用 数控车床四工位刀架控制系统设计001

1、河南工学院毕业设计说明书（论文）摘 要数控刀架是数控机床的重要组成部分，主要是完成零件加工过程中的换刀过程，它能在一次装夹中完成多工序的加工，有效地减少了刀具多次装夹带来的加工误差。随着制造工业的不断发展，对自动刀架的功能及性能要求也越来越高。数控刀架系统本身及相关结构比较复杂，会对整机的成本造价产生直接的影响。本课题对数控车床的四工位刀架进行了研究设计。分析了刀架的基本组成、对刀架的典型结构以及刀架的机械结构等进行了研究设计，由于刀架的整个机械结构比较精密复杂，为了方便我们对刀架进行设计研究，我们对试验台上的四工位刀架进行了拆装并绘制了草图，对其主要的传动部件进行选择计算。还对刀架的电气控制

2、部分进行分析，熟悉并掌握了四工位刀架的控制电路以及四工位刀架的控制程序。我们还对四工位刀架在工作过程中出现的几种常见故障进行分析排除。关键字：数控刀架，机械结构，电气控制AbstractNumbers controling the knife is the importance that counts to control tool machine to constitute part, mainly is complete spare parts to process process in of change the knife process, it can in once pack cl

3、ip completion many work prefaces process, reducing knife to have many times to pack to clip to bring availably of process an error margin.Develop continuously along with the manufacture industry, request to be more and more high also to the function and function of the automatic knife.The number con

4、trols the knife the system and related structure more complicated, will build direct influence of the price creation to the cost of the whole machine.This topic logarithms controled four knifes of the lather to carry on the research design.Analyze the knife of basic constitute,to the typical model s

5、tructure of the knife and the knife of the machine structure etc. carry on thorough of understanding, because of the whole machine structure comparison nicety complications of the knife, the teacher led us to carry on dismantling to pack to four knifes and draw grass diagram.The electricity part tha

6、t returns to the knife carries on analysis, acquaint with and control four control electric circuits of the knifes and four control procedures of the knifes. Key word:The number controls the knife, the machine structure, electricity part目 录毕业设计说明书（论文）1绪 论11.刀架总述12.国内外刀架研究现状1第一章 刀架的机械组成31.1刀架的典型结构31.

7、2四工位刀架的机械结构及工作原理41.2.1数控刀架机械结构41.2.2工作原理51.3用途及特点6第二章 刀架主要部件的选用72.1刀架电机的选择72.2涡轮-蜗杆的选择及计算72.2.1蜗杆副的设计要求72.2.2蜗杆型号及材料的选择82.2.3涡轮-蜗杆主要参数的计算及校核82.3螺杆的设计及计算122.3.1螺距的确定132.3.2主要参数132.3.3自锁性能校核132.4上刀体锁紧与精定位机构的选用14第三章：刀架控制系统的电气组成153.1 四工位刀架控制电路的组成153.2四工位刀架控制程序设计17第四章 故障分析及排除20致 谢21参考文献22附录23附一：PLC指令代码23

8、附二：刀架三维分解图24附三：使用系数25绪 论1.刀架总述电动刀架是数控车床重要的传统结构，由于该类刀架采用全电控制，无需另加液压或气动等其它动力源，故对简化机床控制的复杂程度带来好处。合理的选配电动刀架，可以缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性。另外，加工工艺适应性和连续工作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算法，对执行机构发出相应的控制指令外，很重要的一点是数控机床须配备易于控制的电动刀架，以便一次装夹所需各种刀具，灵活，方便地完成各种几何形状的加工。数控车床为了能在工作的一次装夹中完成多工序加工，缩短辅助时间

9、，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，自动回转刀架课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定位型和三齿盘定位型等。其中端齿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

10、统和驱动电路来实现。2.国内外刀架研究现状从自动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IBM公司同期也研制成功了APT(刀具程序控制装置)。1958年美国K&T公司研制出到ATC的加工中心。1967年出现FMS（柔性制造系统）。1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置，可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。自动换刀系统式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。刀库结构形式及道具交换装置的工作方

