【精品设计】数控车床自动回转刀架机电系统设计（含全套CAD图纸） .pdf

i 姓姓 名名 系部 机械工程系系部 机械工程系专业 专业 班级 班级 题题 目目 数控车床自动回转刀架机电系统设计 设设 计计 任任 务务 设计一台四工位的立式自动回转刀架 适用于 c616 或 c6132 经济型数控 车床 推荐刀架所用电动机的额定功率为 90w 额定转速为 1440r min 换刀 时要求刀架转动的速度为 30r min 对设计的回转刀架的工作原理 结构 特点等进行分析和掌握 完成回转刀架的整体结构方案设计和论证 对回转刀架的主要传动件进行 设计 完成回转刀架电气控制系统的设计 包括控制系统的硬件和软件设计 撰写 2 万字的毕业设计论文 时时 间间 进进 度度 第六到十周组合机床总体方案设计 第十一到十四周结合零件加工要求设计组合机床刀架自动控制系统图 第十五周论文整理 装订和参加答辩 ii 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 指导教师签字 指导教师签字 院长 系主任 签字 院长 系主任 签字 原原 始始 参参 资资 考考 料料 文文 和和 献献 主主 要要 1 陈炳光 陈昆 模具数控加工及编程技术 北京 化学工业出版社 2011 2 唐利平 数控车削加工技术 北京 机械工业出版社 2011 3 朱勇 数控机床编程与加工 北京 中国人事出版社 2011 iii 1 1 选题的目的意义选题的目的意义 数控机床是多品种小批量生产的高效自动化的技术群体 它是把多工序加工 切 刀具磨损和测量等各种功能集为一体的自动化机床 随着科学技术的迅猛发展 数 控机床已是衡量一个国家机械制造工业水平的重要标志 其中数控回转刀架是数控 车床的重要部件之一 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 它在一定程度上标志着数控车床的技术水平 并且与加工精度 和生产效率密切相关 因此 国内外都在不断地提高数控回转刀架的重复定位精度 和换刀速度 以适应高质量 高效率生产的要求 目前具有世界先进水平的数控车 床 其换刀速度已达到 1s 以内 重复定位精度可保证小于 0 002mm 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 德国 sauter 肖特 公司的产品的性能指标较高 代表数控车床用转塔刀架 的发展前景 具体表现在 1 刀架转位时间最短 且转位准确 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转 位快 定位精度高 切向扭矩大的特点 它采用蜗杆传动 上下齿盘啮合 螺杆夹 紧的工作原理 2 刀架定位精度高 动作迅速 稳定可靠 因为数控机床的切削加工精度在很 大程度上取决于刀尖位置 由于在加工过程中刀尖位置不进行人工调整 因此 转 塔刀架在结构上必须有足够的强度和刚性 以及合理的定位结构 以保证转塔刀架 在每一次转位之后 都具有尽可能高的重复定位精度 sauter 公司产品正是满足了 这一要求 才使其能够承受粗加工时的切削抗力同时满足各种精密加工的要求 3 可多刀夹持 双向转位和任意刀位就近选刀 4 应用范围广 维修方便等特点 iv 2 2 国内外研究综述 国内外研究综述 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 电动回转刀架是数控车床重要 的传统结构 合理地选配电动回转刀架 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配备了易于控制 的电动回转刀架 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 国内部分刀架回转原理为电机经弹簧理合器带动蜗杆 再由蜗轮带动蜗杆旋转 当刀架转体时 由霍尔元件不断检测刀架转体是否到位 到位后霍尔元件发出信号 然后反转锁紧 主要采用有销盘 内齿盘 外齿盘组成的三端齿定位机构实现准确定 位 其控制部分主要选用 mcs 51 系列单片机以及 atmel 公司的 at89 等同类产品进行 控制 烟台机床附件厂是目前我国生产刀架水平最高的厂家 特别是可以生产带刀头的 刀架 该厂家全套引进意大利的生产线 产品属于高档型 国外数控机床附件产品的开发应用比较早 经验丰富 再由于技术进步 新材料 新结构的不断出现与应用 使得其产品的可靠性比较高 国外主要分为日本和欧美两大流派 其产品的特点是夹紧力大 采用专用电机 体积小 转矩大 可靠性高 耐磨 可靠性较高 比如 日本日研公司部分回转刀 架的核心部件蜗杆副 蜗轮采用氮化钢 齿部表面采用氮化处理 硬度高 蜗杆为 硬质合金蜗杆 整个蜗杆副为硬齿面接触 耐磨 既实现了高速又保证了高可靠性 v 还有德国的肖特 sauter 意大利的杜普洛马蒂克 duplomatic 和巴鲁法迪 baruffaldi 等 他们都有自己的系列 规格和专利 像肖特 sauter 的刀架 采用行星传动机构 其结构紧凑 传动方向均为同一方向 没有像蜗杆副的降速机 构的交叉轴设计 易于一体化布置 采用牙嵌式齿行离合器的升起和加紧 空行程 转角 小效率高 且自锁功能可靠 其控制部分大都与机床一起采用 cnc 控制 目 前国际比较好的系统有西门子 法拉克 三菱等 vi 毕业论文 