φ320mm的数控车床总体设计及四方回转刀架设计
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毕业设计说明书设计题目:320mm的数控车床总体设计及四方回转刀架设计 学 生 班 级 学 号 指导教师 继 续 教 育 学 院二零一三年十月毕业设计任务书设计题目:320mm的数控车床总体设计及四方回转刀架设计 学 生 班 级 学 号 指导教师 继 续 教 育 学 院二零一三年十月兰 州 理 工 大 学毕 业 设 计 任 务 书 学 生 指导教师 胡世军 班 级 职 称 副教授 一 毕业设计题目320MM数控型卧式车床数控化设计总体设计及横向进给设计320MM数控型卧式车床数控化设计总体设计及纵向进给设计320MM数控型卧式车床数控化设计总体设计及液压尾座设计320MM数控型卧式车床数控化设计总体设计及液压尾座设计320MM数控型卧式车床数控化设计总体设计及四方回转刀架设计320MM数控型卧式车床数控化设计总体设计及六角回转刀架设计320MM数控型卧式车床数控化设计总体设计及纵向进给设计320MM数控型卧式车床数控化设计总体设计及横向进给设计二、主要设计参数及技术指标1、 X轴(横向)、Z轴(纵向)改为微机控制,采用步进电机或直流伺服电机驱动,滚珠丝杠传动。其中X轴(横向)脉冲当量:0.005mm/脉冲,Z轴(纵向)脉冲当量:0.010mm/脉冲。2、 实现功能:车削外圆、端面、圆弧、圆锥及螺纹加工3、 操作要求:起动、点动、单步运行、自动循环、暂停、停止4、 采用回转刀架及液压尾座5、 其余参数见原机床三、毕业设计内容及工作量(一) 设计计算说明书 一份0.81.0万字(二)、 图纸部分 1、普通车床数控化设计总体方案图 A0一张2、机床尺寸联系图 A0一张3、主要部件装配图(主轴箱等) A0一张4、数控机床硬件电路图 A0一张(选做)四 毕业设计的基本要求: 能按时独立完成毕业设计规定的全部内容,方案选择正确,论据充分,对设计中的主要问题分析深入,解决合理,有独立见解,能很好运用所学理论和提供的资料解决设计中的问题,能独立查阅和正确引用中外文参考资料,说明书文字通顺、清楚、选用数据论证合理、计算准确,图面整洁。五、 进程安排序号主 要 任 务时间备注1查阅文献、调研、收集资料、实习0.5周2总体方案图 1.0周3机床尺寸联系图2.5周4主要部件装配图 2.5周5编写设计计算说明书1.0周6准备答辩0.5周六.主要参考文献数控机床设计 陈婵娟主编 化学工业出版社经济型数控机床系统设计张新义主编 机械工业出版社新编机床数控技术 任玉田主编 北京理工大学出版社机床设计图册 上海纺织工学院等主编 上海科学技术出版社机械设计手册 成大先主编 化学工业出版社7、 设计书的装订及格式 装订必须采用横向翻页方式。内容顺序为:封面,任务书,目录,中文摘要,中文关键词,引言,正文,结论(计算结果),参考文献,致谢。摘 要在数控机床系统中,加工精度和加工可靠性是伺服系统决定的,本文对数控车床进行了分析和设计,全面阐述了数控车床的结构原理,设计特点,论述了采用伺服电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了数控车床的结构设计及校核,并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。其中着重介绍了四方刀架的原理包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等。关键词:车床,数控,电机,刀架VAbstractIn 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 录摘 要VAbstractVI第1章 数控机床发展概述11.1数控机床及其特点11.2数控车床的主要功能及加工对象11.3 数控机床的经济分析21.3.1中小企业数控机床选用中存在的问题21.3.2 数控机床选购的策略21.4 数控机床的发展趋向4第2章 数控机床总体方案的制订及比较52.1 总体设计方案52.2 主传动的系统设计72.2.1机械部分的数控化设计72.2.2电气部分的数控化设计72.3进给系统的设计82.3.1进给机构的设计82.3.2 320MM车床的设计要求82.3.3导轨副的设计82.4 微机系统的硬件与软件设计92.4.1系统软件的设计92.4.2硬件系统设计92.5设计方案论证102.6 320MM数控车床的设计参数112.7 总体方案的确定11第3章 320MM数控车床设计总体方案设计133.1.主动参数参数的拟定133.2 变速结构的设计143.2.1 主变速方案拟定143.2.2 变速结构式、结构网的选择143.3 各变速组齿轮模数的确定18第4章 自动回转刀架的总体结构设计234.1 总体结构设计234.1.1减速传动机构的设计234.1.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计244.1.3 刀架抬起机构的设计244.2 刀架主要零件设计244.2.1 动齿盘与静齿盘244.2.2 活塞244.2.3 花键轴254.2.4 防水、防尘设计254.2.5 控制方式254.2.6 刀架定位精度及重复定位精度254.2.7 刀架驱动形式25第5章 自动回转刀架主要传动部件的设计计算265.1 蜗杆副的设计计算265.1.1蜗杆的选型265.1.2蜗杆副的材料265.