数控自动回转刀架及其控制系统设计毕业论文

1、毕 业 设 计题 目 自动回转刀架及其控制系统设计专 业 数控加工与维护工程 班 级 学 生 指导教师 西安工业大学函授部二 0 0 九 年摘 要数控转刀架是数控车床的一个重要功能部件,它以回转分度方式实现切削工具的自动转换。目前已有多种类型产品形成专业化生产,其中双插销反靠式数控转塔刀架是国内研制的一种电动机械刀架。其结构简单,成本低廉,已在国内各类数控车床中有广泛应用，但故障率较高。数控(nc)刀架是数控机床的重要部件,加工工件的质量有有相当程度取决于nc刀架的性能。它以回转分度实现刀具自动交换及回转动力刀具的传动。因技术含量高,已经趋向专业化开发生产。所以对数控转塔刀架的研究开发及应用己

2、引起数控机床行业的重视。本设计是蜗轮蜗杆传动与定位装置的刀架,用来使装夹于刀架板上的许多刀具之一进入操作位置。本设计涉及采用电力机就操作之高速车床所用刀架。在对大量工件进行机械加工时,需要按照预定的和自动控制的周期对同一工件顺序的使用若干刀具。此外,机械加工中的一项基本要求就是速度,是要减少从一种刀具加工完毕至下一种刀具开始加工之间,转台使新的刀具转至相应操作位置的全部动作所需的空载时间关键词：数控 刀架 自动回转 工件目 录第一章 数控的发展及其刀架1.1. 国内发展情况1.2. 国外发展情况1.3. 结构组成与动作循环1.4. 技术性能与发展趋势1.4.1. 精度1.4.2. 运转性能1.

3、4.3. 润滑与密封1.4.4. 负载能力与刚度1.4.5 可靠性方面1.5 现代典型数控转塔刀架的结构分析1.5.1. 液压式1.5.2. 液压机械式1.5.3. 电动势1.6 控制与接口1.6.1 直接与数控系统接口1.6.2 通过可编程序控制器(plc)与数控系统接口1.7 各种刀架简介1.7.1 简易经济型数控刀架1.7.3 带动力刀具的数控刀架第二章 方案选择及论证2.1 传动方案的分析和拟定2.1.1 技术关键2.1.2 数控立式四工位抬起式自动刀架传动方案的分析和拟定第三章 主要参数的计算3.1 刀架的设计参数3.2 动力参数的确定3.2.1 选择电机类型3.2.2 电机容量的设

4、计计算 第四章 传动机构的设计计算4.1蜗杆传动的设计计算4.1.1 选择蜗杆传动类型4.1.2 选择材料4.1.3 按齿面接触疲劳强度设计4.1.4 蜗轮蜗杆的主要参数及尺寸4.1.5 校核齿根弯曲疲劳强度4.1.6 精度等级和表面粗糙度的确定4.1.7 蜗轮蜗杆的结构4.1.8 蜗杆传动的热平衡计算4.2 丝杆螺母传动的设计计算4.2.1 丝杆材料的选择4.2.2 螺母材料的选择4.2.3 丝杆螺母几何尺寸的计算4.3 定位机构的设计4.3.1 插销的设计计算4.3.2 预定位机构与反靠机构4.3.3 精定位机构多齿盘的设计4.3.4 弹簧的设计计算4.3.5蜗杆轴的校核5.1 基本硬件组

5、成第五章 刀架的接口与控制5.2 通过可编程序控制器（plc）与控制系统实现接口5.3 可编程序控制器（plc）控制程序设计5.3.1 输入点分配5.3.2 输出点结束语致谢参考文献第一章 数控的发展及其刀架1.1. 国内发展情况我国的刀架生产还出在发展阶段，品种、规格、可靠性等方面还需要有一个完善的过程，远远没有达到成熟。基本上采用传统材料和传统，加上部分外购配套件的可靠性较差造成产品整体的可靠性与外国的差距。国内部分刀架回转原理为电机经弹簧理合器带动蜗杆，再由蜗轮带动蜗杆旋转，当刀架转体时，由霍尔元件不断检测刀架转体是否到位，到位后霍尔元件发出信号，然后反转锁紧。主要采用有销盘、内齿盘，外

6、齿盘组成的三端齿定位机构实现准确定位。其控制部分主要选用mcs-51系列单片机以及atmel公司的at89等同类产品进行控制。烟台机床附件厂是目前我国生产刀架水平最高的厂家，特别是可以生产带刀头的刀架。该厂家全套引进意大利的生产线，产品属于高档型。1.2. 国外发展情况 国外数控机床附件产品的开发应用比较早，经验丰富，再由于技术进步，新材料，新结构的不断出现与应用，使得其产品的可靠性比较高。国外主要分为日本和欧美两大流派。其产品的特点是夹紧力大，采用专用电机，体积小，转矩大，可靠性高，耐磨，可靠性较高。比如，日本日研公司部分回转刀架的核心部件蜗杆副，蜗轮采用氮化钢，齿部表面采用氮化处理，硬度高

