畢業(yè)論文數(shù)控車床自動回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計

1、高等教育自學考試畢業(yè)設(shè)計（論文）題目 數(shù)控車床自動回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計 專業(yè)班級機電一體化 姓名指導教師姓名、職稱所屬助學單位2010年 3月20日目錄1 概論11.1 數(shù)控車床的組成11.2 數(shù)控車床的工作原理11.3 數(shù)控車床的發(fā)展趨勢11.4 本章小結(jié)12 數(shù)控車床自動換刀裝置12.1 自動換刀裝置的形式12.1.1 更換主軸頭換刀.22.1.2 帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)22.1.3 自動回轉(zhuǎn)刀架換刀22.2 自動回轉(zhuǎn)刀架換刀的優(yōu)點22.3 自動回轉(zhuǎn)刀架的分類22.4 自動回轉(zhuǎn)刀架換刀的技術(shù)要求22.5 自動回轉(zhuǎn)刀架的四個基本動作32.6 本章小結(jié)33 自動回轉(zhuǎn)刀架的PLC系統(tǒng)設(shè)計33.1 自動回轉(zhuǎn)

2、刀架的PLC程序的作用33.2 電動回轉(zhuǎn)刀架具體工作過程33.3 控制系統(tǒng)設(shè)計3 控制系統(tǒng)電路硬件接線圖43.3.2 PLC控制流程圖43.3.3 PLC軟件設(shè)計53.4 本章小結(jié)64 刀架進給運動伺服系統(tǒng)的設(shè)計64.1 刀架進給伺服系統(tǒng)各組成部分的功能6 伺服驅(qū)動裝置的作用6 伺服電機的作用6 檢測裝置的作用64.2 刀架運動執(zhí)行裝置74.3 本章小結(jié)75 自動回轉(zhuǎn)刀架的機械結(jié)構(gòu)與電氣設(shè)計75.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計75.1.1 減速傳動機構(gòu)的設(shè)計75.1.2 上刀體鎖緊與精定位機構(gòu)的設(shè)計85.1.3 刀架抬起機構(gòu)的設(shè)計85.2 自動回轉(zhuǎn)刀架的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計85.2.1 液壓原理85.2.2 機械結(jié)

3、構(gòu)95.2.3 刀架主要零件設(shè)計9.1動齒盤與靜齒盤95.2.3.2 刀架定位精度及重復定位精度95.2.3.3 花鍵軸105.2.3.4 防水、防塵設(shè)計105.2.3.5 控制方式105.2.3.6 活塞105.2.4 刀架驅(qū)動形式105.3 自動回轉(zhuǎn)刀架主要傳動部件的設(shè)計計算105.3.1 蝸桿副的設(shè)計計算115.3.1.1 蝸桿的選型115.3.1.2 蝸桿副的材料115.3.1.3 按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計115.3.1.4 蝸桿和渦輪的主要計算參數(shù)和幾何尺寸135.3.1.5 校核渦輪齒根彎曲疲勞強度135.3.2 蝸桿的設(shè)計計算145.3.2.1 渦距的確定145.3.2.2 其

4、它參數(shù)的確定155.3.2.3 自鎖性能校核155.4 自動回轉(zhuǎn)刀架電氣控制設(shè)計155.4.1 硬件收信電路155.4.2 硬件發(fā)信電路175.5 本章小結(jié)176 總結(jié)與展望18致謝18參考文獻19摘 要數(shù)控車床的出現(xiàn)對提高生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量以及改善勞動條件等發(fā)揮了重要的作用,為了進一步壓縮非切削時間，數(shù)控機床正朝著一臺機床在一次裝夾中完成多工序加工的發(fā)展方向。在這類多工序的數(shù)控機床中必須帶有自動換刀裝置，在多工序數(shù)控機床出現(xiàn)之后，又逐步發(fā)展和完善了各類回轉(zhuǎn)刀具的自動更換裝置，擴大了換刀數(shù)量，快速準確的實現(xiàn)了換刀操作。數(shù)控車床上使用的自動回轉(zhuǎn)刀架是一種在一定的空間范圍內(nèi)，能執(zhí)行自動松開、轉(zhuǎn)位

