數(shù)控車床自動回轉刀架機電系統(tǒng)設計說明書

1、<p>　　XXX學院本科生課程設計（說明書）</p><p>　　數(shù)控車床自動回轉刀架機電系統(tǒng)設計</p><p>　　院 （系）：XX</p><p>　　專 業(yè)：XXX</p><p>　　學 號：XXX</p><p><b>　　學生姓名：XXX<

2、/b></p><p><b>　　指導教師：XXXX</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　自動換刀裝置是數(shù)控機床上最普遍的一種輔助裝置，它可以使數(shù)控機床在工件一次裝夾中完成多種甚至所有的加工工序，以縮短加工的輔助時間，減少加工過程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機床的

3、加工效率和加工精度。</p><p>　　本論文是關于數(shù)控機床6工位自動回轉刀架系統(tǒng)的設計.完成了機械結構裝配總圖的繪制，完成了整個系統(tǒng)的設計。其中包括自動換刀裝置的總體設計、原理方案的實現(xiàn)、主要部件的分析、傳動零件的設計計算，單片機控制系統(tǒng)硬件電路的實現(xiàn)和軟件程序的編制。采用三相異步電動機提供動力源，蝸輪蝸桿副傳遞動力，螺桿傳遞運動，實現(xiàn)上刀體升降運動，用端齒盤定位，單片機進行系統(tǒng)控制，實現(xiàn)了數(shù)控機床6工位自動

4、換刀裝置的自動換刀和精確定位要求。</p><p>　　關鍵詞: 數(shù)控機床，回轉刀架，控制系統(tǒng)，單片機</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　目錄III</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p>&

5、lt;p>　　1.1課題研究背景及意義1</p><p>　　1.2 國內外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3 存在的問題和發(fā)展趨勢3</p><p>　　第2章 方案設計4</p><p>　　2.1 自動刀架的基本形式和應滿足的要求4</p><p>　　2.1.1自動刀架的形式4</

6、p><p>　　2.1.2 自動刀架的基本要求和功能分析5</p><p>　　2.2 初步確定自動刀架的方案5</p><p>　　第3章 總體結構設計6</p><p>　　3.1 設計任務6</p><p>　　3.2減速傳動機構方案設計6</p><p>　　3.3 上刀體鎖緊與

7、精定位機構設計6</p><p>　　3.4 刀架抬起機構設計6</p><p>　　第4章 自動回轉刀架的工作原理7</p><p>　　4.1 自動回轉刀架的換刀流程7</p><p>　　4.2 自動回轉刀架的換刀過程中有關銷的位置8</p><p>　　第5章 主要傳動部件的設計計算9</

8、p><p>　　5.1 蝸桿副的設計計算9</p><p>　　5.1.1蝸桿的選型9</p><p>　　5.1.2蝸桿副的材料9</p><p>　　5.1.3按齒面接觸疲勞強度進行設計9</p><p>　　5.1.4蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸10</p><p>　　5.1.5

9、校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度11</p><p>　　5.2 螺桿的設計計算11</p><p>　　5.2.1螺距的確定11</p><p>　　5.2.2其他參數(shù)的確定11</p><p>　　5.2.3自鎖性能校核12</p><p>　　第6章鎖緊定位機構的設計13</p><p&g

10、t;　　6.1 端齒盤設計13</p><p>　　6.2 端齒盤的特點13</p><p>　　6.3 端齒盤主要參數(shù)的設計計算13</p><p>　　6.3.1齒數(shù)z的確定13</p><p>　　6.3.2端齒盤外徑d14</p><p>　　6.3.3端齒盤齒形角14</p><

11、;p>　　6.3.4齒根角(嚙合斜角)15</p><p>　　6.3.5最大齒距(周節(jié))t和最大齒厚B16</p><p>　　6.3.6齒頂高h及嚙合高度17</p><p>　　6.3.7齒寬(徑向)F17</p><p>　　6.3.8齒底槽寬b和齒頂寬b117</p><p>　　第7章 電

12、氣控制部分設計18</p><p>　　7.1 單片機選型18</p><p>　　7.2 硬件電路設計18</p><p>　　7.2.1 收信電路19</p><p>　　7.2.2 發(fā)信電路20</p><p>　　7.3 硬件電路主要電子元件的工作原理20</p><p&g

