四工位自动刀架系统设计说明书.doc

摘 要自动换刀装置是数控机床上最普遍的一种辅助装置，它可以使数控机床在工件一次装夹中完成多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。本论文是关于数控机床四工位自动回转刀架系统的设计。完成了主要部件的装配并绘制必要的零部件图，完成了整个系统的设计。其中包括自动刀架方案设计、总体结构设计、主要参数及传动机构的设计计算和电气控制部分设计。采用三相异步电动机提供动力源，蜗轮蜗杆副传递动力，螺杆螺母副传递运动，实现上刀体升降运动，用端齿盘定位，单片机进行系统控制，实现了数控机床四工位自动换刀装置的自动换刀和精确定位要求。关键词: 数控机床；回转刀架；控制系统；单片机AbstractIt is the most general kind of servicing unit on numerical control lathe to change one hundred sheets of devices automatically, it can make the numerical control locomotive finish many kind even all processing processes while putting and inserting in once of work piece, assisting time in order to shorten processing, reduce the error caused by work piece of numerous installation in the processing course, thus improve the processing efficiency and machining accuracy of the lathe.This thesis turns the design of the system of the knife rest round automatically in four engineering location about numerical control lathe. Have finished the assembly of the main part and draw the essential spare part picture, has finished the design of the whole system. Include automatic knife design, the overall structural design, primarily the design parameters and calculation of transmission and electrical control part of the design. Adopt three different step motors to offer the power source, worm pair of worm gear transmits power, spiral shell pole spiral shell eye transmit sport while being vice, one hundred sheets of body hoist or lower sport, orientate with end tooth dish realize, one-chip computer carry on system control, realize numerical control lathe four worker location change to change knife and accurate to orientate the requirement automatically one hundred sheets of device automatically.Keywords: Numerical Controlled Machine; Turn the Knife Rest; the Control System; Single-Chip Micro目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 题目的背景和意义11.2 国内外研究现状11.3 存在的问题和发展趋势21.4 本文主要研究内容3第2章 自动刀架方案设计42.1 自动刀架的基本形式和应满足的要求42.1.1 自动刀架的形式42.1.2 自动刀架的基本要求和功能分析52.2 初步确定自动刀架的方案62.3 自动回转刀架的换刀流程7第3章 总体结构设计103.1 减速传动机构方案设计103.2 上刀体锁紧与精定位机构设计113.3 刀架抬起机构设计113.4 自动回转刀架的换刀过程中有关销的位置12第4章 主要参数及传动机构的设计计算144.1 动力参数的确定144.1.1 电机容量的设计计算144.1.2 各轴的运动动力参数154.2 蜗杆传动的设计计算164.2.1 按齿面接触疲劳强度设计164.2.2 蜗轮蜗杆的主要参数与几何尺寸184.2.3 校核齿根弯曲疲劳强度194.2.4 精度等级和表面粗糙度及结构的确定204.3 丝杆螺母传动的设计计算204.3.1 丝杆螺母材料的选择204.3.2 螺距的确定214.3.3 