【正文】 切削加工的執(zhí)行部件， 刀 架進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)， 所以，刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛度，以承受粗加工時(shí)的切削抗力。此外，刀架的設(shè)計(jì)還應(yīng)滿(mǎn)足換刀時(shí)間短、結(jié)構(gòu)緊湊和安全可靠等要求。 按換刀方式的不同，數(shù)控車(chē)床的刀架系統(tǒng)主要有 更換主軸頭換刀、帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)、自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架換刀 等多種形式。 3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的 PLC 程序的作用 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床都配有電動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，回轉(zhuǎn)刀架除了必須具有良好的強(qiáng)度和剛度，以承受粗加工的切削力和定位精度外，同時(shí)通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置 PLC或獨(dú)立 PLC和控制電路完成回轉(zhuǎn)刀架的自動(dòng)回轉(zhuǎn)及找刀定位的全部動(dòng)作，所以自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的 PLC 程序設(shè)計(jì)對(duì)刀架的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性具有重要的作用。 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 刀架的換刀過(guò)程通過(guò) PLC對(duì)控制刀架的所有 I／ O信號(hào)進(jìn)行邏輯處理及計(jì)算，實(shí)現(xiàn)刀架的順序控制，另外為了保證換刀能夠正確進(jìn)行，系統(tǒng)還要設(shè)置一些相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)來(lái)對(duì)換刀過(guò)程進(jìn)行調(diào)整。 控制系統(tǒng)電路硬件接線(xiàn)圖 刀架電氣控制部分如圖 1所示。每把刀具都有一固定刀號(hào)，通過(guò)霍爾開(kāi)關(guān) (一般為 NPN型，因此我們?cè)诮尤?PNP型 PLC時(shí)要并接一電阻 )進(jìn)行到位檢測(cè)。手動(dòng)換刀是指將機(jī)床調(diào)至手動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)刀位選擇按鍵進(jìn)行目的刀位選擇，有的系統(tǒng)是利用波段開(kāi)關(guān)的形式進(jìn)行實(shí) 現(xiàn)，有的系統(tǒng)是利用記數(shù)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如說(shuō)通過(guò)檢測(cè)刀位選擇信號(hào)的狀態(tài)，如果按下刀位選擇按鍵，計(jì)數(shù)器的數(shù)值會(huì)發(fā)生改變，系統(tǒng)選擇也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。 T 指令換刀是直接通過(guò)編程刀號(hào)作為目的刀位進(jìn)行換刀。其控制流程如圖 2。 圖 3 是自動(dòng)換刀控制的 PLC 梯形圖，在梯形圖中，用字節(jié)傳送指令將當(dāng)前刀位開(kāi)關(guān)信號(hào) 放到 Tc中，在 T選通信號(hào)的作用下，將指令刀號(hào) Tp和當(dāng)前刀號(hào) Tc進(jìn)行比較，如果不相等則置位 ，復(fù)位 ， KM1吸合，刀架電機(jī)正轉(zhuǎn)架開(kāi)始旋轉(zhuǎn)；刀架在正向旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中不停的對(duì)刀位輸入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，每把刀具各有一個(gè)霍爾位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)，各刀具按順序依次經(jīng)過(guò)發(fā)磁體位置產(chǎn)生相應(yīng)的刀位信號(hào)。刀具到位以后，刀架仍繼續(xù)正向旋轉(zhuǎn)一段時(shí)間，這一時(shí)間由時(shí)間繼電器 T7 設(shè)定，不能過(guò)長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成手動(dòng)或自動(dòng)換刀時(shí)目的刀位不正確，過(guò)短對(duì)有些刀架會(huì)造成換不到位，特別是 手動(dòng)換刀時(shí)會(huì)找不到下一個(gè)刀位而在原位轉(zhuǎn)換，這個(gè)時(shí)間的設(shè)定在調(diào)試時(shí)具體調(diào)定。過(guò)長(zhǎng)就有可能燒壞電機(jī)或造成電機(jī)過(guò)熱空開(kāi)跳閘，時(shí)間過(guò)短有可能造成刀架不能夠鎖緊。 當(dāng)然，在梯形圖的設(shè)計(jì)中還要考慮一些保護(hù)和安全因素，如刀架電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間旋轉(zhuǎn)，而檢測(cè)不到刀位信號(hào)，則認(rèn)為刀架出現(xiàn)故障，立即停止刀架電動(dòng)機(jī)，以防止將其 損壞并報(bào)警提示；刀架電動(dòng)機(jī)過(guò)熱報(bào)警時(shí)，停止換刀過(guò)程，并禁止自動(dòng)加工等。 