数控机床6刀自动刀架系统设计Word文档格式.doc

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采用三相异步电动机提供动力源，蜗轮蜗杆副传递动力，螺杆螺目副传递运动，实现上刀体升降运动，用端齿盘定位，单片机进行系统控制，实现了数控机床6工位自动换刀装置的自动换刀和精确定位要求。

关键词:

数控机床，回转刀架，控制系统，单片机

24

目录

目录 III

1绪论 1

1.1题目的背景和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3存在的问题和发展趋势 2

2方案设计 3

2.1自动刀架的基本形式和应满足的要求 3

2.1.1自动刀架的形式 3

2.1.2自动刀架的基本要求和功能分析 4

2.2初步确定自动刀架的方案 4

3总体结构设计 5

3.1减速传动机构方案设计 5

3.2上刀体锁紧与精定位机构设计 5

3.3刀架抬起机构设计 5

4自动回转刀架的工作原理 6

4.1自动回转刀架的换刀流程 6

4.2自动回转刀架的换刀过程中有关销的位置 7

5主要传动部件的设计计算 8

5.1蜗杆副的设计计算 8

5.1.1蜗杆的选型 8

5.1.2蜗杆副的材料 8

5.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计 8

5.1.4蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸 9

5.1.5校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 10

5.2螺杆的设计计算 10

5.2.1螺距的确定 10

5.2.2其他参数的确定 11

5.2.3自锁性能校核 11

6锁紧定位机构的设计 12

6.1端齿盘设计 12

6.2端齿盘的特点 12

6.3端齿盘主要参数的设计计算 12

6.3.1齿数z的确定 12

6.3.2端齿盘外径d 13

6.3.3端齿盘齿形角 13

6.3.4齿根角（啮合斜角） 14

6.3.5最大齿距（周节）t和最大齿厚B 15

6.3.6齿顶高h及啮合高度 16

6.3.7齿宽（径向）F 16

6.3.8齿底槽宽b和齿顶宽b1 16

7电气控制部分设计 17

7.1单片机选型 17

7.2硬件电路设计 17

7.2.1收信电路 18

7.2.2发信电路 19

7.3硬件电路主要电子元件的工作原理 19

7.3.1霍尔元件的工作原理和特性 19

7.3.2霍尔开关的工作原理 19

7.3.3光电耦合器的工作原理 20

7.3.48255芯片的工作原理 20

7.4控制软件设计 21

7.4.1换刀工作原理的程序流程图 21

7.4.2程序的实现方法 22

结论 23

参考文献 24

1绪论

1.1题目的背景和意义

数控技术自20世纪中叶出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。

数控加工的加工柔性好，加工精度高，生产率高，能减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。

数控机床是一种典型的机电一体化产品，适用于加工多品种小批量、结构较复杂、精度要求较高、价格昂贵不允许报废的关键零件。

而刀架是数控机床的主要附件之一，它的性能直接影响着数控机床的精度和效率，所以随着数控机床的发展必然会提高其对刀架的要求，不言而喻，研究自动刀架系统是非常有意义的。

进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。

机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。

所以应加快自动刀架系统的研究以促进数控机床的发展满足适应生产加工的需要。

1.2国内外研究现状

自动刀架系统应用了自动控制、微电子、精密测量等方面的最新成就，是典型的机电一体化产品。

它的发展和运用，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，为普通机床演变为数控机床创造了条件，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。

数控水平的高低已经成为衡量一个国家制造业水平高低的标志。

随着数控机床的发展，以前的刀架，能装的刀具太少，定位精度不高，效率低，精度差，已不能满足要求，于是便出现了许多精度更高、刀架更大、自动化程度更高的刀架。

目前我过的数控机床和加工中心使用的自动换刀装置主要有转塔式自动换刀和刀库式自动换刀两种。

转塔式换刀一般为顺序换刀，其换刀时间短，结构简单、紧凑，但刚性较差，能容纳刀具较少；

刀库式换刀一般刀库只有选刀动作而另需机械手进行换刀动作，其刀库容量大，但其成本高，结构相对复杂。

随着我国生产力水平的日益提高，国内企业要发展就必须更新大量的设备，很多企业都加大了数控设备的投入，但由于财力等客观因素，大多数企业生产设备仍以普通机床为主，不少企业为了提高效率，在普通机床上加装了数显装置，提高了机床的精度，改善了设备状况，但制造商们忽略了一个很重要的部件就是刀架，要想真正提高工作效率，刀架是必须要考虑的附件之一。

目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。

数控刀架的市场分析：

国产数控车床今后将向中高档发展，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，近年来需要量可达1000～1500台。

烟台机床附件公司是我国生产数控刀架的主要厂家之一。

他们生产的ak31系列全功能型数控转塔刀架，主要规格有，中心高为63、80、100、125、160及200mm；

ak21系列经济型数控转塔刀架主要规格有：

刀台方尺寸为80、100、137、150、160、190、200、240、300、340mm。

烟台机床附件公司生产的ak31系列数控转塔刀架是引进意大利技术生产的高性能机床附件，特别适宜全功能数控车床，可多刀夹持，变向转位和任意刀位就近选刀，实现了加工程序的自动化、高效化。

