工位刀架設(shè)計(jì)

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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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .......................................................................................................

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(jī)的選擇及傳動(dòng)蝸桿副的設(shè)計(jì) ..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(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 .........................................

4、.......................................................... 14 5 電氣控制部分設(shè)計(jì) .............................................................................................................. 16 5.1 . ..16 5.2 . ..17 5.3 . ..19 結(jié)論 22 參考文獻(xiàn) 23 致謝 24 攀枝花學(xué)院機(jī)電一體

5、化課程設(shè)計(jì) 摘要 摘 要 數(shù)控車床的刀架是機(jī)床的重要組成部分，刀架用于夾持切削用的刀具，其結(jié) 構(gòu)直接影響機(jī)床的切削性能和切削效率。 因此數(shù)控車床的刀架設(shè)計(jì)的好與壞、 效 率高與低將直接影響到產(chǎn)品的加工時(shí)間和質(zhì)量，進(jìn)而影響到制造業(yè)的飛速發(fā)展。 本設(shè)計(jì)主要對(duì)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)和電氣控制部分設(shè)計(jì)計(jì)算。 包括減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、 上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè) 計(jì)，蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算，以及硬件電路及控制軟件的設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)的自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架控制系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，可靠性高，有

6、效地解決了傳統(tǒng)機(jī) 床換刀主要依靠手工換刀，輔助時(shí)間長(zhǎng)，精度不高，累積誤差大，加工出的產(chǎn)品 既費(fèi)時(shí)且質(zhì)量不如數(shù)控加工的問題， 也為車床數(shù)控改造中的自動(dòng)換刀問題提供一 種有效的解決途徑。 關(guān)鍵詞： 數(shù)控機(jī)床；系統(tǒng)控制；自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 I 攀枝花學(xué)院機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 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(xué)院機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 1 緒論 1 緒論 1.1 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生的背景及現(xiàn)實(shí)意義 數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床（ Computer numerical control ）的簡(jiǎn)稱，是一種裝有程序控制

12、系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)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(hào)指令規(guī)定的程序， 并將其譯碼，從而使機(jī)床動(dòng)作并加工零件。 自從 1952 年美國(guó)麻省理工學(xué)院研制出世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床以來， 數(shù)控機(jī)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(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用， 數(shù)控技術(shù)無論在硬件和軟件方面，都有飛速發(fā)展。數(shù)控機(jī)床加工的特點(diǎn)有： (1) 自動(dòng)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(jī)床自動(dòng)完成。 若配合自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度， 改善了勞動(dòng)條件； 省去了劃線、多次裝夾定位、檢測(cè)等工序及其輔

13、助操作，有效地提高了生產(chǎn)效率。 (2) 對(duì)加工對(duì)象的適應(yīng)性強(qiáng)。改變加工對(duì)象時(shí)，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(fù)雜的調(diào)整， 從而縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。 (3) 加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定。加工尺寸精度一般在 0.005 ～0.01mm 之間，不受零件復(fù)雜程度的影響。 由于大部分操作都由機(jī)器自動(dòng)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(shí)精密控制的機(jī)床上還采用了位置檢測(cè)裝置，更加提高了數(shù)控加工的精度。 (4) 易于建立與計(jì)算機(jī)間的通信聯(lián)絡(luò)，容易實(shí)現(xiàn)群控。由于機(jī)床采用數(shù)字信息控制，易于與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)連接，形成 CAD/

14、CAM一體化系統(tǒng)，并且可以建立各機(jī)床間的聯(lián)系，容易實(shí)現(xiàn)群控。 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)是關(guān)系到國(guó)家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國(guó)家綜合國(guó)力的重要基礎(chǔ)性產(chǎn) 業(yè)其制造水平高低和擁有數(shù)量是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志， 在國(guó)防建設(shè)上更是具有戰(zhàn)略意義的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。 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，用它來改造車床，投資少、見效快，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，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