7、；蜗杆为硬质合金蜗杆；整个蜗杆副为硬齿面接触，耐磨。既实现了高速又保证了高可靠性。还有德国的肖特（sauter）、意大利的杜普洛马蒂克（duplomatic）和巴鲁法迪（baruffaldi）等，他们都有自己的系列、规格和专利。像肖特（sauter）的刀架，采用行星传动机构，其结构紧凑，传动方向均为同一方向，没有像蜗杆副的降速机构的交叉轴设计，易于一体化布置。采用牙嵌式齿行离合器的升起和加紧，空行程转角、小效率高，且自锁功能可靠。其控制部分大都与机床一起采用cnc控制，目前国际比较好的系统有西门子，法拉克，三菱等。 1.3. 结构组成与动作循环典型的数控转塔刀架一般有动力源（电极或油缸，液压马

8、达）、机械传动机构、预分度机构、定位机构、锁紧机构、检测装置、接口电路、刀具安装台（刀盘）、动力刀座等组成。数控转塔刀架的动作循环为：t指令（换刀指令）刀盘放松（抬起）转位刀位检测预分度精确定位刀具锁紧结束，答复信号。1.4. 技术性能与发展趋势数控转塔刀架的技术发展很快，现正逐步形成标准定型产品。我国数控转塔刀架标准草案中所规定的主要技术性能如下：1.4.1. 精度定位精度要求高，一般要求工位目标位置重复定位精度在，刀槽的工作位置定位精度在0.03-0.05。各种形位公差为。因此定位机构均采用精密多齿盘。先进工艺用浮硬齿面对研,重复定位精度可高达另外,刀盘加工趋向用淬火硬磨削,以获得刀槽精度

9、的长期保持性及高的刚度。1.4.2. 运转性能主要是转位时间和转位频率。先进水平一次转位周期0.3ls,最快己达0.ls。分度频率为6001000次/h 。双向转位就近换刀(最短路程换刀)的结构正在开发应用,如双向滚子端面凸轮机构 , 可显著缩短换到周期。为了克服刀盘高速转位引起的惯性冲击,使用恰当的缓冲元件是其发展趋势。1.4.3. 润滑与密封目前趋向于开发能终生润滑的产品,即在使用全过程中,不需要用户再采取任何润滑措施。因工作环境恶劣,对密封性能要求很高,通常规定在刀架体内棋道压力105pa气路 ,浸入装有防锈液的试验箱内,在规定时间内,不得有漏气现象。1.4.4. 负载能力与刚度数控转塔

10、刀架的负载能力与刚度,除了与有关零件的尺寸、形状、结构等有关外 , 受刀盘锁紧力影响也很大。一般小型产品锁紧力为左右,高性能产品可达 以上。对数控转塔刀架的静刚度目前尚无规范要求,有的企业标准已经提出测详见定, 但缺乏数据指示。对动刚度,动态性能,在生产实践中反映出其影响明显,但也无可靠数据指示提出,这些方面是今后研究开发中的重要方向。1.4.5 可靠性方面可靠性是产品性能的综合反映。对转塔刀架目前一般要求平均无故障时间(mtbf)为 次,高级的已经达到次以上,国内产品在设方面亟待提高。1.5 现代典型数控转塔刀架的结构分析1.5.1. 液压式 这类刀架用液压缸实现刀盘锁紧,低速大扭矩液压马达

11、驱动刀盘转位。液压缸可获得很大的锁紧力,故刀架刚性很好。该机构适用于重负荷切削,且易双向转位就近换刀,大型数控车床应用较多。 近年已开发出将液压马达和滚珠式预分度机构合为一体的液压分度马达(index motor) 。可使刀架简化,重复定位精度可达。刀盘加速时间仅为0.1s,有较好的应用前景。1.5.2. 液压机械式这类刀架用液压缸锁紧刀盘,转位和预分度则用点电机通过机械传动装置实现, 如槽轮机构。目前趋向采用动态性能较好的间歇凸轮转位机构。1.5.3. 电动势 这类刀架以电机为动力源,使用方便,应用最多。主要形式有以下几种：（1）单面凸爪锁紧式是我国自行开发的小型产品刀盘主轴上固联有单向凸爪

12、离合器的右半。电机经蜗轮传动使主动凸爪(离合器左半)正向旋转,两个半离合器结合,两定位多齿盘觉分开啮合,刀盘转位。到位后反向旋转,刀盘转动被预分度机构的定位销阻止,由于凸爪斜面作用使离合器左右两半分离,使刀盘右移实现定位锁紧。此形式结构紧凑,但锁紧力靠机构的弹性变形产生,调整较难,主轴刚度不宜大,适用于低速低载,如仪表及床上使用。（2）双插销反靠式这类刀架以 t 形丝杠螺母机构产生锁紧力。电机正转时丝杠移动使两多齿盘分离，再由反靠盘及插销带动刀盘转动到位,检测装置发讯时电机反转,插销向预分度糟反靠实现预分度。由于另一端插销斜面作用,反靠盘与之分离,电机继续反转则使丝杠连同刀盘反向位移至多齿盘啮

