数控车床电动刀架设计.docx

1、数控车床电动刀架设计数控车床电动刀架设计摘要数控车床今后将向中高当发展，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，预计近年来对数控刀架需求量将大大增加。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。 本部分主要对四工位立式电动刀架的机械设计和应用继电-接触控制系统控制部分的设计。并对以上部分运用AUTOCAD做图，对电动刀架有更直观的了解。最后的提出了对电动刀架提出了意见和措施。关键词 ：数控刀架 ； 电动刀架 ； 四工位 AbstractNumerical control there is in

2、 the future lathe to in will develop,the middle-grade to adopt popular numerical control knife rest form a complete set, adopt the motive force type knife rest top-gradly, have such varieties as knife rest of hydraulic pressure , servo knife rest , vertical knife rest ,etc. concurrently, it is estim

3、ated that will increase to numerical control knife rest demand greatly in recent years. The development trend of the numerical control knife rest is: With the development of numerical control lathe, numerical control knife rest begin to change one hundred sheets , electric liquid is it urge and urge

4、 direction develop while being servo to make up fast. Some originally design and is it continue electricity to use to four worker location vertical electronic machinery of knife rest mainly- exposed to control system control some designs. And use AUTOCAD to pursue to the above part , have an more oc

5、ular knowledge of electronic knife rest. The last proposition has put forward the suggestion and measure to the electronic knife rest.Keyword： Numerical control knife rest ； Electronic knife rest ；Four engineering location绪 论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，分为立式和卧式两种。立式

6、刀架有四、六工位两种形式，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：国产数控车床今

7、后将向中高档发展，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，近年来需要量可达10001500台。数控刀架的高、中、低档产品市场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，是机床的故障高发点。这就要求设计的刀架具有具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的特点。它的原理采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。第1章 数控自动刀架总体介绍1.1 数控自动刀架的设计背景电动刀架是数控车床重要的传统结构数控刀架的高、中、低档产品市场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，是机床的故障高发点。随着数控车床的发展，

8、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，分为立式和卧式两种。立式刀架有四、六工位两种形式，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。在本次设计中我主要负责设计一只四工位立式电动刀架的机械设计和应用继电-接触控制系统控制部分的设计。1.2 设计准则我们的设计过程中，本着以下几条设计准则1） 创造性的利用所需要的物理性能和控制不需要的物理性能2） 判别功能载荷及其意义3） 预测意外载荷4） 创造有利的载荷条件5） 提高合理的应力分布和刚度而重量达到最轻6）

9、应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸7） 根据性能组合选择材料8） 在储备零件与整体零件之间精心的进行选择9） 进行功能设计以适应制造工艺和降低成本的要求1.3 主要技术参数（1）最大许用力矩（Nm）Mq 100 Mx 200 Ms 100（2）重复定位精度：（mm）0.005（3）电机功率(w) 20（4）电机转速（rpm）12501.4 本章小结初步了解了设计题目（电动刀架）及发展概况，设计背景，对刀架有了一些印象，对整理设计思路 安排设计时间有很好的辅助作用。对一些参数的进行了解同时按准则要求来完成设计。1-1第2章 自动刀架电气说明书2.1 电动刀架系统现结合图2-1来讨论电动刀架的相关问

10、题。 图2-1电气原理图2.1.1 电动刀架及其工作原理电动刀架的机械部分类似于蜗轮机构，实现刀具的抬升、旋转（交换刀具位置）及下降锁紧，这里着重讨论实现上述动作所必须的硬件条件和电路原理。在图2-1中，继电器KA1,KA2实现电动刀架的动作切换控制，主要完成刀架电机的正、反转切换。在刀架旋转过程中，每个工位上的霍尔元件会依次切换为有效状态，系统根据T1,T2,T3及T4状态的变化，可以推断出目前的刀号，并判断是否为当前所选用刀具，一旦符合，则电机反向旋转，锁紧刀具。电动刀架各时序的切换及间隔是系统控制的关键，反向锁紧所用时间取决于电动刀架生产厂家有推荐指标，过长会引起电机发热甚至烧毁。为保证