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计265.1.4 蜗杆和蜗轮的主要计算参数和几何尺寸285.1.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度295.2 蜗杆的设计计算305.2.1 蜗距的确定305.2.2其它参数的确定305.2.3自锁性能校核30第6章 数控硬件电路系统设计316.1硬件电路设计316.1.1 数控系统的硬件结构316.1.2 数控系统硬件电路的功能316.2关于各线路元件之间线路连接326.3 关于电路原理图的一些说明33总 结36参考文献37致 谢38 IX320mm的数控车床总体设计及四方回转刀架设计第1章 数控机床发展概述1.1数控机床及其特点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。数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程序指令记录在信息载体上,由程序读入装置接收,或由数控装置的键盘直接手动输入。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。 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。1.2数控车床的主要功能及加工对象数控车床的功能分为一般功能和特殊功能。一般功能是指各类数控车床普遍所具有的功能。如点位控制功能、刀具半径自动补偿功能、镜象加工功能、 固定循环功能等。特殊功能是指数控车床在增加了某些特殊装置或附件后,分别具有或兼备的一些特殊功能。如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自动变换工作台功能、自适应功能、数控采集功能等。在使用数控车床加工工件时,只要充分利用数控车床的各种功能,就可以加工许多普通车床难加工的工件。数控车床的主要加工对象有:平面类零件;变斜角类零件;曲面类(立体类)零件。1、直线插补:数控车床在完成工作时所具有的基本功能之一,一般情况下分为直线插补和空间直线插补等一些插补方式2、圆弧插补:这也是数控车床在完成工作时所具有的基本功能之一,一般情况下可分为平面圆弧插补以及逼近圆弧插补等。3、固定循环:固定循环是指通过各种参数使用不同的加工要求,主要用于实现一些鱼油经典型的需要多次重复的工作,这样使用固定循环是可以有效的简化程序的编制。1.3 数控机床的经济分析近几年,随着国民经济快速稳定发展,我国机床制造行业受益于国家振兴装备制造业的大环境,有了长足进展,这其中领先当今机械制造技术水平的数控机床产业更胜一筹。由于数控设备的先进性、复杂性和发展的迅速性,以及品种型号、档次的多样性,决定了选用数控设备的复杂性和难度。如何从品种繁多、价格昂贵的产品中选择适用的设备, 成为中小型企业十分关心的问题。1.3.1中小企业数控机床选用中存在的问题 目前中小型企业缺乏数控设备的使用经验和掌握数控加工技术的人才,在数控机床选购中存在着盲目性、片面性,主要表现在以下几方面: 1.决策者对数控机床的认识有误区,部分企业领导认为配置高精度数控设备是企业档次的象征。选型时不考虑投资效益,忽略性价比,盲目追求进口、高档,片面讲究功能齐全。而在后来的使用过程中才发现有些功能用不上或几乎不用。2.机床选型混乱, 数控机床类型、规格不配套。选购不同厂家的产品, 数控系统不统一, 购置后给操作、编程、维修带来困难。3.购置数控机床时只重视主机性能, 而忽略附件和刀具的配套, 致使在使用中因缺少某个附件或刀具而影响整个主机的运行。4.对企业发展和产品变化预测不足, 所购设备的功能的发挥受到制约。 1.3.2 数控机床选购的策略 1.实用性。选购数控机床时,企业要有明确的目的和出发点,首先考虑的是数控机床的实用性。 (1)数控机床规格、精度的实用性。在选择数控机床时,首先应确定数控机床上加工的典型零件。零件的尺寸决定机床的加工范围;零件关键部位的精度决定了所选机床的精度等级。机床精度的评定指标较多,因数控机床类别而异,但共有的关键项目是定位精度、重复定位精度以及综合加工精度。定位精度与传动链各环节的弹性、间隙等因素有关,反映了机械系统中的扭曲、挠度、爬行、共振等诸因素造成的综合误差。这些指标既反映了伺服机构的刚度,也说明了位置反馈测量系统的质量。重复定位精度反映了数控轴在全行程内定位点的稳定性,传动链刚性直接影响重复定位精度。综合加工精度指最后加工出来的工件尺寸与所要求尺寸之间的误差。选购时应避免盲目追求高精度,注意机床精度与工件精度相匹配。 (2)数控系统功能的实用性。数控系统功能可分为基本功能与选用功能, 各知名品牌数控系统的基本功能差别不大。除基本功能以外, 数控系统还为用户提供多种可选功能。通常数控系统具备的基本功能比较便宜, 而特定选择的功能很贵。在可供选择的功能模块中, 性能差别很大,价格也相差数倍,所以要根据加工要求和机床性能的需要来选择。 