自动回转刀架机电系统设计

摘 要本文主要对数控加工中心自动换刀系统及控制系统进行设计。传统的普通车床换刀的速度慢、精度不高，生产效率效率低，不能适应现代化生产的需要。因此。本文对普通机床的换刀装置进行改进，对一台四工位的立式自动回转刀架进行数控化设计，该装置具有自动松开、转位、精密定位等功能。新的数控换刀装置功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。关键字：四工位立式刀架 自动回转 主传动部件 电气控制 目录第一章 引言31.1 数控车床自动回转刀架概述31.2 设计研究内容31.3 研究实际社会意义和应用效果31.4 小结4第二章 总体机构设计42.1 减速传动机构的设计42.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计52.3 刀架抬起机构的设计5第三章 主要传动部件的设计计算73.1 蜗杆副的设计计算63.2 蜗杆的设计计算13第四章 电气控制部分的设计154.1 硬件电路的设计154.2 控制软件的设计15第五章 刀架常规故障分析和排除185.1 刀架不能启动195.2 刀架连续转动到位不停195.3 刀架越位过冲或转不到位195.4 刀架不能正常夹紧19第六章 结 论20参考文献21第一章 引言1.1 数控车床自动回转刀架的概述。数控车床主要由主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动系统及数控装置组成。数控车床的出现对提高生产率改善产品质量以及改善劳动条件等发挥了重要的作用。传统的车床例如 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，生产效率效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进，为了能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发挥数控机床的效率，采用“工序集中”的原则，采用自动回转刀架。数控车床上使用的自动回转刀架是一种最简单的换刀装置，自动回转刀架是在一定的空间范围内，能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。对于自动回转刀架，据装刀数量的不同，自动回转刀架分有四工位，六工位和八工位等形式。根据安装的不同方式，自动回转刀架可分为立式和卧式，而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，其中端齿盘定位型换刀时需要将刀架抬起，换刀速度较慢且密封性差，但其结构简单。三齿盘定位叫免抬型，其特点时换刀时刀架不抬起，因此换刀速度快且密封性好，但其结构复杂。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，为保证转位之后具有高的重复定位精度，自动回转刀架还需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由控制系统和驱动电路来实现的。1.2 设计研究内容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。要求绘制自动回转刀架的机械结构图。设计控制刀架自动转位的硬件电路，编写刀架的控制软件，选用电动机的额定功率为 90W，额定转速为 1440r/min，换刀时的速度为30r/min。分别对其组成部分即机械总体结构，工作原理，主传动部件，电气控制部分进行设计、控制，并对自动回转刀架出现的一些常规问题提出修理意见。1.3 研究实际社会意义及应用效果传统的车床例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，生产效率效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进，数控车床上使用的自动回转刀架是一种最简单的换刀装置，自动回转刀架是在一定的空间范围内，能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。使用这种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。它能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发挥数控机床的效率，采用“工序集中”的原则，采用自动回转刀架。