分体式数控机床 图5 刀库与机床为整体式数控机床自动换刀装置的主要类型、特点和适用范围1、自动回转刀架自动回转刀架是数控机床上使用的一种简单的自动换刀装置，有四方刀架和六角刀架等多种形式，回转刀架上分别安装有四把、六把或更多的刀具，并按数控指令进行换刀。回转刀架又有立式和卧式两种，结构比较简单，适用于经济数控车床。回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时切削抗力和减少刀架在切削力作用下的变形，提高加工精度。回转刀架还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较高的重复定位精度(一般为0.001 0.005mm )。图1所示为螺旋升降式四方刀架。 图1 螺旋升降式四方刀架在自动回转刀架中最简单的换刀装置是180回转式换刀装置，如图2.2所示。接到换刀指令后，机床控制系统便将主轴控制到指定换刀位置;与此同时，刀具库运动到适当位置，换刀装置回转并同时与主轴、刀具库的刀具相配合;拉杆从主轴刀具上卸掉，换刀装置将刀具从各自的位置上取下;换刀装置回转180并将主轴刀具与刀具库刀具带走;换刀装置回转的同时，刀具库重新调整其位置，以接受从主轴取下的刀具;接下来，换刀装置将要换上的刀具与卸下的刀具分别装入主轴和刀具库:最后，换刀装置转回原“待命”位置。至此，换刀完成，程序继续运行。这种换刀装置的主要优点是结构简单、涉及的运动少、换刀快。主要缺点是刀具必须存放在与主轴平行的平面内，与侧置后置刀具库相比，切屑及切削液易进入刀夹，因此必须对刀具另加防护。刀夹锥面上有切屑会造成换刀误差，甚至有损坏刀夹与主轴的可能。有些加工中心使用了传递杆，并将刀具库侧置。当换刀指令被调用时，传递杆将刀具库的刀具取下，转到机床前方，并定位于与换刀装置配合的位置。180“回转式换刀装置既可用于卧式机床，也可用于立式机床。 图2 180回转式换刀装置2、转塔头式换刀装带有旋转刀具的数控机床常采用此种换刀装置，转塔头上装有几个主轴，每个主轴上均装一把刀具，加工过程中转塔头可自动转位实现换刀。其优点是结构简单，换刀时间短，仅为2s左右。但由于受空间位置的限制，主轴数目不能太多，通常只适用于工序较少、精度要就不高的机床，如数控钻床、数控铣床等。近年来出现了一种用机械手和转塔头配合刀库进行换刀的自动换刀装置，如图3所示。它实际上是转塔头换刀装置和刀库式换刀装置的结合。其原理如下:图3 机械手和转塔头配合刀客换刀的自动换刀装置转塔头5上有两个刀具主轴3和4，当用刀具主轴4上的刀具进行加工时，可由机械手2将下一步需要的刀具换至不工作的刀具主轴3上，待本工序完成后，转塔头回转180，完成换刀。因其换刀时间大部分和加工时间重合，真正换刀时间只需转塔头转位的时间，这种换刀方式主要用于数控钻床和数控锉床等。3、带刀库的自动换刀系统图4所示为刀库与机床为分体式数控机床的外观图。图5所示为刀库与机床为整体式数控机床的外观图。此时，刀库容量大，刀具可以较重，常常附加运输装置来完成刀库与主轴之间刀具的运输。带刀库的换刀装置由刀库、选刀机构、刀具自动装卸机械及刀具交换机构(机械手)等四部分组成，应用广泛。刀库机械手自动换刀系统，整个换刀过程比较复杂。首先要把加工过程中使用的全部刀具安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调后，按一定的方式放入刀库。换刀时，先在刀库中选刀，再由换刀装置从刀库或主轴上取刀，进行交换，将新刀装入主轴，旧刀放回刀库。 由于前两种换刀装置容纳的刀具数量有限不能太多，不能满足复杂零件的加工需要，所以自动换刀数控机床多采用带刀库的自动换刀装置。刀库具有较大容量，既可安装在主轴箱的侧面或上方。由于带刀库的自动换刀装置的数控机床的主轴箱内只有一根主轴，主轴部件的刚度要高，以满足精密加工要求。刀库内数量较大，因而能满足复杂零件的多工序加工，大大提高生产率。带刀库的自动换刀系统适用于数控钻削中心和加工中心。进行比较得出带刀库的自动换刀系统是最有发展前景的。图4 刀库与机床为分体式数控机床 图5 刀库与机床为整体式数控机床湖 南 科 技 大 学开题报告学 生 姓 名： 王金思 学 院： 机电工程学院 专业及班级： 机械设计制造及其自动化三班 学 号： 1103010324 指 导 教 师：万林林 2015年03月15日湖南科技大学2015届毕业设计（论文）开题报告题 目CK6140车床刀架系统设计作者姓名王金思学号1103010324所学专业机械设计制造及其自动化1、 研究的意义，同类研究工作国内外现状、存在问题（列出主要参考文献）、研究的意义：数控机床（Numerical Control Machine）是电子信息技术和传统机械加工技术结合的产物，它集机械制造技术、信息技术、计算机技术、微电子技术和自动化技术等多学科为一体，具有高效率、高精度、高自动化和高柔性的特点，是当代制造业的重要装备。本次毕业设计的课题就是数控车床CK6140车床刀架系统的设计。数控转塔刀架是加工中心、数控车床必备的机床附件，尤其适用全功能数控车床。当前，数控机床发展迅猛，一方面向高速、高效、高精度方面发展，同时，在制造行业中广泛存在原有设备的数控改造和系统升级问题。作为关键附件，高性能的数控转塔刀架对于提高机床整体运行的可靠性、稳定性和效率有着重要意义，数控转塔刀架是由数控系统来控制的，因此，数控车床的刀架设计的好与坏、效率高与低将直接影响到产品的加工时间和质量，进而影响到制造业的飞速发展。参考文献:1、黄国权、数控技术、哈尔滨、哈尔滨工程大学出版社、2013年，P1、国内外现状： 国外数控车床的发展目的在于提高加工精度和缩短制造周期。实现上述目的之手段是实现机床多功能化和工序工种集成，开发多种多样复合化加工的机种，如增添铣削功能的复合加工车削中心、双主轴多刀塔(双刀塔或四刀塔)数控车床和车削中心、双主轴同步驱动，双刀塔同时进行加工车削中心、五轴联动车铣复合中心、车磨复合加工机床、具有车、铣、镗、磨和激光热处理多种功能的高度复合化的复合加工中心等等。我国数控车床经过多年的发展，特别是近几年迅速的发展，与国际先进水平的差距在逐年缩小。对于某些依赖于进口的高档数控车床，如高精度数控车床和车削中心(主轴径跳轴跳0.001mm)、适用耐热合金和钛合金零件加工的大功率、高扭矩数控车床和车削中心等等要加强产品开发研究攻关，突破其核心技术。、存在问题：近年来，我国从日、德、美、西班牙等国家先后引进数控机床先进技术和合作、合资生产，解决了机床的可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、多轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与世界先进技术仍存在很大的差距。2、研究目标、内容和拟解决的关键问题（根据任务要求进一步具体化）、研究目标：CK6140车床刀架系统的设计、研究内容：分析确定CK6140车床刀架系统的整体传动方案；刀架系统结构的总体方案设计；零部件的校核与设计相关的计算；装配图的设计、零件工作图的设计；本设计的优缺点分析；典型零件加工工艺及图形交互式（CAD/CAM）或手工数控程序编制；外文资料的翻译。、拟解决的关键问题：（1） 刀盘抬起；（2） 刀架锁紧；（3） 刀盘转位；其中，刀盘抬起和刀架锁紧由液压来实现，而刀盘转位则由伺服电机来驱动。2、 特色与创新之处 随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。本设计创新店在于：1、采用单作用液压缸来实现刀架的抬起动作；采用碟形弹簧复位夹紧，端齿盘实现刀架精确定位。2、采用圆柱凸轮分度机构实现间歇运动，其中从动盘与刀架轴采用花键联接，刀架轴与刀架采用螺钉来固定，从而实现刀架的转位动作。3、采用减速电机驱动动力刀具旋转，刀具传动机构中采用齿轮传动来提高效率。3、 拟采取的研究方法、步骤、技术路线 首先，在1月到3月之间进行初步设计，想出总体方案,拟定开题报告。并利用寒假时间进行知识储备，技术储备。 其次，在3月到4月之间进行详细设计，通过查阅资料，掌握数控机床结构，在老师的协助下完成全部刀架设计，并利用Auto-CAD画出重要零件图和装配图，写出设计说明书。