数控车床自动回转刀架的优质毕业设计.doc

毕业设计（论文）

题目 数控车床自动回转刀架设计

院 系
专 业
年 级
学生姓名
学生学号
指导老师 职称

完成毕业设计（论文）时间 年 月

目录
绪论…………………………………………………………………………………………………1
第一章 数控车床回转刀架概述 1
1.1数控车床刀架介绍 1
1.2数控车床刀架分类 1
第二章 回转刀架方案选择 1
2.1数控车床回转刀架基础要求 …………………………………………………………1
2.2 立式数控回转刀架结构特点………………………………………………………….2
2.3刀架参数确实定…………………………………………………………………………..3
2.4动力源选择及方案选择结果…………………………………………………………..4
第三章 回转刀架工作原理及过程 5
3.1电动刀架工作原理 5
3.2四方刀架关键组成部分 5
第四章 回转刀架设计及计算 6
4.1夹紧力计算 6
4.2最大切削扭矩 7
4.3单工位换刀时间 7
4.4定位精度……………………..…………………………………………………………...9
第五章 主传动机构设计和标准件选择 10
5.1初拟传动方案……………………………………………………………………………10
5.2选择步进电动机…………………………………………………………………………10
5.3蜗轮蜗杆设计 10
5.4中心轴强度校核 11
第六章 刀架电气设计 16
6.1刀架电气控制……..…………………………………………………………………..16
6.2回转刀架PLC控制……………………………………………………………………...17
第七章 总结……………………………………………………………………………………....20
致谢 20
参考文件 21

数控车床自动回转刀架设计

摘要 数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道甚至全部加工工序，以缩短辅助时间和减小数次安装工件所引发误差，必需带有自动换刀装置。数控车床上回转刀架就是一个最简单自动换刀装置，这次设计自动回转刀架含有转位快，定位精度高，切向扭矩大等特点，原理采取蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧工作原理。
关键词: 数控车床 回转刀架 特点 原理

绪论
毕业设计是培养学生实践关键步骤之一,它是在大学教学课程，机械课程设计，金工实习等教学步骤基础上进行。毕业设计关键目标是培养我们综合利用所学基础知识、专业知识和专业技术知识及技能来分析、处理通常工程技术问题，使我们建立正确设计思想，掌握工程设计通常程序规则和设计方法，为走上工作岗位打下一定基础。
中国部分刀架回转原理为电机经弹簧理合器带动蜗杆，再由蜗轮带动蜗杆旋转，当刀架转体时，由霍尔元件不停检测刀架转体是否到位，到位后霍尔元件发出信号，然后反转锁紧。关键采取有销盘、内齿盘，外齿盘组成三端齿定位机构实现正确定位。其控制部分关键选择MCS-51系列单片机和ATMEL企业AT89等同类产品进行控制。
在自动换刀数控机床上，自动回转换刀装置应满足换刀时间短，刀具反复定位精度高，足够刀具储存量，换刀安全等部分可靠要求。

第一章 数控车床回转刀架概述
1.1 数控车床刀架介绍
数控车床关键有主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动装置及数控系统组成。数控车床出现对提升生产率改善产品质量和改善劳动环境发挥了关键作用，传统车床比如CA6140刀架上只能装一把刀，换刀速度缓慢，换刀后还需重新对刀而且精度不高，生产效率低，不能适应该代化生产需要，所以必需对车床换刀装置进行改善，为了能在工件一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，降低因数次安装引发加工误差，充足发挥数控车床加工效率，采取“工序集中”标准，采取自动回转刀架。数控车床上使用自动回转刀架是一个最简单换刀装置，自动回转刀架在一定空间范围内，能自动实施松开、转位，精密定位等一系列动作一个机构。
1.2 数控车床刀架分类
数控车床刀架系统关键有回转刀架、排式刀架和带刀库自动换刀装置等多个形式。
对于回转刀架，依据装刀数量不一样，自动回转刀架分为四工位、六工位、八工位等；依据安装方法不一样，自动回转刀架分为立式和卧式。本文设计为四工位立式回转刀架。

