400mm的数控车床总体设计及六角回转刀架设计【含CAD图纸、说明书】
系本科毕业设计(论文)开题报告毕业设计(论文)题目: 400m 的数控车床总体设计及六角回转刀架设计 专 业: 指导教师: 学生姓名: 学 号: 毕业时间: 教务处制一、选题依据(目的、意义、国内外研究现状、学术准备情况、研究思路及方法)(一)目的、意义 目前,中国已成为全球最大的机床消费国,也是世界上最大的数控机床进口国。过去只用于航空,汽车工业的数控机床,现在已越来越广泛的成为其他制造行的必要设备, 而且技术发展也相当快速,令人惊叹。然而,我国的机械加工设备的数控化率,在 1999 年仅为 58,现在大约在 1520之间。我国数控技术水平的提高已迫在眉睫。我国目前各种门类的数控机床都能生产,水平参差不齐,有的是世界水平,有的比国外落后 1015 年,但如果有国家的大力支持,追赶起来也不是什么太大的问题,例如:2004 年,沈阳机床集团收购了德国西思机床公司,意义很大,如果大力消化技术,可以缩短不少差距。大连机床公司也从德国引进了不少先进技术。上海一家企业购买了日本著名的机床制造商池贝。中国的制造业要实现从大国到强国,从低端到高端,从中国制造到中国创造的转变,一是要高技术化,二是要技术升级。当前,我国社会经济飞速发展使得中国制造技术正在发生日新月异的变化。但是,中国目前只是非创新产品的制造大国,靠劳动力、价格、资源和非竞争性的比较优势,在低端产品上占有一席之地。数控机床是现代制造业的关键设备,一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上代表了这个国家制造业技术水平和竞争力。最近 10 年来,随着我国国民经济持续快速健康发展,为满足制造业需求,国家每年花费 10 多亿美元引进数控机床,使我国制造业数控设备出现了大幅度快速增长的态势,我国的数控技术的发展呈现出前所未有的广阔前景。但与国外相比,我国制造数字化技术应用水平还比较低。面对这种挑战,我们一方面认识到自己的不足,另一方面要消化、吸收国外的先进技术,缩短与他们之间的差距,致力于解决提高数控设备工业应用水平,实现高速高效加工技术,具有重大的现实意义和深远意义。(二)国内外研究现状国内研究现状:我国数控机床制造业在 80 年代曾有过高速发展的阶段,许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说,技术水平不高,质量不佳,所以在 90 年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整,经历了几年最困难的萧条时期,那时生产能力降到 50,库存超过 4 个月。从 1995 年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场,加强限制进口数控设备的审批,投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关,对数控设备生产起到了很大的促进作用,尤其是在 1999 年以后,国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金,使数控设备制造市场一派繁荣。从 2000 年 8 月份的上海数控机床展览会和2001 年 4 月北京国际机床展览会上,也可以看到多品种产品的繁荣景象。但也反映了下列问题: (1) 低技术水平的产品竞争激烈,互相靠压价促销; (2) 高技术水平、全功能产品主要靠进口; (3) 配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口; (4) 应用技术水平较低,联网技术没有完全推广使用; (5) 自行开发能力较差,相对有较高技术水平的产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。 当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。目前我国是全世界机床拥有量最多的国家(近 300 万台) ,但我们的机床数控化率仅达到 1.9左右,这与西方工业国家一般能达到 20的差距太大。日本不到 80 万台的机床却有近 10 倍于我国的制造能力。数控化率低,已有数控机床利用率、开动率低,这是发展我国 21 世纪制造业必须首先解决的最主要问题。每年我们国产全功能数控机床 30004000 台,日本 1 年产 5 万多台数控机床,每年我们花十几亿美元进口 70009000 台数控机床,即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。因此,国家计委、经贸委从“八五” 、“九五”就提出数控化改造的方针,在 “九五”期间,我协会也曾做过调研。当时提出数控化改造的设备可达 810 万台,需投入 80100 亿资金,但得到的经济效益将是投入的 510 倍以上。因此,这两年来承担数控化改造的企业公司大量涌现,甚至还有美国公司加入。 “十五” 刚刚开始,国防科工委就明确提出了在军工企业中投入 6.8 亿元,用于对 1.21.8 万台机床的数控化改造。 国外研究现状:20 世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用,计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从1952 年美国第 1 台数控铣床问世至今已经历了 50 个年头。数控设备包括:车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机,形成庞大的数控制造设备家族,每年全世界的产量有 1020 万台,产值上百亿美元。 世界制造业在20 世纪末的十几年中经历了几次反复,曾一度几乎快成为夕阳工业,所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。90 年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动,从 90 年代初开始已出现明显的回升,在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从 2000 年至今已接受 3 个月以后的订货合同,生产任务饱满。 (三)学术准备情况自动回转刀架的换刀流程如图 1 所示。刀 架 电 动 机 正 转 蜗 轮 -蜗 杆 减 速 销 联 接螺 杆 -螺 母 上 盖 圆 盘 旋 转上 刀 体 抬 起端 面 齿 错 开圆 柱 销 落 入 上 盖 圆 盘上 刀 体 旋 转到 位 回 答刀 架 电 动 机 反 转 霍 尔 元 件 触 发 反 靠 销 反 靠 端 面 齿 啮 合上 刀 体 下 降 , 粗 定 位精 定 位延 时 锁 紧 电 动 机 停 转 螺 杆 旋 转螺 杆 旋 转图 1 自动回转刀架的换刀流程电动刀架的初步方案简图如下图 2 所示。n内 装 信 号 盘 刀 架 端 齿 盘 定 位电 动 机上 齿 盘下 齿 盘螺 母 蜗 轮 副 联 轴 器开合 转 位图 2 六角回转刀架简图其工作原理为:当数控装置发出换刀指令后,电动机正转,通过联轴器带动蜗杆旋转,在经过蜗轮带动轴旋转,从而使刀架抬起,刀架抬起后,电动机继续转动带动刀架转位,完成转位后,由微动开关发出信号使电机反转,压紧刀架。