數控車床CA6140自動回轉刀架機電系統(tǒng)設計【機械+電氣】

數控車床CA6140自動回轉刀架機電系統(tǒng)設計【機械+電氣】,機械+電氣,數控車床,ca6140,自動,回轉,刀架,機電,電機,系統(tǒng),設計,機械,電氣 摘 要 自動回轉刀架是數控機床的重要組成部分，它有效地提高了勞動生產率，縮短了生產準備時間，消除人工誤差提高加工精度和加工精度的一致性等。但是傳統(tǒng)的普通車床換刀的速度慢、精度不高，生產效率低，不能適應現代化生產的需要。所以為了提高生產率、改善產品質量以及改善勞動條件必須對自動回轉刀架進行改進。 本文對數控車床自動回轉刀架的機電系統(tǒng)的相關內容進行分析，研究數控車床刀架的組成和工作原理，對普通機床的換刀裝置進行改進，使該裝置具有自動松開、轉位、精密定位等功能。此次主要完成自動回轉刀架的機械部分和電氣部分的設計。機械部分為對其組成的各個機械部件進行計算與選用，電氣部分為編制刀架自動轉位控制軟件。設計的數控換刀裝置功能更強，換刀裝置通過刀具快速自動定位，可以提高數控車床的效率，縮短加工時間；同時其可靠性更穩(wěn)定，結抅簡單。 關鍵詞: 自動回轉刀架，換刀裝置，機電系統(tǒng)，電氣控制 Design of automatic turret mechanical and electrical system of CNC lathes Abstract The automatic turret is an important part of CNC lathe. It improved labor productivity and shorten the production time, eliminate human 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 productivity, 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 automatic 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 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 structure is simpler. Keywords: Automatic turret Tool changer Electro-Mechanical Systems Electrical control 目 錄 1緒 論 1 1.1自動回轉刀架的設計背景 1 1.2自動回轉刀架的市場分析 2 1.3設計自動回轉刀架的意義 2 2自動回轉刀架總體設計 3 2.1總體方案的確定 3 2.2減速機傳動機構的確定 4 2.3刀體鎖緊與精定位機構的確定 5 2.4抬起機構的確定 5 3自動回轉刀架機械部分設計 6 3.1自動回轉刀架的工作原理 6 3.2蝸輪及蝸桿的設計及校核 8 3.2.1蝸桿的選型 9 3.2.2蝸桿副的材料 10 3.2.3按齒面接觸疲勞強度進行設計 10 3.3蝸輪及蝸桿的主要參數與幾何尺寸 12 3.4螺桿的主要參數與幾何尺寸 14 3.4.1螺桿的設計計算 14 3.5蝸桿軸的設計 15 3.5.1蝸桿軸的材料選擇，確定許用應力 15 3.5.2按扭轉強度初步估算軸的最小直徑 15 3.5.3確定各軸段的直徑和長度 16 3.5.4蝸桿軸的校核 17 3.6蝸桿軸的軸承選用 21 4自動回轉刀架電氣部分設計 22 4.1硬件電路設計 22 4.2控制軟件設計 25 4.2.180C31單片機及其引腳說明 26 4.2.2 靜態(tài)存儲器6264的特性 28 4.2.3 2764只讀存儲器的特性 28 4.2.4 可編程并行I/O接口芯片8255的特性 29 5結 論 33 6致 謝 34 7 參考文獻 35 36 1 緒 論 1.1 自動回轉刀架的設計背景 經濟型數控是我國80年代科技發(fā)展的產物。這種數控系統(tǒng)由于功能適宜，價格便宜，用它來改造車床，投資少、見效快，成為我國“七五”、“八五”重點推廣的新技術之一。十幾年來，隨著科學技術的發(fā)展，經濟型數控技術也在不斷進步，數控系統(tǒng)產品不斷改進完善，并且有了階段性的突破，使新的經濟型數控系統(tǒng)功能更強，可靠性更穩(wěn)定，功率增大，結構簡單，維修方便。由于這項技術的發(fā)展增強了經濟型數控的活力，根據我國國情，該技術在今后一段時間內還將是我國機械行業(yè)老設備改造的很好途徑。對于原有老的經濟型數控車床，特別是80年代末期改造的設備，由于種種原因閑置的很多，浪費很大；在用的設備使用至今也十幾年了，同樣面臨進一步改造的問題通過改造可以提高原有裝備的技術水平，大大提高生產效率，創(chuàng)造更大的經濟效益。 數控車床為了能在工件的一次裝夾中完成多工序加工，縮短輔助時間，減少多次裝夾所引起的加工誤差，必須帶有自動回轉刀架。 隨著數控車床的發(fā)展，自動回轉刀架開始向快速換刀、電液組合驅動和伺服驅動方向發(fā)展。? 目前國內自動回轉刀架以電動為主，根據安裝方式的不同可分為立式和臥式兩種。立式刀架有四、六工位兩種形式，主要用于簡易數控車床；臥式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋轉，就近選刀，用于全功能數控車床。根據機械定位方式的不同，自動回轉刀架可分為端齒盤定位型和三齒盤定位型等。其中端齒盤定位型換刀時需要刀架抬起，換刀速度較慢且密封性較差，但其結構簡單。三齒盤定位型又叫免抬型，其特點是換刀時刀架不抬起，因此換刀速度快且密封性好，但其結構較復雜。