CK7815數(shù)控車床總體設(shè)計說明書

理工大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 題目： CK7815 數(shù)控車床總體設(shè)計 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 院系名稱： 機電工程系 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 2012 年 04 月 03 日 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 2 摘 要 數(shù)控車床又稱數(shù)字控制（ Numbercal control，簡稱 NC）機床。它是基于數(shù)字控制的，采用了數(shù)控技 術(shù)，是一個裝有程序控制系統(tǒng)的機床。它是由主機， CNC，驅(qū)動裝置，數(shù)控機床的輔助裝置，編程機及其他一些附屬設(shè)備所組成。 本次設(shè)計課題是 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)計包括機床的總體布局設(shè)計，縱向進(jìn)給設(shè)計，其中還包括齒輪模數(shù)計算及校核，主軸剛度的校核等?？刂葡到y(tǒng)部分包括步進(jìn)電機的選用及硬件電路設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計，說明了芯片的擴展，鍵盤顯示接口的設(shè)計等等。 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)計主抽箱主要是從主傳動系統(tǒng)的運動設(shè)計、主運動部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和箱體這三方面進(jìn)行設(shè)計 。 主傳動系統(tǒng)的運動設(shè)計有 :確定極限轉(zhuǎn)速、確定公比、確定轉(zhuǎn)速級數(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)和擬定傳動系統(tǒng)圖。 主運動部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計有：帶傳動的設(shè)計、確定各種計算轉(zhuǎn)速、確定齒輪模數(shù)、確定各軸最小直徑和設(shè)計部分主軸主件。 關(guān)鍵詞： 數(shù)控機床；開放式數(shù)控系統(tǒng)；電動機；縱向進(jìn)給設(shè)計 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 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（論文） 第 頁 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 . 7 1.2.1.主傳動的組成部分 . 7 1.2.2 機床主要部件及其運動方式的選定 . 8 1.2.3 機床的主要技術(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 . 12 第 3 章 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 . 2.1 數(shù)控機床的總體布局 .14 第 4 章 控制系統(tǒng)設(shè)計 . 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 . 25 附件 . 錯誤 !未定義書簽。 STRESS AND STRAIN . 錯誤 !未定義書簽。 SHEAR FORCE AND BENDING MOMENT IN BEAMS . 錯誤 !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（論文） 第 頁 5 前 言 數(shù)控 機床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機床控制的機電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置，機床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動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)控裝置或計算機，經(jīng)過譯碼，運算，發(fā)出各種指令控制機床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。 數(shù)控機床與普通機床相比，其主要有以下的優(yōu)點： 1. 適應(yīng)性強，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件 ； 在數(shù)控機床上改變加工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現(xiàn)新工件加工 。 2. 