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数控车床自动回转刀架机电系统设计(含CAD图纸).doc

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I摘 要自动回转刀架是数控机床的重要组成部分,它有效地提高了劳动生产率,缩短了生产准备时间,消除人工误差提高加工精度和加工精度的一致性等。但是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。所以为了提高生产率、改善产品质量以及改善劳动条件必须对自动回转刀架进行改进。本文对数控车床自动回转刀架的机电系统的相关内容进行分析,研究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,使该装置具有自动松开、转位、精密定位等功能。此次主要完成自动回转刀架的机械部分和电气部分的设计。机械部分为对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IIDesign of automatic turret mechanical and electrical system of CNC lathesAbstractThe automatic turret is an important part of CNC lathe. It improved labor productivity and shorten the production time, eliminate human error, the improvement of the machining accuracy and consistency of precision. Though conventional ordinary lathe tool change slowly, low accuracy, low productivity. It cannot adapt to the needs of modern production. Therefore, we must be improved the automatic turret in order to increase productivity, improve product quality and improve working.This rotary tool holder for CNC lathe electrical and mechanical systems related content study, study the composition and working principle of CNC lathes turret and improve the tool changerthe of general machine tools, so that the device has an automatic release, transfer, precision positioning and other functions. This time we should completion of the design of automatic turret’s the mechanical parts and electrical parts. Mechanical part is composed of various mechanical calculation and selection of parts, electrical parts is preparation of the turret automatically transfer of the control software, automatic indexing turret. Design of more powerful CNC tool changer, tool changer quickly through the automatic positioning tool can improve the efficiency of CNC lathes and shorten the processing time; while its reliability is more stable, the structure is simpler.Keywords Automatic turret Tool changer Electro-Mechanical Systems Electrical controlIII目 录1 绪 论 ..............................................................................................................................11.1 自动回转刀架的设计背景 .....................................................................................11.2 自动回转刀架的市场分析 .....................................................................................21.3 设计自动回转刀架的意义 .....................................................................................22 自动回转刀架总体设计 ................................................................................................32.1 总体方案的确定 .....................................................................................................32.2 减速机传动机构的确定 .........................................................................................42.3 刀体锁紧与精定位机构的确定 .............................................................................52.4 抬起机构的确定 .....................................................................................................53 自动回转刀架机械部分设计 ........................................................................................63.1 自动回转刀架的工作原理 .....................................................................................63.2 蜗轮及蜗杆的设计及校核 .....................................................................................83.2.1 蜗杆的选型 ......................................................................................................93.2.2 蜗杆副的材料 ................................................................................................103.2.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 ....................................................................103.3 蜗轮及蜗杆的主要参数与几何尺寸 ...................................................................123.4 螺杆的主要参数与几何尺寸 ...............................................................................143.4.1 螺杆的设计计算 ............................................................................................143.5 蜗杆轴的设计 .......................................................................................................153.5.1 蜗杆轴的材料选择,确定许用应力 ............................................................153.5.2 按扭转强度初步估算轴的最小直径 ............................................................153.5.3 确定各轴段的直径和长度 ............................................................................163.5.4 蜗杆轴的校核 ................................................................................................173.6 蜗杆轴的轴承选用 ...............................................................................................214 自动回转刀架电气部分设计 ......................................................................................224.1 硬件电路设计 .......................................................................................................224.2 控制软件设计 .......................................................................................................25IV4.2.180C31 单片机及其引脚说明 ..........................................................................264.2.2 