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I 摘 要 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分 它有效地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率 縮 短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)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(chē)床換刀的速度慢 精度不高 生產(chǎn)效率低 不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需 要 所以為了提高生產(chǎn)率 改善產(chǎn)品質(zhì)量以及改善勞動(dòng)條件必須對(duì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 進(jìn)行改進(jìn) 本文對(duì)數(shù)控車(chē)床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)電系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析 研究數(shù)控車(chē) 床刀架的組成和工作原理 對(duì)普通機(jī)床的換刀裝置進(jìn)行改進(jìn) 使該裝置具有自動(dòng) 松開(kāi) 轉(zhuǎn)位 精密定位等功能 此次主要完成自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械部分和電氣部 分的設(shè)計(jì) 機(jī)械部分為對(duì)其組成的各個(gè)機(jī)械部件進(jìn)行計(jì)算與選用 電氣部分為編 制刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)位控制軟件 設(shè)計(jì)的數(shù)控?fù)Q刀裝置功能更強(qiáng) 換刀裝置通過(guò)刀具快 速自動(dòng)定位 可以提高數(shù)控車(chē)床的效率 縮短加工時(shí)間 同時(shí)其可靠性更穩(wěn)定 結(jié)抅簡(jiǎn)單 關(guān)鍵詞 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 換刀裝置 機(jī)電系統(tǒng) 電氣控制 II 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 III 目 錄 1 緒 論 1 1 1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)背景 1 1 2 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的市場(chǎng)分析 2 1 3 設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的意義 2 2 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架總體設(shè)計(jì) 3 2 1 總體方案的確定 3 2 2 減速機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 4 2 3 刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的確定 5 2 4 抬起機(jī)構(gòu)的確定 5 3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)械部分設(shè)計(jì) 6 3 1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 6 3 2 蝸輪及蝸桿的設(shè)計(jì)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(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 10 3 3 蝸輪及蝸桿的主要參數(shù)與幾何尺寸 12 3 4 螺桿的主要參數(shù)與幾何尺寸 14 3 4 1 螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 14 3 5 蝸桿軸的設(shè)計(jì) 15 3 5 1 蝸桿軸的材料選擇 確定許用應(yīng)力 15 3 5 2 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)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(zhǎng)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(dòng)回轉(zhuǎn)刀架電氣部分設(shè)計(jì) 22 4 1 硬件電路設(shè)計(jì) 22 4 2 控制軟件設(shè)計(jì) 25 IV 4 2 180C31 單片機(jī)及其引腳說(shuō)明 26 4 2 2 靜態(tài)存儲(chǔ)器 6264 的特性 28 4 2 3 2764 只讀存儲(chǔ)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(jié) 論 33 6 致 謝 34 7參考文獻(xiàn) 35 1 1 緒 論 1 1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)背景 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控是我國(guó) 80 年代科技發(fā)展的產(chǎn)物 這種數(shù)控系統(tǒng)由于功能適宜 價(jià)格便宜 用它來(lái)改造車(chē)床 投資少 見(jiàn)效快 成為我國(guó) 七五 八五 重點(diǎn) 推廣的新技術(shù)之一 十幾年來(lái) 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控技術(shù)也在不斷 進(jìn)步 數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品不斷改進(jìn)完善 并且有了階段性的突破 使新的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控 系統(tǒng)功能更強(qiáng) 可靠性更穩(wěn)定 功率增大 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 維修方便 由于這項(xiàng)技術(shù) 的發(fā)展增強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控的活力 根據(jù)我國(guó)國(guó)情 該技術(shù)在今后一段時(shí)間內(nèi)還將 是我國(guó)機(jī)械行業(yè)老設(shè)備改造的很好途徑 對(duì)于原有老的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床 特別是 80 年代末期改造的設(shè)備 由于種種原因閑置的很多 浪費(fèi)很大 在用的設(shè)備使用 至今也十幾年了 同樣面臨進(jìn)一步改造的問(wèn)題通過(guò)改造可以提高原有裝備的技術(shù) 水平 大大提高生產(chǎn)效率 創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益 數(shù)控車(chē)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(shí)間 減少 多次裝夾所引起的加工誤差 必須帶有自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 隨著數(shù)控車(chē)床的發(fā)展 自動(dòng)回轉(zhuǎn)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 目前國(guó)內(nèi)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架以電動(dòng)為主 根據(jù)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(jiǎn)易數(shù)控車(chē)床 臥式刀架有八 十 十二等工位 可正 反方向旋轉(zhuǎn) 就近選刀 用于全功能數(shù)控車(chē)床 根據(jù)機(jī) 械定位方式的不同 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架可分為端齒盤(pán)定位型和三齒盤(pán)定位型等 