球面零件专用切削机床设计[机+电]

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——除主轴外所有传动轴轴颈的平均直径（厘米） =（4+4）/2=4（厘米） ——参加空运转的各传动轴转速之和（转/分） ——空运转时主轴转速（转/分） =700（转/分） C——系数，C= ——系数，对于滚动轴承=1.5 ——主轴直径（厘米） 取9厘米 所以 C=1.59/4=3.375 因此 =354(1187+3.375700)/955000=0.52(千瓦) （3）载荷附加功率 是指加上切削载荷后所增加的传动件摩擦功率,它随切削功率的增加而增大。 =- 式中： ——主传动链的机械效率 因此，主传动驱动电动机功率为 N=++= ++(-) N=+ 粗略计算可用经验公式 N= 式中： ——机床总机械效率，对于主运动为回转运动的机床 =0.7~0.85 则：N===9.58（千瓦） 由《中小型电机选型手册》表3-8选取主运动驱动电动机为Y180M-8型,功率11KW,转速727r/min,效率87.5%,功率因数0.85,额定转矩1.8N.mm,额定电流6.0A,净重150kg。 第二章 主传动设计 2.1主传动的运动设计 机床的主传动系因机床的类型、性能、规格尺寸等因数的不同，应满足的要求也不一样。设计机床主传动系时最基本的原则就是以最经济、合理的方式满足既定的要求。在设计时应结合具体机床进行具体分析。一般应满足下述基本要求： （1）满足机床使用性能要求。首先应满足机床的运动特性，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数（对于主传动为直线运动的机床，则有足够的每分钟双行程数范围及边速级数）。传动系设计合理，操作方便灵活、迅速、安全可靠等。 （2）满足机床传递力要求。主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和扭矩，具有较高的传动效率。 （3）满足机床的工作性能的要求。主传动中所有零、部件要有足够的刚度、精度和抗振性，热变形特性稳定。 （4）满足产品设计经济性的要求。传动链尽可能简短，零件数目要少，以便节省材料。降低成本。 （5）调整维修方便，结构简单、合理，便于加工和装配。防护性能好，使用寿命长。 2.1.1选定公比 （1）本次课题中被加工的零件“螺杆保护帽”的年产量为50万件，属于大批量生产，对于此类专用机床，公比应取小一些，所以取公比为1.26 由前提可知：最高转速为=700r/min , 最低转速为=350r/min. 则变速范围为=/=700/250=2 则变速级数为Z=1+=4 按标准转速数列为350、441、556、700r/min （2）选择结构式 1确定变速组的数目和各变速组中传动副的数目 4=22 共需要两个变速组 2确定不同传动副数的各变数组的排列次序。 根据“前多后少”的原则，选择4=22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4=22的结构式 4验算变速组的变速范围 最后扩大组的变速r==1.26=1.5876<8 在允许的变速范围之内，因此选择的公比合理。 （3）分配各变速组的传动比 根据“前紧后松（前缓后急）”的原则，确定各变速组的最小传动比，一般最后扩大组取极限传动比。 各变速组所取最小传动比如下： Ⅰ-Ⅱ轴之间= Ⅱ-Ⅲ轴之间= （4）画转速图 2.1.2齿轮齿数的计算 根据各传动副的传动比，由《机械制造装备设计》表3-6确定各齿轮齿数 Ⅰ-Ⅱ轴之间：== =1 取=38 =86 则=48 =43 =86 则=43 Ⅱ-Ⅲ轴之间：== =1 取=34 =88 则=54 =44 =88 则=44 2.2主传动的结构设计 机床的主传动是用来实现机床主运动的，它对机床的使用性能、结构和制造成本都有明显的影响。因此，在设计机床的过程中必须给予充分的重视。 主传动包括从动力源（电动机）至机床工作的执行件（主轴或工作台）等几部分组成： （1）定比传动机构 即具有固定的传动比的传动机构，用来实现降速或升速，一般常用齿轮、胶带及链传动等，有时也可采用联轴带直接传动。本次课题中主电机与Ⅰ轴采用带传动，其余各轴间采用齿轮传动。 （2）变速装置 机床中的变速装置有齿轮变速机构，机械无级变速机构以及液压无级变速装置等。本课题采用两个双列滑移齿轮变速。 （3）主轴组件 机床的主轴组件是执行件，它由主轴、主轴支承和安装在主轴上的传动件等组成。本课题中主轴及与其相配的轴承和齿轮等见图。 （4）开、停装置 用来控制机床主运动执行件（如主轴）的启动和停止。通常采用离合器或直接开停电动机。本课题采用在电动机不停的状态下通断一个电磁离合器的方法来实现主轴的开、停。 （5）制动装置 用来使机床主运动执行件（如主轴）尽快的停止运动，以减少辅助时间，通常采用机械的、液压的、电气的或电动机的制动方式。本课题在传动轴上安装一个电磁式制动器来实现主轴的制动。 （6）操作机构] 机床的开、停、变速、制动等都需要通过操作机构来控制。本课题中机床的变速采用拨叉拨动滑移齿轮来实现，而开、停及制动均采用操作面板上的按钮来控制相应的电磁阀来实现。 （7）润滑与密封装置 为了保证主传动装置的正常工作和使用寿命，机床须配有良好的润滑装置与可靠的密封装置。 （8）箱体 用来安装上述各组成部分。 2.3各齿轮的设计计算 2.3.1齿轮接触疲劳强度计算 =34, =54 (1)确定公式内的各计算数值 1 =1.32 2计算小齿轮名义转速 T=9.5510=9.5510N.mm=1.02310N.mm 3查表=0.8（齿宽系数） 4节点区域系数=2.5 5由表12-12查取弹性系数=189.8 6由图12-20和图12-21查得 =590mpa, =480mpa, =450mpa,=390mpa 7计算应力循环次数 =60kth=607001(2830010)=2.01610 ===1.610 8由图12-22查取接触疲劳强度寿命系数 =1, =1 9计算许用应力。 取失效概率为1%，接触疲劳强度最小安全系数=1 ===590mpa ===480mpa (2)设计计算 1计算小齿轮分度圆直径d =83.533mm 2圆周速度 v===3.06m/s 3确定载荷系数 =1 ==1 =1.14, =0.17 (=46.062) 所以== +=1.14+0.17=1.31 =39.07,=0.0193 所以=1+（=1.61874 k==11.618741.311=2.12 4按实际载荷系数校正小齿轮分度圆直径计算值 ==83.533=98.323mm 2.3.2 确定主要几何参数和尺寸 (1)模数 m===2.89 取整标准值为m=3 (2)分度圆直径 =m=334=102mm =m=354=162mm (3)中心矩a=0.5m(+)=0.53(34+54)=132mm (4)齿宽 取==30mm 同理 =44,=44 =1.023N.mm ==2.016 =80.4259mm ===2.95m/s =1+(+0.0193)=1.696 k==11.6961.311=2.22176 ==80.4259=96.16mm (1)模数m===2.4取m=3 (2)分度圆直径 =m=344=132mm =m=344=132mm (3)中心矩a=0.5m(+)=0.53(44+44)=132mm (4)齿宽 取==30mm =38,=48 =1.023N.mm =2.016 ==1.6 =83.533mm ===2.95m/s =1+(+0.0193)=1.49 k==11.491.311=1.9519 ==96.16=114.7mm (1)模数m===3.01 取m=3 (2)分度圆直径 =m=338=114mm =m=348=144mm (3)中心距a=0.5m(+)=0.53(38+48)=129mm (4)齿宽 取==30mm =43,=43 =1.023N.mm ==2.016 =80.4259mm ===2.95m/s =1+(+0.0193)=1.696 k==11.6961.311=2.22176 ==80.4259=96.16mm (1)模数m===2.32 取m=3 (2)分度圆直径 =m=343=129mm =m=343=129mm (3)中心距a=0.5m(+)=0.53(43+43)=129mm (4)齿宽 取==30mm 2.4主轴组件的设计 2.4.1主轴组件的功用 主轴组件是机床的执行件。它的功用是支承并带动工件或刀具，完成表面成形运动，同时还起到传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力的作用。由于主轴组件的工作性能直接影响到机床的加工质量和生产率，因此它是机床中的一个关键组件。 2.4.2主轴组件的基本要求 对主轴组件总的要求是，保证在一定的载荷与转速下，带动工件或刀具精确而稳定的绕其轴心线旋转，并长期的保持这种性能。为此，主轴组件应满足旋转精度、刚度、抗振性、温升及热变形、精度保持性等方面的基本要求。 2.4.3主轴组件的布局 为提高刚度和抗振性，主轴组件采用三支承主轴轴承的配置型式。主轴前支承采用双列向心短圆柱滚子轴承和两个推力球轴承组合而成。松开右端螺母和左端紧定螺钉，拧动螺母，就可以调整轴承的径向间隙或欲紧程度，同时两推力球轴承也得到欲加负荷。调整后，拧紧螺母，并略松螺母使推力球轴承有适当间隙，最后将螺钉锁紧。后轴承也采用双列向心短圆柱滚子轴承，间隙用螺母调整，由螺钉锁紧。用一只单列向心短圆柱滚子轴承作为中间辅助支承。 主轴上的两个传动齿轮布置在前中支承之间，为了减少主轴的弯曲变形和扭矩变形，尽可能缩短主轴受扭部分的长度，且将传递扭矩较大的齿轮放在靠近前支承端。 