最后，在5月份，查漏补缺，完善毕业设计。 4、 拟使用的主要设计、分析软件及仪器设备 Auto-CAD计算机辅助绘图软件6、参考文献1、黄国权、数控技术、哈尔滨、哈尔滨工程大学出版社、2013年，P1；2、关慧贞、冯辛安、机械制造装备设计第3版、北京、机械工业出版社、2009年；3、陈婵娟、数控车床设计、北京、化学工业出版社、2006年4、王爱玲、白恩远等、现代数控机床、北京、国防工业出版社、2003年5、盛晓敏、邓朝晖、先进制造技术、北京、机械工业出版社、2002年注：1、开题报告是本科生毕业设计（论文）的一个重要组成部分。学生应根据毕业设计（论文）任务书的要求和文献调研结果，在开始撰写论文之前写出开题报告。2、参考文献按下列格式（A为期刊，B为专著）A：序号、作者（外文姓前名后，名缩写，不加缩写点，3人以上作者只写前3人，后用“等”代替。）、题名、期刊名（外文可缩写，不加缩写点）年份、卷号（期号）：起止页码。B：序号、作者、书名、版次、（初版不写）、出版地、出版单位、出版时间、页码。3、表中各项可加附页。湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计（ 论 文 ）题 目CK6140车床刀架系统设计作者王金思学院机电工程学院专业机械设计制造及其自动化学号1103010324指导教师万林林 二五年五月二十六日湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书 机电工程学 院 机械设计制造及其自动化 系（教研室）系（教研室）主任: （签名） 2015 年 1 月 30 日学生姓名: 王金思 学号: 1103010324专业: 机械设计制造及其自动化 1 设计（论文）题目及专题：CK6140车床刀架系统设计2 学生设计（论文）时间：自 2015年 1月30 日开始至 2015 年5月 25 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料：上一学期所搜集的相关文献资料；相关教材及机械设计、工艺手册；要求熟练使用AutoCAD、PRO/E绘图软件。4 设计（论文）应完成的主要内容： 分析确定CK6140车床刀架系统的整体传动方案；刀架系统结构的总体方案设计；零部件的校核与设计相关的计算 ；装配图的设计、零件工作图的设计；本设计的优缺点分析 ；典型零件加工工艺及图形交互式（CAD/CAM）或手工数控程序编制 ；编写设计说明书；5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：零件图、装配图（Pro/E或AutoCAD完成），折合0号图2.5张；编写的设计说明书不少于40页 ；课题相关论文的翻译（英译中，不少于2000字）一篇 ；典型零件的数控加工程序；6 发题时间： 2014 年 1 月 30 日指导教师： （签名）学 生： （签名）湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）指导人评语主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价指导人： （签名）年 月 日 指导人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）评阅人评语主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价评阅人： （签名）年 月 日 评阅人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）答辩记录日期： 学生： 学号： 班级： 题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1 设计（论文）说明书共页2 设计（论文）图 纸共页3 指导人、评阅人评语共页毕业设计（论文）答辩委员会评语：主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价答辩委员会主任： （签名）委员： （签名）（签名）（签名）（签名） 答辩成绩： 总评成绩： 摘 要数控车床的刀架是机床的重要组成部分，刀架用于夹持切削用的刀具，其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。因此数控车床的刀架设计的好与坏、效率的高与低将直接影响到产品的加工时间和质量，进而影响到制造业的飞速发展。CK6140型数控车床是经济型数控车床，进给系统为交流伺服驱动，适用于轴类及盘类零件的加工，能自动完成对零件的内外圆柱面、端面。任意锥面及螺纹切削等工序的连续加工，尤其对台阶轴或带有锥面、圆弧面等表面复杂的零件的加工更能显示其优越性，对多品种批量零件的轮番加工具有较高的生产效率。本课题为CK6140六工位回转刀架系统设计，该刀架能够在一次装夹中完成多道工序，使加工范围扩大，大大提高了加工精度和生产效率。关键词：数控车床；零件加工；刀架设计ABSTRACTCNC lathes tool carrier is an important part of machine.Knife used for cutting tool clamping,its structure directly affect the efficiency of machine tools,cutting and cutting.therefore ,CNC lathe turret design is good or bad,high efficiency or low will have a direct impact on processing time and quantity of the product,thereby affecting the rapid development of manufacturering sector.CNC lathe CK6140is a type of economical lathe.Its feed system is intercourse servo-system.Its suit to machine some parts like axis and plate and it can machines inside and outside surfaces of cylinder side surface、arbitrarily of cone anf whorl cutting consistently ,especially its more suit to machine step axis 、roundness、cambered surface and more parts with complicate surface .Like this can show its superiority .It has a high efficiency to machine various batch of parts repetitively.The subject is CK6140 tool turret six heads system design.It can complete several processes in a single clamping to expand the range of processing anf greatly improve the machining accuracy and pruductive efficiency. Keywords:CNC lathe ;parts machining ;turret design 目 录第一章 前言1 1.1 毕业设计的背景及目的1 1.1.1 设计背景1 1.1.2 设计目的11.2 国内外数控车床的研究状况和成果11.3 研究内容和设计构成3 1.3.1 研究内容3 1.3.2 技术参数4 1.3.3 设计过程4第二章 车床总体布局设计6 2.1 床身的结构布局6 2.2 床身结构的选择72.3 导轨的选择72.4 