数控组合机床设计 机电一体化毕业论文.docx
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数控组合机床设计机电一体化毕业论文
摘要
目前，先进制造技术已广泛应用到工业，民用各个领域中，如汽车制造，船舶制造，石油化工等。
计算机技术的飞速发展使先进制造技术的发展如虎添翼，并有了质的飞跃。
因此，市场对先进制造技术中的生产设备——数控机床的需求也大大提升。
数控机床是国家工业化道路上的必然选择。
随着科学技术不断发展，数控机床的发展也越来越快。
复合加工机床已成为机床发展的一个重要方向。
因为复合加工机床突出体现了工件在一次装卡中完成大部分或全部加工工序，从而达到减少机床和夹具，免去工序间的搬运和储存，提高工件加工精度，缩短加工周期和节约作业面积的目的。
本文简单介绍了数控机床的发展趋势，以及未来组合机床的发展重点和组合机床的特点。
针对被加工零件做了组合机床的总体设计，由零件图绘制被加工零件工序图，机床联系尺寸图，以及绘制过程的重要点和注意点。
由零件孔的位置和动力确定主轴箱内各轴的齿轮之间的传动关系，由各种参数绘制主轴箱总图。
最后设计硬件电路图控制刀具的运动。
关键词：
组合机床主轴箱数控
第一部分数控组合机床的发展趋势及特点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．01
1.1数控组合机床的发展趋势及特点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．01
1.2组合机床与同类不同机床相比的优点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．01
第二部分组合数控机床工艺方案的拟定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．03
2.1工艺基准面的分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．03
2.1.1已给定工艺基准及夹压部位．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．03
2.1.2选择工艺基面的原则及注意事项．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．03
2.2加工工艺分析计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．04
第三部分数控组合机床的总体设计方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．05
3.1被加工零件的工序图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．05
3.2加工示意图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．05
3.2.1刀具的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．06
3.2.2切削用量的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．06
3.2.3接杆的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．07
3.2.4导向结构的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．08
3.2.5动力头工作循环及其行程的确定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．09
3.3机床联系尺寸图的绘制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
3.3.1动力部件的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
3.3.2绘制机床联系尺寸图应考虑的注意事项．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
3.3.3组合机床床身设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
3.4组合机床主轴箱设计改进．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20
3.4.1概要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20
3.4.2主轴箱的设计思路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
第四部分硬件电路图的选择设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
4.1微机数控系统的设计内容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
4.2MCS-51系列单片机及其扩展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
4.2.1MCS-51单片机的选择及简述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
