数控车床自动回转刀架结构与控制设计[1]
数控车床自动回转刀架机电系统设计
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，缩短了生产预备时刻，消除人工误差提高加工精度和加工精度的一致性等。
然而传统的一般车床换刀的速度慢、精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要。
因此为了提高生产率、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，对一般机床的换刀装置进行改进，使该装置具有自动松开、转位、周密定位等功能。
此次要紧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操纵软件。
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，能够提高数控车床的效率，缩短加工时刻；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，电气操纵Design of automatic turret mechanical and electrical systemof 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, improveproduct 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 a utomatic 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 changerElectro-Mechanical Systems Electrical control目录1绪论 (1)1.1自动回转刀架的设计背景 (1)1.2自动回转刀架的市场分析 (2)1.3设计自动回转刀架的意义 (2)2自动回转刀架总体设计 (3)2.1总体方案的确定 (3)2.2减速机传动机构的确定 (4)2.3刀体锁紧与精定位机构的确定 (5)2.4抬起机构的确定 (5)3自动回转刀架机械部分设计 (6)3.1自动回转刀架的工作原理 (6)3.2蜗轮及蜗杆的设计及校核 (8)3.2.1蜗杆的选型 (9)3.2.2蜗杆副的材料 (10)3.2.3按齿面接触疲劳强度进行设计 (10)3.3蜗轮及蜗杆的要紧参数与几何尺寸 (12)3.4螺杆的要紧参数与几何尺寸 (14)3.4.1螺杆的设计计算 (14)3.5蜗杆轴的设计 (15)3.5.1蜗杆轴的材料选择，确定许用应力 (15)3.5.2按扭转强度初步估算轴的最小直径 (15)3.5.3确定各轴段的直径和长度 (16)3.5.4蜗杆轴的校核 (17)3.6蜗杆轴的轴承选用 (21)4自动回转刀架电气部分设计 (22)4.1硬件电路设计 (22)4.2操纵软件设计 (25)4.2.180C31单片机及其引脚讲明 (26)4.2.2 静态存储器6264的特性 (28)4.2.3 2764只读存储器的特性 (28)4.2.4 可编程并行I/O接口芯片8255的特性 (29)5结论 (33)6致谢 (34)7 .............................................. 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）1绪论1.1自动回转刀架的设计背景经济型数控是我国80年代科技进展的产物。
数控车床自动回转刀架机电系统设计
数控车床自动回转刀架机电系统设计数控车床自动回转刀架是一种经常用于车削加工中的设备，其主要作用是在切削过程中快速更换刀具。
为了实现自动化操作，我们可以设计一个机电系统来控制刀架的回转动作。
下面是一个关于数控车床自动回转刀架机电系统设计的概述，其中包括系统的组成、工作原理以及关键技术。
一、机电系统组成1.电机：用于驱动刀架的转动，一般采用步进电机或伺服电机；2.传动装置：将电机的旋转运动转化为刀架的回转运动；3.可编程控制器（PLC）：控制刀架的回转运动以及实现自动化操作；4.感应装置：用于检测刀架的位置，一般采用光电开关或接近开关；5.人机界面：用于人机交互的显示屏和按键。
二、工作原理1.工件加工：数控车床自动回转刀架机电系统安装在数控车床上，工作时根据加工工艺确定刀具的种类和数量，并将刀具安装在刀架上。
2.刀具选择：根据加工过程中所需的刀具类型，PLC通过人机界面接收到相关指令后，控制电机将刀架旋转至相应的刀具位置，光电开关或接近开关检测刀架是否到位。
3.切削过程：数控系统控制数控车床进行切削加工，当需要更换刀具时，PLC发送指令，电机带动刀架旋转至指定刀具位置，完成刀具的更换。
然后PLC再次发送指令，使数控车床继续进行切削加工。
4.刀具回收：加工结束后，刀架需要回到回收位置，等待下一次的切削操作。
三、关键技术1.传动装置设计：根据转速和转动力矩的要求，选择合适的传动方式（如齿轮传动、皮带传动等）来实现电机和刀架之间的动力传递及转动控制。
2.位置检测技术：光电开关或接近开关能够实现对刀架位置的准确检测，确保刀架到位后才能进行切削加工，提高工件加工的精度。
