简易立车自动回转刀架的设计

摘要 本设计主要是对自动回转刀架的设计，它 涉及一种数控机床用的配件 ，在机床中得到普遍应用。自动回转刀架可分为立式和卧式两种；根据机械定位方式不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等。 本 设计 采用槽轮转位，锁止弧初定位，端面凸轮夹紧，三个端齿盘精定位，编码器检测工位和用胀紧套调整相位的结构，设计合理，转动时不需抬起刀盘，密封性能好，加工精度稳定可靠，相位调整操作方便，刀盘转动时不会越位。 在设计中选用霍尔接近开关来检测当前刀架位置，以保证刀架转位的定位精度，自动回转刀架还要选择可靠的定位方案和合 理的定位结构，并在自动换刀时采用 简易、经济的 控制系统和驱动电路来实现。 关键字： 简易立式车床、自动回转刀架、控制系统、定位机构 目录 摘要 2 目录 3 第一章 自动回转刀架总体设计 4 述 4 控车床自动回转刀架的发展趋势 4 动回转刀架的工作原理 5 第二章 主要传动部件的设计计算 7 杆副的设计计算 7 杆轴的设计 10 轮轴的设计 16 心轴的设计 17 盘的设计 18 承的选用 20 第三章 刀架体的设计 21 架体的选择 21 动方案确定 22 位方案的确定 23 动回转刀架的工作原理 23 第四章 小结 26 致谢 28 参考文献 29 第 一章 自动回转刀架总体设计 述 数控车床的刀架是机床的重要组成部分。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。在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。随着数控车床的不断发展，刀架结构形式也在不断翻新。其中按换刀方式的不同，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。自 1958 年首次研制成功数控加工中心自动换刀装置以来，自动换刀装置的机械结构和控制方式不断得到改进和完善。自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形 式多种多样，目前常见的有：回转刀架换刀，更换主轴头换刀以及带刀库的自动换刀系统。 初步了解了设计题目（电动刀架）及发展概况，设计背景，对刀架有了一些印象，对整理设计思路 安排设计时间有很好的辅助作用。对一些参数的进行了解同时按准则要求来完成设计。 控车床自动回转刀架的发展趋势 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。 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电动刀架，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。 数控刀架的市场分析：国产数控车床将向 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。 数控刀架的高、中、低档产品市场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具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的特点。它的原理采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。 动回转刀架的工作原理 回转刀架的工作原理为机械螺母升降转位式。工作过程可分为刀架抬起、刀架转位、刀架定位并压紧等几个步骤。图 螺旋升降式四方刀架，其工作过程如 下： （ 1） 刀架抬起 当数控系统发出换刀指令后 , 通过接口电路使电机正转 , 经传动装置、驱动蜗杆蜗轮机构。蜗轮带动丝杆螺母机构逆时针旋转 ,此时由于齿盘处于啮合状态，在丝杆螺母机构转动时，使上刀架体产生向上的轴向力将齿盘松开并抬起 ,直至两定位齿盘脱离啮合状态 ,从而带动上刀架和齿盘产生“上抬”动作。 （ 2） 刀架转位 当圆套逆时针转过 150时，齿盘完全脱开，此时销钉准确进入圆套中的凹槽中，带动刀架体转位。 （ 3） 刀架定位 当上刀架转到需要到位后（旋转 90、 180或 270），数控装置发出的换刀 指令使霍尔开关中的某一个选通 ,当磁性板与被选通的霍尔开关对齐后 ,霍尔开关反馈信号使电机反转 ,插销在弹簧力作用下进入反靠盘地槽中进行粗定位，上刀架体停止转动，电机继续反转，使其在该位置落下，通过螺母丝杆机构使上刀架移到齿盘重新啮合 , 实现精确定位。 （ 4） 刀架压紧 刀架精确定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿盘增加到一定夹紧力时， 电机由数控装置停止反转，防止电机不停反转而过载毁坏，从而完成一次换刀过程。 图 旋升降式四方刀架 第 二章 主要传动部件的设计计算 杆副的设计计算 自动回转刀架的动力源是三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直联，刀架转位时蜗轮与上刀体直联。