数控车床刀架装置的设计1 绪论
1.1. 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。
1.2. 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。
1.3. 结构组成与动作循环数控车床刀架装置的设计
典型的数控转塔刀架一般有动力源（电极或油缸，液压马达）、机械传动机构、预分度机构、定位机构、锁紧机构、检测装置、接口电路、刀具安装台（刀盘）、动力刀座等组成。
数控转塔刀架的动作循环为：
T指令（换刀指令）→刀盘放松（抬起）→转位→刀位检测→预分度→精确定位→刀具锁紧→结束，答复信号。
陕西科技大学毕业设计说明书 2 1.4. 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：
1.4.1. 精度
定位精度要求高，一般要求工位目标位置重复定位精度在4"10"
—，刀槽的工作位置定位精度在0.03-0.05mm。各种形位公差为0.020.03mm
-。因此定位机构均采用精密多齿盘。先进工艺用浮硬齿面对研,重复定位精度可高达"1另外,刀盘加工趋向用淬火硬磨削,以获得刀槽精度的长期保持性及高的刚度。
1.4.
2. 运转性能
主要是转位时间和转位频率。先进水平一次转位周期0.3—ls,最快己达0.lS。分度频率为600—1000次/h 。
双向转位就近换刀(最短路程换刀)的结构正在开发应用,如双向滚子端面凸轮机构 , 可显著缩短换到周期。为了克服刀盘高速转位引起的惯性冲击,使用恰当的缓冲元件是其发展趋势。
1.4.3. 润滑与密封
目前趋向于开发能终生润滑的产品,即在使用全过程中,不需要用户再采取任何润滑措施。
因工作环境恶劣,对密封性能要求很高,通常规定在刀架体内棋道压力105pa气路 ,浸入装有防锈液的试验箱内,在规定时间内,不得有漏气现象。
1.4.4. 负载能力与刚度
数控转塔刀架的负载能力与刚度,除了与有关零件的尺寸、形状、结构等有关外 , 受刀盘锁紧力影响也很大。一般小型产品锁紧力为3
?
610N
10N左右,高性能产品可达4
以上。
对数控转塔刀架的静刚度目前尚无规范要求,有的企业标准已经提出测详见定, 但缺乏数据指示。对动刚度,动态性能,在生产实践中反映出其影响明显,但也无可靠数据指示提出,这些方面是今后研究开发中的重要方向。
1.4.5 可靠性方面
可靠性是产品性能的综合反映。对转塔刀架目前一般要求平均无故障时间(MTBF)为4
?次以上,国内产品在设方面亟待提高。
210N
?次,高级的已经达到4
510N
1.5 现代典型数控转塔刀架的结构分析
1.5.1. 液压式1.4. 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：
1.4.1. 精度
定位精度要求高，一般要求工位目标位置重复定位精度在4"10"
—，刀槽的工作位置定位精度在0.03-0.05mm。各种形位公差为0.020.03mm
-。因此定位机构均采用精密多齿盘。先进工艺用浮硬齿面对研,重复定位精度可高达"1另外,刀盘加工趋向用淬火硬磨削,以获得刀槽精度的长期保持性及高的刚度。
1.4.
2. 运转性能
这类刀架用液压缸实现刀盘锁紧,低速大扭矩液压马达驱动刀盘转位。液压缸可获得很大的锁紧力,故刀架刚性很好。该机构适用于重负荷切削,且易双向转位就近换刀,大型数控车床应用较多。
近年已开发出将液压马达和滚珠式预分度机构合为一体的液压分度马达(Index Motor) 。可使刀架简化,重复定位精度可达"
0.1
±。刀盘加速时间仅为0.1S,有较好的应用前景。
1.5.
2. 液压机械式1.4. 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：
1.4.1. 精度
定位精度要求高，一般要求工位目标位置重复定位精度在4"10"
—，刀槽的工作位置定位精度在0.03-0.05mm。各种形位公差为0.020.03mm
-。因此定位机构均采用精密多齿盘。先进工艺用浮硬齿面对研,重复定位精度可高达"1另外,刀盘加工趋向用淬火硬磨削,以获得刀槽精度的长期保持性及高的刚度。
1.4.
2. 运转性能1.4. 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：
陕西科技大学毕业设计说明书 4 1.4.1. 精度
定位精度要求高，一般要求工位目标位置重复定位精度在4"10"
—，刀槽的工作位置定位精度在0.03-0.05mm。各种形位公差为0.020.03mm
-。因此定位机构均采用精密多齿盘。先进工艺用浮硬齿面对研,重复定位精度可高达"1另外,刀盘加工趋向用淬火硬磨削,以获得刀槽精度的长期保持性及高的刚度。
1.4.
2. 运转性能
这类刀架用液压缸锁紧刀盘,转位和预分度则用点电机通过机械传动装置实现, 如槽轮机构。目前趋向采用动态性能较好的间歇凸轮转位机构。
1.5.3. 电动势1.4. 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：
1.4.1. 精度
定位精度要求高，一般要求工位目标位置重复定位精度在4"10"
—，刀槽的工作位置定位精度在0.03-0.05mm。各种形位公差为0.020.03mm
-。因此定位机构均采用精密多齿盘。先进工艺用浮硬齿面对研,重复定位精度可高达"1另外,刀盘加工趋向用淬火硬磨削,以获得刀槽精度的长期保持性及高的刚度。
1.4.
