床身上最大回轉(zhuǎn)直徑400mm的數(shù)控車床總體設(shè)計及主軸箱設(shè)計

1、蘭 州 理 工 大 學(xué)畢 業(yè) 論 文論 文 題 目：床身上最大回轉(zhuǎn)直徑400mm的數(shù)控車床總體設(shè)計及主軸箱設(shè)計專 業(yè) 名 稱：層 次：學(xué) 生 姓 名：完 成 日 期：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CK6140數(shù)控臥室車床，CK是數(shù)控車床，61是臥式車床，40是床身上最大工件回轉(zhuǎn)直徑為400mm。此次設(shè)計包括機床的總體布局設(shè)計，縱向進給設(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

2、。控制系統(tǒng)部分包括步進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，圓錐面及其他基準面，車削各種公制、英制、模數(shù)和徑節(jié)螺紋，并能進行鉆孔，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；縱向進給設(shè)計Abstra

3、ctThe 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 nume

4、rical control engine bed auxiliary unit, the programming machine and other some appurtenances is composed.This design topic is the CK6140 numerical control bedroom lathe, CK is the numerical control lathe, 61 is the horizontal lathe, 40 is on the lathe bed the biggest work piece rotation diameter is

5、 400mm.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

6、 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目 錄摘要1ABSTRACT2目錄3序言4第一章總體方案51.1CK6140的現(xiàn)狀和發(fā)展51.2 CK6140數(shù)控臥式車床的總體方案論證與擬定51.2.1 CK6140數(shù)控臥式車床的擬定5第二章

7、主軸箱部分設(shè)計計算說明72.1 主運動部分計算7參數(shù)的確定7傳動設(shè)計8轉(zhuǎn)速圖的擬定10帶輪直徑和齒輪齒數(shù)的確定14第三章控制系統(tǒng)設(shè)計363.1繪制控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖363.2選擇中央處理單元（CPU）的類型373.4 I/O接口電路及輔助電路設(shè)計39小結(jié)43參考文獻44序言 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

8、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

9、畢業(yè)設(shè)計實例具有典型性和實用性。第一章總體方案1.1 CK6140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，PC微機的發(fā)展尤為突出，無論是軟硬件還是外器件的進展日新月異，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

10、，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1.2 CK6140數(shù)控臥式車床的總體方案論證與擬定1.2.1 CK61

11、40數(shù)控臥式車床的擬定1.CK6140數(shù)控臥式車床具有定位，縱向和橫向的直線插補功能，還能要求暫停，進行循環(huán)加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選取連續(xù)控制系統(tǒng)。2.CK6140數(shù)控臥式車床屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進給伺服系統(tǒng)應(yīng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。3.根據(jù)設(shè)計所給出的條件，主運動部分z=18級，即傳動方案的選擇采用有級變速最高轉(zhuǎn)速是2000r/min，最低轉(zhuǎn)速是40r/min，。4.根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機控制系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴展程序存儲器，擴展數(shù)據(jù)存儲器，I/O接口電路，包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)信息的顯

12、示器，包括光電隔離電路和步進電機驅(qū)動電路。此外，系統(tǒng)中還應(yīng)該包括脈沖發(fā)生電路和其他輔助電路。5.縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機，齒輪副，絲桿螺母副組成，它的傳動比應(yīng)滿足機床所要求的。6.為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小，傳動效率的滾珠絲桿螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機構(gòu)，以提高傳動剛度和消除間隙。齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機構(gòu)。7.采用滾動導(dǎo)軌可以減少導(dǎo)軌間的摩擦阻力，便于工作臺實現(xiàn)精確和微量移動，且潤滑方法簡單。（附注：伺服系統(tǒng)總體方案框圖1.1）圖1.1伺服系統(tǒng)總體方案框圖第二章 主軸箱部分設(shè)計計算說明2.1 主運動部分計算2.1.1 參數(shù)的確定一. 了解車床的基

13、本情況和特點-車床的規(guī)格系列和類型1. 通用機床的規(guī)格和類型有系列型譜作為設(shè)計時應(yīng)該遵照的基礎(chǔ)。 2.車床的主參數(shù)（規(guī)格尺寸）和基本參數(shù)（GB1582-79，JB/Z143-79）：最大的工件回轉(zhuǎn)直徑D（mm）是400；刀架上最大工件回轉(zhuǎn)直徑D1大于或等于200；主軸通孔直徑d要大于或等于36；主軸頭號（JB2521-79）是6；最大工件長度L是7502000；主軸轉(zhuǎn)速范圍是：321600；級數(shù)范圍是：18；縱向進給量mm/r0.032.5；主電機功率（kw）是5.510。二. 參數(shù)確定的步驟和方法1. 極限切削速度umaxumin根據(jù)典型的和可能的工藝選取極限切削速度要考慮：工序種類 工藝要