4 刀架進(jìn)給運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 刀架進(jìn)給伺服系統(tǒng)各組成部分的功能 刀架是直接完成切削加工的執(zhí)行部件， 刀 架進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電機(jī)和位置檢測(cè)裝置組成。 伺服電機(jī)的作用 伺服電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，拖動(dòng)機(jī)械部件移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。 檢測(cè)裝置的作用 檢測(cè)裝置是把位移和速度測(cè)量信號(hào)作為反饋信號(hào)，并將反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號(hào)送回武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文 7 計(jì)算機(jī)與脈沖指令信號(hào)進(jìn)行比較，以控制驅(qū)動(dòng)元件的正確運(yùn)轉(zhuǎn)。 本章小結(jié) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的任務(wù)是控制機(jī)床執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)的位移、方向和速度。 5 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)計(jì) 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)一臺(tái)四工位的立式自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，適用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床，使自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上具有良好的強(qiáng)度和剛性，以承受粗加工時(shí)的切削 抗力，同時(shí)具有換刀時(shí)的快速性、穩(wěn)定性和高定位精度的重復(fù)性。 圖 4 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖 1 發(fā)信盤(pán) 2 推力軸承 3 螺桿螺母副 4 端面齒盤(pán) 5 反靠圓盤(pán) 6 三相異步電動(dòng)機(jī) 7 聯(lián)軸器 8 蝸桿副 9 反靠銷(xiāo) 10 圓柱銷(xiāo) 11 上蓋圓盤(pán) 12 上刀體 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。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。本設(shè)計(jì)上刀體的鎖緊與定位機(jī)構(gòu)選用端面齒盤(pán)，將上刀體和下刀體的配合面加工成梯形端面齒。 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。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)。 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 多 工位液壓數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架 是數(shù)控車(chē)床最常用的一種典型換刀刀架，通過(guò)刀架的旋轉(zhuǎn)分度定位來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)換刀動(dòng)作。 此時(shí) YV1 帶電，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)塔隨之轉(zhuǎn)動(dòng) ， 轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)到預(yù)定位置時(shí)， YV1 和 YV3 斷電、 YV4 帶電，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓缸下 行，轉(zhuǎn)塔鎖緊 。 伺服閥裝在電機(jī)體內(nèi)，通過(guò)機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)電機(jī)的機(jī)械自鎖，防止轉(zhuǎn)塔越位 。 液壓電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，液壓缸前腔來(lái)油，壓力油作用在活塞前端面上，推動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng) ， 活塞推動(dòng)花鍵軸向右運(yùn)動(dòng)，動(dòng)齒盤(pán)與靜齒盤(pán)嚙合，轉(zhuǎn)塔鎖緊 。 圖 6 刀架機(jī)械結(jié)構(gòu)圖 刀具固定塊 圓螺母 彈簧墊片 動(dòng)齒盤(pán)轉(zhuǎn)塔刀架 A型平鍵 軸用彈性擋圈 內(nèi)六角螺栓 液壓缸體 調(diào)整墊片 動(dòng)齒盤(pán)刀架體 1 內(nèi)花鍵同步齒形帶輪 1 花鍵軸 1 軸承端蓋 1 深溝球軸承 1 液壓缸端蓋 1 O型密封圈 1 活塞 刀架主 要零件設(shè)計(jì) 動(dòng)齒盤(pán)與靜齒盤(pán) 動(dòng)齒盤(pán)與靜齒盤(pán)是數(shù)控刀架的兩個(gè)主要零件 ， 其精度決定刀架性能的好壞 ， 齒盤(pán)的齒形可設(shè)計(jì)成向心齒（即齒面為梯形齒、齒的截面也為梯形）或設(shè)計(jì)成矩形齒（即齒面為矩形、齒的截面為梯形） 。 