I摘 要數(shù)控加工的加工精度高，生產率高，能減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產管理的現(xiàn)代化以及經濟效益的提高，它的發(fā)展和運用，影響著制造業(yè)水平高低，實現(xiàn)生產過程的數(shù)控化，已經成為當今制造業(yè)的發(fā)展方向，所以非常值得我們去研究。本設計通過對八工位臥式電動控制刀架的工作原理的分析，確定了多種方案，綜合考慮各種方案的優(yōu)缺點、性價比后，采用電動回轉刀架。其刀架機構的主要部件包括減速傳動機構、刀架的抬起機構、鎖緊與轉位精定位機構等，控制系統(tǒng)軟件包括控制系統(tǒng)的選擇，控制系統(tǒng)軟硬件的設計，收發(fā)信電路的設計等，設計中所采用螺桿抬起機構、端齒盤定位機構和單片機控制系統(tǒng)都計較經濟實用，適合我們我國現(xiàn)階段數(shù)控機床的發(fā)展需要。關鍵詞 八工位，電動刀架，自動化，8051 單片機 IIABSTRACTThe numerical control processing's working accuracy is high, the productivity is high, can reduce the operator labor intensity, the improvement work condition, is advantageous in production management modernization as well as the economic efficiency enhancement, its development and the utilization, are affecting the manufacturing industry horizontal height, realizes the production process numerical control, already became now the manufacturing industry development direction, therefore is worth us studying. this design through to eight location horizontal type electric control tool rest's principle of work's analysis, had determined many kinds of plans, after overall evaluation each kind of plan good and bad points, performance-to-price ratio, uses the electrically operated turret saddle. Its tool rest organization's major component including the reduction gear organization, the tool rest lifts the organization, to lock and to index the fine detent mechanism and so on, the control system software including control system's choice, the control system software and hardware's design, receives transmitting circuit's design and so on, in the design uses the screw rod to lift the organization, the end tooth plate detent mechanism and the monolithic integrated circuit control system haggles over the economy to be practical, suits our our country present stage numerically-controlled machine tool's development need. key word eight locations, electrically operated tool rest, automation, 89C51 monolithic integrated circuit.Keywords eight locations, electrically operated tool rest, automation, 8051 monolithic integrated circuit.