C616臥式車床八工位數控回轉刀架設計【八工位臥式電動控制刀架+優(yōu)秀課程畢業(yè)設計+含6張CAD圖紙+帶文獻綜述+36頁加正文1.61萬字】-jxsj11

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摘  要

數控加工的加工精度高，生產率高，能減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產管理的現代化以及經濟效益的提高，它的發(fā)展和運用，影響著制造業(yè)水平高低，實現生產過程的數控化，已經成為當今制造業(yè)的發(fā)展方向，所以非常值得我們去研究。

本設計通過對八工位臥式電動控制刀架的工作原理的分析，確定了多種方案，綜合考慮各種方案的優(yōu)缺點、性價比后，采用電動回轉刀架。其刀架機構的主要部件包括減速傳動機構、刀架的抬起機構、鎖緊與轉位精定位機構等，控制系統(tǒng)軟件包括控制系統(tǒng)的選擇，控制系統(tǒng)軟硬件的設計，收發(fā)信電路的設計等，設計中所采用螺桿抬起機構、端齒盤定位機構和單片機控制系統(tǒng)都計較經濟實用，適合我們我國現階段數控機床的發(fā)展需要。

關鍵詞  八工位，電動刀架，自動化，8051單片機     

ABSTRACT

The numerical control processing's working accuracy is high, the productivity is high, can reduce the operator labor intensity, the improvement work condition, is advantageous in production management modernization as well as the economic efficiency enhancement, its development and the utilization, are affecting the manufacturing industry horizontal height, realizes the production process numerical control, already became now the manufacturing industry development direction, therefore is worth us studying. this design through to eight location horizontal type electric control tool rest's principle of work's analysis, had determined many kinds of plans, after overall evaluation each kind of plan good and bad points, performance-to-price ratio, uses the electrically operated turret saddle. Its tool rest organization's major component including the reduction gear organization, the tool rest lifts the organization, to lock and to index the fine detent mechanism and so on, the control system software including control system's choice, the control system software and hardware's design, receives transmitting circuit's design and so on, in the design uses the screw rod to lift the organization, the end tooth plate detent mechanism and the monolithic integrated circuit control system haggles over the economy to be practical, suits our our country present stage numerically-controlled machine tool's development need. key word eight locations, electrically operated tool rest, automation, 89C51 monolithic integrated circuit.

Keywords  eight locations, electrically operated tool rest, automation, 8051 monolithic integrated circuit.