加工精度高； 3. 生產(chǎn)效率高； 4. 減輕勞動強度，改善勞動條件； 5. 良好的經(jīng)濟效益； 6. 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。 可以預(yù)料，今后，機床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說，本畢業(yè)設(shè)計實例具有典型性和實用性 。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 6 第 1 章 總體方案 1.1 CK7815 的現(xiàn)狀和發(fā)展 自第一臺數(shù)控機床在美國問世至今的半個世紀(jì)內(nèi)，機床數(shù)控技術(shù)的發(fā)展迅速，經(jīng)歷了六代兩個階段的發(fā)展過程。其中，第一個階段為 NC階段；第二個階段為 CNC階段，從 1974年微處理器 開始用于數(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年代開始，微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)， PC 微機的發(fā)展尤為突出，無論是軟硬件還是外器件的進(jìn)展日新月異，計算機所采用的芯片集成化越來越高，功能越來越強，而成本卻越來越低，原來在大，中型機上才能實現(xiàn)的功能現(xiàn)在在微型機上就可以實現(xiàn)。在美國首先推出了基于 PC微機的數(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)三方面討論機床。 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢： 1.性能方面的發(fā)展趨勢 （ 1） .高速高精度高效 （ 2） .柔性化 （ 3） .工藝復(fù)合和軸化 （ 4） .實時智能化 2.功能發(fā)展方面 （ 1） .用戶界面圖形化 （ 2） .科學(xué)計算可視化 （ 3） .插補和補償方式多樣化 （ 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） .開放式閉環(huán)控制模式 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 7 1.2 總體方案設(shè)計 機床工業(yè)是機器制造業(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)濟指標(biāo)的保證。設(shè)計機床的目標(biāo)就是選用技術(shù)先進(jìn)。經(jīng)濟效果顯著的最佳可行方案，以獲得高的經(jīng)濟效益和社會效益。 我國是一個機床擁有量大、 大部分機床役齡長、數(shù)控化程度不高的發(fā)展中國家。因此，從事機床設(shè)計的人員，應(yīng)不斷地把經(jīng)過實踐檢驗的新理論、新技術(shù)、新方法應(yīng)用到設(shè)計中，做到既要技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟效益好、效率高。要不斷的吸收國外的成功經(jīng)驗，做到既要符合我國國情，又要趕超國際水平。要不斷的開拓創(chuàng)新，設(shè)計和制造出更多的生產(chǎn)率高、靜態(tài)動態(tài)性能好、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、維修容易、 造型美觀、耗能少、成本低的現(xiàn)代化機床。設(shè)計本著以上原則進(jìn)行，盡量向低成本、高效率、簡化操作、符合人機工程的方向考慮。 1.2.1.主傳動的組成部分 主傳動由動力源、變速裝置及執(zhí)行元件（如主軸、刀架、工作臺等）部分組成。主傳動系統(tǒng)屬于外聯(lián)系傳動鏈。 主傳動包括動力源（電動機）、變速裝置、定比傳動機構(gòu)、主軸組件、操縱機構(gòu)等十部分組成。 1、動力源 電動機或液壓馬達(dá)，它給執(zhí)行件提供動力，并使其獲得一定的運動速度和方向。 2、定比傳動機構(gòu) 具有固定傳動比的傳動機構(gòu)，用來實現(xiàn)降速、升速或運動聯(lián)接，本設(shè)計中采用齒輪和帶傳動。 3、變速裝置 傳遞動力、運動以及變換運動速度的裝置，本設(shè)計中采用兩個滑移齒輪變速組和一個背輪機構(gòu)使主軸獲得 18級轉(zhuǎn)速。 4、主軸組件 機床的執(zhí)行件之一，它由主軸支承和安裝在主軸上的傳動件等組成， 5、開停裝置 用來實現(xiàn)機床的啟動和停止的機構(gòu)，本設(shè)計中采用直接開停電動機來實現(xiàn)主軸的啟動和停止。 6、制動裝置 用來控制主軸迅速停止轉(zhuǎn)動的裝置，以減少輔助時間。本設(shè)計中采用電磁式制動器。 7、換向裝置 用來變換機床主軸的旋轉(zhuǎn)方向的裝置。本設(shè)計中采用電動機直接換向。 8、操縱機構(gòu) 控制機床主軸的開停、換向、變速及制動的機構(gòu)。本設(shè)計中，開停、換向和制動采用電控制；變速采用液壓控制。 