2.4.4主轴的设计计算 (1)由《金属切削机床设计》表5-5选取主轴材料牌号为45钢，调质热处理，硬度为HB220~250,许用弯曲应力[]=55Mpa (2)由表5-12选取主轴前径直径=110mm 则主轴后轴径为=（0.7~0.8）=0.7110=77mm 主轴的平均直径为===93.5mm 取主轴的孔径为d=60mm 校核壁厚 ==0.64在0.6~0.65在范围内，所以主轴壁厚合格。 （3）主轴前端悬伸量a的确定 主轴悬伸量a指的是主轴前端面到前轴承径向反力作用(中点或前径向支承中点)的距离。它主要取决于主轴端部的结构、前支承配置和密封装置的形式和尺寸，由结构设计确定。由于前端悬伸量对主轴部件的刚度、抗振性的影响很大，因此在满足结构要求的前提下，设计时应尽量缩短该悬伸量。 由表5-14选取类型Ⅰ，即=1.1， 则悬伸量a=1.193.5=102.85mm （4）主轴主要支承间跨距L的确定 合理确定主轴主要支承见间的跨距L，是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。支承跨距越小，主轴的弯曲变形固然较小，但因支承变形引起主轴前轴端的位移量增大；反之，支承跨距过大，支承变形引起主轴前轴端的位移量尽管减小了，但主轴的弯曲变形增大，也会引起主轴前端较大的位移。因此存在一个最佳跨距，在该跨距时，因主轴弯曲变形和支承变形引起主轴前端的总位移量为最小。一般取=(2~3.5）。但是在实际结构设计时，由于结构上的原因，以及支承刚度因磨损会不断降低，主轴主要支承间的实际跨距L往往大于上述最佳跨距。 （5）主轴传动件位置的合理布局 1传动件在主轴上轴向位置的合理布局 合理布置传动件在主轴上的轴向位置，可以改善主轴的受力情况，减小主轴变形，提高主轴的抗振性。合理布置的原则是传动力引起的主轴弯曲变形要小；引起主轴前轴端在影响加工精度敏感方向上的位移要小。因此主轴上传动件轴向布置时，应尽量靠近前支承，有多个传动件时，其中最大传动件应靠近前支承。 2驱动主轴的传动轴位置的合理布局 主轴受到的驱动力相对于切削力的方向取决于驱动主轴的传动轴位置。应尽可能将该驱动轴布置在合适的位置，使驱动力引起的主轴变形可抵消一部分因切削力引起的主轴轴端精度敏感方向的位移。 （6）按弯扭合成强度校核轴的强度 1绘制轴受力简图(图a) 2绘制垂直面弯矩图(图b) 轴承支承反力 ===181.4N =+=1016+181.4=1197.4N 计算弯矩 截面c右侧弯矩 ==1197.4=90.37N.m 截面c左侧弯矩 ==181.4=13.69N.m 3绘制水平弯矩图(图c) 轴支承反力====1393N 截面c处弯矩==1393=109.35N.m 4绘制合成弯矩图(图d) ===148.4N.m ===121.43N.m 5绘制转矩图(图e) T=9.55=9.55=297.14N.m 6绘制当量弯矩图(图f) 转矩产生的扭剪应力按脉动循环变化，取=0.6,截面c处的当量弯矩为===237.62N.m 7校核危险截面的强度 ===3.25Mpa<55Mpa 2.5传动轴的设计计算 (1)Ⅰ轴直径的计算 D=108=108=37.3mm 取D=40mm (2)Ⅱ轴直径的计算 D=108=108=37.3mm 取D=40mm 第三章 主轴箱展开图的设计 主轴箱展开图是反应各个零件的相互关系，结构形状以及尺寸的图纸，并以此为依据绘制零件工作图。 3.1各零件结构和尺寸设计 3.1.1设计内容和步骤 通过绘图设计轴的结构尺寸以及选出轴承的型号，确定轴的支点距离和轴上零件力的作用点，计算轴的强度和轴承的寿命。 3.1.2有关零件结构和尺寸的确定 传动零件，轴，轴承是主轴部件的主要零件，其他零件的结构尺寸是根据主要零件的位置和结构而定。 1） 传动轴的估算 见前一节 2） 齿轮相关尺寸的计算 齿宽影响齿的强度。轮齿越宽承载能力越高。但如果太宽，由于齿轮的制造误差和轴的变形，可能接触不均，反而容易引起振动和噪声，一般取齿宽系数=（6-10）m.这里取齿宽系数=10，则齿宽B=X m=10x3=30mm.各个齿轮的齿厚确定如表3-1. 表3-1 各齿轮的齿厚 齿轮 Z1 Z1’ Z2 Z2’ Z3 Z3’ Z4 Z4’ 齿厚 25 20 35 30 35 30 30 30 由计算公式； 齿顶： 齿根：得到下列尺寸表 齿轮的直径决定了各轴之间的尺寸。各主轴部件中各个齿轮的尺寸计算如下表3-2 表3-2 各齿轮的直径 齿轮 Z1 Z1’ Z2 Z2’ Z3 Z3’ Z4 Z4’ 分度圆直径(mm) 48 136 225 90 144 171 66 249 齿顶圆直径(mm) 52 140 231 96 150 177 72 255 齿根圆直径（mm） 43 131 217.5 82.5 136.5 163.5 58.5 241.5 由表3-2可以计算出各轴之间的距离，现将它们列出如表3-3所示 表3-3 各轴的中心距 轴 I-II II-III 距离 230 160 3)确定齿轮的轴向布置 为避免同一滑移齿轮变速组内的两对齿轮同时啮合，两个固定齿轮的间距应大于滑移齿轮的宽度。一般留有间隙1-2mm，所以首先设计滑移齿轮。 