C6140数控化纵向进给传动和刀架台改造设计

摘 要目前对于零件加工精度要求增加，购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径，但是成本高，许多企业在短时间内无法实现，这严重阻碍企业设备更新的步伐。为此把普通机床数控化改造，不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径。本文以普通车床C6140数控化改造为案例，进行了纵向进给传动和刀架台的改造。确定了普通车床数控化改造方案，对进给系统的滚珠丝杠型号选择与装配设计，支承方式的设计与轴承型号选择，步进电机选择等进行了详细研究，根据所改造的性能和精度指标来选配自动刀架型号，提出选择方法，并绘出相应的零件图和装配图。关键词：C6140普通车床 数控技术 数控改造 II ABSTRACTCurrently, according to machining accuracy requirements is increasing, purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises equipment updating steps are counteracted severly. So General lathes numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency. This paper provides a general CNC Lathe C 6140 transformation for the case, and we has carried on the length feed transmission and the tool holders transformation. We determine the programme of NC improvement on common lathe and the ball screws type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motor of feeding system is designed. We brought up a choose method and selected the automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming. In order to protect the function of cutting a screw，we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis.Keywords: C6140General purpose lathe；Numerical control(NC)；Reform 目 录摘 要IABSTRACTII1 绪 论11.1普通车床数控改造的目的及意义11.2本课题在国内外的研究现状和发展趋势21.3本课题设计内容22C6140普通车床数控改造总体方案的设计42.1车床数控化改造的特点42.2总体改造方案的设计53纵向进给传动机构的设计计算73.1切削力的计算73.2滚珠丝杠设计计算73.3传动齿轮的设计计算113.4步进电动机的计算与选择124自动转换刀架台154.1自动刀架的分类及工作原理154.2自动刀架的设计184.2.1刀架的抬起184.2.2刀架的回转和选位194.2.3刀架的下降、定位和压紧194.3回转刀架的选型205结 论21参考文献22致 谢23附录 1 减速箱输入轴零件图附录 2 减速箱输出轴零件图附录 3 大齿轮零件图附录 4 小齿轮零件图231 绪 论1.1 普通车床数控改造的目的及意义数控车床作为机电液气一体化的典型产品，是现代机械制造业中不可缺少的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展，就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需要的、性能合适的产品，而产品质量的优劣，制造周期的快慢，生产成本的高低，又往往受工厂现有加工设备的直接影响。