数控车床自动回转刀架的设计-毕设论文.doc

2013届机械设计制造及其自动化（数控）毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目 数控车床自动回转刀架的设计 目录绪论1第一章 数控车床回转刀架概述11.1数控车床刀架的介绍11.2数控车床刀架的分类1第二章 回转刀架方案选择12.1数控车床回转刀架的基本要求 12.2 立式数控回转刀架的结构特点.22.3刀架参数的确定.32.4动力源的选择及方案选择结果.4第三章 回转刀架的工作原理及过程53.1电动刀架工作原理53.2四方刀架的主要构成部分5第四章 回转刀架的设计及计算64.1夹紧力的计算64.2最大切削扭矩74.3单工位换刀时间74.4定位精度.9第五章 主传动机构的设计和标准件的选取105.1初拟传动方案105.2选择步进电动机105.3蜗轮蜗杆的设计105.4中心轴强度校核11第六章 刀架的电气设计166.1刀架的电气控制.166.2回转刀架PLC控制.17第七章 总结.20致谢20参考文献21数控车床自动回转刀架的设计摘要 数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道甚至所有加工工序，以缩短辅助时间和减小多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。数控车床上的回转刀架就是一种最简单的自动换刀装置，这次设计的自动回转刀架具有转位快，定位精度高，切向扭矩大等特点，原理采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。关键词: 数控车床 回转刀架 特点 原理 绪论毕业设计是培养学生实践的重要环节之一,它是在大学教学课程，机械课程设计，金工实习等教学环节的基础上进行的。毕业设计的主要目的是培养我们综合运用所学基础知识、专业知识和专业技术知识及技能来分析、解决一般工程技术问题，使我们建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序规则和设计方法，为走上工作岗位打下一定的基础。国内部分刀架回转原理为电机经弹簧理合器带动蜗杆，再由蜗轮带动蜗杆旋转，当刀架转体时，由霍尔元件不断检测刀架转体是否到位，到位后霍尔元件发出信号，然后反转锁紧。主要采用有销盘、内齿盘，外齿盘组成的三端齿定位机构实现准确定位。其控制部分主要选用MCS-51系列单片机以及ATMEL公司的AT89等同类产品进行控制。在自动换刀的数控机床上，自动回转换刀装置应满足换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具储存量，换刀安全等一些可靠的要求。 第一章 数控车床回转刀架概述1.1 数控车床刀架的介绍 数控车床主要有主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动装置及数控系统组成。数控车床的出现对提高生产率改善产品质量以及改善劳动环境发挥了重要作用，传统的车床例如CA6140的刀架上只能装一把刀，换刀速度缓慢，换刀后还需重新对刀而且精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要，因此必须对车床的换刀装置进行改进，为了能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少因多次安装引起的加工误差，充分发挥数控车床的加工效率，采用“工序集中”的原则，采用自动回转刀架。数控车床上使用的自动回转刀架是一种最简单的换刀装置，自动回转刀架在一定空间范围内，能自动执行松开、转位，精密定位等一系列动作的一种机构。 1.2 数控车床刀架分类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。对于回转刀架，根据装刀数量不同，自动回转刀架分为四工位、六工位、八工位等；根据安装方式不同，自动回转刀架分为立式和卧式。本文设计的为四工位立式回转刀架。第二章 自动回转刀架方案选择2.1 数控车床自动回转刀架的基本要求数控车床回转刀架的基本要求：（1）四工位立式。（2）转位准确可靠，各种平稳安全。