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第 III 頁
黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書
MJ-50型數(shù)控車床電動刀架設(shè)計
摘 要
數(shù)控車床今后將向中高當(dāng)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，預(yù)計近年來對數(shù)控刀架需求量將大大增加。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(qū)動和伺服驅(qū)動方向發(fā)展。
本部分主要對四工位電動刀架的機械設(shè)計和應(yīng)用繼電-接觸控制系統(tǒng)控制部分的設(shè)計。并對以上部分運用AUTOCAD做圖，對電動刀架有更直觀的了解。最后的提出了對電動刀架提出了意見和措施。
關(guān)鍵詞：數(shù)控刀架, 電動刀架, 四工位
Electric turret design of MJ-50 CNC lathe
Author:Du Tengfei
Tutor:Yan Cunfu
Abstract
Numerical control there is in the future lathe to in will develop, the middle-grade to adopt popular numerical control knife rest form a complete set, adopt the motive force type knife rest top-grandly, have such varieties as knife rest of hydraulic pressure, servo knife rest, vertical knife rest ,etc. concurrently, it is estimated that will increase to numerical control knife rest demand greatly in recent years. The development trend of the numerical control knife rest is: With the development of numerical control lathe, numerical control knife rest begin to change one hundred sheets , electric liquid is it urge and urge direction develop while being servo to make up fast. Some originally design and is it continue electricity to use to four worker location vertical electronic machinery of knife rest mainly- exposed to control system control some designs. And use AUTOCAD to pursue to the above part, have a more ocular knowledge of electronic knife rest. The last proposition has put forward the suggestion and measure to the electronic knife rest.
Keyword： Numerical control knife rest，Electronic knife rest，F(xiàn)our engineering location
目 錄
前 言 1
1 電動刀架總體設(shè)計 3
1.1 設(shè)計背景 3
1.2 設(shè)計總體方案 4
1.2.1減速機傳動機構(gòu)設(shè)計 7
1.2.2刀體鎖緊與精定位機構(gòu)的設(shè)計 8
1.2.3抬起機構(gòu)的設(shè)計 8
1.3設(shè)計內(nèi)容 9
1.4本章小結(jié) 9
2電動刀架機械部分設(shè)計 10
2.1電動刀架工作原理 10
2.2蝸輪及蝸桿的設(shè)計及校核設(shè)計內(nèi)容 11
2.2蝸輪及蝸桿的主要參數(shù)與幾何尺寸設(shè)計內(nèi)容 15
2.3螺桿的主要參數(shù)與幾何尺寸 16
3 電器控制部分的設(shè)計 18
3.1 硬件電路設(shè)計 18
3.2 控制軟件設(shè)計 22
結(jié) 論 25
致 謝 26
參考文獻 27
第 28 頁
黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書
前 言
數(shù)控車床為了能在工件的一次裝夾中完成多工序加工，縮短輔助時間，減少多次裝夾所引起的加工誤差，必須帶有電動刀架。
電動刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強度和剛性，以承受粗加工時的切削抗力。為了保證轉(zhuǎn)位之后具有高的重復(fù)定位精度，電動刀架還要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)。電動刀架的自動換刀是由控制系統(tǒng)和驅(qū)動電路來實現(xiàn)的。
數(shù)控電動刀架的發(fā)展趨勢是：隨著數(shù)控車床的發(fā)展，電動刀架開始向快速換刀、電液組合驅(qū)動和伺服驅(qū)動方向發(fā)展。?
目前國內(nèi)車床刀架以電動為主，根據(jù)安裝方式的不同可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(shù)控車床；臥式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋轉(zhuǎn)，就近選刀，用于全功能數(shù)控車床。根據(jù)機械定位方式的不同，電動刀架可分為端齒盤定位型和三齒盤定位型等。其中端齒盤定位型換刀時需要刀架抬起，換刀速度較慢且密封性較差，但其結(jié)構(gòu)簡單。三齒盤定位型又叫免抬型，其特點是換刀時刀架不抬起，因此換刀速度快且密封性好，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。另外臥式刀架還有液動刀架和伺服驅(qū)動刀架。電動刀架是數(shù)控車床重要的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(chǎn)率，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)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(yīng)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(fù)雜的零件時，除了控制系統(tǒng)能提供相應(yīng)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。
經(jīng)濟型數(shù)控是我國80年代科技發(fā)展的產(chǎn)物。這種數(shù)控系統(tǒng)由于功能適宜，價格便宜，用它來改造車床，投資少、見效快，成為我國“七五”、“八五”重點推廣的新技術(shù)之一。十幾年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)濟型數(shù)控技術(shù)也在不斷進步，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品不斷改進完善，并且有了階段性的突破，使新的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)功能更強，可靠性更穩(wěn)定，功率增大，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。由于這項技術(shù)的發(fā)展增強了經(jīng)濟型數(shù)控的活力，根據(jù)我國國情，該技術(shù)在今后一段時間內(nèi)還將是我國機械行業(yè)老設(shè)備改造的很好途徑。對于原有老的經(jīng)濟型數(shù)控車床，特別是80年代末期改造的設(shè)備，由于種種原因閑置的很多，浪費很大；在用的設(shè)備使用至今也十幾年了，同樣面臨進一步改造的問題通過改造可以提高原有裝備的技術(shù)水平，大大提高生產(chǎn)效率，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。
數(shù)控刀架的市場分析：國產(chǎn)數(shù)控車床今后將向中高檔發(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，近年來需要量可達1000～1500臺。?
