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1、CK6140数控卧式车床及控制系统的设计毕业论文CK6140数控卧式车床及控制系统的设计CK6140数控卧式车床及控制系统的设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的 指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和 致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不 包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体， 均已在文中作了明确的 说明并表示了谢意。作者签名： 日期：指导教师签名： 日期：使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使
2、用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本； 学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅 览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在 不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期：共59页 第1页CK6140数控卧式车床及控制系统的设计目录1总体方案 11.1 CK6140的现状和发展 11.2 CK6140数控卧式车床的总体方案论证与拟定 21.2.1 数控车床 41.2.2 CK6140数控卧式车床的拟定 42机械部分设计计算说明 32.1主运动部分计算 32.1.1 参数的确定
3、 52.1.2 传动设计 72.1.3转速图的拟定 72.1.4 带轮直径和齿轮齿数的确定 102.1.5传动件的估算和验算 172.1.6展开图设计 342.2纵向进给运动设计 492.2.1滚珠丝杆副的选择 502.2.2驱动电机的选用 523控制系统设计 543.1绘制控制系统结构框图 543.2.选择中央处理单元（CPU的类型 553.3存储器扩展电路设计 563. 4 I/O接口电路及辅助电路设计 57参考文献 59共59页 第5页数控车床又称数字控制(Numbercal control ，简称NC机床。它是20世纪50 年代初发展起来的一种自动控制机床，而数控车床是其中的一类实用性
4、很强的机床形 式。现在在很多中小型企业都已经在一定条件允许的情况下采用了。然而，伴随着数 控技术的发展，数控车床也正在迅猛的发展着。它是基于数字控制的，采用了数控技 术，是一个装有程序控制系统的机床。它是由主机，CNC驱动装置，数控机床的辅助装置，编程机及其他一些附属设备所组成。本次设计课题是CK6140数控卧室车床，CK是数控车床，61是卧式车床，40是床 身上最大工件回转直径为400mm此次设计包括机床的总体布局设计，纵向进给设计，其中还包括齿轮模数计算及 校核，主轴刚度的校核等。控制系统部分包括步进电机的选用及硬件电路设计和软件 系统设计，说明了芯片的扩展，键盘显示接口的设计等等。关键词
5、 数控机床；开放式数控系统；电动机装配图A0电器控制原理图A0加qq7474901281总体方案1.1 CK6140的现状和发展自第一台数控机床在美国问世至今的半个世纪内，机床数控技术的发展迅速，经 历了六代两个阶段的发展过程。 其中，第一个阶段为NC阶段；第二个阶段为CNC阶 段，从1974年微处理器开始用于数控系统，即为第五代数空系统。在近20多年内，在生产中，实际使用的数控系统大多是这第五代数控系统，其性能和可靠性随着技术 的发展得到了根本性的提高。从 20世纪90年代开始，微电子技术和计算机技术的发 展突飞猛进，PC微机的发展尤为突出，无论是软硬件还是外器件的进展日新月异，计算机所米用
6、的芯片集成化越来越高，功能越来越强，而成本却越来越低，原来在大， 中型机上才能实现的功能现在在微型机上就可以实现。在美国首先推出了基于PC微机的数控系统，即PCNC系统，它被划入为所谓的第六代数控系统。下面从数控系统的性能、功能和体系结构三方面讨论机床。数控技术的发展趋势：1. 性能方面的发展趋势(1) .咼速咼精度咼效(2) .柔性化（3）工艺复合和轴化（4）实时智能化2. 功能发展方面（1）.用户界面图形化（2）.科学计算可视化（3）插补和补偿方式多样化（4）内置高性能PLC（5）多媒体技术应用3. 体系结构的发展（1）.集成化（2）.模块化（3）.网络化（4）.开放式闭环控制模式1.2
