刀架设计说明书

目录1.绪论 11.1国内外数控机床状况分析 11.2自动刀架状况分析 11.3刀架设计总体方案 22.刀架机械结构设计 32.1刀架机械结构设计总体方案 32.1.1减速传动机构方案设计 32.1.2上刀体锁紧与精定位机构设计 32.1.3刀架抬起机构设计 32.2刀架机械结构设计工作原理 42.3重要传动部件功能及设计 52.3.1三相异步电机的选用 52.3.2蜗杆和蜗轮的设计 52.3.3蜗杆轴的设计 72.3.4中心轴的设计 92.3.5轴承的选用 102.3.6齿盘的设计 113.刀架电气系统设计 133.1刀架电气系统设计方案 133.2刀架电气系统工作原理 133.3刀架电气系统硬件组成 153.3.1控制系统的选取 153.3.2交流接触器的选取 153.3.3电磁继电器的选取 154.设计总结 175.谢辞 186.参考文献 19摘要本设计是根据通过电动机正反转，来实现换刀和锁紧的；运用涡轮蜗杆传动，蜗杆传动单级传动能得到很大的传动比，传动平稳，无噪声，冲击载荷小，并且能优化整体结构，做到外型轮廓小，结构紧凑。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，采用的螺杆-螺母副。[关键词]电动刀架工作原理电气控制前言电动刀架是数控车床进行自动换刀的实现机构，实现刀架上刀盘的转动和刀盘的开定位、定位与夹紧的运动，以实现刀具的自动转换，具有传动机械结构、电气正反转控制、PLC编程控制等数控机床的核心内容，是每一个学习数控机床结构的学生必须掌握的，具有机械、电气的综合特点。本设计分为三部份，第一部分为绪论，涉及国内外数控机床状况分析、自动刀架状况分析、刀架设计总体方案等。第二部分为刀架机械结构设计，涉及刀架机械结构设计总体方案、刀架机械结构设计工作原理和重要传动部件功能和设计等。第三部分为刀架电气系统设计。涉及刀架电气系统设计方案、刀架电气系统工作原理和刀架电气系统硬件组成等。由于本人的实际水平有限，本设计仍然会有很多局限性之处，错误与不妥之处在所难免，故恳请老师批评指正。1.绪论1.1国内外数控机床状况分析数控技术自20世纪中叶出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工的加工柔性好，加工精度高，生产率高，能减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有助于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种典型的机电一体化产品，合用于加工多品种小批量、结构较复杂、精度规定较高、价格昂贵不允许报废的关键零件。进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业即面临着机械制造业需求水平提高而引发的制造装备发展的良机，也遭碰到加入世界贸易组织后剧烈的国际市场竞争的压力，加速推动数控机床的发展是解决机床制造业连续发展的一个关键。我国的数控技术通过“六五”，“七五”，“八五”，到“九五”的近2023的发展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发，生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业。“十五”攻关开发的成果：华中号、中华号、航天号和蓝天号4种基本系统建立了具有中国自主版机的数控技术平台。具有中国特色经济型数控系统通过这些年来的发展，有了较大的提高。它们逐渐被用户认可，在市场上站住了脚。目前我国数控机床生产厂有100多家，生产数控机床配套产品的公司有300余家，产品品种涉及八大类2023种以上。目前已新开发出数控系统80余种，分为3种型级，即经济型，普及型和高级型。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段，数控机床新开发品种300余种，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达成期际上20世纪80年代中期水平，部分达成90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。1.2自动刀架状况分析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公司研制出带ATC（自动刀具互换装置）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互换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。自动换刀装置是数控机床上最普遍的一种辅助装置，它可以使数控机床在工件一次装夹中完毕多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度。