（3）按最短路线就最近选位，转位时间短。（4）重复定位精度高。（5）防水、防屑、密封性优良。（6）夹紧刚度高，适宜重负荷切削。CK6140为经济性数控车床。其设计的刀架可与数控车床的数控系统接口相连接，又可配置简易的数控系统，辅助主机完成轴类、盘类等零件的车外圆、端面、圆弧、刀槽、车螺纹、镗孔的加工工序。按照数控车床回转刀架的基本要求和CK6140车床的实际情况，本设计初选刀架为简易型四工位电动机回转刀架。2.2 立式数控回转刀架的结构特点 立式数控回转刀架的结构特点： 设置端齿盘作精定位元件。采用霍尔开关（无触电霍尔元件）作信号传输控制，避免了机械接触延长了使用寿命。 可以借助双重粗定位机构，使刀架回转平稳。 具有防水防滑作用。2.3 刀架参数的确定 中心高：中心高是数控车床回转刀架的主要参数。初选中心高为110。其型号及具体规格如表21：表21型号中心高mm工位数单工位时间 s刀架转速r/min最大切力矩电动机功率W电动机转速r/min最大载重kg重复定位精度mm外形尺寸mmAK21110-4M11042.525.445012014002823672002302.4 动力源的选择及方案选择结果驱动回转刀架的动力可分为电动机传动和液压传动两类。一般情况下只在卧式数控机床回转刀架中使用液压传动，而其余均为电动刀架，故对CK6140在选用时应取电动机作为回转刀架的动力源。通过对数控车床回转刀架的基本要求，结构特点，动力源及基本参数的分析，可以得出CK6140回转刀架的设计方案如下：(1) 立式简易型。(2) 伺服电动机直接驱动。(3) 中心高为110mm，工位数为4。(4) 采用霍尔开关作为信号传输控制元件。(5) 转位时刀架需要抬起，高度为5mm。21第三章 回转刀架的工作原理及过程3.1电动刀架工作原理系统发出换刀信号，刀架电机正转继电器动作，电机正转，通过减速机构和升降机构将上刀体上升至一定位置，离合盘起作用，带动上刀体旋转到所选择刀位，发讯盘发出刀位信号，刀架电机反转继电器动作，电机反转，完成初定位后上刀体下降，齿牙盘啮合，完成精确定位，并通过升降机构锁紧刀架。3.2 四方刀架的主要构成部分图31四方刀架零件图1-直流伺服电机；2-联轴套；3-蜗杆；4-蜗轮；5-刀座；6-齿盘；7-刀架；8-球头销；9-转位套；10-电刷座；11-发信体；12-螺母；1314-电刷；15-粗定位销 上图所示为四方刀架零件图，其工作过程为：刀架抬起-刀架转位-刀架定位-夹紧刀架。 刀架抬起 当数控装置发出换刀指令后，电动机1启动正常，通过套筒联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动涡轮丝杠4转动。刀架体7的内孔加工有螺纹，与螺纹丝杠旋合，涡轮与丝杠为整体结构。涡轮丝杠内孔与刀架中心轴式间隙配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，涡轮丝杠绕中心轴旋转。当涡轮开始转动时，由于刀架底座5和刀架体7上的端面齿处在啮合状态，且涡轮丝杠轴向固定，因此刀架体7抬起。 刀架转位 当刀架体抬至一定距离后，刀架底座5和刀架体7的端面体脱开，转位套9用销钉与涡轮丝杠4联接，随涡轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开时转位套正好转过160，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。 刀架定位刀架体7转动时带动着电刷座10转动，当转到程序指定的刀号时，粗定位销15在弹簧力的作用下进入粗定位盘6的槽中进行粗定位，同时电刷13接触导体使电动机1翻转。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上的端面齿啮合实现精确定位。 夹紧刀架 电动机继续反转，此时涡轮停止转动，蜗杆轴3自身转动，当两端面齿增加到一定夹紧力时，电动机1停止转动。译码装置由发信体1314组成，电刷13负责发信号，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。刀架在正向旋转的过程中不停的对刀位输入信号进行检测，如图所示，每把刀具各有一个霍尔位置检测开关。