13、t;　　7.3.1霍爾元件的工作原理和特性20</p><p>　　7.3.2 霍爾開關的工作原理20</p><p>　　7.3.3 光電耦合器的工作原理21</p><p>　　7.3.4 8255芯片的工作原理21</p><p>　　7.4 控制軟件設計22</p><p>　　7.4.1 換

14、刀工作原理的程序流程圖22</p><p>　　7.4.2 程序的實現(xiàn)方法23</p><p>　　第8章 結 論24</p><p>　　參 考 文 獻25</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1課題研究背景及意義</p><

15、;p>　　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)控加工的加工

16、柔性好，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。數(shù)控機床是一種典型的機電一體化產品，適用于加工多品種小批量、結構較復雜、精度要求較高、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件。而刀架是數(shù)控機床的主要附件之一，它的性能直接影響著數(shù)控機床的精度和效率，所以隨著數(shù)控機床的發(fā)展必然會提高其對刀架的要求，不言而喻，研究自動刀架系統(tǒng)是非常有意義的。</p><p>　　進入21

17、世紀，我國經濟與國際全面接軌，進入了一個蓬勃發(fā)展的新時期。機床制造業(yè)既面臨著機械制造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機，也遭遇到加入世界貿易組織后激烈的國際市場競爭的壓力，加速推進數(shù)控機床的發(fā)展是解決機床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關鍵。所以應加快自動刀架系統(tǒng)的研究以促進數(shù)控機床的發(fā)展?jié)M足適應生產加工的需要。</p><p>　　1.2 國內外研究現(xiàn)狀</p><p>　　自動刀架系統(tǒng)應用了

18、自動控制、微電子、精密測量等方面的最新成就，是典型的機電一體化產品。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。隨著數(shù)控機床的發(fā)展，以前的刀架，能裝的刀具太少，定位精度不高，效率低，精度差，已不能滿足要求，于是便出現(xiàn)了許多精度更高、刀架更大、自動化程度更高的刀架。 </p>

19、;<p>　　自動換刀裝置是數(shù)控機床上最普遍的一種輔助裝置，它可以使數(shù)控機床在工件一次裝夾中完成多種甚至所有的加工工序，以縮短加工的輔助時間，減少加工過程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機床的加工效率和加工精度。</p><p>　　目前我國的數(shù)控機床和加工中心使用的自動換刀裝置主要有轉塔式自動換刀和刀庫式自動換刀兩種。轉塔式換刀一般為順序換刀，其換刀時間短，結構簡單、緊湊，但剛性較差，能容

20、納刀具較少；刀庫式換刀一般刀庫只有選刀動作而另需機械手進行換刀動作，其刀庫容量大，但其成本高，結構相對復雜。</p><p>　　隨著我國生產力水平的日益提高，國內企業(yè)要發(fā)展就必須更新大量的設備，很多企業(yè)都加大了數(shù)控設備的投入，但由于財力等客觀因素，大多數(shù)企業(yè)生產設備仍以普通機床為主，不少企業(yè)為了提高效率，在普通機床上加裝了數(shù)顯裝置，提高了機床的精度，改善了設備狀況，但制造商們忽略了一個很重要的部件就是刀架，要想

21、真正提高工作效率，刀架是必須要考慮的附件之一。目前國內數(shù)控刀架以電動為主，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

22、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，靈活方便地完成各種幾何形狀的加工。 </p><p>　　國產數(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，近年來需要量可達 1000～1500 臺。 &

23、lt;/p><p>　　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)控車床經過多年的

24、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品開發(fā)研究攻關，突破其核心技術。</p><p>　　1.3 存在的問題和發(fā)展趨勢</p>&

25、lt;p>　　機床工具行業(yè)的發(fā)展，依賴于行業(yè)技術水平和創(chuàng)新能力的提高，依賴于機床的數(shù)控化和產品快速的升級換代，依賴于制造業(yè)從剛性自動化向柔性自動化方向轉變這一社會需求，由于我國機床附件廠資金緊張，造成技術創(chuàng)新和技術改造的力度不大，使附件水平的發(fā)展嚴重滯后，成為制約民族機床工業(yè)發(fā)展的瓶頸。國產配套件在產品質量、性能、結構創(chuàng)新、品牌信譽、外觀造型、精度穩(wěn)定性等方面與發(fā)達國家相比都存在一定的差距。</p><p>

