组合专机-车床主轴箱箱体左侧8-M8螺纹攻丝机设计

南京林业大学2007届本科毕业设计论文1前言1.1课题名称及其具体要求1.1.1课题名称车床主轴箱箱体左侧8-M8螺纹攻丝机设计1.1.2题目内容及要求本题目的主要内容是设计一台能加工的通孔，总共八个孔的右侧面螺纹攻丝机，机床类型为卧式单面，液压驱动，由PLC控制，一台机床年产量为3-6万件。其余设计内容均自定。1.1.3实验、数据及图纸要求 本设计完成后必须包括被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸总图、组合机床多轴箱图、夹具装配总图、液压系统原理图、控制系统原理图各一张，折合A0图纸共4张。此外，设计说明书需1.5万字。1.2研究目的及意义目前，组合机床的需求量很大，国家鼓励其出口。而国内汽车工业的迅速发展也势必导致各类零部件加工量的增大。因此，组合机床可多刀、多轴、多面、多工位加工的优点就显得犹为突出。本设计就是在攻丝组合机床的设计基础上，将PLC控制技术和液压控制技术应用到其中，以便进一步提高组合机床的自动化程度。1.3国内外同类研究概况1 国外研究状况1952年美国生产出了第一台数控机床，此后，日本、德国、意大利等国家的一些木工机床的制造厂家应用机电一体化技术，相继推出了各种先进的机床。目前，螺纹加工机床已经与液压系统，气压系统和数控系统结合生产出了很多先进的攻丝机，例如：西班牙的才CMA攻丝机系列，等等。目前，机床加工正在向复合化，高速化，精密化，高效能化，智能化，环保化方向发展而螺纹加工正在向高效率，高自有度，高生产率，高自动化，高定位速度和高切削速度，低成本方向发展。2 国内研究状况我国自改革开放以来，虽然机床加工机械的技术水平及产品质量有着显著的提高，但与先进的发达国家相比差距较大，主要存在的问题有：水平低、仿制多、品种少、自动化程度不高，外观质量不高，机床机械合格率低，远低于同类机械产品的平均合格率。螺纹加工机床和其他机床一样发展缓慢。国内生产的中档普及型数控机床的功能、性能和可靠性方面已具有较强的市场竞力。但在中、高档数控机床方面，与国外一些先进产品相比，仍存在较大差距。螺纹加工的数控化程度也很低。虽然我国现在的水平很低不过我们有很好的发展前景：首先，我国的政策调整有利于车床行业的发展；第二，产业转移给车床行业的发展带来了机遇；第三，下游行业成长较快；第四，数控车床消费增长较快。而螺纹加工的攻丝机只是车床中的一个部分，当然也具有很好的发展前景。目前国内有很多的组合机床仍然采用继电器控制，使用不便，且较为落后。而国外同行业则较多采用PLC先进技术集成控制来实现生产自动化，已形成一系列自动化程度较高的生产流水线，大大提高了生产效率和节省了成本。2组合机床概述2.1组合机床及其特点组合机床是由大量的通用部件和少量专用部件组成的工序集中的高效率专用机床。它能够对一种（或几种）零件进行多刀、多轴、多面、多工位加工。在组合机床上可以完成钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻丝、车削、铣削、磨削及滚压等工序，生产效率高，加工质量稳定。组合机床与通用机床，其他专用机床比较，具有以下特点：（1）组合机床上的通用部件和标准零件约占全部机床零、部件总量的，因此设计和制造的周期短，投资少，经济效果好。（2）由于组合机床用多刀加工，并且自动化程度高，因而比通用机床生产效率高，产品质量稳定，劳动强度低。（3）组合机床的通用部件是经过周密设计和长期生产实践考验的，又有专门厂成批制造，因此结构稳定，工作可靠，使用和维修方便。（4）在组合机床上加工零件时，由于采用专用夹具、刀具和导向装置，加工质量靠工艺装备保证，对操作工人的技术水平要求不高。（5）当被加工产品更新时，采用其他类型的专门机床时，其大部分部件要报废。用组合机床时，其通用部件和标准零件可以重复利用，不必另行设计和制造。（6）组合机床易于联成组合机床自动线，以适应大规模的生产需要。图2-1表示由通用部件和少量专用部件组成的卧式组合机床。图2-1 卧式组合机床及其组成部件1中间底座；2夹具；3主轴箱；4动力箱5滑台；6滑座；7床身（侧底座）组合机床常用的通用部件有：动力部件、输送部件、支承部件、控制部件和辅助部件。其中动力部件有4种：（1）主运动动力部件动力箱、多轴箱、单轴头；（2） 进给运动部件液压滑台、机械滑台； （3） 既能实现主运动又能实现进给运动的部件动力头；为单轴头变化主轴转速的跨系列通用部件。动力箱、各种工艺切削头和动力滑台是组合机床完成切削主运动或进给运动的动力部件。其中还有能同时完成切削主运动和进给运动的动力头。而只能完成进给运动的动力部件称为动力滑台。固定在动力箱上的主轴箱是用来布置切削主轴，并把动力箱输出轴的旋转运动传递给各主轴的切削刀具，由于各主轴的位置与具体被加工零件有关，因此主轴箱必须根据被加工零件设计，不能制造成完全通用的部件，但其中有很多零件（例如：主轴、传动轴、齿轮和箱体等）是通用的。床身、立柱、中间底座等是组合机床的支承部件，起着机床的基础骨架作用。组合机床的刚度和部件之间的精度保持性，主要是由这些部件保证。移动的或回转的工作台的重复定位精度直接影响组合机床的加工精度。除了上述主要部件之外，组合机床还有各种控制部件，主要是控制机床按顺序动作，以保证机床按规定的程序进行工作。组合机床的通用部件，绝大多数已颁布成国家标准，并按标准规定的名义尺寸、主参数、互换尺寸等定型，各通用部件之间有配套关系。