数控机床自动回转刀架机电系统毕业设计论文.docx
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数控机床自动回转刀架机电系统毕业设计论文
摘要
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，预计近年来对数控刀架需求量将大大增加。
数控刀架的发展趋势是：
随着数控机床的发展，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。
根据加工对象不同，有四方刀架、六角刀架和八（或更多）工位的圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。
回转刀架上分别安装四把、六把或更多刀具，并按数控装置的指令换刀。
本部分主要对四工位立式自动回转刀架的机械设计和软件控制系统控制部分的设计，并对以上机械部分运用CA做图，对刀架有更直观的了解。
最后的提出了对刀架提出了意见和措施。
关键词：
数控刀架，自动回转刀架，四工位
ABSTRACT
CNClatheinthefuturewillbehighwhenthedevelopmentofmid-rangeuniversalCNCtoolusedcomplementary,high-gradetooluseddynamic,coupledbyahydraulictool,servotoolcarrier,toolcarrier,suchasverticalspecies,whichisexpectedtonumberinrecentyears.Thedemandofcontroltoolwillsignificantlyincrease.ThetrendofdevelopmentofCNCtoolis:
WiththedevelopmentofCNCLathe,CNCturrettoolchangetotherapid,electro-hydraulicservodrivecombinationofdriveanddirection.Accordingtotheprocessingofdifferentobjects,therearefour-partytool,toolholderandeighthexagonal（ormore）positionofthediscbladeofaxialloadingandotherformstool.Wereinstalledontherotarytoolholder4,6ormoretools,andNCATCinstructions.Themainpartofthefour-stageverticalelectrictooldesignandapplicationofmechanicalrelay-accesscontrolsystemtocontrolpartofthedesign.DoplantouseCADforelectricaltool,throughwhichIgotmoreintuitiveunderstanding.FinallyIputforwardmyviewsontheelectrictool.
Keywords:
CNCtool,AutomaticRotaryTool,Four-
第1章引言1
11概述1
1.2数控车床自动回转刀架的发展趋势，,,,,,,,,,,1
1.3刀架的设计准则,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2
1.4刀架的主要技术参数,,,,,,,,,,,,,,,,,2
第2章数控车床自动回转刀架设计,,,,,,,,,,3
2.1刀架的工作原理,,,,,,,,,,,,,,,,,,,4
2.2步进电机的选用,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5
2.3蜗杆及蜗轮的选用与校核,,,,,,,,,,,,,,,6
2.4蜗杆轴的设计,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,8
2.5蜗轮轴的设计,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,14
2.6中心轴的设计,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,13
2.7齿盘的设计,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,16
2.8轴承的选用,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,17
3.0刀架体的设计,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,18
第3章控制系统的设计，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，19
3.1、控制系统硬件电路接口设计，,,,,,,,,,,,,，19
3.2、控制系统软件设计,,,,,,,,,,,,,,,,,,,23
第4章结论与展望,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,25
参考文献
26
27
致谢,,,,,,,,,,,,,
第1章绪论
1.1概述
数控机床的刀架是机床的重要组成部分。
刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。
在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。
