1、课程设计说明书目录设计任务 1总体结构设计 2自动回转刀架的工作原理 2主要传动部件的设计 3电器控制部分的设计 13参考文献 20i课程设计说明书一、设计任务题目：数控车床自动刀架 PLC控制系统设计任务：设计一台四工位立式回转刀架，适用于CA6132数控车床。要求绘制自动回转刀架的机械结构图。推荐刀架所用电动机的额定功率为120W,额定转速1440r/min,换刀时要求刀架转动的速度为 40r/min。二、总体结构设计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
2、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。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。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
3、。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。三、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
4、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170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
5、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
6、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。蜗杆-涡轮减速销连接刀架电动机正转螺杆正转丁一上盖圆盘旋转上刀体抬起霍尔元件触发到位回答 L 上刀体旋转*端面齿错开圆柱销落入上盖圆事蜗杆-涡轮减速刀架电动机反转 螺杆反转反靠销反靠端 面齿啮合刀架电动机正转电动机停转* 延时锁紧 * 刀架电动机正转1*自动回转刀架的换刀流四、主要传动部件的设计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。已知电动机额定功率 Pi=90W ,额定转速n1=1440r/mi
7、n ,上 刀体设计转速n2=30r/min ,则蜗杆副的传动比i= n1/n2 =1440/30=48。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。(1)蜗杆的选型GB/T10085-1988推荐采用渐开线蜗杆和锥面包络蜗杆。本设计采用结构简单，制造方便的渐开线型圆柱蜗杆。(2)蜗杆副的材料刀架中的蜗杆副传动的功率不大，但蜗杆转速干，一次，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要淬火，硬度为 4555HRC以提高其表面耐磨行；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。(3)按齿面接触疲劳
8、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a3；KT2(ZeZ)2Hh(4-1)式中a-蜗杆副的传动中心距，单位 mmK-载荷系数；T2 -作用在涡轮上的转矩,单位N.mmZ E-弹性影响系数，单位 MPZ P -接触应力，仃h-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=48, 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蜗杆头数Z1 =1,蜗杆副的传动效率n =0.65
9、,由电动机的额定功率P1 =90WW可以算出蜗轮传动的功率P2=P ,再由蜗轮的转速n2=30r/min求得作 用在蜗轮上的转矩T2=9.55 亥=9.55p=18.623N - m=18623N mm2）确定载荷系数K载荷系数K= Ka Kp Kv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; Kp为齿向分布系数，因工作载荷在启动和停止时有变化，故取Kp=1.15; KV为动载系数，由于转数不高。冲击不大，可取KV =1.05o 则载荷系数K= KA Kp KV M.39使用系数Ka工作类型IIIIII载荷性质均匀，无冲击不均匀，小冲击不均匀，大冲击每
10、小时起动次数50起动载荷小较大大KA11.151.23）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=160Mpa1/24）确定接触系数ZP先假设蜗杆分度圆直径di和传动中心距a的比值di /a=0.35。查表的ZP=2.9铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力（7 H （MPa）蜗轮材料铸造方法蜗杆螺旋面的硬度045HRC45HRC铸锡磷青铜ZCuSn10P1砂模铸造150180金属模铸造220268铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn砂模铸造113135金属模铸造1281405）确定许用接触应力仃H根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSnIOP4属模制造蜗杆螺旋齿面硬度
