车床六角回转刀架系统数控改造

目 录1 方案设计 .31.1 自动刀架的基本形式和应满足的要求 .31.1.1 自动刀架的形式 .31.1.2 自动刀架的基本要求和功能分析 .41.2 初步确定自动刀架的方案 .42 总体结构设计 .62.1 减速传动机构方案设计 .62.2 上刀体锁紧与精定位机构设计 .62.3 刀架抬起机构设计 .73 自动回转刀架的工作原理 .83.1 自动回转刀架的换刀流程 .83.2 自动回转刀架的换刀过程中有关销的位置 .94 主要传动部件的设计计算 .104.1 蜗杆副的设计计算及电动机的选择 .104.1.1 蜗杆的选型 .104.1.2 蜗杆副的材料 .104.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 .114.1.4 蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸 .124.1.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 .134.2 螺杆的设计计算 .134.2.1 螺距的确定 .134.2.2 其他参数的确定 .134.2.3 自锁性能校核 .145 锁紧定位机构的设计 .145.1 端齿盘设计 .145.2 端齿盘的特点 .155.3 端齿盘主要参数的设计计算 .155.3.1 齿数 z 的确定 .165.3.2 端齿盘外径 d.165.3.3 端齿盘齿形角 .165.3.4 齿根角(啮合斜角) .175.3.5 最大齿距(周节)t 和最大齿厚 B.185.3.6 齿顶高 h 及啮合高度 .185.3.7 齿宽(径向)F .195.3.8 齿底槽宽 b 和齿顶宽 b1.196 电气控制部分设计 .196.1 自动控制系统设计 .196.2 单片机选型 .206.3 硬件电路的设计 .216.4 硬件电路主要电子元件的工作原理 .226.4.1 霍尔元件的工作原理和特性 .226.4.2 霍尔开关的工作原理 .246.4.3 光电耦合器的工作原理 .256.4.4 8255 芯片的工作原理 .266.5 控制软件的设计 .266.5.1 换刀工作原理的程序流程图 .276.5.2 程序的实现方法 .27参 考 文 献 .291 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。1.1 自动刀架的基本形式和应满足的要求1.1.1 自动刀架的形式图 1.1 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。 凸 轮n(a)(b)(c)(d)(e)内 装 信 号 盘 刀 架 端 齿 盘 定 位电 动 机上 齿 盘下 齿 盘螺 母 蜗 轮 副 刀 架 销 钉销 钉刀 架 凸 轮上 齿 盘下 齿 盘 电 动 机棘 爪棘 轮 拔 爪液 压 缸摆 动 阀 芯开合 转 位 联 轴 器图 1.1 回转刀架的形式及其工作原理图图 1.1 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）。图 1.1 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。图 1.1 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。图 1.1 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，拉紧力可以再次加大，但其缺点是液压件难制造，还需一套液压系统，有液压油泄漏及发热问题。1.1.2 自动刀架的基本要求和功能分析基本要求：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。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。1.2 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，1.1e)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。1.1a)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六把，数量较少，应为经济型数控车床所设计，故初步决定选用 1.1 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。n内 装 信 号 盘 刀 架 端 齿 盘 定 位电 动 机上 齿 盘下 齿 盘螺 母 蜗 轮 副 联 轴 器开合 转 位图 2.2 电动刀架简图其工作原理为：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。