數(shù)控刀架的高、中、低檔產(chǎn)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(shè)計的刀架具有具有轉(zhuǎn)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。
數(shù)控車床主要由主軸箱、床鞍、尾架、刀架、對刀儀、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)及數(shù)控裝置組成。數(shù)控車床的出現(xiàn)對提高生產(chǎn)率改善產(chǎn)品質(zhì)量以及改善勞動條件等發(fā)揮了重要的作用。為了進一步壓縮非切削時間，數(shù)控機床正朝著一臺機床在一次裝夾中完成多工序加工的發(fā)展方向。在這類多工序的數(shù)控機床中必須帶有自動換刀裝置，在多工序數(shù)控機床出現(xiàn)之后，又逐步發(fā)展和完善了各類電動刀具的自動更換裝置，擴大了換刀數(shù)量，以便有可能實現(xiàn)更復(fù)雜的換刀操作。
1 電動刀架總體設(shè)計
1.1 設(shè)計背景
我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代， 于1958年研制出第一臺數(shù)控機床，發(fā)展過程大致可分為兩大階段。在1958~1979年間為第一階段，從1979年至今為第二階段。第一階段中對數(shù)控機床特點、發(fā)展條件缺乏認識，在人員素質(zhì)差、基礎(chǔ)薄弱、配套件不過關(guān)的情況下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、終因表現(xiàn)欠佳，無法用于生產(chǎn)而停頓。主要存在的問題是盲目性大，缺乏實事求是的科學(xué)精神。在第二階段從日、德、美、西班牙先后引進數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)，從日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奧、韓國、省共11國(地區(qū))引進數(shù)控機床先進技術(shù)和合作、合資生產(chǎn)，解決了可靠性、穩(wěn)定性問題，數(shù)控機床開始正式生產(chǎn)和使用，并逐步向前發(fā)展。通過“六五：期間引進數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004年國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量和消費量的年平均增長率分別為39.3%和34.9%。盡管如此，進口機床的發(fā)展勢頭依然強勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國，2004年中國機床主機消費高達94.6億美元，國內(nèi)數(shù)控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識與能力欠缺、數(shù)控,系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。我們應(yīng)看清形勢，充分認識國產(chǎn)數(shù)控機床的不足，努力發(fā)展先進技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達國家之問的差距。
在20余年間，數(shù)控機床的設(shè)計和制造技術(shù)有較大提高，主要表現(xiàn)在三大方面：培訓(xùn)一批設(shè)計、制造、使用和維護的人才；通過合作生產(chǎn)先進數(shù)控機床，使設(shè)計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進技術(shù)的差距；通過利用國外先進元部件、數(shù)控系統(tǒng)配套，開始能自行設(shè)計及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動加工的數(shù)控機床，供應(yīng)國內(nèi)市場的需求，但對關(guān)鍵技術(shù)的試驗、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自動化刀具、數(shù)控系統(tǒng)依靠國外技術(shù)支撐，不能獨立發(fā)展，基本上處于從仿制走向自行開發(fā)階段，與日本數(shù)控機床的水平差距很大。存在的主要問題包括：缺乏象日本“機電法”、“機信法”那樣的指引；嚴(yán)重缺乏各方面專家人才和熟練技術(shù)工人；缺少深入系統(tǒng)的科研工作；元部件和數(shù)控系統(tǒng)不配套；企業(yè)和專業(yè)間缺乏合作，基本上孤軍作戰(zhàn)，雖然廠多人眾，但形成不了合力。我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代，通過“六五”期間引進數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收科技攻關(guān)，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004年國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量和消費量的年平均增長率分別為39.3%和34.9%。盡管如此，進口機床的發(fā)展勢頭依然強勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國，2004年中國機床主機消費高達94.6億美元，國內(nèi)數(shù)控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識與能力欠缺、數(shù)控,系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。我們應(yīng)看清形勢，充分認識國產(chǎn)數(shù)控機床的不足，努力發(fā)展先進技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達國家之問的差距。
