Φ320mm的数控车床总体设计及四方回转刀架设计.docx
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Φ320mm的数控车床总体设计及四方回转刀架设计
毕业设计说明书
设计题目:
Φ320mm的数控车床总体设计及四方回转刀架设计
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摘要
本课题数控设计主要为自动回转刀架的设计的设计。
数控车床的出现对提高生产率、改善产品质量以及改善劳动条件等发挥了重要的作用,为了进一步压缩非切削时间,数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的发展方向。
在这类多工序的数控机床中必须带有自动换刀装置,在多工序数控机床出现之后,又逐步发展和完善了各类回转刀具的自动更换装置,扩大了换刀数量,快速准确的实现了换刀操作。
数控车床上使用的自动回转刀架是一种在一定的空间范围内,能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。
本设计主要论述一种多工位数控自动回转刀架的设计原理、机械结构及自动控制方式。
关键词:
车床,数控设计,联轴器,刀架
Abstract
ThedesignofthenumericalcontroltransformationofordinarylatheΦ320MM.Heremainlyincludes:
thereformofmaintransmissionsystem,thelongitudinalfeedsystem,feedsystemtransformation,automaticturretdesign.Imainlyforautomaticturretdesignmechanicaltransformation.Thegraduationdesignworktothedesignandbasicskillstraining,enhancingtheanalysisandtosolveengineeringproblems,andforgeneralmachinerydesigncreatedcertaincondition.
TheNCtransformationforautomaticturretdesign.CNClathetoincreaseproductivity,improveproductqualityandimproveworkingconditionsplayanimportantrole,inordertofurthercompressthenon-cuttingtime,NCmachinetoolsaremovingtowardsamachineinoneclampingcompletedmuchprocessdevelopmentdirection.Inthiskindofworkingprocedureofnumericalcontrolmachinetoolmustbeprovidedwithautomatictoolchanger,inaprocessofCNCmachinetoolsappear,andgraduallydevelopandperfectallkindsofrotaryautomatictoolchangingdevice,enlargesthetoolchangequantity,fastandaccurateimplementationofthetoolchangingoperation.CNClathewithautomaticturretisakindofinacertainspacerange,canperformautomaticrelease,transposition,precisionpositioningandaseriesofmovementsofabody.Thedesignfocusesonamulti-stationautomaticNCturretdesignprinciple,mechanicalstructureandautomaticcontrolmode.
Keywords:
lathes,NC,coupling,knife
目录
第1章概述1
1.1数控机床的组成1
1.2与普通机床相比的特点1
1.3数控机床的优点2
1.4数控机床的产生2
1.5数控机床的发展3
1.6机床数控化设计的意义3
1.7车床数控化设计的可行性4
1.6.1车床数控化设计的必要性5
1.6.2车床数控化设计的优点5
1.7车床数控化设计前景5
第2章车床设计总体方案的确定7
2.1设计总体方案设计要求7
2.2总体方案设计7
2.3Φ320MM车床的设计参数8
2.4总体方案的确定8
第3章自动回转刀架的总体结构设计10
3.1总体结构设计10
3.1.1减速传动机构的设计10
3.1.2上刀体锁紧与精定位机构的设计10
3.1.3刀架抬起机构的设计11
3.2刀架主要零件设计11
3.2.1动齿盘与静齿盘11
3.2.2活塞11
3.2.3花键轴11
3.2.4防水、防尘设计11
