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山東大學本科畢業(yè)設計 論文 1 引 言 數(shù)控技術及數(shù)控機床在當今機械制造業(yè)中的重要地位和巨大效益 顯示了其在國家基礎 工業(yè)現(xiàn)代化中的戰(zhàn)略性作用 并已成為傳統(tǒng)機械制造工業(yè)提升改造和實現(xiàn)自動化 柔性化 集成化生產的重要手段和標志 數(shù)控技術及數(shù)控機床的廣泛應用 給機械制造業(yè)的產業(yè)結構 產品種類和檔次以及生產方式帶來了革命性的變化 數(shù)控機床是現(xiàn)代加工車間最重要的裝備 它的發(fā)展是信息技術 1T 與制造技術 MT 結合發(fā)展的結果 現(xiàn)代的 CAD CAM FMS CIMS 敏捷制造和智能制造技術 都是建立在數(shù)控技術之上的 掌握現(xiàn)代數(shù)控技術知識是現(xiàn)代機電 類專業(yè)學生必不可少的 隨著機械工程的發(fā)展 越來越多的大型工件走進了機械制造領域 同時也為作為工作 母機 的機床提出了更高的要求 尤其大型管件的運用 為鏜床的加工帶來了很大的難度 因此提出了 TKA2140 的設計理念 進一步的設計中授油器成為制約鏜床加工精度的瓶頸 大 型工件精度的保證很大程度上集中于授油器的工作性能 集支撐 頂緊 冷卻 潤滑于一體 的授油器成為設計中的重中之重 在論文中從各個方面從理論和方案設計上都做了詳細的論證和計算 從主軸的設計到計 算校核都從不同的方案中比較選擇 盡量選擇出最優(yōu)的設計 部件的選擇中 遵循國標 基 于互換性的原則 來進一步設計出完善的部件 在論文的最后對數(shù)控系統(tǒng)進行了設計 從而 使 TKA2140 數(shù)控深孔鏜床的功能更加完善 由于時間和自身水平等原因 論文中存在許多不足之處 望大家多多督促 在以后的學 習和工作中 我一定會努力改正 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 2 第一章 緒論 1 1 論文研究背景和意義 數(shù)控技術裝備工業(yè)的技術水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經濟的水平和現(xiàn)代化程度 數(shù)控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產業(yè)和尖端工業(yè) 如信息技術及其產業(yè) 生物技術及其 產業(yè) 航空 航天等國防工業(yè)產業(yè) 的使能技術和最基本的裝備 馬克思曾經說過 各種經 濟時代的區(qū)別 不在于生產什么 而在于怎樣生產 用什么勞動資料生產 制造技術和裝 備就是人類生產活動的最基本的生產資料 而數(shù)控技術又是當今先進制造技術和裝備最核心 的技術 當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術 以提高制造能力和水平 提高對動態(tài)多變 市場的適應能力和競爭能力 此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術及數(shù)控裝備列為國家 的戰(zhàn)略物資 不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術及其產業(yè) 而且在 高精尖 數(shù)控關 鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策 總之 大力發(fā)展以數(shù)控技術為核心的先進制 造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經濟發(fā)展 提高綜合國力和國家地位的重要途徑 專家們 預言 二十一世紀機械制造業(yè)的競爭 其實質是數(shù)控技術的競爭 加入世貿組織后 中國正 在逐步變成 世界制造中心 為了增強競爭力 中國制造業(yè)已經開始廣泛推廣先進的數(shù)控 技術 1 2 數(shù)控機床國內外發(fā)展現(xiàn)狀 隨著計算機技術和微電子技術的發(fā)展 數(shù)控機床的性能日臻完善 同時 為了滿足制造 業(yè)向更高層次發(fā)展 為柔性制造單元 柔性制造系統(tǒng)和計算機集成系統(tǒng)提供基礎設備 數(shù)控 機床正朝著高精度 高速度 高可靠性 多功能 智能化 開放化等方向發(fā)展 隨著先進的 數(shù)控技術的應用 我國世界制造業(yè)加工中心地位的形成 數(shù)控技術的提高和發(fā)展已經成為中 國機械制造業(yè)的瓶頸 十五 期間 是我國機床工具行業(yè)發(fā)展最快的五年 通過引進技術 合作生產等形式 在新產品研發(fā)方面取得較大進展 在高速 高精 多軸 復合等方面都有 較大突破 尤其是車削加工中心和數(shù)控鏜銑床更為突出 鏜床類產品技術含量普遍較低 數(shù) 控機床產業(yè)化程度仍然不高 這便要求更進一步的提高數(shù)控技術 加強技術含量在機床設計 中的比重 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 3 1 3 論文主要研究內容 TKA2140 機床是加工圓柱形深孔零件的專用機床 它可以鏜削通孔 階梯孔 也可以進 行光整滾壓加工 此次設計的目的是為了更進一步的學習了解鏜床內部組件構成 原理 工 作性能 以及對現(xiàn)行鏜削加工的改進 經過對 TKA2140 機床整體設計和授油器主軸及其部件 的設計進一步探討對于主軸工作性能及影響其工作負何的相關因素 力求提高整體加工精度 授油器是鏜床中保證加工精度 調整車床的主要部件 其主要功用是與主軸箱卡緊工件 支承鏜桿鏜削 授油器的工作狀況 將直接影響鏜床加工精度 授油器的主要工作原理在正 文中將具體講述 授油器主軸較車床主軸承受的扭矩較小 主要為卡緊 調整功用 其主軸 精度將直接影響加工性能 世界先進制造技術的不斷興起 超高速切削 超精密加工等技術 的應用 柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計算機集成系統(tǒng)的不斷成熟 對數(shù)控加工技術提出了更 高的要求 但是在鏜床加工方面仍然是剛剛開始數(shù)控歷程 鏜削加工的改進后高速度 高精 度化 智能化 CAD CAM 數(shù)控系統(tǒng)小型化仍然是問題 所以必須加強研究關于數(shù)控鏜床各 結構組件的工作性能 在主軸設計中改進主軸結構 調整部件的裝配尺寸 配合 都能夠從相應的部分提高主 軸的精度 