1、 1前言随着科学技术的不断发展，机械产品日趋精密、复杂，改型也日益频繁，对机床的性能、精度、自动化程度等提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程自动化是实现上述要求的重要技术措施之一，不仅能够提高产品质量和生产率，降低生产成本，还能改善工人的劳动条件。为此，许多企业采用自动机床、组合机床和专用机床组成自动或半自动生产线。但是，采用这种自动、高效的设备，需要很大的初期投资以及较长的生准备周期，只有在大批量的生产条件（如汽车、拖拉机、家用电器等工业主要零件的生产） ，才会有显著的经济效益。在机械制造工业中，单件、小批量生产的零件约占机械加工总量的70%80%。科学技术的进步和机械制造产品市场竞争的日
2、趋激烈，致使机械产品不断改型、更新换代，批量相对减少，质量要求越来越高。采用专用的自动机床加工这类零件就显得很不合理，而且调整或改装专用的“刚性”自动生产线投资大、周期长，有时从技术上甚至是不可能实现的。采用各类仿型机床，虽然可以部分地解决小批量复杂零件的精度很难达到的要求。为了解决上述问题，满足多品种、小批量，特别是结构复杂、精度要求高的零件的自动化生产，迫切需要一种灵活的、通用的、能够适用于产品频繁变化的“柔性”自动化机床。随着计算机科学技术的发展，1952 年，美国帕森斯公司(Parsons)和麻省理工学院（MIT）合作，研制成功了世界上第一台以数字计算机为基础的数字控制(numeric
3、al control,简称 NC)3 坐标直线插补铣床，从而使机械制造业进入了 一个新阶段。 因此，在毕业设计到来时，根据我们专业与企业的要求，在徐卫国老师的指导下，本人选择了数控车床的改造这一课题。通过研究，改造主要有三个部分：（1）主轴箱（2）电器（3）自动刀架此课题有本人承担，本人改造主轴箱中的主轴部件是机床重要组成部分之一。除了与普通机床一样要求具有良好的旋转精度、静刚度、抗振性、热稳定性及耐磨性外，由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，且数控机床要求的转速更高，功率大。所以数控机床的主轴部件在上述几方面要求更高且更严格。在主轴部件的改造方面，本人采取尽可能按原机床传动路线，并选用主
4、轴脉冲发生器来输出主轴转速，主轴转一转，主轴脉冲发生器 发出 1024 个脉冲。数控车床的电器也很重要，车床的自动化程度也就在此体现。电器方面，本人参考 CJK6256B 简易数控车床的电器原理，该结构简单，能2较好的实现对主轴电机主轴变频器，刀台电机正反转，风扇等等的控制。自动刀架也是数控车床与普通车床的重要区别之一，它具有准确的重复定位功能，具有较高的精度。3目录第一章数控机床的主传动及主轴部件1.1 数控机床主传动装置4-61.1.1 特点1.1.2 变速方式1.1.3 选择电动机1.1.4 选择带轮1.1.5 确定传动方式1.2 主轴组件设计7-91.2.1 主轴主件类型1.2.2 主
5、轴设计1.2.3 主轴支承1.2.4 主轴停止功能 11.3 中间轴的设计101.4 输入轴的设计111.5 主轴箱的装配12第二章电器13-14第三章自动刀架15结论16参考文献17附录184第一章数控机床的主传动及主轴组件1.1 数控机床主传动装置1.1.1 特点数控机床的主传动与普通机床的相比具有以下特点：（1） 主轴传动系统转速高，功率大，能满足数控机床大功率切削和高速切削的要求，实现机床高效率工作。（2） 传动系统调速范围较大，变速迅速可靠，并能实现自动无级调速，使切削工作始终在最佳状态下进行。（3） 为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上具有特殊的刀具安装结构。（4） 主轴部件要求有较
