40#拉刀机构的设计及控制

摘要

40＃刀柄拉刀机构为小型数控机床主轴内部的自动拉紧与自动松开刀具的机构。通过预压缩碟形弹簧,产生足够的向上的拉刀力。当需要换刀时，数控系统发出松刀信号，通过控制液压系统的电磁换向阀，液压系统将压力油通入主轴上端的油缸上腔，油缸活塞推动拉刀部件向下移动，继续压缩碟形弹簧,刀柄向下运动，通过与换刀机械手配合完成换刀。在油缸上端，有两个接近开关检测油缸活塞是否到位；如果油缸活塞没有到位，那么两个接近开关就不会发出信号，数控系统就不能继续执行下一个程序，以确保数控机床的安全。此外，拉杆是空心的，为的是每次换刀时要用压缩空气清洁主轴孔和刀具锥柄，以保证刀具的准确安装。

关键词：40＃刀柄；拉刀机构；PLC；控制

ABSTRACT

40th shaft tool for small spindle of CNC machine tools, automatic tensioning and automatic release tool within the institution. By pre-compressed disk spring, generate enough upward broach. When tool change is needed, loose knife signal from the CNC system through control solenoid valve in hydraulic system, hydraulic system pressure on oil fuel tank into the upper end of the spindle, and oil moves the piston push broach part down, continue to compress disk spring, shaft moving down, through tool change manipulator and complete tool change. In the top of the cylinder, there are two proximity sensors detect whether the cylinder piston in place if cylinder Pistons are not yet in place, then the two proximity does not signal, NC system cannot continue to perform the next procedure, to ensure the safety of CNC machine tools. In addition, the levers are hollow, so that when the tools change spindle hole and compressed air to clean the tool taper shank to ensure accurate installation of the tool. Keywords:40#knife hilts；broachmechanism；PLC；Control

目录

摘要 (Ⅰ)

ABSTRACT (Ⅱ)

第1章绪论 (1)

第2章总体结构分析 (2)

2.1 拉刀机构设计目的 (2)

2.2 机构原理分析 (2)

第3章机械零件的设计与计算 (5)

3.1 机械零件设计的性质和任务 (5)

3.2 机械零件设计步骤和准则 (5)

3.3 主轴主要参数的确定.......... . (6)

3.3.1机床主轴圆锥尺寸的选取 (7)

3.4刀柄与拉丁的尺寸型号确定 (8)

3.5 碟形弹簧的选择与计算 (10)

3.5.1碟形弹簧的特点 (10)

3.5.2蝶形弹簧组合说明表 (11)

3.5.3碟形弹簧的选取与计算 (12)

3.5.4碟形弹簧的技术要求 (14)

3.6 拉杆的设计与计算 (15)

3.6.1标准钢球的选取 (15)

3.6.2拉杆的尺寸确定及校核 (19)

3.7拉杆上螺纹、O型圈、沟槽、螺母、垫片的确定 (22)

3.7.1螺纹基本尺寸的确定 (22)

3.7.2O型圈、沟槽的选取 (23)

3.7.3螺母的选取 (25)

3.7.4垫片的选取 (26)

3.8 拉杆套的设计与计算.......................... .. (27)

3.9 液压缸的设计与计算 (27)

3.9.1液压缸的载荷组成与计算 (27)

3.9.2液压缸主要参数的确定 (28)

3.9.3活塞及活塞杆的设计 (30)

3.9.4缸筒的设计 (33)

3.9.5缸盖的设计 (36)

第4章液压系统的设计 (39)

4.1 液压系统设计概述 (39)

4.2 液压传动特点 (39)

4.3 液压传动原理 (40)

4.4 液压元件的选择 (42)

4.4.1 确定液压泵的最大工作压力Pp (42)

4.4.2 确定液压泵的流量Qp (42)

4.4.3 选择液压泵的规格 (42)

4.4.4 液压阀的选择 (43)

