八工位液压刀架与换刀控制本科毕业设计论文

JIANGSUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY8工位液压刀架与换刀控制本科毕业设计（论文）江苏理工学院毕业设计说明书（论文）8工位液压刀架设计与换刀控制摘要数控车床在我国机械加工行业中得到越来越广泛的应用。它不仅提高了生产效率而且还对完善产品质量和优化工作环境起着至关重要的作用，于此同时也对刀架设计提出了许多新的要求，比如如何使其运转更高速可靠、使换刀时间尽量缩短以换取其高效性、使结构更简单造价更低。要想使这些更先进的数控车床更好地发挥作用，以上这些问题就是我们必须先去解决的。本文中所论述的正是这么一种利用PLC来控制换刀过程的新型液压刀架。文中包括其液压系统进行设计，使其实现动、静齿盘的脱开与啮合以实现刀架粗定位，同时控制对刀架进行精定位的插销的在花键轴上的插入与拔出；对机械传动部分的设计，其中设计包括轴、液压缸、齿轮、动静齿盘以及各类密封装置；对PLC控制程序的设计以实现刀架的就近选刀和刀架转过各刀位时指示灯都亮一下，完成后对其进行程序调试以检验其正确性。关键词数控车床；液压刀架；液压系统；PLC江苏理工学院毕业设计说明书（论文）8STATIONHYDRAULICTURRETDESIGNANDTOOLCHANGECONTROLABSTRACTCNCLATHESAREMOREWIDELYUSEDINTHEMACHININGINDUSTRYINOURCOUNTRYITNOTONLYIMPROVESPRODUCTIVITYBUTALSOONIMPROVINGPRODUCTQUALITYANDOPTIMIZETHEWORKENVIRONMENTPLAYSAVITALROLEINTHISBUTALSOONTHETURRETDESIGNMANYNEWREQUIREMENTS,SUCHASHOWTOMAKEITRUNFASTERANDRELIABLE,SOCHANGEKNIFETIMEASSHORTASPOSSIBLEINEXCHANGEFORITSEFFICIENCY,MAKINGTHESTRUCTUREMORESIMPLEANDCHEAPERTOMAKETHESEMOREADVANCEDCNCLATHESBETTERPLAYTHEROLEOFTHESEISSUESTHATWEHAVETOGOTORESOLVEITISDISCUSSEDINTHISARTICLESUCHAUSEPLCTOCONTROLTHETOOLCHANGEPROCESS,NEWHYDRAULICTURRETTHEPAPERINCLUDESTHEDESIGNOFTHEHYDRAULICSYSTEMTOACHIEVETHEMOVEMENTOFDISENGAGEMENTANDENGAGEMENTCHAINRINGKNIFETOACHIEVECOARSELOCATION,WHILECONTROLLINGFORFINEPOSITIONINGOFTHEKNIFEISINSERTEDANDPULLEDTHEPLUGONTHESPLINESHAFTMECHANICALTRANSMISSIONPARTOFTHEDESIGN,INCLUDINGDESIGNINCLUDINGSHAFTS,HYDRAULICCYLINDERS,GEARS,GEARPLATEANDAVARIETYOFSTATICANDDYNAMICSEALINGDEVICESWHENDESIGNINGPLCCONTROLPROGRAMINORDERTOACHIEVETHENEARESTTURRETTOOLSELECTIONANDTURRETLIGHTSARETURNEDALLPOCKETSBRIGHTLOOK,ITSDEBUGGINGTOTESTITSVALIDITYAFTERCOMPLETIONKEYWORDSCNCLATHEHYDRAULICTURRETHYDRAULICSYSTEMPLC江苏理工学院毕业设计说明书（论文）目录序言1第1章课题分析与方案论证211任务分析212研究的背景3121高速化3122高精度化3123综合化4124高端化4125绿色化413研究的应用414方案论证515设计步骤8第2章液压系统设计921自动换刀装置9211更换主轴头换刀9212带刀库自动换刀系统9213自动回转刀架换刀922刀架选择分析10221自动回转刀架分类10222自动回转刀架的技术要求1023液压马达的选用11231齿轮马达11江苏理工学院毕业设计说明书（论文）232叶片马达12233柱塞马达12第3章刀架主要零件设计1431花键轴设计14311作用14312设计要求14313计算轴径14314结构设计15315受力分析1632液压缸设计17321工作压力的确定17322液压缸内径、活塞杆直径计算17323壁厚、外径计算18324确定液压缸工作行程18325确定缸盖厚度19326确定缸体长度19327分析活塞杆稳定性1933各齿轮的设计和计算20331齿轮类型和材料的选定20332确定许用应力20333参数的选择20334按齿面接触疲劳强度设计21335计算齿轮尺寸21336校核齿根强度2134动静齿盘设计2235花键轴设计2336转塔的定位方法23江苏理工学院毕业设计说明书（论文）37防水防尘设计2338液压刀架装配图23第4章PLC程序及触摸屏设计2541PLC的选择25411PLC原理及应用25412PLC的特点25413PLC编程语言2542PLC的型号及I/O口的确定26421PLC的型号选择26422I/O口的确定26423PLC硬件接线图2743霍尔传感器2744程序设计总体思路2845程序流程图2946设计状态转移图3147设计PLC梯形图3448触摸屏基本画面编辑38第5章程序的调试4151调试中的软件程序下载4152调试过程中的问题及解决方案44参考文献45致谢46江苏理工学院毕业设计说明书（论文）附录一8工位液压刀架三维零件图47附录二硬件接线图50附录三PLC程序截图51江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第1页共53页序言数控车床，约占数控机床总数的25。