车床六角回转刀架系统数控改造.docx
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车床六角回转刀架系统数控改造
目录
1方案设计3
1.1自动刀架的基本形式和应满足的要求3
1.1.1自动刀架的形式3
1.1.2自动刀架的基本要求和功能分析4
1.2初步确定自动刀架的方案4
2总体结构设计6
2.1减速传动机构方案设计6
2.2上刀体锁紧与精定位机构设计6
2.3刀架抬起机构设计7
3自动回转刀架的工作原理8
3.1自动回转刀架的换刀流程8
3.2自动回转刀架的换刀过程中有关销的位置9
4主要传动部件的设计计算10
4.1蜗杆副的设计计算及电动机的选择10
4.1.1蜗杆的选型10
4.1.2蜗杆副的材料10
4.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计11
4.1.4蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸12
4.1.5校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度13
4.2螺杆的设计计算13
4.2.1螺距的确定13
4.2.2其他参数的确定13
4.2.3自锁性能校核14
5锁紧定位机构的设计14
5.1端齿盘设计14
5.2端齿盘的特点15
5.3端齿盘主要参数的设计计算15
5.3.1齿数z的确定16
5.3.2端齿盘外径d16
5.3.3端齿盘齿形角16
5.3.4齿根角(啮合斜角)17
5.3.5最大齿距(周节)t和最大齿厚B18
5.3.6齿顶高h及啮合高度18
5.3.7齿宽(径向)F19
5.3.8齿底槽宽b和齿顶宽b119
6电气控制部分设计19
6.1自动控制系统设计19
6.2单片机选型20
6.3硬件电路的设计21
6.4硬件电路主要电子元件的工作原理22
6.4.1霍尔元件的工作原理和特性22
6.4.2霍尔开关的工作原理24
6.4.3光电耦合器的工作原理25
6.4.48255芯片的工作原理26
6.5控制软件的设计26
6.5.1换刀工作原理的程序流程图27
6.5.2程序的实现方法27
参考文献29
1方案设计
普通的机械零件的加工制造过程中,大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等非切削时间上,切削加工时间仅占整个工时中较小的比例。
为了缩短非切削时间,充分发挥机床的效率,通常采用“工序集中”的原则。
常见的自动回转刀架就是为了实现上述功能而设计的。
1.1自动刀架的基本形式和应满足的要求
1.1.1自动刀架的形式
图1.1a)所示为螺母升降转位刀架,电动机经联轴器、蜗轮副带动螺母旋转,螺母举起刀架使上齿盘与下齿盘分离,随即带动刀架旋转到位,然后给系统发信号螺母反转锁紧。
图1.1回转刀架的形式及其工作原理图
图1.1b)所示为利用十字槽轮来转位及锁紧刀架(还要加定位销),销钉每转一周,刀架便转1/4转(也可设计成六工位等)。
图1.1c)所示为凸台棘爪式刀架,蜗轮带动下凸轮台相对于上凸轮台转动,使其上、下端齿盘分离,继续旋转,则棘轮机构推动刀架转90º,然后利用一个接触开关或霍尔元件发出电动机反转信号,重新锁紧刀架。
图1.1d)所示为电磁式刀架,它利用了一个有10kN左右拉紧力的线圈使刀架定位锁定。
图1.1e)所示为液压式刀架,它利用摆动液压缸来控制刀架转位,图中有摆动阀芯、拨爪、小液压缸;拨爪带动刀架转位,小液压缸向下拉紧,产生10kN以上的拉紧力。
这种刀架的特点是转位可靠,拉紧力可以再次加大,但其缺点是液压件难制造,还需一套液压系统,有液压油泄漏及发热问题。
1.1.2自动刀架的基本要求和功能分析
①基本要求:
1)满足工艺要求机床依靠刀具和工件间的相对运动形成工作表面,而加工工件的表面形状和表面位置多种多样,要求刀架尽可能布置足够的刀具,换刀时间短,能够方便而正确地加工各工件表面。
2)保证足够高的重复定位精度在刀架上安装刀具时应能精确地调整刀具的位置,以保证刀具和工件间准确的相对位置,而且精度保持性要好,以便长期保持刀具的正确位置。
