数控车床自动回转刀架机电系统设计.doc

目录引言1第一章 数控车床自动回转刀架机电系统设计任务2第二章 数控车床自动回转刀架设计2第一节 回转刀架设计概述2第二节 总体结构设计42.2.1 减速传动机构的设计42.2.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计4第三节 自动回转刀架的工作原理5第四节 主要传动部件的设计计算92.4.1 蜗杆-蜗轮副的设计计算92.4.2 蜗杆轴的计算152.4.3 蜗轮轴212.4.5 齿盘的设计232.4.6 轴承的选用242.4.7 刀架体的设计252.4.8 螺杆的设计计算25第三章 数控车床自动回转刀架电气控制部分设计26第一节 硬件电路设计26第二节 控制软件设计27第四章 数控车床自动回转刀架国内有关产品参数介绍29结语32参考文献33引言机电一体化是在微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展，向机械上业领域迅猛渗透，机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群体技术，从系统的观点出发，根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智能、动力、结构、运动和感知组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理、接口平台、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下，形成物质和能量的有规则运动，在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。“机电一体化”根源于 “Meckantronics”，它是一个新兴的边缘学科，国内外处于发展阶段，代表着机械工业技术革命的前沿方向。机电一体化系统课程设计是一个重要的实践性教学环节。要求学生综合运用所学过的机械、电子、计算机和自动控制等方面的知识，独立进行一次机电结合的设计训练，主要目的是： 1）学习机电一体化系统总体设计方案拟定、分析与比较的方法。2）通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算方法与选用原则。如齿轮/同步带减速装置、蜗轮蜗杆副、滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副等。3）通过对进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式，学会选用典型的位移/速度传感器；如交流、步进伺服进给系统、增量式旋转编码器、直线光栅等。4）通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路；如控制系统选用原则、CPU选择、存储器扩展、I/O接口扩展、A/D与D/A配置、键盘与显示电路设计等，以及控制系统的管理软件、伺服电动机的控制软件等。5）培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并初步树立“系统设计”的思想。6）锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。第一章 数控车床自动回转刀架机电系统设计任务 题目：数控车床自动回转刀架机电系统设计任务：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。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。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。第二章 数控车床自动回转刀架设计第一节 回转刀架设计概述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，减少多次安装所引起的加工误差，必须带有自动回转刀架。根据装刀数量的不同，自动回转刀架分有四工位、六工位和八工位等多种形式。根据安装方式的不同，自动回转刀架可分立式和卧式两种。根据机械定位方式的不同，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刀架需抬起，换刀速度较慢且密封性较差，但其结构较简单。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。图6-11所示为常见的四工位立式自动回转刀架和六工位卧式自动回转刀架的外形。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地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。图6-11 自动回转刀架的外形a）四工位立式 b）六工位卧式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。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。第二节 总体结构设计2.2.1 减速传动机构的设计 普通的三相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-蜗轮副减速是最佳选择。蜗杆-蜗轮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。2.2.2 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，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转动；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。2.2.3 刀架抬起机构的设计 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，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啮合状态。