φ460mm的数控车床总体设计及六角回转刀架设计

()Φ460mm 专 业班 级姓 名号指导老师年 月 日PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANIII摘 要效快， 促进制造业技术进步的重要手段。 因此， 本文在叙述了数控技术的历史、现状和发展的基础上，通过机床设计的总体思想，提出了数控化设计的技术方案和新数控系统的选型配置方案 的精度，重设计机床的控制逻辑，通过对伺服系统的分析，完成了机床各主要参数的优化和匹配。关键词： Φ460mm，数控车床，机床，设计，数控系统。AbstractModernCNCmachinetoolsisthebasisforthefutureoffactoryautomation.CNCdesignrange,potentialisgreat,lessinvestment,quickeffect,promotemanufacturingindustrytechnologicalprogressisanimportantmeansof.Therefore,thedesignofNCsystemforlathehasimportantsignificancetotheresearchof.ThispaperdescribestheCNCtechnologyhistory,currentsituationanddevelopmentonthebasisofmachinetooldesign,throughtheoverallidea,putforwardthetechnicalschemedesignofNCandCNCsystemselectionscheme;thedrivetoimprovetheaccuracy,todesignmachinetoolcontrollogic,throughtheservosystemofamachinetool,completedthemainparametersoptimizationandmatching.Keywords:Φ460mm,CNClathes,machinetools,design,numericalcontrolsystem.PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANVIII录II1111112324455636678主轴转速 8进给速8背吃94传动系统图设计 9主传动系统主要技术指标的确定 9动力参数的确定 主运动调速范围的确定 10主轴计算转速的确定 变速主传动系统的设计 确定传动方案 12转速图的拟定 13拟定传动变速系统图 145依据 14数控车床的六角回转刀架的换刀工程 数控车床的六角回转刀架的设计要求 数控车床的六角回转刀架的机构设计中的几个主要问题 本章小结 6机构17数控车床的六角回转刀架的分度机构结构设计 611分度机构结构设计的总思路 176.1.2分度机构的刀架主轴设计 176.1.3主活塞的设计 19614端齿盘离合器的设计 .36.1.5分度活塞的设计 30精定位机构——活动插销机构设计 621定位原理、设计思路 .16.2.2材料选择 32623活动插销机构的结构设计 326.2.4插销机构的公差带设计 336.2.5对插销轴进行校核 34626校核结论 35刀夹衬套的设计简述 7微机系统37微机数控系统的设计纲要 硬件电路设计 37软件电路设计 388031单片机及其扩展 7.2.18031单片机的简介 8031单片机的系统扩展 存储器扩展 41O 口的扩展 43步进电机驱动电路 44脉冲分配器（环行分配器） 45光电隔离电路 45功率放大器 45其他辅助电路 46参考文献 50PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANIXPAGE\*ROMANPAGE\*ROMANXPAGEPAGE501 1.1其特点随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、车床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。12的工艺范围加工精度1.2.1工艺范围数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数量最多的数控机床，约的 25%。、 、 种螺纹的切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。122由于数控车床具有加工精度高、能作直线和圆弧插补功能，有些数控车床还具有非， 通.由于数控车床刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以车代磨。.切削功能，就可选用最佳速度来切削锥面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。数控车床还适合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位选用较大的进给量，要求小的部位选用小的进给量。.轮廓形状特别复杂和难于控制尺寸的回转体零件由于数控车床具有直线和圆弧插补功能， 部分车床数控装置还有某些非圆曲线和平面曲线插补功能，所以可以加工形状特别复杂或难于控制尺寸的的回转体零件。.带特殊螺纹的回转体零件普通车床所能车削的螺纹类型相当有限， 它只能车等导程的直、 锥面公、 英制螺纹而且一台车床只能限定加工若干导程的螺纹。而数控车床不但能车削任何等导程的直、锥面螺纹和端面螺纹，而且能车变螺距螺纹，还可以车高精度螺纹。分析近几年，随着国民经济快速稳定发展，我国机床制造行业受益于国家振兴装备制造业的大环境， 有了长足进展， 这其中领先当今机械制造技术水平的数控机床产业更胜一筹。由于数控设备的先进性、复杂性和发展的迅速性 ,以及品种型号、档次的多样性 ,定了选用数控设备的复杂性和难度。如何从品种繁多、价格昂贵的产品中选择适用的设备,成为中小型企业十分关心的问题。