理工大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 題目： CK7815 數(shù)控車床總體設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號(hào)： 院系名稱： 機(jī)電工程系 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 2012 年 04 月 03 日 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 頁(yè) 2 摘 要 數(shù)控車床又稱數(shù)字控制（ Numbercal control，簡(jiǎn)稱 NC）機(jī)床。它是基于數(shù)字控制的，采用了數(shù)控技 術(shù)，是一個(gè)裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。它是由主機(jī)， CNC，驅(qū)動(dòng)裝置，數(shù)控機(jī)床的輔助裝置，編程機(jī)及其他一些附屬設(shè)備所組成。 本次設(shè)計(jì)課題是 CK7815數(shù)控臥室車床， CK是數(shù)控車床， 78是臥式車床， 15是床身上最大工件回轉(zhuǎn)直徑為 540mm。 此次設(shè)計(jì)包括機(jī)床的總體布局設(shè)計(jì)，縱向進(jìn)給設(shè)計(jì)，其中還包括齒輪模數(shù)計(jì)算及校核，主軸剛度的校核等?？刂葡到y(tǒng)部分包括步進(jìn)電機(jī)的選用及硬件電路設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，說(shuō)明了芯片的擴(kuò)展，鍵盤顯示接口的設(shè)計(jì)等等。 車 床適用于車削內(nèi)外圓柱面，圓錐面及其他 基 準(zhǔn)面，車削各種公制、英制、模數(shù)和徑節(jié)螺紋 ，并能進(jìn)行鉆孔，鉸孔和拉油槽等工作。設(shè)計(jì)主抽箱主要是從主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、主運(yùn)動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和箱體這三方面進(jìn)行設(shè)計(jì) 。 主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)有 :確定極限轉(zhuǎn)速、確定公比、確定轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)、確定結(jié)構(gòu)網(wǎng)和結(jié)構(gòu)式、繪制轉(zhuǎn)速圖、確定齒輪齒數(shù)和擬定傳動(dòng)系統(tǒng)圖。 主運(yùn)動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有：帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)、確定各種計(jì)算轉(zhuǎn)速、確定齒輪模數(shù)、確定各軸最小直徑和設(shè)計(jì)部分主軸主件。 關(guān)鍵詞： 數(shù)控機(jī)床；開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)；電動(dòng)機(jī)；縱向進(jìn)給設(shè)計(jì) 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 頁(yè) 3 ABSTRACT The numerical control lathe called the numerical control (Numbercal control, is called NC) the engine bed. It is based on the numerical control, has used the numerical control technology, is loaded with the procedure control system the engine bed. It is by the main engine, CNC, the drive, the numerical control engine bed auxiliary unit, the programming machine and other some appurtenances is composed. This design topic is the CK7815 numerical control bedroom lathe, CK is the numerical control lathe,78 is the horizontal lathe, 15 is on the lathe bed the biggest work piece rotation diameter is540mm. This design including the engine bed overall layout design, longitudinal enters for the design, also includes the gear modulus computation and the examination, the main axle rigidity examination and so on. The control system partially including step-by-steps the electrical machinery to select and the hardware circuit design and the software system design, explained the chip expansion, keyboard demonstration connection design and so on. Key word ： numerical， control tool， Open-architecture,motor 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 頁(yè) 4 目 錄 前言 .6 第 1 章 總體方案 . 6 1.1 CK7815的現(xiàn)狀和發(fā)展 . 6 1.2總體方案設(shè)計(jì) . 7 1.2.1.主傳動(dòng)的組成部分 . 7 1.2.2 機(jī)床主要部件及其運(yùn)動(dòng)方式的選定 . 