MJ—50型数控车床电动刀架设计【说明书+CAD】
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MJ—50型数控车床电动刀架设计【说明书+CAD】,MJ,50,数控车床,电动,刀架,设计,说明书,CAD
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黄河科技学院本科毕业设计（论文）任务书 工 学院 机械 系 机械设计制造及其自动化 专业 08 级 1 班学 号 080105032 学生 杜腾飞 指导教师 闫存富 毕业设计（论文）题目 MJ50型数控车床电动刀架设计 毕业设计（论文）工作内容与基本要求（目标、任务、途径、方法，应掌握的原始资料（数据）、参考资料（文献）以及设计技术要求、注意事项等）（纸张不够可加页）一、设计技术要求、原始资料（数据）、参考资料（文献） 1、设计要求：主要是电动刀架整体的结构设计，以结构设计和关键零部件设计为主线，以理论计算及计算机辅助设计为辅的综合性题目。 2、参考文献：数控机床构造，机械设计,金属工艺学及热处理、机械设计手册、机械工程手册等资料。 二、设计目标与任务 1、查阅文献资料不少于12篇，其中外文资料不少于2篇；编写文献综述（不少于3000字）。2、翻译外文科技资料，不少于3000字。3. 完成开题报告。4、完成电动刀架系统总体结构设计，绘制装配图、部件图和零件图，折合A1图纸3张以上。5、编写设计说明书，不少于8000汉字。 三、时间安排13周 完成开题报告、文献翻译、文献综述等411周 完成总体设计、撰写说明书等1213周 修改论文、资格审查等14周 毕业答辩毕业设计（论文）时间： 2012 年 2 月 13 日至 2012 年 5 月 15 日计 划 答 辩 时 间： 2012 年 5 月 19 日专业（教研室）审批意见：审批人签名：单位代码 11834 学号 080105032分 类 号 TH6 密 级 毕业设计说明书MJ-50型数控车床电动刀架设计 院（系）名称工学院机械系 专业名称机械设计及自动化 学生姓名杜腾飞 指导教师闫存富2012年5月12日黄河科技学院毕业设计（论文）开题报告表课题名称MJ50型数控车床电动刀架设计课题来源教师拟订课题类型AX指导教师闫存富学生姓名杜腾飞专 业机械设计制造及其自动化学 号080105032一、调研资料的准备 根据任务书的要求，在做本课题前，查阅了与课题相关的资料有：机械设计、机械制图、机械制造工艺学、机械设计手册、数控机床构造、数控车床设计与毕业设计指导书等与设计相关的手册。二、设计的目的与要求 毕业设计是大学教学中最后一个实践性教学环节，通过该设计过程，将数控技术、检测技术、零件设计、机械制图等知识贯穿起来，是对学生综合能力的一个锻炼，另外数控行业是一个热门的行业，希望能够把握这次毕业设计的机会，多从设计中找到自己的不足，从而能够提高自己。 设计要求完成电动刀架系统总体结构设计，绘制装配图、部分零件图， 三、设计的思路与预期成果 1、设计思路 本设计主要设计数控车床电动刀架，包括电动刀架的机械部分设计和使用液压控制部分的设计，机械部分包括典型零件的设计和选用等。控制部分包括PLC控制刀架的原理等。在确定设计方案之后，完成设计说明书，并应用AUTOCAD完成装配图及主要部分主要零件图。最终设计出符合要求的数控车床电动刀架。2、预期的成果（1）完成开题报告； （2）完成文献综述一篇，不少与3000字，与专业相关的英文翻译一篇，不少于3000字； （3）完成内容与字数都不少于规定量8000字的毕业设计说明书一份； （4）绘制装配图、部分零件图，折合A1图纸三张以上。四、任务完成的阶段内容及时间安排 1周2周 收集设计资料并完成开题报告； 3周4周 完成英文资料翻译并写出文献综述； 5周6周 进行总体设计和部分零部件的选择与设计； 7周10周 绘制装配图和部分零件图、编写毕业设计说明书。 11周 修改整理，准备答辩五、完成设计（论文）所具备的条件因素本人已修完机械设计、机械制图、液压与气压传动、金属工艺学、机械制造技术基础、数控机床构造、液压与气压传动等课程，并且图书馆大量的相关文献资料，以及相关的网络等资源可以参考。指导教师签名： 日期： 课题来源：（1）教师拟订；（2）学生建议；（3）企业和社会征集；（4）科研单位提供课题类型：（1）A工程设计（艺术设计）；B技术开发；C软件工程；D理论研究；E调研报告 （2）X真实课题；Y模拟课题；Z虚拟课题要求（1）、（2）均要填，如AY、BX等。 黄河科技学院毕业设计(文献综述) 第 6页数控电动刀架摘要：数控刀架是数控车床最普遍的一种辅助装置，它可使数控车床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度。电动刀架是数控车床进行自动换刀的实现机构，实现刀架上刀盘的转动和刀盘的开定位、定位与夹紧的运动，以实现刀具的自动转换，具有传动机械结构、电气正反转控制、PLC编程控制等数控机床的核心内容，是每一个学习数控机床结构所必须掌握的，具有机械、电气的综合特点，同时电动刀架在数控加工过程中容易出现故障，因而对于该刀架的结构和故障分析，也是相当重要的。而常见的电动刀架中具有典型的结构有TND360刀架和LDB4刀架，这两种刀架都实现了刀盘的正向换刀和反向锁紧，刀盘的圆周定位功能。关键字：数控车床，电动刀架，TND360刀架，LDB4刀架，故障1、数控刀架的发展趋势 数控刀架的发展趋势是：数控刀架开始向快速换刀、简单实用、造价低、可靠、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。