1、1 引言1.1 畢業(yè)設計的背景及目的 制造業(yè)是一個國家或地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標志著該國或地區(qū)經(jīng)濟的實力，科技水平，生活水準和國防實力。國際市場的競爭歸根到底是各國制造生產(chǎn)能力及機械制造裝備的競爭。隨著機械制造生產(chǎn)模式的演變,對機械制造裝備提出了不同的要求.在50年代“剛性”生產(chǎn)模式下，通過提高效率，自動化程度,進行單一或少品種的大批量生產(chǎn)，以“規(guī)模經(jīng)濟”實現(xiàn)降低成本和提高質量的目的。在70年代主要通過改善生產(chǎn)過程管理來進一步提高產(chǎn)品質量和降低成本。在80年代，較多地采用數(shù)控機床，機器人，柔性制造單元和系統(tǒng)等高技術的集成來滿足產(chǎn)品個性化和多樣化的要求，以滿足社會各消費群體的不同要求

2、。從90年代開始，為了對世界生產(chǎn)進行快速響應，逐步實現(xiàn)社會制造資源的快速集成，要求機械制造裝備的柔性化程度更高,采用擬實制造和快速成形制造技術1。工業(yè)發(fā)達國家都非常注重機械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進技術和工藝裝備制造業(yè)，機械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對比之下，我國目前機械制造業(yè)的裝備水平還比較落后，表現(xiàn)在大部分工廠的機械制造裝備基本上是通用機床加專用工藝裝備，數(shù)控機床在機械制造裝備中的比重還非常低，導致“剛性”強,更新產(chǎn)品速度慢，生產(chǎn)批量不宜太小，生產(chǎn)品種不宜過多；自動化程度基本上還是“一個工人，一把刀，一臺機床”，導致勞動生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質量不穩(wěn)定。 因此，要縮小我國同工業(yè)發(fā)達國家的差距,我們必

3、須在機械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個方面就是增加數(shù)控機床在機械制造裝備中的比重1。通過這次畢業(yè)設計，可以達到以下目的：1，培養(yǎng)綜合運用專業(yè)基礎知識和專業(yè)技能來解決工程實際問題的能力；2，強化工程實踐能力和意識,提高本人綜合素質和創(chuàng)新能力；3，使本人受到從事本專業(yè)工程技術和科學研究工作的基本訓練,提高工程繪圖、計算、數(shù)據(jù)處理、外文資料文獻閱讀、使用計算機、使用文獻資和手冊、文字表達等各方面的能力；4，培養(yǎng)正確的設計思想和工程經(jīng)濟觀點，理論聯(lián)系實際的工作作風，嚴肅認真的科學態(tài)度以及積極向上的團隊合作精神。本課題設計一臺數(shù)控車床-CK20，用于對回轉零件的圓柱面，圓弧面，圓錐面，端面，切槽

4、，及各種公、英制螺紋等進行批量、高效、高精度的自動加工。該數(shù)控車床可以用于機械，汽車，航空航天等領域，實現(xiàn)加工自動化，提高產(chǎn)品質量，高生產(chǎn)效率。本次設計的主要內(nèi)容為：1，數(shù)控車床CK20總體布局的設計；2，數(shù)控車床回轉刀架的結構設計及總裝圖的繪制；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)設計；4，數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)的設計；5，典型零件數(shù)控加工程序的編制；6，外文資料的翻譯。CK20數(shù)控車床回轉刀架的結構設計及其液壓控制系統(tǒng)的設計為本次畢業(yè)設計的重點內(nèi)容，同時也是難點。通過廣泛查閱文獻資料，參觀數(shù)控車床實物樣機以及組內(nèi)同學相互討論等途徑，擬定了如下的研究手段：(1)，本次研究的數(shù)控車

5、床床身采用臥式斜床身結構。因為車床的床身是整個車床的基礎支承件，是車床的主體，一般用來放置導軌、主軸箱等重要部件。床身的結構對車床的布局有很大的影響。按照床身導軌面與水平面的相對位置，床身的結構有本刀架的轉位機構是采用直流伺服電機驅動蝸桿、蝸輪（消除間隙）實現(xiàn)刀架的轉位，其中蝸輪蝸桿副的傳動比取60，伺服電機的轉速取1400；刀架的轉位速度設計為，由于刀盤為6工位刀盤，則該刀架換一次刀的最大耗時不到。2.4.2.2 蝸輪蝸桿副的設計計算設計的普通圓柱蝸桿傳動的功率為，蝸桿的轉速為，傳動比為，傳動反向，工作載荷穩(wěn)定，但有不大的沖擊，要求設計壽命為。對蝸輪蝸桿的設計計算如下；(1).選擇蝸桿傳動類