14、求 刀具和工件材料等因素。允許的切速極限參考值如機床主軸變速箱設(shè)計指導(dǎo)書。然而，根據(jù)本次設(shè)計的需要選取的值如下：取umax=300m/min； umin=30m/min。2. 主軸的極限轉(zhuǎn)速計算車床主軸的極限轉(zhuǎn)速時的加工直徑，按經(jīng)驗分別取（0.10.2）D和（0.450.5）D。由于D=400mm，則主軸極限轉(zhuǎn)速應(yīng)為： nmax=r/min 2.1=2000r/min ； nmin=r/min 2.2 =40r/min ； 3. 主電機功率動力參數(shù)的確定 合理地確定電機功率N，使用的功率實際情況既能充分的發(fā)揮其使用性能，滿足生產(chǎn)需要，又不致使電機經(jīng)常輕載而降低功率因素。 目前，確定機床電機功率

15、的常用方法很多，而本次設(shè)計中采用的是：估算法，它是一種按典型加工條件（工藝種類、加工材料、刀具、切削用量）進行估算。根據(jù)此方法，中型車床典型重切削條件下的用量：根據(jù)設(shè)計書表中推薦的數(shù)值： 取 P=5.5kw2.1.2 傳動設(shè)計一.傳動結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)的選擇結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)對于分析和選擇簡單的串聯(lián)式的傳動不失為有用的方法，但對于分析復(fù)雜的傳動并想由此導(dǎo)出實際的方案，就并非十分有效，可考慮到本次設(shè)計的需要可以參考一下這個方案。確定傳動組及各傳動組中傳動副的數(shù)目級數(shù)為Z的傳動系統(tǒng)有若干個順序的傳動組組成，各傳動組分別有Z1、Z2、Z3個傳動副。即 Z=Z1 Z2 Z3 2.4傳動副數(shù)由于結(jié)構(gòu)的限制以2或

16、3為合適，即變速級數(shù)Z應(yīng)為2和3的因子:Z= 2.5可以有幾種方案，由于篇幅的原因就不一一列出了，在此只把已經(jīng)選定了的和本次設(shè)計所須的正確的方案列出，具體的內(nèi)容如下：傳動齒輪數(shù)目 2x（3+3+2）+2x2+1=21個軸向尺寸 19b傳動軸數(shù)目 6根圖2.1 總的傳動系統(tǒng)二.組傳動順序的安排18級轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)的傳動組，可以安排成：3x3x2，2x3x3，或3x2x3選擇傳動組安排方式時，要考慮到機床主軸變速箱的具體結(jié)構(gòu)、裝置和性能。在軸上摩擦離合器時，應(yīng)減小軸向尺寸，第一傳動組的傳動副不能多，以2為宜，本次設(shè)計中就是采用的2，一對是傳向正傳運動的，另一個是傳向反向運動的。主軸對加工精度、表面粗

17、糙度的影響大，因此主軸上齒輪少些為好，最后一個傳動組的傳動副選用2，或者用一個定比傳動副。三. 傳動系統(tǒng)的擴大順序的安排對于18級的傳動可以有三種方案，準確的說應(yīng)該不只有這三個方案，可為了使結(jié)構(gòu)和其他方面不復(fù)雜，同時為了滿足設(shè)計的需要，選擇的設(shè)計方案是： 18=313329傳動方案的擴大順序與傳動順序可以一致也可以不一致，在此設(shè)計中，擴大順序和傳動順序就是一致的。這種擴大順序和傳動順序一致，稱為順序擴大傳動。四. 傳動組的變速范圍的極限植齒輪傳動副最小傳動比umin，最大傳動比umax2，決定了一個傳動組的最大變速范圍rmax=umax/nmin8 因此，要按照參考書中所給出的表，淘汰傳動組變

18、速范圍超過極限值的所有傳動方案。極限傳動比及指數(shù)x，值為：極限傳動比指數(shù) 1.26 x：umin= 6值；umax=2 3（x+）值：umin=8 92.1.3 轉(zhuǎn)速圖的擬定運動參數(shù)確定以后，主軸各級轉(zhuǎn)速就已知，切削耗能確定了電機功率。在此基礎(chǔ)上，選擇電機型號，確定各中間傳動軸的轉(zhuǎn)速，這樣就擬定主運動的轉(zhuǎn)圖，使主運動逐步具體化。一. 主電機的選定 中型機床上，一般都采用三相交流異步電機為動力源，可以在系列中選用。在選擇電機型號時，應(yīng)按以下步驟進行：1. 電機功率N：根據(jù)機床切削能力的要求確定電機功率。但電機產(chǎn)品的功率已經(jīng)標準化，因此，按要求應(yīng)選取相近的標準值。 N=5.5kw2.電機轉(zhuǎn)速nd異