目   錄

摘要 I

ABSTRACT II

1 緒論 1

1.1 引言 1

1.2 國內外研究現狀 1

1.3 存在的問題 2

1.4 解決的方法 3

2 方案設計 4

2.1 自動刀架的基本要求和類型 4

2.1.1自動刀架的基本要求 4

2.1.2自動刀架的類型 4

2.2 方案的擬定和確定 5

3 總體結構設計 7

3.1 減速傳動機構方案設計 7

3.2 刀架抬起機構設計 8

3.3 上刀體鎖緊與精定位機構設計 8

4 主要部件的設計計算 11

4.1 減速傳動機構的設計計算 11

4.1.1蝸桿的選型 11

4.1.2蝸桿副的材料選擇 11

4.1.3按齒面接觸疲勞強度進行設計 11

4.1.4蝸桿和蝸輪的主要參數與幾何尺寸 14

4.1.5校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度 15

4.2 螺桿的設計計算 16

4.2.1螺距的確定 16

4.2.2其他參數的確定 16

4.2.3自鎖性能校核 16

4.3 端齒盤設計 17

4.3.1 端齒盤的特點 17

4.3.2 端齒盤主要參數的設計計算 18

5 電氣控制部分設計 21

5.1 控制系統(tǒng)的選擇 21

5.2 控制方式的選擇 22

5.3 硬件電路設計 22

5.3.1收信電路設計 22

5.3.2發(fā)信電路設計 23

5.4 控制軟件設計 25

結論 30

參考文獻 31

致謝 32

文獻綜述： 自動刀架系統(tǒng)設計 1 題目的背景和意義 從 20 世紀中葉數控技術出現以來，數控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數控加工 的 加工柔性好，加工精度高，生產率高， 能 減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產管理的現代化以及經濟效益的提高。數控機床的的發(fā)展數控機床是一種高度機電一體化的產品，適用于加工多品種小批量零件、結構較復雜、精度要求較高的零件 、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件 。而刀架是數控機床的主要 附件之一 ，它的性能直接影響著數控機床的精度和效率，所以隨著數控機床的發(fā)展必然會提高其對刀架的要求，不言 而喻，研究自動刀架系統(tǒng)是非常有意義的。 {[1],[2],[3]} 進入 21 世紀，我國經濟與國際全面接軌，進入了一個蓬勃發(fā)展的新時期。機床制造業(yè)既面臨著機械制造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機，也遭遇到加入世界貿易組織后激烈的國際市場競爭的壓 力，加速推進數控機床的發(fā)展是解決機床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關鍵。 所以應加快自動刀架系統(tǒng)的研究以促進數控機床的發(fā)展?jié)M足適應生產加工的需要。 {[1],[4],[5]} 2 國內外研究現狀 自動刀架應用了自動控制、微電子、精密測量等方面的最新成就，是典型的機電一體化產品 。它的發(fā)展和運用，改變了制造業(yè)的生產方式、產業(yè)結構、管理方式，為普通機床演變?yōu)閿悼貦C床創(chuàng)造了條件，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大的變化。數控水平的高低已經成為衡量一個國家制造業(yè)水平高低的標志。隨著數控機床的發(fā)展，以前的刀架，能裝的刀具太少，定位精度不高，效率低，精度差，已不能滿足要求，于是便出現了許多精度更高、刀架更大、自動化程度更高的刀架。 {[6],[7]} 自動換刀裝置是數控機床上最普遍的一種輔助裝置，它可以使數控機車在工件一次裝夾中完成多種甚至所有的加工工序，以縮短加工的輔助時間，減少加工過程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機床的加工效率和加工精度。 隨著我國生產力水平的日益提高， 國內 企業(yè)要發(fā)展就必須更新大量的設備，很多企業(yè)都加大了數控設備的投入，但由于財力等客觀因素，大多數企業(yè)生產設備仍以普通機床為主，不少企業(yè)為了提高效率，在普通機床上加裝了數顯裝置，提高了機床的精度，改善了設備狀況，但忽略了一個很重要的部件就是刀架，要想真正提高工作效率， 刀架是必須要考慮的附件之一 。 目前國內數控刀架以電動為主，分為立式和臥式兩種。立式刀架有四、六工位兩種形式，主要用于簡易數控車床；臥式刀架有八、十 、十二等工位，可正、反方向旋轉，就近選刀，用于全功能數控車床。 另外臥式刀架還有液動刀架和伺服驅動刀架。 雖然數控刀架發(fā)展較快，但就我國現狀而言，中、低檔數控刀架的需求量較大， 而且就目前我國的技術來說是易于實現的。 為了進一步提高自動刀架的效率和精度，國際上已經有 許多自動刀架系統(tǒng)配有檢測和反饋裝置，從而使系統(tǒng)成為閉環(huán)系統(tǒng)以滿足其要求，而我國現在的自動刀架大多是開環(huán)系統(tǒng)，所以其精度和效率不是很高。 [7] 3 存在的問題和 發(fā)展趨勢 機床工具行業(yè)的發(fā)展，依賴于行業(yè)技術水平和創(chuàng)新能力的提高，依賴于機床的數控化和產品快速的升級換代，依賴于制造業(yè)從剛性自動化向柔性自動化方向轉變這一社會需求，由于我國機床附件廠資金緊張，造成技術創(chuàng)新和技術改造的力度不大，使附件水平的發(fā)展嚴重滯后，成為制約民族機床工業(yè)發(fā)展的瓶頸。國產配套件在產品質量、性能、結構創(chuàng)新、品牌信譽、外觀造型、精度穩(wěn)定性等方面與發(fā)達國家相比都存在一定的差距 。 [7] 當前數控機床發(fā)展迅猛，向高速、高效、高精、柔性化、環(huán)保方面發(fā)展，與之相應的機床附件也隨之發(fā)展。 數控刀架將結合微電子技術和計算 機技術的發(fā)展，朝著高精度化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化等方向發(fā)展。 國產數控車床今后將向中高當發(fā)展，中檔采用普及型數控刀架配套，高檔采用動力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種，數控刀架的發(fā)展趨勢是：隨著數控車床的發(fā)展，數控刀架開始向快速換刀、電液組合驅動和伺服驅動方向發(fā)展。 {[6],[8]} 參 考 文 獻 1、 文懷興、夏田編，數控機床系統(tǒng)設計 [M]2005 2、 陳嬋娟主編，數控車床設計 [M]2006 3、 文懷興主編，數控銑床設計 [M]2006 4、 惲達明，金屬切削機床 [M]2005 5、 李蕾主編，精密機械設計 [M]2005 6、 [J] 7、 [J] 8、 [J] 摘要 I 摘 要 數控加工 的 加工精度高，生產率高， 能 減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產管理的現代化以及經濟效益的提高 ， 它的發(fā)展和運用 ，影響著 制造業(yè)水平高低 ，實現生產過程的數控化，已經成為當今制造業(yè)的發(fā)展方向，所以非常值得我們去研究。 本設計 通過對 八工位臥式電動 控制 刀架 的工作原理的分析， 確定了多種方案，綜合考慮各種方案的優(yōu)缺點、性價比后，采用電 動回轉刀架 。 其刀架機構的主要部件 包括減速傳動機構、刀架的抬起機構、鎖緊與轉位精定位機構等 ，控制系統(tǒng)軟件包括控制系統(tǒng)的選擇，控制系統(tǒng)軟硬件的設計，收發(fā)信電路的設計等 ，設計中所采用螺桿抬起機構、端齒盤定位機構和單片機控制系統(tǒng)都計較經濟實用， 適合我們我國現階段數控機床的發(fā)展需要。 關鍵詞 八工位 ， 電動刀架 ，自動化， 8051 單片機 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） I he s is is is in as as is us to s of s of of s to to so s s s so in to to be s 898051 目錄 目 錄 摘要 ································································································· I ···················································································· 緒論 ······························································································ 1 言 ·························································································· 1 內外研究現狀 ············································································· 1 在的問題 ·················································································· 2 決的方法 ·················································································· 3 2 方案設計 ························································································ 4 動刀架的基本要求和類型 ································································ 4 動刀架的基本要求 ···································································· 4 動刀架的類型 ········································································· 4 案的擬定和確定 ·········································································· 5 3 總體結構設計 ················································································· 7 速傳動機構方案設計 ····································································· 7 架抬起機構設計 ·········································································· 8 刀體鎖緊與精定位機構設計 ····························································· 8 4 主要部件的設計計算 ······································································ 11 速傳動機構的設計計算 ································································ 11 桿的選型 ············································································ 11 桿副的材料選擇 ···································································· 11 齒面接觸疲勞強度進行設計 ······················································· 11 桿和蝸輪的主要參數與幾何尺寸 ·················································· 14 核蝸輪齒根彎曲疲勞強度 ·························································· 15 桿的設計計算 ··········································································· 16 距的確定 ············································································ 16 他參數的確定 ······································································· 