数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数量最多的数控机床，约占数控机床总数的 25%。它主要用于精度要求高、 表面粗糙度好、 形状复杂的轴类、盘类等零件的加工，能够通过程序控制自动完成园柱面、圆锥面、圆弧面和各种螺纹的切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。由于数控车床具有加工精度高、能作直线和圆弧插补功能，有些数控车床还具有非圆曲线插补功能以及加工过程中具有自动变速功能等特点， 要比普车床要宽得多。、精度要求高的零件由于数控机床刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以铣代磨。、表面粗糙度要求高的零件致。数控车床还适合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位选用较大的进给量，要求小的部位选用小的进给量。、轮廓形状特别复杂和难于控制尺寸的零件由于数控车床具有直线和圆弧插补功能，部分车床数控装置还有某些非圆曲线和平面曲线插补功能，所以可以加工形状特别复杂或难于控制尺寸的的零件。、带特殊螺纹的零件普通车床所能车削的螺纹类型相当有限， 它只能车等导程的直、 锥面公、 英制螺纹而且一台车床只能限定加工若干导程的螺纹。而数控车床不但能车削任何等导程的直、锥面螺纹和端面螺纹，而且能车变螺距螺纹，还可以车高精度螺纹。发展趋向数控机床是由美国发明家约翰 帕森斯上个世纪发明的。随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代， 其中数控机床就是表产品之一。数控机床是制造业 的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。技术发展趋势：高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在：机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括车-车复合、车车复合、车 -镗-钻-齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。 “一台机床就是一个加工厂 ”、“一次装卡，完全加工 ”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防 碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测动等功能 进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、 功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车车复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机 床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（ 0.01mm）前 （ m）到 μm到 0.05μm左右，形状精度可达 0.01μm左右。（ μm）化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用 高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。．功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。2 体方案的制订及比较体方案设计内容数控机床可以较好的解决形状复杂、精密多品种及中小批零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，随着制造技术向自动化、柔性化方向的发展，当前机床的数控化率已经成为衡量一个国家制造工业水平的重要标志。有其独特的特点。计的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能的 与数控机相接近。机床的设计主要应具备两个条件 1.机床基础件必须有足够的刚度 2.改装的费用要合适，经济性好。改装前要对机床的性能指标做出决定，改装后其各项指标能达到数控加工的要求。机械部分数控化设计需涉及电机的选择、工作台进给结构、传动比分配与计算等方面的内容。1伺服驱动元件进给电机选用混合式步进电机，其不仅步距角小运行频率高且功耗低低频噪音小等优点。广泛用于开环控制系统，不需要反馈装置，结构简单可靠，寿命长。横垂直进给电机均选用同一型号以便于设计和日后维修。脉冲当量 t=0.01mm/脉冲，选用步距角 θ=0.6。对原机床的主传动系统均维持不变，以节约资金及缩短改装时间。接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。 开环控制系统中， 没有检测反馈装置动伺服由于改造后的经济型数控机床应具备定位， 直线插补， 顺、 逆圆弧插补， 暂停型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。用 8于 系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51系列的 8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、 接口及光电隔离电路、步进电机码管显示加工数据及机床状态等信息。为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传， 。 。图2-1系统总体方案框图第3 章确定切削用量及选择刀具科学选择数控刀具选择数控刀具的原则选择刀具寿命时可考虑如下几点根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。 对于机夹可转位刀具， 由于换刀时 间短， 为了充分发挥其切削性能， 提高生产效率， 刀具寿命可选得低些， 一般取 。