II轴上的滑移齿轮的两个齿轮轮齿之间必须留有用于齿轮加工的间隙，插齿时，当模数在1-2mm范围内时，间隙必须不小于5mm,当模数在2.5-4mm范围内时，间隙必须不小于6 mm，且应留有足够的空间滑移，据此选出三片齿轮间的间隙分别为d1=17.5mm,d2=15mm. 由滑移齿轮的厚度以及滑移齿轮上的间隙可以得出主轴上的两个齿轮间的距离至少是60mm，现取齿轮间的间距为64mm和70mm. 4） 轴承的选择及其配置 主轴组件的滚动轴承既要有承受径向载荷的径向轴承，又要有承受两个方向轴向载荷的推力轴承。轴承类型及型号选用主要根据主轴的刚度，承载能力，转速，抗振性及结构要求合理的进行选定。 同样尺寸的轴承，线接触的磙子轴承比点接触的球轴承的刚度要高，但极限转速要低，多个轴承的承载能力比单个轴承的承载能力要大，不同轴承承受载荷类型及大小不同。为了 提高主轴组件的刚度，通常采用轻型或特轻型系列轴承。 通常情况下，中速重载采用双列圆柱滚子轴承配双向推力角接触球轴承，或者成对圆锥滚子轴承，其结构简单，但是极限转速较低。高速轻载采用成组角接触球轴承，根据轴向载荷的大小分别选用25度或15度的接触角。轴向载荷为主且精度要求不高时，选用推力轴承配深沟球轴承，精度要求较高时，选用向心推力轴承。 本设计的主轴不仅有刚度高的要求，而且有转速高的要求，所以在选择主轴轴承时，刚度和速度这两各方面必须考虑。 3.1.3各轴结构的设计 Ⅰ轴的一端与带轮相连，将Ⅰ轴的结构草图绘制如图3-2 图3-2 Ⅱ轴其结构完全按标准确定，根据其周详的尺寸可将结构简图绘制如图3-3 所示： 图3-3 3.1.4主轴组件的刚度和刚度损失的计算 最佳跨距的确定： 取弹性模量E=N/， D=（90+65）/2=77.5mm； 主轴截面惯距： 截面面积；A=3459.9 主轴最大输出转矩： 故总切削力为： 估算时，暂取即取270mm 前后支承支反力 取=1033000N/mm 则 则=225mm 因在上式计算中，忽略了ys的影响，故=225mm 主轴端部挠度的计算： 已知齿轮最少齿数为30，模数为3，则分度圆直径为90mm‘ 则齿轮的圆周力： 径向力： 则传动力在水平面和垂直面内有分力为： 水平面： 垂直面： 去计算齿轮与前支承的距离为66mm，其与后支承的距离为384mm。 切削力的计算：已知车床拖板最大回转直径。 则主切削力： 径向切削力： 轴向切削力： 当量切削力的计算： P=（a=B）/a＝3639对于车床 B=0.4=160mm 则水平面内： 垂直面内： 主轴端部的挠度计算： ， 传动力的作用下，主轴端位移的计算公式见下式： 式中：“－”号表示位移方向上与力反向，b表示齿轮与前支承的距离，c表示齿轮与后支承的距离，将各值带入，得 水平面内： 垂直面内： 则主轴最大端位移为： 已知主轴最大端位移许用值为＝0.0002L＝0.09mm 则<，符合要求。 主轴倾角的验算： 在切削力p的作用下主轴前轴承处的倾角为： 水平面： 垂直面内： 传动力Q作用下主轴倾角为： 水平面内：rad 垂直面内：rad 则主轴前轴承处的角为 垂直面内： rad 故符合要求。 3.1.5轴承的校核 齿轮受切向力 径向力：；切削力F=1310N，径向切削力 轴向切削力， 转速n=4000r/min d=90mm 垂直面内的受力分析： 水平面内的受力分析： 故合力： 求两轴承的轴向力:对70000AC型轴承 两次计算的差值不大，因此，确定， 当量动载荷： 对两轴承取X=1，Y=0； X=1，Y=0； 由载荷性质，轻载有冲击故取 当量载荷： 。 因为所以可知其寿命 轴承也符合刚度要求。 3.2装配图的设计 根据主轴展开图第一阶段的设计，已将主轴部件的各个部分的零件确定下来，展开图在设计中附。 第4章 液压进给机构设计 4.1进给机构结构设计 进给传动有机械、液压与电气等方式，机械传动方式简单可靠，目前在机床上用得最多.但是，由于液压传动工作平稳，在工作过程中能无级变速,便于实现自动化，能很方便地实现频繁往复运动，在同等功率情况下，液压传动装置的体积小，重量轻,机构进凑,惯性小，动作灵敏，因此，目前在机床的进给传动中得到广泛应用。本机床的进给机构就采用液压传动. 4.2纵向进给液压缸性能参数的计算 4.2.1纵向进给液压缸主要尺寸的确定 （1）纵向进给液压缸工作压力的确定 液压缸工作压力主要根据液压设备的类型来确定,对不同用途的液压设备,由于工作条件不同,通常采用的压力范围也不同.设计时,可用类比法来确定。 纵向进给液压缸的工作压力初步确定为=2。 （2）液压缸内径D和活塞杆直径d的确定 F=P 式中 F——作用在活塞上的最大机械载荷,F约为2000N； P——作用在活塞上的实际工作载荷； ——液压缸的机械效率，一般=0.9～0.97,取=0.95 则P==≈2105N 又P= 按液压缸工作压力=2,选取=0.48 则2105=［］5 得D=48.34mm 经圆整取液压缸内径D=50mm 则活塞杆直径d=0.48D=0.4850=24mm. （3）纵向进给液压缸壁厚δ和外径的计算 液压缸的壁厚δ由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知, 液压缸的壁厚可按下面的公式计算: 式中 δ——液压缸壁厚(mm)； D——液压缸内径（mm）； Py——试验压力，一般取最大工作压力的（1.25～1.5）倍, 取Py=1.3P=1.3×2=2.6； ——缸筒材料的许用应力，其值为：锻钢=110～120；铸钢=100～110；无缝钢管=100～110；高强度铸铁=60；灰铸铁=25。夹紧缸缸体材料为45钢,采用模锻进行锻造,其许用应力=115。 则mm 取壁厚δ=10mm 则缸筒外径50+10×2=70mm （4）纵向进给液压缸工作行程的确定 液压缸工作行程长度,可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，本机床液压缸的实际工作最大行程为600mm。因此它的工作行程为600mm。 （5）纵向进给液压缸缸盖厚度的确定 一般液压缸多为平底缸盖,其有效厚度t按强度要求可用下面公式进行近似计算。 式中 t——缸盖有效厚度(mm)； D2—— 缸盖止口内径(mm)； 取D2=50mm d0——缸盖孔的直径(mm)； ——缸盖材料的许用应力,其材料为HT200, =25。 夹紧缸缸盖无孔,按公式(2.10)计算得: mm 取t=15mm （5）纵向进给液压缸缸体长度的确定 液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和.缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20～30倍。因此取纵向液压缸缸体长度L为800mm。 4.2.2纵向进给液压缸活塞杆的稳定性验算和强度校核 （1）活塞杆的稳定性验算 根据材料力学的理论,一根受压的细长直杆,在其轴向负载Fr超过稳定性临界力Fk时,失去原有直线状态下的平衡,称为失稳。 因此,受轴向压力的活塞杆的稳定条件可表示为: 式中 ——稳定性安全系数,一般取=2～4，本设计取=2. 活塞杆的临界力Fk,可按材料力学中下面公式计算： ==1068N 2000<=534N 因此活塞稳定性合格。 （2）活塞杆强度校核 活塞杆强度的计算可由下面公式算出： 式中 d1——空心活塞杆内径,对实心活塞杆d1=0； ——活塞杆材料的许用应力，其材料为45钢，则=270。 则< =270 因此，活塞杆的强度满足要求。 4.3横向进给液压缸主要参数的确定 根据纵向进给液压缸的设计要求，可以算出横向进给液压的主要参数如下： 横向进给液压缸的工作压力P=1.5MPa 横向进给液压缸内径D=45mm 活塞杆直径d=20mm 横向进给液压缸壁厚δ=8mm 外径=56mm 横向进给液压缸工作行程为60mm 横向进给液压缸缸盖厚度t=14mm 横向进给液压缸缸体长度L=200mm 第5章 液压系统的设计 5.1液压系统的组成 本液压系统由从纵向进给液压缸及横向进给液压缸两大部分组成。液压油从油缸流出后进入滤油器从而进入液压泵，由液压泵打出的油经溢流阀调节压力，其压力的调节结果可由压力表查出。为防止油液倒流，用单向阀形成背压。经过单向阀后，油路一分为二，分别进入纵向进给液压缸部分和横向进给液压缸部分。 5.2 液压缸的结构设计 液压缸主要尺寸确定以后,就进行各部分的结构设计。主要包括:缸体与缸盖的连接结构、活塞杆与活塞的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置、缓冲装置、排气装置及液压缸的安装连接结构等。由于工作条件不同,结构形式也各不相同。设计时根据具体情况进行选择。 （1）缸体与缸盖的联接形式 缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关.本次设计采用法兰连接。在钢管的缸体上焊接上法兰盘，再用螺钉与端盖固紧。这种连接结构简单，加工和装拆都很方便。 (2)活塞与活塞杆的联接 活塞与活塞杆的联接主要有螺纹联接和卡键联接两种。本设计采用卡键联接。这种联接的方法可以使活塞在活塞杆上浮动，使活塞与缸体不易卡住，它比螺纹联接要好，但结构稍微复杂。 (3)活塞杆导向部分的结构 活塞杆导向部分的结构,包括活塞杆与端盖导向套的结构,以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向,也可以做成与端盖分开的导向套结构。后者导向套磨损后便于更换,所以应用较普遍。导向套的位置可安装在密封圈的内侧,也可以装在外侧。机床和工程机械中一般采用装在内侧的结构,有利于导向套的润滑；而油压即常采用装在外侧的结构,在高压下工作时,使密封圈有足够的油压将唇边张开,以提高密封性能。 活塞杆处的密封形式有O形、V形、Y形和Yz形密封圈.为了清除活塞杆处外露部分沾附的灰尘,保证油液清洁及减少磨损,在端盖外侧增加防尘圈。常用的有无骨架防尘圈和J形橡胶密封圈,也可用毛毡圈防尘。