畢業(yè)論文數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計(jì)

1、高等教育自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)機(jī)電一體化 姓名指導(dǎo)教師姓名、職稱所屬助學(xué)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(shì)11.4 本章小結(jié)12 數(shù)控車床自動(dòng)換刀裝置12.1 自動(dòng)換刀裝置的形式12.1.1 更換主軸頭換刀.22.1.2 帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)22.1.3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架換刀22.2 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架換刀的優(yōu)點(diǎn)22.3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的分類22.4 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架換刀的技術(shù)要求22.5 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的四個(gè)基本動(dòng)作32.6 本章小結(jié)33 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)33.1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)

2、刀架的PLC程序的作用33.2 電動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架具體工作過(guò)程33.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)53.4 本章小結(jié)64 刀架進(jìn)給運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)64.1 刀架進(jìn)給伺服系統(tǒng)各組成部分的功能6 伺服驅(qū)動(dòng)裝置的作用6 伺服電機(jī)的作用6 檢測(cè)裝置的作用64.2 刀架運(yùn)動(dòng)執(zhí)行裝置74.3 本章小結(jié)75 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣設(shè)計(jì)75.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)75.1.1 減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)75.1.2 上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)85.1.3 刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)85.2 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)85.2.1 液壓原理85.2.2 機(jī)械結(jié)

3、構(gòu)95.2.3 刀架主要零件設(shè)計(jì)9.1動(dòng)齒盤(pán)與靜齒盤(pán)95.2.3.2 刀架定位精度及重復(fù)定位精度95.2.3.3 花鍵軸105.2.3.4 防水、防塵設(shè)計(jì)105.2.3.5 控制方式105.2.3.6 活塞105.2.4 刀架驅(qū)動(dòng)形式105.3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算105.3.1 蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)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(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)115.3.1.4 蝸桿和渦輪的主要計(jì)算參數(shù)和幾何尺寸135.3.1.5 校核渦輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度135.3.2 蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)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(dòng)回轉(zhuǎn)刀架電氣控制設(shè)計(jì)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(xiàn)19摘 要數(shù)控車床的出現(xiàn)對(duì)提高生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量以及改善勞動(dòng)條件等發(fā)揮了重要的作用,為了進(jìn)一步壓縮非切削時(shí)間，數(shù)控機(jī)床正朝著一臺(tái)機(jī)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(jī)床中必須帶有自動(dòng)換刀裝置，在多工序數(shù)控機(jī)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(dòng)更換裝置，擴(kuò)大了換刀數(shù)量，快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)了換刀操作。數(shù)控車床上使用的自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架是一種在一定的空間范圍內(nèi)，能執(zhí)行自動(dòng)松開(kāi)、轉(zhuǎn)位

5、、精密定位等一系列動(dòng)作的一種機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)主要論述一種多工位液壓數(shù)控自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)及自動(dòng)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(dòng)回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計(jì)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(duì)刀儀、液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、氣動(dòng)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(xiě)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(duì)加工程序進(jìn)行相應(yīng)譯碼和運(yùn)算，并將處理結(jié)果送到機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)的伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)接收來(lái)自數(shù)控裝置輸出的指令信息并且經(jīng)過(guò)功率放大后，帶動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件按照規(guī)定的軌跡和速度運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)床自動(dòng)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(shì)數(shù)控車床的出現(xiàn)對(duì)提高生產(chǎn)率改善產(chǎn)品質(zhì)量以及改善勞動(dòng)條件等發(fā)揮了重要的作用，為了進(jìn)一步壓縮非切削時(shí)間，數(shù)控機(jī)床正朝著一臺(tái)機(jī)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(jī)床中必須帶有自動(dòng)換刀裝置，在多工序數(shù)控機(jī)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(dòng)更換裝置，擴(kuò)大了換刀數(shù)量，以便有可能實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的換刀操作。1.4 本章小結(jié)數(shù)控車床是集機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)、微電子和信息等多項(xiàng)技術(shù)為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是提高制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)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(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。2 數(shù)控車床自動(dòng)換刀裝置2.1 自動(dòng)換刀裝置的形式自動(dòng)換刀裝置是加工中心的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的形式多種多樣，目前常見(jiàn)的有以下三種：更換主軸頭換刀、帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)、自動(dòng)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(jī)床中，更換主軸頭是一種簡(jiǎn)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(lái)更換主軸頭，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。在轉(zhuǎn)塔的各個(gè)主軸頭上，預(yù)先安裝有各工序所需的旋轉(zhuǎn)刀具。當(dāng)發(fā)出換刀指令時(shí)，各主軸頭依次地轉(zhuǎn)到加工位置，并接通主軸運(yùn)動(dòng)，使相應(yīng)的主軸帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，而其他處于不加工位置上的主軸都與主運(yùn)動(dòng)脫開(kāi)。 帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)由刀庫(kù)和刀具交換機(jī)構(gòu)組成。首先把加工過(guò)程中需要使用的全部刀具分別安裝在標(biāo)準(zhǔn)刀柄上，在機(jī)外進(jìn)行尺寸預(yù)調(diào)整后，按一定的方式放入刀庫(kù)中去。換刀時(shí)先在刀庫(kù)中進(jìn)行選刀，并由刀具交換裝置從刀庫(kù)和主軸上取出刀具，在進(jìn)行交換刀具之后，將新刀具裝入主軸，把

