目錄1.緒論 11.1國內外數控機床狀況分析 11.2自動刀架狀況分析 11.3刀架設計總體方案 22.刀架機械結構設計 32.1刀架機械結構設計總體方案 32.1.1減速傳動機構方案設計 32.1.2上刀體鎖緊與精定位機構設計 32.1.3刀架抬起機構設計 32.2刀架機械結構設計工作原理 42.3重要傳動部件功能及設計 52.3.1三相異步電機的選用 52.3.2蝸桿和蝸輪的設計 52.3.3蝸桿軸的設計 72.3.4中心軸的設計 92.3.5軸承的選用 102.3.6齒盤的設計 113.刀架電氣系統設計 133.1刀架電氣系統設計方案 133.2刀架電氣系統工作原理 133.3刀架電氣系統硬件組成 153.3.1控制系統的選取 153.3.2交流接觸器的選取 153.3.3電磁繼電器的選取 154.設計總結 175.謝辭 186.參考文獻 19摘要本設計是根據通過電動機正反轉，來實現換刀和鎖緊的；運用渦輪蝸桿傳動，蝸桿傳動單級傳動能得到很大的傳動比，傳動平穩，無噪聲，沖擊載荷小，并且能優化整體結構，做到外型輪廓小，結構緊湊。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，采用的螺桿-螺母副。[關鍵詞]電動刀架工作原理電氣控制前言電動刀架是數控車床進行自動換刀的實現機構，實現刀架上刀盤的轉動和刀盤的開定位、定位與夾緊的運動，以實現刀具的自動轉換，具有傳動機械結構、電氣正反轉控制、PLC編程控制等數控機床的核心內容，是每一個學習數控機床結構的學生必須掌握的，具有機械、電氣的綜合特點。本設計分為三部份，第一部分為緒論，涉及國內外數控機床狀況分析、自動刀架狀況分析、刀架設計總體方案等。第二部分為刀架機械結構設計，涉及刀架機械結構設計總體方案、刀架機械結構設計工作原理和重要傳動部件功能和設計等。第三部分為刀架電氣系統設計。涉及刀架電氣系統設計方案、刀架電氣系統工作原理和刀架電氣系統硬件組成等。由于本人的實際水平有限，本設計仍然會有很多局限性之處，錯誤與不妥之處在所難免，故懇請老師批評指正。1.緒論1.1國內外數控機床狀況分析數控技術自20世紀中葉出現以來，數控機床給機械制造業帶來了革命性的變化。數控加工的加工柔性好，加工精度高，生產率高，能減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有助于生產管理的現代化以及經濟效益的提高。數控機床是一種典型的機電一體化產品，合用于加工多品種小批量、結構較復雜、精度規定較高、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件。進入21世紀，我國經濟與國際全面接軌，進入了一個蓬勃發展的新時期。機床制造業即面臨著機械制造業需求水平提高而引發的制造裝備發展的良機，也遭碰到加入世界貿易組織后劇烈的國際市場競爭的壓力，加速推動數控機床的發展是解決機床制造業連續發展的一個關鍵。我國的數控技術通過“六五”，“七五”，“八五”，到“九五”的近2023的發展，基本上掌握了關鍵技術，建立了數控開發，生產基地，培養了一批數控人才，初步形成了自己的數控產業。“十五”攻關開發的成果：華中號、中華號、航天號和藍天號4種基本系統建立了具有中國自主版機的數控技術平臺。具有中國特色經濟型數控系統通過這些年來的發展，有了較大的提高。它們逐漸被用戶認可，在市場上站住了腳。目前我國數控機床生產廠有100多家，生產數控機床配套產品的公司有300余家，產品品種涉及八大類2023種以上。目前已新開發出數控系統80余種，分為3種型級，即經濟型，普及型和高級型。“九五”期間數控機床發展已進入實現產業化階段，數控機床新開發品種300余種，已有一定的覆蓋面。新開發的國產數控機床產品大部分達成期際上20世紀80年代中期水平，部分達成90年代水平，為國家重點建設提供了一批高水平數控機床。