C6143型臥式車床的數(shù)控化改造及四方刀架設(shè)計(jì)【普通C6143車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造及四方刀架設(shè)計(jì)】,普通C6143車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造及四方刀架設(shè)計(jì),C6143型臥式車床的數(shù)控化改造及四方刀架設(shè)計(jì)【普通C6143車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造及四方刀架設(shè)計(jì)】,c6143,臥式,車床,數(shù)控,改造,四方,刀架,設(shè)計(jì) 設(shè) 計(jì) 題 目：C6143型臥式車床的數(shù)控化改造 及四方刀架設(shè)計(jì) 院 （系）： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué)生姓名： 導(dǎo)師姓名： 職稱： 起止時(shí)間： [摘要] 針對(duì)現(xiàn)有常規(guī)C6143普遍車床的缺點(diǎn)提出數(shù)控改裝方案和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高加工精度和擴(kuò)大機(jī)床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。本論文說明了普通車床的數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)過程，較詳盡地介紹了C6143機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。采用以8031為CPU的控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級(jí)齒輪傳動(dòng)減速后，帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 結(jié)合我國實(shí)際國情，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床是我國從普通車床向數(shù)控車床發(fā)展的及其重要的臺(tái)階。利用現(xiàn)有的普通車床，對(duì)其進(jìn)行數(shù)控化改造是一條低成本，高效益的途徑。數(shù)控車床作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。我國作為機(jī)床大國，數(shù)控機(jī)床的占有率還不足百分之三，但是在歐美等發(fā)達(dá)國家數(shù)控機(jī)床的占有率達(dá)到了百分之三十六以上，單從數(shù)字上來看我過和歐美等發(fā)達(dá)國家還有相當(dāng)大的距離。其主要原因?yàn)閿?shù)控車床價(jià)格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。對(duì)普通機(jī)床數(shù)控化改造不失為一種較好的良策。在金屬加工行業(yè)中車床在所有加工設(shè)備中占有最大比重，例如最常見的軸類零件，就是由車床加工而成本論文針對(duì)目前國內(nèi)企業(yè)現(xiàn)狀，以C6143普通車床為例提出簡易型經(jīng)濟(jì)數(shù)控改造思路和設(shè)計(jì)方法。 關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床， 單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，改裝設(shè)計(jì)， 伺服電機(jī) 傳動(dòng)系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 數(shù)控改造， Abstract ????? To remedy the defects of ordinary lathe C6143, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machine’s usage, and to improve production rate。This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal，and output the step pulse through the I/O interface。After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll。Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement。 China's actual conditions and economic CNC lathe is from the ordinary to the lathe and NC lathe important development stage.Use of existing ordinary lathe, NC transformation is its low cost and highly efficient way.CNC lathe as a typical electromechanical integration products, machinery manufacturing plays an enormous role,good solution to the structural complexity of modern machinery, precision, small batches, changeable parts processing,able to stabilize the quality of the processing products, a significant increase in production efficiency.As the big machine, CNC machine tools was less than 3.0% share.However, in Europe and the United States and other developed countries to achieve the 36% share of the CNC machine moreI can see from the figures over Europe and the United States and other developed countries there is still a considerable distance.The