自动回转刀架、卡盘结构及控制系统设计

目录

1 绪论 (1)

1.1国外数控机床状况分析 (1)

1.2 国内数控机床状况分析 (2)

2 卡盘的设计 (7)

2.1卡盘方案的确定 (7)

2.2卡盘原理简介 (7)

2.4卡盘定位分析 (8)

2.4卡盘夹紧力的计算 (9)

2.5液压缸的设计 (11)

2.6弹簧的设计计算 (12)

3 回转刀架的设计 (14)

3.1回转刀架总体方案选择 (14)

3.2刀架原理简介 (16)

3.3回转刀架电机的选择 (17)

3.4刀架设计的要点及计算 (19)

3.5刀架三维零件的建立................ 错误！未定义书签。

4 微机控制系统硬件电路设计 (23)

4.1控制系统的设计要求 (23)

4.2硬件组成 (23)

4.3电气系统的设计 (30)

4.4程序设计 (31)

结论 (38)

致谢 (39)

参考文献 (40)

1、绪论

数控机床是一种典型的机电一体化产品，它综合了电子计算机、自动控制、自动检测、液压与气动及精密机械等方面的技术，该系统能逻辑的处理具有使用数字号码或者其它符号编码指令规定的程序，可以自动完成信息的输入、译码、运算，从而控制机床的运动和加工过程。数控车床是数控机床中的一种，它与普通车床一样主要用来加工轴类或盘类转体零件，如车削圆柱、圆锥、圆弧和各种螺纹等。与普通车床相比，数控车床的加工精度高、加工质量稳定、效率高、适应性强、操作劳动强度低，是目前使用较为广泛的一种数控机床。

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，减少多次安装所引起的加工误差，必须带有自动回转刀架。根据装刀数量的不同，自动回转刀架分有四工位六工位和八工位等多种形式。根据安装方式的不同，自动回转刀架可分为立式和卧式两种。根据机械定位方式的不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等。

其中断齿盘定位型换刀时刀架需抬起，换刀速度较慢且密封性较差，但其结构较简单。三

齿盘定位型又叫免抬型，其特点是换刀时刀架不抬起，因此换刀时速度快且密封性好，但其结构较复杂。

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时由控制系统和驱动电路来实现的

1.1国外数控机床状况分析

机床作为工业发展所必须之复杂生产工具，属生产资料、固定资产，其订货需求与经济发展兴衰密切相关。当前世界经济处於波浪式曲线上升时期，总体上世界机床市场需求比较旺盛。2003~2007年5年间，世界机床总产值连续上升，已从2003年的367.8亿美元上升至2007年的697.8亿美元（估计数字尚未公布），年均增幅约15%。

当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。

数控机床出现至今的50多年，随科技、特别是微电子、计算机技术的进步而不断发展。美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点。

美国的特点是，政府重视机床工业，美国国防部等部门不断提出机床的发展方向、科研任务和提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。由於美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国不仅生产宇航等使用的高性能数控机床，也为中小企业生产廉价实用的数控机床(如Haas、Fadal公司等)。其存在的教训是，偏重於基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80代政府一度

放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，於1982年被后进的日本超过，并大量进口。从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。

德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。特别讲究“实际”与“实效”，坚持“以人为本”，师徒相传，不断提高人员素质。在发展大量大批生产自动化的基础上，於1956年研制出第一台数控机床后，一直坚持实事求是，讲求科学精神，不断稳步前进。德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对用户产品、加工工艺、机床布局结构、数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统和Heidenhain公司之精密光栅，均为世界闻名，竞相采用。日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出於蓝而胜於蓝。日本也和美、德两国相似，充分发展大量大批生产自动化，继而全力发展中小批柔性生产自动化的数控机床。自1958年研制出第一台数控机床后，1978年产量(7,342台)超过美国(5,688台)，至今产量、出口量一直居世界首位(2001年产量46,604台，出口27,409台，占59%)。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。在策略上，首先通过学习美国全面质量管理(TQC)，变为职工自觉群体活动，保产品质量。进而加速发展电子、计算机技术，进入世界前列，为发展机电一体化的数控机床开道。日本在发展数控机床的过程中，狠抓关键，突出发展数控系统。日本FANUC公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。该公司现有职工3,674人，科研人员超过600人，月产能力7,000套，销售额在世界市场上占50%，在国内约占70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。

