数控车床自动回转刀架机电系统设计说明Word文档格式.docx

数控车床自动回转刀架机电系统设计说明Word文档格式.docx

《数控车床自动回转刀架机电系统设计说明Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控车床自动回转刀架机电系统设计说明Word文档格式.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

另外，加工工艺适应性和连续稳定的工作能力也明显提高：

尤其是在加工几何形状较复杂的零件时，除了控制系统能提供相应的控制指令外，很重要的一点是数控车床需配备易于控制的电动刀架，以便一次装夹所需的各种刀具，灵活方便地完成各种几何形状的加工。

数控刀架的市场分析：

国产数控车床将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种。

数控刀架的高、中、低档产品市场数控刀架作为数控机床必需的功能部件，直接影响机床的性能和可靠性，是机床的故障高发点。

这就要求设计的刀架具有具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的特点。

它的原理采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。

1.3自动回转刀架的工作原理

回转刀架的工作原理为机械螺母升降转位式。

工作过程可分为刀架抬起、刀架转位、刀架定位并压紧等几个步骤。

图1.1为螺旋升降式四方刀架，其工作过程如下：

1刀架抬起当数控系统发出换刀指令后,通过接口电路使电机正转,经传动装置、驱动蜗杆蜗轮机构。

蜗轮带动丝杆螺母机构逆时针旋转,此时由于齿盘处于啮合状态，在丝杆螺母机构转动时，使上刀架体产生向上的轴向力将齿盘松开并抬起,直至两定位齿盘脱离啮合状态,从而带动上刀架和齿盘产生“上抬”动作。

2刀架转位当圆套逆时针转过150°

时，齿盘完全脱开，此时销钉准确进入圆套中的凹槽中，带动刀架体转位。

3刀架定位当上刀架转到需要到位后（旋转90°

、180°

或270°

），数控装置发出的换刀指令使霍尔开关中的某一个选通,当磁性板与被选通的霍尔开关对齐后,霍尔开关反馈信号使电机反转,插销在弹簧力作用下进入反靠盘地槽中进行粗定位，上刀架体停止转动，电机继续反转，使其在该位置落下，通过螺母丝杆机构使上刀架移到齿盘重新啮合,实现精确定位。

刀架压紧刀架精确定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿盘增加到一定夹紧力时，电机由数控装置停止反转，防止电机不停反转而过载毁坏，从而完成一次换刀过程。

图1.1螺旋升降式四方刀架

第2节主要传动部件的设计计算

2.1蜗杆副的设计计算

自动回转刀架的动力源是三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直联，刀架转位时蜗轮与上刀体直联。

已知电动机额定功率P1=90W，额定转速n1=1440r／min，上刀体设计转速n2=30r／min，则蜗杆副的传动比i===48。

刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，起动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。

（1）蜗杆的选型GB／T10085--1988推荐采用渐开线蜗杆（ZI蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。

本设计采用结构简单、制造方便的渐开线型圆柱蜗杆（ZI型）。

（2）蜗杆副的材料刀架中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为45～55HRC，以提高表面耐磨性；

蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZCuSnl0P1，采用金属模铸造。

（3）按齿面接触疲劳强度进行设计刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面胶合或点蚀而失效。

因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。

按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为：

1）确定作用在蜗轮上的转矩T2设蜗杆头数Z1=1，蜗杆副的传动效率取η=0.8。

由电动机的额定功率P1=90W，可以算得蜗轮传递的功率P2=P1η，再由蜗轮的转速n2=30r／min求得作用在蜗轮上的转矩：

2）确定载荷系数K载荷系数K=KAKBKV，。

其中KA为使用系数，由表6-3查得，由于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取KA=1.15；

KB为齿向载荷分布系数，因工作载荷在起动和停止时有变化，故取KB=1.15；

Kv为动载系数，由于转速不高、冲击不大，可取Kv=1.05。

则载荷系数：

K=KAKBKV=1.15×

1.15×

1.05≈1.39

3）确定弹性影响系数ZE。

铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查得弹性影响系数。

4）确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值，从而可查出=2.9

5）确定许用接触应力[σH]根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSnl0P1、金属模铸造、蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，查表可得蜗轮的基本许用应力[σH]′=268MPa。

