【正文】 pleting the machine bed the principal axis39。s PLC control the of the design time constraints, only the principle of plete PLC control and structure analysis, and drawing the local ladder spindle control. Keywords： NC Machine Tool； Axis Housing； Servomechanism ； PLC Control 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第一章 臥式數(shù)控車床簡介 數(shù)控車床簡介 數(shù)控車床的發(fā)展方向 自第一臺數(shù)控機(jī)床在美國問世至今的半個世紀(jì)內(nèi)，機(jī)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(shí)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(jī)技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，PC微機(jī)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(jī)所采用的芯片集成化越來越高，功能越來越強(qiáng)，而成本卻越來越低，原來在大，中型機(jī)上才能實(shí)現(xiàn)的功能現(xiàn)在在微型機(jī)上就可以實(shí)現(xiàn)。在美國首先推出了基于 PC 微機(jī)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(jī)床。 數(shù)控技術(shù)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(shí)時智能化 （ 1） .用戶界面圖形化（ 2） .科學(xué)計算可視化（ 3） .插補(bǔ)和補(bǔ)償方式多樣化（ 4） .內(nèi)置高性能 PLC（ 5） .多媒體技術(shù)應(yīng)用 （ 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 數(shù)控車床特點(diǎn) 數(shù)控車床又稱數(shù)字控制（ Numbercal control，簡稱 NC）機(jī)床，它是 20 世紀(jì) 50 年代初發(fā)展起來的一種自動控制機(jī)床，而數(shù)控車床四其中的一類使用性很強(qiáng)的機(jī)床形式。數(shù)控車床是基于數(shù)字控制的，它與普通車床不同的是，數(shù)控車床的主機(jī)結(jié)構(gòu)上具有以下特點(diǎn)： （ 1） .由于大多數(shù)數(shù)控車床采用了高性能的主軸及伺服傳動系統(tǒng)，因此，數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)得到了簡化。 （ 2） .為了適應(yīng)數(shù)控車床連續(xù)地自動化加工，數(shù)控車床機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有較高的動態(tài)剛度，阻尼精度及耐磨性，熱變形較小。 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 （ 3）更多地采用高效傳動部件，如滾動絲桿副，直線滾動導(dǎo)軌高， CNC 裝置 這是數(shù)控車床的核心，用于實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲，數(shù)據(jù)的變換，插補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能。 CK6140 介紹及設(shè)計說明 CK6140 數(shù)控機(jī)床的簡介 CK6140 型數(shù)控車床，可進(jìn)行機(jī)械零件的粗加工及精加工，結(jié)構(gòu)可靠，操作方便，經(jīng)濟(jì)使用?？刂葡到y(tǒng)功能齊全，可靠性高。該機(jī)床可滿足眾多行業(yè)的需要，如：汽車、拖拉機(jī)、軍工、機(jī)械等行業(yè)。