从控制方式、驱动形式、反馈形式、检测、操作方式、接口形式和故障诊断等方面来衡量, 合理地选择适合机床的可选功能,放弃可有可无或不实用的可选功能。比如,自动换刀装置(ATC) 是加工中心的基本特征,ATC装置的投资往往占整机的30%50%。因此在满足使用要求的前提下尽量选用结构简单和可靠性高的ATC, 以提高机床的可靠性和降低整机的价格。应当注意,单独签订合同购买附件的单价大大高于随同主机一起供货的附件单价,应尽可能在购买主机时一并购置部分易损部件及其他附件。 2.经济性。经济性是指选用的数控机床在满足加工要求的条件下, 所支付的“钱”最少或较为合理的。经济性往往是和实用性紧密相连的, 机床选得实用、经济, 可避免不必要的浪费, 避免以高代价换来功能过多而又不实用的较复杂的数控机床,避免在操作使用、维护保养等诸多方面带来困难。 数控机床的设计使用寿命一般为7年, 主要以数控方面的使用寿命为准。同时还得考虑市场占有率, 市场占有率高的数控设备说明是旺销产品, 已受到多数用户的青睐和肯定, 一般不会有太多的质量问题。 选购数控机床应考虑投资回报, 能够在短期内收回投资的机床才是好机床。因为数控机床的主要优势是实现工序集中,从而提高生产率和加工精度,所以数控机床既适于单件小批生产,又适于大批量生产。多数中小型企业购买的数控机床用于批量生产,因为批量生产不仅节省编程、对刀等辅助时间,提高机床利用率;而且对操作者的技术要求不高,人工费用也相对较低。所以用于大批量生产的机床投资回报较快。少数产品附加值高,具有一定经济实力的企业,为了生产组织方便而购买用于单件生产的数控机床。机床利用率较低时,不仅要考虑设备的使用费用,比如润滑油、冷却液、电力消耗等,还要计算设备折旧。另外一个不可忽视的因素是设备的贬值,数控机床的升级、更新较快,同配置的一台机床,现在售价40万,三年后可能降至35万,这样算起来贬值和折旧一样不可忽视。所以没有定型产品或产品附加值较低的中小型企业,在购置贵重数控设备之前,一定要充分研究收回投资的周期。有些企业事先确定较稳定的批量加工意向,甚至已经接到订单,选购机床时要求机床厂为其准备工装、编制程序、培训工人,即所谓“交钥匙”工程,这是投资数控机床最理想的情况。 3.稳定可靠性。数控设备的可靠性是广大数控设备用户必须关心的焦点问题, 因此在选用数控设备时应注意生产厂家的规模和市场占有率, 确认其产品是否达到国家规定的平均无故障时间标准(规定为500h)。目前多数机床厂都采购成熟的数控系统和零部件进行组装。国内应用较多的数控系统有日本FANUC、德国的西门子等。立式加工中心的床身出自昆明和南京的居多,而床身中的直线导轨、主轴又分别来自德国和台湾等地。所以机床的主要零部件的质量一般是可靠的,需要重点考察的是数控机床组装企业的售后服务网络是否健全,服务队伍的素质是否能胜任工作,服务能否及时,是否能履行承诺等。1.4 数控机床的发展趋向数控机床是由美国发明家约翰帕森斯上个世纪发明的。随着电子信息技术的发展,世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代,其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业 的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段,具有无限放大的经济与社会效应。技术发展趋势:高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势,近几年来,在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在: 1.机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步,复合加工技术日趋成熟,包括铣-车复合、车铣复合、车-镗-钻-齿轮加工等复合,车磨复合,成形复合加工、特种复合加工等,复合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡,完全加工”等理念正在被更多人接受,复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2数控机床的智能化技术有新的突破,在数控系统的性能上得到了较多体现。如:自动调整干涉防 碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能 进入了实用化阶段,智能化提升了机床的功能和品质。 3机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用,使得柔性线更加灵活、 功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机 床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。 4精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级(0.01mm)提升到目前 的微米级(0.001mm),有些品种已达到0.