当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

数控车床自动回转刀架机电系统设计(总体设计)1


设计题目 数控车床自动回转刀架机电系统设计(总体设计)

设计任务: 设计任务 (1)原始参数 刀 架 所 用 电 动 机 额 定 功 率 为 90w ; 刀 架 所 用 电 动 机 额 定 转 速 为
1440 r min ;换刀时要求刀架转动速度为 30 r min 。

(2)刀架结构选择 (3)传动方案的分析和拟定 (4)

定位机构的分析和拟定 (5)控制系统的选择 设计工作量: 设计工作量 (1)用 CAD(或手画)绘制自动回转刀架的机械结构图; (2)用 CAD(或手画)绘制蜗轮零件图; (3)手画自动回转刀架电气控制原理图。 (4)按要求编写课程设计说明书。





绪论…………………………………………………..…………………1 第 1 章 绪论
1.1. 概述…………………………………………………….……………………1 1.2. 结构组成与动作循环……………………………………….…………………1 1.3. 技术性能与发展趋势…………………………………….……………....……1 1.4. 现代典型数控转塔刀架的结构分析……………….……………………...……2 1.5. 控制与接口…………………………………………………….…......3 1.6. 各种刀架简介……………………………………………………….………3 1.7. 国内发展情况……………………………………………...……..………...4 1.8. 国外发展情况………………………………………………..............….……5 1.9. 本设计的主要内容…………………………………………................………5

回转刀架的工作原理及过程……………….…………….……...……6 第 2 章 回转刀架的工作原理及过程
2.1. 回转刀架的构成……………………………………………..……….....……6 2.2. 回转刀架的工作过程………………………………………………....….……6

回转刀架的方案选择………………………………………..…..….…8 第 3 章 回转刀架的方案选择
3.1.数控车床回转刀架的基本要求………………………………………….........…8 3.2.刀架结构选择……………………………………………………….....………8 3.3.传动方案的分析和拟定………………………………..……………….....……8 3.4.定位机构的分析和拟定………………………………………..………….....…9 3.5.控制系统的选择………………………………………………...…………....10

3.6.控制方式的选择…………………………………………..…..…………...…11 3.7.电动机的选择………………………………………………….......………....15

安装调试和精度检验…………………………………………….......17 第 4 章 安装调试和精度检验
4.1.安装调试……………………………………...……………………......……17 4.2.精度检验…………………………………………………...……………......17 4.3.维护与保养……………………………………………………………......…19 4.3.故障及排除………………………………………………………………......19

致谢…………………………………………...……………………………......20 致谢 参考文献…………………………...………………………………………......21 参考文献

第 1 章 绪论
1.1 概述
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。 其中,带刀库的数控加工中心自动换刀装置自 1958 年研制成功以来,其机械结构和控 制方式不断得到改进和完善,形式多种多样,目前常见的有更换主轴头换刀以及带刀库 的自动换刀系统。

1.2 结构组成与动作循环
典型的数控转塔刀架一般有动力源(电极或油缸,液压马达)、机械传动机构、预 分度机构、定位机构、锁紧机构、检测装置、接口电路、刀具安装台(刀盘)、动力刀 座等组成。 数控转塔刀架的动作循环为: T指令 (换刀指令)→ 刀盘放松 (抬起)→ 转位 → 刀位检测 → 预分度 → 精确定位 → 刀具锁紧 → 结束,答复信号。

1.3 技术性能与发展趋势
数控转塔刀架的技术发展很快,现正逐步形成标准定型产品。我国数控转塔刀架标 准草案中所规定的主要技术性能如下:

1.3.1 精度
定位精度要求高,一般要求工位目标位置重复定位精度在 4" —10" ,刀槽的工作位
置定位精度在0.03-0.05 mm 。各种形位公差为 0.02 ? 0.03mm 。因此定位机构均采用精 密多齿盘。先进工艺用浮硬齿面对研,重复定位精度可高达 1" 另外,刀盘加工趋向用淬火 硬磨削,以获得刀槽精度的长期保持性及高的刚度。