其中 端齒盤(pán)定位型換刀時(shí)需要刀架抬起 換刀速度較慢且密封性較差 但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 三齒盤(pán)定位型又叫免抬型 其特點(diǎn)是換刀時(shí)刀架不抬起 因此換刀速度快且密封 性好 但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 另外臥式刀架還有液動(dòng)刀架和伺服驅(qū)動(dòng)刀架 2 1 2 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的市場(chǎng)分析 國(guó)產(chǎn)數(shù)控車(chē)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) 10000 15000 臺(tái) 數(shù)控刀架的高 中 低檔產(chǎn)品市場(chǎng)數(shù)控刀架作為數(shù)控機(jī)床必需的功能部件 直接影響機(jī)床的性能和可靠性 是機(jī)床的故障高發(fā)點(diǎn) 這就要求設(shè)計(jì)的刀架具有轉(zhuǎn)位快 定位精度高 切向扭矩大的特點(diǎn) 它的原 理采用蝸桿傳動(dòng) 上下齒盤(pán)嚙合 螺桿夾緊的工作原理 1 3 設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的意義 電動(dòng)刀架是數(shù)控車(chē)床重要的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu) 合理地選配電動(dòng)刀架 并正確實(shí)施控 制 能夠有效的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率 縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)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(yīng)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(fù)雜的零件時(shí) 除了控制系統(tǒng)能提供相應(yīng)的 控制指令外 很重要的一點(diǎn)是數(shù)控車(chē)床需配備易于控制的電動(dòng)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(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛性 以承受粗加工時(shí)的切削 抗力 為了保證轉(zhuǎn)位之后具有高的重復(fù)定位精度 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架還要選擇可靠的 定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu) 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的自動(dòng)換刀是由控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路 來(lái)實(shí)現(xiàn)的 在自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床上 自動(dòng)換刀裝置應(yīng)滿足換刀時(shí)間短 刀具重復(fù)定位精 度高 足夠的刀具儲(chǔ)存量 換刀安全可靠等要求 各類機(jī)床的換刀裝置主要取決 于機(jī)床的型式 工藝范圍及刀具的數(shù)量和種類等 傳統(tǒng)的車(chē)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(duì)刀 并且精度不高 生產(chǎn)效 率低 不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要 因此有必要對(duì)機(jī)床的自動(dòng)刀架進(jìn)行改進(jìn) 3 2 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架總體設(shè)計(jì) 2 1 總體方案的確定 在自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床上 自動(dòng)換刀裝置應(yīng)滿足換刀時(shí)間短 刀具重復(fù)定位精 度高 足夠的刀具儲(chǔ)存量 換刀安全可靠等要求 目前為止應(yīng)用最廣的刀架為回轉(zhuǎn)刀架 回轉(zhuǎn)刀架是一種最簡(jiǎn)單的自動(dòng)換刀裝 置 常用于數(shù)控車(chē)床 可以設(shè)計(jì)成四方刀架 六角刀架或圓盤(pán)式軸向裝刀刀架等 多種形式 回轉(zhuǎn)刀架上分別安裝著四把 六把或更多的刀具 并按數(shù)控裝置的指 令換刀 回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛度 以承受粗加工時(shí)的切削 抗力 由于車(chē)削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置 對(duì)于數(shù)控車(chē)床來(lái)說(shuō) 加 工過(guò)程中刀具位置不進(jìn)行人工調(diào)整 因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的 定位結(jié)構(gòu) 以保證回轉(zhuǎn)刀架在每次轉(zhuǎn)位之后 具有盡可能高的重復(fù)定位精度 一 般為 0 001 0 005mm 圖 2 1 回轉(zhuǎn)刀架的類型及工作原理 4 一般情況下 回轉(zhuǎn)刀架的換刀動(dòng)作包括刀架抬起 刀架轉(zhuǎn)位及刀架壓緊等 回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)位刀架 電動(dòng)機(jī)經(jīng)彈簧安全離合器到蝸輪副帶動(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 使刀架換位 進(jìn)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(shè)計(jì) 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(xiāo) 銷(xiāo)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 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(tái)棘爪式刀架 蝸輪帶動(dòng)下凸輪臺(tái)相對(duì)于上凸輪臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng) 使 其上 下端齒盤(pán)分離 繼續(xù)旋轉(zhuǎn) 則棘輪機(jī)構(gòu)推動(dòng)刀架轉(zhuǎn) 90 然后利用一個(gè)接 觸開(kāi)關(guān)或霍爾元件發(fā)出電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)信號(hào) 重新鎖緊刀架 凸臺(tái)棘爪式重復(fù)定位精 度相對(duì)較低 圖 2 1d 所示為電磁式刀架 它利用了一個(gè)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(shí)用 但多一套電路 并要有斷電保護(hù) 圖 2 1e 所示為液壓式刀架 它利用擺動(dòng)液壓缸來(lái)控制刀架轉(zhuǎn)位 圖中有擺動(dòng) 閥芯 撥爪 小液壓缸 撥爪帶動(dòng)刀架轉(zhuǎn)位 小液壓缸向下拉緊 產(chǎn)生 10kN 以 上的拉緊力 這種刀架的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)位可靠 拉緊力可以再加大 但其缺點(diǎn)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(wèn)題 經(jīng)過(guò)參考幾種經(jīng)典的刀架設(shè)計(jì)類型后 決定在本設(shè)計(jì)中采用螺母升降轉(zhuǎn)位刀 架 電動(dòng)機(jī)經(jīng)彈簧安全離合器到蝸輪副帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn) 螺母舉起刀架使上齒盤(pán)與 下齒盤(pán)分離以及利用十字槽輪來(lái)轉(zhuǎn)位及鎖緊刀架 還要加定位銷(xiāo) 來(lái)實(shí)現(xiàn)刀架抬 起和精確定位 2 2 