JCS-018型立式數(shù)控銑削加工中心Z向工作臺裝配、主軸箱裝配與BF3控制系統(tǒng)設(shè)計【說明書+CAD】

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It's comprehensive processing ability, the workpiece can be completed after a single setup process more content, higher precision, the difficulty to medium batch processing jobs, and its efficiency is the common equipment 5 to 10 times, in particular, it can be completed many common processing equipment can not be completed on more complex shapes, high precision single piece or small batch processing of many varieties produce more applicable. JCS-018 Vertical Machining Center is a highly centralized process, a high degree of automation, electromechanical integration equipment. After the workpiece in a fixture can be continuously milling, drilling, boring, reaming, tapping and other machining processes. The machine is suitable for small plates, plate pieces, shell parts, molds and complex parts such as cabinet fittings and more variety, small batch processing. Spindle is an important part of the headstock. Size and shape of its structure, manufacturing precision, material and heat treatment, the performance of the work of the headstock has a great influence. In order to improve the stiffness of the spindle and easy to install, the JCS-018 vertical machining center spindle designed to step cylindrical, large diameter front end, back-end small diameter, for the realization of the tool can automatically replace the clamp, the spindle into the interior design hollow. Z key to the design table is the design of ball screw and linear guide rail, through the design process in the calculation of stiffness, torque and load conditions to select the appropriate type and size of parts. BF-3 system is a relatively simple function of the standard CNC system. The system uses 8086 microprocessor chip, 8284 clock generator, bus controller 8288, interrupt controller 8259, serial interface 8251A, programmable timer 8253, ROM, RAM, and buffers, decoders and other circuits, in addition to There are some special chips. Keywords：Ball Screw Quasi-stop roll BF-3 Control System 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文 一 引言 隨著數(shù)控計算技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性的變革，各工業(yè)發(fā)達國家投入巨資，對現(xiàn)代制造業(yè)技術(shù)進行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。在現(xiàn)代制造業(yè)系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，他集微電子，計算機，信息處理，自動檢測，自動控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度，高效率，柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化，集成化，智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術(shù)正在由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型，超小型化；在智能化基礎(chǔ)上，綜合了計算機，多媒體，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速，高精，高效控制，加工過程中可以自動修正，調(diào)節(jié)與補償各項參數(shù)，實現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。 