工位刀架設計

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1、 目錄 摘要 ................................................................................................................................ I Abstract....................................................................................................................... II

2、 1 緒論 ......................................................................................................................... 1 1.1 .... ..1 1.2 ..2 1.3 .. ..3 2 系統(tǒng)與總體結構設計 .......................................................................................................

3、...... 5 2.1 5 2.2 5 2.2.1 . 5 2.2.2 . 6 2.2.3 ....... ..7 2.2.4 .7 2.2.5 .8 3 電機的選擇及傳動蝸桿副的設計 ..9 3.1 ....9 3.2 ....9 3.3 ...10 3.3.1 10 3.3. 2 12 3.3. 3 12 3.4 ...13 4 自動回轉刀架的工作原理 .........................................

4、.......................................................... 14 5 電氣控制部分設計 .............................................................................................................. 16 5.1 . ..16 5.2 . ..17 5.3 . ..19 結論 22 參考文獻 23 致謝 24 攀枝花學院機電一體

5、化課程設計 摘要 摘 要 數(shù)控車床的刀架是機床的重要組成部分，刀架用于夾持切削用的刀具，其結 構直接影響機床的切削性能和切削效率。 因此數(shù)控車床的刀架設計的好與壞、 效 率高與低將直接影響到產(chǎn)品的加工時間和質量，進而影響到制造業(yè)的飛速發(fā)展。 本設計主要對總體結構設計、 主要傳動部件的設計和電氣控制部分設計計算。 包括減速傳動機構的設計、 上刀體鎖緊與精定位機構的設計及刀架抬起機構的設 計，蝸桿副的設計計算，以及硬件電路及控制軟件的設計。 本設計的自動回轉刀架控制系統(tǒng)電路簡單，可靠性高，有

6、效地解決了傳統(tǒng)機 床換刀主要依靠手工換刀，輔助時間長，精度不高，累積誤差大，加工出的產(chǎn)品 既費時且質量不如數(shù)控加工的問題， 也為車床數(shù)控改造中的自動換刀問題提供一 種有效的解決途徑。 關鍵詞： 數(shù)控機床；系統(tǒng)控制；自動回轉刀架 I 攀枝花學院機電一體化課程設計 摘要 Abs

7、tract CNC 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 pr

8、ocessing 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 de

9、sign, 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 s

10、olution 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 effec

11、tive solution. Keywords ：CNC Lathe System Control Auto-rotating Turret II 攀枝花學院機電一體化課程設計 1 緒論 1 緒論 1.1 數(shù)控機床產(chǎn)生的背景及現(xiàn)實意義 數(shù)控機床是數(shù)字控制機床（ Computer numerical control ）的簡稱，是一種裝有程序控制

12、系統(tǒng)的自動化機床。 該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序， 并將其譯碼，從而使機床動作并加工零件。 自從 1952 年美國麻省理工學院研制出世界上第一臺數(shù)控機床以來， 數(shù)控機床在制造工業(yè)， 特別是在汽車、 航空航天、以及軍事工業(yè)中等領域被廣泛地應用， 數(shù)控技術無論在硬件和軟件方面，都有飛速發(fā)展。數(shù)控機床加工的特點有： (1) 自動化程度高，具有很高的生產(chǎn)效率。除手工裝夾毛坯外，其余全部加工過程都可由數(shù)控機床自動完成。 若配合自動裝卸手段， 則是無人控制工廠的基本組成環(huán)節(jié)。數(shù)控加工減輕了操作者的勞動強度， 改善了勞動條件； 省去了劃線、多次裝夾定位、檢測等工序及其輔

13、助操作，有效地提高了生產(chǎn)效率。 (2) 對加工對象的適應性強。改變加工對象時，除了更換刀具和解決毛坯裝 夾方式外，只需重新編程即可， 不需要作其他任何復雜的調整， 從而縮短了生產(chǎn)準備周期。 (3) 加工精度高，質量穩(wěn)定。加工尺寸精度一般在 0.005 ～0.01mm 之間，不受零件復雜程度的影響。 由于大部分操作都由機器自動完成， 因而消除了人為誤差，提高了批量零件尺寸的一致性， 同時精密控制的機床上還采用了位置檢測裝置，更加提高了數(shù)控加工的精度。 (4) 易于建立與計算機間的通信聯(lián)絡，容易實現(xiàn)群控。由于機床采用數(shù)字信息控制，易于與計算機輔助設計系統(tǒng)連接，形成 CAD/

14、CAM一體化系統(tǒng)，并且可以建立各機床間的聯(lián)系，容易實現(xiàn)群控。 數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)是關系到國家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國家綜合國力的重要基礎性產(chǎn) 業(yè)其制造水平高低和擁有數(shù)量是衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化程度的重要標志， 在國防建設上更是具有戰(zhàn)略意義的重要基礎性產(chǎn)業(yè)。 經(jīng)濟型數(shù)控是我國 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(jīng)濟型數(shù)控技術也在不斷進步，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品不斷改進完善， 并且有了階段性的突破， 使新的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)功能更強，可靠性更穩(wěn)定，功率增