7、CK6140数控卧式车床的总体方案论证与拟定1.2.1 数控车床数控车床又称数字控制（NumbercaI control,简称NC）机床，它是20世纪50年 代初发展起来的一种自动控制机床，而数控车床四其中的一类使用性很强的机床形式。 数控车床是基于数字控制的，它与普通车床不同的是，数控车床的主机结构上具有以 下特点：（1）.由于大多数数控车床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，因此，数控机床的 机械传动结构得到了简化。（2）.为了适应数控车床连续地自动化加工，数控车床机械结构，具有较高的动态刚 度，阻尼精度及耐磨性，热变形较小。（3） .更多地采用高效传动部件，如滚动丝杆副，直线滚动导轨高，C
8、NC装置这是数 控车床的核心，用于实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储，数据的变换，插补运算以及实现各种控制功能。1.2.2 CK6140数控卧式车床的拟定1. CK6140数控卧式车床具有定位，纵向和横向的直线插补功能，还能要求暂停，进行 循环加工等，因此，数控系统选取连续控制系统。2. CK6140数控卧式车床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，进给伺服系统应采用步进电机开环控制系统。3. 根据设计所给出的条件，主运动部分 z=18级，即传动方案的选择采用有级变速最高 转速是2000r/min，最低转速是40r/min，叩=1.26。4
9、. 根据系统的功能要求，微机控制系统中除了CPU夕卜，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 应该包括脉冲发生电路和其他辅助电路。5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，丝杆螺母副组成， 它的传动比应满足机床所要求的。6为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小，传动效率的滚珠丝杆螺 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。7.采用滚动导轨可以减少导轨间的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微
10、量移动，且润 滑方法简单。（附注：伺服系统总体方案框图1.1）光 电、A-J图1.1伺服系统总体方案框图2机械部分设计计算说明2.1主运动部分计算2.1.1 参数的确定一.了解车床的基本情况和特点-车床的规格系列和类型1. 通用机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应该遵照的基础。因此，对这些 基本知识和资料作些简要介绍。本次设计中的车床是普通型车床，其品种，用途，性 能和结构都是普通型车床所共有的，在此就不作出详细的解释和说明了CK6140数控卧式车床及控制系统的设计2. 车床的主参数（规格尺寸）和基本参数（ GB1582-79, JB/Z143-79）:最大的工件回转直径D（mm是400；刀
11、架上最大工件回转直径 Di大于或等于200； 主轴通孔直径d要大于或等于36；主轴头号（JB2521-79）是6;最大工件长度L是 7502000;主轴转速范围是：321600;级数范围是：18;纵向进给量 mm/r0.03 2.5 ;主电机功率（kw）是5.510。二. 参数确定的步骤和方法1. 极限切削速度umax、umin根据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类、工艺要求刀具和工件材料等因素。允许的切速极限参考值如机床主轴变速箱设计指导书。然而，根据本次设计的需要选取的值如下：取 umax=300m/min；u min=30m/min。2. 主轴的极限转速计算车床主轴的极限
12、转速时的加工直径，按经验分别取（0.10.2 ） D和（0.450.5 ） D。由于D=400mm则主轴极限转速应为：n1000U max.max=r/mi n,(0.1 0.2)二 D2.1=2000r/mi n ；n1000Uminmin=r/mi n ,(0.45 0.5f ：D2.2=40r/m in；由于转速范围Rnmax2000r/mi nn min40r/minJ J J J J J J J J J J2.3=50因为级数Z已知：Z=18 级。现以 =1.26和 =1.41代入R= a得 R=50和 355 ,因此取=1.26更为合适。各级转速数列可直接从标准数列表中查出。 标准