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1.1。表 1.1 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带刀库的自动换刀装置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 6 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 总体结构设计2.1 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 2.1 为几种常用减速传动机构的比较。表 2.1 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，固选用蜗杆传动。2.2 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。2.3 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 2.1 为自动回转刀架的传动机构示意图，详细的装配图见图纸。转 位图 2.1 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3 自动回转刀架的工作原理3.1 自动回转刀架的换刀流程自动回转刀架的换刀流程如图 3.1 所示。刀 架 电 动 机 正 转 蜗 轮 -蜗 杆 减 速 销 联 接螺 杆 -螺 母 上 盖 圆 盘 旋 转上 刀 体 抬 起端 面 齿 错 开圆 柱 销 落 入 上 盖 圆 盘上 刀 体 旋 转到 位 回 答刀 架 电 动 机 反 转 霍 尔 元 件 触 发 反 靠 销 反 靠 端 面 齿 啮 合上 刀 体 下 降 ， 粗 定 位精 定 位延 时 锁 紧 电 动 机 停 转 螺 杆 旋 转螺 杆 旋 转图 3.1 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，通过电动机正传带动蜗杆正转，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，通过电机反转带动蜗杆反转，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。3.2 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。上 盖 圆 盘 转 动 方 向 上 盖 圆 盘 转 动 方 向 上 盖 圆 盘 转 动 方 向 上 盖 圆 盘 转 动 方 向图 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 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。由于蜗杆副具有自琐功能，所以刀架可稳定的工作。4 主要传动部件的设计计算4.1 蜗杆副的设计计算及电动机的选择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，刀架转位时蜗轮与上刀体直联。由于刀架转动所需的功率较小，根据设刀架为 15Kg,上刀体设计转速 ,则 F=150N,V=0.2m/min,。故算出 =37.5W 查机械min/26r 1P设计手册第四版第 5 卷只有 YS5024 型电动机符合要求，选取电机参数具体为：额定功率为 =40W，额定转速 =1380r/min 的电动机 。所以动力部分选择1P1YS5024 型三相异步电机。上刀体设计转速 ，则蜗杆副的传动比min/26r。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不326/80/21ni均匀，启动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命 。hh10L4.1.1 蜗杆的选型 GB/T10085-1988 推荐采用渐开线蜗杆（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 蜗杆副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；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜 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，多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为：（4.1）232()EPHZaKT式中 a-蜗杆副的传动中心距，单位为 mm;K-载荷系数；-作用在蜗轮上的转矩 ，单位为 ；2T12MPa-弹性影响系数，单位 N.mm;-接触系数；-许用接触应力，单位为 MPaH从式（4.1）算出蜗杆副的中心距 a 之后，根据传动比 i=36，从机械设计书第 245 页表 112 中选择一个合适的中心距 a 值，以及相应的蜗杆、蜗轮参数。