XXX学院本科生课程设计（说明书）数控车床自动回转刀架机电系统设计院 （系）：XX专 业：XXX学 号：XXX学生姓名：XXX指导教师：XXXX 摘 要自动换刀装置是数控机床上最普遍的一种辅助装置，它可以使数控机床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度。本论文是关于数控机床6工位自动回转刀架系统的设计.完成了机械结构装配总图的绘制，完成了整个系统的设计。其中包括自动换刀装置的总体设计、原理方案的实现、主要部件的分析、传动零件的设计计算，单片机控制系统硬件电路的实现和软件程序的编制。采用三相异步电动机提供动力源，蜗轮蜗杆副传递动力，螺杆传递运动，实现上刀体升降运动，用端齿盘定位，单片机进行系统控制，实现了数控机床6工位自动换刀装置的自动换刀和精确定位要求。关键词: 数控机床，回转刀架，控制系统，单片机I目录目录III第1章 绪论11.1课题研究背景及意义11.2 国内外研究现状11.3 存在的问题和发展趋势3第2章 方案设计42.1 自动刀架的基本形式和应满足的要求42.1.1自动刀架的形式42.1.2 自动刀架的基本要求和功能分析52.2 初步确定自动刀架的方案5第3章 总体结构设计63.1 设计任务63.2减速传动机构方案设计63.3 上刀体锁紧与精定位机构设计63.4 刀架抬起机构设计6第4章 自动回转刀架的工作原理74.1 自动回转刀架的换刀流程74.2 自动回转刀架的换刀过程中有关销的位置8第5章 主要传动部件的设计计算95.1 蜗杆副的设计计算95.1.1蜗杆的选型95.1.2蜗杆副的材料95.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计95.1.4蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸105.1.5校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度115.2 螺杆的设计计算115.2.1螺距的确定115.2.2其他参数的确定115.2.3自锁性能校核12第6章锁紧定位机构的设计136.1 端齿盘设计136.2 端齿盘的特点136.3 端齿盘主要参数的设计计算136.3.1齿数z的确定136.3.2端齿盘外径d146.3.3端齿盘齿形角146.3.4齿根角(啮合斜角)156.3.5最大齿距(周节)t和最大齿厚B166.3.6齿顶高h及啮合高度176.3.7齿宽(径向)F176.3.8齿底槽宽b和齿顶宽b117第7章 电气控制部分设计187.1 单片机选型187.2 硬件电路设计187.2.1 收信电路197.2.2 发信电路207.3 硬件电路主要电子元件的工作原理207.3.1霍尔元件的工作原理和特性207.3.2 霍尔开关的工作原理207.3.3 光电耦合器的工作原理217.3.4 8255芯片的工作原理217.4 控制软件设计227.4.1 换刀工作原理的程序流程图227.4.2 程序的实现方法23第8章 结 论24参 考 文 献25第1章 绪论1.1课题研究背景及意义数控机床是数字控制机床（Computer numerical control）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。自从 1952 年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中等领域被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面，都有飞速发展。数控加工的加工柔性好，加工精度高，生产率高，能减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种典型的机电一体化产品，适用于加工多品种小批量、结构较复杂、精度要求较高、价格昂贵不允许报废的关键零件。而刀架是数控机床的主要附件之一，它的性能直接影响着数控机床的精度和效率，所以随着数控机床的发展必然会提高其对刀架的要求，不言而喻，研究自动刀架系统是非常有意义的。进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。所以应加快自动刀架系统的研究以促进数控机床的发展满足适应生产加工的需要。1.2 国内外研究现状自动刀架系统应用了自动控制、微电子、精密测量等方面的最新成就，是典型的机电一体化产品。它的发展和运用，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，为普通机床演变为数控机床创造了条件，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。数控水平的高低已经成为衡量一个国家制造业水平高低的标志。随着数控机床的发展，以前的刀架，能装的刀具太少，定位精度不高，效率低，精度差，已不能满足要求，于是便出现了许多精度更高、刀架更大、自动化程度更高的刀架。 自动换刀装置是数控机床上最普遍的一种辅助装置，它可以使数控机床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度。目前我国的数控机床和加工中心使用的自动换刀装置主要有转塔式自动换刀和刀库式自动换刀两种。转塔式换刀一般为顺序换刀，其换刀时间短，结构简单、紧凑，但刚性较差，能容纳刀具较少；刀库式换刀一般刀库只有选刀动作而另需机械手进行换刀动作，其刀库容量大，但其成本高，结构相对复杂。