各刀具按顺序依次经过发磁体位置产生相应的刀位信号。当产生的刀位信号和目的刀位寄存器中的刀位相一致的时候，PLC认为所选刀具已到位。第四章 回转刀架的设计及计算4.1 夹紧力的计算夹紧力的计算可由下式计算：式中： 查阅CA6140车床的参数，把各项代入，计算得4.2 最大切削扭矩 回转刀架的最大切削扭矩与机床的最大切削力有关，查阅CA6140的技术资料估算最大的切削力为450Nm。（此数据参考于烟台机床附件厂AK21110-4M型数控回转刀架） 4.3 单工位换刀时间 单工位换刀时间与刀架的转速，松开速度和夹紧机构的配合有关。 T =t1t2t3t3t4t5t6 其中： t1 刀架正转时间； t2 升降机构动作时间； t3 粗定位动作时间； t4 电动机反转时间； t5 刀架座下降并刹紧完成时间； t6 继电器延长时间。 由上式可以了解到单工位换刀时间与各个机构的设计和配合有极其密切的关系。（参考烟台机床厂生产的AK21110-4M型机床）初选换刀时间T=2.53s，符合技术要求。4.4定位精度 回转刀架的重复定位精度关系到零件的加工精度，由此知精度也是关系机床质量的主要技术指标。按照CK6140普通车床的参数，初步确定回转刀架的精度为0.005mm。第五章 主传动机构的设计和标准件的选取5.1 初拟传动方案电动回旋刀架的刀架转速n=25.5rmin，电动机的转速为1400rmin，试确定传动比i140025.4=55。故选用具有较大传动比的蜗杆传动。5.2 选择步进电动机电动机所需要的功率 P=式中T(Nm)-输出转矩，nw(r/min)-电主轴所需要转速。由以上计算初选电动机功率为120200w.确定步进电动机由p=120200w可查得列表4.8-16，比较如下列表5-1。表5-1型号齿距角最大静转矩最高空载启动频率（步/秒）运行频率（步/秒）相数电压 V电流 A外径 长度重量45BF0033/6231001200360245820.3870BF0011.5/3440016005603.570901.690BF0031.5/320150080003605901254.2 注：该表查阅于李洪主编式样机车设计手册，辽宁科学技术出版社。其中，最大静转矩单位： 考虑到步进电动机与联轴器的配合及合理安装尺寸，在其满足功率的前提下优先选择尺寸较小便于安装，拆卸，清理，维护的型号，比较三个型号的功率，再比较三者的外径和安装尺寸，45BF003型号步进电动机明显优越与后者。5.3 蜗轮蜗杆的设计选择蜗杆传动类型，精度等级:8CGB1008988。选择材料考虑到蜗杆传动功率不大。速度中等，故蜗杆用45号钢表面淬火，硬度为4555HRC，考虑到工作的延续，蜗轮边缘采用铸锡磷青铜，ZcuSn10P1金属模铸造。初选几何参数 查得当中心距a=50，传动比=51时， Z=1 Z2= Zi=51确定许用应力查得知当蜗轮材料为铸青铜时， =ZZ;查得：=220Mp;查得： Z=0.87;查得Z=0.81，许用应力为： =ZZ=2200.870.81=155 Mp计算蜗轮输出转矩T： T=9550=9550=31.31Nm求载荷系数k 已知：K=kkkkkk;设v时，k=1;查表，八级精度时，k=1；由于连续运转，得；k=1；由表查得；由表查得k=1.52；由表查得k=1.15；由表查得k=0.75 K=1111.521.150.75=1.311（7）主要尺寸计算蜗杆分度圆直径：d=20蜗轮分度圆直径：d=mZ=1.651=81.6圆整取蜗轮分度圆直径为82，则中心距： a=0.5（d+ d+2xm）=0.5（20+82+0）=515.4 中心轴强度校核 选材及轴向固定方法 由于中心轴速度较低，传动力矩不大，故选用一般钢材45号钢（217-255HBS）调质.中心轴与蜗轮在轴向固定上采用紧固螺钉固接方式，固定螺钉用孔的形式和尺寸(Q/ZB14673)。 轴向的估算查得： d-危险断面的轴径，计算圆整后参见；p-计算轴传动的额定功率；p-电动机额定功率；-从电动机到该轴的传动效率；-轴的计算转速。 参加表，圆整后选取轴的直径d=28.0mm。零件在轴上的轴向固定方法该轴与零件间距小，低速轻载，故选用结构简单，定位可靠的轴套定位。