9、潤滑與密封 為了保證主傳動的正常工作和良好的使用壽命，必須有良好的潤滑裝置和可靠的密封裝置。本設(shè)計中采用箱外循環(huán)強制潤滑，主軸組件采用迷宮式密封。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 8 10、 箱體 上述個機構(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)計中采用灰鐵鑄造箱體。 11、 刀架 數(shù)控機床中為了實現(xiàn)對刀架的自動控制，采用制動轉(zhuǎn)位刀架。 1.2.2 機床主要部件及其運動方式的選定 1.主運動的實現(xiàn) 根據(jù) 設(shè)計要求，本設(shè)計采用分離式主傳動系統(tǒng)，包括變速箱、主軸箱兩部分。其中，變速箱與電動機至于機座內(nèi)，主軸箱與變速箱采用帶傳動連接。所有的變速都采用液壓操作。 2.進(jìn)給運動的實現(xiàn) 本次所設(shè)計的機床進(jìn)給運動均由單片機進(jìn)行數(shù)字控制，因此在 X、 Y方向上，進(jìn)給運動均采用滾珠絲杠螺母副，其動力由步進(jìn)電機通過齒輪傳遞。齒輪的消隙采用偏心環(huán)調(diào)整。 3.數(shù)字控制的實現(xiàn) 采用單片機控制，各個控制按扭均安裝在控制臺上，而控制臺擺放在易操作的位置，這一點須根據(jù)實際情況而定。 4.機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)濟性，機 床附件如油管、行程開關(guān)等，以及標(biāo)準(zhǔn)件如滾珠絲杠、軸承等均選擇外購形式。 1.2.3 機床的主要技術(shù)參數(shù) 由設(shè)計任務(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 最大工件長度 mm 750 最大切削長度 mm 500 床鞍（滑板）上最大切削直徑 mm 260 主軸前端錐孔 莫氏 5號錐度 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 9 主軸孔徑 mm 350 主軸轉(zhuǎn)速范圍 高速區(qū)域 22 1800r/min 直流電動機 低速區(qū)域 38 3000r/min 37.5 5000r/min 交流電動機 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)動方式 液壓 預(yù)緊力 1600 5000N 行程 90mm 錐孔錐度 莫氏 4# 主軸電機功率 （普通） 連續(xù) 5.5 kW 30min 7.5 kW 進(jìn)給伺服電機 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（論文） 第 頁 10 機床質(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MaxN的確定 根 據(jù)分析，用硬質(zhì)合金車刀對小直徑鋼材半精車外圓時，主 軸轉(zhuǎn)速為最高，按經(jīng)驗，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MinN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，對鑄鐵材料的盤形零件粗車端面。按經(jīng)驗，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（論文） 第 頁 11由設(shè)計手冊取標(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。滑動導(dǎo)軌面采用中頻淬火，淬硬層深。硬度達(dá) HRC52 以上，拖板滑動面貼塑，使得進(jìn)給系統(tǒng)的剛度，摩擦阻尼系數(shù)等動、靜特性都處于最佳狀態(tài)。 2. 床頭箱結(jié)構(gòu) 機床主傳動采用液壓操縱機構(gòu)，可實現(xiàn)十八級轉(zhuǎn)速。機床主軸箱內(nèi)的傳動齒輪均經(jīng)淬硬磨齒處理，傳動比穩(wěn)定，運轉(zhuǎn) 噪音低。機床主軸為二支撐結(jié)構(gòu)，前支撐采用 C級高精度軸承，潤滑油潤滑，提高了回轉(zhuǎn)精度，使機床主軸具有良好的精度和剛性。機床采用單片式電磁剎車離合器，解決主軸的剎車及離合問題，離合器安裝于床頭箱帶輪側(cè)，使床頭箱內(nèi)結(jié)構(gòu)大為簡化，便于維修。 3.進(jìn)給系統(tǒng) 機床兩軸進(jìn)給系統(tǒng)采用步進(jìn)電機驅(qū)動滾珠絲杠的典型傳動方式，在滑板與床鞍及床鞍與床身之間的滑動面處貼有 TSF導(dǎo)軌板，滑動磨擦系數(shù)非常小，有助于提高了機床的快速響應(yīng)性能及生產(chǎn)效率。在進(jìn)給系統(tǒng)各滑動處及兩軸絲杠絲母處都設(shè)置了潤滑點。 4. 刀架 機床采用立式四工位刀架，該 刀架布刀方便，剛性好。 5. 尾座采用手動尾座 6. 冷卻系統(tǒng) 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 12 冷卻箱放在后床腿中。 7.