6、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).按齒面接觸疲勞強度進行設計根據(jù)閉式蝸桿傳動的設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再校核齒根彎曲疲勞強度。 1) 確定作用在蝸輪上的轉矩按，估取效率，則 =2) 確定載荷系數(shù) 因為工作載荷穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)為；由西北工業(yè)大學機械原理及機械零件教研室編著的機械設計教材表11-

7、5選取使用系數(shù)；由于轉速不高，沖擊不大，可取動載系數(shù)；則 =3) 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。4) 確定接觸系數(shù)先假設蝸桿分度圓直徑和傳動中心距a的比值，從圖11-18中可查得=。5) 確定許用接觸應力根據(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力為。應力循環(huán)次數(shù) 壽命系數(shù) 則 6) 計算中心距 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，從圖11-18中可查得接觸系數(shù)，因為，因此以上計算的結果可用。(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

8、圓直徑 齒根圓直徑 分度圓導程角 蝸桿軸向齒厚 圖2.3 蝸桿的結構圖1) 蝸輪 蝸輪齒數(shù) ；變位系數(shù) 驗算傳動比，這時傳動比誤差為，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 蝸輪的結構圖(4) 校核齒根彎曲疲勞強度 當量齒數(shù) 根據(jù)，從圖11-19中可查得齒形系數(shù)。螺旋角系數(shù) 許用彎曲應力 從表11-8中查得由制造的蝸輪的基本許用彎曲應力壽命系數(shù) 彎曲強度滿足要求。(6) 精度等級公差和表面粗糙度的確定 考慮到所設計的蝸桿傳動是動力傳動，屬于通用機械減速器，從GB/T100891988圓柱蝸桿、蝸輪精度中選擇8級精度，側隙種類為f，標注為8f GB/T1

9、00891988。然后由有關手冊查得要求的公差項目及表面粗糙度，此處從略9。圖2.5 刀架主軸結構圖刀具所受的切削力由端面齒盤通過螺栓卸荷給刀架，為使刀架在強力切削下能穩(wěn)妥可靠地工作，液壓缸必須有足夠的拉緊力拉住刀盤，使用于夾緊定位的端面齒盤在車床切削過程中始終處于嚙合狀態(tài)。因而液壓泵及油泵電動機的配置對液壓系統(tǒng)的工作性能有重要的影響。液壓油泵的選擇選擇油泵的主要依據(jù)是壓力和流量，一般來說，齒輪泵價格低，維修方便，但當系統(tǒng)壓力達到較大值時，輸油壓力脈動大，噪聲大。不宜作數(shù)控機床的油源；葉片泵的輸油壓力脈動小，噪聲小。因而被廣泛用于數(shù)控機床的主要油源。所以本液壓系統(tǒng)的液壓泵選用葉片泵。1） 油泵

10、工作壓力的計算油泵工作壓力應等于液壓缸的工作壓力和油液在管道中流動時產(chǎn)生的壓力損失之和。即 （1）液壓缸工作壓力的估算 對于中小型的數(shù)控車床，通常推薦液壓缸的拉緊力為10。液壓缸。（2）油液壓力損失的估算 在液壓系統(tǒng)方案未確定之前，先對整個系統(tǒng)的壓力損失進行估算，等到正式系統(tǒng)設計完成后，再進行詳細的驗算。 式中 -油的運動粘度（厘沲）； -流量（升/分）； -管子的內(nèi)徑（毫米）； -管道總長（米）； -修正系數(shù)。 當時，=1 當時，。流量的計算方式如下：液壓系統(tǒng)所需的油泵流量是由工作油缸的尺寸和運動速度的快慢要求來決定的。工作油缸需油量用下式計算： 式中 -活塞運動速度； -活塞有效工作面積。