8 1.2.3 機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù) . 8 1.3 主軸轉(zhuǎn)速的確定 . 10 1.4 轉(zhuǎn)速 范圍及公比 的確定 . 10 第 2 章 總體布局設(shè)計(jì) . 12 第 3 章 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) . 2.1 數(shù)控機(jī)床的總體布局 .14 第 4 章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 22 4.1 繪制控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 . 22 4.2 選擇中央處理單元（ CPU）的類型 . 23 4.4I/O 接口電路及輔助電路設(shè)計(jì) . 25 附件 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 STRESS AND STRAIN . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 SHEAR FORCE AND BENDING MOMENT IN BEAMS . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 致謝 . 30 參 考 文 獻(xiàn) . 31 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 頁(yè) 5 前 言 數(shù)控 機(jī)床是以數(shù)字化的信息實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對(duì)位置，機(jī)床電機(jī)的啟動(dòng)和停止，主軸變速，工件松開(kāi)和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動(dòng)作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)譯碼，運(yùn)算，發(fā)出各種指令控制機(jī)床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，其主要有以下的優(yōu)點(diǎn)： 1. 適應(yīng)性強(qiáng)，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件 ； 在數(shù)控機(jī)床上改變加工工件時(shí)，只需重新編制新工件的加工程序，就能實(shí)現(xiàn)新工件加工 。 2. 加工精度高； 3. 生產(chǎn)效率高； 4. 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件； 5. 良好的經(jīng)濟(jì)效益； 6. 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。 可以預(yù)料，今后，機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說(shuō)，本畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)例具有典型性和實(shí)用性 。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 頁(yè) 6 第 1 章 總體方案 1.1 CK7815 的現(xiàn)狀和發(fā)展 自第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床在美國(guó)問(wèn)世至今的半個(gè)世紀(jì)內(nèi)，機(jī)床數(shù)控技術(shù)的發(fā)展迅速，經(jīng)歷了六代兩個(gè)階段的發(fā)展過(guò)程。其中，第一個(gè)階段為 NC階段；第二個(gè)階段為 CNC階段，從 1974年微處理器 開(kāi)始用于數(shù)控系統(tǒng)，即為第五代數(shù)空系統(tǒng)。在近 20多年內(nèi)，在生產(chǎn)中，實(shí)際使用的數(shù)控系統(tǒng)大多是這第五代數(shù)控系統(tǒng)，其性能和可靠性隨著技術(shù)的發(fā)展得到了根本性的提高。從 20世紀(jì) 90年代開(kāi)始，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)， PC 微機(jī)的發(fā)展尤為突出，無(wú)論是軟硬件還是外器件的進(jìn)展日新月異，計(jì)算機(jī)所采用的芯片集成化越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)，而成本卻越來(lái)越低，原來(lái)在大，中型機(jī)上才能實(shí)現(xiàn)的功能現(xiàn)在在微型機(jī)上就可以實(shí)現(xiàn)。在美國(guó)首先推出了基于 PC微機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，即 PCNC系統(tǒng)，它被劃入為所謂的第六代數(shù)控系統(tǒng)。 下面從數(shù)控系統(tǒng)的性能 、功能和體系結(jié)構(gòu)三方面討論機(jī)床。 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)： 1.性能方面的發(fā)展趨勢(shì) （ 1） .高速高精度高效 （ 2） .柔性化 （ 3） .工藝復(fù)合和軸化 （ 4） .實(shí)時(shí)智能化 2.功能發(fā)展方面 （ 1） .用戶界面圖形化 （ 2） .科學(xué)計(jì)算可視化 （ 3） .插補(bǔ)和補(bǔ)償方式多樣化 （ 4） .內(nèi)置高性能 PLC （ 5） .多媒體技術(shù)應(yīng)用 3.體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 （ 1） .集成化 （ 2） .模塊化 （ 3） .網(wǎng)絡(luò)化 （ 4） .