数控车床四工位回转刀架机电系统设计

摘 要 数控车床为了能在工件的 一次装夹中完成多工序加工，缩短辅助时间，减少多次安装所引起的 加工误差，必须带有自动回转刀架。根据装刀数量的 不同，自动回转刀架分有四工位六工位和八工位等多种形式。根据安装方式的 不同，自动回转刀架可分为立式和 卧式两种。根据机械定位方式的 不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等。其中断齿盘定位型换刀时刀架需抬起，换刀速度较慢且密封性较差，但其结构较简单。三齿盘定位型又叫免抬型，其特点是换刀时刀架不抬起，因此换刀时速度快且密封性好，但其结构较复杂。 自动回转刀架在结构上必须具有良好的 强度和刚性，以承受粗加工时的 切削抗力。为了保证转位具有高的重复定位精度，自动回转刀架还 要选择可靠的定位方案和 合理的 定位 结构。自动回转刀架自动换刀时 由控制系统和驱动电路来实现。 关键词 ：自动回转刀架，蜗轮蜗杆副， 机电系统 to be to a in to by we in of at of to be of to be as of to be a TC is so is in to at of In to a of of to a by to 录 第 1 章 绪论 . 2 题综述 . 2 学意义和应用前景 . 2 2 设计思路 . 3 第 2 章总体结构设计 . 4 速传动机构的设计 . 4 上刀体锁紧与精定位机构的设计 . 4 刀架抬起机构的设计 . 4 第 3 章自动回转刀架的工作原理 . 5 第 4 章 主要传动部件的设计计算 . 8 蜗杆副的设计计算 . 8 螺杆的设计计算 . 12 第 5 章 电气控 制部分设计 . 13 硬件电路设计 . 13 控制软件设计 . 15 致 谢 . 17 参考文献 . 18 数控车床四工位回转刀架机电系统设计 第 一 章 第 1 节 绪论 述 学意义和应用前景 自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响机床的加工性能。刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的成本造价产生直接影响。 从换刀系统发展的历史来看， 1956年日本富士通研究成功数控转塔式 冲床，美国 刀具程序控制装置 )。 1958年美国 K&T 公司研制出带动刀具交换装置 )的加工中心。 1967年出现了 性制造系统 )。 1978年以后，加工中心迅速发展，带有 实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。 1983年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。目前国内外数控机床自动换刀系统中，刀具、辅具多采用锥柄结构，刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。在这种 模式中，机床主轴常采用空心的带有长拉杆、碟形弹簧组的结构形式，由液压或气动装置提供动力，实现夹紧放松刀柄的动作。利用这种机构夹持刀具进行数控加工的最大问题是，它不能同时获得高的夹持刚度和刀具振摆精度，而且主轴结构复杂，主轴轴向尺寸过大，加上它的液压驱动装置及刀具辅具锥柄的制造成本，使得自动换刀系统的造价在机床整机中占有较大的比重。据有关资料介绍，在刀具采用锥柄夹头、侧压夹头以及弹簧夹头夹紧性能的对比实验中，采用弹簧夹头夹持刀具是唯一可同时获得高的夹持刚度和振摆精度的理想元件。采用这种夹持元件，刀具或刀具辅具 可作成圆柱柄，其制造成本低，精度易保证，这对大容量刀库降低刀具辅具的制造成本，意义更为显著。在现代数控机床上亦有采用弹簧夹头作为刀具的夹持元件，但机床的主轴结构、驱动方式仍然采用与上述锥柄刀具完全相同的结构形式。采用这种结构模式，在实际数控加工中，尤其是在需要超高速主轴、主轴的径向、轴向尺寸都很小、没有足够的换刀空间的微细加工场合中实现自动换刀将会是很困难的，如果实施自动换刀那将使机床成本大幅度提高。如在 制磨削球面铣刀的数控磨削机床上，直接由高速电机驱动主轴，使用小直径盘形砂轮和指形砂轮加工球面铣刀 ，换刀空间很小，在这种条件下，将难以实现自动换刀。国外最新研制的内圆磨床上采用的弹簧夹头自动换刀装置售价昂贵。 随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求 量越来越大。在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀系统的造价在机床整机造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普遍的重要原因。