随着数控机床的不断发展，刀架结构形式也在不断翻新。
其中按换刀方式的不同，数控机床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。
传统的车床例如CA6140的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率效率低，不能适应现代化生产的需要。
自1958年首次
研制成功数控加工中心自动换刀装置以来，自动换刀装置的机械结构和控制方式不断得到改进和完善。
自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有：
回转刀架换刀，更换主轴头换刀以及带刀库的自动换刀系统。
初步了解了设计题目（自动回转刀架）及发展概况，设计背景，对刀架有了一些印象，对整理设计思路安排设计时间有很好的辅助作用。
对一些参数的进行了解同时按准则要求来完成设计。
1・2数控机床自动回转刀架的发展趋势
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。
目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。
立式刀架有四、六工位两种形式，主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。
另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。
自动回转刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等等。
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。
国外数控车床的发展目的在于提高加工精度和缩短制造周期。
实现上述目的之手段是
实现机床多功能化和工序工种集成，开发多种多样复合化加工的机种，如增添铣削功能的复合加工车削中心、双主轴多刀塔（双刀塔或四刀塔）数控车床和车削中心、双主轴同步驱动，双刀塔同时进行加工车削中心、五轴联动车铣复合中心、车磨复合加工机床、具有车、铣、镗、磨和激光热处理多种功能的高度复合化的复合加工中心等等。
我国数控车床经过多年的发展，特别是近几年迅速的发展，与国际先进水平的差距在逐年缩小。
对于某些依赖于进口的高档数控车床，如高精度数控车床和车削中心（主轴径跳轴跳w0.001mm）、适用耐热合金和钛合金零件加工的大功率、高扭矩数控车床和车削中心等等要加强产品开发研究攻关，突破其核心技术。
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刀架的设计准则
我的设计过程中，本着以下几条设计准则
1）创造性的利用所需要的物理性能
2）需要的物理性能
3）判别功能载荷及其意义
4）预测意外载荷
5）创造有利的载荷条件
6）提高合理的应力分布和刚度
7）重量达到最轻
8）应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸
9）根据性能组合选择材料
10）在储备零件与整体零件之间精心的进行选择
11）进行功能设计以适应制造工艺和降低成本的要求
1・4主要技术参数
（1）最大许用力矩（NmMq100Mx200Ms100
（2）重复定位精度：
（mm<0.005
（3）电机功率（w）90
（4）电机转速（r/min）1440r/m
第2章数控机床自动回转刀架的设计
2.1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2.1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2、驱动蜗杆蜗轮机构1、蜗轮带动丝杆螺母机构9逆时针旋转，此时由于齿盘67处于啮合状态，在丝杆螺母机构8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67脱离啮合状态，从而带动上刀架和齿盘产生“上台”动作。
2刀架转位当逆时针转过150°时，齿盘67完全脱开，此时销钉准确进入反靠套筒13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19中的某一个选通，当磁性板18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39在弹簧力作用下进入反靠盘7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8使上刀架移到
齿盘6、7重新啮合，实现精确定位。
4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。
2.2直流伺服电机的选用
许多机械加工需要微量进给。
要实现微量进给，直流伺服电机可作为驱动元件。
因为刀架上升、下降各转150°,刀架转位至少需90°,所以蜗轮转的角度a=390°由课题要求的刀架选位少于3S
n~0.36r/s=21.6r/min,为便于计算n取24r/min
蜗轮蜗杆传动比为45
电动机转速n'=i*z仁45
考虑刀架只需小功率驱动，为减少生产成本，选用70SYXI动机，其转速为1440r/min,额定功率为90W
2.3蜗杆及蜗轮的选用与校核
2.3.1选择传动的类型
考虑到传递的功率不大，转速较低，选用2A蜗杆，精度8级，GB10089-88
2.3.2选择材料和确定许用应力
由《机械基础》表17-4查得蜗杆选用45钢，表面淬火，硬度为45〜55HRC蜗轮齿圈用ZCuSn10P1砂模铸造，为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT15（制造。