目前，采用先进的数控机床，已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径，但是成本太高，很多工厂在短时间内都无法有那么多的资金，这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐；同时目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床，由于普通机床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径，不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量，提高生产效率的捷径，使企业提升竞争力，在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中，占有一席之地。企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达0.01至0.02mm，已能满足CA6140车床改造后加工零件的精度要求。与普通机床相比，数控机床具有以下的优点：一是适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；二是加工精度高；三是生产效率高；四是减轻劳动强度，改善劳动条件；五是经济效益好；六是有利于生产管理的现代化。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要内容。许多工厂一面购置数控机床，一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。为此很有必要对普通车床进行数控化改造，实现普通车床改造换代。1.2 本课题在国内外的研究现状和发展趋势1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。 近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业己有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。2001年，我国机床工业产值己进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但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，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3% ，数控化改造在我国很有必要。1.3 本课题设计内容分析并确认C6140车床数控改造的总体设计方案；机械进给系统的改造设计，包括纵向进给系统驱动装置的选用，齿轮副设计计算、传动轴设计计算、滚珠丝杆副、丝杆支承的设计计算与选型；绘制纵向进给传动系统安装装配图1张，必要的零件图纸绘制；自动转换刀架台的方案比较、选型及装配图绘制1张。2 C6140普通车床数控改造总体方案的设计2.1 车床数控化改造的特点目前，我国车床主要是卧式车床，与发达国家相比，型号陈旧，技术水平落后，严重影响了生产的发展。采用先进的数控车床，已经成为当今世界制造业的发展趋势。鉴于国内制造业中普通机床的占有率较高，提高车床数控化率有两个可行的途径，一是购置新的数控车床；二是把卧式车床改装成数控车床。根据国内目前的经济状况，花大量的资金更换全新的数控车床花费过高，给企业造成的经济负担较大，同时报废大量的普通车床是一个很大的浪费。因此，各个企业可根据自身的情况，酌情进行数控化率的提高，可以购置一批精度高、性能强的数控车床，或数控化改造一批尚有一定精度的卧式车床。卧式车床数控化改造的特点如下：(1)车床改造针对性强，容易适宜生产的要求。因为车床的改造方案是根据原机床中存在的问题提出的，要改哪些地方、改到什么程度都有的放矢，能与生产结合，可以直接将科学技术转化为生产力，使企业有积极性。(2)车床改造可以充分利用原车床的绝大部分零、部件，大大节约原材料和资金，见效快，改造周期短，可满足生产急需。因为旧车床数控化改造大部分床身、立柱等基硇件和许多传动部分不需更换，与购买新车床相比，费用只需其1/151/10，工期大大缩短，节约了成本，解决了生产急需。(3)改造后的车床性能稳定可靠，车床应用范围得到扩大，适应多品种、小批量零件生产。这是因为车床的大型构件一般是铸铁制成的，而铸铁件年代越久时效越充分，精度比新铸件更加稳定。