目 錄摘要 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????IABSTRACT ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????II1 緒論 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.1 引言 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.2 國內外研究現(xiàn)狀 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.3 存在的問題 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21.4 解決的方法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32 方案設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????42.1 自動刀架的基本要求和類型 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????42.1.1 自動刀架的基本要求 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????42.1.2 自動刀架的類型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????42.2 方案的擬定和確定 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????53 總體結構設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????73.1 減速傳動機構方案設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????73.2 刀架抬起機構設計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????83.3 上刀體鎖緊與精定位機構設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????84 主要部件的設計計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????114.1 減速傳動機構的設計計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????114.1.1 蝸桿的選型 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????114.1.2 蝸桿副的材料選擇 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????114.1.3 按齒面接觸疲勞強度進行設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????114.1.4 蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 ??????????????????????????????????????????????????????????????????144.1.5 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????154.2 螺桿的設計計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????164.2.1 螺距的確定 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????164.2.2 其他參數(shù)的確定 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????164.2.3 自鎖性能校核 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????164.3 端齒盤設計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????174.3.1 端齒盤的特點 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????174.3.2 端齒盤主要參數(shù)的設計計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????185 電氣控制部分設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????215.1 控制系統(tǒng)的選擇 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????215.2 控制方式的選擇 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????225.3 硬件電路設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????225.3.1 收信電路設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????225.3.2 發(fā)信電路設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????235.4 控制軟件設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????25結論 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????30參考文獻 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31致謝 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3211 緒論1.1 引言電動刀架是數(shù)控車床重要的傳統(tǒng)結構，應用了自動控制、微電子、傳感測量等方面的最新成就，是典型的機電一體化產品。