11、取；取。代入上式得 = 考慮到泄漏的影響油缸實際需油量為： 式中 為修正系數(shù)在之間。所以 選用管徑油管內(nèi)徑應足夠大，以減少油的壓力損失。但管徑若過大則會使結構笨重、增加制造成本。正確選用管徑一般是先選取管中的流速，然后計算管徑，再按與標準規(guī)格相近的選用。由于 所以 式中 -管子的內(nèi)徑； -通過管子的流量； -管中流速，取0.25。 將上面計算的結果代入式中得 設液壓系統(tǒng)管道的總長度 則有 360.64得油泵的工作壓力 = 3.3數(shù)控車床液壓系統(tǒng)的設計液壓回路的選擇首先選擇調(diào)速回路。由本數(shù)控車床刀架的工作原理可知，這臺車床液壓系統(tǒng)的功率較小，推動刀架主軸往復運動的液壓缸活塞運動速度低，工作負載變

12、化小，因而可采用進口節(jié)流的調(diào)速形式。為了解決進口節(jié)流調(diào)速回路在活塞桿到達最大行程時沖擊現(xiàn)象，回油路上要設置背壓閥。為保證夾緊力可靠，且能單獨調(diào)節(jié)，在支路上串接減壓閥和單向閥；為保證定位，夾緊的順序動作，在進入夾緊缸的油路上接單向順序閥來控制，只有當?shù)侗P抬起達到目標值后，液壓缸才會反向通油，執(zhí)行刀盤夾緊動作。為保證工件確已夾緊后車床切削才能動作，在夾緊缸進口處裝一壓力繼電器，只有當夾緊壓力達到壓力繼電器的調(diào)節(jié)壓力時，才能發(fā)出信號，車床才能進行切削加工18。擬定液壓系統(tǒng)圖18綜合以上分析和所擬定的方案，將各種回路合理地組合成為該車床液壓系統(tǒng)原理圖，如下圖所示。圖3.1 液壓系統(tǒng)控制回路液壓系統(tǒng)的控

13、制原理主軸卡盤的控制主軸卡盤的夾與松開，由一個二位四通電磁換向閥7控制。當卡盤處于夾緊狀態(tài)時，夾緊力的大小由減壓閥4來調(diào)整，由壓力表6顯示卡盤壓力。系統(tǒng)壓力油經(jīng)減壓閥4，二位四通電磁換向閥7（右位），單向閥12（右位）至液壓缸右腔，活塞桿左移，卡盤夾緊。這時液壓缸左腔的油液經(jīng)單向閥12（左位）直接回油箱。反之，系統(tǒng)壓力油經(jīng)減壓閥4，二位四通電磁換向閥7（左位），單向閥12（左位）至液壓缸左腔，活塞桿右移，卡盤松開。這時液壓缸右腔的油液經(jīng)單向閥12（右位）直接回油箱。支路上的壓力繼電器5用于測定卡盤的夾緊力是否達到要求，只有卡盤在夾緊狀態(tài)下的夾緊力達到設定的壓力要求，壓力繼電器5才向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出

14、電信號，說明工件夾緊可靠，數(shù)控車床才進行切削加工。回轉刀架的控制回轉刀架換刀時，首先是刀盤松開，刀盤就近轉位到達指定的刀位，最后到盤復位夾緊。刀盤的松開與夾緊，由1個二位四通電磁換向閥3控制，當數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤松開指令后，二位四通電磁換向閥3電磁鐵通電，電磁閥3的左位接通，壓力油經(jīng)電磁閥3的左位進入液壓缸的左腔，推動液壓缸活塞向右運動，實現(xiàn)刀盤抬起動作。而油液則從液壓缸右腔經(jīng)電磁閥3直接流回油箱。當數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤鎖緊動作后，二位四通電磁換向閥3電磁鐵斷電，壓力油經(jīng)電磁閥3右位進入液壓缸右腔，推動活塞向左運動，實現(xiàn)刀盤鎖緊動作。液壓缸左腔的油液則經(jīng)電磁閥3的右位直接流回油箱。支路中行程開關11

15、用于控制在刀盤抬起動作中液壓缸活塞的行程，當活塞桿碰到行程開關時，即使液壓缸的左腔仍然通入壓力油，液壓缸的活塞也不會移動，這樣能夠保證液壓缸不與液壓缸壁相撞。尾座套筒的控制尾座套筒的伸出與退回由一個三位四通電磁換向閥4控制，套筒伸出工作時的預緊力大小通過減壓閥8來調(diào)整，并由壓力表9顯示。當數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出頂緊指令后，三位四通電磁換向閥10電磁鐵3通電，壓力油經(jīng)單向閥2，減壓閥8，三位四通電磁換向閥10左位進入液壓腔右腔，實現(xiàn)頂緊動作，油液則經(jīng)液壓缸左腔直接流回油箱。反之，三位四通電磁換向閥10的電磁鐵4通電，壓力油經(jīng)單向閥2，減壓閥8，三位四通電磁換向閥10右位進入液壓缸左腔，實現(xiàn)退回動作，油液則

