【正文】 則渦輪的當(dāng)量齒數(shù)： s 322 ?? ?zzv 根據(jù)渦輪變位系數(shù) x2=1和當(dāng)量齒數(shù) ZV2=,得齒形系數(shù) 2FaY = 旋轉(zhuǎn)角影響系數(shù) 。 蝸桿和渦輪的主要計(jì)算參數(shù)和幾何尺寸 (1) 蝸桿參數(shù)及尺寸 頭數(shù) z1 =1,模數(shù) m=,軸向齒距 Pa = ? m=,軸向齒厚 s a= ,分度圓直徑 d1 =20mm,直徑系數(shù) q =d1 /m=,分度圓導(dǎo)程腳 r=arctan(Z1/q)=4176。因?yàn)?39。 ??? ?? （ 6） 計(jì)算中心距 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文 13 將以上各參數(shù)代入式 322 )][(HE ZZKTa ? ?? ， 求得中心距： ?????? 3 23 22 )2 4 9 6 0(2 2 9 2 )][(HE ZZKTa ? ?48mm 取中心距 a=50mm,已知蝸桿頭數(shù) z1 =1,設(shè)模數(shù) m=,得直徑 d1 =20mm,這 時(shí)d1/a=,可得接觸系數(shù) 39。蝸桿副的使用壽命 L =10000h。][H? =268MPa，已知蝸桿為單頭，渦輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)每個(gè)輪齒咬合的次數(shù)j=1。由電動(dòng)機(jī)的額定功率 P1 =90W,可以算出渦輪傳遞的功率 P2 =P 1 ,再由渦輪的轉(zhuǎn)速 n2 =30r/min,求得作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩： T2=（ 2） 確定載荷系數(shù) K 載荷系數(shù) vA KKKK ?? .其中 AK 為使用系數(shù)，由于工作載荷分布步均勻，啟動(dòng)時(shí)沖擊較大，因此取 AK =。 EZ 彈性影響系數(shù)，單位為 MPa； ?Z 接觸系數(shù) [ H? ]許用接觸應(yīng)力，單位為 MPa； 從式 中 算出蝸桿副的中心距 a之后，根據(jù)已知的傳動(dòng)比 i=48，可以選擇合適的中心距a值，以及相應(yīng)的蝸桿，渦輪參數(shù)。因此，在進(jìn)行承載能力計(jì)算時(shí)，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。 蝸桿副的材料 刀架中的蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速較高，因此蝸桿的材料選擇 45鋼，其螺旋齒面要求淬火，硬度為 45~55HRC，以提高表面耐磨性；渦輪的轉(zhuǎn)速較低，其材料主要考慮耐磨性，選用鑄錫磷青銅 ZcuSn10P1,采用金屬模鑄造。 蝸桿的選型 GB/T100851988推薦采用漸開線蝸桿（ Z1蝸桿）和錐面包絡(luò)蝸桿（ ZK蝸桿）。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文 11 蝸桿副 的設(shè)計(jì)計(jì)算 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的動(dòng)力源時(shí)三相異步電動(dòng)機(jī)，其中蝸桿與電動(dòng)機(jī)直連，刀架轉(zhuǎn)位時(shí)渦輪與上刀體直連。 圖 7 刀架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理簡圖 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)一臺(tái)四工位的立式自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，適用于 C616或 C6132經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。 由于該刀架轉(zhuǎn)塔到位前，控制刀架初定位的 行程開關(guān) 發(fā)出信號(hào)使控制電機(jī)的 電磁閥斷電，此時(shí)電機(jī)內(nèi)部的機(jī)械自鎖部件使電機(jī)停在預(yù)定位置上，所以刀架具有較高的定位精度和重復(fù)定位精度 。行程 開關(guān)控制轉(zhuǎn)塔的松開與鎖緊，編碼器控制轉(zhuǎn)塔的轉(zhuǎn)位 。 防水、防塵設(shè)計(jì) 防 水 、 防 塵 設(shè) 計(jì) 是 刀 架 設(shè) 計(jì) 的 重 要 環(huán) 節(jié) 之 一 ， 刀 架 工 作 過 程 中 鐵屑會(huì)進(jìn)入刀架 本設(shè)計(jì)采用 O型密封圈和氈圈進(jìn)行密封。 花鍵軸 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文 10 花鍵軸是本刀架的重要零件之一，它既是刀架的傳動(dòng)軸又是液壓缸的活塞桿；它既有往復(fù)運(yùn)動(dòng)，又有轉(zhuǎn)動(dòng)，所以花鍵軸與活塞配合部分的配合采用 G7/h6。 本 設(shè)計(jì) 直接在活塞孔內(nèi)開螺旋 形潤滑油槽，把活塞孔設(shè)計(jì)成滑動(dòng)軸承 。 本刀架采用工藝性能好的矩形齒 ， 齒的嚙合深度通常設(shè)計(jì)為 4～ 5mm，可獲得所需的鎖緊力滿足刀架剛度要求 。要求 花鍵軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，活塞不隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者之間通過滑動(dòng)軸承配合 ， 把活塞孔直接設(shè)計(jì)成 滑動(dòng)軸承 。 圖 5 刀架 液壓原理圖 機(jī)械結(jié)構(gòu) 圖 6為多工位數(shù)控刀架的結(jié)構(gòu)簡圖 .