19、步電機的轉(zhuǎn)速有：3000、1500、1000、750r/min 在此處選擇的是： nd=1500r/min 這個選擇是根據(jù)電機的轉(zhuǎn)速與主軸最高轉(zhuǎn)速nmax和軸的轉(zhuǎn)速相近或相宜，以免采用過大的升速或過小的降速傳動。3.雙速和多速電機的應(yīng)用 根據(jù)本次設(shè)計機床的需要，所選用的是：雙速電機4.電機的安裝和外形 根據(jù)電機不同的安裝和使用的需要，有四種不同的外形結(jié)構(gòu)，用的最多的有底座式和發(fā)蘭式兩種。本次設(shè)計的機床所需選用的是外行安裝尺寸之一。具體的安裝圖可由手冊查到。5.常用電機的資料根據(jù)常用電機所提供的資料，選用： Y132S-4圖2.2 電動機軸從電機得到運動，經(jīng)傳動系統(tǒng)化成主軸各級轉(zhuǎn)速。電機轉(zhuǎn)速和主

20、軸最高轉(zhuǎn)速應(yīng)相接近。顯然，從傳動件在高速運轉(zhuǎn)下恒功率工作時所受扭矩最小來考慮，軸轉(zhuǎn)速不宜將電機轉(zhuǎn)速下降得太低。但如果軸上裝有摩擦離合器一類部件時，高速下摩擦損耗、發(fā)熱都將成為突出矛盾，因此，軸轉(zhuǎn)速不宜太高。軸裝有離合器的一些機床的電機、主軸、軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)：參考這些數(shù)據(jù)，可見，車床軸轉(zhuǎn)速一般取7001000r/min。另外，也要注意到電機與軸間的傳動方式，如用帶傳動時，降速比不宜太大，否則軸上帶輪太大，和主軸尾端可能干涉。因此，本次設(shè)計選用： n1=960r/min三.中間傳動軸的轉(zhuǎn)速 對于中間傳動軸的轉(zhuǎn)速的考慮原則是：妥善解決結(jié)構(gòu)尺寸大小與噪音、震動等性能要求之間的矛盾。 中間傳動軸的轉(zhuǎn)速較高時

21、（如采用先升后降的傳動），中間轉(zhuǎn)動軸和齒輪承受扭矩小，可以使用軸徑和齒輪模數(shù)小寫：d、 m，從而可以使用結(jié)構(gòu)緊湊。但是，這將引起空載功率N空和噪音Lp（一般機床容許噪音應(yīng)小于85dB）加大： N空=) KW 2.6式中：C-系數(shù)，兩支承滾動或滑動軸承C=8.5，三支承滾動軸承C=10；da-所有中間軸軸頸的平均直徑（mm）；d主主軸前后軸頸的平均直徑（mm）；n主軸轉(zhuǎn)速（r/min）。 2.7（mz）a所有中間傳動齒輪的分度圓直徑的平均值mm；（mz）主主軸上齒輪的分度圓的平均值mm；q-傳到主軸所經(jīng)過的齒輪對數(shù)；-主軸齒輪螺旋角；C1、K-系數(shù)，根據(jù)機床類型及制造水平選取。我國中型車床、銑床

22、C1=3.5。車床K=54，銑床K=50.5。從上訴經(jīng)驗公式可知：主軸轉(zhuǎn)速n主和中間傳動軸的轉(zhuǎn)速和n對機床噪音和發(fā)熱的關(guān)系。確定中間傳動軸的轉(zhuǎn)速時，應(yīng)結(jié)合實際情況作相應(yīng)修正：1.功率教大的重切削機床，一般主軸轉(zhuǎn)速較低，中間軸的轉(zhuǎn)速適當取高一些，對減小結(jié)構(gòu)尺寸的效果較明顯。2.速輕載或精密車床，中間軸轉(zhuǎn)速宜取低一些。3.控制齒輪圓周速度u8m/s（可用7級精度齒輪）。在此條件下，可適當選用較高的中間軸轉(zhuǎn)速。四.齒輪傳動比的限制 機床主傳動系統(tǒng)中，齒輪副的極限傳動比：1. 升速傳動中，最大傳動比umax2。過大，容易引起震動和噪音。2.降速傳動中，最小傳動比umin1/4。過小，則使主動齒輪與被動

23、齒輪的直徑相差太大，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)龐大。圖2.3 主運動的轉(zhuǎn)速圖 帶輪直徑和齒輪齒數(shù)的確定根據(jù)擬定的轉(zhuǎn)速圖上的各傳動比，就可以確定帶輪直徑和齒輪的齒數(shù)。一. 帶輪直徑確定的方法、步驟1.選擇三角型號一般機床上的都采用三角帶。根據(jù)電機轉(zhuǎn)速和功率查圖即可確定型號（詳情見機床主軸變速箱設(shè)計指導(dǎo)4-1節(jié)）。但圖中的解并非只有一種，應(yīng)使傳動帶數(shù)為35根為宜。本次設(shè)計中所選的帶輪型號和帶輪的根數(shù)如下： B型帶輪 選取3根2.確定帶輪的最小直徑Dmin（D?。└鞣N型號膠帶推薦了最小帶輪直徑，直接查表即可確定。根據(jù)皮帶的型號，從教科書機械設(shè)計基礎(chǔ)教程查表可?。?Dmin=140mm3.計算大帶輪直徑D大根據(jù)要求的