第二章 自动回转刀架方案选择
2.1 数控车床自动回转刀架基础要求
数控车床回转刀架基础要求：
（1）四工位立式。
（2）转位正确可靠，多种平稳安全。
（3）按最短路线就最近选位，转位时间短。
（4）反复定位精度高。
（5）防水、防屑、密封性优良。
（6）夹紧刚度高，适宜重负荷切削。
CK6140为经济性数控车床。其设计刀架可和数控车床数控系统接口相连接，又可配置简易数控系统，辅助主机完成轴类、盘类等零件车外圆、端面、圆弧、刀槽、车螺纹、镗孔加工工序。
根据数控车床回转刀架基础要求和CK6140车床实际情况，本设计初选刀架为简易型四工位电动机回转刀架。
2.2 立式数控回转刀架结构特点
立式数控回转刀架结构特点：
①设置端齿盘作精定位元件。
②采取霍尔开关（无触电霍尔元件）作信号传输控制，避免了机械接触延长了使用寿命。
③能够借助双重粗定位机构，使刀架回转平稳。
④含有防水防滑作用。
2.3 刀架参数确实定
中心高：中心高是数控车床回转刀架关键参数。初选中心高为110㎜。其型号及具体规格如表2—1：

表2—1
型号
中心高mm
工位数
单工位时间 s
刀架转速
r/min
最大切力矩
电动机功率
W
电动机转速
r/min
最大载重
kg
反复定位精度
mm
外形尺寸
mm
AK21110
-4M
110
4
2.5
25.4
450
120
1400
28
±2
367×200×230

2.4 动力源选择及方案选择结果
驱动回转刀架动力可分为电动机传动和液压传动两类。通常情况下只在卧式数控机床回转刀架中使用液压传动，而其它均为电动刀架，故对CK6140在选择时应取电动机作为回转刀架动力源。经过对数控车床回转刀架基础要求，结构特点，动力源及基础参数分析，能够得出CK6140回转刀架设计方案以下：
(1) 立式简易型。
(2) 伺服电动机直接驱动。
(3) 中心高为110mm，工位数为4。
(4) 采取霍尔开关作为信号传输控制元件。
(5) 转位时刀架需要抬起，高度为5mm。

第三章 回转刀架工作原理及过程
3.1电动刀架工作原理
系统发出换刀信号，刀架电机正转继电器动作，电机正转，经过减速机构和升降机构将上刀体上升至一定位置，离合盘起作用，带动上刀体旋转到所选择刀位，发讯盘发出刀位信号，刀架电机反转继电器动作，电机反转，完成初定位后上刀体下降，齿牙盘啮合，完成正确定位，并经过升降机构锁紧刀架。
3.2 四方刀架关键组成部分

图3—1四方刀架零件图
1-直流伺服电机；2-联轴套；3-蜗杆；4-蜗轮；5-刀座；6-齿盘；7-刀架；8-球头销；9-转位套；10-电刷座；11-发信体；12-螺母；13﹑14-电刷；15-粗定位销

