目录 引言 - 3 - 1、总体结构设计 - 4 - 1.1减速传动机构的设计 - 4 - 1.2上刀体锁紧与精定位机构的设计 - 4 - 1.3刀架抬起机构的设计 - 4 - 1.4自动回转刀架的工作原理 - 4 - 2.主要传动部件的设计 - 6 - 2.1蜗杆副的设计计算 - 6 - 2.1.1蜗杆的选型 - 6 - 2.1.2蜗杆副的材料 - 6 - 2.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计 - 6 - 2.1.4蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸 - 8 - 2.1.5校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 - 9 - 2.2螺杆的设计计算 - 10 - 2.2.1螺距的确定 - 10 - 2.2.2其它参数的确定 - 10 - 2.2.3自锁性能校核 - 10 - 3.电气控制部分的设计 - 11 - 3.1硬件电路设计 - 11 - 3.1.1收信电路 - 11 - 3.1.2发信电路 - 11 - 3.2控制软件设计 - 13 - 4.总结 - 17 - 参考文献 - 18 - 引言 数控系统由于功能适宜.价格便宜. 用它来改造车床，投资少、见效快、成为我国“七五”、“八五”重点推广的新技术 之一。十几年来，随着科学技术的发展，经济型数控技术也在不断进步，数控系统产品不断改进完善. 并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性、更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。对于原有老的经济型数控车床，特别是 80 年代末期改造的设备，由于种种原因闲的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题。通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高了生产效率，创造更大的经济效益。数控车床主要由主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动系统及数控装置组成。数控车床的出现对提高生产率改将产品质量以及改善 劳动条件和提高效率上发挥了重要的作用。特别是经济型老车床对刀等还需要手动完成，以及在 加工一个零件过程中，更换刀具，装卸零件，测量和搬运零件用于大部分时间占辅助时间长的刀具交换和刀具尺寸调整。加工时间相对较短，为缩短加工辅助时间，充分发挥数控机床的功能，进一步压缩非切削时间，数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的发展方向。在这类多工序的数控机床中必须带有自动换刀装置， 在多工序数控机床出现之后.又逐步发展和完善了各类回转刀具的自动更换装置，扩大了换刀数量，以便有可能实现更复杂的换刀操作，在自动换刀数控机床上，自动换刀装置应满足换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具储存量，换刀安全可靠等要求。 数控车床主要由主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动系统及数控装置组成。数控车床的出现对提高生产率改善产品质量以及改善劳动条 件等发挥了重要的作用。传统的车床例CA6140 的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进，为了能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发挥数控机床 的效率，采用“工序集中”的原则，采用自动回转刀架。数控车床上使用的自动回转刀 架是一种最简单的换刀装置，自动回转刀架是在一定的空间范围内， 能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。 对于自动回转刀架， 根据装刀数量的不同， 自动回转刀架分有四工位、六工位和八工位等形式。根据安装的不同方式，自动回转 刀架可分为立式和卧式。而根据机械定位方式不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等。其中端齿盘定位型换刀时要将刀架抬起，换刀速度较慢且密 封性差。 1、总体结构设计 1.1减速传动机构的设计 普通的三项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，采用蜗杆副减速时最佳选择。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。 1.2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。本设计上刀体的锁进玉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，上下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴旋转；换刀时电动机正转，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。 1.3刀架抬起机构的设计 要想使上、下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计适合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-涡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啮合，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。当端面齿脱离啮合时，上刀体就与螺杆一起转动。 设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定的角度时，使得上刀梯与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。 自动回转刀架的传动机构示意图，详细的装配图在图纸上。 图1.1 刀架结构 发信盘 2、推力轴承 3、螺杆螺母副 4、端面齿盘 5、反靠圆盘 6、三相异步电动机 7、联轴器 8、螺杆副 9、反靠销 10、圆柱销 11、上盖圆盘 12、上刀体 1.4自动回转刀架的工作原理 自动回转刀架的换刀流程如下图。 图上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啮合状态（上下端面齿在图中未画出）。 需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三项异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动蜗杆正向转动，与螺杆配合的上刀体 4 逐渐抬起，上刀体 4 与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘 1 也随着螺杆正向转动（上盖圆盘1 通过圆柱销与螺杆联接），当转过约 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（此时端面齿已完全脱开）。 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。 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。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，开始下降，而上盖圆盘 1 继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销 2的头部压入上刀体 4 的销空内，之后，上盖圆盘 1 是下表面开始与圆柱销 2 的头部滑动。再次期间，上、下刀体的端面齿逐渐啮合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可以稳定地工作。 图1.2 自动回转刀架的换刀流程图 2.主要传动部件的设计 2.1蜗杆副的设计计算 自动回转刀架的动力源是三相异步电动机。其中蜗杆与电动机直联，刀架转位时蜗轮与上刀体直联。选择电动机额定功率 90W。额定转速 n1= 1500r/min，上刀体设计转速 n2 =30r/min，则蜗杆副的传动比 i =n1 / n2 =1500/30=50。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，启动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命 Lh =10000h。 2.1.1蜗杆的选型 GB/T10085-1988 推荐采用渐开线蜗杆（ZI蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。本设计采用结构简单，制造方便的渐开线型圆柱蜗杆（ZI型）。 2.1.2蜗杆副的材料 刀架中的蜗杆副传动的功率不大，但蜗杆转速高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为45～55HRC，以提高其表面耐磨性；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜 ZCuSn10P1，采用金属模制造。 2.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计 刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，进行载荷计算时，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式 a≥ [KT2（ZEZP/[σH]）2]1/3 式中 a--蜗杆副的传动中心距，单位 mm； K--载荷系数； T 2 --作用在涡轮上的转矩 ，单位 N.mm； Z E--弹性影响系数，单位 MP 1/2 Z p--接触系数； [σH]--许用接触应力，单位为 MPa。 从式中算出蜗杆副的中心距 a 之后，根据已知的传动比 i=50， 查表选择一个合适的中心距 a 值，以及相应的蜗杆，蜗轮参数。 自动回转刀架的动力源是三相异步电动机。其中蜗杆与电动机直联，刀架转位时蜗轮与上刀体直联。选择电动机额定功率 90W。额定转速 n1= 1500r/min，上刀体设计转速 n2 =30r/min，则蜗杆副的传动比 i =n1 / n2 =1500/30=50。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，启动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命 Lh =10000h。 GB/T10085-1988 推荐采用渐开线蜗杆（ZI蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。本设计采用结构简单，制造方便的渐开线型圆柱蜗杆（ZI型）。 刀架中的蜗杆副传动的功率不大，但蜗杆转速高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为45～55HRC，以提高其表面耐磨性；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜 ZCuSn10P1，采用金属模制造。 刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，进行载荷计算时，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式 a≥ [KT2（ZEZP/[σH]）2]1/3 式中 a--蜗杆副的传动中心距，单位 mm； K--载荷系数； T 2 --作用在涡轮上的转矩 ，单位 N.mm； Z E--弹性影响系数

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