卡盤 機床標(biāo)準(zhǔn)配置為 _250手動卡盤， 8.電氣系統(tǒng) 電路的動力回路，均有過流、短路保護(hù)，機床相關(guān)動作都有相應(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觀察到機床各部分的運行狀態(tài)。 9.安全保護(hù) 當(dāng)機床遇到外部突然斷電或自身故障時，由控制電路的設(shè)計，機床可動進(jìn)給軸，冷卻電機等如已在 “啟動 ”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)入啟動狀態(tài)，確 保了機床的安全。另外由于機床計算機內(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，不會丟失計算機內(nèi)存儲的程序菜單。 機床具有報警裝置及緊急停止按鈕，可防止各種突發(fā)故障給機床造成損壞。由于軟件的合理設(shè)計，報警可通過顯示器顯示文字及報警號，通過操作面板的指示燈指示；機床根據(jù)情況將報警的處理方式分為三類：對緊急報警實行 “急停 ”；對一般報警實行 “進(jìn)給保持 ”；對操作錯誤只進(jìn)行 “提示 ”。 第 2 章 總體布局設(shè)計 2.1 數(shù)控機床的總體布局 數(shù)控機床加工工件時和普通機床 一樣，要有主運動（由刀具或工件完成）和進(jìn)給運動（由刀具和工件做相對運動）實現(xiàn)工件表面的成形運動（直線運動、圓周運動、或螺旋運動，或曲線軌跡運動）。而機床的這些運動，必須由相應(yīng)的執(zhí)行部件（如主運動部件，直線或圓周進(jìn)給部件）以及一些必要的輔助運動（如轉(zhuǎn)位、夾緊、冷卻及潤滑）部件來完成。 上述組成數(shù)控機床的各類部件在決定它們的相互關(guān)系，即進(jìn)行機床總體布局時，需要考慮多方面的問題：一方面是要從機床的加工原理即機床各部件的相對運動關(guān)系，結(jié)合考慮工件的形狀、尺寸和位置等因素，來確定各主要部件之間的相對位置關(guān)系和配置。另 一方面還要全面考慮機床的外部因素，如外觀造型、操青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 13 作維修，生產(chǎn)管理和人機關(guān)系等問題對機床總體布局的要求。 多數(shù)數(shù)控機床的總體布局與和它類似的普通機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)過考驗的固定形式，只是隨著生產(chǎn)要求與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，還會不斷有所改進(jìn)。數(shù)控機床的總體布局是機床設(shè)計中帶有全局性的問題，它的好壞對機床的制造和使用都有很大的影響。 機床的總體布局直接影響到機床的結(jié)構(gòu)和性能。合理選擇機床布局，不但可以使機械結(jié)構(gòu)更簡單、合理、經(jīng)濟，而且能提高機床剛度、改善機床受力情況，提高熱穩(wěn) 定性和操作性能，使機床滿足數(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，其對應(yīng)床鞍接觸面為貼塑導(dǎo)軌，明顯降低滑動導(dǎo)軌的摩擦阻力，而且動剛度不因阻尼的變小而變差，具有良好的動態(tài)特性。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 14 主軸由直流（配 5T系統(tǒng)時）或交流（配 6T系統(tǒng)時）調(diào)速電動機驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)簡單無齒輪傳動。機床可以無級調(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的表面粗糙度值。 機床縱向和橫向運動均采用交流伺服電動機。脈沖編碼器與滾珠絲杠相連，可 直接反映滾珠絲杠精度。 X 軸是通過同步齒形帶驅(qū)動滾珠絲杠副。 Z 軸驅(qū)動裝置安裝在縱向床身導(dǎo)軌之間。機床采用間歇潤滑系統(tǒng)對床身導(dǎo)軌、床鞍和滾珠絲杠等部件集中潤滑，定時定量供油。 機床卡盤和尾座均由液壓驅(qū)動，卡盤的松、夾和尾座套筒的進(jìn)、退由操縱面板上的按鈕來控制。主軸尾端帶有液壓夾緊油缸，可用于快速自動裝夾工件。 床鞍溜板上裝有橫向進(jìn)給驅(qū)動裝置和轉(zhuǎn)塔刀架?？v橫向進(jìn)給系統(tǒng)采用直流伺服電動機帶動滾珠絲杠，使刀架移動。轉(zhuǎn)塔刀架具有分度快、轉(zhuǎn)位平穩(wěn)可靠和無滲漏等優(yōu)點，刀盤可選配 8位、 12位小刀盤和 12位大刀盤。 機床配有自 動對刀儀，可以快速準(zhǔn)確地測出刀具安裝調(diào)整時的偏差值，將測得的數(shù)據(jù)存儲在計算機中，便于在加工中自動進(jìn)行補償。還可用該裝置來檢測刀具磨損與破損，并能自動補償或及時報警。 該機床配有液動式防護(hù)門罩和排屑裝置，若再配置上下料的工業(yè)機器人，就可以形成一個柔性制造單元（ FMC）。