毕业设计（论文）-数控车床自动回转刀架机电系统设计

数控车床自动回转刀架机电系统设计摘 要全套图 纸加扣 3346389411或3012250582本次设计主要是将传统的回转刀架进行自动化升级，采用电动机带动刀架的工作来达到我们的设计要求。机械部分的主要工作原理是：电动机通过联轴器将动力传输到蜗杆，再由蜗轮蜗杆副的传动配合将动力传至螺杆，使得螺杆发生转动，以此带动上下刀体的分离，从而实现换刀的目的，换到结束后，通过电动机的正反转来控制螺杆的升降实现刀架的松开与锁紧。电气控制部分的原理是：在每把刀上安装有一个霍尔元件，与刀架的磁铁感应反馈来控制刀。电动机的正反转通过线圈控制，而控制正转的常闭触点与反转的线圈连接，相反控制反转的常闭触点与正转的线圈连接，以此达到互锁的目的，避免电机的损坏。此次改造以后的自动回转刀架具备有以下功能：自动转位换刀、自动松开、自动锁紧、精准定位等一系列功能。改进以后的回转刀架结构相对更简单，操作更简便。关键词：自动回转刀架，自动换刀，可编程控制MECHANICAL AND ELECTRICAL SYSTEM DESIGN OF CNC LATHE AUTOMATIC TURNING TOOL RESTABSTRACTThis design is mainly the traditional rotary tool holder automatic upgrade, using the motor drive tool holder work to meet our design requirements. Mechanical parts of the main working principle is: motor power transmission by coupling to the worm, again by the worm gear and worm pair would transmit the power to the screw, the screw rotation, drive up and down with the blade of the separation, so as to realize the purpose of the tool change, change to the end, through the motor is forward and reverse control to the realization of the rise and fall of the screw head to loosen and tighten.The principle of the electrical control part is that a hall element is installed on each knife, and the magnet of the knife holder is fed back to control the knife. The positive and negative rotation of the motor is controlled by the coil, and the normally closed contact controlling the forward rotation is connected with the reversed coil, while the normally closed contact controlling the reverse rotation is connected with the forward rotation coil, so as to achieve the purpose of interlocking and avoid the damage of the motor. After the transformation, the automatic rotary tool rest has the following functions: automatic rotation tool change, automatic release, automatic locking, precise positioning and a series of functions. The improved rotary tool rest structure is simpler and easier to operate.KEY WORDS:Automatic rotary tool rest,Automatic tool changer,Programmable control.