數(shù)控車床刀架裝置的設(shè)計(jì)1

1、1.1. 國內(nèi)發(fā)展情況我國的刀架生產(chǎn)還處在發(fā)展階段，品種、規(guī)格、可靠性等方面還需要有一個完善的過程，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到成熟。基本上采用傳統(tǒng)材料和傳統(tǒng)，加上部分外購配套件的可靠性較差造成產(chǎn)品整體的可靠性與外國的差距。國內(nèi)部分刀架回轉(zhuǎn)原理為電機(jī)經(jīng)彈簧理合器帶動蝸桿，再由蝸輪帶動蝸桿旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)都苻D(zhuǎn)體時，由霍爾元件不斷檢測刀架轉(zhuǎn)體是否到位，到位后霍爾元件發(fā)出信號，然后反轉(zhuǎn)鎖緊。主要采用有銷盤、內(nèi)齒盤，外齒盤組成的三端齒定位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。其控制部分主要選用MCS-51系列單片機(jī)以及ATMEL公司的AT89等同類產(chǎn)品進(jìn)行控制。煙臺機(jī)床附件廠是目前我國生產(chǎn)刀架水平最高的廠家，特別是可以生產(chǎn)帶刀頭的刀架。該廠家

2、全套引進(jìn)意大利的生產(chǎn)線，產(chǎn)品屬于高檔型。1.2. 國外發(fā)展情況 國外數(shù)控機(jī)床附件產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用比較早，經(jīng)驗(yàn)豐富，再由于技術(shù)進(jìn)步，新材料，新結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)與應(yīng)用，使得其產(chǎn)品的可靠性比較高。國外主要分為日本和歐美兩大流派。其產(chǎn)品的特點(diǎn)是夾緊力大，采用專用電機(jī)，體積小，轉(zhuǎn)矩大，可靠性高，耐磨，可靠性較高。比如，日本日研公司部分回轉(zhuǎn)刀架的核心部件蝸桿副，蝸輪采用氮化鋼，齒部表面采用氮化處理，硬度高；蝸桿為硬質(zhì)合金蝸桿；整個蝸桿副為硬齒面接觸，耐磨。既實(shí)現(xiàn)了高速又保證了高可靠性。還有德國的肖特（SAUTER）、意大利的杜普洛馬蒂克（DUPLOMATIC）和巴魯法迪（BARUFFALDI）等，他們都有自己

3、的系列、規(guī)格和專利。像肖特（SAUTER）的刀架，采用行星傳動機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)緊湊，傳動方向均為同一方向，沒有像蝸桿副的降速機(jī)構(gòu)的交叉軸設(shè)計(jì)，易于一體化布置。采用牙嵌式齒行離合器的升起和加緊，空行程轉(zhuǎn)角、小效率高，且自鎖功能可靠。其控制部分大都與機(jī)床一起采用CNC控制，目前國際比較好的系統(tǒng)有西門子，法拉克，三菱等。 1.3. 結(jié)構(gòu)組成與動作循環(huán)數(shù)控車床刀架裝置的設(shè)計(jì)典型的數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架一般有動力源（電極或油缸，液壓馬達(dá)）、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、預(yù)分度機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、檢測裝置、接口電路、刀具安裝臺（刀盤）、動力刀座等組成。數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的動作循環(huán)為：T指令（換刀指令）刀盤放松（抬起）轉(zhuǎn)位刀位檢測預(yù)分度

4、精確定位刀具鎖緊結(jié)束，答復(fù)信號。1.4. 技術(shù)性能與發(fā)展趨勢數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的技術(shù)發(fā)展很快，現(xiàn)正逐步形成標(biāo)準(zhǔn)定型產(chǎn)品。我國數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架標(biāo)準(zhǔn)草案中所規(guī)定的主要技術(shù)性能如下：.精度定位精度要求高，一般要求工位目標(biāo)位置重復(fù)定位精度在，刀槽的工作位置定位精度在。各種形位公差為。因此定位機(jī)構(gòu)均采用精密多齒盤。先進(jìn)工藝用浮硬齒面對研,重復(fù)定位精度可高達(dá)另外,刀盤加工趨向用淬火硬磨削,以獲得刀槽精度的長期保持性及高的剛度。. 運(yùn)轉(zhuǎn)性能主要是轉(zhuǎn)位時間和轉(zhuǎn)位頻率。先進(jìn)水平一次轉(zhuǎn)位周期0.3ls,最快己達(dá)。分度頻率為6001000次/h 。雙向轉(zhuǎn)位就近換刀(最短路程換刀)的結(jié)構(gòu)正在開發(fā)應(yīng)用,如雙向滾子端面凸輪機(jī)構(gòu) ,