对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化 加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些当某工序单位时 间内所分担到的全厂开支 M时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度 数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要冈牲好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断和排性能坛同时要求安装调整 方便，这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料(如高速钢、超细粒度硬质合金)并使用可转位刀片。刀具寿命与切削用量有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。 一般分最高生产率刀具寿命和最低成本具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定。具在数控加工中，车削平面零件内外轮廓 及车削平面常用平底立车刀，该刀具有关参数的经验数据如下 :一是车刀半径 RD应小于零件内轮廓面的最小曲率半径 Rmin，一般取 RD=(0.8一 0.9)Rmin。二是零件的加工高度 以保证刀具有足够的刚度。三是用平底立车刀车削内槽底部时，由于槽底两次走刀需 要搭接，而刀具底刃起作用的半径 ,，即直径为 d=2Re=2(R-，编程时取刀具半径为 于一些立体型面和变斜 角轮廓外形的加工，常用球形车刀、环形车刀、鼓形车刀、锥形车刀和盘车刀。目前，数控机床上大多使用系列化、标准化刀具，对可转 位机夹外圆车刀、端面车刀等的刀柄和刀头都有国家标准及系列化型号对于加工中心及有自动换刀装置的机床，刀具的刀柄都已有系列化和标准化的规定， 如锥柄刀 具系统的标准代号为 TSG-JT，直柄刀具系统的标准代号为 刀具，在使用前都需对刀具尺寸进行严格的测量以获得精确数据， 并由操作者将这些数据输入数据系统，经程序调用而完成加工过程，从而加工出合格的工件。设置点和换点刀具究竟从什么位置开始移动到指定的位置呢 ?所以在程序执行的一开始， 必须确定刀具在工件坐标系下开始运动的位置，这一位置即为程序执行时刀具相对于工 件运的起点，所以称程序起始点或起刀点。此起始点一般通过对刀来确定，所以，该点又称对刀点。在编制程序时，要正确选择对刀点的位置。对刀点设置原则是:便于数值处理和简化程序编制。 易于找正并在加工过程中便于检查置在加工零件上，也可以设置在夹具上或机床上，为了提;引起的加工误差小。 对刀点可以设高零件的加工精度，对刀点应尽量设置在零件的设计基准或工艺基谁上。实际操作机床时，可通过手工对刀操作把刀具的刀位点放到对刀点上， 即“刀位点 ”与“对刀点”的重合。 所谓 “刀位点 ”是指刀具的的交点 ;球头车刀是球头的球心， 钻头是钻尖等。用手动对刀操作，对刀精度较低，效率低。而有些工厂采用光学对刀镜、对刀仪、自动对刀装置等，以减少对刀时间，提高对刀精度。加工过程中 需要换刀时，应规定换刀点。所谓 “换刀点 ”是指刀架转动刀时的位置，换刀点应设在工件或夹具的外部，以换刀时不碰工件及其它部件为准。数控编程时， 编程人员必须确定每道工序的切削用量， 并以指令的形式写人程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要 选用同的切削用量。 切削用量的选择原则是 :保证零件加工精度和表面粗糙度， 充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度，并充分发挥机床的性能，最大限 度提高生产率，降低成本。主轴转速主轴转速应根据允许的切 削速度和工件 (或刀 具)直径来选择。其计算公式为:n=1000v/7中 :v— 切削速度， 单位为 m/m动， 由刀具的耐用度决定 ;n一一主轴转速，单 位为 r/min,— 工件直径或刀具直径，单位为 mm速 n选取机床有的或较接近的转速。进给速度进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的 性限制。确定进给速度的原则:当工件的质量要求能够得到保证时， 为提高生产效率，可选择较高的进给速度。一般在100一200mm/min范围内选取;在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在 20一50mm/min范围内选取;当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选 小些，一般在 20--50mm/min范围内选取 ;刀具空行程时，特别是远距离 “回零 ”时，可以设定该机床数控系统设定的最高进给速度。背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。为了保 证般 一0.5mm,据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法确定。同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响。所谓 “合理的 ”切削用量是指 充分利用刀具切削性能和机床动力性能 (功率、扭矩 和低的加工成本的切削用量。4 主主要技术指标Φ460mm的数控车床，床身最大回转直径￠ 460mm，度 。主传动系统的主要参数有动力参数和运动参数。动力参数是指主运动驱动电动机的功率；运动参数是指主运动变速范围。根据数控车床的加工工艺、加工对象、所要求的精度、成本及生产周期并结合国内外机床发展现状确定数控车床主要技术指标。力参数主传动中个传动件的尺寸要根据传动功率来确定。传动功率过大，使传动件尺寸粗大，电动机常在低负载下工作，功率因数小而浪费能源；功率过小将限制车床切削加难，可通过类比、统计方法相互比较来确定。查机电一体化车削功率在 8-16kw之间根据切削功率 PC与主传动链的总效率 η估算 ,即