目 录第一章 绪论11.1 自动回转刀架的设计研究背景11.2 自动回转刀架的市场分析21.3 设计自动回转刀架的意义2第二章 自动回转刀架总体设计42.1 总体设计方案的确定42.2 减速机传动机构的设计选用62.3 刀体锁紧以及精准定位机构的选型72.4 刀架抬起机构的选型7第三章 自动回转刀架的工作原理83.1自动回转刀架的工作原理83.2 蜗杆的选型103.3 蜗杆副的选型11第四章 主要传动部件的设计计算124.1 蜗杆副的设计计算124.2 螺杆的主要参数与几何尺寸的选用及计算164.3 蜗杆轴的设计计算17第五章 自动回转刀架的电气控制部分235.1 硬件电路的控制235.2 控制电路软件的设计26第六章 结论与展望36致谢37参考文献38V第1章 绪论1.1 自动回转刀架的设计研究背景经济型数控机床是我们国家80年代的科技产物。这种数控机床的适用性范围较广，价格相对合理，所以用它来加以改进，投资小、见效快、收益效果好。因此在我国的科技改进计划中，尤其是我国的“七五”、“八五”重点推出的科技改进重要指标之一。随着科技的不断进步发展，十几年来，经济型数控机床的改进也伴随着科技的进步不断加以改进升级，数控型产品也在不断优化改进且技术日趋完善。并且取得了阶段性进展，从而使得新型的经济型数控机床功能更加完善，可靠性更加稳定，功率不断增大，结构操作简单，维修更加方便快捷。由于自动回转刀架技术的不断发展，在很大程度上为经济型数控技术的改进增添了活力。依照我国不断发展的国情以及机械行业的优化改进，数控化改进技术在此后很长一段时间依旧是许多老旧机床的数控化改造所依靠的技术，80年代的许多数控机床由于种种原因闲置的较多，存在较大的资源浪费，而目前在使用的许多设备工龄都很大了，濒临淘汰的边缘。因此急需要加以改进优化，使得在淘汰的边缘发挥它的余热，为机械行业的经济效益提供一些贡献。数控机床技术改造为了使得我们在一次装夹以后实现多道程序的加工，以此来节省时间，提高加工效率，从而避免了反复装夹所带来的装夹误差，所以自动回转刀架的改进优化必不可少。随着数控技术的不断发展，自动回转刀架的设计改进也开始向精准快速换刀、电液组合驱动方式和伺服驱动等方自动化向发展。目前国内的许多自动回转刀架都是电机驱动工作的，而且自动回转刀架的安装方式也存在不同，适用性也有差别，机床的类型决定了刀架的安装方式。安装方式大致有俩种，分别为立式和卧式。而立式刀架主要有四工位、六工位两种形式，主要适用于一些简易数控车床；而卧式刀架主要有八工位、十工位、十二工位等，可正方向旋转和反方向旋转，就近选刀、换刀，以用于改进全功能数控车床。依据机械定位方式的不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等。其中端齿盘定位型在换刀时，需要先将刀架的抬起，换刀速度比较慢而且密封性比较差，但是它的结构相对简单点。三齿盘定位型又称为免抬型换刀，它的特点是换刀时刀架无需抬起，因此换刀速度较快而且密封性高，但其结构也相对比较复杂。此外卧式刀架还包括有液动刀架和伺服驱动刀架。1.2 自动回转刀架的市场分析国产数控机床的发展在今后一段时间将逐步转向中高档方向，中档发展将采用普及型数控刀架配套系统装置，而高档发展将采用动力型刀架系统装置，兼备有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等许多刀架品种，近年来需求量可高达一到两万多台。数控回转刀架的自动化改造是高、中、低档数控机床必备的机械部分之一。同时自动回转刀架也是数控机床的故障多发点，因此自动回转刀架的设计要求简便，便于维修，也要实用，这将直接影响到机床的性能和可靠性，以及加工效率。这便要求我们设计的自动回转刀架具有以下的特点：转位迅速，重复定位精度高，切向扭矩大等优点。它的设计原理会采用蜗轮蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆松开夹紧等工作，从而达到我们的设计目的。1.3 设计自动回转刀架的意义自动回转刀架是数控车床的最要组成部分，因此采用合理的设计方案，不仅能够提高工作效率，还能大大节省时间。减小误差，提高加工精度等许多的优点。此外，采用数控机床自动回转刀架使得加工的工艺适应性以及连续稳定的工作能力也有了很大的提升。尤其是在加工几何形状较为复杂的工艺零件时，除了软件控制系统能提供相应的控制指令外，更为重要的一点是：数控车床还需要配备有易于控制的自动回转刀架，以便实现一次装夹加工所需的所有刀具，从而快速、准确、灵活、高效地完成各种几何形状的加工工艺。我们设计的自动回转刀架需要具备有良好的刚性以及韧性，以此来满足加工时的切削力，否则设计出来的刀架不满足设计及要求，那么在加工过程中很容易造成刀具的损坏。为保证设计出来的刀架在转位以后仍具有准确的定位精度，我们需要用霍尔元件来判断，以及利用蜗轮蜗杆的转换和螺杆的锁紧等来保证加工以及定位的准确性，以此来实现我们的加工需求。在我们设计的宗旨上，我们要求设计出来的自动回转刀架在换刀的过程中，要做到时间尽可能短，重复定位精度高，还要有能够存储足够量的刀具以及加工安全性等要求。不同的机床它的刀具安装以及设计要求也存在很大的不同。这主要取决于机床的类型号、工艺范围及刀具的数量和种类等等。例如在传统的车床像CA6140，这类型的车床，每次只能装夹一把刀，而且每把刀在加工作业完成后需要换刀，换刀以后还需要重新对刀，浪费时间，而且加工以及定位精度不能保证。