数控机床自动回转刀架机电系统毕业设计论文.docx

1、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

2、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ABSTRACTCNC lathe in the future will be high when the development of mid-range universal CNC tool used compleme ntary, high-grade tool used dyn amic, coupled by a hydraulic tool, servo tool carrier, tool carrier, such as vertical species, which is expected to nu mber

3、in rece nt years. The dema nd of con trol tool will sig nifica ntly in crease. The trend of developme nt of CNC tool is: With the development of CNC Lathe, CNC turret tool change to the rapid, electro-hydraulic servo drive comb in atio n of drive and direct ion. Accord ing to the process ing of diff

4、ere nt objects, there are four-party tool, tool holder and eight hexag onal (or more) positi on of the disc blade of axial loadi ng and other forms tool. Were in stalled on the rotary tool holder 4, 6 or more tools, and NC ATC instructions. The main part of the four-stage vertical electric tool desi

5、gn and applicati on of mecha ni cal relay - access con trol system to con trol part of the desig n. Do pla n to use CAD for electrical tool, through which I got more in tuitive un dersta nding. Fin ally I put forward my views on the electric tool .Keywords: CNC tool, Automatic Rotary Tool, Four -第1章

6、引言 11 1概述 11.2数控车床自动回转刀架的发展趋势，,11.3刀架的设计准则, 21.4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, 32.1刀架的工作原理, 42.2步进电机的选用, 52.3蜗杆及蜗轮的选用与校核, 62.4蜗杆轴的设计, 82.5蜗轮轴的设计, 142.6中心轴的设计, 132.7齿盘的设计, 162.8轴承的选用, 173.0 刀架体的设计, 18第3章控制系统的设计，,， 193.1、控制系统硬件电路接口设计，,， 193.2、控制系统软件设计, 23第 4 章结论与展望, 25参考文献 2627致谢,第1章绪论1.1概述数控机床的刀架是机床的重要

7、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

8、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。12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。

9、 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10001500台。国外数控车

10、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w 0.001mm）、适 用耐热合金和钛合金零件加工的大功率、

11、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

12、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14主要技术参数（1）最大许用力矩（Nm Mq 100 Mx 200 Ms 100（2） 重复定位精度：（mm ( 11+0.06z2) m=21.92mm圆整L3取30mmL4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220mm2.4.4蜗杆轴的校核作用在蜗杆轴上的圆周力d1 (2-19)T1 = 9550000 P = 9550000 10.56 N.mm = 2.16 105

13、 N.mm n 467其中 d1=28mmFr =F ttana = 1.29 04 tan20 * = 4.69 如03 N(2-20)图2.1轴向受力分析Fbh -Fncos30 FrCOs60 =1.37 104 cos30 4.69 103cos60 -1.42 104N(2-22)FBv=Frsi n60 - Fn si n30 =4.69 103si n60 -1.37 104 si n30、-2.79 103N(2-23)求水平方向上的支承反力F-hL.图2.2水平方向支承力FBH L2 _ FAH (L1 L2) = 0Fch =Fbh Fah =1.4204 5.4x10=8

14、.8x103(N) (2-25)求水平弯矩，并绘制弯矩图Mbh-FahLj =5.4 1 03 294.5 1 0”N m= 1.59 1 03 N mI水平弯矩图图2.3水平弯矩图求垂直方向的支承反力X F YF y ZF yF切 781CFyap y f yv yKFy其中 ap=6mm f -0.6mm/r v=100m/minX f Yf y ZFy 0 73 0 67卩切=9.81CFyap Fy f yv yKFy = 9.81 汇142汇 6 汇 0.6 N =3658N(2-27)L_ i-L_ CLr iFavr_.切图2.4垂直方向支承反力F BV L2 F切 L3 - F

15、av (L1 L2)= 03N =1.99 10 N2.79 汉10 x181 +3.66 X103 X120.5图2.5垂直弯矩图求合成弯矩图，按最不利的情况考虑M B 二，M BH 2 M BV2 = .(1.59 103)2 586.12N m =1.69 10N m(2-28)M C 二 M CV =441N mb (, 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3dB-69 mm 0.8mm0.1 75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

16、够 由GB1095-79查得，尺寸b h=5 5, l=20mm的A型普通平键。32T X103 p 按公式 kld 进行校核T =2070N m , k =0.5h =0.5 汽 14mm = 7mm , l =110mm , d = 92mm。查文献9表62,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2.3mm2.5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 = 6MPa，庄J -1=55MPa2.5.2按扭转强度，初步估计轴的最小直径Me查文献9表15

17、1,取45号调质刚的许用弯曲应力 匸=6，则3 ：596汇103de： mm = 46.3mm.0.1 60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68mmd2为蜗轮轴轴径最小部分取34mmd3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=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55mmL2尺寸长度为34mm蜗轮齿宽b2当z1 3时，b2 0.75

18、da仁15.6mm 取 b2=15mm2.6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 = 6MPa，庄b -1=55MPa262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=35mm51204,d2与轴承配合，轴承类型为推力球轴承，型号为所以 d2=17mmd3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=47mmL1=80mm,L2=

19、93mm,L3=20mm2.6.3轴的校核轴横截面的惯性兀 4 4I (D - d4)二 1993.16mm 64车床切削力F=2KN,E=210GPa32 10 14524 210 1993.16(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= (2X 1+0.25 )

20、 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=(2X 1+0.25) X 2=4.5mm取齿盘内圆直径d为120mm外圆直径为140mm齿顶高 ha=ha*m=1X 2=2m齿根高 hf=(ha*+c*)m=2.5mm齿数z=38齿宽b=10mm 齿厚 齿盘高为5mm 2.7.3按接触疲劳强度进行计算确定有关计算参数和许用应力_3T =9.55 106 p1 =9.55 106 60 10 0.75 = 17906.25 N mmn 24(2-35)取载荷系数kt=1.5由文献表9-12取齿宽系数d=1.0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查图 9-34 取 6 Hlim 1= 380取 6 Hlim2=380 Lh=60X 24 X 1X (8 X 300 X 15)N2=5.18 X 107由图9-35查得接触疲劳寿命系数ZN1=1.1 , ZN2=1.1计算接触疲