C616卧式车床八工位数控回转刀架设计【八工位卧式电动控制刀架+优秀课程毕业设计+含6张CAD图纸+带文献综述+36页加正文1.61万字】-jxsj11

C616卧式车床八工位数控回转刀架设计【八工位卧式电动控制刀架+优秀课程毕业设计+含6张CAD图纸+带文献综述+36页加正文1.61万字】-jxsj11【详情如下】【需要咨询购买全套设计请加QQ1459919609】8工位刀架装配图.dwg刀盘.dwg图纸副本.zip文件清单.txt文献综述.doc端盖.dwg蜗杆.dwg蜗杆轴.dwg蜗轮.dwg说明书正文.doc零件总汇图纸.dwg摘  要数控加工的加工精度高，生产率高，能减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高，它的发展和运用，影响着制造业水平高低，实现生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向，所以非常值得我们去研究。本设计通过对八工位卧式电动控制刀架的工作原理的分析，确定了多种方案，综合考虑各种方案的优缺点、性价比后，采用电动回转刀架。其刀架机构的主要部件包括减速传动机构、刀架的抬起机构、锁紧与转位精定位机构等，控制系统软件包括控制系统的选择，控制系统软硬件的设计，收发信电路的设计等，设计中所采用螺杆抬起机构、端齿盘定位机构和单片机控制系统都计较经济实用，适合我们我国现阶段数控机床的发展需要。关键词  八工位，电动刀架，自动化，8051单片机     ABSTRACTThe numerical control processing's working accuracy is high, the productivity is high, can reduce the operator labor intensity, the improvement work condition, is advantageous in production management modernization as well as the economic efficiency enhancement, its development and the utilization, are affecting the manufacturing industry horizontal height, realizes the production process numerical control, already became now the manufacturing industry development direction, therefore is worth us studying. this design through to eight location horizontal type electric control tool rest's principle of work's analysis, had determined many kinds of plans, after overall evaluation each kind of plan good and bad points, performance-to-price ratio, uses the electrically operated turret saddle. Its tool rest organization's major component including the reduction gear organization, the tool rest lifts the organization, to lock and to index the fine detent mechanism and so on, the control system software including control system's choice, the control system software and hardware's design, receives transmitting circuit's design and so on, in the design uses the screw rod to lift the organization, the end tooth plate detent mechanism and the monolithic integrated circuit control system haggles over the economy to be practical, suits our our country present stage numerically-controlled machine tool's development need. key word eight locations, electrically operated tool rest, automation, 89C51 monolithic integrated circuit.Keywords  eight locations, electrically operated tool rest, automation, 8051 monolithic integrated circuit.目   录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 引言11.2 国内外研究现状11.3 存在的问题21.4 解决的方法32 方案设计42.1 自动刀架的基本要求和类型42.1.1自动刀架的基本要求42.1.2自动刀架的类型42.2 方案的拟定和确定53 总体结构设计73.1 减速传动机构方案设计73.2 刀架抬起机构设计83.3 上刀体锁紧与精定位机构设计84 主要部件的设计计算114.1 减速传动机构的设计计算114.1.1蜗杆的选型114.1.2蜗杆副的材料选择114.