因此不能很好的适用于现代化生产的需求，因此对这类型的车床的数控化改造势在必行。第2章 自动回转刀架总体设计普通的机床在加工零件的时候，把大量的时间都浪费在工件的搬用、装夹、道具的对刀、测量等非切削时间，而真正的用于工件的加工切削时间仅仅占据了很少的一部分，在整个工时中占据很小一部分。浪费时间不说，加工效率也得不到有效的提升，因此为了缩短加工时间，做到“工序集中”的原则，我们设计的自动回转刀架就是为了解决这一问题，从而提高加工效率。2.1 总体设计方案的确定2.1.1自动回转刀架的形式一般情况下，回转刀架的换刀动作包括：刀架抬起、刀架转位以及刀架压紧等动作。回转刀架按其工作原理分为以下几种类型，如图2-1所示。图2.1 自动回转刀架的形式以及工作原理图图2.1（a） 所示为螺母升降自动转位换刀刀架，电动机经联轴器的配合将运动传至蜗轮副，带动螺母的旋转，螺母带动刀架使得上下齿盘的啮合出现抬升锁紧，实现换刀的过程。刀架换刀完成后，螺母接收到信号，然后反转将刀架锁紧，至此换刀完成。图2.1（b） 所示为利用十字槽轮来实现刀架的转位以及锁紧（还需要加定位销），销钉每次转过一周，刀架便实现一次换刀转位过程（我们设计的为四工位换刀刀架）。图2.1（c） 所示为棘轮棘爪自动换位刀架，它的工作原理跟螺母自动升降换刀刀架类似，在蜗轮蜗杆副的带动下，凸轮台相对于上凸轮台发生转动，使其上、下端齿盘分离开来，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反馈发出一个电动机反转信号，重新将刀架锁紧。凸台棘爪式自动回转刀架的重复定位精度相对较低。图2.1（d） 所示为电磁式自动换刀刀架，它利用电磁的吸力使得刀架定位锁紧，实现刀架的自动换刀。目前我国已有这类型的刀架在使用，值得一提的是，此类型刀架换刀还需要一套电路，来实现刀架的断电保护，以免发生意外。图2.1（e） 所示为液压系统控制式换刀刀架，它的工作原理是利用摆动阀芯在液压缸内的摆动来实现换刀过程，图示有摆动阀芯，拨爪，液压缸等部件组成。但是液压系统有利也有弊。这种刀架的特点是：转位可靠，拉紧力可再加大，但其缺点是：液压件制造困难，气密性也有待保证，此外还需多一套液压系统，那么因此将会有液压油泄漏及发热等一系列问题存在。经过对几种类型的回转刀架工作原理以及工作形式的对比，我们此次设计采用图2.1（a）类型的螺母升降自动转位换刀刀架，电动机经联轴器的配合将运动传至蜗轮副，带动螺母的旋转，螺母带动刀架使得上下齿盘的啮合出现抬升锁紧，实现换刀的过程。刀架换刀完成后，螺母接收到信号，然后反转将刀架锁紧，至此换刀完成。还能保证重复定位精度。电动机初选方案简图，图2.2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。2.2 减速机传动机构的设计选用在本次设计中，经过对步进电机以及三相异步电机的优缺点加以对比，以及对我们设计刀架的匹配度以及设计的合理性等进行了一系列的对比，最后选定用三相异步电动机最为此次的回转刀架的改进动力装置。三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动，而产生感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，节省材料。而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，必须经过适当的减速。因此采用蜗轮蜗杆副进行适当的减速以此来满足我们的设计要求。蜗轮蜗杆传动副的特点：.传动平稳。.具有自锁性能。.传动比大。因此，选用蜗杆副传动既可以改变运动的方向，获得较大的传动比，还能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。使得刀架在是有过程中更加轻便，方便工件在机床上的加工作业。2.3 刀体锁紧以及精准定位机构的选型在我们本次设计中，刀具安装在上刀体部分，所以上刀体在切削加工工件的时候要承受很大的切削力，因此，锁紧装置以及定位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，上下端面齿相互咬合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；换刀时电动机正传，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。2.4 刀架抬起机构的选型要想使得上下刀体脱离从而实现转位，我们需要设计以及选用合理的抬起机构。在本设计中我们选用螺杆-螺母副作为刀架的抬起机构，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆-蜗轮副传动机构，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咬合，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。