12、舊刀具放回刀庫(kù)。存放刀具的刀庫(kù)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(dú)部件安裝到機(jī)床以外，并由搬運(yùn)裝置運(yùn)送刀具。 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架換刀自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架換刀數(shù)控車床使用的回轉(zhuǎn)刀架是最簡(jiǎn)單的自動(dòng)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(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀動(dòng)作是由液壓系統(tǒng)通過(guò)電磁換向閥和順序閥進(jìn)行控制的。2.2 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架換刀的優(yōu)點(diǎn)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(duì)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(duì)機(jī)床的換刀裝置進(jìn)行改進(jìn)，數(shù)控車床上使用的自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架是一種最簡(jiǎn)單的換刀裝置，自動(dòng)

13、回轉(zhuǎn)刀架是在一定的空間范圍內(nèi)能執(zhí)行自動(dòng)松開(kāi)、轉(zhuǎn)位、精密定位等一系列動(dòng)作的一種機(jī)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(shí)間，減少多次安裝所引起的加工誤差。2.3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的分類根據(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多種形式。根據(jù)安裝方式的不同，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架可分為立式和臥式兩種。根據(jù)機(jī)械定位方式的不同，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。2.4 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架換刀的技術(shù)要求自動(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。為了保證轉(zhuǎn)位具有高的重復(fù)定位精度，自動(dòng)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(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的

14、自動(dòng)換刀時(shí)由控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2.5 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的四個(gè)基本動(dòng)作回轉(zhuǎn)刀架的全部動(dòng)作由液壓系統(tǒng)通過(guò)電磁換向閥和順序閥進(jìn)行控制，它的動(dòng)作分為四個(gè)步驟：刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位、刀架壓緊、轉(zhuǎn)位液壓缸復(fù)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(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以，刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛度，以承受粗加工時(shí)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(fù)定位精度。此外，刀架的設(shè)計(jì)還應(yīng)滿足換刀時(shí)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(dòng)化的機(jī)床，它的刀架一般都

15、采用自動(dòng)（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(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)、自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架換刀等多種形式。 由于自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架具有剛度大、重復(fù)定位精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在生產(chǎn)工業(yè)中被廣泛的使用著。3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的PLC程序的作用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床都配有電動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，回轉(zhuǎn)刀架除了必須具有良好的強(qiáng)度和剛度，以承受粗加工的切削力和定位精度外，同時(shí)通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置PLC或獨(dú)立PLC和控制電路完成回轉(zhuǎn)刀架的自動(dòng)回轉(zhuǎn)及找刀定位的全部動(dòng)作，所以自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的PLC程序設(shè)計(jì)對(duì)刀架的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性具有重要的作用。3.2

