1、徐州工程學院機電工程學院課程設計說明書機電工程學院綜合訓練課程設計說 明 書課題名稱： 數控車床自動回轉刀架機械裝置設計 學生姓名： 周華東 學號： 20110611112 專 業： 機械電子工程 班級： 11機電 成 績： 指導教師簽字： 年月日19目 錄1 引言11.1概述11.2數控車床回轉刀架的發展趨勢11.3設計要求22 自動回轉刀架總體設計32.1總體方案的確定32.2減速機傳動機構的確定42.3刀體鎖緊與精定位機構的確定52.4抬起機構的確定53 自動回轉刀架的工作原理64 自動回轉刀架傳動裝置的總體設計及計算84.1刀架的設計參數84.2電動機的參數計算及選取84.2.1電動機

2、的選型84.2.2電動機容量的計算84.3傳動裝置運動和動力參數95 傳動機構的具體設計及計算105.1蝸桿傳動的設計計算105.1.1 選擇蝸桿傳動類型105.1.2 選擇材料105.1.3 按齒面接觸疲勞強度設計105.1.4 蝸輪蝸桿的主要參數及尺寸115.1.5 校核齒根彎曲疲勞強度125.2 絲桿螺母傳動的設計計算135.2.1 絲桿材料的選擇135.2.2 螺母材料的選擇135.2.3 絲桿螺母幾何尺寸的計算135.3 蝸桿軸的校核156 控制系統設計186.1 控制系統電路硬件接線圖186.2 PLC控制流程圖187 總結201 引言1.1概述數控車床的刀架是機床的重要組成部分。

3、刀架用于夾持切削用的刀具，因此其結構直接影響機床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的結構和性能體現了機床的設計和制造技術水平。隨著數控車床的不斷發展，刀架結構形式也在不斷翻新。其中按換刀方式的不同，數控車床的刀架系統主要有回轉刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式。其中，帶刀庫的數控加工中心自動換刀裝置自1958年研制成功以來，其機械結構和控制方式不斷得到改進和完善，形式多種多樣，目前常見的有更換主軸頭換刀以及帶刀庫的自動換刀系統。1.2數控車床回轉刀架的發展趨勢數控刀架的發展趨勢是：隨著數控車床的發展，數控刀架開始向快速換刀、電液組合驅動和伺服驅動方向發展。 目前國內

4、數控刀架以電動為主，分為立式和臥式兩種（如圖1-2）。立式主要用于簡易數控車床；臥式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋轉，就近選刀，用于全功能數控車床。另外，臥式刀架還有液動刀架和伺服驅動刀架。電動刀架是數控車床重要的傳統結構，合理地選配電動刀架，并正確實施控制，能夠有效的提高勞動生產率，縮短生產準備時間，消除人為誤差，提高加工精度與加工精度的一致性等等。另外，加工工藝適應性和連續穩定的工作能力也明顯提高：尤其是在加工幾何形狀較復雜的零件時，除了控制系統能提供相應的控制指令外，很重要的一點是數控車床需配備易于控制的電動刀架，以便一次裝夾所需的各種刀具，靈活方便地完成各種幾何形狀的加工。數

5、控刀架的市場分析：國產數控車床將向中高檔發展，中檔采用普及型數控刀架配套，高檔采用動力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種。 （a）立式回轉刀架 （b）臥式回轉刀架圖 1-21.3設計要求1) 設計數控車床自動回轉刀架，實現：2) 刀架采用電機帶動實現4把刀具自動回轉換刀3) 帶卡位裝置，換刀后位置自動卡死，刀具切削過程中不會擺動4) 可以實現傾斜切削5) 機械傳動系統裝配一張（A1幅畫)2 自動回轉刀架總體設計2.1總體方案的確定在自動換刀數控機床上，自動換刀裝置應滿足換刀時間短，刀具重復定位精度高，足夠的刀具儲存量，換刀安全可靠等要求。目前為止應用最廣的刀架為回轉刀架。回轉刀架是

6、一種最簡單的自動換刀裝置，常用于數控車床。可以設計成四方刀架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式。回轉刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，并按數控裝置的指令換刀。回轉刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度，以承受粗加工時的切削抗力。由于車削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，對于數控車床來說，加工過程中刀具位置不進行人工調整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結構，以保證回轉刀架在每次轉位之后，具有盡可能高的重復定位精度（一般為0.0010.005mm）。圖2 回轉刀架的類型及原理一般情況下，回轉刀架的換刀動作包括刀架抬起、刀架轉位及刀架壓緊等。回轉刀架按其工作原理分為若干類型，