3.控制系统设计：PLC控制系统需要根据刀具种类和数量，编写相应的控制程序，实现自动化操作。
同时，可以根据需要增加串口或网络通信功能，方便与上位系统进行数据交互。
4.人机界面设计：人机界面需要简洁、直观、易用，使操作人员能够方便地进行刀具的选择和刀架的控制等操作。
数控车床自动回转刀架结构设计
哈尔滨理工大学课程设计说明书设计题目：数控车床自动回转刀架结构设计班级：学号：姓名：指导老师：日期：设计任务题目：数控车床自动回转刀架结构设计任务：设计一台四工位立式回转刀架，适用于C616或C6132经济型数空车床。
要求绘制自动回转刀架的机械结构图。
推荐刀架所用电动机的额定功率为90W，额定转速1480r/min，换刀时要求刀架转动的速度为40r/min，减速装置的传动比为i=37。
总体结构设计1、减速传动机构的设计普通的三项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，采用蜗杆副减速时最佳选择。
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，还可以实现整个装置的小型化。
2、上刀体锁紧与精定位机构的设计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。
本设计上刀体的锁进玉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旋转；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、刀架抬起机构的设计要想使上、下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计适合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-涡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啮合，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。
当端面齿脱离啮合时，上刀体就与螺杆一起转动。
设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定的角度时，使得上刀梯与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。
下图为自动回转刀架的传动机构示意图，详细的装配图在一号图纸上。
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。
数控机床原理、结构与维修 第5章 回转工作台与自动换刀系统
5.1 分度工作台
图5-3 齿盘定位分度工作台 1—螺旋弹簧 2、10、11—轴承 3—蜗杆 4—蜗轮 5、6—减速齿轮 7—管道 8—活塞 9—分度工作台 12—液压缸 13、 14—分度齿盘
5.1 分度工作台
5.1.3 鼠牙盘分度工作台 鼠牙盘式分度工作台主要由工作台面、底座、分度液压缸及鼠牙 盘等零件组成，如图5⁃4所示。鼠牙盘是保证分度精度的关键零件，
图5-8 双蜗杆传动结构 1—轴向固定蜗杆 2—轴向调整蜗杆 3、5—调整垫 4—锁紧螺母
5.2 数控回转工作台
图5-9 数控回转工作台 1—电液脉冲马达 2、4—齿轮 3—偏心环 5—楔形拉紧销 6—压块 7—螺母 8—锁紧螺钉 9—蜗杆 10—蜗轮 11—调整套 12、13—夹紧瓦 14—夹紧液压缸 15—活塞 16—弹簧 17—钢球 18—光栅 19—撞块 20—感应块
5.3 刀架换刀装置
表5-1 自动换刀装置
类
型
回转刀架
特
点
适用范围
各种数控车床，车 削加工中心
转塔式
多为顺序换刀，换 刀时间短，结构简单 紧凑，可容纳的刀具 较少 顺序换刀，换刀时 间短，刀具主轴都集 中在转塔头上，结构 紧凑。但刚性较差， 刀具主轴数受限制
转塔头
数控钻、镗、铣床
5.3 刀架换刀装置
表5-1 自动换刀装置
刀库式
刀具与主轴之间直 接换刀
换刀运动集中，运 动部件少。但刀库容 量受限
用于各种类型的自 动换刀数控机床上， 尤其是对使用回转类 刀具的数控镗铣床类 的立式、卧式加工心。 要根据工艺范围和机 床特点，确定刀库容 量和自动换刀装置形 式
用机械手配合刀库 进行换刀
刀库只有选刀运动， 机械手进行换刀运动， 刀库容量大
毕业设计(论文)-fanuc数控车床的刀架控制系统设计[管理资料]
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毕业设计说明书课题名称：FANUC数控车床的刀架控制系统设计学生姓名学号二级学院（系）电气电子工程学院专业机电一体化技术班级指导教师起讫时间：2012年2月13日～2012 年4月 6 日课题名称:FANUC数控车床摘要六工位简易刀架是经济型车床上最常用的一种自动换刀机构。
刀架采用三相异步电动机驱动，刀位检测采用霍尔元件。
这种刀架只能单方向换刀，电动机正转换刀，反转锁紧。
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，其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。