13、合锁紧。该刀架转位周期为, 不能双向转位。因只用一个传动链实现动作循环 ,各动作协调由一特殊双插销机构实现,故结构紧凑,锁紧可靠,成为国内中、低档数控车床采用的主要机型。（3）双向滚子端面凸轮锁紧式这类刀架采用正反方向均可实现转位锁紧的滚子端面凸轮机构,能就近换刀。1.6 控制与接口刀位检测元件多用无触点的霍尔元件或接近开关以及光电编码器。锁紧电机一般采用三相交流电机,但开发应用体积小扭矩大,能频繁换向的专用电机对提高电动式刀架性能十分重要。动力刀具驱动用可无级调速的伺服电机。数控转塔刀架与系统接口方式常有如下两种 :1.6.1 直接与数控系统接口视不同系统给出的换刀控制信号,应设计相应的接口

14、电路。通常由如下功能 ：方式选择、刀位检测发讯、驱动功能(驱动执行器件完成转位锁紧等动作)、保护功能(以脆如机械电气故障 )其逻辑电路一般可用继电器实现。1.6.2 通过可编程序控制器(plc)与数控系统接口用 plc 实现接口可提高柔性和可靠性。1.7 各种刀架简介1.7.1 简易经济型数控刀架目前主要为立式四工位,通常采用双插销机构实现转位和预定位,电机采用右置式或转塔式。一般只能单向转位,采用齿轮,蜗杆传动,螺旋副加紧,多齿盘精定位。此种刀架价格便宜,适用于要求不高的数控机床,在我国应用最为广泛。但是,该刀架工位少,回转空间大,易发生干涉,所以正向工序长,回转空间小的卧式刀架过渡。1.7

15、.2 高精度型数控刀架目前一般多为卧式八工位到十二工位。分为抬起式和不抬起式。抬起式仿意大利巴罗法蒂公司的 ta 刀架,其缺点是转阻塞度不能过高,只能单向回转；不抬起式仿意大利 ioe 型刀架,采用行星齿轮机构。或仿美国的三联分齿盘精定位,转位采用平行分度凸轮(又叫共辄凸轮)或槽轮机构此种刀架目前正逐渐推广。1.7.3 带动力刀具的数控刀架此种刀架只有烟台机床附件厂生产,全套引进意大利的生产线和专利,一般用于车削加工中心。第二章 方案选择及论证2.1 传动方案的分析和拟定2.1.1 技术关键（a）合理的整体布局及夹紧机构,以保证有足够的刚性。（b）定位机构的设计。双插销配合多齿盘定位。（c）发

16、讯元件的选择。采用霍尔元件。2.1.2 数控立式四工位抬起式自动刀架传动方案的分析和拟定（1）传动方案的拟定采用蜗轮蜗杆传动和螺旋副加紧、双插销预定位、端面多齿盘精定位、霍尔元件发讯。（2）传动方案简图图2-1 传动方案简图（3）传动方案分析a. 传动机构采用蜗轮蜗杆传动的主要优点：降速比大,结构紧凑,工作平稳无噪声。能阻滞扭转振动。当蜗杆螺旋升角小于摩擦角时,有反向自锁作用。其主要缺点是 : 发热大,加工复杂,需要有与蜗杆参数相同的涡轮滚刀,对装配误差较为敏感。螺旋副加紧采用丝杠螺母机构传动,其特点是：用较小的扭矩转动丝杠(或螺母),可使螺母(或丝杠)获得较大的轴向牵引力。可达到很大的降速传

17、动比,使降速机构大为简化,传动链得以缩短。能达到较高的传动精度。传动平稳,无噪声。在一定条件下能自锁,即丝杠螺母不能进钉逆向传动。此特点特别适用 于作部件升降传动。由于蜗杆传动和丝杠螺母传动均能自锁,即夹紧机构双重自锁，不必再配置制动器。b. 定位机构双差销预定位双差销定位,一般称为反靠定位。具有较高的定位精度和可靠性,并能在有冲击和振动的情况下稳定工作。磨损少,定位附加冲击小。定位精度保持性强。端面齿盘精定位优点 :由于采用了多齿结构,所以定位精度高,一般可达，最高可达；能自动定心,定位精度不受轴承间隙和正反转的影响(也称自由定心)；齿面磨损对定位精度影响不大,随着不断使用磨合,定位精度有可

18、能改善,精度保持性好；承载能力强,定位刚性好。其齿面啮合长度一般不小于60%,齿数啮合率一般不低于90%；适应性强,齿数的所有因数都可作为分度工位数,容易得到不等的分度；重复定位精度稳定。缺点 :齿形加工较为复杂,转位、定位时动齿盘需要升降,并要有夹紧装置,成本高。c. 数控转塔式四工位自动回转刀架传动方案的确定 :采用蜗轮-蜗杆传动 : 螺旋副加紧；电磁离合器制动 : 双插销机构预定位 ；端面齿盘精定位 : 霍尔元件发讯。第三章 主要参数的计算3.1 刀架的设计参数 :（1） 定位精度：0.05mm;（2）重复定位精度: 土 0.002mm;（3） 适用机床：c6140;（4） 多齿盘直径：

