数控车床自动回转刀架机电系统设计(含CAD图纸)

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1、摘要自动回转刀架是数控机床的重要组成部分，它有效地提高了劳动生产率，缩短了生产准备时间，消除人工误差提高加工精度和加工精度的一致性等。但是传统的普通车床换刀的速度慢、精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要。所以为了提高生产率、改善产品质量以及改善劳动条件必须对自动回转刀架进行改进。本文对数控车床自动回转刀架的机电系统的相关内容进行分析，研究数控车床刀架的组成和工作原理，对普通机床的换刀装置进行改进，使该装置具有自动松开、转位、精密定位等功能。此次主要完成自动回转刀架的机械部分和电气部分的设计。机械部分为对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。设计的数控

2、换刀装置功能更强，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，结构简单。关键词 : 自动回转刀架，换刀装置，机电系统，电气控制Design of automatic turret mechanical and electrical system ofCNC lathesAbstractThe automatic turret is an important part of CNC lathe. It improved labor productivity and shorten the production time, eliminate huma

3、n error, the improvement of the machining accuracy and consistency of precision. Though conventional ordinary lathe tool change slowly, low accuracy, low productivity. It cannot adapt to the needs of modern production. Therefore, we must be improved the automatic turret in order to increase producti

4、vity, improve product quality and improve working.This rotary tool holder for CNC lathe electrical and mechanical systems related content study, study the composition and working principle of CNC lathes turret and improve the tool changerthe of general machine tools, so that the device has an automa

5、tic release, transfer, precision positioning and other functions. This time we should completion of the design of automatic turret s the mechanical parts and electrical parts. Mechanical part is composed of various mechanical calculation and selection of parts, electrical parts is preparation of the

6、 turret automatically transfer of the control software, automatic indexing turret. Design of more powerful CNC tool changer, tool changer quickly through the automatic positioning tool can improve the efficiency of CNC lathes and shorten the processing time; while its reliability is more stable, the

7、 structure is simpler.Keywords:Automatic turret Tool changer Electro-Mechanical SystemsElectrical control1 绪 论 11.1 自动回转刀架的设计背景 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 22 自动回转刀架总体设计 32.1 总体方案的确定 32.2 减速机传动机构的确定 42.3 刀体锁紧与精定位机构的确定 52.4 抬起机构的确定 53 自动回转刀架机械部分设计 63.1 自动回转刀架的工作原理 63.2 蜗轮及蜗杆的设计及校核 83.2.1 蜗杆的选型

8、83.2.2 蜗杆副的材料 103.2.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 103.3 蜗轮及蜗杆的主要参数与几何尺寸 123.4 螺杆的主要参数与几何尺寸 143.4.1 螺杆的设计计算 143.5 蜗杆轴的设计 143.5.1 蜗杆轴的材料选择，确定许用应力 143.5.2 按扭转强度初步估算轴的最小直径 143.5.3 确定各轴段的直径和长度 153.5.4 蜗杆轴的校核 163.6 蜗杆轴的轴承选用 204 自动回转刀架电气部分设计 214.1 硬件电路设计 214.2 控制软件设计 244.2.1 C31 单片机及其引脚说明 254.2.2 静态存储器6264 的特性 274.2.3 2

9、764只读存储器的特性274.2.4 可编程并行I/O 接口芯片 8255 的特性 285结论 316 致谢 327 参考文献 33附录：转配图 A0 图纸一张、零件图 A1 、 A2 各五张（上刀体图、下刀体图上圆盘图、下圆盘图、刀架电气图、蜗轮、蜗杆图、螺杆图、空心轴图、发信盘1绪论1.1 自动回转刀架的设计背景经济型数控是我国 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

10、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，大大提高生产效率，创造更大的经济效益。数控车床为了能在工件的一次装夹中完成多工序加工，缩短辅助时间，减少多次装夹所引起的加工误差，必须带有自动回转刀架。随着数控车床的发展，自动回转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

11、前国内自动回转刀架以电动为主，根据安装方式的不同可分为立式和卧式两种。立式刀架有四、六工位两种形式，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。根据机械定位方式的不同，自动回转刀架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刀架抬起， 换刀速度较慢且密封性较差， 但其结构简单。三齿盘定位型又叫免抬型，其特点是换刀时刀架不抬起，因此换刀速度快且密封性好，但其结构较复杂。另外卧式刀架还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车床今后将向中高档发展，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