合理地選配電動刀架，并正確實施控制，能夠有效地提高勞動生產率，縮短生產準備時間，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)能提供相應的控制算祛對執(zhí)行機構(如步進電機等)發(fā)出相應的控制指令補，很重要的一點是數(shù)控車床需配備易于控制的電動刀架，以便一次裝夾所需各種刀具，靈活、方便地完成各種幾何形狀的加工。因此它的發(fā)展和運用，改變了制造業(yè)的生產方式、產業(yè)結構、管理方式，為普通機床演變?yōu)閿?shù)控機床創(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)控水平的高低已經成為衡量一個國家制造業(yè)水平高低的標志，實現(xiàn)生產過程的數(shù)控化，已經成為當今制造業(yè)的發(fā)展方向。當前，數(shù)控車床的發(fā)展很快，特別是適合中國國情的經濟型簡易數(shù)控車床的迅猛發(fā)展，與之相適應的電動刀架的研究與生產也日趨活躍。1.2 國內外研究現(xiàn)狀數(shù)控機床是先進制造業(yè)的基礎機械，是最典型的多品種、小批量、高技術含量的機電一體化產品。目前世界數(shù)控機床年產量超過 25 萬臺，品種超過1500 種。由于國產數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢。目前我國數(shù)控機床技術發(fā)展的現(xiàn)狀是：①產品成熟度差，可靠性不高②產品品種少，不能滿足市場需求③創(chuàng)新能力低，市場競爭力不強④數(shù)控機床行業(yè)的專業(yè)化零配件及部件的協(xié)作生產配套體系不健全，大多數(shù)企業(yè)都是“大而全、小而全”的結構模式。近期我國在數(shù)控機床的發(fā)展方面，主要采取跟蹤高級型、發(fā)展普及型、擴大經濟型，以普及型為主的策略，重點發(fā)展。目前我國機床主機廠刀架資源有以下五個來源：①主機廠自制；②來自意大利和德國； ③來自煙臺環(huán)球機床附件集團有限公司；④來自江蘇常州地區(qū)若干企業(yè)；2⑤來自臺灣地區(qū)。⑥其中常州地區(qū)的刀架生產企業(yè)占據(jù)經濟性刀架的主流市場。據(jù)專家分析預測：①數(shù)控機床推廣應用逐步由經濟型為主向普及型為主轉變。到 2005 年我國機床的數(shù)控化率為 9.5%-10.36%，到 2010 年將達到 16.5%-19.27%。在 2001-2010 年，經濟型所占比重繼續(xù)減少，普及型所占比重繼續(xù)增長，高級型的需求緩慢增長。②出口前景良好。1998 年及前幾年我國機床工具的出口額徘徊在 5 億美元左右，2000 年上升到 7.85 億美元，隨著東南亞經濟復蘇和我國出口多極化市場的形成和鞏固，以及我國加入 WTO，今后幾年我國機床出口將實現(xiàn)平穩(wěn)、持續(xù)增長。預計到 2010 年出口創(chuàng)匯可達到 13 億美元。本系統(tǒng)利用單片機的特性，在刀架與 CNC（數(shù)控系統(tǒng)）之間架起一座橋梁，以提高刀架的運行性能。而單片機指令豐富,運行速度高,軟件組態(tài)靈活,可以方便地實現(xiàn)多模式控制,為實現(xiàn)高性能系統(tǒng)提供了技術保證。1.3 存在的問題目前數(shù)控刀架控制存在的問題是：①控制粗，自診斷功能弱，故障率高，排除故障時間長。目前刀架的控制都是由 CNC 的內置 PLC 或固化 I/O 控制來完成。這種控制的優(yōu)點是實現(xiàn)方便，但對刀架的控制不夠精確。由于刀架的品種繁多，結構各異，使得機床廠家的技術人員或 CNC 的程序開發(fā)人員對刀架的控制很難把握得非常準確。由于刀架的控制粗陋， CNC 的接口資源的限制，致使刀架的故障率高，故障提示簡單，使技術人員對刀架的故障不能進一步地細分，無形中增加了故障率和故障的排除時間。②無鎖緊狀態(tài)、智能識別功能。目前，市場占有率最高的電動單向轉刀架其鎖緊控制采用延時方式，這種控制的特點是簡單、可靠，但對刀架的使用壽命有害。由于使用統(tǒng)一的延時時間進行刀架的鎖緊控制，這就使得許多刀架鎖不緊或鎖得太緊，進而造成零件加工精度喪失、下次換刀失敗。③控制通用性差。由于刀架的控制時序不同，刀架所安裝的發(fā)訊裝置各異，因此不同的刀架要使用不同的控制程序和控制接口電路，給刀架的使用帶來不便。④影響中高檔刀架的推廣使用。3數(shù)控刀架是數(shù)控車床上的最復雜的機電一體化功能部件之一，其控制程序復雜（尤其對雙向轉刀架） 。數(shù)控機床廠的技術開發(fā)人員，需花費相當多的時間及精力，在有足夠經驗積累的基礎上，才能編制出功能完善的刀架控制程序。這極大地影響了機床廠家的新產品開發(fā)進度。特別對于現(xiàn)在發(fā)展迅猛、數(shù)量眾多的民營、私營機床企業(yè)，其技術力量薄弱，許多企業(yè)不具備刀架控制程序的開發(fā)能力，這就限制了中高檔刀架的推廣和使用。另一方面，目前國內企業(yè)使用最普及的經濟型 CNC 只能控制電動單向轉刀架，這就限制了雙向轉刀架的推廣和使用。1.4 解決的方法 首先按刀架的不同控制方式進行分類，將各種刀架的控制程序都集成在單片機上，通過刀架選擇開關確定對不同刀架的控制。其次根據(jù)刀架發(fā)訊裝置的不同，設計專用的接口電路。經過這樣設計的刀架控制系統(tǒng)可以控制電動單向轉、電動雙向轉、液壓等各類型刀架且可兼容 4 工位、6 工位、8 工位、12 工位等多種規(guī)格刀架。