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工,精度可稳定达到0.05m左右,形状精度可达 0.01m左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级(0.001m)。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用 高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术,提高机床加工的几何精度,降低形位误差、表面粗糙度等,从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。 5功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展,并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置,高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机,高性能的直线滚动组件,高精度主轴单元等功能部件推广应用,极大的提高数控机床的技术水平。第2章 数控机床总体方案的制订及比较2.1 总体设计方案床身的上部内装主轴传动系统为主轴变速系统,这部分采用原机床的主轴传动系统即保留原机床的电动机等等,还有添加的变速箱。床身的底部是可作冷却液箱的底座,数控系统显示器及按键位于操作者的右边,便于调试、和操作观察。床身右侧的电器箱内装有两坐标的进给伺服控制系统,床身左侧的电器箱内装有主控器和强电系统。显示器采用LED,用以显示输入的程序,机床的实际位置和已存储的各种信息。手动操作时,显示器可作为数字读出装置使用。控制部分数控系统采用为两坐标CNC开环控制,由步进电机经一级齿轮变速箱后减速驱动。可实现两坐标直线插补和两坐标圆弧插补。采用MCS51系列单片机组成微机控制系统,它的可靠性高、能在恶劣的环境下工作,适应能力较好,且功能强,速度高。数控系统还具有刀具长度偏移和半径补偿功能,自诊断功能,可进行自动加、减速,并具有备用电池,停电时可做存储已编程序的电极。采用CNC51微机对数据进行计算处理,由I/O接口输出脉冲信号,经光电隔离电路,功率放大再传给步进电机,步进电动机驱动滚珠丝杠转动,从而实现X、Z 两个方向的进给运动,加工零件。总体设计如图2-1所示: 信号分配及放大电路步进电动机(X轴)信号分配及放大电路步进电动机(Z轴)图2-1 无反馈控制电路方案2显示器采用LED,用以显示输入的程序,机床的实际位置和已存储的各种信息。手动操作时,显示器可作为数字读出装置使用。假如数控系统采用为两坐标闭环或者半闭环控制,那么必须要有电路反馈信息,反馈位移或角位移的电路,这样可以有更加精确的加工路线,更加便于操作者了解机床的行经过程。仍由步进电机经一级齿轮变速箱后减速驱动。可实现两坐标直线插补和两坐标圆弧插补。采用MCS-51系列单片机组成微机控制系统,它的可靠性高、能在恶劣的环境下工作,适应能力较好,且功能强,速度高。数控系统还具有刀具长度偏移和半径补偿功能,自诊断功能,可进行自动加、减速,并具有备用电池,停电时可做存储已编程序的电极。采用mcs-51微机对数据进行计算处理,由I/O接口输出脉冲信号,经光电隔离电路,功率放大再传给步进电机,步进电动机驱动滚珠丝杠转动,从而实现X、Y 两个方向的进给运动,加工零件。如图2-2所示 图2-2 有反馈控制电路方案的取舍:比较两者的设计方案,方案1的布置比较合理,完全按照机床的正常布置而设计,没有其他什么多余的功能,是经过了市场调查后而进行的,虽然没有位移的反馈信息电路,加工精度也不如方案2高,但是却可以节约资金,在很多加工要求不必太高,不需要反馈信息进行控制的电路时,也是能够达到精度要求的,所以在本设计中无须反馈电路,即采用开环系统。在很多的小工厂里也是可以进行这种数控设计,其范围广。并且对CNC和NC控制作比较,CNC的功能比NC强大许多,在现在软件发展如此之快的情况下,CNC已经完全取代了NC,采取CNC不但经济,而且功能又符合320MM车床机床的数控设计。综合,在本设计中,方案1-1是可行的方案。2.2 主传动的系统设计2.2.1机械部分的数控化设计数控机床机械结构的主要特点: 结构简单,操作方便,自动化程度高; 广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品; 具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件; 对机械结构、零部件的要求高。主传动系统采用电动机(7.5KW)。进给系统采用滚动丝杠副螺母副代替原有丝杠副,以提高机床运行精度和传动效率。考虑到设计的目标及成本的原因,决定主轴支承仍采用滚动轴承支承,导轨仍使用动压导轨。2.2.2电气部分的数控化设计机床加工的零件多属中小型,且加工精度要求不是很高,原有的交流电机就能够满足加工要求。因此其主传动系统的电气部分仍采用其原来配置的7.5KW的交流电动机驱动。2.3进给系统的设计2.3.1进给机构的设计 考虑到该数控系统是开环控制,没有位置反馈电路,故进给系统尽可能的要减少中间传动环节。