開(kāi)放式閉環(huán)控制模式 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 頁(yè) 7 1.2 總體方案設(shè)計(jì) 機(jī)床工業(yè)是機(jī)器制造業(yè)的重要部門，肩負(fù)著為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、科學(xué)技術(shù)和國(guó)防現(xiàn)代化提供技術(shù)裝備的 任務(wù)，是使現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)具有高生產(chǎn)率和先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的保證。設(shè)計(jì)機(jī)床的目標(biāo)就是選用技術(shù)先進(jìn)。經(jīng)濟(jì)效果顯著的最佳可行方案，以獲得高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 我國(guó)是一個(gè)機(jī)床擁有量大、 大部分機(jī)床役齡長(zhǎng)、數(shù)控化程度不高的發(fā)展中國(guó)家。因此，從事機(jī)床設(shè)計(jì)的人員，應(yīng)不斷地把經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的新理論、新技術(shù)、新方法應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，做到既要技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)效益好、效率高。要不斷的吸收國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)，做到既要符合我國(guó)國(guó)情，又要趕超國(guó)際水平。要不斷的開(kāi)拓創(chuàng)新，設(shè)計(jì)和制造出更多的生產(chǎn)率高、靜態(tài)動(dòng)態(tài)性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、維修容易、 造型美觀、耗能少、成本低的現(xiàn)代化機(jī)床。設(shè)計(jì)本著以上原則進(jìn)行，盡量向低成本、高效率、簡(jiǎn)化操作、符合人機(jī)工程的方向考慮。 1.2.1.主傳動(dòng)的組成部分 主傳動(dòng)由動(dòng)力源、變速裝置及執(zhí)行元件（如主軸、刀架、工作臺(tái)等）部分組成。主傳動(dòng)系統(tǒng)屬于外聯(lián)系傳動(dòng)鏈。 主傳動(dòng)包括動(dòng)力源（電動(dòng)機(jī)）、變速裝置、定比傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主軸組件、操縱機(jī)構(gòu)等十部分組成。 1、動(dòng)力源 電動(dòng)機(jī)或液壓馬達(dá)，它給執(zhí)行件提供動(dòng)力，并使其獲得一定的運(yùn)動(dòng)速度和方向。 2、定比傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 具有固定傳動(dòng)比的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)降速、升速或運(yùn)動(dòng)聯(lián)接，本設(shè)計(jì)中采用齒輪和帶傳動(dòng)。 3、變速裝置 傳遞動(dòng)力、運(yùn)動(dòng)以及變換運(yùn)動(dòng)速度的裝置，本設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)滑移齒輪變速組和一個(gè)背輪機(jī)構(gòu)使主軸獲得 18級(jí)轉(zhuǎn)速。 4、主軸組件 機(jī)床的執(zhí)行件之一，它由主軸支承和安裝在主軸上的傳動(dòng)件等組成， 5、開(kāi)停裝置 用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的啟動(dòng)和停止的機(jī)構(gòu)，本設(shè)計(jì)中采用直接開(kāi)停電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸的啟動(dòng)和停止。 6、制動(dòng)裝置 用來(lái)控制主軸迅速停止轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置，以減少輔助時(shí)間。本設(shè)計(jì)中采用電磁式制動(dòng)器。 7、換向裝置 用來(lái)變換機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)方向的裝置。本設(shè)計(jì)中采用電動(dòng)機(jī)直接換向。 8、操縱機(jī)構(gòu) 控制機(jī)床主軸的開(kāi)停、換向、變速及制動(dòng)的機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中，開(kāi)停、換向和制動(dòng)采用電控制；變速采用液壓控制。 9、潤(rùn)滑與密封 為了保證主傳動(dòng)的正常工作和良好的使用壽命，必須有良好的潤(rùn)滑裝置和可靠的密封裝置。本設(shè)計(jì)中采用箱外循環(huán)強(qiáng)制潤(rùn)滑，主軸組件采用迷宮式密封。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 頁(yè) 8 10、 箱體 上述個(gè)機(jī)構(gòu)和裝置都裝在箱體中，并應(yīng)保證其相互位置的準(zhǔn)確性。本設(shè)計(jì)中采用灰鐵鑄造箱體。 11、 刀架 數(shù)控機(jī)床中為了實(shí)現(xiàn)對(duì)刀架的自動(dòng)控制，采用制動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。 1.2.2 機(jī)床主要部件及其運(yùn)動(dòng)方式的選定 1.主運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 根據(jù) 設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)采用分離式主傳動(dòng)系統(tǒng)，包括變速箱、主軸箱兩部分。其中，變速箱與電動(dòng)機(jī)至于機(jī)座內(nèi)，主軸箱與變速箱采用帶傳動(dòng)連接。所有的變速都采用液壓操作。 2.