畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）數(shù)控機(jī)床6刀自動(dòng)刀架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、數(shù)控機(jī)床6刀自動(dòng)刀架系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： * 學(xué)生學(xué)號(hào)： 院（系）： 機(jī)械工程學(xué)院 年級(jí)專業(yè)： r機(jī)械06-6 指導(dǎo)教師： * 2010年10月摘 要自動(dòng)換刀裝置是數(shù)控機(jī)床上最普遍的一種輔助裝置，它可以使數(shù)控機(jī)床在工件一次裝夾中完成多種甚至所有的加工工序，以縮短加工的輔助時(shí)間，減少加工過(guò)程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機(jī)床的加工效率和加工精度。本論文是關(guān)于數(shù)控機(jī)床6工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架系統(tǒng)的設(shè)計(jì).完成了主要部件的裝配并繪制必要的零部件圖，完成了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中包括自動(dòng)換刀裝置的總體設(shè)計(jì)、原理方案的實(shí)現(xiàn)、主要部件的分析、傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算，單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路的實(shí)現(xiàn)和軟件程序的編制。

2、采用三相異步電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力源，蝸輪蝸桿副傳遞動(dòng)力，螺桿螺目副傳遞運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上刀體升降運(yùn)動(dòng)，用端齒盤(pán)定位，單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床6工位自動(dòng)換刀裝置的自動(dòng)換刀和精確定位要求。關(guān)鍵詞: 數(shù)控機(jī)床，回轉(zhuǎn)刀架，控制系統(tǒng)，單片機(jī)目錄目錄iii1 緒論11.1題目的背景和意義11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)22 方案設(shè)計(jì)32.1 自動(dòng)刀架的基本形式和應(yīng)滿足的要求32.1.1自動(dòng)刀架的形式32.1.2 自動(dòng)刀架的基本要求和功能分析42.2 初步確定自動(dòng)刀架的方案43 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)53.1 減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)53.2 上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)53.3 刀架抬起機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)54

3、自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理64.1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程64.2 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀過(guò)程中有關(guān)銷的位置75 主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算85.1 蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算85.1.1蝸桿的選型85.1.2蝸桿副的材料85.1.3按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)85.1.4蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸95.1.5校核蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度105.2 螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算105.2.1螺距的確定105.2.2其他參數(shù)的確定115.2.3自鎖性能校核116 鎖緊定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)126.1 端齒盤(pán)設(shè)計(jì)126.2 端齒盤(pán)的特點(diǎn)126.3 端齒盤(pán)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算126.3.1齒數(shù)z的確定126.3.2端齒盤(pán)外徑d136.3.3端齒盤(pán)

4、齒形角136.3.4齒根角(嚙合斜角)146.3.5最大齒距(周節(jié))t和最大齒厚b156.3.6齒頂高h(yuǎn)及嚙合高度166.3.7齒寬(徑向)f166.3.8齒底槽寬b和齒頂寬b1167 電氣控制部分設(shè)計(jì)177.1 單片機(jī)選型177.2 硬件電路設(shè)計(jì)177.2.1 收信電路187.2.2 發(fā)信電路197.3 硬件電路主要電子元件的工作原理197.3.1霍爾元件的工作原理和特性197.3.2 霍爾開(kāi)關(guān)的工作原理197.3.3 光電耦合器的工作原理207.3.4 8255芯片的工作原理207.4 控制軟件設(shè)計(jì)217.4.1 換刀工作原理的程序流程圖217.4.2 程序的實(shí)現(xiàn)方法22結(jié)論23參 考 文

5、 獻(xiàn)241 緒論1.1題目的背景和意義數(shù)控技術(shù)自20世紀(jì)中葉出現(xiàn)以來(lái)，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化。數(shù)控加工的加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，能減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。數(shù)控機(jī)床是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、精度要求較高、價(jià)格昂貴不允許報(bào)廢的關(guān)鍵零件。而刀架是數(shù)控機(jī)床的主要附件之一，它的性能直接影響著數(shù)控機(jī)床的精度和效率，所以隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展必然會(huì)提高其對(duì)刀架的要求，不言而喻，研究自動(dòng)刀架系統(tǒng)是非常有意義的。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)與國(guó)際全面接軌，進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期。機(jī)床制造業(yè)既面臨著機(jī)械制

6、造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機(jī)，也遭遇到加入世界貿(mào)易組織后激烈的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力，加速推進(jìn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。所以應(yīng)加快自動(dòng)刀架系統(tǒng)的研究以促進(jìn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?jié)M足適應(yīng)生產(chǎn)加工的需要。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀自動(dòng)刀架系統(tǒng)應(yīng)用了自動(dòng)控制、微電子、精密測(cè)量等方面的最新成就，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它的發(fā)展和運(yùn)用，改變了制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理方式，為普通機(jī)床演變?yōu)閿?shù)控機(jī)床創(chuàng)造了條件，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大的變化。數(shù)控水平的高低已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平高低的標(biāo)志。隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，以前的刀架，能裝的刀具太少，定位精度不高，效率低，精度差，