3.2.5控制方式12
3.2.6刀架定位精度及重复定位精度12
3.2.7刀架驱动形式12
第4章自动回转刀架主要传动部件的设计计算13
4.1蜗杆副的设计计算13
4.1.1蜗杆的选型13
4.1.2蜗杆副的材料13
4.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计13
4.1.4蜗杆和蜗轮的主要计算参数和几何尺寸15
4.1.5校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度16
4.2蜗杆的设计计算17
4.2.1蜗距的确定17
4.2.2其它参数的确定17
4.2.3自锁性能校核17
第5章数控硬件电路系统设计18
5.1硬件电路设计18
5.1.1数控系统的硬件结构18
5.1.2数控系统硬件电路的功能18
5.2关于各线路元件之间线路连接19
5.3关于电路原理图的一些说明20
总结23
参考文献24
致谢25
第1章概述
数字控制机床(NumericalControlMachineTools)简称数控机床,这是一种将数字计算机技术应用于机床的控制技术。
它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示,通过信息载体输入数控装置,经运算处理由数控装置发出各种控制信号,控制机床的动作,按图纸要求的形状和尺寸,自动地将零件加工出来。
数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题,是一种柔性、高效能的自动化机床,是典型的机电一体化产品。
1.1数控机床的组成
1)主机,它是数控机床的主题,包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件,是用于完成各种切削加工的机械部件。
2)数控装置,是数控机床的核心,相当于人的大脑,它包括硬件(印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等)以及相应的软件,用于输入数字化的零件程序,并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。
3)驱动装置,它是数控机床执行机构的驱动部件,包括主轴驱动系统、伺服驱动系统、主轴电机及伺服电机等。
它在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。
当几个进给联动时,可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线以及曲面的加工。
4)辅助装置,指数控机床的一些必要的配套部件,用以保证数控机床的运行,如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。
它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头,还包括刀具及监控检测装置等。
5)编程及其他附属设备,可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。
1.2与普通机床相比的特点
1)加工精度高,具有稳定的加工质量;
2)可进行多坐标的联动,能加工形状复杂的零件;
3)加工零件改变时,一般只需要更改数控程序,可节省生产准备时间;
4)机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量,生产率高(一般为普通机床的3-5倍);
5)机床自动化程度高,可以减轻劳动强度;
6)对操作人员的素质要求较高,对维修人员的技术要求更高。
1.3数控机床的优点
1)数控机床能缩短生产准备时间,增加切屑加工时间的比率;
2)使用数控机床进行生产,加工的零件精度高,产品质量稳定,从而有效的提高了产品在市场上的竞争力;
3)数控机床具有广泛的适应性和较大的灵活性,因此能够完成很多普通机床很难完成或者根本不能加工的、具有复杂型面、要求高精度的零件的加工;
4)许多数控机床如加工中心具有自动换刀功能,使零件一次装夹之后就能够完成多个加工部位的加工,实现了一机多用,大大节省了设备和厂房面积;
5)生产者可以对生产成本进行预算,并对生产进度进行合理的安排,以达到提高经济效益的目的;
6)应用数控机床进行生产,减轻了工人的劳动强度,提高了工人工作的环境质量,增加了工人的生产积极性,促进了生产,提高了生产效率。
随着社会生产和科学技术的迅速发展,机械产品日趋精密复杂,且需频繁改型,普通机床已不能适应这些要求,数控机床应运而生。
这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。
它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果,是今后机床控制的发展方向。
1.4数控机床的产生
数控机床最早是从美国开始研制的。
1948年,美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时,提出了研制数控机床的初始设想。
