数控车床自动回转刀架机电系统设计

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1320参考文献、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 副传动可以改变运动的方向， 获得

2、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

3、起。 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。

4、 其中上部的圆柱销 2 和 下部的反靠销 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 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

5、，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

6、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 上盖圆盘旋转上刀体抬起霍尔元件触发到位回答 上刀体旋转 端面齿错开圆柱销落入上盖圆蜗杆-涡轮减速反靠销反靠端刀架电动机反转螺杆反转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

7、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=90W。 ,额定转速 n1=1440r/min ，上刀体设计转速 n2 =20r/min ，则蜗杆副的传动比 i=n1/ n2 =1440/20=72。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

8、要淬火，硬度为 45 55HRC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 3 KT2 （ Z E ZP ）2 H （4-1）式中 a-蜗杆副的传动中心距，单位 mm ；K-载荷系数；T2 -作用在涡轮上的转矩 ，单位；ZE -弹性影响系数，单位 MPZP -接触应力， H - 许用接触应力，单位为 MPa。从式中

9、算出蜗杆副的中心距 a 之后，根据已知的传动比 i=72， 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 =，由电动机的额定功率 P1 =90W， 可以算出蜗轮传动的功率 P2 =P1，再由蜗轮的转速 n2 =20r/min 求得作 用在蜗轮上的转矩T2= p2 = p1 =m=34380Nmmn2 n22）确定载荷系数 K载荷系数 K= KA K 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 =； 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 =；K

10、V 为动载系数，由于转数不高。冲击不大，可取KV =。则载荷系数 K= KA K KV 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，大冲击每小时起动次数50起动载荷小较大大KA13）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 ZE =160Mpa1/24）确定接触系数 ZP先假设蜗杆分度圆直径 d1 和传动中心距 a的比值 d1 /a=。查表的 ZP =铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力 H (MPa)蜗轮材料铸造方法蜗杆螺旋面的硬度45HRC45HRC铸锡磷青铜ZCuSn10P1砂模铸造150180金属模铸造220268铸锡锌

11、铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5砂模铸造113135金属模铸造1281405)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 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 =20r/min ； 蜗杆副的使用寿命 Lh =10000h。则应力循环次数：N=60j n2=6012010000=107寿命系数：KHN =许用接触应力： H =KHN H = =262MPa6)计算中心距将以上各参数带入 4-1，求得中心距：a 3 KT2(ZEZHP )2=查表取 a

12、=45，已知蜗杆头数 Z1=1，设模数 m=1mm，得蜗杆分度圆直径d 1 =18mm。这时 d 1 /a=，查表得接触系数 Z P =。因为 ZP2m故 P 4.2 ,今取螺杆的螺距 P=6mm。3602) 其它参数的确定采用单头梯形螺杆，头数 n=1，牙侧角a2 =15 ，外螺纹大径 d1=50mm，牙顶间隙 ac =，基本牙型高度 H1 =3mm，外螺纹牙高 h1=，外螺纹中径d2 =47mm，外螺纹小径 d1 =43mm，螺杆螺纹部分长度 H=50mm。3) 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=；再求得梯形螺旋副的 当量摩擦角：f0.11arctan

13、6.47 cos15vcos而螺纹升角：arctan sarctan np26arctan 4.65d2d23.14 47易得v ,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

14、处理，经过光电隔离的信号再送给 I/O 接口芯片 8225的 PC4PC。7A）电动刀架发信盘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

15、常开触点闭合，接通输出继电器 Y431线圈并自锁，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

16、电器触点 FR 动作，X403 断开 M100。这两种情况都使 Y431或 Y432 及 Y430断开，进而使 KM1 或 KM2 及 KM 失电，电动机停下来。M(C)继电器接触控制(D)PLC控制输入输出接线X400 X403M100M100M100Y431X401 X402Y432X401 Y431 Y432X401 Y431 Y432Y431Y432X402Y430Y432Y431Y431Y432Y432MCRMCRE)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

17、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。刀架控制流程图根据流程图编程如下：T01：MOVDPTR , #2FFFH ；指向 8255的 PC口MOVXJNB，TENDDPTR ；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 TENDMOVDPTRMOVXCLRSETB#2FFFH

18、；指向 8255的 PA口地址DPTR ；读取 PA6=0，刀架电动机正转有效；令 PA6=0，刀架电动机正转有效；令 PA7=1，刀架电动机无效MOVXCALL DE20msDPTR ，A；电动机开始正转；延时 20msYT01：MOVX DPTR , #2FFEH ；指向 8255的 PC口MOVX A，DPTR ；第二次读取 PC口内容JB，YT21 ； PC4=0CALL DE20msYT11：；延时 20msMOV DPTR , #2FFFH ；指向 8255的 PC口内容MOVXA ，DPTR ；第三次读取 PC口内容JB, YT21；PC4=0CALLDE20ms；延时 20msMOVDPTR ，#2FFH ；指向 PC口MOVXA ，DPTR ；读取 PA口锁存器内容SETB；令 PA6=1，刀架电动机正转无效SETB；令 PA7=1，刀架电动机反转无效MOVXDPTR ，A ；刀架电动机停转CALLDE150ms；延时 150msCLR；令 PA7=0，刀架电动机反转有效SETB；令 PA6=1，刀架正转无效MOVXDPTR ，A ；刀架电动机开始反转CALLD