1目錄第1章設(shè)計(jì)任務(wù)1.1設(shè)計(jì)總體任務(wù)31.2設(shè)計(jì)參數(shù)31.3設(shè)計(jì)內(nèi)容31.4設(shè)計(jì)任務(wù)3第2章概述4第3章總體設(shè)計(jì)方案53.1減速傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)53.2上刀鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)53.3刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)5第4章自動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理64.1自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程64.2換刀過程中有關(guān)銷的位置74.3回轉(zhuǎn)刀架換刀8第5章數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架機(jī)械部分設(shè)計(jì)95.1蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算95.1.1蝸桿的選型95.1.2蝸桿副的材料95.1.3按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)105.2蝸桿軸的設(shè)計(jì)115.3蝸輪螺紋聯(lián)接部分的設(shè)計(jì)計(jì)算155.3.1螺距的確定155.3.2其他參數(shù)的確定155.3.3自鎖性能校核155.4滾動軸承的選項(xiàng)155.4.1概述155.4.2滾動軸承的選型165.4.3滾動軸承的配合165.4.4滾動軸承的密封16第6章電氣控制部分設(shè)計(jì)176.1控制芯片及I/O接口芯片的選型176.1.18051單片機(jī)介紹186.1.2可編程I/O芯片8255A介紹186.2傳感器選型2126.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件216.3硬件電路設(shè)計(jì)226.3.1發(fā)信電路236.3.2收信電路236.3.3延時鎖緊電路256.3.4復(fù)位電路256.4控制軟件設(shè)計(jì)26第7章總結(jié)32第8章參考文獻(xiàn)333第1章設(shè)計(jì)任務(wù)一設(shè)計(jì)任務(wù)題目：數(shù)控車床自動回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一臺四工位的臥式自動回轉(zhuǎn)刀架，適用于C616或C6132經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。二設(shè)計(jì)參數(shù)推薦刀架所用電機(jī)的額定功率為90W，額定轉(zhuǎn)速為1440r/min,換刀時要求刀架轉(zhuǎn)動的速度為30r/min。三設(shè)計(jì)內(nèi)容1.總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.主要傳動部件的設(shè)計(jì)計(jì)算3.電氣控制部分設(shè)計(jì)1）硬件電路設(shè)計(jì)2）控制軟件設(shè)計(jì)4.編寫設(shè)計(jì)說明書四設(shè)計(jì)任務(wù)1.模擬整體設(shè)計(jì)方案2.機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖一張（A0圖）3.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求完成一張A1圖紙的硬件電路設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的主要軟件流程，對RAM和I/O接口芯片進(jìn)行詳細(xì)編程。4.設(shè)計(jì)說明書要求清楚地?cái)⑹稣麄€設(shè)計(jì)過程和詳細(xì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，包括總體方案的分析，比較和確定機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要零部件的計(jì)算與選型，控制系統(tǒng)的電路原理分析，軟件設(shè)計(jì)的流程圖以及相關(guān)程序等。撰寫的內(nèi)容不少于7000字符，要求內(nèi)容豐富，條理清晰圖文并茂，符合國標(biāo)。該題目由多人合作完成每個人要適當(dāng)分工，每個人的工作內(nèi)容都要有不同的側(cè)重點(diǎn)并在設(shè)計(jì)說明書中注明，對于自己側(cè)重的部分要詳細(xì)的進(jìn)行論述。五時間分配1.分析研究設(shè)計(jì)任務(wù)，總體方案論證設(shè)計(jì)：2-3天；2.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)：5-6天；3.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：4-5天；4.軟件設(shè)計(jì)：1-2天；5.編寫設(shè)計(jì)說明書：2-3天；6.整理資料及答辯：1天。4第2章概述設(shè)計(jì)一臺四工位的臥式自動回轉(zhuǎn)刀架，適用于C616或C6132經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。要求繪制自動回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)控制刀架自動轉(zhuǎn)位的硬件電路，編寫刀架的控制軟件，推薦刀架所用的電動機(jī)的額定功率為90W，額定轉(zhuǎn)速為1440r/min，換刀時要求刀架轉(zhuǎn)動的速度為30r/min。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控是我國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，價格便宜，用它來改造車床，投資少、見效快，成為我國“七五”、“八五”重點(diǎn)推廣的新技術(shù)之一。