确定作用在蜗轮上的转矩 2T设蜗杆头数 =1，蜗杆副的传动效率 。有电动机的额定功率 1Z0.81P=40W ,可以算得蜗轮传递的功率 ，再有蜗轮的转速 求21p min/26r得作用在蜗轮上的转矩：=11.753N.m=11753N.mm21229.5.PTn确定载荷系数 K载荷系数 。其中 为使用系数，由机械设计书第 253 页表AVAK115 查得，由于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取 ； 为1.5AK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 ；为动载荷系数，由于转速不高、冲击不大，可取 。则有载荷系数：V .0V1.5.139AVK确定弹性影响系数 EZ铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查得弹性影响系数。1260EaZMP确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径 和传动中心距 a 的比值 ，从机械设计1d10.35d书第 253 页图 1118 中可查得接触系数 2.9pZ确定许用接触应力 H根据蜗轮材料为铸锡磷青铜 、金属模铸造、蜗杆螺旋齿面硬度0CuSnP大于 45HRC，可机械设计书中第 254 页表 11-7 中查得铸锡青铜蜗轮的基本许用应力 。由于蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个齿轮啮合的次数268HMPaj=1；蜗轮转速 ；蜗杆副的使用寿命 。则应力循环次min/r 10HLh数：N=60 j =2hL7601.56寿命系数： 781.9HNK许用接触应力:= =260MpaHNK1H计算中心距将以还是各参数带入式(4.1),求得中心距: 23160.91.975()37.a查机械设计手册,可取中心距 a=40mm,已知蜗杆头数 ,先设模 m=1.25mm,得1z蜗杆分度圆直径 .这时,由机械设计书第 253 页图 1118 中可得接触120dm系数 =2.5。因为 ,所以上述结果可用。PZpZ4.1.4 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了。蜗杆参数与尺寸头数 ，模数 m=1.25，轴向齿距 Pa= =3.925，轴向齿厚1zm=0.5m=1.9625mm,分度圆直径 ,直径系数 q=16，分度圆导程角 3120d34 35 。取齿定高系数 ，径向间隙系数*ah*.2c则齿顶圆直径 =22.5mm1齿根圆直径 =17.1mmfd蜗轮参数与尺寸齿数 =49，则 i= / =49，这时传动比误差为（53-49）/53=7.5%，由于2Z21Z该装置对传动比要求不高，则该传动比误差满足要求。模数 m=1.25分度圆直径 =m =61.25mm2d变位系数 =a-()/2/m=0.6喉圆直径 = +2m ( + )=65.25mm a2ah2x齿根圆直径 = -2m（ - + ）=59.75mmf2dah2xc蜗轮咽喉母圆半径 =a /2=4065.25/2=7.375mm24.1.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度检验下式是否成立，即可较核蜗轮齿根弯曲疲劳强度。（4.2）21.53FFaFKTYdm式中 蜗轮齿根弯曲应力，单位为 MPa；F蜗轮齿形系数；2aY螺旋角影响系数；蜗轮的许用弯曲应力，单位为 MPa。F则蜗轮的当量齿数：=根据蜗轮变位系数和当量齿数=49.29，查手册得齿形系数：=2.06螺旋角影响系数： =1- =0.974Y140根据蜗杆的材料和制造方法，查表机械设计书第 256 页表 11-8，则可得蜗轮基本许用弯曲应力： =56MPaF蜗轮的寿命系数： =0.7269NK=蜗轮的许用弯曲应力： =29.11 MPaFFN将以上参数带入式（5.2） ，得蜗轮齿根弯曲应力： =29.11 ，则设计满FF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 的情况下，上刀体的端面齿与下刀体170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Pm236/170mP24.。m64.2.2 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）1n15，牙侧间隙 ，基本牙型高度 ，外螺纹高d501mac5.0mPH3.0，外螺纹中径 ，外螺纹小径 ，螺杆maHhc5.313md472md43螺纹部分长度 。