1.2自動刀架狀況分析從自動換刀系統發展的歷史來看，1956年日本富士通研究成功數控轉塔式沖床，美國IBM公司同期也研制成功了“APT”（刀具程序控制裝置）。1958年美國K&T公司研制出帶ATC（自動刀具互換裝置）的加工中心。1967年出現FMS(柔性制造系統)。1978年以后，加工中心迅速發展，帶有ATC裝置，可實現多種工序加工的機床，步入了機床發展的黃金時代。1983年國際標準化組織制定了數控刀具錐柄的國際標準，自動換刀系統便形成了統一的結構模式。自動換刀系統是數控機床的重要組成部分。刀具夾持元件的結構特性及它與機床主軸的聯結方式，將直接影響機床的加工性能。刀庫結構形式及刀具互換裝置的工作方式，則會影響機床的換刀效率。自動換刀裝置是數控機床上最普遍的一種輔助裝置，它可以使數控機床在工件一次裝夾中完畢多種甚至所有的加工工序，以縮短加工的輔助時間，減少加工過程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機床的加工效率和加工精度。1.3刀架設計總體方案刀架是機床上的重要附件，重要是完畢零件加工過程中的換刀過程。根據刀架所用的對象，即機床，以及其要完畢的功能。刀架的設計應涉及以下內容：一、刀具安裝方案設計，即刀具在刀座上的布置形式，必須考慮刀架結構的簡樸，又要兼顧其安裝拆卸的方便。二、傳動方案設計，即是采用何種方式實現刀架的轉位，精確可靠的刀架轉位的實現才干使整個設計故意義。三、檢測定位方案設計，刀具能否準擬定位是整個設計中非常重要的一步。四、控制方案設計，重要考慮控制元件的選擇。2.刀架機械結構設計2.1刀架機械結構設計總體方案2.1.1減速傳動機構方案設計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，必須通過減速。考慮到本設計減速比較大，選用蝸桿副減速。蝸桿傳動單級傳動能得到很大的傳動比，傳動平穩，無噪聲，沖擊載荷小，并且能優化整體結構，做到外型輪廓小，結構緊湊，固選蝸桿傳動。2.1.2上刀體鎖緊與精定位機構設計本設計刀體的鎖緊與定位機構選用端面齒盤，將上刀體和下刀體的配合面加工成梯形端面齒。當刀架處在鎖緊狀態時，上下端面齒互相嚙合，這時上刀體不能繞刀架的中心軸轉動；換刀時電動機正轉，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，完畢轉位動作。2.1.3刀架抬起機構設計要想上、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。從經濟型方面考慮，應采用經濟的螺桿-螺母副，在上刀體內部加工出內螺紋，當電動機帶動螺桿繞中心軸轉動時，作為螺母的上刀體要么轉動，要么上下移動。當刀架處在鎖緊狀態時，上刀體與下刀體的端面齒互相嚙合，由于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。當端面齒脫離嚙合時，上刀體就與螺桿一同轉動。設計螺桿時規定選擇適當的螺距，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可以完全脫離嚙合狀態。2.2刀架機械結構設計工作原理圖2-1回轉刀架的工作原理為機械螺紋升降轉位式。工作過程可分為刀架抬起、刀架轉位、刀架定位并壓緊等幾個環節。圖2.1為自動回轉刀架，其工作過程如下：1)刀架抬起當數控系統發出換刀指令后,通過接口電路使電機正轉,經傳動裝置驅動蝸桿蝸輪機構3、蝸輪螺紋即螺母機構延逆時針旋轉,此時由于上下齒盤處在嚙合狀態，在絲桿螺母機構轉動時，使上刀架體產生向上的軸向力將上齒盤松開并抬起,直至兩定位齒盤脫離嚙合狀態,從而帶動上刀架和齒盤產生“上臺”動作。