数控车床自动回转刀架的毕业设计.docx

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数控车床自动回转刀架的毕业设计

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数控车床回转刀架的设计

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我也是学生,算分享一下,不开玩笑.

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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，本文对数控车床回转刀架的机电系统的相关内容进行研究，探索数控车床刀架的组成和工作原理，对普通机床的换刀装置进行改进，使一台四工位的立式自动回转刀架数控化，使该装置具有自动松开、转位、精密定位等功能。

本文主要完成数控车床回转刀架的机械部分和电气部分的设计。

机械部分为其组成的各个机械部件进行计算与选用，电气部分为编制刀架自动转位控制软件。

设计的数控換刀装置功能更强，换刀装置通过刀具快速自动定位，可以提高数控车床的效率，缩短加工时间；同时其可靠性更稳定，结抅简单。

关键词自动回转刀架；换刀装置；机电系统；电气控制

Abstract

Conventionallathetoolchangeisslow,theaccuracyisnotnotmeettheneedsofmodernproduction.Therefore,thisrotarytoolandworkingprincipleofthegeneralimprovementofthemachinetoolchangedevice,sothatthedeviceautomaticrelease,transfer,precisionpositioningandotherfunctions.

Inthispaper,rotatingturretlathetocompletethemechanicaldesignofpartsandelectricalparts.Mechanicalpartiscomposedofvariousmechanicalcalculationandselectionofparts,electricalpartsforthepreparationofthecontrolsoftware,automaticindexingturret.DesignofmorepowerfulCNCtoolchanger,toolchangerquicklythroughtheautomaticpositioningtoolcanimprovetheefficiencyofCNClathesandshortentheprocessingtime;whileitsreliabilityismorestable,ResultsJusimple.

KeywordsAutomaticrotarytool，而刀架转速设定30rmin，由于转速较高不能直接驱动刀架，因此必须经过适当的减速。

采用蜗杆副减速，蜗杆副传动可以改变运动的方向，获得较大的传动比，以保证传动精度和平稳性并能自锁，可以减少整个装置的空间，比较精简。

3.2上刀体锁紧与精定位机构的设计

上刀架锁紧与精定位将直接影响工件的加工精度，因为刀具直接安装在上刀体上，所以刀体要承受全部的切削力，因此对它的选择很重要，在设计中选择端面将上刀体与下刀体的配合加工成梯形的端面齿。

采用梯形的端面齿，刀架处于锁紧时，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。

3.3刀架抬起机构的设计

在上述过程中欲使上下刀体的两个端面齿脱离。

就必须设计分离机构，在此选择螺杆—螺母副，并在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆—蜗轮带动螺杆绕中心轴转动时，而将上刀体看做螺母，要么转动，要么上下移动。

两种情况，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，转动会使上刀体向上移动。

当端面齿脱离啮合时，上刀体就和螺杆一同转动，在设计螺杆时要注意螺距的选择，而螺距的选择是否合理非常重要，选择适当以便当螺杆转动一定角度时，使上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。

图3.1为自动回转刀架的传动机构示意图

图3.1自动回转刀架的传动结构示意图

1—发信盘2—推力轴承3—螺杆螺母机构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

4主要传动部件的设计计算

4.1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，刀架转位时蜗杆与上刀体直联。

已知电动机额定功率P1=90W，额定转速n1=1440rmin，上刀体设计转速n2=30rmin,则蜗杆副的传动比i=144030=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。

4.1.1蜗杆的选型

采用阿基米德型圆柱蜗杆（ZA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——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MP12；

——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之后，根据已知的传动比i=48,从附录1中选择一个合适的中心距值，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=30rmin

求得作用在蜗轮上的转矩：

T2=9.55P2n2=9.55P1ηn2=9.55×80×0.830N·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2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=160MPa12。

（4）确定接触系数

先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距的比值d1=0.35，从附录3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4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=30rmin;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：

≥

mm=46.2mm

查附录1，取中心距=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=0.4，由附录3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=d1m=12.5，分度圆导程角γ=arctan（z1q）=4º34′26″。

取齿顶高系数=20mm+2×1×1.6mm=23.2mm

齿根圆直径

df1=d1-2m（=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=[-（d1+d2）2]m=[50-（20+76.8）2]1.6=1