13、数列表给出了以 =1.06的从1 10000的数值，因 =1.26=1.064，从表中找到nmax=2000r/min，就可以每隔3个数值 取一个数，得：2000, 1600, 1250, 1000, 800, 630, 500, 400, 315, 250, 200, 160, 125，100, 80, 63, 50, 40。3. 主轴转速级数z和公比C共59页 第#页CK6140数控卧式车床及控制系统的设计n max已知：一 =Rnn minRn= Z 1且: z= 2a x 3b18=31x 32x 294. 主电机功率一动力参数的确定合理地确定电机功率N,使用的功率实际情况既能充分的发
14、挥其使用性能，满足生 产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。目前，确定机床电机功率的常用方法很多，而本次设计中采用的是：估算法，它 是一种按典型加工条件（工艺种类、加工材料、刀具、切削用量）进行估算。根据此 方法，中型车床典型重切削条件下的用量：根据设计书表中推荐的数值：取 P=5.5kw2.1.2 传动设计一. 传动结构式、结构网的选择结构式、结构网对于分析和选择简单的串联式的传动不失为有用的方法，但对于 分析复杂的传动并想由此导出实际的方案，就并非十分有效，可考虑到本次设计的需 要可以参考一下这个方案。确定传动组及各传动组中传动副的数目级数为Z的传动系统有若干个顺序的传动组组成，各传
15、动组分别有Zi、Z2、Z3,个传动副。即Z=Z1 Z2 Z3 ,2.4传动副数由于结构的限制以2或3为合适，即变速级数Z应为2和3的因子：Z= 2a x32 5可以有几种方案，由于篇幅的原因就不一一列出了，在此只把已经选定了的和本次设 计所须的正确的方案列出，具体的内容如下：传动齿轮数目2x（ 3+3+2）+2x2+1=21个轴向尺寸19b传动轴数目6根操纵机构简单，两个三联滑移齿轮，一个双联滑移齿轮图2.1总的传动系统二. 组传动顺序的安排18级转速传动系统的传动组，可以安排成：3x3x2, 2x3x3，或3x2x3选择传动组安排方式时，要考虑到机床主轴变速箱的具体结构、装置和性能。在I轴上
16、摩擦离合器时，应减小轴向尺寸，第一传动组的传动副不能多，以2为宜，本次设计中就是采用的2, 一对是传向正传运动的，另一个是传向反向运动的。主轴对加工精度、表面粗糙度的影响大，因此主轴上齿轮少些为好，最后一个传动组的传动副选用2,或者用一个定比传动副。三. 传动系统的扩大顺序的安排对于18级的传动可以有三种方案，准确的说应该不只有这三个方案，可为了使结 构和其他方面不复杂，同时为了满足设计的需要，选择的设计方案是：18=3 1 3 3 2 9传动方案的扩大顺序与传动顺序可以一致也可以不一致，在此设计中，扩大顺序和传 动顺序就是一致的。这种扩大顺序和传动顺序一致，称为顺序扩大传动。四. 传动组的变
17、速范围的极限植1齿轮传动副最小传动比umin -，最大传动比umax 1/4。过小，则使主动齿轮与被动齿轮的直径相 差太大，将导致结构庞大。图2.3主运动的转速图E O Q LTJ1 tE=- OU1 oo oounGKI ：i-1 O Ci021 口二门3 Cl 门IfeOIDS1 ooR o4匚I2.1.4带轮直径和齿轮齿数的确定根据拟定的转速图上的各传动比，就可以确定带轮直径和齿轮的齿数。一. 带轮直径确定的方法、步骤1. 选择三角型号一般机床上的都采用三角带。根据电机转速和功率查图即可确定型号（详情见机 床主轴变速箱设计指导4-1节）。但图中的解并非只有一种，应使传动带数为 35 根为
18、宜。本次设计中所选的带轮型号和带轮的根数如下：B型带轮选取3根2. 确定带轮的最小直径Dmin（D小）各种型号胶带推荐了最小带轮直径，直接查表即可确定。根据皮带的型号，从教科书机械设计基础教程 查表可取：Dmi n=140mm3. 计算大带轮直径D大根据要求的传动比u和滑功率&确定D大。当带轮为降速时：1D 大=D 小 _1 _ ；u三角胶带的滑动率& =2%三角传动中，在保证最小包角大于 120度的条件下，传动比可取1/7 u 1820。2. 保证强度和防止热处理变形过大，齿轮齿根圆到键槽的壁厚5 2mm般取S 5mm 则Zmin 6.5+ 2T，具体的尺寸可参考图。m3. 同一传动组的各对
19、齿轮副的中心距应该相等。若莫数相同时，则齿数和亦应相等。但由于传动比的要求，尤其是在传动中使用了公用齿轮后，常常满足比了上述要求。 机床上可用修正齿轮，在一定范围内调整中心距使其相等。 但修正量不能太大，一 般齿数差不能超过34个齿。4. 防止各种碰撞和干涉三联滑移齿轮的相邻的齿数差应大于 4。应避免齿轮和轴之间相撞，出现以上的情 况可以采用相应的措施来补救。5. 在同时满足以上的条件下齿轮齿数的确定已经可以初步定出，具体的各个齿轮齿数可以见传动图上所标写的。6. 确定轴间距：轴间距是由齿轮齿数和后面计算并且经验算而确定的模数m而确定的，具体的计算值如下（模数和齿轮的齿数而确定的轴间距必须满足
