直徑φ430mm的數控車床總體設計與六角回轉刀架設計,直徑φ430mm的數控車床總體設計與六角回轉刀架設計,直徑,mm,妹妹,數控車床,總體,整體,設計,六角,回轉,刀架 畢業(yè)設計(論文) Φ430mm的數控車床總體設計 及六角回轉刀架設計 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 年 月 日  摘 要 現(xiàn)代數控機床是未來工廠自動化的基礎。數控設計范圍大、潛力大、投資少、見效快，促進制造業(yè)技術進步的重要手段。因此，數控系統(tǒng)設計車床的研究具有重要意義。 本文在敘述了數控技術的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展的基礎上，通過機床設計的總體思想，提出了數控化設計的技術方案和新數控系統(tǒng)的選型配置方案;提高了傳動的精度，重新設計機床的控制邏輯，通過對伺服系統(tǒng)的分析，完成了機床各主要參數的優(yōu)化和匹配。 數控車床不僅能夠車外圓還能用于鏜孔、車端面、鉆孔與鉸孔。與其他種類的機床相比，車床在生產中使用最廣。 本論文首先介紹了我國數控機床發(fā)展的過程與現(xiàn)狀 ,并分析了其存在的問題 ;對數控機床的發(fā)展趨勢進行了探討；并對Φ430mm數控車床傳動系統(tǒng)進行了設計與計算。 主軸箱有安裝在精密軸承中的空心主軸和一系列變速齒輪組成。數控車床主軸可以獲得在調速范圍內的任意速度，以滿足加工切削要求。 目前，數控車床的發(fā)展趨勢是通過電氣與機械裝置進行無級變速。變頻電機通過帶傳動和變速齒輪為主軸提供動力。通常變頻電機調速范圍3—5，難以滿足主軸變速要求；串聯(lián)變速齒輪則擴大了齒輪的變速范圍 。 本設計將原來的帶輪不卸荷結構變?yōu)榱藥л喰逗山Y構，使輸入軸在帶處只受轉矩，將軸上的徑向力傳動到車床機體上,改善了輸入軸的受力情況。 關鍵詞：Φ430mm，數控車床，機床，設計，數控系統(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. NC lathe can do boring, facing, drilling and Reaming in addition to turning.The use of lathes in the production than the other types of machine tools and more. And compared to other types of machine tools, lathes in the production is the most widely used. In this design ,the development and current situation of NC machine in China was introduced and a series of problems were presented .The development trend to NC lathe was discussed.Some countermeasures was presented for the development of NC machine in China and then the headstock ofΦ 430 lathe has been calculatly designed . Headstocks is composed of the hollow spindle which is installed in precision bearings and a series of transmission gears. The spindle can obtain any speed in the speed range to meet the processing requirements of cutting. At present, the development trend is to provide a continuously variable speed through the electrical or mechanical devices . Variable Frequency Motor conveys the power through belt drive and a set of transmission gears. The speed range of Variable Frequency Motor is usually 3-5 , which is difficult to meet the speed range requirements of the spindle speed; The transmission gears is to expand the scope of a variable-speed to meet the speed range of the spindle . In addition, in this design the design of the belt drive has been changed from the original unloading structure into the loading structure, transmissed the force to the lathe body so that input shaft is only forced torque, improved the forcing state of the input shaft. Key words:Φ 430mm, CNC lathes, machine tools, design, numerical control system. 