它是多项技术为一体的机电一体化产品。与一般机床不同的是，数控机床是按照技术人员事先编好的程序来自动对任何零部件直接加工的一种机床，且在一次加工过程中可以完成多工序加工。综合这些因素考虑，数控机床必须要带有自动回转刀架，这样可以减少因多次安装所引起的加工误差同时又可以减少非加工时间增加产能，因此选用一个合理的自动回转刀架是至关重要的。从安全性的角度上来说，数控刀架必须要具有良好的强度以及刚度，因为粗加工过程中会产生很大的切削抗力，合理的强度和刚度才能保障加工过程中不出现不必要的事故。从效率上来说，数控刀架又需要具有良好的重复定位精度，这样才能保障生产产品的制造精度。从实用性的角度上来说，数控刀架又需要有很好的定位方案和定位结构，这也是保障产品性能不可或缺的一个因素之一。江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第2页共53页第1章课题分析与方案论证11任务分析在当今市场日益激烈的竞争下，企业要想赢得竞争的胜利，对于整个产品的制造，缩短制造时间、提高产品质量、降低成本就是一个企业不得不考虑的问题。若在生产中能将这些系统部件模块化、标准化，这样对于机床而言质量得到了保证、生产周期缩短了，对于我们而言生产便容易了、成本降低了。在数控车床中进给传动系统以及刀架是一台数控车床中最重要的核心机械部件，要想使整台机床拥有良好的加工精度和效率及刚性等就必须先考虑寄给传动系统和刀架质量的优劣与否。与一般普通机床不同。数控车床的进给传动系统是指通过进给电动机以及内部一些传动机构来接收数控系统传递的指令从而使执行部件能够按照事先设定的程序来进行规则运动的以重金给传动系统。数控车床进给系统大致可分为开环、半闭环、闭环、全数字伺服系统几类。其中开环伺服系统最为简单同时也是无位置反馈的系统，其主要装置为步进电机、功率步进电机和电液脉冲电机等。数控系统送出指令脉冲驱动电路对其放大从而使步进电机开始转动，通过一系列机械机构驱动执行部件运动。因为电机角位移量与指令脉冲数量以及频率成正比，所以只要控制数量和频率就可以实现对执行部件位移量速度和方向的控制。由于其结构简单、成本低、维护方便，但精度不足，所以多用于经济型机床上。半闭环是把检测元件安装于中间传动件上，其职能补偿系统环路内部分原件的误差，所以其精度稍低于闭环系统，但结构以及维护都较为简单，一般高精度数控车床之上。闭环系统装置主要为交直流电机以及电液伺服阀液压电机。其实质是安装于执行部件或其他一些传动系统上，将检测到的位移转换成电脉冲反馈至输入端求取误差。其位移精度取决于检测装置精度。综合考虑，现在的数控车床多采用的是半闭环的控制形式。而在数控车床中采用自动换刀回转刀架，这样既可以提高工效又能压缩非切削时间还能从一定程度上节省空间，还能在一次装夹过程中完成所需完成的多道工序，同时刀架又是江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第3页共53页个比较复杂的机构，由于结构较为复杂、动作较为繁复所以导致刀架又是一个比较容易出问题的结构。相比于国外的数控车床，我国的数控车床精度较差，车床的制造材料质量也不见得全部合格，综合这些原因，导致机床稳定性较差，可靠性也不乐观。在各种机床故障中刀架所导致的故障占有相当的比例，而导致刀架发生事故的绝大部分原因是刀架译码系统。所以，要想让国产的数控车床能取得质量上的重大突破，首要问题就是先解决刀架译码系统的优化问题。所以本次设计采用了液压伺服刀架，因为它不需在外部再设外部编码器等译码装置，这样既可以实现逻辑转位及设计中所提到的就近选刀，又简化了译码结构，从而提高了可靠性。12研究的背景数控车床的出现是机械制造业上一项具有划时代意义的重大成就。它是一种高精度高效率的自动化机床。其自身所配备的多工位刀架使其具有广泛原先普通机床所不具备的更广泛的可加工性能，现实生活中，这种机床可以加工直线。斜线圆柱，圆弧，各种螺纹，槽，圆柱面等复杂工件及其组合件，并且这种机床所能实现的直线、圆弧插补等各种补偿功能，使其在对零件的批量生产中发挥着无法取代的良好的经济效果。随着机械制造日益全球化，对数控车床提出了更高的要求，数控车床也随之变得更高速、高精度、综合、极端、智能、绿色化。121高速化在资源日益稀缺的当今社会，人们一直都在想着怎么样可以用更少的加工成本加工出更多的产品。然而从某种角度看，加工质量和加工效率总是矛盾的，唯一的办法就是尽量相互兼顾尽量找到两者合理的平衡点。基于数控技术使加工速度高速化就能大幅度缩短非加工时间也能大幅度节省切削时间，这一成就备受瞩目，其原因主要是实现高速加工与加工质量以及加工功效两方面的统一。实现高速化的方法一般有两种，一是提高主轴转速。其二就是高速仅给，及实现每分钟几米或几十米的速度。就国际形势来看，我国在这一方面起步较晚，因此推广机床的高速化已经显得刻不容缓。122高精度化在机械加工产品日益模块化。规范化高精度化的今天，其制造零件的各类机器、数控机床都在朝着同一个方向发展高精度化，只有高精度的机床才能加江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第4页共53页工出高精度的工件，才能为客户所认同。