數(shù)控車床自動回轉(zhuǎn)刀架機電系統(tǒng)設(shè)計說明

1、第1節(jié) 自動回轉(zhuǎn)刀架總體設(shè)計1.1 概述數(shù)控車床的刀架是機床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，因此其結(jié)構(gòu)直接影響機床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的結(jié)構(gòu)和性能體現(xiàn)了機床的設(shè)計和制造技術(shù)水平。隨著數(shù)控車床的不斷發(fā)展，刀架結(jié)構(gòu)形式也在不斷翻新。其中按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式。自1958年首次研制成功數(shù)控加工中心自動換刀裝置以來，自動換刀裝置的機械結(jié)構(gòu)和控制方式不斷得到改進(jìn)和完善。自動換刀裝置是加工中心的重要執(zhí)行機構(gòu)，它的形式多種多樣，目前常見的有：回轉(zhuǎn)刀架換刀，更換主軸頭換刀以與帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)。初步了解了設(shè)計

2、題目（電動刀架）與發(fā)展概況，設(shè)計背景，對刀架有了一些印象，對整理設(shè)計思路 安排設(shè)計時間有很好的輔助作用。對一些參數(shù)的進(jìn)行了解同時按準(zhǔn)則要求來完成設(shè)計。1.2數(shù)控車床自動回轉(zhuǎn)刀架的發(fā)展趨勢數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢是：隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅(qū)動和伺服驅(qū)動方向發(fā)展。目前國數(shù)控刀架以電動為主，分為立式和臥式兩種。主要用于簡易數(shù)控車床；臥式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋轉(zhuǎn)，就近選刀，用于全功能數(shù)控車床。另外臥式刀架還有液動刀架和伺服驅(qū)動刀架。電動刀架是數(shù)控車床重要的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，合理地選配電動刀架，并正確實施控制，能夠有效的提高勞動生產(chǎn)率，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，消除人為誤差，提

3、高加工精度與加工精度的一致性等等。另外，加工工藝適應(yīng)性和連續(xù)穩(wěn)定的工作能力也明顯提高：尤其是在加工幾何形狀較復(fù)雜的零件時，除了控制系統(tǒng)能提供相應(yīng)的控制指令外，很重要的一點是數(shù)控車床需配備易于控制的電動刀架，以便一次裝夾所需的各種刀具，靈活方便地完成各種幾何形狀的加工。數(shù)控刀架的市場分析：國產(chǎn)數(shù)控車床將向中高檔發(fā)展，中檔采用普與型數(shù)控刀架配套，高檔采用動力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種。數(shù)控刀架的高、中、低檔產(chǎn)品市場數(shù)控刀架作為數(shù)控機床必需的功能部件，直接影響機床的性能和可靠性，是機床的故障高發(fā)點。這就要求設(shè)計的刀架具有具有轉(zhuǎn)位快，定位精度高，切向扭矩大的特點。它的原理采用蝸桿傳

4、動，上下齒盤嚙合，螺桿夾緊的工作原理。1.3自動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理回轉(zhuǎn)刀架的工作原理為機械螺母升降轉(zhuǎn)位式。工作過程可分為刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位、刀架定位并壓緊等幾個步驟。圖1.1為螺旋升降式四方刀架，其工作過程如下： 刀架抬起 當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后, 通過接口電路使電機正轉(zhuǎn), 經(jīng)傳動裝置、驅(qū)動蝸桿蝸輪機構(gòu)。蝸輪帶動絲桿螺母機構(gòu)逆時針旋轉(zhuǎn) ,此時由于齒盤處于嚙合狀態(tài)，在絲桿螺母機構(gòu)轉(zhuǎn)動時，使上刀架體產(chǎn)生向上的軸向力將齒盤松開并抬起,直至兩定位齒盤脫離嚙合狀態(tài),從而帶動上刀架和齒盤產(chǎn)生“上抬”動作。 刀架轉(zhuǎn)位 當(dāng)圓套逆時針轉(zhuǎn)過150時，齒盤完全脫開，此時銷釘準(zhǔn)確進(jìn)入圓套中的凹槽中，帶動刀架體轉(zhuǎn)位。