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 第1章 數控機床發(fā)展概述 1 1.1數控機床及其特點 1 1.2數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 數控機床的經濟分析 2 1.4 數控機床的發(fā)展趨向 3 第2章 數控機床總體方案的制訂及比較 4 2.1 總體方案設計內容 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科學選擇數控刀具 6 3.1.1選擇數控刀具的原則 6 3.1.2選擇數控車削用刀具 7 3.2 設置刀點和換刀點 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 Φ430mm傳動系統(tǒng)圖的設計 9 4.1主傳動系統(tǒng)的設計要求 9 4.2總體設計 9 4.2.1 擬定傳動方案 9 4.2.2 選擇電機 11 4.2.3 主運動調速范圍的確定、計算各軸計算轉速、功率和轉矩 14 4.2.4 轉速圖 15 4.3傳動皮帶的設計和選定 16 4.3.1 同步帶傳動設計 16 4.4軸系部件的結構設計 19 4.4.1 I軸結構設計 19 4.4.2 II軸結構設計 22 4.4.3電磁摩擦離合器的計算和選擇 28 第5章 數控車床的六角回轉刀架的設計原理 29 5.1數控車床的六角回轉刀架的換刀工程 29 5.2數控車床的六角回轉刀架的設計要求 31 5.3數控車床的六角回轉刀架的機構設計中的幾個主要問題 31 5.4本章小結 31 第6章 數控車床的六角回轉刀架的機構設計 32 6.1數控車床的六角回轉刀架的分度機構結構設計 32 6.1.1分度機構結構設計的總思路 32 6.1.2分度機構的刀架主軸設計 32 6.1.3主活塞的設計 34 6.1.4端齒盤離合器的設計 38 6.1.5分度活塞的設計 45 6.2精定位機構——活動插銷機構設計 46 6.2.1定位原理、設計思路 46 6.2.2材料選擇 47 6.2.3活動插銷機構的結構設計 47 6.2.4插銷機構的公差帶設計 48 6.2.5對插銷軸進行校核 49 6.2.6校核結論 50 6.3 刀夾襯套的設計簡述 51 第7章 微機數控系統(tǒng)的設計 52 7.1 微機數控系統(tǒng)的設計綱要 52 7.1.1 硬件電路設計 52 7.1.2 軟件電路設計 53 7.2 8031單片機及其擴展 53 7.2.1 8031單片機的簡介 53 7.2.2 8031單片機的系統(tǒng)擴展 54 7.2.3 存儲器擴展 56 7.2.4 I/O口的擴展 58 7.2.5 步進電機驅動電路 59 7.2.6 脈沖分配器（環(huán)行分配器） 60 7.2.7 光電隔離電路 60 7.2.8 功率放大器 60 7.2.9 其他輔助電路 61 結 論 63 致 謝 64 參考文獻 65 67 第1章 數控機床發(fā)展概述 1.1數控機床及其特點 隨著數控技術的發(fā)展，采用數控系統(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。 數控機床主要由數控裝置、伺服機構和機床主體組成。輸入數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，或由數控裝置的鍵盤直接手動輸入。 1.2數控機床的工藝范圍及加工精度 1.2.1工藝范圍 數控車床是一種高精度、高效率的自動化機床，也是使用數量最多的數控機床，約占數控機床總數的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復雜的軸類、盤類等回轉體零件的加工，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 由于數控車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補功能，有些數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.精度要求高的回轉體零件 由于數控車床剛性好，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體零件 數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.輪廓形狀特別復雜和難于控制尺寸的回轉體零件 由于數控車床具有直線和圓弧插補功能，部分車床數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雜或難于控制尺寸的的回轉體零件。 4.