工位刀架设计

目录摘要 .IAbstract.II1 绪论 .11.1.11.2.21.3.32 系统与总体结构设计 .52.152.252.2.1.52.2.2.62.2.3.72.2.4.72.2.5.83 电机的选择及传动蜗杆副的设计.93.1.93.2.93.3.103.3.1103.3. 2123.3. 3123.4.134 自动回转刀架的工作原理 .145 电气控制部分设计 .165.1.165.2.175.3.19结论22参考文献23致谢24攀枝花学院机电一体化课程设计摘要摘 要数控车床的刀架是机床的重要组成部分，刀架用于夹持切削用的刀具，其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。因此数控车床的刀架设计的好与坏、效率高与低将直接影响到产品的加工时间和质量，进而影响到制造业的飞速发展。本设计主要对总体结构设计、 主要传动部件的设计和电气控制部分设计计算。包括减速传动机构的设计、 上刀体锁紧与精定位机构的设计及刀架抬起机构的设计，蜗杆副的设计计算，以及硬件电路及控制软件的设计。本设计的自动回转刀架控制系统电路简单，可靠性高，有效地解决了传统机床换刀主要依靠手工换刀，辅助时间长，精度不高，累积误差大，加工出的产品既费时且质量不如数控加工的问题，也为车床数控改造中的自动换刀问题提供一种有效的解决途径。关键词：数控机床；系统控制；自动回转刀架I攀枝花学院机电一体化课程设计摘要AbstractCNC lathe s tool carrier is an important part of machine. Knife usedor fcutting tool clamping, its structure directly affect the efficiency of machine tools, cutting and cutting. Therefore, CNC lathe turret design is good or bad, high efficiency and low will have a direct impact on processing time and quality of the product, thereby affecting the rapid development of manufacturing sector.This design mainly on the overall structural design, primarily the design of transmission components and electrical control design and calculation. Including reduction drive mechanism design, the cutter body lock and precision positioning mechanism design and the design of turret lifting bodies, worm gear design calculations, as well as hardware circuits and control software design.The design of the automatic revolving turret control system is simple, reliable and effective solution to the traditional machine tool change mainly rely on manual tool change, supporting a long time, accuracy is not high, the errors large, processing the time-consuming and the quality of products the question as CNC machining, but also Lathe automatic tool changer problem to provide an effective solution.Keywords ：CNC Lathe System Control Auto-rotating TurretII攀枝花学院机电一体化课程设计1绪论1 绪论1.1数控机床产生的背景及现实意义数控机床是数字控制机床（ Computer numerical control ）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。 