15、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 1 攀枝花學(xué)院機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 1 緒論 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)一步改造的問題， 通過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。 1.2 國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀 自 1952 年在美國(guó)出現(xiàn)第一臺(tái)數(shù)控機(jī)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(jì)算機(jī)技的進(jìn)步，發(fā)展更為迅速。例如日本，1957 年才研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床， 1965 年年產(chǎn) 39 臺(tái)，可到 1970 年便增加到 1451 臺(tái)， 1980 年增加到 22052 臺(tái)， 1989 年則達(dá)到 59705 臺(tái)，即占到其機(jī)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(jī)床 ( 不含鍛壓機(jī)械 )6.6 萬臺(tái) , 其全部金切機(jī)床擁有量的 11%。其它一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展也艱迅速，如西德，1985 年年產(chǎn)數(shù)控機(jī)床約 3 萬臺(tái)，占機(jī)床年總產(chǎn)值的 54.2%，擁有量 7 萬臺(tái)，占總擁有量的 5.7 ％。1989

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

18、7 年年產(chǎn)量 2259 臺(tái)，占總產(chǎn)量的 8.28% ，占總產(chǎn)值的 70.9% ，擁有量 81000 臺(tái)，占總擁有量的 5%。 隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)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(gè)階段。 因前三代是以專用電路和硬接線插補(bǔ)， 紙帶格式識(shí)別， 絕對(duì)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(jī)組成。該數(shù)控 系統(tǒng)有很強(qiáng)的程序存儲(chǔ)能力， 一系列的功能都可以由不同的軟件程序來實(shí)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(guó)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 硬件的集成度得到提高和軟件日益豐富，國(guó)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(jìn)入了成熟應(yīng)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(jī)床生產(chǎn)廠在內(nèi)， 有名望的有日本的法蘭克 (FANUC)、三棱電機(jī)、安川電機(jī)、大隈等， ERAL（ ELECTRI）公司、 AB(ALLEN BREDLEY)公司、德國(guó)的西門子（ SIEMENS)、特勞布 (TRAUB)，黑 2 攀枝花學(xué)

20、院機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 1 緒論 特勒科赫約有數(shù)十家，但是較美國(guó)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(zhì)量、技術(shù)水平和市場(chǎng)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(guó)的西門子、海登海和美國(guó)的 AB 公司。 我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代， 通過 " 六五 " 期間引進(jìn)數(shù)控技 術(shù)，" 七五 " 期間組織消化吸收 "

21、科技攻關(guān) " ，我國(guó)數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng) 大的成績(jī)。特別是最近幾年，我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速， 1998～ 2004 年國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量和消費(fèi)量的年平均增長(zhǎng)率分別為 39.3% 、34.9%。盡管如此，進(jìn)口機(jī)床 的發(fā)展勢(shì)頭依然強(qiáng)勁，從 2002 年開始，中國(guó)連續(xù)三年成為世界機(jī)床消費(fèi)第一大國(guó)、機(jī)床進(jìn)口第一大國(guó)， 2004 年中國(guó)機(jī)床主機(jī)消費(fèi)高達(dá) 94.6 億美元，但進(jìn)出口逆差嚴(yán)重，國(guó)產(chǎn)機(jī)床市場(chǎng)占有率連年下降， 1999 年是 33.6% ， 2003 年僅占27.7%。1999 年機(jī)床進(jìn)口額為 8.78 億美元（ 7624 臺(tái)）， 2003 年達(dá) 27.1 億美元（ 23320

22、臺(tái)），相當(dāng)于同年國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)值的 2.7 倍。國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床制造 企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)方面與國(guó)外的差距更加明顯， 70%以上 的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進(jìn)口。 由此可以看出國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床特別是中高檔數(shù)控機(jī)床仍然缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力， 究其原因主要在于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)深度不夠、 制造水平依然落后、 服務(wù)意識(shí)與能力欠缺、 數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。 1.3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢(shì)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(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。 目前國(guó)內(nèi)數(shù)控刀架以電動(dòng)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(jiǎn)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(zhuǎn)， 就近選刀，用于全功能數(shù)控車床。 另外臥式刀架還有液動(dòng)刀架和伺服驅(qū)動(dòng)刀架。 電動(dòng)刀架是數(shù)控車床重要的傳統(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)控車床需配備易于控制的自動(dòng)回轉(zhuǎn)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(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， 3 攀枝花學(xué)院機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 1 緒論 近年來需要量可達(dá) 1000 ～1500 臺(tái)。 國(guó)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(shí)現(xiàn)上述目的 之手段是實(shí)現(xiàn)機(jī)床多功能化和工序工種集成，開發(fā)多種多樣復(fù)合化加工的機(jī)種， 如增添銑削功能的復(fù)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(qū)動(dòng)， 雙刀塔同

