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本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页 毕业设计（论文）任务书系系部部：专专 业业：学学 生生 姓姓 名：名：学学 号：号：设设计计(论论文文)题题目目：CK6150 数控车床主轴箱设计起起 迄迄 日日 期期:20*年 3 月 9 日 6 月 14 日设计设计(论文论文)地点地点:指指 导导 教教 师师:专专业业负负责责人人 :发任务书日期: : 20* 年 2 月 26 日 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）任文）任 务务 书书1本毕业设计（论文）课题应达到的目的：通过这次毕业设计使学生初步掌握机床设计和机械零件设计的一般方法，学会查阅技术文献。掌握技术文件编写的格式。2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：1、课题任务的内容：进行 CK6150 数控车床主轴箱设计。2、课题任务的要求：该主轴箱设计完成以后能够实现主轴 12 档转速，最低转速 70 rpm、最高转速1400rpm，半自动换档变速。机床主轴中心高为 250mm。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）任文）任 务务 书书3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计论文、图表、实物样品等：一、图纸量要求：总图纸量大于 3 张 0#图二、说明书要求说明书条理清楚，说明正确，字数大于 1.2 万字4主要参考文献：1 文怀兴. 数控机床设计实践指南M. 北京: 化学工业出版社,2008.2 陈婵娟. 数控车床设计/现代数控机床结构及设计丛书M. 北京: 化学工业出版社,2006.3 徐灏. 新编机械设计师手册M. 北京: 机械工业出版社,1995.4 叶伟昌. 机械工程及自动化简明设计手册(上册) M. 北京: 机械工业出版社,2001.5 叶伟昌. 机械工程及自动化简明设计手册(下册) M. 北京: 机械工业出版社,2001.6 徐锦康. 机械设计M. 北京：高等教育出版社，2004.7 成大先编. 机械设计手册M. 北京：化学工业出版社出版，2002.8 徐锦康. 机械设计M. 北京：机械工业出版社，2001.9 王伯平. 互换性与测量技术基础M. 北京：机械工业出版社，2001.10 袁国定，朱洪海. 机械制造技术基础M. 南京：东南大学出版社，2000.11 全国数控培训网络天津分中心数控机床M机械工业出版社，2002.12 林宋. 现代数控机床M. 北京：化学工业出版社出版，2002.13 张俊生金属切削机床与数控机床M北京：机械工业出版社，2005.14 彭晓南数控技术M北京：机械工业出版社，2003.15 余仲裕数控机床维修M机械工业出版社，2005. 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）任文）任 务务 书书5本毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 容20*年年 3 月 9 日 3 月 15 日 3 月 16 日 3 月 22 日 3 月 23 日 4 月 5 日4 月 6 日 4 月 19 日4 月 20 日 4 月 30 日5 月 1 日 5 月 17 日5 月 17 日 5 月 30 日6 月 1 日 6 月 7 日6 月 8 日 6 月 14 日熟悉课题，调研，确定设计方案，完成开题报告。完成外文翻译。总体设计，方案论证。完成部件设计初稿。部件设计定稿。完成零件设计初稿。零件设计定稿。完成说明书初稿毕业设计定稿，论文答辩所在专业审查意见：负责人： 20*年 月 日系部意见：系部主任： 20*年 月 日 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页5 毕业设计(论文)开题报告学学 生生 姓姓 名：名：学学 号：号：专专 业业 ：设计设计(论文论文)题目题目：CK6150 数控车床主轴箱设计指指 导导 教教 师师: 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页6毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）开文）开 题题 报报 告告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000 字左右的文献综述：文文 献献 综综 述述摘要摘要 本文主要介绍了数控机床的特点、组成、分类、应用范围及其对 ck6150 数控车床主轴箱进行的研究分析，论述了我国数控机床发展的过去、现状，对数控机床的发展趋势进行了探讨, 提出了我国数控机床发展的对策。关键词关键词 数控机床 主轴箱 发展 对策 1 1 数控车床数控车床 数控是数字控制的简称，是利用数字化信息来实现自动控制的方法。数控机床是指采用数字化信息控制的机床。数控技术不仅用于机床的控制，还可用于控制其他设备。下面我们先来介绍一下数控机床的特点、组成、分类及其应用范围。1.11.1 特点特点数控机床是新型的自动化机床，它具有良好的通用性和较高的自动化程度，数控机床是实现柔性自动化的重要装置之一，是发展柔性生产的基础。数控机床在以下的零件加工中更能显示出它的优越性。它们是：a、批量小而又多次生产的零件；b、几何形状复杂的零件；c、在加工过程中具有多坐标联动功能；d、切削余量大的零件；e、公差带范围小的零件；f、工艺设计变化的零件；g、加工过程中的错误会造成严重浪费的贵重零件；h、需全部检测的零件等。概括起来，数控机床具有以下几个方面的特点：(1)提高加工精度，产品质量稳定；(2)提高生产效率；(3)提高了加工零件的适应性、灵活性；(4)减轻工人劳动强度；(5)提高生产管理水平1。1.21.2 组成及分类组成及分类数控机床一般由4个部分组成：控制介质、控制装置、伺服系统和机床主体组成。各组成部分各有其作用和特点。目前，数控机床品种齐全，规格繁多，据不完全统计已有400多种规格。为了研究数控机床，可以按照多种原则来进行分类。归纳起来，通常按下面5种原则来分类： 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页7（1）按工艺用途分类：a、普通数控机床；b、数控加工中心机床；c、多坐标数控机床。