如下图1所示：图1 10工位刀架目前国内数控刀架以电动为主，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。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。 数控刀架的市场分析：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1000050000台。 2、数控刀架的开发应用数控刀架是以回转分度实现刀具自动交换及回转动力刀具的传动。因此技术含量高，已趋向专业化开发生产。所以对数控转塔刀架的研究开发及应用已引起数控机床行业重视。 典型数控转塔刀架一般由动力源（电机或油缸、液压马达）、机械传动机构、预分度机构、定位机构、锁紧机构、检测装置、接口电路、刀具安装台（刀盘）、动力刀座等组成。数控转塔刀架的动作循环为：T指令（换刀指令刀盘旋转刀位检测预分精确定位刀盘锁紧结束信号。 3、数控刀架的功能数控机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架，转塔车床的转塔刀架，回转式转塔车床的回转刀架，自动车床的转塔刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力作用，所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。随着自动化技术的发展，机床的刀架也有了许多变化，特别是数控车床上采用电(液)换位的自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，定现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。因此，刀架的性能和结构往往直接影响到机床的切削性能、切削效率和体现了机床的设计和制造技术水平。 4、自动换刀装置的基本要求（1）换刀时间短，以减少非加工时间； （2）减少换刀动作对加工范围的干扰； （3）刀具重复定位精度高； （4）识刀、选刀可靠，换刀动作简单可靠； （5）刀库刀具存储量合理； （6）刀库占地面积小，并能与主机配合，使机床外观协调美观； （7）刀具装卸、调整、维修方便，并能得到清洁的维护。 5、数控刀架的类型按换刀方式的不同，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，下面对这三种形式的刀架作简单的介绍。 5.1 排式刀架 排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。其结构形式为： 夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的X坐标轴方向排列在横向滑板上。这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率。众鑫机床厂生产的TC140全功能数控车床配置的就是排式刀架。 5.2 回转刀架 回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，一般通过液压系统或电气来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架，并相应地安装4把、6把或更多的刀具。回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀架根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，分为立式刀架和卧式刀架两种。 5.3 带刀库的自动换刀装置 上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定限制。当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。 6、常用刀架的简介6.1 TND360刀架的结构与工作原理转塔刀架是由换刀机构和刀盘组成，刀盘用于刀具的安装、刀盘的背面装有端面齿盘，用于刀盘的定位。转塔刀架的换刀机构是实现刀盘的开定位转动换刀位定位和夹紧的传动机构。要实现刀盘的转动换刀，就要使得刀盘的定位机构脱开后，才能进行转动，当转动到位后，刀盘要定位并夹紧，才能进行加工。转塔刀架的换刀传动是由刀架电动机提供动力，刀盘的抬起是用凸轮机构来实现的，而刀盘在圆周方向上的分度是用槽轮机构来实现的，分度完成后的回复也是在碟形弹簧的作用下进行工作的 刀盘在转动过程中，经1：1的齿轮副将运动传递给圆光栅，由圆光栅将转位信号送可编程控制器进行刀位计数在加工的过程中，当端面齿盘上的定位销拔出后，切削力过大或撞刀时，刀盘会产生微量转动，这时圆光栅的转动信号就成为刀架过载报警信号，机床就会迅速停机。圆光栅将传动转换成脉冲信号送给数控系统，正常时用于刀盘上刀具刀位的计数；撞刀时用于产生刀架报警信号。刀盘的转动可根据最近找刀原则实现正反向转动，以达到快速找刀的目的。6.2 LDB4电动刀架的结构与工作原理LDB4属于四工位刀架，由电动机 蜗轮和蜗杆结构丝杠和螺母结构霍尔元件定位系统等组成，正转时，电动机通过涡轮和蜗杆结构将驱动传给丝杠，螺母和转动的刀架是键槽联结，即螺母和转动的刀架只能做相对上下滑动，而不能相对转动，而螺母与电机底座是通过齿面啮合形成定位机构，在这对啮合齿脱开之前，螺母是不能转动的 ，也就是转动的刀架也是不能转动，刚刚开始，由于丝杠的顺时针旋转，螺母相对于转动的刀架向上移动，当啮合齿脱开后，通过销钉和止推槽的作用，使得丝杠转动螺母转动刀架转动进行换刀，到指定的工位时，通过霍尔元件定位系统将到位信号传递给数控装置系统，从而停止转动，通过霍尔元件定位系统和辅助定位销钉进行位置的定位；数控装置控制刀架换刀电动机进行一定延时的反转信号，因为止推销钉的作用，螺母系统和刀架系统不能反转，因而螺母系统顺着丝杠向下移动，直到两对啮合齿重新啮合为止，这样完成了整个换刀的过程。