随着我国生产力水平的日益提高，国内企业要发展就必须更新大量的设备，很多企业都加大了数控设备的投入，但由于财力等客观因素，大多数企业生产设备仍以普通机床为主，不少企业为了提高效率，在普通机床上加装了数显装置，提高了机床的精度，改善了设备状况，但制造商们忽略了一个很重要的部件就是刀架，要想真正提高工作效率，刀架是必须要考虑的附件之一。目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。立式刀架有四、六工位两种形式，主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等等。另外，加工工艺适应性和连续稳定的工作能力也明显提高：尤其是在加工几何形状较复杂的零件时，除了控制系统能提供相应的控制指令外，很重要的一点是数控车床需配备易于控制的自动回转刀架，以便一次装夹所需的各种刀具，灵活方便地完成各种几何形状的加工。 国产数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，近年来需要量可达 10001500 台。 国外数控车床的发展目的在于提高加工精度和缩短制造周期。实现上述目的之手段是实现机床多功能化和工序工种集成，开发多种多样复合化加工的机种，如增添铣削功能的复合加工车削中心、双主轴多刀塔(双刀塔或四刀塔)数控车床和车削中心、双主轴同步驱动，双刀塔同时进行加工车削中心、五轴联动车铣复合中心、车磨复合加工机床、具有车、铣、镗、磨和激光热处理多种功能的高度复合化的复合加工中心等等。我国数控车床经过多年的发展，特别是近几年迅速为回转刀架的收信与发信控制体，控制步进电机转动带动蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆的发展，与国际先进水平的差距在逐年缩小。对于某些依赖于进口的高档数控车床，如高精度数控车床和车削中心(主轴径跳轴跳0.001mm)、适用耐热合金和钛合金零件加工的大功率、高扭矩数控车床和车削中心等等要加强产品开发研究攻关，突破其核心技术。1.3 存在的问题和发展趋势机床工具行业的发展，依赖于行业技术水平和创新能力的提高，依赖于机床的数控化和产品快速的升级换代，依赖于制造业从刚性自动化向柔性自动化方向转变这一社会需求，由于我国机床附件厂资金紧张，造成技术创新和技术改造的力度不大，使附件水平的发展严重滞后，成为制约民族机床工业发展的瓶颈。国产配套件在产品质量、性能、结构创新、品牌信誉、外观造型、精度稳定性等方面与发达国家相比都存在一定的差距。当前数控机床发展迅猛，向高速、高效、高精、柔性化、环保方面发展，与之相应的机床附件也应随之发展。数控刀架将结合微电子技术和计算机技术的发展，朝着高精度化、多功能化、智能化、系统化等方向发展。国产数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种。数控刀架的发展趋势是：随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。第2章 方案设计普通的机械零件的加工制造过程中，大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等非切削时间上，切削加工时间仅占整个工时中较小的比例。为了缩短非切削时间，充分发挥机床的效率，通常采用“工序集中”的原则。常见的自动回转刀架就是为了实现上述功能而设计的。2.1 自动刀架的基本形式和应满足的要求2.1.1自动刀架的形式图2.1a)所示为螺母升降转位刀架，电动机经联轴器、蜗轮副带动螺母旋转，螺母举起刀架使上齿盘与下齿盘分离，随即带动刀架旋转到位，然后给系统发信号螺母反转锁紧。图2.1 回转刀架的形式及其工作原理图图2.1b)所示为利用十字槽轮来转位及锁紧刀架（还要加定位销），销钉每转一周，刀架便转1/4转（也可设计成六工位等）。图2.1c)所示为凸台棘爪式刀架图2.1d)所示为电磁式刀架，图2.1e)所示为液压式刀架2.1.2 自动刀架的基本要求和功能分析基本要求：1） 满足工艺要求 2） 保证足够高的重复定位精度 3） 具有足够的刚度 4） 提高可靠性 5） 缩短换刀时间 功能分析：1)抬起：为了使刀架能够转位，回转刀架必须先抬起。2)转位：为了完成工件若干个工序的加工，在回转刀架上固定着6组刀具，为使各组刀具能依次参加工作，回转刀架需相应转位。3)定位：为保证加工精度，在加工时回转刀架应精确定位。2.2 初步确定自动刀架的方案初步决定选用2.1a)所示形式的电动刀架。电动刀架的初步方案简图如下图2.2所示。图2.2 电动刀架简图其工作原理为：当数控装置发出换刀指令后，电动机正转，通过联轴器带动蜗杆旋转，在经过蜗轮带动轴旋转，从而使刀架抬起，刀架抬起后，电动机继续转动带动刀架转位，完成转位后，由微动开关发出信号使电机反转，压紧刀架。第3章 总体结构设计3.1 设计任务设计一台六工位的立式自动回转刀架，适用于C616或C6132经济型数控车床，推荐刀架所用电机的额定功率为110W，额定转速为1440r/min，换刀时要求刀架转动的速度为25r/min。3.2减速传动机构方案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，必须经过减速机构进行减速。考虑到本设计减速比较大，且为立式刀架，需改