该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序， 并将其译码，从而使机床动作并加工零件。 自从 1952 年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来， 数控机床在制造工业， 特别是在汽车、 航空航天、以及军事工业中等领域被广泛地应用， 数控技术无论在硬件和软件方面，都有飞速发展。数控机床加工的特点有：(1) 自动化程度高，具有很高的生产效率。除手工装夹毛坯外，其余全部加工过程都可由数控机床自动完成。 若配合自动装卸手段， 则是无人控制工厂的基本组成环节。数控加工减轻了操作者的劳动强度， 改善了劳动条件； 省去了划线、多次装夹定位、检测等工序及其辅助操作，有效地提高了生产效率。(2) 对加工对象的适应性强。改变加工对象时，除了更换刀具和解决毛坯装夹方式外，只需重新编程即可， 不需要作其他任何复杂的调整， 从而缩短了生产准备周期。(3) 加工精度高，质量稳定。加工尺寸精度一般在 0.005 0.01mm 之间，不受零件复杂程度的影响。 由于大部分操作都由机器自动完成， 因而消除了人为误差，提高了批量零件尺寸的一致性， 同时精密控制的机床上还采用了位置检测装置，更加提高了数控加工的精度。(4) 易于建立与计算机间的通信联络，容易实现群控。由于机床采用数字信息控制，易于与计算机辅助设计系统连接，形成 CAD/CAM一体化系统，并且可以建立各机床间的联系，容易实现群控。数控机床产业是关系到国家战略地位和体现国家综合国力的重要基础性产业其制造水平高低和拥有数量是衡量一个国家工业现代化程度的重要标志， 在国防建设上更是具有战略意义的重要基础性产业。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1攀枝花学院机电一体化课程设计1绪论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。1.2 国内外数控机床的发展现状自 1952 年在美国出现第一台数控机床至今， 虽不到 60 年，但其发展却很快。特别是近 20 年来，由于微电子和计算机技的进步，发展更为迅速。例如日本，1957 年才研制出第一台数控机床， 1965 年年产 39 台，可到 1970 年便增加到 1451 台， 1980 年增加到 22052 台， 1989 年则达到 59705 台，即占到其机床年总产量的 32.5%、总产值的 73%。1987 年日本已拥有数控机床 ( 不含锻压机械 )6.6 万台 , 其全部金切机床拥有量的 11%。其它一些工业发达国家的发展也艰迅速，如西德，1985 年年产数控机床约 3 万台，占机床年总产值的 54.2%，拥有量 7 万台，占总拥有量的 5.7 。1989 年年产 20549 台（不含锻压机械 )占机床年总产值的 65.2% 。美国 1987 年年产 6047 台，占机床年总产量的 6.6%, 拥有量 222000 台 , 占总拥有量的 9.6%,1989 年占机床总产值的 50.2% 。苏联 1987 年年产量 26000 台，占总产值的 46.4% 。意大利 1988 年数机床占总产量的 45.1% ，拥有量 83600 台，占机床拥有量 15.2% ，1989 年占总产量的 60%，英国 1987 年数控机床年产量 2728 台，占总产值的 44.6% ，拥有量 53700 台，占总拥有量的 7%。法国 1987 年年产量 2259 台，占总产量的 8.28% ，占总产值的 70.9% ，拥有量 81000 台，占总拥有量的 5%。随着电子技术和计算机技术的发展， 数控系统的发展已经历了电子管、 晶体管、中小规模集成电路、 大规模集成电路和超大规模集成电路五个阶段。 因前三代是以专用电路和硬接线插补， 纸带格式识别， 绝对或增量定位及字符编码等功能的，故称之为硬件式数控， 即为一般的 NC 系统。自 70 年代中期以后出现的第四、第五代数控系统，由大规模、超大规模集成电路及微处理机组成。该数控系统有很强的程序存储能力， 一系列的功能都可以由不同的软件程序来实现， 故称为软件式数控，即通常称 CNC 系统。目前，硬件式 ( 主要是第三代 ) 的数控系统虽仍有生产，但已较少，国际上现在生产的大多是第四代或第五代的产品，即软件式数控系统。 由于计算机技术的发展， 硬件的集成度得到提高和软件日益丰富，国际数控装置的水平和功能不断提高与完善， 现在已普遍进入了成熟应用阶段。