数控机床刀架设计及运动控制毕业设计说明书

1、目 录 前言前言 .1 1 1 国内外数控发展历史国内外数控发展历史 .3 1.1 国内外数控车床的研究状况与成果.3 1.2 数控刀架的发展趋势.6 2 2 数控刀架整体方案设计数控刀架整体方案设计 .8 2.1 数控机床刀架应满足的要求.8 2.2 动力刀架的整体方案设计.9 2.3 数控机床刀架的类型.10 2.4 数控转塔刀架的开发应用.12 2.5 刀架的工作原理 .13 2.6 刀架定位精度及重复定位精度.15 3 3 数控机床自动回转刀架机构设计数控机床自动回转刀架机构设计 .16 3.1 步进电机的选用.16 3.2.1 齿轮传动的分类和特点.17 3.2.2 齿轮传动类型选择

2、的原则.18 3.3 蜗杆及蜗轮的选用与校核.18 3.3.1 选择传动的类型.18 3.3.2 选择材料和确定许用应力.18 3.3.3按接触强度确定主要参数.19 3.4 蜗杆轴的设计.21 3.4.1 蜗杆轴的材料选择，确定许用应力.21 3.4.2 按扭转强度初步估算轴的最小直径.21 3.4.3 确定各轴段的直径和长度.21 3.4.4蜗杆轴的校核.22 3.4.5 键的选取与校核.26 3.5 蜗轮轴的设计.27 3.5.1 蜗轮轴材料的选择，确定需用应力.27 3.5.2 按扭转强度，初步估计轴的最小直径.27 3.5.3确定各轴段的直径和长度.27 3.6 中心轴的设计 .28

3、 3.6.1 刀架轴的结构设计及计算.28 3.6.2 确定各轴段的直径和长度.28 3.6.3 轴的校核.30 3.7 齿盘的设计.30 3.7.1 齿盘的材料选择和精度等级.31 3.7.2 确定齿盘参数.31 3.7.3 按接触疲劳强度进行计算.31 3.8 轴承的选择.33 3.8.1. 轴承内部结构.33 3.8.2. 轴承分类与特点.33 3.8.3 滚动轴承的配合.34 3.8.4 滚动轴承的润滑.35 3.8.5 滚动轴承的密封装置.35 4 4电气控制部分设计电气控制部分设计 .37 4.1 硬件电路设计.37 4.2. 控制软件设计.39 5 5 总结总结 .45 致谢致谢

4、 .46 参考文献参考文献 .47 附录附录 A A .49 附录附录 .60 前言 制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标 志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。国 际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争。 自从 20 世纪 60 年代世界上第一台数控机床问世以来，随着计 算机技术、微电子技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理 技术、网络通信技术和机械制造技术等各相关领域的发展，数控技 术已成为现代先进制造系统 (FMS，CIMS 等)中不可缺少的基础技术。 由于机床数控系统技术复杂，种类繁多。现在数控机床的“使用 难、维修难 ”问题

5、，已经是影响数控机床有效利用的首要问题。 工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和 工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国 目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械 制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造 装备中的比重还非常低，导致 “刚性”强,更新产品速度慢，生产 批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“一 个工人，一把刀，一台机床 ” ，导致劳动生产率低下，产品质量不 稳定。 因此，要缩小我国同工业发达国家的差距 ,我们必须在机 械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机 床在机械制造装

6、备中的比重。 本课题数控机床刀架设计及运动控制，该刀架能够在一次装夹中 完成多道工序，使加工范围扩大，大大提高了加工精度和生产效率。 本次设计的主要内容为： 1）数控机床动力转塔刀架总体布局设计； 2）动力刀架传动部分设计； 3）动力刀架分度机构设计； 4）动力 刀架运动控制 ； 刀架整体设计和刀架运动控制部分设计是这次设计中的重点内 容，同时也是难点。通过广泛查阅文献资料，参观数控车床实物样 机以及与指导老师相互讨论等途径，拟定了如下的研究手段： 回转刀架的换刀分为刀盘抬起、刀架锁紧和刀盘转位三个动作，刀 架转位则由伺服电机来驱动。刀盘转位动作的实现顺经以下步骤： 数控系统发出刀盘转位的命令