设计 开题报告毕业论文 设计 开题报告 二 本设计 论文 研究的内容及拟采用的研究方案和技术路线 二 本设计 论文 研究的内容及拟采用的研究方案和技术路线 1 1 本设计 论文 的研究内容或解决的技术问题 本设计 论文 的研究内容或解决的技术问题 1 研究卧式数控车床刀架的机械结构问题 读数控自动回转刀架相关的论文和书籍 系统地了解数控自动回转刀架相关知 识和原理 减速传动机构的设计中 查阅资料了解蜗杆及蜗轮副的优缺点及使用场所 选 择最合适的机械结构 2 研究卧式数控车床刀架的驱动系统问题 掌握单片机和步进电机驱动系统的基本原理和常用解决方面 掌握 auto cad 等软件平台的应用和操作 2 2 本课题拟采用的本课题拟采用的研究解决方案和技术路线研究解决方案和技术路线 通过对数控回转刀架的机械结构以及电气控制进行研究 探索数控回转刀架的 组成和工作原理 通过所学专业知识 通过查阅相关资料和有关标准 查阅工具书和参考书 合 理的选择设计计算公式 正确计算 并辅以图纸完成数控回转刀架机械部分 电气控制部分的设计 通过单片机编制数控回转刀架的控制部分 3 3 本设计 论文 计划进度 本设计 论文 计划进度 第六周组合机床总体方案初步设计 第七周修改 整理组合机床总体方案 第八周绘制零件加工工序 示意图 第九周绘制机床联系尺寸图 第十周熟悉机床刀架自动控制相关资料 vii 第十一周结合零件加工要求初步设计组合机床刀架自动控制系统图 第十二周设计电气控制系统图 第十三周编写设计说明书提交初稿 第十四周修改图纸和说明书并打印 第十五周论文整理 装订和参加答辩 4 4 参考文献 参考文献 1 陈炳光 陈昆 模具数控加工及编程技术 北京 化学工业出版社 2011 2 唐利平 数控车削加工技术 北京 机械工业出版社 2011 3 朱勇 数控机床编程与加工 北京 中国人事出版社 2011 4 关雄飞 数控加工工艺与编程 北京 机械工业出版社 2011 5 周虹 使用数控车床的零件加工 北京 清华大学出版社 2011 6 刘虹 数控加工编程及操作 北京 机械工业出版社 2011 7 张士印 孔建 数控车床加工应用教程 北京 清华大学出版社 2011 8 叶俊 数控切削加工 北京 机械工业出版社 2011 9 顾德仁 cad cam 与数控机床加工实训教程 北京 中国人事出版社 2011 10 李柱 数控加工工艺及实施 北京 机械工业出版社 2011 11 张若锋 邓建平 数控加工实训 北京 机械工业出版社 2011 12 卢万强 数控加工技术 第 2 版 北京 北京理工大学出版社 2011 13 鲍海龙 数控铣削加工中级 北京 机械工业出版社 2011 14 刘昭琴 机械零件数控车削加工 北京 北京理工大学出版社 2011 15 周芸 数控机床编程与加工实训教程 北京 中国人事出版社 2011 16 江剑锋 cad cam 与数控机床加工 北京 中国人事出版社 2011 17 高彬 数控加工工艺 北京 清华大学出版社 2011 viii ix 毕业论文 设计 开题报告毕业论文 设计 开题报告 指导教师意见指导教师意见 指导教师 专业教研室专业教研室 专家组专家组 审核意见 审核意见 负责人 系主任审批意见 系主任审批意见 负责人 x 摘摘 要要 自动回转刀架是数控机床的重要组成部分 它有效地提高了劳动生产率 缩 短了生产准备时间 消除人工误差提高加工精度和加工精度的一致性等 但是传 统的普通车床换刀的速度慢 精度不高 生产效率低 不能适应现代化生产的需 要 所以为了提高生产率 改善产品质量以及改善劳动条件必须对自动回转刀架 进行改进 本文对数控车床自动回转刀架的机电系统的相关内容进行分析 研究数控车 床刀架的组成和工作原理 对普通机床的换刀装置进行改进 使该装置具有自动 松开 转位 精密定位等功能 此次主要完成自动回转刀架的机械部分和电气部 分的设计 机械部分为对其组成的各个机械部件进行计算与选用 电气部分为编 制刀架自动转位控制软件 设计的数控換刀装置功能更强 换刀装置通过刀具快 速自动定位 可以提高数控车床的效率 缩短加工时间 同时其可靠性更稳定 结抅简单 关键词关键词 自动回转刀架 换刀装置 机电系统 电气控制 xi d d d designesignesignesign ofofofof automaticautomaticautomaticautomaticturretturretturretturret mechanicalmechanicalmechanicalmechanical andandandand electricalelectricalelectricalelectrical systemsystemsystemsystem ofofofof cnccnccnccnc latheslatheslatheslathes abstractabstractabstractabstract the automatic turret is an important part of cnc lathe it improved labor productivity and shorten the production time eliminate human error the improvement of the machining accuracy and consistency of precision though