数控车床自动回转刀架设计毕业论文 (DOC 33页)

数控车床自动回转刀架设计毕业论文 (DOC 33页)

郑州工业安全职业学院

毕业论文（设计）

题目数控车床自动回转刀架设计

姓名________ 吴宗帅______________ 系别________机电工程系___________ 专业_________数控技术_____________ 年级____________08 级______________ 指导教师__________________________

系学术委员会意见（同意给优、良、及格、不及

格等次）

签名：

年月日

目录

摘要 (4)

ABSTACT (5)

第一章引言 (6)

第一节概述 (6)

第二节数控车床自动回转刀架的发展趋势 (6)

第三节本设计的主要内容 (7)

第二章回转刀架方案选择 (8)

第一节数控车床回转刀架的基本要求 (8)

第二节数控车床立式回转刀架的结构特点 (8)

第三节刀架参数的确定 (9)

第四节动力源的选择及方案选择结果 (9)

第三章回转刀架的工作原理及过程 (11)

第一节回转刀架的构成 (11)

第二节回转刀架的工作过程 (11)

第四章传动机构的设计和标准件的选取 (13)

第一节初拟传动方案 (13)

第二节选择步进电动机 (13)

第三节蜗杆蜗轮的设计 (14)

第四节蜗杆轴的设计 (17)

第五节中心轴的设计 (22)

第六节齿盘的设计 (23)

第七节联轴器的选择 (26)

第五章安装调试和精度检验 (27)

第一节安装调试 (27)

第二节精度检验 (27)

第三节维护与保养 (29)

第四节故障及排除 (29)

第六章总结 (31)

致谢 (32)

参考文献 (33)

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

第一章引言

第一节概述

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。

第二节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

第三节本设计的主要内容

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；

第二章回转刀架方案选择

第一节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。

第二节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。

第三节刀架参数的确定

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：

型号中

心

高

m

m

工

位

数

单

工

位

时

间

s

刀

架

转

速

r/

mi

n

最

大

切

力

矩

N·

m

电

动

机

功

率

W

电

动

机

转

速

r/

mi

n

最

大

载

重

K

g

重

复

定

位

精

度

m

m

外形

尺寸

mm

AK211 10-4M 11

4

2.

5

25

.4

45

12

14

00

2

8

±

2

″

367200230第四节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。

第三章回转刀架的工作原理及过程第一节回转刀架的构成

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。

第二节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。

图3-1 回转刀架

第四章传动机构的设计和标准件的选取

第一节初拟传动方案

参考烟台机床附件厂生产的AK21110-4M电动回转刀架的刀架转速n=25.4r/min,

电动机的转速为1400r/min，初步确定传动比

1400

55

25.4

i。故选用具有较大传动比的

蜗轮蜗杆传动。

第二节选择步进电动机

一、电动机所需要的功率

查参考文献[1]表3.15-4的AK21110-4M电动回转刀架的电动机功率P=120W,转速n=1400r/min。

二、确定步进电动机

由P=120W可查参考文献[1]表4.8-16，可得以下几种型号电动机的主要指标，如下表4-1所示。

型号

主要技术数据

外型尺

寸（mm）

重

量齿

距

角

最

大

静

转

矩

最

高

空

载

启

运

行

频

率

（

相

数

电

压

v

电

流

A

外

径

长

度

轴

径

kg cm动

频

率

（

步/

秒）步/秒）

45BF 003Ⅱ3/

6

2

310

120

3

6

2

4

5

8

2

4

.

3

8

70BF 001 1.

5/

3

4

400

160

5

6

3.

5

7

9

6

1

.

6

90BF 003 1.

5/

3

20

150

800

3

6

5

9

1

2

5

9

4

.

2

考虑到步进电动机与联轴器的配合及合理的安装尺寸，在其满足功率的前提下优先选择尺寸较小便于安装、拆卸、清理、维护的型号，比较三个型号的功率如下：45BF003Ⅱ，P=120W；70BF001，P=210W；90BF003，P=300W,考虑三者的外径和安装尺寸45BF003Ⅱ型步进电动机明显优越于后者，故综合考虑选择45BF003Ⅱ型步进电动机比较合适，查参考文献[1]表4.8-17选取45BF003Ⅱ型步进电动机配用的驱动电源型号为BQG1-002。

第三节 蜗杆蜗轮的设计

一、选择蜗杆传动类型、精度等级

由于传动的功率不大，速度也不高，故选用阿基米德圆柱蜗杆传动，精度为：8C-GB10089-88

。

二、选择蜗杆蜗轮材料

考虑到蜗杆传动功率不大，速度中等，故蜗杆用45号钢表面淬火，硬度为45～55HRC ，蜗轮边缘采用ZCuSn10P1,金属模铸造。

三、初选几何参数

查参考文献[2]表8-4-4，初定中心距50a ,传动比51i 时，

11Z 2

151Z Z i 1.6m 1

20d r=4°34′26″

四、确定许用接触应力

查参考文献[2]表8-4-9知,当蜗轮材料为铸青铜时，

[

][

]H

Hb

S N Z Z

由表8-4-10查得

[

]220Hb

Mpa

滑动速度：

3

1

140020 3.1410

1.47/60

m s

1

1.47

1.47/cos cos 434'26"

s

m s r

采用浸油润滑，由参考文献[2]图8-4-2查得：0.93S Z

根据参考文献[2]表8-4-4260N

n t ,，设计工作寿命t=12000小时，求得

721400

6060

12000 1.971051

N

n t

根据71.9710N ，由图8-4-4查得0.91N

Z ，许用接触应力为

[

][

]2200.930.91186H

Hb

S N

Z Z Mpa

五、计算蜗轮输出转矩T 2

估算传动效率

12

1

0.120.7551

9550

9550

31.311400

P i T N m n

六、确定模数m 和蜗杆分度圆直径d 1

由公式可得：

2

21

2215150[]

m d kT Z H

因载荷较平稳，取载荷系数k =1.1,则

2

2

231

2

21515015150 1.131.3187[]

51186

m d kT mm Z H

查参考文献[2]表8-4-2得，23189.6m d mm ，取m=2mm ，d 1=22.4mm ，q=11.2，r=5°6′8″。

七、主要尺寸计算

蜗杆:

分度圆直径：d 1=22.4mm ； 齿顶圆直径：11222.421226.4a a d d h m

mm ；

齿根圆直径：**1

12()22.42(10.2)217.6f a d d h c m mm ；