毕业论文数控车床自动回转刀架设计18352.doc

高等教育自学考试毕业设计（论文）题目 数控车床自动回转刀架设计 专业班级 机电一体化 姓名 指导教师姓名、职称 所属助学单位 2010年 3月20日目录1 概论11.1 数控车床的组成11.2 数控车床的工作原理11.3 数控车床的发展趋势11.4 本章小结12 数控车床自动换刀装置12.1 自动换刀装置的形式12.1.1 更换主轴头换刀.22.1.2 带刀库的自动换刀系统22.1.3 自动回转刀架换刀22.2 自动回转刀架换刀的优点22.3 自动回转刀架的分类22.4 自动回转刀架换刀的技术要求22.5 自动回转刀架的四个基本动作32.6 本章小结33 自动回转刀架的PLC系统设计33.1 自动回转刀架的PLC程序的作用33.2 电动回转刀架具体工作过程33.3 控制系统设计33.3.1 控制系统电路硬件接线图43.3.2 PLC控制流程图43.3.3 PLC软件设计53.4 本章小结64 刀架进给运动伺服系统的设计64.1 刀架进给伺服系统各组成部分的功能64.1.1 伺服驱动装置的作用64.1.2 伺服电机的作用64.1.3 检测装置的作用64.2 刀架运动执行装置74.3 本章小结75 自动回转刀架的机械结构与电气设计75.1 总体结构设计75.1.1 减速传动机构的设计75.1.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计85.1.3 刀架抬起机构的设计85.2 自动回转刀架的机械结构设计85.2.1 液压原理85.2.2 机械结构95.2.3 刀架主要零件设计95.2.3.1动齿盘与静齿盘95.2.3.2 刀架定位精度及重复定位精度95.2.3.3 花键轴105.2.3.4 防水、防尘设计105.2.3.5 控制方式105.2.3.6 活塞105.2.4 刀架驱动形式105.3 自动回转刀架主要传动部件的设计计算105.3.1 蜗杆副的设计计算115.3.1.1 蜗杆的选型115.3.1.2 蜗杆副的材料115.3.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计115.3.1.4 蜗杆和涡轮的主要计算参数和几何尺寸135.3.1.5 校核涡轮齿根弯曲疲劳强度135.3.2 蜗杆的设计计算145.3.2.1 涡距的确定145.3.2.2 其它参数的确定155.3.2.3 自锁性能校核155.4 自动回转刀架电气控制设计155.4.1 硬件收信电路155.4.2 硬件发信电路175.5 本章小结176 总结与展望18致谢18参考文献19摘 要数控车床的出现对提高生产率、改善产品质量以及改善劳动条件等发挥了重要的作用,为了进一步压缩非切削时间，数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的发展方向。在这类多工序的数控机床中必须带有自动换刀装置，在多工序数控机床出现之后，又逐步发展和完善了各类回转刀具的自动更换装置，扩大了换刀数量，快速准确的实现了换刀操作。数控车床上使用的自动回转刀架是一种在一定的空间范围内，能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。本设计主要论述一种多工位液压数控自动回转刀架的设计原理、机械结构及自动控制方式。关键词：数控车床、换刀、PLC、伺服系统、刀架Abstract The emergence of CNC lathe to increase productivity, improve product quality and improve working conditions play an important role, in order to further reduce non-cutting time, numerical control machine tool is moving in a machine during a setup process to complete multi-processing development. In such multi-procedure must be of CNC machine tools with automatic tool change device, the advent of multi-process CNC machine tools, but also the progressive development and perfection of the various types of rotary automatic tool changer, expanding