。主传动链的功率效率

η7—5， 短的机械传动链，效率较大，因此取 =0.78,则估计 P在10.26kw~20.51kw.之间。数控车床的加工范围一般都比较大，切削功率 PC可根据有代表性的加工情况，由Z其主切削抗力 FZFVZPC=60000KWZF主切削力的切向分力， N；Zv 切削速度 N• ；查金属切削手册知，以硬质合金刀具车削合金结构钢为例，数控车床有代表型的主切削力的切向分力

F在 取 90—250r\min，ZZcP=

=10.68kw考虑到空转运转的功率损失，如各传动件在空转运行时的摩损功耗，传动件的搅油和克服空气阻力功率以及其其它动载荷的摩擦损耗等。Φ以选取 11kw的电动机，考虑到数控机床变速范围比较大，选用交流变频电动机YVP160标称功率 11k，额定转矩 70•m调频电动机功率转矩4.1.主运动调速范围的确定n v d主轴转速 由切削速度 （r/mi）与工件的直径 （m）来确定1000vn=d

（r/min）计算该数控车床1000vmin

1000vmaxn

d

n、

d，围 Rn

nn

Vn

Vx

dn

dmax要据车床上几种典型加工情况考虑，不可能将一切情况考虑进去，也不是加工情况的最大值和最小值。经统计分析车床的最高转速出现在硬质合金刀具精车钢料的外圆工艺中，最低转速出现在高速工具钢刀具精车合金钢工件的梯形丝杠中。 由工艺手册可知硬质合金刀具刀具精车钢料的丝杠

Vmax=250r/min；高速车刀粗车圆柱体

Vmin=30-50r/min（随被） d max

Vmin=1.5r\min，则d =（）d =（）取 d。n

1000250max=

d max

50

=1591r/minn min

1000vmindmax

=41.52r/min由于现代数控车床向高速高精度方向发展，考虑到今后的技术储备，类比行业中同类数控车床的转速范围初步选取

V =20min

V =1200。maxR n则数控车床总变速范围 n=max=62.5nmin4.1.3主轴计算转速的确定的机床，主运动为恒功率运动。数控车床加工工艺范围广，变速范围大。有些典型工艺域b为恒转矩区域，任意转速能够输出最大转矩，但主轴输出的功率将随主轴转速的下降而下降。尚无统一标准，确定是参考同类机床，并结合该机床加工工艺要求，使

n计=154r\min.图4.2 主轴转速曲线主传动系统的设计确定传动方案机床传动形式分为有极和无极变速两种， 无级变速形式可以在一定范围内连续改转速，以便得到满足加工要求的最佳转速，能在运转中变速，便于自动变速，这对与提高机床生产效率和提高被加工零件的质量都有重要意义； 主轴构大为简化，缩短传动链；因此无级变速应用日益广泛。该数控机床总变速范围是

n=2000\20=10，变速范围较大，单靠无级变速装置有难以实现。而且，无级变速装置的功率扭转特性应同传动链的工作要求相适应，这就要求串联机械有级变速来扩大变速范围并选择合适的无级变速器以满足机床的功率扭矩特性要求。该数控机床是以经济型数控车床，设计主轴由交流变频电动机经皮带论、齿轮传动至主轴。图 1图 2为 为 1250\250=5，， 匹配。围

nn

n计=1250\250=5,n围

额=4460\1460=3为了使主轴和电动机的恒功率匹配，现通过增加变速齿轮来满足要求，该变速齿轮组扩大了电动机的恒功率调速。图的拟定1．转速图的拟定分析和设计主传动系统须应用一种特殊线图，称为转速图。值，变速规律等。首先根据最高转速和最低转速确定变速范围数 z

R，选择合适的公比n

f在 20r/min~1200r/min，电动机的最高转速为 4000r/min，额定转速为 1460r/min，电动机的额定功率 （1）n

Rn1250R maxn nmin

62.520（2）确定主轴的计算转速 ncn nc

min

R0.3n

201000.3

79.6

min由于数控机床主轴的变速范围大，计算转速应比计算值高些，所以圆整取计算转速n=170rc

min。（3）确定主轴的恒功率变速范围 RnpR nmax

1250

7.35nc

170（围 RdpR nmax

60004nd

1500于 R

>>R

，电动机直接驱动主轴不能满足恒功率变速要求，因此需要串联一个有级变速箱，以满足主轴的恒功率调速范围。（5）数 Z取 Rf

4，则lgRZ lgf

lg11.9lg4

1.78， 取 （6）拟定转速图和功率特性图如图传动变速系统图拟定传动系统的原则是：在保证机床的运动和使用要求的前提下，运动传动链要尽可能的短而简单；传动效率高以及操作简单方便 。首先要考虑某些结构方面的问题，考虑结构能否实现：如小齿轮的齿根圆是否大于轴的直径，大齿轮的顶圆是否会碰及相邻轴等；其次因考虑结构是否合理，如布置是否紧凑，操纵是否方便等。该机床采用双联滑移齿轮变速组，采用窄式排列结构，使机床结构紧凑。主轴变速拟采用通过滑移齿轮的移位来实现，需保证当齿轮 2与齿轮 43轮 6才能开始进入啮合，所以齿轮 5与齿轮 6相邻间的距离 b要大于于滑移齿轮的宽度（齿轮 b2与齿轮宽因素，拟订传动系统图。

