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1、-数控车床四工位回转刀架机电系统设计毕业设计-第 14 页毕业设计报告(论文)报告(论文)题目：数控车床四工位回转刀架机 电系统设计 作者所在系部： 机械工程系 作者所在专业： 机械设计制造及其自动化 作者所在班级： 2 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 完 成 时 间 ： 2 月 北华航天工业学院教务处制本科生毕业设计（论文）原创性及知识产权声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）数控车床四工位回转刀架机电系统设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本设计（论文）的研究做
2、出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。本毕业设计（论文）成果归北华航天工业学院所有。本人遵循北华航天工业学院有关毕业设计（论文）的相关规定，提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本。本人同意北华航天工业学院有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以营利为目的的前提下，可以公布非涉密毕业设计（论文）的部分或全部内容。特此声明毕业设计（论文）作者： 指导教师： 2 日哈尔滨理工大学课程设计说明书设计题目：数控车床自动回转刀架结构设计班级：学号：姓名： 指导老
3、师： 日期：2008.9.24设计任务题目：数控车床自动回转刀架结构设计任务：设计一台四工位立式回转刀架，适用于C616或C6132经济型数空车床。要求绘制自动回转刀架的机械结构图。推荐刀架所用电动机的额定功率为90W，额定转速1480r/min，换刀时要求刀架转动的速度为40r/min，减速装置的传动比为i=37。总体结构设计1、 减速传动机构的设计普通的三项异步电动机因转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必须经过适当的减速。根据立式转位刀架的结构特点，采用蜗杆副减速时最佳选择。蜗杆副传动可以改变运动的方向，获得较大的传动比，保证传动精度和平稳性，并且具有自锁功能，还可以实现整个装置的小型化
4、。2、 上刀体锁紧与精定位机构的设计由于刀具直接安装在上刀体上，所以上刀体要承受全部的切削力，其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。本设计上刀体的锁进玉定位机构选用端面齿盘，将上刀体和下刀体的配合面加工成梯形端面齿。当刀架处于锁紧状态时，上下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴旋转；换刀时电动机正转，抬起机构使上刀体抬起，等上下端面齿脱开后，上刀体才可以绕刀架中心轴转动，完成转位动作。3、 刀架抬起机构的设计要想使上、下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计适合的机构使上刀体抬起。本设计选用螺杆-螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆-涡轮带动蜗杆绕中心轴转动时，作为螺母的
5、上刀体要么转动，要么上下移动。当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互啮合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，所以螺杆的转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离啮合时，上刀体就与螺杆一起转动。设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定的角度时，使得上刀梯与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。下图为自动回转刀架的传动机构示意图，详细的装配图在一号图纸上。三、自动回转刀架的工作原理自动回转刀架的换刀流程如下图。图上表示自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置。其中上部的圆柱销2和下部的反靠销6起着重要作用。当刀架处于锁紧状态时，两销的情况如图A所示，此时反靠销6落在圆盘7的十字槽内，上刀体4
6、的端面齿和下刀体的端面齿处于啮合状态（上下端面齿在图中未画出）。需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三项异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动蜗杆正向转动，与螺杆配合的上刀体4逐渐抬起，上刀体4与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘1也随着螺杆正向转动（上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆联接），当转过约时，上盖圆盘1直槽的另一端转到圆柱销2的正上方，由于弹簧3的作用，圆柱销2落入直槽内，于是上盖圆盘1就通过圆柱销2使得上刀体4转动起来（此时端面齿已完全脱开）。上盖圆盘1、圆柱销2以及上刀体4在正转的过程中，反靠销6能够从反靠圆盘7中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体4寻找刀位时的正向转动。上
