有全套图纸数控车床刀架及其液压系统的设计

1、1 引言1.1 毕业设计的背景及目的 制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争。随着机械制造生产模式的演变,对机械制造装备提出了不同的要求.在50年代“刚性”生产模式下，通过提高效率，自动化程度,进行单一或少品种的大批量生产，以“规模经济”实现降低成本和提高质量的目的。在70年代主要通过改善生产过程管理来进一步提高产品质量和降低成本。在80年代，较多地采用数控机床，机器人，柔性制造单元和系统等高技术的集成来满足产品个性化和多样化的要求，以满足社会各消费群体的不同要求

2、。从90年代开始，为了对世界生产进行快速响应，逐步实现社会制造资源的快速集成，要求机械制造装备的柔性化程度更高,采用拟实制造和快速成形制造技术1。工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性”强,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“一个工人，一把刀，一台机床”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。 因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必

3、须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重1。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。本课题设计一台数控车床-CK20，用于对回转零件的圆柱面，圆弧面，圆锥面，端面，切槽

4、，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，高生产效率。本次设计的主要内容为：1，数控车床CK20总体布局的设计；2，数控车床回转刀架的结构设计及总装图的绘制；3，数控车床刀架，液压夹盘，尾座套筒等部分液压控制系统设计；4，数控车床数控系统的设计；5，典型零件数控加工程序的编制；6，外文资料的翻译。CK20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同学相互讨论等途径，拟定了如下的研究手段：(1)，本次研究的数控车

5、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6工位刀盘，则该刀架换一次刀的最大耗时不到。2.4.2.2 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

6、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。 1) 确定作用在蜗轮上的转矩按，估取效率，则 =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；由西北工业大学机械原理及机械零件教研室编著的机械设计教材表11-

7、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) 确定弹性影响系数因选用的是铸锡青铜轮和钢蜗杆相配，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，可从表11-7中查得蜗轮的基本许用应力为。应力循环次数 寿命系数 则 6) 计算中心距 取中心距a=80mm，因故从表11-2中取模数为m=2mm，蜗杆分度圆直径。这时，从图11-18中可查得接触系数，因为，因此以上计算的结果可用。(2) 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸1) 蜗杆 轴向齿距 直径系数 齿顶

8、圆直径 齿根圆直径 分度圆导程角 蜗杆轴向齿厚 图2.3 蜗杆的结构图1) 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 蜗轮喉圆直径 蜗轮齿根圆直 蜗轮咽喉母圆半径 图2.4 蜗轮的结构图(4) 校核齿根弯曲疲劳强度 当量齿数 根据，从图11-19中可查得齿形系数。螺旋角系数 许用弯曲应力 从表11-8中查得由制造的蜗轮的基本许用弯曲应力寿命系数 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/T1

9、00891988。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9。图2.5 刀架主轴结构图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。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。1） 油泵

10、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 （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。（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。 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： 式中 -活塞运动速度； -活塞有效工作面积。

11、取；取。代入上式得 = 考虑到泄漏的影响油缸实际需油量为： 式中 为修正系数在之间。所以 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 所以 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 设液压系统管道的总长度 则有 360.64得油泵的工作压力 = 3.3数控车床液压系统的设计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

12、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18。拟定液压系统图18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，如下图所示。图3.1 液压系统控制回路液压系统的控

13、制原理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

14、电信号，说明工件夹紧可靠，数控车床才进行切削加工。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

15、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。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

16、经液压缸右腔直接流回油箱。4 CK20数控车床的数控系统4.1 数控系统发展及趋势 从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了46年历程。数控系统由当初的电子管式起步，经历了分立式晶体管式、小规模集成电路式、大规模集成电路式、小型计算机式、超大规模集成电路和微机式的数控系统等6个发展阶段。到80年代，总体发展趋势是：1)、数控装置由NC向CNC发展；2）、广泛采用32位CPU组成多微处理器系统；3）、提高系统的集成度，缩小体积，采用模块化结构，便于裁剪、扩展和功能升级，满足不同类型数控机床的需求；4）、驱动装置向交流、数字化方向发展；5）、CNC装置向人工

17、智能化方向发展；6）、采用新型的自动编程系统，增强通信功能，使数控系统可靠性不断提高。总之，数控机床技术不断发展，功能越来越完善，使用越来越方便，可靠性越来越高，性能价格比也越来越高20。4.2 数控系统的选择根据设计机床的要求，以及充分考虑系统的稳定性以及机床的经济性所以选用SINUMERIK 802C数控系统。SINUMERIK 802C是西门子数控系列产品中的普及型数控系统，性价比高。它将CNC（数控）、PLC（可编程控制器）、HMI（人机界面）和通讯任务集成于一体，可控制3个伺服电机进给轴和1个伺服或变频主轴，系统PLC可直接应用SIMATIC S7-200指令集。CNC编程使用西门子

18、G代码。系统可与计算机通讯，编辑、保存和传输应用程序。模块化的两轴伺服电机驱动器SIMODRIVE 611A和1FT5交流伺服电机与802C系统相配合，构成控制和驱动的完整系统，其性能足以满足使用要求。SNUMERIK 802C base line 控制单元和操作面板 SINUMERIK 802C base line 是专门为中国数控机床市场而开发的经济型 CNC 控制系统。其特性如下： 1）紧凑，高度集成于一体的数控单元，操作面板，机床操作面板和输入输出单元； 2）床调试配置数据少，系统与机床匹配更快速、更容易； 3）简单而友好的编程界面，保证了生产的快速进行，优化了机床的使用SINUMER