（2）按控制系统对运动轨迹的控制方式分类：a、点位控制数控机床；b、点位直线控制数控机床；c、轮廓控制数控机床。（3）按伺服系统的控制方式分类：a、开环控制数控机床；b、闭环控制数控机床；c、半闭环控制数控机床；d、开环补偿型数控机床。（4）按数控装置分类:a、硬线数控；b、软线数控。（5）按功能水平分类：a、经济型数控机床；b、中档型数控机床；c、高档型数控机床2。1.31.3 应用范围应用范围: :主要用于加工高精度回转体类型零件,如轴类、盘类、套类,以及高精度的各种规格的内外螺纹,可一次装夹完成外形及内孔的加工3。2 2 主轴箱的研究分析主轴箱的研究分析 机床是机械制造行业中最基本的设备, 随着制造业高效率、高精度、高柔性发展的需要, 人们对机床提出了越来越高的要求, 主轴箱又是机床很重要的一个部件, 因此, 很有必要对它的动态特性进行研究。主轴箱结构的动态特性主要包括振动固有频率、阻尼比和振型4。 随着机床向高速化、高精度发展, 人们对主轴箱提出了越来越高的要求, 通过对主轴箱动态特性进行分析研究, 准确得到其动态参数, 是满足机床现代发展需求的有效途径。对于主轴箱的固有动态特性, 已有学者做过分析研究, 但这些分析都存在不全面的问题5。如对主轴箱进行了振动测试分析,缺少理论分析结果;对整机进行了动态分析, 从整机角度去分析主轴箱的动态特性, 没针对性的对主轴箱本身固有动态特性进行分析研究6。因此, 为了全面分析主轴箱动态特性, 掌握准确的动态参数, 本文建立主轴箱有限元模型, 采用Lanczos法有限元模态分析对CK6150型数控车床主轴箱进行动态特性研究, 并用模态实验验证了有限元模态分析的正确性, 说明有限元模态分析得到的动态参数是准确的, 为进一步结构改进提供了理论依据7。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页83 3 我国数控机床发展的过去、现状及未来我国数控机床发展的过去、现状及未来3.13.1 数控机床发展的过去、现状数控机床发展的过去、现状我国数控机床产业的发展一直受到国家经济状况、数控技术发展水平与国家扶持政策的制定等三大因素的影响8, 自年1958年以来, 中国数控机床的发展划分为三个阶段：(1)初始阶段。中国的数控机床发展起步于1958年, 经历了20余年的初始阶段。(2)稳步发展阶段一引进、消化吸收、国产化与自行开发阶段。自从1980年以来, 中国执行了“六五” 、“七五” 、“八五” , 三个五年计划。在这个期间, 在改革开发的政策指导下, 国家大力支持机床行业, 通过引进技术发展数控机床产业。(3)曲折发展阶段。1994年至1998年由于东南亚金融危机,我国经济软着陆及国内消费市场疲软等综合因素的影响, 事实上, 国内机床市场容量呈下降趋势, 而且国产机床的市场占有早有所下降, 机床工具行业连续五年负增长9。1999年3月份, 全行业开始恢复性增长, 1999年至6月份开始出现两位数增长, 其中数控产品增长占主导地位到2000年一年全行业总产值将已经到320亿元。3.23.2 数控机床发展的未来数控机床发展的未来由于计算机技术的飞速发展, 推动数控机床技术更快的更新换代“世界上许多数控系统生产厂家利用机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统”开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性, 并向智能化、网络化方向大大发10。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统, 如美国科学制造中心（NCMS）与空军共同领导的“下一代工作站机床控制器体系结构”ONGC11。欧共体的自动化系统中开放式体系结构OOSACA, 日本的OSEC计划等12。开发研究成果已得到应用。如Cincinnati-Milacron公司从1995年开始在其生产的加工中心、数控铣床、数控车床等产品中采用了开放式体系结构的A2100系统。新一代数控系统技术水平大大提高, 促进了数控机床性能向高精度、高速度、高柔性化方向发展13。4 4 对我国数控机床提出的一些对策对我国数控机床提出的一些对策 (1)继续强化企业体制和机制的创新,培育一批市场竞争力强的新型企业14。(2)加大产业结构调整的力度,大力发展功能部件产业。我国历来只重视主机,而忽视“中场” 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页9产业,造成我国数控机床的功能部件,要么质差、性能不及国外名牌。为此,我国应大力发展功能部件产业,凡是属于精密机械部件性质的功能部件要在短期内争取在质量和性能上赶上和超过国外名牌。我国在这方面还是很有潜力的，关键是要转变观念15。此外,还要把技术发展上远比机床落后的数控刀具产业搞上去,(3)推行“官、产、学、研、用 ”相结合的国家下一代数控机床专项攻关计划, 攻克下一代数控机床的一系列技术难题。参 考 文 献1 文怀兴. 数控机床设计实践指南M. 北京: 化学工业出版社,2008.2 陈婵娟. 数控车床设计/现代数控机床结构及设计丛书M. 北京: 化学工业出版社,2006.3 徐灏. 新编机械设计师手册M. 北京: 机械工业出版社,1995.4 叶伟昌. 机械工程及自动化简明设计手册(上册) M. 北京: 机械工业出版社,2001.5 叶伟昌. 机械工程及自动化简明设计手册(下册) M. 北京: 机械工业出版社,2001.6 徐锦康. 机械设计M. 北京：高等教育出版社，2004.7 成大先编. 机械设计手册M. 北京：化学工业出版社出版，2002.8 徐锦康. 机械设计M. 北京：机械工业出版社，2001.9 王伯平. 互换性与测量技术基础M. 北京：机械工业出版社，2001.10 袁国定，朱洪海. 机械制造技术基础M. 南京：东南大学出版社，2000.11 全国数控培训网络天津分中心数控机床M机械工业出版社，2002.12 林宋. 现代数控机床M. 北京：化学工业出版社出版，2002.13 张俊生金属切削机床与数控机床M北京：机械工业出版社，2005.14 彭晓南数控技术M北京：机械工业出版社，2003.15 余仲裕数控机床维修M机械工业出版社，2005. 