12、压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，近年来需要量可达1000015000 台。数控刀架的高、中、低档产品市场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，是机床的故障高发点。这就要求设计的刀架具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的特点。它的原理采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。1.3 设计自动回转刀架的意义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

13、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。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高的重复定位精度，自动回转刀架还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。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。各类机床的换刀装置主要取决于机床的型式、工艺范围及刀具的数量和种类等。传统的车床如 CA6140 的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后

14、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自动刀架进行改进。2自动回转刀架总体设计2.1 总体方案的确定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。目前为止应用最广的刀架为回转刀架。回转刀架是一种最简单的自动换刀装 置，常用于数控车床。可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等 多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指 令换刀。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。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

15、车床来说，加 工过程中刀具位置不进行人工调整，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，具有尽可能高的重复定位精度（一 股为 0.001 0.005mm）。图2-1回转刀架的类型及工作原理般情况下，回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位及刀架压紧等。回转刀架按其工作原理分为若干类型，如图 2-1 所示。图2-1a所示为螺母升降转位刀架，电动机经弹簧安全离合器到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。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

16、。图 2-1b 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） 。十字槽轮式体积大，零件多，目前使用较少。图 2-1c 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90o,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。凸台棘爪式重复定位精度相对较低。图 2-1d 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。电磁式目前已能实用，但多一套电路，并要有断电保护。图2-1e所示为液压式刀架，它利用摆动液压缸来控制刀架转位，

17、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，拉紧力可以再加大，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。经过参考几种经典的刀架设计类型后，决定在本设计中采用螺母升降转位刀架，电动机经弹簧安全离合器到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以及利用十字槽轮来转位及锁紧刀架（还要加定位销）来实现刀架抬起和精确定位。2.2 减速机传动机构的确定在本设计中由于采用了三相异步电动机，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感生电动势和电流，并与磁场相互

18、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，并可节省各种材料。在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。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。蜗轮蜗杆传动有以下特点：1、传动平稳。蜗杆传动同时啮合的齿对数多，且蜗杆为连续的螺旋曲面，啮合过程是连续的，振动、冲击和噪声较小。2、具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合摩擦角时，蜗杆传动具有自锁性。此时，只能蜗杆带动蜗轮，反之则不能转动。3、传动比大。单级传动可获得传动比为 5-80 ，在分度机构中可达600 或更大。和齿轮传动相比实现相同的传动比时结构较紧凑。所以

19、说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。使得刀架在是有过程中更加轻便，方便机床的加工作业。2.3 刀体锁紧与精定位机构的确定在本设计中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 抬起机构的确定

20、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。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。当端面齿脱离咬合时，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咬合状态。3自动回转刀架机械部分设计3.1自动回转刀架的工作原理自动回转刀架的换刀流程图如图 3-1所示，传动结构如图3-2所示图

21、3-1自动回转刀架换刀流程1-发信盘2-推力球轴承3-螺杆螺母副4-端面齿盘5-反靠圆盘6-三相异步电机7-联轴器8-蜗杆副9-反靠销10-圆柱销11-上盖圆盘12-上刀体图3-2自动回转刀架的传动结构示意图刀架抬起：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逐渐抬起，下刀体与 下刀体之间的端面齿慢慢脱开；刀架转位：当转过170度时，两端面完全脱开，圆柱销由于弹簧的作用压在 螺杆上端的台阶内侧，于是螺杆带动上刀体转动起来。刀架定位：上刀体带动磁铁转到需要的刀位时，粗定位销在弹簧的作用下进 入粗定位槽，同时发信盘上对应的霍尔元件

22、输出高电平信号，控制系统收到后， 立即控制刀架电动机反转，由于粗定位销的作用，上刀体不会随螺杆的反转而反 转，所以开始下降，上下刀体的端面逐渐啮合，实现精定位。刀架夹紧：上下刀体的端面齿紧密啮合后.螺杆不再转动，而电机继续带动蜗 轮向螺杆加力，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。由于蜗杆副有自锁功能，所以刀架可以稳定的工作。）坤鼎图3-3自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置图3-3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

