专业综合设计自动回转刀架

课程设计说明书

题 目： 自动回转刀架设计

学生姓名： （如需完整C A X A 图纸联系

Q Q 4589932）

学 院： 机械学院

班 级： 机制11-3

指导教师： 张楠/讲师

2014年 7 月 10 日

摘要

数控加工的加工精度高，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，它的发展和运用，影响着制造业水平高低，实现生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向，所以非常值得我们去研究。

本设计通过对四工位立式自动回转刀架的工作原理的分析，确定了多种方案，综合考虑各种方案的优缺点、性价比后，采用自动回转刀架。其刀架机构的主要部件包括减速传动机构、刀架的抬起机构、锁紧与转位精定位机构等，控制系统软件包括控制系统的选择，控制系统软硬件的设计，收发信电路的设计等，设计中所采用螺杆抬起机构、端齿盘定位机构和单片机控制系统都计较经济实用，适合我们我国现阶段数控机床的发展需要。关键词：数控;四工位 ; 自动回转刀架

Nc machining of high accuracy, high productivity, can reduce the operator labor intensity, improve working conditions, conducive to the modernization of production management and improving economic benefit, its development and utilization, manufacturing level, realize the production process of numerical control, 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 working principle of vertical automatic rotary tool post, determine a variety of solutions, after considering the advantages and disadvantages of various options, cost performance, 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 precision positioning mechanism, control system software including the selection of control system, the design of the control system hardware and software, to send and receive letters 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 and practical, suitable for our CNC machine at the present stage in China's development needs.

Key words: CNC Four-station Automatic rotary tool rest

目录

第1章引言 (1)

1.1. 概述 (1)

1.2. 技术性能与发展趋势 (1)

1.3. 国内发展情况 (1)

1.4. 国外发展情况 (1)

1.5. 本设计的主要任务 (2)

第2章回转刀架的工作原理及过程 (3)

3.1. 回转刀架的构成 (3)

3.2. 回转刀架的工作过程 (3)

第3章总体结构设计 (6)

3.1.减速传动机构的设计 (6)

3.2.上刀体销紧与精定位机构 (6)

第4章主要传动部件的设计计算 (7)

4.1.螺杆副的设计计算 (6)

4.2.螺杆的设计计算 (10)

第五章总结 (11)

心得体会 (12)

参考文献... .. (13)

第1章引言

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 技术性能与发展趋势

数控转塔刀架的技术发展很快，现正逐步形成标准定型产品。我国数控转塔刀架标准草案中所规定的主要技术性能如下：

1.3 国内发展情况

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。

1.4 国外发展情况

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。

1.5- 本设计的主要内容

题目：数控车床自动回转刀架机电系统设计

任务：设计一台四工位的立式自动回转刀架，适用于C616或C6132经济数控车床。主要内容为：

（1）总体结构设计；

（2）回转刀架的工作原理及过程；

（3）主要传动机构的设计计算；

第2章 回转刀架的工作原理及过程

2.1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。

2.2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2-2所示，其工作流程图如下。

上盖圆盘转动方向b)b)b)b)

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

上盖圆盘转动方向上盖圆盘转动方向

上盖圆盘转动方向

图3-1自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置

这里简要介绍自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置如图2-1所示。其中上部

的圆柱销2和下部的反靠销6起着重要作用。

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落在圆盘7的

十字槽内，上刀体4的端面齿和下刀体的端面齿处于啮合状态（上下端面齿在图中未画出）。

需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三项异步电动机正向旋转，通过蜗杆

副带动蜗杆正向转动，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），当转过约错误！未找到引用源。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）。

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。

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。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的销空内，之后，上盖圆盘1是下表面开始与圆柱销2的头部滑动。再次期间，上、下刀体的端面齿逐渐啮合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。

由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可以稳定地工作。

图2-2自动回转刀架的换刀流程图

第 3 章总体结构设计

3.1减速传动机构的设计

普通的三相异步电动机因转速太快，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，还可以实现着呢哥哥装置的小型化。

3.2上刀体锁紧与精定位机构的设计

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，完成转位动作。

3.3刀架抬起机构的设计

本设计采用螺杆、螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆-蜗轮带动螺杆绕中心轴转动时，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，上刀体与下刀体的断面齿相互啮合，因为这时上下刀体不能与螺杆一起转动，所以螺杆的转动会使上下刀体向上移动。当端面齿脱离啮合时，上刀体就与螺杆一同转动。

第4章 主要传动部件的设计计算

4.1螺杆副的设计计算

（1）蜗杆的选型：渐开线型圆柱蜗杆（Z1型）

（2）蜗杆副的材料：铸锡磷青铜ZCuSn10P1,采用金属铸造

（3）按齿面接触疲劳强度进行设计：

计算公式：[]322???

