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機電一體化 課程設計計算說明書 題 目： 自動回轉刀架設計 系： 專 業(yè)： 學生姓名： 指導教師： 20**年 6 月 21 日 機電一體化課程設計計算說明書 目錄 第1節(jié) 自動回轉刀架總體設計.........................................1 1.1 概述...........................................................1 1.2 控車床自動回轉刀架的發(fā)展趨勢...................................1 1.3 自動回轉刀架的工作原理..........................................2 第2節(jié) 主要傳動部件的設計計算......................................4 2.1 蝸桿副的設計計算...............................................4 2.2 蝸桿軸的設計...................................................6 2.3 蝸輪軸的設計..................................................12 2.4 中心軸的設計..................................................13 2.5 齒盤的設計....................................................14 2.6 軸承的選用....................................................16 第3節(jié) 刀架體的設計...............................................17 第4節(jié) 結論.......................................................18 致謝..............................................................19 參考文獻..........................................................20 第1節(jié) 自動回轉刀架總體設計 1.1 概述 數(shù)控車床的刀架是機床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，因此其結構直接影響機床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的結構和性能體現(xiàn)了機床的設計和制造技術水平。隨著數(shù)控車床的不斷發(fā)展，刀架結構形式也在不斷翻新。其中按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式。自1958年首次研制成功數(shù)控加工中心自動換刀裝置以來，自動換刀裝置的機械結構和控制方式不斷得到改進和完善。自動換刀裝置是加工中心的重要執(zhí)行機構，它的形式多種多樣，目前常見的有：回轉刀架換刀，更換主軸頭換刀以及帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)。 初步了解了設計題目（電動刀架）及發(fā)展概況，設計背景，對刀架有了一些印象，對整理設計思路 安排設計時間有很好的輔助作用。對一些參數(shù)的進行了解同時按準則要求來完成設計。 1.2 數(shù)控車床自動回轉刀架的發(fā)展趨勢 數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢是：隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)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。? 　　目前國內數(shù)控刀架以電動為主，分為立式和臥式兩種。主要用于簡易數(shù)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(shù)控車床。另外臥式刀架還有液動刀架和伺服驅動刀架。電動刀架是數(shù)控車床重要的傳統(tǒng)結構，合理地選配電動刀架，并正確實施控制，能夠有效的提高勞動生產率，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)能提供相應的控制指令外，很重要的一點是數(shù)控車床需配備易于控制的電動刀架，以便一次裝夾所需的各種刀具，靈活 方便地完成各種幾何形狀的加工。 