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CK6140数控卧式车床的总体设计【5张CAD图纸+毕业论文+答辩稿】

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CK6140数控车床主轴箱装配图.dwg

CK6140数控车床纵向进给装配图.dwg

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关键词：: ck6140 数控卧式车床总体设计 cad图纸毕业论文答辩 CK6140数控卧式车床的总体设计

资源描述：

CK6140数控卧式车床的总体设计

74页 27000字数+论文说明书+5张CAD图纸【详情如下】

CK6140数控车床主轴箱装配图.gif

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摘要

数控车床又称数字控制（Numbercal control，简称NC）机床。它是基于数字控制的，采用了数控技术，是一个装有程序控制系统的机床。它是由主机，CNC，驱动装置，数控机床的辅助装置，编程机及其他一些附属设备所组成。

本次设计课题是CK6140数控卧室车床，CK是数控车床，61是卧式车床，40是床身上最大工件回转直径为400mm。

此次设计包括机床的总体布局设计，纵向进给设计，其中还包括齿轮模数计算及校核，主轴刚度的校核等。控制系统部分包括步进电机的选用及硬件电路设计和软件系统设计，说明了芯片的扩展，键盘显示接口的设计等等。

关键词数控机床；开放式数控系统；电动机

Abstract

The numerical control lathe called the numerical control (Numbercal control, is called NC) the engine bed. It is based on the numerical control, has used the numerical control technology, is loaded with the procedure control system the engine bed. It is by the main engine, CNC, the drive, the numerical control engine bed auxiliary unit, the programming machine and other some appurtenances is composed.

This design topic is the CK6140 numerical control bedroom lathe, CK is the numerical control lathe, 61 is the horizontal lathe, 40 is on the lathe bed the biggest work piece rotation diameter is 400mm.

This design including the engine bed overall layout design, longitudinal enters for the design, also includes the gear modulus computation and the examination, the main axle rigidity examination and so on. The control system partially including step-by-steps the electrical machinery to select and the hardware circuit design and the software system design, explained the chip expansion, keyboard demonstration connection design and so on.

Key word numerical control tool;Open-architecture;motor

1 总体方案设计

1.1 CK6140的现状和发展

1.2 CK6140数控卧式车床的总体方案论证与拟定

2 机械部分设计计算说明

2.1 主运动部分计算

2.1.1 参数的确定

2.1.2 传动设计

2.1.3 转速图的拟定

2.1.4 带轮直径和齿轮齿数的确定

2.1.5 传动件的估算和验算

2.1.6 展开图设计

2.1.7 截面图设计

2.2纵向进给运动设计

2.2.1 滚珠丝杆副的选择

2.2.2 驱动电机的选用

3 控制系统设计

3.1绘制控制系统结构框图

3.2.选择中央处理单元（CPU）的类型

3.3存储器扩展电路设计

3.4 I/O接口电路及辅助电路设

参考文献

1 总体方案

1.1 CK6140的现状和发展

自第一台数控机床在美国问世至今的半个世纪内，机床数控技术的发展迅速，经历了六代两个阶段的发展过程。其中，第一个阶段为NC阶段；第二个阶段为CNC阶段，从1974年微处理器开始用于数控系统，即为第五代数空系统。在近20多年内，在生产中，实际使用的数控系统大多是这第五代数控系统，其性能和可靠性随着技术的发展得到了根本性的提高。从20世纪90年代开始，微电子技术和计算机技术的发展突飞猛进，PC微机的发展尤为突出，无论是软硬件还是外器件的进展日新月异，计算机所采用的芯片集成化越来越高，功能越来越强，而成本却越来越低，原来在大，中型机上才能实现的功能现在在微型机上就可以实现。在美国首先推出了基于PC微机的数控系统，即PCNC系统，它被划入为所谓的第六代数控系统。

下面从数控系统的性能、功能和体系结构三方面讨论机床。

数控技术的发展趋势：

1.性能方面的发展趋势

（1）.高速高精度高效

（2）.柔性化

（3）.工艺复合和轴化

（4）.实时智能化

2.功能发展方面

（1）.用户界面图形化

（2）.科学计算可视化

（3）.插补和补偿方式多样化

（4）.内置高性能PLC

（5）.多媒体技术应用

3.体系结构的发展

（1）.集成化

（2）.模块化

（3）.网络化

（4）.开放式闭环控制模式

1.2 CK6140数控卧式车床的总体方案论证与拟定

1.2.1 数控车床

数控车床又称数字控制（Numbercal control，简称NC）机床，它是20世纪50年代初发展起来的一种自动控制机床，而数控车床四其中的一类使用性很强的机床形式。数控车床是基于数字控制的，它与普通车床不同的是，数控车床的主机结构上具有以下特点：

