Φ550mm的数控车床总体设计及液压尾座设计说明书.doc
全套文件-Φ550mm的数控车床总体设计及液压尾座设计【含CAD图纸】
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数控车床
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毕业设计(论文)550mm 的数控车床总体设计及液压尾座设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师年 月 日摘 要现代数控机床是未来工厂自动化的基础。数控化设计范围大、潜力大、投资少、见效快，促进制造业技术进步的重要手段。因此，数控系统设计车床的研究具有重要意义。本文在叙述了数控技术的历史、现状和发展的基础上，通过机床设计的总体思想，提出了数控化设计的技术方案和新数控系统的选型配置方案;提高了传动的精度，重新设计机床的控制逻辑，通过对伺服系统的分析，完成了机床各主要参数的优化和匹配。关键词：550mm，数控车床，机床，设计，数控系统。 AbstractModern CNC machine tools is the basis for the future of factory automation. CNC design range, potential is great, less investment, quick effect, promote manufacturing industry technological progress is an important means of. Therefore, the design of NC system for lathe has important significance to the research of.This paper describes the CNC technology history, current situation and development on the basis of machine tool design, through the overall idea, put forward the technical scheme design of NC and CNC system selection scheme; the drive to improve the accuracy, to design machine tool control logic, through the servo system of a machine tool, completed the main parameters optimization and matching.Key words: 550mm, CNC lathes, machine tools, design, numerical control system.目 录摘 要IIAbstractIII第1章 数控机床发展概述11.1数控机床11.1.1数控机床的特点11.1.2数控机床的发展简史11.1.3数控机床的分类21.1.4数控机床的组成61.1.5数控机床的数字控制61.1.6数控机床的伺服机构71.1.7数控机床的关键零部件71.1.8数控机床的发展方向81.2数控机床的工艺范围及加工精度91.2.1工艺范围91.2.2加工精度91.3数控机床的经济分析101.4数控机床的发展趋向12第2章 数控机床总体方案的制订及比较142.1 总体方案比较142.1.1系统运动方式的确定152.1.2控制方式的选择152.2 总体方案确定152.2.1 系统的运动方式伺服系统的选择152.2.2 数控系统152.2.3 机械传动方式16第3章 确定切削用量及选择刀具163.1科学选择数控刀具163.1.1选择数控刀具的原则163.1.2选择数控车削用刀具173.2 设置刀点和换刀点173.3 确定切削用量183.3.1确定主轴转速183.3.2确定进给速度183.3.3 确定背吃刀量19第4章 550mm传动系统图的设计194.1主传动系统的设计要求194.2总体设计194.2.1 拟定传动方案194.2.2 选择电机214.2.3 主运动调速范围的确定、计算各轴计算转速、功率和转矩234.2.4 转速图254.3传动皮带的设计和选定14.3.1 同步带传动设计14.4轴系部件的结构设计34.4.1 I轴结构设计34.4.2 II轴结构设计74.4.3电磁摩擦离合器的计算和选择13第5章 尾座部分的设计145.1尾座套筒的设计155.2尾座体的设计155.3尾座顶尖的设计165.4液压缸的设计165.5尾座导轨的设计165.6尾座孔系设计175.6.1配合175.6.2套筒孔的设计185.6.3孔和键的设计185.7挠度、转角、液压缸内径、锁紧力的计算及校核195.7.1挠度的计算205.7.2转角的计算205.7.3压板处螺栓直径的校核205.7.4液压缸内径的校核215.7.5尾座锁紧力的验算22第6章 微机数控系统的设计226.1 微机数控系统的设计纲要226.1.1 硬件电路设计226.1.2 软件电路设计236.2 8031单片机及其扩展246.2.1 8031单片机的简介246.2.2 8031单片机的系统扩展256.2.3 存储器扩展276.2.4 I/O口的扩展286.2.5 步进电机驱动电路296.2.6 脉冲分配器（环行分配器）306.2.7 光电隔离电路306.2.8 功率放大器306.2.9 其他辅助电路31结 论33参考文献:34致 谢35- 36 -第1章 数控机床发展概述1.1数控机床 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。数控机床最早是从美国开始研制的。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于1952年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。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床。经过三年改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。1.1.1数控机床的特点 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。1.1.2数控机床的发展简史 1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。1949年，该公司在美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，并于1952年试制成功第一台由大型仿形车床改装而成的三坐标数控车床，不久即开始正式生产，于1957年正式投入使用。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。自1952年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。第一代数控：1952-1959年采用电子管元件构成的专用数控装置。第二代数控：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。第三代数控：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。第四代数控：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。第五代数控：从1974年开始采用微型电子计算机控制的系统。目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统，形成了现代数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。1.1.3数控机床的分类数控机床的品种很多，根据其加工、控制原理、功能和组成，可以从以下几个不同的角度进行分类。