一成不变的守着以前的那些粗制滥造，等待着的只有被社会所淘汰。而且，就加工性能来讲，机床的精度永远是远高于其他一些机械加工设备的，只有把我们的机床放在高、精、尖的要求上来对其设计制造才是符合社会潮流的。123综合化使数控机床实现综合化是未来发展数控机床的一种主流走向，其意义大概可以分为用户界面图形化和科学计算可视化。所谓用户界面图形化即通过发展，人们可以通过窗口和菜单来对机床进行操作，这样有利于机床的快速编程、动态图形的显示、仿真等一系列功能。另外，实现机床的科学计算可视化可以使机床信息的交流不再局限于现在的文字和语言的表达还同时可以直接使用图形动画等一系列更直观的方式来进行信息交流。这一系列的发展必将能提高产品质量、降低产品成本，这对机床的发展具有无法替代重要意义。124高端化就目前而言，我国已成为世界工厂，是全球机床生产和需求大国，而矛盾的是，我国的数控机床企业与美德日等过相比存在着不小的差距。就机床的制造上而言，我国虽然也制造和出售一些中高档数控机床，但其中的更多关键性零部件依然需要依赖于进口，所以说这并不代表我国已经具备了自主生产中高档数控机床的能力。所以，我国要想在国际市场上提高数控机床的竞争力，发展好基础工业，使数控机床的发展从根本上实现高端化是机床实现高端化的必然走向。125绿色化使机床实现绿色化意义重大，就企业而言可以节约能源减少成本。就环境而言可以减少数控机床对环境造成的不利冲击。一般机床的绿色化可以体现在机床主要零部件由再生材料制造这样可以减轻机床自身的重量和体积。从而减少机床的功率消耗减少3040左右，且机床报废之后可以实现完全回收。13研究的应用由于数控车床变得越来越高速、高精度、综合、智能化，与之相对的刀架作为数控车床的核心部件之一的结构及其控制技术也经过了多次的改善。纵观全球市场，德国意大利等都在不断推出自己最新类型的数控车床。经济的全球化意味着自己关上门来做东西的时代已经过去了，相对应的是产江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第5页共53页业的综合化、全球化。为了满足不同客户的不同需求厂商也势必要对机床进给系统机械传动部分做出相应改变，即对电动机的旋转运动转变为刀架往复运动的整个机械运动链的改变。为了与时俱进的能使机床获得良好的定位精度和不错的动态性能，其机械传动装置势必也要满足刚度、抗振性、低摩擦、低惯量、无间隙等要求。14方案论证就我国而言，国内现有的数控刀架主要有两种,一种电动刀架另一种是液压刀架,凡事都有优缺点，以上两种类型的刀架也不例外。方案一电动刀架，如图11所示图11电动刀架在我国乃至于我们现在所接触到的都是以电动刀架为主的数控车床。电动刀架大致有立式和卧式两种。其中立式的有四工位和六工位两种，这种类型的刀架一般多运用于简易机床上，而卧式刀架则有八工位十工位十二工位等几种，功能相对较多，可实现正反转也可以实现就近选刀，一般在过功能机床上比较多见。这就需要我们对于不同的场合要会合理地选用电动刀架并能对其实施正确的控制，只有这样才能有效的提高产能。除此之外，其加工工艺的连续性也是很好的，其很重要的一点就是，当要加工一个较为复杂的组合体时，除了系统提供的控制程序外，机床还匹配了较为容易控制的电动刀架以方便于一次装夹就可以将该组合体时可以一次加工出来。数控刀架作为数控车床的核心功能部件，所以它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具有转位快以及定位精度高江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第6页共53页和切向扭矩大的特点。其原理是采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。刀架的工作过程大致可分为刀架抬起、转位、定位并压紧等几个步骤。方案二液压刀架，如图12图12液压刀架液压系统的优点1由于油液在通常压力之下通常认为是不可压缩的，而传动是利用油液的连续流动来传递的，并且油液具有吸震能力，液压回路设计中也设计出缓冲装置，所以液压系统传动较为平稳。2与机械传动相比液压传动质量和惯量都较小动作灵敏，所以体积和质量都较小。3由于是利用液体连续流动来传递动力的所以其承载能力相对较大。4众所周知液压系统的调速是利用调节流速来实现的，所以液压传动又可以实现无极调速。5液压系统中可以设置很多安全设置，很方便实现过载保护。6液压系统中液体的压力、流速、流向很便于控制，这一系列因素又使液压传动很容易实现自动化。7液压系统中多采用油液作为传动介质，所以又能很好的解决其自身的润滑问题。液压系统缺点1其内部元件制造精度要求较高，装配维护都较为复杂。2由于是无机传动，所以在某些需要定比传动的场合不怎么适用。3高温环境下油液粘度下降太明显，低温环境下油液粘度又上升的太明显，故液压传动不适合温差大的场合。4由于自身缺陷，不能像机械传动那样实现远距离传动。5油液受到污染以后会影响到其工作稳定性，因此不太适合环境恶劣的场合。6由于采用的原件较多么，所以当系统出现问题以后不好排查。其具体设计有以下两种方案1方案一液压马达凸轮反馈机构,以HLT808T为例其外形如图11其横向江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第7页共53页尺寸远小于其它全液压刀架,前置使用时优越性极强,所需压力流量较小,失电锁紧由于采用凸轮反馈机构,使刀架能够在到位前自动,连续,平稳地减小马达的流量。因而使刀架在到位前一小段时间内主动减速,依靠液压系统来承受冲击力,大大减小了刀架转位时的冲击使刀架获得类似伺服机构的特性,工作原理图如图13。