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计114.1.4蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸144.1.5校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度154.2 螺杆的设计计算164.2.1螺距的确定164.2.2其他参数的确定164.2.3自锁性能校核164.3 端齿盘设计174.3.1 端齿盘的特点174.3.2 端齿盘主要参数的设计计算185 电气控制部分设计215.1 控制系统的选择215.2 控制方式的选择225.3 硬件电路设计225.3.1收信电路设计225.3.2发信电路设计235.4 控制软件设计25结论30参考文献31致谢32 文献综述： 自动刀架系统设计 1 题目的背景和意义 从 20 世纪中叶数控技术出现以来，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，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床的的发展数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件 、价格昂贵不允许报废的关键零件 。而刀架是数控机床的主要 附件之一 ，它的性能直接影响着数控机床的精度和效率，所以随着数控机床的发展必然会提高其对刀架的要求，不言 而喻，研究自动刀架系统是非常有意义的。 1,2,3 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。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压 力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。 所以应加快自动刀架系统的研究以促进数控机床的发展满足适应生产加工的需要。 1,4,5 2 国内外研究现状 自动刀架应用了自动控制、微电子、精密测量等方面的最新成就，是典型的机电一体化产品 。它的发展和运用，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，为普通机床演变为数控机床创造了条件，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。数控水平的高低已经成为衡量一个国家制造业水平高低的标志。随着数控机床的发展，以前的刀架，能装的刀具太少，定位精度不高，效率低，精度差，已不能满足要求，于是便出现了许多精度更高、刀架更大、自动化程度更高的刀架。 6,7 自动换刀装置是数控机床上最普遍的一种辅助装置，它可以使数控机车在工件一次装夹中完成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。 随着我国生产力水平的日益提高， 国内 企业要发展就必须更新大量的设备，很多企业都加大了数控设备的投入，但由于财力等客观因素，大多数企业生产设备仍以普通机床为主，不少企业为了提高效率，在普通机床上加装了数显装置，提高了机床的精度，改善了设备状况，但忽略了一个很重要的部件就是刀架，要想真正提高工作效率， 刀架是必须要考虑的附件之一 。 目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。立式刀架有四、六工位两种形式，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。 虽然数控刀架发展较快，但就我国现状而言，中、低档数控刀架的需求量较大， 而且就目前我国的技术来说是易于实现的。 为了进一步提高自动刀架的效率和精度，国际上已经有 许多自动刀架系统配有检测和反馈装置，从而使系统成为闭环系统以满足其要求，而我国现在的自动刀架大多是开环系统，所以其精度和效率不是很高。 7 3 存在的问题和 发展趋势 机床工具行业的发展，依赖于行业技术水平和创新能力的提高，依赖于机床的数控化和产品快速的升级换代，依赖于制造业从刚性自动化向柔性自动化方向转变这一社会需求，由于我国机床附件厂资金紧张，造成技术创新和技术改造的力度不大，使附件水平的发展严重滞后，成为制约民族机床工业发展的瓶颈。国产配套件在产品质量、性能、结构创新、品牌信誉、外观造型、精度稳定性等方面与发达国家相比都存在一定的差距 。 7 当前数控机床发展迅猛，向高速、高效、高精、柔性化、环保方面发展，与之相应的机床附件也随之发展。 数控刀架将结合微电子技术和计算 机技术的发展，朝着高精度化、多功能化、智能化、系统化等方向发展。 国产数控车床今后将向中高当发展，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。 6,8 参 考 文 献 1、 文怀兴、夏田编，数控机床系统设计 M2005 2、 陈婵娟主编，数控车床设计 M2006 3、 文怀兴主编，数控铣床设计 M2006 4、 恽达明，金属切削机床 M2005 5、 李蕾主编，精密机械设计 M2005 6、 J 7、 J 8、 J 摘要 I 摘 要 数控加工 的 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，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高 ， 它的发展和运用 ，影响着 制造业水平高低 ，实现生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向，所以非常值得我们去研究。 本设计 通过对 八工位卧式电动 控制 刀架 的工作原理的分析， 确定了多种方案，综合考虑各种方案的优缺点、性价比后，采用电 动回转刀架 。 