数控机床6刀自动刀架系统设计.doc

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数控机床6刀自动刀架系统设计

学生姓名：

***

学生学号：

0618030622

院（系）：

机械工程学院

年级专业：

R机械06-6

指导教师：

***

2010年10月

摘要

自动换刀装置是数控机床上最普遍的一种辅助装置，它可以使数控机床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度。

本论文是关于数控机床6工位自动回转刀架系统的设计.完成了主要部件的装配并绘制必要的零部件图，完成了整个系统的设计。

其中包括自动换刀装置的总体设计、原理方案的实现、主要部件的分析、传动零件的设计计算，单片机控制系统硬件电路的实现和软件程序的编制。

采用三相异步电动机提供动力源，蜗轮蜗杆副传递动力，螺杆螺目副传递运动，实现上刀体升降运动，用端齿盘定位，单片机进行系统控制，实现了数控机床6工位自动换刀装置的自动换刀和精确定位要求。

关键词:

数控机床，回转刀架，控制系统，单片机

24

目录

目录 III

1绪论 1

1.1题目的背景和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3存在的问题和发展趋势 2

2方案设计 3

2.1自动刀架的基本形式和应满足的要求 3

2.1.1自动刀架的形式 3

2.1.2自动刀架的基本要求和功能分析 4

2.2初步确定自动刀架的方案 4

3总体结构设计 5

3.1减速传动机构方案设计 5

3.2上刀体锁紧与精定位机构设计 5

3.3刀架抬起机构设计 5

4自动回转刀架的工作原理 6

4.1自动回转刀架的换刀流程 6

4.2自动回转刀架的换刀过程中有关销的位置 7

5主要传动部件的设计计算 8

5.1蜗杆副的设计计算 8

5.1.1蜗杆的选型 8

5.1.2蜗杆副的材料 8

5.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计 8

5.1.4蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸 9

5.1.5校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 10

5.2螺杆的设计计算 10

5.2.1螺距的确定 10

5.2.2其他参数的确定 11

5.2.3自锁性能校核 11

6锁紧定位机构的设计 12

6.1端齿盘设计 12

6.2端齿盘的特点 12

6.3端齿盘主要参数的设计计算 12

6.3.1齿数z的确定 12

6.3.2端齿盘外径d 13

6.3.3端齿盘齿形角 13

6.3.4齿根角（啮合斜角） 14

6.3.5最大齿距（周节）t和最大齿厚B 15

6.3.6齿顶高h及啮合高度 16

6.3.7齿宽（径向）F 16

6.3.8齿底槽宽b和齿顶宽b1 16

7电气控制部分设计 17

7.1单片机选型 17

7.2硬件电路设计 17

7.2.1收信电路 18

7.2.2发信电路 19

7.3硬件电路主要电子元件的工作原理 19

7.3.1霍尔元件的工作原理和特性 19

7.3.2霍尔开关的工作原理 19

7.3.3光电耦合器的工作原理 20

7.3.48255芯片的工作原理 20

7.4控制软件设计 21

7.4.1换刀工作原理的程序流程图 21

7.4.2程序的实现方法 22

结论 23

参考文献 24

1绪论

1.1题目的背景和意义

数控技术自20世纪中叶出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。

数控加工的加工柔性好，加工精度高，生产率高，能减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。

数控机床是一种典型的机电一体化产品，适用于加工多品种小批量、结构较复杂、精度要求较高、价格昂贵不允许报废的关键零件。

而刀架是数控机床的主要附件之一，它的性能直接影响着数控机床的精度和效率，所以随着数控机床的发展必然会提高其对刀架的要求，不言而喻，研究自动刀架系统是非常有意义的。

进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。

机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。

所以应加快自动刀架系统的研究以促进数控机床的发展满足适应生产加工的需要。

1.2国内外研究现状

自动刀架系统应用了自动控制、微电子、精密测量等方面的最新成就，是典型的机电一体化产品。

它的发展和运用，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，为普通机床演变为数控机床创造了条件，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。

数控水平的高低已经成为衡量一个国家制造业水平高低的标志。

随着数控机床的发展，以前的刀架，能装的刀具太少，定位精度不高，效率低，精度差，已不能满足要求，于是便出现了许多精度更高、刀架更大、自动化程度更高的刀架。

自动换刀装置是数控机床上最普遍的一种辅助装置，它可以使数控机床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度。