11、 大于45HRCT查表的蜗轮的基本许用应力二H =268MPa已知蜗杆为 单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数 j=1 ;蜗轮转数 n2=30r/min ;蜗杆副的使用寿命 Lh=10000h。则应力循环次数:N=60j n2 4=60 X 1X30X10000=1.8X 107寿命系数：K许用接触应力:6）计算中心距=810HN - N107,1.8 107=0.929二 H =KHNX 二 H =0.929 268=MPa19将以上各参数带入4-1 ,求得中心距:a 2 3；KT2(ZEZP) 2=31.39m 18623x(160,2.9)=44.8mm 二h.249查表取a=50,已
12、知蜗杆头数Z1=1,设模数m=1.6mm得蜗杆分度圆直径d128mm这时 d1/a=0.4 ,查表得接触系数ZP=2.75。因为ZPd.6+0.2)=14.24mm。11-1 取齿数Z =48,模数 m=1.6mm20 78.6 彳=12 1.6涡轮喉圆直径为da2=d2+2ha2 = . _ _* _ . _ . . . _ _ _d2+2m(ha +X2 )=76.8+2 1.6(1+1)=83.2mm涡轮齿根圆直径df2 =. _ _ * _ . _ . . . _ _d2-2m(ha -X2-c)=76.8-21.6(1-1+0.2)=76.16mm11涡轮咽喉母圆半径rg2=a- d
13、a2 =50-83.2=8.4mmg 22(5)校核涡轮齿根弯曲疲劳强度即检验下式是否成立：=1.53KT2 37d1d2 m二 f由蜗杆头数Z1=1,传动比i=35 ,可以计算出涡轮齿数Z2nzi=48 则涡轮的当量齿数：ZZ248ZV2 = =3=48.44cos r (cos 4 57)根据涡轮变位系数X2=1和当量齿数Zv2 =48.44查表的齿形系数Yfa2=2.08螺旋角影响系数rY =1-=0.9679140根据涡轮的材料和制造方法，查表得涡轮基本许用弯曲应力:二 F=56MPa涡轮的寿命系数:Kfn9 1069-9 - 9106；N .1.8 107=0.725涡轮的许用弯曲应
14、力:二 f气二 f Kfn =56 0.725=40.6 MPa将数据带入得:二F=1.53KT2dd2m1 53 1 39 18623一 一丫22丫一 =3 1.39 186231.95 0.9679=30.42 MPa20 76.8 1.62fW2f,涡轮齿根的弯曲强度满足要求。蜗轮的基本许用弯曲应力（MPa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金属模铸造56140-铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn砂模铸造526722金属模铸造3226铸铝铁青铜ZCuAl10Fe3砂模铸造80571金属模铸造9064灰铸铁HT150砂模铸造4028HT200砂模铸
15、造4834（6）验算效率4tan r= (0.95 0.96) -tan(r v)：d1 n160 1000 cosr已知r =4.95 ;：v = arctanfv; fv与相对滑动速度 VS有关。= 1.5072/0.996 = 1.513二 20 144060 1000 cos4.95从表11-18中用插值法查得 = 0.0395邛v =2.1666;代入式中得n =0.663 , 大于原估计值，因此不用重算。2.螺杆的设计计算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，要求上下端面的啮合深度达 2mm因此,螺杆的
16、螺距P应满足P 170 36042m故P 4.2，今取螺杆的螺距 P=6mm2）其它参数的确定采用单头梯形螺杆，头数n=1,牙侧角P=a=15,外螺纹大径d1 =50mm牙顶间隙ac=0.5mm 基本牙型高度H1 =0.5P=3mm外螺纹牙高=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=50mm3)自锁性能校核螺杆-螺母材料均用45钢，查表5-12取摩擦系数f=0.11 ;再求得梯形螺 旋副的当量摩擦角：=6.47二 arctad : arctanlcoscos15而螺纹开角:=arctan s-二 d2,np=arctan二d22 6-=arctan =