6、大的刚度和较高的精度。1.1.2 变速方式本人根据原机床结构采用双向内齿离合器来使主轴实现四级变速。1.1.3 选择电动机选用 Y160L-4 A 型鼠笼转子电动机系列。功率 15KW 转速 1460r/min.额定转矩2.2kn/m。1.1.4 选择带轮根据电动机的输出功率、输出轴所需的转速、工作时间，选择并校核带轮，确定小带轮与大带轮的基准直径，大带轮如装配图 所示，基准直径为 304mm，采用孔板式结构。此结构可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声，传动比较准确，传动精度高、平稳、噪声小，维修保养方便，不需润滑。采用无级变速主轴电机（直流或交流） ，主轴箱内齿轮变速级数很少（一般最多为四级）
7、 。主轴箱内设置齿轮变速，主要目的是重复利用电机的恒功率，输出范围一般多用于大中型机床，一部分小型机床为了获得强力切削也在应用。变速级改变通常是用液压控制齿轮滑移来实现，一般小型数控机床的主轴箱步设置齿轮变速机构其噪声与振动大大减少由于主轴功率特性在不断改进，无齿轮变速的主传动得到越来越多的应用。液压刀架使用广泛，性能比较稳定，电机带动的刀架没有液压管路，结构简单。1.1.5 确定传动方式5传动路线如下：离合器 1 拨叉向左 24电动机带轮离合器 1 拨叉向右 离合器 2 拨叉向左 603离合器 2 拨叉向右 6024603离合器 2 拨叉向左 24离合器 2 拨叉向右 602460361.2
8、 主轴组件设计主轴组件由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成。机床加工时，主轴带动工件或刀具直接参与表面成型运动，所以主轴的精度、刚度和热变形对加工质量和生产效率等有着重要的影响，而且由于数控机床在加工过程中心 线 的 平 均 空 间 位 置 称 为 瞬 时 回 转 中 心 线 。 瞬 时 回 转 中 心 线 相 对 于 理 想 回 转 中心 线 的 距 离 ， 就 是 主 轴 的 回 转 误 差 。 而 回 转不进行人为调整，这些影响就更为重要。（ 1） 回 转 精 度 高回 转 中 心 线 的 空 间 位 置 ， 在 理 想 的 情 况 下 应 是 固 定 不 变 的 ， 称
9、为 理 想 中 心 线 。 实 际 上 ，由 于 主 轴 组 件 中 各 种 因 素 的 影 响 ， 回 转 中 心 线 的 空 间 位 置 每 一 瞬 间 都 是 变 化 的 ， 这 些瞬 时 回 转 中 误 差 的 范 围 ， 就 是 主 轴 的 回 转 精 度 。 径 向 误 差 、 角 度 误 差 和 轴 向 误 差 很 少单 独 存 在 ， 当 径 向 误 差 和 角 度 误 差 同 时 存 在 时 ， 构 成 径 向 跳 动 ， 而 轴 向 误 差 和 角 度 误差 同 时 存 在 时 构 成 端 面 跳 动 。（ 2） 刚 度 大主 轴 组 件 的 刚 度 是 指 受 外 力 作
10、 用 时 ， 主 轴 组 件 抵 抗 变 形 的 能 力 。 主 轴 组 件 的 刚 度越 大 ， 主 轴 受 力 后 的 变 形 越 小 。 若 主 轴 组 件 的 刚 度 不 足 ， 在 切 削 力 及 其 它 力 的 作 用 下 ，主 轴 将 产 生 较 大 的 弹 性 变 形 ， 不 仅 影 响 工 件 的 加 工 质 量 ， 还 会 破 坏 齿 轮 、 轴 承 的 正 常工 作 条 件 ， 加 快 其 磨 损 ， 降 低 精 度 。 主 轴 部 件 的 刚 度 与 主 轴 的 结 构 尺 寸 、 支 承 跨 距 、所 选 用 的 轴 承 类 型 及 其 配 置 形 式 、 轴 承 间
11、 隙 的 调 整 、 主 轴 上 传 动 元 件 的 位 置 关 系 等 有 关 。（ 3） 抗 振 性 强主 轴 组 件 的 抗 振 性 是 指 切 削 加 工 时 ， 主 轴 保 持 平 稳 运 转 而 不 发 生 振 动 的 能 力 。 若主 轴 组 件 抗 振 性 差 ， 工 作 时 容 易 产 生 振 动 ， 不 仅 会 降 低 加 工 质 量 ， 而 且 限 制 了 机 床 生产 率 的 提 高 ， 使 就 刀 具 的 耐 用 度 下 降 。（ 4） 温 升 低主 轴 组 件 运 转 中 的 温 升 过 高 会 引 起 两 个 方 面 的 不 良 结 果 ： 一 是 主 轴 组 件