图6-12为自动回转刀架的传动机构示意图， 图6-12 自动回转刀架的传动机构示意图1-发信盘 2-止推轴承 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-联轴器 8-蜗杆-蜗轮副 9-反靠销 10-圆柱销 11-上盖圆盘 12-上刀体第三节 自动回转刀架的工作原理自动回转刀架的换刀流程如图6-14所示。图6-15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啮合状态（上下端面齿在图a中未画出）。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-蜗轮副带动螺杆正向转动，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170o时，上盖圆盘1直槽（见图6-16）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），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-蜗轮副具有自锁功能，所以刀架可稳定地工作图6-14 自动回转刀架的换刀流程图6-15 刀架转位过程中销的位置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完全抬起后，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可从反靠圆盘7的槽左侧斜坡滑出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-反靠圆盘图6-16 上盖圆盘的开槽情况第四节 主要传动部件的设计计算2.4.1 蜗杆-蜗轮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P1=90W，额定转速n1=1440r/min，上刀体设计转速n2=30r/min，则蜗杆-蜗轮副的传动比i=n1/n2=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，起动时冲击较大，今要求蜗杆-蜗轮副的使用寿命Lh=10000h。（1）蜗杆的选型 国标GB/T 100851988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-蜗轮副的材料 刀架中的蜗杆-蜗轮副传递的功率不大，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4555HRC，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设计 刀架中的蜗杆-蜗轮副采用闭式传动，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 （6-9）式中 蜗杆-蜗轮副的传动中心距，单位为mm； K 载荷系数； 作用在蜗轮上的转矩 ，单位Nmm； 弹性影响系数，单位为MPa1/2； 接触系数； 许用接触应力，单位为Mpa。从（6-9）式算出蜗杆-蜗轮副的中心距a之后，根据已知的传动比i=48，从表6-2中选择一个合适的中心距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T2 设蜗杆头数z1=1，蜗杆-蜗轮副的传动效率取=0.8。由电动机的额定功率P1=90W，可以算得蜗轮传递的功率P2= P1，再由蜗轮的转速n2=30r/min求得作用在蜗轮上的转矩 Nm = 22.92 Nm = 22920 Nmm2） 确定载荷系数K 载荷系数 。其中为使用系数，由表6-3查得，由于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取 =1.15 ； 为齿向载荷分布系数，因工作载荷在起动和停止时有变化，故取=1.15 ； 为动载系数，由于转速不高、冲击不大，可取=1.05 。则载荷系数3） 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 =160MP。4） 确定接触系数 先假设蜗杆分度圆直径 和传动中心距 的比值 ，从图6-17中可查得接触系数=2.9 。图6-17 圆柱蜗杆传动的接触系数5） 确定许用接触应力 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45HRC，可从表6-4中查得蜗轮的基本许用应力 =268Mpa。已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数j = 1；蜗轮转速n2=30r/min；蜗杆-蜗轮副的使用寿命=10000h表6-4 铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力蜗轮材料铸造方法蜗杆螺旋面的硬度45HRC45HRC铸锡磷青铜ZCuSn10P1砂模铸造150180金属模铸造220268铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5砂模铸造113135金属模铸造128140则应力循环次数 N = 60j n2=6013010000=1.8寿命系数 = = 0.929许用接触应力 MPa 249 MPa6）计算中心距 将以上各参数代入（6-9）式，求得中心距 mm 48 mm 查表6-2，取中心距a = 50mm，已知蜗杆头数z1=1，设模数m=1.6mm，得蜗杆分度圆直径d1=20mm。这时 ，由图6-17得接触系数=2.74。因为 ，所以上述计算结果可用。（4） 蜗杆和蜗轮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-蜗轮副的工作图了。