23、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

24、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

25、结束。3.2 蜗轮及蜗杆的设计及校核按照设计要求对电机进行选型：要求功率为90W ，转速1440r/min ，经过查取有关资料，采用江西省泰隆电机生产的JW5614-90W三相异步电机。JW系列三相异步电动机，按JB1009-1012-91, GB12350-2000标准设计，具有外型匀称美 观，起动转矩大，效率高，使用寿命长，运行性能良好，噪音小，结构合理，维护方便等特点。一般多用于驱动需要较大起动转矩的机械，如机床、建筑机械、农副产品加工、泵、空气压缩机、制冷压缩机、磨粉机、医疗器械、及农业机械 的驱动。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连，刀架转位时蜗轮与上刀体直连

26、。已知电动机额定功率P=90W,额定转速n1=1440r/min ,上刀体设计转速n2 =30r/min ，则蜗杆副的传动比 i = n1 / n2 =1440 /30=48。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。3.2.1 蜗杆的选型按蜗杆形状，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥蜗杆传动。圆柱蜗杆设计制造简单，应用十分广泛；环面蜗杆润滑性能较好，效率高，承载 能力高，为普通蜗杆的2-4倍，但制造安装复杂，用在大功率的场合；锥蜗杆制 造安装复杂，应用较少。圆柱蜗杆传动包括普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动。根据螺

27、旋线的不 同，圆柱蜗杆可分为阿基米德圆柱蜗杆（ZA蜗杆）、法向直廓圆柱蜗杆（ZN蜗 杆）、渐开线圆柱蜗杆（ZI蜗杆）和锥面包络线圆柱蜗杆（ZK蜗杆）。阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）的特点是在轴向齿廓呈齿条形状，法向齿廓为 外凸曲线，在端平面上的齿廓为阿基米德螺旋线。这种蜗杆可以在车床上用于直 线刀刃的单刀（当导程角丫0时）或双刀（当y3B寸）的车削加工，制造方便，应用 广泛。一般用于头数较少、载荷较小、低速或不太重要的传动。法向直廓圆柱蜗杆（ZN来杆）磨削起来难度较大，所以不推荐采用。渐开线蜗杆（ZI蜗杆）如图（3-4）所示，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

28、轮，ZI螺杆可用两把直线刀刃的车刀在车床上车削。圆弧圆柱蜗杆传动（ZC蜗杆）。在轴向平面内具有凹圆弧齿廓，与蜗轮组成 凹凸啮合传动型式，承载能力大、效率高、耐磨，在冶金、建筑、化工等机械中 应用广泛。图3-4渐开线蜗杆在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。3.2.2 蜗杆副的材料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

29、。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55 62HRC。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v 3m/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(vs 2m/s),对效率要求也不高时，可采用灰铸铁。为了防止

30、变形，常对蜗轮进行时效处理。设计要求电机功率为90W,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。3.2.3 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:上式中：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 T ,单位N.m

31、m；Ze 弹性影响系数，单位为 MPa；Z 接触系数；h 许用接触应力，单位为 MPa；由上式算出蜗杆副的中心距 a之后，根据已知的传动比i=48,可以选择合适 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T设蜗杆头数4=1,蜗杆副的传动效率取=0.8。由电动机的额定功率 P二90W,可以算出蜗轮传递的功率P2 =P1,再由蜗轮的转速n2=30r/min,求得作用在蜗轮上的转矩： T2 =9.55 F2/n2 =9.55 P / n2 =22920N.mm2 .确定载荷系数K载荷系数K KaK Kv。其中Ka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 K

32、a=1.15; K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K =1.15; Kv为动载系数，由于转速不高，冲击不大，可取Kv=1.05,则载荷系数：K KAK Kv 1.393 .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2表3-2-9查得弹性影响系数ZE =160MPa。4 .确定接触系数Z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,由参考文献1图11-18查得系数Z =2.9。5 .确定许用接触力h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,从参考文献1表11-7查得蜗轮的基本许用力h =2