因此数控车床的刀架设计的好与坏、效率高与低将直接影响到产品的加工时间和质量，进而影响到制造业的飞速发展。
本设计主要对总体结构设计、主要传动部件的设计和电气控制部分设计。
包括电气电路和控制软件的设计。
本设计的自动回转刀架控制系统电路简单，可靠性高，有效地解决了传统机床换刀主要依靠手工换刀，辅助时间长，精度不高，累积误差大，加工出的产品既费时且质量不如数控加工的问题，也为车床数控改造中的自动换刀问题提供一种有效的解决途径。
关键词：机械设计；刀架控制原理；刀架电气控制系统；自动换刀；自动回转刀架。
目录摘要 (I)第1章机械结构 (2)刀架总述 (2)数控车床刀架的分类 (2)数控车床刀架传动装置的原理与应用 (3)数控车床六工位刀架换刀工作原理 (8)第2章数控车刀架电气控制系统设计 (12)霍尔原理在刀架中运用的简单概述 (12) (13)六工位刀架梯形图 (14)第3章数控车刀架常见故障分析....... (15)数控车刀架机械与电气故障分析排除 (15)数控车床刀架常见故障的实例分析 (16)刀架使用注意事项 (17)第4章结论 (19)参考文献 (20)致谢 (21)附录 (22)第1章机械结构刀架总述数控刀架安装在数控车床的滑板上。
它上面可以装夹多把刀具，在加工中实现自动换刀刀架的作用是装夹车刀，孔加工刀具及螺纹刀具并能准确迅速的选择刀具进行对工件的切削。
数控刀架设计
摘要数控机床的出现对提高生产常理、改进产品质量以及改善劳动条件等已经发挥了重要的作用。
为了进一步压缩非切削时间，多数数控机床往往在一次装夹中完成多工序加工。
数控机床的刀架是机床的重要组成部分，数控刀架是数控车床最普遍的一种辅助装置，它可使数控车床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度。
随着现代科学技术的发展，数控刀架向高智能化、高精度等方向发展。
刀架已不再是单纯的电动的，已是电液组合驱动和伺服驱动，能实现精确的控制，有效的提高劳动生产率，缩短生产时间。
数控刀架应具有良好的强度和刚度，这样才能提高加工精度，同时能承受加工的阻力，这就需要刀架有可靠的定位机构，同时刀架应具有很好的互换性，做好接口单元，这样提高刀架的可使用性，这样才能提高的刀架的生存能力，在这样一个知识的时代。
刀架的驱动通常是靠电机驱动，伺服在控制系统的的指挥下，其通过控制系统和驱动电路来实现。
由于反馈系统在刀架中的运用，相比较以前的开环系统，闭环系统具有很高的调节功能，大大的提高了刀架的换刀精度。
关键词：数控刀架、强度、刚度AbstactCNC machine tools have played an important role to improve the common sense of production 、the product quality and the working conditions. In order to compress the non-cutting time, the majority process of CNC tools are often completed in a single setup machining processes. CNC machine tool turret is an important part of the machine, CNC turret CNC lathes are the most common kind of assistive devices, it will enable the CNC lathe in the workpiece in a single setup, multiple or even all of the processing operation to shorten the processing auxiliary time, reduce errors caused by multiple installations of the workpiece during processing, thereby improving the machining efficiency and machining accuracy. With the development of modern science and technology, CNC turret to the development of high intelligence, high-precision direction. Is no longer pure electric turret is a combination of electro-hydraulic drive and servo-driven to achieve precise control, and improve labor productivity, shorten the production time.CNC turret should have good strength and stiffness, so as to improve the precision, can