減速機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 在本設(shè)計(jì)中由于采用了三相異步電動(dòng)機(jī) 三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于旋 轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子繞組因與磁場(chǎng)間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)而感生電動(dòng)勢(shì)和電流 并與 磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 實(shí)現(xiàn)能量變換 與單相異步電動(dòng)機(jī)相比 三相異步 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能好 并可節(jié)省各種材料 在普通的三相異步電動(dòng)機(jī)因轉(zhuǎn)速太快 5 不能直接驅(qū)動(dòng)刀架進(jìn)行換刀 必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臏p速 根據(jù)立式轉(zhuǎn)位刀架的結(jié)構(gòu)特 點(diǎn) 采用蝸桿副減速是最佳選擇 蝸輪蝸桿傳動(dòng)有以下特點(diǎn) 1 傳動(dòng)平穩(wěn) 蝸桿傳動(dòng)同時(shí)嚙合的齒對(duì)數(shù)多 且蝸桿為連續(xù)的螺旋曲面 嚙合過(guò)程是連續(xù)的 振動(dòng) 沖擊和噪聲較小 2 具有自鎖性 當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于嚙合摩擦角時(shí) 蝸桿傳動(dòng)具有自鎖性 此時(shí) 只能蝸桿帶動(dòng)蝸輪 反之則不能轉(zhuǎn)動(dòng) 3 傳動(dòng)比大 單級(jí)傳動(dòng)可獲得傳動(dòng)比為 5 80 在分度機(jī)構(gòu)中可達(dá) 600 或更 大 和齒輪傳動(dòng)相比實(shí)現(xiàn)相同的傳動(dòng)比時(shí)結(jié)構(gòu)較緊湊 所以說(shuō)蝸桿副傳動(dòng)可以改變運(yùn)動(dòng)的方向 獲得較大的傳動(dòng)比 保證傳動(dòng)精度 和平穩(wěn)性 并且具有自鎖功能 還可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的小型化 使得刀架在是有 過(guò)程中更加輕便 方便機(jī)床的加工作業(yè) 2 3 刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的確定 在本設(shè)計(jì)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(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)都芴幱阪i 緊狀態(tài)時(shí) 上下端面齒相互咬合 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)正傳 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 2 4 抬起機(jī)構(gòu)的確定 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 本設(shè)計(jì)選用螺桿 螺母副 在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋 當(dāng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)蝸桿 蝸輪 帶動(dòng)蝸桿繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動(dòng) 要么上下移動(dòng) 當(dāng)?shù)都?處于鎖緊狀態(tài)時(shí) 上刀體與下刀體的端面齒相互咬合 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)端面齒脫離咬合時(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?以便當(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咬合狀態(tài) 6 3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)械部分設(shè)計(jì) 3 1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程圖如圖 3 1 所示 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖 3 2 所示 圖 3 1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架換刀流程 1 發(fā)信盤(pán) 2 推力球軸承 3 螺桿螺母副 4 端面齒盤(pán) 5 反靠圓盤(pán) 6 三相異步電機(jī) 7 聯(lián)軸器 8 蝸桿副 9 反靠銷(xiāo) 10 圓柱銷(xiāo) 11 上蓋圓盤(pán) 12 上刀體 圖 3 2 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖 刀架抬起 需要換刀時(shí) 控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號(hào) 三相異步電動(dòng)機(jī)正向 旋轉(zhuǎn) 通過(guò)蝸桿副帶動(dòng)螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng) 與螺桿配合的上刀體逐漸抬起 下刀體與 7 下刀體之間的端面齒慢慢脫開(kāi) 刀架轉(zhuǎn)位 當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò) 170 度時(shí) 兩端面完全脫開(kāi) 圓柱銷(xiāo)由于彈簧的作用壓在 螺桿上端的臺(tái)階內(nèi)側(cè) 于是螺桿帶動(dòng)上刀體轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái) 刀架定位 上刀體帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時(shí) 粗定位銷(xiāo)在彈簧的作用下進(jìn) 入粗定位槽 同時(shí)發(fā)信盤(pán)上對(duì)應(yīng)的霍爾元件輸出高電平信號(hào) 控制系統(tǒng)收到后 立即控制刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn) 由于粗定位銷(xiāo)的作用 上刀體不會(huì)隨螺桿的反轉(zhuǎn)而反 轉(zhuǎn) 所以開(kāi)始下降 上下刀體的端面逐漸嚙合 實(shí)現(xiàn)精定位 刀架夾緊 上下刀體的端面齒緊密?chē)Ш虾?螺桿不再轉(zhuǎn)動(dòng) 而電機(jī)繼續(xù)帶動(dòng)蝸 輪向螺桿加力 經(jīng)過(guò)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后 刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn) 整個(gè)換刀過(guò)程結(jié)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(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在換刀過(guò)程中有關(guān)銷(xiāo)的位置 圖 3 3 表示自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在換刀過(guò)程中有關(guān)銷(xiāo)的位置 其中上部的圓柱銷(xiāo) 2 和下部的反靠銷(xiāo) 6 起著重要的作用 當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí) 兩銷(xiāo)的情況如圖 a 所示 此時(shí)反靠銷(xiāo) 6 落在反靠圓盤(pán) 7 的十字槽內(nèi) 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(shí) 控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號(hào) 三相異步電動(dòng) 機(jī)正向旋轉(zhuǎn) 