CK6140型数控车床主轴箱及进给系统设计

CK6140型数控车床主轴箱

及进给系统设计

摘 要

数控车床又称数字控制（Numbercal control，简称NC）机床。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。本次毕业设计课题是CK6140型数控车床主轴箱及进给系统设计。本设计是为了解决实际生产过程中的生产力低，提高生产率的问题。通过这次毕业设计，培养了自己理论联系实际的设计思想,综合运用了已修课程的基础理论并结合生产实际进行分析和解决工程实际问题的能力。巩固、深化和扩展了自己对普通机械独立设计的能力。通过对通用机械零件、常用机械传动和简单机械的设计，使我掌握了一般机械设计程序和方法，树立了正确的工程设计思想，培养了独立、全面、科学的工程设计能力。

关键词： 1、数控机床 2、开放式数控系统 3、电动机

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目 录

一、前言???????????????????????????1 二、总体方案??????????????????????????2

（一）CK6140的现状和发展??????????????????2 （二）CK6140数控车床及控制系统的总体方案??????????2 三、机械部分设计计算说明????????????????????3

（一）主运动部分计算????????????????????3 （二）横向进给运动设计??????????????????21 四、控制系统设计???????????????????????28

（一）数控系统硬件电路设计内容??????????????28 （二）存储器扩展电路设计?????????????????29 （三）I/O接口电路及辅助电路设计?????????????33 五、结论???????????????????????????39 致谢????????????????????????????40 参考文献??????????????????????????41

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一、前言

本次毕业设计课题是CK6140型数控车床主轴箱及进给系统设计。本设计是为了解决实际生产过程中的生产力低，提高生产率的问题。本次设计是学完所有大学期间本专业课程相关知识以后所进行的，是我们大学阶段最重要的教学环节，是对我三年半来所学知识的一次大检验。使我能够在毕业前将理论与实践更加融会贯通，加深了我对理论知识的理解，强化了实际生产中的感性认识。

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二、总体方案

（一）CK6140的现状和发展

数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品；其技术范围复盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术：(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术：(6)软件技术等。计算机对传统机械制造产业的渗透，完全改变了制造业。制造业不但成为工业化的象征，而且由于信息技术的渗透，使制造业犹如朝阳产业具有广阔的发展天地。数控技术的发展趋势：1、智能化；2、网络化；3、集成化；4、微机电控制系统；5、数字化。

我国数控产业发展的思考：1、注重系统配套；2、注重产品的可靠性；3、提倡创新，加强服务。

（二）CK6140数控车床及控制系统的总体方案

由于该设计给出的已知条件是18级变速，对于主轴箱的设计采用双联齿轮、三联齿轮、拨叉、电磁离合器实现主轴的变速、正转、反转。进给部分用数控系统控制纵横两方向的步进电机，实现X、Y两方向的进给运动；刀架采用电动刀架；参考的普通机床拆除其中的丝杠、光杠进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；在主轴后端加一主轴编码器，以便加工螺纹。

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三、机械部分设计计算说明

（一）主运动部分计算 1、参数的确定

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。

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是410mm；刀架上最大工件回转直径D1大于或等于220mm；主轴通孔直径d要大于或等于52mm；主轴锥度：莫氏6#；最大工件长度L是500～1000mm；主轴转速范围是：20～2000r/min；级数范围是：18；纵向进给量0.03～2mm/r；主电机功率是5.5kw （1）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

由已知条件可知:umax=200m/min, umin=6～10m/min。可取umin=9m/min ②主轴的极限转速

计算车床主轴的极限转速时的加工直径，按经验公式dmax=0.5～0.6D,dmin=0.2～0.25dmax；这里取dmax=0.5D，dmin=0.25dmax由于D=410mm，则主轴极限转速应为：

nmax?1000umax?dminr/min 3.1

=1242r/min

nmin?1000umin?dmaxr/min 3.2

=13.9r/min，取nmin 由于转速范围 Rn=

?14r/min ；

nmaxnmin =

1242=88.7 3.3 14

中型通用机床，常用的公比为1.26或1.41，本例考虑到适当减少相对速度损失，选定Ф=1.26

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Z?1?

lgRnlg??1?lg88.7?20.4lg1.26 3.4

取Z = 18级

各级转速数列可直接从标准数列表中查出。标准数列表给出了以Φ=1.06的从1～10000的数值，因Φ=1.26=1.064，从表中找到nmax=1600r/min，就可以每隔3个数值取一个数，得： 14，18，22.4，28，35.5，45，56，71，90，112，140，150，224，280，355，450，560，710。 ③主轴转速级数z和公比￠

nmax 已知 =Rn

nmin Rn=Фz-1且： z=2a x 3b 3.5

因机床的电动机转速往往比主轴的大多数转速高，变速系统以降速传动居多，因此，传动系统中若按传动顺序在前面的各轴转速较高，根据转矩公式（单位N.m）

P9500 T=，当传递功率一定时，转速较高的轴所传递的扭矩就较小，在n其他条件相同时，传动件（如轴、齿轮）的尺寸就较小，因此，常把传动副数较多的变速组安排在前面的高速轴上，这样可以节省材料，减少传动系统的转动惯量。因此选择结构式如下：

18=31?33?29 3.6 ④主电机功率—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=5.5kw 3.7

2、传动设计

（1）确定变速组的数目和各变速组中传动副的数目.

该机床的变速范围比较大,必须经过较长的传动链减速才能把电动机的转速降到主轴所需的转速,通常采用P=2或3,因此,18=3×3×2,共需三个变速组.

（2）确定不同传动副数的各变速组的排列次序,根据“前多后少” 的原则, 选择18=3×3×2的方案.