其刀架机构的主要部件 包括减速传动机构、刀架的抬起机构、锁紧与转位精定位机构等 ，控制系统软件包括控制系统的选择，控制系统软硬件的设计，收发信电路的设计等 ，设计中所采用螺杆抬起机构、端齿盘定位机构和单片机控制系统都计较经济实用， 适合我们我国现阶段数控机床的发展需要。 关键词 八工位 ， 电动刀架 ，自动化， 8051 单片机 攀枝花学院本科毕业设计（论文） I he s is is is in as as is us to s of s of of s to to so s s s so in to to be s 898051 目录 目 录 摘要 I 绪论 1 言 1 内外研究现状 1 在的问题 2 决的方法 3 2 方案设计 4 动刀架的基本要求和类型 4 动刀架的基本要求 4 动刀架的类型 4 案的拟定和确定 5 3 总体结构设计 7 速传动机构方案设计 7 架抬起机构设计 8 刀体锁紧与精定位机构设计 8 4 主要部件的设计计算 11 速传动机构的设计计算 11 杆的选型 11 杆副的材料选择 11 齿面接触疲劳强度进行设计 11 杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸 14 核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 15 杆的设计计算 16 距的确定 16 他参数的确定 16 锁性能校核 16 齿盘设计 17 齿盘的特点 17 齿盘主要参数的设计计算 18 5 电气控制部分设计 21 目录 制系统的选择 21 制方式的选择 22 件电路设计 22 信电路设计 22 信电路设计 23 制软件设计 25 结论 30 参考文献 31 致谢 32 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪论 1 1 绪论 言 电动刀架是数控车床重要的传统结构 ， 应用了自动控制、微电子、 传感 测量等方面的最新成就，是典型的机电一体化产品。 合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效地提高劳动生产率，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；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祛对执行机构 (如步进电机等 )发出相应的控制指令补，很重要的一点是数控车床需配备易于控制的电动刀架，以便一次装夹所需各种刀具，灵活、方便地完成各种几何形状的加工。 因此 它的发展和运用，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，为普通机床演变为数控机床创造了条件，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。数控水平的高低已经成为衡量一个国家制造业水平高低的标志 ，实现生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向。 当前，数控车床的发展很快，特别是适合中 国国情的经济型简易数控车床的迅猛发展，与之相适应的电动刀架的研究与生产也日趋活跃。 内外研究现状 数控机床是先进制造业的基础机械，是最典型的多品种、小批量、高技术含量的机电一体化产品。目前世界数控机床年产量超过 25万台，品种超过 1500种。由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势。目前我国数控机床技术发 展的现状是： 产品成熟度差，可靠性不高 产品品种少，不能满足市场需求 创新能力低，市场竞争力不强 数控机床行业的专业化零配件及部件的协作生产配套体系不健全，大多数企业都是 “ 大而全、小而全 ” 的结构模式。 近期我国在数控机床的发展方面，主要采取跟踪高级型、发展普及型、扩大经济型，以普及型为主的策略，重点发展。 目前我国机床主机厂刀架资源有以下五个来源： 主机厂自制； 来自意大利和德国； 来自烟台环球机床附件集团有限公司； 来自江苏常州地区若干企业； 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪论 2 来自台湾地区。 其中常州地区的刀架生产企业占据经济性刀架的主流市场 。 据专家 分析预测： 数控机床推广应用逐步由经济型为主向普及型为主转变。到 2005 年我国机床的数控化率为 到 2010年将达到 在 2001济型所占比重继续减少，普及型所占比重继续增长，高级型的需求缓慢增长。 出口前景良好。 1998 年及前几年我国机床工具的出口额徘徊在 5 亿美元左右， 2000年上升到 着东南亚经济复苏和我国出口多极化市场的形成和巩固，以及我国加入 后几年我国机床出口将实现平稳、持续增长。预计到 2010年出口创汇可达到 13亿美元。 本系统利用单片机的特性，在刀架与 控系统）之间架起一座桥梁，以提高刀架的运行性能。而单片机指令丰富 ,运行速度高 ,软件组态灵活 ,可以方便地实现多模式控制 ,为实现高性能系统提供了技术保证。 在的问题 目前数控刀架控制存在的问题是： 控制粗，自诊断功能弱，故障率高，排除故障时间长 。 目前刀架的控制都是由 内置 固化 I/O 控制来完成。这种控制的优点是实现方便，但对刀架的控制不够精确。由于刀架的品种繁多，结构各异，使得机床厂家的技术人员或 程序开发人员对刀架的控制 很难把握得非常准确。由于刀架的控制粗陋， 接口资源的限制，致使刀架的故障率高，故障提示简单，使技术人员对刀架的故障不能进一步地细分，无形中增加了故障率和故障的排除时间。 无锁紧状态、智能识别功能。 目前，市场占有率最高的电动单向转刀架其锁紧控制采用延时方式，这种控制的特点是简单、可靠，但对刀架的使用寿命有害。