main reason for the higher prices of CNC lathe, a one-time investment to fill larger enterprises.CNC transformation of the ordinary would be a better process.Lathe in the metal processing industry accounts for the largest proportion of all processing equipment, for example, the most common shaft.Papers from the machining cost is the present status of domestic enterprises.Simple C6143 made to the general economic NC lathe ideas and design methods. KEY WORDS： numerical control machine tool,?? single chip microcomputer system，reform design，The C6143 servo electrical machinery transmission system control system electricity control line economical numerical control changes 目錄 摘要………………………………………………………………………………………2 Abstract………………………………………………………………………………3 第1章 緒論……………………………………………………………………………5 1.1 數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展………………………………………………………5 1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢…………………………………………………………6 1.3 車床數(shù)控改造的必要性與可行性……………………………………………8 第2章 設(shè)計(jì)任務(wù)………………………………………………………………………9 第3章 總體方案的確定………………………………………………………………9第4章.四方回轉(zhuǎn)刀架部分設(shè)計(jì)與計(jì)算………………………………………10 第5章. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型………………………………………… 20 4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用的基本原則………………………… ………………… 20 4.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選折……………………………… ……………………… 21 第6章.主軸交流伺服電機(jī)…………………………… …………………………22 5.1主軸的變速變速范圍…………………………………………………… 22 5.2初選主軸電機(jī)的型號(hào)…………………………………………………… 22 5.3主軸電機(jī)的校核………………………………………………………… 22 結(jié)論…………………………………………………………………………… 29 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………… 30 1緒論 普通車床是金屬切削加工最常用的一類機(jī)床。普通機(jī)床刀架的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)掛輪傳遞而來，通過進(jìn)給箱變速后，由光杠或絲杠帶動(dòng)溜板箱、縱溜箱、橫溜板移動(dòng)。進(jìn)給參數(shù)要靠手工預(yù)先調(diào)整好，改變參數(shù)時(shí)要停車進(jìn)行操作。刀架的縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)不能聯(lián)動(dòng)，切削次序也由人工控制。 一、數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 數(shù)控機(jī)床最早是從美國開始研制的。1948年，美國帕森斯公司在研制加工直升機(jī)槳葉輪廓用檢查樣板的加工機(jī)床任務(wù)時(shí)，提出了研制數(shù)控機(jī)床的初始設(shè)想。1949年，帕森斯公司與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室合作，開始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作。并于1952年試制成功世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)。這是一臺(tái)采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床。經(jīng)過三年改進(jìn)和自動(dòng)編程研究，于1955年進(jìn)入實(shí)用階段。一直到20世紀(jì)50年代末，由于價(jià)格和技術(shù)原因，品種多為連續(xù)控制系統(tǒng)。到了60年代，由于晶體管的應(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價(jià)格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機(jī)床，其中多數(shù)是鉆床、沖床等點(diǎn)位控制的機(jī)床。數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī)床上得到實(shí)際應(yīng)用，而且逐步推廣到焊接機(jī)、火焰切割機(jī)等，使數(shù)控技術(shù)不斷的擴(kuò)展應(yīng)用范圍。 二、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 自1952年，美國研制成功第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床以來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制和精密測量等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也在迅速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段。 