C6140车床数控化改装刀架

目录引言 .- 3 -1、总体结构设计 .- 4 -1.1 减速传动机构的设计 .- 4 -1.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计 .- 4 -1.3 刀架抬起机构的设计 .- 4 -1.4 自动回转刀架的工作原理 .- 4 -2.主要传动部件的设计 .- 6 -2.1 蜗杆副的设计计算 .- 6 -2.1.1 蜗杆的选型 .- 6 -2.1.2 蜗杆副的材料 .- 6 -2.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 .- 6 -2.1.4 蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸 .- 8 -2.1.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 .- 9 -2.2 螺杆的设计计算 .- 10 -2.2.1 螺距的确定 .- 10 -2.2.2 其它参数的确定 .- 10 -2.2.3 自锁性能校核 .- 10 -3.电气控制部分的设计 .- 11 -3.1 硬件电路设计 .- 11 -3.1.1 收信电路 .- 11 -3.1.2 发信电路 .- 11 -3.2 控制软件设计 .- 13 -4.总结 .- 17 -参考文献 .- 18 -引言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。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。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 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，采用“工序集中”的原则，采用自动回转刀架。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。 1、总体结构设计1.1 减速传动机构的设计 普通的三项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，采用蜗杆副减速时最佳选择。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。 1.2 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，其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。本设计上刀体的锁进玉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旋转；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。 1.3 刀架抬起机构的设计要想使上、下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计适合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-涡轮带动蜗杆绕中心轴转动时，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，上刀体就与螺杆一起转动。设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定的角度时，使得上刀梯与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。 自动回转刀架的传动机构示意图，详细的装配图在图纸上。 图 1.1 刀架结构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、螺杆副 9、反靠销 10、圆柱销 11、上盖圆盘 12、上刀体1.4 自动回转刀架的工作原理 自动回转刀架的换刀流程如下图。 图上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。 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 落在圆盘 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（上下端面齿在图中未画出） 。需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三项异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动蜗杆正向转动，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 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） 。 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。 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。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 的销空内，之后，上盖圆盘 1 是下表面开始与圆柱销 2 的头部滑动。再次期间，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，所以刀架可以稳定地工作。图 1.2 自动回转刀架的换刀流程图2.主要传动部件的设计2.1 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，刀架转位时蜗轮与上刀体直联。选择电动机额定功率 90W。额定转速 n1= 1500r/min，上刀体设计转速 n2 =30r/min，则蜗杆副的传动比 i =n1 / n2 =1500/30=50。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，启动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命 Lh =10000h。2.1.1 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） 。2.1.2 蜗杆副的材料 刀架中的蜗杆副传动的功率不大，但蜗杆转速高，因此，蜗杆的材料选用 45 钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为 4555HRC，以提高其表面耐磨性；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，采用金属模制造。