1.3刀架设计总体方案刀架是机床上的重要附件，重要是完毕零件加工过程中的换刀过程。根据刀架所用的对象，即机床，以及其要完毕的功能。刀架的设计应涉及以下内容：一、刀具安装方案设计，即刀具在刀座上的布置形式，必须考虑刀架结构的简朴，又要兼顾其安装拆卸的方便。二、传动方案设计，即是采用何种方式实现刀架的转位，精确可靠的刀架转位的实现才干使整个设计故意义。三、检测定位方案设计，刀具能否准拟定位是整个设计中非常重要的一步。四、控制方案设计，重要考虑控制元件的选择。2.刀架机械结构设计2.1刀架机械结构设计总体方案2.1.1减速传动机构方案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，必须通过减速。考虑到本设计减速比较大，选用蜗杆副减速。蜗杆传动单级传动能得到很大的传动比，传动平稳，无噪声，冲击载荷小，并且能优化整体结构，做到外型轮廓小，结构紧凑，固选蜗杆传动。2.1.2上刀体锁紧与精定位机构设计本设计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。当刀架处在锁紧状态时，上下端面齿互相啮合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；换刀时电动机正转，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，完毕转位动作。2.1.3刀架抬起机构设计要想上、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。从经济型方面考虑，应采用经济的螺杆-螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机带动螺杆绕中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动，要么上下移动。当刀架处在锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿互相啮合，由于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。当端面齿脱离啮合时，上刀体就与螺杆一同转动。设计螺杆时规定选择适当的螺距，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可以完全脱离啮合状态。2.2刀架机械结构设计工作原理图2-1回转刀架的工作原理为机械螺纹升降转位式。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环节。图2.1为自动回转刀架，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3、蜗轮螺纹即螺母机构延逆时针旋转,此时由于上下齿盘处在啮合状态，在丝杆螺母机构转动时，使上刀架体产生向上的轴向力将上齿盘松开并抬起,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“上台”动作。2)刀架转位当齿盘完全脱开，此时销钉准确进入凹槽中，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，上刀架体停止转动，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,实现精拟定位。4)刀架压紧刀架精拟定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿盘增长到一定夹紧力时，电机由数控装置停止反转，防止电机不断反转而过载毁坏，从而完毕一次换刀过程。2.3重要传动部件功能及设计2.3.1三相异步电机的选用考虑刀架只需小功率驱动，为减少生产成本，选用JD90电动机，其转速为1400r/min,额定功率为90W。2.3.2蜗杆和蜗轮的设计考虑到传递的功率不大，转速较低，选用2A蜗杆，精度8级，GB10089-1988。由《机械设计》得蜗杆选用45钢，表面淬火，硬度为45～55HRC，蜗轮齿圈用ZCuSn10P1砂模铸造，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HT150制造。刀架天天工作16个小时，工作寿命7年，每年工作300天。