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回转 刀架 机电 系统 毕业设计

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東華理工大學 毕业设计开题报告 回转刀架机电系统设计 姓名：舒惠换专业：机械电子工程班级：一班学号：0835116指导教师：万智辉 1、 课题研究的意义、国内外有关本课题的研究动态与我的见解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。在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。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.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。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。2、课题研究的主要内容、拟解决的关键性问题和预期的成果本课题主要是针对数控车床立式四刀位电动回转刀架的机械传动部分的研究，主要内容为：1. 回转刀架刀架参数的确定；2. 回转刀架动力源的选择；3. 回转刀架传动机构的设计和标准件的选取；4. 回转刀架单片机控制的编程。目前暂时需要解决的关键问题：1. 刀架的控制研究2. 电动机的选择3. 单片机的对刀架的控制数控刀架作为数控机床必需的功能部件，直接影响机床的性能和可靠性。数控车床回转刀架的基本要求：1. 转位准确可靠，工作平稳安全；2. 按最短路线就近选位，转位时间短；3. 重复定位精度高；4. 防水、防屑、密封性优良；5. 夹紧刚度高，适宜重负荷切削。3、课题设计方案1.设计内容：本设计以82C51单片机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。4、课题研究准备情况目前已经查阅的文献资料：1 机械设计手册( 第三版卷 )化学工业出版社2 机械设计师手册 机械工业出版社 19893 濮良贵.机械设计（第七版） 高等教育出版社 2001 4 卢金鼎主编.机电一体化技术 中国轻工业出版社 19965 毕承恩.现代数控机床（上册） 机械工业出版社6 苏翼林.材料力学 ( 上、下册 ) 高等教育出版社7 成大千.机械设计图册 化学工业出版社8 陈婵娟.数控车床设计 化学工业出版社9 廖常初单片机的熟悉及应用 机械工业出版社本人所学的专业课程已经涉及了机械设计、微机原理控制、机电传动等相关方面的知识，并且独立完成了洗衣机的控制、机电创新训练等课程设计。本人已经具备了丰富理论知识和实践动手能力，有信心能独立完成本次设计。5、毕业设计（论文）总体安排和进度第一阶段（9.2610.7）：熟悉课题，收集借阅有关资料、粗拟开题报告；第二阶段（10.810.26）：构思总体设计方案，展开总体设计，完成开题报告；第三阶段（10.2711.19）：查看各方面的资料以熟悉数控机床的控制方式；第四阶段（11.2012.10）：复习机械设计的相关知识，研究回转刀架的各个参数第五阶段（12.1112.20：基于单片机的控制原理与编程,完成初稿；第六阶段（12.212.29）：完成毕业设计的主体，完成其他次要方面的补充设计并结合为最终毕业设计论文；第七阶段（3.15.30）：最终审查、整理、完善毕业设计。资料打印、整理、装订、准备答辩；6、指导教师意见与建议（选题的学术意义和现实意义、选题内容的国内外研究情况概述、有无创新内容、选题的合理性、开题条件是否具备、存在的难点和困难、建议等） 指导教师签名：年 月 日 注：1）开题报告由学生填写，须经指导教师审批； 2）阅读文献资料摘要，要比较全面反映主题研究已取得的成果和研究动态；#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char/*4个按键为选刀号键*/sbit dao1=P11;sbit dao2=P12;sbit dao3=P13;sbit dao4=P14;/*4个刀号信号位*/sbit singal1=P02;sbit singal2=P03;sbit singal3=P04;sbit singal4=P05;sbit dianjiz=P00;sbit dianjif=P01;uchar count;void delay(uchar z)/延时函数uchar x,y;for(x=z;x0;z-) for(y=100;y0;y-);void time0() interrupt 1TH0=(65536-10000)/256;TL0=(65536-10000)%256;count+;void jiance()/按键选刀子函数if(dao1=0)delay(20);while(dao1=0)dianjiz=1;dianjif=0;while(singal1=1);dianjiz=0;dianjif=0;if(dao1=2)delay(20);while(dao1=0)dianjiz=1;dianjif=0;while(singal2=2);dianjiz=0;dianjif=0;if(dao1=3)delay(20);while(dao1=0)dianjiz=1;dianjif=0;while(singal3=3);dianjiz=1;dianjif=0;if(dao1=4)delay(20);while(dao1=0)dianjiz=1;dianjif=0;while(singal4=4);dianjiz=1;dianjif=0;void main()/主函数while(1)jiance();参考资源1 冯辛安主编.