【文章內(nèi)容簡介】 ................................................. 4 上刀體鎖緊與精定位機構(gòu)的設(shè)計 ........................................................................ 4 刀架抬起機構(gòu)的設(shè)計 ............................................................................................ 4 第 3章自動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 .........5 第 4章 主要傳動部件的設(shè)計計算 .......8 蝸桿副的設(shè)計計算 ................................................................................................ 8 螺桿的設(shè)計計算 .................................................................................................. 12 第 5章 電氣控 制部分設(shè)計 ...........13 硬件電路設(shè)計 ...................................................................................................... 13 控制軟件設(shè)計 ...................................................................................................... 16 致 謝 ...........................18 參考文獻 ...........................19 2 數(shù)控車床四工位回轉(zhuǎn)刀架機電系統(tǒng)設(shè)計 第 1 章 緒論 課題綜 述 科學(xué)意義和應(yīng)用前景 自動換刀系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分。刀具夾持元件的結(jié)構(gòu)特性及它與機床主軸的聯(lián)結(jié)方式，將直接影響機床的加工性能。刀庫結(jié)構(gòu)形式及刀具交換裝置的工作方式，則會影響機床的換刀效率。自動換刀系統(tǒng)本身及相關(guān)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，又會對 整機的成本造價產(chǎn)生直接影響。 從換刀系統(tǒng)發(fā)展的歷史來看， 1956 年日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床，美國IBM公司同期也研制成功了 “APT”( 刀具程序控制裝置 )。 1958 年美國 Kamp。T 公司研制出帶ATC(自動刀具交換裝置 )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，可實現(xiàn)多種工序加工的機床，步入了機床發(fā)展的黃金時代。 1983 年國際標準化組織制定了數(shù)控刀具錐柄的國際標準，自動換刀系統(tǒng)便形成了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模式。目前國內(nèi)外數(shù)控機床自動換刀系統(tǒng)中，刀 具、輔具多采用錐柄結(jié)構(gòu)，刀柄與機床主軸的聯(lián)結(jié)、刀具的夾緊放松機構(gòu)及驅(qū)動方式幾乎都采用同一種結(jié)構(gòu)模式。在這種模式中，機床主軸常采用空心的帶有長拉桿、碟形彈簧組的結(jié)構(gòu)形式，由液壓或氣動裝置提供動力，實現(xiàn)夾緊放松刀柄的動作。利用這種機構(gòu)夾持刀具進行數(shù)控加工的最大問題是，它不能同時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，主軸軸向尺寸過大，加上它的液壓驅(qū)動裝置及刀具輔具錐柄的制造成本，使得自動換刀系統(tǒng)的造價在機床整機中占有較大的比重。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比實驗 中，采用彈簧夾頭夾持刀具是唯一可同時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，這對大容量刀庫降低刀具輔具的制造成本，意義更為顯著。在現(xiàn)代數(shù)控機床上亦有采用彈簧夾頭作為刀具的夾持元件，但機床的主軸結(jié)構(gòu)、驅(qū)動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加工場合中實現(xiàn)自動換刀將會是很困難的，如果實施自動換刀那將使機床成本大幅度提高。如 在 CNC控制磨削球面銑刀的數(shù)控磨削機床上，直接由高速電機驅(qū)動主軸，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，將難以實現(xiàn)自動換刀。國外最新研制的內(nèi)圓磨床上采用的彈簧夾頭自動換刀裝置售價昂貴。 隨著機械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對于帶有自動換刀系統(tǒng)的高效高性能加工中心的需求 3 量越來越大。在現(xiàn)有的各種類型的加工中心中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自動換刀系統(tǒng)的造價在機床整機造價中總是占著很大比重，這是加工中心價格居高不下、應(yīng)用不普遍的重要原因。如果把自動換刀系統(tǒng)的設(shè)計制造從現(xiàn)有加工中心的制造模式中 分離出來，把它作為加工中心的標準件或附件組織專門化的生產(chǎn)，同時由于該項技術(shù)的應(yīng)用簡化了機床主軸結(jié)構(gòu)、采用彈簧夾頭和外驅(qū)動機械手等關(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大幅度下降。低造價高性能的加工中心將會被中小廠廣泛接收，這樣必將給自動換刀系統(tǒng)生產(chǎn)廠商和加工中心制造廠商帶來巨大的經(jīng)濟效益 數(shù)控標準是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術(shù)誕生后的 50 年間的信息交換都是基于 ISO6983 標準，即采用 G， M 代碼描述如何（ how）加工，其本質(zhì)特征是 面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種新的 CNC 系統(tǒng)標準 ISO14649（ STEP－ NC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)整個制造過程，乃至各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標準化。 