1、课程设计说明书1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 20课程设计说明书2一、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 90W，额定转速 1440r/min，换刀时要求刀架转动的速度为 20r/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
2、可以改变运动的方向，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。本设计
3、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。课程设计说明书3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和下部的
4、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
5、 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
6、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。课程设计说明书4销连接蜗杆-涡轮减速刀架电动机正转 螺杆正转 上盖圆盘旋转霍尔元件触发蜗杆-涡轮减速上刀体抬起端面齿错开圆柱销落入上盖圆盘上刀体旋转到位回答刀架电动机反转 螺杆反转反靠销反靠端面齿啮合刀架电动机正转刀架电动机正转延时锁紧电动机停转自动回转刀架的换刀流程课程设计说明书5四、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
7、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 =90W。,额定转速 =1440r/min，1n上刀体设计转速 =20r/min，则蜗杆副的传动比 i= / =1440/20=72。刀架从2n12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 =10000h。hL（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
8、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 232)(HPEZKT(4-1)式中 a-蜗杆副的传动中心距，单位 mm；K-载荷系数；T -作用在涡轮上的转矩 ，单位 N.mm；2课程设计说明书6Z -弹性影响系数，单位 MPEZ -接触应力，P -许用接触应力，单位为 MPa。H从式中算出蜗杆副的中心距 a 之后，根据已知的传动比 i=72，查表
9、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 Z =1，蜗杆副的传动效率 =0.6，由电动机的额定功率1 P =90W，可以算出蜗轮传动的功率 P =P ，再由蜗轮的转速1 21n =20r/min 求得作用在蜗轮上的转矩2T =9.55 =9.55 =34.38Nm=34380Nmm2p21n2）确定载荷系数 K 载荷系数 K= K K K 其中 KA 为使用系数，查表得， 由于工作载荷不均匀，启AV动时冲击较大，因此取 K =1.15； K 为齿向分布系数，因工作载荷在启动和停止时有变化，故取 K =1.15；K 为动载系数，由于转数不高。冲击
10、不大，可取VK =1.05。则载荷系数 K= K K K 1.39VA使用系数 K A工作类型 I II III载荷性质 均匀，无冲击 不均匀，小冲击 不均匀，大冲击每小时起动次数 50起动载荷 小 较大 大KA 1 1.15 1.23）确定弹性影响系数 Z E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 Z =160Mpa E课程设计说明书71/24）确定接触系数 Z P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。查表的 Z =2.9P铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力 (MPa)H蜗杆螺旋面的硬度蜗轮材料 铸造方法45HRC 45HRC砂模铸造 150
11、 180铸锡磷青铜ZCuSn10P1 金属模铸造 220 268砂模铸造 113 135铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5 金属模铸造 128 1405）确定许用接触应力 H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于 45HRC 可查表的蜗轮的基本许用应力 =268MPa 已知蜗杆为H单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数 j=1；蜗轮转数=20r/min；蜗杆副的使用寿命 =10000h。2nhL则应力循环次数：N=60j n2 =6012010000=1.2107寿命系数：K =0.977HN许用接触应力： =KHN =0.977 268=262MPaH
12、H6）计算中心距将以上各参数带入 4-1，求得中心距：课程设计说明书8a =43.9mm232)(HPEZKT查表取 a=45，已知蜗杆头数 Z =1，设模数 m=1mm，得蜗杆分度圆直径1d =18mm。这时 d /a=0.4，查表得接触系数 Z =2.74。因为 Z 2m 故 ,今取螺杆的螺距 P=6mm。361702.4P2) 其它参数的确定 采用单头梯形螺杆，头数 n=1，牙侧角 = ，外螺纹大径 =50mm，2a151d课程设计说明书11牙顶间隙 =0.5mm，基本牙型高度 =0.5P=3mm，外螺纹牙高 =3.5mm，外ca1H1h螺纹中径 =47mm，外螺纹小径 =43mm，螺杆