为了结构简单,本设计采用防尘圈。 (4)活塞及活塞杆处密封圈的选用 活塞及活塞杆处的密封圈的选用,应根据密封的部位、使用的压力、温度、运动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈。活塞及活塞杆与密封腔体处的密封采用O形密封圈与Y形密封圈相配合使用进行密封。 (5)液压缸的缓冲装置 当液压缸带动工作部件作快速往复运动时,由于运动件的质量较大,运动速度较高,则在到达行程终点时,会产生液压冲击,甚至使活塞与缸筒端盖之间产生机械碰撞。为了防止这种现象的发生，保证安全，应采取缓冲措施，在行程末端设置缓冲装置。 (6)液压缸的排气装置 液压传动系统往往会混入空气，使系统工作不稳定，产生振动、爬行或前冲等现象，严重时会使系统不能正常工作。因此，设计液压缸时，必须考虑空气的排除。液压缸若无专用的排气装置，进、出油口应设在液压缸的最高处，以便空气能首先从液压缸排出。 5.3计算在各工作阶段液压缸所需流量 5.3.1纵向进给液压缸 (1)确定纵向进给液压缸的三个工作状态(快进、工进、快退)的速度 参考同类机床，确定纵向进给液压缸的三种速度分别为: ==3m/min =40mm/min (2)确定相应的流量 由流量公式Q=VA算出 ==3.14() =0.018=18L/min ==3.14=0.024=24L/min ==3.14 =0.0024=2.4L/min 式中D为液压缸内径，d为活塞杆直径 5.3.2横向进给液压缸 (1)确定横向进给液压缸的两个工作状态(工进、快退)的速度 参考同类机床，确定横向进给液压缸的两种速度分别为: =3m/min =50mm/min (2)确定相应的流量 由流量公式Q=VA算出 ==3.14=0.019=19L/min ==3.14 =0.0026=2.6L/min 5.4油泵电机的选择 本机床的油箱装油约400升，油箱顶盖上安装一个电机用来驱动叶片泵，其吸油管的前端装有滤油器，泵的压力分别供机床的各部分使用。 （1）确定油泵的型号 因系统在纵向快退时所需流量最大，为Q=24L/min。因此,油泵的流量=1.1Q=1.1=26.4L/min 由第三章知，两液压缸中最大的工作压力为P=2MPa 由液压系统图知 =3MPa（单向阀1MPa，背压阀2MPa） =72 因此P++=2+3+0.36=5.36MPa 由及选取CB-B50型齿轮泵( 转速1450转/分) （2）确定油泵电机 油泵电机的功率N= 选用Y90L-4型三相异步电动机， 质量27kg. 第6章 电气部分设计 6.1电气设备概述 本机床的程序控制采用可编程序控制器，即PLC，程序的选择可在电气操作的转换由要安装在机床上的行程开关进行控制。 6.1.1电气控制的主电路部分设计 本系统的主电路部分由三台电机组成，所有电机均采用直接启动，主轴电机由作为机床电源引入开关的熔断器和热继电器作为短路保护和长期过载保护，油泵电机及冷却电机也由各自的熔断器和热继电器作短路保护及长期过载保护。 机床的电源为三相50赫兹380伏交流电，通过自动空气短路器与车间电网相连接。 6.1.2电气控制的变压系统部分设计 根据PLC输出端的特点，本系统共需以下四种电压： （1）作为PLC电源的交流220伏 （2）线圈所需电源交流100伏 （3）电磁铁所需电源直流24伏 （4）原点指示灯所需电源交流6.3伏 变压系统的左右两端均采用空气断路器作为短路保护及长期过载保护，其中直流24伏需要安装整流器。 6.2 PLC在本课题中的应用 6.2.1采用PLC的控制对象分析 在本套专用设备中，PLC需控制以下部分的动作过程：拖板的纵向快进、工进、快退，滑块及刀架的工进、快退，同时还需要控制主轴的启动和停止等。机床的动作过程如下： 打开机床的电源后，按下启动按钮使主轴旋转，滑块及刀架所在的床鞍在纵向进给液压缸的推动下进行纵向快进，当其上的挡块撞上快进限位开关时，床鞍由快进改变为工进，并逐渐接近工件端面，当挡块撞上工进限位开关时，纵向进给停止。同时横向进给液压缸启动，其活塞杆通过铰链拖动滑块沿靠模的型槽进行运动，车削出球面。当滑块上的挡铁撞上横向工进限位开关时，工进停止。床鞍快速后退到机床原点。滑块再快速退回到刚才的起点，由此，机床完成一个工件的加工循环。 该机床的控制方式分为自动和手动。其自动中各动作的连续由各相关位置的限位开关控制；而手动过程中各部分的动作由安放在床头箱上方的电气操作台上的控制按钮实现。 在加工过程中，若出现紧急情况，可以按下急停按钮；同时，面板上还设置了复位按钮，以便将仿形刀架及床鞍移回原点，当其到达原点时，面板上的原点指示灯将发亮，以发出到达原点的指示信号。 此外，机床的照明在接通机床电源的同时随即打开。冷却液由安放在操作面板上的按钮控制。 