第一代數(shù)控：1952-1959年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置。 第二代數(shù)控：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。 第三代數(shù)控：從1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。 第四代數(shù)控：從1970年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)。 第五代數(shù)控：從1974年開始采用微型電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)。 目前，第五代微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)基本上取代了以往的普通數(shù)控系統(tǒng)，形成了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)。它采用微型處理器及大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路，具有很強(qiáng)的程序存儲(chǔ)能力和控制功能。這些控制功能是由一系列控制程序來實(shí)現(xiàn)的。這些數(shù)控系統(tǒng)的通用性很強(qiáng)，幾乎只需改變軟件，就可以適應(yīng)不同類型機(jī)床的控制要求，具有很大的柔性。隨著集成電路規(guī)模的日益擴(kuò)大，光纜通信技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控裝置中，使其體積日益縮小，價(jià)格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加完善。 近年來，微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟，它的成果正在不斷滲透到機(jī)械制造的各個(gè)領(lǐng)域中，先后出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。所有這些高級(jí)的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)均是以數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)，它們代表著數(shù)控機(jī)床今后的發(fā)展趨勢。 三、我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況 我國從1958年由北京機(jī)床研究所和清華大學(xué)等首先研制數(shù)控機(jī)床，并試制成功第一臺(tái)電子管數(shù)控機(jī)床。從1965年開始，研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到60年代末和70年代初，研制的劈錐數(shù)控銑床、非圓錐插齒機(jī)等獲得成功。與此同時(shí)，還開展了數(shù)控加工平面零件自動(dòng)編程的研究。1972-1979年是數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)和使用階段。例如：清華大學(xué)研制成功集成電路數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控技術(shù)在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域開始研究與應(yīng)用；數(shù)控加工中心機(jī)床研制成功；數(shù)控升降臺(tái)銑床和數(shù)控齒輪加工機(jī)床開始小批生產(chǎn)供應(yīng)市場。從80年代初開始，隨著我國開放政策的實(shí)施，先后從日本、美國、德國等國家引進(jìn)先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)。上海機(jī)床研究所引進(jìn)美國GE公司的MTC-1數(shù)控系統(tǒng)等。在引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，北京機(jī)床研究所又開發(fā)出BSO3經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)和BSO4全功能數(shù)控系統(tǒng)，航空航天部706所研制出MNC864數(shù)控系統(tǒng)等。進(jìn)而推動(dòng)了我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，使我國數(shù)控機(jī)床在品種上、性能上以及水平上均有了新的飛躍。我國的數(shù)控機(jī)床已跨入一個(gè)新的發(fā)展階段。 四、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 從數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動(dòng)化是數(shù)控機(jī)床的重要發(fā)展趨勢。對(duì)單臺(tái)主機(jī)不僅要求提高其柔性和自動(dòng)化程度，還要求具有進(jìn)入更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的適應(yīng)能力。 在數(shù)控系統(tǒng)方面，目前世界上幾個(gè)著名的數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家，諸如日本的FANCU，德國的SIEMENS和美國的A-B公司，產(chǎn)品都向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了16位和32位微機(jī)處理機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴(kuò)大到1MB以上，機(jī)床分辨率可達(dá)0.1微米，高速進(jìn)給可達(dá)100m/min,控制軸數(shù)可達(dá)16個(gè)，并采用先進(jìn)的電裝工藝。 在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流傳動(dòng)已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展，以運(yùn)算放大器等模擬器件為主的控制器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代，從而克服了零點(diǎn)漂移、溫度漂移等弱點(diǎn)。 