26、;　　當前數(shù)控機床發(fā)展迅猛，向高速、高效、高精、柔性化、環(huán)保方面發(fā)展，與之相應的機床附件也應隨之發(fā)展。數(shù)控刀架將結合微電子技術和計算機技術的發(fā)展，朝著高精度化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化等方向發(fā)展。國產數(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。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。</p>&

27、lt;p><b>　　第2章 方案設計</b></p><p>　　普通的機械零件的加工制造過程中，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，通常采用“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。</p><p>　　2.1 自動刀架的基本

28、形式和應滿足的要求</p><p>　　2.1.1自動刀架的形式</p><p>　　圖2.1a)所示為螺母升降轉位刀架，電動機經聯(lián)軸器、蝸輪副帶動螺母旋轉，螺母舉起刀架使上齒盤與下齒盤分離，隨即帶動刀架旋轉到位，然后給系統(tǒng)發(fā)信號螺母反轉鎖緊。</p><p>　　圖2.1 回轉刀架的形式及其工作原理圖</p><p>　　圖2.1b)所示為

29、利用十字槽輪來轉位及鎖緊刀架（還要加定位銷），銷釘每轉一周，刀架便轉1/4轉（也可設計成六工位等）。</p><p>　　圖2.1c)所示為凸臺棘爪式刀架</p><p>　　圖2.1d)所示為電磁式刀架，</p><p>　　圖2.1e)所示為液壓式刀架</p><p>　　2.1.2 自動刀架的基本要求和功能分析</p>&

30、lt;p><b>　?、倩疽螅?lt;/b></p><p><b>　　滿足工藝要求 </b></p><p>　　保證足夠高的重復定位精度 </p><p><b>　　具有足夠的剛度 </b></p><p><b>　　提高可靠性 </b&g

31、t;</p><p><b>　　縮短換刀時間 </b></p><p><b>　?、诠δ芊治觯?lt;/b></p><p>　　1)抬起：為了使刀架能夠轉位，回轉刀架必須先抬起。</p><p>　　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6組刀具，為使各組刀具能依次參加工作，回

32、轉刀架需相應轉位?！　?lt;/p><p>　　3)定位：為保證加工精度，在加工時回轉刀架應精確定位。</p><p>　　2.2 初步確定自動刀架的方案</p><p>　　初步決定選用2.1a)所示形式的電動刀架。</p><p>　　電動刀架的初步方案簡圖如下圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 電動刀架簡

33、圖</p><p>　　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，通過聯(lián)軸器帶動蝸桿旋轉，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，由微動開關發(fā)出信號使電機反轉，壓緊刀架。</p><p>　　第3章 總體結構設計</p><p><b>　　3.1 設計任務</b></p>

34、;<p>　　設計一臺六工位的立式自動回轉刀架，適用于C616或C6132經濟型數(shù)控車床，推薦刀架所用電機的額定功率為110W，額定轉速為1440r/min，換刀時要求刀架轉動的速度為25r/min。</p><p>　　3.2減速傳動機構方案設計</p><p>　　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，必須經過減速機構進行減速?？紤]到本設計減速比較大，

35、且為立式刀架，需改變傳動運動方向，要求自鎖，因此綜合比較之后選用蝸桿副減速。蝸桿傳動單級傳動能得到很大的傳動比，傳動平穩(wěn)，無噪聲，沖擊載荷小，且能優(yōu)化整體結構，做到外型輪廓小，結構緊湊，固選用蝸桿傳動。</p><p>　　3.3 上刀體鎖緊與精定位機構設計</p><p>　　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

36、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。</p><p>　　3.4 刀架抬起機構設計</p><p>　　要想使上、下刀體的兩個端面齒脫離，就必須設計合適的機構使上刀體抬起。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，當電動機帶動螺桿繞中心軸轉動時，作

37、為螺母的上刀體要么轉動，要么上下移動。當?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上刀體與下刀體的端面齒相互嚙合，因為這時上刀體不能與螺桿一起轉動，所以螺桿的轉動會使上刀體向上移動。當端面齒脫離嚙合時，上刀體就與螺桿一同轉動。</p><p>　　設計螺桿時要求選擇適當?shù)穆菥?，以便當螺桿轉動一定角度時，使得上刀體與下刀體的端面齒能夠完全脫離嚙合狀態(tài)。</p><p>　　第4章 自動回轉刀架的工作原理<