便于鏜削加工 進而提高授油器工作性能 改進 TKA2140 數(shù)控鏜床的加工精度 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 4 第二章 數(shù)控鏜床總體及部件的總體設計 2 1 TKA2140 數(shù)控深孔鏜床總體設計 2 1 1 調查研究 在設計鏜床之前對供需市場進行調查 在大規(guī)模鏜削中 直徑較大的管件難以加工 需 要專門化機床對大型工件進行鏜削 而國內市場中存在極少型號的大型鏜床 數(shù)控化專用鏜 床領域仍然是剛剛觸及 所以提出了此次對數(shù)控深孔鏜床設計的理念 旨在解決深孔鏜床鏜 削大型工件的不足之處 2 1 2 方案擬定 本機床是加工圓柱形深孔零件的專用機床 它可以鏜削通孔 階梯孔 也可以進行光整 滾壓加工 擬定鏜床各部分位置及功能分配 床身 床身導軌寬度 1000 mm 床身長度 12000 mm 主軸箱 主軸頭號 A215 短錐定位 工件安裝方式 錐度頂緊 主軸通孔直徑 100 mm 主軸孔前端錐度 公制 140 主軸轉速范圍 20 300 轉 分 兩檔無級調速 20 96 轉 分 96 300 轉 分 動力系統(tǒng) 主軸電動機型號 變頻電機 VFG280S 25 37 4 功率 37 KW 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 5 恒功率調速范圍 1 4 進給電機型號 交流伺服電機 40 3000i 功率 5 5 KW 額定轉矩 38 n m 冷卻系統(tǒng)電機功率 22 KW 轉速 1450 r min 潤滑泵電機功率 轉速 1450 r min 2 1 3 各部件總體設計 主軸箱 主軸箱為一全封閉箱體 主軸的旋轉是由固定在底座上的變頻主電動機帶動彈性聯(lián)軸器 經過各級齒輪傳遞至主軸 可在兩檔內無級調速 全部調速通過操縱數(shù)控系統(tǒng)或操作面板上 的按鈕實現(xiàn) 主軸的軸向力是由主軸前端的 2344 型雙向推力角接觸軸承來承受 避免整根 主軸在全長上受力 并通過主軸箱前部的壓板緊扣在床身的臺階側面上 使主軸箱固定牢固 可靠 不會因頂緊工件受力而變形錯位 床身 床身采用寬矩型導軌 布置了縱橫交叉的加強筋結構 穩(wěn)定性好 剛性好 床身導軌面 進行中頻淬火磨削加工 相配的床鞍導軌及授油器底座均粘貼聚四氟乙烯軟帶 具有較高的 剛性并減少了磨損 床身兩邊的側面固定了高精度的齒條 與床鞍上的驅動裝置組成齒輪齒 條傳動副 驅動床鞍及刀架運動 鐵屑及冷卻油除大部分集屑箱帶走外 另一小部分也可從 床身中部的空隙而落入地基的槽子中 這對于機床周圍的清潔以及對鐵屑的消除方面都是十 分有利的 床身下部兩邊的油槽是相通的 后部的油槽通過油管使油回至冷卻油箱 床鞍 床鞍與床身導軌配合的導軌上粘貼聚四氟乙烯軟帶 減少磨損 床鞍上還固定著鏜桿箱 是鏜刀架移動的支撐底座 床鞍靠伺服電機通過減速后帶動床身兩側的齒輪齒條嚙合驅動 伺服電機通過能夠調整傳遞扭矩的無側隙彈性聯(lián)軸器與傳動軸相連 經一級減速后又通過可 調扭矩聯(lián)軸器分與兩側減速箱 經再次減速后驅動齒輪齒條嚙合而使床鞍移動 床鞍的正常 工作進給與快進快退是靠數(shù)控系統(tǒng)或手動操作設定 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 6 授油器 授油器安裝于底座上 底座與床身配合的導軌上粘貼有聚四氟乙烯軟帶 減少磨損 授 油器主要用于支撐工件 授油器前面應裝有與刀架相符的襯套 并帶有錐面 其錐面與工件 錐面一致 起密封冷卻液作用 后面裝有與鏜桿相符的襯套 中間為冷卻液進油口 授油器 在使用時必須可靠鎖緊 其鎖緊裝置是利用固定在床身兩側的齒條 用反向齒條齒與齒相咬 合而達到固定鎖緊的 在床身兩側布置了四套鎖緊裝置 一般只利用前邊的兩套即可 授油器上邊布置了一套機動調整工件的裝置 當工件太大 裝夾時需要轉動工件進行調 整時 用人力轉動工件太困難 這時可利用機動調整裝置 放下壓桿 調整齒輪互相嚙合 啟動電機即可 在授油器的底座下留有安裝推拉油缸的固定座 同時在床身的相應位置也留 有油缸固定位置 液壓站上備有油路接口 相應電路也已設計 用戶可自行安裝液壓移動授 油器的油缸 也可按合同要求為用戶配備此液壓缸 鏜桿支架 鏜桿用中心架用以導向和支撐帶有刀頭的鏜桿 其上放置著可更換的襯套 可按不同的 鏜桿直徑而更換 襯套的潤滑油是用支架上的油池供給 鏜桿中心架的移動是通過一對齒輪 和固定在床身上的齒條嚙合來實現(xiàn)的 工作時鏜桿中心架的移動是利用鏜桿箱的推力來實現(xiàn) 也可用手搖動固定在其上的驅動裝置 通過齒輪齒條嚙合移動中心支撐授油器 2 2 授油器總體設計 2 2 1 授油器參數(shù) 授油器頂緊油缸最大行程 110 mm 授油器對工件的最大頂緊力 120 KN 鎖緊方式 齒條鎖緊 鏜孔最大直徑 400 mm 鏜孔最大深度 3000 mm 中心高度 從導軌平面至主軸中心 650 mm 主軸最大扭矩 11042 N m 最大工件直徑 600 mm 2 2 2 工作原理 授油器安裝于底座上 底座與床身配合的導軌上粘貼有聚四氟乙烯軟帶 減少磨損 授 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 7 油器主要用于支撐工件 授油器前面應裝有與刀架相符的襯套 并帶有錐面 其錐面與工件 錐面一致 起密封冷卻液作用 后面裝有與鏜桿相符的襯套 中間為冷卻液進油口 工件頂緊由液壓裝置控制 首先是啟動液壓站油泵 接通二位四通電磁閥 推動授油器 上油缸 其油缸行程為 110 毫米 可頂緊或松開工件 授油器油缸活塞面積為 67180 平方毫 米 可通過調節(jié)液壓系統(tǒng)壓力調整頂緊力大小 一般油缸油壓不超過 1 5MPa 授油器在使用時必須可靠鎖緊 其鎖緊裝置是利用固定在床身兩側的齒條 用反向齒條 齒與齒相咬合而達到固定鎖緊的 在床身兩側布置了四套鎖緊裝置 一般只利用前邊的兩套 即可 授油器上邊布置了一套機動調整工件的裝置 當工件太大 裝夾時需要轉動工件進行調 整時 用人力轉動工件太困難 這時可利用機動調整裝置 放下壓桿 調整齒輪互相嚙合 啟動電機即可 在授油器的底座下留有安裝推拉油缸的固定座 同時在床身的相應位置也留 有油缸固定位置 液壓站上備有油路接口 用以安裝液壓移動授油器的油缸 2 2 3 授油器設計規(guī)劃 在設計中首先對授油器主軸結構 軸上零件的定位進行設計 從主軸箱主軸處類比出授 油器主軸的大概直徑 計算出軸的總體長度 再進一步設計出軸的各段直徑 在設計的最后 提出了主軸的技術要求 然后對軸的強度進行校核 確定軸的設計方案后對軸上部件進行設 計和校核 