C616臥式車床八工位數(shù)控回轉(zhuǎn)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(shù)控加工的加工精度高，生產(chǎn)率高，能減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)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(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)控化，已經(jīng)成為當今制造業(yè)的發(fā)展方向，所以非常值得我們?nèi)パ芯俊?/p>

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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jīng)濟實用，適合我們我國現(xiàn)階段數(shù)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(nèi)外研究現(xiàn)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(jié)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(shù)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(shù)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(shù)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(jié)論 30

參考文獻 31

致謝 32

摘要 I 摘 要 數(shù)控加工 的 加工精度高，生產(chǎn)率高， 能 減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)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(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)控化，已經(jīng)成為當今制造業(yè)的發(fā)展方向，所以非常值得我們?nèi)パ芯俊? 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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jīng)濟實用， 適合我們我國現(xiàn)階段數(shù)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(nèi)外研究現(xiàn)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(jié)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(shù)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(shù)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(shù)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(jié)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(shù)控車床重要的傳統(tǒng)結(jié)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(chǎn)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(chǎn)率，縮短生產(chǎn)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(shù)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(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構、管理方式，為普通機床演變?yōu)閿?shù)控機床創(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(shù)控水平的高低已經(jīng)成為衡量一個國家制造業(yè)水平高低的標志 ，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)控化，已經(jīng)成為當今制造業(yè)的發(fā)展方向。 當前，數(shù)控車床的發(fā)展很快，特別是適合中 國國情的經(jīng)濟型簡易數(shù)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(chǎn)也日趨活躍。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 數(shù)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(chǎn)品。目前世界數(shù)控機床年產(chǎn)量超過 25萬臺，品種超過 1500種。由于國產(chǎn)數(shù)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(shù)控機床技術發(fā) 展的現(xiàn)狀是： ① 產(chǎn)品成熟度差，可靠性不高 ② 產(chǎn)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(shù)控機床行業(yè)的專業(yè)化零配件及部件的協(xié)作生產(chǎn)配套體系不健全，大多數(shù)企業(yè)都是 “ 大而全、小而全 ” 的結(jié)構模式。 近期我國在數(shù)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(jīng)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(chǎn)企業(yè)占據(jù)經(jīng)濟性刀架的主流市場 。 據(jù)專家 分析預測： ① 數(shù)控機床推廣應用逐步由經(jīng)濟型為主向普及型為主轉(zhuǎn)變。到 2005 年我國機床的數(shù)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(jīng)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(xiàn)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(xiàn)多模式控制 ,為實現(xiàn)高性能系統(tǒng)提供了技術保證。 在的問題 目前數(shù)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(nèi)置 固化 I/O 控制來完成。這種控制的優(yōu)點是實現(xiàn)方便，但對刀架的控制不夠精確。由于刀架的品種繁多，結(jié)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(zhuǎn)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(shù)控刀架是數(shù)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(zhuǎn)刀架）。數(shù)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(jīng)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(chǎn)品開發(fā)進度。特別對于現(xiàn)在發(fā)展迅猛、數(shù)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(nèi)企業(yè)使用最普及的 經(jīng)濟型 就限制了雙向轉(zhuǎn)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(jù)刀架發(fā)訊裝置的不同，設計專用的接口電路。經(jīng)過這樣設計的刀架控制系統(tǒng)可以控制電動單向轉(zhuǎn)、電動雙向轉(zhuǎn)、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(xiàn)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(xiàn) 經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)對雙向轉(zhuǎn)刀架的控制。