2. 运转性能
这类刀架以电机为动力源,使用方便,应用最多。主要形式有以下几种：（1）单面凸爪锁紧式
是我国自行开发的小型产品刀盘主轴上固联有单向凸爪离合器的右半。电机经蜗轮传动使主动凸爪(离合器左半)正向旋转,两个半离合器结合,两定位多齿盘觉分开啮合,刀盘转位。到位后反向旋转,刀盘转动被预分度机构的定位销阻止,由于凸爪斜面作用使离合器左右两半分离,使刀盘右移实现定位锁紧。
此形式结构紧凑,但锁紧力靠机构的弹性变形产生,调整较难,主轴刚度不宜大,适用于低速低载,如仪表及床上使用。
（2）双插销反靠式
这类刀架以 T 形丝杠螺母机构产生锁紧力。电机正转时丝杠移动使两多齿盘分离，再由反靠盘及插销带动刀盘转动到位,检测装置发讯时电机反转,插销向预分度糟反靠实现预分度。由于另一端插销斜面作用,反靠盘与之分离,电机继续反转则使丝杠连同刀盘反向位移至多齿盘啮合锁紧。
该刀架转位周期为12S
, 不能双向转位。因只用一个传动链实现动作循环 ,各动作协调由一特殊双插销机构实现,故结构紧凑,锁紧可靠,成为国内中、低档数控车床采用的主要机型。
（3）双向滚子端面凸轮锁紧式
这类刀架采用正反方向均可实现转位锁紧的滚子端面凸轮机构,能就近换刀。
1.6 控制与接口
刀位检测元件多用无触点的霍尔元件或接近开关以及光电编码器。锁紧电机一般采用三相交流电机,但开发应用体积小扭矩大,能频繁换向的专用电机对提高电动式刀架性能十分重要。动力刀具驱动用可无级调速的伺服电机。数控转塔刀架与系统接口方式常有如下两种 :
1.6.1 直接与数控系统接口
视不同系统给出的换刀控制信号,应设计相应的接口电路。通常由如下功能：方式选择、刀位检测发讯、驱动功能(驱动执行器件完成转位锁紧等动作)、保护功能(以脆如机械电气故障 )其逻辑电路一般可用继电器实现。
1.6.2 通过可编程序控制器(PLC)与数控系统接口
用 PLC 实现接口可提高柔性和可靠性。
1.7 各种刀架简介
1.7.1 简易经济型数控刀架
目前主要为立式四工位,通常采用双插销机构实现转位和预定位,电机采用右置式或转塔式。一般只能单向转位,采用齿轮,蜗杆传动,螺旋副加紧,多齿盘精定位。此种刀架价格便宜,适用于要求不高的数控机床,在我国应用最为广泛。但是,该刀架工位少,回转空间大,易发生干涉,所以正向工序长,回转空间小的卧式刀架过渡。
1.7.2 高精度型数控刀架
目前一般多为卧式八工位到十二工位。分为抬起式和不抬起式。抬起式仿意大利巴罗法蒂公司的 TA 刀架,其缺点是转阻塞度不能过高,只能单向回转；不抬起式仿意大利
陕西科技大学毕业设计说明书 6
IOE 型刀架,采用行星齿轮机构。或仿美国的三联分齿盘精定位,转位采用平行分度凸轮(又叫共辄凸轮)或槽轮机构此种刀架目前正逐渐推广。
1.7.3 带动力刀具的数控刀架
此种刀架只有烟台机床附件厂生产,全套引进意大利的生产线和专利,一般用于车削加工中心。
2 方案选择及论证
2.1 传动方案的分析和拟定
2.1.1 技术关键
（a）合理的整体布局及夹紧机构,以保证有足够的刚性。
（b）定位机构的设计。双插销配合多齿盘定位。
（c）发讯元件的选择。采用霍尔元件。
2.1.2 数控立式四工位抬起式自动刀架传动方案的分析和拟定
（1）传动方案的拟定
采用蜗轮蜗杆传动和螺旋副加紧、双插销预定位、端面多齿盘精定位、霍尔元件发讯。
（2）传动方案简图
图2-1 传动方案简图
（3）传动方案分析
a. 传动机构
①采用蜗轮蜗杆传动的主要优点：
降速比大,结构紧凑,工作平稳无噪声。能阻滞扭转振动。当蜗杆螺旋升角小于摩擦角时,有反向自锁作用。
其主要缺点是 : 发热大,加工复杂,需要有与蜗杆参数相同的涡轮滚刀,对装配误差较为敏感。
②螺旋副加紧采用丝杠螺母机构传动,其特点是：
用较小的扭矩转动丝杠(或螺母),可使螺母(或丝杠)获得较大的轴向牵引力。
可达到很大的降速传动比,使降速机构大为简化,传动链得以缩短。能达到较高的传动精度。传动平稳,无噪声。
在一定条件下能自锁,即丝杠螺母不能进钉逆向传动。此特点特别适用于作部件升降传动。由于蜗杆传动和丝杠螺母传动均能自锁,即夹紧机构双重自锁，不必再配置制动器。
b. 定位机构
①双差销预定位
双差销定位,一般称为反靠定位。具有较高的定位精度和可靠性,并能在有冲击和振动的情况下稳定工作。磨损少,定位附加冲击小。定位精度保持性强。
②端面齿盘精定位
优点 :
由于采用了多齿结构,所以定位精度高,一般可达"3±，最高可达"4±；
能自动定心,定位精度不受轴承间隙和正反转的影响(也称自由定心)；
齿面磨损对定位精度影响不大,随着不断使用磨合,定位精度有可能改善,精度保持性好；
承载能力强,定位刚性好。其齿面啮合长度一般不小于60%,齿数啮合率一般不低于90%；
适应性强,齿数的所有因数都可作为分度工位数,容易得到不等的分度；
重复定位精度稳定。
缺点 :
齿形加工较为复杂,转位、定位时动齿盘需要升降,并要有夹紧装置,成本高。
c. 数控转塔式四工位自动回转刀架传动方案的确定 :
采用蜗轮-蜗杆传动 : 螺旋副加紧；
电磁离合器制动 : 双插销机构预定位；
端面齿盘精定位 : 霍尔元件发讯。
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3 主要参数的计算
3.1 刀架的设计参数 :
（1）定位精度：0.05mm;
（2）重复定位精度: 土 0.002mm;
（3）适用机床：C6140;
（4）多齿盘直径：φ175(72 齿左右 );
（5）刀架工位数：四工位;
（6）定位控制元件：霍尔元件 ;
（7）电机的选用：电机的转速与设计刀架的回转速度有关 .先预定为1500\min （8）刀座尺寸： 200*192
刀盘尺寸：200*110
3.2 动力参数的确定
3.2.1 选择电机类型 :
根据工作要求和条件 : 功率小,起动转矩低,运转平稳等,无需调速、长期反复工作，故选用 N 系列异步电动机。取转速为1400r/min。
3.2.2 电机容量的设计计算 :
由要求 :自锁力Q=1000 kgf—500 kgf,此处取 Q=1000kgf 。
螺旋副传动的牙型为梯形螺纹,可通过较小的扭矩获得较大的轴向力,并要求自锁。梯形螺纹的牙型角α=30o,则牙型半角 P=15o,且有f=0.08～0.10。由于本刀架锁紧系统
中的摩擦是由封闭系统弹性变形力所引起的,压力通常超过 3a MP ,其摩擦系数比一般2～3倍,取螺杆中径d=85mm.