机械制造装备设计.北京：机械工业出版社，19991.02 盛伯浩主编.机床的现状与发展.北京：机械工业出版社，2005.1.3 王爱玲，白恩远等编著.现代数控机床.北京：国防工业出版社，2003.44 关颖主编，数控车床.沈阳：辽宁科学技术出版社，2005.15 盛晓敏，邓朝晖.先进制造技术M.北京：机械工业出版社，20026 谢红.数控机床机器人机械系统设计指导M.上海：同济大学出版社，2004，87 高叶玲主编.数控机床的结构与传动.北京：国防工业出版社，1977.78 孙恒，陈作模主编.机械原理.北京：高等教育出版社，2000.89 濮良贵,刚主编.机械设计.北京：高等教育出版社，2004.210 卜云峰主编.械工程及自动化简明手册.北京：机械工业出版社，2001.611 Sheril, R. D. Numerical control lathe Contemplating color television. San Diego: Halstead. 199212 Crackton, P. Machinery manufacturing equipment design (1987). 64(7), 3437.毕 业 设 计题 目 回转刀架机电系统设计 English Title Rotary meachanical and elec system design学生姓名： 舒惠换 学 号： 08315116 专 业： 机械电子 系 别： 机械与电子工程 指导教师： 万智辉 职称： 讲师 二零一二年六月东华理工大学长江学院毕业设计 摘要摘 要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。在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。本文对数控车床回转刀架的机电系统的相关内容进行研究，探索数控车床刀架的组成和工作原理，使一台四工位的立式自动回转刀架数控化。主要完成数控车床回转刀架的机械部分和电气部分的设计，机械部分为其组成的各个机械部件进行计算与选用，电气部分为编制刀架自动转位控制软件，对关键零部件进行了设计校核，并运用AutoCAD软件，做出了回转刀架装配图，对电动刀架有了更直观的了解。设计的数控換刀装置功能更强，换刀装置通过刀具快速自动定位，可以提高数控车床的效率，缩短加工时间；同时其可靠性更稳定，结抅简单。关键词：数控车床； 回转刀架； 结构设计； AutoCAD东华理工大学长江学院毕业设计 ABSTRACTABSTRACTThe CNC lathe machine frame is the important component. Used for cutting tool clamping with tool, the structure of the machine tool directly influence the cutting performance and cutting efficiency. Therefore numerical control lathe tool design of the good and bad, high efficiency and low will directly affect the product processing time and quality, and furthermore influence the manufacturing of rapid development. To a certain extent, the structure and properties of the tool machine embodies the design and manufacturing technology level.Electromechanical systems on rotary turret CNC lathes, to explore the composition and working principle of the CNC lathe turret, a four station vertical automatic rotary turret NC.Mainly to complete the mechanical rotary turret CNC lathe parts and electrical parts of the design, the mechanical parts for the various mechanical components of the calculation and selection of the electrical part of the preparation of turret automatically transfer control software, key components, the design checking , and the use of AutoCAD software, to make a rotary turret assembly drawing, and have a more intuitive understanding of the electric tool. The design of the CNC tool changer powerful tool changer tool, rapid and automatic positioning can improve the efficiency of CNC lathes, to shorten the processing time; its reliability is more stable knot Ju simple.Key words：CNC lathe； rotary cutter； structure design； AutoCAD东华理工大学长江学院毕业设计 目录目 录1. 