[机械仪表]数控车床回转刀架结构设计及控制电路设计.doc
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1、河南机电高等专科学校毕业设计论文论文题目:数控车床回转刀架结构设计及控制电路设计系 部 机电工程系 专 业 机电一体化 班 级 机电091班 学生姓名 刘海钦 学 号 080212131 指导教师 xxx 2012年 5月 4 日摘 要数控机床为进一步提高生产率,压缩生产时间,已逐步发展为在一台机床上依次装夹完成多工序或全部工序加工。为完成对工作的多工序加工而设置的存储及变更刀具的装置称为自动换刀装置。数控车床上使用的回转刀架也是一种简单的自动换刀装置。根据不同的使用对象,刀架可设计为四方形、六角形等形式。回转刀架可安装四把、六把等,并按数控装置发出的脉冲指令回转,换刀。关键词:自动换刀装置、
2、回转刀架、四方形、回转、换刀Abstractthe numerically-controlled machine tool to further raise the productivity, the compression productive time, has developed gradually for the attire clamps in turn on an engine bed completes the multi-working procedures or the complete working procedure processing. In order to co
3、mplete the memory which establishes to the work multi-working procedure processing and change cutting tools installment to be called trades the knife installment automatically. On the numerical control lathe uses the turret saddle is also one kind simple trades the knife installment automatically. a
4、cts according to the different user, the tool rest may design is four forms and so on square shapes, hexagon. The turret saddle may install four, six and so on, and pulse instruction rotation which sends out according to the numerical control installment, trades the knife. key word: Trades the knife
5、 installment, the turret saddle, four square shapes, the rotation, to trade knife automatically目录引言1 1数控车床回转刀架概述 21.1 数控车床刀架的介绍 21.2 数控车床刀架分类22 回转刀架方案选择42.1 数控车床回转刀架的基本要求42.2 立式数控回转刀架的结构特点42.3 刀架参数的确定42.4 动力源的选择及方案选择结果53 回转刀架的工作原理及过程63.1电动刀架工作原理63.2 四方刀架的主要构成部分64 回转刀架的设计及计算84.1 夹紧力的计算 84.2 最大切削扭矩84.
6、3 单工位换刀时间84.4定位精度95 主传动机构的设计和标准件的选取105.1 初拟传动方案105.2 选择步进电动机105.3 蜗轮蜗杆的设计 115.4 中心轴强度校核 136 刀架的电气设计206.1 刀架的电气控制206.2 回转刀架PLC控制217三维立体图的生成24 7.1 Pro/ENGINEER简介24 7.2 Pro/ENGINEER功能与特点24 7.3 回转刀架立体图生成248安装调试和精度检验298.1 安装调试298.2 精度检验29 8.3 故障及排除309 毕业设计感想32 结论33 致谢34 主要参考文献35 附录36附录一 回转刀架自动换刀装置梯形图附录二