因此，在进行本设计时，主要根据被加工零件的尺寸、形状和技术要求等来完成组合机床的整体设计。2.2攻丝组合机床的结构方案通用机床加工螺纹的特点是主运动和进给运动之间保持严格的传动比关系，即内联系传动。攻丝组合机床也不例外，根据实现内联系传动系统所选用的机构不同，攻丝组合机床可以分为下列两大类：1）采用攻丝动力头的攻丝组合机床攻丝动力头用于同一方向单纯攻丝工序。利用丝杠进给，攻丝行程较大，但结构复杂，传动误差大，所以加工螺纹精度较低（一般低于7H级），因此未能得到广泛的应用。2）采用攻丝靠模装置的组合机床用攻丝靠模装置加工内螺纹的特点是，攻丝主轴系统的进给运动由攻丝靠模机构得到。靠模机构由靠模螺杆和靠模螺母组成，其螺距应等于被加工螺孔的螺距，当靠模螺杆每转一转时，则带动丝锥向前进给一个螺距，要求尽量接近。攻丝靠模应用于攻丝装置中的情况如图2-2所示。从图中可见，电机传动主轴通过靠模螺杆带动丝锥回转，靠模螺杆5通过攻丝卡头6与丝锥连接，攻丝卡头6是攻丝主轴靠模系统进给量与丝锥自行引进量的补偿环节。当主轴及靠模螺杆5正转时，由于靠模螺母4的作用，使靠模螺杆按螺母的螺距带动丝锥进给，攻丝结束后，主轴反转，丝锥退回。由于攻丝过程中，只是靠模螺杆5带动丝 图2-2 攻丝装置原理图锥轴向移动，因此主轴与靠模螺杆连接处轴向 1电机；2多轴箱；3主轴；可以相对滑动，一般用滑键连接，滑动的最大 4靠模螺母；5靠模螺杆；6攻丝卡头距离即攻丝的最大行程，一般不超过。此种攻丝方法，靠模可以经磨制得到较准确的螺距，由于靠模螺杆带动丝锥进给比较轻巧，同时又有攻丝接杆补偿攻丝主轴靠模系统与丝锥自行引进的进给差，因而攻丝时可得到较高的精度。该靠模装置除了具有结构简单、制造成本较低的特点外，还由于每根靠模螺杆都各自具有自己的螺距数值，因此可用一个攻丝装置方便地加工出不同尺寸规格的螺纹，且可各自选用合理的切削用量，目前应用很广泛。综上所述，可知攻丝工序的工作循环如下：2.3组合机床发展趋势一、提高通用部件的技术水平；二、发展适应中、小批生产的组合机床；三、采用新刀具；四、发展自动检测技术；五、扩大工艺范围。3组合机床总体设计3.1组合机床方案确定3.1.1被加工零件特点被加工零件在攻丝机体左侧，材料为，硬度为，攻丝孔径为的通孔8个，个孔在3个圆上规律分布。被加工零件的外形如图3-1所示。图3-1 被加工零件外形图3.1.2机床布局确定工件底面为主要定位面。因为底面有3个脚所以用3个支承块支撑，用短销和支承钉定位。装夹方便、平稳，故可采用卧式机床。3.1.3工件定位基准的确定由于工件采用底面为定位面，根据该零件的特点，可采用孔和2面定位。3.1.4夹压表面及夹紧方式由于要加工的工件是箱体而且上表面是空的，为了确保工件夹压稳定，为了保证定位基准和定位面的良好接触，采用开口长压板作定位夹紧。3.2确定切削用量3.2.1选择切削用量由于攻丝孔径只有一种，所以可以采用同样的主轴和刀具使得所有刀具的每分钟进给量相同。根据专用机床设备设计表7-18查得：高速钢丝锥攻丝切削速度查机械加工工艺手册得：螺纹间距， 选切削速度：满足要求每分钟进给量式中：主轴系统的进给量（）；丝锥每分钟自行引进量（）；丝锥每分钟转速（）；丝锥的螺距，多头螺纹为导程（）。3.2.2确定F.P.T1）切削扭矩的计算根据专用机床设备设计表7-24查得：式中：工件螺距（）；加工直径（）。2）切削力的计算总切削力3）切削功率的计算根据专用机床设备设计表7-24查得：总功率考虑到功率损失，3.3组合机床总体设计三图一卡三图一卡的内容主要包括：被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸总图和编制生产率计算卡。3.3.1被加工零件工序图一、被加工零件工序图的作用及内容被加工零件工序图是根据选定的工艺方案，表示一台组合机床或自动线完成的工艺内容，加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度及技术要求、加工用定位基准、夹压部位及被加工零件的材料、硬度、重量和本道工序加工前毛坯或半成品状况的图纸。因此，它是在原零件图基础上，突出本机床或自动线的加工内容，加上必要的说明绘制成的。它是组合机床设计的主要依据，也是制造、使用、检验和调整机床的重要技术文件。图上应表示出：1）被加工零件的形状和轮廓尺寸及与本机床设计有关的部位的结构形状及尺寸。尤其是当需要设置中间导向套时，应表示出零件内部的肋、壁布置及有关结构的形状及尺寸。以便检查工件、夹具、刀具是否发生干涉。2）加工用定位基准、夹压部位及夹压方向。以便依此进行夹具的定位支承（包括辅助定位支承）、限位、夹紧、导向系统的设计。3）本道工序加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度、形状位置尺寸精度及技术要求，还包括本道工序对前道工序提出的要求（主要指定位基准）。4）必要的文字说明。如被加工零件编号、名称、材料、硬度、重量及加工部位的余量等。二、绘制被加工零件工序图的注意事项1）为了使被加工零件工序图清晰明了，一定要突出本机床的加工内容。绘制时，应按一定比例，选择足够的视图及剖视图，突出加工部位（用粗实线），并把零件轮廓及与机床、夹具设计有关的部位（用细实线）表示清楚。凡本道工序保证的尺寸、角度等，均应在尺寸数值下方画粗实线标记。