15、大，結構簡單，維修方便。由于這項技術的 發(fā)展增強了經(jīng)濟型數(shù)控的活力， 根據(jù)我國國情， 該技術在今后一段時間內還將是 1 攀枝花學院機電一體化課程設計 1 緒論 我國機械行業(yè)老設備改造的很好途徑。 對于原有老的經(jīng)濟型數(shù)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(chǎn)效率，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。 1.2 國內外數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀 自 1952 年在美國出現(xiàn)第一臺數(shù)控機床至今， 雖不到 60

16、年，但其發(fā)展卻很快。特別是近 20 年來，由于微電子和計算機技的進步，發(fā)展更為迅速。例如日本，1957 年才研制出第一臺數(shù)控機床， 1965 年年產(chǎn) 39 臺，可到 1970 年便增加到 1451 臺， 1980 年增加到 22052 臺， 1989 年則達到 59705 臺，即占到其機床年總產(chǎn)量的 32.5%、總產(chǎn)值的 73%。1987 年日本已擁有數(shù)控機床 ( 不含鍛壓機械 )6.6 萬臺 , 其全部金切機床擁有量的 11%。其它一些工業(yè)發(fā)達國家的發(fā)展也艱迅速，如西德，1985 年年產(chǎn)數(shù)控機床約 3 萬臺，占機床年總產(chǎn)值的 54.2%，擁有量 7 萬臺，占總擁有量的 5.7 ％。1989

17、年年產(chǎn) 20549 臺（不含鍛壓機械 ) 占機床年總產(chǎn)值的 65.2% 。美國 1987 年年產(chǎn) 6047 臺，占機床年總產(chǎn)量的 6.6%, 擁有量 222000 臺 , 占總擁有量的 9.6%,1989 年占機床總產(chǎn)值的 50.2% 。蘇聯(lián) 1987 年年產(chǎn)量 26000 臺，占總產(chǎn)值的 46.4% 。意大利 1988 年數(shù)機床占總產(chǎn)量 的 45.1% ，擁有量 83600 臺，占機床擁有量 15.2% ，1989 年占總產(chǎn)量的 60%， 英國 1987 年數(shù)控機床年產(chǎn)量 2728 臺，占總產(chǎn)值的 44.6% ，擁有量 53700 臺，占總擁有量的 7%。法國 198

18、7 年年產(chǎn)量 2259 臺，占總產(chǎn)量的 8.28% ，占總產(chǎn)值的 70.9% ，擁有量 81000 臺，占總擁有量的 5%。 隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展， 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)歷了電子管、 晶體管、中小規(guī)模集成電路、 大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路五個階段。 因前三代是以專用電路和硬接線插補， 紙帶格式識別， 絕對或增量定位及字符編碼等功能的，故稱之為硬件式數(shù)控， 即為一般的 NC 系統(tǒng)。自 70 年代中期以后出現(xiàn)的第四、第五代數(shù)控系統(tǒng)，由大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路及微處理機組成。該數(shù)控 系統(tǒng)有很強的程序存儲能力， 一系列的功能都可以由不同的軟件程序來實現(xiàn)， 故稱為軟件式數(shù)控，即

19、通常稱 CNC 系統(tǒng)。目前，硬件式 ( 主要是第三代 ) 的數(shù)控系統(tǒng)雖仍有生產(chǎn)，但已較少，國際上現(xiàn)在生產(chǎn)的大多是第四代或第五代的產(chǎn)品， 即軟件式數(shù)控系統(tǒng)。 由于計算機技術的發(fā)展， 硬件的集成度得到提高和軟件日益豐富，國際數(shù)控裝置的水平和功能不斷提高與完善， 現(xiàn)在已普遍進入了成熟應用階段。世界上生產(chǎn)數(shù)控裝置的廠家很多， 包括一些數(shù)控機床生產(chǎn)廠在內， 有名望的有日本的法蘭克 (FANUC)、三棱電機、安川電機、大隈等， ERAL（ ELECTRI）公司、 AB(ALLEN BREDLEY)公司、德國的西門子（ SIEMENS)、特勞布 (TRAUB)，黑 2 攀枝花學

20、院機電一體化課程設計 1 緒論 特勒科赫約有數(shù)十家，但是較美國的 GE(GEN—GOULD)公司，聯(lián)幫（ HEOKLER＆ KOCH)、海登海 (HEIDEN1lAIN) 、意大利奧罩維得 (OLIVETT)、菲迪亞 (FIDIA) 公司、西班牙的 FAGOR公司等。在這些較有名的公司中，從產(chǎn)品的質量、技術水平和市場的占有率等方面的綜合比較來看，又以日本 (FANUC)公司列居首位，其次是 聯(lián)幫德國的西門子、海登海和美國的 AB 公司。 我國數(shù)控技術的發(fā)展起步于二十世紀五十年代， 通過 " 六五 " 期間引進數(shù)控技 術，" 七五 " 期間組織消化吸收 "