7、如圖2所示。圖2.a所示為螺母升降轉位刀架，電動機經彈簧安全離合器到蝸輪副帶動螺母旋轉，螺母舉起刀架使上齒盤與下齒盤分離，隨即帶動刀架旋轉到位，然后給系統發信號螺母反轉鎖緊。使刀架換位，進行切削加工。螺母升降式零件多，但加力可靠，精度較高，許多刀架都利用這種原理設計。圖2.b所示為利用十字槽輪來轉位及鎖緊刀架（還要加定位銷），銷釘每轉一周，刀架便轉1/4轉（也可設計成六工位等）。十字槽輪式體積大，零件多，目前使用較少。圖2.c所示為凸臺棘爪式刀架，蝸輪帶動下凸輪臺相對于上凸輪臺轉動，使其上、下端齒盤分離，繼續旋轉，則棘輪機構推動刀架轉90º，然后利用一個接觸開關或霍爾元件發出電動機反

8、轉信號，重新鎖緊刀架。凸臺棘爪式重復定位精度相對較低。圖2.d所示為電磁式刀架，它利用了一個有10kN左右拉緊力的線圈使刀架定位鎖定。電磁式目前已能實用，但多一套電路，并要有斷電保護。圖2.e所示為液壓式刀架，它利用擺動液壓缸來控制刀架轉位，圖中有擺動閥芯、撥爪、小液壓缸；撥爪帶動刀架轉位，小液壓缸向下拉緊，產生10kN以上的拉緊力。這種刀架的特點是轉位可靠，拉緊力可以再加大，但其缺點是液壓件難制造，還需多一套液壓系統，有液壓油泄漏及發熱問題。經過參考幾種經典的刀架設計類型后，決定在本設計中采用螺母升降轉位刀架，電動機經彈簧安全離合器到蝸輪副帶動螺母旋轉，螺母舉起刀架使上齒盤與下齒盤分離以及利

9、用十字槽輪來轉位及鎖緊刀架（還要加定位銷）來實現刀架抬起和精確定位。2.2減速機傳動機構的確定在本設計中由于采用了三相異步電動機，三相異步電動機轉子的轉速低于旋轉磁場的轉速，轉子繞組因與磁場間存在著相對運動而感生電動勢和電流，并與磁場相互作用產生電磁轉矩，實現能量變換。與單相異步電動機相比，三相異步電動機運行性能好，并可節省各種材料。在普通的三相異步電動機因轉速太快，不能直接驅動刀架進行換刀，必須經過適當的減速。根據立式轉位刀架的結構特點，采用蝸桿副減速是最佳選擇。蝸輪蝸桿傳動有以下特點：1、傳動平穩。蝸桿傳動同時嚙合的齒對數多，且蝸桿為連續的螺旋曲面，嚙合過程是連續的，振動、沖擊和噪聲較小。

10、2、具有自鎖性。當蝸桿的導程角小于嚙合摩擦角時，蝸桿傳動具有自鎖性。此時，只能蝸桿帶動蝸輪，反之則不能轉動。3、傳動比大。單級傳動可獲得傳動比為5-80，在分度機構中可達600或更大。和齒輪傳動相比實現相同的傳動比時結構較緊湊。所以說蝸桿副傳動可以改變運動的方向，獲得較大的傳動比，保證傳動精度和平穩性，并且具有自鎖功能，還可以實現整個裝置的小型化。使得刀架在是有過程中更加輕便，方便機床的加工作業。2.3刀體鎖緊與精定位機構的確定在本設計中由于刀具直接安裝在上刀體上，所以上刀體要承受全部的切削力，其鎖緊與定位的精度將直接影響工件的加工精度。本設計上刀體的鎖緊與定位機構選用端面齒盤，將上刀體和下刀

11、體的配合面加工成梯形端面齒。當刀架處于鎖緊狀態時，上下端面齒相互咬合，這時上刀體不能繞刀架的中心軸轉動；換刀時電動機正傳，抬起機構使上刀體抬起，等上下端面齒脫開后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉動，完成轉位動作。2.4抬起機構的確定要想使上、下刀體的兩個端面齒脫離，就必須設計合適的機構使上刀體抬起。本設計選用螺桿-螺母副，在上刀體內部加工出內螺紋，當電動機通過蝸桿-蝸輪帶動蝸桿繞中心軸轉動時，作為螺母的上刀體要么轉動，要么上下移動。當刀架處于鎖緊狀態時，上刀體與下刀體的端面齒相互咬合，因為這時上刀體不能與螺桿一起轉動，所以螺桿的轉動會使上刀體向上移動。當端面齒脫離咬合時，上刀體就與螺桿一同轉動。設