conventional ordinary lathe tool change slowly low accuracy low productivity it cannot adapt to the needs of modern production therefore we must be improved the automatic turret in order to increase productivity improve product quality and improve working this rotary tool holder for cnc lathe electrical and mechanical systems related content study study the composition and working principle of cnc lathes turret and improve the tool changerthe of general machine tools so that the device has an automatic release transfer precision positioning and other functions this time we should completion of the design of automatic turret s the mechanical parts and electrical parts mechanical part is composed of various mechanical calculation and selection of parts electrical parts is preparation of the turret automatically transfer of the control software automatic indexing turret design of more powerful cnc tool changer tool changer quickly through the automatic positioning tool can improve the efficiency of cnc lathes and shorten the processing time while its reliability is more stable the structure is simpler keywordskeywordskeywordskeywords automatic turrettool changerelectro mechanical systems electrical control xii 目目 录录 1 绪 论 1 1 1 自动回转刀架的设计背景 1 1 2 自动回转刀架的市场分析 2 1 3 设计自动回转刀架的意义 2 2 自动回转刀架总体设计 3 2 1 总体方案的确定 3 2 2 减速机传动机构的确定 4 2 3 刀体锁紧与精定位机构的确定 5 2 4 抬起机构的确定 5 3 自动回转刀架机械部分设计 6 3 1 自动回转刀架的工作原理 6 3 2 蜗轮及蜗杆的设计及校核 8 3 2 1 蜗杆的选型 9 3 2 2 蜗杆副的材料 10 3 2 3 按齿面接触疲劳强度进行设计 10 3 3 蜗轮及蜗杆的主要参数与几何尺寸 12 3 4 螺杆的主要参数与几何尺寸 14 3 4 1 螺杆的设计计算 14 3 5 蜗杆轴的设计 15 3 5 1 蜗杆轴的材料选择 确定许用应力 15 3 5 2 按扭转强度初步估算轴的最小直径 15 3 5 3 确定各轴段的直径和长度 16 3 5 4 蜗杆轴的校核 17 3 6 蜗杆轴的轴承选用 21 4 自动回转刀架电气部分设计 22 4 1 硬件电路设计 22 4 2 控制软件设计 25 xiii 4 2 180c31 单片机及其引脚说明 26 4 2 2 静态存储器 6264 的特性 28 4 2 3 2764 只读存储器的特性 28 4 2 4 可编程并行 i o 接口芯片 8255 的特性 29 5 结 论 33 6 致谢 34 7参考文献 35 附录 转配图 a0 图纸一张 零件图 a1 a2 各五张 上刀体图 下刀体图 上圆盘图 下圆盘图 刀架电气图 蜗轮 蜗杆图 螺杆图 空心轴图 发信盘 图 1 1 1 1 1绪绪 论论 1 11 11 11 1 自动回转刀架的设计背景自动回转刀架的设计背景 经济型数控是我国 80 年代科技发展的产物 这种数控系统由于功能适宜 价 格便宜 用它来改造车床 投资少 见效快 成为我国 七五 八五 重点推 广的新技术之一 十几年来 随着科学技术的发展 经济型数控技术也在不断进 步 数控系统产品不断改进完善 并且有了阶段性的突破 使新的经济型数控系 统功能更强 可靠性更稳定 功率增大 结构简单 维修方便 由于这项技术的 发展增强了经济型数控的活力 根据我国国情 该技术在今后一段时间内还将是 我国机械行业老设备改造的很好途径 对于原有老的经济型数控车床 特别是 80 年代末期改造的设备 由于种种原因闲置的很多 浪费很大 在用的设备使用至 今也十几年了 同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水 