38、/p><p>　　4.1 自動回轉刀架的換刀流程</p><p>　　自動回轉刀架的換刀流程如圖4.1所示。</p><p>　　圖圖4.1 自動回轉刀架的換刀流程</p><p>　　當數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，電動機正轉，通過彈簧安全離合器帶動蝸桿正轉，再經過蝸輪帶動螺桿轉，作為螺母的上刀體要么轉動，要么上下移動，此處設計為電動機正轉時上刀體向

39、上移動，當?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上刀體與下刀體的端面齒相互嚙合，因為這時上刀體不能與螺桿一起轉動，所以螺桿的轉動會使作為螺母的上刀體向上移動，從而使刀架抬起，在螺桿旋轉的同時也帶動上蓋圓盤一起旋轉，當?shù)都芡耆鸷螅嗣纨X脫離嚙合，上刀體上部的圓柱銷落入上蓋圓盤，上蓋圓盤就通過圓柱銷帶動一同轉動，從而實現(xiàn)了上刀體的轉位，再通過霍爾元件觸發(fā)判斷上刀體是否轉到了工作位置。完成轉位后，由微動開關發(fā)出信號使電機反轉，通過彈簧安全離合器帶動蝸桿反轉

40、，再經過蝸輪帶動螺桿旋轉，螺桿旋轉的同時也帶動上蓋圓盤一起旋轉，上蓋圓盤通過上刀體上部的圓柱銷帶動上刀體開始反轉，上刀體下部的反靠銷馬上就會落入反靠圓盤的十字槽內，反靠銷反靠，上刀體停轉，至此，實現(xiàn)粗定位。螺桿的繼續(xù)轉動使上刀體下降，最后至上刀體的端面齒與下刀體的端面齒完全嚙合，實現(xiàn)精定位，電動機停轉，再延時鎖緊，整個換刀過程至此結束。</p><p>　　4.2 自動回轉刀架的換刀過程中有關銷的位置</p

41、><p>　　圖4.2表示自動回轉刀架在換刀過程中有關銷的位置。</p><p>　　圖圖4.2 刀架轉位過程中銷的位置</p><p>　　a) 換刀開始時，圓柱銷2與上蓋圓盤1可以相對滑動</p><p>　　b) 上刀體4完全抬起后，圓柱銷2落入上蓋圓盤1槽內，上蓋圓盤1將帶動圓柱銷2以及上刀體4一起轉動</p><p&

42、gt;　　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</p><p>　　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</p><p>　　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</p><p>　　第5章 主要傳動部件的設計計算</p><

43、p>　　5.1 蝸桿副的設計計算</p><p>　　根據(jù)設計任務書可知，由于刀架轉動所需的功率較小，所以選取額定功率為=110W，額定轉速=1440r/min的電動機 ,上刀體設計轉速，則蝸桿副的傳動比。刀架從轉位到鎖緊時，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，啟動時沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命。</p><p>　　5.1.1蝸桿的選型 </p><p>

44、　　GB/T10085-1988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)。</p><p>　　5.1.2蝸桿副的材料 </p><p>　　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；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。<

45、/p><p>　　5.1.3按齒面接觸疲勞強度進行設計 </p><p>　　刀架中的蝸桿副要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。</p><p>　　按蝸輪接觸疲勞強度條件設計計算的公式為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　從式（5.

46、1）算出蝸桿副的中心距a之后，根據(jù)傳動比i=57.6，經查表選擇一個合適的中心距a值，以及相應的蝸桿、蝸輪參數(shù)。</p><p>　　確定作用在蝸輪上的轉矩</p><p>　　載荷系數(shù)： </p><p><b>　?、鄞_定彈性影響系數(shù)</b></p><p>　　鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配

47、時，從有關手冊查得彈性影響系數(shù)。</p><p><b>　　④確定接觸系數(shù)</b></p><p>　　先假設蝸桿分度圓直徑和傳動中心距a的比值，可查得接觸系數(shù)。</p><p><b>　?、荽_定許用接觸應力</b></p><p>　　根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅、金屬模鑄造、蝸桿螺旋齒面硬度大于

48、45HRC，則應力循環(huán)次數(shù)：</p><p><b>　　壽命系數(shù)：</b></p><p><b>　　許用接觸應力:</b></p><p><b>　　⑥計算中心距</b></p><p>　　將以還是各參數(shù)帶入式(5.1),求得中心距:</p><p