1.3.2 运转性能
主要是转位时间和转位频率。先进水平一次转位周期0.3—ls,最快己达0.lS。分度 频率为600—1000次/h 。

1

双向转位就近换刀(最短路程换刀)的结构正在开发应用,如双向滚子端面凸轮机 构 , 可显著缩短换到周期。为了克服刀盘高速转位引起的惯性冲击,使用恰当的缓冲元 件是其发展趋势。 1.3.3 润滑与密封 目前趋向于开发能终生润滑的产品,即在使用全过程中,不需要用户再采取任何润 滑措施。 因工作环境恶劣,对密封性能要求很高,通常规定在刀架体内棋道压力105pa气路 , 浸入装有防锈液的试验箱内,在规定时间内,不得有漏气现象。 1.3.4 负载能力与刚度 数控转塔刀架的负载能力与刚度,除了与有关零件的尺寸、形状、结构等有关外 , 受刀盘锁紧力影响也很大。 一般小型产品锁紧力为 103 N 左右,高性能产品可达 6 × 104 N 以上。 对数控转塔刀架的静刚度目前尚无规范要求,有的企业标准已经提出测详见定, 但 缺乏数据指示。对动刚度,动态性能,在生产实践中反映出其影响明显,但也无可靠数据 指示提出,这些方面是今后研究开发中的重要方向。 1.3.5 可靠性方面 可靠性是产品性能的综合反映。对转塔刀架目前一般要求平均无故障时间(MTBF)为
5 × 104 N 次,高级的已经达到 2 ×10 4 N 次以上,国内产品在设方面亟待提高。

1.4 现代典型数控转塔刀架的结构分析 现代典型数控转塔刀架的结构分析 1.4.1 液压式 这类刀架用液压缸实现刀盘锁紧,低速大扭矩液压马达驱动刀盘转位。液压缸可获 得很大的锁紧力,故刀架刚性很好。该机构适用于重负荷切削,且易双向转位就近换刀, 大型数控车床应用较多。 近年已开发出将液压马达和滚珠式预分度机构合为一体的液压分度马达(Index Motor) 。可使刀架简化,重复定位精度可达 ±0.1" 。刀盘加速时间仅为0.1S,有较好的应 用前景。 1.4.2 液压机械式 这类刀架用液压缸锁紧刀盘,转位和预分度则用点电机通过机械传动装置实现, 如 槽轮机构。目前趋向采用动态性能较好的间歇凸轮转位机构。
2

1.4.3 电动势 这类刀架以电机为动力源,使用方便,应用最多。主要形式有以下几种: (1)单面凸爪锁紧式 是我国自行开发的小型产品刀盘主轴上固联有单向凸爪离合器的右半。电机经 蜗轮传动使主动凸爪(离合器左半)正向旋转,两个半离合器结合,两定位多齿盘觉分开 啮合,刀盘转位。到位后反向旋转,刀盘转动被预分度机构的定位销阻止,由于凸爪斜面 作用使离合器左右两半分离,使刀盘右移实现定位锁紧。 此形式结构紧凑,但锁紧力靠机构的弹性变形产生,调整较难,主轴刚度不宜大,适用于 低速低载,如仪表及床上使用。 (2)双插销反靠式 这类刀架以 T 形丝杠螺母机构产生锁紧力。电机正转时丝杠移动使两多齿盘分 离,再由反靠盘及插销带动刀盘转动到位,检测装置发讯时电机反转,插销向预分度糟 反靠实现预分度。由于另一端插销斜面作用,反靠盘与之分离,电机继续反转则使丝杠 连同刀盘反向位移至多齿盘啮合锁紧。 该刀架转位周期为 1 ? 2S , 不能双向转位。因只用一个传动链实现动作循环 ,各动 作协调由一特殊双插销机构实现,故结构紧凑,锁紧可靠,成为国内中、低档数控车床采 用的主要机型。 (3)双向滚子端面凸轮锁紧式 这类刀架采用正反方向均可实现转位锁紧的滚子端面凸轮机构,能就近换刀。 1.5 控制与接口 刀位检测元件多用无触点的霍尔元件或接近开关以及光电编码器。锁紧电机一般采 用三相交流电机,但开发应用体积小扭矩大,能频繁换向的专用电机对提高电动式刀架 性能十分重要。动力刀具驱动用可无级调速的伺服电机。数控转塔刀架与系统接口方式 常有如下两种 :

1.5.1 直接与数控系统接口
视不同系统给出的换刀控制信号,应设计相应的接口电路。通常由如下功能 :方式 选择、刀位检测发讯、驱动功能(驱动执行器件完成转位锁紧等动作)、保护功能(以脆 如机械电气故障 )其逻辑电路一般可用继电器实现。

1.5.2 通过单片机与数控系统接口
用单片机实现接口可提高柔性和可靠性。

3

1.6 各种刀架简介 各种刀架简介 刀架
简易经济型 经济型数控刀架 1.6.1 简易经济型数控刀架 目前主要为立式(如图1-1)四工位,通常采用双插销机构实现转位和预定位,电机采 用右置式或转塔式。一般只能单向转位,采用齿轮,蜗杆传动,螺旋副加紧,多齿盘精定 位。此种刀架价格便宜,适用于要求不高的数控机床,在我国应用最为广泛。但是,该刀 架工位少,回转空间大,易发生干涉,所以正向工序长,回转空间小的卧式刀架过渡。