在軸承的比較選用中對軸承的裝配方案也提出了改進措施 在結構設計后對軸系的總體都進行了改進方案的初步嘗試 在設計的最后對軸及主要部 位的公差精度配合都做了相關的探討和描述 力爭在現(xiàn)有的方案上進一步的改進其性能和精 度 在軸的設計中 首先對軸的總體結構初擬 對于軸上零件的定位經過比較確定軸的初步 方案 經過計算后確定出最小直徑 逐步進行設計 確定出兩套方案進行比較 在軸承的選 用設計中 首先經過分析載荷情況確定其類型 在國標中初選型號再進行壽命計算 最后經 過比較確定所選軸承型號 關于螺栓的設計進行了反復的比較和驗證 液壓缸的螺栓強度關 系整個授油器頂緊工件力及支撐鏜桿的精度 螺栓的選擇非常重要 經過各種方案的比較確 定最優(yōu)的方案 在方案改進中對現(xiàn)行方案做了初步的比較和驗證 尤其軸承的裝配問題 對 軸系的受力取得了很大的改善 對系統(tǒng)精度的論述做為初步的描述和選用 精度的選擇在軸 與軸承的裝配中及軸與襯套的配合中顯的尤為重要 在此一并做了論述 設計的最后對液壓 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 8 系統(tǒng)做了初步的校核計算 并在潤滑 冷卻方面也做了方案選擇和比較 第三章 主軸設計 TKA2140 授油器主軸設計包括兩部分 結構設計和工作能力設計兩方面 結構設計是根 據(jù)軸上零件安裝 定位以及軸的制造工藝等方面的要求 合理的確定軸的結構形式和尺寸 工作能力設計是關于軸的強度剛度振動穩(wěn)定性的設計 3 1 軸的結構設計 在結構設計中軸的總體設計是由軸在機器中的安裝位置 軸上卡盤 1 2 擋圈 2 個球 軸承 擋塊和推力球軸承左端拆卸 套筒 3 杯套由中間階梯固定 右三個杯套 7 8 9 由 螺栓相繼固定 右端拆卸 圖 3 1 授油器主體結構圖 1 前錐套 2 主軸前套 3 軸承 4 齒輪 5 導向鍵 6 主軸 7 固定套 8 法蘭盤 9 后錐套 10 授 油器體 11 授油器底座 12 冷卻液入口 13 導向壓板 14 調整鑲條 15 授油器移動油缸連接支架 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 9 在前錐套上分布有連接螺紋孔 在加工不同直徑工件時 還可加裝錐套 鏜桿導向套靠 螺釘緊固在主軸上 刀桿不同時應更換導向套 后錐套可適量調節(jié)直徑大小 以調整刀桿的 準確位置 鑲條用以調整授油器在移動時的導向精度 使用一段時間后應檢查調整 圖 3 2 襯套方案比較 方案 A 采用軸直接支承鏜桿而省去鏜桿導向套 減少裝配 但在支承處易摩擦 損壞后無法 更換 不及圖中 B 方案合理 可以運用導向套來調整鏜桿 精度達不到要求后可以及時更換 所以 B 方案更為合理 3 2 軸上零件定位 3 2 1 軸肩定位 為了放置軸上零件并進行軸向定位 軸在受力時保證平穩(wěn) 保證準確的工作位置 與此 同時能發(fā)生沿周向或軸向的相對運動 軸上零件除了由游動或空轉的要求外 都必進 圖 3 3 主軸軸肩定位示意圖 行軸向定位 如圖所示 深溝球軸承由左端彈簧擋圈及 1 處軸階固定 推力球軸承由左擋塊 右軸環(huán)固定 左旋轉盤由螺栓固定在軸外套齒輪上 中鏜桿襯套由螺栓組與 3 軸階固定 固 定套 法蘭盤 后錐套由螺栓固定 在固定中 盡量采用了軸肩 軸環(huán)定位 定位可靠 構 造簡單 在軸肩定位時 過渡圓角半徑 R 必須小于與之相配的零件 轂孔端面的圓角半徑和 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 10 倒角尺寸 C 彈性擋圈在定位時只能承受很小的軸向力 因主軸裝夾加工工件過程中 主要 承受單向軸向力 所以在另一側可以用軸環(huán)固定 3 2 2 改進軸強度 在軸的設計中 運用以下方法提高軸的強度 1 主軸在工作中承受變應力 軸在截面尺寸發(fā)生突變時產生應力集中 軸的疲勞破壞也 易發(fā)生于此 可在軸肩處采用較大的過渡圓角半徑 R 來減低應力集中 并在定位軸肩處采用 凹角 具體各處參數(shù)在圖紙中標出 2 采用盤銑刀加工鍵槽 因其在過渡處對軸的截面削弱較為平緩 應力集中小 便于提 高軸的強度 3 由于軸的表面粗糙度和表面強化處理方法也會對軸的疲勞強度產生影響 所以軸的表 面越粗糙 疲勞強度也就越低 采用熱處理的方法來消除應力進而提高抗疲勞強度能力 對 主軸采用去應力退火 3 3 各軸端直徑和長度的確定 3 3 1 主軸平均直徑設計 授油器主軸大概直徑由主軸箱主軸的直徑類比得到 初選 500mm 主軸內孔直徑 d 的確定 主軸內徑主要用來通過鏜桿 確定孔徑 d 的主要原則是為了減輕主軸重量 減小主軸轉 動慣量 在滿足空心軸徑的要求及不削弱主軸剛度的要求下 應盡量取大值 主軸本身的剛度 K 正比于抗彎斷面慣性矩的 I 41D 空 空實 實 由此得主軸孔徑 d 對剛度影響曲線 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 11 圖 3 4 孔徑對剛度的影響 D 主軸平均直徑 d 主軸平均孔徑 K 實 直徑為 D 的實心軸剛度 K 空 直徑為 D 孔徑為 d 的實心主軸剛度 取 0 7 d 0 7XD 0 7X600 420 主軸懸伸量 a 確定 主軸前端面到支承徑向反力作用中點的距離 a 為主軸的懸伸量 其主要取決于主軸端面 結構和尺寸 前支承的軸及配置 密封裝置等 懸伸量對主軸的性能影響很大 在滿足結構 要求前提下盡可能取小值 在此次設計中采用短錐法蘭式主軸端部結構將推力軸承配置在徑 向軸承內側 運用向心推力軸承代替向心軸承 3 3 2 主軸支承跨距的確定 支承跨距是主軸相鄰兩支承的支承反力作用點之間的距離 主軸端部受力時的總位移 y 由 主軸彎曲變形引起位置變形 yb 主軸彎曲變形引起的軸端位移 ys 主軸支承變形引起的軸端 位移 ye 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 12 圖 3 4 主軸軸端各項位移與跨距 l 的關系曲線 授油器主軸為不承受傳動力的二支撐主軸部件 其最佳跨距 l0由式 13126 574EIDdc E 彈性模量 C1 主軸前支承的支承剛度 C2 主軸后支承的支承剛度 Il 主軸跨距部分慣性矩 3 1 lm L Dl 主軸跨距部分平均值 dl 主軸跨距部分平均孔徑 當 l l0 時 造成了主軸部件的剛度損失 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 13 圖 3 5 跨度對剛度的影響 當 lrat 0 75 1 5 l0時 都認為合理跨度 主軸部件設計中通常都采用支承跨度 l lrat l0 除了結構設計以外 從主軸精度而言 當 D a 