2方案二当两个电磁换向阀都处于中位时,此时油缸是处于上端位置的系统处于锁紧状态；当YV4带电时,液压缸向下运动,转塔带电松开同时电机以及转塔转动；当转塔转动至预先位置后YV1、YV4断电，YV3带电,电机停止,液压缸向上运动然后转塔锁紧，之后YV3断电,这是刀架的一次转位过程。图中固定节流口用来防止液压缸液压冲击,保证转塔锁紧时运行平稳,避免动齿盘与静齿盘之间齿与齿的碰撞图中两可变节流口用来调整电机正反转时的速度,控制刀架转速伺服阀装在电机体内,通过机械装置实现电机的机械自锁防止转塔越位。原理图14。图13液压原理江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第8页共53页研究比较这两种方案后发现两者都能有效的避免冲击，但是第二种方案可以实现对液压刀架的准确定位，所以本次设计即采用该种方案来完成此次设计。15设计步骤本次设计设计步骤如图15所示方案设计方案比较方案确定液压系统的设计理论计算画装配和零件图PLC程序设计PLC程序调试图15设计步骤流程图图14液压原理江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第9页共53页第2章液压系统设计21自动换刀装置国内外的液压刀架多采用液压缸直接锁紧,但自动换刀装置多种多样，常见的有更换主轴头换刀、带刀库自动换刀系统、自动回转刀架换刀这几种。211更换主轴头换刀这是一种较为简单的换刀方式，主轴头一般分卧式和立式两种，实际运用中一般利用转塔的转位来更换主轴头从而实现自动换刀。当系统发出换刀指令后，各装有工序所需刀具的主轴头依次转到加工位置，同时接通主轴运动，从而带动刀具运动，此时，不工作的主轴头与主运动是脱开的。212带刀库的自动换刀系统该系统是由刀具和刀库两交换机构所组成。其工作过程是先把加工所需要的刀具在机外进行尺寸调整后按照一定方式安装在标准刀柄上。当加工过程中需要换刀时则要先从刀库中选出所需刀具，然后通过交换装置把刀具从刀具库和主轴上取出来，换刀完成后，先把新刀具安装在主轴上再把旧刀具送回刀库当中。与前者相比，由于主轴箱内只有一根主轴。所以设计设计好该主轴上的零部件就能很好的增强它的刚度，从而达到精密加工这一要求。该系统同样可以一次加工多道工序是因为它的刀库中可以一次性把加工所需刀具都装夹在其中，加工效率提高的很明显。该装置多用于钻床、镗铣床和数控组合机床。由于是刀库带刀，所以影响其工作效率的因素必然有带刀量的多少、换取刀具的方便与否。综合这几个因素，刀库一本可以分为圆盘形带刀，带刀量一般可以达到1540把；链式带刀库，带刀量一般可以达到30120；线形带刀库，带刀量一般可以达到812；箱型带刀库，带刀量一般可以达到1060。在实际生产中应该根据需要加工的零件来合理选用适用的带刀库，不能一味的追求带刀量，这样无疑只会造成带刀库利用率的浪费。213自动回转刀架换刀该种换刀结构上来看其结构是几种换刀机构里面最为简单的一种，只需在接江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第10页共53页收到系统的接受带系统的换刀指令后转动转塔即可完成一次换刀，而且方便于完成就近选刀步骤。按照刀具数目大致可将其分为四方、六角刀架，顾名思义及其可以安装四把、六把以至于更多刀具，然后通过液压系统来接受换刀指令并对其进行控制的一种稳定性较高的换刀装置。22刀架选择及分析综合以上几种刀具来看更换主轴头换刀结构较为简单，但是其工作方式是接收换刀指令后是通过转塔的转位来更换主轴头从而实现自动换刀，所以其整体的刚度难以保证。带刀库自动换刀装置是通过交换装置把刀具从刀具库和主轴上取出来然后再安装，这种换刀装置安全性好，换到效率也较高，但是其结构较为复杂，所以在数控车床上较为少见。自动换刀装置是将所需刀具直接装好在刀架上的，只需在接收到换刀指令后转动转塔即可以完成换刀，不需要二次装夹，工作原理以及其结构都较为简单，更由于是液压控制，稳定性好。所以本次设计即采用这种自动回转刀架来完成设计。221自动回转刀架的分类如前面所提，自动回转刀架按刀具数目的不同分为四工位、六工位以及八工位等多种形式。按安装方式的不同分为立式和卧式两种。就定位方式不同，其类型又分为端齿盘定位型和三齿盘定位型。222自动回转刀架技术要求图21刀架结构简图1、花键轴2、圆螺母3、动齿盘4、转塔刀架5、静齿盘6、液压缸体7、插销缸体8、小齿轮9、含内花键外齿轮10、动齿盘刀架体11、插销12、液压泵13、机座江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第11页共53页工作原理如图21所示，当刀架开始工作时，液压缸右腔来油同时推动液压缸活塞向左运动，动齿盘3向左运动并脱开与静齿盘5连接，液压泵12随之转动，带动齿轮8转动，齿轮8转动带动花键轴1转动，从而带动刀架转位。当刀架转到预先位置后，液压泵停止转动并通过插销11实现机械自锁，防止刀架越位。与此同时液压缸前腔开始进油，活塞向右运动，动齿盘3随之向右运动并与静齿盘5啮合，刀架锁紧，完成一次动作。图中是以动静齿盘作为粗定位以插销来实现精定位以及自锁功能的。考虑到油液的泄露问题，在花键轴与活塞之间采用了轴承连接，及当花键轴转动时活塞不随之转动。23液压马达的选用马达的作用是将能量转换为旋转运动的一种工作装置，而液压马达则是将油液的压力转换为旋转运动的一种装置，这就好比是人的心脏。就作用而言，这是一种执行元件。其种类很多，最常见的有。231齿轮马达如图22所示，齿轮马达是输入压力流体，使泵壳内相互啮合的两个或两个以上齿轮转动的液压马达。