一、按加工工艺方法分类1金属切削类数控机床与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控车床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的，具有较高的生产率和自动化程度。在数控数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床。加工中心机床进一步提高了数控数控机床的自动化程度和生产效率。例如铣、镗、钻加工中心， 它是在数控车床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次装夹后，可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、 铰以及攻螺纹等多工序加工，特别适合箱体类零件的加工。加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了 辅助时间，大大提高了生产效率和加工质量。2特种加工类数控机床除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。3板材加工类数控机床常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。近年来，其它机械设备中也大量采用了数控技术，如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。二、按控制运动轨迹分类1点位控制数控机床点位控制数控机床的特点是机床移动部件只能实现由一个位置到另一个位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。机床数控系统只控制行程终点的坐标 值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。可以几个坐标同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。2直线控制数控机床直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。直线控制的简易数控车床，只有两个坐标轴，可加工阶梯轴。直线控制的数控车床，有三个坐标轴，可用于平面的铣削加工。现代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力头带有多轴箱的轴向进给进行钻镗加工，它也可算是一种直线控制数控机床。数控镗车床、加工中心等机床，它的各个坐标方向的进给运动的速度能在一定范围内进行调整，兼有点位和直线控制加工的功能，这类机床应该称为点位/直线控制的数控机床。3轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制，使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的轮廓形状。常用的数控车床、数控车床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。数控火焰切割机、电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。轮廓控制系统的结构要比点位/直线控系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现，增加轮廓控制功能不会带来成本的增加。因此，除少数专用控制系统外，现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。三、按驱动装置的特点分类1开环控制数控机床这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件，伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。数控系统每发出一个进给指令，经驱动电路 功率放大后，驱动步进电机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输 入脉冲的频率与脉冲数所决定的。此类数控机床的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制数控机床。开环控制系统的数控机床结构简单，成本较低。但是，系统对移动部件的实际位移量不进行监测，也不能进行误差校正。因此，步进电动机的失步、步距角误差、齿 轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。开环控制系统仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。2闭环控制数控机床闭环控制数控机床是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，直接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移 值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环系统的运动精度主要取决于 检测装置的检测精度，也与传动链的误差无关，因此其控制精度高。图1-3所示的为闭环控制数控机床的系统框图。图中A为速度传感器、C为直线位移传感器。当位移指令值发送到位置比较电路时，若工作台没有移动，则没有反馈量，指令值使得伺服电动机转动，通过A将速度反馈信号送到速度控制电路，通过C将工作台实际位移量反馈回去，在位置比较电路中与位移指令值相比较，用比较后得到的差值进行位置控制，直至差值为零时为止。这类控制的数控机床，因把机床工作台纳入了控制环节，故称为闭环控制数控机床。闭环控制数控机床的定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。3半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电流检测装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。图1-4所示的为半闭环控制数控机床的系统框图。图中速度传感器、角度传感器。通过测速元件A和光电编码盘B可间接检测出伺服电动机的转速，从而推算出工作台的实际位移量，将此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。由于工作台没有包括在控制回路中，因而称为半闭环控制数控机床。半闭环控制数控系统的调试比较方便，并且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体，这样，使结构更加紧凑。4混合控制数控机床将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控制数控机床特别适用于大型或重型数控机床，因为大型或重型数控机床需要较高的进给速 度与相当高的精度，其传动链惯量与力矩大，如果只采用全闭环控制，机床传动链和工作台全部置于控制闭环中，闭环调试比较复杂。混合控制系统又分为两种形 式：（1）开环补偿型。图1-5为开环补偿型控制方式。它的基本控制选用步进电动机的开环伺服机构，另外附加一个校正电路。用装在工作台的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差。（2）半闭环补偿型。图1-6为半闭环补偿型控制方式。它是用半闭环控制方式取得高精度控制，再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环修正，以获得高速度与高精度的统一。其中是速度测量元件（如测速发电机），B是角度测量元件，C是直线位移测量元件。1.1.4数控机床的组成 数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。