畢業(yè)設計（論文）數(shù)控機床6刀自動刀架系統(tǒng)設計

1、數(shù)控機床6刀自動刀架系統(tǒng)設計 學生姓名： * 學生學號： 院（系）： 機械工程學院 年級專業(yè)： r機械06-6 指導教師： * 2010年10月摘 要自動換刀裝置是數(shù)控機床上最普遍的一種輔助裝置，它可以使數(shù)控機床在工件一次裝夾中完成多種甚至所有的加工工序，以縮短加工的輔助時間，減少加工過程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機床的加工效率和加工精度。本論文是關(guān)于數(shù)控機床6工位自動回轉(zhuǎn)刀架系統(tǒng)的設計.完成了主要部件的裝配并繪制必要的零部件圖，完成了整個系統(tǒng)的設計。其中包括自動換刀裝置的總體設計、原理方案的實現(xiàn)、主要部件的分析、傳動零件的設計計算，單片機控制系統(tǒng)硬件電路的實現(xiàn)和軟件程序的編制。

2、采用三相異步電動機提供動力源，蝸輪蝸桿副傳遞動力，螺桿螺目副傳遞運動，實現(xiàn)上刀體升降運動，用端齒盤定位，單片機進行系統(tǒng)控制，實現(xiàn)了數(shù)控機床6工位自動換刀裝置的自動換刀和精確定位要求。關(guān)鍵詞: 數(shù)控機床，回轉(zhuǎn)刀架，控制系統(tǒng)，單片機目錄目錄iii1 緒論11.1題目的背景和意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 存在的問題和發(fā)展趨勢22 方案設計32.1 自動刀架的基本形式和應滿足的要求32.1.1自動刀架的形式32.1.2 自動刀架的基本要求和功能分析42.2 初步確定自動刀架的方案43 總體結(jié)構(gòu)設計53.1 減速傳動機構(gòu)方案設計53.2 上刀體鎖緊與精定位機構(gòu)設計53.3 刀架抬起機構(gòu)設計54

3、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 自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀過程中有關(guān)銷的位置75 主要傳動部件的設計計算85.1 蝸桿副的設計計算85.1.1蝸桿的選型85.1.2蝸桿副的材料85.1.3按齒面接觸疲勞強度進行設計85.1.4蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸95.1.5校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度105.2 螺桿的設計計算105.2.1螺距的確定105.2.2其他參數(shù)的確定115.2.3自鎖性能校核116 鎖緊定位機構(gòu)的設計126.1 端齒盤設計126.2 端齒盤的特點126.3 端齒盤主要參數(shù)的設計計算126.3.1齒數(shù)z的確定126.3.2端齒盤外徑d136.3.3端齒盤

4、齒形角136.3.4齒根角(嚙合斜角)146.3.5最大齒距(周節(jié))t和最大齒厚b156.3.6齒頂高h及嚙合高度166.3.7齒寬(徑向)f166.3.8齒底槽寬b和齒頂寬b1167 電氣控制部分設計177.1 單片機選型177.2 硬件電路設計177.2.1 收信電路187.2.2 發(fā)信電路197.3 硬件電路主要電子元件的工作原理197.3.1霍爾元件的工作原理和特性197.3.2 霍爾開關(guān)的工作原理197.3.3 光電耦合器的工作原理207.3.4 8255芯片的工作原理207.4 控制軟件設計217.4.1 換刀工作原理的程序流程圖217.4.2 程序的實現(xiàn)方法22結(jié)論23參 考 文

5、 獻241 緒論1.1題目的背景和意義數(shù)控技術(shù)自20世紀中葉出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工的加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，能減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟效益的提高。數(shù)控機床是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量、結(jié)構(gòu)較復雜、精度要求較高、價格昂貴不允許報廢的關(guān)鍵零件。而刀架是數(shù)控機床的主要附件之一，它的性能直接影響著數(shù)控機床的精度和效率，所以隨著數(shù)控機床的發(fā)展必然會提高其對刀架的要求，不言而喻，研究自動刀架系統(tǒng)是非常有意義的。進入21世紀，我國經(jīng)濟與國際全面接軌，進入了一個蓬勃發(fā)展的新時期。機床制造業(yè)既面臨著機械制