7、伺服电机启动涡轮蜗杆转动 刀架主轴转动实现刀盘转位。 1 国内外数控发展历史 1.1 国内外数控车床的研究状况与成果 本章重点介绍数控机床在国内外的发展情况，以及国内数控机 床的发展趋势 美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使 用上，技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同，各有 特点。美国政府重视机床 工业，美国国防部等部门因其军事方面的 需求而不断提出机床的发展方向、科研任务,并且提供充足的经费， 且网罗世界人才，特别讲究 “效率”和“创新” ，注重基础科研。 因而在机床技术上不断创新，如1952 年研制出世界第一台数控机 床、1958 年创制出加工中心、 70 年代初

8、研制成 FMS、1987 年首创 开放式数控系统等。由於美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分 发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技 术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基 础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界 也一直领先。当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床，其存在 的教训是，偏重於基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80 代政 府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于1982 年被后 进的日本超过，并大量进口。从90 年代起，纠正过去偏向，数控 机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。德国政府一贯重视机床工 业的重要战略地位，在

9、多方面大力扶植。 ，於 1956 年研制出第一 台数控机床后，德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础 科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对数控 机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国 的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。 尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及 配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系 统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之 数控系统，均为世界闻名，竞相采用。日本政府对机床工业之发展 异常重视，通过规划、法规 (如“机振法” 、 “机电法” 、 “机信法

10、” 等)引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量 管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。自 1958 年研制出第一台数控机床后， 1978 年产量(7,342 台)超过美 国(5,688 台)，至今产量、出口量一直居世界首位 (2001 年产量 46,604 台，出口 27,409 台，占 59%)。战略上先仿后创，先生产量 大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世 纪 80 年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本 FANUC 公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中 高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。该公司现有

11、 职工 3,674 人，科研人员超过 600 人，月产能力 7,000 套，销售 额在世界市场上占 50%，在国内约占 70%，对加速日本和世界数控 机床的发展起了重大促进作用 。日本机械工业协会已制定 2010 至 2025 年机床 技术革新战略，重点在强调网络连接加工型态、信 息化/智能化对应技术、远距离诊断 /控制、三维电脑辅助设计 /电 脑辅助制造（ 3DCAD/CAM） 、环境调和、省能源、微小化、高精度、 高速化对应技术等。日本虽经历十年不景气，但机床厂对未来十年 市场仍乐观。各厂纷纷加强信息科技技术及网络应用、环境保护、 人材培养、经营弹性、顾客满意度、收益能力等 我国从 195

12、8 年开始研究数控机床，一直到20 世纪 60 年代中 期还处于研制开发时期。当时，一些高等院校，科研单位研制出试 样样机，是从电子管起步的。 1965 年，国内开始研制晶体管数控系统。20 世纪 60 年代末至 70 年代初研制成了圆锥数控铣床，数控非圆齿轮插齿机。CIL18 晶体管 数控系统及 Z53K1G 立式数控铣床。 从 20 世纪 70 年代开始,数控技术在车、铣 、镗、磨，齿轮加工， 电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海，北京研制成功。但由 于电子元器件的质量和制造工艺水平差，致使数控系统的可靠性,稳定 性末行到解决，因此未能广泛推广。 20 世纪 80 年代，我国从昌本发那

13、科公司引进了 3,5,6,7 等系列的 数控系统和直流伺服电机，直流主轴电机等制造技术，以及引进美国 GE 公司的 MCI 系统和交流伺服系统，德国西门子 VS 系列可控硅调速装 置，并进行了商品化生产.这些系统可靠性高，功能齐全。与此同时， 还自行开发了 3、4、5 轴联动的数控系统以及双电机驱动的同步数控 系统(用于火焰切割机)和新品种的伺服电机，推动了我国数控机床稳 定发展，使我国数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。 1985 年，我国数控机床的品种有了新的发展。数控机床品种不断 增多，规格齐全。许多技术复杂的大型数控机床，重型数控机床都相 继研制出来。为了跟踪国外现代制造技术的发

14、展，北京机床研究所研 制出了 JCS-FMS-1 型和 2 型的柔性制造单元和柔性制造系统。这个时 期，我国在引进，消化国外技术的基础上，进行了大量开发工作。一 些较高档次的数控系统(5 轴联动)，分辨率为 0.02 m 的高精度数控系 统，数字模仿型数控系统为柔性单元配套的数控系统都开发出来了， 并造出样机。 我国的数控技术经过“六五” ， “七五” ， “八五” ，到“九五”的近 20 年的发展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发，生产基地， 培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业。 “十五”攻关开发 的成果：华中号、中华号、航天号和蓝天号 4 种基本系统建立了 具有中国自主版机的