STEPNC 的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠的影響。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計算機上。而在新標準下， 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％）、加工程序編制時間（約 35％）和加工時間（約 50％）。 目前，歐美國家非常重視 STEPNC 的研究，歐洲發(fā)起了 STEPNC 的 IMS 計劃(～ )。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的 20 個 CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學(xué)術(shù)機構(gòu)。美國的 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)控機床加工信息交換的超級模 型 (Super Model)，其目標是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。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)的原型樣機上進行了驗證。 . 2 設(shè)計思路 本設(shè)計采用三相異步交流電機驅(qū)動，控制部分設(shè)計主要采用 plc 控制包括收信和發(fā)信電路兩部分。設(shè)計好自動回轉(zhuǎn)刀架的機械結(jié)構(gòu)和電器控制電路后，就可以編制刀架自動轉(zhuǎn)位的控制軟件。 通過此次設(shè)計，不僅是對四年學(xué)習(xí)生活的一個總結(jié)，更是對今后繼續(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，通過這次課題的考驗 ，除了要求掌握好本專業(yè)的課程外，還要求對本專業(yè)相關(guān)的知識有足夠的認識。這次設(shè)計就要用到 機械設(shè)計相關(guān)知識 ，不僅是對自己的一次考驗，更是對自己所學(xué)知識的一個補充。逐步鍛煉自己獨立完成工作的能力，以適應(yīng)今后真正的考驗。 4 第 2 章總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 減速傳動機構(gòu)的設(shè)計 普通的 三相異步電動機因轉(zhuǎn)速太快，不能直接驅(qū)動刀架進行換刀，必須經(jīng)過適當?shù)臏p速。根據(jù)立式轉(zhuǎn)位刀架的結(jié)構(gòu)特點，采用蝸桿副減速是最佳選擇。蝸桿副傳動可以改變運動的 方向，獲得較大的 傳動比，保證傳動精度和平穩(wěn)性，并且具有自鎖功能，還可以實現(xiàn)整個裝置的 小型 化。 上刀體鎖緊與精定位機構(gòu)的設(shè)計 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)計上刀體的鎖緊與定位機構(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?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上下端面齒相互咬合，這時上刀體不能繞刀架的中心軸轉(zhuǎn)動；換刀時電動機正傳，抬起機構(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，完成轉(zhuǎn)位動作。 刀架抬起機構(gòu)的設(shè)計 要想使上，下刀體的 兩個端面齒脫離，就必須設(shè)計合適的機構(gòu) 使上刀體抬起。本設(shè)計選用螺桿 螺母副，在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當電動機通過蝸桿 蝸 輪帶動蝸桿繞中心軸轉(zhuǎn)動時，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動，要么上下移動。當?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上刀體與下刀體的端面齒相互咬合，因為這時上刀體不能與螺桿一起轉(zhuǎn)動，所以螺桿的轉(zhuǎn)動會使上刀體向上移動。當端面齒脫離咬合時，上刀體就與螺桿一同轉(zhuǎn)動。 設(shè)計螺桿時要求選擇適當?shù)穆菥?，以便當螺桿轉(zhuǎn)動一定角度時，使得上刀體與下刀體的端面齒能夠完全脫離咬合狀態(tài)。 傳動結(jié)構(gòu)見總裝配圖。 5 第 3 章自動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程圖如 下 圖 1 所示 圖 2 表示自動回轉(zhuǎn)刀架在換刀過程中有關(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?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，兩銷的情況如圖 a 所示，此時反靠銷 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，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號，三相異步電動機正向旋轉(zhuǎn)，通過蝸桿副帶動螺桿正向轉(zhuǎn)動，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，上蓋圓盤 1也隨著螺桿正向轉(zhuǎn)動 (上蓋圓盤 1通過圓柱銷與螺桿連接 )當轉(zhuǎn)過約170 時，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就通過圓柱銷 2使得上刀體 4轉(zhuǎn)動起來（此時端面齒已經(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尋找刀位時的正向轉(zhuǎn)動，如圖 c 所示 上刀體 4 帶動磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時，發(fā)信盤上對應(yīng)的霍爾元件輸出低電平信號，控制系統(tǒng)收到后，立即控制刀架電動機反轉(zhuǎn)，上蓋圓盤 1 通過圓柱銷 2 帶動上上刀體 4開始反轉(zhuǎn)，反靠銷 6 馬上就會落入反靠圓盤 7的十字槽內(nèi)，至此。完成粗定位，如圖 d 所示。此時，反靠銷 6 從反靠圓盤 7 的十字槽內(nèi)爬不上來，于是上刀體 4停止轉(zhuǎn)動，開始下