實現(xiàn)刀架控制的通用性。其次獨立的刀架控制系統(tǒng)可與 CNC 連接，一方面可以大大簡化 CNC 側刀架控制程序的編制工作，另一方面可以實現(xiàn)經濟型數(shù)控系統(tǒng)對雙向轉刀架的控制。該刀架控制系統(tǒng)也可以脫離 CNC 單獨使用，其內裝的刀架自檢測程序可控制刀架運行，在刀架發(fā)生故障時用以判斷故障在刀架側或在 CNC 側。根據(jù)各種刀架的控制過程，將刀架運行過程中可能出現(xiàn)的各種故障，制作出自診斷表，分配故障代碼，給出故障報警，方便用戶維修。本設計主要針對中低檔經濟型數(shù)控機床設計的自動回轉刀架，用單片機作為其控制系統(tǒng)的 CPU，具有位處理能力,強調控制和事務處理功能，價格低廉，控制可靠的特點。經過反復的檢查和論證，能夠滿足經濟型數(shù)控機床的要求。42 方案設計在零件的制造過程中，大量的時間用于更換刀具、裝卸零件、測量和搬運零件等非切削時間上，切削加工時間僅占整個工時中較小的比例。為了縮短非切削時間，充分發(fā)揮機床的效率，往往采用“工序集中”的原則。常見的自動回轉刀架就是為了實現(xiàn)上述功能而設計的。2.1 自動刀架的基本要求和類型2.1.1 自動刀架的基本要求①滿足工藝要求 機床依靠刀具和工件間的相對運動形成工作表面，而加工工件的表面形狀和表面位置多種多樣，要求刀架盡可能布置足夠的刀具，換刀時間短，能夠方便而正確地加工各工件表面。②保證足夠高的重復定位精度 在刀架上安裝刀具時應能精確地調整刀具的位置，以保證刀具和工件間準確的相對位置，而且精度保持性要好，以便長期保持刀具的正確位置。③具有足夠的剛度 刀架在粗車時要承受很大的切削力，所以刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度。由于車削加工精度在很大程度上取決于刀尖的位置，對于數(shù)控車床來說，在加工過程中刀具的位置不能進行人工調整，因此必須要有可靠的定位方案和合理的定位結構，才能保證回轉刀架在每次轉位之后，具有盡可能高的重復定位精度。④提高可靠性 由于自動換刀裝置在機床工作過程中，使用頻率很高，所以擁有很高的可靠性非常重要。⑤縮短換刀時間 自動刀架是為了提高機床的自動化而設置的，因而它的換刀時間應盡可能的短，有利于提高生產效率。2.1.2 自動刀架的類型一般自動刀架的結構取決于機床的類型、工藝范圍、使用刀具種類和數(shù)量。目前的數(shù)控車床的自動刀架的類型、結構特點和適用范圍見表 1.1。表 1.1 自動刀架的類型類別形式 特點 適用范圍回轉刀架多為順序換刀，換刀時間短、結構簡單緊湊、容納刀具少各種數(shù)控機床、數(shù)控車削中心轉塔頭順序換刀，換刀時間短刀具主軸都集中在轉塔頭上，結構緊湊,但剛性差數(shù)控鉆、鏜、銑床52.2 方案的擬定和確定從表 1.1 中可以得出由于轉塔頭的主軸部件多，結構復雜，成本高，本設計的自動刀架應選為自動回轉刀架。自動回轉刀架系統(tǒng)的功能分析：①抬起：為了使刀架能夠轉位，回轉刀架必須先抬起。②轉位：為了完成工件若干個工序的加工，在回轉刀架上固定著 8 組刀具，為使各組刀具能依次參加工作，回轉刀架需相應轉位。 ?、鄱ㄎ唬簽楸ＷC加工精度，在加工時回轉刀架應精確定位，而在轉位時應先將定位銷拔出。④鎖緊：刀架在反轉后，必須鎖緊才能正常加工工件。自動刀架的驅動裝置可以是液壓驅動也可以是電動驅動，液壓驅動的刀架即液壓刀架，電動機驅動的刀架即電動刀架。①液壓刀架的初步方案簡圖如下圖 1.1 所示。 拔 爪液 壓 缸擺 動 閥 芯圖 1.1 液壓刀架其工作原理為：它利用擺動液壓缸來控制刀架轉位，圖中有擺動閥芯、撥爪、小液壓缸。撥爪帶動刀架轉位，小液壓缸向下拉緊，從而產生拉緊力。液壓式刀架的特點在于轉位可靠，拉緊力大，但需要額外的一套液壓系統(tǒng)（機床自身有時則不需要） 。 ②電動刀架的初步方案簡圖如下圖 1.2 所示。6離 合 器 電 動 機蝸 輪 副螺 母n下 齒 盤合開上 齒 盤 轉 位 刀 架 端 齒 盤 定 位內 裝 信 號 盤圖 1.2 電動刀架其工作原理為：當數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，電動機正轉，通過離合器帶動蝸桿旋轉，在經過蝸輪帶動軸旋轉，從而使刀架抬起，刀架抬起后，電動機繼續(xù)轉動帶動刀架轉位，完成轉位后，經過延時使電機反轉，壓緊刀架。綜上所述，液壓自動回轉刀架精度高、效率高，但其結構復雜，成本高。而電動自動回轉刀架相對于液壓回轉刀架性能略差，但其結構簡單、維護方便、成本低，所以非常適合經濟型數(shù)控機床，因為本課題中的刀具數(shù)目為八把，數(shù)量較少，應為經濟型數(shù)控車床所設計，所以選擇電動自動回轉刀架。73 總體結構設計根據(jù)已選的電動自動回轉刀架，確定其工作流程，見自動回轉刀架換刀流程如圖 3.1 所示，并對其進行總體性結構設計。包括：減速傳動機構方案設計、刀架抬起機構設計、上刀體鎖緊與精定位機構設計。 刀 架 電 動 機 正 轉 蝸 輪 -蝸 桿 減 速 螺 桿 正 轉 銷 聯(lián) 接螺 桿 -螺 母 上 蓋 圓 盤 旋 轉上 刀 體 抬 起端 面 齒 錯 開圓 柱 銷 落 入 上 蓋 圓 盤上 刀 體 旋 轉到 位 回 答刀 架 電 動 機 反 轉 接 近 開 關 觸 發(fā) 螺 桿 反 轉 反 靠 銷 反 靠 端 面 齒 嚙 合上 刀 體 下 降 ， 粗 定 位精 定 位延 時 鎖 緊 電 動 機 停 轉圖 3.1 自動回轉刀架的換刀流程3.1 減速傳動機構方案設計由于電動機的轉速太快，不能直接驅動刀架進行換刀，必須經過減速機構進行減速，減速機構一般可以設計成齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、帶輪—齒輪傳動、鏈條傳動。