平 大大提高生产效率 创造更大的经济效益 数控车床为了能在工件的一次装夹中完成多工序加工 缩短辅助时间 减少 多次装夹所引起的加工误差 必须带有自动回转刀架 随着数控车床的发展 自动回转刀架开始向快速换刀 电液组合驱动和伺服 驱动方向发展 目前国内自动回转刀架以电动为主 根据安装方式的不同可分为立式和卧式 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 根据机 械定位方式的不同 自动回转刀架可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等 其中 端齿盘定位型换刀时需要刀架抬起 换刀速度较慢且密封性较差 但其结构简单 三齿盘定位型又叫免抬型 其特点是换刀时刀架不抬起 因此换刀速度快且密封 性好 但其结构较复杂 另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架 2 1 21 21 21 2 自动回转刀架的市场分析自动回转刀架的市场分析 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 10000 15000 台 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 1 31 31 31 3 设计自动回转刀架的意义设计自动回转刀架的意义 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 自动回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性 以承受粗加工时的切削 抗力 为了保证转位之后具有高的重复定位精度 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 自动回转刀架的自动换刀是由控制系统和驱动电路 来实现的 在自动换刀数控机床上 自动换刀装置应满足换刀时间短 刀具重复定位精 度高 足够的刀具储存量 换刀安全可靠等要求 各类机床的换刀装置主要取决 于机床的型式 工艺范围及刀具的数量和种类等 传统的车床如 ca6140 的刀架 上只能装一把刀 换刀的速度慢 换刀后还须重新对刀 并且精度不高 生产效 率低 不能适应现代化生产的需要 因此有必要对机床的自动刀架进行改进 3 2 2 2 2自动回转刀架总体设计自动回转刀架总体设计 2 12 12 12 1 总体方案的确定总体方案的确定 在自动换刀数控机床上 自动换刀装置应满足换刀时间短 刀具重复定位精 度高 足够的刀具储存量 换刀安全可靠等要求 目前为止应用最广的刀架为回转刀架 回转刀架是一种最简单的自动换刀装 置 常用于数控车床 可以设计成四方刀架 六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等 多种形式 回转刀架上分别安装着四把 六把或更多的刀具 并按数控装置的指 令换刀 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 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 工过程中刀具位置不进行人工调整 因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的 定位结构 以保证回转刀架在每次转位之后 具有尽可能高的重复定位精度 一 般为 0 001 0 005mm 图 2 1 回转刀架的类型及工作原理 4 一般情况下 回转刀架的换刀动作包括刀架抬起 刀架转位及刀架压紧等 回转刀架按其工作原理分为若干类型 如图 2 1 所示 图 2 1a 所示为螺母升降转位刀架 电动机经弹簧安全离合器到蜗轮副带动螺 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 使刀架换位 进行切削加工 螺母升降式零件多 但 加力可靠 精度较高 许多刀架都利用这种原理设计 图 2 1b 所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 十字槽轮式体积大 零件多 目 前使用较少 图 2 1c 所示为凸台棘爪式刀架 蜗轮带动下凸轮台相对于上凸轮台转动 使 其上 下端齿盘分离 继续旋转 则棘轮机构推动刀架转 90 然后利用一个接 触开关或霍尔元件发出电动机反转信号 重新锁紧刀架 凸台棘爪式重复定位精 度相对较低 图 2 1d 所示为电磁式刀架 它利用了一个有 10kn 左右拉紧力的线圈使刀架 定位锁定 电磁式目前已能实用 但多一套电路 并要有断电保护 图 2 1e 所示为液压式刀架 它利用摆动液压缸来控制刀架转位 图中有摆动 阀芯 拨爪 小液压缸 拨爪带动刀架转位 小液压缸向下拉紧 产生 10kn 以 上的拉紧力 这种刀架的特点是转位可靠 拉紧力可以再加大 但其缺点是液压 件难制造 还需多一套液压系统 有液压油泄漏及发热问题 经过参考几种经典的刀架设计类型后 决定在本设计中采用螺母升降转位刀 架 电动机经弹簧安全离合器到蜗轮副带动螺母旋转 螺母举起刀架使上齿盘与 下齿盘分离以及利用十字槽轮来转位及锁紧刀架 还要加定位销 来实现刀架抬 起和精确定位 2 22 