5、、精密定位等一系列動作的一種機構(gòu)。本設(shè)計主要論述一種多工位液壓數(shù)控自動回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計原理、機械結(jié)構(gòu)及自動控制方式。關(guān)鍵詞：數(shù)控車床、換刀、PLC、伺服系統(tǒng)、刀架Abstract The emergence of CNC lathe to increase productivity, improve product quality and improve working conditions play an important role, in order to further reduce non-cutting time, numerical control machine tool is

6、moving in a machine during a setup process to complete multi-processing development. In such multi-proceduremust be of CNC machine tools with automatic tool change device, the advent of multi-process CNC machine tools, but also the progressive development and perfection of the various types of rotar

7、y automatic tool changer, expanding the number of tool changing, fast and accurate implementation of the tool change operation. CNC lathe turret used in auto-rotation is a certain spatial scale, can perform automatic release, translocation, precision positioning and a series of actions of an institu

8、tion. This paper discusses the design of a multi-station automatic rotary hydraulic CNC turret design principle, mechanical structure and automatic control methods. Keywords: CNC lathe, tool changer, PLC, servo system, turret數(shù)控車床的自動回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計1 概論1.1 數(shù)控車床的組成數(shù)控車床主要由主軸箱、床鞍、尾架、刀架、對刀儀、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)及數(shù)控裝置組成。1

9、.2 數(shù)控車床的工作原理在數(shù)控加工中，編程人員首先按照零件加工的技術(shù)要求和工藝要求，編寫零件的加工程序，并將加工程序輸入到數(shù)控裝置，數(shù)控裝置對加工程序進行相應(yīng)譯碼和運算，并將處理結(jié)果送到機床各個坐標的伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)接收來自數(shù)控裝置輸出的指令信息并且經(jīng)過功率放大后，帶動機床移動部件按照規(guī)定的軌跡和速度運動，從而使機床自動加工出符合圖紙要求的零件。1.3 數(shù)控車床的發(fā)展趨勢數(shù)控車床的出現(xiàn)對提高生產(chǎn)率改善產(chǎn)品質(zhì)量以及改善勞動條件等發(fā)揮了重要的作用，為了進一步壓縮非切削時間，數(shù)控機床正朝著一臺機床在一次裝夾中完成多工序加工的發(fā)展方向。在這類多工序的數(shù)控機床中必須帶有自動換刀裝置，在多工序數(shù)控機床出

10、現(xiàn)之后，逐步發(fā)展和完善了各類回轉(zhuǎn)刀具的自動更換裝置，擴大了換刀數(shù)量，以便有可能實現(xiàn)更復雜的換刀操作。1.4 本章小結(jié)數(shù)控車床是集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術(shù)為一體的機電一體化產(chǎn)品，是提高制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率必不可少的重要手段，數(shù)控車床為了能在工件的一次裝夾中完成多工序加工，縮短輔助時間，減少多次安裝所引起的加工誤差，必須帶有自動回轉(zhuǎn)刀架。2 數(shù)控車床自動換刀裝置2.1 自動換刀裝置的形式自動換刀裝置是加工中心的重要執(zhí)行機構(gòu)，它的形式多種多樣，目前常見的有以下三種：更換主軸頭換刀、帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)、自動回轉(zhuǎn)刀架換刀。 更換主軸頭換刀更換主軸頭換刀在帶有旋轉(zhuǎn)刀具的數(shù)控

11、機床中，更換主軸頭是一種簡單換刀方式。主軸頭通常有臥式和立式兩種，而且常用轉(zhuǎn)塔的轉(zhuǎn)位來更換主軸頭，以實現(xiàn)自動換刀。在轉(zhuǎn)塔的各個主軸頭上，預先安裝有各工序所需的旋轉(zhuǎn)刀具。當發(fā)出換刀指令時，各主軸頭依次地轉(zhuǎn)到加工位置，并接通主軸運動，使相應(yīng)的主軸帶動刀具旋轉(zhuǎn)，而其他處于不加工位置上的主軸都與主運動脫開。 帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)由刀庫和刀具交換機構(gòu)組成。首先把加工過程中需要使用的全部刀具分別安裝在標準刀柄上，在機外進行尺寸預調(diào)整后，按一定的方式放入刀庫中去。換刀時先在刀庫中進行選刀，并由刀具交換裝置從刀庫和主軸上取出刀具，在進行交換刀具之后，將新刀具裝入主軸，把