4.4.5 油箱容量的确定 (43)

4.5 液压系统的性能验算.......... (43)

4.5.1 回路压力损失验算 (43)

4.5.2 油液温升验算 (44)

第5章 PLC的控制与编程 .. (45)

5.1 行程程序控制概述 .............. (45)

5.2 PLC的选型及编程 . (46)

5.2.1 PLC的概述 (46)

5.2.2 PLC的编程 (47)

第6章总结 (50)

参考文献 ..... (52)

致谢 (53)

第一章绪论

近年来，随着科学技术的迅速发展，机械产品的形状和结构不断的改进，机电产品日趋精密复杂。产品精度要求越来越高、更新换代周期也越来越短，这就要求机床设备具有较好的通用性和较大的灵活性，以适应生产对象频繁变化的需要，特别是对于宇宙航行、航空等部门中的加工批量不大、生产周期要求短、改型短、改进频繁、形状复杂、精度要求又很高的这一类零件的加工。如何提高劳动生产率、提高产品质量、降低产品成本及改善劳动条件已成为目前迫切需要解决的问题。

数控机床是综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量及机床结构设计等各种技术的最新成就而发展起来的一种新型机床。它具有通用性、灵活性及高度自动化的特点，具有提高劳动生产率和加工精度、缩短生产准备周期、减轻体力劳动强度、减少设备周期、降低生产成本等优点，已被广泛应用于机械制造、航空工业、造船和车辆工业、金属加工部门等。数控机床机构主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体四个部分组成。其加工原理是按照零件加工的技术要求和工艺要求，编写零件的加工程序，然后将加工程序输入到数控装置，通过数控装置控制机床的主轴运动、进给运动、更换刀具，以及工件的夹紧与松开、冷却、润滑泵的开与关，使刀具、工件和其他辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合图纸要求的零件。此次设计的课题，就是在工作负载为800N、直线运动距离为120mm的条件下设计一个40#的拉刀机构。其中主要应用三个原理：机构原理、液压驱动原理、电器控制原理。所以在设计过程中分别应用了与之相对应的知识。一方面加深了对所学理论知识的认识，另一方面在老师的指导下，学会运用所学知识去分析和解决一些实际问题，学会应用手册、标准、规范等资料。做此设计主要解决的问题就是对整个机构工作原理的理解并对各个部分进行设计与计算。通过改造设计使此装置在满足技术性能的前提下又能获得最佳的经济效益。

此说明书共分为五大部分：总体结构分析、机械零件的设计与计算、液压系统设计、电气自动控制设计、总结。设计过程中参考了诸多文献，列表附说明书末。

第二章总体结构分析

第二章总体结构分

2.1拉刀机构设计的目的

机械设计制造及其自动化专业是为了培养从事机械设计、制造行业的人才而开设的专业。而拉刀机构设计不仅培养设计者对机械的认识、运用能力,而且也增进了对机械工业发展的了解和认知。

拉刀机构的设计涉及：机械、液压、气压、电气等相关基本理论知识。

设计目的：

1.培养查阅文献、运用资料的基本能力；

2.培养学生的机电产品设计的基本能力；

3.扩展学生的知识结构，加强理论与实践相结合的能力；

2.2机构原理分析

40＃刀柄拉刀机构为小型机床主轴内部刀具自动夹紧机构。油缸接到松刀信号时，将压力油通入主轴尾部的油缸右腔，活塞推动拉杆向左移动，同时使碟形弹簧压紧。拉杆的左移使左端的钢球的分布直径变大，解除了刀杆上的拉力，机械手便取出刀杆。当刀具由机械手或用其他方法装到主轴孔后，其刀柄后部的拉钉便被送到主轴内拉杆的前端，当接到夹紧信号时，将压力油通入主轴尾部的油缸左腔，活塞向右移动，拉杆在碟形弹簧的作用下也向右移动，其前端圆周上的钢球在主轴锥孔的逼迫下收缩分布直径，将刀柄拉钉紧紧拉住。另外，拉杆是空心的，为的是每次换刀时要用压缩空气清洁主轴孔和刀具锥柄，以保证刀具的准确安装。