5、 刀架定位 當(dāng)上刀架轉(zhuǎn)到需要到位后（旋轉(zhuǎn)90、180或270），數(shù)控裝置發(fā)出的換刀指令使霍爾開關(guān)中的某一個選通,當(dāng)磁性板與被選通的霍爾開關(guān)對齊后,霍爾開關(guān)反饋信號使電機反轉(zhuǎn),插銷在彈簧力作用下進(jìn)入反靠盤地槽中進(jìn)行粗定位，上刀架體停止轉(zhuǎn)動，電機繼續(xù)反轉(zhuǎn)，使其在該位置落下，通過螺母絲桿機構(gòu)使上刀架移到齒盤重新嚙合, 實現(xiàn)精確定位。刀架壓緊 刀架精確定位后，電機與許反轉(zhuǎn)，夾緊刀架，當(dāng)兩齒盤增加到一定夾緊力時，電機由數(shù)控裝置停止反轉(zhuǎn)，防止電機不停反轉(zhuǎn)而過載毀壞，從而完成一次換刀過程。圖1.1 螺旋升降式四方刀架第2節(jié) 主要傳動部件的設(shè)計計算2.1 蝸桿副的設(shè)計計算自動回轉(zhuǎn)刀架的動力源是三相異步電動機，

6、其中蝸桿與電動機直聯(lián)，刀架轉(zhuǎn)位時蝸輪與上刀體直聯(lián)。已知電動機額定功率P1=90W，額定轉(zhuǎn)速n1=1440rmin，上刀體設(shè)計轉(zhuǎn)速n2=30rmin，則蝸桿副的傳動比i=48。刀架從轉(zhuǎn)位到鎖緊時，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，起動時沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命Lh=10000h。(1)蝸桿的選型 GBT10085-1988推薦采用漸開線蝸桿(ZI蝸桿)和錐面包絡(luò)蝸桿(ZK蝸桿)。本設(shè)計采用結(jié)構(gòu)簡單、制造方便的漸開線型圓柱蝸桿(ZI型)。(2)蝸桿副的材料 刀架中的蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速較高，因此，蝸桿的材料選用45鋼，其螺旋齒面要求淬火，硬度為4555HRC，以提高表面耐磨性；蝸輪

7、的轉(zhuǎn)速較低，其材料主要考慮耐磨性，選用鑄錫磷青銅ZCuSnl0P1，采用金屬模鑄造。(3)按齒面接觸疲勞強度進(jìn)行設(shè)計 刀架中的蝸桿副采用閉式傳動，多因齒面膠合或點蝕而失效。因此，在進(jìn)行承載能力計算時，先按齒面接觸疲勞強度進(jìn)行設(shè)計，再按齒根彎曲疲勞強度進(jìn)行校核。按蝸輪接觸疲勞強度條件設(shè)計計算的公式為：1) 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T2 設(shè)蝸桿頭數(shù)Z1=1，蝸桿副的傳動效率取=0.8。由電動機的額定功率P1=90W，可以算得蝸輪傳遞的功率P2=P1，再由蝸輪的轉(zhuǎn)速n2=30r min求得作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩： 2)確定載荷系數(shù)K載荷系數(shù)K=KAKBKV，。其中KA為使用系數(shù)，由表6-3查得，由于工作載

8、荷不均勻，起動時沖擊較大，因此取KA=1.15；KB為齒向載荷分布系數(shù)，因工作載荷在起動和停止時有變化，故取KB=1.15；Kv為動載系數(shù)，由于轉(zhuǎn)速不高、沖擊不大，可取Kv=1.05。則載荷系數(shù)：K=KAKBKV=1.151.151.051.393)確定彈性影響系數(shù)ZE。 鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配時，從有關(guān)手冊查得彈性影響系數(shù)。4)確定接觸系數(shù)先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d1和傳動中心距a的比值，從而可查出=2.95)確定許用接觸應(yīng)力H 根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSnl0P1、金屬模鑄造、蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC，查表可得蝸輪的基本許用應(yīng)力H =268MPa。已知蝸桿為單頭，蝸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時

9、每個輪齒嚙合的次數(shù)j=1；蝸輪轉(zhuǎn)速n1=30rmin；蝸桿副的使用壽命Lh=10000h。則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： N=6Qjn2Lh=60130 x 10000=1.8107壽命系數(shù)：許用接觸應(yīng)力：H=KHNH=0.929268Mpa 249Mpa6)計算中心距查表得，取中心距，已知蝸桿頭數(shù)=1，m=1.25mm，蝸桿分度圓直徑d1=22.4mm。這時0.448，從而可查得接觸系數(shù)，因為，因此以上計算結(jié)果可用。蝸桿和蝸輪主要幾何尺寸計算（1）蝸桿 分度圓直徑：d1=28mm 直徑系數(shù)：q=17.92， 蝸桿頭數(shù)：Z1=1 分度圓導(dǎo)程角：=31138 蝸桿軸向齒距：PA=3.94mm；蝸桿齒頂圓直徑：