6.2.2选用和确定I/O设备 根据上述对控制对象的分析，本机床所需的I/O设备及点数见下表： 信号 I/O设备 I/O点数 输入 操作方式选择旋转开关 平动时运动方向选择开关 位置检测（纵快进、工进、快退、横工进、快退） 按钮（启动、停止、复位、急停） 冷却液开、关按钮 2 5 5 4 2 输出 电磁阀 原点指示 7 1 6.2.3选择PLC的型号及I/O点数的分析 PLC机型选择的基本原则是，在功能满足的前提下，保证可靠、维护使用方便，以获得最佳的性能价格比。PLC的型号种类很多，在选用PLC时还需考虑以下问题。 （1）选用规模适当的PLC 输入、输出点数是衡量PLC规模大小的重要指标。因此，在选用PLC时，首先要确保有足够的I/O点数，并留有一定的余地，一般考虑10%~15%的备用量。另外，如果只是为了实现单机自动化或机电一体化产品，可选用小型PLC；若控制系统较大，I/O点数较多，被控制设备较分散，则可选用大、中型PLC。 （2）PLC的容量要满足用户要求 PLC用户程序所需内存容量一般与开关量输入输出点数、模拟量输入输出点数以及用户程序的编写质量等有关。 对PLC用户程序存储器容量的估算，有以下经验公式： 存储器总字数=（开关量I/O点数10）+（模拟量点数150） 本系统中无模拟量，所以该公式变为： 存储器总字数=(开关量I/O点数10)=2610=260 按经验公式所算得的存储器字数还要留有25%的余量，即 存储器总字数为260（1+0.25）=325 （3）功能要相当、结构要合理 对只要求用于继电器控制功能的系统，控制一台或几台小设备，或者用于对原有设备的改造，加强完善其功能等场合，选择一般小型机即可，若被控制对象是开关量和模拟量并存，则要选择有相应功能的PLC。 此外，还要考虑PLC的结构。在单机自动化和一些小型控制系统中易选整体式PLC。 （4）输入/输出模块的选择 选择哪一种功能的输入输出模块和哪一种输出形式，取决于控制系统中输入输出信号的种类、参数要求和技术要求。 输入模块分为直流5V/12V/24V/48V/60V几种；交流115V/220V两种。一般应根据现场设备与模块之间的距离来选择电压的大小。本系统中选用直流24V。 输出模块按方式不同又有继电器输出、晶体管输出和双闸管输出三种。对开关频繁、低功率因数的感性负载，可使用晶闸管输出（交流输出）。继电器输出模块承受过电压和过电流的能力较强，价格比较便宜，但响应速度较慢，在输出变化不是很快、很频繁时，可优先考虑使用。 6.2.4控制程序设计 因为在手动操作方式下，各种动作都是用按钮控制来实现，其程序可独立与自动操作程序而另行设计。因此，总程序可分为两段独立的部分:手动操作程序和自动操作程序。程序的总结构如图。当选择手动操作方式，则输入点X407接通，其常闭触点断开，执行手动程序，并由于X410的常闭触点为闭合，则跳过自动程序段。若选择自动操作方式，将跳过手动程序段而执行自动程序。 （1）手动操作程序的设计 手动操作控制简单，可按照一般继电器控制系统的逻辑设计法来设计。手动操作的梯形图如图所示。 （2）自动操作程序设计 自动操作控制比较复杂，可先绘出控制流程图（功能表图），以表示程序执行的顺序和条件如下图: 本例是一个按顺序动作的步进控制系统，可以用一般PC都具有的位移寄存器编程，当然也可以用步进梯形指令编程，本例采用位移寄存器编程的方法设计自动程序。由流程图可知，位移寄存器的M100~M105各位代表机床一个动作循环6步，当两步之间的转换条件得到满足时，转换到下一工步，即机床的动作前进一工步。 图7中所示为自动操作程序的梯形图。图中，位移寄存器的数据输入电路由M101~M110各位的常闭触点与辅助继电器M120的常开触点串联而成，位移信号由若干条串联支路并联后获得，并经M100和T450的常开触点接到SFT端，而位移寄存器的复位有两条路，其一是急停信号X502直接复位，其二是通过X410的常开触点与M106、X406的常开触点串联而提供复位信号。 自动操作程序的控制原理及工作过程分析如下： 当选择连续工作方式，启动后辅助继电器M120接通，程序可自动循环。 1原点状态 当进给机构处于原点，X405和X406是接通的。Y530线圈接通，原点指示灯亮。 2启动 按下启动按钮，X400接通 ，使M120线圈通电并自保持，移位寄存器首位M100置“1”，Y430线圈接通，启动电磁阀得电，执行主轴旋转动作。同时，计时器T450接通，延时3秒。 3纵向快进 当计时器T450延时3秒后，T450常开触点闭合，发出移位信号，M100的“1”态移位到了M101。M101的常开触点一方面接通Y434，使拖板纵向工进，另一方面启动Y433，使拖板快速纵向进给。 应当提出的是，因M101的常闭触点把移位寄存器的数据输入端打开，M100由“1”变为“0”。不难分析，在本程序中，移位寄存器的后一位总是把前一位置“0”，也就是说位移寄存器的各位中，总是只有一位的状态为“1”。 4纵向工进 当床鞍纵向快进到位，撞上纵向快进限位开关X402时，其常闭触点断开，使纵向快进动作停止。同时X402的常开触点闭合，发出移位信号，M101的“1”态移到了M102，M102的常开触点闭合接通Y434，纵向工进开始。 