图2-1是该机构的总体结构图。

刀杆采用7：24的大锥度锥柄，在锥柄的尾端轴颈被拉紧的同时，通过锥面的定心和摩擦作用将刀杆夹紧于主轴的端部。大锥度的锥柄既利于定心，也为松夹带来了方便。在碟形弹簧5的作用下，拉杆4始终保持约1200N的拉力，并通过拉杆左端的刚球3将刀杆的尾部轴颈拉紧。换刀前必须首先将刀柄松开，即将压力油通入主轴尾部的油缸右腔，活塞11推动拉杆4向左移动，同时使碟形弹簧5压紧。拉杆4的左移使左端的钢球3位于套筒的喇叭口处，解除了刀杆上的拉力。机械手便取出刀杆。当活塞处于左右两个极限位置时，相应的限位行程开关发出松开和夹紧的信号。

图2-1总体结构

1-BT型刀柄 2-P型拉钉，3-钢球、4-拉杆、5-碟形弹簧、6-拉杆套、

7-垫片、8-螺母、9-缸盖、10-缸筒、11-活塞

自动清除主轴孔中的切屑和灰尘是换刀操作中的一个不容忽视的问题。如果在主轴锥孔中掉进了切屑或其它污物，在拉紧刀杆时，主轴锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，甚至使刀杆发生偏斜，破坏了刀具正确的定位，影响加工零件的精度，甚至使零件报废。为了保持主轴锥孔的清洁，常用压缩空气吹屑。图1.1的活塞11的心部钻有压缩空气通道，当活塞向左移动时，压缩空气经过活塞主轴孔内的空气喷嘴吹喷出。将锥孔清理干净。喷气小孔要有合理的喷射角度，并均匀分布，以提高其吹屑效果。

此结构采用的是7：24圆锥刀柄，这种标准的7：24锥联接有许多优点：因为自锁，可实现快速装卸刀具；刀柄的锥体在拉杆轴向拉力的作用下，紧紧地与主轴的内锥面接触，实心的锥体直接在主轴孔内支承刀具，可以减少刀具的悬伸量；这种联结只有一个尺寸即锥角需加工到很高的精度，所以成本较低，而且可靠，多年来应用较广泛。但是，7：24锥联结也有一些缺点：锥度较大，锥炳较长，锥体表面同时要起两个作用，即刀具相对于主轴的精确定位及实现刀具夹紧并提供足够的联结刚度，由于它不能实现与主轴端面和内锥面同时定位。所以标准的7：24刀/轴锥联结在主轴端面和刀柄法兰端面有较大的间隙。7：24锥度联结的刚度对锥角的变化和轴向拉力的变化很敏感，当拉力增大4～

第二章总体结构分析

8倍时联结的刚度可提高20%～50%。但是过大的拉力在频繁的换刀过程中，会加速主轴内孔的磨损，使主轴内孔膨胀影响主轴前轴承的寿命。在了解了设计结构的基础上，我将从三方面对起进行设计与计算。首先在机构方面设计相关的零件，如碟形弹簧、拉杆、拉杆套、拉钉、活塞、缸筒等，并对标准件进行选型；其次是对其气、液压部分

进行气、液压系统的设计；最后是对PLC控制部分的设计与编程.