6.3 两种结构的比较两种结构的共同点：都实现了刀盘的抬起与锁紧动作，刀盘的圆周定位，实现了同样的功能。两种结构只是机械结构的不同，而在电动机的正转和反转的电气控制上却是完全相同的。两者的区别：TND360的刀盘的抬起与锁紧是由凸轮机构和碟形弹簧实现的，刀盘的圆周分度是由槽轮机构实现的，槽轮实现的是8工位的刀盘分度；LDB4电动刀架的抬起与锁紧是由丝杠螺母的系统实现的，而刀架的圆周分度是由霍尔元件定位系统实现的，其实现的是4工位的刀盘分度；结构上是LDB4比较简单、实用。在分度精度上TND360定位精度比较高，同时比较可靠。而且TND360存在一定的报警功能，当切削力过大或撞刀时，刀盘产生不是常规的微量转动，这个时候圆光栅就传递出对应的传感器信号，而这个信号就成为刀架的过载报警信号，这样数控系统就会停机，而这个功能LDB4是没有的。7、常见的故障分析与诊断实例7.1 LDB4刀架在换刀过程中找不到对应的刀位故障分析：LDB4刀架的换刀的过程是数控系统控制电动刀架的正转，在正转的过程中，一个小磁块固定不动，4个工位的霍尔元件跟随刀架旋转，当其中一个霍尔元件接近小磁块后，发出对应的高电平或低电平信号，当所需要工位的霍尔元件接近小磁块时，该信号传递回数控系统，这时数控系统停止正转控制，发出延时的反转信号，控制刀架缩紧。当对应的霍尔元件出现故障或信号回传通道出现故障的时候，对应的刀位信号无法反馈回数控系统，就出现了刀位故障。排除方法：检查霍尔元件是否出现故障、检查信号通道是否畅通。7.2 LDB4定位精度出现误差故障分析：LDB4的定位分为两个层次：定位霍尔元件进行电动机定位，定位卡销与刀座上的卡槽进行精确定位。如果出现定位精度出现误差，主要是定位霍尔元件是否出现移位或位置出现误差，或者弹簧定位卡销出现故障排除方法：检查定位霍尔元件的位置、检查弹簧定位卡销系统。7.3 LDB4刀位无法锁紧故障分析：LDB4刀架的锁紧是依靠螺母在丝杠上的下降来实现的，而该下降的运动是由电动机的反转来实现的，如果无法锁紧，就是螺母没有对于丝杠做相对运动，首先是数控系统有无反转信号传到24V继电器、24V继电器是否工作、220V反转控制交流接触器是否工作、刀架正反转控制电动机是否损坏、丝杠螺母机械结构是否卡死。排除方法：24V继电器检查、220V交流接触器检查、电动机检查、丝杠螺母机械结构检查。7.4 TND360刀盘无法抬起故障分析：TND360刀盘的抬起是通过电动机的正转带动凸轮旋转，而凸轮的旋转带动刀盘轴向上移动，从而抬起刀盘，而刀盘无法抬起，一者电动机系统出现故障，无法实现正转；凸轮轴系统出现卡死现象或凸轮系统出现故障。排除方法：检查电动机系统、检查凸轮系统。参考文献1 蔡厚道.数控机床构造M.北京：北京理工大学出版社，20072 陈志雄.数控机床与数控编程技术M.北京：电子工业出版社，20033 徐夏民.数控原理与数控系统M.北京：北京理工大学出版社，19964 廖常初.PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社，20075 王海勇.数控机床结构与维修M.北京：化学工业出版社，2009 毕业设计 文献综述 院（系）名称工学院机械系 专业名称机械设计制造及其自动化 学生姓名杜腾飞 指导教师 闫存富2012年 03 月 10 日第 III 页 黄河科技学院毕业设计说明书 MJ-50型数控车床电动刀架设计摘 要数控车床今后将向中高当发展，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，预计近年来对数控刀架需求量将大大增加。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。 本部分主要对四工位电动刀架的机械设计和应用继电-接触控制系统控制部分的设计。并对以上部分运用AUTOCAD做图，对电动刀架有更直观的了解。最后的提出了对电动刀架提出了意见和措施。关键词：数控刀架, 电动刀架, 四工位 Electric turret design of MJ-50 CNC latheAuthor:Du TengfeiTutor:Yan CunfuAbstractNumerical control there is in the future lathe to in will develop, the middle-grade to adopt popular numerical control knife rest form a complete set, adopt the motive force type knife rest top-grandly, have such varieties as knife rest of hydraulic pressure, servo knife rest, vertical knife rest ,etc. concurrently, it is estimated that will increase to numerical control knife rest demand greatly in recent years. The development trend of the numerical control knife rest is: With the