C6140车床数控化改装刀架说明书.docx
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C6140车床数控化改装刀架说明书
引言
数控系统由于功能适宜.价格便宜.用它来改造车床，投资少、见效快、成为我国“七五”、“八五”重点推广的新技术之一。
十几年来，随着科学技术的发展，经济型数控技术也在不断进步，数控系统产品不断改进完善.并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性、更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。
由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。
对于原有老的经济型数控车床，特别是80年代末期改造的设备，由于种种原因闲的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题。
通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高了生产效率，创造更大的经济效益。
数控车床主要由主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动系统及数控装置组成。
数控车床的出现对提高生产率改将产品质量以及改善劳动条件和提高效率上发挥了重要的作用。
特别是经济型老车床对刀等还需要手动完成，以及在加工一个零件过程中，更换刀具，装卸零件，测量和搬运零件用于大部分时间占辅助时间长的刀具交换和刀具尺寸调整。
加工时间相对较短，为缩短加工辅助时间，充分发挥数控机床的功能，进一步压缩非切削时间，数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的发展方向。
在这类多工序的数控机床中必须带有自动换刀装置，在多工序数控机床出现之后.又逐步发展和完善了各类回转刀具的自动更换装置，扩大了换刀数量，以便有可能实现更复杂的换刀操作，在自动换刀数控机床上，自动换刀装置应满足换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具储存量，换刀安全可靠等要求。
数控车床主要由主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动系统及数控装置组成。
数控车床的出现对提高生产率改善产品质量以及改善劳动条件等发挥了重要的作用。
传统的车床例CA6140的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进，为了能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发挥数控机床的效率，采用“工序集中”的原则，采用自动回转刀架。
数控车床上使用的自动回转刀架是一种最简单的换刀装置，自动回转刀架是在一定的空间范围内，能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。
对于自动回转刀架，根据装刀数量的不同，自动回转刀架分有四工位、六工位和八工位等形式。
根据安装的不同方式，自动回转刀架可分为立式和卧式。
而根据机械定位方式不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等。
其中端齿盘定位型换刀时要将刀架抬起，换刀速度较慢且密封性差。
1、总体结构设计
1.1减速传动机构的设计
普通的三项异步电动机因转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必须经过适当的减速。
根据立式转位刀架的结构特点，采用蜗杆副减速时最佳选择。
蜗杆副传动可以改变运动的方向，获得较大的传动比，保证传动精度和平稳性，并且具有自锁功能，还可以实现整个装置的小型化。
1.2上刀体锁紧与精定位机构的设计
由于刀具直接安装在上刀体上，所以上刀体要承受全部的切削力，其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。
本设计上刀体的锁进玉定位机构选用端面齿盘，将上刀体和下刀体的配合面加工成梯形端面齿。
当刀架处于锁紧状态时，上下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴旋转；换刀时电动机正转，抬起机构使上刀体抬起，等上下端面齿脱开后，上刀体才可以绕刀架中心轴转动，完成转位动作。
1.3刀架抬起机构的设计
要想使上、下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计适合的机构使上刀体抬起。
本设计选用螺杆-螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆-涡轮带动蜗杆绕中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动，要么上下移动。