1.2 国内数控机床状况分析

1.2.1国内数控机床现状

2007年世界GDP增长约5.2%，而中国独为11.4%，远高出其他国家（地区）。机床市场也呈现出空前繁荣，企业任务饱满，供不应求，甚至难以按期交货。2007年金属加工机床（金属切削和成形）产值达111.9亿美元（中国公布），比上年70亿美元增长59.8%，产值居世界第三位，仅次於日本、德国，成为机床产值超百亿美元的世界机床生产大国。2007年中国机床消费额（产值＋进口额－出口额）达166.1亿美元（中国公布），世界机床总产值697.8亿美元之24%，比上年129.4亿美元增28.4%，连续第六年成为世界最大的机床消费国。2007年，中国的机床消费额，约为第二消费大国日本之2倍，世界老牌机床消费国美国的2.5倍，德国的3倍。

数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备。世界各国信息产业、生物产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对市场的适应能力和竞争能力。工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅大力发展自己的数控技术及其产业，而且在"高精尖"数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。因此大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为我国加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。

而在数控机床中数控车床又占主导地位。我国数控车床发展,始于20世纪70年代,通过30多年的发展,我国生产的数控车床,按中国需求的特色,形成经济型卧式数控车床（平床身卧式数控车床）、普及型数控车床（斜床身数控卧式车床和数控立式车床）和中高档数控车床（3轴控制以上）三种形式。经济型卧式数控车床,普遍采用平床身结构和立轴四工位方刀架,约占数控车床产量90%。普及型数控车床生产量不到数控车床产量的10% 。中高档数控车床,即车削中心和车铣复合中心,约占数控车床产量的0.02%。

经济型数控车床,价格低廉,售价仅10万元左右,不到普及型数控车床的1/3,设备费用投入较少,可以广泛地满足企业发展初期的需要,特别是受到民营经济企业的欢迎,仍是我国当前数控车床的主流产品。我国已有十余家企业生产规模达到年产千台以上。

普及型数控车床,即2轴控制的卧式数控车床斜床身和立式数控车床,国产产品得到了用户认可,基本可以满足用户需要。

车削中心等3 轴控制以上的中高档数控车床,国内用户选购的大部分是进口产品或合资、独资企业如大连因代克斯、宁夏小巨人、杭州友佳、上海哈挺等机床有限公司生产的产品,国产机床市场占有率较低。近几年,虽然我国开发不少中高档数控车床新品种,如具有Y轴功能的车削中心、双主轴双刀架一车削中心、倒置顺置主轴立式车削单元、车铣复合中心等等,但是,高级型数控车床的

重点是要进一步开发市场,取得国内用户广泛认可

“十五”期间国产数控机床发展很快。从技术上看,数控车床技术比较成熟, 通过技术引进和合作生产、消化吸收和自主创新,我国已掌握了数控车床设计和制造技术。从产品水平上看,我国自已能自行开发设计各种中高档数控车床,国际上最热门的、水平最高的双主轴、双刀架轴控制车铣复合中心,我国已有多

家企业开发试制成功,有的已被国内用户选购和出口国外。从品种上看,我国生产的数控车床品种比较齐全,每年都有多个数控车床新品种,可供各方面用户选用。从生产规模上看,国产经济型数控车床已形成规模生产,有十余家企业生产规模达到年产千台以上。

1.2.2国内数控机床的特点

(1).新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。

(2).数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。金切机床行业产值数控化率从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。

(3).数控机床发展的关键配套产品有了突破。近年来通过政府的支持，数控机床配套生产得到了快速发展。如北京航天机床数控系统集团公司建立了具有自主知识产权的新一代开放式数控系统平台。

1.2.3经济型数控车床

我的设计题目为数控车床卡盘和回转刀架的设计，考虑到电气方面单片机的广泛应用，而在数控车床中只有经济型数控车床采用单片机控制，因此，我选择设计经济型数控车床中的卡盘和回转刀架。

