C616数控车床自动回转刀架机电系统设计.docx

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C616数控车床自动回转刀架机电系统设计

摘要

传统的普通车床换刀的速度慢、精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要。

因此，本文对普通机床的换刀装置进行改进，对一台四工位的立式自动回转刀架进行数控化设计，使该装置具有自动松开、转位、精密定位等功能。

新的数控換刀装置功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结抅简单，维修方便。

关键词：

四工位立式刀架；自动回转；主传动部件；电气控制

1 绪论

经济型数控是我国80年代科技发展的产物。

这种数控系统由于功能适宜.价格便宜.用它来改造车床，投资少、见效快、成为我国“七五”、“八五”重点推广的新技术之一。

十几年来，随着科学技术的发展，经济型数控技术也在不断进步，数控系统产品不断改进完善.并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。

由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。

对于原有老的经济型数控车床，特别是80年代末期改造的设备，由于种种原因闲置的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题。

通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高了生产效率，创造更大的经济效益。

数控车床主要由主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动系统及数控装置组成。

数控车床的出现对提高生产率改将产品质量以及改善劳动条件和提高效率上发挥了重要的作用。

在提高效率上主要表现在两个方面：

1）通过刀具的快速自动定位，提高了空程速度和划线工艺的时间。

2）批量加工一致性好，可以减少工件检验和时间。

特别是经济型老车床对刀等还需要手动完成，以及在加工一个零件过程中，更换刀具，装卸零件，测量和搬运零件用于大部分时间占辅助时间长的刀具交换和刀具尺寸调整。

加工时间相对较短，为缩短加工辅助时间，充分发挥数控机床的功能，进一步压缩非切削时间，数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的发展方向。

在这类多工序的数控机床中必须带有自动换刀装置，在多工序数控机床出现之后.又逐步发展和完善了各类回转刀具的自动更换装置，扩大了换刀数量，以便有可能实现更复杂的换刀操作，在自动换刀数控机床上，自动换刀装置应满足换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具储存量，换刀安全可靠等要求。

1.1 数控车床自动回转刀架的概述

数控车床主要由主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动系统及数控装置组成。

数控车床的出现对提高生产率改善产品质量以及改善劳动条件等发挥了重要的作用。

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，生产效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进，为了能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发挥数控机床的效率，釆用“工序集中”的原则，釆用自动回转刀架。

数控车床上使用的自动回转刀架是一种最简单的换刀装置，自动回转刀架是在一定的空间范围内，能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。

对于自动回转刀架，根据装刀数量的不同，自动回转刀架分有四工位、六工位和八工位等形式。

根据安装的不同方式，自动回转刀架可分为立式和卧式。

而根据机械定位方式不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等。

其中端齿盘定位型换刀时要将刀架抬起，换刀速度较慢且密封性差，但其结构简单。

三齿盘定位叫免抬型，其特点时换刀时刀架不拾起，因此换刀速度快且密封性好，但其结构复杂。

自动回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力，为了保证转位之后具有髙的重复定位精度，自动回转刀架还需要选择可靠的定位方案和合理的定位结构。

自动回转刀架的自动换刀是由控制系统和驱动电路来实现的。

1.2 设计研究内容

设计一台四工位的立式自动回转刀架.适用于C616经济型数控车床。

要求绘制自动回转刀架的机械结构图，设计控制刀架自动转位的硬件电路，编写刀架的控制软件，选用电动机的额定功率为80W，额定转速为1440r/min，换刀时的速度为30r/min。

分别对其组成部分即机械总体结构、工作原理、主传动部件及电气控制部分进行设计、控制，并对自动回转刀架出现的一些常规故障问题提出一些修理意见。

[1]

1.3 研究实际社会意义及应用效果

传统的车床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，生产效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进，数控车床上使用的自动回转刀架是一种简单的换刀装置。

自动回转刀架是在一定的空间范围内能执行自动松开、转位以及精密定位等一系列动作的一种机构。

使用这种新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。

为了能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发挥数控机床的效率，采用“工序集中”的原则，采用自动回转刀架。