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页10 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）开文）开 题题 报报 告告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本课题要研究或解决的问题:某企业需要购置一批具有较好刚性的CK6150系列数控车床以满足生产需求。该数控车床主轴最低转速为70rpm，最高转速为1400rpm，半自动换档变速，主轴转速级数为12级。研究手段:1.熟悉图纸了解加工要求；2.了解铝合金箱体的最基本的加工方法；3.了解箱体类零件机加工工艺路线；4.根据不同的生产纲领了解不同的加工方法5.编制出与相应的生产纲领的机加工工序卡及夹具的设计；6.编写设计计算说明书；7.通过对机加工工序卡熟悉工艺设计的全过程；8.通过设计把所学基础理论，专业知识运用到实践中去；9.通过设计提高自己分析问题和解决问题的能力；10.能为今后的工作打下一个好的基础。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页11 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）开文）开 题题 报报 告告指导教师意见指导教师意见：1对“文献综述”的评语：阅读了大量关于数控机床方面的书籍，对数控车床的特点、组成及分类、应用范围、数控车床主轴箱的研究分析、我国数控机床发展的过去、现状及未来、对我国数控机床提出的一些对策等有了初步的认识，为数控车床的设计做了一些基础工作。2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：通过对本课题的研究使学生的基础理论与专业知识、技术水平以及实际应用能力和文字、语言表达能力得到锻炼，是学生综合运用所学理论技能知识与生产实践相结合的重要阶段，是培养和提高学生综合应用能力的重要环节。通过本课题的研究使学生对数控机床的设计有一个初步的认识，学会如何查找文献、如何进行方案的设计、校核、定稿等等。综合应用机械设计、工艺、公差、机械制图 CAD 等知识进行经济型的数控机床部件的设计。完成 3 张 0 号图纸，1.2 万字的条理清楚的说明书。 指导教师： 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页12所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日摘摘 要要CK6150 数控车床主要部件有：主轴箱、刀架、尾座、进给箱、溜板箱以及床身。本设计主要针对 CK6150 数控车床的主轴箱进行设计。车床主轴箱是一个比较复杂的传动部件。设计的内容主要包括确定机床的主要参数，拟定传动方案和传动系统图，计算和校核了主要零部件，并且利用专业制图软件进行了零件的设计和处理。数控是先进制造技术的基础技术。数控加工在现代化生产中显示出很大的优越性。对于现代制造业，数控机床非常适合那些形状复杂、精密和批量小的零件,而一般的普通机床根本无法满足这个要求。现代的数控机床其突出的优点是可以进行高精度加工和多样化加工，完全可以取代其他的加工方法。关键词：关键词：数控车床；机械设计；数控系统；主轴箱 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页13AbstractCK6150 chief machine parts are: spindle box, knife, the tailstock, to sneak into the box, board box and lathe bed. This design is mainly for CK6150 machine tool spindle box on the design. Spindle box is a more complex transmission parts. The contents of the design include determining the main parameters of machine tools, draw up the transmission scheme and transmission system graph, calculate and check the main parts, and make use of professional graphics software components of the design and processing. Numerical control is a basic technology of advanced manufacturing technology. Numerical control processing in modern production in show great superiority. For modern manufacturing industry, numerical control machine tool is very suitable for those complicated shape, precision and small batch parts, and general common machine tool cant meet the requirements. The modern numerical control machine its outstanding qualities can be high precision processing and diverse processing, can replace other processing method.Key words: the numerical control machine tools; Mechanical design; The numerical control system; Spindle box 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页14目目 录录绪论.51.1 国内外数控机床的发展现状 .51.1.1 国内外数控机床的发展现状.51.2 数控车床的发展趋势 .71.3 经济型数控机床的特点以及主要功能 .81.3.1 经济型数控机床的特点.81.3.2 经济型数控车床的主要功能.91.4 普通机床数控改造意义 .9第一章数控车床的总体设计.101.1CK6140 