专业综合设计自动回转刀架

1、学校代码： 10128学 号： 课程设计说明书题 目： 自动回转刀架设计学生姓名： （如需完整CAXA图纸联系QQ4589932）学 院： 机械学院班 级： 机制11-3指导教师： 张楠/讲师 2014年 7 月 10 日摘 要数控加工的加工精度高，生产率高，能减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高，它的发展和运用，影响着制造业水平高低，实现生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向，所以非常值得我们去研究。本设计通过对四工位立式自动回转刀架的工作原理的分析，确定了多种方案，综合考虑各种方案的优缺点、性价比后，采用自动回转刀架。其刀架机构的主要部件包括减

2、速传动机构、刀架的抬起机构、锁紧与转位精定位机构等，控制系统软件包括控制系统的选择，控制系统软硬件的设计，收发信电路的设计等，设计中所采用螺杆抬起机构、端齿盘定位机构和单片机控制系统都计较经济实用，适合我们我国现阶段数控机床的发展需要。关键词： 数控 ; 四工位 ; 自动回转刀架 Nc machining of high accuracy, high productivity, can reduce the operator labor intensity, improve working conditions, conducive to the modernization of produc

3、tion management and improving economic benefit, its development and utilization, manufacturing level, realize the production process of numerical control, has become the development direction of today's manufacturing, so it is worth to study. This design through to the four detail analysis of th

4、e working principle of vertical automatic rotary tool post, determine a variety of solutions, after considering the advantages and disadvantages ofvarious options, cost performance, using automatic rotary tool rest. Its head organization of the main parts include the establishment of reduction drive

5、, tool post lift mechanism, locking and inversion precision positioning mechanism, control system software including the selection of control system, the design of the control system hardware and software, to send and receive letters of the circuit design, etc., used in the design of the screw lift

6、mechanism, terminal gear plate positioning and single-chip microcomputer control system about economic and practical, suitable for our CNC machine at the present stage in China's development needs. Key words:  CNC Four-station Automatic rotary tool rest 目 录第1章 引言.11.1. 概述.11.2. 技术性能与发展趋势.11

7、.3. 国内发展情况.11.4. 国外发展情况.11.5. 本设计的主要任务.2第2章 回转刀架的工作原理及过程.33.1. 回转刀架的构成.33.2. 回转刀架的工作过程.3第3章 总体结构设计.63.1.减速传动机构的设计.63.2.上刀体销紧与精定位机构.6第4章 主要传动部件的设计计算 .74.1.螺杆副的设计计算 .64.2.螺杆的设计计算 .10第五章 总结.11心得体会.12 参考 文献 .13 第1章 引 言1.1 概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

8、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，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。1.2 技术性能与发展趋势数控转塔刀架的技术发展很快，现正逐步形成标准定型产品。我国数控转塔刀架标准草案中所规定的主要技术性能如下：1.3 国内发展情况我国的刀架生产还处在发展阶段，品种、规格、可靠性等方面还需要有一个完善的过程，远远没有达到成熟。基本上采用传统材料和传统，

9、加上部分外购配套件的可靠性较差造成产品整体的可靠性与外国的差距。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。1.4 国外发展情况 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

10、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。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

11、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。1.5- 本设计的主要内容题目：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经济数控车床。主要内容为：（1）总体结构设计；（2）回转刀架的工作原理及过程；（3）主要传动机构的设计计算 ； 第2章 回转刀架的工作原理及过程2.1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。2.2回

12、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2-2所示，其工作流程图如下。图3-1自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置这里简要介绍自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置如图2-1所示。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（上下端面齿在图中未画出）。需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三项异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动蜗杆正向转动，与螺杆配合的上刀体4逐渐抬起，上刀体4与下刀体之

13、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（此时端面齿已完全脱开）。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。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，

14、完成粗定位。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的销空内，之后，上盖圆盘1是下表面开始与圆柱销2的头部滑动。再次期间，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。由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可以稳定地工作。图2-2自动回转刀架的换刀流程图 第 3 章 总体结构设计3.1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，采用蜗杆副减速是最佳选择。蜗杆副传动可以

15、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，还可以实现着呢哥哥装置的小型化。3.2上刀体锁紧与精定位机构的设计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。3.3刀架抬起机构的设计本设计采用螺杆、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

