数控车床自动回转刀架设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 I 摘 要 本次毕业设计的题目是数控车床自动回转刀架设计。通过编程实现对刀架精确回转的控制，使下道工序所需的工具快速准确地到达预定位置，满足数控自动加工系统的要求。 该系统结构紧凑，动作灵敏可靠，速度快，能耗小，噪音低，压力和行程可在规定的范围内任意调节，操作简单。本次设计 的内容有由机械、控制、液压三部分组成，机械部分包括能够安装 8 把车刀的刀盘及其上的卡紧装置；刀架主轴的设计；蜗轮的设计；蜗杆的设计；齿轮的设计等；液压部分包括液压缸的设计等；控制部分的设计主要是用实现刀架自动回转的单片机控制等。 关键词： 自动 控制；刀架；精确度 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 he is of NC of at is of is is of is by a is be to is be of a on be of of of CM of 录 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 1 章 绪论 . 1 题目的意义和来源 . 1 总体方案设计 . 2 数控技术的发展展望 . 2 第 2 章 机械部分设计 . 5 轴的设计计算 . 5 轴尺寸的计算 . 5 轴的校核 . 6 蜗轮和蜗杆的设计计算 . 10 联轴器的设计计算 . 11 端齿盘的设计计 算 . 11 轴承的选择 . 11 轴上花键的设计 . 11 刀架的设计计算 . 12 导轨的设计计算 . 12 第 3 章 动力部分 . 13 步进电动机的选择 . 13 选择电机的种类 . 13 选择电机的功率 . 13 第 4 章 液压系统的设计计算 . 16 液压系统工作原理 . 16 液压缸的设计计算 . 17 选择液压缸的种类 . 17 液压缸的参数计 算 . 17 第 5 章 电路设计 . 28 芯片的选择及连接 . 28 芯片的选择 . 28 控制电路的软件设计 . 31 复位程序设计 . 32 动态显示设计 . 32 第七章 结 论 . 33 参考文献 . 34 致 谢 . 36 附 录 . 37 附录 . 43 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 1 第 1 章 绪论 题目的意义和来源 本次设计的题目是数控车床自动回转刀架设计，该系统的回转精度高，动作准确迅速。 2006 年国务院 8 号文件国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见首次将数控机床列入重大技术装备，提出明确要求：发展大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件，改变大型、高精度数控机床大部分依赖进口的现状，满足机械 、航空航天等工业发展的需要。由于我国工业基础相对薄弱、以企业为主体的创新体系尚未建立、数控机床产业化时间短等原因，技术上和产业上与西方发达国家相比还存在一定差距，当前的发展还需要注意几方面的问题。 首先是新产品开发能力不足。从行业总体看，基础技术和关键技术研究还很薄弱，基础开发理论研究、基础工艺研究和应用软件开发还不能适应数控技术快速发展的要求，全行业科技人才不足，缺乏高级技术人员，科技投入和科研设施尚不适应等。同时，扩大产能与未来实际需求错位也需引起重视。当前行业企业技术改造项目的产能目标过于庞大，技改 项目产品的大型化、重型化趋势明显，高档数控机床制造能力和功能部件的投入显得不足。 据了解，大多数中高档数控机床主要配套设备还是发那科和西门子等国外数控系统，刀库机械手、数控刀架、滚珠丝杠和导轨、电主轴等主要还是日本、德国或中国台湾地区的产品，用户选购国产机床时普遍提出选用境外功能部件的要求。功能部件发展的滞后性，将制约国产中高档数控机床的发展。 从这个意义上来说，研究我国现阶段的数控机床设备，并加以改进和创新，就是为我国的数控车床的发展增砖添瓦，贡献绵薄之力。 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 2 总体方案设计 设计方案如下图所示： 图 体方案图 其工作过程是：当数控装置发出换刀指令以后，液压油进入液压油缸的右腔，通过活塞推动主轴使刀盘左移，使定位端齿盘脱离啮合状态，为转位做好准备。 当齿盘处于完全脱开位置时，啮合状态行程开关发出转位信号，电机开始带着蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮旋转使刀盘旋转任意个工位。