development of numerical control lathe, numerical control knife rest begin to change one hundred sheets , electric liquid is it urge and urge direction develop while being servo to make up fast. Some originally design and is it continue electricity to use to four worker location vertical electronic machinery of knife rest mainly- exposed to control system control some designs. And use AUTOCAD to pursue to the above part, have a more ocular knowledge of electronic knife rest. The last proposition has put forward the suggestion and measure to the electronic knife rest.Keyword： Numerical control knife rest，Electronic knife rest，Four engineering location目 录前 言11 电动刀架总体设计31.1 设计背景31.2 设计总体方案41.2.1减速机传动机构设计71.2.2刀体锁紧与精定位机构的设计81.2.3抬起机构的设计81.3设计内容91.4本章小结92电动刀架机械部分设计102.1电动刀架工作原理102.2蜗轮及蜗杆的设计及校核设计内容112.2蜗轮及蜗杆的主要参数与几何尺寸设计内容152.3螺杆的主要参数与几何尺寸163 电器控制部分的设计183.1 硬件电路设计183.2 控制软件设计22结 论25致 谢26参考文献27第 28 页 黄河科技学院毕业设计说明书 前 言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，必须带有电动刀架。电动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，电动刀架还要选择可靠的定位方案和合理的定位结构。电动刀架的自动换刀是由控制系统和驱动电路来实现的。数控电动刀架的发展趋势是：随着数控车床的发展，电动刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。目前国内车床刀架以电动为主，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，电动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。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。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10001500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。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。为了进一步压缩非切削时间，数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的发展方向。在这类多工序的数控机床中必须带有自动换刀装置，在多工序数控机床出现之后，又逐步发展和完善了各类电动刀具的自动更换装置，扩大了换刀数量，以便有可能实现更复杂的换刀操作。1 电动刀架总体设计1.1 设计背景我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代， 于1958年研制出第一台数控机床，发展过程大致可分为两大阶段。在19581979年间为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情况下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、终因表现欠佳，无法用于生产而停顿。主要存在的问题是盲目性大，缺乏实事求是的科学精神。在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奥、韩国、省共11国(地区)引进数控机床先进技术和合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。通过“六五：期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之问的差距。在20余年间，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。存在的主要问题包括：缺乏象日本“机电法”、“机信法”那样的指引；严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；元部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力。我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收科技攻关，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之问的差距。 