加工用定位基准、机械夹压位置及方向、辅助支承均须使用规定的符号表示出来。2）加工部位的位置尺寸应由定位基准注起。为便于加工及检查，尺寸应采用直角坐标系标注，而不采用极坐标系。但有时因所选定位基准与设计基准不重合,则需对加工部位要求的位置尺寸精度进行分析换算。此外，应将零件图上的不对称位置尺寸公差应换算成对称尺寸公差，其公差数值的决定要考虑两方面，一是要能达到产品图纸要求的精度，二是采用组合机床能够加工出来。3）应注明零件加工对机床提出的某些特殊要求。3.3.2加工示意图一、加工示意图的作用和内容零件加工的工艺方案要通过加工示意图反映出来。加工示意图表示被加工零件在机床上的加工过程，刀具、辅具的布置状况以及工件、夹具、刀具等机床各部件间的相对位置关系，机床的工作行程及工作循环等。因此，加工示意图是组合机床设计的主要图纸之一，在总体设计中占据重要地位。它是刀具、辅具、主轴箱、液压电气装置设计及通用部件选择的主要原始资料，也是整台组合机床布局和性能的原始要求，同时还是调整机床、刀具及试车的依据。其内容为：1）应反映机床的加工方法、加工条件及加工过程。2）根据加工部位特点及加工要求，决定刀具类型、数量、结构、尺寸（直径和长度）。3）决定主轴的结构类型、规格尺寸及外伸长度。4）选择标准的或设计专用的接杆、浮动卡头、导向装置、攻丝靠模装置、刀杆托架等，并决定它们的结构、参数及尺寸。5）标明主轴、接杆（卡头）、夹具（导向）与工件之间的联系尺寸、配合及精度。6）根据机床要求的生产率及刀具、被加工零件材料特点等，合理确定并标注各主轴的切削用量。7）决定机床动力部件的工作行程及工作循环。二、加工示意图的画法及注意事项1）加工示意图的绘制顺序是：先按比例用细实线绘出工件加工部位和局部结构的展开图，加工表面用粗实线画。为简化设计，相同加工部位的加工示意（指对同一规格的孔加工，所用刀具、导向、主轴、接杆等的规格尺寸、精度完全相同），允许只表示其中之一，亦即同一主轴箱上结构尺寸相同的主轴可只画一根。但必须在主轴上标注轴号（与工件孔号相对应）。当轴数较多时，可缩小比例，用细实线画出工件加工部位的外形简图，并在孔旁标注孔号，以便设计和调整机床。2）一般情况下，在加工示意图上，主轴分布可不按真实距离绘制。当被加工孔间距很小或需设置径向结构尺寸较大的导向装置时，相邻主轴必须严格按比例绘制，以便检查相邻主轴、刀具、辅具、导向是否干涉。3）主轴应从主轴箱端面画起。刀具画加工终了位置（攻丝加工则应画开始位置）。标准的通用结构只画外形轮廓，但须加注规格代号。对一些专用结构，为显示其结构而必须剖视，并标注尺寸、精度及配合。三、刀具选择根据攻丝孔的深度及直径大小，并结合加工条件及要求，根据机械加工工艺手册，选择的刀具为丝锥，其直径分别为。丝锥的具体结构和尺寸如图3-2所示：)图3-2 丝锥外形图四、初定主轴类型、尺寸和外伸长度根据专用机床设备设计表7-29（攻螺纹主轴直径的确定）查得：当螺纹为，扭矩时，主轴直径再查表7-30（通用攻丝主轴的系列参数），确定主轴类型为：前后支承均为圆锥滚子轴承的主轴 确定主轴直径：攻丝靠模规格代号：2具体结构如图3-3所示：图3-3 主轴外伸图五、选择攻丝卡头攻丝卡头用于连接丝锥和攻丝主轴（或靠模装置），其主要作用是：1） 保证丝锥与被加工的螺纹底孔自动对中，并保证丝锥顺利引进。2） 补偿丝锥每分钟引进量与攻丝主轴（或靠模装置）每分钟进给量之差值，保证丝锥引进与攻丝装置进给同步。因此，要求攻丝卡头有很好的定心性及补偿灵活性，径向尺寸应较小，以适应中心距小的螺孔加工。攻丝卡头的主要形式有：丝锥“超前”进给的单向补偿攻丝卡头；主轴或攻丝靠模“超前”进给的单向补偿攻丝卡头。在此，可选用主轴“超前”进给的单向补偿攻丝卡头。主轴“超前”进给是指攻丝主轴每分钟进给量大于丝锥每分钟的引进量，其差值由攻丝卡头中的压力弹簧来补偿。弹簧的预压力，最好稍大于丝锥开始切入被加工螺纹底孔所需的轴向力，而小于丝锥的进给拉力。其具体结构如图3-4所示。图3-4 主轴“超前”进给的单向补偿攻丝卡头1卡头芯杆；2销；3套罩；4卡头体；5压力弹簧六、攻丝靠模装置攻丝靠模装置的原理是“自引法”攻丝。这种攻丝装置的进给运动，直接由靠模螺杆、螺母得到。常用的攻丝靠模装置有型和型。型攻丝靠模通常由攻丝靠模机构和攻丝卡头配合组成攻丝装置，并由攻丝装置配置成攻丝组合机床。型主要用于组成活动攻丝模板和钻攻复合模板。根据，查得专用机床设备设计表7-42（第、第类攻丝靠模规格）：选用型号为的攻丝靠模装置其具体参数为：，这类靠模用于组成固定式攻螺纹装置时，有较好的敞开性，装卸和调整较为方便。松开压板后，整套靠模就可以很方便地从靠模头前端抽出，利用攻螺纹卡头上的调整螺母，能方便地调整丝锥的轴向位置。缺点是轴向尺寸很大。其具体结构如图3-5所示。七、确定动力部件的工作循环及工作行程动力部件的工作循环是指：加工时动力部件从原始位置开始运动到加工终了位置又返回到原始位置的动作过程。一般包括快速引进、工作进给、快速退回等动作。1工作行程长度的确定工作进给长度应等于工件加工部位长度（多轴加工时应按最长孔计算）与刀具切入长度和切出长度之和。如图3-6所示。图3-6 工作进给长度切入长度L1应根据工件端面的误差情况在之间选择，误差大时取大值。切出长度根据专用机床设备设计表7-32查得： 式中：丝锥前端锥部的长度。由于加工深度一定，选择。2快进、快退长度按加工具体情况而定，保证加工所有刀具均退至夹具套内，不影响工件装卸，因此取快进长度为。