2003年開始，中國就成了全球最大的機床消費國，也是世界上最大的數(shù)控機床進口國。目前正在提高機械加工設(shè)備的數(shù)控化率，1999年，我們國家機械加工設(shè)備數(shù)控華率是5－8％，目前預(yù)計是15－20％之間。
在這樣一個大的時代背景之下，機床的數(shù)控化發(fā)展已經(jīng)是一個不可阻擋的趨勢，各種零部件的改造設(shè)計也成為其中的重點，眾所周知數(shù)控車床主要由主軸箱、床鞍、尾架、刀架、對刀儀、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)及數(shù)控裝置組成。而本文所設(shè)計的數(shù)控車床電動刀架就是其中非常重要的一個部分。數(shù)控車床的出現(xiàn)對提高生產(chǎn)率改善產(chǎn)品質(zhì)量以及改善勞動條件等發(fā)揮了重要的作用。為了進一步壓縮非切削時間，數(shù)控機床正朝著一臺機床在一次裝夾中完成多工序加工的發(fā)展方向。在這類多工序的數(shù)控機床中必須帶有自動換刀裝置，在多工序數(shù)控機床出現(xiàn)之后，又逐步發(fā)展和完善了各類電動刀具的自動更換裝置，擴大了換刀數(shù)量，以便有可能實現(xiàn)更復(fù)雜的換刀操作。
1.2 設(shè)計總體方案
目前為止應(yīng)用最廣的刀架為電動刀架。電動刀架是一種最簡單的自動換刀裝置，常用于數(shù)控車床?？梢栽O(shè)計成四方刀架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式。電動刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，并按數(shù)控裝置的指令換刀。
電動刀架在結(jié)構(gòu)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。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，加工過程中刀具位置不進行人工調(diào)整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證電動刀架在每次轉(zhuǎn)位之后，具有盡可能高的重復(fù)定位精度（一般為0.001～0.005mm）。
一般情況下，電動刀架的換刀動作包括刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位及刀架壓緊等。電動刀架按其工作原理分為若干類型，如圖1.1所示。
圖1.1a)所示為螺母升降轉(zhuǎn)位刀架，電動機經(jīng)彈簧安全離合器到蝸輪副帶動螺母旋轉(zhuǎn)，螺母舉起刀架使上齒盤與下齒盤分離，隨即帶動刀架旋轉(zhuǎn)到位，然后給系統(tǒng)發(fā)信號螺母反轉(zhuǎn)鎖緊。
圖1.1 電動刀架的類型及其工作原理
圖1.1b)所示為利用十字槽輪來轉(zhuǎn)位及鎖緊刀架（還要加定位銷），銷釘每轉(zhuǎn)一周，刀架便轉(zhuǎn)1/4轉(zhuǎn)（也可設(shè)計成六工位等）。
圖1.1c)所示為凸臺棘爪式刀架，蝸輪帶動下凸輪臺相對于上凸輪臺轉(zhuǎn)動，使其上、下端齒盤分離，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，則棘輪機構(gòu)推動刀架轉(zhuǎn)90o，然后利用一個接觸開關(guān)或霍爾元件發(fā)出電動機反轉(zhuǎn)信號，重新鎖緊刀架。
圖1.1d)所示為電磁式刀架，它利用了一個有10kN左右拉緊力的線圈使刀架定位鎖定。
圖1.1e)所示為液壓式刀架，它利用擺動液壓缸來控制刀架轉(zhuǎn)位，圖中有擺動閥芯、撥爪、小液壓缸；撥爪帶動刀架轉(zhuǎn)位，小液壓缸向下拉緊，產(chǎn)生10kN以上的拉緊力。這種刀架的特點是轉(zhuǎn)位可靠，拉緊力可以再加大，但其缺點是液壓件難制造，還需多一套液壓系統(tǒng)，有液壓油泄漏及發(fā)熱問題。
圖1.2所示為數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架，它適用于盤類零件的加工。這種刀架的全部動作由液壓系統(tǒng)通過電磁換向閥和順序閥進行控制，其換刀過程如下：
（1） 刀架抬起。當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，壓力油由A進入壓緊液壓缸的下腔，活塞上升，刀架體抬起，使定位活動插銷與固定插銷脫離。同時，活塞桿下端的端齒離合器與空套齒輪結(jié)合。
（2）刀架轉(zhuǎn)位。當(dāng)?shù)都芴鹬?，壓力油從C孔轉(zhuǎn)入液壓缸左腔，活塞向右移動，通過連接板帶動齒條移動，使空套齒輪作逆時針方向轉(zhuǎn)動，通過端齒離合器使刀架轉(zhuǎn)過60o?；钊男谐虘?yīng)等于齒輪節(jié)圓周長的1/6，并由限位開關(guān)控制。