the number of tool changing, fast and accurate implementation of the tool change operation. CNC lathe turret used in auto-rotation is a certain spatial scale, can perform automatic release, translocation, precision positioning and a series of actions of an institution. This paper discusses the design of a multi-station automatic rotary hydraulic CNC turret design principle, mechanical structure and automatic control methods. Keywords: CNC lathe, tool changer, PLC, servo system, turret 数控车床的自动回转刀架设计1 概论1.1 数控车床的组成数控车床主要由主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动系统及数控装置组成。1.2 数控车床的工作原理在数控加工中，编程人员首先按照零件加工的技术要求和工艺要求，编写零件的加工程序，并将加工程序输入到数控装置，数控装置对加工程序进行相应译码和运算，并将处理结果送到机床各个坐标的伺服系统，伺服系统接收来自数控装置输出的指令信息并且经过功率放大后，带动机床移动部件按照规定的轨迹和速度运动，从而使机床自动加工出符合图纸要求的零件。1.3 数控车床的发展趋势数控车床的出现对提高生产率改善产品质量以及改善劳动条件等发挥了重要的作用，为了进一步压缩非切削时间，数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的发展方向。在这类多工序的数控机床中必须带有自动换刀装置，在多工序数控机床出现之后，逐步发展和完善了各类回转刀具的自动更换装置，扩大了换刀数量，以便有可能实现更复杂的换刀操作。1.4 本章小结数控车床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品，是提高制造业的产品质量和劳动生产率必不可少的重要手段，数控车床为了能在工件的一次装夹中完成多工序加工，缩短辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，必须带有自动回转刀架。2 数控车床自动换刀装置2.1 自动换刀装置的形式自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有以下三种：更换主轴头换刀、带刀库的自动换刀系统、自动回转刀架换刀。2.1.1 更换主轴头换刀更换主轴头换刀在带有旋转刀具的数控机床中，更换主轴头是一种简单换刀方式。主轴头通常有卧式和立式两种，而且常用转塔的转位来更换主轴头，以实现自动换刀。在转塔的各个主轴头上，预先安装有各工序所需的旋转刀具。当发出换刀指令时，各主轴头依次地转到加工位置，并接通主轴运动，使相应的主轴带动刀具旋转，而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。2.1.2 带刀库的自动换刀系统带刀库的自动换刀系统带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成。首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调整后，按一定的方式放入刀库中去。换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，在进行交换刀具之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量，它既可以安装在主轴箱的侧面或上方，也可作为单独部件安装到机床以外，并由搬运装置运送刀具。2.1.3 自动回转刀架换刀自动回转刀架换刀数控车床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具，自动回转刀架的换刀动作是由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制的。