C6150普通卧式车床主轴尾架改造及控制系统设计毕业设计论文

北京信息科技大学毕业设计论文C6150普通车床数控改造北京XXXXX大学毕业设计（论文）题 目：C6150普通卧式车床主轴、尾架改造及控制系统设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： XXXXX 班级/学号 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 指导老师/督导老师： XXXXXXX 起止时间：2012 年2 月 20 日 至 2012 年6 月 8 日 II目录目录摘 要IVABSTRACTV第一章 概述11.1数控机床和数控技术11.1.1数控机床的发展趋势及国内外现状11.1.2数控技术的发展趋势21.2数控改造的必要性21.2.1机床数控化改造的必要性21.2.2数控化改造的特点31.3数控改造中主要机械部件改装探讨41.4数控系统的分类41.4.1开环控制系统41.4.2死循环控制数控系统51.4.3半死循环数控系统5第二章 数控化改造总体方案72.1数控化改造总体方案的设计72.2 数控化改造总体方案的确定72.2.1 主传动系统的改造方案72.2.2尾架结构的改造方案92.2.3控制系统的设计方案9第三章 主传动系统的计算和选型103.1主轴参数的确定1031.1主轴转速范围的确定1031.2估算最大切削力1031.3主切削功率的确定103.2主电动机的选择113.2.1估算所需电动机的功率113.2.2选取电动机113.3同步带传动的设计113.3.1同步带传动比的选取113.3.2同步带的设计123.4组件的设计183.4.1轴承发选择183.4.2润滑与密封系统设计183.5主轴的确定183.5.1确定主轴支承轴颈直径193.5.2确定主轴前端悬伸量193.5.3主轴支承跨距L及各段长度及直径的确定193.5.4验算主轴键侧压应力203.6轴的设计203.7滚动轴承的校核213.8主轴编码器的选择22第四章 液压尾架部分的计算234.1尾架的基本参数234.2 负载分析234.3液压缸参数的确定234.3.1 初选液压缸工作压力234.3.2 计算液压活塞缸的主要尺寸234.3.3 液压缸其他尺寸的确定244.4 液压缸参数的校核244.4.1 活塞杆直径 d 强度校验244.4.2缸体壁厚强度校核254.5液压系统的264.5.1拟定液压系统图264.5. 2选择基本回路274.5.3组成系统图284.6液压泵的选择294.7电动机功率的确定294.8其他组件、辅导组件的选择304.9验算液压回路304.9.1验算回路中的压力损失304.9.2验算油液温升31第五章 控制系统的设计335.1车床微机控制系统硬件的选择335.1.1 AT89S52 8位单片机335.1.2 8255可程序设计并行I/O口扩展芯片345.1.3 可程序设计键盘，显示器接口Intel8279365.2部分硬件接口电路及辅助电路设计375.2.1外部扩展电路375.2.2掉电保护电路385.2.3 D/A转换电路385.2.4 8279构成的键盘、显示接口电路设计395.3控制系统的部分软件设计415.3.1内存与I/O芯片地址分配425.3.2控制系统程序流程图425.3.2控制系统的程序445.4插补程序设计495.4.1直线插补495.4.2圆弧插补515.4.3螺纹加工插补算法545.5液压尾架PLC控制系统的设计565.5.1分析控制对象、确定控制要求565.5.2分析控制要求，确定I/O点数565.5.3绘制PLC的实际（I/O端子）接线图565.5.4设计PLC控制的梯形图57第六章 小结58致谢59参考文献60摘要摘 要随着现代数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。而在中国机械加工设备的车床中普通车床占了很大比例。这已经越来越制约着当今工业的发展。数控机床由于价格昂贵，且需要较高技术的加工,所以对机床进行自动化改造很是必要。我在宁波市鄞州万顺科创机械有限公司为期一个月的车间实习、调研，从中搜索、查阅大连数控车床CAK6150、南通科技斜身式数控车床SL50、大连普通卧式车床CA6140/CA6150等多种车床的说明书和大量有关资料，并且对C6150普通卧式车床自动化改造技术进行了深入的研究和分析。本次设计主要是对C6150普通卧式车床的主传动系统数控改造、尾架在原来的基础上进行自动化改造、以及设计控制系统，使主轴实现无级变速、由脉冲发生器来加工所需要的螺纹、尾架通过液压系统自动顶紧和放松、整个控制系统以AT89S52型号的单片机为中心，通过程序设计对机床的驱动设备进行控制以达到所需要的加工程度。