25、時(shí)進(jìn)行加工車削中心、 五軸聯(lián)動(dòng)車銑復(fù) 合中心、車磨復(fù)合加工機(jī)床、具有車、銑、鏜、磨和激光熱處理多種功能的高度 復(fù)合化的復(fù)合加工中心等等。 我國(guó)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(zhuǎn)刀架的收信與發(fā)信控制體， 控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)蝸桿傳動(dòng)， 上下齒盤嚙 合，螺桿的發(fā)展， 與國(guó)際先進(jìn)水平的差距在逐年縮小。 對(duì)于某些依賴于進(jìn)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?cái)?shù)控車床和車削中心等等要加強(qiáng)產(chǎn)品開 發(fā)研究攻關(guān)，突破其核心技術(shù)。 數(shù)控刀架的高、中、低檔產(chǎn)

26、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)的刀架具有具有轉(zhuǎn)位快， 定位精度高， 切向扭矩大的特點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)以 8752 單片機(jī)為控制系統(tǒng)的 CPU，擴(kuò)展 8255 芯片作為回轉(zhuǎn)刀架的收信與發(fā)信控制體， 控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)蝸桿傳動(dòng)， 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(xué)院機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 2 系統(tǒng)與總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 系統(tǒng)與總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單 程序 片 刀架 電動(dòng)機(jī) 機(jī) 霍 爾 元 素 圖 2-1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)框圖 圖 2-1 所示為數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)，其中包括控制元件、動(dòng)力源、傳動(dòng)裝置、刀架體與檢測(cè)裝置。單片機(jī)作為控制裝置，通過程序控制電機(jī)的 起停與正反轉(zhuǎn)，電機(jī)作為動(dòng)力源， 通過傳動(dòng)裝置控制上刀體的抬起、 下降與轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾元件作為檢測(cè)元件， 檢測(cè)上刀體

28、是否到位， 到位信號(hào)反饋給單片機(jī)， 共同控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。 2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 自動(dòng)刀架的分類 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架按其工作原理可分為： （ 1） 螺旋轉(zhuǎn)位刀架 如固 2-2 所示，電機(jī)經(jīng)彈簧安全離合器至蝸輪副帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，螺母舉起 刀架使端齒盤的上盤與下盤分離， 隨即帶動(dòng)刀架旋轉(zhuǎn)到位， 然后發(fā)信號(hào)使電機(jī)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 2-2 螺旋轉(zhuǎn)位刀架 圖 2-3 十

29、字槽輪轉(zhuǎn)位 1-內(nèi) 裝信號(hào)盤 2- 刀架 3-端齒盤 4- 電機(jī) 5- 安全離合器 A- 銷釘 B-十字 5 攀枝花學(xué)院機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 2 系統(tǒng)與總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 2）十字槽輪轉(zhuǎn)位刀架如圖 2-3 所示，是利用槽輪原理轉(zhuǎn)位及鎖緊 (還要加定位銷 )。銷釘 A 每轉(zhuǎn) — 周，刀架轉(zhuǎn) 60°。十字槽輪式體積大，零件多，目前使用較少。 （ 3）凸臺(tái)棘爪式轉(zhuǎn)位刀架蝸輪帶動(dòng)凸臺(tái)相對(duì)于凸臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)使其上下端齒盤分離，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，則棘輪機(jī)構(gòu)推動(dòng)刀架轉(zhuǎn) 60°，然后利用接觸開關(guān)或霍爾元件發(fā)出信號(hào)，使電機(jī)反轉(zhuǎn)，重新鎖緊刀架。凸臺(tái)棘爪式重復(fù)定位精度相對(duì)較低。