当数控装置发出换刀指令后(设刀架当前处于锁紧状态即上刀体与下刀体的端面齿相互啮合) ,电动机正转,通过电动机正传带动蜗杆正转,再经过蜗轮带动螺杆转(通过键联接) ,作为螺母的上刀体(在上刀体内部加工出内螺纹)要么转动,要么上下移动,此处设计为电动机正转时上刀体向上移动,当刀架处于锁紧状态时,上刀体与下刀体的端面齿相互啮合,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作为螺母的上刀体向上移动,从而使刀架抬起,在螺杆旋转的同时也带动上盖圆盘一起旋转(通过螺杆上部的圆柱销和上盖圆盘的销联接) ,当刀架完全抬起后,端面齿脱离啮合,上刀体上部的圆柱销落入上盖圆盘,上盖圆盘就通过圆柱销带动一同转动,从而实现了上刀体的转位,再通过霍尔元件触发判断上刀体是否转到了工作位置。完成转位后,由微动开关发出信号使电机反转,通过电机反转带动蜗杆反转,再经过蜗轮带动螺杆旋转(通过键联接) ,螺杆旋转的同时也带动上盖圆盘一起旋转(通过销联接) ,上盖圆盘通过上刀体上部的圆柱销带动上刀体开始反转,上刀体下部的反靠销马上就会落入反靠圆盘的十字槽内,反靠销反靠,上刀体停转,至此,实现粗定位。螺杆的继续转动使上刀体下降,最后至上刀体的端面齿与下刀体的端面齿完全啮合,实现精定位,电动机停转,再延时锁紧,整个换刀过程至此结束。上 盖 圆 盘 转 动 方 向 上 盖 圆 盘 转 动 方 向 上 盖 圆 盘 转 动 方 向 上 盖 圆 盘 转 动 方 向图 3 刀架转位过程中销的位置a) 换刀开始时,圆柱销 2 与上盖圆盘 1 可以相对滑动b) 上刀体 4 完全抬起后,圆柱销 2 落入上盖圆盘 1 槽内,上盖圆盘 1 将带动圆柱销 2 以及上刀体 4 一起转动c) 上刀体 4 连续转动时,反靠销 6 可从反靠盘 7 的槽左侧斜坡滑出d) 找到刀位时,刀架电动机反转,反靠销 6 反靠,上刀体停转,实现粗定位1上盖圆盘 2圆柱销 3弹簧 4上刀体 5圆柱销 6反靠销 7反靠圆盘其中上部的圆柱销 2 和下部的反靠销 6 起着重要作用。当刀架处于锁紧状态时,两销的情况如图 a 所示,此时反靠销 6 落在反靠盘 7 的十字槽内,上刀体 4 的端面齿和下刀体的端面齿处于啮合状态(上下端齿在图 a 中未画出) 。需要换刀时,控制系统发出刀架转位信号,三相异步电动机正向旋转,通过蜗杆副带动螺杆正向转动,与螺杆配合的上刀体 4 逐渐抬起,上刀体 4 与下刀体之间的端面齿慢慢脱开;与此同时,上端圆盘 1 也随着螺杆正向转动(上端圆盘 1 通过圆柱销与螺杆联接) ,当转过约 170 度时,上端圆盘 1 直槽的另一端转到圆柱 2 的正上方,由于弹簧 3 的作用,圆柱销 2 落入直槽内,于是上端圆盘 1 就通过圆柱销 2 使得上刀体 4 转动起来(此时端齿面齿已完全脱开) 。如图 b 所示。上盖圆盘 1、圆柱销 2 以及上刀体 4 在正转的过程中,反靠销 6 能够从反靠圆盘 7 中十字槽的左侧斜坡滑出,而不影响上刀体 4 寻找刀位时的正向转动,如图 C 所示。上刀体 4 带动磁铁转到需要的刀位时,发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号,控制系统收到后,立即控制刀架电动机反转,上盖圆盘 1 通过圆柱销2 带动上刀体 4 开始反转,反靠销 6 马上就会落入反靠圆盘 7 的十字槽内,上刀体停转,至此,完成粗定位,如图 d 所示。此时,反靠销 6 马上就会落入反靠圆盘 7 的十字槽内爬不上来,于是上刀体 4 停止转动,开始下降,而上盖圆盘 1 继续反转,其直槽的左侧斜坡将圆柱销 2 的头部压入上刀体 4 的销孔内,之后,上盖圆盘 1 的下表面开始与圆柱销 2 的头部滑动。在此期间,上、下刀体的端面齿逐渐啮合,实现精定位,经过设定的延时时间后,刀架电动机停转,整个换刀过程结束。由于蜗杆副具有自琐功能,所以刀架可稳定的工作。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。从经济型方面考虑,应采用经济的螺杆-螺母副,在上刀体内部加工出内螺纹,当电动机带动螺杆绕中心轴转动时,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啮合,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。当端面齿脱离啮合时,上刀体就与螺杆一同转动。设计螺杆时要求选择适当的螺距,以便当螺杆转动一定角度时,使得上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。图 5 为自动回转刀架的传动机构示意图,详细的装配图见图纸。转 位图 5 自动回转刀架的传动机构示意图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(四)本选题研究思路及方法本选题研究思路:通过对数控车床的拆装和测绘,熟悉了数控车床传动系统的基本结构。查阅相关资料,了解车床设计方法,对部件进行了设计。对设计内容进行归纳、整理,完成图纸、毕业设计说明书及相关文档。确定课题需要满足的条件:1)满足工艺要求 机床依靠刀具和工件间的相对运动形成工作表面,而加工工件的表面形状和表面位置多种多样,要求刀架尽可能布置足够的刀具,换刀时间短,能够方便而正确地加工各工件表面。2)保证足够高的重复定位精度 在刀架上安装刀具时应能精确地调整刀具的位置,以保证刀具和工件间准确的相对位置,而且精度保持性要好,以便长期保持刀具的正确位置。3)具有足够的刚度 刀架在粗车时要承受很大的切削力,所以刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖的位置,对于数控车床来说,在加工过程中刀具的位置不能进行人工调整,因此必须要有可靠的定位方案和合理的定位结构,才能保证回转刀架在每次转位之后,具有尽可能高的重复定位精度。4)提高可靠性 由于刀库和自动换刀装置在机床工作过程中,使用频率很高,所以必须充分重视它的可靠性。5)缩短换刀时间 自动刀架是为了提高机床的自动化而设置的,因而它的换刀时间应尽可能的短,以利于提高生产效率。功能分析:1)抬起:为了使刀架能够转位,回转刀架必须先抬起。2)转位:为了完成工件若干个工序的加工,在回转刀架上固定着 6 组刀具,为使各组刀具能依次参加工作,回转刀架需相应转位。 3)定位:为保证加工精度,在加工时回转刀架应精确定位。自动回转刀架的动力源是三相异步电动机,其中蜗杆与电动机直联,刀架转位时蜗轮与上刀体直联。由于刀架转动所需的功率较小,根据设刀架为 15Kg,上刀体设计转速 ,则 F=150N,V=0.2m/min,。故算出 =37.5W 查机械min/26r 1P设计手册第四版第 5 卷只有 YS5024 型电动机符合要求,选取电机参数具体为:额定功率为 =40W,额定转速 =1380r/min 的电动机 。所以动力部分选择1P1YS5024 型三相异步电机。上刀体设计转速 ,则蜗杆副的传动比min/26r。刀架从转位到锁紧时,需要蜗杆反向,工作载荷不5326/80/21ni均匀,启动时冲击较大,今要求蜗杆副的使用寿命 。hh10L本选题研究方法:本课题的研究需要查阅大量的资料,我要先到学校图书馆查阅与本课题有关的书籍和资料本,同时上网浏览最新的有关课题的文献资料。因为这是企业的实际生产工艺,所以我还需到企业进行实地参观学习,弄明白机床的具体改造要求,特殊磨头机构的具体工作原理,具体的设计和安装要求,以及其具体要实现的功能,同时要弄明白整个加工的工艺流程,要虚心的向企业里的技术人员和师傅请教,以求最终能设计出符合实际加工要求的400mm 的数控车床总体设计及六角回转刀架设计。二、论文结构框架(一)论文提纲目 录摘 要 IIAbstract III目 录 IV第 1 章 绪论 11.1 数控机床及其特点 11.2 数控机床的工艺范围及加工精度 21.3 数控机床的经济分析 31.4 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 82.1 总体方案比较 82.2 数控车床方案确定 8第 3 章 确定切削用量及选择刀具 93.1 刀具选择 93.2 切削用量确定 103.3 切削三要素 103.4 加工精度和表面粗糙度 103.5 刀具材料 14第 4 章 传动系统图的设计计算 144.1.