3动力部件总行程长度动力部件的总行程除应保证要求的工作循环行程外， 图3-5 第类攻丝靠模还要考虑装卸和调整刀具方便，即考虑前、后备量。 1靠模杆；2套筒；3压板前备量是指因刀具磨损或补偿制造、安装误差，动力 4衬套：5弹簧；6结合子部件尚可向前调节的距离。后备量是指考虑刀具从接杆中 7靠模螺母；8攻丝卡头或接杆连同刀具一起从主轴孔中取出所需要的动力部件尚能向后退的距离。理想情况是保证刀具退离夹具导套外端面的距离大于接杆插入主轴孔内（或刀具插入接杆孔内）的长度。因此，动力部件的总行程为快退行程长度与前后备量之和。依此作为选择标准动力滑台或设计专用动力部件的依据。3.3.3机床联系尺寸图一、联系尺寸图的作用及内容一般来说，组合机床是由标准的通用部件动力滑台、动力箱、各种工艺切削头、侧底座、立柱、立柱底座及中间底座加上专用部件主轴箱、辅具系统、夹具、液、电、冷却、润滑、排屑系统组合装配而成。联系尺寸图用来表示机床各组成部件的相互装配联系和运动关系，以检验机床各部件的相对位置及尺寸联系是否满足加工要求，通用部件的选择是否合适，并为进一步开展主轴箱、夹具等专用部件、零件的设计提供依据。联系尺寸图也可看成是简化的机床总图，它表示机床的配置型式及总体布局。联系尺寸图的主要内容如下：1） 以适当数量的视图（一般为主、左、右视图）按同一比例画出机床各主要组成部件的外形轮廓及相对位置，表明机床的配置型式及总体布局，主视图的选择应与机床实际加工状态一致。2） 图上应尽量减少不必要的线条及尺寸，但反映各部件的联系尺寸、专用部件的主要轮廓尺寸、运动部件的极限位置及行程尺寸，必须完整齐全。各部件的详细结构不必画出，留在具体设计部件时完成。3） 为便于部件设计，联系尺寸图上应标注通用部件的规格代号、电动机型号、功率及转速，并注明机床部件的分组情况及总行程。二、选择动力箱确定攻丝电机功率时，应考虑到丝锥钝化的影响，一般按计算功率的倍选取。根据前面计算功率，即，且考虑到攻丝时对转速要求较低，如果选用的电动机转速过高，将导致传动比较大，使机床结构庞大，不利于成本的降低，一般采用同步转速为左右的电动机。根据组合机床设计简明手册表5-38选用动力箱型号为，电动机型号为，电动机的功率为，（为电动机安装端面至罩壳后面间的轴向长度）。根据前面计算的行程，选择动力滑台为型，滑台侧底座为型，行程为。二级进给及压力继电器型号为。导轨防护装置型号为。分级进给装置型号为。由于攻丝时，工作行程不是很长，液压滑台可固定在滑轨上，由固定块受力。所以当进给力大于滑台所受最大进给力时，仍可使用该滑台滑轨。根据选定的动力滑台型号为，其卧式配置时具体联系尺寸如图3-7所示。图3-7 型液压滑台卧式配置时联系尺寸三、夹具轮廓尺寸确定综合考虑工件的轮廓尺寸形状、结构以及夹具底座与机床其他部件连接固定尺寸，初步定夹具长宽高为。四、机床装料高度机床装料高度是指机床上工件的定位基准面到地面的垂直距离。为提高通用部件及支承部件的刚度并考虑自动线设计时中间底座内要安装夹具输送装置、冷却排屑装置，新颁布的组合机床标准推荐装料高度，与国际标准一致。在现阶段设计组合机床时，装料高度可根据具体情况在之间选取。由于受工件最低孔位置、多轴箱最低主轴高度和所选通用部件、中间底座、夹具高度等尺寸的限制（滑台与滑座总高，侧底座高度，夹具底座高度，中间底座高度），本设计的机床装料高度。五、中间底座轮廓尺寸中间底座的轮廓尺寸要满足夹具在其上面安装连接的需要。根据选定的动力箱滑台、侧底座等标准的位置关系，并考虑到毛坯误差和装配偏移，中间底座支承夹具底座的空余边缘尺寸，算出的长度应圆整，并按优选数系选用。攻丝时需要使用冷却液，应使空余边缘尺寸不小于。中间底座外形图如图3-8所示。图3-8 中间底座外形图中间底座长度方向尺寸可按下式确定： 式中：加工终了位置，主轴箱端面至工件端面间的距离，本设计中； 主轴箱厚度，本设计； 工件沿机床长度方向的尺寸，本设计； 机床长度方向上，主轴箱与动力滑台的重合长度，本设计； 加工终了位置，滑台前端面至滑座前端面的距离，对于通用的标准动力滑台，尺寸的最大范围为。本设计； 滑座前端面至侧底座前端面的距离，本设计。 根据，查专用机床设备设计表7-10（中间底座主要尺寸）：选定中间底座长为又根据被加工零件的宽度为，夹具底座宽度为，以及其他联系尺寸，选定中间底座宽度为。中间底座的长宽为。六、确定多轴箱轮廓尺寸标准通用多轴箱的厚度是一定的，卧式为。因此，确定多轴箱尺寸，主要是确定多轴箱宽度和高度及最低主轴高度。如图3-9所示，被加工零件轮廓以点划线、多轴箱轮廓用粗实线表示。多轴箱宽度、高度的大小主要与被加工零件孔的分布位置有关，可按下式确定：式中：工件在宽度方向相距最远的两孔距离（）。 最边缘主轴中心距箱外壁的距离（）。 工件在高度方向相距最远的两孔距离（）。 最低主轴高度（）。图3-9 多轴箱轮廓尺寸的确定为保证多轴箱有排布齿轮的足够空间，推荐，取。主轴箱最低主轴高度须考虑到与工件最低孔位置（）、机床装料高度（）、滑台滑座总高（）、侧底座高度（）、滑座与侧底座之间调整垫高度（）等尺寸之间的关系而确定。对于卧式组合机床，要保证润滑油不致从主轴衬套处泄露，通常推荐：根据上述计算值，按多轴箱轮廓尺寸系列标准，最后确定多轴箱轮廓尺寸为七、机床联系尺寸图绘制注意事项1）画主视图时，主视图的图形布置应与实际机床工作布置一致，并选择合适比例。为便于机床的调整和维修，滑座与侧底座之间需加厚的调整垫。