帶特殊螺紋的回轉體零件 普通車床所能車削的螺紋類型相當有限，它只能車等導程的直、錐面公、英制螺紋，而且一臺車床只能限定加工若干導程的螺紋。而數控車床不但能車削任何等導程的直、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 數控機床的經濟分析 　近幾年，隨著國民經濟快速穩(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，這其中領先當今機械制造技術水平的數控機床產業(yè)更勝一籌。 　　由于數控設備的先進性、復雜性和發(fā)展的迅速性,以及品種型號、檔次的多樣性,決定了選用數控設備的復雜性和難度。如何從品種繁多、價格昂貴的產品中選擇適用的設備, 成為中小型企業(yè)十分關心的問題。 數控車床是一種高精度、高效率的自動化機床，也是使用數量最多的數控機床，約占數控機床總數的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復雜的軸類、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。 由于數控車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補功能，有些數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、輪廓形狀特別復雜和難于控制尺寸的零件 由于數控車床具有直線和圓弧插補功能，部分車床數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有限，它只能車等導程的直、錐面公、英制螺紋，而且一臺車床只能限定加工若干導程的螺紋。而數控車床不但能車削任何等導程的直、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 數控機床的發(fā)展趨向 數控機床是由美國發(fā)明家約翰·帕森斯上個世紀發(fā)明的。隨著電子信息技術的發(fā)展，世界機床業(yè)已進入了以數字化制造技術為核心的機電一體化時代，其中數控機床就是代表產品之一。數控機床是制造業(yè) 的加工母機和國民經濟的重要基礎。它為國民經濟各個部門提供裝備和手段，具有無限放大的經濟與社會效應。 技術發(fā)展趨勢： 高速、精密、復合、智能和綠色是數控機床技術發(fā)展的總趨勢，近幾年來，在實用化和產業(yè)化等方面取得可喜成績。主要表現(xiàn)在： 1.機床復合技術進一步擴展隨著數控機床技術進步，復合加工技術日趨成熟，包括車-車復合、車車復合、車-鏜-鉆-齒輪加工等復合，車磨復合，成形復合加工、特種復合加工等，復合加工的精度和效率大大提高。“一臺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，復合加工機床發(fā)展正呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢。 2．數控機床的智能化技術有新的突破，在數控系統(tǒng)的性能上得到了較多體現(xiàn)。如：自動調整干涉防 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習功能、高精度加工零件智能化參數選用功能、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。 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線已經開始應用。 4．精密加工技術有了新進展數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、化學等能源的特種加工精度可達到納米級（0.001μm）。通過機床結構設計優(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，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，并取得成熟的應用。全數字交流伺服電機和驅動裝置，高技術含量的電主軸、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用，極大的提高數控機床的技術水平。 第2章 數控機床總體方案的制訂及比較 2.1 總體方案設計內容 數控機床可以較好的解決形狀復雜、精密多品種及中小批零件的加工問題，能夠穩(wěn)定加工質量和提高生產率，隨著制造技術向自動化、柔性化方向的發(fā)展，當前機床的數控化率已經成為衡量一個國家制造工業(yè)水平的重要標志。 機床的數控化設計一般是指對現(xiàn)有某臺普通車床的某些部位做一定的改裝，配上經濟型數控裝置或標準型數控數控系統(tǒng)，從而使原機床具有數控加工能力。這種技術工作有其獨特的特點。 機床的數控設計，主要是對原有機床的結構進行創(chuàng)造性的設計，最終使機床達到比較理想的狀態(tài)。數控車床是機電一體化的典型代表，其機械結構同普通的機床有相似之處。然而，現(xiàn)代的數控機床不是簡單將傳統(tǒng)機床配備上數控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機床的基礎上，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，難以勝任數控機床對加工精度，表面質量，生產率以及使用壽命等要求。