22 22 2 减速机传动机构的确定减速机传动机构的确定 在本设计中由于采用了三相异步电动机 三相异步电动机转子的转速低于旋 转磁场的转速 转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流 并与 磁场相互作用产生电磁转矩 实现能量变换 与单相异步电动机相比 三相异步 电动机运行性能好 并可节省各种材料 在普通的三相异步电动机因转速太快 5 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 采用蜗杆副减速是最佳选择 蜗轮蜗杆传动有以下特点 1 传动平稳 蜗杆传动同时啮合的齿对数多 且蜗杆为连续的螺旋曲面 啮 合过程是连续的 振动 冲击和噪声较小 2 具有自锁性 当蜗杆的导程角小于啮合摩擦角时 蜗杆传动具有自锁性 此时 只能蜗杆带动蜗轮 反之则不能转动 3 传动比大 单级传动可获得传动比为 5 80 在分度机构中可达 600 或更 大 和齿轮传动相比实现相同的传动比时结构较紧凑 所以说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 使得刀架在是有 过程中更加轻便 方便机床的加工作业 2 32 32 32 3 刀体锁紧与精定位机构的确定刀体锁紧与精定位机构的确定 在本设计中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 当刀架处于锁 紧状态时 上下端面齿相互咬合 这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动 换刀时 电动机正传 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 2 42 42 42 4 抬起机构的确定抬起机构的确定 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 本设计选用螺杆 螺母副 在上刀体内部加工出内螺纹 当电动机通过蜗杆 蜗轮 带动蜗杆绕中心轴转动时 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咬合 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 当端面齿脱离咬合时 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咬合状态 6 3 3 3 3自动回转刀架机械部分设计自动回转刀架机械部分设计 1 11 11 11 1 自动回转刀架的工作原理自动回转刀架的工作原理 自动回转刀架的换刀流程图如图 3 1 所示 传动结构如图 3 2 所示 图 3 1自动回转刀架换刀流程 1 发信盘 2 推力球轴承 3 螺杆螺母副 4 端面齿盘 5 反靠圆盘 6 三相异步电机 7 联轴器 8 蜗杆副 9 反靠销 10 圆柱销 11 上盖圆盘 12 上刀体 图 3 2自动回转刀架的传动结构示意图 刀架抬起 需要换刀时 控制系统发出刀架转位信号 三相异步电动机正向 旋转 通过蜗杆副带动螺杆正向转动 与螺杆配合的上刀体逐渐抬起 下刀体与 7 下刀体之间的端面齿慢慢脱开 刀架转位 当转过 170 度时 两端面完全脱开 圆柱销由于弹簧的作用压在 螺杆上端的台阶内侧 于是螺杆带动上刀体转动起来 刀架定位 上刀体带动磁铁转到需要的刀位时 粗定位销在弹簧的作用下进 入粗定位槽 同时发信盘上对应的霍尔元件输出高电平信号 控制系统收到后 立即控制刀架电动机反转 由于粗定位销的作用 上刀体不会随螺杆的反转而反 转 所以开始下降 上下刀体的端面逐渐啮合 实现精定位 刀架夹紧 上下刀体的端面齿紧密啮合后 螺杆不再转动 而电机继续带动蜗 轮向螺杆加力 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 由于蜗杆副有自锁功能 所以刀架可以稳定的工作 图 3 3自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置 图 3 3 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 起着重要的作用 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 落在反靠圆盘 7 的十字槽内 上刀体 4 的端面齿和下刀体的 端面齿处于咬合状态 需要换刀时 控制系统发出刀架转位信号 三相异步电动 机正向旋转 通过蜗杆副带动螺杆正向转动 与蜗杆配合的上刀体 4 逐渐抬起 上刀体 4 与下刀体之间的端面齿慢慢脱开 于此同时 上盖圆盘 1 也随着螺杆正 8 向转动 上盖圆盘 1 通过圆柱销与螺杆连接 当转过约 170 度时 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 此时端面齿已经完全脱开 如图 b 所示 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 如图 c 所示 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 如图 d 所示 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 