并针对生产过程中出现的一些常规问题进行了探讨，归纳总结检查修理方法。

1.4 小结

对数控车床自动回转刀架的机电系统进行研究和设计，并通过对四工位刀架的设计，分别加强对其组成部分即机械总体结构、工作原理的认识。

数控车床上使用的自动回转刀架是一种最简单的换刀装置，自动回转刀架是在一定的空间范围内，能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。

对于自动回转刀架，根据装刀数量的不同，自动回转刀架分有四工位、六工位和八工位等形式。

根据安装的不同方式，自动回转刀架可分为立式和卧式，而根据机械定位方式不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等，其中端齿盘定位型换刀时需要将刀架抬起，换刀速度较慢且密封性差，但其结构简单。

三齿盘定位叫免抬型.其特点时换刀时刀架不用抬起，因此换刀速度快且密封性好，但其结构复杂。

自动回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力，为保证转位之后具有髙的重复定位精度，自动回转刀架还需要选择可靠的定位方案和合理的定位结构。

自动回转刀架的自动换刀由控制系统和驱动电路来实现的。

2 总体结构设计

2.1 电动机的选择[2][3][4]

电动机选择三相异步电动机，额定功率为80W，额定转速为1440r/min。

2.2 减速传动机构的设计[1]

由于三相异步电动机的转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必须经过适当的减速。

根据立式转位刀架的结构特点，采用蜗杆副减速是最佳选择。

蜗杆副传动可以改变运动的方向，获得较大的传动比，保证传动精度和平稳性，并且具有自锁功能，还可以实现整个装置的小型化。

2.3 上刀体锁紧与精定位机构的设计[5]

由于刀具直接安装在上刀体上，所以上刀体要承受全部的切削力，其锁紧与定位珠精度将直接影响到工件的加工精度。

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。

当刀架处于锁紧状态时，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，完成转位工作。

2.4 刀架抬起机构的设计

要想使上、下刀体的两个端面脱离，就必须设计合适的机构使上刀体抬起。

本设计选用螺杆-螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆-蜗轮带动螺杆中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动，要第上下移动。

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。

[6]

图2.1为自动回转刀架的传动机构示意图。

图2.1 自动回转刀架的传动结构示意图

1—发信盘2—推力轴承3—螺杆螺母副 4—端面齿盘 5—发靠圆盘 6—三相异步电动机 7—联轴器 8—蜗杆副 9—反靠销 10—圆柱销 11—上盖圆盘 12—上刀体

3 自动回转刀架的工作原理[7]

自动回转刀架的换刀流程如图3.1所示。

图3.2表示自动回转刀架在换刀过程中有关的销的位置。

其中上部的圆柱销2和下部的反靠销6起着重要作用。

当刀架处于锁紧状态时,两销的情况如图a所示，此时反靠销6落在反靠圆盘7的十字槽内，上刀体4的端面齿和下刀的端面齿处于啮合状态（上下端面齿在图a中未画出）。

需要换刀时，控制系统发出刀架的转位信号，三相异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动螺杆正向转动，与螺杆配合的上刀体4逐渐抬起，上刀体4与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘1也随着螺杆正向转动（上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆联接），当转过约170度时，上盖圆盘1直槽的另一端转到圆柱销2的正上方，由于弹簧3的作用，圆柱销2落入直槽内，于是上盖圆盘1就通过圆柱销2使得上刀体4转动起来（此时端面齿已完全脱开），如图b所示。

上盖圆盘1、圆柱销2以及上刀体4在正转的过程中，反靠销6能够从反靠圆盘7中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体4寻找刀位时的正向转动，如图c所示。

上刀体4带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘1通过圆柱销2带动上刀体4开始反转，反靠销6马上就会落入反靠圆盘7的十字槽内，至此，完成粗定位，如图d所示。

此时反靠销6从反靠圆盘7的十字槽内爬不上来，于是上刀体4停止转动，开始下降，而上盖圆盘1继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销2的头部压入上刀体4的销孔内，之后，上盖圆盘1的下表面开始与圆柱销2的头部滑动。

