數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū) 題 目：數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)系 別： 機(jī)械系 專 業(yè)： 機(jī)電一體化 摘要數(shù)控加工的加工精度高，生產(chǎn)率高，能減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高，它的發(fā)展和運(yùn)用，影響著制造業(yè)水平高低，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)控化，已經(jīng)成為當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展方向，所以非常值得我們?nèi)パ芯俊?#160;本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)四工位立式自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理的分析，確定了多種方案，綜合考慮各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)、性價(jià)比后，采用自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架。其刀架機(jī)構(gòu)的主要部件包括減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、刀架的抬起機(jī)構(gòu)、鎖緊與轉(zhuǎn)位精定位機(jī)構(gòu)等，控制系統(tǒng)軟件包括控制系統(tǒng)的選擇，控制系統(tǒng)軟硬件的

2、設(shè)計(jì)，收發(fā)信電路的設(shè)計(jì)等，設(shè)計(jì)中所采用螺桿抬起機(jī)構(gòu)、端齒盤定位機(jī)構(gòu)和單片機(jī)控制系統(tǒng)都計(jì)較經(jīng)濟(jì)實(shí)用，適合我們我國(guó)現(xiàn)階段數(shù)控機(jī)床的發(fā)展需要。 關(guān)鍵詞：數(shù)控;四工位；自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架IIIABSTRACTMachining of high accuracy, high productivity, can reduce the operator labor intensity, improve working conditions, conduci

3、ve to the modernization of production management and improving economic benefit, its development and utilization, manufacturing level, realize the production process of numerical contro

4、l, has become the development direction of today's manufacturing, so it is worth to study.     This design through to the four detail analysis of the w

5、orking principle of vertical automatic rotary tool post, determine a variety of solutions, after considering the advantages and disadvantages of various options, cost performance, 

6、using automatic rotary tool rest. Its head organization of the main parts include the establishment of reduction drive, tool post lift mechanism, locking and inversion precisi

7、on positioning mechanism, control system software including the selection of control system, the design of the control system hardware and software, to send and receive letter

8、s of the circuit design, etc., used in the design of the screw lift mechanism, terminal gear plate positioning and single-chip microcomputer control system about economic 

9、;and practical, suitable for our CNC machine at the present stage in China's development needs.      Key words:   CNC   Four-station  Automatic ro

10、tary tool restV目錄1 緒論12自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理23回轉(zhuǎn)刀架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)43.1減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)43.2上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)43.3刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)44主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算64.1蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算64.1.1蝸桿的選型64.1.2蝸桿的材料64.1.3按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)64.1.4 蝸桿和蝸輪的要參數(shù)與幾何尺寸 84.2 蝸桿軸的設(shè)計(jì) 104.2.1 蝸桿軸的材料選擇，確定許用應(yīng)力 104.2.2 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步估算軸的最小直徑:104.2.3 確

11、定各軸段的直徑和長(zhǎng)度 114.2.4 蝸桿軸的校核124.3 蝸輪軸的設(shè)計(jì) 134.3.1 蝸輪軸材料的選擇，確定需用應(yīng)力 134.3.2 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，初步估計(jì)軸的最小直徑134.3.3 確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度144.4 中心軸的設(shè)計(jì)144.4.1 中心軸的材料選擇,確定許用應(yīng)力 144.4.2 確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度154.4.3 軸的校核 155總結(jié)176參考文獻(xiàn)18VII1 緒論 數(shù)控車床上使用的自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架是一種最簡(jiǎn)單的換刀裝置，自動(dòng)回轉(zhuǎn)

12、刀架是在一定的空間范圍內(nèi)，能執(zhí)行自動(dòng)松開(kāi)、轉(zhuǎn)位、精密定位等一系列動(dòng)作的一種機(jī)構(gòu)。  本次課程設(shè)計(jì)中，主要進(jìn)行了減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算，蝸桿軸的設(shè)計(jì)等部分。對(duì)數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)刀架有了更深層次的了解。  自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架是在一定的空間范圍內(nèi)能執(zhí)行自動(dòng)松開(kāi)、轉(zhuǎn)位以及精密定位等一系列動(dòng)作的一種機(jī)構(gòu)。使用這種新的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)功能更強(qiáng)，可靠性更穩(wěn)定，功率增大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。為了能在工件的一次裝夾中完成多個(gè)工序加工，縮短加工輔助時(shí)間，減少多次安裝所引起的加工誤差，充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的效率，采用“工序集中”的原則，采用自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架。

