【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ................................................. 4 上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ........................................................................ 4 刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ............................................................................................ 4 第 3章自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 .........5 第 4章 主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算 .......8 蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算 ................................................................................................ 8 螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 .................................................................................................. 12 第 5章 電氣控 制部分設(shè)計(jì) ...........13 硬件電路設(shè)計(jì) ...................................................................................................... 13 控制軟件設(shè)計(jì) ...................................................................................................... 16 致 謝 ...........................18 參考文獻(xiàn) ...........................19 2 數(shù)控車床四工位回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 1 章 緒論 課題綜 述 科學(xué)意義和應(yīng)用前景 自動(dòng)換刀系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。刀具夾持元件的結(jié)構(gòu)特性及它與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)方式，將直接影響機(jī)床的加工性能。刀庫(kù)結(jié)構(gòu)形式及刀具交換裝置的工作方式，則會(huì)影響機(jī)床的換刀效率。自動(dòng)換刀系統(tǒng)本身及相關(guān)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，又會(huì)對(duì) 整機(jī)的成本造價(jià)產(chǎn)生直接影響。 從換刀系統(tǒng)發(fā)展的歷史來(lái)看， 1956 年日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床，美國(guó)IBM公司同期也研制成功了 “APT”( 刀具程序控制裝置 )。 1958 年美國(guó) Kamp。T 公司研制出帶ATC(自動(dòng)刀具交換裝置 )的加工中心。 1967 年出現(xiàn)了 FMS(柔性制造系統(tǒng) )。 1978 年以后，加工中心迅速發(fā)展，帶有 ATC 裝置，可實(shí)現(xiàn)多種工序加工的機(jī)床，步入了機(jī)床發(fā)展的黃金時(shí)代。 1983 年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了數(shù)控刀具錐柄的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)換刀系統(tǒng)便形成了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模式。目前國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀系統(tǒng)中，刀 具、輔具多采用錐柄結(jié)構(gòu)，刀柄與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)、刀具的夾緊放松機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式幾乎都采用同一種結(jié)構(gòu)模式。在這種模式中，機(jī)床主軸常采用空心的帶有長(zhǎng)拉桿、碟形彈簧組的結(jié)構(gòu)形式，由液壓或氣動(dòng)裝置提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)夾緊放松刀柄的動(dòng)作。利用這種機(jī)構(gòu)夾持刀具進(jìn)行數(shù)控加工的最大問(wèn)題是，它不能同時(shí)獲得高的夾持剛度和刀具振擺精度，而且主軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主軸軸向尺寸過(guò)大，加上它的液壓驅(qū)動(dòng)裝置及刀具輔具錐柄的制造成本，使得自動(dòng)換刀系統(tǒng)的造價(jià)在機(jī)床整機(jī)中占有較大的比重。據(jù)有關(guān)資料介紹，在刀具采用錐柄夾頭、側(cè)壓夾頭以及彈簧夾頭夾緊性能的對(duì)比實(shí)驗(yàn) 中，采用彈簧夾頭夾持刀具是唯一可同時(shí)獲得高的夾持剛度和振擺精度的理想元件。采用這種夾持元件，刀具或刀具輔具可作成圓柱柄，其制造成本低，精度易保證，這對(duì)大容量刀庫(kù)降低刀具輔具的制造成本，意義更為顯著。在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上亦有采用彈簧夾頭作為刀具的夾持元件，但機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式仍然采用與上述錐柄刀具完全相同的結(jié)構(gòu)形式。采用這種結(jié)構(gòu)模式，在實(shí)際數(shù)控加工中，尤其是在需要超高速主軸、主軸的徑向、軸向尺寸都很小、沒有足夠的換刀空間的微細(xì)加工場(chǎng)合中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀將會(huì)是很困難的，如果實(shí)施自動(dòng)換刀那將使機(jī)床成本大幅度提高。