控制系统用于数控机床的运算、管理和控制，通过输入介质得到数据，对这些数据进行解释和运算并对机床产生作用；伺服系统根据控制系统的指令驱动机床，把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动指令，使刀具和零件执行数控代码规定的运动；检测系统则是用来检测机床执行件(工作台、转台、滑板等)的位移和速度变化量，并将检测结果反馈到输入端，与输入指令进行比较，根据其差别调整机床运动；机床传动系统是由进给伺服驱动元件至机床执行件之间的机械进给传动装置；辅助系统种类繁多，如：固定循环(能进行各种多次重复加工)、自动换刀(可交换指定刀具)、传动间隙补偿偿机械传动系统产生的间隙误差)等等。1.1.5数控机床的数字控制 数控装置包括程序读入装置和由电子线路组成的输入部分、运算部分、控制部分和输出部分等。数控装置按所能实现的控制功能分为点位控制、直线控制、连续轨迹控制三类。 点位控制是只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需控制。采用这类控制的有数控钻床、数控镗床和数控坐标镗床等。 直线控制是除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。采用这类控制的有平面铣削用的数控车床，以及阶梯轴车削和磨削用的数控车床和数控磨床等。 连续轨迹控制（或称轮廓控制）能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线，并协调各坐标方向的运动速度，以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。采用这类控制的有能加工曲面用的数控车床、数控车床、数控磨床和加工中心等。 1.1.6数控机床的伺服机构 伺服机构分为开环、半闭环和闭环三种类型。开环伺服机构是由步进电机驱动线路，和步进电机组成。每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。这种伺服机构比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。 半闭环伺服机构是由比较线路、伺服放大线路、伺服马达、速度检测器和位置检测器组成。位置检测器装在丝杠或伺服马达的端部，利用丝杠的回转角度间接测出工作台的位置。常用的伺服马达有宽调速直流电动机、宽调速交流电动机和电液伺服马达。位置检测器有旋转变压器、光电式脉冲发生器和圆光栅等。这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。 闭环伺服机构的工作原理和组成与半闭环伺服机构相同，只是位置检测器安装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置，故反馈精度高于半闭环控制，但掌握调试的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。闭环伺服机构所用伺服马达与半闭环相同，位置检测器则用长光栅、长感应同步器或长磁栅。 1.1.7数控机床的关键零部件 为了保证机床具有很大的工艺适应性能和连续稳定工作的能力，数控机床结构设计的特点是具有足够的刚度、精度、抗振性、热稳定性和精度保持性。进给系统的机械传动链采用滚珠丝杠、静压丝杠和无间隙齿轮副等，以尽量减小反向间隙。机床采用塑料减摩导轨、滚动导轨或静压导轨，以提高运动的平稳性并使低速运动时不出现爬行现象。 由于采用了宽调速的进给伺服电动机和宽调速的主轴电动机，可以不用或少用齿轮传动和齿轮变速，这就简化了机床的传动机构。机床布局便于排屑和工件装卸，部分数控机床带有自动排屑器和自动工件交换装置。大部分数控机床采用具有微处理器的可编程序控制器，以代替强电柜中大量的继电器，提高了机床强电控制的可靠性和灵活性。 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。1.1.8数控机床的发展方向 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。数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，成为先进制造技术中的一项核心技术。数控系统技术的突飞猛进为数控机床的技术进步提供了条件。当前，数控机床的发展主要体现为以下几方面：(1) 高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。(2) 柔性化 包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。 (3) 工艺复合性和多轴化以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。(4) 实时智能化早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。1.2数控机床的工艺范围及加工精度1.2.1工艺范围数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数量最多的数控机床，约占数控机床总数的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、轮廓形状复杂的轴类、盘类等回转体零件的加工，能够通过程序控制自动完成园柱面、圆锥面、圆弧面和各种螺纹的切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。1.2.2加工精度由于数控车床具有加工精度高、能作直线和圆弧插补功能，有些数控车床还具有非圆曲线插补功能以及加工过程中具有自动变速功能等特点，所以它的工艺范围要比数控车床要宽得多。1.精度要求高的回转体零件由于数控车床刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以车代磨。2.表面粗糙度要求高的回转体零件数控车床具有恒线速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均匀的零件。使用恒线速切削功能，就可选用最佳速度来切削锥面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。数控车床还适合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位选用较大的进给量，要求小的部位选用小的进给量。3.轮廓形状特别复杂和难于控制尺寸的回转体零件由于数控车床具有直线和圆弧插补功能，部分车床数控装置还有某些非圆曲线和平面曲线插补功能，所以可以加工形状特别复杂或难于控制尺寸的的回转体零件。4.带特殊螺纹的回转体零件数控车床所能车削的螺纹类型相当有限，它只能车等导程的直、锥面公、英制螺纹，而且一台车床只能限定加工若干导程的螺纹。而数控车床不但能车削任何等导程的直、锥面螺纹和端面螺纹，而且能车变螺距螺纹，还可以车高精度螺纹。 