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畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
設(shè)計(jì)題目：Φ400mm數(shù)控車床總體設(shè)計(jì)及六角回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計(jì)
學(xué) 生
班 級(jí)
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)教師
繼 續(xù) 教 育 學(xué) 院
二零一二年十二月
摘 要
裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備 ,又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù) ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品 ,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，對(duì)于保證和提高被加工零件的精度，主要依靠?jī)煞矫鎭韺?shí)現(xiàn)：一是系統(tǒng)的控制精度；二是機(jī)床本身的機(jī)械傳動(dòng)精度。數(shù)控車床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)，由于必須對(duì)進(jìn)給位移的位置和速度同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。所以，數(shù)控車床與臥式車床相比應(yīng)具有有更好的精度．以確保機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性。
關(guān)鍵詞：車床，數(shù)控，傳動(dòng)系統(tǒng)
目 錄
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述 1
1.1數(shù)控機(jī)床 1
1.1.1數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) 1
1.1.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展簡(jiǎn)史 2
1.1.3數(shù)控機(jī)床的組成 3
1.2數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度 3
1.2.1工藝范圍 3
1.2.2加工精度 3
1.3數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析 4
1.4數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨向 4
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較 5
2.1總體方案設(shè)計(jì)要求 5
2.2總體設(shè)計(jì)方案的確定 5
2.2.1系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇 5
2.2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 6
2.2.3機(jī)械傳動(dòng)方式 6
第3章 確定切削用量及選擇刀具 6
3.1刀具選擇 6
3.2切削用量確定 7
3.3切削三要素 7
3.4加工精度和表面粗糙度 7
3.5刀具材料 10
第4章 傳動(dòng)系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì) 11
4.1 確定極限轉(zhuǎn)速 11
4.2 確定公比 11
4.3 求出主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)Z 11
4.4確定結(jié)構(gòu)網(wǎng)或結(jié)構(gòu)式 11
4.5繪制轉(zhuǎn)速圖 11
第5章 數(shù)控車床六角回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
5.1設(shè)計(jì)內(nèi)容和研究方法 13
5.2車床刀架的功能,類型和應(yīng)滿足的要求 14
5.2.1車床刀架的功能 14
5.2.2機(jī)床刀架的類型 15
5.2.3機(jī)床刀架應(yīng)滿足的要求 15
5.3數(shù)控車床刀架總體方案設(shè)計(jì)與選擇 17
5.3.1刀架的整體方案設(shè)計(jì) 17
5.3.2車床刀架的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 17
5.3.3刀架定位機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 18
5.4 車床刀架的工作原理 18
5.5刀架的設(shè)計(jì)計(jì)算 19
5.5.1 驅(qū)動(dòng)刀架的伺服電機(jī)的選擇計(jì)算 19
5.5.2 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 23
5.5.3 刀架主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 26
總 結(jié) 27
參考文獻(xiàn) 29
致 謝 30
31
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述
數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比,增加了功能,提高了性能,簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu).較好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批量及形狀多變零件的加工問題。能獲得穩(wěn)定的加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，其應(yīng)用越來越廣泛，但是數(shù)控的應(yīng)用也受到其他條件限制：（1）數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大，中小企業(yè)常是心有力而力不足；（2）目前，各企業(yè)都有大量的普通機(jī)床，完全用數(shù)控機(jī)床替換根本不可能，而且替代下的機(jī)床閑置起來又會(huì)造成浪費(fèi)；（3）在國內(nèi)，訂購新數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長(zhǎng)，往往不能滿足生產(chǎn)急需；（4）通用數(shù)控機(jī)床對(duì)某一類具體生產(chǎn)項(xiàng)目有多余功能。
要較好的解決上述問題，應(yīng)走通用機(jī)床數(shù)控改造之路。普通機(jī)床的改造就是在普通機(jī)床上增加微機(jī)數(shù)控裝置，使其具有一定的自動(dòng)化能力，以實(shí)現(xiàn)額定的加工工藝目標(biāo)。
機(jī)床數(shù)控化改造的優(yōu)點(diǎn)：（1）改造閑置設(shè)備，能發(fā)揮機(jī)床原有的功能和改造后的新增功能，提高了機(jī)床的使用價(jià)值，可以提高固定資產(chǎn)的使用效率；（2）適應(yīng)多品種、小批量零件生產(chǎn)；（3）自動(dòng)化程度提高、專業(yè)性強(qiáng)、加工精度高、生產(chǎn)效率高；（4）降低對(duì)工人的操作水平的要求；（5）數(shù)控改造費(fèi)用低、經(jīng)濟(jì)性好；（6）數(shù)控改造的周期短，可滿足生產(chǎn)急需。
目前機(jī)床數(shù)控化改造的市場(chǎng)在我國還有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國機(jī)床數(shù)控化率不到3％。用普通機(jī)床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長(zhǎng)，從而在國際、國內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展，所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。
對(duì)普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改為用微機(jī)控制的、能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；刀架改造成為能自動(dòng)換刀的回轉(zhuǎn)刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進(jìn)行切削加工。由于加工過程中的切削參數(shù)，切削次序和刀具都會(huì)按程序自動(dòng)調(diào)節(jié)和更換，再加上縱向和橫向進(jìn)給聯(lián)動(dòng)的功能，數(shù)控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件，并能實(shí)現(xiàn)多工序自動(dòng)車削，從而提高了生產(chǎn)效率和加工精度，也能適應(yīng)小批量多品種復(fù)雜零件的加工。
1.1數(shù)控機(jī)床
數(shù)字控制機(jī)床是用數(shù)字代碼形式的信息（程序指令），控制刀具按給定的工作程序、運(yùn)動(dòng)速度和軌跡進(jìn)行自動(dòng)加工的機(jī)床，簡(jiǎn)稱數(shù)控機(jī)床。
1.1.1數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)