在些期间，上、下刀本的端面齿逐渐啮合，实现定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过和结束。

[8]

由于蜗杆副具有自销功能，所以刀架可稳定的工作。

图3.1 自动回转刀架的换刀流程

a）              b）

c）               d）

图3.2 刀架转位过程中销的位置

a）换刀开始时，圆柱销2与上盖圆盘1可以相对滑动

b）上刀体4完全抬起后，圆柱销2落入上盖圆盘1槽内，上盖圆盘1将带动圆柱销2及上刀体4一起转动

c）上刀体4连续转动时，反销6可从反靠圆盘7的槽左侧斜坡滑出

d）找到刀位后，刀架电动机反转，反靠销6反靠，上刀体停转，实现粗定位

1—上盖圆盘 2—圆柱销3—弹簧 4—上刀体 5—圆柱销 6—反靠销7—反靠圆盘

4 主要传动部件的设计计算

4.1 蜗杆副的设计计算[9]

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，刀架转位时蜗杆与上刀体直联。

已知电动机额定功率P1=80W，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=1440/30=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，今要求蜗杆的使用寿命Lh=10000h，因此对蜗杆的型号材料的选择以及齿面接触疲劳强度计算相当重要。

[10]

4.1.1 蜗杆的选型 

GB/T10065-1998推荐采用渐开线（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）。

4.1.2 蜗杆的材料

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，选用锡磷青铜ZCuSn10P1，采用金属模铸造。

4.1.3 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，多因齿面脱离危险合或点蚀而失效。

因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行校核。

按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为：

（4.1）

式中 a—蜗杆副的传动中心距，单位为mm；

K—载荷系数；

T2—作用在蜗轮上的转矩T2，单位为N·mm；

—弹性影响系数，单位为MP1/2；

—接触系数；

—许用接触应力，单位为MPa。

从式（4.1）算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比i=48,从附录A中选择一个合适的中心距a值，以及相应的蜗杆、蜗轮参数。

（1） 确定作用在蜗杆上的转矩T2

设蜗杆头数Z1=1，蜗杆的传动效率取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=P1·η，再由蜗轮的轮转速n2=30r/min

求得作用在蜗轮上的转矩：

T2=9.55P2/n2=9.55P1η/n2=9.55×80×0.8/30N·m≈20.373N·m=20373N·mm

（2） 确定载荷系数K

载荷系数K=KAKβKv。

其中KA为使用系数，由附录B查得，由于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取KA=1.15；Kβ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Kβ=1.15；Kv为动载系数，由于转速不高、冲击不大，可取Kv=1.05。

刚载荷系数：

K=KAKβKv=1.15×1.15×1.05≈1.39

（3） 确定弹性影响系数ZE

铸锡磷青铜蜗轮与蜗杆相配时,从有关手册查得弹性影响系数ZE=160MPa1/2。

（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d1/a=0.35，从附录C中可查得接触系数

=2.9。

（5） 确定许用接触应力

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大于45HRC，可从附录D中查得蜗轮的基本许用应力

'=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n2=30r/min;蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。

则应力循环次数

N=60Jn2Lh=60×1×30×10000=1.8×107

寿命系数：

KHN=

=0.929

许用应力：

=KHN

′=0.929×268MPa=249MPa

（6） 计算中心距

将以上各参数代入式（4.1），求得中心距：

a≥

mm=46.2mm

查附录A，取中心距a=50mm，已知蜗杆头数Z1=1，设模数m=1.6mm，得蜗杆分度圆直径d1=20mm。

为时d1/a=0.4，由附录C得接触系数Z′ρ=2.74。

因为Z′ρ＜Zρ，所以上述计算结果可用。

4.1.4 蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸

由蜗杆和蜗轮的基本尺寸和主要参数，算得蜗杆和蜗轮的主要几何尺寸后，即可绘制蜗杆副的工作图。

（1） 蜗杆参数与尺寸

头数Z1=1，模数m=1.6mm，轴向齿距Pa=πm=5.027mm，轴向齿厚Sa=0.5πm=2.514mm，分度圆直径d1=20mm，直径系数q=d1/m=12.5，分度圆导程角γ=arctan（z1/q）=4o34′26″。