12、 和 箱 体 因热 膨 胀 而 变 形 ， 主 轴 的 回 转 中 心 线 和 机 床 其 它 元 件 的 相 对 位 置 发 生 变 化 ， 直 接 影 响 到加 工 精 度 ； 二 是 轴 承 等 元 件 会 因 温 度 过 高 而 改 变 已 调 好 的 间 隙 ， 破 坏 正 常 工 作 ， 严 重时 甚 至 会 发 生 “抱 轴 ”。 数 控 机 床 为 了 解 决 温 升 问 题 ， 一 般 采 用 恒 温 主 轴 箱 。（ 5） 耐 磨 性 好主轴组件必须有足够的耐磨性，以便能长期保持精度。主轴上易磨损的地方是刀具或工作安装部位，以及移动式主轴的工作表面。为了提高耐磨性，主轴的上
13、述部位应该淬火硬，或氮化处理，以提高硬度，增加耐磨性。主轴轴承也需要有良好的润滑，以提高其耐磨性。71.2.1 主轴组件的类型主轴组件按运动方式可分为五类：（1）只有旋转运动的主轴组件。这类主轴组件结构较为简单，如车床、铣床、和磨床等主轴组件。（2）既有旋转运动又有轴向进给运动的主轴组件。（3）既有旋转运动又有轴向调整移动的主轴组件。如滚齿机、部分立式铣床等的主轴组件。主轴在套筒内作旋转运动，并可根据需要随主轴套筒一起作轴向调整运动。主轴组件工作时，用其中的夹紧装置将主轴套筒夹紧在主轴箱内，以提高主轴部件的刚度。（4）既有旋转运动又有径向进给运动的主轴部件。如卧式镗床的平旋盘主轴组件、组合机床
14、的镗孔车端面头主轴组件。主轴作旋转运动时，装在主轴前端面平旋盘上的径向滑块可带动刀具作径向进给运动。（5）主轴作旋转运动又作行星运动的主轴部件。1.2.2 主轴设计主轴是主轴组件的重要组成部分，它的结构尺寸和形状、制造精度、材料及其热处理等。对主轴组件的工作性能都有很大的影响，其主要尺寸参数包括如下四个部分：（1）主轴直径（2）内孔直径（3）悬件长度（4）支承跨距根据原有结构，本人采用原有主轴，改变主轴支承方案来增强主轴的强度与刚性。1.2.3 主轴支承根据各段轴的直径，确定主轴支承。前支承用 3182132 型双短圆柱滚子轴承与 8218 推力球轴承，后支承采用 3182124 型双短圆柱滚
15、子轴承，中间辅助支承为 128 型单列滚珠轴承。这样不仅保证主轴的回转精度，也提高了主轴刚度和抗振性。由于运转中会发热，主轴必然会膨胀，为了吸收这个热膨胀量，希望后支承能沿轴向移动，容易使轴承受损。因此从提高后支承刚性和适应主轴热膨胀的要求来说，前支承采用 3182132 型双短圆柱滚子轴承为好，右端用端盖顶住，左面用调整螺母来预紧。81.2.4 主轴停止功能为使停车时克服旋件的惯性，采用液压摩擦制动器使主轴迅速停止，此装置结构简单，性能较好，主轴通过齿轮啮合传至主轴脉冲器。主轴原理床头箱中的双向内齿离合器和，由操纵油缸中的活塞带动拨叉和来控制它接通或放松，使主轴实现四级变速。停车时为克服旋转
16、件的惯性，采用液压摩擦制动器使主轴迅速停止。主轴运动通过齿轮传至主轴脉冲发生器，其传动比为。主轴转一转，主轴脉冲发生器发出个脉冲。改变主电机正、反转。主轴具有三个支承：前支承为双列短圆柱滚子轴承；后支承为双列短圆柱滚子轴承；中间辅助支承为型单列滚珠轴承。这样不仅保证主轴的回转精度，也提高了主轴刚度和抗振性。. 91.3 中间轴的设计根据传动方式，中间轴与主轴通过一对斜齿轮来传动，中间轴由两段轴、共同组成，两段都装有与内齿离合器 55 相啮合的齿轮 48、57，从而实现变速，用来使主轴迅速停止的液压摩擦制动器 23 就装在前一段轴 22 上，中间轴后端用制动器 23 固定，前端则用调整螺栓结构