30、 （ 4）液壓式轉(zhuǎn)位刀架液壓擺動(dòng)油缸控制轉(zhuǎn)位的刀架， 由擺動(dòng)閥芯， 可帶動(dòng)刀架轉(zhuǎn)位的撥爪， 還有一個(gè)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(zhuǎn)位刀架的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)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(dòng)回轉(zhuǎn)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(fù)力來完成刀架的抬起，如圖 2-4a 所示。在發(fā)出這 一動(dòng)作前，彈簧一直被壓縮著，直到發(fā)出信號(hào)時(shí)，使彈簧回彈，這可由某一滑動(dòng) 機(jī)構(gòu)的斜面轉(zhuǎn)動(dòng)來完成。 同樣，壓縮彈簧還是利用這一斜面， 但其轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反 ，如圖 2-4b 所示。為了使抬起

31、可靠，彈簧的最小預(yù)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(diǎn)是刀架在轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)， 將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成軸向直線運(yùn)動(dòng)， 從而達(dá)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(diǎn)。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(xué)院機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 2 系統(tǒng)與總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 都要防止刀架轉(zhuǎn)動(dòng)。 這可通過設(shè)計(jì)一個(gè)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(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩。 刀架的回轉(zhuǎn)和選位 刀架由一個(gè)微電機(jī)通過傳動(dòng)系統(tǒng)來帶動(dòng)。 刀架的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線是豎直的， 而轉(zhuǎn)速比微電機(jī)來要慢得多。 由于電機(jī)空間條件所限必須臥式安裝， 因此兩者的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線互相垂直或異面垂直， 蝸輪蝸桿傳動(dòng)比較適合于這種場(chǎng)合。 刀架從抬起變成轉(zhuǎn)動(dòng)的功作原理是： 當(dāng)?shù)都芴鸬教囟ǜ叨葧r(shí)， 由一

33、個(gè)正在旋轉(zhuǎn)的撥塊帶動(dòng)刀架轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，刀架的抬起運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)均由同一傳動(dòng)系統(tǒng)來先后完成。 刀把轉(zhuǎn)過一定角度后要選位， 即看一看轉(zhuǎn)到這個(gè)位置的刀具是否符合加工要求，這一功能是由微機(jī)程序來實(shí)觀。具體的說，當(dāng)?shù)都苻D(zhuǎn)到此位置時(shí)，程序自動(dòng) 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(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)上述過程。 刀架每次轉(zhuǎn)過的角度大小， 主要是由刀架的面體數(shù)量來確定。對(duì)于六方刀架，每次轉(zhuǎn) 360°/6=60 °。刀架編碼由三位二進(jìn)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(hào)的發(fā)出，是由裝在隨刀架一起轉(zhuǎn)動(dòng)的微功電源開關(guān)來實(shí)

34、現(xiàn)的。 微動(dòng)開關(guān)的觸頭朝外， 它的開關(guān)狀態(tài)由一個(gè)內(nèi)表面凸輪來控制。 凸輪實(shí)際上是只有一定半徑差的兩個(gè)內(nèi)圓弧表面。 被動(dòng)開關(guān)觸頭與小半徑內(nèi)圓弧表面接觸，開關(guān)便接通；與大半徑內(nèi)圓弧表面接觸， 開關(guān)便中斷。與此對(duì)應(yīng)的信號(hào)分別是 l 和 0。所需要的微動(dòng)開關(guān)數(shù)目，等于編碼的位數(shù)。即六方刀架備有三個(gè)微動(dòng)開關(guān)。 另外，刀位編碼信號(hào)并非轉(zhuǎn)到此位置時(shí)才發(fā)出，而是提前發(fā)出的。 刀具的選位位置是由一個(gè)粗定位開關(guān)來控制的。 當(dāng)?shù)都苻D(zhuǎn)到某個(gè)刀位時(shí)，粗定位開關(guān)發(fā)信號(hào)，停轉(zhuǎn)，微機(jī)進(jìn)行編碼比較，根據(jù)比較 結(jié)果，或刀架選定此位， 或繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。 粗定位開關(guān)的通斷控制也是由一個(gè)類似于內(nèi)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(jī)控制使微電機(jī)反轉(zhuǎn)。由于斜面銷的棘輪作用，刀架不跟隨轉(zhuǎn)，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(gè)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(gè)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(diǎn)較為明顯。 齒盤齒廓部分的形位精度可以從工藝上嚴(yán)加控制， 再經(jīng)反復(fù)對(duì)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(zhǎng)等特點(diǎn)。 此外，這