五、數(shù)控機(jī)床改造的意義 數(shù)控機(jī)床改造在國外已發(fā)展成一個(gè)新興的工業(yè)部門，早在60年代已經(jīng)開始迅速發(fā)展，其發(fā)展的原因是多方面的，主要有技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、市場和生產(chǎn)上的原因。我國是擁有300多萬臺(tái)機(jī)床的國家。而這些機(jī)床又大多是多年累積生產(chǎn)的通用機(jī)床，不論資金和我國機(jī)床制造廠的能力都是辦不到的。因此，盡快將我國現(xiàn)有一部分普通機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和精密化改裝，是我國現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫切要求解決的課題。用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床，正是適應(yīng)了這一要求。它是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上。在機(jī)床改造中引入微機(jī)的應(yīng)用，不但技術(shù)上具有先進(jìn)性，同時(shí)，在應(yīng)用上比其它傳統(tǒng)的自動(dòng)化改裝方案，有較大的通用性與可調(diào)性。而且所投入的改造費(fèi)用低，一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價(jià)格僅為全功能數(shù)控裝置的1/3至1/5，用戶承擔(dān)的起。從若干單位成功應(yīng)用的實(shí)例可以證明，投入使用后，確實(shí)成倍地提高了生產(chǎn)效率，減少了廢品率，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。因此，我國提出從大力推廣經(jīng)濟(jì)型數(shù)控這一中間技術(shù)的基礎(chǔ)上，再逐步推廣全功能數(shù)控這條道路，適合我國的經(jīng)濟(jì)水平、教育水平和生產(chǎn)水平，已成為我國設(shè)備技術(shù)改造主要方向之一。同時(shí)，它還可以作為全功能數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的準(zhǔn)備階段，為今后使用全功能數(shù)控機(jī)床，培養(yǎng)人才，積累維護(hù)、使用經(jīng)驗(yàn)，而且也是實(shí)現(xiàn)我國傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)朝機(jī)電一體化的方向過渡的主要內(nèi)容之一。 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。 2設(shè)計(jì)要求 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）車床數(shù)控化改裝后屬于經(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。 （5）設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。 （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。 總體方案設(shè)計(jì)圖如下圖（2）所示： 進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖如圖（3）所示： 2.2設(shè)計(jì)參數(shù) 設(shè)計(jì)參數(shù)包括車床的部分技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)所需要的參數(shù)。 現(xiàn)列出C6143臥式車床的技術(shù)數(shù)據(jù)： 名稱 技術(shù)參數(shù) 在床身上 430mm 工件最大直徑 在刀架上 210mm 頂尖間最大距離 650;900;1400;1900mm 公制螺紋 mm 1---12(20種) 加工螺紋范圍 英制螺紋 t/m 2---24(20種) 模數(shù)螺紋 mm 0.25---3(11種) 徑節(jié)螺紋 t/m 7---96(24種) 最大通過直徑 48mm 孔錐度 莫氏6# 主軸 正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) 24 正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 10—1400r/min 反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) 12 反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 14---1580r/min 縱向級(jí)數(shù) 64 進(jìn)給量 縱向范圍 0.028---6.33mm/r 橫向級(jí)數(shù) 64 橫向范圍 0.014---3.16mm/r 滑板行程 橫向 320mm 縱向 650;900;1400;1900mm 最大行程 140mm 刀架 最大回轉(zhuǎn)角 ±90° 刀杠支承面至中心的距離 26mm 刀杠截面B×H 25×25mm 頂尖套莫氏錐度 5# 尾座 橫向最大移動(dòng)量 ±10mm 外形尺寸 長×寬×高 2418×1000×1267mm 圓度 0.01mm 工作精度 圓柱度 200:0.02 平面度 0.02/φ300mm 表面粗糙度Ra 1.6---3.2μm 主電動(dòng)機(jī) 7.5kw 電動(dòng)機(jī)功率 總功率 7.84kw 改造設(shè)計(jì)參數(shù)如下: 最大加工直徑 在床面上 400mm 在床鞍上 210mm 最大加工長度 1000mm 快進(jìn)速度 縱向 2.4m/min 橫向 1.2m/min 最大切削進(jìn)給速度 縱向 0.5m/min 橫向 0.25m/min 溜板及刀架重力 縱向 800N 橫向 600N 代碼制 ISO 脈沖分配方式 逐點(diǎn)比較法 輸入方式 增量值、絕對(duì)值通用 控制坐標(biāo)數(shù) 2 脈沖當(dāng)量 縱向 0.01mm/脈沖 橫向 0.005mm/脈沖 機(jī)床定位精度 ±0.015mm 刀具補(bǔ)償量 0mm---99.99mm 進(jìn)給傳動(dòng)鏈間隙補(bǔ)償量 縱向 0.15mm 橫向 0.075mm 自動(dòng)升降速性能 有 2.3.