蜗轮喉圆直径

da2=d2+2m（=83.2mm

蜗轮齿根圆直径

df2=d2-2m（=76.16mm

蜗轮咽喉母圆半径

rg2=-da22=（50-83.22）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：

=（1.53KT2d1d2m）×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=Z2cos3γ=48.46

根据蜗轮变位系数x2=1和当量齿数ZV2=48.46，查附录6，得齿形系数：

YFa2=1.95

螺旋角影响系数：

Yβ=1-γ140°=0.967

根据蜗轮的材料和制造方法，查附录5，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蜗杆轴的设计

4.2.1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，。

4.2.2按扭转强度初步估算轴的最小直径

（4.3）

扭转切应力为脉动循环变应力，取

抗弯截面系数

取

4.2.3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，直径和长度。

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。

图4.1轴的形状，直径和长度

轴上有一个键槽，故槽径增大5%。

圆整。

所选轴承类型为深沟球轴承，型号为6203，，。

起固定作用，定位载荷高度可在（0.07～0.1）范围内。

，故取20mm。

为蜗杆与蜗轮啮合部分，故。

，便于加工和安装。

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。

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。

为蜗杆部分长度

，圆整取30mm。

取55mm，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。

两轴承的中心跨度为128mm，轴的总长为220mm。

4.2.4蜗杆轴的校核

作用在蜗杆轴上的圆周力

（4.4）

其中，

则

径向力

切向力

图4.2轴向受力分析

求水平方向上的支承反力

图4.3水平方向支承力

求水平弯矩,并绘制弯矩图

图4.4水平弯矩图

求垂直方向的支承反力

（4.5）

查表得，，，，

其中，，

图4.5垂直方向支承反力

求垂直方向弯矩，绘制弯矩图

图4.6垂直弯矩图

求合成弯矩图，按最不利的情况考虑

图4.7合成弯矩图

计算危险轴的直径

（4.6）

查教材机械设计表16.3得，材料为调质的许用弯曲应力，则

所以该轴符合要求。

4.2.5键的选取与校核

查得，尺寸，的A型普通平键。

按公式

（4.7）

进行校核

，

，，。

查表得，取则

该键符合要求。

由普通平键标准查得轴槽深，毂槽深t。

4.3蜗轮轴的设计

4.3.1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，查教材机械设计表16.3得弯曲许用应力和对称循环应力状态下的许用应力分别为，。

4.3.2按扭转强度，初步估计轴的最小直径

（4.8）

查教材机械设计表16.3得，取45号调质钢的许用弯曲应力，则

由于轴的平均直径为34mm，因此该轴安全。

4.3.3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，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，根据表，取公称直径为，螺距，。

查表得，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。

尺寸长度为34mm，蜗轮齿宽当时，，取。

4.4中心轴的设计

4.4.1中心轴的材料选择,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，查教材机械设计表16.3得弯曲许用应力和对称循环应力状态下的许用应力分别为，。