36、種元件允許刀架下降時(shí)有一定角度誤差。因此轉(zhuǎn)位刀架的精確定位最常用的是端齒盤結(jié)構(gòu)式。 7 攀枝花學(xué)院機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 2 系統(tǒng)與總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的。 壓緊力的大小應(yīng)是切削力大小的兩倍以上， 而且應(yīng)該能調(diào)整。當(dāng)壓緊力達(dá)到調(diào)整數(shù)值時(shí)， 使微電機(jī)停轉(zhuǎn)， 且始終保持這一壓力直到下一動(dòng)作循環(huán)的開始。 減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)采用異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源， 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)過適當(dāng)?shù)臏p速才行。 常用的減速機(jī)構(gòu)有： 齒

37、輪減速和蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)。 齒輪減速機(jī)構(gòu)一般為漸開線齒輪行星傳動(dòng)， 是一種具有動(dòng)軸線的齒輪系傳動(dòng)，亦稱周轉(zhuǎn)輪系傳動(dòng)，可用于減速、增速和差速裝置。其優(yōu) 點(diǎn)是體積小，重量輕，效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，可得到很大的傳動(dòng)比，便于串聯(lián) 成多級(jí)傳動(dòng)。 蝸輪蝸桿減速機(jī)是一種具有結(jié)構(gòu)緊湊， 傳動(dòng)比大， 以及在一定條件下具有自鎖功能的傳動(dòng)機(jī)械， 是最常用的減速機(jī)之一， 其中，中空軸式蝸齒減速機(jī)不僅具有以上的特點(diǎn)，而且安裝方便，結(jié)構(gòu)合理，越來越得到廣泛應(yīng)用。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

38、以實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的小型化。圖 2-5 為自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖： 圖 2-5 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)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(dòng)機(jī) 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(xué)院機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 3 蝸桿副的設(shè)計(jì)

39、 3 蝸桿副的設(shè)計(jì) 3.1電動(dòng)機(jī)的選擇 系統(tǒng)要求電機(jī)參數(shù)為：功率 P=40W；轉(zhuǎn)速 n=1380r/min。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第 四版第 5卷表 22-1-108僅 YS-50-2-4型電動(dòng)機(jī)符合要求。 YS-50-2-4型電機(jī)的參數(shù)為：功率 P=40W；轉(zhuǎn)速 n=1400r/min；電流 I=0.22A 。 所以動(dòng)力部分選擇 YS-50-2-4型三相異步電機(jī)。 3.2 蝸桿副的選用 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的動(dòng)力源是三相異步電動(dòng)機(jī)， 其中其中蝸桿與電動(dòng)機(jī)相連， 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 P=40w

40、，額 定轉(zhuǎn) 速 n1 =1380r/min,上刀體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速 n2 =26r/min ， 則蝸桿的傳動(dòng)比為 i= n1 / n2 =1380/26=53 。 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(dòng)、 環(huán)面蝸桿傳動(dòng)和錐蝸桿傳動(dòng)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(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)的工況，離心鑄造的可得到致密的細(xì)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(yīng)不低 于 45HRC。 3）鑄鋁黃銅 點(diǎn)蝕強(qiáng)度高，但磨損性能差，宜用于低滑動(dòng)速度場(chǎng)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(duì)能用于重載場(chǎng)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(shí)，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(diào)質(zhì)蝸桿。 首先應(yīng)考慮選用 硬面蝸桿，在要求持久性較高的動(dòng)力傳動(dòng)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(shí)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(shè)備時(shí)才選用調(diào)質(zhì)蝸桿。 受短時(shí)沖 9 攀枝花學(xué)院機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 3 蝸桿副的設(shè)計(jì) 擊載荷的蝸桿， 不宜采用滲碳鋼淬火， 最好用調(diào)質(zhì)鋼。 鑄鐵蝸桿與鍍鉻蝸桿配對(duì)時(shí)，有利于提高傳動(dòng)的承載能力和滑動(dòng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計(jì) 刀架中的蝸桿副多采用閉式傳動(dòng)， 經(jīng)常因齒面膠合或點(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。 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 蝸輪的接觸疲勞強(qiáng)度條件為： 2 a ZEZ 3 KT2 [ H ]