绪论. .11.1数控车床自动回转刀架的概述. .1 1.2 设计研究内容.2 1.3研究实际社会意义及应用效果.2 1.4国内外关于本课题的技术研究现状和发展动态. .32. 总体结构设计.4 2.1 设计任务.4 2.2电动机的选择.42.3减速传动机构的设计.4 2.4上刀体锁紧与精定位机构的设计. .4 2.5刀架抬起机构的设计.43. 自动回转刀架的工作原理. .64. 主要传动部件的设计计算.9 4.1蜗杆副的设计计算.9 4.1.1蜗杆的选型. .9 4.1.2 蜗杆的材料.9 4.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计.9 4.1.4 蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸.11 4.2螺杆的设计计算.12 4.2.1 螺距的确定.12 4.2.2 其他参数的确定.12 4.2.3 自锁性能校核.125. 电气控制部分设计.14 5.1 硬件电路设计. 14 5.1.1 收信电路. .14 5.1.2 发信号电路. 14 5.1.3 刀具的识别.15 5.2 控制软件的设计. 156. 结论. .177. 致谢.188. 参考文献.199. 附录.20 东华理工大学长江学院毕业设计 绪论绪论经济型数控是我国80年代科技发展的产物。这种数控系统由于功能适宜.价格便宜. 用它来改造车床，投资少、见效快、成为我国“七五”、“八五”重点推广的新技术之一。十几年来，随着科学技术的发展，经济型数控技术也在不断进步，数控系统产品不断改进完善. 并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。对于原有老的经济型数控车床，特别是80年代末期改造的设备，由于种种原因闲置的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题。通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高了生产效率，创造更大的经济效益。数控车床主要由主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动系统及数控装置组成。数控车床的出现对提高生产率改将产品质量以及改善劳动条件和提高效率上发挥了重要的作用。在提高效率上主要表现在两个方面：1）通过刀具的快速自动定位，提高了空程速度和划线工艺的时间。2）批量加工一致性好，可以减少工件检验和时间。特别是经济型老车床对刀等还需要手动完成，以及在加工一个零件过程中，更换刀具，装卸零件，测量和搬运零件用于大部分时间占辅助时间长的刀具交换和刀具尺寸调整。加工时间相对较短，为缩短加工辅助时间，充分发挥数控机床的功能，进一步压缩非切削时间，数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的发展方向。在这类多工序的数控机床中必须带有自动换刀装置，在多工序数控机床出现之后.又逐步发展和完善了各类回转刀具的自动更换装置，扩大了换刀数量，以便有可能实现更复杂的换刀操作，在自动换刀数控机床上，自动换刀装置应满足换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具储存量，换刀安全可靠等要求。1.1 数控车床自动回转刀架的概述数控车床主要由主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动系统及数控装置组成。数控车床的出现对提高生产率改善产品质量以及改善劳动条件等发挥了重要的作用。传统的车床例如CA6140的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进，为了能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发挥数控机床的效率，釆用“工序集中”的原则，釆用自动回转刀架。数控车床上使用的自动回转刀架是一种最简单的换刀装置，自动回转刀架是在一定的空间范围内，能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。对于自动回转刀架，根据装刀数量的不同，自动回转刀架分有四工位、六工位和八工位等形式。根据安装的不同方式，自动回转刀架可分为立式和卧式。而根据机械定位方式不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等。其中端齿盘定位型换刀时要将刀架抬起，换刀速度较慢且密封性差，但其结构简单。三齿盘定位叫免抬型，其特点时换刀时刀架不拾起，因此换刀速度快且密封性好，但其结构复杂。自动回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力，为了保证转位之后具有髙的重复定位精度，自动回转刀架还需要选择可靠的定位方案和合理的定位结构。自动回转刀架的自动换刀是由控制系统和驱动电路来实现的。