四工位電動(dòng)刀架機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
四工位電動(dòng)刀架機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),四工位,電動(dòng),刀架,機(jī)械,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目
四工位電動(dòng)刀架機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
一、本次課題研究的作用及意義、國內(nèi)外發(fā)展趨勢與現(xiàn)狀
1、課題研究意義
在機(jī)械領(lǐng)域中，數(shù)控機(jī)床解決了很多普通機(jī)床所不能加工的復(fù)雜、精密的各種零件，有效的提高了生產(chǎn)效率。隨著我國綜合國力的進(jìn)一步加強(qiáng)和加入世貿(mào)組織，我國經(jīng)濟(jì)全面與國際接軌，并逐步成為全球制造中心，從數(shù)控技術(shù)這行業(yè)體現(xiàn)出了我國的“效率”和“創(chuàng)新”兩大特點(diǎn)，注重科學(xué)實(shí)驗(yàn)，理論與實(shí)際相結(jié)合。
數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是加工中心、數(shù)控車床必備的機(jī)床附件，尤其適用全功能數(shù)控車床。當(dāng)前，數(shù)控機(jī)床發(fā)展迅猛，一方面向高速、高效、高精度方面發(fā)展，同時(shí)，在制造行業(yè)中廣泛存在原有設(shè)備的數(shù)控改造和系統(tǒng)升級(jí)問題。作為關(guān)鍵附件，高性能的數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架對(duì)于提高機(jī)床整體運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性和效率有著重要意義，數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是由數(shù)控系統(tǒng)來控制的，因此，在轉(zhuǎn)塔刀架本身性能提高的情況下，如何實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)就顯得十分重要了。國內(nèi)數(shù)控車床轉(zhuǎn)塔刀架的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)都是依賴先進(jìn)國家的，而且產(chǎn)品的性能方面跟國外還有一定的差距，期待開發(fā)設(shè)計(jì)一種性能最優(yōu)，最有實(shí)用價(jià)值的轉(zhuǎn)塔刀架，來適應(yīng)市場，替代進(jìn)口產(chǎn)品低價(jià)位的數(shù)控車床用轉(zhuǎn)塔刀架，占領(lǐng)國內(nèi)市場，并達(dá)到國際領(lǐng)先水平，為國產(chǎn)機(jī)床工業(yè)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。
本次設(shè)計(jì)的動(dòng)力轉(zhuǎn)塔刀架的刀架抬起和夾緊是通過氣液增壓缸來實(shí)現(xiàn)的，成本比較低，而且自鎖可靠、密封性好、安全。刀架轉(zhuǎn)位采用圓柱凸輪分度機(jī)構(gòu)，用單作用液壓缸抬起刀架，同時(shí)通過碟形彈簧復(fù)位壓緊；采用端齒盤來進(jìn)行精確定位；用變頻電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)。
2、國內(nèi)外發(fā)展趨勢與現(xiàn)狀
隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本提出了越來越高的要求，并隨著汽車、飛機(jī)和導(dǎo)彈制造業(yè)的迅速發(fā)展，原來的加工設(shè)備已無法承擔(dān)加工航空工業(yè)需要的復(fù)雜型面零件。數(shù)控技術(shù)是為了解決復(fù)雜型面零件加工的自動(dòng)化而生產(chǎn)的。為了滿足市場和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，為了達(dá)到現(xiàn)代制造技術(shù)對(duì)數(shù)控技術(shù)提出的更高的要求，當(dāng)前的數(shù)控技術(shù)及其裝備正朝著高速、高效和高精度、高可靠性、模塊化、智能化、柔性化和集成化、開放性、出現(xiàn)新一代數(shù)控加工工藝與裝備這幾個(gè)方向發(fā)展。
現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要目標(biāo)是為了進(jìn)一步降低價(jià)格，增加可靠性，拓寬功能，提高操作舒適性，提高集成性，提高系統(tǒng)的柔性和開放性，減小體積，提高數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)能力。最終研制開發(fā)出軟、硬件都具有開放式機(jī)構(gòu)的智能化全功能通用數(shù)控裝置。我國目前還沒有制定出開放式數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但從“八五”開始也對(duì)此作了一些有益的探索工作，并開發(fā)出具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，特別是提出開發(fā)中華Ι型和航天Ⅰ型兩個(gè)基本系統(tǒng)及系列產(chǎn)品，并利用基本系統(tǒng)發(fā)揮我國的軟件優(yōu)勢，實(shí)施平臺(tái)戰(zhàn)略，發(fā)展我國的數(shù)控軟件的指導(dǎo)思想。多軸車床中心在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中是很重要的，機(jī)床的復(fù)雜結(jié)構(gòu)會(huì)引起刀具位移不精密，從而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)參數(shù)誤差，產(chǎn)生制造誤差、裝配誤差、或準(zhǔn)靜力誤差。機(jī)床的正確數(shù)理分析對(duì)發(fā)現(xiàn)這些源頭誤差是很有必要的。
想要加工出精度較高的零件，不僅對(duì)于刀架的轉(zhuǎn)位精度要求高，而且對(duì)于刀具的選擇也很有講究。車削中心動(dòng)力刀架一般以車削為主的形式，再附加銑削為輔的綜合加工，車刀按加工表面一般可分為外圓車刀、端面車刀、切斷車刀、螺紋車刀和內(nèi)孔車刀等；按結(jié)構(gòu)類型分為整體式、焊接式、機(jī)夾式、可轉(zhuǎn)位式。車削時(shí)，由于刀具幾何形狀的不同和輪廓變化將影響到加工精度，這些都可以通過電腦模擬仿真來查看一系列的誤差并加以修改。銑刀一般分為尖齒銑刀、可轉(zhuǎn)位面銑刀、鏟齒成形銑刀等。數(shù)控編程加工也具有很大的靈活性，對(duì)同一個(gè)加工對(duì)象，將會(huì)有不同的加工方案，也就有不同的加工程序。數(shù)控加工是通過數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行程序來控制機(jī)床的運(yùn)行的，而程序簡單地說就是在加工前用規(guī)定的指令代碼描述加工所需要的各種操作計(jì)劃信息的指令集合。從而總結(jié)出以下優(yōu)點(diǎn)：（1）加工精度高；（2）加工生產(chǎn)率高；（3）加工適應(yīng)性好；（4）加工勞動(dòng)強(qiáng)度低；（5）良好的經(jīng)濟(jì)效益；（6）有利于生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。
總之，數(shù)控技術(shù)給機(jī)械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控技術(shù)集成了傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù),成組技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù),傳感檢測技術(shù) ,信息處理技術(shù),網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù),液壓氣動(dòng)技術(shù),光機(jī)電技術(shù)于一體,是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)和核心。
二、本次設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容
１、對(duì)車削中心進(jìn)一步熟悉和認(rèn)識(shí)