图 1-1 立式回转刀架

图 1-2 卧式回转刀架

1.6.2 高精度型数控刀架
目前一般多为卧式(如图1-2)八工位到十二工位。分为抬起式和不抬起式。抬起式 仿意大利巴罗法蒂公司的 TA 刀架,其缺点是转阻塞度不能过高,只能单向回转;不抬起 式仿意大利 IOE 型刀架,采用行星齿轮机构。或仿美国的三联分齿盘精定位,转位采用 平行分度凸轮(又叫共辄凸轮)或槽轮机构此种刀架目前正逐渐推广。

1.6.3 带动力刀具的数控刀架
此种刀架只有烟台机床附件厂生产,全套引进意大利的生产线和专利,一般用于车削 加工中心。

1.7 国内发展情况
我国的刀架生产还处在发展阶段,品种、规格、可靠性等方面还需要有一个完善的
4

过程,远远没有达到成熟。基本上采用传统材料和传统,加上部分外购配套件的可靠性 较差造成产品整体的可靠性与外国的差距。 国内部分刀架回转原理为电机经弹簧理合器带动蜗杆,再由蜗轮带动蜗杆旋转,当 刀架转体时,由霍尔元件不断检测刀架转体是否到位,到位后霍尔元件发出信号,然后 反转锁紧。主要采用有销盘、内齿盘,外齿盘组成的三端齿定位机构实现准确定位。其 控制部分主要选用 MCS-51 系列单片机以及 ATMEL 公司的 AT89 等同类产品进行控制。 烟台机床附件厂是目前我国生产刀架水平最高的厂家,特别是可以生产带刀头的刀 架。该厂家全套引进意大利的生产线,产品属于高档型。

1.8 国外发展情况
国外数控机床附件产品的开发应用比较早,经验丰富,再由于技术进步,新材料, 新结构的不断出现与应用,使得其产品的可靠性比较高。 国外主要分为日本和欧美两大流派。其产品的特点是夹紧力大,采用专用电机,体 积小,转矩大,可靠性高,耐磨,可靠性较高。比如,日本日研公司部分回转刀架的核 心部件蜗杆副,蜗轮采用氮化钢,齿部表面采用氮化处理,硬度高;蜗杆为硬质合金蜗 杆;整个蜗杆副为硬齿面接触,耐磨。既实现了高速又保证了高可靠性。还有德国的肖 特(SAUTER) 、意大利的杜普洛马蒂克(DUPLOMATIC)和巴鲁法迪(BARUFFALDI)等, 他们都有自己的系列、规格和专利。像肖特(SAUTER)的刀架,采用行星传动机构,其 结构紧凑,传动方向均为同一方向,没有像蜗杆副的降速机构的交叉轴设计,易于一体 化布置。采用牙嵌式齿行离合器的升起和加紧,空行程转角、小效率高,且自锁功能可 靠。其控制部分大都与机床一起采用 CNC 控制,目前国际比较好的系统有西门子,法拉 克,三菱等。

1.9 本设计的主要内容
本次设计主要是针对数控车床立式四刀位数控回转刀架的总体部分的设计,主要内 容为: (1)刀架结构选择; (2)传动方案的分析和拟定; (3)定位机构的分析和拟定 ; (4)控制系统的选择;

5

第 2 章 回转刀架的工作原理及过程
2.1 回转刀架的构成
立式数控车床回转刀架由固定部分(刀架基座或下刀体) ,转动部分(刀架座或上 刀体)和驱动电动机三部分组成,并采用了卧轴外露式电动机布局。

2.2 回转刀架的工作过程
本设计回转刀架的工作原理为机械螺母升降转位式。工作过程可分为刀架抬起、刀 架转位、刀架定位并压紧等几个步骤,如图 2-2 所示,其工作流程图如下。
上盖圆盘转动方向 上盖圆盘转动方向 上盖圆盘转动方向 上盖圆盘转动方向

b) 1-上盖圆盘 2-圆柱销

b) 3-弹簧 4-上刀体

b) 5-圆柱销 6-反靠销

b) 7-反靠圆盘

图 2-1 自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置

这里简要介绍自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置如图 2-1 所示。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 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) ,当转过约错误!未找到引用源。时,上盖圆盘 1 直槽的另一端转到圆柱销 2 的 错误! 错误 未找到引用源。 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,
6

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。

图 2-2 自动回转刀架的换刀流程图

7

第 3 章 回转刀架的方案选择
3.1 数控车床回转刀架的基本要求
数控刀架作为数控机床必需的功能部件,直接影响机床的性能和可靠性。数控车床 回转刀架的基本要求: (1)转位准确可靠,工作平稳安全; (2)按最短路线就近选位,转位时间短; (3)重复定位精度高; (4)防水、防屑、密封性优良; (5)夹紧刚度高,适宜重负荷切削。