現(xiàn)代機床的部件結構，整體布局，外部造型都已經形成了數控機床獨特的機械部件。因此，我們在對數控機床進行數控設計的過程中，應在考慮各種情況下，使普通機床的各項性能指標盡可能的 與數控機床相接近。 機床的設計主要應具備兩個條件1.機床基礎件必須有足夠的剛度2.改裝的費用要合適，經濟性好。改裝前要對機床的性能指標做出決定，改裝后其各項指標能達到數控加工的要求。 機械部分數控化設計需涉及電機的選擇、工作臺進給結構、傳動比分配與計算等方面的內容。 1伺服驅動元件 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，結構簡單可靠，壽命長。橫垂直進給電機均選用同一型號以便于設計和日后維修。脈沖當量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。 接到一個數控裝置的設計任務以后，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設計參數和結構，然后再分別對機械部分和電氣部分進行設計。 機床數控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內容：系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構的結構及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內容。 一般應根據設計任務和要求提出數個總體方案，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)。 經濟型數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)主要由步進電機驅動。這類機床工作比較穩(wěn)定，反應迅速，調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 由于改造后的經濟型數控機床應具備定位，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，故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]達到屬于經濟型數控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 2.2.2 數控系統(tǒng) 根據機床要求，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)，顯示器采用數碼管顯示加工數據及機床狀態(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，采用預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結構。 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科學選擇數控刀具 3.1.1選擇數控刀具的原則 選擇刀具壽命時可考慮如下幾點根據刀具復雜程度、制造和磨刀成本來選擇。復雜和精度高的刀具壽命應選得比單刃刀具高些。對于機夾可轉位刀具，由于換刀時 間短，為了充分發(fā)揮其切削性能，提高生產效率，刀具壽命可選得低些，一般取15-30min。對于裝刀、換刀和調刀比較復雜的多刀機床、組合機床與自動化 加工刀具，刀具壽命應選得高些，尤應保證刀具可靠性。車間內某一工序的生產率限制了整個車間的生產率的提高時，該工序的刀具壽命要選得低些當某工序單位時 間內所分擔到的全廠開支M較大時，刀具壽命也應選得低些。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整 方便，這樣來滿足數控機床高效率的要求。數控機床上所選用的刀具常采用適應高速切削的刀具材料(如高速鋼、超細粒度硬質合金)并使用可轉位刀片。 刀具壽命與切削用量有密切關系。在制定切削用量時，應首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應根據優(yōu)化的目標而定。一般分最高生產率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種，前者根據單件工時最少的目標確定，后者根據工序成本最低的目標確定。 3.1.2選擇數控車削用刀具 在數控加工中，車削平面零件內外輪廓 及車削平面常用平底立車刀，該刀具有關參數的經驗數據如下:一是車刀半徑RD應小于零件內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，數控機床上大多使用系列化、標準化刀具，對可轉 位機夾外圓車刀、端面車刀等的刀柄和刀頭都有國家標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準化的規(guī)定，如錐柄刀 具系統(tǒng)的標準代號為TSG-JT，直柄刀具系統(tǒng)的標準代號為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據， 并由操作者將這些數據輸入數據系統(tǒng)，經程序調用而完成加工過程，從而加工出合格的工件。 