5横向工进 当床鞍纵向工进到位，撞上纵向工进限位开关X403时，其常闭触点断开，纵向工进动作停止。同时X403的常开触点闭合，发出移位信号，M102的“1”态移到了M103，M103的常开触点闭合，接通Y435，横向工进开始。 6横向工进终点延时 当横向工进到位，纵向工进限位开关闭合，使输入点X404接通，其常开触点将计时器T451接通，延时3秒。 7纵向快退 当延时倒3秒后，其常开触点闭合，发出位移信号，M103的“1”态移到了M104，其常开触点一方面将Y436接通，使床鞍纵向后退，另一方面接通Y433，使床鞍纵向快速后退。 8横向快退 床鞍纵向快退到位时，撞上纵向快退限位开关X405，其常闭触点将Y436和Y433同时断开，纵向快退停止。同时X405的常开触点接通，发出移位信号，使M104的“1”态移到了M105，M105的常开触点闭合，使Y437和Y433同时接通，横向快退停止。 9回到原点 横向快退到位后，其限位开关闭合，使输入点X406接通，产生移位信号将M105的“1”态移到M106。发出复位信号，“1”态重新回到M100。至此，机床完成了一个周期的动作又回到原点，原点指示灯亮。 10主轴制动 当原点指示灯亮后，X405、X406均闭合，此时，若按下停止按钮，X401常开触点闭合，常闭触点断开，Y430断电,Y431带电，分别控制床头箱中的两个电磁离合器，使主轴迅速制动，此时可更换工件。 值得注意的是，为保证安全，只有当拖板退回到机床原点时，按下停止按钮才可以使主轴停转。 （3）编写控制程序的语句表 手动和自动程序设计好后，按总程序结构框图，将两段程序嵌入，就可得到整个系统的应用程序。 根据这个总程序的梯形图，编写出语句表。 步序 指令 步序 指令 1 LDI X407 2 CJP 700 3 LD X400 4 AND X405 5 AND X406 6 ANI X401 7 OUT Y430 8 LD X401 9 OUT Y431 10 LD X411 11 AND X501 12 ANI X402 13 OUT Y433 14 LD X411 15 ANI X403 16 OUT Y434 17 LD X413 18 ANI X404 19 OUT Y435 20 LD X412 21 ANI X405 22 OUT Y436 23 LD X501 24 OUT Y433 25 ORB 26 LD X500 27 ANI X406 28 OUT Y437 29 LD X501 30 OUT Y433 31 ORB 32 LD X504 33 OR Y432 34 ANI X505 35 OUT Y432 36 EJP 700 37 LDI X410 38 CJP 700 39 LD X405 40 AND X406 41 OUT Y530 42 LD X400 43 AND X405 44 AND X406 45 OR M120 46 ANI X502 47 OUT M120 48 OUT T450 49 K 3 50 LD M120 51 ANI M101 52 ANI M102 53 ANI M103 54 ANI M104 55 ANI M105 56 ANI M106 57 OUT M100 58 LD M100 59 AND T450 60 LD M101 61 AND X402 62 ORB 63 LD M102 64 AND X403 65 ORB 66 LD M103 67 LD M103 68 AND T451 68 ORB 70 AND X405 71 ORB 72 LD M105 73 AND X406 74 ORB 75 SFT M100 76 LD M106 77 AND X406 78 AND X410 79 OR X502 80 RST M100 81 LD M100 82 ANI X401 83 OUT Y430 84 OUT T450 85 K 3 86 LD X401 87 ANI X405 88 ANI X406 89 OUT Y431 90 LD M101 91 ANI X402 92 OUT Y434 93 OUT Y433 94 LD M102 95 ANI X403 96 OUT Y434 97 LD M103 98 LDI X404 99 OUT Y435 100 LD X404 101 OUT T451 102 K 3 103 LD M104 104 OR X503 105 ANI X405 106 OUT Y436 107 OUT Y433 108 LD M105 109 OR X503 110 ANI X406 111 OUT Y437 112 OUT Y433 113 EJP 700 6.2.5上述控制程序中所应用列的主要元器件介绍 （1）输入继电器X 输入继电器是接收外部信号的窗口，它与PLC的输入端子相连。PLC通过光电耦合器将外部输入信号的状态读入并存储在输入映象寄存器中。输入继电