（1）.由于大多数数控车床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，因此，数控机床的机械传动结构得到了简化。

（2）.为了适应数控车床连续地自动化加工，数控车床机械结构，具有较高的动态刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形较小。

（3）.更多地采用高效传动部件，如滚动丝杆副，直线滚动导轨高，CNC装置这是数控车床的核心，用于实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储，数据的变换，插补运算以及实现各种控制功能。

1.2.2 CK6140数控卧式车床的拟定

1.CK6140数控卧式车床具有定位，纵向和横向的直线插补功能，还能要求暂停，进行循环加工等，因此，数控系统选取连续控制系统。

2.CK6140数控卧式车床属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统应采用步进电机开环控制系统。

3.根据设计所给出的条件，主运动部分z=18级，即传动方案的选择采用有级变速最高转速是2000r/min，最低转速是40r/min，。

4.根据系统的功能要求，微机控制系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器，I/O接口电路，包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路。此外，系统中还应该包括脉冲发生电路和其他辅助电路。

5.纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机，齿轮副，丝杆螺母副组成，它的传动比应满足机床所要求的。

6.为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小，传动效率的滚珠丝杆螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。

7.采用滚动导轨可以减少导轨间的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简单。

（附注：伺服系统总体方案框图1.1）

参考文献

（1）.张建民主编《机电一体化系统设计》北京理工大学出版社

（2）. 《机电一体化系统设计手册》国防工业出版社

（3）.龚桂义主编《机械设计课程设计手册》高等教育出版社

（4）. 《机械零件设计手册》(第二版)(上册) 冶金工业出版社

（5）.何立民主编《单片机应用系统设计》北京航空航天大学出版社 1990年

（6）.何淑华主编《单片微型机原理及应用》哈尔滨工业大学出版社

（7）.李光斌编《计算机数控系统设计指导》华中理工大学出版社

（8）. 《机械设计》高等教育出版

（9）. 《机床设计手册》(1～3册) 机械工业出版社

（10）.赵大兴、李天宝主编《现代工程图学.教程》湖北科学出版社

（11）.顾维邦《金属切削机床概论》机械工业出版社

（12）.甘勇立主编《几何量公差与检测》（第五版）上海科学技术出版社

（13）.黄鹤汀主编《金属切削机床设计》机械工业出版社

（14）.朱张校主编《工程材料》清华大学出版社

（15）.孙恒、陈作模主编《机械原理》高等教育出版

（16）. 王隆太主编《先进制造技术》机械工业出版社

（17）.范钦珊主编《材料力学》高等教育出版社

致谢

数控车床毕业设计是机械设计制造及自动化专业的我，必须经历的一个重要环节，也是对我四年大学生活的一个总结，在本次设计中，从选题到设计过程直到最后完成设计，都是在颜教授的悉心指导下完成的。教授在繁忙的教学中，每天都挤出时间来询问设计进程，并为我讲解许多设计的专业知识，热忱鼓励，并提供了大量的设计资料。在遇到困难的时候，带我们去参观者湖南科贸经济学院的实习车床。