16、 電動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架具體工作過(guò)程電動(dòng)刀架一般有四工位或六工位，由電動(dòng)機(jī)、機(jī)械換刀機(jī)構(gòu)、發(fā)訊盤(pán)等組成，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出換刀信號(hào)，刀架電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)將上刀體上升至一定位置，離合盤(pán)起作用，帶動(dòng)上刀體旋轉(zhuǎn)到所選擇刀位，發(fā)訊盤(pán)發(fā)出刀位到位信號(hào)，刀架電機(jī)反轉(zhuǎn)，完成初定位后上刀體下降，齒牙盤(pán)嚙合，完成精確定位，并通過(guò)升降機(jī)構(gòu)鎖緊刀架。3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)刀架的換刀過(guò)程通過(guò)PLC對(duì)控制刀架的所有IO信號(hào)進(jìn)行邏輯處理及計(jì)算，實(shí)現(xiàn)刀架的順序控制，另外為了保證換刀能夠正確進(jìn)行，系統(tǒng)還要設(shè)置一些相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)來(lái)對(duì)換刀過(guò)程進(jìn)行調(diào)整。本設(shè)計(jì)采用西門(mén)子S7200編程軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。 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(guò)控制刀架電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來(lái)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(hào)，通過(guò)霍爾開(kāi)關(guān)(一般為NPN型，因此我們?cè)诮尤隤NP型PLC時(shí)要并接一電阻)進(jìn)行到位檢測(cè)。 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(dòng)換刀，另一種是通過(guò)T指令進(jìn)行自動(dòng)換刀。手動(dòng)換刀是指將機(jī)床調(diào)至手動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)刀位選擇按鍵進(jìn)行目的刀位選擇，有的系統(tǒng)是利用波段開(kāi)關(guān)的形式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，有的系統(tǒng)是利用記數(shù)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如說(shuō)通過(guò)檢測(cè)刀位選擇信號(hào)的狀態(tài)，如果按下刀位選擇按鍵，計(jì)數(shù)器的數(shù)值會(huì)

18、發(fā)生改變，系統(tǒng)選擇也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。也可以采用單鍵換刀，一個(gè)短促的按鍵可以換下一個(gè)刀位。T指令換刀是直接通過(guò)編程刀號(hào)作為目的刀位進(jìn)行換刀。刀架電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)為選刀過(guò)程，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)為鎖緊過(guò)程，選刀監(jiān)控時(shí)間和鎖緊監(jiān)控時(shí)間由PLC定時(shí)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(jì)PLC程序部分包括換刀刀號(hào)或編程刀號(hào)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(shí)監(jiān)控等，自動(dòng)換刀部分梯形圖如圖3。圖3是自動(dòng)換刀控制的PLC梯形圖，在梯形圖中，用字節(jié)傳送指令將當(dāng)前刀位開(kāi)關(guān)信號(hào)I0.0一l0.3轉(zhuǎn)換成當(dāng)前刀號(hào)存放到Tc中，在T選通信號(hào)的作用下，將指令刀號(hào)Tp和當(dāng)前刀號(hào)Tc進(jìn)

19、行比較，如果不相等則置位Q0.0，復(fù)位Q0.1，KM1吸合，刀架電機(jī)正轉(zhuǎn)架開(kāi)始旋轉(zhuǎn)；刀架在正向旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中不停的對(duì)刀位輸入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，每把刀具各有一個(gè)霍爾位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)，各刀具按順序依次經(jīng)過(guò)發(fā)磁體位置產(chǎn)生相應(yīng)的刀位信號(hào)。當(dāng)產(chǎn)生的刀位信號(hào)和指令刀號(hào)相一致的時(shí)候，PLC認(rèn)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(shí)間，這一時(shí)間由時(shí)間繼電器T7設(shè)定，不能過(guò)長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成手動(dòng)或自動(dòng)換刀時(shí)目的刀位不正確，過(guò)短對(duì)有些刀架會(huì)造成換不到位，特別是手動(dòng)換刀時(shí)會(huì)找不到下一個(gè)刀位而在原位轉(zhuǎn)換，這個(gè)時(shí)間的設(shè)定在調(diào)試時(shí)具體調(diào)定。自動(dòng)換刀時(shí)延時(shí)一段時(shí)間以后，Q0.0復(fù)位，Q0.1置位，電機(jī)停止正向旋轉(zhuǎn)，架開(kāi)