7、刀体4带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘1通过圆柱销2带动上刀体4开始反转，反靠销6马上就会落入反靠圆盘7的十字槽内，至此，完成粗定位。此时，反靠销6从反靠圆盘7的十字槽内爬不上来，于是上刀体4停止转动，开始下降，而上盖圆盘1继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销2的头部压入上刀体4的销空内，之后，上盖圆盘1是下表面开始与圆柱销2的头部滑动。再次期间，上、下刀体的端面齿逐渐啮合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可以稳定地工作。 蜗杆-涡轮减速 销连接上盖
8、圆盘旋转螺杆正转刀架电动机正转 上刀体抬起 螺杆-螺母端面齿错开 霍尔元件触发 上刀体旋转到位回答圆柱销落入上盖圆盘 蜗杆-涡轮减速 反靠销反靠端面齿啮合螺杆反转刀架电动机旋转上刀体下降，粗定位 精定位延时锁紧电动机停转 图：自动回转刀架的换刀流程主要传动部件的设计1. 蜗杆副的设计计算自动回转刀架的动力源是三相异步电动机。其中蜗杆与电动机直联，刀架转位时蜗轮与上刀体直联。已知电动机额定功率=90W。,额定转速=1480r/min，上刀体设计转速=40r/min，蜗杆副的传动比i=/=37。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，启动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命=10000h。
9、（1） 蜗杆的选型 GB/T10085-1988推荐采用渐开线蜗杆和锥面包络蜗杆。本设计采用结构简单，制造方便的渐开线型圆柱蜗杆。（2） 蜗杆副的材料 刀架中的蜗杆副传动的功率不大，但蜗杆转速干，一次，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要淬火，硬度为4555HRC,以提高其表面耐磨行；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，采用金属模制造。（3） 按齿面接触疲劳强度进行设计 刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，进行载荷计算时，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式 a (4-1)式中
10、 a蜗杆副的传动中心距，单位mm； K载荷系数； 作用在涡轮上的转矩，单位N.mm； 弹性影响系数ZE； 许用接触应力，单位为MPa。从式4-1算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比i=35，查表选择一个合适的中心距a值，以及相应的蜗杆，蜗轮参数。1） 确定作用在蜗轮上的转矩,设蜗杆头数=1，蜗杆副的传动效率=0.8，由电动机的额定功率=90W，可以算出蜗轮传动的功率=，再由蜗轮的转速=40r/min求得作用在蜗轮上的转矩=9.55=9.55=25.47Nm=22923Nmm2） 确定载荷系数K 载荷系数K= KA KB K。其中KA为使用系数，有表6-3查得， 由于工作载荷不均匀，启动时
11、冲击较大，因此取KA=1.15； 为齿向分布系数，因工作载荷在启动和停止时有变化，故取KB=1.15； 为动载系数，由于转数不高。冲击不大，可取K=1.05。则载荷系数K=KA KB K 1.39使用系数工作类型IIIIII载荷性质均匀，无冲击不均匀，小冲击不均匀，大冲击每小时起动次数50起动载荷小较大大KA11.151.23） 确定弹性影响系数ZE，铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查的弹性影响系数 ZE=160Mpa 1/2；4） 确定接触系数 先假设蜗杆分度圆直径d1 和传动中心距a的比值d1/a=0.35。查表的Zp=2.9铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力H(MPa)蜗轮材料铸造方
12、法蜗杆螺旋面的硬度45HRC45HRC铸锡磷青铜ZCuSn10P1砂模铸造150180金属模铸造220268铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5砂模铸造113135金属模铸造1281405）确定许用接触应力 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1金属模制造蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC可查表的蜗轮的基本许用应力=268MPa已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数j=1；蜗轮转数=40r/min；蜗杆副的使用寿命=10000h。则应力循环次数：N=60j n2 =2.4 10 7寿命系数： KHN =0.693许用接触应力： =KHN=186MPa6）计算中心距 将以上各参数带入4
13、-1，求得中心距： a = 47.1 mm查表取a=63，已知蜗杆头数=1，设模数m=1.6mm，得蜗杆分度圆直径d1=28mm。这时d1/a=0.59，查表得接触系数=2.35。因为较大，所以上述计算结果可用。（4）蜗杆和涡轮的主要参数与几何尺寸 由蜗杆和涡轮的基本尺寸和主要参数，算的蜗杆和涡轮的主要几何尺寸后，即可绘制蜗杆副的工作图。 1）蜗杆的参数与尺寸 头数=1，模数m=1.6mm，轴向齿距=m=5.027mm轴向齿厚=0.5m=2.514mm，分度圆直径=28，直径系数q=17.5，分度圆导程角=。 取齿顶高系数=1，径向间隙系数=0.2，则齿顶圆直径=+2m=31.2mm，齿根圆直
