数控车床自动回转刀架及其PLC控制设计

目 录 摘 要 . 4 . 5 第一章 引言 . 6 第一节 概述 . 6 第二节 数控车床自动回转刀架的发展趋势 . 6 第三节 本设计的主要内容 . 7 第二章 回转刀架方案选择 . 8 第一节 数控车床回转刀架的基本要求 . 8 第二节数控车床立式回转刀架的结构特点 . 8 第三节 刀架参数的确定 . 9 第四节 动力源的选择及方案选择结果 . 9 第三章 回转刀架的工作原理及过程 . 11 第一节 回转刀架的构成 . 11 第二节 回转刀架的工作过程 . 11 第四章 传动机构的设计和标准件的选取 . 13 第一节 初拟传动方案 . 13 第二节 选择步进电动机 . 13 第三节 蜗杆蜗轮的设计 . 14 第四节 蜗杆轴的设计 . 17 第五节 中心轴的设计 . 22 第六节 齿盘的设计 . 23 第七节 联轴器的选择 . 26 第五章 安装调试和精度检验 . 27 第一节 安装调试 . 27 第二节 精度检验 . 27 第三节 维护与保养 . 29 第四节 故障及排除 . 29 第六章 总 结 . 31 致 谢 . 32 参 考 文 献 . 33 摘 要 数控车床的发展与应用，大大降低了零件加工的辅助时间，极大的提高了生产效率。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。根据加工对象不同，有四方刀架，六角刀架和八或更多工位的圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。回转刀架上分别安装四把，六把或更多刀具，并按数控装置的指令换刀。 自动换刀装置应当满足换刀时间短、安全可靠等基本要求。本课题主要对四工位立式自动回转刀架的机械设计和用 程对控制部分的设计。并对以上部分运用自动回转刀架有更直观的了解。 关键词 : 数控车床 自动回转 NC is in of of to of to or of of on ,6 or in TC in to be of of of as as to do a 第一章 引言 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。其中，带刀库的数控加工中心自动换刀装置自 1958 年研制成功以来，其机械结构和控制方式不断得到改进和完善。自动换刀装置时加工中心的重要执行机构，它的 形式多种多样，目前常见的有更换主轴头换刀 以及 带刀库的自动换刀系统 。 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（ 如图 1和卧式（ 如图 1两种。立式主要 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。 图 1式回转刀架 图 1式回转刀架 架的设计准则 我们设计主过程，本着一下几条设计准则 ： 1） 创造性的利用所需要的物理性能和控制； 2） 预测意外载荷 ； 3） 创造有利的载荷条件； 4） 提高合理的应力分布和刚度面； 5） 辨别功能载 荷及其意义； 6） 重量尽量轻； 7） 应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸； 8） 根据性能组合选择材料； 9） 在储备零件与整体零件之间进行选择； 10） 进行功能设计以适应制造工艺和降低成本的要求。 第二章 数控车床自动回转刀架的设计 控车床刀架应满足的要求 1） 满足工艺过程所提出的要求。机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀架能够布置足够多的刀具，而且能够方便而正确地加工各工件表面， 为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地转位。 2） 在刀架以要能牢固地安 装刀具，在刀架上安装刀具进还应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。以保证刀具和工件间准确的相对位置。刀架的运动精度将直接反映到加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上，为此，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀架运转的终点到位应准确。面且这种精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。 