数控车床自动回转刀架设计.doc

1、毕业论文（设计）题 目 数控车床自动回转刀架设计 姓 名_ _系 别_机 电 工 程 系_专 业_ _年 级_指导教师_word文档 可自由编辑年 月 日目 录摘 要4ABSTACT5第一章 引言6第一节 概述6第二节 数控车床自动回转刀架的发展趋势6第三节 本设计的主要内容7第二章 回转刀架方案选择8第一节 数控车床回转刀架的基本要求8第二节数控车床立式回转刀架的结构特点8第三节 刀架参数的确定9第四节 动力源的选择及方案选择结果9第三章 回转刀架的工作原理及过程11第一节回转刀架的构成11第二节回转刀架的工作过程11第四章 传动机构的设计和标准件的选取13第一节初拟传动方案13第二节 选择

2、步进电动机13第三节 蜗杆蜗轮的设计14第四节 蜗杆轴的设计17第五节 中心轴的设计22第六节 齿盘的设计23第七节 联轴器的选择26第五章 安装调试和精度检验27第一节安装调试27第二节精度检验27第三节 维护与保养29第四节 故障及排除29第六章 总 结31致 谢32参 考 文 献33word文档 可自由编辑摘 要数控车床的刀架是机床的重要组成部分。随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等等。本设

3、计主要是对立式四工位电动刀架机械传动部分的设计，对关键零部件进行了设计校核，并运用AutoCAD软件，做出了回转刀架装配图，对电动刀架有了更直观的了解。最后，在电动刀架的安装调试和精度检验方面，提出了意见和措施。关键词: 数控车床 回转刀架 结构设计 AutoCAD 第一章 引言第一节 概述数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。随着数控车床的不断发展，刀架结构形式也在不断翻新。其中按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多

4、种形式。其中，带刀库的数控加工中心自动换刀装置自1958年研制成功以来，其机械结构和控制方式不断得到改进和完善，形式多种多样，目前常见的有更换主轴头换刀以及带刀库的自动换刀系统。第二节 数控车床自动回转刀架的发展趋势数控刀架的发展趋势是：随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。目前国内数控刀架以电动为主，分为立式（如图1-1）和卧式（如图1-2）两种。立式主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。另外，卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，并正确实施

5、控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等等。另外，加工工艺适应性和连续稳定的工作能力也明显提高：尤其是在加工几何形状较复杂的零件时，除了控制系统能提供相应的控制指令外，很重要的一点是数控车床需配备易于控制的电动刀架，以便一次装夹所需的各种刀具，灵活方便地完成各种几何形状的加工。数控刀架的市场分析：国产数控车床将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种。 图 1-1 立式回转刀架 图1-2 卧式回转刀架第三节 本设计的主要内容本次设计主要是针对数控车床立式四刀位电动回转刀架的机械传

6、动部分的设计，主要内容为： 回转刀架刀架参数的确定； 回转刀架动力源的选择； 回转刀架传动机构的设计和标准件的选取； 回转刀架的安装调试和精度检验；第二章 回转刀架方案选择第一节 数控车床回转刀架的基本要求数控刀架作为数控机床必需的功能部件，直接影响机床的性能和可靠性。数控车床回转刀架的基本要求： 转位准确可靠，工作平稳安全； 按最短路线就近选位，转位时间短； 重复定位精度高； 防水、防屑、密封性优良； 夹紧刚度高，适宜重负荷切削。CK6140为经济性数控车床。其设计的刀架可与数控车床的数控系统接口相连接，又可配置简易的数控系统，辅助主机完成轴类、盘类等零件的车外圆、端面、圆弧、刀槽、切断、车

7、螺纹、镗孔的加工工序。按照数控车床回转刀架的基本要求和CK6140车床的实际情况，本设计初选刀架为立式简易型四工位电动机回转刀架，采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，机械螺母升降转位式的工作原理。第二节数控车床立式回转刀架的结构特点数控车床立式回转刀架的结构特点： 设置端齿盘作精定位元件； 采用霍尔开关（无触点霍尔元件）作信号传输控制，避免了机械接触，延长了使用寿命； 可以借助双重粗定位机构，使刀架回转平稳； 具有防水防滑作用。第三节 刀架参数的确定刀尖高是数控车床回转刀架的主要参数。国内生产的立式数控车床回转刀架的中心高一般有51245mm共计八个规格（具体参见参考文献1表3.15-4）。因此，参照