2）机床各主要组成部件的轮廓尺寸及相关联系尺寸必须标注的完整、恰当，应使机床在长、宽、高三个方向的尺寸链封闭。3）应注明工件、夹具、动力部件、中间底座对称中心线间的位置关系。4）应注明电动机的型号、功率、转速及所选标准通用部件的型号规格和其主要轮廓尺寸，并对组成机床的所有部件进行分组编号，作为部件和零件设计的原始依据。3.3.4机床生产率计算卡根据选定的机床工作循环所要求的工作行程长度、切削用量、动力部件的快进及工进速度等，就可以计算机床的生产率并编制生产率计算卡，用以反映机床的加工过程，完成每一动作所需的时间、切削用量、机床生产率及机床的负荷率等。一、理想生产率指完成年生产纲领（包括备品及废品率在内）所要求的机床生产率。它与全年工时总数有关，一般情况下，单班制生产取，则 件h二、实际生产率指所设计机床每小时实际可以生产的零件数量。 件h式中：生产一个零件所需的时间（），它可以根据下式计算：式中：、分别为刀具第、第工作进给行程长度（）；、分别为刀具第、第工作进给速度（）；当加工沉孔、止口、锪窝、倒角、光整表面时，动力滑台在死挡铁上的停留时间，通常指刀具在加工终了时无进给状态下旋转转所需的时间（）；、分别为动力部件快进、快退行程长度（）；动力部件快速行程速度。采用机械动力部件取，液压动力部件取；直线移动或回转工作台进行一次工位转换的时间，一般可取；工件装、卸（包括定位、夹压及清除铁屑等）时间，它取决于工件重量大小、装卸的方便性及工人的熟练程度。根据各类组合机床的统计，一般取。取为 件h三、机床负荷率当时，计算二者的比值即为负荷率。根据组合机床的使用经验，适宜的机床负荷率为。所以该负荷率满足要求。四、生产率计算卡生产率计算卡是按一定格式要求编制的反映零件在机床上的加工过程、生产节拍、切削用量、机床生产率和机床负荷率的简明表格，它是用户验收机床的重要依据之一。具体情况见附录二。4组合机床夹具设计4.1机床夹具的用途及使用优点一、保证产品质量；二、提高劳动生产率；三、扩大机床的工艺范围，解决复杂或困难的工艺问题；四、改变原机床的用途，扩大机床使用范围；五、减轻操作的劳动强度，做到安全生产。4.2定位支承系统设计4.2.1定位六法及定位面工件采用三面定位，以底面为主要定位面，后面为导向面，左侧面为止推面。采用此方法限制了六个自由度，为完全定位。4.2.2定位支承元件及布置选择常用定位元件支承板，使用两块。为便于排屑，沿纵向用倒角并设沟槽。为提高支承板耐磨性，采用钢制造。导向面使用一个导向板（限位板），止推面使用一个支承钉。4.2.3夹紧机构设计一、夹紧动力夹紧动力选用螺纹螺栓配合的机械力进行夹紧。二、夹紧力确定1）确定摩擦系数根据机床夹具设计手册，取工件与支承压板之间摩擦系数：2）安全系数由于刀具钝化等原因，准确地确定夹紧力较困难。根据机床夹具设计手册查得，总安全系数式中：基本安全系数，加工表面光洁度系数，毛面，光面； 刀具磨钝系数，； 断续切削系数，； 疲劳系数，（人力操纵），（动力操纵）。取，满足要求。3）夹紧力计算根据夹紧力所需，选择前法兰式液压夹紧油缸。油缸内活塞杆，行程。4.3组合机床夹具设计因被加工零件为箱体零件，机床为卧式，刀具选用丝锥，本夹具为压板夹紧工件从一侧推入，然后定位夹紧。4.3.1夹具体设计夹具体是夹具的基础件，夹具上的各种装置和元件通过夹具体连接成一个整体。夹具体要有足够的强度和刚度，只有这样，在加工过程中，夹具体在切削力、夹紧力的作用下，才不会产生不允许的变形和振动。此外，在保证强度和刚度的前提下，夹具体应力求结构简单便于制造、装配和检验；体积小、重量轻以便于操作。 考虑到加工的零件是一个箱体而且上表面是空的，为了使其受力比较好所以采用两边开阔的常压办对加工的零件进行夹紧。夹紧的零件采用双头螺栓，螺母夹紧方式。支撑面采用3个小的支撑块支撑。用一个空和一个面定位。4.3.2角铁的选择考虑到被加工零件尺寸较大，选择标准的角铁满足不了本设计要求，故在标准角铁的尺寸基础上，适当增大以满足要求。角铁所选用的材料均为，毛坯要经时效处理。本设计中角铁使用数量为3个，其中加工孔部位角铁需留出空间以方便加工。其具体尺寸和结构如图4-2、4-3、4-4所示。图4-2 角铁一 4.4夹具总装配图技术要求制定4.4.1精度等级同轴度、平行度和垂直度一般为被加工零件精度1/3左右。4.4.2定位精度要求工件以定位支承块定位，定位面应在同一平面内，允差0.02，支承块在一次安装下加工到所要精度。4.4.3总装配图绘制要求一、被加工零件的外形轮廓、定位基面、夹紧表面及加工表面用双点划线绘制在各个视图的合适位置上。二、各零件要进行编号，并填写零件明细表和标题栏。三、标注必要的尺寸、公差配合及技术要求。 5. 多轴箱的设计多轴箱是组合机床的重要部件之一，它关系到整台组合机床质量的好坏。具体设计时，除了要熟悉多轴箱本身的一些设计规律和要求外，还须依据“三图一卡”，仔细分析研究零件的加工部位，工艺要求，确定多轴箱与被加工零件、机床其他部分的相互关系。51 绘制多轴箱设计原始依据图多轴箱设计原始依据图，是依据“三图一卡”整理编绘出来的，其一般应包括下列内容：（1） 所有主轴的位置尺寸及工件与多轴箱的相关尺寸。在标注主轴的位置及相关尺寸时，首先要注意多轴箱和被加工零件在机床上是面对面摆放的，因此多轴箱横截面上的水平方向尺寸应与被加工零件工序图的水平尺寸方向相反。