开题报告

一、设计题目

   自动机床的刀架系统设计

二、课题研究的目的、意义

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，其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。因此数控车床的刀架设计的好与坏、效率高与低将直接影响到产品的加工时间和质量，进而影响到制造业的飞速发展。

本设计主要对总体结构设计、主要传动部件的设计和电气控制部分设计计算。包括减速传动机构的设计、上刀体锁紧与精定位机构的设计及刀架抬起机构的设计，蜗杆副的设计计算，以及硬件电路及控制软件的设计。

本设计的自动回转刀架控制系统电路简单，可靠性高，有效地解决了传统机床换刀主要依靠手工换刀，辅助时间长，精度不高，累积误差大，加工出的产品既费时且质量不如数控加工的问题，也为车床数控改造中的自动换刀问题提供一种有效的解决途径。

三、国内外现状和发展趋势

随着电子技术和计算机技术的发展，数控系统的发展已经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路五个阶段。因前三代是以专用电路和硬接线插补，纸带格式识别，绝对或增量定位及字符编码等功能的，故称之为硬件式数控，即为一般的NC 系统。自70 年代中期以后出现的第四、第五代数控系统，由大规模、超大规模集成电路及微处理机组成。该数控系统有很强的程序存储能力，一系列的功能都可以由不同的软件程序来实现，故称为软件式数控，即通常称CNC 系统。目前，硬件式(主要是第三代)的数控系统虽仍有生产，但已较少，国际上现在生产的大多是第四代或第五代的产品，即软件式数控系统。由于计算机技术的发展，硬件的集成度得到提高和软件日益丰富，国际数控装置的水平和功能不断提高与完善，现在已普遍进入了成熟应用阶段。

国外数控车床的发展目的在于提高加工精度和缩短制造周期。实现上述目的之手段是实现机床多功能化和工序工种集成，开发多种多样复合化加工的机种，如增添铣削功能的复合加工车削中心、双主轴多刀塔(双刀塔或四刀塔)数控车床和车削中心、双主轴同步驱动，双刀塔同时进行加工车削中心、五轴联动车铣复合中心、车磨复合加工机床、具有车、铣、镗、磨和激光热处理多种功能的高度复合化的复合加工中心等等。我国数控车床经过多年的发展，特别是近几年迅速的发展，与国际先进水平的差距在逐年缩小。对于某些依赖于进口的高档数控车床，如高精度数控车床和车削中心(主轴径跳轴跳≤0.001mm)、适用耐热合金和钛合金零件加工的大功率、高扭矩数控车床和车削中心等等要加强产品开发研究攻关，突破其核心技术。

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。目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。国外数控车床的发展目的在于提高加工精度和缩短制造周期。我国数控车床经过多年的发展，特别是近几年迅速的发展，与国际先进水平的差距在逐年缩小。

四、研究内容及方案拟定

1.设计内容：本设计以8752单片机为控制系统的CPU，扩展8255芯片作为回转刀架的收信与发信控制体，来控制步进电机转动带动蜗杆传动，上下齿盘啮合螺杆夹紧。

2.总体方案拟定

（1）设计思路

上图所示为数控车床自动回转刀架机电系统，其中包括控制元件、动力源、传动装置、刀架体与检测装置。单片机作为控制装置，通过程序控制电机的起停与正反转，电机作为动力源，通过传动装置控制上刀体的抬起、下降与转动，霍尔元件作为检测元件，检测上刀体是否到位，到位信号反馈给单片机，共同控制电机的运转。

（2）总体方案拟定

1、刀架的选择

螺旋转位刀架，电机经弹簧安全离合器至蜗轮副带动螺母旋转，螺母举起刀架使端齿盘的上盘与下盘分离，随即带动刀架旋转到位，然后发信号使电机反转锁紧，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。

2、刀架的抬起

利用压缩弹簧的恢复力来完成刀架的抬起，在发出这一动作前，弹簧一直被压缩着，直到发出信号时，使弹簧回弹，这可由某一滑动机构的斜面转动来完成。同样，压缩弹簧还是利用这一斜面，但其转动方向相反。

3、刀架的选位和回转

刀架由一个微电机通过传动系统来带动。刀架的转动轴线是竖直的，而转速比微电机来要慢得多。由于电机空间条件所限必须卧式安装，因此两者的转动轴线互相垂直或异面垂直，蜗轮蜗杆传动比较适合于这种场合。刀架从抬起变成转动的功作原理是：当刀架抬起到特定高度时，由一个正在旋转的拨块带动刀架转动，因此，刀架的抬起运动和转动均由同一传动系统来先后完成。

刀把转过一定角度后要选位，即看一看转到这个位置的刀具是否符合加工要求，这一功能是由微机程序来实观。具体的说，当刀架转到此位置时，程序自动地将该位置的编码与所需刀具编码加以比较。若相同，该刀具就选定此位。否则，再转动，重复上述过程。

4、刀架的下降、定位和压紧

刀架选定位置后，斜面销插入斜面槽中，使之粗定位。然后由微机控制使微电机反转。由于斜面销的棘轮作用，刀架不跟随转，只是下降，再由精定位元件来精确定位。

精定位元件有若干种，常采用锥形定位销定位。但是如果只用一个定位销定位，那么刀架的定位精度和定位刚度都不足。若用多个定位销定位，定位销孔的位置精度要求极高，加工难度较大。相比之下，端面齿盘定位的优点较为明显。齿盘齿廓部分的形位精度可以从工艺上严加控制，再经反复对研，即可得到很高的精度。由于端面齿盘定位为多齿接触，接触面积大，因此它还有接触刚度好、定位尺寸稳定性好和寿命长等特点。此外，这种元件允许刀架下降时有一定角度误差。因此转位刀架的精确定位最常用的是端齿盘结构式。

定位完毕，需要压紧刀架才能安全可靠地工作。压紧力是由刀架下降到底后，微电机继续转动所产生的。压紧力的大小应是切削力大小的两倍以上，而且应该能调整。当压紧力达到调整数值时，使微电机停转，且始终保持这一压力直到下一动作循环的开始。

5、减速传动机构的设计

本设计采用异步电动机作为动力源，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才行。常用的减速机构有：齿轮减速和蜗轮蜗杆减速机构。齿轮减速机构一般为渐开线齿轮行星传动，是一种具有动轴线的齿轮系传动，亦称周转轮系传动，可用于减速、增速和差速装置。其优点是体积小，重量轻，效率高，结构简单紧凑，可得到很大的传动比，便于串联成多级传动。蜗轮蜗杆减速机是一种具有结构紧凑，传动比大，以及在一定条件下具有自锁功能的传动机械，是最常用的减速机之一，其中，中空轴式蜗齿减速机不仅具有以上的特点，而且安装方便，结构合理，越来越得到广泛应用。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。

五、进度安排

2月28日-3月6  日  调研搜集资料；

3月 7 日-3月13 日  科技文献翻译；

3月14日-3月20 日  撰写开题报告；

（待定）

六、参考文献

（待定）

第二篇：自动回转刀架开题报告

山 东 科 技 大 学

专科毕业设计（论文）开题报告

题 目数控车床自动回转刀架机电系统设计

学 院 名 称 电气信息系

专 业 班 级 机电一体化技术09-2

学 生 姓 名

学 号 200903216316

指 导 教 师 张山

填表时间： 年 月 日