49、>　　經查表,取中心距a=50mm,已知蝸桿頭數(shù),設模數(shù)m=1.6mm,得蝸桿分度圓直徑.這時,由圖5.1得接觸系數(shù)。因為,所以上述結果可用。</p><p>　　5.1.4蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 </p><p>　　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。</p><p><b>　?、?/p>

50、蝸桿參數(shù)與尺寸</b></p><p>　　頭數(shù)，模數(shù)m=1.6mm，軸向齒距，軸向齒厚，分度圓直徑，直徑系數(shù)，分度圓導程角。</p><p>　　齒頂圓直徑 ，</p><p>　　齒根圓直徑 mm。</p><p><b>　?、谖佪唴?shù)與尺寸</b></p><p>

51、;　　齒數(shù)，模數(shù)m=1.6mm,分度圓直徑為,變位系數(shù)，蝸輪喉圓直徑為，蝸輪齒根圓直徑為，蝸輪咽喉母圓 半徑 </p><p>　　5.1.5校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度</p><

52、p>　　檢驗下式是否成立，即可較核蝸輪齒根彎曲疲勞強度。</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　蝸輪齒數(shù)。則蝸輪的當量齒數(shù)：</p><p>　　，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)：，螺旋角影響系數(shù)：，根據(jù)蝸桿的材料和制造方法，經查表，可得蝸輪基本許用彎曲應力：</p><p&

53、gt;<b>　　蝸輪的壽命系數(shù)：</b></p><p>　　蝸輪的許用彎曲應力：</p><p>　　將以上參數(shù)帶入式（5.2），得蝸輪齒根彎曲應力：</p><p>　　可見，蝸輪齒根的彎曲強度滿足要求。 </p><p>　　5.2 螺桿的設計計算</p><

54、p>　　5.2.1螺距的確定 </p><p>　　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。</p><p>　　5.2.2其他參數(shù)的確定 </p><p>　　采用單頭梯形螺紋，頭數(shù) ,牙側角，外螺紋大徑（公稱直徑），牙

55、側間隙，基本牙型高度，外螺紋高，外螺紋中徑，外螺紋小徑，螺桿螺紋部分長度。</p><p>　　5.2.3自鎖性能校核 </p><p>　　螺桿螺母材料均用45鋼，經查表，取二者的摩擦因素；再求得梯形螺旋副的當量摩擦角：</p><p><b>　　而螺紋升角：</b></p><p>　　小于當量摩擦角，因此，所選

56、幾何參數(shù)滿足自鎖條件。</p><p>　　第6章鎖緊定位機構的設計</p><p><b>　　6.1 端齒盤設計</b></p><p>　　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

57、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, 弧齒性能良好，允許一定的角位移，但加工復雜，相對加工成本較高，故選擇直齒。</p><p>　　6.2 端齒盤的特點</p><p>　　在分度及定位裝置中，一般用端齒盤作為其精確定位元件。</p><p>&

58、lt;b>　　它具有以下優(yōu)點：</b></p><p>　?、俜侄染雀?可高達，實際分度誤差等于所有齒單個分度誤差的平均值。</p><p>　?、诜侄确秶?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，例如下盤齒數(shù)為96，上盤齒數(shù)為360時，就可將一個整圓分成1440個等分(最小分度值為)。</p><

59、;p>　?、劬鹊闹貜托院统志眯院?重復定位精度可達。由于工作時相當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。</p><p>　　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。</p><p>　?、萁Y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。</

60、p><p>　?、蘧S護簡便，多次拆裝不影響其原有的精度。</p><p>　　6.3 端齒盤主要參數(shù)的設計計算</p><p>　　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。</p><p>　　6.3.1齒數(shù)z的確定</p><p>　　可根據(jù)分度要求，即需要分度的最小分度值來確定：</p>

61、;<p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　取最小分度角度，則z=120齒。</p><p>　　6.3.2端齒盤外徑d</p><p>　　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。</p

62、><p>　　6.3.3端齒盤齒形角</p><p>　　選取時應考慮作用在端齒盤上的負荷力矩及總鎖緊力的大小，如圖6.1所示。將作用于齒盤上每齒的切向外力和軸向鎖緊力，沿著齒面方向進行分解。如圖6.2所示，應滿足以下條件：</p><p>　　圖6.1 端齒盤受力圖 圖6.2 齒面上的切向外力和軸向鎖緊力</p><p&