2.2 自动回转刀架换刀的优点传统的车床例如CA6140的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进，数控车床上使用的自动回转刀架是一种最简单的换刀装置，自动回转刀架是在一定的空间范围内能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构，使数控车床能在工件的一次装夹中完成多工序加工，缩短辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差。 2.3 自动回转刀架的分类根据装刀数量的不同，自动回转刀架分有四工位六工位和八工位等多种形式。根据安装方式的不同，自动回转刀架可分为立式和卧式两种。根据机械定位方式的不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等。2.4 自动回转刀架换刀的技术要求自动回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力。为了保证转位具有高的重复定位精度，自动回转刀架还要选择可靠的定位方案和合理的定位结构。自动回转刀架的自动换刀时由控制系统和驱动电路来实现的。2.5 自动回转刀架的四个基本动作回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为四个步骤：刀架抬起、刀架转位、刀架压紧、转位液压缸复位。2.6 本章小结刀架是直接完成切削加工的执行部件，刀架进给运动采用伺服电动机驱动滚珠丝杠来实现，所以，刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，所以要求数控车床选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证有较高的重复定位精度。此外，刀架的设计还应满足换刀时间短、结构紧凑和安全可靠等要求。数控车床是一种高度自动化的机床，它的刀架一般都采用自动（电气或液压）的转位方式。按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有更换主轴头换刀、带刀库的自动换刀系统、自动回转刀架换刀等多种形式。 由于自动回转刀架具有刚度大、重复定位精度高、结构简单等一系列优点，所以自动回转刀架在生产工业中被广泛的使用着。3 自动回转刀架的PLC系统设计3.1 自动回转刀架的PLC程序的作用经济型数控车床都配有电动回转刀架，回转刀架除了必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力和定位精度外，同时通过数控系统内置PLC或独立PLC和控制电路完成回转刀架的自动回转及找刀定位的全部动作，所以自动回转刀架的PLC程序设计对刀架的运行效率和稳定性具有重要的作用。3.2 电动回转刀架具体工作过程电动刀架一般有四工位或六工位，由电动机、机械换刀机构、发讯盘等组成，当系统发出换刀信号，刀架电机正转，通过减速机构和升降机构将上刀体上升至一定位置，离合盘起作用，带动上刀体旋转到所选择刀位，发讯盘发出刀位到位信号，刀架电机反转，完成初定位后上刀体下降，齿牙盘啮合，完成精确定位，并通过升降机构锁紧刀架。3.3 控制系统设计刀架的换刀过程通过PLC对控制刀架的所有IO信号进行逻辑处理及计算，实现刀架的顺序控制，另外为了保证换刀能够正确进行，系统还要设置一些相应的系统参数来对换刀过程进行调整。本设计采用西门子S7200编程软件进行程序设计。3.3.1 控制系统电路硬件接线图刀架电气控制部分如图1所示。图1中的(a)是刀架控制的主电路，主要是通过控制刀架电机的正转和反转来控制刀架的正转和反转；图(b)是刀架控制的PLC输入输出控制回路。每把刀具都有一固定刀号，通过霍尔开关(一般为NPN型，因此我们在接入PNP型PLC时要并接一电阻)进行到位检测。 a b图1 刀架控制原理图3.3.2 PLC控制流程图数控刀架换刀有两种模式，一种是手动换刀，另一种是通过T指令进行自动换刀。手动换刀是指将机床调至手动状态，通过刀位选择按键进行目的刀位选择，有的系统是利用波段开关的形式进行实现，有的系统是利用记数的形式来实现，比如说通过检测刀位选择信号的状态，如果按下刀位选择按键，计数器的数值会发生改变，系统选择也会发生相应的改变。也可以采用单键换刀，一个短促的按键可以换下一个刀位。T指令换刀是直接通过编程刀号作为目的刀位进行换刀。刀架电机顺时针旋转时为选刀过程，逆时针旋转时为锁紧过程，选刀监控时间和锁紧监控时间由PLC定时器决定。其控制流程如图2。 图2 换刀程序流程图3.3.3 PLC软件设计PLC程序部分包括换刀刀号或编程刀号的读入、刀位判断比较、正转寻刀监控及反转锁紧延时监控等，自动换刀部分梯形图如图3。