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畢業(yè)設(shè)計說明書 一． 畢業(yè)設(shè)計題目 φ460mm的數(shù)控車床總體設(shè)計及六角回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計 二． 主要設(shè)計參數(shù)及技術(shù)指標(biāo) 1、主要技術(shù)參數(shù)： ? 床身最大工件回轉(zhuǎn)直徑(主參數(shù)mm) 320 430 460 500 550 600 630 最大工件長度（第二主參數(shù)，mm?） 700 1000 1200 1500 1600 1700 1800 最大加工長度/mm?????? 650 900 1000 1400 1500 1600 1700 主傳動調(diào)速范圍r·min-1 40/800 10/1400 20/1200 20/1250 25/1250 30/1450 30/1450 2、主傳動采用交、直流調(diào)速電動機，并可無級調(diào)速。 3、X軸(橫向)、Z軸(縱向)為微機控制，采用步進電機或伺服電機驅(qū)動，滾珠絲杠傳動，X軸(橫向)脈沖當(dāng)量0.005mm/脈沖，Z軸(縱向)脈沖當(dāng)量0.010mm/脈沖。 4、刀架采用四方回轉(zhuǎn)刀架、六角回轉(zhuǎn)刀架 6、定位精度：0.03mm 7、重復(fù)定位精度：±0.015mm 8、實現(xiàn)功能：車削外圓、端面、內(nèi)圓、圓弧、圓錐及螺紋加工 9、操作要求：起動、點動、單步運行、自動循環(huán)、暫停、停止 10、工件材料：鋼、鑄鐵 11、刀具材料：高速鋼、硬質(zhì)合金 三． 畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容及工作量 (一)設(shè)計說明書 1、數(shù)控機床發(fā)展概述 ① 數(shù)控機床及其特點。 ② 數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度。 ③ 數(shù)控機床的經(jīng)濟分析。 ④ 數(shù)控機床的發(fā)展趨向 。 2、數(shù)控機床總體方案的制訂及比較 3、確定切削用量及選擇刀具 4、傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計計算 5、主軸箱裝配圖的設(shè)計計算 6、X軸(橫向)、Z軸(縱向)機械裝配圖的設(shè)計計算 7、床鞍、刀架裝配圖的設(shè)計計算 8、主軸箱（進給變速箱、床身、主軸、主軸箱齒輪、絲杠、開合螺母）的零件圖的設(shè)計計算 9、機床硬件電路圖的設(shè)計 （二）、圖紙部分 1、機床尺寸聯(lián)系圖 A0一張 2、機床傳動系統(tǒng)圖 A0一張 3、主要部件裝配圖 A0一張 4、機床硬件電路圖 A0一張 說明：1、第1—第2項每個學(xué)生必須選做。 2、第3項要求每個學(xué)生按照題目不同設(shè)計完成不同內(nèi)容。 3、第4項學(xué)生可根據(jù)自身情況選做。 4、要求每個學(xué)生必須至少完成3張A0圖。 四． 畢業(yè)設(shè)計的基本要求： 能按時獨立完成畢業(yè)設(shè)計規(guī)定的全部內(nèi)容，方案選擇正確，論據(jù)充分，對設(shè)計中的主要問題分析深入，解決合理，有獨立見解，能很好運用所學(xué)理論和提供的資料解決設(shè)計中的問題，能獨立查閱和正確引用中外文參考資料，說明書文字通順、清楚、選用數(shù)據(jù)論證合理、計算準(zhǔn)確，圖面整潔。 五、 進程安排 序號 主 要 任 務(wù) 預(yù)定完成 日期 時間 備注 1 查閱文獻，收集資料 1周 2 工廠調(diào)研、參觀 1周 3 機床總體方案圖 1.5周 4 機床傳動系統(tǒng)圖 1.5周 5 主軸箱裝配圖 2周 5 進給系統(tǒng)裝配圖 2周 5 尾座、刀架裝配圖 2周 6 機床硬件電路圖 1周 7 設(shè)計說明書 1周 六、主要參考文獻 《經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計》張新義主編 機械工業(yè)出版社 《新編機床數(shù)控技術(shù)》 任玉田主編 北京理工大學(xué)出版社 《機床設(shè)計圖冊》 上海紡織工學(xué)院等主編 上海科學(xué)技術(shù)出版社 《機械設(shè)計手冊》 成大先主編 化學(xué)工業(yè)出版社 《數(shù)控機床設(shè)計》 陳嬋娟主編 化學(xué)工業(yè)出版社 2 畢業(yè)設(shè)計(論文) Φ460mm的數(shù)控車床總體設(shè)計 及六角回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計 所在學(xué)院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)老師 年 月 日  摘 要 現(xiàn)代數(shù)控機床是未來工廠自動化的基礎(chǔ)。數(shù)控化設(shè)計范圍大、潛力大、投資少、見效快，促進制造業(yè)技術(shù)進步的重要手段。因此，數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計車床的研究具有重要意義。 本文在敘述了數(shù)控技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展的基礎(chǔ)上，通過機床設(shè)計的總體思想，提出了數(shù)控化設(shè)計的技術(shù)方案和新數(shù)控系統(tǒng)的選型配置方案;提高了傳動的精度，重新設(shè)計機床的控制邏輯，通過對伺服系統(tǒng)的分析，完成了機床各主要參數(shù)的優(yōu)化和匹配。 關(guān)鍵詞：Φ460mm，數(shù)控車床，機床，設(shè)計，數(shù)控系統(tǒng)。 III Abstract Modern CNC machine tools is the basis for the future of factory automation. CNC design range, potential is great, less investment, quick effect, promote manufacturing industry technological progress is an important means of. Therefore, the design of NC system for lathe has important significance to the research of. This paper describes the CNC technology history, current situation and development on the basis of machine tool design, through the overall idea, put forward the technical scheme design of NC and CNC system selection scheme; the drive to improve the accuracy, to design machine tool control logic, through the servo system of a machine tool, completed the main parameters optimization and matching. Key words:Φ 460mm, CNC lathes, machine tools, design, numerical control system. 