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1、毕 业 设 计题 目 自动回转刀架及其控制系统设计专 业 数控加工与维护工程 班 级 07大专数控（三）班 学 生 于 海 伟 指导教师 孙 美 维 西安工业大学函授部二 0 0 九 年摘 要数控转刀架是数控车床的一个重要功能部件,它以回转分度方式实现切削工具的自动转换。目前已有多种类型产品形成专业化生产,其中双插销反靠式数控转塔刀架是国内研制的一种电动机械刀架。其结构简单,成本低廉,已在国内各类数控车床中有广泛应用，但故障率较高。数控(NC)刀架是数控机床的重要部件,加工工件的质量有有相当程度取决于NC刀架的性能。它以回转分度实现刀具自动交换及回转动力刀具的传动。因技术含量高,已经趋向专业化
2、开发生产。所以对数控转塔刀架的研究开发及应用己引起数控机床行业的重视。本设计是蜗轮蜗杆传动与定位装置的刀架,用来使装夹于刀架板上的许多刀具之一进入操作位置。本设计涉及采用电力机就操作之高速车床所用刀架。在对大量工件进行机械加工时,需要按照预定的和自动控制的周期对同一工件顺序的使用若干刀具。此外,机械加工中的一项基本要求就是速度,是要减少从一种刀具加工完毕至下一种刀具开始加工之间,转台使新的刀具转至相应操作位置的全部动作所需的空载时间关键词：数控 刀架 自动回转 工件目 录第一章 数控的发展及其刀架1.1. 国内发展情况1.2. 国外发展情况1.3. 结构组成与动作循环1.4. 技术性能与发展趋
3、势1.4.1. 精度1.4.2. 运转性能1.4.3. 润滑与密封1.4.4. 负载能力与刚度1.4.5 可靠性方面1.5 现代典型数控转塔刀架的结构分析1.5.1. 液压式1.5.2. 液压机械式1.5.3. 电动势1.6 控制与接口1.6.1 直接与数控系统接口1.6.2 通过可编程序控制器(PLC)与数控系统接口1.7 各种刀架简介1.7.1 简易经济型数控刀架1.7.3 带动力刀具的数控刀架第二章 方案选择及论证2.1 传动方案的分析和拟定2.1.1 技术关键2.1.2 数控立式四工位抬起式自动刀架传动方案的分析和拟定第三章 主要参数的计算3.1 刀架的设计参数3.2 动力参数的确定3
4、.2.1 选择电机类型3.2.2 电机容量的设计计算 第四章 传动机构的设计计算4.1蜗杆传动的设计计算4.1.1 选择蜗杆传动类型4.1.2 选择材料4.1.3 按齿面接触疲劳强度设计4.1.4 蜗轮蜗杆的主要参数及尺寸4.1.5 校核齿根弯曲疲劳强度4.1.6 精度等级和表面粗糙度的确定4.1.7 蜗轮蜗杆的结构4.1.8 蜗杆传动的热平衡计算4.2 丝杆螺母传动的设计计算4.2.1 丝杆材料的选择4.2.2 螺母材料的选择4.2.3 丝杆螺母几何尺寸的计算4.3 定位机构的设计4.3.1 插销的设计计算4.3.2 预定位机构与反靠机构4.3.3 精定位机构多齿盘的设计4.3.4 弹簧的设
5、计计算4.3.5蜗杆轴的校核5.1 基本硬件组成第五章 刀架的接口与控制5.2 通过可编程序控制器（PLC）与控制系统实现接口5.3 可编程序控制器（PLC）控制程序设计5.3.1 输入点分配5.3.2 输出点结束语致谢参考文献第一章 数控的发展及其刀架1.1. 国内发展情况我国的刀架生产还出在发展阶段，品种、规格、可靠性等方面还需要有一个完善的过程，远远没有达到成熟。基本上采用传统材料和传统，加上部分外购配套件的可靠性较差造成产品整体的可靠性与外国的差距。国内部分刀架回转原理为电机经弹簧理合器带动蜗杆，再由蜗轮带动蜗杆旋转，当刀架转体时，由霍尔元件不断检测刀架转体是否到位，到位后霍尔元件发出