已知电动机额定功率 0W，额定转速 440r 刀体设计转速 0r 蜗杆副的传动比 i=44030=48。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，起动时冲击较大，今要求蜗杆副 的使用寿命 0000h。 (1)蜗杆的选型 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( )。 (2)蜗杆副的材料 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，其螺旋齿面要求淬火，硬度为 45 55提高表面耐磨性；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。 (3)按齿面接触疲劳强度进行设计 刀架中的蜗杆副采用闭式传动， 多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，在进行承载能力计算时，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： 1) 确定作用在蜗轮上的转矩 设蜗杆头数 ，蜗杆副的传动效率取 =电动机的额定功率 0W，可以算得蜗轮传递的功率 1，再由蜗轮的转速 0r 2) 确定载荷系数 K 载荷系数 K=其中 表 查得，由于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取 工作载荷在起动和停止时有变化，故取 于转速不高、冲击不大，可取 载荷系数： K=) 确定弹性影响系数 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 。 4) 确定接触系数 先假设蜗杆分度圆直径 a 的比值 ，从而可查出 =)确定许用接触应力 H 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜 属模铸造、蜗杆螺旋齿面硬度大于 45表可得蜗轮的基本许用应力 H =268知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数 j=1；蜗轮转速 0r 杆副的使用寿命 0000h。 则应力循环次数： N=60 1 30 x 10000=107 寿命系数： 许用接触应力： H= H =268 249) 计算中心距 查表得，取中心距 ，已知蜗杆头数 =1， m=杆分度圆直径 时 而可查得接触系数 ，因为 ，因此以上计算结果可用。 蜗杆和蜗轮主要几何尺寸计算 （ 1） 蜗杆 分度圆直径： 8径系数： q= 蜗杆头数： 分度圆导程角： =3 11 38 蜗杆轴向齿距： = 蜗杆齿顶圆直径： 蜗杆齿根圆直径： 蜗杆轴向齿厚： =杆轴向齿距： （ 2）蜗轮 蜗轮齿数： 45 变位系数 =0 验算传动比： i= / =45/1=45 蜗轮分度圆直径： d2=72蜗轮喉圆直径： 蜗轮喉母圆直径： 50 蜗轮齿顶圆直径： 蜗轮齿根圆直径： 蜗轮外圆直径：当在 z=1时， 杆轴的设计 （ 1） 蜗杆轴的材料选择，确定许用应力 考虑轴主要传递蜗轮的转矩，为普通用途中小功率减速传动装置。 选用 45 号钢，正火处理， （ 2） 按扭转强度初步估算轴的最小直径 扭转切应力为脉动循环变应力，取 =弯截面系数 W= 3） 确定各轴段的直径和长度 根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及直径和长度。 图 杆轴 d1=同一 轴上的轴承选用同一型号，以便于轴承座孔镗制和减少轴承类型。 槽径增大 5% d1=d5= (1+5%)=圆整 d1=7选轴承类型为深沟球轴承，型号为 6203， B=12D=40 位载荷高度可在（ 围内， d2=a= 20mm 4mm d4=0于加工和安装 轴承宽度为 12盖宽度 为 10 则 22尺寸长度与刀架体的设计有关，蜗杆端面到刀架端面距离为 65 故 33为蜗杆部分长度 11+0. 6m=38整 404取 5512+8） 出刀架部分通过联轴器与电动机相连长度为 50 0轴承的中心跨度为 128的总长为 230 4）蜗杆轴的校核 作用在蜗杆轴上的圆周力 其中 8 径向力 切向力 图 向受力分析 求水平方向上的支承反力 图 平方向支承力 求水平弯矩 ,并绘制弯矩图 图 平弯矩图 求垂直方向的支承反力 查文献表 得 ， ， ， ， 其中 ， ， 图 直方向支承反力 求垂直方向弯矩，绘制弯矩图 图 直弯矩图 求合成弯矩图，按最不利的情况考虑 图 成弯矩图 计算危险轴的直径 查文献表，材料为 调质的许用弯曲应力 ，则 所以该轴符合要求。 （ 5）键的选取与校核 考虑到 05% 实际直径为 17以强度足够 由 得，尺寸 b h=5 5， l=20 按公式 进行校核 ， ， ， 。查文献表，取 则 该键符合要求。 