第三章机械零件的设计与计算

3.1机械零件设计的性质和任务

机械是人类用来减轻体力劳动和提高劳动生产率的工具。机械化程度的高低是衡量一个国家社会生产率发展水平的重要标志。在新技术革命中，最大限度的提高劳动生产率和产品质量，为工业、农业、国防、轻工、化工、交通、能源及能源开发以及新的科学实验基地提供更多的先进设备，这是机械工业的伟大历史使命。不论是制造新的机械设备还是改进原有的机械设备，都要进行大量的机械设计工作。“机械”是一个总称，习惯上包括机构和机器。机构是由相对运动的构件组成的。它的作用是传递运动并变换运动形式和改变运动量；机器是由若干基本单元构成的，构成机器的这些单元称为机械零件，如轴、齿轮和螺栓等。通常又把为完成同一使命的零件组合在一起，构成一套协调工作的整体，这个整体称为部件，如联轴器、减速器等。由此可知，机械零件是组成机械的基本单元。

机械零件设计是根据零件在机器中的工作条件，阐明其设计原则，设计方法和设计规范的。其主要任务包括：进行基本的力学计算，确定零件的最适当外形尺寸；选择材料、精度等级和表面质量以及制造上的技术要求等，最后绘制工作图。

3.2机械零件设计准则和设计步骤

设计的机械零件既要工作可靠，又要成本低廉。要解决前一个问题，零件在其强度、刚度、表面质量等方面必须满足一定的条件，这些零件是判断零件工作能力的准则。

要降低零件的制造成本，必须从设计和制造两方面着手。就设计而言，设计时要正确选择材料、合理规定公差等级及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性。具体说来设计机械零件时必须考虑以下要点：

1.设计的机械零件要确实能满足机器的使用要求，充分发挥其机能，具有各

方面的可靠性。

2.使用寿命要长，要能耐腐蚀、耐疲劳、耐磨损、耐蠕变、耐高温等。

3.结构要简单，制造费用要低廉。

4.重量要尽可能轻，尺寸要尽可能小，占地面积要尽可能少。

5.尽量使所设计的机械零件标准化、系列化、通用化。

第三章机械零件的设计与计算

根据上述要点，机械零件设计的一般步骤为：

1.了解设计要求，收集有关设计资料，拟订最好的结构形式。

2.根据零件的结构和受力情况建立力学模型，据此算出作用在零件上的外

载荷大小和变化性质，求出计算载荷。

3.对由计算载荷产生的应力和变形进行计算，选取满足要求的材料，用计

算方法确定零件的基本尺寸，确定热处理方法。

4.进行强度校核计算，确定零件的全部结构尺寸。

5.绘制工作图和编制技术条件。

3.3主轴主要参数的确定

此次设计主轴不用详细设计，但该参数对后面的机械零件的设计相关，故在此对其有用部分进行说明

3.3.1主轴端部尺寸的选取

图3-1 30~60号主轴端部图

7:24圆锥连接是依靠其定心精确而不自锁的性能，传递动力是依靠安装在主轴主轴端面上的键来实现的。广泛应用于具有铣削功能的各型普通铣床、镗铣床、

数控机床、加工中心等主轴端部。如图3-1所示。标准规定的锥度尺寸与国际标准是等效的，因此具有广泛的通用性。

标准共规定10种规格的锥度，可以满足大、中、小各型机床的需要，见表3-1。锥度号为50以下的规格多用在中、小型机床的主轴上；锥度号为60以上的规格，多用在重型或超重型机床的主轴上。实际用的频次最多的锥度号为40~60这几种。