由于是运用一对齿轮不断的啮合与脱开来工作的，所以其进油路与回油路对称且最好采用外泄漏油孔。齿轮马达是输入压力流体，使泵壳内相互啮合的两个或两个以上齿轮转动的液压马达。适用于高速重载的场合，低速运转时由于泄漏较大或者瞬间改变方向时稳定性较差。图22齿轮马达机构图江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第12页共53页232叶片马达如图23所示，叶片马达在流入的液体作用下使转子旋转的液压马达。与齿轮马达不同的是，这是一种高速轻载场合下使用的液压马达，由于具有转速高和惯量小的特点，一般常见于自动线及一些随动系统中。图23叶片马达233柱塞马达柱塞马达根据结构不同可以分为两种。一种是如图24所示，轴向柱塞马达，由于其自身特点，这种马达可以达到很高的转速且具有多种变量控制形式，既可以组成开式系统又可以组成闭式系统。广泛应用于工程机械以及农业机械中。另外一种则是如图25所示，径向柱塞马达，这属于低速大扭矩一类的马达，可以实现机械控制的行走、牵引、提升等一系列动作，因此被人们广泛应用于冶金、船舶、起重等机械的液压系统当中。江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第13页共53页图24轴向柱塞马达图25径向柱塞马达由于本设计要求选用低速、泄露小、重量轻、体积小、调速范围大、低速稳定性能好。综合以上要求所以我选用径向液压柱塞马达。型号选为1QJM1210型液压马达排量为1L/R，压力额定压力10MP、尖峰压力16MP转速范围4200R/MIN，额定输出转矩2140NM江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第14页共53页第3章刀架主要零件设计31花键轴设计311作用本次设计中所涉及的是花键轴，与一般轴不同，该轴即是液压缸缸体的活塞杆又是作为传递动力的花键轴，它既传递动力又同时传递运动。所以该部件是本次设计中最重要的部件之一。312设计要求本次设计中花键轴充当了液压缸的活塞杆，又套装了动静齿盘以及齿轮，所以它在实际运动中会受到轴向力、周向力、径向力这三方面的力，由于是卧式刀架，其自身较重，所以轴也会受到较大的扭矩和弯矩。所以在设计要充分的考虑其外观结构，准确的计算其应满足的强度，否则轴的强度和刚度都会受到影响，使轴发生塑性变形严重的会发生断裂，进而影响机床的安全性和可靠性。该轴在整个设计中并不是独立的个体，所以在设计计算时它是与其他结构部件相互联系相互影响的，考虑到其他部件的设计，必要时可以对轴进行改换。313计算轴径综合考虑，由于本次设计中花键轴要承受三个方向的力并承受较大的扭矩，即要求该轴的综合性能较好。3545钢、40GR、40MN、30GRMNSI、35CRMO、40CRNIMO、20CR、20CRMNTI都满足要求。由于是运用于顺空机床，又适用于活塞杆，故最终选用40GR钢，由于GR具有良好的淬透性，提高钢的强度和回火稳定性，具有优良的机械性能，故采用调质处理。轴的转矩公式为（369510PTN1）而所给的参数设计要求的最大切向的转矩为江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第15页共53页,32101KNM转速N为MIN,/254602RTR得出P,919105966KWT而,323PDCN查表得C118,算出D，所求D应为受力部分的最细处，但因该处有键槽，故轴径应增大3。取D36MM314结构设计初定各轴段直径表31花键轴各段直径位置轴径/MM说明右轴段36根据传递转矩来计算所得安装轴承处70根据轴承的受力计算得出油箱内部轴段60须考虑该部分还充当了活塞杆左轴段40轴承要承受轴向力和径向力安装刀盘轴段35须进行计算来选取初定各轴段长度表32花键轴各段长度花键轴轴段60考虑到整个外形尺寸来定右轴段40考虑到齿轮尺寸油箱内部轴段125由液压缸尺寸来定左轴段5考虑油箱厚度安装刀盘轴段50确定刀盘型号再计算江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第16页共53页轴的设计要以加工方便为最主要的考虑，其次还要注意轴承的安装大小，除轴左右端倒角外上面的所有过渡圆角均取R2MM；轴端右倒角为，左端倒角245O为。145O315受力分析根据轴已知的设计参数画出轴的空间受力简图如图31所示21TKNM图31受力简图根据受力强度对轴校核满足要求。画出花键轴简图如图32所示江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第17页共53页图32花键轴简图32液压缸设计321工作压力的确定液压缸的工作压力主要与系统的压力有关，这与液压泵、液压阀等系统能额定压力和系统的设置有关。由下表33几种类型设备的压力来选择。表33常用的设备压力机床设备种类磨床组合机床龙门刨床拉床农业机械或中型工程机械液压机,重型机械,起重运输机械工作压力0820352881010162032由于本次是对数控机床进行的设计，故根据表33选择工作压力为35MP。322液压缸内径、活塞杆直径计算查看表31得出轴的最细处为36MM,再根据轴的直径的选取和活塞杆直径系列取60MM，本次设计为数控车床，故根据表34取D/D05圆整为标准系列直径D120MM。