63、gt;<b>　　而，則</b></p><p><b>　　不等式變?yōu)?，?lt;/b></p><p><b>　　，最后得到</b></p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　圖6.3 端齒盤剖視圖</p><

64、p>　　從式(6.2)可以說明，在外載不變時，齒形角越小，所需自鎖力也越小，即自鎖性越強，但齒相應變深，齒厚變??；齒形角越大，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，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。</p><p>　　圖6.4 單齒俯視示意圖 圖6.5單街周向展開示意圖</p><p>　　在選取時齒形角

65、時，應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，現(xiàn)已標準化，通常取、、。等。本設計采用的齒形角。</p><p>　　6.3.4齒根角(嚙合斜角)</p><p>　　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6.3)，以保證齒盤大端和小端的齒厚與齒槽寬度相等。</p>&

66、lt;p>　　由式(6.1)得，在圖6的直角三角形中，，則，</p><p>　　在圖7的直角三角形中，，則，在圖6.6的直角三角形中，，將代入此式得</p><p>　　圖6.6 前面嚙合副面不意圖</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　式(6.3)即為齒根角的計算公式</p&

67、gt;<p><b>　　代入，則，</b></p><p>　　6.3.5最大齒距(周節(jié))t和最大齒厚B</p><p>　　齒厚沿著徑向向中心逐漸縮小，在沿圓周展開方向上(如圖6.7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</p><p>　　圖6.7 沿周向展開的齒面三角形</p><

68、;p><b>　　(6.4)</b></p><p><b>　　(6.5)</b></p><p>　　6.3.6齒頂高h及嚙合高度</p><p>　　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

69、.5h，得齒頂高h的計算公式為：</p><p>　　上下端齒的嚙合高度為2h=3.0mm。</p><p>　　6.3.7齒寬(徑向)F</p><p>　　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6.3)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。</p><p&

70、gt;　　6.3.8齒底槽寬b和齒頂寬b1</p><p>　　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</p><p>　　第7章 電氣控制部分設計</p><p>　　數(shù)控機床的自動回轉刀架對柔性化、自動化、定位精度、速度要求相當高，隨著計算機

71、電子技術的發(fā)展,單片機以其高性能價格比的特點適應了現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求，越來越多地被應用于各種生產和控制領域。單片機是典型的嵌入式系統(tǒng)，從體系結構到指令系統(tǒng)都是按照嵌入式應用特點專門設計的，能最好地滿足面對控制對象、應用系統(tǒng)的嵌入、現(xiàn)場的可靠運行以及非凡的控制品質要求。因此，單片機是發(fā)展最快、品種最多、數(shù)量最大的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)與單片機已深入到國民經濟眾多技術領域。</p><p><b>　　7.

72、1 單片機選型</b></p><p>　　隨著集成電路技術的發(fā)展越來越成熟，單片機技術也日趨完善。針對不同的應用領域，世界各大集成電路制造商都推出了品種繁多的各具特色的產品，設計者可以根據(jù)自己的實際需要，從中選擇一款最適合設計需要的單片機。Intel公司繼1976年推出MCS-48系列8位單片機之后，又于1980年推出了MCS-51系列高檔8位單片機。至今20多年來，51系列單片機經久不衰，并得到了

73、廣泛的應用。近些年來，世界上很多大半導體公司都生產以8051為內核的單片機，如</p><p>　　ATMEL/PHLIPS/SST公司的AT89/P89/STC89系列和AT87/P87系列單片機，越來越多地得到廣泛應用。為了滿足系統(tǒng)對控制的精確性和柔性化要求，本設計選用的是AT89C51型號的單片機作為自動回轉刀架控制系統(tǒng)的控制核心。</p><p>　　7.2 硬件電路設計</

74、p><p>　　自動回轉刀架的電氣控制部分主要包括收信電路和發(fā)信電路兩大塊，如圖7.2所示。</p><p>　　a)發(fā)信盤上的霍爾元件 b)刀位信號的處理</p><p>　　c)刀架電動機正反轉控制 d)刀架電動機正反轉的實現(xiàn)</p><p>　　圖7.2 自動回轉刀架電氣控制原理圖</p><p>