b3之和） ，一般 b

+

+△,△=14mm。 综合考虑个第5 章数控车床的六角回转刀架的设计原理和依据回转刀架也称为转塔式刀架，它是数控车床上最常用，也是最简单的一种自动换刀装置。回转刀架使用回转头各刀座来安装或夹持各种不同用途的刀具，通过回转头的旋转分度定位来实现车床的自动换刀动作。回转刀架可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式，其上可安装 4把、 6把或更多的刀具，并可按数控装的指令换刀。 我国目前制造业中广泛使用的数控车床六角回转刀架虽然是上世纪开发的产品，但其结构具有当代自动换刀装置的典型结构，和相对成熟的技术使得它极具经济性是使用性，它仍是我国大部分中小企业广泛使用的数控车床部件。5.1六角回转刀架换刀工程图5.1所示为数控车床的六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。在加工轴类零件时可以换成四方刀架，它们底部测尺寸是相同的，互换更换起来非常方便，因此在数控车床中使用得很广泛。， 塞

体 A A

轮

活动插销固定插C 活动插销固定插ABB C D

CB活塞杆

杆

A A图5.1

B-B

杆 1）由 A活塞上升，刀架体抬起，使定位活动插销与固定插销脱离。同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮结合2）刀架转位。当刀架抬起之后，压力油从 C孔转入液压缸左腔，活塞向右移动通过连接板带动齿条移动，使空套齿轮作逆时针方向转动，通过端齿离合器使刀架转过60º。活塞的行程应等于齿轮节圆周长的 1/6，并由限位开关控制。从 B架体下降。缸体的底盘上精确地安装六个带斜楔的圆柱固定插销，利用活动插销消除定空套齿轮脱开。（从 D， 机 -52车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为 0.001～0.005mm）。531.回转刀架的分度机构分度机构是回转刀架的核心机构之一，要特别处理好分度的准确性。2.刀盘机构刀盘是刀具装填机构，也是分度机构直接作用的机构。刀盘在设计时要注意刀具的大小、材料的选择、大小和重量。3.定位精度的保证必须选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为 4.定位动作结束的反馈机构回转刀架的动作启动和结束是通过液压系统驱动的，而液压系统由数控系统的 控制，因此 CNC系统必须获得反馈信号。4本章分析了六角回转刀架的设计依据，分析了六角回转刀架的结构及工作原理，提出了设计过程中要注意的几个问题。6 回转刀架，它是数控车床上最常用，也是最简单的一种自动换刀装置。回转刀架使用回转头各刀座来安装或夹持各种不同用途的刀具， 通过回转头的旋转分度定位来实中小企业还在使用六角回转刀架，常见于数控车床上的自动换刀装置的应用。本课题对数控车床的六角回转刀架的机构设计具有现实意义。.1回转刀架的工作原理简单来说，就是利用几何分度，在每个不同的分度上安装不同的刀具，并能根据指令进行转动定位。因此，分度机构是回转刀架的核心机构。分度机构主要包括刀架主轴、主活塞、端齿盘离合器（分上下两个端齿盘） 、分形状/尺寸设计、材料选择；主活塞设计包括其形状 /尺寸、材料选择；端齿盘离合器的结构简单，主要考虑其长度；分度活塞主要考虑其与活塞杆连接的结构。分度机构主要作用是分度，其精度主要由液压系统和数控控制系统决定。而六角回， 。设计原则：保重分度性能，尽量用常用的材料和常见结构，减低成本。主轴刀架主轴的作用主要是为刀盘的分度转动提供转轴和扭矩传动， 为刀盘的升高和紧提供动力传动。主轴的设计包括其形状 /尺寸设计、材料选择。1.主轴的材料的选择。考虑到主轴作为刀架所受切削力的受力中心，材料应该选择具有一定强度和刚度的材料，同时由于经常转动和抬压刀盘，故要求其具有耐磨性。查表.4.1是 45钢，故选用 45钢，调质处理。表 4.2列出了 45钢的力学性能。表6.1表6.2优质碳素结构钢的力学性能力学性能b/MPa≥:600力学性能s/MPa≥:355力学性能|δ5(%)≥:16力学性能|ψ(%)≥:40力学性能|AKU/J≥:39由于刀架的分度旋转速度低、扭矩小，故刀盘转动时主轴受到的扭矩相对很小；当刀架定位完毕，刀具切削工件时，主轴受到切削力，和弯矩的作用，但是主轴外面有很厚的高强度铸钢包裹配合，同时45钢调制后具有很好的韧性和强度，力学性能良好，主要受力轴段轴径为Φ30，所以不需要校核。2.。主轴的形状结构主要考虑轴向零件的定位特点。主轴上的零件主要是主活塞和端齿盘离合器，轴的两端制造螺纹用于顶端连接刀盘和底端轴向固定端齿盘。结构形状及相关参数如图4.1所示。根据现有的回转刀架产品常见主轴轴径，取d1=d2=d3=30。b1≥1.4d2，d2为主活塞的轴径。由上b1≥1.4×30=4.2为了减少主轴的体积，选b1=4.2。6.1h0.07~0.1dd=~1d2=0.07×30~0.×30=2.1~3d6=d2+2h1=30+2×3=36。b22d7=26。26~1d~1d5=0.07×26~0.×26=1.82~2.62。了向固定下端齿盘底端用螺母固定下端齿盘4.3公称直M24,标记M248h的上端制作螺纹用于固定连接刀盘的链接下3,4h。＞18~30,1.0。主活塞的设计活塞仅仅刀盘的升起和压紧时受相对较小的向力以选用较低强度的6.4。表6.3螺纹标准6.46.5ZG340—640。查上6.54.2。 6.22。60oO0×5AN157O0OO×7AN12005。6.6（O）参数(内)6.7压密封圈（O型圈）参数（D）合器的设计。1下设计。查相手册得到常牙型如下表4.8所示。由于器传动时受到载荷小低速转动考虑制造成本选择简单而实矩形牙型。48494549410 。6.10~d~0。D1=(0.7~0.75)D,D1=42~45。φ°3′φ6°36。6112.412所412式中：a——中心距，mm；d——小齿轮的分度圆直径，mm；1m、m——端面模数及法面模数，mm；nz——小齿轮的齿数；1、、 ——齿宽系数； d mzu——齿数比，u 2；z1Y ——复合齿形系数；FSY （MP去 Hlim