十幾年來，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)我國國情，該技術(shù)在今后一段時間內(nèi)還將是我國機(jī)械行業(yè)老設(shè)備改造的很好途徑。對于原有老的經(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)一步改造的問題通過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。5第3章總體方案設(shè)計(jì)3.1傳動機(jī)構(gòu)的減速設(shè)計(jì)普通的三相異同步電動機(jī)因轉(zhuǎn)速太快，不能直接驅(qū)動刀架進(jìn)行換刀，必須經(jīng)過適當(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。蝸桿副傳動可以改變運(yùn)動的方向，獲得教大的傳動比，保證傳動精度和平穩(wěn)性。并且具有自鎖功能，還可以實(shí)現(xiàn)整個裝置的小型化。3.2上刀鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)由于刀具直接安裝在刀體上，所以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(shè)計(jì)上刀體的鎖緊與定位機(jī)構(gòu)選用端面齒盤，將上刀體與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，上下端面齒相互嚙合，這時上刀體不能繞刀架的中心軸轉(zhuǎn)動；換刀時電動機(jī)正轉(zhuǎn)，抬起機(jī)構(gòu)使上刀體抬起,等上下斷面齒脫開后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉(zhuǎn)動，完成轉(zhuǎn)位動作。3.3刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要想使上下刀體的兩個斷面齒脫離，就必須設(shè)計(jì)合適的機(jī)構(gòu)使刀體抬起。本設(shè)計(jì)選用螺桿螺母副，在齒盤軸內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當(dāng)電動機(jī)通過蝸桿蝸輪帶動齒盤軸繞中心軸轉(zhuǎn)動時，作為螺母的齒盤軸要么轉(zhuǎn)動，要么上下移動。當(dāng)?shù)扼w處于鎖緊狀態(tài)時，上刀體與下刀體的斷面相互嚙合，因?yàn)檫@時齒盤軸不能與蝸輪一起轉(zhuǎn)動，所以蝸輪的轉(zhuǎn)動會使上刀體向上移動，當(dāng)端面齒脫離嚙合時，齒盤軸就與蝸輪一起轉(zhuǎn)動。6設(shè)計(jì)螺桿時要求選擇適當(dāng)?shù)穆菥?，以便?dāng)蝸輪轉(zhuǎn)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)。第4章自動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理41自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程如圖所示4.1.1數(shù)控車床刀架工作原理四方刀架：1松開：刀架電動機(jī)與刀架內(nèi)一蝸桿相連，刀架電動機(jī)轉(zhuǎn)動時與蝸桿配套的渦輪轉(zhuǎn)動，此渦輪與一條絲杠為一體的（稱為“渦輪絲杠”）當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動時會上升（與絲杠旋合的螺母與刀架是一體的，當(dāng)松開時刀架不動作，所以絲杠會上升），絲杠上升后使位于絲杠上端的壓板上升即松開刀架；2換刀：刀架松開后，絲杠繼續(xù)轉(zhuǎn)動刀架在摩擦力的作用下與絲杠一起轉(zhuǎn)動即換刀；3定位:在刀架的每一個刀位上有一個用永磁鐵做的感應(yīng)器，當(dāng)轉(zhuǎn)到系統(tǒng)所需的刀位時，磁感應(yīng)器發(fā)出信號，刀架電動機(jī)開始反轉(zhuǎn)：、4鎖緊：刀架是用類似于棘輪的機(jī)構(gòu)裝的只能沿一個方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)絲杠反轉(zhuǎn)時刀架不能動作，絲杠就帶著壓板向下運(yùn)動將刀架鎖緊，換刀完成（電動機(jī)的反轉(zhuǎn)時間是系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定的，不能過長不能太短，太短刀架不能鎖緊，太長電動機(jī)容易燒壞）4.2換刀過程中有關(guān)銷的位置電動機(jī)正轉(zhuǎn)蝸輪正傳上刀體抬起端面齒錯開圓柱銷落入轉(zhuǎn)位套單向滑槽內(nèi)上刀體旋轉(zhuǎn)到位回答電機(jī)反轉(zhuǎn)蝸輪反轉(zhuǎn)反靠銷落入反靠板十字槽內(nèi)圓柱銷滑出轉(zhuǎn)位套單向滑槽上刀體下降粗定位反靠端面齒嚙合精定位延時鎖緊電機(jī)停轉(zhuǎn)7圖a,b,c,d表示自動回轉(zhuǎn)刀架在換刀過程中有關(guān)銷的位置。其中上部的圓柱銷和下部的反靠銷起著重要作用。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，兩銷的情況如圖a所示，此時反靠銷落在反靠圓盤的十字槽內(nèi)，上刀體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a中未畫出）。圖a需要換刀時，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號，三相異步電動機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，通過蝸桿帶動蝸輪正向轉(zhuǎn)動，與蝸輪配合的齒盤軸逐漸抬起，上刀體與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；與此同時，轉(zhuǎn)位套也隨著螺桿正向轉(zhuǎn)動（轉(zhuǎn)位套通過圓柱銷與蝸輪連接），當(dāng)轉(zhuǎn)過約160時，轉(zhuǎn)位套滑槽的另一端轉(zhuǎn)到圓柱銷的正上方，由于彈簧的作用，圓柱銷落入滑槽內(nèi)，于是轉(zhuǎn)位套就通過圓柱銷使得上刀體轉(zhuǎn)動起來（此時端面齒已完全脫開），如圖b所示。