当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互啮合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，所以螺杆的转动会使上刀体向上移动。
当端面齿脱离啮合时，上刀体就与螺杆一起转动。
设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定的角度时，使得上刀梯与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。
自动回转刀架的传动机构示意图，详细的装配图在图纸上。
图1.1刀架结构
1、发信盘2、推力轴承3、螺杆螺母副4、端面齿盘5、反靠圆盘6、三相异步电动机
7、联轴器8、螺杆副9、反靠销10、圆柱销11、上盖圆盘12、上刀体
1.4自动回转刀架的工作原理
自动回转刀架的换刀流程如下图。
图上表示自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置。
其中上部的圆柱销2和下部的反靠销6起着重要作用。
当刀架处于锁紧状态时，两销的情况如图A所示，此时反靠销6落在圆盘7的十字槽内，上刀体4的端面齿和下刀体的端面齿处于啮合状态（上下端面齿在图中未画出）。
需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三项异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动蜗杆正向转动，与螺杆配合的上刀体4逐渐抬起，上刀体4与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘1也随着螺杆正向转动（上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆联接），当转过约时，上盖圆盘1直槽的另一端转到圆柱销2的正上方，由于弹簧3的作用，圆柱销2落入直槽内，于是上盖圆盘1就通过圆柱销2使得上刀体4转动起来（此时端面齿已完全脱开）。
上盖圆盘1、圆柱销2以及上刀体4在正转的过程中，反靠销6能够从反靠圆盘7中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体4寻找刀位时的正向转动。
上刀体4带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘1通过圆柱销2带动上刀体4开始反转，反靠销6马上就会落入反靠圆盘7的十字槽内，至此，完成粗定位。
此时，反靠销6从反靠圆盘7的十字槽内爬不上来，于是上刀体4停止转动，开始下降，而上盖圆盘1继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销2的头部压入上刀体4的销空内，之后，上盖圆盘1是下表面开始与圆柱销2的头部滑动。
再次期间，上、下刀体的端面齿逐渐啮合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。
由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可以稳定地工作。
图1.2自动回转刀架的换刀流程图
2.主要传动部件的设计
2.1蜗杆副的设计计算
自动回转刀架的动力源是三相异步电动机。
其中蜗杆与电动机直联，刀架转位时蜗轮与上刀体直联。
选择电动机额定功率90W。
额定转速n1=1500r/min，上刀体设计转速n2=30r/min，则蜗杆副的传动比i=n1/n2=1500/30=50。
刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，启动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。
2.1.1蜗杆的选型
GB/T10085-1988推荐采用渐开线蜗杆（ZI蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。
本设计采用结构简单，制造方便的渐开线型圆柱蜗杆（ZI型）。
2.1.2蜗杆副的材料
刀架中的蜗杆副传动的功率不大，但蜗杆转速高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为45～55HRC，以提高其表面耐磨性；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，采用金属模制造。
2.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计
刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面胶合或点蚀而失效。
因此，进行载荷计算时，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。