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 第1章 數(shù)控機床發(fā)展概述 1 1.1數(shù)控機床及其特點 1 1.2數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度 1 1.2.1工藝范圍 1 1.2.2加工精度 1 1.3 數(shù)控機床的經(jīng)濟分析 2 1.4 數(shù)控機床的發(fā)展趨向 3 第2章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較 4 2.1 總體方案設(shè)計內(nèi)容 4 2.1.1系統(tǒng)運動方式的確定 5 2.1.2控制方式的選擇 5 2.2 總體方案確定 5 2.2.1 系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇 5 2.2.2 數(shù)控系統(tǒng) 5 2.2.3 機械傳動方式 6 第3章 確定切削用量及選擇刀具 6 3.1科學(xué)選擇數(shù)控刀具 6 3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則 6 3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具 7 3.2 設(shè)置刀點和換刀點 7 3.3 確定切削用量 8 3.3.1確定主軸轉(zhuǎn)速 8 3.3.2確定進給速度 8 3.3.3 確定背吃刀量 9 第4章 傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計 9 4.1主傳動系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的確定 9 4.1.1動力參數(shù)的確定 9 4.1.2主運動調(diào)速范圍的確定 10 4.1.3主軸計算轉(zhuǎn)速的確定 11 4.2變速主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 12 4.2.1確定傳動方案 12 4.2.2轉(zhuǎn)速圖的擬定 13 4.2.3擬定傳動變速系統(tǒng)圖 14 第5章 數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計原理和依據(jù) 14 5.1數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架的換刀工程 15 5.2數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計要求 16 5.3數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架的機構(gòu)設(shè)計中的幾個主要問題 16 5.4本章小結(jié) 16 第6章 數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架的機構(gòu)設(shè)計 17 6.1數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架的分度機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計 17 6.1.1分度機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計的總思路 17 6.1.2分度機構(gòu)的刀架主軸設(shè)計 17 6.1.3主活塞的設(shè)計 19 6.1.4端齒盤離合器的設(shè)計 23 6.1.5分度活塞的設(shè)計 30 6.2精定位機構(gòu)——活動插銷機構(gòu)設(shè)計 31 6.2.1定位原理、設(shè)計思路 31 6.2.2材料選擇 32 6.2.3活動插銷機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 32 6.2.4插銷機構(gòu)的公差帶設(shè)計 33 6.2.5對插銷軸進行校核 34 6.2.6校核結(jié)論 35 6.3 刀夾襯套的設(shè)計簡述 36 第7章 微機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計 37 7.1 微機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計綱要 37 7.1.1 硬件電路設(shè)計 37 7.1.2 軟件電路設(shè)計 38 7.2 8031單片機及其擴展 38 7.2.1 8031單片機的簡介 38 7.2.2 8031單片機的系統(tǒng)擴展 39 7.2.3 存儲器擴展 41 7.2.4 I/O口的擴展 43 7.2.5 步進電機驅(qū)動電路 44 7.2.6 脈沖分配器（環(huán)行分配器） 45 7.2.7 光電隔離電路 45 7.2.8 功率放大器 45 7.2.9 其他輔助電路 46 結(jié) 論 48 致 謝 49 參考文獻 50 51 第1章 數(shù)控機床發(fā)展概述 1.1數(shù)控機床及其特點 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。 1.2數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度 1.2.1工藝范圍 數(shù)控車床是一種高精度、高效率的自動化機床，也是使用數(shù)量最多的數(shù)控機床，約占數(shù)控機床總數(shù)的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復(fù)雜的軸類、盤類等回轉(zhuǎn)體零件的加工，能夠通過程序控制自動完成園柱面、圓錐面、圓弧面和各種螺紋的切削加工，并能進行切槽、鉆孔、擴孔、鉸孔等加工。 1.2.2加工精度 由于數(shù)控車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補功能，有些數(shù)控車床還具有非圓曲線插補功能以及加工過程中具有自動變速功能等特點，所以它的工藝范圍要比普通車床要寬得多。 1.精度要求高的回轉(zhuǎn)體零件 由于數(shù)控車床剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進行人工補償和自動補償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以車代磨。 2.表面粗糙度要求高的回轉(zhuǎn)體零件 數(shù)控車床具有恒線速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均勻的零件。