关键词：数控机床； 自动化改造；加工；C6150普通卧式车床；主轴；尾架；控制系统；AbstractABSTRACTWith modern numerical control machine tool in mechanical processing of the application of the industry more and more widely. While in China mechanical processing equipment in the lathe ordinary lathe constitute a high proportion. This has been more and more restricts the development of the industry. Numerical control machine tool because the price is expensive, and have higher technology processing, so for machine tool automation reconstruction is very necessary.I in Ninbo Yinzhou with Kechuang machinery Co., LTD. A month of workshop intership, research, to search, access to Dalian numerical control lathe CAK6150, Nantong technology inclined body type NC lathe SL50, Dalian ordinary horizontal lathes CA6140 / CA6150 and so on many kinds of lathes and the specification of the a vast amount of data, and to C6150 ordinary horizontal lathes automation reconstruction technique of further research and analysis. This design is mainly to the C6150 ordinary horizontal lathe of main transmission system transformation, the numerical control in the original tail frame based on the automation reconstruction, and design and control system, make spindle realize stepless speed, by pulse generator to processing need thread, tail frame through hydraulic system to tight and relax, the top with 8031 model control system of the single chip microcomputer as the center, through the programming of machine tool equipment to control the drive to achieve need processing degree.Keywords:Numerical control machine； Automation reconstruction；Machining；C6150 ordinary horizontal Lathes；Spindle；Tailstock；Control system；北京信息科技大学毕业设计论文C6150普通车床数控改造第一章 概述整个人类社会的文明史，就是制造技术不断演变和发展的历史。任何国家的制造业都是国民经济的基础产业，也是国民经济的主要来源。没有发达的制造业，就不可能有国家真正的繁荣和强大。制造技术是制造业的技术支柱，是一个国家科技水平、综合国力的重要体现，制造技术的发展是一个国家经济增长的根本动力。而制造业中机床是其基础装备。我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。1.1数控机床和数控技术1.1.1数控机床的发展趋势及国内外现状从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。 