2)刀架轉位當齒盤完全脫開，此時銷釘準確進入凹槽中，帶動刀架體轉位。3)刀架定位當上刀架轉到需要到位后（旋轉90°、180°或270°），數控裝置發出的換刀指令使霍爾開關中的某一個選通,當磁性板與被選通的霍爾開關對齊后,霍爾開關反饋信號使電機反轉,插銷在彈簧力作用下進入反靠盤地槽中進行粗定位，上刀架體停止轉動，電機繼續反轉，使其在該位置落下，通過螺母絲桿機構使上刀架移到齒盤重新嚙合,實現精擬定位。4)刀架壓緊刀架精擬定位后，電機及許反轉，夾緊刀架，當兩齒盤增長到一定夾緊力時，電機由數控裝置停止反轉，防止電機不斷反轉而過載毀壞，從而完畢一次換刀過程。2.3重要傳動部件功能及設計2.3.1三相異步電機的選用考慮刀架只需小功率驅動，為減少生產成本，選用JD90電動機，其轉速為1400r/min,額定功率為90W。2.3.2蝸桿和蝸輪的設計考慮到傳遞的功率不大，轉速較低，選用2A蝸桿，精度8級，GB10089-1988。由《機械設計》得蝸桿選用45鋼，表面淬火，硬度為45～55HRC，蝸輪齒圈用ZCuSn10P1砂模鑄造，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HT150制造。刀架天天工作16個小時，工作壽命7年，每年工作300天。查表5-7得到，1）擬定作用在蝸輪上的轉距T2假設i=45，按Z1=1，取效率η=0.7，則T2=T*η*i=19338.3N.mm2）擬定載荷系數K因工作載荷較穩定，故取載荷分布不均系數Kβ=1；由使用系數KA表從而選取KA=1.15,由于轉速不高，沖擊不大，可取動載系數KV=1.1；則K=KA*Kβ*KV=1*1.15*1.1=1.265≈1.273）擬定彈性影響系數ZE因選用的鑄錫磷青銅蝸輪和蝸桿相配，由表5-6得4）按接觸疲勞強度計算查圖5-10，得則將以上數據代入公式由參考文獻「4」查表5-1，取m=1.6mm,d1=28mm,此時，m2d1=71.68mm3>70.09mm5）校核彎曲強度查表5-10，YF=2.35查表5-10，〔δ〕OF=64MPa由NL=3.136×107查圖5-10，得YN=0.9則代入公式：<[δ]F=57.6MPa強度足夠6）蝸桿和蝸輪重要幾何尺寸計算=1\*GB3①蝸桿分度圓直徑：d1=28mm直徑系數：q=d1/m=17.5，蝸桿頭數：Z1=1分度圓導程角：γ=3°16′12″蝸桿軸向齒距：PA==5.024mm；蝸桿齒頂圓直徑：蝸桿齒根圓直徑：蝸桿軸向齒厚：Sa=1/2=2.512mm蝸桿軸向齒距：螺紋部分長度：b1≥(11+0.06Z2)m=(11+0.06×45)×1.6mm=21.92mm考慮磨削，取b1=30mm=2\*GB3②蝸輪蝸輪齒數：Z2=41變位系數Χ=0驗算傳動比：i=/=41/1=41蝸輪分度圓直徑：d2=mz2=65.6mm蝸輪齒頂圓直徑：蝸輪齒根圓直徑：蝸輪外圓直徑：當在Z=1時，取de2=70mm渦輪齒寬：b2≤0.75da1=0.75×31.2=23.4mm取b2=21mm2.3.3蝸桿軸的設計1)蝸桿軸的材料選擇，擬定許用應力考慮蝸桿軸重要傳遞蝸輪的轉矩，為普通用途中小功率減速傳動裝置。選用45號鋼，正火解決，查表11-1，得2)按扭轉強度初步估算軸的最小直徑查表11-2得A0=110，所以3）擬定各軸段的直徑和長度根據各個零件在軸上的定位和裝拆方案擬定軸的形狀及直徑和長度。圖2-2蝸桿軸結構d1=d5同一軸上的軸承選用同一型號，d5軸上有一個鍵槽，故槽徑增大5%d1=d5=d1′×(1+5%)=4.6mm,圓整d1=d5=17d4=d2=20mm,便于加工和安裝d3為蝸桿與蝸輪嚙合部分，故d3=28L1為與軸承配合的軸段，查軸承寬度為12mm，端蓋寬度為10mm，則L1=22mmL2尺寸長度與刀架體的設計有關，蝸桿端面到刀架端面距離為65mm，故L2=43mmL3為蝸桿部分長度L3=30mmL4取55mm，L5在刀架體部分長度為（12+8）mm，伸出刀架部分通過聯軸器與電動機相連長度為50mm，故L5=70mm兩軸承的中心跨度為128mm，軸的總長為220mm4）蝸桿軸的校核轉矩圓周力徑向力軸向力水平面支反力水平面彎矩垂直面彎矩合成彎矩危險截面的當量彎矩校核危險截面的直徑。