改造不需要改变支撑类大型构件，只需修复或更换中小型部件就可以获得与新车床类似的效果。改造后的车床功能有较大的提高。除了保有效功能外，还可以满足各种复杂型面类零件加工，极大地扩大了车床的应用范围。(4)经过数控化改造，可以有效提高工件加工精度和生产效率。因为改造时根据生产技术的发展要求，及时提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量。(5)可以充分发挥企业现有技术力量的作用，调动技术人员的积极性；同时对工人技术水平的要求不高。(6)在改造期间，通过拆解旧车床、装配新的零、部件等改造过程，间接培养了数控人才，对机床的特性有了较详细的了解，在操作使用和维护方面培训时间短，见效快。通过车床数控化改造，可以使其与卧式车床相比有如下的优点：1)可以加工出卧式车床加工不了的曲线、曲面等复杂零件。2)可以实现加工柔性自动化，效率可比靠凸轮或挡块等实现模拟自动化的机床高37倍。3)加工精度高，尺寸分散度小，易于装配。4)可实现多工序集中加工，提高了相关的加工精度，同时减少被加工零件在机床间的频繁搬运。5)拥有自动补偿等多种功能，对于批量较大的，简化了传统机床加工工艺中的工序，机床利用率得以大幅提高。6)若购置一台新的数控机床，国产数控机床价格也要7万8万元，进口设备有的近20万元；而对卧式车床进行数控化改造也能满足实际生产的需要，改造的成本只要23万元。7)由于采用了自动化加工技术，可以大大降低操作者的劳动强度，减少废品的发生，提高工作效率。2.2 总体改造方案的设计数控机床由机床、数控系统和外围设备三部分组成。卧式车床改造的目的是利用数控系统控制原有车床自动完成机械加工任务，提高车床的加工精度和生产率。在考虑经济型数控机床改造的具体方案时，所遵循的原则是，在满足需要的前提下，对原有车床尽呵能减少改动量，以降低改造成本。改造中需要解决的问题是：增加数控装置，设计微机控制装置或选用经济型的数控系统；将现有机械传动的进给控制装置改造成数控控制的无级自动变速的进给系统；将丝杠换成滚珠丝杠，提高传动精度；手动控制的刀架转位装置改造成数控装置控制的自动转位刀架；加装脉冲编码器，实现螺纹的自动切削。若对改造后机床的要求较高，则要改造主轴，重新设计主轴箱，使用主轴伺服电动机或电主轴。根据C6140普通车床的性能指标、工作状况，采用价格相对较低的数控系统，并配以电子手轮、混合式步进驱动单元与滚珠丝杠螺母副对C6140车床的X、Z两轴进行改造；保留原有的主轴系统和冷却系统；改造的两轴在机械上,为实现机床所要求的分辨率,采用了齿轮丝杠的减速方式,为保证一定的传动精度和平稳性,尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副取代原车床丝杠；为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构；刀架采用四工位电动刀架；滑板进行贴塑处理；机床防护罩采用半闭式；滚珠丝杠和滑板润滑采用手动泵注入。整个改造工作包括机械设计、电气设计、机械零部件加工、机床大修及整机的安装和调试等。根据以上选定的普通机床数控化改造方案，拟订它的数控系统及控制方案如图2.1所示。编程装置与数据输入数控装置光电隔离光电隔离Z向电机驱动器X向电机驱动器Z向步进电机X向步进电机Z向拖板X向拖板行程保护应答信号光 电隔 离功 放驱 动电动刀架、液压装置冷却、润滑等装置网络通信接口脉冲编码器机床主轴图2.1 C6140普通车床数控化改造数控系统框图按照任务书的要求，此处主要针对C6140普通车床的纵向进给系统进行了改造设计以及完成对自动转换刀架台的方案比较、选型及装配图的绘制。3 纵向进给传动机构的设计计算图3.1 纵向进给传动系统示意图3.1 切削力的计算由机床设计手册可知，切削功率 (3.1)式中主轴电动机功率，；主传动系统总效率，一般为，取 ；进给系统功率系数，取 ；则 切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力和最大切削转速来计算，即 (3.2)式中 主切削力(N)； 切削速度(m/min)。按最大切削速度计算，取，则主切削力 由机床设计手册可知，在外圆车削时： ， (3.3)取纵向切削分力，横向切削分力，则3.2 滚珠丝杠设计计算螺纹滚道型面的选择：单圆弧型面、双圆弧型面。要求：经济、易调试、稳定。方案：选用双圆弧型面。原因：双圆弧型面接触角不变，双圆弧交接处尚有小空隙可容纳一些脏物，这对滚珠丝杠有利而不致堵塞。