3.2 設置刀點和換刀點 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。對刀點設置原則 是:便于數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。對刀點可以設置在加工零件上，也可以設置在夾具上或機床上，為了提 高零件的加工精度，對刀點應盡量設置在零件的設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，應規(guī)定換刀點。所謂“換刀點”是指刀架轉動換刀時的位置，換刀點應設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 度提高生產率，降低成本。 3.3.1確定主軸轉速 主軸轉速應根據允許的切 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。計算的主軸轉速n，最后要選取機床有的或較接近的轉速。 3.3.2確定進給速度 進給速度是數控機床切削用量中的重要參數，主要根據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:當工件的質量要求能夠得到保證時，為提高生產效率，可選擇較高的進給速度。一般在100一200mm/min范圍內選取; 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范圍內選取;當加工精度，表面粗糙度要求高時，進給速度應選 小些，一般在20--50mm/min范圍內選取;刀具空行程時，特別是遠距離“回零”時，可以設定該機床數控系統(tǒng)設定的最高進給速度。 3.3.3 確定背吃刀量 背吃刀量根據機床、工件和刀具的剛度來決定，在剛度允許的條件下，應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，提高生產效率。為了保 證加工表面質量，可留少量精加工余量，一般0.2一0.5mm,總之，切削用量的具體數值應根據機床性能、相關的手冊并結合實際經驗用類比方法確定。同時，使主軸轉速、切削深度及進給速度三者能相互適應，以形成最佳切削用量。 切削用量不僅是在機床調整前必須確定的重要參數，而且其數值合理與否對加工質量、加工效率、生產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)，在保證質量的前提下，獲得高的生產率和低的加工成本的切削用量。 第4章 Φ430mm傳動系統(tǒng)圖的設計 Φ430mm的數控車床，床身最大回轉直徑￠430mm，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)的主要參數有動力參數和運動參數。動力參數是指主運動驅動電動機的功率；運動參數是指主運動變速范圍。根據數控車床的加工工藝、加工對象、所要求的精度、成本及生產周期并結合國內外機床發(fā)展現(xiàn)狀確定數控車床主要技術指標。 4.1主傳動系統(tǒng)的設計要求 數控系統(tǒng)的主軸系統(tǒng)除了應滿足普通機床主傳動要求外，還提出以下要求： 1、具有更大的調速范圍，并實現(xiàn)無級調速; 2、具有較高的精度和剛度、傳動平穩(wěn)，噪聲低; 3、良好的抗振性和熱穩(wěn)定性. 4.2總體設計 4.2.1 擬定傳動方案 數控機床需要自動換刀、自動變速；且在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時，需要切削直徑的變化,主軸必須通過自動變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動變速又是無級變速，以利于在一定的調速范圍內選擇理想的切削速度，這樣有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。無級調速有機械、液壓和電氣等多種形式，數控機床一般采用由直流或交流調速電動機作為驅動源的電氣無級變速。由于數控機床的主運動的調速范圍較大（），單靠調速電機無法滿足這么大的調速范圍，另一方面調速電機的功率扭矩特性也難于直接與機床的功率和轉矩要求相匹配。因此，數控機床主傳動變速系統(tǒng)常常在無級變速電機之后串聯(lián)機械有級變速傳動，以滿足機床要求的調速范圍和轉矩特性。 為簡化主軸箱結構，本方案僅采用二級機械變速機構，運動方案如圖2.1： 有級變速的自動變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種。 液壓變速機構是通過液壓缸、活塞桿帶動撥叉推動滑移齒輪移動來實現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪則必須使用兩個液壓缸（差動油缸）實現(xiàn)三位移動。液壓撥叉變速是一種有效的方法，工作平穩(wěn)，易實現(xiàn)自動化。但變速時必須主軸停車后才能進行，另外，它增加了數控機床的復雜性，而且必須將數控裝置送來的電信號轉換成電磁閥的機械動作，然后再將壓力油分配到相應的液壓缸，因而增加了變速的中間環(huán)節(jié)，帶來了更多的不可靠因素。 