10、蝸桿齒根圓直徑：蝸桿軸向齒厚：=2.512mm蝸桿軸向齒距：（2）蝸輪 蝸輪齒數(shù)：Z2 =45 變位系數(shù)=0 驗算傳動比：i=/=45/1=45 蝸輪分度圓直徑：d2=mz2=72mm 蝸輪喉圓直徑：da2=d2+2ha2=93.5 蝸輪喉母圓直徑：rg2=a-1/2 da2 =50-1/293.5=3.25 蝸輪齒頂圓直徑： 蝸輪齒根圓直徑： 蝸輪外圓直徑：當(dāng)在z=1時，2.2蝸桿軸的設(shè)計（1） 蝸桿軸的材料選擇，確定許用應(yīng)力考慮軸主要傳遞蝸輪的轉(zhuǎn)矩，為普通用途中小功率減速傳動裝置。選用45號鋼，正火處理，（2） 按扭轉(zhuǎn)強度初步估算軸的最小直徑（2-21） 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取=0

11、.6 抗彎截面系數(shù)W=0.1d3 取dmin=15.14mm（3） 確定各軸段的直徑和長度 根據(jù)各個零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀與直徑和長度。圖2.1 蝸桿軸d1=d5 同一軸上的軸承選用同一型號，以便于軸承座孔鏜制和減少軸承類型。d5軸上有一個鍵槽，故槽徑增大5%d1=d5=d1(1+5%)=15.89mm ,圓整d1=d5=17mm所選軸承類型為深溝球軸承，型號為6203，B=12mm，D=40mm，d2起固定作用，定位載荷高度可在（0.070.1）d1圍，d2=d1+2a=19.3820.04mm，故d2取20mmd3為蝸桿與蝸輪嚙合部分，故d3=24mmd4=d2=20mm,

12、便于加工和安裝L1為與軸承配合的軸段，查軸承寬度為12mm，端蓋寬度為10mm，則L1=22mmL2尺寸長度與刀架體的設(shè)計有關(guān)，蝸桿端面到刀架端面距離為65mm，故L2=43mmL3為蝸桿部分長度L3（11+0. 6z2）m=38mm圓整L3取40mmL4取55mm，L5在刀架體部分長度為（12+8）mm，伸出刀架部分通過聯(lián)軸器與電動機相連長度為50mm，故L5=70mm兩軸承的中心跨度為128mm，軸的總長為230mm（4）蝸桿軸的校核作用在蝸桿軸上的圓周力 (2-22)（2-23） 其中d1=28mm則（2-24） 徑向力 (2-25) 切向力 (2-26)圖2.2 軸向受力分析 (2-2

13、7) (2-28)求水平方向上的支承反力 圖2.3 水平方向支承力（2-27）（2-28） (2-29)求水平彎矩,并繪制彎矩圖（2-30）圖2.4 水平彎矩圖求垂直方向的支承反力 (2-31) 查文獻(xiàn)9表2.24，其中， (2-32)圖2.5 垂直方向支承反力（2-33）（2-34） 求垂直方向彎矩，繪制彎矩圖圖2.6 垂直彎矩圖求合成彎矩圖，按最不利的情況考慮 (2-38)（2-39）圖2.7 合成彎矩圖計算危險軸的直徑 查文獻(xiàn)9表151，材料為調(diào)質(zhì)的許用彎曲應(yīng)力，則 所以該軸符合要求。（5）鍵的選取與校核考慮到d5=105%15.14=15.89mm, 實際直徑為17mm，所以強度足夠由

14、GB1095-79查得，尺寸bh=55，l=20mm的A型普通平鍵。 按公式進(jìn)行校核，。查文獻(xiàn)9表62，取則 (2-42)該鍵符合要求。由普通平鍵標(biāo)準(zhǔn)查得軸槽深t=3mm,轂槽深t1=2.3mm2.3蝸輪軸的設(shè)計（1） 蝸輪軸材料的選擇，確定需用應(yīng)力考慮到軸主要傳遞蝸輪轉(zhuǎn)矩，為普通中小功率減速傳動裝置選用45號鋼，正火處理，（2） 按扭轉(zhuǎn)強度，初步估計軸的最小直徑 查文獻(xiàn)9表151，取45號調(diào)質(zhì)剛的許用彎曲應(yīng)力，則由于軸的平均直徑為34mm，因此該軸安全。（3） 確定各軸段的直徑和長度根據(jù)各個零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀與直徑和長度即蝸輪輪芯為68mm為蝸輪軸軸徑最小部分取34mm軸