數(shù)控機(jī)床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對(duì)象改變時(shí)只需要改變輸入的程序指令；加工性能比一般自動(dòng)機(jī)床高，可以精確加工復(fù)雜型面，因而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復(fù)雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效果。
隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床品種日益增多，有車床、車床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床和電火花加工機(jī)床等。此外還有能自動(dòng)換刀、一次裝卡進(jìn)行多工序加工的加工中心、車削中心等。
1.1.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展簡(jiǎn)史
1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制飛機(jī)螺旋槳葉片輪廓樣板的加工設(shè)備。由于樣板形狀復(fù)雜多樣，精度要求高，一般加工設(shè)備難以適應(yīng)，于是提出計(jì)算機(jī)控制機(jī)床的設(shè)想。1949年，該公司在美國麻省理工學(xué)院（MIT）伺服機(jī)構(gòu)研究室的協(xié)助下，開始數(shù)控機(jī)床研究，并于1952年試制成功第一臺(tái)由大型仿形車床改裝而成的三坐標(biāo)數(shù)控車床，不久即開始正式生產(chǎn)，于1957年正式投入使用。這是制造技術(shù)發(fā)展過程中的一個(gè)重大突破，標(biāo)志著制造領(lǐng)域中數(shù)控加工時(shí)代的開始。數(shù)控加工是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，這一發(fā)明對(duì)于制造行業(yè)而言，具有劃時(shí)代的意義和深遠(yuǎn)的影響。世界上主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家都十分重視數(shù)控加工技術(shù)的研究和發(fā)展。
當(dāng)時(shí)的數(shù)控裝置采用電子管元件，體積龐大，價(jià)格昂貴，只在航空工業(yè)等少數(shù)有特殊需要的部門用來加工復(fù)雜型面零件；1959年，制成了晶體管元件和印刷電路板，使數(shù)控裝置進(jìn)入了第二代，體積縮小，成本有所下降；1960年以后，較為簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的點(diǎn)位控制數(shù)控鉆床，和直線控制數(shù)控車床得到較快發(fā)展，使數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)各部門逐步獲得推廣。我國于1958年開始研制數(shù)控機(jī)床，成功試制出配有電子管數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，1965年開始批量生產(chǎn)配有晶體管數(shù)控系統(tǒng)的三坐標(biāo)數(shù)控車床。
1965年，出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠性提高，價(jià)格進(jìn)一步下降，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。60年代末，先后出現(xiàn)了由一臺(tái)計(jì)算機(jī)直接控制多臺(tái)機(jī)床的直接數(shù)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱DNC），又稱群控系統(tǒng)；采用小型計(jì)算機(jī)控制的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CNC）,使數(shù)控裝置進(jìn)入了以小型計(jì)算機(jī)化為特征的第四代。
1974年，研制成功使用微處理器和半導(dǎo)體存貯器的微型計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（簡(jiǎn)稱MNC），這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。第五代與第三代相比，數(shù)控裝置的功能擴(kuò)大了一倍，而體積則縮小為原來的1/20，價(jià)格降低了3/4，可靠性也得到極大的提高。
80年代初，隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能進(jìn)行人機(jī)對(duì)話式自動(dòng)編制程序的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機(jī)床上；數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高，具有自動(dòng)監(jiān)控刀具破損和自動(dòng)檢測(cè)工件等功能。
1.1.3數(shù)控機(jī)床的組成
數(shù)控機(jī)床通常由控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)用于數(shù)控機(jī)床的運(yùn)算、管理和控制，通過輸入介質(zhì)得到數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋和運(yùn)算并對(duì)機(jī)床產(chǎn)生作用；伺服系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)的指令驅(qū)動(dòng)機(jī)床，把來自數(shù)控裝置的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)指令，使刀具和零件執(zhí)行數(shù)控代碼規(guī)定的運(yùn)動(dòng)；檢測(cè)系統(tǒng)則是用來檢測(cè)機(jī)床執(zhí)行件(工作臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)、滑板等)的位移和速度變化量，并將檢測(cè)結(jié)果反饋到輸入端，與輸入指令進(jìn)行比較，根據(jù)其差別調(diào)整機(jī)床運(yùn)動(dòng)；機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)是由進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)元件至機(jī)床執(zhí)行件之間的機(jī)械進(jìn)給傳動(dòng)裝置；輔助系統(tǒng)種類繁多，如：固定循環(huán)(能進(jìn)行各種多次重復(fù)加工)、自動(dòng)換刀(可交換指定刀具)、傳動(dòng)間隙補(bǔ)償償機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的間隙誤差)等等。
1.2數(shù)控機(jī)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(dòng)化機(jī)床，也是使用數(shù)量最多的數(shù)控機(jī)床，約占數(shù)控機(jī)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(dòng)完成園柱面、圓錐面、圓弧面和各種螺紋的切削加工，并能進(jìn)行切槽、鉆孔、擴(kuò)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(bǔ)功能，有些數(shù)控車床還具有非圓曲線插補(bǔ)功能以及加工過程中具有自動(dòng)變速功能等特點(diǎn)，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(duì)刀精度高，以及能方便和精確地進(jìn)行人工補(bǔ)償和自動(dòng)補(bǔ)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(jìn)給量，要求小的部位選用小的進(jìn)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(bǔ)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(bǔ)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(tái)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(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析
將普通機(jī)床改造成數(shù)控機(jī)床,是許多機(jī)械生產(chǎn)廠家在沒有大量資金投入的情況下所走的設(shè)備技術(shù)改造之路1經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床改造方案不同1得到的經(jīng)濟(jì)效益也不同1針對(duì)常德紡織機(jī)械廠提出的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床改造的技措任務(wù),結(jié)合其它廠家以往數(shù)控車床改造的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),我們開展了深入細(xì)致的調(diào)研工作,特別是對(duì)沈陽第一機(jī)床廠的數(shù)控車床進(jìn)行了熟悉了解析經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床改造的價(jià)值效益.