a.求当量摩擦角 :/cos tg f ρβ= ，/cos 11.7arctgf ρβ==
为保证电机驱动力矩消失后刀盘仍处于锁紧状态,丝杠螺母传动必须满足自锁条件:ρλ≤+)1.51(～,
所以 λmax=11.7-1=10.7，由实验表明λ=4～6 有满意效果,故取 λ=5 。 b.螺杆的转速 n1=28r/min （设计任务书给出）
可得出传动比：01/1400/2850I n n === （3-1）
计算电机容量 ：/d w a P p η= （3-2）
其中 ,Pd 为电机所需功率 :Pw 为工作机所需工作功率；a η是由电动机至工作机主
动端的总效率：
1*/9550w P T n = （3-3） 412345a ηηηηηη=???? （3-4）
其中 1234ηηηη，
，，，分别为轴承、蜗轮蜗杆、联轴器、滑动丝杠的传动效率。取1η=0.98,2η =0.45( 自锁时传动效率 ),30.99η= ,40.6η=
120d P w = （设计任务书给出）
4/120/0.980.450.990.6482w d a P P η==???=W （3-5）
c. 计算螺杆上的扭矩 :
19550/95500.482/1400 3.3w T P n N m =?=?=? （3-6）
d. 120d P w =，选取型号JW-5264 三相微型感应电机，其技术参数如下：
e. 各轴的运动动力参数 ① 各轴转速
I 轴 (
1II 轴 ( 丝杠螺母、刀盘 )2n =1400/28=50(r/min)
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10
② 各轴输入功率
I 轴 I I *1200.99118.8d P P w η==?= （3-7） II 轴 212*118.80.980.4551.35I P P η==??=w （3-8）
输出功率
I 轴 '2*0.98114.1I I P P w == （3-9） II 轴 '22*0.9851.350.9849.32II II P P w ==?= （3-10）
4 传动机构的设计计算
4.1蜗杆传动的设计计算 :
4.1.1 选择蜗杆传动类型 :
根据GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线（ZI ）蜗杆，这种蜗杆的端面齿廓是渐开线，所以相当于少一个齿数。 4.1.2 选择材料
由于蜗杆传动效率不高，速度也只是中等 ,故蜗杆用45钢;因希望效率高些,耐磨性好些,故蜗杆螺旋要求淬火硬度为45-55HRC 且心部调制蜗轮用铸锡青铜ZcusnlOP1,金属模铸造。为了节约贵重的有色金属,仅齿圈用青铜制造,而轮芯用灰铸铁HT100制造。 4.1.3 按齿面接触疲劳强度设计 :
根据闭式蜗杆传动的设计准则,先根据齿面接触疲劳强度进行设计 , 再校核齿根弯 曲强度应有 :
a ≥ (4— 1）
a.用在蜗轮上的转矩：2T
按11Z =，取效率0.7η=则
3
6
64222118.80.7109.55109.5510 2.84101400/50
P T N mm n -??=?=?=?? (4— 2) b.确定载荷系数K ：
因工作载荷较稳定,所以取齿向载荷分布系数1K =β 由表 11-5( 机械设计第七版 ) 中选取使用系数 K α=1.15 由于转速不高,冲击不大,取动载荷系数 1.05V K =
则 1.21A V K K K K β=??= （4-3） c.确定弹性影响系数：E Z
由选用铸锡磷青铜涡轮和钢蜗杆相配合,
故E Z =） d.确定接触系数:P Z
先假设蜗杆分度圆直径为1d 和中心距 a 的比值1/0.32d a =从图 11-18( 机械设计第七版 ) 中可查得 P Z =2.75
e.确定许用接触应力：[]H σ
根据蜗杆材料为铸锡磷青铜ZCuSn10Pi 金属模铸造,蜗杆硬度大于45HRC 可以从 11-7( 机械设计第六版 ) 中查得涡轮的基本许用应力[]H σ=268a MP
应力循环次数260n N jn L =设计要求寿命为 12000h 则(涡轮每转一转,每个轮齿啮合的次数)
71400
60112000 1.981051
N ∴=??
?=? (4-5)
寿命系数：0.918HN
k == 则[][]'
0.918*268246.1HN a H H K MP σσ=== (4-6)
f.计算中心距 :
50.73a mm ≥= (4-7)
所以取中心距为 5Omm ；因i=50，故从表11-12中取模数m=1.6mm 分度圆直径1d =20mm ，则
1
0.4d a
=，从图11-18中可查得接触系数 ' 2.74 3.0Z Z ==ρρ，故以上计算结果可用。
4.1.4 蜗轮蜗杆的主要参数及尺寸:
根据以上计算结果,从机械设计第七版第 242 页查得一组数据 : 轴向齿距：a m 1.6 5.027P ππ==?=
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12
直径系数： d1m q 12.5==
齿顶圆直径：a11d 2m 202 1.623.2d mm =+=+?= 齿根圆直径：f11d 2m 202 1.616.2d mm =-=-?= 分度圆导程角：1
tan
4.573943426Z art q
'''==?=?γ 蜗杆的轴向齿厚：a S 0.5 2.5133m mm π==
50; 1.6;a m =='112220;1;12.5;43426;51;0.500d mm Z q z X γ?''======-
a.蜗杆的几何尺寸及参数 :
轴向距： 1.6 5.027a P m mm ππ==?= 直径系数： 12.5q =
齿根圆直径： 11 2.420 2.4 1.616.2f d d m mm =-=-?= 齿顶圆直径： 112202 1.623.2a d d m mm =+=+?= 导程角： '"43426γ?=
轴向齿厚： 1
2.62
a S m mm π==
b.蜗轮尺寸及几何参数: 齿数： 251Z = 变位系数： 20.05x =-
分度圆直径： 2 1.65181.6d mz mm ==?=
喉圆直径： 222281.62 1.620.05 1.683.2a a d d h mm =+=+?-??=
齿根圆直径： 222281.62 1.2 1.676.16f f d d h mm =-=-??=
喉圆母圆半径： 2211
5083.28.422
g a a d mm γ=-=-?=
4.1.5 校核齿根弯曲疲劳强度 : []2
2121.53cos F Fa a F KT Y Y MP d d m βσσγ
=
≤ (4-8)
当量齿数：2233'"
51
51.49cos cos 43426
v z z γ?=
== (4-9) 根据 20.500X =- 2v z 51.49= 从图11-19中( 机械设计第七版 ) 可查得齿形系数 2
2.52Fa Y = 螺旋角系数'"
43426110.9673,140140Y βγ
?=-=-=??
许用弯曲应力
[][]'
FN F F
K σσ= 从表 11-8( 机械设计第七版 ) 查得ZcuSn10Pi 制造的蜗轮的基本许
用弯曲应力 []56a F MP σ=。
寿命系数：0.717FN
K == (4-10)
[]560.7240.19a F MP σ=?= (4-11)
[]4
1.53 1.21
2.8410 2.7520.96735
3.6040.322081.6 1.6
F a F a MP MP σσ???=
??==??