使用恒線速切削功能，就可選用最佳速度來切削錐面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。數(shù)控車床還適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選用較大的進給量，要求小的部位選用小的進給量。 3.輪廓形狀特別復(fù)雜和難于控制尺寸的回轉(zhuǎn)體零件 由于數(shù)控車床具有直線和圓弧插補功能，部分車床數(shù)控裝置還有某些非圓曲線和平面曲線插補功能，所以可以加工形狀特別復(fù)雜或難于控制尺寸的的回轉(zhuǎn)體零件。 4.帶特殊螺紋的回轉(zhuǎn)體零件 普通車床所能車削的螺紋類型相當(dāng)有限，它只能車等導(dǎo)程的直、錐面公、英制螺紋，而且一臺車床只能限定加工若干導(dǎo)程的螺紋。而數(shù)控車床不但能車削任何等導(dǎo)程的直、錐面螺紋和端面螺紋，而且能車變螺距螺紋，還可以車高精度螺紋。 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。 數(shù)控車床是一種高精度、高效率的自動化機床，也是使用數(shù)量最多的數(shù)控機床，約占數(shù)控機床總數(shù)的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復(fù)雜的軸類、盤類等零件的加工，能夠通過程序控制自動完成園柱面、圓錐面、圓弧面和各種螺紋的切削加工，并能進行切槽、鉆孔、擴孔、鉸孔等加工。 由于數(shù)控車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補功能，有些數(shù)控車床還具有非圓曲線插補功能以及加工過程中具有自動變速功能等特點，所以它的工藝范圍要比普通車床要寬得多。 1、精度要求高的零件 由于數(shù)控機床剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進行人工補償和自動補償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以銑代磨。 2、表面粗糙度要求高的零件 數(shù)控車床具有恒線速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均勻的零件。使用恒線速切削功能，就可選用最佳速度來切削錐面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。數(shù)控車床還適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選用較大的進給量，要求小的部位選用小的進給量。 3、輪廓形狀特別復(fù)雜和難于控制尺寸的零件 由于數(shù)控車床具有直線和圓弧插補功能，部分車床數(shù)控裝置還有某些非圓曲線和平面曲線插補功能，所以可以加工形狀特別復(fù)雜或難于控制尺寸的的零件。 4、帶特殊螺紋的零件 普通車床所能車削的螺紋類型相當(dāng)有限，它只能車等導(dǎo)程的直、錐面公、英制螺紋，而且一臺車床只能限定加工若干導(dǎo)程的螺紋。而數(shù)控車床不但能車削任何等導(dǎo)程的直、錐面螺紋和端面螺紋，而且能車變螺距螺紋，還可以車高精度螺紋。 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(jì)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，包括車-車復(fù)合、車車復(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、車車復(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(xì)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 總體方案設(shè)計內(nèi)容 數(shù)控機床可以較好的解決形狀復(fù)雜、精密多品種及中小批零件的加工問題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，隨著制造技術(shù)向自動化、柔性化方向的發(fā)展，當(dāng)前機床的數(shù)控化率已經(jīng)成為衡量一個國家制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志。 機床的數(shù)控化設(shè)計一般是指對現(xiàn)有某臺普通車床的某些部位做一定的改裝，配上經(jīng)濟型數(shù)控裝置或標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控數(shù)控系統(tǒng)，從而使原機床具有數(shù)控加工能力。這種技術(shù)工作有其獨特的特點。 機床的數(shù)控設(shè)計，主要是對原有機床的結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)造性的設(shè)計，最終使機床達到比較理想的狀態(tài)。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。然而，現(xiàn)代的數(shù)控機床不是簡單將傳統(tǒng)機床配備上數(shù)控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機床的基礎(chǔ)上，僅對局部加以改進而成。傳統(tǒng)機床存在著一些弱點，如剛性不足，抗震性差，熱變形大，滑動面的摩擦阻力大及傳動元件之間存在間隙等，難以勝任數(shù)控機床對加工精度，表面質(zhì)量，生產(chǎn)率以及使用壽命等要求?，F(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，應(yīng)在考慮各種情況下，使普通機床的各項性能指標(biāo)盡可能的 與數(shù)控機床相接近。 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?jǐn)?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。 接到一個數(shù)控裝置的設(shè)計任務(wù)以后，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后再分別對機械部分和電氣部分進行設(shè)計。 機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。 一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求提出數(shù)個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。 2.1.1系統(tǒng)運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。 2.1.2控制方式的選擇 系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的，也正是由于信號的單向流程，它對機床移動部件的實際位置不做檢測，所以機床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動。