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 15 第 3 章 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 3.1 數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求 數(shù)控機床的總體設(shè)計內(nèi)容包括總統(tǒng)設(shè)計 (含數(shù)控裝置的功能設(shè)計、元件和部件設(shè)計、程序段格式設(shè)計及系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 )：邏輯設(shè)計 (含運算器設(shè)計、控制器設(shè)計及電路設(shè)計 )；機床主機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，鑒于橢 幅限制，本章只介紹主機的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 數(shù)控機床的功能和設(shè)計與普通機床有著很大差異。對數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求可歸納為如下幾個方面 (1) 具有大的切削功率，高的靜、動態(tài)剛度和良好的抗振性能 (2) 具有較高的幾何精度、傳動精度、定位精度和熱穩(wěn)定性； (3) 具有實現(xiàn)輔助操作自動化的結(jié)構(gòu)部件。 有關(guān)提高靜、動剛度，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，對普通機床和數(shù)控機床的設(shè)計都是一致的，但是要求的程度是有差異的。雖然，對普通機床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部改進(jìn)并配 以經(jīng)濟簡易的數(shù)控裝置，使之成為經(jīng)濟型數(shù)控機床這是對現(xiàn)有普通機床進(jìn)行數(shù)控化的途徑，但是決不能因此就認(rèn)為，把數(shù)攙裝置與普通機床連結(jié)在一起就構(gòu)成一個數(shù)控機床。下面詳述數(shù)控機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要要求。 3.1.1 提高機床的結(jié)構(gòu)剛度 機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)控機床比普通機床要求具有更高的靜剛度和動剛度，有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)控機床的剛度系數(shù)應(yīng)比類似的普通機床高 50。 機床在切削加工過程中，要承受各種外力的作用，承受的靜態(tài)力有運動部件和被加工零件的自重：承受的動態(tài)力有：切削力、驅(qū)動力 、加減速時引起的慣性力、摩擦阻力等。組成機床的結(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動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，這些變形都會直接或間接地引起刀具和工件之間的相對位移，從而導(dǎo)致工件的加工誤差，或者影響機床切削過程的特性。 由于加工狀態(tài)的瞬時多變謂況復(fù)雜，通常很難對結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行精確的理論計算。設(shè)計者只能對部分構(gòu)件 (如抽、絲杠等 )用計算方法計算其剛度，而對床身、立柱、工作臺和箱體等零件的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，接合面的接觸變形等，只能將其簡化后進(jìn) 行近似計算，其計算結(jié)果往往與實際相差很大，故只能作為定性分橋的參考。近年來，雖然在機床結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用有限元法進(jìn)行分楊計算，但是一般來青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 16 講，在設(shè)計時仍需要對模型、實物或類似的樣機進(jìn)行試驗、分析和對比以確定合理的結(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??；封閉式截面的剛度比不封閉式截面的剛度大很多；壁上開孔將使剛度下降，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、橫和對角筋板，對它們進(jìn)行靜、動剛度試驗的結(jié)果列于表 3-2 中。其中以交叉筋板（序號 5）的作用最好 。青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 17 表 3-1 （ 3）提高構(gòu)件的局部剛度 機床的導(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，應(yīng)用雙臂聯(lián)接型式，如圖（ d）、（ e）、（ f）。