16 鎖性能校核 ·········································································· 16 齒盤設計 ················································································ 17 齒盤的特點 ············································································ 17 齒盤主要參數的設計計算 ···························································· 18 5 電氣控制部分設計 ········································································· 21 目錄 制系統(tǒng)的選擇 ··········································································· 21 制方式的選擇 ··········································································· 22 件電路設計 ·············································································· 22 信電路設計 ·········································································· 22 信電路設計 ·········································································· 23 制軟件設計 ·············································································· 25 結論 ······························································································· 30 參考文獻 ························································································· 31 致謝 ······························································································· 32 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 1 1 緒論 言 電動刀架是數控車床重要的傳統(tǒng)結構 ， 應用了自動控制、微電子、 傳感 測量等方面的最新成就，是典型的機電一體化產品。 合理地選配電動刀架，并正確實施控制，能夠有效地提高勞動生產率，縮短生產準備時間，消除人為誤差，提高加工精度與加工精度的一致性等等。另外，加工工藝適應性和連續(xù)穩(wěn)定的工作能力也明顯提 高；尤其是在加工幾何形狀較復雜的零件時，除了控制系統(tǒng)能提供相應的控制算祛對執(zhí)行機構 (如步進電機等 )發(fā)出相應的控制指令補，很重要的一點是數控車床需配備易于控制的電動刀架，以便一次裝夾所需各種刀具，靈活、方便地完成各種幾何形狀的加工。 因此 它的發(fā)展和運用，改變了制造業(yè)的生產方式、產業(yè)結構、管理方式，為普通機床演變?yōu)閿悼貦C床創(chuàng)造了條件，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大的變化。數控水平的高低已經成為衡量一個國家制造業(yè)水平高低的標志 ，實現生產過程的數控化，已經成為當今制造業(yè)的發(fā)展方向。 當前，數控車床的發(fā)展很快，特別是適合中 國國情的經濟型簡易數控車床的迅猛發(fā)展，與之相適應的電動刀架的研究與生產也日趨活躍。 內外研究現狀 數控機床是先進制造業(yè)的基礎機械，是最典型的多品種、小批量、高技術含量的機電一體化產品。目前世界數控機床年產量超過 25萬臺，品種超過 1500種。由于國產數控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢。目前我國數控機床技術發(fā) 展的現狀是： ① 產品成熟度差，可靠性不高 ② 產品品種少，不能滿足市場需求 ③ 創(chuàng)新能力低，市場競爭力不強 ④ 數控機床行業(yè)的專業(yè)化零配件及部件的協(xié)作生產配套體系不健全，大多數企業(yè)都是 “ 大而全、小而全 ” 的結構模式。 近期我國在數控機床的發(fā)展方面，主要采取跟蹤高級型、發(fā)展普及型、擴大經濟型，以普及型為主的策略，重點發(fā)展。 目前我國機床主機廠刀架資源有以下五個來源： ① 主機廠自制； ② 來自意大利和德國； ③ 來自煙臺環(huán)球機床附件集團有限公司； ④ 來自江蘇常州地區(qū)若干企業(yè)； 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 2 ⑤ 來自臺灣地區(qū)。 ⑥ 其中常州地區(qū)的刀架生產企業(yè)占據經濟性刀架的主流市場 。 據專家 分析預測： ① 數控機床推廣應用逐步由經濟型為主向普及型為主轉變。到 2005 年我國機床的數控化率為 到 2010年將達到 在 2001濟型所占比重繼續(xù)減少，普及型所占比重繼續(xù)增長，高級型的需求緩慢增長。 ② 出口前景良好。 1998 年及前幾年我國機床工具的出口額徘徊在 5 億美元左右， 2000年上升到 著東南亞經濟復蘇和我國出口多極化市場的形成和鞏固，以及我國加入 后幾年我國機床出口將實現平穩(wěn)、持續(xù)增長。預計到 2010年出口創(chuàng)匯可達到 13億美元。 本系統(tǒng)利用單片機的特性，在刀架與 控系統(tǒng)）之間架起一座橋梁，以提高刀架的運行性能。而單片機指令豐富 ,運行速度高 ,軟件組態(tài)靈活 ,可以方便地實現多模式控制 ,為實現高性能系統(tǒng)提供了技術保證。 在的問題 目前數控刀架控制存在的問題是： ① 控制粗，自診斷功能弱，故障率高，排除故障時間長 。 目前刀架的控制都是由 內置 固化 I/O 控制來完成。