经济型数控机床就是指价格低廉、操作使用方便，比较适合国内国情的，在普通机床上加装数控系统的高级自动化机床。经济型数控车床。对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠两方面来实现：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统，由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制，所以，数控车床与普通卧室车床相比，应具有更好的精度，以确保机械传动系统的传动精度和工作稳定性。

1.2.4设计参数：

最大回转直径：540mm/260mm

最大切削直径：轴类零件150 mm 盘类零件400 mm

最小外圆车削直径：10 mm

最大车削长度：500 mm

工作进给速度：0.01 mm/r~500 mm/r 1 mm/min~2000 mm/min

主轴电机功率：连续： 5.5KW; 30min：7.5KW

进给伺服电机：额定功率：1.4KW; 额定转速：1500r/min; 机床质量：3500Kg. 精度

横向定位精度±0.025mm/300mm

重复定位精度±0.01mm

车削工件直径误差±0.018mm

圆度误差±0.027 mm

端面平面度误差±0.027 mm

轮廓尺寸2395 mmX1385 mmX1860 mm

2、卡盘的设计

2.1卡盘方案的确定

在机床中，卡盘是用来定位和夹紧工件的，它是一种典型的机床通用夹具。卡盘的定位精度等直接影响被加工件的质量。卡盘由两爪、三爪、四爪，其中三爪在机床上应用比较广泛，尤其是三爪自定心卡盘是车床上最常用的自定心夹具。它夹持工件时一般不需要找正，装夹速度较快。主要用于加工回转体零件，其主要特点是：夹具都装在机床主轴上，车削时夹具带动工件作旋转运动，由于主轴转速一般都很高，所以要注意解决由于夹具旋转带来的质量平衡问题和操作安全问题。

卡盘有液压卡盘，电动卡盘机械手动卡盘，在数控车床中经常用电动卡盘和液压卡盘，液压卡盘噪声小，控制精度高，所以设计为液压卡盘。

2.2卡盘原理简介

三爪卡盘是数控车床的夹具。随着主轴转速的提高，实现高速和超高速切削，一般卡盘已不适用，必须采用高速卡盘才能保证安全可靠的加工。目前，卡盘的松夹是靠有拉杆连接的卡盘和液压油缸实现的。装在主轴后端的油缸中，活塞带有拉杆向后移动，拉杆前端的杠杆顺时针旋转，将卡爪组件推向中心，夹紧工件；油缸相反方向进油，拉杆向前移动，杠杆逆时针旋转，松开工件。

卡盘的夹紧与松开，尾架的顶紧与退出，防护罩拉门的开、关等均有液压系统驱动与控制。

机床采用变量泵，将系统油压调整到规定的压力时，压力油经虑油器进入控制油路。卡盘的夹紧与松开由二位四通阀来控制。夹紧力的大小由减压阀来调整。为了安全操作，在油缸的进出油路上，设置了压力继电器，使得卡盘夹紧力达到一定值后，才能发出指令。

尾架由三位四通换向阀来控制，其顶紧力的大小由减压阀来调整，调整范围为0.5～1.5Mpa.

拉门的开、关由二位四通阀来控制，在油路中增加了单向阀和节流阀以调节拉门的开关速度。

2.4卡盘定位分析

2.3.1自由度分析

在机床上加工工件时，为使工件在该工序所加工表面能达到规定的尺寸与形位公差要求，在开动机床进行加工之前，必须首先将工件放在机床上或夹具中，使它在夹紧之前就相对与机床占有某一正确位置。

图2.1 机床坐标

卡盘限制自由度：X 移动，X 转动，Y 移动，Y 转动。 2.3.2定位误差

因定位不正确而引起的误差称为定位误差。定位误差dw ?由基准不重合

jb

?和定位副（含工件定位基面和定位元件）制造不准确误差db ?两部分组成，定位误差dw ?值为上述两项误差在工序尺寸方向上的代数和，即

db

jb dw ?+?=?

