数控4刀位自动回转刀架设计

目 录 一、设计任务 . 2 二、 总体结构设计 . 2 速传动机构的设计 . 2 刀体锁紧与精定位机构的设计 . 2 架抬起机构的设计 . 2 三、自动回转刀架的工作原理 . 3 四、主要传动部件的设计 . 4 蜗杆副的设计计算 . 4 杆的选型 . 5 杆副的材料 . 5 齿面接触疲劳强度进行设计 . 5 蜗杆和涡轮的主要参数与 几何尺寸 . 8 校核涡轮齿根弯曲疲劳强度 . 9 验算效率 . 10 杆的设计计算 . 11 五、 电器控制部分的设计 . 11 硬件电路设计 . 12 收信电路 . 12 发信电路 . 13 控制软件设计 . 16 参考文献 .、设计任务 题目：数控车床自动回转刀架结构设计 任务：设计一台四工位立式回转刀架，适用于 济型数空车床。要求绘制自动回转刀架的机械结构图。推荐刀架所用电动机的额定功率为 90W，额定转速 1440r/刀时要求刀架转动的速度为 30r/ 二、 总体结构设计 速传动机构的设计 普通的三项异步电动机因转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必须经过适当的减速。根据立式转位刀架的结构特点，采用蜗杆副减速时最佳选择。蜗杆副传动可以改变运动的方向，获得较大的传动比，保证传动精度和平稳性，并且具有自锁功能，还可以实现整个装置的小型化。 刀体锁紧与精定位机构的设计 由于刀具直接安装在上刀体上，所以上刀体要承受全部的切削力，其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。本设计上刀体的锁进玉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。当刀架处于锁紧状态时，上下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴旋转；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。 架抬起机构的设计 要想使上、下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计适合的机构使上刀体抬起。本设计选用螺杆 上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆 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，上刀体就与螺杆一起转动。 设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定的角度时，使得上刀梯与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。 自动回转刀架的传动机构示意图，详细的装配图在图纸上。 三、自动回转刀架的工作原理 自动回转刀架的换刀流程如下图。 图上表示自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置。其中上部的圆柱销 2和下部的反靠销 6 起着重要作用。 当刀架处于锁紧状态时，两销的情况如图 A 所示，此时反靠销 6 落在圆盘7 的十字槽内，上刀体 4 的端面齿和下刀体的端面齿处于啮合状态（上下端面齿在图中 未画出）。 需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三项异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动蜗杆正向转动，与螺杆配合的上刀体 4 逐渐抬起，上刀体 4 与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘 1 也随着螺杆正向转动（上盖圆盘 1 通过圆柱销与螺杆联接），当转过约 错误 !未找到引用源。 时，上盖圆盘 1 直槽的另一端转到圆柱销 2 的正上方，由于弹簧 3 的作用，圆柱销 2 落入直槽内，于是上盖圆盘 1 就通过圆柱销 2 使得上刀体 4 转动起来（此时端面齿已完全脱开）。 上盖圆盘 1、圆柱销 2以及上刀体 4在正转的过程中，反靠 销 6能够从反靠圆盘 7中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体 4寻找刀位时的正向转动。 上刀体 4带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘 1 通过圆柱销2带动上刀体 4开始反转，反靠销 6马上就会落入反靠圆盘 7的十字槽内，至此，完成粗定位。