当端面齿完全脱离咬合时，上刀体就与螺杆一同转动，从而即可实现转位换刀。第3章 自动回转刀架的工作原理3.1自动回转刀架的工作原理自动刀架的换刀流程图，见图3.1。图3.1 自动回转刀架换刀流程图在换刀的过程中，需要销的配合，因此选用合适的销的位置也至关重要。以下是常见的几种换刀过程中销的摆放位置。见图3.2。图3.2 自动回转刀架再换刀的过程中销的位置图3.2为销的位置放置图。其中上部分的2圆柱销以及下部分的6反靠销起着至关重要的作用。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的端面齿和下刀体的端面齿处于咬合状态。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，与蜗杆配合的上刀体4逐渐抬起，上刀体4与下刀体之间的端面齿慢慢脱开，于此同时，上盖圆盘1也随着螺杆正向转动(上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆连接)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（此时端面齿已经完全脱开）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。在此期间，上、下刀体的端面齿逐渐咬合，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。3.2 蜗杆的选型在GB/T100851988中推荐采用渐开线蜗杆（Z1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(Z1型)。在机械设计中，越是简单的结构越稳定。在考虑稳定性以及小型化的因素上所以采用渐开线型圆柱蜗杆。见下图3.3。图3.3 渐开线型圆柱蜗杆渐开线型圆柱蜗杆，这种蜗杆的端面齿廓位渐开线，所以相当于一个少数、大螺旋角的渐开线圆柱斜齿轮，ZI螺杆可用两把直线刀刃的车刀在车床上车削。3.3 蜗杆副的选型蜗杆一般是用碳钢或合金钢制成。高速重载蜗杆常用15Cr或20Cr，并经渗碳淬火；也有用40、45号钢或40Cr并经淬火。这样可以提高表面硬度，增加耐磨性。通常要求蜗杆淬火后的硬度为4055HRC，经氮化处理后的硬度为5562HRC。一般不太重要的低速中载的蜗杆，可采用40或45号钢，并经调质处理，其硬度为220300HBS。常用的蜗轮材料为铸造锡青铜（ZCuSn10P1，ZCuSn5Pb5Zn5）、铸造铝铁青铜（ZcuAl10Fe3）及灰铸铁（HT150、HT200）等。锡青铜耐磨性最好，但价格较高，用滑动速度v3m/s的重要传动；铝铁青铜的耐磨性较锡青铜差一些，但价格便宜，一般用于滑动速度v 4m/s的传动；如果滑动速度不高(2m/s），对效率要求也不高时，可采用灰铸铁。为了防止变形，常对蜗轮进行时效处理。在我们本次设计中，要求电机功率为90W，额定转速1440r/min,要求换刀时的刀架转动速度为30r/min。传动比因此可知为：。刀架中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此蜗杆的材料选择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。第4章 主要传动部件的设计计算4.1 蜗杆副的设计计算根据我们本次设计的设计任务书可知，由于刀架转动所需的功率较小，所以选取额定功率为，额定转速=1440r/min的电动机 ,上刀体设计转速=30r/min，则蜗杆副的传动比。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。4.1.1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蜗杆副的选型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；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计算刀架中的蜗轮副主要采用的是闭式传动，大多因齿面胶合或点蚀而发生失效。因此在计算的时候要先按齿面计算，然后在用齿根的疲劳极限强度来校核。按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为： 。其中：a为蜗杆副的传动中心距，单位为mm； K为载荷系数； 为作用在蜗轮上的转矩，单位N.mm；为弹性影响系数，单位为MPa； 为接触系数； 为许用接触应力，单位为MPa； 由上式可得知蜗杆副的传动中心距a，根据传动比i=48，可以对比选用合适的中心距以及蜗轮蜗杆的具体参数。1 确定作用在蜗轮上的转矩设蜗杆头数=1，蜗杆副的传动效率取=0.8。由电动机的额定功率 =90W，可以算出蜗轮传递的功率，再由蜗轮的转速=30r/min，求得作用在蜗轮上的转矩：。