图3是自动换刀控制的PLC梯形图，在梯形图中，用字节传送指令将当前刀位开关信号I0.0一l0.3转换成当前刀号存放到Tc中，在T选通信号的作用下，将指令刀号Tp和当前刀号Tc进行比较，如果不相等则置位Q0.0，复位Q0.1，KM1吸合，刀架电机正转架开始旋转；刀架在正向旋转的过程中不停的对刀位输入信号进行检测，每把刀具各有一个霍尔位置检测开关，各刀具按顺序依次经过发磁体位置产生相应的刀位信号。当产生的刀位信号和指令刀号相一致的时候，PLC认为所选刀具已经到位。刀具到位以后，刀架仍继续正向旋转一段时间，这一时间由时间继电器T7设定，不能过长，过长会造成手动或自动换刀时目的刀位不正确，过短对有些刀架会造成换不到位，特别是手动换刀时会找不到下一个刀位而在原位转换，这个时间的设定在调试时具体调定。自动换刀时延时一段时间以后，Q0.0复位，Q0.1置位，电机停止正向旋转，架开始反转，反转过程其实就是刀架锁紧的过程，此过程延续一段时间，直到刀架锁紧到位，但反转时间不宜过长或过短。过长就有可能烧坏电机或造成电机过热空开跳闸，时间过短有可能造成刀架不能够锁紧。刀架锁紧以后，整个换刀过程结束。当然，在梯形图的设计中还要考虑一些保护和安全因素，如刀架电动机长时间旋转，而检测不到刀位信号，则认为刀架出现故障，立即停止刀架电动机，以防止将其损坏并报警提示；刀架电动机过热报警时，停止换刀过程，并禁止自动加工等。 图3 自动换刀梯形图3.4 本章小结自动换刀控制的PLC程序在实际应用中灵活性强可靠性高，在调试中根据不同的刀架性能，配合数控系统，可灵活地修改刀位数、正转寻刀监控时间、正转找到刀位后的延迟时间、和反转锁紧监控时间等，使刀架的运行效率高并稳定可靠。4 刀架进给运动伺服系统的设计4.1 刀架进给伺服系统各组成部分的功能刀架是直接完成切削加工的执行部件，刀架进给运动采用伺服电动机驱动滚珠丝杠来实现。进给伺服系统是数控机床的四肢，执行来自CNC装置的运动指令。进给伺服系统由伺服驱动装置、伺服电机和位置检测装置组成。4.1.1 伺服驱动装置的作用伺服驱动装置的主要功能是功率放大和速度调节，将弱电信号转化为强电信号，并保证系统的动态性能。4.1.2 伺服电机的作用伺服电机将电能转化为机械能，拖动机械部件移动或转动。伺服电机包括主轴电机和各方向的进给电机。4.1.3 检测装置的作用检测装置是把位移和速度测量信号作为反馈信号，并将反馈信号转换成数字信号送回计算机与脉冲指令信号进行比较，以控制驱动元件的正确运转。4.2 刀架运动执行装置滚珠丝杠螺母副是数控车床刀架进给运动理想的运动执行装置，它由丝杠、螺母和位于螺纹滚道之间的滚珠构成。4.3 本章小结进给伺服系统的任务是控制机床执行部件运动的位移、方向和速度。它由机械传动机构、执行部件以及电气自动控制两大部分组成。5 自动回转刀架的机械结构和电气设计5.1 总体结构设计 设计一台四工位的立式自动回转刀架，适用于经济型数控车床，使自动回转刀架在结构上具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力，同时具有换刀时的快速性、稳定性和高定位精度的重复性。图4为自动回转刀架的传动结构示意图。图4 自动回转刀架的传动结构示意图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5.1.1 减速传动机构的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，必须经过适当的减速。根据立式转位刀架的结构特点，采用蜗杆副减速是最佳选择。蜗杆副传动可以改变运动的方向，获得较大的传动比，保证传动精度和平稳性，并且具有自锁功能，还可以实现整个装置的小型化。5.1.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计由于刀具直接安装在上刀体上，所以上刀体要承受全部的切削力，其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。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。当刀架处于锁紧状态时，上下端面齿相互咬合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；换刀时电动机正传，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。5.1.3 刀架抬起机构的设计要想使上，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。