齒輪傳動的特點是：傳動比準確，工作平穩(wěn)，傳動效率高，一般可以達到95%以上，精度較高的圓柱齒輪副可以達到 99%；傳動效率高、傳遞功率范圍廣，可以從儀表中齒輪微小功率的傳動到大型動力機械幾萬千瓦功率的傳動；結構緊湊、維護簡便和使用壽命長。但要求較高的制造和安裝精度，成本較高；傳動比小不適宜于遠距離兩軸之間的傳動；低精度齒輪在傳動時會產生噪聲和振動。8蝸輪蝸桿傳動的特點：由于蝸桿上的輪齒是連續(xù)的螺旋齒，同時嚙合齒多，故動載荷小，傳動平穩(wěn)；能以單級傳動獲得較大的傳動比，機構緊湊；嚙合輪齒間有很大的相對滑動速度，在轉遞載荷時，磨損大效率低，發(fā)熱嚴重，需進行熱平衡計算；當蝸桿的導程角小于嚙合輪齒間的當量摩擦角時，具有反行程自鎖性。鏈傳動的特點：能夠保證平均傳動比不變；可用于大中心距的傳動，傳動效率高；其 瞬 時 傳 動 比 是 變 化 的 不 適 用 于 傳 動 比 為 常 數(shù) 的 場 合 ； 工 作 時 有沖 擊 和 噪 聲 ； 制 造 成 本 高 ， 安 裝 要 求 準 確 ， 需 要 有 適 當 的 潤 滑 和 張 緊 措 施 。綜合考慮以上各種類型的傳動特點，結合本設計的實際情況，由于減速比較大，若選用齒輪傳動則必須設計成多級齒輪傳動，其結構復雜、體積較大而且多級齒輪成本高。帶輪—齒輪傳動同樣是結構復雜、成本較高。根據(jù)鏈傳動的特點可知其不適合本設計的傳動要求。而蝸輪蝸桿傳動所得的單級傳動比很大，可以改變運動方向，能夠保證傳遞動的精度和平穩(wěn)性，雖然其效率不高，功耗損失較大，但是由于本機構所需的功率很小，因此選用蝸桿副減速。3.2 刀架抬起機構設計在執(zhí)行換刀動作時，刀架必須先執(zhí)行抬起動作，然后在由蝸輪旋轉進行選刀。刀架抬起機構可以設計成凸臺棘爪機構也可以設計成螺桿-螺母副。凸臺棘爪機構的機構復雜，凸臺和棘爪的加工難度大，成本高。螺桿-螺母副機構簡單，傳動軸向力大，加工容易，成本低，能夠完成刀架的抬起動作。從經濟型方面考慮，應采用經濟的螺桿-螺母副，在上刀體內部加工出內螺紋，當電動機通過蝸桿-蝸輪帶動螺桿繞中心軸轉動時，作為螺母的上刀體要么轉動要么上下移動。到刀架處于鎖緊狀態(tài)時，上刀體與下刀體的端齒面相互嚙合時，因為這時上刀體不能與蝸桿一起轉動，所以螺桿的轉動只能使上刀體向上移動。當端面齒脫離嚙合時，上刀體就與螺桿一同轉動。3.3 上刀體鎖緊與精定位機構設計因為刀具直接安裝在上刀體上，在切削時要承受很大的切削力，其鎖緊與定位的精度將直接影響工件的加工精度。本設計上刀體的鎖緊與定位機構選用端面齒盤，將上刀體和下刀體的配合面加工成梯形端面齒。當?shù)都芴幱诂嵕o狀態(tài)時，上下端面齒相互嚙合，這時上刀體不能繞刀架的中心軸轉動；換刀時電動機正轉，抬起機構使上刀體抬起，等上下端面齒脫開后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉動，完成轉位動作。9圖 3.2 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 6 起著重要作用。上 蓋 圓 盤 轉 動 方 向 上 蓋 圓 盤 轉 動 方 向 上 蓋 圓 盤 轉 動 方 向 上 蓋 圓 盤 轉 動 方 向圖 3.2 刀架轉位過程中銷的位置a) 換刀開始時，圓柱銷 2 與上蓋圓盤 1 可以相對滑動b) 上刀體 4 完全抬起后，圓柱銷 2 落入上蓋圓盤 1 操內，上蓋圓盤 1 將帶動圓柱銷 2 以及上刀體 4 一起轉動c) 上刀體 4 連續(xù)轉動時，反靠銷 6 可從反靠盤 7 的槽左側斜坡滑出d) 找到刀位時，刀架電動機反轉，反靠銷 6 反靠，上刀體停轉，實現(xiàn)粗定位1—上蓋圓盤 2—圓柱銷 3—彈簧 4—上刀體 5—圓柱銷 6—反靠銷 7—反靠圓盤當?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 落在反靠盤 7 的十字槽內，上刀體 4 的端面齒和峽到體的端面齒處于嚙合狀態(tài)（上下端齒在圖 a 中未畫出） 。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動，與螺桿配合的上刀體 4 逐漸抬起，上刀體 4 與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；與此同時，上端圓盤 1 也隨著螺桿正向轉動（上端圓盤 1 通過圓柱銷與螺桿聯(lián)接） ，當轉過約 170 度時，上端圓盤 1 直槽的另一端轉到圓柱 2 的正上方，由于彈簧 3 的作用，圓柱銷 2 落入直槽內，于是上端圓盤 1 就通過圓柱銷 2 使得上刀體 4 轉動起來（此時端齒面齒已完全脫開） 。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。上刀體 4 帶動磁鐵轉到需要的刀位時，發(fā)信盤上對應的元件輸出低電平信號，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，10完成粗定位，如圖 d 所示。此時，反靠銷 6 馬上就會落入反靠圓盤 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。在此期間，上、下刀體的端面齒逐漸嚙合，實現(xiàn)精定位，經過設定的延時時間后，刀架電動機停轉，整個換刀過程結束。由于蝸桿副具有自瑣功能，所以刀架可穩(wěn)定的工作。