7、已不能滿足要求，于是便出現(xiàn)了許多精度更高、刀架更大、自動(dòng)化程度更高的刀架。 自動(dòng)換刀裝置是數(shù)控機(jī)床上最普遍的一種輔助裝置，它可以使數(shù)控機(jī)床在工件一次裝夾中完成多種甚至所有的加工工序，以縮短加工的輔助時(shí)間，減少加工過(guò)程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機(jī)床的加工效率和加工精度。目前我過(guò)的數(shù)控機(jī)床和加工中心使用的自動(dòng)換刀裝置主要有轉(zhuǎn)塔式自動(dòng)換刀和刀庫(kù)式自動(dòng)換刀兩種。轉(zhuǎn)塔式換刀一般為順序換刀，其換刀時(shí)間短，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，但剛性較差，能容納刀具較少；刀庫(kù)式換刀一般刀庫(kù)只有選刀動(dòng)作而另需機(jī)械手進(jìn)行換刀動(dòng)作，其刀庫(kù)容量大，但其成本高，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。隨著我國(guó)生產(chǎn)力水平的日益提高，國(guó)內(nèi)企業(yè)要發(fā)展就必須

8、更新大量的設(shè)備，很多企業(yè)都加大了數(shù)控設(shè)備的投入，但由于財(cái)力等客觀因素，大多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備仍以普通機(jī)床為主，不少企業(yè)為了提高效率，在普通機(jī)床上加裝了數(shù)顯裝置，提高了機(jī)床的精度，改善了設(shè)備狀況，但制造商們忽略了一個(gè)很重要的部件就是刀架，要想真正提高工作效率，刀架是必須要考慮的附件之一。目前國(guó)內(nèi)數(shù)控刀架以電動(dòng)為主，分為立式和臥式兩種。數(shù)控刀架的市場(chǎng)分析：國(guó)產(chǎn)數(shù)控車床今后將向中高檔發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用動(dòng)力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種，近年來(lái)需要量可達(dá)10001500臺(tái)。煙臺(tái)機(jī)床附件公司是我國(guó)生產(chǎn)數(shù)控刀架的主要廠家之一。他們生產(chǎn)的ak31系列全功能型數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架，

9、主要規(guī)格有，中心高為63、80、100、125、160及200mm；ak21系列經(jīng)濟(jì)型數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架主要規(guī)格有：刀臺(tái)方尺寸為80、100、137、150、160、190、200、240、300、340mm。煙臺(tái)機(jī)床附件公司生產(chǎn)的ak31系列數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是引進(jìn)意大利技術(shù)生產(chǎn)的高性能機(jī)床附件，特別適宜全功能數(shù)控車床，可多刀夾持，變向轉(zhuǎn)位和任意刀位就近選刀，實(shí)現(xiàn)了加工程序的自動(dòng)化、高效化。目前，該公司數(shù)控刀架的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)到了40左右，受到一大批機(jī)床主機(jī)廠的稱贊。1.3 存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)機(jī)床工具行業(yè)的發(fā)展，依賴于行業(yè)技術(shù)水平和創(chuàng)新能力的提高，依賴于機(jī)床的數(shù)控化和產(chǎn)品快速的升級(jí)換代，依賴于制造業(yè)

10、從剛性自動(dòng)化向柔性自動(dòng)化方向轉(zhuǎn)變這一社會(huì)需求，由于我國(guó)機(jī)床附件廠資金緊張，造成技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)改造的力度不大，使附件水平的發(fā)展嚴(yán)重滯后，成為制約民族機(jī)床工業(yè)發(fā)展的瓶頸。國(guó)產(chǎn)配套件在產(chǎn)品質(zhì)量、性能、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、品牌信譽(yù)、外觀造型、精度穩(wěn)定性等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比都存在一定的差距。當(dāng)前數(shù)控機(jī)床發(fā)展迅猛，向高速、高效、高精、柔性化、環(huán)保方面發(fā)展，與之相應(yīng)的機(jī)床附件也應(yīng)隨之發(fā)展。數(shù)控刀架將結(jié)合微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，朝著高精度化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化等方向發(fā)展。國(guó)產(chǎn)數(shù)控車床今后將向中高檔發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用動(dòng)力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種。數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢(shì)