（3）刀架壓緊。刀架轉(zhuǎn)位之后，壓力油從B孔進入壓緊液壓缸的上腔，活塞帶動刀架體下降。缸體的底盤上精確地安裝六個帶斜楔的圓柱固定插銷，利用活動插銷消除定位銷與孔之間的間隙，實現(xiàn)反靠定位。刀架體下降時，定位活動插銷與另一個固定插銷卡緊，同時缸體與壓盤的錐面接觸，刀架在新的位置定位并壓緊。這時，端齒離合器與空套齒輪脫開。
圖1.2 六角回轉(zhuǎn)刀架
（4）轉(zhuǎn)位液壓缸復(fù)位。刀架壓緊后，壓力油從D孔進入轉(zhuǎn)位油缸右腔，活塞帶動齒條復(fù)位，由于此時端齒離合器已脫開，齒條帶動齒輪在軸上空轉(zhuǎn)。
如果定位和壓緊動作正常，拉桿與相應(yīng)的接觸頭接觸，發(fā)出信號表示換刀過程已結(jié)束，可以繼續(xù)進行切削加工。
電動刀架除了采用液壓缸驅(qū)動轉(zhuǎn)位和定位銷定位外，還可以采用電動機-馬氏機構(gòu)轉(zhuǎn)位和鼠盤定位，以及其它轉(zhuǎn)位和定位機構(gòu)。
經(jīng)過參考級中經(jīng)典的刀架設(shè)計類型后，決定在本設(shè)計中為螺母升降轉(zhuǎn)位刀架，電動機經(jīng)彈簧安全離合器到蝸輪副帶動螺母旋轉(zhuǎn)，螺母舉起刀架使上齒盤與下齒盤分離以及利用十字槽輪來轉(zhuǎn)位及鎖緊刀架（還要加定位銷）來實現(xiàn)刀架抬起和精確定位。
1.2.1減速機傳動機構(gòu)設(shè)計
在本設(shè)計中由于采用了三相異步電動機，三相異步電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組因與磁場間存在著相對運動而感生電動勢和電流，并與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)能量變換。與單相異步電動機相比，三相異步電動機運行性能好，并可節(jié)省各種材料。在普通的三相異步電動機因轉(zhuǎn)速太快，不能直接驅(qū)動刀架進行換刀，必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)臏p速。根據(jù)立式轉(zhuǎn)位刀架的結(jié)構(gòu)特點，采用蝸桿副減速是最佳選擇。蝸輪蝸桿傳動有以下特點：
１、傳動平穩(wěn)。蝸桿傳動同時嚙合的齒對數(shù)多，且蝸桿為連續(xù)的螺旋曲面，嚙合過程是連續(xù)的，振動、沖擊和噪聲較小。
２、具有自鎖性。當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于嚙合摩擦角時，蝸桿傳動具有自鎖性。此時，只能蝸桿帶動蝸輪，反之則不能轉(zhuǎn)動。
３、傳動比大。單級傳動可獲得傳動比為5-80，在分度機構(gòu)中可達600或更大。和齒輪傳動相比實現(xiàn)相同的傳動比時結(jié)構(gòu)較緊湊。
所以說蝸桿副傳動可以改變運動的方向，獲得較大的傳動比，保證傳動精度和平穩(wěn)性，并且具有自鎖功能，還可以實現(xiàn)整個裝置的小型化。使得刀架在是有過程中更加輕便，方便機床的加工作業(yè)。
1.2.2刀體鎖緊與精定位機構(gòu)的設(shè)計
在本設(shè)計中由于刀具直接安裝在上刀體上，所以上刀體要承受全部的切削力，其鎖緊與定位的 精度將直接影響工件的加工精度。本設(shè)計上刀體的鎖緊與定位機構(gòu)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(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上下端面齒相互咬合，這時上刀體不能繞刀架的中心軸轉(zhuǎn)動；換刀時電動機正傳，抬起機構(gòu)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(zhuǎn)動，完成轉(zhuǎn)位動作。
1.2.3抬起機構(gòu)的設(shè)計
要想使上、下刀體的 兩個端面齒脫離，就必須設(shè)計合適的 機構(gòu)使上刀體抬起。本設(shè)計選用螺桿-螺母副，在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當(dāng)電動機通過蝸桿-蝸輪帶動蝸桿繞中心軸轉(zhuǎn)動時，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動，要么上下移動。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上刀體與下刀體的端面齒相互咬合，因為這時上刀體不能與螺桿一起轉(zhuǎn)動，所以螺桿的轉(zhuǎn)動會使上刀體向上移動。當(dāng)端面齒脫離咬合時，上刀體就與螺桿一同轉(zhuǎn)動。
設(shè)計螺桿時要求選擇適當(dāng)?shù)穆菥啵员惝?dāng)螺桿轉(zhuǎn)動一定角度時，使得上刀體與下刀體的端面齒能夠完全脫離咬合狀態(tài)。
圖1.3 電動刀架的傳動結(jié)構(gòu)示意圖
1-發(fā)信盤 2-推力軸承 3-螺桿螺母副 4-端面齒盤 5-反靠圓盤 6-三相異步電動機
7-聯(lián)軸器 8-螺桿副 9-反靠銷 10-圓柱銷 11-上蓋圓盤 12-上刀體
1.3設(shè)計內(nèi)容
設(shè)計一臺四工位的電動刀架，用于MJ-50型數(shù)控車床。要求繪制電動刀架的機械結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計控制刀架自動轉(zhuǎn)位的硬件電路，編寫刀架的控制軟件。推薦刀架所用電動機的額定功率為90W，額定轉(zhuǎn)速為1440r/min，換刀時要求刀架轉(zhuǎn)動的速度為30r/min.