12、舊刀具放回刀庫。存放刀具的刀庫具有較大的容量，它既可以安裝在主軸箱的側(cè)面或上方，也可作為單獨部件安裝到機床以外，并由搬運裝置運送刀具。 自動回轉(zhuǎn)刀架換刀自動回轉(zhuǎn)刀架換刀數(shù)控車床使用的回轉(zhuǎn)刀架是最簡單的自動換刀裝置，有四方刀架、六角刀架，即在其上裝有四把、六把或更多的刀具，自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀動作是由液壓系統(tǒng)通過電磁換向閥和順序閥進行控制的。2.2 自動回轉(zhuǎn)刀架換刀的優(yōu)點傳統(tǒng)的車床例如CA6140的刀架上只能裝一把刀，換刀的速度慢，換刀后還須重新對刀，并且精度不高，生產(chǎn)效率效率低，不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，因此有必要對機床的換刀裝置進行改進，數(shù)控車床上使用的自動回轉(zhuǎn)刀架是一種最簡單的換刀裝置，自動

13、回轉(zhuǎn)刀架是在一定的空間范圍內(nèi)能執(zhí)行自動松開、轉(zhuǎn)位、精密定位等一系列動作的一種機構(gòu)，使數(shù)控車床能在工件的一次裝夾中完成多工序加工，縮短輔助時間，減少多次安裝所引起的加工誤差。2.3 自動回轉(zhuǎn)刀架的分類根據(jù)裝刀數(shù)量的不同，自動回轉(zhuǎn)刀架分有四工位六工位和八工位等多種形式。根據(jù)安裝方式的不同，自動回轉(zhuǎn)刀架可分為立式和臥式兩種。根據(jù)機械定位方式的不同，自動回轉(zhuǎn)刀架又可分為端齒盤定位型和三齒盤定位型等。2.4 自動回轉(zhuǎn)刀架換刀的技術(shù)要求自動回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強度和剛性，以承受粗加工時的切削抗力。為了保證轉(zhuǎn)位具有高的重復定位精度，自動回轉(zhuǎn)刀架還要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)。自動回轉(zhuǎn)刀架的

14、自動換刀時由控制系統(tǒng)和驅(qū)動電路來實現(xiàn)的。2.5 自動回轉(zhuǎn)刀架的四個基本動作回轉(zhuǎn)刀架的全部動作由液壓系統(tǒng)通過電磁換向閥和順序閥進行控制，它的動作分為四個步驟：刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位、刀架壓緊、轉(zhuǎn)位液壓缸復位。2.6 本章小結(jié)刀架是直接完成切削加工的執(zhí)行部件，刀架進給運動采用伺服電動機驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)，所以，刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強度和剛度，以承受粗加工時的切削抗力。由于切削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，所以要求數(shù)控車床選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證有較高的重復定位精度。此外，刀架的設(shè)計還應(yīng)滿足換刀時間短、結(jié)構(gòu)緊湊和安全可靠等要求。數(shù)控車床是一種高度自動化的機床，它的刀架一般都

15、采用自動（電氣或液壓）的轉(zhuǎn)位方式。按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有更換主軸頭換刀、帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)、自動回轉(zhuǎn)刀架換刀等多種形式。 由于自動回轉(zhuǎn)刀架具有剛度大、重復定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單等一系列優(yōu)點，所以自動回轉(zhuǎn)刀架在生產(chǎn)工業(yè)中被廣泛的使用著。3 自動回轉(zhuǎn)刀架的PLC系統(tǒng)設(shè)計3.1 自動回轉(zhuǎn)刀架的PLC程序的作用經(jīng)濟型數(shù)控車床都配有電動回轉(zhuǎn)刀架，回轉(zhuǎn)刀架除了必須具有良好的強度和剛度，以承受粗加工的切削力和定位精度外，同時通過數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置PLC或獨立PLC和控制電路完成回轉(zhuǎn)刀架的自動回轉(zhuǎn)及找刀定位的全部動作，所以自動回轉(zhuǎn)刀架的PLC程序設(shè)計對刀架的運行效率和穩(wěn)定性具有重要的作用。3.2