主动参数参数的拟定 144.2 变速结构的设计 154.2.1 主变速方案拟定 154.2.2 变速结构式、结构网的选择 16第 5 章 自动回转刀架的工作原理 205.1 自动回转刀架的换刀流程 205.2 自动回转刀架的换刀过程中有关销的位置 21第 6 章 六角回转刀架主要传动部件的设计计算 226.1 蜗杆副的设计计算及电动机的选择 226.1.1 蜗杆的选型 226.1.2 蜗杆副的材料 226.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 226.1.4 蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸 246.1.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 256.2 螺杆的设计计算 256.2.1 螺距的确定 256.2.2 其他参数的确定 256.2.3 自锁性能校核 256.3 锁紧定位机构的设计 266.3.1 端齿盘设计 266.3.2 端齿盘的特点 276.3.3 端齿盘主要参数的设计计算 27致 谢 33参考文献 34(二)参考文献1 文怀兴,夏田数控机床系统设计M北京:化学工业出版社,200562322342 王爱玲现代数控机床M北京:国防工业出版社,20033 濮良贵,纪名刚机械设计(第八版)M北京:高等教育出版社,2006.54 孙恒,陈作模,葛文杰机械原理(第七版)M北京:高等教育出版社,2006.55 刘传绍,郑建新机械制造技术基础M北京:中国电力出版社,20136 王爱玲机床数控技术 M北京:高等教育出版社,2006.97 刘洪文材料力学(第 4 版)M北京:高等教育出版社,2004.18 戴曙. 金属切削机床 M. 北京:机械工业出版社,2013.59 陈婵娟. 数控车床设计M. 北京:化学工业出版社,2012.310 王爱玲. 现代数控机床M. 北京:国防工业出版社,2003.311 William Orthwein. Machine Component Design. West Publishing Company,St.Paul,MN,USA.2009;12 T.A.Harris etc. Rolling Element Bearings DynamicsJ. Journal of Basic Engineering, 2007.三、论文写作安排第 1-4 周:查阅资料,分析课题研究的内容,外文翻译,写开题报告;第 5-6 周:比较分析各种不同类型的优缺点第 7-8 周:分析确定几种不同类型的方案,并绘制出草图第 9-10 周:具体数据计算第 11-15 周:确定总装配图并绘制总装配图:均为计算机绘图;第 16-17 周:撰写毕业论文,准备答辩。四、审核意见指导教师意见:1、通过 2、完善后通过 3、未通过指导教师(签字) 年 月 日系部(专业)意见:1、通过 2、完善后通过 3、未通过负责人(签字) 年 月 日 毕业设计(论文)毕业设计(论文)题目: 400m 的数控车床总体设计及六角回转刀架设计 专 业: 指导教师: 学生姓名: 学 号: 毕业时间: 学院教务处制II400mm 的数控车床总体设计及六角回转刀架设计摘要装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。经济型数控车床,对于保证和提高被加工零件的精度,主要依靠两方面来实现:一是系统的控制精度;二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统,由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制。所以,数控车床与卧式车床相比应具有有更好的精度以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。关键词:车床,数控,传动系统IIIAbstractTechnical level and degree of modernization of the equipment industry determines the level and degree of modernization of the entire national economy, digital technology and equipment is the development of new high-tech industry and cutting-edge industries of enabling technologies and basic equipment, but also in todays advanced manufacturing technology and equipment the core technology. CNC technology is the mechanical movement with digital information and work process control technology, and numerical control equipment is CNC technology Mechatronics products and new technology represents for traditional manufacturing industries and emerging manufacturing penetration is formed, its technology coverage many fields. Economical CNC lathes, to guarantee and improve the accuracy of machined parts are mainly relying on two aspects to achieve: First, the system control precision; the second is the machine itself precision mechanical transmission. CNC lathe feed drive system, since it is necessary to feed the displacement of the position and speed at the same time to achieve automatic control. Therefore, CNC lathes and horizontal lathe shall have a better accuracy compared. To ensure that the mechanical transmission of transmission accuracy and stability.Keywords lathe, CNC, transmissionIV目录摘要 .IIAbstract.III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.21.1.2 数控机床的发展简史.21.1.3 数控机床的组成.31.2 数控机床的工艺范围及加工精度31.2.1 工艺范围.31.2.2 加工精度.31.3 数控机床的经济分析41.4 