上图所表示为四方刀架零件图，其工作过程为：刀架抬起-刀架转位-刀架定位-夹紧刀架。
⑴ 刀架抬起
当数控装置发出换刀指令后，电动机1开启正常，经过套筒联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动涡轮丝杠4转动。刀架体7内孔加工有螺纹，和螺纹丝杠旋合，涡轮和丝杠为整体结构。涡轮丝杠内孔和刀架中心轴式间隙配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，涡轮丝杠绕中心轴旋转。当涡轮开始转动时，因为刀架底座5和刀架体7上端面齿处于啮合状态，且涡轮丝杠轴向固定，所以刀架体7抬起。
⑵ 刀架转位
当刀架体抬至一定距离后，刀架底座5和刀架体7端面体脱开，转位套9用销钉和涡轮丝杠4联接，随涡轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开时转位套恰好转过160°，球头销8在弹簧力作用下进入转位套9槽中，带动刀架体转位。
⑶ 刀架定位
刀架体7转动时带动着电刷座10转动，当转到程序指定刀号时，粗定位销15在弹簧力作用下进入粗定位盘6槽中进行粗定位，同时电刷13接触导体使电动机1翻转。因为粗定位槽限制，刀架体7不能转动，使其在该位置垂直落下，刀架体7和刀架底座5上端面齿啮合实现正确定位。
⑷ 夹紧刀架
电动机继续反转，此时涡轮停止转动，蜗杆轴3本身转动，当两端面齿增加到一定夹紧力时，电动机1停止转动。
译码装置由发信体13﹑14组成，电刷13负责发信号，电刷14负责位置判定当刀架定位出现过位或不到位时，可松开螺母12，调好发信体11和电刷14相对位置。
刀架在正向旋转过程中不停对刀位输入信号进行检测，图所表示，每把刀具各有一个霍尔位置检测开关。各刀具按次序依次经过发磁体位置产生对应刀位信号。当产生刀位信号和目标刀位寄存器中刀位相一致时候，PLC认为所选刀具已到位。

第四章 回转刀架设计及计算
4.1 夹紧力计算
夹紧力计算可由下式计算：

式中：

查阅CA6140车床参数，把各项代入，计算得

4.2 最大切削扭矩
回转刀架最大切削扭矩和机床最大切削力相关，查阅CA6140技术资料估算最大切削力为450N·m。（此数据参考于烟台机床附件厂AK21110-4M型数控回转刀架）
4.3 单工位换刀时间
单工位换刀时间和刀架转速，松开速度和夹紧机构配合相关。
T =t1×t2×t3×t3×t4×t5×t6
其中： t1─ 刀架正转时间；
t2─ 升降机构动作时间；
t3─ 粗定位动作时间；
t4─ 电动机反转时间；
t5─ 刀架座下降并刹紧完成时间；
t6─ 继电器延长时间。
由上式能够了解到单工位换刀时间和各个机构设计和配合有极其亲密关系。（参考烟台机床厂生产AK21110-4M型机床）初选换刀时间T=2.5＜3s，符合技术要求。
4.4定位精度
回转刀架反复定位精度关系到零件加工精度，由此知精度也是关系机床质量关键技术指标。根据CK6140一般车床参数，初步确定回转刀架精度为0.005mm。

第五章 主传动机构设计和标准件选择
5.1 初拟传动方案
电动回旋刀架刀架转速n=25.5r∕min，电动机转速为1400r∕min，试确定传动比i≈1400／25.4=55。故选择含有较大传动比蜗杆传动。
5.2 选择步进电动机
①电动机所需要功率
PＮ=
式中T(N·m)--输出转矩，nw(r/min)----电主轴所需要转速。由以上计算初选电动机功率为120～200w.
②确定步进电动机
由p=120～200w可查得列表4.8-16，比较以下列表5-1。
表5-1
型号
齿距角
最大静转矩
最高空载开启频率（步/秒）
运行频率（步/秒）
相数
电压
V
电流
A
外径

