φ630mm的數(shù)控車床總體設(shè)計及四方回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計
φ630mm的數(shù)控車床總體設(shè)計及四方回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計,mm,妹妹,數(shù)控車床,總體,整體,設(shè)計,四方,回轉(zhuǎn),刀架
畢業(yè)設(shè)計(論文)
Φ630mm的數(shù)控車床總體設(shè)計
及四方回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計
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年 月 日
摘 要
在數(shù)控機床系統(tǒng)中，加工精度和加工可靠性是伺服系統(tǒng)決定的，本文對數(shù)控車床進行了分析和設(shè)計，全面闡述了數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計特點，論述了采用伺服電機和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點。詳細介紹了數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)設(shè)計及校核，并進行了分析。另外匯總了有關(guān)技術(shù)參數(shù)。
其中著重介紹了四方刀架的原理包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機匹配的原則以及廠家的選擇等。
關(guān)鍵詞：車床，數(shù)控，電機，刀架
II
Abstract
In the system of the CNC machine tool, machining precision and reliability are servo system is determined, based on the CNC lathe are analyzed and designed, elaborated in the round CNC lathe structure principle, design features, discusses the use of servo motor and ball screw nut pair advantages. Introduces the NC lathe structure design and verification, and analysis. In addition to collect the related technology parameters.
Which focuses on the four knife principles including type selection, parameter selection, precision, circulation mode selection, matched with the host machine and the selection principle of manufacturers.
Key Words: Lathes, CNC, machine, tool
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 數(shù)控機床發(fā)展概述 6
1.1數(shù)控機床及其特點 6
1.2數(shù)控車床的主要功能及加工對象 6
1.3 數(shù)控機床的經(jīng)濟分析 7
1.3.1中小企業(yè)數(shù)控機床選用中存在的問題 7
1.3.2 數(shù)控機床選購的策略 7
1.4 數(shù)控機床的發(fā)展趨向 9
第2章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較 10
2.1 總體設(shè)計方案 10
2.2 主傳動的系統(tǒng)設(shè)計 12
2.2.1機械部分的數(shù)控設(shè)計 12
2.2.2電氣部分的數(shù)控化設(shè)計 12
2.3進給系統(tǒng)的設(shè)計 13
2.3.1進給機構(gòu)的設(shè)計 13
2.3.2 Φ630MM的數(shù)控車床的設(shè)計要求 13
2.3.3 Φ630MM的數(shù)控車床機床主要參數(shù) 13
2.3.4導(dǎo)軌副的設(shè)計 14
2.4 微機系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計 14
2.4.1系統(tǒng)軟件的設(shè)計 14
2.4.2硬件系統(tǒng)設(shè)計 14
2.2設(shè)計方案論證 15
第3章 確定切削用量及選擇刀具 17
3.1科學(xué)選擇數(shù)控刀具 17
3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則 17
3.1.2選擇數(shù)控銑削用刀具 17
3.2 設(shè)置刀點和換刀點 18
3.3.1確定主軸轉(zhuǎn)速 18
3.3.2確定進給速度 19
3.3.3 確定背吃刀量 19
第4章 傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計計算 19
4.1 參數(shù)的確定 20
4. 2 傳動設(shè)計 22
4.3轉(zhuǎn)速圖的擬定 24
第5章 四方自動回轉(zhuǎn)刀架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 27
5.1減速傳動機構(gòu)的設(shè)計 27
5.1.1上刀體鎖緊與精定位機構(gòu)的設(shè)計 27
5.1.2自動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 27
5.2 主要傳動部件的設(shè)計 30
5.2.1 蝸桿副的設(shè)計計算 30
5.2 螺桿的設(shè)計計算 34
第6章 數(shù)控硬件電路設(shè)計 35
6.1硬件電路設(shè)計 35
6.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 35
6.1.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能 36
6.2關(guān)于各線路元件之間線路連接 36
6.3關(guān)于電路原理圖的一些說明 37
結(jié) 論 40
致 謝 41
參考文獻 42
42
第1章 數(shù)控機床發(fā)展概述
1.1數(shù)控機床及其特點
數(shù)字控制機床是用數(shù)字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床，簡稱數(shù)控機床。
數(shù)控機床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令；加工性能比一般自動機床高，可以精確加工復(fù)雜型面，因而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復(fù)雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟效果。
隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機床品種日益增多，有車床、車床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床等。此外還有能自動換刀、一次裝卡進行多工序加工的加工中心、車削中心等。
數(shù)控機床主要由數(shù)控裝置、伺服機構(gòu)和機床主體組成。輸入數(shù)控裝置的程序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤直接手動輸入。
隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機床的控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高；數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實現(xiàn)自動編程。
未來數(shù)控機床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機床品種越來越多；激光加工等技術(shù)將應(yīng)用在切削加工機床上，從而擴大多工序集中的工藝范圍；數(shù)控機床的自動化程度更加提高，并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個柔性制造單元，更加便于納入高度自動化的柔性制造系統(tǒng)中。
1.2數(shù)控車床的主要功能及加工對象