通過(guò)蝸桿副帶動(dòng)螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng) 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(kāi) 于此同時(shí) 上蓋圓盤(pán) 1 也隨著螺桿正 8 向轉(zhuǎn)動(dòng) 上蓋圓盤(pán) 1 通過(guò)圓柱銷(xiāo)與螺桿連接 當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)約 170 度時(shí) 上蓋圓盤(pán) 1 直槽 的另一端轉(zhuǎn)到圓柱銷(xiāo) 2 的正上方 由于彈簧 3 的作用 圓柱銷(xiāo) 2 落入直槽內(nèi) 于 是上蓋圓盤(pán) 1 就通過(guò)圓柱銷(xiāo) 2 使得上刀體 4 轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái) 此時(shí)端面齒已經(jīng)完全脫開(kāi) 如圖 b 所示 上蓋圓盤(pán) 1 圓柱銷(xiāo) 2 以及上刀體 4 在正轉(zhuǎn)的過(guò)程中 反靠銷(xiāo) 6 能 夠從反靠圓盤(pán) 7 中十字槽的左側(cè)斜坡滑出 而不影響上刀體 4 尋找刀位時(shí)的正向 轉(zhuǎn)動(dòng) 如圖 c 所示 上刀體 4 帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時(shí) 發(fā)信盤(pán)上對(duì)應(yīng)的霍爾 元件輸出低電平信號(hào) 控制系統(tǒng)收到后 立即控制刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn) 上蓋圓盤(pán) 1 通過(guò)圓柱銷(xiāo) 2 帶動(dòng)上上刀體 4 開(kāi)始反轉(zhuǎn) 反靠銷(xiāo) 6 馬上就會(huì)落入反靠圓盤(pán) 7 的十 字槽內(nèi) 至此 完成粗定位 如圖 d 所示 此時(shí) 反靠銷(xiāo) 6 從反靠圓盤(pán) 7 的十字 槽內(nèi)爬不上來(lái) 于是上刀體 4 停止轉(zhuǎn)動(dòng) 開(kāi)始下降 而上蓋圓盤(pán) 1 繼續(xù)反轉(zhuǎn) 其 直槽的左側(cè)斜坡將圓柱銷(xiāo) 2 的頭部壓入上刀體 4 的銷(xiāo)孔內(nèi) 之后 上蓋圓盤(pán) 1 的 下表面開(kāi)始與圓柱銷(xiāo) 2 的頭部滑動(dòng) 在此期間 上 下刀體的端面齒逐漸咬合 實(shí)現(xiàn)精定位 經(jīng)過(guò)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后 刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn) 整個(gè)換刀過(guò)程結(jié)束 3 2 蝸輪及蝸桿的設(shè)計(jì)及校核 按照設(shè)計(jì)要求對(duì)電機(jī)進(jìn)行選型 要求功率為 90W 轉(zhuǎn)速 1440r min 經(jīng)過(guò)查 取有關(guān)資料 采用江西省泰隆電機(jī)有限公司生產(chǎn)的 JW5614 90W 三相異步電機(jī) JW 系列三相異步電動(dòng)機(jī) 按 JB1009 1012 91 GB12350 2000 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì) 具有外 型勻稱美觀 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大 效率高 使用壽命長(zhǎng) 運(yùn)行性能良好 噪音小 結(jié)構(gòu) 合理 維護(hù)方便等特點(diǎn) 一般多用于驅(qū)動(dòng)需要較大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的機(jī)械 如機(jī)床 建 筑機(jī)械 農(nóng)副產(chǎn)品加工 泵 空氣壓縮機(jī) 制冷壓縮機(jī) 磨粉機(jī) 醫(yī)療器械 及 農(nóng)業(yè)機(jī)械的驅(qū)動(dòng) 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的動(dòng)力源是三相異步電動(dòng)機(jī) 其中蝸桿與電動(dòng)機(jī)直連 刀架轉(zhuǎn) 位時(shí)蝸輪與上刀體直連 已知電動(dòng)機(jī)額定功率 90W 額定轉(zhuǎn)速 1440r min 1P1n 上刀體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速 30r min 則蝸桿副的傳動(dòng)比 i 1440 30 48 刀架從轉(zhuǎn)2nn2 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 10000h hL 9 3 2 1 蝸桿的選型 按蝸桿形狀 蝸桿傳動(dòng)可分為圓柱蝸桿傳動(dòng) 環(huán)面蝸桿傳動(dòng)和錐蝸桿傳動(dòng) 圓柱蝸桿設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單 應(yīng)用十分廣泛 環(huán)面蝸桿潤(rùn)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(fù)雜 用在大功率的場(chǎng)合 錐蝸桿制 造安裝復(fù)雜 應(yīng)用較少 圓柱蝸桿傳動(dòng)包括普通圓柱蝸桿傳動(dòng)和圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng) 根據(jù)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(kāi)線圓柱蝸桿 ZI 蝸桿 和錐面包絡(luò)線圓柱蝸桿 ZK 蝸桿 阿基米德蝸桿 ZA 蝸桿 的特點(diǎn)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(chē)床上用于直 線刀刃的單刀 當(dāng)導(dǎo)程角 3 時(shí) 或雙刀 當(dāng) 3 時(shí) 的車(chē)削加工 制造方便 應(yīng)用 廣泛 一般用于頭數(shù)較少 載荷較小 低速或不太重要的傳動(dòng) 法向直廓圓柱蝸桿 ZN 蝸桿 磨削起來(lái)難度較大 所以不推薦采用 漸開(kāi)線蝸桿 ZI 蝸桿 如圖 3 4 所示 這種蝸桿的端面齒廓位漸開(kāi)線 所以相當(dāng)于一個(gè)少數(shù) 大螺旋角的漸開(kāi)線圓柱斜齒輪 ZI 螺桿可用兩把直線刀刃 的車(chē)刀在車(chē)床上車(chē)削 圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng) ZC 蝸桿 在軸向平面內(nèi)具有凹圓弧齒廓 與蝸輪組成 凹凸嚙合傳動(dòng)型式 承載能力大 效率高 耐磨 在冶金 建筑 化工等機(jī)械中 應(yīng)用廣泛 圖 3 4 漸開(kāi)線蝸桿 10 在 GB T10085 1988 中推薦采用漸開(kāi)線蝸桿 Z1 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 Z1 型 在機(jī) 械設(shè)計(jì)中 越是簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)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(kāi)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(jīng)滲 碳淬火 也有用 40 45 號(hào)鋼或 40Cr 并經(jīng)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(jīng)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(hào)鋼 并經(jīng)調(diào)質(zhì) 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(jià)格 較高 用滑動(dòng)速度 v 3m s 的重要傳動(dòng) 鋁鐵青銅的耐磨性較錫青銅差一些 但 價(jià)格便宜 一般用于滑動(dòng)速度 v 4m s 的傳動(dòng) 如果滑動(dòng)速度不高 2m s Sv 對(duì)效率要求也不高時(shí) 可采用灰鑄鐵 為了防止變形 常對(duì)蝸輪進(jìn)行時(shí)效處理 設(shè)計(jì)要求電機(jī)功率為 90W 