数控车床电动刀架设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 摘要 数控车床今后将向中高当发展，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。 本部分主要对 四工位立式电动刀架的机械设计和应用继电 对以上部分运用 图，对电动刀架有更直观的了解。最后的提出了对电动刀架提出了意见和措施。 关键词 ： 数控刀架 ； 电动刀架 ； 四工位 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 is in to in to a as of it is to in of of to is it to up is it to to of to to to an of to ； 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 目录 绪 论 . 1 第 1章 数控自动刀架总体介绍 . 2 数控自动刀架的设计背景 . 2 设计准则 . 2 主要技术参数 . 2 本章小结 . 3 第 2章 自动刀架电气说明书 . 4 电动刀架系统 . 4 电动刀架及其工作原理 . 4 2. 1. 2 电动刀架动作过程 . 4 技术说明 . 5 接口注意事项 . 6 在装调中，可能出选的异常现象及原因 . 6 . 11 本章小结 . 14 第 3章 电动刀架机械说明书 . 15 工作原理 . 15 刀架动作顺序 . 15 步进电机的选用 . 15 蜗轮及蜗杆的选用与校核 . 16 选择蜗杆传动类型 . 16 3. 4. 2 选择材料 . 16 按齿面接触疲劳强度设计 . 16 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 . 18 3. 5. 1 蜗杆 . 18 3. 5. 2 蜗轮 . 18 3. 5. 3 校核齿根弯曲疲劳强度 . 18 轴的校核与计算 . 19 画出受力简图 . 19 3. 6. 2 画出扭矩图 . 19 3. 6. 3 弯矩图 . 20 弯矩组合图 . 20 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 根据最大危 险截面处的扭矩确定最小轴径 . 20 连轴器的选择 . 21 类型选择 . 21 载荷计算 . 21 型号选择 . 21 联接的类型和尺寸 . 21 杆上键的选取与校核 . 22 承的选用 . 22 3. 12. 1 轴承的类型 . 22 3. 12. 2 轴承的游隙及轴上零件的调配 . 23 3. 12. 3 滚动轴承的配合 . 23 动轴承的润滑 . 23 3. 12. 5 滚动轴承的密封装置 . 23 章小结 . 23 第 4章 总结 . 24 致谢 . 26 参考文献 . 27 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 绪 论 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。 电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，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 1000 1500台。 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 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 第 1 章 数控自动刀架总体介绍 数控自动刀架的设计背景 电动刀架是数控车床重要的传统结构 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 。 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。 在本次设计中我主要负责设计一只四工位立式电动刀架的机械设计和应用继电 设计准则 我们的设计过程中，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和控制不需要的物理性能 2） 判别功能载荷及其意义 3） 预测意外 载荷 4） 创造有利的载荷条件 5） 提高合理的应力分布和刚度而重量达到最轻 6） 应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸 7） 根据性能组合选择材料 8） 在储备零件与整体零件之间精心的进行选择 9） 进行功能设计以适应制造工艺和降低成本的要求 主要技术参数 （ 1） 最大许用力矩（ 100 00 00 （ 2） 重复定位精度 ：（ 3）电机功率 (w) 20 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 （ 4） 电机转速（ 1250 本章小结 初步了解了设计题目（电动刀架）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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 霍尔元件； 微动开关； 继电器回答地阻容吸收3 8 0交流电机1 章 自动刀架电气说明书 电动刀架系统 现结合图 2 图 2电动刀架及其工作原理 电动刀架的机械部分类似于蜗轮机构，实现刀具的抬升、旋转（交换刀具位置）及下降锁紧，这里着重讨论实现上述动作所必须的硬件条件和电路原理。 