数控车床自动回转刀架的设计

2013届机械设计制造及其自动化（数控）毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目数控车床自动回转刀架的设计1目录绪论 (1)第一章数控车床回转刀架概述 (1)1.1数控车床刀架的介绍 (1)1.2数控车床刀架的分类 (1)第二章回转刀架方案选择 (1)2.1数控车床回转刀架的基本要求 (1)2.2 立式数控回转刀架的结构特点 (2)2.3刀架参数的确定 (3)2.4动力源的选择及方案选择结果 (4)第三章回转刀架的工作原理及过程 (5)3.1电动刀架工作原理 (5)3.2四方刀架的主要构成部分 (5)第四章回转刀架的设计及计算 (6)4.1夹紧力的计算 (6)4.2最大切削扭矩 (7)4.3单工位换刀时间 (7)4.4定位精度 (9)第五章主传动机构的设计和标准件的选取 (10)5.1初拟传动方案 (10)5.2选择步进电动机 (10)5.3蜗轮蜗杆的设计 (10)5.4中心轴强度校核 (11)第六章刀架的电气设计 (16)6.1刀架的电气控制 (16)6.2回转刀架PLC控制 (17)第七章总结 (20)致谢 (20)参考文献 (21)2013届机械设计制造及其自动化（数控）毕业设计（论文）数控车床自动回转刀架的设计摘要数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道甚至所有加工工序，以缩短辅助时间和减小多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。

数控车床上的回转刀架就是一种最简单的自动换刀装置，这次设计的自动回转刀架具有转位快，定位精度高，切向扭矩大等特点，原理采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。

关键词: 数控车床回转刀架特点原理绪论毕业设计是培养学生实践的重要环节之一,它是在大学教学课程，机械课程设计，金工实习3等教学环节的基础上进行的。

毕业设计的主要目的是培养我们综合运用所学基础知识、专业知识和专业技术知识及技能来分析、解决一般工程技术问题，使我们建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序规则和设计方法，为走上工作岗位打下一定的基础。

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。

在自动换刀的数控机床上，自动回转换刀装置应满足换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具储存量，换刀安全等一些可靠的要求。

第一章数控车床回转刀架概述1.1 数控车床刀架的介绍2013届机械设计制造及其自动化（数控）毕业设计（论文）数控车床主要有主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动装置及数控系统组成。

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环境发挥了重要作用，传统的车床例如CA6140的刀架上只能装一把刀，换刀速度缓慢，换刀后还需重新对刀而且精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要，因此必须对车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，减少因多次安装引起的加工误差，充分发挥数控车床的加工效率，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，自动回转刀架在一定空间范围内，能自动执行松开、转位，精密定位等一系列动作的一种机构。

1.2 数控车床刀架分类数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。

对于回转刀架，根据装刀数量不同，自动回转刀架分为四工位、六工位、八工位等；根据安装方式不同，自动回转刀架分为立式和卧式。

本文设计的为四工位立式回转刀架。

第二章自动回转刀架方案选择2.1 数控车床自动回转刀架的基本要求数控车床回转刀架的基本要求：（1）四工位立式。

（2）转位准确可靠，各种平稳安全。

（3）按最短路线就最近选位，转位时间短。

（4）重复定位精度高。

（5）防水、防屑、密封性优良。

（6）夹紧刚度高，适宜重负荷切削。

CK6140为经济性数控车床。

其设计的刀架可与数控车床的数控系统接口相连接，又可配置简易的数控系统，辅助主机完成轴类、盘类等零件的车外圆、端面、圆弧、刀槽、车螺纹、镗孔的加工工序。

按照数控车床回转刀架的基本要求和CK6140车床的实际情况，本设计初选刀架为简易型四工位电动机回转刀架。

2.2 立式数控回转刀架的结构特点立式数控回转刀架的结构特点：①设置端齿盘作精定位元件。

5②采用霍尔开关（无触电霍尔元件）作信号传输控制，避免了机械接触延长了使用寿命。

③可以借助双重粗定位机构，使刀架回转平稳。

④具有防水防滑作用。

2.3 刀架参数的确定中心高：中心高是数控车床回转刀架的主要参数。

初选中心高为110㎜。

其型号及具体规格如表2—1：表2—12.4 动力源的选择及方案选择结果驱动回转刀架的动力可分为电动机传动和液压传动两类。

一般情况下只在卧式数控机床回转刀架中使用液压传动，而其余均为电动刀架，故对CK6140在选用时应取电动机作为回转刀架的动力源。

通过对数控车床回转刀架的基本要求，结构特点，动力源及基本参数的分析，可以得出CK6140回转刀架的设计方案如下：(1) 立式简易型。

(2) 伺服电动机直接驱动。

(3) 中心高为110mm，工位数为4。

(4) 采用霍尔开关作为信号传输控制元件。

(5) 转位时刀架需要抬起，高度为5mm。

2013届机械设计制造及其自动化（数控）毕业设计（论文）第三章回转刀架的工作原理及过程3.1电动刀架工作原理系统发出换刀信号，刀架电机正转继电器动作，电机正转，通过减速机构和升降机构将上刀体上升至一定位置，离合盘起作用，带动上刀体旋转到所选择刀位，发讯盘发出刀位信号，刀架电机反转继电器动作，电机反转，完成初定位后上刀体下降，齿牙盘啮合，完成精确定位，并通过升降机构锁紧刀架。