14、径=-2m（+）=24.314mm。 2）涡轮参数与尺寸 齿数=60，模数m=1.6mm，分度圆直径为=m=96mm，变位系数=a-()/2/m=0.6，涡轮喉圆直径为=+2m（）=101.12mm，涡轮齿根圆直径=-2m（-+）=94.08mm，涡轮咽喉母圆半径=a-/2=12.44mm。（5）校核涡轮齿根弯曲疲劳强度 即检验下式是否成立： = 由蜗杆头数=1，传动比i=35，可以计算出涡轮齿数=i=35则涡轮的当量齿数： =35.17根据涡轮变位系数=0.6和当量齿数=35.17，查表的齿形系数=2.08螺旋角影响系数 =1-=0.977 根据涡轮的材料和制造方法，查表得涡轮基本许用弯曲应
15、力： =56MPa 涡轮的寿命系数： =0.702 涡轮的许用弯曲应力： = =39.3MPa 将数据带入得： 可见， ，涡轮齿根的弯曲强度满足要求。蜗轮的基本许用弯曲应力（MPa）蜗轮材料铸造方法单侧工作双侧工作铸锡青铜ZCuSn10P1砂模铸造4029金属模铸造5640铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5砂模铸造2622金属模铸造3226铸铝铁青铜ZCuAl10Fe3砂模铸造8057金属模铸造9064灰铸铁HT150砂模铸造4028HT200砂模铸造48342.螺杆的设计计算（1） 螺距的确定 刀架转位时，要求螺杆在转动约 的情况下，上刀体的端面齿与下刀体的端面齿完全脱离;在锁紧的时候，要
16、求上下端面的啮合深度达2mm。因此，螺杆的螺距P应满足P2.4mm，今取螺杆的螺距P=6mm。（2） 确定其他参数 采用单头梯形螺杆，头数n=1，牙侧角= 150，外螺纹大径=50mm，牙顶间隙=0.5mm，基本牙型高度=0.5P=3mm，外螺纹牙高=3.5mm，外螺纹中径=47mm，外螺纹小径=43mm，螺杆螺纹部分长度H=50mm。（3） 自锁性能校核 螺杆-螺母材料均用45钢，查表取摩擦系数f=0.11；再求得梯形螺旋副的当量摩擦角： = 6.50而螺纹升角： = 2.33 小于当量摩擦角。因此满足自锁条件。摘 要数控车床为了能在工件的 一次装夹中完成多工序加工，缩短辅助时间，减少多次安
17、装所引起的 加工误差，必须带有自动回转刀架。根据装刀数量的 不同，自动回转刀架分有四工位六工位和八工位等多种形式。根据安装方式的 不同，自动回转刀架可分为立式和 卧式两种。根据机械定位方式的 不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等。其中断齿盘定位型换刀时刀架需抬起，换刀速度较慢且密封性较差，但其结构较简单。三齿盘定位型又叫免抬型，其特点是换刀时刀架不抬起，因此换刀时速度快且密封性好，但其结构较复杂。自动回转刀架在结构上必须具有良好的 强度和刚性，以承受粗加工时的 切削抗力。为了保证转位具有高的重复定位精度，自动回转刀架还 要选择可靠的定位方案和 合理的 定位 结构。自动回转刀架
18、自动换刀时 由控制系统和驱动电路来实现。 关键词：自动回转刀架，蜗轮蜗杆副，机电系统Abstract CNC lathe work order to be able to complete a fixture in many processes processing aids to reduce time, reduce installation time and again caused by processing errors, we must turn with automatic tool. Installed in accordance with the number of diff
19、erent knives, automatic revolving turret at position four of six and eight-station work spaces and other forms. According to the different installation methods, automatic rotary tool can be divided into two types of vertical and horizontal. Positioning means according to the different mechanical, au
20、tomatic rotary tool set can be divided into client positioning tooth and three teeth, such as disk-based positioning. The interruption of tooth plate-type tool change position to be lifted when the tool carrier, tool change a slow and poor sealing, but its relatively simple structure. Tridentate kno
21、wn disk-based location-free lift-type, characterized by ATC when the tool is not lifted, so when the tool change is fast and good seal, but its more complicatestructure. Automatic rotary tool in the structure must have good strength and rigidity to bear the rough at the time of cutting resistance. I