进入21世纪，我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。而在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。1.1.2数控技术的发展趋势 数控技术的问世已有40多年的历史，它是由机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科。技术发展的需要对21 世纪的数控技术提出了更高的要求。 （1）高速化、高精度化、高可靠性 高速化：提高进给速度与提高主轴转速。 高精度化：其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(<L0NM)，其应用范围日趋广泛。高可靠性：一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，因为商品受性能价格比的约束。 （2）复合化 数控机床的功能复合化的发展，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序，从而提高了机床的效率和加工精度，提高生产的柔性。 （3）智能化 智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化；为提高驱动性能及使用连接方便等方面的智能化；简化程序设计、简化操作方面的智能化；还有如智慧化的自动程序设计、智能化的人机接口等，以及智能诊断、智慧监控等方面的内容，方便系统的诊断及维修。 （4）柔性化、集成化 当今世界上的数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面(工段车间独立制造岛FA)、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。 1.2数控改造的必要性1.2.1机床数控化改造的必要性（1） 微观看改造的必要性微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。可实现多任务序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。（2）宏观看改造的必要性宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。1.2.2数控化改造的特点（1）减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省60%80%的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节省投资50%左右。（2）机械性能稳定可靠，结构受限所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。（3）熟悉了解设备、便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。（4）可充分利用现有的条件可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。（5）可以采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改。1.3数控改造中主要机械部件改装探讨一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。（1）、滑动导轨副对数控车床来说，导轨除导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，并要有合理的导轨防护和润滑。（2）、带轮副一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速装置中。为了保证传动精度，数控机床上使用的带轮精度等级都比普通机床高。（3）、滑动丝杠与滚珠丝杠丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。（4）、安全防护高效必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密组件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。1.4数控系统的分类数控机床一般由数控控制系统、伺服驱动系统和回馈检测系统三部分组成。如何选择和配置数控系统，是数控设备改造工作的首要问题。