4.2.2单片机的系统扩展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
4.2.3存储器扩展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28
4.2.4I/O口的扩展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29
8155引脚的功能．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31
8255引脚的功能．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32
备注．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34
设计总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35
参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36
致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．37
第一部分数控组合机床的发展趋势及特点
1.1当前数控组合机床技术的发展趋势及特点
目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。
当今数控机床正在朝着以下几个方向发展：
1．高速度、高精度化。
速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。
2．多功能化。
配有自动换刀机构的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔等多种工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工。
3．智能化。
现代数控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。
4．数控编程自动化。
随着计算机应用技术的发展，目前ｃａｄ／ｃａｍ图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。
5．可靠性最大化。
数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。
6．控制系统小型化。
数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。
1.2组合机床和万能机床和专用机床的相比的特点：
组合机床有重新改装的优越性，他的通用零部件可以多次重复利用。
1.组合机床是按具体的加工对象专门设计的。
因而可以按最合理的工艺过程进行加工。
2.在组合机床上可以同时从几个方向采用多把刀具对几个工件进行加工。
他是实现集中工序的最好途径，是提高生产效率的有效设备。
3.组合机床是多轴对箱体零件一个面上的许多孔同时进行加工。
这样就能比较好的保证个孔相互之间的精度要求，提高产品质量；减少了工件工序间的搬运，改善劳动条件；也减少了机床占地面积。
4.由于机床大多数零.部件是同类的通用部件，这就简化了机床的维护和修理。
必要时可以更换整个部件，以提高机床的维修速度。
5．组合机床的通用部件可以组织专门工厂集中生产。
这样可以采用专用高效设备进行加工，有利于提高通用部件的性能，降低制造成本。
第二部分组合机床工艺方案的制定
2.1工艺基面的分析
2.1.1已给定工艺基准及夹压部位
N面（三点）、Ø62B11（一点）、L面（二点）
夹压部位：
G面
2.1.2选择工艺基面的原则及注意问题
（a）应当尽量选用设计基面作为在组合钻床上加工用的定位基面。
这样能减少累积误差，有利于保证加工精度。
（b）选择的定位基面应确保工件稳定定位。
（c）选择基面时要保证在一次安装下，能对尽可能多的面进行加工。
这样便于有效地集中加工工序，提高机床生产率，保证加工部位相互间的精度要求。
（d）统一基面的原则。
即在各台机床上采取共同的定位基面来加工工件不同面上的孔，或对同一个面上的孔完成不同的工序。
这一原则对加工工序长的箱体件尤有必要。
（e）选择定位基面应考虑夹紧方便，夹具结构简单。
（f）当被加工零件不具备理想工艺基面时，可在机床夹具上增加辅助支承机构。
在选择工艺基面的同时要相应地决定夹压位置。
因为他定位的可靠，工作的稳定以及保证加工精度都有直接的影响。
2.2加工工艺的分析
组合机床用来钻孔是最常见的，也是最高效的加工方法。
钻孔有一般钻孔和钻深孔两种情况。
从钻深孔角度来看，钻孔深度为3～4倍直径的占大多数。
钻深孔时，为了防止切屑堵塞而引起钻头折断，要采取分级进给的办法，即在加工过程中钻头定期退出以排除切屑。
而我的任务是钻8个螺纹底孔（不通孔），应该注意以下的问题：
1.切屑排除困难。
由于切屑阻塞使扭矩增大，造成钻头经常折断。
这在加工钢件小直径深孔时尤为严重。
2.刀具冷却困难。
加工小直径深孔，冷却液不易进入加工空间，钻头发热严重，降低了钻头的使用寿命。
3.钻孔轴线容易歪斜。
由于钻头细长，强度与刚度很弱，特别当钻头刃磨得不对称时，钻孔很易偏斜。
第三部分组合机床的总体设计
3.1被加工零件的工序图
被加工零件工序图是根据选定的工艺方案，表示在一台机床上或一条自动线上完成的工艺内容、加工部位的尺寸及精度、技术要求、加工用定位基准、夹压部位、以及被加工零件的材料、硬度和在本机床加工前毛坯情况的图纸。
它是在原有的工件图基础上，以突出本机床或自动线加工内容，加上必要的说明绘制的，它是组合机床设计的主要依据，也是制造使用时调整机床、检查精度的重要技术文件。