3)具有足够的刚度刀架在粗车时要承受很大的切削力,所以刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度。
由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖的位置,对于数控车床来说,在加工过程中刀具的位置不能进行人工调整,因此必须要有可靠的定位方案和合理的定位结构,才能保证回转刀架在每次转位之后,具有尽可能高的重复定位精度。
4)提高可靠性由于刀库和自动换刀装置在机床工作过程中,使用频率很高,所以必须充分重视它的可靠性。
5)缩短换刀时间自动刀架是为了提高机床的自动化而设置的,因而它的换刀时间应尽可能的短,以利于提高生产效率。
②功能分析:
1)抬起:
为了使刀架能够转位,回转刀架必须先抬起。
2)转位:
为了完成工件若干个工序的加工,在回转刀架上固定着6组刀具,为使各组刀具能依次参加工作,回转刀架需相应转位。
3)定位:
为保证加工精度,在加工时回转刀架应精确定位。
1.2初步确定自动刀架的方案
通过上述对自动刀架的形式和应满足要求的对比分析,1.1e)所示形式的液压式刀架的特点在于转位可靠,拉紧力大,但其缺点是液压件难制造,还需多一套液压系统,有液压油泄漏及发热问题。
1.1a)所示形式的电动刀架应用广泛,通用性强,所用电动机为普通三相异步电动机,已经标准化,直接选用即可,无需额外设计,节省设计成本,电动自动回转刀架相对于液压回转刀架性能略差,但其结构简单、维护方便、成本低,所以非常适合经济型数控机床。
因为本课题中的刀具数目为六把,数量较少,应为经济型数控车床所设计,故初步决定选用1.1a)所示形式的电动刀架。
电动刀架的初步方案简图如下图2.2所示。
图2.2电动刀架简图
其工作原理为:
当数控装置发出换刀指令后,电动机正转,通过联轴器带动蜗杆旋转,在经过蜗轮带动轴旋转,从而使刀架抬起,刀架抬起后,电动机继续转动带动刀架转位,完成转位后,由微动开关发出信号使电机反转,压紧刀架。
一般电动自动刀架的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量。
目前的数控车床的电动自动刀架的类型、结构特点和适用范围见表1.1。
表1.1电动自动换刀装置的类型
类别形式
特点
适用范围
回转刀架式自动换刀装置(也称转塔式刀架)
应用普遍,多为顺序换刀,换刀时间短、结构简单紧凑、容纳刀具少
各种数控机床、数控车削中心
带刀库的自动换刀装置
链式回转刀库
顺序换刀,需机械手辅助换刀,刀具容量大,成本高,结构复杂
多用于加工中心
盘式回转刀库
刀具可沿刀库主轴轴向、径向或斜向安放,不需机械手可直接换刀,刀具容量较链式刀库小
多用于加工中心
通过对比以上形式可以看出带刀库的自动换刀装置刀具容量大,但主轴部件多,结构复杂,成本高,考虑到本设计为6刀自动换刀系统,刀具较少,且从降低成本的角度出发,故刀架形式选为自动回转刀架。
2总体结构设计
2.1减速传动机构方案设计
普通的三相异步电动机因转速太快,不能直接驱动刀架进行换刀,必须经过减速机构进行减速。
表2.1为几种常用减速传动机构的比较。
表2.1几种常用减速传动方式的比较
传动方式
特点
应用场合
摩擦轮传动
运转平稳、噪声小、可在运转中平稳地调整传动比、有过载保护作用、结构简单、轴和轴承上的作用力很大、有滑动
常用于摩擦压力机、摩擦绞车、机械无级变速器以及各种仪器
带传动
主从动轮的轴间距范围大、工作平稳、噪声小、结构简单、传动平稳、缓冲吸振、造价低廉、安装方便、但外型轮廓较大
多应用于传动中心距较大的场合
齿轮传动
效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长、传动比稳定、制造及安装要求高、价格较贵
不宜用于传动距离过大的场合
蜗杆传动
传动比大、零件数目少、结构紧凑、冲击载荷小、传动平稳,噪声低、具有自锁性
可用于空间交错轴的运动和动力的传动,两轴线交错的夹角可为任意值,常用的为90°