当刀盘旋转到预定位置时，控制系统发出信号时电机停止运动，蜗轮停止运动，刀架处于预定位置。于此同时液压缸左腔进油，通过活塞将主轴和刀盘拉回，端齿盘啮合，刀盘完成精定位和夹紧动作。 数控技术的发展展望 从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，数控系统正在向电气化、电子化、高速化、精密化等方面高速发展，其主要研究热点有以下几个方面： 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 3 (1) 性能发展方面 1. 高精高速高效化速度 效率、质量是先进制造技术关键的性能指标，是先进制造技术的主体。若采用高速 片、 片、多 制系统、高分辨率检测元件、交流数字伺服系统、配套电主轴、直线电机等技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。在今后的几年，超精密数控机床正在向精密化、高速化、智能化和纳 米化发展，汇合而成的新一代数控机床。 2. 柔性化 数控系统采用新一代模块化设计，功能覆盖面更宽，可靠性更强，可满足不同用户的需求。同一群控系统能根据不同生产流程，自动进行信息流动态调整，发挥群控系统的功能。 3. 多轴化 多轴联动加工，零件在一台数控机床上一次装夹后，可进行自动换刀、旋转主轴头、旋转工作台等操作，完成多工序、多表面的复合加工，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。 4. 软硬件开放化 用户可根据自己的需要，对数控系统软件进行二次开发，用户的使用 范围不再受生产商的制约。 5. 实时智能化 在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等方面发展。如编程专家系统故障诊断专家系统，当系统出了故障时，诊断、维修等实现智能化。 (2) 功能发展方面 1. 用户界面图形化 用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口，图形用户界面要适合各种用户包括非专业用户的使用，通过窗口和莱单进行操作，可实现图形模拟、图形动态跟踪、仿真和快速编程等功能。 2. 科学计算 可视化 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 4 信息交流已不再局限于用文字和语言表达，可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术可用于 数自动设定、刀具补偿、显示及加工过程的可视化仿真等。如最近厦门创壹软件有限公司开发的数控机床虚拟实现技术，用可视化 3D 技术展示了对数控机床的故障诊断与维修等功能。 3 插补方式有直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、多项式插补等。补偿功能有垂直度补偿、间隙补偿、圆弧插补时过象限的误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、刀具半径补 偿、温度补偿等。 4. 高性能的内置 控系统内装高性能的 直接用梯形图或高级语言编程，可在线调试和在线编辑修改，建立自己的应用程序。 5. 多媒体技术应用 计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控系统，应用多媒体技术对各种信息可进行综合化，智能化处理。 (3) 体系结构的发展方面 1集成化 采用高度集成化 片和大规模可编程集成电路，及专用集成电路芯片，提高数控系统的集成电路密度和软硬件运行速度及系统的可靠 性。 2. 模块化 实现数控系统的集成化和标准化，将 储器、位置伺服、 入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，构成不同档次的数控系统。 (4) 智能化、开放式新一代数控系统 1智能化 自动编程、加工过程智能监控、在线检测等。今后的数控系统将计算机智能技术，网络技术、多媒体技术、 服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程，即称为智能闭环控制体系，这种技术是利用传感器获得适时的信息，以 增强制造者取得最佳产品的能力；智能数控系统通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 5 建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速做出实现最佳目标的智能决策，对进给速度、切削深度、坐标移动、主轴转速等工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。 