被加工零件工序图应包括以下内容：
1）在图上应表示出被加工零件的形状，尤其是要设置中间导向时，应表示出工件内部筋的布置和尺寸，以便检查工件装进夹具是否相碰，以及刀具通过的可能性。
2）在图上应表示出加工用基面和夹压的方向及位置，以便依此进行夹具的支承，定位及夹压系统的设计。
3）在图上应表示出加工表面的尺寸、精度、光洁度、位置尺寸及精度和技术条件（包括对上道工序的要求及本机床保证的部分）。
4）图中还应注明被加工零件的名称、编号、材料、硬度以及被加工部位的余量。
3.2加工示意图
加工示意图，要放映机床的加工过程和加工方法，并决定浮动夹头或接杆的尺寸，刀具种类及数量，刀具长度及加工尺寸，主轴尺寸及伸出长度，主轴、刀具、导向与工件间的联系尺寸等。
加工示意图应绘制成展开图，其绘制顺序是：
首先，按比例绘制工件的外形及加工部位的展开图。
然后，根据工件加工要求及选定的加工方法绘制刀具，并确定导向形式、位置及尺寸，选择主轴和接杆。
从这些刀具中找出影响其联系尺寸的关键刀具，按其中最长的一根刀具，从主轴箱到工件间的最小距离来确定全部刀具、导向及工件之间的尺寸关系。
因此，在绘制加工示意图时，必须将拖架联系尺寸标出。
3.2.1刀具的选择
一台机床刀具选择是否合理，直接影响到机床的加工精度、生产率、和工作情况。
正确地选择刀具是一个相当重要的工作。
在组合机床上钻孔，大多采用工具厂生产的标准高速钢锥柄或者直柄麻花钻。
在本设计中，我们使用的是锥柄长麻花钻。
3.2.2切削用量的选择
组合机床的正常工作与合理的选用切削用量，（即确定合理的切削速度和工作进给量）有很大的关系。
切削用量选用得恰当，能使组合机床以最少的停车损失，最高的生产效率，最大的刀具寿命和最好的加工质量，也就是多快好省地进行生产。
由表2—7所列数值选择加工零件的切削用量。
表2-7用高速钢钻头加工铸铁件的切削用量
加工直径d
（毫米）
HB=160~200
HB=200~241
HB=300~400
v（米/分）
S转（毫米/转）
v（米/分）
S转（毫米/转）
v（米/分）
S转（毫米/转）
1~6
16~24
0.07~0.12
10~18
0.05~0.1
5~12
0.03~0.08
6~12
0.12~0.2
0.1~0.18
0.08~0.15
12~22
0.2~0.4
0.18~0.25
0.15~0.20
22~50
0.4~0.8
0.25~0.4
0.20~0.30
钻零件的4个M6和M10的螺纹孔，零件材料是：
QT450—10是球墨铸铁。
它的布氏硬度ＨＢ＝160～210所以应选择在HB=200-241范围内：
1）钻4个Φ6.8，由表选择S=0.12mm/rV=15m/min
M=D1.9S0.8HB0.6=6.81.9*0.120.8*2100.6
=173.1KG.MM
2）钻4个Φ12.8由表选择S=0.2mm/rV=15m/min
M=D1.9S0.8HB0.6=12.81.9*0.20.8*2100.6
=867KG.MM
由
式中M—轴所传递的扭矩（KG.MM）；
Wp—轴的抗扭截面模数（毫米3），实心轴的Wp≈0.2d3;
B–系数。
[Ψ]（度/米）
1/4
1/2
1
B
7.3
6.2
5.2
刚性主轴[Ψ]=1/4B=7.3
钻4个Φ6.8的孔时主轴直径D=14.89mm
钻4个Φ12.8的孔时主轴直径D=22.3mm
可以取钻4个Φ6.8的孔主轴直径D=20mm外伸的直径是30/20
钻4个Φ12.8的孔主轴直径D=25外伸的直径是38/26
3.2.3接杆的选择
为在主轴上装卡刀具，采用了接杆（有的工厂叫延伸轴）。
在钻孔、扩孔、锪孔、倒角及铰小孔时，通常采用接杆。
在选用接杆时，应尽量避免采用直径为15毫米的主轴。
基本尺寸如下表：
接杆号
D×S
莫氏号
类型
D1
D2
B
B1
L
l
L1
1
T14×2
1
A
20
23
10
1
185~485
85
2
T20×2
18
30
12
215~500
110
85
3
22
4
2
24
230~510
5
30
6
T26×2
1
B
20
38
2
215~510
65
7
2
A
24
230~520
8
30
9
3
34
250~540
注：
2长度L设计时根据实际需要，在表中所列尺寸范围内，当L小于520mm时按5的倍数选取，当l大于520时则按10的倍数来选取。
根据表格设计中钻4个Φ6.8孔时选取2号接杆
4个Φ12.8孔时选取6号接杆
3.2.4导向结构的选择
组合机床上加工孔时，除用刚性主轴加工的方案外，其尺寸和位置精度都是依靠夹具导向来保证的。
如何正确地选择导向结构，确定导向的参数和精度，是设计组合机床的重要内容，也是绘制加工示意图时要解决的问题。
钻夹具（俗称钻模）是用来在钻床上钻孔、扩孔、铰孔的机床夹具，通过钻套引导刀具进行加工是钻模的主要特点。
钻削时，被加工孔的尺寸和精度主要由刀具本身的尺寸和精度来保证，而孔的位置精度则由钻套在夹具上相对于定位元件的位置精度来确定
导向部分在钻孔时起引导作用，也是切削部分的后备部分
钻夹具的结构形式主要决定于工件被加工孔的分布位置情况，如有的孔系是分布在同一平面上、或分布在几个不同表面上、或分布在同一圆周上，还有的是单孔等等。
因此钻模的结构形式很多，常用的有以下几种：
1.固定式钻模。
2.回转式钻模。
3.移动式钻模。
4.翻转式钻模。
5.盖板式钻模。
6.滑柱式钻模。
钻套和钻模板是钻夹具上的特殊元件。
钻套装配在钻模板或夹具体上，其作用是确定被加工孔的位置和引导刀具，由于工件形状或被加工孔位置的特殊性，有时需要设计特殊结构的钻套，加工固定式导套在夹具上是固定不动的，
它通常由三个元件组成：
