摘 要
数控加工的加工精度高，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，它的发展和运用，影响着制造业水平高低，实现生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向，所以非常值得我们去研究。
本设计通过对八工位卧式电动控制刀架的工作原理的分析，确定了多种方案，综合考虑各种方案的优缺点、性价比后，采用电动回转刀架。其刀架机构的主要部件包括减速传动机构、刀架的抬起机构、锁紧与转位精定位机构等，控制系统软件包括控制系统的选择，控制系统软硬件的设计，收发信电路的设计等，设计中所采用螺杆抬起机构、端齿盘定位机构和单片机控制系统都计较经济实用，适合我们我国现阶段数控机床的发展需要。
关键词 八工位，电动刀架，自动化，8051单片机
ABSTRACT
The numerical control processing's working accuracy is high, the productivity is high, can reduce the operator labor intensity, the improvement work condition, is advantageous in production management modernization as well as the economic efficiency enhancement, its development and the utilization, are affecting the manufacturing industry horizontal height, realizes the production process numerical control, already became now the manufacturing industry development direction, therefore is worth us studying. this design through to eight location horizontal type electric control tool rest's principle of work's analysis, had determined many kinds of plans, after overall evaluation each kind of plan good and bad points, performance-to-price ratio, uses the electrically operated turret saddle. Its tool rest organization's major component including the reduction gear organization, the tool rest lifts the organization, to lock and to index the fine detent mechanism and so on, the control system software including control system's choice, the control system software and hardware's design, receives transmitting circuit's design and so on, in the design uses the screw rod to lift the organization, the end tooth plate detent mechanism and the monolithic integrated circuit control system haggles over the economy to be practical, suits our our country present stage numerically-controlled machine tool's development need. key word eight locations, electrically operated tool rest, automation, 89C51 monolithic integrated circuit.
Keywords eight locations, electrically operated tool rest, automation, 8051 monolithic integrated circuit.
目 录
摘要I
ABSTRACTII
1 绪论1
1.1 引言1
1.2 国内外研究现状1
1.3 存在的问题2
1.4 解决的方法3
2 方案设计4
2.1 自动刀架的基本要求和类型4
2.1.1自动刀架的基本要求4
2.1.2自动刀架的类型4
2.2 方案的拟定和确定5
3 总体结构设计7
3.1 减速传动机构方案设计7
3.2 刀架抬起机构设计8
3.3 上刀体锁紧与精定位机构设计8
4 主要部件的设计计算11
4.1 减速传动机构的设计计算11
4.1.1蜗杆的选型11
4.1.2蜗杆副的材料选择11
4.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计11
4.1.4蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸14
4.1.5校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度15
4.2 螺杆的设计计算16
4.2.1螺距的确定16
4.2.2其他参数的确定16
4.2.3自锁性能校核16
4.3 端齿盘设计17
4.3.1 端齿盘的特点17
4.3.2 端齿盘主要参数的设计计算18
5 电气控制部分设计21
5.1 控制系统的选择21
5.2 控制方式的选择22
5.3 硬件电路设计22
5.3.1收信电路设计22
5.3.2发信电路设计23
5.4 控制软件设计25
结论30
参考文献31
致谢32
1 绪论
1.1 引言