表34液压缸内径D与活塞杆直径D的关系按机床类型选择D/D按液压缸工作压力选取D/D机床类别D/D工作压力P/MPAD/D江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第18页共53页磨床，研磨机床02032505058钻，车，铣055706207707初步画出液压缸结构简图如下图33接下来是对其有杆腔的实际面积计算（33）24ADDDD图33液压缸简图323壁厚、外径计算液压缸的壁厚与液压缸的强度条件有关并由他来计算。液压缸的内径与壁厚的比值大于10的圆筒称为薄壁液压缸，多见于起重运输机械和工程机械的液压缸，其壁厚按薄壁圆筒公式来计算（32MAXDP4）由设计参数给出工作压力为35MP，取100MP，这里进行取整得MAXP12MM。液压缸壁厚算出后，即可求处刚体的外径为取144MM。1D21D324确定液压缸工作行程因为液压缸工作行程长度是根据执行机构实际工作的最大行程来确定的。所以根据表35中的系列尺寸来对液压缸工作行程取标准值。表35液压缸工作行程江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第19页共53页255080100125160200250320400500630800100012501600200025003200400040639011014018022028036045055070090011001400180022002800390024026030034038042048053060065075085095010501200130015001700190021002400260030003800325确定缸盖厚度本次设计中液压缸底选用的为平底钢盖，其厚度为H，为了使缸盖满足强度要求，既要通过公式35来计算其厚度H35MDAXP430通过计算得出此缸盖厚度为32MM。326确定缸体长度缸体长度主要是根据工作行程确定的，所以只要查看所需的单出杆方向工作范围就可确定出缸体长度。经过计算此次设计选了165MM就可以满足工作要求了。所以缸体总长确定为为165MM。327分析活塞杆稳定性分析活塞杆的稳定性，首先先要根据公式34确定出液压缸是否为薄壁还是厚壁液压缸，前面计算得出壁厚8MM故属于薄壁液压缸，计算得出活塞杆长度为165MM，所以同时还需要考虑其纵向稳定性。D10江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第20页共53页图34液压缸33各齿轮的设计和计算齿轮传动是日常生产中应用最为广泛的一种传动形式。与其他的机械传动相比而言。齿轮传动具有传递功率大，最高可达100000KW以上；速度范围广，圆周速度可以从很低到300M/S；效率高，可达到094098；工作可靠；结构紧凑；寿命长；可以实现恒定的传动比传动准确等优点。但是基于这些优点，它又有着不适用于远距离传动和安装要求精度高，制作成本相对较高等缺点。331齿轮类型、材料选定（1）考虑到花键轴上安装有轴承，故不宜受太大轴向力，又考虑到制造成本问题，所以在本次设计中选用直齿圆柱齿轮传动。（2）由于设计中对齿轮是处于中低速重载场合，兼顾制造成本。所以齿轮的材料选择为，小齿轮材料为45钢，硬度为180HBS，大齿轮材料为45钢，正火处理，硬度为190HBS。332确定许用应力齿轮的许用应力是根据齿轮的材料和齿面平均硬度来得出的。查表得MPAH5301LIMMPAH5402LIMF2LIFLI取，则HS江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第21页共53页A5301LIM1MPSHA54012LIM2MPSHF682LI1F762LI2333参数的选择由于液压电机每转过180可实现一次自锁,所以该刀架的变位比计算公式为2118036ZNI其中N为转塔的工位数,为两齿轮齿数。1Z2当时，84I421（1）齿数、转速较低,取17，则68。1Z2Z（2）齿宽系数取10D（3）载荷系数K取K11（4）齿数比UU/42Z1334按齿面接触疲劳强度设计大齿轮传递的转矩MNT610MPAHH53,MIN2计算齿轮的分度圆直径37UKTDHD321267335计算齿轮尺寸1齿轮模数M（3MZ1684D28）2齿轮中心距（3A5427219）江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第22页共53页3齿轮分度圆直径，（3MZD171MZD68210）4齿轮齿宽，取。D1BB12105B1336校核齿根弯曲疲劳强度齿根的弯曲强度校核步骤是，先根据算得齿数查出齿形系数，再计算其与许用弯曲应力的比值，超出范围则需要重新校核，所以先根据齿数，查得齿形系数,451FY923FY计算得出齿形系数与许用弯曲应力的比值为02618F01762F因为较大，故需校核齿轮1的弯曲疲劳强度，由公式1FY（31112FFMBDYKT11）由计算可得齿根弯曲强度满足要求。花键齿轮江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第23页共53页小齿轮图35两齿轮结构34动静齿盘设计本次设计中所涉及到的一对动静齿盘啮合是数控刀架上的两个重要部件，其基本动作原理是液压缸左腔来油推动活塞杆向右运动从而使动齿盘与静齿盘啮合，这样，当花键轴旋转时即可带动刀架运动；当液压缸右腔来油时，推动活塞杆向左运动，从而使动静齿盘脱开，刀架到位。其精度高与低决定了刀架性能的好坏。齿盘的齿形可设计成向心齿其齿面为梯形齿、齿的截面也为梯形，第二种就是设计成矩形齿其齿面为矩形、齿的截面为梯形。由于梯形齿适用于重载情况下，而本次设计中齿盘则是作为分度机构来使用，故考虑到成本问题，刀架采用工艺性能好的矩形齿，齿的啮合深度通常设计为45MM,由于本刀架的液压系统采用变量泵,可获得所需的锁紧力满足刀架刚度要求,所以本文将齿的啮合深度设计为4MM这一设计也可减少活塞的行程,节省功率。