2003年开始，中国就成了全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进口国。目前正在提高机械加工设备的数控化率，1999年，我们国家机械加工设备数控华率是58，目前预计是1520之间。在这样一个大的时代背景之下，机床的数控化发展已经是一个不可阻挡的趋势，各种零部件的改造设计也成为其中的重点，众所周知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。而本文所设计的数控车床电动刀架就是其中非常重要的一个部分。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。为了进一步压缩非切削时间，数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的发展方向。在这类多工序的数控机床中必须带有自动换刀装置，在多工序数控机床出现之后，又逐步发展和完善了各类电动刀具的自动更换装置，扩大了换刀数量，以便有可能实现更复杂的换刀操作。1.2 设计总体方案目前为止应用最广的刀架为电动刀架。电动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。电动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。电动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，以保证电动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0.0010.005mm）。一般情况下，电动刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位及刀架压紧等。电动刀架按其工作原理分为若干类型，如图1.1所示。图1.1a)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。图1.1 电动刀架的类型及其工作原理图1.1b)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）。图1.1c)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。图1.1d)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。图1.1e)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。图1.2所示为数控车床的六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。这种刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，其换刀过程如下：（1） 刀架抬起。当数控装置发出换刀指令后，压力油由A进入压紧液压缸的下腔，活塞上升，刀架体抬起，使定位活动插销与固定插销脱离。同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮结合。（2）刀架转位。当刀架抬起之后，压力油从C孔转入液压缸左腔，活塞向右移动，通过连接板带动齿条移动，使空套齿轮作逆时针方向转动，通过端齿离合器使刀架转过60。活塞的行程应等于齿轮节圆周长的1/6，并由限位开关控制。 （3）刀架压紧。刀架转位之后，压力油从B孔进入压紧液压缸的上腔，活塞带动刀架体下降。缸体的底盘上精确地安装六个带斜楔的圆柱固定插销，利用活动插销消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。刀架体下降时，定位活动插销与另一个固定插销卡紧，同时缸体与压盘的锥面接触，刀架在新的位置定位并压紧。这时，端齿离合器与空套齿轮脱开。图1.2 六角回转刀架（4）转位液压缸复位。刀架压紧后，压力油从D孔进入转位油缸右腔，活塞带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮在轴上空转。如果定位和压紧动作正常，拉杆与相应的接触头接触，发出信号表示换刀过程已结束，可以继续进行切削加工。电动刀架除了采用液压缸驱动转位和定位销定位外，还可以采用电动机-马氏机构转位和鼠盘定位，以及其它转位和定位机构。 经过参考级中经典的刀架设计类型后，决定在本设计中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。1.2.1减速机传动机构设计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，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： 、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。 、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。 、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。1.2.2刀体锁紧与精定位机构的设计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。