数控车床电动刀架设计.docx

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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

Abstract

Numericalcontrolthereisinthefuturelathetoinwilldevelop,themiddle-gradetoadoptpopularnumericalcontrolkniferestformacompleteset,adoptthemotiveforcetypekniferesttop-gradly,havesuchvarietiesaskniferestofhydraulicpressure,servokniferest,verticalkniferest,etc.concurrently,itisestimatedthatwillincreasetonumericalcontrolkniferestdemandgreatlyinrecentyears.Thedevelopmenttrendofthenumericalcontrolkniferestis:

Withthedevelopmentofnumericalcontrollathe,numericalcontrolkniferestbegintochangeonehundredsheets,electricliquidisiturgeandurgedirectiondevelopwhilebeingservotomakeupfast.Someoriginallydesignandisitcontinueelectricitytousetofourworkerlocationverticalelectronicmachineryofkniferestmainly-exposedtocontrolsystemcontrolsomedesigns.AnduseAUTOCADtopursuetotheabovepart,haveanmoreocularknowledgeofelectronickniferest.Thelastpropositionhasputforwardthesuggestionandmeasuretotheelectronickniferest.

Keyword：

Numericalcontrolkniferest；Electronickniferest；Fourengineeringlocation

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1000～1500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，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）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）Mq100Mx200Ms100

（2）重复定位精度：

（mm）<0.005

（3）电机功率（w）20

（4）电机转速（rpm）1250

1.4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2-2

2.1.3技术说明

在设计过程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——ΩCP

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

ΩCP——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——ΩCP

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+12~24V白：

回刀信号

黑：

微机柜+12~24V5

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，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：

4.4V~9V

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：

-20~55

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2-1元件明细表：

序号

名称

型号

图表

数量

备注

继电器

JQX-11F-002

KA7，KA8

无座

继电器

HF4098DCDV

KA1~KA6

保险管座

BH003-5

保险管

5X20MM12.5A

FU1

保险管

5X20MM11.0A

FU2

钮子开关

KN6-102

SA1，SA2

按钮

AN4

SB3

稳压器

LM7812

发光二极管

BT325PG

绿色

二极管

BT225

红色

二极管

IN4002

V9~V12

雪崩二极管

BZX8.2

V13

电容器

01F/40V

全桥整流器

PB151M

V14~V17

400V/1A

全桥整流器

WO4

VAa,Vab

电阻器

RX20-16T

电阻器

RJ-2W

R1~R3，R5

电阻器

RJ114W

R6~R8

电容器

DC11B

电容器

CJ-01F/16V

电容器

CD11B

电容器

C7~C9

接叉件

CA-14JZ2/KA

接叉件

CA-14JWKA

霍尔元件

HK831

BM1~4

2.1.6PLC控制说明

（1）技术说明

在设计中要求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2-2I/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，相对绝对要刀开关

0003

1号刀位霍尔元件

0004

2号刀位霍尔元件

0005

3号刀位霍尔元件

0006

4号刀位霍尔元件

0007

1号刀位机控信号

0008

2号刀位机控信号

0009

3号刀位机控信号

0010

4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2-3PLC程序语句表：

地址

指令

数据

地址

指令

数据

0000

0016

0000

0001

AND

0001

0017

AND

0001

0002

0018

0002

0003

AND

1004

0019

AND

1004

0004

OR-LD

0020

OR-LD

0005

AND-NOT

0003

0021

AND-NOT

0005

0006

LD-NOT

0004

0022

LD-NOT

0006

0007

KEEP

1000

0023

KEEP

1002

0008

0000

0024

0000

0009

AND

0001

0025

AND

0001

0010

0002

0026

0002

0011

AND

1004

0027

AND

1004

0012

OR-LD

0028

OR-LD

0013

AND-NOT

0004

0029

AND-NOT

0006

0014

LD-NOT

0005

0030

LD-NOT

0003

0015

KEEP

1001

0031

KEEP

1003

地址

指令

数据

地址

指令

数据

0032

LD-NOT

0000

0048

LD-NOT

0500

0033

AND

0007

0049

AND

1006

0034

AND

0008

0050

TIM

0035

AND

0009

#0010

0036

AND

0010

0051

1000

0037

DIFD

1004

0052

1001

0038

1004

0053

1002

0039

AND-NOT

0002

0054

1003

0040

LD-NOT

0003

0055

1005

0041

OR-NOT

0004

0056

AND-NOT

0501

0042

OR-NOT

0005

0057

OUT

0500

0043

OR-NOT

0006

0058

T00

0044

KEEP

1005

0059

0501

0045

0500

0060

AND-NOT

0011

0046

T00

0061

AND-NOT

0500

0047

KEEP

1006

0062

OUT

0501

0063

LD-NOT

1006

0064

AND-NOT

0500

0068

OUT

0503

0065

AND-NOT

0501

0069

LD-NOT

0011

0066

OUT

0502

0070

OUT

0504

0067

0011

2.2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-A

3.4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η=0.4工作日安排每年300工作日计，寿命为7年。

3.4.1选择蜗杆传动类型

根据GB/T10085—1988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45~55HRC。

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η=0.8，则

T2=T*η*i=3.5382N.M（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Kβ=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*Kβ*KV=1*1.15*1.1=1.265≈1.27（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Zρ

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Zρ=3.12。

（5）确定许用应力[σH]

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[σH]‘=268MPA。

因为电动刀架中蜗轮蜗杆的传动为间隙性的，故初步定位、其寿命系数为KHN=0.92，则

[σH]=KHN[σH]‘=0.92×268=246.56≈247MPA（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

＜Zρ，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γ=3°11′38″

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Χ=0

验算传动比：

=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-1/2da2=50-1/2

93.5=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）

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