5、 可顯著縮短換到周期。為了克服刀盤高速轉(zhuǎn)位引起的慣性沖擊,使用恰當(dāng)?shù)木彌_元件是其發(fā)展趨勢。. 潤滑與密封目前趨向于開發(fā)能終生潤滑的產(chǎn)品,即在使用全過程中,不需要用戶再采取任何潤滑措施。因工作環(huán)境惡劣,對密封性能要求很高,通常規(guī)定在刀架體內(nèi)棋道壓力105pa氣路 ,浸入裝有防銹液的試驗(yàn)箱內(nèi),在規(guī)定時間內(nèi),不得有漏氣現(xiàn)象。. 負(fù)載能力與剛度數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的負(fù)載能力與剛度,除了與有關(guān)零件的尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)等有關(guān)外 , 受刀盤鎖緊力影響也很大。一般小型產(chǎn)品鎖緊力為左右,高性能產(chǎn)品可達(dá)以上。對數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的靜剛度目前尚無規(guī)范要求,有的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)提出測詳見定, 但缺乏數(shù)據(jù)指示。對動剛度,動態(tài)性能,在生產(chǎn)實(shí)

6、踐中反映出其影響明顯,但也無可靠數(shù)據(jù)指示提出,這些方面是今后研究開發(fā)中的重要方向。 可靠性方面可靠性是產(chǎn)品性能的綜合反映。對轉(zhuǎn)塔刀架目前一般要求平均無故障時間(MTBF)為次,高級的已經(jīng)達(dá)到次以上,國內(nèi)產(chǎn)品在設(shè)方面亟待提高。1.5 現(xiàn)代典型數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的結(jié)構(gòu)分析. 液壓式1.4. 技術(shù)性能與發(fā)展趨勢數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的技術(shù)發(fā)展很快，現(xiàn)正逐步形成標(biāo)準(zhǔn)定型產(chǎn)品。我國數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架標(biāo)準(zhǔn)草案中所規(guī)定的主要技術(shù)性能如下：.精度定位精度要求高，一般要求工位目標(biāo)位置重復(fù)定位精度在。各種形位公差為。因此定位機(jī)構(gòu)均采用精密多齒盤。先進(jìn)工藝用浮硬齒面對研,重復(fù)定位精度可高達(dá)另外,刀盤加工趨向用淬火硬磨削,以獲得刀槽精度的

7、長期保持性及高的剛度。. 運(yùn)轉(zhuǎn)性能這類刀架用液壓缸實(shí)現(xiàn)刀盤鎖緊,低速大扭矩液壓馬達(dá)驅(qū)動刀盤轉(zhuǎn)位。液壓缸可獲得很大的鎖緊力,故刀架剛性很好。該機(jī)構(gòu)適用于重負(fù)荷切削,且易雙向轉(zhuǎn)位就近換刀,大型數(shù)控車床應(yīng)用較多。 近年已開發(fā)出將液壓馬達(dá)和滾珠式預(yù)分度機(jī)構(gòu)合為一體的液壓分度馬達(dá)(IndexMotor) ?？墒沟都芎喕?重復(fù)定位精度可達(dá)。刀盤加速時間僅為0.1S,有較好的應(yīng)用前景。. 液壓機(jī)械式1.4. 技術(shù)性能與發(fā)展趨勢數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的技術(shù)發(fā)展很快，現(xiàn)正逐步形成標(biāo)準(zhǔn)定型產(chǎn)品。我國數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架標(biāo)準(zhǔn)草案中所規(guī)定的主要技術(shù)性能如下：.精度定位精度要求高，一般要求工位目標(biāo)位置重復(fù)定位精度在。各種形位公差為。因此

8、定位機(jī)構(gòu)均采用精密多齒盤。先進(jìn)工藝用浮硬齒面對研,重復(fù)定位精度可高達(dá)另外,刀盤加工趨向用淬火硬磨削,以獲得刀槽精度的長期保持性及高的剛度。. 運(yùn)轉(zhuǎn)性能1.4. 技術(shù)性能與發(fā)展趨勢數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的技術(shù)發(fā)展很快，現(xiàn)正逐步形成標(biāo)準(zhǔn)定型產(chǎn)品。我國數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架標(biāo)準(zhǔn)草案中所規(guī)定的主要技術(shù)性能如下：.精度定位精度要求高，一般要求工位目標(biāo)位置重復(fù)定位精度在。各種形位公差為。因此定位機(jī)構(gòu)均采用精密多齒盤。先進(jìn)工藝用浮硬齒面對研,重復(fù)定位精度可高達(dá)另外,刀盤加工趨向用淬火硬磨削,以獲得刀槽精度的長期保持性及高的剛度。. 運(yùn)轉(zhuǎn)性能這類刀架用液壓缸鎖緊刀盤,轉(zhuǎn)位和預(yù)分度則用點(diǎn)電機(jī)通過機(jī)械傳動裝置實(shí)現(xiàn), 如槽輪機(jī)構(gòu)。目前

9、趨向采用動態(tài)性能較好的間歇凸輪轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)。. 電動勢1.4. 技術(shù)性能與發(fā)展趨勢數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的技術(shù)發(fā)展很快，現(xiàn)正逐步形成標(biāo)準(zhǔn)定型產(chǎn)品。我國數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架標(biāo)準(zhǔn)草案中所規(guī)定的主要技術(shù)性能如下：.精度定位精度要求高，一般要求工位目標(biāo)位置重復(fù)定位精度在。各種形位公差為。因此定位機(jī)構(gòu)均采用精密多齒盤。先進(jìn)工藝用浮硬齒面對研,重復(fù)定位精度可高達(dá)另外,刀盤加工趨向用淬火硬磨削,以獲得刀槽精度的長期保持性及高的剛度。. 運(yùn)轉(zhuǎn)性能這類刀架以電機(jī)為動力源,使用方便,應(yīng)用最多。主要形式有以下幾種：（1）單面凸爪鎖緊式是我國自行開發(fā)的小型產(chǎn)品刀盤主軸上固聯(lián)有單向凸爪離合器的右半。電機(jī)經(jīng)蝸輪傳動使主動凸爪(離合器左半)正向