轴的弯曲强度验算 挠度验算： y-验算部位计算挠度值；-允许挠度值； -验算部位计算转角值；-允许转角值； 由于轴两端均为固定，故其类型为“两端狡支架”，且轴在蜗轮的安装处受径向力和扭矩最大，其载荷和内力分布如图4-1所示。AC段: CD段:BD段:查表得转角值验算得中心轴各段长度的分配该轴各段直径相差不大，计算精度要求不高，极可以把该轴看作等径轴。直径可以取各段直径之和除以段数得到平均值。中心轴扭转刚度的验算 查得, 故扭转刚度符合要求。联轴器的选择常用联轴器已标准化，在选用时可以根据载荷特点，工作情况和条件合适的类型，再根据轴传递的转矩及参数选择。(Nm)式中：-联轴器公称转矩Nm；T-轴传递理论转矩Nm;p-驱动功率KW;-工作转速r/min;k-工作系数， 可知k=1.5:2.5取k=2 (Nm) 该联轴器是连接步进电动机和蜗杆的，在工作过程中可以有轻微震荡，且频繁启动，故选用有弹性元件的挠性联轴器，如TL，HL，ZL，型。试选三个类型进行比较如表5-2。表5-2名称型号转矩范围转速范围补偿量角向a轴向径向弹性套柱 销联轴器TL6.3160008800800/0.20.6TLL125160003801000/0.30.6弹性轴销联轴器HL7100630710063030.10.25HLL560071056007102.50.10.25弹性柱销联轴器EL40004604000460.55.00.30.5综合比较后，根据回转刀架的传动特点和运动特性而选择TL型联轴器。弹簧的选择在该设计中弹簧的主要作用是：在回转刀架的回刀的过程中，刀架抬起使弹簧拉伸。在刀架正常转位后，弹簧回复到原来的状态，其拉伸范围不大受到的拉伸力亦不大。在选用时应保证：在交变和冲击载荷下，其应力不超过其屈服极限。因而对材料要求具有较高的疲劳强度。屈服极限和一定的冲击任性。冷卷弹簧多用冷拉并经过热处理的优质碳素弹簧钢，卷后不再淬火，只需经过低温回火以消除内应力即可。热卷弹簧完成后必须先淬火再经回火处理。得出选择弹簧材料时65较合适。 表5-3钢号 淬透尺寸 钢号 淬透尺寸 碳素弹簧钢75030 65155045 60256550轴承的选择 初选轴承型号根据已经轴的直径和工作条件初选C1803型轴承。 计算两轴承的当量载荷：P1、P2 轴承：e=0.4 查得：， 轴承I在工作中少许冲击，故p 由材料，取 fp=1.5 得p=1.52800=4200N 轴承：e 由材料查： ， 轴承在工作中中等冲击，故 选择霍尔元件 电压：式中：-霍尔系数； I-控制电流（mA）: B-磁感强度； n-载流子浓度； q-电子电荷量； u-迁移率考虑到回转刀架中位移检测的需要以及各霍尔元件特点，比较后用开关型硅集成霍尔元件，其参数如下表5-4表5-4磁通密度电源电压（v）电源电流（I）输出电压输出电压LHHLLH-35+7.5405247134电源电压25选择霍尔元件的霍尔圈时，材料应选择铝合金，强度高，耐腐蚀，耐高温，还可以很好的保护霍尔元件。离合器的选择根据电动回转刀架的具体工作环境，选离合器为牙嵌式离合器。次类型离合器靠牙齿间相互齿合传递扭矩，结构简单，体积小，没有相对滑动，但运动中结合有冲击和噪音，适合低速或静态下离合。第六章 刀架的电气设计6.1 刀架的电气控制刀架电气控制基本组成 刀 架 刀 架 电 机 接触器 继电器 线路 CNC PLC 执行信息 指令信息 检 测 与 霍 尔 元 件 图6-1刀架电气控制基本组成（2）刀架电气控制原理如图6-2所示AC380V AC22OV 系统I/O模块 QF1SQ1FRKA1KA2KM1QF1 24V01号刀2号刀3号刀4号刀+24E0X 2.1X2.2X2.3X2.424EX 2.7X2.5X2.6 Y2.4Y2.5DOCCOMMKA1KA2KM2KM1KM2M3 KM1 KM2 +24V 0V图6-2刀架电气控制原理图 6.2 回转刀架PLC控制（1）自动回转刀架换刀流程刀架电机正传蜗杆正传上盖圆盘旋转上刀抬起端面齿错开圆柱销落入上盖上刀体旋转到位回答刀架电机反转蜗杆反转上下齿盘合紧销定位上刀体下降，粗定位精定位延时锁紧电动机停转图63自动回转刀架换刀流程(2) 自动回转刀架换刀流程图 开始换#N刀Y刀架电机停转#N刀转到工作位置吗#N刀在工作位置吗刀架电机正转NNYN稍作延时刀架电机反转延时锁紧延时时间到否换刀结束YN图6-4自动回转刀架换刀流程图（3）I/O地址分配表61表611号刀X2.1刀架正转Y2.42号刀X2.2刀架反转Y2.53号刀X2.3刀架锁紧X2.54号刀X2.4热继电器X2.6空气开关X2.7总结数控车床上使用的回转刀架是一种简单的自动换刀装置。