数控系统主要有三种类型，改造时，应根据要改造机床的类型、控制轴数、加工过程中的精度要求等具体情况进行选择。现在的数控系统主要有以下几种：1.4.1开环控制系统开环控制数控机床的特点是不带检测回馈装置，该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、电液脉冲马达等。数控装置将工件加工程序处理后，输出指令脉冲信号，由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，驱动执行部件。步进电机只要改变指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不将所测得的实际位置和速度回馈到输入端，故称之为开环系统。该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮、丝杠等传动组件的精度，所以系统的位移精度较低。开环控制系统因为没有检测装置，也就没有纠正偏差的能力，因此它的控制精度较低。但该系统具有机床结构简单、调试维修方便、工作可靠度高、成本价格低，易改装成功等优点，现仍广泛应用于经济型数控机床与旧机床的数控化改造上。1.4.2死循环控制数控系统死循环控制数控系统的特点是装有位置检测回馈装置，由光栅、感应同步器等位置检测装置测得实际位置回馈信号。并随时将回馈信号与指令给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着减少偏差的方向运动，直到指令给定位置与回馈的实际位置的差值为零。同此可见死循环控制数控系统可以消除机械传动的各种误差及在加工过程中产生干扰的影响，使加工精度大大提高。死循环控制数控系统在结构上比开环进给系统复杂，相对成本也高，对使用环境要求严。系统的设计和调试都比开环系统难度在。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。主要用于一些精度要求高的镗铣床、超精车床、超精铣床等，改造中可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。1.4.3半死循环数控系统半死循环数控系统与死循环数控系统相类似，它们的主要区别在于半死循环数控系检测工作台的位移量，而是把检测组件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。半死循环数控系统由于检测组件的安装位置位于传动链的中部，存在着螺距误差，使得从半死循环系统位置检测器回馈的丝杠旋转角度变化量，还不能精确地反映进给轴的直线运动位置。决定了它只能补偿系统环路内部部分组件的误差，但是，经过数控系统对螺距误差的补偿后，它们也能达到相当高的位置控制精度。但是与全死循环系统相比，它们的价格较低、结构与调试都较死循环系统简单。在将角位移检测组件与速度检测组件和伺服电机作成个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。安装在电机内部的位置回馈器件的密封性好，工作更加稳定可靠，几乎无需维修，所以广泛地应用于各种类型的数控机床。从几种数控系统的特点可以看出，在数控系统中半死循环数控系统控制精度较死循环数控系统要差，但稳定性好，成本较低，调试维修也比较容易，兼顾了开环数控系统与死循环数控系统珠优点，因此应用较普遍。选择数控系统类型时主要应根据数控改造机床的类型、控制轴数、改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率等要求确定数控系统的类型与功能。经济型数控机床与旧机床的数控化改造多采用开环控制系统。加工精度要求高的各种机床选用才半死循环数控系统与死循环数控系统。第二章 数控化改造总体方案2.1数控化改造总体方案的设计设计任务：对C6150普通卧式车床的主轴、尾架进行数控改造，设计控制系统。使主轴箱的重量和运转噪声降低，主轴的启动速度加快，主轴由原来的有级变速变为无级变速，能够实现运动的开停、变速、换向和制动，具有螺纹切削、尾架套筒 自动顶紧和放松功能，具有人机见面、键盘输入、数据显示、逻辑控制等功能，可以进行直线和圆弧插补程序设计。主要技术指标如：1）最大加工直径: 在床面上 500mm ，在床鞍上 280m/mm；2）快进速度: 纵向 5.4m/min，横向1.9m/min；3）最大切削进给速度：纵向 0.9m/min，横向0.3m/min； 4）改造前主电机功率：5.5KW；5）启动加速时间：30ms；6）机床定位精度: 0.01mm(300 mm)；7）溜板及刀架重量： 纵向 1500，横向800N；8）主轴转速范围：20-1250转/min2.2 数控化改造总体方案的确定C6150车床改造总体设计方案的内容包括：主传动系统运动方式的确定，横向、纵向伺服系统的选择以及传动方式的确定（由本小组的另一位同学负责），数控系统的选择等内容，应仔细考虑各种高性能、自动化等要求，也要考虑被改造机床的具备条件，是技术的先进性与经济性的合理性交好的统一。