6、造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機，也遭遇到加入世界貿(mào)易組織后激烈的國際市場競爭的壓力，加速推進數(shù)控機床的發(fā)展是解決機床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關(guān)鍵。所以應加快自動刀架系統(tǒng)的研究以促進數(shù)控機床的發(fā)展?jié)M足適應生產(chǎn)加工的需要。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自動刀架系統(tǒng)應用了自動控制、微電子、精密測量等方面的最新成就，是典型的機電一體化產(chǎn)品。它的發(fā)展和運用，改變了制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理方式，為普通機床演變?yōu)閿?shù)控機床創(chuàng)造了條件，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大的變化。數(shù)控水平的高低已經(jīng)成為衡量一個國家制造業(yè)水平高低的標志。隨著數(shù)控機床的發(fā)展，以前的刀架，能裝的刀具太少，定位精度不高，效率低，精度差，

7、已不能滿足要求，于是便出現(xiàn)了許多精度更高、刀架更大、自動化程度更高的刀架。 自動換刀裝置是數(shù)控機床上最普遍的一種輔助裝置，它可以使數(shù)控機床在工件一次裝夾中完成多種甚至所有的加工工序，以縮短加工的輔助時間，減少加工過程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機床的加工效率和加工精度。目前我過的數(shù)控機床和加工中心使用的自動換刀裝置主要有轉(zhuǎn)塔式自動換刀和刀庫式自動換刀兩種。轉(zhuǎn)塔式換刀一般為順序換刀，其換刀時間短，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，但剛性較差，能容納刀具較少；刀庫式換刀一般刀庫只有選刀動作而另需機械手進行換刀動作，其刀庫容量大，但其成本高，結(jié)構(gòu)相對復雜。隨著我國生產(chǎn)力水平的日益提高，國內(nèi)企業(yè)要發(fā)展就必須

8、更新大量的設備，很多企業(yè)都加大了數(shù)控設備的投入，但由于財力等客觀因素，大多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)設備仍以普通機床為主，不少企業(yè)為了提高效率，在普通機床上加裝了數(shù)顯裝置，提高了機床的精度，改善了設備狀況，但制造商們忽略了一個很重要的部件就是刀架，要想真正提高工作效率，刀架是必須要考慮的附件之一。目前國內(nèi)數(shù)控刀架以電動為主，分為立式和臥式兩種。數(shù)控刀架的市場分析：國產(chǎn)數(shù)控車床今后將向中高檔發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用動力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種，近年來需要量可達10001500臺。煙臺機床附件公司是我國生產(chǎn)數(shù)控刀架的主要廠家之一。他們生產(chǎn)的ak31系列全功能型數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架，

9、主要規(guī)格有，中心高為63、80、100、125、160及200mm；ak21系列經(jīng)濟型數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架主要規(guī)格有：刀臺方尺寸為80、100、137、150、160、190、200、240、300、340mm。煙臺機床附件公司生產(chǎn)的ak31系列數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是引進意大利技術(shù)生產(chǎn)的高性能機床附件，特別適宜全功能數(shù)控車床，可多刀夾持，變向轉(zhuǎn)位和任意刀位就近選刀，實現(xiàn)了加工程序的自動化、高效化。目前，該公司數(shù)控刀架的國內(nèi)市場占有率達到了40左右，受到一大批機床主機廠的稱贊。1.3 存在的問題和發(fā)展趨勢機床工具行業(yè)的發(fā)展，依賴于行業(yè)技術(shù)水平和創(chuàng)新能力的提高，依賴于機床的數(shù)控化和產(chǎn)品快速的升級換代，依賴于制造業(yè)