由普通平键标准查得轴槽深 t=3槽深 轮轴的设计 （ 1） 蜗轮轴材料的选择，确定需用应力 考虑到轴主要传递蜗轮转矩，为普通中小功率减速传动装置 选用 45 号钢，正火处理， ， （ 2） 按扭转强度，初步估计轴的最小直径 查表 可得 ，取 45 号调质刚的许用弯曲应力 ，则 由于轴的平均直 径为 34此该轴安全。 （ 3） 确定各轴段的直径和长度 根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及直径和长度 即蜗轮轮芯为 68蜗轮轴轴径最小部分取 34段与上刀架体有螺纹联接，牙形选梯形螺纹，根据文献表 8公称直径为 =44距 P=12H=表得，外螺纹小径为 31、外螺纹中径为 38螺纹大径为 45螺纹小径为 32合长度取 552尺寸长度为 34轮齿宽 3时， 5心轴的设计 （ 1） 中轴的材料选择 ,确定许用应力 考虑到轴主要起定位作用，只承受部分弯矩，为空心轴，因此只需校核轴的刚度即可。 选用 45 号钢，正火处理， ， （ 2） 确定各轴段的直径和长度 根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及直径和长度 5 轴 承 配 合 ， 轴 承 类 型 为 推 力 球 轴 承 ， 型 号 为 51203 ，d=17mm,9,T=12=35以 7mm 承类型为推力球轴承，型号为 51204， d=25mm,7=15=47配各轴段的长度 02=933=20 3） 轴的校核 轴横截面的惯性矩 车床切削力 F=2=210此 y y 中心轴满足刚度条件 盘的设计 （ 1） 齿盘的材料选择和精度等级 上下齿盘均选用 45号钢，淬火， 180选 7 级精度等级 （ 2） 确定齿盘参数 考虑齿盘主要用于精确定位和夹紧，齿形选用三角齿形，上下齿盘由于需相互啮合，参数可相同。 当蜗轮轴旋转 150时，上刀架上升 5盘的齿高取 4 得算式 4=（ 2 1+m，标准值 c*=出 m=标准值 m=2齿盘齿全高 h=（ 2c*） m=(2 1+ 2= 取齿盘内圆直径 20圆直径为 140顶高 ha=ha*m=1 2=2m 齿根高 c*)m= 齿数 z=38，齿宽 b=10厚 ，齿盘高为 5 （ 3） 按接触疲劳强度进行计算 1）确定有关计算参数和许用应力 2）取载荷系数 ）由 查 表取 得 齿宽系数 d=）由查 表 得材料的弹性影响系数 取 =20，故 ）查表取 80，取 80 6） 0 24 1 (8 300 15)。 107 7）经查表得 接触疲劳寿命系数 为 ）计算接触疲劳需用应力 取安全系数 。 （ 4）按齿根抗弯强度设计 抗弯强度的设计公式为 确定公式内的各参数数值 1）由文献图查得，抗弯疲劳强度极限 2） 查 表可 得，抗弯疲劳寿命系数 ）查图 可 取 ： 4）计算抗弯疲劳许用应力，取抗弯疲劳安全系数 =）弯曲疲劳强度验算 。 故满足弯曲疲劳强度要求 。 承的选用 圆锥滚子轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。它是依靠主要元件的滚动接触来支撑转动零件的。与滑动轴承相比，滚动轴承摩擦力小，功率消耗少，启动容易等优点。并且常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，因此使用滚动轴承时，只要根据具体工作条件正确选择轴承的类型和尺寸。验算轴承的承载能力。以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等 有关的“轴承装置设计”问题。 （ 1） 轴承的类型 考虑到轴各个方面的误差会直接传递给加工工件时的加工误差，因此选用调心性能比较好的深沟球轴承。此类轴承可以同时承受径向载荷及轴向载荷，安装时可调整轴承的游隙。然后根据安装尺寸和使用寿命选出轴承的型号为：6203。 （ 2）滚动轴承的配合 滚动轴承是标准件，为使轴承便于互换和大量生产，轴承内孔于轴的配合采用基孔制，即以轴承内孔的尺寸为基准；轴承外径与外壳的配合采用基轴制，即以轴承的外径尺寸为基准。 第 三章 刀架体的设计 架体的选择 刀架体设计首先要考虑刀架体内零件的布置及与刀架体外部零件的关系，应考虑以下问题： (a) 满足强度和刚度要求。因为刀架体的刚度不仅影响传动零件的正常工作，而且还影响部件的工作精度。 (b) 结构设计合理。如支点的安排、开孔位置和连接结构的设计等均要有利于提高刀架体的强度和刚度。 (c) 工艺性好。包括毛坯制造、机械加工及热处理、装配调整、安装固定、吊装运输、维护修理等各方面的工艺性。 (d) 造型好、质量小。 刀架体的常用材料有： 铸铁，多数刀架体的材料为铸铁，铸铁流动性好，收缩 较小，容易获得形状和结构复杂的箱体。铸铁的阻尼作用强，动态刚性和机加工性能好，价格适度。加入合金元素还可以提高耐磨性。 铸造铝合金，用于要求减小质量且载荷不太大的箱体。多数可通过热处理进行强化，有足够的强度和较好的塑性。 综上所述，经过对刀架的工艺过程的具体分析，故而可得出结论： 所设计的 刀架体 应 采用 造 才能符合设计要求 。 