這種控制的優(yōu)點是實現方便，但對刀架的控制不夠精確。由于刀架的品種繁多，結構各異，使得機床廠家的技術人員或 程序開發(fā)人員對刀架的控制 很難把握得非常準確。由于刀架的控制粗陋， 接口資源的限制，致使刀架的故障率高，故障提示簡單，使技術人員對刀架的故障不能進一步地細分，無形中增加了故障率和故障的排除時間。 ② 無鎖緊狀態(tài)、智能識別功能。 目前，市場占有率最高的電動單向轉刀架其鎖緊控制采用延時方式，這種控制的特點是簡單、可靠，但對刀架的使用壽命有害。由于使用統(tǒng)一的延時時間進行刀架的鎖緊控制，這就使得許 多刀架鎖不緊或鎖得太緊，進而造成零件加工精度喪失、下次換刀失敗 。 ③ 控制通用性差。由于刀架的控制時序不同，刀架所安裝的發(fā)訊裝置各異，因此不同 的刀架要使用不同的控制程序和控制接口電路，給刀架的使用帶來不便。 ④ 影響中高檔刀架的推廣使用。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 3 數控刀架是數控車床上的最復雜的機電一體化功能部件之一，其控制程序復雜（尤其對雙向轉刀架）。數控機床廠的技術開發(fā)人員，需花費相當多的時間及精力，在有足夠經驗積累的基礎上， 才 能編 制出功能完善的刀架控制程序。這極大地影響了機床廠家的新產品開發(fā)進度。特別對于現在發(fā)展迅猛、數量眾多的民營、私營機床企業(yè)，其技術力量薄弱，許多企業(yè)不具備刀架控制程序的開發(fā)能力，這就限制了中高檔刀架的推廣和使用。另一方面，目前國內企業(yè)使用最普及的 經濟型 就限制了雙向轉刀架的推廣和使用。 決的 方 法 首先按刀架的不同控制方式進行分類，將各種刀架的控制程序都集成在單片機上，通過刀架選擇開關確定對不同刀架的控制。其次根據刀架發(fā)訊裝置的不同，設計專用的接口電路。經過這樣設計的刀架控制系統(tǒng)可以控制電動單向轉、電動雙向轉、液壓等各類型刀架且可兼容 4工位、 6工位、 8工位、 12工位等多種規(guī)格刀架。實現刀架控制的通用性。 其次獨立的刀架控制系統(tǒng)可與 方面可以大大簡化 刀架控制程序的編制工作，另一方面可以實現 經濟型數控系統(tǒng)對雙向轉刀架的控制。該刀架控制系統(tǒng)也可以脫離 內裝的刀架自檢測程序可控制刀架運行，在刀架發(fā)生故障時用以判斷故障在刀架側或在 據各種刀架的控制過程，將刀架運行過程中可能出現的各種故障，制作出自診斷表，分配故障代碼，給出故障報警，方便用戶維修。 本設計主要針對中低檔經濟型數控機床設計的自動回轉刀架， 用單片機作為其控制系統(tǒng)的 具有位處理能力 ,強調控制和事務處理功能 ， 價格低廉 ，控制可靠的特點。 經過反復的檢查和論證，能夠滿足經濟型數控機床的要求。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 方案設計 4 2 方案設計 在零件的制造過程中，大量的時間用于更換刀具、裝卸零件、測量和搬運零件等非切削時間上，切削加工時間僅占整個工時中較小的比例。為了縮短非切削時間，充分發(fā)揮機床的效率，往往采用“工序集中”的原則。常見的自動回轉刀架就是為了實現上述功能而設計的。 動刀架的基本要求和類型 動刀架的基本要求 ① 滿足工藝要求 機床依靠刀具和工件間的相對運動形成工作表面，而加工工件的表面形狀和表面位置多種多樣，要求刀架 盡可能布置足夠的刀具，換刀時間短，能夠方便而正確地加工各工件表面。 ② 保證足夠高的重復定位精度 在刀架上安裝刀具時應能精確地調整刀具的位置，以保證刀具和工件間準確的相對位置，而且精度保持性要好，以便長期保持刀具的正確位置。 ③ 具有足夠的剛度 刀架在粗車時要承受很大的切削力，所以刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度。由于車削加工精度在很大程度上取決于刀尖的位置，對于數控車床來說，在加工過程中刀具的位置不能進行人工調整，因此必須要有可靠的定位方案和合理的定位結構，才能保證回轉刀架在每次轉位之后，具有盡可能高的重復定位精度。 ④ 提高可靠性 由于自動換刀裝置在機床工作過程中，使用頻率很高，所以 擁有很高的 可靠性 非常重要 。 ⑤ 縮短換刀時間 自動刀架 是為了提高機床的自動化而設置的，因而它的換刀時間應盡可能的短，有 利于提高生產效率。 動刀架的 類型 一般自動刀架的結構取決于機床的類型、工藝范圍、使用刀具種類和數量。目前的數控車床的自動刀架的類型、結構特點和適用范圍見表 表 自動刀架的類型 類別形式 特點 適用范圍 回轉刀架 多為順序換刀，換刀時間短、結構簡單緊湊、容納刀具少 各種數控機床、數控車削中心 轉塔頭 順序換刀， 換刀時間短刀具主軸都集中在轉塔頭上，結構緊湊 ,但剛性差 數控鉆 、鏜、銑床 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 方案設計 5 案的擬定 和確定 從表 可以得出由于轉塔頭的主軸部件多，結構復雜，成本高，本 設計 的自動刀架應選為自動回轉刀架。 自動 回轉 刀架系統(tǒng)的功能分析 ： ① 抬起：為了使刀架能夠轉位，回轉刀架必須先抬起。 ② 轉位 ： 為了完成工件若干個工序的加工，在 回轉 刀架上固定著 8組刀具，為使各組刀具能依次參加工作， 回轉 刀架需相應轉位 。 ③ 定位 ： 為保證加工精度，在加工時 回轉 刀架應精確定位，而在轉位時應先將定位銷拔出。 ④ 鎖緊： 刀架在反轉后，必須鎖緊才能正常加工工件。 自動刀架 的驅動裝置 可以 是液壓驅動 也可以 是 電動驅動，液壓驅動的刀架即液壓刀架 ，電動機驅動的刀架即 電動刀架 。 ① 液壓刀架的初步方案簡圖如下圖 示。 拔爪液壓缸擺動閥芯 圖 液壓刀架 其工作原理為：它利用擺動液壓缸來控制刀架轉位，圖中有擺動閥芯、撥爪、小液壓缸。撥爪帶動刀架轉位，小液壓缸向下拉緊，從而產生拉緊力。液壓式刀架的特點在于轉位可靠，拉緊力大，但需要額外的一套液壓系統(tǒng)（機床自身有時則不需要）。 ② 電動 刀架的初步方案簡圖如下圖 示。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 方案設計 6 離合器電動機蝸輪副螺母電動刀架 其工作原理為： 當數控裝置發(fā)出 換刀 指令后，電動機正轉，通過離合器帶動蝸桿旋轉，在經過蝸輪 帶動軸旋轉，從而使刀架抬起，刀架抬起后，電動機繼續(xù)轉動帶動刀架轉位， 完成轉位后，經過延時 使電機反轉，壓緊刀架。 綜上所述， 液壓自動回轉刀架精度高、效率高，但其結構復雜，成本高。而 電動自動回轉刀架相對于液壓回轉刀架性能略差，但其結構簡單、維護方便、成本低，所以非常適合經濟型數控機床，因為本課題中的刀具數目為八把，數量較少，應為經濟型數控車床所設計，所以選擇電動自動回轉刀架。