7、电气原理图引言毕业设计是培养学生实践的重要环节之一,它是在大学教学课程,机械课程设计,金工实习等教学环节的基础上进行的。毕业设计的主要目的是培养我们综合运用所学基础知识、专业知识和专业技术知识及技能来分析、解决一般工程技术问题,使我们建立正确的设计思想,掌握工程设计的一般程序规则和设计方法,为走上工作岗位打下一定的基础。通过毕业设计能进一步扩大和深化自己所学的基础知识、基本理论和基本技能,提高自己的设计计算能力、制图能力,是我们懂得如何编写技术性文件,正确使用技术资料、手册及相关的工具书,更能培养我们严肃认真、一丝不苟和实事求是的工作作风。从而实现从学生向工程技术人员的过渡。本设计题目为“数控
8、车床回转刀架结构设计及控制电路设计”,它是根据实际情况,针对用户需求而提出的毕业设计,是一次综合性、应用性、和实践性强的设计过程。本次设计得到陈新亚及其他老师的悉心指导,并提出了许多宝贵意见和建议,在此深表感谢。由于本人设计能力有限,实践经验不足,本设计中错误、不妥之处再所难免,敬请各位老师批评指正。1数控车床回转刀架概述1.1 数控车床刀架的介绍 数控车床主要有主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动装置及数控系统组成。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环境发挥了重要作用,传统的车床例如CA6140的刀架上只能装一把刀,换刀速度缓慢,换刀后还需重新对刀而且精
9、度不高,生产效率低,不能适应现代化生产的需要,因此必须对车床的换刀装置进行改进,为了能在工件的一次装夹中完成多个工序加工,缩短加工辅助时间,减少因多次安装引起的加工误差,充分发挥数控车床的加工效率,采用“工序集中”的原则,采用自动回转刀架。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,自动回转刀架在一定空间范围内,能自动执行松开、转位,精密定位等一系列动作的一种机构。 1.2 数控车床刀架分类随着数控车床的不断发展,刀架结构形式也在不断翻新。其中按换刀方式的不同,数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。对于回转刀架,根据装刀数量不同,自动回转刀架分为四
10、工位、六工位、八工位等;根据安装方式不同,自动回转刀架分为立式和卧式。本文设计的为四工位立式回转刀架。 图1-1 刀架数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具,因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。在一定程度上,刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平.2 回转刀架方案选择2.1 数控车床回转刀架的基本要求数控车床回转刀架的基本要求:(1)四工位立式。(2)转位准确可靠,各种平稳安全。(3)按最短路线就最近选位,转位时间短。(4)重复定位精度高。(5)防水、防屑、密封性优良。(6)夹紧刚度高,适宜重负荷切削。CK6140为经济性数控车床。其设计的刀架可与数控车床
11、的数控系统接口相连接,又可配置简易的数控系统,辅助主机完成轴类、盘类等零件的车外圆、端面、圆弧、刀槽、车螺纹、镗孔的加工工序。按照数控车床回转刀架的基本要求和CK6140车床的实际情况,本设计初选刀架为简易型四工位电动机回转刀架。2.2 立式数控回转刀架的结构特点 立式数控回转刀架的结构特点: 设置端齿盘作精定位元件。采用霍尔开关(无触电霍尔元件)作信号传输控制,避免了机械接触延长了使用寿命。 可以借助双重粗定位机构,使刀架回转平稳。 具有防水防滑作用。2.3 刀架参数的确定 中心高:中心高是数控车床回转刀架的主要参数。国外生产的卧式数控车床回转刀架的中心高一般与40200共八个规格。国内生产
12、的立式数控车床回转刀架的中心高一般51-245共八个规格(具体参见表.3.15-4-3.15-7)。故参照烟台机车附件厂生产的AK21110-4M型回转刀架,初选中心高为110。其型号及具体规格如表21:表21型号中心高mm工位数单工位时间 s刀架转速r/min最大切力矩电动机功率W电动机转速r/min最大载重kg重复定位精度mm外形尺寸mmAK21110-4M11042.525.445012014002823672002302.4 动力源的选择及方案选择结果驱动回转刀架的动力可分为电动机传动和液压传动两类。一般情况下只在卧式数控机床回转刀架中使用液压传动,而其余均为电动刀架,故对CK6140
