数控车床回转刀架的设计.doc

2010届机械设计制造及其自动化专业毕业设计1目录第1章绪论.21.1数控车床自动回转刀架的概述.21.2研究意义.2第2章整体结构设计.32.1减速机构的设计.32.2上刀体锁紧与精定位机构的设计.32.3刀架抬起机构的设计.3第3章自动回转刀架的工作原理.4第4章主要传动部件的设计计算.64.1蜗杆副的设计计算.64.2螺杆的设计计算.12第5章电气控制部分设计.135.1硬件电路设计.135.2控制软件设计.15第6章结论.17致谢语.18参考文献.19英文翻译.20张冬冬：数控车床回转刀架的设计2数控车床回转刀架的设计摘要：对数控车床回转刀架的机电系统的相关内容进行了研究，探究数控车床回转刀架的组成和工作原理，完成对车床回转刀架机械部分和电气部分的设计。编制刀架自动转位的控制软件。采用自动回转刀架，通过刀具的快速自动定位，可以提高数控车床的效率，缩短加工时间。关键词：自动回转刀架换刀机电系统蜗杆副第1章绪论1.1数控车床自动回转刀架的概述数控车床为了能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，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，六工位和八工位等形式，根据安装的不同方式，自动回转刀架可分为立式和卧式，而根据机械定位方式不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等，其中端齿盘定位型换刀时需要将刀架抬起，换刀速度较慢且密封性差，但其结构简单。三齿盘定位叫免抬型，其特点时换刀时刀架不抬起，因此换刀速度快且密封性好，但其结构复杂。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，为保证转位之后具有高的重复定位精度，自动回转刀架还需要选择可靠的定位方案和合理的定位结构。自动回转刀架的自动换刀由控制系统和驱动电路来实现的。1.2研究意义通过采用数控机床的自动回转刀架，缩短工业加工辅助时间，减少多次安装引起的加工误差，提高效率。2010届机械设计制造及其自动化专业毕业设计3第2章整体结构设计2.1减速机构的设计电动机的选择电动机选择三步异相电动机，额定功率为90W，额定转速为1440r/min，而刀架转速设定30r/min，由于转速较高不能直接驱动刀架，因此必须经过适当的减速，。采用蜗杆副减速，蜗杆副传动可以改变运动的方向，获得较大的传动比，以保证传动精度和平稳性并能自锁，可以减少整个装置的空间，比较精简。2.2上刀体锁紧与精定位机构的设计上刀架锁紧与精定位将直接影响工件的加工精度，因为刀具直接安祖昂在上刀体上，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刀体的配合加工成提醒的端面齿。采用提醒的端面齿，刀架处于锁紧时，下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架中心轴转动，换刀的时候抬起机构使上刀体抬起，等上下刀体不能绕刀架的中心轴转动，完成定位。此结构紧密工件平稳。2.3刀架抬起机构的设计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，在此选择螺杆螺母副，并在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆涡轮带动螺杆绕中心轴转动时，而将上刀体看做螺母，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，在设计螺杆时要注意螺距的选择，而螺距的选择是否合理非常重要，选择适当以便当螺杆转动一定角度时，使上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。图1为自动回转刀架的传动机构示意图张冬冬：数控车床回转刀架的设计4刀架电动机正转螺杆正转上盖圆盘旋转上刀体抬起端面齿断开上刀体旋转到位回答蜗杆蜗轮减速销联接螺杆螺母霍尔元件触发图1自动回转刀架的传动机构示意图1-发信盘2-推力轴承3-螺杆螺母副4-端面齿盘5-反靠圆盘6-三相异步电动机7-连轴器8-蜗杆副9-反靠销10-圆柱销11-上盖圆盘12-上刀体第3章自动回转刀架的工作原理自动回转刀架的换刀流程如图3所示。图4表示自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置。当刀架处于锁紧状态时，两销的情况如图a所示，此时反靠销6落在反靠圆盘7的十字槽内，上刀体4的断面和下刀体的端面齿处于齿合状态（上下端面齿再图a中未画出）。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，与螺杆配合的上刀体4逐渐抬起，上刀体4与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘1也随着螺杆正向转动（上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆联接），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（此时端面齿已完全脱开），如图b所示。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带动上刀体4开始发转，反靠销6马上就会落入反靠圆盘7的十字槽内，至此，完成初定位，如图d所示。此时反靠销6从反靠销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的下表面开始于圆柱销2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，经过设定的延时时间2010届机械设计制造及其自动化专业毕业设计5图2自动回转刀架的换刀流程后，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。图3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连续转动时，圆柱销2落入上盖圆盘1槽内，上盖圆盘1将带动圆柱销2以及上刀体4一起转动c)上刀体4连续转动时，反靠销6可以从反靠圆盘7的槽左侧斜坡划出张冬冬：数控车床回转刀架的设计6d)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1-上盖圆盘2-圆柱销3-弹簧4-上刀体5-圆柱销6-反靠销7-反靠圆盘第4章主要传动部件的设计计算4.1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=n1/n2=1440/30=48。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，起动时冲击较大，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计算相当重要。4.1.1选择型号GB/T10085-1988中查选ZI蜗杆，此类结构简单，制造方便。4.1.2选择材料蜗杆材料用45钢，涡轮用铸锡磷青铜ZCuVSn10P1。蜗杆副传递的功率不大，但转速较高，选45钢较合适，其螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC，以提高表面耐磨性。涡轮转速较低，摩擦较大，主要考虑耐磨性，即选ZCuSn10P1。4.1.3按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。按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式：a32HpEZZKT（1）式中，a蜗杆副的传动中心距，单位为mm；2010届机械设计制造及其自动化专业毕业设计7K载荷系数；T2作用在蜗轮上的转矩T2，单位Nmm；ZE弹性影响系数，单位为MPa1/2；ZP接触系数；H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，从下表1中选择合适的中心局a的值，以及相应的蜗杆，涡轮参数。（1）确定蜗轮上的转矩2T：设蜗杆头数Z1=1,蜗杆副的传动效率=0.8.由电动机额定功率P1=90w,可以算得P2=P1*=90×0.8=72w.再由蜗杆转速n2=30r/min.2T=9.55X72/30=22.92N·m（2）确定载荷系数K=KAKKV其中KA为使用系数，由表1查得，由于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取KA=1.15；K为齿向载荷分布系数，因工作载荷在起动和停止时有变化，故取K=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=1.15×1.15×1.051.39中心距a/mm模数m/mm分度圆直径d1/mmm2d1/mm3蜗杆头数z1直径系数q分度圆导程角蜗轮齿数z2变为系数x2405011818118.003°1047628200401.252031.25116.003°343549-0.500506322.43517.923°11386282+0.040+0.440501.62051.2112.504°343551-0.50029°0525417°444163802871.68117.503°16146182+0.125+0.25040(50)(63)222.489.6111.205°060829(39)(51)-0.100(-0.100)(+0.400)210°0729419°3914628°10438010035.5142117.753°13286282+0.12550(63)(80)2.52875111.205°060829(39)(53)-0.100(+0.100)(-0.100)210°0729419°3914628°1043