圖4.1 主軸傳動圖 電磁離合器是應用電磁效應接通或切斷運動的元件，由于它便于實現(xiàn)自動操作，并有現(xiàn)成的系列產品可供選用，因而它已成為自動裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數控機床的主傳動時，能簡化變速機構，操作方便。通過若干個安裝在各傳動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實現(xiàn)主軸的變速。電磁離合器一般分為摩擦片式和牙嵌式[6]。 4.2.2 選擇電機 1、選擇電機應綜合考慮的問題 (1)根據機械的負載特性和生產工藝對電動機的啟動、制動、反轉、調速等要求，選擇電動機類型。 (2)根據負載轉矩、轉速變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機的溫升限制、過載能力額啟動轉矩，選擇電動機功率，并確定冷卻通風方式。所選電動機功率應留有余量，負荷率一般取0.8～0.9。 (3)根據使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護措施，選擇電動機的結構型式。 (4)根據企業(yè)的電網電壓標準和對功率因素的要求，確定電動機的電壓等級和類型。 (5)根據生產機械的最高轉速和對電力傳動調速系統(tǒng)的過渡過程的要求，以及機械減速機構的復雜程度，選擇電動機額定轉速。 此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價格、維護等等因素[11]。 2、電動機類型和結構型式的選擇 由于不同的機床要求不同的主軸輸出性能(旋轉速度，輸出功率，動態(tài)剛度，振動抑制等)，因此，主軸選用標準與實際使用需要是緊密相關的。總的來說，選擇主軸驅動系統(tǒng)將在價格與性能之間找出一種理想的折衷[9]。表1簡要給出了用戶所期望的主軸驅動系統(tǒng)的性能。下面將對各種交流主軸系統(tǒng)進行對比、分析。 表4.1 理想主軸驅動系統(tǒng)性能 項目 內容 高性能 低速區(qū)要有足夠的轉矩 寬恒功率范圍,并在高速范圍內保持一定轉矩 高旋轉精度 高動態(tài)響應 高加減速,起制動能力 具有強魯棒性,能適應環(huán)境條件和參數變化 高效率,低噪聲 低價格 低購買價格,低維護價格,低服務價格 通用要求 耐用性,可維護性,安全可靠性 感應電機交流主軸驅動系統(tǒng)是當前商用主軸驅動系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點幾個kW到上百kW，廣泛地應用于各種數控機床上。 經過對比分析本設計中決定采用VFNC系列變頻主軸電機。VFNC系列是高速、高精、高效的伺服系統(tǒng)，可實現(xiàn)機床的高速、高精控制，并使機床更緊湊。 3、電動機容量的選擇 選擇電動機容量就是合理確定電動機的額定功率。決定電動機功率時要考慮電動機的發(fā)熱、過載能力和起動能力三方面因素，但一般情況下電動機容量主要由運行發(fā)熱條件而定。電動機發(fā)熱與其工作情況有關。但對于載荷不變或變化不大，且在常溫下連續(xù)運轉的電動機（如本課題中的電動機），只要其所需輸出功率不超過其額定功率，工作時就不會過熱，可不進行發(fā)熱計算[8]，本設計中電機容量按以下步驟確定： （1）確定電機輸出動率Pd（） 傳動裝置的總效率 (2.2) 其中， ―同步帶輪傳動效率，由資料[12]，表2－4查得＝0.96； ―滾動軸承效率，由資料[12]，表2－4查得＝0.99； ―圓柱齒輪傳動效率，由資料[12]，表2－4查得＝98； 由此，=0.88 故， （3）選擇電動機額定功率 如前所述，電動機功率應留有余量，負荷率一般取0.8～0.9，所以電動機額定功率選取為5.5Kw。 （4）電動機電壓和轉速的選擇 由資料[10],表22－1－9，小功率電動機一般選為380V電壓。所以本電機的電壓可選為380V。 同一類型、功率相同的電動機具有多種轉速。一般而言，轉速高的電動機，其尺寸和重量小，價格較低，但會使傳動裝置的總傳動比、結構尺寸和重量增加。選用轉速低的電動機則情況相反。要綜合考慮電機性能、價格、車床性能要求等因素來選擇 [10] 。 本課題中數控機床的主軸的轉速范圍要求為25r/min~1250r/min。由于只有一根中間 傳動軸，傳動鏈較短，因此變速級數較少，故對電動機恒功率變速范圍以及整個變速范圍要求較高。同步帶輪傳動比確定為，I軸上齒輪傳動比確定為，II軸上兩對直齒輪的傳動比分別為，所以兩條傳動鏈中，高速傳動鏈傳動比4，低速傳動鏈傳動比，由此可得電機的轉速范圍： （5）確定電機的型號 由前面信息，可選取VFNC系列變頻主軸電機型號VFNC 132M-33.3-5.5-4。VFNC系列變頻主軸電機的特點：1. 雙功率設計，應對短時重載切削。2. 恒功率范圍寬，可實現(xiàn)1:6倍恒功率設計3. 導入基頻33.3Hz設計（是我司“基頻制設計原理”在機床主軸電機上的成功應用），達成低速力矩大，確保低速強力切削，超寬恒功率調速范圍，保障高速切削光潔度。 降低變頻器功率，節(jié)省成本和電源容量。 ?VFNC系列變頻主軸電機特別適合數控車床類機床的主軸驅動，配合高性能矢量變頻器或主軸驅動器，更能發(fā)揮其優(yōu)良的主軸特性，成為性能與經濟性具佳的數控車床類機床的變頻主軸驅動方案。