另外臥式刀架還有液動刀架和伺服驅動刀架。 1.2 自動回轉刀架的市場分析 國產數控車床今后將向中高檔發(fā)展，中檔采用普及型數控刀架配套，高檔采用動力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種，近年來需要量可達10000～15000臺。? 數控刀架的高、中、低檔產品市場數控刀架作為數控機床必需的功能部件，直接影響機床的性能和可靠性，是機床的故障高發(fā)點。 這就要求設計的刀架具有轉位快，定位精度高，切向扭矩大的特點。它的原理采用蝸桿傳動，上下齒盤嚙合，螺桿夾緊的工作原理。 1.3 設計自動回轉刀架的意義 電動刀架是數控車床重要的傳統(tǒng)結構，合理地選配電動刀架，并正確實施控制，能夠有效的提高勞動生產率，縮短生產準備時間，消除人為誤差，提高加工精度與加工精度的一致性等等。另外，加工工藝適應性和連續(xù)穩(wěn)定的工作能力也明顯提高，尤其是在加工幾何形狀較復雜的零件時，除了控制系統(tǒng)能提供相應的控制指令外，很重要的一點是數控車床需配備易于控制的電動刀架，以便一次裝夾所需的各種刀具靈活、方便地完成各種幾何形狀的加工。 自動回轉刀架在結構上必須具有良好的強度和剛性，以承受粗加工時的切削抗力。為了保證轉位之后具有高的重復定位精度，自動回轉刀架還要選擇可靠的定位方案和合理的定位結構。自動回轉刀架的自動換刀是由控制系統(tǒng)和驅動電路來實現的。 在自動換刀數控機床上，自動換刀裝置應滿足換刀時間短，刀具重復定位精度高，足夠的刀具儲存量，換刀安全可靠等要求。各類機床的換刀裝置主要取決于機床的型式、工藝范圍及刀具的數量和種類等。傳統(tǒng)的車床如CA6140的刀架上只能裝一把刀，換刀的速度慢，換刀后還須重新對刀，并且精度不高，生產效率低，不能適應現代化生產的需要，因此有必要對機床的自動刀架進行改進。 2 自動回轉刀架總體設計 2.1 總體方案的確定 在自動換刀數控機床上，自動換刀裝置應滿足換刀時間短，刀具重復定位精度高，足夠的刀具儲存量，換刀安全可靠等要求。 目前為止應用最廣的刀架為回轉刀架。回轉刀架是一種最簡單的自動換刀裝置，常用于數控車床?？梢栽O計成四方刀架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式?；剞D刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，并按數控裝置的指令換刀?；剞D刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度，以承受粗加工時的切削抗力。由于車削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，對于數控車床來說，加工過程中刀具位置不進行人工調整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結構，以保證回轉刀架在每次轉位之后，具有盡可能高的重復定位精度（一般為0.001～0.005mm）。 圖2-1 回轉刀架的類型及工作原理 一般情況下，回轉刀架的換刀動作包括刀架抬起、刀架轉位及刀架壓緊等?；剞D刀架按其工作原理分為若干類型，如圖2-1所示。 圖2-1a所示為螺母升降轉位刀架，電動機經彈簧安全離合器到蝸輪副帶動螺母旋轉，螺母舉起刀架使上齒盤與下齒盤分離，隨即帶動刀架旋轉到位，然后給系統(tǒng)發(fā)信號螺母反轉鎖緊。使刀架換位，進行切削加工。螺母升降式零件多，但加力可靠，精度較高，許多刀架都利用這種原理設計。 圖2-1b所示為利用十字槽輪來轉位及鎖緊刀架（還要加定位銷），銷釘每轉一周，刀架便轉1/4轉（也可設計成六工位等）。十字槽輪式體積大，零件多，目前使用較少。 圖2-1c所示為凸臺棘爪式刀架，蝸輪帶動下凸輪臺相對于上凸輪臺轉動，使其上、下端齒盤分離，繼續(xù)旋轉，則棘輪機構推動刀架轉90o，然后利用一個接觸開關或霍爾元件發(fā)出電動機反轉信號，重新鎖緊刀架。凸臺棘爪式重復定位精度相對較低。 圖2-1d所示為電磁式刀架，它利用了一個有10kN左右拉緊力的線圈使刀架定位鎖定。電磁式目前已能實用，但多一套電路，并要有斷電保護。 圖2-1e所示為液壓式刀架，它利用擺動液壓缸來控制刀架轉位，圖中有擺動閥芯、撥爪、小液壓缸；撥爪帶動刀架轉位，小液壓缸向下拉緊，產生10kN以上的拉緊力。這種刀架的特點是轉位可靠，拉緊力可以再加大，但其缺點是液壓件難制造，還需多一套液壓系統(tǒng)，有液壓油泄漏及發(fā)熱問題。 經過參考幾種經典的刀架設計類型后，決定在本設計中采用螺母升降轉位刀架，電動機經彈簧安全離合器到蝸輪副帶動螺母旋轉，螺母舉起刀架使上齒盤與下齒盤分離以及利用十字槽輪來轉位及鎖緊刀架（還要加定位銷）來實現刀架抬起和精確定位。 2.2 減速機傳動機構的確定 在本設計中由于采用了三相異步電動機，三相異步電動機轉子的轉速低于旋轉磁場的轉速，轉子繞組因與磁場間存在著相對運動而感生電動勢和電流，并與磁場相互作用產生電磁轉矩，實現能量變換。與單相異步電動機相比，三相異步電動機運行性能好，并可節(jié)省各種材料。在普通的三相異步電動機因轉速太快，不能直接驅動刀架進行換刀，必須經過適當的減速。根據立式轉位刀架的結構特點，采用蝸桿副減速是最佳選擇。蝸輪蝸桿傳動有以下特點： 1、傳動平穩(wěn)。蝸桿傳動同時嚙合的齒對數多，且蝸桿為連續(xù)的螺旋曲面，嚙合過程是連續(xù)的，振動、沖擊和噪聲較小。 2、具有自鎖性。當蝸桿的導程角小于嚙合摩擦角時，蝸桿傳動具有自鎖性。此時，只能蝸桿帶動蝸輪，反之則不能轉動。 3、傳動比大。單級傳動可獲得傳動比為5-80，在分度機構中可達600或更大。和齒輪傳動相比實現相同的傳動比時結構較緊湊。 