其他参数的确定214.3.4 自锁性能校核214.4 多齿盘定位机构的设计224.4.1 原理与特点224.4.2 设计计算23第5章 电气控制部分设计275.1 总体设计275.2 控制芯片及I/O接口芯片的选型285.2.1 8051单片机介绍285.2.2 可编程I/O芯片8255A介绍285.3 传感器选型315.3.1 霍尔效应325.3.2 霍尔元件的基本结构335.4 硬件电路设计335.4.1 发信电路335.4.2 收信电路355.4.3 延时锁紧电路365.4.4 复位电路375.5 控制流程37结论39致谢40参考文献41CONTENTSAbstractIChapter 1 Introduction11.1 Background and Significance of title11.2 The research status11.3 Problems and trends21.4 The main contents of this article .3Chapter 2 Design of automatic turret42.1 The basic form of auto-turret, and should meet the requirements of42.1.1 In the form of automatic turret42.1.2 Automatic turret of the basic requirements and functional analysis 52.2 The program initially set automatic turret62.3 Automatic tool change process rotary tool holder7Chapter 3 Architecture Design103.1 Design of gear transmission103.2 The lock on the cutter body design and precision positioning mechanism113.3 The lift mechanism design tool holder113.4 Automatic Rotary tool holder during tool changes the location of the relevant sales12Chapter 4 The main design parameters and calculation of transmission144.1 Dynamic Parameters144.1.1 Design and Calculation of motor capacity144.1.2 The dynamic parameters of the movement of each axis154.2 Calculation worm drive164.2.1 By tooth contact fatigue strength design 164.2.2 The main parameters of worm size and geometry184.2.3 Check of the tooth root bending fatigue strength194.2.4 Accuracy and surface roughness and structure determination 204.3 Design and calculation of the drive screw nut204.3.1 Selection of materials screw nut204.3.2 Determination of pitch214.3.3 Other Parameters 214.3.4 Check self-locking performance214.4 Tooth plate positioning mechanism design224.4.1 Principles and characteristics224.4.2 Design calculations23Chapter 5 Design of electrical control part275.1 Overall Design275.2 Control chip and I / O interface chip selection285.2.1 Introduction 8051285.2.2 Programmable I / O chip 8255A description285.3 Sensor Selection315.3.1 Hall effect325.3.2 The basic structure of the Hall element335.4 Hardware Design335.4.1 Letters circuit335.4.2 Prepared to receive the circuit355.4.3 Delay lock circuit365.4.4 Reset Circuit375.5 Control Flow37Conclusions39Thanks40References41第1章 绪论1.1 题目的背景和意义数控技术自20世纪中叶出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工的加工柔性好，加工精度高，生产率高，能减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种典型的机电一体化产品，适用于加工多品种小批量、结构较复杂、精度要求较高、价格昂贵不允许报废的关键零件。