3.2 刀架结构选择
数控车床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置。根据加工对象,有四方 刀架、六角刀架和八(或更多)工位的圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。回转刀架上分 别安装四把、六把或更多刀具,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,以承受粗加工时切削抗力和减少刀 架在切削力作用下的位移变形,提高加工精度。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,加工过程中刀架部要进行人工调整,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高的重复定位 精度(一般位 0.001~0.005mm) 。 回转刀架按其工作原理分为机械螺母升降转位、十字槽轮转位、凸台棘爪式、电磁 式及液压式等多种工作方式。但其换刀的过程一般均为刀架抬起、刀架转位、刀架压紧 并定位等几个步骤。 普通车床的刀架一般都是四方刀架,考虑经济性以及利于普通车床数控化改造,我 选择四方回转刀架。并设计成螺旋升降式四方回转刀架。

3.3 传动方案的分析和拟定 2.3.1 技术关键
(a)合理的整体布局及夹紧机构,以保证有足够的刚性。 (b)定位机构的设计。双插销配合多齿盘定位。 (c)发讯元件的选择。采用霍尔元件。

8

2.3.2 数控立式四工位抬起式自动刀架传动方案的分析和拟定
(1)传动方案的拟定 采用蜗轮蜗杆传动和螺旋副加紧、霍尔元件发讯。 (2)传动方案简图

图3-1 传动方案简图

(3)传动方案分析 ①采用蜗轮蜗杆传动的主要优点: 降速比大,结构紧凑,工作平稳无噪声。 能阻滞扭转振动。 当蜗杆螺旋升角小于摩擦 角时,有反向自锁作用。 其主要缺点是 : 发热大,加工复杂,需要有与蜗杆参数相同的涡轮滚刀,对装配误 差较为敏感。 ②螺旋副加紧采用丝杠螺母机构传动,其特点是: 用较小的扭矩转动丝杠(或螺母),可使螺母(或丝杠)获得较大的轴向牵引力。 可达到很大的降速传动比,使降速机构大为简化,传动链得以缩短。能达到较高的传 动精度。传动平稳,无噪声。 在一定条件下能自锁,即丝杠螺母不能进钉逆向传动。此特点特别适用 于作部件升 降传动。由于蜗杆传动和丝杠螺母传动均能自锁,即夹紧机构双重自锁,不必再配置制 动器。 数控转塔式四工位自动回转刀架传动方案的确定 : 采用蜗轮-蜗杆传动,螺旋副加紧; 电磁离合器制动,霍尔元件发讯。

3.4 定位机构的分析和拟定 定位机构的分析和拟定
由于数控车床自动回转刀架对换刀的换刀速度、换刀定位精度要求非常高。因此良 好的定位机构可以有效的满足此要求,而且有利于提高生产效率。
9

(1)定位机构的拟定 采用双插销预定位、端面多齿盘精定位。 (3)定位机构的分析 ①双差销预定位 双差销定位,一般称为反靠定位。 具有较高的定位精度和可靠性,并能在有冲击和振 动的情况下稳定工作。磨损少,定位附加冲击小。定位精度保持性强。 ②端面齿盘精定位 优点 : 由于采用了多齿结构,所以定位精度高,一般可达 ±3" ,最高可达 ±4" ; 能自动定心,定位精度不受轴承间隙和正反转的影响(也称自由定心); 齿面磨损对定位精度影响不大,随着不断使用磨合,定位精度有可能改善,精度保持 性好; 承载能力强,定位刚性好。其齿面啮合长度一般不小于60%,齿数啮合率一般不低于 90%; 适应性强,齿数的所有因数都可作为分度工位数,容易得到不等的分度; 重复定位精度稳定。 缺点 : 齿形加工较为复杂,转位、定位时动齿盘需要升降,并要有夹紧装置,成本高。 数控转塔式四工位自动回转刀架传动方案的确定 : 双插销机构预定位,端面齿盘精定位 。

3.5 控制系统的选择 控制系统的选择
数控机床的伺服驱动系统按有无反馈检测单元分为开环和闭环两种类型,如图 3.1 所示。这两种类型的伺服驱动系统的基本组成不完全相同。但不管是那种类型,执行元 件及其驱动控制单元都比不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为执行元件所 需要的信号形式,执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。
进给指令