对于卡盘来说，定位基准是加工工件的外圆表面，工序基准为外圆表面，所

以基准不重合误差jb

?＝0，三爪卡盘有自定心的作用，所以定位副制造不准确

误差db ?＝0。

2.4卡盘夹紧力的计算

根据力学的基本知识得知，要表述和研究任何一个力，必须掌握力的三个要素，即：力的大小、方向和作用点。对于夹紧力来说，也不例外。 2.4.1卡盘夹紧力的方向

首先，夹紧力应垂直于主要定位基准面。为使夹紧力有助于定位，则工件应紧靠支承点，并保证各个定位基准与定位元件接触可靠。一般的讲，工件的主要定位基准面其面积较大、精度较高，限制的不定度多，夹紧力垂直作用于此面上，有利于保证工件的加工质量。其次，夹紧力的方向应有利于减小夹紧力。 2.4.2卡盘夹紧力的作用力

夹紧力的作用点是指夹紧元件与工件相接触的一小块面积。选择作用点的问题是在夹紧力方向已定的情况下才提出来的。选择夹紧力作用点位置和数目时，应考虑工件定位可靠，防止夹紧变形，确保工序的加工精度。车削时夹紧力的方向和作用点如图2.2

图2.2 夹紧力的方向

2.4.3卡盘夹紧力大小的计算 由表

3.1得知 m .7N .47T N =

N T ——电动机的额定转矩 7.5KW P N = N P ——电动机的额定功率

1500r/min

7.475X10.755.9T P 9.55n 3

N N N ===

N

N

N n P

9.55T =

μ=

n.D.2.K.M

W K

K ——安全系数

M ——电机输出轴扭据（N.m ） D ——工件最大直径 n ——卡爪数

654310K K K K K .K K =

0K ～6K 为各种因素的安全系数，查表得：

0K ＝1.3 考虑工件材料及加工余量均匀性得基本安全系数； 1K ＝1.0 加工性质，精加工；

2K ＝1.4 刀具钝化程度；

3K ＝1.2 切削特点，断续切削； 4K ＝1.0 夹紧力的稳定性，机动夹紧；

5K ＝1.0 操作方便；

6K =1.0 仅有力矩使工件回转时工件与支承面接触情况。

184.20.10.10.12.14.10.13.16543210===x x x x x x K K K K K K K K

M=47.7N.m n=3

一般钢件接触摩擦系数μ=0.15

)N (72.308615.15x0.3x07

.184x47.2x2n.D.2.K.M W K ==μ=

2.5液压缸的设计

2.5.1液压缸工作压力的确定

为克服外部载荷所需的压力称为有效工作压力。作用在活塞上的总机械载荷P 主要包括两个部分，即：m 1P P P += 式中1P 为活塞杆上所受的外载，它主要包括夹紧力在油缸轴向的分力，以及夹紧机构运动部件的磨擦力。Pm 为活塞和活塞杆密封处的摩擦力。这种磨擦力的计算，视密封装置不同而有所不同。

对于O 形密封圈：1m 03P

.0P =.根据所确定的P 值，油缸的工作压力可按表2.2确定。

表2.2 油缸工作压力的选择

1P ＝72N .3086W K = 6N .92P m =

m 1P P P +==3086.72+92.6=3179.32N=324.4KG=0.3吨

液压缸的工作压力p=8～12公斤力/厘米2。取p=12公斤力/厘米2

2.5.2液压缸内径、活塞杆尺寸的确定 在一般情况下，活塞工作面积

g

F 可按下式确定：

g

g p P F η=

式中 P ――活塞杆上的总机械载荷，公斤力； P ――液压缸的有效工作压力，公斤力/厘米2

g

η――液压缸的机械效率，主要考虑密封处的摩擦损失，一般取0.95。

2

g g 456cm .2895

.12X04.324p P F ==η=

求出活塞的工作面积后，就可按下式确定油缸内径D

02cm .614

.3456

.282

F 2

D g

===π

根据GB2348-8将其进行标准化D ＝63mm 活塞杆直径d 一般可按下式确定 D=(0.3~0.4)D=0.3x63=18.9mm 根据GB2348-80将其标准化，d ＝20mm 液压缸的工作行程L L<20D=20x6＝120cm