16、 電動回轉(zhuǎn)刀架具體工作過程電動刀架一般有四工位或六工位，由電動機、機械換刀機構(gòu)、發(fā)訊盤等組成，當系統(tǒng)發(fā)出換刀信號，刀架電機正轉(zhuǎn)，通過減速機構(gòu)和升降機構(gòu)將上刀體上升至一定位置，離合盤起作用，帶動上刀體旋轉(zhuǎn)到所選擇刀位，發(fā)訊盤發(fā)出刀位到位信號，刀架電機反轉(zhuǎn)，完成初定位后上刀體下降，齒牙盤嚙合，完成精確定位，并通過升降機構(gòu)鎖緊刀架。3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計刀架的換刀過程通過PLC對控制刀架的所有IO信號進行邏輯處理及計算，實現(xiàn)刀架的順序控制，另外為了保證換刀能夠正確進行，系統(tǒng)還要設(shè)置一些相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)來對換刀過程進行調(diào)整。本設(shè)計采用西門子S7200編程軟件進行程序設(shè)計。 控制系統(tǒng)電路硬件接線圖刀架電氣控

17、制部分如圖1所示。圖1中的(a)是刀架控制的主電路，主要是通過控制刀架電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來控制刀架的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；圖(b)是刀架控制的PLC輸入輸出控制回路。每把刀具都有一固定刀號，通過霍爾開關(guān)(一般為NPN型，因此我們在接入PNP型PLC時要并接一電阻)進行到位檢測。 a b圖1 刀架控制原理圖3.3.2 PLC控制流程圖數(shù)控刀架換刀有兩種模式，一種是手動換刀，另一種是通過T指令進行自動換刀。手動換刀是指將機床調(diào)至手動狀態(tài)，通過刀位選擇按鍵進行目的刀位選擇，有的系統(tǒng)是利用波段開關(guān)的形式進行實現(xiàn)，有的系統(tǒng)是利用記數(shù)的形式來實現(xiàn)，比如說通過檢測刀位選擇信號的狀態(tài)，如果按下刀位選擇按鍵，計數(shù)器的數(shù)值會

18、發(fā)生改變，系統(tǒng)選擇也會發(fā)生相應(yīng)的改變。也可以采用單鍵換刀，一個短促的按鍵可以換下一個刀位。T指令換刀是直接通過編程刀號作為目的刀位進行換刀。刀架電機順時針旋轉(zhuǎn)時為選刀過程，逆時針旋轉(zhuǎn)時為鎖緊過程，選刀監(jiān)控時間和鎖緊監(jiān)控時間由PLC定時器決定。其控制流程如圖2。圖2 換刀程序流程圖3.3.3 PLC軟件設(shè)計PLC程序部分包括換刀刀號或編程刀號的讀入、刀位判斷比較、正轉(zhuǎn)尋刀監(jiān)控及反轉(zhuǎn)鎖緊延時監(jiān)控等，自動換刀部分梯形圖如圖3。圖3是自動換刀控制的PLC梯形圖，在梯形圖中，用字節(jié)傳送指令將當前刀位開關(guān)信號I0.0一l0.3轉(zhuǎn)換成當前刀號存放到Tc中，在T選通信號的作用下，將指令刀號Tp和當前刀號Tc進

19、行比較，如果不相等則置位Q0.0，復位Q0.1，KM1吸合，刀架電機正轉(zhuǎn)架開始旋轉(zhuǎn)；刀架在正向旋轉(zhuǎn)的過程中不停的對刀位輸入信號進行檢測，每把刀具各有一個霍爾位置檢測開關(guān)，各刀具按順序依次經(jīng)過發(fā)磁體位置產(chǎn)生相應(yīng)的刀位信號。當產(chǎn)生的刀位信號和指令刀號相一致的時候，PLC認為所選刀具已經(jīng)到位。刀具到位以后，刀架仍繼續(xù)正向旋轉(zhuǎn)一段時間，這一時間由時間繼電器T7設(shè)定，不能過長，過長會造成手動或自動換刀時目的刀位不正確，過短對有些刀架會造成換不到位，特別是手動換刀時會找不到下一個刀位而在原位轉(zhuǎn)換，這個時間的設(shè)定在調(diào)試時具體調(diào)定。自動換刀時延時一段時間以后，Q0.0復位，Q0.1置位，電機停止正向旋轉(zhuǎn)，架開