根据系统的功能要求，选择单片机作为主机、扩展程序内存、数据存储器、键盘与显示电路，I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等；还要选择步进电机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器、螺纹编码器等。2.2.1 主传动系统的改造方案（1）采用齿轮有级变速机构。如图12 a) 所示是使用滑移齿轮要实现二级变速的主传动系统图。这种改造能够满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围调节速度的能力，但是这种传动在齿轮啮合的过程中会产生很大的振动和噪声。图21 a) 齿轮有级变速主传动系统图（2）采用内装电动机轴与主轴用联轴器同轴连接，大大简化主轴箱体与主轴的结构，有效提高主轴部件的刚度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴热变性影响较大。 主轴电机图21 b) 内装电动机轴与主轴用联轴器同轴传动系统图（3）采用同步齿形带传动装置，如图12 c)所示，主轴采用交流变频器控制主轴电动机，以实现无级变速。这种主传动系统能够满足转速与转矩的输出要求，可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声。另外在主轴的安装一个编码器，实现螺纹切削。图21 c) 同步齿形带传动装置系统图 对以上三种方案的比较，决定选择第三个为初步方案。2.2.2尾架结构的改造方案采用液压传动系统用脚踏来控制尾架的伸缩，达到紧固工件的效果。液压传动具有下列优点 （1）传动平稳。（2）品质轻体积小。（3）承载能力大。（4）易于实现超载保护。（5）液压组件能够自动润滑。（6）容易实现复杂的动作。（7）简化机构。（8）便于实现自动化。（10）便于实现“三化”系列比、标准化和通用化。2.2.3控制系统的设计方案根据技术指针中最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52作为数控系统的CPU。AT89S52单片机具有功能多，速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点。第三章 主传动系统的计算和选型3.1主轴参数的确定31.1主轴转速范围的确定参考原机床，机床主轴的转速范围为201250r/min，其中计算转速按照机械制造装备设计【1】表2-9各类机床的主轴计算转速得r/min,按照任务书，改造后实现201250r/min的无级调速。31.2估算最大切削力按照机电一体化系统设计课程设计指导书【2】，表3-4车刀切削用量选用参照表，取切削用量为：、 ，工件材料为加工经过正火后的钢，刀具材料为YT15,根据机械制造技术基础【3】根据表2-6其单位面积切削力=1962，来估算机床最大切削力。主切削力的计算公式，其中式中：为单位切削力；为切削深度；为进给速度。则估算切削力为： (3-1) 196230.3 1766N31.3主切削功率的确定其计算公式为；式中为主切肖力；切削速度。则主切削功率为： (3-2) 3.2主电动机的选择3.2.1估算所需电动机的功率主传动功率P可以根据切削功率与主传动链的总效率由下式估算：P/，主传动的总效率一般可取0.700.88。取0.8，则所电动机的功率为：P/3.46kw (3-3)3.2.2选取电动机根据现代适用机床设计手册（下册）【4】表6-1-15 SIMODRIVE交流主轴驱动系统主要技术参数，选取功率P为4.25 kw，额定转速为500，最高转速为8000的交流主轴电动机，型号为1HP6-133-4CB4。对应的晶体管变频器型号为6SC6503-4AA02。3.3同步带传动的设计3.3.1同步带传动比的选取 （1）恒功率调速范围的计算已知主轴的计算转速， 由公式 ，得主轴的恒功率调速范围为 (3-4)而，电动机的恒功率调速范围为 由于电动机所提供的恒功率调速范围大于主轴所要求的恒功率调速范围。因此初步选取的传动方案合理。（2）传动比的初选根据电动机的最高转速和主轴的最高转速比为,因此把传动比。