一定時 l 越大 軸承的徑向跳 動對主軸前端的徑向跳動影響越小 從抗振性來說 加大主軸跨度易使主軸部件卡盤工件的 重心落在跨距中 可減少振動 因此設計主軸長度為 lrat 1610mm 符合主軸性能要求 3 3 3 軸段精確直徑長度 軸的形狀確定后 各軸端的直徑與軸上的載荷相關 主軸初擬定是心軸 只承受彎矩 不受轉矩 主軸最小直徑由工作需求初擬后校核 看是否符合工作要求 軸的左端裝配軸承 應首先參考軸承國標代號選擇精確的主軸的直徑 經查得初選 550mm 左右的軸承 擬小徑為 560mm 的 618 560 的軸承 確定軸小徑 兩組深溝球軸承后裝 配推力軸承 選擇軸肩定位 加大軸徑 與此同時 選擇推力軸承中的國標 擬定 511 600 型號 則第二段軸徑確定 寬度由推力軸承的寬度確定 85mm 推力軸承定位仍然選擇軸肩 定位 設置一軸環(huán)定位 加大軸徑 40mm 寬初擬 60mm 軸徑繼續(xù)為推力軸承處的軸徑 便 于加工 選用 600mm 導向鍵鍵槽在軸段進入箱體后即可開鍵槽 由于授油器行程 110mm 在行程外加游動間隙 設為 220mm 開鍵槽 在主軸的中部設進油孔 定位 520mm 打孔 因為軸必須有段預留距離 設計至此 從右段裝配精度要求較高位置開始設計軸 軸的右端 需要螺栓固定 固定卡盤 使其在下面加襯套后固定鏜桿 初步設定螺栓孔中心線 520mm 軸徑設為 558mm 套液壓缸 精度要求較高 在軸段上開密封圈 2 處 設一軸肩 便于活塞 固定 加大軸徑 10mm 主軸由于帶動大重量的工件 需要設計為中空 另外 授油器第二 大功用的實現(xiàn)也要求主軸為中空且能夠帶襯套 經計算選內徑 480mm 在主軸中部定位 130mm 的裝配襯套的軸段 至此 主軸的主要功用已經全部設計 確定軸的總長度 在 1600mm 1800mm 之間 調整軸段取 210mm 確定主軸長度 1610mm 在主軸的具體部位 留圓 角 退刀槽 確定主軸能夠首先完成其功能 其次方案盡可能合理 擬定主軸結構方案 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 14 圖 3 6 授油器主軸設計 注 安裝標準件處的軸滾動軸承 聯(lián)軸器 密封圈處的軸徑 取為相應的國標 3 4 軸在設計中的技術要求 1 主軸前后軸頸中心的連線 是主軸工作時的回轉中心線 因此要求兩個軸頸的同軸 度 以一個軸頸對另一個軸頸的跳動度表示 查表得 小于 0 03 2 對卡盤的定心軸頸及其定位軸肩應該提出精度要求 用以保證卡盤 工件的安裝精 度 定心軸頸的配合類型和配合精度應該在 6 級過渡配合 定心軸頸對前后軸 承的軸頸中心徑向跳動度為 0 025 定位軸肩對主軸前后軸頸中心線的跳動度應 該在 0 4 內 3 5 軸校核 3 5 1 由彎矩合成強度條件計算 通過軸的結構設計 軸的主要結構尺寸 軸上零件的定位 以及外載荷和支反力的作 用位置已經確定 軸上載荷可以進一步求得 因而可按彎矩合成強度條件對軸進行強度校核 計算 力學模型 鏜床加工工件擬 10 噸 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 15 圖 3 7 工件受力分析 將支承力分解 F1 50000N F2 50000N 由工作要求授油器頂緊力 Fa 120KN 圖 3 8 工件受力模型 X 0 FA FX 0 Y 0 F1 F2 0 MA 0 G 580 F2 770 0 解方程組可得 F1 17532N F2 7532 5N 力學模型 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 16 圖 3 9 工件受力圖 圖 3 10 主軸軸力圖 圖 3 11 主軸彎矩圖 3 5 2 校核軸的強度 根據(jù)所求出軸的彎矩 由強度理論校核危險截面 M W W 軸的抗彎截面系數(shù) 軸的抗彎截面系數(shù)計算 3 2 340 1 Wd 490 558 0 878 3 3 所以可得 34 10 87 36 7 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 17 3 4 22221ca MTTWW 式中 軸的計算應力 M 軸所受的彎矩 N mmca T 軸所受的轉矩 N mm W 軸的抗彎截面系數(shù) 3m 帶入數(shù)據(jù)的 3 5 66108 5 43 1073 ca MPa 計算應力 ca 3 6 1 3 5 3 軸重要部位校核 校核在軸環(huán)處是否壓潰 圖 3 12 軸環(huán)受力分析 3 7 6210 1 534FKNMPaA 因為 所以在階梯處安全 F n 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 18 第四章 主軸連接件設計 4 1 球軸承的計算 深溝球軸承 GB276 82 圖 4 1 深溝球軸承示意圖 由軸承的軸向力和徑向力的比 Fa Fr 120KN 50KN 2 04 4 1 Fa Fr 1 14 故不適合運用角接觸軸承 軸向力太大 必須使用推力軸承承受軸向載荷 此處可以認 為深溝球軸承不承受軸向力 僅承受徑向力 Fr 表 4 1 軸承表示格式 表示方法 軸承小徑 以內徑尺寸被整除得的商表示 內徑尺寸 10 12 15 1720 495mm 10 17mm 代號 00 01 02 03 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 19 表 4 2 軸承初選 按照加工工件的要求以及傳統(tǒng)鏜床的軸承參數(shù)初設軸承的小徑為 560mm 因為系統(tǒng)以軸 向力和徑向力分開承受 選用深溝球軸承承受徑向力 推力球軸承承受徑向力 同時 球軸 承的構造簡單 價格較底 求當量動載荷 Pr 由于軸承型號未確定 Cr Cor A R e X Y 等值都無法確定 必須試算 試選 d 560mm 選用軸承代號 618 560 寬度系列代號 1 直徑代號 8 球軸承 X 1 Y 0 fp 1 8 中等沖擊 中等慣性沖擊 運用于機床組件 由 Lh 每天工作 8 小時的機器 Lh 12000 20000h 附錄 A P fp XFr YFa 1 8 1 35443N 0 63797 4N 4 2 由式軸承應有的基本額定動載荷值 Cr 650KN 額定靜載荷 Cor 1208KN 查表得 fn 0 481 fd 1 5 fm ft 1 0 4 6532r79nT 由 fh 3 2 ln 16500h 軸承符合使用要求 能夠選用 4 2 軸推力軸承 軸向當量動載荷 4 3 aPF 基本尺寸 基本額定載 荷 極限 轉速 軸承代號 基本尺寸 d B D Cr Cor 油 