如 在 CNC控制磨削球面銑刀的數(shù)控磨削機(jī)床上，直接由高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，使用小直徑盤形砂輪和指形砂輪加工球面銑刀，換刀空間很小，在這種條件下，將難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。國(guó)外最新研制的內(nèi)圓磨床上采用的彈簧夾頭自動(dòng)換刀裝置售價(jià)昂貴。 隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對(duì)于帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的高效高性能加工中心的需求 3 量越來(lái)越大。在現(xiàn)有的各種類型的加工中心中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)的造價(jià)在機(jī)床整機(jī)造價(jià)中總是占著很大比重，這是加工中心價(jià)格居高不下、應(yīng)用不普遍的重要原因。如果把自動(dòng)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造從現(xiàn)有加工中心的制造模式中 分離出來(lái)，把它作為加工中心的標(biāo)準(zhǔn)件或附件組織專門化的生產(chǎn)，同時(shí)由于該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用簡(jiǎn)化了機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)、采用彈簧夾頭和外驅(qū)動(dòng)機(jī)械手等關(guān)鍵技術(shù)、采用圓柱柄刀具和輔具，這不僅使數(shù)控機(jī)床工作性能有所提高，而且使得由它配套構(gòu)成的加工中心的總體造價(jià)大幅度下降。低造價(jià)高性能的加工中心將會(huì)被中小廠廣泛接收，這樣必將給自動(dòng)換刀系統(tǒng)生產(chǎn)廠商和加工中心制造廠商帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益 數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢(shì)。數(shù)控技術(shù)誕生后的 50 年間的信息交換都是基于 ISO6983 標(biāo)準(zhǔn)，即采用 G， M 代碼描述如何（ how）加工，其本質(zhì)特征是 面向加工過(guò)程，顯然，他已越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國(guó)際上正在研究和制定一種新的 CNC 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) ISO14649（ STEP－ NC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過(guò)程，乃至各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。 STEPNC 的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對(duì)于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個(gè)制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。首先， STEPNC 提出一種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的制造理念中，NC 加工程序都集中在單個(gè)計(jì)算機(jī)上。而在新標(biāo)準(zhǔn)下， NC 程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上，這正是數(shù)控技術(shù)開放式、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向。其次， STEPNC 數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙（約 75％）、加工程序編制時(shí)間（約 35％）和加工時(shí)間（約 50％）。 目前，歐美國(guó)家非常重視 STEPNC 的研究，歐洲發(fā)起了 STEPNC 的 IMS 計(jì)劃(～ )。參加這項(xiàng)計(jì)劃的有來(lái)自歐洲和日本的 20 個(gè) CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)。美國(guó)的 STEP Tools 公司是全球范圍內(nèi)制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者，他已經(jīng)開發(fā)了用作數(shù)控機(jī)床加工信息交換的超級(jí)模 型 (Super Model)，其目標(biāo)是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過(guò)程。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格式已經(jīng)在配備了 SIEMENS、 FIDIA 以及歐洲 OSACANC 數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證。 . 2 設(shè)計(jì)思路 本設(shè)計(jì)采用三相異步交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制部分設(shè)計(jì)主要采用 plc 控制包括收信和發(fā)信電路兩部分。設(shè)計(jì)好自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電器控制電路后，就可以編制刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)位的控制軟件。 通過(guò)此次設(shè)計(jì)，不僅是對(duì)四年學(xué)習(xí)生活的一個(gè)總結(jié)，更是對(duì)今后繼續(xù)學(xué)習(xí)的一次鍛煉。在學(xué)習(xí)了四年的基礎(chǔ)課、專業(yè)課之后，通過(guò)這次課題的考驗(yàn) ，除了要求掌握好本專業(yè)的課程外，還要求對(duì)本專業(yè)相關(guān)的知識(shí)有足夠的認(rèn)識(shí)。