畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）數(shù)控車床刀架及其液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（含裝配圖）

湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 38 頁(yè)1 引言裝配圖聯(lián)系1538937061.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)的背景及目的 制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標(biāo)志著該國(guó)或地區(qū)經(jīng)濟(jì)的實(shí)力，科技水平，生活水準(zhǔn)和國(guó)防實(shí)力。國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)歸根到底是各國(guó)制造生產(chǎn)能力及機(jī)械制造裝備的競(jìng)爭(zhēng)。隨著機(jī)械制造生產(chǎn)模式的演變,對(duì)機(jī)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(guò)提高效率，自動(dòng)化程度,進(jìn)行單一或少品種的大批量生產(chǎn)，以“規(guī)模經(jīng)濟(jì)”實(shí)現(xiàn)降低成本和提高質(zhì)量的目的。在70年代主要通過(guò)改善生產(chǎn)過(guò)程管理來(lái)進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本。在80年代，較多地采用數(shù)控機(jī)床，機(jī)器人，柔性制造單元和系統(tǒng)等高技術(shù)的集成來(lái)滿足產(chǎn)品個(gè)性化和多樣化的要求，以滿足社會(huì)各消費(fèi)群體的不同要求。從90年代開始，為了對(duì)世界生產(chǎn)進(jìn)行快速響應(yīng)，逐步實(shí)現(xiàn)社會(huì)制造資源的快速集成，要求機(jī)械制造裝備的柔性化程度更高,采用擬實(shí)制造和快速成形制造技術(shù)1。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都非常注重機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進(jìn)技術(shù)和工藝裝備制造業(yè)，機(jī)械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對(duì)比之下，我國(guó)目前機(jī)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(jī)械制造裝備基本上是通用機(jī)床加專用工藝裝備，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重還非常低，導(dǎo)致“剛性”強(qiáng),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(guò)多；自動(dòng)化程度基本上還是“一個(gè)工人，一把刀，一臺(tái)機(jī)床”，導(dǎo)致勞動(dòng)生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。 因此，要縮小我國(guó)同工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的差距,我們必須在機(jī)械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個(gè)方面就是增加數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重1。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，可以達(dá)到以下目的：1，培養(yǎng)綜合運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)技能來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力；2，強(qiáng)化工程實(shí)踐能力和意識(shí),提高本人綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力；3，使本人受到從事本專業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練,提高工程繪圖、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、外文資料文獻(xiàn)閱讀、使用計(jì)算機(jī)、使用文獻(xiàn)資和手冊(cè)、文字表達(dá)等各方面的能力；4，培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想和工程經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)，理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度以及積極向上的團(tuán)隊(duì)合作精神。1.2 國(guó)內(nèi)外數(shù)控車床的研究狀況和成果 1949年帕森公司正式接受美國(guó)空軍委托，在麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)試驗(yàn)室的協(xié)助下，開 始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作。經(jīng)過(guò)三年時(shí)間的研究，于1952年試制成功世界第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)性樣機(jī)，這是一臺(tái)采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床，這便是數(shù)控機(jī)床的第一代2。 1953年，美國(guó)空軍與麻省理工學(xué)院協(xié)作，開始從事計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程的研究，這就是創(chuàng)制APT(Automatically Programmed Tools )自動(dòng)編程系統(tǒng)的開始。 1955年，美國(guó)空軍花費(fèi)巨額經(jīng)費(fèi)訂購(gòu)了大約100臺(tái)數(shù)控機(jī)床,此后兩年，數(shù)控機(jī)床在美國(guó)進(jìn)入迅速發(fā)展階段,市場(chǎng)上出現(xiàn)了商品化數(shù)控機(jī)床。1958年，美國(guó)克耐杜列克公司(Keaney &Trecker Co.)在世界上首先研制成功帶自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，稱為”加工中心”。 1959年，計(jì)算機(jī)行業(yè)研制出晶體管元器件，因而數(shù)控裝置中廣泛采用晶體管和印制電路板，從而跨入第二代數(shù)控時(shí)代。同時(shí)美國(guó)航空工業(yè)協(xié)會(huì)(AIA)和麻省理工學(xué)院發(fā)展了APT程序語(yǔ)言。 1960年以后，點(diǎn)位控制機(jī)床在美國(guó)得到迅速發(fā)展,數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī)床上得到實(shí)際應(yīng)用，而且逐步推廣到?jīng)_壓機(jī)、繞線機(jī)、焊接機(jī)、火焰切割機(jī)、包裝機(jī)和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等，在程序編制方面，已由手工編程逐步發(fā)展到采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程。除了APT數(shù)控語(yǔ)言外，又發(fā)展了許多自動(dòng)騙程語(yǔ)言。 從1960年開始，德國(guó)，日本等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家都陸續(xù)開發(fā)，生產(chǎn)及使用了數(shù)控機(jī)床， 1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路。由于它體積小，功耗低，使用數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進(jìn)一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代【2】。 1967年，英國(guó)首先把幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床聯(lián)接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的FMS(Flexible Manufacturing System，柔性制造系統(tǒng))。之后，美，歐，日也相繼進(jìn)行開發(fā)與應(yīng)用。 