四工位自动旋转刀架设计说明书

机电一体化课程设计题目:数控车床自动回转刀架系统设计摘要传统的普通车床换刀的速度慢、精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要。

因此，本文对数控车床回转刀架的机电系统的相关内容进行研究，探索数控车床刀架的组成和工作原理，对普通机床的换刀装置进行改进，使一台四工位的立式自动回转刀架数控化，使该装置具有自动松开、转位、精密定位等功能。

本文主要完成数控车床回转刀架的机械部分和电气部分的设计。

机械部分为其组成的各个机械部件进行计算与选用，电气部分为编制刀架自动转位控制软件。

设计的数控換刀装置功能更强，换刀装置通过刀具快速自动定位，可以提高数控车床的效率，缩短加工时间；同时其可靠性更稳定，结抅简单。

关键词自动回转刀架；换刀装置；机电系统；电气控制目录摘要.................................................................................................................................. 设计任务书.. (1)一绪论 (2)1.1题目的背景和意义 (2)1.2 国内外研究现状 (2)1.3 存在的问题和发展趋势 (2)二自动回转刀架的工作原理 (2)三总体结构设计 (5)3.1 减速机构的设计 (5)3.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计 (5)3.3 刀架抬起机构的设计 (5)四主要传动部件的设计计算 (7)4.1 蜗杆副的设计计算 (7)4.1.1 蜗杆的选型 (7)4.1.2 蜗杆的材料 (7)4.1.3 按涡轮齿面接触疲劳强度进行设计 (7)4.1.4 蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸 (8)4.2蜗杆轴的设计 (8)4.2.1 蜗杆轴的材料选择，确定许用应力 (8)4.2.2按扭转强度初步估算轴的最小直径 (8)4.2.3 确定各轴段的直径和长度 (9)4.3螺杆的设计及上盖圆盘旋转角度的计算 (10)4.3.1螺杆螺纹类型的选择 (10)4.3.2选取螺杆材料 (10)4.3.3螺杆的计算 (10)4.3.4螺杆自锁验算 (10)4.3.5 上盖圆盘旋转角度的计算 (11)五其他部件的说明 (11)六电气控制部分设计 (13)6.1 收信电路 (14)6.2发信号电路 (14)6.3控制软件的设计 (14)结论 (15)参考文献 (16)设计任务书一．设计任务题目：数控车床自动回转刀架机电系统设计。

任务：设计一台四工位的卧式自动回转刀架，适用于C616或C6132经济型数控车床。

二．设计参数推荐刀架所用电机的额定功率为90W，额定转速为1440r/min, 换刀时要求刀架转动的速度为30r/min。

三．设计内容1.总体结构设计。

2.主要传动部件的设计计算。

3.电气控制部分设计。

1）硬件电路设计。

2）控制软件设计。

4.编写设计说明书。

四．设计任务1.模拟整体设计方案2.机械结构装配图一张（A0图）3.控制系统设计要求完成一张A1图纸的硬件电路设计工作，设计控制系统的主要软件流程，对RAM和I/O接口芯片进行详细编程。

4.设计说明书要求清楚地叙述整个设计过程和详细的设计内容，包括总体方案的分析，比较和确定机械系统的结构设计，主要零部件的计算与选型，控制系统的电路原理分析，软件设计的流程图以及相关程序等。

撰写的内容不少于7000字符，要求内容丰富，条理清晰图文并茂，符合国标。

一绪论1.1题目的背景和意义数控技术自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，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、结构较复杂、精度要求较高、价格昂贵不允许报废的关键零件。

而刀架是数控机床的主要附件之一，它的性能直接影响着数控机床的精度和效率，所以随着数控机床的发展必然会提高其对刀架的要求，不言而喻，研究自动刀架系统是非常有意义的。

1.2 国内外研究现状自动刀架系统应用了自动控制、微电子、精密测量等方面的最新成就，是典型的机电一体化产品。

它的发展和运用，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，为普通机床演变为数控机床创造了条件，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。

数控水平的高低已经成为衡量一个国家制造业水平高低的标志。

随着数控机床的发展，以前的刀架，能装的刀具太少，定位精度不高，效率低，精度差，已不能满足要求，于是便出现了许多精度更高、刀架更大、自动化程度更高的刀架。

目前我国的数控机床和加工中心使用的自动换刀装置主要有转塔式自动换刀和刀库式自动换刀两种。

转塔式换刀一般为顺序换刀，其换刀时间短，结构简单、紧凑，但刚性较差，能容纳刀具较少；刀库式换刀一般刀库只有选刀动作而另需机械手进行换刀动作，其刀库容量大，但其成本高，结构相对复杂。