10、旋轉(zhuǎn),兩個半離合器結(jié)合,兩定位多齒盤覺分開嚙合,刀盤轉(zhuǎn)位。到位后反向旋轉(zhuǎn),刀盤轉(zhuǎn)動被預(yù)分度機(jī)構(gòu)的定位銷阻止,由于凸爪斜面作用使離合器左右兩半分離,使刀盤右移實(shí)現(xiàn)定位鎖緊。此形式結(jié)構(gòu)緊湊,但鎖緊力靠機(jī)構(gòu)的彈性變形產(chǎn)生,調(diào)整較難,主軸剛度不宜大,適用于低速低載,如儀表及床上使用。（2）雙插銷反靠式這類刀架以 T 形絲杠螺母機(jī)構(gòu)產(chǎn)生鎖緊力。電機(jī)正轉(zhuǎn)時絲杠移動使兩多齒盤分離，再由反靠盤及插銷帶動刀盤轉(zhuǎn)動到位,檢測裝置發(fā)訊時電機(jī)反轉(zhuǎn),插銷向預(yù)分度糟反靠實(shí)現(xiàn)預(yù)分度。由于另一端插銷斜面作用,反靠盤與之分離,電機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)則使絲杠連同刀盤反向位移至多齒盤嚙合鎖緊。該刀架轉(zhuǎn)位周期為, 不能雙向轉(zhuǎn)位。因只用一個傳動

11、鏈實(shí)現(xiàn)動作循環(huán) ,各動作協(xié)調(diào)由一特殊雙插銷機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn),故結(jié)構(gòu)緊湊,鎖緊可靠,成為國內(nèi)中、低檔數(shù)控車床采用的主要機(jī)型。（3）雙向滾子端面凸輪鎖緊式這類刀架采用正反方向均可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位鎖緊的滾子端面凸輪機(jī)構(gòu),能就近換刀。1.6 控制與接口刀位檢測元件多用無觸點(diǎn)的霍爾元件或接近開關(guān)以及光電編碼器。鎖緊電機(jī)一般采用三相交流電機(jī),但開發(fā)應(yīng)用體積小扭矩大,能頻繁換向的專用電機(jī)對提高電動式刀架性能十分重要。動力刀具驅(qū)動用可無級調(diào)速的伺服電機(jī)。數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架與系統(tǒng)接口方式常有如下兩種 :直接與數(shù)控系統(tǒng)接口視不同系統(tǒng)給出的換刀控制信號,應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口電路。通常由如下功能：方式選擇、刀位檢測發(fā)訊、驅(qū)動功能(驅(qū)動執(zhí)行器件

12、完成轉(zhuǎn)位鎖緊等動作)、保護(hù)功能(以脆如機(jī)械電氣故障 )其邏輯電路一般可用繼電器實(shí)現(xiàn)。 通過可編程序控制器(PLC)與數(shù)控系統(tǒng)接口用 PLC 實(shí)現(xiàn)接口可提高柔性和可靠性。1.7 各種刀架簡介 簡易經(jīng)濟(jì)型數(shù)控刀架目前主要為立式四工位,通常采用雙插銷機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位和預(yù)定位,電機(jī)采用右置式或轉(zhuǎn)塔式。一般只能單向轉(zhuǎn)位,采用齒輪,蝸桿傳動,螺旋副加緊,多齒盤精定位。此種刀架價格便宜,適用于要求不高的數(shù)控機(jī)床,在我國應(yīng)用最為廣泛。但是,該刀架工位少,回轉(zhuǎn)空間大,易發(fā)生干涉,所以正向工序長,回轉(zhuǎn)空間小的臥式刀架過渡。 高精度型數(shù)控刀架目前一般多為臥式八工位到十二工位。分為抬起式和不抬起式。抬起式仿意大利巴羅法蒂

13、公司的 TA 刀架,其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)阻塞度不能過高,只能單向回轉(zhuǎn)；不抬起式仿意大利 IOE 型刀架,采用行星齒輪機(jī)構(gòu)?；蚍旅绹娜?lián)分齒盤精定位,轉(zhuǎn)位采用平行分度凸輪(又叫共輒凸輪)或槽輪機(jī)構(gòu)此種刀架目前正逐漸推廣。 帶動力刀具的數(shù)控刀架此種刀架只有煙臺機(jī)床附件廠生產(chǎn),全套引進(jìn)意大利的生產(chǎn)線和專利,一般用于車削加工中心。2 方案選擇及論證 傳動方案的分析和擬定技術(shù)關(guān)鍵（a）合理的整體布局及夾緊機(jī)構(gòu),以保證有足夠的剛性。（b）定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。雙插銷配合多齒盤定位。（c）發(fā)訊元件的選擇。采用霍爾元件。 數(shù)控立式四工位抬起式自動刀架傳動方案的分析和擬定（1）傳動方案的擬定采用蝸輪蝸桿傳動和螺旋副加緊、雙插