按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式
a≥[KT2（ZEZP/[σH]）2]1/3
式中a--蜗杆副的传动中心距，单位mm；
K--载荷系数；
T2--作用在涡轮上的转矩，单位N.mm；
ZE--弹性影响系数，单位MP1/2
Zp--接触系数；
[σH]--许用接触应力，单位为MPa。
从式中算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比i=50，查表选择一个合适的中心距a值，以及相应的蜗杆，蜗轮参数。
自动回转刀架的动力源是三相异步电动机。
其中蜗杆与电动机直联，刀架转位时蜗轮与上刀体直联。
选择电动机额定功率90W。
额定转速n1=1500r/min，上刀体设计转速n2=30r/min，则蜗杆副的传动比i=n1/n2=1500/30=50。
刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，启动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。
GB/T10085-1988推荐采用渐开线蜗杆（ZI蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。
本设计采用结构简单，制造方便的渐开线型圆柱蜗杆（ZI型）。
刀架中的蜗杆副传动的功率不大，但蜗杆转速高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为45～55HRC，以提高其表面耐磨性；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，采用金属模制造。
刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面胶合或点蚀而失效。
因此，进行载荷计算时，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。
按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式
a≥[KT2（ZEZP/[σH]）2]1/3
式中a--蜗杆副的传动中心距，单位mm；
K--载荷系数；
T2--作用在涡轮上的转矩，单位N.mm；
ZE--弹性影响系数，单位MP1/2
Zp--接触系数；
[σH]--许用接触应力，单位为MPa。
从式中算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比i=50，查表选择一个合适的中心距a值，以及相应的蜗杆，蜗轮参数。
1）确定作用在蜗轮上的转矩T2
蜗杆头数Z1=1，蜗杆副的传动效率η=0.8，由电动机的额定功率P1=90W，可以算出蜗轮传动的功率P2=P1η，再由蜗轮的转速n2=30r/min求得作用在蜗轮上的转矩P2=P1η，再由蜗轮转速n2=30r/min，求得作用在蜗轮上的转矩：
T=9.55P2/n2=9.55P1η/n2=9.55×90×0.8/30Nm=22.92Nm=22920Nmm
2）确定作用在蜗轮上的转矩T2
蜗杆头数Z1=1，蜗杆副的传动效率η=0.8，由电动机的额定功率P1=90W，可以算出蜗轮传动的功率P2=P1η，再由蜗轮的转速n2=30r/min求得作用在蜗轮上的转矩P2=P1η，再由蜗轮转速n2=30r/min，求得作用在蜗轮上的转矩：
T=9.55P2/n2=9.55P1η/n2=9.55×90×0.8/30Nm=22.92Nm=22920Nmm
3）确定载荷系数K
载荷系数K=KAKβKV其中KA为使用系数,查表得：
由于工作载荷不均匀,启动时冲击较大，因此取KA=1.15；Kβ为齿向分布系数，因工作载荷在启动和停止时有变化，故取Kβ=1；
KV为动载系数，由于转数不高，冲击不大，故KV=1.1；则载荷系数KAKβKV≈1.27
工作类型
载荷性质
均匀、无冲击
不均匀、小冲击
不均匀、大冲击
每小时启动次数
<25
25~50
>50
启动载荷
小
较大
大
KA
1
1.15
1.2
表2.1使用系数KA
4）确定弹性影响系数ZE
铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查的弹性影响系ZE=160Mpa1/2
5）确定接触系数ZP
先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值d1/a=0.35。
查图2.1ZP=2.9。
6）确定许用接触应力σH
根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模制造蜗杆螺旋齿面硬度大45HRC，可查表2的蜗轮的基本许用应力为268MPa已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数j1；蜗轮转速为30r/min；蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。