2 确定载荷系数载荷系数。其中：为使用系数，由于工作载荷分布步均匀，启动时冲击较大，因此取=1.15；为齿向载荷分布系数，因工作载荷在启动和停止时有变化，故取=1.15；为动载系数，由于转速不高，冲击不大，可取=1.05，则载荷系数：。3 确定弹性影响系数铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从参考文献设计手册上，查得弹性影响系数： =160MPa。4 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=0.35，由参考文献的设计手册上查得系数=2.9。5 确定许用接触力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，从参考文献设计手册上查,查得蜗轮的基本许用力=268MPa，已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿咬合的次数j=1；蜗轮转速=30r/min；蜗杆副的使用寿命=10000h。则应力循环次数：N=60j=1.8寿命系数： KHN=0.929许用接触应力：=KHN=249MPa计算中心距将以上各参数代入式 :求得中心距：=48mm查参考文献得知，取中心距a=50mm，已知蜗杆头数=1，设模数m=1.6mm，得直径=20mm，这时=0.4，由参考文献设计手册，可得接触系数=2.74。因为，所以上述计算结构可用。4.1.4蜗轮蜗杆的主要参数以及尺寸计算蜗杆参数以及齿数头数，模数m=1.6mm,轴向尺距，轴向齿厚，分度圆直径，直径系数，分度圆导程角。蜗轮参数以及齿数齿数，模数m=1.6mm,分度圆直径mm，变位系数，蜗杆喉圆直径为，涡轮齿根圆直径。蜗轮蜗杆齿根弯曲疲劳强度的校核校验下列公式是否成立即可： 上式中：为蜗轮齿根弯曲应力，单位为MPa；为蜗轮齿形系数； 为螺旋角影响系数；为蜗轮的许用弯曲应力，单位为MPa。由蜗杆头数=1，传动比i=48，可以算出蜗轮齿数。则蜗轮的当量齿数：。根据涡轮的变位系数：和当量齿数：，得齿形系数：。旋转角影响系数：;根据蜗轮的材料和制造方法，由参考文献设计手册查询，可得蜗轮基本许用弯曲应力：56MPa;蜗轮的寿命系数：;蜗轮的许用弯曲应力：；将以上参数代入式中：；得蜗轮齿根弯曲应力:MPa;可见，蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。4.2 螺杆的主要参数与几何尺寸的选用及计算4.2.1螺杆的参数以及计算1 螺距的确定刀架转位时，要求蜗杆在转到约170的情况下，上刀体的端面齿与下刀体的端面齿完全分离开来；在锁紧的时候，要求上下端面齿的咬合深度达2mm。因此，螺杆的螺距P应满足P170/3602mm，即P4.24mm。现取螺杆的螺距P=8mm。2 螺杆的其他参数的确定采用单头梯形螺杆，头数n=1，牙侧角，外螺纹大径=50mm，牙顶间隙=0.5mm，基本牙形高度=0.5P=3mm，外螺纹牙高=3.5mm，外螺纹中经=46mm，外螺纹小径=42mm，螺杆螺纹部分长度H=50mm。3 自锁性能的校核螺杆螺母的材料都选用45钢，由参考文献的设计手册查询可知，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约为6.5，而螺纹升角约为2.33，小于当量摩擦角。因此，所选几何参数满足自锁条件。4.3 蜗杆轴的设计计算4.3.1 蜗杆轴的选用考虑轴主要传递蜗轮的转矩，为普通用途中小功率减速传动装置。选择轴的材料为45钢，经调质处理。由参考文献设计手册查询可得：=640Mpa， =355Mpa，=275Mpa，=155Mpa，=60Mpa。4.3.2 根据扭转强度来估算轴的直径轴的扭转强度条件为: 式中 ：为扭转切应力，MPa； T为轴所受的扭矩，NM； 为轴的抗扭截面系数； n为轴的转速，r/min； P为轴传递的功率，kW； D为计算截面处轴的直径，mm；为许用扭转切应力，MPa。由式，可得轴的直径当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱。对于直径d100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大5%7%。由参考文献以及设计手册查得：=112，代入式中，取=6.1345mm，同时查表得到所用电动机输出轴直径为9mm，所以在空间充裕的情况下取输入轴最小直径为9mm，伸出长度为50mm。4.3.3 确定各段轴的轴径以及尺寸根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及直径和长度。初步确定蜗杆轴如图4.1所示：图4.1 蜗杆轴=同一轴上的轴承选用同一型号，以便于轴承座孔的镗制和减少轴承类型。段轴上有一个键槽，故槽径增大5%。=(1+5%) =6.44 mm，圆整=12 mm。所选轴承类型为深沟球轴承，型号为6301。