1、1 引言1.1 畢業設計的背景及目的 制造業是一個國家或地區經濟發展的重要支柱，其發展水平標志著該國或地區經濟的實力，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能力及機械制造裝備的競爭。隨著機械制造生產模式的演變,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，以“規模經濟”實現降低成本和提高質量的目的。在70年代主要通過改善生產過程管理來進一步提高產品質量和降低成本。在80年代，較多地采用數控機床，機器人，柔性制造單元和系統等高技術的集成來滿足產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，為了對世界生產進行快速響應，逐步實現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。工業發達國家都非常注重機械制造業的發展，為了用先進技術和工藝裝備制造業，機械制造裝備工業得到先發展。對比之下，我國目前機械制造業的裝備水平還比較落后，表現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,更新產品速度慢，生產批量不宜太小，生產品種不宜過多；自動化程度基本上還是“一個工人，一把刀，一臺機床”，導致勞動生產率低下，產品質量不穩定。 因此，要縮小我國同工業發達國家的差距,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控機床在機械制造裝備中的比重1。通過這次畢業設計，可以達到以下目的：1，培養綜合運用專業基礎知識和專業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新能力；3，使本人受到從事本專業工程技術和科學研究工作的基本訓練,提高工程繪圖、計算、數據處理、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，培養正確的設計思想和工程經濟觀點，理論聯系實際的工作作風，嚴肅認真的科學態度以及積極向上的團隊合作精神。本課題設計一臺數控車床-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。該數控車床可以用于機械，汽車，航空航天等領域，實現加工自動化，提高產品質量，高生產效率。本次設計的主要內容為：1，數控車床CK20總體布局的設計；2，數控車床回轉刀架的結構設計及總裝圖的繪制；3，數控車床刀架，液壓夾盤，尾座套筒等部分液壓控制系統設計；4，數控車床數控系統的設計；5，典型零件數控加工程序的編制；6，外文資料的翻譯。CK20數控車床回轉刀架的結構設計及其液壓控制系統的設計為本次畢業設計的重點內容，同時也是難點。通過廣泛查閱文獻資料，參觀數控車床實物樣機以及組內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、型根據的推薦，采用漸開線蝸桿（）。(2).選擇材料根據庫存材料的情況，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 因為工作載荷穩定，故取載荷分布不均系數為；由西北工業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；由于轉速不高，沖擊不大，可取動載系數；則 =3) 確定彈性影響系數因選用的是鑄錫青銅輪和鋼蝸桿相配，故。4) 確定接觸系數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。應力循環次數 壽命系數 則 6) 計算中心距 取中心距a=80mm，因故從表11-2中取模數為m=2mm，蝸桿分度圓直徑。這時，從圖11-18中可查得接觸系數，因為，因此以上計算的結果可用。(2) 蝸桿與蝸輪的主要參數與幾何尺寸1) 蝸桿 軸向齒距 直徑系數 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 ；變位系數 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 根據，從圖11-19中可查得齒形系數。螺旋角系數 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 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。因而液壓泵及油泵電動機的配置對液壓系統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是壓力和流量，一般來說，齒輪泵價格低，維修方便，但當系統壓力達到較大值時，輸油壓力脈動大，噪聲大。不宜作數控機床的油源；葉片泵的輸油壓力脈動小，噪聲小。因而被廣泛用于數控機床的主要油源。所以本液壓系統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 在液壓系統方案未確定之前，先對整個系統的壓力損失進行估算，等到正式系統設計完成后，再進行詳細的驗算。 式中 -油的運動粘度（厘沲）； -流量（升/分）； -管子的內徑（毫米）； -管道總長（米）； -修正系數。 當時，=1 當時，。流量的計算方式如下：液壓系統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 為修正系數在之間。所以 選用管徑油管內徑應足夠大，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，再按與標準規格相近的選用。由于 所以 式中 -管子的內徑； -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 設液壓系統管道的總長度 則有 360.64得油泵的工作壓力 = 3.3數控車床液壓系統的設計液壓回路的選擇首先選擇調速回路。由本數控車床刀架的工作原理可知，這臺車床液壓系統的功率較小，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，因而可采用進口節流的調速形式。為了解決進口節流調速回路在活塞桿到達最大行程時沖擊現象，回油路上要設置背壓閥。為保證夾緊力可靠，且能單獨調節，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，只有當刀盤抬起達到目標值后，液壓缸才會反向通油，執行刀盤夾緊動作。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節壓力時，才能發出信號，車床才能進行切削加工18。擬定液壓系統圖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原理圖，如下圖所示。圖3.1 液壓系統控制回路液壓系統的控

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時，夾緊力的大小由減壓閥4來調整，由壓力表6顯示卡盤壓力。系統壓力油經減壓閥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單向閥12（左位）直接回油箱。反之，系統壓力油經減壓閥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下的夾緊力達到設定的壓力要求，壓力繼電器5才向數控系統發出

14、電信號，說明工件夾緊可靠，數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，當數控系統發出刀盤松開指令后，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，實現刀盤抬起動作。而油液則從液壓缸右腔經電磁閥3直接流回油箱。當數控系統發出刀盤鎖緊動作后，二位四通電磁換向閥3電磁鐵斷電，壓力油經電磁閥3右位進入液壓缸右腔，推動活塞向左運動，實現刀盤鎖緊動作。液壓缸左腔的油液則經電磁閥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來調整，并由壓力表9顯示。當數控系統發出頂緊指令后，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，實現頂緊動作，油液則經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，實現退回動作，油液則

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

17、智能化方向發展；6）、采用新型的自動編程系統，增強通信功能，使數控系統可靠性不斷提高。總之，數控機床技術不斷發展，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 數控系統的選擇根據設計機床的要求，以及充分考慮系統的穩定性以及機床的經濟性所以選用SINUMERIK 802C數控系統。SINUMERIK 802C是西門子數控系列產品中的普及型數控系統，性價比高。它將CNC（數控）、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系統相配合，構成控制和驅動的完整系統，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 是專門為中國數控機床市場而開發的經濟型 CNC 控制系統。其特性如下： 1）緊湊，高度集成于一體的數控單元，操作面板，機床操作面板和輸入輸出單元； 2）床調試配置數據少，系統與機床匹配更快速、更容易； 3）簡單而友好的編程界面，保證了生產的快速進行，優化了機床的使用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，主軸速度修調，數控啟動與數控停止，系統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控制軟件已經存儲在數控部分的Flash-EPROM(閃存)上，Toolbox軟件工具(調整所用的軟件工具)包含在標準的供貨范圍內。系統不再需要電池，免維護設計。采用電容防止掉電引起的數據丟失。程序的變化和新程序軟件存儲。系統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 本次課題是針對經濟型數控車床的刀架及其液壓控制部分進行主要設計，刀架是數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，數控系統發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，自始至終我都用心的去完成，并從中學到了不少的知識。在能力培養方面也基本達到了預期的目的，即不但培養了我綜合應用專業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控車床，但各有分工。這就為我們的創新思維留足了廣闊的自由空間，在追求統一的前提下充分發揮自己的想象力。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，同時也符合現代企業的擇人準則。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的懶散現象的發生。為了能使我們按時勝利的完成畢業設計任務，鄧老師多次帶領我們小組的同學實地參觀數控車床和數控磨床，加深了我們對數控機床的理性認識。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的治學態度，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