机电一体化课程设计自动回转刀架

摘要本文主要对数控加工中心自动换刀系统及控制系统进行设计。

传统的普通车床换刀的速度慢、精度不高，生产效率效率低，不能适应现代化生产的需要。

因此。

本文对普通机床的换刀装置进行改进，对一台四工位的立式自动回转刀架进行数控化设计，该装置具有自动松开、转位、精密定位等功能。

新的数控换刀装置功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。

关键字：四工位立式刀架自动回转主传动部件电气控制目录第一章引言 (3)1.1数控车床自动回转刀架概述 (3)1.2设计研究内容 (3)1.3研究实际社会意义和应用效果 (3)1.4小结 (4)第二章总体机构设计 (4)2.1减速传动机构的设计 (4)2.2上刀体锁紧与精定位机构的设计 (5)2.3刀架抬起机构的设计 (5)第三章主要传动部件的设计计算 (7)3.1蜗杆副的设计计算 (6)3.2 蜗杆的设计计算 (13)第四章电气控制部分的设计 (15)4.1 硬件电路的设计 (15)4.2 控制软件的设计 (15)第五章刀架常规故障分析和排除 (18)5.1 刀架不能启动 (19)5.2 刀架连续转动到位不停 (19)5.3 刀架越位过冲或转不到位 (19)5.4 刀架不能正常夹紧 (19)第六章结论 (20)参考文献 (21)第一章引言1.1数控车床自动回转刀架的概述。

数控车床主要由主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动系统及数控装置组成。

数控车床的出现对提高生产率改善产品质量以及改善劳动条件等发挥了重要的作用。

传统的车床例如CA6140的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进，为了能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发挥数控机床的效率，采用“工序集中”的原则，采用自动回转刀架。

数控车床上使用的自动回转刀架是一种最简单的换刀装置，自动回转刀架是在一定的空间范围内，能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。

对于自动回转刀架，据装刀数量的不同，自动回转刀架分有四工位，六工位和八工位等形式。

根据安装的不同方式，自动回转刀架可分为立式和卧式，而根据机械定位方式不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等，其中端齿盘定位型换刀时需要将刀架抬起，换刀速度较慢且密封性差，但其结构简单。

三齿盘定位叫免抬型，其特点时换刀时刀架不抬起，因此换刀速度快且密封性好，但其结构复杂。

自动回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力，为保证转位之后具有高的重复定位精度，自动回转刀架还需要选择可靠的定位方案和合理的定位结构。

自动回转刀架的自动换刀由控制系统和驱动电路来实现的。

1.2设计研究内容设计一台四工位的立式自动回转刀架，适用于C616或C6132经济型数控车床。

要求绘制自动回转刀架的机械结构图。

设计控制刀架自动转位的硬件电路，编写刀架的控制软件，选用电动机的额定功率为90W，额定转速为1440r/min，换刀时的速度为30r/min。

分别对其组成部分即机械总体结构，工作原理，主传动部件，电气控制部分进行设计、控制，并对自动回转刀架出现的一些常规问题提出修理意见。

1.3研究实际社会意义及应用效果传统的车床例的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进，数控车床上使用的自动回转刀架是一种最简单的换刀装置，自动回转刀架是在一定的空间范围内，能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。

使用这种新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。

它能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发挥数控机床的效率，采用“工序集中”的原则，采用自动回转刀架。

传统的车床的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进，为了能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发挥数控机床的效率，采用“工序集中”的原则，采用自动回转刀架。

并针对生产过程中出现的一些常规问题进行了探讨，归纳总结检查修理方法。

1.4小结对数控车床自动回转刀架的机电系统进行研究和设计，并通过对四工位刀架的设计，分别加强对其组成部分即机械总体结构、工作原理的认识。

数控车床上使用的自动回转刀架是一种最简单的换刀装置，自动回转刀架是在一定的空间范围内，能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。

对于自动回转刀架，据装刀数量的不同，自动回转刀架分有四工位，六工位和八工位等形式。

根据安装的不同方式，自动回转刀架可分为立式和卧式，而根据机械定位方式不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等，其中端齿盘定位型换刀时需要将刀架抬起，换刀速度较慢且密封性差，但其结构简单。

三齿盘定位叫免抬型，其特点时换刀时刀架不抬起，因此换刀速度快且密封性好，但其结构复杂。

自动回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力，为保证转位之后具有高的重复定位精度，自动回转刀架还需要选择可靠的定位方案和合理的定位结构。

自动回转刀架的自动换刀由控制系统和驱动电路来实现的。

第二章整体结构设计2.1减速机构的设计电动机选择三步异相电动机，额定功率为120W，额定转速为1500r/min，而刀架转速设定60r/min，由于转速较高不能直接驱动刀架，因此必须经过适当的减速。

采用蜗杆副减速，蜗杆副传动可以改变运动的方向，获得较大的传动比，以保证传动精度和平稳性，并具有自锁功能，还可以实现整个装置的小型化。

2.2上刀体锁紧与精定位机构的设计由于刀具直接安装在上刀体上，所以上刀体要承受全部的切削力，其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。

本设计上刀体的锁紧与定位机构选用端面齿盘。

当刀架处于锁紧时，上下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架中心轴转动，换刀的时，电机正转，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。