44、 a—— 蝸桿副的傳動(dòng)中心距，單位為 mm ； KA—— 使用系數(shù)； T2—— 作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)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(yīng)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(dòng)比 i=53.07，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 T2 2） 設(shè)蝸桿頭數(shù) Z =1, 蝸桿副的傳動(dòng)效率取 = 0.8 ，由電動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)速 n2 =26r/min 求得作用在蝸桿上的轉(zhuǎn)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(dòng)載系數(shù)，查表得 K V =1.05。則 K= K AK KV =1.39 10 攀枝花學(xué)院機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 3 蝸桿副的設(shè)計(jì) 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(shí)，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(dòng)中心距 a比d1/a=0.35 由查表得 Zp 2.9 5） 確定許用接觸應(yīng)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(yīng)力為 [ H 1] MPa ，因?yàn)槭菃晤^蝸桿， 268 則 j=1,應(yīng)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(yīng)力 δH = KHN [ H 1] =260Mpa 6）計(jì)算中心距 將各數(shù)值帶上中心距計(jì)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(shè)模數(shù)位 1.25，得蝸桿分 度圓直徑 d1 =20。這時(shí) d1 /a=0.5 由表得 ZP' =2.5。因?yàn)?ZP' < ZP ,所以上式計(jì)算結(jié)果可

48、 用。 則渦桿的基本尺寸計(jì)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(jì)算： 取 渦 輪 的 齒 數(shù) 為 Z2 =46 ， 則 i= Z2 / Z1 =46 ， 這 時(shí) 傳 動(dòng) 比 誤 差 為 46 43.75 =5.1%，由于該裝置對(duì)傳動(dòng)比要求不高，則該傳動(dòng)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(xué)院機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 3 蝸桿副的設(shè)計(jì) 3.3. 2 校核渦輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 F 1.53KT 2 YFa2Y [ F ] d1d2m 式中 F ——渦輪齒根彎曲應(yīng)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(dāng)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(yīng)力： [ F ] [ ' F ]K FN =40.33 MPa 將以下參數(shù)代入彎曲疲勞強(qiáng)度的計(jì)算式中得 F =40.17< [ F ] ，則設(shè)計(jì)滿足要求。

51、 3.3. 3 蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1） 螺距的確定 刀架轉(zhuǎn)位時(shí)，要求螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)候， 要求上下端面齒的嚙合深度達(dá) 2mm。因此，螺桿的螺距 P 應(yīng)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(zhǎng)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(dāng)量摩擦角： 12 攀枝花學(xué)院機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 3 蝸桿副的設(shè)計(jì) 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(dòng)的潤(rùn)滑 （ 1）潤(rùn)滑油粘度和潤(rùn)

53、滑方法 為提高蝸桿傳動(dòng)的抗膠合性能， 宜選用粘度較高的潤(rùn)滑油。 在礦物油中適當(dāng)?shù)募有┯托蕴砑觿ㄈ缂尤?5%的動(dòng)物脂肪），有利于提高油膜厚度，減輕膠合危險(xiǎn)。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(shí)，摩擦系數(shù)較小，有利于提高傳動(dòng)效率，承受較高的工作溫度，減少磨損。 （ 2）蝸桿布置與潤(rùn)滑方式 采用油池潤(rùn)滑時(shí)，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(yīng)超過滾動(dòng)軸承最低滾動(dòng)體的中心。油池容量宜適當(dāng)大些， 以免蝸桿工作時(shí)泛起箱內(nèi)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(shí)，浸入油池的蝸輪深度允許達(dá)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(rùn)滑，由噴油嘴向傳動(dòng)的嚙合區(qū)供油。為增強(qiáng)冷卻效果，噴油嘴宜放在嚙出側(cè)，雙向轉(zhuǎn)動(dòng)的應(yīng)布置在雙側(cè)。 13 攀枝花學(xué)院機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 4 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 4 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程如圖 4-1 所示