電機參數如下表所示： 表2.2 電機參數 型號 S1-100%連續(xù)額定 S6-50% ED 轉動慣量G （） 恒轉矩范圍 恒功率范圍 額定功率Kw 額定電流A 額定轉矩Nm 額定功率Kw 額定電流A 額定轉矩Nm 0.0524 1-33.3Hz， 30~1000r/min S1-100%, 1000~6000 r/min S6-50%, 1000~4500 r/min VFNC 132M-33.3-5.5-4 5.5 14.1 54 5.5 19.2 74 機座長為470mm，電機軸徑為，軸伸為60mm，中心高115mm，其余安裝尺寸及其外形由資料[7]得。 4.2.3 主運動調速范圍的確定、計算各軸計算轉速、功率和轉矩 主運動調速范圍的確定 （本小節(jié)公式除非特別說明，均出自資料[12]） ∵數控車床主軸轉速范圍25～1250r/min 則數控車床總變速范圍 =50 估算主軸的計算轉速，由于采用的是無級調速，所以采用以下的公式： (2.3) 因為數控機床主軸的變速范圍大于計算轉速的實際值同時為了便于計算 故取： 主軸的恒功率變速范圍 電機的恒功率變速范圍 由于Rnp>>Rdp，電動機直接驅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速范圍。 取，則對于數控車床，為了加工端面時滿足恒線速度切削的要求，應使轉速有一些重復，故取Z=2 故前面?zhèn)鲃颖确峙淇扇　? 各軸計算轉速 各軸輸入功率 各軸輸入轉矩 將以上計算結果整理后列于表2.2，供以后計算選擇，供以后計算使用： 表2.3 各軸的傳動參數 參數 軸 0軸（電機軸） I軸(傳動軸） II軸（中間傳動軸） III軸（主軸) 計算轉（） 1000 416.7 208 104/416.7 輸入功率（Kw） 5.5 5.28 5.12 4.79 轉矩（） 54 121 235 456.4/114 傳動比 ， 4.2.4 轉速圖 由電機的轉速范圍(包括恒功率變速范圍)和各軸傳動比,作數控車床的轉速圖, 見圖4-2. 圖4.2 轉速圖 4.3傳動皮帶的設計和選定 （如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[14]） 帶傳動是由帶和帶輪組成傳遞運動和動力的傳動。根據工作原理可分為兩類：摩擦帶傳動和嚙合帶傳動。摩擦帶傳動是機床主要傳動方式之一，常見的有平帶傳動和同步帶傳動；嚙合傳動只有同步帶一種。 普通同步帶傳動是常見的帶傳動形式，其結構為：承載層為繩芯或膠簾布，楔角為40°、相對高度進似為0.7、梯形截面環(huán)行帶。其特點為：當量摩擦系數大，工作面與輪槽粘附著好，允許包角小、傳動比大、預緊力小。繩芯結構帶體較柔軟，曲撓疲勞性好。其應用于：帶速V≤25～30m/s;傳動功率P＜700kW;傳動比i≤10軸間距小的傳動。 一．主要失效形式 1．帶在帶輪上打滑，不能傳遞動力； 2．帶由于疲勞產生脫層、撕裂和拉斷； 3．帶的工作面磨損。 保證帶在工作中不打滑的前提下能傳遞最大功率，并具有一定的疲勞強度和使用壽命是同步帶傳動設計的主要依據，也是靠摩擦傳動的其它帶傳動設計的主要依據。 4.3.1 同步帶傳動設計 (1)設計功率的確定： 由表8-7查得工況系數 (2) 選定帶型： 根據和由圖8-10確定選用A型。 確定帶輪的基準直徑并驗算帶速傳V： 1>初選帶輪的基準直徑由表8-6和表8-8確定： 取小帶輪直徑=125mm 2>驗算帶速V： 因為5m/s計算大帶輪的基準直徑。 =i?=2.4×125=300mm 根據表8-8圓整為=315mm 確定同步帶的中心距a和基準長度Ld 1>初定帶輪距 得： 即: 初取 2>計算帶所需的基準長度： 由表8-2選帶的基準長度Ld=1800mm 3>計算實際中心距： 安裝時所需最小軸間距： 張緊或補償伸長所需最大軸間距： (5)驗算小帶輪包角： 所以小帶輪包角合適。 (6)計算帶的根數Z。 1>單根同步帶的基本額定功率： 根據dd1和=1000r/min查表8-4a得基本額定功率=1.428Kw。 再根據=1000r/min、i=2.4和A型帶查表8-4b得Δ=0.12Kw 查表8-5得： 2>計算帶的根數z。 取 根。 計算單根同步帶的初拉力的最小值： 應使帶的實際初拉力 計算壓軸力 壓軸力的最小值為： (9)帶輪的結構和尺寸： 由表8-10可查得 為了減輕傳動軸上載荷，采用卸荷式帶輪結構，使帶輪上的載荷由軸承支撐進而傳給箱體，軸只承受轉矩，裝配裝置參見裝配圖。 4.4軸系部件的結構設計 4.4.1 I軸結構設計 （如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[14]） I軸上的零件主要是齒輪1。一端用凸臺定位,另一端用緊定螺釘定位。 1.選定齒輪類型,精度等級,材料及齒數. 根據選定的傳動方案,選用直齒圓柱齒輪傳動. （1）本次設計屬于金屬切削機床類,一般齒輪傳動,故選用6級精度. （2）材料選擇.由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr(調質),硬度為280HBS,大齒輪材料為45鋼(調質)硬度為240HBS,二者材料硬度差為40HBS. （3）選小齒輪齒數大齒輪齒數 2.