11124 主要部件的設計計算根據(jù)上述所確定的刀架方案，其結構中的主要部件有減速傳動機構即蝸輪蝸桿機構、刀架的抬起轉位機構螺桿-螺母副和精定位機構端齒盤等。4.1 減速傳動機構的設計計算本設計的減速傳動機構是蝸輪蝸桿副，自動回轉刀架的動力源是三相異步電動機，其中蝸桿與電動機通過聯(lián)軸器相連，刀架轉位時蝸輪與上刀體直聯(lián)。由于刀架轉動所需的功率較小，所以選取額定功率為 =90W，額定轉速1P=1440r/min 的電動機 ,上刀體設計轉速 ，則蝸桿副的傳動比1n min/302r?。刀架從轉位到鎖緊時，需要蝸桿反向，工作載荷不均4830//2??i勻，啟動時沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命 。hhL4.1.1 蝸桿的選型 根據(jù) GB/T10085-1988 的推薦采用漸開線蝸桿（ZI 蝸桿）和錐面包絡蝸桿（ZK 蝸桿） 。本設計采用結構簡單、制造方便的漸開線型圓柱蝸桿(ZI 型)。4.1.2 蝸桿副的材料選擇 刀架中的蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉速較高，因此，蝸桿的材料選用 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，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。4.1.3 按齒面接觸疲勞強度進行設計 刀架中的蝸桿副采用閉式傳動，多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。按蝸輪接觸疲勞強度條件設計計算的公式為：（4.1）??232()EPHZaKT??式中 a--------蝸桿副的傳動中心距，單位為 mm;k--------載荷系數(shù)；-------作用在蝸輪上的轉矩 ，單位為 ；2T2T12MPa-------彈性影響系數(shù)，單位 N.mm;EZ-------接觸系數(shù)；p------許用接觸應力，單位為 MPa??H?從上式算出蝸桿副的中心距 a 之后，根據(jù)傳動比 i=48，從表 4.1 中選擇一13個合適的中心距 a 值，以及相應的蝸桿、蝸輪參數(shù)。表 4.1 普通圓柱蝸桿基本尺寸和參數(shù)選擇及其蝸輪參數(shù)的匹配中心距a/mm模數(shù)m/mm分度直徑/mm21md/ 3蝸桿頭數(shù) 1z直徑系數(shù) q分度圓導程角 ?蝸輪齒數(shù) 2z變位系數(shù) 2x4050 1 18 18 1 18.00 31047??62820040 20 31.25 16.00 549 -0.50050631.2522.4 35117.92 8??6282 +0.040+0.4401 43262 905?50 20 51.2412.50 17?51 -0.50063801.628 71.68 1 17.50 ?6182 +0.1215+0.2501 682 029??4 13440(50)(63)22.4 89.2611.20 ?29(39)(51)-0.100(-0.100)(+0.400)80100235.5 142 1 17.75 8?6282 +0.1251 506?2 17294 34??50(63)(80)28 75611.20 829(39)(53)-0.100(+0.100)(-0.100)1002.545 281.25 1 18.00 05?62 01 1?2 34?4 9263(80)(100)35.5 352.25611.27 805?29(39)(53)-0.1349(+0.100)(-0.3889)1253.1556 555.66 1 17.778 1?62 -0.20631 4?2 364 2805??80(100)(125)40 640610.00 731(41)(51)-0.500(-0.500)()+0.750160471 1136 1 17.75 1?62 +0.125①確定作用在蝸輪上的轉矩 設蝸桿頭數(shù) =1，蝸桿副的傳動效率2TZ。有電動機的額定功率 W,可以算得蝸輪傳遞的功率 ，再0.8??190p?21p???14有蝸輪的轉速 求得作用在蝸輪上的轉矩：230minr?2290.89.5.2.3pTNM????②確定載荷系數(shù) K 載荷系數(shù) 。其中 為使用系數(shù)，由表AVK?A4.2 查得，由于工作載荷不均勻，起動時沖擊較大，因此取 ； 為齒1.5K?向載荷分布系數(shù)，因工作載荷在起動和停止時有變化，故取 ； 為??V動載荷系數(shù)，由于轉速不高、沖擊不大，可取 。則有載荷系數(shù)：1.05V?.39AV????表 4.2 使用系數(shù) A工作類型 I II III載荷性質 均勻、無沖擊 不均勻、小沖擊 不均勻、大沖擊每小時起動次數(shù) 〈25 25-50 〉50起動載荷 小 較大 大AK1 1.15 1.2③確定彈性影響系數(shù) 鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配時，從有關手冊查EZ得彈性影響系數(shù) 。260EaMP?④確定接觸系數(shù) 先假設蝸桿分度圓直徑 和傳動中心距 a 的比值1d，從圖 4.1 中可查得接觸系數(shù) 。10.35da? 2.9pZ?圖 4.1 圓柱蝸桿傳動的接觸系數(shù) PZ⑤確定許用接觸應力 根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅 、金屬??H?10CuSnP模鑄造、蝸桿螺旋齒面硬度大于 45HRC，可從表 4.3 中查得蝸輪的基本許用應力 。