19、175(72 齿左右 );（5） 刀架工位数：四工位;（6） 定位控制元件：霍尔元件 ;（7） 电机的选用：电机的转速与设计刀架的回转速度有关 .先预定为1500min（8）刀座尺寸： 200*192 刀盘尺寸：200*1103.2 动力参数的确定3.2.1 选择电机类型 : 根据工作要求和条件 : 功率小,起动转矩低,运转平稳等,无需调速、长期反复工作，故选用 n 系列异步电动机。取转速为1400r/min。3.2.2 电机容量的设计计算 :由要求 :自锁力q=1000 kgf500 kgf,此处取 q=1000kgf 。螺旋副传动的牙型为梯形螺纹,可通过较小的扭矩获得较大的轴向力,并要求自

20、锁。梯形螺纹的牙型角=,则牙型半角 p=,且有f=0.080.10。由于本刀架锁紧系统中的摩擦是由封闭系统弹性变形力所引起的,压力通常超过 3,其摩擦系数比一般23倍,取螺杆中径d=85mm.a.求当量摩擦角 : ，为保证电机驱动力矩消失后刀盘仍处于锁紧状态,丝杠螺母传动必须满足自锁条件:,所以 max=11.7-1=10.7，由实验表明=46 有满意效果,故取 =5 。b.螺杆的转速 n1=28r/min（设计任务书给出） 可得出传动比： （3-1）计算电机容量 ： （3-2） 其中 ,pd 为电机所需功率 :pw 为工作机所需工作功率；是由电动机至工作机主动端的总效率： （3-3） （3-

21、4） 其中 分别为轴承、蜗轮蜗杆、联轴器、滑动丝杠的传动效率。取=0.98, =0.45( 自锁时传动效率 ), , （设计任务书给出）w （3-5） c. 计算螺杆上的扭矩 : （3-6）d. ，选取型号jw-5264 三相微型感应电机，其技术参数如下：电压 输出功率转速输入功率质量380v120w1400r/min150w3.0kg额定电流起动转矩/:额定转矩最大转矩/额定转矩起动电流0.47(a)2.22.46表3-1 电机参数e. 各轴的运动动力参数 各轴转速i 轴 ( 蜗杆轴 )=1400(r/min)ii 轴 ( 丝杠螺母、刀盘 )=1400/28=50(r/min) 各轴输入功率

22、i 轴 （3-7）ii 轴 w （3-8）输出功率i 轴 （3-9）ii 轴 （3-10）第四章 传动机构的设计计算4.1蜗杆传动的设计计算 :4.1.1 选择蜗杆传动类型 :根据gb/t10085-1988的推荐，采用渐开线（zi）蜗杆，这种蜗杆的端面齿廓是渐开线，所以相当于少一个齿数。4.1.2 选择材料由于蜗杆传动效率不高，速度也只是中等 ,故蜗杆用45钢;因希望效率高些,耐磨性好些,故蜗杆螺旋要求淬火硬度为45-55hrc且心部调制蜗轮用铸锡青铜zcusnlop1,金属模铸造。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ht100制造。4.1.3 按齿面接触疲劳强度设计 :

23、根据闭式蜗杆传动的设计准则,先根据齿面接触疲劳强度进行设计 , 再校核齿根弯 曲强度应有 : (4 1） a.用在蜗轮上的转矩：按，取效率则 (4 2) b.确定载荷系数k：因工作载荷较稳定,所以取齿向载荷分布系数 由表 11-5( 机械设计第七版 ) 中选取使用系数 =1.15 由于转速不高,冲击不大,取动载荷系数 则 （4-3）c.确定弹性影响系数：由选用铸锡磷青铜涡轮和钢蜗杆相配合, 故 (4-4）d.确定接触系数:先假设蜗杆分度圆直径为和中心距 a 的比值从图 11-18( 机械设计第七版 ) 中可查得 =2.75e.确定许用接触应力：根据蜗杆材料为铸锡磷青铜zcusn10pi金属模铸

24、造,蜗杆硬度大于45hrc可以从 11-7( 机械设计第六版 ) 中查得涡轮的基本许用应力=268应力循环次数设计要求寿命为 12000h 则(涡轮每转一转,每个轮齿啮合的次数) (4-5)寿命系数： 则 (4-6)f.计算中心距 : (4-7)所以取中心距为 5omm ；因i=50，故从表11-12中取模数m=1.6mm 分度圆直径=20mm，则，从图11-18中可查得接触系数 ，故以上计算结果可用。4.1.4 蜗轮蜗杆的主要参数及尺寸:根据以上计算结果,从机械设计第七版第 242 页查得一组数据 :轴向齿距：直径系数： 齿顶圆直径：齿根圆直径：分度圆导程角：蜗杆的轴向齿厚：a.蜗杆的几何尺