20、始反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)過(guò)程其實(shí)就是刀架鎖緊的過(guò)程，此過(guò)程延續(xù)一段時(shí)間，直到刀架鎖緊到位，但反轉(zhuǎn)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短。過(guò)長(zhǎng)就有可能燒壞電機(jī)或造成電機(jī)過(guò)熱空開(kāi)跳閘，時(shí)間過(guò)短有可能造成刀架不能夠鎖緊。刀架鎖緊以后，整個(gè)換刀過(guò)程結(jié)束。當(dāng)然，在梯形圖的設(shè)計(jì)中還要考慮一些保護(hù)和安全因素，如刀架電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間旋轉(zhuǎn)，而檢測(cè)不到刀位信號(hào)，則認(rèn)為刀架出現(xiàn)故障，立即停止刀架電動(dòng)機(jī)，以防止將其損壞并報(bào)警提示；刀架電動(dòng)機(jī)過(guò)熱報(bào)警時(shí)，停止換刀過(guò)程，并禁止自動(dòng)加工等。圖3 自動(dòng)換刀梯形圖3.4 本章小結(jié)自動(dòng)換刀控制的PLC程序在實(shí)際應(yīng)用中靈活性強(qiáng)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(shí)間、正

21、轉(zhuǎn)找到刀位后的延遲時(shí)間、和反轉(zhuǎn)鎖緊監(jiān)控時(shí)間等，使刀架的運(yùn)行效率高并穩(wěn)定可靠。4 刀架進(jìn)給運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 刀架進(jìn)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(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的四肢，執(zhí)行來(lái)自CNC裝置的運(yùn)動(dòng)指令。進(jìn)給伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電機(jī)和位置檢測(cè)裝置組成。 伺服驅(qū)動(dòng)裝置的作用伺服驅(qū)動(dòng)裝置的主要功能是功率放大和速度調(diào)節(jié)，將弱電信號(hào)轉(zhuǎn)化為強(qiáng)電信號(hào)，并保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 伺服電機(jī)的作用伺服電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，拖動(dòng)機(jī)械部件移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電機(jī)包括主軸電機(jī)和各方向的進(jìn)給電機(jī)。 檢測(cè)裝置的作用檢測(cè)裝置是把位移和速度

22、測(cè)量信號(hào)作為反饋信號(hào)，并將反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送回計(jì)算機(jī)與脈沖指令信號(hào)進(jìn)行比較，以控制驅(qū)動(dòng)元件的正確運(yùn)轉(zhuǎn)。4.2 刀架運(yùn)動(dòng)執(zhí)行裝置滾珠絲杠螺母副是數(shù)控車床刀架進(jìn)給運(yùn)動(dòng)理想的運(yùn)動(dòng)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(jìn)給伺服系統(tǒng)的任務(wù)是控制機(jī)床執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)的位移、方向和速度。它由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行部件以及電氣自動(dòng)控制兩大部分組成。5 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)計(jì)5.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)一臺(tái)四工位的立式自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，適用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，使自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上具有良好的強(qiáng)度和剛性，以承受粗加工時(shí)的切削抗力，同時(shí)具有換刀時(shí)的快速性、穩(wěn)定性和高定位精度的重復(fù)性。圖

23、4為自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖4 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)結(jié)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 聯(lián)軸器 8 蝸桿副 9 反靠銷10 圓柱銷 11 上蓋圓盤(pán) 12 上刀體 減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)普通的三相異步電動(dòng)機(jī)因轉(zhuǎn)速太快，不能直接驅(qū)動(dòng)刀架進(jìn)行換刀，必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臏p速。根據(jù)立式轉(zhuǎn)位刀架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用蝸桿副減速是最佳選擇。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，保證傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，并且具有自鎖功能，還可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的小型化。 上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jì)上刀體的鎖緊與定位機(jī)構(gòu)選用端面齒盤(pán)，將上刀體和下刀體的配合面加工成梯形端面齒。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，上下端面齒相互咬合，這時(shí)上刀體不能繞刀架的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)；換刀時(shí)電動(dòng)機(jī)正傳，抬起機(jī)構(gòu)使上刀體抬起，等上下端面齒脫開(kāi)后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完成轉(zhuǎn)位動(dòng)作。 刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要想使上，下刀體的兩個(gè)端面齒脫離，就必須設(shè)計(jì)合適的機(jī)構(gòu)使上刀體抬起。本設(shè)計(jì)選用螺桿-螺母副，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)蝸桿繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動(dòng)，要么上下移動(dòng)。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咬合，因?yàn)檫@時(shí)上刀體不能與螺桿一