2. 开放式 开放式体系结构使数控系统有更好的柔性、适应性、通用性、扩展性，并向网络化、智能化方向发展。虚拟场景构造是虚拟加工系统的基础，基于 +的虚拟加工系统框架的设计与研究为创建更加完善逼真的虚 拟加工系统打下了一定的基础。本人只是对虚拟加工系统框架上做了初步的研究。由于系统中的机床模型外观与实际机床外观还有一定的出入；虚拟设备还没有和实际机床进行网络通讯；搬运小车导轨等虚拟加工线中的一些必要设备等，同时只是对加工线的动态几何仿真做了比较深入的研究，对设备的加工过程中的物理仿真研究较少。因此该系统还有不足之处，要建立功能完善的虚拟加工系统还需要进一步的研究。 第 2 章 机械部分设计 的设计计算 尺寸的计算 选择轴的材料为 45 钢，热处理方式为正火处理 初步估算当 1d ,100M P a 3 8,2 3 8,2 9 4,5 8 8 11 。 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 6 由转速 n= 60/16 =r/估轴的直径为 60 轴的功率 P =f S = 120000 2 0 = 取 P = 主轴最大输出转矩（暂不考虑效率） =9550 （ 2 =9550 =2037N m 取系数 A=103 则 A 3 （ 2 =1030 虑键槽削弱，取轴端直径增大 4%5%，则取轴直径为 75 的校核 轴的尺寸图如下： 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 7 图 轴的尺寸图 1. 按弯扭合成强度条件校核轴 1）画出空间力系图，如图中 示。压轴力 F=120000N 2）求轴的弯矩 M，并画出弯矩图，见图 图 空间力系图 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 8 2000 6380000 200 1193000 图 轴的弯矩图 3）画轴的扭矩图，如图 2.2 c)所示。 已知 T=5556000 图 轴的扭矩图 4)求计算弯矩 画计算弯矩图如图 2.2 d)所示。 根据： 22() ,并取 =得 2)5 5 5 6 0 =33336 2)5 5 5 6 0 6 3 8 0 0 =333360 221 1 9 3 0 0 ( 0 . 6 5 5 5 6 0 )=33337 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 9 图 轴的弯矩图 在此对传动轴进行强度的校核，具体过程如下： 按扭矩强度条件计算 该传动轴只承受转矩作用，其强度条件为 39 5 5 0 1 0 M P 式中 T 轴的扭剪应力， T 轴传递的转矩，N P 轴传递的功率， n 轴的转速， r/ T 轴材料的许用扭剪应力，取 T= 200 轴的抗扭截面模量，3 该轴为实心轴，则有：3 30 . 216T （ 2 按弯扭合成强度计算，由第三强度理论计算： 224 M P ac a b （ 2 式中b 危险截面上弯矩 T 转矩 产生的扭剪应力。 对于直径为 33,0 . 1 0 . 2 2M M T T TW d W d W 计算转矩： 22() T =5556000 N m 式中 根据转矩所产生应力的性质而定的应力校正系数，这里为脉动变化的转矩，取 = 将以上数据带入公式中得： d 70 考虑键槽削弱，取轴端直径增大 4%5%，则取轴直径为 75 综上所述，取轴端最小直径 d = 75足强度要求。 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 10 轮和蜗杆的设计计算 蜗杆头数 1 涡轮齿数 45 模数 m= 4 轴向齿距 12.5 杆直径系数 q =14 导程角 = 4 05 08 轴向齿形角 = 20 蜗杆和涡轮的直径 4 14=56mm m = 4 45= 180 顶高 m 齿根高 4.8 齿高 h= 8.8 顶圆直径 m(q+2) =64 mm d 2a =m(2)= 188 根圆直径 d 1f = m(=d 2f =m( 170。 