10、從剛性自動化向柔性自動化方向轉(zhuǎn)變這一社會需求，由于我國機床附件廠資金緊張，造成技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)改造的力度不大，使附件水平的發(fā)展嚴重滯后，成為制約民族機床工業(yè)發(fā)展的瓶頸。國產(chǎn)配套件在產(chǎn)品質(zhì)量、性能、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、品牌信譽、外觀造型、精度穩(wěn)定性等方面與發(fā)達國家相比都存在一定的差距。當前數(shù)控機床發(fā)展迅猛，向高速、高效、高精、柔性化、環(huán)保方面發(fā)展，與之相應的機床附件也應隨之發(fā)展。數(shù)控刀架將結(jié)合微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，朝著高精度化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化等方向發(fā)展。國產(chǎn)數(shù)控車床今后將向中高檔發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用動力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種。數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢

11、是：隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅(qū)動和伺服驅(qū)動方向發(fā)展。2 方案設計普通的機械零件的加工制造過程中，大量的時間用于更換刀具、裝卸零件、測量和搬運零件等非切削時間上，切削加工時間僅占整個工時中較小的比例。為了縮短非切削時間，充分發(fā)揮機床的效率，通常采用“工序集中”的原則。常見的自動回轉(zhuǎn)刀架就是為了實現(xiàn)上述功能而設計的。2.1 自動刀架的基本形式和應滿足的要求2.1.1自動刀架的形式圖2.1a)所示為螺母升降轉(zhuǎn)位刀架，電動機經(jīng)聯(lián)軸器、蝸輪副帶動螺母旋轉(zhuǎn)，螺母舉起刀架使上齒盤與下齒盤分離，隨即帶動刀架旋轉(zhuǎn)到位，然后給系統(tǒng)發(fā)信號螺母反轉(zhuǎn)鎖緊。圖2.1 回轉(zhuǎn)刀架的形式及其工作原理

12、圖圖2.1b)所示為利用十字槽輪來轉(zhuǎn)位及鎖緊刀架（還要加定位銷），銷釘每轉(zhuǎn)一周，刀架便轉(zhuǎn)1/4轉(zhuǎn)（也可設計成六工位等）。圖2.1c)所示為凸臺棘爪式刀架圖2.1d)所示為電磁式刀架，圖2.1e)所示為液壓式刀架2.1.2 自動刀架的基本要求和功能分析基本要求：1） 滿足工藝要求 2） 保證足夠高的重復定位精度 3） 具有足夠的剛度 4） 提高可靠性 5） 縮短換刀時間 功能分析：1)抬起：為了使刀架能夠轉(zhuǎn)位，回轉(zhuǎn)刀架必須先抬起。2)轉(zhuǎn)位：為了完成工件若干個工序的加工，在回轉(zhuǎn)刀架上固定著6組刀具，為使各組刀具能依次參加工作，回轉(zhuǎn)刀架需相應轉(zhuǎn)位。3)定位：為保證加工精度，在加工時回轉(zhuǎn)刀架應精確定位

13、。2.2 初步確定自動刀架的方案初步?jīng)Q定選用2.1a)所示形式的電動刀架。電動刀架的初步方案簡圖如下圖2.2所示。圖2.2 電動刀架簡圖其工作原理為：當數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，電動機正轉(zhuǎn)，通過聯(lián)軸器帶動蝸桿旋轉(zhuǎn)，在經(jīng)過蝸輪帶動軸旋轉(zhuǎn)，從而使刀架抬起，刀架抬起后，電動機繼續(xù)轉(zhuǎn)動帶動刀架轉(zhuǎn)位，完成轉(zhuǎn)位后，由微動開關(guān)發(fā)出信號使電機反轉(zhuǎn)，壓緊刀架。3 總體結(jié)構(gòu)設計3.1 減速傳動機構(gòu)方案設計普通的三相異步電動機因轉(zhuǎn)速太快，不能直接驅(qū)動刀架進行換刀，必須經(jīng)過減速機構(gòu)進行減速?？紤]到本設計減速比較大，且為立式刀架，需改變傳動運動方向，要求自鎖，因此綜合比較之后選用蝸桿副減速。蝸桿傳動單級傳動能得到很大的傳