所以說蝸桿副傳動可以改變運動的方向，獲得較大的傳動比，保證傳動精度和平穩(wěn)性，并且具有自鎖功能，還可以實現整個裝置的小型化。使得刀架在是有過程中更加輕便，方便機床的加工作業(yè)。 2.3 刀體鎖緊與精定位機構的確定 在本設計中由于刀具直接安裝在上刀體上，所以上刀體要承受全部的切削力，其鎖緊與定位的精度將直接影響工件的加工精度。本設計上刀體的鎖緊與定位機構選用端面齒盤，將上刀體和下刀體的配合面加工成梯形端面齒。當刀架處于鎖緊狀態(tài)時，上下端面齒相互咬合，這時上刀體不能繞刀架的中心軸轉動；換刀時電動機正傳，抬起機構使上刀體抬起，等上下端面齒脫開后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉動，完成轉位動作。 2.4 抬起機構的確定 要想使上、下刀體的兩個端面齒脫離，就必須設計合適的機構使上刀體抬起。本設計選用螺桿-螺母副，在上刀體內部加工出內螺紋，當電動機通過蝸桿-蝸輪帶動蝸桿繞中心軸轉動時，作為螺母的上刀體要么轉動，要么上下移動。當刀架處于鎖緊狀態(tài)時，上刀體與下刀體的端面齒相互咬合，因為這時上刀體不能與螺桿一起轉動，所以螺桿的轉動會使上刀體向上移動。當端面齒脫離咬合時，上刀體就與螺桿一同轉動。 設計螺桿時要求選擇適當的螺距，以便當螺桿轉動一定角度時，使得上刀體與下刀體的端面齒能夠完全脫離咬合狀態(tài)。 3 自動回轉刀架機械部分設計 3.1 自動回轉刀架的工作原理 自動回轉刀架的換刀流程圖如圖3-1所示，傳動結構如圖3-2所示。 圖3-1 自動回轉刀架換刀流程 1-發(fā)信盤 2-推力球軸承3-螺桿螺母副4-端面齒盤5-反靠圓盤 6-三相異步電機7-聯軸器 8-蝸桿副 9-反靠銷 10-圓柱銷 11-上蓋圓盤 12-上刀體 圖3-2 自動回轉刀架的傳動結構示意圖 刀架抬起：需要換刀時，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉位信號，三相異步電動機正向旋轉，通過蝸桿副帶動螺桿正向轉動，與螺桿配合的上刀體逐漸抬起，下刀體與下刀體之間的端面齒慢慢脫開； 刀架轉位：當轉過170度時，兩端面完全脫開，圓柱銷由于彈簧的作用壓在螺桿上端的臺階內側，于是螺桿帶動上刀體轉動起來。 刀架定位：上刀體帶動磁鐵轉到需要的刀位時，粗定位銷在彈簧的作用下進入粗定位槽，同時發(fā)信盤上對應的霍爾元件輸出高電平信號，控制系統(tǒng)收到后，立即控制刀架電動機反轉，由于粗定位銷的作用，上刀體不會隨螺桿的反轉而反轉，所以開始下降，上下刀體的端面逐漸嚙合，實現精定位。 刀架夾緊：上下刀體的端面齒緊密嚙合后.螺桿不再轉動，而電機繼續(xù)帶動蝸輪向螺桿加力，經過設定的延時時間后，刀架電動機停轉，整個換刀過程結束。由于蝸桿副有自鎖功能，所以刀架可以穩(wěn)定的工作。 圖3-3 自動回轉刀架在換刀過程中有關銷的位置 圖3-3表示自動回轉刀架在換刀過程中有關銷的位置。其中上部的圓柱銷2和下部的反靠銷6起著重要的作用。當刀架處于鎖緊狀態(tài)時，兩銷的情況如圖a所示，此時反靠銷6落在反靠圓盤7的十字槽內，上刀體4的端面齒和下刀體的端面齒處于咬合狀態(tài)。需要換刀時，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉位信號，三相異步電動機正向旋轉，通過蝸桿副帶動螺桿正向轉動，與蝸桿配合的上刀體4逐漸抬起，上刀體4與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；于此同時，上蓋圓盤1也隨著螺桿正向轉動(上蓋圓盤1通過圓柱銷與螺桿連接)當轉過約170度時，上蓋圓盤1直槽的另一端轉到圓柱銷2的正上方，由于彈簧3的作用，圓柱銷2落入直槽內，于是上蓋圓盤1就通過圓柱銷2使得上刀體4轉動起來（此時端面齒已經完全脫開）如圖b所示。上蓋圓盤1，圓柱銷2以及上刀體4在正轉的過程中，反靠銷6能夠從反靠圓盤7中十字槽的左側斜坡滑出，而不影響上刀體4尋找刀位時的正向轉動，如圖c所示。上刀體4帶動磁鐵轉到需要的刀位時，發(fā)信盤上對應的霍爾元件輸出低電平信號，控制系統(tǒng)收到后，立即控制刀架電動機反轉，上蓋圓盤1通過圓柱銷2帶動上上刀體4開始反轉，反靠銷6馬上就會落入反靠圓盤7的十字槽內，至此。完成粗定位，如圖d所示。此時，反靠銷6從反靠圓盤7的十字槽內爬不上來，于是上刀體4停止轉動，開始下降，而上蓋圓盤1繼續(xù)反轉，其直槽的左側斜坡將圓柱銷2的頭部壓入上刀體4的銷孔內，之后，上蓋圓盤1的下表面開始與圓柱銷2的頭部滑動。在此期間，上、下刀體的端面齒逐漸咬合，實現精定位。經過設定的延時時間后，刀架電動機停轉，整個換刀過程結束。 3.2 蝸輪及蝸桿的設計及校核 按照設計要求對電機進行選型：要求功率為90W，轉速1440r/min，經過查取有關資料，采用江西省泰隆電機有限公司生產的JW5614-90W三相異步電機。JW系列三相異步電動機，按JB1009-1012-91，GB12350-2000標準設計，具有外型勻稱美觀，起動轉矩大，效率高，使用壽命長，運行性能良好，噪音小，結構合理，維護方便等特點。一般多用于驅動需要較大起動轉矩的機械，如機床、建筑機械、農副產品加工、泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機、磨粉機、醫(yī)療器械、及農業(yè)機械的驅動。 自動回轉刀架的動力源是三相異步電動機，其中蝸桿與電動機直連，刀架轉位時蝸輪與上刀體直連。已知電動機額定功率=90W，額定轉速=1440r/min，上刀體設計轉速=30r/min，則蝸桿副的傳動比i =/=1440 /30=48。