75、;　　7.2.1 收信電路 </p><p>　　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，第一腳接+12V地，第三腳為輸出。轉位時刀臺帶動磁鐵旋轉，當磁鐵對準某一個霍爾開關時，其輸出端第3腳輸出低電平；當磁鐵離開時，第三腳輸出高電平。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只光耦合器進行處理，經過光電隔離的信號再送給I/O接口芯片8255的PC2～PC7。此外

76、，I/O接口芯片8255的PC0直接接外部按鈕,判斷是手動換刀還是自動換刀。</p><p>　　7.2.2 發(fā)信電路 </p><p>　　圖c為刀架電動機正反轉控制電路，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。其中KA1為正轉繼電器的線圈，KA2為反轉繼電器的線圈。因刀架電動機的功率只有110W，所以圖d中刀架電動機與380V市電的接通可以選用大功率直

77、流繼電器，而不必采用繼電器-接觸器控制電路，以節(jié)省成本，降低故障率。圖c中，正轉繼電器的線圈KA1與反轉繼電器的一組常閉觸點串聯(lián)，而反轉繼電器的線圈KA2又與正轉繼電器的一組常閉觸點串聯(lián)，這樣就構成了正轉與反轉的互鎖電路，以防控制系統(tǒng)失控時導致短路現(xiàn)象。當KA1或KA2的觸點接通380V電壓時，會產生較強的火花，并通過電網影響控制系統(tǒng)的正常工作，為此，在圖d中布置了3對R-C阻容用來滅弧，以抑制火花的產生。</p><

78、;p>　　7.3 硬件電路主要電子元件的工作原理</p><p>　　7.3.1霍爾元件的工作原理和特性 </p><p>　　7.3.2 霍爾開關的工作原理</p><p>　　單片機控制系統(tǒng)屬于弱電控制部分，說它是干擾源是因為它的主電路部分屬于強電控制部分，因此，為了保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在弱電和強電之間采用一定的隔離措施是非常必要的。</p>

79、<p>　　詳細D=W=G圖=紙：三 二 ③ 1爸 爸 五 四 0 六</p><p>　　全 套 資 料 低 拾10快起</p><p>　　常用的隔離方式有光電隔離、繼電器隔離、變壓器隔離。在本設計中，采用了光電隔離保護措施。信號的隔離目的之一是從電路上把干擾源和易被干擾的部分隔離開來，使測控裝置與現(xiàn)場僅保持信號聯(lián)系，但不直接發(fā)生電的聯(lián)系。為了抗干擾，本設計采用的是光電

80、耦合器進行隔離的措施來抑制此種干擾，光電耦合器使被隔離兩者之間只有光的聯(lián)系，而不直接發(fā)生電的聯(lián)系。</p><p>　　7.3.4 8255芯片的工作原理</p><p>　　8255芯片是一個典型的可編程通用并行接口芯片,用來擴展單片機的端口，對8255輸入不同的指令可改變I／O口的工作方式。8255與單片機系統(tǒng)連接方式簡單，工作方式由程序設定，8255內部有4個寄存器：分別為寄存器A

81、、B、C和控制寄存器。A、B、C寄存器的數(shù)據(jù)就是引腳PA7～PA0、PB7～PB0、PC7～PC0上輸入或輸出的數(shù)據(jù)。而控制寄存器的數(shù)據(jù)則表明PA、PB、PC的工作方式。通過CS、A0、A1、RD和WR對4個寄存器進行操作。實現(xiàn)方式：CS為低電平時選通8255； A1、A0--為地址選通； RD、WR--為讀、寫信號：RD為低、WR為高時為讀方式，RD為高、WR為低時為寫方式。D0～D7為數(shù)據(jù)口。 向控制寄存器寫入不同的數(shù)據(jù)可

82、以使8255工作在三種不同的方式下。這里只介紹應用最多的方式0。方式0下8255的PA、PB及PC口上半部分（PC7～PC4）和下半部分（PC3～PC0）中任何一個端口都可以設定為輸入或輸出，PC口還可以進行位操作。它具有3個8位的并行口,有三種工作方式,可作為單片機與各種外部設備連接的接口電路,且初始化很簡單，8255的使用說明上都有，地址分</p><p>　　7.4 控制軟件設計</p>&