1）蜗杆参数与尺寸 头数z1=1，模数m=1.6mm，轴向齿距pa=m=5.027mm，轴向齿厚sa=0.5m=2.514mm，分度圆直径d1=20mm，直径系数q=d1/m=12.5，分度圆导程角 =arctan（z1/q）= 。取齿顶高系数ha*=1，径向间隙系数c*=0.2，则齿顶圆直径da1=d1+2ha*m=20mm+ 211.6mm=23.2mm，齿根圆直径df1=d1-2m(ha*+c*)=20-21.6(1+0.2)=16.16 mm2）蜗轮参数与尺寸 齿数z2=48，模数m=1.6mm， 分度圆直径为d2=mz2=1.648mm =76.8mm，变位系数x2=a-(d1+d2)/2/m=50-(20+76.8)/2/1.6=1，蜗轮喉圆直径为da2=d2+2m(ha*+x2)=76.8+21.6(1+1)mm=83.2mm，蜗轮齿根圆直径df2 df2=d2-2m(ha*-x2+c*) =76.8-21.6(1-1+0.2)mm=76.16mm， 蜗轮咽喉母圆半径rg2=a-da2/2=(50-83.2/2)mm=8.4mm。（5） 校核齿根弯曲疲劳强度 即检验下式是否成立： （6-10） 式中 F 蜗轮齿根弯曲应力，单位为Mpa； YFa2 齿形系数； Y 螺旋角影响系数； F许用弯曲应力，单位为Mpa。 由蜗杆头数z1=1，传动比i=48，可以算出蜗轮齿数z2=iz1=48。则蜗轮的当量齿数 48.46图6-18 蜗轮的齿形系数根据蜗轮变位系数 和当量齿数 ，查图6-18，得齿形系数:螺旋角影响系数: 根据蜗轮的材料和制造方法，查表6-5，可得蜗轮基本许用弯曲应力：蜗轮的寿命系数 蜗轮的许用弯曲应力 = 56*0.725 MPa=40.6 Mpa将以上参数代入（6-10）式，得蜗轮齿根弯曲应力 F 37.4 Mpa可见,F 2 mm，即P 4.24 mm，今取螺杆的螺距P = 6 mm。（2）其他参数的确定 采用单头梯形螺杆，头数n=1，牙侧角=15，外螺纹大径（公称直径）d1=50mm，牙顶间隙 =0.5mm，基本牙型高度H1=0.5P=3mm，外螺纹牙高h3=H1+ =3.5mm，外螺纹中径d2=47mm，外螺纹小径d3=43mm，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，查表6-6，取二者的摩擦系数f =0.11；再求得梯形螺旋副的当量摩擦角 = 6.5 而螺纹升角 2.33小于当量摩擦角。因此，所选几何参数满足自锁条件。第三章 数控车床自动回转刀架电气控制部分设计第一节 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6-19所示。（1）收信电路 图a中，发信盘上的4只霍尔开关型号为 UGN3120U，它有3个引脚，第1脚接+12V电源，第2脚接12V地，第3脚为输出。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T1T4分别送到图b的4只光耦合器进行处理，经过光电隔离的信号再送给I/O接口芯片8255的PC4PC7。（2）发信电路 图c为刀架电动机正反转控制电路，I/O接口芯片8255的PA6与PA7分别控制刀架电动机的正转与反转。其中KA1为正转继电器的线圈，KA2为反转继电器的线圈。因刀架电动机的功率只有90W，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点串联，而反转继电器的线圈KA2又与正转继电器的一组常闭触点串联，这样就构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的正常工作，为此，在图d中布置了3对R-C阻容用来灭弧，以抑制火花的产生。图6-19 自动回转刀架电气控制原理图a）发信盘上的霍尔元件 b）刀位信号的处理c）刀架电动机正反转控制 d）刀架电动机正反转的实现第二节 控制软件设计 在清楚了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4把刀具，设计控制软件的任务，就是选中任意一把刀具，让其转到工作位置。图6-20表示让1#刀转到工作位置的程序流程，2#刀的转位流程与1#刀相似。 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6-19和图6-20的汇编程序清单如下：T01:MOVDPTR，#2FFEH；指向8255的PC口MOVXA，DPTR ；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TENDMOVDPTR，#2FFCH；指向8255的PA口地址MOVXA，DPTR ；读取PA口锁存器内容CLRACC.6 ；令PA6=0，刀架电动机正转有效SETBACC.7 ；令PA7=1，刀架电动机反转无效MOVXDPTR，A ；刀架电动机开始正转CALLDE20MS ；延时20msYT01:MOVDPTR，#2FFEH；指向8255的PC口MOVXA，DPTR ；读取PC口内容JBACC.4，YT01 ；PC4=0吗？即1#刀转到工作位置了吗？CALLDE20MS ；延时20msYT11:MOVDPTR，#2FFEH；指向8255的PC口MOVXA，DPTR ；第二次读取PC口内容JBACC.4，YT11 ；PC4=0？CALLDE20MS ；延时20msYT21:MOVDPTR，#2FFEH；指向8255的PC口MOVXA，DPTR ；第三次读取PC口内容JBACC.4，YT21 ；PC4=0？MOVDPTR，#2FFCH；指向PA口MOVXA，DPTR ；读取PA口锁存器内容SETBACC.6 ；令PA6=1，刀架电动机正转无效SETBACC.7 ；令PA7=1，刀架电动机反转无效MOVXDPTR，A ；刀架电动机停转CALLDE150MS ；延时150msCLR ACC.7 ；令PA7=0，刀架电动机反转有效SETBACC.6 ；令PA6=1，刀架电动机正转无效MOVXDPTR，A ；刀架电动机开始反转CALLDELAY ；延时设定的反转锁紧时间SETBACC.6 ；令PA6=1，刀架电动机正转无效SETBACC.7 ；令PA7=1，刀架电动机反转无效MOVXDPTR，A ；刀架电动机停转TEND:R