如果把自动换刀系统的设计制造从现有加工中心的制造模式中分离出来，把它作为加工中心的标准件或附件组织专门化的生产，同时由于该项技术的应用简化了机床主轴结构、采用弹簧夹头和外驱动机械手等关键技术、采用圆柱柄刀具和辅具，这不仅使数控机床工作性能有所提高，而且使得由它配套构成的加工中心的总体造价大幅度下降。低造价高性能的加工中心将会被中小厂广泛接收，这样必将给自动换刀系统生产厂商和加工中心制造厂商带来巨大的经济效益 数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的 50 年间的信息交换都是基于 准，即采用 G， M 代码描述如何（ 工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的 统标准 其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。 出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先， 出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下， 序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次， 控系统还可大大减少加 工图纸（约 75）、加工程序编制时间（约 35）和加工时间（约 50）。 目前，欧美国家非常重视 研究，欧洲发起了 划(参加这项计划的有来自欧洲和日本的 20 个 商和学术机构。美国的 司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型 (其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了 及欧洲 控系统的原型样机上进行了验证。 2 设计思路 本设计采用三相异步交流电机驱动，控制部分设计主要采用 计好自动回转刀架的机械结构和电器控制电路后，就可以编制刀架自动转位的控制软件。 通过此次设计，不仅是对四年学习生活的一个总结，更是对今后继续学习的一次锻炼。在学习了四年的基础课、专业课之后，通过这次课题的考验，除了要求掌握好本专业的课程外，还要求对本专业相关的知识有足够的认识。这次设计就要用到 机械设计相关知识 ，不 仅是对自己的一次考验，更是对自己所学知识的一个补充。逐步锻炼自己独立完成工作的能力，以适应今后真正的考验。 第 二 章 第 1 节 总体结构设计 速传动机构的设计 普通的 三相异步电动机因转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必须经过适当的减速。根据立式转位刀架的结构特点，采用蜗杆副减速是最佳选择。蜗杆副传动可以改变运动的 方向，获得较大的 传动比，保证传动精度和平稳性，并且具有自锁功能，还可以实现整个装置的 小型化。 上刀体锁紧与精定位机构的设计 由于刀具直接安装在上刀体上，所以 上刀体要承受全部的切削力，其锁紧与定位的 精度将直接影响工件的加工精度。本设计上刀体的锁紧与定位机构选用端面齿盘，将上刀体和下刀体的 配合面加工成梯形端面齿。当刀架处于锁紧状态时，上下端面齿相互咬合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；换刀时电动机正传，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，完成转位动作。 刀架抬起机构的设计 要想使上，下刀体的 两个端面齿脱离，就必须设计合适的机构使上刀体抬起。本设计选用螺杆 上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆 带动蜗杆绕中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动，要么上下移动。当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互咬合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，所以螺杆的转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离咬合时，上刀体就与螺杆一同转动。 设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定角度时，使得上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离咬合状态。 传动结构见总装配图。 第 三 章 第 1 节 自动回转刀架的工作原理 自动回转刀架的换刀流程图如 下 图 1所示 图 2表示自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置。