内容简介：: 1 前言卧式车床 (如 )是金属切削加工最常用的一类机床。所示。当工件随主轴回转时，通过刀架的纵向和横向移动，能加工出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等，借助成形刀具，还能加工各种成形同转表面。卧式车床刀架的纵向和横向进给运动，是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、床鞍以及中滑板产生移动。进给参数依靠手工调整，改变参数时需要停车。刀架的纵向进给和横向进给不能联动，切削次序需要人工控制。对卧式车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数、切削次序和刀具都可按程序自动进行调节和更换，再加上纵、横向的联动进给功能，所以，改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序集中车削，从而提高生产效率和加工精度。连接 2 2 连接 1 3 一、设计任务题目：任务：将一台要技术指标如下： 1)床身上最大加工直径 400 2)最大加工长度 1000 3)横向 )的脉冲当量 x=冲，纵向 ) z = 脉冲； 4)30006000 5) 40000 6) 7)可以车削柱面、平面、锥面与球面等； 8)安装螺纹编码器，可以车削米英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程为 24 9)安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀； 10)自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出主轴有级变速与无级变速信号； 11)自动控制冷却泵的起停； 12)安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开； 13)纵、横向安装限位开关： 14)数控系统可与 15)显示界面采用程采用 4 二、总体方案的确定总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统及进给传动方式和执行机构的选择等。 1)卧式车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设汁成连续控制型。 2)卧式车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电机的开环控制。 3)根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用位单片机作为数控系统的位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点。 4)根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、 I 0接口电路、 D 行接口电路等；还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。 5)为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙、提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。 6)计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副，且应有消间隙机构。 7)选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。 5 三、机械系统的改造设计方案 1主传动系统的改造方案对卧式车床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动机构和变速操纵机构，这样可减少机械改造的工作量。主轴的正转、反转和停止可由数控系统来控制。若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用 2 4速的多速电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速（工厂使用情况表明，使用变频器时，若工作频率低于 70来的电动机可以不更换，但所选变频器的功率应比电动机大 )。本例中，当采用有级变速时，可选用浙江超力电机有限公司生产的 7. 5现 2 4档变速；当采用无级变速时，应加装交流变频器，推荐型号为： 0075配产厂家为烟台惠丰电子有限公司。 2安装电动卡盘为了提高加工效率，工件的夹紧与松开采用电动卡盘，选用呼和浩特机床附件总厂生产的盘的夹紧与松开由数控系统发信控制。 6 3换装自动同转刀架为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架换成自动同转刀架，选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的四工位立式电动刀架。实现自动换刀需要配置相应的电路，由数控系统完成。 4螺纹编码器的安装方案螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅。数控车床加下螺纹时，需要配置主轴脉冲发生器，作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动。本例中，改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是 24是冲，所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于 24(脉冲 2400脉冲。考虑到编码器的输出有相位差为 90、将 A、 B 经逻辑异或后获得 2400个脉冲 (一转内 )，这样编码器的线数可降到 1200线 (A、号 )。