車削中心是以車削加工中心模式為主，添加動(dòng)力刀頭后又可進(jìn)行銑削加工模式的車-銑合一的切削加工類型，使加工范圍進(jìn)一步的擴(kuò)大。
2、四工位電動(dòng)刀架的整體結(jié)構(gòu)，換刀的步驟，刀具的傳動(dòng)方式
電動(dòng)刀架的整體結(jié)構(gòu)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)塔刀架，分為抬起、轉(zhuǎn)位、夾緊三個(gè)步驟，其中抬起和夾緊是通過變頻電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，轉(zhuǎn)位是通過圓柱凸輪分度機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，而凸輪機(jī)構(gòu)是通過伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)的。
3、間隙分度機(jī)構(gòu)中圓柱凸輪分度機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算(四個(gè)工位)
圓柱凸輪分度機(jī)構(gòu)是由凸輪、轉(zhuǎn)盤、機(jī)架組成。當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過曲線槽所對(duì)應(yīng)的角度時(shí)，凸輪曲線槽推動(dòng)滾子使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過相鄰兩滾子所夾的中心角，當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過其余角度時(shí)，轉(zhuǎn)盤靜止不動(dòng)。這樣，就實(shí)現(xiàn)了該機(jī)構(gòu)的間歇運(yùn)動(dòng)。
4、減速電機(jī)的選擇(刀架的轉(zhuǎn)動(dòng))，電機(jī)的選擇用于刀具的旋轉(zhuǎn)(500-750W,2極)
根據(jù)安裝條件選定，主要選擇電機(jī)類型、結(jié)構(gòu)、容量、轉(zhuǎn)速、最后確定電機(jī)型號(hào)和規(guī)格。
5、端齒盤的設(shè)計(jì)
端齒盤分為靜端齒盤和動(dòng)端齒盤兩種，可以通過其整體結(jié)構(gòu)計(jì)算然后選擇外購。
6、刀位的檢測裝置選用并掌握其工作原理
檢測刀位信號(hào)，當(dāng)上刀體轉(zhuǎn)到某一刀位時(shí)，磁鋼與發(fā)信盤相對(duì)應(yīng)，該刀位為低電平。與系統(tǒng)的輸入指令性比較，當(dāng)實(shí)際刀號(hào)與輸入指令相一致，則轉(zhuǎn)到位向系統(tǒng)發(fā)出到位信號(hào)，若不一致則繼續(xù)找刀，如果某個(gè)刀位上得霍爾開關(guān)損壞，數(shù)控裝置將檢測不到刀位信號(hào)，會(huì)造成刀架體連續(xù)旋轉(zhuǎn)。不定位。
7、繪制二維裝配圖。
三、完成課題所需的條件及方法
1、 采用變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)刀架的抬起動(dòng)作；采用碟形彈簧復(fù)位夾緊，端齒盤實(shí)
現(xiàn)刀架精確定位。
2、采用圓柱凸輪分度機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)間歇運(yùn)動(dòng)，其中從動(dòng)盤與刀架軸采用花鍵聯(lián)接，刀
架軸與刀架采用螺釘來固定，從而實(shí)現(xiàn)刀架的轉(zhuǎn)位動(dòng)作。
3、采用減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀具旋轉(zhuǎn)，刀具傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中采用齒輪傳動(dòng)來提高效率。
四、完成周期與時(shí)間安排
第一階段 (3.10-3.21)：熟悉課題，收集借閱有關(guān)資料，粗?jǐn)M開題報(bào)告；
第二階段 (3.24-3.28)：完成開題報(bào)告；
第三階段 (3.31-4.4)：構(gòu)思總體設(shè)計(jì)方案；
第四階段 (4.7-4.18)：CA6140四工位電動(dòng)刀架總圖設(shè)計(jì)；
第五階段 (4.21-4.25)：中期檢查；
第六階段 (4.28-5.9)：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和分度機(jī)構(gòu)零件圖設(shè)計(jì)；
第七階段 (5.12-5.16)：階段檢查、整改和完善；
第八階段 (5.19-5.23)：翻譯有關(guān)英文資料；
第九階段 (5.26-5.30)：論文定稿；
第十階段 (6.2-6.13)：整理資料并進(jìn)行答辯。
五、參考文獻(xiàn)
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指
導(dǎo)
教
師
意
見
指導(dǎo)教師（簽字）：
年 月 日
所在系
意
見
系主任（簽字）：
年 月 日
學(xué)院
審
核
意
見
教學(xué)院長（簽字、公章）：
年 月 日
注：開題報(bào)告作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一，此報(bào)告應(yīng)在導(dǎo)師指導(dǎo)下，由學(xué)生填寫，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在系審核后生效。
四工位電動(dòng)刀架機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
目錄
前言 1
第一章 緒論 3
1.1國內(nèi)外數(shù)控車床的研究狀況與成果 3
1.2數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢 4
1.3 數(shù)控電動(dòng)刀架的開發(fā)應(yīng)用 4
第二章 數(shù)控車床自動(dòng)換刀裝置 5
2.1概述 5
2.2 ATC刀具自動(dòng)換刀形式 6
2.3 數(shù)控車床刀架的功能、類型和滿足的要求 7
2.3.1數(shù)控車床刀架的功能 8
2.3.2數(shù)控機(jī)床刀架的類型 8
2.3.3數(shù)控機(jī)床刀架應(yīng)滿足的要求 9
第三章 四工位電動(dòng)刀架總體方案設(shè)計(jì) 11
3.1調(diào)查研究與資料收集 11
3.1.1課題的調(diào)查研究 11
3.1.2資料收集 11
3.2四工位電動(dòng)刀架的整體方案設(shè)計(jì) 11
3.3步進(jìn)電機(jī)的選用 13
3.4 蝸桿與蝸輪的選用與校核 15
3.5蝸桿軸的設(shè)計(jì) 17
3.6蝸輪軸的設(shè)計(jì) 19
3.7中心軸的設(shè)計(jì) 22
3.8齒盤的設(shè)計(jì) 23
3.9軸承的選用 26
第四章 刀架體的設(shè)計(jì) 27
結(jié)論 28
致謝 29
參考文獻(xiàn)： 30
前言
制造業(yè)是一個(gè)國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標(biāo)志著該國或地區(qū)經(jīng)濟(jì)的實(shí)力，科技水平，生活水準(zhǔn)和國防實(shí)力。國際市場的競爭歸根到底是各國制造生產(chǎn)能力及機(jī)械制造裝備的競爭。
自從20世紀(jì)60年代世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床問世以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和機(jī)械制造技術(shù)等各相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)已成為現(xiàn)代先進(jìn)制造系統(tǒng)(FMS，CIMS等)中不可缺少的基礎(chǔ)技術(shù)。由于機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，種類繁多?，F(xiàn)在數(shù)控機(jī)床的“使用難、維修難”問題，已經(jīng)是影響數(shù)控機(jī)床有效利用的首要問題。