3） 刀架应具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较复杂，而且有些刀架还直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀 架必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。 4） 可靠性高。由于刀架在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也高，所以必须充分重视它的可靠性。 5） 刀架是为了提高机床自动化而出现的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以利于提高生产率。目前自动换刀装置的换刀时间在 6 秒之间不等。而且还在进一步缩短。 6） 操作方便和安全。刀架是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀架设计好坏的指标。刀架上应便于工人装刀和调刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整刀架的手柄 （或手轮）要省力，应尽量设置在便于操作的地方。 力刀架的整体方案设计 刀架是车床的重要组成部分，加工中心的动力刀架可安装各种非动力辅助刀夹和动力刀夹进行加工，用于夹持加工用的刀具 ,因此其结构直接影响到车床的加工性能和加工效率。刀架采用端齿分度，转位由步进电动机驱动，刀位由二进制绝对编码器识别，动力刀具由变频电机驱动，通过同步齿形带等将动力传递到刀夹。 各类数控机床的自动换到装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具 种类和数量。数控机床常用的自动换刀装置的类型、特 点、适用范围见表 1三节 刀架参数的确定 刀尖高是数控车床回转刀架的主要参数。国内生产的立式数控车床回转刀架的中心高一般有 51 245计八个规格（具体参见参考文献 1表 因此，参照烟台机床附件厂生产的 回转刀架，初选刀尖高为 110型号及 具体规格如表 2 表 2架参数 型 号 中心高位数 单工位 时 间 s 刀 架转速r/大切力 矩 Nm 电动机 功 率 W 电动机转 速 r/大 载重 复定 位精度 形 尺寸 10 4 50 120 1400 28 2 3 6 7 2 0 0 2 3 0创 第四节 动力源的选择及方案选择结果 驱动回转刀架的动力可分为电动机传动和液压传动两大类。一般情况下只在卧式数控机床回转刀架中使用液压传动，而其余均为电动刀架，故对 选用时应取电动机作为回转刀架的动力源。 通过对数控车床回转刀架的基本要求，结构特点，动力源及基本参数的分析，可以得 出 立式简易型； 伺服电动机直接驱动； 刀尖高为 110位数为 4； 外形尺寸为 200 200 252（长宽高）； 采用霍尔开关作为信号传输控制元件； 转位时刀架需要抬起，高度为 5 第三章 回转刀架的工作原理及过程 第一节 回转刀架的构成 立式数控车床回转刀架由固定部分（刀架基座或下刀体），转动部分（刀架座或上刀体）和驱动电动机三部分组成，并采用了卧轴外露式电动机布局。 第二节 回转刀架的工作过程 本设计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，如图 3工作过程如下： 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 2、驱动蜗杆蜗轮机构 1、蜗轮带动丝杆螺母机构 8逆时针旋转 ,此时由于齿盘 3、 4处于啮合状态，在丝杆螺母机构 8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 3、 4 脱离啮合状态 ,从而带动上刀架和齿盘产生“上台”动作。 刀架转位 当圆套 8逆时针转过 150时，齿盘 3、 4完全脱开，此时销钉准确进入圆套 8中的凹槽中，带动刀架体转位。 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 9 中的某一个选通 ,当磁性板 10 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 7在弹簧力作用下进入反靠盘 5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7使上刀架移到齿盘 3、 4 重新啮合 , 实现精确定位。 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 3转刀架 第四章 传动机构的设计和标准件的选取 第一节 初拟传动方案 参考烟台机床附件厂生产的 n=动机的转速为 1400r/步确定传动比 1400 。 故选用具有较大传动比的蜗轮蜗杆传动。 