比较环节

控制单元

执行元件

机 床

检测单元

图 3.1 伺服系统

10

(1)开环伺服系统 开环伺服驱动系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。它主要由步进电机及其 驱动线路构成。数控系统发出指令脉冲经过驱动线路变换或放大,传给步进电机。步进 电机每接受一个指令脉冲,就旋转一个角度,步进电机的转速和转过的角度取决于指令 脉冲的频率和个数,反映到刀架上就是刀架的移动速度和位移大小。然而,由于系统中 没有检测和反馈环节,工作中移动到位不到位,取决于步进电机的步距角精度,蜗轮传 动间隙等,所以它的精度较低。但其结构简单,易于调整,工作可靠,价格低廉。该系 统用于精度要求不高的数控机床。 (2)闭环伺服系统 由于开环伺服系统只接受数控系统的指令脉冲,至于执行情况的好坏系统则无法控 制。如果能对执行情况进行监控,其加工精度无疑会大大提高。然而另一方面,正是由 于各个环节都包括在反馈回路内,因此它们的摩擦特性、刚度和间隙等都直接影响伺服 系统的调整参数。所以闭环伺服系统的结构复杂,其调试和维护都有较大的技术难度, 价格也较贵。因此一般只在大型精密数控机床上采用。 (3)半闭环伺服系统 不在机床末端而在中间某一部分拾取反馈信号的伺服系统称为半闭环伺服系统。由 于这种系统抛开了一些诸如传动系统精度和摩擦阻尼等非线性因素,所以这种系统调试 比较容易,稳定形也好。尽管这种系统步反应反馈回路之外的误差,但由于采用高分辨 率的检测元件, 也可以获得比较满意的精度。 这种系统被广泛应用与中小型数控机床上。 从经济的角度考虑,我选择开环伺服系统控制,结构简单,价格低廉。但是要注 意的是精度够不够的问题。因此,从设计题目中给的设计参数中最小指令值出发,选择 具有一定脉冲当量的电动机,从而保证机床的精度。

3.6 控制方式的选择
3.6.1 基本硬件组成 基本硬件组成 控制部分主要采用可编程控制器进行控制,可以方便灵活的调整控制过程以及控制 速度。为力检测是否到所需要的刀位,我们采用霍尔元件进行到位检测,是否压紧则采 用行程开关进行检测。 任何一个NC系统都由硬件和软件两个部分组成,硬件是一个NC系统的基础,其性能 的好坏直接影响整个系统的工作性能,有了硬件,软件才能有效进行,机床的数控系统 的硬件电路概括起来由以下机部分组成: (1)中央处理单元部分CPU (2)总线:包括数控总线,地址总线和控制总线。

11

(3)内存:包括只读可编程序(ROM)和随机读写内存(PAM). (4)IO接口电路 CPU是数控系统的核心,其作用是进行资料运行处理和控制整个电路协调工作,使 内存用于存放系统软件,应用程序和运行中所需的各种资料。I/O接口是系统与外界进 行信息交换的桥梁,三线则是CPU与内存接口以及其他能转换电路的纽带没事CPU与部分 电力进行信息和通讯的必由之路。

刀位检测元件 刀位选择

NC 系统 T 功能
图 3-2 接口框图 换刀指令 驱动放大与 逻辑保护电路 执行元件

3.6.2 单片机的工作原理 单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。 单片机自动完成赋予它的任务的过程, 也就是单片机执行程序的过程, 即一条条执 行的指令的过程,所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来, 这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的,一条指令对应着一种基本操作;单片机所 能执行的全部指令, 就是该单片机的指令系统, 不同种类的单片机, 其指令系统亦不同。 为使单片机能自动完成某一特定任务,必须把要解决的问题编成一系列指令(这些指令 必须是选定单片机能识别和执行的指令) ,这一系列指令的集合就成为程序,程序需要 预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。存储器由许多存储单元(最小的存储单 位)组成,就像大楼房有许多房间组成一样,指令就存放在这些单元里,单元里的指令 取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样,每一个存储单元 也必须被分配到唯一的地址号,该地址号称为存储单元的地址,这样只要知道了存储单 元的地址,就可以找到这个存储单元,其中存储的指令就可以被取出,然后再被执行。 程序通常是顺序执行的,所以程序中的指令也是一条条顺序存放的,单片机在执行程序 时要能把这些指令一条条取出并加以执行,必须有一个部件能追踪指令所在的地址,这
12