? ??≥H E Z Z KT a σρ （4-1） ɑ—蜗杆副的传动中心距；

K —载荷系数；

2T —作用在涡轮上的转矩2T ，单位mm N ?；

E Z —弹性影响系数，单位为2

1MPa

ρZ —接触系数； []H σ—许用接触应力，单位M Pa 。

1）确定作用在涡轮上的转矩2T ：设螺杆头数1z =1，螺杆副的传动效率取η=0.8。

2T =2255.9n P =2

155.9n p η=22.92mm N ?=22920mm N ? 2）确定载荷系数K: K=V A K K K β。

A K =1.15 (由表6-3查得） βK =1.15 V K =1.05

K=V A K K K β=1.15×1.15×1.05≈1.39

3）确定弹性影响系数E Z ：铸锡磷青铜与钢蜗杆相配时，从有关手册查得弹性

影响系数E Z =1602

1MPa 。

4）确定接触系数ρZ ：先假设蜗杆分度圆直径1d 和传动中心距a 的比值

a d 1=0.35 从图6-17可查得接触系数ρZ =2.9。

5）确定许用接触应力[]H σ：根据涡轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1、金属模铸

造、蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC,可从表6-4中查得涡轮的基本许用应力[]H σ′＝

268MPa 。已知蜗杆为单头，涡轮每转一转时每个轮齿啮合的次数j=1;涡轮转速

2n =30r/min;蜗杆副的使用寿命h L =10000h 。

则应力循环次数：

N=60j 2n h L =1.8×710

寿命系数：HN K =8710N

=0.929 许用接触应力：[]H σ=HN K []H σ′=0.929×268MPa ≈249MPa

6）计算中心距：将以上各参数代入（4-1）式

322499.21602292039.1??? ?????≥a mm ≈ 48mm

查表6-2，取中心距a=50mm ，已知蜗杆头数1z =1，设模数m=1.61z mm ，得蜗杆分

度圆直径1d =20mm 。这时1d /a=0.4,由图6-17得接触系数Z ′ρ=2.74。因为Z ′ρ＜

ρZ ，所以上诉计算结果可用。

（4）蜗杆和涡轮的主要参数与几何尺寸

1）蜗杆参数与尺寸

头数1z =1，模数m=1.6mm ,轴向齿距a P =πm=5.027mm ，轴向齿厚

a s =0.5πm=2.514mm ，分度圆直径1d =20mm ，直径系数q=1d /m=12.5,分度圆导程

角γ= 4arctan 1=???

? ??q z 34′26"。

取齿顶高系数*

a h =1，径向间隙系数*c =0.2，则齿顶圆直径1a d =1d +2*

a h m=20mm +2×1×1.6mm =23.2mm ，齿根圆直径1f d =1d －

2m(*a h +*c )=[])2.01(6.1220+??-mm =16.16mm 。 2）涡轮参数与尺寸

齿数2z =48，模数m=1.6mm ，分度圆直径2d =m 2z =1.6×48mm =76.8mm ，变

为系数2x =??????--2)(21d d a /m=??