刀架從轉位到鎖緊時，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，啟動時沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命=10000h。 3.2.1 蝸桿的選型 按蝸桿形狀，蝸桿傳動可分為圓柱蝸桿傳動、環(huán)面蝸桿傳動和錐蝸桿傳動。圓柱蝸桿設計制造簡單，應用十分廣泛；環(huán)面蝸桿潤滑性能較好，效率高，承載能力高，為普通蝸桿的2-4倍，但制造安裝復雜，用在大功率的場合；錐蝸桿制造安裝復雜，應用較少。 圓柱蝸桿傳動包括普通圓柱蝸桿傳動和圓弧圓柱蝸桿傳動。根據螺旋線的不同，圓柱蝸桿可分為阿基米德圓柱蝸桿（ZA蝸桿）、法向直廓圓柱蝸桿（ZN蝸桿）、漸開線圓柱蝸桿（ZI蝸桿）和錐面包絡線圓柱蝸桿（ZK蝸桿）。 　阿基米德蝸桿（ZA蝸桿）的特點是在軸向齒廓呈齒條形狀，法向齒廓為外凸曲線，在端平面上的齒廓為阿基米德螺旋線。這種蝸桿可以在車床上用于直線刀刃的單刀(當導程角γ≤3°時)或雙刀(當γ>3°時)的車削加工，制造方便，應用廣泛。一般用于頭數較少、載荷較小、低速或不太重要的傳動。 法向直廓圓柱蝸桿（ZN蝸桿）磨削起來難度較大，所以不推薦采用。　 漸開線蝸桿（ZI蝸桿）如圖（3-4）所示，這種蝸桿的端面齒廓位漸開線，所以相當于一個少數、大螺旋角的漸開線圓柱斜齒輪，ZI螺桿可用兩把直線刀刃的車刀在車床上車削。 圓弧圓柱蝸桿傳動（ZC蝸桿）。在軸向平面內具有凹圓弧齒廓，與蝸輪組成凹凸嚙合傳動型式，承載能力大、效率高、耐磨，在冶金、建筑、化工等機械中應用廣泛。 圖3-4漸開線蝸桿 在GB/T10085——1988中推薦采用漸開線蝸桿（Z1蝸桿）和錐面包絡蝸桿（ZK蝸桿）。本設計采用結構簡單，制造方便的漸開線型圓柱蝸桿(Z1型)。在機械設計中，越是簡單的結構越穩(wěn)定。在考慮穩(wěn)定性以及小型化的因素上所以采用漸開線型圓柱蝸桿。 3.2.2 蝸桿副的材料 蝸桿一般是用碳鋼或合金鋼制成。高速重載蝸桿常用15Cr或20Cr，并經滲碳淬火；也有用40、45號鋼或40Cr并經淬火。這樣可以提高表面硬度，增加耐磨性。通常要求蝸桿淬火后的硬度為40～55HRC，經氮化處理后的硬度為55～62HRC。一般不太重要的低速中載的蝸桿，可采用40或45號鋼，并經調質處理，其硬度為220～300HBS。 常用的蝸輪材料為鑄造錫青銅（ZCuSn10P1，ZCuSn5Pb5Zn5）、鑄造鋁鐵青銅（ZcuAl10Fe3）及灰鑄鐵（HT150、HT200）等。錫青銅耐磨性最好，但價格較高，用滑動速度v3m/s的重要傳動；鋁鐵青銅的耐磨性較錫青銅差一些，但價格便宜，一般用于滑動速度v 4m/s的傳動；如果滑動速度不高(2m/s），對效率要求也不高時，可采用灰鑄鐵。為了防止變形，常對蝸輪進行時效處理。 設計要求電機功率為90W，刀架中的蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉速較高，因此蝸桿的材料選擇45鋼，其螺旋齒面要求淬火，硬度為45~55HRC，以提高表面耐磨性；蝸輪的轉速較低，其材料主要考慮耐磨性，選用鑄錫磷青銅ZcuSn10P1，采用金屬模鑄造。 3.2.3 按齒面接觸疲勞強度進行設計 刀架中的蝸桿副采用閉式傳動，多因齒面膠合或點蝕而失效。因此，在進行承載能力計算時，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再按齒根彎曲疲勞強度進行校核。 按蝸輪接觸疲勞強度條件設計計算的公式為： 上式中：——蝸桿副的傳動中心距，單位為mm； K——載荷系數； ——作用在蝸輪上的轉矩T ，單位N.mm； ——彈性影響系數，單位為MPa； ——接觸系數； ——許用接觸應力，單位為MPa； 由上式算出蝸桿副的中心距a之后，根據已知的傳動比i=48，可以選擇合適的中心距a值，以及相應的蝸桿，蝸輪參數。 1. 確定作用在蝸輪上的轉矩T 設蝸桿頭數=1，蝸桿副的傳動效率取=0.8。由電動機的額定功率 =90W，可以算出蝸輪傳遞的功率 =，再由蝸輪的轉速=30r/min，求得作用在蝸輪上的轉矩：=9.55/=9.55/=22920N.mm 2. 確定載荷系數K 載荷系數。其中為使用系數，由于工作載荷分布步均勻，啟動時沖擊較大，因此取=1.15；K為齒向載荷分布系數，因工作載荷在啟動和停止時有變化，故取=1.15；為動載系數，由于轉速不高，沖擊不大，可取=1.05，則載荷系數： 3. 確定彈性影響系數 鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配時，從參考文獻表3-2-9查得彈性影響系數 =160MPa。 4. 確定接觸系數 先假設蝸桿分度圓直徑和傳動中心距a的比值/a=0.35，由參考文獻圖11-18查得系數=2.9。 5. 確定許用接觸力 根據蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC，從參考文獻表11-7查得蝸輪的基本許用力=268MPa，已知蝸桿為單頭，蝸輪每轉一轉時每個輪齒咬合的次數j=1；蝸輪轉速=30r/min；蝸桿副的使用壽命=10000h。則應力循環(huán)次數： N=60j=1.8107 壽命系數： KHN=0.929 許用接觸應力：==249MPa 計算中心距 將以上各參數代入式 求得中心距：==48mm 查參考文獻表11-2，取中心距a=50mm，已知蝸桿頭數=1，設模數m=1.6mm，得直徑=20mm，這時/a=0.4，由參考文獻圖11-19可得接觸系數=2.74。因為，所以上述計算結構可用。 3.3 蝸輪及蝸桿的主要參數與幾何尺寸 由蝸桿和蝸輪的基本尺寸和主要參數，算得蝸桿和蝸輪的主要幾何尺寸后，即可繪制蝸桿副的工作圖了。 