数控机床的发展趋向6第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较72.1 总体方案设计要求72.2 总体设计方案的确定72.2.1 系统的运动方式与伺服系统的选择.72.2.2 计算机系统.72.2.3 机械传动方式.8第 3 章 确定切削用量及选择刀具93.1 刀具选择93.2 切削用量确定93.3 切削三要素93.4 加工精度和表面粗糙度93.5 刀具材料13第 4 章 传动系统图的设计144.1 确定极限转速.144.2 确定公比.14V4.3 求出主轴转速级数 Z .144.4 确定结构网或结构式144.5 绘制转速图14第 5 章 数控车床六角回转刀架的结构设计165.1 设计内容和研究方法165.2 车床刀架的功能,类型和应满足的要求.175.2.1 车床刀架的功能.175.2.2 机床刀架的类型.185.2.3 机床刀架应满足的要求.185.3 数控车床刀架总体方案设计与选择205.3.1 刀架的整体方案设计.205.3.2 车床刀架的转位机构方案设计.205.3.3 刀架定位机构方案设计.215.4 车床刀架的工作原理.215.5 刀架的设计计算225.5.1 驱动刀架的伺服电机的选择计算225.5.2 蜗轮蜗杆的设计计算255.5.3 刀架主轴的结构设计计算29第 6 章 数控硬件电路设计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381第 1 章 数控机床发展概述数控机床与普通机床相比,增加了功能,提高了性能,简化了结构.较好地解决形状复杂、精密、小批量及形状多变零件的加工问题。能获得稳定的加工质量和提高生产率,其应用越来越广泛,但是数控的应用也受到其他条件限制:(1)数控机床价格昂贵,一次性投资巨大,中小企业常是心有力而力不足;(2)目前,各企业都有大量的普通机床,完全用数控机床替换根本不可能,而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费;(3)在国内,订购新数控机床的交货周期一般较长,往往不能满足生产急需;(4)通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。要较好的解决上述问题,应走通用机床数控改造之路。普通机床的改造就是在普通机床上增加微机数控装置,使其具有一定的自动化能力,以实现额定的加工工艺目标。机床数控化改造的优点:(1)改造闲置设备,能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能,提高了机床的使用价值,可以提高固定资产的使用效率;(2)适应多品种、小批量零件生产;(3)自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高;(4)降低对工人的操作水平的要求;(5)数控改造费用低、经济性好;(6)数控改造的周期短,可满足生产急需。目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间,现在我国机床数控化率不到 3。用普通机床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。对普通车床进行数控化改造,主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统;刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样,利用数控装置,车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数,切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换,再加上纵向和横向进给联动的功能,数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件,并能实现多工序自动车削,从而提高了生产效率和加工精度,也能适应小批量多品种复杂零件的加工。21.1 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。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。当时的数控装置采用电子管元件,体积庞大,价格昂贵,只在航空工业等少数有特殊需要的部门用来加工复杂型面零件;1959 年,制成了晶体管元件和印刷电路板,使数控装置进入了第二代,体积缩小,成本有所下降;1960 年以后,较为简单和经济的点位控制数控钻床,和直线控制数控车床得到较快发展,使数控机床在机械制造业各部门逐步获得推广。我国于 1958 年开始研制数控机床,成功试制出配有电子管数控系统的数控机床,1965 年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控车床。1965 年,出现了第三代的集成电路数控装置,不仅体积小,功率消耗少,且可靠性提高,价格进一步下降,促进了数控机床品种和产量的发展。60 年代末,先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统(简称 DNC) ,3又称群控系统;采用小型计算机控制的计算机数控系统(简称 CNC),使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。1974 年,研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置(简称 MNC) ,这是第五代数控系统。第五代与第三代相比,数控装置的功能扩大了一倍,而体积那么,缩小为原来的 1/20,价格降低了 3/4,可靠性也得到极大的提高。80 年代初,随着计算机软、硬件技术的发展,出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置;数控装置愈趋小型化,可以直接安装在机床上;数控机床的自动化程度进一步提高,具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。1.1.3 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;检测系统那么,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。1.2 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4工艺范围要比普通车床要宽得多。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普通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由于历史的原因,我国加工设备多,数控加工设备少;老设备多,新设备少。许多企业的机床精度差、故障率高。通过机床数控设计使机床不仅具有好的加工精度,而且还具有数控机床的功能。对于中小型企业,没有足够的资金来购买全功能的数控机床,但是使用单板机控制步进电机的经济型开环数控机床,具有花钱少、见效快的特点。采用经济型数控技术改装加工批量零件的机床非常合适。微机技术实现机床简易数控的工作原理采用微机技术实现机床简易数控的装置,主要由单板机、控制程序、零件加工程序、驱动电源装置,收发信板、功率步进电机等部件组成。图 1.1 经济型数控车床的系统装置框图。