确定好啮合深度以后接下来就要根据刀架直径选定外径，外径系列如下100MM，110MM，125MM，140MM，160MM，180MM，200MM，220MM，250MM，280MM，320MM，360MM，400MM，450MM，500MM，560MM，630MM，710MM，800MM，1000MM，1250MM和1600MM刀架直径为144MM故选择外径为D140MM，D80MM。分度角选择为5，齿数为72齿。35花键轴设计江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第24页共53页本次设计中的花键轴是整个刀架的比较重要的零件之一。它一方面做往复运动，控制动静齿盘的脱开与啮合，其次它又做圆周转动，控制刀塔的转动实现刀架转位。因为是控制刀架转位的，所以要求具有一定精度，同时为了实现往复运动，故又要同时具有一定的导向性，故设计中选用矩形花键轴。为了获得较高的精度，花键轴与活塞配合部分尺寸设计为36活塞孔按36H7设计，只有,025这样才能很好的保证两者的相对润滑。36转塔的定位方法本次8工位的数控刀架转塔采用的定位方法是采用用多个螺钉和大螺母来固定动静齿盘。分别采用六个大螺钉，再加轴端大螺母进行了定位。用该种方法定位,刀盘上的螺钉孔需装配时,大螺母拧紧后配作,由于螺纹孔较多、较大,配作难度大并且多次拆装后,由于螺纹磨损,大螺母拧紧后易造成螺纹孔错位,使螺钉无法拧入。37防水防尘设计本次液压系统的设计主要是用活塞杆来控制动静齿盘的脱开与啮合，只有在脱开状态刀架才能旋转执行换刀指令。因此液压系统的密封性决定了整个系统的工作稳定性，要想使液压系统可以获得良好的工作稳定性，除了考虑原件的设计安装外，还要考虑到密封元件的选用。防水、防尘设计不当,刀架工作过程中冷却液、铁屑等将进入刀架。冷却液、铁屑进入刀架会腐蚀和损伤齿盘,降低齿盘的精度和使用寿命。由于本次设计中活塞杆具有往复运动和转动两种运动，故采用O型密封圈。该型密封圈适用于动密封、静密封、双作用场合，通用性较好，也符合设计中的经济型要求。38液压刀架装配图江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第25页共53页图36液压刀架装配图江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第26页共53页第4章PLC程序及触摸屏设计41PLC的选择411PLC原理及其应用PLC在研制之初原本是想用其来代替由传统继电器接触器所组成的一系列控制装置，但是最终发现其两者的运行方式是大不相同的。继电器接触器这一类控制装置是采用硬逻辑并行运行的方式，也就是指如果该继电器线圈通电或断电，该继电器无论是常开还是常闭触点也无论是在控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。而我们的PLC则不同，PLC的CPU是采用顺序逻辑扫描用户输入程序的运行方式来工作的，也就是指如若其中某一线圈被接通或者是断开，该线圈的所有触点不会立即工作，只有当程序扫描到该触点时才会动作，这与继电器接触器的动作方式可以说刚好相反。412PLC的特点1适用性强、功能齐全PLC已经运用到各种工业的控制当中，PLC发展至今已经具备了完整的运算能力，且通信能力的发展致使人机界面的技术发展从而让PLC构成的控制系统设计起来变得非常容易。2可靠性高众所周知，电气设备作为整个机械设备的控制系统，较高的可靠性是其必须具备的一种性能，就PLC而言，其带有的自我检测功能可在出现故障时发出警报，能有效的避免事故的发生。3设计、维护方便PLC系统本身是以存储逻辑来代替接线逻辑的，很好的简化了外部设备，从而也使其制造周期缩短，维护也简易化了，还有一关键的性能就是PLC系统使同一个设备改变其内部程序就可以改变其生产过程。413PLC编程语言PLC控制技术发展至今，其设计语言也变得多样化常见的程序设计可以用梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言这几种设计语言来完成。由于PLC的梯形图语言应用较为广泛，所以此次设计就是采用该种语言来设计的。江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第27页共53页42PLC的型号选择及I/O的确定421PLC的型号选择在以前对PLC的学习中我们知道，其输入输出点数是有限的，即I/O口，是有一定数量的，并不能无限的使用。因此当人们在设计PLC控制系统的时候，经常遇到的一个问题，就是I/O口不够使用的这么一个问题，其相应的解决办法一般有两种一种是选用I/O口较多的PLC，第二种则是增加其扩展单元。由于有I/O口不够用的这么一个问题存在，这就需要我们在对其系统设计的时候对该系统的I/O口进行估算。本控制系统的PLC控制程序程序的估算I/O口一般包括输入端口和输出端口两种，那么按照设计要求，本程序中输入端口要有一个系统开启开关X0，与之对应的有一个系统关闭开关X1，一个当前刀号的输入开关D0，一个实现刀架转位后的刀号D1这四个端口。相对应的是输出端口要有8工位指示灯从Y0到Y10的10个端口和一个定时器到时灯亮的Y11这11个端口。由上初步分析可以看出，本次程序所需端口只有十几个，在承受范围内，大部分的PLC都可以满足这一要求并不需要换用端口更多的PLC或增加扩展单元。根据以上分析，又由于三菱FX3U64MTPLC学习和使用都较为简单方便，故本次设计选用三菱FX3U64MTPLC为本项设计主控设备。