另外为了重复车削同一螺旋槽时不乱扣，编码器还需要输出每转一个的零位脉冲 z。基于上述要求，本例选择螺纹编码器的型号为： 20055一电源电压 +5v，每转输出 1200个 A 个号为电压输出，轴头直径 15产厂家为长春光机数显技术有限公司。螺纹编码器通常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。同轴安装是指将编码器直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主轴的通孔。异轴安装是指将编码器安装在主轴箱的后端，一般尽量装在与主轴同步旋转的输出轴，如果找不到同步轴，可将编码器通过一对传动比为 1:1的同步齿形带与主轴联接起来。需要注意的是，编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性联接，且车床主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速。 7 5进给系统的改造与设计方案 1)拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴安装螺纹编码器。 2)拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与同步带减速箱总成。 3)拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在床鞍的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座与螺母座托架。 4)拆除四方刀架与小滑板总成，在中滑板上方安装四工位电式电动刀架。 5)拆除中滑板下的滑动丝杠螺母副，将滑动丝杠靠刻度盘一段锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。 6)将横向进给步进电动机通过法兰座安装到中滑板后部的床鞍上，并与滚珠丝杠的轴头相联。 7)拆去三杠 (丝杠、光杠与操纵杠 )，更换丝杠的右支承。改造后的横向、纵向进给系统分别如图 2与图 3所示 8 图 2 9 图 3 10 四、进给传动部件的计算和选型纵、横向进给传动部件的计算和选型主要包括：确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、设计减速箱、选择步进电动机等。以下详细介绍纵向进给机构，横向进给机构与纵向类似，在此从略。 1脉冲当量的确定根据设计任务的要求，横向 )的脉冲当量为 x = 冲，纵向 )为 z = 冲。 2切削力的计算以下是纵向车削力的详细计算过程。设工件材料为碳素结构钢， b = 650用刀具材料为硬质台金具几何参数为：主偏角 60o，前角 o=10o，刃倾角 s = 削用量为：背吃刀量给量 f=0.6 r，切削速度 105 m 查表 1，得： 795，查表 2，得：主偏角 94；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为 11 算得主切削力由经验公式 f:得纵向进给切削力 35 69N，背向力 069 36N。由经验公式 3滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (纵向 ) (1)工作载荷已知移动部件总重 300N；车削力图所示，根据， c， p，可得：选用矩形三角形组合滑动导轨，查表 3，取 K= 代人 (F z+G)，得工作载荷 712N 。 12 (2)最大动载荷设本车床最快的进给速度 V=选丝杠基本导程此时丝杠转速 n=1000v 33r 取滚珠丝杠的使用寿命 T=15000h，代人 0106，得丝杠寿命系数位为： 106r)。查表 4，取载荷系数取硬度系数，代人式，求得最大动载荷 703N。 (3)初选型号根据计算出的最大动载荷，查表 5，选择启东润泽机床附件有限公司生产的公称直径为 40 基本导程为 6螺母滚珠总圈数为 3 2圈 =6圈，精度等级取 4级，额定动载荷为 13200N，满足要求。 (4)传动效率的计算将公称直径 0本导程代人 = h (d o)，得丝杠螺旋升角 =2 将摩擦角 =10 ，代人 = +) ，得传动效率 =。 13 (5)刚度的验算 1)纵向滚珠丝杠副的支承，采取一端轴向固定，一端简支的方式。固定端采取一对推力角接触球轴承，面对面组配。丝杆加上两端接杆后，左、右支承中心距离约为 a = 1497的弹性模量 E=105表 5，得滚珠直径得丝杠底径称直径 w=丝杠截面积 S= d 22= 算得丝托在工作载荷变形量 1=(0 01197 2)根据公式 Z=(d o 得单圈滚珠数目 Z=29；该型号丝杆为双螺母，滚珠总圈数为 3 2 = 6，则滚珠总数量 Z =29 x 6=174。滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力 571N 。求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2= 因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的 1 3，所以实际变形量可减小一半取 2 = 14 (6)压杆稳定性校核根据式计算失稳时的临界载荷表，取支承系数；由丝杠底径得截面惯性矩 I=d 42 64；压杆稳定安全系数 (丝杠卧式水平安装 )；滚动螺母至轴向同定处的距离 497 代入上式，得临界载荷 1012N ，远大于工作载荷 712N)，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。 3)将以上算出的 1和 2代人总 = 1+ 2，求得丝杆总变形最 (对应跨度 1497 总 = 查表知， 4级精度滚珠丝杠任意 300允许 16m ，而对于跨度为 1497的变形量总只有可见丝杠刚度足够。 4同步带减速箱的设计 (纵向 ) 为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能地减小，传动链中常采用减速传动。