1970年前后，美國(guó)英特爾公司開發(fā)和使用了微處理器。1974年美，日等國(guó)首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)。近20年來(lái)，微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的摟控機(jī)床得到飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，這就是第五代數(shù)控系統(tǒng)(MNC)。20世紀(jì)80年代初，國(guó)際上又出現(xiàn)了柔性制造單元FMC(FleibieManufacturing Cell) 3。我國(guó)從1958年開始研究數(shù)控機(jī)床，一直到20世紀(jì)60年代中期還處于研制，開發(fā)時(shí)期。當(dāng)時(shí)，一些高等院校,科研單位研制出試驗(yàn)樣機(jī)，是從電子管起步的。1965年，國(guó)內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代末至70年代初研制成了劈錐數(shù)控銑床，數(shù)控非圓齒輪插齒機(jī)。CIL18晶體管數(shù)控系統(tǒng)及Z53K1G立式數(shù)控銑床。從20世紀(jì)70年代開始,數(shù)控技術(shù)在車，銑 ，鏜,磨，齒輪加工，電加工等領(lǐng)域全面展開，數(shù)控加工中心在上海，北京研制成功。但由于電子元器件的質(zhì)量和制造工藝水平差，致使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性,穩(wěn)定性末行到解決，因此末能廣泛推廣。20世紀(jì)80年代，我國(guó)從昌本發(fā)那科公司引進(jìn)了3,5,6,7等系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服電機(jī)，直流主軸電機(jī)等制造技術(shù)，以及引進(jìn)美國(guó)GE公司的MCI系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)，德國(guó)西門子VS系列可控硅調(diào)速裝置，并進(jìn)行了商品化生產(chǎn).這些系統(tǒng)可靠性高，功能齊全。與此同時(shí)，還自行開發(fā)了3、4、5軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)以及雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步數(shù)控系統(tǒng)(用于火焰切割機(jī))和新品種的伺服電機(jī)，推動(dòng)了我國(guó)數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定發(fā)展，使我國(guó)數(shù)控機(jī)床在性能和質(zhì)量上產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍。1985年，我國(guó)數(shù)控機(jī)床的品種有了新的發(fā)展。數(shù)控機(jī)床品種不斷增多，規(guī)格齊全。許多技術(shù)復(fù)雜的大型數(shù)控機(jī)床，重型數(shù)控機(jī)床都相繼研制出來(lái)。為了跟蹤國(guó)外現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，北京機(jī)床研究所研制出了JCS-FMS-1型和2型的柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)。這個(gè)時(shí)期，我國(guó)在引進(jìn)，消化國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量開發(fā)工作。一些較高檔次的數(shù)控系統(tǒng)(5軸聯(lián)動(dòng))，分辨率為0.02的高精度數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)字仿型數(shù)控系統(tǒng)為柔性單元配套的數(shù)控系統(tǒng)都開發(fā)出來(lái)了，并造出樣機(jī)。我國(guó)的數(shù)控技術(shù)經(jīng)過(guò)“六五”，“七五”，“八五”，到“九五”的近20年的發(fā)展，基本上掌握了關(guān)鍵技術(shù)，建立了數(shù)控開發(fā)，生產(chǎn)基地，培養(yǎng)了一批數(shù)控人才，初步形成了自己的數(shù)控產(chǎn)業(yè)?！笆濉惫リP(guān)開發(fā)的成果：華中號(hào)、中華號(hào)、航天號(hào)和藍(lán)天號(hào)4種基本系統(tǒng)建立了具有中國(guó)自主版機(jī)的數(shù)控技術(shù)平臺(tái)。具有中國(guó)特色濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)這些年來(lái)的發(fā)展，有了較大的提高。它們逐漸被用戶認(rèn)可，在市場(chǎng)上站住了腳3。目前我國(guó)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠有100多家，生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品的企業(yè)有300余家，產(chǎn)品品種包括八大類2000種以上。目前已新開發(fā)出數(shù)控系統(tǒng)80余種，分為3種型級(jí)，即經(jīng)濟(jì)型，普及型和高級(jí)型?！熬盼濉逼陂g數(shù)控機(jī)床發(fā)展已進(jìn)入實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段，數(shù)控機(jī)床新開發(fā)品種300余種，已有一定的覆蓋面。新開發(fā)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品大部分達(dá)到期際上20世紀(jì)80年代中期水平，部分達(dá)到90年代水平，為國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)提供了一批高水平數(shù)控機(jī)床。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容和研究方法本課題設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控車床-CK20，用于對(duì)回轉(zhuǎn)零件的圓柱面，圓弧面，圓錐面，端面，切槽，及各種公、英制螺紋等進(jìn)行批量、高效、高精度的自動(dòng)加工。該數(shù)控車床可以用于機(jī)械，汽車，航空航天等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量，高生產(chǎn)效率。本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為：1，數(shù)控車床CK20總體布局的設(shè)計(jì)；2，數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)；4，數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；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(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，同時(shí)也是難點(diǎn)。通過(guò)廣泛查閱文獻(xiàn)資料，參觀數(shù)控車床實(shí)物樣機(jī)以及組內(nèi)同學(xué)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)控車床床身采用臥式斜床身結(jié)構(gòu)。因?yàn)檐嚧驳拇采硎钦麄€(gè)車床的基礎(chǔ)支承件，是車床的主體，一般用來(lái)放置導(dǎo)軌、主軸箱等重要部件。床身的結(jié)構(gòu)對(duì)車床的布局有很大的影響。按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對(duì)位置，床身的結(jié)構(gòu)有后斜床身斜滑板，直立床身直立滑板，平床身平滑板，前斜床身平滑板和平床身斜滑板等五種，它們各自有自己的優(yōu)點(diǎn)和局限性，采用什么樣的床身要根據(jù)實(shí)際情況定。一般來(lái)說(shuō)，中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多。只有大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床才采用平床身平滑板結(jié)構(gòu)，而立床身結(jié)構(gòu)采用得較少。平床身工藝性好，易于加工制造，由于車床刀架水平放置，對(duì)提高刀架的運(yùn)動(dòng)精度有好處,，但床身下部空間小，排屑回難。平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置向上傾斜導(dǎo)軌防護(hù)罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點(diǎn)，而且床身寬度也不會(huì)太大。