數(shù)控機(jī)床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計(jì)

自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1特(SAUTER)、意大利的杜普洛馬蒂克(DUPLOMATIC)和巴魯法迪(BARUFFALDI)等，作循環(huán)分度機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、檢測(cè)裝置、接口電路、刀具安裝臺(tái)(刀盤)、動(dòng)力刀 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書2展趨勢(shì)位精度要求高，一般要求工位目標(biāo)位置重復(fù)定位精度在4"—10"，刀槽的工作位雙向轉(zhuǎn)位就近換刀(最短路程換刀)的結(jié)構(gòu)正在開發(fā)應(yīng)用,如雙向滾子端面凸輪機(jī)構(gòu),可顯著縮短換到周期。為了克服刀盤高速轉(zhuǎn)位引起的慣性沖擊,使用恰當(dāng)?shù)木彌_元件是其發(fā)展趨勢(shì)。目前趨向于開發(fā)能終生潤(rùn)滑的產(chǎn)品,即在使用全過程中,不需要用戶再采取任何潤(rùn)滑措施。因工作環(huán)境惡劣,對(duì)密封性能要求很高,通常規(guī)定在刀架體內(nèi)棋道壓力105pa氣路,浸入裝有防銹液的試驗(yàn)箱內(nèi),在規(guī)定時(shí)間內(nèi),不得有漏氣現(xiàn)象。目前尚無規(guī)范要求,有的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)提出測(cè)詳見定,但響明顯,但也無可靠數(shù)據(jù) 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3分析得很大的鎖緊力,故刀架剛性很好。該機(jī)構(gòu)適用于重負(fù)荷切削,且易雙向轉(zhuǎn)位就近換刀,近年已開發(fā)出將液壓馬達(dá)和滾珠式預(yù)分度機(jī)構(gòu)合為一體的液壓分度馬達(dá)(Index這類刀架用液壓缸鎖緊刀盤,轉(zhuǎn)位和預(yù)分度則用點(diǎn)電機(jī)通過機(jī)械傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn),如槽輪機(jī)構(gòu)。目前趨向采用動(dòng)態(tài)性能較好的間歇凸輪轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)。(1)單面凸爪鎖緊式是我國(guó)自行開發(fā)的小型產(chǎn)品刀盤主軸上固聯(lián)有單向凸爪離合器的右半。電機(jī)經(jīng)蝸輪傳動(dòng)使主動(dòng)凸爪(離合器左半)正向旋轉(zhuǎn),兩個(gè)半離合器結(jié)合,兩定位多齒盤覺分開此形式結(jié)構(gòu)緊湊,但鎖緊力靠機(jī)構(gòu)的彈性變形產(chǎn)生,調(diào)整較難,主軸剛度不宜大,適用于(2)雙插銷反靠式離，再由反靠盤及插銷帶動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)到位,檢測(cè)裝置發(fā)訊時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn),插銷向預(yù)分度糟連同刀盤反向位移至多齒盤嚙合鎖緊。(3)雙向滾子端面凸輪鎖緊式這類刀架采用正反方向均可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位鎖緊的滾子端面凸輪機(jī)構(gòu),能就近換刀。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書4刀位檢測(cè)元件多用無觸點(diǎn)的霍爾元件或接近開關(guān)以及光電編碼器。鎖緊電機(jī)一般采用三相交流電機(jī),但開發(fā)應(yīng)用體積小扭矩大,能頻繁換向的專用電機(jī)對(duì)提高電動(dòng)式刀架常有如下兩種:視不同系統(tǒng)給出的換刀控制信號(hào),應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口電路。通常由如下功能：方式選擇、刀位檢測(cè)發(fā)訊、驅(qū)動(dòng)功能(驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器件完成轉(zhuǎn)位鎖緊等動(dòng)作)、保護(hù)功能(以脆如機(jī)械電氣故障)其邏輯電路一般可用繼電器實(shí)現(xiàn)。6.2通過可編程序控制器(PLC)與數(shù)控系統(tǒng)接口目前主要為立式四工位,通常采用雙插銷機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位和預(yù)定位,電機(jī)采用右置式或E輒凸輪)或槽輪機(jī)構(gòu)此種刀架目前正逐漸推廣。此種刀架只有煙臺(tái)機(jī)床附件廠生產(chǎn),全套引進(jìn)意大利的生產(chǎn)線和專利,一般用于車削。