16、的断面齿相互啮合，因为这时上下刀体不能与螺杆一起转动，所以螺杆的转动会使上下刀体向上移动。当端面齿脱离啮合时，上刀体就与螺杆一同转动。 第4章 主要传动部件的设计计算4.1螺杆副的设计计算（1）蜗杆的选型：渐开线型圆柱蜗杆（Z1型）（2）蜗杆副的材料：铸锡磷青铜ZCuSn10P1,采用金属铸造（3）按齿面接触疲劳强度进行设计：计算公式： （4-1）蜗杆副的传动中心距；K载荷系数；作用在涡轮上的转矩，单位；弹性影响系数，单位为接触系数；许用接触应力，单位M Pa。1） 确定作用在涡轮上的转矩：设螺杆头数=1，螺杆副的传动效率取=0.8。 =22.92=229202） 确定载荷系数K: K=。 =

17、1.15 (由表6-3查得） =1.15 =1.05 K=1.15×1.15×1.051.393）确定弹性影响系数：铸锡磷青铜与钢蜗杆相配时，从有关手册查得弹性影响系数=160。4）确定接触系数：先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距a的比值=0.35从图6-17可查得接触系数=2.9。5） 确定许用接触应力：根据涡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,可从表6-4中查得涡轮的基本许用应力´268MPa。已知蜗杆为单头，涡轮每转一转时每个轮齿啮合的次数j=1;涡轮转速=30r/min;蜗杆副的使用寿命=10000h。则应力循环

18、次数：N=60j=1.8×寿命系数：=0.929许用接触应力：=´=0.929×268249 6）计算中心距：将以上各参数代入（4-1）式 48查表6-2，取中心距a=50，已知蜗杆头数=1，设模数m=1.6，得蜗杆分度圆直径=20。这时/a=0.4,由图6-17得接触系数´=2.74。因为´，所以上诉计算结果可用。（4） 蜗杆和涡轮的主要参数与几何尺寸 1）蜗杆参数与尺寸 头数=1，模数m=1.6,轴向齿距=m=5.027，轴向齿厚=0.5m=2.514，分度圆直径=20，直径系数q=/m=12.5,分度圆导程角=34´26&quo

19、t;。取齿顶高系数=1，径向间隙系数=0.2，则齿顶圆直径=+2m=20+2×1×1.6=23.2，齿根圆直径=2m(+)=16.16。2） 涡轮参数与尺寸齿数=48，模数m=1.6，分度圆直径=m=1.6×48=76.8，变为系数=/m=/1.6=1，涡轮喉圆直径=+2m(+)=83.2，蜗轮齿根圆直径=-2m(-+)=76.16，涡轮咽喉母圆半径=（50-83.2/2）=8.4。 （5）校核涡轮齿根弯曲疲劳强度即检验下式是否成立： (4-2)涡轮齿根弯曲应力，单位为；涡轮齿形系数；螺旋角影响系数；涡轮的许用弯曲应力，单位为。由蜗杆头数=1，传动比i=48,可以

20、算出涡轮齿数=i=48。则涡轮的当量齿数： =48.46根据涡轮变位系数=1和当量齿数=48.46，查图6-18，得齿形系数：螺旋角影响系数： =1-=0.967根据涡轮的材料和制造方法，查表6-5，可得涡轮基本许用弯曲应力： ´=56涡轮的寿命系数： =0.725涡轮的许用弯曲应力： =56×0.725=40.6将以上参数代入式（4-2），得涡轮齿根弯曲应力： =37.4可见，涡轮齿根的弯曲强度满足要求。4.2螺杆的设计计算（1） 螺距的确定 刀架转位时，要求螺杆在转动约的情况下，上刀体的端面齿与下刀体的端面齿完全脱离；在锁紧的时候，要求上下端面齿的镍和深度达2。因此，螺

21、杆的螺距应满足×170/3602，即4.24，今取螺杆的螺距=6。（2） 其他参数的确定 采用单头梯形螺杆，头数=1，牙侧角=，外螺纹大径（公称直径）=50，牙顶间隙=0.5，基本牙型高度=0.5=3,外螺纹牙高=+=3.5，外螺纹中径=47，外螺纹小径=43，螺杆螺纹部分长度=50。（3） 自锁性能校核 螺杆-螺母材料均用45钢，查表6-6，取二者的摩擦因数=0.11；再求得梯形螺旋副的当量摩擦角： 螺纹升角： 第六章 总 结通过两周的课程设计，通过短短两周的奋斗，我终于完成了我的设计，这次课程设计的题目是数控自动回转刀架的在课程结束之际我们迎来了我们的机制系统课程设计。经过短短两周的忙绿，我终于完成了我的课程设计。此次课程设计是对我们专业课学习完毕后的一种检验，是专业知识的综合用应综合考察，是对所学知识进一步巩固和理解。此次课程设计我设计的是数控车床自动回转刀架的总体部分，虽然它没有机械本体计