長期以來，我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系機構(gòu)，CNC只能作為非智能的機床運動控制器。加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗一固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工程序在實際加工前用手工方式或通過CAD/CAM及自動編程系統(tǒng)進行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個制造過程CNC只是一個封閉式的開環(huán)執(zhí)行機構(gòu)。在復(fù)雜環(huán)境以及多變條件下，加工過程中的道具組合，工件材料，主軸轉(zhuǎn)速，進給速率，刀具軌跡，切削深度，步長，加工余量等加工參數(shù)，無法再現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機因素實時動態(tài)調(diào)整，更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機修正CAD/CAM中的設(shè)定量，因而影響CNC的工作效率和產(chǎn)品加工質(zhì)量。由此可見，傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉制體系結(jié)構(gòu)，限制了CNC向多變量智能化控制發(fā)展，已不適應(yīng)日益復(fù)雜的制造過程，因此，對數(shù)控技術(shù)實行變革勢在必行。 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但費傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變話，制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，他對國計民生的一些重要行業(yè)(IT,汽車，輕工，醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是實現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展的大趨勢。 從我國其本國請的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導(dǎo)向，以提高制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo)21世紀(jì)初期我國制造裝備也發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)，配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實現(xiàn)制造裝備也的跨越式發(fā)展。 強調(diào)以市場需求為導(dǎo)向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機（如量大面廣的數(shù)控車床，銑床，高速高精高性能數(shù)控機床，典型數(shù)字化機械，重點行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等）帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部分（數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機，告訴電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等）的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品；沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品；當(dāng)然，沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日。 在高精簡裝備研發(fā)方面，要強調(diào)研究開發(fā)以及最終用戶的緊密結(jié)合，按國家意志實施攻關(guān)，以解決國家之需。 對數(shù)控方面，強調(diào)創(chuàng)新，強調(diào)研究考法具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)，裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。 精密機械在生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過程中起著重要的作用。他是儀器設(shè)計的基礎(chǔ)和必不可少的組成部分，被越來越廣泛地 在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，國防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化建設(shè)的各個領(lǐng)域中，是實現(xiàn)對各種信息進行采集，傳輸，轉(zhuǎn)換，處理，存儲，顯示和控制的基本部分。