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)52方案選擇及論證2.1傳動(dòng)方案的分析和擬定1.1技術(shù)關(guān)鍵(a)合理的整體布局及夾緊機(jī)構(gòu),以保證有足夠的剛性。(b)定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。雙插銷配合多齒盤定位。(c)發(fā)訊元件的選擇。采用霍爾元件。2.1.2數(shù)控立式四工位抬起式自動(dòng)刀架傳動(dòng)方案的分析和擬定(1)傳動(dòng)方案的擬定采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)和螺旋副加緊、雙插銷預(yù)定位、端面多齒盤精定位、霍爾元件(2)傳動(dòng)方案簡(jiǎn)圖圖2-1傳動(dòng)方案簡(jiǎn)圖(3)傳動(dòng)方案分析其主要缺點(diǎn)是:發(fā)熱大,加工復(fù)雜,需要有與蝸桿參數(shù)相同的渦輪滾刀,對(duì)裝配誤差較為敏感。用較小的扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠(或螺母),可使螺母(或絲杠)獲得較大的軸向牽引力。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書6和絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)均能自鎖,即夾緊機(jī)構(gòu)雙重自鎖，不必再配置制b定位機(jī)構(gòu)強(qiáng)。優(yōu)點(diǎn):齒面磨損對(duì)定位精度影響不大,隨著不斷使用磨合,定位精度有可能改善,精度保持承載能力強(qiáng),定位剛性好。其齒面嚙合長(zhǎng)度一般不小于60%,齒數(shù)嚙合率一般不低于缺點(diǎn):c.數(shù)控轉(zhuǎn)塔式四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架傳動(dòng)方案的確定:件發(fā)訊。 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)73主要參數(shù)的計(jì)算3.1刀架的設(shè)計(jì)參數(shù):.05mm;(2)重復(fù)定位精度:土0.002mm;C;(4)多齒盤直徑：φ175(72齒左右);(5)刀架工位數(shù)：四工位;(6)定位控制元件：霍爾元件;(7)電機(jī)的選用：電機(jī)的轉(zhuǎn)速與設(shè)計(jì)刀架的回轉(zhuǎn)速度有關(guān).先預(yù)定為1500\min(8)刀座尺寸：200*1923.2動(dòng)力參數(shù)的確定3.2.1選擇電機(jī)類型:作，N電動(dòng)機(jī)。取轉(zhuǎn)速為1400r/min。3.2.2電機(jī)容量的設(shè)計(jì)計(jì)算:梯形螺紋的牙型角α=30o,則牙型半角P=15o,且有f=0.08~0.10。由于本刀架鎖緊系統(tǒng)a所以λmax=11.7-1=10.由實(shí)驗(yàn)表明λ=4~6有滿意效果,故取λ=5。b.螺桿的轉(zhuǎn)速n1=28r/min(設(shè)計(jì)任務(wù)書給出)01計(jì)算電機(jī)容量：P=p/n(3-2)dwaa 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書8w1n=nn4nnn(3-4)a12345其中nnnn分別為軸承、蝸輪蝸桿、聯(lián)軸器、滑動(dòng)絲杠的傳動(dòng)效率。取n=0.98,n=0.45(自鎖時(shí)傳動(dòng)效率),n=0.99,n=0.6234dwdac.計(jì)算螺桿上的扭矩:w1d矩/:額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩12IPPn0.99=118.8wIdII12 IIIIIId.確定接觸系數(shù):ZP 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)94傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算4.1.1選擇蝸桿傳動(dòng)類型:根據(jù)GB/T10085-1988的推薦，采用漸開線(ZI)蝸桿，這種蝸桿的端面齒廓是漸開4.1.2選擇材料淬火硬度為45-55HRC且心部調(diào)制蝸輪用鑄錫青銅ZcusnlOP1,金屬4.1.3按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì):根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,先根據(jù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì),再校核齒根彎曲強(qiáng)度應(yīng)有:212n1400/50(4—2)2b數(shù)K：AbVEEa 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書10先假設(shè)蝸桿分度圓直徑為d和中心距a的比值d/a=0.32從圖11-18(機(jī)械設(shè)1計(jì)第七版)中可查得Z=2.75PH根據(jù)蝸桿材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P金i屬模鑄造,蝸桿硬度大于45HRC可以從11-7(機(jī)械設(shè)計(jì)第六版)中查得渦輪的基本許用應(yīng)力[(]=268MPHaNjnLh則(渦輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn),每個(gè)輪齒嚙合的2n則[(]=K[(]'=0.918*268=246.1MPHHNHaf.