21、科技攻關 " ，我國數(shù)控技術和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當 大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速， 1998～ 2004 年國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量和消費量的年平均增長率分別為 39.3% 、34.9%。盡管如此，進口機床 的發(fā)展勢頭依然強勁，從 2002 年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國， 2004 年中國機床主機消費高達 94.6 億美元，但進出口逆差嚴重，國產(chǎn)機床市場占有率連年下降， 1999 年是 33.6% ， 2003 年僅占27.7%。1999 年機床進口額為 8.78 億美元（ 7624 臺）， 2003 年達 27.1 億美元（ 23320

22、臺），相當于同年國內數(shù)控機床產(chǎn)值的 2.7 倍。國內數(shù)控機床制造 企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯， 70%以上 的此類設備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進口。 由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍然缺乏市場競爭力， 究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機床的研究開發(fā)深度不夠、 制造水平依然落后、 服務意識與能力欠缺、 數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)應用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。 1.3 自動回轉刀架的發(fā)展趨勢 數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢是：隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控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。 目前國內數(shù)控刀架以電動為主， 分為立式和臥

23、式兩種。 立式刀架有四、 六工位兩種形式，主要用于簡易數(shù)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(shù)控車床。 另外臥式刀架還有液動刀架和伺服驅動刀架。 電動刀架是數(shù)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(chǎn)率，縮短生產(chǎn)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(shù)控車床需配備易于控制的自動回轉刀 架，以便一次裝夾所需的各種刀具，靈活方便地

24、完成各種幾何形狀的加工。 數(shù)控刀架的市場分析： 國產(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，高檔采用動力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種， 3 攀枝花學院機電一體化課程設計 1 緒論 近年來需要量可達 1000 ～1500 臺。 國外數(shù)控車床的發(fā)展目的在于提高加工精度和縮短制造周期。 實現(xiàn)上述目的 之手段是實現(xiàn)機床多功能化和工序工種集成，開發(fā)多種多樣復合化加工的機種， 如增添銑削功能的復合加工車削中心、 雙主軸多刀塔 ( 雙刀塔或四刀塔 ) 數(shù)控車床 和車削中心、 雙主軸同步驅動， 雙刀塔同

25、時進行加工車削中心、 五軸聯(lián)動車銑復 合中心、車磨復合加工機床、具有車、銑、鏜、磨和激光熱處理多種功能的高度 復合化的復合加工中心等等。 我國數(shù)控車床經(jīng)過多年的發(fā)展， 特別是近幾年迅速 為回轉刀架的收信與發(fā)信控制體， 控制步進電機轉動帶動蝸桿傳動， 上下齒盤嚙 合，螺桿的發(fā)展， 與國際先進水平的差距在逐年縮小。 對于某些依賴于進口的高 檔數(shù)控車床，如高精度數(shù)控車床和車削中心 ( 主軸徑跳軸跳 0.001mm)、適用耐熱 合金和鈦合金零件加工的大功率、 高扭矩數(shù)控車床和車削中心等等要加強產(chǎn)品開 發(fā)研究攻關，突破其核心技術。 數(shù)控刀架的高、中、低檔產(chǎn)

26、品市場數(shù)控刀架作為數(shù)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具有轉位快， 定位精度高， 切向扭矩大的特點。 本設計以 8752 單片機為控制系統(tǒng)的 CPU，擴展 8255 芯片作為回轉刀架的收信與發(fā)信控制體， 控制步進電機轉動帶動蝸桿傳動， 上下齒盤嚙合， 螺桿夾緊的工作原理， 有效的解決了上述的問題。 4

27、 攀枝花學院機電一體化課程設計 2 系統(tǒng)與總體結構設計 2 系統(tǒng)與總體結構設計 2.1 自動控制系統(tǒng)設計 單 程序 片 刀架 電動機 機 霍 爾 元 素 圖 2-1 自動回轉刀架機電系統(tǒng)框圖 圖 2-1 所示為數(shù)控車床自動回轉刀架機電系統(tǒng)，其中包括控制元件、動力源、傳動裝置、刀架體與檢測裝置。單片機作為控制裝置，通過程序控制電機的 起停與正反轉，電機作為動力源， 通過傳動裝置控制上刀體的抬起、 下降與轉動，霍爾元件作為檢測元件， 檢測上刀體

28、是否到位， 到位信號反饋給單片機， 共同控制電機的運轉。 2.2 總體結構設計 自動刀架的分類 自動回轉刀架按其工作原理可分為： （ 1） 螺旋轉位刀架 如固 2-2 所示，電機經(jīng)彈簧安全離合器至蝸輪副帶動螺母旋轉，螺母舉起 刀架使端齒盤的上盤與下盤分離， 隨即帶動刀架旋轉到位， 然后發(fā)信號使電機反 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 2-2 螺旋轉位刀架 圖 2-3 十

29、字槽輪轉位 1-內 裝信號盤 2- 刀架 3-端齒盤 4- 電機 5- 安全離合器 A- 銷釘 B-十字 5 攀枝花學院機電一體化課程設計 2 系統(tǒng)與總體結構設計 （ 2）十字槽輪轉位刀架如圖 2-3 所示，是利用槽輪原理轉位及鎖緊 (還要加定位銷 )。銷釘 A 每轉 — 周，刀架轉 60°。十字槽輪式體積大，零件多，目前使用較少。 （ 3）凸臺棘爪式轉位刀架蝸輪帶動凸臺相對于凸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 60°，然后利用接觸開關或霍爾元件發(fā)出信號，使電機反轉，重新鎖緊刀架。凸臺棘爪式重復定位精度相對較低。