而刀架是数控机床的主要附件之一，它的性能直接影响着数控机床的精度和效率，所以随着数控机床的发展必然会提高其对刀架的要求，不言而喻，研究自动刀架系统是非常有意义的1。进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。所以应加快自动刀架系统的研究以促进数控机床的发展满足适应生产加工的需要2。1.2 国内外研究现状自动刀架系统应用了自动控制、微电子、精密测量等方面的最新成就，是典型的机电一体化产品。它的发展和运用，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，为普通机床演变为数控机床创造了条件，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。数控水平的高低已经成为衡量一个国家制造业水平高低的标志。随着数控机床的发展，以前的刀架，能装的刀具太少，定位精度不高，效率低，精度差，已不能满足要求，于是便出现了许多精度更高、刀架更大、自动化程度更高的刀架。自动换刀装置是数控机床上最普遍的一种辅助装置，它可以使数控机床在工件一次装夹中完成多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3。目前我国的数控机床和加工中心使用的自动换刀装置主要有转塔式自动换刀和刀库式自动换刀两种。转塔式换刀一般为顺序换刀，其换刀时间短，结构简单、紧凑，但刚性较差，能容纳刀具较少；刀库式换刀一般刀库只有选刀动作而另需机械手进行换刀动作，其刀库容量大，但其成本高，结构相对复杂。随着我国生产力水平的日益提高，国内企业要发展就必须更新大量的设备，很多企业都加大了数控设备的投入，但由于财力等客观因素，大多数企业生产设备仍以普通机床为主，不少企业为了提高效率，在普通机床上加装了数显装置，提高了机床的精度，改善了设备状况，但制造商们忽略了一个很重要的部件就是刀架，要想真正提高工作效率，刀架是必须要考虑的附件之一。目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。数控刀架的市场分析：国产数控车床今后将向中高档发展，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，近年来需要量可达10001500台。烟台机床附件公司是我国生产数控刀架的主要厂家之一。他们生产的ak31系列全功能型数控转塔刀架，主要规格有，中心高为63、80、100、125、160及200mm；ak21系列经济型数控转塔刀架主要规格有：刀台方尺寸为80、100、137、150、160、190、200、240、300、340mm。烟台机床附件公司生产的ak31系列数控转塔刀架是引进意大利技术生产的高性能机床附件，特别适宜全功能数控车床，可多刀夹持，变向转位和任意刀位就近选刀，实现了加工程序的自动化、高效化。目前，该公司数控刀架的国内市场占有率达到了40左右，受到一大批机床主机厂的称赞4。1.3 存在的问题和发展趋势机床工具行业的发展，依赖于行业技术水平和创新能力的提高，依赖于机床的数控化和产品快速的升级换代，依赖于制造业从刚性自动化向柔性自动化方向转变这一社会需求，由于我国机床附件厂资金紧张，造成技术创新和技术改造的力度不大，使附件水平的发展严重滞后，成为制约民族机床工业发展的瓶颈。国产配套件在产品质量、性能、结构创新、品牌信誉、外观造型、精度稳定性等方面与发达国家相比都存在一定的差距。当前数控机床发展迅猛，向高速、高效、高精、柔性化、环保方面发展，与之相应的机床附件也应随之发展。数控刀架将结合微电子技术和计算机技术的发展，朝着高精度化、多功能化、智能化、系统化等方向发展。国产数控车床今后将向中高档发展，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。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。1.4 本文主要研究内容题目：四工位自动刀架系统设计任务：应用于C616或C6132改造的经济型数控车床。可以单向运转、连续双向运转，载荷平稳、空载起动，速度波动误差为5%。结构以及其工作方式为四工位立式，使用期限为4年，两班制工作、大批量生产。工作环境温度为-3050，湿度为30%80%。刀架转速为30r/min。第2章 自动刀架方案设计普通的机械零件的加工制造过程中，大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等非切削时间上，切削加工时间仅占整个工时中较小的比例。为了缩短非切削时间，充分发挥机床的效率，通常采用“工序集中”的原则。常见的自动回转刀架就是为了实现上述功能而设计的。2.1 自动刀架的基本形式和应满足的要求2.1.1 自动刀架的形式如图2-1(a)所示为螺母升降转位刀架，电动机经联轴器、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。如图2-1(b)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）。