4.4.2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，。

与轴承配合，轴承类型为推力球轴承，型号为51203，，，，，所以。

与轴承配合，轴承类型为推力球轴承，型号51204，，，，。

图4.8中心轴受力图

分配各轴段的长度，，。

4.4.3轴的校核

轴横截面的惯性矩

车床切削力F=2KN，E=210GPa

因此

＜［］

y＜［y］

中心轴满足刚度条件。

4.5齿盘的设计

4.5.1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。

4.5.2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5，齿盘的齿高取4，由

（4.9）

得算式4=（2×1+0.25）。

标准值，。

求出,取标准值。

故齿盘齿全高

。

取齿盘内圆直径为120。

外圆直径为。

齿顶高。

齿根高。

齿数

齿宽

齿厚

齿盘高为5

4.5.3按接触疲劳强度进行计算

（1）确定有关计算参数和许用应力

（2）取载荷系数

（3）由教材机械设计表12.13得齿宽系数

（4）由教材机械设计表12.12得材料的弹性影响系数，取，故。

（5）由教材机械设计图12.17（c）得

，

（6）=60×24×1×（8×300×15），=5.18×107

（7）由教材机械设计第三章中的数据得接触疲劳寿命系数

，

（8）计算接触疲劳许用应力，取安全系数，由教材机械设计式（12.11）得

按齿根抗弯强度设计

由教材机械设计式（12.17）得抗弯强度的设计公式为

（4.10）

确定公式内的各参数数值

（1）由教材机械设计图12.23（c）得抗弯疲劳强度极限

（2）由教材机械设计中图12.24得抗弯疲劳寿命系数

（3）由教材机械设计中图12.21和图12.22得

（4）计算抗弯疲劳许用应力，取抗弯疲劳安全系数SF=1.4

由教材机械设计中式（12.19）得

（5）由教材机械设计中式（12.16）得弯曲疲劳强度验算

故满足弯曲疲劳强度要求

4.6轴承的选用

滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。

它是依靠主要元件的滚动接触来支撑转动零件的。

与滑动轴承相比，滚动轴承摩擦力小，功率消耗少，启动容易等优点。

并且常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，因此使用滚动轴承时，只要根据具体工作条件正确选择轴承的类型和尺寸。

验算轴承的承载能力。

以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置设计”问题。

4.6.1轴承的类型

考虑到轴各个方面的误差会直接传递给加工工件时的加工误差，因此选用调心性能比较好的深沟球轴承。

此类轴承可以同时承受径向载荷及轴向载荷，安装时可调整轴承的游隙。

然后根据安装尺寸和使用寿命选出轴承的型号为：

6203

4.6.2轴承的游隙及轴上零件的调配

轴承的游隙和欲紧时靠端盖下的垫片来调整的，这样比较方便。

4.6.3滚动轴承的配合

滚动轴承是标准件，为使轴承便于互换和大量生产，轴承内孔于轴的配合采用基孔制，即以轴承内孔的尺寸为基准；轴承外径与外壳的配合采用基轴制，即以轴承的外径尺寸为基准。

4.6.4滚动轴承的润滑

考虑到电动刀架工作时转速很高，并且是不间断工作，温度也很高。

故采用油润滑，转速越高，应采用粘度越低的润滑油；载荷越大，应选用粘度越高的。

4.6.5滚动轴承的密封装置

轴承的密封装置是为了阻止灰尘，水，酸气和其他杂物进入轴承，并阻止润滑剂流失而设置的。

密封装置可分为接触式及非接触式两大类。

唇形密封圈靠弯折了的橡胶的弹性力和附加的环行螺旋弹簧的紧扣作用而套紧在轴上，以便起密封作用。

唇形密封圈封唇的方向要紧密封的部位。

即如果是为了油封，密封唇应朝内；如果主要是为了防止外物浸入，密封唇应朝外。

5电气控制部分设计

5.1硬件电路设计

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。

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

5.1.1收信电路

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地线，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IO接口芯片8255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，IO接口芯片8255的PA6与PA7分别控制刀架电动机的功率只有90W，所以图d中刀架电动机与380V交流电源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。

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

TO1:

MOVDPRT，#2FFFH；指向8255的PC口

MOVXA，@DOTR；读取PC内容

JNBACC.4，TEND；测试PC4=0？

若是，则说明1#已在工作位置，程序转到TEND

MOVDPTR，#2FFCH；指向8255的PA口地址

MOVXA，@DPTR；读取PA口锁存器内容

CLRACC.6；令PA6=0，刀架电动机正转有效

SETBACC.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

CALLDE20MS；延时20ms

YT01：

MOVDPTR，#2FFEH；指向8255的PC口

MOVXA，@DPTR；读取PC口内容

JBACC.4，YT01；PC4=0吗？

即1#刀转到工作位置了吗？

CALLDE20MS；延时20ms

YT11：

MOVDPTR，#2FFEH；指向8255的PC口

MOVXA，@DPTR；第二次读取PC口内容

JBACC.4，YT11；PC4=0？

CALLDE20MS；延时20ms

YT21：

MOVDPTR，#2FFEH；指向8255的PC口

MOVXA，@DPTR；第三次读取PC口内容

JBACC.4，YT21；PC4=0？

MOVDPTR，#2FFCH；指向PA口

MOVXA，@DPTR；读取PA口锁存器内容

SETBACC.6；令PA6=1，刀架电动机反转无效

SETBACC.7；令PA7=1，刀架电动机反转无效

MOVX@DPTR，A；刀架电动机停转

CALLDE150MS；延时150ms

CLRACC.7；令PA7=0,刀架电动机反转有效

SETBACC.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

CALLDELAY；延时设定的反转锁紧时间

SETBACC.6；令PA6=1,刀架电动机反转无效

SETBACC.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

结论

为了能在工件