本機(jī)床特別適合軸類、盤類零件的內(nèi)外圓柱的表面、錐面、螺紋、鉆孔、鉸孔及曲面回轉(zhuǎn)體等零件進(jìn)行高效、大批量的車削加工。 ，導(dǎo)軌 采用山形－平面結(jié)合導(dǎo)軌形式并中頻淬火，淬硬層達(dá) 3mm，硬度達(dá) HRC52。 ；主軸箱設(shè)計時考慮到最小熱變形，采取散熱措施及相應(yīng)的減少主軸熱變形的措施，經(jīng)精心裝配，主軸具有溫升低、熱變形小，精度高的特點(diǎn)，使主軸長期工作時能保持主軸軸線的相對穩(wěn)定。 、縱向進(jìn)給均采用交流伺服電機(jī)與滾珠絲杠用高強(qiáng)度不銹鋼同步軟連接實(shí)現(xiàn)低噪音、無間隙直線運(yùn)動。 ，每工位所用時間為 2～ 秒，重復(fù)定位精度高達(dá) 0.003mm 內(nèi)。同時在設(shè)計制造中采用高精度大直徑齒 盤分度定位，具有剛性好，重切削時變形小等優(yōu)點(diǎn)。 ，配置手動尾座。 ，周期定量供油，方便、可靠，操作方便，用油省。 ，排屑方便、流暢。冷卻箱與主機(jī)分離，冷卻泵的流量大，揚(yáng)程高，工件和刀具都得到充分冷卻，保證工件的加工精度，提高刀具的使用壽命。 設(shè)計的有關(guān)說明 ①根據(jù)設(shè)計要求，機(jī)床型號為 CK6140. 按照 GB1537594金屬切削機(jī)床型號編制方法， ck6140 含義如下： C：類型號，車床類； K：數(shù)控 6：組別代號，表式臥式車床； 1：系列代號，代表臥式車床系； 40：主參數(shù)，最大加工直徑為 400mm。 ②功能設(shè)計： CK6140 臥式數(shù)控車床的功能為加工圓柱面，回轉(zhuǎn)成型面，螺紋及圓柱面 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 設(shè)計任務(wù) ①已知參數(shù) 表 11 設(shè)計參數(shù) 床身上最大回轉(zhuǎn)直徑 （ mm） 400 拖板上最大削直徑 （ mm） 195 最大頂尖行程 （ mm） 7501000 縱向最大行程 （ mm） 8001050 橫向最大行程 （ mm） 220 主軸通孔直徑 （ mm） 52 主軸孔錐度 莫氏 6 主軸轉(zhuǎn) 速 321600r/min 卡盤公稱直徑 250 主軸電機(jī)驅(qū)動方式 交流變頻 主電機(jī)功率 進(jìn)給驅(qū)動方式 交流伺服 X,Z 分辨率 ②任務(wù) CK6140 型數(shù)控機(jī)床總體設(shè)計計算 1） 主傳動系統(tǒng)總體設(shè)計：總體設(shè)計要求；主傳動形式選擇；主軸電機(jī)選擇及功率計算。 2） 進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體設(shè)計：進(jìn)給伺服系統(tǒng)選擇；各組成部分選擇。 機(jī)床主軸箱設(shè)計（變速系統(tǒng)的傳動和結(jié)構(gòu)設(shè)計） 1） 傳動設(shè)計：擬定主傳動參數(shù)、結(jié)構(gòu)網(wǎng)、轉(zhuǎn)速圖、確定齒輪齒數(shù)和帶輪直徑，主傳動的轉(zhuǎn)向與制動方式，畫出主運(yùn)動的傳動系統(tǒng)圖。 2） 動力計算 ，其中包括確定齒輪模數(shù)，軸的尺寸，軸承的形式和型號，以及其他有關(guān)的計算。 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 3） 確定變速系統(tǒng)的零件的徑向布置方案并繪制變速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和零件圖。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計 1）、選取步進(jìn)電機(jī)：按給定的參數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)膫鲃訖C(jī)構(gòu)和滾珠軸承，選擇步進(jìn)電機(jī)的型號； 2）、繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和零件圖。 機(jī)床主軸運(yùn)動可編程控制設(shè)計 根據(jù)機(jī)床主軸運(yùn)動的規(guī)律，簡要設(shè)計機(jī)床主軸運(yùn)動的 PLC 控制：包括主軸運(yùn)動控制梯形圖的繪制。 要求設(shè)計計算準(zhǔn)確，規(guī)范化，圖紙按國家標(biāo)準(zhǔn)繪制。 圖紙工作量： 1） 機(jī)床主軸箱裝配圖： 0號 2） 零件圖 3） 進(jìn)給伺服系 統(tǒng)裝配圖： 0號 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 第二章 CK6140 總體設(shè)計計算 總體設(shè)計要求 數(shù)控必須滿足使用部門的要求，也要適應(yīng)制造廠的生產(chǎn)條件。要做到技術(shù)上先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)上合理，好用，好造，好修。 一定的工藝范圍 加工的工序種類：數(shù)控加工圓柱面，回轉(zhuǎn)成型面，螺紋及內(nèi)圓柱面。 被加工零件的類型，材料及尺寸：車，選擇結(jié)構(gòu)鋼及鑄鋼，最大切削直徑： 200mm 刀具的種類及材料：車刀，選擇硬質(zhì)合金鋼 加工精度及表面光潔度 適應(yīng)的生產(chǎn)規(guī)模： 多品種小批量生產(chǎn)的零件 保證加工精度和表面光潔度 要求床身必須具備一定的幾何精度，傳動精度及動態(tài)精度，減少機(jī)床零件的磨損，在材料的選用及熱處理、零件表面光潔度以及潤滑等方面。 提高生產(chǎn)率及自動化程度 1）縮短機(jī)工時間（單位時間內(nèi)金屬的切除量要大） 2）縮短輔助時間（提高自動化程度） 生產(chǎn)率 Ｑ＝ 1/（ T總） =1/（ T 切 +T 輔 +T 準(zhǔn) /n）（件 /小時） 操作維修方面和使用安全 標(biāo)牌及操縱板的指標(biāo)符號，應(yīng)采用文獻(xiàn) [11]中規(guī)定的象形符號，應(yīng)考慮裝卸，檢修，調(diào)整 及運(yùn)輸，確保安全與健康。 成本低 1）注意品種系列化，部件通用化與零件標(biāo)準(zhǔn)化 2）保證性能的條件下，機(jī)床重量與功率之比要下，結(jié)構(gòu)簡單，零部件數(shù)目少及占地面積少。 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 機(jī)床的總體布局的確定 方案一、集中傳動式布局 集中傳動式布局將主軸組件和主傳動的全部變速機(jī)構(gòu)集中裝于同一個箱體內(nèi)。目前，多數(shù)機(jī)床采取這種布局方式。其優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊，便于實(shí)現(xiàn)集中操縱；箱體數(shù)少，在機(jī)床上安裝、調(diào)整方便。其缺點(diǎn)是：傳動件的振動和發(fā)熱會直接影響主軸的工作精度，降低加工質(zhì)量。因此，集中傳動式布局一般適用于普通精 度的中型和大型機(jī)床。 方案二、分離傳動布局 分離傳動布局將主軸組件和主傳動的大部分變速機(jī)構(gòu)分離裝于兩個箱體內(nèi)。某些高速或精密機(jī)床采用這種傳動布局方式。其優(yōu)點(diǎn)是：變速箱中產(chǎn)生的振動和熱量不易傳給主軸，從而減少了主軸的振動和熱變形；當(dāng)主軸箱采用振回（背輪）傳動時，主軸通過帶傳動直接得到高轉(zhuǎn)速，故運(yùn)作平穩(wěn)，加工表面質(zhì)量高。其缺點(diǎn)是：箱體數(shù)多，加工、裝配工作量較大，成本較高；位于傳動鏈后面的帶傳動，在低轉(zhuǎn)速時傳遞轉(zhuǎn)矩較大，容易打滑；更換傳動帶不方便等。因此，分離傳動布局適用于中小型高速或精密機(jī)床。 由于 CK6140 機(jī)床屬于普通精密的中型機(jī)床，故選用集中傳動式布局。 換向方向的選擇 方案一、電動機(jī)換向 電動機(jī)換向的特點(diǎn)與電動機(jī)開停類似。但因交流異步電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)速相同，主軸不會得到較高的反向轉(zhuǎn)速。在滿足機(jī)床使用性能的前提下，應(yīng)優(yōu)先考慮此種換向方式。 方案二、機(jī)械換向 在電動機(jī)轉(zhuǎn)向不變的情況下需要主軸換向時，可采用此種方式。 經(jīng)過比較，選用電動機(jī)換向方式，換向裝置放在傳動鏈的前面。 開停方式選擇 方案一、電動機(jī)開停 電動機(jī)開停方式的優(yōu)點(diǎn)是操縱方便省力，可簡化機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)。