數(shù)控車床的功能分為一般功能和特殊功能。一般功能是指各類數(shù)控車床普遍所具有的功能。如點位控制功能、刀具半徑自動補償功能、鏡象加工功能、 固定循環(huán)功能等。特殊功能是指數(shù)控車床在增加了某些特殊裝置或附件后，分別具有或兼?zhèn)涞囊恍┨厥夤δ堋Ｈ绲毒唛L度補償功能、靠模加工功能、自動變換工作臺功能、自適應(yīng)功能、數(shù)控采集功能等。
在使用數(shù)控車床加工工件時，只要充分利用數(shù)控車床的各種功能，就可以加工許多普通車床難加工的工件。數(shù)控車床的主要加工對象有：平面類零件；變斜角類零件；曲面類（立體類）零件。
1、直線插補:?數(shù)控車床在完成工作時所具有的基本功能之一，一般情況下分為直線插補和空間直線插補等一些插補方式
2、圓弧插補:?這也是數(shù)控車床在完成工作時所具有的基本功能之一，一般情況下可分為平面圓弧插補以及逼近圓弧插補等。
3、固定循環(huán):???固定循環(huán)是指通過各種參數(shù)使用不同的加工要求，主要用于實現(xiàn)一些魚油經(jīng)典型的需要多次重復(fù)的工作，這樣使用固定循環(huán)是可以有效的簡化程序的編制。
1.3 數(shù)控機床的經(jīng)濟分析
近幾年，隨著國民經(jīng)濟快速穩(wěn)定發(fā)展，我國機床制造行業(yè)受益于國家振興裝備制造業(yè)的大環(huán)境，有了長足進展，這其中領(lǐng)先當(dāng)今機械制造技術(shù)水平的數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)更勝一籌。
由于數(shù)控設(shè)備的先進性、復(fù)雜性和發(fā)展的迅速性,以及品種型號、檔次的多樣性,決定了選用數(shù)控設(shè)備的復(fù)雜性和難度。如何從品種繁多、價格昂貴的產(chǎn)品中選擇適用的設(shè)備, 成為中小型企業(yè)十分關(guān)心的問題。
1.3.1中小企業(yè)數(shù)控機床選用中存在的問題
目前中小型企業(yè)缺乏數(shù)控設(shè)備的使用經(jīng)驗和掌握數(shù)控加工技術(shù)的人才,在數(shù)控機床選購中存在著盲目性、片面性,主要表現(xiàn)在以下幾方面:
1.決策者對數(shù)控機床的認識有誤區(qū),部分企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)認為配置高精度數(shù)控設(shè)備是企業(yè)檔次的象征。選型時不考慮投資效益,忽略性價比,盲目追求進口、高檔,片面講究功能齊全。而在后來的使用過程中才發(fā)現(xiàn)有些功能用不上或幾乎不用。2.機床選型混亂, 數(shù)控機床類型、規(guī)格不配套。選購不同廠家的產(chǎn)品, 數(shù)控系統(tǒng)不統(tǒng)一, 購置后給操作、編程、維修帶來困難。3.購置數(shù)控機床時只重視主機性能, 而忽略附件和刀具的配套, 致使在使用中因缺少某個附件或刀具而影響整個主機的運行。4.對企業(yè)發(fā)展和產(chǎn)品變化預(yù)測不足, 所購設(shè)備的功能的發(fā)揮受到制約。
1.3.2 數(shù)控機床選購的策略
1.實用性。選購數(shù)控機床時，企業(yè)要有明確的目的和出發(fā)點，首先考慮的是數(shù)控機床的實用性。
(1)數(shù)控機床規(guī)格、精度的實用性。在選擇數(shù)控機床時,首先應(yīng)確定數(shù)控機床上加工的典型零件。零件的尺寸決定機床的加工范圍；零件關(guān)鍵部位的精度決定了所選機床的精度等級。機床精度的評定指標(biāo)較多，因數(shù)控機床類別而異,但共有的關(guān)鍵項目是定位精度、重復(fù)定位精度以及綜合加工精度。定位精度與傳動鏈各環(huán)節(jié)的彈性、間隙等因素有關(guān),反映了機械系統(tǒng)中的扭曲、撓度、爬行、共振等諸因素造成的綜合誤差。這些指標(biāo)既反映了伺服機構(gòu)的剛度,也說明了位置反饋測量系統(tǒng)的質(zhì)量。重復(fù)定位精度反映了數(shù)控軸在全行程內(nèi)定位點的穩(wěn)定性，傳動鏈剛性直接影響重復(fù)定位精度。綜合加工精度指最后加工出來的工件尺寸與所要求尺寸之間的誤差。選購時應(yīng)避免盲目追求高精度，注意機床精度與工件精度相匹配。
(2)數(shù)控系統(tǒng)功能的實用性。數(shù)控系統(tǒng)功能可分為基本功能與選用功能, 各知名品牌數(shù)控系統(tǒng)的基本功能差別不大。除基本功能以外, 數(shù)控系統(tǒng)還為用戶提供多種可選功能。通常數(shù)控系統(tǒng)具備的基本功能比較便宜, 而特定選擇的功能很貴。在可供選擇的功能模塊中, 性能差別很大,價格也相差數(shù)倍，所以要根據(jù)加工要求和機床性能的需要來選擇。 從控制方式、驅(qū)動形式、反饋形式、檢測、操作方式、接口形式和故障診斷等方面來衡量, 合理地選擇適合機床的可選功能,放棄可有可無或不實用的可選功能。比如，自動換刀裝置(ATC) 是加工中心的基本特征，ATC裝置的投資往往占整機的30%～50%。因此在滿足使用要求的前提下盡量選用結(jié)構(gòu)簡單和可靠性高的ATC, 以提高機床的可靠性和降低整機的價格。應(yīng)當(dāng)注意，單獨簽訂合同購買附件的單價大大高于隨同主機一起供貨的附件單價,應(yīng)盡可能在購買主機時一并購置部分易損部件及其他附件。 2.經(jīng)濟性。經(jīng)濟性是指選用的數(shù)控機床在滿足加工要求的條件下, 所支付的“錢”最少或較為合理的。經(jīng)濟性往往是和實用性緊密相連的, 機床選得實用、經(jīng)濟, 可避免不必要的浪費, 避免以高代價換來功能過多而又不實用的較復(fù)雜的數(shù)控機床，避免在操作使用、維護保養(yǎng)等諸多方面帶來困難。
數(shù)控機床的設(shè)計使用壽命一般為7年, 主要以數(shù)控方面的使用壽命為準。同時還得考慮市場占有率, 市場占有率高的數(shù)控設(shè)備說明是旺銷產(chǎn)品, 已受到多數(shù)用戶的青睞和肯定, 一般不會有太多的質(zhì)量問題。
選購數(shù)控機床應(yīng)考慮投資回報, 能夠在短期內(nèi)收回投資的機床才是好機床。因為數(shù)控機床的主要優(yōu)勢是實現(xiàn)工序集中，從而提高生產(chǎn)率和加工精度，所以數(shù)控機床既適于單件小批生產(chǎn)，又適于大批量生產(chǎn)。多數(shù)中小型企業(yè)購買的數(shù)控機床用于批量生產(chǎn)，因為批量生產(chǎn)不僅節(jié)省編程、對刀等輔助時間，提高機床利用率；而且對操作者的技術(shù)要求不高，人工費用也相對較低。所以用于大批量生產(chǎn)的機床投資回報較快。少數(shù)產(chǎn)品附加值高，具有一定經(jīng)濟實力的企業(yè)，為了生產(chǎn)組織方便而購買用于單件生產(chǎn)的數(shù)控機床。機床利用率較低時，不僅要考慮設(shè)備的使用費用，比如潤滑油、冷卻液、電力消耗等，還要計算設(shè)備折舊。另外一個不可忽視的因素是設(shè)備的貶值，數(shù)控機床的升級、更新較快，同配置的一臺機床，現(xiàn)在售價40萬，三年后可能降至35萬，這樣算起來貶值和折舊一樣不可忽視。所以沒有定型產(chǎn)品或產(chǎn)品附加值較低的中小型企業(yè)，在購置貴重數(shù)控設(shè)備之前，一定要充分研究收回投資的周期。有些企業(yè)事先確定較穩(wěn)定的批量加工意向，甚至已經(jīng)接到訂單，選購機床時要求機床廠為其準備工裝、編制程序、培訓(xùn)工人，即所謂“交鑰匙”工程，這是投資數(shù)控機床最理想的情況。
3.穩(wěn)定可靠性。數(shù)控設(shè)備的可靠性是廣大數(shù)控設(shè)備用戶必須關(guān)心的焦點問題, 因此在選用數(shù)控設(shè)備時應(yīng)注意生產(chǎn)廠家的規(guī)模和市場占有率, 確認其產(chǎn)品是否達到國家規(guī)定的平均無故障時間標(biāo)準(規(guī)定為500h)。目前多數(shù)機床廠都采購成熟的數(shù)控系統(tǒng)和零部件進行組裝。國內(nèi)應(yīng)用較多的數(shù)控系統(tǒng)有日本FANUC、德國的西門子等。立式加工中心的床身出自昆明和南京的居多，而床身中的直線導(dǎo)軌、主軸又分別來自德國和臺灣等地。所以機床的主要零部件的質(zhì)量一般是可靠的，需要重點考察的是數(shù)控機床組裝企業(yè)的售后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是否健全,服務(wù)隊伍的素質(zhì)是否能勝任工作,服務(wù)能否及時,是否能履行承諾等。
1.4 數(shù)控機床的發(fā)展趨向