工作時(shí)，液壓缸后腔來油，壓力油作用在活塞后端武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文 9 面上，推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng) ， 活塞推動(dòng)轉(zhuǎn)塔運(yùn)動(dòng)，動(dòng)齒盤與靜齒盤脫開，這時(shí)液壓電機(jī)通過同步齒形帶帶輪 帶動(dòng)花鍵軸轉(zhuǎn)動(dòng) ， 花鍵軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)位 ， 轉(zhuǎn)塔到位時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)機(jī)械自鎖，防止轉(zhuǎn)塔越位 。 轉(zhuǎn)塔鎖緊后 YV4斷電，刀架完成一次轉(zhuǎn)位 。 液壓原理 如圖 5 所示 ， 當(dāng) YV3 帶電時(shí)，液壓缸 上 行，轉(zhuǎn)塔松開 。當(dāng)端面齒脫離咬合時(shí)，上刀體就與螺桿一同轉(zhuǎn)動(dòng)。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)通過蝸桿 渦輪帶動(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。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文 8 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。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。 圖 4為自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖 。它由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行部件以及電氣自動(dòng)控制兩大部分組成。 刀架運(yùn)動(dòng)執(zhí)行裝置 滾珠絲杠螺母副是數(shù)控車床刀架進(jìn)給運(yùn)動(dòng)理想的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行裝置，它由絲杠、螺母和位于螺紋滾道之間的滾珠構(gòu)成。伺服電機(jī)包括主軸電機(jī)和各方向的進(jìn)給電機(jī)。 伺服驅(qū)動(dòng)裝置的作用 伺服驅(qū)動(dòng)裝置的主要功能是功率放大和速度調(diào)節(jié)，將弱電信號(hào)轉(zhuǎn)化為強(qiáng)電信號(hào)，并保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的四肢，執(zhí)行來自 CNC裝置的運(yùn)動(dòng)指令。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文 6 圖 3 自動(dòng)換刀梯形圖 本章小結(jié) 自動(dòng)換刀控制的 PLC 程序在實(shí)際應(yīng)用中靈活性強(qiáng)可靠性高，在調(diào)試中根據(jù)不同的刀架性能，配合數(shù)控系統(tǒng)，可靈活地修改刀位數(shù)、正轉(zhuǎn)尋刀監(jiān)控時(shí)間、正轉(zhuǎn)找到刀位后的延遲時(shí)間、和反轉(zhuǎn)鎖緊監(jiān)控時(shí)間等，使刀架的運(yùn)行效率高并穩(wěn)定可靠。刀架鎖緊以后，整個(gè)換刀過程結(jié)束。自動(dòng)換刀時(shí)延時(shí)一段時(shí)間以后， 復(fù)位， 置位，電機(jī)停止正向旋轉(zhuǎn)，架開始反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)過程其實(shí)就是刀架鎖緊的過程，此過程延續(xù)一段時(shí)間，直到刀架鎖緊到位，但反轉(zhuǎn)時(shí)間不宜過長或過短。當(dāng)產(chǎn)生的刀位信號(hào)和指令刀號(hào)相一致的時(shí)候， PLC 認(rèn)為所選刀具已經(jīng)到位。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文 5 圖 2 換刀程序流程圖 PLC 軟件設(shè)計(jì) PLC 程序部分包括換刀刀號(hào)或編程刀號(hào)的讀入、刀位判斷比較、正轉(zhuǎn)尋刀監(jiān)控及反轉(zhuǎn)鎖緊延時(shí)監(jiān)控等，自動(dòng)換刀部分梯形圖如圖 3。刀架電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)為選刀過程，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)為鎖緊過程，選刀監(jiān)控時(shí)間和鎖緊監(jiān)控時(shí)間由 PLC 定時(shí)器決定。也可以采用單鍵換刀，一個(gè)短促的按鍵可以換下一個(gè)刀位。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文 4 a b 圖 1 刀架控制原理圖 PLC 控制流程圖 數(shù)控刀架換刀有兩種模式，一種是手動(dòng)換刀，另一種是通過 T 指令進(jìn)行自動(dòng)換刀。圖 1中的 (a)是刀架控制的主電路，主要是通過控制刀架電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來控制刀架的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn) ；圖 (b)是刀架控制的 PLC 輸入輸出控制回路。本設(shè)計(jì)采用西門子 S7— 200編程軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。 電動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架具體工作過程 電動(dòng)刀架一般有四工位或六工位，由電動(dòng)機(jī)、機(jī)械換刀機(jī)構(gòu)、發(fā)訊盤等組成，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出換刀信號(hào)，刀架電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過減速機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)將上刀體上升至一定位置，離合盤起作用，帶動(dòng)上刀體旋轉(zhuǎn)到所選擇刀位，發(fā)訊盤發(fā)出 刀位到位信號(hào)，刀架電機(jī)反轉(zhuǎn)，完成初定位后上刀體下降，齒牙盤嚙合，完成精確定位，并通過升降機(jī)構(gòu)鎖緊刀架。 