查表7-24得，則增大3%，則d≥6.8mm，因結構設計的軸徑為12mm,故滿足強度條件。2.3.4中心軸的設計1）材料選擇，擬定許用應力選用45號鋼，正火解決，查表11-1，得2）擬定各軸段的直徑和長度如圖（2-2）圖2-3中心軸結構3）軸橫截面的慣性矩車床切削力F=2KN,G=210GPa4）強度校核滿足強度條件5）剛度校核滿足剛度條件2.3.5軸承的選用軸承一般都為標準件，要根據所設計軸的特點合理選擇軸承考慮到軸各個方面的誤差會直接傳遞給加工工件時的加工誤差，因此選用調心性能比較好的深溝球軸承。根據載荷的大小，以及軸承的特點，所選軸承類型為深溝球軸承，由參考文獻「3」附表7-4得，型號為6203，D=40mm,B=12mm。2.3.6齒盤的設計1）齒盤的材料選擇和精度等級上、下齒盤均選用45號鋼，淬火，180HBS初選7級精度等級2）擬定齒盤參數當換刀時，上刀架上升5mm，齒盤的齒高取4mm由得算式4=（2×1+0.25）m標準值ha*=1.0,c*=0.25求出m=1.78mm,取標準值模數m=2mm故齒盤齒全高h=（2ha*+c*）m=(2×1+0.25)×2=4.5mm取齒盤內圓直徑d為64mm，外圓直徑為90mm齒頂高ha=ha*m=1×2=2mm齒根高hf=(ha*+c*)m=2.5mm齒數z=38齒寬b=13mm齒厚齒盤高為5mm3）校核齒面接觸疲勞強度查表6-4，取許用接觸應力，許用彎曲應力轉矩查表6-6，取載荷系數K=1.4，查表6-7，取ZE=189.8齒數比分度圓直徑校核齒面接觸疲勞強度所以齒面接觸疲勞強度滿足4）校核齒跟彎曲疲勞強度查表6-8，取YF=2.37，YS=1.69校核齒跟彎曲疲勞強度所以齒跟彎曲疲勞強度滿足3.刀架電氣系統設計3.1刀架電氣系統設計方案自動回轉刀架的電氣控制部分重要涉及收信電路和發信電路兩大塊。1）收信電路：發信盤上的4只霍爾開關，轉位時刀臺帶動磁鐵旋轉，當磁鐵對準某一個霍爾開關時，其輸出端輸出低電平；當磁鐵離開時，輸出高電平。2）發信電路：是控制刀架電動機正反轉電路，當電動機正轉時，刀架換刀；電動機反轉時，刀架鎖緊。電動刀架的電氣控制分強電和弱電兩部分，強電部分由三相電源驅動三相交流異步電動機正、反向旋轉，從而實現電動刀架的松開、轉位、鎖緊等動作；弱電部分重要由位置傳感器-發訊盤構成，發訊盤采用霍爾傳感器發訊。3.2刀架電氣系統工作原理四工位電動刀架的工作原理是系統發出換刀信號，控制繼電器動作，電動機正轉，通過渦輪、蝸桿、螺桿將銷盤上升至一定高度時，離合銷進入離合槽，離合盤帶動離合銷，離合銷帶動銷盤，銷盤帶動上刀體轉位；當上刀體轉到所需刀位時，霍爾元件電路發出到位信號，電動機反轉，反靠銷進入反靠盤槽，離合銷從離合盤槽中爬出，刀架完畢粗定位；同時銷盤下降端齒嚙合，完畢精定位，刀架鎖緊。需要換刀時，控制系統發出刀架轉位信號，三相異步電機正向旋轉，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，上刀體與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；與此同時，上蓋圓盤也隨著螺桿正向轉動（上蓋圓盤通過圓柱銷與螺桿聯接），當轉過約270°時，上蓋圓盤直槽的另一端轉到圓柱銷的正上方，由于彈簧的作用，圓柱銷落入直槽內，于是上蓋圓盤就通過圓柱銷使得上刀體轉動起來（此時端面齒已完全脫開）。