(4-12)
故弯曲强度不满足要求。改用铸铝铁青铜(ZcuAl10Fe3)砂模铸造，
其许用应力：[]80a F MP σ'= （4-13）
则 []800.71757.36a F MP σ=?= （3-24） 所以强度满足。
4.1.6 精度等级和表面粗糙度的确定:
考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动,属于通用机械减速器,从 GB10089-88 圆柱蜗杆、蜗轮精度中,选择8级精度,侧隙种类为f ，标注为 8f GB10089-88. 4.1.7 蜗轮蜗杆的结构 :
蜗杆的结构 :由于蜗杆螺旋部分的尺寸不大，蜗杆与轴制成一体。 蜗轮的结构 : 由于 D 10Omm,故采用整体式铸造 . 4.1.8 蜗杆传动的热平衡计算 :
蜗杆传动效率低,所以工作时发热量大.在闭式传动中,如果产生的热量不能及时发散,将因温度不断升高,而使润滑油稀释,从而增大摩擦损失,甚至发生胶合.所以,必须根据单位时间的发热量 H 等于同时间内的散热量 H2 的条件进行热平衡计算.以保证泊温稳定地处于规定的范围内,在规定条件下,保持正常的工作温度所需要的散热能力,面积为：
2
0)
()1(1000m t t p S d ααη--=
(4-14)
P 为蜗杆传递的功率；η为蜗杆传递的效率；d α为箱体的表面传热系数取 （C m W d ./102?=α）
0t 为润滑油的工作温度，取C t 700=
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αt 为周围空气的温度，常温情况取C 20
223720072.0)
2070(10)7.01(101201000cm m S ==-?-??=- (4-15)
∴s s >1，所以热平衡条件满足。
4.2 丝杆螺母传动的设计计算：
4.2.1 丝杆材料的选择：
由于机床丝杆螺母的主要失效形式是磨损，以及切削细长螺纹时时刀具磨损使丝杠产生表面缺陷和较大的内应力，所以选择丝杆材料及热处理，应从高的耐磨性，良好的加工性能及长期的尺寸稳定性来进行考虑。选择合金钢40Cr,8级精度，淬硬，热处理使之具有相当的耐磨性。 4.2.2 螺母材料的选择：
螺母材料选用铸锌铅青铜ZQSn6-6-3,虽然ZQSn10-1非常耐磨，但成本太高ZQSn6-6-3已经能满足要求。 4.2.3 丝杆螺母几何尺寸的计算：
a. 选用T55梯形螺纹丝杆，螺距t=12mm;
b. 丝杆螺母尺寸：
大径：d=46mm 小径：1d =40mm 中径：mm d d d 43)4046(2
1
)(2112=+=+=
螺母外径：mm d d 4710=+=' 螺母小径：mm d d 4151=-='
螺母中径：mm d d d 44)4147(2
1)(2112=+='
+'='
线速n=1。由于连接螺纹要求自锁性。故多用单线螺纹，若要求传动效率高则采
用双线或三线螺纹。
导程：S=P=12mm 螺纹升角： 08.543
12
2=?==ππαφarctg d S rctg
当量摩擦角：β
ρcos 1
f
tg -=，由于选用的是 30的梯形螺纹，∴
302=β
因而 15=β。当f=0.1时，
82.815
cos 15.01
==-tg ρ，∴ρλ<，∴此丝杆能自锁。 c. 丝杆螺母的传动效率和驱动扭矩的计算：
①效率：45.0)
9.508.5(08.5)(=+=+=
tg tg tg tg ρλλη ②驱动扭矩M ：设所受的轴向力P,则螺纹中径2d 的圆周力为)(ρλ+=Ptg Q ， 驱动扭矩 2
)(2d tg P M ?
+?=ρλ，∴λπλπtg P
tg nP d ==2， ∴πη
ρλρλπ2)(Pt
tg tg P M =+??=
（kgf ?cm ） (4— 16) d. 校核滑动螺旋传动：
滑动螺旋工作时，主要承受转矩及轴向拉力（或压力）的作用，同时在螺旋和螺母的旋合纹间较大的相对滑动。主要的失效形式是螺纹磨损。因此滑动螺旋的基本尺寸(即螺杆直径和螺母高度)，通常是根据耐磨性条件确定的。对于受力较大的传动螺旋，还应校核螺杆的危险截面以及螺母纹牙的强度，以防止发生塑性变形和断裂。对于精密传动螺纹还应该校核螺杆的刚度。
① 耐磨性校核：
图4-1 刀盘齿形图 作用于螺杆的轴向力)(N Q 主要是刀盘重力。
螺纹的承压面积（指螺纹工作投影到垂直于轴向力的平面上的面积）为A(2mm ),螺纹中径2d （mm ）螺纹工作高度h ，螺纹螺距为P(mm),螺母高度H(mm),螺纹的工作圈数n=H/p.
2d =43mm h=25mm P=12mm H=64mm n=H/P=5 则螺纹工作面的耐磨性条件为：
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Mpa hH d QP hn d Q A Q P 12.064
5.243128
6.21822=????====
πππ []P P < （4-17） e. 强度计算：
空心轴工作时，承受轴向力Q 和扭矩T 的作用，螺杆切应力的作用。螺杆危险截面上既有压缩应力，又有切应力。在校核时根据第四强度理论，求出危险截面的应力ca σ。 21
2)4(31d T
Q A ca +=
σ (4-18） 22216.1256404
4
mm d A =?=
?=
π
π
(4-19)
3433
11026.14016
16
mm d W r ?=?=
=
π
π (4-20)
2
)(2
d tg Q T v ?+?=?? (4-21)
82.815
cos 15
.015cos ===arctg f arctg
v ? ， 08.5=? (4-22) mm d 432= ， Q=216.86N
T=216.86?(5.08+8.82)?43/2=1153.85N ?mm (4-23) Mpa d T Q A ca 91.19)40
85.11534(386.2166.12561)4(3122212=?+=+=σ (4-24) []Mpa s
1604
640
4
==
=
σσ,[]σσ≤∴ca 故强度满足要求。 4.3 定位机构的设计：
4.3.1 插销的设计计算：
刀盘反靠时，刀盘与定位销受到定位槽的阻止，转速突然变为0，定位销受冲击载荷。可以用能量法近似计算插销的直径。下图给出的插销的力学模型。
图4-2 插销的力学模型
d P 为反靠冲击载荷；g P 为d P 所引起的销子的弹性变形；II 为销子伸出长度；I 为销子的
销孔内的长度。
对直径为D 的圆柱形销，有64
4
D I π=
，323
D πω=
，冲击时刀盘的动能：22
1
ωI ，冲击过程中，销子获得的弹性变形能：2
2g d P P U =，令21U U =，并且EJ
m l m P P d g 3)
(2+=
，即
[]σ≤W
m
p d ；可得：[]σω≤+=W
m
l EJI 3。 式中：
I 刀盘转动惯量； ω 冲击瞬间刀盘角速度； E 插销材料弹性摸量； J 插销截面惯性矩； W 插销截面抗弯摸数； []σ 插销材料许用应力。 最后可得：[]m
l EI
D +≥
28.15σω
选取最小的定位超程角：
刀盘反靠时，角速度ω愈小，收冲击也愈小。根据预定定位盘槽的几何形状与尺寸，利用调整检测元件可获得很小的定位超程角，从而减小反向启动后的加速时间，ω明显减小。
设定定位超程角与插销长度：
当销子处于反靠定位状态时，即反靠销与定位分别插入各自的槽中，若此时刀盘进行反转，则在惯性力矩作用下反靠销极易沿周向滑动，使刀盘不能与反靠盘同步转动。所以应严格设定超程角β。
β的大小应保证换向时定位销不在定位槽内。则插销尺寸应满足,21h L l l +=+
1l ：反靠销长度，2l ：定位销长度，L ：反靠盘与预定位盘的间距，h ：销槽与预定
位槽的深度。其中I1式中各尺寸的制造公差及上下两盘装配的平行度公差可按一般精度IT8,补偿间隙mm 1.0=δ，用修配可获得。 4.3.2 预定位机构与反靠机构：
预定位销中间采用弹簧，使之与销配合起来起定位作用。同时，预定位销的头部
采用单斜面，由斜面作用使预定位销从槽中脱出。预定位销倾角 4.50 所以预定位盘的 槽的倾角也是 4.50，与之相配。
反靠盘上槽两边都有倾角，这是为了使反靠销能从两个方向脱出。 预定位盘和反靠盘的结构尺寸由零件图给出。
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4.3.3 精定位机构多齿盘的设计： 1）原理与特点：
多齿盘定位由两个齿数和齿形相同的端面齿盘啮合而成。通常，一个齿盘固定不动。另一个齿盘与分度回转部件固定连接。分度时，动齿盘抬起，与定位盘脱开，然后转位，当转位至要求位置后，动齿盘与定齿盘啮合并压紧。
本设计中，我们将定齿盘在刀体外壳上之固定，而动齿盘和丝杆，刀盘装在一起，丝杆移动时，动齿盘随之脱开啮合，刀盘同时也移动，齿盘转位。到位后刀盘不再回转，往相反方向移动，从而夹紧工位。
图 4-3 多齿盘原理 2）设计计算：
设计多齿盘装置的主要依据是分度工位数，定位精度，结构位置大小和工作载荷。 转化到齿盘上的工作载荷有扭矩Mn,倾覆力矩Mr,轴向离0F ，径向力r F 。
① 结构参数α 、β 、γ
多齿盘的结构参数有齿形角，齿数 ，齿盘直径，模数，齿根槽宽和槽深等。
、
图4-4 多齿盘的结构
（a ）齿形角γ 当槽面间隙EF 一定时，齿形角γ越小，EG 越小，即定位精度夜高。但γ过小会削弱齿部刚性。通常γ= 90,60。
（b ） 齿数Z 齿数应是分度工位数的倍数，或所有需要的工位数的最小公倍数。齿数越多，分度精度越高。但加工夜复杂。
（c ）齿盘直径D 齿盘直径可按扭矩Mn 估算。一般D 宜取大些，以提高定位精度和稳定性。
（d ）模数m 齿盘的模数m=D/Z ，它仅起到表示齿形大小的作用，不须选取标准值。 M 的常用范围为2—6mm.
