數(shù)控車(chē)床回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì).doc

2010屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)1目錄第1章緒論.21.1數(shù)控車(chē)床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的概述.21.2研究意義.2第2章整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).32.1減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).32.2上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).32.3刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).3第3章自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理.4第4章主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算.64.1蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算.64.2螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算.12第5章電氣控制部分設(shè)計(jì).135.1硬件電路設(shè)計(jì).135.2控制軟件設(shè)計(jì).15第6章結(jié)論.17致謝語(yǔ).18參考文獻(xiàn).19英文翻譯.20張冬冬：數(shù)控車(chē)床回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)2數(shù)控車(chē)床回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)摘要：對(duì)數(shù)控車(chē)床回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)電系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了研究，探究數(shù)控車(chē)床回轉(zhuǎn)刀架的組成和工作原理，完成對(duì)車(chē)床回轉(zhuǎn)刀架機(jī)械部分和電氣部分的設(shè)計(jì)。編制刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)位的控制軟件。采用自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，通過(guò)刀具的快速自動(dòng)定位，可以提高數(shù)控車(chē)床的效率，縮短加工時(shí)間。關(guān)鍵詞：自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架換刀機(jī)電系統(tǒng)蝸桿副第1章緒論1.1數(shù)控車(chē)床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的概述數(shù)控車(chē)床為了能在工件的一次裝夾中完成多個(gè)工序加工，縮短輔助時(shí)間，減少多次安裝所引起的加工誤差，必須帶有自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，根據(jù)裝刀數(shù)量的不同，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架分有四工位，六工位和八工位等形式，根據(jù)安裝的不同方式，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架可分為立式和臥式，而根據(jù)機(jī)械定位方式不同，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架又可分為端齒盤(pán)定位型和三齒盤(pán)定位型等，其中端齒盤(pán)定位型換刀時(shí)需要將刀架抬起，換刀速度較慢且密封性差，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。三齒盤(pán)定位叫免抬型，其特點(diǎn)時(shí)換刀時(shí)刀架不抬起，因此換刀速度快且密封性好，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛性，以承受粗加工時(shí)的切削抗力，為保證轉(zhuǎn)位之后具有高的重復(fù)定位精度，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架還需要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的自動(dòng)換刀由控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1.2研究意義通過(guò)采用數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，縮短工業(yè)加工輔助時(shí)間，減少多次安裝引起的加工誤差，提高效率。2010屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)3第2章整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的選擇電動(dòng)機(jī)選擇三步異相電動(dòng)機(jī)，額定功率為90W，額定轉(zhuǎn)速為1440r/min，而刀架轉(zhuǎn)速設(shè)定30r/min，由于轉(zhuǎn)速較高不能直接驅(qū)動(dòng)刀架，因此必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臏p速，。采用蝸桿副減速，蝸桿副傳動(dòng)可以改變運(yùn)動(dòng)的方向，獲得較大的傳動(dòng)比，以保證傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性并能自鎖，可以減少整個(gè)裝置的空間，比較精簡(jiǎn)。2.2上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上刀架鎖緊與精定位將直接影響工件的加工精度，因?yàn)榈毒咧苯影沧姘涸谏系扼w上，所以刀體要承受全部的切削力，因此對(duì)它的選擇很重要，在設(shè)計(jì)中選擇斷面將上刀體與下刀體的配合加工成提醒的端面齒。采用提醒的端面齒，刀架處于鎖緊時(shí)，下端面齒相互嚙合，這時(shí)上刀體不能繞刀架中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，換刀的時(shí)候抬起機(jī)構(gòu)使上刀體抬起，等上下刀體不能繞刀架的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完成定位。此結(jié)構(gòu)緊密工件平穩(wěn)。2.3刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)在上述過(guò)程中欲使上下刀體的兩個(gè)端面齒脫離。就必須設(shè)計(jì)分離機(jī)構(gòu)，在此選擇螺桿螺母副，并在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當(dāng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)蝸桿渦輪帶動(dòng)螺桿繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，而將上刀體看做螺母，要么轉(zhuǎn)動(dòng)，要么上下移動(dòng)。兩種情況，當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，上刀體與下刀體的端面齒相互嚙合，因?yàn)檫@時(shí)上刀體不能與螺桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使上刀體向上移動(dòng)。當(dāng)端面齒脫離嚙合時(shí)，上刀體就和螺桿一同轉(zhuǎn)動(dòng)，在設(shè)計(jì)螺桿時(shí)要注意螺距的選擇，而螺距的選擇是否合理非常重要，選擇適當(dāng)以便當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，使上刀體與下刀體的端面齒能夠完全脫離嚙合狀態(tài)。圖1為自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖張冬冬：數(shù)控車(chē)床回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)4刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)螺桿正轉(zhuǎn)上蓋圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)上刀體抬起端面齒斷開(kāi)上刀體旋轉(zhuǎn)到位回答蝸桿蝸輪減速銷(xiāo)聯(lián)接螺桿螺母霍爾元件觸發(fā)圖1自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖1-發(fā)信盤(pán)2-推力軸承3-螺桿螺母副4-端面齒盤(pán)5-反靠圓盤(pán)6-三相異步電動(dòng)機(jī)7-連軸器8-蝸桿副9-反靠銷(xiāo)10-圓柱銷(xiāo)11-上蓋圓盤(pán)12-上刀體第3章自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程如圖3所示。圖4表示自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在換刀過(guò)程中有關(guān)銷(xiāo)的位置。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，兩銷(xiāo)的情況如圖a所示，此時(shí)反靠銷(xiāo)6落在反靠圓盤(pán)7的十字槽內(nèi)，上刀體4的斷面和下刀體的端面齒處于齒合狀態(tài)（上下端面齒再圖a中未畫(huà)出）。需要換刀時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號(hào)，三相異步電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)蝸桿副帶動(dòng)螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)，與螺桿配合的上刀體4逐漸抬起，上刀體4與下刀體之間的端面齒慢慢脫開(kāi)；與此同時(shí)，上蓋圓盤(pán)1也隨著螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)（上蓋圓盤(pán)1通過(guò)圓柱銷(xiāo)與螺桿聯(lián)接），當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)約170時(shí)，上蓋圓盤(pán)1直槽的另一端轉(zhuǎn)到圓柱銷(xiāo)2的正上方，由于彈簧3的作用，圓柱銷(xiāo)2落入直槽內(nèi)，于是上蓋圓盤(pán)1就通過(guò)圓柱銷(xiāo)2使得上刀體4轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)（此時(shí)端面齒已完全脫開(kāi)），如圖b所示。上蓋圓盤(pán)1圓柱銷(xiāo)2以及上刀體4在正轉(zhuǎn)的過(guò)程中，反靠銷(xiāo)6能夠從反靠圓盤(pán)7中十字槽的左側(cè)斜坡滑出，而不影響上刀體4尋找刀位時(shí)的正向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖c所示。上刀體4帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時(shí)，發(fā)信盤(pán)上對(duì)應(yīng)的霍爾元件輸出低電平信號(hào)，控制系統(tǒng)收到后，立即控制刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，上蓋圓盤(pán)1通過(guò)圓柱銷(xiāo)2帶動(dòng)上刀體4開(kāi)始發(fā)轉(zhuǎn)，反靠銷(xiāo)6馬上就會(huì)落入反靠圓盤(pán)7的十字槽內(nèi)，至此，完成初定位，如圖d所示。此時(shí)反靠銷(xiāo)6從反靠銷(xiāo)7的十字槽內(nèi)爬不上來(lái)，于是上刀體4停止轉(zhuǎn)動(dòng)，開(kāi)始下降，而上蓋圓盤(pán)1繼續(xù)反轉(zhuǎn)，其直槽的左側(cè)斜坡將圓柱銷(xiāo)2的頭部壓入上刀體4的銷(xiāo)孔內(nèi)，之后，上蓋圓盤(pán)1的下表面開(kāi)始于圓柱銷(xiāo)2的頭部滑動(dòng)。