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(zhuǎn)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(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 刀架中的蝸桿副采用閉式傳動(dòng) 多因齒面膠合或點(diǎn)蝕而失效 因此 在進(jìn)行 承載能力計(jì)算時(shí) 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 232EHZaKT 上式中 蝸桿副的傳動(dòng)中心距 單位為 mm 11 K 載荷系數(shù) 作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 T 單位 N mm 2T 彈性影響系數(shù) 單位為 MPa EZ 接觸系數(shù) 許用接觸應(yīng)力 單位為 MPa H 由上式算出蝸桿副的中心距 a 之后 根據(jù)已知的傳動(dòng)比 i 48 可以選擇合適 的中心距 a 值 以及相應(yīng)的蝸桿 蝸輪參數(shù) 1 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 T 設(shè)蝸桿頭數(shù) 1 蝸桿副的傳動(dòng)效率取 0 8 由電動(dòng)機(jī)的額定功率 1z 1P 90W 可以算出蝸輪傳遞的功率 再由蝸輪的轉(zhuǎn)速 30r min 求得作用2P12n 在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 9 55 9 55 22920N mm2T2n 2 確定載荷系數(shù) K 載荷系數(shù) 其中 為使用系數(shù) 由于工作載荷分布步均勻 啟vA A 動(dòng)時(shí)沖擊較大 因此取 1 15 K 為齒向載荷分布系數(shù) 因工作載荷在啟動(dòng)和 停止時(shí)有變化 故取 1 15 為動(dòng)載系數(shù) 由于轉(zhuǎn)速不高 沖擊不大 可取 v 1 05 則載荷系數(shù) vK39 1 vA 3 確定彈性影響系數(shù) 鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配時(shí) 從參考文獻(xiàn) 表 3 2 9 查得彈性影響系數(shù) 2 160MPa EZ 4 確定接觸系數(shù) Z 先假設(shè)蝸桿分度圓直徑 和傳動(dòng)中心距 a 的比值 a 0 35 由參考文獻(xiàn)1d1d 12 圖 11 18 查得系數(shù) 2 9 1 Z 5 確定許用接觸力 H 根據(jù)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(xiàn) 表 11 7 查得蝸輪的基本許用力 268MPa 已知蝸1 H 桿為單頭 蝸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)每個(gè)輪齒咬合的次數(shù) j 1 蝸輪轉(zhuǎn)速 30r min 蝸桿2n 副的使用壽命 10000h 則應(yīng)力循環(huán)次數(shù) hL N 60j 1 8 1072n 壽命系數(shù) KHN 0 929 許用接觸應(yīng)力 249MPa H NH 計(jì)算中心距 將以上各參數(shù)代入式 232EHZaKT 求得中心距 48mm32E 23160 91 924 查參考文獻(xiàn) 表 11 2 取中心距 a 50mm 已知蝸桿頭數(shù) 1 設(shè)模數(shù) 1 1z m 1 6mm 得直徑 20mm 這時(shí) a 0 4 由參考文獻(xiàn) 圖 11 19 可得接觸系1d1d 數(shù) 2 74 因?yàn)?所以上述計(jì)算結(jié)構(gòu)可用 Z Z 3 3 蝸輪及蝸桿的主要參數(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 1 蝸桿參數(shù)及尺寸 頭數(shù) 1 模數(shù) m 1 6mm 軸向齒距 3 14 m 5 027mm 軸向齒厚 1z aP 13 0 5 分度圓直徑 20mm 直徑系數(shù) q m 12 5 分度圓導(dǎo)程腳 as1d1d r 1rctnZq 4326 2 蝸輪參數(shù)與尺寸 齒數(shù) 48 模數(shù) m 1 6mm 分度圓直徑為 m 1 6 48mm 76 8mm 變2z 2dz 位系數(shù) a 2 m 50 20 76 8 2 1 6 1 蝸輪喉圓直徑為 x1d2 2m 83 2mm 蝸輪齒根圓直徑 2m c 76 16mm 2ad ah 2fd ah2x 3 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 即校驗(yàn)下式是否成立 21 53FFaFKTYd 式中 蝸輪齒根彎曲應(yīng)力 單位為 MPa F 蝸輪齒形系數(shù) 2aY 螺旋角影響系數(shù) 蝸輪的許用彎曲應(yīng)力 單位為 MPa F 由蝸桿頭數(shù) 1 傳動(dòng)比 i 48 可以算出蝸輪齒數(shù) i 481z 2z 1 則蝸輪的當(dāng)量齒數(shù) 2348 6cosvz 根據(jù)蝸輪變位系數(shù) 1 和當(dāng)量齒數(shù) 48 46 得齒形系數(shù) 1 95 2x2v 2FaY 旋轉(zhuǎn)角影響系數(shù) 1 0 967 Y 140 根據(jù)蝸輪的材料和制造方法 由參考文獻(xiàn) 表 11 8 可得蝸輪基本許用彎曲 1 應(yīng)力 56MPa F 蝸輪的壽命系數(shù) 0 725 FNK9710 8 14 蝸輪的許用彎曲應(yīng)力 40 6MPa F FNK 將以上參數(shù)代入式 21 53aTYd 得蝸輪齒根彎曲應(yīng)力 37 4 F 可見(jiàn) 蝸輪齒根的彎曲強(qiáng)度滿足要求 F 3 4 螺桿的主要參數(shù)與幾何尺寸 3 4 1 螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 1 螺距的確定 刀架轉(zhuǎn)位時(shí) 要求蝸桿在轉(zhuǎn)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(shí)候 要求上下端面齒的咬合深度達(dá) 2mm 因此 螺 桿的螺距 P 應(yīng)滿足 P 170 360 2mm 即 P 4 24mm 今取螺桿的螺距 P 8mm 2 其它參數(shù)的確定 采用單頭梯形螺桿 頭數(shù) n 1 牙側(cè)角 b 外螺紋大徑 50mm 牙頂15 1d 間隙 0 5mm 基本牙形高度 0 5P 3mm 外螺紋牙高 3 5mm 外螺紋中ca1Hh 經(jīng) 46mm 外螺紋小徑 42mm 螺桿螺紋部分長(zhǎng)度 H 50mm 2d3d 3 自鎖性能校核 螺桿 螺母材料均用 45 鋼 查參考文獻(xiàn) 表 5 12 取二者的摩擦因數(shù) 1 f 0 11 再求得梯形螺旋副的當(dāng)量摩擦角約為 6 5 而螺紋升角約為 2 33 小于 當(dāng)量摩擦角 因此 所選幾何參數(shù)滿足自鎖條件 15 3 5 蝸桿軸的設(shè)計(jì) 3 5 1 蝸桿軸的材料選擇 確定許用應(yīng)力 考慮軸主要傳遞蝸輪的轉(zhuǎn)矩 為普通用途中小功率減速傳動(dòng)裝置 選擇軸的 材料為 45 號(hào)鋼 經(jīng)調(diào)質(zhì)處理 由參考文獻(xiàn) 表 15 1 查得 640Mpa 1B 355Mpa 275Mpa 155Mpa 60Mpa S 1 1 1 3 5 2 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步估算軸的最小直徑 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 T W 3950 Pnd r 式中 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 MPa T T 一一軸所受的扭矩 N M 軸的抗扭截面系數(shù) 3m n 軸的轉(zhuǎn)速 r min P 軸傳遞的功率 kW d 一一計(jì)算截面處軸的直徑 mm 許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 MPa r 由式 可得軸的直徑TW 3950 Pnd r 3330950 2rPdAn 當(dāng)軸截面上開(kāi)有鍵槽時(shí) 應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的削弱 對(duì)于 直徑 d 100mm 的軸 有一個(gè)鍵槽時(shí) 軸徑增大 5 7 由參考文獻(xiàn) 表 15 3 1 查得 112 代入式中 取 6 1345mm 同時(shí)查表得到所用電動(dòng)機(jī) YS56240Amind 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(zhǎng)度為 