一部件就是程序计数器 PC(包含在 CPU 中) ,在开始执行程序时,给 PC 赋以程序中 第一条指令所在的地址,然后取得每一条要执行的命令,PC 在中的内容就会自动增加, 增加量由本条指令长度决定,可能是1、2或3,以指向下一条指令的起始地址,保证指 令顺序执行。 3.6.3 PLC 的基本工作原理 (1)扫描技术 当 PLC 投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段,即输入采样、用户程序执行 和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间,PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (2)输入采样阶段 在输入采样阶段,PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入 I/O 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。 在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O 映象区中的相应单元的状态和数 据也不会改变。因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周 期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。 (3)用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段,PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。 在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先 左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的 结果, 刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态; 或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即,在 用户程序执行过程中,只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化,而其他 输出点和软设备在 I/O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化, 而且排在上面的梯形图,其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯 形图起作用;相反,排在下面的梯形图,其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一 个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 (4)输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后,PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间,CPU 按照 I/O 映象 区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路, 再经输出电路驱动相应的外设。 这时, 才是 PLC 的真正输出。 同样的若干条梯形图,其排列次序不同,执行的结果也不同。另外,采用扫描用户 程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然,如果扫描 周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略,那么二者之间就没有什么区别了。

13

3.6.4 PLC 与单片机的比较与选择 (1)PLC 与单片机的比较 ① ② PLC 是建立在单片机之上的产品, 单片机是一种集成电路, 两者不具有可比性。 单片机可以构成各种各样的应用系统,从微型、小型到中型、大型都可,PLC

是单片机应用系统的一个特例。 ③ 不同厂家的 PLC 有相同的工作原理,类似的功能和指标,有一定的互换性,质

量有保证,编程软件正朝标准化方向迈进。这正是 PLC 获得广泛应用的基础。而单片 机应用系统则是八仙过海,各显神通,功能千差万别,质量参差不齐,学习、使用和维 护都很困难。 ④ 对单项工程或重复数极少的项目,采用 PLC 方案是明智、快捷的途径,成功率

高,可靠性好,手尾少,但成本较高。 ⑤ 对于量大的配套项目,采用单片机系统具有成本低、效益高的优点,但这要有

相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。最好的方法是单片机系统嵌 入 PLC 的功能,这样可大大简化单片机系统的研制时间,性能得到保障,效益也就有 保证。 (2) PLC 与单片机的与选择 由以上 PLC 与单片机的比较以及它们的优缺点比较我们可以知道单片机具有速度 快、片上资源丰富、驱动能力强、功耗低、可选择型号种类多、性价比高、保密性好、 成本低、效益高的优点,而且选择单片机也能很好的满足我们控制系统的基本要求,所 以在这里我们选择单片机作为我们控制部分的元器件。

3.6.5 刀架控制流程图 在清楚自动回转刀架的工作过程和硬件设计电路后, 就可以着手编制刀架自动转位 的控制软件,对于四工位自动回转刀架来说,它最多安装有 4 把刀具。下图表示让 1# 刀转到工作位置的程序流程,2#、3#、4#刀的转位流程与 1#刀相似。 我们选择的控制系统的 CPU 为 AT89C51 单片机,扩展 8255 芯片作为回转刀架的收 信与发信控制,已知 8255 芯片的控制口地址为 2FFFH。PA6、PA7 口控制电动机的正反 转,刀架控制流程如图 3-2 所示。

14

电路上电

返回 电机停转 定位夹紧到位

数码管显示

发出刀位信

数码管显示“1” “2” “4” “3”

电机反转

判断所选刀 架是否对准 霍尔元件电 Y N 电机正转 数码管显示 “1” “2” “3” 返回

数码管显示“1” “2” “4” “3” N Y

判断刀架 是否到位

图 3-2 刀架控制流程图

3.7 电动机的选择
3.7.1 电动机方案的比较 (1)步进电动机的工作原理 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲 信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转 是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准 确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到 调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。

15

(2)三相异步电动机的工作原理 当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时,就产生了一个以同步转速 n1 沿 定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以 n1 转速旋转,转 子导体开始时是静止的,故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势(感应电动 势的方向用右手定则判定) 。由于导子导体两端被短路环短接,在感应电动势的作用下, 转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场 中受到电磁力的作用(力的方向用左手定则判定) 。电磁力对转子轴产生电磁转矩,驱 动转子 沿着旋转磁场方向旋转。 3.7.1 电动机方案的选择 三相异步电动机用的是三相电,就是交流电,不能精确控制,主要用于大功率。 步进电动机用的是脉冲,可以精确控制角位移或线位移,主要用于精确控制,和伺服应 用范围类似。考虑自动回转刀架的工作原理,我们可以知道选择步进电机满足此设计的 基本要求。