世界上生产数控装置的厂家很多， 包括一些数控机床生产厂在内， 有名望的有日本的法兰克 (FANUC)、三棱电机、安川电机、大隈等， ERAL（ ELECTRI）公司、 AB(ALLEN BREDLEY)公司、德国的西门子（ SIEMENS)、特劳布 (TRAUB)，黑2攀枝花学院机电一体化课程设计1绪论特勒科赫约有数十家，但是较美国的GE(GENGOULD)公司，联帮（ HEOKLERKOCH)、海登海 (HEIDEN1lAIN) 、意大利奥罩维得 (OLIVETT)、菲迪亚 (FIDIA) 公司、西班牙的 FAGOR公司等。在这些较有名的公司中，从产品的质量、技术水平和市场的占有率等方面的综合比较来看，又以日本 (FANUC)公司列居首位，其次是联帮德国的西门子、海登海和美国的AB 公司。我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过 六五 期间引进数控技术， 七五 期间组织消化吸收 科技攻关 ，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速， 1998 2004 年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为 39.3% 、34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从 2002 年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国， 2004 年中国机床主机消费高达 94.6 亿美元，但进出口逆差严重，国产机床市场占有率连年下降， 1999 年是 33.6% ， 2003 年仅占27.7%。1999 年机床进口额为 8.78 亿美元（ 7624 台）， 2003 年达 27.1 亿美元（ 23320 台），相当于同年国内数控机床产值的 2.7 倍。国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。 由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力， 究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、 制造水平依然落后、 服务意识与能力欠缺、 数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。1.3 自动回转刀架的发展趋势数控刀架的发展趋势是：随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。目前国内数控刀架以电动为主， 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。 另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。 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自动回转刀架，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。数控刀架的市场分析： 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，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，3攀枝花学院机电一体化课程设计1绪论近年来需要量可达1000 1500 台。国外数控车床的发展目的在于提高加工精度和缩短制造周期。实现上述目的之手段是实现机床多功能化和工序工种集成，开发多种多样复合化加工的机种，如增添铣削功能的复合加工车削中心、双主轴多刀塔 ( 双刀塔或四刀塔 ) 数控车床和车削中心、 双主轴同步驱动， 双刀塔同时进行加工车削中心、五轴联动车铣复合中心、车磨复合加工机床、具有车、铣、镗、磨和激光热处理多种功能的高度复合化的复合加工中心等等。 我国数控车床经过多年的发展，特别是近几年迅速为回转刀架的收信与发信控制体，控制步进电机转动带动蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆的发展， 与国际先进水平的差距在逐年缩小。对于某些依赖于进口的高档数控车床，如高精度数控车床和车削中心( 主轴径跳轴跳0.001mm)、适用耐热合金和钛合金零件加工的大功率、 高扭矩数控车床和车削中心等等要加强产品开发研究攻关，突破其核心技术。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具有转位快， 定位精度高， 切向扭矩大的特点。 本设计以 8752 单片机为控制系统的 CPU，扩展 8255 芯片作为回转刀架的收信与发信控制体， 控制步进电机转动带动蜗杆传动， 上下齿盘啮合， 螺杆夹紧的工作原理， 有效的解决了上述的问题。