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代數(shù)控車床中被廣泛采用，是因?yàn)檫@種布局有以下的優(yōu)點(diǎn)：1） 易實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；2） 機(jī)床外觀整齊,美觀,占地面積?。?） 容易設(shè)置封閉式防護(hù)裝置；4） 容易排屑和安裝自支排屑器；5） 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導(dǎo)軌上影響導(dǎo)軌精度；6） 宜人性好,便于操作；7） 便于安裝機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化。機(jī)床床身的五種結(jié)構(gòu)形式圖示如下：             (a) 斜床身斜滑板 (b) 直立床身直立滑板 (c) 平床身平滑板 (d) 前斜床身平滑板 (e) 平床身斜滑板 圖1.1 床身結(jié)構(gòu)示意圖(2)，數(shù)控車床的刀架采用回轉(zhuǎn)刀架?；剞D(zhuǎn)刀架的換刀分為刀盤抬起、刀架鎖緊和刀盤轉(zhuǎn)位三個(gè)動(dòng)作。其中刀盤抬起和刀架鎖緊由液壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，而刀盤轉(zhuǎn)位則由伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。刀盤抬起動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)須經(jīng)以下步驟：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤抬起命令液壓系統(tǒng)啟動(dòng)壓力油進(jìn)入液壓缸右腔活塞向左運(yùn)動(dòng)刀架主軸向左移動(dòng)端齒盤脫離嚙合刀盤抬起。刀盤轉(zhuǎn)位動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)順經(jīng)以下步驟：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤轉(zhuǎn)位的命令伺服電機(jī)啟動(dòng)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)刀架主軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)位.刀盤鎖緊動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)順經(jīng)以下的步驟： 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤鎖緊命令液壓系統(tǒng)啟動(dòng)壓力油進(jìn)入液壓缸左腔活塞向右運(yùn)動(dòng)刀架主軸向右移動(dòng)端齒盤嚙合實(shí)現(xiàn)刀盤鎖緊。 圖1.2 回轉(zhuǎn)刀架示意圖(3)，本車床數(shù)控系統(tǒng)選用日本FANUC公司的FANUC系統(tǒng).因?yàn)榫湍壳皝?lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)各數(shù)控機(jī)床用得最多的也是FANUC系統(tǒng)，因?yàn)樗哂幸韵碌膬?yōu)點(diǎn)： 1） 高可靠性及完整的質(zhì)量控制體系。 2） 采用大規(guī)模及超大規(guī)模的專用集成電路芯片。 3） 全自動(dòng)化工廠生制造。 4） 良好的控制軟件設(shè)計(jì)。 5） 數(shù)字式進(jìn)給伺服和數(shù)字式主軸驅(qū)動(dòng)4。 (4)，尾座套筒及主軸夾盤的控制亦采用液壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橐簤嚎刂凭哂胁僮鞣奖?，工作可靠等特點(diǎn)。 2 數(shù)控車床刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算2.1車床刀架的功能,類型和應(yīng)滿足的要求2.1.1車床刀架的功能機(jī)床上的刀架是安放刀具的重要部件，許多刀架還直接參與切削工作，如臥式車床上的四方刀架，轉(zhuǎn)塔車床的轉(zhuǎn)塔刀架，回輪式轉(zhuǎn)塔車床的回輪刀架，自動(dòng)車床的轉(zhuǎn)塔刀架和天平刀架等。這些刀架既安放刀具，而且還直接參與切削，承受極大的切削力作用，所以它往往成為工藝系統(tǒng)中的較薄弱環(huán)節(jié)。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床的刀架也有了許多變化，特別是數(shù)控車床上采用電(液)換位的自動(dòng)刀架，有的還使用兩個(gè)回轉(zhuǎn)刀盤。加工中心則進(jìn)一步采用了刀庫(kù)和換刀機(jī)械手，定現(xiàn)了大容量存儲(chǔ)刀具和自動(dòng)交換刀具的功能，這種刀庫(kù)安放刀具的數(shù)量從幾十把到上百把，自動(dòng)交換刀具的時(shí)間從十幾秒減少到幾秒甚至零點(diǎn)幾秒。這種刀庫(kù)和換刀機(jī)械手組成的自動(dòng)換刀裝置，就成為加工中心的主要特征5。 2.1.2機(jī)床刀架的類型按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置等多種形式,下面對(duì)這三種形式的刀架作簡(jiǎn)單的介紹。 1，排式刀架排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主。它的結(jié)構(gòu)形式為：夾持著各種不同用途刀具的刀夾沿著機(jī)床的X坐標(biāo)軸方向排列在橫向滑板上。刀具的典型布置方式如圖4所示。這種刀架在刀具布置和機(jī)床調(diào)整等方面都較為方便，可以根據(jù)具體工件的車削工藝要求，任意組合各種不同用途的刀具，一把刀具完成車削任務(wù)后，橫向滑板只要按程序沿X軸移動(dòng)預(yù)先設(shè)定的距離后，第二把刀就到達(dá)加工位置，這樣就完成了機(jī)床的換刀動(dòng)作。這種換刀方式迅速省時(shí)，有利于提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。寶雞機(jī)床廠生產(chǎn)的CK7620P全功能數(shù)控車床配置的就是排式刀架。 2，回轉(zhuǎn)刀架 回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，一般通過(guò)液壓系統(tǒng)或電氣來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)換刀動(dòng)作，根據(jù)加工要求可設(shè)計(jì)成四方、六方刀架或圓盤式刀架，并相應(yīng)地安裝4把、6把或更多的刀具?；剞D(zhuǎn)刀架的換刀動(dòng)作可分為刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位和刀架鎖緊等幾個(gè)步驟。它的動(dòng)作是由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令完成的?；剞D(zhuǎn)刀架根據(jù)刀架回轉(zhuǎn)軸與安裝底面的相對(duì)位置，分為立式刀架和臥式刀架兩種。 3，帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置 上述排刀式刀架和回轉(zhuǎn)刀架所安裝的刀具都不可能太多，即使是裝備兩個(gè)刀架，對(duì)刀具的數(shù)目也有一定限制。當(dāng)由于某種原因需要數(shù)量較多的刀具時(shí)，應(yīng)采用帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置。帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置由刀庫(kù)和刀具交換機(jī)構(gòu)組成。 (a)回轉(zhuǎn)刀架 (b) 排式刀架 圖2.1 機(jī)床刀架類型結(jié)構(gòu)圖2.1.3機(jī)床刀架應(yīng)滿足的要求 1）滿足工藝過(guò)程所提出的要求。機(jī)床依靠刀具和工件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成工件表面，而工件的表面形狀和表面位置的不同，要求刀架能夠布置足夠多的刀具，而且能夠方便而正確地加工各工件表面， 為了實(shí)現(xiàn)在工件的一次安裝中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地轉(zhuǎn)位。 2）在刀架以要能牢固地安裝刀具，在刀架上安裝刀具進(jìn)還應(yīng)能精確地調(diào)整刀具的位置，采用自動(dòng)交換刀具時(shí)，應(yīng)能保證刀具交換前后都能處于正確位置。以保證刀具和工件間準(zhǔn)確的相對(duì)位置。刀架的運(yùn)動(dòng)精度將直接反映到加工工件的幾何形狀精度和表面粗糙度上，為此，刀架的運(yùn)動(dòng)軌跡必須準(zhǔn)確，運(yùn)動(dòng)應(yīng)平穩(wěn)，刀架運(yùn)轉(zhuǎn)的終點(diǎn)到位應(yīng)準(zhǔn)確。