由于使用统一的延时时间进行刀架的锁紧控制，这就使得许 多刀架锁不紧或锁得太紧，进而造成零件加工精度丧失、下次换刀失败 。 控制通用性差。由于刀架的控制时序不同，刀架所安装的发讯装置各异，因此不同 的刀架要使用不同的控制程序和控制接口电路，给刀架的使用带来不便。 影响中高档刀架的推广使用。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪论 3 数控刀架是数控车床上的最复杂的机电一体化功能部件之一，其控制程序复杂（尤其对双向转刀架）。数控机床厂的技术开发人员，需花费相当多的时间及精力，在有足够经验积累的基础上， 才 能编 制出功能完善的刀架控制程序。这极大地影响了机床厂家的新产品开发进度。特别对于现在发展迅猛、数量众多的民营、私营机床企业，其技术力量薄弱，许多企业不具备刀架控制程序的开发能力，这就限制了中高档刀架的推广和使用。另一方面，目前国内企业使用最普及的 经济型 就限制了双向转刀架的推广和使用。 决的 方 法 首先按刀架的不同控制方式进行分类，将各种刀架的控制程序都集成在单片机上，通过刀架选择开关确定对不同刀架的控制。其次根据刀架发讯装置的不同，设计专用的接口电路。经过这样设计的刀架控制系统可以控制电动单向转、电动双向转、液压等各类型刀架且可兼容 4工位、 6工位、 8工位、 12工位等多种规格刀架。实现刀架控制的通用性。 其次独立的刀架控制系统可与 方面可以大大简化 刀架控制程序的编制工作，另一方面可以实现 经济型数控系统对双向转刀架的控制。该刀架控制系统也可以脱离 内装的刀架自检测程序可控制刀架运行，在刀架发生故障时用以判断故障在刀架侧或在 据各种刀架的控制过程，将刀架运行过程中可能出现的各种故障，制作出自诊断表，分配故障代码，给出故障报警，方便用户维修。 本设计主要针对中低档经济型数控机床设计的自动回转刀架， 用单片机作为其控制系统的 具有位处理能力 ,强调控制和事务处理功能 ， 价格低廉 ，控制可靠的特点。 经过反复的检查和论证，能够满足经济型数控机床的要求。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 方案设计 4 2 方案设计 在零件的制造过程中，大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等非切削时间上，切削加工时间仅占整个工时中较小的比例。为了缩短非切削时间，充分发挥机床的效率，往往采用“工序集中”的原则。常见的自动回转刀架就是为了实现上述功能而设计的。 动刀架的基本要求和类型 动刀架的基本要求 满足工艺要求 机床依靠刀具和工件间的相对运动形成工作表面，而加工工件的表面形状和表面位置多种多样，要求刀架 尽可能布置足够的刀具，换刀时间短，能够方便而正确地加工各工件表面。 保证足够高的重复定位精度 在刀架上安装刀具时应能精确地调整刀具的位置，以保证刀具和工件间准确的相对位置，而且精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。 具有足够的刚度 刀架在粗车时要承受很大的切削力，所以刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖的位置，对于数控车床来说，在加工过程中刀具的位置不能进行人工调整，因此必须要有可靠的定位方案和合理的定位结构，才能保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度。 提高可靠性 由于自动换刀装置在机床工作过程中，使用频率很高，所以 拥有很高的 可靠性 非常重要 。 缩短换刀时间 自动刀架 是为了提高机床的自动化而设置的，因而它的换刀时间应尽可能的短，有 利于提高生产效率。 动刀架的 类型 一般自动刀架的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量。目前的数控车床的自动刀架的类型、结构特点和适用范围见表 表 自动刀架的类型 类别形式 特点 适用范围 回转刀架 多为顺序换刀，换刀时间短、结构简单紧凑、容纳刀具少 各种数控机床、数控车削中心 转塔头 顺序换刀， 换刀时间短刀具主轴都集中在转塔头上，结构紧凑 ,但刚性差 数控钻 、镗、铣床 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 方案设计 5 案的拟定 和确定 从表 可以得出由于转塔头的主轴部件多，结构复杂，成本高，本 设计 的自动刀架应选为自动回转刀架。 自动 回转 刀架系统的功能分析 ： 抬起：为了使刀架能够转位，回转刀架必须先抬起。 转位 ： 为了完成工件若干个工序的加工，在 回转 刀架上固定着 8组刀具，为使各组刀具能依次参加工作， 回转 刀架需相应转位 。 定位 ： 为保证加工精度，在加工时 回转 刀架应精确定位，而在转位时应先将定位销拔出。 锁紧： 刀架在反转后，必须锁紧才能正常加工工件。 自动刀架 的驱动装置 可以 是液压驱动 也可以 是 电动驱动，液压驱动的刀架即液压刀架 ，电动机驱动的刀架即 电动刀架 。 液压刀架的初步方案简图如下图 示。 拔爪液压缸摆动阀芯 图 液压刀架 其工作原理为：它利用摆动液压缸来控制刀架转位，图中有摆动阀芯、拨爪、小液压缸。拨爪带动刀架转位，小液压缸向下拉紧，从而产生拉紧力。液压式刀架的特点在于转位可靠，拉紧力大，但需要额外的一套液压系统（机床自身有时则不需要）。 电动 刀架的初步方案简图如下图 示。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 方案设计 6 离合器电动机蜗轮副螺母电动刀架 其工作原理为： 当数控装置发出 换刀 指令后，电动机正转，通过离合器带动蜗杆旋转，在经过蜗轮 带动轴旋转，从而使刀架抬起，刀架抬起后，电动机继续转动带动刀架转位， 完成转位后，经过延时 使电机反转，压紧刀架。 综上所述， 液压自动回转刀架精度高、效率高，但其结构复杂，成本高。