4攀枝花学院机电一体化课程设计2 系统与总体结构设计2 系统与总体结构设计2.1 自动控制系统设计单程序片刀架电动机机霍 尔 元素图 2-1 自动回转刀架机电系统框图图 2-1 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。2.2 总体结构设计自动刀架的分类自动回转刀架按其工作原理可分为：（ 1） 螺旋转位刀架如固 2-2 所示，电机经弹簧安全离合器至蜗轮副带动螺母旋转，螺母举起刀架使端齿盘的上盘与下盘分离，随即带动刀架旋转到位， 然后发信号使电机反转锁紧，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。图 2-2 螺旋转位刀架图 2-3十字槽轮转位 1-内装信号盘2- 刀架3-端齿盘4- 电机 5- 安全离合器A- 销钉B-十字5攀枝花学院机电一体化课程设计2 系统与总体结构设计（ 2）十字槽轮转位刀架如图 2-3 所示，是利用槽轮原理转位及锁紧 (还要加定位销 )。销钉 A 每转 周，刀架转 60。十字槽轮式体积大，零件多，目前使用较少。（ 3）凸台棘爪式转位刀架蜗轮带动凸台相对于凸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 60，然后利用接触开关或霍尔元件发出信号，使电机反转，重新锁紧刀架。凸台棘爪式重复定位精度相对较低。（ 4）液压式转位刀架液压摆动油缸控制转位的刀架， 由摆动阀芯， 可带动刀架转位的拨爪， 还有一个向下拉紧的小油缸组成， 油缸可产生 1000kg 以上的拉紧力。这种转位刀架的特点是转位可靠， 但液压件制造难， 且有油漏及发热等问题。刀架的抬起自动回转刀架的抬起有两种方式，分别如下所述：（ 1）利用压缩弹簧的恢复力来完成刀架的抬起，如图2-4a 所示。在发出这一动作前，弹簧一直被压缩着，直到发出信号时，使弹簧回弹，这可由某一滑动机构的斜面转动来完成。 同样，压缩弹簧还是利用这一斜面，但其转动方向相反，如图 2-4b 所示。为了使抬起可靠，弹簧的最小预紧力必须大于所抬起部分重量的两倍以上。这种方案的缺点是刀架在转动过程中，一直受着弹簧力的作用，有明显的摩擦力和磨损。另外，一旦有杂物混入，容易被卡在抬不起来。图2-4 利用弹簧抬起刀架和利用斜面压紧刀架原理图a) 弹簧抬起b) 斜面压紧（ 2）利用螺纹传动， 将旋转运动变成轴向直线运动， 从而达到抬起刀架的目的。在这种情况下， 完成这一功能的丝杠要竖直安放， 这种方案可基本上克服上一种方案的缺点。此外，这两种方案要解决的共同问题是： 在刀架的抬起过程中，6攀枝花学院机电一体化课程设计2 系统与总体结构设计都要防止刀架转动。 这可通过设计一个带有斜面的粗定位销和定位销槽的配合来完成，并使斜面间摩擦力产生的阻力矩大于上述转动摩擦力矩。刀架的回转和选位刀架由一个微电机通过传动系统来带动。 刀架的转动轴线是竖直的， 而转速比微电机来要慢得多。 由于电机空间条件所限必须卧式安装， 因此两者的转动轴线互相垂直或异面垂直， 蜗轮蜗杆传动比较适合于这种场合。 刀架从抬起变成转动的功作原理是： 当刀架抬起到特定高度时， 由一个正在旋转的拨块带动刀架转动，因此，刀架的抬起运动和转动均由同一传动系统来先后完成。刀把转过一定角度后要选位， 即看一看转到这个位置的刀具是否符合加工要求，这一功能是由微机程序来实观。具体的说，当刀架转到此位置时，程序自动地将该位置的编码与所需刀具编码加以比较。 若相同，该刀具就选定此位。 否则，再转动，重复上述过程。 刀架每次转过的角度大小， 主要是由刀架的面体数量来确定。对于六方刀架，每次转 360/6=60 。刀架编码由三位二进制数表示，六方刀架的编码为 000、00l、0ll 、 l00、 110、111。刀位编码信号的发出，是由装在随刀架一起转动的微功电源开关来实现的。 微动开关的触头朝外， 它的开关状态由一个内表面凸轮来控制。 凸轮实际上是只有一定半径差的两个内圆弧表面。 被动开关触头与小半径内圆弧表面接触，开关便接通；与大半径内圆弧表面接触，开关便中断。与此对应的信号分别是 l 和 0。所需要的微动开关数目，等于编码的位数。即六方刀架备有三个微动开关。 另外，刀位编码信号并非转到此位置时才发出，而是提前发出的。 刀具的选位位置是由一个粗定位开关来控制的。 当刀架转到某个刀位时，粗定位开关发信号，停转，微机进行编码比较，根据比较结果，或刀架选定此位， 或继续转动。 粗定位开关的通断控制也是由一个类似于内表面凸轮的定位槽来完成。刀架的下降、定位和压紧刀架选定位置后， 斜面销插入斜面槽中， 使之粗定位。 然后由微机控制使微电机反转。由于斜面销的棘轮作用，刀架不跟随转，只是下降，再由精定位元件来精确定位。精定位元件有若干种， 常采用锥形定位销定位。 