1949年,帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作,开始从事数控机床的研制工作。
并于1952年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。
这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。
经过三年改进和自动编程研究,于1955年进入实用阶段。
一直到20世纪50年代末,由于价格和技术原因,品种多为连续控制系统。
到了60年代,由于晶体管的应用,数控系统提高了可靠性且价格开始下降,一些民用工业开始发展数控机床,其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。
数控技术不仅在机床上得到实际应用,而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等,使数控技术不断的扩展应用范围。
1.5数控机床的发展
自1952年,美国研制成功第一台数控机床以来,随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展,数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代,先后经历了五个发展阶段。
第一代数控:
1952-1959年采用电子管元件构成的专用数控装置。
第二代数控:
从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。
第三代数控:
从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。
第四代数控:
从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。
第五代数控:
从1974年开始采用微型电子计算机控制的系统。
目前,第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统,形成了现代数控系统。
它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路,具有很强的程序存储能力和控制功能。
这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。
这些数控系统的通用性很强,几乎只需改变软件,就可以适应不同类型机床的控制要求,具有很大的柔性。
随着集成电路规模的日益扩大,光缆通信技术应用于数控装置中,使其体积日益缩小,价格逐年下降,可靠性显著提高,功能也更加完善。
近年来,微电子和计算机技术的日益成熟,它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中,先后出现了计算机直接数控系统,柔性制造系统和计算机集成制造系统。
所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础,它们代表着数控机床今后的发展趋势。
1.7数控车床设计前景
数控机床业的发展,机械产品的性能和质量不断提高,产品的更新换代也不断加快,因此对机床位不仅要求具有较高的精度和生产率,而且应该能迅速的适应零件的变换。
生产的需要促进数控机床的产生,随着电子技术,特别是计算机技术的发展,数控机床迅速地发展起来。
从第一代数控机床问世以来,世界上主要工业化国家得数控机床已经进入批量生产。
机床的数控化率在不断的提高到1998年,日本生产机床的数控率达到70%。
我国从改革开放以来,加快了数控机床技术的引进,促使我国机床数控技术的普及和发展。
各大企业不断购进数控机床扩大再生产和替换陈旧设备,数控机床在企业中再不是凤毛麟角,而是不断提高普及率。
广泛的运用到个工业领域。
数控机床作为机电一体化的典型产品,在机械制造业中发挥着重要作用,其可以很好的解决现代制造业中的复杂、精密、小批、多变零件的加工问题,能稳定加工质量,提高劳动生产率。
但其价格昂贵,一次性投入大,往往使企业心有余而力不足,我国作为机床大国,数控化的道路漫长,走改革之路为上策。
我们对Φ320MM车床进行了数控设计,效果良好。
第2章车床设计总体方案的确定
总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择以及进给传动方式和执行机构的选择等。
2.1设计总体方案设计要求
(1)卧式车床数控系统化设计后应具有单坐标定位,两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。
因此,数控系统应设计成连续控制型。
(2)卧式车床经数控化设计后属于经济型数控机床,在保证一定加工精度的前提下,应简化结构,降低成本。
因此,进给伺服系统常采用步进电动机的开环控制系统。
(3)根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度,以及数控系统的经济性要求,决定选用MCS—51系列的8为单片机作为数控系统的CPU。