其它要求 （1） 原機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改動(dòng)量 ，以降低成本 縮短改造周期。 （2）機(jī)械結(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正 安裝、調(diào)試、拆卸方便，需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便。 第四章 C6143型臥式車床數(shù)控化改造 的四方刀架設(shè)計(jì) 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1、 減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 普通的三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)因轉(zhuǎn)速太快，不能直接驅(qū)動(dòng)刀架進(jìn)行換刀，必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)臏p速。根據(jù)立式轉(zhuǎn)位刀架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用蝸桿副減速時(shí)最佳選擇。蝸桿副傳動(dòng)可以改變運(yùn)動(dòng)的方向，獲得較大的傳動(dòng)比，保證傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，并且具有自鎖功能，還可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的小型化。 2、 上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 由于刀具直接安裝在上刀體上，所以上刀體要承受全部的切削力，其鎖緊與定位的精度將直接影響工件的加工精度。本設(shè)計(jì)上刀體的鎖進(jìn)玉定位機(jī)構(gòu)選用端面齒盤，將上刀體和下刀體的配合面加工成梯形端面齒。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，上下端面齒相互嚙合，這時(shí)上刀體不能繞刀架的中心軸旋轉(zhuǎn)；換刀時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，抬起機(jī)構(gòu)使上刀體抬起，等上下端面齒脫開后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完成轉(zhuǎn)位動(dòng)作。 3、 刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 要想使上、下刀體的兩個(gè)端面齒脫離，就必須設(shè)計(jì)適合的機(jī)構(gòu)使上刀體抬起。本設(shè)計(jì)選用螺桿-螺母副，在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當(dāng)電動(dòng)機(jī)通過蝸桿-蝸輪帶動(dòng)蝸桿繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動(dòng)，要么上下移動(dòng)。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，上刀體與下刀體的端面齒相互嚙合，因?yàn)檫@時(shí)上刀體不能與螺桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，所以螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使上刀體向上移動(dòng)。當(dāng)端面齒脫離嚙合時(shí)，上刀體就與螺桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)。 設(shè)計(jì)螺桿時(shí)要求選擇適當(dāng)?shù)穆菥啵员惝?dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度時(shí)，使得上刀梯與下刀體的端面齒能夠完全脫離嚙合狀態(tài)。 下圖為自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖，詳細(xì)的裝配圖在一號(hào)圖紙上。 三、自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程如下圖。 圖上表示自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在換刀過程中有關(guān)銷的位置。其中上部的圓柱銷2和下部的反靠銷6起著重要作用。 當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，兩銷的情況如圖A所示，此時(shí)反靠銷6落在圓盤7的十字槽內(nèi)，上刀體4的端面齒和下刀體的端面齒處于嚙合狀態(tài)（上下端面齒在圖中未畫出）。 需要換刀時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號(hào)，三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，通過蝸桿副帶動(dòng)蝸桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)，與螺桿配合的上刀體4逐漸抬起，上刀體4與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；與此同時(shí)，上蓋圓盤1也隨著螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)（上蓋圓盤1通過圓柱銷與螺桿聯(lián)接），當(dāng)轉(zhuǎn)過約時(shí)，上蓋圓盤1直槽的另一端轉(zhuǎn)到圓柱銷2的正上方，由于彈簧3的作用，圓柱銷2落入直槽內(nèi)，于是上蓋圓盤1就通過圓柱銷2使得上刀體4轉(zhuǎn)動(dòng)起來（此時(shí)端面齒已完全脫開）。 上蓋圓盤1、圓柱銷2以及上刀體4在正轉(zhuǎn)的過程中，反靠銷6能夠從反靠圓盤7中十字槽的左側(cè)斜坡滑出，而不影響上刀體4尋找刀位時(shí)的正向轉(zhuǎn)動(dòng)。 