數(shù)控機床是由美國發(fā)明家約翰·帕森斯上個世紀發(fā)明的。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，世界機床業(yè)已進入了以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機電一體化時代，其中數(shù)控機床就是代表產(chǎn)品之一。數(shù)控機床是制造業(yè) 的加工母機和國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)。它為國民經(jīng)濟各個部門提供裝備和手段，具有無限放大的經(jīng)濟與社會效應(yīng)。
技術(shù)發(fā)展趨勢：
高速、精密、復(fù)合、智能和綠色是數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展的總趨勢，近幾年來，在實用化和產(chǎn)業(yè)化等方面取得可喜成績。主要表現(xiàn)在：
1.機床復(fù)合技術(shù)進一步擴展隨著數(shù)控機床技術(shù)進步，復(fù)合加工技術(shù)日趨成熟，包括銑-車復(fù)合、車銑復(fù)合、車-鏜-鉆-齒輪加工等復(fù)合，車磨復(fù)合，成形復(fù)合加工、特種復(fù)合加工等，復(fù)合加工的精度和效率大大提高?！耙慌_機床就是一個加工廠”、“一次裝卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，復(fù)合加工機床發(fā)展正呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢。
2．?dāng)?shù)控機床的智能化技術(shù)有新的突破，在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了較多體現(xiàn)。如：自動調(diào)整干涉防 碰撞功能、斷電后工件自動退出安全區(qū)斷電保護功能、加工零件檢測和自動補償學(xué)習(xí)功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過程自動消除機床震動等功能 進入了實用化階段，智能化提升了機床的功能和品質(zhì)。
3．機器人使柔性化組合效率更高機器人與主機的柔性化組合得到廣泛應(yīng)用，使得柔性線更加靈活、 功能進一步擴展、柔性線進一步縮短、效率更高。機器人與加工中心、車銑復(fù)合機床、磨床、齒輪加工機床、工具磨床、電加工機床、鋸床、沖壓機床、激光加工機 床、水切割機床等組成多種形式的柔性單元和柔性生產(chǎn)線已經(jīng)開始應(yīng)用。
4．精密加工技術(shù)有了新進展數(shù)控金切機床的加工精度已從原來的絲級（0.01mm）提升到目前 的微米級（0.001mm），有些品種已達到0.05μm左右。超精密數(shù)控機床的微細切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達到0.05μm左右，形狀精度可達 0.01μm左右。采用光、電、化學(xué)等能源的特種加工精度可達到納米級（0.001μm）。通過機床結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、機床零部件的超精加工和精密裝配、采用 高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動等動態(tài)誤差補償技術(shù)，提高機床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進入亞微米、納米級超精加工時代。
5．功能部件性能不斷提高功能部件不斷向高速度、高精度、大功率和智能化方向發(fā)展，并取得成熟的應(yīng)用。全數(shù)字交流伺服電機和驅(qū)動裝置，高技術(shù)含量的電主軸、力矩電機、直線電機，高性能的直線滾動組件，高精度主軸單元等功能部件推廣應(yīng)用，極大的提高數(shù)控機床的技術(shù)水平。
第2章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較
2.1 總體設(shè)計方案
床身的上部內(nèi)裝主軸傳動系統(tǒng)為主軸變速系統(tǒng)，這部分采用原機床的主軸傳動系統(tǒng)即保留原機床的電動機等等，還有添加的變速箱。床身的底部是可作冷卻液箱的底座，數(shù)控系統(tǒng)顯示器及按鍵位于操作者的右邊，便于調(diào)試、和操作觀察。床身右側(cè)的電器箱內(nèi)裝有兩坐標(biāo)的進給伺服控制系統(tǒng)，床身左側(cè)的電器箱內(nèi)裝有主控器和強電系統(tǒng)。顯示器采用LED，用以顯示輸入的程序，機床的實際位置和已存儲的各種信息。手動操作時，顯示器可作為數(shù)字讀出裝置使用。
控制部分
數(shù)控系統(tǒng)采用為兩坐標(biāo)CNC開環(huán)控制，由步進電機經(jīng)一級齒輪變速箱后減速驅(qū)動?？蓪崿F(xiàn)兩坐標(biāo)直線插補和兩坐標(biāo)圓弧插補。采用MCS－51系列單片機組成微機控制系統(tǒng)，它的可靠性高、能在惡劣的環(huán)境下工作，適應(yīng)能力較好，且功能強，速度高。數(shù)控系統(tǒng)還具有刀具長度偏移和半徑補償功能，自診斷功能，可進行自動加、減速，并具有備用電池，停電時可做存儲已編程序的電極。采用CNC－51微機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由I/O接口輸出脈沖信號，經(jīng)光電隔離電路，功率放大再傳給步進電機，步進電動機驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)X、Z 兩個方向的進給運動，加工零件?？傮w設(shè)計如圖2-1所示：
信號分配及放大電路
步進電動機
（X軸）
信號分配及放大電路
步進電動機
（Z軸）
圖2-1 無反饋控制電路
方案2顯示器采用LED，用以顯示輸入的程序，機床的實際位置和已存儲的各種信息。手動操作時，顯示器可作為數(shù)字讀出裝置使用。假如數(shù)控系統(tǒng)采用為兩坐標(biāo)ＮＣ閉環(huán)或者半閉環(huán)控制，那么必須要有電路反饋信息，反饋位移或角位移的電路，這樣可以有更加精確的加工路線，更加便于操作者了解機床的行經(jīng)過程。仍由步進電機經(jīng)一級齒輪變速箱后減速驅(qū)動?？蓪崿F(xiàn)兩坐標(biāo)直線插補和兩坐標(biāo)圓弧插補。采用MCS-51系列單片機組成微機控制系統(tǒng)，它的可靠性高、能在惡劣的環(huán)境下工作，適應(yīng)能力較好，且功能強，速度高。數(shù)控系統(tǒng)還具有刀具長度偏移和半徑補償功能，自診斷功能，可進行自動加、減速，并具有備用電池，停電時可做存儲已編程序的電極。采用mcs-51微機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由I/O接口輸出脈沖信號，經(jīng)光電隔離電路，功率放大再傳給步進電機，步進電動機驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)X、Y 兩個方向的進給運動，加工零件。如圖2-2所示．
圖2-2 有反饋控制電路
方案的取舍：比較兩者的設(shè)計方案，方案1的布置比較合理，完全按照機床的正常布置而設(shè)計，沒有其他什么多余的功能，是經(jīng)過了市場調(diào)查后而進行的，雖然沒有位移的反饋信息電路，加工精度也不如方案2高，但是卻可以節(jié)約資金，在很多加工要求不必太高，不需要反饋信息進行控制的電路時，也是能夠達到精度要求的，所以在本設(shè)計中無須反饋電路，即采用開環(huán)系統(tǒng)。在很多的小工廠里也是可以進行這種數(shù)控設(shè)計，其范圍廣。并且對CNC和NC控制作比較，CNC的功能比NC強大許多，在現(xiàn)在軟件發(fā)展如此之快的情況下，CNC已經(jīng)完全取代了NC，采取CNC不但經(jīng)濟，而且功能又符合Φ630MM的數(shù)控車床機床的數(shù)控設(shè)計。綜合，在本設(shè)計中，方案1-1是可行的方案。
2.2 主傳動的系統(tǒng)設(shè)計
2.2.1機械部分的數(shù)控設(shè)計
數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的主要特點：
① 結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，自動化程度高；
② 廣泛采用高效、無間隙傳動裝置和新技術(shù)、新產(chǎn)品；
③ 具有適應(yīng)無人化、柔性化加工的特殊部件；
④ 對機械結(jié)構(gòu)、零部件的要求高。
主傳動系統(tǒng)采用電動機（7.5KW）。進給系統(tǒng)采用滾動絲杠副螺母副代替原有絲杠副，以提高機床運行精度和傳動效率。考慮到設(shè)計的目標(biāo)及成本的原因，決定主軸支承仍采用滾動軸承支承，導(dǎo)軌仍使用動壓導(dǎo)軌。