4 心距 a = m(q+ ， Q 号交流 11970985 或 401339828 11 轴器的设计计算 选用 型号为 公称转矩为 M = 160 N m， 许用转速 n = 7100 r/ 转动惯量 I = g 齿盘的设计计算 选择齿盘直径 D=280 齿盘齿数 n = 72 齿盘内径 d = 200 长 8 盘副厚度 H = 40 钉数量 n =8 , 分布直径 230 直径 = 11 承的选择 深沟球轴承的选择： 选择轴承代号为 6218 的深沟球轴承，其外形尺寸为内径 d=90 外径D=160 宽度 B=30 圆锥滚子轴承的选择： 选择代号为 30218 的圆锥滚子轴承，成对使用，其外形尺寸为内径 d=90 外径 D=160 宽度 B=30 上花键的设计 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 12 选择型号为选择 1144 形 内 花 键 ， 花 键 副 的 规 格10 76 77 80 1110 16 1011 内花键 10 11161080776 外花键 10 10161180776 其中 10 指花键的键数， 16 指键宽或键槽宽 76 指花键小径， 80 指花键的大径 选择花键长度 l=L=70 花键的 d 的表面粗糙度 为 的表面粗糙度为 B 的表面粗糙度为 花键的 d、 D 的粗糙度与内花键的相同 B 的表面粗糙度为 配方式采用滑动式。 架的设计计算 根据车刀长度 l= 100 柄直径 d=35 刀架直径 D= 400 架宽度 a = 90 轨的设计计算 选择整体式燕尾形导轨，采用平镶条调整导轨侧面间隙的结构。平镶条横截面积为矩形或平行四边形，以镶条的横向位移来调整间隙。平镶条一般放在受力小的一侧，用螺钉调节，螺母锁紧。因各螺钉单独拧紧，收紧力不一致，使镶条在螺钉的着力点有挠度，使接触不均匀，刚性差，易变性，调整较麻烦，故用于 受力较小，或短的导轨。 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 13 第 3 章 动力部分 进电动机的选择 择电机的种类 按工作要求及工作条件选择。应选用用反应式步进电动机。 选择电机的功率 按照电动机的额定功率 选择，选择时应保证 中 电动机的额定功率， 工作机所需电动机功率， 所需电动机功率由下式计算 式中 工作机所需有效功率，由工作机的工作阻力及运动参数确定； 电动机到工作机的总效率。 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 14 1）工 作负载 根据实际工作需要 120000N。 2）等效转动惯量的计算 则齿轮的转动惯量分别为（齿轮为 45 钢，并将齿轮近似的看成圆柱体） 2523255113 同理，执行机构也可以看成圆柱体， 6 20 ，则转动惯 量为2222441 设电动机转子的转动惯量为 因为等效到电动机轴上的负载转动惯量大于电动机转动惯量一个数量级，所以 忽略不计） 21212)()(4 1 （ 3 忠3）等效负载转矩 由 5式 6 1 ）启动惯性转矩（ 惯T ）的计算 这里以最不利于启动的快进启动速度进行计算，设启动加速（或制动减速）时 间 为 t=一般在 之 间选取 ) ， 由 于 电 动 机 转 02 sn ，取加（减）速曲线为等加（减）速梯形曲线，故角加速度为 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 15 22 则 0 0 0 0 0 1 惯 5）步进电动机输出轴上的总负载转矩 T 的计算 0 0 0 0 1 6）步进电动机的选择 上述计算均未考虑机械系统的传动效率，当选择机械传动总效率 = 在工作时，由于材料的不均匀等因素的影响，会引起负载转矩突然增大，为了避免计算上的误差以及负载转矩突然增大，引起步进电动机丢步，产生加工误差，可以适当考虑安全系数，安全系数一般可在 之间选取。这里取安全系数 K=步进电动机可按以下总负载转矩选取 若选用电动机 28最大静转矩 j 在三相六拍驱动时，其步距角为 ，为保证带负载正常加速起动和定停止，电动机的起动转矩 须满足 表 知， T ，则 故选用转速为 n=1440 r/率 P = W 的电机合适。 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 16 液压系统的设计计算 压系统工作原理 图 轴左右移动的液压系统原理图。 图 轴左右移动的电磁阀顺序动作表。 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 17 1、三位四通电磁换向阀 2、液压缸 3、溢流阀 4、液压泵 图 液压系统原理图 表 轴左右移动的电磁阀顺序动作表 动作顺序 电磁阀 1 电磁阀 2 液压缸状态 液压阀 1 初始 中间 2 + 左移 左 3 + 右移 右 当电磁阀 1 和电磁阀 2 都断电时，液压缸处于初始状态。 当电磁阀 1 断电，电磁阀 2 通电时，液压缸的活塞 向左移动，活塞带动联轴器、轴、刀架一起向左移动。 