11、式，则会影响机床的换刀效率。我们应该是数控机床工作性能有所提高，而且使其总体造价大幅度下降。低造价高性能的数控机床将会被中小厂广泛接收。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，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。 第一章 刀架的机械组成1.1刀架的典型结构（1）排刀式刀架排刀式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒类为主的机床较为常见，它的结构形式为夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床X坐标轴方向排列在横向滑板或一种称为快

12、换台板上。这种刀架的特点之一是刀具布置和机床调整都较方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具在一把刀完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴向移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速、省时、有利于提高机床的生产效率。（2）数控车床方刀架经济型数控车床方刀架是在普通车床四方刀架的基础上发展的一种自动换刀装置，其功能和普通四方刀架一样：有四个刀位，能装夹四把不同的刀具，方刀架回转90时，刀具变换一个刀位，但方刀架的回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制的。换刀时方刀架的动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、刀架定位和刀架夹紧。完成

13、上述动作要求，有相应的机构来实现。（3）转塔回转刀架转塔回转刀架适用与盘类零件加工。在加工轴类零件时，可以换用四方回转刀架。由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。回转刀架动作根据数控指令进行，由液压系统通过电磁换向阀进行控制，其动作过程分为如下四个步骤：（1）、刀架抬起，（2）、刀架转位、（3）、刀架压紧，（4）、转位液压缸复位。如果定位、压紧动作正常，刀架会发出信号表示已完成换刀过程，可进行切削加工。（4）盘形自动回转刀架盘形自动回转刀架根据刀位又可分为A型、B型和C型，其中A型和B型刀架可配置12把刀具，C型可配置8把刀具。A、B型回转刀盘的外切刀可使用25mm*150mm标准刀具和

14、刀杆截面为25mm*25mm的可调工具，C型可用尺寸为20mm*20mm*125mm的标准刀具。镗刀杆直径最大为32mm。该种刀架更换和对刀十分方便。刀位选择由刷形选择器进行，松开、夹紧位置检测由微动开关控制。整个刀架控制是一个纯电气系统，结构简单。（5）车削中心的动力刀架车削中心的动力刀架的刀盘上可以安装各种非动力辅助刀夹（车刀夹、镗刀夹、弹簧刀夹、莫氏刀柄），夹持刀具进行加工，还可安装动力刀夹进行主动切削，配合主机完成车、铣、钻、镗等各种复杂工序，实现加工程序自动化、高效化。该刀架采用端齿盘作为分度定位元件，刀架转位由三相异步电机驱动，电动机内部带有制动机构，刀位由二进制绝对编码起器识别，

15、并可双向转位和任意刀位就近选刀。动力刀具由交流伺服电机驱动，通过同步齿形带、传动轴、传动齿轮、端面齿离合器将动力传递到动力刀夹，再通过刀夹内部的齿轮传动，刀具回转，实现主动切削。1.2四工位刀架的机械结构及工作原理 1.2.1数控刀架机械结构图1-1 刀架实体图图1-2 数控刀架结构图图1-3 数控车床刀架结构图1电动机 2联轴器 3蜗杆轴 4蜗轮丝杠 5刀架底座 6粗定位盘7刀架体 8球头销 9转位套 10电涮座 11发迅体 12螺母 13，14电涮 15粗定位销1.2.2工作原理该刀架可以安装四把不同的刀具，转位信号由加工程序指定。其结构图可见附图所示。下面介绍以下该刀架的结构及动作过程：

16、当换刀指令发出后，小型电动机1起动正转，通过平键套筒联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动蜗轮4转动。蜗轮的上部外圆柱加工有外螺纹，所以该零件称蜗轮丝杠。刀架体7内孔与刀架中心轴外圆是滑配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠环绕中心轴旋转。当蜗轮开始转动时，由于在刀架底座5和刀架体7上的端面齿处在啮合状态，且蜗轮丝杠轴向固定，这时刀架体7抬起。当刀架体抬到一定距离后，端面齿脱开。转位套9用销钉与蜗轮丝杠4连接，随蜗轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开，转位套正好转过160（如图AA剖示所示），球头销8在弹簧力的作用下进入转位套9的槽中，带动刀架体转位。刀架体7转动时带动电刷座10转动，当转到程序指