工業(yè)發(fā)達(dá)國家都非常注重機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進(jìn)技術(shù)和工藝裝備制造業(yè)，機(jī)械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對(duì)比之下，我國目前機(jī)械制造業(yè)的裝備水平還比較落后，表現(xiàn)在大部分工廠的機(jī)械制造裝備基本上是通用機(jī)床加專用工藝裝備，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重還非常低，導(dǎo)致“剛性”強(qiáng),更新產(chǎn)品速度慢，生產(chǎn)批量不宜太小，生產(chǎn)品種不宜過多；自動(dòng)化程度基本上還是“一個(gè)工人，一把刀，一臺(tái)機(jī)床”，導(dǎo)致勞動(dòng)生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。 因此，要縮小我國同工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距,我們必須在機(jī)械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個(gè)方面就是增加數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重[1]。
本課題為CA6140普通車床改成數(shù)控四工位電動(dòng)刀架機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該刀架能夠在一次裝夾中完成多道工序，使加工范圍擴(kuò)大，大大提高了加工精度和生產(chǎn)效率。本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為：1．CA6140普通車床改造數(shù)控四工位電動(dòng)刀架總體布局設(shè)計(jì)；2．電動(dòng)刀架傳動(dòng)部分設(shè)計(jì) 3．電動(dòng)刀架刀具設(shè)計(jì)；4.外文資料的翻譯。
第一章 緒論
1.1國內(nèi)外數(shù)控車床的研究狀況與成果
我國從1958年開始研究數(shù)控機(jī)床，一直到20世紀(jì)60年代中期還處于研制開發(fā)時(shí)期。當(dāng)時(shí)，一些高等院校，科研單位研制出試樣樣機(jī)，是從電子管起步的。
1965年，國內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代末至70年代初研制成了劈錐數(shù)控銑床，數(shù)控非圓齒輪插齒機(jī)。CIL—18晶體管數(shù)控系統(tǒng)及Z53K—1G立式數(shù)控銑床。
從20世紀(jì)70年代開始,數(shù)控技術(shù)在車，銑 ，鏜,磨，齒輪加工，電加工等領(lǐng)域全面展開，數(shù)控加工中心在上海，北京研制成功。但由于電子元器件的質(zhì)量和制造工藝水平差，致使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性,穩(wěn)定性末行到解決，因此末能廣泛推廣。
20世紀(jì)80年代，我國從昌本發(fā)那科公司引進(jìn)了3,5,6,7等系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服電機(jī)，直流主軸電機(jī)等制造技術(shù)，以及引進(jìn)美國GE公司的MCI系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)，德國西門子VS系列可控硅調(diào)速裝置，并進(jìn)行了商品化生產(chǎn).這些系統(tǒng)可靠性高，功能齊全。與此同時(shí)，還自行開發(fā)了3、4、5軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)以及雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步數(shù)控系統(tǒng)(用于火焰切割機(jī))和新品種的伺服電機(jī)，推動(dòng)了我國數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定發(fā)展，使我國數(shù)控機(jī)床在性能和質(zhì)量上產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍。
1985年，我國數(shù)控機(jī)床的品種有了新的發(fā)展。數(shù)控機(jī)床品種不斷增多，規(guī)格齊全。許多技術(shù)復(fù)雜的大型數(shù)控機(jī)床，重型數(shù)控機(jī)床都相繼研制出來。為了跟蹤國外現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，北京機(jī)床研究所研制出了JCS-FMS-1型和2型的柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)。這個(gè)時(shí)期，我國在引進(jìn)，消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量開發(fā)工作。一些較高檔次的數(shù)控系統(tǒng)(5軸聯(lián)動(dòng))，分辨率為0.02的高精度數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)字仿型數(shù)控系統(tǒng)為柔性單元配套的數(shù)控系統(tǒng)都開發(fā)出來了，并造出樣機(jī)。
我國的數(shù)控技術(shù)經(jīng)過“六五”，“七五”，“八五”，到“九五”的近20年的發(fā)展，基本上掌握了關(guān)鍵技術(shù)，建立了數(shù)控開發(fā)，生產(chǎn)基地，培養(yǎng)了一批數(shù)控人才，初步形成了自己的數(shù)控產(chǎn)業(yè)?！笆濉惫リP(guān)開發(fā)的成果：華中號(hào)、中華號(hào)、航天號(hào)和藍(lán)天號(hào)4種基本系統(tǒng)建立了具有中國自主版機(jī)的數(shù)控技術(shù)平臺(tái)。具有中國特色濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過這些年來的發(fā)展，有了較大的提高。它們逐漸被用戶認(rèn)可，在市場上站住了腳[2]。
目前我國數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠有100多家，生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品的企業(yè)有300余家，產(chǎn)品品種包括八大類2000種以上。目前已新開發(fā)出數(shù)控系統(tǒng)80余種，分為3種型級(jí)，即經(jīng)濟(jì)型，普及型和高級(jí)型?！熬盼濉逼陂g數(shù)控機(jī)床發(fā)展已進(jìn)入實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段，數(shù)控機(jī)床新開發(fā)品種300余種，已有一定的覆蓋面。新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品大部分達(dá)到期際上20世紀(jì)80年代中期水平，部分達(dá)到90年代水平，為國家重點(diǎn)建設(shè)提供了一批高水平數(shù)控機(jī)床。
1.2數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢
數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢是：隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。
目前國內(nèi)數(shù)控刀架以電動(dòng)為主，分為立式和臥式兩種。立式刀架有四、六工位兩種形式，主要用于簡易數(shù)控車床；臥式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋轉(zhuǎn)，就近選刀，用于全功能數(shù)控車床。另外臥式刀架還有液動(dòng)刀架和伺服驅(qū)動(dòng)刀架。
數(shù)控刀架的市場分析：國產(chǎn)數(shù)控車床今后將向中高檔發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用電動(dòng)型刀架，兼有氣刀架、伺服刀架、立式刀架等品種，近年來需要量可達(dá)1000～1500臺(tái)。
1.3 數(shù)控電動(dòng)刀架的開發(fā)應(yīng)用
數(shù)控電動(dòng)刀架是以回轉(zhuǎn)分度實(shí)現(xiàn)刀具自動(dòng)交換及回轉(zhuǎn)電動(dòng)刀具的傳動(dòng)。因此技術(shù)含量高，已趨向?qū)I(yè)化開發(fā)生產(chǎn)。所以對(duì)數(shù)控電動(dòng)刀架的研究開發(fā)及應(yīng)用已引起數(shù)控機(jī)床行業(yè)重視。
