1. 刀架的工作原理

电动刀架采用机械螺母升降转位式工作方式，分为刀架抬起、刀架转位、刀架定位并压紧等步骤。

刀架抬起：当数控系统发出换刀指令后，通过接口电路使电机正转，经传动装置和驱动蜗杆蜗轮机构带动丝杆螺母机构逆时针旋转，使上刀架体产生向上的轴向力将齿盘松开并抬起。

刀架转位：当圆套逆时针转过150°时，齿盘完全脱开，销钉进入圆套中的凹槽中，带动刀架体转位。

刀架定位：当上刀架转到需要到位后（旋转90°、180°或270°），数控装置发出的换刀指令使霍尔开关中的某一个选通，当磁性板与被选通的霍尔开关对齐后，霍尔开关反馈信号使电机反转，插销在弹簧力作用下进入反靠盘地槽中进行粗定位，上刀架体停止转动，电机继续反转，使其在该位置落下，通过螺母丝杆机构使上刀架移到齿盘重新啮合，实现精确定位。

刀架压紧：刀架精确定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿盘增加到一定夹紧力时，电机由数控装置停止反转，防止电机不停反转而过载毁坏，从而完成一次换刀过程。

2. 步进电机的选用

步进电机具有直接采用数字量进行控制、转动惯量小、成本低、无误差积累、定位准确等优点。在开环系统中广泛采用步进电机作为执行单元。

对于微量进给，步进电机和伺服电机都可作为驱动元件。但在闭环系统中必须使用精密传感器构成闭环系统才能实现微量进给。

步进电机每加一个脉冲转过一个脉冲当量；但由于其脉冲当量一般较大，如0.01mm，在数控系统中为了保证加工精度，广泛采用步进电机的细分驱动技术。

3. 蜗杆及蜗轮的选用与校核

选择传动的类型：考虑到传递的功率不大，转速较低，选用2A蜗杆，精度8级。

选择材料和确定许用应力：蜗杆选用45钢表面淬火，硬度为45～55HRC；蜗轮齿圈用ZCuSn10P1砂模铸造。

按接触强度确定主要参数：根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，在校核齿根弯曲疲劳强度。

计算中心距：传动中心距a≥3kT2(ZEZρσH)2(21)。

计算蜗轮分度圆直径：d2=mz2=72mm (212)。

4. 蜗杆轴的设计

材料选择和确定许用应力：选用45号钢，正火处理，许用应力为600MPa[^1^]。

按扭转强度初步估算轴的最小直径：dmin=15.14mm[^1^]。

确定各轴段的直径和长度：根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及直径和长度[^1^]。

5. 蜗轮轴的设计

材料选择和需用应力：选用45号钢，正火处理，需用应力为60MPa。

确定各轴段的直径和长度：根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及直径和长度[^1^]。

6. 中心轴的设计

材料选择和需用应力：选用45号钢，正火处理，需用应力为60MPa。

确定各轴段的直径和长度：根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及直径和长度[^1^]。

7. 齿盘的设计

材料选择和精度等级：上下齿盘均选用45号钢，淬火，初选7级精度等级。

确定齿盘参数：齿形选用三角齿形，齿高取4mm，内圆直径为120mm，外圆直径为140mm，齿数为38。

按接触疲劳强度进行计算：确定有关计算参数和许用应力，取载荷系数kt=1.5，查得材料的弹性影响系数Ze=189.8 mpa, 取a=20°， ZH=2.5, 查图取бHlim1=380, Lh=60×24×1×(8×300×15)7N2=5.18×10, 6接触疲劳寿命系数ZN1=1.1, ZN2=1.1, 计算接触疲劳需用应力取安全系数SH=1, 由公式得接触疲劳需用应力为362MPa。按齿根抗弯强度设计得抗弯疲劳强度的设计公式为m≥3。

综上所述，本次设计的四工位自动刀架结构比较简单，满足时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具存储以及安全可靠等基本要求。电动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，加工过程中刀架部位要进行人工调整，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（一般为0.001～0.005mm)。