目前我过的数控机床和加工中心使用的自动换刀装置主要有转塔式自动换刀和刀库式自动换刀两种。

转塔式换刀一般为顺序换刀，其换刀时间短，结构简单、紧凑，但刚性较差，能容纳刀具较少；刀库式换刀一般刀库只有选刀动作而另需机械手进行换刀动作，其刀库容量大，但其成本高，结构相对复杂。

随着我国生产力水平的日益提高，国内企业要发展就必须更新大量的设备，很多企业都加大了数控设备的投入，但由于财力等客观因素，大多数企业生产设备仍以普通机床为主，不少企业为了提高效率，在普通机床上加装了数显装置，提高了机床的精度，改善了设备状况，但制造商们忽略了一个很重要的部件就是刀架，要想真正提高工作效率，刀架是必须要考虑的附件之一。

目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。

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。

烟台机床附件公司是我国生产数控刀架的主要厂家之一。

他们生产的ak31系列全功能型数控转塔刀架，主要规格有，中心高为63、80、100、125、160及200mm；ak21系列经济型数控转塔刀架主要规格有：

刀台方尺寸为80、100、137、150、160、190、200、240、300、340mm。

烟台机床附件公司生产的ak31系列数控转塔刀架是引进意大利技术生产的高性能机床附件，特别适宜全功能数控车床，可多刀夹持，变向转位和任意刀位就近选刀，实现了加工程序的自动化、高效化。

目前，该公司数控刀架的国内市场占有率达到了40％左右，受到一大批机床主机厂的称赞。

1.3存在的问题和发展趋势

机床工具行业的发展，依赖于行业技术水平和创新能力的提高，依赖于机床的数控化和产品快速的升级换代，依赖于制造业从刚性自动化向柔性自动化方向转变这一社会需求，由于我国机床附件厂资金紧张，造成技术创新和技术改造的力度不大，使附件水平的发展严重滞后，成为制约民族机床工业发展的瓶颈。

国产配套件在产品质量、性能、结构创新、品牌信誉、外观造型、精度稳定性等方面与发达国家相比都存在一定的差距。

当前数控机床发展迅猛，向高速、高效、高精、柔性化、环保方面发展，与之相应的机床附件也应随之发展。

数控刀架将结合微电子技术和计算机技术的发展，朝着高精度化、多功能化、智能化、系统化等方向发展。

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。

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。

2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。

2.1自动刀架的基本形式和应满足的要求

2.1.1自动刀架的形式

图2.1a）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2.1回转刀架的形式及其工作原理图

图2.1b）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2.1c）所示为凸台棘爪式刀架

图2.1d）所示为电磁式刀架，

图2.1e）所示为液压式刀架

2.1.2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

2）保证足够高的重复定位精度

3）具有足够的刚度

4）提高可靠性

5）缩短换刀时间

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。

2.2初步确定自动刀架的方案

初步决定选用2.1a）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。

3总体结构设计

3.1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。

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。

3.2上刀体锁紧与精定位机构设计

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。

3.3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。

4自动回转刀架的工作原理

4.1自动回转刀架的换刀流程

自动回转刀架的换刀流程如图4.1所示。

图4.1自动回转刀架的换刀流程

当数控装置发出换刀指令后，电动机正转，通过弹簧安全离合器带动蜗杆正转，再经过蜗轮带动螺杆转，作为螺母的上刀体要么转动，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，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，通过弹簧安全离合器带动蜗杆反转，再经过蜗轮带动螺杆旋转，螺杆旋转的同时也带动上盖圆盘一起旋转，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。

4.2自动回转刀架的换刀过程中有关销的位置

图4.2表示自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置。

图4.2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1将带动圆柱销2以及上刀体4一起转动

c）上刀体4连续转动时，反靠销6可从反靠盘7的槽左侧斜坡滑出

d）找到刀位时，刀架电动机反转，反靠销6反靠，上刀体停转，实现粗定位

1—上盖圆盘2—圆柱销3—弹簧4—上刀体5—圆柱销6—反靠销7—反靠圆盘

5主要传动部件的设计计算

5.1蜗杆副的设计计算

由于刀架转动所需的功率较小，所以选取额定功率为=110W，额定转速=1440r/min的电动机,上刀体设计转速，则蜗杆副的传动比。

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。

5.1.1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）。

5.1.2蜗杆副的材料

刀架中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此，蜗杆的材料选用45钢；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,采用金属模铸造。

5.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计

刀架中的蜗杆副要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为：

（5.1）

从式（5.1）算出蜗杆副的中心距a之后，根据传动比i=57.6，经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。