其次，多轴箱上的坐标尺寸基准和被加工零件工序图的尺寸基准常不相重合，应根据多轴箱和被加工零件的相对位置找出统一基准，并标注出其相对位置关系尺寸。（2） 在图中标注主轴转向。由于标准刀具多为右旋，因此要求主轴一般为逆时针旋转，逆时针转向可标注，只注顺时针转向。（3） 图中应标出多轴箱的外形尺寸。（4） 列表标明工件材料，加工表面要求，并标出各主轴的工序内容，主轴外伸部分尺寸和切削用量等。（5） 注明动力箱型号，功率，转速和其它主要参数。5.2 主轴结构型式的选择5.2.1 主轴结构型式的选择主轴结构型式由零件加工工艺决定，并应考虑主轴的工作条件和受力情况。轴承型式是主轴部件结构的主要特征，如进行钻削加工的主轴，轴向切削力较大，最好用推力球轴承承受轴向力，而用向心球轴承承受径向力。又因钻削时轴向力是单向的，因此推力球轴承在主轴前端安排即可。进行镗削加工的主轴，轴向切削力较小，但不能忽略。有时由于工艺要求，主轴进退都要切削，两个方向都有切削力，一般选用前后支承均为圆锥滚子轴承的主轴结构。在本设计中我选用推力球轴承。主轴的直径在前面已经算过了这边就不说了。5.3 传动系统的设计与计算多轴箱的传动系统设计，就是通过一定的传动链把动力箱输出轴传进来的动力和转速按要求分配到各主轴。传动系统设计的好坏，将直接影响多轴箱的质量、通用化程度、设计和制造工作量的大小以及成本的高低。5.3.1 对传动系统的一般要求设计传动系统，应在保证主轴强度、刚度、转速和转向的前提下，力求使主要传动件的规格少，数量少，体积小；因此，在设计传动系统时，要注意下面几点：（1） 尽量用一根中间转动轴带动多根主轴。当齿轮啮合中心距不符合标准时，可用变位齿轮或略变传动比的方法解决。（2） 一般情况下，尽量不采用主轴带动主轴的方案，因为这会增加主动主轴的负荷。（3） 为使结构紧凑，多轴箱体内的齿轮传动副的最佳传动比为1-1.5,在多轴箱后盖内的第4排齿轮，根据需要，其传动比可以取大些，但一般不超过3-3.5。（4） 根据转速与转矩成反比的道理，一般情况下如驱动轴转速较高时，可采用逐步降速传动；如驱动轴转速较低时可先使速度升高一点再降速；这样可使传动链前面几根轴、齿轮等在比较高转速下工作，结构可小些。组合机床多轴箱的传动和结构与普通机床差异较大，其一是由于传动链较短，难分前后，另外，经常是一中间传动轴带多根主轴。所以，合理安排结构往往成为设计的主要矛盾。如为了使主轴上的齿轮不过大，最后一级经常采用升速传动。（5） 粗加工切削力大，主轴上的齿轮应尽量安排靠近前支承，以减少主轴的扭转变形。（6） 齿轮排数可按下面方法安排1） 不同轴上齿轮不相碰，可放在箱体内同一排上。2） 不同轴上齿轮与轴或轴套不相碰，可放在箱体内不同排上。3） 齿轮与轴相碰，可放在后盖内。532 主轴分布类型及传动系统设计1）已知各主轴转速及驱动轴到主轴之间的传动比。 一层二层的齿轮的,三层的齿轮的多轴箱的具体布置如下图所示6PLC控制系统设计6.1可编程控制器概述6.1.1可编程控制器的定义和特点可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用一类可编程的存贮器，用于其内部存贮程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。世界上第一台可编程控制器产生于1969年。PLC的特点主要有以下四点：一、 通用性强。PLC这种控制装置硬件是标准化的，要改变控制功能只需改变程序即可。同一台PLC可以用于不同的控制对象。二、硬件设计和接线简单。由于PLC的接口按工业控制的要求设计，输出接口的驱动功率强，能直接驱动接触器、电磁阀等线圈，可免除二次开发的困难，因而，用户在硬件方面的设计工作只是确定PLC的硬件配置和外部接线而已。对于接线，只需将提供输入信息的按钮、限位开关、光电开关、无触点开关等接入PLC的输入端子；把电磁铁、电磁阀、接触器等线圈接到PLC的输出端子并配上对应的负载电源和保护装置，即完成了全部接线任务。三、可靠性高，抗干扰能力强。可靠性是控制装置的生命。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，能适应有各种强烈干扰的工业现场，并具有故障自诊断能力。四、体积小、功耗小、性能价格比高。由于体积小，PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。6.1.2基本结构PLC的主体由微处理器（CPU）、存储器、输入模块、输出模块、电源以及编程器等组件构成。电源是将交流电转换为PLC内部所需的直流电，电源组件具有高的抗干扰能力，适合工业现场使用，供电稳定、安全可靠。电源组件内还装有备用电池，以保证在断电时，存放在存储器（RAM）中的信息仍能保持。PLC的存储器包括只读存储器（ROM）和读写存储器（RAM），前者用来存放系统程序，后者用来存放用户程序，它通过外接的专用编程器写入。输入模块主要包括光电耦合器输入接口，输入状态寄存器和输入数据寄存器。输入端子接受各种有触点的和无触点的开关是信号或连续变化的模拟量（经A/D转换），输入到输入状态寄存器或输入数据寄存器中。输出模块包括输出状态寄存器，输出锁存器，光电耦合器和功率放大器等部分。PLC提供三种类型的输出：机械触头继电器、无触点型交流开关和无触点型直流开关。CPU是PLC的控制中枢，它包括运算器和控制器。PLC的控制器比微机简单的原因是它采用循环处理方式工作，且对于小型PLC，指令类型比较少。