13、自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛性，以承受粗加工時(shí)的切削抗力，為了保證轉(zhuǎn)位之后具有髙的重復(fù)定位精度，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架還需要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)。 2自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程如下：首先，刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)渦輪蝸桿減速，蝸桿正轉(zhuǎn)，通過(guò)銷連接，上蓋圓盤旋轉(zhuǎn)，繼而端面齒錯(cuò)開(kāi)。同時(shí)，上刀架抬起，然后上刀體旋轉(zhuǎn)?；魻栐|發(fā)后，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。通過(guò)渦輪蝸桿減速，使螺桿反轉(zhuǎn)，上刀體下降，粗定位。然后精定位。延時(shí)鎖緊后電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí),兩銷的情況如圖a所示，此時(shí)反靠銷6落在反靠圓盤7的十字槽內(nèi)，上刀體4的端面齒和下刀的端面齒處于嚙合狀態(tài)（上下端面齒在圖

14、a中未畫(huà)出）。 需要換刀時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架的轉(zhuǎn)位信號(hào)，三相異步電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)蝸桿副帶動(dòng)螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)，與螺桿配合的上刀體4逐漸抬起，上刀體4與下刀體之間的端面齒慢慢脫開(kāi)；與此同時(shí)，上蓋圓盤1也隨著螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)（上蓋圓盤1通過(guò)圓柱銷與螺桿聯(lián)接），當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)約150度時(shí)，上蓋圓盤1直槽的另一端轉(zhuǎn)到圓柱銷2的正上方，由于彈簧3的作用，圓柱銷2落入直槽內(nèi)，于是上蓋圓盤1就通過(guò)圓柱銷2使得上刀體4轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)（此時(shí)端面齒已完全脫開(kāi)），如圖b所示。 由于蝸桿副具有自鎖功能，所以刀由于蝸桿副具有自鎖功能，所以刀架可穩(wěn)定的工作。 3回轉(zhuǎn)刀架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)包括減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，上刀體

15、鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算等。3.1減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)選擇三步異相電動(dòng)機(jī)，額定功率為90W，額定轉(zhuǎn)速為1440r/min，而刀架轉(zhuǎn)速設(shè)定30r/min，由于轉(zhuǎn)速較高不能直接驅(qū)動(dòng)刀架，因此必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臏p速?？刹捎梦仐U副減速，蝸桿副傳動(dòng)可以改變運(yùn)動(dòng)的方向，獲得較大的傳動(dòng)比，以保證傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性并能自鎖。3.2上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上刀架鎖緊與精定位將直接影響工件的加工精度，因?yàn)榈毒咧苯影惭b在上刀體上，所以刀體要承受全部的切削力，因此對(duì)它的選擇很重要，在設(shè)計(jì)中選擇端面將上刀體與下刀體的配合加工成梯形的端面齒。采用梯形的端面齒，刀架處于鎖緊時(shí)，下端面

16、齒相互嚙合，這時(shí)上刀體不能繞刀架的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)；換刀時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，抬起機(jī)構(gòu)使上刀體抬起，等上下端面齒脫開(kāi)后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完成轉(zhuǎn)位工作。3.3刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)在上述過(guò)程中欲使上下刀體的兩個(gè)端面齒脫離。就必須設(shè)計(jì)分離機(jī)構(gòu)，在此選擇螺桿螺母副，并在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當(dāng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)蝸桿蝸輪帶動(dòng)螺桿繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，而將上刀體看做螺母，要么轉(zhuǎn)動(dòng)，要么上下移動(dòng)。兩種情況，當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，上刀體與下刀體的端面齒相互嚙合，因?yàn)檫@時(shí)上刀體不能與螺桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使上刀體向上移動(dòng)。當(dāng)端面齒脫離嚙合時(shí)，上刀體就和螺桿一同轉(zhuǎn)動(dòng)，在設(shè)計(jì)螺桿時(shí)要注意螺距的選擇，而螺距的選擇是否合理非常重要，選

17、擇適當(dāng)以便當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，使上刀體與下刀體的端面齒能夠完全脫離嚙合狀態(tài)。 圖3.1為自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖4主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算4.1蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的動(dòng)力源是三相異步電動(dòng)機(jī)，其中蝸桿與電動(dòng)機(jī)直聯(lián)，刀架轉(zhuǎn)位時(shí)蝸桿與上刀體直聯(lián)。已知電動(dòng)機(jī)額定功率P1=90W，額定轉(zhuǎn)速n1=1440r/min，上刀體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n2=30r/min,則蝸桿副的傳動(dòng)i=1440/30=48。刀架從轉(zhuǎn)位到鎖緊時(shí)，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，起動(dòng)時(shí)沖擊較大，今要求蝸桿的使用壽命Lh=15000h。4.1.1蝸桿的選型GB/T10065-1998推薦采用阿基米德（ZA蝸桿）和錐面包絡(luò)蝸桿（ZK蝸桿