1.2 设计研究内容数控车床上使用的自动回转刀架是一种最简单的换刀装置，自动回转刀架是在一定的空间范围内，能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。对于自动回转刀架，根据装刀数量的不同，自动回转刀架分有四工位、六工位和八工位等形式。根据安装的不同方式，自动回转刀架可分为立式和卧式，而根据机械定位方式不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等， 其中端齿盘定位型换刀时需要将刀架抬起，换刀速度较慢且密封性差，但其结构简单。三齿盘定位叫免抬型.其特点时换刀时刀架不用抬起，因此换刀速度快且密封性好，但其结构复杂。自动回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力，为保证转位之后具有髙的重复定位精度，自动回转刀架还需要选择可靠的定位方案和合理的定位结构。自动回转刀架的自动换刀由控制系统和驱动电路来实现的本设计的基本目标是设计一台四工位的立式自动回转刀架.适用于C616经济型数控车床。要求绘制自动回转刀架的机械结构图，设计控制刀架自动转位的硬件电路，编写刀架的控制软件，选用电动机的额定功率为90W，额定转速为1860r/min，换刀时的速度为30r/min。分别对其组成部分即机械总体结构、工作原理、主传动部件及电气控制部分进行设计、控制，并对自动回转刀架出现的一些常规故障问题提出一些修理意见。1.3 研究实际社会意义及应用效果传统的车床的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进，数控车床上使用的自动回转刀架是一种简单的换刀装置。自动回转刀架是在一定的空间范围内能执行自动松开、转位以及精密定位等一系列动作的一种机构。使用这种新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。为了能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发挥数控机床的效率，采用“工序集中”的原则，采用自动回转刀架。并针对生产过程中出现的一些常规问题进行了探讨，归纳总结检查修理方法。1.4 国内外关于本课题的技术研究现状和发展动态我国的刀架生产还处在发展阶段，品种、规格、可靠性等方面还需要有一个完善的过程，远远没有达到成熟。基本上采用传统材料和传统，加上部分外购配套件的可靠性较差造成产品整体的可靠性与外国的差距。国内部分刀架回转原理为电机经弹簧理合器带动蜗杆，再由蜗轮带动蜗杆旋转，当刀架转体时，由霍尔元件不断检测刀架转体是否到位，到位后霍尔元件发出信号，然后反转锁紧。主要采用有销盘、内齿盘，外齿盘组成的三端齿定位机构实现准确定位。其控制部分主要选用MCS-51系列单片机以及ATMEL公司的AT89等同类产品进行控制。烟台机床附件厂是目前我国生产刀架水平最高的厂家，特别是可以生产带刀头的刀架。该厂家全套引进意大利的生产线，产品属于高档型 国外数控机床附件产品的开发应用比较早，经验丰富，再由于技术进步，新材料，新结构的不断出现与应用，使得其产品的可靠性比较高。国外主要分为日本和欧美两大流派。其产品的特点是夹紧力大，采用专用电机，体积小，转矩大，可靠性高，耐磨，可靠性较高。比如，日本日研公司部分回转刀架的核心部件蜗杆副，蜗轮采用氮化钢，齿部表面采用氮化处理，硬度高；蜗杆为硬质合金蜗杆；整个蜗杆副为硬齿面接触，耐磨。既实现了高速又保证了高可靠性。还有德国的肖特（SAUTER）、意大利的杜普洛马蒂克（DUPLOMATIC）和巴鲁法迪（BARUFFALDI）等，他们都有自己的系列、规格和专利。像肖特（SAUTER）的刀架，采用行星传动机构，其结构紧凑，传动方向均为同一方向，没有像蜗杆副的降速机构的交叉轴设计，易于一体化布置。采用牙嵌式齿行离合器的升起和加紧，空行程转角、小效率高，且自锁功能可靠。其控制部分大都与机床一起采用CNC控制，目前国际比较好的系统有西门子，法拉克，三菱等。 30东华理工大学长江学院毕业设计 总体结构设计2. 总体结构设计2.1 设计任务任务：设计一台四工位立式回转刀架，适用于C6132经济型数空车床。换刀时要求刀架转动的速度为30r/min，重复定位精度0.002mm。要求绘制自动回转刀架的机械结构图。2.2 电动机的选择 电动机选择型号为95BC340A的三相异步电动机，额定功率为90W，额定转速为1860r/min。2.3 减速传动机构的设计 由于三相异步电动机的转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必须经过适当的减速。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。2.4 上刀体锁紧与精定位机构的设计 由于刀具直接安装在上刀体上，所以上刀体要承受全部的切削力，其锁紧与定位珠精度将直接影响到工件的加工精度。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，完成转位工作。2.5 刀架抬起机构的设计要想使上、下刀体的两个端面脱离，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-蜗轮带动螺杆中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动，要第上下移动。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2.1 自动回转刀架的传动结构示意图1发信盘 2推力轴承 3螺杆螺母副 4端面齿盘 5发靠圆盘 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上刀体东华理工大学长江学院毕业设计 自动回转刀架的工作原理3. 