1.2.3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。 图1.3 电动刀架的传动结构示意图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-联轴器 8-螺杆副 9-反靠销 10-圆柱销 11-上盖圆盘 12-上刀体1.3设计内容设计一台四工位的电动刀架，用于MJ-50型数控车床。要求绘制电动刀架的机械结构图，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.1.4本章小结在本章中，我们主要说明了本设计的主题思路，为以下的设计指明方向。在当今所处的一个时代背景，机械是一个国家实力的最基本表现，而我国的机械行业与世界强国之间仍存在比较大的差距。做为一个准机械从业者应该为机械行业的发展做出自己应有的努力。2电动刀架机械部分设计2.1电动刀架工作原理图2.1 电动刀架的换刀流程图图2.2表示电动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也随着螺杆正向转动(上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆连接)当转过约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。图2.2 电动刀架在换刀过程中有关销的位置由于蜗杆副有自锁功能，所以刀架可以稳定的工作。2.2蜗轮及蜗杆的设计及校核设计内容按照设计要求对电机进行选型：要求功率为90W，转速1440r/min，经过查取有相关资料，采用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，应用广泛，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。电动刀架的动力源时三相异步电动机，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P 1=90W，额定转速n1 =1440r/min，上刀体设计转速 n2 =30r/min，则蜗杆副的传动比i =n1/n2 =1440 /30=48.刀架从转位刀锁紧时，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Lh =10000h 。 1）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24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。这种蜗杆可以用直刃车刀在车床上加工，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）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）如图2.3所示。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2.3圆弧圆柱蜗杆传动 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。2）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4055HRC，经氮化处理后的硬度为5562HRC。一般不太重要的低速中载的蝎杆，可采用40或45号钢，并经调质处理，其硬度为220300HBS。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v3ms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v4ms的传动；如果滑动速度不高(vS2m/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）式中 a-蜗杆副的传动中心距，单位为mm； K-载荷系数； -作用在蜗轮上的转矩T ，单位Nmm; -弹性影响系数，单位为MPa； -接触系数 -许用接触应力，单位为MPa； 从式（2.3）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z1 =1,蜗杆副的传动效率取 =0.8。由电动机的额定功率P1 =90W,可以算出蜗轮传递的功率P2 =P 1 ,再由蜗轮的转速n2 =30r/min,求得作用在蜗轮上的转矩： T2=9.55P2/n2=9.55P1 /n2=22920N.mm 2）确定载荷系数K载荷系数.其中为使用系数，由于工作载荷分布步均匀，启动时冲击较大，因此取 =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 =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，从参考文献中差得弹性影响系数 =160MPa4)确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径d1 和传动中心距a的比值d 1/a=0.35,可得系数=2.95)确定许用接触力 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1,金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，蜗轮的基本许用力 =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n =30r/min;蜗杆副的使用寿命L =10000h。