本例中，纵向减速箱选用同步带传动。 15 设计同步带减速箱需要的原始数据有：带传递的功率 P；主动轮转速 i；传动系统的位置和工作条件等。根据改造经验，在 15 25N初选电动机型号为 130相混合式，最大静转矩为 20Nm，十拍驱动时步距角为电动机的详细技术参数可查手册，其运行矩频特性曲线如图所示。 (1)传动比已知电动机的步距角 =o，脉冲当量 z= 脉冲，滚珠丝杠导程 6算得传动比 i= (2)主动轮最高转速由纵向床鞍的最快移动速度 000以算出主动轮最高转速 n=( z) 360 = 1200r (3)确定带的设计功率预选的步进电动机在转速为 1200r ，对应的步进脉冲频率为 1200 360 (60 )=1200 360 (60 z =10000 图 4 16 从图 4查得，当脉冲频率为 10000动机的输小转矩约为 m，对应的输出功率为 1200 478W 。今取 P=作情况系数得带的设计功率 (4)选择带型和节距根据带的设计功率 574高转速 200r “ 同步带选型图 ” 中选择同步带，型号为 L 型节距 (5)确定小带轮齿数取 5，则小带轮节圆直径 =当 200r/步带的速度为 v=(d 1(60 1000)=s，没有超过限速度 35m s。 (6)确定大带轮齿数大带轮齿数 z2=i 18，节圆直径 d2= (7)初选中心距的节线长度的齿数选中心距 .1(d1+整后取 10则带的节线长度为 a 0+(/2)(d 1+(=据 “ 同步带的节线长度表 ” ，选取接近的标准节线长度 81应齿数 0。 17 (8)计算实际中心距 a 实际中心距 (9)校验带与小带轮的啮合齿数合齿数比 6大，满足要求。此处 (10)计算基准额定功率所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率 )：式中带宽为表 3a=244 46N； m 带宽为 “ 同步带在基准宽度下的允许拉力和线密度表 ” 查得 m=m； v 同步带的带速，由上述 (5)可知 v=s。算得 (11)确定实际所需同步带宽度中选定型号的基准宽度，查表得 5 4 小带轮啮合齿数系数，查表得。由上式算得 1 42查表选定最接近的带宽 5.4 m。 18 (12)带的工作能力验算计算同步带额定功率式中。经计算得 P=0 697 足 PP d。因此，带的工作能力合格。注释：、表 1为 “ 车削力公式中的系数和指数 ” 表；、表 2为 “ 加工钢或铸铁刀具几何参数改变时切削力的修正系数 ” 表；、表 3为 “ 表；、表 4为 “ 载荷系数 ” 表；、表 5为 “ 表；、有关其它设备的计算及选型对于做课程设计的同学可免。 19 五、绘制进给传动机构的装配图在完成滚珠丝杠螺母副、减速箱和步进电动机的计算、选型后，就可以着手绘制进给传动机构的装配图了。在绘制装配图时，需要考虑以下问题： 1)了解原车床的详细结构，从有关资料中查阅床身、床鞍、中滑板、刀架等的结构尺寸。 2)根据载荷特点和支承形式，确定丝杠两端轴承的型号、轴承座的结构，以及轴承的预紧和调节方式。 3)考虑各部件之间的定位、联接和调整方法。例如：应保证丝杠两端支承与螺母座同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座、支承座在安装面上的联接与定位，同步带减速箱的安装与定位，同步带的张紧力调节，步进电动机的联接与定位等。 4)考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如：丝杠螺母的润滑、防尘防铁屑保护、轴承的润滑及密封、行程限位保护装置等。 5)在进行各零部件设计时，应注意装配的工艺性，考虑装配的顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。， 20 6)注意绘制装配图时的一些基本要求。例如：制图标准，视图布置及图形画法要求，重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标注，重要配合尺寸的标注，装配技术要求，标题栏等。本例中，横向与纵向进给传动机构的装配图，分别如图 2与图 3 所示。六、控制系统硬件电路设计根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能： 1)接收键盘数据，控制 2)接收操作面板的开关与按钮信号； 3)接收车床限位开关信号： 4)接收螺纹编码器信号； 5)接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号； 6)控制 X、 7)控制主轴的正转、反转与停止； 8)控制多速电动机，实现丰轴有级变速； 9)控制交流变频器，实现主轴无级变速； 10)控制切削液泵起动停止； 21 11)控制电动卡盘的夹紧与松开； 12)控制电动刀架的自动选刀； 13)与 22 图 5为控制系统的原理框图。位单片机于以扩展了一片片放系统底层程序；扩展了一片片 6264用做数据存储器，存放用户程序；键盘与 279 来管理；输入输出口的扩展选用了并行接口 8255芯片，一些进出的信号均做了隔离放大；模拟电压的输出借助于的串行通信经过数控系统的操作面板设置了 48个微动按键，三个船形开关一只急停按钮，显示器包括 1组数码显示管和 7只发光二极管。控制系统的主机板电原理图及键盘与七、步进电动机驱动电源的选用本例中 10型号为 130产厂家为常州宝马集团公司。这两种电动机除了外形尺寸、步距角和输出转矩不同外，电气参数基本相同，均为 5相混合式， 5线输出，电动机供电电压 310v，电流 5A。这样，两台电动机的驱动电源可用同一型号。在此，选择合肥科林数控科技有限责任公司生产的五相混合式调频调压型步进驱动器，型号为与控制系统的连接如图 6所示。 23 24 八、控制系统的部分软件设计 0芯片地址分配主机板中存储器与 I 表所示：系统设有 7档功能可以相互切换，分别是 “ 编辑 ” 、 “ 空刀 ” 、 “ 自动 ” 、 “ 手动 l”、 “ 手动 2”、 “ 手动 3”和 “ 回零 ” 。