15、数控技术平台。具有中国特色经济型数控系统经 过这些年来的发展，有了较大的提高。它们逐渐被用户认可，在市场 上站住了脚。 目前我国数控机床生产厂有 100 多家，生产数控机床配套产品的 企业有 300 余家，产品品种包括八大类 2000 种以上。目前已新开发出 数控系统 80 余种，分为 3 种型级，即经济型，普及型和高级型。 “九 五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段，数控机床新开发品种 300 余种，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到 期际上 20 世纪 80 年代中期水平，部分达到 90 年代水平，为国家重点 建设提供了一批高水平数控机床。 1.2 数控刀架的发展趋势

16、 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。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。 为进一步提高数控机床的加工效率，数控机床正在向着工件 在一台机床一次装夹 即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展， 因此出现了各种类型的加工中心机床，如车削中心、镗铣加工中心、 钻削中心等等。这类多工序加工的数控机床在加工过程中要使用多 种刀具，因此必须有自动换 刀装置，以便选用不同刀具

17、，完成不同 工序的加工工艺。自动换 刀装置应当具备换刀时间短、刀具重复定 位精度高、足够的刀具储备量、占地面积小、安全可靠等特性。 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，回轮式 转塔车床的回轮刀架，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

18、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。这种刀库和换刀机械手组成的自动换刀装置，就成 为加工中心的主要特征。 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 2 数控刀架整体方案设计 2.1 数控机床刀架应满足的要求 1） 满足工艺过程所提出的要求。机床依靠刀具和工件间相对 运动形成工件表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀架 能够布置足够多的刀具，而且能够方便而正确地加工各工件表面， 为 了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便 地转位。 2） 在刀架

19、以要能牢固地安装刀具，在刀架上安装刀具进还应能精 确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后 都能处于正确位置。以保证刀具和工件间准确的相对位置。刀架的运 动精度将直接反映到加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上，为此， 刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀架运转的终点到位应准确。 面且这种精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。 3） 刀架应具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异，重量相 差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较复杂，而且有些刀架还直 接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀 架必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。 4）

20、可靠性高。由于刀架在机床工作过程中，使用次数很多，而且 使用频率也高，所以必须充分重视它的可靠性。 5） 刀架是为了提高机床自动化而出现的，因而它的换刀时间应尽 可能缩短，以利于提高生产率。目前自动换刀装置的换刀时间在 0.8 6 秒之间不等。而且还在进一步缩短。 6） 操作方便和安全。刀架是工人经常操作的机床部件之一，因此 它的操作是否方便和安全，往往是评价刀架设计好坏的指标。刀架上 应便于工人装刀和调刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整 刀架的手柄（或手轮）要省力，应尽量设置在便于操作的地方。 2.2 动力刀架的整体方案设计 刀架是车床的重要组成部分，加工中心的动力刀架可安装各种非

21、动力辅助刀夹和动力刀夹进行加工，用于夹持加工用的刀具,因此其结 构直接影响到车床的加工性能和加工效率。刀架采用端齿分度，转位 由步进电动机驱动，刀位由二进制绝对编码器识别，动力刀具由变频 电机驱动，通过同步齿形带等将动力传递到刀夹。 各类数控机床的自动换到装置的结构取决于机床的类型、工艺 范围、使用刀具种类和数量。数控机床常用的自动换刀装置的类型、 特点、适用范围见表 1-1。 表 1-1 自动换刀装置类型 Table 1-1 trade the knife installment type automatically 类别型式特点适用范围 回转刀架 多为顺序换刀，换刀 时间短、结构简单紧 凑

22、、容纳刀具较少 各种数控车床，数控车削加工中心 转 塔 式 转塔头 顺序换刀，换刀时间 短，刀具主轴都集中 在转塔头上，结构紧 凑。但刚性较差，刀 具主轴数受限制 数控钻、镗、铣床 刀具与主轴之 间直接换刀 换刀运动集中， 运动不见少。但刀库 容量受限 刀 库 式用机械手配合 刀库进行换刀 刀库只有选刀运动， 机械手进行换刀运动， 刀库容量大 各种类型的自动换刀数控机床。尤 其是对使用回转类刀具的数控镗、 铣床类立式、卧式加工中心机床 要根据工艺范围和机床特点，确定 刀库容量和自动换刀装置类型 2.3 数控机床刀架的类型 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