其中上部的圆柱销 2和下部的反靠销6起着重要的作用。 当刀架处于锁紧状态时，两销的情况如图 时反靠销 6落在反靠圆盘 7的十字槽内，上刀体 4的端面齿和下刀体的端面齿处于咬合状态 需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三相异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动螺杆正向转动，与蜗杆配合的上刀体 4逐渐抬起，上刀体 4与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；于此同时，上盖圆盘 1也随着螺杆正向转动 (上盖圆盘 1通过圆柱销与螺杆连接 )当转过约170时，上盖圆盘 1直槽的另一端 转到圆柱销 2的正上方，由于弹簧 3 的作用，圆柱销 2落入直槽内，于是上盖圆盘 1就通过圆柱销 2使得上刀体 4转动起来（此时端面齿已经完全脱开）如图 上盖圆盘 1，圆柱销 2 以及上刀体 4在正转的过程中，反靠销 6能够从反靠圆盘 7中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体 4寻找刀位时的正向转动，如图 c 所示 上刀体 4带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘 1通过圆柱销 2带动上上刀体 4开始反转，反靠销 6马上就会落入反靠圆盘 7的十字槽内，至此。完成粗 定位，如图 时，反靠销 6从反靠圆盘 7 的十字槽内爬不上来，于是上刀体 4停止转动，开始下降，而上盖圆盘 1继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销 2的头部压入上刀体 4的销孔内，之后，上盖圆盘 1的下表面开始与圆柱销 2的头部滑动。在此期间，上，下刀体的端面齿逐渐咬合，实现精定位。 当蜗杆转动产生轴向位移 ， 压缩弹簧，套筒的外圆压缩开关使 刀架电动机停转，整个换刀过程结束。 由于蜗杆副有自锁功能，所以刀架可以稳定的工作。 图 1自动换刀流程 a b 刀架电动机正转 螺杆正转 上盖圆盘正转 上刀体抬起 端面齿错开 圆柱销落入上盖圆盘 反靠端面齿啮合 上刀体下降 粗定位 上刀体旋转 到位回答 电动机反转 螺杆反转 电动机停转 自动锁紧 精定位 c d 图 2刀架转位过程中销的位置 a)换刀开始时，圆柱销 2与上盖圆盘 1可以相对滑动。 b)上刀体 4完全抬起后，圆柱销 2落入上盖圆盘 1的槽内，上盖圆盘 1将带动圆柱销 2及上刀体一起转动。 c)上刀体 4连续转动时，反靠销 6可以从反靠圆盘 7的槽左侧斜坡滑出。 d)找到刀位时，刀架电动机反转反靠销 6反靠，上刀体停转，实现粗定位。 2. 圆柱销 第 四 章 第 1 节 主要传动部件的设计计算 蜗杆副的设计计算 自动回转刀架的动力源时三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直连，刀架转位时涡轮与上刀体直连。已知电动机额定功率 P 1=90W，额定转速 1440r/刀体设计转速 30r/蜗杆副的传动比 i =n1/=1440 /30=要蜗杆反向，工作载荷不均匀，启动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命 10000h 。 杆的选型 10085荐采用渐开线蜗杆（ 和锥面包络蜗杆（ 本设计采用结构简单，制造方便的渐开线型圆柱蜗杆 (。 蜗杆副的材料 刀架中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此蜗杆的材料选择 45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为 4555提高表面耐磨性；涡轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜 用金属模铸造。 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，多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行 设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。 按涡轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为： a 32H 式中 位为 ，单位 响系数，单位为 Z 【 H 】 位为 从式 中 算出蜗杆副的中心距 a 之后，根据已知的传动比 i=48，可以选择合适的中心距 及相应的蜗杆，涡轮参数。 