（e ）齿宽按载荷大小选取，一般为8—25mm ，B 太大不利于提高分度定位精度。 (f ) 齿根槽宽b 一般取b ≈0.8—1mm 。 其他有关几何参数按以下公式计算：
Z
360=β
Z
D D y 180sin 22sin 2==β (4-25)
Z tg D
tg y
h 180sin 2
22?==γγ (4-26)
221h h h ==
D
h tg
=
2
α
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表4-1 具体参数如下表：
② 夹紧力计算
夹紧力应保证在最大工作载荷下仍能保持两齿盘的紧密啮合，但过大的夹紧力会引起齿盘变形。
夹紧力W 可按下式计算：
])2
(2)2(2[
0F Frtg D Mr tg D Mn S W ±-++-=ρβ
ρβ (4-27) 式中：W 为夹紧力（N ）
Mn 为齿盘承受的扭矩（Nm ）
Mr 为齿盘承受的倾覆力矩（Nm ） Fr 为齿盘承受的径向力（N ）
0F 为齿盘承受的轴向力（N ），方向与W 相同时，式中取“-”号，与W 相反时取“+”.
D 为齿盘直径（m ） β 为齿形角（ ）
ρ 为摩擦角（ ）， 一般取 65-- S 为安全系数，一般取S=1—1.5
1.3. 结构组成与动作循环 典型的数控转塔刀架一般有动力源（电极或油缸，液压马达）、机械传动机构、预分度机构、定位机构、锁紧机构、检测装置、接口电路、刀具安装台（刀盘）、动力刀座等组成。 数控转塔刀架的动作循环为： T指令（换刀指令）→刀盘放松（抬起）→转位→刀位检测→预分度→精确定位→刀具锁紧→结束，答复信号。 1.4. 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： 1.4.1. 精度 定位精度要求高，一般要求工位目标位置重复定位精度在4"10" —，刀槽的工作位置定位精度在0.03-0.05mm。各种形位公差为0.020.03mm -。因此定位机构均采用精密多齿盘。先进工艺用浮硬齿面对研,重复定位精度可高达"1另外,刀盘加工趋向用淬火硬磨削,以获得刀槽精度的长期保持性及高的刚度。 1.4. 2. 运转性能 主要是转位时间和转位频率。先进水平一次转位周期0.3—ls,最快己达0.lS。分度频率为600—1000次/h 。 双向转位就近换刀(最短路程换刀)的结构正在开发应用,如双向滚子端面凸轮机构 , 可显著缩短换到周期。为了克服刀盘高速转位引起的惯性冲击,使用恰当的缓冲元件是其发展趋势。 1.4.3. 润滑与密封 目前趋向于开发能终生润滑的产品,即在使用全过程中,不需要用户再采取任何润滑措施。 因工作环境恶劣,对密封性能要求很高,通常规定在刀架体内棋道压力105pa气路 ,浸入装有防锈液的试验箱内,在规定时间内,不得有漏气现象。 1.4.4. 负载能力与刚度
数控转塔刀架的负载能力与刚度,除了与有关零件的尺寸、形状、结构等有关外 , 受刀盘锁紧力影响也很大。一般小型产品锁紧力为3 610N ? 10N左右,高性能产品可达4 以上。 对数控转塔刀架的静刚度目前尚无规范要求,有的企业标准已经提出测详见定, 但缺乏数据指示。对动刚度,动态性能,在生产实践中反映出其影响明显,但也无可靠数据指示提出,这些方面是今后研究开发中的重要方向。 1.4.5 可靠性方面 可靠性是产品性能的综合反映。对转塔刀架目前一般要求平均无故障时间(MTBF)为4 ?次以上,国内产品在设方面亟待提高。 210N 510N ?次,高级的已经达到4 1.5 现代典型数控转塔刀架的结构分析 1.5.1. 液压式 这类刀架用液压缸实现刀盘锁紧,低速大扭矩液压马达驱动刀盘转位。液压缸可获得很大的锁紧力,故刀架刚性很好。该机构适用于重负荷切削,且易双向转位就近换刀,大型数控车床应用较多。 近年已开发出将液压马达和滚珠式预分度机构合为一体的液压分度马达(Index Motor) 。可使刀架简化,重复定位精度可达" ±。刀盘加速时间仅为0.1S,有较好的应 0.1 用前景。 1.5. 2. 液压机械式 这类刀架用液压缸锁紧刀盘,转位和预分度则用点电机通过机械传动装置实现, 如槽轮机构。目前趋向采用动态性能较好的间歇凸轮转位机构。 1.5.3. 电动势 这类刀架以电机为动力源,使用方便,应用最多。主要形式有以下几种：（1）单面凸爪锁紧式 是我国自行开发的小型产品刀盘主轴上固联有单向凸爪离合器的右半。电机经蜗轮传动使主动凸爪(离合器左半)正向旋转,两个半离合器结合,两定位多齿盘觉分开啮合,刀盘转位。到位后反向旋转,刀盘转动被预分度机构的定位销阻止,由于凸爪斜面作用使离合器左右两半分离,使刀盘右移实现定位锁紧。 此形式结构紧凑,但锁紧力靠机构的弹性变形产生,调整较难,主轴刚度不宜大,适用于低速低载,如仪表及床上使用。 （2）双插销反靠式
毕业设计（论文）任务书 题目：C6132卧式车床数控化改造设计——自动回转刀架及其控制电路设计 系名 专业 学号 学生姓名 指导教师 职称 2011年12月5日
一、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。） 工作基础：目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，截止到2007年我国机床数控化率不到3％。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。本课题是对于普通的CA6132车床进行数控改造，对于提高我国工业产品的国有化、降低产品造价以及提高产品的国际市场竞争力，都有着十分重要的战略意义。 数控车床为了能够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，故须带有自动回转刀架。 研究条件：一台CPU为Intel P4 3.0E,内存为1G的PC机，参考资料可从图书馆及图书馆数据库中获得。 应用环境：应用于回转类零件的数控加工。 工作目的：熟悉车床的组成结构，以及数控改造的实施方法。 二、参考文献 [1] 张建民.机电一体化系统设计（修订版）[M].北京：北京理工大学出版社，2007. [2] 成大先.机械设计手册（第四版）[M].北京：化学工业出版社,2002,25-28. [3] 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，2008. [4] 赵松年，李恩光，裴仁清. 机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社，2004. [5] 王燕群，赵志岗，叶金铎，等主编.材料力学[M].天津：天津学出版社，2001. [6] 廖念钊主编.互换性测量技术基础.第三版[M].中国计量出版社，2002. [7] 邱宣怀主编.机械设计.第四版[M].北京：高等教育出版社，2004. 三、设计（研究）内容和要求（包括设计或研究内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求。） 设计内容： 设计一台四工位的立式自动回转刀架，适用于C6132经济型数控车床。 包括： （1）减速传动机构的设计；上刀体锁紧与精定位机构的设计；刀架抬起机构的设计。 （2）设计控制刀架自动转位的控制电路。 技术参数： 推荐刀架所用电动机的额定功率为90W，额定转速为1440r/min； 换刀时要求刀架转动的速度为30r/min。 具体要求：
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，缩短了生产准备时间，消除人工误差提高加工精度和加工精度的一致性等。但是传统的普通车床换刀的速度慢、精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要。所以为了提高生产率、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，对普通机床的换刀装置进行改进，使该装置具有自动松开、转位、精密定位等功能。此次主要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控制软件。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，可以提高数控车床的效率，缩短加工时间；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，电气控制
Design of automatic turret mechanical and electrical system of CNC lathes Abstract The 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, improve product 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 changer Electro-Mechanical Systems Electrical control I
《机械制造技术》课程设计 设计题目：方刀架课程设计 说明书 专业： 班级： 设计者： 指导教师： 年月日