8、烟台机床附件厂生产的AK21110-4M型回转刀架，初选刀尖高为110mm。其型号及具体规格如表2-1：表2-1 刀架参数型 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Nm电动机功 率W电动机转 速r/min最大载重Kg重复定位精度mm外形尺寸mmAK21110-4M11042.525.44501201400282第四节 动力源的选择及方案选择结果驱动回转刀架的动力可分为电动机传动和液压传动两大类。一般情况下只在卧式数控机床回转刀架中使用液压传动，而其余均为电动刀架，故对CK6140在选用时应取电动机作为回转刀架的动力源。通过对数控车床回转刀架的基本要求，结构特点，动力源

9、及基本参数的分析，可以得出CK6140回转刀架的设计方案如下： 立式简易型； 伺服电动机直接驱动； 刀尖高为110mm，工位数为4； 外形尺寸为200200252（长宽高）； 采用霍尔开关作为信号传输控制元件； 转位时刀架需要抬起，高度为5mm。第三章 回转刀架的工作原理及过程第一节 回转刀架的构成立式数控车床回转刀架由固定部分（刀架基座或下刀体），转动部分（刀架座或上刀体）和驱动电动机三部分组成，并采用了卧轴外露式电动机布局。第二节 回转刀架的工作过程本设计回转刀架的工作原理为机械螺母升降转位式。工作过程可分为刀架抬起、刀架转位、刀架定位并压紧等几个步骤，如图3-1所示，其工作过程如下： 刀

10、架抬起当数控系统发出换刀指令后, 通过接口电路使电机正转, 经传动装置2、驱动蜗杆蜗轮机构1、蜗轮带动丝杆螺母机构8逆时针旋转 ,此时由于齿盘3、4处于啮合状态，在丝杆螺母机构8转动时，使上刀架体产生向上的轴向力将齿盘松开并抬起,直至两定位齿盘3、4 脱离啮合状态,从而带动上刀架和齿盘产生“上台”动作。 刀架转位当圆套8逆时针转过150时，齿盘3、4完全脱开，此时销钉准确进入圆套8中的凹槽中，带动刀架体转位。 刀架定位 当上刀架转到需要到位后（旋转90、180或270），数控装置发出的换刀指令使霍尔开关9 中的某一个选通,当磁性板10 与被选通的霍尔开关对齐后,霍尔开关反馈信号使电机反转,插销

11、7在弹簧力作用下进入反靠盘 5地槽中进行粗定位，上刀架体停止转动，电机继续反转，使其在该位置落下，通过螺母丝杆机构7使上刀架移到齿盘3、4 重新啮合, 实现精确定位。 刀架压紧刀架精确定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿盘增加到一定夹紧力时， 电机由数控装置停止反转，防止电机不停反转而过载毁坏，从而完成一次换刀过程。图3-1 回转刀架第四章 传动机构的设计和标准件的选取第一节 初拟传动方案参考烟台机床附件厂生产的AK21110-4M电动回转刀架的刀架转速n=25.4r/min,电动机的转速为1400r/min，初步确定传动比。故选用具有较大传动比的蜗轮蜗杆传动。第二节 选择步进电动机一、电动

12、机所需要的功率查参考文献1表3.15-4的AK21110-4M电动回转刀架的电动机功率P=120W,转速n=1400r/min。二、确定步进电动机由P=120W可查参考文献1表4.8-16，可得以下几种型号电动机的主要指标，如下表4-1所示。表4-1 电动机主要技术指标型号主要技术数据外型尺寸（mm）重量齿距角最大静转 矩最高空载启动频 率（步/秒）运行频率（步/秒）相数电压v电流A外径长度轴径45BF0033/62310012003602458240.3870BF0011.5/34400016005603.5709061.690BF0031.5/3201500800036059012594.

13、2考虑到步进电动机与联轴器的配合及合理的安装尺寸，在其满足功率的前提下优先选择尺寸较小便于安装、拆卸、清理、维护的型号，比较三个型号的功率如下：45BF003，P=120W；70BF001，P=210W；90BF003，P=300W,考虑三者的外径和安装尺寸45BF003型步进电动机明显优越于后者，故综合考虑选择45BF003型步进电动机比较合适，查参考文献1表4.8-17选取45BF003型步进电动机配用的驱动电源型号为BQG1-002。第三节 蜗杆蜗轮的设计一、选择蜗杆传动类型、精度等级由于传动的功率不大，速度也不高，故选用阿基米德圆柱蜗杆传动，精度为：8C-GB10089-88。二、选择