1.4本章小結(jié)
在本章中，我們主要說明了本設(shè)計的主題思路，為以下的設(shè)計指明方向。在當(dāng)今所處的一個時代背景，機械是一個國家實力的最基本表現(xiàn)，而我國的機械行業(yè)與世界強國之間仍存在比較大的差距。做為一個準(zhǔn)機械從業(yè)者應(yīng)該為機械行業(yè)的發(fā)展做出自己應(yīng)有的努力。
2電動刀架機械部分設(shè)計
2.1電動刀架工作原理
圖2.1 電動刀架的換刀流程圖
圖2.2表示電動刀架在換刀過程中有關(guān)銷的位置。其中上部的圓柱銷2和下部的反靠銷6起著重要的作用。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，兩銷的情況如圖a所示，此時反靠銷6落在反靠圓盤7的十字槽內(nèi)，上刀體4的端面齒和下刀體的端面齒處于咬合狀態(tài)。需要換刀時，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號，三相異步電動機正向旋轉(zhuǎn)，通過蝸桿副帶動螺桿正向轉(zhuǎn)動，與蝸桿配合的上刀體4逐漸抬起，上刀體4與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；于此同時，上蓋圓盤1也隨著螺桿正向轉(zhuǎn)動(上蓋圓盤1通過圓柱銷與螺桿連接)當(dāng)轉(zhuǎn)過約170時，上蓋圓盤1直槽的另一端轉(zhuǎn)到圓柱銷2的正上方，由于彈簧3的作用，圓柱銷2落入直槽內(nèi)，于是上蓋圓盤1就通過圓柱銷2使得上刀體4轉(zhuǎn)動起來（此時端面齒已經(jīng)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(zhuǎn)的過程中，反靠銷6能夠從反靠圓盤7中十字槽的左側(cè)斜坡滑出，而不影響上刀體4尋找刀位時的正向轉(zhuǎn)動，如圖c所示。上刀體4帶動磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時，發(fā)信盤上對應(yīng)的霍爾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(zhuǎn)，上蓋圓盤1通過圓柱銷2帶動上上刀體4開始反轉(zhuǎn)，反靠銷6馬上就會落入反靠圓盤7的十字槽內(nèi)，至此。完成粗定位，如圖d所示。此時，反靠銷6從反靠圓盤7的十字槽內(nèi)爬不上來，于是上刀體4停止轉(zhuǎn)動，開始下降，而上蓋圓盤1繼續(xù)反轉(zhuǎn)，其直槽的左側(cè)斜坡將圓柱銷2的頭部壓入上刀體4的銷孔內(nèi)，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咬合，實現(xiàn)精定位。經(jīng)過設(shè)定的延時時間后，刀架電動機停轉(zhuǎn)，整個換刀過程結(jié)束。
圖2.2 電動刀架在換刀過程中有關(guān)銷的位置
由于蝸桿副有自鎖功能，所以刀架可以穩(wěn)定的工作。
2.2蝸輪及蝸桿的設(shè)計及校核設(shè)計內(nèi)容
按照設(shè)計要求對電機進行選型：要求功率為90W，轉(zhuǎn)速1440r/min，經(jīng)過查取有相關(guān)資料，采用JW5614-90W三相異步電機。JW系列三相異步電動機,按JB1009-1012-91.GB12350-2000標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,具有外型勻稱美觀,起動轉(zhuǎn)矩大，效率高，使用壽命長，運行性能良好，噪音小結(jié)構(gòu)合理，維護方便等特點，應(yīng)用廣泛，多用于驅(qū)動需要較大起動轉(zhuǎn)矩的機械，如機床、建筑機械、農(nóng)副產(chǎn)品加工、泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機、磨粉機、醫(yī)療器械、及農(nóng)業(yè)機械的驅(qū)動。
電動刀架的動力源時三相異步電動機，其中蝸桿與電動機直連，刀架轉(zhuǎn)位時蝸輪與上刀體直連。已知電動機額定功率P 1=90W，額定轉(zhuǎn)速n1 =1440r/min，上刀體設(shè)計轉(zhuǎn)速 n2 =30r/min，則蝸桿副的傳動比i =n1/n2 =1440 /30=48.刀架從轉(zhuǎn)位刀鎖緊時，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Lh =10000h 。
1）蝸桿的選型
按蝸桿形狀，蝸桿傳動可分為圓柱蝸桿傳動、環(huán)面蝸桿傳動和錐蝸桿傳動。圓柱蝸桿設(shè)計制造簡單，應(yīng)用十分廣泛；環(huán)面蝸桿潤滑性能較好，效率高，承載能力高，為普通蝸桿的2－4倍，但制造安裝復(fù)雜，用在大功率的場合；錐蝸桿制造安裝復(fù)雜，應(yīng)用較少。
圓柱蝸桿傳動包括普通圓柱蝸桿傳動和圓弧圓柱蝸桿傳動。根據(jù)螺旋線的不同，圓柱蝸桿可分為阿基米德圓柱蝸桿（ZA蝸桿）、法向直廓圓柱蝸桿（ZN蝸桿）、漸開線圓柱蝸桿（ZI蝸桿）和錐面包絡(luò)線圓柱蝸桿（ZK蝸桿）。
阿基米德蝸桿（ZA蝸桿）的特點是在軸向齒廓呈齒條形狀，法向齒廓為外凸曲線，在端平面上的齒廓為阿基米德螺旋線。這種蝸桿可以用直刃車刀在車床上加工，制造方便，應(yīng)用廣泛。一般用于頭數(shù)較少、載荷較小、低速或不太重要的傳動。
法向直廓圓柱蝸桿（ZN蝸桿）磨削起來難度較大，所以不推薦采用?！?