該刀架控制系統(tǒng)也可以脫離 內(nèi)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(cè)或在 據(jù)各種刀架的控制過程，將刀架運行過程中可能出現(xiàn)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(jīng)濟型數(shù)控機床設計的自動回轉(zhuǎn)刀架， 用單片機作為其控制系統(tǒng)的 具有位處理能力 ,強調(diào)控制和事務處理功能 ， 價格低廉 ，控制可靠的特點。 經(jīng)過反復的檢查和論證，能夠滿足經(jīng)濟型數(shù)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(zhuǎn)刀架就是為了實現(xiàn)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(diào)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(jié)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(shù)控車床來說，在加工過程中刀具的位置不能進行人工調(diào)整，因此必須要有可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構，才能保證回轉(zhuǎn)刀架在每次轉(zhuǎn)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(chǎn)效率。 動刀架的 類型 一般自動刀架的結(jié)構取決于機床的類型、工藝范圍、使用刀具種類和數(shù)量。目前的數(shù)控車床的自動刀架的類型、結(jié)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(zhuǎn)刀架 多為順序換刀，換刀時間短、結(jié)構簡單緊湊、容納刀具少 各種數(shù)控機床、數(shù)控車削中心 轉(zhuǎn)塔頭 順序換刀， 換刀時間短刀具主軸都集中在轉(zhuǎn)塔頭上，結(jié)構緊湊 ,但剛性差 數(shù)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(zhuǎn)塔頭的主軸部件多，結(jié)構復雜，成本高，本 設計 的自動刀架應選為自動回轉(zhuǎn)刀架。 自動 回轉(zhuǎn) 刀架系統(tǒng)的功能分析 ： ① 抬起：為了使刀架能夠轉(zhuǎn)位，回轉(zhuǎn)刀架必須先抬起。 ② 轉(zhuǎn)位 ： 為了完成工件若干個工序的加工，在 回轉(zhuǎn) 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(zhuǎn) 刀架需相應轉(zhuǎn)位 。 ③ 定位 ： 為保證加工精度，在加工時 回轉(zhuǎn) 刀架應精確定位，而在轉(zhuǎn)位時應先將定位銷拔出。 ④ 鎖緊： 刀架在反轉(zhuǎn)后，必須鎖緊才能正常加工工件。 自動刀架 的驅(qū)動裝置 可以 是液壓驅(qū)動 也可以 是 電動驅(qū)動，液壓驅(qū)動的刀架即液壓刀架 ，電動機驅(qū)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(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，從而產(chǎn)生拉緊力。液壓式刀架的特點在于轉(zhuǎn)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(shù)控裝置發(fā)出 換刀 指令后，電動機正轉(zhuǎn)，通過離合器帶動蝸桿旋轉(zhuǎn)，在經(jīng)過蝸輪 帶動軸旋轉(zhuǎn)，從而使刀架抬起，刀架抬起后，電動機繼續(xù)轉(zhuǎn)動帶動刀架轉(zhuǎn)位， 完成轉(zhuǎn)位后，經(jīng)過延時 使電機反轉(zhuǎn)，壓緊刀架。 綜上所述， 液壓自動回轉(zhuǎn)刀架精度高、效率高，但其結(jié)構復雜，成本高。而 電動自動回轉(zhuǎn)刀架相對于液壓回轉(zhuǎn)刀架性能略差，但其結(jié)構簡單、維護方便、成本低，所以非常適合經(jīng)濟型數(shù)控機床，因為本課題中的刀具數(shù)目為八把，數(shù)量較少，應為經(jīng)濟型數(shù)控車床所設計，所以選擇電動自動回轉(zhuǎn)刀架。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 3 總體結(jié)構設計 7 3 總體結(jié)構設計 根據(jù)已選的電動自動回轉(zhuǎn)刀架 ，確定 其工作 流程，見自動回轉(zhuǎn)刀架換刀流程如圖 并 對其進行總體性 結(jié)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(zhuǎn)蝸 輪 - 蝸 桿 減 速螺桿正轉(zhuǎn)銷聯(lián)接螺 桿 - 螺 母上蓋圓盤旋轉(zhuǎn)上刀體抬起端面齒錯開圓柱銷落入上蓋圓盤上刀體旋轉(zhuǎn)到位回答刀架電動機反轉(zhuǎn)接近開關觸發(fā)螺桿反轉(zhuǎn) 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(zhuǎn)圖 動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程 速傳動機構 方 案設計 由于電動機 的 轉(zhuǎn)速太快，不能直接驅(qū)動刀架進行換刀，必須經(jīng)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(jié)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(chǎn)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(jié)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(zhuǎn)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(shù)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?shù)臐櫥蛷埦o措施。 綜合考慮以上各種類型的傳動特點，結(jié)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(jié)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(jié)構復雜、成本較高。 根據(jù)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(zhuǎn)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(jīng)濟型方面考慮， 應采用經(jīng)濟的螺桿 上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當電動機通過蝸桿 為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，所以螺桿的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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?shù)都芴幱诂嵕o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(zhuǎn)動；換刀時電動機正轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)動，完成轉(zhuǎn)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(jié)構設計 9 上蓋圓盤轉(zhuǎn)動方向 上蓋圓盤轉(zhuǎn)動方向 上蓋圓盤轉(zhuǎn)動方向 上蓋圓盤轉(zhuǎn)動方向圖 架轉(zhuǎn)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(nèi)，上蓋圓盤 1 將帶動圓柱銷 2 以及上刀體 4一起轉(zhuǎn)動 c) 上刀體 4連續(xù)轉(zhuǎn)動時，反靠銷 6可從反靠盤 7 的槽左側(cè)斜坡滑出 d) 找到刀位時，刀架電動機反轉(zhuǎn)，反靠銷 6反靠，上刀體停轉(zhuǎn)，實現(xiàn)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?