11、电动刀架安全运动，在电动刀架交流380V进线处加装快速熔断器和热继电器。2. 1. 2 电动刀架动作过程数控系统调刀代码开始执行时，或行动调刀时，首先输出刀架正转信号，使刀架旋转，当接收到指定的刀具的到位信号后，关闭刀架正转信号，延迟50ms时间后，刀架开始反转而进行锁紧，并开始检查锁紧信号，当接收到该信号后，关闭刀架反转信号，延迟时间，并对电机制动。换刀结束。程序转入下一程序段继续执行。如执行的刀号与现在的刀号（自动记录）一致时，则换刀指令立刻结束，并转入下一程序段执行。我根据上述描述的换刀动作过程，做了如下动作流程图2-2图2-2自动换刀流程图动作流程图2-22.1.3 技术说明在设计过程

12、中要求自动刀架能够按事先编定的程序动作，也能按照手动脉冲信号的给定依次动作。这次设计的是四工位刀架，其动作如下：1， 微机要刀：要刀信号PLC 设备响应 电机正转- 刀架上升旋转霍尔元件发出信号电机反转刀架锁紧电机过流发出中断信号应答加工CP其中应用8位单片机实现PLC的控制，其它有关技术要求，规范在其它章节有详细说明2 ，手动要求CP电机正转刀架上升刀架旋转霍尔元件发出信号电机反转刀架下降锁紧电机过流发出中断信号应答加工CP程序调试1） 按文字标记记在电气箱插头上电动刀架插头和接口电源插头。所接的2根电缆管内有4根线。3根线接车床总开关后的 三相电源。一根黄绿线接系统地线，另管内7根导线定义

13、如下：棕：1#绝对要刀 蓝：2#绝对要刀红：3#绝对要刀 黄：4#绝对要刀绿：微机柜+1224V 白：回刀信号黑：微机柜+1224V5橙：5#绝对要刀 紫：6#绝对要刀2） 刀架电气箱固定在车床操作人员可能触及的部位，先将SA2置于手控位，按一下按钮，SB3刀架转位90度，如刀架不动，红灯长亮，表示电源反相序了，需要到正相序再次试车，用户要求将代暖气箱安装杂机床内部，参看2#电路原理图2.1.4 接口注意事项使用绝对要刀时，如微机不具备收到回答信号再启动下道程序功能，编程信号宽度应大于最大可能运动时间2.1.5 在装调中，可能出选的异常现象及原因1孔壳带电，烧断保险丝原因：火地线反。插头松动，

14、电机短路2红灯亮 ，不动作原因：三相电源反相序或缺相3.手动或微机信号，刀架不动原因：检查开关位置是否准确4.刀架定位不准原因：刀架发讯盘松动，移动5 刀架运转不停原因：开关位置错误，按钮短路，探头断线6 某刀位不动原因：接口烧坏或接口断线7 绿灯不亮原因：保险丝断或未拧紧，或插头插反8 电气控制失灵原因：夹刀过紧，刀台变形霍尔元件的选取根据工作所需要及其它方面的具体要求：选型： HK831其工作电压：4.4V9V截止电源电流：6MA输出低电压：0.4V高电平输出电流：10A 其工作温度范围：-2055如下： 图 2-3 微机送出信号控制手控硅二极管的控制级 图2-4 电机过流时信号采集电路表

15、2-1 元件明细表： 序号名称 型号 图表 数量 备注 1继电器JQX-11F-002 KA7，KA8 2无座 2 继电器 HF4098DCDV KA1 KA6 7 3保险管座 BH003-5 4 4 保险管 5X20MM12.5A FU1 3 5保险管 5X20MM11.0A FU2 1 6钮子开关 KN6-102 SA1，SA2 2 7 按钮 AN4 SB3 1 8 稳压器 LM7812 IC 1 9 发光二极管 BT325PG H1 1 绿色 10 二极管 BT225 H2 1 红色 11 二极管 IN4002 V9V12 7 12 雪崩二极管 BZX8.2 V13 1 13 电容器 0

16、1F/40V C4 1 14 全桥整流器 PB151M V14V17 1 400V/1A 15 全桥整流器 WO4 VAa,Vab 2 16 电阻器 RX20-16T R4 1 17 电阻器 RJ-2W R1R3，R5 4 18 电阻器 RJ114W R6R8 3 19 电容器 DC11B C1 1 20 电容器 CJ-01F/16V C3 1 21 电容器 CD11B C4 1 22 电容器 CL C7C9 3 23 接叉件 CA-14JZ2/KA X1 1 24接叉件 CA-14JWKA X2 1 25 霍尔元件 HK831 BM14 42.1.6 PLC控制说明（1）技术说明在设计中要求