17、定的刀号时，定位销15在弹簧的作用下进入粗定位盘6的槽中进行粗定位，同时电刷13、14接触导通，使电机1反转，由于粗定位槽的限制，刀架体7不能转动，使其在该位置垂直落下，刀架体7和刀架底座5上是端面齿啮合，实现精确定位。电动机继续反转，此时蜗轮停止转动，蜗杆轴3继续转动，随夹紧力增加，转距不断增大时，达到一定值时，在传感器的控制下，电机1停止转动。译码装置由发信体11、电刷13、14组成，电刷13负责发信，电刷14负责位置判断。当刀架定位出现过位或不到位时，可松开螺母12调好发信体11与电刷14的相对位置。1.3用途及特点这种四工位刀架可以装卡各种车削刀具，内孔镗刀等，在经济型数控车床及普通车

18、床的数控化改造中得到广泛的应用。刀架通过三联齿定位精度高，刚性好，内抬起，结构可靠。利用编码器发讯，灵敏可靠，使用寿命长。根据不同需要可分为内冷却和外冷却。第二章 刀架主要部件的选用2.1刀架电机的选择刀架驱动电动机的选择应同时满足刀架运转的负载扭矩和起动时的加速扭矩的要求。根据刀架上刀体的重量估算出中心轴所需的扭矩及各个部件旋转时的运动惯量，根据所得的这些数据对电动机的型号进行大致的评估。我们应该选用的是交流三相异步电动机，额定功率为90W，转速1440r/min。2.2涡轮-蜗杆的选择及计算 图2-1 涡轮蜗杆2.2.1蜗杆副的设计要求自动回转刀架的动力源始三相异步电动机，其中蜗杆与电机直

19、连，刀架转位时涡轮与上刀体直连。已知电动机额定功率P1=90W，额定转速n1=1440r/min，上刀体设计转速n2=30r/min，则蜗杆副的传动比i=n1/n2=1440/30=48。刀架从转位刀锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷步均匀，启动时冲击较大，现在要求蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。因此对蜗杆的型号材料的选择以及齿面接触疲劳强度的计算相当重要。2.2.2蜗杆型号及材料的选择GB/T10085-1988推荐采用渐开线蜗杆（Z1蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。本设计采用结构简单、制造方便的渐开线型圆柱蜗杆(Z1型)。刀架中的蜗杆副传递的功率并不大，但蜗杆转速较高，因此蜗杆的材料选择

20、45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC，以提高表面耐磨性，涡轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZcuSn10P1，采用金属模铸造。2.2.3涡轮-蜗杆主要参数的计算及校核刀架中的涡轮副采用闭式传动，多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，在计算中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算的公式：a (1)式中，a蜗杆副的传动中心距，单位为mm K载荷系数 作用在涡轮上的转矩，单位N.mm 弹性影响系数，单位为接触系数许用接触应力，单位为MPa从公式（1）中算出蜗杆副的中心距离a之后，并根据已知的传动比i=48，从附录三中选择合适的

21、中心距a的值，以及相应的蜗杆，涡轮的参数。（1） 确定涡轮上的转矩：设蜗杆的头数=1，蜗杆副的传动效率=0.8，由电动机额定功率=90w，可以算得。再由蜗杆转速得出 （2） 确定载荷系数 其中为使用系数（见附录三），由于工作载荷步均匀，启动时冲击较大，因此去=1.15; 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=1.15；为动载荷系数，由于转速步高，冲击不大，可取=1.05；则载荷系数 K=1.15*1.15*1.051.39（3） 确定弹性影响系数及接触系数铸锡磷青铜涡轮于钢蜗杆相配时，从有关手册查得弹性影响系数=160。可先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距a的比值=0.35。