刀架的选择82.5 主轴变速系统92.6 进给传动系统9第三章 车床刀架结构设计及计算11 3.1 车床刀架的功能类型和应满足的要求11 3.1.1 车床刀架的功能11 3.1.2 机床刀架和自动换刀装置的类型11 3.1.3 机床刀架应满足的要求123.2 车床刀架总体方案设计与选择13 3.2.1 刀架的整体方案设计13 3.2.2 刀架的转位机构方案设计13 3.2.3 刀架定位机构方案设计143.3 车床刀架的工作原理15 3.4 刀架的设计计算16 3.4.1 驱动刀架的伺服电机的选择计算16 3.4.2 蜗轮蜗杆的设计计算19I 3.4.3 刀架主轴的结构设计计算23第四章 车床液压系统的设计与计算254.1 刀架液压控制系统液压泵及油泵电动机的选择计算25 4.1.1 液压油泵的选择25 4.1.2 油泵电动机功率的选择计算25 4.2 液压缸的设计27 4.2.1 选择液压缸类型27 4.2.2 液压缸内径D和活塞杆直径d的计算27 4.3 车床液压系统的设计28 4.3.1 液压回路的选择28 4.3.2 拟定液压系统图28 4.3.3 液压系统的控制原理29第五章 微机控制系统的设计31 5.1 系统的设计要求315.2 硬件电路方案的确定31 5.2.1 中央处理器CPU的简介及选择32 5.2.2 存储器的扩展与CPU的连接33 5.2.3 译码电路34 5.2.4 I/O扩展电路 34 5.2.5 键盘、显示器接口电路35 5.2.6 时钟、复位电路35 5.2.7 步进电机驱动电路35第五章 结论39参考文献40致谢41I湖南科技大学本科生毕业设计（论文）第一章 前言1.1 毕业设计的背景及目的1.1.1 设计背景制造业是国民经济发展的支柱产业，也是科学技术发展的载体及使其转化为规模生产力的工具与桥梁。装备制造业是一个国家综合制造力的集中体现，重大装备研制能力是衡量一个国家工业化水平和综合国力的重要标准。我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之问的差距。1.1.2 设计目的通过这次毕业设计，可以达到以下目的:1、培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力；2、强化工程实践能力和意识，提高本人综合素质和创新能力；3、使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练，提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力；4、培养正确的设计思想和工程经济观点、理论联系实际的工作作风、严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。 1.2 国内外数控车床的研究状况和成果 1949年帕森公司正式接受美国空军委托，在麻省理工学院伺服机构试验室的协助下，开始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，于1952年试制成功世界第一台数控机床试验性样机，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- 1 -床，这便是数控机床的第一代。 1953年，美国空军与麻省理工学院协作，开始从事计算机自动编程的研究，这就是创制APT(Automatically Programmed Tools )自动编程系统的开始。 1955年，美国空军花费巨额经费订购了大约100台数控机床，此后两年，数控机床在美国进入迅速发展阶段,市场上出现了商品化数控机床。1958年，美国克耐杜列克公司(Keaney & Trecker Co.)在世界上首先研制成功带自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。 1959年，计算机行业研制出晶体管元器件，因而数控装置中广泛采用晶体管和印制电路板，从而跨入第二代数控时代。同时美国航空工业协会(AIA)和麻省理工学院发展了APT程序语言。 1960年以后，点位控制机床在美国得到迅速发展,数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到冲压机、绕线机、焊接机、火焰切割机、包装机和坐标测量机等，在程序编制方面，已由手工编程逐步发展到采用计算机自动编程。除了APT数控语言外，又发展了许多自动骗程语言。 从1960年开始，德国、日本等先进工业国家都陆续开发，生产及使用了数控机床。至1965年，出现了小规模集成电路。由于它体积小、功耗低、使用数控系统的可靠性得以进一步提高，数控系统发展到第三代。 1967年，英国首先把几台数控机床联接成具有柔性的加工系统，这就是最初的FMS(Flexible Manufacturing System，柔性制造系统)。之后，美、欧、日也相继进行开发与应用。 1970年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974年美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。近20年来，微处理机数控系统的搂控机床得到飞速发展和广泛应用，这就是第五代数控系统(MNC)。20世纪80年代初，国际上又出现了柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 。我国从1958年开始研究数控机床，一直到20世纪60年代中期还处于研制，开发时期。当时，一些高等院校、科研单位研制出试验样机，是从电子管起步的。1965年，国内开始研制晶体管数控系统。20世纪60年代末至70年代初研制成了劈锥数控铣床，数控非圆齿轮插齿机。CIL18晶体管数控系统及Z53K1G立式数控铣床。从20世纪70年代开始，数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平差，致使数控系统的可靠性,稳定性末行到解决，因此末能广泛推广。20世纪80年代，我国从昌本发那科公司引进了3、5、6、7等系列的数控系统和直流伺服电机、直流主轴电机等制造技术、以及引进美国GE公司的MCI系统和交流伺服系统、德国西门子VS系列可控硅调速装置，并进行了商品化生产。这些系统可靠性高，功能齐全。与此同时，还自行开发了3、4、5轴联动的数控系统以及双电机驱动的同步数控系统(用于火焰切割机)和新品种的伺服电机，推动了我国数控机床稳定发展，使我国数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。1985年，我国数控机床的品种有了新的发展。数控机床品种不断增多，规格齐全。许多技术复杂的大型数控机床，重型数控机床都相继研制出来。为了跟踪国外现代制造技术的发展，北京机床研究所研制出了JCS-FMS-1型和2型的柔性制造单元和柔性制造系统。这个时期，我国在引进，消化国外技术的基础上，进行了大量开发工作。一些较高档次的数控系统(5轴联动)，分辨率为0.02um的高精度数控系统，数字仿型数控系统为柔性单元配套的数控系统都开发出来了，并造出样机。我国的数控技术经过“六五”、“七五”、“八五”、到“九五”的近20年的发展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发，生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业。“十五”攻关开发的成果：华中号、中华号、航天号和蓝天号，这4种基本系统建立了具有中国自主版机的数控技术平台。具有中国特色济型数控系统经过这些年来的发展，有了较大的提高。它们逐渐被用户认可，在市场上站住了脚。目前我国数控机床生产厂有100多家，生产数控机床配套产品的企业有300余家，产品品种包括八大类2000种以上。目前已新开发出数控系统80余种，分为3种型级，即经济型、普及型和高级型。