數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)含CAD圖紙

數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)含CAD圖紙數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)含CAD圖紙48/52數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)含CAD圖紙摘要自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，它有效地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，消除人工誤差提高加工精度和加工精度的一致性等。但是傳統(tǒng)的普通車床換刀的速度慢、精度不高，生產(chǎn)效率低，不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。所以為了提高生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量以及改善勞動(dòng)條件必須對(duì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架進(jìn)行改進(jìn)。本文對(duì)數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)電系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析，研究數(shù)控車床刀架的組成和工作原理，對(duì)普通機(jī)床的換刀裝置進(jìn)行改進(jìn)，使該裝置具有自動(dòng)松開(kāi)、轉(zhuǎn)位、精密定位等功能。此次主要完成自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械部分和電氣部分的設(shè)計(jì)。機(jī)械部分為對(duì)其組成的各個(gè)機(jī)械部件進(jìn)行計(jì)算及選用，電氣部分為編制刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)位控制軟件。設(shè)計(jì)的數(shù)控?fù)Q刀裝置功能更強(qiáng)，換刀裝置通過(guò)刀具快速自動(dòng)定位，可以提高數(shù)控車床的效率，縮短加工時(shí)間；同時(shí)其可靠性更穩(wěn)定，結(jié)抅簡(jiǎn)單。關(guān)鍵詞:自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，換刀裝置，機(jī)電系統(tǒng)，電氣控制DesignofautomaticturretmechanicalandelectricalsystemofCNClathesAbstractTheautomaticturretisanimportantpartofCNClathe.Itimprovedlaborproductivityandshortentheproductiontime,eliminatehumanerror,theimprovementofthemachiningaccuracyandconsistencyofprecision.Thoughconventionalordinarylathetoolchangeslowly,lowaccuracy,lowproductivity.Itcannotadapttotheneedsofmodernproduction.Therefore,wemustbeimprovedtheautomaticturretinordertoincreaseproductivity,improveproductqualityandimproveworking.ThisrotarytoolholderforCNClatheelectricalandmechanicalsystemsrelatedcontentstudy,studythecompositionandworkingprincipleofCNClathesturretandimprovethetoolchangertheofgeneralmachinetools,sothatthedevicehasanautomaticrelease,transfer,precisionpositioningandotherfunctions.Thistimeweshouldcompletionofthedesignofautomaticturret’sthemechanicalpartsandelectricalparts.Mechanicalpartiscomposedofvariousmechanicalcalculationandselectionofparts,electricalpartsispreparationoftheturretautomaticallytransferofthecontrolsoftware,automaticindexingturret.DesignofmorepowerfulCNCtoolchanger,toolchangerquicklythroughtheautomaticpositioningtoolcanimprovetheefficiencyofCNClathesandshortentheprocessingtime;whileitsreliabilityismorestable,thestructureissimpler.Keywords:AutomaticturretToolchangerElectro-MechanicalSystemsElectricalcontrol目錄1緒論11.1自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)背景11.2自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的市場(chǎng)分析21.3設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的意義22自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架總體設(shè)計(jì)32.1總體方案的確定32.2減速機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定42.3刀體鎖緊及精定位機(jī)構(gòu)的確定52.4抬起機(jī)構(gòu)的確定53自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)械部分設(shè)計(jì)63.1自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理63.2蝸輪及蝸桿的設(shè)計(jì)及校核83.2.1蝸桿的選型93.2.2蝸桿副的材料103.2.3按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)103.3蝸輪及蝸桿的主要參數(shù)及幾何尺寸123.4螺桿的主要參數(shù)及幾何尺寸143.4.1螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算143.5蝸桿軸的設(shè)計(jì)153.5.1蝸桿軸的材料選擇，確定許用應(yīng)力153.5.2按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步估算軸的最小直徑153.5.3確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度163.5.4蝸桿軸的校核173.6蝸桿軸的軸承選用214自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架電氣部分設(shè)計(jì)224.1硬件電路設(shè)計(jì)224.2控制軟件設(shè)計(jì)254.2.180C31單片機(jī)及其引腳說(shuō)明264.2.2靜態(tài)存儲(chǔ)器6264的特性284.2.32764只讀存儲(chǔ)器的特性284.2.4可編程并行I/O接口芯片8255的特性295結(jié)論336致謝347參考文獻(xiàn)35附錄：轉(zhuǎn)配圖A0圖紙一張、零件圖A1、A2各五張（上刀體圖、下刀體圖上圓盤(pán)圖、下圓盤(pán)圖、刀架電氣圖、蝸輪、蝸桿圖、螺桿圖、空心軸圖、發(fā)信盤(pán)圖）緒論自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)背景經(jīng)濟(jì)型數(shù)控是我國(guó)80年代科技發(fā)展的產(chǎn)物。這種數(shù)控系統(tǒng)由于功能適宜，價(jià)格便宜，用它來(lái)改造車床，投資少、見(jiàn)效快，成為我國(guó)“七五”、“八五”重點(diǎn)推廣的新技術(shù)之一。十幾年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控技術(shù)也在不斷進(jìn)步，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品不斷改進(jìn)完善，并且有了階段性的突破，使新的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)功能更強(qiáng)，可靠性更穩(wěn)定，功率增大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。