D2 da min Dmax 500 78 670 445 808 630 619 500 615 0 522 648 560 100 720 650 1208 560 600 560 580 560 725 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 20 軸向當量靜載荷 4 4 oaPF 最小軸向載荷 4 5 2min 10aA 式中 n 轉速 r min GB T301 1995 設計中采用軸向徑向力分別計算負載的功能 軸向力采用單向推力球軸承即滿足使用要 求 n 300r min Lh 12000 20000h Fa 120KN 試選 511 530 因 Fr 0 Fa Fr 1 14 查得 P 0 35Fr 0 57Fa 由 GB T301 1995 查 Cr 595KN Cor 3570KN 由式 4 6 nthmdfPC 查得各參數(shù) fh 3 42 fn 0 481 ln 20000h fd 1 2 fT 0 95 fm 1 P 0 418 0 95 3 42 1 2 595 66 25KN 按當量動載荷求得軸向力 Fa P 0 57 44 165 0 57 77 48KN Fa1 14 查得 P 0 35Fr 0 57Fa 由 GB T301 1995 查 Cr 1320KN Cor 9300KN 由式 4 8 nthmdfP 查得各參數(shù) fh 3 42 fn 0 481 ln 20000h fd 1 2 ft 0 95 fm 1 P 0 418 0 95 3 42 1 2 1320 146 372219KN 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 21 按當量動載荷求得軸向力 Fa P 0 57 146 372219 0 57 256KN Fa 120KN Fa Fa 511 630 軸承能選用 表 4 3 軸承初選 4 3 鼓形卡盤設計 鼓形卡盤是一個過渡卡盤 用螺釘緊固于主軸箱主軸上 它是用來夾緊工件及傳遞扭距 的 在鼓形卡盤上開有窗口 作為加工到頭時攫取刀具用 鼓形卡盤前錐用于頂緊工件 靠 更換其中的襯套頂緊不同直徑尺寸的工件 一般來說 其前錐角度采用 30 度 半角為 15 度 或不超過 90 度的錐角 半角為 45 度 采用稍小些的錐角頂緊工件更有利于提高機床的使用 壽命 4 4 軸及其配件的擬改進方案 4 4 1 導向鍵選擇 可以為專用件 也能選用國標 主要功能為防止主軸旋轉 導向作用 導向平鍵 GB 1097 1979 靠側面?zhèn)鬟f轉矩 對中性良好 裝拆方便 但不能實現(xiàn)軸上零件的固定 鍵與轂槽為動配合 軸上零件能做軸向移動 為了拆卸方便 沒有起槽螺孔 用于軸上零件 軸向移動量不大的場合 在原設計中導向鍵是專用件 損壞后不易修復 易選用標準件 采 用盤銑刀加工鍵槽 減輕軸截面應力集中 4 4 2 導向套 基本尺寸 mm 基本額定 載荷 最小 載荷 常數(shù) 極限轉 速 r min 重量 KG 軸承代 號 其他尺寸 d D T Cr Cor A 脂 油 W 5100 型 d1 D1max rmin 530 640 85 708 4000 80 0 260 380 57 3 511 530 534 635 3 630 850 175 1320 9300 481 100 160 252 512 630 635 845 6 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 22 圖 4 2 襯套方案設計 擬方案改進 在授油器右端的固定套 法蘭盤 后錐套作用是對鏜桿的支承作用 若改為此固定套 可以減少裝配次數(shù) 提高裝配精度 采用一次裝配完成主軸裝配 但是由于不能更換錐套 當錐套受損后不能修復 再者由于加工工件的不同 鏜桿也需要調整 所以此方案行不通 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 23 第五章 主軸及連接件的精度 5 1 極限 在授油器主軸與軸承的配合中 軸承為標準件 采用基孔制 選取軸段上標準公差數(shù)值 表 GB T 1800 3 1998 軸支撐軸承選用 6 級公差 對于無相對轉動的零件 通常選用 h 配合 作為一般的定位配合 由優(yōu)先數(shù)系基準孔制 選用 H7 h6 對于襯套選用 js 配合 IT 20 平均起來為稍有間隙的配合 要求間隙比 h 軸配合時小 并允許略有過盈的 定位配合 用木棰裝配 5 1 1 各部位極限選擇 鏜床能否保證加工 3000mm 工件的精度 授油器是極為關鍵的部件 而主軸的作用便不 言而喻 主軸在支撐工件的同時 支承著鏜桿 鏜桿在鏜削時的加工強度的保證都由中襯套 和后襯套來保證 選用原則基于下表 在主軸軸頸與軸承配合的部位采用 6 級精度 左襯套因要求頂緊工件鏜削 加工精度要求較高 用 6 級精度 鏜桿導向套是保證鏜桿加工精度的重要部件 外部選用 6 級精度 內孔加工不便 選用 7 級精度 后襯套與主軸配合是支承鏜桿的重要部位 外部采用 6 級精度 內孔采用 7 級精 度 法蘭盤配合精度要求較高 外部選用 6 級 內孔 7 級精度 主軸為固定心軸 與箱體配合要求不高 選用 8 級即可 表 5 1 精度等級選用場合 精度等級 應用場合 IT6 廣泛運用于機械制造中的重要場合 配合表面有較高 均勻性要求的場合 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 24 IT7 與 6 級相似 精度稍低 在一般的機械制造中運用廣 泛 IT8 在機械制造中屬于中等等級 在鐘表 儀表制造中由 于基本尺寸較小確定性要求不高的場合運用 5 1 2 具體選用部位 主軸中襯套精度 圖 5 1 襯套精度選擇 鑲片材料為銅 由于支承鏜桿為滑動摩擦 為了節(jié)省材料 采用過盈配合將其固定 而且在摩擦時間久后可以拆換鑲片 襯套繼續(xù)使用 在 1 處需要導圓角 使得鑲片 2 能與 1 容易配合 襯套與鑲片配合選用基孔制 過盈配 合 壓入襯套內 5 2 公差帶選擇 5 2 1 各部件的公差帶 對于卡盤與襯套的定位配合 因加工不同的工件需要拆換 采用 H7 H6 的配合 H7 H6 配合間隙較小 能較好的對準中心 一般多用于常拆卸或在調整時需要移動或轉動 的連接處 軸與軸承套的配合采用過渡配合 起定位作用 H7 js6 最松的一種過渡配合 用于 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 25 頻繁拆卸 同心度要求不高的場合 銅套與鏜桿導向套的配合采用過盈配合 壓入導向套中 H7 p6 在銅套磨損后易于 拆卸 才用此種配合提高定位精度 