而 电动自动回转刀架相对于液压回转刀架性能略差，但其结构简单、维护方便、成本低，所以非常适合经济型数控机床，因为本课题中的刀具数目为八把，数量较少，应为经济型数控车床所设计，所以选择电动自动回转刀架。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 总体结构设计 7 3 总体结构设计 根据已选的电动自动回转刀架 ，确定 其工作 流程，见自动回转刀架换刀流程如图 并 对其进行总体性 结构 设计。包括：减速传动机构方案设计、刀架抬起机构设计、 上刀体锁紧与精定位机构设计。 刀架电动机正转蜗 轮 - 蜗 杆 减 速螺杆正转销联接螺 杆 - 螺 母上盖圆盘旋转上刀体抬起端面齿错开圆柱销落入上盖圆盘上刀体旋转到位回答刀架电动机反转接近开关触发螺杆反转 反靠销反靠端面齿啮合上刀体下降，粗定位精定位延时锁紧电动机停转图 动回转刀架的换刀流程 速传动机构 方 案设计 由于电动机 的 转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必须经过减速机构进行减速， 减速机构 一般 可以设计成齿轮传动、蜗轮蜗杆传动 、 带轮 齿轮传动 、链条传动 。 齿轮传动的特点是： 传动比准确，工作平稳，传动效率高，一般可以达到95%以上，精度较高的圆柱齿轮副可以达到 99%； 传动效率高、 传递功率范围广，可以从仪表中齿轮微小功率的传动到大型动力机械几万千瓦功率的传动；结构紧凑、维护简便和使用寿命长。 但 要求较高的制造和安装精度，成本较高； 传动比小 不适宜于远距离两轴之间的传动 ； 低精度齿轮在传动时会产生噪声和振动 。 蜗轮蜗杆传动的特点：由 于 蜗杆上的轮齿是连续的螺旋齿，同时啮合齿多，攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 总体结构设计 8 故动载荷小，传动平稳 ；能以单级传动获得较大的传动比，机构紧凑； 啮合轮齿间有很大的相对滑动速度，在 转递载荷时，磨损大效率低，发热严重，需进行热平衡计算 ；当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，具有反行程自锁性。 链传动的特点 ： 能够保证平均传动比不变； 可用于大中心距的传动，传动效率高； 其瞬时传动比是变化的 不适用于传动比为常数的场合；工作时有冲击和噪声；制造成本高，安装要求准确，需要有适当的润滑和张紧措施。 综合考虑以上各种类型的传动特点，结合本设计的实际情况，由于 减速比较大， 若选用齿轮传动 则 必须设计成多级齿轮传动，其结构复杂、体积较大而且多级齿轮成本 高。带轮 齿轮传动同样是结构复杂、成本较高。 根据链传 动的特点可知其不适合本设计的传动要求。 而蜗轮 蜗杆传动所得的 单级 传动比很大 ，可以改变运动方向， 能够保证传递动的精度和平稳性， 虽然其效率不高，功耗损失较大，但是由于本机构所需的功率很小，因此选用蜗杆副减速。 架抬起机构设计 在执行 换刀 动作 时，刀架必须先执行抬起动作，然后在由蜗轮旋转进行选刀。 刀架抬起机构可以设计成凸台棘爪机构也可以设计成螺杆 台棘爪机构的机构复杂，凸台和棘爪的加工难度大，成本高。螺杆 动轴向力大， 加工容易，成本低，能够完成刀架的抬起动作。 从经济型方面考虑， 应采用经济的螺杆 上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆 为螺母的上刀体要么转动要么上下移动。到刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端齿面相互啮合时，因为这时上刀体不能与蜗杆一起转动，所以螺杆的转动只能使上刀体向上移动。当端面齿脱离啮合时，上刀体就与螺杆一同转动。 刀体锁紧与精定位 机构设计 因为刀具直接安装在上刀体上， 在切削时 要承受很大的切削力，其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。本设计上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。 当刀架处于琐紧状态时，上下端面齿相互啮合，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，完成转位动作。 图 换刀过程中有关销的位置。其中上部的圆柱销 2和下部的反靠销 6 起着重要作用。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 总体结构设计 9 上盖圆盘转动方向 上盖圆盘转动方向 上盖圆盘转动方向 上盖圆盘转动方向图 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完全抬起后，圆柱销 2 落入上盖圆盘 1操内，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可从反靠盘 7 的槽左侧斜坡滑出 d) 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 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 落在反靠盘 7的十字槽内，上刀体 4的端面齿和峡到体的端面齿处于啮合状态（上下端齿在图 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，上端圆盘 1也随着螺杆正向转动（上端圆盘 1 通过圆柱销与螺杆联接），当转过约 170 度时，上端圆盘 1 直槽的另一端转到圆柱 2的正上方，由于弹簧 3的作用，圆柱销 2落入直槽内，于是上端圆盘 1就通过圆柱销 2使得上刀体 4转动起来（此时端齿面齿已完全脱开）。