第二节 选择步进电动机 一、电动机所需要的功率 查参考文献 1表 动回转刀架的电动机功率 P=120W,转速 n=1400r/ 二、确定步进电动机 由 P=120W 可查参考文献 1表 得以下几种型号电动机的主要指标，如下表 4 表 4动机主要技术指标 型 号 主要技术数据 外型尺寸（ 重 量 齿 距 角 最大静转 矩 kg 最高空载启动频 率（步 /秒） 运行 频率 （步 /秒） 相 数 电 压 v 电 流 A 外 径 长 度 轴 径 45 3/6 2 3100 1200 3 60 2 45 82 4 0 4 4000 1600 5 60 0 90 6 0 20 1500 8000 3 60 5 90 125 9 虑到步进电动机与联轴器的配合及合理的安装尺寸，在其满足功率的前提下优先选择尺寸较小便于安装、拆卸、清理、维护的型号，比较三个型号的功率如下： 45 P=120W； 70P=210W； 90P=300W,考虑三者的外 径和安装尺寸 45步进电动机明显优越于后者，故综合考虑选择 45步进电动机比较合适，查参考文献 1表 取 45步进电动机配用的驱动电源型号为 第三节 蜗杆蜗轮的设计 一、选择蜗杆传动类型、精度等级 由于传动的功率不大，速度也不高，故选用阿基米德圆柱蜗杆传动，精度为：8 二、选择蜗杆蜗轮材料 考虑到蜗杆传动功率不大，速度中等，故蜗杆用 45 号钢表面淬火，硬度为 4555轮边缘采用 属模铸造。 三、初选几何参数 查参考文献 2表 8定中心距 50a= ,传动比 51i= 时， 1 1Z = 21 51Z Z i=?1 20d = r=43426 四、确定许用接触应力 查参考文献 2表 8当蜗轮材料为铸青铜时， H H b S 鬃 由表 8 2 2 0 p 滑动速度： 311 4 0 0 2 0 3 . 1 4 1 0 1 . 4 7 /60 创 ?= 1 1 . 4 7 1 . 4 7 /c o s c o s 4 3 4 2 6 s = = 采用浸油润滑，由参考文献 2图 8得： 根据参考文献 2表 8n t=,，设计工作寿命 t=12000小时，求得 72 14006 0 6 0 1 2 0 0 0 1 . 9 7 1 051N n t= 创 =? 根据 0N =?，由图 8，许用接触应力为 2 2 0 0 . 9 3 0 . 9 1 1 8 6H H b S M p 鬃 = 创 = 五、计算蜗轮输出转矩 算传动效率 1210 . 1 2 0 . 7 5 5 19 5 5 0 9 5 5 0 3 1 . 3 11400 mn h 创= ? ? ? 六、确定模数 公式可得： 2212215150m d k 桫因载荷较平稳，取载荷系数 k= 2 2231221 5 1 5 0 1 5 1 5 0 1 . 1 3 1 . 3 1 8 7 5 1 1 8 6m d k T m 琪 琪? 创 =琪琪 桫桫查参考文献 2表 8231 8 9 d m m=，取 m=2q=11.2，r=568。 七、主要尺寸计算 蜗杆 : 分度圆直径： 齿顶圆直径：11 2 2 2 . 4 2 1 2 2 6 . 4d h m m m*= + = + 创 =； 齿根圆直径： *11 2 ( ) 2 2 . 4 2 ( 1 0 . 2 ) 2 1 7 . 6d h c m m m= - + = - + ?； 蜗轮： 分度圆直径：22 2 5 1 1 0 2d m Z m m= = ?； 齿顶圆直径：22 2 1 0 2 2 1 2 1 0 6d h m m m*= + = + 创 =； 齿根圆直径 *22 2 ( ) 1 0 2 2 ( 1 0 . 2 ) 2 9 7 . 2d h c m m m= - + = - + ?：； 蜗轮外圆直径：22 1 . 5 1 0 6 1 . 5 2 1 0 9d m m m? = + ?，取 08轮齿宽：210 . 7 5 0 . 7 5 2 6 . 4 1 9 . 8,取 8心距： 1 2 211( 2 ) ( 2 2 . 4 1 0 2 2 ) 6 0 . 222a d d m m + + = + - =八、蜗轮齿面接触强度校核 由参考文献 2表 8得 22114783 由于几何参数已经确定，故 k 与 按已知的几何参数重新计算 11 2 2 . 4 1 4 0 0 1 . 6 5 /1 9 1 0 0 c o s 1 9 1 0 0 c o s 5 6 8 s dn = = = 由参考文献 2表 8 12 6 ，则蜗轮副啮合效率为 1t a n t a n 5 6 8 1 0 0 % 1 0 0 % 6 9 . 5 %t a n ( ) t a n ( 5 6 8 2 1 2 6 )rr gh r= ? ?+取轴承效率2 99%h =，搅油及溅油效率3 97.5%h =，则蜗杆传动的总效率为： 1 2 3 6 9 . 