， 为HP试验的接触疲劳极限应力MPSHnim

1.1；

Hmin

Hlim ——许用抗弯强度MP，简化计算中可以近似取

， 为FP FP

FEFmin齿轮材料的抗弯疲劳强度的基本值为抗弯强度计算的最小安全因数，可取FminS 1.4 ；HminTnm；1K——载荷系数，常用值K

1.2~2，当载荷平稳，齿宽系数较小，齿轮对轴承对称布置，轴的刚度较大，齿轮精度高（6级以上）及齿数轮的螺旋角较大时，应取较小值，反之取较大值。抗弯强度计算公式中的YFSFP应代入YFS1FP1及YFS2FP2中的大值。由于端齿盘离合器工作在低载荷低扭矩条件下，故只需要按照上面的抗弯强度公式算出模数m的值，然后根据经验法对照现有产品参数进行适当修正即可。因为空套齿轮是与齿条啮合，在分度定位的动作过程中，要求齿条的行程至少使空套齿轮转动六分之一周，带动刀盘转过六分之一的圆周分度，所以齿条的有效啮合长度至少为六分之一的空套齿轮的分度圆圆周长。考虑到齿条的行程直接影响到刀架的体积空间，这里选择最近简单，但相对最稳定的分度方案：齿条的行程等于六分之一的空套齿轮的分度圆圆周长。即齿条的最大行程只能使刀盘转位六分之一圆周，但是节省了刀架的占位空间，使其适用于常见的小型廉价车床，同时简单的分度方案使得数控系统更加简单稳定。但是为了简化计算，这里取齿数比u的值u=1； =m m