14、蜗杆蜗轮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4555HRC，蜗轮边缘采用ZCuSn10P1,金属模铸造。三、初选几何参数查参考文献2表8-4-4，初定中心距,传动比时， r=43426四、确定许用接触应力查参考文献2表8-4-9知,当蜗轮材料为铸青铜时，由表8-4-10查得滑动速度：采用浸油润滑，由参考文献2图8-4-2查得：根据参考文献2表8-4-4,，设计工作寿命t=12000小时，求得根据，由图8-4-4查得，许用接触应力为五、计算蜗轮输出转矩T2估算传动效率六、确定模数m和蜗杆分度圆直径d1由公式可得：因载荷较平稳，取载荷系数k=1.1,则查参考文献2

15、表8-4-2得，取m=2mm，d1=22.4mm，q=11.2，r=568。七、主要尺寸计算蜗杆:分度圆直径：d1=22.4mm；齿顶圆直径：；齿根圆直径：； 蜗轮：分度圆直径：；齿顶圆直径：；齿根圆直径：；蜗轮外圆直径：，取de2=108mm蜗轮齿宽：,取b2=18mm中心距：八、蜗轮齿面接触强度校核由参考文献2表8-4-9，可得由于几何参数已经确定，故k与T2可按已知的几何参数重新计算由参考文献2表8-4-15用插值法查得，则蜗轮副啮合效率为取轴承效率，搅油及溅油效率，则蜗杆传动的总效率为：由此可得：由于，由参考文献2表8-4-9取k1=1,k2=1,k3=1,k4=1.52,k5=1.1

16、5， k6=0.75，则将此时的k与T2代入蜗轮齿面接触强度校核公式，得：显然，所以满足接触强度要求。九、散热计算由公式得，传动损耗的功率为：由公式和设计要求可推出：考虑到通风良好，取,t1=95,t2=20，则若蜗杆减速部分散热的计算面积A不满足以上条件，可以采用强迫冷却方法或增加散热计算面积的方法来满足散热要求。第四节 蜗杆轴的设计一、蜗杆轴的材料选择及确定许用应力考虑蜗杆轴主要传递我轮的转矩，为普通用途中小功率减速传动装置。因此，蜗杆材料选用45钢，正火处理，,。二、初步估算轴的最小直径由公式得：取dmin=6mm三、确定各轴段的直径和长度根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及

17、直径和长度,如图4-1所示。 图4-1 蜗杆轴D1、D5段：D1、D5 段轴径由轴承内圈孔来决定，考虑到轴所传递功率不大，转速较低，选用推力球轴承，型号为51100，d=10mm，d1=11mm，D=24mm，D1=24mm，T=9mm。因此，轴径d1=d5=10mm，L1=20mm，L5=70mm。D2、D4段：D2段左端对轴承起轴向固定作用，D2段右端对轴承起轴向固定作用，由于两处轴承型号相同，考虑到加工安装的方便，取d2=d4=16mm，L2=55mm，L4=55mm。D3段：D3段为蜗杆蜗轮啮合部分，取d3=22mm，L3=50mm。两轴承的中心跨度为174mm，轴的总长为250mm。

18、四、蜗杆轴的校核 作用在蜗杆轴上的载荷由公式得：则圆周力：轴向力：径向力:图4-2 蜗杆轴向受力分析切向力： 计算支反力 图4-3 轴的水平面支反力水平面支反力（如图4-3）：垂直面支反力（如图4-4）： 弯矩计算水平面弯矩（如图4-5）:图4-5 水平弯矩图图4-6 垂直弯矩图图4-7 合成弯矩图垂直面弯矩(如图4-6)：合成弯矩（如图4-7）： 弯扭合成强度校核截面C处当量弯矩：由参考文献3公式（17-5）可得故蜗杆轴的强度足够。第五节 中心轴的设计一、中心轴的材料选择及确定许用应力由于中心轴速度较低，传动力矩不大，为空心轴，故选用一般钢材45号钢，调质，硬度为217255HBS，。二、计

19、算轴所传递的转矩轴所传递的转矩为三、初步估算轴的最小直径由公式可得式中：d危险断面处的轴径，mm P计算轴传动的额定功率；KWn轴的计算转速,r/min取轴的直径d=17mm四、确定各轴段的直径和长度根据各个零件在轴上的定位和装拆方案，确定轴的形状及直径和长度，如图4-8所示。图4-8 中心轴D1段：根据安装要求和估算最小直径，取d1=17mm，L1=50mm。D2段：D2段与轴承配合，其直径由轴承内径决定，结合实际工作情况，选择推力球轴承，型号为：511404，d=20mm，d1=21mm，D=35mm，D1=35mm，T=10mm。因此，d2=20mm，L2=65mm。D3段：取d3=22