這次設(shè)計(jì)就要用到 機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí) ，不僅是對(duì)自己的一次考驗(yàn)，更是對(duì)自己所學(xué)知識(shí)的一個(gè)補(bǔ)充。逐步鍛煉自己獨(dú)立完成工作的能力，以適應(yīng)今后真正的考驗(yàn)。 4 第 2 章總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 普通的 三相異步電動(dòng)機(jī)因轉(zhuǎn)速太快，不能直接驅(qū)動(dòng)刀架進(jìn)行換刀，必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臏p速。根據(jù)立式轉(zhuǎn)位刀架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用蝸桿副減速是最佳選擇。蝸桿副傳動(dòng)可以改變運(yùn)動(dòng)的 方向，獲得較大的 傳動(dòng)比，保證傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，并且具有自鎖功能，還可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的 小型 化。 上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 由于刀具直接安裝在上刀體上，所以上刀體要承受全部的切削力，其鎖緊與定位的 精度將直接影響工件的加工精度。本設(shè)計(jì)上刀體的鎖緊與定位機(jī)構(gòu)選用端面齒盤，將上刀體和下刀體的 配合面加工成梯形端面齒。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，上下端面齒相互咬合，這時(shí)上刀體不能繞刀架的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)；換刀時(shí)電動(dòng)機(jī)正傳，抬起機(jī)構(gòu)使上刀體抬起，等上下端面齒脫開后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完成轉(zhuǎn)位動(dòng)作。 刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 要想使上，下刀體的 兩個(gè)端面齒脫離，就必須設(shè)計(jì)合適的機(jī)構(gòu) 使上刀體抬起。本設(shè)計(jì)選用螺桿 螺母副，在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當(dāng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)蝸桿 蝸 輪帶動(dòng)蝸桿繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動(dòng)，要么上下移動(dòng)。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，上刀體與下刀體的端面齒相互咬合，因?yàn)檫@時(shí)上刀體不能與螺桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，所以螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使上刀體向上移動(dòng)。當(dāng)端面齒脫離咬合時(shí)，上刀體就與螺桿一同轉(zhuǎn)動(dòng)。 設(shè)計(jì)螺桿時(shí)要求選擇適當(dāng)?shù)穆菥?，以便?dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，使得上刀體與下刀體的端面齒能夠完全脫離咬合狀態(tài)。 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)見總裝配圖。 5 第 3 章自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程圖如 下 圖 1 所示 圖 2 表示自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在換刀過(guò)程中有關(guān)銷的位置。其中上部的圓柱銷 2 和下部的反靠銷6起著重要的作用。 當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，兩銷的情況如圖 a 所示，此時(shí)反靠銷 6落在反靠圓盤 7的十字槽內(nèi)，上刀體 4 的端面齒和下刀體的端面齒處于咬合狀態(tài) 需要換刀時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號(hào)，三相異步電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)蝸桿副帶動(dòng)螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)，與蝸桿配合的上刀體 4逐漸抬起，上刀體 4與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；于此同時(shí)，上蓋圓盤 1也隨著螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng) (上蓋圓盤 1通過(guò)圓柱銷與螺桿連接 )當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)約170 時(shí)，上蓋圓盤 1直槽的另一端轉(zhuǎn)到圓柱銷 2 的正上方，由于彈簧 3的作用，圓柱銷 2落入直槽內(nèi)，于是上蓋圓盤 1就通過(guò)圓柱銷 2使得上刀體 4轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)（此時(shí)端面齒已經(jīng)完全脫開）如圖 b所示 上蓋圓盤 1，圓柱銷 2以及上刀體 4在正轉(zhuǎn)的過(guò)程中，反靠銷 6能夠從反靠圓盤 7 中十字槽的左側(cè)斜坡滑出，而不影響上刀體 4尋找刀位時(shí)的正向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖 c 所示 上刀體 4 帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時(shí)，發(fā)信盤上對(duì)應(yīng)的霍爾元件輸出低電平信號(hào)，控制系統(tǒng)收到后，立即控制刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，上蓋圓盤 1 通過(guò)圓柱銷 2 帶動(dòng)上上刀體 4開始反轉(zhuǎn)，反靠銷 6 馬上就會(huì)落入反靠圓盤 7的十字槽內(nèi)，至此。完成粗定位，如圖 d 所示。此時(shí)，反靠銷 6 從反靠圓盤 7 的十字槽內(nèi)爬不上來(lái)，于是上刀體 4停止轉(zhuǎn)動(dòng)，開始下