2.2.2電氣部分的數(shù)控化設(shè)計
機床加工的零件多屬中小型，且加工精度要求不是很高，原有的交流電機就能夠滿足加工要求。因此其主傳動系統(tǒng)的電氣部分仍采用其原來配置的7.5KW的交流電動機驅(qū)動。
2.3進給系統(tǒng)的設(shè)計
2.3.1進給機構(gòu)的設(shè)計
考慮到該數(shù)控系統(tǒng)是開環(huán)控制，沒有位置反饋電路，故進給系統(tǒng)盡可能的要減少中間傳動環(huán)節(jié)。本車床的X，Y，Z兩軸進給系統(tǒng)去掉了原來的進給系統(tǒng)的中間傳動環(huán)節(jié)，直接采用了步進電機＋一級減速齒輪＋滾珠絲桿的傳動方案。拆除原來的絲桿，增加少量的機械附件，就可安裝步進電機及滾珠絲桿螺母副。本設(shè)計選用步進電機的型號為110BF004，步進電機步距角選用，扭距是4.61Nm，電機脈沖當(dāng)量：。
2.3.2 Φ630MM的數(shù)控車床的設(shè)計要求
進給伺服系統(tǒng)設(shè)計后性能的好壞將直接影響到整個系統(tǒng)的性能的好壞。也因此對進給伺服系統(tǒng)提出了設(shè)計設(shè)計要求：
①提高傳動部件的剛度，減小傳動部件的慣量；
②減小傳動部件的間隙，并減小系統(tǒng)的摩擦阻力；
③高精度 就是說伺服系統(tǒng)的輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。
④穩(wěn)定性好 指系統(tǒng)在給定輸入或受外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)后，達到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。
⑤快速響應(yīng)，無超調(diào) 它是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。
⑥低速大轉(zhuǎn)矩 機床加工的特點是在低速時進行重切削。因此，要求伺服系統(tǒng)在低速時要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。
⑦調(diào)速范圍寬 指機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。在數(shù)控機床中，由于加工用刀具、被加工材質(zhì)及零件加工要求的不同，為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求伺服系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。
2.3.3 Φ630MM的數(shù)控車床機床主要參數(shù)
最大回轉(zhuǎn)直徑 630mm
電機功率 7.5KW
640mm
快進速度 縱向 2.4m/min
橫向 1.2m/min
定位精度 0.015mm
移動部件重量 縱向 1200N
橫向 800N
加速時間 30ms
機床效率 0.7
2.3.4導(dǎo)軌副的設(shè)計
Φ630MM的數(shù)控車床采用的是鑄鐵-淬火鋼滑動導(dǎo)軌，動、靜摩擦系數(shù)相差較大，低速易出現(xiàn)爬行，平穩(wěn)性和定位精度較低，能量損失大。在數(shù)控設(shè)計中可采用在原導(dǎo)軌上粘貼聚四乙炔軟帶涂層的方法，以減小摩擦系數(shù)，增加耐磨性，且具有良好的自潤滑性和抗震性，該方法實現(xiàn)易、費用低。
2.4 微機系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計
控制系統(tǒng)設(shè)計的總體考慮：
①確定功能指標(biāo)；
②明確硬、軟件分工；
③重視接口設(shè)計；
④認真選擇微機。
2.4.1系統(tǒng)軟件的設(shè)計
本系統(tǒng)采用8031單片機對步進電機進行控制，使機床移動部件沿X、Y坐標(biāo)方向移動，實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，完成零件加工。軟件系統(tǒng)由初始化模塊、鍵盤處理模塊、LED顯示模塊、輸入輸出處理模塊等組成。其中步進電機控制程序由軟件實現(xiàn)脈沖分配（由８０３１單片機實現(xiàn)環(huán)形分配），通過改變８２５５相應(yīng)端口的狀態(tài)完成控制過程。
2.4.2硬件系統(tǒng)設(shè)計
本系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機芯片8031為控制器，1片8kb的eprom2764作為程序存儲器擴展芯片；數(shù)據(jù)存儲器擴展芯片用1片8kb的ram6264；而選用1片可編程并行Ｉ／Ｏ接口芯片8255作為系統(tǒng)擴展的Ｉ／Ｏ口，對Ｘ、Ｙ軸步進電機及主軸進行控制,通過鍵盤的命令可使X、Y 工作臺聯(lián)動，并可以靈活地輸入切削程序和數(shù)據(jù)。用１片８１５５做為機床開關(guān)、刀架控制信號及主軸編碼器反饋信號Ｉ／Ｏ口用；1片8279作為鍵盤／顯示器接口，識別鍵盤按鍵信號，對顯示器自動掃描，完成鍵盤輸入和led顯示控制功能；采用74ls138做為統(tǒng)一地址譯碼器尋址，并用74ls343為地址鎖存器，并由8031對各步進電機脈沖信號進行環(huán)形分配，如圖1-3所示。
圖2-3 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
為避免強電干擾可采用光電耦合電路(GO102)進行光電隔離。因為8255輸出的信號功率很小，故用功率放大器對輸出的脈沖信號放大，以驅(qū)動步進電機工作。
2.2設(shè)計方案論證
數(shù)控車床是機電一體化的典型代表，其機械結(jié)構(gòu)同普通的機床有相似之處。現(xiàn)代機床的部件結(jié)構(gòu)，整體布局，外部造型都已經(jīng)形成了數(shù)控機床獨特的機械部件。因此，我們在對數(shù)控機床進行數(shù)控設(shè)計的過程中，機床的設(shè)計主要應(yīng)具備兩個條件1.機床基礎(chǔ)件必須有足夠的剛度2.改裝的費用要合適，經(jīng)濟性好。改裝前要對機床的性能指標(biāo)做出決定，改裝后其各項指標(biāo)能達到數(shù)控加工的要求。
機械部分數(shù)控化設(shè)計需涉及電機的選擇、工作臺進給結(jié)構(gòu)、傳動比分配與計算等方面的內(nèi)容。
1伺服驅(qū)動元件
進給電機選用混合式步進電機，其不僅步距角小運行頻率高且功耗低低頻噪音小等優(yōu)點。廣泛用于開環(huán)控制系統(tǒng)，不需要反饋裝置，結(jié)構(gòu)簡單可靠，壽命長。橫垂直進給電機均選用同一型號以便于設(shè)計和日后維修。脈沖當(dāng)量t=0.01mm/脈沖，選用步距角θ=0.6° 。對原機床的主傳動系統(tǒng)均維持不變，以節(jié)約資金及縮短改裝時間。
2機床導(dǎo)軌的選擇
采用滑動導(dǎo)軌，在低速時容易發(fā)生“爬行”現(xiàn)象，直接影響運動部件的定位精度。較經(jīng)濟的處理方法是采用貼塑滑動導(dǎo)軌。
3進給傳動系統(tǒng)
數(shù)控機床要求進給部分移動元件靈敏度高、精度高、反應(yīng)快、低速時無爬行。因此本設(shè)計中采用滾珠絲杠可以滿足要求。滾珠絲杠螺母副由絲杠、螺母、滾珠、反向器組成。其工作原理為：當(dāng)絲杠和螺母相對運動時，在螺母上設(shè)有滾珠循環(huán)返回裝置，使得滾珠沿滾道面運動后能通過這個裝置自動的返回其入口處，繼續(xù)參加工作。滾珠絲杠螺母副安裝時需要預(yù)緊，通過預(yù)緊可消除滾珠絲杠螺母副的軸向間隙，提高傳動剛度。本設(shè)計中的預(yù)緊方法是采用雙螺母墊片預(yù)緊式結(jié)構(gòu)。即通過改變兩個螺母的軸向相對位置，使每個螺母中滾珠分別接觸絲杠滾道的左右兩側(cè)來實現(xiàn)預(yù)緊。其特點是預(yù)緊結(jié)構(gòu)簡單，軸向剛度好，預(yù)緊可靠，軸向尺寸適中，工藝性好如圖2-1。為消除傳動系統(tǒng)中的反向間隙，提高重復(fù)定位精度，傳動元件連接采用無鍵錐環(huán)連接。
第3章 確定切削用量及選擇刀具
3.1科學(xué)選擇數(shù)控刀具
3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則
刀具壽命與切削用量有密切關(guān)系。在制定切削用量時，應(yīng)首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應(yīng)根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)而定。一般分最高生產(chǎn)率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種，前者根據(jù)單件工時最少的目標(biāo)確定，后者根據(jù)工序成本最低的目標(biāo)確定.