24、傳動比u和滑功率確定D大。當帶輪為降速時：三角膠帶的滑動率=2%。三角傳動中，在保證最小包角大于120度的條件下，傳動比可取1/7u3。對中型通用機床，一般取12.5為宜。因此，137.2mmD大343mm經(jīng)查表取：D大=212mm二. 確定齒輪齒數(shù) 用計算法或查表法確定齒輪齒數(shù)，后者更為簡單。根據(jù)要求的傳動比u和初步定出的傳動齒輪副齒數(shù)和Sz，查表即可求出小齒輪齒數(shù)。 在本次設(shè)計中采用的就是常用傳動比的適用齒數(shù)（小齒輪）表就見教科書機床簡明設(shè)計手冊。不過在表中選取的時候應(yīng)注意以下幾個問題：1. 不產(chǎn)生根切。一般去Zmin1820。2. 保證強度和防止熱處理變形過大，齒輪齒根圓到鍵槽的壁厚2m

25、m，一般取>5mm則zmin6.5+，具體的尺寸可參考圖。3. 同一傳動組的各對齒輪副的中心距應(yīng)該相等。若莫數(shù)相同時，則齒數(shù)和亦應(yīng)相等。但由于傳動比的要求，尤其是在傳動中使用了公用齒輪后，常常滿足比了上述要求。機床上可用修正齒輪，在一定范圍內(nèi)調(diào)整中心距使其相等。但修正量不能太大，一般齒數(shù)差不能超過34個齒。4. 防止各種碰撞和干涉三聯(lián)滑移齒輪的相鄰的齒數(shù)差應(yīng)大于4。應(yīng)避免齒輪和軸之間相撞，出現(xiàn)以上的情況可以采用相應(yīng)的措施來補救。5. 在同時滿足以上的條件下齒輪齒數(shù)的確定已經(jīng)可以初步定出，具體的各個齒輪齒數(shù)可以見傳動圖上所標寫的。6. 確定軸間距：軸間距是由齒輪齒數(shù)和后面計算并且經(jīng)驗算而確

26、定的模數(shù)m而確定的，具體的計算值如下（模數(shù)和齒輪的齒數(shù)而確定的軸間距必須滿足以上的幾個條件）：軸與軸之間的距離：取m=2.5mm，由轉(zhuǎn)速圖而確定 2.8齒輪1與2之間的中心距： 2.9 軸與軸之間的距離：取m=2.5mm，由轉(zhuǎn)速圖而確定的傳動比見圖， 2.10齒輪3與4之間的中心距： 2.11 軸與軸之間的距離：取m=3.5mm，由轉(zhuǎn)速圖而確定的傳動比 2.12 齒輪9與10之間的中心距： 2.13軸軸之間的中心距離：取m=3.5mm，由轉(zhuǎn)速圖而確定的傳動比 2.14 2.15主軸到脈沖軸的中心距：取m=3.5mm，傳動比 2.16 2.17軸到反轉(zhuǎn)軸軸的中心距：取m=2.5mm，傳動比 2.

27、18 2.19 由齒頂高 2.20 齒頂高和齒跟高只與所取的模數(shù)m有關(guān)?？芍=2.5mm時， 取m=3.5mm時：三. 主軸轉(zhuǎn)速系列的驗算主軸轉(zhuǎn)速在使用上并不要十分準確，轉(zhuǎn)速稍高或稍低并無太大影響。但標牌上標準數(shù)列的數(shù)值一般也不允許與實際轉(zhuǎn)速相差太大。由確定的齒輪齒數(shù)所得的實際轉(zhuǎn)速與傳動設(shè)計理論值難以完全相符合，需要驗算主軸各級轉(zhuǎn)速，最大誤差不得超過正負10（-1）%。即或按公式：n=-2%+6% 2.21如果超差，要根據(jù)誤差的正負以及引起誤差的主要環(huán)節(jié)，重新調(diào)整齒數(shù)，使轉(zhuǎn)速數(shù)列得到改善。主運動傳動鏈的傳動路線表達式如下：圖2.4 主傳動路線所有主軸的詳細的校核如下：2.392.40校核后

28、，合格。一. 三角帶傳動的計算三角帶傳動中，軸間距A可以較大。由于是摩擦傳遞，帶與輪槽間會有打滑，亦可因而緩和沖擊及隔離震動，使傳動平穩(wěn)。帶傳動結(jié)構(gòu)簡單，但尺寸，機床中多用于電機輸出軸的定比傳動。1. 選擇三角帶的型號根據(jù)計算功率Nj（kw）和小帶輪n1（r/min）查圖選擇帶的型號。計算功率Nj=KWNd kW式中 Nd電機的額定功率， KW工作情況系數(shù)。車床的起動載荷輕，工作載荷穩(wěn)定，二班制工作時，取：KW=1.1帶的型號是： B型號2. 確定帶輪的計算直徑D1、D2 1）.小帶輪計算直徑D1皮帶輪的直徑越小，帶的彎曲應(yīng)力就越大。為提高帶的使用壽命，小帶輪直徑D1不宜過小，要求大雨許用最小