由于這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展增強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控的活力，根據(jù)我國(guó)國(guó)情，該技術(shù)在今后一段時(shí)間內(nèi)還將是我國(guó)機(jī)械行業(yè)老設(shè)備改造的很好途徑。對(duì)于原有老的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，特別是80年代末期改造的設(shè)備，由于種種原因閑置的很多，浪費(fèi)很大；在用的設(shè)備使用至今也十幾年了，同樣面臨進(jìn)一步改造的問(wèn)題通過(guò)改造可以提高原有裝備的技術(shù)水平，大大提高生產(chǎn)效率，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)控車床為了能在工件的一次裝夾中完成多工序加工，縮短輔助時(shí)間，減少多次裝夾所引起的加工誤差，必須帶有自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架。隨著數(shù)控車床的發(fā)展，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架開(kāi)始向快速換刀、電液組合驅(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。

目前國(guó)內(nèi)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架以電動(dòng)為主，根據(jù)安裝方式的不同可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(jiǎn)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(zhuǎn)，就近選刀，用于全功能數(shù)控車床。根據(jù)機(jī)械定位方式的不同，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架可分為端齒盤(pán)定位型和三齒盤(pán)定位型等。其中端齒盤(pán)定位型換刀時(shí)需要刀架抬起，換刀速度較慢且密封性較差，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。三齒盤(pán)定位型又叫免抬型，其特點(diǎn)是換刀時(shí)刀架不抬起，因此換刀速度快且密封性好，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。另外臥式刀架還有液動(dòng)刀架和伺服驅(qū)動(dòng)刀架。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的市場(chǎng)分析國(guó)產(chǎn)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(dòng)力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種，近年來(lái)需要量可達(dá)10000～15000臺(tái)。

數(shù)控刀架的高、中、低檔產(chǎn)品市場(chǎng)數(shù)控刀架作為數(shù)控機(jī)床必需的功能部件，直接影響機(jī)床的性能和可靠性，是機(jī)床的故障高發(fā)點(diǎn)。這就要求設(shè)計(jì)的刀架具有轉(zhuǎn)位快，定位精度高，切向扭矩大的特點(diǎn)。它的原理采用蝸桿傳動(dòng)，上下齒盤(pán)嚙合，螺桿夾緊的工作原理。設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的意義電動(dòng)刀架是數(shù)控車床重要的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，合理地選配電動(dòng)刀架，并正確實(shí)施控制，能夠有效的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，消除人為誤差，提高加工精度及加工精度的一致性等等。另外，加工工藝適應(yīng)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(fù)雜的零件時(shí)，除了控制系統(tǒng)能提供相應(yīng)的控制指令外，很重要的一點(diǎn)是數(shù)控車床需配備易于控制的電動(dòng)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。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛性，以承受粗加工時(shí)的切削抗力。為了保證轉(zhuǎn)位之后具有高的重復(fù)定位精度，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架還要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的自動(dòng)換刀是由控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床上，自動(dòng)換刀裝置應(yīng)滿足換刀時(shí)間短，刀具重復(fù)定位精度高，足夠的刀具儲(chǔ)存量，換刀安全可靠等要求。各類機(jī)床的換刀裝置主要取決于機(jī)床的型式、工藝范圍及刀具的數(shù)量和種類等。傳統(tǒng)的車床如CA6140的刀架上只能裝一把刀，換刀的速度慢，換刀后還須重新對(duì)刀，并且精度不高，生產(chǎn)效率低，不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，因此有必要對(duì)機(jī)床的自動(dòng)刀架進(jìn)行改進(jìn)。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架總體設(shè)計(jì)總體方案的確定在自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床上，自動(dòng)換刀裝置應(yīng)滿足換刀時(shí)間短，刀具重復(fù)定位精度高，足夠的刀具儲(chǔ)存量，換刀安全可靠等要求。目前為止應(yīng)用最廣的刀架為回轉(zhuǎn)刀架?；剞D(zhuǎn)刀架是一種最簡(jiǎn)單的自動(dòng)換刀裝置，常用于數(shù)控車床?？梢栽O(shè)計(jì)成四方刀架、六角刀架或圓盤(pán)式軸向裝刀刀架等多種形式?；剞D(zhuǎn)刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，并按數(shù)控裝置的指令換刀?；剞D(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛度，以承受粗加工時(shí)的切削抗力。由于車削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，對(duì)于數(shù)控車床來(lái)說(shuō)，加工過(guò)程中刀具位置不進(jìn)行人工調(diào)整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證回轉(zhuǎn)刀架在每次轉(zhuǎn)位之后，具有盡可能高的重復(fù)定位精度（一般為0.001～0.005mm）。圖2-1回轉(zhuǎn)刀架的類型及工作原理一般情況下，回轉(zhuǎn)刀架的換刀動(dòng)作包括刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位及刀架壓緊等?；剞D(zhuǎn)刀架按其工作原理分為若干類型，如圖2-1所示。圖2-1a所示為螺母升降轉(zhuǎn)位刀架，電動(dòng)機(jī)經(jīng)彈簧安全離合器到蝸輪副帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，螺母舉起刀架使上齒盤(pán)及下齒盤(pán)分離，隨即帶動(dòng)刀架旋轉(zhuǎn)到位，然后給系統(tǒng)發(fā)信號(hào)螺母反轉(zhuǎn)鎖緊。使刀架換位，進(jìn)行切削加工。螺母升降式零件多，但加力可靠，精度較高，許多刀架都利用這種原理設(shè)計(jì)。圖2-1b所示為利用十字槽輪來(lái)轉(zhuǎn)位及鎖緊刀架（還要加定位銷），銷釘每轉(zhuǎn)一周，刀架便轉(zhuǎn)1/4轉(zhuǎn)（也可設(shè)計(jì)成六工位等）。十字槽輪式體積大，零件多，目前使用較少。圖2-1c所示為凸臺(tái)棘爪式刀架，蝸輪帶動(dòng)下凸輪臺(tái)相對(duì)于上凸輪臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，使其上、下端齒盤(pán)分離，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，則棘輪機(jī)構(gòu)推動(dòng)刀架轉(zhuǎn)90o，然后利用一個(gè)接觸開(kāi)關(guān)或霍爾元件發(fā)出電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)信號(hào)，重新鎖緊刀架。凸臺(tái)棘爪式重復(fù)定位精度相對(duì)較低。圖2-1d所示為電磁式刀架，它利用了一個(gè)有10kN左右拉緊力的線圈使刀架定位鎖定。