1、四工位立式回转刀架机电系统设计及仿真摘要：本设计是基于Pro/E数控机床的自动回转刀架的仿真。主要的工作可以分成两部分，一部分是机构仿真，另一部分是电气控制。机构仿真是先对四工位立式回转刀架的工作原理的分析和对零件进行结构设计，其中主要的传动部件如蜗轮蜗杆、螺杆还做了强度校核，再对设计出的结构在Pro/E中建模、组装，组装的过程中需要对零件做不同的预定义约束集设置，如螺杆与螺母之间的组装需要经过圆柱、槽、平面等约束集,组装之后做机构的仿真运动；电气控制是把程序导入到8255单片机中来控制刀架电动机中的两个继电器，从而实现对刀架的正反转控制,并通过限位开关的开关信号来控制电机的停转，达到自动换刀
2、。关键词：自动回转刀架，蜗轮蜗杆，螺杆，仿真Design and Simulation of vertical rotary cutter electromechanical system with four stationsAbstract：This design is the simulation of automatic rotary turret of NC machine tool based on Pro/E. Its main work can be divided into two parts, one part is the mechanism simulation, and
3、 the other part is the electrical control. Firstly Mechanism simulation analyzes the working principle of the four station vertical rotary turret, then it design components in accordance with its structure. Its main transmission components, such as worm gear, screw are checked in strength. Secondly,
4、 predefined constraint are set differently in the process of molding and assembling of parts in Pro/E. For example, assembling between the screw and the nut requires constraint set beyondthecylinder, tank, and plane. After assembling, it does structural simulationmotion. Electric control is to impor
5、t program into 8255 MCU to control the two relays tool motor, so as to achieve positive-negative control. Whereby, through the signal of limit switch, it controls the motor stalling which helps to achieve the automatic tool change.Keywords: automatic rotary tool, worm gear and worm ,screw, simulatio
6、n目 录1 前言11.1 概述11.2 数控车床自动回转刀架发展趋势21.3 数控刀架的基本要求31.4 本设计的目的及意义42 机械设计52.1 总体结构设计52.1.1 减速传动机构设计52.1.2 上刀体锁紧与精定位机构设计52.1.3 刀架抬起机构的设计52.2 自动回转刀架的工作原理72.3 主要传动部件的设计92.3.1 蜗杆副的设计计算92.3.2 螺杆的设计计算152.4 刀架体的设计163 电气控制部分设计183.1 收信电路183.2 发信电路194 基于Pro/E的零件建模及仿真214.1 Pro/E的简介214.1.1 参数化设计224.1.2 基于特征建模224.1.
7、3 单一数据库224.1.4 直观装配管理224.2 零件的建模234.2.1 Pro/E中常用的的命令234.2.2 一些主要零件的建模244.3 组装334.3.1 组装过程中的预定义约束集334.3.2 组装图35总 结36参考文献37致 谢38II1 前言1.1 概述 自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响机床的加工性能。刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的成本造价产生直接影响。数控刀架是数控车床最普遍的一种辅助装置，它可使数控车床在工件一次装夹中完成多
8、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。因此数控机床上的刀架是安放刀具的重要部件，刀架用于夹持切削用的刀具，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架，转塔车床的转塔刀架，回轮式转塔车床的回轮刀架，自动车床的转塔刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力作用，所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。随着自动化技术的发展，机床的刀架也有了许多变化，特别是数控车床上采用电(液)换位的自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，定现了大容量存储刀具和自
9、动交换刀具的功能，这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。因此，刀架的性能和结构往往直接影响到机床的切削性能、切削效率和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。而且随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需
10、求量越来越大。在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀系统的造价在机床整机造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普遍的重要原因。如果把自动换刀系统的设计制造从现有加工中心的制造模式中分离出来，把它作为加工中心的标准件或附件组织专门化的生产，同时由于该项技术的应用简化了机床主轴结构、采用弹簧夹头和外驱动机械手等关键技术、采用圆柱柄刀具和辅具，这不仅使数控机床工作性能有所提高，而且使得由它配套构成的加工中心的总体造价大幅度下降。低造价高性能的加工中心将会被中小厂广泛接收，这样必将给自动换刀系统生产厂商和加工中心制造厂商带来巨大的经济效益1.2 数控车床自动回转刀架发展趋势
11、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。其中数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEPNC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。 STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于
12、数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75）、加工程序编制时间（约35）和加工时间（约50）。目前国内数控刀架以电动为主，分为立式（如图1.1）和卧式（如图1.2）两种。立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
13、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。数控刀架的市场分析：国产数控车床将向中高档发展，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。目前数控刀架所追求的目标有两个：一是高速、可靠，追求的目标是换刀时间尽量的短，以换取加工中心和车削中心的高效性
14、；二是，简单实用、造价低、使用可靠，但换刀速度不快。图1.1 立式回转刀架图1.2 卧式回转刀架1.3 数控刀架的基本要求（1） 换刀时间短，以减少非加工时间。（2） 减少换刀动作对加工范围的干扰。（3） 刀具重复定位精度高。（4） 识刀、选刀可靠，换刀动作简单可靠。（5） 刀库刀具存储量合理。（6） 刀库占地面积小，并能与主机配合，使机床外观协调美观。（7） 刀具装卸、调整、维修方便，并能得到清洁的维护。1.4 本设计的目的及意义本次设计的要点是理解四工位立式回转刀架的工作原理，重点则是基于Pro/E对四工位立式电动回转刀架进行的仿真，在Pro/E这个三维建模软件中对那些主要的传动部件进行建
15、模，之后再遵循传动的条件进行组装，最后进行机构动画仿真。本次设计的意义所在就是能够让读者们更为容易地明白四工位立式电动回转刀架是如何工作的，能够进一步地了解四工位立式电动回转刀架的工作原理。2 机械设计2.1 总体结构设计2.1.1 减速传动机构设计普通的三项异步电动机因为转速太快，所以不能直接驱动刀架进行换刀，必须要经过适当的减速才行。根据立式转位刀架的结构特点，因此采用蜗杆-蜗轮副减速是最佳的选择。蜗杆-蜗轮副传动不仅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，并且也具有自锁功能，还可以实现整个装置的小型化。2.1.2 上刀体锁紧与精定位机构设计由于刀具是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都将直接影响工件的加工精度。所以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，上下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴旋转；换刀时电动机正转，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。2.1.3 刀架抬起机构的设计要想使上、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-蜗轮带动螺杆绕中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动