83、lt;p>　　7.4.1 換刀工作原理的程序流程圖</p><p>　　圖7.3 換刀工作原理的程序流程圖</p><p>　　7.4.2 程序的實現(xiàn)方法</p><p>　　控制系統(tǒng)的CPU為AT89C51單片機，擴展8255芯片作為自動回轉刀架的收信與發(fā)信控制，初始化的時候讓8255工作在基本輸入/輸出方式（方式零）下，這樣任何一個端口都可以輸入或輸

84、出，方式0適用于無條件傳送方式，此時，用8255作外設接口非常簡單，在傳送過程中不需要應答信號，由CPU執(zhí)行IN/OUT指令就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出，程序簡單，硬件節(jié)省。</p><p>　　8255A口的最高兩位（PA6和PA7）用于控制電機的正反轉；B口高六位（PB2～PB6）用于操作者輸入刀具號（即所需要的刀具號），用來和C口比較，判斷所需刀具是否為當前刀具；C口的高六位PC2～PC7作為六把刀具信號（當

85、前刀具）的讀入接口，用于選刀控制；C口的PC0作為是手動換刀還是自動換刀的控制，置0時為自動換刀，置1時為手動換刀；C口的PC1用于在手動換刀（即PC0=1）的情況下判斷有無換刀信號，若無換刀信號（PC1=0），則刀架不需要轉位，若有換刀信號（PC1=1），則刀架轉動一個刀位，然后再判斷有無換刀信號，若無就延時鎖緊。</p><p><b>　　第8章 結 論</b></p>

86、<p>　　本設計根據(jù)給定的課題設計要求，綜合運用所學的基本理論、基本知識和相關的機械設計專業(yè)知識，完成了主要部件的裝配并繪制了必要的零部件圖，完成了整個自動刀架系統(tǒng)的設計。包括自動換刀裝置的總體設計、原理方案的實現(xiàn)、主要部件的分析、傳動零件的設計計算，單片機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。采用三相異步電動機提供動力源，蝸輪蝸桿副傳遞動力，螺桿螺母副傳遞運動，實現(xiàn)上刀體的升降運動，端齒盤定位，單片機進行系統(tǒng)控制。此外，控制電路采用光電隔離電

87、路，最大程度的避免了干擾，單片機控制系統(tǒng)屬于弱電控制部分，但卻是干擾源，說它是干擾源是因為它的主電路部分屬于強電控制部分，因此，為了保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在弱電和強電之間采用一定的隔離措施是非常必要的。收、發(fā)信電路傳感器采用霍爾元件，因為霍爾開關具有無觸電、低功耗、長使用壽命、響應頻率高等特點，內部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作。通過以上設計，實現(xiàn)了數(shù)控機床6工位自動換刀裝置的自動換刀和精確定位要求。</p

88、><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　[1] 文懷興、夏田編，數(shù)控機床系統(tǒng)設計[M].化學工業(yè)出版社，2005</p><p>　　[2] 陳嬋娟主編，數(shù)控車床設計[M].化學工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[3] 文懷興主編，數(shù)控銑床設計[M].化學工業(yè)出版社，2006</p&g

89、t;<p>　　[4] 惲達明，金屬切削機床[M].機械工業(yè)出版社，2005</p><p>　　[5] 李蕾主編，精密機械設計[M].化學工業(yè)出版社，2005</p><p>　　[6] 吳宗澤主編，機械設計實用手冊[M].化學工業(yè)出版社，1999</p><p>　　[7] 李朝青主編，單片機原理及接口技術[E].北京航空航天大學出版社，2005.

90、9</p><p>　　[9] 許立梓等編，微型計算機原理及應用[E].機械工業(yè)出版社</p><p>　　[10] 范思沖.畫法幾何及機械制圖[M]. 北京：機械工業(yè)出版社.2004</p><p>　　[11] 陳秀寧.機械設計課程設計[M].浙江大學出版社.2004</p><p>　　[12] 龔溎義.機械設計課程設計圖冊[M].北京

91、：高等教育出版社.2007</p><p>　　[13] 陳秀寧,施高義.機械設計課程設計[M].杭州：浙江大學出版社.2002</p><p>　　[14] 加藤一郎.機械手圖冊[M].上海：上?？茖W技術出版社.1983</p><p>　　[15] 孫業(yè)明.單片機在經濟型數(shù)控車床電動刀架控制系統(tǒng)中的應用[J].機床電器.2009</p><p