50mm 16 3 5 3 確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度 根據(jù)各個(gè)零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長(zhǎng)度 初步確 定蝸桿軸如圖 3 5 所示 圖 3 5 蝸桿軸1d 同一軸上的軸承選用同一型號(hào) 以便于軸承座孔的鏜制和減少軸承類5 型 段軸上有一個(gè)鍵槽 故槽徑增大 5 1d 1 5 mind 6 44 mm 圓整 1d 12 mm 5 5 所選軸承類型為深溝球軸承 型號(hào)為 6301 B 12mm D 37mm 2 段起固定作用 2取 18rnm 3d 段為蝸桿與蝸輪嚙合部分 故 3d 23 2mm 2 4 18mm 便于加工和安裝 1L 段為與軸承配合的軸段 查軸承寬度為 12mm 則 1L 12mm 2 段尺寸長(zhǎng)度與刀架體的設(shè)計(jì)有關(guān) 蝸桿端面到刀架端面距離為 67rnm 端 蓋寬度為 10mm 故 2L 45rnm 3L 段為蝸桿部分長(zhǎng)度 當(dāng) 1Z 1 2 時(shí) 2X 1 1B 12 0 1 2Z m 26 88rnm 圓整 取 30mm 17 2L 4 45mm 5 段長(zhǎng)度為 12rnm 軸的總長(zhǎng)為 164rnm 3 5 4 蝸桿軸的校核 1 計(jì)算軸上的作用力 蝸桿 1T 9550 1Pn 614N mm tF 1d 2 614 20 61 4N mma 2 2 2t 522 3N1r tn 190 1N 2 計(jì)算支反力 垂直面支反力 A B 兩點(diǎn)分為左 右深溝球軸承中心 C 點(diǎn)為蝸桿中心 設(shè) A 點(diǎn)到 C 點(diǎn)距離為 C 點(diǎn)到 B 點(diǎn)距離為 兩軸承間距離 a 152mm 以蝸1L2L 桿副為中心對(duì)稱布置所以 76mm 2 18 圖 3 6 軸的載荷分析圖 a 受力簡(jiǎn)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(zhuǎn)矩圖 f 當(dāng)量彎矩圖 由繞支點(diǎn) B 的力矩 BVM 0 得 122 RAVarFLF 0 RAVF 60 69N 方向向上 同理 由繞支點(diǎn) A 的力矩和 BVM 0 得 122 BarLd 0 RBV 129 41N 方向向上 由軸上的合力V 0 校核 RBV AF r 0 計(jì)算無(wú)誤 水平支反力 由繞支點(diǎn) B 的力矩 BH 0 得 12RAHFL t 1 RAHF 30 7N 放心向上 同理 由繞支點(diǎn) A 的力矩和 AHM 得 RB 30 7N 方向向上 由軸上的合 力校核 r RBH 0 計(jì)算無(wú)誤 A 點(diǎn)支反總力 A 點(diǎn)支反總力 68 01NRAF2HRAV 19 B 點(diǎn)支反總力 133NRBF2HRBV 繪制轉(zhuǎn) 彎矩圖垂直而內(nèi)的彎矩圖 如圖 3 6b C 處彎矩 左 60 6976 4612 44N mmCVM1RAVL 右 9835 44N mmV1RAF 2ad 水平面內(nèi)的彎矩圖 如圖 3 6c C 處彎矩 2333 2N mmCH RA1L 合成彎矩圖 如圖 3 6d C 處 左 5168 99N mmM22CVH 右 10108 4N mm 轉(zhuǎn)矩圖 如圖 3 6e T 614N mm 當(dāng)量彎矩圖 如圖 3 6f 因?yàn)槭菃蜗蚧剞D(zhuǎn)軸 所以扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力視為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力 這算系數(shù) c 0 6 c T 0 6 614 368 4N mm C 處 左 左 5168 99N mmM C 右 10115 1N mm 22cT 3 彎扭合成強(qiáng)度校核 進(jìn)行校核時(shí) 通常只校核軸上承受最大彎矩和轉(zhuǎn)矩的截面 即危險(xiǎn)截面 C 的強(qiáng)度 12 64MPa 223105 caMTW 根據(jù)選定的軸的材料 45 鋼 調(diào)質(zhì)處理 由參考文獻(xiàn) 表 15 1 查得 1 60MPa 因 故強(qiáng)度足夠 1 ca 1 4 安全系數(shù)法疲勞強(qiáng)度校核 對(duì)一般減速器的轉(zhuǎn)軸僅試用彎扭合成強(qiáng)度校核即可 而不必進(jìn)行安全系數(shù)法 20 校核 在此試用此法 5 判定校核的危險(xiǎn)截面 對(duì)照彎矩圖 轉(zhuǎn)矩圖的結(jié)構(gòu)圖 從強(qiáng)度 應(yīng)力集中方面分析 C 截面是危險(xiǎn) 截面 需對(duì) C 截面進(jìn)行校核 6 軸的材料的機(jī)械性能 根據(jù)選定的軸的材料 45 鋼 調(diào)質(zhì)處理由參考文獻(xiàn) 表 15 1 查得 1 640MPa 275MPa 155MPa 取 0 2 0 5 0 5 0 2 0 1 b 1 1 C 截面上的應(yīng)力 W 32 785 16 1570 3d 3mTW3d 3m 左 W 4270 65 785 5 4MPa 彎曲切應(yīng)力幅 0 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅 T 2acM a 597 2 1570 0 19MPa 平均切應(yīng)力 0 19MPa 影響系數(shù) C 截面為危險(xiǎn)TW a m 截面 由差值法求出 3 16 取 0 8 0 8 3 16 2 53 軸按磨削k rk 加工 求出表面質(zhì)量系數(shù) 0 92 故得綜合影響系數(shù) r 1 1 3 16 1 0 92 1 3 25K 1 1 2 53 1 0 92 1 2 62rkrr 7 疲勞強(qiáng)度校核 所以軸在 C 截面的安全系數(shù)為 S 1 amK 275 3 25 5 44 0 15 554 r 155 2 62 0 19 0 1 0 9 310 caS 2Sb 19 7 取許用安全系數(shù) S 1 8 有 caS S 故 C 截面強(qiáng)度足夠 21 3 6 蝸桿軸的軸承選用 從參考文獻(xiàn) 表 6 2 21 中查得 12mm 內(nèi)徑的推力球軸承 型號(hào)為 6301 基 2 本尺寸 d 12mm D 37mm B 12 安裝尺寸 ad min 18mm aD max 32mm ar max 1 基本額定載荷 rC 9 72kN or 5 08kN 潤(rùn)滑方式 脂潤(rùn) 滑 22 4 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架電氣部分設(shè)計(jì) 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的自動(dòng)控制主要取決于電氣控制部分 電氣控制部分主要分兩 個(gè)方面 1 硬件電路設(shè)計(jì) 2 控制軟件設(shè)計(jì) 4 1 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 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(yīng)的磁傳感器 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) 而霍爾元件就是利用霍爾效應(yīng)可以設(shè)計(jì)制成多種傳 感器 霍爾電位差 UH 的基本關(guān)系為 UH RHIB d 式中 RH 1 nq 金屬 n 單位體積內(nèi)載流子或自由電子的個(gè)數(shù) q 電子電量 I 通過(guò)的電流 B 垂直于 I 的磁感應(yīng)強(qiáng)度 d 導(dǎo)體的厚度 由于通電導(dǎo)線周?chē)嬖诖艌?chǎng) 其大小與導(dǎo)線中的電流成正比 故可以利用霍 爾元件測(cè)量出磁場(chǎng) 就可確定導(dǎo)線電流的大小 利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾 電流傳感器 其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸 不影響被測(cè)電路 不消耗被測(cè) 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(chǎng)強(qiáng)度為 E 磁場(chǎng)強(qiáng)度為 H 的電磁場(chǎng)中 則在該元件中 將產(chǎn)生電流 I 元件上同時(shí)產(chǎn)生的霍爾電位差與電場(chǎng)強(qiáng)度 E 成正比 如果再測(cè)出 該電磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度 