1.4數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨向
4月19日從第七屆中國國際機(jī)床展獲悉，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展也越來越快，數(shù)控機(jī)床也正朝著高性能、高精度、高速度、高柔性化和模塊化方向發(fā)展。高性能：隨著數(shù)控系統(tǒng)集成度的增強(qiáng)，數(shù)控機(jī)床也實(shí)現(xiàn)多臺(tái)集中控制，甚至遠(yuǎn)距離遙控。高精度：數(shù)控機(jī)床本身的精度和加工件的精度越來越高，而精度的保持性要好。高速度：數(shù)控機(jī)床各軸運(yùn)行的速度將大大加快。高柔性：數(shù)控機(jī)床的柔性化將向自動(dòng)化程度更高的方向發(fā)展，將管理、物流及各相應(yīng)輔機(jī)集成柔性制造系統(tǒng)。模塊化：數(shù)控機(jī)床要縮短周期和降低成本，就必然向模塊化方向發(fā)展，這既有利于制造商又有利于客戶。我國近幾年數(shù)控機(jī)床雖然發(fā)展較快，但與國際先進(jìn)水平還存在一定的差距，主要表現(xiàn)在：可靠性差，外觀質(zhì)量差，產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)，應(yīng)變能力差。為了縮小與世界先進(jìn)水平的差距，有關(guān)專家建議機(jī)床企業(yè)應(yīng)在以下6個(gè)方面著力研究：
1．加大力度實(shí)施質(zhì)量工程，提高數(shù)控機(jī)床的無故障率。
2．跟蹤國際水平，使數(shù)控機(jī)床向高效高精方面發(fā)展。
3．加大成套設(shè)計(jì)開發(fā)能力上求突破。
4．發(fā)揮服務(wù)優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大市場(chǎng)占有率。
5．多品種制造，滿足不同層次的用戶。
6．模塊化設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)周期，快速響應(yīng)市場(chǎng)。數(shù)控機(jī)床使用范圍越來越大，國內(nèi)國際市場(chǎng)容量也越來越大，但競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)加劇，我們只有緊跟先進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的大方向，并不斷創(chuàng)新，才能趕超世界先進(jìn)水平。
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較
2.1總體方案設(shè)計(jì)要求
總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計(jì)算機(jī)的選擇，以及傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。
（1）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位、縱向和橫向的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能，還要求能暫停，進(jìn)行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。
（2）經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。
（3）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟(jì)性要求，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般采用8位微機(jī)。在8位微機(jī)中，MCS—51系列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、具有很高的性價(jià)比，因此，可選MCS—51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。
（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，此外，系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。
（6）縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動(dòng)比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的分辨率。
（7）為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)，以提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機(jī)構(gòu)。
（8）采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。
2.2總體設(shè)計(jì)方案的確定
2.2.1系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇
考慮到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本容易調(diào)試和維護(hù)，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床應(yīng)選用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
根據(jù)機(jī)床要求采用8位微機(jī)。由于MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，決定采用MCS-51系列的80C31單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤、顯示器，I/O接口及光隔離電路，步進(jìn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。
2.2.3機(jī)械傳動(dòng)方式
為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)給絲杠。為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，應(yīng)盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)載的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。
第3章 確定切削用量及選擇刀具
3.1刀具選擇
（一）刀具選擇：
銑平面：硬質(zhì)合金端銑刀或立銑刀，盡是采用二次走刀。
凸臺(tái)、凹槽、箱口面：立銑刀。
毛坯表面或粗加工孔：鑲硬質(zhì)合金刀片的玉米銑刀（粗皮刀）。
立體型面和變斜角輪廓外形：球刀、環(huán)形刀、錐形刀、盤形刀。
（二）原則：
安裝調(diào)整方便、剛性好、耐用和精度高。盡是用較短刀柄，保證剛性。
（三）排序原則
減少刀具數(shù)量；
裝夾一次，盡是加工完；
即使刀具規(guī)格相同，粗、精加工刀具分開；
先銑后鉆；
精加工，先曲面后二維輪廓；
盡可能自動(dòng)換刀。
3.2切削用量確定
粗：效率；半精、精：質(zhì)量、兼顧效率。
1、主軸轉(zhuǎn)速n：根據(jù)線速度v確定：π
V= (端銑：150m/min；周銑：30m/min)
2、切深t：最好是t等于加工余量。
3、切寬L：與刀具直徑成正比，與切深成反比。
L＝0.6－0.9d
粗加工：大切深、大進(jìn)給、低切速。
精加工：小切深、小進(jìn)給、高切速。
3.3切削三要素
主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、進(jìn)給速度。少切削，快進(jìn)給。
3.4加工精度和表面粗糙度
1、加工精度：尺寸精度、形狀精度、位置精度。
（1）尺寸精度：公差與配合國家標(biāo)準(zhǔn)（GB1800－1804-97）。IT01、IT0、IT1、IT2……IT18。
新公差等級(jí)與舊公差等級(jí)的對(duì)照及應(yīng)用
新公差等級(jí)
舊精度等級(jí)
加工方法
應(yīng)用
軸
孔
IT01－IT2
無
研磨
用于量塊、量?jī)x制造
IT3－IT4
研磨
用于精密儀表、精密機(jī)件的光整加工
IT5
1
無
研磨、珩磨、精磨、精鉸、精拉
用于一般精密配合。IT7－IT6在機(jī)床和較精密的機(jī)器、儀器制造中用得最為普遍
IT6
2
1
IT7
3
2
磨削、拉削、鉸孔、精銑、精鏜、精銑、粉末冶金
IT8
3－4
IT9
4
銑、鏜、銑、刨、插
用于一般要求。主要用于長(zhǎng)度尺寸的配合外，如鍵和鍵槽的配合
IT10
5
IT11
6
粗銑、粗鏜、粗銑、粗刨、插、鉆、沖壓、壓鑄