11、是：隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開(kāi)始向快速換刀、電液組合驅(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。2 方案設(shè)計(jì)普通的機(jī)械零件的加工制造過(guò)程中，大量的時(shí)間用于更換刀具、裝卸零件、測(cè)量和搬運(yùn)零件等非切削時(shí)間上，切削加工時(shí)間僅占整個(gè)工時(shí)中較小的比例。為了縮短非切削時(shí)間，充分發(fā)揮機(jī)床的效率，通常采用“工序集中”的原則。常見(jiàn)的自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架就是為了實(shí)現(xiàn)上述功能而設(shè)計(jì)的。2.1 自動(dòng)刀架的基本形式和應(yīng)滿足的要求2.1.1自動(dòng)刀架的形式圖2.1a)所示為螺母升降轉(zhuǎn)位刀架，電動(dòng)機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器、蝸輪副帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，螺母舉起刀架使上齒盤(pán)與下齒盤(pán)分離，隨即帶動(dòng)刀架旋轉(zhuǎn)到位，然后給系統(tǒng)發(fā)信號(hào)螺母反轉(zhuǎn)鎖緊。圖2.1 回轉(zhuǎn)刀架的形式及其工作原理

12、圖圖2.1b)所示為利用十字槽輪來(lái)轉(zhuǎn)位及鎖緊刀架（還要加定位銷），銷釘每轉(zhuǎn)一周，刀架便轉(zhuǎn)1/4轉(zhuǎn)（也可設(shè)計(jì)成六工位等）。圖2.1c)所示為凸臺(tái)棘爪式刀架圖2.1d)所示為電磁式刀架，圖2.1e)所示為液壓式刀架2.1.2 自動(dòng)刀架的基本要求和功能分析基本要求：1） 滿足工藝要求 2） 保證足夠高的重復(fù)定位精度 3） 具有足夠的剛度 4） 提高可靠性 5） 縮短換刀時(shí)間 功能分析：1)抬起：為了使刀架能夠轉(zhuǎn)位，回轉(zhuǎn)刀架必須先抬起。2)轉(zhuǎn)位：為了完成工件若干個(gè)工序的加工，在回轉(zhuǎn)刀架上固定著6組刀具，為使各組刀具能依次參加工作，回轉(zhuǎn)刀架需相應(yīng)轉(zhuǎn)位。3)定位：為保證加工精度，在加工時(shí)回轉(zhuǎn)刀架應(yīng)精確定位

13、。2.2 初步確定自動(dòng)刀架的方案初步?jīng)Q定選用2.1a)所示形式的電動(dòng)刀架。電動(dòng)刀架的初步方案簡(jiǎn)圖如下圖2.2所示。圖2.2 電動(dòng)刀架簡(jiǎn)圖其工作原理為：當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，在經(jīng)過(guò)蝸輪帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，從而使刀架抬起，刀架抬起后，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)刀架轉(zhuǎn)位，完成轉(zhuǎn)位后，由微動(dòng)開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)使電機(jī)反轉(zhuǎn)，壓緊刀架。3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)普通的三相異步電動(dòng)機(jī)因轉(zhuǎn)速太快，不能直接驅(qū)動(dòng)刀架進(jìn)行換刀，必須經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速?？紤]到本設(shè)計(jì)減速比較大，且為立式刀架，需改變傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向，要求自鎖，因此綜合比較之后選用蝸桿副減速。蝸桿傳動(dòng)單級(jí)傳動(dòng)能得到很大的傳

14、動(dòng)比，傳動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)噪聲，沖擊載荷小，且能優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)，做到外型輪廓小，結(jié)構(gòu)緊湊，固選用蝸桿傳動(dòng)。3.2 上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)上刀體的鎖緊與定位機(jī)構(gòu)選用端面齒盤(pán)，將上刀體和下刀體的配合面加工成梯形端面齒。當(dāng)?shù)都芴幱诂嵕o狀態(tài)時(shí)，上下端面齒相互嚙合，這時(shí)上刀體不能繞刀架的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)；換刀時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，抬起機(jī)構(gòu)使上刀體抬起，等上下端面齒脫開(kāi)后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完成轉(zhuǎn)位動(dòng)作。3.3 刀架抬起機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要想使上、下刀體的兩個(gè)端面齒脫離，就必須設(shè)計(jì)合適的機(jī)構(gòu)使上刀體抬起。從經(jīng)濟(jì)型方面考慮，應(yīng)采用經(jīng)濟(jì)的螺桿-螺母副，在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺桿繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，作為螺母的上