的销孔内 之后 上盖圆盘 1 的 下表面开始与圆柱销 2 的头部滑动 在此期间 上 下刀体的端面齿逐渐咬合 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 1 21 21 21 2 蜗轮及蜗杆的设计及校核蜗轮及蜗杆的设计及校核 按照设计要求对电机进行选型 要求功率为 90w 转速 1440r min 经过查 取有关资料 采用江西省泰隆电机有限公司生产的 jw5614 90w 三相异步电机 jw 系列三相异步电动机 按 jb1009 1012 91 gb12350 2000 标准设计 具有外 型匀称美观 起动转矩大 效率高 使用寿命长 运行性能良好 噪音小 结构 合理 维护方便等特点 一般多用于驱动需要较大起动转矩的机械 如机床 建 筑机械 农副产品加工 泵 空气压缩机 制冷压缩机 磨粉机 医疗器械 及 农业机械的驱动 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连 刀架转 位时蜗轮与上刀体直连 已知电动机额定功率 1 p 90w 额定转速 1 n 1440r min 上刀体设计转速 2 n 30r min 则蜗杆副的传动比 i 1 n 2 n 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 h l 10000h 9 1 2 11 2 11 2 11 2 1蜗杆的选型蜗杆的选型 按蜗杆形状 蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动 环面蜗杆传动和锥蜗杆传动 圆柱蜗杆设计制造简单 应用十分广泛 环面蜗杆润滑性能较好 效率高 承载 能力高 为普通蜗杆的 2 4 倍 但制造安装复杂 用在大功率的场合 锥蜗杆制 造安装复杂 应用较少 圆柱蜗杆传动包括普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动 根据螺旋线的不 同 圆柱蜗杆可分为阿基米德圆柱蜗杆 za 蜗杆 法向直廓圆柱蜗杆 zn 蜗 杆 渐开线圆柱蜗杆 zi 蜗杆 和锥面包络线圆柱蜗杆 zk 蜗杆 阿基米德蜗杆 za 蜗杆 的特点是在轴向齿廓呈齿条形状 法向齿廓为 外凸曲线 在端平面上的齿廓为阿基米德螺旋线 这种蜗杆可以在车床上用于直 线刀刃的单刀 当导程角 3 时 或双刀 当 3 时 的车削加工 制造方便 应用广 泛 一般用于头数较少 载荷较小 低速或不太重要的传动 法向直廓圆柱蜗杆 zn 蜗杆 磨削起来难度较大 所以不推荐采用 渐开线蜗杆 zi 蜗杆 如图 3 4 所示 这种蜗杆的端面齿廓位渐开线 所以相当于一个少数 大螺旋角的渐开线圆柱斜齿轮 zi 螺杆可用两把直线刀刃 的车刀在车床上车削 圆弧圆柱蜗杆传动 zc 蜗杆 在轴向平面内具有凹圆弧齿廓 与蜗轮组成 凹凸啮合传动型式 承载能力大 效率高 耐磨 在冶金 建筑 化工等机械中 应用广泛 图 3 4 渐开线蜗杆 10 在 gb t10085 1988 中推荐采用渐开线蜗杆 z1 蜗杆 和锥面包络蜗杆 zk 蜗杆 本设计采用结构简单 制造方便的渐开线型圆柱蜗杆 z1 型 在机 械设计中 越是简单的结构越稳定 在考虑稳定性以及小型化的因素上所以采用 渐开线型圆柱蜗杆 1 2 21 2 21 2 21 2 2蜗杆副的材料蜗杆副的材料 蜗杆一般是用碳钢或合金钢制成 高速重载蜗杆常用 15cr 或 20cr 并经渗 碳淬火 也有用 40 45 号钢或 40cr 并经淬火 这样可以提高表面硬度 增加耐 磨性 通常要求蜗杆淬火后的硬度为 40 55hrc 经氮化处理后的硬度为 55 62hrc 一般不太重要的低速中载的蜗杆 可采用 40 或 45 号钢 并经调质处理 其硬度为 220 300hbs 常用的蜗轮材料为铸造锡青铜 zcusn10p1 zcusn5pb5zn5 铸造铝铁青 铜 zcual10fe3 及灰铸铁 ht150 ht200 等 锡青铜耐磨性最好 但价格 较高 用滑动速度 v 3m s 的重要传动 铝铁青铜的耐磨性较锡青铜差一些 但 价格便宜 一般用于滑动速度 v 4m s 的传动 如果滑动速度不高 s v 2m s 对效率要求也不高时 可采用灰铸铁 为了防止变形 常对蜗轮进行时效处理 设计要求电机功率为 90w 刀架中的蜗杆副传递的功率不大 但蜗杆转速较 高 因此蜗杆的材料选择 45 钢 其螺旋齿面要求淬火 硬度为 45 55hrc 以提 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 zcusn10p1 采用金属模铸造 1 2 31 2 31 2 31 2 3按齿面接触疲劳强度进行设计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 2 3 2 e h z z akt 上式中 a 蜗杆副的传动中心距 单位为 mm 11 k 载荷系数 2 t 作用在蜗轮上的转矩 t 单位 n mm e z 弹性影响系数 单位为 mpa z 接触系数 h 许用接触应力 单位为 mpa 由上式算出蜗杆副的中心距 a 之后 根据已知的传动比 i 48 可以选择合适 的中心距 a 值 以及相应的蜗杆 蜗轮参数 1 确定作用在蜗轮上的转矩 t 设蜗杆头数 1 