13、在选用时应取电动机作为回转刀架的动力源。通过对数控车床回转刀架的基本要求,结构特点,动力源及基本参数的分析,可以得出CK6140回转刀架的设计方案如下:(1) 立式简易型。(2) 伺服电动机直接驱动。(3) 中心高为110mm,工位数为4。(4) 采用霍尔开关作为信号传输控制元件。(5) 转位时刀架需要抬起,高度为5mm。3 回转刀架的工作原理及过程3.1电动刀架工作原理系统发出换刀信号,刀架电机正转继电器动作,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,发讯盘发出刀位信号,刀架电机反转继电器动作,电机反转,完成初定位后上刀体下降,齿牙盘啮
14、合,完成精确定位,并通过升降机构锁紧刀架。3.2 四方刀架的主要构成部分图31四方刀架零件图1-直流伺服电机;2-联轴器;3-蜗杆轴;4-涡轮丝杠;5-刀架底座;6-粗定位盘;7-刀架体;8-球头销;9-转位套;10-电刷座;11-发信体;12-螺母;1314-电刷;15-粗定位销 上图所示为四方刀架零件图,其工作过程为:刀架抬起-刀架转位-刀架定位-夹紧刀架。 刀架抬起 当数控装置发出换刀指令后,电动机1启动正常,通过套筒联轴器2使蜗杆轴3转动,从而带动涡轮丝杠4转动。刀架体7的内孔加工有螺纹,与螺纹丝杠旋合,涡轮与丝杠为整体结构。涡轮丝杠内孔与刀架中心轴式间隙配合,在转位换刀时,中心轴固定
15、不动,涡轮丝杠绕中心轴旋转。当涡轮开始转动时,由于刀架底座5和刀架体7上的端面齿处在啮合状态,且涡轮丝杠轴向固定,因此刀架体7抬起。 刀架转位 当刀架体抬至一定距离后,刀架底座5和刀架体7的端面体脱开,转位套9用销钉与涡轮丝杠4联接,随涡轮丝杠一同转动,当端面齿完全脱开时转位套正好转过160,球头销8在弹簧力的作用下进入转位套9的槽中,带动刀架体转位。 刀架定位刀架体7转动时带动着电刷座10转动,当转到程序指定的刀号时,粗定位销15在弹簧力的作用下进入粗定位盘6的槽中进行粗定位,同时电刷13接触导体使电动机1翻转。由于粗定位槽的限制,刀架体7不能转动,使其在该位置垂直落下,刀架体7和刀架底座5
16、上的端面齿啮合实现精确定位。 夹紧刀架 电动机继续反转,此时涡轮停止转动,蜗杆轴3自身转动,当两端面齿增加到一定夹紧力时,电动机1停止转动。译码装置由发信体1314组成,电刷13负责发信号,电刷14负责位置判断当刀架定位出现过位或不到位时,可松开螺母12,调好发信体11与电刷14的相对位置。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,如下图所示,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目的刀位寄存器中的刀位相一致的时候,PLC认为所选刀具已到位。4 回转刀架的设计及计算4.1 夹紧力的计算数控转塔刀架大多采用端面齿盘副来实现
17、精定位,使刀架具有足够的夹紧刚度是数控转塔刀架设计中的一项重要内容。而夹紧力的计算可由下式计算:式中: 查阅CA6140车床的参数,把各项代入,计算得4.2 最大切削扭矩 回转刀架的最大切削扭矩与机床的最大切削力有关,查阅CA6140的技术资料估算最大的切削力为450Nm。此数据参考于烟台机床附件厂AK21110-4M型数控回转刀架。 4.3 单工位换刀时间 单工位换刀时间与刀架的转速,松开速度和夹紧机构的配合有关。 T =t1t2t3t3t4t5t6 其中:t1 刀架正转时间; t2 升降机构动作时间; t3 粗定位动作时间; t4 电动机反转时间; t5 刀架座下降并刹紧完成时间; t6
18、继电器延长时间。 由上式可以了解到单工位换刀时间与各个机构的设计和配合有极其密切的关系。参考烟台机床厂生产的AK21110-4M型机床,初选换刀时间T=2.53s,符合技术要求。4.4定位精度 回转刀架的重复定位精度关系到零件的加工精度,由此知精度也是关系机床质量的主要技术指标。按照CK6140普通车床的参数,初步确定回转刀架的精度为0.005mm。此数据参考了国内大部分厂家生产的电动刀架参数,在这参数的指导下设计的电动回转刀架在制造技术和结构性能上已经比较完善和成熟,能满足CK6140的各项加工指标。5 主传动机构的设计和标准件的选取5.1 初拟传动方案参考烟台机床附件厂生产的AK21110
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