22、n order to ensure a high transposition of the repeat positioning accuracy, automatic rotary tool holder of the position would also like to choose a reliable and reasonable positioning program structure. Rotary Tool Automatic Tool Changer automatically by the control system and the drive circuit to a
23、chieve. Keywords: automatic rotary tool, vice worm, Electromechanical system目 录第1章 绪论11.1 课题综述11.1.1 科学意义和应用前景11.1. 2 设计思路3第2章总体结构设计32.1减速传动机构的设计32.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计32.3 刀架抬起机构的设计3第3章自动回转刀架的工作原理4第4章 主要传动部件的设计计算74.1 蜗杆副的设计计算74.2 螺杆的设计计算11第5章 电气控制部分设计125.1 硬件电路设计125.2 控制软件设计14致 谢16参考文献17数控车床四工位回转刀架机电系统
24、设计第1章 绪论1.1 课题综述1.1.1 科学意义和应用前景自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响机床的加工性能。刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的成本造价产生直接影响。从换刀系统发展的历史来看，1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制装置)。1958年美国K&T公司研制出带ATC(自动刀具交换装置)的加工中心。1967年出现了FMS(柔性制造系统)。1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置，
25、可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。1983年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。目前国内外数控机床自动换刀系统中，刀具、辅具多采用锥柄结构，刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。在这种模式中，机床主轴常采用空心的带有长拉杆、碟形弹簧组的结构形式，由液压或气动装置提供动力，实现夹紧放松刀柄的动作。利用这种机构夹持刀具进行数控加工的最大问题是，它不能同时获得高的夹持刚度和刀具振摆精度，而且主轴结构复杂，主轴轴向尺寸过大，加上它的液压驱动装置及刀具辅具锥柄的制造成本，使得自动换刀系统的造价在机床整机中
26、占有较大的比重。据有关资料介绍，在刀具采用锥柄夹头、侧压夹头以及弹簧夹头夹紧性能的对比实验中，采用弹簧夹头夹持刀具是唯一可同时获得高的夹持刚度和振摆精度的理想元件。采用这种夹持元件，刀具或刀具辅具可作成圆柱柄，其制造成本低，精度易保证，这对大容量刀库降低刀具辅具的制造成本，意义更为显著。在现代数控机床上亦有采用弹簧夹头作为刀具的夹持元件，但机床的主轴结构、驱动方式仍然采用与上述锥柄刀具完全相同的结构形式。采用这种结构模式，在实际数控加工中，尤其是在需要超高速主轴、主轴的径向、轴向尺寸都很小、没有足够的换刀空间的微细加工场合中实现自动换刀将会是很困难的，如果实施自动换刀那将使机床成本大幅度提高。
27、如在CNC控制磨削球面铣刀的数控磨削机床上，直接由高速电机驱动主轴，使用小直径盘形砂轮和指形砂轮加工球面铣刀，换刀空间很小，在这种条件下，将难以实现自动换刀。国外最新研制的内圆磨床上采用的弹簧夹头自动换刀装置售价昂贵。 随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求量越来越大。在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀系统的造价在机床整机造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普遍的重要原因。如果把自动换刀系统的设计制造从现有加工中心的制造模式中分离出来，把它作为加工中心的标准件或附件组织专门化的生产，同时由于该项技术的应用简化了机床主轴结构
28、、采用弹簧夹头和外驱动机械手等关键技术、采用圆柱柄刀具和辅具，这不仅使数控机床工作性能有所提高，而且使得由它配套构成的加工中心的总体造价大幅度下降。低造价高性能的加工中心将会被中小厂广泛接收，这样必将给自动换刀系统生产厂商和加工中心制造厂商带来巨大的经济效益 数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEPNC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机
29、制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。 STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75）、加工程序编制时间（约35）和加工时间（约50）。 目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1999.1.12001
30、.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的STEP Tools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(Super Model)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。1.1. 2 设计思路本设计采用三相异步交流电机驱动，控制部分设计主要采用plc控制包括收信和发信电路两部分。设计好自动回转刀架的机械结构和电器控制电路后，就可以编制刀架自动转位的控制软件。