滚珠循环方式：内循环、外循环。方案：选用外循环。原因：结构简单、工艺性优良、适合成批生产、经济实用，适用于重载荷传动、高速驱动及精密定位系统，是目前应用最广泛的结构。轴向间隙的调整和预紧力的选择：垫片式、螺纹式、齿差式。要求：经济可靠、易拆装、刚度高。方案：选用双螺母垫片式预紧。原因：结构筒单、装卸方便、刚度高。（1）计算进给牵引力。可根据机床设计手册中进给牵引力的试验公式计算，纵向为三角形导轨，则 (3.4)式中 切削分力(N)；颠覆力矩影响的试验系数，；滑动导轨摩擦因数，取； 溜板及刀架重力，。则 （2）计算最大动载荷 （3.5） 其中 式中 寿命，以为1单位； 丝杠转速； 滚珠丝杠导程，初选； 最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的1/31/2，本机床取1/2； 运转系数，按一般运转，取； 硬度系数，为60HRC时，小于60HRC时，fH1f，本机床取 l； 使用寿命，按15000h计算。则 （3）选择滚珠丝杠螺母副。查机械零件设计手册，根据（是丝杠的额定载荷，见表3-1）的原则，使选取的滚珠丝杠的额定动载荷大于计算的最大工作载荷。由上面初选丝杠导程及计算所得的最大动载荷，选取滚珠丝杠型号为CDM40065，其表示外循环插管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋人式的滚珠丝杠，公称直径为40mm，导程为6mm，右旋螺纹，载荷铜球为5圈，精度3级的定位滚珠丝杠副。CDM40065的额定动载荷为28771N12485.8N，故强度足够。CDM40065型滚珠丝杠具体参数见表3.1。表3.1 CDM40065型滚珠丝杠具体参数公称直径/mm导程/mm钢球直径/mm丝杠外径/mm螺纹底径/mm额定载荷/N接触刚度/(N/m)4063.96939.535.128770959702191螺母安装连接尺寸/mm71110901591591385473M6（4）滚珠丝杠的验算1）传动效率计算。根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率为 （3.6）式中 摩擦角，； 螺旋升角，根据，可得。则 2）刚度验算。滚珠丝杠工作时受轴向力和转矩的作用，将引起导程的变化，因滚珠丝杠受转矩时引起的导程变化很小，可忽略不计，所以工作负载引起的导程变化量为 （3.7）式中 材料弹性模量，对于钢，； 滚珠丝杠的截面积，按丝杠螺纹底径确定，即，则 （3.8） 滚珠丝杠导程，。其中，“+” 用于拉伸时，“”用于压缩时。 滚珠丝杠受转矩引起的导程变化量很小，可以忽略不计，即，所以导程变形总误差为 （3.9）式中 纵向最大行程，由机床说明书可知，。则 由机床说明书可知，丝杠纵向有效行程为900mm，且丝杠精度等级为3级，查机械零件设计手册电子版（有效行程内的目标行程公差和行程变动量见表3.2），纵向行程允许的行程变动量为17m，CDM40065的为12.2m17m，故刚度足够。 表3.2有效行程内的目标行程公差和行程变动量（单位：m）有效行程精度等级12345大于至3156688121216162323800100011915132117292540333）稳定性校核。要使滚珠丝杠不失稳的条件是：临界负载荷。根据公式 （3.10）式中 丝杠支承方式系数，查机械零件设计手册可知，（一端固定一端自由）； 材料弹性模量，对于钢，； 丝杠两支承端距离，查机械零件设计手册可知，CDM40065丝杠两支承端距离为1600mm=160cm； 滚珠丝杠的静安全系数，取； 截面惯性矩。 ，其中式中 滚珠丝杠的公称直径，； 滚珠丝杠的滚珠直径，。则 3.3 传动齿轮的设计计算确定齿轮传动比。传动比公式为 （3.11）式中 步进电动机的步距角； 丝杠螺距； 脉冲当量。其中，；参考实用微电机手册，初选，则 可选定齿轮齿数为 齿轮材料采用40Cr，调质处理，精度等级取7级，前后轴承选用7305C角接触球轴承，齿轮传动时效率为。由于进给运动齿轮受力不大，且根据优先选用第一系列的原则，取模数，由经验公式可知，齿宽，则分度圆直径分别为 （3.12） （3.13）中心距为 （3.14）3.4 步进电动机的计算与选择（1）负载转矩()及最大静转矩()的计算。