進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 本次所設(shè)計(jì)的機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制，因此在 X、 Y方向上，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均采用滾珠絲杠螺母副，其動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)齒輪傳遞。齒輪的消隙采用偏心環(huán)調(diào)整。 3.數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn) 采用單片機(jī)控制，各個(gè)控制按扭均安裝在控制臺(tái)上，而控制臺(tái)擺放在易操作的位置，這一點(diǎn)須根據(jù)實(shí)際情況而定。 4.機(jī)床其它零部件的選擇 考慮到生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，機(jī) 床附件如油管、行程開(kāi)關(guān)等，以及標(biāo)準(zhǔn)件如滾珠絲杠、軸承等均選擇外購(gòu)形式。 1.2.3 機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù) 由設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，現(xiàn)將 CK7815 數(shù)控車床的主要技術(shù)參數(shù) 及加工范圍技術(shù)參數(shù) 列于下： 主要尺寸規(guī)格 項(xiàng)目 單位 規(guī)格 床身上最大回轉(zhuǎn)直徑 mm 540/260 最大切削直徑 軸類零件 mm 150 盤類零件 mm 400 最小外圓切削直徑 mm 10 最大工件長(zhǎng)度 mm 750 最大切削長(zhǎng)度 mm 500 床鞍（滑板）上最大切削直徑 mm 260 主軸前端錐孔 莫氏 5號(hào)錐度 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 頁(yè) 9 主軸孔徑 mm 350 主軸轉(zhuǎn)速范圍 高速區(qū)域 22 1800r/min 直流電動(dòng)機(jī) 低速區(qū)域 38 3000r/min 37.5 5000r/min 交流電動(dòng)機(jī) 15 2000r/min 錐孔錐 莫氏 5# 0.1mm/r 500mm/r 工作進(jìn)給速度 1mm/min 2000r/min 快速移動(dòng)速度 縱向 12/min 橫 向 9m/min 刀架行程 縱向 660mm 橫向 240mm 刀具數(shù) 8或 12 尾架驅(qū)動(dòng)方式 液壓 預(yù)緊力 1600 5000N 行程 90mm 錐孔錐度 莫氏 4# 主軸電機(jī)功率 （普通） 連續(xù) 5.5 kW 30min 7.5 kW 進(jìn)給伺服電機(jī) 額定功率 1.4kW 額定轉(zhuǎn)速 1500r/min 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 頁(yè) 10 機(jī)床質(zhì)量 3500kg 精度 橫向定位精度 0.025mm/300mm 重復(fù)定位精度 0.01mm 車削工件直徑誤差 30.018mm 圓度誤差 0.01mm 端面平面度誤差 0.027mm 輪廓尺寸 2395mm*1385mm*1860mm(不帶排屑器 ) 1.3 主軸轉(zhuǎn)速的確定 （ 1）、 主軸最高轉(zhuǎn)速M(fèi)axN的確定 根 據(jù)分析，用硬質(zhì)合金車刀對(duì)小直徑鋼材半精車外圓時(shí)，主 軸轉(zhuǎn)速為最高，按經(jīng)驗(yàn)，并參考切削用量資料，取 min/200mVm ax ， k=0.5, Rd=0.2, 則： 1 6 0 m m3205.0Dkd max 3 2 m m1602.0dRd m a xdm i n m in/1 9 9 0 r32 2001000d1 0 0 0 Vnm i nm a xm a x （ 2）、主軸最低轉(zhuǎn)速M(fèi)inN的確定 根據(jù)分析，主軸最低轉(zhuǎn)速由以下工序決定： 用高速鋼車刀，對(duì)鑄鐵材料的盤形零件粗車端面。按經(jīng)驗(yàn)，并參切削用量資料，取 Vmax=15m/min,則最低轉(zhuǎn)速為： m in/30r160 151000d1 0 0 0 Vnm a xm i nm i n 1.4 轉(zhuǎn)速范圍及公比 的確定 根據(jù)最高轉(zhuǎn)速與最底轉(zhuǎn)速可初步得出主軸轉(zhuǎn)速范圍 MinMaxn NNR =301990 66.33 則公比 279.133.66R 1181zn 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 頁(yè) 11由設(shè)計(jì)手冊(cè)取標(biāo)準(zhǔn)值得 =1.26 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公比及初算MinN，查表取MinN=40r/min，則最高轉(zhuǎn)速 MaxN=MinN 17 =40 1726.1 =2034r/min 則主軸轉(zhuǎn)速范圍 85.50402034 M inM a xn NNR 且驗(yàn)算公比得 =1.25993 1.26,滿足要求。 1.5 各組成部件的特性與所應(yīng)達(dá)到的要求 1床身 機(jī)床床身采用優(yōu)質(zhì)鑄鐵，內(nèi)部筋采用 U 形布局，床身整體剛性高?；瑒?dòng)導(dǎo)軌面采用中頻淬火，淬硬層深。硬度達(dá) HRC52 以上，拖板滑動(dòng)面貼塑，使得進(jìn)給系統(tǒng)的剛度，摩擦阻尼系數(shù)等動(dòng)、靜特性都處于最佳狀態(tài)。 2. 床頭箱結(jié)構(gòu) 機(jī)床主傳動(dòng)采用液壓操縱機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)十八級(jí)轉(zhuǎn)速。機(jī)床主軸箱內(nèi)的傳動(dòng)齒輪均經(jīng)淬硬磨齒處理，傳動(dòng)比穩(wěn)定，運(yùn)轉(zhuǎn) 噪音低。機(jī)床主軸為二支撐結(jié)構(gòu)，前支撐采用 C級(jí)高精度軸承，潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，提高了回轉(zhuǎn)精度，使機(jī)床主軸具有良好的精度和剛性。