则应力循环次数：
N=60jn2Lh=60×1×30×10000=1.8×107寿命系数：
KHN=
=0.929许用接触应力：
[σH]=KHN[σH]'=0.929×268Mpa=249Mpa
7）计算中心距将以上各参数带入方程a≥[KT2（ZEZP/[σH]）2]1/3，求得中心距：
查表3取a=50mm，已知蜗杆头数Z1=1，设模数m=1.6mm，得蜗杆分度圆直径d120mm。
这时d1/a=0.4，查表得接触系数Z'P=2.8。
因为Z'P
图2.1圆柱蜗杆传动的接触系数ZP
蜗轮材料
铸造方法
蜗杆螺旋面的硬度
≤45HRC
>45HRC
铸锡磷青铜
砂模铸造
150
180
金属模铸造
220
268
铸锡锌铅青铜
砂模铸造
113
135
金属模铸造
128
140
表2.2铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力[σH]'
2.1.4蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸
1）由蜗杆和涡轮的基本尺寸和主要参数
蜗杆的参数与尺寸头数Z1=1，模数m=1.6mm，分度圆直径d1=20mm，直径系数q=d1/m=12.5，分度圆导程角γ=arctan（Z1/q）=4̊34ʹ26″
取齿顶高系数ha*=1，径向间隙系数c*=0.2，则齿顶圆直径d=d1+2ha*m=20+2×1×1.6=23.2mm，齿根圆直径df1=d1-2m（ha*+c*）=[20-2×1.6×（1+0.2）]=16.16mm。
2）蜗轮参数与尺寸
取齿数Z2=51，模数m=1.6mm，分度圆直径为d2=mZ2=81.6mm，变位系数X2=[a-（d1+d2）/2]/m=0.5，蜗轮喉圆直径为da2=d2+2m（ha*+x2）=86.4mm，蜗轮齿根圆直径df2=d2-2m（ha*-X2+c）=79.36mm，蜗轮咽喉母圆半径rg2=a-da2/2=6.8mm
图2.2蜗轮的齿形系数YFa2
2.1.5校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度
检验下式是否成立：
σF=1.53KT2YFa2YB/d1d2m≤[σf]
由蜗杆头数Z1=1，传动比i=50，可以计算出涡轮齿数Z2=iZ1=50（51）,
则蜗轮的当量齿数ZV2=Z2cos3r=51.5，
根据涡轮变位系数X2=1和当量齿数ZV2=51.5查图2：
齿形系数YFa2=2.1
螺旋角影响系数YB=1-γ/140°=0.967
根据涡轮的材料和制造方法，查表2.3得涡轮基本许用弯曲应力：
[σf]'=56MPa
涡轮的寿命系数：
KFN=
=0.725
蜗轮的许用弯曲应力：
[σf]=[σf]'KFN=40.6MPa
将数据带入得：
σF=37.9<[σf]'，蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。
蜗轮材料
铸造方法
单侧工作
双侧工作
铸锡青铜ZCuSn10P1
砂模铸造
40
29
金属模铸
56
40
铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5
砂模铸造
26
22
金属模铸
32
26
铸铝铁青铜ZCuAl10Fe3
砂模铸造
80
57
金属模铸
90
64
灰铸铁
HT150
砂模铸造
40
28
HT200
砂模铸造
48
34
表2.3蜗轮的基本许用弯曲应力（MPa）
2.2螺杆的设计计算
2.2.1螺距的确定
刀架转位时，要求螺杆在转动约到170°的情况下，上刀体的端面齿与下刀体的端面齿完全脱离，在锁紧的时候，要求上下端面齿的啮合深度达2mm。
因此，螺杆的螺距P应满足P×170/360>2故P>4.24mm今取螺杆的螺距P=6mm。
2.2.2其它参数的确定
采用单头梯形螺杆，头数n=1，牙侧角β=15°，外螺纹大径d1=50mm，牙顶间隙ac=0.5mm，基本牙型高度H1=0.5P3mm，外螺纹牙高h3=H1+ac=3.5mm，外螺纹中径d2=47mm，外螺纹小径d1=43mm，螺杆螺纹部分长度H=50mm。
2.2.3自锁性能校核
螺杆-螺母材料均用45钢，查表2.4取摩擦系数f=0.11；再求得梯形螺旋副的当量摩擦角：
Φv=arctanf/cosβ=6.5°而螺纹升角：
Ψ＝arctannP/πd2=2.33°小于当量摩擦角，因此满足自锁条件。
螺杆—螺母的材料
滑动速度/mmin-1
许用压力/MPa
摩擦因数f
钢—青铜
低速
18~25
0.08~0.10
≤3.0
11~18
6~12
7~10
>15
1~2
淬火钢—青铜
6~12
10~13
0.06~0.08
钢—铸铁
<2.4
13~18
0.12~0.15
6~12
4~7
钢—铜
低速
7.5~13
0.11~0.17
表2.4滑动螺旋副材料的许用压力及摩擦因数