自动回转刀架的工作原理自动回转刀架的换刀流程如图3.1所示。图3.2表示自动回转刀架在换刀过程中有关的销的位置。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落在反靠圆盘7的十字槽内，上刀体4的端面齿和下刀的端面齿处于啮合状态（上下端面齿在图a中未画出）。需要换刀时，控制系统发出刀架的转位信号，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，上盖圆盘1也随着螺杆正向转动（上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆联接），当转过约170度时，上盖圆盘1直槽的另一端转到圆柱销2的正上方，由于弹簧3的作用，圆柱销2落入直槽内，于是上盖圆盘1就通过圆柱销2使得上刀体4转动起来（此时端面齿已完全脱开），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，至此，完成粗定位，如图d所示。此时反靠销6从反靠圆盘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。在些期间，上、下刀本的端面齿逐渐啮合，实现定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过和结束。由于蜗杆副具有自销功能，所以刀架可稳定的工作。图3.1 自动回转刀架的换刀流程a （a） （b） （c） （d） 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槽内，上盖圆盘1将带动圆柱销2及上刀体4一起转动c)上刀体4连续转动时，反销6可从反靠圆盘7的槽左侧斜坡滑出d)找到刀位后，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反靠圆盘东华理工大学长江学院毕业设计 主要传动部件的设计计算4 主要传动部件的设计计算4.1 蜗杆副的设计计算自动回转刀架的动力源是三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直联，刀架转位时蜗杆与上刀体直联。已知电动机额定功率P1=90W，额定转速n1=1860r/min，上刀体设计转速n2=30r/min,则蜗杆副的传动比i=1860/30=62。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，起动时冲击较大，今要求蜗杆的使用寿命Lh=10000h，因此对蜗杆的型号材料的选择以及齿面接触疲劳强度计算相当重要。4.1.1 蜗杆的选型 GB/T10065-1998推荐采用渐开线（ZI蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。本设计采用结构简单、制造方便的渐开线型圆柱蜗杆（ZI型）。4.1.2 蜗杆的材料刀架中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC，以提高表面耐磨性，选用锡磷青铜ZCuSn10P1，采用金属模铸造。4.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面脱离危险合或点蚀而失效。因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行校核。按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为： （4.1）式中 a蜗杆副的传动中心距，单位为mm； K载荷系数； T2作用在蜗轮上的转矩T2，单位为Nmm； 弹性影响系数，单位为MP1/2； 接触系数； 许用接触应力，单位为MPa。从式（4.1）算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比i=62,从附录一（普通圆柱蜗杆基本尺寸和参数及其与涡轮参数的匹配）中选择一个合适的中心距a值，以及相应的蜗杆、蜗轮参数。（1） 确定作用在蜗杆上的转矩T2设蜗杆头数Z1=1，蜗杆的传动效率取=0.8。由电动机的额定功率P1=90W，可以算得蜗轮传递的功率P2=P1，再由蜗轮的轮转速n2=30r/min求得作用在蜗轮上的转矩：T2=9.55P2/n2=9.55P1/n2=9.55900.8/30Nm22.920Nm=22920Nmm（2） 确定载荷系数K载荷系数K=KAKKv。其中KA为使用系数，由附录二（使用系数KA）查得，由于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取KA=1.15；K为齿向载荷分布系数，因工作载荷在起动和停止时有变化，故取K=1.15；Kv为动载系数，由于转速不高、冲击不大，可取Kv=1.05。刚载荷系数：K=KAKKv=1.151.151.051.39（3） 确定弹性影响系数ZE铸锡磷青铜蜗轮与蜗杆相配时,从有关手册查得弹性影响系数ZE=160MPa。（4） 确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值d1/a=0.35，从附录C（圆柱蜗杆传动的接触系数Z）中可查得接触系数=2.9。