25、寸及参数 :轴向距： 直径系数： 齿根圆直径： 齿顶圆直径： 导程角： 轴向齿厚： b.蜗轮尺寸及几何参数: 齿数： 变位系数： 分度圆直径： 喉圆直径： 齿根圆直径： 喉圆母圆半径： 4.1.5 校核齿根弯曲疲劳强度 : (4-8)当量齿数： (4-9)根据 从图11-19中( 机械设计第七版 ) 可查得齿形系数 螺旋角系数许用弯曲应力 从表 11-8( 机械设计第七版 ) 查得zcusn10pi制造的蜗轮的基本许用弯曲应力 。寿命系数： (4-10) (4-11) (4-12)故弯曲强度不满足要求。改用铸铝铁青铜(zcual10fe3)砂模铸造，其许用应力： （4-13）则 （3-24）所

26、以强度满足。4.1.6 精度等级和表面粗糙度的确定:考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动,属于通用机械减速器,从 gb10089-88 圆柱蜗杆、蜗轮精度中,选择8级精度,侧隙种类为f，标注为 8f gb10089-88.4.1.7 蜗轮蜗杆的结构 :蜗杆的结构 :由于蜗杆螺旋部分的尺寸不大，蜗杆与轴制成一体。 蜗轮的结构 : 由于 d10omm,故采用整体式铸造 .4.1.8 蜗杆传动的热平衡计算 :蜗杆传动效率低,所以工作时发热量大.在闭式传动中,如果产生的热量不能及时发散,将因温度不断升高,而使润滑油稀释,从而增大摩擦损失,甚至发生胶合.所以,必须根据单位时间的发热量 h 等于同时间内的散热

27、量 h2 的条件进行热平衡计算.以保证泊温稳定地处于规定的范围内,在规定条件下,保持正常的工作温度所需要的散热能力,面积为： (4-14)p为蜗杆传递的功率；为蜗杆传递的效率；为箱体的表面传热系数取 （）为润滑油的工作温度，取为周围空气的温度，常温情况取 (4-15)，所以热平衡条件满足。4.2 丝杆螺母传动的设计计算：4.2.1 丝杆材料的选择：由于机床丝杆螺母的主要失效形式是磨损，以及切削细长螺纹时时刀具磨损使丝杠产生表面缺陷和较大的内应力，所以选择丝杆材料及热处理，应从高的耐磨性，良好的加工性能及长期的尺寸稳定性来进行考虑。选择合金钢40cr,8级精度，淬硬，热处理使之具有相当的耐磨性。

28、4.2.2 螺母材料的选择：螺母材料选用铸锌铅青铜zqsn6-6-3,虽然zqsn10-1非常耐磨，但成本太高zqsn6-6-3已经能满足要求。4.2.3 丝杆螺母几何尺寸的计算：a. 选用t55梯形螺纹丝杆，螺距t=12mm;b. 丝杆螺母尺寸： 大径：d=46mm 小径：=40mm 中径： 螺母外径： 螺母小径： 螺母中径：线速n=1。由于连接螺纹要求自锁性。故多用单线螺纹，若要求传动效率高则采用双线或三线螺纹。 导程：s=p=12mm 螺纹升角： 当量摩擦角：，由于选用的是的梯形螺纹，因而。当f=0.1时，此丝杆能自锁。c. 丝杆螺母的传动效率和驱动扭矩的计算：效率：驱动扭矩m：设所受的

29、轴向力p,则螺纹中径的圆周力为，驱动扭矩 ， （kgfcm） (4 16)d. 校核滑动螺旋传动： 滑动螺旋工作时，主要承受转矩及轴向拉力（或压力）的作用，同时在螺旋和螺母的旋合纹间较大的相对滑动。主要的失效形式是螺纹磨损。因此滑动螺旋的基本尺寸(即螺杆直径和螺母高度)，通常是根据耐磨性条件确定的。对于受力较大的传动螺旋，还应校核螺杆的危险截面以及螺母纹牙的强度，以防止发生塑性变形和断裂。对于精密传动螺纹还应该校核螺杆的刚度。 耐磨性校核： 图4-1 刀盘齿形图 作用于螺杆的轴向力主要是刀盘重力。 螺纹的承压面积（指螺纹工作投影到垂直于轴向力的平面上的面积）为a(),螺纹中径（mm）螺纹工作高

30、度h，螺纹螺距为p(mm),螺母高度h(mm),螺纹的工作圈数n=h/p. =43mm h=25mm p=12mm h=64mm n=h/p=5 则螺纹工作面的耐磨性条件为： （4-17）e. 强度计算： 空心轴工作时，承受轴向力q和扭矩t的作用，螺杆切应力的作用。螺杆危险截面上既有压缩应力，又有切应力。在校核时根据第四强度理论，求出危险截面的应力。 (4-18） (4-19) (4-20) (4-21) ， (4-22) ， q=216.86n t=216.86(5.08+8.82)43/2=1153.85nmm (4-23) (4-24) ,故强度满足要求。4.3 定位机构的设计：4.3.