20、始反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)過程其實就是刀架鎖緊的過程，此過程延續(xù)一段時間，直到刀架鎖緊到位，但反轉(zhuǎn)時間不宜過長或過短。過長就有可能燒壞電機或造成電機過熱空開跳閘，時間過短有可能造成刀架不能夠鎖緊。刀架鎖緊以后，整個換刀過程結(jié)束。當然，在梯形圖的設(shè)計中還要考慮一些保護和安全因素，如刀架電動機長時間旋轉(zhuǎn)，而檢測不到刀位信號，則認為刀架出現(xiàn)故障，立即停止刀架電動機，以防止將其損壞并報警提示；刀架電動機過熱報警時，停止換刀過程，并禁止自動加工等。圖3 自動換刀梯形圖3.4 本章小結(jié)自動換刀控制的PLC程序在實際應(yīng)用中靈活性強可靠性高，在調(diào)試中根據(jù)不同的刀架性能，配合數(shù)控系統(tǒng)，可靈活地修改刀位數(shù)、正轉(zhuǎn)尋刀監(jiān)控時間、正

21、轉(zhuǎn)找到刀位后的延遲時間、和反轉(zhuǎn)鎖緊監(jiān)控時間等，使刀架的運行效率高并穩(wěn)定可靠。4 刀架進給運動伺服系統(tǒng)的設(shè)計4.1 刀架進給伺服系統(tǒng)各組成部分的功能刀架是直接完成切削加工的執(zhí)行部件，刀架進給運動采用伺服電動機驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)。進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的四肢，執(zhí)行來自CNC裝置的運動指令。進給伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動裝置、伺服電機和位置檢測裝置組成。 伺服驅(qū)動裝置的作用伺服驅(qū)動裝置的主要功能是功率放大和速度調(diào)節(jié)，將弱電信號轉(zhuǎn)化為強電信號，并保證系統(tǒng)的動態(tài)性能。 伺服電機的作用伺服電機將電能轉(zhuǎn)化為機械能，拖動機械部件移動或轉(zhuǎn)動。伺服電機包括主軸電機和各方向的進給電機。 檢測裝置的作用檢測裝置是把位移和速度

22、測量信號作為反饋信號，并將反饋信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送回計算機與脈沖指令信號進行比較，以控制驅(qū)動元件的正確運轉(zhuǎn)。4.2 刀架運動執(zhí)行裝置滾珠絲杠螺母副是數(shù)控車床刀架進給運動理想的運動執(zhí)行裝置，它由絲杠、螺母和位于螺紋滾道之間的滾珠構(gòu)成。4.3本章小結(jié)進給伺服系統(tǒng)的任務(wù)是控制機床執(zhí)行部件運動的位移、方向和速度。它由機械傳動機構(gòu)、執(zhí)行部件以及電氣自動控制兩大部分組成。5 自動回轉(zhuǎn)刀架的機械結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)計5.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 設(shè)計一臺四工位的立式自動回轉(zhuǎn)刀架，適用于經(jīng)濟型數(shù)控車床，使自動回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上具有良好的強度和剛性，以承受粗加工時的切削抗力，同時具有換刀時的快速性、穩(wěn)定性和高定位精度的重復性。圖

23、4為自動回轉(zhuǎn)刀架的傳動結(jié)構(gòu)示意圖。圖4 自動回轉(zhuǎn)刀架的傳動結(jié)構(gòu)示意圖1 發(fā)信盤 2 推力軸承 3 螺桿螺母副 4 端面齒盤 5 反靠圓盤6 三相異步電動機 7 聯(lián)軸器 8 蝸桿副 9 反靠銷10 圓柱銷 11 上蓋圓盤 12 上刀體 減速傳動機構(gòu)的設(shè)計普通的三相異步電動機因轉(zhuǎn)速太快，不能直接驅(qū)動刀架進行換刀，必須經(jīng)過適當?shù)臏p速。根據(jù)立式轉(zhuǎn)位刀架的結(jié)構(gòu)特點，采用蝸桿副減速是最佳選擇。蝸桿副傳動可以改變運動的方向，獲得較大的傳動比，保證傳動精度和平穩(wěn)性，并且具有自鎖功能，還可以實現(xiàn)整個裝置的小型化。 上刀體鎖緊與精定位機構(gòu)的設(shè)計由于刀具直接安裝在上刀體上，所以上刀體要承受全部的切削力，其鎖緊與定位