624.2.3 自锁性能校核 螺杆螺母材料均用 45 钢，查表 4.1，取二者的摩擦因素 ；再求得1.0f梯形螺旋副的当量摩擦角：5.6cosartnfv而螺纹升角：3.2471.36artnart2dp小于当量摩擦角，因此，所选几何参数满足自锁条件。表 4.1 滑动螺旋副材料的许用压力 及摩擦因素pf蜗杆-螺母的材料 滑动速度/ )min(1许用压力/MPa 摩擦因素 f低速 18253.0 1118612 710钢-青铜15 120.080.10淬火钢-青铜 612 1013 0.060.082.4 1318钢-铸铁612 470.120.15钢-钢 低速 7.513 0.110.175 锁紧定位机构的设计5.1 端齿盘设计端齿盘又称多齿盘、细齿盘、鼠牙盘，是具有自动定心功能的精密分度定位元件，广泛应用于加工中心、柔性单元、数控机床、组合机床、测量仪器、各种高精度间歇式圆周分度装置、多工位定位机构以及其它需要精密分度的各种设备上。端齿盘实际上相当于一对齿数相同的离合器，其啮合过程与离合器的啮合类似。端齿盘的齿形有直齿和弧齿两种，直齿端齿盘加工方便、定位精度及重复定位精度高, 弧齿性能良好，允许一定的角位移，但加工复杂，相对加工成本较高，故选择直齿。5.2 端齿盘的特点在分度及定位装置中，一般用端齿盘作为其精确定位元件它具有以下优点：分度精度高 可高达 ，实际分度误差等于所有齿单个分度误差的平0.1均值。分度范围大 分度大小与齿数有关。如齿数为360齿时，最小分度值为，用差动端齿分度装置，分度范围更大，例如下盘齿数为96，上盘齿数为3601o时，就可将一个整圆分成1440个等分(最小分度值为 )。0.25o精度的重复性和持久性好 重复定位精度可达 。由于工作时相当于上下齿盘在不断地对研，因此使用越久，分度精度的重复性和持久性也就越好，而且精度有可能提高。刚性好 因所有齿面同时参加啮合，不论承受的是切向力、径向力还是轴向力，整个分度装置形成一个良好的刚性整体。结构紧凑，使用方便，这一点比其它高精度的分度装置更为突出。维护简便，多次拆装不影响其原有的精度。除以上优点外，它也有一些缺点：要设计升降机构，使两齿盘间脱开一定的距离(应大于啮合高度)，以实现转位分度。必须有锁紧机构，防止在使用过程中受外力和力矩作用而使上下齿盘脱开或侧倾。要采取防尘防屑措施，齿面的灰尘及切屑等杂物会影响到定位精度及锁紧程度。不能进行任意连续分度，分度时至少要转过一个齿，所以一般只能将圆周分成有限的等分角。5.3 端齿盘主要参数的设计计算本设计采用齿形为三角形的直齿端齿盘的基本结构，其参数计算如下：5.3.1 齿数 z 的确定可根据分度要求，即需要分度的最小分度值 来确定：（5.1）360oZ取最小分度角度 ，则z=120齿。3o5.3.2 端齿盘外径 d端齿盘外径d主要由设计结构所允许的空间范围来确定。在结构允许的情况下，外径越大，分度或定位机构的稳定性越好。根据本机构实际出发，端齿盘外径设计为d=165mm。5.3.3 端齿盘齿形角选取时应考虑作用在端齿盘上的负荷力矩 及总锁紧力 的大小，如图5.1MzN所示。将作用于齿盘上每齿的切向外力 和轴向锁紧力 ，沿着齿面方向进行Q分解。如图5.2所示，应满足以下条件： N图5.1 端齿盘受力图 图5.2 齿面上的切向外力和轴向锁紧力而 ，则2cos,22DDzzaaNMNQsinQd不等式变为 ，即i，最后得到cossin22zDDzaaMd（ 5.2）4tzN 图5.3 端齿盘剖视图从式(5.2)可以说明，在外载 不变时，齿形角 越小，所需自锁力MDa也越小，即自锁性越强，但齿相应变深，齿厚变小；齿形角 越大，需要zN 的总锁紧力 也越大，即承受外转矩的能力下降，但齿高变低，端齿啮合的高z度下降，结构紧凑；同时也说明了加大外径d有利于提高端齿盘的承载能力。图5.4 单齿俯视示意图 图5.5单街周向展开示意图在选取时齿形角 时，应综合考虑作用在端齿盘上的负荷(力矩)及锁紧Da力的大小，同时受齿形加工刀具的限制，现已标准化，通常取 、40o、 。等。本设计采用 的齿形角。60o9605.3.4 齿根角(啮合斜角) 为了保证在齿宽方向上的啮合质量，加工端齿时必须调整分度盘回转中心线和工作台面倾斜角，即齿根角或啮合斜角 (如图5.3)，以保证齿盘大端和小端的齿厚与齿槽宽度相等。由式(5.1)得 ，在图6的直角三角形中， ，则30zsin2yd，sin2dy在图7的直角三角形中， ，则 ，在图6.6的直角tan2DyHsin2tatDya三角形中， ，将 代入此式得2tanHd图5.6 前面啮合副面不意图（5.3）sin1802tacotsintDaz式(5.3)即为齿根角 的计算公式代入 ，则 ，60Da3180tansi2.3o5.3.5 最大齿距(周节)t 和最大齿厚 B齿厚沿着径向向中心逐渐缩小，在沿圆周展开方向上(如图5.7所示)，根据圆周计算公式，最大齿距(周节)t和最大齿厚B分别为图5.7 沿周向展开的齿面三角形(6.4)165/204.3tdzm(6.5)24.3B5.3.6 齿顶高 h 及啮合高度齿顶高就是啮合平面到齿顶的最大距离，在如图5.7所示的由齿廓展开图形成的直角三角形中，tan(a/2)=t/2H，而齿顶高h通常取三角形高度的1/2.5，即H=2.5h，得齿顶高h的计算公式为：4.321.5065tantaDhm上下端齿的啮合高度为2h=3.0mm。