由表17-6查得[e]h=200MPa[e]f=51MPa
2.3.3按接触强度确定主要参数
根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，在校核齿根弯
曲疲劳强度。
传动中心距：
a2桃（驚）2
■1（2-1）
（1）确定作用在蜗轮上的转距T2
按Z1=2，估取效率n=0.8，则
T2=T*n*i=3.5382N.M（2-2）
（2）确定载荷系数K
因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数KB=1;由使用系数KA表从而选取
KA=1.15;由于转速不高，冲击不大，可取动载系数KV=1.1;则
K=KA*K3*KV=1*1.15*1.1=1.265〜1.27（2-3）
（3）确定弹性影响系数ZE
因选用的铸锡磷青铜蜗轮和蜗杆相配，故
1
ZE=160MPa"
（4）确定接触系数Zp
a
先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值
a=0.30，从而可查出Zp=3.12。
（5）确定许用应力[cH]
根据蜗轮材料为铸锡磷青铜zcusn10p1，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度〉45HRC从而可查得蜗轮的基本许用应力[cH]‘=268MPA
因为电动刀架中蜗轮蜗杆的传动为间隙性的，故初步定位、其寿命系数为
KHN=0.92贝U
[（TH]=KHN[cH]‘=0.92X268=246.56〜247MPA（2-4）
（6）计算中心距
a_31.273538.2（16°—2.7）2=24mm
V247（2-5）
d/
取中心距a=50mmm=1.25mm蜗杆分度圆直径d仁22.4mm这时a=0.448，从而
II
可查得接触系数Z-2.72，因为ZNZp，因此以上计算结果可用。
蜗杆和蜗轮主要几何尺寸计算
⑴蜗杆
分度圆直径：
d1=8mm
直径系数：
q=17.92,
蜗杆头数：
Z1=1
分度圆导程角：
丫=3°1138〃
蜗杆轴向齿距：
PA^m=3.94mm（2-6）
蜗杆齿顶圆直径：
da1二d12ham=32.2mm（2-7）
蜗杆齿根圆直径：
df1二d—Nha*9*脚=24.16亦（2-8）
蜗杆轴向齿厚：
SaT/2：
m=2.512mm（2-9）
蜗杆轴向齿距：
Pa1=^m".6「：
mm=5.04mm（2-10）
⑵蜗轮
蜗轮齿数：
Z2=45
变位系数X=0
验算传动比：
i=Z2/习=45/仁45（2-11）
蜗轮分度圆直径：
d2=mz2=72mm（2-12）
蜗轮喉圆直径：
da2=d2+2ha2=93.5mm（2-13）
蜗轮喉母圆直径：
rg2=a-1/2da2=50-1/293.5=3.25mm（2-14）
蜗轮齿顶圆直径：
da^d22ha*^75.2mm（2-15）
蜗轮齿根圆直径：
df2=d2-2（ha*_c*）m=68.16mm（2-16）
蜗轮外圆直径：
当在z=1时，de2乞da2•2m=78.4mm（2-仃）
2.4蜗杆轴的设计
2.4.1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，〔：
：
b匸6°°MPa
2.4.2按扭转强度初步估算轴的最小直径
JM2+（aT）2
ca[J
WL-J（2-18）
扭转切应力为脉动循环变应力，取a=0.6
抗弯截面系数W=0.1d3
取dmin=15.14mm
2.4.3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
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'x（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=12mmD=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+0.06z2）m=21.92mm
圆整L3取30mm
L4取55mmL5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220mm
2.4.4蜗杆轴的校核
作用在蜗杆轴上的圆周力
d1（2-19）
T1=9550000P=955000010.56N.mm=2.16105N.mmn467
其中d1=28mm
Fr=Fttana=1.29"04tan20*=4.69如03N（2-20）
图2.1轴向受力分析
Fbh-Fncos30FrCOs60=1.37104cos304.69103cos60-1.42104N
（2-22）
FBv=Frsin60-Fnsin30=4.69103sin60-1.37104sin30、-2.79103N
（2-23）
求水平方向上的支承反力
F-h
L.
图2.2
水平方向支承力
FBHL2_FAH（L1L2）=0
Fch=Fbh—Fah=1.42"04—5.4x10’=8.8x103（N）（2-25）
求水平弯矩，并绘制弯矩图
Mbh-FahLj=5.4103294.510”Nm=1.59103Nm
I
水平弯矩图
图2.3水
平弯矩图
求垂直方向的支承反力
XFYFyZFy
F切781CFyapyfyvyKFy
其中ap=6mmf-0.6mm/rv=100m/min
XfYfyZFy073067
卩切=9.81CFyapFyfyvyKFy=9.81汇142汇6汇0.6N=3658N
（2-27）
—
L_i-
L_C
Lri
Fav
r_.