用于不重要的配合。IT12－IT13也用于非配合
IT12－IT13
7
IT14
8
沖壓、壓鑄
用于非配合
IT15－IT18
9－12
鑄、鍛、焊、氣割
?。?）形狀精度：零件上的線、面要素的實(shí)際形狀相對(duì)于理想形狀的準(zhǔn)確程度。
國家標(biāo)準(zhǔn)（GB1182－1184-80）規(guī)定了六項(xiàng)形狀公差：直線度、平面度、圓度、圓柱度、線輪廓度、面輪廓度。
?。?）位置公差：零件上點(diǎn)、線、面要素的實(shí)際位置相對(duì)于理想位置的準(zhǔn)確程度。
國家標(biāo)準(zhǔn)（GB1182－1184-80）規(guī)定了八項(xiàng)位置公差：
定向：平行度、垂直度、傾斜度。
定位：同軸度、對(duì)稱度、位置度。
跳動(dòng)：圓跳動(dòng)、全跳動(dòng)。
2、表面粗糙度：表面上微小峰谷高低程度。國家標(biāo)準(zhǔn)（GB3503-83、GB1031－83、GB131-83）
輪廓算術(shù)平均偏差：
Ra＝ 或近似于Ra＝
微觀不平十點(diǎn)高度：
Rz＝(+)
在常用數(shù)值范圍內(nèi)（Ra＝0.25－6.3μm，Rz＝0.1－25μm），在圖樣上應(yīng)優(yōu)先選用Ra。
表面粗糙度Ra、Rz允許值及加工方法表
表面要求
表面特征
Ra(μm)
Rz(μm)
加工方法
舊國際光潔度級(jí)別代號(hào)
第1系列
第2系列
第1系列
第2系列
不
加
工
毛坯表面清除毛刺
1600
∽
1250
1000
800
400
500
100
400
粗
加
工
明顯可見的刀紋
80
320
粗銑
粗銑
粗刨
鉆
粗銼
▽1
40
250
50
200
可見刀紋
40
160
▽2
32
125
25
100
微見刀紋
20
80
▽3
16.0
40
12.5
50
半
精
加
工
可見加工痕跡
10
40
半精銑
精銑
精銑
精刨
粗磨
▽4
8
32
6.3
25
微見加工痕跡
5
20
▽5
4
16
3.2
12.5
不見加工痕跡
2.5
10
▽6
2
8
1.6
精
加
工
可辨加工痕跡的方向
1.25
6.3
精鉸
刮
精拉
精磨
▽7
1.00
5
0.8
4
微辨加工痕跡的方向
0.40
3.2
▽8
0.5
2.5
0.4
2.0
不辨加工痕跡的方向
0.32
1.6
▽9
0.25
1.25
0.2
1.00
精
密
加
工
暗光澤面
0.16
0.80
精密磨削
珩磨
研磨
超精加工
拋光
▽10
0.125
0. 40
0.1
0.50
亮光澤面
0.080
0.40
▽11
0.040
0.32
0.05
0.25
鏡狀光澤面
0.040
0.20
▽12
0.032
0.16
0.025
0.125
霧狀光澤面
0.020
0.10
▽13
0.016
0.080
0.012
0.040
鏡面
0.010
0.050
鏡面磨削
研磨
▽14
0.008
0.040
0.025
0.032
3.5刀具材料
碳素工具鋼T10A、T12A：HRC60-64,200 -250℃，V＜8m/min。
合金工具鋼CrWMn、9SiCr：350-400℃，V＜10m/min。
高速鋼W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2：HRC62-67，550-600℃，V＜30m/min；
110W1.5Mo9.5Cr4Vco8、W6Mo5Cr4V2Al：HRC68-70，＞600℃
4、硬質(zhì)合金：HRA89-93（HRC74-82），850-1000℃，V＝100-300m/min。
另外，還有新型硬質(zhì)合金、陶瓷材料、人造金剛石、立方氮化硼等。
第4章 傳動(dòng)系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)
根據(jù)任務(wù)書要求，Φ400mm數(shù)控車床調(diào)速范圍：10/1400r·min-1
4.1 確定極限轉(zhuǎn)速
已知主軸最低轉(zhuǎn)速nmin為10mm/s,最高轉(zhuǎn)速nmax為1400mm/s，轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍為 Rn=nmax/nmin=14
4.2 確定公比
選定主軸轉(zhuǎn)速數(shù)列的公比為φ＝1.26
4.3 求出主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)Z
Z=lgRn/lgφ+1= lg14/lg1.12+1=24
4.4確定結(jié)構(gòu)網(wǎng)或結(jié)構(gòu)式
24=2×3×2×2
4.5繪制轉(zhuǎn)速圖
（1）選定電動(dòng)機(jī)
一般金屬切削機(jī)床的驅(qū)動(dòng)，如無特殊性能要求，多采用Y系列封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)。Y系列電動(dòng)機(jī)高效、節(jié)能、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、噪聲低、振動(dòng)小、運(yùn)行安全可靠。根據(jù)機(jī)床所需功率選擇Y160M-4，其同步轉(zhuǎn)速為1500r/min。
（2）分配總降速傳動(dòng)比
總降速傳動(dòng)比為uII=nmin/nd=10/1500≈6.67×10－3,nmin為主軸最低轉(zhuǎn)速，考慮是否需要增加定比傳動(dòng)副，以使轉(zhuǎn)速數(shù)列符合標(biāo)準(zhǔn)或有利于減少齒輪和及徑向與軸向尺寸，并分擔(dān)總降速傳動(dòng)比。然后，將總降速傳動(dòng)比按“先緩后急”的遞減原則分配給串聯(lián)的各變速組中的最小傳動(dòng)比。
（3）確定傳動(dòng)軸的軸數(shù)
傳動(dòng)軸數(shù)＝變速組數(shù)+定比傳動(dòng)副數(shù)+1=6
（4）繪制轉(zhuǎn)速圖
先按傳動(dòng)軸數(shù)及主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)格距l(xiāng)gφ畫出網(wǎng)格，用以繪制轉(zhuǎn)速圖。在轉(zhuǎn)速圖上，先分配從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到主軸最低轉(zhuǎn)速的總降速比，在串聯(lián)的雙軸傳動(dòng)間畫上u(k→k+1)min.再按結(jié)構(gòu)式的級(jí)比分配規(guī)律畫上各變速組的傳動(dòng)比射線，從而確定了各傳動(dòng)副
的傳動(dòng)比。依據(jù)題目要求選級(jí)數(shù)Z=8， =1.41=1.065考慮到設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度要適中，故采用常規(guī)的擴(kuò)大傳動(dòng)。各級(jí)轉(zhuǎn)速數(shù)列可直接從標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)列表中查出，按標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速數(shù)列為：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
圖4-1 Φ400mm數(shù)控車床轉(zhuǎn)速圖
第5章 數(shù)控車床六角回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1設(shè)計(jì)內(nèi)容和研究方法
本課題設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控車床Φ400，用于對(duì)回轉(zhuǎn)零件的圓柱面，圓弧面，圓錐面，端面，切槽，及各種公、英制螺紋等進(jìn)行批量、高效、高精度的自動(dòng)加工。該數(shù)控車床可以用于機(jī)械，汽車，航空航天等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量，高生產(chǎn)效率。本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為：1，數(shù)控車床Φ400總體布局的設(shè)計(jì)；2，數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及總裝圖的繪制；3，數(shù)控車床刀架，液壓夾盤，尾座套筒等部分液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；4，數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；5，典型零件數(shù)控加工程序的編制；6，外文資料的翻譯。
Φ400數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，同時(shí)也是難點(diǎn)。通過廣泛查閱文獻(xiàn)資料，參觀數(shù)控車床實(shí)物樣機(jī)以及組內(nèi)同學(xué)相互討論等途徑，擬定了如下的研究手段：