典型數(shù)控電動(dòng)刀架一般由電動(dòng)源（電機(jī)或油缸、氣馬達(dá)）、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、預(yù)分度機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、檢測裝置、接口電路、刀具安裝臺(tái)（刀盤）、電動(dòng)刀座等組成。數(shù)控電動(dòng)刀架的動(dòng)作循環(huán)為：T指令（換刀指令）刀盤放松轉(zhuǎn)位刀位檢測預(yù)分度精確定位刀盤鎖緊結(jié)束信號(hào)。
第二章 數(shù)控車床自動(dòng)換刀裝置
2.1概述
自動(dòng)換刀裝置的形式是多種多樣的，有刀庫式和電動(dòng)式，雖然換刀過程、選刀方式、刀庫結(jié)構(gòu)、機(jī)械手類型等各不相同，但都是在數(shù)控裝置及可編程序控制器控制下，有電動(dòng)機(jī)或氣或氣動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)刀庫和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)刀具的選擇與交換。我們把這種為實(shí)現(xiàn)多工序的連續(xù)加工，在加工中心或車削中心中，可進(jìn)行刀具的選擇與交換的裝置叫自動(dòng)換刀裝置（automatic tool change 簡稱ATC）。
自動(dòng)換刀裝置是數(shù)控車床最普遍的一種輔助裝置，它可使數(shù)控車床在工件一次裝夾中完成多種甚至所有的加工工序，以縮短加工的輔助時(shí)間，減少加工過程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機(jī)床的加工效率和加工精度[3]。
我國對(duì)加工中心的需求一直是有增無減，同時(shí)，加工中心自動(dòng)換刀裝置的開發(fā)也有長足的發(fā)展。對(duì)于臥式加工中心來說，有從用于JCS-013的獨(dú)立式自動(dòng)換刀裝置到用于TH6350、TH6363、TH6380和TH63100的TB51.02雙層缸式通用機(jī)械手加鏈?zhǔn)降稁欤ū本C(jī)床研究所設(shè)計(jì)并制造）的自動(dòng)換刀裝置；對(duì)于立式加工中心來說，有從用于JCS-018的氣液型鼓輪式自動(dòng)換刀裝置到用于XH715B和XH715C的多凸輪聯(lián)動(dòng)型鼓輪式自動(dòng)換刀裝置。特別是用于TH715B和TH715C的多凸輪聯(lián)動(dòng)型鼓輪式自動(dòng)換刀裝置，他的研制成功，為我國自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)與制造翻開了嶄新的一頁，自1991年鑒定后批量生產(chǎn)，已累計(jì)生產(chǎn)了50多臺(tái)，由于其結(jié)構(gòu)簡單，迅速可靠（刀對(duì)刀2.5s），受到廣大國內(nèi)外用戶的一致好評(píng)。
加工中心和車削中心自動(dòng)換刀裝置的發(fā)展趨勢是四個(gè)方向：一是高速、可靠，追求的目標(biāo)是換刀時(shí)間盡量的短，以換取加工中心和車削中心的高效性；二是簡單實(shí)用、造價(jià)低、使用可靠，但換刀速度不快。
自動(dòng)換刀裝置開發(fā)技術(shù)要全面注意下列五個(gè)方面：
1）自動(dòng)換刀裝置的可靠性與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。通過對(duì)自動(dòng)換刀裝置進(jìn)行可靠性分析研究，找出其薄弱環(huán)節(jié)，通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，使自動(dòng)換刀裝置故障率大大減少，保證百萬次以上正常換刀的品質(zhì)。通過對(duì)自動(dòng)換刀裝置進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其動(dòng)態(tài)性能達(dá)到最優(yōu)，進(jìn)而提高自動(dòng)換刀裝置的性能，降低其制造成本，使刀對(duì)刀換刀時(shí)間對(duì)40刀柄不大于1s，達(dá)到世界先進(jìn)水平。
2）自動(dòng)換刀裝置的系列化與CAD設(shè)計(jì)。使自動(dòng)換刀裝置適用國內(nèi)廠家的各種產(chǎn)品，以便得到推廣和使用。即達(dá)到廠家一旦提出的參數(shù)：不同刀柄型號(hào)，刀庫容量等的自動(dòng)換刀裝置，使廠家立即投入生產(chǎn)，并且是處于國內(nèi)先進(jìn)水平的。
3）自動(dòng)換刀裝置制造技術(shù)研究。針對(duì)自動(dòng)換刀裝置中關(guān)鍵零件的制造技術(shù)進(jìn)行研究，以提高其制造質(zhì)量和降低制造成本。
4）自動(dòng)換刀裝置新技術(shù)的研究。跟蹤國際加工中心和車削中心自動(dòng)換刀裝置的發(fā)展主流，研究自動(dòng)換刀裝置的新工作原理及新技術(shù)。
5）自動(dòng)換刀裝置產(chǎn)業(yè)化研究。自動(dòng)換刀裝置由專業(yè)廠生產(chǎn)比現(xiàn)有各廠家自行生產(chǎn)可降低成本，也能保證質(zhì)量，同時(shí)在我國有巨大的市場，因此，在技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)研究使我國的自動(dòng)換刀裝置生產(chǎn)走上產(chǎn)業(yè)化的道路，建立生產(chǎn)自動(dòng)換刀裝置的基地。
自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下基本要求：
1）換刀時(shí)間短，以減少非加工時(shí)間。
2）減少換刀動(dòng)作對(duì)加工范圍的干擾。
3）刀具重復(fù)定位精度高。
4）識(shí)刀、選刀可靠，換刀動(dòng)作簡單可靠。
5）刀庫刀具存儲(chǔ)量合理。
6）刀庫占地面積小，并能與主機(jī)配合，使機(jī)床外觀協(xié)調(diào)美觀。
7）刀具裝卸、調(diào)整、維修方便，并能得到清潔的維護(hù)[4]。
2.2 ATC刀具自動(dòng)換刀形式
為進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的加工效率，數(shù)控機(jī)床正向著工件在一臺(tái)機(jī)床一次裝夾即可完成多道工序或全部工序加工的方向發(fā)展，因此出現(xiàn)了各種類型的加工中心機(jī)床，如車削中心、鏜銑加工中心、鉆削中心等等。這類多工序加工的數(shù)控機(jī)床在加工過程中要使用多種刀具，因此必須有自動(dòng)換到裝置，以便選用不同刀具，完成不同工序的加工工藝。自動(dòng)換到裝置應(yīng)當(dāng)具備換刀時(shí)間短、刀具重復(fù)定位精度高、足夠的刀具儲(chǔ)備量、占地面積小、安全可靠等特性[5]。
各類數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換到裝置的結(jié)構(gòu)取決于機(jī)床的類型、工藝范圍、使用刀具種類和數(shù)量。數(shù)控機(jī)床常用的自動(dòng)換刀裝置的類型、特點(diǎn)、適用范圍見表1-1。
表1-1 自動(dòng)換刀裝置類型
類別型式
特點(diǎn)
適用范圍
電動(dòng)式
回轉(zhuǎn)刀架
多為順序換刀，換刀時(shí)間短、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、容納刀具較少
各種數(shù)控車床，數(shù)控車削加工中心
電動(dòng)頭
順序換刀，換刀時(shí)間短，刀具主軸都集中在電動(dòng)頭上，結(jié)構(gòu)緊湊。但剛性較差，刀具主軸數(shù)受限制
數(shù)控鉆、鏜、銑床
刀庫式
刀具與主軸之間直接換刀
換刀運(yùn)動(dòng)集中，運(yùn)動(dòng)不見少。但刀庫容量受限
各種類型的自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床。尤其是對(duì)使用回轉(zhuǎn)類刀具的數(shù)控鏜、銑床類立式、臥式加工中心機(jī)床
要根據(jù)工藝范圍和機(jī)床特點(diǎn)，確定刀庫容量和自動(dòng)換刀裝置類型
用機(jī)械手配合刀庫進(jìn)行換刀
刀庫只有選刀運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手進(jìn)行換刀運(yùn)動(dòng)，刀庫容量大
2.3 數(shù)控車床刀架的功能、類型和滿足的要求