5.3.7 齿宽(径向)F因所有的端齿同时啮合，故一般不必通过增加齿形的径向宽度F(如图5.3)来增加强度，F一般根据经验选取，通常取F=2t3t，由于刀架在工作时要承受较大力矩，取F=15mm。5.3.8 齿底槽宽 b 和齿顶宽 b1为了保证齿盘工作时各个端齿能很好的啮合，常在齿底加工一定宽度和深度的槽，即齿底槽，并将齿顶做成一定宽度的小平面，如图5.8所示。齿底槽宽b常取 ,取b=0.85mm0.2/.165/20.8dzm图5.8 沿周向展开的齿面三角形6 电气控制部分设计6.1 自动控制系统设计图 6-1 自动回转刀架机电系统框图程序单片机 电动机 刀架霍尔元件图 6-1 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。6.2 单片机选型早期的经济型数控系统多采用功能简单的 Z80 单板机控制。近年来采用单片机为核心，做成专用的数控系统，下图所示为一种经济数控系统的硬件框图，用于普通车床的数控。图 6-2 中键盘用于手工输入零件的加工程序，显示器用于显示输入的指令和加工状态，8752 对加工程序进行指令识别和运算处理后，向锁存器 Y2、Y3 输出进给脉冲，经 X、Y 驱动模块伺服放大后，驱动 X 轴、Z 轴步进电动机，产生进给运动；8255 的 PB 口输出强电控制信号 M . S . T ，其中 M 为辅助功能，主要是主电动机、冷却电动机的启/停信号；S为主轴调速信号；T 为转刀架的转位换刀信号。图6-2经济型数控系统的硬件框图存储器扩展电路：存储器扩展电路如上图所示，EPPROM 用于存储程序，若单片机内部存储器容量不够可外扩。本设计采用 Inter 公司生产的 MCS-51 系列 8 位单片机 8752 作为微机芯片，利用外部地址锁存器 74LS373 连接外围 I/O 接口芯片 8255 驱动电机，同时需要对程序存储器（EPROM）扩展，可使用 Intel27512 芯片。其接线图如图 6-3 所示。图 6-3系统的存储器6.3 硬件电路的设计自动回转刀架的电气控制部分主要包括发信电路和收信电路两大块，如图6-4 所示。（1）发信电路 图a中，发信盘上的 6 只霍尔开关（型号为 UGN3120U），都有 3 个引脚，第 1 角接 +12V 电源，第 2 角接地，第 3 角刀位信号输出。刀架在正向旋转的过程中不停的对刀位输入信号进行检测，每把刀具各有一个霍尔位置检测开关，各刀具按顺序依次经过磁铁位置产生相应的刀位信号。当磁铁对准某一个霍尔开关时，其输出端第 3 角刀位信号输出为低电平；当刀具离开时，第 3 角输出为高电平。6 只霍尔开关输出的 6个刀位信号 T1T6分别送到图 b 的 6 只光电耦合芯片 TLP621-6进行处理，经过光电隔离的信号再送给 I/O 接口芯片 8255 的 PC0PC5。（2）收信电路 图c为固态继电器控制刀架电动机正反转电路，I/O接口芯片8255的PA6与PA7分别控制刀架电动机的正转与反转。该固态继电器采用双向可控硅输出，模块内设置有硬件互锁，输入回路与输出回路之间光电隔离,内置阻容吸收回路和压敏电阻保护,输入端-输出端之间隔离耐压2500V，输入控制电压为324V，其中D0、D1、D2端子为继电器控制信号输入，分别连接地线和8255的PA6和PA7脚。当在PA6脚输出高电平时，刀架电机正转；当在PA7脚输出高电平时，刀架电机反转；当PA6和PA7脚全部输出低电平时刀架电机停止旋转。a） b）c) d）图6-4 自动回转刀架电气原理图a) 发信盘上的霍尔元件 b) 刀位信号的处理c) 固态继电器控制电机 d) 继电器内部原理图6.4 硬件电路主要电子元件的工作原理6.4.1 霍尔元件的工作原理和特性 霍尔元件的工作原理：所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是 1879 年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差 UH 的基本关系为UH=RHIB/d （6.1）RH=1/nq（金属） （6.2）式中 RH霍尔系数；n载流子浓度或自由电子浓度；q电子电量；I通过的电流；B垂直于 I 的磁感应强度；d导体的厚度对于半导体和铁磁金属，霍尔系数表达式与式（6.2）不同。由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电