《 课程设计说明书 刀具架机械加工工艺规程及工艺装备设计: 序 言 大二第一学期我们进行了《机械制造技术》课程的学习，并且在大一第一学期进行过金工实习。为了巩固所学知识，在我们进行之后其他各专业课程的进行一次深入的综合性的总复习,也是作为一次理论联系实际的训练，我们进行了本次课程设计。 通过这次课程设计，对自己未来将从事的工作进行了一次适应性训练，从中锻炼了自己分析问题、解决问题的能力，同时，在课程设计过程中，我们通过认真查阅资料，切实地锻炼了我们自我学习的能力。另外，在设计过程中，经过老师的悉心指导和同学们的热心帮助，我顺利完成了本次设计任务。由于能力所限，设计尚有许多不足之处，恳请各位老师给予批评指正。 一、零件的分析 (一)零件的作用 方刀架是作用是通过用螺钉的紧固作用在机床上快速的实现车刀固定，夹紧、转换，为车工提供方便，同时也节省了大量的辅助时间，大大提高了生产效率.方刀架的主要功用就是通过装在刀架上的其它零件夹紧刀具，换刀时，在手柄转动下，带动方刀架回转，以达到换刀的目的。 (二)零件的工艺分析 本零件从零件图可知： 1）该零件为车床用方刀架，中间周圈槽用于装夹车刀，其C 面直接与车刀接触，所以要求有一定的硬度，因此表面淬火40~45HRC 。 2）该零件左端面与车床拖板面结合，并可以转动，φ15019 .00+mm 孔用于刀架定位时使 用，以保证刀架与主轴的位置，其精度直接影响机床的精度。 3）该零件为锻件，在设选定毛胚时锻件尺寸为135mm ×135mm ×82mm ，根据基准重合 和多次加工的原则选择右端面和φ3603 .00+mm 孔定位，保证加工基准的统一，从而保证了工 件的加工精度。
数控车床刀架的设计 Document serial number【KKGB-LBS98YT-BS8CB-BSUT-BST108】
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。 本设计通过对数控车床六工位自动控制刀架工作原理的分析，综合考虑刀架工作过程的优缺点，确定了设计方案，得到了最终设计的结果,也达到了预先设定的目的。本设计主要包括了数控车床刀架机构的主要部件，其中包括转位机构，刀架的定位机构，驱动伺服电机的选择，蜗轮蜗杆的设计，刀架主轴的结构设计等。最终得到常用的数控车床六工位刀架应满足的要求。 关键词:六工位；电动刀架 ABSTRACT With its high working accuracy and productivity, the numerical con trol processing can reduce the operators’ labor intensity, improve labor condition, and is thus advantageous in the modernization of manufacturing management as well as improvement of economic benefit. Hence, the development and the utilization the numerical control processing play a role and become the development direction in the advancement of manufacturing industry.
目录 目录----------------------------------------------------------------1第1节自动回转刀架总体设计--------------------------------------------------------------2 1.1概述-----------------------------------------------------------2 1.2数控车床自动回转刀架的发展趋势--------------------------------------------------2 1.3自动回转刀架的工作原理-----------------------------------------3第2节主动传动部件的设计计算-----------------------------------------------------------5 2.1蜗杆副的设计计算------------------------------------------------5 2.2轴承的选用------------------------------------------------------7第3节刀架体的设计-------------------------------------------------8 第4节控制系统的选择-----------------------------------------------8 4.1单片机的工作原理------------------------------------------------9 4.2刀架控制流程图--------------------------------------------------10 第5节结论---------------------------------------------------------12 参考文献------------------------------------------------------------14
2013届机械设计制造及其自动化（数控）毕业设计（论文） 毕业设计（论文） 题目数控车床自动回转刀架的设计 1
目录 绪论 (1) 第一章数控车床回转刀架概述................................................................... 1矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。 1.1数控车床刀架的介绍 (1) 1.2数控车床刀架的分类 (1) 第二章回转刀架方案选择 (1) 2.1数控车床回转刀架的基本要求 (1) 2.2 立式数控回转刀架的结构特点 (2) 2.3刀架参数的确定 (3) 2.4动力源的选择及方案选择结果 (4) 第三章回转刀架的工作原理及过程 (5) 3.1电动刀架工作原理 (5) 3.2四方刀架的主要构成部分 (5) 第四章回转刀架的设计及计算 (6) 4.1夹紧力的计算 (6) 4.2最大切削扭矩 (7) 4.3单工位换刀时间 (7) 4.4定位精度 (9) 第五章主传动机构的设计和标准件的选取 (10) 5.1初拟传动方案 (10) 5.2选择步进电动机 (10) 5.3蜗轮蜗杆的设计 (10) 5.4中心轴强度校核 (11) 第六章刀架的电气设计 (16) 6.1刀架的电气控制 (16) 6.2回转刀架PLC控制 (17) 第七章总结 (20) 致谢 (20) 参考文献 (21)
2013届机械设计制造及其自动化（数控）毕业设计（论文） 数控车床自动回转刀架的设计 摘要数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道甚至所有加工工序，以缩短辅助时间和减小多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。数控车床上的回转刀架就是一种最简单的自动换刀装置，这次设计的自动回转刀架具有转位快，定位精度高，切向扭矩大等特点，原理采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。 关键词: 数控车床回转刀架特点原理 绪论 毕业设计是培养学生实践的重要环节之一,它是在大学教学课程，机械课程设计，金工实习 3
数控车床刀架的设计
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。 本设计通过对数控车床六工位自动控制刀架工作原理的分析，综合考虑刀架工作过程的优缺点，确定了设计方案，得到了最终设计的结果,也达到了预先设定的目的。本设计主要包括了数控车床刀架机构的主要部件，其中包括转位机构，刀架的定位机构，驱动伺服电机的选择，蜗轮蜗杆的设计，刀架主轴的结构设计等。最终得到常用的数控车床六工位刀架应满足的要求。 关键词:六工位；电动刀架