（5） 确定许用接触应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1、金属模铸造蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，可从附录四（铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力）中查得蜗轮的基本许用应力=268MPa。已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数J=1；蜗轮转速n2=30r/min;蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。则应力循环次数N=60Jn2Lh=6013010000=1.8107寿命系数：KHN=0.929许用应力：=KHN=0.929268MPa=249MPa（6） 计算中心距将以上各参数代入式（4.1），求得中心距：amm=48.0mm查附录一，取中心距a=80mm，已知蜗杆头数Z1=1，设模数m=2mm，得蜗杆分度圆直径d1=35.5mm。为时d1/a=0.44，由附录三得接触系数Z=2.6。因为ZZ，所以上述计算结果可用。4.1.4 蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸由蜗杆和蜗轮的基本尺寸和主要参数，算得蜗杆和蜗轮的主要几何尺寸后，即可绘制蜗杆副的工作图。（1） 蜗杆参数与尺寸头数Z1=1，模数m=2mm，轴向齿距Pa=m=6.28mm，轴向齿厚Sa=0.5m=3.14mm，分度圆直径d1=35.5mm，直径系数q=d1/m=17.75，分度圆导程角=arctan(z1/q)=31312。 取齿顶高系数ha*=1，径向间隙系数c*=0.2，则齿顶圆直径da1=d1+2ha*m=35.5mm+212mm=39.5mm，齿根圆直径df1=d1-2m(ha*+c*)=35.5-22(1+0.2)mm=30.7mm。（2） 蜗轮参数与尺寸由蜗杆头数Z1=1，传动比i=62，可以算出蜗轮齿数Z2=iZ1=62。模数m=2mm，分度圆直径d2=mZ2=262mm=124mm，变位系数x2=a-(d1+d2)/2/m=80-(35.5+124)/2/2=0.125，蜗轮喉圆直径da2=d2+2m(ha+x2)=124+22(1+0.125)mm=128.5mm，涡轮齿根圆直径 df2=d2-2m(ha-x2+c)=124-22(1-0.125+0.2)mm=119.7mm，蜗轮咽喉母圆半径rg2=a-da2/2=(80-128.5/2)mm=15.75mm。（3） 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度即检验下式是否成立： =（1.53KT2/d1d2m）YFa2Y (4.2)式中蜗轮齿根弯曲应力，单位为MPa；YFa2蜗轮齿形系数；Y螺旋角影响系数；蜗轮的许用弯曲应力，单位为MPa。则蜗轮的当量齿数Zv2=Z2/cos3=62.29根据蜗轮变位系数x2=0.125和当量齿数ZV2=62.29，查附录六（蜗轮的齿形系数YFa2），得齿形系数：YFa2=2.25螺旋角影响系数：Y=1-/140=0.977根据蜗轮的材料和制造方法，查附录五，可得蜗轮基本许用弯曲应力：=56MPa蜗轮的寿命系数：KFN=0.725蜗轮的许用弯曲应力：=KFN=560.725MPa=40.6MPa将以上参数代入（4.2），得蜗轮齿根弯曲应力：=2.250.977MPa12.2MPa可见,蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。4.2 螺杆的设计计算4.2.1 螺距的确定刀架转位时,要求螺杆在转动约170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P应满足P170/3602mm，即P4.24mm，取螺杆的螺距P=6mm。4.2.2 其他参数的确定采用单头梯形螺杆，头数n=1,侧角=15，外螺纹大径（公称直径）d1=50mm,牙顶间隙ac=0.5mm,基本牙型高度H1=0.5P=3mm，外螺纹牙高h3=H1+ac=3.5mm，外螺纹中径d2=47mm,外螺纹小径d3=43mm,螺杆螺纹部分长度H=50mm。4.2.3 自锁性能校核螺杆-螺母材料均用45钢，查附录七（滑动螺旋副材料的许用压力P及摩擦因数f），取二者的摩擦因数F=0.11；再求得梯形螺旋副的当量摩擦角；v=6.5 而螺纹升角：=arctan（nP/d2）=arctan(16/3.1447)=2.33小于当量摩擦角。因此，所选几何参数满足自锁条件。东华理工大学长江学院毕业设计 电器控制部分设计5. 电气控制部分设计 5.1 硬件电路设计自动回转刀架的电气控制部分主要包括收信电路和发信电路两大块，如图5.1所示。5.1.1 收信电路图a中发信盘上的4只霍尔开关（型号为UGN3120U），都有3个引脚，第1脚接+12V电源，第2脚接+12V地，第3脚为输出。转位时刀台带动磁铁旋转，当磁铁对准某一个霍尔开关时，其输出端第3脚输出低电平；当磁铁离开时，第3脚输出高电平。4只霍尔开关输出的4个刀位信号T1T4分别送到图b的4只光耦合器进行处理，经过光电隔离的信号再送给I/O接口芯片89C51的P0.2P0.5。5.1.2 发信号电路图c刀架电动机正反转控制电路，I/O接口芯片89C51的PA0.0与PA0.1分别控制刀架电动机的功率只有80W，所以图d中刀架电动机与380V市电的接通可以选用大功率直流继电器，而不必采用继电器-接触器控制电路，以节省成本，降低故障率。