此时，反靠销 6从反靠圆盘 7的十字槽内爬不上来，于是上刀体 4停止转动，开始下降，而上盖圆盘 1 继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销 2的头部压入上刀体 4的销空内，之后，上盖圆盘 1是下表面开始与圆柱销 2的头部滑动。再次期间 ，上、下刀体的端面齿逐渐啮合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。 由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可以稳定地工作。 四、主要传动部件的设计 蜗杆副的设计计算 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 错误 !未找到引用源。 =90W。 ,额定转速 1n =1440r/刀体设计 转速 错误 !未找到引用源。 =30r/蜗杆副销连接 蜗杆 刀架电动机正转 螺杆正转 上盖圆盘旋转 霍尔元件触发 蜗杆 上刀体抬起 端面齿错开 圆柱销落入上盖圆盘 上刀体旋转 到位回答 刀架电动机反转 螺杆反转 反靠销反靠端面齿啮合 刀架电动机正转 刀架电动机正转 延时锁紧 电动机停转 自动回转刀架的换刀流程 的传动比 i=1n 错误 !未找到引用源。 /2n 错误 !未找到引用源。 =1440/30=48。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 错误 !未找到引用源。 =10000h。 杆的选型 10085荐采用渐开线蜗 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 刀架中的蜗杆副传动的功率不大，但蜗杆转速干，一次，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要淬火，硬度为 45 55提高其表面耐磨行；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜 用金属模制造。 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，进行载荷计算时，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 a 23 2 )( 错误 !未找到引用源。 (4式中 位 误 !未找到引用源。 误 !未找到引用源。 ，单位 位 P H 错误 !未找到引用源。 位为 从式中算出蜗杆副的中心距 据已知的传动比 i=48， 查表选择一个合适的中心距 及相应的蜗杆，蜗轮参数。 1）确定作用在蜗轮上的转矩 错误 !未找到引用源。 蜗杆头数 错误 !未找到引用源。 =1，蜗 杆副的传动效率 =电动机的额定功率 90W，可以算出蜗轮传动的功率 误 !未找到引用源。 =误 !未找到引用源。，再由蜗轮的转速 30r/误 !未找到引用源。 =未找到引用源。 =误 !未找到引用源。 =m=18623N ）确定载荷系数 K 载荷系数 K= KA 为使用系数，查表得， 由于工作载 荷不均匀，启动时冲击较大，因此取 K为齿向分布系数，因工作载荷在启动和停止时有变化，故取 K=于转数不高。冲击不大，可取 载荷系数 K= K未找到引用源。 用系数 工作类型 I 荷性质 均匀，无冲击 不均匀，小冲击 不均匀，大冲击 每小时起动次数 50 起动载荷 小 较大 大 ）确定弹性影响系数 铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查的弹性影响系 160）确定接触系数 先假设蜗杆分度圆直径 传动中心距 未找到引用源。 /a=表的 锡青铜蜗轮的基本许用接触应力 H (蜗轮材料 铸造方法 蜗杆螺旋面的硬度 4545锡磷青铜模铸造 150 180 金属模铸造 220 268 铸锡锌铅青铜模铸造 113 135 金属模铸造 128 140 5）确定许用接触应力 H 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜 属模制造蜗杆螺旋齿面硬度大于 45查表的蜗轮的基本许用应力 H 错误 !未找到引用源。 =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；蜗轮转数 错误 !未找到引用源。 =30r/杆副的使用寿命 错误 !未找到引用源。 =10000h。 