在此期間，上下刀體的端面齒逐漸嚙合，實(shí)現(xiàn)精定位，經(jīng)過(guò)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間2010屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)5圖2自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程后，刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，整個(gè)換刀過(guò)程結(jié)束。由于蝸桿副具有自鎖功能，所以刀架可穩(wěn)定地工作。圖3刀架轉(zhuǎn)位過(guò)程中銷(xiāo)的位置a)換刀開(kāi)始時(shí)，圓柱銷(xiāo)2與上蓋圓盤(pán)1可以相對(duì)滑動(dòng)b)上刀體4連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，圓柱銷(xiāo)2落入上蓋圓盤(pán)1槽內(nèi)，上蓋圓盤(pán)1將帶動(dòng)圓柱銷(xiāo)2以及上刀體4一起轉(zhuǎn)動(dòng)c)上刀體4連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反靠銷(xiāo)6可以從反靠圓盤(pán)7的槽左側(cè)斜坡劃出張冬冬：數(shù)控車(chē)床回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)6d)找到刀位時(shí)，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，反靠銷(xiāo)6反靠，上刀體停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)粗定位1-上蓋圓盤(pán)2-圓柱銷(xiāo)3-彈簧4-上刀體5-圓柱銷(xiāo)6-反靠銷(xiāo)7-反靠圓盤(pán)第4章主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算4.1蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的動(dòng)力源是三相異步電動(dòng)機(jī)，其中蝸桿與電動(dòng)機(jī)直聯(lián)，刀架轉(zhuǎn)位時(shí)蝸輪與上刀體直聯(lián)。已知電動(dòng)機(jī)額定功率P1=90W,額定轉(zhuǎn)速n1=1440r/min,上刀體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n2=30r/min,則蝸桿副的傳動(dòng)比i=n1/n2=1440/30=48。刀架從轉(zhuǎn)位到鎖緊時(shí)，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，起動(dòng)時(shí)沖擊較大，現(xiàn)在要求蝸桿副的使用壽命Lh=10000h。因此對(duì)蝸桿的型號(hào)材料的選擇以及齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算相當(dāng)重要。4.1.1選擇型號(hào)GB/T10085-1988中查選ZI蝸桿，此類(lèi)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。4.1.2選擇材料蝸桿材料用45鋼，渦輪用鑄錫磷青銅ZCuVSn10P1。蝸桿副傳遞的功率不大，但轉(zhuǎn)速較高，選45鋼較合適，其螺旋齒面要求淬火，硬度為4555HRC，以提高表面耐磨性。渦輪轉(zhuǎn)速較低，摩擦較大，主要考慮耐磨性，即選ZCuSn10P1。4.1.3按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。刀架中的蝸桿副采用閉式傳動(dòng)，多因齒面膠合或點(diǎn)蝕而失效。因此，在計(jì)算中先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。按蝸輪接觸疲勞強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)計(jì)算的公式：a32HpEZZKT（1）式中，a蝸桿副的傳動(dòng)中心距，單位為mm；2010屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)7K載荷系數(shù)；T2作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T2，單位Nmm；ZE彈性影響系數(shù)，單位為MPa1/2；ZP接觸系數(shù)；H許用接觸應(yīng)力，單位為MPa。從公式（1）中算出蝸桿副的中心距離a之后，并根據(jù)已知的傳動(dòng)比i=48，從下表1中選擇合適的中心局a的值，以及相應(yīng)的蝸桿，渦輪參數(shù)。（1）確定蝸輪上的轉(zhuǎn)矩2T：設(shè)蝸桿頭數(shù)Z1=1,蝸桿副的傳動(dòng)效率=0.8.由電動(dòng)機(jī)額定功率P1=90w,可以算得P2=P1*=900.8=72w.再由蝸桿轉(zhuǎn)速n2=30r/min.2T=9.55X72/30=22.92Nm（2）確定載荷系數(shù)K=KAKKV其中KA為使用系數(shù)，由表1查得，由于工作載荷不均勻，起動(dòng)時(shí)沖擊較大，因此取KA=1.15；K為齒向載荷分布系數(shù)，因工作載荷在起動(dòng)和停止時(shí)有變化，故取K=1.15；KV為動(dòng)載系數(shù)，由于轉(zhuǎn)速不高沖擊不大，可取KV=1.05。則載荷系數(shù)K=1.151.151.051.39中心距a/mm模數(shù)m/mm分度圓直徑d1/mmm2d1/mm3蝸桿頭數(shù)z1直徑系數(shù)q分度圓導(dǎo)程角蝸輪齒數(shù)z2變?yōu)橄禂?shù)x2405011818118.0031047628200401.252031.25116.003343549-0.500506322.43517.92311386282+0.040+0.440501.62051.2112.504343551-0.500290525417444163802871.68117.50316146182+0.125+0.25