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 3 總體結構設計 7 3 總體結構設計 根據已選的電動自動回轉刀架 ，確定 其工作 流程，見自動回轉刀架換刀流程如圖 并 對其進行總體性 結構 設計。包括：減速傳動機構方案設計、刀架抬起機構設計、 上刀體鎖緊與精定位機構設計。 刀架電動機正轉蝸 輪 - 蝸 桿 減 速螺桿正轉銷聯接螺 桿 - 螺 母上蓋圓盤旋轉上刀體抬起端面齒錯開圓柱銷落入上蓋圓盤上刀體旋轉到位回答刀架電動機反轉接近開關觸發(fā)螺桿反轉 反靠銷反靠端面齒嚙合上刀體下降，粗定位精定位延時鎖緊電動機停轉圖 動回轉刀架的換刀流程 速傳動機構 方 案設計 由于電動機 的 轉速太快，不能直接驅動刀架進行換刀，必須經過減速機構進行減速， 減速機構 一般 可以設計成齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動 、 帶輪 — 齒輪傳動 、鏈條傳動 。 齒輪傳動的特點是： 傳動比準確，工作平穩(wěn)，傳動效率高，一般可以達到95%以上，精度較高的圓柱齒輪副可以達到 99%； 傳動效率高、 傳遞功率范圍廣，可以從儀表中齒輪微小功率的傳動到大型動力機械幾萬千瓦功率的傳動；結構緊湊、維護簡便和使用壽命長。 但 要求較高的制造和安裝精度，成本較高； 傳動比小 不適宜于遠距離兩軸之間的傳動 ； 低精度齒輪在傳動時會產生噪聲和振動 。 蝸輪蝸桿傳動的特點：由 于 蝸桿上的輪齒是連續(xù)的螺旋齒，同時嚙合齒多，攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 3 總體結構設計 8 故動載荷小，傳動平穩(wěn) ；能以單級傳動獲得較大的傳動比，機構緊湊； 嚙合輪齒間有很大的相對滑動速度，在 轉遞載荷時，磨損大效率低，發(fā)熱嚴重，需進行熱平衡計算 ；當蝸桿的導程角小于嚙合輪齒間的當量摩擦角時，具有反行程自鎖性。 鏈傳動的特點 ： 能夠保證平均傳動比不變； 可用于大中心距的傳動，傳動效率高； 其瞬時傳動比是變化的 不適用于傳動比為常數的場合；工作時有沖擊和噪聲；制造成本高，安裝要求準確，需要有適當的潤滑和張緊措施。 綜合考慮以上各種類型的傳動特點，結合本設計的實際情況，由于 減速比較大， 若選用齒輪傳動 則 必須設計成多級齒輪傳動，其結構復雜、體積較大而且多級齒輪成本 高。帶輪 — 齒輪傳動同樣是結構復雜、成本較高。 根據鏈傳 動的特點可知其不適合本設計的傳動要求。 而蝸輪 蝸桿傳動所得的 單級 傳動比很大 ，可以改變運動方向， 能夠保證傳遞動的精度和平穩(wěn)性， 雖然其效率不高，功耗損失較大，但是由于本機構所需的功率很小，因此選用蝸桿副減速。 架抬起機構設計 在執(zhí)行 換刀 動作 時，刀架必須先執(zhí)行抬起動作，然后在由蝸輪旋轉進行選刀。 刀架抬起機構可以設計成凸臺棘爪機構也可以設計成螺桿 臺棘爪機構的機構復雜，凸臺和棘爪的加工難度大，成本高。螺桿 動軸向力大， 加工容易，成本低，能夠完成刀架的抬起動作。 從經濟型方面考慮， 應采用經濟的螺桿 上刀體內部加工出內螺紋，當電動機通過蝸桿 為螺母的上刀體要么轉動要么上下移動。到刀架處于鎖緊狀態(tài)時，上刀體與下刀體的端齒面相互嚙合時，因為這時上刀體不能與蝸桿一起轉動，所以螺桿的轉動只能使上刀體向上移動。當端面齒脫離嚙合時，上刀體就與螺桿一同轉動。 刀體鎖緊與精定位 機構設計 因為刀具直接安裝在上刀體上， 在切削時 要承受很大的切削力，其鎖緊與定位的精度將直接影響工件的加工精度。本設計上刀體的鎖緊與定位機構選用端面齒盤，將上刀體和下刀體的配合面 加工成梯形端面齒。 當刀架處于瑣緊狀態(tài)時，上下端面齒相互嚙合，這時上刀體不能繞刀架的中心軸轉動；換刀時電動機正轉，抬起機構使上刀體抬起，等上下端面齒脫開后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉動，完成轉位動作。 圖 換刀過程中有關銷的位置。其中上部的圓柱銷 2和下部的反靠銷 6 起著重要作用。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 3 總體結構設計 9 上蓋圓盤轉動方向 上蓋圓盤轉動方向 上蓋圓盤轉動方向 上蓋圓盤轉動方向圖 架轉位過程中銷的位置 a) 換刀開始時，圓柱銷 2與上蓋圓盤 1可以相對滑動 b) 上刀體 4完全抬起后，圓柱銷 2 落入上蓋圓盤 1操內，上蓋圓盤 1 將帶動圓柱銷 2 以及上刀體 4一起轉動 c) 上刀體 4連續(xù)轉動時，反靠銷 6可從反靠盤 7 的槽左側斜坡滑出 d) 找到刀位時，刀架電動機反轉，反靠銷 6反靠，上刀體停轉，實現粗定位 1— 上蓋圓盤 2— 圓柱銷 3— 彈簧 4— 上刀體 5— 圓柱銷 6— 反靠銷 7— 反靠圓盤 當刀架處于鎖緊狀態(tài)時，兩銷的情況如圖 a 所示，此時反靠銷 6 落在反靠盤 7的十字槽內，上刀體 4的端面齒和峽到體的端面齒處于嚙合狀態(tài)（上下端齒在圖 需要換刀時，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉位信號，三相異步電動機正向旋轉，通過蝸桿副帶動螺桿正向轉動，與螺桿 配合的上刀體 4逐漸抬起，上刀體 4與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；與此同時，上端圓盤 1也隨著螺桿正向轉動（上端圓盤 1 通過圓柱銷與螺桿聯接），當轉過約 170 度時，上端圓盤 1 直槽的另一端轉到圓柱 2的正上方，由于彈簧 3的作用，圓柱銷 2落入直槽內，于是上端圓盤 1就通過圓柱銷 2使得上刀體 4轉動起來（此時端齒面齒已完全脫開）。如圖 b 所示。 上蓋圓盤 1、圓柱銷 2以及上刀體 4在正轉的過程中，反靠銷 6 能夠從反靠圓盤 7中十字槽的左側斜坡滑出，而不影響上刀體 4尋找刀位時的正向轉動，如圖 上刀體 4 帶動磁鐵轉到需要的刀位時 ，發(fā)信盤上對應的元件輸出低電平信號，控制系統(tǒng)收到后，立即控制刀架電動機反轉，上蓋圓盤 1通過圓柱銷 2帶動上刀體 4開始反轉，反靠銷 6馬上就會落入反靠圓盤 7的十字槽內，至此，完成粗定位，如圖 時，反靠銷 6馬上就會落入反靠圓盤 7的十字槽內爬不上來，于是上刀體 4停止轉動，開始下降，而上蓋圓盤 1繼續(xù)反轉，其直槽的左攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 3 總體結構設計 10 側斜坡將圓柱銷 2 的頭部壓入上刀體 4的銷孔內，之后，上蓋圓盤 1的下表面開始與圓柱銷 2的頭部滑動。在此期間，上、下刀體的端面齒逐漸嚙合，實現精定位，經過設定的延時時間后，刀架電動機停轉，整個換刀過程結束。 