15、段與上刀架體有螺紋聯(lián)接，牙形選梯形螺紋，根據(jù)文獻(xiàn)表8-45取公稱直徑為=44mm，螺距P=12mm，H=6.5mm查表8-46得，外螺紋小徑為31mm 、外螺紋中徑為38mm 螺紋大徑為45mm螺紋小徑為32mm 旋合長度取55mmL2尺寸長度為34mm，蝸輪齒寬b2 當(dāng)z13時，b20.75da1=15.6mm 取b2=15mm2.4中心軸的設(shè)計（1） 中軸的材料選擇,確定許用應(yīng)力考慮到軸主要起定位作用，只承受部分彎矩，為空心軸，因此只需校核軸的剛度即可。選用45號鋼，正火處理，（2） 確定各軸段的直徑和長度根據(jù)各個零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀與直徑和長度d1=15mm,d2與軸承

16、配合，軸承類型為推力球軸承，型號為51203，d=17mm,d1=19,T=12mm,D=35mm所以d2=17mmd3與軸承配合，軸承類型為推力球軸承，型號為51204，d=25mm,d1=27mm,T=15mm,D=47mm分配各軸段的長度L1=80mm,L2=93mm,L3=20mm（3） 軸的校核軸橫截面的慣性矩車床切削力F=2KN,E=210GPa因此yy中心軸滿足剛度條件2.5齒盤的設(shè)計（1） 齒盤的材料選擇和精度等級上下齒盤均選用45號鋼，淬火，180HBS。初選7級精度等級（2） 確定齒盤參數(shù)考慮齒盤主要用于精確定位和夾緊，齒形選用三角齒形，上下齒盤由于需相互嚙合，參數(shù)可一樣。

17、當(dāng)蝸輪軸旋轉(zhuǎn)150時，上刀架上升5mm，齒盤的齒高取4mm由 得算式 4=（21+0.25）m，標(biāo)準(zhǔn)值ha*=1.0, c*=0.25。求出m=1.78mm,取標(biāo)準(zhǔn)值m=2mm。故齒盤齒全高h(yuǎn)=（2ha*+c*）m=(21+0.25)2=4.5mm。取齒盤圓直徑d為120mm，外圓直徑為140mm，齒頂高 ha=ha*m=12=2m齒根高 hf=(ha*+c*)m=2.5mm 齒數(shù)z=38，齒寬b=10mm，齒厚，齒盤高為5mm。（3） 按接觸疲勞強度進(jìn)行計算1）確定有關(guān)計算參數(shù)和許用應(yīng)力2）取載荷系數(shù)kt=1.53）由文獻(xiàn)表9-12取齒寬系數(shù)d=1.04）由表9-10查得材料的彈性影響系數(shù)Z

18、e=189.8，取=20，故ZH=2.55）查表取Hlim1=380，取Hlim2=3806）Lh=60241(830015)。N2=5.181077）由圖9-35查得接觸疲勞壽命系數(shù)ZN1=1.1 ，ZN2=1.18）計算接觸疲勞需用應(yīng)力 取安全系數(shù)SH=1。（4）按齒根抗彎強度設(shè)計抗彎強度的設(shè)計公式為確定公式的各參數(shù)數(shù)值1）由文獻(xiàn)圖9-37查得，抗彎疲勞強度極限2）由文獻(xiàn)圖9-38查得，抗彎疲勞壽命系數(shù)YN1=1.0，YN2=1.03）查圖取4）計算抗彎疲勞許用應(yīng)力，取抗彎疲勞安全系數(shù)=1.45）彎曲疲勞強度驗算。故滿足彎曲疲勞強度要求2.6軸承的選用圓錐滾子軸承是現(xiàn)代機器中廣泛應(yīng)用的部件