1. 蝸桿參數及尺寸 頭數=1，模數m=1.6mm，軸向齒距=3.14m=5.027mm，軸向齒厚 =0.5，分度圓直徑=20mm，直徑系數q=/m=12.5，分度圓導程腳 r==。 2. 蝸輪參數與尺寸 齒數=48，模數m=1.6mm，分度圓直徑為=m=1.648mm=76.8mm，變位系數=[a-(+)/2]/m=[50-(20+76.8)/2]/1.6=1，蝸輪喉圓直徑為 =+2m(+)=83 .2mm，蝸輪齒根圓直徑=-2m(+c)=76.16mm。 3. 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度 即校驗下式是否成立： 式中： ——蝸輪齒根彎曲應力，單位為MPa； ——蝸輪齒形系數； ——螺旋角影響系數； ——蝸輪的許用彎曲應力，單位為MPa； 由蝸桿頭數=1，傳動比i=48，可以算出蝸輪齒數=i=48 則蝸輪的當量齒數： 根據蝸輪變位系數=1和當量齒數=48.46，得齒形系數=1.95。 旋轉角影響系數：=1-=0.967； 根據蝸輪的材料和制造方法，由參考文獻表11-8可得蝸輪基本許用彎曲應力：=56MPa； 蝸輪的壽命系數：==0.725； 蝸輪的許用彎曲應力：==40.6MPa； 將以上參數代入式：； 得蝸輪齒根彎曲應力：=37.4； 可見，，蝸輪齒根的彎曲強度滿足要求。 3.4 螺桿的主要參數與幾何尺寸 3.4.1 螺桿的設計計算 1. 螺距的確定 刀架轉位時，要求蝸桿在轉到約170°的情況下，上刀體的斷面齒與下刀體的斷面齒完全脫離；在鎖緊的時候，要求上下端面齒的咬合深度達2mm.因此，螺桿的螺距P應滿足P170/360>2mm，即P>4.24mm。今取螺桿的螺距P=8mm。 2. 其它參數的確定 采用單頭梯形螺桿，頭數n=1，牙側角b=，外螺紋大徑=50mm，牙頂間隙=0.5mm，基本牙形高度=0.5P=3mm，外螺紋牙高=3.5mm，外螺紋中經=46mm，外螺紋小徑=42mm，螺桿螺紋部分長度H=50mm。 3. 自鎖性能校核 螺桿——螺母材料均用45鋼，查參考文獻表5-12，取二者的摩擦因數f=0.11；再求得梯形螺旋副的當量摩擦角約為6.5，而螺紋升角約為2.33，小于當量摩擦角。因此，所選幾何參數滿足自鎖條件。 3.5 蝸桿軸的設計 3.5.1 蝸桿軸的材料選擇，確定許用應力 考慮軸主要傳遞蝸輪的轉矩，為普通用途中小功率減速傳動裝置。選擇軸的材料為45號鋼，經調質處理。由參考文獻表15-1查得=640Mpa， =355Mpa，=275Mpa，=155Mpa，=60Mpa。 3.5.2 按扭轉強度初步估算軸的最小直徑 軸的扭轉強度條件為: = 式中 ——扭轉切應力，MPa； T一一軸所受的扭矩，NM； ——軸的抗扭截面系數，； n ——軸的轉速，r/min； P——軸傳遞的功率，kW； d一一計算截面處軸的直徑，mm； ——許用扭轉切應力，MPa； 由式=可得軸的直徑 當軸截面上開有鍵槽時，應增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度的削弱。對于直徑d100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大5%~7%。由參考文獻表15-3查得=112，代入式中，取=6.1345mm，同時查表得到所用電動機(YS5624型)輸出軸直徑為9mm，所以在空間充裕的情況下取輸入軸最小直徑為9mm，伸出長度為50mm。 3.5.3 確定各軸段的直徑和長度 根據各個零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長度。初步確定蝸桿軸如圖3-5所示： 圖3-5蝸桿軸 =同一軸上的軸承選用同一型號，以便于軸承座孔的鏜制和減少軸承類型。段軸上有一個鍵槽，故槽徑增大5%。 ==(1+5%) =6.44 mm，圓整==12 mm。 所選軸承類型為深溝球軸承，型號為6301。B=12mm，D=37mm。 段起固定作用，取18rnm。 段為蝸桿與蝸輪嚙合部分，故=23.2mm。 ==18mm，便于加工和安裝。 段為與軸承配合的軸段，查軸承寬度為12mm，則=12mm。 段尺寸長度與刀架體的設計有關，蝸桿端面到刀架端面距離為67rnm。端蓋寬度為10mm，故=45rnm。 段為蝸桿部分長度，當=1~2時，=1，(12+0.1)m=26.88rnm，圓整取30mm。 ==45mm。 段長度為12rnm，軸的總長為164rnm。 3.5.4 蝸桿軸的校核 1. 計算軸上的作用力 蝸桿=9550=614N.mm =/=2614/20 =61.4N.mm =2 /==522.3N ==190.1N 2. 計算支反力 垂直面支反力：A，B兩點分為左，右深溝球軸承中心。C點為蝸桿中心。設A點到C點距離為，C點到B點距離為。兩軸承間距離a=152mm，以蝸桿副為中心對稱布置所以==76mm。 圖3-6 軸的載荷分析圖 （a）受力簡圖 （b）（X—Y）平面彎矩圖 （c）（X—Z）平面彎矩圖 （d）合成彎矩圖 （e）轉矩圖 （f）當量彎矩圖 由繞支點B的力矩=0得：=0 =60.69N方向向上；同理，由繞支點A的力矩和=0得：=0，=129.41N方向向上，由軸上的合力=0校核++=0計算無誤。 水平支反力：由繞支點B的力矩=0得：= =30.7N放心向上。 同理，由繞支點A的力矩和得：=30. 7N方向向上，由軸上的合力校核：++=0計算無誤。 A點支反總力 A點支反總力==68.01N B點支反總力==133N 繪制轉、彎矩圖垂直而內的彎矩圖，如圖3-6b。 C處彎矩：左==60.6976=4612.44N.mm 右==9835.44N.mm 水平面內的彎矩圖，如圖3-6c。 