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数控车床
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立式电动 数控 刀架 使用说明书 立式电动数控刀架 使用说明书 1 1、 四工位刀架 六工位刀架 6、 刀架 结构 简图 初定位销传动盘连接盘防护帽V A 型 密 封 圈下齿盘方刀台动齿盘上齿盘初定位盘丝杆套蜗杆结合子蜗杆端盖立柱法兰盘蜗轮背帽止动垫电机电机结合子电机座底座电机罩7、 内孔刀具冷却装置的安装 内冷刀架采用内孔 刀具 加工 时，先把 方 刀台上 方 堵拧下，然后将随机的内孔刀具冷却用铜管装好，再把原来冷却水 嘴 调至不出水位置，调整好铜管喷水位即可（右图为2 L L 1 立式电动数控刀架 使用说明书 2 冷却管连接方式图）。 8、 刀架安装 1、 将刀架安装在机床中托板相应 的位置，用适应的螺钉预紧刀架。 2、 校准刀架中心高保证刀尖与主轴中心一致，安装定位销，紧固螺钉。 3、 使用前应试 运行 ，确保刀架旋转灵活，无噪音，选刀准确。 9、 电气 原理 波形图 上图表示刀架从一工位到四工位的波形图。刀架接收到正转指令后， 电机开始正转 ，至机床系统接收到四工位 信号 并发出停转指令后 ， 电机停转 ，经 时后 ， 电机开始反转 ， 至锁紧信号发出 系统 经 时后，电机停转，至此， 刀架换刀结束。 刀架 延时时间 t1,见 时表 。 延时表 刀架型号 ) )W(N) t1( 50 50 50 一工位 到 四工位 一工位 四工位 锁紧开关 电机正转 停 电机反转 立式电动数控刀架 使用说明书 3 注： 架 及 刀架为无 锁紧开关 的刀架 ， 500电机从接收到反转信号后开始延时。 控制 梯形图 t2( 1500 500 500 立式电动数控刀架 使用说明书 4 接线图 i 04W(N)产品型号技术参数编码器引线颜色绿色紫色兰色黄色红色黑色电器元件三相力矩电机连接方式40极堵 转 电 流 ： 2 04极堵 转 电 流 ： 2 电 流 ： 2 06极i 04W(N)56灰色粉色4 M 接 2 4 4 i 04i 040极堵 转 电 流 ： 1 . 2 i 0641 4 4 4 4 4 4 以 上 为 控 制 系 统 接 收 高 电 位 信 号 接 法控 制 系 统 接收 低 电 位 信号 时 ， C O M 端接 0 V,+ 2 4 V 与 每 一 个 工 位 信 号之 间 接 一 个1K ， 0 . 5 W 的电 阻 。立式电动数控刀架 使用说明书 5 10、 保养 与维护 1、 刀架装配时，各 相对运动件 已 充分涂上锂基高速润滑脂 ，请不要随意加注液态油 ，以免冲走 润滑脂 。蜗轮 、 蜗杆 、丝杆套、动齿盘、上下齿盘 、轴承 等 件相对运动 处每半年 需 清洗保养一次， 加一次润滑 脂 （润滑脂必须洁净，否则将影响精度） 。 2、 刀架工作时，堆积的切屑不应超过刀台和底座之间 旋转 面 ，否则将 影响刀架正常工作，影响精度，在工作过程中，及时清除堆积的铁 屑。 3、 清理刀架四周时请不要使用气枪，否则铁屑 及 污水可能进入刀架内部，影响刀架精度。 4、 内冷刀架转位时必须关闭冷却液，否则冷却液可能进入刀架内部影响刀架精度。 5、 加工冷却时避免冷却液直射方刀台与底座连接处 ，以免冷却液进入刀架内部 。 6、 除刀架维修外，不允许将刀架上部 防护帽 取 下，否则铁 屑及粉尘 可能 进入刀架内部 ，导致电器信号短路等故障。 7、 卡紧刀具时请使用相应螺钉标准力矩 ， 不要使用加力管， 避免力矩过大 损伤刀架内部零件影响刀架使用性能 。 8、 装卡刀具时尽量不要造成偏载 ， 以免影响刀架性能 。 立式电动数控刀架 使用说明书 6 11、 常见 故障与排除 序号 故障 故障分析 排除方法 1 刀架电机不启动 1、 刀架电机电源线相序接反或缺相。 2、 电机损坏。 3、 机床报警没有消除。 4、 电源电压偏低。 1、 切断电源，调整电机电源相序。 2、 切断电源检查电机。 3、 按机床“ 键，消除报警。 4、 检查电源电压，保证电压正常。 2 刀台连转不停，不能在某工位选刀 1、 刀架编码器松动。 2、 与编码器连接的信号线虚连或者断路。 3、 编码器上下两层间铜触点锈蚀，编码器失灵。 1、 机床打到手动挡，圆周方向旋转编码器到刀位号出现，预紧编码器。手动选刀，观看方刀台与底座之间的偏角，选不到某刀位：顺时针小角度调节；某刀位偏角过大逆时针小角度调节。调到适当位置锁紧编码器。 2、 重新 连接编码器信号线或更换为备用线。 