1.3数控机床的经济分析将数控机床设计成数控机床, 是许多机械生产厂家在没有大量资金投入的情况下所走的设备技术设计之路1经济型数控机床设计方案不同1得到的经济效益也不同1针对常德纺织机械厂提出的经济型数控车床设计的技措任务, 结合其它厂家以往数控车床设计的经验教训, 我们开展了深入细致的调研工作, 特别是对沈阳第一机床厂的数控车床进行了熟悉了解, 下面分析经济型数控车床设计的价值效益经济型数控车床设计方案初探数控系统及电气控制部份: 目前我国生产经济型数控系统的厂家有70余家, 知名的有常州宝马集团公司BKC2系列, 北京航天数控集团, 南京大方数控公司J WK系列及重庆巴山仪器厂2385系列等1这些厂家在研制数控系统时都从系统功能、可靠性、操作宜人性等方面作了大量工作,克服了单板机TP - 801(Z80)系统的缺点,从而促进了我国经济型数控系统的技术发展,为经济型数控机床的生产和设计打下了良好的基础1沈阳一机厂在研制CAK - 6150时选用了多家系统, 经过了长时间的反复考验、筛选, 最后选用了重庆巴山仪器厂2385 - IT系统1该系统性能较好, 可靠性高, 具有细分斩波先进技术, 有良好的性价比1步进电机选择了华中理工大学试验工厂产品, 切削扭矩大, 这方面是值得我们借鉴的1机床电气控制还需考虑: 主轴马达启停、变速控制、转塔刀架、冷却泵等控制1保证机床可靠性, 此处不可忽视, 须有一定的投入1212主轴系统: 一般经济型数控车床设计主轴系统是较困难的或根本不加设计, 这势必影响机床主轴速度控制的自动化程度, 并且复杂工艺零件加工的适应性差, 这是不可取的1常纺机厂车床设计可以考虑以下两种方案: (1) 按沈阳一机厂方案, 即保留一级手柄三档变速操作, 另加每档位四档自动变速, 用系统S指令控制, 即S1S4, 加上手动共34 = 12级主轴速度, 如此设计需增加双速电机一台615/ 8 KW , 电磁离合器两只, 机械结构也需作部分设计1 (2) 选用变频器控制主轴速度, 原机床主轴电机保留, 主轴手动变速取消1可以考虑高低档齿轮变速, 通过电磁阀启动切换, 全部变速系统S指令控制, 但数控系统需选用南京大方公司J WK - 21T数控系统, 具有12级S指令, 此方案主轴变速自动化程度更高, 但费用也相应高些, 若典型加工零件四档自动变速可以满足工艺要求, 则考虑方案(1) 性价比更高些1213进给系统: 对于数控机床, 进给系统是非常关键的1它直接影响机床的定位精度以及零件的加工精度,除了数控系统及伺服系统的有效保证外, 机械执行机构的合理选择和设计不容忽视1首先是螺旋传动, 数控车床采用数控丝杆, 主要缺点是精度差, 间隙小, 且传动机械效率低, 一般仅为g = 50 %左右, 即使用于精度要求不高的机床也容易造成步进电机丢步或机械爬行1因此, 必须采用滚珠丝杆, 其特点是: 传动效率高g = 90 %以上, 反向间隙小, 运动平稳, 传动精度高且保持性好, 寿命长, 但设计成本也要增加, 一味追求数控化而忽视数控系统对机械的要求, 是很不合理的1其次机床导轨也不可忽视, 对原机床导轨要进行检查, 对磨损部位通过磨削, 配研予以修复1为了减少摩擦力、振动以及爬行, 增加机床精度保持性, 可考虑床鞍贴塑即TSF软带1最后还须考虑丝杆预拉伸、轴承座、联轴节等机械结合件的设计制造以尽可能减少它们对机械精度的影响1214自动转塔刀架: 一般来说自行设计制造转塔刀架是可以做到的, 但其结构的合理性, 加工工艺、安装精度是难以与专业厂家相比的1为了提高机床可靠性, 外购专业厂家产品很有必要, 如烟台机床附件厂、瓦房店机床附件厂的产品13设计车床与成品数控车床的比较311机床性能: 在选用相同数控系统和参照CAK - 6150进行设计, 可以说机床性能将不会有很大差异1312机床结构及外观: 由于CAK - 6150是按数控机床要求设计, 因此结构合理性超过设计车床, 其外观美也是设计机床无法达到的1313机床精度: 由于一般厂家加工设备及工艺手段无法与专业厂家相比, 加之员工素质的影响, 在刚性、动静摩擦力等诸多方面, 设计的环节将可能影响机床精度, 想要达到加工IT6 级的零件, 还有一定距离1314机床可靠性: 沈阳一机厂经三年时间研制开发, 且又经过两年多时间厂内使用, 投入了相当的人力、物力, 不断发现问题、解决问题, 使CAK - 6150达到了一定的可靠性1他们也有过惨痛教训, 就是用BS03系统改进100台数控车床, 由于可靠性差, 除少数几台还在使用外, 其余全部报废或改为数控车床, 非常类似我厂的情况1虽然我们现在已经认识到可靠性的重要, 也有一定的措施和把握, 但与沈阳一机厂相比, 无论是技术素质上以及投入的人力、物力上均有天壤之别, 因此可靠性无法与之相比1315经济性: 按CAK - 6150的档次进行设计, 需外购的装置及部件有:(1) 经济型数控系统及伺服装置, 估价115万元2万元(2) 主轴双速电机615/ 8 KW一台, 估价0115万元012万元(3) 滚珠丝杆两根, 估价0135万元(4) 电磁离合器两只, 估价0105万元(5) 转塔刀架四工位AKZ11504型, 估价013万元015万元(6) 电气控制柜设计安装, 估价013万元4结论经济型数据控车床设计应根据各厂的具体情况, 典型零件的加工工艺及精度要求, 批量大小, 决定进行设计的程度1设计的程度越高, 机床性能越好, 加工零件的适应性越强, 所花费的设计费用也就越大, 若要求设计车床的性能接近和达到CAK - 6150层次, 则设计从经济角度来看意义并不太大, 从机床可靠性方面来看更是得不偿失。1.4数控机床的发展趋向数控机床也正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展。 高性能：随着数控系统集成度的增强，数控机床也实现多台集中控制，甚至远距离遥控。高精度：数控机床本身的精度和加工件的精度越来越高，而精度的保持性要好。高速度：数控机床各轴运行的速度将大大加快。高柔性：数控机床的柔性化将向自动化程度更高的方向发展，将管理、物流及各相应辅机集成柔性制造系统。模块化：数控机床要缩短周期和降低成本，就必然向模块化方向发展，这既有利于制造商又有利于客户。 我国近几年数控机床虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的差距，主要表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。为了缩小与世界先进水平的差距，有关专家建议机床企业应在以下6个方面着力研究：1加大力度实施质量工程，提高数控机床的无故障率。2跟踪国际水平，使数控机床向高效高精方面发展。3加大成套设计开发能力上求突破。4发挥服务优势，扩大市场占有率。5多品种制造，满足不同层次的用户。6模块化设计，缩短 开发周期，快速响应市场。 数控机床使用范围越来越大，国内国际市场容量也越来越大，但竞争也会加剧，我们只有紧跟先进技术进步的大方向，并不断创新，才能赶超世界先进水平。 第2章 数控机床总体方案的制订及比较2.1 总体方案比较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CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。数控车床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，数控系统应设计成连续控制型。属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应结构简化，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电动机的开环控制系统。比较项目方案一方案二确定后的方案具体原因主轴箱分级变速采用调速电机+齿轮传动采用三相异步电机+减速器方案一变速级数比较多满足多种加工需要，也符合任务书要求进给机构滚珠丝杠+步进电机滚珠丝杠+伺服电机方案一脉冲当量步进电机控制的准确刀架四工位回转刀架六工位回转刀架都可以各有各的好处尾座液压尾座手动普通尾座液压尾座可通过数控系统调整方便数控系统8位单片机16位单片机方案一基本需求可以满足2.1.1系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。2.1.2控制方式的选择系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不做检测，所以机床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环伺服系统主要由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反应迅速，调试和维修都比较简单。2.2 总体方案确定2.2.1 系统的运动方式伺服系统的选择由于改造后的经济型数控机床应具备定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，暂停，循环加工，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑达到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。