這類機床工作比較穩(wěn)定，反應(yīng)迅速，調(diào)試和維修都比較簡單。 2.2 總體方案確定 2.2.1 系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇 由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控機床應(yīng)具備定位，直線插補，順、逆圓弧插補，暫停，循環(huán)加工，公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]達到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 2.2.2 數(shù)控系統(tǒng) 根據(jù)機床要求，采用8位微機。由于MCS-51系列單片機具有集成度高，可靠性好，功能強，速度快，抗干擾性強，具有很高的性能價格比等特點，決定采用MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成，系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。 2.2.3 機械傳動方式 為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)總體方案框圖如下： 圖2-1 系統(tǒng)總體方案框圖 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 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(xì)粒度硬質(zhì)合金)并使用可轉(zhuǎn)位刀片。 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。 3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具 在數(shù)控加工中，車削平面零件內(nèi)外輪廓 及車削平面常用平底立車刀，該刀具有關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)如下:一是車刀半徑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。三是用平底立車刀車削內(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，常用球形車刀、環(huán)形車刀、鼓形車刀、錐形車刀和盤車刀。 目前，數(shù)控機床上大多使用系列化、標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)化的規(guī)定，如錐柄刀 具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)代號為TSG-JT，直柄刀具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)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(yán)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(zhǔn)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(zhǔn)點，車刀的刀位點為刀尖或刀尖圓弧中心。平底立車刀是刀具軸線與刀具底面的交點;球頭車刀是球頭的球心， 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(zhǔn)。 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(yuǎn)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 4.1主傳動系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的確定 Φ460mm的數(shù)控車床，床身最大回轉(zhuǎn)直徑￠460mm，最大工件長度1200mm；，主軸錐度莫氏六號，可以加工直線、錐度、球面、螺紋罩等，功能齊全、精度可靠、操作方便。主傳動系統(tǒng)的主要參數(shù)有動力參數(shù)和運動參數(shù)。動力參數(shù)是指主運動驅(qū)動電動機的功率；運動參數(shù)是指主運動變速范圍。根據(jù)數(shù)控車床的加工工藝、加工對象、所要求的精度、成本及生產(chǎn)周期并結(jié)合國內(nèi)外機床發(fā)展現(xiàn)狀確定數(shù)控車床主要技術(shù)指標(biāo)。 4.1.1動力參數(shù)的確定 主傳動中個傳動件的尺寸要根據(jù)傳動功率來確定。傳動功率過大，使傳動件尺寸粗大，電動機常在低負(fù)載下工作，功率因數(shù)小而浪費能源；功率過小將限制車床切削加工能力而降低生產(chǎn)效率。因此需合理確定主傳動功率。但由于實際加工過程切削用量變化范圍大、傳動件之間的摩擦等不確定因素，用理論計算方法來確定主傳動功率尚有困難，可通過類比、統(tǒng)計方法相互比較來確定。 查機電一體化手冊車削功率在8-16kw之間根據(jù)切削功率PC與主傳動鏈的總效率η估算,即P=。主傳動鏈的功率效率η=0.7—0.85， 數(shù)控車床多采用調(diào)速電動機和較短的機械傳動鏈，效率較大，因此取=0.78,則估計P在10.26kw~20.51kw.之間。 數(shù)控車床的加工范圍一般都比較大，切削功率PC可根據(jù)有代表性的加工情況，由其主切削抗力 PC=KW ---主切削力的切向分力，N； ---切削速度N??； 查金屬切削手冊知，以硬質(zhì)合金刀具車削合金結(jié)構(gòu)鋼為例，數(shù)控車床有代表型的主切削力的切向分力大約在2460左右，切削速度取90—250r\min，則知道 PC=2460200/60000=8.333kw P==10.68kw 考慮到空轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)的功率損失，如各傳動件在空轉(zhuǎn)運行時的摩損功耗，傳動件的攪油和克服空氣阻力功率以及其其它動載荷的摩擦損耗等。 Φ460MM機床是中等規(guī)格數(shù)控車床，參照國內(nèi)外同類機床的電動機功率，此機床可以選取11kw的電動機，考慮到數(shù)控機床變速范圍比較大，選用交流變頻電動機YVP160-4，標(biāo)稱功率11kw，額定轉(zhuǎn)矩70N?m調(diào)頻電動機功率轉(zhuǎn)矩 4.1.2主運動調(diào)速范圍的確定 主軸轉(zhuǎn)速由切削速度（r/min）與工件的直徑（mm）來確定 =（r/min） 計算該數(shù)控車床 =、=， 則數(shù)控車床變速范圍= 代入公式，選擇，，，要據(jù)車床上幾種典型加工情況考慮，不可能將一切情況考慮進去，也不是加工情況的最大值和最小值。 經(jīng)統(tǒng)計分析車床的最高轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在硬質(zhì)合金刀具精車鋼料的外圓工藝中，最低轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在高速工具鋼刀具精車合金鋼工件的梯形絲杠中。