422I/O的确定上一章节已经对控制程序所需端口做了初步估算且确定了所用PLC，接下来就是对各I/O口进行精细分配。在对整个系统的分析可以得出，有5个输入，分别是启动开关、关闭开关、手动开关、自动开关。有6个输出，分别是吸液脉冲方向指示灯、排液脉冲方向指示灯、吸液阀、排液阀。于是，确定I/O分配表如下表41PLC的I/O分配表X0启动开关X1急停开关D0当前刀号输入D1待转刀号Y11号刀工位灯江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第28页共53页Y22号刀工位灯Y33号刀工位灯Y44号刀工位灯Y55号刀工位灯Y66号刀工位灯Y77号刀工位灯Y108号刀工位灯输出Y11计时器到时灯亮423PLC硬件接线图只有当PLC控制程序的I/O口分配好后才能绘制出其硬件接线图。那么，对应表41得出此次PLC设计的硬件接线图，如下图42所示图41PLC硬件接线图为了使刀架进给运动可以自动停止，将左限位开关X3的常闭触点与控制进给的Y0的线圈串联。为了在吸液开关X3处进行无进给切削，用X3来控制定时器T4的线圈，T4的时间一到就使其常开触点闭合，给控制Y5的起保停电路提供起动信号，使Y4的线圈通电，刀架自动返回。刀架离开X3所在位置后，X3的常开触点断开，T4被复位。刀架回到X4所在位置时，X4的常闭触点断开，使Y1的线圈断电，刀架停在起始位置。43霍尔传感器江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第29页共53页考虑到量程以及精度等条件的限制，此次设计所选用的传感器为霍尔传感器。其在刀架上的工作过程基本如下要使霍尔元件电路可以发出信号必须先要刀体转到所需到位，当电路发出信号后电机会开始反转同时反靠销插入反靠盘槽，反靠销插入之后，离合销会从离合槽中拔出，这就是刀架的粗定位过程。与此同时销盘则开始下降并使端齿啮合，这就是刀架的精定位过程。由于该传感器只有运用到实际设计中才能知道合适与否，且由于程序调试过程中并未使用到该传感器，故合适与否还要依据机床的精度大小来视情况而定。其具体结构如图42所示。图42霍尔传感器44程序设计的总体思路就本次设计而言，要用PLC来进行刀架的启动或者停止；要用PLC来实现对伺服电机的控制从而实现对泵体活塞的控制；要用PLC来控制液压系统中各液压阀；程序的就近选刀以及刀架的就近选刀也是由PLC来实现控制的。不难看出PLC才是编程部分的重中之重。在PLC进行动作方式的选择的控制上，系统是通过判别启动开关X0与急停开关X1是否闭合来进行动作方式的选择。在自动方式过程中，程序先将所有的刀号都传输给编码器再将其转换后传回程序并与实际刀号来比较是否需要转位。如不需要转位则刀架霍尔元件不发出信江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第30页共53页号，活塞不产生运动，刀架不动，如需要转位，则通过对霍尔元件来判断刀架的就近选刀以及刀架的转动方向，从而命令活塞下一步的运行方式，刀架发生转动。45程序流程图根据上一章节所设想的程序的总体设计思路来绘制出程序流程图，这样能更直观地体现程序编辑的思路，程序流程如图43所示江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第31页共53页开始输入当前刀号D0与转位刀号D1D0与D1的差值给D10D100时，D0自减并与0比较D00时，把1赋值给D0再自加把加后的D0与D1比较D0D1时，再自加，D0D1时，程序结束逆顺顺逆D90时，D0自减并与0比较D00时，把1赋值给D0再自加把减后的D0与D1比较把加后的D0与D1比较D0D1时，再自减，D0D1时，程序结束D0D1时，再自加，D0D1时，程序结束结束图43PLC程序流程图江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第32页共53页46设计状态转移图状态转移图的作用是为了方便后续程序的编写以及编写过程中出现错误时的错误查找，故此次设计中根据图44PLC流程图绘制出以下状态转移图。首先画出能控制程序启动和停止的状态图，如图44所示SETM0RSTM0X001X000图44PLC编程程序启停状态图其次画出程序初始化阶段的状态转移图，如图45所示M8002NEGPD10S0X00M启动按钮清零复位S10SUBD1D0D10MOVD10D9CMPD10K0M53M550CMPD9K0M5654MCMPD10K4M10图45PLC编程初始化状态转移图江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第33页共53页再次是根据设计思路画出逆时针转动、顺时针转动和停止三个状态下的状态转移图，如图46、图47、图48所示0M_S21DECOD0Y0K4结束（T0K100）T0S10下的分支把D10与4比较大小D100M54M51M31图46停留当前刀位的状态转移图江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第34页共53页S10下的分支把D10与4比较大小D104M10M11把D9与0比较大小M56M58S17S13MDECOD0Y0K4（T0K100）T0S140SUBD0K1D0CMPD0K0M40S15M41MOVK8D0S160MCMPD1D0M50M51M50图47逆时针转动时的状态转移图江苏理工学院毕业设计说明书（论文）第35页共53页S10下的分支把D10与4比较大小D104、D90和D104、D9