如图2-1(c)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90，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。如图2-1(d)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。如图2-1(e)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。图2-1 回转刀架的形式及其工作原理图2.1.2 自动刀架的基本要求和功能分析1 基本要求(1）满足工艺要求 机床依靠刀具和工件间的相对运动形成工作表面，而加工工件的表面形状和表面位置多种多样，要求刀架尽可能布置足够的刀具，换刀时间短，能够方便而正确地加工各工件表面。(2）保证足够高的重复定位精度 在刀架上安装刀具时应能精确地调整刀具的位置，以保证刀具和工件间准确的相对位置，而且精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。(3）具有足够的刚度 刀架在粗车时要承受很大的切削力，所以刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖的位置，对于数控车床来说，在加工过程中刀具的位置不能进行人工调整，因此必须要有可靠的定位方案和合理的定位结构，才能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。(4）提高可靠性 由于刀库和自动换刀装置在机床工作过程中，使用频率很高，所以必须充分重视它的可靠性。(5）缩短换刀时间 自动刀架是为了提高机床的自动化而设置的，因而它的换刀时间应尽可能的短，以利于提高生产效率。2 功能分析(1)抬起：为了使刀架能够转位，回转刀架必须先抬起。(2)转位：为了完成工件若干个工序的加工，在回转刀架上固定着6组刀具，为使各组刀具能依次参加工作，回转刀架需相应转位。(3)定位：为保证加工精度，在加工时回转刀架应精确定位。2.2 初步确定自动刀架的方案通过上述对自动刀架的形式和应满足要求的对比分析，2-1(e)所示形式的液压式刀架的特点在于转位可靠，拉紧力大，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。2-1(a)所示形式的电动刀架应用广泛，通用性强，所用电动机为普通三相异步电动机，已经标准化，直接选用即可，无需额外设计，节省设计成本，电动自动回转刀架相对于液压回转刀架性能略差，但其结构简单、维护方便、成本低，所以非常适合经济型数控机床。因为本课题中的刀具数目为四把，数量较少，应为经济型数控车床所设计，故初步决定选用2-1(a)所示形式的电动刀架。电动刀架的初步方案简图如下图2-2所示。其工作原理为：当数控装置发出换刀指令后，电动机正转，通过联轴器带动蜗杆旋转，在经过蜗轮带动轴旋转，从而使刀架抬起，刀架抬起后，电动机继续转动带动刀架转位，完成转位后，由微动开关发出信号使电机反转，压紧刀架。图2-2 电动刀架简图一般电动自动刀架的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量。目前的数控车床的电动自动刀架的类型、结构特点和适用范围见表2-1。表2-1 电动自动换刀装置的类型类别形式特点适用范围回转刀架式自动换刀装置（也称转塔式刀架）应用普遍，多为顺序换刀，换刀时间短、结构简单紧凑、容纳刀具少各种数控机床、数控车削中心带刀库的自动换刀装置链式回转刀库顺序换刀，需机械手辅助换刀，刀具容量大，成本高，结构复杂多用于加工中心盘式回转刀库刀具可沿刀库主轴轴向、径向或斜向安放，不需机械手可直接换刀，刀具容量较链式刀库小多用于加工中心通过对比以上形式可以看出带刀库的自动换刀装置刀具容量大，但主轴部件多，结构复杂，成本高，考虑到本设计为四刀自动换刀系统，刀具较少，且从降低成本的角度出发，故刀架形式选为自动回转刀架。2.3 自动回转刀架的换刀流程自动回转刀架的换刀流程如图2-3所示。图2-3 自动回转刀架的换刀流程当数控装置发出换刀指令后（设刀架当前处于锁紧状态即上刀体与下刀体的端面齿相互啮合），电动机正转，通过弹簧安全离合器带动蜗杆正转，再经过蜗轮带动螺杆转（通过键联接），作为螺母的上刀体（在上刀体内部加工出内螺纹）要么转动，要么上下移动，此处设计为电动机正转时上刀体向上移动，当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互啮合，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作为螺母的上刀体向上移动，从而使刀架抬起，在螺杆旋转的同时也带动上盖圆盘一起旋转（通过螺杆上部的圆柱销和上盖圆盘的销联接），当刀架完全抬起后，端面齿脱离啮合，上刀体上部的圆柱销落入上盖圆盘，上盖圆盘就通过圆柱销带动一同转动，从而实现了上刀体的转位，再通过霍尔元件触发判断上刀体是否转到了工作位置。完成转位后，由微动开关发出信号使电机反转，通过弹簧安全离合器带动蜗杆反转，再经过蜗轮带动螺杆旋转（通过键联接），螺杆旋转的同时也带动上盖圆盘一起旋转（通过销联接），上盖圆盘通过上刀体上部的圆柱销带动上刀体开始反转，上刀体下部的反靠销马上就会落入反靠圆盘的十字槽内，反靠销反靠，上刀体停转，至此，实现粗定位。