24、的精度將直接影響工件的加工精度。本設(shè)計上刀體的鎖緊與定位機構(gòu)選用端面齒盤，將上刀體和下刀體的配合面加工成梯形端面齒。當?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上下端面齒相互咬合，這時上刀體不能繞刀架的中心軸轉(zhuǎn)動；換刀時電動機正傳，抬起機構(gòu)使上刀體抬起，等上下端面齒脫開后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉(zhuǎn)動，完成轉(zhuǎn)位動作。 刀架抬起機構(gòu)的設(shè)計要想使上，下刀體的兩個端面齒脫離，就必須設(shè)計合適的機構(gòu)使上刀體抬起。本設(shè)計選用螺桿-螺母副，在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當電動機通過蝸桿-渦輪帶動蝸桿繞中心軸轉(zhuǎn)動時，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動，要么上下移動。當?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上刀體與下刀體的端面齒相互咬合，因為這時上刀體不能與螺桿一

25、起轉(zhuǎn)動，所以螺桿的轉(zhuǎn)動會使上刀體向上移動。當端面齒脫離咬合時，上刀體就與螺桿一同轉(zhuǎn)動。5.2 自動回轉(zhuǎn)刀架的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 多工位液壓數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，通過刀架的旋轉(zhuǎn)分度定位來實現(xiàn)機床的自動換刀動作。 液壓原理如圖5所示，當YV3帶電時，液壓缸上行，轉(zhuǎn)塔松開。此時YV1帶電，電機轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)塔隨之轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)到預定位置時，YV1和YV3斷電、YV4帶電，電機停止轉(zhuǎn)動，液壓缸下行，轉(zhuǎn)塔鎖緊。轉(zhuǎn)塔鎖緊后YV4斷電，刀架完成一次轉(zhuǎn)位。伺服閥裝在電機體內(nèi)，通過機械裝置實現(xiàn)電機的機械自鎖，防止轉(zhuǎn)塔越位。圖5刀架液壓原理圖 機械結(jié)構(gòu)圖6為多工位數(shù)控刀架的結(jié)構(gòu)簡圖.工作時，液壓缸后腔

26、來油，壓力油作用在活塞后端面上，推動活塞向左運動，活塞推動轉(zhuǎn)塔運動，動齒盤與靜齒盤脫開，這時液壓電機通過同步齒形帶帶輪帶動花鍵軸轉(zhuǎn)動，花鍵軸轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)塔到位時，電機停止轉(zhuǎn)動并實現(xiàn)機械自鎖，防止轉(zhuǎn)塔越位。液壓電機停止轉(zhuǎn)動后，液壓缸前腔來油，壓力油作用在活塞前端面上，推動活塞向右運動，活塞推動花鍵軸向右運動，動齒盤與靜齒盤嚙合，轉(zhuǎn)塔鎖緊。要求花鍵軸轉(zhuǎn)動時，活塞不隨之轉(zhuǎn)動，兩者之間通過滑動軸承配合，把活塞孔直接設(shè)計成滑動軸承。圖6 刀架機械結(jié)構(gòu)圖1、刀具固定塊2、圓螺母 3、彈簧墊片4、動齒盤轉(zhuǎn)塔刀架5、A型平鍵 6、軸用彈性擋圈7、內(nèi)六角螺栓8、液壓缸體9、調(diào)整墊片10、 動齒盤刀架體

27、11、內(nèi)花鍵同步齒形帶輪12、花鍵軸13、軸承端蓋14、深溝球軸承15、液壓缸端蓋 16、O型密封圈 17、活塞 刀架主要零件設(shè)計.1 動齒盤與靜齒盤動齒盤與靜齒盤是數(shù)控刀架的兩個主要零件，其精度決定刀架性能的好壞，齒盤的齒形可設(shè)計成向心齒（即齒面為梯形齒、齒的截面也為梯形）或設(shè)計成矩形齒（即齒面為矩形、齒的截面為梯形）。本刀架采用工藝性能好的矩形齒，齒的嚙合深度通常設(shè)計為45mm，可獲得所需的鎖緊力滿足刀架剛度要求。.2 活塞對活塞的設(shè)計要求：當花鍵軸轉(zhuǎn)動時，活塞是不允許隨之轉(zhuǎn)動的，所以兩者之間應(yīng)有軸承來傳動轉(zhuǎn)動，顯然在這里用滾動軸承是不合適的，必需采用滑動軸承。本設(shè)計直接在活塞孔內(nèi)開螺旋形