20、以上的几个条件）：I轴与U轴之间的距离：取m=2.5mm由转速图而确定 色=0.85Z2共59页 第17页4 = mz二 2.5mm 51=127.5mm2.8d2 二 mz=2.5mm 60=150mm齿轮1与2之间的中心距:aj d2127.5 1502.9=138.75mmII轴与川轴之间的距离:取m=2.5mm由转速图而确定的传动比见图,30.84829 0.557330.6253dmzj =2.5mm 382.10= 95mm d4 二 mz4=2.5mm 48 =120mm齿轮3与4之间的中心距:a2,3 d42=107.5mm2.11IH轴与W轴之间的距离:取m=3.5mm由转速
21、图而确定的传动比54= 1.63425633949-0.4= 0.8dmzg二 3.5mm 54=189mmdl0 二 mZ10=3.5mm 34二 119mm2.12齿轮9与10之间的中心距:d9 + d10_189 119 -2=154mmW轴V轴之间的中心距离：取m=3.5mm由转速图而确定的传动比20 =0.267865-1.9733d15 =mz15=3.5mm 202.14二 70mm小花=mz16=3.5mm 78=273mmd15 +d16补22.1570 273-2=171.5mm主轴到脉冲轴的中心距：取m=3.5mr，传动比i =1共59页 第23页di9 = mzi9二
22、3.5mm 332.16=115.5mmd20 = mz2o=3.5mm 33二 115.5mmd19 +d202.17115.5 115.5- 2=115.5mmI轴到反转轴切轴的中心距：取 m=2.5mr，传动比 i =1.47由齿顶高d?1 = mz2r=2.5mm 50=125mmd?2 = mz?2=2.5mm 34= 85mmd21 d22125 85-2=105mm2.182.19ha = hahf hha* c* m而取ha*二1c* = 0.25可 知：2.20齿顶高和齿跟高只与所取的模数 m有关。可知取m=2.5mn时寸，*ha = ha m = 1 2.5mm 二 2.5
23、mmhf 二 ha* c* m = 10.252.5mm = 3.125mm取m=3.5mn时寸:CK6140数控卧式车床及控制系统的设计*ha = ha m = 1 3.5mm = 3.5mmhf 二 ha* c* m = 10.253.5mm = 4.375mm三. 主轴转速系列的验算主轴转速在使用上并不要十分准确，转速稍高或稍低并无太大影响。但标牌上标 准数列的数值一般也不允许与实际转速相差太大。由确定的齿轮齿数所得的实际转速与传动设计理论值难以完全相符合，需要验算主轴各级转速，最大误差不得超过正负 10 （书-1 ） %即An = “实际一 “理论兰10伴-1 ）%或n理论按公式: n
24、=-2% +6%,2.21如果超差，要根据误差的正负以及引起误差的主要环节，重新调整齿数，使转速数列 得到改善。主运动传动链的传动路线表达式如下:：140丁212电动机 55KW】1440r / min 丿正转54342563397851T 6038 48335329157149丿图2.4主传动路线所有主轴的详细的校核如下：输入到 n 轴的转速 n =1440r/min 140 51 =8033/min ,2. 22212 603854651. n汇 汇 汇=803.3r/mi n x 2.478 = 1990.58r/m in2 2 34834 332.3.4.5.6 .7.8.9.10.1
25、1.1990.58 -20002000100% = 0.47%38 54 20n x3x5x2=803.3r/min x 0.322 = 258.64r/m i n48 34 78258.64 -250250100% = 3.46%38 25 65n803.3r/min 0.619 =497.58r / m in48 63 33n = 497.58 一500 100% = -0.48%500n 382520 =803.3r/min 0.08 = 64.66r/m in486378n=64.66-63100%=2.6%,6338 39 20n x x x =803.3r/min x 1.24 =
26、 997.66r/ m i n48 49 78997.66 -10001000100% - -0.23%383920484978= 803.3r/min 0.16 = 129.65r / m i129 65 -125.，n = i29.65 125 100% = 3.7%12533 54 65 n8 033r/m in 1.94 9= 1 5 6 55r/m i n53 34 332. 242. 2 52. 262. 272. 282. 292. 302. 312. 3 22.332. 342. 351565.6 -16001600100% = 2.0%335420n803.3r/min 0.