導(dǎo)軌較窄時，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（論文） 第 頁 18 以提高局部剛度。 （ 4）選用焊接結(jié)構(gòu)的構(gòu)件 機床的床身、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。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 提高機床的抗振性】 機床在切削加工時可能產(chǎn)生兩種形態(tài)的振動：強迫振動和自激振動 (或稱顫振 )。機床的抗振性是指機床抵抗這兩種振動的能力。 1.強迫振動 機床強迫振動的振源是：高速旋轉(zhuǎn)零部件的動態(tài)不平衡力、往復(fù)運動件的換向沖擊力、周期變化的切削力等。機床外部的據(jù)源通過機床的地基傳給機床，也可使其產(chǎn)生強迫掀動。當(dāng)振源的頻率與機床某部件 (如床身、主軸箱 )的某一振型(如彎曲振動、扭轉(zhuǎn)振動 )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，甚至迫使切削無法進(jìn)行。 機床結(jié)構(gòu)抵抗強迫振動的能力，可用動剛度 Kd或動柔度 Sd(動剛度的倒數(shù) )來表示 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（論文） 第 頁 19 A 強迫振動的振幅。 機床結(jié)構(gòu)的動態(tài)剛度可以通過激振試驗來確定，并且繪制成復(fù)平面上的幅相圖。田 7 7(： )是一個單自由度系統(tǒng)的幅相圖。復(fù)坐標(biāo)原點到曲線的矢量 oc表示激振頻率 為的時的動態(tài)柔度 5。，矢量與實軸的夾角戳表示振幅滯后于激振力的相位角，當(dāng)激振顴串購等于系統(tǒng)的 諧振頻率此時，即 9 90時，動態(tài)柔度達(dá)到最大值 3d一。當(dāng)叭 o時，即外加靜態(tài)力時，系統(tǒng) 的靜態(tài)柔度 3。就是這時的動態(tài)柔度 5d。負(fù)向最大動態(tài)柔度的實部 5d“是衡量最小穩(wěn)定性的指 標(biāo)。 2.自激振動 如圖 3-8所示的切削過程中，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，通過機床的彈性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，使刀具與 工件的相對位置也發(fā)生相應(yīng)的變化，從而使得切削過的表面產(chǎn)生新的波紋 Y，這個變化又使切削力進(jìn)一步發(fā)生變化，如此反復(fù)交變和加強，就產(chǎn)生了自激振動的過程。它發(fā)生在切削過程之中，振動所需要能量來自切削過程的自身。 當(dāng)機床彈性系統(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，影響自激振動的主要因素就是切削寬度，因此，把不發(fā)生自激振動的最大切削寬度（也稱為臨界切削切削寬度） blim作為判定產(chǎn)生自激振動的指標(biāo)，即判斷切削穩(wěn)定性的指標(biāo)；自激振動的頻率是一定的，與外界干擾力的頻率無關(guān)，而是接近于機床某 一部件某一振型的諧振頻率。這個部件便是機床在抗振性方面的薄弱環(huán)節(jié)。 3提高機床抗振性的措施 改善和提高機床抗振性應(yīng)從以下幾個方面著手。 （ 1） 減少機床的內(nèi)部振源 機床的高速旋轉(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，并且要消除傳動間隙，采用平衡裝置和降低往復(fù)運動件的重量等措施，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（論文） 第 頁 20 在機床上的電機或液壓油泵、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。減少機床內(nèi)部振源或降低激振力，就減少了產(chǎn)生強 迫振動的可能性，相當(dāng)于提高了機床的抗振性。 （ 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)的動態(tài)剛度，靜柔度 Ss。減少的同時，最大動柔度 Sdmax和 SdA也相應(yīng)的減小了。對于抵抗自激振動來說，提高靜剛度可以提高自激振動穩(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)計時應(yīng)強調(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穩(wěn)定性的有效措施。采用滑動軸承較之滾動軸承有較大的阻 尼，對滾動軸承適當(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。阻尼材料的相對摩擦可以耗散振動能量，抑制振