5在图 1.1 所示的系统装置中,单板机在控制程序的控制下,可以使数控系统具有直线插补和圆弧插补加工工件轮廓的功能;具有进给速度控制和快速回零的功能;具有刀具补偿和反向间隙补偿的功能,以及其它多种功能。当零件加工程序给出具体的位移尺寸、位移方向和进给速度后,控制程序就会通过单板机按照所输入的零件加工程序发出一系列的脉冲信号。经隔离放大以后,分别驱动 向和 向功率步进电机,使刀架按照要求的方向、速度和位移量实现纵向和横向运动。从而构成了一个经济型开环数控系统。用微机技术实现机床简易数控优化方案的确定原那么,.在没有大量资金投入的情况下所走的设备技术改造之路 1 经济型数控机床改造方案不同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改造的技措任务,结合其它厂家以往数控车床改造的经验教训,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析经济型数控车床改造的价值效益.数控机床是是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序,其数控加工工艺以自动化和高速精密性为主。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,数控机床的在机械加工中的作用更为突出。数控加工工艺是伴随着数控机床的产生、 发展而不断创新的一种应用技术,所谓数控加工工艺就是用数控机床加工零件的一种工艺方法。随着我国数控机床用户的不断增加,数控加工工艺在应用的领域的重 要性日益突出,数控加工工艺以改善加工性能和提高加工效率为主要发展方向,并将二者融合到控制程序之中,运用自动化控制系统的规范处理方式,融合多种加工 方法,以达到工序集中的复合加工方式为目的,提供更高水平的加工技术,从而进一步推动数控6技术在制造业中应用与发展。数控加工技术的地位如此重要就必须首 先了解数控加工工艺的主要特点和技术原那么,要求:(1) 数控加工的工艺内容要按照零件加工的要求进行工步细化,所以在进行施工的过程中必须要依据加工要求进行准确编程;(2) 数控加工工艺路线设计应合理,以保证数控机床的加工所产生的误差最小化;(3) 数控加工的工序相对集中,以提高加工效率,对于复杂的加工过程,需要进行必要的数控仿真技术支持。1.4 数控机床的发展趋向4 月 19 日从第七届中国国际机床展获悉,随着科学技术不断发展,数控机床的发展也越来越快,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。7第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较2.1 总体方案设计要求总体方案设计应考虑机床数控系统的类型,计算机的选择,以及传动方式和执行机构的选择等。(1)普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能,还要求能暂停,进行循环加工和螺纹加工等,因此,数控系统选连续控制系统。(2)经济型数控机床,在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本,因此,进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。(3)根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求,经济型数控机床一般采用 8 位微机。在 8 位微机中,MCS51 系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比,因此,可选 MCS51 系列单片机扩展系统。(4)根据系统的功能要求,微机数控系统中除了 CPU 外,还包括扩展程序存储器,扩展数据存储器、I/O 接口电路;包括能输入加工程序和控制命令的键盘,能显示加工数据和机床状态信息的显示器,包括光电隔离电路和步进电机驱动电路,此外,系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。(6)纵向和横向进给是两套独立的传动链,它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成,其传动比应满足机床所要求的分辨率。(7)为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性,选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副,并应有预紧机构,以提高传动刚度和消除间隙,齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。(8)采用贴塑导轨,以减小导轨的摩擦力。2.2 总体设计方案的确定2.2.1 系统的运动方式与伺服系统的选择考虑到属于经济型数控机床加工精度不高,为了简化结构、降低成本容易调试和维护,经济型数控车床应选用步进电机开环控制系统。2.2.2 计算机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8靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强性能价格比高等特点,决定采用MCS-51 系列的 80C31 单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘、显示器,I/O 接口及光隔离电路,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给丝杠。为保证一定的传动精度和平稳性,应尽量减少摩擦力,选用滚珠丝杠螺母副。同时为提高传动刚度和消除间隙,采用有预加负载的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。9第 3 章 确定切削用量及选择刀具3.1 刀具选择(一)刀具选择:铣平面:硬质合金端铣刀或立铣刀,尽是采用二次走刀。凸台、凹槽、箱口面:立铣刀。毛坯表面或粗加工孔:镶硬质合金刀片的玉米铣刀(粗皮刀) 。立体型面和变斜角轮廓外形:球刀、环形刀、锥形刀、盘形刀。(二)原那么,:安装调整方便、刚性好、耐用和精度高。尽是用较短刀柄,保证刚性。(三)排序原那么,减少刀具数量;装夹一次,尽是加工完;即使刀具规格相同,粗、精加工刀具分开;先铣后钻;精加工,先曲面后二维轮廓;尽可能自动换刀。3.2 切削用量确定粗:效率;半精、精:质量、兼顾效率。1、主轴转速 n:根据线速度 v 确定:V= (端铣:150m/min ;周铣:30m/min)0D2、切深 t:最好是 t 等于加工余量。3、切宽 L:与刀具直径成正比,与切深成反比。L0.60.9d粗加工:大切深、大进给、低切速。精加工:小切深、小进给、高切速。3.3 切削三要素主轴转速、切削深度、进给速度。少切削,快进给。3.4 加工精度和表面粗糙度1、加工精度:尺寸精度、形状精度、位置精度。(1)尺寸精度:公差与配合国家标准(GB1800 1804-97) 。10IT01、IT0、IT1、IT2IT18。新公差等级与旧公差等级的对照及应用旧精度等级 新公差等级轴 孔 加工方法 应用IT01IT2 研磨 用于量块、量仪制造IT3IT4 无 研磨 用于精密仪表、精密机件的光整加工IT5 1 无IT6 2 1研磨、珩磨、精磨、精铰、精拉IT7 3 2IT8 34磨削、拉削、铰孔、精铣、精镗、精铣、粉末冶金用于一般精密配合。IT7IT6 在机床和较精密的机器、仪器制造中用得最为普遍IT9 4IT10 5铣、镗、铣、刨、插用于一般要求。