17、自动刀架能够按预先编定的程序动作，也按照手动脉冲技术信号的给定而依次动作。其控制的T功能过程可以如图来表示图2-5 过程图其工作过程如下：微机要刀：要刀信号PLC设备响应电机正转刀架上升刀架旋转旋转到霍尔元件发出信号电机反转刀架锁紧电机过流发出中断信号应答加工其中应用8位单片机实现PLC的控制，其它有关技术要求，规范另详手动要刀 手动按钮压下电机正转刀架上升刀架旋转到位霍尔元件发讯电机反转刀架下降锁紧电机过流发出中断信号应答加工在设计中采用OMRON公司系列编程控制器：C40P表2-2 I/O地址分配表：I/O 口 作用说明0000手动机控选择开关0001手动换刀按钮0002机控，相对绝对要刀

18、开关00031号刀位霍尔元件00042号刀位霍尔元件00053号刀位霍尔元件00064号刀位霍尔元件00071号刀位机控信号00082号刀位机控信号00093号刀位机控信号00104号刀位机控信号0011过流1000手动1号刀保持继电器1001手动2号刀保持继电器1002手动3号刀保持继电器1003手动4号刀保持继电器1004机控刀位保持继电器1005机控绝对要刀保持继电器1006定时准备保持继电器0500电机正转输出0501电机反转输出0502绿色发光二极管输出0503红色发光二极管输出0504换刀完毕输出应答信号表2-3 PLC 程序语句表：地址指令数据地址 指令数据0000LD00000

19、016LD00000001AND00010017AND00010002LD00020018LD00020003AND10040019AND10040004OR-LD0020OR-LD0005AND-NOT00030021AND-NOT00050006LD-NOT00040022LD-NOT00060007KEEP10000023KEEP10020008LD00000024LD00000009AND00010025AND00010010LD00020026LD00020011AND10040027AND10040012OR-LD0028OR-LD0013AND-NOT00040029AND-NO

20、T00060014LD-NOT00050030LD-NOT00030015KEEP10010031KEEP1003地址指令数据地址指令数据0032LD-NOT00000048LD-NOT05000033AND00070049AND10060034AND00080050TIM000035AND0009#00100036AND00100051LD10000037DIFD10040052OR10010038LD10040053OR10020039AND-NOT00020054OR10030040LD-NOT00030055OR10050041OR-NOT00040056AND-NOT05010042

21、OR-NOT00050057OUT05000043OR-NOT00060058LDT000044KEEP10050059OR05010045LD05000060AND-NOT00110046LDT000061AND-NOT05000047KEEP10060062OUT05010063LD-NOT10060064AND-NOT05000068OUT05030065AND-NOT05010069LD-NOT00110066OUT05020070OUT05040067LD00112.2 本章小结介绍了电动刀架的电器控制原理及其换刀过程，了解可能出现的异常现象和原因，提出问题选取元件 编写程序 对刀架

22、进行控制。第3章 电动刀架机械说明书3.1 工作原理 当微机程序发出换刀信号，通过放大线路驱动，继电器使电机正转，通过减速器机构和升降螺母机构将上刀体升起至一定位置后离合转盘起作用，带动上刀体旋转到送刀位，刀位发讯盘发出讯号，刀架控制器继电器使电机反转，通过发讯机构使上刀体下降，齿牙盘啮合，完成精定位，并通过蜗杆锁紧蜗轮，使刀架锁紧，当夹紧力达到预先调好的状态时，过流继电器动作，切断源，电机反转停转，并向微机发出换刀信号答复信号，加工顺序开始执行。 3.2 刀架动作顺序电机减速机构升降机构上刀体上升转位信号符合粗定位机构上刀体下降精定位刀体锁紧电机停转换刀应答加工顺序执行安装去掉车床小拖板，置