30、 （ 4）液壓式轉位刀架液壓擺動油缸控制轉位的刀架， 由擺動閥芯， 可帶動刀架轉位的撥爪， 還有一個向下拉緊的小油缸組成， 油缸可產(chǎn)生 1000kg 以上的拉緊力。這種轉位刀架的特點是轉位可靠， 但液壓件制造難， 且有油漏及發(fā)熱等問題。 刀架的抬起 自動回轉刀架的抬起有兩種方式，分別如下所述： （ 1）利用壓縮彈簧的恢復力來完成刀架的抬起，如圖 2-4a 所示。在發(fā)出這 一動作前，彈簧一直被壓縮著，直到發(fā)出信號時，使彈簧回彈，這可由某一滑動 機構的斜面轉動來完成。 同樣，壓縮彈簧還是利用這一斜面， 但其轉動方向相反 ，如圖 2-4b 所示。為了使抬起

31、可靠，彈簧的最小預緊力必須大于所抬起部分重 量的兩倍以上。這種方案的缺點是刀架在轉動過程中，一直受著彈簧力的作用， 有明顯的摩擦力和磨損。另外，一旦有雜物混入，容易被卡在抬不起來。 圖 2-4 利用彈簧抬起刀架和利用斜面壓緊刀架原理圖 a) 彈簧抬起 b) 斜面壓緊 （ 2）利用螺紋傳動， 將旋轉運動變成軸向直線運動， 從而達到抬起刀架的目的。在這種情況下， 完成這一功能的絲杠要豎直安放， 這種方案可基本上克服

32、上一種方案的缺點。此外，這兩種方案要解決的共同問題是： 在刀架的抬起過程中， 6 攀枝花學院機電一體化課程設計 2 系統(tǒng)與總體結構設計 都要防止刀架轉動。 這可通過設計一個帶有斜面的粗定位銷和定位銷槽的配合來完成，并使斜面間摩擦力產(chǎn)生的阻力矩大于上述轉動摩擦力矩。 刀架的回轉和選位 刀架由一個微電機通過傳動系統(tǒng)來帶動。 刀架的轉動軸線是豎直的， 而轉速比微電機來要慢得多。 由于電機空間條件所限必須臥式安裝， 因此兩者的轉動軸線互相垂直或異面垂直， 蝸輪蝸桿傳動比較適合于這種場合。 刀架從抬起變成轉動的功作原理是： 當?shù)都芴鸬教囟ǜ叨葧r， 由一

33、個正在旋轉的撥塊帶動刀架轉動，因此，刀架的抬起運動和轉動均由同一傳動系統(tǒng)來先后完成。 刀把轉過一定角度后要選位， 即看一看轉到這個位置的刀具是否符合加工要求，這一功能是由微機程序來實觀。具體的說，當?shù)都苻D到此位置時，程序自動 地將該位置的編碼與所需刀具編碼加以比較。 若相同，該刀具就選定此位。 否則，再轉動，重復上述過程。 刀架每次轉過的角度大小， 主要是由刀架的面體數(shù)量來確定。對于六方刀架，每次轉 360°/6=60 °。刀架編碼由三位二進制數(shù)表示，六方刀架的編碼為 000、00l、0ll 、 l00、 110、111。刀位編碼信號的發(fā)出，是由裝在隨刀架一起轉動的微功電源開關來實

34、現(xiàn)的。 微動開關的觸頭朝外， 它的開關狀態(tài)由一個內表面凸輪來控制。 凸輪實際上是只有一定半徑差的兩個內圓弧表面。 被動開關觸頭與小半徑內圓弧表面接觸，開關便接通；與大半徑內圓弧表面接觸， 開關便中斷。與此對應的信號分別是 l 和 0。所需要的微動開關數(shù)目，等于編碼的位數(shù)。即六方刀架備有三個微動開關。 另外，刀位編碼信號并非轉到此位置時才發(fā)出，而是提前發(fā)出的。 刀具的選位位置是由一個粗定位開關來控制的。 當?shù)都苻D到某個刀位時，粗定位開關發(fā)信號，停轉，微機進行編碼比較，根據(jù)比較 結果，或刀架選定此位， 或繼續(xù)轉動。 粗定位開關的通斷控制也是由一個類似于內表面凸輪的定位槽來完成。

35、刀架的下降、定位和壓緊 刀架選定位置后， 斜面銷插入斜面槽中， 使之粗定位。 然后由微機控制使微電機反轉。由于斜面銷的棘輪作用，刀架不跟隨轉，只是下降，再由精定位元件來精確定位。 精定位元件有若干種， 常采用錐形定位銷定位。 但是如果只用一個定位銷定位，那么刀架的定位精度和定位剛度都不足。 若用多個定位銷定位， 定位銷孔的位置精度要求極高，加工難度較大。相比之下，端面齒盤定位的優(yōu)點較為明顯。 齒盤齒廓部分的形位精度可以從工藝上嚴加控制， 再經(jīng)反復對研， 即可得到很高的精度。由于端面齒盤定位為多齒接觸，接觸面積大，因此它還有接觸剛度好、定位尺寸穩(wěn)定性好和壽命長等特點。 此外，這

