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 13参考文献 20一、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。蜗杆副传动可以改变运动的方向，获得较大的传动比，保证传动

2、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。本设计选用螺杆-螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当

3、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

4、，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

5、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

6、可以稳定地工作。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=90W。,额定转速=1440r/min，上刀体设计转速=20r/min，则蜗杆副的传动比i=/=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

7、要求蜗杆副的使用寿命=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

8、算的公式 a (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； Z-弹性影响系数，单位 MP Z-接触应力，-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=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Z=1，蜗杆副的传动效率=0.6，由电动机的额定功率P=90W，可以算出蜗轮传动的功率P=P，再由蜗轮的转速n=20r/min求得作用在蜗轮上的转矩T=9.55=9.55=34.38N·m=34380N·mm2）确定载荷系数K 载荷系数

9、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。冲击不大，可取K=1.05。则载荷系数K= K K K1.39使用系数K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<2525-50>50起动载荷小较大大KA11.151.23）确定弹性影响系数Z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 1/24）确定接触系数Z 先假设蜗杆分度圆直径d1 和传动中心距a的比值d1/a

10、=0.35。查表的Z=2.9铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力(MPa)蜗轮材料铸造方法蜗杆螺旋面的硬度45HRC>45HRC铸锡磷青铜ZCuSn10P1砂模铸造150180金属模铸造220268铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5砂模铸造113135金属模铸造1281405）确定许用接触应力 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。则应力循环次数：N=60j n2 =60×1×

11、20×10000=1.2×107寿命系数： K=0.977许用接触应力： =KHN×=0.977268=262MPa6）计算中心距 将以上各参数带入4-1，求得中心距： a=43.9mm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d=18mm。这时d/a=0.4，查表得接触系数Z=2.74。因为Z< Z所以上述计算结果可用。（4）蜗杆和涡轮的主要参数与几何尺寸 1)由蜗杆和涡轮的基本尺寸和主要参数蜗杆的参数与尺寸 头数Z=1，模数m=1mm，轴向齿距P=m=3.14mm轴向齿厚S=m=1.57mm，分度圆直径=18mm直径系数q=1

12、8/1=18分度圆导程角=3。10,47 取齿顶高系数=1，径向间隙系数c=0.2，则齿顶圆直径d=d+2m=18+211=20mm，齿根圆直径d=d-2m（+c）=18-21(11+0.2)=15.6mm。 2)涡轮参数与尺寸 因为是非标准传动，根据推荐表11-1取齿数=72，模数m=1mm，分度圆直径为d=mZ=72mm，变位系数X=0涡轮喉圆直径为d=d+2h= d+2m(+X)=72+21(1+0)=74mm涡轮齿根圆直径d= d-2m(-X-c)=72-21(1-0+0.2)=69.6mm涡轮咽喉母圆半径r=a-=45-74/2=8mm（5）校核涡轮齿根弯曲疲劳强度 即检验下式是否成

13、立： 由蜗杆头数Z=1，传动比i=35，可以计算出涡轮齿数Z=iZ=72则涡轮的当量齿数： Z=73.11根据涡轮变位系数X=1和当量齿数=73.11查表的齿形系数=2.26螺旋角影响系数 =1-=0.9773 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： =56MPa 涡轮的寿命系数： = =0.759 涡轮的许用弯曲应力： =560.759=42.5 将数据带入得： =30.42 ，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4029金属模铸造5640铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5砂模铸造26

14、22金属模铸造3226铸铝铁青铜ZCuAl10Fe3砂模铸造8057金属模铸造9064灰铸铁HT150砂模铸造4028HT200砂模铸造4834 (6)验算效率已知=与相对滑动速度有关。 = 从表11-18中用插值法查得 ；代入式中得，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，螺杆的螺距P应满足P>2m故,今取螺杆的螺距P=6mm。2) 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，牙顶间隙=0.5mm，基

15、本牙型高度=0.5P=3mm，外螺纹牙高=3.5mm，外螺纹中径=47mm，外螺纹小径=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=0.11；再求得梯形螺旋副的当量摩擦角： 而螺纹升角： 易得,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

16、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。2#3#4#1#NS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 3刀位信号4位信号1#刀位信号2刀位信号R14R248225-PC68225-PC78225-PC58225-PC4驱（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

17、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K

18、M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KMKM2KM2SB2FRSB1SB3X400X401X402KM2COMX403(D)PLC控制输入输出接线Y430Y432Y43

19、1Y432Y432X401Y431X402Y431Y432X402Y431M100M100X403X400MCRMCRX401（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YNNY返回

20、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”电机正转刀架控制流程图 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TEND MOV 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20ms YT01：MOVX DPTR , #2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A ，DPTR ；第二次读取PC口内容 JB ACC.4 ，YT2