31、1 插销的设计计算：刀盘反靠时，刀盘与定位销受到定位槽的阻止，转速突然变为0，定位销受冲击载荷。可以用能量法近似计算插销的直径。下图给出的插销的力学模型。图4-2 插销的力学模型为反靠冲击载荷；为所引起的销子的弹性变形；ii为销子伸出长度；i为销子的销孔内的长度。对直径为d的圆柱形销，有，冲击时刀盘的动能：，冲击过程中，销子获得的弹性变形能：，令，并且，即；可得：。式中：i 刀盘转动惯量； 冲击瞬间刀盘角速度；e 插销材料弹性摸量； j 插销截面惯性矩；w 插销截面抗弯摸数； 插销材料许用应力。最后可得：选取最小的定位超程角： 刀盘反靠时，角速度愈小，收冲击也愈小。根据预定定位盘槽的几何形状与

32、尺寸，利用调整检测元件可获得很小的定位超程角，从而减小反向启动后的加速时间，明显减小。设定定位超程角与插销长度：当销子处于反靠定位状态时，即反靠销与定位分别插入各自的槽中，若此时刀盘进行反转，则在惯性力矩作用下反靠销极易沿周向滑动，使刀盘不能与反靠盘同步转动。所以应严格设定超程角。的大小应保证换向时定位销不在定位槽内。则插销尺寸应满足：反靠销长度，：定位销长度，l：反靠盘与预定位盘的间距，h：销槽与预定位槽的深度。其中i1式中各尺寸的制造公差及上下两盘装配的平行度公差可按一般精度it8,补偿间隙，用修配可获得。4.3.2 预定位机构与反靠机构： 预定位销中间采用弹簧，使之与销配合起来起定位作用

33、。同时，预定位销的头部采用单斜面，由斜面作用使预定位销从槽中脱出。预定位销倾角 所以预定位盘的 槽的倾角也是，与之相配。 反靠盘上槽两边都有倾角，这是为了使反靠销能从两个方向脱出。 预定位盘和反靠盘的结构尺寸由零件图给出。4.3.3 精定位机构多齿盘的设计：1）原理与特点：多齿盘定位由两个齿数和齿形相同的端面齿盘啮合而成。通常，一个齿盘固定不动。另一个齿盘与分度回转部件固定连接。分度时，动齿盘抬起，与定位盘脱开，然后转位，当转位至要求位置后，动齿盘与定齿盘啮合并压紧。 本设计中，我们将定齿盘在刀体外壳上之固定，而动齿盘和丝杆，刀盘装在一起，丝杆移动时，动齿盘随之脱开啮合，刀盘同时也移动，齿盘转

34、位。到位后刀盘不再回转，往相反方向移动，从而夹紧工位。 图 4-3 多齿盘原理2）设计计算： 设计多齿盘装置的主要依据是分度工位数，定位精度，结构位置大小和工作载荷。 转化到齿盘上的工作载荷有扭矩mn,倾覆力矩mr,轴向离，径向力。 结构参数 、 、多齿盘的结构参数有齿形角，齿数 ，齿盘直径，模数，齿根槽宽和槽深等。、图4-4 多齿盘的结构（a）齿形角 当槽面间隙ef一定时，齿形角越小，eg越小，即定位精度夜高。但过小会削弱齿部刚性。通常=。（b）齿数z 齿数应是分度工位数的倍数，或所有需要的工位数的最小公倍数。齿数越多，分度精度越高。但加工夜复杂。（c）齿盘直径d 齿盘直径可按扭矩mn估算。

35、一般d宜取大些，以提高定位精度和稳定性。（d）模数m 齿盘的模数m=d/z，它仅起到表示齿形大小的作用，不须选取标准值。 m的常用范围为26mm.（e）齿宽按载荷大小选取，一般为825mm，b太大不利于提高分度定位精度。(f ) 齿根槽宽b 一般取b0.81mm。其他有关几何参数按以下公式计算： (4-25) (4-26)表4-1 具体参数如下表：序号名称符号确定原则或计算公式结果1齿盘外径d按扭矩mn估算d,d应根据结构取大些，以利于提高分度定位精度。1752齿宽bb大利于提高齿盘承载能力，但不利于提高分度精度。103齿数zz是工位数的倍数，精度要求高时宜放大，但加工困难724模数mm=v/

36、z,常用26。25外径上节矩tt=4.716齿形角载荷小精度高时宜取小值。607理论齿高h见公式4.088齿根槽宽b见公式1.359齿顶角2见公式10齿顶高见公式3.3811齿顶倾角见公式 夹紧力计算夹紧力应保证在最大工作载荷下仍能保持两齿盘的紧密啮合，但过大的夹紧力会引起齿盘变形。夹紧力w可按下式计算： (4-27)式中：w 为夹紧力（n） mn 为齿盘承受的扭矩（nm） mr 为齿盘承受的倾覆力矩（nm） fr 为齿盘承受的径向力（n） 为齿盘承受的轴向力（n），方向与w相同时，式中取“-”号，与w相反时取“+”. d 为齿盘直径（m） 为齿形角（） 为摩擦角（）， 一般取 s 为安全系数