由工藝手冊可知硬質(zhì)合金刀具刀具精車鋼料的絲杠=250 r/min；高速車刀粗車圓柱體=30-50 r/min（隨被吃刀量與進給量的增加而減少）；高速工具鋼低速精車絲杠=1.5 r\min，則 =0.5D=0.5460mm=230mm =（0.2-0.25）=（50-62.5）mm，取=50mm。 max ===1591 r/min ==41.52 r/min 由于現(xiàn)代數(shù)控車床向高速高精度方向發(fā)展，考慮到今后的技術(shù)儲備，類比行業(yè)中同類數(shù)控車床的轉(zhuǎn)速范圍初步選取=20 r/min，=1200 r/min。 則數(shù)控車床總變速范圍==62.5 4.1.3主軸計算轉(zhuǎn)速的確定 由切削原理知主運動為直線運動的機床，主運動為恒轉(zhuǎn)矩運動；主運動為旋轉(zhuǎn)運動的機床，主運動為恒功率運動。數(shù)控車床加工工藝范圍廣，變速范圍大。有些典型工藝如：精車絲杠、加工螺紋、等，工件尺寸大，需采用小的被吃刀量、小的進給量；低速主軸轉(zhuǎn)速小，不需傳動電動機的全部功率。我們把機床能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速稱為主軸計算轉(zhuǎn)速，以它為臨界轉(zhuǎn)速，如圖。從至最高轉(zhuǎn)速的區(qū)域為恒功率區(qū)域，任意轉(zhuǎn)速能夠傳遞電動機的全部功率，但主軸轉(zhuǎn)矩隨主軸轉(zhuǎn)速的上升而下降；從最低轉(zhuǎn)速至的區(qū)域b為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，任意轉(zhuǎn)速能夠輸出最大轉(zhuǎn)矩，但主軸輸出的功率將隨主軸轉(zhuǎn)速的下降而下降。 數(shù)控車床變速范圍比較廣，計算轉(zhuǎn)速比普通車床高。目前數(shù)控機床計算轉(zhuǎn)速的確定尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，確定是參考同類機床，并結(jié)合該機床加工工藝要求，使=154 r\min. 圖4.2 主軸轉(zhuǎn)速曲線 4.2變速主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 4.2.1確定傳動方案 機床傳動形式分為有極和無極變速兩種，無級變速形式可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最佳轉(zhuǎn)速，能在運轉(zhuǎn)中變速，便于自動變速，這對與提高機床生產(chǎn)效率和提高被加工零件的質(zhì)量都有重要意義；同時采用無級變速可使主軸結(jié)構(gòu)大為簡化，縮短傳動鏈；因此無級變速應(yīng)用日益廣泛。 該數(shù)控機床總變速范圍是=2000\20=100，變速范圍較大，單靠無級變速裝置有難以實現(xiàn)。而且，無級變速裝置的功率扭轉(zhuǎn)特性應(yīng)同傳動鏈的工作要求相適應(yīng)，這就要求串聯(lián)機械有級變速來擴大變速范圍并選擇合適的無級變速器以滿足機床的功率扭矩特性要求。 該數(shù)控機床是以經(jīng)濟型數(shù)控車床，設(shè)計主軸由交流變頻電動機經(jīng)皮帶論、齒輪傳動至主軸。 從圖1與圖2可以看出：調(diào)頻電機的恒功率轉(zhuǎn)速范圍為4460\1460=3，而主軸要求的恒功率調(diào)速范圍為1250\250=5，顯然電動機不能滿足主軸所要求的恒功率變速范圍。所以在設(shè)計師不能依據(jù)總變速范圍來設(shè)計主創(chuàng)動系統(tǒng)，而應(yīng)考慮電動機與主軸的功率匹配。 主軸恒功率調(diào)速范圍Rnp=max\=1250\250=5, 電動機恒功率調(diào)速范圍Rdp=max\=4460\1460=3 為了使主軸和電動機的恒功率匹配，現(xiàn)通過增加變速齒輪來滿足要求，該變速齒輪組擴大了電動機的恒功率調(diào)速。 4.2.2轉(zhuǎn)速圖的擬定 1．轉(zhuǎn)速圖的擬定 　 分析和設(shè)計主傳動系統(tǒng)須應(yīng)用一種特殊線圖，稱為轉(zhuǎn)速圖。 　　轉(zhuǎn)速圖能夠清楚的表達出：傳動軸的數(shù)目，主軸及各傳動軸的轉(zhuǎn)速級數(shù)、轉(zhuǎn)速值及其傳動路線，變速組的個數(shù)、傳動順序及擴大順序，各變速組的傳動副數(shù)及其傳動比數(shù)值，變速規(guī)律等。 　　首先根據(jù)最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速確定變速范圍，選擇合適的公比后再確定轉(zhuǎn)速級數(shù)，繪制轉(zhuǎn)速圖。 已知機床的轉(zhuǎn)速范圍在20r/min~1200r/min，電動機的最高轉(zhuǎn)速為4000 r/min，額定轉(zhuǎn)速為1460 r/min，電動機的額定功率P=11kW，確定主軸箱結(jié)構(gòu)． （1）確定主軸的變速范圍 （2）確定主軸的計算轉(zhuǎn)速 由于數(shù)控機床主軸的變速范圍大，計算轉(zhuǎn)速應(yīng)比計算值高些，所以圓整取計算轉(zhuǎn)速nc=。 （3）確定主軸的恒功率變速范圍 （4）確定電動機所能夠提供的恒功率變速范圍 由于Rnp>>Rdp，電動機直接驅(qū)動主軸不能滿足恒功率變速要求，因此需要串聯(lián)一個有級變速箱，以滿足主軸的恒功率調(diào)速范圍。 （5）確定轉(zhuǎn)速級數(shù) 取，則 對于數(shù)控車床，為了加工端面時滿足恒線速度切削的要求，應(yīng)使轉(zhuǎn)速有一些重復(fù)，故取Z=2 （6）擬定轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖如圖 4.2.3擬定傳動變速系統(tǒng)圖 擬定傳動系統(tǒng)的原則是：在保證機床的運動和使用要求的前提下，運動傳動鏈要盡可能的短而簡單；傳動效率高以及操作簡單方便 。首先要考慮某些結(jié)構(gòu)方面的問題，考慮結(jié)構(gòu)能否實現(xiàn)：如小齒輪的齒根圓是否大于軸的直徑，大齒輪的頂圓是否會碰及相鄰軸等；其次因考慮結(jié)構(gòu)是否合理，如布置是否緊湊，操縱是否方便等。 該機床采用雙聯(lián)滑移齒輪變速組，采用窄式排列結(jié)構(gòu)，使機床結(jié)構(gòu)緊湊。主軸變速擬采用通過滑移齒輪的移位來實現(xiàn)，需保證當(dāng)齒輪2與齒輪4完全脫開嚙合之后，齒輪3和齒輪6才能開始進入嚙合，所以齒輪5與齒輪6相鄰間的距離b要大于于滑移齒輪的寬度（齒輪2與齒輪寬度之和），一般b++△, △=14 mm。 綜合考慮個因素，擬訂傳動系統(tǒng)圖。 第5章 數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計原理和依據(jù) 回轉(zhuǎn)刀架也稱為轉(zhuǎn)塔式刀架，它是數(shù)控車床上最常用，也是最簡單的一種自動換刀裝置。回轉(zhuǎn)刀架使用回轉(zhuǎn)頭各刀座來安裝或夾持各種不同用途的刀具，通過回轉(zhuǎn)頭的旋轉(zhuǎn)分度定位來實現(xiàn)車床的自動換刀動作?