取齿顶高系数ha*=1，径向间隙系数c*=0.2，则齿顶圆直径da1=d1+2ha*m=20mm+2×1×1.6mm=23.2mm，齿根圆直径df1=d1-2m（ha*+c*）=[20-2×1.6×（1+0.2）]mm=16.16mm。

（2） 蜗轮参数与尺寸

齿数Z2=46，模数m=1.6mm，分度圆直径d2=mZ2=1.6×48mm=76.8mm，变位系数x2=[a-（d1+d2）/2]/m=[50-（20+76.8）/2]/1.6=1，蜗轮喉圆直径da2=d2+2m（ha﹡+x2）=[76.8+2×1.6×（1+1）]mm=83.2mm，蜗轮齿根圆直径df2=d2-2m（ha﹡-x2+c﹡）=[76.8-2×1.6×（1-1+0.2）]mm=76.16mm，蜗轮咽喉母圆半径rg2=a-da2/2=（50-83.2/2）mm=8.4mm。

（3） 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度

即检验下式是否成立：

=（1.53KT2/d1d2m）×YFa2Yβ≦

      （4.2）

式中

—蜗轮齿根弯曲应力，单位为MPa；

YFa2—蜗轮齿形系数；

Yβ—螺旋角影响系数；

—蜗轮的许用弯曲应力，单位为MPa。

由蜗杆头数Z1=1，传动比i=48，可以算出蜗轮齿数Z2=iZ1=48。

则蜗轮的当量齿数

Zv2=Z2/cos3γ=48.46

根据蜗轮变位系数x2=1和当量齿数ZV2=48.46，查附录F，得齿形系数：

YFa2=1.95

螺旋角影响系数：

Yβ=1-γ/140°=0.967

根据蜗轮的材料和制造方法，查附录E，可得蜗轮基本许用弯曲应力：

'=56MPa

蜗轮的寿命系数：

KFN=

=

=0.725

蜗轮的许用弯曲应力：

=

'KFN=56×0.725MPa=40.6MPa

将以上参数代入（4.2），得蜗轮齿根弯曲应力：

=

×1.95×0.967MPa≈33.2MPa

可见

＜

蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。

4.2 螺杆的设计计算

4.2.1 螺距的确定

刀架转位时,要求螺杆在转动约170°的情况下,上刀体的端面齿与下刀体的端面齿完全脱离;在锁紧的时候,要求上下端面齿的啮合深度达2mm。

因此，螺杆的螺距P应满足P×170/360＞2mm，即P＞4.24mm，取螺杆的螺距P=6mm。

4.2.2 其他参数的确定

采用单头梯形螺杆，头数n=1,侧角β=15°，外螺纹大径（公称直径）d1=50mm,牙顶间隙ac=0.5mm,基本牙型高度H1=0.5P=3mm，外螺纹牙高h3=H1+ac=3.5mm，外螺纹中径d2=47mm,外螺纹小径d3=43mm,螺杆螺纹部分长度H=50mm。

4.2.3 自锁性能校核

螺杆-螺母材料均用45钢，查附录G，取二者的摩擦因数F=0.11；再求得梯形螺旋副的当量摩擦角；

φv=

≈6.5°

而螺纹升角：

ψ=arctan（nP/πd2）=arctan（1×6/3.14×47）=2.33°

小于当量摩擦角。

因此，所选几何参数满足自锁条件。

5 电气控制部分设计

5.1 硬件电路设计[12]

自动回转刀架的电气控制部分主要包括收信电路和发信电路两大块，如图5.1所示。

5.1.1 收信电路[13]

图a中发信盘上的4只霍尔开关（型号为UGN3120U），都有3个引脚，第1脚接+12V电源，第2脚接+12V地，第3脚为输出。

转位时刀台带动磁铁旋转，当磁铁对准某一个霍尔开关时，其输出端第3脚输出低电平；当磁铁离开时，第3脚输出高电平。

4只霍尔开关输出的4个刀位信号T1～T4分别送到图b的4只光耦合器进行处理，经过光电隔离的信号再送给I/O接口芯片8225的PC4～PC7。

5.1.2 发信号电路

图c刀架电动机正反转控制电路，I/O接口芯片8255的PA6与PA7分别控制刀架电动机的功率只有80W，所以图d中刀架电动机与380V市电的接通可以选用大功率直流继电器，而不必采用继电器-接触器控制电路，以节省成本，降低故障率。