根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩可按下式估算： （3.15）若不考虑起动时运动部件惯性的影响，则起动转矩为 （3.16）取安全系数为0.3，则 查实用微电机手册，当步进电动机为五相十拍时，选步进电动机的起动转矩和最大静转矩的关系，则 （3.17）（2）初选步进电动机型号。查实用微电机手册，根据估算出来的最大静转矩，可初选150BF002型步进电动机，其最大静转矩为，基本可满足要求。（3）各种工况下转矩计算负载转动惯量计算。折算到电动机轴上的转动惯量按下式估算。 （3.18）式中 折算到电动机轴上的转动惯量()； 齿轮的转动惯量()； 齿轮的转动惯量()； 滚珠丝杠的转动惯量()； 重力加速度。对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量按下式估算： （3.19）式中 圆形零件的直径； 零件轴向长度。则 快速空载起动时所需转矩。因数控机床对动态性能要求较高，确定电动机最大静转矩时，应满足快速空载起动时所需转矩的要求： （3.20）式中 快速空载起动时所需的转矩()； 克服摩擦所需的转矩()；丝杠预紧所引起的折算到电动机轴上的附加转矩()。由动力学可知： 其中，为加速时间常数，。 （3.21）则 （3.22） （3.23）式中 预加载荷，一般为最大轴向载荷的1/3，即 （3.24）则 （3.25）快速移动时所需转矩。 （3.26）最大切削负载时所需转矩。 （3.27）从以上计算可以看出，快速空载起动时所需转矩、快速移动时所需转矩和最大切削负载时所需转矩三种工况下，快速空载起动时所需转矩最大。所以，以此项作为校核初选电动机的依据，初选步进电动机为五相十拍。由前面查得结果可知，步进电动机为五相十拍时，起动转矩和最大静转矩的关系：，则 步进电动机的最高工作频率。 （3.28）由以上选型及计算，最终选用150BF002型反应式步进电动机，其主要参数见表3.3。表3.3 150BF002型反应式步进电动机参数型号相数额定电压/V静态电流/A步距角/()保持转矩/空载起动频率/Hz空载运行频率/Hz1500BF002580/12120.75/1.513.7228008000根据机电一体化机械系统设计（机械工业出版社），150BF002型反应式步进电动机允许的最高空载起动频率为2800Hz，允许的最高空载运行频率为8000Hz。所以，必须采用升降速控制和高低压驱动电路。4 自动转换刀架台自动转位刀架的设计是普通机床数控改造机械方面的关键，而由微机控制的自动转位刀架，具有重复定位精度高、工作刚性好、性能可靠、使用寿命长以及工艺性能好等特点。4.1 自动刀架的分类及工作原理自动转位刀架一般按工作原理分类,其分类如下：螺旋转位刀架 如图4.1所示，电机经弹簧安全离合器至蜗轮副带动螺母旋转，螺母举起刀架使端面齿盘的上盘和下盘分离，随即带动刀架旋转到位，然后发信号使电机反转锁紧，使刀架换位，进行切削加工。螺母升降式零件多，但加力可靠，精度较高，许多刀架都利用这种原理设计。十字槽轮转位刀架 如图4.2所示，是利用槽轮原理转位及锁紧（还要加定位销）。销钉A 每转一周，刀架转90L，也可设计成6工位等。十字槽轮式体积大，零件多，目前使用较少。凸台棘爪式转位刀架 如图4.3所示，蜗轮带动凸台4转动使其上下端齿盘分离，继续旋转，则棘轮机构推动刀架1转90L，然后利用接触开关或霍尔元件发出信号，使电机8反转，重新锁紧刀架。凸台棘爪式重复定位精度相对较低。电磁式转位刀架 如图4.4所示，利用一个有1000kg左右拉紧力的线圈使刀架定位锁紧。电磁式目前已能实用，但多一套电路，并要有断路保护。压式转位刀架 如图4.5所示，为液压摆动油缸5控制转位的刀架，6为摆动阀心，3为带动刀架转位的拨爪，还有一个向下拉紧的小油缸，也产生1000kg以上的拉紧力。这种转位刀架的特点是转位可靠，但液压件制造难，有油泄漏及发热等问题。图4.1 螺旋转位刀架2内装信号盘 2刀架 3端面齿盘 4电机 5安全离合器ABBA图4.2 十字槽轮转位刀架A-销钉 B-十字槽轮图4.3 凸台棘爪式转位刀架1 刀架 2上齿盘 3下齿盘 4上凸台 5下凸台6棘爪 7棘爪体 8电机 9蜗轮 10蜗杆图4.4 电磁式转位刀架1刀架 2上线圈 3电机 4蜗杆 5蜗轮 6下线圈图4.5 液压式转位刀架1刀架 2拨爪体 3拨爪 4下刀架体 5摆动油缸 6阀芯图4.6 利用弹簧弹起和斜面压紧刀架原理图a弹簧弹起 b斜面压紧4.2 自动刀架的设计从自动转位刀架的工作原理可知，这类刀架由控制系统直接控制，刀架能自动完成抬起、回转、选位、下降、定位和压紧这样一系列的动作，下面依次讨论刀架要完成上述过程的设计原理。