由于蝸桿為單頭，蝸輪每轉一轉時每個齒輪嚙合的次數(shù)??268HMPa???j=1；蝸輪轉速 ；蝸桿副的使用壽命 。則應力循環(huán)次30/minr 10HLh?15數(shù)： 72601301.80hNjnL????壽命系數(shù)：781.9HK表 4.3 鑄錫磷青銅蝸輪的基本許用接觸應力 ??H??蝸桿螺旋面的硬度蝸輪材料 鑄造方法45HRC砂模鑄造 150 180鑄錫磷青銅 10ZCuSnP金屬模鑄造 220 268砂模鑄造 113 135鑄錫鋅鉛青銅 5b金屬模鑄造 128 140許用接觸應力: ??0.9268249HNHKMPa?????⑥計算中心距 將以還是各參數(shù)帶入式(6-9),求得中心距: 231.1.()4am?查表 4.1,取中心距 a=50mm,已知蝸桿頭數(shù) ,設模數(shù) m=1.6mm,得蝸桿分度圓1z?直徑 .這時 ,由圖 4.1 系數(shù) 。因為 ,因此以120dm?1/0.4d?.74pZ?pZ??上計算結果可用。4.1.4 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。①蝸桿參數(shù)與尺寸 頭數(shù) ，模數(shù) m=1.6mm，軸向齒距1z?，軸向齒厚 ，分度圓直徑 ，5.027apm??0.52.4asm??120dm?直徑系數(shù) ，分度圓導程角 。1/.5qd?1arctn(/)346q???取齒頂高系數(shù) ，徑向間隙系數(shù) ，則*ah*.齒頂圓直徑： *120.62.aadh????齒根圓直徑：mm??*1()1.(0.)1.6f amc????②蝸輪參數(shù)與尺寸 齒數(shù) ，模數(shù) m=1.6mm,248z分度圓直徑為： 2.67.8dm??16變位系數(shù)： ????212()/50(276.8)/1.xadm???????蝸輪喉圓直徑為： *2276.81.3.2aahxm?蝸輪齒根圓直徑為： ??**22()..(0.)76.1f adc???????蝸輪咽喉母圓半徑：。225083.2.4gard4.1.5 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度檢驗下式是否成立，即可較核蝸輪齒根彎曲疲勞強度。（4.2） ??21.3FFaFKTYdm?????式中 ——蝸輪齒根彎曲應力，單位為 MPa；F?——蝸輪齒形系數(shù)；2aY——螺旋角影響系數(shù)；?——蝸輪的許用彎曲應力，單位為 MPa。??F由蝸桿頭數(shù) =1，傳動比 i=48，可以算出蝸輪齒數(shù) 。1z 2148zi?則蝸輪的當量齒數(shù)： 2348.6cosvz??根據(jù)蝸輪變位系數(shù) 和當量齒數(shù) ，查手冊得齒形系數(shù)：21x2.4vz?1.95FaY螺旋角影響系數(shù)： 0.674?????根據(jù)蝸桿的材料和制造方法，查表 3.4，可得蝸輪基本許用彎曲應力：??5FMPa??蝸輪的壽命系數(shù)： 61090.725.8KfnN???蝸輪的許用彎曲應力： ??56.4.6FFMPa??將以上參數(shù)帶入式（3-2） ，得蝸輪齒根彎曲應力：171.539201.59673.4076.8F MPa?????可見 ，蝸輪齒根的彎曲強度滿足要求。 ??F?表 4.4 蝸輪的基本許用彎曲應力 單位：（MPa）??F?蝸輪材料 鑄造方法 單側工作 0?雙側工作 ??1F???砂模鑄造 40 29鑄錫磷青銅 10ZCuSnP金屬模鑄造 56 40砂模鑄造 26 22鑄錫鋅鉛青銅 5b金屬模鑄造 32 26砂模鑄造 80 57鑄鋁鐵青銅 103uAFe金屬模鑄造 90 64HT150 砂模鑄造 40 28灰鑄鐵HT200 砂模鑄造 48 344.2 螺桿的設計計算4.2.1 螺距的確定 刀架轉位時，要求螺桿在轉動約 的情況下，上刀體的端面齒與下刀體?170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 應滿足 ，即 ，今取螺桿的螺距Pm236/170??mP24.?。m6?4.2.2 其他參數(shù)的確定 采用單頭梯形螺紋，頭數(shù) ,牙側角 ，外螺紋大徑（公稱直徑）?n??15?，牙側間隙 ，基本牙型高度 ，外螺紋高d501ac5.0PH3.0，外螺紋中徑 ，外螺紋小徑 ，螺桿aHhc.33??md472 md4?螺紋部分長度 。m4.2.3 自鎖性能校核 螺桿螺母材料均用 45 鋼，查表 4.5，取二者的摩擦因素 ；再求得1.0f梯形螺旋副的當量摩擦角：???5.6cosartn??fv而螺紋升角：???3.2471.3artart2dp??小于當量摩擦角，因此，所選幾何參數(shù)滿足自鎖條件。18表 4.5 滑動螺旋副材料的許用壓力 及摩擦因素][pf蝸桿-螺母的材料 滑動速度/ 1(.min)?許用壓力/MPa 摩擦因素低速 18～25≤3.0 11～186～12 7～10鋼-青銅＞15 1～20.08～0.10淬火鋼-青銅 6～12 10～13 0.06～0.08<2.4 13～18鋼-鑄鐵6～12 4～7 0.12～0.15鋼-鋼 低速 7.5～13 0.11～0.174.3 端齒盤設計端齒盤又稱多齒盤、細齒盤、鼠牙盤，是具有自動定心功能的精密分度定位元件，廣泛應用于加工中心、柔性單元、數(shù)控機床、組合機床、測量儀器、各種高精度間歇式圓周分度裝置、多工位定位機構以及其它需要精密分度的各種設備上。端齒盤實際上相當于一對齒數(shù)相同的離合器，其嚙合過程與離合器的嚙合類似。端齒盤的齒形有直齒和弧齒兩種，直齒端齒盤加工方便、定位精度及重復定位精度高。