14、動比，傳動平穩(wěn)，無噪聲，沖擊載荷小，且能優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)，做到外型輪廓小，結(jié)構(gòu)緊湊，固選用蝸桿傳動。3.2 上刀體鎖緊與精定位機構(gòu)設計本設計上刀體的鎖緊與定位機構(gòu)選用端面齒盤，將上刀體和下刀體的配合面加工成梯形端面齒。當?shù)都芴幱诂嵕o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；換刀時電動機正轉(zhuǎn)，抬起機構(gòu)使上刀體抬起，等上下端面齒脫開后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉(zhuǎn)動，完成轉(zhuǎn)位動作。3.3 刀架抬起機構(gòu)設計要想使上、下刀體的兩個端面齒脫離，就必須設計合適的機構(gòu)使上刀體抬起。從經(jīng)濟型方面考慮，應采用經(jīng)濟的螺桿-螺母副，在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當電動機帶動螺桿繞中心軸轉(zhuǎn)動時，作為螺母的上

15、刀體要么轉(zhuǎn)動，要么上下移動。當?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上刀體與下刀體的端面齒相互嚙合，因為這時上刀體不能與螺桿一起轉(zhuǎn)動，所以螺桿的轉(zhuǎn)動會使上刀體向上移動。當端面齒脫離嚙合時，上刀體就與螺桿一同轉(zhuǎn)動。設計螺桿時要求選擇適當?shù)穆菥?，以便當螺桿轉(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)。4 自動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理4.1 自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程如圖4.1所示。圖4.1 自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程當數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，電動機正轉(zhuǎn)，通過彈簧安全離合器帶動蝸桿正轉(zhuǎn)，再經(jīng)過蝸輪帶動螺桿轉(zhuǎn)，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動，要么上下移動，此處設計為電動機正轉(zhuǎn)時上刀體向上移動，當?shù)都?/p>

16、處于鎖緊狀態(tài)時，上刀體與下刀體的端面齒相互嚙合，因為這時上刀體不能與螺桿一起轉(zhuǎn)動，所以螺桿的轉(zhuǎn)動會使作為螺母的上刀體向上移動，從而使刀架抬起，在螺桿旋轉(zhuǎn)的同時也帶動上蓋圓盤一起旋轉(zhuǎn)，當?shù)都芡耆鸷?，端面齒脫離嚙合，上刀體上部的圓柱銷落入上蓋圓盤，上蓋圓盤就通過圓柱銷帶動一同轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了上刀體的轉(zhuǎn)位，再通過霍爾元件觸發(fā)判斷上刀體是否轉(zhuǎn)到了工作位置。完成轉(zhuǎn)位后，由微動開關(guān)發(fā)出信號使電機反轉(zhuǎn)，通過彈簧安全離合器帶動蝸桿反轉(zhuǎn)，再經(jīng)過蝸輪帶動螺桿旋轉(zhuǎn)，螺桿旋轉(zhuǎn)的同時也帶動上蓋圓盤一起旋轉(zhuǎn)，上蓋圓盤通過上刀體上部的圓柱銷帶動上刀體開始反轉(zhuǎn)，上刀體下部的反靠銷馬上就會落入反靠圓盤的十字槽內(nèi)，反靠銷反靠