數(shù)控刀架的市場分析：國產數(shù)控車床將向中高檔發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)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(shù)控刀架的高、中、低檔產品市場數(shù)控刀架作為數(shù)控機床必需的功能部件，直接影響機床的性能和可靠性，是機床的故障高發(fā)點。這就要求設計的刀架具有具有轉位快，定位精度高，切向扭矩大的特點。它的原理采用蝸桿傳動，上下齒盤嚙合，螺桿夾緊的工作原理。 1.3 自動回轉刀架的工作原理 回轉刀架的工作原理為機械螺母升降轉位式。工作過程可分為刀架抬起、刀架轉位、刀架定位并壓緊等幾個步驟。圖1.1為螺旋升降式四方刀架，其工作過程如下： ① 刀架抬起 當數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后, 通過接口電路使電機正轉, 經(jīng)傳動裝置、驅動蝸桿蝸輪機構。蝸輪帶動絲桿螺母機構逆時針旋轉 ,此時由于齒盤處于嚙合狀態(tài)，在絲桿螺母機構轉動時，使上刀架體產生向上的軸向力將齒盤松開并抬起,直至兩定位齒盤脫離嚙合狀態(tài),從而帶動上刀架和齒盤產生“上抬”動作。 ② 刀架轉位 當圓套逆時針轉過150°時，齒盤完全脫開，此時銷釘準確進入圓套中的凹槽中，帶動刀架體轉位。 ③ 刀架定位 當上刀架轉到需要到位后（旋轉90°、180°或270°），數(shù)控裝置發(fā)出的換刀指令使霍爾開關中的某一個選通,當磁性板與被選通的霍爾開關對齊后,霍爾開關反饋信號使電機反轉,插銷在彈簧力作用下進入反靠盤地槽中進行粗定位，上刀架體停止轉動，電機繼續(xù)反轉，使其在該位置落下，通過螺母絲桿機構使上刀架移到齒盤重新嚙合, 實現(xiàn)精確定位。 刀架壓緊 刀架精確定位后，電機及許反轉，夾緊刀架，當兩齒盤增加到一定夾緊力時， 電機由數(shù)控裝置停止反轉，防止電機不停反轉而過載毀壞，從而完成一次換刀過程。 圖1.1 螺旋升降式四方刀架 第2節(jié) 主要傳動部件的設計計算 2.1 蝸桿副的設計計算 自動回轉刀架的動力源是三相異步電動機，其中蝸桿與電動機直聯(lián)，刀架轉位時蝸輪與上刀體直聯(lián)。已知電動機額定功率P1=90W，額定轉速n1=1440r／min，上刀體設計轉速n2=30r／min，則蝸桿副的傳動比i= ==48。刀架從轉位到鎖緊時，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，起動時沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命Lh=10000h。 (1)蝸桿的選型 GB／T10085--1988推薦采用漸開線蝸桿(ZI蝸桿)和錐面包絡蝸桿(ZK蝸桿)。本設計采用結構簡單、制造方便的漸開線型圓柱蝸桿(ZI型)。 (2)蝸桿副的材料 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45～55HRC，以提高表面耐磨性；蝸輪的轉速較低，其材料主要考慮耐磨性，選用鑄錫磷青銅ZCuSnl0P1，采用金屬模鑄造。 (3)按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： 1) 確定作用在蝸輪上的轉矩T2 設蝸桿頭數(shù)Z1=1，蝸桿副的傳動效率取η=0.8。由電動機的額定功率P1=90W，可以算得蝸輪傳遞的功率P2=P1η，再由蝸輪的轉速n2=30r／ min求得作用在蝸輪上的轉矩： 2)確定載荷系數(shù)K 載荷系數(shù)K=KAKBKV，。其中KA為使用系數(shù)，由表6-3查得，由于工作載荷不均勻，起動時沖擊較大，因此取KA=1.15；KB為齒向載荷分布系數(shù)，因工作載荷在起動和停止時有變化，故取KB=1.15；Kv為動載系數(shù)，由于轉速不高、沖擊不大，可取Kv=1.05。則載荷系數(shù)： K=KAKBKV=1.15×1.15×1.05≈1.39 3)確定彈性影響系數(shù)ZE。 鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配時，從有關手冊查得彈性影響系數(shù)。 