55、。 圖4-1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程 圖 4-2 表示自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在換刀過程中有關(guān)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(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)， 兩銷的情況如圖 a 所示，此時(shí)反靠銷 6 落在反靠 圓盤 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)， 通過蝸桿副帶動(dòng)螺桿正向轉(zhuǎn)

56、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；于此同時(shí)，上蓋圓盤 1 也隨著螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng) (上蓋圓 盤 1 通過圓柱銷與螺桿連接 )當(dāng)轉(zhuǎn)過約 170°時(shí)，上蓋圓盤 1 直槽的另一端轉(zhuǎn)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(nèi)，于是上蓋圓盤 1 就通過圓柱銷 2 使得上刀體 4 轉(zhuǎn)動(dòng)起來（此時(shí)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(zhuǎn)的過程中，反靠銷 6 能夠從反靠圓盤 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

57、體 4 帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時(shí)，發(fā)信盤上對(duì)應(yīng)的霍爾元件輸出低電 14 攀枝花學(xué)院機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 4 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 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 1 通過圓柱銷 2 帶動(dòng)上上刀體 4 開始反轉(zhuǎn)，反靠銷 6馬上就會(huì)落入反靠圓盤 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 6 從反靠圓盤 7的十字槽內(nèi)爬不上來，于是上刀體 4 停止轉(zhuǎn)動(dòng)，開始下降，而上蓋圓盤 1 繼續(xù)反轉(zhuǎn)，其直槽的左側(cè)斜坡將圓柱銷 2 的頭部壓入上刀體 4 的銷孔內(nèi)，之后，上蓋圓盤 1 的下表面開始與圓柱銷 2 的頭部滑動(dòng)。

58、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)換刀過程結(jié)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(guān)銷的位置 15 機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 5 電氣控

59、制部分設(shè)計(jì) 5 電氣控制部分設(shè)計(jì) 5.1 機(jī)電系統(tǒng)的分類及組成 數(shù)控機(jī)床機(jī)電系統(tǒng)有兩種基本形式， 即經(jīng)濟(jì)型和全功能型。 所謂經(jīng)濟(jì)型系統(tǒng) 是用一個(gè)微機(jī)芯片作主控單元， 伺服系統(tǒng)大都為功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)， 采用開環(huán)控制 系統(tǒng)，步進(jìn)當(dāng)量為 0.01 ～ 0.005mm/脈沖，機(jī)床快速移動(dòng)速度為 5 ～8m/min，傳動(dòng) 精度較低，功能也較簡(jiǎn)單。全功能型的系統(tǒng)用 2 ～4 個(gè)微機(jī)芯片進(jìn)行控制， 各 CPU 之間采用標(biāo)準(zhǔn)總線接口， 或者采用中斷方式通訊。 在主控微機(jī)的管理下， 各微機(jī) 分別進(jìn)行指令識(shí)別、插補(bǔ)運(yùn)算、文本及圖形顯

60、示、控制信號(hào)的輸入輸出等。伺服 系統(tǒng)一般采用交流或直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)或半閉環(huán)控制， 這種形式可方便地 控制進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速。機(jī)床最快移動(dòng)速度為 8 ～ 24m/min，步進(jìn)當(dāng)量為 0.01 ～0.00lmm/ 脈沖，控制的軸數(shù)多達(dá) 20 ～ 24 個(gè)。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(fù)雜的場(chǎng)合。 下面以 MCS-51 單片機(jī)系統(tǒng)為例說明機(jī)電系統(tǒng)的組成： 早期的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系 統(tǒng)多采用功能簡(jiǎn)單的 Z80 單板機(jī)控制。近年來采用單片機(jī)為核心，做成專用的 數(shù)控系統(tǒng)，下圖所示為一種經(jīng)濟(jì)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(duì)加工程序進(jìn)行指令識(shí)別和運(yùn)算處理后， 向鎖存器 Y2 、Y3 輸出進(jìn)給脈沖，經(jīng) X 、Y 驅(qū)動(dòng)模塊伺服放大后，驅(qū)動(dòng) X 軸、 Z 軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，產(chǎn) 生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)； 8255 的 PB 口輸出強(qiáng)電控制信號(hào) M . S . T ，其中 M 為輔助功 能，主要是主電動(dòng)機(jī)、冷卻電動(dòng)機(jī)的啟 / 停信號(hào)； S為主軸調(diào)速信號(hào)； T 為轉(zhuǎn)刀架 的轉(zhuǎn)位換刀信號(hào)。