23、刀架于拖板上，卸掉电机风盖，逆时针方向转动电机，活用内六角板手转动轴承处之内六角，使刀架转动到45度左右时，打压装螺孔，然后固定刀架即可根据上述描述的换刀动作过程，做了如下动作。3.3 步进电机的选用许多机械加工需要微量进给。要实现微量进给，步进电机、直流伺服交流伺服电机都可作为驱动元件。对于后两者，必须使用精密的传感器并构成闭环系统，才能实现微量进给。在开环系统中，广泛采用步进电机作为执行单元。这是因为步进电机具有以下优点：直接采用数字量进行控制;转动惯量小，启动、停止方便；成本低；无误差积累；定位准确；低频率特性比较好；调速范围较宽；采用步进电机作为驱动单元，其机构也比较简单，主要是变速齿

24、轮副、滚珠丝杠副，以克服爬行和间隙等不足。通常步进电机每加一个脉冲转过一个脉冲当量；但由于其脉冲当量一般较大，如0.01mm，在数控系统中为了保证加工精度，广泛采用步进电机的细分驱动技术。步进电机的选用一般通过估算负载转距来选用：负载转距的估算公式为： (3-1)根据电机所带负载的具体情况：F蜗杆轴向力 蜗杆径向力P蜗杆的导程 i 减速比摩擦系数 传动效率 参数的具体计算：代入数值计算得： 根据查手册机械产品目录选出伺服电机的型号：4IK25RGN-A3.4 蜗轮及蜗杆的选用与校核由于前述所选电机可知T=0.1472N.M传动比设定为i=60，效率=0.4工作日安排每年300工作日计，寿命为7

25、年。3.4.1 选择蜗杆传动类型根据GB/T100851988的推荐，采用渐开线蜗杆。3. 4. 2 选择材料 开率到蜗杆传动效率不大，速度只是中等，故蜗杆用45号钢；为达到更高的效率和更好的耐磨性，要求蜗杆螺旋齿面淬火，硬度为4555HRC。蜗轮用铸锡磷青铜Zcusn10p1，金属铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。3.4.3 按齿面接触疲劳强度设计根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，在校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距： (3-2)（1）确定作用在蜗轮上的转距T2按Z1=2，估取效率=0.8，则T2=T*i=3.5382N.M

26、(3-3)（2）确定载荷系数K因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数K=1；由使用系数KA表从而选取KA=1.15；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数KV=1.1；则K=KA*K*KV=1*1.15*1.1=1.2651.27(3-4)（3）确定弹性影响系数ZE因选用的铸锡磷青铜蜗轮和蜗杆相配，故 （4）确定接触系数Z先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值=0.30，从而可查出Z=3.12。（5）确定许用应力H根据蜗轮材料为铸锡磷青铜zcusn10p1，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，从而可查得蜗轮的基本许用应力H=268MPA。因为电动刀架中蜗轮蜗杆的传动为间隙性的，故初步定

27、位、其寿命系数为KHN=0.92，则H= KHNH=0.92268=246.56247MPA(3-5)（6）计算中心距(3-6) 取中心距a=50mm，m=1.25mm，蜗杆分度圆直径d1=22.4mm，这时=0.448，从而可查得接触系数=2.72，因为Z，因此以上计算结果可用。3.5 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸3. 5. 1 蜗杆直径系数q=17.92；分度圆直径d1=22.4mm，蜗杆头数Z1=1；分度圆导程角=31138蜗杆轴向齿距：PA=3.94mm；(3-7)蜗杆齿顶圆直径：(3-8)蜗杆齿根圆直径：=16.4mm(3-9)蜗杆轴向齿厚：=1.97mm(3-10)3. 5. 2 蜗轮 蜗轮齿数：Z2 =62，变位系数=0 验算传动比：i=/=62/1=62(3-11) 这是传动比误差为：（60-62）/60=2/60=0.033=3.3%(3-12) 蜗轮分度圆直径：d2=mz2=(3-13) 蜗轮喉圆直径：da2=d2+2ha2=93.5(3-14) 蜗轮齿根圆直径：df2= d2- 2hf2= 58.3(3-15)(3-16) 蜗轮喉母圆直径rg2=a-1/2 da2 =50-1/293.5=3.25(3-17)3. 5. 3 校核齿根弯曲疲劳强度(3-18)当量齿数 (3-19)