若 本设计采用多 刀位自动刀架的设计，目前刀架的设计有刀具径向布置和周向布置两种形式，由于径向布置的刀架安装不方便，而且从径向安装刀具也不方 便观察刀具的位置及进行调整；而 对于 同样径向尺寸的刀架体，周向布置可以装夹较长刀杆的刀具。因此本设计选择周向布置，采用 正多边 形的样式作为刀架体，方便安装也便于设计计算。 电动回转刀架一般由刀盘、分度定位机构、夹紧机构及刀夹等组成，实现刀架的抬起和复位动作的机构主要有以下几种结构： 1) 螺旋槽结构 2) 丝杆螺母结构 3) 圆柱凸轮结构和马氏轮分度机构 4) 端面凸轮结构。 螺旋槽结构实际上就是圆柱凸轮形式，它由电动机通过减速带动固定在刀架体上的圆柱销，在刀架心轴的螺旋槽内作上升运动，迫使刀架抬起，然后转位，到达指令刀位后 ，由电机反转实现刀架落下压紧，结构简单，但由于切削过和中会产生振动，容易使圆柱销松动，刚性差，同时圆柱销容易磨损和弯曲，故这种结构用小型的四方刀架较多。 丝杆螺母结构是通过电机减速后驱动丝杆旋转，带动固定在刀架体上的螺母作升降运动而达到刀架的抬起和压紧，结构简单，但容易产生丝杆和螺母锁住现象，而不能准确地实现抬刀和压紧。 圆柱凸轮和马氏轮分度结构是通过减速使凸轮带动拨快，迫使主轴左移伸出，齿牙盘脱开，然后利用凸轮上一段无程曲线，由马氏轮分度。当刀架转过一个工位后，凸轮又带动拔块，迫使主轴右移，压紧齿牙盘，这 种结构动作可靠，不会产生由机械原因而误动作，但是只能实现单步分度，每次转位都要重复抬刀、转位、复位压紧的过程，当所要选刀位与现处刀位数相差较大时，难以实现按最短路径逻辑选刀，刀架转位时间长，机械磨损大，而且当马氏轮设计参数不合理时，容易产生刚性冲击，影响使用寿命。端面凸轮结构是由电机通过刀架体上的端面凸轮升程，使刀架实现抬起动作，这种结构刚性好，可靠性好，使用比较广泛。 位方案的确定 自动刀架系统换刀过程包括：刀架抬起一一刀架转位 刀架压紧。在刀架转位的过程中，必需 要有对定位元件对其位置进行控制 ，在本设计 中选用霍尔接近开关来检测当前刀架位置，该 系统的原理是：数控中心或手动按键发出刀位信 号，如果所选刀体正好对准霍尔元件，那么电机 就不用动作，直接向微机发出回答信号。 如果所选刀体未对准霍尔元件，那么就开始执行下列动作：控制继电器动作，电机正传，通过蜗杆、蜗轮、螺杆将销盘上升到一定高度时，离合销进入离合盘槽，离合盘带动离合销，离合销带动销盘，销盘带动上刀体转位，当上刀体转位转到所需刀位时，霍尔元件电路发出刀位信号，电机反转。反靠销进入反靠盘，离合销从离合盘槽中爬出，刀位完成粗定位。同时销盘下降与端齿啮合 ，完成精定位。刀架锁紧，继电器动作，电机停止。向微机发出回答信号，加工程序开始。 动回转刀架的工作原理 回转刀架的换刀分为刀盘抬起、刀架锁紧和刀盘转位三个动作。其中刀盘抬起和刀架锁紧由液压来实现，而刀盘转位则由伺服电机来驱动。刀盘抬起动作的实现须经以下步骤：数控系统发出刀盘抬起命令 液压系统启动 压力油进入液水缸右腔 活塞向左运动 刀架主轴向左移动 端齿盘脱离啮合一刀盘抬起。 图 转刀架示意图 刀盘转位动作的实现须经以下步骤：数控系统发出刀盘转位的命令 伺服电机 启动 蜗轮蜗杆转动 刀架主轴转动 实现刀盘转位。刀盘锁紧动作的实现须经以下的步骤：数控系统发出刀盘锁紧命令 液压系统启动 压力油进入液压缸左腔 活塞向右运动 刀架主轴向右移动 端齿盘啮合 实现刀盘锁紧。 刀架电机正转 螺杆正转 上刀体抬起 圆柱销落入上盖圆 端面齿错开 上刀体旋转 到位回答 反靠端面齿啮合 上盖圆盘正转 图 动换刀流程 从 上 图 动回转刀架的换刀原理我们可以看出，在这个设计机构中，综合运用了机械和电子元件的控制，从而实现了较为复杂的换刀过程。 自此 该自动回转刀架装置的 机械 部分便可 实现其 自动 换刀功能， 完成了设计任务， 至于其连接件和伺服驱动系统选用， 在 此不作具体讨论。 第 四章 小结 经过本次设计 ， 使我 在这次的课程设计中不仅检验了 自己 所学习的知识，也使我学到了许多课本上所学不到的知识。通过这次设计实践，我学会了机电设计的基本设计方法。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们自己设计系统时并不是很简单，看到了实践与理论的差距。 万事开头难，开始不知道如何入手，最后终于做完了有种如 释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。 在这次设计过程中，体现出自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会了学用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。设计的每个细节和每个数据，都离不开老师 和同学 的细心指导 和帮助，使我 顺利的完成了这次课程设计。 我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神 。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习