面且這種精度保持性要好，以便長(zhǎng)期保持刀具的正確位置。 3）刀架應(yīng)具有足夠的剛度。由于刀具的類型、尺寸各異，重量相差很大，刀具在自動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中方向變換較復(fù)雜，而且有些刀架還直接承受切削力?？紤]到采用新型刀具材料和先進(jìn)的切削用量，所以刀架必須具有足夠的剛度，以使切削過(guò)程和換刀過(guò)程平穩(wěn)。 4）可靠性高。由于刀架在機(jī)床工作過(guò)程中，使用次數(shù)很多，而且使用頻率也高，所以必須充分重視它的可靠性。 5）刀架是為了提高機(jī)床自動(dòng)化而出現(xiàn)的，因而它的換刀時(shí)間應(yīng)盡可能縮短，以利于提高生產(chǎn)率。目前自動(dòng)換刀裝置的換刀時(shí)間在0.86秒之間不等。而且還在進(jìn)一步縮短。 6）操作方便和安全。刀架是工人經(jīng)常操作的機(jī)床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是評(píng)價(jià)刀架設(shè)計(jì)好壞的指標(biāo)。刀架上應(yīng)便于工人裝刀和調(diào)刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作調(diào)整刀架的手柄（或手輪）要省力，應(yīng)盡量設(shè)置在便于操作的地方6。2.2數(shù)控車床刀架總體方案設(shè)計(jì)與選擇2.2.1刀架的整體方案設(shè)計(jì) 刀架是車床的重要組成部分，用于夾持切削用的刀具，因此其結(jié)構(gòu)直接影響到車床的切削性能和切削效率。根據(jù)前部分對(duì)機(jī)床刀架類型、性能及其使用場(chǎng)合的綜合比較，并結(jié)合現(xiàn)有數(shù)控車床的實(shí)例，本次設(shè)計(jì)的數(shù)控車床CK20擬采用回轉(zhuǎn)刀架中的六工位六方刀架。該刀架的換刀動(dòng)作分為刀盤抬起、刀盤分度轉(zhuǎn)位和刀盤鎖緊三個(gè)步驟，其中刀盤抬起和刀盤鎖緊定位由液壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，而刀盤的分度轉(zhuǎn)位于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。2.2.2車床刀架的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 一般來(lái)說(shuō)，機(jī)床刀架的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)主要有以下幾種：1，液壓（或氣動(dòng)）驅(qū)動(dòng)的活塞齒條齒輪轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu) 這種由液動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)調(diào)速范圍大、緩沖制動(dòng)容易，轉(zhuǎn)位速度可調(diào)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)尺寸較小，制造容易，因而應(yīng)用較廣泛。而轉(zhuǎn)位角度大小可由活塞桿上的限位檔塊來(lái)調(diào)整。也有采用氣動(dòng)的，氣動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，速度可調(diào)，但運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，有沖擊，結(jié)構(gòu)尺寸大，驅(qū)動(dòng)力小。故一般多用于非金屬切削的自動(dòng)化機(jī)械和自動(dòng)線的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)中。2，圓柱凸輪步進(jìn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu) 這種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)依靠凸輪輪廓強(qiáng)制刀架作轉(zhuǎn)位運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全取決于凸輪輪廓形狀。圓柱凸輪是在圓周面上加工出一條兩端有頭的凸起=輪廓，從動(dòng)回轉(zhuǎn)盤（相當(dāng)于刀架體）端面有多個(gè)柱銷，銷子數(shù)量與工位數(shù)相等。當(dāng)圓柱凸輪按固定的旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，有的柱銷會(huì)進(jìn)入凸輪輪廓的曲線段，使凸輪開始驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)位，與此同時(shí)有的圓柱銷會(huì)與凸輪輪廓脫離，當(dāng)柱銷接觸的凸輪輪廓由曲線段過(guò)渡到直線段時(shí)，即使凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)盤也不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即完成了一次刀盤分度轉(zhuǎn)位動(dòng)作。如此反復(fù)下去，就能實(shí)現(xiàn)多次的刀架換刀操作。由于凸輪是一個(gè)兩端開口的非閉合曲線輪廓，所以當(dāng)凸輪正反轉(zhuǎn)進(jìn)均可帶動(dòng)刀盤正反兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)。這種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)位速度高、精度較低，運(yùn)動(dòng)特性可以自由設(shè)計(jì)選取但制造較困難、成本較高、結(jié)構(gòu)尺寸較大。這種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)可以通過(guò)控制系統(tǒng)中的邏輯電路或PC程序來(lái)自動(dòng)選擇回轉(zhuǎn)方向，以縮短轉(zhuǎn)位輔助時(shí)間。3，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的刀架轉(zhuǎn)位 隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，可以采用直流（或交流）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿、蝸輪（消除間隙）實(shí)現(xiàn)刀架轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)位的速度和角位移均可通過(guò)半閉環(huán)反饋進(jìn)行精確控制加以實(shí)現(xiàn)，因而這種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)位速度可以進(jìn)行精確控制、精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易。所以在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中被廣泛采用6。 結(jié)合上述三種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)位機(jī)理和特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)的數(shù)控車床CK20決定采用第三種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)-伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的刀架轉(zhuǎn)位。2.2.3刀架定位機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 目前在刀架的定位機(jī)構(gòu)中多采用錐銷定位和端面齒盤定位。由于圓柱銷和斜面銷定位時(shí)容易出現(xiàn)間隙，圓錐銷定位精度較高，它進(jìn)入定位孔時(shí)一般靠彈簧力或液壓力、氣動(dòng)力，圓錐銷磨損后仍可以消除間隙，以獲得較高的定位精度。端齒盤定位由兩個(gè)齒形相同的端面齒盤相嚙合而成，由于齒合時(shí)各個(gè)齒的誤差相互抵償，起著誤差均化的作用，定位精度高。端齒盤定位的特點(diǎn)：（1）定位精度高 由于端齒盤定位齒數(shù)多，且沿圓周均布，向心多齒結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)研齒的齒盤其分度精度一般可達(dá)左右，最高可過(guò)以上，一對(duì)齒盤嚙合時(shí)具有自動(dòng)定心作用。所以中心軸的回轉(zhuǎn)精度、間隙及磨損對(duì)定心精度幾乎沒(méi)有影響，對(duì)中心軸的精度要求低，裝置容易。（2）重復(fù)定位精度好 由于多齒嚙合相當(dāng)于上下齒盤的反復(fù)磨合對(duì)研，越磨合精度越高，重復(fù)定位精度也越好。