27、253 = 203.45r/m i n533478 n = 203.45 -20 100% = 1.7%2002. 362. 372.38332565n 沃艺x 仝x 岀=803.3r/mi n x 0.487 = 391.4r / m in2 39536333391 4 _400n = 391.4 400 100%2.0% , 2. 40400n 乂翌乂空乂20 =803.3r/mi n x 0.063 = 50.86r/m in2 41536378n =50.86 一50 100% =1.7%,2.4250333965n 汇空汇竺汇65 =803.3r/mi n x 0.977 = 784
28、.78r/m in2 4353 4933n = 784.78 -800 100% 1.9%, , ,2.44800CK6140数控卧式车床及控制系统的设计12.n33 39 20x x_803.3r/min x 0.127 _ 101.98r/m i n53 49 78 ，,2. 45in =J01.98 一100 00% = 2%1002.4613.n29 54 65x x_803.3r/min x 1.592 _1279.12r /min57 34 33 ，,2. 47.：n =：1279.12 _1250 100% = 2.3% 12502.4814.n295420 =803.3r/mi
29、n 0.207 = 166.22r/m in573478，,2. 49.：n =166.22 _160 100%= 3.8%,1602.501 5.n39256539 x 25x65 =803.3r/min x 0.398 = 319.78r/m i n576333,2. 51in =319.78 - 315100% =1.5% ,315,2. 5216.n29 25 20xxx=803.3r/min x0.0517 = 41.56r/min57 63 78,2. 5 3，n 二41.56 -40 100% =3.9%40,2. 541 7.n29 39 65803.3r/min 0.798
30、= 641.17r/mi n57 49 33 ，,2. 55=n=641.17 一630 100% =1.77%,630,2. 5618.n29 39 20x Jx zu _803.3r/min x0.104 83.3r /mi n57 49 78 ，,2. 57in =：83.3一80 100% =4.15%,802.58在主轴上的18级转速分别校核后，都合格。四. 传动系统图的绘制计算结果，用规定符号，以是适当比例方格纸上绘制出转速图和主传动系统图。2.1.5传动件的估算和验算传动方案确定后，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
31、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。对于本次设计，由于是毕业设计，所以先用手工画出草图，经自己和指导老师的 多次修改后，再用计算机绘出一. 三角带传动的计算三角带传动中，轴间距A可以较大。由于是摩擦传递，带与轮槽间会有打滑，亦 可因而缓和冲击及隔离震动，使传动平稳。带传动结构简单，但尺寸，机床中多用于 电机输出轴的定比传动。1. 选择三角带的型号根据计算功率N (kw)和小带
32、轮ni( r/min )查图选择带的型号。计算功率N=KN kW式中Nd电机的额定功率， Kw- 工作情况系数。车床的起动载荷轻，工作载荷稳定，二班制工作时，取：K=1.1带的型号是：B型号2. 确定带轮的计算直径 D、D1) .小带轮计算直径D皮带轮的直径越小，带的弯曲应力就越大。为提高带的使用寿命，小带轮直径D不宜过小，要求大雨许用最小带轮直径 Dnin，即Ddin。各型号带对应的最小带轮直径 Dnin可查表。D=140r/mi n2) .大带轮计算直径D22.59n1D2 = 1 D1 1- D1 1 - ； mm ,n2i=212r/min式中：n 1-小带轮转速r/min; n 2-
33、大带轮转速r/min;-带的滑动系数,一般取0.02.算后应将数字圆整为整数。3) .确定三角带速度u 具体的计算过程如下：；D n1um/ s60 1000n 401440/2.60=m/ s60 1000=10.6m/s对于 O A、B、C型胶带，5m/s u25m/s。共59页 第25页CK6140数控卧式车床及控制系统的设计而u=510m/s时最为经济耐用。此速度完全符合B型皮带的转速。4）.初定中心距A:带轮的中心距，通常根据机床总体布局初步选定，一般可以在下列范围内选取：A0= （0.6 2） （D+D） mm ,2.61=352 （0.6 2） mm =211.2mn704mm取
34、 A 0=704 mm距过小，将降低带的寿命；中心距过大时，会引起带振动。中型车床电机轴至变速 箱带轮的中心距一般为750850mm5）.确定三角带的计算长度L0及内周长Ln。三角带的计算长度是通过三角带截面重心的长度。22.62JI (D2 D1 )L2AqD1 D2mm ,24A04 704=2 704140212212 -140 mm2=1960.67mm圆整到标准的计算长度L=2033 mm经查表 l n=2000 mm修正值Y=336）.验算三角带的扰曲次数u1000mu 一、/ u 40 次 /sL式中：m-带轮个数。如u超限决。（则合格）2.63可加大L （加大A）或降低u （减少D2 D）来解代入数据得1000 2 10.6 u =2033=10.5 次/s是合格的，不需作出任何修改7）.确定实际中心距A i20经校核合格。9) .确定三角带根数zNi2.67z 二N gCi特定长度、平稳工作情况下传递的功率值。式中：N-单根三角带在 a i=i80、Ci-包角系数。参数的选择可以根据书中的表差取：2=2.69Ci=0.98Kw=i.i带入数值得：z二丄