17、62 顶住，中间轴用滚动轴承与单列圆锥滚子球轴承来支承，可用来支承较大的径向力。其中，前一个单列圆锥滚子球轴承用轴肩与调整螺栓 62 来固定调整，后一个则用箱壁与斜齿轮61 固定，深沟球轴承 58 用挡圈、套筒、轴肩来固定。101.4 输入轴的设计根据传动比与功率确定输入轴的各段结构。输入轴也又两段，分别为轴和轴，其后端与带轮 28 通过键 31 来连接并用调整螺母 30 来预紧，前端用端盖 56 顶住轴承。轴用深沟球轴承支承，两段轴也分别装有与离合器 42 相啮合的齿轮 39 和 47。通过离合器 42 与 55 一起实现四级变速。齿轮 53 用挡圈固定。同样，深沟球轴承也用套筒与弹性挡圈固
18、定。输入轴后端为 1：15 的锥度，以便拆装。1.5 主轴箱装配主轴箱装配不作说明，详见装配图。11第二章 电器电器部分，数控车床的电器有两部分组成，强电部分与弱电部分。介与本人的专业水平有限，因此本人所改装的车床主要采用简易数控车床CKJ6256B 的电器结构。弱电部分，由于本人能力有限，便不作详细说明，强电部分则参考上述车床的电器图讲一下电器结构，此部分由十一个部分构12成：1.空气开关2.主轴变频器3.刀台电机正反转4.冷泵电机5.驱动电源6.工作灯7.VC 电源8.控制电源9.主轴电机风扇10.稳压源11.润滑泵电机以上结构在图中表达的很清楚。另外电器图中的各个元件代号的名称如下：QF
19、 空气开关FR 热继电器M1 主电机M2 刀台电机 M3 冷却电泵 M4、M5 轴流风扇FU 熔断器1RC3RC 三相灭弧器4RC8RC 单相灭弧器 KM 交流接触器R 电阻TC1 驱动电源变压器TC2 照明控制电源变压器VC 24V 直流稳压源EL 工作灯KA 中间继电器SQ2SQ7 霍尔元件SQ8 安全开关SQ9、SQ11、SQ13 X、Z 轴软限位SQ10、SQ12、SQ14 回零开关SB1 急停开关13SQ15、SQ16 接近开关根据本人的设计任务，主要绘制了主轴电机与刀台电机的电器原理，这一部分详见原理图。第三章 自动刀架数控机床为了能在工作一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，以减少
20、辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差，必须具备自动装置。一般数控机床常采用转塔头式换刀装置，如数控车床的转塔刀架、数控14钻镗床的多主轴转塔头等，这种换刀装置能装 6-8 个刀具，由于受液压刀架使用广泛，性能比较稳定，电机带动的刀架没有液压管路，结构简单。在这里本人采用四方自动刀架，设计原则参考 CK6136 刀架，此刀架就是采用液压来控制，下面就根据其装配图来说明一下其工作原理。刀架的松开、转位和夹紧采用液压驱动，运动循环位：刀架抬起转位定位与夹紧活塞空程退回。活塞 4 上移，刀架松开，活塞齿条 29 移动使刀架转位，调整螺钉 22 和 33可控制活塞齿条 29 的行程，实现初定位。当活塞
21、齿条 29 行程结束时，触头25 压开关发出讯号，液压油换向，活塞 4 落下，多齿盘 20 和 21 结合实现精确定位。此时齿轮 7 和活塞齿条 29 脱开，而且多齿盘 20 上的触头 9 和多齿盘上 21 的四个触点 8 中的一个接通，发出讯号判别刀架位置。接着活塞齿条 29 空程退回，触头 25 压合开关 27 发出讯号表示转位结束。调整顺序阀 30 和 34 的弹簧力以保证每个动作按顺序进行。刀架上装有四个快换刀夹，用刀夹上的销 11 和刀架上的圆柱销 12 定位。 刀架原理刀架的松开、转位和夹紧采用液压驱动，运动循环位：刀架抬起转位定位与夹紧活塞空程退回。活塞上移，刀架松开，活塞齿条移