PLC的运算器具有很强的逻辑运算功能，但其他运算功能就比较少。编程器主要是用来输入和编辑用户程序，但也可用来监视PLC工作时各种编程元件的工作状态。6.1.3PLC的工作方式PLC是通过一种周期工作方式来完成控制的，每个周期包括输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。一、输入采样阶段。当PLC开始周期工作时，控制器首先以扫描方式顺序读入所有的输入端的信号状态（1或0），并逐一存入输入状态寄存器。输入状态寄存器的位数与输入端子的数目相对应，因而输入状态寄存器又可称为输入映象寄存器。输入采样结束后转入程序执行阶段。在程序执行期间，即使输入状态变化，输入状态寄存器的内容也不会改变。这些变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被读入。二、程序执行阶段。PLC的用户程序决定了输入信号与输出信号之间的具体关系。组成程序的每条指令都有顺序号，指令按步序号依次存入存储单元。程序执行期间，在无跳转指令时，地址计数器顺序寻址，依次指向每个存储单元，控制器顺序执行这些指令。执行指令时先读入输入状态寄存器的状态，然后进行逻辑运算，运算结果存入输出状态寄存器。三、输出刷新阶段。在所有的指令执行完毕后，输出状态寄存器中的状态在输出刷新阶段转存到输出锁存器锁存，驱动输出线圈，形成PLC的实际输出。在一个周期执行完后，地址计数器恢复到初始值，重复执行由以上三个阶段构成的工作周期。6.1.4PLC的发展自1969年世界上第一台可编程控制器问世以来，PLC的发展十分迅猛。目前，已有许多国家的著名企业，如日本三菱、美国通用电气、德国西门子等，都相继开发出了适合他们国家的产品类型，并广泛推广应用。正是由于这些公司的激烈竞争，PLC的更新换代非常快，周期一般为35年。为了适应不同层次的需要，进一步扩大PLC在自动化领域中的应用，PLC正朝着以下两个方向发展。一、低档PLC向微型、简易、价廉方向发展，使之能更广泛地成为继电器的替代物。在传统制造业市场上小型PLC是实现自动化的理想选择。二、高档PLC向大容量、高速、高性能方向发展。不断增强过程控制功能，使大型PLC具有个人计算机功能，使之能取代工业控制微机的部分功能，对大规模、复杂控制系统进行综合控制。PLC控制技术将成为今后工业自动化的主要手段。它的发展必将愈来愈快速。6.2动作循环图攻丝组合机床的行程特点与其他机床相比有很大的不同，因此在设计动作循环图时必须充分考虑到这一特点。根据第一章所阐述的攻丝组合机床结构原理，并结合本设计特点，现拟定攻丝机床动作循环图如图6-1所示。 图6-1 动作循环图6.3端子分配图6.3.1PLC的选型选择PLC的型号，应从以下几个方面考虑：一、结构形式及档次按照物理结构，PLC可分为整体式和模块式。整体式的每一I/O点的价格较低。对于单台仅需开关量控制的设备，一般选小型整体式PLC就可满足要求。二、容量PC的容量指用户存储器容量和I/O点数两方面的含义。选择存储器容量可按25%留裕量。I/O点数可按10%15%考虑裕量。三、开关量I/O模块的选择输入模块有交流输入和直流输入两种类型。交流输入方式接触可靠，适合有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。直流输入的延迟时间短，还可以与接近开关，光电开关等电子输入开关连接。输出模块中，继电器输出的价格便宜，适用的电压范围较宽，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，对于不频繁通断的负载应优先选用。对于频繁通断的负载，应采用无触点开关输出，即选用晶体管输出或双向晶闸管输出。在选用输入、输出模块时还应考虑同时接通的点数，一般来讲，同时接通的输入或输出点数不要超过输入或输出点数的60%。6.3.2端子分配图根据上一小节中所阐述的PLC选型规则，以及考虑到本设计的实际需要，现选用的PLC型号为日本三菱公司生产的FX0S-30MR。该型号PLC体积小、容量大、价格适中，十分适合本设计要求。本设计所要用到的FX0S-30MR型号PLC的编程元件如下：一、输入继电器（X）输入继电器是专门用来接收从外部开关或敏感元件发来的信号的，它有输入端子相连，只能由外部信号所驱动，不能在内部由程序指令来驱动。输入继电器可提供无数对常开、常闭触点供内部使用。本设计中所要用到的输入继电器编号为：X0X7，X10X13共12点输入。二、输出继电器（Y）输出继电器专门用来将输出信号传送给外部负载。本设计中所要用到的输出继电器编号为：Y2Y6，Y10Y11共7点输出。三、辅助继电器（M）辅助继电器供内部使用，它的触点不可驱动外部负载。本设计中所要用到的辅助继电器编号为：M0，M1，M3M10。四、定时器（T）本设计中所要用到的定时器编号为：T10，T20。延时时间均为1S。结合动作循环图，并根据该PLC型号的结构特点，端子分配图如图5-2所示。图5-2 端子分配图6.4梯形图设计6.4.1梯形图设计规则梯形图编程是各种PLC的通用编程方式。它的优点为直观、易懂，是应用最多的一种编程方式，也是PLC程序设计的核心内容。梯形图的设计规则为：一、梯形图按自上而下，从左到右的顺序排列，每个编程元件线圈为一逻辑行。元件线圈与右母线直接连接，两线圈不得串联，亦不得在线圈与右母线间连接其他元素。