15、刀體要么轉(zhuǎn)動(dòng)，要么上下移動(dòng)。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，上刀體與下刀體的端面齒相互嚙合，因?yàn)檫@時(shí)上刀體不能與螺桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，所以螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使上刀體向上移動(dòng)。當(dāng)端面齒脫離嚙合時(shí)，上刀體就與螺桿一同轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)計(jì)螺桿時(shí)要求選擇適當(dāng)?shù)穆菥?，以便?dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，使得上刀體與下刀體的端面齒能夠完全脫離嚙合狀態(tài)。4 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理4.1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程如圖4.1所示。圖4.1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)彈簧安全離合器帶動(dòng)蝸桿正轉(zhuǎn)，再經(jīng)過(guò)蝸輪帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動(dòng)，要么上下移動(dòng)，此處設(shè)計(jì)為電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)上刀體向上移動(dòng)，當(dāng)?shù)都?/p>

16、處于鎖緊狀態(tài)時(shí)，上刀體與下刀體的端面齒相互嚙合，因?yàn)檫@時(shí)上刀體不能與螺桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，所以螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使作為螺母的上刀體向上移動(dòng)，從而使刀架抬起，在螺桿旋轉(zhuǎn)的同時(shí)也帶動(dòng)上蓋圓盤(pán)一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)都芡耆鸷螅嗣纨X脫離嚙合，上刀體上部的圓柱銷落入上蓋圓盤(pán)，上蓋圓盤(pán)就通過(guò)圓柱銷帶動(dòng)一同轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了上刀體的轉(zhuǎn)位，再通過(guò)霍爾元件觸發(fā)判斷上刀體是否轉(zhuǎn)到了工作位置。完成轉(zhuǎn)位后，由微動(dòng)開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)使電機(jī)反轉(zhuǎn)，通過(guò)彈簧安全離合器帶動(dòng)蝸桿反轉(zhuǎn)，再經(jīng)過(guò)蝸輪帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，螺桿旋轉(zhuǎn)的同時(shí)也帶動(dòng)上蓋圓盤(pán)一起旋轉(zhuǎn)，上蓋圓盤(pán)通過(guò)上刀體上部的圓柱銷帶動(dòng)上刀體開(kāi)始反轉(zhuǎn)，上刀體下部的反靠銷馬上就會(huì)落入反靠圓盤(pán)的十字槽內(nèi)，反靠銷反靠

17、，上刀體停轉(zhuǎn)，至此，實(shí)現(xiàn)粗定位。螺桿的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)使上刀體下降，最后至上刀體的端面齒與下刀體的端面齒完全嚙合，實(shí)現(xiàn)精定位，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，再延時(shí)鎖緊，整個(gè)換刀過(guò)程至此結(jié)束。4.2 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀過(guò)程中有關(guān)銷的位置圖4.2表示自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在換刀過(guò)程中有關(guān)銷的位置。圖4.2 刀架轉(zhuǎn)位過(guò)程中銷的位置a) 換刀開(kāi)始時(shí)，圓柱銷2與上蓋圓盤(pán)1可以相對(duì)滑動(dòng)b) 上刀體4完全抬起后，圓柱銷2落入上蓋圓盤(pán)1槽內(nèi)，上蓋圓盤(pán)1將帶動(dòng)圓柱銷2以及上刀體4一起轉(zhuǎn)動(dòng)c) 上刀體4連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反靠銷6可從反靠盤(pán)7的槽左側(cè)斜坡滑出d) 找到刀位時(shí)，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，反靠銷6反靠，上刀體停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)粗定位1上蓋圓盤(pán) 2圓柱銷 3彈簧

18、4上刀體 5圓柱銷 6反靠銷 7反靠圓盤(pán) 5 主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算5.1 蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算由于刀架轉(zhuǎn)動(dòng)所需的功率較小，所以選取額定功率為=110w，額定轉(zhuǎn)速=1440r/min的電動(dòng)機(jī) ,上刀體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，則蝸桿副的傳動(dòng)比。刀架從轉(zhuǎn)位到鎖緊時(shí)，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，啟動(dòng)時(shí)沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命。5.1.1蝸桿的選型 gb/t10085-1988推薦采用漸開(kāi)線蝸桿（zi蝸桿）和錐面包絡(luò)蝸桿（zk蝸桿）。本設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便的漸開(kāi)線型圓柱蝸桿(zi型)。5.1.2蝸桿副的材料 刀架中的蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速較高，因此，蝸桿的材料選用45鋼；蝸輪的轉(zhuǎn)速較低，其材料