在图 2电器 ，主要完成刀架 电机的正、反转切换。在刀架旋转过程中，每个工位上的霍尔元件会依次切换为有效状态，系统根据 2, 以推断出目前的刀号，并判断是否为当前所选用刀具，一旦符合，则电机反向旋转，锁紧刀具。电动刀架各时序的切换及间隔是系统控制的关键，反向锁紧所用时间取决于电动刀架生产厂家有推荐指标，过长会引起电机发热甚至烧毁。为保证电动刀架安全运动，在电动刀架交流 380V 进线处加装快速熔断器和热继电器。 2. 1. 2 电动刀架动作过程 数控系统调刀代码开始执行时，或行动调刀时，首先 输出刀架正转信号，使刀架旋转，当接收到指定的刀具的到位信号后，关闭刀架正转信号，延迟 50间后，刀架开始反转而进行锁紧，并开始检查锁紧信号，当接收到该信号后，关闭刀架反转信号，延迟时间，并对电机制动。换刀结束。程序转入下一程序段继续执行。如执行买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 暂时停机正转到位？置正转标志正转输出结束反转到位？反向输出延时 1编码相同正 转 标 志 = 1 ？初始化开始的刀号与现在的刀号（自动记录）一致时，则换刀指令立刻结束，并转入下一程序段执行。 我根据上述描述的换刀动作过程，做了如下动作流程图 2 2动作流程图 2 技术说明 在设计过程中要求 自动刀架能够按事先编定的程序动作，也能按照手动脉冲信号的给定依次动作。 这次设计的是四工位刀架，其动作如下： 1， 微机要刀： 要刀信号 备响应 电机正转 - 刀架上升 旋转 霍尔元件发出买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 信号 电机反转 刀架锁紧 电机过流 发出中断信号 应答 加工 中应用 8位单片机实现 它有关技术要求，规范在其它章节有详细说明 2 ，手动要求 电机正转 刀架上升 刀架旋转 霍尔元件发出信号 电机反转 刀架下降锁紧 电机过流 发出中断信号 应答 加工 序调试 1） 按文字标记记在电气箱插头上电动刀架插头和接口电源插头。所接的 2 根电缆管内有 4 根线。 3 根线接车床总开关后的 三相电源。一根黄绿线接系统地线，另管内 7 根导线定义如下： 棕： 1#绝对要刀 蓝： 2#绝对要刀 红： 3#绝对要刀 黄： 4#绝对要刀 绿：微机柜 +1224V 白：回刀信号 黑：微机柜 +1224： 5#绝对要刀 紫： 6#绝对要刀 2） 刀架电气箱固定在车床操作人员可能触及的部位，先将 一下按钮， 0度，如刀架不动，红灯长亮，表示电源反相序了，需要到正相序再次试车，用户要求将代 暖气箱安装杂机床内部，参看 2#电路原理图 接口注意事项 使用绝对要刀时，如微机不具备收到回答信号再启动下道程序功能，编程信号宽度应大于最大可能运动时间 在装调中，可能出选的异常现象及原因 1 孔壳带电，烧断保险丝 原因：火地线反。插头松动，电机短路 2红灯亮 ，不动作 原因：三相电源反相序或缺相 架不动 原因：检查开关位置是否准确 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 原因：刀架发讯盘 松动，移动 5 刀架运转不停 原因：开关位置错误，按钮短路，探头断线 6 某刀位不动 原因：接口烧坏或接口断线 7 绿灯不亮 原因：保险丝断或未拧紧，或插头插反 8 电气控制失灵 原因：夹刀过紧，刀台变形 霍尔元件的选取 根据工作所需要及其它方面的具体要求： 选型： 工作电压： V 截止电源电流： 6出低电压： 电平输出电流： 10A 其工作温度范围： 5 如下： 图 2 微机送出信号控制手控硅二极管的 控制级 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 图 2 电机过流时信号采集电路 表 2 元件明细表： 序号 名称 型号 图表 数量 备注 1 继电器 无座 2 继电器 3 保险管座 4 保险管 5 保险管 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 6 钮子开关 7 按钮 8 稳压器 C 1 9 发光二极管 1 1 绿色 10 二极管 2 1 红色 11 二极管 9 12 雪崩二极管 13 1 13 电容器 01F/40V 1 14 全桥整流器 14 400V/1A 15 全桥整流器 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 16 电阻器 4 1 17 电阻器 1 18 电阻器 6 19 电容器 1 1 20 电容器 6V 1 21 电容器 4 1 22 电容器 7 23 接叉件 A 24 接叉件 2 1 25 霍尔元件 4 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 制说明 （ 1）技术说明 在设计中要求自动刀架能够按预先编定的程序动作，也按照手动脉冲技术信号的给定而依次动作。 