6、信号，然后反转锁紧。主要采用有销盘、内齿盘，外齿盘组成的三端齿定位机构实现准确定位。其控制部分主要选用MCS-51系列单片机以及ATMEL公司的AT89等同类产品进行控制。烟台机床附件厂是目前我国生产刀架水平最高的厂家，特别是可以生产带刀头的刀架。该厂家全套引进意大利的生产线，产品属于高档型。1.2. 国外发展情况 国外数控机床附件产品的开发应用比较早，经验丰富，再由于技术进步，新材料，新结构的不断出现与应用，使得其产品的可靠性比较高。国外主要分为日本和欧美两大流派。其产品的特点是夹紧力大，采用专用电机，体积小，转矩大，可靠性高，耐磨，可靠性较高。比如，日本日研公司部分回转刀架的核心部件蜗杆副
7、，蜗轮采用氮化钢，齿部表面采用氮化处理，硬度高；蜗杆为硬质合金蜗杆；整个蜗杆副为硬齿面接触，耐磨。既实现了高速又保证了高可靠性。还有德国的肖特（SAUTER）、意大利的杜普洛马蒂克（DUPLOMATIC）和巴鲁法迪（BARUFFALDI）等，他们都有自己的系列、规格和专利。像肖特（SAUTER）的刀架，采用行星传动机构，其结构紧凑，传动方向均为同一方向，没有像蜗杆副的降速机构的交叉轴设计，易于一体化布置。采用牙嵌式齿行离合器的升起和加紧，空行程转角、小效率高，且自锁功能可靠。其控制部分大都与机床一起采用CNC控制，目前国际比较好的系统有西门子，法拉克，三菱等。 1.3. 结构组成与动作循环典型
8、的数控转塔刀架一般有动力源（电极或油缸，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（换刀指令）刀盘放松（抬起）转位刀位检测预分度精确定位刀具锁紧结束，答复信号。1.4. 技术性能与发展趋势数控转塔刀架的技术发展很快，现正逐步形成标准定型产品。我国数控转塔刀架标准草案中所规定的主要技术性能如下：1.4.1. 精度定位精度要求高，一般要求工位目标位置重复定位精度在，刀槽的工作位置定位精度在0.03-0.05。各种形位公差为。因此定位机构均采用精密多齿盘。先进工艺用浮硬齿面对研,重复定位精度可高达
9、另外,刀盘加工趋向用淬火硬磨削,以获得刀槽精度的长期保持性及高的刚度。1.4.2. 运转性能主要是转位时间和转位频率。先进水平一次转位周期0.3ls,最快己达0.lS。分度频率为6001000次/h 。双向转位就近换刀(最短路程换刀)的结构正在开发应用,如双向滚子端面凸轮机构 , 可显著缩短换到周期。为了克服刀盘高速转位引起的惯性冲击,使用恰当的缓冲元件是其发展趋势。1.4.3. 润滑与密封目前趋向于开发能终生润滑的产品,即在使用全过程中,不需要用户再采取任何润滑措施。因工作环境恶劣,对密封性能要求很高,通常规定在刀架体内棋道压力105pa气路 ,浸入装有防锈液的试验箱内,在规定时间内,不得有
10、漏气现象。1.4.4. 负载能力与刚度数控转塔刀架的负载能力与刚度,除了与有关零件的尺寸、形状、结构等有关外 , 受刀盘锁紧力影响也很大。一般小型产品锁紧力为左右,高性能产品可达 以上。对数控转塔刀架的静刚度目前尚无规范要求,有的企业标准已经提出测详见定, 但缺乏数据指示。对动刚度,动态性能,在生产实践中反映出其影响明显,但也无可靠数据指示提出,这些方面是今后研究开发中的重要方向。1.4.5 可靠性方面可靠性是产品性能的综合反映。对转塔刀架目前一般要求平均无故障时间(MTBF)为 次,高级的已经达到次以上,国内产品在设方面亟待提高。1.5 现代典型数控转塔刀架的结构分析1.5.1. 液压式 这