19、主要考慮耐磨性，選用鑄錫磷青銅zcusn10p1,采用金屬模鑄造。5.1.3按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 刀架中的蝸桿副要先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。按蝸輪接觸疲勞強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)計(jì)算的公式為： （5.1）從式（5.1）算出蝸桿副的中心距a之后，根據(jù)傳動(dòng)比i=57.6，經(jīng)查表選擇一個(gè)合適的中心距a值，以及相應(yīng)的蝸桿、蝸輪參數(shù)。 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩載荷系數(shù)： 確定彈性影響系數(shù)鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配時(shí)，從有關(guān)手冊(cè)查得彈性影響系數(shù)。確定接觸系數(shù)先假設(shè)蝸桿分度圓直徑和傳動(dòng)中心距a的比值，可查得接觸系數(shù)。確定許用接觸應(yīng)力根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅、金屬模鑄造、蝸桿螺旋齒面

20、硬度大于45hrc，則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：壽命系數(shù)：許用接觸應(yīng)力:計(jì)算中心距將以還是各參數(shù)帶入式(5.1),求得中心距:經(jīng)查表,取中心距a=50mm,已知蝸桿頭數(shù),設(shè)模數(shù)m=1.6mm,得蝸桿分度圓直徑.這時(shí),由圖5.1得接觸系數(shù)。因?yàn)?所以上述結(jié)果可用。5.1.4蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 由蝸桿和蝸輪的基本尺寸和主要參數(shù)，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。蝸桿參數(shù)與尺寸頭數(shù)，模數(shù)m=1.6mm，軸向齒距，軸向齒厚，分度圓直徑，直徑系數(shù)，分度圓導(dǎo)程角。齒頂圓直徑 ，齒根圓直徑 mm。蝸輪參數(shù)與尺寸齒數(shù)，模數(shù)m=1.6mm,分度圓直徑為,變位系數(shù)，蝸輪喉圓直徑為，蝸輪齒根

21、圓直徑為，蝸輪咽喉母圓 半徑 5.1.5校核蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度檢驗(yàn)下式是否成立，即可較核蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。 （5.2）蝸輪齒數(shù)。則蝸輪的當(dāng)量齒數(shù)：，根據(jù)蝸輪變位系數(shù)和當(dāng)量齒數(shù)，查手冊(cè)得齒形系數(shù)：，螺旋角影響系數(shù)：，根據(jù)蝸桿的材料和制造方法，經(jīng)查表，可得蝸輪基本許用彎曲應(yīng)力：蝸輪的壽命系數(shù)：蝸輪的許用彎曲應(yīng)力：將以上參數(shù)帶入式（5.2），得蝸輪齒根彎曲應(yīng)力：可見(jiàn)，蝸輪齒根的彎曲強(qiáng)度滿足要求。 5.2 螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算5.2.1螺距的確定 刀架轉(zhuǎn)位時(shí)，要求螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)約的情況下，上刀體的端面齒與下刀體的端面齒完全脫離；在鎖緊的時(shí)候，要求上下端面齒的嚙合深度達(dá)2mm。因此，螺桿的螺距應(yīng)滿足，即，今

22、取螺桿的螺距。5.2.2其他參數(shù)的確定 采用單頭梯形螺紋，頭數(shù) ,牙側(cè)角，外螺紋大徑（公稱直徑），牙側(cè)間隙，基本牙型高度，外螺紋高，外螺紋中徑，外螺紋小徑，螺桿螺紋部分長(zhǎng)度。5.2.3自鎖性能校核 螺桿螺母材料均用45鋼，經(jīng)查表，取二者的摩擦因素；再求得梯形螺旋副的當(dāng)量摩擦角： 而螺紋升角： 小于當(dāng)量摩擦角，因此，所選幾何參數(shù)滿足自鎖條件。6 鎖緊定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)6.1 端齒盤(pán)設(shè)計(jì)端齒盤(pán)又稱多齒盤(pán)、細(xì)齒盤(pán)、鼠牙盤(pán)，是具有自動(dòng)定心功能的精密分度定位元件，廣泛應(yīng)用于加工中心、柔性單元、數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床、測(cè)量?jī)x器、各種高精度間歇式圓周分度裝置、多工位定位機(jī)構(gòu)以及其它需要精密分度的各種設(shè)備上。端齒盤(pán)實(shí)

23、際上相當(dāng)于一對(duì)齒數(shù)相同的離合器，其嚙合過(guò)程與離合器的嚙合類似。端齒盤(pán)的齒形有直齒和弧齒兩種，直齒端齒盤(pán)加工方便、定位精度及重復(fù)定位精度高, 弧齒性能良好，允許一定的角位移，但加工復(fù)雜，相對(duì)加工成本較高，故選擇直齒。6.2 端齒盤(pán)的特點(diǎn)在分度及定位裝置中，一般用端齒盤(pán)作為其精確定位元件。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：分度精度高 可高達(dá)，實(shí)際分度誤差等于所有齒單個(gè)分度誤差的平均值。分度范圍大 分度大小與齒數(shù)有關(guān)。如齒數(shù)為360齒時(shí)，最小分度值為，用差動(dòng)端齒分度裝置，分度范圍更大，例如下盤(pán)齒數(shù)為96，上盤(pán)齒數(shù)為360時(shí)，就可將一個(gè)整圓分成1440個(gè)等分(最小分度值為)。精度的重復(fù)性和持久性好 重復(fù)定位精度可達(dá)。由