36、種元件允許刀架下降時有一定角度誤差。因此轉位刀架的精確定位最常用的是端齒盤結構式。 7 攀枝花學院機電一體化課程設計 2 系統(tǒng)與總體結構設計 定位完畢，需要壓緊刀架才能安全可靠地工作。 壓緊力是由刀架下降到底后，微電機繼續(xù)轉動所產(chǎn)生的。 壓緊力的大小應是切削力大小的兩倍以上， 而且應該能調整。當壓緊力達到調整數(shù)值時， 使微電機停轉， 且始終保持這一壓力直到下一動作循環(huán)的開始。 減速傳動機構的設計 設計采用異步電動機作為動力源， 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(jīng)過適當?shù)臏p速才行。 常用的減速機構有： 齒

37、輪減速和蝸輪蝸桿減速機構。 齒輪減速機構一般為漸開線齒輪行星傳動， 是一種具有動軸線的齒輪系傳動，亦稱周轉輪系傳動，可用于減速、增速和差速裝置。其優(yōu) 點是體積小，重量輕，效率高，結構簡單緊湊，可得到很大的傳動比，便于串聯(lián) 成多級傳動。 蝸輪蝸桿減速機是一種具有結構緊湊， 傳動比大， 以及在一定條件下具有自鎖功能的傳動機械， 是最常用的減速機之一， 其中，中空軸式蝸齒減速機不僅具有以上的特點，而且安裝方便，結構合理，越來越得到廣泛應用。根據(jù)立式轉位刀架的結構特點， 采用蝸桿副減速是最佳選擇。 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

38、以實現(xiàn)整個裝置的小型化。圖 2-5 為自動回轉刀架的傳動結構示意圖： 圖 2-5 自動回轉刀架的傳動結構示意圖 1-發(fā)信盤 2-推力軸承 3-螺桿螺母副 4- 端面齒盤 5-反靠圓盤 6-三相異步電動機 7-聯(lián)軸器 8-蝸桿副 9-反靠銷 10-圓柱銷 11-上蓋圓盤 12-上刀體 8 攀枝花學院機電一體化課程設計 3 蝸桿副的設計

39、 3 蝸桿副的設計 3.1電動機的選擇 系統(tǒng)要求電機參數(shù)為：功率 P=40W；轉速 n=1380r/min。查機械設計手冊第 四版第 5卷表 22-1-108僅 YS-50-2-4型電動機符合要求。 YS-50-2-4型電機的參數(shù)為：功率 P=40W；轉速 n=1400r/min；電流 I=0.22A 。 所以動力部分選擇 YS-50-2-4型三相異步電機。 3.2 蝸桿副的選用 自動回轉刀架的動力源是三相異步電動機， 其中其中蝸桿與電動機相連， 刀架轉位 時蝸輪與上刀 體直連 。 已知 電動機 額定 功率 P=40w

40、，額 定轉 速 n1 =1380r/min,上刀體設計轉速 n2 =26r/min ， 則蝸桿的傳動比為 i= n1 / n2 =1380/26=53 。 刀架從轉位到鎖緊時，需要蝸桿反向， 工作載荷不均勻，啟動時沖擊大，按蝸桿副的 使用壽命 L h =10000h （1）蝸桿的選型 按蝸桿形狀不同可分為圓柱蝸桿傳動、 環(huán)面蝸桿傳動和錐蝸桿傳動三類。 由 于刀具加工位置的不同，圓柱蝸桿又可分為阿基米德蝸桿（ ZA 型）、漸開線蝸 桿（ ZI 型）和法向直廊蝸桿（ ZN 型）等多種。本設計采用結構簡單，制造方便的漸開線型圓柱蝸桿（ ZI 型）。

41、 （2）蝸桿副的材料 —— 蝸輪材料。 通常是指蝸輪齒冠部分的材料， 主要有以下幾 種： 1）鑄錫青銅 適用于 vs≥ 12m/s～26m/s 和持續(xù)運轉的工況，離心鑄造的可得到致密的細晶粒組織，可取大值，砂型鑄造的取小值。 2）鑄鋁青銅 適用于 vs≤ 10m/s的工況，抗膠合能力差，蝸桿硬度應不低 于 45HRC。 3）鑄鋁黃銅 點蝕強度高，但磨損性能差，宜用于低滑動速度場合。 4）灰鑄鐵和球墨鑄鐵 適用于 vs≤ 2m/s的工況，前者表面經(jīng)硫化處理有利 于減輕損，后者若與淬火蝸桿配對能用于重載場合，直徑較大的蝸輪常用鑄鐵。 蝸桿材料