~2 mm mmb越大轮轴向尺寸越大安全性和成本提高散热性能降低。反之亦然。由于空套轮在啮合转动的时候处于低载荷低速度的条件下故b不需要很大，但了使使用简化公式计算出来的参具有更好的安全性不妨取 的值m 0；mb值偏大可根据实际经验适当修正即可。rmin根据现场观察现有产品的分度转位的转速目测转速n8.57 rmin4m6m册本3表1 8即。95为55~S条硬度~0S。6.3抗弯疲劳强度基本值FE又由上图6.3查得：轮 =460N ；FE1

mm2条 =430N 。FE2 mm2故得：FP1

FE1 SFmin

460328.571.4

N ；mm2 FE2

430307.14N 。FP2

SF

1.4

mm2取齿数z=26，则查课本《机械设计》p200，表10-5得到：1齿形系数YFa

2.60 ；校正系数YSa

1.595；所以YFS

Y YFa Y

2.601.5954.147;4.17所以值较大的FSFP2

0.013501986;307.14转矩T与扭转转惯量J有关。根据实际现有产品目测，设刀盘为高h=145,直径1为D=294的铸钢圆柱体。查阅材料手册，得铸钢的密度为7.8103kg 。m3由体积公式得刀盘的体积D 2 0.2942V= 2

h3.14 2

0.1459.939577103m3；由质量与密度的关系得刀盘的质量M

7.81039.8385777103kg

76.74kg 。由扭转惯量与扭矩的关系得J=1MD22n，代入数据计算得T=744Nmm。 2 2 60 1

T=67.7N。1Y11

m 12.6313

zm1

FSFP2

m1

2.24 。对照m的标准值，取m1

3.5，这样保证了齿轮在其主要受力方向上有足够的强度。由模数与分度圆的关系d mz，计算得d=91。1 11 1由b

mb=35。因为mm 1 1

3.5是大大人为的增大，且空套齿轮在轴向方向受到的力很小，基本可以忽略，故参照现有产品参数，选择b=14。m 3.5；1d；1。上端盘4.4所示：4.4上端盘构分度活塞的设计活塞作用主要是将液压能量转化为条动能，使得可以转动，又使齿条可以复位。其行程跟条行程相同，约为六之一周长。活塞4.12，取活塞D=50。厚。4.12液压缸内公称4.5。6.5 6.2——活动插销设计精定位是六角回转刀架最终精直接反映于刀架重复定位精六角回转刀架精定位采用动插销定位方式。原理、设计思路在刀架底座均布六个固定插销轴，在刀盘底部对应位置均布六个插销孔，正硬的球型曲面与之配合的时候能够自修正分度转位的误差。对于重复定位精度主要决定于定位机构的定位误差。由于回转架的重复定~5dw

0.001,0.005。为六角回转架的最重要的定位机构有较严格的精度要求同时又是相对运动频繁的机构故材料的选择必须其具有高强度高刚度40Cr。动插销机构的结构设计轴的顶端是个球头其球面在的时候能向轴的6.7公差带设计H7/n1ES=0.010；132。 =1(D d )dw 2 max min=12=0.003 00006dw对插销轴进行校核N C a0.9Y p

0.75，CNYY1795；pa0.9——背吃刀量，mm5；pf——进给量，查表并取大值为1.4;把上述具体数据代入上面公式计算得：YN =9834.07N;Y查金属切削手册，得切屑力y方向上的受力公式：N C a1.2X p