3、 用十字螺丝刀打开编码器上部，用砂纸打磨触点表面（注意打磨完的表面一定要光滑否则加快编码器的损耗）。 3 机床系统报警：换刀时间过长 1、 刀架编码器松动。 2、 编码器上微动开关上方的压盘不能正确压合微动开关。 1、 同第 2 条第 1 项重新调整编码器。 2、 在锁紧状态下调整编码器微动开关上方圆盘，保证微动开关充分接触。 4 刀台摆角过大 1、 编码器窜动。 1、 同第 2 条第 1 项重新调整编码器。 5 刀架转位但不能反转锁紧 1、 刀架装卡刀具超长，超重，使刀架转位时产生转动惯量过大，初定位销被卡住。 2、 初定位销 润滑不良。 3、 初定位销上的弹簧失灵 4、 刀架反转 时定位销不能有效落入定位槽中。 1、 用内六角扳手旋转电机使刀架到锁紧位置，重新启动刀架。禁止使用超长、超重刀具。 2、 拆开刀架，初定位销外圆处涂抹润滑脂。 3、 更换弹簧。 4、 修磨初定位销下端斜面处倒圆。 立式电动数控刀架 使用说明书 7 6 刀架精度不准 1、 刀架内进入杂物。 2、 刀架反转时间不够。 3、 刀架电机正反转时间间隔错误。 4、 刀架携带刀具超长，超重。 5、 刀架撞车。 1、 刀架拆开将其清洗，重新加注润滑脂。 2、 根据系统说明书，按照刀架说明书重新设定刀架电机反转延时时间。 3、 根据系统说明书，调整刀架电机正反转之间时间为 50 4、 请保证刀架携带刀具转动惯量小于最大允许转动惯量。 5、 拆开刀架对内部排查，或返厂维修。 7 刀架噪音 1、 刀架电机损坏。 2、 蜗杆处轴承或丝杆套上端面轴承损坏或润滑不良 1、 将电机从刀架上拆除，接通电机电源，检查。有噪音的请更换。 2、 重新加注润滑脂，更换相应轴承。 8 刀架出水量不足或不出水 1、 检查机床冷却系统。 2、 检查水路是否被杂质堵塞。 1、 修理或更换冷却泵。 2、 清理冷却水路，改善切削液过滤装置。 注：在维护修理 需 拆卸刀架时， 注意 记录刀架在锁紧状态时 传动销与传动盘立面 的相对位置关系，此将影响刀架的装配效果。在拆卸动齿盘时 ， 注意初定位销上方有个 3 的工艺孔，可安装 一个 钉 ， 以防 止 拆卸过程中初定位销 在弹簧的作用力下与动齿盘脱离 。 12、 报 废与回收 将机体内的 润滑脂 排出并放于废油收集容器内； 各零件拆卸分开，取出零件上的橡胶及塑料制品； 分类各金属材质零件； 请分别依照当地资源回收处理办法给予回收再利用 机电设备安装与维修 项目迎战 | 补充2 项目方案 理论学习 02C 控系统（刀架控制）部分 动手实践（分 4组） 刀架拆装（ 2组） 电气控制（ 2组） (华中数控 四方电动刀架 机电设备安装与维修 项目迎战 | 补充2 四方电动刀架工作原理 工作 原理： 蜗杆传动 ，上下齿盘啮合，螺杆夹 紧。 刀架结构： 四方电动刀架 端齿盘式四刀回转刀架 1电动机； 2联轴器； 3蜗杆轴； 4涡轮丝杠； 5刀架底座； 6粗定位 7刀架体； 8球头销； 9转位套； 10电刷座； 11发信体； 12螺母； 13、 14电刷；15粗定位销 机电设备安装与维修 项目迎战 | 补充2 四方电动刀架工作原理 电动 刀架工作过程： 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 。 四方电动刀架 机电设备安装与维修 项目迎战 | 补充2 四方电动刀架工作原理 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。 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，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 ， 刀具已到位 。 电动 刀架各时序的切换及间隔是系统控制的关键，反向锁紧所用时间取决于 电 动 刀架 生产 厂家推荐指标，过长会引起电机发热甚至烧毁。为保证电动刀架安全 运 动 ，在电动刀架 交流 380 可见，此 刀架工作 特点 ： 电机正转 寻 刀， 反转定位锁紧。 四方电动刀架 机电设备安装与维修 项目迎战 | 补充2 控制要求 刀架电气控制主电路 控制要求 正 反转互锁 电机 长 时间正转 （如 20s），而检测不到刀位信号，则 认为故障 ，立即 停止电机。 此时间称为 刀架监控时间 检测 到所选刀位的有效信号，停止刀架电机，并延时 （如 50 延时 结束后刀架电机反转锁死刀架，并延时（ 10s） 后停止刀架电机，换刀 完成。 此时 间称为 刀架锁紧时间 在急停、刀架电机过载、或程序测试等情况下，换刀被禁止。 