42、—— 按材料有碳鋼和合金鋼。蝸輪直徑很大時，也可以采用青銅 蝸桿，蝸輪則用鑄鐵， 按熱處理不同分為硬面蝸桿和調質蝸桿。 首先應考慮選用 硬面蝸桿，在要求持久性較高的動力傳動中， 可選用滲碳鋼淬火， 也可選用中碳 鋼表面或整體淬火已得到必要的硬度， 制造時必須要磨損。 用氮化滲氮處理的蝸 桿可以不磨削， 但需要拋光。 只有在缺乏磨削設備時才選用調質蝸桿。 受短時沖 9 攀枝花學院機電一體化課程設計 3 蝸桿副的設計 擊載荷的蝸桿， 不宜采用滲碳鋼淬火， 最好用調質鋼。 鑄鐵蝸桿與鍍鉻蝸桿配對時，有利于提高傳動的承載能力和滑動速度。

43、綜上所述，刀架中的蝸桿副傳遞的功率不大， 但是蝸桿轉速較高， 所以蝸桿的材料選擇 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， 材料主要考慮到要求耐磨性， 因此材料選擇鑄錫磷青銅（ZcuSn10P1 ），采用金屬模鑄造 。 3.3 蝸桿副的設計 刀架中的蝸桿副多采用閉式傳動， 經(jīng)常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。 按齒面接觸疲勞強度設計 蝸輪的接觸疲勞強度條件為： 2 a ZEZ 3 KT2 [ H ]

44、 a—— 蝸桿副的傳動中心距，單位為 mm ； KA—— 使用系數(shù)； T2—— 作用在蝸輪上的轉矩 T，單位 N.mm ； ZE—— 彈性影響系數(shù)，單位為 MPa ； Z —— 接觸系數(shù)； δH ——許用接觸應力，單位為 MPa 。 由上式算出蝸桿副的中心距 a，根據(jù)已知的傳動比 i=53.07，選擇合適的中 心距 a值，以及相應的蝸桿，蝸輪參數(shù)。 1） 確定作用在蝸輪上的轉矩 T2 2） 設蝸桿頭數(shù) Z =1, 蝸桿副的傳動效率取 = 0.8 ，由電動機的額定功率 P 1 1 =40W,算出蝸桿傳遞功率 P2 =

45、P1 ，再由蝸桿的轉速 n2 =26r/min 求得作用在蝸桿上的轉矩： T2 9.55 P2 9.55 P1 n2 n2 3） 確定使用系數(shù) K 載荷系數(shù) K= K A K KV 。其中 K A 為使用系數(shù)，查表得 K A =1.15。 K 為齒向 載荷分布系數(shù)，查表得 K =1.15， K V 為動載系數(shù)，查表得 K V =1.05。則 K= K AK KV =1.39 10 攀枝花學院機電一體化課程設計 3 蝸桿副的設計 4） 確定彈性影響系數(shù) ZE 鑄錫磷青銅 (ZCuSn10P1)蝸

46、輪與鋼蝸桿相配合時，可查得彈性影響系數(shù) ZE =160 MPa 4） 確定接觸系數(shù) ZP 假定蝸桿分度圓直徑 d1與傳動中心距 a比d1/a=0.35 由查表得 Zp 2.9 5） 確定許用接觸應力 [ 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 ，查表得基本選用應力為 [ H 1] MPa ，因為是單頭蝸桿， 268 則 j=1,應力循環(huán)次數(shù) N=60 n2 j L h = 60 26 1 10000 1.56 107 8 107 0.

47、972 壽命系數(shù) K HN N 許用應力 δH = KHN [ H 1] =260Mpa 6）計算中心距 將各數(shù)值帶上中心距計算公式 a 3 160 2.9 ) 2 37.33 1.39 11753 ( 260 由表得，取中心距 a=40mm，已知蝸桿頭數(shù) Z1 =1，設模數(shù)位 1.25，得蝸桿分 度圓直徑 d1 =20。這時 d1 /a=0.5 由表得 ZP' =2.5。因為 ZP' < ZP ,所以上式計算結果可

48、 用。 則渦桿的基本尺寸計算： 直徑系數(shù) q=16，軸向齒距 Pa= m =3.925，齒頂圓直徑 da1=22.5mm，齒根圓 直徑 df1 =17.1mm，分度圓到程角 =arctan（ Z1 /q）=3.97°。 渦輪的基本尺寸計算： 取 渦 輪 的 齒 數(shù) 為 Z2 =46 ， 則 i= Z2 / Z1 =46 ， 這 時 傳 動 比 誤 差 為 46 43.75 =5.1%，由于該裝置對傳動比要求不高，則該傳動比滿足要求。 43.75 渦輪的分度圓直徑 d2 =m Z2 =57.5mm，變位系數(shù)為 x 2 =[a

49、-（ d1 + d2 ） /2]/m=1mm ， 渦輪喉圓直徑為 da2 = d2 +2m ( ha + x 2 )=62.5mm，渦輪齒根圓直徑 df 2 = d2 -2m （ ha - x2 + c ）=57mm 11 攀枝花學院機電一體化課程設計 3 蝸桿副的設計 3.3. 2 校核渦輪齒根彎曲疲勞強度 F 1.53KT 2 YFa2Y [ F ] d1d2m 式中 F ——渦輪齒根彎曲應力，單位 MPa YFa2 ——渦輪齒形系數(shù)； Y ——螺旋角影響

