数控车床总体设计及主轴箱设计
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。
车床适用于车削内外圆柱面，圆锥面及其他基准面，车削各种公制、英制、模数和径节螺纹，并能进行钻孔，铰孔和拉油槽等工作。设计主抽箱主要是从主传动系统的运动设计、主运动部件的结构设计和箱体这三方面进行设计。
主传动系统的运动设计有:确定极限转速、确定公比、确定转速级数、确定结构网和结构式、绘制转速图、确定齿轮齿数和拟定传动系统图。
主运动部件的结构设计有：带传动的设计、确定各种计算转速、确定齿轮模数、确定各轴最小直径和设计部分主轴主件。
关键词：数控机床；开放式数控系统；电动机；纵向进给设计
Abstract
The 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 numerical 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 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 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
目录
摘要 (1)
ABSTRACT (2)
目录 (3)
序言 (4)
第一章总体方案 (5)
1.1CK6140的现状和发展 (5)
1.2CK6140数控卧式车床的总体方案论证与拟定 (5)
1.2.1 CK6140数控卧式车床的拟定 (5)
第二章主轴箱部分设计计算说明 (7)
2.1主运动部分计算 (7)
2.1.1 参数的确定 (7)
2.1.2 传动设计 (8)
2.1.3 转速图的拟定 (10)
2.1.4 带轮直径和齿轮齿数的确定 (14)
第三章控制系统设计 (36)
3.1绘制控制系统结构框图 (36)
3.2选择中央处理单元（CPU）的类型 (37)
3.4 I/O接口电路及辅助电路设计 (39)
小结 (43)
参考文献 (44)
序言
数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。
数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：
1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。
2. 加工精度高；
3. 生产效率高；
4. 减轻劳动强度，改善劳动条件；
5. 良好的经济效益；
6. 有利于生产管理的现代化。
可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。
第一章总体方案
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，计算机所采用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）.高速高精度高效
（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 CK6140数控卧式车床的总体方案论证与拟定
1.2.1 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
ψ=。
高转速是2000r/min，最低转速是40r/min， 1.26
4.根据系统的功能要求，微机控制系统中除了CPU外，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量移动，且润滑方法简单。
（附注：伺服系统总体方案框图1.1）
图1.1伺服系统总体方案框图
第二章主轴箱部分设计计算说明
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。
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；刀架上最大工件回转直径D1
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750～2000；主轴转速范围是：32～1600；级数范围是：18；纵向进给量mm/r0.03～2.5；主电机功率（kw）是5.5～10。
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 ；
umin=30m/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，按经验分别取（0.1～0.2）
D 和（0.45～0.5）D 。由于D=400mm ，则主轴极限转速应为： nmax=
max 1000(0.1~0.2)u D
πr/min ……………………………… 2.1
=2000r/min ； nmin=
min 1000(0.45~0.5)u D πr/min …………………………… 2.2
=40r/min ；
3. 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 2.1.2 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，各传动组分别有Z1、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=23a b x ……………………………… 2.5
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
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