19、之一。它是依靠主要元件的滾動接觸來支撐轉(zhuǎn)動零件的。與滑動軸承相比，滾動軸承摩擦力小，功率消耗少，啟動容易等優(yōu)點。并且常用的滾動軸承絕大多數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此使用滾動軸承時，只要根據(jù)具體工作條件正確選擇軸承的類型和尺寸。驗算軸承的承載能力。以與與軸承的安裝、調(diào)整、潤滑、密封等有關(guān)的“軸承裝置設(shè)計”問題。（1） 軸承的類型考慮到軸各個方面的誤差會直接傳遞給加工工件時的加工誤差，因此選用調(diào)心性能比較好的深溝球軸承。此類軸承可以同時承受徑向載荷與軸向載荷，安裝時可調(diào)整軸承的游隙。然后根據(jù)安裝尺寸和使用壽命選出軸承的型號為：6203（2）滾動軸承的配合滾動軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，為使軸承便于互換和大量生產(chǎn)，軸承孔于

20、軸的配合采用基孔制，即以軸承孔的尺寸為基準(zhǔn)；軸承外徑與外殼的配合采用基軸制，即以軸承的外徑尺寸為基準(zhǔn)。第3節(jié) 刀架體的設(shè)計刀架體設(shè)計首先要考慮刀架體零件的布置與與刀架體外部零件的關(guān)系，應(yīng)考慮以下問題：(a) 滿足強度和剛度要求。因為刀架體的剛度不僅影響傳動零件的正常工作，而且還影響部件的工作精度。(b) 結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。如支點的安排、開孔位置和連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計等均要有利于提高刀架體的強度和剛度。(c) 工藝性好。包括毛坯制造、機械加工與熱處理、裝配調(diào)整、安裝固定、吊裝運輸、維護(hù)修理等各方面的工藝性。(d) 造型好、質(zhì)量小。刀架體的常用材料有：鑄鐵，多數(shù)刀架體的材料為鑄鐵，鑄鐵流動性好，收縮較小，容

21、易獲得形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的箱體。鑄鐵的阻尼作用強，動態(tài)剛性和機加工性能好，價格適度。加入合金元素還可以提高耐磨性。鑄造鋁合金，用于要求減小質(zhì)量且載荷不太大的箱體。多數(shù)可通過熱處理進(jìn)行強化，有足夠的強度和較好的塑性。我所設(shè)計的下刀架體采用HT150鑄造。第4節(jié) 刀架的接口與控制4.1 基本硬件組成控制部分主要采用可編程控制器進(jìn)行控制，可以方便靈活的調(diào)整控制過程以與控制速度。為力檢測是否到所需要的刀位，我們采用霍爾元件進(jìn)行到位檢測，是否壓緊則采用行程開關(guān)進(jìn)行檢測。任何一個NC系統(tǒng)都由硬件和軟件兩個部分組成，硬件是一個NC系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞直接影響整個系統(tǒng)的工作性能，有了硬件，軟件才能有效進(jìn)行，機

22、床的數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下機部分組成：1）中央處理單元部分CPU2）總線：包括數(shù)控總線，地址總線和控制總線。3）存：包括只可編程序（ROM）和隨機讀寫存(PAM).4）IO接口電路 CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心，其作用是進(jìn)行資料運行處理和控制整個電路協(xié)調(diào)工作，使存用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運行中所需的各種資料。I/O接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁，三線則是CPU與存接口以與其他能轉(zhuǎn)換電路的紐帶沒事CPU與部分電力進(jìn)行信息和通訊的必由之路。5-1 接口框圖NC系統(tǒng) T功能端 口刀位檢測元件驅(qū)動放大與邏輯保護(hù)電路執(zhí)行元件刀位選擇換刀指令4.2 通過可編程序控制器（PLC）與控制系統(tǒng)實現(xiàn)接

23、口：可提高柔性與可靠性，用霍爾元件檢測刀位，電機正反轉(zhuǎn)完成轉(zhuǎn)位循環(huán)的四位電動刀架應(yīng)用PLC接口的原理圖。數(shù)控系統(tǒng)以8421碼方式給出刀號。當(dāng)?shù)都苤吝x定刀位時，信檢輸出刀位符號低電平，正轉(zhuǎn)繼電器斷開，反轉(zhuǎn)繼電器接通，并延時關(guān)斷。電機換向與驅(qū)動鎖緊的延時時間均可有PLC程序設(shè)定，十分方便。4.3 可編程序控制器（PLC）控制程序設(shè)計：4.3.1 輸入點分配 停止 SB1I0.0 啟動 SB2-I0.1自動 SB3I1.0刀位1到位檢測 SA1I0.2刀位2到位檢測 SA2I0.3刀位3到位檢測 SA3I0.4刀位4到位檢測 SA4I0.5壓緊 SQ1I0.6延時 KTT1保護(hù) FRI0.74.3.2 輸出點電機正轉(zhuǎn)