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1、 目录1.绪论11.1国外数控机床状况分析11.2自动刀架状况分析11.3刀架设计总体方案22.刀架机械构造设计32.1刀架机械构造设计总体方案32.1.1减速传动机构方案设计32.1.2上刀体锁紧与精定位机构设计32.1.3刀架抬起机构设计32.2刀架机械构造设计工作原理42.3主要传动部件功能及设计52.3.1三相异步电机的选用52.3.2蜗杆和蜗轮的设计52.3.3蜗杆轴的设计72.3.4中心轴的设计92.3.5轴承的选用102.3.6齿盘的设计113.刀架电气系统设计133.1刀架电气系统设计方案133.2刀架电气系统工作原理133.3刀架电气系统硬件组成153.3.1控制系统的选取1
2、53.3.2交流接触器的选取153.3.3电磁继电器的选取154.设计总结175. 辞186.参考文献19 / 摘要本设计是根据通过电动机正反转，来实现换刀和锁紧的；利用涡轮蜗杆传动，蜗杆传动单级传动能得到很大的传动比，传动平稳，无噪声，冲击载荷小，而且能优化整体构造，做到外型轮廓小，构造紧凑。上、下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计适宜的机构使上刀体抬起，采用的螺杆-螺母副。关键词电动刀架 工作原理 电气控制前言电动刀架是数控车床进展自动换刀的实现机构，实现刀架上刀盘的转动和刀盘的开定位、定位与夹紧的运动，以实现刀具的自动转换，具有传动机械构造、电气正反转控制、PLC编程控制等数控机床的核心容
3、，是每一个学习数控机床构造的学生必须掌握的，具有机械、电气的综合特点。本设计分为三部份，第一局部为绪论，包括国外数控机床状况分析、自动刀架状况分析、刀架设计总体方案等。第二局部为刀架机械构造设计，包括刀架机械构造设计总体方案、刀架机械构造设计工作原理和主要传动部件功能和设计等。第三局部为刀架电气系统设计。包括刀架电气系统设计方案、刀架电气系统工作原理和刀架电气系统硬件组成等。由于本人的实际水平有限，本设计依然会有很多缺乏之处，错误与不妥之处在所难免，故恳请教师批评指正。1.绪论1.1国外数控机床状况分析数控技术自20世纪中叶出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工的加工柔性好
4、，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。数控机床是一种典型的机电一体化产品，适用于加工多品种小批量、构造较复杂、精度要求较高、价格昂贵不允许报废的关键零件。进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃开展的新时期。机床制造业即面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备开展的良机，也遭遇到参加世界贸易组织后剧烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的开展是解决机床制造业持续开展的一个关键。我国的数控技术经过“六五，“七五，“八五，到“九五的近20年的开展，根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
5、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、航天号和号4种根本系统建立了具有中国自主版机的数控技术平台。具有中国特色经济型数控系统经过这些年来的开展，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。“九五期间数控机床开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局部到达期际上20世纪80年代中期水平，局部到达90年代水平，为国家重点建立提
6、供了一批高水平数控机床。1.2自动刀架状况分析从自动换刀系统开展的历史来看，1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期也研制成功了“APT刀具程序控制装置。1958年美国K&T公司研制出带ATC自动刀具交换装置的加工中心。1967年出现FMS(柔性制造系统)。1978年以后，加工中心迅速开展，带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床开展的黄金时代。1983年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的构造模式。自动换刀系统是数控机床的重要组成局部。刀具夹持元件的构造特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响机床的加工性能。刀库构造形式及刀
7、具交换装置的工作方式，那么会影响机床的换刀效率。自动换刀装置是数控机床上最普遍的一种辅助装置，它可以使数控机床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于屡次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度。1.3刀架设计总体方案刀架是机床上的重要附件，主要是完成零件加工过程中的换刀过程。根据刀架所用的对象，即机床，以及其要完成的功能。刀架的设计应包括以下容：一、刀具安装方案设计，即刀具在刀座上的布置形式，必须考虑刀架构造的简单，又要兼顾其安装拆卸的方便。二、传动方案设计，即是采用何种方式实现刀架的转位，准确可靠的刀架转位的实现才能使整个设计有意义