22、查图2-2得=2.9图2-2 圆柱蜗杆传动的接触系数（4） 确定许用接触应力为 根据涡轮材料即铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造，齿面硬度大于45HRC 表2-3铸锡磷青铜的基本许用接触应力 查表2-3取基本许用应力为；=268MPa。由于蜗杆为单头，涡轮每转每个齿轮啮合1次j=1，蜗杆转速n=；蜗杆副的使用寿命为10000h，则应力循环次数 许用接触应力：（5） 计算中心距 将以上参数带入式（1），求得中心距：查表1取得a=50mm，蜗杆头数为=1，假设模数m=1.6mm，得蜗杆分度圆的直径=20mm。这时=0.4，由图可以知道接触系数=2.74因为 所以上述计算可以采用。（6） 涡轮

23、蜗杆的主要参数和几何尺寸的计算1） 蜗杆参数与尺寸 头数=1.6mm，轴向齿距Pa=m=5.027 轴向齿厚=0.5m=2.5414mm，分度圆直径=20mm，直径系数q= /m=12.5，分度圆导程角Y=arctan = 。 取齿顶系数=1，径向间隙系数c=0.2，齿顶圆直径=20mm+2*1*1.6=23.2mm,齿根圆直径= mm=16.16mm2） 涡轮的参数与尺寸齿数=48，模数m=1.6mm，分度圆直径=m =1.6*48=76.8，变为系数 = ，涡轮喉圆直径为，涡轮齿根圆直径为涡轮咽喉母圆半径（7） 校核涡轮齿根弯曲疲劳强度 即检验下式是否成立： （2）式中 涡轮齿根弯曲应力，

24、单位为MPa； 涡轮齿形系数； 螺旋角影响系数； 涡轮的许用弯曲应力，单位为MPa由蜗杆的头数=1，传动比为i=48，可以算出涡轮齿数.则齿轮的当量齿数根据涡轮变位系数=1和当量齿数=48.46，齿形系数 =1.95螺旋角影响系数： 根据涡轮的材料和制造方法，表3-4可得涡轮基本许用弯曲应力； 涡轮的寿命系数： 涡轮的许用弯曲应力： 将以上参数带入式（2）中，得涡轮齿根弯曲应力： 37.4MPa可见，所以齿根的弯曲强度满足要求，表2-4 涡轮的基本许用弯曲应力2.3螺杆的设计及计算在上述过程中欲使上下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计分离机构。再此选择螺杆-螺母副，并在上刀体内部加工出内螺纹，当

25、电动机通过蜗杆-涡轮带动螺杆绕中心轴转动时，将上刀体看做螺母，要么转动，要么上下移动两种情况。当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互啮合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离啮合时，上刀体就和螺杆一同转动，在设计螺杆使要注意螺距的选择，而螺距的选择是否合理非常重要，选择适当以便螺杆转动一定角度时能是上下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。 图2-5 中心轴螺杆2.3.1螺距的确定刀架转位时，要求螺杆的转动约130的情况下，上刀体的断面齿于下刀体的端面齿完全脱离，在锁紧时要求上下端面啮合深达2mm，因此螺距p应满足Px1130/3602mm即P5.54m

26、m，即螺距P取6mm2.3.2主要参数采用单头梯形螺杆，头数n=1牙侧角=，外螺纹大径=50mm，牙顶间隙=0.5mm，基本牙型高度=0.5p=0.3mm，外螺纹牙高=+=3.5mm，外螺纹中径=47mm，外螺纹小径=43mm螺纹部分长度H=50mm。 2.3.3自锁性能校核螺杆螺母材料均用45钢，查表2-6取二者的摩擦因数f=0.11；再求得梯形螺旋副的当量摩擦角：v=arctan=6.5。螺纹升角=arctan= 小于当量摩擦角，因此满足自锁条件。螺杆螺母的材料滑行速度许用应力MP摩擦因数f铜青铜低速18-250.08-0.103.011-186-127-10151-2淬火铜青铜6-121

27、0-130.06-0。.08铜铸铁2.413-180.12-0.156-124-7铜铜低速7.5-130.11-0.17 表2-6 滑动螺旋副材料的许用应力级摩擦因素f2.4上刀体锁紧与精定位机构的选用上刀体锁紧与精定位将直接影响工件的加工精度，因为刀具直接安装在上刀体上，所以刀体要承受全部的切削力，因此对它的选择很重要。在设计中选择断面将上刀体与下导体的配合加工成三角形端面齿，刀架处于锁紧时，上下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架中心轴转动。换刀时抬起机构使上刀体抬起，使上下刀体能绕刀架中心轴转动，完成定位。此结构紧密工作平稳。 第三章：刀架控制系统的电气组成3.1 四工位刀架控制电路的组