本车床的X,Y,Z两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节,直接采用了步进电机一级减速齿轮滚珠丝杆的传动方案。拆除原来的丝杆,增加少量的机械附件,就可安装步进电机及滚珠丝杆螺母副。本设计选用步进电机的型号为110BF004,步进电机步距角选用,扭距是4.61Nm,电机脉冲当量:。2.3.2 320MM车床的设计要求进给伺服系统设计后性能的好坏将直接影响到整个系统的性能的好坏。也因此对进给伺服系统提出了设计设计要求:提高传动部件的刚度,减小传动部件的惯量;减小传动部件的间隙,并减小系统的摩擦阻力;高精度 就是说伺服系统的输出量能复现输入量的精确程度。稳定性好 指系统在给定输入或受外界干扰作用下,能在短暂的调节后,达到新的或者恢复到原来的平衡状态。快速响应,无超调 它是衡量伺服系统动态品质的重要指标,反映了系统的跟踪精度。低速大转矩 机床加工的特点是在低速时进行重切削。因此,要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。调速范围宽 指机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。在数控机床中,由于加工用刀具、被加工材质及零件加工要求的不同,为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件,就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。2.3.3导轨副的设计320MM车床采用的是铸铁-淬火钢滑动导轨,动、静摩擦系数相差较大,低速易出现爬行,平稳性和定位精度较低,能量损失大。在数控设计中可采用在原导轨上粘贴聚四乙炔软带涂层的方法,以减小摩擦系数,增加耐磨性,且具有良好的自润滑性和抗震性,该方法实现易、费用低。2.4 微机系统的硬件与软件设计控制系统设计的总体考虑:确定功能指标;明确硬、软件分工;重视接口设计;认真选择微机。2.4.1系统软件的设计本系统采用8031单片机对步进电机进行控制,使机床移动部件沿X、Y坐标方向移动,实现刀具与工件的相对运动,完成零件加工。软件系统由初始化模块、键盘处理模块、LED显示模块、输入输出处理模块等组成。其中步进电机控制程序由软件实现脉冲分配(由单片机实现环形分配),通过改变相应端口的状态完成控制过程。2.4.2硬件系统设计本系统采用MCS-51系列单片机芯片8031为控制器,1片8kb的eprom2764作为程序存储器扩展芯片;数据存储器扩展芯片用1片8kb的ram6264;而选用1片可编程并行接口芯片8255作为系统扩展的口,对、轴步进电机及主轴进行控制,通过键盘的命令可使X、Y 工作台联动,并可以灵活地输入切削程序和数据。用片做为机床开关、刀架控制信号及主轴编码器反馈信号口用;1片8279作为键盘显示器接口,识别键盘按键信号,对显示器自动扫描,完成键盘输入和led显示控制功能;采用74ls138做为统一地址译码器寻址,并用74ls343为地址锁存器,并由8031对各步进电机脉冲信号进行环形分配,如图1-3所示。 图2-3 数控系统硬件结构框图为避免强电干扰可采用光电耦合电路(GO102)进行光电隔离。因为8255输出的信号功率很小,故用功率放大器对输出的脉冲信号放大,以驱动步进电机工作。2.5设计方案论证数控车床是机电一体化的典型代表,其机械结构同普通的机床有相似之处。现代机床的部件结构,整体布局,外部造型都已经形成了数控机床独特的机械部件。因此,我们在对数控机床进行数控设计的过程中,机床的设计主要应具备两个条件1.机床基础件必须有足够的刚度2.改装的费用要合适,经济性好。改装前要对机床的性能指标做出决定,改装后其各项指标能达到数控加工的要求。机械部分数控化设计需涉及电机的选择、工作台进给结构、传动比分配与计算等方面的内容。1伺服驱动元件进给电机选用混合式步进电机,其不仅步距角小运行频率高且功耗低低频噪音小等优点。广泛用于开环控制系统,不需要反馈装置,结构简单可靠,寿命长。横垂直进给电机均选用同一型号以便于设计和日后维修。脉冲当量t=0.01mm/脉冲,选用步距角=0.6。对原机床的主传动系统均维持不变,以节约资金及缩短改装时间。2机床导轨的选择采用滑动导轨,在低速时容易发生“爬行”现象,直接影响运动部件的定位精度。较经济的处理方法是采用贴塑滑动导轨。3进给传动系统数控机床要求进给部分移动元件灵敏度高、精度高、反应快、低速时无爬行。因此本设计中采用滚珠丝杠可以满足要求。滚珠丝杠螺母副由丝杠、螺母、滚珠、反向器组成。其工作原理为:当丝杠和螺母相对运动时,在螺母上设有滚珠循环返回装置,使得滚珠沿滚道面运动后能通过这个装置自动的返回其入口处,继续参加工作。滚珠丝杠螺母副安装时需要预紧,通过预紧可消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙,提高传动刚度。本设计中的预紧方法是采用双螺母垫片预紧式结构。即通过改变两个螺母的轴向相对位置,使每个螺母中滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧来实现预紧。其特点是预紧结构简单,轴向刚度好,预紧可靠,轴向尺寸适中。