①确定作用在蜗轮上的转矩

载荷系数：

③确定弹性影响系数

铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查得弹性影响系数。

④确定接触系数

先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距a的比值，可查得接触系数。

⑤确定许用接触应力

根据蜗轮材料为铸锡磷青铜、金属模铸造、蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，则应力循环次数：

寿命系数：

许用接触应力:

⑥计算中心距

将以还是各参数带入式（5.1）,求得中心距:

经查表,取中心距a=50mm,已知蜗杆头数,设模数m=1.6mm,得蜗杆分度圆直径.这时,由图5.1得接触系数。

因为,所以上述结果可用。

5.1.4蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸

由蜗杆和蜗轮的基本尺寸和主要参数，算得蜗杆和蜗轮的主要几何尺寸后，即可绘制蜗杆副的工作图了。

①蜗杆参数与尺寸

头数，模数m=1.6mm，轴向齿距，轴向齿厚，分度圆直径，直径系数，分度圆导程角。

齿顶圆直径，

齿根圆直径mm。

②蜗轮参数与尺寸

齿数，模数m=1.6mm,分度圆直径为,变位系数，蜗轮喉圆直径为，蜗轮齿根圆直径为，蜗轮咽喉母圆半径

5.1.5校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度

检验下式是否成立，即可较核蜗轮齿根弯曲疲劳强度。

（5.2）

蜗轮齿数。

则蜗轮的当量齿数：

，根据蜗轮变位系数和当量齿数，查手册得齿形系数：

，螺旋角影响系数：

，根据蜗杆的材料和制造方法，经查表，可得蜗轮基本许用弯曲应力：

蜗轮的寿命系数：

蜗轮的许用弯曲应力：

将以上参数带入式（5.2），得蜗轮齿根弯曲应力：

可见，蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。

5.2螺杆的设计计算

5.2.1螺距的确定

刀架转位时，要求螺杆在转动约的情况下，上刀体的端面齿与下刀体的端面齿完全脱离；在锁紧的时候，要求上下端面齿的啮合深度达2mm。

因此，螺杆的螺距应满足，即，今取螺杆的螺距。

5.2.2其他参数的确定

采用单头梯形螺纹，头数,牙侧角，外螺纹大径（公称直径），牙侧间隙，基本牙型高度，外螺纹高，外螺纹中径，外螺纹小径，螺杆螺纹部分长度。

5.2.3自锁性能校核

螺杆螺母材料均用45钢，经查表，取二者的摩擦因素；再求得梯形螺旋副的当量摩擦角：

而螺纹升角：

小于当量摩擦角，因此，所选几何参数满足自锁条件。

6锁紧定位机构的设计

6.1端齿盘设计

端齿盘又称多齿盘、细齿盘、鼠牙盘，是具有自动定心功能的精密分度定位元件，广泛应用于加工中心、柔性单元、数控机床、组合机床、测量仪器、各种高精度间歇式圆周分度装置、多工位定位机构以及其它需要精密分度的各种设备上。

