卧式数控车床刀架结构与驱动系统设计.docx

南京航空航天大学
毕业设计（论文）开题报告

题 目
卧式数控车床刀架结构及驱动系统设计
系 部
机电工程系
专 业
机械工程及自动化
学生姓名
崔美
学号
2007011102
指导教师
杨雪
职称
助教
毕设地点
南京航空航天大学

2011年 3 月 10 日
填 写 要 求

1．开题报告只需填写“文献综述”、“研究或解决的问题和拟采用的方法”两部分内容，其他信息由系统自动生成，不需要手工填写。
2．为了与网上任务书兼容及最终打印格式一致，开题报告采用固定格式，如有不适请调整内容以适应表格大小并保持整体美观，切勿轻易改变格式。
3．任务书须用A4纸，小4号字，黑色宋体，行距1.5倍。
4．使用此开题报告模板填写完毕，可直接粘接复制相应的内容到毕业设计网络系统。

1. 结合毕业设计（论文）课题任务情况，根据所查阅的文献资料，撰写1500～2000字左右的文献综述：
数控机床是多品种小批量生产的高效自动化的技术群体, 它是把多工序加工、切削处理、刀具磨损和测量等各种功能集为一体的自动化机床。随着科学技术的迅猛发展, 数控机床已是衡量一个国家机械制造工业水平的重要标志。
其中数控回转刀架是数控车床的重要部件之一, 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。目前， 国内外都在不断地提高数控回转刀架的重复定位精度和转位速度, 以适应高质量、高效率生产的要求。
1.1 自动回转刀架的发展和应用
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。电动回转刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动回转刀架，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指令外，很重要的一点是数控车床配备了易于控制的电动回转刀架，以便一次装夹所需的各种刀具，灵活、方便地完成各种几何形状的加工。
1.2自动回转刀架的现实意义
数控机床以其高效率在工业发展上发挥了重要的作用，数控回转刀架是数控车床重要部件之一, 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。它在一定程度上标志着数控车床的技术水平, 并且与加工精度和生产效率密切相关。因此, 国内外都在不断地提高数控回转刀架的重复定位精度和换刀速度, 以适应高质量、高效率生产的要求。目前具有世界先进水平的数控车床, 其换刀速度已达到1s 以内, 重复定位精度可保证小于0.002mm。
1.3数控回转刀架的展望
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。
德国Sauter（肖特）公司的产品的性能指标较高,代表数控车床用转塔刀架的发展前沿,具体表现在:
（1）刀架转位时间最短,且转位准确。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转位快，定位精度高，切向扭矩大的特点。它采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。
（2）刀架定位精度高、动作迅速、稳定可靠。因为数控机床的切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置。由于在加工过程中刀尖位置不进行人工调整,因此, 转塔刀架在结构上必须有足够的强度和刚性,以及合理的定位结构, 以保证转塔刀架在每一次转位之后, 都具有尽可能高的重复定位精度。Sauter 公司产品正是满足了这一要求, 才使其能够承受粗加工时的切削抗力同时满足各种精密加工的要求。
（3）可多刀夹持, 双向转位和任意刀位就近选刀。
（4）应用范围广, 维修方便等特点。
1.4数控回转刀架的设计
数控车床为了能在工作的一次装夹中完成多工序加工，缩短辅助时间，减少多次安装所引起的工作误差，必须带有自动回转刀架。根据当今数控车床的发展现状与未来发展趋势，数控回转刀架发展方向是多学科知识交叉。拥有位置检测装置以及闭环控制系统以期达到最理想的设计要求与应用要求。综合上述,可以看出数控回转刀架是一个机电一体化的产品。它使用蜗轮蜗杆机构、丝杆螺母机构抬起旋转刀架,用霍尔开关检测刀位并通过数控系统控制回转电机正反转。利用多齿盘的高精度精确定位。自动回转刀架控制精确、定位准确,是数控车床理想的自动换刀装置。
设计步骤：
一、主要机械结构设计
（1）减速传动机构的设计—蜗杆副的设计计算
1.1蜗杆的选型
1.2 蜗杆副的材料
1.3按齿面接触疲劳强度进行设计
1.4蜗杆和蜗轮的主要计算参数和几何尺寸
1.5校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度
（2）刀架抬起机构设计
（3）上刀体锁紧与精定位机构的设计—螺杆的设计计算
3.1 螺距的确定
3.2其它参数的确定
3.3自锁性能校核
二、电气控制部分设计
（1）控制芯片及I/O接口芯片的选型
1.1 8051单片机介绍
（2）传感器的选型
（3）硬件电路设计
（4）控制软件设计
参考文献
[1] 王韧.基于微控制器的机床数控系统的设计.工业控制计算机,2003年,16卷第8期.
[2] 陈水生.数控车床转塔型电动刀架控制系统设计.制造技术与机床,2008年,第5期
[3] 阙师鹏.一种经济型自动回转刀架原理与控制分析.江西有色金属.,1998年,12月第12卷第4期.
[4] 黄振雄.转塔型自动回转刀架原理与故障维修.设备管理与维修,1999年,第1卷.
[5] 郭永环.数控车床用转塔动力刀架的发展方向.机床与液压,2002年,第1卷.
[6] 刘金声,刘芳.一种数控回转刀架的结构与性能.制造技术与机床,1998 年,第5 期.
[7] 阳彦雄. CA6140普通车床数控化改造.太原：电子科技大学,2008年:
[8] Zin Ei Ei Win, Than Naing Win, Jr, and Seine Lei Winn. Design of Hydraulic Circuit for CNC Lathe Machine Converted from Conventional Lathe Machine. Proceedings Of World Academy Of Science, Engineering And Technology Volume.2008 .
[9] J. Braz,Soc. Mech. Sci, Rio de Janeiro. Analysis of open CNC architecture for machine tools.Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences Print ISSN 0100-7386. 2002.
[10] Frederick W.Turner,Oscar E.Perrigo Howard P.Fairfield.Turret Lathes .Machine Shop Work.
[11] Dumitru Ctrina,Adrian Ghionea,George Constantin,Ionu Ńghionea, Hortensia Bezaila. Architecture Of The CNC Horizontal Lathes. International Conference on Economic Engineering and Manufacturing Systems.Brasov, 2007:25–26
[12] 徐峰，李庆祥.精密机械设计社.北京：清华大学出版社,2005.12:168-180,307-322.