图c中，正转继电器的线圈KA1与反转继电器的一组常闭触点串联，而反转继电器的线圈KA2又与正转继电器的一组常闭触点串联，这样就构成了正转与反转的互锁电路，以防控制系统失控时导致短路现象。

当KA1或KA2的触点接通380V电压时，会产生较强的火花，并通过电网影响控制系统的正常工作，为此，在图d中布置了3对R-C阻容用来灭弧，以抑制火花的产生。

a）                 b）

c）                d）

图5.1 自动回转刀架电气控制原理图

a）发信盘上的霍尔元件 b）刀位信号的处理 c）刀架电动机正反转控制 d）刀架电动机正反转的实现

5.2 控制软件的设计

在清楚了自动回转刀架的机械结构和电气控制电路后，就可以着手编制刀架自动回转转位的控制软件了。

对于四工位自动回转刀架来说，它最多装4把刀具，设计控制软件的任务，就是选中任意一把刀具，让其转到工作位置。

图5.2表示让1#刀转到工作位置的程序流程，2#～4#刀的转位流程与1#刀相似。

设控制系统的CPU为AT89C51单片机，扩展8255芯片作为自动回转刀架的收信与发信控制，已知8255芯片的控制口地址为2FFH，则基于图5.1和图5.2的汇编程序清单如下：

图5.2 换1#刀的程序流程[14]

TO1:

 MOV  DPRT，#2FFFH ；指向8255的PC口

MOVX A，@DOTR  ；读取PC内容

JNB  ACC.4，TEND  ；测试PC4=0？

若是，则说明1#已在工作位置，程序转到TEND

MOV  DPTR，#2FFCH  ；指向8255的PA口地址

MOVX A，@DPTR   ；读取PA口锁存器内容

CLR  ACC.6       ；令PA6=0，刀架电动机正转有效

SETB ACC.7       ；令PA7=1，刀架电动机反转无效

MOVX @DPTR,A     ；刀架电动机开始正转

CALL DE20MS       ；延时20ms

YT01：

MOV DPTR，#2FFEH   ；指向8255的PC口

MOVX A，@DPTR    ；读取PC口内容

JB  ACC.4，YT01    ；PC4=0吗？

即1#刀转到工作位置了吗？

CALL DE20MS      ；延时20ms

YT11：

MOVDPTR，#2FFEH    ；指向8255的PC口

MOVX A，@DPTR    ；第二次读取PC口内容

JB  ACC.4,YT11     ；PC4=0？

CALL DE20MS      ；延时20ms

YT21：

MOV DPTR，#2FFEH   ；指向8255的PC口

MOVX A，@DPTR   ；第三次读取PC口内容

JB  ACC.4，YT21     ；PC4=0？

MOV DPTR，#2FFCH   ；指向PA口

MOVX  A，@DPTR   ；读取PA口锁存器内容

SETB ACC.6       ；令PA6=1，刀架电动机反转无效

SETB  ACC.7      ；令PA7=1，刀架电动机反转无效

MOVX @DPTR,A     ;刀架电动机停转

CALL DE150MS      ;延时150ms

CLR  ACC.7       ;令PA7=0,刀架电动机反转有效

SETB ACC.6       ;令PA6=1,刀架电动机正转无效

MOV  @DPTR,A     ;刀架电动机开始反转

CALL DELAY       ;延时设定的反转锁紧时间

SETB ACC.6        ;令PA6=1,刀架电动机反转无效

SETB  ACC.7       ；令PA7=1，刀架电动机反转无效

MOVX @DPTR,A      ;刀架电动机停转

TEND:

REL               ；换1#刀结束

6 常规故障分析与排除

6.1 刀架不能启动[15]

6.