17、，上刀體停轉(zhuǎn)，至此，實現(xiàn)粗定位。螺桿的繼續(xù)轉(zhuǎn)動使上刀體下降，最后至上刀體的端面齒與下刀體的端面齒完全嚙合，實現(xiàn)精定位，電動機停轉(zhuǎn)，再延時鎖緊，整個換刀過程至此結(jié)束。4.2 自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀過程中有關(guān)銷的位置圖4.2表示自動回轉(zhuǎn)刀架在換刀過程中有關(guān)銷的位置。圖4.2 刀架轉(zhuǎn)位過程中銷的位置a) 換刀開始時，圓柱銷2與上蓋圓盤1可以相對滑動b) 上刀體4完全抬起后，圓柱銷2落入上蓋圓盤1槽內(nèi)，上蓋圓盤1將帶動圓柱銷2以及上刀體4一起轉(zhuǎn)動c) 上刀體4連續(xù)轉(zhuǎn)動時，反靠銷6可從反靠盤7的槽左側(cè)斜坡滑出d) 找到刀位時，刀架電動機反轉(zhuǎn)，反靠銷6反靠，上刀體停轉(zhuǎn)，實現(xiàn)粗定位1上蓋圓盤 2圓柱銷 3彈簧

18、4上刀體 5圓柱銷 6反靠銷 7反靠圓盤 5 主要傳動部件的設計計算5.1 蝸桿副的設計計算由于刀架轉(zhuǎn)動所需的功率較小，所以選取額定功率為=110w，額定轉(zhuǎn)速=1440r/min的電動機 ,上刀體設計轉(zhuǎn)速，則蝸桿副的傳動比。刀架從轉(zhuǎn)位到鎖緊時，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，啟動時沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命。5.1.1蝸桿的選型 gb/t10085-1988推薦采用漸開線蝸桿（zi蝸桿）和錐面包絡蝸桿（zk蝸桿）。本設計采用結(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 刀架中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；蝸輪的轉(zhuǎn)速較低，其材料

19、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按齒面接觸疲勞強度進行設計 刀架中的蝸桿副要先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再按齒根彎曲疲勞強度進行校核。按蝸輪接觸疲勞強度條件設計計算的公式為： （5.1）從式（5.1）算出蝸桿副的中心距a之后，根據(jù)傳動比i=57.6，經(jīng)查表選擇一個合適的中心距a值，以及相應的蝸桿、蝸輪參數(shù)。 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩載荷系數(shù)： 確定彈性影響系數(shù)鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配時，從有關(guān)手冊查得彈性影響系數(shù)。確定接觸系數(shù)先假設蝸桿分度圓直徑和傳動中心距a的比值，可查得接觸系數(shù)。確定許用接觸應力根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅、金屬模鑄造、蝸桿螺旋齒面

20、硬度大于45hrc，則應力循環(huán)次數(shù)：壽命系數(shù)：許用接觸應力:計算中心距將以還是各參數(shù)帶入式(5.1),求得中心距:經(jīng)查表,取中心距a=50mm,已知蝸桿頭數(shù),設模數(shù)m=1.6mm,得蝸桿分度圓直徑.這時,由圖5.1得接觸系數(shù)。因為,所以上述結(jié)果可用。5.1.4蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 由蝸桿和蝸輪的基本尺寸和主要參數(shù)，算得蝸桿和蝸輪的主要幾何尺寸后，即可繪制蝸桿副的工作圖了。蝸桿參數(shù)與尺寸頭數(shù)，模數(shù)m=1.6mm，軸向齒距，軸向齒厚，分度圓直徑，直徑系數(shù)，分度圓導程角。齒頂圓直徑 ，齒根圓直徑 mm。蝸輪參數(shù)與尺寸齒數(shù)，模數(shù)m=1.6mm,分度圓直徑為,變位系數(shù)，蝸輪喉圓直徑為，蝸輪齒根