B=12mm，D=37mm。段起固定作用，取18rnm。段为蜗杆与蜗轮啮合部分，故=23.2mm。=18mm，便于加工和安装。 段为与轴承配合的轴段，查轴承宽度为12mm，则=12mm。段尺寸长度与刀架体的设计有关，蜗杆端面到刀架端面距离为67rnm。端盖宽度为10mm，故=45rnm。段为蜗杆部分长度，当=12时，=1，26.88rnm，圆整取为30mm。=45mm。段长度为12rnm，轴的总长为164rnm。4.3.4 蜗杆轴的校核计算轴上的作用力蜗杆：；。计算支座反力垂直面支反力：A，B两点分为左，右深沟球轴承中心。C点为蜗杆中心。设A点到C点距离为，C点到B点距离为。两轴承间距离a=152mm,以蜗杆副为中心对称分布，所以。图4.2 轴的载荷分布(a）受力简图 （b）（XY）平面弯矩图 （c）（XZ）平面弯矩图 （d）合成弯矩图 （e）转矩图 （f）当量弯矩图由支点B的力矩为：，可得：。 方向向上；同理：由支点A的力矩为：,可得：， 方向向上。由轴的合力校核：,校核：计算无误。水平支反力：由绕支点B的力矩得： 方向向上。同理可得：得： 方向向上。轴上的合力校核：计算无误。A点支反总力：A点支反总力为。B点支反总力：B点支反总力为。垂直而内的弯矩图，如图（b）。C处的弯矩：，。水平面内的弯矩图，如图（c）。C处的弯矩：。合成弯矩图，如图（d）。C处：，。转矩图，如图（e）。当量弯矩图，如图（f）。因为我们设计的轴的运动为单向回转轴，因此扭转切应力应为脉动循环变应力，所以当量系数为：，。C处：，。1. 弯扭合成强度校核进行强度校核时，通常意义上我们只校核轴上轴上承受最大弯矩和转矩的危险截面的强度即可。因此用下列公式进行强度校核：。根据我们选定的轴的材料为45钢（调质处理），由参考文献的设计指导手册查得：，因为，所以强度足够，满足我们的设计需求。2. 安全系数疲劳强度校核在一般的减速器的转轴设计中，我们仅需要试用弯扭合成强度的校验即可，而在我们的此次设计中，出于对我们设计合理性以及实用性的考虑，我们对转轴的安全系数疲劳强度进行了校核。3. 危险截面的校核对照弯矩图、扭矩图的结构图，我们可以从强度、应力集中等方面分析，得到危险截面所在。因此需要对危险截面进行强度校核。4. 轴材料的性能校核由于选定的轴的材料为45钢，调质处理后由设计参考手册查询得知：，取，危险截面上的应力：，弯曲应力幅：，扭转切向应力幅为：，平均切应力为：，影响危险截面的系数，由差值法求出：，取。轴按摹效加工来计算为，求出表面质量系数：，因此得，综合影响系数：，。5. 疲劳强度的校核在危险截面的安全系数为：；因此，取许用安全系数：S=1.8，则有S，因此危险截面的强度足够，可以使用。4.3.5 蜗杆轴的轴承选用由参考文献以及设计手册查询可得：12mm内径的推力球轴承，它的型号为：6301。它的基本尺寸为：；;它的安装尺寸为：；。它的基本额定载荷为：；。润滑方式：选用脂润滑。第5章 自动回转刀架的电气控制部分自动回转刀架的控制部分主要取决于电气部分的控制。电气控制又可分为：1.硬件电路控制部分，2.软件程序控制部分。5.1 硬件电路的控制自动回转刀架的电气控制部分主要包括俩大块的控制：发信控制部分和接收控制部分。如图5.1所示。在本次的设计改进中，我们选择了霍尔元件作为我们的传感器部件。霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器。霍尔效应：是指磁场作用于有导流流过的金属导体或半导体有载流流过时，会产生一种横向电位差的物理现象。1879年由美国科学家霍尔发现这一现象，因此为了纪念霍尔对物理学上所做出的巨大贡献，所以把这种现象定义为霍尔效应。当有电流流过金属箔片时，若在垂直电流流过的方向上加上一个磁场，那么金属箔片的两侧面会出现一个横向电位差。科学家为了研究霍尔效应是否也适用于其他的半导体元件，就做了许多试验，结果发现，霍尔效应在半导体的效果要比在金属箔片上的效果更明显。同样科学家还发现，铁磁金属在居里温度以下，将呈现出更强的霍尔效应。因此，霍尔元件就是利用霍尔效应设计而成的一种传感器元件，从而更大范围的加以利用。霍尔元件U的基本关系：其中：n为单位体积内自由电子的个数或宰柳子的个数;q为电子所带的电量;I为通过导体截面的的电流；B为垂直于电流方向的磁感线强度；d为导体的厚度。由于通电导线的周围会产生感应磁场，而感应磁场的大小与导线中流过的电流大小成正比的关系，因此就可以用霍尔元件来测得感应磁场的大小，从而就可以知道通电导线中流过的电流的大小了。利用这一原理设计成的霍尔元件电流传感器，它的优点是不与被测电路发生电的接触即可测得电流的大小，不影响被测量的电路的电源功率，不影响被测电路，特别适用于大电流传感的测量。若把霍尔元件放置在电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中测量，那么该元件中将会产生一个电流，电流大小为I，同时，原件上产生的霍尔电势差与电场强度E成正比。如果在测出该磁场中的磁场强度，则电磁场中的功率密度瞬时值P，则由公式确定。