則電磁場(chǎng)的功率密度瞬時(shí)值 P 可由 P EH 確定 利用這種 方法可以構(gòu)成霍爾功率傳感器 如果把霍爾元件集成的開(kāi)關(guān)按預(yù)定位置有規(guī)律地 23 布置在物體上 當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)物體上的永磁體經(jīng)過(guò)它時(shí) 可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈 沖信號(hào) 根據(jù)脈沖信號(hào)列可以傳感出該運(yùn)動(dòng)物體的位移 若測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出 的脈沖數(shù) 則可以確定其運(yùn)動(dòng)速度 霍爾元件就是應(yīng)用霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體 a b 24 c d 圖 4 1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架電氣控制原理圖 a 發(fā)信盤(pán)上的霍爾元件 b 刀位信號(hào)的處理 c 刀架電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制 d 刀架電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn) 1 收信電路 圖 a 中 發(fā)信盤(pán)上的 4 只霍爾開(kāi)關(guān) 型號(hào)為 UGN3120U 都有 3 個(gè)引腳 第 1 角接 12V 電源 第 2 角接 12V 地 第 3 角輸出 轉(zhuǎn)位時(shí)刀 體帶動(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 角輸出低電平 當(dāng)磁鐵離開(kāi)時(shí) 第 3 角輸出高電平 4 只霍爾開(kāi)關(guān)輸出的 4 個(gè)刀位信號(hào) T1 T4 分 別送到圖 b 的 4 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 PC4 PC7 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 的反轉(zhuǎn)繼電器的線圈 刀架電動(dòng)機(jī)的功率只有 90W 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 以防止系統(tǒng)失控時(shí)導(dǎo)致短路現(xiàn)象 當(dāng) KA1 或 KA2 的觸點(diǎn)接通 80V 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) 25 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 4 2 控制軟件設(shè)計(jì) 在清楚了自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制電路后 就可以著手編制刀架 自動(dòng)轉(zhuǎn)位的控制軟件了 對(duì)于四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架來(lái)說(shuō) 它最多裝有 4 把刀具 設(shè)計(jì)控制軟件的任務(wù) 就是選中任意一把刀具 讓其回轉(zhuǎn)到工作位置 圖 4 2 表示讓 1 刀轉(zhuǎn)到工作位置的程序流程 2 4 刀的轉(zhuǎn)位流程與 1 刀相似 26 圖 4 2 1 刀轉(zhuǎn)到工作位置的程序流程 4 2 1 80C31 單片機(jī)及其引腳說(shuō)明 80C31 單片機(jī) 它是 8 位高性能單片機(jī) 屬于標(biāo)準(zhǔn)的 MCS 51 的 HCMOS 產(chǎn) 品 它結(jié)合了 HMOS 的高速和高密度技術(shù)及 CHMOS 的低功耗特征 標(biāo)準(zhǔn) MCS 51 單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng) 80C31 內(nèi)置中央處理單元 128 字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器 RAM 32 個(gè)雙向輸入 輸出 I O 口 2 個(gè) 16 位定時(shí) 計(jì)數(shù)器和 5 個(gè)兩級(jí)中 斷結(jié)構(gòu) 一個(gè)全雙工串行通信口 片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路 但 80C31 片內(nèi)并無(wú)程序存 儲(chǔ)器 需外接 ROM 此外 80C31 還可工作于低功耗模式 可通過(guò)兩種軟件選 擇空閑和掉電模式 在空閑模式下凍結(jié) CPU 而 RAM 定時(shí)器 串行口和中斷系統(tǒng) 維持其功能 掉電模式下 保存 RAM 數(shù)據(jù) 時(shí)鐘振蕩停止 同時(shí)停止芯片內(nèi)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 27 圖 4 3 80C31 單片機(jī) 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(shí)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(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入 當(dāng)使用外 部振蕩器時(shí)用于輸入外部振蕩信號(hào) 3 I O 口共有 p0 p1 p2 p3 四個(gè) 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(gè) 8 位漏極開(kāi)路的雙向 I O 端口 在存 取外部存儲(chǔ)器時(shí) 該端口分時(shí)地用作低 8 位的地址線和 8 位雙向的數(shù)據(jù)端口 在此時(shí)內(nèi)部上拉電阻有效 1 P1 0 P1 7 端口 1 的引腳 是一個(gè)帶內(nèi)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(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I O 口 在訪問(wèn) 外部存儲(chǔ)器時(shí) 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(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I O 端口 該口 的每一位均可獨(dú)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(shí) 口的結(jié)構(gòu)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 28 P3 4 T0 定時(shí)器 0 外部輸入 P3 5 T1 定時(shí)器 1 外部輸入 P3 6 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通 4 2 2 靜態(tài)存儲(chǔ)器 6264 的特性 6264 是一種 8K 8 的靜態(tài)存儲(chǔ)器 其內(nèi)部組成 主要包括 512 128 的存儲(chǔ) 器矩陣 行 列地址譯碼器以及數(shù)據(jù)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(chǔ)器讀周期 選中單元的 8 位數(shù)據(jù)經(jīng)列 I O 控制電路輸出 在存儲(chǔ)器寫(xiě)周期 外部 8 位數(shù)據(jù)經(jīng) 輸入數(shù)據(jù)控制電路和列 I O 控制電路 寫(xiě)入到所選中的單元中 6264 有 28 個(gè)引 腳 采用雙列直插式結(jié)構(gòu) 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(chǔ)空間 D7 D0 data bus 數(shù)據(jù)線 雙向 三態(tài) OE output enable 讀出允許信號(hào) 輸入 低電平有效 WE write enable 寫(xiě)允許信號(hào) 輸入 低電平有效 CE1 chip enable 片選信號(hào) 1 輸入 在讀 寫(xiě)方式時(shí)為低電平 CE2 chip enable 片選信號(hào) 2 輸入 在讀 寫(xiě)方式時(shí)為高電平 VCC 5V 工作電壓 GND 