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段，数控机床新开发品种300余种，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到期际上20世纪80年代中期水平，部分达到90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。1.3 研究内容和设计构成1.3.1 研究内容本课题设计数控车床CK6140车床回转式刀架系统，用于对回转零件的圆柱面、圆弧面、圆锥面、端面、切槽、及各种公、英制螺纹等进行批量、高效、高精度的自动加工。该数控车床可以用于机械、汽车、航空航天等领域，实现加工自动化，提高产品质量，提高生产效率。本次设计的主要内容为：1、分析确定CK6140车床刀架系统的整体传动方案；2、刀架系统结构的总体方案设计；3、零部件的校核与设计相关的计算；4、装配图的设计、零件工作图的设计；5、本设计的优缺点分析；6、典型零件加工工艺及图形交互式（CAD/CAM）或手工数控程序编制；7、外文资料的翻译。1.3.2 技术参数CK6140数控车床回转刀架的结构设计及其液压控制系统的设计为本次毕业设计的重点内容，同时也是难点。通过广泛查阅文献资料，参观数控车床实物样机以及组内学习相互讨论等途径，确定其主要技术参数如表1.1所示：表1.1 CK6140数控车床主要技术参数主要参数CK6140中心高（mm)205最大回转直径（mm）400刀架最大回转直径210刀架最大回转行程280转速50HZ25-1600 12级刀杆截面尺寸（mm）纵向进给量（mm）0.04-2.16mm顶尖套内孔锥度Mt4顶尖套最大移动量130mm横向最大移动量电机kw4.5中心距750主机外形重量16001.3.3 设计过程本次设计中，设计的重点部分是CK6140数控车床的刀架系统，通过查阅资料和亲临现场的观察和总结，再加上几个月的努力，终于可以拟定并最终做好设计。 设计途径：1、参数修正，查阅资料和观察实物，然后最终确定参数； 2、设计刀架结构，拟用液压控制系统来实现刀盘抬起和刀盘锁紧定位， 而刀盘的分度转位由伺服电机驱动； 3、熟悉液压控制系统结构，加深对数控编程的学习。研究内容：使用液压缸驱动刀架的抬起和锁紧，重点是对结构的理解和多齿盘进行定位的把握，还有对控制的掌握，进行必要的计算，通过大量的查阅资料，进行对比挑选，争取选出比较理想的方案，还要加重对刀架的结构设计。第二章 车床总体布局设计2.1 床身的结构布局床身的结构对机床的布局有很大影响。床身是机床的主要承载部件，是机床的主体，若采用不同布局，就会导致车床床身构造和形状不同。本次研究的数控车床床身采用卧式斜床身结构。因为车床的床身是整个车床的基础支承件，是车床的主体，一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件。床身的结构对车床的布局有很大的影响。按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身的结构有后斜床身-斜滑板、直立床身-直立滑板、平床身、-平滑板、前斜床身-平滑板和平床身-斜滑板等五种，它们各自有自己的优点和局限性，采用什么样的床身要根据实际情况定。一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多。只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身平滑板结构，而立床身结构采用得较少。平床身工艺性好，易于加工制造，由于车床刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处,，但床身下部空间小，排屑回难。平床身斜滑板结构，再配置向上倾斜导轨防护罩，这样既保持了平床身工艺性好的优点，而且床身宽度也不会太大。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛采用，是因为这种布局有以下的优点：1） 易实现机电一体化；2） 机床外观整齐,美观,占地面积小；3） 容易设置封闭式防护装置；4） 容易排屑和安装自支排屑器；5） 从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度；6） 宜人性好,便于操作；7） 便于安装机械手，实现单机自动化。机床床身的五种结构形式图2.1所示： (a) 斜床身斜滑板 (b) 直立床身直立滑板 (c) 平床身平滑板 (d) 前斜床身平滑板 (e)平床身斜滑板图2.1 床身结构示意图2.2 床身结构的选择鉴于斜床身有前述优点，本设计拟选用此种床身形式。而目前的斜床身按与地面相交角度，一般分为30、45、60、75等，其中30、45形式多为小型数控车床采用，75形式经常为大型数控车床采用，而60形式则为大多数中等规格数控车床所采用。CK6140，从规格上讲，应属于中等常用规格，故初步选择60斜床身形式。采用60斜床身与35、45相比，占地面积小，便于排屑；与75斜床身相比，当采用同样的材料、相同的筋板布置形式时，60斜床身比75斜床身刚度可提高25%30%，另外，机床整体布局合理，长宽高比例适宜，因此选择60床身结构是合适的。按设计要求选择导轨跨距后，因下导轨靠近主轴轴线，故选用下导轨作为导向和主要支承导轨。为降低扭转力矩，保证加工精度，使纵向滚珠丝杠位置在上下导轨之间。由于本设计要求加工工件较长，故采用镶钢导轨，材料40Cr，淬火后用螺栓固定在床身上进行精密磨削加工。总之，床身向后倾斜与地面成60角，集合了斜床身和平床身的优点，为机床实现机电一体化的合理布局创造了条件，形成外形美观、结构合理，别具一格的形式。所谓机床布局是根据工件的工艺分类所需运动和主要技术参数而确定各部件的相对位置，并完成工件和刀具的相对运动，保证加工精度，方便操作、调整和维修。无论采用哪种布局形式，都要求外型美观，并满足上述要求，由于现代数控车床一般均采用全封闭式防护装置。因此，机床外型的美观性，显得特别重要。而机床的结构，各部件的布局形式，将直接影响外型的美观性，可以说，机床的布局确定了，外观造型也就基本确定了，布局必须使整机结构紧凑，以节省占地面积和空间。2.3 导轨的选择车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。 滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大、磨损快、动静摩擦系数差别大、低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。 导轨刚度的大小、制造是否简单、能否调整、摩擦损耗是否最小以及能否保持导轨的初始精度，在很大程度上取决于导轨的横截面形状。车床滑动导轨的横截面形状常采用山形截面和矩形截面。山形截面，如图2.3(a)所示。这种截面导轨导向精度高，导轨磨损后靠自重下沉自动补偿。下导轨用凸形有利于排污物，但不易保存油液。矩形截面，如图2.3(b)所示。这种截面导轨制造维修方便，承载能力大，新导轨导向精度高，但磨损后不能自动补偿，需用镶条调节，影响导向精度。 a) 山形截面 b) 矩形截面图2.3 导轨截面滚动导轨的优点是摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。数控车床导轨的行程一般较长，因此滚动体必须循环。根据滚动体的不同，滚动导轨可分为滚珠直线导轨和滚柱直线导轨，如图2.4所示。后者的承载能力和刚度都比前者高，但摩擦系数略大。a) 滚珠直线导轨 b) 滚柱直线导轨图2.4 滚动导轨2.4 刀架的选择数控车床的刀架采用回转刀架，如图2.5所示。回转刀架的换刀分为刀盘抬起、刀架锁紧和刀盘转位三个动作。其中刀盘抬起和刀架锁紧由液压控制来实现，而刀盘转位则由伺服电机来驱动。刀盘抬起动作的实现须经以下步骤：数控系统发出刀盘抬起命令液压系统启动压力油进入液压缸右腔活塞向左运动刀架主轴向左移动端齿盘脱离啮合刀盘抬起。刀盘转位动作的实现顺经以下步骤：数控系统发出刀盘转位的命令伺服电机启动蜗轮蜗杆转动刀架主轴转动实现刀盘转位。刀盘锁紧动作的实现顺经以下的步骤： 数控系统发出刀盘锁紧命令液压系统启动压力油进入液压缸左腔活塞向右运动刀架主轴向右移动端齿盘啮合实现刀盘锁紧。