电动刀架是数控车床重要的传统结构，应用了自动控制、微电子、传感测量等方面的最新成就，是典型的机电一体化产品。合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效地提高劳动生产率，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算祛对执行机构(如步进电机等)发出相应的控制指令补，很重要的一点是数控车床需配备易于控制的电动刀架，以便一次装夹所需各种刀具，灵活、方便地完成各种几何形状的加工。因此它的发展和运用，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，实现生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向。当前，数控车床的发展很快，特别是适合中国国情的经济型简易数控车床的迅猛发展，与之相适应的电动刀架的研究与生产也日趋活跃。
1.2 国内外研究现状
数控机床是先进制造业的基础机械，是最典型的多品种、小批量、高技术含量的机电一体化产品。目前世界数控机床年产量超过25万台，品种超过1500种。由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势。目前我国数控机床技术发展的现状是：
①产品成熟度差，可靠性不高
②产品品种少，不能满足市场需求
③创新能力低，市场竞争力不强
④数控机床行业的专业化零配件及部件的协作生产配套体系不健全，大多数企业都是“大而全、小而全”的结构模式。
近期我国在数控机床的发展方面，主要采取跟踪高级型、发展普及型、扩大经济型，以普及型为主的策略，重点发展。
目前我国机床主机厂刀架资源有以下五个来源：
①主机厂自制；
②来自意大利和德国；
③来自烟台环球机床附件集团有限公司；
④来自江苏常州地区若干企业；
⑤来自台湾地区。
⑥其中常州地区的刀架生产企业占据经济性刀架的主流市场。
据专家分析预测：
①数控机床推广应用逐步由经济型为主向普及型为主转变。到2005年我国机床的数控化率为9.5%-10.36%，到2010年将达到16.5%-19.27%。在2001-2010年，经济型所占比重继续减少，普及型所占比重继续增长，高级型的需求缓慢增长。
②出口前景良好。1998年及前几年我国机床工具的出口额徘徊在5亿美元左右，2000年上升到7.85亿美元，随着东南亚经济复苏和我国出口多极化市场的形成和巩固，以及我国加入WTO，今后几年我国机床出口将实现平稳、持续增长。预计到2010年出口创汇可达到13亿美元。
本系统利用单片机的特性，在刀架与CNC（数控系统）之间架起一座桥梁，以提高刀架的运行性能。而单片机指令丰富,运行速度高,软件组态灵活,可以方便地实现多模式控制,为实现高性能系统提供了技术保证。
1.3 存在的问题
目前数控刀架控制存在的问题是：
①控制粗，自诊断功能弱，故障率高，排除故障时间长。
目前刀架的控制都是由CNC的内置PLC或固化I/O控制来完成。这种控制的优点是实现方便，但对刀架的控制不够精确。由于刀架的品种繁多，结构各异，使得机床厂家的技术人员或CNC的程序开发人员对刀架的控制很难把握得非常准确。由于刀架的控制粗陋， CNC的接口资源的限制，致使刀架的故障率高，故障提示简单，使技术人员对刀架的故障不能进一步地细分，无形中增加了故障率和故障的排除时间。
②无锁紧状态、智能识别功能。
目前，市场占有率最高的电动单向转刀架其锁紧控制采用延时方式，这种控制的特点是简单、可靠，但对刀架的使用寿命有害。由于使用统一的延时时间进行刀架的锁紧控制，这就使得许多刀架锁不紧或锁得太紧，进而造成零件加工精度丧失、下次换刀失败。
③控制通用性差。由于刀架的控制时序不同，刀架所安装的发讯装置各异，因此不同的刀架要使用不同的控制程序和控制接口电路，给刀架的使用带来不便。
④影响中高档刀架的推广使用。
数控刀架是数控车床上的最复杂的机电一体化功能部件之一，其控制程序复杂（尤其对双向转刀架）。数控机床厂的技术开发人员，需花费相当多的时间及精力，在有足够经验积累的基础上，才能编制出功能完善的刀架控制程序。这极大地影响了机床厂家的新产品开发进度。特别对于现在发展迅猛、数量众多的民营、私营机床企业，其技术力量薄弱，许多企业不具备刀架控制程序的开发能力，这就限制了中高档刀架的推广和使用。另一方面，目前国内企业使用最普及的经济型CNC只能控制电动单向转刀架，这就限制了双向转刀架的推广和使用。
1.4 解决的方法
首先按刀架的不同控制方式进行分类，将各种刀架的控制程序都集成在单片机上，通过刀架选择开关确定对不同刀架的控制。其次根据刀架发讯装置的不同，设计专用的接口电路。经过这样设计的刀架控制系统可以控制电动单向转、电动双向转、液压等各类型刀架且可兼容4工位、6工位、8工位、12工位等多种规格刀架。实现刀架控制的通用性。
其次独立的刀架控制系统可与CNC连接，一方面可以大大简化CNC侧刀架控制程序的编制工作，另一方面可以实现经济型数控系统对双向转刀架的控制。该刀架控制系统也可以脱离CNC单独使用，其内装的刀架自检测程序可控制刀架运行，在刀架发生故障时用以判断故障在刀架侧或在CNC侧。根据各种刀架的控制过程，将刀架运行过程中可能出现的各种故障，制作出自诊断表，分配故障代码，给出故障报警，方便用户维修。
本设计主要针对中低档经济型数控机床设计的自动回转刀架，用单片机作为其控制系统的CPU，具有位处理能力,强调控制和事务处理功能，价格低廉，控制可靠的特点。经过反复的检查和论证，能够满足经济型数控机床的要求。
2 方案设计
在零件的制造过程中，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，往往采用“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 自动刀架的基本要求和类型
2.1.1自动刀架的基本要求
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 由于自动换刀装置在机床工作过程中，使用频率很高，所以拥有很高的可靠性非常重要。
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，有利于提高生产效率。
2.1.2自动刀架的类型
一般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。目前的数控车床的自动刀架的类型、结构特点和适用范围见表1.1。
表1.1 自动刀架的类型
类别形式特点适用范围
回转刀架多为顺序换刀，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