4)確定接觸系數(shù) 先假設蝸桿分度圓直徑d1和傳動中心距a的比值，從而可查出=2.9 5)確定許用接觸應力[σH] 根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSnl0P1、金屬模鑄造、蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC，查表可得蝸輪的基本許用應力[σH]′ =268MPa。已知蝸桿為單頭，蝸輪每轉一轉時每個輪齒嚙合的次數(shù)j=1；蝸輪轉速n1=30r／min；蝸桿副的使用壽命Lh=10000h。 則應力循環(huán)次數(shù)： N=6Qjn2Lh=60×1×30 x 10000=1.8×107 壽命系數(shù)： 許用接觸應力： [σH]=KHN[σH]′=0.929×268Mpa≈ 249Mpa 6) 計算中心距 查表得，取中心距，已知蝸桿頭數(shù)=1，m=1.25mm，蝸桿分度圓直徑d1=22.4mm。這時0.448，從而可查得接觸系數(shù)，因為，因此以上計算結果可用。 蝸桿和蝸輪主要幾何尺寸計算 （1）蝸桿 分度圓直徑：d1=28mm 直徑系數(shù)：q=17.92， 蝸桿頭數(shù)：Z1=1 分度圓導程角：γ=3°11′38″ 蝸桿軸向齒距：PA==3.94mm； 蝸桿齒頂圓直徑： 蝸桿齒根圓直徑： 蝸桿軸向齒厚： =2.512mm 蝸桿軸向齒距： （2）蝸輪 蝸輪齒數(shù)：Z2 =45 變位系數(shù)Χ=0 驗算傳動比：i=/=45/1=45 蝸輪分度圓直徑：d2=mz2=72mm 蝸輪喉圓直徑：da2=d2+2ha2=93.5 蝸輪喉母圓直徑：rg2=a-1/2 da2 =50-1/293.5=3.25 蝸輪齒頂圓直徑： 蝸輪齒根圓直徑： 蝸輪外圓直徑：當在z=1時， 2.2 蝸桿軸的設計 （1） 蝸桿軸的材料選擇，確定許用應力 考慮軸主要傳遞蝸輪的轉矩，為普通用途中小功率減速傳動裝置。 選用45號鋼，正火處理， （2） 按扭轉強度初步估算軸的最小直徑 （2-21） 扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取α=0.6 抗彎截面系數(shù)W=0.1d3 取dmin=15.14mm （3） 確定各軸段的直徑和長度 根據(jù)各個零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長度。 圖2.1 蝸桿軸 d1=d5 同一軸上的軸承選用同一型號，以便于軸承座孔鏜制和減少軸承類型。 d5軸上有一個鍵槽，故槽徑增大5% d1=d5=d1′×(1+5%)=15.89mm ,圓整d1=d5=17mm 所選軸承類型為深溝球軸承，型號為6203，B=12mm，D=40mm， d2起固定作用，定位載荷高度可在（0.07～0.1）d1范圍內， d2=d1+2a=19.38～20.04mm，故d2取20mm d3為蝸桿與蝸輪嚙合部分，故d3=24mm d4=d2=20mm,便于加工和安裝 L1為與軸承配合的軸段，查軸承寬度為12mm，端蓋寬度為10mm， 則L1=22mm L2尺寸長度與刀架體的設計有關，蝸桿端面到刀架端面距離為65mm， 故L2=43mm L3為蝸桿部分長度L3≥（11+0. 6z2）m=38mm 圓整L3取40mm L4取55mm，L5在刀架體部分長度為（12+8）mm，伸出刀架部分通過聯(lián)軸器與電動機相連長度為50mm，故L5=70mm 兩軸承的中心跨度為128mm，軸的總長為230mm （4）蝸桿軸的校核 作用在蝸桿軸上的圓周力 (2-22) （2-23） 其中d1=28mm 則 （2-24） 徑向力 (2-25) 切向力 (2-26) 圖2.2 軸向受力分析 (2-27) (2-28) 求水平方向上的支承反力 圖2.3 水平方向支承力 （2-27） （2-28） (2-29) 求水平彎矩,并繪制彎矩圖 （2-30） 圖2.4 水平彎矩圖 求垂直方向的支承反力 (2-31) 查文獻[9]表2.2—4，，，， 其中，， (2-32) 圖2.5 垂直方向支承反力 （2-33） （2-34） 求垂直方向彎矩，繪制彎矩圖 圖2.6 垂直彎矩圖 求合成彎矩圖，按最不利的情況考慮 (2-38) （2-39） 圖2.7 合成彎矩圖 計算危險軸的直徑 查文獻[9]表15—1，材料為調質的許用彎曲應力，則 所以該軸符合要求。 （5）鍵的選取與校核 考慮到d5=105%×15.14=15.89mm, 實際直徑為17mm，所以強度足夠 由GB1095-79查得，尺寸b×h=5×5，l=20mm的A型普通平鍵。 按公式進行校核 ，，，。查文獻[9]表6—2，取則 (2-42) 該鍵符合要求。 由普通平鍵標準查得軸槽深t=3mm,轂槽深t1=2.3mm 2.3 蝸輪軸的設計 （1） 蝸輪軸材料的選擇，確定需用應力 考慮到軸主要傳遞蝸輪轉矩，為普通中小功率減速傳動裝置 選用45號鋼，正火處理，， （2） 按扭轉強度，初步估計軸的最小直徑 查文獻[9]表15—1，取45號調質剛的許用彎曲應力，則 由于軸的平均直徑為34mm，因此該軸安全。 （3） 確定各軸段的直徑和長度 根據(jù)各個零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長度 即蝸輪輪芯為68mm 為蝸輪軸軸徑最小部分取34mm 軸段與上刀架體有螺紋聯(lián)接，牙形選梯形螺紋，根據(jù)文獻表8-45 取公稱直徑為=44mm，螺距P=12mm，H=6.5mm 查表8-46得，外螺紋小徑為31mm 內、外螺紋中徑為38mm 內螺紋大徑為45mm 內螺紋小徑為32mm 旋合長度取55mm L2尺寸長度為34mm，蝸輪齒寬b2 當z1≤3時，b2≤0.75da1=15.6mm 取b2=15mm 2.4 中心軸的設計 （1） 中軸的材料選擇,確定許用應力 考慮到軸主要起定位作用，只承受部分彎矩，為空心軸，因此只需校核軸的剛度即可。 選用45號鋼，正火處理，， （2） 確定各軸段的直徑和長度 根據(jù)各個零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長度 d1=15mm, d2與軸承配合，軸承類型為推力球軸承，型號為51203，d=17mm,d1=19,T=12mm,D=35mm 所以d2=17mm d3與軸承配合，軸承類型為推力球軸承，型號為51204， d=25mm,d1=27mm,T=15mm,D=47mm 分配各軸段的長度L1=80mm,L2=93mm,L3=20mm （3） 軸的校核 軸橫截面的慣性矩 車床切削力F=2KN,E=210GPa 因此 ＜［］ y＜［y］ 中心軸滿足剛度條件 2.5 齒盤的設計 （1） 齒盤的材料選擇和精度等級 上下齒盤均選用45號鋼，淬火，180HBS。初選7級精度等級 （2） 確定齒盤參數(shù) 考慮齒盤主要用于精確定位和夾緊，齒形選用三角齒形，上下齒盤由于需相互嚙合，參數(shù)可相同。 當蝸輪軸旋轉150°時，上刀架上升5mm，齒盤的齒高取4mm 由 得算式 4=（2×1+0.25）m，標準值ha*=1.0, c*=0.25。求出m=1.78mm,取標準值m=2mm。故齒盤齒全高h=（2ha*+c*）m=(2×1+0.25)×2=4.5mm。 取齒盤內圓直徑d為120mm，外圓直徑為140mm，齒頂高 ha=ha*m=1×2=2m 齒根高 hf=(ha*+c*)m=2.5mm 齒數(shù)z=38，齒寬b=10mm，齒厚，齒盤高為5mm。 （3） 按接觸疲勞強度進行計算 1）確定有關計算參數(shù)和許用應力 2）取載荷系數(shù)kt=1.5 3）由文獻表9-12取齒寬系數(shù)Фd=1.0 4）由表9-10查得材料的彈性影響系數(shù)Ze=189.8，?。?20°，故ZH=2.5 5）查表取бHlim1=380，取бHlim2=380 6）Lh=60×24×1×(8×300×15)。N2=5.18×107 7）由圖9-35查得接觸疲勞壽命系數(shù)ZN1=1.1 ，ZN2=1.1 8）計算接觸疲勞需用應力 取安全系數(shù)SH=1。 （4）按齒根抗彎強度設計 抗彎強度的設計公式為 確定公式內的各參數(shù)數(shù)值 1）由文獻圖9-37查得，抗彎疲勞強度極限 2）由文獻圖9-38查得，抗彎疲勞壽命系數(shù)YN1=1.0，YN2=1.0 3）查圖取 4）計算抗彎疲勞許用應力，取抗彎疲勞安全系數(shù)=1.4 5）彎曲疲勞強度驗算 。 故滿足彎曲疲勞強度要求 2.6 軸承的選用 圓錐滾子軸承是現(xiàn)代機器中廣泛應用的部件之一。它是依靠主要元件的滾動接觸來支撐轉動零件的。與滑動軸承相比，滾動軸承摩擦力小，功率消耗少，啟動容易等優(yōu)點。并且常用的滾動軸承絕大多數(shù)已經(jīng)標準化，因此使用滾動軸承時，只要根據(jù)具體工作條件正確選擇軸承的類型和尺寸。驗算軸承的承載能力。以及與軸承的安裝、調整、潤滑、密封等有關的“軸承裝置設計”問題。 （1） 軸承的類型 考慮到軸各個方面的誤差會直接傳遞給加工工件時的加工誤差，因此選用調心性能比較好的深溝球軸承。此類軸承可以同時承受徑向載荷及軸向載荷，安裝時可調整軸承的游隙。然后根據(jù)安裝尺寸和使用壽命選出軸承的型號為：6203 （2）滾動軸承的配合 滾動軸承是標準件，為使軸承便于互換和大量生產，軸承內孔于軸的配合采用基孔制，即以軸承內孔的尺寸為基準；軸承外徑與外殼的配合采用基軸制，即以軸承的外徑尺寸為基準。 第3節(jié) 刀架體的設計 刀架體設計首先要考慮刀架體內零件的布置及與刀架體外部零件的關系，應考慮以下問題： (a) 滿足強度和剛度要求。因為刀架體的剛度不僅影響傳動零件的正常工作，而且還影響部件的工作精度。 (b) 結構設計合理。