MCS—51系列8为机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性/价比搞等优点。
(4)根据系统的功能要求,需要扩展成雪存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等;还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。
(5)为了达到技术指标中的速度和精度要求,纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副;为了消除传动间隙、提高传动刚度,滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。
(6)计算选择步进电动机,为了圆整脉冲当量,可能需要减速轮副,且应有削间隙机构。
(7)选择自动回转刀架与电动卡盘,选择螺纹编码器等。
2.2总体方案设计
设计任务:
设计后的车床能够完成机床主轴的启动,停止和变速,纵向和横向进给运动的行程和变速,刀具的变速和冷却,都可以自动控制。
并具有螺纹和锥螺纹等自动循环机能。
在该机床中采用液压尾座快换刀架和机床外对刀装置。
该机床适用于加工形状复杂,中小批量的零件。
对一般车削加工任意锥面、球面、螺纹端面、回转面等加工工序,能控制主轴的开停变速及一些辅助功能,使加工实现自动化。
自动回转刀架的设计是普通机床设计机械方面的关键。
由微型控制的自动转位具重复定位精度高、工作刚性好、性能可靠、使用寿命长以及工艺性能好等特点。
将原先的普通尾座设计成液压尾座。
2.3Φ320MM车床的设计参数
根据型普通原始数据及数控设计设计要求,确定主要如下:
最大加工直径:
车床身上:
320mm
车床鞍上:
185mm
最大加工长度:
750(或1000)mm
脉冲当量:
纵向0.01mm/step
横向0.005mm/step
脉冲分配方式:
逐点比较法
控制坐标数:
2
机床定位精度:
±0.015
2.4总体方案的确定
Φ320MM车床设计总体设计方案的内容包括:
系统运动方式的确定,伺服系统的选择,执行机构及传动方式的确定、数控系统的选择等内容,应仔细考虑各种高性能、自动化等要求,也要考虑被设计机床的具备条件,是技术的先进性与经济性的合理性交好的统一。
对于横向进给机构,保留原手动于调刀,原支承结构也保留。
和纵向进给一样步进电机与纵向滚珠丝杠间任何需一级齿轮减速,丝杠螺母与横向施板任用一螺母座连接。
施板后部开轴承孔以便滚珠丝杠的连通与支承,后接减速箱与步进电机。
纵、横向进给机构减速齿轮采用双片齿轮,靠错位消除啮合间隙。
丝杠外加防尘罩,溜板箱上安装急停按钮,以适应意外情况的急停。
硬件方面控制系统的硬件配置是,基本系统包括单片机AT89C51、锁存器、EPROM和RAM存储器。
并行接口8255用作连接开关量的输入输出和对伺服电机进行控制。
8279为键盘显示器接口。
软件方面,软包装件设计采用模块化结构,以便于系统功能的扩展。
分为三块:
手动操作、加工、编辑。
图2-1机床的操作模式图
根据设计任务,系统采用轮廓控制形式,控制系统硬件由微机控制部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离器、步进电机、功率放大器等组成。
在其纵横向均采用步进电机减速齿轮滚珠丝杠螺母副溜板的传动方式,刀架更换为四刀位回转刀架,将原先的普通尾座设计成液压尾座。
设计后的机床传动系统图如图所示:
图2-2车床传动系统图
第3章自动回转刀架的总体结构设计
3.1总体结构设计
设计自动回转刀架,适用于经济型数控车床,使自动回转刀架在结构上具有良好的强度和刚性,以承受粗加工时的切削抗力,同时具有换刀时的快速性、稳定性和高定位精度的重复性。
图3-1为自动回转刀架的传动结构示意图。
图3-1自动回转刀架的传动结构示意图
1发信盘2推力轴承3螺杆螺母副4端面齿盘5反靠圆盘
6三相异步电动机7联轴器8蜗杆副9反靠销
10圆柱销11上盖圆盘12上刀体
3.1.1减速传动机构的设计
普通的三相异步电动机因转速太快,不能直接驱动刀架进行换刀,必须经过适当的减速。
根据立式转位刀架的结构特点,采用蜗杆副减速是最佳选择。
蜗杆副传动可以改变运动的方向,获得较大的传动比,保证传动精度和平稳性,并且具有自锁功能,还可以实现整个装置的小型化。
3.1.2上刀体锁紧与精定位机构的设计
由于刀具直接安装在上刀体上,所以上刀体要承受全部的切削力,其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。
本设计上刀体的锁紧与定位机构选用端面齿盘,将上刀体和下刀体的配合面加工成梯形端面齿。
当刀架处于锁紧状态时,上下端面齿相互咬合,这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动;换刀时电动机正传,抬起机构使上刀体抬起,等上下端面齿脱开后,上刀体才可以绕刀架中心轴转动,完成转位动作。
3.1.3刀架抬起机构的设计