上刀體4帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時(shí)，發(fā)信盤上對(duì)應(yīng)的霍爾元件輸出低電平信號(hào)，控制系統(tǒng)收到后，立即控制刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，上蓋圓盤1通過圓柱銷2帶動(dòng)上刀體4開始反轉(zhuǎn)，反靠銷6馬上就會(huì)落入反靠圓盤7的十字槽內(nèi)，至此，完成粗定位。此時(shí)，反靠銷6從反靠圓盤7的十字槽內(nèi)爬不上來，于是上刀體4停止轉(zhuǎn)動(dòng)，開始下降，而上蓋圓盤1繼續(xù)反轉(zhuǎn)，其直槽的左側(cè)斜坡將圓柱銷2的頭部壓入上刀體4的銷空內(nèi)，之后，上蓋圓盤1是下表面開始與圓柱銷2的頭部滑動(dòng)。再次期間，上、下刀體的端面齒逐漸嚙合，實(shí)現(xiàn)精定位，經(jīng)過設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后，刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，整個(gè)換刀過程結(jié)束。 由于蝸桿副具有自鎖功能，所以刀架可以穩(wěn)定地工作。 蝸桿-蝸輪減速 銷連接 上蓋圓盤旋轉(zhuǎn) 螺桿正轉(zhuǎn) 刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn) 上刀體抬起 螺桿-螺母 端面齒錯(cuò)開 霍爾元件觸發(fā) 上刀體旋轉(zhuǎn) 到位回答 圓柱銷落入上蓋圓盤 蝸桿-蝸輪減速 反靠銷反靠端面齒嚙合 螺桿反轉(zhuǎn) 刀架電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn) 上刀體下降，粗定位 精定位 延時(shí)鎖緊 電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn) 圖：自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程 主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì) 1. 蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的動(dòng)力源是三相異步電動(dòng)機(jī)。其中蝸桿與電動(dòng)機(jī)直聯(lián)，刀架轉(zhuǎn)位時(shí)蝸輪與上刀體直聯(lián)。已知電動(dòng)機(jī)額定功率=90W。,額定轉(zhuǎn)速=1480r/min，上刀體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速=40r/min，蝸桿副的傳動(dòng)比i=/=37。刀架從轉(zhuǎn)位到鎖緊時(shí)，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，啟動(dòng)時(shí)沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命=10000h。 （1） 蝸桿的選型 GB/T10085-1988推薦采用漸開線蝸桿和錐面包絡(luò)蝸桿。本設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)簡單，制造方便的漸開線型圓柱蝸桿。 （2） 蝸桿副的材料 刀架中的蝸桿副傳動(dòng)的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速干，一次，蝸桿的材料選用45鋼，其螺旋齒面要淬火，硬度為45～55HRC,以提高其表面耐磨行；蝸輪的轉(zhuǎn)速較低，其材料主要考慮耐磨性，選用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，采用金屬模制造。 （3） 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 刀架中的蝸桿副采用閉式傳動(dòng)，多因齒面膠合或點(diǎn)蝕而失效。因此，進(jìn)行載荷計(jì)算時(shí)，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。 按蝸輪接觸疲勞強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)計(jì)算的公式 a (4-1) 式中 a——蝸桿副的傳動(dòng)中心距，單位mm； K——載荷系數(shù)； ——作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩，單位N.mm； ——彈性影響系數(shù)ZE； []——許用接觸應(yīng)力，單位為MPa。 從式4-1算出蝸桿副的中心距a之后，根據(jù)已知的傳動(dòng)比i=35， 查表選擇一個(gè)合適的中心距a值，以及相應(yīng)的蝸桿，蝸輪參數(shù)。 1） 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩,設(shè)蝸桿頭數(shù)=1，蝸桿副的傳動(dòng)效率η=0.8，由電動(dòng)機(jī)的額定功率=90W，可以算出蝸輪傳動(dòng)的功率=η，再由蝸輪的轉(zhuǎn)速=40r/min求得作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 =9.55=9.55=25.47N·m=22923N·mm 2） 確定載荷系數(shù)K 載荷系數(shù)K= KA KB K。其中KA為使用系數(shù)，有表6-3查得， 由于工作載荷不均勻，啟動(dòng)時(shí)沖擊較大，因此取KA=1.15； 為齒向分布系數(shù)，因工作載荷在啟動(dòng)和停止時(shí)有變化，故取KB=1.15； 為動(dòng)載系數(shù)，由于轉(zhuǎn)數(shù)不高。沖擊不大，可取K=1.05。則載荷系數(shù)K=KA KB K ≈1.39 使用系數(shù) 工作類型 I II III 載荷性質(zhì) 均勻，無沖擊 不均勻，小沖擊 不均勻，大沖擊 每小時(shí)起動(dòng)次數(shù) <25 25-50 >50 起動(dòng)載荷 小 較大 大 KA 1 1.15 1.2 3） 確定彈性影響系數(shù)ZE，鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配時(shí)，從有關(guān)手冊查的彈性影響系數(shù) ZE=160Mpa 1/2； 4） 確定接觸系數(shù) 先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d1 和傳動(dòng)中心距a的比值d1/a=0.35。