2.2.2 数控系统根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。2.2.3 机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。系统总体方案框图如下： 图2-1 系统总体方案框图第3章 确定切削用量及选择刀具3.1科学选择数控刀具3.1.1选择数控刀具的原则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选择数控车削用刀具在数控加工中，车削平面零件内外轮廓 及车削平面常用平底立车刀，该刀具有关参数的经验数据如下:一是车刀半径RD应小于零件内轮廓面的最小曲率半径Rmin，一般取RD=(0.8一 0.9)Rmin。二是零件的加工高度HRdp，电动机直接驱动主轴不能满足恒功率变速要求，因此需要串联一个有级变速箱，以满足主轴的恒功率调速范围。取，则对于数控车床，为了加工端面时满足恒线速度切削的要求，应使转速有一些重复，故取Z=2故前面传动比分配可取。各轴计算转速 各轴输入功率 各轴输入转矩 将以上计算结果整理后列于表2.2，供以后计算选择，供以后计算使用：表2.3 各轴的传动参数参数 轴0轴（电机轴）I轴(传动轴）II轴（中间传动轴）III轴（主轴)计算转（）1000416.7208 104/416.7输入功率（Kw） 5.5 5.285.124.79转矩（） 54121235 456.4/114传动比 ，4.2.4 转速图由电机的转速范围(包括恒功率变速范围)和各轴传动比,作数控车床的转速图, 见图4-2. 图4.2 转速图4.3传动皮带的设计和选定 （如无特殊说明，本小节公式均出自资料14）带传动是由带和带轮组成传递运动和动力的传动。根据工作原理可分为两类：摩擦带传动和啮合带传动。摩擦带传动是机床主要传动方式之一，常见的有平带传动和同步带传动；啮合传动只有同步带一种。普通同步带传动是常见的带传动形式，其结构为：承载层为绳芯或胶帘布，楔角为40、相对高度进似为0.7、梯形截面环行带。其特点为：当量摩擦系数大，工作面与轮槽粘附着好，允许包角小、传动比大、预紧力小。绳芯结构带体较柔软，曲挠疲劳性好。其应用于：带速V2530m/s;传动功率P700kW;传动比i10轴间距小的传动。一主要失效形式 1带在带轮上打滑，不能传递动力； 2带由于疲劳产生脱层、撕裂和拉断； 3带的工作面磨损。 保证带在工作中不打滑的前提下能传递最大功率，并具有一定的疲劳强度和使用寿命是同步带传动设计的主要依据，也是靠摩擦传动的其它带传动设计的主要依据。4.3.1 同步带传动设计 (1)设计功率的确定：由表8-7查得工况系数(2) 选定带型：根据和由图8-10确定选用A型。确定带轮的基准直径并验算带速传V：1初选带轮的基准直径由表8-6和表8-8确定：取小带轮直径=125mm2验算带速V：因为5m/sV计算大带轮的基准直径。=i=2.4125=300mm根据表8-8圆整为=315mm确定同步带的中心距a和基准长度Ld 1初定带轮距得： 即: 初取 2计算带所需的基准长度：由表8-2选带的基准长度Ld=1800mm3计算实际中心距：安装时所需最小轴间距：张紧或补偿伸长所需最大轴间距：(5)验算小带轮包角：所以小带轮包角合适。(6)计算带的根数Z。1单根同步带的基本额定功率：根据dd1和=1000r/min查表8-4a得基本额定功率=1.428Kw。再根据=1000r/min、i=2.4和A型带查表8-4b得=0.12Kw查表8-5得：2计算带的根数z。取 根。计算单根同步带的初拉力的最小值：应使带的实际初拉力计算压轴力压轴力的最小值为：(9)带轮的结构和尺寸：由表8-10可查得为了减轻传动轴上载荷，采用卸荷式带轮结构，使带轮上的载荷由轴承支撑进而传给箱体，轴只承受转矩，装配装置参见装配图。4.4轴系部件的结构设计4.4.1 I轴结构设计（如无特殊说明，本小节公式均出自资料14）I轴上的零件主要是齿轮1。一端用凸台定位,另一端用紧定螺钉定位。1.选定齿轮类型,精度等级,材料及齿数.根据选定的传动方案,选用直齿圆柱齿轮传动.（1）本次设计属于金属切削机床类,一般齿轮传动,故选用6级精度.（2）材料选择.由表10-1选择小齿轮材料为40Cr(调质),硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢(调质)硬度为240HBS,二者材料硬度差为40HBS.（3）选小齿轮齿数大齿轮齿数 2.按齿面接触强度设计 由设计计算公式(10-9a)进行试算,即： (2.5)确定公式内的各计算数值（1）试选载荷系数（2）计算小齿轮传递的转矩由上文可知为121N/m（3）由表10-7选取齿宽系数（4）由表10-6查得材料的弹性影响系数（5）由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限大齿轮的接触疲劳强度极限;（6）由式10-13计算应力循环次： (2.6)（7）由图10-19查得接触疲劳寿命系数（8）计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-12）得： (2.7)2）计算（1）小齿轮分度圆直径，代入中较小的值：(2.8) （2）计算圆周速度： (2.9)（3）计算齿宽： (2.10)（4）计算齿宽与齿高之比： 模数 (2.11) 齿高 (2.12) (2.13)（5）计算载荷系数根据，6级精度，由图10-8查得动载系数；直齿轮，假设。由表10-3查得；由表10-2查得使用系数；由表10-4查得6级精度，小齿轮悬臂支承时： (2.14) 将数据代入得： ； (2.15)由，查图10-13得；故载荷系数： (2.16) （6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式（10-10a）得： (2.17)（7）计算模数： (2.18)3.按齿根弯曲强度设计：由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为： (2.19)1）确定公式内的各计算数值（1）由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限；（2）由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数，；（3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-12）得： (2.20) （4）计算载荷系数K： (2.21) （5）查取齿形系数由表10-5查得；。（6）查取应力校正系数由表10-5查得；。（7）计算大小齿轮的并加以比较： (2.22)大齿轮的数值大。2）设计计算：对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲疲劳强度算得的模数2.31并就近圆整为标准值m=2.5，按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数：大齿轮齿数这样设计出的齿轮传动，即满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。4.几何尺寸计算1）计算分度圆直径：2）计算中心距：3）计算齿轮宽度：取。5.验算：，合适。4.4.2 II轴结构设计（如无特殊说明，本小节公式均出自资料14）1.轴的支承形式该轴不受或只受极小的轴向力，而右端所受径向力矩明显高于左端，故左端选用深沟球轴承，而右端选用一对角接触球轴承背靠背安装，如图所示：图4.4 中间轴的支承形式2.轴上零件的轴向定位II轴上的主要零件主要有三对直齿圆柱齿轮及其中两直齿圆柱齿轮对应的电磁离合器。滚子轴承的左端靠在端盖上，右端用轴肩定位。与电机轴上齿轮相啮合的齿轮左端用圆螺母固定,右端用轴肩定位.另外两齿轮所对应的电磁离合器位于它们中间，相互紧靠，两齿轮的另两端用螺钉锁紧挡圈定位。轴右端的轴承左边利用轴肩定位，右端用一摔油盘（有套筒的作用）和圆螺母进行定位。（1）轴的选材和最小直径得确定轴的材料选择为：45号钢（调质处理）。