14、銷預(yù)定位、端面多齒盤精定位、霍爾元件發(fā)訊。（2）傳動方案簡圖圖2-1 傳動方案簡圖（3）傳動方案分析a.傳動機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿傳動的主要優(yōu)點(diǎn)：降速比大,結(jié)構(gòu)緊湊,工作平穩(wěn)無噪聲。能阻滯扭轉(zhuǎn)振動。當(dāng)蝸桿螺旋升角小于摩擦角時,有反向自鎖作用。其主要缺點(diǎn)是 : 發(fā)熱大,加工復(fù)雜,需要有與蝸桿參數(shù)相同的渦輪滾刀,對裝配誤差較為敏感。螺旋副加緊采用絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳動,其特點(diǎn)是：用較小的扭矩轉(zhuǎn)動絲杠(或螺母),可使螺母(或絲杠)獲得較大的軸向牽引力?？蛇_(dá)到很大的降速傳動比,使降速機(jī)構(gòu)大為簡化,傳動鏈得以縮短。能達(dá)到較高的傳動精度。傳動平穩(wěn),無噪聲。在一定條件下能自鎖,即絲杠螺母不能進(jìn)釘逆向傳動。此特點(diǎn)特別適用

15、于作部件升降傳動。由于蝸桿傳動和絲杠螺母傳動均能自鎖,即夾緊機(jī)構(gòu)雙重自鎖，不必再配置制動器。b. 定位機(jī)構(gòu)雙差銷預(yù)定位雙差銷定位,一般稱為反靠定位。具有較高的定位精度和可靠性,并能在有沖擊和振動的情況下穩(wěn)定工作。磨損少,定位附加沖擊小。定位精度保持性強(qiáng)。端面齒盤精定位優(yōu)點(diǎn) :由于采用了多齒結(jié)構(gòu),所以定位精度高,一般可達(dá)，最高可達(dá)；能自動定心,定位精度不受軸承間隙和正反轉(zhuǎn)的影響(也稱自由定心)；齒面磨損對定位精度影響不大,隨著不斷使用磨合,定位精度有可能改善,精度保持性好；承載能力強(qiáng),定位剛性好。其齒面嚙合長度一般不小于60%,齒數(shù)嚙合率一般不低于90%；適應(yīng)性強(qiáng),齒數(shù)的所有因數(shù)都可作為分度工位

16、數(shù),容易得到不等的分度；重復(fù)定位精度穩(wěn)定。缺點(diǎn) :齒形加工較為復(fù)雜,轉(zhuǎn)位、定位時動齒盤需要升降,并要有夾緊裝置,成本高。c. 數(shù)控轉(zhuǎn)塔式四工位自動回轉(zhuǎn)刀架傳動方案的確定 :采用蝸輪-蝸桿傳動 : 螺旋副加緊；電磁離合器制動 : 雙插銷機(jī)構(gòu)預(yù)定位；端面齒盤精定位 : 霍爾元件發(fā)訊。3 主要參數(shù)的計(jì)算3.1 刀架的設(shè)計(jì)參數(shù) :（1）定位精度：;（2）重復(fù)定位精度: 土;（3）適用機(jī)床：C6140;（4）多齒盤直徑：175(72 齒左右 );（5）刀架工位數(shù)：四工位;（6）定位控制元件：霍爾元件;（7）電機(jī)的選用：電機(jī)的轉(zhuǎn)速與設(shè)計(jì)刀架的回轉(zhuǎn)速度有關(guān) .先預(yù)定為1500min（8）刀座尺寸： 200*

17、192 刀盤尺寸：200*1103.2 動力參數(shù)的確定選擇電機(jī)類型 :根據(jù)工作要求和條件 : 功率小,起動轉(zhuǎn)矩低,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等,無需調(diào)速、長期反復(fù)工作，故選用 N 系列異步電動機(jī)。取轉(zhuǎn)速為1400r/min。電機(jī)容量的設(shè)計(jì)計(jì)算 :由要求 :自鎖力Q=1000 kgf500 kgf,此處取 Q=1000kgf 。螺旋副傳動的牙型為梯形螺紋,可通過較小的扭矩獲得較大的軸向力,并要求自鎖。梯形螺紋的牙型角=,則牙型半角 P=,且有f=0.08。由于本刀架鎖緊系統(tǒng)中的摩擦是由封閉系統(tǒng)彈性變形力所引起的,壓力通常超過 3,其摩擦系數(shù)比一般23倍,取螺桿中徑d=85mm.a.求當(dāng)量摩擦角 :，為保證電機(jī)驅(qū)動

18、力矩消失后刀盤仍處于鎖緊狀態(tài),絲杠螺母傳動必須滿足自鎖條件:,所以-1=10.7，由實(shí)驗(yàn)表明=46 有滿意效果,故取=5 。b.螺桿的轉(zhuǎn)速 n1=28r/min（設(shè)計(jì)任務(wù)書給出） 可得出傳動比： （3-1）計(jì)算電機(jī)容量 ：（3-2） 其中 ,Pd 為電機(jī)所需功率 :Pw 為工作機(jī)所需工作功率；是由電動機(jī)至工作機(jī)主動端的總效率：（3-3） （3-4） 其中分別為軸承、蝸輪蝸桿、聯(lián)軸器、滑動絲杠的傳動效率。取=0.98, =0.45( 自鎖時傳動效率 ), , （設(shè)計(jì)任務(wù)書給出）W （3-5）c. 計(jì)算螺桿上的扭矩 : （3-6）d. ，選取型號JW-5264 三相微型感應(yīng)電機(jī)，其技術(shù)參數(shù)如下：電