數(shù)控電動(dòng)刀架是加工中心、數(shù)控車床必備的機(jī)床附件，尤其適用全功能數(shù)控車床。當(dāng)前，數(shù)控機(jī)床發(fā)展迅猛，一方面向高速、高效、高精度方面發(fā)展，同時(shí)，在制造行業(yè)中廣泛存在原有設(shè)備的數(shù)控改造和系統(tǒng)升級(jí)問題。作為關(guān)鍵附件，高性能的數(shù)控電動(dòng)刀架對(duì)于提高機(jī)床整體運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性和效率有著重要意義，數(shù)控電動(dòng)刀架是由數(shù)控系統(tǒng)來控制的，因此，在電動(dòng)刀架本身性能提高的情況下，如何實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)就顯得十分重要了。
2.3.1數(shù)控車床刀架的功能
數(shù)控機(jī)床上的刀架是安放刀具的重要部件，許多刀架還直接參與切削工作，如臥式車床上的四方刀架，電動(dòng)車床的電動(dòng)刀架，回輪式電動(dòng)車床的回輪刀架，自動(dòng)車床的電動(dòng)刀架和天平刀架等。這些刀架既安放刀具，而且還直接參與切削，承受極大的切削力作用，所以它往往成為工藝系統(tǒng)中的較薄弱環(huán)節(jié)。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床的刀架也有了許多變化，特別是數(shù)控車床上采用電(液)換位的自動(dòng)刀架，有的還使用兩個(gè)回轉(zhuǎn)刀盤。加工中心則進(jìn)一步采用了刀庫和換刀機(jī)械手，定現(xiàn)了大容量存儲(chǔ)刀具和自動(dòng)交換刀具的功能，這種刀庫安放刀具的數(shù)量從幾十把到上百把，自動(dòng)交換刀具的時(shí)間從十幾秒減少到幾秒甚至零點(diǎn)幾秒。這種刀庫和換刀機(jī)械手組成的自動(dòng)換刀裝置，就成為加工中心的主要特征[6]。
因此，刀架的性能和結(jié)構(gòu)往往直接影響到機(jī)床的切削性能、切削效率和體現(xiàn)了機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平[7]。
2.3.2數(shù)控機(jī)床刀架的類型
按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置等多種形式，下面對(duì)這三種形式的刀架作簡單的介紹。
1. 排式刀架
排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主。其結(jié)構(gòu)形式為：
夾持著各種不同用途刀具的刀夾沿著機(jī)床的X坐標(biāo)軸方向排列在橫向滑板上。刀具的典型布置方式如圖2.1所示。這種刀架在刀具布置和機(jī)床調(diào)整等方面都較為方便，可以根據(jù)具體工件的車削工藝要求，任意組合各種不同用途的刀具，一把刀具完成車削任務(wù)后，橫向滑板只要按程序沿X軸移動(dòng)預(yù)先設(shè)定的距離后，第二把刀就到達(dá)加工位置，這樣就完成了機(jī)床的換刀動(dòng)作。這種換刀方式迅速省時(shí)，有利于提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。寶雞機(jī)床廠生產(chǎn)的CK7620P全功能數(shù)控車床配置的就是排式刀架。
2. 回轉(zhuǎn)刀架
回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，一般通過氣系統(tǒng)或電氣來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)換刀動(dòng)作，根據(jù)加工要求可設(shè)計(jì)成四方、六方刀架或圓盤式刀架，并相應(yīng)地安裝4把、6把或更多的刀具?；剞D(zhuǎn)刀架的換刀動(dòng)作可分為刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位和刀架鎖緊等幾個(gè)步驟。它的動(dòng)作是由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令完成的。回轉(zhuǎn)刀架根據(jù)刀架回轉(zhuǎn)軸與安裝底面的相對(duì)位置，分為立式刀架和臥式刀架兩種。
3. 帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置
上述排刀式刀架和回轉(zhuǎn)刀架所安裝的刀具都不可能太多，即使是裝備兩個(gè)刀架，對(duì)刀具的數(shù)目也有一定限制。當(dāng)由于某種原因需要數(shù)量較多的刀具時(shí)，應(yīng)采用帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置。帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置由刀庫和刀具交換機(jī)構(gòu)組成。
(a)回轉(zhuǎn)刀架 (b) 排式刀架
圖2.1 機(jī)床刀架類型結(jié)構(gòu)圖
2.3.3數(shù)控機(jī)床刀架應(yīng)滿足的要求
1） 滿足工藝過程所提出的要求。機(jī)床依靠刀具和工件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成工件表面，而工件的表面形狀和表面位置的不同，要求刀架能夠布置足夠多的刀具，而且能夠方便而正確地加工各工件表面， 為了實(shí)現(xiàn)在工件的一次安裝中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地轉(zhuǎn)位。
2） 在刀架以要能牢固地安裝刀具，在刀架上安裝刀具進(jìn)還應(yīng)能精確地調(diào)整刀具的位置，采用自動(dòng)交換刀具時(shí)，應(yīng)能保證刀具交換前后都能處于正確位置。以保證刀具和工件間準(zhǔn)確的相對(duì)位置。刀架的運(yùn)動(dòng)精度將直接反映到加工工件的幾何形狀精度和表面粗糙度上，為此，刀架的運(yùn)動(dòng)軌跡必須準(zhǔn)確，運(yùn)動(dòng)應(yīng)平穩(wěn)，刀架運(yùn)轉(zhuǎn)的終點(diǎn)到位應(yīng)準(zhǔn)確。面且這種精度保持性要好，以便長期保持刀具的正確位置。
3） 刀架應(yīng)具有足夠的剛度。由于刀具的類型、尺寸各異，重量相差很大，刀具在自動(dòng)轉(zhuǎn)換過程中方向變換較復(fù)雜，而且有些刀架還直接承受切削力?？紤]到采用新型刀具材料和先進(jìn)的切削用量，所以刀架必須具有足夠的剛度，以使切削過程和換刀過程平穩(wěn)。
4） 可靠性高。由于刀架在機(jī)床工作過程中，使用次數(shù)很多，而且使用頻率也高，所以必須充分重視它的可靠性。
5） 刀架是為了提高機(jī)床自動(dòng)化而出現(xiàn)的，因而它的換刀時(shí)間應(yīng)盡可能縮短，以利于提高生產(chǎn)率。目前自動(dòng)換刀裝置的換刀時(shí)間在0.8—6秒之間不等。而且還在進(jìn)一步縮短。
6） 操作方便和安全。刀架是工人經(jīng)常操作的機(jī)床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是評(píng)價(jià)刀架設(shè)計(jì)好壞的指標(biāo)。刀架上應(yīng)便于工人裝刀和調(diào)刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作調(diào)整刀架的手柄（或手輪）要省力，應(yīng)盡量設(shè)置在便于操作的地方。
第三章 CA6140普通車床改造四工位電動(dòng)刀架總體設(shè)計(jì)
3.1調(diào)查研究與資料收集
3.1.1 課題的調(diào)查研究
從國內(nèi)外市場調(diào)研結(jié)果看，國內(nèi)對(duì)數(shù)控車床電動(dòng)刀架的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)都是依賴于先進(jìn)國家的，而且產(chǎn)品的性能方面跟國外還有一定的差距，期待開發(fā)設(shè)計(jì)一種性能最優(yōu)，最有實(shí)用價(jià)值的電動(dòng)刀架，適應(yīng)市場，替代進(jìn)口產(chǎn)品低價(jià)位的數(shù)控車床用電動(dòng)刀架，占領(lǐng)國內(nèi)市場，并達(dá)到國際領(lǐng)先水平，為國產(chǎn)機(jī)床工業(yè)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。車削加工中心是目前國際上比較前端的一種數(shù)控機(jī)床，可以進(jìn)行多工序加工，如車削、鉆削、銑削等。有關(guān)人士指出，數(shù)控機(jī)床附件及其配套功能附件是我國機(jī)床工具制造業(yè)“十五”計(jì)劃重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)品。雖然我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品附件的研制由無到有，取得了顯著成績，但與國外先進(jìn)水平相比還是有一定差距的。為確保國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的大發(fā)展，就必須把數(shù)控機(jī)床附件盡快搞上去。為此他們建議國家有關(guān)部門，盡快制定有關(guān)鼓勵(lì)、扶持國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床附件發(fā)展的相關(guān)政策，加大數(shù)控機(jī)床附件行業(yè)科研和技術(shù)改進(jìn)投入，使國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床附件行業(yè)有一個(gè)大發(fā)展。而且電動(dòng)刀架是數(shù)控機(jī)床附件中尤為重要的一個(gè)部件，把這一技術(shù)提高是我們義不容辭的事情。