(1)，本次研究的數(shù)控車床床身采用臥式斜床身結(jié)構(gòu)。因?yàn)檐嚧驳拇采硎钦麄€(gè)車床的基礎(chǔ)支承件，是車床的主體，一般用來放置導(dǎo)軌、主軸箱等重要部件。床身的結(jié)構(gòu)對(duì)車床的布局有很大的影響。按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對(duì)位置，床身的結(jié)構(gòu)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—斜滑板等五種，它們各自有自己的優(yōu)點(diǎn)和局限性，采用什么樣的床身要根據(jù)實(shí)際情況定。一般來說，中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多。只有大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床才采用平床身平滑板結(jié)構(gòu)，而立床身結(jié)構(gòu)采用得較少。平床身工藝性好，易于加工制造，由于車床刀架水平放置，對(duì)提高刀架的運(yùn)動(dòng)精度有好處,，但床身下部空間小，排屑回難。平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置向上傾斜導(dǎo)軌防護(hù)罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點(diǎn)，而且床身寬度也不會(huì)太大。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代數(shù)控車床中被廣泛采用，是因?yàn)檫@種布局有以下的優(yōu)點(diǎn)：
1． 易實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；
2． 機(jī)床外觀整齊,美觀,占地面積??；
3． 容易設(shè)置封閉式防護(hù)裝置；
4． 容易排屑和安裝自支排屑器；
5． 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導(dǎo)軌上影響導(dǎo)軌精度；
6． 宜人性好,便于操作；
7． 便于安裝機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化。
(2)，數(shù)控車床的刀架采用回轉(zhuǎn)刀架?；剞D(zhuǎn)刀架的換刀分為刀盤抬起、刀架鎖緊和刀盤轉(zhuǎn)位三個(gè)動(dòng)作。其中刀盤抬起和刀架鎖緊由液壓來實(shí)現(xiàn)，而刀盤轉(zhuǎn)位則由伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。刀盤抬起動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)須經(jīng)以下步驟：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤抬起命令液壓系統(tǒng)啟動(dòng)壓力油進(jìn)入液壓缸右腔活塞向左運(yùn)動(dòng)刀架主軸向左移動(dòng)端齒盤脫離嚙合刀盤抬起。刀盤轉(zhuǎn)位動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)順經(jīng)以下步驟：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤轉(zhuǎn)位的命令伺服電機(jī)啟動(dòng)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)刀架主軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)位.刀盤鎖緊動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)順經(jīng)以下的步驟： 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤鎖緊命令液壓系統(tǒng)啟動(dòng)壓力油進(jìn)入液壓缸左腔活塞向右運(yùn)動(dòng)刀架主軸向右移動(dòng)端齒盤嚙合實(shí)現(xiàn)刀盤鎖緊。
(3)，本車床數(shù)控系統(tǒng)選用日本FANUC公司的FANUC系統(tǒng).因?yàn)榫湍壳皝碚f，國內(nèi)各數(shù)控機(jī)床用得最多的也是FANUC系統(tǒng)，因?yàn)樗哂幸韵碌膬?yōu)點(diǎn)：
1） 高可靠性及完整的質(zhì)量控制體系。
2） 采用大規(guī)模及超大規(guī)模的專用集成電路芯片。
3） 全自動(dòng)化工廠生制造。
4） 良好的控制軟件設(shè)計(jì)。
5） 數(shù)字式進(jìn)給伺服和數(shù)字式主軸驅(qū)動(dòng)[4]。
(4)，尾座套筒及主軸夾盤的控制亦采用液壓來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橐簤嚎刂凭哂胁僮鞣奖悖ぷ骺煽康忍攸c(diǎn)。
5.2車床刀架的功能,類型和應(yīng)滿足的要求
5.2.1車床刀架的功能
機(jī)床上的刀架是安放刀具的重要部件，許多刀架還直接參與切削工作，如臥式車床上的四方刀架，轉(zhuǎn)塔車床的轉(zhuǎn)塔刀架，回輪式轉(zhuǎn)塔車床的回輪刀架，自動(dòng)車床的轉(zhuǎn)塔刀架和天平刀架等。這些刀架既安放刀具，而且還直接參與切削，承受極大的切削力作用，所以它往往成為工藝系統(tǒng)中的較薄弱環(huán)節(jié)。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床的刀架也有了許多變化，特別是數(shù)控車床上采用電(液)換位的自動(dòng)刀架，有的還使用兩個(gè)回轉(zhuǎn)刀盤。加工中心則進(jìn)一步采用了刀庫和換刀機(jī)械手，定現(xiàn)了大容量存儲(chǔ)刀具和自動(dòng)交換刀具的功能，這種刀庫安放刀具的數(shù)量從幾十把到上百把，自動(dòng)交換刀具的時(shí)間從十幾秒減少到幾秒甚至零點(diǎn)幾秒。這種刀庫和換刀機(jī)械手組成的自動(dòng)換刀裝置，就成為加工中心的主要特征[5]。
5.2.2機(jī)床刀架的類型
按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置等多種形式,下面對(duì)這三種形式的刀架作簡(jiǎn)單的介紹。
1，排式刀架
排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主。它的結(jié)構(gòu)形式為：
夾持著各種不同用途刀具的刀夾沿著機(jī)床的X坐標(biāo)軸方向排列在橫向滑板上。刀具的典型布置方式如圖4所示。這種刀架在刀具布置和機(jī)床調(diào)整等方面都較為方便，可以根據(jù)具體工件的車削工藝要求，任意組合各種不同用途的刀具，一把刀具完成車削任務(wù)后，橫向滑板只要按程序沿X軸移動(dòng)預(yù)先設(shè)定的距離后，第二把刀就到達(dá)加工位置，這樣就完成了機(jī)床的換刀動(dòng)作。這種換刀方式迅速省時(shí)，有利于提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。寶雞機(jī)床廠生產(chǎn)的CK7620P全功能數(shù)控車床配置的就是排式刀架。
2，回轉(zhuǎn)刀架
回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，一般通過液壓系統(tǒng)或電氣來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)換刀動(dòng)作，根據(jù)加工要求可設(shè)計(jì)成四方、六方刀架或圓盤式刀架，并相應(yīng)地安裝4把、6把或更多的刀具?；剞D(zhuǎn)刀架的換刀動(dòng)作可分為刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位和刀架鎖緊等幾個(gè)步驟。它的動(dòng)作是由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令完成的?；剞D(zhuǎn)刀架根據(jù)刀架回轉(zhuǎn)軸與安裝底面的相對(duì)位置，分為立式刀架和臥式刀架兩種。
3，帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置
上述排刀式刀架和回轉(zhuǎn)刀架所安裝的刀具都不可能太多，即使是裝備兩個(gè)刀架，對(duì)刀具的數(shù)目也有一定限制。當(dāng)由于某種原因需要數(shù)量較多的刀具時(shí)，應(yīng)采用帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置。帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置由刀庫和刀具交換機(jī)構(gòu)組成。