传统的车床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，生产效率效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进，为了能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发挥数控机床的效率，采用“工序集中”的原则，采用自动回转刀架。并针对生产过程中出现的一些常规问题进行了探讨，归纳总结检查修理方法。1.4 小结对数控车床自动回转刀架的机电系统进行研究和设计，并通过对四工位刀架的设计，分别加强对其组成部分即机械总体结构、工作原理的认识。数控车床上使用的自动回转刀架是一种最简单的换刀装置，自动回转刀架是在一定的空间范围内，能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。对于自动回转刀架，据装刀数量的不同，自动回转刀架分有四工位，六工位和八工位等形式。根据安装的不同方式，自动回转刀架可分为立式和卧式，而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，其中端齿盘定位型换刀时需要将刀架抬起，换刀速度较慢且密封性差，但其结构简单。三齿盘定位叫免抬型，其特点时换刀时刀架不抬起，因此换刀速度快且密封性好，但其结构复杂。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，为保证转位之后具有高的重复定位精度，自动回转刀架还需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由控制系统和驱动电路来实现的。第二章 整体结构设计2.1 减速机构的设计电动机选择三步异相电动机，额定功率为 120W，额定转速为1500r/min，而刀架转速设定 60r/min，由于转速较高不能直接驱动刀架，因此必须经过适当的减速。采用蜗杆副减速，蜗杆副传动可以改变运动的方向，获得较大的传动比，以保证传动精度和平稳性，并具有自锁功能，还可以实现整个装置的小型化。2.2 上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。本设计上刀体的锁紧与定位机构选用端面齿盘。当刀架处于锁紧时，上下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架中心轴转动，换刀的时，电机正转，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。2.3 刀架抬起机构的设计在上述过程中欲使上下刀体的两个端面齿脱离。就必须设计分离机构，在此选择螺杆螺母副，并在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆涡轮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，转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离啮合时，上刀体就和螺杆一同转动，在设计螺杆时要注意螺距的选择，而螺距的选择是否合理非常重要，选择适当以便当螺杆转动一定角度时，使上刀体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如图 2-1 所示。图 2-1 自动回转刀架的传动机构示意图1-发信盘 2-推力轴承 3-螺杆螺母副 4-端面齿盘 5-反靠圆盘 6-三相异步电动机 7-连轴器 8-蜗杆副 9-反靠销 10-圆柱销 11-上盖圆盘 12-上刀体自动回转刀架的工作原理：自动回转刀架的换刀流程如图 2-2 所示：图 2-2 自动回转刀架的换刀流程锁在自动回转刀架的换刀过程中的位置如图 2-3 所示：如图示中，其中弹簧上面的为圆柱销 2，弹簧下面为反靠销，两者的位置有非常重要的作用。当刀架处于两种状态即锁紧和换刀时，两销的工作情况不同。1. 当刀架处于紧缩状态时，两销情况是，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处于啮合状态。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转动，通过蜗杆副带动蜗杆的转动，蜗杆的转动带动与之配合的上刀体 4 逐渐抬起，抬起后与下刀体 4 之间的端面齿慢慢脱开；同时，上盖圆盘 1 也将随螺杆正向旋转，当它转过一定角度约为 170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 将通过圆柱销 2 的转动使得上刀体 4转动。2. 