3.2 四方刀架的主要构成部分图3—1四方刀架零件图1-直流伺服电机；2-联轴套；3-蜗杆；4-蜗轮；5-刀座；6-齿盘；7-刀架；8-球头销；9-转位套；10-电刷座；711-发信体；12-螺母；13﹑14-电刷；15-粗定位销上图所示为四方刀架零件图，其工作过程为：刀架抬起-刀架转位-刀架定位-夹紧刀架。

⑴ 刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，电动机1启动正常，通过套筒联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动涡轮丝杠4转动。

刀架体7的内孔加工有螺纹，与螺纹丝杠旋合，涡轮与丝杠为整体结构。

涡轮丝杠内孔与刀架中心轴式间隙配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，涡轮丝杠绕中心轴旋转。

当涡轮开始转动时，由于刀架底座5和刀架体7上的端面齿处在啮合状态，且涡轮丝杠轴向固定，因此刀架体7抬起。

⑵ 刀架转位当刀架体抬至一定距离后，刀架底座5和刀架体7的端面体脱开，转位套9用销钉与涡轮丝杠4联接，随涡轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开时转位套正好转过160°，球头销8在弹簧力的作用下进入转位套9的槽中，带动刀架体转位。

⑶ 刀架定位刀架体7转动时带动着电刷座10转动，当转到程序指定的刀号时，粗定位销15在弹簧力的作用下进入粗定位盘6的槽中进行粗定位，同时电刷13接触导体使电动机1翻转。

由于粗定位槽的限制，刀架体7不能转动，使其在该位置垂直落下，刀架体7和刀架底座5上的端面齿啮合实现精确定位。

⑷ 夹紧刀架电动机继续反转，此时涡轮停止转动，蜗杆轴3自身转动，当两端面齿增加到一定夹紧力时，电动机1停止转动。

译码装置由发信体13﹑14组成，电刷13负责发信号，电刷14负责位置判断当刀架定位出现过位或不到位时，可松开螺母12，调好发信体11与电刷14的相对位置。

刀架在正向旋转的过程中不停的对刀位输入信号进行检测，如图所示，每把刀具各有一个霍尔位置检测开关。

各刀具按顺序依次经过发磁体位置产生相应的刀位信号。

当产生的刀位信号和目的刀位寄存器中的刀位相一致的时候，PLC 认为所选刀具已到位。

第四章 回转刀架的设计及计算4.1 夹紧力的计算夹紧力的计算可由下式计算：[][]tga M M M R p F q p Y r Z cpQ ||21222min ++++≥2013届机械设计制造及其自动化（数控）毕业设计（论文）9式中：端齿盘半径刀架夹紧力；--cp R p[][]⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==-----=----2min ,min /985.0;2,cm N q h Z b tg bhz F YOX F M M M p q Q Q z Y x z ，用系数。

一般情况接触不平均和不连续利半齿形角，平均啮合高度，齿数，齿长，坐标平面的投影；啮合高处平行于结合面在通过二分之一处产生的转矩；切削力在端面齿盘结合主切削力；小允许比压；接合面最小负荷点中最ββααβ查阅CA6140车床的参数，把各项代入，计算得KN p 5≥4.2 最大切削扭矩回转刀架的最大切削扭矩与机床的最大切削力有关，查阅CA6140的技术资料估算最大的切削力为450N ·m 。

（此数据参考于烟台机床附件厂AK21110-4M 型数控回转刀架） 4.3 单工位换刀时间单工位换刀时间与刀架的转速，松开速度和夹紧机构的配合有关。

T =t1×t2×t3×t3×t4×t5×t6 其中： t1─ 刀架正转时间； t2─ 升降机构动作时间； t3─ 粗定位动作时间； t4─ 电动机反转时间；t5─ 刀架座下降并刹紧完成时间； t6─ 继电器延长时间。

由上式可以了解到单工位换刀时间与各个机构的设计和配合有极其密切的关系。

（参考烟台机床厂生产的AK21110-4M 型机床）初选换刀时间T=2.5＜3s ，符合技术要求。

4.4定位精度回转刀架的重复定位精度关系到零件的加工精度，由此知精度也是关系机床质量的主要技术指标。

按照CK6140普通车床的参数，初步确定回转刀架的精度为0.005mm 。

第五章主传动机构的设计和标准件的选取5.1 初拟传动方案电动回旋刀架的刀架转速n=25.5r∕min，电动机的转速为1400r∕min，试确定传动比i≈1400／25.4=55。

故选用具有较大传动比的蜗杆传动。

5.2 选择步进电动机①电动机所需要的功率PＮ=KW Tnw 9550式中T(N·m)--输出转矩，nw(r/min)----电主轴所需要转速。

由以上计算初选电动机功率为120～200w.②确定步进电动机由p=120～200w可查得列表4.8-16，比较如下列表5-1。

表5-1㎏·㎝考虑到步进电动机与联轴器的配合及合理安装尺寸，在其满足功率的前提下优先选择尺寸较小便于安装，拆卸，清理，维护的型号，比较三个型号的功率，再比较三者的外径和安装尺寸，45BF003Ⅱ型号步进电动机明显优越与后者。