33、68MPa,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n2=30r/min；蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。则应力循环次数:N=60j n2 Lh=1.8 107寿命系数：Khn=0.929许用接触应力：h =Khn h =249MPa计算中心距将以上各参数代入式求得中心距:a2160 2.9-=48mm249查参考文献1表11-2,取中心距a=50mm,已知蜗杆头数z1=1,设模数m=1.6mm ,得直径d1=20mm,这时d1/a=0.4,由参考文献1图11-19可得接触系数Z =2.74。因为Z Z ,所以上述计算结构可用3.3蜗轮及蜗杆的主要参数与几何尺寸由

34、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。1 .蜗杆参数及尺寸头数4=1,模数 m=1.6mm,轴向齿距 R=3.14 m=5.027mm,轴向齿厚sa=0.5,分度圆直径d1=20mm,直径系数q=d1/m=12.5,分度圆导程脚 乙r= arctan = 4 34 26 。q2 .蜗轮参数与尺寸齿数 z2=48,模数 m=1.6mm,分度圆直径为 d2 =mz2 =1.6 48mm=76.8mm,变位系数 x，=a-( d1 +d2 )/2/m=50-(20+76.8)/2/1.6=1 ,蜗轮喉圆直径为da2 = d2+2m(h*a + x2

35、)=83 .2mm,蜗轮齿根圆直径*df2 = d2-2m( h a x2+c)=76.16mm。3 .校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度即校验下式是否成立：F 1.53KT2Ya2Y式中：f 蜗轮齿根弯曲应力，单位为MPa；did2YFa2 蜗轮齿形系数;Y 螺旋角影响系数;f 蜗轮的许用弯曲应力，单位为 MPa；由蜗杆头数z1 =1,传动比i=48,可以算出蜗轮齿数z2=i z1 =48则蜗轮的当量齿数：Zv248,46cos根据蜗轮变位系数x2=1和当量齿数42=48,46,得齿形系数YFa2=1.95o旋转角影响系数：Y =1- - =0.967;根据蜗轮的材料和制造方法，由参考文献1表11-8

36、可得蜗轮基本许用弯曲应力： F =56MPa；蜗轮的寿命系数：KFN = 9107 =0,725; 1.8 107蜗轮的许用弯曲应力：f = fKfn =40.6MPa；将以上参数代入式：F 153KT2YFa2YF ；d1d2得蜗轮齿根弯曲应力：f =37.4;可见,F ,蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。3.4 螺杆的主要参数与几何尺寸3.4.1 螺杆的设计计算1 .螺距的确定刀架转位时，要求蜗杆在转到约 170的情况下，上刀体的断面齿与下刀体的 断面齿完全脱离；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P 170/3602mm,即P4.24mm。今取螺/f的螺距

37、P=8mm。2 .其它参数的确定采用单头梯形螺杆，头数 n=1,牙侧角b=15 ,外螺纹大径d1=50mm,牙顶间隙ac=0.5mm,基本牙形高度 H1=0.5P=3mm,外螺纹牙高 A=3.5mm,外螺纹中d2=46mm,外螺纹小径d3 =42mm,螺杆螺纹部分长度 H=50mm。3 .自锁性能校核螺杆一一螺母材料均用45钢，查参考文献1表5-12,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 ,而螺纹开角约为2.33，小于 当量摩擦角。因此，所选几何参数满足自锁条件。3.5 蜗杆轴的设计3.5.1 蜗杆轴的材料选择，确定许用应力考虑轴主要传递蜗轮的转矩，为普通用途

38、中小功率减速传动装置。选择轴的 材料为45号钢，经调质处理。由参考文献1表15-1查得B=640Mpa,S=355Mpa,1 =275Mpa,1 =155Mpa,1 =60Mpa。3.5.2 按扭转强度初步估算轴的最小直径轴的扭转强度条件为-c PT9550000T =3WT0.3d3式中T 扭转切应力， MPa；T 一一轴所受的扭矩，N M;W 轴的抗扭截面系数，mm3;n轴的转速，r/min ；P轴传递的功率，kW； d 一计算截面处轴的直径，mm；r 许用扭车切应力，MPa；T 9550000 P9550000 . P由式t=。n r可得轴的直径d 3 ：一Wt0.3 d 30.2 r