8、。三、检测定位方案设计，刀具能否准确定位是整个设计中非常重要的一步。四、控制方案设计，主要考虑控制元件的选择。2.刀架机械构造设计2.1刀架机械构造设计总体方案2.1.1减速传动机构方案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展换刀，必须经过减速。考虑到本设计减速比拟大，选用蜗杆副减速。蜗杆传动单级传动能得到很大的传动比，传动平稳，无噪声，冲击载荷小，而且能优化整体构造，做到外型轮廓小，构造紧凑，固选蜗杆传动。2.1.2上刀体锁紧与精定位机构设计本设计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
9、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。2.1.3刀架抬起机构设计要想上、下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计适宜的机构使上刀体抬起。从经济型方面考虑，应采用经济的螺杆-螺母副，在上刀体部加工出螺纹，当电动机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，上刀体与下刀体的端面齿相互啮合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，所以螺杆的转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离啮合时，上刀体就与螺杆一同转动。设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定角度时，使得上刀体与下刀体的端
10、面齿能够完全脱离啮合状态。2.2刀架机械构造设计工作原理图2-1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松开并抬起,直至两定位齿盘脱离啮合状态,从而带动上刀架和齿盘产生“上台动作。2) 刀架转位 当齿盘完全脱开，此时销钉准确进入凹槽中，带动刀架体转位。3) 刀架定位 当上刀架转到
11、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中的某一个选通,当磁性板与被选通的霍尔开关对齐后,霍尔开关反应信号使电机反转,插销在弹簧力作用下进入反靠盘地槽中进展粗定位，上刀架体停顿转动，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重新啮合, 实现准确定位。4) 刀架压紧 刀架准确定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿盘增加到一定夹紧力时，电机由数控装置停顿反转，防止电机不停反转而过载毁坏，从而完成一次换刀过程。2.3主要传动部件功能及设计2.3.1三相异步电机的选用考虑刀架只需小功率驱动，为减少生产本钱，选用JD90电动机，其转速为1400r/min
12、,额定功率为90W。2.3.2蜗杆和蜗轮的设计考虑到传递的功率不大，转速较低，选用2A蜗杆，精度8级，GB10089-1988。由?机械设计?得蜗杆选用45钢，外表淬火，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。刀架每天工作16个小时，工作寿命7年，每年工作300天。查表5-7 得到 ，1确定作用在蜗轮上的转距T2假设i=45，按Z1=1，取效率=0.7， 那么T2=T*i=19338.3 N.mm2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表从而选取KA=1.15,由于
13、转速不高，冲击不大，可取动载系数KV=1.1；那么K=KA*K*KV=1*1.15*1.1=1.2651.273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，由表5-6得4按接触疲劳强度计算查图5-10，得那么将以上数据代入公式由参考文献4查表5-1，取m=1.6mm,d1=28mm,此时，m2d1=71.68mm370.09mm35校核弯曲强度查表5-10，YF=2.35查表5-10，OF=64MPa由NL=3.136107查图5-10，得YN=0.9那么代入公式：F=57.6MPa 强度足够6蜗杆和蜗轮主要几何尺寸计算蜗杆 分度圆直径：d1=28mm 直径系数：q=d1/m =17
14、.5， 蜗杆头数：Z1=1 分度圆导程角：=31612蜗杆轴向齿距：PA=5.024mm； 蜗杆齿顶圆直径：蜗杆齿根圆直径：蜗杆轴向齿厚：Sa=1/2=2.512mm蜗杆轴向齿距：螺纹局部长度：b1(11+0.06Z2)m=(11+0.0645)1.6mm=21.92mm考虑磨削，取b1=30mm蜗轮 蜗轮齿数：Z2 =41 变位系数=0 验算传动比：i=/=41/1=41 蜗轮分度圆直径：d2=mz2=65.6mm 蜗轮齿顶圆直径： 蜗轮齿根圆直径：蜗轮外圆直径：当在Z=1时， 取de2=70mm 涡轮齿宽：b20.75da1=0.7531.2=23.4mm 取b2=21mm2.3.3蜗杆轴
15、的设计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，查表11-1，得2)按扭转强度初步估算轴的最小直径查表11-2得A0=110，所以3确定各轴段的直径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2-2 蜗杆轴构造d1=d5 同一轴上的轴承选用同一型号，d5轴上有一个键槽，故槽径增大5%d1=d5=d1(1+5%)=4.6mm ,圆整d1=d5=17mmd4=d2=20mm,便于加工和安装d3为蜗杆与蜗轮啮合局部，故d3=28mmL1为与轴承配合的轴段，查轴承宽度为12mm，端盖宽度为10mm，那么L1=22mmL2
