数控车床自动回转刀架机电系统设计

摘要自动回转刀架是数控机床的重要组成部分，它有效地提高了劳动生产率，缩短了生产准备时间，消除人工误差提高加工精度和加工精度的一致性等。但是传统的普通车床换刀的速度慢、精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要。所以为了提高生产率、改善产品质量以及改善劳动条件必须对自动回转刀架进行改进。本文对数控车床自动回转刀架的机电系统的相关内容进行分析，研究数控车床刀架的组成和工作原理，对普通机床的换刀装置进行改进，使该装置具有自动松开、转位、精密定位等功能。此次主要完成自动回转刀架的机械部分和电气部分的设计。机械部分为对其组成的各个机械部件进行计算与选用，电气部分为编制刀架自动转位控制软件。设计的数控換刀装置功能更强，换刀装置通过刀具快速自动定位，可以提高数控车床的效率，缩短加工时间；同时其可靠性更稳定，结抅简单。关键词:自动回转刀架，换刀装置，机电系统，电气控制目录1.绪论1.1数控车床刀架的分类数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。随着数控车床的不断发展，刀架结构形式也在不断翻新。其中按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。自1958年首次研制成功数控加工中心自动换刀装置以来，自动换刀装置的机械结构和控制方式不断得到改进和完善。自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有：回转刀架换刀，更换主轴头换刀以及带刀库的自动换刀系统。图1.1数控回转刀架图1.2数控车床自动回转刀架的发展趋势经济型数控是我国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。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，减少多次装夹所引起的加工误差，必须带有自动回转刀架。随着数控车床的发展，自动回转刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。目前国内自动回转刀架以电动为主，根据安装方式的不同可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。根据机械定位方式的不同，自动回转刀架可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等。其中端齿盘定位型换刀时需要刀架抬起，换刀速度较慢且密封性较差，但其结构简单。三齿盘定位型又叫免抬型，其特点是换刀时刀架不抬起，因此换刀速度快且密封性好，但其结构较复杂。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。1.3设计自动回转刀架的意义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电动刀架，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。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。为了保证转位之后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。自动回转刀架的自动换刀是由控制系统和驱动电路来实现的。在自动换刀数控机床上，自动换刀装置应满足换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具储存量，换刀安全可靠等要求。各类机床的换刀装置主要取决于机床的型式、工艺范围及刀具的数量和种类等。传统的车床如CA6140的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的自动刀架进行改进。2.自动回转刀架总体设计2.1总体方案的确定在自动换刀数控机床上，自动换刀装置应满足换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具储存量，换刀安全可靠等要求。目前为止应用最广的刀架为回转刀架。回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，常用于数控车床。可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令换刀。回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为0.001～0.005mm）。图2-1回转刀架的类型及工作原理一般情况下，回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位及刀架压紧等。回转刀架按其工作原理分为若干类型，如图2-1所示。图2-1a所示为螺母升降转位刀架，电动机经弹簧安全离合器到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。使刀架换位，进行切削加工。螺母升降式零件多，但加力可靠，精度较高，许多刀架都利用这种原理设计。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）。十字槽轮式体积大，零件多，目前使用较少。图2-1c所示为凸台棘爪式刀架，蜗轮带动下凸轮台相对于上凸轮台转动，使其上、下端齿盘分离，继续旋转，则棘轮机构推动刀架转90º，然后利用一个接触开关或霍尔元件发出电动机反转信号，重新锁紧刀架。凸台棘爪式重复定位精度相对较低。图2-1d所示为电磁式刀架，它利用了一个有10kN左右拉紧力的线圈使刀架定位锁定。电磁式目前已能实用，但多一套电路，并要有断电保护。图2-1e所示为液压式刀架，它利用摆动液压缸来控制刀架转位，图中有摆动阀芯、拨爪、小液压缸；拨爪带动刀架转位，小液压缸向下拉紧，产生10kN以上的拉紧力。这种刀架的特点是转位可靠，拉紧力可以再加大，但其缺点是液压件难制造，还需多一套液压系统，有液压油泄漏及发热问题。经过参考几种经典的刀架设计类型后，决定在本设计中采用螺母升降转位刀架，电动机经弹簧安全离合器到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以及利用十字槽轮来转位及锁紧刀架（还要加定位销）来实现刀架抬起和精确定位。2.2减速机传动机构的确定在本设计中由于采用了三相异步电动机，三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。在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。蜗轮蜗杆传动有以下特点：1、传动平稳。蜗杆传动同时啮合的齿对数多，且蜗杆为连续的螺旋曲面，啮合过程是连续的，振动、冲击和噪声较小。2、具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合摩擦角时，蜗杆传动具有自锁性。此时，只能蜗杆带动蜗轮，反之则不能转动。3、传动比大。单级传动可获得传动比为5-80，在分度机构中可达600或更大。和齿轮传动相比实现相同的传动比时结构较紧凑。所以说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。使得刀架在是有过程中更加轻便，方便机床的加工作业。2.3刀体锁紧与精定位机构的确定在本设计中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。2.4抬起机构的确定要想使上、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。3.自动回转刀架机械部分设计3.1自动回转刀架的工作原理自动回转刀架的换刀流程图如图3-1所示，传动结构如图3-2所示。图3-1自动回转刀架换刀流程1-发信盘2-推力球轴承3-螺杆螺母副4-端面齿盘5-反靠圆盘6-三相异步电机7-联轴器8-蜗杆副9-反靠销10-圆柱销11-上盖圆盘12-上刀体图3-2自动回转刀架的传动结构示意图刀架抬起：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逐渐抬起，下刀体与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；刀架转位：当转过170度时，两端面完全脱开，圆柱销由于弹簧的作用压在螺杆上端的台阶内侧，于是螺杆带动上刀体转动起来。刀架定位：上刀体带动磁铁转到需要的刀位时，粗定位销在弹簧的作用下进入粗定位槽，同时发信盘上对应的霍尔元件输出高电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，由于粗定位销的作用，上刀体不会随螺杆的反转而反转，所以开始下降，上下刀体的端面逐渐啮合，实现精定位。刀架夹紧：上下刀体的端面齿紧密啮合后.螺杆不再转动，而电机继续带动蜗轮向螺杆加力，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。由于蜗杆副有自锁功能，所以刀架可以稳定的工作。图3-3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度时，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，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。经过设定的延