数控车床介绍 .101.2 总体方案的确定 .111.3 传动系统的改造设计方案 .121.3.2 纵、横向结构示意图.141.3.3 自动转位刀架设计.151.4 数控系统的硬件电路设计 .161.4.1 确定 I/O 接口.161.4.2 键盘接口设计.161.4.3 显示电路设计 .171.4.4 软件设计.17第二章数控车床主轴箱设计.182.1 数控车床主传动系统的发展.182.2 主传动系统的设计要求.192.3 主传动系统的参数.202.3.1 运动参数.202.3.2 结构分析式 .202.3.3 确定转速.212.4 动力参数.222.4.1 确定各轴转速 .222.5 带传动的参数 .24第三章主轴组件的性能要求.273.1 主轴组件的性能要求.27第四章主轴结构及热处理要求.274.1 主轴结构及热处理要求.27第五章总结和体会.28致谢 .30参考文献.31 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页15绪论绪论1.11.1 国内外数控机床的发展现状国内外数控机床的发展现状现代数控技术的发展趋势主要是高速化、高精度化、多功能和智能化目前，柔性制造技术的发展也相当迅速。柔性制造技术主要有柔性制造单元、柔性制造系统、计算机集成制造系统。柔性制造单元可由一台或多台数控设备组成，即具有独立的自动加工的功能又部分具有自动传送和监控管理的功能。柔性制造单元有两大类：一类是数控机床配上机器人另一类是加工中心配上工作台交换系统若干个柔性制造单元可组成一个柔性制造系统。柔性制造系统是一个由中央计算机控制的自动化制造系统。他是由一个传输系统联系起来的一些数控机床加工中心。传输装置将工件放在托盘或其他连接设备上送到加工设备使加工能够准确、迅速和自动的进行。计算机集成制造系统就是利用计算机进行信息集成，从而实现现代化的生产制造以求的企业的总体效益。计算机集成制造系统是建立在多项先进技术基础上的高技术制造系统，他综合利用了 CAD/CAM、FMS、FMC 及工厂自动化系统，是面向二十一世纪的生产制造技术。(1)国内有关研究的综述机械工业为我国国民经济发展和建设做出了积极贡献，较好地发挥了支柱产业的作用。2009 年，机械产品市场自给率进一步提高到 85%，对全国工业总产值、新产品产值、利润和税金增长的贡献率分别为 31.86%、67.58%、57.91%和24.01%，均居工业各行业首位。2010 年我国机械工业产销额再创历史新高：全年累计完成工业总产值 14.38万亿元，销售产值 14.06 万亿元，同比分别增长 33.93%和 34.26%。自 2010 年3 月起，机械工业月度产值连续 10 个月超过 1.1 万亿元，已经进入了月产万亿元的新时期。近年来机械工业产销高速增长，产业规模持续扩大，得益于国家政策对机械工业的大力支持，特别是在中央实施应对国际金融危机冲击的一揽子计划后，相关产业调整和振兴规划的逐步落实，推动了机械工业快速企稳回升。国务院通过的装备制造业调整与振兴规划 ，提出依托高速铁路、煤矿与金属矿采掘、基础设施、科技重大专项等十大领域重点工程，振兴装备制造业； 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页16抓住九大产业重点项目，实施装备自主化；提升四大配套产品制造水平。政策措施包括加强投资项目的设备采购管理、鼓励使用国产首台（套）装备、推进企业兼并重组等。上述领域涉及了经济建设中的关键部门，也是我国机械行业发展中亟待突破的领域，尤其是高档数控机床和矿用机械长期以来一直是我国制造领域的薄弱环节，与国外先进水平有明显的差距。这些产品再次被列入重点发展的领域，未来几年内将面临超常规发展的机遇。中投顾问发布的2011-2015 年中国机械行业投资分析及前景预测报告共二十章。首先介绍了机械行业的特性、分类及发展历史等，接着分析了国际国内机械行业的发展概况，并对国内机械子行业的财务状况做了细致分析。然后介绍了机械租赁、农业机械、工程机械、仪器仪表、电工电器、机床工具、纺织机械、包装机械及其他机械产品的发展情况。随后，报告对中国机械行业做了区域发展分析、产品产量数据分析、进出口分析、行业竞争分析、重点企业运营状况分析和投资分析，最后分析了机械行业的发展趋势和未来前景。我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势，一方面国内市场 对各机床有大量的需求，而另一方面确有不少国产机床滞销积压，国外机床产品充斥市场。(2)国外有关研究的综述数控机床各国数控机床发展历史美、德、日三国是当今世上在数控 机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点。 随着计算机技术、网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化已成为必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只是时间的问题。从另一角度来看，目前流行的 ERP 即工厂信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常的管理部门（人、财、物、产、供、销）或设计、开发等等上层部分的信息化是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备数控机床不能够连成网络或信息化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶颈，所谓的 ERP 就比较“虚”没有能够真正地解决制造工厂的最关键的问题。所以，对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来说，第一是要大大提高机床的数控化率，即数控机床必须达到起码的数量或比例；第二就是所拥有的数控机床必须具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅通无阻。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页17由于国外企业的发展水平，数控机床的网络接口功能被定义为用于远程监控、远程诊断。 