1压套螺钉，2可换导套，3中间套。
D
D
D1
D2
l
L1
m
R
D1
D2
L0
4～6
12
19
18
12
20
25
22
30
35
7
15.5
M8
16
12
＞6～8
14
21
20
8
16.5
＞8～10
16
23
22
20
25
35
30
35
45
9
17.5
＞10～12
18
26
25
10.5
19
＞12～15
22
31
30
25
35
45
35
45
55
13
21.5
＞15～18
25
36
35
15.5
24
＞18～21
30
41
40
35
45
55
45
55
65
18
26.5
＞21～25
35
46
45
20.5
29
＞25～30
40
51
50
45
55
65
55
65
75
22.5
32.5
M10
19
15
＞30～35
45
56
55
25
35
＞35～42
55
71
70
55
65
75
65
75
85
32.5
42.5
由表中选择加工示意图中的通用导套尺寸。
3.2.5动力头工作循环及其行程的确定
动力头工作循环一般包括快速进给、工作进给和快速退回等动作。
（1）工作进给长度的确定
工作进给长度应等于被加工部位长度与刀具切入和切出之和。
动力头工作进给的长度是按加工长度最大的孔来选取。
切入长度应根据工件端面的误差情况确定，一般为5～10毫米。
切出长度如表确定
工艺方法
钻孔
扩孔
铰孔
镗孔
切出长度（毫米）
1/3d+（3～8）
10～15
10～15
5～10
注：
1。
D为钻头直径（毫米）。
2.表中数值在刀具出口平面为已加工时取最小值，反之取最大值
（2）快速引进长度的确定
快速引进是动力头把刀具送到工作进给的位置，其长度按具体工作情况确定。
快速退回的长度的确定
快速退回的长度等于快速引进和工作进给的长度之和。
一般在固定式夹具钻孔的机床上，动力头快速退回的行程，只要把所以刀具退至导套内，不影响工件的装卸就行了。
（3）动力头总行程的确定
动力头的除了满足工作循环所需长度外，还要考虑装卸和调整刀具的方便性。
装卸刀具的理想情况是：
刀具退离导向套外端面的距离，要大于刀杆插入主轴孔内的长度。
3.3机床联系尺寸图的绘制
3.3.1动力部件的选择
动力部件用以实现切削刀具的旋转和进给运动或用于进给运动（动力滑台），是组合机床最主要的通用部件。
必须选用适合的动力部件，使机床具有先进的工艺水平和技术水平，以及良好的经济效果。
1）、电动机功率的确定
每种规格的动力头都有一定的功率范围，根据所选切削用量计算的切削功率及进给功率之需要，并适当的考虑提高切削用量的可能性（一般按30%考虑），选用相应规格的动力头，可按下列公式计算：
式中
——动力头电动机功率
——切削功率
——进给功率
——传动功率当主轴少于15根时，
=0.9，主轴多于15根时，
=0.8。
2）、进给力的计算
每个型号的动力头都有其最大允许的进给力。
选用时计算的切削进给抗力必须稍小于动力头允许的最大进给力，并注意主轴切削力的合力中心应处在动力头接合面的范围内，力求使其在动力头接合面的下方。
对4个
而言
切削功率为：
切削抗力为：
对4个
而言
切削功率
：
切削抗力：
主轴箱所需动力的验算：
切削总抗力：
切削总功率：
根据这个验算，认为电机选用3KW是适宜的。
型号
型式
电动机型号
电动机功率
（KW）
L3（mm）
电动机转速
（r/min）
输出轴转速
（r/min）
ITD32
I
Y100L1－4
2.2
320
1430
715
II
Y100L2－4
3.0
III
Y112M－4
4.0
340
1440
720
IV
Y100L－6
1.5
320
940
470
V
Y112M－6
2.2
340
ITD40
I
Y1132S－4
5.5
395
1440
720
II
Y132M－4
7.5
435
III
Y132S－6
3.0
395
960
480
IV
Y132M1－6
4.0
435
V
Y132M2－6
5.5
ITD50
I
Y132M－4
7.5
435
1440
720
II
Y132M1－6
4.0
960
480
III
Y132M2－6
5.5
IV
Y160M－4
11
490
1460
730
V
Y160M－6
7.5
970
485
ITD63
I
Y160M－4
11
490
1460
730
II
Y160L－4
15
535
III
Y160M－6
7.5
490
970
485
IV
Y160L－6
11
535
V
Y180M－4
18.5
560
1470
735
VI
Y180L－6
15
600
970
485
ITD80
I
Y180L－6
15
600
970
485
II
Y180M－4
18.5
560
1470
735
III
Y180L－4
22
600
IV
Y200L1－6
18.5
665
970
485
V
Y200L2－6
22
VI
Y200L－4
30
1470
735
ITD－ITD80动力箱联系尺寸：
3.3.2绘制机床联系尺寸图应考虑的注意事项
1）夹具轮廓尺寸的确定
夹具是用于定位和夹紧工件的，所以工件的轮廓尺寸和形状是确定夹具轮廓尺寸的依据。
夹具底座高度应视夹具大小而定。
既要保证有足够的刚性，又要考虑工件的装料高度。
为了便于布置定位元件，一般夹具底座的高度不小于240毫米。
2）中间底座尺寸的确定
中间底座长度的选定是比较灵活的，在确定时应照顾其他各部联系尺寸的合理性，以求得既符合节省的原则，又达到布局匀称。
还有要考虑铁屑的储存及排除，电气接线盒的安排，以及冷却液的储存，
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