計(jì)算中心距:dd4.1.4蝸輪蝸桿的主要參數(shù)及尺寸:根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,從機(jī)械設(shè)計(jì)第七版第242頁查得一組數(shù)據(jù):mq1122 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)11a.蝸桿的幾何尺寸及參數(shù):af11a111a222a2a2f22f211g22a224.1.5校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度: (=1.53KT2YY共[(]MP(4-8)FddmcosyFa2bFa12當(dāng)量齒數(shù)：z=z2=51=51.49(4-9)v2cos3ycos34。34'26"v2[(]=[(]'KFFFN用彎曲應(yīng)力[(]F從表11-8(機(jī)械設(shè)計(jì)第七版)查得ZcuSn10Pi制造的蝸輪的基本許a106壽命系數(shù)：K=9=0.717Fa1Fa 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書12 FaFa考慮到所設(shè)計(jì)的蝸桿傳動(dòng)是動(dòng)力傳動(dòng),屬于通用機(jī)械減速器,從GB10089-88圓柱蝸桿、蝸輪精度中,選擇8級(jí)精度,側(cè)隙種類為f，標(biāo)注為8fGB10089-蝸輪蝸桿的結(jié)構(gòu):與軸制成一體。蝸輪的結(jié)構(gòu):由于D10Omm,故采用整體式鑄造.4.1.8蝸桿傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算:蝸桿傳動(dòng)效率低,所以工作時(shí)發(fā)熱量大.在閉式傳動(dòng)中,如果產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)發(fā)散,將因溫度不斷升高,而使?jié)櫥拖♂?從而增大摩擦損失,甚至發(fā)生膠合.所以,必須根據(jù)單位時(shí)間的發(fā)熱量H等于同時(shí)間內(nèi)的散熱量H2的條件進(jìn)行熱平衡計(jì)算.以保證泊溫穩(wěn)定地處于規(guī)定的范圍內(nèi),在規(guī)定條件下,保持正常的工作溫度所需要的散熱能力,面積(4-14)(4-14)d0aP為蝸桿傳遞的功率；n為蝸桿傳遞的效率；a為箱體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取d d00Ca2 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)13螺母材料選用鑄鋅鉛青銅ZQSn6-6-3雖,然ZQSn10-非1常耐磨，但成本太高ZQSn6-6-經(jīng)能滿足要求。aT螺紋絲桿，螺距t=12mm;122120122122陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書14驅(qū)動(dòng)扭矩M=P.tg(入+p).d2，：d=nP=P，滑動(dòng)螺旋工作時(shí)，主要承受轉(zhuǎn)矩及軸向拉力(或壓力)的作用，同時(shí)在螺旋和螺母螺桿直徑和螺母高度)，通常是根據(jù)耐磨性條件確定的。對(duì)于受力較大的傳動(dòng)螺旋，還圖4-1刀盤齒形圖螺紋的承壓面積(指螺紋工作投影到垂直于軸向力的平面上的面積)為A(mm2),螺紋中徑d(mm)螺紋工作高度h，螺紋螺距為P(mm),螺母高度H(mm),螺紋的工作圈數(shù)2n=H/p.22自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)15 (=caA (=caAd1幾幾414W=1=.403=1.26人104mm3r1616f0.15Q=arctg(4-20)2 caAd1256.6401sMpa[(]故強(qiáng)度滿足要求。44ca圖4-2插銷的力學(xué)模型dgdDD1對(duì)直徑為D的圓柱形銷，有I=，O=，沖擊時(shí)刀盤的動(dòng)能：IO2，沖擊過程64322 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書163EJIWWWIO沖擊瞬間刀盤角速度；E插銷材料彈性摸量；J插銷截面慣性矩；W插銷截面抗彎摸數(shù)；插銷材料許用應(yīng)力。