37、，一般取s=11.5图4-5 夹紧力切削力f=1000kgf,其分力，可得，所以，所以，f=1000kgf =259.2kgf, =965.8kgf倾覆力矩又，可得 ， 驱动力矩安全系数s取1.3所以， 验算齿面挤压应力齿面挤压应力的验算公式： (4-28) 式中，为齿面挤压应力（pa） 为计算齿数，0.5z b为齿宽（m） 为齿的啮合高度 w 为夹紧力（n） s 为安全系数，去s=1.3 为许用挤压应力（pa）,齿面淬硬的取= 所以，满足要求 材料选择：齿盘的齿面要求有较高的硬度，内部有一定的韧性，要求材料的热变形较小，精密齿盘要求尺寸稳定性好，齿盘材料选用40cr，热处理齿部d0.3700

38、 技术要求：(a) 相邻齿矩误差和累积误差：按回转部件的分度精度要求确定，根据刀具的精度要求，相邻齿矩误差和累积误差不(b)安装基准孔轴线分度中心的位置度：精密齿盘应该在0.01mm以内。（c）安装基准端面对分度平面的平行度：精密齿盘应在0.005mm以内。()齿面接触精度：齿面接触精度不仅影响风度精度，而且影响刚性，承载能力及稳定度。齿矩误差同时影响接触最小齿数和接触齿的分布。齿形半角影响高的方向的接触率；齿向误差影响齿宽方向的接触率。齿倾误差对齿高和齿宽方向的接触率均有影响。因为接触精度能综合标志上述各项误差的影响，实践中通常作为主要精度检验项目。 推荐指标为：齿宽接触率：接触宽度为齿宽的

39、50%（精密齿盘为70%以上）。 齿高接触率：接触高度为啮合高度的75%以上（精密齿盘为90%以上）。 接触齿数及分布：两齿盘在任意位置啮合时的接触齿数应在85%以上（精密齿盘应在90%以上）。接触不良的齿不应比连。 ()面光洁度：精密齿盘为0.2，一般经磨齿和研齿的为0.4。但考虑到实际加工条件，本设计采用0.8，在研齿过程中，总是误差最大的齿首先接触研磨。结果使误差逐渐减小并均化。因此，研磨的齿不仅可以提高齿面光洁度，同时还可以提高精度。4.3.4 弹簧的设计计算：(1）材料的选择：根据弹簧的工作情况，选择类型符合弹簧，选用碳素弹簧钢，强度高，性能好，适用于做的弹簧。(2）计算弹簧钢的直径

40、： ：最大工作载荷 查表得：假定绕旋比c=59, 取c=7 (曲度系数) (4-29)按强度确定弹簧丝直径：， 取d=2mm有效圈数：，g切变模量 查表得：g=80000mpa-最大工作负载下的变形量， -最小工作负荷弹簧刚度：， (4-30)总圈数：自由高度：当时，节距：，取标准值：35压并高度：压并变形量：螺旋角：，满足的要求。(3）验算： （a）高径比：，满足要求。 （b）疲劳强度：， -弹簧材料的脉动疲劳极限，查表：当时，所以满足要求。（c）验算共振： 弹簧的自振频率为：，-强迫机械振动频率， ，此弹簧适用。4.3.5蜗杆轴的校核：图4-6 蜗杆轴弯矩图电机转速n=1400r/min

41、p=120w 设电机与蜗杆连接的传动功率为0.95，则，由引起的在a处的弯矩为：由引起的在a处的弯矩为：由引起的在a处的弯矩为：所以在垂直面内a处引起的弯矩为： 在a处引起的总弯矩：查表可知：，所以轴的强度在a处满足要求，在b、c 处只受扭矩。所以该蜗杆轴满足要求。nc系统 t功能端 口刀位检测元件驱动放大与逻辑保护电路执行元件刀位选择换刀指令5.2 通过可编程序控制器（plc）与控制系统实现接口：可提高柔性与可靠性，用霍尔元件检测刀位，电机正反转完成转位循环的四位电动刀架应用plc接口的原理图。数控系统以8421码方式给出刀号。当刀架至选定刀位时，信检输出刀位符号低电平，正转继电器断开，反转

42、继电器接通，并延时关断。电机换向及驱动锁紧的延时时间均可有plc程序设定，十分方便。5.3 可编程序控制器（plc）控制程序设计：5.3.1 输入点分配 停止 sb1-0000 启动 sb2-0001自动 sb3-0002刀位1到位检测 sa1-0003刀位2到位检测 sa2-0004刀位3到位检测 sa3-0005刀位4到位检测 sa4-0006压紧 sq1-0007延时 kt-0008保护 fr00095.3.2 输出点电机正转 km1-0500电机反转 km20501开始信号 0503到位信号 0504压紧信号 0505自动换刀 0506短路信号 fr05075.3.3 程序设计综上分析

43、，得输入点10个，输出点7个，所以选c20p型号的可编程控制器，它有10输入点,8输出点。本次设计，先分析工作过程，首先，得到换刀信号，即换刀开关接通先接通。随后电机正转，刀架抬起，电机继续正转，刀架转过一个工位，霍尔元件检测是否为所需刀位，若是，则电机停转延时再反转刀架下降压紧，若不是，电机继续正转，刀架继续转位直至所需刀位。根据换刀过程设计控制流程，首先接通整个电路电源，将换刀开关置于自动挡，再按下开始开关进行换刀，正传线圈自锁，自动进行换刀。当转到所需刀位时，刀位对应霍尔元件自动断开，电机停止正转。并接通反转电路，延时反转，刀架下降并压紧。详细流程以及梯形图和plc外部接线图见附图部分。