ABSTRACT With its high working accuracy and productivity, the numerical control processing can reduce the operators’ labor intensity, improve labor condition, and is thus advantageous in the modernization of manufacturing management as well as improvement of economic benefit. Hence, the development and the utilization the numerical control processing play a role and become the development direction in the advancement of manufacturing industry. Based on the analysis of operating principle and process of six-station automatic control knife rest of numerically controlled lathe, this paper determines its solution approach and conclusion. The paper first discusses how to choose such critical pieces of the knife rest of numerically controlled lathe as indexing mechanism, positioning mechanism, drive servo motors, and then discusses the design of worm gear, worm drive, and the structure of principle axis of the knife rest, etc.. The paper then concludes the requirements of common six-station automatic control cutter of numerically controlled lathe. Key words: six-location; electronic knife rest
图书分类号： 密级： 毕业设计(论文) 数控车床回转刀架的设计 THE DESIGN OF CNC LATHE ROTARY CUTTER 学生姓名王成 学院名称机电工程 专业名称机械设计制造与其自动化 指导教师毛瑞卿 2011年05月27日
徐州工程学院学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：日期：年月日 徐州工程学院学位论文版权协议书 本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 论文作者签名：导师签名： 日期：年月日日期：年月日
摘要 传统的普通车床换刀的速度慢、精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要。因此，本文对数控车床回转刀架的机电系统的相关内容进行研究，探索数控车床刀架的组成和工作原理，对普通机床的换刀装置进行改进，使一台四工位的立式自动回转刀架数控化，使该装置具有自动松开、转位、精密定位等功能。 本文主要完成数控车床回转刀架的机械部分和电气部分的设计。机械部分为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控制软件。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，可以提高数控车床的效率，缩短加工时间；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；电气控制
**** 《数控加工工艺》课程设计说明书设计题目：方刀架数控加工工艺课程设计 专业：* * * * 班级：* * * * 学生姓名：* * * * 学号：* * * * 指导教师：* * * * 机电工程系 年月
《数控加工工艺》课程设计任务书
目录 绪论 (1) 第1章零件的分析 (2) 1.1 零件的作用 (2) 1.2零件图分析 (2) 1.3零件分析 (3) 1.4 工艺分析 (3) 第2章毛坯的确定 (4) 2.1确定毛坯余量公差 (4) 第3章工艺规程的拟定 (6) 3.1确定毛坯的制造形式 (6) 3.2 定位基准的选择 (6) 3.3粗基准的选择 (6) 3.4精基准的选择 (6) 第4章切削用量的选择 (7) 4.1确定切削用量 (7) 4.2加工余量与公差 (8) 第5章机械加工过程 (9) 结论 (10) 参考文献 (11) 数控加工工艺过程卡片 (12) 数控加工工序卡片 (14) 程序 (18)
绪论 数控加工工艺课程设计综合了机械制造工艺学和其它专业课知识，充分展现了学生在生产实习中的实践能力。本说明书是关于方刀架的一个简单工艺设计过程，在这次为期两个星期的设计，不仅让我们对所学课程进行了一次全面深入的总复习，而且为毕业设计提供了一次热身的机会，真正实现了理论联系实际。 就我个人而言，在这次设计中，我最大的收获是我懂得了要当一名合格的设计师是多么的不容易，在此谢谢老师和同学们在设计过程中给我的帮助。本课程设计通过方刀架零件图的分析，确定了该零件的毛坯材料及尺寸规格。通过对零件的加工工艺分析，确定了该零件的加工工艺路线，确定了该零件的加工工具，编写了详细的数控加工工艺文件：工艺过程卡片和工序卡片。 由于本人能力和经验有限，难免出现一些错误和不足。望老师指正批评！
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。 本设计通过对数控车床六工位自动控制刀架工作原理的分析，综合考虑刀架工作过程的优缺点，确定了设计方案，得到了最终设计的结果,也达到了预先设定的目的。本设计主要包括了数控车床刀架机构的主要部件，其中包括转位机构，刀架的定位机构，驱动伺服电机的选择，蜗轮蜗杆的设计，刀架主轴的结构设计等。最终得到常用的数控车床六工位刀架应满足的要求。 关键词:六工位；电动刀架
ABSTRACT With its high working accuracy and productivity, the numerical control processing can reduce the operators’ labor intensity, improve labor condition, and is thus advantageous in the modernization of manufacturing management as well as improvement of economic benefit. Hence, the development and the utilization the numerical control processing play a role and become the development direction in the advancement of manufacturing industry. Based on the analysis of operating principle and process of six-station automatic control knife rest of numerically controlled lathe, this paper determines its solution approach and conclusion. The paper first discusses how to choose such critical pieces of the knife rest of numerically controlled lathe as indexing mechanism, positioning mechanism, drive servo motors, and then discusses the design of worm gear, worm drive, and the structure of principle axis of the knife rest, etc.. The paper then concludes the requirements of common six-station automatic control cutter of numerically controlled lathe. Key words: six-location; electronic knife rest
机电一体化 课程设计计算说明书题目：自动回转刀架设计 系： 专业： 学生姓名： 指导教师： 20**年 6 月21日
目录 第1节自动回转刀架总体设计 (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自动回转刀架的工作原理 (2) 第2节主要传动部件的设计计算 (4) 2.1 蜗杆副的设计计算 (4) 2.2 蜗杆轴的设计 (6) 2.3 蜗轮轴的设计 (12) 2.4 中心轴的设计 (13) 2.5 齿盘的设计 (14) 2.6 轴承的选用 (16) 第3节刀架体的设计 (17) 第4节结论 (18) 致谢 (19) 参考文献 (20)
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