3.电气控制部分的设计
3.1硬件电路设计
自动回转刀架的电气控制部分主要包括收信电路和发信电路两大块
3.1.1收信电路
图3.1a中，发信盘上的4只霍尔开关，都有3个引脚，第1脚接12V电源，第2脚接12V地线，第3脚为4个刀位信号的输出。
转位时刀台带动磁铁旋转，当磁铁对准某一个霍尔开关时，其输出端第3脚输出低电平；当磁铁离开时，第3脚输出高电平。
只霍尔开关输出的4个刀位信号T1~T4分别送到图3.1a的4只光耦4合进行处理，经过光电隔离的信号再送给I/O接口芯片8225的PC4~PC7。
3.1.2发信电路
图3.1c为刀架电动机正反转控制电路，I/O接口芯片8255的PA6与PA7分别控制刀架电动机的正转与反转。
其中KA1为正转继电器线圈，KA2为反转继电器线圈。
因刀架电动机功率只有90w，所以图3.1d中刀架电动机与380V市电的接通可以选用大功率直流继电器，而不必用继电器—接触器控制电路，以节省成本，减低故障，图3.1c中，正转继电器线圈KA1与反转继电器的一组常闭触电串联，而反转继电器的线圈KA2又与正转继电器的一组常闭触电串联，这样构成了正反转互锁电路，以防控制系统失控导致短路现象，当KA1或KA2的触电接通380V电压时，会产生较强的火花，并通过电网影响控制系统正常工作，为此，图3.1d中布置了3对R—C阻容来灭弧，以抑制火花产生。
图3.1（a）
图3.1（b）
图3.1（c）
图3.1（d）
3.2控制软件设计
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程
Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
在清楚了前面的自动回转刀架的机械结构与电气控制电路后，就可以着手编制刀架自动转位的控制软件了。
对于四工位自动回转刀架来说，最多装4把刀具，设计控制软件的任务就是选任意一把刀具，让其转到工作位置。
图3.2电器接线图
图3.3工作框图
设控制系统的CPU为AT89S52单片机，扩展8255芯片作为自动回转刀架收信和发信控制，已知8255芯片的控制口地址为2FFFH，基于3.3图，汇编程序清单如下：
T01：
MOVDPRT，#2FFEH；指向8255的PC口
MOVXA,@DPTR；读取PC口内容
JNB
ACC.4TEND；测试PC4=0？
若是，则说明1#已工
作位置，程序转到TEND
MOVDPTR,#2FFCH；指向8255的PA口地址
MOVXA，@DPTR；读取PA口锁存器内容
CLRACC.6；令PA6=0，刀架电动机正转有效
SETBACC.7；令PA7=1，刀架电动机反转无效
MOVX@DPTR,A；刀架电动机开始正转
CALLDE20MS；延时20ms
YT01：
MOVDPTR,#2FFEH；指向8255的PC口
MOVXA,@DPTR；第二次读取PC口内容
JBACC.4，YT11；PC4=0？
CALLDE20MS；延时20ms
1.YT21：
MOVDPTR,#2FFEH；指向8255的PC口
MOVXA,@DPTR；第三次读取PC口内容
JBACC.4，YT21；PC4=0？
MOVDPTR,#2FFCH；指向PA口
MOVXA，@DPTR；读取PA口锁存器内容
SETBACC.6；PA6=1，刀架电动机正转无效
SETBACC.7；PA7=1，刀架电动机反转无效
MOVXA，@DPTR,A；刀架电动机停转
CALLDE150MS；延时150s
CLRACC.7；PA7=0刀架电动机反转有效
SETBACC.6；PA6=1，刀架电动机正转无效
MOVX@DPTR，A；刀架电动机开始反转
CALLDELAY；延时设定的反转锁紧时间
SETBACC.6；PA6=1，刀架电动机正转无效
SETBACC.7；PA7=1，刀架电动机反转无效
MOVX@DPTR，A；刀架电动机停转
TEND：
RET；换1#刀结束
4.总结
通过短短几周的课程设计，我认为，在这段时间中，收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。
更重要的是，在这其中，我学会了很多学习的方法。
而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。
要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。
我之所以使用AT89S52单片机作为我们的执行核心，不仅是因为AT89S52现在是社会上应用比较多的单片机，也因为想通过使用AT89S52锻炼自己的编程能力，养成良好的编程风格。
不管怎样，这些都是一种锻炼，一种知识的积累，能力的提高。
完全可以把这个当作基础东西，只有掌握了这些最基础的，才可以更进一步，取得更好的成绩。
很少有人会一步登天吧。
永不言弃才是最重要的。
而且，这对于我们的将来也有很大的帮助。
以后，不管有多苦，我想
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