但是如果只用一个定位销定位，那么刀架的定位精度和定位刚度都不足。 若用多个定位销定位， 定位销孔的位置精度要求极高，加工难度较大。相比之下，端面齿盘定位的优点较为明显。齿盘齿廓部分的形位精度可以从工艺上严加控制， 再经反复对研， 即可得到很高的精度。由于端面齿盘定位为多齿接触，接触面积大，因此它还有接触刚度好、定位尺寸稳定性好和寿命长等特点。 此外，这种元件允许刀架下降时有一定角度误差。因此转位刀架的精确定位最常用的是端齿盘结构式。7攀枝花学院机电一体化课程设计2 系统与总体结构设计定位完毕，需要压紧刀架才能安全可靠地工作。 压紧力是由刀架下降到底后，微电机继续转动所产生的。 压紧力的大小应是切削力大小的两倍以上， 而且应该能调整。当压紧力达到调整数值时， 使微电机停转， 且始终保持这一压力直到下一动作循环的开始。减速传动机构的设计设计采用异步电动机作为动力源， 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才行。 常用的减速机构有： 齿轮减速和蜗轮蜗杆减速机构。 齿轮减速机构一般为渐开线齿轮行星传动， 是一种具有动轴线的齿轮系传动，亦称周转轮系传动，可用于减速、增速和差速装置。其优点是体积小，重量轻，效率高，结构简单紧凑，可得到很大的传动比，便于串联成多级传动。 蜗轮蜗杆减速机是一种具有结构紧凑， 传动比大， 以及在一定条件下具有自锁功能的传动机械， 是最常用的减速机之一， 其中，中空轴式蜗齿减速机不仅具有以上的特点，而且安装方便，结构合理，越来越得到广泛应用。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。图 2-5 为自动回转刀架的传动结构示意图：图 2-5 自动回转刀架的传动结构示意图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8攀枝花学院机电一体化课程设计3 蜗杆副的设计3 蜗杆副的设计3.1电动机的选择系统要求电机参数为：功率P=40W；转速 n=1380r/min。查机械设计手册第四版第 5卷表 22-1-108仅 YS-50-2-4型电动机符合要求。YS-50-2-4型电机的参数为：功率P=40W；转速 n=1400r/min；电流 I=0.22A 。所以动力部分选择YS-50-2-4型三相异步电机。3.2 蜗杆副的选用自动回转刀架的动力源是三相异步电动机， 其中其中蜗杆与电动机相连， 刀架转位 时蜗轮与上刀 体直连 。 已知 电动机 额定 功率 P=40w ，额 定转 速 n1=1380r/min,上刀体设计转速 n2 =26r/min ， 则蜗杆的传动比为 i= n1 / n2 =1380/26=53 。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，启动时冲击大，按蜗杆副的使用寿命 L h =10000h（1）蜗杆的选型按蜗杆形状不同可分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥蜗杆传动三类。由于刀具加工位置的不同，圆柱蜗杆又可分为阿基米德蜗杆（ZA 型）、渐开线蜗杆（ ZI 型）和法向直廊蜗杆（ ZN 型）等多种。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）蜗杆副的材料 蜗轮材料。 通常是指蜗轮齿冠部分的材料，主要有以下几种：1）铸锡青铜 适用于 vs 12m/s26m/s 和持续运转的工况，离心铸造的可得到致密的细晶粒组织，可取大值，砂型铸造的取小值。2）铸铝青铜适用于vs 10m/s的工况，抗胶合能力差，蜗杆硬度应不低于 45HRC。3）铸铝黄铜点蚀强度高，但磨损性能差，宜用于低滑动速度场合。4）灰铸铁和球墨铸铁适用于 vs 2m/s的工况，前者表面经硫化处理有利于减轻损，后者若与淬火蜗杆配对能用于重载场合，直径较大的蜗轮常用铸铁。蜗杆材料 按材料有碳钢和合金钢。蜗轮直径很大时，也可以采用青铜蜗杆，蜗轮则用铸铁， 按热处理不同分为硬面蜗杆和调质蜗杆。首先应考虑选用硬面蜗杆，在要求持久性较高的动力传动中，可选用渗碳钢淬火， 也可选用中碳钢表面或整体淬火已得到必要的硬度，制造时必须要磨损。 用氮化渗氮处理的蜗杆可以不磨削， 但需要抛光。 只有在缺乏磨削设备时才选用调质蜗杆。受短时冲9攀枝花学院机电一体化课程设计3 蜗杆副的设计击载荷的蜗杆， 不宜采用渗碳钢淬火， 最好用调质钢。 铸铁蜗杆与镀鉻蜗杆配对时，有利于提高传动的承载能力和滑动速度。综上所述，刀架中的蜗杆副传递的功率不大， 但是蜗杆转速较高， 所以蜗杆的材料选择 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， 材料主要考虑到要求耐磨性， 因此材料选择铸锡磷青铜（ZcuSn10P1 ），采用金属模铸造 。