图2.5 回转刀架示意图2.5 主轴变速系统 经济型数控车床大多数是不能自动变速的，需要变速时，只能把机床停止，然后手动变速。而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮(以获得更大的转矩)带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。主轴电机在额定转速时可输出全部功率和最大转矩。2.6 进给传动系统数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。 开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。 全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。第三章 车床刀架结构设计及计算3.1 车床刀架的功能、类型和应满足的要求3.1.1 车床刀架的功能机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架，转塔车床的转塔刀架，回轮式转塔车床的回轮刀架，自动车床的转塔刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力作用，所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。随着自动化技术的发展，机床的刀架也有了许多变化，特别是数控车床上采用电(液)换位的自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，定现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。这种刀库和换刀机械手组成的自动换刀装置，就成为加工中心的主要特征。3.1.2 机床刀架和自动换刀装置的类型机床刀架的类型，按照安装刀具的数目，可分为单刀架和多刀架，例如自动车床上的前、后刀架和天平刀架；按结构形式可分为方刀架、转塔刀架、回轮式刀架等；按驱动刀架转位的动力可分为手动转位刀架和自动（电动和液动）转位刀架。自动换刀装置的刀库和换刀机械手，驱动都是采用电气或液压自动实现的。目前自动换刀装置主要用在加工中心和车削中心上，但在数控磨床上自动更换砂轮，电加工机床上自动更换电极，以及数控冲床上自动更换模具等的应用也日渐增多。数控车床的自动换刀装置主要采用回转刀盘，刀盘上安装812把刀。有的数控车床采用两个刀盘，实行四坐标控制，少数数控车床也具有刀库形式的自动换刀装置。图3.1a是一个刀架上的回转盘，刀具与主轴中心平行安装，回转刀盘既有回转运动又有纵向进给运动（S纵）和横向进给运动（S横）。图3.1b为刀盘中心线相对于主轴中心线倾斜的回转刀盘，刀盘上有68个刀位可安装两把刀具，分别加工外圆和内孔。图3.1c所示为装有两个刀盘的数控车床，刀盘1的回转中心与主轴中心线平行，用于加工外圆；刀盘2的回转中心线与主轴中心线垂直，用以加工内表面。图3.1d是带刀库的数控车床，刀库可以式回转式或链式，通过机械手交换刀具。图3.1e是带鼓轮式刀库的车削中心，图中3为回转刀盘，上面装有多把刀具，4是鼓轮式刀库，其上可装68把刀，5是机械手交换刀具，可将刀库中的刀具换刀刀具转轴6上去，6可由电动机驱动回转进行铣削加工，7为回转头，可交换采用回转刀盘3和刀具转轴6，轮翻进行加工。图3.1 数控车床上的自动换刀装置3.1.3 机床刀架应满足的要求 (1) 满足工艺过程所提出的要求。机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀架能够布置足够多的刀具，而且能够方便而正确地加工各工件表面， 为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地转位。 (2) 在刀架以要能牢固地安装刀具，在刀架上安装刀具进还应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。以保证刀具和工件间准确的相对位置。刀架的运动精度将直接反映到加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上，为此，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀架运转的终点到位应准确。面且这种精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。 (3) 刀架应具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较复杂，而且有些刀架还直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀架必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。 (4) 可靠性高。由于刀架在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也高，所以必须充分重视它的可靠性。 (5) 刀架是为了提高机床自动化而出现的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以利于提高生产率。目前自动换刀装置的换刀时间在0.86秒之间不等。而且还在进一步缩短。 (6) 操作方便和安全。刀架是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀架设计好坏的指标。刀架上应便于工人装刀和调刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整刀架的手柄（或手轮）要省力，应尽量设置在便于操作的地方。3.2 车床刀架总体方案设计与选择3.2.1 刀架的整体方案设计 刀架是车床的重要组成部分，用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响到车床的切削性能和切削效率。根据前部分对机床刀架类型、性能及其使用场合的综合比较，并结合现有数控车床的实例，本次设计的数控车床CK6140拟采用回转刀架中的六工位六方刀架。该刀架的换刀动作分为刀盘抬起、刀盘分度转位和刀盘锁紧三个步骤，其中刀盘抬起和刀盘锁紧定位由液压控制来实现，而刀盘的分度转位由伺服电机驱动。3.2.2 刀架的转位机构方案设计一般来说，机床刀架的转位机构主要有以下几种： (1) 液压（或气动）驱动的活塞齿条齿轮转位机构 这种由液动机驱动的转位机构调速范围大、缓冲制动容易，转位速度可调，运动平稳，结构尺寸较小，制造容易，因而应用较广泛。而转位角度大小可由活塞杆上的限位档块来调整。也有采用气动的，气动的优点是结构简单，速度可调，但运动不平稳，有冲击，结构尺寸大，驱动力小。故一般多用于非金属切削的自动化机械和自动线的转位机构中。 (2) 圆柱凸轮步进式转位机构 这种转位机构依靠凸轮轮廓强制刀架作转位运动，运动规律完全取决于凸轮轮廓形状。圆柱凸轮是在圆周面上加工出一条两端有头的凸起轮廓，从动回转盘（相当于刀架体）端面有多个柱销，销子数量与工位数相等。当圆柱凸轮按固定的旋转方向运动时，有的柱销会进入凸轮轮廓的曲线段，使凸轮开始驱动回转盘转位，与此同时有的圆柱销会与凸轮轮廓脱离，当柱销接触的凸轮轮廓由曲线段过渡到直线段时，即使凸轮继续旋转，回转盘也不会转动，即完成了一次刀盘分度转位动作。如此反复下去，就能实现多次的刀架换刀操作。由于凸轮是一个两端开口的非闭合曲线轮廓，所以当凸轮正反转进均可带动刀盘正反两个方向的旋转。这种转位机构转位速度高、精度较低，运动特性可以自由设计选取但制造较困难、成本较高、结构尺寸较大。这种转位机构可以通过控制系统中的逻辑电路或PC程序来自动选择回转方向，以缩短转位辅助时间。 (3) 伺服电机驱动的刀架转位 随着现代技术的发展，可以采用直流（或交流）伺服电机驱动蜗杆、蜗轮（消除间隙）实现刀架转位，转位的速度和角位移均可通过半闭环反馈进行精确控制加以实现。因而这种转位机构转位速度可以进行精确控制、精度高，结构简单、实现容易。