選擇刀具壽命時可考慮如下幾點根據(jù)刀具復(fù)雜程度、制造和磨刀成本來選擇。復(fù)雜和精度高的刀具壽命應(yīng)選得比單刃刀具高些。對于機夾可轉(zhuǎn)位刀具，由于換刀時 間短，為了充分發(fā)揮其切削性能，提高生產(chǎn)效率，刀具壽命可選得低些，一般取15-30min。對于裝刀、換刀和調(diào)刀比較復(fù)雜的多刀機床、組合機床與自動化 加工刀具，刀具壽命應(yīng)選得高些，尤應(yīng)保證刀具可靠性。車間內(nèi)某一工序的生產(chǎn)率限制了整個車間的生產(chǎn)率的提高時，該工序的刀具壽命要選得低些當(dāng)某工序單位時 間內(nèi)所分擔(dān)到的全廠開支M較大時，刀具壽命也應(yīng)選得低些。大件精加工時，為保證至少完成一次走刀，避免切削時中途換刀，刀具壽命應(yīng)按零件精度和表面粗糙度 來確定。與普通機床加工方法相比，數(shù)控加工對刀具提出了更高的要求，不僅需要岡牲好、精度高，而且要求尺寸穩(wěn)定，耐用度高，斷和排性能壇同時要求安裝調(diào)整 方便，這樣來滿足數(shù)控機床高效率的要求。數(shù)控機床上所選用的刀具常采用適應(yīng)高速切削的刀具材料(如高速鋼、超細粒度硬質(zhì)合金)并使用可轉(zhuǎn)位刀片。
3.1.2選擇數(shù)控銑削用刀具
在數(shù)控加工中，銑削平面零件內(nèi)外輪廓 及銑削平面常用平底立銑刀，該刀具有關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)如下:一是銑刀半徑RD應(yīng)小于零件內(nèi)輪廓面的最小曲率半徑Rmin，一般取RD=(0.8一 0.9)Rmin。二是零件的加工高度H<(1/4-1/6)RD,以保證刀具有足夠的剛度。三是用平底立銑刀銑削內(nèi)槽底部時，由于槽底兩次走刀需 要搭接，而刀具底刃起作用的半徑Re=R-r,，即直徑為d=2Re=2(R-r)，編程時取刀具半徑為Re=0.95(Rr)。對于一些立體型面和變斜 角輪廓外形的加工，常用球形銑刀、環(huán)形銑刀、鼓形銑刀、錐形銑刀和盤銑刀。
目前，數(shù)控機床上大多使用系列化、標(biāo)準化刀具，對可轉(zhuǎn) 位機夾外圓車刀、端面車刀等的刀柄和刀頭都有國家標(biāo)準及系列化型號對于加工中心及有自動換刀裝置的機床，刀具的刀柄都已有系列化和標(biāo)準化的規(guī)定，如錐柄刀 具系統(tǒng)的標(biāo)準代號為TSG-JT，直柄刀具系統(tǒng)的標(biāo)準代號為DSG-JZ,此外，對所選擇的刀具，在使用前都需對刀具尺寸進行嚴格的測量以獲得精確數(shù)據(jù)， 并由操作者將這些數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)系統(tǒng)，經(jīng)程序調(diào)用而完成加工過程，從而加工出合格的工件。
3.2 設(shè)置刀點和換刀點
刀具究竟從什么位置開始移動到指定的位置呢?所以在程序執(zhí)行的一開始，必須確定刀具在工件坐標(biāo)系下開始運動的位置，這一位置即為程序執(zhí)行時刀具相對于工 件運動的起點，所以稱程序起始點或起刀點。此起始點一般通過對刀來確定，所以，該點又稱對刀點。在編制程序時，要正確選擇對刀點的位置。對刀點設(shè)置原則 是:便于數(shù)值處理和簡化程序編制。易于找正并在加工過程中便于檢查;引起的加工誤差小。對刀點可以設(shè)置在加工零件上，也可以設(shè)置在夾具上或機床上，為了提 高零件的加工精度，對刀點應(yīng)盡量設(shè)置在零件的設(shè)計基準或工藝基誰上。實際操作機床時，可通過手工對刀操作把刀具的刀位點放到對刀點上，即“刀位點”與“對 刀點”的重合。所謂“刀位點”是指刀具的定位基準點，車刀的刀位點為刀尖或刀尖圓弧中心。平底立銑刀是刀具軸線與刀具底面的交點;球頭銑刀是球頭的球心， 鉆頭是鉆尖等。用手動對刀操作，對刀精度較低，且效率低。而有些工廠采用光學(xué)對刀鏡、對刀儀、自動對刀裝置等，以減少對刀時間，提高對刀精度。加工過程中 需要換刀時，應(yīng)規(guī)定換刀點。所謂“換刀點”是指刀架轉(zhuǎn)動換刀時的位置，換刀點應(yīng)設(shè)在工件或夾具的外部，以換刀時不碰工件及其它部件為準。
3.3 確定切削用量
數(shù)控編程時，編程人員必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫人程序中。切削用量包括主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量及進給速度等。對于不同的加工方法，需要 選用不同的切削用量。切削用量的選擇原則是:保證零件加工精度和表面粗糙度，充分發(fā)揮刀具切削性能，保證合理的刀具耐用度，并充分發(fā)揮機床的性能，最大限 度提高生產(chǎn)率，降低成本。
3.3.1確定主軸轉(zhuǎn)速
主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)允許的切 削速度和工件(或刀具)直徑來選擇。其計算公式為:n=1000v/71D式中:v—切削速度，單位為m/m動，由刀具的耐用度決定;n一一主軸轉(zhuǎn)速，單 位為r/min,D—工件直徑或刀具直徑，單位為mm。計算的主軸轉(zhuǎn)速n，最后要選取機床有的或較接近的轉(zhuǎn)速。
3.3.2確定進給速度
進給速度是數(shù)控機床切削用量中的重要參數(shù)，主要根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質(zhì)選取。最大進給速度受機床剛度和進給系統(tǒng)的 性能限制。確定進給速度的原則:當(dāng)工件的質(zhì)量要求能夠得到保證時，為提高生產(chǎn)效率，可選擇較高的進給速度。一般在100一200mm/min范圍內(nèi)選取; 在切斷、加工深孔或用高速鋼刀具加工時，宜選擇較低的進給速度，一般在20一50mm/min范圍內(nèi)選取;當(dāng)加工精度，表面粗糙度要求高時，進給速度應(yīng)選 小些，一般在20--50mm/min范圍內(nèi)選取;刀具空行程時，特別是遠距離“回零”時，可以設(shè)定該機床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定的最高進給速度。
3.3.3 確定背吃刀量
背吃刀量根據(jù)機床、工件和刀具的剛度來決定，在剛度允許的條件下，應(yīng)盡可能使背吃刀量等于工件的加工余量，這樣可以減少走刀次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。為了保 證加工表面質(zhì)量，可留少量精加工余量，一般0.2一0.5mm,總之，切削用量的具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)機床性能、相關(guān)的手冊并結(jié)合實際經(jīng)驗用類比方法確定。同時，使主軸轉(zhuǎn)速、切削深度及進給速度三者能相互適應(yīng)，以形成最佳切削用量。