根据GB2349-80，将其标准化，取L ＝100cm

2.6弹簧的设计计算

根据

][KC P 6

.1d max ,τ≥

因为弹簧外径查表按系列值取

,12mm D 2=,3mm d =,1570MPa

b =σ 旋绕比：

43/12d /D C 2===

补偿系数：

4.1C 0.615

44C 14C K =+--=

许用切应力：

785MPa 5x1570.05.0][b ==σ=τ

弹簧丝直径：

5mm .378575x1.4x4.7946x .1][PmaxKC 6

.1d ==τ≥

弹簧外径：

5mm .155.312d D D 2=+=+=

弹簧内径：

5mm

.85.312d D D 2=-=-=

3、回转刀架的设计

3.1回转刀架总体方案选择

3.1.1伺服系统的选择

数控机床的伺服驱动系统按有无反馈检测单元分为开环和闭环两种类型，如图3.1所示。这两种类型的伺服驱动系统的基本组成不完全相同。但不管是那种类型，执行元件及其驱动控制单元都比不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。

(1)开环伺服系统：开环伺服驱动系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。它主要由步进电机及其驱动线路构成。数控系统发出指令脉冲经过驱动线路变换或放大，传给步进电机。步进电机每接受一个指令脉冲，就旋转一个角度，步进电机的转速和转过的角度取决于指令脉冲的频率和个数，反映到刀架上就是刀架的移动速度和位移大小。然而，由于系统中没有检测和反馈环节，工作中移动到位不到位，取决于步进电机的步距角精度，蜗轮传动间隙等，所以它的精度较低。但其结构简单，易于调整，工作可靠，价格低廉。该系统用于精度要求不高的数控机床。

(2)闭环伺服系统：由于开环伺服系统只接受数控系统的指令脉冲，至于执行情况的好坏系统则无法控制。如果能对执行情况进行监控，其加工精度无疑会大大提高。然而另一方面，正是由于各个环节都包括在反馈回路内，因此它们的摩擦特性、刚度和间隙等都直接影响伺服系统的调整参数。所以闭环伺服

系统的结构复杂，其调试和维护都有较大的技术难度，价格也较贵。因此一般只在大型精密数控机床上采用。

(3)半闭环伺服系统：不在机床末端而在中间某一部分拾取反馈信号的伺服系统称为半闭环伺服系统。由于这种系统抛开了一些诸如传动系统精度和摩擦阻尼等非线性因素，所以这种系统调试比较容易，稳定形也好。尽管这种系统步反应反馈回路之外的误差，但由于采用高分辨率的检测元件，也可以获得比较满意的精度。这种系统被广泛应用与中小型数控机床上。

从经济的角度考虑，我选择开环伺服系统控制，结构简单，价格低廉。但是要注意的是精度够不够的问题。因此，从设计题目中给的设计参数中最小指令值出发，选择具有一定脉冲当量的电动机，从而保证机床的精度。

3.1.2刀架结构选择

数控车床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置。根据加工对象，有四方刀架、六角刀架和八（或更多）工位的圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。回转刀架上分别安装四把、六把或更多刀具，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，以承受粗加工时切削抗力和减少刀架在切削力作用下的位移变形，提高加工精度。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，加工过程中刀架部要进行人工调整，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高的重复定位精度（一般位0.001～0.005mm）。

回转刀架按其工作原理分为机械螺母升降转位、十字槽轮转位、凸台棘爪式、电磁式及液压式等多种工作方式。但其换刀的过程一般均为刀架抬起、刀架转位、刀架压紧并定位等几个步骤。

普通车床的刀架一般都是四方刀架，考虑经济性以及利于普通车床数控化改造，我选择四方回转刀架。并设计成螺旋升降式四方回转刀架。

3.2刀架原理简介

该装配图为螺旋升降式四方回转刀架，其工作原理见图：

(1)刀架抬起当数控装置发出换刀指令喉，电机正转，并经联轴器，带动蜗杆轴转动，从而带动蜗轮旋转，蜗轮通过键带动轴旋转，轴上装有轴套26，它可在套筒24内孔中的螺旋槽内滑动，从而举起与套筒24相连的上刀架21及上端齿盘20，使上端齿盘20与下端齿盘18分开，完成刀架抬起动作。如图3.2所示。

(2)刀架转位刀架抬起后，轴套26仍在继续转动，同时带动上刀架21转过

?