19、壓 輸出功率轉(zhuǎn)速輸入功率質(zhì)量380V120w1400r/min150w額定電流起動轉(zhuǎn)矩/:額定轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩起動電流0.47(A)6表3-1 電機(jī)參數(shù)e.各軸的運(yùn)動動力參數(shù)各軸轉(zhuǎn)速I 軸 ( 蝸桿軸 )=1400(r/min)II 軸 ( 絲杠螺母、刀盤 )=1400/28=50(r/min)各軸輸入功率I 軸 （3-7）II 軸w（3-8）輸出功率I 軸（3-9）II 軸（3-10）4 傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 :選擇蝸桿傳動類型 :根據(jù)GB/T10085-1988的推薦，采用漸開線（ZI）蝸桿，這種蝸桿的端面齒廓是漸開線，所以相當(dāng)于少一個齒數(shù)。選擇材料由于蝸桿傳動效率不高，速度也只是中等

20、 ,故蝸桿用45鋼;因希望效率高些,耐磨性好些,故蝸桿螺旋要求淬火硬度為45-55HRC且心部調(diào)制蝸輪用鑄錫青銅ZcusnlOP1,金屬模鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬,僅齒圈用青銅制造,而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) :根據(jù)閉式蝸桿傳動的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,先根據(jù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) , 再校核齒根彎 曲強(qiáng)度應(yīng)有 : (4 1）a.用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩：按，取效率則(4 2)b.確定載荷系數(shù)K：因工作載荷較穩(wěn)定,所以取齒向載荷分布系數(shù)由表 11-5( 機(jī)械設(shè)計(jì)第七版 ) 中選取使用系數(shù)=1.15 由于轉(zhuǎn)速不高,沖擊不大,取動載荷系數(shù)則 （4-3）c.確定彈性影響系數(shù)：由選用鑄錫磷青

21、銅渦輪和鋼蝸桿相配合, 故 (4-4）d.確定接觸系數(shù):先假設(shè)蝸桿分度圓直徑為和中心距 a 的比值從圖 11-18( 機(jī)械設(shè)計(jì)第七版 ) 中可查得=e.確定許用接觸應(yīng)力：根據(jù)蝸桿材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10Pi金屬模鑄造,蝸桿硬度大于45HRC可以從 11-7( 機(jī)械設(shè)計(jì)第六版 ) 中查得渦輪的基本許用應(yīng)力=268應(yīng)力循環(huán)次數(shù)設(shè)計(jì)要求壽命為 12000h則(渦輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn),每個輪齒嚙合的次數(shù)) (4-5)壽命系數(shù)：則 (4-6)f.計(jì)算中心距 : (4-7)所以取中心距為 5Omm ；因i=50，故從表11-12中取模數(shù)m= 分度圓直徑=20mm，則，從圖11-18中可查得接觸系數(shù) ，故以上計(jì)

22、算結(jié)果可用。蝸輪蝸桿的主要參數(shù)及尺寸:根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,從機(jī)械設(shè)計(jì)第七版第 242 頁查得一組數(shù)據(jù) :軸向齒距：直徑系數(shù)： 齒頂圓直徑：齒根圓直徑：分度圓導(dǎo)程角：蝸桿的軸向齒厚：的幾何尺寸及參數(shù) :軸向距： 直徑系數(shù)： 齒根圓直徑： 齒頂圓直徑： 導(dǎo)程角： 軸向齒厚： 幾何參數(shù): 齒數(shù)： 變位系數(shù)： 分度圓直徑： 喉圓直徑： 齒根圓直徑： 喉圓母圓半徑： 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 : (4-8)當(dāng)量齒數(shù)： (4-9)根據(jù) 從圖11-19中( 機(jī)械設(shè)計(jì)第七版 ) 可查得齒形系數(shù) 螺旋角系數(shù)許用彎曲應(yīng)力 從表 11-8( 機(jī)械設(shè)計(jì)第七版 ) 查得ZcuSn10Pi制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力 。壽命系

23、數(shù)：(4-10)(4-11) (4-12)故彎曲強(qiáng)度不滿足要求。改用鑄鋁鐵青銅(ZcuAl10Fe3)砂模鑄造，其許用應(yīng)力：（4-13）則 （3-24）所以強(qiáng)度滿足。精度等級和表面粗糙度的確定:考慮到所設(shè)計(jì)的蝸桿傳動是動力傳動,屬于通用機(jī)械減速器,從 GB10089-88 圓柱蝸桿、蝸輪精度中,選擇8級精度,側(cè)隙種類為f，標(biāo)注為8fGB10089-88.蝸輪蝸桿的結(jié)構(gòu) :蝸桿的結(jié)構(gòu) :由于蝸桿螺旋部分的尺寸不大，蝸桿與軸制成一體。蝸輪的結(jié)構(gòu) : 由于 D10Omm,故采用整體式鑄造 .蝸桿傳動的熱平衡計(jì)算 :蝸桿傳動效率低,所以工作時發(fā)熱量大.在閉式傳動中,如果產(chǎn)生的熱量不能及時發(fā)散,將因溫度