则应力循环次数 N=60jn2Lh=1.8107 寿命系数： 寿命系数：KHN=0.929许用接触应力：H=KHNH=249MPa6)计算中心距将以上各参数代入式 ，求得中心距： 取中心距a=50mm,已知蜗杆头数z1 =1,设模数m=1.6mm,得直径d1 =20mm,这时 d1/a=0.4,可得接触系数Z=2.74。因为Z2mm,即P4.24mm.今取螺杆的螺距P=6mm.(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，外螺纹直径d1=50mm,牙顶间隙ac=0.5mm,基本牙形高度H1=0.5P=3mm,外螺纹牙高h1=3.5mm,外螺纹中径d2=47mm,外螺纹校径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，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。3 电器控制部分的设计3.1 硬件电路设计 电动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 （1）收信电路 图a中，发信盘上的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T1T4分别送到图b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PC4PC7。2#3#4#1#NS刀台旋转方向1 2 34只霍尔开关第1脚：接+12V电源第2脚：接+12V地线第3脚：4个刀位信号的输出图a 电动刀架发信盘 3刀位信号4位信号1#刀位信号2刀位信号R14R248225-PC68225-PC78225-PC58225-PC4驱图b 刀位信号的处理 （2）发信电路 图c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KM。 采用PLC控制的输入输出配置接线示意图如图d所示，梯形图如图e所示。像继电接触控制线路一样，利用PLC的输入继电器X401和X402的常闭接点，实现双重互锁。 按下正向启动按钮SB1时，输入继电器X401的常开触点闭合，接通输出继电器Y431线圈并自锁，接触器KM1得电吸合，同时Y431的常开触点闭合，输出继电器Y430线圈接通，使接触得电吸合，电动机正向启动到稳定运行。按下反转启动按钮SB2，输入继电器X402常闭触点断开Y431线圈，KM也失电释放，同时Y431的常开触点也断开Y430的线圈，KM也失电释放，有KM和KM1两段灭弧电路，因此可有效地熄灭电弧，防止反转换接时相间短路。而X402的另一对常开触点闭合，接通Y432的线圈，接触器KM2得电吸合，电动机反向运行。 停机时，按下停机按钮SB3，X400常开触点断开M100；过载时热继电器触点FR动作，X403断开M100。这两种情况都使Y431或Y432及Y430断开，进而使KM1或KM2及KM失电，电动机停下来。 SB3MFRKM2KMQKFUIKMKM2KM1SB2KM2KM1SB1KM2KM1图c继电器接触控制图d PLC控制输入输出接线图e 梯形图3.2 控制软件设计 在清楚了电动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，对于四工位电动刀架来说，它最多安装有4把刀具，其电动到工作位置。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CPU为AT89C51单片机，扩展8255芯片作为电动刀架的收信与发信控制，已知8255芯片的控制口地址为2FFFH。PA6、PA7口控制电动机的正反转，刀架控制流程如图所示。返回YNNY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： T01：MOV DPTR , #2FFFH ；指向8255的PC口 MOVX A ，DPTR ；读取PC口的内容 JNB ACC.4 ，TEND ；测试若PC4=0？若是，则说明1#刀已在工作位置，程序转到TEND MOV DPTR ，#2FFFH ；指向8255的PA口地址 MOVX A ，DPTR ；读取PA6=0，刀架电动机正转有效 CLR ACC.6 ；令PA6=0，刀架电动机正转有效 SETB ACC.7 ；令PA7=1，刀架电动机无效 MOVX DPTR ，A ；电动机开始正转 CALL DE20ms ；延时20ms YT01：MOVX DPTR , #2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A ，DPTR ；第二次读取PC口内容 JB ACC.4 ，YT21 ；PC4=0？ CALL DE20ms ；延时20ms YT11：MOV DPTR , #2FFFH ；指向8255的PC口内容 MOVX A ， DPTR ；第三次读取PC口内容 JB ACC.4 , YT21 ；PC4=0？ CALL DE20ms ；延时20ms YT21： MOV DPTR ， #2FFH ；指向PC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 DPTR ， A ；刀架电动机停转 CALL DE150ms ；延时150ms CLR ACC.7 ；令PA7=0，刀架
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