4.2.1 刀架的抬起1）利用压缩弹簧的恢复力来完成刀架的抬起，如图4.6a所示。在发出这一动作前，弹簧一直被压缩着，直到发出信号时，使弹簧回弹，这可由某一滑动机构的斜面转动来完成。同样，压缩弹簧还是靠这一斜面，但其转动方向相反。如图4.6b所示。为了使抬起可靠，弹簧的最小预紧力必须大于所抬起部分重量大两倍以上。这种方案的缺点是刀架在转动过程中，一直受着弹簧力的作用，有明显的摩擦力和磨损。另外，一旦有杂物混入，易被卡住抬不起来。2）利用螺纹传动，将旋转运动变成轴向直线运动，从而达到抬起刀架的目的。在这种情况下，完成这一功能的丝杠要竖直安放，这种方案可基本上克服上一种方案的缺点。此外，这两种方案要解决的共同问题是：在刀架的抬起过程中，都要防止刀架转动。这可通过设计一个带有斜面的粗定位销和定位销槽的配合来完成，并使斜面间摩擦力产生的阻力矩大于上述转动摩擦力矩。4.2.2 刀架的回转和选位刀架由一个微电机通过传达系统来带动。刀架的转动轴线是竖直的，而转速比起微电机来要慢得多。由于电机空间条件所限必须卧式安装，因此两者的转动轴线相互垂直或异面垂直，蜗轮蜗杆传动比较适合于这种场合。刀架从抬起变成转动的动作原理是：当刀架抬起到特定高度时，由一个正在旋转的拨块带动刀架转动，因此，刀架的抬起运动和转动均由同一传动系统来先后完成。刀架转过一定角度后要选位，即看一看转到这个位置的刀具是否符合加工要求。这一功能是由微机程序来实现。具体的说，当刀架转到此位置时，程序自动地将该位置的编码与所需刀具编码加以比较。若相同，该刀具就选定此位；否则，在转动，重复上述过程。每次转过的角度大小，由刀架的面体数量来确定。如对于四方刀架，每次转360/4=90；对于五方刀架，每次转360/5=72；对于六方刀架，每次转360/6=60。刀架编码的位数也各不相同。对于四方刀架，由两位二进制数即可表示完全，四个刀位编码分别为00、01、010、11。对于五方刀架，必须由三位二进制数表示，即000、001、011、110、11。六方刀架的编码为000、001、011、100、110、111。刀位编码信号的发出，是由装在随刀架一起转动的微动电源开关来实现的。微动开关的触头朝外，它的开关状态由一个内表面凸轮来控制。凸轮实际上是只有一定半径差的两个内圆弧表面微动开关触头与小半径内圆弧表面接触，开关便接通；与大半径圆弧表面接触，开关便中断。与此对应的信号分别是1和0。所需要的微动开关数目，等于编码的位数。即四方刀架有两个微动开关，五方和六方刀架各有三个微动开关。另外，刀位编码信号并非刀架转到此位置时才发出，而是提前发出的。刀具的选位位置是由一个粗定位开关来控制的。当刀架转到某一个刀位时，粗定位开关发出信号，停转，微机进行编码比较，根据比较结果，或刀架选定此位，或继续转动。粗定位开关的通断控制也是由一个类似于内表面凸轮的定位槽来完成。4.2.3 刀架的下降、定位和压紧刀架选定位置后，斜面销插入斜面槽中，之粗定位。然后由微机控制使微电机反转。由于斜面销的棘轮作用，刀架不跟随旋转，只是下降，再由精定位元件来精确定位。精定位元件有若干种，常采用锥形定位销定位。但是，如果只用一个定位销定位，那么刀架的定位精度和定位刚度都不足。若用多个定位销定位，定位销孔的位置精度要求极高，加工难度较大。相比之下，端面齿盘定位的优点较为明显。齿盘齿廓部分的行位精度可以从工艺上严加控制，再经反复对研，即可得到很高的精度。由于端面齿盘定位为多齿接触，接触面积大，因此它还有接触刚度好、定位尺寸稳定性好和寿命长等优点。此外，这种元件允许刀架下降时有一定的角度误差。因此，转位刀架的精确定位最常用的是端齿盘结构方式。定位完毕，需要压紧刀架，才能安全可靠地工作。压紧力是由刀架下降到底后，微电机继续旋转所产生的。压紧力的大小应是切削力大小的两倍以上，而且应该能调整。当压紧力达到调整数值时，使微电机停转，且始终保持这一压力直到下一动作循环开始。4.3 回转刀架的选型自动回转刀架的设计是普通机床数控改造方面的关键，而由微机控制的自动回转刀架，具有重复定位精度高、工作附陛好、性能可靠、使用寿命长以及工艺性能好等特点。通过对数控车床刀架的调研，同时按照任务书的要求，自动刀架台重复定位精度0.005mm，自动换刀时间5s，同时根据卧式车床的型号和主轴中心高度，选择常州武进机床数控设备厂生产的LD4I型中的C620。拆除原手动刀架后装上LD4I(