3.1.2資料收集
課題涉及到的有關(guān)知識(shí)包括：數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)、車削加工中心、自動(dòng)換刀裝置等等方面；其次還包括一些機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械傳動(dòng)、氣、間歇分度機(jī)構(gòu)等方面的知識(shí)，在校圖書館借閱了一些關(guān)于本次設(shè)計(jì)有關(guān)的資料，而且還在網(wǎng)上搜索了一些相關(guān)資料：1）現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)；2）實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)；3）機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)；4）數(shù)控車床設(shè)計(jì)；5）數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與維修等等。
3.2電動(dòng)刀架的整體方案設(shè)計(jì)
回轉(zhuǎn)刀架的工作原理為機(jī)械螺母升降轉(zhuǎn)位式。工作過程可分為刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位、刀架定位并壓緊等幾個(gè)步驟。圖2.1為螺旋升降式四方刀架，其工作過程如下：
① 刀架抬起 當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后, 通過接口電路使電機(jī)正轉(zhuǎn), 經(jīng)傳動(dòng)裝置2、驅(qū)動(dòng)蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)1、蝸輪帶動(dòng)絲桿螺母機(jī)構(gòu)8逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) ,此時(shí)由于齒盤4、5處于嚙合狀態(tài)，在絲桿螺母機(jī)構(gòu)8轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使上刀架體產(chǎn)生向上的軸向力將齒盤松開并抬起,直至兩定位齒盤4、5 脫離嚙合狀態(tài),從而帶動(dòng)上刀架和齒盤產(chǎn)生“上臺(tái)”動(dòng)作。
② 刀架轉(zhuǎn)位 當(dāng)圓套9逆時(shí)針轉(zhuǎn)過150°時(shí)，齒盤4、5完全脫開，此時(shí)銷釘準(zhǔn)確進(jìn)入圓套9中的凹槽中，帶動(dòng)刀架體轉(zhuǎn)位。
③ 刀架定位 當(dāng)上刀架轉(zhuǎn)到需要到位后（旋轉(zhuǎn)90°、180°或270°），數(shù)控裝置發(fā)出的換刀指令使霍爾開關(guān)10 中的某一個(gè)選通,當(dāng)磁性板11 與被選通的霍爾開關(guān)對(duì)齊后,霍爾開關(guān)反饋信號(hào)使電機(jī)反轉(zhuǎn),插銷7在彈簧力作用下進(jìn)入反靠盤 6地槽中進(jìn)行粗定位，上刀架體停止轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)，使其在該位置落下，通過螺母絲桿機(jī)構(gòu)8使上刀架移到齒盤4、5 重新嚙合, 實(shí)現(xiàn)精確定位。
④ 刀架壓緊 刀架精確定位后，電機(jī)及許反轉(zhuǎn)，夾緊刀架，當(dāng)兩齒盤增加到一定夾緊力時(shí)， 電機(jī)由數(shù)控裝置停止反轉(zhuǎn)，防止電機(jī)不停反轉(zhuǎn)而過載毀壞，從而完成一次換刀過程。
3.3 步進(jìn)電機(jī)的選用
許多機(jī)械加工需要微量進(jìn)給。要實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給，步進(jìn)電機(jī)、直流伺服交流伺服電機(jī)都可作為驅(qū)動(dòng)元件。對(duì)于后兩者，必須使用精密的傳感器并構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給。在開環(huán)系統(tǒng)中，廣泛采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行單元。這是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
●直接采用數(shù)字量進(jìn)行控制;
●轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，啟動(dòng)、停止方便；
●成本低；
●無誤差積累；
●定位準(zhǔn)確；
●低頻率特性比較好；
●調(diào)速范圍較寬；
采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)單元，其機(jī)構(gòu)也比較簡單，主要是變速齒輪副、滾珠絲杠副，以克服爬行和間隙等不足。通常步進(jìn)電機(jī)每加一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)過一個(gè)脈沖當(dāng)量；但由于其脈沖當(dāng)量一般較大，如0.01mm，在數(shù)控系統(tǒng)中為了保證加工精度，廣泛采用步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)。
因?yàn)榈都苌仙?、下降各轉(zhuǎn)150°，刀架轉(zhuǎn)位至少需90°，所以蝸輪轉(zhuǎn)的角度ａ=390°由課題要求的刀架選位少于3S
n≈0.36r/s=21.6r/min,為便于計(jì)算n取24r/min
蝸輪蝸桿傳動(dòng)比為45
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n′=i*z1=45
考慮刀架只需小功率驅(qū)動(dòng)，為減少生產(chǎn)成本，選用JD60電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速為1400r/min,額定功率為60W。
圖3.2四工位電動(dòng)刀架示意圖
3.4蝸桿及蝸輪的選用與校核
3.4.1 選擇傳動(dòng)的類型
考慮到傳遞的功率不大，轉(zhuǎn)速較低，選用2A蝸桿，精度8級(jí)，GB10089-88
3.4.2 選擇材料和確定許用應(yīng)力
由《機(jī)械基礎(chǔ)》表17-4查得蝸桿選用45鋼，表面淬火，硬度為45～55HRC，蝸輪齒圈用ZCuSn10P1 砂模鑄造，為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT150制造。
由表17-6查得 ［e］h=200MPa，［e］f=51MPa
3.4.3按接觸強(qiáng)度確定主要參數(shù)
根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，在校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。傳動(dòng)中心距：
(3-1)
（1）確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)距T2
按Z1=2，估取效率η=0.8，則
T2=T*η*i=3.5382N.M (3-2)
（2）確定載荷系數(shù)K
因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)Kβ=1；由使用系數(shù)KA表從而選取KA=1.15；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載系數(shù)KV=1.1；則
K=KA*Kβ*KV=1*1.15*1.1=1.265≈1.27 (3-3)
（3）確定彈性影響系數(shù)ZE
因選用的鑄錫磷青銅蝸輪和蝸桿相配，故
（4）確定接觸系數(shù)Zρ