16、經(jīng)液壓缸右腔直接流回油箱。4 CK20數(shù)控車床的數(shù)控系統(tǒng)4.1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展及趨勢 從1952年美國麻省理工學院研制出第一臺試驗性數(shù)控系統(tǒng)，到現(xiàn)在已走過了46年歷程。數(shù)控系統(tǒng)由當初的電子管式起步，經(jīng)歷了分立式晶體管式、小規(guī)模集成電路式、大規(guī)模集成電路式、小型計算機式、超大規(guī)模集成電路和微機式的數(shù)控系統(tǒng)等6個發(fā)展階段。到80年代，總體發(fā)展趨勢是：1)、數(shù)控裝置由NC向CNC發(fā)展；2）、廣泛采用32位CPU組成多微處理器系統(tǒng)；3）、提高系統(tǒng)的集成度，縮小體積，采用模塊化結構，便于裁剪、擴展和功能升級，滿足不同類型數(shù)控機床的需求；4）、驅動裝置向交流、數(shù)字化方向發(fā)展；5）、CNC裝置向人工

17、智能化方向發(fā)展；6）、采用新型的自動編程系統(tǒng)，增強通信功能，使數(shù)控系統(tǒng)可靠性不斷提高?？傊瑪?shù)控機床技術不斷發(fā)展，功能越來越完善，使用越來越方便，可靠性越來越高，性能價格比也越來越高20。4.2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇根據(jù)設計機床的要求，以及充分考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及機床的經(jīng)濟性所以選用SINUMERIK 802C數(shù)控系統(tǒng)。SINUMERIK 802C是西門子數(shù)控系列產(chǎn)品中的普及型數(shù)控系統(tǒng)，性價比高。它將CNC（數(shù)控）、PLC（可編程控制器）、HMI（人機界面）和通訊任務集成于一體，可控制3個伺服電機進給軸和1個伺服或變頻主軸，系統(tǒng)PLC可直接應用SIMATIC S7-200指令集。CNC編程使用西門子

18、G代碼。系統(tǒng)可與計算機通訊，編輯、保存和傳輸應用程序。模塊化的兩軸伺服電機驅動器SIMODRIVE 611A和1FT5交流伺服電機與802C系統(tǒng)相配合，構成控制和驅動的完整系統(tǒng)，其性能足以滿足使用要求。SNUMERIK 802C base line 控制單元和操作面板 SINUMERIK 802C base line 是專門為中國數(shù)控機床市場而開發(fā)的經(jīng)濟型 CNC 控制系統(tǒng)。其特性如下： 1）緊湊，高度集成于一體的數(shù)控單元，操作面板，機床操作面板和輸入輸出單元； 2）床調(diào)試配置數(shù)據(jù)少，系統(tǒng)與機床匹配更快速、更容易； 3）簡單而友好的編程界面，保證了生產(chǎn)的快速進行，優(yōu)化了機床的使用SINUMER

19、IK 802C base line集成了所有的CNC，PLC，HMI，I/O 于一身： 獨立于其他部件進行安裝。堅固而又節(jié)省空間的設計，使它可以安裝到最方便用戶的位置； 4）操作面板提供了所有的數(shù)控操作，編程和機床控制動作的按鍵以及8英寸LCD顯示器，同時還提供12個帶有LED 的用戶自定義鍵。工作方式選擇(6 種)，進給速度修調(diào)，主軸速度修調(diào)，數(shù)控啟動與數(shù)控停止，系統(tǒng)復位均采用按鍵形式進行操作； 5）INUMERIK 802C base line 的輸入/輸出點為48個24V的直流輸入和16個24V的直流輸出。輸出同時工作系數(shù)為0.5 時負載能力可達0.5A。為了方便安裝，輸入輸出采用可移動

20、的螺絲夾緊端子，該端子可用普通的螺絲刀來緊固； 6）SINUMERIK 802C base line可控制三個進給軸。SINUMERIK 802C base line 提供傳統(tǒng)的± 10V 的伺服驅動接口； 7）除三個進給軸外， SINUMERIK 802C base line 都提供一個± 10V 的接口用于連接主軸驅動； 8）SINUMERIK 802C base line 基本配置的驅動系統(tǒng)為 - SIMODRIVE base line，3Nm/6Nm 和6Nm/8Nm 雙軸模塊與 - 11Nm單軸模塊，驅動帶單極對旋轉變壓器的1FK 7伺服電機， - 當需要進行功率