1.3 存在的问题和发展趋势机床工具行业的发展，依赖于行业技术水平和创新能力的提高，依赖于机床的数控化和产品快速的升级换代，依赖于制造业从刚性自动化向柔性自动化方向转变这一社会需求，由于我国机床附件厂资金紧张，造成技术创新和技术改造的力度不大，使附件水平的发展严重滞后，成为制约民族机床工业发展的瓶颈。

国产配套件在产品质量、性能、结构创新、品牌信誉、外观造型、精度稳定性等方面与发达国家相比都存在一定的差距。

二自动回转刀架的工作原理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—反靠圆盘当刀架处于锁紧状态时,两销的情况如图a 所示，此时反靠销6落在反靠圆盘7的十字槽内，上刀体4的端面齿和下刀的端面齿处于啮合状态（上下端面齿在图图(a) 图(d)图(c) 图(b)a中未画出）。

需要换刀时，控制系统发出刀架的转位信号，三相异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动螺杆正向转动，与螺杆配合的上刀体4逐渐抬起，上刀体4与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘1也随着螺杆正向转动（上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆联接），当转过约150度时，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就通过圆柱销2使得上刀体4转动起来（此时端面齿已完全脱开），如图b所示。

上盖圆盘1、圆柱销2以及上刀体4在正转的过程中，反靠销6能够从反靠圆盘7中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体4寻找刀位时的正向转动，如图c所示。

上刀体4带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，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马上就会落入反靠圆盘7的十字槽内，至此，完成粗定位，如图d所示。

此时反靠销6从反靠圆盘7的十字槽内爬不上来，于是上刀体4停止转动，开始下降，而上盖圆盘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。

在些期间，上、下刀本的端面齿逐渐啮合，实现定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过和结束。

由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可稳定的工作。

三总体结构设计3.1 减速机构的设计电动机的选择电动机选择三步异相电动机，额定功率为90W，额定转速为1440r/min，而刀架转速设定30r/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能自锁，可以减少整个装置的空间，比较精简。

3.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计上刀架锁紧与精定位将直接影响工件的加工精度，因为刀具直接安装在上刀体上，所以刀体要承受全部的切削力，因此对它的选择很重要，在设计中选择端面将上刀体与下刀体的配合加工成梯形的端面齿。

采用梯形的端面齿，刀架处于锁紧时，下端面齿相互啮合，这时上刀体不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，完成转位工作。

3.3 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—蜗轮带动螺杆绕中心轴转动时，而将上刀体看做螺母，要么转动，要么上下移动。

两种情况，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1—发信盘2—推力轴承3—螺杆螺母机构4—端面齿盘5—发靠圆盘6—三相异步电动机7—联轴器8—蜗杆副9—反靠销10—圆柱销11—上盖圆盘12—上刀体四 主要传动部件的设计计算4.1 蜗杆副的设计计算自动回转刀架的动力源是三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直联，刀架转位时蜗杆与上刀体直联。

已知电动机额定功率P 1=90W ，额定转速n 1=1440r/min ，上刀体设计转速n 2=30r/min,则蜗杆副的传动比i=1440/30=48。

刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，起动时冲击较大，今要求蜗杆的使用寿命L h =10000h ，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。

4.1.1 蜗杆的选型本设计采用阿基米德型圆柱蜗杆,因为阿基米德蜗杆虽然精度不高,但是具有加工简便的优点,目前在机械应用中最为广泛,因此选用阿基米德蜗杆(ZA 蜗杆)。

4.1.2 蜗杆的材料刀架中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为45～50HRC 。

而蜗轮需要提高其表面耐磨性,而锡青铜的耐磨性最好,因此选用铸造锡青铜,采用金属模铸造。

4.1.3 按涡轮齿面接触疲劳强度进行设计刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面脱离危险合或点蚀而失效。

因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行校核。

按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为：[]322⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛≥H E Z Z T K a A σρ a ——蜗杆副的传动中心距，单位为mm ；K A ——使用系数,K A =1.1~1.4,当冲击载荷,环境温度高,速度较高时,取大值. E Z ——材料综合弹性系数,钢与铸锡青铜配合时,Z E =150.Z ρ——接触系数,用d 1/a 表示,一般取0.3~0.5因为i=48，查表8-2得取z 1=1。

由z 1=1查表8-9得估计η=0.75，z 2=iz 1=48。