24、不斷升高,而使?jié)櫥拖♂?從而增大摩擦損失,甚至發(fā)生膠合.所以,必須根據(jù)單位時間的發(fā)熱量 H 等于同時間內(nèi)的散熱量 H2 的條件進(jìn)行熱平衡計(jì)算.以保證泊溫穩(wěn)定地處于規(guī)定的范圍內(nèi),在規(guī)定條件下,保持正常的工作溫度所需要的散熱能力,面積為：(4-14)P為蝸桿傳遞的功率；為蝸桿傳遞的效率；為箱體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取 （）為潤滑油的工作溫度，取為周圍空氣的溫度，常溫情況取 (4-15)，所以熱平衡條件滿足。4.2 絲桿螺母傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算：絲桿材料的選擇： 由于機(jī)床絲桿螺母的主要失效形式是磨損，以及切削細(xì)長螺紋時時刀具磨損使絲杠產(chǎn)生表面缺陷和較大的內(nèi)應(yīng)力，所以選擇絲桿材料及熱處理，應(yīng)從高的耐磨性，良好的加

25、工性能及長期的尺寸穩(wěn)定性來進(jìn)行考慮。選擇合金鋼40Cr,8級精度，淬硬，熱處理使之具有相當(dāng)?shù)哪湍バ浴Ｂ菽覆牧系倪x擇： 螺母材料選用鑄鋅鉛青銅ZQSn6-6-3,雖然ZQSn10-1非常耐磨，但成本太高ZQSn6-6-3已經(jīng)能滿足要求。絲桿螺母幾何尺寸的計(jì)算：a. 選用T55梯形螺紋絲桿，螺距t=12mm;b. 絲桿螺母尺寸： 大徑：d=46mm 小徑：=40mm 中徑： 螺母外徑： 螺母小徑： 螺母中徑：線速n=1。由于連接螺紋要求自鎖性。故多用單線螺紋，若要求傳動效率高則采用雙線或三線螺紋。 導(dǎo)程：S=P=12mm 螺紋升角： 當(dāng)量摩擦角：，由于選用的是的梯形螺紋，因而。當(dāng)f=0.1時，此絲

26、桿能自鎖。c. 絲桿螺母的傳動效率和驅(qū)動扭矩的計(jì)算：效率：驅(qū)動扭矩M：設(shè)所受的軸向力P,則螺紋中徑的圓周力為，驅(qū)動扭矩 ， （kgfcm）(4 16)d. 校核滑動螺旋傳動： 滑動螺旋工作時，主要承受轉(zhuǎn)矩及軸向拉力（或壓力）的作用，同時在螺旋和螺母的旋合紋間較大的相對滑動。主要的失效形式是螺紋磨損。因此滑動螺旋的基本尺寸(即螺桿直徑和螺母高度)，通常是根據(jù)耐磨性條件確定的。對于受力較大的傳動螺旋，還應(yīng)校核螺桿的危險截面以及螺母紋牙的強(qiáng)度，以防止發(fā)生塑性變形和斷裂。對于精密傳動螺紋還應(yīng)該校核螺桿的剛度。 耐磨性校核：圖4-1 刀盤齒形圖作用于螺桿的軸向力主要是刀盤重力。 螺紋的承壓面積（指螺紋工

27、作投影到垂直于軸向力的平面上的面積）為A(),螺紋中徑（mm）螺紋工作高度h，螺紋螺距為P(mm),螺母高度H(mm),螺紋的工作圈數(shù)n=H/p.=43mm h=25mm P=12mm H=64mm n=H/P=5則螺紋工作面的耐磨性條件為： （4-17）e. 強(qiáng)度計(jì)算： 空心軸工作時，承受軸向力Q和扭矩T的作用，螺桿切應(yīng)力的作用。螺桿危險截面上既有壓縮應(yīng)力，又有切應(yīng)力。在校核時根據(jù)第四強(qiáng)度理論，求出危險截面的應(yīng)力。 (4-18）(4-19)(4-20) (4-21) ， (4-22)(5.08+8.82)mm (4-23) (4-24),故強(qiáng)度滿足要求。4.3 定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)： 插銷的設(shè)計(jì)計(jì)

28、算：刀盤反靠時，刀盤與定位銷受到定位槽的阻止，轉(zhuǎn)速突然變?yōu)?，定位銷受沖擊載荷。可以用能量法近似計(jì)算插銷的直徑。下圖給出的插銷的力學(xué)模型。圖4-2 插銷的力學(xué)模型為反靠沖擊載荷；為所引起的銷子的彈性變形；II為銷子伸出長度；I為銷子的銷孔內(nèi)的長度。對直徑為D的圓柱形銷，有，沖擊時刀盤的動能：，沖擊過程中，銷子獲得的彈性變形能：，令，并且，即；可得：。式中：I 刀盤轉(zhuǎn)動慣量； 沖擊瞬間刀盤角速度；E 插銷材料彈性摸量； J 插銷截面慣性矩；W 插銷截面抗彎摸數(shù)； 插銷材料許用應(yīng)力。最后可得：選取最小的定位超程角： 刀盤反靠時，角速度愈小，收沖擊也愈小。根據(jù)預(yù)定定位盤槽的幾何形狀與尺寸，利用調(diào)整檢