主要用于长度尺寸的配合外,如键和键槽的配合IT11 6IT12IT13 7粗铣、粗镗、粗铣、粗刨、插、钻、冲压、压铸用于不重要的配合。IT12IT13 也用于非配合IT14 8 冲压、压铸IT15IT18 912 铸、锻、焊、气割 用于非配合(2)形状精度:零件上的线、面要素的实际形状相对于理想形状的准确程度。国家标准(GB11821184-80)规定了六项形状公差:直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度。(3)位置公差:零件上点、线、面要素的实际位置相对于理想位置的准确程度。国家标准(GB11821184-80)规定了八项位置公差:定向:平行度、垂直度、倾斜度。11定位:同轴度、对称度、位置度。跳动:圆跳动、全跳动。2、表面粗糙度:表面上微小峰谷高低程度。国家标准(GB3503-83、GB103183、GB131-83)轮廓算术平均偏差:Ra 或近似于 Ral1ldxy0|)(| n1iY|微观不平十点高度:Rz ( + )51iYp51iv在常用数值范围内(Ra0.256.3m,Rz0.125m) ,在图样上应优先选用 Ra。表面粗糙度 Ra、Rz 允许值及加工方法表Ra(m) Rz(m)表面要求表面特征 第 1系列 第 2系列 第 1系列 第 2系列加工方法旧国际光洁度级别代号160012501000800400500不加工毛坯表面清除毛刺100 40080 32040 250明显可见的刀纹 50 200140 16032 125可见刀纹25 100220 8016.0 40粗加工微见刀纹12.5 50粗铣粗铣粗刨钻粗锉31210 408 32可见加工痕迹6.3 2545 204 16微见加工痕迹3.2 12.552.5 102 8半精加工不见加工痕迹1.6半精铣精铣精铣精刨粗磨61.25 6.31.00 5可辨加工痕迹的方向 0.8 470.40 3.20.5 2.5微辨加工痕迹的方向 0.4 2.080.32 1.60.25 1.25精加工不辨加工痕迹的方向 0.2 1.00精铰刮精拉精磨90.16 0.800.125 0. 40暗光泽面0.1 0.50100.080 0.400.040 0.32亮光泽面0.05 0.25110.040 0.200.032 0.16镜状光泽面0.025 0.125120.020 0.100.016 0.080精密加工雾状光泽面0.012 0.040精密磨削珩磨研磨超精加工抛光13130.010 0.0500.008 0.040镜面0.025 0.032镜面磨削研磨143.5 刀具材料碳素工具钢 T10A、T12A:HRC60-64,200-250, V8m/min。合金工具钢 CrWMn、9SiCr:350-400,V10m/min。高速钢 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2 :HRC62-67,550-600,V 30m/min;110W1.5Mo9.5Cr4Vco8、W6Mo5Cr4V2Al :HRC68-70,6004、硬质合金:HRA89-93(HRC74-82) ,850-1000,V100-300m/min。另外,还有新型硬质合金、陶瓷材料、人造金刚石、立方氮化硼等。14第 4 章 传动系统图的设计根据任务书要求,400mm 数控车床调速范围:10/1400rmin-14.1 确定极限转速已知主轴最低转速 nmin 为 10mm/s,最高转速 nmax 为 1400mm/s,转速调整范围为 Rn=nmax/nmin=144.2 确定公比选定主轴转速数列的公比为 1.264.3 求出主轴转速级数 ZZ=lgRn/lg+1= lg14/lg1.12+1=244.4 确定结构网或结构式24=23224.5 绘制转速图(1)选定电动机一般金属切削机床的驱动,如无特殊性能要求,多采用 Y 系列封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。Y 系列电动机高效、节能、起动转矩大、噪声低、振动小、运行安全可靠。根据机床所需功率选择 Y160M-4,其同步转速为1500r/min。(2)分配总降速传动比总降速传动比为 uII=nmin/nd=10/15006.6710 3 ,nmin 为主轴最低转速,考虑是否需要增加定比传动副,以使转速数列符合标准或有利于减少齿轮和及径向与轴向尺寸,并分担总降速传动比。然后,将总降速传动比按“先缓后急”的递减原那么,分配给串联的各变速组中的最小传动比。(3)确定传动轴的轴数传动轴数变速组数+定比传动副数+1=6(4)绘制转速图先按传动轴数及主轴转速级数格距 lg 画出网格,用以绘制转速图。在转速图上,先分配从电动机转速到主轴最低转速的总降速比,在串联的双轴传动间画上 u(k k+1)min.再按结构式的级比分配规律画上各变速组的传动比射线,从而确定了各传动副的传动比。依据题目要求选级数 Z=8, =1.41=1.065考虑到设计的结构复15杂程度要适中,故采用常规的扩大传动。各级转速数列可直接从标准的数列表中查出,按标准转速数列为:10,12.5,16,20,25,32,40,50,40,80,100,125,160,200,250,320,400,450,500,560,710,900,1120,1400图 4-1 400mm 数控车床转速图16第 5 章 数控车床六角回转刀架的结构设计5.1 设计内容和研究方法本课题设计一台数控车床 400,用于对回转零件的圆柱面,圆弧面,圆锥面,端面,切槽,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 400 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。400 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,床身的结构有后斜床身斜滑板,直立床身直立滑板,平床身平滑板,前斜床身平滑板和平床身斜滑板等五种,它们各自有自己的优点和局限性,采用什么样的床身要根据实际情况定。一般来说,中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多。只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身平滑板结构,而立床身结构采用得较少。平床身工艺性好,易于加工制造,由于车床刀架水平放置,对提高刀架的运动精度有好处,,但床身下部空间小,排屑回难。平床身斜滑板结构,再配置向上倾斜导轨防护罩,这样既保持了平床身工艺性好的优点,而且床身宽度也不会太大。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛采用,是因为这种布局有以下的优点:1 易实现机电一体化;2 机床外观整齐,美观,占地面积小;3 容易设置封闭式防护装置;4 容易排屑和安装自支排屑器;5 从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度;6 宜人性好,便于操作;7 便于安装机械手,实现单机自动化。17(2),数控车床的刀架采用回转刀架。回转刀架的换刀分为刀盘抬起、刀架锁紧和刀盘转位三个动作。其中刀盘抬起和刀架锁紧由液压来实现,而刀盘转位那么,由伺服电机来驱动。刀盘抬起动作的实现须经以下步骤:数控系统发出刀盘抬起命令 液压系统启动 压力油进入液压缸右腔 活塞向左运动刀架主轴向左移动 端齿盘脱离啮合 刀盘抬起。刀盘转位动作的实现顺经以下步骤:数控系统发出刀盘转位的命令 伺服电机启动 蜗轮蜗杆转动刀架主轴转动 实现刀盘转位.刀盘锁紧动作的实现顺经以下的步骤: 数控系统发出刀盘锁紧命令 液压系统启动 压力油进入液压缸左腔 活塞向右运动 刀架主轴向右移动 端齿盘啮合 实现刀盘锁紧。