28、潤滑油槽，把活塞孔設(shè)計成滑動軸承。由于省去了花鍵軸與活塞孔之間的滑動軸承，使刀架的結(jié)構(gòu)進一步得到簡化。.3 花鍵軸 花鍵軸是本刀架的重要零件之一，它既是刀架的傳動軸又是液壓缸的活塞桿；它既有往復運動，又有轉(zhuǎn)動，所以花鍵軸與活塞配合部分的配合采用G7/h6。配合特點是：間隙很小的滑動配合，用于不希望自由轉(zhuǎn)動，但可自由移動和滑動并精確定位時。.4 防水、防塵設(shè)計防水、防塵設(shè)計是刀架設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一，刀架工作過程中鐵屑會進入刀架本設(shè)計采用O型密封圈和氈圈進行密封。.5 控制方式控制方式也是數(shù)控刀架設(shè)計需要考慮的重要環(huán)節(jié)之一，控制元件的選取決定著刀架的自動化程度和編程方法，本文采用控制過程中普遍使用

29、的行程開關(guān)和編碼器來實現(xiàn)對刀架的自動控制。行程開關(guān)控制轉(zhuǎn)塔的松開與鎖緊，編碼器控制轉(zhuǎn)塔的轉(zhuǎn)位。 .6 刀架定位精度及重復定位精度定位精度是指轉(zhuǎn)塔到位后，刀架指定工位把刀孔中心線與設(shè)計中心豎直平面內(nèi)的偏差，重復定位精度是指刀架各工位反復鎖緊多次后的偏差平均值。由于該刀架轉(zhuǎn)塔到位前，控制刀架初定位的行程開關(guān)發(fā)出信號使控制電機的電磁閥斷電，此時電機內(nèi)部的機械自鎖部件使電機停在預定位置上，所以刀架具有較高的定位精度和重復定位精度。 刀架驅(qū)動形式由于滾珠絲杠具有摩擦系數(shù)小，傳動效率高的優(yōu)點，所以刀架的驅(qū)動方式采用AC伺服電機帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)刀架的直線運動，刀架軀動系統(tǒng)如圖7所示。圖7 刀架驅(qū)動系統(tǒng)原理

30、簡圖5.3 自動回轉(zhuǎn)刀架主要傳動部件的設(shè)計計算設(shè)計一臺四工位的立式自動回轉(zhuǎn)刀架，適用于C616或C6132經(jīng)濟型數(shù)控車床。推薦刀架所用電動機的 額定功率為90W，額定轉(zhuǎn)速為1440r/min，換刀時要求刀架轉(zhuǎn)動的速度為30r/min。蝸桿副的設(shè)計計算自動回轉(zhuǎn)刀架的動力源時三相異步電動機，其中蝸桿與電動機直連，刀架轉(zhuǎn)位時渦輪與上刀體直連。已知電動機額定功率P 1=90W，額定轉(zhuǎn)速n1 =1440r/min，上刀體設(shè)計轉(zhuǎn)速 n2 =30r/min，則蝸桿副的傳動比i =n1/n2 =1440 /30=48.刀架從轉(zhuǎn)位刀鎖緊時，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，啟動時沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命Lh

31、 =10000h 。4.2.1.1 蝸桿的選型GB/T10085-1988推薦采用漸開線蝸桿（Z1蝸桿）和錐面包絡(luò)蝸桿（ZK蝸桿）。本設(shè)計采用結(jié)構(gòu)簡單，制造方便的漸開線型圓柱蝸桿(Z1型)。4.2.1.2 蝸桿副的材料刀架中的蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速較高，因此蝸桿的材料選擇45鋼，其螺旋齒面要求淬火，硬度為4555HRC，以提高表面耐磨性；渦輪的轉(zhuǎn)速較低，其材料主要考慮耐磨性，選用鑄錫磷青銅ZcuSn10P1,采用金屬模鑄造。4.2.1.3 按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計刀架中的蝸桿副采用閉式傳動，多因齒面膠合或點蝕而失效。因此，在進行承載能力計算時，先按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計，再按齒根