查表5-7得到，1）拟定作用在蜗轮上的转距T2假设i=45，按Z1=1，取效率η=0.7，则T2=T*η*i=19338.3N.mm2）拟定载荷系数K因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数Kβ=1；由使用系数KA表从而选取KA=1.15,由于转速不高，冲击不大，可取动载系数KV=1.1；则K=KA*Kβ*KV=1*1.15*1.1=1.265≈1.273）拟定弹性影响系数ZE因选用的铸锡磷青铜蜗轮和蜗杆相配，由表5-6得4）按接触疲劳强度计算查图5-10，得则将以上数据代入公式由参考文献「4」查表5-1，取m=1.6mm,d1=28mm,此时，m2d1=71.68mm3>70.09mm5）校核弯曲强度查表5-10，YF=2.35查表5-10，〔δ〕OF=64MPa由NL=3.136×107查图5-10，得YN=0.9则代入公式：<[δ]F=57.6MPa强度足够6）蜗杆和蜗轮重要几何尺寸计算=1\*GB3①蜗杆分度圆直径：d1=28mm直径系数：q=d1/m=17.5，蜗杆头数：Z1=1分度圆导程角：γ=3°16′12″蜗杆轴向齿距：PA==5.024mm；蜗杆齿顶圆直径：蜗杆齿根圆直径：蜗杆轴向齿厚：Sa=1/2=2.512mm蜗杆轴向齿距：螺纹部分长度：b1≥(11+0.06Z2)m=(11+0.06×45)×1.6mm=21.92mm考虑磨削，取b1=30mm=2\*GB3②蜗轮蜗轮齿数：Z2=41变位系数Χ=0验算传动比：i=/=41/1=41蜗轮分度圆直径：d2=mz2=65.6mm蜗轮齿顶圆直径：蜗轮齿根圆直径：蜗轮外圆直径：当在Z=1时，取de2=70mm涡轮齿宽：b2≤0.75da1=0.75×31.2=23.4mm取b2=21mm2.3.3蜗杆轴的设计1)蜗杆轴的材料选择，拟定许用应力考虑蜗杆轴重要传递蜗轮的转矩，为普通用途中小功率减速传动装置。选用45号钢，正火解决，查表11-1，得2)按扭转强度初步估算轴的最小直径查表11-2得A0=110，所以3）拟定各轴段的直径和长度根据各个零件在轴上的定位和装拆方案拟定轴的形状及直径和长度。图2-2蜗杆轴结构d1=d5同一轴上的轴承选用同一型号，d5轴上有一个键槽，故槽径增大5%d1=d5=d1′×(1+5%)=4.6mm,圆整d1=d5=17d4=d2=20mm,便于加工和安装d3为蜗杆与蜗轮啮合部分，故d3=28L1为与轴承配合的轴段，查轴承宽度为12mm，端盖宽度为10mm，则L1=22mmL2尺寸长度与刀架体的设计有关，蜗杆端面到刀架端面距离为65mm，故L2=43mmL3为蜗杆部分长度L3=30mmL4取55mm，L5在刀架体部分长度为（12+8）mm，伸出刀架部分通过联轴器与电动机相连长度为50mm，故L5=70mm两轴承的中心跨度为128mm，轴的总长为220mm4）蜗杆轴的校核转矩圆周力径向力轴向力水平面支反力水平面弯矩垂直面弯矩合成弯矩危险截面的当量弯矩校核危险截面的直径。查表7-24得，则增大3%，则d≥6.8mm，因结构设计的轴径为12mm,故满足强度条件。2.3.4中心轴的设计1）材料选择，拟定许用应力选用45号钢，正火解决，查表11-1，得2）拟定各轴段的直径和长度如图（2-2）图2-3中心轴结构3）轴横截面的惯性矩车床切削力F=2KN,G=210GPa4）强度校核满足强度条件5）刚度校核满足刚度条件2.3.5轴承的选用轴承一般都为标准件，要根据所设计轴的特点合理选择轴承考虑到轴各个方面的误差会直接传递给加工工件时的加工误差，因此选用调心性能比较好的深沟球轴承。根据载荷的大小，以及轴承的特点，所选轴承类型为深沟球轴承，由参考文献「3」附表7-4得，型号为6203，D=40mm,B=12mm。2.3.6齿盘的设计1）齿盘的材料选择和精度等级上、下齿盘均选用45号钢，淬火，180HBS初选7级精度等级2）拟定齿盘参数当换刀时，上刀架上升5mm，齿盘的齿高取4mm由得算式4=（2×1+0.25）m标准值ha*=1.0,c*=0.25求出m=1.78mm,取标准值模数m=2mm故齿盘齿全高h=（2ha*+c*）m=(2×1+0.25)×2=4.5mm取齿盘内圆直径d为64mm，外圆直径为90mm齿顶高ha=ha*m=1×2=2mm齿根高hf=(ha*+c*)m=2.5mm齿数z=38齿宽b=13mm齿厚齿盘高为5mm3）校核齿面接触疲劳强度查表6-4，取许用接触应力，许用弯曲应力转矩查表6-6，取载荷系数K=1.4，查表6-7，取ZE=189.8齿数比分度圆直径校核齿面接触疲劳强度所以齿面接触疲劳强度满足4）校核齿跟弯曲疲劳强度查表6-8，取YF=2.37，YS=1.69校核齿跟弯曲疲劳强度所以齿跟弯曲疲劳强度满足3.刀架电气系统设计3.1刀架电气系统设计方案自动回转刀架的电气控制部分重要涉及收信电路和发信电路两大块。1）收信电路：发信盘上的4只霍尔开关，转位时刀台带动磁铁旋转，当磁铁对准某一个霍尔开关时，其输出端输出低电平；当磁铁离开时，输出高电平。2）发信电路：是控制刀架电动机正反转电路，当电动机正转时，刀架换刀；电动机反转时，刀架锁紧。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；弱电部分重要由位置传感器-发讯盘构成，发讯盘采用霍尔传感器发讯。