长度
重量
45BF003Ⅱ
3/6
2
3100
1200
3
60
2
45
82
0.38
70BF001
1.5/3
4
400
1600
5
60
3.5
70
90
1.6
90BF003
1.5/3
20
1500
8000
3
60
5
90
125
4.2
注：该表查阅于李洪主编《式样机车设计手册》，辽宁科学技术出版社。其中，最大静转矩单位：㎏·㎝
考虑到步进电动机和联轴器配合及合理安装尺寸，在其满足功率前提下优先选择尺寸较小便于安装，拆卸，清理，维护型号，比较三个型号功率，再比较三者外径和安装尺寸，45BF003Ⅱ型号步进电动机显著优越和后者。
5.3 蜗轮蜗杆设计
⑴选择蜗杆传动类型，精度等级:8C—GB10089—88。
⑵选择材料
考虑到蜗杆传动功率不大。速度中等，故蜗杆用45号钢表面淬火，硬度为45～55HRC，考虑到工作延续，蜗轮边缘采取铸锡磷青铜，ZcuSn10P1金属模铸造。
⑶初选几何参数
查适当中心距a=50，传动比ⅰ=51时，
Z１=1 Z2= Z１×i=51
⑷确定许用应力［］
查得悉当蜗轮材料为铸青铜时，
［］=［］·Z·Z;
查得：［］=220Mp;
查得： Z=0.87;
查得Z=0.81，许用应力为：
［］=［］·Z·Z=220×0.87×0.81=155 Mp
⑸计算蜗轮输出转矩T：
T=9550×=9550×=31.31N·m
⑹求载荷系数k
已知：K=k·k·k·k·k·k;
设v时，k=1;查表，八级精度时，k=1；因为连续运转，得；k=1；由表查得；由表查得k=1.52；由表查得k=1.15；由表查得k=0.75
K=1×1×1×1.52××1.15×0.75=1.311
（7）关键尺寸计算
蜗杆分度圆直径：d=20㎜
蜗轮分度圆直径：d=mZ=1.6×51=81.6㎜
圆整取蜗轮分度圆直径为82㎜，则中心距：
a=0.5（d+ d+2xm）=0.5×（20+82+0）=51㎜
5.4 中心轴强度校核
⑴选材及轴向固定方法
因为中心轴速度较低，传动力矩不大，故选择通常钢材45号钢（217--255HBS）调质.中心轴和蜗轮在轴向固定上采取紧固螺钉固接方法，固定螺钉用孔形式和尺寸(Q/ZB146—73)。
⑵轴向估算
查得：

d-危险断面轴径，计算圆整后参见；
p-计算轴传动额定功率；
p-电动机额定功率；
-从电动机到该轴传动效率；
-轴计算转速。

参与表，圆整后选择轴直径d=28.0mm。
⑶零件在轴上轴向固定方法
该轴和零件间距小，低速轻载，故选择结构简单，定位可靠轴套定位。
⑷轴弯曲强度验算
①挠度验算：

y-验算部位计算挠度值；-许可挠度值；
-验算部位计算转角值；-许可转角值；
因为轴两端均为固定，故其类型为“两端狡支架”，且轴在蜗轮安装处受径向力和扭矩最大，其载荷和内力分布图4-1所表示。

AC段:

CD段:

BD段:
查表得
②转角值验算

得
⑸中心轴各段长度分配
该轴各段直径相差不大，计算精度要求不高，极能够把该轴看作等径轴。直径能够取各段直径之和除以段数得到平均值。
⑹中心轴扭转刚度验算

查得,
＜
故扭转刚度符合要求。
⑺联轴器选择
常见联轴器已标准化，在选择时能够依据载荷特点，工作情况和条件适宜类型，再依据轴传输转矩及参数选择。
(N·m)
式中：-联轴器公称转矩N·m；
T-轴传输理论转矩N·m;
p-驱动功率KW;
-工作转速r/min;
k-工作系数， 可知k=1.5:2.5取k=2
(N·m)

该联轴器是连接步进电动机和蜗杆，在工作过程中能够有轻微震荡，且频繁开启，故选择有弹性元件挠性联轴器，如TL，HL，ZL，型。试选三个类型进行比较如表5-2。
表5-2