在上盖圆盘 1、圆柱销 2 以及上刀体 4 正转过程中，反靠销 6能从反靠圆盘 7 的十字槽中的左侧坡中滑落出来，不会影响上刀体 4 寻找刀位的正向转动。3. 当上刀体 4 带动磁铁转到需要的刀位时，发信号盘上对应的霍尔元件输出低电频信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动反转，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 就会落入反靠圆盘 7 的十字槽内以此以完成精定位，此时反靠销 6 在反靠圆盘 7 的十字槽内，刀体 4 停止转动，开始下降，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，此时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。蜗杆副具有自锁功能，所以可以稳定的工作。图 2-3 刀架转位工程中销的位置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 连续转动时，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 可以从反靠圆盘 7 的槽左侧斜坡划出d) 找到刀位时，刀架电动机反转，反靠销 6 反靠，上刀体停转，实现粗定位第三章 主要传动部件的设计计算3.1 蜗杆副的设计计算本设计中的动力源是三相异步电动机，蜗杆与电动机直连，刀架转位时，涡轮与上刀体直联，电动机额定功率是 P =120W，1额定转速为 n =1500r/min，上刀体设计转速为 n =60r/min，则1 2蜗杆副的传动比 i= n /n =1500/60=25。刀架从转位到锁紧时要12按齿面接触疲劳强度进行计算：蜗轮上的转矩：2T蜗杆反向工作载荷不均匀，启动时冲击较大，令蜗杆副的使用寿命为 10000 小时，因此对蜗杆的型号材料的选择以及齿面接触疲劳强度计算相当重要。（1） 蜗杆类型： GB/T10085-1988 推荐采用渐开线蜗杆（ZI 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（ZI 型）。 （2） 蜗杆副的材料 ： 蜗杆用 45 钢，其螺旋齿要求淬火，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。（3） 按齿面接触疲劳强度进行计算：在计算中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。齿面接触强度计算公式：a （3.1）322)(HPEZKT式中，a蜗杆副的传动中心距，单位为 mm； K载荷系数；作用在涡轮上的转矩 ，单位为 N.mm；2T2Z 弹性影响系数，单位为 MPa ；E /1Zp接触系数； 许用接触应力，单位为 MPa；H注：从上公式（3.1）中算出蜗杆副的中心距离 a 之后，并根据已知的传动比 i=25，查表 3-3 选择合适的中心局 a 的值，以及相应的蜗杆，蜗轮参数。确定各参数：1） 确定作用在蜗轮上的转矩 ：2T设蜗杆头数 Z =2，蜗杆副的传动效率 =0.8。由电动机1额定功率 P =120w，可以算得：P = P * = 120w0.8 = 96w （3.2）2再由蜗杆转速 n =60r/min。求得作用在蜗轮上的转矩：2T=9.55 = 9.55 = 9.55 N.m221 608.P = 96w2=15280N.m2T载荷系数 K：弹性影响系数Z ：E接触系数 Zp：= 15.28N.m = 15280N.m (3.3)2） 确定载荷系数：K=K K K （3.4）ABVK 使用使用系数查表 3-1 取得；AK 齿向载荷分布系数；BK 动载系数；V工作载荷不均匀，启动时冲击较大，则 K 取 1.15 ；A工作载荷启动和停止时有变化，则 K =1.15 ； B转速不高、冲击不大可以选择 K =1.05；VK= K K K = 1.151.151.05 = 1.39ABV工作类型 载荷性质 均匀无冲 击 不均匀，小冲 击 不均匀，大冲 击每小时启动次数 50起动载荷 小 较大 大K A1 1.15 1.2表 3-1 使用系数 K A3）确定弹性影响系数 Z ：E当铸锡磷青铜蜗杆与钢蜗杆相配合时，查有关手册得弹性影响系数Z = 160MPa E2/14） 确定接触系数 Zp： 假设蜗杆分度圆直径 d 和传动中心距 a 的比值：1i = d /a = 0.35 查表可以得到：Zp=2.9 5）确定许用接触应力 ： H根据蜗轮材料即铸锡磷青铜 ZCuSn10P1、金属模铸造、蜗杆螺旋齿面硬度大于 45HRC,查表 