所以在现代数控机床中被广泛采用。 结合上述三种转位机构的转位机理和特点，并结合实际情况，本次设计的数控车床CK6140决定采用第三种转位机构-伺服电机驱动的刀架转位。3.2.3 刀架定位机构方案设计目前在刀架的定位机构中多采用锥销定位和端面齿盘定位。因为圆柱销和斜面销定位时容易出现间隙，而圆锥销定位精度较高，它进入定位孔时一般靠弹簧力或液压、气动，即使磨损后仍可以消除间隙，以获得较高的定位精度。端齿盘定位由两个齿形相同的端面齿盘相啮合而成，由于啮合时各个齿的误差相互抵消，起着误差均化的作用，定位精度高。端齿盘定位的特点：（1）定位精度高。由于端齿盘定位齿数多，且沿圆周均布，向心多齿结构，经过研齿的齿盘其分度精度一般可达左右，最高可达以内。一对齿盘啮合时具有自动定心作用，所以中心轴的回转精度、间隙及磨损对定心精度几乎没有影响，对中心轴的精度要求低，装配容易。（2）重复定位精度好。由于多齿啮合相当于上下齿盘齿的反复磨合对研，越磨合精度越高，重复定位精度也越好。（3）定位刚性好，承载能力大。两齿盘多齿啮合。由于齿盘齿部强度高，并且一般齿数啮合率不少于90%，齿面啮合长度不少于60%，故定位刚性好，承载能力大。考虑到端面齿盘具有以上的各种优点，因而本次设计的刀架采用端面齿盘定位。3.3 车床刀架的工作原理下图所示为回转刀架的结构图，刀架的松开和夹紧以及刀盘的分度转位分别由液压系统和直流伺服电机来实现。7为安装刀具的刀盘，它与主轴3固定连接，当刀架主轴3带动刀盘7旋转时，其上的端齿盘5和固定在刀盘上的端齿盘6脱开，旋转指定刀位后，刀盘的定位由端齿盘的啮合来完成。活塞1支承在一对推力球轴承上，它们可以通过推力球轴承带动刀架主轴来移动。当车床数控系统发出换刀指令后，刀架上的液压缸右腔通入压力油，活塞1及轴3在压力油推动下向左移动，通过刀架主轴使端齿盘5和6脱开啮合，实现刀盘抬起动作。随后伺服电机启动，带动蜗杆4和蜗轮2转动，经刀架主轴3带动刀架的刀盘旋转，实现刀架换刀动作，转位的速度和角位移均通过半闭环反馈系统进行精确控制。当刀盘旋转到指定的刀位后，数控系统发出信号，指令伺服电机停转，这时，压力油进入液压缸的左腔，推动活塞1和刀架主轴3向右移动，使端齿盘5和6重新啮合，实现刀盘锁动作。刀盘被定位夹紧并向数控系统发出信号，于是刀架的转位、换刀循环完成。在车床自动工作状态下，当指定换刀的刀号后，数控系统可以通过内部的运算判断，实行刀盘就近转位换刀，即刀盘既可正转也可以反转。但当手动操作车床时，从刀盘方向观察，只允许刀盘顺时针转动换刀。1-活塞 2-蜗轮 3-主轴 4-蜗杆 5-右端齿盘 6-左端齿盘 7-刀盘图3.2 数控车床回转刀架结构图3.4 刀架的设计计算3.4.1 驱动刀架的伺服电机的选择计算刀架驱动电动机的选择应同时满足刀架运转的负载扭矩和起动时的加速扭矩的要求。(1) 刀架负载扭矩的计算回转刀架负载扭矩估算方法如下：由于这种刀架的负载扭矩主要用来克服刀具质量的不平衡，估算按如下的情况进行：用平均重力的刀具插满刀盘的半个圆，根据工艺要求所需的各种刀具，确定每个刀具的（包括刀柄）平均重力，而其重心则设定为离刀架回转中心2/3半径处。由以上的方法可知，由于该数控车床采用的是伺服电机驱动转为的六工位回转刀架，因而插满刀盘的半个圆需要3把刀具。设工艺要求所需的每个刀具的平均重力；刀盘的回转中心直径。则有 （3.1）(2) 刀架加速扭矩的计算 （3.2） 式中 刀架换刀时的电动机转速(r/min)； 加速时间，通常取150； 电动机转子惯量()，可查样本； 负载惯量折算到电动机轴上的转动惯量()。则有 (3) 负载惯量折算到电动机轴上的转动惯量的计算 （3.3） 式中 -各旋转件的转动惯量()； -各旋转件的角速度()； -各直线运动件的质量()； -各直线运动件的速度()； -伺服电机的角速度()。(4) 各旋转件的转动惯量的估算由刀架的结构简图可知，刀架在完成换刀动作时，伺服电机带动其旋转的部件共3个,它们分别是蜗轮蜗杆副、刀架主轴和刀盘。因而只需估算这三者的传动惯量即可。1) 刀盘转动惯量的计算刀盘采用烟台环球公司生产的AK31系列数控转塔刀架的配套产品，其主要尺寸如下：刀盘外径；刀盘刀架主轴相连的孔径；刀盘宽。则刀盘的转动惯量 (3.4) =2) 刀架主轴转动惯量的计算刀架主轴的转动惯量按如下的方法估算：刀架主轴的最大直径；最小直径；刀架主轴长度取。则刀架主轴的转动惯量 (3.5) =3) 蜗轮蜗杆转动惯量的计算 蜗轮蜗杆的转动惯量的估算方法如下：设蜗轮的分度圆直径；其与刀架主轴相连的孔径；蜗轮齿宽。则蜗轮的转动惯量 (3.6) =设蜗杆的分度圆直径；蜗杆长。则蜗杆的转动惯量 (3.7) =4) 连轴器转动惯量的计算由于连轴器已标准化，查表取连轴器的转动惯量。 5) 对各旋转件的角速度作如下设定：伺服电机的角速度 ；蜗杆的角速度 ；蜗轮的角速度 ；刀架主轴的角速 ；刀盘转位时的角速度 。则将以上计算所得的数据代入下式： 得负载惯量折算到电动机轴上的惯量 (3.8) =取；刀架换刀时伺服电机的转速；伺服电动机转子转动惯量。则刀架加速扭矩 (3.9) =0.326) 驱动电动机输出转矩的计算驱动电动机的输出扭矩应同时满足刀架负载扭矩和加速扭矩之和，将以上计算的刀架负载扭矩和加速扭矩换为驱动电动机轴上的输出扭矩的公式为： （3.10）式中 -传动效率 取0.75。则有 （3.11）考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂，电动机额定转矩应为的倍。所以取 （3.12）经查阅西门子电机手册，拟选用西门子1FT6交流伺服电动机。该电机的额定转速为1500r/min，额定输出转矩为5N.m，额定功率为0.4kW。3.4.2 蜗轮蜗杆的设计计算1、各参数的取定本刀架的转位机构是采用直流伺服电机驱动蜗杆、蜗轮（消除间隙）实现刀架的转位，其中蜗轮蜗杆副的传动比取60，伺服电机的转速取1400；刀架的转位速度设计为，由于刀盘为六工位刀盘，则该刀架换一次刀的最大耗时不到。2、 蜗轮蜗杆副的设计计算设计的普通圆柱蜗杆传动的功率为，蜗杆的转速为，传动比为，传动反向，工作载荷稳定，但有不大的冲击，要求设计寿命为。对蜗轮蜗杆的设计计算如下；(1) 选择蜗杆传动类型根据的推荐，采用渐开线蜗杆（）。(2) 选择材料根据库存材料的情况，并考虑到蜗杆传递的功率不大，速度只是中等，故蜗杆用45钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为40-45 HRC。蜗轮用铸锡磷青铜，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。(3) 按齿面接触疲劳强度进行设计根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。 （3.13）1) 确定作用在蜗轮上的转矩按，估取效率，则 =98369.1 （3.14）2) 确定载荷系数因为工作载荷稳定，故取载荷分布不均系数为；由文献9中表11-5选取使用系数；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数；则 = （3.15）3) 确定弹性影响系数 因为选用的是铸锡磷青铜蜗轮和45钢蜗杆相配，故。4) 确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距a的比值，从文献9图11-18中可查得=。5) 确定许用接触应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，可从文献9表11-7中查得蜗轮的基本许用应力为。应力循环次数 （3.16）寿命系数 （3.17）则 （3.18）6) 计算中心距 （3.19）取中心距a=80mm，因故从文献9表11-2中取模数为m=2mm，蜗杆分度圆直径。这时，从文献9图11-18中可查得接触系数，因为，因此以上计算的结果可用。(4) 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸1) 蜗杆 轴向齿距 （3.20）直径系数 （3.21)齿顶圆直径 (3.22)齿根圆直径 (3.23)分度圆导程角 (3.24) 蜗杆轴向齿厚 (3.25)图3.3 蜗杆的结构图2） 蜗轮 蜗轮齿数 ；变位系数 验算传动比，这时传动比误差为，是允许的。