3.2刀架电气系统工作原理四工位电动刀架的工作原理是系统发出换刀信号，控制继电器动作，电动机正转，通过涡轮、蜗杆、螺杆将销盘上升至一定高度时，离合销进入离合槽，离合盘带动离合销，离合销带动销盘，销盘带动上刀体转位；当上刀体转到所需刀位时，霍尔元件电路发出到位信号，电动机反转，反靠销进入反靠盘槽，离合销从离合盘槽中爬出，刀架完毕粗定位；同时销盘下降端齿啮合，完毕精定位，刀架锁紧。需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三相异步电机正向旋转，通过蜗杆副带动螺杆正向转动，与螺杆配合的上刀体逐渐抬起，上刀体与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘也随着螺杆正向转动（上盖圆盘通过圆柱销与螺杆联接），当转过约270°时，上盖圆盘直槽的另一端转到圆柱销的正上方，由于弹簧的作用，圆柱销落入直槽内，于是上盖圆盘就通过圆柱销使得上刀体转动起来（此时端面齿已完全脱开）。上盖圆盘、圆柱销以及上刀体在转动过程中，反靠销可以从反靠圆盘中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体寻找刀位时的正向转动。上刀体带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上相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，上盖圆盘通过圆柱销带动上刀体开始反转，反靠销立即就会落入反靠圆盘的十字槽内，至此，完毕粗定位。此时，反靠销从反靠圆盘的十字槽内爬不上来，于是上刀体停止转动，开始下降，而上盖圆盘继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销的头部压入上刀体的销孔内，之后，上盖圆盘的下表面开始与圆柱销的头部滑动。在此期间，上、下刀体的端面齿逐渐啮合，实现精定位，通过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可稳定地工作。换刀原理图换刀原理图（图3-1）刀架控制电路图刀架控制电路图（图3-2）3.3刀架电气系统硬件组成3.3.1控制系统的选取根据设计的需要，本设计所选用的控制系统为GSK928TE控制系统，由该系统说明书查得，控制刀架的接口为X4。X4接口图(图3-3)3.3.2交流接触器的选取交流接触器是一种用来频繁地接通或分断电路有负载的自动控制电器。交流接触器由电磁器机构、触点系统、灭弧装置及其他部件四部分组成。其工作原理是当线圈通电后，铁芯产生电磁吸力将衔铁吸合。衔铁带动触点系统动作，使常闭触点断开，常开触点闭合。当线圈断电时，电磁力消失，衔铁在反作用弹簧力的作用下释放，触点系统随之复位。根据电动机的功率可知，电动机功率不大，所以查表2-8得，选用的交流接触器型号为CJX-9。3.3.3电磁继电器的选取电磁继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它事实上是用较小的电流。较低的电压去控制较大电流。较高的电压的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁继电器的构造：如图3-2所示，A是电磁铁，B是衔铁，C是弹簧，D是动触点，E是静触点。电磁继电器工作电路可分为低压控制电路和高压工作电路组成。控制电路是由电磁铁A、衔铁B、低压电源E1和开关组成；工作电路是由小灯泡L、电源E2和相称于开关的静触点、动触点组成。连接好工作电路，在常态时，D、E间未连通，工作电路断开。用手指将动触点压下，则D、E间因动触点与静触点接触而将工作电路接通，小灯泡L发光。闭合开关S，衔铁被电磁铁吸下来，动触点同时与两个静触点接触，使D、E间连通。这时弹簧被拉长，观测到工作电路被接通，小灯泡L发光。断开开关S，电磁铁失去磁性，对衔铁无吸引力。衔铁在弹簧的拉力作用下回到本来的位置，动触点与静触点分开，工作电路被切断，小灯泡L不发光。图3-4工作原理：电磁铁通电时，把衔铁吸下来使D和E接触，工作电路闭合。电磁铁断电时失去磁性，弹簧把衔铁拉起来，切断工作电路。根据设计的需要，本设计用的电磁继电器，为MY2NJAC110V电磁继电器应用范围:中间，品牌:OMRON/欧姆龙，型号:MY2NJ，产品系列:MYJ，触点形式:二开二闭，额定电压:AC110（V），电流性质:交流，外形:小型，功率负载:小功率，防护特性:封闭式，直流电阻:50（Ω），吸合电流:5（A），释放电流:5（A），线圈功率:0.9（W），额定工作频率:50（Hz）。4.设计总结本次设计的内容：1）刀架的换刀和锁紧是运用电动机的正反转来实现的，稳定性好，可靠性高。2）刀架换刀和锁紧是通过涡轮蜗杆机构来实现的，传动可靠，平稳。3）通过霍尔开关来检测刀位信号，从而使刀架转位更加的精确。4）运用齿盘来进行定位，简朴方便，容易实现。毕业设计的局限性1）由于对电动刀架的结识有限，从而设计中有很多问题不明白，导致设计有所局限性。2）电气控制系统部分的选取，过于简朴。5.谢辞这次的毕业设计对于我来说有着深刻的意义