C6140车床数控化改装刀架说明书Word文档下载推荐.docx
《C6140车床数控化改装刀架说明书Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《C6140车床数控化改装刀架说明书Word文档下载推荐.docx（22页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
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。
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
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<
ZP所以上述计算结果可用。
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
113
135
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。
铸造方法
单侧工作
双侧工作
铸锡青铜ZCuSn10P1
40
29
金属模铸
56
铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5
26
22
32
铸铝铁青铜ZCuAl10Fe3
80
57
90
64
灰铸铁
HT150
28
HT200
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
10~13
0.06~0.08
钢—铸铁
2.4
13~18
0.12~0.15
4~7
钢—铜
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；
第二次读取PC口内容
JBACC.4，YT11；
PC4=0？
1.YT21：
第三次读取PC口内容
JBACC.4，YT21；
指向PA口
SETBACC.6；
PA6=1，刀架电动机正转无效
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
MOVX@DPTR，A；
刀架电动机开始反转
CALLDELAY；
延时设定的反转锁紧时间
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
升级会员 