考虑到本设计减速比较大,且为立式刀架,需改变传动运动方向,要求自锁,因此综合比较之后选用蜗杆副减速。
蜗杆传动单级传动能得到很大的传动比,传动平稳,无噪声,冲击载荷小,且能优化整体结构,做到外型轮廓小,结构紧凑,固选用蜗杆传动。
2.2上刀体锁紧与精定位机构设计
由于刀具直接安装在上刀体上,要承受很大的切削力,所以其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。
刀盘的定位主要有齿盘定位和定位销定位两种方式。
定位销定位精度保持性不高,只能顺序换刀,局限于转位精度不高,负荷较小的场合。
多齿盘不但能在切向、径向起到定位作用,还不受回转误差的影响,定位精度高,刚性好,因而应用广泛。
结合本机要求任意换刀,最后决定采用多齿盘定位。
本设计上刀体的锁紧与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。
当刀架处于琐紧状态时,上下端面齿相互啮合,这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动;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。
2.3刀架抬起机构设计
要想使上、下刀体的两个端面齿脱离,就必须设计合适的机构使上刀体抬起。
从经济型方面考虑,应采用经济的螺杆-螺母副,在上刀体内部加工出内螺纹,当电动机带动螺杆绕中心轴转动时,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,上刀体就与螺杆一同转动。
设计螺杆时要求选择适当的螺距,以便当螺杆转动一定角度时,使得上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。
图2.1为自动回转刀架的传动机构示意图,详细的装配图见图纸。
图2.1自动回转刀架的传动机构示意图
1--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—蜗杆副9—反靠销10--圆柱销11--上盖圆盘12—上刀体
3自动回转刀架的工作原理
3.1自动回转刀架的换刀流程
自动回转刀架的换刀流程如图3.1所示。
图3.1自动回转刀架的换刀流程
当数控装置发出换刀指令后(设刀架当前处于锁紧状态即上刀体与下刀体的端面齿相互啮合),电动机正转,通过电动机正传带动蜗杆正转,再经过蜗轮带动螺杆转(通过键联接),作为螺母的上刀体(在上刀体内部加工出内螺纹)要么转动,要么上下移动,此处设计为电动机正转时上刀体向上移动,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作为螺母的上刀体向上移动,从而使刀架抬起,在螺杆旋转的同时也带动上盖圆盘一起旋转(通过螺杆上部的圆柱销和上盖圆盘的销联接),当刀架完全抬起后,端面齿脱离啮合,上刀体上部的圆柱销落入上盖圆盘,上盖圆盘就通过圆柱销带动一同转动,从而实现了上刀体的转位,再通过霍尔元件触发判断上刀体是否转到了工作位置。
完成转位后,由微动开关发出信号使电机反转,通过电机反转带动蜗杆反转,再经过蜗轮带动螺杆旋转(通过键联接),螺杆旋转的同时也带动上盖圆盘一起旋转(通过销联接),上盖圆盘通过上刀体上部的圆柱销带动上刀体开始反转,上刀体下部的反靠销马上就会落入反靠圆盘的十字槽内,反靠销反靠,上刀体停转,至此,实现粗定位。
螺杆的继续转动使上刀体下降,最后至上刀体的端面齿与下刀体的端面齿完全啮合,实现精定位,电动机停转,再延时锁紧,整个换刀过程至此结束。
3.2自动回转刀架的换刀过程中有关销的位置
图3.2表示自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置。
图3.2刀架转位过程中销的位置
a)换刀开始时,圆柱销2与上盖圆盘1可以相对滑动
b)上刀体4完全抬起后,圆柱销2落入上盖圆盘1槽内,上盖圆盘
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- 车床 六角 回转 刀架 系统 数控 改造