信號(hào)地 其操作方式由 OE WE CE1 CE2 共同作用決定 寫(xiě)入 當(dāng) WE 和 CE1 為低電平 且 OE 和 CE2 為高電平時(shí) 數(shù)據(jù)輸入緩沖器 打開(kāi) 數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線 D7 D0 寫(xiě)入被選中的存儲(chǔ)單元 讀出 當(dāng) OE 和 CE1 為低電平 且 WE 和 CE2 為高電平時(shí) 數(shù)據(jù)輸出緩沖器 選通 被選中單元的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線 D7 D0 上 保持 當(dāng) CE1 為高電平 CE2 為任意時(shí) 芯片未被選中 處于保持狀態(tài) 數(shù) 據(jù)線呈現(xiàn)高阻狀態(tài) 4 2 3 2764 只讀存儲(chǔ)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(chǔ)器 單一 5V 供電 工 作電流為 75mA 維持電流為 35mA 讀出時(shí)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(nèi)的 8K 個(gè)存儲(chǔ)單元 29 2 D0 D7 8 根雙向數(shù)據(jù)線 正常工作時(shí)為數(shù)據(jù)輸出線 編程時(shí)為數(shù)據(jù)輸 入線 3 OE 輸出允許信號(hào) 低電平有效 當(dāng)該信號(hào)為 0 時(shí) 芯片中的數(shù)據(jù)可由 D0 D7 端輸出 4 CE 選片信號(hào) 低電平有效 當(dāng)該信號(hào)為 0 時(shí)表示選中此芯片 5 PGM 編程脈沖輸入端 對(duì) EPROM 編程時(shí) 在該端加上編程脈沖 讀操 作時(shí)該信號(hào)為 1 6 VPP 編程電壓輸入端 編程時(shí)應(yīng)在該端加上編程高電壓 不同的芯片對(duì) VPP 的值要求的不一樣 可以是 12 5V 15V 21V 25V 等 說(shuō)明 EPROM 的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以擦除重寫(xiě) 而且允許擦除的次數(shù)超過(guò)上萬(wàn)次 一片新的或擦除干凈 EPROM 芯片 其每一個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都是 FFH 要對(duì)一 個(gè)使用過(guò)的 EPROM 進(jìn)行編程 則首先應(yīng)將其放到專門(mén)的擦除器上進(jìn)行擦除操作 擦除器利用紫外線光照射 EPROM 的窗口 一般經(jīng)過(guò) 15 20min 即可擦除干凈 擦 除完畢后可讀一下 EPROM 的每個(gè)單元 若其內(nèi)容均為 FFH 就認(rèn)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(gè)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(gè)可編程設(shè)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(shè)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(shè)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(fù)位輸入線 當(dāng)該輸入端處于高電平時(shí) 所有內(nèi)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(hào)線 當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí) 即 CS 0 時(shí) 表示芯片 被選中 允許 8255 與 CPU 進(jìn)行通訊 CS 1 時(shí) 8255 無(wú)法與 CPU 做數(shù)據(jù)傳輸 30 RD 讀信號(hào)線 當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低跳變延時(shí) 即 RD 產(chǎn)生一個(gè)低脈沖且 CS 0 時(shí) 允許 8255 通過(guò)數(shù)據(jù)總線向 CPU 發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息 即 CPU 從 8255 讀取信息或數(shù)據(jù) WR 寫(xiě)入信號(hào) 當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低跳變延時(shí) 即 WR 產(chǎn)生一個(gè)低脈沖且 CS 0 時(shí) 允許 CPU 將數(shù)據(jù)或控制字寫(xiě)入 8255 D0 D7 三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線 8255 與 CPU 數(shù)據(jù)傳送的通道 當(dāng) CPU 執(zhí)行 輸入輸出指令時(shí) 通過(guò)它實(shí)現(xiàn) 8 位數(shù)據(jù)的讀 寫(xiě)操作 控制字和狀態(tài)信息也通過(guò)數(shù) 據(jù)總線傳送 8255 具有 3 個(gè)相互獨(dú)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(gè) 8 位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器 緩沖器 一個(gè) 8 位的數(shù)據(jù)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(gè) 8 位的 I O 鎖存器 一個(gè) 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(gè) 8 位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器 緩沖器 一個(gè) 8 位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器 端口 C 可以通過(guò)工作方式設(shè)定而分成 2 個(gè) 4 位的端口 每 個(gè) 4 位的端口包含一個(gè) 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(hào)輸出或狀態(tài)信號(hào)輸入端口 不能工作于方式一或二 A1 A0 地址選擇線 用來(lái)選擇 8255 的 PA 口 PB 口 PC 口和控制寄存 器 當(dāng) A1 0 A0 0 時(shí) PA 口被選擇 當(dāng) A1 0 A0 1 時(shí) PB 口被選擇 當(dāng) A1 1 A0 0 時(shí) PC 口被選擇 當(dāng) A1 1 A0 1 時(shí) 控制寄存器被選擇 設(shè)控制系統(tǒng)的 CPU 為 80C31 單片機(jī) 擴(kuò)展 8255 芯片作為回轉(zhuǎn)刀架的收信與 發(fā)信控制 設(shè)計(jì)電路圖如圖 4 4 所示 31 圖 4 4 設(shè)計(jì)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(nèi)容 JNB ACC 4 TEND 測(cè)試 PC4 0 若是 則說(shuō) 明 1 已在工作位置 程序轉(zhuǎn)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(nèi)容 CLR ACC 6 令 PA6 0 刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)有效 SETB ACC 7 令 PA7 1 刀架電動(dòng)機(jī)無(wú)效 MOVX DPTR A 刀架電動(dòng)機(jī)開(kāi)始正轉(zhuǎn) CALL DE20MS 延時(shí) 20ms YT01 MOVX DPTR 2FFEH 指向 8255 的 PC 口 MOVX A DPTR 第二次讀取 PC 口內(nèi)容 JB ACC 4 YT11 PC4 0 32 CALL DE20MS 延時(shí) 20ms YT21 MOV DPTR 2FFEH 指向 8255 的 PC 口 MOVX A DPTR 第三次讀取 PC 口內(nèi)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(nèi)容 SETB ACC 6 令 PA6 1 刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)無(wú)效 SE