2.1.3 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，进行载荷计算时，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a KT 2（Z EZP/ H） 21/3式中 a-蜗杆副的传动中心距，单位 mm；K-载荷系数；T 2 -作用在涡轮上的转矩 ，单位 N.mm；Z E-弹性影响系数，单位 MP 1/2Z p-接触系数； H-许用接触应力，单位为 MPa。从式中算出蜗杆副的中心距 a 之后，根据已知的传动比 i=50， 查表选择一个合适的中心距 a 值，以及相应的蜗杆，蜗轮参数。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。选择电动机额定功率 90W。额定转速 n1= 1500r/min，上刀体设计转速 n2 =30r/min，则蜗杆副的传动比 i =n1 / n2 =1500/30=50。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，启动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命 Lh =10000h。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） 。刀架中的蜗杆副传动的功率不大，但蜗杆转速高，因此，蜗杆的材料选用 45 钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为 4555HRC，以提高其表面耐磨性；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，采用金属模制造。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，进行载荷计算时，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a KT 2（Z EZP/ H） 21/3式中 a-蜗杆副的传动中心距，单位 mm；K-载荷系数；T 2 -作用在涡轮上的转矩 ，单位 N.mm；Z E-弹性影响系数，单位 MP 1/2Z p-接触系数； H-许用接触应力，单位为 MPa。从式中算出蜗杆副的中心距 a 之后，根据已知的传动比 i=50， 查表选择一个合适的中心距 a 值，以及相应的蜗杆，蜗轮参数。1） 确定作用在蜗轮上的转矩 T2蜗杆头数 Z1=1 ，蜗杆副的传动效率 =0.8，由电动机的额定功率 P 1= 90W， 可以算出蜗轮传动的功率 P 2 =P 1 ，再由蜗轮的转速 n 2=30r/min 求得作 用在蜗轮上的转矩 P2=P1，再由蜗轮转速 n2=30r/min，求得作用在蜗轮上的转矩：T=9.55P2/n2=9.55P1/n 2=9.55900.8/30Nm=22.92Nm=22920Nmm2） 确定作用在蜗轮上的转矩 T2蜗杆头数 Z1=1 ，蜗杆副的传动效率 =0.8，由电动机的额定功率 P 1= 90W， 可以算出蜗轮传动的功率 P 2 =P 1 ，再由蜗轮的转速 n 2=30r/min 求得作 用在蜗轮上的转矩 P2=P1，再由蜗轮转速 n2=30r/min，求得作用在蜗轮上的转矩：T=9.55P2/n2=9.55P1/n 2=9.55900.8/30Nm=22.92Nm=22920Nmm3） 确定载荷系数 K载荷系数 K=KAKK V其中 KA 为使用系数,查表得：由于工作载荷不均匀,启动时冲击较大，因此取 K A=1.15； K 为齿向分布系数，因工作载荷在启动和停止时有变化，故取 K=1；KV为动载系数，由于转数不高，冲击不大，故 KV=1.1；则载荷系数 K AKK V1.27 表 2.1 使用系数 KA4） 确定弹性影响系数 Z E铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查的弹性影响系 Z E= 160Mpa 1/2 5） 确定接触系数 Z P先假设蜗杆分度圆直径 d 1 和传动中心距 a 的比值 d 1/a=0.35。查图 2.1 ZP= 2.9 。6） 确定许用接触应力 H根据蜗轮材料为铸锡磷青铜 ZCuSn10P1， 金属模制造蜗杆螺旋齿面硬度大 45HRC， 可查表 2 的蜗轮的基本许用应力为 268MPa 已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数 j1；蜗轮转速为 30r/min；蜗杆副的使用寿命 Lh =10000h。 则应力循环次数： N=60j n2Lh=6013010000=1.8107寿命系数：K HN= =0.929 许用接触应力： H=KHN H87/10N=0.929268Mpa=249Mpa7）计算中心距 将以上各参数带入方程 a KT 2（Z EZP/ H） 21/3，求得中心距：查表 3 取 a=50mm，已知蜗杆头数 Z 1 =1，设模数 m=1.6mm，得蜗杆分度圆直 径 d 1 20mm。这时 d 1 /a=0.4，查表得接触系数 Z P =2.8。因为 Z P 50启动载荷 小 较大 大KA 1 1.15 1.2蜗杆螺旋面的硬度蜗轮材料 铸造方法 45HRC 45HRC砂模铸造 150 180铸锡磷青铜金属模铸造 220 268砂模铸造 113 135铸锡锌铅青铜金属模铸造 128 140表 2.2 铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力 H2.1.4 蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸 1）由蜗杆和涡轮的基本尺寸和主要参数 蜗杆的参数与尺寸 头数 Z 1=1，模数 m=1.6mm，分度圆直径 d1=20mm， 直径系数 q =d1/m=12.5，分度圆导程角 =arctan （Z 1 /q）=4 34 26取齿顶高系数 ha* =1，径向间隙系数 c*=0.2， 则齿顶圆直径 d= d1+2 ha *m=20+2 1 1.6=23.2mm， 齿根圆直径 d f 1 =d 1 -2m（ ha*+c*）=20-2 1.6（1+0.2）=16.16mm。2）蜗轮参数与尺寸取齿数 Z2 = 51，模数 m=1.6mm， 分度圆直径为 d 2= mZ 2 =81.6mm， 变位系数 X 2 =a-(d1+d2)/2/m=0.5， 蜗轮喉圆直径为 d a 2 =d 2 +2m（h a *+ x2）=86.4mm， 蜗轮齿根圆直径 d f 2= d 2 -2m（ha* -X 2 +c）=79.36mm ，蜗轮咽喉母圆半径 r g 2= a- d a2 /2 =6.8mm图 2.2 蜗轮的齿形系数 YFa22.1.