（3）定位剛性好，承載能力大，兩齒盤多齒嚙合。由于齒盤齒部強(qiáng)度高，并且一般齒數(shù)嚙合率不少于90%，齒面嚙合長(zhǎng)度不少于60%，故定位剛性好，承載能力大?？紤]到端面齒盤具有以上的各種優(yōu)點(diǎn)，因而本次設(shè)計(jì)的刀架采用端面齒盤定位6。2.3車床刀架的工作原理下圖所示為回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)圖，刀架的松開和夾緊以及刀盤的分度轉(zhuǎn)位分別由液壓系統(tǒng)和直流伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。5為安裝刀具的刀盤，它與軸6固定連接，當(dāng)?shù)都苤鬏S6帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上的端齒盤4和固定在刀盤上的端齒盤3脫開，旋轉(zhuǎn)指定刀位后，刀盤的定位由端齒盤的嚙合來(lái)完成?；钊?支承在一對(duì)推力球軸承上，它們可以通過(guò)推力球軸承帶動(dòng)刀架主軸來(lái)移動(dòng)。當(dāng)車床數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，刀架上的液壓缸右腔通入壓力油，活塞1及軸6在壓力油推動(dòng)下向左移動(dòng)，通過(guò)刀架主軸使端齒盤3和4脫開嚙合，實(shí)現(xiàn)刀盤抬起動(dòng)作。隨后伺服電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)蝸桿2和蝸輪7轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)刀架主軸6帶動(dòng)刀架的刀盤旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)刀架換刀動(dòng)作，轉(zhuǎn)位的速度和角位移均通過(guò)半閉環(huán)反饋系統(tǒng)進(jìn)行精確控制。當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)到指定的刀位后，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，指令伺服電機(jī)停轉(zhuǎn)，這時(shí)，壓力油進(jìn)入液壓缸的左腔，推動(dòng)活塞1和刀架主軸6向右移動(dòng)，使端齒盤3和4重新嚙合，實(shí)現(xiàn)刀盤鎖動(dòng)作。刀盤被定位夾緊并向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，于是刀架的轉(zhuǎn)位、換刀循環(huán)完成。在車床自動(dòng)工作狀態(tài)下，當(dāng)指定換刀的刀號(hào)后，數(shù)控系統(tǒng)可以通過(guò)內(nèi)部的運(yùn)算判斷，實(shí)行刀盤就近轉(zhuǎn)位換刀，即刀盤既可正轉(zhuǎn)也可以反轉(zhuǎn)。但當(dāng)手動(dòng)操作車床時(shí)，從刀盤方向觀察，只充許刀盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)換刀。 圖2.2 數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)圖2.4刀架的設(shè)計(jì)計(jì)算2.4.1 驅(qū)動(dòng)刀架的伺服電機(jī)的選擇計(jì)算刀架驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇應(yīng)同時(shí)滿足刀架運(yùn)轉(zhuǎn)的負(fù)載扭矩和起動(dòng)時(shí)的加速扭矩的要求。1) 刀架負(fù)載扭矩的計(jì)算回轉(zhuǎn)刀架負(fù)載扭矩估算方法如下：由于這種刀架的負(fù)載扭矩主要用來(lái)克服刀具質(zhì)量的不平衡，估算按如下的情況進(jìn)行：用平均重力的刀具插滿刀盤的半個(gè)圓，根據(jù)工藝要求所需的各種刀具，確定每個(gè)刀具的（包括刀柄）平均重力，而其重心則設(shè)定為離刀架回轉(zhuǎn)中心2/3半徑處。由以上的方法可知，由于該數(shù)控車床采用的是電和液換位的6工位六方自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，因而插滿刀盤的半個(gè)圓需要3把刀具。設(shè)工藝要求所需的每個(gè)刀具的平均重力=4.9N；刀盤的回轉(zhuǎn)中心直徑。則有 2) 刀架加速扭矩的估算 6 式中 -刀架換刀時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min); -加速時(shí)間,通常取150; -電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量(),可查樣本; -負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量(). 3) 負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量的估算 式中 -各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(); -各旋轉(zhuǎn)件的角速度(); -各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量(); -各直線運(yùn)動(dòng)件的速度(); -伺服電機(jī)的角速度()6.4) 各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的估算由刀架的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可知,刀架在完成換刀動(dòng)作時(shí),伺服電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)的部件共3個(gè),它們分別是蝸輪蝸桿副,刀架主軸和刀盤。因而只需估算這三者的傳動(dòng)慣量即可。(1) 刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算刀盤采用煙臺(tái)環(huán)球公司生產(chǎn)的AK31系列數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的配套產(chǎn)品，其主要尺寸如下：刀盤外徑；盤也刀架主軸相連的孔徑；刀盤寬。則刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =0.45(2) 刀架主軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算刀架主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按如下的方法估算：刀架主軸的最大直徑；最小直徑；刀架主軸長(zhǎng)度取。則刀架主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量7=0.0048 (3) 蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的估算方法如下：設(shè)蝸輪的分度圓直徑；其與刀架主軸相連的孔徑；蝸輪齒寬.則蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =0.002 7設(shè)蝸桿的分度圓直徑;蝸桿長(zhǎng).則蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =0.00024 (4) 連軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 由于連軸器已標(biāo)準(zhǔn)化，查表取連軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (5) 對(duì)各旋轉(zhuǎn)件的角速度作如下設(shè)定：伺服電機(jī)的角速度 ；蝸桿的角速度 ；蝸輪的角速度 ；刀架主軸的角速 ；刀盤轉(zhuǎn)位時(shí)的角速度 。則將以上計(jì)算所得的數(shù)據(jù)代入下式： 得負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量 =0.00067 ??；刀架換刀時(shí)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速；伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。則刀架加速扭矩 =0.32 5) 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出扭矩的估算7 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩應(yīng)同時(shí)滿足刀架負(fù)載扭矩和加速扭矩之和，將以上計(jì)算的刀架負(fù)載扭矩和加速扭矩?fù)Q為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸上的輸出扭矩的公式為： 式中 -傳動(dòng)效率 取0.75。