5.2.3機(jī)床刀架應(yīng)滿足的要求
1）滿足工藝過程所提出的要求。機(jī)床依靠刀具和工件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成工件表面，而工件的表面形狀和表面位置的不同，要求刀架能夠布置足夠多的刀具，而且能夠方便而正確地加工各工件表面， 為了實(shí)現(xiàn)在工件的一次安裝中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地轉(zhuǎn)位。
2）在刀架以要能牢固地安裝刀具，在刀架上安裝刀具進(jìn)還應(yīng)能精確地調(diào)整刀具的位置，采用自動(dòng)交換刀具時(shí)，應(yīng)能保證刀具交換前后都能處于正確位置。以保證刀具和工件間準(zhǔn)確的相對(duì)位置。刀架的運(yùn)動(dòng)精度將直接反映到加工工件的幾何形狀精度和表面粗糙度上，為此，刀架的運(yùn)動(dòng)軌跡必須準(zhǔn)確，運(yùn)動(dòng)應(yīng)平穩(wěn)，刀架運(yùn)轉(zhuǎn)的終點(diǎn)到位應(yīng)準(zhǔn)確。面且這種精度保持性要好，以便長(zhǎng)期保持刀具的正確位置。
3）刀架應(yīng)具有足夠的剛度。由于刀具的類型、尺寸各異，重量相差很大，刀具在自動(dòng)轉(zhuǎn)換過程中方向變換較復(fù)雜，而且有些刀架還直接承受切削力?？紤]到采用新型刀具材料和先進(jìn)的切削用量，所以刀架必須具有足夠的剛度，以使切削過程和換刀過程平穩(wěn)。
4）可靠性高。由于刀架在機(jī)床工作過程中，使用次數(shù)很多，而且使用頻率也高，所以必須充分重視它的可靠性。
5）刀架是為了提高機(jī)床自動(dòng)化而出現(xiàn)的，因而它的換刀時(shí)間應(yīng)盡可能縮短，以利于提高生產(chǎn)率。目前自動(dòng)換刀裝置的換刀時(shí)間在0.8—6秒之間不等。而且還在進(jìn)一步縮短。
6）操作方便和安全。刀架是工人經(jīng)常操作的機(jī)床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是評(píng)價(jià)刀架設(shè)計(jì)好壞的指標(biāo)。刀架上應(yīng)便于工人裝刀和調(diào)刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作調(diào)整刀架的手柄（或手輪）要省力，應(yīng)盡量設(shè)置在便于操作的地方[6]。
直徑為Φ400型臥式車床數(shù)控化改造總體設(shè)計(jì)及六角回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計(jì)
5.3數(shù)控車床刀架總體方案設(shè)計(jì)與選擇
5.3.1刀架的整體方案設(shè)計(jì)
刀架是車床的重要組成部分，用于夾持切削用的刀具，因此其結(jié)構(gòu)直接影響到車床的切削性能和切削效率。根據(jù)前部分對(duì)機(jī)床刀架類型、性能及其使用場(chǎng)合的綜合比較，并結(jié)合現(xiàn)有數(shù)控車床的實(shí)例，本次設(shè)計(jì)的數(shù)控車床Φ400擬采用回轉(zhuǎn)刀架中的六工位六方刀架。該刀架的換刀動(dòng)作分為刀盤抬起、刀盤分度轉(zhuǎn)位和刀盤鎖緊三個(gè)步驟，其中刀盤抬起和刀盤鎖緊定位由液壓來實(shí)現(xiàn)，而刀盤的分度轉(zhuǎn)位于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
5.3.2車床刀架的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
一般來說，機(jī)床刀架的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)主要有以下幾種：
1，液壓（或氣動(dòng)）驅(qū)動(dòng)的活塞齒條齒輪轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)
這種由液動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)調(diào)速范圍大、緩沖制動(dòng)容易，轉(zhuǎn)位速度可調(diào)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)尺寸較小，制造容易，因而應(yīng)用較廣泛。而轉(zhuǎn)位角度大小可由活塞桿上的限位檔塊來調(diào)整。也有采用氣動(dòng)的，氣動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，速度可調(diào)，但運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，有沖擊，結(jié)構(gòu)尺寸大，驅(qū)動(dòng)力小。故一般多用于非金屬切削的自動(dòng)化機(jī)械和自動(dòng)線的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)中。
2，圓柱凸輪步進(jìn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)
這種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)依靠凸輪輪廓強(qiáng)制刀架作轉(zhuǎn)位運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全取決于凸輪輪廓形狀。圓柱凸輪是在圓周面上加工出一條兩端有頭的凸起=輪廓，從動(dòng)回轉(zhuǎn)盤（相當(dāng)于刀架體）端面有多個(gè)柱銷，銷子數(shù)量與工位數(shù)相等。當(dāng)圓柱凸輪按固定的旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，有的柱銷會(huì)進(jìn)入凸輪輪廓的曲線段，使凸輪開始驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)位，與此同時(shí)有的圓柱銷會(huì)與凸輪輪廓脫離，當(dāng)柱銷接觸的凸輪輪廓由曲線段過渡到直線段時(shí)，即使凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)盤也不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即完成了一次刀盤分度轉(zhuǎn)位動(dòng)作。如此反復(fù)下去，就能實(shí)現(xiàn)多次的刀架換刀操作。由于凸輪是一個(gè)兩端開口的非閉合曲線輪廓，所以當(dāng)凸輪正反轉(zhuǎn)進(jìn)均可帶動(dòng)刀盤正反兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)。這種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)位速度高、精度較低，運(yùn)動(dòng)特性可以自由設(shè)計(jì)選取但制造較困難、成本較高、結(jié)構(gòu)尺寸較大。這種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)可以通過控制系統(tǒng)中的邏輯電路或PC程序來自動(dòng)選擇回轉(zhuǎn)方向，以縮短轉(zhuǎn)位輔助時(shí)間。
3，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的刀架轉(zhuǎn)位
隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，可以采用直流（或交流）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿、蝸輪（消除間隙）實(shí)現(xiàn)刀架轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)位的速度和角位移均可通過半閉環(huán)反饋進(jìn)行精確控制加以實(shí)現(xiàn)，因而這種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)位速度可以進(jìn)行精確控制、精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易。所以在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中被廣泛采用[6]。
結(jié)合上述三種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)位機(jī)理和特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)的數(shù)控車床Φ400決定采用第三種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)---伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的刀架轉(zhuǎn)位。