螺杆的继续转动使上刀体下降，最后至上刀体的端面齿与下刀体的端面齿完全啮合，实现精定位，电动机停转，再延时锁紧，整个换刀过程至此结束。第3章 总体结构设计3.1 减速传动机构方案设计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，必须经过减速机构进行减速。表3-1为几种常用减速传动机构的比较。表3-1 几种常用减速传动方式的比较传动方式特点应用场合摩擦轮传动运转平稳、噪声小、可在运转中平稳地调整传动比、有过载保护作用、结构简单、轴和轴承上的作用力很大、有滑动常用于摩擦压力机、摩擦绞车、机械无级变速器以及各种仪器带传动主从动轮的轴间距范围大、工作平稳、噪声小、结构简单、传动平稳、缓冲吸振、造价低廉、安装方便、但外型轮廓较大多应用于传动中心距较大的场合齿轮传动效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长、传动比稳定、制造及安装要求高、价格较贵不宜用于传动距离过大的场合蜗杆传动传动比大、零件数目少、结构紧凑、冲击载荷小、传动平稳，噪声低、具有自锁性可用于空间交错轴的运动和动力的传动，两轴线交错的夹角可为任意值，常用的为90考虑到本设计减速比较大，且为立式刀架，需改变传动运动方向，要求自锁，因此综合比较之后选用蜗杆副减速。蜗杆传动单级传动能得到很大的传动比，传动平稳，无噪声，冲击载荷小，且能优化整体结构，做到外型轮廓小，结构紧凑，故选用蜗杆传动。3.2 上刀体锁紧与精定位机构设计由于刀具直接安装在上刀体上，要承受很大的切削力，所以其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。刀盘的定位主要有齿盘定位和定位销定位两种方式。定位销定位精度保持性不高，只能顺序换刀，局限于转位精度不高，负荷较小的场合。多齿盘不但能在切向、径向起到定位作用，还不受回转误差的影响，定位精度高，刚性好，因而应用广泛。结合本机要求任意换刀，最后决定采用多齿盘定位。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转动；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。3.3 刀架抬起机构设计要想使上、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。从经济型方面考虑，应采用经济的螺杆-螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机带动螺杆绕中心轴转动时，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啮合，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。当端面齿脱离啮合时，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啮合状态。图3-1为自动回转刀架的传动机构示意图：1-发信盘 2-推力轴承 3-螺杆螺母副 4-端面齿盘 5-反靠圆盘 6-三相异步电动机 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3.1 自动回转刀架的传动机构示意图3.4 自动回转刀架的换刀过程中有关销的位置图3-2表示自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置。1上盖圆盘 2圆柱销 3弹簧 4上刀体 5圆柱销 6反靠销 7反靠圆盘图3-2 刀架转位过程中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（上下端齿在图 a中未画出）。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，上端圆盘1也随着螺杆正向转动（上端圆盘1通过圆柱销与螺杆联接），当转过一定角度时，上端圆盘1直槽的另一端转到圆柱2的正上方，由于弹簧3的作用，圆柱销2落入直槽内，于是上端圆盘1就通过圆柱销2使得上刀体4转动起来（此时端齿面齿已完全脱开）。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，上刀体停转，至此，完成粗定位，如图d所示。此时，反靠销6马上就会落入反靠圆盘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，所以刀架可稳定的工作。第4章 主要参数及传动机构的设计计算刀架的设计参数：(1) 定位精度：0.1mm；(2) 适用机床：C616或C6132改造的经济型数控车床；(3) 刀架转速：30r/min ；(4) 螺杆转速：28r/min ；(5) 刀架功率：450W；(6) 工作寿命：12000h；(7) 刀架工位数：四工位；(8) 定位控制元件：霍尔元件。4.1 动力参数的确定根据工作要求和条件:功率小,起动转矩低,运转平稳等,无需调速、长期反复工作，故选用 N 系列异步电动机。取转速为1400r/min。4.1.1 电机容量的设计计算 1. 计算电机容量式中 电机所需功率；工作机所需工作功率；由电动机至工作机主动端的总效率： 式中 轴承的传动效率，查文献5取；蜗轮蜗杆的传动效率，查文献5取(自锁时传动效率)；联轴器的传动效率，查文献5取；滑动丝杠的传动效率，查文献5取2. 