24、于工作時(shí)相當(dāng)于上下齒盤(pán)在不斷地對(duì)研，因此使用越久，分度精度的重復(fù)性和持久性也就越好，而且精度有可能提高。剛性好 因所有齒面同時(shí)參加嚙合，不論承受的是切向力、徑向力還是軸向力，整個(gè)分度裝置形成一個(gè)良好的剛性整體。結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，這一點(diǎn)比其它高精度的分度裝置更為突出。維護(hù)簡(jiǎn)便，多次拆裝不影響其原有的精度。6.3 端齒盤(pán)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算本設(shè)計(jì)采用齒形為三角形的直齒端齒盤(pán)的基本結(jié)構(gòu)，其參數(shù)計(jì)算如下。6.3.1齒數(shù)z的確定可根據(jù)分度要求，即需要分度的最小分度值來(lái)確定： （6.1）取最小分度角度，則z=120齒。6.3.2端齒盤(pán)外徑d端齒盤(pán)外徑d主要由設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)所允許的空間范圍來(lái)確定。在結(jié)構(gòu)允許的情況

25、下，外徑越大，分度或定位機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性越好。根據(jù)本機(jī)構(gòu)實(shí)際出發(fā)，端齒盤(pán)外徑設(shè)計(jì)為d=165mm。6.3.3端齒盤(pán)齒形角選取時(shí)應(yīng)考慮作用在端齒盤(pán)上的負(fù)荷力矩及總鎖緊力的大小，如圖6.1所示。將作用于齒盤(pán)上每齒的切向外力和軸向鎖緊力，沿著齒面方向進(jìn)行分解。如圖6.2所示，應(yīng)滿足以下條件：圖6.1 端齒盤(pán)受力圖 圖6.2 齒面上的切向外力和軸向鎖緊力而，則不等式變?yōu)?，即，最后得?（6.2） 圖6.3 端齒盤(pán)剖視圖從式(6.2)可以說(shuō)明，在外載不變時(shí)，齒形角越小，所需自鎖力也越小，即自鎖性越強(qiáng)，但齒相應(yīng)變深，齒厚變小；齒形角越大，需要的總鎖緊力也越大，即承受外轉(zhuǎn)矩的能力下降，但齒高變低，端齒嚙合的高度

26、下降，結(jié)構(gòu)緊湊；同時(shí)也說(shuō)明了加大外徑d有利于提高端齒盤(pán)的承載能力。圖6.4 單齒俯視示意圖 圖6.5單街周向展開(kāi)示意圖在選取時(shí)齒形角時(shí)，應(yīng)綜合考慮作用在端齒盤(pán)上的負(fù)荷(力矩)及鎖緊力的大小，同時(shí)受齒形加工刀具的限制，現(xiàn)已標(biāo)準(zhǔn)化，通常取、。等。本設(shè)計(jì)采用的齒形角。6.3.4齒根角(嚙合斜角)為了保證在齒寬方向上的嚙合質(zhì)量，加工端齒時(shí)必須調(diào)整分度盤(pán)回轉(zhuǎn)中心線和工作臺(tái)面傾斜角，即齒根角或嚙合斜角 (如圖6.3)，以保證齒盤(pán)大端和小端的齒厚與齒槽寬度相等。由式(6.1)得，在圖6的直角三角形中，則，在圖7的直角三角形中，則，在圖6.6的直角三角形中，將代入此式得圖6.6 前面嚙合副面不意圖 （6.3）

27、式(6.3)即為齒根角的計(jì)算公式代入，則，6.3.5最大齒距(周節(jié))t和最大齒厚b齒厚沿著徑向向中心逐漸縮小，在沿圓周展開(kāi)方向上(如圖6.7所示)，根據(jù)圓周計(jì)算公式，最大齒距(周節(jié))t和最大齒厚b分別為 圖6.7 沿周向展開(kāi)的齒面三角形 (6.4) (6.5)6.3.6齒頂高h(yuǎn)及嚙合高度齒頂高就是嚙合平面到齒頂?shù)淖畲缶嚯x，在如圖5.7所示的由齒廓展開(kāi)圖形成的直角三角形中，tan(a/2)=t/2h，而齒頂高h(yuǎn)通常取三角形高度的1/2.5，即h=2.5h，得齒頂高h(yuǎn)的計(jì)算公式為：上下端齒的嚙合高度為2h=3.0mm。6.3.7齒寬(徑向)f因所有的端齒同時(shí)嚙合，故一般不必通過(guò)增加齒形的徑向?qū)挾萬(wàn)