由于自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 具有剛度大、重復(fù)定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單等一系列優(yōu)點(diǎn) ，所以自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在生產(chǎn)工業(yè)中被廣泛的使用著。 數(shù)控車床是一種高度自動(dòng)化的機(jī)床，它的刀架一般都采用自動(dòng)（電氣或液壓）的轉(zhuǎn)位方式。由于切削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，所以要求數(shù) 控車床選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證有較高的重復(fù)定位精度。 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的四個(gè)基本動(dòng)作 回轉(zhuǎn)刀架的全部動(dòng)作由液壓系統(tǒng)通過電磁換向閥和順序閥進(jìn)行控制，它的動(dòng)作分為四個(gè)步驟：刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位、刀架壓緊、轉(zhuǎn)位液壓缸復(fù)位。為了保證轉(zhuǎn)位具有高的重復(fù)定 位精度，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架還要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)。根據(jù)機(jī)械定位方式的不同，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架又可分為端齒盤定位型和三齒盤定位型等。 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的分類 根據(jù)裝刀數(shù)量的不同，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架分有四工位六工位和八工位等多種形式。 自 動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架換刀 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架換刀 —— 數(shù)控車床使用的回轉(zhuǎn)刀架是最簡單的自動(dòng)換刀裝置，有四方刀架、六角刀架，即在其上裝有四把、六把或更多的刀具，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀動(dòng)作是由液壓系統(tǒng)通過電磁換向閥和順序閥進(jìn)行控制的。換刀時(shí)先在刀庫中進(jìn)行選刀，并由刀具交換裝置從刀庫和主軸上取出刀具，在進(jìn)行交換刀具之后，將新刀具裝入主軸，把舊刀具放回刀庫。 帶刀庫的自動(dòng)換刀系統(tǒng) 帶刀庫的自動(dòng)換刀系統(tǒng) —— 帶刀庫的自動(dòng)換刀系統(tǒng)由刀庫和刀具交換機(jī)構(gòu)組成。在轉(zhuǎn)塔的各個(gè)主軸頭上，預(yù)先安裝有各工序所需的旋轉(zhuǎn)刀具。 更換主軸頭換刀 更換主軸頭換刀 —— 在帶有旋轉(zhuǎn)刀具的數(shù)控機(jī)床中，更換主軸頭是一種簡單換刀方式。 本章小結(jié) 數(shù)控車床是集機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)、微電子和信息等多項(xiàng)技術(shù)為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品， 是提高制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率必不可少的重要手段，數(shù)控車床為了能在工件的一次裝夾中完成多工序加工，縮短輔助時(shí)間，減少多次安裝所引起的加工誤差，必須帶有自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架。 數(shù)控車床的發(fā)展趨勢 數(shù)控車床的出現(xiàn)對(duì)提高生產(chǎn)率改善產(chǎn)品質(zhì)量以及改善勞動(dòng)條件等發(fā)揮了重要的作用，為了進(jìn)一步壓縮非切削時(shí)間，數(shù)控機(jī) 床正朝著一臺(tái)機(jī)床在一次裝夾中完成多工序加工的發(fā)展方向。 關(guān)鍵詞：數(shù)控車床、換刀、 PLC、伺服系統(tǒng)、刀架 V 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 noncutting time, numerical control machine tool is moving in a machine during a setup process to plete multiprocessing development. In such multiprocedure must be of CNC machine tools with automatic tool change device, the advent of multiprocess 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 autorotation 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 multistation automatic rotary hydraulic CNC turret design