蜗轮分度圆直径 (3.26) 蜗轮喉圆直径 (3.27)蜗轮齿根圆直径 (3.28)蜗轮咽喉母圆半径 (3.29)图3.4 蜗轮的结构图（5）校核齿根弯曲疲劳强度 (3.30) 当量齿数 (3.31) 根据，从文献9图11-19中可查得齿形系数。螺旋角系数 (3.32) 许用弯曲应力 (3.33) 从文献9表11-8中查得由制造的蜗轮的基本许用弯曲应力寿命系数 (3.34) (3.35) (3.36) 弯曲强度满足要求。（6）精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从GB/T100891988圆柱蜗杆、蜗轮精度中选择8级精度，侧隙种类为f，标注为8f GB/T100891988。然后由有关手册查得要求的公差项目及表面粗糙度，此处从略。3.4.3 刀架主轴的结构设计计算 由刀架装配图可知，刀架主轴的支承方式为两端游动支承，其一端与刀盘固连，另一端与液压缸的活塞间隙配合，同时起到左端支承作用。而轴的中间部位由刀盘至液压缸的方向分别与圆柱滚子轴承和蜗轮相连，圆柱滚子轴承起右支承作用。已知伺服电机的功率为0.3kW，电机转速，取经蜗轮蜗杆副传动的效率，蜗轮蜗杆副的传动比。（1） 先求出刀架主轴上的传递功率、转速和转矩 (3.37) (3.38) 于是 (3.39) （2） 初步确定轴的最小直径 由式 (3.40) 可初步估算设计轴的最小直径。 式中：为系数，轴的材料不同，则的值会不同； 为轴传递的功率，单位为； 为计算截面处轴的直径，单位为mm； 为轴的转速，单位为；选取轴的材料为45钢，调质处理。根据文献9表15-3，取，于是得 (3.41) 从而取轴的最小直径为；轴的最大直径为。图3.5 刀架主轴结构图第四章 车床液压系统的设计与计算4.1 刀架液压控制系统液压泵及油泵电动机的选择计算由于该刀架刀盘的松开和夹紧均由液压系统通过液压缸活塞的往反运动来实现，当车床在切削加工时，刀具所受的切削力由端面齿盘通过螺栓卸荷给刀架，为使刀架在强力切削下能稳妥可靠地工作，液压缸必须有足够的拉紧力拉住刀盘，使用于夹紧定位的端面齿盘在车床切削过程中始终处于啮合状态。因而液压泵及油泵电动机的配置对液压系统的工作性能有重要的影响。4.1.1 液压油泵的选择选择油泵的主要依据是压力和流量，一般来说，齿轮泵价格低，维修方便，但当系统压力达到较大值时，输油压力脉动大，噪声大。不宜作数控机床的油源；叶片泵的输油压力脉动小，噪声小，因而被广泛用于数控机床的主要油源。所以本液压系统的液压泵选用叶片泵。4.1.2 油泵电动机功率的选择计算（1）油泵工作压力的计算油泵工作压力应等于液压缸的工作压力和油液在管道中流动时产生的压力损失之和。即 (4.1)1）液压缸工作压力的估算对于中小型的数控车床，通常推荐液压缸的拉紧力为10。液压缸活塞的有效工作面积设定为；则该刀架液压缸的工作压力。2）油液压力损失的估算在液压系统方案未确定之前，先对整个系统的压力损失进行估算，等到正式系统设计完成后，再进行详细的验算。 (4.2)式中 -油的运动粘度（厘沲）； -流量（升/分）； -管子的内径（毫米）； -管道总长（米）； -修正系数。 当时，=1 当时，。 流量的计算方式如下：液压系统所需的油泵流量是由工作油缸的尺寸和运动速度的快慢要求来决定的。工作油缸需油量用下式计算： (4.3)式中 -活塞运动速度； -活塞有效工作面积。取；取。代入上式得 = (4.4)考虑到泄漏的影响油缸实际需油量为： (4.5)式中 为修正系数在之间。所以 (4.6)3) 选用管径油管内径应足够大，以减少油的压力损失。但管径若过大则会使结构笨重、增加制造成本。正确选用管径一般是先选取管中的流速，然后计算管径，再按与标准规格相近的选用。由于 (4.7)所以 (4.8)式中 -管子的内径； -通过管子的流量； -管中流速，取0.25。 将上面计算的结果代入式中得 (4.9)设液压系统管道的总长度 则有 (4.10)得油泵的工作压力 (4.11)根据能量守恒原理，油泵输出液压油的功率就是需要油泵电动机的功率（不考虑效率）。因此只需算出油泵输出液压油的功率就可以确定该选多大功率的电动机。油泵的输出功率 (4.12)式中 -液压泵的工作压力； -液压系统的液压油流量。将相关数据代入可得 = (4.13)则油泵电动机的功率为 (4.14)效率可由产品目录查到。如型齿轮泵；型叶片泵，。此外，尚需考虑电动机本身的效率及从电动机到油泵的联轴节或皮带传动等的效率，故电动机的功率应适当地加大。4.2 液压缸的设计4.2.1 选择液压缸类型由于该液压缸主要用于驱动刀架主轴的直线往反动动.故选用双作用单杆活塞缸。4.2.2 液压缸内径和活塞杆直径的计算 计算液压缸的内径和活塞杆直径都必须考虑到设备的类型，例如在金属切削机床中，对于动力较大的机床(刨床、拉床和组合机床)一定要满足牵引力的要求，计算时要以力为主；对于轻载高速的机床(磨床、珩磨机和研磨机等)一定要满足速度的要求，计算时要以速度为主。由于本刀架的抬起动作是在数控车床脱离切削时完成的，因而在换刀过程中并没有承受切削力的作用，因而符合第二种情况，计算时以速度为主。（1) 以速度为主计算液压缸的内径和活塞杆直径根据执行机构的速度要求和选定的液压泵流量来确定液压缸内径和活塞杆直径，再从标准中选取相近尺寸加以圆整。对于单活塞杆缸来说，当液压油进入油腔时 (4.15)式中 -输入液压缸的流量； -液压缸活塞的运动速度；设液压缸活塞的往复速度比值为，即：。由于活塞往复运动的速度相等，所以。由相关资料可知，当时，一般取。则由 (4.16) (4.17)可得 ； 。从GB-2348-80标准中选取的液压缸内径为80mm,活塞杆直径取40mm。4.3 车床液压系统的设计4.3.1 液压回路的选择首先选择调速回路。由本数控车床刀架的工作原理可知，这台车床液压系统的功率较小，推动刀架主轴往复运动的液压缸活塞运动速度低，工作负载变化小，因而可采用进口节流的调速形式。为了解决进口节流调速回路在活塞杆到达最大行程时冲击现象，回油路上要设置背压阀。为保证夹紧力可靠，且能单独调节，在支路上串接减压阀和单向阀；为保证定位，夹紧的顺序动作，在进入夹紧缸的油路上接单向顺序阀来控制，只有当刀盘抬起达到目标值后，液压缸才会反向通油，执行刀盘夹紧动作。为保证工件确已夹紧后车床切削才能动作，在夹紧缸进口处装一压力继电器，只有当夹紧压力达到压力继电器的调节压力时，才能发出信号，车床才能进行切削加工。4.3.2 拟定液压系统图综合以上分析和所拟定的方案，将各种回路合理地组合成为该车床液压系统原理图，如图4.1所示。图4.1 液压系统原理图4.3.3 液压系统的控制原理（1）主轴卡盘的控制主轴卡盘的夹与松开，由一个二位四通电磁换向阀7控制。当卡盘处于夹紧状态时，夹紧力的大小由减压阀4来调整，由压力表6显示卡盘压力。系统压力油经减压阀4，二位四通电磁换向阀7（右位），单向阀12（右位）至液压缸右腔，活塞杆左移，卡盘夹紧。这时液压缸左腔的油液经单向阀12（左位）直接回油箱。反之，系统压力油经减压阀4，二位四通电磁换向阀7（左位），单向阀12（左位）至液压缸左腔，活塞杆右移，卡盘松开。这时液压缸右腔的油液经单向阀12（右位）直接回油箱。支路上的压力继电器5用于测定卡盘的夹紧力是否达到要求，只有卡盘在夹紧状态下的夹紧力达到设定的压力要求，压力继电器5才向数控系统发出电信号，说明工件夹紧可靠，数控车床才进行切削加工。（2）回转刀架的控制回转刀架换刀时，首先是刀盘松开，刀盘就近转位到达指定的刀位，最后到盘复位夹紧。刀盘的松开与夹紧，由1个二位四通电磁换向阀3控制，当数控系统发出刀盘松开指令后，二位四通电磁换向阀3电磁铁通电，电磁阀3的左位接通，压力油经电磁阀3的左位进入液压缸的左腔，推动液压缸活塞向右运动，实现刀盘抬起动作。而油液则从液压缸右腔经电磁阀3直接流回油箱。当数控系统发出刀盘锁紧动作后，二位四通电磁换向阀3电磁铁断电，压力油经电磁阀3右位进入液压缸右腔，推动活塞向左运动，实现刀盘锁紧动作。液压缸左腔的油液则经电磁阀3的右位直接流回油箱。