withstand the resistance of the processing, which needs turret reliable positioning mechanism, turret should have good interchangeability, good interfaceunit, so to improve the tool holder can be used, so in order to improve the tool carrier viability in an era of knowledge. The turret drive usually rely on motor drives, servo control system of command, control systems and driver circuit to achieve. Feedback system in the turret, compared to the previous open-loop system, closed-loop system has a high degree of regulatory function, greatly improve the turret tool change accuracy.Keywords:CNC turret、strength 、stiffness第一章绪论1.1数控刀架发展数控刀架最先起源于国外，作为数控机床的一部分，数控刀架于1959年诞生于美国卡耐•特雷克公司（Keaney&TreckerCorp.）。
数控车床自动回转刀架的控制设计
目录第一章引言 (1)1.1概述 (1)1.2数控车床自动回转刀架的发展趋势 (1)1.3刀架的设计准则 (2)第二章数控车床自动回转刀架的设计 (3)2.1数控车床刀架应满足的要求 (3)2.2刀架的工作原理 (6)2.3步进电机的选用 (7)2.4蜗杆及蜗轮的选用与校核 (8)2.5蜗杆轴的设计 (10)2.6蜗轮轴的设计 (17)2.7中心轴的设计 (18)2.8齿盘的设计 (20)2.9轴承的选择 (23)第三章PLC控制单元设计 (26)3.1PLC与工业控制计算机（IPC）和集散控制系统（DSC）的比较 (26)3.2控制电路硬件接线图 (27)3.3PLC控制流程图 (31)总结 (32)参考文献 (33)第一章引言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。
自动换刀装置时加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，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 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。
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第1节自动回转刀架总体设计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。
自1958年首次研制成功数控加工中心自动换刀装置以来，自动换刀装置的机械结构和控制方式不断得到改进和完善。
自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有：回转刀架换刀，更换主轴头换刀以及带刀库的自动换刀系统。
初步了解了设计题目（电动刀架）及发展概况，设计背景，对刀架有了一些印象，对整理设计思路安排设计时间有很好的辅助作用。
对一些参数的进行了解同时按准则要求来完成设计。
1.2 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，分为立式和卧式两种。
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。
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 自动回转刀架的工作原理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。
图1.1为螺旋升降式四方刀架，其工作过程如下：①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、驱动蜗杆蜗轮机构。
蜗轮带动丝杆螺母机构逆时针旋转,此时由于齿盘处于啮合状态，在丝杆螺母机构转动时，使上刀架体产生向上的轴向力将齿盘松开并抬起,直至两定位齿盘脱离啮合状态,从而带动上刀架和齿盘产生“上抬”动作。
②刀架转位当圆套逆时针转过150°时，齿盘完全脱开，此时销钉准确进入圆套中的凹槽中，带动刀架体转位。
③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中的某一个选通,当磁性板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,插销在弹簧力作用下进入反靠盘地槽中进行粗定位，上刀架体停止转动，电机继续反转，使其在该位置落下，通过螺母丝杆机构使上刀架移到齿盘重新啮合, 实现精确定位。