轴的最小尺寸，由式（152）， 式中，由表153，可取得110，故： 取35mm。由于取值较计算值大的多，所以不用再按弯扭合成强度条件计算和进行疲劳强度校合。轴的零件图如图2-5.图4.5 中间轴零件图（2）齿轮的设计齿轮1和2的直径相差较大，对齿轮1（小齿轮）在模数和选材及热处理方面要求较高，所以首先进行该对齿轮的设计。1.选定齿轮的精度等级和材料，初选齿数本数控机床的运行速度较高，精度等级选择6级精度；由表101，小齿轮材料选择为40，调质后表面淬火，硬度为280HBS；大齿轮材料选择为45钢，调制后表面淬火，硬度为240HBS。小齿轮的齿数初选为24， 242=482.按齿面接触强度进行设计按式（109）试算： 确定公式内的各计算值：初选载荷系数Kt1.6；计算小齿轮传递的转矩由前文可知小齿轮传递的转矩为235;由表107及其说明，可选定齿宽系数； 由表106，查得材料的弹性影响系数189.8；由图1021d，按齿面接触硬度查得小齿轮的接触疲劳强度650MPa；大齿轮的接触疲劳强度600MPa；两齿轮的设计寿命为50000h，由式1013，计算应力循环次数： 由图1019查得接触疲劳寿命系数=0.9,=0.95;计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%,安全系数s1。由式（1012），=0.9650/1585MPa =0.95600/1=570MPa 将以上参数代入公式进行计算 算小齿轮分度圆直径d1t，代入H-中较小的值：计算圆周速度v： 计算齿宽： 计算齿宽与齿高之比： 齿轮模数 齿高 计算载荷系数K由图108，查得动载系数；由表103，查得;由表102，查得使用系数1.25；小齿轮精度为6级，相对支撑作对称分布。由表104， 由b/h4.27，=1.15,查图1013，得1.12，故，动载系数： 按实际得载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（1010a）得： 计算模数 ： 3.按齿根弯曲强度设计由式（105）得弯曲疲劳的设计公式为 以下确定式中各参数的值：由图1020c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限520MPa；大齿轮的弯曲疲劳强度极限440MPa；由图1018查得弯曲疲劳寿命系数0.82，0.87；计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S1.3，由式（1012）得：0.82520/1.3328MPa0.87440/1.3294.46Mpa 计算载荷系数 K： 查取齿形系数由表10-5查得。查取应力校正系数由表105,查得；。计算大、小齿轮的并加以比较： 大齿轮数值大，将用于以下计算。将以上参数代入式（105）进行计算： 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而由齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度所算得的模数m=4，按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数4.几何尺寸计算1）计算分度圆直径2）计算中心距3）计算齿轮宽度取。5.验算，合适。第二对齿轮的模数可取得比齿轮1小，4。由于这两齿轮得中心距与齿轮1和2的中心距相等，故,四个齿轮的尺寸参数如表2.4所示。表2.4 齿轮尺寸参参数 齿轮1234模数m4444齿数z38767638中心距a228分度圆直径d152304304152齿顶圆直径160312312160齿根圆直径142194194142全齿高h99压力角基圆直径142.8285.67285.67 142.8传动比2/11/2齿轮宽B45404045齿宽系数0.254.4.3电磁摩擦离合器的计算和选择本课题中数控机床得转速较高，对工作可靠性要求高，根据资料13中的结构选择原则，选取湿式多片电磁离合器。形式选定后，应进一步确定其规格（本小节公式及参数除非特别说明，均出自资料15）（1）规格计算其规格选择计算的基本原则是使其计算转矩小于或等于其薄弱环节的失效条件限制而允许其传递的许用转矩T，即 (2.23)其中-理论转矩-计算转矩-公称转矩-许用转矩-最大转矩-许用最大转矩-许用转速1）计算转矩由于各类联轴器，离合器实际工况不同，在确定计算转矩时应将理论转矩乘以不同系数K。本机床承受长期平稳载荷，故： (2.24)式中，-分别为离合器的计算转矩，公称，许用转矩，N/m；-离合器理论转矩,N/m；K离合器工况系数离合器接合频率系数离合器滑动速度系数本文中为金属切学机床，由表15.2-3查得K=1.4，由表15.2-4查得 =1.00，由表15.2-4查得=1.08从而得到： (2.25)根据计算转矩，查表资料00000选取规格为DLMS-16A的湿式多片电磁离合器，相关尺寸可从资料中查取。第5章 尾座部分的设计尾座是卧式车床的重要附件，其主要作用是为轴类零件定心，同时具有辅助支撑和夹紧的功能。550MM数控卧式车床的尾座采用的是整体式结构，整体式结构尾座由尾座体、套筒、芯轴结构、套筒液压测力装置、尾座和套筒移动机构、尾座和套筒夹紧与放松结构及液压装置等组成，芯轴结构选用高精度的进口轴承支承，动、静刚度好，精度高。套筒和尾座的移动均为机动，套筒和尾座的夹紧、放松均采用碟形弹簧夹紧，液压放松的机动夹紧、放松结构，夹紧力足够大，安全可靠，工人操作简单、方便、效率高。其优点在于：(1)刚度高、抗震性能好，精度高，精度保持性好，整体式尾座，将分体式尾座上、下体合为一个尾座整体，采用整体式箱形结构设计，经有限元分析、计算，通过对尾座内部筋板的合理布置，提高了尾座的刚度和固有频率，尾座采用高强度低应力铸铁铸造，经良好的时效处理，热变形小，在承受最大工件重量和最大额定切削力的情况下。尾座整体变形小，抗振性能好，满足数控卧式车床精度检验标准的要求。(2)结构更加简单、优化、合理，整体式尾座将分体式尾座上、下体合为一个尾座整体，取消了分体式尾座联结的定位键和把合螺钉，总零件数和标准件数更少，取消了分体式尾座上、下体的配合加工面，取消了分体式尾座上、下体的装配环节，加工、装配工艺性更好，节约了加工、装配总费用，降低了尾座的总重量和总成本。我设计的尾座的工作原理是尾座套筒、尾座油压后座上都有油孔,尾座套筒和尾座活塞固定座通过螺钉连接在一起，可以移动。尾座油压后座、尾座体和尾座活塞轴连接在一起，固定不动。尾座活塞轴、尾座套筒和尾座活塞固定座形成一个液压缸，并且分成两个腔。当给尾座油压后座通液压油时，液压油通过油路进入尾座活塞轴上的一个腔，在进入套筒孔的锥形腔内，此时压力增大，套筒带动顶尖向前移动。反之，当液压油通过油路进入尾座活塞轴上的另一个腔，此时向后退的压力增大，套筒带动顶尖向后移动。下面介绍该车床尾座几个主要部分的设计5.1尾座套筒的设计数控卧式车床尾座套筒的主要尺寸是根据尾座体的尺寸选择的。套筒的作用就是安装尾座活塞轴和顶尖，利用液压缸提供的压力和莫氏锥度本身的结构特性顶紧顶尖，使顶尖在顶着工件加工时不会随工件一起转动。为了使套筒不随工件一起转动在套筒上部设计了滑键槽，在尾座体上设计有滑键。尾座工作时滑键在滑键槽中滑动，这样套筒就不会跟着转了，同时，顶尖在顶着工件加工时也不会随工件一起转动了。从而提高了套筒的使用寿命。由于顶尖是利用氏锥度本身的结构特性卡紧的，但是在工作中需要拆卸顶尖，因此需要在尾座套筒上设计顶尖退套孔，用于拆卸顶尖。当需要拆卸顶尖时，把退套楔插入顶尖退套孔，用小锤敲击退套楔使顶尖松动并可以取出。退套楔的规格是S79-1 4。5.2尾座体的设计数控卧式车床550MM的尾座体是尾座的主要的机械部分，设计时主要参看其他机床的尾座体和根据制造业在生产中所积累的经验，稍加改造而成的。尾座体的壁厚要尽量均匀，拐角处要设计成圆角以减少集中应力。尾座体的材料采用HT250，铸造加工而成。在尾座体的设计过程中考虑到加工工艺，需要设计出工艺凸台和工艺孔。5.3尾座顶尖的设计车床的尾座顶尖，在车床的使用中经常用到的定位元件，它可以帮助主轴一起限制的工件的自由度，并起到定心的作用，因此要求具有较高的精度，在使用中要使尾座的轴心线与机床主轴的轴心线保证较高的同轴度在进行工件的加工过程中多采用前后顶尖来支承工件，来确定工件的旋转中心并承受刀具作用在工件上的切削力。