21、圓直徑為，蝸輪咽喉母圓 半徑 5.1.5校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度檢驗下式是否成立，即可較核蝸輪齒根彎曲疲勞強度。 （5.2）蝸輪齒數(shù)。則蝸輪的當量齒數(shù)：，根據(jù)蝸輪變位系數(shù)和當量齒數(shù)，查手冊得齒形系數(shù)：，螺旋角影響系數(shù)：，根據(jù)蝸桿的材料和制造方法，經(jīng)查表，可得蝸輪基本許用彎曲應力：蝸輪的壽命系數(shù)：蝸輪的許用彎曲應力：將以上參數(shù)帶入式（5.2），得蝸輪齒根彎曲應力：可見，蝸輪齒根的彎曲強度滿足要求。 5.2 螺桿的設計計算5.2.1螺距的確定 刀架轉(zhuǎn)位時，要求螺桿在轉(zhuǎn)動約的情況下，上刀體的端面齒與下刀體的端面齒完全脫離；在鎖緊的時候，要求上下端面齒的嚙合深度達2mm。因此，螺桿的螺距應滿足，即，今

22、取螺桿的螺距。5.2.2其他參數(shù)的確定 采用單頭梯形螺紋，頭數(shù) ,牙側(cè)角，外螺紋大徑（公稱直徑），牙側(cè)間隙，基本牙型高度，外螺紋高，外螺紋中徑，外螺紋小徑，螺桿螺紋部分長度。5.2.3自鎖性能校核 螺桿螺母材料均用45鋼，經(jīng)查表，取二者的摩擦因素；再求得梯形螺旋副的當量摩擦角： 而螺紋升角： 小于當量摩擦角，因此，所選幾何參數(shù)滿足自鎖條件。6 鎖緊定位機構(gòu)的設計6.1 端齒盤設計端齒盤又稱多齒盤、細齒盤、鼠牙盤，是具有自動定心功能的精密分度定位元件，廣泛應用于加工中心、柔性單元、數(shù)控機床、組合機床、測量儀器、各種高精度間歇式圓周分度裝置、多工位定位機構(gòu)以及其它需要精密分度的各種設備上。端齒盤實

23、際上相當于一對齒數(shù)相同的離合器，其嚙合過程與離合器的嚙合類似。端齒盤的齒形有直齒和弧齒兩種，直齒端齒盤加工方便、定位精度及重復定位精度高, 弧齒性能良好，允許一定的角位移，但加工復雜，相對加工成本較高，故選擇直齒。6.2 端齒盤的特點在分度及定位裝置中，一般用端齒盤作為其精確定位元件。它具有以下優(yōu)點：分度精度高 可高達，實際分度誤差等于所有齒單個分度誤差的平均值。分度范圍大 分度大小與齒數(shù)有關(guān)。如齒數(shù)為360齒時，最小分度值為，用差動端齒分度裝置，分度范圍更大，例如下盤齒數(shù)為96，上盤齒數(shù)為360時，就可將一個整圓分成1440個等分(最小分度值為)。精度的重復性和持久性好 重復定位精度可達。由

24、于工作時相當于上下齒盤在不斷地對研，因此使用越久，分度精度的重復性和持久性也就越好，而且精度有可能提高。剛性好 因所有齒面同時參加嚙合，不論承受的是切向力、徑向力還是軸向力，整個分度裝置形成一個良好的剛性整體。結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，這一點比其它高精度的分度裝置更為突出。維護簡便，多次拆裝不影響其原有的精度。6.3 端齒盤主要參數(shù)的設計計算本設計采用齒形為三角形的直齒端齒盤的基本結(jié)構(gòu)，其參數(shù)計算如下。6.3.1齒數(shù)z的確定可根據(jù)分度要求，即需要分度的最小分度值來確定： （6.1）取最小分度角度，則z=120齒。6.3.2端齒盤外徑d端齒盤外徑d主要由設計結(jié)構(gòu)所允許的空間范圍來確定。在結(jié)構(gòu)允許的情況