1.21.2 数控车床的发展趋势数控车床的发展趋势（1）继续向开放式、基于 PC 的第六代方向发展基于 PC 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC 机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC 机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。（2）向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。（3）向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。（a）应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。（b）引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。（c）引入故障诊断专家系统（d）智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。1.31.3 经济型数控机床的特点以及主要功能经济型数控机床的特点以及主要功能经济型数控机床就是指价格低廉，操作使用方便，比较适合我国国情的，在普通机床上加装数控系统的高级自动化机床。1.3.11.3.1 经济型数控机床的特点经济型数控机床的特点（1）价格便宜，仅数控系统与国外同类型系统相比，前者只需 1-2 万元，而国外系统则需十几至几十万元。应此，它特别适合对国内企业现有普通机床进行改造。（2）解决复杂零件的加工精度控制，提高生产率。对经济型数控车床，一 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页18般可提高工效 37 倍。对复杂零件而言，难度越高，提高的工效则越多。（3）适合于多品种、中小批量产品的自动化加工，对产品的适应性强。对于不同零件的加工，可以通过变换不同的加工程序和更换不同的刀具来实现。（4）提高产品质量，降低废品率。尤其是加工的产品尺寸一致性好，合格率高。（5） 节约工装费用，降低成本。经济型数控机床可以不用工装或少用工装，尤其对于复杂零件、不用靠模或成型刀具。不仅节约了费用，而且还可缩短生产准备周期。（6）减轻工人的劳动强度。（7）提高工人素质，促进技术进步和科技成果的普及应用。为由“体力型”向“智能型”转变创造条件。1.3.21.3.2 经济型数控车床的主要功能经济型数控车床的主要功能（1）能控制刀具的位移方向、位移长度及走刀速度。加工程序的位移长度以十进制数输入。（2）可控制车削端面、内外圆柱面、任意锥面、球面及用圆弧逼近的任意曲面。（3）可控制加工右旋或左旋的各种内、外圆柱、圆锥螺纹及多头螺纹。（4）程序中可给出一定延时。在加工中执行到延时程序时，刀具在相应时间内停止运动。（5）有程序暂停功能。当程序执行到暂停时，刀具停止运动，再按下启动键，可继续执行程序。（6）接口可发出和接收多种信号，作为机械手动作，刀架转位、主轴变速等装置的控制信号，它与程序的自动循环功能相结合，可实现加工的全自动化。（7）为方便调试和校对原点，设有点动功能。（8）具有自诊断功能。当加工程序编制或操作有误时，程序停止运行，并显示相应的出错信息，以便修改。（9）加工过程中，为应付特殊情况，设有开关暂停、键急停和键回零功能。（10）具有自动循环加工功能，并可进行计数。（11）为简化加工程序，设有局部循环功能。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页19（12）为提高加工精度，设有间隙补偿功能。1.41.4 普通机床数控改造意义普通机床数控改造意义数控机床是制造业实现生产现代化的主机,数控技术的水平高低和机床的数控化率是衡量一个国家工业发展水平的重要标志。目前我国机床的数控化率还不到 5%,新机床的数控化率也仅为 6%。无论从数控技术水平和机床的数控化率都大大落后于西方发达国家。从 20 世纪后期,我国调整产业结构、产品结构和生产方式,作为自动化生产的基础设备-数控机床,已远远满足不了工厂逐年增加的生产需求。对于机械制造企业,单纯靠购买新的数控机床,所需投资大,周期长,常使许多中小企业望而怯步。因此,利用原有的部分普通机床进行数控化改造,提高机械设备的数控化率,无疑是一种有效的途径。就是在美国、日本和德国等发达国家,机床的改造作为新的经济增长行业,也是生意盎然,正处于黄金时代。在美国、日本、德国,用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场,已形成了机床和生产线数控改造的新行业。在美国,机床改造业称为机床再生业。从事再生业的著名公司有:Bertsche 工程公司、ayton 机床公司、 Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团、US 设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本,机床改造业称为机床改装业。从事改装业的著名公司有:大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。由于机床以及技术的不断进步,机床改造已是个”永恒”的课题。我国的机床改造业,也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业,具有重要的现实意义和使用价值: （1）节省资金。机床的数控改造同购置新数控机床相比一般可以节省 60%左右的费用,大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新数控机床购置费的 1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新数控机床 60%的费用,并可以有效地利用现有地基。（2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期生产的磨合和不断改进完善,几乎不会产生应变力变形而影响精度。（3）提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化,效率可比传统机床提高 3 至 5 倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多,且可以不用或少用工装,不仅节约了费用,而且可以缩短生产准备周期1。