25、起轉(zhuǎn)動(dòng)，所以螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使上刀體向上移動(dòng)。當(dāng)端面齒脫離咬合時(shí)，上刀體就與螺桿一同轉(zhuǎn)動(dòng)。5.2 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(guò)刀架的旋轉(zhuǎn)分度定位來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)換刀動(dòng)作。 液壓原理如圖5所示，當(dāng)YV3帶電時(shí)，液壓缸上行，轉(zhuǎn)塔松開(kāi)。此時(shí)YV1帶電，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)塔隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)到預(yù)定位置時(shí)，YV1和YV3斷電、YV4帶電，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jī)體內(nèi)，通過(guò)機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)電機(jī)的機(jī)械自鎖，防止轉(zhuǎn)塔越位。圖5刀架液壓原理圖 機(jī)械結(jié)構(gòu)圖6為多工位數(shù)控刀架的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖.工作時(shí)，液壓缸后腔

26、來(lái)油，壓力油作用在活塞后端面上，推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng)，活塞推動(dòng)轉(zhuǎn)塔運(yùn)動(dòng)，動(dòng)齒盤(pán)與靜齒盤(pán)脫開(kāi)，這時(shí)液壓電機(jī)通過(guò)同步齒形帶帶輪帶動(dòng)花鍵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，花鍵軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)塔到位時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)機(jī)械自鎖，防止轉(zhuǎn)塔越位。液壓電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，液壓缸前腔來(lái)油，壓力油作用在活塞前端面上，推動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng)，活塞推動(dòng)花鍵軸向右運(yùn)動(dòng)，動(dòng)齒盤(pán)與靜齒盤(pán)嚙合，轉(zhuǎn)塔鎖緊。要求花鍵軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，活塞不隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者之間通過(guò)滑動(dòng)軸承配合，把活塞孔直接設(shè)計(jì)成滑動(dòng)軸承。圖6 刀架機(jī)械結(jié)構(gòu)圖1、刀具固定塊2、圓螺母 3、彈簧墊片4、動(dòng)齒盤(pán)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(dòng)齒盤(pán)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(jì).1 動(dòng)齒盤(pán)與靜齒盤(pán)動(dòng)齒盤(pán)與靜齒盤(pán)是數(shù)控刀架的兩個(gè)主要零件，其精度決定刀架性能的好壞，齒盤(pán)的齒形可設(shè)計(jì)成向心齒（即齒面為梯形齒、齒的截面也為梯形）或設(shè)計(jì)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(jì)為45mm，可獲得所需的鎖緊力滿足刀架剛度要求。.2 活塞對(duì)活塞的設(shè)計(jì)要求：當(dāng)花鍵軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，活塞是不允許隨之轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以兩者之間應(yīng)有軸承來(lái)傳動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，顯然在這里用滾動(dòng)軸承是不合適的，必需采用滑動(dòng)軸承。本設(shè)計(jì)直接在活塞孔內(nèi)開(kāi)螺旋形

28、潤(rùn)滑油槽，把活塞孔設(shè)計(jì)成滑動(dòng)軸承。由于省去了花鍵軸與活塞孔之間的滑動(dòng)軸承，使刀架的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步得到簡(jiǎn)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(dòng)軸又是液壓缸的活塞桿；它既有往復(fù)運(yùn)動(dòng)，又有轉(zhuǎn)動(dòng)，所以花鍵軸與活塞配合部分的配合采用G7/h6。配合特點(diǎn)是：間隙很小的滑動(dòng)配合，用于不希望自由轉(zhuǎn)動(dòng)，但可自由移動(dòng)和滑動(dòng)并精確定位時(shí)。.4 防水、防塵設(shè)計(jì)防水、防塵設(shè)計(jì)是刀架設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一，刀架工作過(guò)程中鐵屑會(huì)進(jìn)入刀架本設(shè)計(jì)采用O型密封圈和氈圈進(jìn)行密封。.5 控制方式控制方式也是數(shù)控刀架設(shè)計(jì)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(dòng)化程度和編程方法，本文采用控制過(guò)程中普遍使用