12、計螺桿時要求選擇適當的螺距，以便當螺桿轉動一定角度時，使得上刀體與下刀體的端面齒能夠完全脫離咬合狀態。 3 自動回轉刀架的工作原理自動回轉刀架的換刀流程圖如圖3.a所示，傳動結構如圖3.b所示。3.a自動回轉刀架換刀流程1-發信盤 2-推力球軸承3-螺桿螺母副4-端面齒盤5-反靠圓盤 6-三相異步電機7-聯軸器 8-蝸桿副 9-反靠銷 10-圓柱銷 11-上蓋圓盤 12-上刀體 3.b自動回轉刀架的傳動結構示意圖刀架抬起：需要換刀時，控制系統發出刀架轉位信號，三相異步電動機正向旋轉，通過蝸桿副帶動螺桿正向轉動，與螺桿配合的上刀體逐漸抬起，下刀體與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；刀架轉位：當轉過17

13、0度時，兩端面完全脫開，圓柱銷由于彈簧的作用壓在螺桿上端的臺階內側，于是螺桿帶動上刀體轉動起來。刀架定位：上刀體帶動磁鐵轉到需要的刀位時，粗定位銷在彈簧的作用下進入粗定位槽，同時發信盤上對應的霍爾元件輸出高電平信號，控制系統收到后，立即控制刀架電動機反轉，由于粗定位銷的作用，上刀體不會隨螺桿的反轉而反轉，所以開始下降，上下刀體的端面逐漸嚙合，實現精定位。刀架夾緊：上下刀體的端面齒緊密嚙合后.螺桿不再轉動，而電機繼續帶動蝸輪向螺桿加力，經過設定的延時時間后，刀架電動機停轉，整個換刀過程結束。由于蝸桿副有自鎖功能，所以刀架可以穩定的工作。圖3-3 自動回轉刀架在換刀過程中有關銷的位置圖3-3表示自

14、動回轉刀架在換刀過程中有關銷的位置。其中上部的圓柱銷2和下部的反靠銷6起著重要的作用。當刀架處于鎖緊狀態時，兩銷的情況如圖a所示，此時反靠銷6落在反靠圓盤7的十字槽內，上刀體4的端面齒和下刀體的端面齒處于咬合狀態。需要換刀時，控制系統發出刀架轉位信號，三相異步電動機正向旋轉，通過蝸桿副帶動螺桿正向轉動，與蝸桿配合的上刀體4逐漸抬起，上刀體4與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；于此同時，上蓋圓盤1也隨著螺桿正向轉動(上蓋圓盤1通過圓柱銷與螺桿連接)當轉過約170度時，上蓋圓盤1直槽的另一端轉到圓柱銷2的正上方，由于彈簧3的作用，圓柱銷2落入直槽內，于是上蓋圓盤1就通過圓柱銷2使得上刀體4轉動起來（此時

15、端面齒已經完全脫開）如圖b所示。上蓋圓盤1，圓柱銷2以及上刀體4在正轉的過程中，反靠銷6能夠從反靠圓盤7中十字槽的左側斜坡滑出，而不影響上刀體4尋找刀位時的正向轉動，如圖c所示。上刀體4帶動磁鐵轉到需要的刀位時，發信盤上對應的霍爾元件輸出低電平信號，控制系統收到后，立即控制刀架電動機反轉，上蓋圓盤1通過圓柱銷2帶動上上刀體4開始反轉，反靠銷6馬上就會落入反靠圓盤7的十字槽內，至此。完成粗定位，如圖d所示。此時，反靠銷6從反靠圓盤7的十字槽內爬不上來，于是上刀體4停止轉動，開始下降，而上蓋圓盤1繼續反轉，其直槽的左側斜坡將圓柱銷2的頭部壓入上刀體4的銷孔內，之后，上蓋圓盤1的下表面開始與圓柱銷2