蜗轮蜗杆传动比：螺杆的转速（设计任务书给出）可得出传动比：3. 计算螺杆上的扭矩:3. 选取型号TPL21三相异步电动机，其技术参数如下：表4-1 电机参数电压输出功率转速输入功率质量380V120W1400r/min150W3.0kg4.1.2 各轴的运动动力参数 1. 各轴转速I 轴(蜗杆轴) II 轴(丝杠螺母、刀盘) 2. 各轴输入功率I 轴 II 轴 3. 各轴输出功率I 轴 II 轴 4.2 蜗杆传动的设计计算根据GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线（ZI）蜗杆，这种蜗杆的端面齿廓是渐开线。由于蜗杆传动效率不高，速度也只是中等，故蜗杆用45钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋要求淬火硬度为45-55HRC且心部调制蜗轮用铸锡青铜ZCuSnlOP1，金属模铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。4.2.1 按齿面接触疲劳强度设计根据闭式蜗杆传动的设计准则,先根据齿面接触疲劳强度进行设计 , 再校核齿根弯曲强度。由文献5中式(11-2)，传动中心距式中 蜗轮蜗杆中心距，； 载荷系数; 蜗轮上的转矩，； 材料的弹性影响系数，； 接触系数； 蜗轮齿面的接触应力，； 蜗轮齿面的许用接触应力，； 1. 确定作用在蜗轮上的转矩按，取效率，则 (4-1) 2. 确定载荷系数K因工作载荷较稳定,所以取齿向载荷分布系数；由文献5中表11-5选取使用系数 ；由于转速不高，冲击不大，取动载荷系数；则 (4-2)3. 确定弹性影响系数因选用铸锡磷青铜涡轮和钢蜗杆相配合, 查文献5取 。4. 确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径为和中心距a的比值，从文献5图11-18中可查得 =3.0。5.确定许用接触应力根据蜗杆材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1金属模铸造,蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，可以从文献5表11-7中查得涡轮的基本许用应力。查文献5得应力循环次数为式中 涡轮每转一转，每个轮齿啮合的次数；涡轮转速，r/min；工作寿命，取(设计任务书给出)；寿命系数： 则6. 计算中心距 所以取中心距为50mm；因，故从文献5表11-2中取模数，分度圆直径，则，从文献5图11-18中可查得接触系数 ，因为，故以上计算结果可用。4.2.2 蜗轮蜗杆的主要参数与几何尺寸1. 蜗杆的几何尺寸及参数轴向齿距： 直径系数： 齿根圆直径： 齿顶圆直径： 分度圆导程角： 轴向齿厚： 2. 蜗轮尺寸及几何参数 齿数： 变位系数： 分度圆直径： 喉圆直径： 齿根圆直径： 喉圆母圆半径： 4.2.3 校核齿根弯曲疲劳强度按文献5中式(11-13)校核齿根弯曲疲劳式中 蜗轮齿根弯曲应力，； 载荷系数，见(4-2); 蜗轮上的转矩，见(4-1)； 蜗杆分度圆直径，mm； 蜗轮分度圆直径，mm； 蜗轮齿形系数，可由蜗轮的当量齿数及蜗轮的变位系数从文献5图11-19中查的； 螺旋角影响系数，； 蜗杆的许用弯曲应力，；1. 当量齿数： 根据，从文献5图11-19中可查得齿形系数。2. 螺旋角系数3. 弯曲应力从文献5表11-8查得ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力 。4. 寿命系数：故弯曲强度不满足要求。改用铸铝铁青铜(ZcuAl10Fe3)砂模铸造，其许用应力：则 所以强度满足。4.2.4 精度等级和表面粗糙度及结构的确定考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动,属于通用机械减速器,从 GB10089-88圆柱蜗杆、蜗轮精度中,选择8级精度,侧隙种类为f，标注为 8f GB10089-88.蜗杆的结构 :由于蜗杆螺旋部分的尺寸不大，蜗杆与轴制成一体。蜗轮的结构 :由于D100mm,故采用整体式铸造。4.3 丝杆螺母传动的设计计算4.3.1 丝杆螺母材料的选择由于机床丝杆螺母的主要失效形式是磨损，以及切削细长螺纹时时刀具磨损使丝杠产生表面缺陷和较大的内应力，所以选择丝杆材料及热处理，应从高的耐磨性，良好的加工性能及长期的尺寸稳定性来进行考虑。选择合金钢40Cr，8级精度，淬硬，热处理使之具有相当的耐磨性。螺母与上刀体作为一体选用45钢。4.3.2 螺距的确定 刀架转位时，要求螺杆在转动约的情况下，上刀体的端面齿与下刀体的端面齿完全脱离；在锁紧的时候，要求上下端面齿的啮合深度达2mm。因此，螺杆的螺距应满足，即，今取螺杆的螺距。4.3.3 其他参数的确定 采用单头梯形螺纹，头数 ;牙侧角 ;外螺纹大径(公称直径) ;牙侧间隙 ;基本牙型高度 ;外螺纹高 ;外螺纹中径 ;外螺纹小径 ;螺杆螺纹部分长度 ;4.3.4 自锁性能校核 螺杆螺母材料分别为40Cr和45钢，查表4-2，取二者的摩擦因素；再求得梯形螺旋副的当量摩擦角：而螺纹升角：，因此，所选几何参数满足自锁条件。表4-2 滑动螺旋副材料的许用压力及摩擦因素蜗杆-螺母的材料滑动速度/许用压力/MPa摩擦因素钢-青铜低速18250.080.103.011186127101512淬火钢-青铜61210130.060.08钢-铸铁2.413180.120.1561247钢-钢低速7.5130.110.174.4 多齿盘定位机构的设计4.4.1 原理与特点多齿盘定位由两个齿数和齿形相同的端面齿盘啮合而成。