顶尖是机械加工中的机床的重要部件，它可对端面复杂的零件和不允许打中心孔的零件进行支承。顶尖的一端可顶中心孔或管料的内孔，另一端则放入到尾座套筒内。顶尖的锁紧主要是靠顶紧力和液压缸提供的压力，加工时一般紧缩在尾座套筒内。顶尖一般由专门的工厂生产，我们只要根据自己的需要买产品。由于数控卧式车床550MM是中小型机械加工设备，尾座总体尺寸并不是很大所以选择莫氏4号的顶尖。莫氏锥度是一个锥度的国际标准，用于静配合以精确定位。由于锥度很小，可以传递一定的扭距，又因为有锥度，又便于拆卸。利用的就是摩擦力的原理，在一定的锥度范围内，工件可以自由的拆装，同时在工作时又不会影响到使用效果，比如钻孔的锥柄钻。在锥柄上好后，钻头可以将工件钻出需要的孔，而锥柄处不会出现转动现象。又比如钻孔的锥柄钻，如果使用中需要拆卸钻头磨削，拆卸后重新装上不会影响钻头的中心位置。5.4液压缸的设计液压缸的工作原理 ：它的最基本5个部件,1-缸筒和缸盖2-活塞和活塞杆3-密封装置4-缓冲装置5-排气装置 。每种缸的工作原来几乎都是相似的,拿一个手动千斤顶来说它的工作原来吧,千斤顶其实也就是个最简单的油缸了.通过手动增压秆(液压手动泵)使液压油经过一个单项阀进入油缸,这时进入油缸的液压油因为单项阀的原因不能再倒退回来,逼迫缸杆向上,然后在做工继续使液压油不断进入液压缸,就这样不断上上升,要降的时候就打开液压阀,使液压油回到油箱.这个是最简单的工作原来了,其他的都在这个基础上改进的.5.5尾座导轨的设计（1）导轨的作用是引导机床运动部件作直线或圆周运动，并承受运动部件包括工件的重力和切削力等载荷。导轨应满足导向精度高、精度保持性好、低速运动平稳性好；摩擦阻力小、灵敏度高；刚度高、承载能力达；结构简单，便于加工、安装、调配、调整和维修，成本低等要求。（2）导轨的材料：对导轨材料的主要要求是耐磨性好、工艺性好、成本低。常用的导轨材料有铸铁、钢、有色金属和塑料，其中以铸铁应用最为普遍。为了提高耐磨性和防止咬焊，动导轨和支承导轨应尽量采用不同的材料。如果选用相同的材料，也一定要采取不同的热处理方式以使其具有不同的硬度。材料以铸铁为例，铸铁是一种成本低，良好减震性和耐磨性，易于铸造和切削加工的金属材料。导轨常用的铸铁材料有灰铸铁、孕育铸铁和耐磨铸铁等。灰铸铁常用的牌号是HT200。在较好的润滑与防护条件下，具有一定的耐磨性。适用于不经常工作且对精度保持性要求不高的导轨。孕育铸铁常用的牌号是HT300。耐磨性高于灰铸铁，但较脆硬，不易刮研，且成本较高。常用于较精密的机床导轨。耐磨铸铁中应用较多的是高磷铸铁、磷铜钛铸铁及钒钛铸铁。与孕育铸铁相比，其耐磨性提高12倍，但成本较高，常用于精密机床导轨。通过对材料的类比，由于我设计的是550MM液压尾座,考虑价格等原因，选用灰铸铁作为导轨材料。（3）导轨的形状：直线运动滑动导轨截面形状主要有三角形、矩形、燕尾形和圆形，并且可以相互组合。在本课题中，我选择双矩形导轨。这种导轨的刚度高，当量摩擦系数比三角形导轨低，承载能力高，加工、检验和维修都方便。矩形导轨存在侧向间隙，必须用镶条进行调整。5.6尾座孔系设计设计中所需提及的主要技术要求中，就其性质而言，大致可分为两类：一是各加工表面自身的尺寸精度、几何形状精度和表面粗糙度；二是为了保证定位基准面的定位精度，以及为了减轻在加工中的定位误差。为了保证尾座体在装配精度，还要求有较高的相互位置精度。根据技术参数的要求，确定套筒直径为80mm。5.6.1配合套筒在工作中主要有两种配合要求。其一，套筒与尾座体的配合，其二，套筒与顶尖、尾座活塞轴的配合。考虑到顶尖套筒与尾座孔在不同的接触部位其接触部位的不同，因此可以采用不同的配合等级。因此，我们分别确定其配合等级。（1）套筒与尾座体的配合根据有关资料和实际的生产实践经验，套筒与尾座体的配合采用基孔制，间隙配合，但间隙很小，防止在工作中产生较大的跳动，影响加工工件的直线度和圆柱度。由于套筒的尺寸较大，又和尾座体有配合要求，所以要保证套筒的直线度和圆柱度，可选直线度为0.012mm、圆柱度为0.01mm。（2）套筒与顶尖、尾座活塞轴的配合套筒与顶尖、尾座活塞轴的配合要求较高，配合间隙很小。安装莫氏锥柄的套筒部与尾座孔的配合精度要求最高，配合间隙很小，制造成本也高，最适合于不回转的精密滑动配合，精度等级多用于IT5IT7级。尾座活塞轴的作用是推动顶尖，使其在套筒中伸缩，因此，与套筒的配合也用间隙配合，并且表面粗糙度值要求也要小，以减小摩擦力，保证动作的准确性、迅速性。推荐表面粗糙度值选择Ra0.8。5.6.2套筒孔的设计通常情况下顶尖和中心孔的锥度必须相同，并且多数为锥度为60，这是为了减少接触面的单位面积压力和不损坏死顶尖。但在本课题中，所使用的顶尖是莫氏锥度4号的顶尖，因此，套筒前端的套筒孔的锥度也为莫氏锥度4号锥度。顶尖（死顶尖或活顶尖）的锥面（莫氏锥度或公制锥度）插入主轴锥孔和尾座顶尖套筒的锥孔内要同心，既要保证设计时同轴度的要求，避免由于尾座的偏移使车削工件产生锥度，因此在设计中要保证莫氏锥孔轴心线与套筒轴心的同轴度公差为0.01mm,端面径向跳动公差为0.006mm。5.6.3孔和键的设计由于尾座体孔和套筒的配合精度较高，为了减轻滑键在套筒滑键槽内的磨损,需要对两者的表面进行润滑，减少摩擦，防止产生磨粒磨损。摩擦不仅损坏配合表面的品质，而且会导致疲劳裂纹的萌生，从而急剧地减低零件的疲劳强度。而在摩擦面加入润滑剂不仅可以减低摩擦，减轻磨损，保护零件不遭腐蚀，而且能起到散热降温的作用。采用润滑油来润滑时,润滑油膜可起到缓冲，吸热的功能；而采用膏状的润滑脂，即可防止内部的润滑剂的外泄，又可阻止杂质侵入，避免加剧零件的磨损,起到密封作用。因而润滑油或润滑脂的供应方法在设计中很重要。本课题的设计中尾座套筒孔的两端采取了一定的密封性设计,因此可采用比较简单的压配式注油杯系统来进行间歇性的润滑即满足尾座体孔和套筒、滑键与滑键槽的润滑要求。由于对注油孔的加工精度要求不是很高，因此在对注油孔的设计及加工中不需要考虑过多的形位精度要求,仅保持与滑键孔的位置关系即可。在尾座上设计滑键的主要目的是防止顶尖在工作时转动。在套筒上开设键槽，将滑键通过在尾座上方钻通孔来将滑键固定在尾座上,这样套筒只能在滑键尾座的套筒孔内轴向移动,只需要在套筒上铣出较长的键槽，而滑键可做得短一些.同时为了防止滑键的转动在将滑键固定好以后要采用一定的防转动措施,既是在两者的结合缝隙处钻孔攻丝安装上一个螺钉。滑键槽的长度主要和滑键在套筒上的位置有关。滑键槽的长度在设计时应该满足以下两个条件：(1)使顶尖伸出套筒长度达到设计要求的长度，即L=109 mm。(2)使滑键在滑动中顺利。因此，滑键槽的长度取L=140。在对套筒上的滑键槽以及尾座上的安装孔的设计中不仅需要保证滑键槽的对称度要求,还要保证装键孔对套筒孔中心轴线的对称度和垂直度,因此在设计中结合有关原则和实际经验,初步确定安装滑键的孔对套筒孔的对称度要求为0.002。5.7挠度、转角、液压缸内径、锁紧力的计算及校核数控卧式车床550MM的尾座受力简图:图5.1 尾座受力图根据工件最大长度和最大旋转外径假设工件最大重量 Q=2760N 顶尖和三爪卡盘支撑工件可简化为简支梁，因此尾座负重 Q/2=1380N尾座主轴伸出尾座体最大长度 130mm尾座套筒直径 80mm钢的弹性模量 E = 2.1106kgf/cm2断面惯性矩 I=201104mm4顶尖伸出套筒长 109mm根据公式 (3-1)查表可知单位切削力 = 2305N/mm2 = 0.3mm/r = 5.4mm故切削力 = 2370N机床加工如此重的工件时，尾座主轴一般紧缩在尾座体内，现在假设尾座主轴伸出为尾座主轴伸出尾座体最大长度的1/2，即伸出65mm，悬臂65mm+109mm=174mm。5.7.1挠度的计算 (3-2) 许用挠度, 在范围之内。5.7.2转角的计算 (3-3) 许用转角 ，在范围内。5.7.3压板处螺栓直径的校核在机床尾座上通过一组两个相同的螺栓连接尾座和导轨的，并用压板固定。压板的作用是连接尾座和导轨，并通过连接螺栓的紧固或松开来确定尾座在导轨上的位置。下面我们来确定连接螺栓的直径。