（3）验算惯量的匹配由上选择的电动机可知该电动机的额定转矩，而电动机自身的转动惯量： (3-5)为电动机的启动角加速度；为启动加速时间，由计划任务书给出；为电动机的额定转速； (3-6)主轴的转动惯量，根据设计好的主轴的，由于主轴的材料为40Cr,属于合金钢， (3-7)因此主轴折算到电动机上的总转动惯量=0.013因此 (3-8)3.3.2同步带的设计（1）根据机械手册软件V3.0版【5】自动计算，选取圆弧齿型同步带，材料为锦纶片复合平带，初始条件：传动功率为、 主动轴转速为：8000（r/min）、从动轴转速为：1250（r/min）、传动比。 （2）确定带轮齿数及直径 设计功率 (3-9)为工作情况系数，取1.5。 选择带型和节距 根据图3-1选择带型为5M，选定带节距。根据表3.1可知5M型号的最小齿数为14，取小带轮齿数，大带轮齿，小带轮节圆直径，大带轮节圆直径。 （3）计算带速和带长带速 (3-10)初选中心距、带的节线长度、带齿数，若中心距为未给定，可根据下式进行初选： (3-11) 取确定带长 (3-12)根据表3.2选取标准节线长 带上的齿数 (3-13)（4）实际轴间距和啮合齿数的计算实际轴间距 (3-14)小带轮啮合齿数 (3-15) 啮合齿数系数 (3-16)小带轮包角 (3-17)（5）额定功率和带宽的计算计算带宽 ，查机械设计手册5M(9mm)基本额定功率表(JB/T7512.3-1994)取基本额定功率，从表3.3查询基准带宽和带长系数=1.2。选取带宽标准值,要求,取。根据图3-2查询向量相加修正系数，取。紧边张 、 松边张力、 压轴力图3-1圆弧型同步带选型图3-2向量相加修正系数表3.1 小带轮最小齿数参照表表3.2标准节线长参照表表3.3基准宽度和带长修正系数表359根据原机床第轴跟第轴的中心距，同理可得时的设计结果，见下表：7053.4组件的设计3.4.1轴承发选择根据原机床的结构，本次设计是在原机床的基础上进行改造，因此对于轴承部分的选择就按照原机床的选用。轴所受到的力主要是径向力，故选用深沟球轴承6207，6206。而主轴采用的是三个支承：前支承和中支承都为圆锥滚子轴承（前者为32220，后者为32218），可承受径向力和轴向力并使主轴轴向固定。用螺母、经碟形弹簧、导向套调节两圆锥滚子轴承的预紧力。后支承采用深沟球轴承6216，承受径向力，作为辅助支承。前轴承为C级精度，后轴承为D级精度。3.4.2润滑与密封系统设计主轴箱内采用飞溅式润滑。主轴转速高，必须保证充分润滑，一般常用单独的油管将油引到轴承处。主轴是两端外伸的轴，防止漏油更为重要而困难。防漏的措施有两种：堵加密封装置防止油外流。 主轴转速高，多采用非接触式的密封装置，形式很多，一种轴与轴承盖之间留0.10.3的间隙（间隙越小，密封效果越好，但工艺困难）。还有一种是在轴承盖的孔内开一个或几个并列的沟槽（圆弧形或形），效果比上一种好些。在轴上增开了沟槽（矩形或锯齿形），效果又比前两种好。在有大量切屑、灰尘和冷却液的环境中工作时，可采用曲路密封，曲路可做成轴向或径向。径向式的轴承盖要做成剖分式，较为复杂。疏导在适当的地方做出回油路，使油能顺利地流回到油箱。3.5主轴的确定3.5.1确定主轴支承轴颈直径参考机械制造装备设计【1】表3-1，与机床设计图册【6】C6150普通车床床头箱装配图1-6-3，取通用机床钢质主轴前轴颈直径D1 = 100mm，后轴颈直径D2 =（0.70.85）D1，取D2 = 80 mm。确定主轴内孔直径d ，为了不过多地削弱主轴的刚度，卧式车床的主轴孔径d通常小于主轴平均直径的；取， mm，则内孔直径取d=52mm。3.5.2确定主轴前端悬伸量参考同类型机床和下表3-4，选1.02，则取悬伸量a=102mm。表3-4 前端悬伸量的选择参考表机床和主轴的类型通用和精密车床，自动车床和短主轴端铣床，用滚动轴承支承，适用于高精度和普通精度要求0.61.5中等长度和较长主轴端的车床和铣床，悬伸不太长(不是细长)的精密镗床和内圆磨床，用滚动轴承和滑动轴承支承，适用于绝大部分普通生产的要求1.252.5孔加工机床，专用加工细长深孔的机床，由加工技术决定，需要有长的悬伸刀杆或主轴可移动，因切削较重而不适用于有高精度要求的机床 >2.53.5.3主轴支承跨距L及各段长度及直径的确定一般最佳跨距，由于考虑到结构以及支承刚度因磨损会不断降低，主轴主要支承间的实际跨距L往往大于上述最佳跨距，又由于是在原来机床的基础上进行改造，所以L的长度保持原来机床主轴的长度不变，L=534mm。而主轴上其他各段的长度和直径保持跟原来机床一致，参考机床设计图册【6】C6150普通车床床头箱装配图1-6-3。