13、螺纹部分长度 H=50mm。2dd3)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：47.615cos.0artncosartnfv而螺纹升角： 6.471.32artnarctarctn22 dps易得 ,因此满足自锁条件。v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
14、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。课程设计说明书122#3#4#1# N S刀台旋转方向1 2 34 只霍尔开关 第 1 脚：接+12V 电源第 2 脚：接+12V 地线第 3 脚：4 个刀位信号的输出（A）电动刀架发信盘课程设计说明书13（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
15、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DV CV3 刀位信号4 位信号1#刀位信号2 刀位信号R1 4R2 48225-PC68225-PC78225-PC58225-PC4驱（B）刀位信号的处理课程设计说明书14Y431 线圈并自锁，接触器 KM1 得电吸合，同时 Y431 的常开触点闭合
16、，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，输入继电器 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 KM2 得电吸合，电动机反向运行。停机时，按下停机按钮 SB3，X400 常开触点断开 M100；过载时热继电器触点 FR动作，X403 断开 M100。这两种情况都使 Y431 或 Y432 及 Y430
17、断开，进而使KM1 或 KM2 及 KM 失电，电动机停下来。SB3MFRKM2KMQKFUIKMKM2KM1SB2KM2KM1SB1KM2KM1(C)继电器接触控制课程设计说明书15KMKM2KM2SB2FRSB1SB3X400X401X402KM2COMX403 (D)PLC 控制输入输出接线Y430Y432Y431Y432Y432X401 Y431X402Y431 Y432X402 Y431M100M100X403X400MCR MCRX401（E）梯形图课程设计说明书162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
18、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#刀转到工作位置的等程序流程，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。返回Y NN Y返回电路上电数码管显示发出刀位信号数码管显示“1”“2”“3”“4”判断所选刀架是否对准霍尔元件电路 电机停转定位夹紧到位电机反转数码管显示“1”“2”“3”“4”判断刀架是否到位数码管显示“1”“2”“3”“4”电机正转刀架控制
19、流程图课程设计说明书17根据流程图编程如下：T01：MOV DPTR , #2FFFH ；指向 8255 的 PC 口MOVX A ，DPTR ；读取 PC 口的内容JNB ACC.4 ，TEND ；测试若 PC4=0？若是，则说明 1#刀已在工作位置，程序转到 TENDMOV DPTR ，#2FFFH ；指向 8255 的 PA 口地址MOVX A ，DPTR ；读取 PA6=0，刀架电动机正转有效CLR ACC.6 ；令 PA6=0，刀架电动机正转有效SETB ACC.7 ；令 PA7=1，刀架电动机无效MOVX DPTR ，A ；电动机开始正转CALL DE20ms ；延时 20msYT
20、01：MOVX DPTR , #2FFEH ；指向 8255 的 PC 口MOVX A ，DPTR ；第二次读取 PC 口内容JB ACC.4 ，YT21 ；PC4=0？CALL DE20ms ；延时 20msYT11：MOV DPTR , #2FFFH ；指向 8255 的 PC 口内容MOVX A ， DPTR ；第三次读取 PC 口内容JB ACC.4 , YT21 ；PC4=0？CALL DE20ms ；延时 20msYT21： MOV DPTR ， #2FFH ；指向 PC 口MOVX A ， DPTR ；读取 PA 口锁存器内容SETB ACC.6 ；令 PA6=1，刀架电动机正转
21、无效SETB ACC.7 ；令 PA7=1，刀架电动机反转无效MOVX DPTR ， A ；刀架电动机停转CALL DE150ms ；延时 150msCLR ACC.7 ；令 PA7=0，刀架电动机反转有效SETB ACC.6 ， ；令 PA6=1，刀架正转无效MOVX DPTR ， A ；刀架电动机开始反转CALL DELAY ；延时设定的反转锁紧时间课程设计说明书18SETB ACC.6 ；令 PA6=1 刀架电动机正转无效SETB ACC.7 ；令 PA7=1，刀架电动机反转无效MOVX DPTR ， A ；刀架电动机停转TEND： RET ；结束 参考文献1、 呙炳胜，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，20076、