23、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。 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。刀具的典型布置方式如图 2.1 所 示。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。宝鸡机床厂生产的 CK7620P 全功能数控车

24、床配置的就是排式刀架。 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。 3）带刀库的自动换刀装置：上述排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

25、的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。 (a)回转刀架 (b) 排式刀架 图 2.1 机床刀架类型结构图 Figure 2.1 types of machine tool structure 本次设计的刀架是四工位刀架，刀位较少，且要求精度较高，所 以可以选择回转刀架和排式刀架，且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保证转位具有高的重复 定位精度具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的特点。而电动机最 低转速为 35r/min，最高转速为 4000r/min，额定转速为 ne=2000 r/min 刀具顺利换刀，因此需要很高的稳定性。对于以上三种刀架，排 式刀架

26、加工棒料或盘类零件为主，局限性较大，同时定位精度不高， 况且排式刀架往复运动幅度较大，占用空间多。综上，本次设计选用 回转刀架作为设计对象，其具有换刀时间短、结构简单紧凑、容纳刀 具较少的特点，所以较为合适，对于回转刀架根据安装方式的 不同可 分为立式和 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。其中断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，因此换刀时速度快且密 封性好，但其结构较复杂。由于本人初次设计数控刀架，所以选择较 为简单的端齿盘定位，结构简单。同时，自动回转

27、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时由控制系统和驱动电路 来实现的 。发信转位采用霍尔元件，使用寿命长。 根据以上对机床刀架类型、性能及其使用场合的综合比较，并结 合现有数控车床的实例，本次设计的动力刀架为伺服电机驱动的转塔 式自动回转刀架。 2.4 数控转塔刀架的开发应用 数控转塔刀架是加工中心、数控车床必备的机床附件，尤其适 用全功能数控车床。当前，数控机床发展迅猛，一方面向高速、高 效、高精度方面发展，同时，在制造行业中广泛存在原有设备的数

28、 控改造和系统升级问题。作为关键附件，高性能的数控转塔刀架对 于提高机床整体运行的可靠性、稳定性和效率有着重要意义，数控 转塔刀架是由数控系统来控制的，因此，在转塔刀架本身性能提高 的情况下，如何实现控制任务就显得十分重要了。 数控转塔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

29、令）刀盘放松转位刀位检测 预分度精确定位刀盘锁紧结束信号。 2.5 刀架的工作原理 回转刀架的工作原理为机械螺纹升降转位式。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。图2.1为自动回转刀 架，其工作过程如下： 1) 刀架抬起 当数控系统发出换刀指令后, 通过接口电路使电机正 转, 经传动装置驱动蜗杆蜗轮机构3、蜗轮螺纹即螺母机构延逆时针旋 转 ,此时由于上下齿盘40、6处于啮合状态，在丝杆螺母机构转动时， 使上刀架体产生向上的轴向力将上齿盘40松开并抬起,直至两定位齿盘 40、6脱离啮合状态,从而带动上刀架和齿盘产生“上台”动作。 2) 刀架转位 当圆套13逆时针转过150

30、时，齿盘40、6完全脱开， 此时销钉准确进入圆套13中的凹槽中，带动刀架体转位。 3) 刀架定位 当上刀架转到需要到位后（旋转90、180或270） ， 数控装置发出的换刀指令使霍尔开关19中的某一个选通,当磁性板18 与被选通的霍尔开关对齐后,霍尔开关反馈信号使电机反转,插销39在 弹簧力作用下进入反靠盘7地槽中进行粗定位，上刀架体停止转动，电 机继续反转，使其在该位置落下，通过螺母丝杆机构使上刀架移到齿 盘40、6 重新啮合, 实现精确定位。 4) 刀架压紧 刀架精确定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿 盘增加到一定夹紧力时， 电机由数控装置停止反转，防止电机不停反 转而过载毁坏，从而完