5.3.3刀架定位機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
目前在刀架的定位機(jī)構(gòu)中多采用錐銷定位和端面齒盤定位。由于圓柱銷和斜面銷定位時(shí)容易出現(xiàn)間隙，圓錐銷定位精度較高，它進(jìn)入定位孔時(shí)一般靠彈簧力或液壓力、氣動(dòng)力，圓錐銷磨損后仍可以消除間隙，以獲得較高的定位精度。端齒盤定位由兩個(gè)齒形相同的端面齒盤相嚙合而成，由于齒合時(shí)各個(gè)齒的誤差相互抵償，起著誤差均化的作用，定位精度高。端齒盤定位的特點(diǎn)：
（1）定位精度高 由于端齒盤定位齒數(shù)多，且沿圓周均布，向心多齒結(jié)構(gòu)，經(jīng)過研齒的齒盤其分度精度一般可達(dá)左右，最高可過以上，一對(duì)齒盤嚙合時(shí)具有自動(dòng)定心作用。所以中心軸的回轉(zhuǎn)精度、間隙及磨損對(duì)定心精度幾乎沒有影響，對(duì)中心軸的精度要求低，裝置容易。
（2）重復(fù)定位精度好 由于多齒嚙合相當(dāng)于上下齒盤的反復(fù)磨合對(duì)研，越磨合精度越高，重復(fù)定位精度也越好。
（3）定位剛性好，承載能力大，兩齒盤多齒嚙合。由于齒盤齒部強(qiáng)度高，并且一般齒數(shù)嚙合率不少于90%，齒面嚙合長(zhǎng)度不少于60%，故定位剛性好，承載能力大。
考慮到端面齒盤具有以上的各種優(yōu)點(diǎn)，因而本次設(shè)計(jì)的刀架采用端面齒盤定位[6]。
5.4 車床刀架的工作原理
回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)圖刀架的松開和夾緊以及刀盤的分度轉(zhuǎn)位分別由液壓系統(tǒng)和直流伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。5為安裝刀具的刀盤，它與軸6固定連接，當(dāng)?shù)都苤鬏S6帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上的端齒盤4和固定在刀盤上的端齒盤3脫開，旋轉(zhuǎn)指定刀位后，刀盤的定位由端齒盤的嚙合來完成?；钊?支承在一對(duì)推力球軸承上，它們可以通過推力球軸承帶動(dòng)刀架主軸來移動(dòng)。當(dāng)車床數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，刀架上的液壓缸右腔通入壓力油，活塞1及軸6在壓力油推動(dòng)下向左移動(dòng)，通過刀架主軸使端齒盤3和4脫開嚙合，實(shí)現(xiàn)刀盤抬起動(dòng)作。隨后伺服電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)蝸桿2和蝸輪7轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)刀架主軸6帶動(dòng)刀架的刀盤旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)刀架換刀動(dòng)作，轉(zhuǎn)位的速度和角位移均通過半閉環(huán)反饋系統(tǒng)進(jìn)行精確控制。當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)到指定的刀位后，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，指令伺服電機(jī)停轉(zhuǎn)，這時(shí)，壓力油進(jìn)入液壓缸的左腔，推動(dòng)活塞1和刀架主軸6向右移動(dòng)，使端齒盤3和4重新嚙合，實(shí)現(xiàn)刀盤鎖動(dòng)作。刀盤被定位夾緊并向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，于是刀架的轉(zhuǎn)位、換刀循環(huán)完成。在車床自動(dòng)工作狀態(tài)下，當(dāng)指定換刀的刀號(hào)后，數(shù)控系統(tǒng)可以通過內(nèi)部的運(yùn)算判斷，實(shí)行刀盤就近轉(zhuǎn)位換刀，即刀盤既可正轉(zhuǎn)也可以反轉(zhuǎn)。但當(dāng)手動(dòng)操作車床時(shí)，從刀盤方向觀察，只充許刀盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)換刀。
5.5刀架的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.5.1 驅(qū)動(dòng)刀架的伺服電機(jī)的選擇計(jì)算
刀架驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇應(yīng)同時(shí)滿足刀架運(yùn)轉(zhuǎn)的負(fù)載扭矩和起動(dòng)時(shí)的加速扭矩
的要求。
1) 刀架負(fù)載扭矩的計(jì)算
回轉(zhuǎn)刀架負(fù)載扭矩估算方法如下：由于這種刀架的負(fù)載扭矩主要用來克服刀具質(zhì)量的不平衡，估算按如下的情況進(jìn)行：用平均重力的刀具插滿刀盤的半個(gè)圓，根據(jù)工藝要求所需的各種刀具，確定每個(gè)刀具的（包括刀柄）平均重力，而其重心則設(shè)定為離刀架回轉(zhuǎn)中心2/3半徑處。由以上的方法可知，由于該數(shù)控車床采用的是電和液換位的6工位六方自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，因而插滿刀盤的半個(gè)圓需要3把刀具。設(shè)工藝要求所需的每個(gè)刀具的平均重力=4.9N；刀盤的回轉(zhuǎn)中心直徑。
則有
2) 刀架加速扭矩的估算
[6]
式中 ----刀架換刀時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min);
---加速時(shí)間,通常取150;
---電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量(),可查樣本;
---負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量().
3) 負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量的估算
式中 ---各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量();
---各旋轉(zhuǎn)件的角速度();
---各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量();
---各直線運(yùn)動(dòng)件的速度();
---伺服電機(jī)的角速度()[6].
4) 各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的估算
由刀架的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可知,刀架在完成換刀動(dòng)作時(shí),伺服電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)的部件共3個(gè),它們分別是蝸輪蝸桿副,刀架主軸和刀盤。因而只需估算這三者的傳動(dòng)慣量即可。
(1) 刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算
刀盤采用煙臺(tái)環(huán)球公司生產(chǎn)的AK31系列數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的配套產(chǎn)品，其主要尺寸如下：刀盤外徑；盤也刀架主軸相連的孔徑；刀盤寬。
則刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
=0.45
(2) 刀架主軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算
刀架主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按如下的方法估算：
刀架主軸的最大直徑；最小直徑；刀架主軸長(zhǎng)度取。
則刀架主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[7]
=0.0048
(3) 蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算
蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的估算方法如下：
設(shè)蝸輪的分度圓直徑；其與刀架主軸相連的孔徑；蝸輪齒寬.
則蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
=0.002 [7]
設(shè)蝸桿的分度圓直徑;蝸桿長(zhǎng).
則蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
=0.00024
(4) 連軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算
由于連軸器已標(biāo)準(zhǔn)化，查表取連軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
(5) 對(duì)各旋轉(zhuǎn)件的角速度作如下設(shè)定：
伺服電機(jī)的角速度 ；
蝸桿的角速度 ；
蝸輪的角速度 ；
刀架主軸的角速 ；
刀盤轉(zhuǎn)位時(shí)的角速度 。
則將以上計(jì)算所得的數(shù)據(jù)代入下式： 得負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量
=0.00067
?。坏都軗Q刀時(shí)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速；伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
則刀架加速扭矩
=0.32
5) 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出扭矩的估算[7]
驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩應(yīng)同時(shí)滿足刀架負(fù)載扭矩和加速扭矩之和，將以上計(jì)算的刀架負(fù)載扭矩和加速扭矩?fù)Q為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸上的輸出扭矩的公式為：
式中 ----傳動(dòng)效率 取0.75。
則有
考慮到實(shí)際情況比計(jì)算時(shí)所設(shè)定條件復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)為的倍。
所以取
經(jīng)查閱西門子電機(jī)手冊(cè)，選項(xiàng)用西門子1FT6交流伺服電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定輸出轉(zhuǎn)矩為5，額定功率為0.4kW。
5.5.2 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.5.2.1各參數(shù)的取定
本刀架的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)是采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿、蝸輪（消除間隙）實(shí)現(xiàn)刀架的轉(zhuǎn)位，其中蝸輪蝸桿副的傳動(dòng)比取60，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速取1400；刀架的轉(zhuǎn)位速度設(shè)計(jì)為，由于刀盤為6工位刀盤，則該刀架換一次刀的最大耗時(shí)不到[9]。
5.5.2.2 蝸輪蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算
設(shè)計(jì)的普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的功率為，蝸桿的轉(zhuǎn)速為，傳動(dòng)比為，傳動(dòng)反向，工作載荷穩(wěn)定，但有不大的沖擊，要求設(shè)計(jì)壽命為。
對(duì)蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算如下；
(1).選擇蝸桿傳動(dòng)類型
根據(jù)的推薦，采用漸開線蝸桿（）。
(2).選擇材料
根據(jù)庫存材料的情況，并考慮到蝸桿傳遞的功率不大，速度只是中等，故蝸桿用45鋼；因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為40-45 HRC。蝸輪用鑄錫磷青銅，金屬模鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。
(3).按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。
3、 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩
按，估取效率，則
===
4、 確定載荷系數(shù)
因?yàn)楣ぷ鬏d荷穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)為；由西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室編著的《機(jī)械設(shè)計(jì)》教材表11-5選取使用系數(shù)；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載系數(shù)；則
=
5、 確定彈性影響系數(shù)
因選用的是鑄錫青銅輪和鋼蝸桿相配，故。
6、 確定接觸系數(shù)
先假設(shè)蝸桿分度圓直徑和傳動(dòng)中心距a的比值，從圖11-18中可查得=。
7、 確定許用接觸應(yīng)力
根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度45HRC，
可從表11-7中查得蝸輪的基本許用應(yīng)力為。
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
壽命系數(shù)
則
6) 計(jì)算中心距
取中心距a=80mm，因故從表11-2中取模數(shù)為m=2mm，蝸桿分度圓直徑。這時(shí)，從圖11-18中可查得接觸系數(shù)，因?yàn)?，因此以上?jì)算的結(jié)果可用。
(2) 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸
1) 蝸桿 軸向齒距
直徑系數(shù)
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
分度圓導(dǎo)程角
蝸桿軸向齒厚
圖2.3 蝸桿的結(jié)構(gòu)圖
1) 蝸輪 蝸輪齒數(shù) ；變位系數(shù)
驗(yàn)算傳動(dòng)比，這時(shí)傳動(dòng)比誤差為，是允許的。
蝸輪分度圓直徑
蝸輪喉圓直徑
蝸輪齒根圓直
蝸輪咽喉母圓半徑
圖2.4 蝸輪的結(jié)構(gòu)圖
(4) 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
當(dāng)量齒數(shù)
根據(jù)，，從圖11-19中可查得齒形系數(shù)。
螺旋角系數(shù)
許用彎曲應(yīng)力
從表11-8中查得由制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力
壽命系數(shù)
彎曲強(qiáng)度滿足要求。
(6) 精度等級(jí)公差和表面粗糙度的確定
考慮到所設(shè)計(jì)的蝸桿傳動(dòng)是動(dòng)力傳動(dòng)，屬于通用機(jī)械減速器，從GB/T10089—1988圓柱蝸桿、蝸輪精度中選擇8級(jí)精度，側(cè)隙種類為f，標(biāo)注為8f GB/T10089—1988。然后由有關(guān)手冊(cè)查得要求的公差項(xiàng)目及表面粗糙度，此處從略[9]。
5.5.3 刀架主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
由刀架裝配圖可知，刀架主軸的支承方式為兩端游動(dòng)支承，其一端與刀盤固連，另一端與液壓缸的活塞間隙配合，同時(shí)起到左端支承作用。而軸的中間部位由刀盤至液壓缸的方向分別與圓柱滾子軸承和蝸輪相連，圓柱滾子軸承起右支承作用。已知伺服電機(jī)的功率為0.3kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速，取經(jīng)蝸輪蝸桿副傳動(dòng)的效率，蝸輪蝸桿副的傳動(dòng)比。
1) 先求出刀架主軸上的傳遞功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩
于是
2) 初步確定軸的最小直徑
由式 可初步估算設(shè)計(jì)軸的最小直徑。
式中：為系數(shù)，軸的材料不同，則的值會(huì)不同；
為軸傳遞的功率，單位為；
為計(jì)算截面處軸的直徑，單位為mm；
為軸的轉(zhuǎn)速，單位為；
選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表15—3，取，于是得
從而取軸的最小直徑為；軸的最大直徑為[9]。
圖5.5 刀架主軸結(jié)構(gòu)圖
總 結(jié)
這次課題設(shè)計(jì)總計(jì)費(fèi)時(shí)三個(gè)多月，剛開始時(shí)不知從何下手，在老師的指導(dǎo)下到圖書館查閱相關(guān)資料。有關(guān)數(shù)控上的資料翻了數(shù)次，有參考了相關(guān)設(shè)計(jì)資料，終于知道了該怎么做。接下來塞選出一系列有價(jià)值的資料，與同組同學(xué)不斷的討論、向老師請(qǐng)教，終于完成了設(shè)計(jì)。
在做設(shè)計(jì)的過程中，不但復(fù)習(xí)了所學(xué)過的知識(shí)點(diǎn)，還學(xué)到了新的知識(shí)，同時(shí)將所學(xué)到的知識(shí)充分的運(yùn)用起來，做到了學(xué)以致用，還學(xué)會(huì)了查資料，除此之外，我還懂得了團(tuán)結(jié)合作的重要性，知道了集體的力量！
當(dāng)然，在此過程中也有許多不足之處，例如：知識(shí)的不全面，所學(xué)的還沒有全部掌握，思維的狹隘等，讓我在畢業(yè)前上了生動(dòng)形象的一課。
同時(shí)，做設(shè)計(jì)也是磨練決心與毅力的過程，面對(duì)復(fù)雜冗長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，打印長(zhǎng)篇的論文，我也想過放棄，但想到它的意義我就又堅(jiān)持了下來。做完了后，有一種豁然開朗的感覺，內(nèi)心激動(dòng)無比，經(jīng)過了這次設(shè)計(jì)以后，我有信心，我也堅(jiān)信只要努力、堅(jiān)持，我們就能走好人生的每一步。
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