活塞 對(duì)活塞的設(shè)計(jì)要求： 當(dāng)花鍵軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，活塞是不允許隨之轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以?xún)烧咧g應(yīng)有軸承來(lái)傳動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng) ， 顯然在這里用滾動(dòng)軸承是 不合適 的，必需采用滑動(dòng)軸承 。由于 省去了花鍵軸與活塞孔之間的滑動(dòng)軸承，使刀架的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步得到簡(jiǎn)化 。配合特點(diǎn)是：間隙很小的滑動(dòng)配合，用于不希望自由轉(zhuǎn)動(dòng)，但可自由移動(dòng)和滑動(dòng)并精確定位時(shí)。 控制方式 控制方式也是數(shù)控刀架設(shè)計(jì)需要考慮的重要環(huán)節(jié)之一，控制元件的選取決定著刀架的自動(dòng)化程度和編程方法，本文采用控制過(guò)程中普遍使用的 行程 開(kāi)關(guān)和編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)刀架的自動(dòng)控制 。 刀架定位精度及重復(fù)定位精度 定 位 精 度 是 指 轉(zhuǎn) 塔 到 位 后 ， 刀 架 指 定 工 位 把 刀 孔 中 心 線(xiàn) 與 設(shè) 計(jì) 中 心 豎直平面內(nèi)的偏差 ， 重復(fù)定位精度是指刀架各工位反復(fù)鎖緊多次后的偏差平均值 。 刀架驅(qū)動(dòng)形式 由于滾珠絲杠具有摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，所以刀架的驅(qū)動(dòng)方式采用 AC伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)刀架的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，刀架軀動(dòng)系統(tǒng)如圖 7所示。推薦刀架所用電動(dòng)機(jī)的 額定功率為 90W，額定轉(zhuǎn)速為 1440r/min，換刀時(shí)要求刀架轉(zhuǎn)動(dòng)的速度為30r/min。已知電動(dòng)機(jī)額定功率 P 1=90W，額定轉(zhuǎn)速 n1 =1440r/min，上刀體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速 n2 =30r/min，則蝸桿副的傳動(dòng)比 i =n1/n2 =1440 /30=，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，啟動(dòng)時(shí)沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命 Lh =10000h 。本設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 制造方便的漸開(kāi)線(xiàn)型圓柱蝸桿 (Z1型 )。 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 刀架中的蝸桿副采用閉式傳動(dòng)，多因齒面膠合或點(diǎn)蝕而失效。 按渦輪接觸疲勞強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)計(jì)算的公式為： 322 )][(HE ZZKTa ? ?? 式中 a蝸桿副的傳動(dòng)中心距，單位為 mm； K載荷系數(shù)； 2T 作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩 T ，單位 。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文 12 （ 1） 確定作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩 T 設(shè)蝸桿頭數(shù) z1 =1,蝸桿副的傳動(dòng)效率取 ? =。K 為齒向載荷分布系數(shù)，因工作載荷在啟動(dòng)和停止時(shí)有變化，故取 ?K =； vK 為動(dòng)載系數(shù)，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取 vK =,則載荷系數(shù) ?? vA KKKK ? （ 3） 確定彈性影響系數(shù) EZ 鑄錫磷青銅渦輪與鋼蝸桿相配時(shí)，從參考文獻(xiàn)中差得彈性影響系數(shù) EZ =160MPa （ 4） 確定接觸系數(shù) ?Z 先假設(shè)蝸桿分度圓直徑 d1 和傳動(dòng)中心距 a 的比值 d 1/a=,可得系數(shù) ?Z = （ 5） 確定許用接觸力 ][H? 根據(jù)渦輪材料為鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1,金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度大于 45HRC，渦輪的基本許用力 39。渦輪轉(zhuǎn)速 n =30r/min。則應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N=60jn2Lh=? 107 壽命系數(shù)： KHN= 許用接觸應(yīng)力： aHHNH MPK 249][][ 39。?Z =。?Z ?Z ，所以上述計(jì)算結(jié)構(gòu)可用。