目前，该公司数控刀架的国内市场占有率达到了40％左右，受到一大批机床主机厂的称赞。

1.3存在的问题和发展趋势

机床工具行业的发展，依赖于行业技术水平和创新能力的提高，依赖于机床的数控化和产品快速的升级换代，依赖于制造业从刚性自动化向柔性自动化方向转变这一社会需求，由于我国机床附件厂资金紧张，造成技术创新和技术改造的力度不大，使附件水平的发展严重滞后，成为制约民族机床工业发展的瓶颈。

国产配套件在产品质量、性能、结构创新、品牌信誉、外观造型、精度稳定性等方面与发达国家相比都存在一定的差距。

当前数控机床发展迅猛，向高速、高效、高精、柔性化、环保方面发展，与之相应的机床附件也应随之发展。

数控刀架将结合微电子技术和计算机技术的发展，朝着高精度化、多功能化、智能化、系统化等方向发展。

国产数控车床今后将向中高档发展，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。

数控刀架的发展趋势是：

随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。

2方案设计

普通的机械零件的加工制造过程中，大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等非切削时间上，切削加工时间仅占整个工时中较小的比例。

为了缩短非切削时间，充分发挥机床的效率，通常采用“工序集中”的原则。

常见的自动回转刀架就是为了实现上述功能而设计的。

2.1自动刀架的基本形式和应满足的要求

2.1.1自动刀架的形式

图2.1a）所示为螺母升降转位刀架，电动机经联轴器、蜗轮副带动螺母旋转，螺母举起刀架使上齿盘与下齿盘分离，随即带动刀架旋转到位，然后给系统发信号螺母反转锁紧。

图2.1回转刀架的形式及其工作原理图

图2.1b）所示为利用十字槽轮来转位及锁紧刀架（还要加定位销），销钉每转一周，刀架便转1/4转（也可设计成六工位等）。

图2.1c）所示为凸台棘爪式刀架

图2.1d）所示为电磁式刀架，

图2.1e）所示为液压式刀架

2.1.2自动刀架的基本要求和功能分析

①基本要求：

1）满足工艺要求

2）保证足够高的重复定位精度

3）具有足够的刚度

4）提高可靠性

5）缩短换刀时间

②功能分析：

1）抬起：

为了使刀架能够转位，回转刀架必须先抬起。

2）转位：

为了完成工件若干个工序的加工，在回转刀架上固定着6组刀具，为使各组刀具能依次参加工作，回转刀架需相应转位。

3）定位：

为保证加工精度，在加工时回转刀架应精确定位。

2.2初步确定自动刀架的方案

初步决定选用2.1a）所示形式的电动刀架。

电动刀架的初步方案简图如下图2.2所示。

图2.2电动刀架简图

其工作原理为：

当数控装置发出换刀指令后，电动机正转，通过联轴器带动蜗杆旋转，在经过蜗轮带动轴旋转，从而使刀架抬起，刀架抬起后，电动机继续转动带动刀架转位，完成转位后，由微动开关发出信号使电机反转，压紧刀架。

3总体结构设计

3.1减速传动机构方案设计

普通的三相异步电动机因转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必须经过减速机构进行减速。

考虑到本设计减速比较大，且为立式刀架，需改变传动运动方向，要求自锁，因此综合比较之后选用蜗杆副减速。

蜗杆传动单级传动能得到很大的传动比，传动平稳，无噪声，冲击载荷小，且能优化整体结构，做到外型轮廓小，结构紧凑，固选用蜗杆传动。

3.2上刀体锁紧与精定位机构设计

本设计上刀体的锁紧与定位机构选用端面齿盘，将上刀体和下刀体的配合面加工成梯形端面齿。

当刀架处于琐紧状态时，上下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；

换刀时电动机正转，抬起机构使上刀体抬起，等上下端面齿脱开后，上刀体才可以绕刀架中心轴转动，完成转位动作。

3.3刀架抬起机构设计

要想使上、下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计合适的机构使上刀体抬起。

从经济型方面考虑，应采用经济的螺杆-螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机带动螺杆绕中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动，要么上下移动。

当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互啮合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，所以螺杆的转动会使上刀体向上移动。

当端面齿脱离啮合时，上刀体就与螺杆一同转动。

设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定角度时，使得上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。

4自动回转刀架的工作原理

4.1自动回转刀架的换刀流程

自动回转刀架的换刀流程如图4.1所示。

图4.1自动回转刀架的换刀流程

当数控装置发出换刀指令后，电动机正转，通过弹簧安全离合器带动蜗杆正转，再经过蜗轮带动螺杆转，作为螺母的上刀体要么转动，要么上下移动，此处设计为电动机正转时上刀体