已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数j=1；

蜗轮转速n1=30r／min；

蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。

则应力循环次数：

N=6Qjn2Lh=60×

1×

30x10000=1.8×

107寿命系数：

许用接触应力：

[σH]=KHN[σH]′=0.929×

268Mpa≈249Mpa

6）计算中心距

查表得，取中心距，已知蜗杆头数=1，m=1.25mm，蜗杆分度圆直径d1=22.4mm。

这时0.448，从而可查得接触系数，因为，因此以上计算结果可用。

蜗杆和蜗轮主要几何尺寸计算

（1）蜗杆

分度圆直径：

d1=28mm

直径系数：

q=17.92，

蜗杆头数：

Z1=1

分度圆导程角：

γ=3°

11′38″

蜗杆轴向齿距：

PA==3.94mm；

蜗杆齿顶圆直径：

蜗杆齿根圆直径：

蜗杆轴向齿厚：

=2.512mm

蜗杆轴向齿距：

（2）蜗轮

蜗轮齿数：

Z2=45

变位系数Χ=0

验算传动比：

i=/=45/1=45

蜗轮分度圆直径：

d2=mz2=72mm

蜗轮喉圆直径：

da2=d2+2ha2=93.5

蜗轮喉母圆直径：

rg2=a-1/2da2=50-1/293.5=3.25

蜗轮齿顶圆直径：

蜗轮齿根圆直径：

蜗轮外圆直径：

当在z=1时，

2.2蜗杆轴的设计

（1）蜗杆轴的材料选择，确定许用应力

考虑轴主要传递蜗轮的转矩，为普通用途中小功率减速传动装置。

选用45号钢，正火处理，

（2）按扭转强度初步估算轴的最小直径

（2-21）

扭转切应力为脉动循环变应力，取α=0.6

抗弯截面系数W=0.1d3

取dmin=15.14mm

（3）确定各轴段的直径和长度

根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及直径和长度。

图2.1蜗杆轴

d1=d5同一轴上的轴承选用同一型号，以便于轴承座孔镗制和减少轴承类型。

d5轴上有一个键槽，故槽径增大5%

d1=d5=d1′×

（1+5%）=15.89mm,圆整d1=d5=17mm

所选轴承类型为深沟球轴承，型号为6203，B=12mm，D=40mm，

d2起固定作用，定位载荷高度可在（0.07～0.1）d1范围内，

d2=d1+2a=19.38～20.04mm，故d2取20mm

d3为蜗杆与蜗轮啮合部分，故d3=24mm

d4=d2=20mm,便于加工和安装

L1为与轴承配合的轴段，查轴承宽度为12mm，端盖宽度为10mm，

则L1=22mm

L2尺寸长度与刀架体的设计有关，蜗杆端面到刀架端面距离为65mm，

故L2=43mm

L3为蜗杆部分长度L3≥（11+0.6z2）m=38mm

圆整L3取40mm

L4取55mm，L5在刀架体部分长度为（12+8）mm，伸出刀架部分通过联轴器与电动机相连长度为50mm，故L5=70mm

两轴承的中心跨度为128mm，轴的总长为230mm

（4）蜗杆轴的校核

作用在蜗杆轴上的圆周力

（2-22）

（2-23）

其中d1=28mm

则

（2-24）

径向力（2-25）

切向力（2-26）

图2.2轴向受力分析

（2-27）

（2-28）

求水平方向上的支承反力

图2.3水平方向支承力

（2-27）

（2-28）

（2-29）

求水平弯矩,并绘制弯矩图

（2-30）

图2.4水平弯矩图

求垂直方向的支承反力

（2-31）

查文献[9]表2.2—4，，，，

其中，，

（2-32）

图2.5垂直方向支承反力

（2-33）

（2-34）

求垂直方向弯矩，绘制弯矩图

图2.6垂直弯矩图

求合成弯矩图，按最不利的情况考虑

（2-38）

（2-39）

图2.7合成弯矩图

计算危险轴的直径

查文献[9]表15—1，材料为调质的许用弯曲应力，则

所以该轴符合要求。

（5）键的选取与校核

考虑到d5=105%×

15.14=15.89mm,实际直径为17mm，所以强度足够

由GB1095-79查得，尺寸b×

h=5×

5，l=20mm的A型普通平键。

按公式进行校核

，，，。

查文献[9]表6—2，取则

（2-42）

该键符合要求。

由普通平键标准查得轴槽深t=3mm,毂槽深t1=2.3mm

2.3蜗轮轴的设计

（1）蜗轮轴材料的选择，确定需用应力

考虑到轴主要传递蜗轮转矩，为普通中小功率减速传动装置

选用45号钢，正火处理，，

（2）按扭转强度，初步估计轴的最小直径

查文献[9]表15—1，取45号调质刚的许用弯曲应力，则

由于轴的平均直径为34mm，因此该轴安全。

根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及直径和长度

即蜗轮轮芯为68mm

为蜗轮轴轴径最小部分取34mm

轴段与上刀架体有螺纹联接，牙形选梯形螺纹，根据文献表8-45

取公称直径为=44mm，螺距P=12mm，H=6.5mm

查表8-46得，外螺纹小径为31mm

内、外螺纹中径为38mm

内螺纹大径为45mm

内螺纹小径为32mm

旋合长度取55mm

L2尺寸长度为34mm，蜗轮齿宽b2当z1≤3时，b2≤0.75da1=15.6mm

取b2=15mm

2.4中心轴的设计

（1）中轴的材料选择,确定许用应力

考虑到轴主要起定位作用，只承受部分弯矩，为空心轴，因此只需校核轴的刚度即可。

选用45号钢，正火处理，，

（2）确定各轴段的直径和长度

d1=15mm,

d2与轴承配合