????+-2)8.7620(50/1.6=1，涡轮喉圆直径2a d =2d +2m(*

a h +2x )=()[]116.128.76+??+mm =83.2mm ，蜗轮齿根圆直径2f d =2d -2m(*

a h -2x +*c )=()[]2.0116.128.76+-??-mm =76.16mm ，涡轮咽喉母圆半径2

22a g d a r -==（50-83.2/2）=8.4mm 。 （5）校核涡轮齿根弯曲疲劳强度

即检验下式是否成立：

[]F Fa F Y Y m

d d KT σσβ≤=221253.1 (4-2) F σ—涡轮齿根弯曲应力，单位为MPa ；

2Fa Y —涡轮齿形系数；

βY —螺旋角影响系数；

[]F σ—涡轮的许用弯曲应力，单位为MPa 。

由蜗杆头数1z =1，传动比i=48,可以算出涡轮齿数2z =i 1z =48。

则涡轮的当量齿数： γ

322cos z z v ==48.46 根据涡轮变位系数2x =1和当量齿数2v z =48.46，查图6-18，得齿形系数：

螺旋角影响系数：

βY =1- 140γ

=0.967

根据涡轮的材料和制造方法，查表6-5，可得涡轮基本许用弯曲应力：

[]F σ′=56MPa

涡轮的寿命系数：

97610

8.110?=FN

K =0.725 涡轮的许用弯曲应力： []F σ=[]F σFN K =56×0.725MPa =40.6MPa

将以上参数代入式（4-2），得涡轮齿根弯曲应力：

F σ=967.095.16

.18.76202292039.153.1??????MPa ≈37.4MPa 可见，F σ＜[]F σ，涡轮齿根的弯曲强度满足要求。

4.2螺杆的设计计算

（1）螺距的确定

刀架转位时，要求螺杆在转动约 170的情况下，上刀体的端面齿与下刀体的端

面齿完全脱离；在锁紧的时候，要求上下端面齿的镍和深度达2mm 。因此，螺杆的

螺距P 应满足P ×170/360＞2mm ，即P ＞4.24mm ，今取螺杆的螺距P =6mm 。

（2）其他参数的确定

采用单头梯形螺杆，头数n =1，牙侧角β= 15，外螺纹大径（公称直径）

1d =50mm ，牙顶间隙c a =0.5mm ，基本牙型高度1H =0.5P =3mm ,外螺纹牙高

3h =1H +c a =3.5mm ，外螺纹中径2d =47mm ，外螺纹小径3d =43mm ，螺杆螺纹部分

长度H =50mm 。

（3）自锁性能校核

螺杆-螺母材料均用45钢，查表6-6，取二者的摩擦因数f =0.11；

再求得梯形螺旋副的当量摩擦角：

5.6c o s a r c t a n ≈=β

?f V 螺纹升角：

33.247

14.361arctan arctan 2=??==ψd np π

第六章总结

通过两周的课程设计，通过短短两周的奋斗，我终于完成了我的设计，这次课程设计的题目是数控自动回转刀架的在课程结束之际我们迎来了我们的机制系统课程设计。经过短短两周的忙绿，我终于完成了我的课程设计。此次课程设计是对我们专业课学习完毕后的一种检验，是专业知识的综合用应﹑综合考察，是对所学知识进一步巩固和理解。此次课程设计我设计的是数控车床自动回转刀架的总体部分，虽然它没有机械本体计算的复杂，也没有控制部分的繁琐，但它是对全局的把握。它既包括它的工作原理的分析，还包括传动机构方案的确定，又包括控制系统的选择，等等。这是机械设计知识，PLC控制原理，机电传动控制的综合应用。通过通过本题目的设计使我们所学的知识系统化，为以后独立解决实际工程技术问题，调研能力和设计计算的能力，以及用图纸和说名书来表达设计的能力打下了坚实的基础。

感谢张老师对我的精心指导，帮助我解决了许多问题，再此，我向张老师表示以我崇高的敬意和最真挚的感谢！

心得体会

通过这次数控自动回转刀架课程设计，使我更加扎实的掌握了有关机械设计，数控加工，一级CAXA运用方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。

课程设计过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。

此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。

参考文献

[1] 林述温等. 机电装备设计[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2] 机床设计手册组.机床设计手册（三分册）[M].北京：机械工业出版社，1986.

[3] 王爱玲.现代数控机床结构与设计[M].北京：兵器工业出版社，1999.

[4] 尹志强等.机电一体化系统设计课程设计指导书[M].北京：机械工业出版社，20097

[5] 常州市亚兴机床数控设备有限公司：https://www.360docs.net/doc/941183686.html,/yaxingsk/ss588xzzx.asp