16、的頭部滑動。在此期間，上、下刀體的端面齒逐漸咬合，實現精定位。經過設定的延時時間后，刀架電動機停轉，整個換刀過程結束。4 自動回轉刀架傳動裝置的總體設計及計算4.1刀架的設計參數1) 定位精度：0.05mm;2) 重復定位精度: 土 0.002mm;3) 適用機床：C6140;4) 多齒盤直徑：175(72 齒左右 );5) 刀架工位數：四工位;6) 定位控制元件：霍爾元件 ;7) 電機的選用：電機的轉速與設計刀架的回轉速度有關，先預定為1500/min8) 刀座尺寸：200*1929) 刀盤尺寸：200*1104.2電動機的參數計算及選取4.2.1電動機的選型按照設計參數對電機進行選型，經過

17、查取有關資料，選取N系列三相異步電機。能滿足功率小,起動轉矩低,運轉平穩等，無需調速、長期反復工作的條件。4.2.2電動機容量的計算設計刀架自鎖力Q=1000N，螺桿的轉速設計為 n1=28r/min 則工作裝置所需的功率Pw = n * T / 9.55 = 30W電動機的輸出功率Po = Pw / 其中 ,Po 為電機輸出功率；Pw為工作裝置所需工作功率；是由電動機至工作裝置主動端的總效率：其中分別為蝸輪蝸桿、軸承、聯軸器、滑動絲杠的傳動效率。取=0.45( 自鎖時傳動效率 )，=0.98,，則Po = 30 / 0.25 = 120W傳動機構總傳送比范圍 i =10 80，則電動機轉速的

18、范圍為：n=（10 80）* 28 = 280 2240 r/min查資料選取型號為JW-5264的三相微型感應電機，其技術參數如下：電壓輸出功率轉速輸入功率質量380V120W1400r/min150W3.0kg額定電流額定轉矩啟動電流0.47A> 2.2< 64.3傳動裝置運動和動力參數 各軸轉速I 軸 ( 蝸桿軸 )=1400(r/min)II 軸 ( 絲杠螺母、刀盤 )=1400/28=50(r/min) 各軸輸入功率I 軸 PI = Po * =120 * 0.99 = 118.8W II 軸 PII = PI * 12 =118.8 * 0.98*0.98 * 0.45

19、 = 51.35W 輸出功率 I 軸 II 軸 5 傳動機構的具體設計及計算5.1蝸桿傳動的設計計算 5.1.1 選擇蝸桿傳動類型 根據GB/T10085-1988的推薦，采用漸開線（ZI）蝸桿，這種蝸桿的端面齒廓是漸開線，所以相當于少一個齒數。5.1.2 選擇材料由于蝸桿傳動效率不高，速度也只是中等 ,故蝸桿用45鋼;因希望效率高些,耐磨性好些,故蝸桿螺旋要求淬火硬度為45-55HRC且心部調制蝸輪用鑄錫青銅ZcusnlOP1,金屬模鑄造。為了節約貴重的有色金屬,僅齒圈用青銅制造,而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。5.1.3 按齒面接觸疲勞強度設計 根據閉式蝸桿傳動的設計準則,先根據齒面接觸疲勞

20、強度進行設計 , 再校核齒根彎 曲強度應有 : (4 1）a.用在蝸輪上的轉矩：按，取效率則 (4 2)b.確定載荷系數K：因工作載荷較穩定,所以取齒向載荷分布系數，選取使用系數=1.15，由于轉速不高,沖擊不大,取動載荷系數則 （4-3）c.確定彈性影響系數：由選用鑄錫磷青銅渦輪和鋼蝸桿相配合, 故 d.確定接觸系數:先假設蝸桿分度圓直徑為和中心距 a 的比值，從資料中可查得 =2.75e.確定許用接觸應力：根據蝸桿材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10Pi金屬模鑄造,蝸桿硬度大于45HRC可以從資料中查得渦輪的基本許用應力=268應力循環次數設計要求壽命為 12000h 則(渦輪每轉一轉,每個輪齒

21、嚙合的次數) (4-5)壽命系數： 則 (4-6)f.計算中心距 : (4-7)所以取中心距為 5Omm ；因i=50，故從表11-12中取模數m=1.6mm 分度圓直徑=20mm，則，從圖11-18中可查得接觸系數 ，故以上計算結果可用。5.1.4 蝸輪蝸桿的主要參數及尺寸根據以上計算結果,從資料中查得一組數據 :軸向齒距：直徑系數： 齒頂圓直徑：齒根圓直徑：分度圓導程角：蝸桿的軸向齒厚：a.蝸桿的幾何尺寸及參數 :軸向距： 直徑系數： 齒根圓直徑： 齒頂圓直徑： 導程角： 軸向齒厚： b.蝸輪尺寸及幾何參數:齒數： 變位系數： 分度圓直徑： 喉圓直徑： 齒根圓直徑： 喉圓母圓半徑： 5.1