17、4.653.14 47易得中(九，因此满足自锁条件五、电器控制部分的设计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(1)收信电路图a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。4只霍尔开关输出的4个刀位信号T1T4分别送到图的4只光耦 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PC4PC7。(A)电动刀架发信盘1#刀位信号Vdd02刀位信号R1 4R2 43
18、刀位信号袁14位信号08225-PC48225-PC58225-PC68225-PC7(B)刀位信号的处理(2)发信电路图为刀架电动机正反转控制电路，在电动机正反转时，有可能因为电动机容量较大或操作不当等原因，使接触器主触头产生较严重的起弧现象。如果电弧还未完全熄灭时，反转的接触器就闭合， 则会造成电源相间的短路。为防止相间短路，可增加一个接触器KM采用PLC控制的输入输出配置接线示意图如图 C所示，梯形图如图E所示。像继 电接触控制线路一样，利用PLC的输入继电器X401和X402的常闭接点，实现双 重互锁。按下正向启动按钮SB1时，输入继电器X401的常开触点闭合，接通输出继电器Y431线
19、圈并自锁，接触器KM1得电吸合，同时Y431的常开触点闭合，输出继电 器Y430线圈接通，使接触得电吸合，电动机正向启动到稳定运行。按下反转启 动按钮SB2输入28电器X402常闭触点断开Y431线圈，KM也失电释放，同时 Y431的常开触点也断开 Y430的线圈，KM也失电释放，有KM和KM1两段灭弧电 路，因此可有效地熄灭电弧，防止反转换接时相间短路。而 X402的另一对常开 触点闭合，接通Y432的线圈，接触器KM羽电吸合，电动机反向运行。停机时，按下停机按钮SB3, X400常开触点断开M10Q过载时热28电器触点FR 动作，X403断开M10Q这两种tt况都使Y431或Y432及Y4
20、30断开，进而使KM1 或KM2M KM失电，电动机停下来。(D)PLC控制输入输出接线X400X403M100OM100X401X402Y431Y431HPY432X402X401 Y431Y432Y431Y432T卜MCRY430MCR(E)梯形图2 .控制软件设计在清楚了自动回转刀架的结构和电气控制电路后，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，它最多安装有4把刀具，其 回转到工作位置。图（A）表示让1#刀转到工作位置白等程序流程，2#、3#、4# 刀的转位流程与1#刀相似。设控制系统的CPU为AT89C51单片机，扩展8255芯片作为回转刀架的收信与 发信
21、控制，已知8255芯片的控制口地址为2FFFH PA6 PA7 口控制电动机的正 反转，刀架控制流程如图所示。刀架控制流程图根据流程图编程如下:T01 : MOV DPTR , #2FFFH ;MOVX A,DPTR ;JNB ACC.4,TEND ;MOV DPTR,#2FFFH ;MOVX A,DPTR ;CLR ACC.6;SETB ACC.7;MOVX DPTR , A ;CALL DE20ms;YT01 : MOVX DPTR , #2FFEH ;MOVX A,DPTR ;JB ACC.4,YT21 ;CALL DE20ms;YT11 : MOV DPTR , #2FFFH ;指向8
22、255的PC 口读取PC口的内容测试若PC4=0若是，则说明1#刀已在工作位置，程序转到TEND指向8255的PA 口地址读取PA6=0刀架电动机正转有效令PA6=Q刀架电动机正转有效令PA7=1,刀架电动机无效电动机开始正转延时20ms指向8255的PC 口第二次读取PC 口内容PC4=0延时20ms指向8255的PC口内容,DPTR;第三次读取PC 口内容;PC4=CP;延时20ms,#2FFH ;指向 PC口,DPTR;读取PA口锁存器内容;令PA6=1,刀架电动机正转无效;令PA7=1,刀架电动机反转无效;刀架电动机停转;延时150ms;令PA7=0刀架电动机反转有效;令PA6=1,刀
23、架正转无效;刀架电动机开始反转;延时设定的反转锁紧时间MOVX AJB ACC.4 , YT21CALL DE20msYT21 : MOV DPTRMOVX ASETB ACC.6SETB ACC.7MOVX DPTR , ACALL DE150msCLR ACC.7SETB ACC.6 , MOVX DPTR , A CALL DELAYSETB ACC.6SETB ACC.7MOVX DPTR , ATEND RET;令PA6=1刀架电动机正转无效;令PA7=1,刀架电动机反转无效;刀架电动机停转；结束参考文献1、闰炳胜，等。80c51单片机原理与应用技术。北京：冶金工业出版社，20082、张建民，等。机电一体化系统设计。北京：高等教育出版社，20093、宋德玉，等。可编程序控制器原理及应用系统设计技术。北京：冶金工业出版社，20064、马希青，苏梦香，赵月罗。机械制图。徐州：中国矿业大学出版社，20075、濮良贵，纪名刚。机械设计。北京：高等教育出版社，2007