(3),本车床数控系统选用日本 FANUC 公司的 FANUC 系统.因为就目前来说,国内各数控机床用得最多的也是 FANUC 系统,因为它具有以下的优点:1) 高可靠性及完整的质量控制体系。2) 采用大规模及超大规模的专用集成电路芯片。3) 全自动化工厂生制造。4) 良好的控制软件设计。5) 数字式进给伺服和数字式主轴驱动 4。(4),尾座套筒及主轴夹盘的控制亦采用液压来实现。因为液压控制具有操作方便,工作可靠等特点。 5.2 车床刀架的功能,类型和应满足的要求5.2.1 车床刀架的功能机床上的刀架是安放刀具的重要部件,许多刀架还直接参与切削工作,如卧式车床上的四方刀架,转塔车床的转塔刀架,回轮式转塔车床的回轮刀架,自动车床的转塔刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀具,而且还直接参与切削,承受极大的切削力作用,所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。随着自动化技术的发展,机床的刀架也有了许多变化,特别是数控车床上采用电(液)换位的自动刀架,有的还使用两个回转刀盘。加工中心那么,进一步采用了刀库和换刀机械手,定现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能,这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把,自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。这种刀库和换刀机械手组成的自动换刀装置,就成为加工中心的主18要特征 5。5.2.2 机床刀架的类型按换刀方式的不同,数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式,下面对这三种形式的刀架作简单的介绍。 1,排式刀架排式刀架一般用于小规格数控车床,以加工棒料或盘类零件为主。它的结构形式为:夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的 X 坐标轴方向排列在横向滑板上。刀具的典型布置方式如图 4 所示。这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便,可以根据具体工件的车削工艺要求,任意组合各种不同用途的刀具,一把刀具完成车削任务后,横向滑板只要按程序沿 X 轴移动预先设定的距离后,第二把刀就到达加工位置,这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速省时,有利于提高机床的生产效率。宝鸡机床厂生产的 CK7620P 全功能数控车床配置的就是排式刀架。 2,回转刀架 回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架,一般通过液压系统或电气来实现机床的自动换刀动作,根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架,并相应地安装 4 把、6 把或更多的刀具。回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀架根据刀架回转轴与安装底面的相对位置,分为立式刀架和卧式刀架两种。 3,带刀库的自动换刀装置 上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多,即使是装备两个刀架,对刀具的数目也有一定限制。当由于某种原因需要数量较多的刀具时,应采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。5.2.3 机床刀架应满足的要求1)满足工艺过程所提出的要求。机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面,而工件的表面形状和表面位置的不同,要求刀架能够布置足够多的刀具,而且能够方便而正确地加工各工件表面, 为了实现在工件的一次安装中完成多19工序加工,所以要求刀架可以方便地转位。2)在刀架以要能牢固地安装刀具,在刀架上安装刀具进还应能精确地调整刀具的位置,采用自动交换刀具时,应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。以保证刀具和工件间准确的相对位置。刀架的运动精度将直接反映到加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上,为此,刀架的运动轨迹必须准确,运动应平稳,刀架运转的终点到位应准确。面且这种精度保持性要好,以便长期保持刀具的正确位置。3)刀架应具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异,重量相差很大,刀具在自动转换过程中方向变换较复杂,而且有些刀架还直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量,所以刀架必须具有足够的刚度,以使切削过程和换刀过程平稳。4)可靠性高。由于刀架在机床工作过程中,使用次数很多,而且使用频率也高,所以必须充分重视它的可靠性。5)刀架是为了提高机床自动化而出现的,因而它的换刀时间应尽可能缩短,以利于提高生产率。目前自动换刀装置的换刀时间在 0.86 秒之间不等。而且还在进一步缩短。6)操作方便和安全。刀架是工人经常操作的机床部件之一,因此它的操作是否方便和安全,往往是评价刀架设计好坏的指标。刀架上应便于工人装刀和调刀,切屑流出方向不能朝向工人,而且操作调整刀架的手柄(或手轮)要省力,应尽量设置在便于操作的地方 6。205.3 数控车床刀架总体方案设计与选择5.3.1 刀架的整体方案设计刀架是车床的重要组成部分,用于夹持切削用的刀具,因此其结构直接影响到车床的切削性能和切削效率。根据前部分对机床刀架类型、性能及其使用场合的综合比较,并结合现有数控车床的实例,本次设计的数控车床 400 拟采用回转刀架中的六工位六方刀架。该刀架的换刀动作分为刀盘抬起、刀盘分度转位和刀盘锁紧三个步骤,其中刀盘抬起和刀盘锁紧定位由液压来实现,而刀盘的分度转位于伺服电机驱动。5.3.2 车床刀架的转位机构方案设计一般来说,机床刀架的转位机构主要有以下几种:1,液压(或气动)驱动的活塞齿条齿轮转位机构这种由液动机驱动的转位机构调速范围大、缓冲制动容易,转位速度可调,运动平稳,结构尺寸较小,制造容易,因而应用较广泛。而转位角度大小可由活塞杆上的限位档块来调整。也有采用气动的,气动的优点是结构简单,速度可调,但运动不平稳,有冲击,结构尺寸大,驱动力小。故一般多用于非金属切削的自动化机械和自动线的转位机构中。2,圆柱凸轮步进式转位机构这种转位机构依靠凸轮轮廓强制刀架作转位运动,运动规律完全取决于凸轮轮廓形状。圆柱凸轮是在圆周面上加工出一条两端有头的凸起=轮廓,从动回转盘(相当于刀架体)端面有多个柱销,销子数量与工位数相等。当圆柱凸轮按固定的旋转方向运动时,有的柱销会进入凸轮轮廓的曲线段,使凸轮开始驱动回转盘转位,与此同时有的圆柱销会与凸轮轮廓脱离,当柱销接触的凸轮轮廓由曲线段过渡到直线段时,即使凸轮继续旋转,回转盘也不会转动,即完成了一次刀盘分度转位动作。如此反复下去,就能实现多次的刀架换刀操作。由于凸轮是一个两端开口的非闭合曲线轮廓,所以当凸轮正反转进均可带动刀盘正反两个方向的旋转。这种转位机构转位速度高、精度较低,运动特性可以自由设计选取但制造较困难、成本较高、结构尺寸较大。这种转位机构可以通过控制系统中的逻辑电路或 PC 程序来自动选择回转方向,以缩短转位辅助时间。