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页20第第 1 1 章章 数控车床的总体设计数控车床的总体设计1.11.1 CK6140CK6140 数控车床的介绍数控车床的介绍普通卧式车床。当工件随主轴回转时,通过刀架的纵向和横向移动,能加工出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等,借助成形刀具,还能加工各种成形回转表面。（1）主轴箱是支撑主轴并带动工件作回转运动。箱内装有齿轮、轴等零件，组成变速传动机构，变换箱外手柄位置，可使主轴得到多种不同的转速。（2）进给箱是进给传动系统的变速机构。它把交换齿轮箱传递来的运动，经过变速后传递给丝杆，以实现各种螺纹的车削或机动进给。（3）交换齿轮箱是用来将主轴的回转运动传递到进给箱。更换箱内的齿轮，配合进给箱变速机构，可以得到车削各种螺距的螺纹的进给运动；并满足车削时对不同纵、横向进给量的需求。（4）溜板箱是接受光杆传递的运动，驱动床鞍和中、小滑板及刀架实现车刀的纵横进给运动。溜板箱上装有一些微手柄和按钮。可以方便地操纵车床上来选择诸如机动、手动、车螺纹及快速移动等到运动方式。（5）床身是车床的大型基础部件，精度要求很高，用来支撑和连接车床的各个部件。床身上面有两条精确的导轨，床鞍和尾座可沿着导轨移动。（6）刀架部分由床鞍、两层滑板和刀架体共同组成用于装夹车刀并带动车刀作纵向、横向和斜向运动。（7）尾座安装在床身导轨上，并可沿着导轨纵向移动，以调整结构其工作位置。尾座主要用业安装后顶尖，以支撑较长的工件，也可以安装钻头、铰刀等切削刀具进行孔加工。（8）床身前后两个床脚分别与床身前后两端下部连为一体，用以支撑床身及安装在床身上的各个部件。可以通过调整垫块把床身调整到水平状态，并用其所长地脚螺栓固定在此工作场地上。（9）冷却装置主要通过冷却泵将切削液加压后经冷却嘴喷射到切削区域。1.21.2 总体方案的确定总体方案的确定CK6140 型数控车床是一种加工效率高，操作性能好，并且社会拥有量较大的普通型车床。经过大量实践证明，将其改造为数控机床，无论是经济上还是技术都是确实可行了。一般说来，如果原有车床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的数控车床，同时具有数控控制和原机床操作的性能，而且在加工 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页21精度，加工效率上都有新的突破。总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（1）数控车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此数控系统选连续控制系统。（2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（3）根据数控车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用 8 位微机。在 8 位微机中，MCS51 系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选 MCS51 系列单片机扩展系统。（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了 CPU 外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O 接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。（5）设计自动回转刀架及其控制电路。（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。CK6140 车床数控改造的总体方案如图 1.1 所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页22（图 1.1 CK6150 车床数控改造的总体方案示意图）1.31.3 传动系统的改造设计方案传动系统的改造设计方案（1）进给系统的改造与设计方案（a）拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴，安装螺纹编码器（b）拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与齿轮减速箱总成。（c）拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座与螺母座托架。（d）拆除四方刀架与上溜板的总成，在横溜板上方安装四工位立式电动刀架。（e）拆除横溜板下的滑动丝杠螺母副，将滑动丝杠靠刻度盘一段锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。（f）将横向进给步进电动机通过法兰座安装到横溜板后部的纵溜板上，并与滚珠丝杠的轴头相连。（g）拆去三杠（丝杠、光杠与操纵杠） ，更换丝杠的右支承。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页23（2）主传动系统的改造方案 对数控车床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动机构和变速操纵机构，这样可减少机械改造的工作量。主轴的正转、反转、何停止可由数控系统来控制。若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用 24 档的多速电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速。当采用有级变速时，可选用 YD 系列 7.5kW 变速三相异步电动机，实现24 档变速；当采用无级变速时，应加装交流变频器，推荐型号为：F1000-G0075T3B，适配 7.5kW 电动机。（3) 安装电动卡盘为了提高加工效率，工件的夹紧与松动采用电动卡盘，选用 KD11250 型电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧和松开由数控系统发信控制。（4）换装自动回转刀架为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架换成自动回转刀架，选用 LD4B-CK6140 型四工位立式电动刀架。实现自动换到需要配备相应的电路，由数控系统完成。