3.3 蜗杆副的设计刀架中的蜗杆副多采用闭式传动， 经常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。按齿面接触疲劳强度设计蜗轮的接触疲劳强度条件为：2aZEZ3 KT2 H a 蜗杆副的传动中心距，单位为mm ；KA 使用系数；T2 作用在蜗轮上的转矩T，单位 N.mm ；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，根据已知的传动比i=53.07，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T22）设蜗杆头数 Z =1, 蜗杆副的传动效率取= 0.8 ，由电动机的额定功率P11=40W,算出蜗杆传递功率 P2 = P1 ，再由蜗杆的转速 n2 =26r/min 求得作用在蜗杆上的转矩：T29.55 P29.55 P1n2n23）确定使用系数K载荷系数K= K A K KV 。其中 K A 为使用系数，查表得K A =1.15。 K为齿向载荷分布系数，查表得K =1.15， K V 为动载系数，查表得K V =1.05。则K= K AK KV =1.3910攀枝花学院机电一体化课程设计3 蜗杆副的设计4）确定弹性影响系数 ZE铸锡磷青铜 (ZCuSn10P1)蜗轮与钢蜗杆相配合时，可查得弹性影响系数ZE =160MPa4）确定接触系数 ZP假定蜗杆分度圆直径 d1与传动中心距 a比d1/a=0.35由查表得Zp2.95）确定许用接触应力 H根据蜗轮材料为铸锡磷青铜（ZCuSn10P1 ），金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度大于 45HRC ，查表得基本选用应力为H 1MPa ，因为是单头蜗杆，268则 j=1,应力循环次数 N=60 n2 j L h = 60 26 1100001.56 1078 1070.972寿命系数 K HNN许用应力 H = KHN H 1 =260Mpa6）计算中心距将各数值带上中心距计算公式a 31602.9)237.331.39 11753 (260由表得，取中心距 a=40mm，已知蜗杆头数 Z1 =1，设模数位 1.25，得蜗杆分度圆直径 d1 =20。这时 d1 /a=0.5 由表得 ZP =2.5。因为 ZP ZP ,所以上式计算结果可用。则涡杆的基本尺寸计算：直径系数 q=16，轴向齿距 Pa= m =3.925，齿顶圆直径 da1=22.5mm，齿根圆直径 df1 =17.1mm，分度圆到程角=arctan（ Z1 /q）=3.97。涡轮的基本尺寸计算：取 涡 轮 的 齿 数 为 Z2 =46 ， 则i= Z2 / Z1 =46 ， 这 时 传 动 比 误 差 为4643.75=5.1%，由于该装置对传动比要求不高，则该传动比满足要求。43.75涡轮的分度圆直径 d2 =m Z2 =57.5mm，变位系数为 x 2 =a-（ d1 + d2 ） /2/m=1mm ，涡轮喉圆直径为da2 = d2 +2m ( ha + x 2 )=62.5mm，涡轮齿根圆直径df 2 = d2 -2m（ ha - x2 + c ）=57mm11攀枝花学院机电一体化课程设计3 蜗杆副的设计3.3. 2 校核涡轮齿根弯曲疲劳强度F1.53KT 2 YFa2Y F d1d2m式中F 涡轮齿根弯曲应力，单位MPaYFa2 涡轮齿形系数；Y 螺旋角影响系数则涡轮的当量齿数： zv2z246.28cos3则查表得 YFa2 =1.95螺旋角影响系数 Y =1-=0.972140涡轮寿命系数 K FN =9 106=0.72N查表得 F =56MPa涡轮的许用弯曲应力： F F K FN =40.33 MPa将以下参数代入弯曲疲劳强度的计算式中得F =40.172mm，P4.24,今取螺杆的螺距 P=6mm。（2） 其他参数确定采用单头梯形螺杆，头数n=1，牙型角=15，外螺纹大经（工程直径） d1 =50mm，牙顶间歇 ac =0.5mm，基本牙型高 H1 =0.5P=3mm，外螺纹牙高 h3 = H1 + ac =3.5mm，外螺纹中经 d2 =47mm，外螺纹小径 d3 =43mm，螺杆螺纹部分长度H=50mm。（3） 自锁性能校核螺杆 -螺母材料均为45 刚，查表得，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：12攀枝花学院机电一体化课程设计3 蜗杆副的设计f=7.17 varctancos而螺旋升角： =arctan nP2.59 vd2所以，所选几何参数满足自锁条件。