数控车床自动回转刀架设计

本科毕业论文 题  目    数控车床自动回转刀架设计           学 院: 机械自动化学院 专 业: 机电一体化 学 号: 0 学生姓名: 吴宗帅 指导教师: 肖立 日 期: 2011年12月     摘      要 数控车床的刀架是机床的重要组成部分。随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。 电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等等。本设计主要是对立式四工位电动刀架机械传动部分的设计，对关键零部件进行了设计校核，并运用AutoCAD软件，做出了回转刀架装配图，对电动刀架有了更直观的了解。最后，在电动刀架的安装调试和精度检验方面，提出了意见和措施。 关键词: 数控车床  回转刀架  结构设计      AutoCAD Abstact The CNC lathe machine frame is the important component. Along with the development of CNC lathe, CNC turret began to rapid change, electro-hydraulic servo driver and combination development direction. Electric turret is an important tradition of CNC lathe, reasonable structure, and the correct selection electric turret control, can improve labor productivity and shorten the production preparation time, eliminate human error, the improvement of the machining accuracy and consistency of machining precision, etc. This design is mainly to the vertical 4 Labour electric turret mechanical transmission parts design, the design of the key parts. and using AutoCAD software , rotary cutter made assembly, to have more intuitive electric turret .Finally, in electric turret installation and accuracy of inspection, puts forward some Suggestions and measures. Keywords: CNC lathe  rotary cutter  structure design      AutoCAD 目  录 1  绪论 1.1  概述    4 1.2  数控车床自动回转刀架的发展趋势    5 1.3  本设计的主要内容    6 2  回转刀架选择    6 2.1  数控车床回转刀架的基本    6 2.2  数控车床立式回转刀架的结构特点    7 2.3  刀架参数的确定    7 2.4  动力源的选择及方案选择结果    8 3  回转刀架的工作原理及过程    9 3.1  回转刀架的构成    9 3.2  回转刀架的工作过程    9 4 传动机构的设计和标准件的选取    11 4.1  初拟传动方案    11 4.2 选择步进电动机    11 4.3 蜗杆蜗轮的设计    13 4.4 蜗杆轴的设计    17 4.5 中心轴的设计    20 4.6 齿盘的设计    21 4.7 联轴器的选择    23 5 总  结    24 参  考  文  献    25 致  谢    26 附  录    27 1绪论 我国的刀架生产还处在发展阶段，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。 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，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。 1.1 概述 数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。 随着数控车床的不断发展，刀架结构形式也在不断翻新。其中按换刀方式的不同，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。其中，带刀库的数控加工中心自动换刀装置自1958年研制成功以来，其机械结构和控制方式不断得到改进和完善，形式多种多样，目前常见的有更换主轴头换刀以及带刀库的自动换刀系统。 1.2数控车床自动回转刀架的发展趋势 数控刀架的发展趋势是：随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。  目前国内数控刀架以电动为主，分为立式（如图1-1）和卧式（如图1-2）两种。立式主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。另外，卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等等。另外，加工工艺适应性和连续稳定的工作能力也明显提高：尤其是在加工几何形状较复杂的零件时，除了控制系统能提供相应的控制指令外，很重要的一点是数控车床需配备易于控制的电动刀架，以便一次装夹所需的各种刀具，灵活方便地完成各种几何形状的加工。 数控刀架的市场分析：国产数控车床将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种。 图 1-1 立式回转刀架                            图1-2 卧式回转刀架 1.3本设计的主要内容 本次设计主要是针对数控车床立式四刀位电动回转刀架的机械传动部分的设计，主要内容为： ⑴ 回转刀架刀架参数的确定； ⑵ 回转刀架动力源的选择； ⑶ 回转刀架传动机构的设计和标准件的选取； ⑷ 回转刀架的安装调试和精度检验； 2 回转刀架方案选择 2.1 数控车床回转刀架的基本要求 数控刀架作为数控机床必需的功能部件，直接影响机床的性能和可靠性。数控车床回转刀架的基本要求： ⑴ 转位准确可靠，工作平稳安全； ⑵ 按最短路线就近选位，转位时间短； ⑶ 重复定位精度高； ⑷ 防水、防屑、密封性优良； ⑸ 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、切断、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，本设计初选刀架为立式简易型四工位电动机回转刀架，采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，机械螺母升降转位式的工作原理。 2.2数控车床立式回转刀架的结构特点 数控车床立式回转刀架的结构特点： ⑴ 设置端齿盘作精定位元件； ⑵ 采用霍尔开关（无触点霍尔元件）作信号传输控制，避免了机械接触，延长了使用寿命； ⑶ 可以借助双重粗定位机构，使刀架回转平稳； ⑷ 具有防水防滑作用。 2.3 刀架参数的确定 刀尖高是数控车床回转刀架的主要参数。国内生产的立式数控车床回转刀架的中心高一般有51～245mm共计八个规格（具体参见参考文献[1]表3.15-4）。因此，参照烟台机床附件厂生产的AK21110-4M型回转刀架，初选刀尖高为110mm。其型号及具体规格如表2-1： 表2-1 刀架参数 型 号 中心高mm 工位数 单工位 时 间 s 刀 架转速r/min 最大切力 矩 N·m 电动机 功 率 W 电动机转 速 r/min 最大 载重 Kg 重复定 位精度 mm 外形 尺寸 mm AK21110-4M 110 4 2.5 25.4 450 120 1400 28 ±2″                       2.4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大类。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： ⑴ 立式简易型； ⑵ 伺服电动机直接驱动； ⑶ 刀尖高为110mm，工位数为4； ⑷ 外形尺寸为200×200×252（长×宽×高）； ⑸ 采用霍尔开关作为信号传输控制元件； ⑹ 转位时刀架需要抬起，高度为5mm。 3 回转刀架的工作原理及过程 3.1回转刀架的构成 立式数控车床回转刀架由固定部分（刀架基座或下刀体），转动部分（刀架座或上刀体）和驱动电动机三部分组成，并采用了卧轴外露式电动机布局。 3.2回转刀架的工作过程 本设计回转刀架的工作原理为机械螺母升降转位式。工作过程可分为刀架抬起、刀架转位、刀架定位并压紧等几个步骤，如图3-1所示，其工作过程如下： ⑴ 刀架抬起 当数控系统发出换刀指令后, 通过接口电路使电机正转, 经传动装置2、驱动蜗杆蜗轮机构1、蜗轮带动丝杆螺母机构8逆时针旋转 ,此时由于齿盘3、4处于啮合状态，在丝杆螺母机构8转动时，使上刀架体产生向上的轴向力将齿盘松开并抬起,直至两定位齿盘3、4 脱离啮合状态,从而带动上刀架和齿盘产生“上台”动作。 ⑵ 刀架转位 当圆套8逆时针转过150°时，齿盘3、4完全脱开，此时销钉准确进入圆套8中的凹槽中，带动刀架体转位。 ⑶ 刀架定位  当上刀架转到需要到位后（旋转90°、180°或270°），数控装置发出的换刀指令使霍尔开关9 中的某一个选通,当磁性板10 与被选通的霍尔开关对齐后,霍尔开关反馈信号使电机反转,插销7在弹簧力作用下进入反靠盘 5地槽中进行粗定位，上刀架体停止转动，电机继续反转，使其在该位置落下，通过螺母丝杆机构7使上刀架移到齿盘3、4 重新啮合, 实现精确定位。 ⑷ 刀架压紧 刀架精确定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿盘增加到一定夹紧力时， 电机由数控装置停止反转，防止电机不停反转而过载毁坏，从而完成一次换刀过程。