62、 16 機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 5 電氣控制部分設(shè)計(jì) 圖 5-1經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖 圖 5-2系統(tǒng)的存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路：存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路如上圖所示， EPPROM 用于存儲(chǔ)程序，若單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器容量不夠可外擴(kuò)。 本設(shè)計(jì)采用 Inter 公司生產(chǎn)的 MCS-51 系列 8 位單片機(jī) 8752 作為微機(jī)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(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)需要對(duì)程序存儲(chǔ)器（ EPROM）擴(kuò)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(shè)計(jì) 自動(dòng)回轉(zhuǎn)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(guān)（型號(hào)為 UGN3120U），都有 3 個(gè)引腳，第 1 角接 +12V 電源，第 2 角接地，第 3 角刀位信號(hào)輸出。刀架在正向旋轉(zhuǎn)的過程中不停的對(duì)刀位輸入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)， 每把刀具各有一個(gè)霍爾位置檢測(cè)開關(guān)， 各刀具按順序依次經(jīng)過磁鐵位置產(chǎn)生相應(yīng)的

64、刀位信號(hào)。 當(dāng)磁鐵對(duì)準(zhǔn)某一個(gè)霍爾開關(guān)時(shí)，其輸出端第 3 角刀位信號(hào)輸出為低電平；當(dāng)?shù)毒唠x開時(shí)，第 3 角輸出為高電平。 6 只霍爾開關(guān)輸出的 6 個(gè)刀位信號(hào) T1 ～T6分別送到圖 b 的 6 只光電耦合芯片 TLP621-6 進(jìn)行處理，經(jīng)過光電隔離的信號(hào)再送給 I/O 接口芯片 8255 的 PC0～PC5。 17 機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 5 電氣控制部分設(shè)計(jì) （ 2）收信電路 圖c為固態(tài)繼電器控制刀架電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)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)。 該固態(tài)繼電器采用雙向可控 硅輸出，模

65、塊內(nèi)設(shè)置有硬件互鎖，輸入回路與輸出回路之間光電隔離 , 內(nèi)置阻容 吸收回路和壓敏電阻保護(hù) , 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(hào)輸入，分別連接地線和 8255 的 PA6和PA7腳。當(dāng)在 PA6腳輸出高電平時(shí)， 刀架電機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng)在 PA7腳輸出高電平時(shí)，刀架電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng) PA6和 PA7腳全部輸出低電平時(shí)刀架電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。

66、a） b） c) d） 圖5-3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架電氣原理圖 18 機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 5 電氣控制部分設(shè)計(jì) a) 發(fā)信盤上的霍爾元件 b) 刀位信號(hào)的處理 c) 固態(tài)繼電器控制電機(jī) d) 繼電器內(nèi)部原理圖 5.3 控制軟件的設(shè)計(jì) 電動(dòng)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(hào)存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)的當(dāng)前刀位號(hào)碼 , 并將該存儲(chǔ)單元中的刀位號(hào)與換刀指令給出的刀位號(hào)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(dāng)前刀位號(hào)碼與換刀指令給出的刀位號(hào)不 相同 , 則8255的 PA6腳輸出高電平控制刀架電機(jī)正轉(zhuǎn) , 并不斷檢測(cè)刀位到位信號(hào) , 當(dāng)檢測(cè)到刀位到位信號(hào)后， 8255的PA6腳輸出低電平 , 停止刀架運(yùn)轉(zhuǎn) , 同時(shí)在 PA7 腳輸出高電平 , 電機(jī)反轉(zhuǎn) , 同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器 ( 電機(jī)反轉(zhuǎn)的時(shí)間必須嚴(yán)格控制 , 時(shí)間過短