表3-1 7:24圆锥连接机床主轴圆锥尺寸

因本次设计的是40#拉刀机构，所以选取锥度号为40的机床主轴圆锥尺寸。

第三章机械零件的设计与计算3.4刀柄与拉丁的尺寸型号确定

图3-2 BT型刀柄

表3-2 BT型刀柄规格

表3-3标准拉钉参数

其中选择的刀柄号是40#BT型刀柄，拉钉型号相对应的是40型拉钉。但L6的长度依实际情况而定。最终自设定为如下图3-3所示。材料为硬质合金

图3-3自设拉钉结构尺寸图

第三章机械零件的设计与计算

3.5蝶形弹簧的选择与计算

3.5.1蝶形弹簧的特点

碟形弹簧是一种用于钢板冲压的截锥形的薄板压缩弹簧，如图3-4所示。其具有如下特点：

刚度大，缓冲吸振能力强。适用于负荷大，而轴向空间要求小的地方，例如，在机床的夹紧，卸载等装置中，得到了广泛的应用；

具有变刚度的特性。根据设计选用的内锥高度h0于碟簧厚度的比值可得到不同的弹簧特性曲线（图3-5）。当需要近似于线性特性时，可选用h0/t=0.4～0.8的碟簧片。当要求随着变形的增加，压力变化很小时，选用h0与t的比值大于1.4的碟簧片最为合适；

为满足大负荷或大变形量的要求，碟簧可按不同方式组合，可得到不同的负荷---变形特性曲线（表3-4）。

图3-4蝶形弹簧结构图

3.5.2蝶形弹簧组合说明

表3-4蝶形弹簧组合说明表

第三章 机械零件的设计与计算

3.5.3蝶形弹簧的计算

弹簧一般用50CrV 或60i S 2Mn 的带，板材或锻造比不得小于2的锻造坯料制造。此材料回火淬硬后，综合力学性能好，强度高，冲击韧性好，高温性能稳定，能在250°C ～300°C 以下工作。

设计任务书数据拉刀力F=800N 。

根据拉杆的外径拉杆D =16mm 值可选取B 系列弹簧尺寸如下表3-5所示：

表3-5蝶形弹簧尺寸

碟簧承受预压载荷为 =?=.51F F 拉800×1.5=1200N,其中1.5为安全系数。

设定叠合层数n=3

碟簧刚度：

k=df dF =}1])(233)[({14220202424213

2++-??-t f t

f h t h K K D K t E μ (3-1)

由C=d

D =31.5/16.3=1.93 从机械设计手册单行本上可查得下表3-6 表3-6 蝶形弹簧计算系数

可知1K =0.680，E 为常数E=5102.06?，取4K =1（即无承载面）把数据代入公式（3-1）中得

k=2063.5N/mm

因为拉F =1k n X ???所以 nk

1拉F X =? （3-2） 1X ?为单片弹簧的预压缩量，把拉F =1200N 、k=2063.5N/mm 、n=3代入式3-2得

1X ?=0.193.20≈mm

拟定单片碟簧的再压缩量2X ?=0.5mm ，由装配关系可知钢球的移动距离为6mm ， 及碟簧的再压缩量为L=6mm 所以对合组数12.5

06i 2==?=X L 因为()21k n X X F ?+??=松 （3-3） 把各数据代入式3-3得松F =4333.35N

预压时弹簧的总变形量为1i X ??=2.4mm ， 松刀时总压缩：6i 1+??=?X X =8.4mm ，

复合组合碟簧组的总自由高度:

Hz =i[Ho+(n-1)t]=55.8mm

承受载荷拉F 后的高度:

H1= Hz —1i X ??=53.4mm

第三章机械零件的设计与计算

3.5.4碟形弹簧的技术要求

1．参数的公差及偏差；

表3-7参数的公差及偏差

2．碟簧的表面粗糙度按下表3-8的规定。碟簧表面不允许有毛刺、裂纹、斑疤等缺陷。

表3-8碟簧表面粗糙度

3．碟簧材料应采用60sSi2MnA或50CrV A带、板材或锻造坯料制造。

4．碟簧成形后，必须进行热处理，即淬火、回火处理。淬火次数不得超过二次。

5. 碟簧淬火、回火后的硬度必须在42~52HRC范围内。

6. 经热处理后的碟簧，其表面脱碳层的深度，对于厚度小于1.25mm的碟簧，不得超过其厚度的5%；对于不小于1.25mm的碟簧不得超过其厚度的3%。其最小值允许为0.06mm。

7. 碟簧应全部进行强压处理，处理方法为：一次平压，持续时间不少于12h，或