0.65,XN 时x为 ；,X其余参数和取值同上。

N ；X力 FXN 2NY2XN 2NY2X代入数据计算得F=13451.23N;由设计手册得剪切强度公式：FFd24

]；[]——材料的许用切应力，MPa;d——材料剪切面的直径，mm；F——剪切力，N。40Cr的800MPak=1.5，则k

1.5

533.33MPa把d=14，F=13451.23nN，代入上式得=87.38MPa <[] ，。校核结论结论：由校核结果知道插销定位机构有足够的强度和安全性，由定位误差的计算和检验，知道插销定位机构能满足重复定位的要求。6.3刀夹衬套的设计简述6.96.920、30、40、60等等最30的30结构如6.10所示。。7 件电路硬件是组成系统的基础， 也是软件编程的前提， 数控系统硬件设计包括以下几部分内容：1、绘制系统电气控制的结构框图据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气控制结构图。机床硬件电路由五部分组成：1） 主控制器，即中央处理单元 CPU；2） 总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；3） 存储器，包括程序存储器和数据存储器；4） 接口，即输入 /输出接口电路；5） 外围设备，如键盘、显示器等。机床数控系统硬件框图如图 6所示：图 6—机床数控系统硬件框图（开环系统）2、选择中央处理单元CPU的类型根据设计要求，CNC系统的主CPU采用8031单片机。3、存储器扩展电路设计存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分。选择 EPROM作程序存储器时，应考虑：1） 速度应与 CPU时钟匹配；2） 容量适中。4、I/O接口电路设计设计内容包括：据外部要求选用 接口芯片，步进电机伺服控制电路，键盘、显示部分以及其他辅助电路设计（如复位、掉电保护等） 。这部分设计要求考虑系统的驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠。在存储器扩展和 O 接口电路中，均涉及到地址译码问题。软件是硬件的补充。确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。1、软件设计步骤软件设计步骤分为以下几步：3） 据软件要求实现的功能，制定出软件技术要求；4） 出口参数；5） 据硬件资源，合理分配好存储单元；6） 分别对个模块编程，并调试；7） 连接各模块，进行统一调试及优化；8） 固化到程序存储器中。2、数控系统中常用的软件模块1） 软件实现环形分配器；2） 插补运算模块；3） 自动升降速控制模块等。80311、8031芯片引脚及片外总线结构1）8031芯片引脚功能8031芯片有 40个引脚，引脚配置见图 7：7—8031芯片引脚各引脚按功能可分为三部分：I/OP0，P1，P2，P348位口；PSEN，ALEEA，RST；电源及时钟：V 、cc

；XTAL1，X。SSI/OI/OP08TTL门电路，P1，P2，P34个；P3是双重功能口。2、8031单片机片内结构80317个部件组成，既微处理器（CPU、数据存储器/计数器及中断系统，它们都是通过片内单一总线连接而成的。单片机的系统扩展8031单片机内无程序存储器，如不扩展外部程序存储器则不能工作，且片内仅有128字节数据存储器，对于需要较多数据缓冲区的程序来说，片内RAM也不够用，须8031I/OP18/计数器等。1、8031的片外总线结构所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展：1） 数据总线（ DB）：由 P0口提供，数据总线要连接到连接的所有外围芯片上，在同一时间只能够有一个是有效的数据传输通道。2） （ AB）：16为 ， AB由P0口提供低 8位地址与数据分时传送，传送数据时将低 8位地址锁存。高 8位地址由 P2口提供。3） 控制总线（ CB）：系统扩展用控制总线有 WR、、PSEN、ALE、EA。2、系统扩展能力据地址总线的宽度，在片外可扩展的存储器最大容量为 64K字节。片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号。 允许两者的地址重复。故片外可扩展的数据存储器与程序存储器分别为 64K。扩展的 3、地址锁存器扩展系统时，由 P0口提供数据及低 8是 带三态缓冲输出的 8D触发器） ，其引脚及连接见图 8。图中：

D 0Q 0

77

图8—74LS373引脚及连接图G：下降沿时，将

D0 70Q Q0 7E=14

D0

780318031974LS138GG1

G 08CA2B9—74LS138储器扩展1储常EPROM常程序储（EPROM276（2K8273（4K8276（8K8、2712（16K82725（32K）2751（64K8）等均28封装长10常EPROM图10—常用 EPROM引脚排列EPROM选用原则：） 据控制对象和任务的复杂程度，以及是否需要大量计算来确定存储系统） b） 。 问 EPROM时，其所提供间 t为 T的 EPROM作速度一般为 200~450ns，故选取芯片时，应使其工作速度小于 t。（2）数据存储器数据存储器有动态和静态之分，两者相比，静态 RAM无须考虑保持数据而设置刷新电路，扩展简单，在数据存储器扩展电路中应用较广泛。常用的静态 RAM有8）、8）、62256（的 +5V电源供电， 28脚双列直插式扁平封装，典型存取时间为 150~200ns图 ：RAM的引脚2、存储器的扩展8031芯片与存储器的连接存储器扩展实质是三总线的连接。据芯片存储容量的大小确定数据、地址线的根数。8031芯片的

~P

按位与RAM数据线D ~D0 7

直连。地址总线的连接：据确定的地址线根数，将相应的低位地址线相连，剩余高位地址线作片选。控制总线的连接：对应控制线连接。口的扩展MCS—518P1口和部分P3端口的扩展。Intel公司常用的外围接口芯片有：81558255827974LSTTL电路和CMOS1、I/O口扩展方法据扩展并行I/O口时数据线的连接方式，I/O口扩展方式可分为三种：口的扩展方法2、常用接口芯片（1）8155芯片8155芯片内具有256个字节RAM、2个8位、1个6位的可编程I/O口和1个14位计数器。815512：(b)12—8155逻辑与(2)8255芯