由于蝸桿副具有自瑣功能，所以刀架可穩(wěn)定的工作。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 主要部件的設計計算 11 4 主要部件的設計計算 根據上述所確定的刀架方案，其結構中的主要部件有減速傳動機構即蝸輪蝸桿機構、刀架的抬起轉位機構螺桿 精 定位機構端齒盤等。 速傳動機構 的設計計算 本設計的減速傳動機構是蝸輪蝸桿副， 自動回轉刀架的動力源是三相異步電動機，其中蝸桿與電動機 通過聯軸器相連， 刀架轉位時蝸輪與上刀體直聯。 由于刀架轉動所需的功率較小，所以選取 額定功率 為 1P =90W，額定轉速1n =1440r/電動機 ,上刀體設計轉速 02 ， 則蝸桿副的傳動比4830/1 4 4 0/ 21 ??? 刀架從轉位到鎖緊時，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，啟動時沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命 0000L ?。 桿的選型 根據 10085薦采用漸開 線蝸桿（ 錐面包絡蝸桿（ 本設計采用結構簡單、制造方便的漸開線型圓柱蝸桿 (。 桿副的材料 選擇 刀架中的蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉速較高，因此，蝸桿的材料選用 45 鋼，其螺旋齒面要求淬火，硬度為 45～ 55提高表面耐磨性；蝸輪的轉速較低，其材料主要考慮耐磨性，選用鑄錫磷青銅 用金屬模鑄造。 齒面接觸疲勞強度進行設計 刀架中的蝸桿副采用閉式傳動，多因齒面膠合或點蝕而失效。因此，在進行承載能力計算時，先按齒面接觸疲勞 強度進行設計，再按齒根彎曲疲勞強度進行校核。 按蝸輪接觸疲勞強度條件設計計算的公式為： ? ? 23 2 () T ??（ 式中 位為 2位為 12 位 ? ?H?位為 上 式算出蝸桿副的中心距 a 之后，根據傳動比 i=48，從表 選擇一攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 主要部件的設計計算 12 個合適的中心距 a 值，以及相應的蝸桿、蝸輪參數。 表 通圓柱蝸桿基本尺寸和參數選擇及其蝸輪參數的匹配 中心距a/數 m/度直徑/ 1 3蝸桿頭數1q 分度圓導程角 ? 蝸輪齒數 220 1 18 18 1 1047? ??? 62 82 0 0 40 0 3435? ??? 49 0 63 5 1138? ??? 62 82 +0 0 3426? ??? 51 9 0525? ??? 4 17 44 41? ??? 63 80 28 1614? ??? 61 82 +0 (50) (63) 2 0608? ??? 29 (39) (51) (+2 10 07 29? ??? 4 19 39 14? ??? 6 28 10 43? ??? 80 100 42 1 1328? ??? 62 82 +0 (63) (80) 8 75 1 0608? ??? 29 (39) (53) +(2 10 07 29? ??? 4 19 39 14? ??? 6 28 10 43? ??? 100 45 0415? ??? 62 0 63 (80) (100) 0415? ??? 29 (39) (53) +(2 10 03 48? ??? 4 19 32 29? ??? 6 28 01 50? ??? 125 56 1310? ??? 62 0 (100) (125) 4 40 640 1 4228? ??? 31 (41) (51) ()+ 11 18 36? ??? 4 21 48 05? ??? 6 30 57 50? ??? 160 71 1136 1 1328? ??? 62 + 確定作用在蝸輪上的轉矩2， 。有電動機的額定功率 1 90p ? W,可以算得蝸輪傳遞的功率 21?，再攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 主要部件的設計計算 13 有蝸輪的轉速2 3 0 m 得作用在蝸輪上的轉矩： 2229 0 0 . 89 . 5 5 9 . 5 5 2 2 . 9 230 ? ? ? ? ? ② 確定載荷系數 K 載荷系數 K K??。其中表 于工作載荷不均勻，起動時沖擊較大，因此取 ； K?為齒向載荷分布系數，因工作載荷在起動和停止時有變化，故取 ?；于轉速不高、沖擊不大，可取 。則有載荷系數： 1 . 1 5 1 . 1 5 1 . 0 5 1 . 3 9 K K?? ? ? ? ? 表 用系數I 荷性質 均勻、無沖擊 不均勻、小沖擊 不均勻、大沖擊 每小時起動次數 〈 25 25 50 起動載荷 小 較大 大 確定彈性影響系數有關手冊查得彈性影響系數 12160 P?。 ④ 確定接觸系數a 的比值1 從圖 。 圖 柱蝸桿傳動的接觸系數確定許用接觸應力 ? ?H?根據蝸輪材料為鑄錫磷青銅 10 1 、金屬模鑄造、蝸桿螺旋齒面硬度大于 45從表 ? 268H M P a? ? ? 。由于蝸桿為單頭，蝸輪每轉一轉時每個齒輪嚙合的次數 j=1；蝸輪轉速2 3 0 / m 蝸桿副的使用壽命 10000則應力循環(huán)次數： 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 主要部件的設計計算 14 726 0 6 0 1 3 0 1 0 0 0 0 1 . 8 1 0hN j n L? ? ? ? ? ? ? 壽命系數： 78 10 0 . 9 2 9??表 錫磷青銅蝸輪的基本許用接觸應力 ? ?H? ?蝸輪材料 鑄造方法 蝸桿螺旋面的硬度 45錫磷青銅 10 1 砂模鑄造 150 180 金屬模鑄造 220 268 鑄錫鋅鉛青銅 5 5 5ZC b 模鑄造 113 135 金屬模鑄造 128 140 許用接觸應力 : ? ? ? ? 0 . 9 2 9 2 6 8 2 4 9H H N P a M P a?? ?? ? ? ? ⑥ 計算中心距 將以還是各參數帶入式 (6求得中心距 : 23 1 6 0 2 . 91 . 3 9 2 2 9 2 0 ( ) 4 8249a m m m m?? ? ? ? 查表 中心距 a=50知蝸桿頭數1 1z?,設模數 m=蝸桿分度圓直徑1 20d 這時1 / 由圖 數 ?。因為?,因此以上計算 結果可用。 桿和蝸輪的主要參數與幾何尺寸 由 蝸桿和蝸輪的基本尺寸和主要參數，算得蝸桿和蝸輪的主要幾何尺寸后，即可繪制蝸桿副的工作圖了。 ① 蝸 桿 參 數 與 尺 寸 頭數11z?，模數 m= 軸 向 齒 距5 . 0 2 7ap m m m??? ，軸向齒厚 0 . 5 2 . 5 1 4as m m m??? ，分度圓直徑 1 20d ，直徑系數1 / 1 2 d m??