本设计选用螺杆-螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆-涡轮带动蜗杆绕中心轴转动时，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咬合，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。当端面齿脱离咬合时，上刀体就与螺杆一同转动。5.2 自动回转刀架的机械结构设计 多工位液压数控转塔刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，通过刀架的旋转分度定位来实现机床的自动换刀动作。5.2.1 液压原理如图5所示，当YV3带电时，液压缸上行，转塔松开。此时YV1带电，电机转动，转塔随之转动，转塔转到预定位置时，YV1和YV3断电、YV4带电，电机停止转动，液压缸下行，转塔锁紧。转塔锁紧后YV4断电，刀架完成一次转位。伺服阀装在电机体内，通过机械装置实现电机的机械自锁，防止转塔越位。 图5刀架液压原理图5.2.2 机械结构图6为多工位数控刀架的结构简图.工作时，液压缸后腔来油，压力油作用在活塞后端面上，推动活塞向左运动，活塞推动转塔运动，动齿盘与静齿盘脱开，这时液压电机通过同步齿形带带轮带动花键轴转动，花键轴转动带动转塔转位，转塔到位时，电机停止转动并实现机械自锁，防止转塔越位。液压电机停止转动后，液压缸前腔来油，压力油作用在活塞前端面上，推动活塞向右运动，活塞推动花键轴向右运动，动齿盘与静齿盘啮合，转塔锁紧。要求花键轴转动时，活塞不随之转动，两者之间通过滑动轴承配合，把活塞孔直接设计成滑动轴承。 图6 刀架机械结构图1、刀具固定块 2、圆螺母 3、弹簧垫片4、动齿盘转塔刀架 5、A型平键 6、轴用弹性挡圈7、内六角螺栓 8、液压缸体 9、调整垫片10、 动齿盘刀架体 11、内花键同步齿形带轮12、花键轴 13、轴承端盖 14、深沟球轴承15、液压缸端盖 16、O型密封圈 17、活塞5.2.3 刀架主要零件设计5.2.3.1 动齿盘与静齿盘动齿盘与静齿盘是数控刀架的两个主要零件，其精度决定刀架性能的好坏，齿盘的齿形可设计成向心齿（即齿面为梯形齿、齿的截面也为梯形）或设计成矩形齿（即齿面为矩形、齿的截面为梯形）。本刀架采用工艺性能好的矩形齿，齿的啮合深度通常设计为45mm，可获得所需的锁紧力满足刀架刚度要求。5.2.3.2 活塞对活塞的设计要求：当花键轴转动时，活塞是不允许随之转动的，所以两者之间应有轴承来传动转动，显然在这里用滚动轴承是不合适的，必需采用滑动轴承。本设计直接在活塞孔内开螺旋形润滑油槽，把活塞孔设计成滑动轴承。由于省去了花键轴与活塞孔之间的滑动轴承，使刀架的结构进一步得到简化。5.2.3.3 花键轴 花键轴是本刀架的重要零件之一，它既是刀架的传动轴又是液压缸的活塞杆；它既有往复运动，又有转动，所以花键轴与活塞配合部分的配合采用G7/h6。配合特点是：间隙很小的滑动配合，用于不希望自由转动，但可自由移动和滑动并精确定位时。5.2.3.4 防水、防尘设计 防水、防尘设计是刀架设计的重要环节之一，刀架工作过程中 铁屑会进入刀架本设计采用O型密封圈和毡圈进行密封。5.2.3.5 控制方式控制方式也是数控刀架设计需要考虑的重要环节之一，控制元件的选取决定着刀架的自动化程度和编程方法，本文采用控制过程中普遍使用的行程开关和编码器来实现对刀架的自动控制。行程开关控制转塔的松开与锁紧，编码器控制转塔的转位。 5.2.3.6 刀架定位精度及重复定位精度 定位精度是指转塔到位后，刀架指定工位把刀孔中心线与设计中心 竖直平面内的偏差，重复定位精度是指刀架各工位反复锁紧多次后的偏差平均值。由于该刀架转塔到位前，控制刀架初定位的行程开关发出信号使控制电机的 电磁阀断电，此时电机内部的机械自锁部件使电机停在预定位置上，所以刀架具有较高的定位精度和重复定位精度。5.2.4 刀架驱动形式由于滚珠丝杠具有摩擦系数小，传动效率高的优点，所以刀架的驱动方式采用AC伺服电机带动丝杠旋转，实现刀架的直线运动，刀架躯动系统如图7所示。 图7 刀架驱动系统原理简图5.3 自动回转刀架主要传动部件的设计计算设计一台四工位的立式自动回转刀架，适用于C616或C6132经济型数控车床。推荐刀架所用电动机的 额定功率为90W，额定转速为1440r/min，换刀时要求刀架转动的速度为30r/min。5.3.1 蜗杆副的设计计算自动回转刀架的动力源时三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直连，刀架转位时涡轮与上刀体直连。已知电动机额定功率P 1=90W，额定转速n1 =1440r/min，上刀体设计转速 n2 =30r/min，则蜗杆副的传动比i =n1/n2 =1440 /30=48.刀架从转位刀锁紧时，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Lh =10000h 。