其缺點(diǎn)是直接起動電動機(jī)，沖擊較大；頻 繁起動會造成電動機(jī)發(fā)熱甚至燒損；若電動機(jī)功率大且經(jīng)常起動時，因起動電流較大會影響車間電網(wǎng)的正常供電。它適用于功率較小或起動不頻繁的機(jī)床。 方案二、機(jī)械開停 在電動機(jī)不停止運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，可采用機(jī)械開停方式使主軸起動或停止。 綜合方案一、二，在滿足機(jī)床使用性能的前提下，采用電動機(jī)開停方式。 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 制動方式選擇 方案一、電動機(jī)制動 制動時，讓電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向與其實(shí)際轉(zhuǎn)向相反，使之減速而迅即停轉(zhuǎn)，多采用反接制動、能耗制動等。電動機(jī)制動操縱方便省力，可簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)。 方案二、機(jī)械制動 在電動機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下需要制動 時，可采用此方式。 經(jīng)過比較，在滿足車床使用性能的前提下，采用電動機(jī)制動方式。 齒輪布置與排布 方案一、滑移齒輪的布置 通常，滑移齒輪可選用較小齒輪，如結(jié)構(gòu)需要也可選用較大齒輪。在一個變速組內(nèi)，滑移齒輪必須具有“空檔”位置，即只有當(dāng)一對齒輪完全脫開嚙合之后，才允許另一對齒輪開始進(jìn)入嚙合。 方案二、一個變速組內(nèi)的齒輪軸向排列 1）列與寬排列。一般采用滑移齒輪相互靠近的窄排列。 2）小齒數(shù)差排列。三聯(lián)滑移齒輪窄排列時相鄰兩齒輪的齒數(shù)差不得小于 4。當(dāng)齒數(shù)差小于 4 時，除采用增加齒數(shù)和或變位齒輪等措施外，還可 采用增加小齒數(shù)差排列，使最大與最小齒輪的齒數(shù)差不小于 4 即可，但軸向尺寸增大。 3）分組排列。將三聯(lián)或四聯(lián)滑移齒輪拆開兩組排列，可縮短軸向尺寸，且對齒數(shù)差無要求，但兩組需有聯(lián)鎖裝置。 4）順序變換排列。若要求轉(zhuǎn)速按大小順序變換時，可采用此種排列方式，但占有軸向尺寸較大。 方案三、兩個變速組的齒輪軸向排列。 1）并行排列。 2）錯排列。 3）公用齒輪排列。 齒輪的布置與排列直接影響到變速箱的尺寸大小，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的可能性以及變速操縱的方便性等。故經(jīng)過比較以上三種方案，選擇用兩個滑移齒輪，布置在主傳動軸上。 變速方式選擇 方案一、無級變速 無級變速在一定速度（或轉(zhuǎn)速）范圍內(nèi)能連續(xù)、任意地變速。它可選用最合理的切削速度，沒有速度損失，生產(chǎn)率得到提高；可在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，減少輔助時間；操縱方便；傳動平穩(wěn)等。機(jī)床主傳動采用的無級變速裝置主要有兩種： 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 1）無級變速器：它是靠摩擦來傳遞轉(zhuǎn)矩的，多用鋼球式、寬帶式結(jié)構(gòu)。 但它一般機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，維修較困難，效率低；因?yàn)槟Σ了枰恼龎毫^大，使變速器工作可靠性及壽命受到影響；變速范圍較窄（不超過 10），往往需要與有級變速箱串聯(lián)使用。它多用于中小型機(jī)床。 2）液壓、電氣無級變速裝置： 機(jī)床主傳動所采用的液壓馬達(dá)、直流電動機(jī)調(diào)速，往往因恒功率變速范圍小，恒轉(zhuǎn)矩變速范圍較大，而不能滿足主傳動的傳動要求，啊、在主軸低轉(zhuǎn)速時出現(xiàn)功率不足的現(xiàn)象，一般也需要與有級變速箱串聯(lián)使用。它多用于精密、大型機(jī)床或數(shù)控機(jī)床。 方案二、有級變速 有級（或分級）變速在若干固定速度（或轉(zhuǎn)速）級內(nèi)不連續(xù)地變速。通常它是由齒輪等