端齿盘实际上相当于一对齿数相同的离合器，其啮合过程与离合器的啮合类似。

端齿盘的齿形有直齿和弧齿两种，直齿端齿盘加工方便、定位精度及重复定位精度高,弧齿性能良好，允许一定的角位移，但加工复杂，相对加工成本较高，故选择直齿。

6.2端齿盘的特点

在分度及定位装置中，一般用端齿盘作为其精确定位元件。

它具有以下优点：

①分度精度高可高达，实际分度误差等于所有齿单个分度误差的平均值。

②分度范围大分度大小与齿数有关。

如齿数为360齿时，最小分度值为，用差动端齿分度装置，分度范围更大，例如下盘齿数为96，上盘齿数为360时，就可将一个整圆分成1440个等分（最小分度值为）。

③精度的重复性和持久性好重复定位精度可达。

由于工作时相当于上下齿盘在不断地对研，因此使用越久，分度精度的重复性和持久性也就越好，而且精度有可能提高。

④刚性好因所有齿面同时参加啮合，不论承受的是切向力、径向力还是轴向力，整个分度装置形成一个良好的刚性整体。

⑤结构紧凑，使用方便，这一点比其它高精度的分度装置更为突出。

⑥维护简便，多次拆装不影响其原有的精度。

6.3端齿盘主要参数的设计计算

本设计采用齿形为三角形的直齿端齿盘的基本结构，其参数计算如下。

6.3.1齿数z的确定

可根据分度要求，即需要分度的最小分度值来确定：

（6.1）

取最小分度角度，则z=120齿。

6.3.2端齿盘外径d

端齿盘外径d主要由设计结构所允许的空间范围来确定。

在结构允许的情况下，外径越大，分度或定位机构的稳定性越好。

根据本机构实际出发，端齿盘外径设计为d=165mm。

6.3.3端齿盘齿形角

选取时应考虑作用在端齿盘上的负荷力矩及总锁紧力的大小，如图6.1所示。

将作用于齿盘上每齿的切向外力和轴向锁紧力，沿着齿面方向进行分解。

如图6.2所示，应满足以下条件：

图6.1端齿盘受力图图6.2齿面上的切向外力和轴向锁紧力

而，则

不等式变为，即

，最后得到

（6.2）

图6.3端齿盘剖视图

从式（6.2）可以说明，在外载不变时，齿形角越小，所需自锁力也越小，即自锁性越强，但齿相应变深，齿厚变小；齿形角越大，需要的总锁紧力也越大，即承受外转矩的能力下降，但齿高变低，端齿啮合的高度下降，结构紧凑；同时也说明了加大外径d有利于提高端齿盘的承载能力。

图6.4单齿俯视示意图图6.5单街周向展开示意图

在选取时齿形角时，应综合考虑作用在端齿盘上的负荷（力矩）及锁紧力的大小，同时受齿形加工刀具的限制，现已标准化，通常取、、。

等。

本设计采用的齿形角。

6.3.4齿根角（啮合斜角）

为了保证在齿宽方向上的啮合质量，加工端齿时必须调整分度盘回转中心线和工作台面倾斜角，即齿根角或啮合斜角（如图6.3），以保证齿盘大端和小端的齿厚与齿槽宽度相等。

由式（6.1）得，在图6的直角三角形中，，则，

在图7的直角三角形中，，则，在图6.6的直角三角形中，，将代入此式得

图6.6前面啮合副面不意图

（6.3）

式（6.3）即为齿根角的计算公式

代入，则，

6.3.5最大齿距（周节）t和最大齿厚B

齿厚沿着径向向中心逐渐缩小，在沿圆周展开方向上（如图6.7所示），根据圆周计算公式，最大齿距（周节）t和最大齿厚B分别为

图6.7沿周向展开的齿面三角形

（6.4）

（6.5）

6.3.6齿顶高h及啮合高度

齿顶高就是啮合平面到齿顶的最大距离，在如图5.7所示的由齿廓展开图形成的直角三角形中，tan（a/2）=t/2H，而齿顶高h通常取三角形高度的1/2.5，即H=2.5h，得齿顶高h的计算公式为：

上下端齿的啮合高度为2h=3.0mm。

6.3.7齿宽（径向）F

因所有的端齿同时啮合，故一般不必通过增加齿形的径向宽度F（如图6.3）来增加强度，F一般根据经验选取，通常取F=2t～3t，由于刀架在工作时要承受较大力矩，取F=15mm。

6.3.8齿底槽宽b和齿顶宽b1

为了保证齿盘工作时各个端齿能很好的啮合，常在齿底加工一定宽度和深度的槽，即齿底槽，并将齿顶做成一定宽度的小平面，如图9所示。

齿底槽宽b常取,取b=0.85mm

7电气控制部分设计

数控机床的自动回转刀架对柔性化、自动化、定位精度、速度要求相当高，随着计算机电子技术的发展,单片机以其高性能价格比的特点适应了现代工业发展的需求，越来越多地被应用于各种生产和控制领域。

单片机是典型的嵌入式系统，从体系结构到指令系统都是按照嵌入式应用特点专门设计的，能最好地满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行以及非凡的控制品质要求。

因此，单片机是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。

嵌入式系统与单片机已深入到国民经济众多技术领域。

7.1单片机选型

随着集成电路技术的发展越来越成熟，单片机技术也日趋完善。

针对不同的应用领域，世界各大集成电路制造商都推出了品种繁多的各具特色的产品，设计者可以根据自己的实际需要，从中选择一款最适合设计需要的单片机。

Intel公司继1976年推出MCS-48系列8位单片机之后，又于1980年推出了MCS-51系列高档8位单片机。

至今20多年来，51系列单片机经久不衰，并得到了广泛的应用。

近些年来，世界上很多大半导体公司都生产以8051为内核的单片机，如

ATMEL/PHLIPS/SST公司的AT89/P89/STC89系列和AT87/P87系列单片机，越来越多地得到广泛应用。

为了满足系统对控制的精确性和柔性化要求，本设计选用的是AT89C5