名称

型号

转矩范围

转速范围
赔偿量
角向△a
轴向
径向
弹性套柱

销联轴器
TL
6.3～16000
8800～800
/
0.2～0.6

TLL
125～16000
380～1000
/
0.3～0.6

弹性轴销联轴器
HL
7100～630
7100～630
～3
0.1～0.25

HLL
5600～710
5600～710
～2.5
0.1～0.25

弹性柱销联轴器
EL
4000～460
4000～460
.5～5.0
0.3～0.5

综合比较后，依据回转刀架传动特点和运动特征而选择TL型联轴器。
⑻弹簧选择
在该设计中弹簧关键作用是：在回转刀架回刀过程中，刀架抬起使弹簧拉伸。在刀架正常转位后，弹簧回复到原来状态，其拉伸范围不大受到拉伸力亦不大。在选择时应确保：在交变和冲击载荷下，其应力不超出其屈服极限。所以对材料要求含有较高疲惫强度。屈服极限和一定冲击任性。
冷卷弹簧多用冷拉并经过热处理优质碳素弹簧钢，卷后不再淬火，只需经过低温回火以消除内应力即可。热卷弹簧完成后必需先淬火再经回火处理。得出选择弹簧材料时65较适宜。 表5-3
钢号
淬透尺寸
钢号
淬透尺寸
碳素弹簧钢
7
50
30
65
15
50
45
60
25
65
50
⑼轴承选择
①初选轴承型号
依据已经轴直径和工作条件初选C1803型轴承。
②计算两轴承当量载荷：P1、P2
轴承Ⅰ：＜e=0.4
查得：，
轴承I在工作中少许冲击，故p
由材料，取 fp=1.5 得p=1.5×2800=4200N
轴承Ⅱ：＞e
由材料查： ，
轴承Ⅱ在工作中中等冲击，故
⑽选择霍尔元件
电压：
式中：-霍尔系数；
I-控制电流（mA）:
B-磁感强度；
n-载流子浓度；
q-电子电荷量；
u-迁移率
考虑到回转刀架中位移检测需要和各霍尔元件特点，比较后用开关型硅集成霍尔元件，其参数以下表5-4
表5-4
磁通密度
电源
电压（v）
电源
电流（I）
输出电压
输出电压
L—H
H—L
L
H
-35
+7.5
405～24
7～13
≤4
电源电压
25
选择霍尔元件霍尔圈时，材料应选择铝合金，强度高，耐腐蚀，耐高温，还能够很好保护霍尔元件。
⑾离合器选择
依据电动回转刀架具体工作环境，选离合器为牙嵌式离合器。次类型离合器靠牙齿间相互齿合传输扭矩，结构简单，体积小，没有相对滑动，但运动中结合有冲击和噪音，适合低速或静态下离合。

第六章 刀架电气设计
6.1 刀架电气控制
⑴刀架电气控制基础组成
刀

架
刀

架

电

机

接触器
继电器
线路

CNC

PLC

实施信息
指令信息

检 测 和 霍 尔 元 件

图6-1刀架电气控制基础组成
（2）刀架电气控制原理图6-2所表示
AC380V AC22OV 系统I/O模块
QF1
SQ1
FR

KA1
KA2
KM1
QF1
24V
0
1号刀
2号刀
3号刀
4号刀
+24E
0
X 2.1
X2.2
X2.3
X2.4

24E
X 2.7
X2.5
X2.6

Y2.4
Y2.5
DOCCOMM

KA1
KA2
KM2
KM1
KM2
M
3~

KM1 KM2 +24V 0V
图6-2刀架电气控制原理图

6.2 回转刀架PLC控制
（1）自动回转刀架换刀步骤
刀架电机正传
蜗杆正传
上盖圆盘旋转
上刀抬起
端面齿错开
圆柱销落入上盖
上刀体旋转
到位回复
刀架电机反转
蜗杆反转
上下齿盘合紧销定位
上刀体下降，粗定位
精定位
延时锁紧
电动机停转