39、n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d 100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大5%7%。由参考文献1表15-3查得A0=112,代入式中，取dmin =6.1345mm,同时查表得到所用电动机（YS5624型）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。3.5.3 确定各轴段的直径和长度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3-5所示：d1d5L1L2L3AL5图3-5蜗杆轴d1 = d5同一轴上的轴承选用同一型号，以便于轴承座孔的键制和减少轴承类型。d5段轴上有一个键槽，故

40、槽径增大5%。d1 = d5=(1+5%) dmin =6.44 mm,圆整 d1 = d5=12 mm。所选轴承类型为深沟球轴承，型号为 6301。B=12mm, D=37mm。2段起固定作用，d2M 18rnm。d3段为蜗杆与蜗轮啮合部分，故 d3=23.2mm。d2 = d4 =18mm,便于加工和安装。L1段为与轴承配合的轴段，查轴承宽度为12mm,则L =12mm。L2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L2=45rnm。L3段为蜗杆部分长度，当 乙二12 时，X2=1, B1 (12+0.1 Z2)m=26.88rnm, 圆整 L

41、3M 30mm oL2 = L4 =45mm。15段长度为12rnm,轴的总长为164rnm。3.5.4 蜗杆轴的校核1 .计算轴上的作用力P蜗杆 T； =9550 =614N.mm n1Ft1=T1/d1 =2 614/20 =61.4N.mmFa1=2 T2/d2 = Ft2=522.3NFM = Ft2 tana=190.1N2 .计算支反力垂直面支反力：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L1 , C点到B点距离为L2。两轴承间距离a=152mm,以蜗(a)a-152nunF烟r7二0, 614N, mb 二 50ml杆副为中心对称布置所以L1 = L2

42、=76mm(b)Me住止咕图3-6轴的载荷分析图(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)当量弯矩图由绕支点 B 的力矩 mbv=0 得：FRAV L1 L2Fa d/2 Fr F2=014a14Frav=60.69N方向向上；同理，由绕支点 A的力矩和Mbv=0得：Frbv L L2Fa d/2 Fr F2=0, Frbv =129.41N 方向向上，由轴上的合力FV =0 校核 Frbv + Frav + Fr =0 计算无误。水平支反力：由绕支点 B的力矩 MBH =0得：Frah L1 L2 =FtL1tFrah =30.7N放

43、心向上。同理，由绕支点A的力矩和MAH得：FRBH=30. 7N方向向上，由轴上的合力校核：Fr + Frbh +Frah =0计算无误。A点支反总力A 点支反总力 Fra= JFrah2 Frav2 =68.01NB 点支反总力 FRB = JfrbhFrbv =133N绘制转、弯矩图垂直而内的弯矩图，如图 3-6boC 处弯矩：乂“左二Frav L1= 60.6976= 4612.44N.mm乂反右=Frav L1 Fa d/2= 9835.44N.mm水平面内的弯矩图，如图 3-6CoC 处弯矩：Mch = Frah L1= 2333.2N.mm合成弯矩图，如图3-6doC 处：Me左=

44、JMcv2 Mch 2 =5168.99N.mmMc 右=7MCV 2 M CH 2 =10108.4N.mm转矩图，如图3-6e。T=614N.mmc=0.6C)当量弯矩图，如图3-6f。因为是单向回转轴，所以扭转切应力视为脉动循环变应力，这算系数cXT=0.6 614=368.4N.mmC 处：MC左=MC左=5168.99N.mmM c 右=TMTCT =10115.1N.mm3 .弯扭合成强度校核进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和转矩的截面（即危险截面 的强度。caW10115.10.1 203=12.64MPa。根据选定的轴的材料45钢，调质处理。由参考文献 1表15-1查得1

45、 =60MPa,因ca 1 ,故强度足够。4 .安全系数法疲劳强度校核对一般减速器的转轴仅试用弯扭合成强度校核即可，而不必进行安全系数法 校核。在此试用此法。5 .判定校核的危险截面对照弯矩图、转矩图的结构图，从强度、应力集中方面分析，C截面是危险截面。需对C截面进行校核。6 .轴的材料的机械性能根据选定的轴的材料45钢，调质处理由参考文献1表15-1查得：b=640MPa,1=275MPa,1=155MPa,取 =0.2,=0.5=0.5 0.2=0.1 C截面上的应力 W= d3/32=785mm3 , WT = d3/16=1570mm3 ,a = Mc左/W=4270.65/785=5