切削用量不僅是在機床調(diào)整前必須確定的重要參數(shù)，而且其數(shù)值合理與否對加工質(zhì)量、加工效率、生產(chǎn)成本等有著非常重要的影響。所謂“合理的”切削用量是指 充分利用刀具切削性能和機床動力性能(功率、扭矩)，在保證質(zhì)量的前提下，獲得高的生產(chǎn)率和低的加工成本的切削用量。
第4章 傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計計算
Φ630機床主要技術(shù)參數(shù)如表3-1：
最大回轉(zhuǎn)直徑
630mm
電機功率
10KW
Lmax
2000mm
快進速度
縱向
2.4m/min
橫向
1.2m/min
切削速度
縱向
0.5m/min
橫向
0.25m/min
定位精度
0.015mm
移動部件重量
縱向
1200N
橫向
800N
加速時間
30ms
機床效率
0.7
表3-1 Φ630機床主要技術(shù)參數(shù)
4.1 參數(shù)的確定
了解車床的基本情況和特點---車床的規(guī)格系列和類型
1. 通用機床的規(guī)格和類型有系列型譜作為設(shè)計時應(yīng)該遵照的基礎(chǔ)。因此，對這些基本知識和資料作些簡要介紹。本次設(shè)計中的車床是普通型車床，其品種，用途，性能和結(jié)構(gòu)都是普通型車床所共有的，在此就不作出詳細的解釋和說明了。
2.車床的主參數(shù)（規(guī)格尺寸）和基本參數(shù)（GB1582-79，JB/Z143-79）
最大的工件回轉(zhuǎn)直徑D是630mm；刀架上最大工件回轉(zhuǎn)直徑D1大于或等于315mm；主軸通孔直徑d要大于或等于80mm；主軸頭號（JB2521-79）是4.5；最大工件長度L是1800mm；主軸轉(zhuǎn)速范圍是：30～1450r/min可無級調(diào)速.
參數(shù)確定的步驟和方法
a) 極限切削速度umax﹑umin
根據(jù)典型的和可能的工藝選取極限切削速度要考慮：工序種類 ﹑工藝要求 刀具和工件材料等因素。允許的切速極限參考值如《機床主軸變速箱設(shè)計指導(dǎo)書》。然而，根據(jù)本次設(shè)計的需要選取的值如下：
取umax=300m/min；
umin=8m/min。
b) 主軸的極限轉(zhuǎn)速
計算車床主軸的極限轉(zhuǎn)速時的加工直徑，按經(jīng)驗分別?。?.1～0.2）D和（0.45～0.5）D。由于D=630mm，則主軸極限轉(zhuǎn)速應(yīng)為：
加工條件
硬質(zhì)合金刀具粗加工鑄鐵件
30～50
硬質(zhì)合金刀具半精或精加工碳鋼工件
150～300
螺紋（絲杠等）加工鉸孔
3～8
nmax=r/min （2.1）
=758～1517r/min ，取=1000r/m；
nmin=r/min （2.2）
在中考慮車螺紋和絞孔時，其加工最大直徑應(yīng)根據(jù)實際加工情況選取0.1D和50左右。
所以 nmin==32r/min
由于轉(zhuǎn)速范圍 R= =
=31.25 ；
因為級數(shù)Z已知：
Z=16級 。
現(xiàn)以Φ=1.26和Φ=1.41代入R=
得R=32和173 ，因此取Φ=1.26更為合適。
各級轉(zhuǎn)速數(shù)列可直接從標(biāo)準數(shù)列表中查出。標(biāo)準數(shù)列表給出了以Φ=1.06的從1～10000的數(shù)值，因Φ=1.26=，從表中找到nmax=1000r/min，就可以每隔4個數(shù)值取一個數(shù)，得： 1000，800，630，500，400，315，250，200，160，125，100，80，63，50，40，30。
c) 主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)z和公比￠
已知 =Rn
Rn=且： z=
因機床的電動機轉(zhuǎn)速往往比主軸的大多數(shù)轉(zhuǎn)速高，變速系統(tǒng)以降速傳動居多，因此，傳動系統(tǒng)中若按傳動順序在前面的各軸轉(zhuǎn)速較高，根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式（單位N.m）
T=，當(dāng)傳遞功率一定時，轉(zhuǎn)速較高的軸所傳遞的扭矩就較小，在其他條件相同時，傳動件（如軸、齒輪）的尺寸就較小，因此，常把傳動副數(shù)較多的變速組安排在前面的高速軸上，這樣可以節(jié)省材料，減少傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量。因此選擇結(jié)構(gòu)式如下：
16=。
d) 主電機功率—動力參數(shù)的確定
合理地確定電機功率N，使用的功率實際情況既能充分的發(fā)揮其使用性能，滿足生產(chǎn)需要，又不致使電機經(jīng)常輕載而降低功率因素。
目前，確定機床電機功率的常用方法很多，而本次設(shè)計中采用的是：估算法，它是一種按典型加工條件（工藝種類、加工材料、刀具、切削用量）進行估算。根據(jù)此方法，中型車床典型重切削條件下的用量：
根據(jù)設(shè)計書表中推薦的數(shù)值：
取 P=7.5kw
4. 2 傳動設(shè)計
1) 傳動結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)的選擇
結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)對于分析和選擇簡單的串聯(lián)式的傳動不失為有用的方法，但對于分析復(fù)雜的傳動并想由此導(dǎo)出實際的方案，就并非十分有效，可考慮到本次設(shè)計的需要可以參考一下這個方案。
確定傳動組及各傳動組中傳動副的數(shù)目
級數(shù)為Z的傳動系統(tǒng)有若干個順序的傳動組組成，各傳動組分別有Z1、Z2、Z3…個傳動副。即
Z=Z1Z2Z3…
傳動副數(shù)由于結(jié)構(gòu)的限制以2和3的因子積為合適，即變速級數(shù)Z應(yīng)為2和3的因子:
Z=
可以有幾種方案，由于篇幅的原因就不一一列出了，在此只把已經(jīng)選定了的和本次設(shè)計所須的正確的方案列出，具體的內(nèi)容如下：
傳動齒輪數(shù)目 2x（2+2+1）+2x(2+1)+1=17個
軸向尺寸 19b
傳動軸數(shù)目 8根
操縱機構(gòu) 簡單，兩個雙聯(lián)滑移齒輪
根據(jù)以上分析及計算，擬定主軸箱、變速箱傳動結(jié)構(gòu)圖如下：
圖二中，第Ⅰ軸至第Ⅲ軸，其結(jié)構(gòu)式為： 4=