機(jī)床采用單片式電磁剎車離合器，解決主軸的剎車及離合問(wèn)題，離合器安裝于床頭箱帶輪側(cè)，使床頭箱內(nèi)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，便于維修。 3.進(jìn)給系統(tǒng) 機(jī)床兩軸進(jìn)給系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的典型傳動(dòng)方式，在滑板與床鞍及床鞍與床身之間的滑動(dòng)面處貼有 TSF導(dǎo)軌板，滑動(dòng)磨擦系數(shù)非常小，有助于提高了機(jī)床的快速響應(yīng)性能及生產(chǎn)效率。在進(jìn)給系統(tǒng)各滑動(dòng)處及兩軸絲杠絲母處都設(shè)置了潤(rùn)滑點(diǎn)。 4. 刀架 機(jī)床采用立式四工位刀架，該 刀架布刀方便，剛性好。 5. 尾座采用手動(dòng)尾座 6. 冷卻系統(tǒng) 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 頁(yè) 12 冷卻箱放在后床腿中。 7.卡盤 機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)配置為 _250手動(dòng)卡盤， 8.電氣系統(tǒng) 電路的動(dòng)力回路，均有過(guò)流、短路保護(hù)，機(jī)床相關(guān)動(dòng)作都有相應(yīng)的互鎖，以保障設(shè)備和人身安全。 電氣系統(tǒng)具有自診斷功能，操作及維修人員可根據(jù)指示燈及顯示器等隨時(shí)觀察到機(jī)床各部分的運(yùn)行狀態(tài)。 9.安全保護(hù) 當(dāng)機(jī)床遇到外部突然斷電或自身故障時(shí)，由控制電路的設(shè)計(jì)，機(jī)床可動(dòng)進(jìn)給軸，冷卻電機(jī)等如已在 “啟動(dòng) ”狀態(tài)者，將進(jìn)入 “停止 ”狀態(tài)；如已在 “停止 ”狀態(tài)的則不可自行進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)，確 保了機(jī)床的安全。另外由于機(jī)床計(jì)算機(jī)內(nèi)的控制程序是 “固化 ”在芯片中的，而零件加工程序是由電池供電保護(hù)的，所以，意外斷電或故障時(shí)，不會(huì)丟失計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的程序菜單。 機(jī)床具有報(bào)警裝置及緊急停止按鈕，可防止各種突發(fā)故障給機(jī)床造成損壞。由于軟件的合理設(shè)計(jì)，報(bào)警可通過(guò)顯示器顯示文字及報(bào)警號(hào)，通過(guò)操作面板的指示燈指示；機(jī)床根據(jù)情況將報(bào)警的處理方式分為三類：對(duì)緊急報(bào)警實(shí)行 “急停 ”；對(duì)一般報(bào)警實(shí)行 “進(jìn)給保持 ”；對(duì)操作錯(cuò)誤只進(jìn)行 “提示 ”。 第 2 章 總體布局設(shè)計(jì) 2.1 數(shù)控機(jī)床的總體布局 數(shù)控機(jī)床加工工件時(shí)和普通機(jī)床 一樣，要有主運(yùn)動(dòng)（由刀具或工件完成）和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（由刀具和工件做相對(duì)運(yùn)動(dòng)）實(shí)現(xiàn)工件表面的成形運(yùn)動(dòng)（直線運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)、或螺旋運(yùn)動(dòng)，或曲線軌跡運(yùn)動(dòng)）。而機(jī)床的這些運(yùn)動(dòng)，必須由相應(yīng)的執(zhí)行部件（如主運(yùn)動(dòng)部件，直線或圓周進(jìn)給部件）以及一些必要的輔助運(yùn)動(dòng)（如轉(zhuǎn)位、夾緊、冷卻及潤(rùn)滑）部件來(lái)完成。 上述組成數(shù)控機(jī)床的各類部件在決定它們的相互關(guān)系，即進(jìn)行機(jī)床總體布局時(shí)，需要考慮多方面的問(wèn)題：一方面是要從機(jī)床的加工原理即機(jī)床各部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，結(jié)合考慮工件的形狀、尺寸和位置等因素，來(lái)確定各主要部件之間的相對(duì)位置關(guān)系和配置。另 一方面還要全面考慮機(jī)床的外部因素，如外觀造型、操青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 頁(yè) 13 作維修，生產(chǎn)管理和人機(jī)關(guān)系等問(wèn)題對(duì)機(jī)床總體布局的要求。 多數(shù)數(shù)控機(jī)床的總體布局與和它類似的普通機(jī)床的總布局是基本相同或相似的，并且已經(jīng)形成了傳統(tǒng)的、經(jīng)過(guò)考驗(yàn)的固定形式，只是隨著生產(chǎn)要求與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，還會(huì)不斷有所改進(jìn)。數(shù)控機(jī)床的總體布局是機(jī)床設(shè)計(jì)中帶有全局性的問(wèn)題，它的好壞對(duì)機(jī)床的制造和使用都有很大的影響。 機(jī)床的總體布局直接影響到機(jī)床的結(jié)構(gòu)和性能。合理選擇機(jī)床布局，不但可以使機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、合理、經(jīng)濟(jì)，而且能提高機(jī)床剛度、改善機(jī)床受力情況，提高熱穩(wěn) 定性和操作性能，使機(jī)床滿足數(shù)控化的要求。 2.1 .1 滿足多刀加工及換刀要求的布局 (1) 多刀加工要求主要用于數(shù)控車床，其布局主要是根據(jù)床身導(dǎo)軌平面與底面的交角來(lái)區(qū)分。 (a)水平床身 (b)斜床身 (c)水平床身斜滑板； (d)立床身 數(shù)控車床的四種不同布局方案，（ a）為水平床身 -水平滑板，床身工藝性好，便于導(dǎo)軌面的加工，下部空間小，故排屑困難，刀架水平放置加大了機(jī)床寬度方向的結(jié)構(gòu)尺寸； (b) (c)為傾斜床身 -傾斜滑板，具有水平床身工藝性好， 寬度方向的尺寸小，且排屑方便，中小規(guī)格的數(shù)控車床其床身的傾斜度以 60為宜； (d) 立式床身水平床身 -豎直滑板，受切屑產(chǎn)生的熱量影響最小 CK7815 數(shù)控車床結(jié)構(gòu)如下圖所示。床身導(dǎo)軌為 60傾斜布置，排屑方便。導(dǎo)軌截面為矩行，剛性很好。導(dǎo)軌采用感應(yīng)淬火，其對(duì)應(yīng)床鞍接觸面為貼塑導(dǎo)軌，明顯降低滑動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦阻力，而且動(dòng)剛度不因阻尼的變小而變差，具有良好的動(dòng)態(tài)特性。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 頁(yè) 14 主軸由直流（配 5T系統(tǒng)時(shí)）或交流（配 6T系統(tǒng)時(shí)）調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無(wú)齒輪傳動(dòng)。機(jī)床可以無(wú)級(jí)調(diào)速和恒線速度切削，便于選取最能發(fā)揮刀具切削性能的切削速度，且有利于降低端面加工時(shí)的表面粗糙度值。 機(jī)床縱向和橫向運(yùn)動(dòng)均采用交流伺服電動(dòng)機(jī)。脈沖編碼器與滾珠絲杠相連，可 直接反映滾珠絲杠精度。 X 軸是通過(guò)同步齒形帶驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副。 Z 軸驅(qū)動(dòng)裝置安裝在縱向床身導(dǎo)軌之間。機(jī)床采用間歇潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)床身導(dǎo)軌、床鞍和滾珠絲杠等部件集中潤(rùn)滑，定時(shí)定量供油。 機(jī)床卡盤和尾座均由液壓驅(qū)動(dòng)，卡盤的松、夾和尾座套筒的進(jìn)、退由操縱面板上的按鈕來(lái)控制。主軸尾端帶有液壓夾緊油缸，可用于快速自動(dòng)裝夾工件。 床鞍溜板上裝有橫向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置和轉(zhuǎn)塔刀架?？v橫向進(jìn)給系統(tǒng)采用直流伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠，使刀架移動(dòng)。轉(zhuǎn)塔刀架具有分度快、轉(zhuǎn)位平穩(wěn)可靠和無(wú)滲漏等優(yōu)點(diǎn)，刀盤可選配 8位、 12位小刀盤和 12位大刀盤。 機(jī)床配有自 動(dòng)對(duì)刀儀，可以快速準(zhǔn)確地測(cè)出刀具安裝調(diào)整時(shí)的偏差值，將測(cè)得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，便于在加工中自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。還可用該裝置來(lái)檢測(cè)刀具磨損與破損，并能自動(dòng)補(bǔ)償或及時(shí)報(bào)警。 該機(jī)床配有液動(dòng)式防護(hù)門罩和排屑裝置，若再配置上下料的工業(yè)機(jī)器人，就可以形成一個(gè)柔性制造單元（ FMC）。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 頁(yè) 15 第 3 章 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 3.1 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 數(shù)控機(jī)床的總體設(shè)計(jì)內(nèi)容包括總統(tǒng)設(shè)計(jì) (含數(shù)控裝置的功能設(shè)計(jì)、元件和部件設(shè)計(jì)、程序段格式設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) )：邏輯設(shè)計(jì) (含運(yùn)算器設(shè)計(jì)、控制器設(shè)計(jì)及電路設(shè)計(jì) )；機(jī)床主機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鑒于橢 幅限制，本章只介紹主機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 數(shù)控機(jī)床的功能和設(shè)計(jì)與普通機(jī)床有著很大差異。對(duì)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求可歸納為如下幾個(gè)方面 (1) 具有大的切削功率，高的靜、動(dòng)態(tài)剛度和良好的抗振性能 (2) 具有較高的幾何精度、傳動(dòng)精度、定位精度和熱穩(wěn)定性； (3) 具有實(shí)現(xiàn)輔助操作自動(dòng)化的結(jié)構(gòu)部件。 有關(guān)提高靜、動(dòng)剛度，抗振性能，熱穩(wěn)定性相幾何精度等方面的要求和結(jié)構(gòu)措施，對(duì)普通機(jī)床和數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)都是一致的，但是要求的程度是有差異的。雖然，對(duì)普通機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部改進(jìn)并配 以經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)易的數(shù)控裝置，使之成為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床這是對(duì)現(xiàn)有普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化的途徑，但是決不能因此就認(rèn)為，把數(shù)攙裝置與普通機(jī)床連結(jié)在一起就構(gòu)成一個(gè)數(shù)控機(jī)床。下面詳述數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要要求。 