C處彎矩：==2333.2N.mm 合成彎矩圖，如圖3-6d。 C處：左==5168.99N.mm 右==10108.4N.mm 轉矩圖，如圖3-6e。T=614N.mm 當量彎矩圖，如圖3-6f。 因為是單向回轉軸，所以扭轉切應力視為脈動循環(huán)變應力，這算系數c=0.6 c×T=0.6614=368.4N.mm C處：左=左=5168.99N.mm 右==10115.1N.mm 3. 彎扭合成強度校核 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和轉矩的截面（即危險截面C）的強度。 =12.64MPa。 根據選定的軸的材料45鋼，調質處理。由參考文獻表15-1查得=60MPa，因，故強度足夠。 4. 安全系數法疲勞強度校核 對一般減速器的轉軸僅試用彎扭合成強度校核即可，而不必進行安全系數法校核。在此試用此法。 5. 判定校核的危險截面 對照彎矩圖、轉矩圖的結構圖，從強度、應力集中方面分析，C截面是危險截面。需對C截面進行校核。 6. 軸的材料的機械性能 根據選定的軸的材料45鋼，調質處理由參考文獻表15-1查得：=640MPa，=275MPa，=155MPa，取=0.2，=0.5=0.50.2=0.1 C截面上的應力W=/32=785，=/16=1570， =左/W=4270.65/785=5.4MPa彎曲切應力幅=0，扭轉切應力幅：=T/(2)=597/(21570)=0.19MPa平均切應力==0.19MPa影響系數C截面為危險截面，由差值法求出：/=3.16，取/=0.8/=0.83.16=2.53軸按磨削加工，求出表面質量系數：==0.92故得綜合影響系數：=/+1/1=3.16+1/0.921=3.25 =/+1/1=2.53+1/0.921=2.62 7. 疲勞強度校核 所以軸在C截面的安全系數為： =/=275/(3.255.44+0)=15.554； =/=155/(2.620.19+0.10.9)=310； =/=19.7； 取許用安全系數S=1.8，有>S，故C截面強度足夠。 3.6 蝸桿軸的軸承選用 從參考文獻表6-2-21中查得12mm內徑的推力球軸承，型號為6301,基本尺寸：d=12mm；D=37mm；B=12；安裝尺寸：(min) =18mm；(max)=32mm (max)=1基本額定載荷：=9.72kN；=5.08kN。潤滑方式：脂潤滑。 4 自動回轉刀架電氣部分設計 自動回轉刀架的自動控制主要取決于電氣控制部分，電氣控制部分主要分兩個方面1、硬件電路設計；2、控制軟件設計。 4.1 硬件電路設計 自動回轉刀架的電氣控制部分主要包括收信電路和發(fā)信電路兩大塊，如圖4-1。在傳感器的選擇上選用了霍爾元件，是一種基于霍爾效應的磁傳感器。所謂霍爾效應，是指磁場作用于載流金屬導體、半導體中的載流子時，產生橫向電位差的物理現象。金屬的霍爾效應是1879年被美國物理學家霍爾發(fā)現的。當電流通過金屬箔片時，若在垂直于電流的方向施加磁場，則金屬箔片兩側面會出現橫向電位差。半導體中的霍爾效應比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現極強的霍爾效應。而霍爾元件就是利用霍爾效應可以設計制成多種傳感器。霍爾電位差UH的基本關系為： UH=RHIB/d ； 式中：RH=1/nq（金屬）； n——單位體積內載流子或自由電子的個數； q——電子電量； I——通過的電流； B——垂直于I的磁感應強度； d——導體的厚度。 由于通電導線周圍存在磁場，其大小與導線中的電流成正比，故可以利用霍爾元件測量出磁場，就可確定導線電流的大小。利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點是不與被測電路發(fā)生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。 若把霍爾元件置于電場強度為E、磁場強度為H的電磁場中，則在該元件中將產生電流I，元件上同時產生的霍爾電位差與電場強度E成正比，如果再測出該電磁場的磁場強度，則電磁場的功率密度瞬時值P可由P=EH確定。利用這種方法可以構成霍爾功率傳感器。如果把霍爾元件集成的開關按預定位置有規(guī)律地布置在物體上，當裝在運動物體上的永磁體經過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據脈沖信號列可以傳感出該運動物體的位移。若測出單位時間內發(fā)出的脈沖數，則可以確定其運動速度?；魻栐褪菓没魻栃陌雽w。 (a) (b) （c） （d） 圖4-1自動回轉刀架電氣控制原理圖 a 發(fā)信盤上的霍爾元件 b 刀位信號的處理 c 刀架電動機正反轉控制 d 刀架電動機正反轉的實現 （1）收信電路 圖a中，發(fā)信盤上的4只霍爾開關（型號為UGN3120U），都有3個引腳，第1角接+12V電源，第2角接+12V地，第3角輸出。轉位時刀體帶動磁鐵旋轉，當磁鐵對準某一個霍爾開關時，其輸出端第3角輸出低電平；當磁鐵離開時，第3角輸出高電平。4只霍爾開關輸出的4個刀位信號T1~T4分別送到圖b的4只光耦合器進行處理，經過光電隔離的信號再送給I/O接口芯片8255的PC4~PC7。 （2）發(fā)信電路 圖c為刀架電動機正反轉控制電路，I/O接口芯片8255的PA6與PA7分別控制刀架電動機的正轉與反轉。其中KA1為正轉繼電器的線圈，KA2的反轉繼電器的線圈。刀架電動機的功率只有90W，所以圖d中刀架電動機與380V市電的接通可以選用大功率直流繼電器，而不必采用繼電器接觸器電路，以節(jié)省成本，降低故障率。