5 % 9 9 % 9 7 . 5 % 6 5 . 3 6 %h h h h= 鬃 = 创 =由此可得： 1210 . 1 2 0 . 6 5 3 6 5 19 5 5 0 9 5 5 0 2 7 . 2 81400 mn h 创= ? ? ? 由于 3，由参考文献 2表 8 , 则 1 2 3 4 5 6 1 1 1 1 . 5 2 1 . 1 5 0 . 7 5 1 . 3 1 1k k k k k k k= 创创 ?将此时的 2代入蜗轮齿面接触强度校核公式，得： 2211 4 7 8 3 1 4 7 8 3 1 . 3 1 1 2 7 . 2 8 1831 0 2 2 2 . 4 p = = 显然 并执行数控卧式车床标准 86。本设计主要针对电动回转刀架，所以在精度检测这一环节中仅针对与本设计相关的精度进行检测。 表 5转刀架的精度检验 序号 检测项目 允许误差 检验 工具 检验方法（参照 关条文） D= 800 800=D=1500 塔工具孔轴线与与主轴轴线的重合度： a,在平面内； b,在次平面内 a和 b 专用指示器和专用夹具 将指示器固定在主轴端专用检具上，使其测头触及转塔工具孔表面，或触及紧密插入工具孔中检测棒表面。 12 转塔附属工具安装在基准端面对主轴轴线的垂直度 a和 b 00 指示器 指示器固定在主轴端步专用检具上，使其测头触及专转塔基 面；使主轴旋转并检测。检测时应接近主轴端部 塔工具孔轴线对溜板移动的平行度 .a,a和 b 指示器和检测棒 将检测棒紧密装入转塔工具孔中。固定指示器，使测头触及检验棒表面，将检验棒旋转 180度再同样测一次 14 转塔附具定位面的精度： a,定位面对溜板移动的平行度 ;b,定位面的同一度 a：在 100测量 b： 示器 固定指示器，使其测头触及转塔安装基面，每个工序需检测一次 塔附具安装基面的精度： a,安装基面对溜a：在 100 指示器 固定指示器使其测头触及转塔安装基面，每个工序均需检测 板 移动的平行度 b,定位面的同一度 b： 22 回转刀架的重复定位精度 示器和检测棒 检测棒在回转刀架的工具孔或附孔其中，固定指示器，使其测头沿回转刀架切线方向触及检验棒表面上，记下指示器读数，将转塔由测试位置移出，转位360度再移至测试位置，记录读数，至少检验 7次，每个工位均需检验 具安装基准的位置对主轴旋转轴线，导轨之间的关系，也影响刀具，夹具的正 确安装。 回转刀架的重复定位精度，也影响被加工零件（批量）的尺寸分散度，根据回转刀架的特征，采用了检测棒与指示器配合，在现场易于实施的检验方法，误差计算也规定位易于计算的极值法。即位置偏差的最大值与最小值之差值。它与数理统计法比较，同一次测量，其计算结果前者反映的误差值较后者较小，计算方法，前者简单，后者复杂。若按数理统计的计算关系式，他们之中存在着一定的关系，各有特点。根据用途，这两种计算方法均应用。 第三节 维护与保养 （ 1）为了保持机床工作时的安全，应定期对刀架做精度检查，一般一年一次为好。 （ 2）定期对刀架各运动部位添加足够的润滑脂，一年添加一次为宜。 （ 3） 一年保养电机一次，其中包括检查，润滑和更换轴承等。 （ 4） 刀具切削力不应超过额定值。否则，会引起刀架变形，使加工精度降低，甚至损坏刀具和刀架。 （ 5） 每班清扫刀盘上的铁屑。 第四节 故障及排除 一、刀架无法启动 （ 1） 检查电源是否接通。 （ 2） 检查电机电源相序是否接对。 （ 3） 检查电机线圈的阻抗，当电机线圈短路或断路时更换电机。 （ 4） 电机启停频繁而过热，热敏电阻保护装置指示电机停转，应等待电机冷却再启动。 二、刀架无法停在预 定位置上 （ 1） 检查刀盘上的刀夹和刀具安装是否保持平衡。 （ 2） 检查发讯装置磁钢与霍尔元件是否错位或者损坏。 （ 3） 检查电磁离合器是否通电。 三、刀盘无法刹紧 （ 1） 检查发讯装置磁钢与霍尔元件的位置是否对正。 （ 2） 检查电磁离合器是否通电。 四、刀架连续运转无法停止 （ 1） 检查系统线路是否通畅。 （ 2） 调换磁钢正反面。 第六章 总 结 数控车床上使用的回转刀架也是一种简单的自动换刀装置。自动换刀装置的换刀时间和可靠性直接影响到整个机床的质量。本次设计采用了四工位回转刀架，通过 电机驱动，蜗轮蜗杆的传动，有效的实现了缩短辅助时间 ,减少多次安装零件引起的误差。本次设计的四工位自动回转刀架结构比较简单，满足时间短 ,刀具重复定位精度够 ,以及安全可靠等基本要求。 回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力和减少刀架在切削力作用下的位移变形，提高加工精度。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀架部位要进