選取最小的定位超程角：中，若此時(shí)刀盤進(jìn)性力矩作用下反靠銷極易沿周向滑動(dòng)，使刀盤不能與反靠盤同步轉(zhuǎn)2I的制造公差及上下兩盤裝配的平行度公差可按一般精度4.3.2預(yù)定位機(jī)構(gòu)與反靠機(jī)構(gòu)：預(yù)定位銷中間采用彈簧，使之與銷配合起來起定位作用。同時(shí)，預(yù)定位銷的頭部槽的傾角也是50.4。，與之相配。反靠盤上槽兩邊都有傾角，這是為了使反靠銷能從兩個(gè)方向脫出。預(yù)定位盤和反靠盤的結(jié)構(gòu)尺寸由零件圖給出。1)原理與特點(diǎn)：自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)17自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)17圖4-3多齒盤原理2)設(shè)計(jì)計(jì)算：。轉(zhuǎn)化到齒盤上的工作載荷有扭矩Mn,傾覆力矩Mr,軸向離F，徑向力F。0r2Dahy=sinsin2Zahy=sinsin2Z圖4-4多齒盤的結(jié)構(gòu)(b)齒數(shù)Z齒數(shù)應(yīng)是分度工位數(shù)的倍數(shù)，或所有需要的工位數(shù)的最小公倍數(shù)。齒數(shù)越多，分度精度越高。但加工夜復(fù)雜。(c)齒盤直徑D齒盤直徑可按扭矩Mn估算。一般D宜取大些，以提高定位精度和穩(wěn)(d)模數(shù)m齒盤的模數(shù)m=D/Z，它僅起到表示齒形大小的作用，不須選取標(biāo)準(zhǔn)值。M的常用范圍為2—6mm.(e)齒寬按載荷大小選取，一般為8—25mm，B太大不利于提高分度定位精度。==22y2hh=hD陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書18aa 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)19MnDD取大些，以利于提高分B大利于提高齒盤承載能力，但不利于提高分度精度。Z是工位數(shù)的倍數(shù)，精度要求高時(shí)宜放大，但加工困難MV/Z,常用2—6。2DBZMTβHB2aHf1123456789②夾緊力計(jì)算W=S[2Mntg(p)+2Mr+Frtg(p)士F]D2D20Mn為齒盤承受的扭矩(Nm)Fr徑向力(N)0取“+”.D直徑(m)陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書20xyzyz1F=259.2kgf,F=965.8kgfx1傾覆力矩MFa41465.7kgf/mm又F0.5F(0.5)12F1，可得rxy1zyz驅(qū)動(dòng)力矩MFa123622.4kgf/mmnz安全系數(shù)S取1.3752752③驗(yàn)算齒面擠壓應(yīng)力2Mn2MrSDDr20式中，σ為齒面擠壓應(yīng)力(Pa)Z算齒數(shù)，Z0.5ZB為齒寬(m)h為齒的嚙合高度0W為夾緊力(N)SS1.3為許用擠壓應(yīng)力(Pa),齒面淬硬的取=4107 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)212=2.89kgf/mm[]所以，滿足要求齒盤的齒面要求有較高的硬度，內(nèi)部有一定的韌性，要求材料的熱變形較小，精密齒盤要求尺寸穩(wěn)定性好，齒盤材料選0Cr，熱處理齒部D0.3—700(a)相鄰齒矩誤差和累積誤差：按回轉(zhuǎn)部件的分度精度要求確定，根據(jù)刀具的精度要求，相鄰齒矩誤差和累積誤差不2(b)安裝基準(zhǔn)孔軸線分度中心的位置度：精密齒盤應(yīng)該.01mm以內(nèi)。(c)安裝基準(zhǔn)端面對(duì)分度平面的平行度：精密齒盤應(yīng).005mm以內(nèi)。d接觸精度：齒面接觸精度不僅影響風(fēng)度精度，而且影響剛性，承齒寬接觸率：接觸寬度為齒寬的50%(精密齒盤為70%以上)。應(yīng)在90%以上)。接觸不良的齒不應(yīng)比連。4.3.4彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算：(1)材料的選擇：根據(jù)彈簧的工作情況，選擇Ⅱ類型符合彈簧，選用碳素彈簧鋼，強(qiáng)度高，性能(2)計(jì)算彈簧鋼的直徑：F：最大工作載荷221陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書22pbcc=7T66p21f一f52K1.32110n20b1b0bP12螺旋角：y=arctg=arctg=8.96。，滿足y=5。一一9。的要求。2(3)驗(yàn)算：H35 (a)高徑比：b=0==1.4想2.6，滿足要求。D25r Tp200p3F1221F0.5自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)T+0.75T792+0.7524.7：S=01=必1.37>S=1.3，所以滿足要求。2(c)驗(yàn)算共振：彈簧的自振頻率為：d2.5f=3.561023.56102=316H，nnD24.5252z2f--強(qiáng)迫機(jī)械振動(dòng)頻率，：f>>f，此彈簧適用。rnr 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書24：F===79.39Ntd20