漸開線蝸桿（ZI蝸桿）這種蝸桿的端面齒廓位漸開線，所以相當(dāng)于一個少數(shù)、大螺旋角的漸開線圓柱斜齒輪，ZI螺桿可用兩把直線刀刃的車刀在車床上車削。
圓弧圓柱蝸桿傳動（ZC蝸桿）如圖2.3所示。在軸向平面內(nèi)具有凹圓弧齒廓，與蝸輪組成凹凸嚙合傳動型式，承載能力大，效率高，耐磨，在冶金、建筑、化工等機械中應(yīng)用廣泛。
圖2.3圓弧圓柱蝸桿傳動
在GB/T10085----1988中推薦采用漸開線蝸桿（Z1蝸桿）和錐面包絡(luò)蝸桿（ZK蝸桿）。本設(shè)計采用結(jié)構(gòu)簡單，制造方便的漸開線型圓柱蝸桿(Z1型)。在機械設(shè)計中，越是簡單的結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。在考慮穩(wěn)定性以及小型化的因素上所以采用漸開線型圓柱蝸桿。
2）蝸桿副的材料 蝸桿一般是用碳鋼或合金鋼制成。高速重載蝸桿常用15Cr或20Cr，并經(jīng)滲碳淬火；也有用40、45號鋼或40Cr并經(jīng)淬火。這樣可以提高表面硬度，增加耐磨性。通常要求蝸桿淬火后的硬度為40～55HRC，經(jīng)氮化處理后的硬度為55～62HRC。一般不太重要的低速中載的蝎桿，可采用40或45號鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，其硬度為220～300HBS。
常用的蝸輪材料為鑄造錫青銅（ZCuSn10P1，ZCuSn5Pb5Zn5）、鑄造鋁鐵青銅（ZcuAl10Fe3）及灰鑄鐵（HT150、HT200）等。錫青銅耐磨性最好，但價格較高，用滑動速度v≥3m／s的重要傳動；鋁鐵青銅的耐磨性較錫青銅差一些，但價格便宜，一般用于滑動速度v≤4m／s的傳動；如果滑動速度不高(vS＜2m/s），對效率要求也不高時，可采用灰鑄鐵。為了防止變形，常對蝸輪進行時效處理。
設(shè)計要求電機功率為90W,刀架中的蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速較高，因此蝸桿的材料選擇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(zhuǎn)速較低，其材料主要考慮耐磨性，選用鑄錫磷青銅ZcuSn10P1,采用金屬模鑄造。
3）按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)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(shè)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(shè)計計算的公式為：
（2.3）
式中 a-------蝸桿副的傳動中心距，單位為mm；
K-------載荷系數(shù)；
-------作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T ，單位N·mm;
------彈性影響系數(shù)，單位為MPa；
--------接觸系數(shù)
[]------許用接觸應(yīng)力，單位為MPa；
從式（2.3）算出蝸桿副的中心距a之后，根據(jù)已知的傳動比i=48，可以選擇合適的中心距a值，以及相應(yīng)的蝸桿，蝸輪參數(shù)。
1）確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T
設(shè)蝸桿頭數(shù)z1 =1,蝸桿副的傳動效率取 =0.8。由電動機的額定功率P1 =90W,可以算出蝸輪傳遞的功率P2 =P 1 ,再由蝸輪的轉(zhuǎn)速n2 =30r/min,求得作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩：
T2=9.55P2/n2=9.55P1 /n2=22920N.mm
2）確定載荷系數(shù)K
載荷系數(shù).其中為使用系數(shù)，由于工作載荷分布步均勻，啟動時沖擊較大，因此取 =1.15;K 為齒向載荷分布系數(shù)，因工作載荷在啟動和停止時有變化，故取 =1.15； 為動載系數(shù)，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取=1.05,則載荷系數(shù)
3）確定彈性影響系數(shù)
鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配時，從參考文獻中差得彈性影響系數(shù) =160MPa
4)確定接觸系數(shù)
先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d1 和傳動中心距a的比值d 1/a=0.35,可得系數(shù)=2.9
5)確定許用接觸力
根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1,金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC，蝸輪的基本許用力 =268MPa，已知蝸桿為單頭，蝸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時每個輪齒咬合的次數(shù)j=1;蝸輪轉(zhuǎn)速n =30r/min;蝸桿副的使用壽命L =10000h。則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
N=60jn2Lh=1.8107
壽命系數(shù)： 壽命系數(shù)：KHN=0.929
許用接觸應(yīng)力：[σH]=KHN×[σH]′=249MPa
6)計算中心距
將以上各參數(shù)代入式
，
求得中心距：
取中心距a=50mm,已知蝸桿頭數(shù)z1 =1,設(shè)模數(shù)m=1.6mm,得直徑d1 =20mm,這時 d1/a=0.4,可得接觸系數(shù)Zρ′=2.74。因為Zρ′
2mm,即P>4.24mm.今取螺桿的螺距P=6mm.
(2)其它參數(shù)的確定
采用單頭梯形螺桿，頭數(shù)n=1,牙側(cè)角b=15°，外螺紋直徑d1=50mm,牙頂間隙ac=0.5mm,基本牙形高度H1=0.5P=3mm,外螺紋牙高h1=3.5mm,外螺紋中徑d2=47mm,外螺紋校徑d3=43mm,螺桿螺紋部分長度H=50mm
(3)自鎖性能校核
螺桿-螺母材料均用45鋼，取二者的摩擦因數(shù)f=0.11;再求得梯形螺旋副的當(dāng)量摩擦角約為6.5°，而螺紋升角約為2.33°，小于當(dāng)量摩擦角。因此，所選幾何參數(shù)滿足自鎖條件。
3 電器控制部分的設(shè)計
3.1 硬件電路設(shè)計
電動刀架的電氣控制部分主要包括收信電路和發(fā)信電路兩大塊
（1）收信電路
圖a中，發(fā)信盤上的4只霍爾開關(guān)，都有3個引腳，第1腳接+12V電源，第2腳接+12V地線，第3腳為4個刀位信號的輸出。轉(zhuǎn)位時刀臺帶動磁鐵旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁鐵對準(zhǔn)某一個霍爾開關(guān)時，其輸出端第3腳輸出低電平；當(dāng)磁鐵離開時，第3腳輸出高電平。4只霍爾開關(guān)輸出的4個刀位信號T1~T4分別送到圖b的4只光耦合進行處理，經(jīng)過光電隔離的信號再送給I/O接口芯片8225的PC4~PC7。
2#
3#
4#
1#
N
S
刀臺旋轉(zhuǎn)方向
1 2 3
4只霍爾開關(guān)
第1腳：接+12V電源
第2腳：接+12V地線
第3腳：4個刀位信號的輸出
圖a 電動刀架發(fā)信盤
3刀位信號
4位信號
1#刀位信號
2刀位信號
R14
R24
8225-PC6
8225-PC7
8225-PC5
8225-PC4驅(qū)
圖b 刀位信號的處理
（2）發(fā)信電路
圖c為刀架電動機正反轉(zhuǎn)控制電路，
在電動機正反轉(zhuǎn)時，有可能因為電動機容量較大或操作不當(dāng)?shù)仍颍菇佑|器主觸頭產(chǎn)生較嚴(yán)重的起弧現(xiàn)象。如果電弧還未完全熄滅時，反轉(zhuǎn)的接觸器就閉合，則會造成電源相間的短路。為防止相間短路，可增加一個接觸器KM。
采用PLC控制的輸入輸出配置接線示意圖如圖d所示，梯形圖如圖e所示。像繼電接觸控制線路一樣，利用PLC的輸入繼電器X401和X402的常閉接點，實現(xiàn)雙重互鎖。
按下正向啟動按鈕SB1時，輸入繼電器X401的常開觸點閉合，接通輸出繼電器Y431線圈并自鎖，接觸器KM1得電吸合，同時Y431的常開觸點閉合，輸出繼電器Y430線圈接通，使接觸得電吸合，電動機正向啟動到穩(wěn)定運行。按下反轉(zhuǎn)啟動按鈕SB2，輸入繼電器X402常閉觸點斷開Y431線圈，KM也失電釋放，同時Y431的常開觸點也斷開Y430的線圈，KM也失電釋放，有KM和KM1兩段滅弧電路，因此可有效地熄滅電弧，防止反轉(zhuǎn)換接時相間短路。而X402的另一對常開觸點閉合，接通Y432的線圈，接觸器KM2得電吸合，電動機反向運行。
停機時，按下停機按鈕SB3，X400常開觸點斷開M100；過載時熱繼電器觸點FR動作，X403斷開M100。這兩種情況都使Y431或Y432及Y430斷開，進而使KM1或KM2及KM失電，電動機停下來。
SB3
M
FR
KM2
KM
QK
FUI
KM
KM2
KM1
SB2
KM2
KM1
SB1
KM2
KM1
圖c繼電器接觸控制
圖d PLC控制輸入輸出接線
圖e 梯形圖
3.2 控制軟件設(shè)計
在清楚了電動刀架的結(jié)構(gòu)和電氣控制電路后，就可以著手編制刀架自動轉(zhuǎn)位的控制軟件了，對于四工位電動刀架來說，它最多安裝有4把刀具，其電動到工作位置。圖(a)表示讓1#刀轉(zhuǎn)到工作位置的等程序流程，2#、3#、4#刀的轉(zhuǎn)位流程與1#刀相似。
設(shè)控制系統(tǒng)的CPU為AT89C51單片機，擴展8255芯片作為電動刀架的收信與發(fā)信控制，已知8255芯片的控制口地址為2FFFH。PA6、PA7口控制電動機的正反轉(zhuǎn)，刀架控制流程如圖所示。
返回
Y
N
N
Y
返回
電路上電
數(shù)碼管顯示
發(fā)出刀位信號
數(shù)碼管顯示“1”“2”“3”“4”
判斷所選刀架是否對準(zhǔn)霍爾元件電路
電機停轉(zhuǎn)
定位夾緊到位
電機反轉(zhuǎn)
數(shù)碼管顯示“1”“2”“3”“4”
判斷刀架是否到位
數(shù)碼管顯示“1”“2”“3”“4”
電機正轉(zhuǎn)
刀架控制流程圖
根據(jù)流程圖編程如下：
T01：MOV DPTR , #2FFFH ；指向8255的PC口
MOVX A ，@DPTR ；讀取PC口的內(nèi)容
JNB ACC.4 ，TEND ；測試若PC4=0？若是，則說明1#刀已在工作位置，程序轉(zhuǎn)到TEND
MOV DPTR ，#2FFFH ；指向8255的PA口地址
MOVX A ，@DPTR ；讀取PA6=0，刀架電動機正轉(zhuǎn)有效
CLR ACC.6 ；令PA6=0，刀架電動機正轉(zhuǎn)有效