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 检验下式是否成立： F= 1.53KT2 YFa 2Y B/d1 d 2 m f由蜗杆头数 Z 1= 1，传动比 i=50，可以计算出涡轮齿数 Z 2 =iZ 1 =50（51), 则蜗轮的当量齿数 ZV 2= Z2 cos3 r =51.5 ，根据涡轮变位系数 X 2= 1 和当量齿数 Z V 2 =51.5 查图 2：齿形系数 Y Fa 2 =2.1 螺旋角影响系数 Y B=1-/140=0.967 根据涡轮的材料和制造方法，查表 2.3 得涡轮基本许用弯曲应力： f=56MPa 涡轮的寿命系数：K FN= =0.72596/0N蜗轮的许用弯曲应力： f= fKFN =40.6 MPa 将数据带入得： F =37.92 故 P 4.24mm 今取螺杆的螺距 P=6mm。 2.2.2 其它参数的确定 采用单头梯形螺杆，头数 n=1，牙侧角 =15 ，外螺纹大径 d1 =50mm，牙顶间隙 ac =0.5mm，基本牙型高度 H 1 =0.5P3mm，外螺纹牙高 h3=H1+ac=3.5mm，外螺纹 中径 d 2 =47mm，外螺纹小径 d1= 43mm，螺杆螺纹部分长度 H=50mm。2.2.3 自锁性能校核 螺杆-螺母材料均用 45 钢，查表 2.4 取摩擦系数 f=0.11；再求得梯形螺旋副的当量摩擦角： v=arctan f/cos=6.5 而螺纹升角：arctan nP/d 2=2.33 小于当量摩擦角，因此满足自锁条件。螺杆螺母的材料 滑动速度/m min -1 许用压力/MPa 摩擦因数 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钢铜 低速 7.513 0.110.17表 2.4 滑动螺旋副材料的许用压力及摩擦因数3.电气控制部分的设计3.1 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 3.1.1 收信电路图 3.1a 中，发信盘上的 4 只霍尔开关，都有 3 个引脚，第 1 脚接 12V 电源，第 2 脚接 12V 地线，第 3 脚为 4 个刀位信号的输出。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。 只霍尔开关输出的 4 个刀位信号 T1T4 分别送到图 3.1a 的 4 只光耦 4 合进行处理，经过光电隔离的信号再送给 I/O 接口芯片 8225 的 PC4PC7。 3.1.2 发信电路图 3.1c 为刀架电动机正反转控制电路，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。其中 KA1 为正转继电器线圈，KA2 为反转继电器线圈。因刀架电动机功率只有 90w，所以图 3.1d 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，而不必用继电器接触器控制电路，以节省成本，减低故障，图 3.1c 中，正转继电器线圈 KA1 与反转继电器的一组常闭触电串联，而反转继电器的线圈 KA2 又与正转继电器的一组常闭触电串联，这样构成了正反转互锁电路，以防控制系统失控导致短路现象，当 KA1 或 KA2 的触电接通 380V 电压时，会产生较强的火花，并通过电网影响控制系统正常工作，为此，图 3.1d 中布置了 3 对 RC 阻容来灭弧，以抑制火花产生。图 3.1（a）图 3.1（b）图 3.1 （c）图 3.1（d）3.2 控制软件设计AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统 可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位 定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻 辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/ 计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。在清楚了前面的自动回转刀架的机械结构与电气控制电路后，就可以着手编制刀架自动转位的控制软件了。对于四工位自动回转刀架来说，最多装 4 把刀具，设计控制软件的任务就是选任意一把刀具，让其转到工作位置。图 3.2 电器接线图图 3.3 工作框图设控制系统的 CPU 为 AT89S52 单片机，扩展 8255 芯片作为自动回转刀架收信和发信控制，已知 8255 芯片的控制口地址为 2FFFH，基于 3.3 图，汇编程序清单如下：T01： MOV DPRT，#2FFEH ；指向 8255 的 PC 口MOVX A,DPTR ；读取 PC 口内容JNB ACC.4 TEND ；测试 PC4=0？若是，则说明 1#已工作位置，程序转到 TENDMOV DPTR,#2FFCH ；指向 8255 的 PA 口地址MOVX A，DPTR ；读取 PA 口锁存器内容CLR ACC.6 ；令 PA6=0，刀架电动机正转有效SETB ACC.7 ；令 PA7=1，刀架电动机反转无效MOVX DPTR,A ；刀架电动机开始正转CALL DE20MS ；延时 20msYT01： MOV DPTR,#2FFEH ；指向 8255 的 PC 口MOVX A,DPTR ；第二次读取 PC 口内容JB ACC.4，YT11 ；PC4=0？CALL DE20MS ；延时 20ms1. YT21： MOV DPTR,#2FFEH ；指向 8255 的 PC 口MOVX A,DPTR ；第三次读取 PC 口内容JB ACC.4，YT21 ；PC4=0？MOV DPTR,#2FFCH ；指向 PA 口MOVX A，DPTR ；读取 PA 口锁存器内容SETB ACC.6 ；PA6=1，刀架电动机正转无效SETB ACC.7 ；PA7=1，刀架电动机反转无效MOVX A，DPTR,A ；刀架电动机停转CALL DE150MS ；延时 150sCLR ACC.7 ；PA7=0 刀架电动机反转有效SETB ACC.6 ；PA6=1，刀架电动机正转无效MOVX DPTR，A ；刀架电动机开始反转CALL DELAY ；延时设定的反转锁紧时间SETB ACC.6 ；PA6=1，刀架电动机正转无效SETB ACC.7 ；PA7=1，刀架电动机反转无效MOVX DPTR，A ；刀架电动机停转TEND：RET ；换 1#刀结束4.总结通过短短几周的课程设计，我认为，在这段时间中，收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在这其中，我学会了