其控制的 T 功能过程可以如图来表示 图 2过程图 其工作过程如下： 微机要刀： 要刀信号 备响应 电机正转 刀架上升 刀架旋转 旋转到霍尔元件发出信号 电机反转 刀架锁紧 电机过流 发出中断 信号 应答 加工 其中应用 8 位单片机实现 控制，其它有关技术要求，规范另详 手动要刀 手动按钮压下 电机正转 刀架上升 刀架旋转 到位霍尔元件发讯 电机反转 刀架下降锁紧 电机过流 发出中断信号 应答 加工 在设计中采用 司系列编程控制器： 2 I/O 地址分配表： I/O 口 作用说明 0000 手动机控选择开关 0001 手动换刀按钮 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 0002 机控，相对绝对要刀开关 0003 1 号刀位霍尔元件 0004 2 号刀位霍尔元件 0005 3 号刀位霍尔元件 0006 4 号刀位霍尔元件 0007 1 号刀位机控信号 0008 2 号刀位机控信号 0009 3 号刀位机控信号 0010 4 号刀位机控信号 0011 过流 1000 手动 1 号刀保持继电器 1001 手动 2 号刀保持继电器 1002 手动 3 号刀保持继电器 1003 手动 4 号刀保持继电器 1004 机控刀位保持继电器 1005 机控绝对要刀保持继电器 1006 定时准备保持继电器 0500 电机正转输出 0501 电机反转输出 0502 绿色发光二极管输出 0503 红色发光二极管输出 0504 换刀完毕输出应答信号 表 2 序语句表： 地址 指令 数据 地址 指令 数据 0000 000 0016 000 0001 001 0017 001 0002 002 0018 002 0003 004 0019 004 0004 0020 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 0005 003 0021 005 0006 004 0022 006 0007 000 0023 002 0008 000 0024 000 0009 001 0025 001 0010 002 0026 002 0011 004 0027 004 0012 0028 0013 004 0029 006 0014 005 0030 003 0015 001 0031 003 地址 指令 数据 地址 指令 数据 0032 000 0048 500 0033 007 0049 006 0034 008 0050 0 0035 009 #0010 0036 010 0051 000 0037 004 0052 001 0038 004 0053 002 0039 002 0054 003 0040 003 0055 005 0041 004 0056 501 0042 005 0057 500 0043 006 0058 00 0044 005 0059 501 0045 500 0060 011 0046 00 0061 500 0047 006 0062 501 0063 006 0064 500 0068 503 0065 501 0069 011 0066 502 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 0070 504 0067 011 本章小结 介绍了电动刀架的电器控制原理及其换刀过程，了解可能出现的异常现象和原因，提出问题选取元件 编写程序 对刀架进行控制。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 第 3 章 电动刀架机械说明书 工作原理 当微机程 序发出换刀信号，通过放大线路驱动，继电器使电机正转，通过减速器机构和升降螺母机构将上刀体升起至一定位置后离合转盘起作用，带动上刀体旋转到送刀位，刀位发讯盘发出讯号，刀架控制器继电器使电机反转，通过发讯机构使上刀体下降，齿牙盘啮合，完成精定位，并通过蜗杆锁紧蜗轮，使刀架锁紧，当夹紧力达到预先调好的状态时，过流继电器动作，切断源， 电机反转停转，并向微机发出换刀信号答复信号，加工顺序开始执行。 刀架动作顺序 电机 减速机构 升降机构 上刀体上升转位 信号符合 粗定位机构 上刀体下降 精 定位 刀体锁紧 电机停转 换刀应答 加工顺序执行安装去掉车床小拖板，置刀架于拖板上，卸掉电机风盖，逆时针方向转动电机，活用内六角板手转动轴承处之内六角，使刀架转动到 45 度左右时，打压装螺孔，然后固定刀架即可 根据上述描述的换刀动作过程，做了如下动作。 步进电机的选用 许多机械加工需要微量进给。要实现微量进给，步进电机、直流伺服交流伺服电机都可作为驱动元件。对于后两者，必须使用精密的传感器并构成闭环系统，才能实现微量进给。在开环系统中，广泛采用步进电机作为执行单元。这是因为步进电机具有以下优点 ： 直接采用数字量进行控制 ; 转动惯量小，启动、停止方便； 成本低； 无误差积累； 定位准确； 低频率特性比较好； 调速范围较宽； 采用步进电机作为驱动单元，其机构也比较简单，主要是变速齿轮副、滚珠丝杠副，以克服爬行和间隙等不足。通常步进电机每加一个脉冲转过一个脉冲当量；但由于其脉冲当量一般较大，如 数控系统中为了保证加工精度，广泛采用步进电机的细分驱动技术。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 步进电机 的选用一般通过估算负载转距来选用： 负载转距的估算公式为： 01 1()22i (3根据电机所带负载的具体情况： F 蜗杆轴向力 0F 蜗杆径向力 P 蜗杆的导程 i 减速比 摩擦系数 传动效率 参数的具体计算： 0110 . 2 2 1 0 4t a n 2 0 4 0 . 3 6 4 1 . 4 6 52 . 5 6 06 0 0 . 20 . 4 0 . 9 0 . 3 6F m g NP m Z m m m 摩 擦 主 轴蜗 杆 轴 承其 中 ； 代入数值计算得： 1 0 7 2 M根据1械产品目录选出伺服电机的型号： 4蜗轮及蜗杆的选用与校核 由于前述所选电机可知 T=动比设定为 i=60，效率 =作日安排每年 300工作日计，寿命为 7年。 