四方电动刀架 P 2 4X 2 0 0Q 0 . 0 Q 0 . 1 Q 0 . 2 Q 0 . 4 Q 0 . 5 P 2 40 转 定位 反转 锁紧 机电设备安装与维修 项目迎战 | 补充2 控制要求 刀架 换 刀过程顺序 换刀监控延时启动 反转延时启动 换刀信号 电机 正转 上刀 体抬升转位 检测到 信号符合 电机正转停 反转粗定位 精定位（齿盘齿合） 刀体锁 紧（电机堵转） 反转延时 结束，电机停 换刀完毕。 四方电动刀架 霍尔元件 磁钢 1 2 3 4 机电设备安装与维修 项目迎战 | 补充2 刀架 刀架控制方式 零件加工程序调刀指令 行时， 或 手 动 调刀时，首先输出刀架正转 信 号 ，使 刀架正转 ，当接收到 指定刀具 的到位信号后，关闭刀架正转信号， 延时 一时间 后，刀架开始 反转进行 锁紧，并 开始锁紧延时时间，紧锁时间到则关闭 刀架 反转 信号，换 刀结束。程序 转入 下一程序段继续执行。如执行的刀号与 现 在 的刀号 (自动记录 )一致时，则换刀指令 立刻结束 ，并转入下一程序段执行 。 动作 流程图 四方电动刀架 分类 条件 说明 执行 自动或 过零件加工程序 按 按 刀架正转信号有效。信号一直保持到实际刀位与编程中 后刀架反转信号自动生效。反转信号的保持时间由机床参数设定（ 指定刀位换刀 ） 点动换刀 手动方式下，通过短促按下手动换刀键 按 刀架正转信号有效，直至刀架转过一个刀位，然后刀架反转信号自动生效（ 邻刀位换刀 ） 机电设备安装与维修 项目迎战 | 补充2 读入当前刀号 刀架静止且当前刀号为”0”吗？ 急停生效吗？ 程序测试生效吗？ 刀架电机超载吗？ 手动换刀 按换刀键 刀架正转至下一刀位 自动或 读入编程刀号 刀号在范围内吗？ 编程刀号是否不为”0”且不等于当前刀号？ 刀架正转开始寻刀 在监控时间内找到编程刀具了吗？ 刀架反转 刀架夹紧监控生效 夹紧监控结束 复位进给保持和反转信号 换刀结束 退出换刀程序 Y Y Y Y Y Y Y N N N 程序 流程示意图 动作流程图 四方电动刀架 机电设备安装与维修 项目迎战 | 补充2 信号地址、名称和 意义 （ 四方电动刀架 I/O 类型 地址及名称 意义 输入信号 I/O刀架在 件程序中的 入程序指令 按下 ( 输出信号 、 输出刀架正反转信号 刀架正反转时 输入 输出 动换刀键 (面板上 位） 正转中间继电器 #刀位信号 反转中间继电器 #刀位信号 障报警指示灯 #刀位信号 #刀位信号 动方式按键（面板上 复位） 机电设备安装与维修 项目迎战 | 补充2 编制 四方电动刀架 机电设备安装与维修 项目迎战 | 补充2 编制 四方电动刀架 机电设备安装与维修 项目迎战 | 补充2 编制 四方电动刀架 机电设备安装与维修 项目迎战 | 补充2 编制 四方电动刀架 机电设备安装与维修 项目迎战 | 补充2 编制 四方电动刀架 机电设备安装与维修 项目迎战 | 补充2 西门子 80202C 数控系统的操作面板可分为三个区： 床控制面板（ 。 02C/S 数控系统 C I 院本科生课程设计（说明书） 数控车床自动回转刀架 机电系统设计 院 （系）： 业： 号： 生姓 名： 导教 师： 015 年 5 月 要 自动换刀装置是数控机床上最普遍的一种辅助装置，它可以使数控机床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。 本论文是 关于 数控 机 床 6工位 自动 回转刀架系统的 设计 机械结构装配总图的绘制 ，完成 了整个系统的设计 。其中包括自动换刀装置的总体设计、原理方案的实现、主要部件的分析、传动零件的设计计算， 单片机控制系统硬件电路的实现和软件程序的编制 。 采用三相异步电动机提供动力源，蜗轮蜗杆副传递动力，螺杆传递运动，实现上刀 体升降运动，用端齿盘定位，单片机进行系统控制，实现了数控机床 6 工位自动换刀装置的自动换刀和精确定位要求。 关键词 : 数控 机 床 ，回转 刀 架，控制系统，单片机 录 目录 . 1 章 绪论 . 1 题研究背景及意义 . 1 内外研究现状 . 1 在的问题和发展趋势 . 3 第 2 章 方案设计 . 4 动刀架的基本形式和应满足的要求 . 4 动刀架的形式 . 4 动刀架的基本要求和功能分析 . 5 步确定自动刀架的方案 . 5 第 3 章 总体结构设计 . 6 计任务 . 6 速传动机构方案设计 . 6 刀体锁紧与精定位机构设计 . 6 架抬起机构设计 . 6 第 4 章 自动回转刀架的工作原理 . 