3-2，取得蜗轮基本许用应力为： =268MPaH蜗杆螺旋面的硬度蜗轮材料 铸造方法 45HRC 45HRC砂磨铸造 150 180铸锡磷青铜ZCuSn10P1 金属摸制造 220 268K= 1.39Z = 160MPaE2/1Zp=2.9 =268MPaH应力循环次数N：许用接触应力：H确定中心距a：砂磨铸造 113 135铸锡锌铅青铜ZCuSnPb5Zn5 金属摸制造 128 140表 3-2 铸锡青铜蜗杆的基本许用接触应力 H由于蜗杆为单头，蜗轮每转一转每个轮齿啮合次数 j=1；蜗轮转速 n =60r/min；蜗杆副的使用寿命为：2L =10000hh则应力循环次数 ：N = 60jn L = 6016010000 = 3.610 2H7寿命系数： K = =0.852 N8710许用接触应力： = K = 0.852268 MPa = 228.336 MPa HNH6）. 确定中心距：a mm = 44.430mm (3.5)3 2)36.8910(5291 N= 3.610 7 =228.336 HMPaa = 50mm蜗杆的参数和尺寸:蜗轮参数与尺寸：表 3-3 普通圆柱蜗杆基本尺寸和参数及其与蜗轮参数的匹配表取得 a=50mm,蜗杆头数为 =2，假设模数 m=1.6mm，得蜗杆1Z分度圆得直径 d =20mm。这时 d /a=0.4，由表 3-4 可以知道1接触系数 Zp=2.74。 因为 Zp15 120.080.10淬火钢-青铜 612 1013 0.060.082.4 1318钢-铸铁612 470.120.15钢-钢 低速 7.513 0.110.17表 3-7 滑动螺旋副材料的许用压力P及摩擦因数 f而螺纹升角：= arctan = arctan =2.332dnp 471.36小于当量摩擦角，因此满足自锁条件。第四章 电气控制部分设计4.1 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，如图 4-1 所示。1. 收信电路 上图 a 中，发信盘上的 4 只霍尔开关，都有 3 个引脚，第一个脚接+12V 电源，第二个脚接+12V 地，第三脚为输出。转位时刀架台带动磁铁旋转，当磁铁对准某一个霍尔开关时，其输出端第三脚输出低电平；当磁铁离开时，第三脚输出高电平。4 只霍尔开关输出的 4 个刀位信号 T1-T4 分别送到图 b 的 4 只光耦合器进行处理，处理后经过光隔离的信号送给 I/0 接口芯片 8255 的 PC4-PC7。2. 发信电路上图中 c 为刀架电动机正反转控制电路，I/0 接口芯片 8255 的 PA6 与 PA7 分别控制刀架电动机的正反转。其中 KA1 为正转继电器线圈， KA2 为反转继电器线圈。因刀架电动机的功率只有 120W，所以图 d 中刀架电动机与380V 市电的接通可以选用大功率直流继电器，而不必采用继电器-接触器控制电路，以节省成本，降低故障率。图 c 中正转继电器的线圈 KA1 与反转继电器的一组常闭触电串联，而反转继电器的线圈 KA2 又与正转继电器的一组常闭触电串联，这样就形成了正转与反转的互锁电路，以防控制系统失控时导致短路现象。当 KA1 或 KA2 的触点接通 380V 电压时，会产生较强的火花，并通过电网影响控制系统正常工作，因此在图 d 中布置了 3 对 RC 阻容用来灭弧，以抑制火花的产生。4.2 控制软件设计在弄清楚自动回转刀架的机械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，它最多装有四把刀具，设计控制软件的任务，就是选择任意一把刀具，让其转到工作位置。图 4-2 表示让 1#刀转到工作位置的程序流程，2#3#刀的转位流程与 1#刀相似。图 4-1 自动回转刀架电气控制图a)发信盘上的霍尔元件 b)刀位信号的处理d)刀架电动机正反转控制 d)刀架电动机正反转的实现图 4-2 换 1#号刀的程序流程设控制系统的 CPU 为 AT89C51 单片机，扩展 8255 芯片作为自动回转刀架的收信与发信控制，已知 8255 芯片的控制口地址为 2FFFH，则基于图 4-1 和图 4-2 的编绘程序清单如下：T01： MOV DPTR,#2FFEH ；指向 8255 的 PC 口MOVX A,DPRT ；读取 PC 口内容JNB ACC.4,TEND ；测试 PC4=0？若是，则说明 1#已在工作位置，程序转到 TENDMOV DPRT,#2FFCH ；指向 8255 的 PA 口地址MOVX A,DPRT ；读取 PA 口锁存器内容CLR ACC.6 ；令 PA6=0，刀架电动机正转有效SETB ACC.7 ；令 PA7=1，刀架电动机反转无效MOVX DPTR,A ；刀架电动机开始正转CALL DE20MS ；延时 20msYT01： MOV DPTR,#2FFEH ；指向 8255 的 PC 口MOVX A,DPTR ；读取 PC 口内容JB ACC.4,YT01 ；PC4=0 吗？