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 上刀体 4 带动磁铁转到需要的刀位时 ，发信盘上对应的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开始反转，反靠销 6马上就会落入反靠圆盘 7的十字槽内，至此，完成粗定位，如图 时，反靠销 6马上就会落入反靠圆盘 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，其直槽的左攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 总体结构设计 10 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的下表面开始与圆柱销 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后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。 由于蜗杆副具有自琐功能，所以刀架可稳定的工作。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 4 主要部件的设计计算 11 4 主要部件的设计计算 根据上述所确定的刀架方案，其结构中的主要部件有减速传动机构即蜗轮蜗杆机构、刀架的抬起转位机构螺杆 精 定位机构端齿盘等。 速传动机构 的设计计算 本设计的减速传动机构是蜗轮蜗杆副， 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 通过联轴器相连， 刀架转位时蜗轮与上刀体直联。 由于刀架转动所需的功率较小，所以选取 额定功率 为 1P =90W，额定转速1n =1440r/电动机 ,上刀体设计转速 02 ， 则蜗杆副的传动比4830/1 4 4 0/ 21 刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，启动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命 0000L 。 杆的选型 根据 10085荐采用渐开 线蜗杆（ 锥面包络蜗杆（ 本设计采用结构简单、制造方便的渐开线型圆柱蜗杆 (。 杆副的材料 选择 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 55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 用金属模铸造。 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，在进行承载能力计算时，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为： 23 2 () T （ 式中 位为 2位为 12 位 H位为 上 式算出蜗杆副的中心距 a 之后，根据传动比 i=48，从表 选择一攀枝花学院本科毕业设计（论文） 4 主要部件的设计计算 12 个合适的中心距 a 值，以及相应的蜗杆、蜗轮参数。 表 通圆柱蜗杆基本尺寸和参数选择及其蜗轮参数的匹配 中心距a/数 m/度直径/ 1 3蜗杆头数1q 分度圆导程角 蜗轮齿数 220 1 18 18 1 1047 62 82 0 0 40 0 3435 49 0 63 5 1138 62 82 +0 0 3426 51 9 0525 4 17 44 41 63 80 28 1614 61 82 +0 (50) (63) 2 0608 29 (39) (51) (+2 10 07 29 4 19 39 14 6 28 10 43 80 100 42 1 1328 62 82 +0 (63) (80) 8 75 1 0608 29 (39) (53) +(2 10 07 29 4 19 39 14 6 28 10 43 100 45 0415 62 0 63 (80) (100) 0415 29 (39) (53) +(2 10 03 48 4 19 32 29 6 28 01 50 125 56 1310 62 0 (100) (125) 4 40 640 1 4228 31 (41) (51) ()+ 11 18 36 4 21 48 05 6 30 57 50 160 71 1136 1 1328 62 + 确定作用在蜗轮上的转矩2， 。有电动机的额定功率 1 90p W,可以算得蜗轮传递的功率 21，再攀枝花学院本科毕业设计（论文） 4 主要部件的设计计算 13 有蜗轮的转速2 3 0 m 得作用在蜗轮上的转矩： 2229 0 0 . 89 . 5 5 9 . 5 5 2 2 . 9 230 确定载荷系数 K 载荷系数 K K。其中表 于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取 ； 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 ；于转速不高、冲击不大，可取 。则有载荷系数： 1 . 1 5 1 . 1 5 1 . 0 5 1 . 3 9 K K 表 用系数I 荷性质 均匀、无冲击 不均匀、小冲击 不均匀、大冲击 每小时起动次数 25 25 50 起动载荷 小 较大 大 确定弹性影响系数有关手册查得弹性影响系数 12160 P。 确定接触系数a 的比值1 从图 。 图 柱蜗杆传动的接触系数确定许用接触应力 H根据蜗轮材料为铸锡磷青铜 10 1 、金属模铸造、蜗杆螺旋齿面硬度大于 45从表 268H M P a 。由于蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个齿轮啮合的次数 j=1；蜗轮转速2 3 0 / m 蜗杆副的使用寿命 10000则应力循环次数： 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 4 主要部件的设计计算 14 726 0 6 0 1 3 0 1 0 0 0 0 1 . 