5.3.1.1 蜗杆的选型GB/T10085-1988推荐采用渐开线蜗杆（Z1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(Z1型)。5.3.1.2 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，因此蜗杆的材料选择45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC，以提高表面耐磨性；涡轮的转速较低，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。5.3.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，在进行承载能力计算时，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。按涡轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为： 式中 a-蜗杆副的传动中心距，单位为mm； K-载荷系数； -作用在涡轮上的转矩T ，单位N.mm; -弹性影响系数，单位为MPa； -接触系数 -许用接触应力，单位为MPa； 从式中算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比i=48，可以选择合适的中心距a值，以及相应的蜗杆，涡轮参数。 （1）确定作用在涡轮上的转矩T设蜗杆头数z1 =1,蜗杆副的传动效率取 =0.8。由电动机的额定功率P1 =90W,可以算出涡轮传递的功率P2 =P 1 ,再由涡轮的转速n2 =30r/min,求得作用在涡轮上的转矩： T2=9.55P2/n2=9.55P1 /n2=22920N.mm（2）确定载荷系数K载荷系数.其中为使用系数，由于工作载荷分布步均匀，启动时冲击较大，因此取 =1.15;K 为齿向载荷分布系数，因工作载荷在启动和停止时有变化，故取 =1.15； 为动载系数，由于转速不高，冲击不大，可取=1.05,则载荷系数（3）确定弹性影响系数铸锡磷青铜涡轮与钢蜗杆相配时，从参考文献中差得弹性影响系数 =160MPa（4）确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径d1 和传动中心距a的比值d 1/a=0.35,可得系数=2.9（5）确定许用接触力 根据涡轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1,金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，涡轮的基本许用力 =268MPa，已知蜗杆为单头，涡轮每转一转时每个轮齿咬合的次数j=1;涡轮转速n =30r/min;蜗杆副的使用寿命L =10000h。则应力循环次数N=60jn2Lh=1.8107寿命系数：KHN=0.929许用接触应力：（6）计算中心距将以上各参数代入式 ，求得中心距： 48mm取中心距a=50mm,已知蜗杆头数z1 =1,设模数m=1.6mm,得直径d1 =20mm,这时d1/a=0.4,可得接触系数 =2.74。因为< ，所以上述计算结构可用。5.3.1.4 蜗杆和涡轮的主要计算参数和几何尺寸 (1) 蜗杆参数及尺寸头数z1 =1,模数m=1.6mm,轴向齿距Pa = 3.14m=5.027mm,轴向齿厚s a=0.5 ,分度圆直径d1 =20mm,直径系数q =d1 /m=12.5,分度圆导程脚r=arctan(Z1/q)=4°3426“（2）涡轮参数与尺寸齿数z2=48,模数m=1.6mm,分度圆直径为d 2=mz 2=1.6 48mm=76.8mm,变位系数 x 2=a-(d 1+d2 )/2/m=50-(20+76.8)/2/1.6=1,涡轮喉圆直径为da2=d2+2m(h*a+x2)=83 .2mm,涡轮齿根圆直径df2=d2-2m(h*a-x2+c)=76.16mm5.3.1.5 校核涡轮齿根弯曲疲劳强度即校验下式是否成立： 式中 .涡轮齿根弯曲应力，单位为Mpa; .涡轮齿形系数； . 螺旋角影响系数 .涡轮的许用弯曲应力，单位为MPa 由蜗杆头数Z1=1，传动比i=48,可以算出涡轮齿数 则涡轮的当量齿数： 根据涡轮变位系数x2=1和当量齿数ZV2=48.46,得齿形系数 =1.95旋转角影响系数; 根据涡轮的材料和制造方法，可得涡轮基本许用弯曲应力： =56MPa涡轮的寿命系数： 涡轮的许用弯曲应力： 将以上参数带入式 ，得涡轮齿根弯曲应力：=37.4可见， ,涡轮齿根的弯曲强度满足要求。