圖c中，正轉繼電器的線圈KA1與反轉繼電器的一組常閉觸點串聯，而反轉繼電器的線圈KA2又與正轉繼電器的一組常閉觸點串聯，這樣就構成了正轉與反轉的互鎖電路，以防止系統(tǒng)失控時導致短路現象。當KA1或KA2的觸點接通80V電壓時，會產生較強的火花，并通過電網影響控制系統(tǒng)的正常工作，為此，在圖d中布置了3對R-C阻容用來滅弧，以抑制火花的產生。 4.2 控制軟件設計 在清楚了自動回轉刀架的機械結構和電氣控制電路后，就可以著手編制刀架自動轉位的控制軟件了。對于四工位自動回轉刀架來說，它最多裝有4把刀具，設計控制軟件的任務，就是選中任意一把刀具，讓其回轉到工作位置。 圖4-2 表示讓1#刀轉到工作位置的程序流程，2#~4#刀的轉位流程與1#刀相似。 圖4-2 1#刀轉到工作位置的程序流程 4.2.1 80C31單片機及其引腳說明 80C31單片機，它是8位高性能單片機。屬于標準的MCS-51的HCMOS產品。它結合了HMOS的高速和高密度技術及CHMOS的低功耗特征，標準MCS-51單片機的體系結構和指令系統(tǒng)。 80C31內置中央處理單元、128字節(jié)內部數據存儲器RAM、32個雙向輸入/輸出(I/O)口、2個16位定時/計數器和5個兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內時鐘振蕩電路。但80C31片內并無程序存儲器，需外接ROM。 此外，80C31還可工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結CPU而RAM定時器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存RAM數據，時鐘振蕩停止，同時停止芯片內其它功能。80C31有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)兩種封裝形式。8031芯片具有40根引腳，其引腳圖如圖4-3所示： 圖 4-3 80C31單片機 40根引腳按其功能可分為三類： 1. 電源線2根： 　　Vcc：編程和正常操作時的電源電壓，接+5V。 　　Vss：地電平。 2. 晶振：2根 　　XTAL1：振蕩器的反相放大器輸入。使用外部震蕩器是必須接地。 　　XTAL2：振蕩器的反相放大器輸出和內部時鐘發(fā)生器的輸入。當使用外部振蕩器時用于輸入外部振蕩信號。 3. I/O口共有p0、p1、p2、p3四個8位口，32根I/O線，其功能如下： P0.0～P0.7 （AD0～AD7） 　是I/O端口O的引腳，端口O是一個8位漏極開路的雙向I/O端口。在存取外部存儲器時，該端口分時地用作低8位的地址線和8位雙向的數據端口。（在此時內部上拉電阻有效） 1) P1.0～P1.7 　端口1的引腳，是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O通道，專供用戶使用。 2) P2.0～P2.7 （A8～A15） 　端口2的引腳。端口2是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，在訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址A8～A15 3) P3.0～P3.7 　端口3的引腳。端口3是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口，該口的每一位均可獨立地定義第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時，口的結構與操作與P1口完全相同，第二功能如下所示： 　　P3.0 RXD（串行輸入口） 　　P3.1 TXD（串行輸出口） 　　P3.2 （外部中斷） 　　P3.3 （外部中斷） 　　P3.4 T0（定時器0外部輸入） 　　P3.5 T1（定時器1外部輸入） 　　P3.6 （外部數據存儲器寫選通） 4.2.2 靜態(tài)存儲器6264的特性 6264是一種8K×8的靜態(tài)存儲器，其內部組成，主要包括512×128的存儲器矩陣、行／列地址譯碼器以及數據輸入輸出控制邏輯電路。地址線13位，其中A12～A3用于行地址譯碼，A2～A0和A10用于列地址譯碼。在存儲器讀周期，選中單元的8位數據經列I/O控制電路輸出；在存儲器寫周期，外部8位數據經輸入數據控制電路和列I／O控制電路，寫入到所選中的單元中。6264有28個引腳，采用雙列直插式結構，使用單一＋5 V電源。其引腳功能如下： A12～A0（address inputs）：地址線，可尋址8KB的存儲空間。 D7～D0（data bus）：數據線，雙向，三態(tài)。 OE（output enable）：讀出允許信號，輸入，低電平有效。 WE（write enable）：寫允許信號，輸入，低電平有效。 CE1（chip enable）：片選信號1，輸入，在讀/寫方式時為低電平。 CE2（chip enable）：片選信號2，輸入，在讀/寫方式時為高電平。 VCC：+5V工作電壓。 GND：信號地。 其操作方式由OE，WE， CE1 ， CE2共同作用決定： 寫入：當WE和CE1為低電平，且OE和CE2為高電平時，數據輸入緩沖器打開，數據由數據線D7～D0寫入被選中的存儲單元。 讀出：當OE和CE1為低電平，且WE和CE2為高電平時，數據輸出緩沖器選通，被選中單元的數據送到數據線D7～D0上。 保持：當CE1為高電平，CE2為任意時，芯片未被選中，處于保持狀態(tài)，數據線呈現高阻狀態(tài)。 