28、成四工位电动刀架的电气控制分强电和弱电两部分，强电部分由三相电源驱动三相交流异步电动机正、反向旋转，从而实现电动刀架的松开、转位、锁紧等动作；弱电部分主要由位置传感器发讯盘采用霍儿传感器发讯。 图3-1 刀架换刀电路示意图图3-2 刀架电机正反转图3-3 刀架电机正反转控制 图3-3为刀架电动机正反转控制电路，I/O接口芯片8255的PA6与PA7分别控制刀架电动机的正转与反转。其中KA1为正转继电器的线圈，KA2为反转继电器的线圈。正转继电器的线圈KA1与反转继电器的一组常闭出点串联，反转继电器的线圈KA2又与正转继电器的一组常闭出点串联，这样就构成了正转与反转的互锁电路，以防操作系统时空时

29、导致短路现象。当KA1货KA2的触点接通380V电压时，会产生较强的火花，并通过电网影响控制系统的正常工作，为此，在图3-2中布置了3对R-C阻容用来灭弧，以抑制火花的产生。3.2四工位刀架控制程序设计 图3-4 发讯盘上的霍尔元件上图中发信盘上的4只霍尔元件开关都有三个引脚，第一脚接+12V电源，第二脚接+12V地，第三脚为输出。转位是刀台带动磁铁旋转，当磁铁对准某一个霍尔元件开关时，其输出端第三脚输出低电平，当磁铁离开时，第三脚输出高电平。4只霍尔元件开关输出的4个刀位信号T1T4分别送到4只光耦合进行处理，经过光电隔离的信号再送给I/O接口芯片8255的PC4PC7。图3-5刀架换刀流程

30、图刀架上每个霍尔元件都正对一个刀位，当刀具转到工作位置时，利用磁体和霍尔元件导通，将刀架位置发送到PLC的数字输入。刀架电机的转动由PLC数字输出控制。通过PLC的数字输出，控制直流继电器，继电器再驱动交流接触器连通三相交流电源，使刀架电动机正转或反转。当PLC应用程序由数控系统的信号接口或从机床控制面板得到换刀指令后，控制刀架电机正转，同时通过PLC的数字输入监控刀架的实际位置。如果刀架的实际位置与指令道具的位置相同，PLC应用程序控制刀架电机反转锁紧，并启动延时控制。延时时间到达后，刀架反转停止，换刀程序结束。 图3-6 刀架换刀梯形图第四章 故障分析及排除四工位刀架是数控车床重要部件之一

31、，它的故障率是数控车床各部件中最高的。掌握数控车床四工位刀架常见故障诊断及其维修方法，是一个机床使用人员最基本的能力。数控车床的四工位刀架包含了机械传动、电机拖动、PLC控制等多个方面的技术，它的故障形式也是多种多样的，且相互联系。序号故障故障分析排除方法1刀架不能启动1. 检查与刀架电机相连接的相序线是否接反2. 检查刀架电机三相（UI,VI,WI）是否缺相3. 检查NC控制单元线是否接好1. 将三相重新正确连接2. 将相线正确连接，若电机故障更换电机3. 正确连接2刀架能够转动，但不能在指定工位选刀1. 刀架编码器上光敏元件失灵2. 工位信号线虚连、短路或对地短路1. 更换元件或更换编码器2. 检查该工位信号线3机床系统报警：换刀时间过长1. 滑柱上方双螺母松动，使压盘没有压合微动开关2. 刀架发信盘上微动开关损坏1. 加涂防松胶紧固螺母，并使压盘在水平位置。保证微动开关正确压合2. 更换微动开关4刀架在锁定工位刀台摆动角度过大编码器发射与接收元件偏离过大刀架锁紧状态下，逆时针方向调整编码器，是系统刀架诊断参数任意刀码刚从0跳变为1刀架摆角最小，然后紧固螺钉5刀架卡销1. 刀架装卡刀具超长、