静态存储器 6264 的特性 .............................................................................284.2.3 2764 只读存储器的特性 ...............................................................................284.2.4 可编程并行 I/O 接口芯片 8255 的特性 ......................................................295 结 论 ............................................................................................................................336 致 谢 ..........................................................................................................................347参考文献 .......................................................................................................................35附录转配图 A0 图纸一张、零件图 A1、A2 各五张(上刀体图、下刀体图上圆盘图、下圆盘图 、刀架电气图、蜗轮、蜗杆图、螺杆图、空心轴图、发信盘图)11 绪 论1.1 自动回转刀架的设计背景经济型数控是我国 80 年代科技发展的产物。这种数控系统由于功能适宜,价格便宜,用它来改造车床,投资少、见效快,成为我国“七五” 、 “八五”重点推广的新技术之一。十几年来,随着科学技术的发展,经济型数控技术也在不断进步,数控系统产品不断改进完善,并且有了阶段性的突破,使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。由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力,根据我国国情,该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。对于原有老的经济型数控车床,特别是80 年代末期改造的设备,由于种种原因闲置的很多,浪费很大;在用的设备使用至今也十几年了,同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水平,大大提高生产效率,创造更大的经济效益。数控车床为了能在工件的一次装夹中完成多工序加工,缩短辅助时间,减少多次装夹所引起的加工误差,必须带有自动回转刀架。随着数控车床的发展,自动回转刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。 目前国内自动回转刀架以电动为主,根据安装方式的不同可分为立式和卧式两种。立式刀架有四、六工位两种形式,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。根据机械定位方式的不同,自动回转刀架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刀架抬起,换刀速度较慢且密封性较差,但其结构简单。三齿盘定位型又叫免抬型,其特点是换刀时刀架不抬起,因此换刀速度快且密封性好,但其结构较复杂。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。21.2 自动回转刀架的市场分析国产数控车床今后将向中高档发展,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,近年来需要量可达10000~15000 台。 数控刀架的高、中、低档产品市场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,是机床的故障高发点。这就要求设计的刀架具有转位快,定位精度高,切向扭矩大的特点。它的原理采用蜗杆传动,上下齿盘啮合,螺杆夹紧的工作原理。1.3 设计自动回转刀架的意义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。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。为了保证转位之后具有高的重复定位精度,自动回转刀架还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是由控制系统和驱动电路来实现的。在自动换刀数控机床上,自动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,换刀安全可靠等要求。各类机床的换刀装置主要取决于机床的型式、工艺范围及刀具的数量和种类等。传统的车床如 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,生产效率低,不能适应现代化生产的需要,因此有必要对机床的自动刀架进行改进。32 自动回转刀架总体设计2.1 总体方案的确定在自动换刀数控机床上,自动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,换刀安全可靠等要求。目前为止应用最广的刀架为回转刀架。回转刀架是一种最简单的自动换刀装置,常用于数控车床。可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具,并按数控装置的指令换刀。回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度,以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置,对于数控车床来说,加工过程中刀具位置不进行人工调整,因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构,以保证回转刀架在每次转位之后,具有尽可能高的重复定位精度(一般为 0.001~0.005mm) 。图 2-1 回转刀架的类型及工作原理4一般情况下,回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位及刀架压紧等。回转刀架按其工作原理分为若干类型,如图 2-1 所示。图 2-1a 所示为螺母升降转位刀架 ,电动机经弹簧安全离合器到蜗轮副带动螺母旋转,螺母举起刀架使上齿盘与下齿盘分离,随即带动刀架旋转到位,然后给系统发信号螺母反转锁紧。使刀架换位,进行切削加工。螺母升降式零件多,但加力可靠,精度较高,许多刀架都利用这种原理设计。图 2-1b 所示为利用十字槽轮来转位及锁紧刀架(还要加定位销) ,销钉每转一周,刀架便转 1/4 转(也可设计成六工位等) 。十字槽轮式体积大,零件多,目前使用较少。图 2-1c 所示为凸台棘爪式刀架 ,蜗轮带动下凸轮台相对于上凸轮台转动,使其上、下端齿盘分离,继续旋转,则棘轮机构推动刀架转 90o,然后利用一个接触开关或霍尔元件发出电动机反转信号,重新锁紧刀架。凸台棘爪式重复定位精度相对较低。图 2-1d 所示为电磁式刀架,它利用了一个有 10kN 左右拉紧力的线圈使刀架定位锁定。电磁式目前已能实用,但多一套电路,并要有断电保护。图 2-1e 所示为液压式刀架,它利用摆动液压缸来控制刀架转位,图中有摆动阀芯、拨爪、小液压缸;拨爪带动刀架转位,小液压缸向下拉紧,产生 10kN 以上的拉紧力。这种刀架的特点是转位可靠,拉紧力可以再加大,但其缺点是液压件难制造,还需多一套液压系统,有液压油泄漏及发热问题。经过参考几种经典的刀架设计类型后,决定在本设计中采用螺母升降转位刀架,电动机经弹簧安全离合器到蜗轮副带动螺母旋转,螺母举起刀架使上齿盘与下齿盘分离以及利用十字槽轮来转位及锁紧刀架(还要加定位销)来实现刀架抬起和精确定位。2.2 减速机传动机构的确定在本设计中由于采用了三相异步电动机,三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速,转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流,并与磁场相互作用产生电磁转矩,实现能量变换。与单相异步电动机相比,三相异步电动机运行性能好,并可节省各种材料。在普通的三相异步电动机因转速太快,5不能直接驱动刀架进行换刀,必须经过适当的减速。根据立式转位刀架的结构特点,采用蜗杆副减速是最佳选择。蜗轮蜗杆传动有以下特点1、传动平稳。蜗杆传动同时啮合的齿对数多,且蜗杆为连续的螺旋曲面,啮合过程是连续的,振动、冲击和噪声较小。2、具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合摩擦角时,蜗杆传动具有自锁性。此时,只能蜗杆带动蜗轮,反之则不能转动。3、传动比大。单级传动可获得传动比为 5-80,在分度机构中可达 600 或更大。和齿轮传动相比实现相同的传动比时结构较紧凑。所以说蜗杆副传动可以改变运动的方向,获得较大的传动比,保证传动精度和平稳性,并且具有自锁功能,还可以实现整个装置的小型化。使得刀架在是有过程中更加轻便,方便机床的加工作业。2.3 刀体锁紧与精定位机构的确定在本设计中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,将上刀体和下刀体的配合面加工成梯形端面齿。当刀架处于锁紧状态时,上下端面齿相互咬合,这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动;换刀时电动机正传,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。2.4 抬起机构的确定要想使上、下刀体的两个端面齿脱离,就必须设计合适的机构使上刀体抬起。本设计选用螺杆- 螺母副,在上刀体内部加工出内螺纹,当电动机通过蜗杆-蜗轮带动蜗杆绕中心轴转动时,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咬合,因为这时上刀体不能与螺杆一起转动,所以螺杆的转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离咬合时,上刀体就与螺杆一同转动。设计螺杆时要求选择适当的螺距,以便当螺杆转动一定角度时,使得上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离咬合状态。 63 自动回转刀架机械部分设计3.1 自动回转刀架的工作原理自动回转刀架的换刀流程图如图 3-1 所示,传动结构如图 3-2 所示。图 3-1 自动回转刀架换刀流程1-发信盘 2-推力球轴承 3-螺杆螺母副 4-端面齿盘 5-反靠圆盘 6-三相异步电机 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 图 3-2 自动回转刀架的传动结构示意图刀架抬起需要换刀时,控制系统发出刀架转位信号,三相异步电动机正向旋转,通过蜗杆副带动螺杆正向转动,与螺杆配合的上刀体逐渐抬起,下刀体与
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