31、成一次换刀过程。 图 2.2 自动回转刀架 Figure 2.2 Automatic Rotary Tool 2.6 刀架定位精度及重复定位精度 定位精度是指转塔到位后，刀架指定工位把刀孔中心线与设计中心线在 竖直平面内的偏差。重复定位精度是指刀架各工位反复锁紧多次后的偏差平 均值。由于该刀架转塔到位前，控制刀架初定位的霍尔元件发出信号使控制 电机的电磁阀断电，此时电机内部的机械自锁部件使电机停在预定位置上， 所以刀架具有较高的定位精度和重复定位精度。 3 数控机床自动回转刀架机构设计 数控机床 加工中心自驱动 回转刀架 主要由三部分组成： 动力源，变速 传动装置和 刀架体。采用变频电机作为其

32、动力源， 涡轮蜗杆 传动作为其变 速传动装置 3.1 步进电机的选用 动力刀架的转位需要涡轮蜗杆机构来实现，而驱动蜗轮轴旋转是由电机来 实现的，电机的选择要满足所需负载和转矩。从而需要我们对电机进一步的选 择。 许多机械加工需要微量进给。要实现微量进给，步进电机、直流伺服交流 伺服电机都可作为驱动元件。对于后两者，必须使用精密的传感器并构成闭环 系统，才能实现微量进给。在开环系统中，广泛采用步进电机作为执行单元。 这是因为步进电机具有以下优点： 1）直接采用数字量进行控制; 2）转动惯量小，启动、停止方便； 3）成本低； 4）无误差积累； 5）定位准确； 6）低频率特性比较好； 7）调速范围较

33、宽； 采用步进电机作为驱动单元，其机构也比较简单，主要是变速齿轮副、滚 珠丝杠副，以克服爬行和间隙等不足。通常步进电机每加一个脉冲转过一个脉 冲当量；但由于其脉冲当量一般较大，如0.01mm，在数控系统中为了保证加工 精度，广泛采用步进电机的细分驱动技术。 由于课题要求电动机最低转速为35r/min，最高转速为4000r/min，额定转速 为ne=2000 r/min。要求4把刀更换。因为刀架上升、下降各转150，刀架转位 至少需90，所以蜗轮转的角度=390 考虑刀架只需小功率驱动，为减少生产成本，选用JD60电动机，其转速为 1400r/min,额定功率为60W。 3.2 变速传动装置的选

34、择 3.2.1 齿轮传动的分类和特点 渐开线齿轮传动 圆弧齿轮传动 圆柱齿轮传动 平行轴齿轮传动摆线齿轮传动 其他 非圆柱齿轮传动 齿轮传动 直齿锥齿轮传动 斜齿锥齿轮传动 曲线齿锥齿轮传动 交错轴斜齿轮传动 相交轴齿轮传动准双曲面齿轮传动 普通圆柱蜗杆传动 圆弧圆柱蜗杆传动 蜗杆传动 环面蜗杆传动 锥蜗杆传动 其特点： 1） 瞬时传动比恒定。非圆齿轮传动的瞬时传动比又能按需要的变化规律 来设计。 2）传动比范围大，可用于减速或增速。 3）速度（指节圆圆周速度）和传动功率的范围大，可用于高速(v40m/s)、 中速和低速(v25m/s)的传动功率可从小于 1W 到 105W。 4）传动效率高，

35、一对高精度的渐开线圆柱齿轮，效率可达 99%以上。 5）结构紧凑，适用于近距离传动。 6）制造成本较高，某些具有特殊齿形或精度很高的齿轮，因需要专用或高 精度的机床、刀具和量仪等，故制造工艺复杂，成本高。 7）精度不高的齿轮，传动时噪声、振动和冲击大，污染环境。 8）无过载保护作用。 3.2.2 齿轮传动类型选择的原则 1）满足使用要求，如对传动结构尺寸、重量、功率、速度、传动比、寿命、 可靠性的要求等。对以上要求应作全面的、深入分析，满足主要的要求，兼顾 其他。如对大功率长期运转的固定式设备，则着重于齿轮的寿命长和提高齿轮 的传动效率；对短期间歇运动的移动式设备，应要求结构紧凑为主；对重要的

36、 齿轮传动，则要求可靠性高。 2）考虑工艺条件，如制造厂的工艺水平、设备条件、生产批量等。 3）考虑合理性、先进性和经济性等。 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。 由于本次设计的数控动力刀架的动力刀具传递范围和切削功率比较大以及 加工的难易程度，为了满足要求，所以选择以蜗轮蜗杆来完成刀架的旋转。 3.3 蜗杆及蜗轮的选用与校核 3.3.1 选择传动的类型 考虑到传递的功率不大，转速较低，选用 2A 蜗杆，精度 8 级，GB10089-88 3.3.2 选择材料和确定许用应力 由机械设计表6-7查得蜗杆选用