查表的Zp=2.9 鑄錫青銅蝸輪的基本許用接觸應(yīng)力[σ]H'(MPa) 蝸輪材料 鑄造方法 蝸桿螺旋面的硬度 ≤45HRC >45HRC 鑄錫磷青銅ZCuSn10P1 砂模鑄造 150 180 金屬模鑄造 220 268 鑄錫鋅鉛青銅ZCuSn5Pb5Zn5 砂模鑄造 113 135 金屬模鑄造 128 140 5）確定許用接觸應(yīng)力[] 根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1金屬模制造蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC可查表的蝸輪的基本許用應(yīng)力=268MPa已知蝸桿為單頭，蝸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)每個(gè)輪齒嚙合的次數(shù)j=1；蝸輪轉(zhuǎn)數(shù)=40r/min；蝸桿副的使用壽命=10000h。 則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： N=60j n2 =2.4 ×10 7 壽命系數(shù)： KHN =0.693 許用接觸應(yīng)力： [σ ]=KHN×=186MPa 6）計(jì)算中心距 將以上各參數(shù)帶入4-1，求得中心距： a = 47.1 mm 查表取a=63，已知蝸桿頭數(shù)=1，設(shè)模數(shù)m=1.6mm，得蝸桿分度圓直徑d1=28mm。這時(shí)d1/a=0.59，查表得接觸系數(shù)=2.35。因?yàn)檩^大，所以上述計(jì)算結(jié)果可用。 （4）蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 由蝸桿和蝸輪的基本尺寸和主要參數(shù)，算的蝸桿和蝸輪的主要幾何尺寸后，即可繪制蝸桿副的工作圖。 1）蝸桿的參數(shù)與尺寸 頭數(shù)=1，模數(shù)m=1.6mm，軸向齒距=m=5.027mm軸向齒厚=0.5m=2.514mm，分度圓直徑=28， 直徑系數(shù)q==17.5， 分度圓導(dǎo)程角==。 取齒頂高系數(shù)=1，徑向間隙系數(shù)=0.2， 則齒頂圓直徑=+2m=31.2mm， 齒根圓直徑=-2m（+）=24.314mm。 2）蝸輪參數(shù)與尺寸 齒數(shù)=60，模數(shù)m=1.6mm， 分度圓直徑為=m=96mm， 變位系數(shù)=[a-()/2]/m=0.6， 蝸輪喉圓直徑為=+2m（）=101.12mm， 蝸輪齒根圓直徑=-2m（-+）=94.08mm， 蝸輪咽喉母圓半徑=a-/2=12.44mm。 （5）校核蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 即檢驗(yàn)下式是否成立： =[] 由蝸桿頭數(shù)=1，傳動(dòng)比i=35，可以計(jì)算出蝸輪齒數(shù)=i=35 則蝸輪的當(dāng)量齒數(shù)： ==35.17 根據(jù)蝸輪變位系數(shù)=0.6和當(dāng)量齒數(shù)=35.17，查表的齒形系數(shù) =2.08 螺旋角影響系數(shù) =1-=0.977 根據(jù)蝸輪的材料和制造方法，查表得蝸輪基本許用彎曲應(yīng)力： =56MPa 蝸輪的壽命系數(shù)： ==0.702 蝸輪的許用彎曲應(yīng)力： = =39.3MPa 將數(shù)據(jù)帶入得： 可見， ，蝸輪齒根的彎曲強(qiáng)度滿足要求。 蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力（MPa） 蝸輪材料 鑄造方法 單側(cè)工作 雙側(cè)工作 鑄錫青銅ZCuSn10P1 砂模鑄造 40 29 金屬模鑄造 56 40 鑄錫鋅鉛青銅ZCuSn5Pb5Zn5 砂模鑄造 26 22 金屬模鑄造 32 26 鑄鋁鐵青銅ZCuAl10Fe3 砂模鑄造 80 57 金屬模鑄造 90 64 灰鑄鐵 HT150 砂模鑄造 40 28 HT200 砂模鑄造 48 34 2.螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1） 螺距的確定 刀架轉(zhuǎn)位時(shí)，要求螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)約 的情況下，上刀體的端面齒與下刀體的端面齒完全脫離;在鎖緊的時(shí)候，要求上下端面的嚙合深度達(dá)2mm。因此，螺桿的螺距P應(yīng)滿足P>2.4mm，今取螺桿的螺距P=6mm。 （2） 確定其他參數(shù) 采用單頭梯形螺桿，頭數(shù)n=1，牙側(cè)角= 150，外螺紋大徑=50mm，牙頂間隙=0.5mm，基本牙型高度=0.5P=3mm，外螺紋牙高=3.5mm，外螺紋中徑=47mm，外螺紋小徑=43mm，螺桿螺紋部分長度H=50mm。 （3） 自鎖性能校核 螺桿-螺母材料均用45鋼，查表取摩擦系數(shù)f=0.11；再求得梯形螺旋副的當(dāng)量摩擦角： 6.50 而螺紋升角： = 2.33 小于當(dāng)量摩擦角。因此滿足自鎖條件。 結(jié)論 這次課題設(shè)計(jì)總計(jì)費(fèi)時(shí)一個(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)雜冗長的數(shù)據(jù)，打印長篇的論文，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。 參考文獻(xiàn) 1.吳振彪主編.機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo).中國人民大學(xué)社.2000. 2.余英良主編.機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例.機(jī)械工業(yè)出版社.1997 3.《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》編寫組編. 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊第一，三，四冊. 械工業(yè)出版社.1998. 4.明興祖主編.數(shù)控加工技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社.2001. 5.胡占齊，楊莉主編.機(jī)床數(shù)控技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社.1999. 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