按齒面接觸強度設計 由設計計算公式(10-9a)進行試算,即： (2.5) 確定公式內的各計算數值 （1）試選載荷系數 （2）計算小齒輪傳遞的轉矩 由上文可知為121N/m （3）由表10-7選取齒寬系數 （4）由表10-6查得材料的彈性影響系數 （5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限大齒輪的接觸疲勞強度極限; （6）由式10-13計算應力循環(huán)次： (2.6) （7）由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數 （8）計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為1%，安全系數S=1，由式（10-12）得： (2.7) 2）計算 （1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值： (2.8) （2）計算圓周速度： (2.9) （3）計算齒寬： (2.10) （4）計算齒寬與齒高之比： 模數 (2.11) 齒高 (2.12) (2.13) （5）計算載荷系數 根據，6級精度，由圖10-8查得動載系數； 直齒輪，假設。由表10-3查得； 由表10-2查得使用系數； 由表10-4查得6級精度，小齒輪懸臂支承時： (2.14) 將數據代入得： ； (2.15) 由，查圖10-13得；故載荷系數： (2.16) （6）按實際的載荷系數校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）得： (2.17) （7）計算模數： (2.18) 3.按齒根彎曲強度設計： 由式（10-5）得彎曲強度的設計公式為： (2.19) 1）確定公式內的各計算數值 （1）由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲疲勞強度極限； （2）由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數，； （3）計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數S=1.4，由式（10-12）得： (2.20) （4）計算載荷系數K： (2.21) （5）查取齒形系數 由表10-5查得；。 （6）查取應力校正系數 由表10-5查得；。 （7）計算大小齒輪的并加以比較： (2.22) 大齒輪的數值大。 2）設計計算： 對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數，由于齒輪模數的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數與齒數的乘積）有關，可取由彎曲疲勞強度算得的模數2.31并就近圓整為標準值m=2.5，按接觸強度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數： 大齒輪齒數 這樣設計出的齒輪傳動，即滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。 4.幾何尺寸計算 1）計算分度圓直徑： 2）計算中心距： 3）計算齒輪寬度： 取。 5.驗算： ，合適。 4.4.2 II軸結構設計 （如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[14]） 1.軸的支承形式 該軸不受或只受極小的軸向力，而右端所受徑向力矩明顯高于左端，故左端選用深溝球軸承，而右端選用一對角接觸球軸承背靠背安裝，如圖所示： 圖4.4 中間軸的支承形式 2.軸上零件的軸向定位 II軸上的主要零件主要有三對直齒圓柱齒輪及其中兩直齒圓柱齒輪對應的電磁離合器。滾子軸承的左端靠在端蓋上，右端用軸肩定位。與電機軸上齒輪相嚙合的齒輪左端用圓螺母固定,右端用軸肩定位.另外兩齒輪所對應的電磁離合器位于它們中間，相互緊靠，兩齒輪的另兩端用螺釘鎖緊擋圈定位。軸右端的軸承左邊利用軸肩定位，右端用一摔油盤（有套筒的作用）和圓螺母進行定位。 （1）軸的選材和最小直徑得確定 軸的材料選擇為：45號鋼（調質處理）。 軸的最小尺寸，由式（15－2）， 式中，由表15－3，可取得110，故： ?。?5mm。由于取值較計算值大的多，所以不用再按彎扭合成強度條件計算和進行疲勞強度校合。 軸的零件圖如圖2-5. 圖4.5 中間軸零件圖 （2）齒輪的設計 齒輪1和2的直徑相差較大，對齒輪1（小齒輪）在模數和選材及熱處理方面要求較高，所以首先進行該對齒輪的設計。 1.選定齒輪的精度等級和材料，初選齒數 ①本數控機床的運行速度較高，精度等級選擇6級精度； ②由表10－1，小齒輪材料選擇為40，調質后表面淬火，硬度為280HBS；大齒輪材料選擇為45鋼，調制后表面淬火，硬度為240HBS。 ③小齒輪的齒數初選為＝24，＝ ＝24×2=48 2.按齒面接觸強度進行設計 按式（10－9）試算： 確定公式內的各計算值： ①初選載荷系數Kt＝1.6； ②計算小齒輪傳遞的轉矩 由前文可知小齒輪傳遞的轉矩為235; ③由表10－7及其說明，可選定齒寬系數； ④由表10－6，查得材料的彈性影響系數＝189.8； ⑤由圖10－21d，按齒面接觸硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度＝650MPa；大齒輪的接