（5）螺纹编码器的安装方案螺纹编码器又称主轴脉冲发生器和圆光栅。数控车床加工螺纹时，需要配置主轴脉冲发生器，作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动。改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是 24mm/（0.01mm/脉冲）=2400 脉冲。考虑到编码器的输出有相位差为 90的 A、B 相信号，可用 A、B 异或后获得 2400 个脉冲（一转内） ，这样编码器的线数可降到 1200 线（A、B 信号） 。另外，为了重复车削同一螺旋槽时不乱扣，编码器还需要输出每转一个的零位脉冲 Z。基于上述要求，选择螺纹编码器的型号为：ZLF-1200Z-05V0-15-CT。电源电压+5V，每转输出 1200 个 A/B 脉冲与 1 个 Z 脉冲，信号为电压输出，轴头直径 15mm。螺纹编码器通常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。同轴安装是将变编码器直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页24轴的通孔。异轴安装是指将编码器安装在床头箱的后端，一般尽量装在与主轴同步旋转的输出轴。需要注意的是，编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性连接，且车床主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速4-6。数控改造后的车床传动系统如图 1.2 所示。1 电动刀架 2 联轴器 3 横向步进电机 4 纵向步进电机 5 联轴器6 纵向微调机构 7 横向滚珠丝杠 8 横向螺母 9 纵向螺母 10 横向微调机构 11 纵向滚珠丝杠（图 1.2 数控改造后的车床传动系统）1.3.21.3.2 纵、横向结构示意图纵、横向结构示意图齿轮传动装置是转矩、转速、和转向的变换器。在机电一体化进给伺服系统中，采用齿轮传动装置的主要目的有二：一是降速，将伺服电动机的高速、小转矩输出变成克服负载所需的低速、大转矩；二是使滚珠丝杆和工作台的转矩惯量在传动系统中所占比重减少，以保证传动精度。对齿轮传动装置的总体要求是传动精度高、稳定性好、灵敏度高、响应速度快。对于开环伺服系统，传动误差将直接影响工作精度，因此，要尽可能缩短传动链的长度，消除传动间隙，以提高传动精度和传动刚度。纵、横向结构示意图如图 1.3 所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页251 步进电机 2 齿轮减速装置 3 支承装置 4 丝杠 5 托板图 1.3 纵、横向结构示意图1.3.31.3.3 自动转位刀架设计自动转位刀架设计自动转位刀架的设计是普通机床数控化改造的关键。它要求刀架要具有抬起、回转、下降、定位和压紧这一系功能。尽管其结构复杂，各方面要求高，但它保持了原本床工件最大回转直径的条件下，提供选用的多把刀的可能性。电动刀架的安装较方便，只要将原车床上的刀架拆下将电动刀架装即可，但要注意两点：（1）电动刀台的两侧面应与车床的横向进给方向平行。（2）电动刀台与系统的连线建议如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床后面，再沿车床后导轨下方拉出的铁丝滑线，走线到系统。其好处在于：避免走线杂乱无章，而使得加工时切屑、冷却液以及其它杂物磕碰电动刀架系统。下面是数控改造 CK6140 车床自动转位刀架工作原理图 1.4 所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页261 刀架 2 固定安装丝杠 3 安全离合器 4 电机（图 1.4 自动转位刀架工作原理图）1.41.4 数控系统的硬件电路设计数控系统的硬件电路设计任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能的好坏直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。机床数控系统硬件电路概括起来由 CPU、总线、存储器以及 I/O 接口四部分组成。其中 CPU 是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作。存储器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据。I/O 接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是 CPU 与存储器、接口以及其它转换电路联接的纽带，是 CPU 与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。1.4.11.4.1 确定确定 I/OI/O 接口接口8031 只有 P1 口可作为普通 I/O 口用，所以需扩展。键盘需要 32 个键，采用矩阵式键盘，需 12 个 I/O 口；显示器采用 6 个 LED，需 6 个 I/O 接口；两个三相步进电机，采用软件环行分配器，需 6 个；刀架需 4 个；紧急停需 1 个。采用一片 8279 芯片和一片 8255A 即可。键盘/显示器接口采用 8279 芯片，因为 8279 芯片是专用的键盘/显示器接口芯片，还可以编程。8279 芯片具有消颤（去抖动） 、双键同时按下保护功能。显示控制亦按扫描方式工作，可以显示 8 或 16 个数码（字符） 。LED 的个数应满足显示值的要求和便于显示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页271.4.21.4.2 键盘接口设计键盘接口设计首先判断键盘上有无键闭合，先送 8255 的 PA 口一个数据为 00H，使列线PA0PA7 的电平均为 0，然后读 PB 口的 PB0PB2 的状况；若不全为“1” ，则有键闭合，此时延时 10ms 去掉抖动后再判断有无键闭合。如无则继续扫描，如有则判断按下的键号。如确定有键按下时，便开始计算键值。当采用 8 行 4 列的键盘时，定义第一行的键为 00H03H，定义第二行键的键值为 04H07H，依次类推。首先判断是哪一行有键闭合，若第一行有键闭合，设置初值为 00H，若第二行有键闭合，则设置初值为 04H，依次类推。接着对列线进行扫描以判断是哪一列闭合。