29、帶輪直徑Dmin，即D1Dmin。各型號帶對應(yīng)的最小帶直徑Dmin可查表。D1=140r/min2）.大帶輪計算直徑D2 2.59 =212r/min式中: n1-小帶輪轉(zhuǎn)速r/min; n2-大帶輪轉(zhuǎn)速r/min;-帶的滑動系數(shù),一般取0.02.算后應(yīng)將數(shù)字圓整為整數(shù)。3）.確定三角帶速度u具體的計算過程如下： = 2.60 =10.6m/s對于O、A、B、C型膠帶，5m/su25m/s。而u=510m/s時最為經(jīng)濟耐用。此速度完全符合B型皮帶的轉(zhuǎn)速。4）.初定中心距A0：帶輪的中心距，通常根據(jù)機床總體布局初步選定，一般可以在下列范圍內(nèi)選?。?A0=（0.62）（D1+D2） mm 2.61

30、=352（0.62）mm=211.2mm704mm取 A0=704 mm 距過小，將降低帶的壽命；中心距過大時，會引起帶振動。中型車床電機軸至變速箱帶輪的中心距一般為750850mm。5）.確定三角帶的計算長度L0及內(nèi)周長LN。三角帶的計算長度是通過三角帶截面重心的長度。 2.62= =1960.67mm圓整到標準的計算長度 L=2033 mm經(jīng)查表 LN=2000 mm修正值 Y=336）.驗算三角帶的擾曲次數(shù)u40 次/s （則合格） 2.63式中：m-帶輪個數(shù)。如u超限。可加大L（加大A）或降低u（減少D2、D1）來解決。代入數(shù)據(jù)得 2.64 =10.5 次/s 40 次/s是合格的，不

31、需作出任何修改。7）.確定實際中心距A 2.65=740 mm8）.驗算小帶輪包角1 2.66如果1過小，應(yīng)加大中心距或加張緊裝置。代入數(shù)值如下：=180°-5.6°=174.4°120°經(jīng)校核合格。9）.確定三角帶根數(shù)z 2.67式中：N0-單根三角帶在1=180°、特定長度、平穩(wěn)工作情況下傳遞的功率值。 C1-包角系數(shù)。參數(shù)的選擇可以根據(jù)書中的表差取：N0=2.69C1=0.98Kw=1.1帶入數(shù)值得： 所以，傳動帶根數(shù)選3根。此公式中所有的參數(shù)沒有作特別說明的都是從機床主軸變速箱設(shè)計指導(dǎo)二.傳動軸的估算和驗算傳動軸除了應(yīng)滿足強度要求外，還

32、應(yīng)滿足剛度要求。強度要求保證軸在反復(fù)載荷和扭轉(zhuǎn)載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機床主傳動系統(tǒng)精度要求較高，不允許有較大的變形。因此，疲勞強度不是主要矛盾。除了載荷很大的情況外，可以不必驗算軸的強度。剛度要求保證軸在載荷下不致產(chǎn)生過大的變形。如果剛度不足，軸上的零件如齒輪、軸承等將由于軸的變形過大而不能正常工作，或者產(chǎn)生振動和噪聲、發(fā)熱、過早磨損而失效。因此，必須保證傳動軸有足夠的剛度。通常，先按扭轉(zhuǎn)剛度估算軸的直徑，畫出草圖之后，再根據(jù)受力情況、結(jié)構(gòu)布置和有關(guān)尺寸，驗算彎曲剛度。1.傳動軸直徑的估算傳動軸直徑按扭矩剛度用下列公式估算傳動軸直徑：2.68其中：N該傳動軸的輸入功率N=Nd kw 2.6

33、9Nd電機額定功率；從電機到該傳動軸之間傳動件的傳動效率的乘積（不計該軸軸承上的效率）。nf該傳動軸的計算轉(zhuǎn)速r/min。計算轉(zhuǎn)速nf是傳動件能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速。各傳動件的計算轉(zhuǎn)速可以從轉(zhuǎn)速圖上，按主軸的計算轉(zhuǎn)速和相應(yīng)的傳動關(guān)系而確定，而中型車床主軸的計算轉(zhuǎn)速為： 2.70每米長度上允許的扭轉(zhuǎn)角（deg/m），可根據(jù)傳動軸的要求選取。根據(jù)參考書中所給出的公式和本次設(shè)計所必須滿足的條件，在傳動過程中所有軸的直徑的估算如下： nj（主）=nminz/3-1 2.71 =125 r/min主軸 nj=n6=125 r/min ； 軸 nj=n7=160 r/min ； 軸 nj=n11=400