主轴形状如下(图3-3)图3-3 主轴形状简图3.5.4验算主轴键侧压应力参考机械设计【7】普通平键侧工作表面的挤压应力的计算公式为： (3-18)式中：T传递的扭矩；键与轮毂键槽的接触高度，； 键的工作长度，圆头平键,； 为轴的直径，84mm； 为许用挤压应力，参考机械设计【7】表62，取125；则 (3-19) 结果符合设计要求，同理采用上述公司可知轴上所选键也符合设计要求。3.6轴的设计根据机械手册软件V3.0版【5】 轴的设计计算，根据轴的初始条件可得下表3-5：轴的最小直径，根据原机床轴的最小直径为，取，3.7滚动轴承的校核机床的一般传动轴用的滚动轴承，主要是由于疲劳破坏而失效，故应对轴承进行疲劳寿命验算。下面对按轴颈尺寸及工作状况选定的滚动轴承型号进行寿命验算：（1）计算当量动载荷 (3-20) 对于只能承受纯径向载荷的轴承对于只能承受纯轴向载荷的轴承（2）计算寿命 (3-21)式中：工作温度系数；由机械设计【7】表13-6动载荷系数可取为1.4；额定寿命；C滚动轴承尺寸表所示的额定动负荷N，根据自己所选轴承查表可得； 工作温度系数；由机械设计【7】表13-4温度系数表可取为1.0；寿命指数，对于球轴承：= 3 ；对于滚子轴承：=10/3；轴承的计算转速，为各轴的计算转速； P当量动载荷N ; 对于轴的上的深沟球轴承6207： 因此预期轴承10更换一次， (3-22)同理使用上述公式对各轴承进行寿命校核，所选轴承均符合设计要求。3.8主轴编码器的选择我们通常在主轴末端或挂轮架处增装一光电编码器，其转速与主轴转速一致，主轴转一周，光电码盘转一转，通过反馈给系统控制进给轴与主轴的同步性，从而加工出理想螺距的螺纹。根据其编码方式的不同，光电码盘可分为增量式光电码盘和绝对式光电码盘，目前国内常用的为增量式光电码盘。根据光电码盘上刻线条数可分为1024线、2048线等，我们常用的为1024线即可满足要求。 本次进行数控化改造时，为保留原有的机构，这样减少改造的工作量。在轴I上安装一个增量式光电码盘，用以检测轴的转速。为了使增量式编码器测得的转速与主轴一致，必须在反馈控制设置一个比例为1：2，这样主轴转一圈，编码器对应输出相应的脉冲信号。第四章 液压尾架部分的计算4.1尾架的基本参数设计任务 设计 CK6150 数控车床液压尾架。该数控车床尾架利用液压原理以实现自动夹紧。本设计采用PLC 作为控制系统来控制车床尾架的运动，从而实现车床尾架的工进、后退、停止功能。 其设计参数如下：尾架套筒的最大行程大于 50mm 夹紧力大于 20 公斤4.2 负载分析 本液压系统比较简单，不必做工况分析，只需要确定最大负载和最大速度点，根据经验设计。 本设计取加紧力为40公斤则：负载 FL= 40×9.8N=392N （3-1）取尾架（即活塞）运动速度 0.008m/s4.3液压缸参数的确定4.3.1 初选液压缸工作压力 查表 10.3-1【8】许贤良，王传礼.液压传动M.北京：国防工业出版社，2006并结合本液压系统设计实际，初选液压缸工作压力 P1（无杆腔）为0.15MPa。4.3.2 计算液压活塞缸的主要尺寸 正向行程（无杆腔进油）时 (4-1)其中 P2 为有杆腔压力，此处取 P2 0,m 为机械效率（m=0.880.95），通常取m=0.95。 所以 P1A1m= FL 即 其中 D 为液压缸内径 (4-2)根据表 23.1-9 【9】王文斌，机械设计手册（液压传动与控制）M.北京：机械工业出版社、2007，D取标准值 63mm 故活塞杆直径d可由 求得 (4-3) 其中为速度比， ( 4-4)推荐值为 1.332，查表 4.8-1 1 【1】 取 =1.33 根据表 23.1-10【9】，d取标准值32mm (4-5)则液压缸（有杆腔）的有效面积 (4-6)4.3.3 液压缸其他尺寸的确定 活塞的宽度 B 按缸的工作压力和活塞的密封方式确定，一般为（0.61）D 【10】狄瑞民，王雪建.数控机床液压传动与气压传动M.北京：国防工业出版社.2006故取，圆整为 导向套滑动面的长度,当时，取（0.61）D 故取 圆整为 液压缸的总长度 S 按其最大行程确定，一般不大于（2030）D (4-7)L:液压缸行程，本设计取 160mm H:最小导向长度，它的大小影响到液压缸的稳定性和初始扰度要求 (4-8)C:其他长度，比如密封件长度 故取 S=238mm 液压缸缸体的壁厚缸体厚度 的取值由强度条件决定，取=20mm 4.4 液压缸参数的校核4.4.1 活塞杆直径 d 强度校验 活塞杆直径强度 【8】 按下式校验强度 (4-9)式中 FL 为液压缸负载，单位为N 为材料许用应力，为材料抗拉强度，单位为，为安全系数，一般取活塞杆采用45号钢，查表2-7【11】吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册M.