；剞D(zhuǎn)刀架可以設(shè)計成四方刀架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式，其上可安裝4把、6把或更多的刀具，并可按數(shù)控裝置的指令換刀。我國目前制造業(yè)中廣泛使用的數(shù)控車床六角回轉(zhuǎn)刀架雖然是上世紀(jì)開發(fā)的產(chǎn)品，但其結(jié)構(gòu)具有當(dāng)代自動換刀裝置的典型結(jié)構(gòu)，和相對成熟的技術(shù)使得它極具經(jīng)濟性是使用性，它仍是我國大部分中小企業(yè)廣泛使用的數(shù)控車床部件。 5.1數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架的換刀工程 圖5.1所示為數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架，它適用于盤類零件的加工。在加工軸類零件時可以換成四方刀架，它們底部測尺寸是相同的，互換更換起來非常方便，因此在數(shù)控車床中使用得很廣泛。 這種刀架的全部動作由液壓系統(tǒng)通過電磁換向閥和順序閥進行控制，其換刀過程如下四個步驟： 圖5.1 數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架 （1）刀架抬起。當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，壓力油由A進入壓緊液壓缸的下腔，活塞上升，刀架體抬起，使定位活動插銷與固定插銷脫離。同時，活塞桿下端的端齒離合器與空套齒輪結(jié)合 （2）刀架轉(zhuǎn)位。當(dāng)?shù)都芴鹬?，壓力油從C孔轉(zhuǎn)入液壓缸左腔，活塞向右移動，通過連接板帶動齒條移動，使空套齒輪作逆時針方向轉(zhuǎn)動，通過端齒離合器使刀架轉(zhuǎn)過60o?；钊男谐虘?yīng)等于齒輪節(jié)圓周長的1/6，并由限位開關(guān)控制。 （3）刀架壓緊。刀架轉(zhuǎn)位之后，壓力油從B孔進入壓緊液壓缸的上腔，活塞帶動刀架體下降。缸體的底盤上精確地安裝六個帶斜楔的圓柱固定插銷，利用活動插銷消除定位銷與孔之間的間隙，實現(xiàn)反靠定位。刀架體下降時，定位活動插銷與另一個固定插銷卡緊，同時缸體與壓盤的錐面接觸，刀架在新的位置定位并壓緊。這時，端齒離合器與空套齒輪脫開。 （4）轉(zhuǎn)位液壓缸復(fù)位。刀架壓緊后，壓力油從D孔進入轉(zhuǎn)位油缸右腔，活塞帶動齒條復(fù)位，由于此時端齒離合器已脫開，齒條帶動齒輪在軸上空轉(zhuǎn)。 如果定位和壓緊動作正常，拉桿與相應(yīng)的接觸頭接觸，發(fā)出信號表示換刀過程已結(jié)束，可以繼續(xù)進行切削加工。 回轉(zhuǎn)刀架除了采用液壓缸驅(qū)動轉(zhuǎn)位和定位銷定位外，還可以采用電動機-馬氏機構(gòu)轉(zhuǎn)位和鼠盤定位，以及其它轉(zhuǎn)位和定位機構(gòu)。 5.2數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計要求 回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強度和剛度，以承受粗加工時的切削抗力。由于車削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，對于數(shù)控車床來說，加工過程中刀具位置不進行人工調(diào)整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證回轉(zhuǎn)刀架在每次轉(zhuǎn)位之后，具有盡可能高的重復(fù)定位精度（一般為0.001～0.005mm）。 5.3數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架的機構(gòu)設(shè)計中的幾個主要問題 1. 回轉(zhuǎn)刀架的分度機構(gòu) 分度機構(gòu)是回轉(zhuǎn)刀架的核心機構(gòu)之一，要特別處理好分度的準(zhǔn)確性。 2. 刀盤機構(gòu) 刀盤是刀具裝填機構(gòu)，也是分度機構(gòu)直接作用的機構(gòu)。刀盤在設(shè)計時要注意刀具的大小、材料的選擇、大小和重量。 3. 定位精度的保證 必須選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證回轉(zhuǎn)刀架在每次轉(zhuǎn)位之后，具有盡可能高的重復(fù)定位精度（一般為0.001～0.005mm）。 4. 定位動作結(jié)束的反饋機構(gòu) 回轉(zhuǎn)刀架的動作啟動和結(jié)束是通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動的，而液壓系統(tǒng)由數(shù)控系統(tǒng)的CNC控制，因此CNC系統(tǒng)必須獲得反饋信號。 5.4本章小結(jié) 本章分析了六角回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計依據(jù)，分析了六角回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)及工作原理，提出了設(shè)計過程中要注意的幾個問題。  第6章 數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架的機構(gòu)設(shè)計 回轉(zhuǎn)刀架，它是數(shù)控車床上最常用，也是最簡單的一種自動換刀裝置?；剞D(zhuǎn)刀架使用回轉(zhuǎn)頭各刀座來安裝或夾持各種不同用途的刀具，通過回轉(zhuǎn)頭的旋轉(zhuǎn)分度定位來實現(xiàn)車床的自動換刀動作。它相對成熟的技術(shù)使其具有經(jīng)濟性和實用性，目前，我過大部分中小企業(yè)還在使用六角回轉(zhuǎn)刀架，常見于數(shù)控車床上的自動換刀裝置的應(yīng)用。本課題對數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架的機構(gòu)設(shè)計具有現(xiàn)實意義。 6.1數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架的分度機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計 回轉(zhuǎn)刀架的工作原理簡單來說，就是利用幾何分度，在每個不同的分度上安裝不同的刀具，并能根據(jù)指令進行轉(zhuǎn)動定位。因此，分度機構(gòu)是回轉(zhuǎn)刀架的核心機構(gòu)。 6.1.1分度機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計的總思路 分度機構(gòu)主要包括刀架主軸、主活塞、端齒盤離合器（分上下兩個端齒盤）、分度齒條和分度活塞。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計也圍繞這五個方面進行。