22、动使刀架转位，调整螺钉和可控制活塞齿条的行程，实现初定位。当活塞齿条行程结束时，触头压开关发出讯号，液压油换向，活塞落下，多齿盘和结合实现精确定位。此时齿轮和活塞齿条脱开，而且多齿盘上的触头和多齿轮上的四个触点中的一个接通，发出讯号判别刀架位置。接着活塞齿条空程退回，触头压合开关发出讯号表示转位结束。调整顺序阀和的弹簧力以保证每个动作按顺序进行。刀架上装有四个快换刀夹，用刀夹上的销和刀架上的圆柱销定位。结论本人通过此次毕业设计，对数控车床的结构、原理有了更伸层次的了解，特别是它的主轴箱、电器和自动刀架部分，其优点与改造前的普通车床有着明显的区别。它能更精确的进行内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、圆柱
23、螺纹和圆锥螺纹等加工。机床主轴的起动、停止和变速，纵向和横向进给运动的行程和速度，刀具的变换和冷却，都可以自动控制。并具有直线、锥度、直螺15纹和锥螺纹等自动循环机能。在该机床中采用液压卡盘、液压尾座、快换刀夹和机床外对刀装置。该机床适合用于加工形状复杂的中小批量的零件。祢补了普通机床加工精度不高与不能较好的加工复杂零件的缺点。此次毕业设计的课题，就本人个人而言，对于我们数控专业的学生来讲有着很重要的意义，它能够让我们清楚的搞懂普通机床与数控机床之间的区别，能让我们对三年所学的专业知识有一个系统的、全面的、清楚的综合与回顾。对我们的读图能力、实践能力都有着较高的要求。不过，介于当今社会的发展水
24、平，现代企业的日新月异，新型的产业结构对机械加工的要求是越来越高，它已不在停留在相对简单的加工上，它需要的是加工形状复杂、精度高的零件，这就需要对机床有更高的要求，它要求有很高的自动化程度，于是，市场上有了很先进的各类数控机床，但是其经济成本也令一些企业望而却步，因此许多企业都采取了把普通机床改装成数控机床。因此我们这一课题很有用，但是，随之又产生了一系列问题，改装的数控机床虽然在经济上比较合适，但其加工精度、自动化程度还是不近人意，所以本人认为此课题最好能够有所改进，本人希望从现在的普通机床的改装改进为老式数控机床的改进，把老式的数控机床的步进电机改为伺服电机，这样便能够更精确的来加工较为复
25、杂的零件，从而达到要求。还有，本人认为在电器方面也需要有更深程度的了解，因为现代企业对机械已有了更高的要求，它需要机械与电器相结合，形成机电一体化。从而提高自动化程度，来适应现代社会的需要。总之，通过此次设计，本人对车床的认识有了很大的提高，这将对我在今后的工作过程中有着很大的帮助，这将对我的一生起很大的作用。致谢感谢江阴职业技术学院机电工程系各位老师的付出！在老师的悉心教导下，我完成了三年的大专学业，使我成为一名数控机床维修专业的毕业生。学院为我们定位为企业“班组长”。作为一名生产一线的职工必须具有一定质量的专业知识。三年中老师们所教授的基础知识为我将来进修提供了条件，老师们教授的专业知识使
26、我在一线工作中有了很大的帮助。16与此同时,本文在写作过程中，承我的指导老师徐卫国先生的悉心指教，并得到其他几位老师的关心和帮助，在此一并谨致谢忱。毕业在即，衷心祝愿各位老师身体健康、万事如意！参考文献华东纺织工学院、哈尔滨工业大学、天津大学主编 机床设计图册 上海科技技术出版社 1979范云涨、陈兆年主编 金属切削机床设计简明手册机械工业出版社 199317许高燕主编 机械设计手册及课程设计中国地质大学出版社 2001吕慧瑛主编 机械设计基础上海交通大学出版社 2001成大宪主编 机械设计手册化学工业出版社 1998王炳实主编 机床电器控制机械工业出版社 1999彭晓南主编 数控技术 机械工业出版社 2001李宏胜主编 机床数控技术及应用18附录主要技术参数设计部分：工件最大回转直径630 毫米工件最大长度 1500 毫米主轴孔径 80 毫米主轴前端孔锥度 公制 100 号主轴转速范围（16 级）32-1600 转/分刀架纵进给量和螺纹的螺距范围 0.01-20.47 毫米刀架横向进给量范围（在直径上）0.01-20.47 毫米刀架纵向与横向进给的脉冲当量 0.01 毫米刀架快速移动速度：纵向 3.6 米/分横向 1.8 米/分19