z 1 蜗杆副的传动效率取 0 8 由电动机的额定功率 1 p 90w 可以算出蜗轮传递的功率 2 p 1 p 再由蜗轮的转速 2 n 30r min 求得作用 在蜗轮上的转矩 2 t 9 55 2 p 2 n 9 55 1 p 2 n 22920n mm 2 确定载荷系数 k 载荷系数 va kkkk 其中 a k为使用系数 由于工作载荷分布步均匀 启 动时冲击较大 因此取 a k 1 15 k 为齿向载荷分布系数 因工作载荷在启动和 停止时有变化 故取 k 1 15 v k为动载系数 由于转速不高 冲击不大 可取 v k 1 05 则载荷系数 39 1 va kkkk 3 确定弹性影响系数 铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时 从参考文献 2 表 3 2 9 查得弹性影响系数 e z 160mpa 4 确定接触系数z 先假设蜗杆分度圆直径 1 d和传动中心距 a 的比值 1 d a 0 35 由参考文献 1 图 12 11 18 查得系数 z 2 9 5 确定许用接触力 h 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜 zcusn10p1 金属模铸造 蜗杆螺旋齿面硬度大 于 45hrc 从参考文献 1 表 11 7 查得蜗轮的基本许用力 h 268mpa 已知蜗 杆为单头 蜗轮每转一转时每个轮齿咬合的次数 j 1 蜗轮转速 2 n 30r min 蜗杆 副的使用寿命 h l 10000h 则应力循环次数 n 60j 2 n h l 1 8 107 寿命系数 khn 0 929 许用接触应力 h hnh k 249mpa 计算中心距 将以上各参数代入式 2 3 2 e h z z akt 求得中心距 2 3 2 e h z z akt 2 3 160 2 9 1 39 22920 249 48mm 查参考文献 1 表 11 2 取中心距 a 50mm 已知蜗杆头数 1 z 1 设模数 m 1 6mm 得直径 1 d 20mm 这时 1 d a 0 4 由参考文献 1 图 11 19 可得接触系 数z 2 74 因为 z z 所以上述计算结构可用 1 31 31 31 3 蜗轮及蜗杆的主要参数与几何尺寸蜗轮及蜗杆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 1 蜗杆参数及尺寸 头数 1 z 1 模数 m 1 6mm 轴向齿距 a p 3 14 m 5 027mm 轴向齿厚 13 a s 0 5 分度圆直径 1 d 20mm 直径系数 q 1 d m 12 5 分度圆导程脚 r 1 arctan z q 4 34 26 2 蜗轮参数与尺寸 齿数 2 z 48 模数 m 1 6mm 分度圆直径为 2 d m 2 z 1 6 48mm 76 8mm 变 位系数 2 x a 1 d 2 d 2 m 50 20 76 8 2 1 6 1 蜗轮喉圆直径为 2a d 2 d 2m a h 2 x 83 2mm 蜗轮齿根圆直径 2f d 2 d 2m a h 2 x c 76 16mm 3 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 即校验下式是否成立 2 2 12 1 53 ffaf kt yy d d 式中 f 蜗轮齿根弯曲应力 单位为 mpa 2fa y 蜗轮齿形系数 y 螺旋角影响系数 f 蜗轮的许用弯曲应力 单位为 mpa 由蜗杆头数 1 z 1 传动比 i 48 可以算出蜗轮齿数 2 z i 1 z 48 则蜗轮的当量齿数 2 2 3 48 46 cos v z z 根据蜗轮变位系数 2 x 1 和当量齿数 2v z 48 46 得齿形系数 2fa y 1 95 旋转角影响系数 y 1 140 0 967 根据蜗轮的材料和制造方法 由参考文献 1 表 11 8 可得蜗轮基本许用弯曲 应力 f 56mpa 蜗轮的寿命系数 fn k 9 7 10 1 8 10 0 725 14 蜗轮的许用弯曲应力 f f fn k 40 6mpa 将以上参数代入式 2 2 12 1 53 ffaf kt yy d d 得蜗轮齿根弯曲应力 f 37 4 可见 f f 蜗轮齿根的弯曲强度满足要求 1 41 41 41 4 螺杆的主要参数与几何尺寸螺杆的主要参数与几何尺寸 1 4 11 4 11 4 11 4 1螺杆螺杆的设计计算的设计计算 1 螺距的确定 刀架转位时 要求蜗杆在转到约 170 的情况下 上刀体的断面齿与下刀体的 断面齿完全脱离 在锁紧的时候 要求上下端面齿的咬合深度达 2mm 因此 螺 杆的螺距 p 应满足 p 170 360 2mm 即 p 4 24mm 今取螺杆的螺距 p 8mm 2 其它参数的确定 采用单头梯形螺杆 头数 n 1 牙侧角 b 15 外螺纹大径 1 d 50mm 牙顶 间隙 c a 0 5mm 基本牙形高度 1 h 0 5p 3mm 外螺纹牙高 1 h 3 5mm 外螺纹中 经 2 d 46mm 外螺纹小径 3 d 42mm 螺杆螺纹部分长度 h 50mm 3 自锁性能校核 螺杆 螺母材料均用 45 钢 查参考文献 1 表 5 12 取二者的摩擦因数 f 0 11 再求得梯形螺旋副的当量摩擦角约为 6 5 而螺纹升角约为 2 33 小于 当量摩擦角 