數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文格式為Word版，下載可任意編輯——數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)第1節(jié)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架總體設(shè)計(jì)

1.1概述

數(shù)控車床的刀架是機(jī)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(jī)床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的結(jié)構(gòu)和性能表達(dá)了機(jī)床的設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)換刀裝置以來，自動(dòng)換刀裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方式不斷得到改進(jìn)和完善。自動(dòng)換刀裝置是加工中心的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的形式多種多樣，目前常見的有：回轉(zhuǎn)刀架換刀，更換主軸頭換刀以及帶刀庫的自動(dòng)換刀系統(tǒng)。

初步了解了設(shè)計(jì)題目（電動(dòng)刀架）及發(fā)展概況，設(shè)計(jì)背景，對(duì)刀架有了一些印象，對(duì)整理設(shè)計(jì)思路安排設(shè)計(jì)時(shí)間有很好的輔助作用。對(duì)一些參數(shù)的進(jìn)行了解同時(shí)按準(zhǔn)則要求來完成設(shè)計(jì)。

1.2數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的發(fā)展趨勢(shì)

數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢(shì)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(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。

目前國(guó)內(nèi)數(shù)控刀架以電動(dòng)為主，分為立式和臥式兩種。主要用于簡(jiǎn)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(dòng)刀架和伺服驅(qū)動(dòng)刀架。電動(dòng)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(dòng)刀架，并正確實(shí)施控制，能夠有效的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，消除人為誤差，提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：特別是在加工幾何形狀較繁雜

的零件時(shí)，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(diǎn)是數(shù)控車床需配備易于控制的電動(dòng)刀架，以便一次裝夾所需的各種刀具，靈活便利地完成各種幾何形狀的加工。

數(shù)控刀架的市場(chǎng)分析：國(guó)產(chǎn)數(shù)控車床將向中高檔發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用動(dòng)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(chǎng)數(shù)控刀架作為數(shù)控機(jī)床必需的功能部件，直接影響機(jī)床的性能和可靠性，是機(jī)床的故障高發(fā)點(diǎn)。這就要求設(shè)計(jì)的刀架具有具有轉(zhuǎn)位快，定位精度高，切向扭矩大的特點(diǎn)。它的原理采用蝸桿傳動(dòng)，上下齒盤嚙合，螺桿夾緊的工作原理。

1.3自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理

回轉(zhuǎn)刀架的工作原理為機(jī)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(gè)步驟。圖1.1為螺旋升降式四方刀架，其工作過程如下：①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(jī)正轉(zhuǎn),經(jīng)傳動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)。蝸輪帶動(dòng)絲桿螺母機(jī)構(gòu)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),此時(shí)由于齒盤處于嚙合狀態(tài)，在絲桿螺母機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)上刀架和齒盤產(chǎn)生“上抬〞動(dòng)作。

②刀架轉(zhuǎn)位當(dāng)圓套逆時(shí)針轉(zhuǎn)過150°時(shí)，齒盤完全脫開，此時(shí)銷釘確鑿進(jìn)入圓套中的凹槽中，帶動(dòng)刀架體轉(zhuǎn)位。

③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(gè)選通,當(dāng)磁性板與被選通的霍爾開關(guān)對(duì)齊后,霍爾開關(guān)反饋信號(hào)使電機(jī)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，上刀架體中止轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)，使其在該位置落下，通過螺母絲桿機(jī)構(gòu)使上刀架移到齒盤重新嚙合,實(shí)現(xiàn)確切定位。

刀架壓緊刀架確切定位后，電機(jī)及許反轉(zhuǎn)，夾緊刀架，當(dāng)兩齒盤增加到一定夾緊力時(shí)，電機(jī)由數(shù)控裝置中止反轉(zhuǎn)，防止電機(jī)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(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算

自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的動(dòng)力源是三相異步電動(dòng)機(jī)，其中蝸桿與電動(dòng)機(jī)直聯(lián)，刀架轉(zhuǎn)位時(shí)蝸輪與上刀體直聯(lián)。已知電動(dòng)機(jī)額定功率P1=90W，額定轉(zhuǎn)速n1=1440r／min，上刀體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n2=30r／min，則蝸桿副的傳動(dòng)比i=

n11440==48。刀架從轉(zhuǎn)位到鎖緊時(shí)，需要蝸桿n230反向，工作載荷不均勻，起動(dòng)時(shí)沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命Lh=10000h。

(1)蝸桿的選型GB／T10085--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(jì)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造便利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45～55HRC，以提高表面耐磨性；蝸輪的轉(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)按齒面接觸疲乏強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)刀架中的蝸桿副采用閉式傳動(dòng)，多因齒面膠合或點(diǎn)蝕而失效。因此，在進(jìn)行承載能力計(jì)算時(shí)，先按齒面接觸疲乏強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲乏強(qiáng)度進(jìn)行校核。

按蝸輪接觸疲乏強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)計(jì)算的公式為：

?ZEZPa?3KT2????H1)

????2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(dòng)效率取η

=0.8。由電動(dòng)機(jī)的額定功率P1=90W，可以算得蝸輪傳遞的功率P2=P1η，再由蝸輪的轉(zhuǎn)速n2=30r／min求得作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩：

T2?9.55P290?0.8?9.55?22.92(N?m)?22920(N?m)n2302)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

工作載荷不均勻，起動(dòng)時(shí)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(dòng)和中止時(shí)有變化，故取KB=1.15；Kv為動(dòng)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=1.15×1.15×1.05≈1.39

3)確定彈性影響系數(shù)ZE。鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配時(shí)，從有關(guān)手冊(cè)查得彈性影響系數(shù)ZE?160Mpa。

4)確定接觸系數(shù)Zp先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d1和傳動(dòng)中心距a的比值

d1?0.35，從而可查出Zp=2.9a125)確定許用接觸應(yīng)力[σH]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[σH]′=268MPa。已知蝸桿為單頭，蝸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)每個(gè)輪齒嚙合的次數(shù)j=1；蝸輪轉(zhuǎn)速n1=30r／min；蝸桿副的使用壽命Lh=10000h。

則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：N=6Qjn2Lh=60×1×30x10000=1.8×107壽命系數(shù)：KHN許用接觸應(yīng)力：[σH]=KHN[σH]′=0.929×268Mpa≈249Mpa6)計(jì)算中心距

710?8?0.929

N160?2.923a?1.39?22