7 动回转刀架的换刀流程 . 7 动回转刀架的换刀过程中有关销的位置 . 8 第 5 章 主要传动部件的设计计算 . 9 杆副的设计计算 . 9 杆的选型 . 9 杆副的材料 . 9 齿面接触疲劳强度进行设计 . 9 杆和蜗轮 的主要参数与几何尺寸 . 10 核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 . 11 杆的设计计算 . 11 距的确定 . 11 他参数的确定 . 11 锁性能校核 . 12 第 6 章 锁紧定位机构的设计 . 13 齿盘设计 . 13 齿盘的特点 . 13 齿盘主要参数的设计计算 . 13 数 z 的确定 . 13 齿盘外径 d . 14 齿盘齿形角 . 14 根角 (啮合斜角 ) . 15 大齿距 (周节 )t 和最大齿厚 B . 16 顶高 h 及啮合高度 . 17 宽 (径向 )F . 17 底槽宽 b 和齿顶宽 . 17 7 章 电气控制部分设计 . 18 片机选型 . 18 件电路设计 . 18 收信电路 . 19 发信电路 . 20 硬件电路主要电子元件的工作原理 . 20 尔元件的工作原理和特性 . 20 霍尔开关的工作原理 . 20 光电耦合器的工作原理 . 21 8255 芯片的工作原理 . 21 控制软件设计 . 22 刀工作原理的程序流程图 . 22 程序的 实现方法 . 23 第 8 章 结 论 . 24 参 考 文 献 . 25 1 第 1 章 绪论 题研究 背景 及 意义 数控机床是数字控制机床（ 简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。自从 1952 年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中等领域被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面，都有飞速发展。 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。数控机床是一种典型的机电一体化产品，适用于加工多品种小批量、结构较复杂、精度要求较高、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。 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。 内外研究现状 自动刀架系统应用了自动控制、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。 自动换刀装置是数控机床上最普遍的一种辅助装置，它可以使数控机床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。 2 目前 我国 的数控机床和加工中心使用的自动换刀装置主要有转塔式自动换刀和刀库式自动换刀两种。转塔式换刀一般为顺序换刀，其换刀时间短，结构简单、紧凑，但刚性较差，能容纳刀具较少；刀库式换刀一般刀库只有选刀动作而另需机械手进行换刀动作，其刀库容量大，但 其成本高，结构相对复杂。 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，但制造商们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。电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，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指令外，很重要的一点是数控车床需配备易于控制的自动回转刀架，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。 国产数控车床今后将向中高档发展，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，近年来需要量可达 1000 1500 台。 国外数控车床的发展目的在于提高加工精度和缩短制造周期。实现上述目的之手段是实现机床多功能化和工序工种集成，开发多种多样复合化加工的机种，如增添铣削功能的复合加工车削中心、双主轴多刀塔 (双刀塔或四刀塔 )数控车床和车削中心、双主轴同步驱动，双刀塔同时进行加工车削中心、五轴联动车铣复合中 心、车磨复合加工机床、具有车、铣、镗、磨和激光热处理多种功能的高度复合化的复合加工中心等等。