19、IK 802C base line集成了所有的CNC，PLC，HMI，I/O 于一身： 独立于其他部件进行安装。坚固而又节省空间的设计，使它可以安装到最方便用户的位置； 4）操作面板提供了所有的数控操作，编程和机床控制动作的按键以及8英寸LCD显示器，同时还提供12个带有LED 的用户自定义键。工作方式选择(6 种)，进给速度修调，主轴速度修调，数控启动与数控停止，系统复位均采用按键形式进行操作； 5）INUMERIK 802C base line 的输入/输出点为48个24V的直流输入和16个24V的直流输出。输出同时工作系数为0.5 时负载能力可达0.5A。为了方便安装，输入输出采用可移动

20、的螺丝夹紧端子，该端子可用普通的螺丝刀来紧固； 6）SINUMERIK 802C base line可控制三个进给轴。SINUMERIK 802C base line 提供传统的± 10V 的伺服驱动接口； 7）除三个进给轴外， SINUMERIK 802C base line 都提供一个± 10V 的接口用于连接主轴驱动； 8）SINUMERIK 802C base line 基本配置的驱动系统为 - SIMODRIVE base line，3Nm/6Nm 和6Nm/8Nm 双轴模块与 - 11Nm单轴模块，驱动带单极对旋转变压器的1FK 7伺服电机， - 当需要进行功率

21、扩展应用时，可以选用SIMODRIVE 611U 伺服驱动系统和带单极对旋转变压器的1FK 7 伺服电机。 SINUMERIK 802C base line控制软件已经存储在数控部分的Flash-EPROM(闪存)上，Toolbox软件工具(调整所用的软件工具)包含在标准的供货范围内。系统不再需要电池，免维护设计。采用电容防止掉电引起的数据丢失。程序的变化和新程序软件存储。系统软件面向车床和铣床应用，并可单独安装。在每一个工具盒中都包含有车床和铣床的PLC 程序示例，以便用户能很快地调试完毕。 4.3 SINUMERIK 802C base line CNC控制器与伺服驱动SIMODRIVE

22、611U和1FK7伺服电机的连接图如下20： 图4.2 加工零件图5结 论 本次课题是针对经济型数控车床的刀架及其液压控制部分进行主要设计，刀架是数控机床的主要部件之一。刀架的精度，刚度以及可靠性都直接影响机床的使用性能，在机床的致命性分析中转塔刀架的致命度是最高的，数控系统发出指令后刀架不转位、刀架转位错误、刀架错位、刀架报警、刀架不能正常换刀等等一系列的故障都会导致机床不能正常工作。本次设计针对这些可能出现的故障及错误进行了仔细，严谨，认真的分析，使车床回转刀架的可靠性有了很大程度的提高。在设计中得到邓老师耐心的指导和同学的热心帮助才使得这次毕业设计能够完满完成，同时也巩固了我所学的知识，

23、作为大学四年的最后的一次作业，自始至终我都用心的去完成，并从中学到了不少的知识。在能力培养方面也基本达到了预期的目的，即不但培养了我综合应用专业基础知识来解决实际工程问题的能力，而且还使我初步树立了很强的工作责任感。在设计中我们小组紧密配合，虽是共同设计一台数控车床，但各有分工。这就为我们的创新思维留足了广阔的自由空间，在追求统一的前提下充分发挥自己的想象力。讲求团队合作精神，这一课题的设置符合高等院校办学精神，同时也符合现代企业的择人准则。独立思考、广泛讨论是获取新知识的有效捷径这一思想正在被越来越多的人所接受。经过我们小组同学的认真讨论和研究，最终我们圆满的设计出了一台CK20数控车床，虽

24、然这台车床在很多方面还没有达到工程实际要求的水平，但必尽这是我们迈向工程实际的第一步，也是最为关键的一步。相信经过这次训练后，无论是在以后的工作还是学习中，必定能使我们少走弯路。6 致 谢在这次毕业设计中得到了很多老师和同学的热心帮助，在这里我要一一向他们表示感谢。首先我要感谢我们的指导老师邓朝晖教授。从毕业设计开始到期末答辩，邓老师一直严格要求我们，为我们安排了理合的作息时间，避免了由于作息时间无序而出现的懒散现象的发生。为了能使我们按时胜利的完成毕业设计任务，邓老师多次带领我们小组的同学实地参观数控车床和数控磨床，加深了我们对数控机床的理性认识。有的同学设计的课题可查阅的相关资料较少，邓老师亲就亲自通过不同途径为这些同学找到相关的资料，保证了这些同学的进度。正是在邓老师有效的指导下，使得我们小组每个同学的进度都达到了学院的要求。在学院组织的几次中期检查中，我们组的同学没有一个因为进度跟不上而遭到检查老师的批评。我很欣赏邓老师严谨的治学态度，敬佩他的为人；感谢他对我们的耐心指导。我相信这三个月来