90（如不到位，刀架还可继续转位?

360），当转过所需的角度后，

180、?

270、?

由微动开关3发出信号给数控装置。

(3)刀架压紧刀架转位后，由微动开关发出的信号使电机反转，压缩弹簧15推动定位销17，定位销伸出，使上刀架21定位而不随轴套26回转，于是刀架在重力的作用下向下移动，上下端齿盘合拢压紧。蜗杆继续转动则产生轴向位移，压缩弹簧5，套筒4的外圆曲面压缩开关3使电机停止旋转，从而完成一次转位。

a

b

图3.2刀架原理图

23－轴；39－蜗轮；16－下刀架体；20－上刀架齿盘；19－下刀架齿盘；21－上刀架体

26－轴套；24－套筒；17－定位销；3－微动开关；5－压缩弹簧；48－步进电机；45－蜗杆轴。

3.3回转刀架电机的选择

开环伺服系统一般选用步进电机。步进电动机是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移量的执行元件。其转速则与脉冲频率成正比。由于输入为电脉冲，因而易于电子计算机或其他数字电路接口，适用于数字控制系统。步进电动机广泛应用于数控机床、自动生产线、自动化仪表、计算机外部设备、绘图机、计时钟表等方面。步进电动机用于系统具有较好的开环稳定性，系统结构简单，有可能省去闭环系统中的测量元件。

3.3.1电机种类的选择

(1)反应式步进电动机的特点：步距角小，启动和运行频率高，在一相绕组

长期通电状态下，具有自锁能力，消耗功率较大，应用范围比较广泛。例如阀门控制、数控机床及其他数控装置。

永磁式步进电动机的特点：功率比较小，在断电的情况下，有定位转矩，步距角大，启动和运行频率较低，主要应用在自动化仪表方面。

(2)永磁感应子式步进电动机的特点：有较小的步距角，启动和运行频率较高，消耗功率较小，有定位转矩，它具有反应式和永磁式两种步进电机的特点，因是混合式结构，故结构较复杂，制造成本高。

纵上所述，从精度和经济的角度来选，选用反应式步进电机。 3.3.2电动机型号的选择

当步进电机在负载力矩0T 的作用下，转过一个步距角θ时，所做的功为

π?θ

?

=2360T W 0D

初步估计刀架重量为200N ，即克服负载F ＝200N ，位移δ所做的功为

δ?=F W a

根据能量守恒原则a D W W =η，其中η为电机的传动效率。取η＝0.964 由以上可求得：

mm .58N .158964

.075.014.32200

01.03602F 360T 0=?????=η?θ?π?δ?=

若不考虑启动时运动部件的惯性影响，则启动转矩为 5

.0~3.0T T 0

q =

取安全系数0.4

则mm .44N .3964

.058

.1580.4T T 0q ==

= 为了满足最小步距角的要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表得：

866.0T T max

q =

所以mm .78N .457866

.044

.396866

.0T T q max ==

=

步进电机运动频率:

3Hz .333301

.0602

1000601000V f max mac =??=δ=

根据以上参数选用反应式步进电机75BF004。其参数见下表。

表3.1 反应式步进电机75BF004参数

3.4刀架设计的要点及计算

3.4.1蜗轮蜗杆传动

蜗杆传动的主要优点是可以获得较大的单级传动比，在动力传动中，传动比的一

5～80，对非动力传动，传动比可达1000或更大。由于传动

比大，零件数目少，因而结构紧凑。由于蜗杆齿是连续的螺旋齿，与蜗轮轮齿的啮合是逐渐进入或逐渐啮合，因而传动平稳，震动和噪声小。蜗杆传动的噪声级比同精度圆柱齿轮传动平均约低7dB 。另外，不需要其他辅助机构即可获得传动的自锁性。蜗杆传动的主要缺点是效率低，故不易在大功率连续运转条件下工作，因而会产生大的热量，因此，设计蜗轮蜗杆必须考虑散热，要进行热平衡计算。

3.4.2双导程蜗杆设计

在数控机床中分度工作台、数控转台都广泛采用蜗杆、蜗轮传动。蜗轮副