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。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

1.3 刀架的设计准则

我们设计主过程，本着以下几条设计准则：

1）创造性的利用所需要的物理性能和控制；

2）预测意外载荷；

3）创造有利的载荷条件；

4）提高合理的应力分布和刚度面；

5）辨别功能载荷及其意义；

6）重量尽量轻；

7）应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸；

8）根据性能组合选择材料；

9）在储备零件与整体零件之间进行选择；

10）进行功能设计以适应制造工艺和降低成本的要求。

第二章数控车床自动回转刀架的设计

2.1 数控车床刀架应满足的要求

1）满足工艺过程所提出的要求。机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀架能够布置足够多的刀具，而且能够方便而正确地加工各工件表面，为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地转位。

2）在刀架以要能牢固地安装刀具，在刀架上安装刀具进还应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。以保证刀具和工件间准确的相对位置。刀架的运动精度将直接反映到加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上，为此，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀架运转的终点到位应准确。面且这种精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。

3）刀架应具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较复杂，而且有些刀架还直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀架必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。

4）可靠性高。由于刀架在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也高，所以必须充分重视它的可靠性。

5）刀架是为了提高机床自动化而出现的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以利于提高生产率。目前自动换刀装置的换刀时间在0.8—6秒之间不等。而且还在进一步缩短。

6）操作方便和安全。刀架是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀架设计好坏的指标。刀架上应便于工人装刀和调刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整刀架的手柄（或手轮）要省力，应尽量设置在便于操作的地方。

2.1.1 动力刀架的整体方案设计

刀架是车床的重要组成部分，加工中心的动力刀架可安装各种非动力辅助刀夹

和动力刀夹进行加工，用于夹持加工用的刀具,因此其结构直接影响到车床的加工性能和加工效率。刀架采用端齿分度，转位由步进电动机驱动，刀位由二进制绝对编码器识别，动力刀具由变频电机驱动，通过同步齿形带等将动力传递到刀夹。

各类数控机床的自动换到装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量。数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适用范围见表2-1

表2-1

2.1.2 数控机床刀架的类型选择

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，下面对这三种形式的刀架作简单的介绍。

1） 排式刀架：排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。其类别型式

特点 适用范围

转

塔

式 回转刀架 多为顺序换刀，换刀时间短、结构简单紧凑、容纳刀具较少 各种数控车床，数控车削加工中心

转塔头 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 数控钻、镗、铣床

刀

库式 刀具与主轴之间直接换刀 换刀运动集中，运动不见少。但刀库容量受限 各种类型的自动换刀数控机床。尤其是对使用回转类刀具的数控镗、铣床类立式、卧式加工中心机床 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类型 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