数控车床四工位回转刀架机电系统设计毕业设计(编辑修改稿)

数控车床四工位回转刀架机电系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

................................................. 4 上刀体锁紧与精定位机构的设计 ........................................................................ 4 刀架抬起机构的设计 ............................................................................................ 4 第 3章自动回转刀架的工作原理 .........5 第 4章 主要传动部件的设计计算 .......8 蜗杆副的设计计算 ................................................................................................ 8 螺杆的设计计算 .................................................................................................. 12 第 5章 电气控 制部分设计 ...........13 硬件电路设计 ...................................................................................................... 13 控制软件设计 ...................................................................................................... 16 致 谢 ...........................18 参考文献 ...........................19 2 数控车床四工位回转刀架机电系统设计 第 1 章 绪论 课题综 述 科学意义和应用前景 自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。 刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响机床的加工性能。 刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。 自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对 整机的成本造价产生直接影响。 从换刀系统发展的历史来看， 1956 年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期也研制成功了 “APT”( 刀具程序控制装置 )。 1958 年美国 Kamp。 T 公司研制出带ATC(自动刀具交换装置 )的加工中心。 1967 年出现了 FMS(柔性制造系统 )。 1978 年以后，加工中心迅速发展，带有 ATC 装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。 1983 年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。 目前国内外数控机床自动换刀系统中，刀 具、辅具多采用锥柄结构，刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。 在这种模式中，机床主轴常采用空心的带有长拉杆、碟形弹簧组的结构形式，由液压或气动装置提供动力，实现夹紧放松刀柄的动作。 利用这种机构夹持刀具进行数控加工的最大问题是，它不能同时获得高的夹持刚度和刀具振摆精度，而且主轴结构复杂，主轴轴向尺寸过大，加上它的液压驱动装置及刀具辅具锥柄的制造成本，使得自动换刀系统的造价在机床整机中占有较大的比重。 据有关资料介绍，在刀具采用锥柄夹头、侧压夹头以及弹簧夹头夹紧性能的对比实验 中，采用弹簧夹头夹持刀具是唯一可同时获得高的夹持刚度和振摆精度的理想元件。 采用这种夹持元件，刀具或刀具辅具可作成圆柱柄，其制造成本低，精度易保证，这对大容量刀库降低刀具辅具的制造成本，意义更为显著。 在现代数控机床上亦有采用弹簧夹头作为刀具的夹持元件，但机床的主轴结构、驱动方式仍然采用与上述锥柄刀具完全相同的结构形式。 采用这种结构模式，在实际数控加工中，尤其是在需要超高速主轴、主轴的径向、轴向尺寸都很小、没有足够的换刀空间的微细加工场合中实现自动换刀将会是很困难的，如果实施自动换刀那将使机床成本大幅度提高。 如 在 CNC控制磨削球面铣刀的数控磨削机床上，直接由高速电机驱动主轴，使用小直径盘形砂轮和指形砂轮加工球面铣刀，换刀空间很小，在这种条件下，将难以实现自动换刀。 国外最新研制的内圆磨床上采用的弹簧夹头自动换刀装置售价昂贵。 随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求 3 量越来越大。 在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀系统的造价在机床整机造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普遍的重要原因。 如果把自动换刀系统的设计制造从现有加工中心的制造模式中 分离出来，把它作为加工中心的标准件或附件组织专门化的生产，同时由于该项技术的应用简化了机床主轴结构、采用弹簧夹头和外驱动机械手等关键技术、采用圆柱柄刀具和辅具，这不仅使数控机床工作性能有所提高，而且使得由它配套构成的加工中心的总体造价大幅度下降。 低造价高性能的加工中心将会被中小厂广泛接收，这样必将给自动换刀系统生产厂商和加工中心制造厂商带来巨大的经济效益 数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。 数控技术诞生后的 50 年间的信息交换都是基于 ISO6983 标准，即采用 G， M 代码描述如何（ how）加工，其本质特征是 面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。 为此，国际上正在研究和制定一种新的 CNC 系统标准 ISO14649（ STEP－ NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。 STEPNC 的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。 首先， STEPNC 提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC 加工程序都集中在单个计算机上。 而在新标准下， NC 程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。 其次， STEPNC 数控系统还可大大减少加工图纸（约 75％）、加工程序编制时间（约 35％）和加工时间（约 50％）。 目前，欧美国家非常重视 STEPNC 的研究，欧洲发起了 STEPNC 的 IMS 计划(～ )。 参加这项计划的有来自欧洲和日本的 20 个 CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。 美国的 STEP Tools 公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模 型 (Super Model)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。 目前这种新的数据交换格式已经在配备了 SIEMENS、 FIDIA 以及欧洲 OSACANC 数控系统的原型样机上进行了验证。 . 2 设计思路 本设计采用三相异步交流电机驱动，控制部分设计主要采用 plc 控制包括收信和发信电路两部分。 设计好自动回转刀架的机械结构和电器控制电路后，就可以编制刀架自动转位的控制软件。 通过此次设计，不仅是对四年学习生活的一个总结，更是对今后继续学习的一次锻炼。 在学习了四年的基础课、专业课之后，通过这次课题的考验 ，除了要求掌握好本专业的课程外，还要求对本专业相关的知识有足够的认识。 这次设计就要用到 机械设计相关知识 ，不仅是对自己的一次考验，更是对自己所学知识的一个补充。 逐步锻炼自己独立完成工作的能力，以适应今后真正的考验。 4 第 2 章总体结构设计 减速传动机构的设计 普通的 三相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，采用蜗杆副减速是最佳选择。 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。 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，上下端面齿相互咬合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；换刀时电动机正传，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。 刀架抬起机构的设计 要想使上，下刀体的 两个端面齿脱离，就必须设计合适的机构 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 蜗 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咬合，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。 当端面齿脱离咬合时，上刀体就与螺杆一同转动。 设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定角度时，使得上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离咬合状态。 传动结构见总装配图。 5 第 3 章自动回转刀架的工作原理 自动回转刀架的换刀流程图如 下 图 1 所示 图 2 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起着重要的作用。 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落在反靠圆盘 7的十字槽内，上刀体 4 的端面齿和下刀体的端面齿处于咬合状态 需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三相异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动螺杆正向转动，与蜗杆配合的上刀体 4逐渐抬起，上刀体 4与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；于此同时，上盖圆盘 1也随着螺杆正向转动 (上盖圆盘 1通过圆柱销与螺杆连接 )当转过约170 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，于是上盖圆盘 1就通过圆柱销 2使得上刀体 4转动起来（此时端面齿已经完全脱开）如图 b所示 上盖圆盘 1，圆柱销 2以及上刀体 4在正转的过程中，反靠销 6能够从反靠圆盘 7 中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体 4寻找刀位时的正向转动，如图 c 所示 上刀体 4 带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘 1 通过圆柱销 2 带动上上刀体 4开始反转，反靠销 6 马上就会落入反靠圆盘 7的十字槽内，至此。 完成粗定位，如图 d 所示。 此时，反靠销 6 从反靠圆盘 7 的十字槽内爬不上来，于是上刀体 4停止转动，开始下。