我国数控车床经过多年的发展，特别是近几年迅速为回转刀架的收信与发信控制体，控制步进电机转动带动蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆的发展，与国际先进水平的差距在逐年缩小。对于某些依赖于进口的高档数控车床，如高精度数控车床和车削中心 (主轴径跳轴跳、适用耐热合金和钛合金零件加工的大功率、高扭矩数控车床和车削中心等等要加强产品开发研究攻关，突破其核心技术。 3 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 。 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应随之发展。 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档发展，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。 4 第 2 章 方案设计 普通的机械零件的加工制造过程中，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，通常采用“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。 动刀架的基本形式和应满足的要求 动刀架的形式 图 示为螺母升降转位刀架，电动机经联轴器、蜗轮副带动螺母旋转，螺母举起刀架使上齿盘与下齿盘分离，随即带动刀架旋转到位，然后给系统发信号螺母反转锁紧。 图 转刀架的形式及其 工作原理图 图 示为利用十字槽轮来转位及锁紧刀架（还要加定位销），销钉每转一周，刀架便转 1/4转（也可设计成六工位等）。 图 示为凸台棘爪式刀架 图 示为电磁式刀架， 图 示为液压式刀架 5 动刀架的基本要求和功能分析 基本要求： 1） 满足工艺要求 2） 保证足够高的重复定位精度 3） 具有足够的刚度 4） 提高可靠性 5） 缩短换刀时间 功能分析 ： 1)抬起：为了使刀架能够转位，回转刀架必须先抬起。 2)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 6 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 。 3)定位 ： 为保证加工精度，在加工时 回转 刀架应精确定位。 步确定自动刀架的方案 初步决定选用 示形式的电动刀架。 电动刀架的初步方案简图如下图 图 电动刀架简图 其工作原理为：当数控装置发出换刀指令后，电动机正转，通过联轴器带动蜗杆旋转，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 6 继续转动带动刀架转位，完成转位后，由微动开关发出信号使电机反转，压紧刀架。 第 3 章 总体结构设计 计任务 设计一台六工位的立式自动回转刀架，适用于 济型数控车床，推荐刀架所用电机的额定功率为 110W，额定转速为 1440r/刀时要求刀架转动的速度为 25r/ 速传动机构方案设计 普通的三相异步电动机因转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必须经过减速机构进行减速。考虑到本设计减速比较大，且为立式刀架，需改变传动运动方向，要求自锁，因此综合比较之后选用蜗杆副减速。蜗杆传动单级传动能得到很大的传动比，传动平稳，无噪声，冲击载荷小，且能优化整体结构，做到外型轮廓小，结构紧凑，固选用蜗杆传动。 刀体锁紧与精定位机构设计 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。 架抬起机构设计 要想使上、下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计合适的机构使上刀体抬起。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，当电动机带动螺杆绕中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动，要么上下移动。当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互啮合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，所以螺杆的转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离啮合时，上刀体就与螺杆一同转动。 