如支點的安排、開孔位置和連接結構的設計等均要有利于提高刀架體的強度和剛度。 (c) 工藝性好。包括毛坯制造、機械加工及熱處理、裝配調整、安裝固定、吊裝運輸、維護修理等各方面的工藝性。 (d) 造型好、質量小。 刀架體的常用材料有： 鑄鐵，多數(shù)刀架體的材料為鑄鐵，鑄鐵流動性好，收縮較小，容易獲得形狀和結構復雜的箱體。鑄鐵的阻尼作用強，動態(tài)剛性和機加工性能好，價格適度。加入合金元素還可以提高耐磨性。 鑄造鋁合金，用于要求減小質量且載荷不太大的箱體。多數(shù)可通過熱處理進行強化，有足夠的強度和較好的塑性。 我所設計的下刀架體采用HT150鑄造。 第4節(jié) 結論 本次設計采用了四工位刀架，通過電機驅動，渦輪蝸桿的傳動，有效的實現(xiàn)了縮短輔助時間,減少多次安裝零件引起的誤差。本次設計的四工位自動回轉刀架結構比較簡單，滿足時間短,刀具重復定位精度夠,足夠的刀具存儲以及安全可靠等基本要求。 回轉刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度，以承受粗加工時的切削抗力和減少刀架在切削力作用下的位移變形，提高加工精度。由于車削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，對于數(shù)控車床來說，加工過程中刀架部位要進行人工調整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結構，以保證回轉刀架在每次轉位之后具有高的重復定位精度（一般為0.001～0.005mm)。 設計過程中所涉及的內容有機械設計、傳動和電器控制三個方面的知識，通過本次課程設計使我受到一次對所學知識的運用能力的鍛煉，從而使對所學基礎理論和專業(yè)技能有機的結合起來，提高自己的知識運用能力和解決工程實際問題的能力。 致謝 終于完成了課程設計了，在這段的緊張生活中，首先我要感謝我的指導老師王偉老師，沒有他的指點和教誨，就沒有這次設計的完成，他在我無能為力的時候給我提出了很多建設性的意見和建議，開拓了我的思路。最后，對所有幫助過我的老師和同學表示感謝! 參考文獻 [1] 王三民.諸文俊. 機械原理與設計[M].北京:機械工業(yè)出版社，2000. [2] 王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控車床[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003 . [3] 陳嬋娟.數(shù)控車床設計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006. [4] 王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控車床結構與設計[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1999. [5] 紀名剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2000，第七版. [6] 舒志兵.嚴彩忠.黃益群.張海榮.數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展綜述[J].伺服控制，2006，（01）：23-27 [7] 劉澤深. 鄭貴臣.陳保青. 機械基礎[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1997. [8] 李洪.實用機床設計手冊[M].遼寧：遼寧科學技術出版社：1999. [9] 徐灝.機械設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002. [10] 洪家娣.機械設計指導[M].江西：江西高校出版社，2001. [11] 陳秀寧.機械設計基礎[M].杭州：浙江大學出版社，1999. [12] 徐灝.新編機械設計師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995 [13] 王曉明.電動機的單片機控制.北京：航空航天大學出版社，2007 [14] 何立民著.單片機原理及其接口技術.北京航空航天出版社, 2006 [15] 鄭堤 唐可洪 機電一體化設計基礎.機械工業(yè)出版社 ,2007 [16] 張建民等著.機電一體化系統(tǒng)設計.高等教育出版社,2007 [17] 尹志強著.機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書.機械工業(yè)出版社, 2008 27 附件圖紙 部裝圖 電氣圖 蝸桿軸 裝配圖