利用这种方法可以将霍尔元件制成霍尔功率传感器。如果把霍尔元件集成的开关有规律的布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它的时候，我们便可以从测量信号上测得它的脉冲信号。根据脉冲信号列我们就可以测量出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则我们可以确定其运动速度。霍尔元件就是应用霍尔效应的半导体制作而成的。（a）发信盘上的霍尔元件（b）刀位信号的处理（c）刀架电动机正反转的控制（d）刀架电动机正反转的实现图5.1 自动回转刀架的电气原理图.发信电路在上图5.1中的（a）中，我们可以看到四工位的回转刀架上面，每把刀都安装有一个相同型号的霍尔元件，每一个霍尔元件都有三个引脚，第一脚接12V电源正极，第二脚接12V电源地线，第三脚接输出。在转位时，刀体带动磁铁旋转，当磁铁对准某一个霍尔元件时，其输出端第三脚将输出为低电平信号；当磁铁离开时，第三脚则输出为高电平。四个霍尔元件分别对应四把刀位信号，四个霍尔元件开关输出的信号分别送至图（b）的光耦合器，进行信号处理。经过光电隔离的信号在送至接口芯片的8255的引脚。.收信电路在上图5.1中的（c）为自动回转刀架的电动机正反转控制部分，接口芯片的8255的引脚与分别控制电动机的正转和反转。其中，为正转继电器的线圈，为反转继电器的线圈。而我们设计要求的刀架电动机的功率为,因此在图5.1中的（d）中，刀架电机与正常电压的接通可以直接用大功率直流继电器，而不必采用继电器接触电路，这样既节省了成本，也避免了故障的多发生点。在上图（c）中，正转继电器的线圈与反转继电器的一组常闭触点串联；而反转继电器的线圈又与正转继电器的一组常闭触点串联，这样就构成了电路正转与反转的互锁结构，这样可以有效防止系统失控时，导致电路的短路现象发生。当与触电接通电压时，将会产生较强的火花，并通过电网来影响控制电路的正常工作。为此，在上图（d）中布置了三对阻容用来灭弧，以此来抑制火花的产生，从而保证电路的正常运行。5.2 控制电路软件的设计在弄清楚了自动回转刀架的机械结构设计以及电气原理设计部分。接下来，我们要做的就是编写控制电路的软件控制部分。对于我们设计的四工位换刀刀架而言，它只能安装四把刀，我们本次设计的任务就是，选中其中的任意一把刀，让其回转到其工作位置上。图5.2表示让1#刀转位到其工作位置的程序流程图，其余刀（2#4#）的转位与1#刀相似。图5.2 1#刀转位到工作位置的流程图5.2.1 单片机以及引脚说明单片机，它是一种8位高性能单片机。属于标准的系列的单片机类型，是的产品，它结合了的运行高速、高密度技术以及的低能耗特征。是标准的系列单片机的体系结构和指令系统。内置中央处理单元，具有128字节的内部数据存储器,32个双向输入输出接口（），2个16位的和5个两级中断结构，一个全双工串行通信接口，片内时钟振荡电路等。但是内部并无程序存储器，因此需要外接。 此外，还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下，冻结CPU而定时器、串行口和中断系统维持其功能。相反在掉电模式下，保存数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。有和两种封装形式。芯片具有40根引脚，其引脚如下图5.3所示。图5.3 80C31单片机引脚8031的40根引脚，按其功能可大致分为三类： 电源线2根。 ：主要用于编程和正常操作时的电源电压，接+5V。：主要用于电源接地作用。晶振线2个。：振荡器的反相放大器输入端口。使用外部振荡器必须要接地。：振荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入端接口。当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。接口端，共计32个。有p0、p1、p2、p3四个8位接口。其功能如下：(AD0AD7)：是端口O的引脚，端口O是一个8位漏极开路的具有双向功能的端口。在存取外部存储器时，该端口分时作用于低8位的地址线和8位双向的数据端口。（在此时内部上拉电阻有效） 。均为端口1的引脚，是一个带内部上拉电阻的8位双向通道，专供用户使用。 。均为端口2的引脚，端口2是一个带内部上拉电阻的8位双向口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址。均为端口3的引脚，端口3是一个带内部上拉电阻的8位双向端口，该口的每一位均可独立地定义第一接口功能或第二接口功能。作为第一功能使用时，口的结构与操作与口完全相同，第二功能如下所示： （串行输入口）（串行输出口） （外部中断） （外部中断） （定时器0外部输入） （定时器1外部输入） （外部数据存储器写选通）5.2.2 静态存储器6264的特性6264是一种的静态存储器，它的内部组成主要包括的存储器矩阵、地址译码器以及数据输入输出控制逻辑电路。