数控车床刀架常见故障维修 数控技术及数控机床的应用，成功地解决了某些形状复杂，一致性要求高的中、小批零件的自动化问题，这不仅大大提高了生产效率和加工精度，还减轻了工人的劳动强度，缩短了生产准备周期。但是，在数控车床使用过程中，数控车床难免会出现各种故障，所以故障的维修就成了数控车床使用者最关键的问题。一方面销售公司售后服务不能得到及时保证，另一方面掌握一些维修技术可以快速判断故障所在，缩短维修时间，让设备尽快运转起来。在日常故障中，我们经常遇见的是刀架类、主轴类、螺纹加工类、系统显示类、驱动类、通信类等故障。而刀架故障在其中占有很大比例。在这里，分类介绍一下日常工作中遇见的四工位电动刀架各类故障及相应地解决方法，希望能给大家提供一些有益的借鉴。所用数控系统是广州数控设备有限公司所生产的gsk系列车床数控系统。中国国际模具网 故障现象一：电动刀架锁不紧中国国际模具网 故障原因处理方法中国国际模具网 ①发信盘位置没对正 :拆开刀架的顶盖，旋动并调整发信盘位置，使刀架的霍尔元件对准磁钢，使刀位停在准确位置。中国国际模具网 ②系统反锁时间不够长:调整系统反锁时间参数即可（新刀架反锁时间ｔ＝１.2ｓ即可）。中国国际模具网 ③机械锁紧机构故障 :拆开刀架，调整机械，并检查定位销是否折断。中国国际模具网 故障现象二：电动刀架某一位刀号转不停，其余刀位可以转动中国国际模具网 故障原因处理方法中国国际模具网 ①此位刀的霍尔元件损坏:确认是哪个刀位使刀架转不停，在系统上输入指令转动该刀位，用万用表量该刀位信号触点对+24v触点是否有电压变化，若无变化，可判定为该位刀霍尔元件损坏，更换发信盘或霍尔元件。中国国际模具网 ②此刀位信号线断路，造成系统无法检测到位信号:检查该刀位信号与系统的连线是否存在断路，正确连接即可。中国国际模具网 ③系统的刀位信号接收电路有问题:当确定该刀位霍尔元件没问题，以及该刀位信号与系统的连线也没问题的情况下更换主板。 数控技术及数控机床的应用越来越广泛,其加工柔性好,精度高,生产效率高,还减轻了工人的劳动强度,缩短了生产准备周期,具有很多的优点,但由于技术越来越先进、复杂,而数控车床使用过程中,难免会出现各种故障,故障及时排除就成了数控车床正常使用的保证。我校有十几台数控设备,数控系统有FANUC-OI、广数、华中等多种类 在数控机床维修中,经常会遇见一些刀架系统故障,给生产带来较大影响。如何快速判断故障所在,缩短维修时间,让设备尽快运转起来,显得尤为重要。本文针对四工位立式数控刀架系统在实践中所遇到的故障现象进行了研究和分析,找出了导致故障的原因,并对故障处理的关键技术也给出了相应地说明,能够较好地解决数控车床刀架故障的维修问题。 在数控车床使用过程中,难免会出现各种故障,在这些故障中,我们经常遇见的是刀架类、主轴类、系统显示类、驱动类、通信类等故障,而刀架系统故障在其中占有很大比例。下文将从刀架结构特点、电气部分接线原理、报警提示信息含义、PMC程序和系统参数的内涵等几
数控车床自动回转刀架结构设计
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。 三、自动回转刀架的工作原理 自动回转刀架的换刀流程如下图。 图上表示自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置。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
西南科技大学毕业设计题目：数控车床刀架的安装与调试
四川省高等自学考试科毕业设计（论文）申报表 姓名性别男年 龄 考号专业 地址电话邮编毕业设计（论文）题 目 数控车床刀架的安装与调试 拟请指导教师姓 名 职称邮编 单位 毕业设计（论文）课题目的、意义及价值、基本条件及实施时间 一、目的：设计本课题的主要目的是了解数控车床刀架的分类、作用、安装调试、常见故障的排 除方法。 二、意义及价值：随着社会的不断地进步，同时工业也不断地发展。现在大多数企业都提倡高效 率、高质量、高可靠的生产口号来满足市场的需求。企业再不断地改进技术，来提高产品更换周期；使用先进的机械设备如数控车床、数控铣床、加工中心等，来提高产品的生产效率。 这就对我们的工作者要高的职业素养。现在工厂对工人的要求以不在是只满足懂操作的人，而是需要综合性人才。在工作过程中难免会遇见一些机械的常见故障，这就要求操作者需具备一些解决常见故障的能力。 所以基于这个原因我研究了数控车床刀架安装与调试这个课题。 教学主管 单位意见
主考院校 评审意见 西南科技大学毕业设计（论文）开题报告 学院专业班级 姓名学号 题目数控车床刀架的安装及调试题目类型研究型 一．选题背景及依据（简述国内外研究现状、生产需求状况，说明选题目的、意义，列出主要参考文献） 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。立式刀架有四、六工位两种形式，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。数控刀架的市场分析：国产数控车床今后将向中高档发展，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，近年来需要量可达1000～1500台。 有关人士指出，数控机床附件及其配套功能部件是我国机床工具制造业“十五”计划重点发展的产品。虽然我国数控机床附件的研制由无到有，取得了显著成绩，但与国外先进水平相比还是有一定差距的。为确保国产数控机床的大发展，就必须把数控机床附件尽快搞上去。为此他们建议国家有关部门，尽快制定有关鼓励、扶持国产数控机床附件发展的相关政策，加大对数控机床附件行业科研和技改投入，使国产数控机床附件行业有一个大发展。 国外数控车床的发展目的在于提高加工精度和缩短制造周期。实现上述目的之手段是实现机床多功能化和工序工种集成，开发多种多样复合化加工的机种，如增添铣削功能的复合加工车削中心、双主轴多刀塔(双刀塔或四刀塔)数控车床和车削中心、双主轴同步驱动，双刀塔同时进行加工车削
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
目录 1设计任务 (2) 2设计要求 (2) 2.1总体方案设计要求 (2) 2.2其它要求 (3) 3进给伺服系统机械部分设计与计算 (3) 3.1进给系统机械结构改造设计 (3) 3.2进给伺服系统机械部分的计算与选型 (3) 3.2.1确定系统的脉冲当量 (3) 3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核 (4) 3.2.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核 (4) 4步进电动机的计算与选型 (11) 4.1步进电动机选用的基本原则 (11) 4.1.1步距角α (11) 4.1.2精度 (11) 4.1.3转矩 (11) 4.1.4启动频率 (12) 4.2步进电动机的选择 (12) 4.2.1 C6140纵向进给系统步进电机的确定 (12)
4.2.2 C6140横向进给系统步进电机的确定 ................................................................... 12 5电动刀架的选择 .................................................................................................................... 12 6控制系统硬件电路设计 ...................................................................................................... 19 6.1控制系统的功能要求 ................................................................................................... 19 6.2硬件电路的组成： ........................................................................................................ 19 6.3电路原理图 ..................................................................................................................... 20 7总结 ........................................................................................................................................... 21 8参考文献 . (22) 1设计任务 设计任务:将一台C6140卧式车床改造成经济型数控车床。 主要技术指标如下： 1) 床身最大加工直径400mm 2) 最大加工长度1000mm 3) X 方向（横向）的脉冲当量 mm/脉冲，Z 方向（纵向）脉冲 当量 mm/脉冲 4) X 方向最快移动速度v xmax =3000mm/min ，Z 方向为v zmax =6000mm/min 5) X 方向最快工进速度v xmaxf =400mm/min ，Z 方向为v zmaxf =800mm/min 6) X 方向定位精度±0.01mm ，Z 方向±0.02mm 01 .0=x δ02 .0=z δ