34、 r/min ； 軸 nj=n14=800 r/min ； 軸 nj=960 r/min ；由 ： 2.72則計算主軸和中間軸的直徑d如下：主軸 d5=64 mm ； 軸 d4=40 mm ； 軸 d3=40 mm ； 軸 d2=40 mm ； 軸 d1=30 mm ；3. 傳動軸剛度的驗算： 1）.軸的彎曲變形的條件和允許值機床主傳動的彎曲剛度驗算，主要驗算軸上裝齒輪和軸承處的橈度y和傾角。各類軸的橈度y和裝齒輪和軸承處傾角，應(yīng)小于彎曲剛度的許用值Y和值，即： yY； 2.73 2.74由于書寫量比較大而篇幅不足的原因，所以在此就省了。2）.軸的彎曲變形計算公式計算軸本身變形產(chǎn)生的橈度y和傾

35、角時，一般常將軸簡化為集中載荷下的簡支梁，按參考書中的表中的有關(guān)公式進行計算。當軸的直徑相差不大且計算精度要求不高時，可把軸看作等徑軸，采用平均直徑來進行計算。計算花鍵軸的剛度時可采用直徑或當量直徑。由于本次設(shè)計的說明書的篇幅和時間的關(guān)系就不在此詳細的列出了。但一般的計算公式為： 2.75 2.76矩形花鍵軸：平均直徑 2.77 當量直徑 2.78慣性距 2.79本次設(shè)計機床中長采用矩形花鍵軸的：花 鍵 軸 尺寸（GB1144-74） 平均直徑 當量直徑極慣性距 慣性距28 27.845897629488 37.5 37.78 200058 100029 61.5 61.76 1428706

36、714353根據(jù)本次設(shè)計的情況，主軸的剛度要求必須進行校核，具體的剛度校核結(jié)果如下：a）.首先，把主軸上的軸承所能承受的載荷在機械設(shè)計手冊3中查出，見下：深溝球軸承 其基本額定載荷為：推力球軸承 其基本額定載荷為：雙列圓錐滾子軸承 其基本額定載荷為：b）.計算軸上的載荷圖2.5 軸的結(jié)構(gòu)圖與彎矩扭矩圖主軸上齒輪在高速轉(zhuǎn)動時所產(chǎn)生的載荷：齒輪1：2.79齒輪2：2.80c）.校核傾角和橈度經(jīng)查表得：安裝圓錐滾子軸承處 安裝深溝球軸承處安裝推力球軸承處計算主軸圓軸的平均直徑和慣性矩：2.81 2.82 2.83傾角：對2.842.85 2.862.87對2.882.892.902.91在點C處的傾

37、角 2.92 2.93在點B處的傾角 2.94在點A處的傾角2.95橈度：對 2.96 2.97 2.98對2.99 2.100 2.101 2.102根據(jù)表選用 2.103由此可得在主軸上的剛度是完全合格的。三.齒輪模數(shù)的估算和計算按接觸疲勞和彎曲強度計算齒輪模數(shù)比較復(fù)雜，而且有些系數(shù)只有在齒輪個參數(shù)都已知道后方可確定，所以只在草圖畫完之后校核用。在畫草圖之前，先估算，再選用標準齒輪模數(shù)。齒輪彎曲疲勞的計算： 2.104齒面點蝕的估算： 2.105其中nj為大齒輪的計算轉(zhuǎn)速，A為齒輪中心距。由中心距A及齒數(shù)z1、z2求出模數(shù)： 2.106 根據(jù)估算所得mj的值，由標準的模數(shù)表查取相近的標準模

38、數(shù)。計算（驗算）：結(jié)構(gòu)確定后，齒輪的工作條件、空間安排、材料和精度等級等都已確定，才可能核驗齒輪的接觸疲勞和彎曲疲勞強度值是否滿足要求。根據(jù)接觸疲勞計算齒輪模數(shù)公式為： 2.107根據(jù)彎曲疲勞計算齒輪模數(shù)公式為： 2.108式中：N-計算齒輪傳遞的額定功率；-計算齒輪（小齒輪）的計算轉(zhuǎn)速r/min；-齒寬系數(shù)=b/m，常取610；-計算齒輪的齒數(shù)，一般取傳動中最小齒輪的齒數(shù)； i-大齒輪和小齒輪餓齒數(shù)比，“+”用于外嚙合，“-”用于內(nèi)嚙合；-壽命系數(shù)，；-工作期限系數(shù)，；齒輪等傳動件在接觸和彎曲腳變載荷下的疲勞曲線指數(shù)m和基準循環(huán)次數(shù)C0；n-齒輪的最低轉(zhuǎn)速r/min；T-預(yù)定的齒輪工作期限，

39、中型機床推薦：T=15，00020，000h；Kn-轉(zhuǎn)速變化系數(shù)；KN-功率利用系數(shù)；Kq-材料強化系數(shù)。幅值低的交變載荷可使金屬材料的晶粒邊界強化，起著阻止疲勞細縫擴展的作用；Ks（壽命系數(shù)）的及值Ksmax，Ksmin當時，則取K1-工作情況系數(shù)。中等沖擊的主運動：K1=1.21.6；K2-動載荷系數(shù)；K3-齒向載荷分布系數(shù)；Y-齒形系數(shù)；-許用彎曲、接觸應(yīng)力Mpa。本次設(shè)計中的模數(shù)計算與選取如下：1.軸傳到軸的模數(shù)：齒輪接觸疲勞的計算： 2.109齒輪彎曲疲勞的計算： 2.110取A=72mm 2.111計算（驗算）核驗齒輪的接觸疲勞和彎曲疲勞強度值是否滿足要求。根據(jù)接觸疲勞計算齒輪模數(shù)