11、类刀架用液压缸实现刀盘锁紧,低速大扭矩液压马达驱动刀盘转位。液压缸可获得很大的锁紧力,故刀架刚性很好。该机构适用于重负荷切削,且易双向转位就近换刀,大型数控车床应用较多。 近年已开发出将液压马达和滚珠式预分度机构合为一体的液压分度马达(Index Motor) 。可使刀架简化,重复定位精度可达。刀盘加速时间仅为0.1S,有较好的应用前景。1.5.2. 液压机械式这类刀架用液压缸锁紧刀盘,转位和预分度则用点电机通过机械传动装置实现, 如槽轮机构。目前趋向采用动态性能较好的间歇凸轮转位机构。1.5.3. 电动势 这类刀架以电机为动力源,使用方便,应用最多。主要形式有以下几种：（1）单面凸爪锁紧式是
12、我国自行开发的小型产品刀盘主轴上固联有单向凸爪离合器的右半。电机经蜗轮传动使主动凸爪(离合器左半)正向旋转,两个半离合器结合,两定位多齿盘觉分开啮合,刀盘转位。到位后反向旋转,刀盘转动被预分度机构的定位销阻止,由于凸爪斜面作用使离合器左右两半分离,使刀盘右移实现定位锁紧。此形式结构紧凑,但锁紧力靠机构的弹性变形产生,调整较难,主轴刚度不宜大,适用于低速低载,如仪表及床上使用。（2）双插销反靠式这类刀架以 T 形丝杠螺母机构产生锁紧力。电机正转时丝杠移动使两多齿盘分离，再由反靠盘及插销带动刀盘转动到位,检测装置发讯时电机反转,插销向预分度糟反靠实现预分度。由于另一端插销斜面作用,反靠盘与之分离,
13、电机继续反转则使丝杠连同刀盘反向位移至多齿盘啮合锁紧。该刀架转位周期为, 不能双向转位。因只用一个传动链实现动作循环 ,各动作协调由一特殊双插销机构实现,故结构紧凑,锁紧可靠,成为国内中、低档数控车床采用的主要机型。（3）双向滚子端面凸轮锁紧式这类刀架采用正反方向均可实现转位锁紧的滚子端面凸轮机构,能就近换刀。1.6 控制与接口刀位检测元件多用无触点的霍尔元件或接近开关以及光电编码器。锁紧电机一般采用三相交流电机,但开发应用体积小扭矩大,能频繁换向的专用电机对提高电动式刀架性能十分重要。动力刀具驱动用可无级调速的伺服电机。数控转塔刀架与系统接口方式常有如下两种 :1.6.1 直接与数控系统接口
14、视不同系统给出的换刀控制信号,应设计相应的接口电路。通常由如下功能 ：方式选择、刀位检测发讯、驱动功能(驱动执行器件完成转位锁紧等动作)、保护功能(以脆如机械电气故障 )其逻辑电路一般可用继电器实现。1.6.2 通过可编程序控制器(PLC)与数控系统接口用 PLC 实现接口可提高柔性和可靠性。1.7 各种刀架简介1.7.1 简易经济型数控刀架目前主要为立式四工位,通常采用双插销机构实现转位和预定位,电机采用右置式或转塔式。一般只能单向转位,采用齿轮,蜗杆传动,螺旋副加紧,多齿盘精定位。此种刀架价格便宜,适用于要求不高的数控机床,在我国应用最为广泛。但是,该刀架工位少,回转空间大,易发生干涉,所以正向工序长,回转空间小的卧式刀架过渡。1.7.2 高精度型数控刀架目前一般多为卧式八工位到十二工位。分为抬起式和不抬起式。抬起式仿意大利巴罗法蒂公司的 TA 刀架,其缺点是转阻塞度不能过高,只能单向回转；不抬起式仿意大利 IOE 型刀架,采用行星齿轮机构。或仿美国的三联分齿盘精定位,转位采用平行分度凸轮(又叫共辄凸轮)或槽轮机构此种刀架目前正逐渐推广。1.7.3 带动力刀具的数控刀架此种刀架只有烟台机床附件厂生产,全套引进意大利的生产线和专利,一般用于车削加工中心。第二章 方案选择及论证2.1 传动方案的分析和拟定2.1.1 技术关键（a）合理的整体布局及夹紧机构,以保证有足够的