在當(dāng)今信息時代，精密機械不僅促進了光電技術(shù)，傳感技術(shù)，微電子技術(shù)，通信技術(shù)和計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，而且也通過和這些技術(shù)的結(jié)合，加速了精密機械自身的發(fā)展，并形成了一些新的研究領(lǐng)域和技術(shù)，如微機械控制，微光電系統(tǒng)。 隨著光學(xué)，電子學(xué)，自動控制，計算機等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進步和發(fā)展，人類綜合應(yīng)用各方面知識和技術(shù)，不斷創(chuàng)造出光，機，電，計算機一體化的新型的精密機械及產(chǎn)品。這些產(chǎn)品擴大了精密機械的的應(yīng)用范圍，也為精密機械學(xué)科的發(fā)展開辟了更加廣闊的途徑。不論新型儀器的性能和功能多么現(xiàn)金和強大，都不可能完全脫離機械系統(tǒng)和機構(gòu)而獨立存在，常規(guī)的精密機械設(shè)計方法仍是實現(xiàn)精密儀器的機械系統(tǒng)的重要手段。不同的知是運用了新的工具和方法來實現(xiàn)常規(guī)的設(shè)計。因此，在現(xiàn)代儀器設(shè)計中，精密機械仍占有不可替代的地位。 對于現(xiàn)代精密儀器總體設(shè)計人來說，在掌握好光學(xué)，電子學(xué)和計算機等先進技術(shù)的同時，一定要掌握好精密機械的基本原理和方法，才能設(shè)計出先進的，多功能的和智能化的光，電，機，計算機一體化的新型儀器和設(shè)備，以滿足國家的經(jīng)濟建設(shè)和國防建設(shè)的需要。 二 JCS-018數(shù)控加工中心簡介 JCS-018型立式加工中心是一種工序高度集中，自動化程度高的機電一體化設(shè)備。工件在一次裝夾后，可連續(xù)地進行銑，鉆，鏜，鉸，攻螺紋等多種工序的加工。該機床適用于小型板件，盤件，殼體件，模具和箱體件等復(fù)雜零件的多品種，小批量加工。 1 JCS-018立式加工中心具有如下的特點 （1）可進行強力切削 機床機床主軸箱電動機變速范圍中恒功率范圍寬，低速轉(zhuǎn)矩大，機床主要構(gòu)件剛度高，可進行強力切削。 （2）高速定位 工作臺由直流伺服電機，通過聯(lián)軸器，滾珠絲杠帶動xy方向移動，速度可達14m/min，主軸箱Z向移動可達10m/min ，定位精度可達0.006~0.015mm/30mm。 （3）采用隨機換刀 隨機換刀有數(shù)控系統(tǒng)管理，刀具和刀座上不設(shè)固定編號，換刀由機械手執(zhí)行，結(jié)構(gòu)簡單，可靠。 （4）機床采用CNC系統(tǒng) 換刀和主軸準(zhǔn)停由程序控制器控制，有自診功能。 2機床主要性能參數(shù) （1）工作臺 工作臺外形尺寸（工作面）1000mm*320mm 工作臺T形槽寬*槽數(shù)18mm*3mm （2）移動范圍 工作臺左右行程（X軸）750mm 工作臺前后行程（Y軸）40mm 主軸箱上下行程（Z軸）470mm 主軸端面距工作臺距離180~650mm （3）主軸箱 主軸錐孔??????錐度7：24，BT-45 主軸轉(zhuǎn)速（標(biāo)準(zhǔn)型/高速型）????225~2250r/min，45~4500r/min 主軸驅(qū)動電動機????3.8KW，ACZ130交流電動機系列 （4）進給速度 快速移動速度（X、Y軸）????14m/min 進給速度（X、Y、Z軸）???1~4000mm/min 進給驅(qū)動電動機?????????1.5KW，ACS130電機系列 （5）自動換刀裝置 刀庫容量????12把 選刀方式????任選 最大刀具尺寸?Φ100mm*Φ300mm 最大刀具質(zhì)量??10kg 刀庫電動機?????1.5KW，ACS130電機系列 （6）精度 定位精度?????±0.012mm/300mm 重復(fù)定位精度??±0.006mm （7）承載能力 工作臺允許負載?????500kg 滾珠絲杠尺寸（X、Y、Z軸）Φ40mm*10mm 鉆孔能力（一次鉆出）????Φ32mm 攻螺紋能力????????????????M24mm 銑削能力?????????????????????100cm3/min （8）其他 氣源???????????49~68.6Pa（250L/min） 機床質(zhì)量???????4.5t 占地面積???????3500mm*3060mm ? .數(shù)控裝置（FANUC-BESK 7CM CNC系統(tǒng)） ? （1）規(guī)格 控制軸數(shù)????????????????????3軸 同時控制軸數(shù)?????????（X、Y、Y、Z、Z、X）或3軸 軌跡控制方式??????????直線/圓弧方式或空間直線/螺旋方式 紙帶代碼??????????????????EIA/ISO 程序格式???????????????寫地址式可變程序段 脈沖當(dāng)量????????????????0.001mm/脈沖 最大指令值±99999.9999mm或±9999.9999英寸 紙帶存儲和編輯???????????????30m紙帶信息（12KB） 3 機床的結(jié)構(gòu)特點? ?????為了充分發(fā)揮數(shù)控機床自身的優(yōu)越性，加工中心機床在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要比一般的數(shù)控機床設(shè)計得更加完美，制造得更精密。加工中心機床的結(jié)構(gòu)除了具有一般數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點外，還具有獨特的結(jié)構(gòu)要求： （1）具有存儲加工所需刀具的刀庫?????