28、(如圖6.3)來(lái)增加強(qiáng)度，f一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取，通常取f=2t3t，由于刀架在工作時(shí)要承受較大力矩，取f=15mm。6.3.8齒底槽寬b和齒頂寬b1為了保證齒盤(pán)工作時(shí)各個(gè)端齒能很好的嚙合，常在齒底加工一定寬度和深度的槽，即齒底槽，并將齒頂做成一定寬度的小平面，如圖9所示。齒底槽寬b常取,取b=0.85mm7 電氣控制部分設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架對(duì)柔性化、自動(dòng)化、定位精度、速度要求相當(dāng)高，隨著計(jì)算機(jī)電子技術(shù)的發(fā)展,單片機(jī)以其高性能價(jià)格比的特點(diǎn)適應(yīng)了現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求，越來(lái)越多地被應(yīng)用于各種生產(chǎn)和控制領(lǐng)域。單片機(jī)是典型的嵌入式系統(tǒng)，從體系結(jié)構(gòu)到指令系統(tǒng)都是按照嵌入式應(yīng)用特點(diǎn)專門(mén)設(shè)計(jì)的，能最好地滿

29、足面對(duì)控制對(duì)象、應(yīng)用系統(tǒng)的嵌入、現(xiàn)場(chǎng)的可靠運(yùn)行以及非凡的控制品質(zhì)要求。因此，單片機(jī)是發(fā)展最快、品種最多、數(shù)量最大的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)與單片機(jī)已深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)眾多技術(shù)領(lǐng)域。7.1 單片機(jī)選型隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越成熟，單片機(jī)技術(shù)也日趨完善。針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，世界各大集成電路制造商都推出了品種繁多的各具特色的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)自己的實(shí)際需要，從中選擇一款最適合設(shè)計(jì)需要的單片機(jī)。intel公司繼1976年推出mcs-48系列8位單片機(jī)之后，又于1980年推出了mcs-51系列高檔8位單片機(jī)。至今20多年來(lái)，51系列單片機(jī)經(jīng)久不衰，并得到了廣泛的應(yīng)用。近些年來(lái)，世界上很多大半導(dǎo)體公司都生

30、產(chǎn)以8051為內(nèi)核的單片機(jī)，如atmel/phlips/sst公司的at89/p89/stc89系列和at87/p87系列單片機(jī)，越來(lái)越多地得到廣泛應(yīng)用。為了滿足系統(tǒng)對(duì)控制的精確性和柔性化要求，本設(shè)計(jì)選用的是at89c51型號(hào)的單片機(jī)作為自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架控制系統(tǒng)的控制核心。7.2 硬件電路設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)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7.2所示。7.2.1 收信電路 圖a中，發(fā)信盤(pán)上的6只霍爾開(kāi)關(guān)（型號(hào)為ugn3120u），都有3個(gè)引腳，第一腳接+12v地，第三腳為輸出。轉(zhuǎn)位時(shí)刀臺(tái)帶動(dòng)磁鐵旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁鐵對(duì)準(zhǔn)某一個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)時(shí)，其輸出端第3腳輸出低電平；當(dāng)磁鐵離開(kāi)時(shí)，第三腳輸出高電

31、平。6只霍爾開(kāi)關(guān)輸出的6個(gè)刀位信號(hào)t1t6分別送到圖b的6只光耦合器進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)光電隔離的信號(hào)再送給i/o接口芯片8255的pc2pc7。此外，i/o接口芯片8255的pc0直接接外部按鈕,判斷是手動(dòng)換刀還是自動(dòng)換刀。7.2.2 發(fā)信電路 圖c為刀架電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路，i/o接口芯片8255的pa6與pa7分別控制刀架電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。其中ka1為正轉(zhuǎn)繼電器的線圈，ka2為反轉(zhuǎn)繼電器的線圈。因刀架電動(dòng)機(jī)的功率只有110w，所以圖d中刀架電動(dòng)機(jī)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-接觸器控制電路，以節(jié)省成本，降低故障率。圖c中，正轉(zhuǎn)繼電器的線圈ka1與反轉(zhuǎn)繼電器的