（3）确定变速组的扩大顺序,根据“前密后疏”的原则,选择8=31×33×29的结构式.

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（4）验算变速组的变速范围,最后扩大组的范围.r=Ф(kj-1)xj =Ф(2-1)×9 =8,在允许的变速范围之内.

（5）确定是否需要增加降速的定比传动副

该车床的主运动系统的总降速比为期不远16/1440 =1/90,三个变速组的最小降速比都为1/4.5.这样是无需增加降速的定比传动副,为使中间的二个变速组降速

缓慢，以减少结构的径向尺寸，在电动机轴Ⅰ到主传动系统前端的轴Ⅱ增加一对28/64的降速传动齿轮副,这样,也有利于变型机床的设计,改变降速传动齿轮副的传动比，就可以将主轴18级转速一起提高或降低。

3、拟定转速图

本例主传动系统需4根轴,再加上电动机轴:18级转速,画出转速图的格线如图2-6。 决定轴Ⅳ-Ⅴ的最小降速传动比主轴上的齿轮希望大一些,能起到飞轮的作用,所以最后一个变速组的最小降速传动比取极限值1/4,公比Ф=1.26,1.266 =4,因此从Ⅴ轴E点向上六格,在Ⅳ轴找到D点,连结DE线即为Ⅳ-Ⅴ轴的最小传动比.

决定其余变速组的最小传动比根据“前缓后急”的原则，轴Ⅲ-Ⅳ间取umin=1/Ф5,即从D点向上五格，在Ⅲ轴上取C点，同理，轴Ⅱ-Ⅲ间取umin=1/Ф5即从C点向上五格，在轴Ⅱ上找出B点，分别连结AB线、BC线、CD线，如图2-6所示。

画出各变速组的传动比连线按基本组的级比指数X0=1，第一扩大组的级比指数X1=3，第二扩大组的级比指数X2=9，画出各变速组的传动比连线如2-7所示，画出全部传动比连线，如2-8所示。

按2-8绘主传动系统图,此传动系统是CK6140型数控车床的主传动系统，如3-9：

图1：CK6140车床主运动转速图

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图2：CK6140车床传动系统图 4、带轮直径和齿轮齿数的确定 （1）齿轮齿数的确定

由转速图可以看出: Ua1 = 1/Ф5 = 1/3.17 Ua2 = 1/Ф4 = 1/2.52

Ua3 = 1/Ф3 = 1/2 3.8 令 Ua1 = Z1/Z1′ Ua2 = Z2/Z2′ Ua3 = Z3/Z3′

最小齿轮必然是在降速比最大的传动副Ua1中，即Z1 = Zmin 若取 Z1 = 18，则 Z1′ =Z1/Ua1=18×3.17=57.06 取Z1′=57齿数和SZ=Z1+Z1′=18+57=75 根据公式:Zj=UjSZ/1+Uj， Zj′=SZ/1+Uj 得：

Z2=Ua2SZ/1+Ua2=75*1/2.52/(1+1/2.52)=21

Z2′=SZ-Z2=75-21=54 3.9 Z3=Ua3SZ/1+Ua3=75*1/2/(1+1/2)=25 Z3′=SZ-Z3=75-25=50 同理,由转速图可知:Ub1 = 1/Ф5 = 1/3.17 Ub2 = 1/Ф2 = 1/1.58 Ub3 = Ф = 1.26

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令 Ub1 = Z4/Z4′ Ub2 = Z5/Z5′ Ub3 = Z6/Z6′

最小齿轮必然是在降速比最大的传动副Ub1中，即Z4 = Zmin 若取 Z4 = 22，则 Z′ 4=Z4/Ub1=22×3.17=69.74 取Z′4=70 齿数和SZ=Z′4+Z4=22+70=92

根据公式:Zj=UjSZ/1+Uj， Z′j=SZ/1+Uj 得：

Z5=Ub2SZ/1+Ub2 =92*1/1.58/(1+1/1.58)=36 Z′5=SZ-Z5=92-36=56 Z6=Ub3SZ/1+Ub3=92*1/1.26/(1+1/1.26)=41 Z′6=SZ-Z6=92-41=51

由转速图可以看出: Uc1 = 1/Ф6 = 1/4 Ua2 =Ф3= 2 Ua3 = 1/Ф3 = 1/2 令 U′ c1 = Z7/Z7U′

c2 = Z8/Z8最小齿轮必然是在降速比最大的传动副Uc1中，即Z7 = Zmin 若取 Z7 = 17，则 Z′ 7=Z7/Uc1=17*4=68 齿数和S′Z=Z7+Z7=17+68=85 根据公式:Zj=UjSZ/1+Uj， Z′j=SZ/1+Uj 得：

Z8=Uc2SZ/1+Uc2 =85*2/(1+2)=57 Z′8=SZ-Z2=85-57=28 主轴转速误差的计算:

取n = 630r/min,它经过传动齿轮18/57以后no变为:

no = n×18/57 = 630 × 18/57 =198.9 3.10 主轴的转速误差 = 1 - 198.9/200 = 1 - 0.9945= 0.0055 = 0.55% （2）带轮的设计 选择普通V带型号

由表示9-5查得KA = 1.1, 由式(9-10)得:

PC = KAP = 1.1×5.5KW = 6.05KW 3.11 由图9-7选用A型V带 确定带轮基准直径d1和d2

由表9-2取d1 = 125㎜,由式(9-6)得:

d2 = n1d1(1-ξ)/n2 = id1(1-ξ) = 2.3×125×(1-0.01)㎜ = 284.6㎜ 3.12 由表9-2取d2 = 300㎜,(虽使n2略有减少,但其误差小于5%,故允许). 验证带速 由式(9-12)得:

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1o8t.html