電磁式目前已能實(shí)用，但多一套電路，并要有斷電保護(hù)。圖2-1e所示為液壓式刀架，它利用擺動(dòng)液壓缸來(lái)控制刀架轉(zhuǎn)位，圖中有擺動(dòng)閥芯、撥爪、小液壓缸；撥爪帶動(dòng)刀架轉(zhuǎn)位，小液壓缸向下拉緊，產(chǎn)生10kN以上的拉緊力。這種刀架的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)位可靠，拉緊力可以再加大，但其缺點(diǎn)是液壓件難制造，還需多一套液壓系統(tǒng)，有液壓油泄漏及發(fā)熱問(wèn)題。經(jīng)過(guò)參考幾種經(jīng)典的刀架設(shè)計(jì)類型后，決定在本設(shè)計(jì)中采用螺母升降轉(zhuǎn)位刀架，電動(dòng)機(jī)經(jīng)彈簧安全離合器到蝸輪副帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，螺母舉起刀架使上齒盤(pán)及下齒盤(pán)分離以及利用十字槽輪來(lái)轉(zhuǎn)位及鎖緊刀架（還要加定位銷）來(lái)實(shí)現(xiàn)刀架抬起和精確定位。減速機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定在本設(shè)計(jì)中由于采用了三相異步電動(dòng)機(jī)，三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組因及磁場(chǎng)間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)而感生電動(dòng)勢(shì)和電流，并及磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)能量變換。及單相異步電動(dòng)機(jī)相比，三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能好，并可節(jié)省各種材料。在普通的三相異步電動(dòng)機(jī)因轉(zhuǎn)速太快，不能直接驅(qū)動(dòng)刀架進(jìn)行換刀，必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臏p速。根據(jù)立式轉(zhuǎn)位刀架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用蝸桿副減速是最佳選擇。蝸輪蝸桿傳動(dòng)有以下特點(diǎn)：1、傳動(dòng)平穩(wěn)。蝸桿傳動(dòng)同時(shí)嚙合的齒對(duì)數(shù)多，且蝸桿為連續(xù)的螺旋曲面，嚙合過(guò)程是連續(xù)的，振動(dòng)、沖擊和噪聲較小。2、具有自鎖性。當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于嚙合摩擦角時(shí)，蝸桿傳動(dòng)具有自鎖性。此時(shí)，只能蝸桿帶動(dòng)蝸輪，反之則不能轉(zhuǎn)動(dòng)。3、傳動(dòng)比大。單級(jí)傳動(dòng)可獲得傳動(dòng)比為5-80，在分度機(jī)構(gòu)中可達(dá)600或更大。和齒輪傳動(dòng)相比實(shí)現(xiàn)相同的傳動(dòng)比時(shí)結(jié)構(gòu)較緊湊。所以說(shuō)蝸桿副傳動(dòng)可以改變運(yùn)動(dòng)的方向，獲得較大的傳動(dòng)比，保證傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，并且具有自鎖功能，還可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的小型化。使得刀架在是有過(guò)程中更加輕便，方便機(jī)床的加工作業(yè)。刀體鎖緊及精定位機(jī)構(gòu)的確定在本設(shè)計(jì)中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，其鎖緊及定位的精度將直接影響工件的加工精度。本設(shè)計(jì)上刀體的鎖緊及定位機(jī)構(gòu)選用端面齒盤(pán)，將上刀體和下刀體的配合面加工成梯形端面齒。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，上下端面齒相互咬合，這時(shí)上刀體不能繞刀架的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)；換刀時(shí)電動(dòng)機(jī)正傳，抬起機(jī)構(gòu)使上刀體抬起，等上下端面齒脫開(kāi)后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完成轉(zhuǎn)位動(dòng)作。抬起機(jī)構(gòu)的確定要想使上、下刀體的兩個(gè)端面齒脫離，就必須設(shè)計(jì)合適的機(jī)構(gòu)使上刀體抬起。本設(shè)計(jì)選用螺桿-螺母副，在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當(dāng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)蝸桿-蝸輪帶動(dòng)蝸桿繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動(dòng)，要么上下移動(dòng)。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，上刀體及下刀體的端面齒相互咬合，因?yàn)檫@時(shí)上刀體不能及螺桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，所以螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使上刀體向上移動(dòng)。當(dāng)端面齒脫離咬合時(shí)，上刀體就及螺桿一同轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)計(jì)螺桿時(shí)要求選擇適當(dāng)?shù)穆菥?，以便?dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，使得上刀體及下刀體的端面齒能夠完全脫離咬合狀態(tài)。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)械部分設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程圖如圖3-1所示，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。圖3-1自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架換刀流程1-發(fā)信盤(pán)2-推力球軸承3-螺桿螺母副4-端面齒盤(pán)5-反靠圓盤(pán)6-三相異步電機(jī)7-聯(lián)軸器8-蝸桿副9-反靠銷10-圓柱銷11-上蓋圓盤(pán)12-上刀體圖3-2自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖刀架抬起：需要換刀時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號(hào)，三相異步電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)蝸桿副帶動(dòng)螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)，及螺桿配合的上刀體逐漸抬起，下刀體及下刀體之間的端面齒慢慢脫開(kāi)；刀架轉(zhuǎn)位：當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)170度時(shí)，兩端面完全脫開(kāi)，圓柱銷由于彈簧的作用壓在螺桿上端的臺(tái)階內(nèi)側(cè)，于是螺桿帶動(dòng)上刀體轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。刀架定位：上刀體帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時(shí)，粗定位銷在彈簧的作用下進(jìn)入粗定位槽，同時(shí)發(fā)信盤(pán)上對(duì)應(yīng)的霍爾元件輸出高電平信號(hào)，控制系統(tǒng)收到后，立即控制刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，由于粗定位銷的作用，上刀體不會(huì)隨螺桿的反轉(zhuǎn)而反轉(zhuǎn)，所以開(kāi)始下降，上下刀體的端面逐漸嚙合，實(shí)現(xiàn)精定位。刀架夾緊：上下刀體的端面齒緊密嚙合后.螺桿不再轉(zhuǎn)動(dòng)，而電機(jī)繼續(xù)帶動(dòng)蝸輪向螺桿加力，經(jīng)過(guò)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后，刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，整個(gè)換刀過(guò)程結(jié)束。由于蝸桿副有自鎖功能，所以刀架可以穩(wěn)定的工作。圖3-3自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在換刀過(guò)程中有關(guān)銷的位置圖3-3表示自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在換刀過(guò)程中有關(guān)銷的位置。其中上部的圓柱銷2和下部的反靠銷6起著重要的作用。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，兩銷的情況如圖a所示，此時(shí)反靠銷6落在反靠圓盤(pán)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咬合狀態(tài)。需要換刀時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號(hào)，三相異步電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)蝸桿副帶動(dòng)螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)，及蝸桿配合的上刀體4逐漸抬起，上刀體4及下刀體之間的端面齒慢慢脫開(kāi)；于此同時(shí)，上蓋圓盤(pán)1也隨著螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)(上蓋圓盤(pán)1通過(guò)圓柱銷及螺桿連接)當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)約170度時(shí)，上蓋圓盤(pán)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(pán)1就通過(guò)圓柱銷2使得上刀體4轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)（此時(shí)端面齒已經(jīng)完全脫開(kāi)）如圖b所示。上蓋圓盤(pán)1，圓柱銷2以及上刀體4在正轉(zhuǎn)的過(guò)程中，反靠銷6能夠從反靠圓盤(pán)7中十字槽的左側(cè)斜坡滑出，而不影響上刀體4尋找刀位時(shí)的正向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖c所示。上刀體4帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時(shí)，發(fā)信盤(pán)上對(duì)應(yīng)的霍爾元件輸出低電平信號(hào)，控制系統(tǒng)收到后，立即控制刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，上蓋圓盤(pán)1通過(guò)圓柱銷2帶動(dòng)上上刀體4開(kāi)始反轉(zhuǎn)，反靠銷6馬上就會(huì)落入反靠圓盤(pán)7的十字槽內(nèi)，至此。完成粗定位，如圖d所示。此時(shí)，反靠銷6從反靠圓盤(pán)7的十字槽內(nèi)爬不上來(lái)，于是上刀體4停止轉(zhuǎn)動(dòng)，開(kāi)始下降，而上蓋圓盤(pán)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的銷孔內(nèi)，之后，上蓋圓盤(pán)1的下表面開(kāi)始及圓柱銷2的頭部滑動(dòng)。在此期間，上、下刀體的端面齒逐漸咬合，實(shí)現(xiàn)精定位。經(jīng)過(guò)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后，刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，整個(gè)換刀過(guò)程結(jié)束。蝸輪及蝸桿的設(shè)計(jì)及校核按照設(shè)計(jì)要求對(duì)電機(jī)進(jìn)行選型：要求功率為90W，轉(zhuǎn)速1440r/min，經(jīng)過(guò)查取有關(guān)資料，采用江西省泰隆電機(jī)有限公司生產(chǎn)的JW5614-90W三相異步電機(jī)。JW系列三相異步電動(dòng)機(jī)，按JB1009-1012-91，GB12350-2000標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，具有外型勻稱美觀，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，效率高，使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)行性能良好，噪音小，結(jié)構(gòu)合理，維護(hù)方便等特點(diǎn)。一般多用于驅(qū)動(dòng)需要較大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的機(jī)械，如機(jī)床、建筑機(jī)械、農(nóng)副產(chǎn)品加工、泵、空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)、磨粉機(jī)、醫(yī)療器械、及農(nóng)業(yè)機(jī)械的驅(qū)動(dòng)。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的動(dòng)力源是三相異步電動(dòng)機(jī)，其中蝸桿及電動(dòng)機(jī)直連，刀架轉(zhuǎn)位時(shí)蝸輪及上刀體直連。已知電動(dòng)機(jī)額定功率=90W，額定轉(zhuǎn)速=1440r/min，上刀體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速=30r/min，則蝸桿副的傳動(dòng)比i=/=1440/30=48。刀架從轉(zhuǎn)位到鎖緊時(shí)，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，啟動(dòng)時(shí)沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命=10000h。蝸桿的選型按蝸桿形狀，蝸桿傳動(dòng)可分為圓柱蝸桿傳動(dòng)、環(huán)面蝸桿傳動(dòng)和錐蝸桿傳動(dòng)。圓柱蝸桿設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單，應(yīng)用十分廣泛；環(huán)面蝸桿潤(rùn)滑性能較好，效率高，承載能力高，為普通蝸桿的2-4倍，但制造安裝復(fù)雜，用在大功率的場(chǎng)合；錐蝸桿制造安裝復(fù)雜，應(yīng)用較少。圓柱蝸桿傳動(dòng)包括普通圓柱蝸桿傳動(dòng)和圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)。根據(jù)螺旋線的不同，圓柱蝸桿可分為阿基米德圓柱蝸桿（ZA蝸桿）、法向直廓圓柱蝸桿（ZN蝸桿）、漸開(kāi)線圓柱蝸桿（ZI蝸桿）和錐面包絡(luò)線圓柱蝸桿（ZK蝸桿）。阿基米德蝸桿（ZA蝸桿）的特點(diǎn)是在軸向齒廓呈齒條形狀，法向齒廓為外凸曲線，在端平面上的齒廓為阿基米德螺旋線。這種蝸桿可以在車床上用于直線刀刃的單刀(當(dāng)導(dǎo)程角γ≤3°時(shí))或雙刀(當(dāng)γ>3°時(shí))的車削加工，制造方便，應(yīng)用廣泛。一般用于頭數(shù)較少、載荷較小、低速或不太重要的傳動(dòng)。法向直廓圓柱蝸桿（ZN蝸桿）磨削起來(lái)難度較大，所以不推薦采用。漸開(kāi)線蝸桿（ZI蝸桿）如圖（3-4）所示，這種蝸桿的端面齒廓位漸開(kāi)線，所以相當(dāng)于一個(gè)少數(shù)、大螺旋角的漸開(kāi)線圓柱斜齒輪，ZI螺桿可用兩把直線刀刃的車刀在車床上車削。圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)（ZC蝸桿）。在軸向平面內(nèi)具有凹圓弧齒廓，及蝸輪組成凹凸嚙合傳動(dòng)型式，承載能力大、效率高、耐磨，在冶金、建筑、化工等機(jī)械中應(yīng)用廣泛。圖3-4漸開(kāi)線蝸桿在GB/T10085——1988中推薦采用漸開(kāi)線蝸桿（Z1蝸桿）和錐面包絡(luò)蝸桿（ZK蝸桿）。本設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便的漸開(kāi)線型圓柱蝸桿(Z1型)。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，越是簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。在考慮穩(wěn)定性以及小型化的因素上所以采用漸開(kāi)線型圓柱蝸桿。蝸桿副的材料蝸桿一般是用碳鋼或合金鋼制成。高速重載蝸桿常用15Cr或20Cr，并經(jīng)滲碳淬火；也有用40、45號(hào)鋼或40Cr并經(jīng)淬火。這樣可以提高表面硬度，增加耐磨性。通常要求蝸桿淬火后的硬度為40～55HRC，經(jīng)氮化處理后的硬度為55～62HRC。一般不太重要的低速中載的蝸桿，可采用40或45號(hào)鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，其硬度為220～300HBS。常用的蝸輪材料為鑄造錫青銅（ZCuSn10P1，ZCuSn5Pb5Zn5）、鑄造鋁鐵青銅（ZcuAl10Fe3）及灰鑄鐵（HT150、HT200）等。錫青銅耐磨性最好，但價(jià)格較高，用滑動(dòng)速度v3m/s的重要傳動(dòng)；鋁鐵青銅的耐磨性較錫青銅差一些，但價(jià)格便宜，一般用于滑動(dòng)速度v4m/s的傳動(dòng)；如果滑動(dòng)速度不高(2m/s），對(duì)效率要求也不高時(shí)，可采用灰鑄鐵。為了防止變形，常對(duì)蝸輪進(jìn)行時(shí)效處理。設(shè)計(jì)要求電機(jī)功率為90W，刀架中的蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速較高，因此蝸桿的材料選擇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(zhuǎn)速較低，其材料主要考慮耐磨性，選用鑄錫磷青銅ZcuSn10P1，采用金屬模鑄造。按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)刀架中的蝸桿副采用閉式傳動(dòng)，多因齒面膠合或點(diǎn)蝕而失效。因此，在進(jìn)行承載能力計(jì)算時(shí)，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。按蝸輪接觸疲勞強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)計(jì)算的公式為：上式中：——蝸桿副的傳動(dòng)中心距，單位為mm；K——載荷系數(shù)；——作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T，單位N.mm；——彈性影響系數(shù)，單位為MPa；——接觸系數(shù)；——許用接觸應(yīng)力，單位為MPa；由上式算出蝸桿副的中心距a之后，根據(jù)已知的傳動(dòng)比i=48，可以選擇合適的中心距a值，以及相應(yīng)的蝸桿，蝸輪參數(shù)。確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T設(shè)蝸桿頭數(shù)=1，蝸桿副的傳動(dòng)效率取=0.8。由電動(dòng)機(jī)的額定功率=90W，可以算出蝸輪傳遞的功率=，再由蝸輪的轉(zhuǎn)速=30r/min，求得作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩：=9.55/=9.55/=22920N.mm確定載荷系數(shù)K載荷系數(shù)。其中為使用系數(shù)，由于工作載荷分布步均勻，啟動(dòng)時(shí)沖擊較大，因此取=1.15；K為齒向載荷分布系數(shù)，因工作載荷在啟動(dòng)和停止時(shí)有變化，故取=1.15；為動(dòng)載系數(shù)，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取=1.05，則載荷系數(shù)：確定彈性影響系數(shù)鑄錫磷青銅蝸輪及鋼蝸桿相配時(shí)，從參考文獻(xiàn)表3-2-9查得彈性影響系數(shù)=160MPa。確定接觸系數(shù)先假設(shè)蝸桿分度圓直徑和傳動(dòng)中心距a的比值/a=0.35，由參考文獻(xiàn)圖11-18查得系數(shù)=2.9。確定許用接觸力根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC，從參考文獻(xiàn)表11-7查得蝸輪的基本許用力=268MPa，已知蝸桿為單頭，蝸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)每個(gè)輪齒咬合的次數(shù)j=1；蝸輪轉(zhuǎn)速=30r/min；蝸桿副的使用壽命=10000h。則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：N=60j=1.8107壽命系數(shù)：KHN=0.929許用接觸應(yīng)力：==249MPa計(jì)算中心距將以上各參數(shù)代入式求得中心距：==48mm查參考文獻(xiàn)表11-2，取中心距a=50mm，已知蝸桿頭數(shù)=1，設(shè)模數(shù)m=1.6mm，得直徑=20mm，這時(shí)/a=0.4，由參考文獻(xiàn)圖11-19可得接觸系數(shù)=2.74。因?yàn)?，所以上述?jì)算結(jié)構(gòu)可用。蝸輪及蝸桿的主要參數(shù)及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。蝸桿參數(shù)及尺寸頭數(shù)=1，模數(shù)m=1.6mm，軸向齒距=3.14m=5.027mm，軸向齒厚=0.5，分度圓直徑=20mm，直徑系數(shù)q=/m=12.5，分度圓導(dǎo)程腳r==。蝸輪參數(shù)及尺寸齒數(shù)=48，模數(shù)m=1.6mm，分度圓直徑為=m=1.648mm=76.8mm，變位系數(shù)=[a-(+)/2]/m=[50-(20+76.8)/2]/1.6=1，蝸輪喉圓直徑為=+2m(+)=83.2mm，蝸輪齒根圓直徑=-2m(+c)=76.16mm。校核蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度即校驗(yàn)下式是否成立：式中：——蝸輪齒根彎曲應(yīng)力，單位為MPa；——蝸輪齒形系數(shù)；——螺旋角影響系數(shù)；——蝸輪的許用彎曲應(yīng)力，單位為MPa；由蝸桿頭數(shù)=1，傳動(dòng)比i=48，可以算出蝸輪齒數(shù)=i=48則蝸輪的當(dāng)量齒數(shù)：根據(jù)蝸輪變位系數(shù)=1和當(dāng)量齒數(shù)=48.46，得齒形系數(shù)=1.95。旋轉(zhuǎn)角影響系數(shù)：=1-=0.967；根據(jù)蝸輪的材料和制造方法，由參考文獻(xiàn)表11-8可得蝸輪基本許用彎曲應(yīng)力：=56MPa；蝸輪的壽命系數(shù)：==0.725；蝸輪的許用彎曲應(yīng)力：==40.6MPa；將以上參數(shù)代入式：；得蝸輪齒根彎曲應(yīng)力：=37.4；可見(jiàn)，，蝸輪齒根的彎曲強(qiáng)度滿足要求。螺桿的主要參數(shù)及幾何尺寸螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算螺距的確定刀架轉(zhuǎn)位時(shí)，要求蝸桿在轉(zhuǎn)到約170°的情況下，上刀體的斷面齒及下刀體的斷面齒完全脫離；在鎖緊的時(shí)候，要求上下端面齒的咬合深度達(dá)2mm.因此，螺桿的螺距P應(yīng)滿足P170/360>2mm，即P>4.24mm。今取螺桿的螺距P=8mm。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b=，外螺紋大徑=50mm，牙頂間隙=0.5mm，基本牙形高度=0.5P=3mm，外螺紋牙高=3.5mm，外螺紋中經(jīng)=46mm，外螺紋小徑=42mm，螺桿螺紋部分長(zhǎng)度H=50mm。自鎖性能校核螺桿——螺母材料均用45鋼，查參考文獻(xiàn)表5-12，取二者的摩擦因數(shù)f=0.11；再求得梯形螺旋副的當(dāng)量摩擦角約為6.5，而螺紋升角約為2.33，小于當(dāng)量摩擦角。因此，所選幾何參數(shù)滿足自鎖條件。蝸桿軸的設(shè)計(jì)蝸桿軸的材料選擇，確定許用應(yīng)力考慮軸主要傳遞蝸輪的轉(zhuǎn)矩，為普通用途中小功率減速傳動(dòng)裝置。選擇軸的材料為45號(hào)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。由參考文獻(xiàn)表15-1查得=640Mpa，=355Mpa，=275Mpa，=155Mpa，=60Mpa。按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步估算軸的最小直徑軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為:=式中——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；T一一軸所受的扭矩，NM；——軸的抗扭截面系數(shù)，；n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min；P——軸傳遞的功率，kW；d一一計(jì)算截面處軸的直徑，mm；——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；由式=可得軸的直徑當(dāng)軸截面上開(kāi)有鍵槽時(shí)，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的削弱。對(duì)于直徑d100mm的軸，有一個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑增大5%~7%。由參考文獻(xiàn)表15-3查得=112，代入式中，取=6.1345mm，同時(shí)查表得到所用電動(dòng)機(jī)(YS5624型)輸出軸直徑為9mm，所以在空間充裕的情況下取輸入軸最小直徑為9mm，伸出長(zhǎng)度為50mm。確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度根據(jù)各個(gè)零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長(zhǎng)度。初步確定蝸桿軸如圖3-5所示：圖3-5蝸桿軸=同一軸上的軸承選用同一型號(hào)，以便于軸承座孔的鏜制和減少軸承類型。段軸上有一個(gè)鍵槽，故槽徑增大5%。==(1+5%)=6.44mm，圓整==12mm。所選軸承類型為深溝球軸承，型號(hào)為6301。B=12mm，D=37mm。段起固定作用，取18rnm。段為蝸桿及蝸輪嚙合部分，故=23.2mm。==18mm，便于加工和安裝。段為及軸承配合的軸段，查軸承寬度為12mm，則=12mm。段尺寸長(zhǎng)度及刀架體的設(shè)計(jì)有關(guān)，蝸桿端面到刀架端面距離為67rnm。端蓋寬度為10mm，故=45rnm。段為蝸桿部分長(zhǎng)度，當(dāng)=1~2時(shí)，=1，(12+0.1)m=26.88rnm，圓整取30mm。==45mm。段長(zhǎng)度為12rnm，軸的總長(zhǎng)為164rnm。蝸桿軸的校核計(jì)算軸上的作用力蝸桿=9550=614N.mm=/=2614/20=61.4N.mm=2/==522.3N==190.1N計(jì)算支反力垂直面支反力：A，B兩點(diǎn)分為左，右深溝球軸承中心。C點(diǎn)為蝸桿中心。設(shè)A點(diǎn)到C點(diǎn)距離為，C點(diǎn)到B點(diǎn)距離為。兩軸承間距離a=152mm，以蝸桿副為中心對(duì)稱布置所以==76mm。圖3-6軸的載荷分析圖（a）受力簡(jiǎn)圖（b）（X—Y）平面彎矩圖（c）（X—Z）平面彎矩圖（d）合成彎矩圖（e）轉(zhuǎn)矩圖（f）當(dāng)量彎矩圖由繞支點(diǎn)B的力矩=0得：=0=60.69N方向向上；同理，由繞支點(diǎn)A的力矩和=0得：=0，=129.41N方向向上，由軸上的合力=0校核++=0計(jì)算無(wú)誤。水平支反力：由繞支點(diǎn)B的力矩=0得：==30.7N放心向上。同理，由繞支點(diǎn)A的力矩和得：=30.7N方向向上，由軸上的合力校核：++=0計(jì)算無(wú)誤。A點(diǎn)支反總力A點(diǎn)支反總力==68.01NB點(diǎn)支反總力==133N繪制轉(zhuǎn)、彎矩圖垂直而內(nèi)的彎矩圖，如圖3-6b。C處彎矩：左==60.6976=4612.44N.mm右==9835.44N.mm水平面內(nèi)的彎矩圖，如圖3-6c。C處彎矩：==2333.2N.mm合成彎矩圖，如圖3-6d。C處：左==5168.99N.mm右==10108.4N.mm轉(zhuǎn)矩圖，如圖3-6e。T=614N.mm當(dāng)量彎矩圖，如圖3-6f。因?yàn)槭菃蜗蚧剞D(zhuǎn)軸，所以扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力視為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，這算系數(shù)c=0.6c×T=0.6614=368.4N.mmC處：左=左=5168.99N.mm右==10115.1N.mm彎扭合成強(qiáng)度校核進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和轉(zhuǎn)矩的截面（即危險(xiǎn)截面C）的強(qiáng)度。=12.64MPa。根據(jù)選定的軸的材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由參考文獻(xiàn)表15-1查得=60MPa，因，故強(qiáng)度足夠。安全系數(shù)法疲勞強(qiáng)度校核對(duì)一般減速器的轉(zhuǎn)軸僅試用彎扭合成強(qiáng)度校核即可，而不必進(jìn)行安全系數(shù)法校核。在此試用此法。判定校核的危險(xiǎn)截面對(duì)照彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖的結(jié)構(gòu)圖，從強(qiáng)度、應(yīng)力集中方面分析，C截面是危險(xiǎn)截面。需對(duì)C截面進(jìn)行校核。軸的材料的機(jī)械性能根據(jù)選定的軸的材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理由參考文獻(xiàn)表15-1查得：=640MPa，=275MPa，=155MPa，取=0.2，=0.5=0.50.2=0.1C截面上的應(yīng)力W=/32=785，=/16=1570，=左/W=4270.65/785=5.4MPa彎曲切應(yīng)力幅=0，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅：=T/(2)=597/(21570)=0.19MPa平均切應(yīng)力==0.19MPa影響系數(shù)C截面為危險(xiǎn)截面，由差值法求出：/=3.16，取/=0.8/=0.83.16=2.53軸按磨削加工，求出表面質(zhì)量系數(shù)：==0.92故得綜合影響系數(shù)：=/+1/1=3.16+1/0.921=3.25=/+1/1=2.53+1/0.921=2.62疲勞強(qiáng)度校核所以軸在C截面的安全系數(shù)為：=/=275/(3.255.44+0)=15.554；=/=155/(2.620.19+0.10.9)=310；=/=19.7；取許用安全系數(shù)S=1.8，有>S，故C截面強(qiáng)度足夠。蝸桿軸的軸承選用從參考文獻(xiàn)表6-2-21中查得12mm內(nèi)徑的推力球軸承，型號(hào)為6301,基本尺寸：d=12mm；D=37mm；B=12；安裝尺寸：(min)=18mm；(max)=32mm(max)=1基本額定載荷：=9.72kN；=5.08kN。潤(rùn)滑方式：脂潤(rùn)滑。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架電氣部分設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的自動(dòng)控制主要取決于電氣控制部分，電氣控制部分主要分兩個(gè)方面1、硬件電路設(shè)計(jì)；2、控制軟件設(shè)計(jì)。硬件電路設(shè)計(jì)自動(dòng)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，如圖4-1。在傳感器的選擇上選用了霍爾元件，是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器。所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí)，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。金屬的霍爾效應(yīng)是1879年被美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流通過(guò)金屬箔片時(shí)，若在垂直于電流的方向施加磁場(chǎng)，則金屬箔片兩側(cè)面會(huì)出現(xiàn)橫向電位差。半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現(xiàn)極強(qiáng)的霍爾效應(yīng)。而霍爾元件就是利用霍爾效應(yīng)可以設(shè)計(jì)制成多種傳感器?；魻栯娢徊頤H的基本關(guān)系為：UH=RHIB/d；式中：RH=1/nq（金屬）；n——單位體積內(nèi)載流子或自由電子的個(gè)數(shù)；q——電子電量；I——通過(guò)的電流；B——垂直于I的磁感應(yīng)強(qiáng)度；d——導(dǎo)體的厚度。由于通電導(dǎo)線周圍存在磁場(chǎng)，其大小及導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾元件測(cè)量出磁場(chǎng)，就可確定導(dǎo)線電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不及被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)電源的功率，特別適合于大電流傳感。若把霍爾元件置于電場(chǎng)強(qiáng)度為E、磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的電磁場(chǎng)中，則在該元件中將產(chǎn)生電流I，元件上同時(shí)產(chǎn)生的霍爾電位差及電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比，如果再測(cè)出該電磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，則電磁場(chǎng)的功率密度瞬時(shí)值P可由P=EH確定。利用這種方法可以構(gòu)成霍爾功率傳感器。如果把霍爾元件集成的開(kāi)關(guān)按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在物體上，當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)物體上的永磁體經(jīng)過(guò)它時(shí)，可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)列可以傳感出該運(yùn)動(dòng)物體的位移。若測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，則可以確定其運(yùn)動(dòng)速度。霍爾元件就是應(yīng)用霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體。(a)(b)（c）（d）圖4-1自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架電氣控制原理圖a發(fā)信盤(pán)上的霍爾元件b刀位信號(hào)的處理c刀架電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制d刀架電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)（1）收信電路圖a中，發(fā)信盤(pán)上的4只霍爾開(kāi)關(guān)（型號(hào)為UGN3120U），都有3個(gè)引腳，第1角接+12V電源，第2角接+12V地，第3角輸出。轉(zhuǎn)位時(shí)刀體帶動(dòng)磁鐵旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁鐵對(duì)準(zhǔn)某一個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)時(shí)，其輸出端第3角輸出低電平；當(dāng)磁鐵離開(kāi)時(shí)，第3角輸出高電平。4只霍爾開(kāi)關(guān)輸出的4個(gè)刀位信號(hào)T1~T4分別送到圖b的4只光耦合器進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)光電隔離的信號(hào)再送給I/O接口芯片8255的PC4~PC7。（2）發(fā)信電路圖c為刀架電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路，I/O接口芯片8255的PA6及PA7分別控制刀架電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)。其中KA1為正轉(zhuǎn)繼電器的線圈，KA2的反轉(zhuǎn)繼電器的線圈。刀架電動(dòng)機(jī)的功率只有90W，所以圖d中刀架電動(dòng)機(jī)及380V市電的接通可以選用大功率直流繼電器，而不必采用繼電器接觸器電路，以節(jié)省成本，降低故障率。圖c中，正轉(zhuǎn)繼電器的線圈KA1及反轉(zhuǎn)繼電器的一組常閉觸點(diǎn)串聯(lián)，而反轉(zhuǎn)繼電器的線圈KA2又及正轉(zhuǎn)繼電器的一組常閉觸點(diǎn)串聯(lián)，這樣就構(gòu)成了正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)的互鎖電路，以防止系統(tǒng)失控時(shí)導(dǎo)致短路現(xiàn)象。當(dāng)KA1或KA2的觸點(diǎn)接通80V電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的火花，并通過(guò)電網(wǎng)影響控制系統(tǒng)的正常工作，為此，在圖d中布置了3對(duì)R-C阻容用來(lái)滅弧，以抑制火花的產(chǎn)生?？刂栖浖O(shè)計(jì)在清楚了自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制電路后，就可以著手編制刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)位的控制軟件了。對(duì)于四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架來(lái)說(shuō)，它最多裝有4把刀具，設(shè)計(jì)控制軟件的任務(wù)，就是選中任意一把刀具，讓其回轉(zhuǎn)到工作位置。圖4-2表示讓1#刀轉(zhuǎn)到工作位置的程序流程，2#~4#刀的轉(zhuǎn)位流程及1#刀相似。圖4-21#刀轉(zhuǎn)到工作位置的程序流程80C31單片機(jī)及其引腳說(shuō)明80C31單片機(jī)，它是8位高性能單片機(jī)。屬于標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51的HCMOS產(chǎn)品。它結(jié)合了HMOS的高速和高密度技術(shù)及CHMOS的低功耗特征，標(biāo)準(zhǔn)MCS-51單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。80C31內(nèi)置中央處理單元、128字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、32個(gè)雙向輸入/輸出(I/O)口、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和5個(gè)兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路。但80C31片內(nèi)并無(wú)程序存儲(chǔ)器，需外接ROM。此外，80C31還可工作于低功耗模式，可通過(guò)兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)CPU而RAM定時(shí)器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存RAM數(shù)據(jù)，時(shí)鐘振蕩停止，同時(shí)停止芯片內(nèi)其它功能。80C31有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)兩種封裝形式。8031芯片具有40根引腳，其引腳圖如圖4-3所示：圖4-380C31單片機(jī)40根引腳按其功能可分為三類：電源線2根：Vcc：編程和正常操作時(shí)的電源電壓，接+5V。Vss：地電平。晶振：2根XTAL1：振蕩器的反相放大器輸入。使用外部震蕩器是必須接地。XTAL2：振蕩器的反相放大器輸出和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)用于輸入外部振蕩信號(hào)。I/O口共有p0、p1、p2、p3四個(gè)8位口，32根I/O線，其功能如下：P0.0～P0.7（AD0～AD7）是I/O端口O的引腳，端口O是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向I/O端口。在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，該端口分時(shí)地用作低8位的地址線和8位雙向的數(shù)據(jù)端口。（在此時(shí)內(nèi)部上拉電阻有效）P1.0～P1.7端口1的引腳，是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O通道，專供用戶使用。P2.0～P2.7（A8～A15）端口2的引腳。端口2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，它輸出高8位地址A8～A15P3.0～P3.7端口3的引腳。端口3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口，該口的每一位均可獨(dú)立地定義第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時(shí)，口的結(jié)構(gòu)及操作及P1口完全相同，第二功能如下所示：P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外部中斷）P3.3（外部中斷）P3.4T0（定時(shí)器0外部輸入）P3.5T1（定時(shí)器1外部輸入）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）靜態(tài)存儲(chǔ)器6264的特性6264是一種8K×8的靜態(tài)存儲(chǔ)器，其內(nèi)部組成，主要包括512×128的存儲(chǔ)器矩陣、行／列地址譯碼器以及數(shù)據(jù)輸入輸出控制邏輯電路。地址線13位，其中A12～A3用于行地址譯碼，A2～A0和A10用于列地址譯碼。在存儲(chǔ)器讀周期，選中單元的8位數(shù)據(jù)經(jīng)列I/O控制電路輸出；在存儲(chǔ)器寫(xiě)周期，外部8位數(shù)據(jù)經(jīng)輸入數(shù)據(jù)控制電路和列I／O控制電路，寫(xiě)入到所選中的單元中。6264有28個(gè)引腳，采用雙列直插式結(jié)構(gòu)，使用單一＋5V電源。其引腳功能如下：A12～A0（addressinputs）：地址線，可尋址8KB的存儲(chǔ)空間。D7～D0（databus）：數(shù)據(jù)線，雙向，三態(tài)。OE（outputenable）：讀出允許信號(hào)，輸入，低電平有效。WE（writeenable）：寫(xiě)允許信號(hào)，輸入，低電平有效。CE1（chipenable）：片選信號(hào)1，輸入，在讀/寫(xiě)方式時(shí)為低電平。CE2（chipenable）：片選信號(hào)2，輸入，在讀/寫(xiě)方式時(shí)為高電平。VCC：+5V工作電壓。GND：信號(hào)地。其操作方式由OE，WE，CE1，CE2共同作用決定：寫(xiě)入：當(dāng)WE和CE1為低電平，且OE和CE2為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)輸入緩沖器打開(kāi)，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線D7～D0寫(xiě)入被選中的存儲(chǔ)單元。讀出：當(dāng)OE和CE1為低電平，且WE和CE2為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)輸出緩沖器選通，被選中單元的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線D7～D0上。保持：當(dāng)CE1為高電平，CE2為任意時(shí)，芯片未被選中，處于保持狀態(tài)，數(shù)據(jù)線呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。2764只讀存儲(chǔ)器的特性

2764是8K*8字節(jié)的紫外線镲除、電可編程只讀存儲(chǔ)器，單一+5V供電，工作電流為75mA，維持電流為35mA，讀出時(shí)間最大為250nS，28腳雙列直插式封裝。各引腳的含義為：A0一A12：13根地址輸入線。用于尋址片內(nèi)的8K個(gè)存儲(chǔ)單元。D0～D7：8根雙向數(shù)據(jù)線，正常工作時(shí)為數(shù)據(jù)輸出線。編程時(shí)為數(shù)據(jù)輸入線。OE：輸出允許信號(hào)。低電平有效。當(dāng)該信號(hào)為0時(shí)，芯片中的數(shù)據(jù)可由D0～D7端輸出。CE：選片信號(hào)。低電平有效。當(dāng)該信號(hào)為0時(shí)表示選中此芯片。．PGM:編程脈沖輸入端。對(duì)EPROM編程時(shí)，在該端加上編程脈沖。讀操作時(shí)該信號(hào)為1。VPP：編程電壓輸入端。編程時(shí)應(yīng)在該端加上編程高電壓，不同的芯片對(duì)VPP的值要求的不一樣，可以是+12.5V，+15V，+21V，+25V等。說(shuō)明：EPROM的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以擦除重寫(xiě)，而且允許擦除的次數(shù)超過(guò)上萬(wàn)次。一片新的或擦除干凈EPROM芯片，其每一個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都是FFH。要對(duì)一個(gè)使用過(guò)的EPROM進(jìn)行編程，則首先應(yīng)將其放到專門(mén)的擦除器上進(jìn)行擦除操作。擦除器利用紫外線光照射EPROM的窗口，一般經(jīng)過(guò)15-20min即可擦除干凈。擦除完畢后可讀一下EPROM的每個(gè)單元，若其內(nèi)容均為FFH，就認(rèn)為擦除干凈了?？删幊滩⑿蠭/O接口芯片8255的特性8255是一個(gè)并行輸入/輸出的LSI芯片，多功能的I/O器件，可作為CPU總線及外圍的接口。具有24個(gè)可編程設(shè)置的I/O口，即使3組8位的I/O口為PA口，PB口和PC口。它們又可分為兩組12位的I/O口，A組包括A口及C口(高4位，PC4~PC7)，B組包括B口及C口(低4位，PC0~PC3)。A組可設(shè)置為基本的I/O口，閃控(STROBE)的I/O閃控式，雙向I/O3種模式；B組只能設(shè)置為基本I/O或閃控式I/O兩種模式，而這些操作模式完全由控制寄存器的控制字決定。8255引腳功能：RESET：復(fù)位輸入線，當(dāng)該輸入端處于高電平時(shí)，所有內(nèi)部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成輸入方式。CS：芯片選擇信號(hào)線，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí)，即/CS=0時(shí)，表示芯片被選中，允許8255及CPU進(jìn)行通訊；/CS=1時(shí)，8255無(wú)法及CPU做數(shù)據(jù)傳輸。RD：讀信號(hào)線，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低跳變延時(shí)，即/RD產(chǎn)生一個(gè)低脈沖且/CS=0時(shí)，允許8255通過(guò)數(shù)據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數(shù)據(jù)。WR：寫(xiě)入信號(hào)，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低跳變延時(shí)，即/WR產(chǎn)生一個(gè)低脈沖且/CS=0時(shí)，允許CPU將數(shù)據(jù)或控制字寫(xiě)入8255。D0～D7：三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255及CPU數(shù)據(jù)傳送的通道，當(dāng)CPU執(zhí)行輸入輸出指令時(shí)，通過(guò)它實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的讀/寫(xiě)操作，控制字和狀態(tài)信息也通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳送。8255具有3個(gè)相互獨(dú)立的輸入/輸出通道端口，用+5V單電源供電，能在以下三種方式下工作。方式0——基本輸入輸出方式；方式1——選通輸入/出方式；方式2——雙向選通輸入/輸出方式；PA0～PA7:端口A輸入輸出線，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器。工作于三種方式中的任何一種；PB0～PB7：端口B輸入輸出線，一個(gè)8位的I/O鎖存器，一個(gè)8位的輸入輸出緩沖器。不能工作于方式二；PC0～PC7:端口C輸入輸出線，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器。端口C可以通過(guò)工作方式設(shè)定而分成2個(gè)4位的端口，每個(gè)4位的端口包含一個(gè)4位的鎖存器，分別及端口A和端口B配合使用，可作為控制信號(hào)輸出或狀態(tài)信號(hào)輸入端口。不能工作于方式一或二。A1、A0：地址選擇線，用來(lái)選擇8255的PA口、PB口、PC口和控制寄存器。當(dāng)A1=0、A0=0時(shí)，PA口被選擇；當(dāng)A1=0、A0=1時(shí)，PB口被選擇；當(dāng)A1=1、A0=0時(shí)，PC口被選擇；當(dāng)A1=1、A0=1時(shí)，控制寄存器被選擇。設(shè)控制系統(tǒng)的CPU為80C31單片機(jī)，擴(kuò)展8255芯片作為回轉(zhuǎn)刀架的收信及發(fā)信控制，設(shè)計(jì)電路圖如圖4-4所示。圖4-4設(shè)計(jì)電路圖已知8255芯片的控制口地址為2FFFH，則基于流程圖的匯編程序清單如下：T01：MOVDPTR，#2FFEH；指向8255的PC口MOVXA，@DPTR；讀取PC口的內(nèi)容JNBACC.4，TEND；測(cè)試PC4=0？若是，則說(shuō)明1#已在工作位置，程序轉(zhuǎn)到TENDMOVDPTR，#2FFCH；指向8255的PA口地址MOVXA，@DPTR；讀取PA口鎖存器的內(nèi)容CLRACC.6；令PA6=0，刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)有效SETBACC.7；令PA7=1，刀架電動(dòng)機(jī)無(wú)效MOVX@DPTR，A；刀架電動(dòng)機(jī)開(kāi)始正轉(zhuǎn)CALLDE20MS；延時(shí)20msYT01：MOVXDPTR，#2FFEH；指向8255的PC口MOVXA，@DPTR；第二次讀取PC口內(nèi)容JBACC.4，YT11；PC4=0？CALLDE20MS；延時(shí)20msYT21：MOVDPTR，#2FFEH；指向8255的PC口MOVXA，@DPTR；第三次讀取PC口內(nèi)容JBACC.4，YT21；PC4=0？MOVDPTR，#2FFCH；指向PC口MOVXA，@DPTR；讀取PA口鎖存器內(nèi)容SETBACC.6；令PA6=1，刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)無(wú)效SETBACC.7；令PA7=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無(wú)效MOVX@DPTR，A；刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)CALLDE150MS；延時(shí)150msCLRACC.7；令PA7=0，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無(wú)效SETBACC.6；令PA6=1，刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)無(wú)效MOVX@DPTR，A；刀架電動(dòng)機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)CALLDELAY；延時(shí)設(shè)定的反轉(zhuǎn)鎖緊時(shí)間SETBACC.6；令PA6=1，刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)無(wú)效SETBACC.7；令PA7=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無(wú)效MOVX@DPTR，A；刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)TEND：RET；換1#刀結(jié)束結(jié)論本次設(shè)計(jì)為了能在工件的一次裝夾中完成多個(gè)工序加工，縮短加工輔助時(shí)間，減少多次安裝所引起的加工誤差，充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的效率，采用“工序集中”的原則，采用自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架。通過(guò)對(duì)四工位刀架的設(shè)計(jì)，分別對(duì)其組成部分即機(jī)械總體結(jié)構(gòu)、工作原理、