为消除传动系统中的反向间隙,提高重复定位精度,传动元件连接采用无键锥环连接。2.6 320MM数控车床的设计参数根据数控设计设计要求,确定主要如下: 最大加工直径: 车床身上: 320mm 车床鞍上: 185mm 最大加工长度: 750mm脉冲当量: 纵向 0.01mm/step 横向 0.005mm/step 脉冲分配方式: 逐点比较法 控制坐标数: 2 机床定位精度: 0.0152.7 总体方案的确定320MM数控车床设计总体设计方案的内容包括:系统运动方式的确定,伺服系统的选择,执行机构及传动方式的确定、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,也要考虑被设计机床的具备条件,是技术的先进性与经济性的合理性交好的统一。 对于横向进给机构,保留原手动于调刀,原支承结构也保留。和纵向进给一样步进电机与纵向滚珠丝杠间任何需一级齿轮减速,丝杠螺母与横向施板任用一螺母座连接。施板后部开轴承孔以便滚珠丝杠的连通与支承,后接减速箱与步进电机。纵、横向进给机构减速齿轮采用双片齿轮,靠错位消除啮合间隙。丝杠外加防尘罩,溜板箱上安装急停按钮,以适应意外情况的急停。硬件方面控制系统的硬件配置是,基本系统包括单片机AT89C51、锁存器、EPROM和RAM存储器。并行接口8255用作连接开关量的输入输出和对伺服电机进行控制。8279为键盘显示器接口。软件方面,软包装件设计采用模块化结构,以便于系统功能的扩展。分为三块:手动操作、加工、编辑。图2-1 机床的操作模式图根据设计任务,系统采用轮廓控制形式,控制系统硬件由微机控制部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离器、步进电机、功率放大器等组成。在其纵横向均采用步进电机 减速齿轮 滚珠丝杠螺母副 溜板的传动方式,刀架更换为四刀位回转刀架,将原先的普通尾座设计成液压尾座。设计后的机床传动系统图如图所示:图2-2 车床传动系统图第3章 320MM数控车床设计总体方案设计3.1.主动参数参数的拟定因为已知 , Z=+1=1.4129根据标准公比。这里我们取标准公比系列=1.41.因为=1.41=1.06,根据标准数列。首先找到最小极限转速20,再每跳过5个数(1.261.06)取一个转速,即可得到公比为1.41的数列:20,35.5,50,71,100,140,200,280,320,560,800合理的确定电机功率P,使机床既能充分发挥其使用性能,满足生产需要,又不致使电机经常轻载而降低功率因素。现在以常见的中碳钢为工件材料,取45号钢,正火处理,车削外圆,表面粗糙度=3.2mm。采用车刀具,可转位外圆车刀,刀杆尺寸:16mm25mm。刀具几何参数:=15,=6,=75,=15,=0,=-10,b=0.3mm,r=1mm。现以确定粗车是的切削用量为设计:a) 确定背吃刀量和进给量f,根据【2】表8-50,取4mm,f取0.6。b) 确定切削速度,参【2】表8-57,取V=1.7。c) 机床功率的计算,主切削力的计算 根据【2】-表8-59和表8-60,主切削力的计算公式及有关参数:F=9.81 =9.8127040.920.95 =3242(N)切削功率的计算 =32421.7=5.5(kW)依照一般情况,取机床变速效率=0.8.=6.86(kW)根据【3】表12-1 Y系列(IP44)电动机的技术数据,Y系列(IP44)电动机为一般用途全封闭自扇冷式笼型异步电动机,具有防尘埃、铁屑或其他杂物侵入电动机内部的特点,B级绝缘,工业环境温度不超过+40,相对湿度不超过95%,海拔高度不超过1000m,额定电压380V,频率50Hz。适用于无特殊要求的机械上,如机床,泵,风机,搅拌机,运输机,农业机械等。根据以上要求,我们选取Y132M-4型可调速电动机,额定功率7.5kW,满载转速1440,额定转矩2.2,质量81kg。3.2 变速结构的设计3.2.1 主变速方案拟定拟定变速方案,包括变速型式的选择以及开停、换向、制动、操纵等整个变速系统的确定。变速型式则指变速和变速的元件、机构以及组成、安排不同特点的变速型式、变速类型。变速方案和型式与结构的复杂程度密切相关,和工作性能也有关系。因此,确定变速方案和型式,要从结构、工艺、性能及经济等多方面统一考虑。变速方案有多种,变速型式更是众多,比如:变速型式上有集中变速,分离变速;扩大变速范围可用增加变速组数,也可采用背轮结构、分支变速等型式;变速箱上既可用多速电机,也可用交换齿轮、滑移齿轮、公用齿轮等。显然,可能的方案有很多,优化的方案也因条件而异。此次设计中,我们采用集中变速型式的主轴变速箱。3.2.2 变速结构式、结构网的选择结构式、结构网对于分析和选择简单的串联式的变速不失为有用的方法,但对于分析复杂的变速并想由此导出实际的方案,就并非十分有效。数为Z的变速系统由若干个顺序的变速组组成,各变速组分别有、个变速副。即 变速副中由于结构的限制以2或3为合适,即变速级数Z应为2和3的因子: ,可以有三种方案: 12级转速变速系统的变速组,选择变速组安排方式时,考虑到机床主轴变速箱的具体结构、装置和性能。在轴如果安置换向摩擦离合器时,为减少轴向尺寸,第一变速组的变速副数不能多,以2为宜。