选中某一功能时，对应的指示灯点亮，进入相应的功能处理。控制系统的监控管理程序流程如图 7所示。 25 图 7 注：其它的有关程序对于做课程设计的同学可免。目录 1 总体方案 0 3 3 控车床 3 控卧式车床的拟定 4 2 机械部分设计计算说明 6 运动部分计算 6 参数的确定 6 传动设计 7 速图的拟定 10 带轮直径和齿轮齿数的确定 13 动件的估算和验算 21 开图设计 38 55 珠丝杆副的选择 55 60 3 控制系统设计 64 64 类型 64 65 I/ 66 参考文献 72 致谢 73 错误 !未定义书签。共 80 页第 1 页摘要数控车床又称数字控制（称床。它是基于数字控制的，采用了数控技术，是一个装有程序控制系统的机床。它是由主机，动装置，数控机床的辅助装置，编程机及其他一些附属设备所组成。本次设计课题是控卧室车床，数控车床， 61是卧式车床， 40是床身上最大工件回转直径为 400 此次设计包括机床的总体布局设计，纵向进给设计，其中还包括齿轮模数计算及校核，主轴刚度的校核等。控制系统部分包括步进电机的选用及硬件电路设计和软件系统设计，说明了芯片的扩展，键盘显示接口的设计等等。关键词数控机床；开放式数控系统；电动机 he is C) It is on is It is by is is CK is 61 is 40 is on 00so to so 共 80 页第 2 页目录 1 总体方案设计 2 机械部分设计计算说明运动部分计算参数的确定传动设计转速图的拟定带轮直径和齿轮齿数的确定传动件的估算和验算展开图设计截面图设计珠丝杆副的选择动电机的选用 3 控制系统设计类型，机床数控技术的发展迅速，经历了六代两个阶段的发展过程。其中，第一个阶段为段；第二个阶段为段，从 1974 年微处理器开始用于数控系统，即为第五代数空系统。在近 20 多年内，在生产中，实际使用的数控系统大多是这第五代数控系统，其性能和可靠性随着技术的发展得到了根本性的提高。从 20 世纪 90 年代开始，微电子技术和计算机技术的发展突飞猛进，机的发展尤为突出，无论是软硬件还是外器件的进展日新月异，计算机所采用的芯片集成化越来越高，功能越来越强，而成本却越来越低，原来在大，中型机上才能实现的功能现在在微型机上就可以实现。在美国首先推出了基于机的数控系统，即统，它被划入为所谓的第六代数控系统。下面从数控系统的性能、功能和体系结构三方面讨论机床。数控技术的发展趋势：（ 1）（ 2）（ 3）（ 4）（ 1）（ 2）（ 3）（ 4） 5）（ 1）（ 2）（ 3）（ 4）控卧式车床的总体方案论证与拟定控车床共 80 页第 4 页数控车床又称数字控制（称床，它是 20 世纪 50 年代初发展起来的一种自动控制机床，而数控车床四其中的一类使用性很强的机床形式。数控车床是基于数字控制的，它与普通车床不同的是，数控车床的主机结构上具有以下特点：（ 1）此，数控机床的机械传动结构得到了简化。（ 2）控车床机械结构，具有较高的动态刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形较小。（ 3）滚动丝杆副，直线滚动导轨高，置这是数控车床的核心，用于实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储，数据的变换，插补运算以及实现各种控制功能。控卧式车床的拟定控卧式车床具有定位，纵向和横向的直线插补功能，还能要求暂停，进行循环加工等，因此，数控系统选取连续控制系统。控卧式车床属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统应采用步进电机开环控制系统。运动部分 z=18 级，即传动方案的选择采用有级变速最高转速是 2000r/低转速是 40r/ 。机控制系统中除了，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器， I/O 接口电路，包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路。此外，系统中还应该包括脉冲发生电路和其他辅助电路。们由步进电机，齿轮副，丝杆螺母副组成，它的传动比应满足机床所要求的。用摩擦小，传动效率的滚珠丝杆螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简单。（附注：伺服系统总体方案框图共 80 页第 5 页图服系统总体方案框图共 80 页第 6 页 2 机械部分设计计算说明运动部分计算参数的确定一 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。格尺寸）和基本参数（ 143 最大的工件回转直径 D（ 400；刀架上最大工件回转直径 00；主轴通孔直径 d 要大于或等于 36；主轴头号（ 6；最大工件长度 L 是750 2000；主轴转速范围是： 32 1600；级数范围是： 18；纵向进给量 mm/电机功率（ 10。二 1. 极限切削速度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 00m/ 0m/ 2. 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（ D。由于 D=400主轴极限转速应为： m a 0 u Dr/ 2000r/ m 0 0 u Dr/ 40r/ 由于转速范围 R = 2000 / 50 ；共 80 页第 7 页因为级数 Z=18级。现以 = =入 R= 1z 得 R=50和 355 ，因此取 = 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 =10000 的数值，因 = 从表中找到 000r/可以每隔 3 个数值取一个数，得： 2000， 1600， 1250， 1000， 800， 630， 500， 400， 315， 250， 200， 160，125， 100， 80， 63， 50， 40。 3. 