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1.1 螺旋升降式四方刀架第2节 主要传动部件的设计计算2.1 蜗杆副的设计计算自动回转刀架的动力源是三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直联，刀架转位时蜗轮与上刀体直联。
已知电动机额定功率P 1=90W ，额定转速n 1=1440r ／min ，上刀体设计转速n 2=30r ／min ，则蜗杆副的传动比i=21n n =301440=48。
刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，起动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命L h =10000h 。
(1)蜗杆的选型 GB ／T10085--1988推荐采用渐开线蜗杆(ZI 蜗杆)和锥面包络蜗杆(ZK 蜗杆)。
本设计采用结构简单、制造方便的渐开线型圆柱蜗杆(ZI 型)。
(2)蜗杆副的材料 刀架中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为45～55HRC ，以提高表面耐磨性；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZCuSnl0P1，采用金属模铸造。
(3)按齿面接触疲劳强度进行设计 刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面胶合或点蚀而失效。
因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。
按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为：322⎪⎪⎭⎫⎝⎛≥H PE Z Z KT a σ1) 确定作用在蜗轮上的转矩T 2 设蜗杆头数Z 1=1，蜗杆副的传动效率取η=0.8。
由电动机的额定功率P 1=90W ，可以算得蜗轮传递的功率P 2=P 1η，再由蜗轮的转速n 2=30r ／ min 求得作用在蜗轮上的转矩：222900.89.559.5522.92()22920()30P T N m N m n ⨯===⋅=⋅2)确定载荷系数K 载荷系数K=K A K B K V ，。
其中K A 为使用系数，由表6-3查得，由于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取K A =1.15；K B 为齿向载荷分布系数，因工作载荷在起动和停止时有变化，故取K B =1.15；K v 为动载系数，由于转速不高、冲击不大，可取K v =1.05。
则载荷系数： K=K A K B K V =1.15×1.15×1.05≈1.393)确定弹性影响系数Z E 。
铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查得弹性影响系数21160Mpa Z E =。
4)确定接触系数p Z 先假设蜗杆分度圆直径d 1和传动中心距a 的比值35.01=ad ，从而可查出p Z =2.95)确定许用接触应力[σH ] 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSnl0P1、金属模铸造、蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC ，查表可得蜗轮的基本许用应力[σH ]′ =268MPa 。
已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数j=1；蜗轮转速n 1=30r ／min ；蜗杆副的使用寿命L h =10000h 。
则应力循环次数： N=6Qjn 2L h =60×1×30 x 10000=1.8×107寿命系数：0.929H N K ==许用接触应力：[σH ]=K HN [σH ]′=0.929×268Mpa≈ 249Mpa 6) 计算中心距48()a m m ≥≈查表得，取中心距mm a 50=，已知蜗杆头数1Z =1，m=1.25mm ，蜗杆分度圆直径d 1=22.4mm 。
这时=ad 10.448，从而可查得接触系数72.2='P Z ，因为P PZ Z <'，因此以上计算结果可用。
蜗杆和蜗轮主要几何尺寸计算 （1）蜗杆分度圆直径：d 1=28mm直径系数：q=17.92， 蜗杆头数：Z 1=1分度圆导程角：γ=3°11′38″ 蜗杆轴向齿距：P A =m π=3.94mm ； 蜗杆齿顶圆直径：m h d d a a 2.322*11=⨯+=蜗杆齿根圆直径：112(**)24.16df d ha c m mm =-+= 蜗杆轴向齿厚： m S a π21==2.512mm蜗杆轴向齿距：1 1.6 5.04pa m mm mm ππ=== （2）蜗轮蜗轮齿数：Z 2 =45 变位系数Χ=0 验算传动比：i=2z /1z =45/1=45蜗轮分度圆直径：d 2=mz 2=72蜗轮喉圆直径：d a2=d 2+2h a2=93.5m m蜗轮喉母圆直径：r g2=a-1/2 d a2 =50-1/2⨯93.5=3.25m m 蜗轮齿顶圆直径：222*75.2da d ha m m m =+= 蜗轮齿根圆直径：222(*_*)68.16df d ha c m mm =-= 蜗轮外圆直径：当在z=1时，22278.4de da m m m ≤+=2.2 蜗杆轴的设计（1） 蜗杆轴的材料选择，确定许用应力考虑轴主要传递蜗轮的转矩，为普通用途中小功率减速传动装置。