20、mm，L3=93mm。D4段：D4段与轴承配合，其直径由轴承内径决定，结合实际工作情况，选择推力球轴承，型号为：511405，d=25mm，d1=26mm，D=42mm，D1=42mm，T=11mm。因此，d4=25mm，L4=30mm。第六节 齿盘的设计一、齿盘的材料选择和精度等级上下齿盘均选用45号钢，淬火，180HBS，初选7级精度等级。二、确定齿盘参数考虑齿盘主要用于精确定位和夹紧，齿形选用三角齿形，上下齿盘需相互啮合，可选相同参数。当蜗轮轴旋转150时，上刀架上升5mm，齿盘的齿高取4mm。由公式得：取ha*=1.0, c*=0.25，则取标准值m=2mm齿盘齿全高:齿盘内圆直径d1

21、=140mm，齿盘外圆直径d2=160mm。齿顶高：齿根高 齿数:z=100齿宽:b=10mm齿厚:齿盘高为10mm三、校核齿根弯曲疲劳强度校核公式为： 确定有关计算参数和许用应力 取载荷系数k=1.5 齿形系数查参考文献3表13-7，取 应力修正系数查参考文献3表13-7，取 弯曲疲劳强度极限查参考文献3图13-7，得： 弯曲疲劳强度寿命系数查参考文献3图13-9查得： 弯曲疲劳强度安全系数取弯曲疲劳强度最小安全系数 SF=1.4 计算许用弯曲应力 校核齿根弯曲疲劳强度满足弯曲疲劳强度要求。第七节 联轴器的选择常用联轴器已标准化，在选用时可以根据载荷特点、工作情况和条件合适的类型，再根据轴传

22、递的转矩及参数选择。由参考文献1公式（3.13-1）得式中：Tn联轴器公称转矩；T轴传递理论转矩；P驱动功率；KW；工作转速；r/min；k工作系数，取k=2由于联轴器是连接步进电动机和蜗杆的，在工作过程中可能有轻微振动，且频繁启动，故选用弹性套柱销联轴器，如TL、HL、ZL型。查参考文献1表3.13-8选择TL1型弹性套柱销联轴器，其标记为：第五章 安装调试和精度检验第一节 安装调试在安装时请参阅本说明并认真核对与本说明相应的装配图。另外在安装过程中还应注意：（1） 刀架需要安装在配套的中拖板（其安装刀架上平面的平面度误差允许值为0.006 mm）上。安装应保证刀架刀盘上的刀具刀尖与机床主轴

23、中心等高；一般可以在刀架与中拖板间加垫板来调整，垫板的厚度由实际中心高测定。（2） 刀具和机床用4个螺钉和2个圆销连接，中间没有过渡垫板。在刀架刹紧状态下，应调整转塔轴线与机床主轴轴线平行度在0.02mm以内。（3） 在刀盘上安装刀夹和刀具时，应最大限度的保护重量平衡，使刀架转动平稳和防止刀盘过冲。（4） 刀架发调装置在出厂前已调好，在安装时其参数一般情况下不可随意调整。（5） 数控系统与发调系统连接时，必须注意并严格分清线号及颜色，不可将线接错。（6） 刀架安装调试完毕后，应首先接线试机。电源接通后如发现电动刀架不能转动等异常现象应立即关闭电源，调换电机电源相序，然后再通电试机。第二节 精度

24、检验本说明严格参照JB267082，并执行数控卧式车床标准JB436986。本设计主要针对电动回转刀架，所以在精度检测这一环节中仅针对与本设计相关的精度进行检测。表5-1 回转刀架的精度检验序号检测项目允许误差检验工具检验方法（参照JB2670有关条文）D=800800=D=1500G11转塔工具孔轴线与与主轴轴线的重合度：a,在平面内；b,在次平面内a和b专用指示器和专用夹具将指示器固定在主轴端专用检具上，使其测头触及转塔工具孔表面，或触及紧密插入工具孔中检测棒表面。0.030.04G12转塔附属工具安装在基准端面对主轴轴线的垂直度.a和b同上a和b0.075/100指示器指示器固定在主轴端

25、步专用检具上，使其测头触及专转塔基面；使主轴旋转并检测。检测时应接近主轴端部G13转塔工具孔轴线对溜板移动的平行度.a,b同上a和b指示器和检测棒将检测棒紧密装入转塔工具孔中。固定指示器，使测头触及检验棒表面，将检验棒旋转180度再同样测一次0.0200.030G14转塔附具定位面的精度：a,定位面对溜板移动的平行度;b,定位面的同一度a：在100测量长度上0.020 b：0.025指示器固定指示器，使其测头触及转塔安装基面，每个工序需检测一次G15转塔附具安装基面的精度：a,安装基面对溜板移动的平行度b,定位面的同一度a：在100测量长度上0.020 b：0.025指示器固定指示器使其测头触