通常，一个齿盘固定不动。另一个齿盘与分度回转部件固定连接。分度时，动齿盘抬起，与定位盘脱开，然后转位，当转位至要求位置后，动齿盘与定齿盘啮合并压紧。 本设计中，我们将定齿盘在刀体外壳上之固定，而动齿盘和丝杆，刀盘装在一起，丝杆移动时，动齿盘随之脱开啮合，刀盘同时也移动，齿盘转位。到位后刀盘不再回转，往相反方向移动，从而夹紧工位。 图 4-1 多齿盘原理4.4.2 设计计算设计多齿盘装置的主要依据是分度工位数，定位精度，结构位置大小和工作载荷。转化到齿盘上的工作载荷有扭矩Mn,倾覆力矩Mr,轴向离，径向力。图4-2 多齿盘的结构1. 结构参数多齿盘的结构参数有齿形角，齿数 ，齿盘直径，模数，齿根槽宽和槽深等。(a) 齿形角 当槽面间隙EF一定时，齿形角越小，EG越小，即定位精度夜高。但过小会削弱齿部刚性。通常。(b) 齿数Z 齿数应是分度工位数的倍数，或所有需要的工位数的最小公倍数。齿数越多，分度精度越高。但加工夜复杂。(c) 齿盘直径D 齿盘直径可按扭矩M估算。一般D宜取大些，以提高定位精度和稳定性。(d) 模数m 齿盘的模数，它仅起到表示齿形大小的作用，不须选取标准值。 m的常用范围为26mm.(e) 齿宽按载荷大小选取，一般为825mm，B太大不利于提高分度定位精度。(f ) 齿根槽宽b 一般取b0.81mm。其他有关几何参数按以下公式计算：表4-3 具体参数如下表序号名称符号确定原则或计算公式结果1齿盘外径按扭矩Mn估算D,D应根据结构取大些，以利于提高分度定位精度。1752齿宽B大利于提高齿盘承载能力，但不利于提高分度精度。83齿数Z是工位数的倍数，精度要求高时宜放大，但加工困难724模数,常用26。25外径上节矩6.286齿形角载荷小精度高时宜取小值。607理论齿高见公式4.68齿根槽宽一般取1.09齿顶角见公式2. 夹紧力计算夹紧力应保证在最大工作载荷下仍能保持两齿盘的紧密啮合，但过大的夹紧力会引起齿盘变形。夹紧力可按下式计算：式中 为夹紧力，N；为齿盘承受的扭矩，；为齿盘承受的倾覆力矩，；为齿盘承受的径向力，N；为齿盘承受的轴向力，N，方向与W相同时，式中取“”号，与W相反时取“+”；为齿盘直径，m；为齿形角，；为摩擦角，一般取；为安全系数，一般取；切削力,其分力，可得，所以， =259.2N, =965.8N图4-3 夹紧力倾覆力矩又，可得 ， 驱动力矩安全系数取1.3所以， (4-3)3. 验算齿面挤压应力齿面挤压应力的验算公式：式中 齿面挤压应力（Pa）；计算齿数，0.5Z；齿宽，mm，见表4-3；齿的啮合高度，mm；夹紧力，N，见式(4-3)；安全系数，取S=1.3；许用挤压应力，Pa，齿面淬硬的取=；所以，满足要求。第5章 电气控制部分设计5.1 总体设计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。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，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几部分组成：(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；(3) 内存：包括只可编程序（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。CPU刀位检测元件执行元件刀位选择换刀指令驱动放大与逻辑保护电路图5-1 接口框图5.2 控制芯片及I/O接口芯片的选型设控制系统的CPU为英特尔公司的8051单片机，扩展8255A芯片作为回转刀架的收信与发信控制芯片。5.2.1 8051单片机介绍8051单片机是把那些作为控制应用所必须的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成：（1）CPU微处理器 8051单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和微处理器两大部分。只是增加了面向控制的处理功能，不仅可以处理字节数据，也可以进行位变量的控制。（2）数据存储器 片内为128B，片外最多可外扩64KB。数据存储器来存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。片内的128B的RAM，以高速RAM形式集成在的单片机内，可以加快单片机的运行速度，而且这种结构还可以降低单片机的功耗。（3）程序存储器 用来存储程序，为4K 的ROM，最多可外扩至64KB。（4）中断系统 具有5个中断源，2级中断优先权。（5）定时器/计数器 片内有2个16位的定时器/计数器，具有4种工作方式。（6）串行口1个全双工的的串行口，具有4种工作方式。可用来进行串行通信，扩展并行I/O口。（7）P1口、P2口、P3口、P0口 为4个并行8位I/O口。（8）特殊功能寄存器SFR 特殊功能寄存器共有21个，用于CPU对片内各功能部件进行管理、控制、监视。实际上片内各功能部件的控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。5.2.2 可编程I/O芯片8255A介绍1. 逻辑结构有三个八位的并行口：PA、PB、PC。有三