37、45钢，表面淬火，硬度为 4555HRC，蜗轮齿圈用ZCuSn10P1 砂模铸造，为了节约贵重的有色金属， 仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT150制造。 H=200MPa， 查表 6-9 得到 f=500MPa 3.3.3 按接触强度确定主要参数 根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，在 校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距： 2 3 2( ) E H Z Z akT (4-1) 1）确定作用在蜗轮上的转距T2 按Z1=2，取效率=0.8， 则 T2=T*i=3.5382N.M (4-2) 2）确定载荷系数K 因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数K=1；由使用系数KA表从

38、 而选取KA=1.15；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数KV=1.1；则 K=KA*K*KV=1*1.15*1.1=1.2651.27 (4-3) 3）确定弹性影响系数ZE 因选用的铸锡磷青铜蜗轮和蜗杆相配，故 1 2 160 E ZMPa 4）确定接触系数Z 先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值d1/a=0.30，从而可查出 Z=3.12。 5）确定许用应力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45HRC，从而可查机械设计6-7得蜗轮的基本许用应力H =268MPA。 因为电动刀架中蜗轮蜗杆的传动为间隙性的，故初步定位、其寿命系 数为KHN

39、=0.92，则 H= KHNH=0.92268=246.56247MPA (4-4) 6）计算中心距 2 3 160 2.7 1.27 3538.2 ()24 247 amm (4-5) 取中心距a=50mm，m=1.6mm，蜗杆分度圆直径d1=29mm，这时d 1/a =0.448， 从而可查得接触系数 Z =2.72，因为 Z Z，因此以上计算结果可用。 蜗杆和蜗轮主要几何尺寸计算 1）蜗杆 分度圆直径：d1=29mm 直径系数：q= d1 /m =18.125， 蜗杆头数：Z1=1 分度圆导程角：=31138 蜗杆轴向齿距：PA= m =5.024mm； (4-6) 蜗杆齿顶圆直径： *

40、 11 232.2 aa ddhmmm (4-7) 蜗杆齿根圆直径： （4-8）mmmchaddf252 11 蜗杆轴向齿厚： 1/2 a Sm =2.512mm (4-9) 蜗杆轴向齿距： （4-10）11.65.04pammmmm 2）蜗轮 蜗轮齿数：Z2 =45 变位系数=0 验算传动比：i= 2 z / 1 z =45/1=45 (4-11) 蜗轮分度圆直径：d2=mz2= 72mm (4-12) 蜗轮喉圆直径：da2=d2+2ha2=75.2mm (4-13) 蜗轮喉母圆直径： =50-1/275.2=12.4mm (4-14) 22 5 . 0 ag dar 蜗轮齿顶圆直径： （4

41、-222*75.2dadha mmm 15） 蜗轮齿根圆直径： （4- 6 . 692 22 mchddf a 16） 蜗轮外圆直径：当在 z=1 时， （4-17）22278.4dedammm 3.4 蜗杆轴的设计 3.4.1 蜗杆轴的材料选择，确定许用应力 考虑蜗杆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 用 45 号钢，正火处理， 600bMPa 3.4.2 按扭转强度初步估算轴的最小直径 22 1 () ca MaT W （4- 18） 扭转切应力为脉动循环变应力，取=0.6，抗弯截面系数W=0.1 3 d 取 =15.5 mm min d 3.4.3 确定各轴段的直径

42、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。 图3.1 蜗杆轴结构 Figure 3.1 Structure of the worm shaft d1=d5 同一轴上的轴承选用同一型号，以便于轴承座孔镗制和减少轴承类型。 d5轴上有一个键槽，故槽径增大5% d1=d5=d1(1+5%)=15.89mm ,圆整d1=d5=17mm 所选轴承类型为深沟球轴承，型号为6203，B=12mm，D=40mm， d2起固定作用，定位载荷高度可在（0.070.1）d1范围内， d2=d1+2a=19.3820.04mm，故d2取20mm d3为蜗杆与蜗轮啮合部分，故d3=24mm d

43、4=d2=20mm,便于加工和安装 L1为与轴承配合的轴段，查轴承宽度为12mm，端盖宽度为10mm， 则L1=22mm L2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65mm， 故L2=43mm L3为蜗杆部分长度L3（11+0.06z2）m=21.92mm 圆整L3取30mm L4取55mm，L5在刀架体部分长度为（12+8）mm，伸出刀架部分通过联轴器与电 动机相连长度为50mm，故L5=70mm 两轴承的中心跨度为128mm，轴的总长为220mm 3.4.4 蜗杆轴的校核 作用在蜗杆轴上的圆周力 (4-19) 1 1 2 d T Ft mmNmmN n P T.1016 .