29、測元件可獲得很小的定位超程角，從而減小反向啟動后的加速時間，明顯減小。設(shè)定定位超程角與插銷長度：當(dāng)銷子處于反靠定位狀態(tài)時，即反靠銷與定位分別插入各自的槽中，若此時刀盤進(jìn)行反轉(zhuǎn)，則在慣性力矩作用下反靠銷極易沿周向滑動，使刀盤不能與反靠盤同步轉(zhuǎn)動。所以應(yīng)嚴(yán)格設(shè)定超程角。的大小應(yīng)保證換向時定位銷不在定位槽內(nèi)。則插銷尺寸應(yīng)滿足：反靠銷長度，：定位銷長度，L：反靠盤與預(yù)定位盤的間距，h：銷槽與預(yù)定位槽的深度。其中I1式中各尺寸的制造公差及上下兩盤裝配的平行度公差可按一般精度IT8,補(bǔ)償間隙，用修配可獲得。預(yù)定位機(jī)構(gòu)與反靠機(jī)構(gòu)： 預(yù)定位銷中間采用彈簧，使之與銷配合起來起定位作用。同時，預(yù)定位銷的頭部采用單

30、斜面，由斜面作用使預(yù)定位銷從槽中脫出。預(yù)定位銷傾角 所以預(yù)定位盤的 槽的傾角也是，與之相配。 反靠盤上槽兩邊都有傾角，這是為了使反靠銷能從兩個方向脫出。 預(yù)定位盤和反靠盤的結(jié)構(gòu)尺寸由零件圖給出。精定位機(jī)構(gòu)多齒盤的設(shè)計(jì)：1）原理與特點(diǎn)：多齒盤定位由兩個齒數(shù)和齒形相同的端面齒盤嚙合而成。通常，一個齒盤固定不動。另一個齒盤與分度回轉(zhuǎn)部件固定連接。分度時，動齒盤抬起，與定位盤脫開，然后轉(zhuǎn)位，當(dāng)轉(zhuǎn)位至要求位置后，動齒盤與定齒盤嚙合并壓緊。本設(shè)計(jì)中，我們將定齒盤在刀體外殼上之固定，而動齒盤和絲桿，刀盤裝在一起，絲桿移動時，動齒盤隨之脫開嚙合，刀盤同時也移動，齒盤轉(zhuǎn)位。到位后刀盤不再回轉(zhuǎn)，往相反方向移動，從

31、而夾緊工位。 圖 4-3 多齒盤原理2）設(shè)計(jì)計(jì)算：設(shè)計(jì)多齒盤裝置的主要依據(jù)是分度工位數(shù)，定位精度，結(jié)構(gòu)位置大小和工作載荷。 轉(zhuǎn)化到齒盤上的工作載荷有扭矩Mn,傾覆力矩Mr,軸向離，徑向力。 結(jié)構(gòu)參數(shù)、多齒盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)有齒形角，齒數(shù) ，齒盤直徑，模數(shù)，齒根槽寬和槽深等。、圖4-4 多齒盤的結(jié)構(gòu)（a）齒形角 當(dāng)槽面間隙EF一定時，齒形角越小，EG越小，即定位精度夜高。但過小會削弱齒部剛性。通常=。（b）齒數(shù)Z 齒數(shù)應(yīng)是分度工位數(shù)的倍數(shù)，或所有需要的工位數(shù)的最小公倍數(shù)。齒數(shù)越多，分度精度越高。但加工夜復(fù)雜。（c）齒盤直徑D 齒盤直徑可按扭矩Mn估算。一般D宜取大些，以提高定位精度和穩(wěn)定性。（d）模數(shù)

32、m 齒盤的模數(shù)m=D/Z，它僅起到表示齒形大小的作用，不須選取標(biāo)準(zhǔn)值。 M的常用范圍為26mm.（e）齒寬按載荷大小選取，一般為825mm，B太大不利于提高分度定位精度。(f ) 齒根槽寬b 一般取b1mm。其他有關(guān)幾何參數(shù)按以下公式計(jì)算：(4-25)(4-26)表4-1 具體參數(shù)如下表：序號名稱符號確定原則或計(jì)算公式結(jié)果1齒盤外徑D按扭矩Mn估算D,D應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)取大些，以利于提高分度定位精度。1752齒寬BB大利于提高齒盤承載能力，但不利于提高分度精度。103齒數(shù)ZZ是工位數(shù)的倍數(shù)，精度要求高時宜放大，但加工困難724模數(shù)MM=V/Z,常用26。25外徑上節(jié)矩TT=6齒形角載荷小精度高時宜取