3,伺服电机驱动的刀架转位随着现代技术的发展,可以采用直流(或交流)伺服电机驱动蜗杆、蜗轮(消除间隙)实现刀架转位,转位的速度和角位移均可通过半闭环反馈进行精确控制加以实现,因而这种转位机构转位速度可以进行精确控制、精度高,结构简单、实现容易。所以在现代数控机床中被广泛采用6。21结合上述三种转位机构的转位机理和特点,并结合实际情况,本次设计的数控车床 400 决定采用第三种转位机构-伺服电机驱动的刀架转位。5.3.3 刀架定位机构方案设计目前在刀架的定位机构中多采用锥销定位和端面齿盘定位。由于圆柱销和斜面销定位时容易出现间隙,圆锥销定位精度较高,它进入定位孔时一般靠弹簧力或液压力、气动力,圆锥销磨损后仍可以消除间隙,以获得较高的定位精度。端齿盘定位由两个齿形相同的端面齿盘相啮合而成,由于齿合时各个齿的误差相互抵偿,起着误差均化的作用,定位精度高。端齿盘定位的特点:(1)定位精度高 由于端齿盘定位齿数多,且沿圆周均布,向心多齿结构,经过研齿的齿盘其分度精度一般可达 左右,最高可过 以上,一对齿盘啮合时具有自34.0动定心作用。所以中心轴的回转精度、间隙及磨损对定心精度几乎没有影响,对中心轴的精度要求低,装置容易。(2)重复定位精度好 由于多齿啮合相当于上下齿盘的反复磨合对研,越磨合精度越高,重复定位精度也越好。(3)定位刚性好,承载能力大,两齿盘多齿啮合。由于齿盘齿部强度高,并且一般齿数啮合率不少于 90%,齿面啮合长度不少于 60%,故定位刚性好,承载能力大。考虑到端面齿盘具有以上的各种优点,因而本次设计的刀架采用端面齿盘定位 6。5.4 车床刀架的工作原理回转刀架的结构图刀架的松开和夹紧以及刀盘的分度转位分别由液压系统和直流伺服电机来实现。5 为安装刀具的刀盘,它与轴 6 固定连接,当刀架主轴 6 带动刀盘旋转时,其上的端齿盘 4 和固定在刀盘上的端齿盘 3 脱开,旋转指定刀位后,刀盘的定位由端齿盘的啮合来完成。活塞 1 支承在一对推力球轴承上,它们可以通过推力球轴承带动刀架主轴来移动。当车床数控系统发出换刀指令后,刀架上的液压缸右腔通入压力油,活塞 1 及轴 6 在压力油推动下向左移动,通过刀架主轴使端齿盘 3 和 4 脱开啮合,实现刀盘抬起动作。随后伺服电机启动,带动蜗杆 2 和蜗轮 7 转动,经刀架主轴 6 带动刀架的刀盘旋转,实现刀架换刀动作,转位的速度和角位移均通过半闭环反馈系统进行精确控制。当刀盘旋转到指定的刀位后,数控系统发出信号,指令伺服电机停转,这时,压力油进入液压缸的左腔,推动活塞 1 和刀架主轴 6 向右移动,使端齿盘 3 和 4 重新啮合,实现刀盘锁动作。刀盘被定位夹紧并向数控系统发出信号,于是刀架的转位、换刀循环完成。在车床自动工作状态下,当指定换刀的刀号后,数控系统可以通过内部的运算判断,实行刀盘就近转位换刀,即刀盘既可正转也可以反转。但当手动操作车床时,从刀盘方向观察,只充许刀盘顺时针转动换刀。225.5 刀架的设计计算5.5.1 驱动刀架的伺服电机的选择计算刀架驱动电动机的选择应同时满足刀架运转的负载扭矩 和起动时的加速扭矩FTJT的要求。1) 刀架负载扭矩 的计算FT回转刀架负载扭矩 估算方法如下:由于这种刀架的负载扭矩主要用来克服刀具质量的不平衡,估算按如下的情况进行:用平均重力的刀具插满刀盘的半个圆,根据工艺要求所需的各种刀具,确定每个刀具的(包括刀柄)平均重力 ,而其重心那么,cpW设定为离刀架回转中心 2/3 半径处。由以上的方法可知,由于该数控车床采用的是电和液换位的 6 工位六方自动回转刀架,因而插满刀盘的半个圆需要 3 把刀具。设工艺要求所需的每个刀具的平均重力 =4.9N;刀盘的回转中心直径 。cpW270Dm那么,有 1243FPTD124.90.71.643N2) 刀架加速扭矩 的估算j6260mj LjnJtm式中 -刀架换刀时的电动机转速(r/min);m-加速时间,通常取 150 ;jt 20s:-电动机转子惯量( ),可查样本;Jkg-负载惯量折算到电动机轴上的惯量( ). L 2kgm3) 负载惯量折算到电动机轴上的惯量 的估算LJ22hiLKiJm2:式中 -各旋转件的转动惯量( );h kg-各旋转件的角速度( );/rads-各直线运动件的质量( );im-各直线运动件的速度 ( );i/ms-伺服电机的角速度 ( )6.rad4) 各旋转件的转动惯量 的估算hJ由刀架的结构简图可知,刀架在完成换刀动作时,伺服电机带动其旋转的部件共 3个,它们分别是蜗轮蜗杆副,刀架主轴和刀盘。因而只需估算这三者的传动惯量即可。23(1) 算出刀盘转动惯量刀盘采用 AK31 系列数控转塔刀架的配套产品,主要尺寸如下:刀盘外径: ;1320Dm盘也刀架主轴相连的孔径: ;140d刀盘宽: 。56P刀盘的转动惯量: 22111hJ2222111DdDdP2222310.3.40.3.47.85.14.562=0.45 2kgm:(2) 算出刀架主轴转动惯量刀架主轴的转动惯量 预算如下:2hJ刀架主轴的最大直径: ;max40d最小直径: ;min5刀架主轴长度设: 。39l那么,刀架主轴的转动惯量: 72maxin21hdJ22axinaxmindl2 2310.450.457.851.392=0.0048 2kg:(3) 算出蜗轮蜗杆转动惯量蜗轮蜗杆的转动惯量 的估算方法如下:3hJ设蜗轮的分度圆直径: ;124Dm其与刀架主轴相连的孔径: ;3.5hd24蜗轮齿宽: .310hbm那么,蜗轮的转动惯量: 233312hhhDdJM222233331hhhhDdDdb2222310.14.0350.14.0357.85. .2=0.002 72kgm:设蜗杆的分度圆直径 ;蜗杆长 .325.hDm20lm那么,蜗杆的转动惯量 321kJM2233kkDl22310.50.357.85.142=0.00024 2kgm:(4) 算出连轴器转动惯量由于连轴器已标准化,查表取连轴器的转动惯量 40.3hJ2kgm:(5) 对各旋转件的角速度作如下设定:伺服电机的角速度: ;1402/61.5/rads蜗杆的角速度: ;34h蜗轮的角速度: ;1/02./rs刀架主轴的角速 : ;24/6.4/h ad刀盘转位时的角速度: 。10/2./h rs25那么,将以上计算所得的数据代入下式: 得负载惯量折算到电动机轴上的惯量:22hiLKiJm2kg:22222.4.4.4146.5146.50.50.80.0.0.316165165=0.00067 2kgm:取 ;刀架换刀时伺服电机的转速 ;伺服电动机转子转.jts 4/minnr动惯量 。203J那么,刀架加速扭矩 60mj LjnTJtN:23.14.03.67=0.32 N:5) 驱动电动机输出扭矩 的估算 7DT驱动电动机的输出扭矩 应同时满足刀架负载扭矩 和加速扭矩 之和,将以上FTJT计算的刀架负载扭矩和加速扭矩换为驱动电动机轴上的输出扭矩 的公式为:DFDTNm:式中 -传动效率 取 0.75。那么,有 FD1.7640.32.785Nm:考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂,电动机额定转矩 应为 的 倍。sTD1.25所以取 1.3.2783.6sDT:经查阅西门子电机手册,选项用西门子 1FT6 交流伺服电动机。该电机的额定转速为1500r/min,额定输出转矩为 5 ,额定功率为 0.4kW。Nm5.5.2 蜗轮蜗杆的设计计算5.5.2.1 各参数的取定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in/minr
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