主轴转速级数已知 : n= ： z= a b 2 x 3 18= 1 2 93 x 3 x 2 4. 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= 传动设计一构网的选择结构式、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，各传动组分别有个传动副。即 Z=2 动副数由于结构的限制以 2或 3为合适，即变速级数和 3的因子 : Z=23 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共 80 页第 8 页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（ 3+3+2） +2=21 个轴向尺寸 19b 传动轴数目 6根操纵机构简单，两个三联滑移齿轮，一个双联滑移齿轮图的传动系统二 18级转速传动系统的传动组，可以安排成： 32 3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。共 80 页第 9 页主轴对加工精度、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。三对于 18级的传动可以有三种方案，准确的说应该不只有这三个方案，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： 18=3 1 3 3 2 9 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。四齿轮传动副最小传动比 14，最大传动比 2，决定了一个传动组的最大变速范围 8 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， ,x 值为：极限传动比指数 x： x=146 x 值； x =2 3 （ x+x ）值： =8 9 五 . 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=1 即是： Z=18=3 1 3 3 2 9 共 80 页第 10 页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。一 . 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=步电机的转速有： 3000、 1500、 1000、 750r/在此处选择的是： 500r/ 这个选择是根据电机的转速与主轴最高转速的转速相近或相宜，以免采用过大的升速或过小的降速传动。根据本次设计机床的需要，所选用的是：双速电机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。根据常用电机所提供的资料，选用：共 80 页第 11 页图动机轴从电机得到运动，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 700 1000r/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： 60r/ 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 4M 、 m 3M ，从而可以使用结构紧凑。但是，这将引起空载功率 N 空和噪音般机床容许噪音应小于 85大： N 空 = 01 6) 中：支承滚动或滑动轴承 C=支承滚动轴承 C=10； d 主主轴前后轴颈的平均直径（ n 主轴转速（ r/ 共 80 页第 12 页主主ta o a 所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值（主主轴上齿轮的分度圆的平均值据机床类型及制造水平选取。我国中型车床、铣床床 K=54，铣床 K= 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定中间传动轴的转速时，应结合实际情况作相应修正：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。间轴转速宜取低一些。 u 8m/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。四机床主传动系统中，齿轮副的极限传动比： 1. 升速传动中，最大传动比 2。过大，容易引起震动和噪音。小传动比 1/4。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。共 80 页第 13 页图运动的转速图带轮直径和齿轮齿数的确定共 80 页第 14 页根据拟定的转速图上的各传动比，就可以确定带轮直径和齿轮的齿数。一 . 带轮直径确定的方法、步骤一般机床上的都采用三角带。根据电机转速和功率查图即可确定型号（详情见机床主轴变速箱设计指导 4）。但图中的解并非只有一种，应使传动带数为 3 5根为宜。本次设计中所选的带轮型号和带轮的根数如下：选取 3根 D 小）各种型号胶带推荐了最小带轮直径，直接查表即可确定。根据皮带的型号，从教科书机械设计基础教程查表可取： 40 大根据要求的传动比大。当带轮为降速时： 11大三角胶带的滑动率 =2%。三角传动中，在保证最小包角大于 120度的条件下，传动比可取 1/7 u 3。对中型通用机床，一般取 1 因此， D 大 343查表取： D 大 =212 用计算法或查表法确定齿轮齿数，后者更为简单。根据要求的传动比 u 和初步定出的传动齿轮副齿数和表即可求出小齿轮齿数。在本次设计中采用的就是常用传动比的适用齿数（小齿轮）表就见教科书机床简明设计手册。不过在表中选取的时候应注意以下几个问题： 1. 不产生根切。一般去 18 20。 2. 保证强度和防止热处理变形过大，齿轮齿根圆到键槽的壁厚 2般取 56.5+体的尺寸可参考图。共 80 页第 15 页 3. 同一传动组的各对齿轮副的中心距应该相等。若莫数相同时，则齿数和亦应相等。