刀庫用于存儲刀具，并根據(jù)要求將各工序所用的刀具運送到取刀位置。 （2）具有自動裝卸刀具的機械手???????在加工中心機床上刀具的自動更換，多數(shù)借助機械手來進行。 （3）具有主軸準(zhǔn)停機構(gòu)、刀桿自動夾緊松開機構(gòu)和刀柄切屑自動清除裝置???????這是加工中心機床主軸部件中三個主要組成部分，也是加工中心機床能夠順利地實現(xiàn)自動換刀所具備的結(jié)構(gòu)特征。 （4）具有自動排屑、自動潤滑和自動報警的系統(tǒng)等。 三 機床主軸箱設(shè)計及相關(guān)計算 1 主要部件結(jié)構(gòu) （1）主軸部件???圖3-70為JCS-018型立式加工中心的主軸結(jié)構(gòu)圖，刀具自動夾緊裝置裝在主軸內(nèi)孔中。該裝置由拉桿6和頭部的四個鋼球4、碟形彈簧5、活塞8和螺旋彈簧7組成。圖示位置為刀柄夾緊狀態(tài)，當(dāng)需要松開刀柄時，液壓缸的上腔進油，活塞8向下移動壓縮螺旋彈簧7，并推動拉桿6向下移動，碟形彈簧5被壓縮，鋼球4隨拉桿一起向下移動。當(dāng)鋼球4移至主軸孔徑較大處時，便松開了刀柄1，刀具連同刀柄一起被機械手拔出。此機床采用靠彈簧力夾緊刀柄、靠液壓力松開刀柄的刀柄夾緊機構(gòu)，其優(yōu)點是：如果突然停電，刀柄不會自行松脫。當(dāng)需要夾緊刀柄時，活塞8的上端無油壓，彈簧7使活塞8上移，拉桿5在碟形彈簧5的作用下上移，鋼球4進入刀柄尾部拉釘3的環(huán)形槽內(nèi)將刀柄拉緊。活塞8孔的上端接有壓縮空氣，機械手將刀具從主軸中拔出后，壓縮空氣通過活塞桿和拉桿6中的孔，可將主軸軸端裝刀柄的定位錐孔吹干凈。 該機床用鋼球拉緊刀柄，易將主軸孔和刀柄拉釘壓出坑痕，現(xiàn)已改用彈性卡爪結(jié)構(gòu)。圖3-1是一種使用彈性卡爪的刀具自動夾緊機構(gòu)。彈性卡爪4由兩瓣組成，裝在主軸 圖3-1 使用彈性卡爪的刀具自動夾緊機構(gòu) 1——主軸 2——刀柄 3——拉釘 4——彈性卡爪 5——蝶形彈簧 6——拉桿 1內(nèi)孔的軸向槽中。夾緊刀柄時（圖3-71a），液壓缸無壓力油作用（參見圖3-70活塞推桿8），液壓缸推桿上移，在碟形彈簧5的彈力作用下，拉桿6帶動彈性卡爪上移；卡爪在主軸內(nèi)孔錐面的作用下逐漸被收緊，卡住拉釘3，夾緊刀柄。松開刀柄時（圖3-71b），液壓缸推桿推動拉桿6克服碟形彈簧5的彈力下移，彈性卡爪4被推到主軸內(nèi)孔大孔徑處，并被拉桿6下端槽部的錐面撐開，彈性卡爪4與拉釘3脫開，拉桿6繼續(xù)向下移動將刀柄頂松，機械手便可將刀柄連同刀具取出進行換刀。 （2）刀柄和拉釘 加工中心的刀柄已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，其刀柄模塊采用7：24錐柄，如圖3—71所示。加工中心刀柄有ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)）、GB（中國標(biāo)準(zhǔn)）、MAS（日本標(biāo)準(zhǔn)）、ANSI（美國標(biāo)準(zhǔn)）、DIN（德國標(biāo)準(zhǔn)）等多種標(biāo)準(zhǔn)和25、30、40、45、50、60等規(guī)格。 固定在錐柄尾部與主軸內(nèi)拉緊機構(gòu)相配備的拉釘也已標(biāo)準(zhǔn)化，分為A型和B型，這里選用B型拉釘，裝配時首先要將拉釘旋緊在刀柄尾部，主軸內(nèi)拉緊機構(gòu)通過滾珠與拉釘?shù)呐浜蟻矶ㄎ坏毒?。裝配拉釘時要注意清理拉釘與刀柄的表面，防止夾雜鐵屑雜物。 2主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 主軸是主軸箱的重要組成部分。它的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀、制造精度、材料及其熱處理，對主軸箱的工作性能有很大的影響。 為了提高主軸的剛度和便于安裝，將JCS——018A立式加工中心的主軸設(shè)計成階梯圓柱形，前端外徑大，后端外徑小，為實現(xiàn)更換刀具時能自動夾緊，主軸內(nèi)部設(shè)計成空心。其前端有?7：24錐孔，用于裝錐柄刀具，并有自動定心作用，通過摩擦將刀柄夾緊于主軸的端部，大錐度既利于定心，也便于松夾。主軸端面裝有定向鍵，既可傳遞切削的轉(zhuǎn)矩，又可用于刀具的周向定位。主軸外圓柱面上有前后支承軸承的配合面。 ????主軸的主要尺寸參數(shù)包括：主軸直徑、內(nèi)孔直徑、懸伸長度和支承跨距。 ???（1）主軸直徑???主軸直徑越大，其剛度越強，但使得軸承和軸上的其他零件的尺寸相應(yīng)增大。前、后軸頸的差值越小則主軸的剛度越高，工藝性能也越好。根據(jù)主軸功率5.5/7.5KW確定主軸的直徑為D1=F90mm。尺寸參數(shù) 機床主軸端部結(jié)構(gòu)形狀： 主軸中心孔前段錐度，摩氏3-6度。 主軸前軸頸尺寸應(yīng)按所傳遞的功率確定，初選時可參照下表初定。 表3-1主軸前軸徑的直徑 mm 功率KW D 車床 1.47-2.5 2.6-3.6 3.7-5.5 5.6-7.3 7.4-11 11-14.7 14.8-18.4 18.5-22 22-29.5 臥式車床 60-80 70-90 70-105 95-130 110-145 140-165 150-190 220 230 銑床 50-90 60-90 60-95 75-100 90-105 100-115 ------ ----- ----- 外圓磨床 ---- 50-90 55-70 70-80 75-90 75-100 90-100 105 105 （2）為裝配方便，車床主軸直徑通常是從前向后逐段遞減。一般車、銑床主軸后軸頸的直徑D2=(0.7~0.9)D1，D1為前軸頸尺寸。所以63

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