則有 考慮到實(shí)際情況比計(jì)算時(shí)所設(shè)定條件復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)為的倍。所以取 經(jīng)查閱西門子電機(jī)手冊(cè)，選項(xiàng)用西門子1FT6交流伺服電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定輸出轉(zhuǎn)矩為5，額定功率為0.4kW。2.4.2 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算2.4.2.1各參數(shù)的取定本刀架的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)是采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿、蝸輪（消除間隙）實(shí)現(xiàn)刀架的轉(zhuǎn)位，其中蝸輪蝸桿副的傳動(dòng)比取60，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速取1400；刀架的轉(zhuǎn)位速度設(shè)計(jì)為，由于刀盤為6工位刀盤，則該刀架換一次刀的最大耗時(shí)不到9。2.4.2.2 蝸輪蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)的普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的功率為，蝸桿的轉(zhuǎn)速為，傳動(dòng)比為，傳動(dòng)反向，工作載荷穩(wěn)定，但有不大的沖擊，要求設(shè)計(jì)壽命為。對(duì)蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算如下；(1).選擇蝸桿傳動(dòng)類型根據(jù)的推薦，采用漸開線蝸桿（）。(2).選擇材料根據(jù)庫(kù)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(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。 1) 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩按，估取效率，則 =2) 確定載荷系數(shù) 因?yàn)楣ぷ鬏d荷穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)為；由西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室編著的機(jī)械設(shè)計(jì)教材表11-5選取使用系數(shù)；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)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(shè)蝸桿分度圓直徑和傳動(dòng)中心距a的比值，從圖11-18中可查得=。5) 確定許用接觸應(yīng)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(yīng)力為。應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 壽命系數(shù) 則 6) 計(jì)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(shí)，從圖11-18中可查得接觸系數(shù)，因?yàn)椋虼艘陨嫌?jì)算的結(jié)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) 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 分度圓導(dǎo)程角 蝸桿軸向齒厚 圖2.3 蝸桿的結(jié)構(gòu)圖1) 蝸輪 蝸輪齒數(shù) ；變位系數(shù) 驗(yàn)算傳動(dòng)比，這時(shí)傳動(dòng)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(jié)構(gòu)圖(4) 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 當(dāng)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(yīng)力 從表11-8中查得由制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力壽命系數(shù) 彎曲強(qiáng)度滿足要求。(6) 精度等級(jí)公差和表面粗糙度的確定 考慮到所設(shè)計(jì)的蝸桿傳動(dòng)是動(dòng)力傳動(dòng)，屬于通用機(jī)械減速器，從GB/T100891988圓柱蝸桿、蝸輪精度中選擇8級(jí)精度，側(cè)隙種類為f，標(biāo)注為8f GB/T100891988。然后由有關(guān)手冊(cè)查得要求的公差項(xiàng)目及表面粗糙度，此處從略9。2.4.3 刀架主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 由刀架裝配圖可知，刀架主軸的支承方式為兩端游動(dòng)支承，其一端與刀盤固連，另一端與液壓缸的活塞間隙配合，同時(shí)起到左端支承作用。而軸的中間部位由刀盤至液壓缸的方向分別與圓柱滾子軸承和蝸輪相連，圓柱滾子軸承起右支承作用。已知伺服電機(jī)的功率為0.3kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速，取經(jīng)蝸輪蝸桿副傳動(dòng)的效率，蝸輪蝸桿副的傳動(dòng)比。1) 先求出刀架主軸上的傳遞功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩 于是 2) 初步確定軸的最小直徑 由式 可初步估算設(shè)計(jì)軸的最小直徑。 式中：為系數(shù)，軸的材料不同，則的值會(huì)不同； 為軸傳遞的功率，單位為； 為計(jì)算截面處軸的直徑，單位為mm； 為軸的轉(zhuǎn)速，單位為；選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表153，取，于是得 從而取軸的最小直徑為；軸的最大直徑為9。圖2.5 刀架主軸結(jié)構(gòu)圖3車床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1刀架液壓控制系統(tǒng)液壓泵及油泵電動(dòng)機(jī)的選擇計(jì)算由于該刀架刀盤的松開和夾緊均由液壓系統(tǒng)通才液壓缸活塞的往反運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)車床在切削加工時(shí)，刀具所受的切削力由端面齒盤通過(guò)螺栓卸荷給刀架，為使刀架在強(qiáng)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(guò)程中始終處于嚙合狀態(tài)。因而液壓泵及油泵電動(dòng)機(jī)的配置對(duì)液壓系統(tǒng)的工作性能有重要的影響7。3.1.1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(lái)說(shuō)，齒輪泵價(jià)格低，維修方便，但當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到較大值時(shí)，輸油壓力脈動(dòng)大，噪聲大。不宜作數(shù)控機(jī)床的油源；葉片泵的輸油壓力脈動(dòng)小，噪聲小。因而被廣泛用于數(shù)控機(jī)床的主要油源。所以本液壓系統(tǒng)的液壓泵選用葉片泵。3.1.2油泵電動(dòng)機(jī)功率的選擇計(jì)算1） 油泵工作壓力的計(jì)算油泵工作壓力應(yīng)等于液壓缸的工作壓力和油液在管道中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓力損失之和。即 （1）液壓缸工作壓力的估算 對(duì)于中小型的數(shù)控車床，通常推薦液壓缸的拉緊力為10。液壓缸活塞的有效工作面積設(shè)定為；則該刀架液壓缸的工作壓力。（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(duì)整個(gè)系統(tǒng)的壓力損失進(jìn)行估算，等到正式系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，再進(jìn)行詳細(xì)的驗(yàn)算。 式中 -油的運(yùn)動(dòng)粘度（厘沲）； -流量（升/分）； -管子的內(nèi)徑（毫米）； -管道總長(zhǎng)（米）； -修正系數(shù)。 當(dāng)時(shí)，=1 當(dāng)時(shí)，。流量的計(jì)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(yùn)動(dòng)速度的快慢要求來(lái)決定的。工作油缸需油量用下式計(jì)算： 式中 -活塞運(yùn)動(dòng)速度； -活塞有效工作面積。?。蝗?。代入上式得 = 考慮到泄漏的影響油缸實(shí)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(yīng)足夠大，以減少油的壓力損失。