选用45号钢，正火处理，[]600b M Pa ∂=（2） 按扭转强度初步估算轴的最小直径1[]ca Wδδ-=≤ （2-21）扭转切应力为脉动循环变应力，取α=0.6 抗弯截面系数W=0.1d3 取dmin=15.14mm（3） 确定各轴段的直径和长度根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及直径和长度。
图2.1 蜗杆轴d1=d5 同一轴上的轴承选用同一型号，以便于轴承座孔镗制和减少轴承类型。
d5轴上有一个键槽，故槽径增大5%d1=d5=d1′×(1+5%)=15.89mm ,圆整d1=d5=17mm所选轴承类型为深沟球轴承，型号为6203，B=12mm ，D=40mm ， d2起固定作用，定位载荷高度可在（0.07～0.1）d1范围内， d2=d1+2a=19.38～20.04mm ，故d2取20mm d3为蜗杆与蜗轮啮合部分，故d3=24mm d4=d2=20mm,便于加工和安装L1为与轴承配合的轴段，查轴承宽度为12mm ，端盖宽度为10mm ， 则L1=22mmL2尺寸长度与刀架体的设计有关，蜗杆端面到刀架端面距离为65mm ， 故L2=43mmL3为蜗杆部分长度L3≥（11+0. 6z2）m=38mm圆整L3取40mmL4取55mm ，L5在刀架体部分长度为（12+8）mm ，伸出刀架部分通过联轴器与电动机相连长度为50mm ，故L5=70mm两轴承的中心跨度为128mm ，轴的总长为230mm （4）蜗杆轴的校核作用在蜗杆轴上的圆周力112d T F t =(2-22)mmN mm N nP T .1016.2.46756.109550000955000051⨯=⨯==（2-23）其中d1=28mm 则 NN d T F t 46331029.13201007.222⨯=⨯⨯==（2-24）径向力N F F t r 341069.420tan 1029.1tan ⨯=︒⨯==α (2-25) 切向力N F F t n 441037.120cos 1029.1cos /⨯=︒⨯==α (2-26)图2.2 轴向受力分析NF F F r n BH 4341042.160cos 1069.430cos 1037.160cos 30cos ⨯=︒⨯+︒⨯=︒+︒=(2-27)NF F F n r BV 3431079.230sin 1037.160sin 1069.430sin 60sin ⨯-=︒⨯-︒⨯=︒-︒= (2-28)求水平方向上的支承反力图2.3 水平方向支承力)(212=+-L L F L F AH BH （2-27）N N F AH 34104.51815.2941811042.1⨯=+⨯⨯=（2-28）)(108.8104.51042.1334N F F F AH BH CH ⨯=⨯-⨯=-=(2-29)求水平弯矩,并绘制弯矩图mN m N L F MAH BH⋅⨯=⋅⨯⨯⨯==-33311059.1105.294104.5（2-30）水平弯矩图图2.4 水平弯矩图求垂直方向的支承反力yyFyFyFy FZ Y X pF Kvfa C F 81.9=切 (2-31)查文献[9]表2.2—4，142=yF C ，73.0=yF X ，67.0=yF Y ，0=yF Z其中mm a p 6=，r mm f /6.0=，min /100m v =NN Kvfa C F yyFyFyFy FZ Y X pF 36586.0614281.981.967.073.0=⨯⨯⨯==切(2-32)切图2.5 垂直方向支承反力0)(2132=+-+L L F L F L FAV BV切（2-33）N N FAV3331099.11815.2945.1201066.31811079.2⨯=+⨯⨯+⨯⨯=（2-34）)(1086.21066.31099.11079.23333N F F F F AV BV CV ⨯-=⨯-⨯-⨯=--=切求垂直方向弯矩，绘制弯矩图mN L F M AV BV⋅=⨯⨯⨯==-1.586105.2941099.1331 mN m N L F MCV⋅=⋅⨯⨯⨯==441105.1201066.333切图2.6 垂直弯矩图求合成弯矩图，按最不利的情况考虑mN m N MMMBVBHB⋅⨯=⋅+⨯=+=3223221069.11.586)1059.1((2-38)mN MMCVC⋅==441（2-39）图2.7 合成弯矩图计算危险轴的直径][1.013-≥σeMd查文献[9]表15—1，材料为AIA M C r 038调质的许用弯曲应力75][1=-σ，则mm mm d B 8.60751.01069.163=⨯⨯≥所以该轴符合要求。