「切
图2.4垂直方向支承反力
FBVL2F切L3-Fav（L1L2）=0
3
N=1.9910N
2.79汉10x181+3.66X103X120.5
图2.5垂直弯矩图
求合成弯矩图，按最不利的情况考虑
MB二，MBH2MBV2=..（1.59103）2586.12Nm=1.6910‘Nm
（2-28）
MC二MCV=441Nm
b（,r
合成弯矩图
图2.6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［匚」］=75，则
3
dB-
「69"mm"0.8mm
0.175
所以该轴符合要求。
2.4.5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b3
2TX103
°p~
按公式kld进行校核
T=2070Nm,k=0.5h=0.5汽14mm=7mm,l=110mm,d=92mm。
查文献［9］表
6—2,取卜p］=130MPa则
该键符合要求。
由普通平键标准查得轴槽深t=30mm毂槽深t仁2.3mm
2.5蜗轮轴的设计
2.5.1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，bb］=6°°MPa，庄J-1=55MPa
2.5.2按扭转强度，初步估计轴的最小直径
Me
查文献［9］表15—1,取45号调质刚的许用弯曲应力匸』=6°，则
3
：
596汇103
de：
mm=46.3mm
.0.160
由于轴的平均直径为34mm因此该轴安全2.5.3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
d1即蜗轮轮芯为68mm
d2为蜗轮轴轴径最小部分取34mm
d3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d3=44mm螺距P=12mmH=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<0.75da仁15.6mm取b2=15mm
2.6中心轴的设计
2.6.1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，〔rbl=6°°MPa，庄b]-1=55MPa
262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
d1=15mm,
51203，d=17mm,d1=19,T=12mm,D=35mm
51204,
d2与轴承配合，轴承类型为推力球轴承，型号为
所以d2=17mm
d3与轴承配合，轴承类型为推力球轴承，型号为
d=25mm,d1=27mm
T=15mm,D=47mm
L1=80mm,L2=93m
m,L3=20mm
2.6.3轴的校核
轴横截面的惯性
兀44
I（D-d4）二1993.16mm64
车床切削力F=2KN,E=210GPa
3
210145
242101993.16
（2-32）
因此
y＜：
y:
中心轴满足刚度条件
2.7齿盘的设计
2.7.1齿盘的材料选择和精度等级
上下齿盘均选用45号钢，淬火，180HBS初选7级精度等级
2.7.2确定齿盘参数
考虑齿盘主要用于精确定位和夹紧，齿形选用三角齿形，上下齿盘由于需相互啮合，参数可相同
当蜗轮轴旋转150°时，上刀架上升5mm齿盘的齿高取4mm
由
h=（2ha*+c*）m（2_33）
得算式4=（2X1+0.25）m
标准值ha*=1.0,c*=0.25
求出m=1.78mmi取标准值m=2mm
故齿盘齿全高h=（2ha*+c*）m=（2X1+0.25）X2=4.5mm
取齿盘内圆直径d为120mm
外圆直径为140mm
齿顶高ha=ha*m=1X2=2m
齿根高hf=（ha*+c*）m=2.5mm
齿数z=38
齿宽b=10mm齿厚齿盘高为5mm2.7.3按接触疲劳强度进行计算
⑴确定有关计算参数和许用应力
_3
T=9.55106p1=9.5510660100.75=17906.25N•mm
n24
（2-35）
⑵取载荷系数
kt=1.5
⑶由文献表9-12取齿宽系数①d=1.0
⑷由表9-10查得材料的弹性影响系数Ze=189.8；mpa,取a=20°,故ZH=2.5
⑸查图9-34取6Hlim1=380
取6Hlim2=380
⑹Lh=60X24X1X（8X300X15）
N2=5.18X107
⑺由图9-35查得接触疲劳寿命系数ZN1=1.1,ZN2=1.1
⑻计算接触疲
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