但管徑若過(guò)大則會(huì)使結(jié)構(gòu)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(jì)算管徑，再按與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格相近的選用。由于 所以 式中 -管子的內(nèi)徑； -通過(guò)管子的流量； -管中流速，取0.25。 將上面計(jì)算的結(jié)果代入式中得 設(shè)液壓系統(tǒng)管道的總長(zhǎng)度 則有 360.64得油泵的工作壓力 = 根據(jù)能量守恒原理，油泵輸出液壓油的功率就是需要油泵電動(dòng)機(jī)的功率（不考慮效率）。因此只需算出油泵輸出液壓油的功率就可以確定該選多大功率的電動(dòng)機(jī)。油泵的輸出功率 式中 -液壓泵的工作壓力； -液壓系統(tǒng)的液壓油流量。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入可得 =則油泵電動(dòng)機(jī)的功率為： 效率可由產(chǎn)品目錄查到.如型齒輪泵;型葉片泵,.此外,尚需考慮電動(dòng)機(jī)本身的效率及從電動(dòng)機(jī)到油泵的聯(lián)軸節(jié)或皮帶傳動(dòng)等的效率,故電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)適當(dāng)?shù)丶哟?。3.2 液壓缸的設(shè)計(jì)3.2.1 選擇液壓缸類型由于該液壓缸主要用于驅(qū)動(dòng)刀架主軸的直線往反動(dòng)動(dòng).故選用雙作用單桿活塞缸.3.2.2液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的計(jì)算 計(jì)算液壓缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑都必須考慮到設(shè)備的類型,例如在金屬切削機(jī)床中,對(duì)于動(dòng)力較大的機(jī)床(刨床,拉床和組合機(jī)床)一定要滿足牽引力的要求,計(jì)算時(shí)要以力為主;對(duì)于輕載高速的機(jī)床(磨床,珩磨機(jī)和研磨機(jī)等)一定要滿足速度的要求,計(jì)算時(shí)要以速度為主.由于本刀架的抬起動(dòng)作是在數(shù)控車床脫離切削時(shí)完成的，因而在換刀過(guò)程中并沒(méi)有承受切削力的作用,因而符合第二種情況,計(jì)算時(shí)以速度為主17。3.2.2.1以速度為主計(jì)算液壓缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度要求和選定的液壓泵流量來(lái)確定液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑，再?gòu)臉?biāo)準(zhǔn)中選取相近尺寸加以圓整。對(duì)于單活塞桿缸來(lái)說(shuō)，當(dāng)液壓油進(jìn)入油腔時(shí) 式中 -輸入液壓缸的流量； -液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度；設(shè)液壓缸活塞的往復(fù)速度比值為，即：。由于活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度相等，所以。由相關(guān)資料可知，當(dāng)時(shí)，一般取。則得 ；。從GB-2348-80標(biāo)準(zhǔn)中選取的液壓缸內(nèi)徑為80mm,活塞桿直徑取40mm.3.3數(shù)控車床液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.3.1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(tái)車床液壓系統(tǒng)的功率較小，推動(dòng)刀架主軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)的液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)速度低，工作負(fù)載變化小，因而可采用進(jìn)口節(jié)流的調(diào)速形式。為了解決進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路在活塞桿到達(dá)最大行程時(shí)沖擊現(xiàn)象，回油路上要設(shè)置背壓閥。為保證夾緊力可靠，且能單獨(dú)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(dòng)作，在進(jìn)入夾緊缸的油路上接單向順序閥來(lái)控制，只有當(dāng)?shù)侗P抬起達(dá)到目標(biāo)值后，液壓缸才會(huì)反向通油，執(zhí)行刀盤夾緊動(dòng)作。為保證工件確已夾緊后車床切削才能動(dòng)作，在夾緊缸進(jìn)口處裝一壓力繼電器，只有當(dāng)夾緊壓力達(dá)到壓力繼電器的調(diào)節(jié)壓力時(shí)，才能發(fā)出信號(hào)，車床才能進(jìn)行切削加工18。3.3.2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3.3.3液壓系統(tǒng)的控制原理3.3.3.1主軸卡盤的控制主軸卡盤的夾與松開，由一個(gè)二位四通電磁換向閥7控制。當(dāng)卡盤處于夾緊狀態(tài)時(shí)，夾緊力的大小由減壓閥4來(lái)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(shí)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(shí)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(cè)定卡盤的夾緊力是否達(dá)到要求，只有卡盤在夾緊狀態(tài)下的夾緊力達(dá)到設(shè)定的壓力要求，壓力繼電器5才向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出電信號(hào)，說(shuō)明工件夾緊可靠，數(shù)控車床才進(jìn)行切削加工。3.3.3.2回轉(zhuǎn)刀架的控制回轉(zhuǎn)刀架換刀時(shí)，首先是刀盤松開，刀盤就近轉(zhuǎn)位到達(dá)指定的刀位，最后到盤復(fù)位夾緊。刀盤的松開與夾緊，由1個(gè)二位四通電磁換向閥3控制，當(dāng)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(jìn)入液壓缸的左腔，推動(dòng)液壓缸活塞向右運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀盤抬起動(dòng)作。而油液則從液壓缸右腔經(jīng)電磁閥3直接流回油箱。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤鎖緊動(dòng)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(jìn)入液壓缸右腔，推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀盤鎖緊動(dòng)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(guān)11用于控制在刀盤抬起動(dòng)作中液壓缸活塞的行程，當(dāng)活塞桿碰到行程開關(guān)時(shí)，即使液壓缸的左腔仍然通入壓力油，液壓缸的活塞也不會(huì)移動(dòng)，這樣能夠保證液壓缸不與液壓缸壁相撞。3.3.3.3尾座套筒的控制尾座套筒的伸出與退回由一個(gè)三位四通電磁換向閥4控制，套筒伸出工作時(shí)的預(yù)緊力大小通過(guò)減壓閥8來(lái)調(diào)整，并由壓力表9顯示。當(dāng)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(jìn)入液壓腔右腔，實(shí)現(xiàn)頂緊動(dòng)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(jìn)入液壓缸左腔，實(shí)現(xiàn)退回動(dòng)作，油液則經(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(shì) 從1952年美國(guó)麻省理工學(xué)院研制出第一臺(tái)試驗(yàn)性數(shù)控系統(tǒng)，到現(xiàn)在已走過(guò)了46年歷程。數(shù)控系統(tǒng)由當(dāng)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(jì)算機(jī)式、超大規(guī)模集成電路和微機(jī)式的數(shù)控系統(tǒng)等6個(gè)發(fā)展階段。到80年代，總體發(fā)展趨勢(shì)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(jié)構(gòu)，便于裁剪、擴(kuò)展和功能升級(jí)，滿足不同類型數(shù)控機(jī)床的需求；4）、驅(qū)動(dòng)裝置向交流、數(shù)字化方向發(fā)展；5）、CNC裝置向人工智能化方向發(fā)展；6）、采用新型的自動(dòng)編程系統(tǒng)，增強(qiáng)通信功能，使數(shù)控系統(tǒng)可靠性不斷提高?？