设计螺 杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定角度时，使得上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。 7 第 4 章 自动回转刀架的工作原理 动回转刀架的换刀流程 自动回转刀架的换刀流程如图 图图 动回转刀架的换刀流程 当数控装置发出换刀指令后，电动机正转，通过弹簧安全离合器带动蜗杆正转，再经过蜗轮带动螺杆转，作为螺母的上刀体要么转动，要么上下移动，此处设计为电动机正转时上刀体向上移动，当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿 相互啮合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，所以螺杆的转动会使作为螺母的上刀体向上移动，从而使刀架抬起，在螺杆旋转的同时也带动上盖圆盘一起旋转，当刀架完全抬起后，端面齿脱离啮合，上刀体上部的圆柱销落入上盖圆盘，上盖圆盘就通过圆柱销带动一同转动，从而实现了上刀体的转位，再通过霍尔元件触发判断上刀体是否转到了工作位置。完成转位后，由微动开关发出信号使电机反转，通过弹簧安全离合器带动蜗杆反转，再经过蜗轮带动螺杆旋转，螺杆旋转的同时也带动上盖圆盘一起旋转，上盖圆盘通过上刀体上部的圆柱销带动上刀体开始反转，上刀体下部 的反靠销马上就会落入反靠圆盘的十字槽内，反靠销反靠，上刀体停转，至此，实现粗定位。螺杆的 8 继续转动使上刀体下降，最后至上刀体的端面齿与下刀体的端面齿完全啮合，实现精定位，电动机停转，再延时锁紧，整个换刀过程至此结束。 动回转刀架的换刀过程中有关销的位置 图 图图 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 槽内，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 9 第 5 章 主要传动部件的设计计算 杆副的设计计算 根据设计任务书可知， 由于刀架转动所需的功率较小，所以选取额定功率为 1P =110W，额定转速 1n =1440r/电动机 ,上刀体设计转速 52 ，则蜗杆副的传动比 440/ 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 10085荐采用渐开线蜗杆（ 杆）和锥面包络蜗杆（ 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 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；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 刀架中的蜗杆副要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 （ 从式（ 出蜗杆副的中心距 据传动比 i=查表选择一个合适的中心距 及相应的蜗杆、蜗轮参数。 确定作用在蜗轮上的转矩2 0 0 . 89 . 5 5 9 . 5 5 3 3 . 6 1 6 3 3 6 1 625 m N m 载荷系数： 1 . 1 5 1 . 1 5 1 . 0 5 1 . 3 9 K K 确定弹性影响系数0 铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从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 可查得接触系数 。 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应力循环次数： 726 0 6 0 1 2 5 1 0 0 0 0 1 . 5 1 0hN j n L 寿命系数： 78 10 0 . 8 9 6许用接触应力 : 0 . 8 9 6 2 6 8 2 4 0 . 1 3H H N P a M P a 计算中心距 将以还是各参数带入式 (求得中心距 : 23 1 6 0 2 . 91 . 3 9 3 3 6 1 6 ( ) 3 8 . 6 32 4 0 . 1 3a m m m m 经查表 ,取中心距 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 。