选用螺栓的材料为35号钢，则许用抗拉强度=540Mpa，由作用力与反作用力定理可知尾座的上部和下部之间的摩擦力等于通过顶尖作用在尾座上的轴向力，即，根据金属切削原理与刀具切削时产生的轴向分力(0.10.6)，。为了满足加工后的工件的精度要求，在工件重量较大和切削力较大的情况下机床不发生共振，取轴向力。 ,取摩擦系数为由可知作用在下箱体上的压力从而可得转动凸轮轴端的方形部分所需要的力至少为15.7，那么作用在每个螺栓上的力为因为压板与导轨之间的连接形式为松连接，由公式 （3-4）于是可得现螺栓直径为，故螺栓选择合理。其长度可以根据尾座体和螺栓所在尾座体来确定，取。5.7.4液压缸内径的校核切削力与工件重量的合力 通过顶尖需要的轴向推力 cos30cos60根据公式： （3-5）尾座液压站所供油压为0.86.5Mpa，正常工作压力取P=1.5 Mpa以上，下面按正常工作的最小压力P=0.8 Mpa计算，则尾座液压缸的内径为： 现缸内径为55mm，以上计算为最大工件重量与最大切削力，平时工作载荷要小的多。故缸内径选择合理。5.7.5尾座锁紧力的验算尾座有两个锁紧压板，每个上面有2个直径为30mm的活塞；活塞总的面积为： 由于尾座芯轴的顶紧力为20，故压板和床身的摩擦力F要大于20，取：由公式 (3-6)得： 摩擦系数，导轨材料为铸铁，活塞材料为铜，取0.15， 尾座重量，取250,尾座轴向力主要由尾座顶杆承担，锁紧压板主要承受的是倾覆力矩，故应完全能够满足要求。第6章 微机数控系统的设计6.1 微机数控系统的设计纲要6.1.1 硬件电路设计硬件是组成系统的基础，也是软件编程的前提，数控系统硬件设计包括以下几部分内容：1、 绘制系统电气控制的结构框图据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气控制结构图。机床硬件电路由五部分组成：（1） 主控制器，即中央处理单元CPU；（2） 总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；（3） 存储器，包括程序存储器和数据存储器；（4） 接口，即输入/输出接口电路；（5） 外围设备，如键盘、显示器等。机床数控系统硬件框图如图6所示： 图6机床数控系统硬件框图（开环系统）2、 选择中央处理单元CPU的类型根据设计要求，CNC系统的主CPU采用8031单片机。3、 存储器扩展电路设计存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分。选择EPROM作程序存储器时，应考虑：（1） 速度应与CPU时钟匹配；（2） 容量适中。4、 I/O接口电路设计设计内容包括：据外部要求选用I/O接口芯片，步进电机伺服控制电路，键盘、显示部分以及其他辅助电路设计（如复位、掉电保护等）。这部分设计要求考虑系统的驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠。在存储器扩展和I/O接口电路中，均涉及到地址译码问题。6.1.2 软件电路设计软件是硬件的补充。确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。1、 软件设计步骤软件设计步骤分为以下几步：（3） 据软件要求实现的功能，制定出软件技术要求；（4） 将整个软件模块化，确定个模块的编制要求，包括个模块功能，入口参数，出口参数；（5） 据硬件资源，合理分配好存储单元；（6） 分别对个模块编程，并调试；（7） 连接各模块，进行统一调试及优化；（8） 固化到程序存储器中。2、 数控系统中常用的软件模块（1） 软件实现环形分配器；（2） 插补运算模块；（3） 自动升降速控制模块等。6.2 8031单片机及其扩展6.2.1 8031单片机的简介1、8031芯片引脚及片外总线结构（1）8031芯片引脚功能8031芯片有40个引脚，引脚配置见图7： 图78031芯片引脚（2）各引脚按功能可分为三部分：l I/O口线：P0，P1，P2，P3共4个8位口；l 控制口线：，ALE，RST； l 电源及时钟：V、V；XTAL1，XTAL2。（3）应用特性：l I/O口线不能都用作用户I/O口线；l I/O口的驱动能力，P0口可驱动8个TTL门电路，P1，P2，P3则只能驱动4个；l P3是双重功能口。2、8031单片机片内结构8031单片机由7个部件组成，既微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、特殊功能寄存器、I/O口、串行口、定时/计数器及中断系统，它们都是通过片内单一总线连接而成的。6.2.2 8031单片机的系统扩展 8031单片机内无程序存储器，如不扩展外部程序存储器则不能工作，且片内仅有128字节数据存储器，对于需要较多数据缓冲区的程序来说，片内RAM也不够用，须扩展。8031片内四个I/O口中仅P1口可作为8位双向的I/O接口用户使用，也须扩展，有些情况还须扩展定时/计数器等。1、8031的片外总线结构所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展：（1） 数据总线（DB）：由P0口提供，数据总线要连接到连接的所有外围芯片上，但在同一时间只能够有一个是有效的数据传输通道。（2） 地址总线（AB）：16位，可寻址范围为64K字节，AB由P0口提供低8位地址，与数据分时传送，传送数据时将低8位地址锁存。高8位地址由P2口提供。（3） 控制总线（CB）：系统扩展用控制总线有、ALE、。2、系统扩展能力据地址总线的宽度，在片外可扩展的存储器最大容量为64K字节。片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号。允许两者的地址重复。故片外可扩展的数据存储器与程序存储器分别为64K。扩展的I/O口与片外数据存储器统一编址，不再另外提供地址线。3、地址锁存器8031扩展系统时，由P0口提供数据及低8位地址，分时传送，故须地址锁存。常用的地址锁存器芯片是74LS373（带三态缓冲输出的8D触发器），其引脚及连接见图8。图874LS373引脚及连接图图中：DD：信号输入端；QQ：信号输出端；G：下降沿时，将DD锁存于内部；E：使能端，E=0时，三态门处于导通状态，输出端QQ与输入端DD连通，当E=1时，输出三态门断开，输入数据锁存。4、地址译码8031扩展电路中，都涉及到外部地址空间分配问题，即当8031数据总线分时与多个外围芯片进行数据传送时，首先要进行片选，然后再进行片内地址选择。地址译码实现片选的方法可分为三种：线选法、全地址译码法和部分地址译码法。这里选用部分地址译码法。这种方法是线选与地址译码相结合。图9为74LS138码器的引脚图。当G时，74LS138工作。C、B、A的输出决定译码器的输出引脚。图974LS138引脚图6.2.3 存储器扩展1、存储器常用芯片（1）EPROM芯片 常用的程序存储器芯片（EPROM）有2761（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、27128（16K8）、27256（32K8）和27512（64K8）等，均为28脚双列直插式扁平封装长片，图10为常用EPROM引脚。图10常用EPROM引脚排列EPROM选用原则：（a） 据控制对象和任务的复杂程度，以及是否需要大量计算来确定存储系统容量（粗略估计，留有一定余地，以备系统的功能扩展用），为使电路简化，尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合。（b） 芯片的工作速度满足系统的时序要求。8031访问EPROM时，其所提供的读取时间t与所选的晶体时钟有关，约为3T，不同型号的EPROM工作速度一般为200450ns，故选取芯片时，应使其工作速度小于t。（2）数据存储器数据存储器有动态和静态之分，两者相比，静态RAM无须考虑保持数据而设置的刷新电路，扩展简单，在数据存储器扩展电路中应用较广泛。常用的静态RAM有6116（2K8）、6264（8K8）、62256（2K8）等，它们都由单一的+5V电源供电，2
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