地址线有13位，其中用于行地址译码，和用于列地址译码。在存储器读取存储周期内，选中单元的8位数据经列控制电路输出；在存储器写周期，外部8位数据经输入数据控制电路和列控制电路，写入到所选中的单元中。6264共有28个引脚，采用双列直插式结构，使用单一的电源。其引脚功能如下： （address inputs）：地址线，可寻址8KB的存储空间。 （data bus）：数据线，双向，三态。 （output enable）：读出允许信号，输入，低电平有效。 （write enable）：写允许信号，输入，低电平有效。 （chip enable）：片选信号1，输入，在读/写方式时为低电平。 （chip enable）：片选信号2，输入，在读/写方式时为高电平。 ： +5V工作电压。 ： 信号地。其操作方式由， ，共同作用决定：写入：当和为低电平，且和为高电平时，数据输入缓冲器打开，数据由数据线D7D0写入被选中的存储单元。 读出：当和为低电平，且和为高电平时，数据输出缓冲器选通，被选中单元的数据送到数据线D7D0上。 保持：当为高电平，为任意时，芯片未被选中，处于保持状态，数据线呈现高阻状态。5.2.3 只读存储器的特性是字节的紫外线镲除、电可编程只读存储器，单一的供电，工作电流为，维持电流为，读出时间最大为，28脚双列直插式封装。各引脚的含义为：13根地址输入线。用于寻址片内的8K个存储单元。：8根双向数据线，正常工作时为数据输出线。编程时为数据输入线。：输出允许信号。低电平有效。当该信号为0时，芯片中的数据可由D0D7端输出。：选片信号。低电平有效。当该信号为0时表示选中此芯片。：编程脉冲输入端。对编程时，在该端加上编程脉冲。读操作时该信号为1。:编程电压输入端。编程时应在该端加上编程高电压，不同的芯片对的值要求的不一样，可以是，等。说明：的一个重要优点是可以擦除重写，而且允许擦除的次数超过上万次。一片新的或擦除干净芯片，其每一个存储单元的内容都是。要对一个使用过的进行编程，则首先应将其放到专门的擦除器上进行擦除操作。擦除器利用紫外线光照射的窗口，一般经过即可擦除干净。擦除完毕后可读一下的每个单元，若其内容均为，就认为擦除干净了。5.2.4 可编程并行接口芯片的特性是一个并行输入/输出的芯片，多功能的器件，可作为总线与外围的接口。具有24个可编程设置的口，即使3组8位的口为口，口和口。它们又可分为两组12位的口，A组包括A口及C口(高4位，)，B组包括B口及C口(低4位，)。A组可设置为基本的口，闪控(STROBE)的闪控式，双向3种模式；B组只能设置为基本或闪控式两种模式，而这些操作模式完全由控制寄存器的控制字决定。 引脚功能：复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有口均被置成输入方式。 ：芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时，即时，表示芯片被选中，允许与进行通讯；时，无法与做数据传输。 ：读信号线，当这个输入引脚为低跳变延时，即产生一个低脉冲且时，允许8255通过数据总线向发送数据或状态信息，即从读取信息或数据。：写入信号，当这个输入引脚为低跳变延时，即产生一个低脉冲且时，允许将数据或控制字写入。 ：三态双向数据总线，与数据传送的通道，当执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。具有3个相互独立的输入/输出通道端口，用单电源供电，能在以下三种方式下工作。方式0基本输入输出方式；方式1选通输入/出方式；方式2双向选通输入/输出方式；:端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入锁存器。工作于三种方式中的任何一种。:端口B输入输出线，一个8位的锁存器，一个8位的输入输出缓冲器,不能工作于方式二。:端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。不能工作于方式一或二。、：地址选择线，用来选择的口、口、口和控制寄存器。当时，口被选择；当时，口被选择；当时，口被选择；当时，控制寄存器被选择。已知芯片的控制口地址为，则基于流程图的汇编程序清单如下： :指向8255的口 :读取口的内容 :测试若是，则说明1#刀已经在工作位置上，程序转到 :指向8255的口地址 :读取口锁存器的内容 :令，刀架电动机正转有效 :令,刀架电动机无效 ， :刀架电动机开始正转 :延时20ms :指向8255的口 ， ：第二次读取口内容 : :延时20ms: , ：指向8255的口 :第三次读取口内容 : :指向口 :读取口锁存器内容 :令,刀架电动机正转无效 :令,刀架电动机反转无效, ：刀架电动机停转 :延时150ms :令，刀架电动机反转无效 :令，刀架电动机正转无效,:刀架电动机开始反转 :延时设定的反转锁紧时间 :令，刀架电动机正转无效 :令，刀架电动机反转无效 ：刀架电动机停转 :换1#刀结束第6章