鏜桿導向套與軸孔配合 H7 H6 配合間隙較小 能較好的對準中心 一般用于常拆 卸或在調整時需要移動或轉動的聯(lián)接處 在一般配合中 都采用 H7 H6 配合 因為配合間隙較小 能較好的對準中心 一般用于 常拆或在調整時易轉動的場合 表 5 2 公差選用 公差帶 選用場合 f 多用于 IT6 IT7 IT8 級的一般轉動配合 被廣泛 運用于普通潤滑油潤滑軸承的支承 g 配合間隙很小 制造成本高 除精密安裝配置外 不推薦使用轉動配合 h 多用于 IT4 11 級 廣泛運用于無相對轉動的零件 作為一般的定位配合 js 為完全對稱偏差 IT 2 平均起來 稍有間隙的配 合 5 2 2 軸與軸承的公差帶 1 公差與配合的選用 基準的選用 選擇基準時 首先要考慮加工工藝及測量經濟性 其次結構形式的合理性 選用原則如 下 優(yōu)先選用基孔制 以減少孔的尺寸和定位刀具 獲得顯著的經濟效益 一軸配多孔 且各處松緊要求不同的配合 由公差帶來保證 精度不高且需要經常裝拆的情況允許采用 非基準制 在授油器主軸與軸承的裝配中 軸承為標準件 所以采用基孔制 2 公差等級的選用 公差等級的高低直接影響產品使用性能和加工的經濟性 等級過低 產品質量得不到保 證 等級過高 將使制造成本增多 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 26 選用原則 滿足使用原則 經濟性好 一般選用方法 類比法 在一般配合中選用 IT5 IT12 3 配合選用 配合類別的選用 標準中規(guī)定間隙 過渡和過盈配合 因為授油器需要傳遞一定彎矩和轉矩 選擇過 渡配合 配合代號 確定配合制度和標準等級后 根據(jù)使用要求確定與基準件配合的軸或者孔的基本偏 差代號 H7 js6 5 3 形狀公差和位置公差 主軸一方面支承鏜桿 還需要頂緊工件 便要求主軸左端 右端的同軸度 對于導 向套的中心孔線與 A B 基準共同的同軸度來保證鏜桿軸向的精度 經查表得 同軸度控制 在 0 025 對主軸右端面與襯套連接 襯套內裝卡盤支承鏜桿 要求有跳動度來保證 確定裝 配后授油器主軸與襯套要求同軸度 0 025 5 4 授油器部件表面粗糙度選擇 軸的粗糙度將影響其壽命 機床的耐磨性 配合穩(wěn)定性 疲勞強度 抗腐蝕性 因此對 于表面粗糙度的選擇 便顯得尤為重要 通常按如下原則進行選擇 1 工作表面的表面粗糙度參數(shù)值應比非工作表面小 2 相對運動速度高 單位面積壓力大的摩擦表面的表面粗糙度值應該小 3 承受變應力的零件 易產生應力集中 圓角 溝槽表面粗糙度要小 4 對于箱體 可選用表面粗糙度很大的值 半精度加工的面 支架 箱體 離合器 帶輪側面 軸和孔的退刀槽選用 20 40 的值 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 27 授油器的主軸箱座和箱蓋的結合面 中等尺寸帶輪的工作面 襯套低速轉動的軸徑 Rz 取 6 3 10 在活塞的活塞銷孔 要求氣密的表面和支撐面取 1 6 3 2 汽缸內表面 取 0 4 0 8 第六章 授油器液壓系統(tǒng)設計 授油器液壓缸在加工中主要起頂緊作用 由于軸向力過大 使得液壓系統(tǒng)成為授油器主 軸部件中極為重要的部件 在液壓系統(tǒng)的設計中要求該液壓系統(tǒng)主要有三種作用 1 控 制授油器的前進和后退 2 控制授油器頂緊油缸的頂緊和松開 3 控制換擋油缸的換 擋 由此工作性能來設計液壓系統(tǒng) 液壓缸工作性能要求參數(shù) 1 液壓系統(tǒng)額定壓力 6 3MPa 2 液壓系統(tǒng)總流量 105 59pts min 3 大泵流量 50ml r 小泵流量 10ml r 4 大泵工作壓力 2 5MPa 小泵工作壓力 3 5MPa 5 液壓電機功率 5 5kw 960rpm 6 1 液壓缸的計算 由主軸尺寸確定油缸大致尺寸 d 查國標后選用 560mm 桿外徑選用 500mm 行程系列參 選國標 110 mm 工作壓力 2DPp P 工作壓力 油缸機械效率 用耐 油橡膠密封圈 取 0 95 6308 9541kgf 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 28 作用時間 251 0DSTQ D 缸徑 mm S 行程 mm Q 流量 L min 6 2 634 6 2 螺栓設計 工作臺承受 120KN 頂緊力經液壓缸 右端蓋 緊固螺栓 螺栓承受軸向力 120KN 因緊固連接 選用普通粗牙螺紋 牙型為等邊三角形 試選螺紋 表 6 1 螺紋型號 螺栓組連接結構設計 1 連接結合面的幾何形狀要合理 設計為軸對稱的形狀 且接合面要合理 便于加工 制造 2 螺栓組的形心與接合面形心重合 3 螺栓的位置應合理 且使螺栓靠近接合面邊緣 進而減少螺栓受力 4 同一組的螺栓直徑 長度相同 5 盡量避免螺栓受附加彎矩 6 載荷垂直于連接的接合面 其合理通過螺栓組截面形心 工作要求 螺栓應預緊 受載后保證密封性 當各螺栓截面直徑一樣時 各螺栓均受等拉力 螺紋型號 螺距 P D2 小徑 M16 2 14 701 13 835 M20 2 5 18 376 17 294 M24 3 22 051 20 752 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 29 6 3 QPZ Q 螺栓外載荷 Z 螺栓數(shù)量 預緊力 P0 滿足緊密性要求 P0 K0 P 6 4 K0 3 0 按最大應力設計 6 5 1 6lpPd 6 6 sln s 材料屈服極限 Mpa n 1 2 1 5 lp 許用應力 Mpa 表 6 2 各初選材料的強度 鋼號 熱處理 s MP b Q235 235 375 500 Q255 255 410 550 Q195 195 315 430 15 正火 920 度 225 375 20 正火 回火 195 320 470 25 正火 回火 225 390 520 30 正火 回火 295 490 45 調質 430 650 800 N 6 時 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 30 P0 120 6 20 KN Q235 lp 225 1 5 150MPa P K0 P0 3 20 60KN 6 7 1 6 60251lpPdm 由第一公差系列 dmin 在 n 6 時取 25mm 45 鋼 lp 430 1 5 286 MPa d 19 5mm 由第一公差系列 dmin 在 n 6 時取 20mm N 8 時 P0 120 8 15KN Q235 lp 225 1 5 150Mpa P K0 P0 3 15 45KN d 22mm 由第一公差系列 