刀架主軸設(shè)計包括主軸的形狀/尺寸設(shè)計、材料選擇；主活塞設(shè)計包括其形狀/尺寸、材料選擇；端齒盤離合器的下端齒盤是不完全標(biāo)準(zhǔn)件，主要是上端齒盤是個特殊結(jié)構(gòu)，要進行特別設(shè)計；分度齒條結(jié)構(gòu)簡單，主要考慮其長度；分度活塞主要考慮其與活塞桿連接的結(jié)構(gòu)。 分度機構(gòu)主要作用是分度，其精度主要由液壓系統(tǒng)和數(shù)控控制系統(tǒng)決定。而六角回轉(zhuǎn)刀架的重復(fù)定位精度是由刀盤定位系統(tǒng)決定的，故分度機構(gòu)定位精度沒有作為重要設(shè)計要求。 設(shè)計原則：保重分度性能，盡量用常用的材料和常見結(jié)構(gòu)，減低成本。 6.1.2分度機構(gòu)的刀架主軸設(shè)計 刀架主軸的作用主要是為刀盤的分度轉(zhuǎn)動提供轉(zhuǎn)軸和扭矩傳動，為刀盤的升高和壓緊提供動力傳動。主軸的設(shè)計包括其形狀/尺寸設(shè)計、材料選擇。 1.主軸的材料的選擇。考慮到主軸作為刀架所受切削力的受力中心，材料應(yīng)該選擇具有一定強度和剛度的材料，同時由于經(jīng)常轉(zhuǎn)動和抬壓刀盤，故要求其具有耐磨性。查表.4.1，考慮到最常用的軸類材料是45鋼，故選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理。表4.2列出了45鋼的力學(xué)性能。 表6.1 表6.2優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能 力學(xué)性能|σb/MPa≥: 600 力學(xué)性能|σs/MPa≥: 355 力學(xué)性能|δ5(%)≥: 16 力學(xué)性能|ψ(%)≥: 40 力學(xué)性能|AKU/J≥: 39 由于刀架的分度旋轉(zhuǎn)速度低、扭矩小，故刀盤轉(zhuǎn)動時主軸受到的扭矩相對很?。划?dāng)?shù)都芏ㄎ煌戤?，刀具切削工件時，主軸受到切削力，和彎矩的作用，但是主軸外面有很厚的高強度鑄鋼包裹配合，同時45鋼調(diào)制后具有很好的韌性和強度，力學(xué)性能良好，主要受力軸段軸徑為Φ30，所以不需要校核。 2. 。主軸的形狀結(jié)構(gòu)主要考慮軸向零件的定位特點。主軸上的零件主要是主活塞和端齒盤離合器，軸的兩端制造螺紋用于頂端連接刀盤和底端軸向固定端齒盤。結(jié)構(gòu)形狀及相關(guān)參數(shù)如圖4.1所示。 根據(jù)現(xiàn)有的回轉(zhuǎn)刀架產(chǎn)品常見主軸軸徑，取d1=d2=d3=30。 軸環(huán)寬度b1≥1.4d2，d2為安裝主活塞處的軸徑。則由上公式得： b1≥1.4×30=4.2 為了減少主軸的體積，選b1=4.2。 圖6.1主軸 由機械設(shè)計手冊查到軸肩高h(yuǎn)=（0.07~0.1）d，其中d為零件所在軸徑。故可得到如軸肩數(shù)據(jù)： h1=（0.07~0.1）d2=0.07×30~0.1×30=2.1~3 取h1=3，由此得軸環(huán)軸徑： d6=d2+2h1=30+2×3=36。 b2處的軸段用于放置卡環(huán)，頂住主活塞的下端面，卡環(huán)的厚度取2，取b2=8，故得d7=26。 為了在主軸下端固定端齒盤，必須有軸肩h2。取d5=26，則由h=（0.07~0.1）d得： h2=h=（0.07~0.1）d5=0.07×26~0.1×26=1.82~2.6 ， 取h2=2 。 為了軸向固定下端齒盤，主軸底端用螺母固定下端齒盤。查下頁的表4.3可得公稱直徑為M24,標(biāo)記為M24 - 8h。軸的上端，制作螺紋用于固定連接刀盤的鏈接件。查下頁的表4.3，可得公稱直徑為M24,標(biāo)記為M24 - 8h。 查機械設(shè)計手冊，軸徑＞18~30, 軸的過度圓角全部取1.0 。 6.1.3主活塞的設(shè)計 主活塞僅僅在刀盤的升起和壓緊時受到相對較小的軸向力，故可以選用較低強度的廉價材料。又考慮到必須保證氣密性和制作難度應(yīng)該盡量的降低，以降低成本，選用鑄鋼。常見的鑄鋼的力學(xué)性能如下表6.4所示。 表6.3 螺紋標(biāo)準(zhǔn) 表6.4 常見鑄鋼常溫下力學(xué)性能 表6.5液壓缸內(nèi)徑公稱直徑 由表可選擇ZG340—640。 查上表6.5，獲得活塞的公稱直徑d=100 ?；钊穸热=20。主活塞的結(jié)構(gòu)如下圖，圖4.2。 圖6.2 主活塞結(jié)構(gòu) 主活塞中心轂的倒角必須比與之配合的主軸的倒角大，故取2 。 液壓系統(tǒng)必須有良好的密封性，查手冊得如下表，表4.6 。主軸軸徑為30，查表取轂孔處的兩個o型密封圈為：O型圈 30×3.55 -A - N - GB/T3452.1 - 2005 。查手冊得表4.7，根據(jù)O圈外徑100查得外圓輪廓的O圈為： O型圈 ×5.7 -A - N - GB/T3452.1 - 2005 。 表6.6 液壓密封圈（O圈）參數(shù)(內(nèi)徑) 表6.7 液壓密封圈（O型圈）參數(shù)（外徑D） 6.1.4端齒盤離合器的設(shè)計 端齒盤是分度機構(gòu)的核心，其關(guān)鍵之處是端齒盤的離合作用及上端齒盤的空套齒輪。 1. 下端齒盤的設(shè)計。查相關(guān)手冊得到端齒盤的常用牙型如下表4.8所示。由于分度機構(gòu)的離合器傳動時受到的載荷小，低速轉(zhuǎn)動，考慮制造的成本，選擇簡單而實用矩形牙型端齒盤。 表4.8端齒盤常見牙型 端齒盤的材料選擇，如下表4.9所示。低載荷低速，考慮常用材料，選用45鋼。為了提高耐磨性和強度，進行調(diào)制處理。 表4.9常用端齒盤材料 端齒盤的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)如下表4.10所示。 表6.10端齒盤幾何參數(shù) 牙齒外徑D=(1.5~3)d ，取d=26，則計算得D=39~78,取D=60 。 牙齒內(nèi)徑D1=(0.7~0.75)D,代入數(shù)據(jù)計算得 D1=42~45 。 又由下表4.11得到： 齒數(shù)Z=7,φ1=24°43′，φ2=26°43′，S=12.84,h=6 。 表6.11齒數(shù)、齒高及幾何角度 2.上端齒盤的設(shè)計。上端齒盤是非標(biāo)準(zhǔn)件，分為上下兩部分：上部的空套齒輪，下部的端齒盤端齒。下部分的端齒齒形參數(shù)跟下端齒盤參數(shù)相同，故這里設(shè)計的重點是上部分的空套齒輪的設(shè)計。 由于端齒盤離合器低負(fù)荷低速運轉(zhuǎn)，故由簡化公式計算其參數(shù)，入下表4.12所示。 表4.12簡化公式 式中： a ——中心距，mm； ——小齒輪的分度圓直徑，mm； m、——端面模數(shù)及法面模數(shù)，mm； ——小齒輪的齒數(shù)； 、、——齒寬系數(shù)； u——齒數(shù)比，； ——復(fù)合齒形系數(shù)； ——許用接觸應(yīng)力（MP），簡化基計算中近似去，為試驗的接觸疲勞極限應(yīng)力（MP），； ——許用抗彎強度（MP），簡化計算中可以近似取，為齒輪材料的抗彎疲勞強度的基本值，為抗彎強度計算的最小安全因數(shù)，可取 ； ——小齒輪傳遞的額定轉(zhuǎn)矩，； K——載荷系數(shù)，常用值1.2~2，當(dāng)載荷平穩(wěn)，齒寬系數(shù)較小，齒輪對軸承對稱布置，軸的剛度較大，齒輪精度高（6級以上）及齒數(shù)輪的螺旋角較大時，應(yīng)取較小值，反之取較大值。 