8 1 0hN j n L 寿命系数： 78 10 0 . 9 2 9表 锡磷青铜蜗轮的基本许用接触应力 H 蜗轮材料 铸造方法 蜗杆螺旋面的硬度 45锡磷青铜 10 1 砂模铸造 150 180 金属模铸造 220 268 铸锡锌铅青铜 5 5 5ZC b 模铸造 113 135 金属模铸造 128 140 许用接触应力 : 0 . 9 2 9 2 6 8 2 4 9H H N P a M P a 计算中心距 将以还是各参数带入式 (6求得中心距 : 23 1 6 0 2 . 91 . 3 9 2 2 9 2 0 ( ) 4 8249a m m m m 查表 中心距 a=50知蜗杆头数1 1z,设模数 m=蜗杆分度圆直径1 20d 这时1 / 由图 数 。因为,因此以上计算 结果可用。 杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸 由 蜗杆和蜗轮的基本尺寸和主要参数，算得蜗杆和蜗轮的主要几何尺寸后，即可绘制蜗杆副的工作图了。 蜗 杆 参 数 与 尺 寸 头数11z，模数 m= 轴 向 齿 距5 . 0 2 7ap m m m ，轴向齿厚 0 . 5 2 . 5 1 4as m m m ，分度圆直径 1 20d ，直径系数1 / 1 2 d m，分度圆导程角1a r c t a n ( / ) 4 3 4 2 6 。 取齿顶高系数 * 1，径向间隙系数 * ，则 齿顶圆直径 ： *11 2 2 0 2 1 1 . 6 2 3 . 2d h m m m 齿根圆直径 ： *11 2 ( ) 2 0 2 1 . 6 ( 1 0 . 6 ) 1 6 . 1 6d m h c 蜗 轮 参数与尺寸 齿数2 48z ，模数 m=分度圆直径为 ： 22 1 . 6 1 8 7 6 . 8d m z m m 变位系数 ： 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 4 主要部件的设计计算 15 2 1 2( ) / 2 / 5 0 ( 2 0 7 6 . 8 ) / 2 / 1 . 6 1x a d d m 蜗轮喉圆直径为 ： *2 2 22 ( ) 7 6 . 8 2 1 . 6 ( 1 1 ) 8 3 . 2d m h x m m 蜗轮齿根圆直径为 ： *2 2 22 ( ) 7 6 . 8 2 1 . 6 ( 1 1 0 . 2 ) 7 6 . 1 6d m h x c m m 蜗轮咽喉母圆半径 ： 22 2 5 0 8 3 . 2 2 8 . 4a d m m 。 核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 检验下式是否成立，即可较核蜗轮齿根弯曲疲劳强度。 2 2121 . 5 3F F a Yd d m（ 式中 F 蜗轮齿根弯曲应力，单位为 2 蜗轮齿形系数； Y 螺旋角影响系数； F 蜗轮的许用弯曲应力，单位为 由蜗杆头数1z=1，传动比 i=48，可以算出蜗轮齿数2148z 。 则蜗轮的当量齿数：22 3 4 8 . 4 6c o sv 根据蜗轮变位系数2 1x 和当量齿数2 ，查 手册 得齿形系数 ：2 螺旋角影响系数： 1 0 . 9 6 7140Y 根据蜗杆的材料和制造方法，查表 得蜗轮基本许用弯曲应力： 56F M P a 蜗轮的寿命系数： 661 0 1 09 9 0 . 7 2 571 . 8 1 0K 蜗轮的许用弯曲应力： 5 6 0 . 7 2 5 4 0 . 6F F F P a 将以上参数带入式（ 3，得蜗轮齿根弯曲应力： 1 . 5 3 1 . 3 9 2 2 9 2 0 1 . 9 5 0 . 9 6 7 3 7 . 42 0 7 6 . 8 1 . 6F M P a M P a 可见 ，蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 4 主要部件的设计计算 16 表 轮的基本许用弯曲应力 F单位： （ 蜗轮材料 铸造方法 单侧工作 0F 双侧工作 1F 铸锡磷青铜 10 1 砂模铸造 40 29 金属模铸造 56 40 铸锡锌铅青铜 5 5 5ZC b 模铸造 26 22 金属模铸造 32 26 铸铝铁青铜 110 3e 砂模铸造 80 57 金属模铸造 90 64 灰铸铁 模铸造 40 28 模铸造 48 34 杆的设计计算 距的确定 刀架转位时，要求螺杆在转动约 170 的情况下，上刀体的端面齿与下刀体的端面齿完全脱离；在锁紧的时候，要求上下端 面齿的啮合深度达 2此，螺杆的螺距 P 应满足 360/170 ，即 ，今取螺杆的螺距 。 他参数的确定 采用单头梯形螺纹，头数 1n ,牙侧角 15 ，外螺纹大径（公称直径）01 ，牙侧间隙 ，基本牙型高度 ，外螺纹高c ，外螺纹中径 72 ，外螺纹小径 33 ，螺杆螺纹部分长度 0 。 锁性能校核 螺杆螺母材料均用 45 钢，查表 二者的摩擦因素 11.0f ；再求得梯形螺旋 副的当量摩擦角： o sa rc ta n 1ar ct ct 小于当量摩擦角，因此，所选几何参数满足自锁条件。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 4 主要部件的设计计算 17 表 滑动螺旋副材料的许用压力 p 及摩擦因素 f 蜗杆 滑动速度 / 1( m 许用压力 /擦因素 f 钢 低速 18 25 1 18 6 12 7 10 15 1 2 淬火钢 6 12 10 13 3 18 12 4 7 钢 低速 13 齿盘设计 端齿盘又称多齿盘、细齿盘、鼠牙盘，是具有自动定心功能的精密分度定位元件，广泛应用于加工中心、柔性单元、数控机床、组合机床、测量仪器、各种高精度间歇式圆周分 度装置、多工位定位机构以及其它需要精密分度的各种设备上。