支路中行程开关11用于控制在刀盘抬起动作中液压缸活塞的行程，当活塞杆碰到行程开关时，即使液压缸的左腔仍然通入压力油，液压缸的活塞也不会移动，这样能够保证液压缸不与液压缸壁相撞。（3）尾座套筒的控制尾座套筒的伸出与退回由一个三位四通电磁换向阀4控制，套筒伸出工作时的预紧力大小通过减压阀8来调整，并由压力表9显示。当数控系统发出顶紧指令后，三位四通电磁换向阀10电磁铁3通电，压力油经单向阀2，减压阀8，三位四通电磁换向阀10左位进入液压腔右腔，实现顶紧动作，油液则经液压缸左腔直接流回油箱。反之，三位四通电磁换向阀10的电磁铁4通电，压力油经单向阀2，减压阀8，三位四通电磁换向阀10右位进入液压缸左腔，实现退回动作，油液则经液压缸右腔直接流回油箱。第五章 微机控制系统的设计机械系统工作过程中，各执行机构应根据生产要求，以一定的顺序和规律运动，各执行机构运动的开始、结束及其顺序一般由控制系统保证。早期机械系统中，人作为控制系统的一个关键环节起着决定作用。随着科学技术的发展，控制系统自动化程度的提高，在一些控制系统中，人的作用被某些控制装置所取代，从而形成了自动控制系统。系统控制的主要任务：a.使各执行机构按一定顺序和规律动作；b.改变各运动构件（位移、速度和加速度）和规律（轨迹）；c.协调各运动构件的运动和动作，完成给定的作业环节要求；d.对整个系统进行监控及防止事故，对工作中出现的不正常现象及时报警并消除。5.1 系统的设计要求a . 用微机控制系统实现横向和纵向的进给操作;b . 实现对行程开头的控制；c . 实现数据的输入；d . 计算机状态数据的动态显示；微机控制系统设计主要包括两部分：硬件电路的设计和系统控制软件的设计，两者关系密不可分，缺任一方面都无法组成控制系统，无法实现其控制功能。此次，主要实现硬件电路的设计。5.2 硬件电路方案的确定硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响控制系统的性能。数控车床的硬件电路主要由下列四部分组成：a . 主控制器。 即是中央处理器CPU；b . 总线。 包括数控总线（DB），地址总线（AB），控制总线（CB）；c . 存储器。 包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器；d . 接口。 即I/O输入/输出接口电路；CPU是数控系统的核心。其作用是发布命令以协调各部分电路正常工作。存储器用于存放系统软件（程序）以及运行过程中和各种数据。I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。三总线是CPU与存储器、接口以及其它各种转换电路的纽带，是CPU与各部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。除上述四主要部分外，还应该根据控制系统要求配备一些外围设备和信号变换电路。如CPU通过I/O接口可联接的人机交换外设是键盘、打印机等通讯接口；信号变换电路是A/D转换、D/A转换、光电隔离、功率放大等，是实现微机与控制对象之间的信号匹配与转换的中间电路。由控制系统要求选取。系统硬件框图如图5.1所示：图5.1 数控系统硬件框图5.2.1 中央处理器CPU的简介及选择在微机控制系统中，CPU选择应考虑下列因素：a . 时钟频率和字长（控制数据处理速度）；b . 指令系统功能是否强（编程的灵活性）；c . I/O口扩展能力（对外设控制的能力）；d . 可扩展存储器（ROM/RAM）的容量；e . 开发手段（支持的开发软件和硬件电路）；除此外，根据系统应用场合、控制对象以及对各种参数要求选择CPU。一般二坐标联动的数控系统中，采用MCS-51系列单片机作为主控制器。MCS-51系列单片机主要有三种型号：8031、8051、8751。该系列产品是集中CPU、I/O端口及部分RAM等为一体的功能性很强的控制器。只需要添加少量外围设备就可以构成一具完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强，编程灵活性大，硬件资料丰富。三处引脚完全相同，仅在内部结构上有少许差异，8031是没有ROM的8051，而8751又是用EPROM代替ROM的8051。目前，工业控制中应用最多的是8031单片机。由于所要求的数控系统不是很复杂，8031完全可以实现数控系统的要求，因此选择8031作为控制系统的中央处理器。8031外部引脚及其功能：（1） 主电源引脚 Vcc：接+5V电源正端； Vss：接+5V电源地端；（2）外接晶体引脚XTAL1：片内反向放大器输入端；XTAL2：片内反向放大器输出端；外接晶体时，XTAL1与XTAL2各接晶体一端，借外接晶体与片内反向放大器构成振荡器。（3）输入/输出引脚P0口（P0.0 - 0.7）：分时复用低8位地址总线和双向数据总路线；P1口：作为准双向I/O接口；P2口（P2.0-2.7）：高8位地址总线；P3口（P3.0-3.7）：除作为准双向I/O接口外，具有第二功能。例如： P3.6：（片外数据存储器写选通信号输出断）； P3.7：（片外数据存储器读选通信号输出断）； P3.2：（外部中断0请求输入端）； P3.3：（外部中断1请求输入端）。控制线ALE/PROG：地址锁存有效信息输出端，机器周期信号下降沿用于控制P0口输入低8位地址；PSEN：片外程序存储器读送通信号输出端；EA：片外程序存储器端选用端。8031基本结构及功能：a . 8位CPU；b . 片内带振荡器，振荡频率为12MHz，有时钟输出；c . 128字节片内RAM；d . 21字节专用寄存器；e . 4个8位并行I/O接口：P0，P1，P2，P3；f . 2个16位定时器/计数器；g . 中断系统有5个中断源，可编程为2个优先级；h . 有强的位寻址、位处理功能；i . 片内采用单总线结构；总之，单片机对外呈三总路线形式，由P0、P2组成16位地址总线；由P0口分时复用为数据总路线；由ALE、PSEN、RST、EA与P3口的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD组成控制总路线。5.2.2 存储器的扩展与CPU的连接8031内部没有程序存储器（ROM），仅有128个数据存储单元的（RAM），因此必须对其进行存储扩展。由于该机床的数控系统不大，只需扩展一片2764（8K）的EPROM；8031仅有128字节片内RAM，远远不能适应系统应用要求，因此扩展两片6264（8K）数据存储芯片，并且预留升级空间。2764、6264与CPU的连线：地址总线：低8位地址线通过地址锁存器74LS373与CPU的P0相连，高5位地址分别与P2.0-2.4相联数据总线：2764和6264的8位数据线直接与8031 P0口相联，控制总线：2764的 OE引脚与8031的PSEN引脚相联，由于必须选中2764芯片，所以其CE脚接地；6264（）与6264（）的OE、WE分别与8031的RD、WR相连，6264（）与6264（）片选信号CE则与译码电路相联。5.2.3 译码电路在单片机应用系统中，外围芯片都要通过总线与单片机相联，单片机数据总线与各外围芯片进行数据交换。故要进行片选控制，片内有多少个字节单元时还要进行片内地址选择。由于外围芯片与数据存储器统一编址，因此数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。常用的译码电路有线选法和全地址译码两种。线选法的优点是硬件电路结构简单，但由于所用的片选线都是高位地址线，其权值较大，地址空间没有充分利用，芯片的地址不连续。全地址译码通常采用3-8译码器（74LS138）。输入端占用3根最高位地址线，剩余的13根低位地址线可作为片内地址线。因此，译码器的8根输出线分别对应8个8K字节能地址空间。由于数控系统采用的外围芯片较多，因此采用全地址译码，选用74LS138芯片。5.2.4 I/O扩展电路虽然单片机本身I/O口能实现简单的数据I/O操作，但其毕竟十分有限。因为在单片机的口电路中，
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