先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d1和傳動(dòng)中心距a的比值=0.30，從而可查出Zρ=3.12。
（5）確定許用應(yīng)力[σH]
根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅zcusn10p1，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度＞45HRC，從而可查得蝸輪的基本許用應(yīng)力[σH]‘=268MPA。
因?yàn)殡妱?dòng)刀架中蝸輪蝸桿的傳動(dòng)為間隙性的，故初步定位、其壽命系數(shù)為KHN=0.92，則
[σH]= KHN[σH]‘=0.92×268=246.56≈247MPA (3-4)
（6）計(jì)算中心距
(2-5)
取中心距a=50mm，m=1.25mm，蝸桿分度圓直徑d1=22.4mm，這時(shí)=0.448，從而可查得接觸系數(shù)=2.72，因?yàn)椋糧ρ，因此以上計(jì)算結(jié)果可用。
蝸桿和蝸輪主要幾何尺寸計(jì)算
⑴蝸桿
分度圓直徑：d1=8mm
直徑系數(shù)：q=17.92，
蝸桿頭數(shù)：Z1=1
分度圓導(dǎo)程角：γ=3°11′38″
蝸桿軸向齒距：PA==3.94mm； (3-6)
蝸桿齒頂圓直徑： (3-7)
蝸桿齒根圓直徑： （3-8）
蝸桿軸向齒厚：=2.512mm (3-9)
蝸桿軸向齒距： （3-10）
⑵蝸輪
蝸輪齒數(shù)：Z2 =45
變位系數(shù)Χ=0
驗(yàn)算傳動(dòng)比：i=/=45/1=45 (3-11)
蝸輪分度圓直徑：d2=mz2=72mm (3-12)
蝸輪喉圓直徑：da2=d2+2ha2=93.5 (3-13)
蝸輪喉母圓直徑：rg2=a-1/2 da2 =50-1/293.5=3.25 (3-14)
蝸輪齒頂圓直徑： （3-15）
蝸輪齒根圓直徑： （3-16）
蝸輪外圓直徑：當(dāng)在z=1時(shí)， （3-17）
3.5 蝸桿軸的設(shè)計(jì)
3.5.1 蝸桿軸的材料選擇，確定許用應(yīng)力
考慮軸主要傳遞蝸輪的轉(zhuǎn)矩，為普通用途中小功率減速傳動(dòng)裝置。
選用45號(hào)鋼，正火處理，
3.5.2 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步估算軸的最小直徑
（3-18）
扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取α=0.6
抗彎截面系數(shù)W=0.1d3
取dmin=15.14mm
3.5.3 確定各軸段的直徑和長度
根據(jù)各個(gè)零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長度。
d1=d5 同一軸上的軸承選用同一型號(hào)，以便于軸承座孔鏜制和減少軸承類型。
d5軸上有一個(gè)鍵槽，故槽徑增大5%
d1=d5=d1′×(1+5%)=15.89mm ,圓整d1=d5=17mm
所選軸承類型為深溝球軸承，型號(hào)為6203，B=12mm，D=40mm，
d2起固定作用，定位載荷高度可在（0.07～0.1）d1范圍內(nèi)，
d2=d1+2a=19.38～20.04mm，故d2取20mm
d3為蝸桿與蝸輪嚙合部分，故d3=24mm
d4=d2=20mm,便于加工和安裝
L1為與軸承配合的軸段，查軸承寬度為12mm，端蓋寬度為10mm，
則L1=22mm
L2尺寸長度與刀架體的設(shè)計(jì)有關(guān)，蝸桿端面到刀架端面距離為65mm，
故L2=43mm
L3為蝸桿部分長度L3≥（11+0.06z2）m=21.92mm
圓整L3取30mm
L4取55mm，L5在刀架體部分長度為（12+8）mm，伸出刀架部分通過聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)相連長度為50mm，故L5=70mm
兩軸承的中心跨度為128mm，軸的總長為220mm
3.5.4蝸桿軸的校核
作用在蝸桿軸上的圓周力
(3-19)
其中d1=28mm
則
徑向力 (3-20)
切向力 (3-21)
圖3.1 軸向受力分析
(3-22)
(3-23)
求水平方向上的支承反力
圖3.2 水平方向支承力
(2-25)
求水平彎矩,并繪制彎矩圖
圖3.3 水平彎矩圖
求垂直方向的支承反力
(3-26)
查文獻(xiàn)[9]表2.2—4，，，，
其中，，
（3-27)
圖3.4 垂直方向支承反力
求垂直方向彎矩，繪制彎矩圖
圖3.5 垂直彎矩圖
求合成彎矩圖，按最不利的情況考慮
(2-28)
圖3.6 合成彎矩圖
計(jì)算危險(xiǎn)軸的直徑
(3-29)
查文獻(xiàn)[9]表15—1，材料為調(diào)質(zhì)的許用彎曲應(yīng)力，則
所以該軸符合要求。
3.5.5 鍵的選取與校核
考慮到d5=105%×15.14=15.89mm, 實(shí)際直徑為17mm，所以強(qiáng)度足夠
由GB1095-79查得，尺寸b×h=5×5，l=20mm的A型普通平鍵。
按公式進(jìn)行校核
，，，。查文獻(xiàn)[9]表6—2，取則
(2-30)
該鍵符合要求。
由普通平鍵標(biāo)準(zhǔn)查得軸槽深t=30mm,轂槽深t1=2.3mm
3.6 蝸輪軸的設(shè)計(jì)
3.6.1 蝸輪軸材料的選擇，確定需用應(yīng)力
考慮到軸主要傳遞蝸輪轉(zhuǎn)矩，為普通中小功率減速傳動(dòng)裝置
選用45號(hào)鋼，正火處理，， ［eь］-1=55MPa
3.6.2 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，初步估計(jì)軸的最小直徑
查文獻(xiàn)[9]表15—1，取45號(hào)調(diào)質(zhì)剛的許用彎曲應(yīng)力，則
由于軸的平均直徑為34mm，因此該軸安全。
3.6.3 確定各軸段的直徑和長度
根據(jù)各個(gè)零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長度
d1即蝸輪輪芯為68mm
d2為蝸輪軸軸徑最小部分取34mm
d3軸段與上刀架體有螺紋聯(lián)接，牙形選梯形螺紋，根據(jù)文獻(xiàn)表8-45
取公稱直徑為d3=44mm，螺距P=12mm，H=6.5mm
查表8-46得，外螺紋小徑為31mm
內(nèi)、外螺紋中徑為38mm
內(nèi)螺紋大徑為45mm
內(nèi)螺紋小徑為32mm
旋合長度取55mm
L2尺寸長度為34mm，蝸輪齒寬b2 當(dāng)z1≤3時(shí)，b2≤0.75da1=15.6mm
取b2=15mm
3.7 中心軸的設(shè)計(jì)
3.7.1 中軸的材料選擇,確定許用應(yīng)力
考慮到軸主要起定位作用，只承受部分彎矩，為空心軸，因此只需校核軸的剛度即可。
選用45號(hào)鋼，正火處理，， ［eь］-1=55MPa
3.7.2 確定各軸段的直徑和長度
根據(jù)各個(gè)零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長度
d1=15mm,
d2與軸承配合，軸承類型為推力球軸承，型號(hào)為51203，d=17mm,d1=19,T=12mm,D=35mm
所以d2=17mm
d3與軸承配合，軸承類型為推力球軸承，型號(hào)為51204，
d=25mm,d1=27mm,T=15mm,D=47mm
圖3.7 中心軸受力圖
分配各軸段的長度L1=80mm,L2=93mm,L3=20mm
3.7.3 軸的校核
軸橫截面的慣性矩
車床切削力F=2KN,E=210GPa
(3-31)
(3-32)
因此
＜［］
y＜［y］
中心軸滿足剛度條件
3.8 齒盤的設(shè)計(jì)
3.8.1 齒盤的材料選擇和精度等級(jí)
上下齒盤均選用45號(hào)鋼，淬火，180HBS
初選7級(jí)精度等級(jí)
3.8.2 確定齒盤參數(shù)
考慮齒盤主要用于精確定位和夾緊，齒形選用三角齒形，上下齒盤由于需相互嚙合，參數(shù)可相同
當(dāng)蝸輪軸旋轉(zhuǎn)150°時(shí)，上刀架上升5mm，齒盤的齒高取4mm
由
(3-33)
得算式 4=（2×1+0.25）m
標(biāo)準(zhǔn)值ha*=1.0, c*=0.25
求出m=1.78mm,取標(biāo)準(zhǔn)值m=2mm
故齒盤齒全高h(yuǎn)=（2ha*+c*）m=(2×1+0.25)×2=4.5mm
取齒盤內(nèi)圓直徑d為120mm，
外圓直徑為140mm
齒頂高 ha=ha*m=1×2=2m
齒根高 hf=(ha*+c*)m=2.5mm
齒數(shù)z=38
齒寬b=10mm
齒厚
齒盤高為5mm
3.8.3 按接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算
⑴確定有關(guān)計(jì)算參數(shù)和許用應(yīng)力
(3-35)
⑵取載荷系數(shù)kt=1.5
⑶由文獻(xiàn)表9-12取齒寬系數(shù)Фd=1.0
⑷由表9-10查得材料的彈性影響系數(shù)Ze=189.8，
取ａ=20°，故ZH=2.5