25、下，外徑越大，分度或定位機構(gòu)的穩(wěn)定性越好。根據(jù)本機構(gòu)實際出發(fā)，端齒盤外徑設計為d=165mm。6.3.3端齒盤齒形角選取時應考慮作用在端齒盤上的負荷力矩及總鎖緊力的大小，如圖6.1所示。將作用于齒盤上每齒的切向外力和軸向鎖緊力，沿著齒面方向進行分解。如圖6.2所示，應滿足以下條件：圖6.1 端齒盤受力圖 圖6.2 齒面上的切向外力和軸向鎖緊力而，則不等式變?yōu)?，即，最后得?（6.2） 圖6.3 端齒盤剖視圖從式(6.2)可以說明，在外載不變時，齒形角越小，所需自鎖力也越小，即自鎖性越強，但齒相應變深，齒厚變?。积X形角越大，需要的總鎖緊力也越大，即承受外轉(zhuǎn)矩的能力下降，但齒高變低，端齒嚙合的高度

26、下降，結(jié)構(gòu)緊湊；同時也說明了加大外徑d有利于提高端齒盤的承載能力。圖6.4 單齒俯視示意圖 圖6.5單街周向展開示意圖在選取時齒形角時，應綜合考慮作用在端齒盤上的負荷(力矩)及鎖緊力的大小，同時受齒形加工刀具的限制，現(xiàn)已標準化，通常取、。等。本設計采用的齒形角。6.3.4齒根角(嚙合斜角)為了保證在齒寬方向上的嚙合質(zhì)量，加工端齒時必須調(diào)整分度盤回轉(zhuǎn)中心線和工作臺面傾斜角，即齒根角或嚙合斜角 (如圖6.3)，以保證齒盤大端和小端的齒厚與齒槽寬度相等。由式(6.1)得，在圖6的直角三角形中，則，在圖7的直角三角形中，則，在圖6.6的直角三角形中，將代入此式得圖6.6 前面嚙合副面不意圖 （6.3）

27、式(6.3)即為齒根角的計算公式代入，則，6.3.5最大齒距(周節(jié))t和最大齒厚b齒厚沿著徑向向中心逐漸縮小，在沿圓周展開方向上(如圖6.7所示)，根據(jù)圓周計算公式，最大齒距(周節(jié))t和最大齒厚b分別為 圖6.7 沿周向展開的齒面三角形 (6.4) (6.5)6.3.6齒頂高h及嚙合高度齒頂高就是嚙合平面到齒頂?shù)淖畲缶嚯x，在如圖5.7所示的由齒廓展開圖形成的直角三角形中，tan(a/2)=t/2h，而齒頂高h通常取三角形高度的1/2.5，即h=2.5h，得齒頂高h的計算公式為：上下端齒的嚙合高度為2h=3.0mm。6.3.7齒寬(徑向)f因所有的端齒同時嚙合，故一般不必通過增加齒形的徑向?qū)挾萬

28、(如圖6.3)來增加強度，f一般根據(jù)經(jīng)驗選取，通常取f=2t3t，由于刀架在工作時要承受較大力矩，取f=15mm。6.3.8齒底槽寬b和齒頂寬b1為了保證齒盤工作時各個端齒能很好的嚙合，常在齒底加工一定寬度和深度的槽，即齒底槽，并將齒頂做成一定寬度的小平面，如圖9所示。齒底槽寬b常取,取b=0.85mm7 電氣控制部分設計 數(shù)控機床的自動回轉(zhuǎn)刀架對柔性化、自動化、定位精度、速度要求相當高，隨著計算機電子技術(shù)的發(fā)展,單片機以其高性能價格比的特點適應了現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求，越來越多地被應用于各種生產(chǎn)和控制領(lǐng)域。單片機是典型的嵌入式系統(tǒng)，從體系結(jié)構(gòu)到指令系統(tǒng)都是按照嵌入式應用特點專門設計的，能最好地滿