圖一中，第Ⅳ軸至第Ⅷ軸，機床主軸箱傳動系統(tǒng)采用分離傳動，其主要特點是：
（1） 在滿足傳動副極限傳動比的條件下，可以得到較大的變速范圍。
（2） 高速由短支傳動，有助于減少高速時機床的空運轉(zhuǎn)功率損失。而且高速分支的尺寸可相對小些。
（3） 變速級數(shù)不像常規(guī)變速系統(tǒng)那樣受2，3因子的限制，如與部分轉(zhuǎn)速重合的方法配合，幾乎可以得到任意的變速級數(shù)，大大增加了可供選擇方案的數(shù)目。
2) 主傳動順序的安排
16級轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)的傳動組，可以安排成：2x2x2x2，選擇傳動組安排方式時，要考慮到機床主軸變速箱的具體結(jié)構(gòu)、裝置和性能。在Ⅰ軸上如果安裝摩擦離合器時，應(yīng)減小軸向尺寸，第一傳動組的傳動副不能多，以2為宜，本次設(shè)計中就是采用的2，一對是傳向正傳運動的，另一個是傳向反向運動的。
主軸對加工精度、表面粗糙度的影響大，因此主軸上齒輪少些為好，最后一個傳動組的傳動副選用2，或者用一個定比傳動副。
(5) 傳動系統(tǒng)的擴大順序的安排
對于16級的傳動只有一種方案，準確的說應(yīng)該不只有這一個方案，可為了使結(jié)構(gòu)和其他方面不復(fù)雜，同時為了滿足設(shè)計的需要，選擇的設(shè)計方案是：
16=2［2］x 2［1］+ 2［2］x 2[1]+ 2[2］x 2[1]x2[8]
傳動方案的擴大順序與傳動順序可以一致也可以不一致，在此設(shè)計中，擴大順序和傳動順序就是一致的。這種擴大順序和傳動順序一致，稱為順序擴大傳動。
(6) 傳動組的變速范圍的極限植
在主傳動系統(tǒng)的降速傳動中，主動齒輪的最少齒數(shù)受到限制，為了避免被動齒輪的直徑過大，齒輪傳動副最小傳動比umin≥，最大傳動比umax≤2，決定了一個傳動組的最大變速范圍rmax=umax/nmin≤8
因此，要按照參考書中所給出的表，淘汰傳動組變速范圍超過極限值的所有傳動方案。
極限傳動比及指數(shù)x，值為：
極限傳動比指數(shù)
1.26
x：umin==
6
值；umax==2
3
（x+）值：umin==8
9
(7) 最后擴大傳動組的選擇
正常連續(xù)的順序擴大的傳動（串聯(lián)式）的傳動結(jié)構(gòu)式為：
Z=Z1［1］Z2［Z1］Z3［Z1Z2］
即是：
Z=16=2［2］2［1］2［2］2[8]
4.3轉(zhuǎn)速圖的擬定
運動參數(shù)確定以后，主軸各級轉(zhuǎn)速就已知，切削耗能確定了電機功率。在此基礎(chǔ)上，選擇電機型號，確定各中間傳動軸的轉(zhuǎn)速，這樣就擬定主運動的轉(zhuǎn)圖，使主運動逐步具體化。
1) 主電機的選定
中型機床上，一般都采用三相交流異步電機為動力源，可以在系列中選用。在選擇電機型號時，應(yīng)按以下步驟進行：
1) 電機功率N：
根據(jù)機床切削能力的要求確定電機功率。但電機產(chǎn)品的功率已經(jīng)標(biāo)準化，因此，按要求應(yīng)選取相近的標(biāo)準值。
N=13kw
2.電機轉(zhuǎn)速nd
異步電機的轉(zhuǎn)速有：3000、1500、1000、750r/min
類比同類機床CM6163，在此處選擇的是：
nd=1450r/min
這個選擇是根據(jù)電機的轉(zhuǎn)速與主軸最高轉(zhuǎn)速nmax和Ⅰ軸的轉(zhuǎn)速相近或相宜，以免采用過大的升速或過小的降速傳動。
3.雙速和多速電機的應(yīng)用
根據(jù)本次設(shè)計機床的需要，所選用的是：雙速電機
4.電機的安裝和外形
根據(jù)電機不同的安裝和使用的需要，有四種不同的外形結(jié)構(gòu)，用的最多的有底座式和發(fā)蘭式兩種。本次設(shè)計的機床所需選用的是外行安裝尺寸之一。具體的安裝圖可由手冊查到。
5.常用電機的資料
根據(jù)常用電機所提供的資料，選用：
Y132M-4
2) Ⅰ軸的轉(zhuǎn)速
Ⅰ軸從電機得到運動，經(jīng)傳動系統(tǒng)化成主軸各級轉(zhuǎn)速。電機轉(zhuǎn)速和主軸最高轉(zhuǎn)速應(yīng)相接近。顯然，從傳動件在高速運轉(zhuǎn)下恒功率工作時所受扭矩最小來考慮，Ⅰ軸轉(zhuǎn)速不宜將電機轉(zhuǎn)速下降得太低。
但如果Ⅰ軸上裝有摩擦離合器一類部件時，高速下摩擦損耗、發(fā)熱都將成為突出矛盾，因此，Ⅰ軸轉(zhuǎn)速不宜太高。
Ⅰ軸裝有離合器的一些機床的電機、主軸、Ⅰ軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)：
參考這些數(shù)據(jù)，可見，車床Ⅰ軸轉(zhuǎn)速一般取700～1000r/min。另外，也要注意到電機與Ⅰ軸間的傳動方式，如用帶傳動時，降速比不宜太大，否則Ⅰ軸上帶輪太大，和主軸尾端可能干涉。因此，本次設(shè)計選用：
n1=1000r/min
3) 中間傳動軸的轉(zhuǎn)速
對于中間傳動軸的轉(zhuǎn)速的考慮原則是：妥善解決結(jié)構(gòu)尺寸大小與噪音、震動等性能要求之間的矛盾。
中間傳動軸的轉(zhuǎn)速較高時（如采用先升后降的傳動），中間轉(zhuǎn)動軸和齒輪承受扭矩小，可以使用軸徑和齒輪模數(shù)小寫：d∝ 、 m∝，從而可以使用結(jié)構(gòu)緊湊。但是，這將引起空載功率N空和噪音Lp（一般機床容許噪音應(yīng)小于85dB）加大：
N空=) KW （2.3）
式中：
C---系數(shù)，兩支承滾動或滑動軸承C=8.5，三支承滾動軸承C=10；
da---所有中間軸軸頸的平均直徑（mm）；
d主—主軸前后軸頸的平均直徑（mm）；
∑n—主軸轉(zhuǎn)速（r/min）。
（2.4）
（mz）a—所有中間傳動齒輪的分度圓直徑的平均值mm；
（mz）主—主軸上齒輪的分度圓的平均值mm；
q----傳到主軸所經(jīng)過的齒輪對數(shù)；
β----主軸齒輪螺旋角；
C1、K---系數(shù)，根據(jù)機床類型及制造水平選取。我國中型車床、銑床C1=3.5。車床K=54，銑床K=50.5。
從上訴經(jīng)驗公式可知：主軸轉(zhuǎn)速n主和中間傳動軸的轉(zhuǎn)速和∑n對機床噪音和發(fā)熱的關(guān)系。確定中間傳動軸的轉(zhuǎn)速時，應(yīng)結(jié)合實際情況作相應(yīng)修正：
1.功率較大的重切削機床，一般主軸轉(zhuǎn)速較低，中間軸的轉(zhuǎn)速適當(dāng)取高一些，對減小結(jié)構(gòu)尺寸的效果較明顯。
2.高速輕載或精密車床，中間軸轉(zhuǎn)速宜取低一些。
3.控制齒輪圓周速度u〈8m/s（可用7級精度齒輪）。在此條件下，可適當(dāng)選用較高的中間軸轉(zhuǎn)速。
4) 齒輪傳動比的限制
機床主傳動系統(tǒng)中，齒輪副的極限傳動比：