北京：高等教育出版社，2006 ,其材料强度为=600MPa所以活塞杆的直径强度满足要求。4.4.2缸体壁厚强度校核由公式 (4-10)故按公式【8】进行壁厚强度验算式中为实验压力，比缸最高工作压力大20%30%，单位为。为缸体材料的许用应力（MPa），为材料抗拉强度，为安全系数，一般取。本缸体采用灰铸铁，牌号HT200，查表2-3【11】得灰铸铁最小抗拉强度。所以故缸体壁厚满足强度要求。下图4-1为本次设计的液压尾架三维图：图4-1 液压尾架三维图4.5液压系统的4.5.1拟定液压系统图液压系统工作原理【12】章宏甲 ，王积伟，黄谊 主编，液压与气压传动，北京：机械工业出版社，2005 （液压系统原理图如下图4-2所示）：图4-2 液压系统原理图活塞杆前进：进油：变数液压泵2通过滤油器1从邮箱7里面取油;通过单向阀3经三位四通电磁液位换向阀4HF1通电，经调速阀5进入液压缸6左腔，推动活塞杆前进，顶紧工件。回油：液压缸6右腔经三位四通电磁液位换向阀4HF1通电进入背压阀7进入邮箱8。活塞杆后退：进油：变数液压泵2通过滤油器1从油箱8罩里面取油；通过单向阀3经三位四通电磁液位换向阀4HF2通电，经调速阀5进入液压缸6右腔，活塞杆后退，松开工件。回油：液压缸6左腔经调速阀5、三位四通电磁液位换向阀4HF2通电进入背压阀7进入油箱8。4.5. 2选择基本回路(1)根据系统功能的要求，并结合液压系统作原理和基本液压回路的特性，确定如下两套液压系统方案。方案一：液压系统回路如下图4-3所示。方案一的液压系统回路中只包含有减压回路。图4-3方案二：液压系统回路如图4-4所示。方案二的液压系统回路中包含有减压回路、节流调速回路和单向锁紧回路。图4-4(2)本液压系统方案的确定要求：(a)进油节流调速回路的确定考虑到本次设计的液压系统功率小，工作负载为阻力负载，液压缸正、负行程需要一稳定的速度，故因该选用进油节流调速回路。由于系统选用节流调速方式，系统为开式循环系统。(b)减压回路的确定本液压尾架系统T作循环简单，只有进、退两个行程，尾架工作所需压力也低。但标准中各液压泵的标准工作压力均远大于尾架工作所需的压力，所以本液压系统内需加减压回路，以降低进油压山。(c)锁紧回路的确定（单向锁紧）为使执行组件(液压缸活塞）能在最大行程内的任意位置上停止不动或防止停止后窜动，液压系统内需采用锁紧回路。 综上一所述，本液压系统的基本回路应包含进油节流调速回路，减压回路，锁紧回路（单向锁紧）。 所以比较后可知方案二符合系统设设计要求。因此，采用方案二作为本课题的设计方案。4.5.3组成系统图 在所选定的基本回路的基础上，再考虑到在调整和运行中，为了便于测试山系统中有关部位的压力，应该设置压力表及其开关，便可组成个完整的液压系统。如图4-5所示：图4-54.6液压泵的选择（1）液压泵工作压力的确定【9】 (4-11)是液压执行组件的最高工作压力，对于本系统的最高压力是尾架正行程时泵的输出压力。液压缸的工作压力是经减压阀减压后的压力，为0.15MPa。取4MPa。是泵到执行组件间总的管路损失。由系统图可见，从泵到液压缸之间串接有一个溢流阀，一个节流阀，一个换向阀和一个液控单向阀，取=0.8MPa。故液压泵的工作压力为（2）液压泵流量的确定 (4-12)系统最大流量发生在尾架正行程时，取泄漏系数K为1.2，求得液压泵的流量选用YBP型变数叶片泵，其流量为6L/min4.7电动机功率的确定取液压泵的总效率，泵的总驱动功率为 (4-13)根据计算功率查机械设计课程设计手册（第三版）【13】选用Y80-4型电动机，其额定功率为0.55Kw。4.8其他组件、辅导组件的选择根据液压系统的工作压力和通过各组件、辅导组件的实际流量，所选择的组件、辅组组件的规格如下表4-1所示。管道尺寸由选定的标准组件接口尺寸确定确定油箱的有效容积按经验公式计算 为了更好的散热取V=160L序号组件名称通过阀最大流量型号规格额定流量额定压力1叶片泵YBP66.32溢流阀6C-1751273减压阀6YJF3636.34节流阀1.5SR30255三位四通电磁换向阀1.5WE514216液控单向阀1.5AY4031.57滤油器6XU_50200506.38压力表开关K­6B表4-1 液压组件规格4.9验算液压回路 4.9.1验算回路中的压力损失本系统比较简单，管路损失较大的是在尾架（液压缸）动作回路，故主要验算由泵到尾架这段管道的损失，管道直径按选定组件的接口尺寸确定为d=10mm，进油、回油管道长度都定为l=2m油液的运动粘度取，油液的密度取。(1)判断流动状态 由雷诺数 (4-14)可知，在油液粘度、管道内径d定的条件下，Re的大小与Q成正比。管路中流量最大值Q=6L/min