4.2.3 2764只讀存儲器的特性 ?2764是8K*8字節(jié)的紫外線镲除、電可編程只讀存儲器，單一+5V供電，工作電流為75mA，維持電流為35mA，讀出時間最大為250nS，28腳雙列直插式封裝。各引腳的含義為： 1) A0一A12：13根地址輸入線。用于尋址片內的8K個存儲單元。 2) D0～D7：8根雙向數據線，正常工作時為數據輸出線。編程時為數據輸入線。 3) OE：輸出允許信號。低電平有效。當該信號為0時，芯片中的數據可由D0～D7端輸出。 4) CE：選片信號。低電平有效。當該信號為0時表示選中此芯片。． 5) PGM:編程脈沖輸入端。對EPROM編程時，在該端加上編程脈沖。讀操作時該信號為1。 6) VPP：編程電壓輸入端。編程時應在該端加上編程高電壓，不同的芯片對VPP的值要求的不一樣，可以是+12.5V，+15V，+21V，+25V等。 說明： EPROM的一個重要優(yōu)點是可以擦除重寫，而且允許擦除的次數超過上萬次。一片新的或擦除干凈EPROM芯片，其每一個存儲單元的內容都是FFH。要對一個使用過的EPROM進行編程，則首先應將其放到專門的擦除器上進行擦除操作。擦除器利用紫外線光照射EPROM的窗口，一般經過15-20min即可擦除干凈。擦除完畢后可讀一下EPROM的每個單元，若其內容均為FFH，就認為擦除干凈了。 4.2.4 可編程并行I/O接口芯片8255的特性 8255是一個并行輸入/輸出的LSI芯片，多功能的I/O器件，可作為CPU總線與外圍的接口。 具有24個可編程設置的I/O口，即使3組8位的I/O口為PA口，PB口和PC口。它們又可分為兩組12位的I/O口，A組包括A口及C口(高4位，PC4~PC7)，B組包括B口及C口(低4位，PC0~PC3)。A組可設置為基本的I/O口，閃控(STROBE)的I/O閃控式，雙向I/O3種模式；B組只能設置為基本I/O或閃控式I/O兩種模式，而這些操作模式完全由控制寄存器的控制字決定。 8255引腳功能： RESET：復位輸入線，當該輸入端處于高電平時，所有內部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成輸入方式。 CS：芯片選擇信號線，當這個輸入引腳為低電平時，即/CS=0時，表示芯片被選中，允許8255與CPU進行通訊；/CS=1時，8255無法與CPU做數據傳輸。 RD：讀信號線，當這個輸入引腳為低跳變延時，即/RD產生一個低脈沖且/CS=0時，允許8255通過數據總線向CPU發(fā)送數據或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數據。 WR：寫入信號，當這個輸入引腳為低跳變延時，即/WR產生一個低脈沖且/CS=0時，允許CPU將數據或控制字寫入8255。 D0～D7：三態(tài)雙向數據總線，8255與CPU數據傳送的通道，當CPU 執(zhí)行輸入輸出指令時，通過它實現8位數據的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數據總線傳送。 8255具有3個相互獨立的輸入/輸出通道端口，用+5V單電源供電，能在以下三種方式下工作。 方式0——基本輸入輸出方式； 方式1——選通輸入/出方式； 方式2——雙向選通輸入/輸出方式； PA0～PA7:端口A輸入輸出線，一個8位的數據輸出鎖存器/緩沖器，一個8位的數據輸入鎖存器。工作于三種方式中的任何一種；PB0～PB7：端口B輸入輸出線，一個8位的I/O鎖存器，一個8位的輸入輸出緩沖器。 不能工作于方式二；PC0～PC7:端口C輸入輸出線，一個8位的數據輸出鎖存器/緩沖器，一個8位的數據輸入緩沖器。端口C可以通過工作方式設定而分成2個4位的端口，每個4位的端口包含一個4位的鎖存器，分別與端口A和端口B配合使用，可作為控制信號輸出或狀態(tài)信號輸入端口。不能工作于方式一或二。 A1、A0：地址選擇線，用來選擇8255的PA口、PB口、PC口和控制寄存器。當A1=0、A0=0時，PA口被選擇；當A1=0、A0=1時，PB口被選擇；當A1=1、A0=0時，PC口被選擇；當A1=1、A0=1時，控制寄存器被選擇。 設控制系統(tǒng)的CPU為80C31單片機，擴展8255芯片作為回轉刀架的收信與發(fā)信控制，設計電路圖如圖4-4所示。 圖4-4 設計電路圖 已知8255芯片的控制口地址為2FFFH，則基于流程圖的匯編程序清單如下： T01： MOV DPTR， #2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A， @DPTR ；讀取PC口的內容 JNB ACC.4， TEND ；測試PC4=0？若是，則說明1#已在工作位置，程序轉到TEND MOV DPTR， #2FFCH ；指向8255的PA口地址 MOVX A， @DPTR ；讀取PA口鎖存器的內容 CLR ACC.6 ；令PA6=0，刀架電動機正轉有效 SETB ACC.7 ；令PA7=1，刀架電動機無效 MOVX @DPTR， A ；刀架電動機開始正轉 CALL DE20MS ；延時20ms YT01：MOVX DPTR， #2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A， @DPTR ；第二次讀取PC口內容 JB ACC.4， YT11 ；PC4=0？ CALL DE20MS ；延時20ms YT21：MOV DPTR， #2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A， @DPTR ；第三次讀取PC口內容 JB ACC.4， YT21 ；PC4=0？ MOV DPTR， #2FFCH ；指向PC口 MOVX A，@DPTR ；讀取PA口鎖存器內容