32、一組常閉觸點(diǎn)串聯(lián)，而反轉(zhuǎn)繼電器的線圈ka2又與正轉(zhuǎn)繼電器的一組常閉觸點(diǎn)串聯(lián)，這樣就構(gòu)成了正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的互鎖電路，以防控制系統(tǒng)失控時(shí)導(dǎo)致短路現(xiàn)象。當(dāng)ka1或ka2的觸點(diǎn)接通380v電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的火花，并通過(guò)電網(wǎng)影響控制系統(tǒng)的正常工作，為此，在圖d中布置了3對(duì)r-c阻容用來(lái)滅弧，以抑制火花的產(chǎn)生。7.3 硬件電路主要電子元件的工作原理7.3.1霍爾元件的工作原理和特性 霍爾元件的工作原理：所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí)，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。金屬的霍爾效應(yīng)是1879年被美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流通過(guò)金屬箔片時(shí)，若在垂直于電流的方向施加磁場(chǎng)，則金屬箔片兩側(cè)面

33、會(huì)出現(xiàn)橫向電位差。半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)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(xiàn)極強(qiáng)的霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)可以設(shè)計(jì)制成多種傳感器?；魻栯娢徊顄h的基本關(guān)系為 uh=rhib/d （7.1） rh=1/nq（金屬） （7.2）7.3.2 霍爾開(kāi)關(guān)的工作原理工作原理原理：當(dāng)一塊通有電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直地放在磁場(chǎng)中時(shí)，薄片的兩端就會(huì)產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢(shì)u，其表達(dá)式為u=kib ,其中k為霍爾系數(shù)，i為薄片中通過(guò)的電流，b為外加磁場(chǎng)（洛倫慈力lorrentz）的磁感應(yīng)強(qiáng)度，d是薄片的厚度。由此可見(jiàn)，霍爾開(kāi)關(guān)的靈敏度高低與外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度

34、成正比的關(guān)系?；魻栭_(kāi)關(guān)就屬于這種有源磁電轉(zhuǎn)換器件，它是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，它可方便的把磁輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)用中的電信號(hào)，同時(shí)又具備工業(yè)場(chǎng)合實(shí)際應(yīng)用易操作和可靠性的要求。7.3.3 光電耦合器的工作原理單片機(jī)控制系統(tǒng)屬于弱電控制部分，說(shuō)它是干擾源是因?yàn)樗闹麟娐凡糠謱儆趶?qiáng)電控制部分，因此，為了保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在弱電和強(qiáng)電之間采用一定的隔離措施是非常必要的。常用的隔離方式有光電隔離、繼電器隔離、變壓器隔離。在本設(shè)計(jì)中，采用了光電隔離保護(hù)措施。信號(hào)的隔離目的之一是從電路上把干擾源和易被干擾的部分隔離開(kāi)來(lái)，使測(cè)控裝置與現(xiàn)場(chǎng)僅保持信號(hào)聯(lián)系，但不直接發(fā)生電的聯(lián)系。為

35、了抗干擾，本設(shè)計(jì)采用的是光電耦合器進(jìn)行隔離的措施來(lái)抑制此種干擾，光電耦合器使被隔離兩者之間只有光的聯(lián)系，而不直接發(fā)生電的聯(lián)系。7.3.4 8255芯片的工作原理8255芯片是一個(gè)典型的可編程通用并行接口芯片,用來(lái)擴(kuò)展單片機(jī)的端口，對(duì)8255輸入不同的指令可改變io口的工作方式。8255與單片機(jī)系統(tǒng)連接方式簡(jiǎn)單，工作方式由程序設(shè)定，8255內(nèi)部有4個(gè)寄存器：分別為寄存器a、b、c和控制寄存器。a、b、c寄存器的數(shù)據(jù)就是引腳pa7pa0、pb7pb0、pc7pc0上輸入或輸出的數(shù)據(jù)。而控制寄存器的數(shù)據(jù)則表明pa、pb、pc的工作方式。通過(guò)cs、a0、a1、rd和wr對(duì)4個(gè)寄存器進(jìn)行操作。實(shí)現(xiàn)方式：cs為低電平時(shí)選通8255； a1、a0-為地址選通； rd、wr-為讀、寫(xiě)信號(hào)：rd為低、wr為高時(shí)為讀方式，rd為高、wr為低時(shí)為寫(xiě)方式。d0d7為數(shù)據(jù)口。 向控制寄存器寫(xiě)入不同的數(shù)據(jù)可以使8255工作在三種不同的方式下。這里只介紹應(yīng)用最多的方式0。方式0下8255的pa、pb及pc口上半部分（pc7pc4）和下半部分（pc3pc0）中任何一個(gè)端口都可以設(shè)定為輸入或輸出，pc口還可以進(jìn)行位操作。它具有3個(gè)8位的并行口,有三種工作方式,可作為單片機(jī)與各種外部設(shè)備連接的接口電路,且初始化很簡(jiǎn)單，8255的使用說(shuō)明上都有，地址分配要看實(shí)際的連