则应力循环次数： N=60j 误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 =60 1 30 10000=107错误 !未找到引用源。 寿命系数： N=错误 !未找到引用源。用接触应力： H = H =268=）计算中心距 将以上各参数带入 4得中心距： a 23 2 )( = )2 4 9 0(1 8 6 2 =未找到引用源。 查表取 a=50，已知蜗杆头数 误 !未找到引用源。 =1，设模数m=蜗杆分度圆直径 8时 错误 !未找到引用源。a=表得接触系数 =为 2m 故 ,今取螺杆的螺距P=6 2) 其它参数的确定 采用单头梯形螺杆，头数 n=1，牙侧角2a= 15 ，外螺纹大径 1d =50顶间隙本牙型高度 1H =螺纹牙高 1h =螺纹中径 2d =47螺纹小径 1d =43杆螺纹部分长度 H=50 3)自锁性能校核 螺杆 5钢，查表 5摩擦系数 f=求得梯形螺旋副的当量摩擦角： o r c t a nc o sa r c t a n 2ar ct ct ct 错误 !未找到引用源。 易得v,因此满足自锁条件。 五、电器控制部分的设计 硬件电路设计 自动回转刀架的电气控制部分主要包括收信电路和发信电路两大块 收信电路 图 信盘上的 4只霍尔开关，都有 3 个引脚， 第 1 脚接 +12V 电源，第 2脚接 +12V 地线，第 3 脚为 4 个刀位信号的输出。转位时刀台带动磁铁旋转，当磁铁对准某一个霍尔开关时，其输出端第 3 脚输出低电平；当磁铁离开时，第3 脚输出高电平。 4 只霍尔开关输出的 4 个刀位信号 4 分别送到图的 4 只光耦合进行处理，经过 光电隔离的信号再送给 I/O 接口芯片 8225 的 2# 3# 4# 1# N S 刀台旋转方向 1 2 3 4 只霍尔开关 第 1 脚：接 +12V 电源 第 2 脚：接 +12V 地线 第 3 脚： 4 个刀位信号的输出 （ A）电动刀架发信盘 发信电路 图为刀架电动机正反转控制电路， 在电动机正反转时，有可能因为电动机容量较大或操作不当等原因，使接触器主触头产生较严重的起弧现象。如果电弧还未完全熄灭时，反转的接触器就闭合，则会造成电源相间的短路。为防止相间短路，可增加一个接触器 采 用 所示，梯形图如图 继电接触控制线路一样，利用 401和 现双重互锁。 按下正向启动按钮 入继电器 常开触点闭合，接通输出继电器触器 时 出继3 刀位信号 4 位信号 1#刀位信号 2 刀位信号 4 4 8225225225225（ B）刀位信号的处理 电器 接触得电吸合，电动机正向启动到稳定运行。按下反转启动按钮 入继电器 431线圈， 时 430的线圈， 失电释 放，有 此可有效地熄灭电弧，防止反转换接时相间短路。而 另一对常开触点闭合，接通 触器 动机反向运行。 停机时，按下停机按钮 100；过载时热继电器触点 100。这两种情况都使 430断开，进而使动机停下来。 M M C)继电器接触控制 432 432 401 402 432 431 100 400 401 （ E）梯形图 R 400 402 403 (D)制输入输出接线 控制软件设计 在清楚了自动回转刀架的结构和电气控制电路后，就可以着手编制刀架自动转位的控制软件了，对于四工位自动回转刀架来说，它最多安装有 4把刀具，其回转到工作位置。图（ A）表示让 1#刀转到工作位置的等程序流程， 2#、3#、 4#刀的转位流程与 1#刀相似。 设控制系统的 展 8255芯片作为回转刀架的收信与发信控制，已知 8255芯片的控制口地址为 2架控制流程如图所示。 返回 Y N N Y 返回 电路上电 数码管显示 发出刀位信号 数码管显示“ 1”“ 2”“ 3”“ 4” 判断所选刀架是否对准霍尔元件电路 电机停转 定位夹紧到位 电机反转 数码管显示“ 1”“ 2”“ 3”“ 4” 判断刀架是否到位 数码管显示“ 1”“ 2”“ 3”“ 4” 电机正转 刀架控制流程图 根据流程图编程如下： , #2指向 8255 的 A ， ；读取 的内容 ；测试若 ？若是，则说明 1#刀已在工作位置，程序转到 ， #2指向 8255 的 A ， ；读取 ，刀架 电动机正转有效 ；令 ，刀架电动机正转有效 ；令 ，刀架电动机无效 A ；电动机开始正转 ；延时 20, #2指向 8255 的 A ， ；第二次读取 ； ？ ；延时 20 , #2指向 8255 的 A ， 第三次读取 ； ？ ；延时 20 ， #2指向 A ， 读取 锁存器内容 ；令 ，刀架电动机正转无效 ；令 ，刀架电动机反转无效 A ；刀架电动机停转 ；延时 150 ；令 ，刀架电动机反转有效 ；令