主轴对加工精度、表面粗糙度的影响很大,因此主轴上齿轮少些为好。最后一个变速组的变速副数常选用2。综上所述,变速式为12=232。对于12=232传动式,有6种结构式和对应的结构网。分别为:, , , 由于本次设计的机床I轴装有摩擦离合器,在结构上要求有一齿轮的齿根圆大于离合器的直径。初选的方案。从电动机到主轴主要为降速变速,若使变速副较多的变速组放在较接近电动机处可使小尺寸零件多些,大尺寸零件少些,节省材料,也就是满足变速副前多后少的原则,因此取12=232方案为好。设计车床主变速传动系时,为避免从动齿轮尺寸过大而增加箱体的径向尺寸,在降速变速中,一般限制限制最小变速比 ;为避免扩大传动误差,减少震动噪声,在升速时一般限制最大转速比。斜齿圆柱齿轮传动较平稳,可取。因此在主变速链任一变速组的最大变速范围。在设计时必须保证中间变速轴的变速范围最小。根据中间变速轴变速范围小的原则选择结构网。从而确定结构网如下:主轴的变速范围应等于住变速传动系中各个变速组变速范围的乘积,即:检查变速组的变速范围是否超过极限值时,只需检查最后一个扩大组。因为其他变速组的变速范围都比最后扩大组的小,只要最后扩大组的变速范围不超过极限值,其他变速组就不会超过极限值。 其中, ,符合要求。绘制转速图、选择Y132M-4型Y系列笼式三相异步电动机。、分配总降速变速比 总降速变速比 电动机转速不符合转速数列标准,因而增加一定比变速副。、确定变速轴轴数 变速轴轴数 = 变速组数 + 定比变速副数 + 1 = 3 + 1 + 1 = 5。、确定各级转速由、z = 12确定各级转速: 800、560、320、280、200、140、100、71、50、35.5、20r/min。、绘制转速图在五根轴中,除去电动机轴,其余四轴按变速顺序依次设为、(主轴)。与、与、与轴之间的变速组分别设为a、b、c。现由(主轴)开始,确定、轴的转速:5 先来确定轴的转速变速组c 的变速范围为,结合结构式,轴的转速只有一种可能:100、140、200、280、320、560r/min。 确定轴的转速变速组b的级比指数为2,希望中间轴转速较小,因而为了避免升速,又不致变速比太小,可取 ,轴的转速确定为:320、560r/min。确定轴的转速对于轴,其级比指数为1,可取 , 确定轴转速为800r/min。由此也可确定加在电动机与主轴之间的定变速比。下面画出转速图(电动机转速与主轴最高转速相近)。齿轮齿数的确定,当各变速组的传动比确定以后,可确定齿轮齿数。对于定比传动的齿轮齿数可依据机械设计手册推荐的方法确定。对于变速组内齿轮的齿数,如传动比是标准公比的整数次方时,变速组内每对齿轮的齿数和及小齿轮的齿数可以从【1】表3-9中选取。一般在主传动中,最小齿数应大于1820。采用三联滑移齿轮时,应检查滑移齿轮之间的齿数关系:三联滑移齿轮的最大齿轮之间的齿数差应大于或等于4,以保证滑移是齿轮外圆不相碰。根据【1】,查表3-9各种常用变速比的使用齿数。、变速组a:,; 时:57、60、63、66、69、72、75、78时:58、60、63、65、67、68、70、72、73、77可取84,于是可得轴齿轮齿数分别为:28、35。于是, 可得轴上的三联齿轮齿数分别为:56、49。、变速组b:根据【1】,查表3-9各种常用变速比的使用齿数, ,,时:87、89、90、91、92时:87、89、90、91时:86、88、90、91可取 90,于是可得轴上两联齿轮的齿数分别为:18、30、45。于是 ,得轴上两齿轮的齿数分别为:72,60、45。、变速组c:根据【1】,查表3-9各种常用变速比的使用齿数,时:、85、89、90、94、95、108时: 84、87、89、90、108可取 108.为降速变速,取轴齿轮齿数为22;为升速变速,取轴齿轮齿数为36。于是得,得轴两联动齿轮的齿数分别为22,72;得轴两齿轮齿数分别为86,36。3.3 各变速组齿轮模数的确定齿轮模数的估算。通常同一变速组内的齿轮取相同的模数,如齿轮材料相同时,选择负荷最重的小齿轮,根据齿面接触疲劳强度和齿轮弯曲疲劳强度条件按【5】表7-17进行估算模数和,并按其中较大者选取相近的标准模数,为简化工艺变速传动系统内各变速组的齿轮模数最好一样,通常不超过23种模数。先计算最小齿数齿轮的模数,齿轮选用直齿圆柱齿轮及斜齿轮传动,查【4】表10-8齿轮精度选用7级精度,再由【4】表10-1选择小齿轮材料为40C(调质),硬度为280HBS:根据【5】表7-17;有公式:齿面接触疲劳强度:齿轮弯曲疲劳强度:、a变速组:分别计算各齿轮模数,先计算最小齿数28的齿轮。齿面接触疲劳强度:其中: -公比 ; = 2; P-齿轮传递的名义功率;P = 0.967.5=7.2KW; -齿宽系数=; -齿轮许允接触应力,由【5】图7-6按MQ线查取; -计算齿轮计算转速;K-载荷系数取1.2。=650MPa, 根据【6】表10-4将齿轮模数圆整为4mm 。6 齿轮弯曲疲劳强度:其中: P-齿轮传递的名义功率;P = 0.967.5=7.2KW; -齿宽系数=; -齿轮许允齿根应力,由【5】图7-11按MQ线查取;-计算齿轮计算转速; K-载荷系数取1.2。,根据【6】表10-4将齿轮模数圆整为2.5mm 。所以于是变速组a的齿轮模数取m = 4mm,b = 32mm。