44、结束语自动回转刀架是数控车床和车削中心的主要部件之一，是一种典型的机电一体化产品，主要包括精密机械传动机构、定位装置、传感检测系统及控制系统等。本题目密切结合机电专业的主干专业知识（数控系统、机电传动控制、电气控制与plc、精密机械等），通过本题目的设计使学生将所学的知识系统化，不仅可以学会独立解决实际工程技术问题的初步技巧，培养调研能力以及正确进行设计计算的能力，还使能够用图纸和说明书来表达设计思想和结果，同时对培养实际工作能力也有着重要作用，为今后走向工作岗位打下坚实的基础。 致 谢在指导老师孙美维老师细心指导下 , 我终于完成了本次设计。毕业设计是大学阶段最后一个教学与实践相结合的环节，

45、是大学期间所学知识的综合检验，是对所学知识进一步巩固和理解。通过毕业设计的完成，将所学的基础课、专业课作进一步的理解和融合。为我们从学校走向社会打下扎实的基础。自动回转刀架是数控车床和车削中心的主要部件之一，是一种典型的机电一体化产品，本题目紧密的结合了机电专业的主干专业知识，通过本题目的设计使我们所学的知识系统化，为以后独立解决实际工程技术问题，调研能力和设计计算的能力，以及用图纸和说明书来表达设计的能力打下了坚实的基础参 考 文 献1 机械设计手册 ( 第三版卷 )化学工业出版社2 机械设计师手册 机械工业出版社 19893 濮良贵.机械设计（第七版） 高等教育出版社 2001 4卢金鼎主

46、编.机电一体化技术 中国轻工业出版社 19965毕承恩.现代数控机床（上册） 机械工业出版社6 苏翼林.材料力学 ( 上、下册 ) 高等教育出版社7 成大千.机械设计图册 化学工业出版社8 陈婵娟.数控车床设计 化学工业出版社9 廖常初plc变成及应用 机械工业出版社 付：外文翻译 电火花加工 电火花加工法对加工超韧性的导电材料（如新的太空合金）特别有价值。这些金属很难用常规方法加工，用常规的切削刀具不可能加工极其复杂的形状，电火花加工使之变得相对简单了。在金属切削工业中，这种加工方法正不断寻找新的应用领域。塑料工业已广泛使用这种方法，如在钢制模具上加工几乎是任何形状的模腔。 电火花加工法是一

47、种受控制的金属切削技术，它使用电火花切除（侵蚀）工件上的多余金属，工件在切削后的形状与刀具（电极）相反。切削刀具用导电材料（通常是碳）制造。电极形状与所需型腔想匹配。工件与电极都浸在不导电的液体里，这种液体通常是轻润滑油。它应当是点的不良导体或绝缘体。 用伺服机构是电极和工件间的保持0.00050.001英寸（0.010.02mm）的间隙，以阻止他们相互接触。频率为20000hz左右的低电压大电流的直流电加到电极上，这些电脉冲引起火花，跳过电极与工件的见的不导电的液体间隙。在火花冲击的局部区域，产生了大量的热量，金属融化了，从工件表面喷出融化金属的小粒子。不断循环着的不导电的液体，将侵蚀下来的

48、金属粒子带走，同时也有助于驱散火花产生的热量。 在最近几年，电火花加工的主要进步是降低了它加工后的表面粗糙度。用低的金属切除率时，表面粗糙度可达24vin.(0.050.10vin)。用高的金属切除率如高达15in3/h(245.8cm3/h)时，表面粗糙度为1000vin.(25vm)。 需要的表面粗糙度的类型，决定了能使用的安培数,电容,频率和电压值。快速切除金属（粗切削）时，用大电流,低频率,高电容和最小的间隙电压。缓慢切除金属（精切削）和需获得高的表面光洁度时，用小电流,高频率,低电容和最高的间隙电压。 与常规机加工方法相比，电火花加工有许多优点。 1 . 不论硬度高低，只要是导电材料

49、都能对其进行切削。对用常规方法极难切削的硬质合金和超韧性的太空合金，电火化加工特别有价值。 2 . 工件可在淬火状态下加工，因克服了由淬火引起的变形问题。 3 . 很容易将断在工件中的丝锥和钻头除。 4 . 由于刀具（电极）从未与工件接触过，故工件中不会产生应力。 5 . 加工出的零件无毛刺。 6 . 薄而脆的工件很容易加工，且无毛刺。 7 . 对许多类型的工件，一般不需第二次精加工。 8 .随着金属的切除，伺服机构使电极自动向工件进给。 9 .一个人可同时操作几台电火花加工机床。 10.能相对容易地从实心坯料上，加工出常规方法不可能加工出来的极复杂的形状。 11.能用较低价格加工出较好的模具。12.可用冲头作电极，在阴模板上复制其形状，并留有必须的间隙。electrical discharge machiningelectrical discharge machining has proved especially valuable in the machining of super-tough, electricall