50、系數(shù) 則渦輪的當量齒數(shù)： zv2 z2 46.28 cos3 則查表得 YFa2 =1.95 螺旋角影響系數(shù) Y =1- =0.972 140 渦輪壽命系數(shù) K FN =9 106 =0.72 N 查表得 [ F ] =56MPa 渦輪的許用彎曲應力： [ F ] [ ' F ]K FN =40.33 MPa 將以下參數(shù)代入彎曲疲勞強度的計算式中得 F =40.17< [ F ] ，則設計滿足要求。

51、 3.3. 3 蝸桿的設計計算 （1） 螺距的確定 刀架轉位時，要求螺桿在轉動約 170 度的情況下，上刀體的端面齒與下刀體的端面齒完全脫離； 在鎖緊的時候， 要求上下端面齒的嚙合深度達 2mm。因此，螺桿的螺距 P 應滿足 Px170/360>2mm，P>4.24,今取螺桿的螺距 P=6mm。 （2） 其他參數(shù)確定 采用單頭梯形螺桿，頭數(shù) n=1，牙型角 =15°，外螺 紋大經(jīng)（工程直徑） d1 =50mm，牙頂間歇 ac =0.5mm，基本牙型高 H1 =0.5P=3mm，外螺紋牙高 h3 = H1 + ac =3.5mm，外螺紋中經(jīng) d2 =47mm

52、，外螺紋小徑 d3 =43mm， 螺桿螺紋部分長度 H=50mm。 （3） 自鎖性能校核 螺桿 -螺母材料均為 45 剛，查表得，取二者的摩擦因 數(shù) f=0.11；再求得梯形螺旋副的當量摩擦角： 12 攀枝花學院機電一體化課程設計 3 蝸桿副的設計 f =7.17 ° v arctan cos 而螺旋升角： =arctan nP 2.59 < v d2 所以，所選幾何參數(shù)滿足自鎖條件。 3.4 蝸桿傳動的潤滑 （ 1）潤滑油粘度和潤

53、滑方法 為提高蝸桿傳動的抗膠合性能， 宜選用粘度較高的潤滑油。 在礦物油中適當?shù)募有┯托蕴砑觿ㄈ缂尤?5%的動物脂肪），有利于提高油膜厚度，減輕膠合危險。用青銅制造的蝸輪，則不容許采用活性大的極壓添加劑以免腐蝕青銅。 采用聚乙二醇、聚醚合成油時，摩擦系數(shù)較小，有利于提高傳動效率，承受較高的工作溫度，減少磨損。 （ 2）蝸桿布置與潤滑方式 采用油池潤滑時，蝸桿最好布置在下方。蝸桿浸入油中的深度至少能浸入螺 旋的牙高，且油面不應超過滾動軸承最低滾動體的中心。油池容量宜適當大些， 以免蝸桿工作時泛起箱內沉淀物和油很快老化。 只有在迫不得已的情況下， 蝸桿才布置在

54、上方。 這時，浸入油池的蝸輪深度允許達到蝸輪半徑的 1/6～1/3。若速度高于 10m/s，必須采用壓力噴油潤滑，由噴油嘴向傳動的嚙合區(qū)供油。為增強冷卻效果，噴油嘴宜放在嚙出側，雙向轉動的應布置在雙側。 13 攀枝花學院機電一體化課程設計 4 自動回轉刀架的工作原理 4 自動回轉刀架的工作原理 自動回轉刀架的換刀流程如圖 4-1 所示

55、。 圖4-1 自動回轉刀架的換刀流程 圖 4-2 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 和下部的反靠銷起著重要作用。 當?shù)都芴幱阪i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

56、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°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(jīng)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

57、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 14 攀枝花學院機電一體化課程設計 4 自動回轉刀架的工作原理 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。

58、在此期間，上下刀體的端面齒逐漸咬合，實現(xiàn)精定位。經(jīng)過設定的延時時間后，刀架電動機停轉，整個換刀過程結束。 由于蝸桿副具有自鎖功能，所以刀架可穩(wěn)定地工作。 圖4-2刀架在換刀過程中有關銷的位置 15 機電一體化課程設計 5 電氣控

59、制部分設計 5 電氣控制部分設計 5.1 機電系統(tǒng)的分類及組成 數(shù)控機床機電系統(tǒng)有兩種基本形式， 即經(jīng)濟型和全功能型。 所謂經(jīng)濟型系統(tǒng) 是用一個微機芯片作主控單元， 伺服系統(tǒng)大都為功率步進電動機， 采用開環(huán)控制 系統(tǒng)，步進當量為 0.01 ～ 0.005mm/脈沖，機床快速移動速度為 5 ～8m/min，傳動 精度較低，功能也較簡單。全功能型的系統(tǒng)用 2 ～4 個微機芯片進行控制， 各 CPU 之間采用標準總線接口， 或者采用中斷方式通訊。 在主控微機的管理下， 各微機 分別進行指令識別、插補運算、文本及圖形顯