但由于传动比的要求，尤其是在传动中使用了公用齿轮后，常常满足比了上述要求。机床上可用修正齿轮，在一定范围内调整中心距使其相等。但修正量不能太大，一般齿数差不能超过 3 4个齿。 4. 防止各种碰撞和干涉三联滑移齿轮的相邻的齿数差应大于 4。应避免齿轮和轴之间相撞，出现以上的情况可以采用相应的措施来补救。 5. 在同时满足以上的条件下齿轮齿数的确定已经可以初步定出，具体的各个齿轮齿数可以见传动图上所标写的。 6. 确定轴间距：轴间距是由齿轮齿数和后面计算并且经验算而确定的模数体的计算值如下（模数和齿轮的齿数而确定的轴间距必须满足以上的几个条件）：轴与轴之间的距离：取 m=转速图而确定 5 5 11 2 7 5 6 0150d 轮 1与 2之间的中心距： 121 21 2 7 5 021 3 8 轴与轴之间的距离：取 m=转速图而确定的传动比见图， 38 共 80 页第 16 页 33442 8952 8120d 轮 3与 4之间的中心距：轴与轴之间的距离：取 m=转速图而确定的传动比 9910 4119d 齿轮 9与 10之间的中心距： 9 103 2189 1192154 轴轴之间的中心距离：取 m=转速图而确定的传动比共 80 页第 17 页 1 5 1 51 6 1 63 0703 8273d 5 1 64 27 0 2 7 321 7 1 轴到脉冲轴的中心距：取 m=动比 1i 19 1920 9 2 05 21 1 5 1 5 5 轴到反转轴轴的中心距：取 m=动比 2 1 2 12 2 2 22 01252 485d 共 80 页第 18 页 2 1 2 26 21 2 5 8 52105 齿顶高 *10 ,h c 而取可知：齿顶高和齿跟高只与所取的模数可知取 m= *1 2 . 5 2 . 51 0 . 2 5 2 . 5 3 . 1 2 5h m m m m mh h c m m m m m 取 m= *1 3 . 5 3 . 51 0 . 2 5 3 . 5 4 . 3 7 5h m m m m mh h c m m m m m 三主轴转速在使用上并不要十分准确，转速稍高或稍低并无太大影响。但标牌上标准数列的数值一般也不允许与实际转速相差太大。由确定的齿轮齿数所得的实际转速与传动设计理论值难以完全相符合，需要验算主轴各级转速，最大误差不得超过正负 10（ %。即 110 理论理论实际或按公式： n= +6% 果超差，要根据误差的正负以及引起误差的主要环节，重新调整齿数，使转速数列得到改善。主运动传动链的传动路线表达式如下：共 80 页第 19 页主轴反转正转电动机78203365493963253454572953334838283434506051212140m i n/传动路线所有主轴的详细的校核如下：输入到轴的转速 m 440 1. m i n/i n/ n . m i n/i n/ n . m i n/i n/ n . m i n/i n/ n . m i n/i n/ 00 1 0 n . m i n/i n/ 共 80 页第 20 页 01 25 1 9 n . m i n/i n/ n . m i n/i n/ 02 00 2 3 n . m i n/i n/ 04 00 4 1 n 0. m i n/i n/ 050 n 1. m i n/i n/ n 2. m i n/i n/ 21 001 00 1 1 n 3. m i n/i n/ n 4. m i n/i n/ 01 60 1 6 n 5. m i n/i n/ n 6. m i n/i n/ 0040 n 共 80 页第 21 页 17. m i n/i n/ 00630 n 8. m i n/i n/ 0080 n 主轴上的 18级转速分别校核后，都合格。四计算结果，用规定符号，以是适当比例方格纸上绘制出转速图和主传动系统图。动件的估算和验算传动方案确定后，要进行方案的结构化，确定个零件的实际尺寸和有关布置。为此，常对传动件的尺寸先进行估算，如传动轴的直径、齿轮模数、离合器、制动器、带轮的根数和型号等。在这些尺寸的基础上，画出草图，得出初步结构化的有关布置与尺寸；然后按结构尺寸进行主要零件的验算，如轴的刚度、齿轮的疲劳强度等，必要时作结构和方案上的修改，重新验算，直到满足要求，最后才能画正式装备图。对于本次设计，由于是毕业设计，所以先用手工画出草图，经自己和指导老师的多次修改后，再用计算机绘出。一 . 三角带传动的计算三角带传动中，轴间距 A 可以较大。由于是摩擦传递，带与轮槽间会有打滑，亦可因而缓和冲击及隔离震动，使传动平稳。带传动结构简单，但尺寸，机床中多用于电机输出轴的定比传动。 1. 选择三角带的型号根据计算功率小带轮 r/图选择带的型号。计算功率中电机的额定功率，工作情况系数。车床的起动载荷轻，工作载荷稳定，二班制工作时，取：的型号是： B 型号 2. 确定带轮的计算直径） 1 皮带轮的直径越小，带的弯曲应力就越大。为提高带的使用寿命，小带轮直径求大雨许用最小带轮直径各型号带对应的最小带轮直径共 80 页第 22 页 40r/） 2 11111212 =212r/中 : r/r/ 一般取算后应将数字圆整为整数。 3） u 具体的计算过程如下： 100060 11 = 10 0060 14 4014 0 s 对于 O、 A、 B、 5m/s u 25m/s。而 u=5 10m/ 此速度完全符合 B 型皮带的转速。 4） 0：带轮的中心距，通常根据机床总体布局初步选定，一般可以在下列范围内选取： 2）（ 2） 352（ 2） 704 04 过小，将降低带的寿命；中心距过大时，会引起带振动。中型车床电机轴至变速箱带轮的中心距一般为 750 850 5） 0及内周长三角带的计算长度是通过三角带截面重心的长度。 22 4021221214027042 =共 80 页第 23 页圆整到标准的计算长度 L=2033 查表 000 正值 Y=33 6） u 000 40 次 /s （则合格）中： u 超限。可加大 L（加大 A）或降

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