图c中，正转继电器的线圈KA1与反转继电器的一组常闭触点串联，而反转继电器的线圈KA2又与正转继电器的一组常闭触点串联，这样就构成了正转与反转的互锁电路，以防控制系统失控时导致短路现象。当KA1或KA2的触点接通380V电压时，会产生较强的火花，并通过电网影响控制系统的正常工作，为此，在图d中布置了3对R-C阻容用来灭弧，以抑制火花的产生。a) b) c) d)图5.1 自动回转刀架电气控制原理图a）发信盘上的霍尔元件与刀位识别工具 b）刀位信号的处理 c）刀架电动机正反转控制 d）刀架电动机正反转的实现5.1.3 刀具的识别刀具编码的识别方式有接触式和非接触式两类。前者的编码信息载体和识别装置有磨损问题，因而当前主要采用非接触式。通常应用电磁感应或光电原理实现代码的识别。本设计采用存储器识别，此法在刀具上埋入一种以硅片为基本元件的刀具数据载体（见图5.1 a ），用以存储刀具编码及其他特征数据（一般每个载体能够储64个刀具特征）。这种装置的优点是一旦刀具准备好，就可以用于系统中任意一台机床的任何刀位上，而不需要“对号入座”。5.2 控制软件的设计在清楚了自动回转刀架的机械结构和电气控制电路后，就可以着手编制刀架自动回转转位的控制软件了。对于四工位自动回转刀架来说，它最多装4把刀具，设计控制软件的任务，就是选中任意一把刀具，让其转到工作位置。图5.3表示让1#刀转到工作位置的程序流程，2#4#刀的转位流程与1#刀相似。设控制系统的CPU为AT89C51单片机,则基于图5.1和图5.3的C语言程序清单在附录八。图5.2 接口电路控制图5.3换1#刀的程序流程东华理工大学长江学院毕业设计 结论结论数控车床上使用的回转刀架也是一种简单的自动换刀装置。自动换刀装置的换刀时间和可靠性直接影响到整个机床的质量。本次设计采用了四工位回转刀架，通过电机驱动，蜗轮蜗杆的传动，有效的实现了缩短辅助时间,减少多次安装零件引起的误差。本次设计的四工位自动回转刀架结构比较简单，满足时间短,刀具重复定位精度够,以及安全可靠等基本要求。回转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。 系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的过程。在这个过程中我对利用单片机进行控制系统的设计与开发有了深刻的认识，对机械的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识与体会，并在学习和实践过程中增长了知识。丰富了经验。控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析，系统设计，系统实施，系统运行与调试的过程来进行。系统的分析与设计是一项很辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程。在设计过程中，要边学习边实践，遇到新的问题就不断探索和努力，即可使问题得到解决。 在设计中体会到理论必须和实践相结合。虽然收集了大量的资料，但在实际应用中却有很多的差异，出现了很多意想不到的问题。许多问题在书本上是这样，而在实际运用中却很不一样，在经过多次分析修改后，才设计出达到控制要求的系统。设计过程中所涉及的内容有机械设计、机械传动等方面的知识，我受益匪浅。这次毕业设计，是对所学知识运用能力的一次锻炼，从而使对所学基础理论和专业技能有机的结合起来，提高自己的知识运用能力和解决工程实际问题的能力。在为我以后的学习和工作，打下了一次结实的基础。东华理工大学长江学院毕业设计 致谢致 谢随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几个月的奋战，我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前,觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。这次毕业设计使我明白了自己所学知识还比较欠缺,自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中,我会不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。在此要感谢我的指导老师万智辉老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，提高了自己动手的能力，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响，在设计过程中所学到的东西将是我最大收获和财富，使我终身受益。东华理工大学长江学院毕业设计 参考文献参考文献1 冯辛安主编.机械制造装备设计.北京：机械工业出版社，19991.02 盛伯浩主编.机床的现状与发展.北京：机械工业出版社，2005.1.3 王爱玲，白恩远等编著.现代数控机床.北京：国防工业出版社，2003.44 关颖主编，数控车床.沈阳：辽宁科学技术出版社，2005.15 盛晓敏，邓朝晖.先进制造技术M.北京：机械工业出版社，20026 谢红.数控机床机器人机械系统设计指导M.上海：同济大学出版社，2004，87 高叶玲主编.数控机床的结构与传动.北京：国防工业出版社，1977.78 孙恒，陈作模主编.机械原理.北京：高等教育出版社，2000.89 濮良贵,刚主编.机械设计.北京：高等教育出版社，2004.210 卜云峰主编.械工程及自动化简明手册.北京：机械工业出版社，2001.611 Sheril, R. 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