46、.4MPa弯曲切应力幅m=0,扭转切应力幅：a =T/(2 WT )=597/(2 1570)=0.19MPa平均切应力 a= m =0.19MPa影响系数 C 截面为危险截面，由差值法求出：k / =3.16,取kr/ r=0.8k / =0.8 3.16=2.53轴按磨削加工，求出表面质量系数：=r =0.92故得综合影响系数：K = K / +1/1=3.16+1/0.92 1=3.25Kr = kr/ r +1/ r 1=2.53+1/0.92 1=2.627 .疲劳强度校核所以轴在C截面的安全系数为：S = 1/ K a m =275/(3.25 5.44+0)=15.554;Sr=

47、 1/ K a m =155/(2.62 0.19+0.1 0.9)=310;Sca=S S /Js 2 Sb2 =19.7;取许用安全系数S=1.8,有ScaS,故C截面强度足够3.6 蜗杆轴的轴承选用从参考文献2 表 6-2-21 中查得 12mm 内径的推力球轴承，型号为6301,基本尺寸： d=12mm； D=37mm ； B=12 ； 安装尺寸：da (min) =18mm ； Da (max)=32mmra (max)=1 基本额定载荷：Cr =9.72kN ； Cor =5.08kN 。润滑方式：脂润滑。4自动回转刀架电气部分设计自动回转刀架的自动控制主要取决于电气控制部分，电气

48、控制部分主要分两 个方面1、硬件电路设计；2、控制软件设计。4.1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4-1 o在传感器的选择上选用了霍尔元件，是一种基于霍尔效应的磁传感器。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。而霍尔元件就是利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH

49、的基本关系为：UH=RHIB/d ;式中：RH=1/nq （金属）；n单位体积内载流子或自由电子的个数；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。由于通电导线周围存在磁场，具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。具优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测 电源的功率，特别适合于大电流传感。若把霍尔元件置于电场强度为 E、磁场强度为H的电磁场中，则在该元件中 将产生电流I,元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度E成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值P

50、可由P=EH确定。利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉 冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出 的脉冲数，则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。杂源仪皿第j酶): +1工、虫 act4 十仪号*IH ( I I-(a)i”刀也蛤。MJ杭的号MAft内或精一叫4K15S-PCSSW5-PWK55-FO(b)(c)KAI 反牯次售阻我*数串lOdUV(d)图4-1自动回转刀架电气控制原理图a发信盘上的霍尔元件 b刀位信号的处理c刀架电动机

51、正反转控制d刀架电动机正反转的实现(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角接+12V电源，第2角接+12V地，第3角输出。转位时刀 体带动磁铁旋转，当磁铁对准某一个霍尔开关时，其输出端第3角输出低电平；当磁铁离开时，第3角输出高电平。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8255 的 PC4PC7。(2)发信电路 图c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为正转继电器的线圈，KA2的反转继电器

52、的线圈。刀架电动机的功率只有 90W,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，以防止系统失控时导致短路现象。当 KA1 或KA2的触点接通80V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。4.2控制软件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转

53、位的控制软件了。对于四工位自动回转刀架来说，它最多装有4把刀具，设计控制软件的任务，就是选中任意一把刀具，让其回转到工作位置。图4-2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。图4-2 1#刀转到工作位置的程序流程4.2.1 80C31单片机及其引脚说明80C31单片机，它是8位高性能单片机。属于标准的 MCS-51的HCMOS产 品。它结合了 HMOS的高速和高密度技术及 CHMOS的低功耗特征，标准MCS-51 单片机的体系结构和指令系统。80C31内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O) 口、2个16位定时/计数器和5个

54、两级中断 结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。但80C31片内并无程序存储器,需外接ROM。止匕外，80C31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RAM定时器、用行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存 RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它 功能。80C31有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。8031芯片具有40根 引脚，其引脚图如图4-3所示：19XTAL1PO.O/ADOP0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6尺 STP0.7/AD7