18、）。本設(shè)計(jì)采用阿基米德型圓柱蝸桿（ZA型）。4.1.2蝸桿的材料刀架中的蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速較高，因此，蝸桿的材料選用45鋼，其螺旋齒面要求淬火，硬度為4555HRC，以提高表面耐磨性，選用錫磷青銅ZCuSn10P1，采用金屬模鑄造。4.1.3按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)刀架中的蝸桿副采用閉式傳動(dòng)，多因齒面脫離危險(xiǎn)合或點(diǎn)蝕而失效。因此，在進(jìn)行承載能力計(jì)算時(shí)，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。按蝸輪接觸疲勞強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)計(jì)算的公式為： s r 從式（4.1）算出蝸桿副的中心距a之后，根據(jù)已知的傳動(dòng)比i=48,從附錄1中選擇一個(gè)合適的中心距a值，以及相應(yīng)的蝸桿、蝸輪參數(shù)。 （1）&#

19、160;確定作用在蝸桿上的轉(zhuǎn)矩T2 設(shè)蝸桿頭數(shù)Z1=1，蝸桿的傳動(dòng)效率取=0.75。由電動(dòng)機(jī)的額定功率P1=90W，可以算得蝸輪傳遞的功率P2=P1·，再由蝸輪的輪轉(zhuǎn)速n2=30r/min 求得作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩：T2=9.55P2/n2=9.55P1/n2=9.55×80×0.75/30N·m=19435N·mm （2） 確定載荷系數(shù)K 載荷系數(shù)K=KAKKv。其中KA為使用系數(shù)，由附錄2查得，由于工作載荷不均勻，起動(dòng)時(shí)沖擊較大，因此取KA=1.15；K為齒向載荷分布系數(shù)，因工作載荷在起動(dòng)和停

20、止時(shí)有變化，故取K=1.15；Kv為動(dòng)載系數(shù)，由于轉(zhuǎn)速不高、沖擊不大，可取Kv=1.05。剛載荷系數(shù)：K=KAKKv=1.15×1.15×1.051.39（3） 確定彈性影響系數(shù)ZE鑄錫磷青銅蝸輪與蝸桿相配時(shí),從有關(guān)手冊(cè)查得彈性影響系數(shù)ZE=160MPa1/2。 （4） 確定接觸系數(shù) 先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d1和傳動(dòng)中心距a的比值d1/a=0.35，從附錄3中可查得接觸系數(shù)Zr=2.9。 （5） 確定許用接觸應(yīng)力根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1、金屬模鑄造蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC，可從附錄4中查得蝸輪

21、的基本許用應(yīng)力Hs=268MPa。已知蝸桿為單頭，蝸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)每個(gè)輪齒嚙合的次數(shù)J=1；蝸輪轉(zhuǎn)速n2=30r/min;蝸桿副的使用壽命Lh=10000h。則應(yīng)力循環(huán)次數(shù):N=60Jn2Lh=60×1×30×15000=2.7×107（6） 計(jì)算中心距 將以上各參數(shù)代入式（4.1），求得中心距： 查附錄1，取中心距a=60mm，已知蝸桿頭數(shù)Z1=1，設(shè)模數(shù)m=2mm，得蝸桿分度圓直徑d1=20mm。為時(shí)d1/a=0.33，由附錄3得接觸系數(shù)Z=2.74。因?yàn)閆Z，所以上述計(jì)算結(jié)果可用。 4.1.4 蝸桿和

22、蝸輪的要參數(shù)與幾何尺寸 由蝸桿和蝸輪的基本尺寸和主要參數(shù)，算得蝸桿和蝸輪的主要幾何尺寸后，即可繪制蝸桿副的工作圖。 （1） 蝸桿參數(shù)與尺寸 頭數(shù)Z1=1，模數(shù)m=2mm，軸向齒距Pa=m=6.282mm，軸向齒厚Sa=0.5m=3.141mm，分度圓直徑d1=20mm，直徑系數(shù)q=d1/m=10，分度圓導(dǎo)程角=arctan(z1/q)=5º4232。 取齒頂高系數(shù) ha*=1，徑向間隙系數(shù)c*=0.2，則齒頂圓直徑da1=d1+2ha*m=20mm+2×1×2mm=24mm 齒根圓直徑 

23、;df1=d1-2m(ha*+c*)=20-2×2×(1+0.2)mm=15.2mm。（2） 蝸輪參數(shù)與尺寸  齒數(shù)Z2=46，模數(shù)m=2mm，分度圓直徑d2=mZ2=2×48mm=96mm， 變位系數(shù) x2=a-(d1+d2)/2/m=60-(20+96)/2/1.6=1.25  蝸輪喉圓直徑: da2=d2+2m(ha*+x2)=96+2×2×(1+1.25)mm=95mm  蝸輪齒根圓直徑:df2=d2-2m(ha*-x2+ c*)=96-2×2&#