选择蜗杆传动类型 根据 10085 1988的推荐，采用渐开线蜗杆。 3. 4. 2 选择材料 开率到蜗杆传动效率不大，速度只是中等，故蜗 杆用 45 号钢；为达到更高的效率和更好的耐磨性，要求蜗杆螺旋齿面淬火，硬度为 4555轮用铸锡磷青铜 属铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁 造。 按齿面接触疲劳强度设计 根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，在校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 23 2 ()E (3（ 1）确定作用在蜗轮上的转距 ，估取效率 = * *i=3（ 2）确定载荷系数 K 因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数 1；由使用系数 由于转速不高，冲击不大，可取动载系数 K= *（ 3）确定弹性影响系数 选用的铸锡磷青铜蜗轮和蜗杆相配，故 12160 P a（ 4）确定接触系数 先假设蜗杆分度圆直径 a 的比值 1而可查出 （ 5）确定许用应力 H 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜 属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45而可查得蜗轮的基本许用应力 H =268 因为电动刀架中蜗轮蜗杆的传动为间隙性的，故初步定位、其寿命系数为 H= H =268=247（ 6）计算中心距 23 1 6 0 2 . 71 . 2 7 3 5 3 8 . 2 ( ) 2 4247a m m (3取中心距 a=50m=杆分度圆直径 时 1而可查得接触系数 Z=为 Z 因此以上计算结果可用。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 3. 5. 1 蜗杆 直径系数 q=度圆直径 杆头数 ；分度圆导程角 =3 11 38 蜗杆轴向齿距： m =(3蜗杆齿顶圆直径： *11 2 3 2 . 2d h m m m (3蜗杆齿根圆直径： *11 2 ( )d m h c =蜗杆轴向齿厚： 1 / 2=3. 5. 2 蜗轮 蜗轮齿数： 62，变位 系数 =0 验算传动比： i=2z/1z=62/1=62(3这是传动比误差为：（ 60(3蜗轮分度圆直径： d2= 6 2 7 7 .5 (3蜗轮喉圆直径： 3蜗轮齿根圆直径： 33蜗轮喉母圆直径 50 33. 5. 3 校核齿根弯曲疲劳强度 22121 . 5 3 Yd d m (3当量齿数 322 3 6 2 / c o s 3 . 1 8 6 2Z C O S (3根据 2=0， 2，可查得齿形系数2旋角系数 1140 =(3买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 扭矩图许用弯曲应力 F= H资料可查得 造的蜗轮的基本许用弯曲应力H =56命系数 F=56 H =1 . 5 3 1 . 2 7 1 7 0 4 04 5 1 5 5 2 . 5 所以弯曲强度是满足要求的。 轴的校核与计算 画出受力简图 计算出： 图 33. 6. 2 画出扭矩图 T= 电机 =60 （ 3 图 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 2 2()M M 3. 6. 3 弯矩图 M=180 10 = （ 3 图 3矩图 弯矩组合图 由此可知轴的最大 危险截面所在。 组合弯矩 （ 3 图 3矩组合图 根据最大危险截面处的扭矩确定最小轴径 221() a （ 3 扭转 切应力为脉动循环变应力，取 =弯截面系数 W=的材料为 45号钢：1=60文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 带入相关数据可计算得： d 据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及小 连轴器的选择 类型选择 为了隔离振动与冲击，选用弹性套柱销连轴器。 载荷计算 公称转距： T=。 M 计算转距： A*T=M（ 3 型号选择 因其主动端直径为 16动端轴径为 18 从（ 84）中查到 轴器的许用转距为 用最大转速为 7600r/径在 1219 之间，故合用。 所以选择的型号为： 16 3018 428 联接的类型和尺寸 因其轴上键的作用是传扭矩，应用平键连接即可，经分析，为了传动精确，应用单圆 平键。 由资料可查出键的截面尺寸为：宽度 b=5度 h=5连轴器的宽度并参与键的长度系列，从而取得键长 L=28连轴器宽度小一些）。 校核键连接的强度 键、轴和连轴器的材料都是钢，因而可查得许用桥压力 P =120 150其平均值 P=135 键的工作长度 l=83 键与连轴器的键槽的接触高度 k=文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 22 从而可得： p= 332 1 0 2 0 . 1 4 7 2 1 02 . 5 2 3 1 6T k = p=1353 可见满足要求。此键的标记为：键 28 1096 1979 杆上键的选取与校核 （ 1）取键连接的类型好尺寸 因其轴上键的作用是传递扭矩，应用平键连接就可以了。在此用平键。由资料可查出键的截面尺寸为：宽度 b=6度 h=6连轴器的宽度并参考键的长度系列，从而取键长 L=40连轴器宽度小一些）。