要想使上,下刀体的两个端面齿脱离,就必须设计合适的机构使上刀体抬起。
本设计选用螺杆-螺母副,在上刀体内部加工出内螺纹,当电动机通过蜗杆-蜗轮带动蜗杆绕中心轴转动时,作为螺母的上刀体要么转动,要么上下移动。
当刀架处于锁紧状态时,上刀体与下刀体的端面齿相互咬合,因为这时上刀体不能与螺杆一起转动,所以螺杆的转动会使上刀体向上移动。
当端面齿脱离咬合时,上刀体就与螺杆一同转动。
3.2刀架主要零件设计
3.2.1动齿盘与静齿盘
动齿盘与静齿盘是数控刀架的两个主要零件,其精度决定刀架性能的好坏,齿盘的齿形可设计成向心齿(即齿面为梯形齿、齿的截面也为梯形)或设计成矩形齿(即齿面为矩形、齿的截面为梯形)。
本刀架采用工艺性能好的矩形齿,齿的啮合深度通常设计为4~5mm,可获得所需的锁紧力满足刀架刚度要求。
3.2.2活塞
对活塞的设计要求:
当花键轴转动时,活塞是不允许随之转动的,所以两者之间应有轴承来传动转动,显然在这里用滚动轴承是不合适的,必需采用滑动轴承。
本设计直接在活塞孔内开螺旋形润滑油槽,把活塞孔设计成滑动轴承。
由于省去了花键轴与活塞孔之间的滑动轴承,使刀架的结构进一步得到简化。
3.2.3花键轴
花键轴是本刀架的重要零件之一,它既是刀架的传动轴又是液压缸的活塞杆;它既有往复运动,又有转动,所以花键轴与活塞配合部分的配合采用G7/h6。
配合特点是:
间隙很小的滑动配合,用于不希望自由转动,但可自由移动和滑动并精确定位时。
3.2.4防水、防尘设计
防水、防尘设计是刀架设计的重要环节之一,刀架工作过程中铁屑会进入刀架本设计采用O型密封圈和毡圈进行密封。
3.2.5控制方式
控制方式也是数控刀架设计需要考虑的重要环节之一,控制元件的选取决定着刀架的自动化程度和编程方法,本文采用控制过程中普遍使用的行程开关和编码器来实现对刀架的自动控制。
行程开关控制转塔的松开与锁紧,编码器控制转塔的转位。
3.2.6刀架定位精度及重复定位精度
定位精度是指转塔到位后,刀架指定工位把刀孔中心线与设计中心竖直平面内的偏差,重复定位精度是指刀架各工位反复锁紧多次后的偏差平均值。
由于该刀架转塔到位前,控制刀架初定位的行程开关发出信号使控制电机的电磁阀断电,此时电机内部的机械自锁部件使电机停在预定位置上,所以刀架具有较高的定位精度和重复定位精度。
3.2.7刀架驱动形式
由于滚珠丝杠具有摩擦系数小,传动效率高的优点,所以刀架的驱动方式采用AC伺服电机带动丝杠旋转,实现刀架的直线运动。
第4章四方回转刀架主要传动部件的设计计算
设计自动回转刀架,适用于Φ320MM经济型数控车床。
推荐刀架所用电动机的额定功率为90W,额定转速为1440r/min,换刀时要求刀架转动的速度为30r/min。
4.1蜗杆副的设计计算
自动回转刀架的动力源时三相异步电动机,其中蜗杆与电动机直连,刀架转位时蜗轮与上刀体直连。
已知电动机额定功率P1=90W,额定转速n1=1440r/min,上刀体设计转速n2=30r/min,则蜗杆副的传动比i=n1/n2=1440/30=48.刀架从转位刀锁紧时,需要蜗杆反向,工作载荷不均匀,启动时冲击较大,今要求蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。
4.1.1蜗杆的选型
GB/T10085----1988推荐采用渐开线蜗杆(Z1蜗杆)和锥面包络蜗杆(ZK蜗杆)。
本设计采用结构简单,制造方便的渐开线型圆柱蜗杆(Z1型)。
4.1.2蜗杆副的材料
刀架中的蜗杆副传递的功率不大,但蜗杆转速较高,因此蜗杆的材料选择45钢,其螺旋齿面要求淬火,硬度为45~55HRC,以提高表面耐磨性;蜗轮的转速较低,其材料主要考虑耐磨性,选用铸锡磷青铜ZcuSn10P1,采用金属模铸造。
4.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计
刀架中的蜗杆副采用闭式传动,多因齿面胶合或点蚀而失效。
因此,在进行承载能力计算时,先按齿面接触疲劳强度进行设计,再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。
按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为:
式中a-------蜗杆副的传动中心距,单位为mm;
K-------载荷系数;
-------作用在蜗轮上的转矩T,单位N.mm;
------弹性影响系数,单位为MPa;
--------接触系数
[
]----许用接触应力,单位为MPa;
从式中算出蜗杆副的中心距a之后,根据已知的传动比i=48,可以选择合适的中心距a值,以及相应的蜗杆,蜗轮参数。
(1)确定作用在蜗轮上的转矩T
设蜗杆头数z1=1,蜗杆副的传动效率取
=0.8。
由电动机的额定功率P1=90W,可以算出蜗轮传递的功率P2=P1,再由蜗轮的转速n2=30r/min,求得作用在蜗轮上的转矩:
T2=9.55P2/n2=9.55P1/n2=22920N.mm
(2)确定载荷系数K
载荷系数
.其中
为使用系数,由于工作载荷分
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