1） 确定作用在蜗轮上的转矩 T 设蜗杆头数 1,蜗杆副的传动效率取 =电动机的额定功率 90W,可以算出涡轮传递的功率 P 1 ,再由涡轮的转速 30r/得作用在涡轮上的 转矩： ）确定载荷系数 K 载荷系数 K= 其中 于工作载荷分布步均匀，启动时冲击较大，因此取 为齿向载荷分布系数，因工作载荷在启动和停止时有变化，故取 动载系数，由于转速不高，冲击不大，可取 载荷系数 K= 1使用系数 作类型 载荷性质 均匀，无冲击 不均匀， 小无冲击 不均匀，大无冲击 每小时起动次数 25 25 50 起动载荷 小 较大 大 ）确定弹性影响系数 铸锡磷青铜涡轮与钢蜗杆相配时，从参考文献中差得弹性影响系数 160)确定接触系数 先假设蜗杆分度圆直径 传动中心距 d 1/a=得系数 )确定许用接触力【 H 】 根据涡轮材料为铸锡磷青铜 属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度大 于 45轮的基本许用力 【 H 】 =268知蜗杆为单头，涡轮每转一转时每个轮齿咬合的次数 j=1;涡轮转速 n =30r/杆副的使用寿命 L =10000h。则应力循环次数 N=60013010000=07 寿命系数： 710N = 2 铸锡磷青铜 蜗轮的基本许用接触应力 蜗轮材料 铸造方法 蜗杆螺旋面的硬度 45 45铸 锡 磷 青 铜模铸造 150 180 金属模铸造 220 268 铸锡 锌铅 青铜模铸造 113 135 金属模铸造 128 140 许用接触应力： 【 H 】 = H 】 =26849）计算中心距 a 32H 将以上各参数代入式 ，求得中心距： a 48中心距 a=50知蜗杆头数 1,设模数 m=直径 20时 d 1/a=得接触系数 Z p =因为 Z P=6其它参数的确定 采用单头梯形螺杆，头数 n=1,牙侧角 b=15 ，外螺纹达径 0顶间隙本牙形高度 螺纹牙高 h1= 螺纹中经 7螺纹校径 3杆螺纹部分长度 H=50 自锁性能校核 螺杆螺母材料均用 45钢 ,查表 ,取二者的摩擦因数 f=求得梯形螺旋副的当量摩擦角 : o sa rc ta n p】及摩擦因数 f 螺杆 滑行速度 (许用应力 擦因数 f 铜 低速 18 1 15 1火铜 60 0608 铜 35 6 低速 7 而螺纹升角 2an =所选几何参数满足自锁条件 . 第 五 章 第 1 节 电气控制部分设计 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达块，如图 所示 电动刀架发信盘3#4#1#2# N S 磁铁刀台旋转方向4 只 霍 尔 开 关（ U G N 3 1 2 0 U ）1 2 3第 1 脚 ： + 1 2 V 电 源第 2 脚 ： + 1 2 V 地 线第 3 脚 ： 4 个 刀 位 信 号 输 出（ T 1 - T 4 ）a 1 # 刀 位 信 号2 # 刀 位 信 号3 # 刀 位 信 号4 # 刀 位 信 4 48225560 8225380V)2 =100 /3 F/100a)发信盘上的霍尔元件 b）刀位信号的处理 c)刀架电机正反转控制 d）刀架电动机正反转 收信电路 图 信盘上的 4只霍尔开关（型号为 都有 3个引脚，第 1+12 2 角接 +12V 地，第 3 角输出。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 角输出低电平；当磁铁离开时，第 3角输出高电平。 4只霍尔开关输出的 4个刀位信号 4 分别送到图 只光耦合进行处理，经过光电隔离的信号再送给 I/255 的 发信电路 图 I/O 接口芯片 8255的 中 刀架电动机的功率只有 90W，所以图 d 中刀架电动机与 380V 市电的接通可以选用达功率直流继电器，而不必采用继电器 节省成本，降低故障率。图 转继电器的线圈 反转继电器的线圈 这样就构成了正转与反转的互锁电路，以防止系统失控时导致短路现象。当 触点接通喔 80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 对 抑制火花的产生。 控制软件设计 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，它最多装有 4把刀具，设计控制软件的任务，就是选中任意一把刀具，让其回转到工作位置。图 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 展 8255芯片作为回转刀架的收信与发信控制，已知 8255 芯片的控制口地址为 2基于图 和图 的汇编程序清单如下： #2 ;指向 8255 的 A, ；读取 ；测试 ?若是，则说明 1#已在 工作 位置，程序转到 #2 ;指向 8255 的 A, ;读取 锁存器的内容 ;令 ,刀架电动机正转有效 ;令 ,刀 架电动机无效 A ;刀架电动机开始正转 ;延时 20 2 ;指向 8255的