方法上使 PA0 对应的列线输出低电平，其余均为高电平，判断一下是否第一列有键闭合，如有则列计数为 00H，与初值相加则为键值，也即是键盘的键号，如无则把低电平移到第二列上再判断，直到四列线全判断完毕，找出列线为止。然后计算键值，最后可根据键号跳转到相应的键功能程序的入口。1.4.31.4.3 显示电路设计显示电路设计数码显示器是 PLC 应用产品中的廉价输出设备。它由若干个发光二极管组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。这种笔画式的七段显示器，能显示的字符数量较少，但控制简单，使用方便。动态显示是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描） 。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。若显示的为数不大于 8 位，则控制显示器公共极电位只需一个 8 位并行口（称为扫描口） 。控制各个显示器所显示的字形也需一个公用的 8 位口（称为数据口）。在 8031RAM 中设置 6 个显示缓冲单元 79H7EH，分别存放 6 位显示器的显示数据。8255 的 A 口扫描总是一位为高电平，即 6 位显示器中仅有一位公共阴极为低电平，其它为高电平。8255 的 B 口输出相应位（阴极为低）显示数据的数据段，使某一位显示出一个字符，其它位为暗。依次地改变 A 口输出为高的位，B 口输出对应的段数据，6 位显示器就显示出缓冲器显示数据所确定的字符。1.4.41.4.4 软件设计软件设计 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页28车床数控系统设计与应用工作中，软件设计是一个重要方面。实际上，软件设计与硬件设计工作是不可分割的，二者必须结合进行。软件设计工作，按其功能可分二类：一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能；另一类是监控（管理）软件，它是控制微机系统按预定的操作方式运转的程序。但执行软件和监控软件没有明确的界限和固定的功能划分。习惯上把键盘解释程序作为监控程序，其它任务都分散在特定功能的执行程序中，并由监控程序来调用必要的功能模块，完成预定的任务。在进行软件设计时，应从全局着眼，先将整个系统的任务按功能分成一个一个的模块，并为每一个执行模块定义，然后设计出每一个具体模块的程序，最后组成一个系统。不仅整个系统的程序结构可具有模块化的特性，而且其模块内部也可以分为小模块。模块特性对测试很有利，功能扩充也很方便。要增加新功能，只要增加新模块就能实现，像搭积木一样。因此，这样的模块程序设计方法，思路清晰，逻辑性强，柔性较大。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页29第第 2 2 章章 数数控控车车床床主主轴轴箱箱设设计计2 2. .1 1 数数控控车车床床主主传传动动系系统统的的发发展展近年来，随着数控加工技术的不断发展，数控车床的主传动系统也呈现出一些新的发展趋势，如主轴转速的高速化、功能结构的复合化、柔性化。高速主轴单元为适应数控加工高速化的发展，目前越来越多的高速数控车床采用了电主轴。电主轴又称内置式电动机主轴单元，就是将高速电动机置于机床主轴部件内部，通过交流变频控制系统，使主轴获得所需的工作速度和转矩，实现电动机、主轴的一体化功能。与传统主传动系统相比，电主轴的主要特点有：(1) 结构紧凑、机械效率高、噪声低、振动小、精度高；(2) 电主轴可在额定转速范围实现无级调速；(3) 可实现精确的主轴定位及轴传动功能；(4) 电主轴更易实现高速化，其动态精度和动态稳定性更好；(5) 主轴运行更平稳，使主轴轴承的寿命得到延长。高速电主轴所融合的技术主要包括以下几方面。(1) 高速精密轴承(2) 润滑技术(3) 冷却技术(4) 高速变频驱动复合化和柔性化 随着数控车床对加工对象适应性的不断提高，数控车床的设计发生了很大变化，并向着单元柔性化和系统柔性化方向发展。数控车床的发展已经模糊了粗、精加工的工序概念，车削中心又把车、铣、镗、钻等工序集中到同一台机床上来完成，完全打破了传统工艺规程规定，由机床单一化走向多元化、复合化。由此可见，现代数控车床主传动系统的设计不限于只满足原有的基本要求，还要综合考虑现代制造对机床的整体要求，如制造控制、过程控制以及物料传输，以缩短产品的加工时间、周转时间、制造周期，最大限度地提高生产率。2 2. .2 2 主主传传动动系系统统的的设设计计要要求求 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页30（1） 、主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足机床的运动要求。（2） 、主电机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。（3） 、主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗震性，热变形和噪声要小，传动效率高，以满足机床的工作性能要求。（4） 、操作灵活可靠，维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。（5） 、结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。此外，还要求主传动系统结构简单，便于调整和维修；工艺性好，便于加工和装配；防护性能好；使用寿命长。主传动系统的传动方式：传动方案确定后，要进行方案的结构化，确定个零件的实际尺寸和有关布置。为此，常对传动件的尺寸先进行估算，如传动轴的直径、齿轮模数、离合器、制动器、带轮的根数和型号等。在这些尺寸的基础上，画出草图，得出初步结构化的有关布置与尺寸；然后按结构尺寸进行主要零件的验算，如轴的刚度、齿轮的疲劳强度等，必要时作结构和方案上的修改，重新验算，直到满足要求，最后才能画正式装备图。机床主传动系统可分为分级变速传动和无级变速传动。分级变速传动是在一定的变速范围内均匀地、离散地分布着有限级数的转速，变速级数一般不超过2030 级。这种传动方式主要用于普通机床，一些普通机床经数控化改造后也保留了原分级变速传动方式。无级变速传动可以在一定的变速范围内连续改变
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