40、公式為：經(jīng)查表?。?2.112取N=5.5KW，代入公式得：2.113根據(jù)彎曲疲勞計算齒輪模數(shù)公式為：查表取代入公式得：2.1142.115經(jīng)校核和查表取m=2.5mm。2.軸傳到軸的模數(shù)：齒輪接觸疲勞的計算：2.116經(jīng)校核取m=2.5mm。齒輪彎曲疲勞的計算：2.117取A=90mm 2.118經(jīng)校核和查表?。喝j=2.5mm3.軸傳到軸的模數(shù)：齒輪接觸疲勞的計算：2.119齒輪彎曲疲勞的計算： 2.120取A=122mm 2.121經(jīng)校核和查表?。喝j=3.5mm4.軸傳到軸的模數(shù)：齒輪接觸疲勞的計算： 2.122齒輪彎曲疲勞的計算： 2.123取A=192mm2.124經(jīng)校核和查表

41、取：取m=3.5mm以上所有的模數(shù)的選取都是根據(jù)參考書機械原理所提供的模數(shù)表中選取的標準值。四.電磁離合器的選擇摩擦電磁離合器目前在數(shù)控機床中應(yīng)用十分廣泛，因為它可以在運轉(zhuǎn)中自動的接通或脫開，且具有結(jié)合平穩(wěn)，沒有沖擊、構(gòu)造緊湊的特點，部分零件已經(jīng)標準化，多用于機床主傳動。選用時應(yīng)作必要的計算。根據(jù)初步的計算可從離合器的選擇與運用一書中選取，所有的作圖和計算尺寸都見書中的表。1.按扭距選擇一般應(yīng)使用和設(shè)計的離合器的額定靜扭距Mj和額定扭距Md滿足工作要求，由于普通車床是在空載下啟動和反向的，故只需按離合器結(jié)合后的靜負載扭距來選。即： 2.125對于需要在負載下啟動和變速，或啟動時間有特殊要求時，

42、應(yīng)按動扭距設(shè)計離合器。2.步驟：1）.決定外摩擦片的內(nèi)徑d。根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，如為軸裝式時，摩擦片的內(nèi)徑d應(yīng)比安裝軸的軸徑大26mm。2）.選擇摩擦片尺寸： 可以在參考書中選擇，具體的型號見圖紙。3）.計算摩擦面對數(shù)z 2.126式中：f-摩擦片間的摩擦系數(shù)（有表可選）；-許用壓強MPa（有表可選）； D-摩擦片內(nèi)片外徑mm（有表可選）； d-摩擦片外片內(nèi)徑mm（有表可選）； Ku-速度修正系數(shù)（有表可選）； Kz-結(jié)合面數(shù)修正系數(shù)（有表可選）； Km-結(jié)合次數(shù)修正系數(shù)（有表可選）。代入數(shù)值得：取Z=9。第三章 控制系統(tǒng)設(shè)計3.1繪制控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)總體方案及機械結(jié)構(gòu)的控制要求，控制系統(tǒng)選用M

43、CS-51系列單片機組成，縱向、橫向方向均采用步進電機控制，三個坐標均采用硬件環(huán)形分配器，控制系統(tǒng)的功能包括、X向、Y向伺服運動；、鍵盤顯示；、面板管理、行程控制、其他功能、例如光隔離電路、功率放大電路、紅綠燈顯示硬件電路主要由以下幾部分組成：、 主控制器，即中央處理單元（CPU）;、 總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；、 存儲器，包括RAM和ROM；、 接口，即I/O輸入輸出接口電路；、 外部設(shè)備，如鍵盤，顯示器及光電輸入等。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1所示 圖3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2.選擇中央處理單元（CPU）的類型在微機控制系統(tǒng)中CPU的選擇主要考慮以下因素：(1)、時鐘頻率和

44、字長，這個指標將控制數(shù)據(jù)處理的速度；(2)、可擴展存儲器的容量；(3)、指令系統(tǒng)功能，影響編程的靈活性；(4)、I/O口擴展能力，即對外部設(shè)備控制的能力；(5)、開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件；此外，還應(yīng)考慮到系統(tǒng)的應(yīng)用場合，控制對象對各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟價格比等經(jīng)濟性的要求。綜合考慮以上因素，這里我們選用8031芯片作為CPU3.3存儲器擴展電路設(shè)計由于8031芯片內(nèi)部無程序存儲器，需要擴展外部程序存儲器支持，同時8031內(nèi)部只有128B的數(shù)據(jù)存儲器供用戶使用，也不能滿足控制系統(tǒng)的要求，故需要擴展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。一、程序存儲器的擴展8031的程序存儲器的尋址空間為64字節(jié)，8