33、小值。607理論齒高H見公式8齒根槽寬B見公式9齒頂角2見公式10齒頂高見公式11齒頂傾角見公式 夾緊力計(jì)算夾緊力應(yīng)保證在最大工作載荷下仍能保持兩齒盤的緊密嚙合，但過大的夾緊力會引起齒盤變形。夾緊力W可按下式計(jì)算：(4-27)式中：W 為夾緊力（N） Mn 為齒盤承受的扭矩（Nm） Mr 為齒盤承受的傾覆力矩（Nm） Fr 為齒盤承受的徑向力（N） 為齒盤承受的軸向力（N），方向與W相同時，式中取“-”號，與W相反時取“+”. D 為齒盤直徑（m） 為齒形角（） 為摩擦角（）， 一般取 S 為安全系數(shù)，一般取S=1圖4-5 夾緊力切削力F=1000kgf,其分力，可得，所以，所以，F(xiàn)=1000

34、kgf =259.2kgf, 傾覆力矩又，可得 ， 驅(qū)動力矩所以， 驗(yàn)算齒面擠壓應(yīng)力齒面擠壓應(yīng)力的驗(yàn)算公式：(4-28) 式中，為齒面擠壓應(yīng)力（Pa）為計(jì)算齒數(shù)， B為齒寬（m）為齒的嚙合高度 W 為夾緊力（N）為許用擠壓應(yīng)力（Pa）,齒面淬硬的取= 所以，滿足要求 材料選擇：700 技術(shù)要求：(a) 相鄰齒矩誤差和累積誤差：按回轉(zhuǎn)部件的分度精度要求確定，根據(jù)刀具的精度要求，相鄰齒矩誤差和累積誤差不(b)安裝基準(zhǔn)孔軸線分度中心的位置度：精密齒盤應(yīng)該在以內(nèi)。（c）安裝基準(zhǔn)端面對分度平面的平行度：精密齒盤應(yīng)在以內(nèi)。()齒面接觸精度：齒面接觸精度不僅影響風(fēng)度精度，而且影響剛性，承載能力及穩(wěn)定度。齒矩

35、誤差同時影響接觸最小齒數(shù)和接觸齒的分布。齒形半角影響高的方向的接觸率；齒向誤差影響齒寬方向的接觸率。齒傾誤差對齒高和齒寬方向的接觸率均有影響。因?yàn)榻佑|精度能綜合標(biāo)志上述各項(xiàng)誤差的影響，實(shí)踐中通常作為主要精度檢驗(yàn)項(xiàng)目。 推薦指標(biāo)為：齒寬接觸率：接觸寬度為齒寬的50%（精密齒盤為70%以上）。齒高接觸率：接觸高度為嚙合高度的75%以上（精密齒盤為90%以上）。接觸齒數(shù)及分布：兩齒盤在任意位置嚙合時的接觸齒數(shù)應(yīng)在85%以上（精密齒盤應(yīng)在90%以上）。接觸不良的齒不應(yīng)比連。()面光潔度：精密齒盤為0.2，一般經(jīng)磨齒和研齒的為0.4。但考慮到實(shí)際加工條件，本設(shè)計(jì)采用0.8，在研齒過程中，總是誤差最大的齒

36、首先接觸研磨。結(jié)果使誤差逐漸減小并均化。因此，研磨的齒不僅可以提高齒面光潔度，同時還可以提高精度。 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算：(1）材料的選擇：根據(jù)彈簧的工作情況，選擇類型符合彈簧，選用碳素彈簧鋼，強(qiáng)度高，性能好，適用于做的彈簧。(2）計(jì)算彈簧鋼的直徑：最大工作載荷 查表得：假定繞旋比c=59, 取c=7 (曲度系數(shù))(4-29)按強(qiáng)度確定彈簧絲直徑：， 取d=2mm有效圈數(shù)：，G切變模量 查表得：G=80000Mpa-最大工作負(fù)載下的變形量， -最小工作負(fù)荷彈簧剛度：，(4-30)總?cè)?shù)：自由高度：當(dāng)時，節(jié)距：，取標(biāo)準(zhǔn)值：35壓并高度：壓并變形量：螺旋角：，滿足的要求。(3）驗(yàn)算： （a）高徑比：，滿

37、足要求。 （b）疲勞強(qiáng)度：，-彈簧材料的脈動疲勞極限，查表：當(dāng)時，所以滿足要求。（c）驗(yàn)算共振： 彈簧的自振頻率為：，-強(qiáng)迫機(jī)械振動頻率， ，此彈簧適用。蝸桿軸的校核：圖4-6 蝸桿軸彎矩圖電機(jī)轉(zhuǎn)速n=1400r/min P=120W 設(shè)電機(jī)與蝸桿連接的傳動功率為0.95，則，由引起的在a處的彎矩為：由引起的在a處的彎矩為：由引起的在a處的彎矩為：所以在垂直面內(nèi)a處引起的彎矩為：在a處引起的總彎矩：查表可知：，所以軸的強(qiáng)度在a處滿足要求，在b、c 處只受扭矩。所以該蝸桿軸滿足要求。5 刀架的接口與控制5.1 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)整控制過程以及控制速

38、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(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下機(jī)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）內(nèi)存：包括只可編程序（ROM）和隨機(jī)讀寫內(nèi)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(yùn)行處理和控制整個電路協(xié)調(diào)工作，使內(nèi)存用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運(yùn)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CP