24、215;(1-1.25+0.2)mm=84.5mm （3） 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度  即檢驗(yàn)下式是否成立：    s式中Fs蝸輪齒根彎曲應(yīng)力，單位為MPa； YFa2蝸輪齒形系數(shù)； Y螺旋角影響系數(shù)； s蝸輪的許用彎曲應(yīng)力，單位為MPa。 由蝸桿頭數(shù)Z1=1，傳動(dòng)比i=48，可以算出蝸輪齒數(shù)Z2=iZ1=48。則蝸輪的當(dāng)量齒數(shù) Zv2=Z2/cos3=48.46 根據(jù)蝸輪變位系數(shù)x2=1和當(dāng)量齒數(shù)ZV2=48.46，查附錄6，得齒形系數(shù)： YFa2=1.

25、95 螺旋角影響系數(shù)： Y=1-/140°=0.967 根據(jù)蝸輪的材料和制造方法，查附錄5，可得蝸輪基本許用彎曲應(yīng)力： 4.2 蝸桿軸的設(shè)計(jì) 4.2.1 蝸桿軸的材料選擇，確定許用應(yīng)力  考慮軸主要傳遞蝸輪的轉(zhuǎn)矩，為普通用途中小功率減速傳動(dòng)裝置。選用45號(hào)鋼，正火處理 4.2.2 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步估算軸的最小直徑: 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取a=0.64.2.3 確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度  根據(jù)各個(gè)零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀，直徑和長(zhǎng)度。圖4.14.2.

26、4 蝸桿軸的校核 4.3 蝸輪軸的設(shè)計(jì) 4.3.1 蝸輪軸材料的選擇，確定需用應(yīng)力 考慮到軸主要傳遞蝸輪轉(zhuǎn)矩，為普通中小功率減速傳動(dòng)裝置，選用45號(hào)鋼，正火處理，查教材機(jī)械設(shè)計(jì)表16.3得彎曲許用應(yīng)力和對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下的許用應(yīng)力分別為 4.3.2 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，初步估計(jì)軸的最小直徑查教材機(jī)械設(shè)計(jì)表16.3得，取45號(hào)調(diào)質(zhì)鋼的許用彎曲應(yīng)力， 則由于軸的平均直徑為34mm，因此該軸安全。4.3.3 確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度根據(jù)各個(gè)零件在軸上的定位和裝拆方案確軸的形狀及直徑和長(zhǎng)度，d1即蝸輪輪芯為68mm。 d2

27、為蝸輪軸軸徑最小部分取34mm。d3軸段與上刀架體有螺紋聯(lián)接，牙形選梯形螺紋，根據(jù)表，取公稱直徑為d3=44mm，螺距P=12mm，H=6.5mm。查表得，外螺紋小徑為31mm，內(nèi)、外螺紋中徑為38mm，內(nèi)螺紋大徑為45mm，內(nèi)螺紋小徑為32mm，旋合長(zhǎng)度取55mm。L2的尺寸長(zhǎng)度為34mm，蝸輪齒寬b2，當(dāng)z13，b20.75dal=15.6mm，取b2=15mm4.4 中心軸的設(shè)計(jì) 4.4.1 中心軸的材料選擇,確定許用應(yīng)力 考慮到軸主要起定位作用，只承受部分彎矩，為空心軸，因此只需校核軸的剛度即可。選用45號(hào)鋼，正火處理，查教材機(jī)械設(shè)計(jì)表16.3得

28、彎曲許用應(yīng)力和對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下的許用應(yīng)力分別為。4.4.2 確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度 根據(jù)各個(gè)零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長(zhǎng)度，d1=15mm。 d2與軸承配合，軸承類型為推力球軸承，型號(hào)為51203，d=17mm，d1=19mm，T=19mm，D=35mm，所以d2=17mm。 3d與軸承配合，軸承類型為推力球軸承，型號(hào)51204，d=25mm， =d1=27mm，T=15mm，D=47mm。 中心軸受力圖分配各軸段的長(zhǎng)度L1=80mm，L2=93mm，L3=20mm4.4.3 軸的校核 軸橫截面的慣性矩 5總結(jié) 本次設(shè)計(jì)為了能在工件的一次裝夾中完成多個(gè)工序加工，縮短加工輔助時(shí)間，減少多次安裝所引起的加工誤差，充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的效率，采用“工序集中”的原則，采用自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架。通過(guò)對(duì)四工位刀架設(shè)計(jì)，分別