60、示、控制信號的輸入輸出等。伺服 系統(tǒng)一般采用交流或直流電機伺服驅動的閉環(huán)或半閉環(huán)控制， 這種形式可方便地 控制進給速度和主軸轉速。機床最快移動速度為 8 ～ 24m/min，步進當量為 0.01 ～0.00lmm/ 脈沖，控制的軸數(shù)多達 20 ～ 24 個。因而廣泛用于精密數(shù)控車床、 銑床、加工中心等精度要求高、加工工序復雜的場合。 下面以 MCS-51 單片機系統(tǒng)為例說明機電系統(tǒng)的組成： 早期的經(jīng)濟型數(shù)控系 統(tǒng)多采用功能簡單的 Z80 單板機控制。近年來采用單片機為核心，做成專用的 數(shù)控系統(tǒng)，下圖所示為一種經(jīng)濟數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖，用于普通車床的數(shù)控

61、。 圖 5-1 中鍵盤用于手工輸入零件的加工程序， 顯示器用于顯示輸入的指令和加工狀態(tài)， 8752 對加工程序進行指令識別和運算處理后， 向鎖存器 Y2 、Y3 輸出進給脈沖，經(jīng) X 、Y 驅動模塊伺服放大后，驅動 X 軸、 Z 軸步進電動機，產(chǎn) 生進給運動； 8255 的 PB 口輸出強電控制信號 M . S . T ，其中 M 為輔助功 能，主要是主電動機、冷卻電動機的啟 / 停信號； S為主軸調速信號； T 為轉刀架 的轉位換刀信號。

62、 16 機電一體化課程設計 5 電氣控制部分設計 圖 5-1經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖 圖 5-2系統(tǒng)的存儲器 存儲器擴展電路：存儲器擴展電路如上圖所示， EPPROM 用于存儲程序，若單片機內部存儲器容量不夠可外擴。 本設計采用 Inter 公司生產(chǎn)的 MCS-51 系列 8 位單片機 8752 作為微機芯片，利用外部地址鎖存器 74LS373 連接外

63、圍 I/O 接口芯片 8255 驅動電機，同時需要對程序存儲器（ EPROM）擴展，可使用 Intel27512 芯片。其接線圖如 圖 5-2 所示。 5.2 硬件電路的設計 自動回轉刀架的電氣控制部分主要包括發(fā)信電路和收信電路兩大塊，如圖 5-3 所示。 （ 1）發(fā)信電路 圖a中，發(fā)信盤上的 6 只霍爾開關（型號為 UGN3120U），都有 3 個引腳，第 1 角接 +12V 電源，第 2 角接地，第 3 角刀位信號輸出。刀架在正向旋轉的過程中不停的對刀位輸入信號進行檢測， 每把刀具各有一個霍爾位置檢測開關， 各刀具按順序依次經(jīng)過磁鐵位置產(chǎn)生相應的

64、刀位信號。 當磁鐵對準某一個霍爾開關時，其輸出端第 3 角刀位信號輸出為低電平；當?shù)毒唠x開時，第 3 角輸出為高電平。 6 只霍爾開關輸出的 6 個刀位信號 T1 ～T6分別送到圖 b 的 6 只光電耦合芯片 TLP621-6 進行處理，經(jīng)過光電隔離的信號再送給 I/O 接口芯片 8255 的 PC0～PC5。 17 機電一體化課程設計 5 電氣控制部分設計 （ 2）收信電路 圖c為固態(tài)繼電器控制刀架電動機正反轉電路， 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。 該固態(tài)繼電器采用雙向可控 硅輸出，模

65、塊內設置有硬件互鎖，輸入回路與輸出回路之間光電隔離 , 內置阻容 吸收回路和壓敏電阻保護 , 輸入端 - 輸出端之間隔離耐壓≥ 2500V，輸入控制電壓為 3～ 24V，其中 D0、 D1、D2端子為繼電器控制信號輸入，分別連接地線和 8255 的 PA6和PA7腳。當在 PA6腳輸出高電平時， 刀架電機正轉； 當在 PA7腳輸出高電平時，刀架電機反轉；當 PA6和 PA7腳全部輸出低電平時刀架電機停止旋轉。

66、a） b） c) d） 圖5-3 自動回轉刀架電氣原理圖 18 機電一體化課程設計 5 電氣控制部分設計 a) 發(fā)信盤上的霍爾元件 b) 刀位信號的處理 c) 固態(tài)繼電器控制電機 d) 繼電器內部原理圖 5.3 控制軟件的設計 電動刀架控制系統(tǒng)軟件執(zhí)行過程為 : 換刀系統(tǒng)接收到換刀指令后 , 系統(tǒng)首先讀取刀號存儲單元中存儲的當前刀位號碼 , 并將該存儲單元中的刀位號與換刀指令給出的刀位號比較 , 如果相同 , 則不需換刀 , 系統(tǒng)繼續(xù)向下執(zhí)行程序；如果當前刀位號碼與換刀指令給出的刀位號不 相同 , 則8255的 PA6腳輸出高電平控制刀架電機正轉 , 并不斷檢測刀位到位信號 , 當檢測到刀位到位信號后， 8255的PA6腳輸出低電平 , 停止刀架運轉 , 同時在 PA7 腳輸出高電平 , 電機反轉 , 同時啟動定時器 ( 電機反轉的時間必須嚴格控制 , 時間過短