圖b轉(zhuǎn)位套，圓柱銷以及上刀體在正傳的過程中，反靠銷能夠從反靠盤中十字槽的左側(cè)斜坡滑出，而不影響上刀體尋找刀位時的正向轉(zhuǎn)動，如圖c所示。圖c上刀體4帶動磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時，發(fā)信盤上對應(yīng)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(jī)反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)位套通過圓柱銷帶動齒盤軸開始反轉(zhuǎn)，反靠銷馬上就會落入反靠圓盤的十字槽內(nèi)，至此完成粗定位，如圖d所示。此時反靠銷從反靠盤7的十字槽內(nèi)爬不出來，于是上刀體4停止轉(zhuǎn)動，開始下降，而轉(zhuǎn)位套繼續(xù)反轉(zhuǎn)，其滑槽的左側(cè)斜坡將圓柱銷的頭部壓入上刀體的銷孔內(nèi)之后，轉(zhuǎn)位套的表面開始與圓柱銷的頭部滑動。在此期間，上下刀體的端面齒逐漸嚙合，實(shí)現(xiàn)精定位，經(jīng)過設(shè)定的延時時間后，刀架電動機(jī)8停轉(zhuǎn)，整個換刀過程結(jié)束。由于蝸桿副具有自鎖功能，所以刀架可以穩(wěn)定工作。圖d43回轉(zhuǎn)刀架換刀數(shù)控機(jī)床使用的回轉(zhuǎn)刀架是最簡單的自動換刀裝置，有四方刀架、六角刀架，即在其上裝有四把、六把或更多的刀具?；剞D(zhuǎn)刀架必須具有良好的強(qiáng)度和剛度，以承受粗加工的切削力：同時要保證回轉(zhuǎn)刀架在每次轉(zhuǎn)位的重復(fù)定位精度?；剞D(zhuǎn)刀架的全部動作由液壓系統(tǒng)通過電磁換向閥和順序閥進(jìn)行控制，它的動作分為4個步驟：(1)刀架抬起當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，壓力油由a孔進(jìn)入壓緊液壓缸的下腔，活塞1上升，刀架體2抬起，使定位用的活動插銷10與固定插銷9脫開。同時，活塞桿下端的端齒離合器與空套齒輪5結(jié)合。(2)刀架轉(zhuǎn)位當(dāng)?shù)都芴鸷?，壓力油從c孔進(jìn)入轉(zhuǎn)位液壓缸左腔，活塞6向右移動，通過聯(lián)接板帶動齒條8移動，使空套齒輪5作逆時針方向轉(zhuǎn)動。通過端齒離合器使刀架轉(zhuǎn)過60?；钊男谐虘?yīng)等于齒輪5分度圓周長的1/6，并由限位開關(guān)控制。3)刀架壓緊刀架轉(zhuǎn)位之后，壓力油從b孔進(jìn)入壓緊液壓缸上腔，活塞1帶動刀架體2下降。齒輪3的底盤上精確地安裝有6個帶斜楔的圓柱固定插銷9，利用活動插銷10消除定位銷與孔之間的間隙，實(shí)現(xiàn)反靠定位。刀架體2下降時，定位活動插銷10與另一個固定插銷9卡緊，同時齒輪3與齒圈4的錐面接觸，刀架在新的位置定位并夾緊。這時，端齒離合器與空套齒輪5脫開。(4)轉(zhuǎn)位液壓缸復(fù)位刀架壓緊之后，壓力油從d孔進(jìn)入轉(zhuǎn)位液壓缸的右腔，活塞6帶動齒條復(fù)位，由于此時端齒離合器已脫開，齒條帶動齒輪3在軸上空轉(zhuǎn)。如果定位和夾緊動作正常，推桿11與相應(yīng)的觸頭12接觸，發(fā)出信號表示換刀過程已經(jīng)結(jié)束，可以繼續(xù)進(jìn)行切削加工?；剞D(zhuǎn)刀架除了采用液壓缸轉(zhuǎn)位和定位銷定位之外，還可以采用電動機(jī)帶動離合器定位，以及其他轉(zhuǎn)位和定位機(jī)構(gòu)。9第5章數(shù)控車床自動回轉(zhuǎn)刀架機(jī)械部分設(shè)計(jì)5.1蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算自動回轉(zhuǎn)刀架的動力源是三相異步電動機(jī)，其中蝸桿與電動機(jī)直連，刀架轉(zhuǎn)位時蝸輪與上刀體直連。已知電動機(jī)的額定功率P190W，額定轉(zhuǎn)速n11440r/min，上刀體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n230r/min，則蝸桿副的傳動比i=n1/n21440/30=48。刀架從轉(zhuǎn)為到鎖緊時，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，起動時沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命Lh10000h。5.1.1蝸桿的選型GB/T100851988推薦采用漸開線蝸桿（ZI蝸桿）和錐面包絡(luò)蝸桿（ZK蝸桿）。本設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)簡單，制造方便的漸開線型圓柱蝸桿（ZI型）。5.1.2蝸桿副的材料刀架的蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速較高，因此，蝸桿的材料選用45鋼，其螺旋齒面要求淬火，硬度為4555HRC，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。5.1.3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，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，先按齒面接觸強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，在按齒根彎曲疲勞程度校核。按蝸輪的接觸疲勞強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)計(jì)算公式為a32HPE)ZZ(KT式中a-蝸桿副的傳動中心距，單位為mm；K-載荷系數(shù)；T2-作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T2，單位Nmm；ZE-彈性影響系數(shù)，單位Mpa1/2ZP-接觸系數(shù)；H-需用接觸應(yīng)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=48，