16

第 4 章 安装调试和精度检验
4.1 安装调试 在安装时请参阅本说明并认真核对与本说明相应的装配图。另外在安装过程中还 应注意: (1) 刀架需要安装在配套的中拖板(其安装刀架上平面的平面度误差允许值为 0.006 mm)上。安装应保证刀架刀盘上的刀具刀尖与机床主轴中心等高;一般可以在 刀架与中拖板间加垫板来调整,垫板的厚度由实际中心高测定。 (2) 刀具和机床用 4 个螺钉和 2 个圆销连接,中间没有过渡垫板。在刀架刹紧状 态下,应调整转塔轴线与机床主轴轴线平行度在 0.02mm 以内。 (3) 在刀盘上安装刀夹和刀具时,应最大限度的保护重量平衡,使刀架转动平稳 和防止刀盘过冲。 (4) 刀架发调装置在出厂前已调好,在安装时其参数一般情况下不可随意调整。 (5) 数控系统与发调系统连接时,必须注意并严格分清线号及颜色,不可将线接 错。 (6) 刀架安装调试完毕后,应首先接线试机。电源接通后如发现电动刀架不能转 动等异常现象应立即关闭电源,调换电机电源相序,然后再通电试机。

4.2 精度检验 本说明严格参照 JB2670—82<<金属切削机床―精度检验通则>>, 并执行数控卧式车 床标准 JB4369—86。 本设计主要针对电动回转刀架, 所以在精度检测这一环节中仅针对 与本设计相关的精度进行检测。
表 4-1 回转刀架的精度检验

允许误差 序 号 G11 转塔工具孔轴 线与与主轴轴 线的重合度: a, 在 平 面 内 ; b, 在次平面内 G12 转塔附属工具 a和b 0.03 检测项目 D<= 800 800<= D<=15 00 a和b 0.04

检验 工具

检验方法(参照 JB2670 有 关条文)

专 用 将指示器固定在主轴端专 指 示 用检具上,使其测头触及转 器 和 塔工具孔表面,或触及紧密 专 用 插入工具孔中检测棒表面。 夹具 指 示 指示器固定在主轴端步专

17

安 装 在 基 准 端 0.075/100 面对主轴轴线 的垂直度.a 和 b 同上 G13 转塔工具孔轴 线对溜板移动 的 平 行 度 .a,b 同上 G14 面 的 精 度 : a, 定位面对溜板 度;b,定位面的 同一度 G15 0.02 0 a和b 0.030



用检具上,使其测头触及专 转塔基面;使主轴旋转并检 测。检测时应接近主轴端部

指 示 将检测棒紧密装入转塔工 器 和 具孔中。固定指示器,使测 检 测 头触及检验棒表面,将检验 棒 棒旋转 180 度再同样测一次 转塔安装基面,每个工序需 检测一次 指 示 固定指示器,使其测头触及

转 塔 附 具 定 位 a:在 100 测量 长 度 0.020

上 器

移 动 的 平 行 b:0.025

转 塔 附 具 安 装 a:在 100 测量 指 示 固定指示器使其测头触及 基面的精度: a, 安装基面对溜 度 b,定位面的 同一度 长 度 上 器 转塔安装基面,每个工序均 需检测 0.020

板 移 动 的 平 行 b:0.025

G22

回转刀架的重复 定位精度

0.010

指示器 和检测 棒

检测棒在回转刀架的工具孔或 附孔其中, 固定指示器, 使其测 头沿回转刀架切线方向触及检 验棒表面上,记下指示器读数, 将转塔由测试位置移出,转位 360 度再移至测试位置, 记录读 数, 至少检验 7 次, 每个工位均 需检验

G11-G15 是回转刀架体的刀, 夹具安装基准的位置对主轴旋转轴线, 导轨之间的关 系,也影响刀具,夹具的正确安装。G22 是回转刀架的重复定位精度,也影响被加工零 件(批量)的尺寸分散度,根据回转刀架的特征,采用了检测棒与指示器配合,在现场 易于实施的检验方法,误差计算也规定位易于计算的极值法。即位置偏差的最大值与最 小值之差值。它与数理统计法比较,同一次测量,其计算结果前者反映的误差值较后者 较小,计算方法,前者简单,后者复杂。若按数理统计的计算关系式,他们之中存在着 一定的关系,各有特点。根据用途,这两种计算方法均应用。

18

4.3 维护与保养 (1)为了保持机床工作时的安全,应定期对刀架做精度检查,一般一年一次为好。 (2)定期对刀架各运动部位添加足够的润滑脂,一年添加一次为宜。 (3) 一年保养电机一次,其中包括检查,润滑和更换轴承等。 (4) 刀具切削力不应超过额定值。否则,会引起刀架变形,使加工精度降低,甚 至损坏刀具和刀架。 (5) 每班清扫刀盘上的铁屑。 4.4 故障及排除 4.4.1 刀架无法启动 (1) 检查电源是否接通。 (2) 检查电机电源相序是否接对。 (3) 检查电机线圈的阻抗,当电机线圈短路或断路时更换电机。 (4) 电机启停频繁而过热,热敏电阻保护装置指示电机停转,应等待电机冷却再 启动。 4.4.2 刀架无法停在预定位置上 (1) 检查刀盘上的刀夹和刀具安装是否保持平衡。 (2) 检查发讯装置磁钢与霍尔元件是否错位或者损坏。 (3) 检查电磁离合器是否通电。 4.4.3 刀盘无法刹紧 (1) 检查发讯装置磁钢与霍尔元件的位置是否对正。 (2) 检查电磁离合器是否通电。 4.4.4 刀架连续运转无法停止 (1) 检查系统线路是否通畅。 (2) 调换磁钢正反面。