4.3.1 端齒盤的特點在分度及定位裝置中，一般用端齒盤作為其精確定位元件。它具有以下優(yōu)點：①分度精度高 最高分度精度可高達 ，實際分度誤差等于所有齒單個0.1?分度誤差的平均值。②分度范圍大 分度大小與齒數(shù)有關。如齒數(shù)為360齒時，最小分度值為，用差動端齒分度裝置，分度范圍更大。1o③精度的重復性和持久性好 重復定位精度可達 。由于工作時相當0.2?于上下齒盤在不斷地對研，因此使用越久，分度精度的重復性和持久性也就越好，而且精度有可能提高。④剛性好 因所有齒面同時參加嚙合，不論承受的是切向力、徑向力還是軸向力，整個分度裝置形成一個良好的剛性整體。⑤結構緊湊，使用方便，這一點比其它高精度的分度裝置更為突出。⑥維護簡便，多次拆裝不影響其原有的精度。19除以上優(yōu)點外，它也有以下缺點：①要設計升降機構，使兩齒盤問脫開一定的距離(應大于嚙合高度)，以實現(xiàn)轉位分度。②必須有鎖緊機構，防止在使用過程中受外力和力矩作用而使上下齒盤脫開或側傾。③要采取防塵防屑措施，齒面的灰塵及切屑等雜物會影響到定位精度及鎖緊程度。④不能進行任意連續(xù)分度，分度時至少要轉過一個齒，所以一般只能將圓周分成有限的等分角。4.3.2 端齒盤主要參數(shù)的設計計算本設計采用齒形為三角形的直齒端齒盤的基本結構，其參數(shù)計算如下。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 來確定：?360oZ?由于本設計的刀架為8刀刀架，每個刀位間相差45度，因此所取的最小分度角應為45度的整數(shù)或分數(shù)倍，所以取最小分度角度 ，則z=120齒，即刀架每轉o?過一個刀位，要轉15個齒。②端齒盤外徑d端齒盤外徑d主要由設計結構所允許的空間范圍來確定。在結構允許的情況下，外徑越大，分度或定位機構的穩(wěn)定性越好。根據(jù)本機構實際出發(fā)，端齒盤外徑設計為d=165mm。③端齒盤齒形角 Da選取時考慮作用在端齒盤上的負荷力矩 及總鎖緊力 的大小，如圖5.1MzN所示。將作用于齒盤上每齒的切向外力 和軸向鎖緊力 ，沿著齒面方向進行Q分解。如圖3.2所示，應滿足以下條件：即 N??4tan2Dzd20圖4.2 端齒盤受力圖 圖4.3 齒面上的切向外力和軸向鎖緊力圖4.4 端齒盤剖視圖從上式可以看出，在外載 不變時，齒形角 越小，所需自鎖力 也越MDazN小，即自鎖性越強，但齒相應變深，齒厚變??；齒形角aD越大，需要的總鎖緊力 也越大，即承受外轉矩的能力下降，但齒高變低，端齒嚙合的高度下降，zN結構緊湊；同時也說明了加大外徑d有利于提高端齒盤的承載能力。圖4.5 單齒俯視示意圖 圖4.6單街周向展開示意圖綜合考慮作用在端齒盤上的負荷(力矩)及鎖緊力的大小，同時受齒形加工刀具的限制，通常取 、 、 。等。本設計采用 的齒形角。40o69o 60Da?④齒根角(嚙合斜角) ?為了保證在齒寬方向上的嚙合質量，加工端齒時必須調整分度盤回轉中心線和工作臺面傾斜角，即齒根角或嚙合斜角 (如圖4.4)，以保證齒盤大端和小端的齒厚與齒槽寬度相等，經變換得21圖4.7 前面嚙合副面不意圖sin1802tacotsintDaz???代入 ，則 ，60Da?380tnsi21.3o⑤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，在沿圓周展開方向上(如圖4.8所示)，根據(jù)圓周計算公式，最大齒距(周節(jié))t和最大齒厚B分別為圖4.8 沿周向展開的齒面三角形 165/204.3tdzm????.B⑥齒頂高h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所示的由齒廓展開圖形成的直角三角形中，tan(a/2)=t/2H，而齒頂高h通常取三角形高度的1/2.5，即H=2.5h，得齒頂高h的計算公式為： 4.321.5065tantaDm???上下端齒的嚙合高度為2h=3.0mm。⑦齒寬(徑向)F22因所有的端齒同時嚙合，故一般不必通過增加齒形的徑向寬度F(如圖3.4)來增加強度，F(xiàn)一般根據(jù)經驗選取，通常取F=2t～3t，由于刀架在工作時要承受較大力矩，取F=15mm。⑧齒底槽寬b和齒頂寬b1為了保證齒盤工作時各個端齒能很好的嚙合，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=0.85mm。0.2/.165/20.8dzm?????235 電氣控制部分設計自動回轉刀架電氣控制部分的功能是要能夠識別當前刀具，檢測輸入刀具，然后發(fā)出控制指令控制電動機轉動，當當前刀具轉到和輸入刀具相同時，控制系統(tǒng)發(fā)出指令使電動機停轉、延時、反轉壓緊來實現(xiàn)換刀。其設計包括控制系統(tǒng)的選擇、控制方式的選擇、硬件電路設計和軟件電路設計，其中硬件電路設計包括收信電路設計和發(fā)信電路設計。5.1 控制系統(tǒng)的選擇根據(jù)刀架轉位動作的需要，控制系統(tǒng)可以選取單片機或著 PLC 作為其控制系統(tǒng)的 CPU。單片機的特點：單片機就是在一塊芯片上集成了 CPU、RAM、ROM(EPROM或 EEPROM)、時鐘、定時/計數(shù)器、多種功能的串行和并行 I/O 口。如 Intel 公司的 8031 系列等。除了以上基本功能外，有的還集成有 A/D、D/A,如 Intel 公司的 8098 系列。概括起來說,單片機具有如下特點: 具有位處理能力,強調控制和事務處理功能，價格低廉，低檔單片機價格只有人民幣幾元錢，開發(fā)環(huán)境完備,開發(fā)工具齊全,應用資料眾多。PLC 器件的特點：PLC