端齿盘实际上相当于一对齿数相同的离合器，其啮合过程与离合器的啮合类似。端齿盘的齿形有直齿和弧齿两种，直齿端齿盘加工方便、定位精度及重复定位精度高。 齿盘的特点 在分度及定位装置中，一般用端齿盘作为其精确定位元件。它具有以下优点： 分度精度高 最高分度精度 可高达 ， 实际分度误差等于所有齿单个分度误差的平均值。 分度范围大 分度大小与齿数有关。如齿数为 360齿时，最小分度值为 1o ，用差动端齿分度装置，分度范围更大 。 精度的重复性和持久性好 重复定位精度可达 。由于工作时相当于上下齿盘在不断地对研，因此使用越久，分度精度的重复性和持久性也就越好，而且精度有可能提高。 刚性好 因所有齿面同时参加啮合，不论承受的是切向力、径向力还是轴向力，整个分度装置形成一个良好的刚性整体。 结构紧凑，使用方便，这一点比其它高精度的分度装置更为突出。 维护简便，多次拆装不影响其原有的精度。 除以 上优点外，它也有 以下 缺点： 要设计升降机构，使两齿盘问脱开一定的距离 (应大于啮合高度 )，以实现转位分度。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 4 主要部件的设计计算 18 必须有锁紧机构，防止在使用过程中受外力和力矩作用而使上下齿盘脱开或侧倾。 要采取防尘防屑措施，齿面的灰尘及切屑等杂物会影响到定位精度及锁紧程度。 不能进行任意连续分度，分度时至少要转过一个齿，所以一般只能将圆周分成有限的等分角。 齿盘主要参数的设计计算 本设计采用 齿形为三角形的直齿端齿盘的基本结构 ，其 参 数 计算 如下 。 齿数 文献综述： 自动刀架系统设计 1 题目的背景和意义 从 20 世纪中叶数控技术出现以来，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，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床的的发展数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件 、价格昂贵不允许报废的关键零件 。而刀架是数控机床的主要 附件之一 ，它的性能直接影响着数控机床的精度和效率，所以随着数控机床的发展必然会提高其对刀架的要求，不言 而喻，研究自动刀架系统是非常有意义的。 1,2,3 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。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压 力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。 所以应加快自动刀架系统的研究以促进数控机床的发展满足适应生产加工的需要。 1,4,5 2 国内外研究现状 自动刀架应用了自动控制、微电子、精密测量等方面的最新成就，是典型的机电一体化产品 。它的发展和运用，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，为普通机床演变为数控机床创造了条件，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。数控水平的高低已经成为衡量一个国家制造业水平高低的标志。随着数控机床的发展，以前的刀架，能装的刀具太少，定位精度不高，效率低，精度差，已不能满足要求，于是便出现了许多精度更高、刀架更大、自动化程度更高的刀架。 6,7 自动换刀装置是数控机床上最普遍的一种辅助装置，它可以使数控机车在工件一次装夹中完成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。 随着我国生产力水平的日益提高， 国内 企业要发展就必须更新大量的设备，很多企业都加大了数控设备的投入，但由于财力等客观因素，大多数企业生产设备仍以普通机床为主，不少企业为了提高效率，在普通机床上加装了数显装置，提高了机床的精度，改善了设备状况，但忽略了一个很重要的部件就是刀架，要想真正提高工作效率， 刀架是必须要考虑的附件之一 。 目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。立式刀架有四、六工位两种形式，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。 虽然数控刀架发展较快，但就我国现状而言，中、低档数控刀架的需求量较大， 而且就目前我国的技术来说是易于实现的。 为了进一步提高自动刀架的效率和精度，国际上已经有 许多自动刀架系统配有检测和反馈装置，从而使系统成为闭环系统以满足其要求，而我国现在的自动刀架大多是开环系统，所以其精度和效率不是很高。 7 3 存在的问题和 发展趋势 机床工具行业的发展，依赖于行业技术水平和创新能力的提高，依赖于机床的数控化和产品快速的升级换代，依赖于制造业从刚性自动化向柔性自动化方向转变这一社会需求，由于我国机床附件厂资金紧张，造成技术创新和技术改造的力度不大，使附件水平的发展严重滞后，成为制约民族机床工业发展的瓶颈。国产配套件在产品质量、性能、结构创新、品牌信誉、外观造型、精度稳定性等方面与发达国家相比都存在一定的差距 。 7 当前数控机床发展迅猛，向高速、高效、高精、柔性化、环保方面发展，与之相应的机床附件也随之发展。 数控刀架将结合微电子技术和计算 机技术的发展，朝着高精度化、多功能化、智能化、系统化等方向发展。 国产数控车床今后将向中高当发展，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。 6,8 参 考 文 献 1、 文怀兴、夏田编，数控机床系统设计 M2005 2、 陈婵娟主编，数控车床设计 M2006 3、 文怀兴主编，数控铣床设计 M2006 4、 恽达明，金属切削机床 M2005 5、 李蕾主编，精密机械设计 M2005 6、 J 7、 J 8、 J