傊瑪?shù)控機(jī)床技術(shù)不斷發(fā)展，功能越來(lái)越完善，使用越來(lái)越方便，可靠性越來(lái)越高，性能價(jià)格比也越來(lái)越高20。4.2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)機(jī)床的要求，以及充分考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及機(jī)床的經(jīng)濟(jì)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(jià)比高。它將CNC（數(shù)控）、PLC（可編程控制器）、HMI（人機(jī)界面）和通訊任務(wù)集成于一體，可控制3個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)給軸和1個(gè)伺服或變頻主軸，系統(tǒng)PLC可直接應(yīng)用SIMATIC S7-200指令集。CNC編程使用西門子G代碼。系統(tǒng)可與計(jì)算機(jī)通訊，編輯、保存和傳輸應(yīng)用程序。模塊化的兩軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器SIMODRIVE 611A和1FT5交流伺服電機(jī)與802C系統(tǒng)相配合，構(gòu)成控制和驅(qū)動(dòng)的完整系統(tǒng)，其性能足以滿足使用要求。4.2.1SNUMERIK 802C base line 控制單元和操作面板 SINUMERIK 802C base line 是專門為中國(guó)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)而開發(fā)的經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)床匹配更快速、更容易； 3）簡(jiǎn)單而友好的編程界面，保證了生產(chǎn)的快速進(jìn)行，優(yōu)化了機(jī)床的使用SINUMERIK 802C base line集成了所有的CNC，PLC，HMI，I/O 于一身： 獨(dú)立于其他部件進(jìn)行安裝。堅(jiān)固而又節(jié)省空間的設(shè)計(jì)，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(jī)床控制動(dòng)作的按鍵以及8英寸LCD顯示器，同時(shí)還提供12個(gè)帶有LED 的用戶自定義鍵。工作方式選擇(6 種)，進(jìn)給速度修調(diào)，主軸速度修調(diào)，數(shù)控啟動(dòng)與數(shù)控停止，系統(tǒng)復(fù)位均采用按鍵形式進(jìn)行操作； 5）INUMERIK 802C base line 的輸入/輸出點(diǎn)為48個(gè)24V的直流輸入和16個(gè)24V的直流輸出。輸出同時(shí)工作系數(shù)為0.5 時(shí)負(fù)載能力可達(dá)0.5A。為了方便安裝，輸入輸出采用可移動(dòng)的螺絲夾緊端子，該端子可用普通的螺絲刀來(lái)緊固； 6）SINUMERIK 802C base line可控制三個(gè)進(jìn)給軸。SINUMERIK 802C base line 提供傳統(tǒng)的± 10V 的伺服驅(qū)動(dòng)接口； 7）除三個(gè)進(jìn)給軸外， SINUMERIK 802C base line 都提供一個(gè)± 10V 的接口用于連接主軸驅(qū)動(dòng)； 8）SINUMERIK 802C base line 基本配置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為 - SIMODRIVE base line，3Nm/6Nm 和6Nm/8Nm 雙軸模塊與 - 11Nm單軸模塊，驅(qū)動(dòng)帶單極對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器的1FK 7伺服電機(jī)， - 當(dāng)需要進(jìn)行功率擴(kuò)展應(yīng)用時(shí)，可以選用SIMODRIVE 611U 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和帶單極對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器的1FK 7 伺服電機(jī)。 SINUMERIK 802C base line控制軟件已經(jīng)存儲(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)的供貨范圍內(nèi)。系統(tǒng)不再需要電池，免維護(hù)設(shè)計(jì)。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(chǔ)。系統(tǒng)軟件面向車床和銑床應(yīng)用，并可單獨(dú)安裝。在每一個(gè)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(qū)動(dòng)SIMODRIVE 611U和1FK7伺服電機(jī)的連接圖如下20： 圖4.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件連接圖4.3典型零件的數(shù)控編程【21】 編制如圖十一所示零件的加工程序，材料為45鋼，棒直徑為50mm。1.刀具設(shè)置選擇90度正偏刀為1號(hào)刀，2號(hào)割槽刀（寬4mm），60度硬質(zhì)合金螺紋刀為3號(hào)刀。2.工藝路線1）工件伸出卡盤外95mm，找正后夾緊。2）用90度外圓刀車工件右端面，粗車外圓至48.5×90。3）先車出40.5×50圓柱，再車出22.5×20圓柱。4）車右端圓弧，車圓錐，分別留0.5mm精車余量。5）精車外形輪廓至尺寸。6）割退刀槽，并用割槽刀右刀尖倒出M48×3螺紋左端C2倒角。7）換螺紋刀車雙線螺紋。8）割斷工件。3.相關(guān)計(jì)算1）計(jì)算雙線螺紋M48×3(P1.5)的底徑。 d1=d-2×0.62P=(48-2×0.62×1.5)mm=46.32mm。2）確定背吃刀量分布：1mm、0.5mm、0.3mm、0.06mm 圖4.2 加工零件圖4.加工程序 程序語(yǔ)句 程序注釋%KG101；程序名N10 G90 G94 G54；采用G54工作坐標(biāo)系，分進(jìn)給，絕對(duì)值編程N(yùn)20 S600 M03；主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速600r/minN30 T1 D1 M08；換1號(hào)外圓刀，切削液開N40 G00 X55 Z0；快速進(jìn)刀N50 G01 X0 F80；車端面N60 G00 X48.5 Z2；快速退刀N70 G01 Z-90 F150；粗車外圓N80 G00 X52 Z2；快速退刀N90 G00 X44；快速進(jìn)刀N100 G01 Z-50；粗車外圓N110 G00 X42 Z2；快速退刀N120 G00 X40.5；快速進(jìn)刀N130 G01 Z-50；粗車外圓N140 G00 X42 Z2快還退刀N150 G00 X26；快速進(jìn)刀N160 G01 Z-20；粗車外圓N170 G00 X30 Z2；快速退刀N180 G00 X22.5；快速進(jìn)刀N190 G01 Z-20；粗車外圓N200 G00 X30 Z2；快速退刀N210 G00 X0；快速進(jìn)刀N220 G03 X26 Z-11 CR=13 F100；車R13圓弧N230 G00 Z0.5；快速退刀N240 G00 X0；快速進(jìn)刀N250 G03 X23 Z-11 CR=11.5；車R11.5圓弧N260 G00 X35.5 Z-18；快速進(jìn)刀N270 G01 X35.5 Z-20；N280 X40.5 Z-50；車圓錐N290 G00 X100 Z100；快退至起刀點(diǎn)N295 S1000 M03；主軸變速，轉(zhuǎn)速1000r/minN300 G00 X2 Z2；快速進(jìn)刀N160 G01 X0 Z0 F60；進(jìn)刀至（0，0）點(diǎn)N170 G03 X22 Z-11 CR=11；精車R11圓弧N180 G01 Z-20；精車22外圓N190 X35；精車臺(tái)階N200 X40 Z-50；精車圓錐N210 X44；精車臺(tái)階N220 X47.5 Z-52；倒角N230 Z-70；精車M48螺紋外圓至47.8N240 X47.975；N250 Z-90；精車48外圓N260 G00 X100 Z100；快退至起刀點(diǎn)N270 T2 D1；換2號(hào)割槽刀N280 S420 M03；主軸變速，轉(zhuǎn)速420r/minN290 G00 X50 Z-74；快速進(jìn)刀至（X50,Z-74）N300 G01 X40.2 F30；割槽至40.2N310 G00 X50；快速退刀N320 G00 Z-78；向左移動(dòng)4mmN330 G01 X40 F30；割槽至40N340 Z-74；向右橫拖4mm，消除割刀接縫線N350 G00 X50；快速退刀N360 G00 Z-71；快速進(jìn)刀N370 G01 X44 Z-64 F30；用割槽刀右刀尖倒M48螺紋左端2×45度倒角N380 G00 X100；快退至起刀點(diǎn)N390 Z100；