dmin 在 n 8 時取 24mm 45 lp 430 1 5 286 MPa d 16 15mm 由第一公差系列 dmin 在 n 8 時取 20mm 在布置中 為了更進一步使螺栓受力平穩(wěn) 緩解螺栓受力 采用 n 8 的鏈接 為了使螺 栓鏈接可靠 采用 45 鋼螺栓連接 取 n 8 d 20mm 的連接 強度校核 6 8 021 3 1 57944caFKNMPad 最終選取 45 鋼 N 8 d 20 的布置 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 31 第七章 系統(tǒng)輔助部件設計 7 1 潤滑 授油器中主要部件如鏜桿 鏜刀 主軸的潤滑主要由切削液來實現(xiàn) 軸承采用脂潤滑 在使用中不得用砂布或其它硬物磨 刮機床 冷卻潤滑油 對含炭量低的材料用純機油 對 合金鋼材料要用含硫和氯化脂的切削液 它的潤滑效果較好 如果加工鑄鐵則一定要用乳化 油 本冷卻系統(tǒng)除單獨從授油器接口外 還可以從授油器及鏜桿箱主軸后端部同時進油 實 現(xiàn)潤滑與冷卻的同時進行 7 2 密封 授油器的密封主要選擇橡膠圈密封 從國標中選擇其合適的尺寸 各軸段選用國標同用 O 型圈 GB T3452 1 1992 選擇即可 7 3 冷卻系統(tǒng) 7 3 1 冷卻系統(tǒng)設計 冷卻系統(tǒng)由冷卻液壓泵 冷卻液箱 輸液裝置 凈化裝置 防護裝置組成 授油器在工 作時卡盤頂緊工件 切削與工件的高速旋轉都產生大量的熱量 冷卻成為授油器工作的又一 大功用 授油器冷卻液從主軸中孔通一路冷卻液 另一路由鏜桿刀頭所帶冷卻液 采用向前 排冷卻液的方法 在主軸箱前部的鼓形卡盤處排除冷卻液 冷卻系統(tǒng)由一個底座式電動 機 22 千瓦 帶動一個輸油量為 360 升 分鐘的螺桿泵組成 調節(jié)管路中的控制閥可獲得不同 的輸油量 鏜孔直徑越大則泵的流量越大而泵的壓力越小 反之鏜孔的直徑小則泵的流量小 而泵的壓力高 冷卻系統(tǒng)裝置的冷卻潤滑油出口一端應與鏜桿箱主軸末端相連 另一端接在 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 32 授油器上 鐵屑收集裝置放置在工件前端 鐵屑收集筐是帶篩網過濾的 冷卻潤滑油經過鐵 屑收集筐回到油槽 油槽的容納油量應不小于螺桿泵最大輸油量的 10 12 倍 這樣有充分 時間進行冷卻 冷卻潤滑油 對含炭量低的材料用純機油 對合金鋼材料要用含硫和氯化脂 的切削液 它的潤滑效果較好 7 3 2 切削液的選擇 在鏜削過程中 切削液不僅能夠帶走大量的熱 降低切削區(qū)溫度 而且有潤滑作用 還 能減少摩擦 從而降低切削力和切削熱 與此同時 切削液還有冷卻潤滑的作用 表 7 1 切削液種類 切削液種類 導熱系數(shù) 比熱 汽化熱 水 0 0015 1 540 油 0 0003 0 0005 0 4 0 5 40 75 采用水中增加填加劑或油冷的方法都可以起到冷卻防銹的作用 防銹劑能夠在金屬的表面優(yōu)先吸附形成保護膜 與金屬表面化合形成鈍化膜 防止金屬 表面與腐蝕作用介質接觸 在水冷時加入防銹劑便能夠實現(xiàn)其功能 而且水冷要比油冷導熱系數(shù)大 2 3 倍 比熱容 大 是很好的冷卻油 表 7 2 水冷組成 成分名稱 百分比 三乙醇氨 7 5 葵二酸 10 亞硝酸鈉 8 水 余量 運用煤油也可以實現(xiàn)冷卻功能 98 的煤油與 2 的石油硫酸鋇混合 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 33 第八章 部件改進創(chuàng)新 8 1 授油器驅動裝置 授油器在裝換不同長度的工件時需要用手輪來移動工件 有一定的阻力 在此設計出 了幾種方案進行比較 以更好的改進工作勞動強度 圖 8 1 授油器驅動系統(tǒng) 8 1 1 擬齒輪傳動 將授油器頂部的輔助電機改到授油器后面 利用滑移齒輪進行傳遞 在調整工件時 接 旋轉盤 在更換工件時換到另一位置 通過控制換向桿和步進電機電氣控制開關來控制 授油器前進與后退 傳動方案 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 34 圖 8 2 齒輪傳動方案 傳動路線設計 由電動機帶動齒輪減速機構 在滑移齒輪處調整工件時至卡盤 裝夾工件時經轉動路線 至導軌 傳動比設計 2041 837i 電機選擇 查表得 JO2系列 JO3 系列適用于對轉速及其它性能無特殊要求場合 表 8 1 電機選擇 電機型號 功率 kw 轉速 r min 重量 kg JO2 22 4 1 5 1410 32 JO2 31 4 2 2 1430 40 JO2 21 4 1 1 1410 27 驅動電機功率要求較小選用 1 5kw 即可 選用 JO2 22 4型 齒輪選擇 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 35 齒輪選用 m 2 小齒輪齒數(shù) z1 20 d1 mz 40mm 大齒輪齒數(shù) z2 40 d2 mz 80mm 數(shù)選用 0 80 843 蝸輪蝸桿設計 查表得 中心距 a 40mm i 4 83 m 2 蝸桿分度圓直徑 d1 22 4 蝸桿頭數(shù) z1 6 蝸輪齒數(shù) z2 29 系統(tǒng)電機控制電路 由開關 SB2 SB3 控制電機正反轉 實現(xiàn)授油器在床身導軌上的前進與后退 圖 8 3 電機電氣控制圖 8 1 2 擬液壓控制方案 從授油器液壓缸中引出液壓油路 將齒條與導軌的控制端設置一簡單的液壓缸 通過液 壓回路來控制授油器前進與后退 具體方案如下 方案一 中換向閥換向時由蓄能器吸收沖擊 并且在停止時有保壓作用 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 36 圖 8 4 液壓控制系統(tǒng) 在授油器前進時通過二位四通換向閥控制液壓系統(tǒng) 方案二 蓄能器不能吸收振動沖擊 而且在退回時蓄能器不能增速 所以方案一比較合理 8 2 軸承裝配方案 圖 8 5 軸承裝配方案設計 軸承裝配方案 左推力球軸承承擔主要軸向力使得軸向力通過 路線傳至箱體 深溝球軸承 不受軸向力 便于工作 A 處運用襯套將運動件與靜止件分開便于深溝球軸承高速旋轉 授油器主要承受軸向力 此 方案便于授油器工作 同時存在的不足是深溝球軸承裝配路線過長 不便安裝 需要配合公 差來保證安裝 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 37 第九章第九章 機床的電氣設計機床的電氣設計 9 1 計算機數(shù)控系統(tǒng) 