1. 升速傳動中，最大傳動比umax≤2。過大，容易引起震動和噪音。
2. 降速傳動中，最小傳動比umin≥1/4。過小，則使主動齒輪與被動齒輪的直徑相差太大，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)龐大。
第5章 四方自動回轉(zhuǎn)刀架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
5.1減速傳動機構(gòu)的設(shè)計
普通的三相異步電動機因轉(zhuǎn)速太快，不能直接驅(qū)動刀架進行換刀，必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)臏p速。根據(jù)立式轉(zhuǎn)位刀架的結(jié)構(gòu)特點，采用蝸桿副減速時最佳選擇。蝸桿副傳動可以改變運動的方向，獲得較大的傳動比，保證傳動精度和平穩(wěn)性，并且具有自鎖功能，還可以實現(xiàn)整個裝置的小型化。
5.1.1上刀體鎖緊與精定位機構(gòu)的設(shè)計
由于刀具直接安裝在上刀體上，所以上刀體要承受全部的切削力，其鎖緊與定位的精度將直接影響工件的加工精度。本設(shè)計上刀體的鎖進玉定位機構(gòu)選用端面齒盤，將上刀體和下刀體的配合面加工成梯形端面齒。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上下端面齒相互嚙合，這時上刀體不能繞刀架的中心軸旋轉(zhuǎn)；換刀時電動機正轉(zhuǎn)，抬起機構(gòu)使上刀體抬起，等上下端面齒脫開后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉(zhuǎn)動，完成轉(zhuǎn)位動作。
1、 刀架抬起機構(gòu)的設(shè)計
要想使上、下刀體的兩個端面齒脫離，就必須設(shè)計適合的機構(gòu)使上刀體抬起。本設(shè)計選用螺桿-螺母副，在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當(dāng)電動機通過蝸桿-蝸輪帶動蝸桿繞中心軸轉(zhuǎn)動時，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動，要么上下移動。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上刀體與下刀體的端面齒相互嚙合，因為這時上刀體不能與螺桿一起轉(zhuǎn)動，所以螺桿的轉(zhuǎn)動會使上刀體向上移動。當(dāng)端面齒脫離嚙合時，上刀體就與螺桿一起轉(zhuǎn)動。
設(shè)計螺桿時要求選擇適當(dāng)?shù)穆菥啵员惝?dāng)螺桿轉(zhuǎn)動一定的角度時，使得上刀梯與下刀體的端面齒能夠完全脫離嚙合狀態(tài)。
下圖為自動回轉(zhuǎn)刀架的傳動機構(gòu)示意圖，詳細的裝配圖在一號圖紙上。
5.1.2自動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理
圖4-1表示自動回轉(zhuǎn)刀架在換刀過程中有關(guān)銷的位置。其中上部的圓柱銷2和下部的反靠銷6起著重要作用。
當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，兩銷的情況如圖A所示，此時反靠銷6落在圓盤7的十字槽內(nèi)，上刀體4的端面齒和下刀體的端面齒處于嚙合狀態(tài)（上下端面齒在圖中未畫出）。
需要換刀時，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號，三項異步電動機正向旋轉(zhuǎn)，通過蝸桿副帶動蝸桿正向轉(zhuǎn)動，與螺桿配合的上刀體4逐漸抬起，上刀體4與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；與此同時，上蓋圓盤1也隨著螺桿正向轉(zhuǎn)動（上蓋圓盤1通過圓柱銷與螺桿聯(lián)接），當(dāng)轉(zhuǎn)過約1700時，上蓋圓盤1直槽的另一端轉(zhuǎn)到圓柱銷2的正上方，由于彈簧3的作用，圓柱銷2落入直槽內(nèi)，于是上蓋圓盤1就通過圓柱銷2使得上刀體4轉(zhuǎn)動起來（此時端面齒已完全脫開）。
上蓋圓盤1、圓柱銷2以及上刀體4在正轉(zhuǎn)的過程中，反靠銷6能夠從反靠圓盤7中十字槽的左側(cè)斜坡滑出，而不影響上刀體4尋找刀位時的正向轉(zhuǎn)動。
上刀體4帶動磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時，發(fā)信盤上對應(yīng)的霍爾元件輸出低電平信號，控制系統(tǒng)收到后，立即控制刀架電動機反轉(zhuǎn)，上蓋圓盤1通過圓柱銷2帶動上刀體4開始反轉(zhuǎn)，反靠銷6馬上就會落入反靠圓盤7的十字槽內(nèi)，至此，完成粗定位。此時，反靠銷6從反靠圓盤7的十字槽內(nèi)爬不上來，于是上刀體4停止轉(zhuǎn)動，開始下降，而上蓋圓盤1繼續(xù)反轉(zhuǎn)，其直槽的左側(cè)斜坡將圓柱銷2的頭部壓入上刀體4的銷空內(nèi)，之后，上蓋圓盤1是下表面開始與圓柱銷2的頭部滑動。再次期間，上、下刀體的端面齒逐漸嚙合，實現(xiàn)精定位，經(jīng)過設(shè)定的延時時間后，刀架電動機停轉(zhuǎn)，整個換刀過程結(jié)束。
由于蝸桿副具有自鎖功能，所以刀架可以穩(wěn)定地工作。
圖4-1 自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程
5.2 主要傳動部件的設(shè)計
5.2.1 蝸桿副的設(shè)計計算
自動回轉(zhuǎn)刀架的動力源是三相異步電動機。其中蝸桿與電動機直聯(lián)，刀架轉(zhuǎn)位時蝸輪與上刀體直聯(lián)。已知電動機額定功率p1=90W。,額定轉(zhuǎn)速n1=1480r/min，上刀體設(shè)計轉(zhuǎn)速n2=40r/min，蝸桿副的傳動比i=n1/n2=37。刀架從轉(zhuǎn)位到鎖緊時，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，啟動時沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命Lh=10000h。
（1） 蝸桿的選型 GB/T10085-1988推薦采用漸開線蝸桿和錐面包絡(luò)蝸桿。本設(shè)計采用結(jié)構(gòu)簡單，制造方便的漸開線型圓柱蝸桿。
（2） 蝸桿副的材料 刀架中的蝸桿副傳動的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速干，一次，蝸桿的材料選用45鋼，其螺旋齒
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