29、的行程開(kāi)關(guān)和編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)刀架的自動(dòng)控制。行程開(kāi)關(guān)控制轉(zhuǎn)塔的松開(kāi)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(fù)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(jì)中心豎直平面內(nèi)的偏差，重復(fù)定位精度是指刀架各工位反復(fù)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(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)使控制電機(jī)的電磁閥斷電，此時(shí)電機(jī)內(nèi)部的機(jī)械自鎖部件使電機(jī)停在預(yù)定位置上，所以刀架具有較高的定位精度和重復(fù)定位精度。 刀架驅(qū)動(dòng)形式由于滾珠絲杠具有摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，所以刀架的驅(qū)動(dòng)方式采用AC伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)刀架的直線運(yùn)動(dòng)，刀架軀動(dòng)系統(tǒng)如圖7所示。圖7 刀架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理

30、簡(jiǎn)圖5.3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)一臺(tái)四工位的立式自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，適用于C616或C6132經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。推薦刀架所用電動(dòng)機(jī)的 額定功率為90W，額定轉(zhuǎn)速為1440r/min，換刀時(shí)要求刀架轉(zhuǎn)動(dòng)的速度為30r/min。蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的動(dòng)力源時(shí)三相異步電動(dòng)機(jī)，其中蝸桿與電動(dòng)機(jī)直連，刀架轉(zhuǎn)位時(shí)渦輪與上刀體直連。已知電動(dòng)機(jī)額定功率P 1=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)位刀鎖緊時(shí)，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，啟動(dòng)時(shí)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(kāi)線蝸桿（Z1蝸桿）和錐面包絡(luò)蝸桿（ZK蝸桿）。本設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便的漸開(kāi)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(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，在進(jìn)行承載能力計(jì)算時(shí)，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再按齒根

32、彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。按渦輪接觸疲勞強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)計(jì)算的公式為：式中 a-蝸桿副的傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)效率取 =0.8。由電動(dòng)機(jī)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(dòng)時(shí)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(dòng)和停止時(shí)有變化，故取 =1.15； 為動(dòng)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(shí)，從參考文獻(xiàn)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(dòng)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(shí)每個(gè)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(jì)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(shí)d1/a=0.4,可得接觸系數(shù) =2.74。因?yàn)?mm,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(dá)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h(yuǎn)1=3.5mm,外螺紋中經(jīng)d2=47mm,外螺紋校徑d3=43mm,螺桿螺紋部分長(zhǎng)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(dāng)量摩擦角約為6.5，而螺紋升角約為2.33，小于當(dāng)量摩擦角。因此，所選幾何參數(shù)滿足自鎖條件。5.4 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架電氣控制設(shè)計(jì) 自動(dòng)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(dòng)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(dòng)回轉(zhuǎn)刀架電氣圖a） 發(fā)信盤(pán)上的霍爾元件 b) 刀位信號(hào)的處理c）刀架電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制d)

36、刀架電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn) 圖8a中，發(fā)信盤(pán)上的4只霍爾開(kāi)關(guān)（型號(hào)為UGN3120U），都有3個(gè)引腳，第1角接+12V電源，第2角接+12V地，第3角輸出。轉(zhuǎn)位時(shí)刀臺(tái)帶動(dòng)磁鐵旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁鐵對(duì)準(zhǔn)某一個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)時(shí)，其輸出端第3角輸出低電平；當(dāng)磁鐵離開(kāi)時(shí)，第3角輸出高電平。4只霍爾開(kāi)關(guān)輸出的4個(gè)刀位信號(hào)T1T4分別送到圖8b的4只光耦合進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)光電隔離的信號(hào)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的功率只有90W