19

致 谢
在课程结束之际我们迎来了我们的机电系统课程设计。经过短短两周的忙绿,我终 于完成了我的课程设计。此次课程设计是对我们专业课学习完毕后的一种检验,是专业 知识的综合用应﹑综合考察,是对所学知识进一步巩固和理解。此次课程设计我设计的 是数控车床自动回转刀架的总体部分,虽然它没有机械本体计算的复杂,也没有控制部 分的繁琐,但它是对全局的把握。它既包括它的工作原理的分析,还包括传动机构方案 的确定,又包括控制系统的选择,等等。这是机械设计知识,PLC 控制原理,机电传动 控制的综合应用。通过通过本题目的设计使我们所学的知识系统化,为以后独立解决实 际工程技术问题,调研能力和设计计算的能力,以及用图纸和说名书来表达设计的能力 打下了坚实的基础。 感谢封老师和蒋老师对我的精心指导,帮助我解决了许多问题和提供了许多资料, 再此,我向封老师和蒋老师表示以我崇高的敬意和最真挚的感谢!

20



考 文



[1] 李洪.实用机床设计手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1999 [2] 吴宗泽.机械设计实用手册[M].北京:化学工业出版社,1999 [3] 陈立德.机械设计基础[M].北京:高等教育出版社,2007 [4] 濮良贵.《机械设计》(第七版)高等教育出版社 2001 [5] 王志伟,孟玲琴.机械设计基础课程设计[M].北京:北京理工大学出版社,2007 [6] 韩鸿鸾,吴海燕.机电系统课程设计指导书[M].北京:中国电力出版社,2008 [8] 王爱玲.数控机床故障诊断与维修[M].北京:机械工业出版社,2009 [3] 张海根.《机电传动控制》高等教育出版社 2001

21


相关文章:
数控车床自动回转刀架机电系统设计(总体设计)1
设计题目 数控车床自动回转刀架机电系统设计(总体设计) 设计任务: 设计任务 (1)原始参数 刀架所用电动机额定功率为 90w ;刀架所用电动机额定转速为 1440 r min ...
数控车床自动回转刀架机电系统设计
数控车床自动回转刀架机电系统设计_机械/仪表_工程科技_专业资料。课程设计说明书...二、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...
数控车床自动回转刀架机电系统设计
数控车床自动回转刀架机电系统设计_工学_高等教育_教育专区。本科毕业设计 机电一体...本文主要完成数控车床回转刀架的机械部分的设计1.1 数控车床的发展历程数控...
数控车床自动回转刀架机电系统设计
数控车床自动回转刀架机电系统设计_机械/仪表_工程科技_专业资料。课程设计说明书...二、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...
数控车床自动回转刀架机电系统设计(含CAD图纸)
数控车床自动回转刀架机电系统设计(含CAD图纸)_机械/仪表_工程科技_专业资料。摘要...发信盘 图) IV 1 绪论 1.1 自动回转刀架的设计背景经济型数控是我国 80 ...
自动回转刀架机电系统设计-课程设计
自动回转 刀架的自动换刀由控制系统和驱动电路来实现的。 1.2 设计研究内容 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...
数控车床自动回转刀架机电系统设计
17 IV 1 绪论 数控车床上使用的自动回转刀架种最简单的换刀装置,自动回转...2 3 回转刀架总体结构设计回转刀架的设计包括减速机构的设计,上刀体锁紧与精...
数控车床自动回转刀架结构设计
机电05-1 班 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: 指导老师: 日期:2008.9.24 机电 05-1设计任务 ...
数控车床自动回转刀架机电系统设计
数控车床自动回转刀架机电系统设计_机械/仪表_工程科技_专业资料。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...
数控车床自动回转刀架机电系统设计 开题报告
数控车床自动回转刀架机电系统设计 开题报告_工学_高等教育_教育专区。本科毕业设计...1、自动回转刀架的工作原理; 2、总体结 构设计;3、主要传动部件的设计计算; ...
更多相关标签:
数控车床回转刀架 | 数控车床自动回转刀架 | 普通车床回转刀架原理 | 数控车床刀架 | 数控车床刀架维修视频 | 数控车床刀架拆装视频 | 数控车床刀架装配图 | 数控车床刀架结构图 |