转塔头顺序换刀，换刀时间短刀具主轴都集中在转塔头上，结构紧凑,但刚性差数控钻、镗、铣床
2.2 方案的拟定和确定
从表1.1中可以得出由于转塔头的主轴部件多，结构复杂，成本高，本设计的自动刀架应选为自动回转刀架。自动回转刀架系统的功能分析：
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8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，而在转位时应先将定位销拔出。
④锁紧：刀架在反转后，必须锁紧才能正常加工工件。
自动刀架的驱动装置可以是液压驱动也可以是电动驱动，液压驱动的刀架即液压刀架，电动机驱动的刀架即电动刀架。
①液压刀架的初步方案简图如下图1.1所示。
图1.1 液压刀架
其工作原理为：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，从而产生拉紧力。液压式刀架的特点在于转位可靠，拉紧力大，但需要额外的一套液压系统（机床自身有时则不需要）。
②电动刀架的初步方案简图如下图1.2所示。
图1.2 电动刀架
其工作原理为：当数控装置发出换刀指令后，电动机正转，通过离合器带动蜗杆旋转，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，经过延时使电机反转，压紧刀架。
综上所述，液压自动回转刀架精度高、效率高，但其结构复杂，成本高。而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八把，数量较少，应为经济型数控车床所设计，所以选择电动自动回转刀架。
3 总体结构设计
根据已选的电动自动回转刀架，确定其工作流程，见自动回转刀架换刀流程如图3.1所示，并对其进行总体性结构设计。包括：减速传动机构方案设计、刀架抬起机构设计、上刀体锁紧与精定位机构设计。
图3.1 自动回转刀架的换刀流程
3.1 减速传动机构方案设计
由于电动机的转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必须经过减速机构进行减速，减速机构一般可以设计成齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、带轮—齿轮传动、链条传动。
齿轮传动的特点是：传动比准确，工作平稳，传动效率高，一般可以达到95%以上，精度较高的圆柱齿轮副可以达到99%；传动效率高、传递功率范围广，可以从仪表中齿轮微小功率的传动到大型动力机械几万千瓦功率的传动；结构紧凑、维护简便和使用寿命长。但要求较高的制造和安装精度，成本较高；传动比小不适宜于远距离两轴之间的传动；低精度齿轮在传动时会产生噪声和振动。
蜗轮蜗杆传动的特点：由于蜗杆上的轮齿是连续的螺旋齿，同时啮合齿多，故动载荷小，传动平稳；能以单级传动获得较大的传动比，机构紧凑；啮合轮齿间有很大的相对滑动速度，在转递载荷时，磨损大效率低，发热严重，需进行热平衡计算；当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，具有反行程自锁性。
链传动的特点：能够保证平均传动比不变；可用于大中心距的传动，传动效率高；其瞬时传动比是变化的不适用于传动比为常数的场合；工作时有冲击和噪声；制造成本高，安装要求准确，需要有适当的润滑和张紧措施。
综合考虑以上各种类型的传动特点，结合本设计的实际情况，由于减速比较大，若选用齿轮传动则必须设计成多级齿轮传动，其结构复杂、体积较大而且多级齿轮成本高。带轮—齿轮传动同样是结构复杂、成本较高。根据链传动的特点可知其不适合本设计的传动要求。而蜗轮蜗杆传动所得的单级传动比很大，可以改变运动方向，能够保证传递动的精度和平稳性，虽然其效率不高，功耗损失较大，但是由于本机构所需的功率很小，因此选用蜗杆副减速。
3.2 刀架抬起机构设计
在执行换刀动作时，刀架必须先执行抬起动作，然后在由蜗轮旋转进行选刀。刀架抬起机构可以设计成凸台棘爪机构也可以设计成螺杆-螺母副。凸台棘爪机构的机构复杂，凸台和棘爪的加工难度大，成本高。螺杆-螺母副机构简单，传动轴向力大，加工容易，成本低，能够完成刀架的抬起动作。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要么上下移动。到刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端齿面相互啮合时，因为这时上刀体不能与蜗杆一起转动，所以螺杆的转动只能使上刀体向上移动。当端面齿脱离啮合时，上刀体就与螺杆一同转动。
3.3 上刀体锁紧与精定位机构设计
因为刀具直接安装在上刀体上，在切削时要承受很大的切削力，其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。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。当刀架处于琐紧状态时，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。
图3.2表示自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置。其中上部的圆柱销2和下部的反靠销6起着重要作用。
图3.2 刀架转位过程中销的位置
a) 换刀开始时，圆柱销2与上盖圆盘1可以相对滑动
b) 上刀体4完全抬起后，圆柱销2落入上盖圆盘1操内，上盖圆盘1将带动圆柱销2以及上刀体4一起转动
c) 上刀体4连续转动时，反靠销6可从反靠盘7的槽左侧斜坡滑出
d) 找到刀位时，刀架电动机反转，反靠销6反靠，上刀体停转，实现粗定位
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
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的端面齿和峡到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），当转过约170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，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。
由于蜗杆副具有自琐功能，所以刀架可稳定的工作。
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