因此 所选几何参数满足自锁条件 15 1 51 51 51 5 蜗杆轴的设计蜗杆轴的设计 1 5 11 5 11 5 11 5 1蜗杆轴的材料选择 确定许用应力蜗杆轴的材料选择 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 选择轴的 材料为 45 号钢 经调质处理 由参考文献 1 表 15 1 查得 b 640mpa s 355mpa 1 275mpa 1 155mpa 1 60mpa 1 5 21 5 21 5 21 5 2按扭转强度初步估算轴的最小直径按扭转强度初步估算轴的最小直径 轴的扭转强度条件为 t t t w 3 9550000 0 3 p n d r 式中 t 扭转切应力 mpa t 一一轴所受的扭矩 n m t w 轴的抗扭截面系数 3 mm n 轴的转速 r min p 轴传递的功率 kw d 一一计算截面处轴的直径 mm r 许用扭转切应力 mpa 由式 t t t w 3 9550000 0 3 p n d r 可得轴的直径 33 3 0 9550000 0 2 r pp da nn 当轴截面上开有键槽时 应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱 对于直 径 d 100mm 的轴 有一个键槽时 轴径增大 5 7 由参考文献 1 表 15 3 查 得 0 a 112 代入式中 取 min d 6 1345mm 同时查表得到所用电动机 ys5624 型 输出轴直径为 9mm 所以在空间充裕的情况下取输入轴最小直径为 9mm 伸出 长度为 50mm 16 1 5 31 5 31 5 31 5 3确定各轴段的直径和长度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 初步确 定蜗杆轴如图 3 5 所示 图 3 5 蜗杆轴 1 d 5 d同一轴上的轴承选用同一型号 以便于轴承座孔的镗制和减少轴承类 型 5 d段轴上有一个键槽 故槽径增大 5 1 d 5 d 1 5 min d 6 44 mm 圆整 1 d 5 d 12 mm 所选轴承类型为深沟球轴承 型号为 6301 b 12mm d 37mm 2 d段起固定作用 2 d取 18rnm 3 d段为蜗杆与蜗轮啮合部分 故 3 d 23 2mm 2 d 4 d 18mm 便于加工和安装 1 l段为与轴承配合的轴段 查轴承宽度为 12mm 则 1 l 12mm 2 l段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 67rnm 端 盖宽度为 10mm 故 2 l 45rnm 3 l段为蜗杆部分长度 当 1 z 1 2 时 2 x 1 1 b 12 0 1 2 z m 26 88rnm 圆整 3 l取 30mm 17 2 l 4 l 45mm 5 l段长度为 12rnm 轴的总长为 164rnm 1 5 41 5 41 5 41 5 4蜗杆轴的校核蜗杆轴的校核 1 计算轴上的作用力 蜗杆 1 t 9550 1 1 p n 614n mm 1t f 1 t 1 d 2 614 20 61 4n mm 1a f 2 2 t 2 d 2t f 522 3n 1r f 2tant fa 190 1n 2 计算支反力 垂直面支反力 a b 两点分为左 右深沟球轴承中心 c 点为蜗杆中心 设 a 点到 c 点距离为 1 l c 点到 b 点距离为 2 l 两轴承间距离 a 152mm 以蜗 杆副为中心对称布置所以 1 l 2 l 76mm 18 图 3 6 轴的载荷分析图 a 受力简图 b x y 平面弯矩图 c x z 平面弯矩图 d 合成弯矩图 e 转矩图 f 当量弯矩图 由绕支点 b 的力矩 bv m 0 得 122 2 ravar fllfdff 0 rav f 60 69n 方向向上 同理 由绕支点 a 的力矩和 bv m 0 得 122 2 rbvar fllfdff 0 rbv f 129 41n 方向向上 由轴上的合力 v f 0 校核 rbv f rav f r f 0 计算无误 水平支反力 由绕支点 b 的力矩 bh m 0 得 12rah fll t f 1 l rah f 30 7n 放心向上 同理 由绕支点 a 的力矩和 ah m 得 rbh f 30 7n 方向向上 由轴上的合 力校核 r f rbh f rah f 0 计算无误 a 点支反总力 19 a 点支反总力 ra f 22 rahrav ff 68 01n b 点支反总力 rb f 22 rbhrbv ff 133n 绘制转 弯矩图垂直而内的弯矩图 如图 3 6b c 处弯矩 cv m左 1rav fl 60 6976 4612 44n mm cv m右 1rav fl 2 a fd 9835 44n mm 水平面内的弯矩图 如图 3 6c c 处弯矩 ch m rah f 1 l 2333 2n mm 合成弯矩图 如图 3 6d c 处 c m左 22 cvch mm 5168 99n mm c m右 22 cvch mm 10108 4n mm 转矩图 如图 3 6e t 614n mm 当量弯矩图 如图 3 6f 因为是单向回转轴 所以扭转切应力视为脉动循环变应力 这算系数 c 0 6 c t 0 6 614 368 4n m