二、除有跳转指令外，一般某编号的线圈在梯形图中只能出现一次。三、对并联电路的逻辑行，串联触点多的支路应排在上面，这样可以减少指令的条数。四、不允许在一个触点上有双向电流流过。五、输入继电器的线圈由输入端子上的外部信号所驱动，因而输入继电器的线圈不应出现在梯形图中。6.4.2梯形图设计严格遵循梯形图设计规则，并根据动作循环图和端子分配图，以及充分考虑到攻丝组合机床的行程特点，梯形图设计如图5-3所示。 图6-3 梯形图设计6.5程序设计6.5.1PLC的指令系统对本设计所需的PLC基本指令如下：一、输入、输出指令LD：取指令。取与母线连接的常开触点。LDI：取反指令。取与母线连接的常闭触点。OUT：输出指令。用于驱动输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器，但不能用于输入继电器。对于定时器和计数器使用OUT指令后，必须设定常数K，常数K的设定也作为一条指令。二、“与”指令AND：常开触点串联连接指令。ANI：常闭触点串联连接指令。三、“或”指令OR：常开触点并联指令。ORI：常闭触点并联指令。四、置位指令SET：令元件自保持。五、复位指令RST：用于计数器、移位寄存器的复位。六、结束指令 END：编程结束时写入END指令。6.5.2指令表根据已设计好的梯形图，PLC指令书写见附录一。7组合机床电气控制电路设计7.1机床电气设计的基本原则7.1.1机床电气设计的基本要求1）熟悉所设计机床的总体技术要求及工作过程，弄清其他系统对电气控制系统的技术要求。2）了解机床的现场工作条件、供电情况及测量仪表的种类。3）通过技术经济分析，选择性能价格比最佳的传动方案和控制方案。4）设计简单合理、技术先进、工作可靠、维修方便的电气控制电路。进行模拟试验，验证控制电路能否满足机床的工艺要求。5）保证使用的安全性，贯彻最新国家标准。7.1.2机床电气设计的内容及设计步骤1）拟定电气设计的技术条件（任务书）；2）确定电力传动方案和控制方案；3）确定电动机容量；4）设计电气控制原理图；5）选择电气元器件及装置；制定电气设备装置、元件、器件的清单及备件，易损件的清单；6）绘制电气安装图、位置图、互连图；7）设计电气柜、操作台、配电板及非标准器件与零件；8）编写设计计算说明书及使用说明书。包括顺序说明、维修说明及调整方法。7.1.3电气设计的技术条件电气设计的技术条件通常以设计任务书的形式表达。它是整个电气设计的依据。在任务书中，除了简要说明所设计的机床型号、用途、工艺过程、技术性能、传动参数及现场工作条件外，还必须说明：1）用户供电电网的种类、电压、频率及容量；2）有关电气传动的基本特性，如运动部件的数量和用途、负载特性、调速指标、电动机的起动、反向和制动要求等；3）有关电气控制的特性，如电气控制的基本方式、自动工作循环的组成、自动控制的动作顺序、电气保护及联锁条件等；4）有关操作方面的要求，如操作台的布置、测量显示、故障报警及照明等要求；5）机床主要电气设备（如电动机、执行电器和行程开关等）的参数及布置框图；该技术任务书是依据所设计机床的总体技术方案拟定的。7.2机床传动的总体方案一、主轴的运转由主轴电机M1控制，通过M1电动机的正反向运转来实现攻丝主轴的攻进与攻退；二、液压滑台的往复运动由液压泵电动机M2拖动，M2电动机单向运转，往复运动由液压传动装置实现；三、冷却泵电动机M3提供攻丝时所需的冷却液，以免工件和刀具过热而造成工件精度降低和刀具缩短寿命。选用电动机型号及参数如下：M1 Y100L-6 1.5kW 380V 940r/min 4.00AM2 Y132S-4 5.5kW 380V 1440r/min 11.6AM3 Y801-4 0.55kW 380V 1390r/min 1.50A7.3主电路设计M1电机由接触器KM1、KM2控制实现正反向运转；M2电机由KM3控制，工作时，由液压系统控制液压滑台的前进与后退，以保证攻丝深度；M3电机由KM4控制，工作时，冷却液开启。所有的电机均设过载保护。主电路如图6-1所示。7.4控制电路设计根据设计题目要求，采用PLC控制。各按钮、行程开关、线圈和指示灯的作用见第六章PLC控制系统设计中端子分配图的设计图6-2。控制电路见图7-2所示。7.5控制电源的确定及总体电路的审核完善由于交流控制电路比较复杂，需要控制电源变压器，选用220V作为控制电路电压。信号指示采用6V交流供电。根据各局部电路之间的相互关系，考虑必要保护环节的设置，审核各电器元件触头的使用是否合理等问题，完善后的电气原理图见图纸：电气控制电路原理图。图7-1 主电路图7-2 控制电路7.6电器元件的选择7.6.1电器元件的可靠性随着科学技术和工业生产的发展，自动化控制系统的规模越来越大。一个大型的自动控制系统常需要几万个元件。因此，整个系统的可靠性与其所用元件的可靠性有着密切的关系。若某一个串联系统，其中只要有一个元件失效，就会使整个系统发生故障，其整个设备停工所造成的损失要远远超过该元件本身的价格。因此，如何正确选用好元件，对控制系统电路的设计是很重要的。7.6.2电器元件选择的基本原则一、根据对控制元件功能的要求，确定电器元件类型。以继电接触器控制系统为例，当元件用于通、断功率较大的主电路时，应选用交流接触器；若元件用于切换较小的电路（如控制电路）时，则应选择中间继电器；若还伴有延时要求时，则应选用时间继电器。二、确定元器件承载能力的临界值及使用寿命。