⑸查圖9-34取бHlim1=380
取бHlim2=380
⑹Lh=60×24×1×(8×300×15)
N2=5.18×107
⑺由圖9-35查得接觸疲勞壽命系數(shù)ZN1=1.1 ，ZN2=1.1
⑻計(jì)算接觸疲勞需用應(yīng)力
取安全系數(shù)SH=1，由式（9-44）得
(3-36)
按齒根抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由式（9-46）得抗彎強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為
(3_37)
確定公式內(nèi)的各參數(shù)數(shù)值
⑴由文獻(xiàn)圖9-37查得，抗彎疲勞強(qiáng)度極限
⑵由文獻(xiàn)圖9-38查得，抗彎疲勞壽命系數(shù)YN1=1.0，YN2=1.0
⑶查圖取
⑷計(jì)算抗彎疲勞許用應(yīng)力，取抗彎疲勞安全系數(shù)SF=1.4
由式（9-47）得
(3-38)
⑸彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
(3-39)
故滿足彎曲疲勞強(qiáng)度要求
3.9 軸承的選用
滾動(dòng)軸承是現(xiàn)代機(jī)器中廣泛應(yīng)用的部件之一。它是依靠主要元件的滾動(dòng)接觸來支撐轉(zhuǎn)動(dòng)零件的。與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承摩擦力小，功率消耗少，啟動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)。并且常用的滾動(dòng)軸承絕大多數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此使用滾動(dòng)軸承時(shí)，只要根據(jù)具體工作條件正確選擇軸承的類型和尺寸。驗(yàn)算軸承的承載能力。以及與軸承的安裝、調(diào)整、潤滑、密封等有關(guān)的“軸承裝置設(shè)計(jì)”問題。
3.9.1 軸承的類型
考慮到軸各個(gè)方面的誤差會(huì)直接傳遞給加工工件時(shí)的加工誤差，因此選用調(diào)心性能比較好的深溝球軸承。此類軸承可以同時(shí)承受徑向載荷及軸向載荷，安裝時(shí)可調(diào)整軸承的游隙。然后根據(jù)安裝尺寸和使用壽命選出軸承的型號(hào)為：6203
3.9.2 軸承的游隙及軸上零件的調(diào)配
軸承的游隙和欲緊時(shí)靠端蓋下的墊片來調(diào)整的，這樣比較方便。
3.9.3 滾動(dòng)軸承的配合
滾動(dòng)軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，為使軸承便于互換和大量生產(chǎn)，軸承內(nèi)孔于軸的配合采用基孔制，即以軸承內(nèi)孔的尺寸為基準(zhǔn)；軸承外徑與外殼的配合采用基軸制，即以軸承的外徑尺寸為基準(zhǔn)
3.9.4 滾動(dòng)軸承的潤滑
考慮到電動(dòng)刀架工作時(shí)轉(zhuǎn)速很高，并且是不間斷工作，溫度也很高。故采用油潤滑，轉(zhuǎn)速越高，應(yīng)采用粘度越低的潤滑油；載荷越大，應(yīng)選用粘度越高的。
3.9.5 滾動(dòng)軸承的密封裝置
軸承的密封裝置是為了阻止灰塵，水，酸氣和其他雜物進(jìn)入軸承，并阻止?jié)櫥瑒┝魇ФO(shè)置的。密封裝置可分為接觸式及非接觸式兩大類。
唇形密封圈靠彎折了的橡膠的彈性力和附加的環(huán)行螺旋彈簧的緊扣作用而套緊在軸上，以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要緊密封的部位。即如果是為了油封，密封唇應(yīng)朝內(nèi)；如果主要是為了防止外物浸入，密封唇應(yīng)朝外。
第四章 刀架體設(shè)計(jì)
刀架體設(shè)計(jì)首先要考慮刀架體內(nèi)零件的布置及與刀架體外部零件的關(guān)系，應(yīng)考慮以下問題：
(a) 滿足強(qiáng)度和剛度要求。因?yàn)榈都荏w的剛度不僅影響傳動(dòng)零件的正常工作，而且還影響部件的工作精度。
(b) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。如支點(diǎn)的安排、開孔位置和連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等均要有利于提高刀架體的強(qiáng)度和剛度。
(c) 工藝性好。包括毛坯制造、機(jī)械加工及熱處理、裝配調(diào)整、安裝固定、吊裝運(yùn)輸、維護(hù)修理等各方面的工藝性。
(d) 造型好、質(zhì)量小。
刀架體的常用材料有：
鑄鐵，多數(shù)刀架體的材料為鑄鐵，鑄鐵流動(dòng)性好，收縮較小，容易獲得形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的箱體。鑄鐵的阻尼作用強(qiáng)，動(dòng)態(tài)剛性和機(jī)加工性能好，價(jià)格適度。加入合金元素還可以提高耐磨性。
鑄造鋁合金，用于要求減小質(zhì)量且載荷不太大的箱體。多數(shù)可通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化，有足夠的強(qiáng)度和較好的塑性。
本次設(shè)計(jì)的下刀架體采用HT150鑄造，其具體結(jié)構(gòu)見零件圖。
結(jié) 論
本次設(shè)計(jì)采用了四工位刀架，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，渦輪蝸桿的傳動(dòng)，有效的實(shí)現(xiàn)了縮短輔助時(shí)間,減少多次安裝零件引起的誤差。本次設(shè)計(jì)的四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)比較簡單，滿足時(shí)間短,刀具重復(fù)定位精度夠,足夠的刀具存儲(chǔ)以及安全可靠等基本要求。
回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛度，以承受粗加工時(shí)的切削抗力和減少刀架在切削力作用下的位移變形，提高加工精度。由于車削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，對(duì)于數(shù)控車床來說，加工過程中刀架部位要進(jìn)行人工調(diào)整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證回轉(zhuǎn)刀架在每次轉(zhuǎn)位之后具有高的重復(fù)定位精度（一般為0.001～0.005mm)。
致謝
在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中得到了很多老師和同學(xué)的熱心幫助，在這里我要一一向他們表示感謝。首先我要感謝我們的指導(dǎo)老師xxx。從畢業(yè)設(shè)計(jì)開始到期末答辯，關(guān)老師一直嚴(yán)格要求我們，為我們安排了理合的作息時(shí)間，避免了由于作息時(shí)間無序而出現(xiàn)的懶散現(xiàn)象的發(fā)生。為了能使我們按時(shí)順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，xxx老師多次帶領(lǐng)我們小組的同學(xué)實(shí)地進(jìn)行集體討論，爭取最佳方案，加深了我們對(duì)車削中心的理性認(rèn)識(shí)。有的同學(xué)設(shè)計(jì)的課題可查閱的相關(guān)資料較少，xxx老師就親自通過不同途徑為這些同學(xué)找到相關(guān)的資料，保證了這些同學(xué)的進(jìn)度。正是在xxx老師有效的指導(dǎo)下，使得我們小組每個(gè)同學(xué)的進(jìn)度都達(dá)到了學(xué)院的要求。在學(xué)院組織的幾次中期檢查中，我們組的同學(xué)沒有一個(gè)因?yàn)檫M(jìn)度跟不上而遭到檢查老師的批評(píng)。我很欣賞xxx老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，敬佩她的為人；感謝她對(duì)我們的耐心指導(dǎo)。我相信這三個(gè)月來她對(duì)我的教誨一定會(huì)使我終身受益。
其次我要感謝我們小組的所有同學(xué)，在設(shè)計(jì)過程中他們給了我無私的幫助。我們互相交流，互相幫助，爭取最佳方案。
再次我要感謝我們系部的所有老師以及曾在數(shù)控機(jī)床操作方面給予我們幫助的學(xué)長們。盡管他們不是我們的指導(dǎo)老師，但是還是很樂于幫助我們解決問題，感謝他們?yōu)槲覀兲峁┝水厴I(yè)設(shè)計(jì)的場所以及無私的幫助。
最后，衷心感謝在百忙之中抽出時(shí)間審閱本論文的專家教授。
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