34‘26“ （ 2） 渦輪參數(shù)與尺寸 齒數(shù) z2=48,模數(shù) m=,分度圓直徑為 d 2=mz 2= ? 48mm=,變位系數(shù) x 2=[a(d 1+d2 )/2]/m=[50(20+)/2]/=1,渦輪喉圓直徑為da2=d2+2m(h*a+x2)=83 .2mm,渦輪齒根圓直徑 df2=d22m(h*ax2+c)= 校核渦輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 即校驗(yàn)下式是否成立： ][ 221 2 FFaF YYdd KT ?? ? ?? 式中 F? ........渦輪齒根彎曲應(yīng)力，單位為 Mpa。 ??? ???Y 根據(jù)渦輪的材料和制造方法，可得渦輪基本許用彎曲應(yīng)力： 39。 ??? ?? 將以上參數(shù)帶入式 ][ 221 2 FFaF YYdd KT ?? ? ?? ，得渦輪齒根彎曲應(yīng)力： F? = 可見(jiàn)， ][ FF ?? ? ,渦輪齒根的彎曲強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。的情況下，上刀體的斷面齒與下刀體的斷面齒完全脫離；在鎖緊的時(shí)候，要求上下端面齒的咬合深度達(dá) ，螺桿的螺距 P應(yīng)滿(mǎn)足P?170/3602mm,即 P P=6mm. 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文 15 其它參數(shù)的確定 采用單頭梯形螺桿，頭數(shù) n=1,牙側(cè)角 b=15176。 自鎖性能校核 螺桿 螺母材料均用 45鋼，取二者的摩擦因數(shù) f=。而螺紋升角約為 176。因此，所選幾何參數(shù)滿(mǎn)足自鎖條件。 硬件 收信 電路 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的電氣控制部分收信電 路， 如圖 8所示 : 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文 16 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文 17 圖 8 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架電氣圖 a） 發(fā)信盤(pán)上的霍爾元件 b) 刀位信號(hào)的處理 c）刀架電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制 d)刀架電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn) 圖 8a中，發(fā)信盤(pán)上的 4只霍爾開(kāi)關(guān)（型號(hào)為 UGN3120U），都有 3個(gè)引腳，第 1角接 +12V電源，第 2角接 +12V地，第 3角輸出。 4 只霍爾開(kāi)關(guān)輸出的 4 個(gè)刀位信號(hào) T1~T4 分別送到圖 8b 的 4 只光耦合進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)光電隔離的信號(hào)再送給 I/O接口芯片 8255 的 PC4~PC7。其中 KA1 為正轉(zhuǎn)繼電器的線(xiàn)圈， KA2 的反轉(zhuǎn)繼電器的線(xiàn)圈。圖 8c中，正轉(zhuǎn)繼電器的線(xiàn)圈 KA1與反轉(zhuǎn)繼電器的一組常閉觸點(diǎn)串聯(lián)，而反轉(zhuǎn)繼電器的線(xiàn)圈 KA2又與正轉(zhuǎn)繼電器的一組常閉觸點(diǎn)串聯(lián)，這樣就構(gòu)成了正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的互鎖電路，以防止系統(tǒng)失控時(shí)導(dǎo)致短路現(xiàn)象。 本章小結(jié) 該種刀架在具有剛度大、重復(fù)定位精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也存在一些不足之處 。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文 18 6 總結(jié)與展望 我國(guó)在中高檔數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)方面有了較大突破，創(chuàng)造了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研究成果和核心技術(shù)，在五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床、高速加工機(jī)床、納米級(jí)分辨率數(shù)控車(chē)床等重大數(shù)控裝備上均有突破。 致 謝 首先感謝老師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)中的指導(dǎo)，使我的設(shè)計(jì)更加完善。在完成畢業(yè)課題的同時(shí)，樹(shù)立了學(xué)生面對(duì)將來(lái)實(shí)際工作的信心和解決實(shí)際問(wèn)題的勇氣，也 為以后的 實(shí)際 工作積累 了 經(jīng)驗(yàn) ，使學(xué)生獲益頗多，所以畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)于學(xué)生的工作和學(xué)習(xí)有重要意義。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文 19 參考文獻(xiàn) [1]張新義 .經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì) .北京：機(jī)械工業(yè)出