21、擴展應用時，可以選用SIMODRIVE 611U 伺服驅動系統(tǒng)和帶單極對旋轉變壓器的1FK 7 伺服電機。 SINUMERIK 802C base line控制軟件已經(jīng)存儲在數(shù)控部分的Flash-EPROM(閃存)上，Toolbox軟件工具(調(diào)整所用的軟件工具)包含在標準的供貨范圍內(nèi)。系統(tǒng)不再需要電池，免維護設計。采用電容防止掉電引起的數(shù)據(jù)丟失。程序的變化和新程序軟件存儲。系統(tǒng)軟件面向車床和銑床應用，并可單獨安裝。在每一個工具盒中都包含有車床和銑床的PLC 程序示例，以便用戶能很快地調(diào)試完畢。 4.3 SINUMERIK 802C base line CNC控制器與伺服驅動SIMODRIVE

22、611U和1FK7伺服電機的連接圖如下20： 圖4.2 加工零件圖5結 論 本次課題是針對經(jīng)濟型數(shù)控車床的刀架及其液壓控制部分進行主要設計，刀架是數(shù)控機床的主要部件之一。刀架的精度，剛度以及可靠性都直接影響機床的使用性能，在機床的致命性分析中轉塔刀架的致命度是最高的，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令后刀架不轉位、刀架轉位錯誤、刀架錯位、刀架報警、刀架不能正常換刀等等一系列的故障都會導致機床不能正常工作。本次設計針對這些可能出現(xiàn)的故障及錯誤進行了仔細，嚴謹，認真的分析，使車床回轉刀架的可靠性有了很大程度的提高。在設計中得到鄧老師耐心的指導和同學的熱心幫助才使得這次畢業(yè)設計能夠完滿完成，同時也鞏固了我所學的知識，

23、作為大學四年的最后的一次作業(yè)，自始至終我都用心的去完成，并從中學到了不少的知識。在能力培養(yǎng)方面也基本達到了預期的目的，即不但培養(yǎng)了我綜合應用專業(yè)基礎知識來解決實際工程問題的能力，而且還使我初步樹立了很強的工作責任感。在設計中我們小組緊密配合，雖是共同設計一臺數(shù)控車床，但各有分工。這就為我們的創(chuàng)新思維留足了廣闊的自由空間，在追求統(tǒng)一的前提下充分發(fā)揮自己的想象力。講求團隊合作精神，這一課題的設置符合高等院校辦學精神，同時也符合現(xiàn)代企業(yè)的擇人準則。獨立思考、廣泛討論是獲取新知識的有效捷徑這一思想正在被越來越多的人所接受。經(jīng)過我們小組同學的認真討論和研究，最終我們圓滿的設計出了一臺CK20數(shù)控車床，雖

24、然這臺車床在很多方面還沒有達到工程實際要求的水平，但必盡這是我們邁向工程實際的第一步，也是最為關鍵的一步。相信經(jīng)過這次訓練后，無論是在以后的工作還是學習中，必定能使我們少走彎路。6 致 謝在這次畢業(yè)設計中得到了很多老師和同學的熱心幫助，在這里我要一一向他們表示感謝。首先我要感謝我們的指導老師鄧朝暉教授。從畢業(yè)設計開始到期末答辯，鄧老師一直嚴格要求我們，為我們安排了理合的作息時間，避免了由于作息時間無序而出現(xiàn)的懶散現(xiàn)象的發(fā)生。為了能使我們按時勝利的完成畢業(yè)設計任務，鄧老師多次帶領我們小組的同學實地參觀數(shù)控車床和數(shù)控磨床，加深了我們對數(shù)控機床的理性認識。有的同學設計的課題可查閱的相關資料較少，鄧老師親就親自通過不同途徑為這些同學找到相關的資料，保證了這些同學的進度。正是在鄧老師有效的指導下，使得我們小組每個同學的進度都達到了學院的要求。在學院組織的幾次中期檢查中，我們組的同學沒有一個因為進度跟不上而遭到檢查老師的批評。我很欣賞鄧老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，敬佩他的為人；感謝他對我們的耐心指導。我相信這三個月來