设计任务 设计一台四工位的立式自动回转刀架，适用于C616或C6132经济型数控车床。要求绘制自动回转刀架的机械结构图，设计控制刀架自动转位的硬件电路，编写刀架的控制软件，推荐刀架所用的电动机的额定功率为90W，额定转速为1440 r/min，换刀时要求刀架转动的速度为30 r/min。 经济型数控是我国80年代科技发展的产物。这种数控系统由于功能适宜，价格便宜，用它来改造车床，投资少、见效快，成为我国“七五”、“八五”重点推广的新技术之一。十几年来，随着科学技术的发展，经济型数控技术也在不断进步，数控系统产品不断改进完善，并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。对于原有老的经济型数控车床，特别是80年代末期改造的设备，由于种种原因闲置的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高生产效率，创造更大的经济效益。 总体方案设计1 减速传动机构的设计 普通的三相异同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，获得教大的传动比，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。2 上刀锁紧与精定位机构的设计 由于刀具直接安装在刀体上，所以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，将上刀体与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转动；换刀时电动机正转，抬起机构使上刀体抬起,等上下断面齿脱开后，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断面齿脱离，就必须设计合适的机构使刀体抬起。本设计选用螺杆螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆蜗轮带动螺杆绕中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动，要么上下移动。当刀体处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的断面相互啮合，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角度时，使得上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。 自动回转刀架的工作原理自动回转刀架的换刀流程如图6-14所示。图6-15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落在反靠圆盘7的十字槽内，上刀体4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a中未画出）。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通过圆柱销与螺杆连接），当转过月170时，上盖圆盘1直槽（见图6-16）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转到起来（此时端面齿已完全脱开），如图b所示。上盖圆盘1 圆柱销2以及上刀体4在正传的过程中，反靠销6能够从反靠盘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，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从反靠盘7的十字槽内爬不出来，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延时锁紧精定位 图 6-14五 数控车床自动回转刀架机械部分设计 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连，刀架转位时蜗轮与上刀体直连。已知电动机的额定功率 P190W，额定转速n11440r/min，上刀体设计转速n230r/min，则蜗杆副的 传动比i=n1/n21440/30=48。刀架从转为到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，起动时冲击较大，今要求蜗杆副的 使用寿命Lh10000h 。(1) 蜗杆的选型 GB/T100851988推荐采用渐开线蜗杆（ZI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（ZI型）。(2) 蜗杆副的材料 刀架的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC，以提高表面耐磨性；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，采用金属模铸造。（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，在进行承载能力计算时，先按齿面接触强度进行设计，在按齿根弯曲疲劳程度校核。 按蜗轮的 接触疲劳强度条件设计计算公式为 a 式中 a -蜗杆副的传动中心距，单位为mm; K -载荷系数；T2-作用在蜗轮上的转矩T2，单位Nmm； ZE-弹性影响系数，单位Mpa1/2 ZP-接触系数； -需用接触应力，单位为MPa 从式（6-9）算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比i=48，从表6-2中选择以个合适的中心距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T2 设蜗杆头数Z11，蜗杆副的传动效率取=0.8。有电动机的额定功率P1=90W，可以算得蜗轮的传递功率P2P1,再由蜗轮的 转速n230r/min 求得作用在蜗轮上的转矩 ： T2 9.559.559.55Nm=22.92Nm(2) 确定载荷系数K 载荷系数KKAKBKV.其中的KA为使用系数，由查表得出，由于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取KA1.15；KB为齿向载荷分布系数，因工作载荷在起动和停止时有变化，故取KB1.15；KV为运动系数，由于转速不高，冲击不大。可取KV1.05。则载荷系数 ： KKAKBKV1.151.151.051.39（3）确定弹性影响系数ZE 铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查得弹性影响系数ZE 160Mpa1/2 。（4）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d1/a=0.35，从图中可差得接触系数Zp2.9。（5）确定需用接触应力 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCUSN10P1金属模铸造、蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，可从表中差得蜗轮的基本需用应力 268Mpa。已知蜗杆为单头，蜗轮每转以转时每个轮齿啮合的次数 j=1；蜗轮转速n230r/min;蜗杆副的使用寿命Lh=10000h. 则应力循环次数 : N=60jn2Lh=6013010000=1.8107 寿命系数 : KHN=0.929 需用接触应力 = KHN=0.929 268Mpa249Mpa (6) 计算中心距 将以上各参数代入式a ,求得中心距 : a 48mm 查表可知,取中心距a=50mm,已知蜗杆头数z1=1,设模数m=1.6mm,得蜗杆分度圆直径d1=20mm.这时d1/a=0.4,由图6-17得接触系数 ZP1 =2.74.因为ZP1 Zp,所以上述计算结果可用. （7）蜗轮蜗杆的主要参数与几何尺寸 由蜗杆和蜗轮的基本尺寸和主要参数, 算得蜗杆和蜗轮的主要几何尺寸后,即可绘制蜗杆副的工作图了.1） 蜗杆参数与尺寸 头数Z1=1.6mm,轴向齿距Pa=m=5.027mm,轴向齿厚Sa=0.5m=2.514mm,分度圆直径d1=20mm,直径系数q=d1/m=12.5,分度圆导向角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+2ha*m=20mm+2*1*1.6mm=23.2mm,齿根圆直径df1=d1-2m(ha+c)=d1-2m(ha+c)=20-2*1.6*(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d2=mz2=1.6*48mm=76.8mm,变位系数x2=a-(d1+d2)/2/m=1,蜗轮喉圆直径为da2=d2+2m(ha+x2)=83.2mm,蜗轮齿根圆直径df2=d2-2m(ha-x2+c)=76.16mm,蜗轮咽喉母圆半径rg2=a-da2/2=8.4mm. (8) 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 即检验下式是否成立 : 式中 蜗轮齿根弯曲应力,单位为Mpa; 蜗轮齿形系数; 螺旋角影响系数; 蜗轮的许用弯曲应力,单位为Mpa. 由蜗杆头数z1=1,传动比i=48,可以算出蜗轮齿数z2=iz1=48. 则蜗轮的当量齿数 Zv2= =48.46 根据蜗轮变位系数x2=1和当量齿数zv2=48.46,查图可得齿形系数=1.95 螺旋角影响系数: =1-=0.967 根据蜗轮的材料和制造方法,查表可得蜗轮基本许用弯曲应力; =56MPa 蜗轮的寿命系数: KFN =1.725 蜗轮的许用弯曲应力: