數(shù)控車床自動回轉(zhuǎn)刀架機電系統(tǒng)設計

1、課程設計說明書目錄設計任務 1總體結(jié)構(gòu)設計 2自動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 2主要傳動部件的設計 3電器控制部分的設計 13參考文獻 20一、設計任務題目：數(shù)控車床自動刀架PLC控制系統(tǒng)設計任務：設計一臺四工位立式回轉(zhuǎn)刀架，適用于CA6132數(shù)控車床。要求繪制自動回轉(zhuǎn)刀架的機械結(jié)構(gòu)圖。推薦刀架所用電動機的額定功率為90W，額定轉(zhuǎn)速1440r/min，換刀時要求刀架轉(zhuǎn)動的速度為20r/min。二、總體結(jié)構(gòu)設計1、減速傳動機構(gòu)的設計普通的三項異步電動機因轉(zhuǎn)速太快，不能直接驅(qū)動刀架進行換刀，必須經(jīng)過適當?shù)臏p速。根據(jù)立式轉(zhuǎn)位刀架的結(jié)構(gòu)特點，采用蝸桿副減速時最佳選擇。蝸桿副傳動可以改變運動的方向，獲得較大的傳

2、動比，保證傳動精度和平穩(wěn)性，并且具有自鎖功能，還可以實現(xiàn)整個裝置的小型化。2、上刀體鎖緊與精定位機構(gòu)的設計由于刀具直接安裝在上刀體上，所以上刀體要承受全部的切削力，其鎖緊與定位的精度將直接影響工件的加工精度。本設計上刀體的鎖進玉定位機構(gòu)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)都芴幱阪i緊狀態(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旋轉(zhuǎn)；換刀時電動機正轉(zhuǎn)，抬起機構(gòu)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(zhuǎn)動，完成轉(zhuǎn)位動作。3、刀架抬起機構(gòu)的設計要想使上、下刀體的兩個端面齒脫離，就必須設計適合的機構(gòu)使上刀體抬起。本設計選用螺桿-螺母副，在上刀體內(nèi)部加

3、工出內(nèi)螺紋，當電動機通過蝸桿-渦輪帶動蝸桿繞中心軸轉(zhuǎn)動時，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，所以螺桿的轉(zhuǎn)動會使上刀體向上移動。當端面齒脫離嚙合時，上刀體就與螺桿一起轉(zhuǎn)動。設計螺桿時要求選擇適當?shù)穆菥?，以便當螺桿轉(zhuǎn)動一定的角度時，使得上刀梯與下刀體的端面齒能夠完全脫離嚙合狀態(tài)。自動回轉(zhuǎn)刀架的傳動機構(gòu)示意圖，詳細的裝配圖在圖紙上。三、自動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程如下圖。圖上表示自動回轉(zhuǎn)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。當?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，兩銷的

4、情況如圖A所示，此時反靠銷6落在圓盤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嚙合狀態(tài)（上下端面齒在圖中未畫出）。需要換刀時，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號，三項異步電動機正向旋轉(zhuǎn)，通過蝸桿副帶動蝸桿正向轉(zhuǎn)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，上蓋圓盤1也隨著螺桿正向轉(zhuǎn)動（上蓋圓盤1通過圓柱銷與螺桿聯(lián)接），當轉(zhuǎn)過約時，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)動起來（此時端面齒已完全脫開）。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

5、槽的左側(cè)斜坡滑出，而不影響上刀體4尋找刀位時的正向轉(zhuǎn)動。上刀體4帶動磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時，發(fā)信盤上對應的霍爾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(zhuǎn)，上蓋圓盤1通過圓柱銷2帶動上刀體4開始反轉(zhuǎn)，反靠銷6馬上就會落入反靠圓盤7的十字槽內(nèi)，至此，完成粗定位。此時，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，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的銷空內(nèi)，之后，上蓋圓盤1是下表面開始與圓柱銷2的頭部滑動。再次期間，上、下刀體的端面齒逐漸嚙合，實現(xiàn)精定位，經(jīng)過設定的延時時間后，刀架電動機停轉(zhuǎn)，整個換刀過程結(jié)束。由于蝸桿副具有自鎖

6、功能，所以刀架可以穩(wěn)定地工作。銷連接蝸桿-渦輪減速刀架電動機正轉(zhuǎn) 螺桿正轉(zhuǎn)上蓋圓盤旋轉(zhuǎn)霍爾元件觸發(fā)蝸桿-渦輪減速上刀體抬起端面齒錯開圓柱銷落入上蓋圓盤上刀體旋轉(zhuǎn)到位回答刀架電動機反轉(zhuǎn)螺桿反轉(zhuǎn)反靠銷反靠端面齒嚙合刀架電動機正轉(zhuǎn)刀架電動機正轉(zhuǎn)延時鎖緊電動機停轉(zhuǎn)自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程四、主要傳動部件的設計1.蝸桿副的設計計算自動回轉(zhuǎn)刀架的動力源是三相異步電動機。其中蝸桿與電動機直聯(lián)，刀架轉(zhuǎn)位時蝸輪與上刀體直聯(lián)。已知電動機額定功率=90W。,額定轉(zhuǎn)速=1440r/min，上刀體設計轉(zhuǎn)速=20r/min，則蝸桿副的傳動比i=/=1440/20=72。刀架從轉(zhuǎn)位到鎖緊時，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，啟動

7、時沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命=10000h。（1）蝸桿的選型 GB/T10085-1988推薦采用漸開線蝸桿和錐面包絡蝸桿。本設計采用結(jié)構(gòu)簡單，制造方便的漸開線型圓柱蝸桿。（2）蝸桿副的材料刀架中的蝸桿副傳動的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速干，一次，蝸桿的材料選用45鋼，其螺旋齒面要淬火，硬度為4555HRC,以提高其表面耐磨行；蝸輪的轉(zhuǎn)速較低，其材料主要考慮耐磨性，選用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，采用金屬模制造。（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，進行載荷計算時，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

8、強度條件設計計算的公式 a (4-1)式中 a-蝸桿副的傳動中心距，單位mm； K-載荷系數(shù)； T-作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩，單位N.mm； Z-彈性影響系數(shù)，單位 MP Z-接觸應力，-許用接觸應力，單位為MPa。從式中算出蝸桿副的中心距a之后，根據(jù)已知的傳動比i=72，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)。1）確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩蝸桿頭數(shù)Z=1，蝸桿副的傳動效率=0.6，由電動機的額定功率P=90W，可以算出蝸輪傳動的功率P=P，再由蝸輪的轉(zhuǎn)速n=20r/min求得作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T=9.55=9.55=34.38N·m=34380N·mm2）確定載荷系

9、數(shù)K 載荷系數(shù)K= K K K 其中KA為使用系數(shù)，查表得， 由于工作載荷不均勻，啟動時沖擊較大，因此取K=1.15； K為齒向分布系數(shù)，因工作載荷在啟動和停止時有變化，故取K=1.15；K為動載系數(shù)，由于轉(zhuǎn)數(shù)不高。沖擊不大，可取K=1.05。則載荷系數(shù)K= K K K1.39使用系數(shù)K工作類型IIIIII載荷性質(zhì)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)<2525-50>50起動載荷小較大大KA11.151.23）確定彈性影響系數(shù)Z鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配時，從有關手冊查的彈性影響系Z=160Mpa 1/24）確定接觸系數(shù)Z 先假設蝸桿分度圓直徑d1 和傳動中心距a

10、的比值d1/a=0.35。查表的Z=2.9鑄錫青銅蝸輪的基本許用接觸應力(MPa)蝸輪材料鑄造方法蝸桿螺旋面的硬度45HRC>45HRC鑄錫磷青銅ZCuSn10P1砂模鑄造150180金屬模鑄造220268鑄錫鋅鉛青銅ZCuSn5Pb5Zn5砂模鑄造113135金屬模鑄造1281405）確定許用接觸應力 根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1金屬模制造蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC可查表的蝸輪的基本許用應力=268MPa已知蝸桿為單頭，蝸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時每個輪齒嚙合的次數(shù)j=1；蝸輪轉(zhuǎn)數(shù)=20r/min；蝸桿副的使用壽命=10000h。則應力循環(huán)次數(shù)：N=60j n2 =60×

11、1×20×10000=1.2×107壽命系數(shù)： K=0.977許用接觸應力： =KHN×=0.977268=262MPa6）計算中心距 將以上各參數(shù)帶入4-1，求得中心距： a=43.9mm查表取a=45，已知蝸桿頭數(shù)Z=1，設模數(shù)m=1mm，得蝸桿分度圓直徑d=18mm。這時d/a=0.4，查表得接觸系數(shù)Z=2.74。因為Z< Z所以上述計算結(jié)果可用。（4）蝸桿和渦輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 1)由蝸桿和渦輪的基本尺寸和主要參數(shù)蝸桿的參數(shù)與尺寸 頭數(shù)Z=1，模數(shù)m=1mm，軸向齒距P=m=3.14mm軸向齒厚S=m=1.57mm，分度圓直徑=18mm

12、直徑系數(shù)q=18/1=18分度圓導程角=3。10,47 取齒頂高系數(shù)=1，徑向間隙系數(shù)c=0.2，則齒頂圓直徑d=d+2m=18+211=20mm，齒根圓直徑d=d-2m（+c）=18-21(11+0.2)=15.6mm。 2)渦輪參數(shù)與尺寸 因為是非標準傳動，根據(jù)推薦表11-1取齒數(shù)=72，模數(shù)m=1mm，分度圓直徑為d=mZ=72mm，變位系數(shù)X=0渦輪喉圓直徑為d=d+2h= d+2m(+X)=72+21(1+0)=74mm渦輪齒根圓直徑d= d-2m(-X-c)=72-21(1-0+0.2)=69.6mm渦輪咽喉母圓半徑r=a-=45-74/2=8mm（5）校核渦輪齒根彎曲疲勞強度 即

13、檢驗下式是否成立： 由蝸桿頭數(shù)Z=1，傳動比i=35，可以計算出渦輪齒數(shù)Z=iZ=72則渦輪的當量齒數(shù)： Z=73.11根據(jù)渦輪變位系數(shù)X=1和當量齒數(shù)=73.11查表的齒形系數(shù)=2.26螺旋角影響系數(shù) =1-=0.9773 根據(jù)渦輪的材料和制造方法，查表得渦輪基本許用彎曲應力： =56MPa 渦輪的壽命系數(shù)： = =0.759 渦輪的許用彎曲應力： =560.759=42.5 將數(shù)據(jù)帶入得： =30.42 ，渦輪齒根的彎曲強度滿足要求。蝸輪的基本許用彎曲應力（MPa）蝸輪材料鑄造方法單側(cè)工作雙側(cè)工作鑄錫青銅ZCuSn10P1砂模鑄造4029金屬模鑄造5640鑄錫鋅鉛青銅ZCuSn5Pb5Zn

14、5砂模鑄造2622金屬模鑄造3226鑄鋁鐵青銅ZCuAl10Fe3砂模鑄造8057金屬模鑄造9064灰鑄鐵HT150砂模鑄造4028HT200砂模鑄造4834 (6)驗算效率已知=與相對滑動速度有關。 = 從表11-18中用插值法查得 ；代入式中得，大于原估計值，因此不用重算。2.螺桿的設計計算1)螺距的確定 刀架轉(zhuǎn)位時，要求螺桿在轉(zhuǎn)動約到的情況下，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，要求上下端面的嚙合深度達2mm。因此，螺桿的螺距P應滿足P>2m故,今取螺桿的螺距P=6mm。2) 其它參數(shù)的確定 采用單頭梯形螺桿，頭數(shù)n=1，牙側(cè)角=，外螺紋大徑=50mm，牙頂間隙=

15、0.5mm，基本牙型高度=0.5P=3mm，外螺紋牙高=3.5mm，外螺紋中徑=47mm，外螺紋小徑=43mm，螺桿螺紋部分長度H=50mm。3)自鎖性能校核 螺桿-螺母材料均用45鋼，查表5-12取摩擦系數(shù)f=0.11；再求得梯形螺旋副的當量摩擦角： 而螺紋升角： 易得,因此滿足自鎖條件。五、電器控制部分的設計1、硬件電路設計自動回轉(zhuǎn)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（1）收信電路圖a中，發(fā)信盤上的4只霍爾開關，都有3個引腳，第1腳接+12V電源，第2腳接+12V地線，第3腳為4個刀位信號的輸出。轉(zhuǎn)位時刀臺帶動磁鐵旋轉(zhuǎn)，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

16、磁鐵離開時，第3腳輸出高電平。4只霍爾開關輸出的4個刀位信號T1T4分別送到圖的4只光耦合進行處理，經(jīng)過光電隔離的信號再送給I/O接口芯片8225的PC4PC7。2#3#4#1#NS刀臺旋轉(zhuǎn)方向1 2 34只霍爾開關第1腳：接+12V電源第2腳：接+12V地線第3腳：4個刀位信號的輸出（A）電動刀架發(fā)信盤 3刀位信號4位信號1#刀位信號2刀位信號R14R248225-PC68225-PC78225-PC58225-PC4驅(qū)（B）刀位信號的處理 （2）發(fā)信電路圖為刀架電動機正反轉(zhuǎn)控制電路，在電動機正反轉(zhuǎn)時，有可能因為電動機容量較大或操作不當?shù)仍?，使接觸器主觸頭產(chǎn)生較嚴重的起弧現(xiàn)象。如果電弧還未

17、完全熄滅時，反轉(zhuǎn)的接觸器就閉合，則會造成電源相間的短路。為防止相間短路，可增加一個接觸器KM。采用PLC控制的輸入輸出配置接線示意圖如圖C所示，梯形圖如圖E所示。像繼電接觸控制線路一樣，利用PLC的輸入繼電器X401和X402的常閉接點，實現(xiàn)雙重互鎖。按下正向啟動按鈕SB1時，輸入繼電器X401的常開觸點閉合，接通輸出繼電器Y431線圈并自鎖，接觸器KM1得電吸合，同時Y431的常開觸點閉合，輸出繼電器Y430線圈接通，使接觸得電吸合，電動機正向啟動到穩(wěn)定運行。按下反轉(zhuǎn)啟動按鈕SB2，輸入繼電器X402常閉觸點斷開Y431線圈，KM也失電釋放，同時Y431的常開觸點也斷開Y430的線圈，KM也

18、失電釋放，有KM和KM1兩段滅弧電路，因此可有效地熄滅電弧，防止反轉(zhuǎn)換接時相間短路。而X402的另一對常開觸點閉合，接通Y432的線圈，接觸器KM2得電吸合，電動機反向運行。停機時，按下停機按鈕SB3，X400常開觸點斷開M100；過載時熱繼電器觸點FR動作，X403斷開M100。這兩種情況都使Y431或Y432及Y430斷開，進而使KM1或KM2及KM失電，電動機停下來。 SB3MFRKM2KMQKFUIKMKM2KM1SB2KM2KM1SB1KM2KM1(C)繼電器接觸控制KMKM2KM2SB2FRSB1SB3X400X401X402KM2COMX403(D)PLC控制輸入輸出接線Y430

19、Y432Y431Y432Y432X401Y431X402Y431Y432X402Y431M100M100X403X400MCRMCRX401（E）梯形圖2控制軟件設計 在清楚了自動回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)和電氣控制電路后，就可以著手編制刀架自動轉(zhuǎn)位的控制軟件了，對于四工位自動回轉(zhuǎn)刀架來說，它最多安裝有4把刀具，其回轉(zhuǎn)到工作位置。圖（A）表示讓1#刀轉(zhuǎn)到工作位置的等程序流程，2#、3#、4#刀的轉(zhuǎn)位流程與1#刀相似。 設控制系統(tǒng)的CPU為AT89C51單片機，擴展8255芯片作為回轉(zhuǎn)刀架的收信與發(fā)信控制，已知8255芯片的控制口地址為2FFFH。PA6、PA7口控制電動機的正反轉(zhuǎn)，刀架控制流程如圖所示。返

20、回YNNY返回電路上電數(shù)碼管顯示發(fā)出刀位信號數(shù)碼管顯示“1”“2”“3”“4”判斷所選刀架是否對準霍爾元件電路 電機停轉(zhuǎn)定位夾緊到位電機反轉(zhuǎn)數(shù)碼管顯示“1”“2”“3”“4”判斷刀架是否到位數(shù)碼管顯示“1”“2”“3”“4”電機正轉(zhuǎn)刀架控制流程圖 根據(jù)流程圖編程如下： T01：MOV DPTR , #2FFFH ；指向8255的PC口 MOVX A ，DPTR ；讀取PC口的內(nèi)容 JNB ACC.4 ，TEND ；測試若PC4=0？若是，則說明1#刀已在工作位置，程序轉(zhuǎn)到TEND MOV DPTR ，#2FFFH ；指向8255的PA口地址 MOVX A ，DPTR ；讀取PA6=0，刀架電動機正轉(zhuǎn)有效 CLR ACC.6 ；令PA6=0，刀架電動機正轉(zhuǎn)有效 SETB ACC.7 ；令PA7=1，刀架電動機無效 MOVX DPTR ，A ；電動機開始正轉(zhuǎn) CALL DE20ms ；延時20ms YT01：MOVX DPTR , #2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A ，DPTR ；第二次讀取PC口內(nèi)容 JB ACC.4 ，YT21