即 1#刀转到工作位置了吗？CALL DE20MS ；延时 20msYT11： MOV DPTR,#2FFEH ；指向 8255 的 PC 口MOVX A,DPTR ；第二次读取 PC 口内容JB ACC.4,YT11 ；PC4=0？CALL DE20MS ；延时 20msYT21： MOV DPTR,#2FFEH ；指向 8255 的 PC 口MOVX A,DPTR ；第三次读取 PC 口内容JB ACC.4,YT21 ；PC4=0？MOV DPTR,#2FFCH ；指向 PA 口MOVX A,DPTR ；读取 PA 口锁存器内容SETB ACC.6 ；令 PA6=1，刀架电动机正转无效SETB ACC.7 ；令 PA7=1，刀架电动机反转无效MOVX DPRT,A ；刀架电动机停转CALL DE150MS ；延时 150msCLR ACC.7 ；令 PA7=0，刀架电动机反转有效SETB ACC.6 ；令 PA6=1，刀架电动机正转无效MOVX DPRT,A ；刀架电动机开始反转CALL DELAY ；延时设定的反转紧锁时间SETB ACC.6 ；令 PA6=1，刀架电动机正转无效SETB ACC.7 ；令 PA7=1，刀架电动机反转无效MOVX DPRT,A ；刀架电动机停转TEND：RET ；换 1#刀结束第五章 常规故障分析与排除5.1 刀架不能启动（1）机械方面的原因：刀架预紧力过大，当用六角扳手插入蜗杆端部旋转时不易转动，而用力的时候时可以转动，但下次夹紧后刀架仍不能启动，这种现象的出现，可以确定刀架不能启动的原因是由于预紧力太大，可以通过调小刀架夹紧电流排除它。刀架机械内部卡死。当从蜗杆端部转动时，顺时针方向转不动，其原因是机械卡死，首先检查夹紧装置的反靠定位销是否处于反靠棘轮槽内，若在则需要将反靠棘轮与蜗杆连接销孔回转一个角度重新打孔连接。其次，检查主螺母是否锁死，如果锁死，则应重新调整；再次，由于润滑不良造成旋转键研死，此时拆开，观察实际情况，加以润滑处理。（2）电气方面的原因： 电源不通，电机不转。检查熔芯是否完好，电源开关是否接通良好，开关位置是否准确。用万用表检测电容时，电压值是否在规定的范围内，可通过更换保险、调整开关位置，使接通部件接触良好。此外，电源不通的原因还可以考虑刀架的控制器断线，刀架内部断线，电刷式霍尔元件位置发生变化，导致不能正常通断。电源通，电机反转。可以确定为电动机相序接反。通过检查线路，变换相序。手动换刀正常，机控不换刀。应重点检查微机与刀架控制器的引线、微机 I/O 接口及刀架到位回答信号。5.2 刀架连续转动、到位不停由于刀架能连续转动，所以机械方面的故障可能性较小，主要从电气方面检查：（1）检查刀架到位信号是否发出，如果没有到位信号则是发信盘故障。此时可以检查：发信盘弹性触头是否磨损、发信盘地址线是否断路或是否有接触不良和漏接。是否需要更换弹性片触头或重修，针对其线路中的，继电器接触情况、线路连接情况相应的进行线路故障排除。（2）当仅出现某号刀不能定位时，则一般是由于该号刀线路出现问题。5.3 刀架越位过冲或转不到位刀架越位过冲故障的主要原因是后靠装置不起作用。（1）刀架越位过冲的机械原因可能性较大。主要是后靠装置不起作用，首先检查定位销是否灵活，弹簧是否疲劳，此时应修复定位销使其灵活或更换弹簧。（2）检查后靠棘轮于蜗杆连接是否断开，若断开，需要更换连接销。若此现象还存在，则可能是由于刀具太长太重，应该更换弹性模量稍大的定位销弹簧。（3）出现刀架运行不到位（有时中途位置突然停止） ，主要是由于发讯盘触点与弹性片触点错位，即刀位信号胶木盘位置固定偏移所致。此时应重新调整发讯盘与弹性片触头位置并固定牢靠。（4）若忍不能解决故障，则可能是发讯盘夹紧螺母松动，造成位置移动。5.4 刀架不能夹紧出现该故障，首先检查夹紧开关位置是否固定不当。并调整到正确位置；其次用万用表检查相应线路继电器是否能正常工作，触点接触是否可靠。还可以检查内部机械配合是否松动。有时会出现由于内齿盘上有碎屑造成夹紧不牢使其定位不准，此时应调整装配并清洁其内盘。5.5 其他故障除了以上故障外，有时还会出现：无法机控选择刀具、夹紧后无回答信号、启动或松开手控刀架按钮刀架返回原来位置等故障现象。出现这些故障的主要原因是电路中继电器接触不良、胶木盘位置不正、电源相序不对所致，可以分别对其加以调整、修复，使故障排除。第六章 结论为了能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发挥数控机