2. 毕业设计任务要研究或解决的问题和拟采用的方法：
一、毕业设计任务要研究或解决的问题
（1）研究卧式数控车床刀架的机械结构问题，要求
①阅读数控自动回转刀架相关的论文和书籍，系统地了解数控自动回转刀架相关知识和原理。
②减速传动机构的设计中，查阅资料了解蜗杆及蜗轮副的优缺点及使用场所，选择最合适的机械结构。
（2）研究卧式数控车床刀架的驱动系统问题，要求
①掌握单片机和步进电机驱动系统的基本原理和常用解决方面。
②掌握Auto CAD等软件平台的应用和操作。

二、拟采用的研究方法
①通过对数控回转刀架的机械结构以及电气控制进行研究，探索数控回转刀架的组成和工作原理。
②通过所学专业知识，通过查阅相关资料和有关标准，查阅工具书和参考书，合理的选择设计计算公式，正确计算，并辅以图纸完成数控回转刀架机械部分。
③电气控制部分的设计，通过单片机编制数控回转刀架的控制部分。
三、预期成果
本课题所设计的数控回转刀架的减速传动机构采用蜗杆副减速，在结构上具有良好的强度和刚性，可以承受粗加工时的切削力，并且具有自锁功能、结构紧凑，可以实现整个刀架装置的小型化。上刀体锁紧和精定位采用端面齿盘，可以保证转位之后具有较高的重复定位精度。

指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见和对毕业设计（论文）结果的预测）：

指导教师签字： 年 月 日
上级审查意见：

负责人签字： 年 月 日