上蓋圓盤、圓柱銷以及上刀體在轉動過程中，反靠銷可以從反靠圓盤中十字槽的左側斜坡滑出，而不影響上刀體尋找刀位時的正向轉動。上刀體帶動磁鐵轉到需要的刀位時，發信盤上相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，上蓋圓盤通過圓柱銷帶動上刀體開始反轉，反靠銷立即就會落入反靠圓盤的十字槽內，至此，完畢粗定位。此時，反靠銷從反靠圓盤的十字槽內爬不上來，于是上刀體停止轉動，開始下降，而上蓋圓盤繼續反轉，其直槽的左側斜坡將圓柱銷的頭部壓入上刀體的銷孔內，之后，上蓋圓盤的下表面開始與圓柱銷的頭部滑動。在此期間，上、下刀體的端面齒逐漸嚙合，實現精定位，通過設定的延時時間后，刀架電動機停轉，整個換刀過程結束。由于蝸桿副具有自鎖功能，所以刀架可穩定地工作。換刀原理圖換刀原理圖（圖3-1）刀架控制電路圖刀架控制電路圖（圖3-2）3.3刀架電氣系統硬件組成3.3.1控制系統的選取根據設計的需要，本設計所選用的控制系統為GSK928TE控制系統，由該系統說明書查得，控制刀架的接口為X4。X4接口圖(圖3-3)3.3.2交流接觸器的選取交流接觸器是一種用來頻繁地接通或分斷電路有負載的自動控制電器。交流接觸器由電磁器機構、觸點系統、滅弧裝置及其他部件四部分組成。其工作原理是當線圈通電后，鐵芯產生電磁吸力將銜鐵吸合。銜鐵帶動觸點系統動作，使常閉觸點斷開，常開觸點閉合。當線圈斷電時，電磁力消失，銜鐵在反作用彈簧力的作用下釋放，觸點系統隨之復位。根據電動機的功率可知，電動機功率不大，所以查表2-8得，選用的交流接觸器型號為CJX-9。3.3.3電磁繼電器的選取電磁繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它事實上是用較小的電流。較低的電壓去控制較大電流。較高的電壓的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。電磁繼電器的構造：如圖3-2所示，A是電磁鐵，B是銜鐵，C是彈簧，D是動觸點，E是靜觸點。電磁繼電器工作電路可分為低壓控制電路和高壓工作電路組成。控制電路是由電磁鐵A、銜鐵B、低壓電源E1和開關組成；工作電路是由小燈泡L、電源E2和相稱于開關的靜觸點、動觸點組成。連接好工作電路，在常態時，D、E間未連通，工作電路斷開。用手指將動觸點壓下，則D、E間因動觸點與靜觸點接觸而將工作電路接通，小燈泡L發光。閉合開關S，銜鐵被電磁鐵吸下來，動觸點同時與兩個靜觸點接觸，使D、E間連通。這時彈簧被拉長，觀測到工作電路被接通，小燈泡L發光。斷開開關S，電磁鐵失去磁性，對銜鐵無吸引力。銜鐵在彈簧的拉力作用下回到本來的位置，動觸點與靜觸點分開，工作電路被切斷，小燈泡L不發光。圖3-4工作原理：電磁鐵通電時，把銜鐵吸下來使D和E接觸，工作電路閉合。電磁鐵斷電時失去磁性，彈簧把銜鐵拉起來，切斷工作電路。根據設計的需要，本設計用的電磁繼電器，為MY2NJAC110V電磁繼電器應用范圍:中間，品牌:OMRON/歐姆龍，型號:MY2NJ，產品系列:MYJ，觸點形式:二開二閉，額定電壓:AC110（V），電流性質:交流，外形:小型，功率負載:小功率，防護特性:封閉式，直流電阻:50（Ω），吸合電流:5（A），釋放電流:5（A），線圈功率:0.9（W），額定工作頻率:50（Hz）。4.設計總結本次設計的內容：1）刀架的換刀和鎖緊是運用電動機的正反轉來實現的，穩定性好，可靠性高。2）刀架換刀和鎖緊是通過渦輪蝸桿機構來實現的，傳動可靠，平穩。3）通過霍爾開關來檢測刀位信號，從而使刀架轉位更加的精確。4）運用齒盤來進行定位，簡樸方便，容易實現。畢業設計的局限性1）由于對電動刀架的結識有限，從而設計中有很多問題不明白，導致設計有所局限性。2）電氣控制系統部分的選取，過于簡樸。5.謝辭這次的畢業設計對于我來說有著深刻的意義