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 落在反靠盤 7的十字槽內(nèi)，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(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(zhuǎn)動（上端圓盤 1 通過圓柱銷與螺桿聯(lián)接），當轉(zhuǎn)過約 170 度時，上端圓盤 1 直槽的另一端轉(zhuǎn)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(nèi)，于是上端圓盤 1就通過圓柱銷 2使得上刀體 4轉(zhuǎn)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(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 上刀體 4 帶動磁鐵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，上蓋圓盤 1通過圓柱銷 2帶動上刀體 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 時，反靠銷 6馬上就會落入反靠圓盤 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)，其直槽的左攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 3 總體結(jié)構設計 10 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嚙合，實現(xiàn)精定位，經(jīng)過設定的延時時間后，刀架電動機停轉(zhuǎn)，整個換刀過程結(jié)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(jù)上述所確定的刀架方案，其結(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(lián)軸器相連， 刀架轉(zhuǎn)位時蝸輪與上刀體直聯(lián)。 由于刀架轉(zhuǎn)動所需的功率較小，所以選取 額定功率 為 1P =90W，額定轉(zhuǎn)速1n =1440r/電動機 ,上刀體設計轉(zhuǎn)速 02 ， 則蝸桿副的傳動比4830/1 4 4 0/ 21 ??? 刀架從轉(zhuǎn)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(jù) 10085薦采用漸開 線蝸桿（ 錐面包絡蝸桿（ 本設計采用結(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)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(shù)。 表 通圓柱蝸桿基本尺寸和參數(shù)選擇及其蝸輪參數(shù)的匹配 中心距a/數(shù) m/度直徑/ 1 3蝸桿頭數(shù)1q 分度圓導程角 ? 蝸輪齒數(shù) 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(zhuǎn)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(zhuǎn)速2 3 0 m 得作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩： 2229 0 0 . 89 . 5 5 9 . 5 5 2 2 . 9 230 ? ? ? ? ? ② 確定載荷系數(shù) K 載荷系數(shù) 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(shù)，因工作載荷在起動和停止時有變化，故取 ?；于轉(zhuǎn)速不高、沖擊不大，可取 。則有載荷系數(shù)： 1 . 1 5 1 . 1 5 1 . 0 5 1 . 3 9 K K?? ? ? ? ? 表 用系數(shù)I 荷性質(zhì) 均勻、無沖擊 不均勻、小沖擊 不均勻、大沖擊 每小時起動次數(shù) 〈 25 25 50 起動載荷 小 較大 大 確定彈性影響系數(shù)有關手冊查得彈性影響系數(shù) 12160 P?。 ④ 確定接觸系數(shù)a 的比值1 從圖 。 圖 柱蝸桿傳動的接觸系數(shù)確定許用接觸應力 ? ?H?根據(jù)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(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時每個齒輪嚙合的次數(shù) j=1；蝸輪轉(zhuǎn)速2 3 0 / m 蝸桿副的使用壽命 10000則應力循環(huán)次數(shù)： 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(shù)： 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(shù)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(shù)1 1z?,設模數(shù) m=蝸桿分度圓直徑1 20d 這時1 / 由圖 數(shù) ?。因為?,因此以上計算 結(jié)果可用。 桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 由 蝸桿和蝸輪的基本尺寸和主要參數(shù)，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(shù) 與 尺 寸 頭數(shù)11z?，模數(shù) 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(shù)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(shù) * 1，徑向間隙系數(shù) * ，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(shù)與尺寸 齒數(shù)2 48z ?，模數(shù) m=分度圓直徑為 ： 22 1 . 6 1 8 7 6 . 8d m z m m? ? ? ?變位系數(shù) ： 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(shù)； Y?—— 螺旋角影響系數(shù)； ? ?F?—— 蝸輪的許用彎曲應力，單位為 由蝸桿頭數(shù)1z=1，傳動比 i=48，可以算出蝸輪齒數(shù)2148z 。 則蝸輪的當量齒數(shù)：22 3 4 8 . 4 6c o sv ??根據(jù)蝸輪變位系數(shù)2 1x ?和當量齒數(shù)2 ，查 手冊 得齒形系數(shù) ：2 螺旋角影響系數(shù)： 1 0 . 9 6 7140Y ?? ? ? ?? 根據(jù)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(shù)： 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(shù)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(cè)工作 ? ?0F? ?雙側(cè)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(zhuǎn)位時，要求螺桿在轉(zhuǎn)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(shù)的確定 采用單頭梯形螺紋，頭數(shù) 1?n ,牙側(cè)角 ??15? ，外螺紋大徑（公稱直徑）01 ? ，牙側(cè)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)有關。如齒數(shù)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(jié)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(xiàn)轉(zhuǎn)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(cè)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(zhuǎn)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(shù)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(jié)構 ，其 參 數(shù) 計算 如下 。 ① 齒數(shù)