3.1.1 提高機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度 機(jī)床的剛度是指在切削力和其他力作用下，抵抗變形能力。數(shù)控機(jī)床比普通機(jī)床要求具有更高的靜剛度和動(dòng)剛度，有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)控機(jī)床的剛度系數(shù)應(yīng)比類似的普通機(jī)床高 50。 機(jī)床在切削加工過(guò)程中，要承受各種外力的作用，承受的靜態(tài)力有運(yùn)動(dòng)部件和被加工零件的自重：承受的動(dòng)態(tài)力有：切削力、驅(qū)動(dòng)力 、加減速時(shí)引起的慣性力、摩擦阻力等。組成機(jī)床的結(jié)構(gòu)部件在這些力作用下，將產(chǎn)生變形。如固定連接表面或運(yùn)動(dòng)嚙合表面的接觸變形；各文承零件部的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，以及某些支承件的局部變形等，這些變形都會(huì)直接或間接地引起刀具和工件之間的相對(duì)位移，從而導(dǎo)致工件的加工誤差，或者影響機(jī)床切削過(guò)程的特性。 由于加工狀態(tài)的瞬時(shí)多變謂況復(fù)雜，通常很難對(duì)結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行精確的理論計(jì)算。設(shè)計(jì)者只能對(duì)部分構(gòu)件 (如抽、絲杠等 )用計(jì)算方法計(jì)算其剛度，而對(duì)床身、立柱、工作臺(tái)和箱體等零件的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，接合面的接觸變形等，只能將其簡(jiǎn)化后進(jìn) 行近似計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)際相差很大，故只能作為定性分橋的參考。近年來(lái)，雖然在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用有限元法進(jìn)行分楊計(jì)算，但是一般來(lái)青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 頁(yè) 16 講，在設(shè)計(jì)時(shí)仍需要對(duì)模型、實(shí)物或類似的樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)、分析和對(duì)比以確定合理的結(jié)構(gòu)方案。盡管如此，遵循下列原則和措施，仍可以合理地提高機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度。 1.合理選擇構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式 (1)正確選擇截面的形狀和尺寸 構(gòu)件在承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷后，其變形大小取決于斷面的抗彎和扭轉(zhuǎn)慣性矩，抗彎和扭轉(zhuǎn)慣性矩大的其剛度就高。表 3 1列出了在斷面積相同 (即重力相同 )時(shí)各斷面形狀的慣性矩。 從表中的數(shù)據(jù)可知；形狀相同的斷面，當(dāng)保持相同的截面積時(shí)應(yīng)減小壁厚、加大截面的輪廓尺寸；圓形截面的抗扭剛度比方形截面的大，抗彎剛度則比方形截面的?。环忾]式截面的剛度比不封閉式截面的剛度大很多；壁上開(kāi)孔將使剛度下降，在孔周加上凸緣可使抗彎剛度得到依取決于斷面的抗彎和扭轉(zhuǎn)慣性短抗彎和扭轉(zhuǎn)慣性矩大約其剛度就高。表 3 1 列出了在斷面積相同 (即重力相同 )時(shí)各斷面形狀的慣性矩。從表中的數(shù)據(jù)可知；形狀相同的斷面，當(dāng)保持相同的截面積時(shí)應(yīng)減小壁厚、加大截面的輪廓尺寸；圓形截面的抗扭剛度比方形截面的大，抗彎剛度則比方形截面的 ?。环忾]式截面的剛度比不封閉式截面的剛度大很多；壁上開(kāi)孔將使剛度下降，在孔周加上凸緣可使抗彎剛度得到恢復(fù)。 圖 3-1 （ 2） 合理選擇及布置隔板和筋條 合理布置支承件的隔板和筋條，可提高構(gòu)件的靜、動(dòng)剛度。圖 3-1 所示的幾種立柱的結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部布置有縱、橫和對(duì)角筋板，對(duì)它們進(jìn)行靜、動(dòng)剛度試驗(yàn)的結(jié)果列于表 3-2 中。其中以交叉筋板（序號(hào) 5）的作用最好 。青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 頁(yè) 17 表 3-1 （ 3）提高構(gòu)件的局部剛度 機(jī)床的導(dǎo)軌和支撐件的聯(lián)結(jié)部件，往往是局部剛度最弱的部分但是連接方式對(duì)局部剛度的影響很大。圖 3-3 給出了導(dǎo)軌和床身連接的 幾種形式。如果導(dǎo)軌的尺寸較寬時(shí)，應(yīng)用雙臂聯(lián)接型式，如圖（ d）、（ e）、（ f）。導(dǎo)軌較窄時(shí)，可用單臂或加厚的單壁聯(lián)接，或者在單壁上增加垂直筋條青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 頁(yè) 18 以提高局部剛度。 （ 4）選用焊接結(jié)構(gòu)的構(gòu)件 機(jī)床的床身、立柱等支承件，采用鋼板和型鋼焊接而成，具有減小質(zhì)量提高剛度的顯著優(yōu)點(diǎn)。鋼的彈性模量約為鑄鐵的兩倍，在形狀和輪廓尺寸相同的前提下，如要求焊接件與鑄件的剛度相同，則焊接件的壁厚只需鑄件的一半；如果要求局部剛度相同，則因局部剛度與壁厚的三次方成正比，所以焊接件的壁厚只需鑄件壁厚 的 80%左右。此外，無(wú)論是剛度相同以減小 質(zhì)量，或者質(zhì)量相同以提高剛度，都可以提高構(gòu)件的諧振頻率，使共振不宜發(fā)生。用鋼板焊接有可能將構(gòu)件做成全封閉的箱型結(jié)構(gòu)，從而有利于提高構(gòu)件的剛度。 3.1.2 提高機(jī)床的抗振性】 機(jī)床在切削加工時(shí)可能產(chǎn)生兩種形態(tài)的振動(dòng)：強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng) (或稱顫振 )。