26、及转塔安装基面，每个工序均需检测G22回转刀架的重复定位精度0.010指示器和检测棒检测棒在回转刀架的工具孔或附孔其中，固定指示器，使其测头沿回转刀架切线方向触及检验棒表面上，记下指示器读数，将转塔由测试位置移出，转位360度再移至测试位置，记录读数，至少检验7次，每个工位均需检验G11G15是回转刀架体的刀，夹具安装基准的位置对主轴旋转轴线，导轨之间的关系，也影响刀具，夹具的正确安装。G22是回转刀架的重复定位精度，也影响被加工零件（批量）的尺寸分散度，根据回转刀架的特征，采用了检测棒与指示器配合，在现场易于实施的检验方法，误差计算也规定位易于计算的极值法。即位置偏差的最大值与最小值之差值。

27、它与数理统计法比较，同一次测量，其计算结果前者反映的误差值较后者较小，计算方法，前者简单，后者复杂。若按数理统计的计算关系式，他们之中存在着一定的关系，各有特点。根据用途，这两种计算方法均应用。第三节 维护与保养（1）为了保持机床工作时的安全，应定期对刀架做精度检查，一般一年一次为好。（2）定期对刀架各运动部位添加足够的润滑脂，一年添加一次为宜。（3） 一年保养电机一次，其中包括检查，润滑和更换轴承等。（4） 刀具切削力不应超过额定值。否则，会引起刀架变形，使加工精度降低，甚至损坏刀具和刀架。（5） 每班清扫刀盘上的铁屑。第四节 故障及排除一、刀架无法启动（1） 检查电源是否接通。（2） 检查

28、电机电源相序是否接对。（3） 检查电机线圈的阻抗，当电机线圈短路或断路时更换电机。（4） 电机启停频繁而过热，热敏电阻保护装置指示电机停转，应等待电机冷却再启动。二、刀架无法停在预定位置上（1） 检查刀盘上的刀夹和刀具安装是否保持平衡。（2） 检查发讯装置磁钢与霍尔元件是否错位或者损坏。（3） 检查电磁离合器是否通电。三、刀盘无法刹紧（1） 检查发讯装置磁钢与霍尔元件的位置是否对正。（2） 检查电磁离合器是否通电。四、刀架连续运转无法停止（1） 检查系统线路是否通畅。（2） 调换磁钢正反面。第六章 总 结数控车床上使用的回转刀架也是一种简单的自动换刀装置。自动换刀装置的换刀时间和可靠性直接影响

29、到整个机床的质量。本次设计采用了四工位回转刀架，通过电机驱动，蜗轮蜗杆的传动，有效的实现了缩短辅助时间,减少多次安装零件引起的误差。本次设计的四工位自动回转刀架结构比较简单，满足时间短,刀具重复定位精度够,以及安全可靠等基本要求。回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力和减少刀架在切削力作用下的位移变形，提高加工精度。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀架部位要进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后具有高的重复定位精。设计过程中所涉及的内容有机械设计、机械传动等方面的知识，这次毕

30、业设计，是对所学知识运用能力的一次锻炼，从而使对所学基础理论和专业技能有机的结合起来，提高自己的知识运用能力和解决工程实际问题的能力。 致 谢随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过一个月的奋战，我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前,觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。这次毕业设计使我明白了自己所学知识还比较欠缺,自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中,我会不断的学

31、习，努力提高自己知识和综合素质。知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。在此要感谢我的指导老师李江涛老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，提高了自己动手的能力，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响，在设计过程中所学到的东西将是我最大收获和财富，使我终身受益。参 考 文 献1 李洪.实用机床设计手册M.沈阳：辽宁科学技术出版社，19992 吴宗泽.机械设计实用手册M.北京：化学工业出版社，19993 徐起贺.机械设计基础M.北京：科学出版社，20074 王志伟，孟玲琴.机械设计基础课程设计M.北京：北京理工大学出版社，20075 韩鸿鸾，吴海燕.数控机床机械维修M.北京：中国电力出版社，20086 刘静香.工程力学M.郑州：河南科学技术出版社，20067 王永章，杜君文，程国全.数控技术M.北京：高等教育出版社，20018 王爱玲.数控机床故障诊断与维修M.北京：机械工业出版社，2009word文档 可自由编辑