抗彎強度計算公式中的應(yīng)代入及中的大值。 由于端齒盤離合器工作在低載荷低扭矩條件下，故只需要按照上面的抗彎強度公式算出模數(shù)m的值，然后根據(jù)經(jīng)驗法對照現(xiàn)有產(chǎn)品參數(shù)進行適當(dāng)修正即可。 因為空套齒輪是與齒條嚙合，在分度定位的動作過程中，要求齒條的行程至少使空套齒輪轉(zhuǎn)動六分之一周，帶動刀盤轉(zhuǎn)過六分之一的圓周分度，所以齒條的有效嚙合長度至少為六分之一的空套齒輪的分度圓圓周長?？紤]到齒條的行程直接影響到刀架的體積空間，這里選擇最近簡單，但相對最穩(wěn)定的分度方案：齒條的行程等于六分之一的空套齒輪的分度圓圓周長。即齒條的最大行程只能使刀盤轉(zhuǎn)位六分之一圓周，但是節(jié)省了刀架的占位空間，使其適用于常見的小型廉價車床，同時簡單的分度方案使得數(shù)控系統(tǒng)更加簡單穩(wěn)定。但是為了簡化計算，這里取齒數(shù)比u的值為： u=1 ； 是齒寬系數(shù)，= 。通常，對于直齒輪，=6~12 ，越大則齒寬b越大，齒輪軸向尺寸越大，安全性和成本提高，散熱性能降低。反之亦然。由于空套齒輪在嚙合轉(zhuǎn)動的時候是處于低載荷低速度的條件下，故齒寬b不需要很大，但為了使使用簡化公式計算出來的參數(shù)具有更好的安全性，不妨取的值為： =10； 算出來的b值偏大，可根據(jù)實際經(jīng)驗適當(dāng)修正即可。 根據(jù)現(xiàn)場觀察現(xiàn)有產(chǎn)品的分度轉(zhuǎn)位的轉(zhuǎn)速，目測轉(zhuǎn)速n8.57線速度v=0.04<6，查《機械設(shè)計手冊 單行本 齒輪傳動》p16-73，表16.2-71，取齒輪的精度等級為8級，即IT8。 查《機械設(shè)計手冊 單行本 齒輪傳動》p16-62，表16.2-59，選擇45鋼調(diào)質(zhì)作為上端齒盤的材料。查《機械設(shè)計手冊 單行本 齒輪傳動》p16-65表16.2-65，得到如下的硬度數(shù)據(jù)：齒輪硬度300~330HBS，齒條硬度 260~280 HBS 。 圖6.3 抗彎疲勞強度基本值 又由上圖6.3查得： 齒輪=460； 齒條=430 。 故得： ； 。 取齒數(shù)=26，則查課本《機械設(shè)計》p200，表10-5得到： 齒形系數(shù) ； 校正系數(shù)； 所以; 所以值較大的; 轉(zhuǎn)矩與扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)慣量J有關(guān)。根據(jù)實際現(xiàn)有產(chǎn)品目測，設(shè)刀盤為高h(yuǎn)=145, 直徑為D=294的鑄鋼圓柱體。查閱材料手冊，得鑄鋼的密度為。 由體積公式得刀盤的體積V=； 由質(zhì)量與密度的關(guān)系得刀盤的質(zhì)量 M 。 由扭轉(zhuǎn)慣量與扭矩的關(guān)系得J=，代入數(shù)據(jù)計算得=744。 事實上，刀盤是六角形的，而且內(nèi)部有很大的減重槽，實質(zhì)質(zhì)量比上面估算的質(zhì)量的十分之一還要低。但考慮到刀盤轉(zhuǎn)動時遇到摩擦力等等阻礙因素，取估算質(zhì)量的十分之一左右的質(zhì)量進行下一步的計算。此時可取=67.7。 把上面所有相關(guān)參數(shù)代入簡化公式，計算得 。 對照m的標(biāo)準(zhǔn)值，取，這樣保證了齒輪在其主要受力方向上有足夠的強度。 由模數(shù)與分度圓的關(guān)系得，計算得=91 。 由得b=35。因為是大大人為的增大，且空套齒輪在軸向方向受到的力很小，基本可以忽略，故參照現(xiàn)有產(chǎn)品參數(shù)，選擇b=14。 總結(jié)空套齒輪的參數(shù)： 模數(shù)； 分度圓直徑=91； 齒寬b=14。 上端齒盤的結(jié)構(gòu)圖如下圖4.4所示： 圖4.4 上端齒盤結(jié)構(gòu) 6.1.5分度活塞的設(shè)計 分度活塞作用主要是將液壓能量轉(zhuǎn)化為齒條動能，使得空套齒輪可以轉(zhuǎn)動，又使齒條可以復(fù)位。其行程跟齒條行程相同，約為六分之一的空套齒輪分度圓的周長。 活塞直徑。由下表4.12，取活塞直徑D=50。厚度b=35。 表4.12液壓缸內(nèi)徑公稱直徑 分度活塞及其活塞桿的零件裝配圖如下圖4.5所示。 圖6.5 分度活塞及其活塞桿的零件裝配圖 6.2精定位機構(gòu)——活動插銷機構(gòu)設(shè)計 精定位是六角回轉(zhuǎn)刀架最終的定位，精定位的精度直接反映于刀架的重復(fù)定位精度，六角回轉(zhuǎn)刀架的精定位采用活動插銷的定位方式。 6.2.1定位原理、設(shè)計思路 在刀架的底座均布六個固定插銷軸，在刀盤底部的對應(yīng)位置均布六個插銷孔，當(dāng)?shù)侗P抬起時，插銷孔被拉起脫離插銷軸，當(dāng)分度轉(zhuǎn)動介紹后，刀盤大致地轉(zhuǎn)到插銷軸的正上方，然后液壓力作用使刀盤帶動插銷孔下壓。而在插銷軸的頂端是個半圓球頭，其堅硬的球型曲面使插銷孔與之配合的時候能夠自動修正分度轉(zhuǎn)位的誤差。 對于重復(fù)定位精度，主要決定于插銷定位機構(gòu)的定位誤差。由于回轉(zhuǎn)刀架的重復(fù)定位誤差為0.001~0.005，所以要求定位誤差 。 6.2.2材料選擇 作為六角回轉(zhuǎn)刀架的最重要的定位機構(gòu)，有較嚴(yán)格的精度要求，同時又是相對運動頻繁的機構(gòu)，故材料的選擇必須使其具有高強度，高剛度，高耐磨性。可選擇合金鋼40Cr。 6.2.3活動插銷機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 插銷軸的頂端是個球頭，其球面在刀盤下壓的時候能帶動插銷孔向下壓，插銷軸的頂端球頭曲面能夠使插銷孔自動對心，從而達到定位目的。插銷軸結(jié)構(gòu)簡單，其結(jié)構(gòu)和尺寸見下圖4.6所示。 圖6.6 插銷軸結(jié)構(gòu)圖 插銷孔的結(jié)構(gòu)及尺寸如下圖6.7所示。 圖6.7 插銷孔結(jié)構(gòu)圖 6.2.4插銷機構(gòu)的公差帶設(shè)計 國家要求優(yōu)先采用基孔制，故孔的基本偏差為H，由國標(biāo)優(yōu)先推薦的常用配合中試選H7/n6，由下表6.13查得如下數(shù)據(jù)： 表6.13 標(biāo)準(zhǔn)公差 孔的公差為0.018，上偏差ES=0.018，下偏差EI=0； 軸的公差為0.011，上偏差es=0.023，下偏差ei=0.012 。 則定位誤差= = =0.003 即，所以所選擇的公差配合H7/n6復(fù)合重復(fù)定位精度要求。 插銷機構(gòu)的配合如下圖4.8所示。 圖6.8 定位插銷機構(gòu)的公差配合圖 6.2.5對插銷軸進行校核 因為插銷定位機構(gòu)決定了六角回轉(zhuǎn)刀架的重復(fù)定位精度，同時作為過盈配合，當(dāng)?shù)都苁艿角邢髁r，刀架底座上均布的六個插銷結(jié)構(gòu)先于主軸受力，所以該機構(gòu)是非常重要的受力機構(gòu)，要進行校核檢驗。 確定切削力。 查金屬切削手冊，得切屑力y方向上的受力公式： ， ——車床切削外圓是Y方向的受力系數(shù)；查表得其值為1795； ——背吃刀量，mm；對于常見的車床外圓切削，取其常見的大值為5 ； f——進給量，查表并取大值