，分度圓導程角1a r c t a n ( / ) 4 3 4 2 6? ??? ? ?。 取齒頂高系數 * 1，徑向間隙系數 * ，則 齒頂圓直徑 ： *11 2 2 0 2 1 1 . 6 2 3 . 2d h m m m? ? ? ? ? ? ? 齒根圓直徑 ： ? ?**11 2 ( ) 2 0 2 1 . 6 ( 1 0 . 6 ) 1 6 . 1 6d m h c? ? ? ? ? ? ? ? ? 蝸 輪 參數與尺寸 齒數2 48z ?，模數 m=分度圓直徑為 ： 22 1 . 6 1 8 7 6 . 8d m z m m? ? ? ?變位系數 ： 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 主要部件的設計計算 15 ? ? ? ?2 1 2( ) / 2 / 5 0 ( 2 0 7 6 . 8 ) / 2 / 1 . 6 1x a d d m? ? ? ? ? ? ? 蝸輪喉圓直徑為 ： ? ?*2 2 22 ( ) 7 6 . 8 2 1 . 6 ( 1 1 ) 8 3 . 2d m h x m m? ? ? ? ? ? ? ? ? 蝸輪齒根圓直徑為 ：? ?**2 2 22 ( ) 7 6 . 8 2 1 . 6 ( 1 1 0 . 2 ) 7 6 . 1 6d m h x c m m? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 蝸輪咽喉母圓半徑 ： 22 2 5 0 8 3 . 2 2 8 . 4a d m m? ? ? ? ?。 核蝸輪齒根彎曲疲勞強度 檢驗下式是否成立，即可較核蝸輪齒根彎曲疲勞強度。 ? ?2 2121 . 5 3F F a Yd d m?????（ 式中 F?—— 蝸輪齒根彎曲應力，單位為 2 蝸輪齒形系數； Y?—— 螺旋角影響系數； ? ?F?—— 蝸輪的許用彎曲應力，單位為 由蝸桿頭數1z=1，傳動比 i=48，可以算出蝸輪齒數2148z 。 則蝸輪的當量齒數：22 3 4 8 . 4 6c o sv ??根據蝸輪變位系數2 1x ?和當量齒數2 ，查 手冊 得齒形系數 ：2 螺旋角影響系數： 1 0 . 9 6 7140Y ?? ? ? ?? 根據蝸桿的材料和制造方法，查表 得蝸輪基本許用彎曲應力：? ? 56F M P a? ? ? 蝸輪的壽命系數： 661 0 1 09 9 0 . 7 2 571 . 8 1 0K ? ? ??蝸輪的許用彎曲應力： ? ? ? ? 5 6 0 . 7 2 5 4 0 . 6F F F P a?? ?? ? ? ? 將以上參數帶入式（ 3，得蝸輪齒根彎曲應力： 1 . 5 3 1 . 3 9 2 2 9 2 0 1 . 9 5 0 . 9 6 7 3 7 . 42 0 7 6 . 8 1 . 6F M P a M P a? ??? ? ? ??? 可見 ? ??，蝸輪齒根的彎曲強度滿足要求。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 主要部件的設計計算 16 表 輪的基本許用彎曲應力 ? ?F?單位： （ 蝸輪材料 鑄造方法 單側工作 ? ?0F? ?雙側工作 ? ?1F?? ?鑄錫磷青銅 10 1 砂模鑄造 40 29 金屬模鑄造 56 40 鑄錫鋅鉛青銅 5 5 5ZC b 模鑄造 26 22 金屬模鑄造 32 26 鑄鋁鐵青銅 110 3e 砂模鑄造 80 57 金屬模鑄造 90 64 灰鑄鐵 模鑄造 40 28 模鑄造 48 34 桿的設計計算 距的確定 刀架轉位時，要求螺桿在轉動約 ?170 的情況下，上刀體的端面齒與下刀體的端面齒完全脫離；在鎖緊的時候，要求上下端 面齒的嚙合深度達 2此，螺桿的螺距 P 應滿足 360/170 ?? ，即 ，今取螺桿的螺距? 。 他參數的確定 采用單頭梯形螺紋，頭數 1?n ,牙側角 ??15? ，外螺紋大徑（公稱直徑）01 ? ，牙側間隙 ，基本牙型高度 ? ，外螺紋高c ?? ，外螺紋中徑 72 ? ，外螺紋小徑 33 ? ，螺桿螺紋部分長度 0? 。 鎖性能校核 螺桿螺母材料均用 45 鋼，查表 二者的摩擦因素 11.0?f ；再求得梯形螺旋 副的當量摩擦角： ??? o sa rc ta n ?? ?????? 1ar ct ct 小于當量摩擦角，因此，所選幾何參數滿足自鎖條件。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 主要部件的設計計算 17 表 滑動螺旋副材料的許用壓力 ][p 及摩擦因素 f 蝸桿 滑動速度 / 1( m ? 許用壓力 /擦因素 f 鋼 低速 18～ 25 1～ 18 6～ 12 7～ 10 ＞ 15 1～ 2 淬火鋼 6～ 12 10～ 13 <3～ 18 ～ 12 4～ 7 鋼 低速 13 齒盤設計 端齒盤又稱多齒盤、細齒盤、鼠牙盤，是具有自動定心功能的精密分度定位元件，廣泛應用于加工中心、柔性單元、數控機床、組合機床、測量儀器、各種高精度間歇式圓周分 度裝置、多工位定位機構以及其它需要精密分度的各種設備上。端齒盤實際上相當于一對齒數相同的離合器，其嚙合過程與離合器的嚙合類似。端齒盤的齒形有直齒和弧齒兩種，直齒端齒盤加工方便、定位精度及重復定位精度高。 齒盤的特點 在分度及定位裝置中，一般用端齒盤作為其精確定位元件。它具有以下優(yōu)點： ① 分度精度高 最高分度精度 可高達 ， 實際分度誤差等于所有齒單個分度誤差的平均值。 ② 分度范圍大 分度大小與齒數有關。如齒數為 360齒時，最小分度值為 1o ，用差動端齒分度裝置，分度范圍更大 。 ③ 精度的重復性和持久性好 重復定位精度可達 。由于工作時相當于上下齒盤在不斷地對研，因此使用越久，分度精度的重復性和持久性也就越好，而且精度有可能提高。 ④ 剛性好 因所有齒面同時參加嚙合，不論承受的是切向力、徑向力還是軸向力，整個分度裝置形成一個良好的剛性整體。 ⑤ 結構緊湊，使用方便，這一點比其它高精度的分度裝置更為突出。 ⑥ 維護簡便，多次拆裝不影響其原有的精度。 除以 上優(yōu)點外，它也有 以下 缺點： ① 要設計升降機構，使兩齒盤問脫開一定的距離 (應大于嚙合高度 )，以實現轉位分度。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 主要部件的設計計算 18 ② 必須有鎖緊機構，防止在使用過程中受外力和力矩作用而使上下齒盤脫開或側傾。 ③ 要采取防塵防屑措施，齒面的灰塵及切屑等雜物會影響到定位精度及鎖緊程度。 ④ 不能進行任意連續(xù)分度，分度時至少要轉過一個齒，所以一般只能將圓周分成有限的等分角。 齒盤主要參數的設計計算 本設計采用 齒形為三角形的直齒端齒盤的基本結構 ，其 參 數 計算 如下 。 ① 齒數