31、通过此次设计，不仅是对四年学习生活的一个总结，更是对今后继续学习的一次锻炼。在学习了四年的基础课、专业课之后，通过这次课题的考验，除了要求掌握好本专业的课程外，还要求对本专业相关的知识有足够的认识。这次设计就要用到机械设计相关知识，不仅是对自己的一次考验，更是对自己所学知识的一个补充。逐步锻炼自己独立完成工作的能力，以适应今后真正的考验。第2章总体结构设计2.1减速传动机构的设计普通的 三相异步电动机因转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必须经过适当的减速。根据立式转位刀架的结构特点，采用蜗杆副减速是最佳选择。蜗杆副传动可以改变运动的 方向，获得较大的 传动比，保证传动精度和平稳性，并且具有自
32、锁功能，还可以实现整个装置的 小型化。2.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计由于刀具直接安装在上刀体上，所以上刀体要承受全部的切削力，其锁紧与定位的 精度将直接影响工件的加工精度。本设计上刀体的锁紧与定位机构选用端面齿盘，将上刀体和下刀体的 配合面加工成梯形端面齿。当刀架处于锁紧状态时，上下端面齿相互咬合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；换刀时电动机正传，抬起机构使上刀体抬起，等上下端面齿脱开后，上刀体才可以绕刀架中心轴转动，完成转位动作。2.3 刀架抬起机构的设计要想使上，下刀体的 两个端面齿脱离，就必须设计合适的机构使上刀体抬起。本设计选用螺杆-螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通
33、过蜗杆-蜗轮带动蜗杆绕中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动，要么上下移动。当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互咬合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，所以螺杆的转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离咬合时，上刀体就与螺杆一同转动。设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定角度时，使得上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离咬合状态。传动结构见总装配图。第3章自动回转刀架的工作原理自动回转刀架的换刀流程图如下图 1所示图2表示自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置。其中上部的圆柱销2和下部的反靠销6起着重要的作用。当刀架处于锁紧状态时，两销的情况如图a所示，此时反靠销6落在反靠圆盘7的
34、十字槽内，上刀体4的端面齿和下刀体的端面齿处于咬合状态需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三相异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动螺杆正向转动，与蜗杆配合的上刀体4逐渐抬起，上刀体4与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；于此同时，上盖圆盘1也随着螺杆正向转动(上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆连接)当转过约170时，上盖圆盘1直槽的另一端转到圆柱销2的正上方，由于弹簧3的作用，圆柱销2落入直槽内，于是上盖圆盘1就通过圆柱销2使得上刀体4转动起来（此时端面齿已经完全脱开）如图b所示上盖圆盘1，圆柱销2以及上刀体4在正转的过程中，反靠销6能够从反靠圆盘7中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体4寻找刀位时的正向转动
35、，如图c所示上刀体4带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘1通过圆柱销2带动上上刀体4开始反转，反靠销6马上就会落入反靠圆盘7的十字槽内，至此。完成粗定位，如图d所示。此时，反靠销6从反靠圆盘7的十字槽内爬不上来，于是上刀体4停止转动，开始下降，而上盖圆盘1继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销2的头部压入上刀体4的销孔内，之后，上盖圆盘1的下表面开始与圆柱销2的头部滑动。在此期间，上，下刀体的端面齿逐渐咬合，实现精定位。当蜗杆转动产生轴向位移，压缩弹簧，套筒的外圆压缩开关使刀架电动机停转，整个换刀过程结束。由于蜗杆副有自锁
36、功能，所以刀架可以稳定的工作。刀架电动机正转螺杆正转上盖圆盘正转上刀体抬起端面齿错开圆柱销落入上盖圆盘反靠端面齿啮合上刀体下降 粗定位上刀体旋转到位回答电动机反转螺杆反转电动机停转自动锁紧精定位 图1自动换刀流程 a b c d图2刀架转位过程中销的位置a)换刀开始时，圆柱销2与上盖圆盘1可以相对滑动。b)上刀体4完全抬起后，圆柱销2落入上盖圆盘1的槽内，上盖圆盘1将带动圆柱销2及上刀体一起转动。c)上刀体4连续转动时，反靠销6可以从反靠圆盘7的槽左侧斜坡滑出。d)找到刀位时，刀架电动机反转反靠销6反靠，上刀体停转，实现粗定位。1.上盖圆盘 2. 圆柱销 3.弹簧 4.上刀体 5.圆柱销 6.