3.4 蜗杆传动的润滑（ 1）润滑油粘度和润滑方法为提高蜗杆传动的抗胶合性能， 宜选用粘度较高的润滑油。 在矿物油中适当的加些油性添加剂（如加入 5%的动物脂肪），有利于提高油膜厚度，减轻胶合危险。用青铜制造的蜗轮，则不容许采用活性大的极压添加剂以免腐蚀青铜。采用聚乙二醇、聚醚合成油时，摩擦系数较小，有利于提高传动效率，承受较高的工作温度，减少磨损。（ 2）蜗杆布置与润滑方式采用油池润滑时，蜗杆最好布置在下方。蜗杆浸入油中的深度至少能浸入螺旋的牙高，且油面不应超过滚动轴承最低滚动体的中心。油池容量宜适当大些，以免蜗杆工作时泛起箱内沉淀物和油很快老化。 只有在迫不得已的情况下， 蜗杆才布置在上方。 这时，浸入油池的蜗轮深度允许达到蜗轮半径的 1/61/3。若速度高于 10m/s，必须采用压力喷油润滑，由喷油嘴向传动的啮合区供油。为增强冷却效果，喷油嘴宜放在啮出侧，双向转动的应布置在双侧。13攀枝花学院机电一体化课程设计4 自动回转刀架的工作原理4 自动回转刀架的工作原理自动回转刀架的换刀流程如图4-1 所示。图4-1 自动回转刀架的换刀流程图 4-2 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14攀枝花学院机电一体化课程设计4 自动回转刀架的工作原理平信号，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。由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可稳定地工作。图4-2刀架在换刀过程中有关销的位置15机电一体化课程设计5 电气控制部分设计5 电气控制部分设计5.1 机电系统的分类及组成数控机床机电系统有两种基本形式，即经济型和全功能型。 所谓经济型系统是用一个微机芯片作主控单元，伺服系统大都为功率步进电动机，采用开环控制系统，步进当量为 0.01 0.005mm/脉冲，机床快速移动速度为5 8m/min，传动精度较低，功能也较简单。全功能型的系统用2 4 个微机芯片进行控制， 各 CPU之间采用标准总线接口， 或者采用中断方式通讯。 在主控微机的管理下， 各微机分别进行指令识别、插补运算、文本及图形显示、控制信号的输入输出等。伺服系统一般采用交流或直流电机伺服驱动的闭环或半闭环控制，这种形式可方便地控制进给速度和主轴转速。机床最快移动速度为8 24m/min，步进当量为0.01 0.00lmm/ 脉冲，控制的轴数多达20 24 个。因而广泛用于精密数控车床、铣床、加工中心等精度要求高、加工工序复杂的场合。下面以 MCS-51 单片机系统为例说明机电系统的组成：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 5-1 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。16机电一体化课程设计5 电气控制部分设计图 5-1经济型数控系统的硬件框图图 5-2系统的存储器存储器扩展电路：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 5-2 所示。5.2 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5-3 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 T1 T6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。17机电一体化课程设计5 电气控制部分设计（ 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 3 24V，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5-3 自动回转刀架电气原理图18机电一体化课程设计5 电气控制部分设计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5.3 控制软件的设计电动刀架控制系统软件执行过程为:换刀系统接收到换刀指令后 , 系统首先读取刀号存储单元中存储的当前刀位号码 , 并将该存储单元中的刀位号与换刀指令给出的刀位号比较 , 如果相同 , 则不需换刀 , 系统继续向下执行程序；如果当前刀位号码与换刀指令给出的刀位号不相同 , 则8255的 PA6脚输出高电平控制刀架电机正转 , 并不断检测刀位到位信号 , 当检测到刀位到位信号后， 8255的PA6脚输出低电平 , 停止刀架运转 , 同时在 PA7 脚输出高电平 , 电机反转 , 同时启动定时器 ( 电机反转的时间必须严格控制 , 时间过短