数控车床自动回转刀架机电系统设计

本文格式为Word版，下载可任意编辑——数控车床自动回转刀架机电系统设计第1节自动回转刀架总体设计

1.1概述

数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的结构和性能表达了机床的设计和制造技术水平。随着数控车床的不断发展，刀架结构形式也在不断翻新。其中按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。自1958年首次研制成功数控加工中心自动换刀装置以来，自动换刀装置的机械结构和控制方式不断得到改进和完善。自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有：回转刀架换刀，更换主轴头换刀以及带刀库的自动换刀系统。

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。

1.2数控车床自动回转刀架的发展趋势

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。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：特别是在加工几何形状较繁杂

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，灵活便利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。

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。

1.3自动回转刀架的工作原理

回转刀架的工作原理为机械螺母升降转位式。工作过程可分为刀架抬起、刀架转位、刀架定位并压紧等几个步骤。图1.1为螺旋升降式四方刀架，其工作过程如下：①刀架抬起当数控系统发出换刀指令后,通过接口电路使电机正转,经传动装置、驱动蜗杆蜗轮机构。蜗轮带动丝杆螺母机构逆时针旋转,此时由于齿盘处于啮合状态，在丝杆螺母机构转动时，使上刀架体产生向上的轴向力将齿盘松开并抬起,直至两定位齿盘脱离啮合状态,从而带动上刀架和齿盘产生“上抬〞动作。

②刀架转位当圆套逆时针转过150°时，齿盘完全脱开，此时销钉确凿进入圆套中的凹槽中，带动刀架体转位。

③刀架定位当上刀架转到需要到位后（旋转90°、180°或270°），数控装置发出的换刀指令使霍尔开关中的某一个选通,当磁性板与被选通的霍尔开关对齐后,霍尔开关反馈信号使电机反转,插销在弹簧力作用下进入反靠盘地槽中进行粗定位，上刀架体中止转动，电机继续反转，使其在该位置落下，通过螺母丝杆机构使上刀架移到齿盘重新啮合,实现确切定位。

刀架压紧刀架确切定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿盘增加到一定夹紧力时，电机由数控装置中止反转，防止电机不停反转而过载毁坏，从而完成一次换刀过程。

图1.1螺旋升降式四方刀架

第2节主要传动部件的设计计算

2.1蜗杆副的设计计算

自动回转刀架的动力源是三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直联，刀架转位时蜗轮与上刀体直联。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=

n11440==48。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆n230反向，工作载荷不均匀，起动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。

(1)蜗杆的选型GB／T10085--1988推荐采用渐开线蜗杆(ZI蜗杆)和锥面包络蜗杆(ZK蜗杆)。本设计采用结构简单、制造便利的渐开线型圆柱蜗杆(ZI型)。

(2)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，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为45～55HRC，以提高表面耐磨性；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZCuSnl0P1，采用金属模铸造。

(3)按齿面接触疲乏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，先按齿面接触疲乏强度进行设计，再按齿根弯曲疲乏强度进行校核。

按蜗轮接触疲乏强度条件设计计算的公式为：

?ZEZPa?3KT2????H1)

????2确定作用在蜗轮上的转矩T2设蜗杆头数Z1=1，蜗杆副的传动效率取η

=0.8。由电动机的额定功率P1=90W，可以算得蜗轮传递的功率P2=P1η，再由蜗轮的转速n2=30r／min求得作用在蜗轮上的转矩：

T2?9.55P290?0.8?9.55?22.92(N?m)?22920(N?m)n2302)确定载荷系数K载荷系数K=KAKBKV，。其中KA为使用系数，由表6-3查得，由于

工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取KA=1.15；KB为齿向载荷分布系数，因工作载荷在起动和中止时有变化，故取KB=1.15；Kv为动载系数，由于转速不高、冲击不大，可取Kv=1.05。则载荷系数：K=KAKBKV=1.15×1.15×1.05≈1.39

3)确定弹性影响系数ZE。铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查得弹性影响系数ZE?160Mpa。

4)确定接触系数Zp先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值

d1?0.35，从而可查出Zp=2.9a125)确定许用接触应力[σH]根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSnl0P1、金属模铸造、蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，查表可得蜗轮的基本许用应力[σH]′=268MPa。已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数j=1；蜗轮转速n1=30r／min；蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。

则应力循环次数：N=6Qjn2Lh=60×1×30x10000=1.8×107寿命系数：KHN许用接触应力：[σH]=KHN[σH]′=0.929×268Mpa≈249Mpa6)计算中心距

710?8?0.929

N160?2.923a?1.39?22