图6—3自动回转刀架换刀步骤
(2) 自动回转刀架换刀步骤图
开始换#N刀

Y
刀架电机停转
#N刀转到工作位置吗

#N刀在工作位置吗

刀架电机正转
N
N
Y

N
稍作延时
刀架电机反转
延时锁紧
延时时间到否
换刀结束
Y
N

图6-4自动回转刀架换刀步骤图
（3）I/O地址分配表6—1
表6—1
1号刀
X2.1
刀架正转
Y2.4
2号刀
X2.2
刀架反转
Y2.5
3号刀
X2.3
刀架锁紧
X2.5
4号刀
X2.4
热继电器
X2.6

空气开关
X2.7

总结
数控车床上使用回转刀架是一个简单自动换刀装置。自动换刀装置换刀时间和可靠性直接影响到整个机床质量。因为数控机床切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，而且在加工过程中刀尖位置不能进行人工调整，所以回转刀架在结构上必需有良好强度和钢度，和合理定位结构，以确保回转刀架在每次转位后含有尽可能高反复定位精度。
本设计用尽可能简单机械传动结构和电器控制装置及对应检测元件，在微机监控下能自动完成特定转角，自动正确定位。经过选择可靠定位方案和合理定位机构，使刀具含有较高反复定位精度，同时换刀时间短。
在这次设计中，从理论到实践，在这段日子里，能够说得是苦多于甜，不过能够学到很多很多东西，同时不仅能够巩固了以前所学过知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过知识。经过这次课程设计使我知道了理论和实际相结合是很关键，只有理论知识是远远不够，只有把所学理论知识和实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提升自己实际动手能力和独立思索能力。在设计过程中碰到问题，能够说得是困难重重，但可喜是最终全部得到了处理。 同时我们要发扬实习期间能力和精神，成为社会有用人才，为自己开创美好未来。我们立即踏入工作岗位，这次毕业设计为我们未来打下坚实基础，让我们愈加好适应工作环境，同时业锻炼了我们坚忍不拔，迎难而上精神。锻炼了我们发觉问题，处理问题能力。这是我最终学习目标，现在学习为就是以后在工作当中熟练利用，期望能在未来工作中，运动到这次所学到知识

致谢
时间飞逝，弹指间，多个月过去了，我毕业设计也圆满完成，我这次设计离不开葛卫国老师辛勤指导，为此我想对葛老师说声——老师您辛劳了。
在这次设计中我深感我知识欠缺，我也更明白了“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”道理，每当我在设计最终到不能处理问题是葛老师总是不厌其烦给我讲解，直到我把问题处理。同时也得到了我同学帮助，在此我对全部帮助我老师和同学表示感谢。

关键参考文件
1 廉元国 主编 《加工中心设计和应用》 机械工业出版社，
2 薛彦成 主编 《公差配合和技术测量》 机械工业出版社，
3 曹琰 主编 《数控机床应用和维修》 电子工业出版社，
4 龚仲华 主编 《数控技术》 机械工业出版社，
5 连赛英 主编 《机床电器控制技术》 机械工业出版社，
6 朱理 主编 《机械原理》 高等教育出版社，
7 郁有文 主编 《传感器原理》 西安电子科技大学出版社，
8 王三民 主编 《机械原理和设计》 机械工业出版社，
9 曾励 主编 《机电一体化系统设计》 高等教育出版社，
10 张祖继 主编 《机械制图》 高等教育出版社，
11 廖常初 主编 《可编程序控制器》 重庆大学出版社，

CNC lathe automatic rotary turret design

Summary CNC machine tools for multi-channel or all manufacturing processes to reduce the auxiliary time and reduce errors caused by multiple installations of the workpiece can be completed in a fixture of the workpiece, with automatic tool changer. The rotary turret CNC lathe is one of the most simple automatic tool changing device this design Automatic rotary turret has indexable fast, high positioning accuracy, tangential torque characteristics, the principle of a worm drive, the upper and lower teeth plate engagement screw clamping works.

Keywords: CNC lathe rotary turret features principle