2.3刀架抬起机构的设计在上述过程中欲使上下刀体的两个端面齿脱离。

就必须设计分离机构，在此选择螺杆—螺母副，并在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆—涡轮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，转动会使上刀体向上移动。

当端面齿脱离啮合时，上刀体就和螺杆一同转动，在设计螺杆时要注意螺距的选择，而螺距的选择是否合理非常重要，选择适当以便当螺杆转动一定角度时，使上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。

自动回转刀架的传动机构示意图如图2-1所示。

图2-1 自动回转刀架的传动机构示意图1-发信盘 2-推力轴承 3-螺杆螺母副 4-端面齿盘 5-反靠圆盘 6-三相异步电动机 7-连轴器 8-蜗杆副 9-反靠销 10-圆柱销 11-上盖圆盘 12-上刀体自动回转刀架的工作原理：自动回转刀架的换刀流程如图2-2所示：图2-2 自动回转刀架的换刀流程锁在自动回转刀架的换刀过程中的位置如图2-3所示：如图示中，其中弹簧上面的为圆柱销2，弹簧下面为反靠销，两者的位置有非常重要的作用。

当刀架处于两种状态即锁紧和换刀时，两销的工作情况不同。

⑴.当刀架处于紧缩状态时，两销情况是，反靠销6落在反靠圆盘7的十字槽内，上刀体4的端面齿和下刀体的端面处于啮合状态。

要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三相异步电动机正向转动，通过蜗杆副带动蜗杆的转动，蜗杆的转动带动与之配合的上刀体4逐渐抬起，抬起后与下刀体4之间的端面齿慢慢脱开；同时，上盖圆盘1也将随螺杆正向旋转，当它转过一定角度约为170°时，上盖圆盘1直槽的另一端转到圆柱销2的正上方，由于弹簧3的作用，圆柱销2落入直槽内，于是上盖圆盘1将通过圆柱销2的转动使得上刀体4转动。

⑵.在上盖圆盘1、圆柱销2以及上刀体4正转过程中，反靠销6能从反靠圆盘7的十字槽中的左侧坡中滑落出来，不会影响上刀体4寻找刀位的正向转动。

⑶.当上刀体4带动磁铁转到需要的刀位时，发信号盘上对应的霍尔元件输出低电频信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动反转，上盖圆盘1通过圆柱销2带动上刀体4开始反转，反靠销6就会落入反靠圆盘7的十字槽内以此以完成精定位，此时反靠销6在反靠圆盘7的十字槽内，刀体4停止转动，开始下降，上盖圆盘1继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销2的头部压入上刀体4的销孔内，之后，上盖圆盘1的下表面开始与圆柱销2的头部滑动，此时上下刀体的端面齿逐渐啮合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。

蜗杆副具有自锁功能，所以可以稳定的工作。

图2-3 刀架转位工程中销的位置1-上盖圆盘 2-圆柱销 3-弹簧 4-上刀体 5-圆柱销 6-反靠销 7-反靠圆盘a)换刀开始时，圆柱销2与上盖圆盘1可以相对滑动b)上刀体4连续转动时，圆柱销2落入上盖圆盘1槽内，上盖圆盘1将带动圆柱销2以及上刀体4一起转动c)上刀体4连续转动时，反靠销6可以从反靠圆盘7的槽左侧斜坡划出d)找到刀位时，刀架电动机反转，反靠销6反靠，上刀体停转，实现粗定位第三章主要传动部件的设计计算3.1蜗杆副的设计计算本设计中的动力源是三相异步电动机，蜗杆与电动机直连，刀架转位时，涡轮与上刀体直联，电动机额定功率是P1=120W，额定转速为n1=1500r/min，上刀体设计转速为n2=60r/min，则蜗杆副的传动比i= n1/n2=1500/60=25。

刀架从转位到锁紧时要蜗杆反向工作载荷不均匀，启动时冲击较大，令蜗杆副的使用寿命为10000小时，因此对蜗杆的型号材料的选择以及齿面接触疲劳强度计算相当重要。

（1）蜗杆类型：按齿面接触疲劳强度进行计算： 蜗轮上的转矩2T ：GB/T10085-1988推荐采用渐开线蜗杆（ZI 蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK 蜗杆）。

本设计采用结构简单、制造方便的渐开线型圆柱蜗杆（ZI 型）。

（2） 蜗杆副的材料 ：蜗杆用45钢，其螺旋齿要求淬火，硬度为45-55HRC ，以提高表面耐磨性；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZCuSn10P1采用金属模铸造。

（3） 按齿面接触疲劳强度进行计算：在计算中先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。

齿面接触强度计算公式： a ≥322)]σ[(H P E Z Z KT （3.1） 式中，a ——蜗杆副的传动中心距，单位为mm ； K ——载荷系数；2T ——作用在涡轮上的转矩2T ，单位为N.mm ；Z E ——弹性影响系数，单位为MPa 2/1 ；Zp ——接触系数；[H σ]——许用接触应力，单位为MPa ；注：从上公式（3.1）中算出蜗杆副的中心距离a 之后，并根据已知的传动比i=25，查表3-3选择合适的中心局a 的值，以及相应的蜗杆，蜗轮参数。