SETB ACC.7 ；令PA7=1，刀架電動機無效
MOVX @DPTR ，A ；電動機開始正轉(zhuǎn)
CALL DE20ms ；延時20ms
YT01：MOVX DPTR , #2FFEH ；指向8255的PC口
MOVX A ，@DPTR ；第二次讀取PC口內(nèi)容
JB ACC.4 ，YT21 ；PC4=0？
CALL DE20ms ；延時20ms
YT11：MOV DPTR , #2FFFH ；指向8255的PC口內(nèi)容
MOVX A ， @DPTR ；第三次讀取PC口內(nèi)容
JB ACC.4 , YT21 ；PC4=0？
CALL DE20ms ；延時20ms
YT21： MOV DPTR ， #2FFH ；指向PC口
MOVX A ， @DPTR ；讀取PA口鎖存器內(nèi)容
SETB ACC.6 ；令PA6=1，刀架電動機正轉(zhuǎn)無效
SETB ACC.7 ；令PA7=1，刀架電動機反轉(zhuǎn)無效
MOVX @DPTR ， A ；刀架電動機停轉(zhuǎn)
CALL DE150ms ；延時150ms
CLR ACC.7 ；令PA7=0，刀架電動機反轉(zhuǎn)有效
SETB ACC.6 ， ；令PA6=1，刀架正轉(zhuǎn)無效
MOVX @DPTR ， A ；刀架電動機開始反轉(zhuǎn)
CALL DELAY ；延時設(shè)定的反轉(zhuǎn)鎖緊時間
SETB ACC.6 ；令PA6=1刀架電動機正轉(zhuǎn)無效
SETB ACC.7 ；令PA7=1，刀架電動機反轉(zhuǎn)無效
MOVX @DPTR ， A ；刀架電動機停轉(zhuǎn)
TEND： RET ；結(jié)束
結(jié) 論
這次課題設(shè)計總計費時一個多月，剛開始不知從何下手，在老師的指導(dǎo)下到圖書館查閱相關(guān)資料，有關(guān)數(shù)控上的資料翻了數(shù)次，又參考了相關(guān)設(shè)計資料，對自己要設(shè)計的題目有了整體上的認識，終于知道該怎么做。接下來選出一系列有價值的資料，與同學(xué)不斷的討論、向老師請教，終于完成了設(shè)計，
在這次設(shè)計中，主要運用了機械設(shè)計、機械原理、機電一體化概論、現(xiàn)代機床設(shè)備、數(shù)控技術(shù)、理論及材料力學(xué)、機械制圖、電工學(xué)、機械設(shè)計手冊等方面的知識，運用這些知識完成了零部件的設(shè)計、計算、校核、制圖。
在數(shù)控時代，面臨著數(shù)控化的普及。作為一個新時代的大學(xué)生，應(yīng)該具有與時俱進的思想以及創(chuàng)新的能力。刀架是數(shù)控機床上的一個主要零部件，它的電動大大減短了工件的加工時間。
在做設(shè)計過程中，不但復(fù)習(xí)了所學(xué)的知識點，還學(xué)到了新的知識，同時將所學(xué)到的知識充分的運用起來，做到了學(xué)以致用，還學(xué)會了查資料，除此之外，我還懂得了團結(jié)合作的重要性，知道了集體的力量！設(shè)計過程中遇到各種各樣的困難是難免的，解決這些困慢的過程實際痛苦有快樂的。當(dāng)最初的困惑和問題都倒在自己腳下時，心中感到無比的快樂。
當(dāng)然在此過程中也有許多不足之處，例如;只是得不全面，所學(xué)的還沒有全部掌握，思維的狹隘等，讓我在畢業(yè)前上了生動形象的一課。
同時，做設(shè)計也是磨練決心與毅力的過程，而面對冗長的數(shù)據(jù)，打印長篇的論文，我也想過放棄，但想到他的意義我就堅持下來。做完了后，有一種豁然開朗的感覺，內(nèi)心激動無比，經(jīng)過了這次設(shè)計之后，我有信心，我也堅信只要努力、堅持，我們就不能走好人生的每一步。
致 謝
大學(xué)四年的時間轉(zhuǎn)眼間就接近了尾聲，在這最后的接近三個月的時間里進行的畢業(yè)設(shè)計是我對四年來所學(xué)的知識有了一個全面的總結(jié)，對今后的工作有了一個初步得了解。
在本次設(shè)計過程中每當(dāng)我遇到問題時，不論何時找到老師，他總耐心的給出詳盡的解答，是我深刻的體會到了閆老師治學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)和知識的淵博。閆老師這種敏銳的學(xué)術(shù)思想和嚴(yán)格的要求是我收獲頗多，在此我衷心的祝愿閆老師事業(yè)蒸蒸日上，家庭美滿幸福。
同時作為設(shè)計組的一員，我得到了同組同學(xué)的大力幫助，沒有我們之間的交流和鼓勵，畢業(yè)設(shè)計是無法完成的。期間我感受到了團隊合作精神的偉大，這將作為我一生的財富運用到今后的工作學(xué)習(xí)中去！
設(shè)計的過程就是將四年的知識串聯(lián)起來，使我在這期間積累了扎實的專業(yè)理論基礎(chǔ)知識,同時也形成了積極的世界觀和人生觀，在此也要感謝學(xué)院為我提供的良好的生活和學(xué)習(xí)環(huán)境。
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