自动换刀装置的换刀时间和可靠性直接影响到整个机床的质量。由于数控机床的切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，并且在加工过程中刀尖位置不能进行人工调整，因此回转刀架在结构上必须有良好的强度和钢度，以及合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位后具有尽可能高的重复定位精度。本设计用尽可能简单的机械传动结构和电器控制装置及相应检测元件，在微机的监控下能自动完成特定转角，自动准确定位。通过选择可靠的定位方案和合理的定位机构，使刀具具有较高的重复定位精度，同时换刀时间短。在这次设计中，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。 同时我们要发扬实习期间的能力和精神，成为社会有用的人才，为自己开创美好的未来。我们即将踏入工作岗位，这次毕业设计为我们的未来打下坚实的基础，让我们更好的适应工作环境，同时业锻炼了我们坚忍不拔，迎难而上的精神。锻炼了我们发现问题，解决问题的能力。这是我的最终学习目的，现在的学习为的就是以后在工作当中的熟练运用，希望能在将来的工作中，运动到这次所学到的知识 致谢时间飞逝，弹指间，几个月过去了，我的毕业设计也圆满完成，我的这次设计离不开葛卫国老师的辛勤指导，为此我想对葛老师说声老师您辛苦了。在这次设计中我深感我知识的欠缺，我也更明白了“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”的道理，每当我在设计终于到不能解决的问题是葛老师总是不厌其烦的给我讲解，直到我把问题解决。同时也得到了我同学的帮助，在此我对所有帮助我的老师和同学表示感谢。主要参考文献1 廉元国 主编 加工中心设计与应用 机械工业出版社，20002 薛彦成 主编 公差配合与技术测量 机械工业出版社，20033 曹琰 主编 数控机床的应用与维修 电子工业出版社，20074 龚仲华 主编 数控技术 机械工业出版社，20105 连赛英 主编 机床电器控制技术 机械工业出版社，20116 朱理 主编 机械原理 高等教育出版社，20107 郁有文 主编 传感器原理 西安电子科技大学出版社，20088 王三民 主编 机械原理与设计 机械工业出版社，20109 曾励 主编 机电一体化系统设计 高等教育出版社，201010 张祖继 主编 机械制图 高等教育出版社，200311 廖常初 主编 可编程序控制器 重庆大学出版社，2007CNC lathe automatic rotary turret designSummary CNC machine tools for multi-channel or all manufacturing processes to reduce the auxiliary time and reduce errors caused by multiple installations of the workpiece can be completed in a fixture of the workpiece, with automatic tool changer. The rotary turret CNC lathe is one of the most simple automatic tool changing device this design Automatic rotary turret has indexable fast, high positioning accuracy, tangential torque characteristics, the principle of a worm drive, the upper and lower teeth plate engagement screw clamping works.Keywords: CNC lathe rotary turret features principle