45、031片內(nèi)不帶ROM，用作程序存儲器的器件是EPROM。根據(jù)控制系的要求，這里，我們擴展2片2764程序存儲器。二. 地址鎖存器由于8031芯片的口是分時傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線的，故8031擴展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器，常用的地址鎖存器芯片是742S373，742S373是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器，其引腳與8031芯片的連接。三. 譯碼電路設(shè)計由于這里擴展的容量較大，擴展多個外圍芯片。因此，這里使用譯碼法來進行編址。譯碼電路可使用現(xiàn)有的譯碼芯片，這里我們選用3-8譯碼器（74LS138）這種芯片，輸入端占用3根最高位地址線，剩余的13根低位地址線可作為片內(nèi)地址線，74LS138譯碼器的8根

46、輸出線分別對應(yīng)8個8K字節(jié)的地址空間。38031與2764芯片的連接(1)、地址線的連接 8031芯片的和用來傳送地址和數(shù)據(jù)?？趥魉透?位地址，口傳送低8位地址和數(shù)據(jù)，因此采用74LS373鎖存器，鎖存低8位地址，以實現(xiàn)口地址和數(shù)據(jù)的分時傳送ALE作為74LS373的選用信號，當ALE為高電平時，鎖存器的輸入和輸出透明，此時不需鎖存。當ALE從高電平變?yōu)榈碗娖?，出現(xiàn)下降沿時，低8位地址鎖存入地址鎖存器中，74LS373的輸出不再隨輸入變化，這樣口就用來傳送數(shù)據(jù)，6031芯片的口和74LS373的送出口工組成16位地址線，2764是8KB需要13根地址線，低8位接74LS373的芯片的輸出，接8

47、031芯片的。系統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片2764芯片的片選信號分別接74LS373譯碼器的和，系統(tǒng)復(fù)位后程序從0000H開始執(zhí)行。(2)、數(shù)據(jù)線的連接 2764芯片的8位數(shù)據(jù)線與8031口直接連接單片機規(guī)定指令碼火熱數(shù)據(jù)都是由口讀入，數(shù)位對應(yīng)即可。(3)、控制線的連接 8031芯片的（外部程序存儲器的讀選通信號）與2764芯片的端相連，8031芯片的ALE（地址鎖存允許信號）接地址鎖存器74LS373的G引腳。二、數(shù)據(jù)存儲器的擴展由于8031芯片內(nèi)部RAM只有128字節(jié)供用戶使用，遠不能滿足系統(tǒng)需要，因此需要擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器（RAM）。常用的數(shù)據(jù)存儲器有6116(2Kx8)，6264(8Kx

48、8)等，這里我們選用6264(8Kx8)，擴展片6264，8031與6264的連接方式與6031和2764的連接大致相同，不同的是，RAM讀輸信號與8031芯片的引腳連接，RAM寫輸信號與8031的相連。由于程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器獨立編址，地址可以重復(fù)使用，因此，片6264的片選信號也分別接74LS373譯碼器的和3. I/O接口電路及輔助電路設(shè)計一、 I/O接口電路設(shè)計8031單片機共有四個位并行 I/O，但可供用戶使用的只有口和部分口，不能滿足輸入輸出口的需要，因此系統(tǒng)必須擴展輸入輸出接口電路。這里根據(jù)系統(tǒng)功能及需要,擴展一片8155和一片8255可編程接&#

49、160;I/O口芯片.8155的片選信號接74LS138的端,8255芯片的片選信號接74LS138的。 74LS138三八譯碼器有三個輸入A、B、C分別接8031，輸出個輸出，低電平有效。對應(yīng)輸入A、B、C的000到111的種組合，其中對應(yīng)位000，對應(yīng)位111。74LS138還有三個使能端，其中兩個（和）為低電平使能，另一個為高電平使能。只有當使能端均處于有效電平時，輸出才能產(chǎn)生，否則輸出處于高電平無效狀態(tài)。  I/O接口芯片與外部設(shè)備的連接是這樣安排的，8155芯片的作為顯示器段選信號輸出，是顯示器的為選信號輸出，是鍵盤掃描輸入。8155芯片的IO/M引腳接8031的因為使用8155的I/O，故為高電平。8255芯片接X向、Y向和Z向步進電機硬件環(huán)形分配器，為輸出，為三個方向的點動及回零輸入，為面板上的選擇開關(guān)鍵輸入，設(shè)有編輯、單步運行、自動、手動、手動等方式。系統(tǒng)個芯片都采用全地址譯嗎，個存儲器及I/O接口芯片的地址編碼見參考書。X向、Y向和Z向步進電機硬件環(huán)形分配器采用YB015，相通五相十拍方式工作，故，引腳接+5V，三個芯片的選同輸出控制分別接8255的、，清零接8255的，正反轉(zhuǎn)控制端接8255的、，時鐘輸入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以解決脈沖分配器輸出脈沖的頻率。為實現(xiàn)