当电磁阀 1 通电，电磁阀 2 断电时，液压缸的活塞向右移动，活塞带动联轴器、轴、刀架一起向右移动。 压缸的设计计算 择液压缸的种类 液压缸选用双作用单活塞杆液压缸，活塞在行程终了时缓冲。因为工作过程中需要往复运动。 液压缸的参数计算 钢筒的连接结构 在设计中缸选择法兰连接方式。这种结构简单，易加工，易装卸。 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 18 缸口部分结构 缸口部分采用了 Y 形密封圈、导向套、 O 形防尘圈和锁紧装置等组成，用来密封和引导活塞杆。由于在设计中 缸孔和活塞杆直径的差值不同，故缸口部分的结构也有所不同。 油缸放气装置 通常油缸在装配后或系统内有空气进入时，使油缸内部存留一部分空气，而常常不易及时被油液带出。这样，在油缸工作过程中由于空气的可压缩性，将使活塞行程中出现振动。因此，除在系统采取密封措施、严防空气侵入外，常在油缸两腔最高处设置放气阀，排出缸内残留的空气，使油缸稳定的工作。 排气阀的结构形式包括整体式和组合式。在设计中选用的是整体式。 整体式排气阀阀体与阀针合为一体，用螺纹与钢筒或缸盖连接，靠头部锥面起密封作用。排气时，拧松螺纹，缸内空气从锥 面间隙中挤出，并经斜孔排出缸外。这种排气阀简单、方便、但螺纹与锥面密封处同心度要求较高，否则拧紧排气阀后不能密封，会造成泄露。 缓冲装置 缓冲装置的工作原理是使钢筒低压腔内油液 (全部或部分 )通过节流把动能转换为热能，热能则由循环的油液带到液压缸外。 缸体结构的基本参数确定 缸的内径 : 1D = 4=2584= （ 2 按标准取整 1D =文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 19 缸活塞杆直径 1d =214（ 2 =6321025101 6 0 = （ 2 按标准取整 1d =实际压力 : 实1P = （ 2 缸实际回程力 : 实2P = 4361025)(46222121 （ 2 顶出缸的直径 : 2D = 4=2514=标准取整 2D =出缸的活塞杆直径 2d =214=6321025106 0 =标准取整 2d =出缸实际顶出力 : 实3P = 顶出缸实际回程力： 实4P = 911025)(46222222 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 20 各缸动作时的流量： 缸进油流量与排油流量： (1)快速空行 程时的活塞腔进油流量 1Q 1Q 1214 M （ 2 （ 2）快速空行程时的活塞腔的排油流量 ,1Q ,1Q = 12121 )(4 = M 22 （ 2 （ 3）工作行程时的活塞腔进油流量 2Q 2Q = 2214 M （ 4）工作行程时的活塞腔的排油流量 ,2Q ,2Q = 22121 )(4 = M 22 （ 5）回程时的活塞杆腔进油流量 3Q 3Q = 32121 )(4 = M 22 （ 6）回程时的活塞腔的排油流量 ,3Q ,3Q = 3214 M 顶出缸的进油流量与排油流量： (1)顶出时的活塞腔进油流量 4Q 4Q 4224 M 2601 （ 2）顶出时的活塞杆的排油流量 ,4Q ,4Q = 42222 )(4 = M 22 （ 3）回程时的活塞杆腔进油流量 5Q 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 21 5Q = 52222 )(4 = M 22 （ 4）回程时的活塞腔的排油流量 ,5Q ,5Q = 5224 M 表 钢筒所选材料 型号 b s s % 45 610 360 14 液压缸的设计计算 筒壁厚 计算 公式 : = 0 + 1C + 2C （ 2 当 D 使用公式 : 0 = 3 1 3 =m （ 2 取 = M 1C M 2C M P 16M ，取P 管内最大工作压力为 25 M p M p = b /n b M n 安全系数，通常取 n=5 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 22 当 D 时 ,材料使用不够经济 ,应改用高屈服强度的材料 . 筒壁厚校核 额定工作压力 P , 应该低于一个极限值 ,以保证其安全 . P =47 （ 2 1D =外径 D=内径 同时额定工作压力也应该完全塑性变形的发生 : s =320 = （ 2 s Pa = （ 2 缸筒的暴裂压力 b =610 = （ 2 缸筒底部厚度 缸筒底部为平面时 : 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 23 1 D 22252D 76 0 01 9 （ 2 取 2001 1 核算缸底