5.3.2 蜗杆的设计计算5.3.2.1 涡距的确定刀架转位时，要求蜗杆在转到约170°的情况下，上刀体的断面齿与下刀体的断面齿完全脱离；在锁紧的时候，要求上下端面齿的咬合深度达2mm.因此，螺杆的螺距P应满足P170/360>2mm,即P>4.24mm.今取蜗杆的涡距P=6mm.5.3.2.2 其它参数的确定采用单头梯形螺杆，头数n=1,牙侧角b=15°，外螺纹达径d1=50mm,牙顶间隙ac=0.5mm,基本牙形高度H1=0.5P=3mm,外螺纹牙高h1=3.5mm,外螺纹中经d2=47mm,外螺纹校径d3=43mm,螺杆螺纹部分长度H=50mm。5.3.2.3 自锁性能校核螺杆-螺母材料均用45钢，取二者的摩擦因数f=0.11;再求得梯形螺旋副的当量摩擦角约为6.5°，而螺纹升角约为2.33°，小于当量摩擦角。因此，所选几何参数满足自锁条件。5.4 自动回转刀架电气控制设计 自动回转刀架的电气控制部分主要包括收信电路和发信电路两大块。5.4.1 硬件收信电路自动回转刀架的电气控制部分收信电路，如图8所示: 图8 自动回转刀架电气图a） 发信盘上的霍尔元件 b) 刀位信号的处理 c）刀架电动机正反转控制 d)刀架电动机正反转的实现 图8a中，发信盘上的4只霍尔开关（型号为UGN3120U），都有3个引脚，第1角接+12V电源，第2角接+12V地，第3角输出。转位时刀台带动磁铁旋转，当磁铁对准某一个霍尔开关时，其输出端第3角输出低电平；当磁铁离开时，第3角输出高电平。4只霍尔开关输出的4个刀位信号T1T4分别送到图8b的4只光耦合进行处理，经过光电隔离的信号再送给I/O接口芯片8255的PC4PC7。5.4.2 硬件发信电路图8c为刀架电动机正反转控制电路，I/O接口芯片8255的PA6与PA7分别控制刀架电动机的正转与反转。其中KA1为正转继电器的线圈，KA2的反转继电器的线圈。因刀架电动机的功率只有90W，所以图8d中刀架电动机与380V市电的接通可以选用大功率直流继电器，而不必采用继电器-接触器电路，以节省成本，降低故障率。图8c中，正转继电器的线圈KA1与反转继电器的一组常闭触点串联，而反转继电器的线圈KA2又与正转继电器的一组常闭触点串联，这样就构成了正转与反转的互锁电路，以防止系统失控时导致短路现象。当KA1或KA2的触点接通喔80V电压时，会产生较强的火花，并通过电网影响控制系统的正常工作，为此，在图d中布置了3对R-C阻容用来灭弧，以抑制火花的产生。5.5 本章小结该种刀架在具有刚度大、重复定位精度高、结构简单等一系列优点的同时，也存在一些不足之处。该刀架的液压电机由于在结构上需实现机械自锁，所以其结构复杂且部分零件不易加工，成本高。6 总结与展望我国在中高档数控机床关键技术方面有了较大突破，创造了一批具有自主知识产权的研究成果和核心技术，在五轴联动加工机床、高速加工机床、纳米级分辨率数控车床等重大数控装备上均有突破。各类功能部件，如转塔刀架、刀库、滚珠丝杠等发展迅速，数控机床的技术水平、质量水平、工艺水平等取得了长足进步。致 谢首先感谢老师对毕业设计中的指导，使我的设计更加完善。毕业设计是对学生大学所学和步入实际工作的较为全面的检阅，通过实际的设计训练和与设计同时进行的资料查阅，可以深刻的认识到专业知识方面的不足，拓展了学生的视野，有利于培养独立思考和解决问题的能力，也会在解决问题的同时积极学习欠缺的知识，巩固和完善了专业知识结构。在完成毕业课题的同时，树立了学生面对将来实际工作的信心和解决实际问题的勇气，也为以后的实际工作积累了经验，使学生获益颇多，所以毕业设计对于学生的工作和学习有重要意义。由于毕业设计是我的第一次综合性设计，无论是设计本人的纰漏还是经验上的缺乏都难免导致设计的一些失误和不足，在此，恳请老师和同学们给以指正。 参考文献1张新义.经济型数控机床系统设计.北京：机械工业出版社，19982张建明.机电一体化系统控制.北京：高等教育出版社，20013王爱玲.现代数控机床结构与设计.北京：兵器工业出版社，19994李立强.数控车床自动转位刀架设计技术.北京：机械工业出版社，20005张兴国.可编程序控制器技术应用.北京：中国电力出版社，20066王永华.现代电气控制及PLC应用技术.北京：北京航空航天出版社，20037史敬灼.步进电机伺服控制技术.北京：科学出版社，20068陶晓杰.车床伺服电机进给系统.北京：电子工业出版社，20009刘跃南.机床计算机数控及应用.北京:机械工业出版社,199710金令诚.端齿盘分度装置.北京：国防工业出版社，199511刘顺安.液压传动与气压传动.吉林：吉林科学技术出版社，199912洪家娣.机械设计指导.江西：江西高校出版社，200113顾冠群.机电一体化设计手册.江西：