轴上主动轮齿轮的直径: 。轴上三联从动轮齿轮的直径分别为: 、b变速组:确定轴上另两联齿轮的模数,先计算最小齿数18的齿轮。6、 齿面接触疲劳强度:其中: -公比 ; =4; P-齿轮传递的名义功率;P = 0.9227.5=6.915KW; -齿宽系数=; -齿轮许允接触应力,由【5】图7-6按MQ线查取; -计算齿轮计算转速;K-载荷系数取1.2。=650MPa, 根据【6】表10-4将齿轮模数圆整为5mm 。7、 齿轮弯曲疲劳强度:其中: P-齿轮传递的名义功率;P =0.9227.5=6.915KW; -齿宽系数=; -齿轮许允齿根应力,由【5】图7-11按MQ线查取;-计算齿轮计算转速; K-载荷系数取1.2。,根据【6】表10-4将齿轮模数圆整为3mm 。所以于是变速组b的齿轮模数取m = 5mm,b = 40mm。 轴上主动轮齿轮的直径: 轴上三联从动轮齿轮的直径分别为:、c变速组: 为了使传动平稳,所以使用斜齿轮,取,螺旋角。计算中心距a,圆整为280mm。修正螺旋角,因值改变不多,所以参数,等值不必修正。所以轴上两联动主动轮齿轮的直径分别为: 轴上两从动轮齿轮的直径分别为: 、标准齿轮参数:从【7】表5-1查得以下公式齿顶圆直径 ; 齿根圆直径;分度圆直径 ;齿顶高 ;齿根高 ; 齿轮的具体值见表表5.1齿轮尺寸表 (单位:mm)齿轮齿数z模数分度圆直径d齿顶圆直径齿根圆直径齿顶高齿根高284112120102453541401481304556422423221445494196204186451859010077.556.25305150160137.556.25455225235212.556.25725360370347.556.25605200210187.556.25455225235212.556.25225113.12123.5101.165.193.68725373.44383.82360.485.193.68365183.92197.1173.765.193.68865446.06453.64433.15.193.68第4章 自动回转刀架的总体结构设计4.1 总体结构设计 设计自动回转刀架,适用于经济型数控车床,使自动回转刀架在结构上具有良好的强度和刚性,以承受粗加工时的切削抗力,同时具有换刀时的快速性、稳定性和高定位精度的重复性。图3-1为自动回转刀架的传动结构示意图。图3-1 自动回转刀架的传动结构示意图1 发信盘 2 推力轴承 3 螺杆螺母副 4 端面齿盘 5 反靠圆盘6 三相异步电动机 7 联轴器 8 蜗杆副 9 反靠销10 圆柱销 11 上盖圆盘 12 上刀体4.1.1减速传动机构的设计普通的三相异步电动机因转速太快,不能直接驱动刀架进行换刀,必须经过适当的减速。根据立式转位刀架的结构特点,采用蜗杆副减速是最佳选择。蜗杆副传动可以改变运动的方向,获得较大的传动比,保证传动精度和平稳性,并且具有自锁功能,还可以实现整个装置的小型化。4.1.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计由于刀具直接安装在上刀体上,所以上刀体要承受全部的切削力,其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。本设计上刀体的锁紧与定位机构选用端面齿盘,将上刀体和下刀体的配合面加工成梯形端面齿。当刀架处于锁紧状态时,上下端面齿相互咬合,这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动;换刀时电动机正传,抬起机构使上刀体抬起,等上下端面齿脱开后,上刀体才可以绕刀架中心轴转动,完成转位动作。4.1.3 刀架抬起机构的设计要想使上,下刀体的两个端面齿脱离,就必须设计合适的机构使上刀体抬起。本设计选用螺杆-螺母副,在上刀体内部加工出内螺纹,当电动机通过蜗杆-蜗轮带动蜗杆绕中心轴转动时,作为螺母的上刀体要么转动,要么上下移动。当刀架处于锁紧状态时,上刀体与下刀体的端面齿相互咬合,因为这时上刀体不能与螺杆一起转动,所以螺杆的转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离咬合时,上刀体就与螺杆一同转动。4.2 刀架主要零件设计4.2.1 动齿盘与静齿盘动齿盘与静齿盘是数控刀架的两个主要零件,其精度决定刀架性能的好坏,齿盘的齿形可设计成向心齿(即齿面为梯形齿、齿的截面也为梯形)或设计成矩形齿(即齿面为矩形、齿的截面为梯形)。本刀架采用工艺性能好的矩形齿,齿的啮合深度通常设计为45mm,可获得所需的锁紧力满足刀架刚度要求。4.2.2 活塞对活塞的设计要求:当花键轴转动时,活塞是不允许随之转动的,所以两者之间应有轴承来传动转动,显然在这里用滚动轴承是不合适的,必需采用滑动轴承。本设计直接在活塞孔内开螺旋形润滑油槽,把活塞孔设计成滑动轴承。由于省去了花键轴与活塞孔之间的滑动轴承,使刀架的结构进一步得到简化。4.2.3 花键轴花键轴是本刀架的重要零件之一,它既是刀架的传动轴又是液压缸的活塞杆;它既有往复运动,又有转动,所以花键轴与活塞配合部分的配合采用G7/h6。配合特点
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