機(jī)床的抗振性是指機(jī)床抵抗這兩種振動(dòng)的能力。 1.強(qiáng)迫振動(dòng) 機(jī)床強(qiáng)迫振動(dòng)的振源是：高速旋轉(zhuǎn)零部件的動(dòng)態(tài)不平衡力、往復(fù)運(yùn)動(dòng)件的換向沖擊力、周期變化的切削力等。機(jī)床外部的據(jù)源通過(guò)機(jī)床的地基傳給機(jī)床，也可使其產(chǎn)生強(qiáng)迫掀動(dòng)。當(dāng)振源的頻率與機(jī)床某部件 (如床身、主軸箱 )的某一振型(如彎曲振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng) )的諧振頻率重合，則將發(fā)生共振，使振幅大增，加工粗糙度大大增加，甚至迫使切削無(wú)法進(jìn)行。 機(jī)床結(jié)構(gòu)抵抗強(qiáng)迫振動(dòng)的能力，可用動(dòng)剛度 Kd或動(dòng)柔度 Sd(動(dòng)剛度的倒數(shù) )來(lái)表示 Kd P A(或 Sd A P ) (7-1) 式中 P 交變力 (激振力 )的幅值； 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 頁(yè) 19 A 強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅。 機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)剛度可以通過(guò)激振試驗(yàn)來(lái)確定，并且繪制成復(fù)平面上的幅相圖。田 7 7(： )是一個(gè)單自由度系統(tǒng)的幅相圖。復(fù)坐標(biāo)原點(diǎn)到曲線的矢量 oc表示激振頻率 為的時(shí)的動(dòng)態(tài)柔度 5。，矢量與實(shí)軸的夾角戳表示振幅滯后于激振力的相位角，當(dāng)激振顴串購(gòu)等于系統(tǒng)的 諧振頻率此時(shí)，即 9 90時(shí)，動(dòng)態(tài)柔度達(dá)到最大值 3d一。當(dāng)叭 o時(shí)，即外加靜態(tài)力時(shí)，系統(tǒng) 的靜態(tài)柔度 3。就是這時(shí)的動(dòng)態(tài)柔度 5d。負(fù)向最大動(dòng)態(tài)柔度的實(shí)部 5d“是衡量最小穩(wěn)定性的指 標(biāo)。 2.自激振動(dòng) 如圖 3-8所示的切削過(guò)程中，由于切削前的表面有不規(guī)則的波紋度，切削余量的大 小不一或材質(zhì)的不均勻，使用切削力不是穩(wěn)態(tài)值 P0,而是在 P0+ P與 P0- P之間變化。切削力的這種變化，通過(guò)機(jī)床的彈性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，使刀具與 工件的相對(duì)位置也發(fā)生相應(yīng)的變化，從而使得切削過(guò)的表面產(chǎn)生新的波紋 Y，這個(gè)變化又使切削力進(jìn)一步發(fā)生變化，如此反復(fù)交變和加強(qiáng)，就產(chǎn)生了自激振動(dòng)的過(guò)程。它發(fā)生在切削過(guò)程之中，振動(dòng)所需要能量來(lái)自切削過(guò)程的自身。 當(dāng)機(jī)床彈性系統(tǒng)的剛度、刀具切削角度、工件與刀具的材料、切削速度和進(jìn)給量都一定時(shí)，影響自激振動(dòng)的主要因素就是切削寬度，因此，把不發(fā)生自激振動(dòng)的最大切削寬度（也稱為臨界切削切削寬度） blim作為判定產(chǎn)生自激振動(dòng)的指標(biāo)，即判斷切削穩(wěn)定性的指標(biāo)；自激振動(dòng)的頻率是一定的，與外界干擾力的頻率無(wú)關(guān)，而是接近于機(jī)床某 一部件某一振型的諧振頻率。這個(gè)部件便是機(jī)床在抗振性方面的薄弱環(huán)節(jié)。 3提高機(jī)床抗振性的措施 改善和提高機(jī)床抗振性應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手。 （ 1） 減少機(jī)床的內(nèi)部振源 機(jī)床的高速旋轉(zhuǎn)主軸、齒輪、帶輪、等均應(yīng)進(jìn)行平衡；裝配在一起的旋轉(zhuǎn)部件，應(yīng)該保證同軸，并且要消除傳動(dòng)間隙，采用平衡裝置和降低往復(fù)運(yùn)動(dòng)件的重量等措施，以減少可能產(chǎn)生的激振力；裝青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 頁(yè) 20 在機(jī)床上的電機(jī)或液壓油泵、油馬達(dá)等旋轉(zhuǎn)部件需隔振安裝；一些斷續(xù)切削的機(jī)床，斷續(xù)切削力本身就是激振力，可以在適當(dāng)?shù)牟课簧涎b上蓄能飛輪。減少機(jī)床內(nèi)部振源或降低激振力，就減少了產(chǎn)生強(qiáng) 迫振動(dòng)的可能性，相當(dāng)于提高了機(jī)床的抗振性。 （ 2） 提高靜剛度 提高靜剛度可以提高構(gòu)件或系統(tǒng)的諧振頻率，從而避免發(fā)生共振。而且提高靜剛度有利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)剛度，靜柔度 Ss。減少的同時(shí)，最大動(dòng)柔度 Sdmax和 SdA也相應(yīng)的減小了。對(duì)于抵抗自激振動(dòng)來(lái)說(shuō)，提高靜剛度可以提高自激振動(dòng)穩(wěn)定性極限。但是，如果為了提高靜剛度而引起構(gòu)件質(zhì)量的增加會(huì)使共振頻率產(chǎn)生偏移，這是不利的。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)提高單位質(zhì)量的剛度。 （ 3） 增加構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的阻尼 增大阻尼也是提高剛度和自激振動(dòng)穩(wěn)定性的有效措施。采用滑動(dòng)軸承較之滾動(dòng)軸承有較大的阻 尼，對(duì)滾動(dòng)軸承適當(dāng)預(yù)緊也能增大阻尼。將型砂或混凝土等阻尼材料填充在支承構(gòu)件的零部件壁中，可以有效地提高阻尼特性。阻尼材料的相對(duì)摩擦可以耗散振動(dòng)能量，抑制振