44、2 . 467 56.10 95500009550000 5 1 其中 d1=28mm 则 NN d T Ft 4 6 3 3 1029 . 1 320 1007 . 2 22 径向力 (4-20)NFF tr 34 1069 . 4 20tan1029 . 1 tan 切向力 (4-21)NFF tn 4 4 1037 . 1 20cos 1029 . 1 cos/ 图 3.2 轴向受力分析 Figure 3.2 Axial Force Analysis NFFF rnBH 434 1042 . 1 60cos1069 . 4 30cos1037 . 1 60cos30cos (4-22)

45、NFFF nrBV 343 1079 . 2 30sin1037 . 1 60sin1069 . 4 30sin60sin (4-23) 求水平方向上的支承反力 图 3.3 水平方向支承力 Figure 3.3 supports horizontal force 0)( 212 LLFLF AHBH (4-24)NNFAH 3 4 104 . 5 181 5 . 294 1811042 . 1 (4-25)(108 . 8104 . 51042 . 1 334 NFFF AHBHCH 求水平弯矩,并绘制弯矩图 mNmNLFM AHBH 333 1 1059 . 1 10 5 . 294104

46、. 5 水平弯矩图 图 3.4 水平弯矩图 Figure 3.4 the level of bending moment diagram 求垂直方向的支承反力 (4-26) y y F y F y F y F ZY X p F KvfaCF81 . 9 切 查文献9表 2.24，142 y F C73 . 0 y F X67 . 0 y F Y0 y F Z 其中，mmap6rmmf/6 . 0min/100mv NNKvfaCF y y F y F y F y F ZY X p F 36586 . 0614281 . 9 81 . 9 67 . 0 73 . 0 切 (4-27) 切 图 3

47、.5 垂直方向支承反力 Figure 3.5 supports the vertical reaction force 0)( 2132 LLFLFLF AVBV切 NNF AV 3 33 1099 . 1 181 5 . 294 5 . 1201066. 31811079. 2 )(1086 . 2 1066 . 3 1099 . 1 1079 . 2 3333 NFFFF AVBVCV 切 求垂直方向弯矩，绘制弯矩图 mNLFM AVBV 1 . 58610 5 . 2941099 . 1 33 1 mNmNLFM CV 44110 5 . 1201066 . 3 3 3切 垂直弯矩图 图

48、 3.6 垂直弯矩图 Figure 3.6 the vertical bending moment diagram 求合成弯矩图，按最不利的情况考虑 mNmNMMM BVBHB 3223 22 1069 . 1 1 . 586)1059. 1 ( (4-28) mNMM CVC 441 合成弯矩图 图 3.7 合成弯矩图 Figure 3.7 Synthesis of bending moment diagram 计算危险轴的直径 (4-29) 1 . 0 1 3 e M d 查文献9表 151，材料为调质的许用弯曲应力，AIAMCr 0 3875 1 则 mmmmdB 8 . 60 751

49、. 0 1069 . 1 6 3 所以该轴符合要求。 3.4.5 键的选取与校核 考虑到 d5=105%15.14=15.89mm, 实际直径为 17mm，所以强度足够 由 GB1095-79 查得，尺寸 bh=55，l=20mm 的 A 型普通平键。 按公式进行校核 kld T p 3 102 ，。查mNT 2070mmmmhk7145 . 05 . 0mml110mmd92 文献9表 62，取则MPa p 130 (4-30)MPaMPa kld T p 7044.58 921107 20702102 3 该键符合要求。 由普通平键标准查得轴槽深 t=30mm,毂槽深 t1=2.3mm 3.5 蜗轮轴的设计 3.5.1 蜗轮轴材料的选择，确定需用应力 考虑到轴主要传递蜗轮转矩，为普通中