55、P2.a/AflP2.1./ASPZ231 口391.1836353433932222324二1530PSENP2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2 5以 13P2.6/A14P2.7/A15P1.0P3.0/RXDP1.1P3.1/TXDPL2P3.2/INTL-P1.3P3.3/INTTP1.4P3.4/T0P1.5P3.5/T1P1.6P3.8/WRP1.7P3.7/RO312627. j2810riJ_2.13514E71581730C31ri rInII s Ir40 根引脚按其功能可分为三类：1. 电源线 2 根：Vcc ：编程和正常操作时的电源电压，接+5V 。Vss：地

56、电平。2. 晶振： 2 根XTAL1 ：振荡器的反相放大器输入。使用外部震荡器是必须接地。XTAL2 ：振荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入。当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。3. I/O 口共有 p0、 p1、 p2、 p3 四个 8位口， 32 根 I/O 线，其功能如下：P0.0P0.7 （AD0 AD7）是 I/O 端口 O 的引脚，端口 O 是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 端口。在存取外部存储器时， 该端口分时地用作低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）1） P1.0P1.7端口 1 的引脚，是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/

57、O 通道，专供用户使用。2） P2.0P2.7 （A8 A15）端口 2 的引脚。端口 2 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，在访问外部存储器时，它输出高 8位地址A8A153） P3.0P3.7端口 3 的引脚。端口 3 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口，该口的每一位均可独立地定义第一I/O 口功能或第二I/O 口功能。作为第一功能使用时，口的结构与操作与P1 口完全相同，第二功能如下所示：P3.0 RXD （串行输入口）P3.1 TXD （串行输出口）P3.2 （外部中断）P3.3 （外部中断）P3.4 T0 （定时器0外部输入）P3.5 T1 （定时器1外部

58、输入）P3.6 （外部数据存储器写选通）4.2.2 静态存储器6264 的特性6264是一种8KX8的静态存储器，其内部组成，主要包括512X128的存储器矩阵、 行列地址译码器以及数据输入输出控制逻辑电路。 地址线 13 位， 其中A12A3用于行地址译码，A2A0和A10用于列地址译码。在存储器读周期，选中单元的 8 位数据经列 I/O 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IO 控制电路，写入到所选中的单元中。 6264有 28 个引脚，采用双列直插式结构，使用单一 5 V 电源。其引脚功能如下：A12A0 (address input:地址线，可寻址 8KB的

59、存储空间。D7D0 (data bu :数据线，双向，三态。OE( output enable) ：读出允许信号，输入，低电平有效。WE (write enable) ：写允许信号，输入，低电平有效。CE1 (chip enable):片选信号1,输入，在读/写方式时为低电平。CE2( chip enable) ：片选信号2，输入，在读/写方式时为高电平。VCC ： +5V 工作电压。GND ：信号地。其操作方式由 OE， WE ， CE1 ， CE2 共同作用决定：写入：当WE 和 CE1 为低电平，且OE 和 CE2 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

60、元。读出：当OE 和 CE1 为低电平，且WE 和 CE2 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 CE1 为高电平， CE2 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。4.2.3 2764 只读存储器的特性2764 是 8K*8 字节的紫外线镲除、电可编程只读存储器，单一 +5V 供电，工作电流为 75mA ，维持电流为35mA ，读出时间最大为250nS， 28 脚双列直插式封装。各引脚的含义为：1） A0 一 A12： 13根地址输入线。用于寻址片内的 8K 个存储单元。2） D0D7: 8根双向数据线，正常工作时为数据输出线。编

61、程时为数据输 入线。3） OE: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。4） CE ：选片信号。低电平有效。当该信号为 0 时表示选中此芯片。 5） PGM:编程脉冲输入端。对 EPROM编程时，在该端加上编程脉冲。读操 作时该信号为1。6） VPP: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 VPP 的值要求的不一样，可以是+12.5V， +15V， +21V， +25V 等。说明：EPROM 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EPROM 芯片，其每一个存储单元的内容都是FFH 。要对一个使用过的 EPROM 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EPROM 的窗口， 一般经过 15-20min 即可擦除干净。 擦除完毕后可读一下EPROM 的每个单元， 若其内容均为 FFH ， 就认为擦除干净了。4.2.4 可编程并行I/O 接口芯片 8255 的特性8255 是一个并行输入/输出的LSI 芯片，多功能的 I/O 器件，可作为 C