37、反靠销 7.反靠圆盘第4章 主要传动部件的设计计算4.1 蜗杆副的设计计算自动回转刀架的动力源时三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直连，刀架转位时涡轮与上刀体直连。已知电动机额定功率P 1=90W，额定转速n1 =1440r/min，上刀体设计转速 n2 =30r/min，则蜗杆副的传动比i =n1/n2 =1440 /30=48.刀架从转位刀锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，启动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命Lh =10000h 。 4.1.1蜗杆的选型 GB/T10085-1988推荐采用渐开线蜗杆（Z1蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。本设计采用结构简单，制造方便的渐开线型圆柱蜗杆
38、(Z1型)。4.1.2 蜗杆副的材料 刀架中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此蜗杆的材料选择45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC，以提高表面耐磨性；涡轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZcuSn10P1,采用金属模铸造。4.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计 刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。按涡轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为： a 式中 a-蜗杆副的传动中心距，单位为mm； K-载荷系数； T2-作用在涡轮上的转矩T ，单位N.mm; ZE-弹性
39、影响系数，单位为MPa； Z -接触系数 【 】-许用接触应力，单位为MPa；从式中算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比i=48，可以选择合适的中心距a值，以及相应的蜗杆，涡轮参数。1）确定作用在蜗轮上的转矩T 设蜗杆头数z1 =1,蜗杆副的传动效率取 =0.8。由电动机的额定功率P1 =90W,可以算出涡轮传递的功率P2 =P 1 ,再由涡轮的转速n2 =30r/min,求得作用在涡轮上的转矩： T2=9.55P2/n2=9.55P1 /n2=22920N.mm2）确定载荷系数K载荷系数K=KA K BKV .其中KA为使用系数，由于工作载荷分布步均匀，启动时冲击较大，因此取KA =1
40、.15;K 为齿向载荷分布系数，因工作载荷在启动和停止时有变化，故取KB =1.15；KV 为动载系数，由于转速不高，冲击不大，可取KV=1.05,则载荷系数 K=KAKBKV=1.39表1使用系数KA工作类型载荷性质均匀，无冲击不均匀，小无冲击不均匀，大无冲击每小时起动次数2525-5050起动载荷小较大大KA11.151.23）确定弹性影响系数ZE 铸锡磷青铜涡轮与钢蜗杆相配时，从参考文献中差得弹性影响系数ZE =160MPa4)确定接触系数Zp 先假设蜗杆分度圆直径d1 和传动中心距a的比值d 1/a=0.35,可得系数ZP=2.95)确定许用接触力【 】 根据涡轮材料为铸锡磷青铜ZCu
41、Sn10P1,金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，涡轮的基本许用力 【】=268MPa，已知蜗杆为单头，涡轮每转一转时每个轮齿咬合的次数j=1;涡轮转速n =30r/min;蜗杆副的使用寿命L =10000h。则应力循环次数 N=60jn2Lh=6013010000=1.8107寿命系数：KHN=0.929表2 铸锡磷青铜蜗轮的基本许用接触应力蜗轮材料铸造方法蜗杆螺旋面的硬度45HRC45HRC铸锡磷青铜ZCuSn10P砂模铸造150180金属模铸造220268铸锡锌铅青铜ZcuSn5Pb5Zn5砂模铸造113135金属模铸造128140许用接触应力：【 】= KHN【 】=0.929
42、 268Mpa249Mpa6）计算中心距a 将以上各参数代入式 ，求得中心距：a 48mm取中心距a=50mm,已知蜗杆头数z1 =1,设模数m=1.6mm,得直径d1 =20mm,这时d 1/a=0.4,可得接触系数Z p =2.74。因为ZpZp ，所以上述计算结构可用。4.1.4 蜗杆和涡轮的主要计算参数和几何尺寸由蜗杆和涡轮的基本尺寸和主要参数，算得蜗杆和涡轮的主要几何尺寸后，即可绘制蜗杆副的工作图了。1）蜗杆参数及尺寸头数z1 =1,模数m=1.6mm,轴向齿距Pa = 3.14m=5.027mm,轴向齿厚sa=0.5 m=2.514mm,分度圆直径d1 =20mm,直径系数q =d1 /m=12.5,分度圆导程脚r=Y=arctan(z1/q)=43426.取齿顶高系数ha=1,径向间隙系数c=0.2,则齿顶圆直径da1=d1+2ham=20mm+211.6mm=23.2mm,根圆直径df1=d1-2m(ha+c)=d1-2m(ha+c)=20-21.6(1+0.2)mm=16.16mm 2）蜗轮参数与尺寸齿数z2=48,模数m=1.6mm,分度圆直径为d 2=mz 2=1.6 48mm=76.8mm,变位系数x =a-(d 1+d2 )/2/m=50-(20+76.8)/2/1.6=1