22、.5 校核齒根彎曲疲勞強度 (4-8)當量齒數： (4-9)根據 從資料中可查得齒形系數 ，螺旋角系數許用彎曲應力 從資料查得ZcuSn10Pi制造的蝸輪的基本許用彎曲應力 壽命系數： (4-11) (4-12)故彎曲強度不滿足要求。改用鑄鋁鐵青銅(ZcuAl10Fe3)砂模鑄造，其許用應力： 則 （3-24）所以強度滿足。5.2 絲桿螺母傳動的設計計算5.2.1 絲桿材料的選擇由于機床絲桿螺母的主要失效形式是磨損，以及切削細長螺紋時時刀具磨損使絲杠產生表面缺陷和較大的內應力，所以選擇絲桿材料及熱處理，應從高的耐磨性，良好的加工性能及長期的尺寸穩定性來進行考慮。選擇合金鋼40Cr,8級精度，淬

23、硬，熱處理使之具有相當的耐磨性。5.2.2 螺母材料的選擇螺母材料選用鑄鋅鉛青銅ZQSn6-6-3,雖然ZQSn10-1非常耐磨，但成本太高ZQSn6-6-3已經能滿足要求。5.2.3 絲桿螺母幾何尺寸的計算a. 選用T55梯形螺紋絲桿，螺距t=12mm;b. 絲桿螺母尺寸： 大徑：d=46mm 小徑：=40mm 中徑： 螺母外徑： 螺母小徑： 螺母中徑：線速n=1。由于連接螺紋要求自鎖性。故多用單線螺紋，若要求傳動效率高則采用雙線或三線螺紋。 導程：S=P=12mm 螺紋升角： 當量摩擦角：，由于選用的是的梯形螺紋， ，因而。當f=0.1時，此絲桿能自鎖。 c. 絲桿螺母的傳動效率和驅動扭矩

24、的計算：效率：驅動扭矩M：設所受的軸向力P,則螺紋中徑的圓周力為，驅動扭矩 ， （kgfcm） (4 16)d. 校核滑動螺旋傳動：滑動螺旋工作時，主要承受轉矩及軸向拉力（或壓力）的作用，同時在螺旋和螺母的旋合紋間較大的相對滑動。主要的失效形式是螺紋磨損。因此滑動螺旋的基本尺寸(即螺桿直徑和螺母高度)，通常是根據耐磨性條件確定的。對于受力較大的傳動螺旋，還應校核螺桿的危險截面以及螺母紋牙的強度，以防止發生塑性變形和斷裂。對于精密傳動螺紋還應該校核螺桿的剛度。 耐磨性校核：圖5-2-3 刀盤齒形圖作用于螺桿的軸向力主要是刀盤重力。螺紋的承壓面積（指螺紋工作投影到垂直于軸向力的平面上的面積）為A(

25、),螺紋中徑（mm）螺紋工作高度h，螺紋螺距為P(mm),螺母高度H(mm),螺紋的工作圈數n=H/p. =43mm h=25mm P=12mm H=64mm n=H/P=5 則 （4-17）e. 強度計算：空心軸工作時，承受軸向力Q和扭矩T的作用，螺桿切應力的作用。螺桿危險截面上既有壓縮應力，又有切應力。在校核時根據第四強度理論，求出危險截面的應力。 (4-18） (4-19) (4-20) (4-21) ， (4-22) ， Q=216.86N T=216.86(5.08+8.82)43/2=1153.85Nmm (4-24) ,故強度滿足要求。5.3 蝸桿軸的校核電機轉速n=1500r/min P=120W 設電機與蝸桿連接的傳動功率為0.95，則，由引起的在a處的彎矩為：由引起的在a處的彎矩為：由引起的在a處的彎矩為：所以在垂直面內a處引起的彎矩為： 在a處引起的總彎矩：查表可知：，所以軸的強度在a處滿足要求，在b、c 處只受扭矩。所以該蝸桿軸滿足要求。6 控制系統設計6.1 控制系統電路硬件接線圖刀架電氣控制部分如圖3-1所示。圖3-1中的(a)是刀架控制的主電路，主要是通過控制刀架電機的正轉和反轉來控制刀架的正轉和反轉；圖(b)是刀架控制的PLC輸入輸出控制回路。每把刀具都有一固定刀號，通過霍爾開關(一般