計算機數(shù)控 Computer Numerical Control CNC 系統(tǒng)是面向機床數(shù)控而設計的專用計 算機系統(tǒng) 它以計算機為核心 配有專用的 I 0 接口 利用軟件處理數(shù)字信息 實現(xiàn)數(shù)字控 制功能 數(shù)控機床在 CNC 系統(tǒng)的控制下 自動地按給定的加工程序加工出工件 所以 計算 機數(shù)控系統(tǒng)是一種包括計算機在內的數(shù)字控制系統(tǒng) 9 1 1 CNC 系統(tǒng)的組成 CNC 系統(tǒng)以計算機為控制部件 由數(shù)控系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能 進而對數(shù) 控機床進行實時控制 CNC 系統(tǒng)主要有輸入 輸出接口 CNC 裝置 包括硬件和軟件兩部分 PLC 可編程控制器 主軸驅動裝置 進給 伺服 驅動裝置 電氣控制單元等組成 CNC 系統(tǒng)通過鍵盤 磁盤 通信接口 顯示器等輸入 輸出裝置進行輸入和輸出 CNC 裝 置負責完成刀具運動軌跡行程量的數(shù)字控制任務 PLC 承擔機床部件各相應開關量的邏輯控 制 各驅動裝置為數(shù)控機床的執(zhí)行機構 控制機床各坐標的運動 9 1 2 CNC 系統(tǒng)的功能 目前各數(shù)控系統(tǒng)生產商生產的 CNC 系統(tǒng)有高 中 低檔多種系列 其性能和功能也各不 相同 但不管是何種類型的數(shù)控系統(tǒng) 都具備刀具補償 準備功能 插補功能等數(shù)控加工的 基本功能 同時 用戶還可根據(jù)機床用途 特點選用數(shù)控系統(tǒng)生產商提供的選擇功能 CNC 系統(tǒng)的主要功能如下 1 軸控制功能 CNC 裝置能控制的軸數(shù)以及能同時控制 即聯(lián)動 的軸數(shù)是器主要性能 之一 控制軸數(shù)表示數(shù)控系統(tǒng)最多可以控制的坐標軸數(shù) 坐標軸可分為移動軸和回轉 軸 也可分為基本軸和附加軸 2 準備功能 即 G 功能 用以指令機床的動作 如坐標設定 絕對值方式和相對值方式 編程的轉化 刀具補償 米 英制轉換 平面選擇 基準點返回等 3 輔助功能 即 M 功能 用以指令機床的主軸起停 主軸換向 換刀 切削液開關等機 床各部件的動作 4 主軸功能 即 S 功能 用以指令主軸轉速 能實現(xiàn)恒轉速 恒線速 定向停止 轉速 修調 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 38 5 刀具功能 即 T 功能 用以選擇加工所需的刀具 包括刀具的種類 數(shù)量 換刀方式 等 6 進給功能 即 F 功能 用以指令機床各坐標軸的合成速度 經速度控制指定各軸的進 給速度 進給功能主要包括切削進給 同步進給 快速進給 進給率修調等 7 插補功能 主要包括刀具位置補償 刀具長度補償和刀具半徑補償以及程序段間的自 動轉接處理 利用 CNC 系統(tǒng)的該項功能可以是使設計人員在編程時不必考慮刀具尺寸 和位置 由數(shù)控系統(tǒng)在加工時自動按補償量計算刀具的運動軌跡和坐標尺寸 最終加 工出符合要求的零件 8 輔助編程功能 為了提高編程效率 大多數(shù) CNC 系統(tǒng)配備了固定循環(huán) 圖形縮放 鏡 像 子程序 宏程序等輔助功能 以減少手工編程的工作量 9 圖形顯示功能 用以顯示零件加工的程序 機床參數(shù) 補償參數(shù) 坐標信息 零件圖 形 刀具軌跡 故障信息等 10 自診斷報警功能 CNC 系統(tǒng)在開機時和運行期間能對其硬件 軟件及其外圍設備的工 作狀況進行實時檢查 發(fā)現(xiàn)故障及時報警并采取相應措施 11 通信功能 為了適應柔性制造系統(tǒng) 計算機集成制造系統(tǒng)等先進制造技術的發(fā)展 現(xiàn) 代 CNC 系統(tǒng)一般都具有 RS232C 通信接口 12 人機交互圖形編程功能 一般在高檔 CNC 系統(tǒng)上具有該功能 它有助于編制復雜零件 的加工程序 9 2 鏜床控制系統(tǒng)的單片機設計 9 2 1 單片機簡介 MCS 51 系列單片機是一種高性能的 8 位單片微型計算機 它把構成計算機的中央處理 器 存儲器 寄存器組 I O 接口制作在一塊集成電路芯片中 從而構成較為完整的計算機 另外 在其內部還集成有定時器 計數(shù)器 串行通信接口等部件 因此可以方便地用于定時 控制和遠程數(shù)據(jù)傳送 在 MCS 51 系列單片機中 主要有 8031 8051 8751 80C51 等型號 其中 8051 有 4KB ROM 8751 有 4KB EPROM 80C51 有 4KB Flash 存儲器 而 8031 內部沒有程 序存儲器 必須由外部配置 9 2 2 單片機在機電一體化中的應用 山東大學本科畢業(yè)設計 論文 39 機電一體化是機械工業(yè)發(fā)展的方向 機電一體化產品是指集機械技術 微電子技術 自 動化技術和計算機技術于一體 具有智能化特征的機電產品 如微機控制的銑床 車床 鉆 床 磨床 鏜床等 單片機的出現(xiàn)促進了機電一體化 它作為機電產品中的控制器 能充分 發(fā)揮它的體積小 可靠性高 功能強 安裝方便等優(yōu)點 大大強化了機器的功能 提高了機 器自動化 智能化的程度 9 2 3 單片機系統(tǒng)簡介及設計 1 存儲器擴展 8 位數(shù)據(jù) 地址鎖存器 74LS273 373 8 位并行數(shù)據(jù)輸入 輸出鎖存器 8212 8282 外部程序存儲器擴展 運用 EPROM2716 2732A 2764A 27128A 27256A 27512A 進行擴展 外部數(shù)據(jù)存儲器擴展 運用 RAM6116 6264 62256 進行擴展 外部程序 數(shù)據(jù) 共用存儲器 2 并行接口的擴展 I O 口的直接輸入 輸出 用 74 系列擴展 I O 口 帶 RAM 和定時器的可編程并行 I O 擴展接口 8155A 可編程并行 I O 擴展接口 8255A 3 模 數(shù)轉換器接口的擴展 4 數(shù) 模轉換器接口的擴展 5 鍵盤輸入接口 6 顯示器接口 7 可編程鍵盤 顯示器接口 8279 鏜床的控制電路就是根據(jù)單片機各接口原理 運用 EPROM2764 和 RAM6264 對單片機的外 部程序 數(shù)據(jù)共用存儲器進行擴展 在通過 74LS244 芯片對其并行接口進行擴展 再運用帶 RAM 和定時器的可編程并行 I O 擴展接口 8155A 輸出 接 6 位共陰極