因为,所以上述结果可用。 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1 1z，模数 m=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 。 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 36z ，模数 m=度圆直径为22 1 . 6 3 6 5 7 . 6d m z m m ,变位系数 2 1 2( ) / 2 / 5 0 ( 2 0 5 7 . 6 ) / 2 / 1 . 6 1x a d d m ，蜗轮喉圆直径为 11 *2 2 22 ( ) 5 7 . 6 2 1 . 6 ( 1 1 ) 6 4d m h x m m ，蜗轮齿根圆直径为 *2 2 22 ( ) 5 7 . 6 2 1 . 6 ( 1 1 0 . 2 ) 5 6 . 9 6d m h x c m m ，蜗轮咽喉母圆 半径 22 2 5 0 6 4 2 1 8a 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（ 蜗轮齿数2136z 。则蜗轮的当量齿数： 22 3 3 6 . 3 5c 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，经查表，可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（ 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。 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 12 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，经查表，取二者的摩擦因素 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。 13 第 6 章 锁紧定位机构的设计 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 , 弧齿性能良好，允许一定的角位移，但加工复杂，相对加工成本较高，故选择直齿。 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 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，例如下盘齿数为 96，上盘齿数为 360时，就可将一个整圆分成 1440个等分 (最小分度值为 。 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。 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。 数 z 的确定 可根据分度要求，即需要分度的最小分度值 来确定： 14 360（ 取最小分度角度 3o ，则 z=120齿。 齿盘外径 d 端齿盘外径 结构允许的情况下，外径越大，分度或定位机构的稳定性越好。根据本机构实际出发，端齿盘外径设计为 d=165 齿盘齿形角 选取时应考虑作用在端齿盘上的负荷力矩 M 及总锁紧力作用于齿盘上每齿的切向外力 Q 和轴向锁紧力 N ，沿着齿面方向进行分解。如图 满足以下条件： 图 齿盘受力图 图 面上的切向外力和轴向锁紧力 而 2c o s , , ,2 2 2D D z za a N Q Q s i n N ，则 不等式变为 c o s s i 即 2c o s s i 2z D a ， 最后得到 4 t a n 2Dz d （ 15 图 齿盘剖视图 从式 (以说明，在外载 M 不变时，齿形角需自锁力自锁性越强，但齿相应变深，齿厚变小；齿形角 D 越大，需要的总锁紧力承受外转矩的能力下降，但齿高变低，端齿啮合的高度下降，结构紧凑；同时也说明了加大外径 图 齿俯视示意图 图 在选取时齿形角综合考虑作用在端齿盘上的负荷 (力矩 )及锁紧力的大小，同时受齿形加工刀具的限制，现已标准化，通常取 40o 、 60o 、 90o 。等。本设计采用 60的齿形角。 根角 (啮合斜角 ) 为了保证在齿宽方向上的啮合质量，加工端齿时必须调整分度盘回转中心线和工作台面倾斜角，即齿根角或啮合
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