32、彎曲疲勞強度進行校核。按渦輪接觸疲勞強度條件設(shè)計計算的公式為：式中 a-蝸桿副的傳動中心距，單位為mm； K-載荷系數(shù)；-作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩T ，單位N.mm;-彈性影響系數(shù)，單位為MPa；-接觸系數(shù) -許用接觸應(yīng)力，單位為MPa；從式中算出蝸桿副的中心距a之后，根據(jù)已知的傳動比i=48，可以選擇合適的中心距a值，以及相應(yīng)的蝸桿，渦輪參數(shù)。（1）確定作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩T設(shè)蝸桿頭數(shù)z1 =1,蝸桿副的傳動效率取 =0.8。由電動機的額定功率P1 =90W,可以算出渦輪傳遞的功率P2 =P 1 ,再由渦輪的轉(zhuǎn)速n2 =30r/min,求得作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩： T2=9.55P2/n2=9.55P1

33、 /n2=22920N.mm（2）確定載荷系數(shù)K載荷系數(shù).其中為使用系數(shù)，由于工作載荷分布步均勻，啟動時沖擊較大，因此取 =1.15;K 為齒向載荷分布系數(shù)，因工作載荷在啟動和停止時有變化，故取 =1.15； 為動載系數(shù)，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取=1.05,則載荷系數(shù)（3）確定彈性影響系數(shù)鑄錫磷青銅渦輪與鋼蝸桿相配時，從參考文獻中差得彈性影響系數(shù) =160MPa（4）確定接觸系數(shù)先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d1 和傳動中心距a的比值d 1/a=0.35,可得系數(shù)=2.9（5）確定許用接觸力根據(jù)渦輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1,金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC，渦輪的基本許用力 =2

34、68MPa，已知蝸桿為單頭，渦輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時每個輪齒咬合的次數(shù)j=1;渦輪轉(zhuǎn)速n =30r/min;蝸桿副的使用壽命L =10000h。則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=60jn2Lh=1.8107壽命系數(shù)：KHN=0.929許用接觸應(yīng)力：（6）計算中心距將以上各參數(shù)代入式 ，求得中心距：48mm取中心距a=50mm,已知蝸桿頭數(shù)z1 =1,設(shè)模數(shù)m=1.6mm,得直徑d1 =20mm,這時d1/a=0.4,可得接觸系數(shù) =2.74。因為2mm,即P4.24mm.今取蝸桿的渦距P=6mm.5.3.2.2 其它參數(shù)的確定采用單頭梯形螺桿，頭數(shù)n=1,牙側(cè)角b=15，外螺紋達徑d1=50mm,牙頂間隙ac=0.5m

35、m,基本牙形高度H1=0.5P=3mm,外螺紋牙高h1=3.5mm,外螺紋中經(jīng)d2=47mm,外螺紋校徑d3=43mm,螺桿螺紋部分長度H=50mm。5.3.2.3 自鎖性能校核螺桿-螺母材料均用45鋼，取二者的摩擦因數(shù)f=0.11;再求得梯形螺旋副的當量摩擦角約為6.5，而螺紋升角約為2.33，小于當量摩擦角。因此，所選幾何參數(shù)滿足自鎖條件。5.4 自動回轉(zhuǎn)刀架電氣控制設(shè)計 自動回轉(zhuǎn)刀架的電氣控制部分主要包括收信電路和發(fā)信電路兩大塊。硬件收信電路自動回轉(zhuǎn)刀架的電氣控制部分收信電路，如圖8所示: 圖8 自動回轉(zhuǎn)刀架電氣圖a） 發(fā)信盤上的霍爾元件 b) 刀位信號的處理c）刀架電動機正反轉(zhuǎn)控制d)

36、刀架電動機正反轉(zhuǎn)的實現(xiàn) 圖8a中，發(fā)信盤上的4只霍爾開關(guān)（型號為UGN3120U），都有3個引腳，第1角接+12V電源，第2角接+12V地，第3角輸出。轉(zhuǎn)位時刀臺帶動磁鐵旋轉(zhuǎn)，當磁鐵對準某一個霍爾開關(guān)時，其輸出端第3角輸出低電平；當磁鐵離開時，第3角輸出高電平。4只霍爾開關(guān)輸出的4個刀位信號T1T4分別送到圖8b的4只光耦合進行處理，經(jīng)過光電隔離的信號再送給I/O接口芯片8255的PC4PC7。 硬件發(fā)信電路圖8c為刀架電動機正反轉(zhuǎn)控制電路，I/O接口芯片8255的PA6與PA7分別控制刀架電動機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。其中KA1為正轉(zhuǎn)繼電器的線圈，KA2的反轉(zhuǎn)繼電器的線圈。因刀架電動機的功率只有90W