29、足面對控制對象、應用系統(tǒng)的嵌入、現(xiàn)場的可靠運行以及非凡的控制品質(zhì)要求。因此，單片機是發(fā)展最快、品種最多、數(shù)量最大的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)與單片機已深入到國民經(jīng)濟眾多技術(shù)領(lǐng)域。7.1 單片機選型隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，單片機技術(shù)也日趨完善。針對不同的應用領(lǐng)域，世界各大集成電路制造商都推出了品種繁多的各具特色的產(chǎn)品，設計者可以根據(jù)自己的實際需要，從中選擇一款最適合設計需要的單片機。intel公司繼1976年推出mcs-48系列8位單片機之后，又于1980年推出了mcs-51系列高檔8位單片機。至今20多年來，51系列單片機經(jīng)久不衰，并得到了廣泛的應用。近些年來，世界上很多大半導體公司都生

30、產(chǎn)以8051為內(nèi)核的單片機，如atmel/phlips/sst公司的at89/p89/stc89系列和at87/p87系列單片機，越來越多地得到廣泛應用。為了滿足系統(tǒng)對控制的精確性和柔性化要求，本設計選用的是at89c51型號的單片機作為自動回轉(zhuǎn)刀架控制系統(tǒng)的控制核心。7.2 硬件電路設計自動回轉(zhuǎn)刀架的電氣控制部分主要包括收信電路和發(fā)信電路兩大塊，如圖7.2所示。7.2.1 收信電路 圖a中，發(fā)信盤上的6只霍爾開關(guān)（型號為ugn3120u），都有3個引腳，第一腳接+12v地，第三腳為輸出。轉(zhuǎn)位時刀臺帶動磁鐵旋轉(zhuǎn)，當磁鐵對準某一個霍爾開關(guān)時，其輸出端第3腳輸出低電平；當磁鐵離開時，第三腳輸出高電

31、平。6只霍爾開關(guān)輸出的6個刀位信號t1t6分別送到圖b的6只光耦合器進行處理，經(jīng)過光電隔離的信號再送給i/o接口芯片8255的pc2pc7。此外，i/o接口芯片8255的pc0直接接外部按鈕,判斷是手動換刀還是自動換刀。7.2.2 發(fā)信電路 圖c為刀架電動機正反轉(zhuǎn)控制電路，i/o接口芯片8255的pa6與pa7分別控制刀架電動機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。其中ka1為正轉(zhuǎn)繼電器的線圈，ka2為反轉(zhuǎn)繼電器的線圈。因刀架電動機的功率只有110w，所以圖d中刀架電動機與380v市電的接通可以選用大功率直流繼電器，而不必采用繼電器-接觸器控制電路，以節(jié)省成本，降低故障率。圖c中，正轉(zhuǎn)繼電器的線圈ka1與反轉(zhuǎn)繼電器的

32、一組常閉觸點串聯(lián)，而反轉(zhuǎn)繼電器的線圈ka2又與正轉(zhuǎn)繼電器的一組常閉觸點串聯(lián)，這樣就構(gòu)成了正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的互鎖電路，以防控制系統(tǒng)失控時導致短路現(xiàn)象。當ka1或ka2的觸點接通380v電壓時，會產(chǎn)生較強的火花，并通過電網(wǎng)影響控制系統(tǒng)的正常工作，為此，在圖d中布置了3對r-c阻容用來滅弧，以抑制火花的產(chǎn)生。7.3 硬件電路主要電子元件的工作原理7.3.1霍爾元件的工作原理和特性 霍爾元件的工作原理：所謂霍爾效應，是指磁場作用于載流金屬導體、半導體中的載流子時，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。金屬的霍爾效應是1879年被美國物理學家霍爾發(fā)現(xiàn)的。當電流通過金屬箔片時，若在垂直于電流的方向施加磁場，則金屬箔片兩側(cè)面

33、會出現(xiàn)橫向電位差。半導體中的霍爾效應比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現(xiàn)極強的霍爾效應。利用霍爾效應可以設計制成多種傳感器?；魻栯娢徊顄h的基本關(guān)系為 uh=rhib/d （7.1） rh=1/nq（金屬） （7.2）7.3.2 霍爾開關(guān)的工作原理工作原理原理：當一塊通有電流的金屬或半導體薄片垂直地放在磁場中時，薄片的兩端就會產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢u，其表達式為u=kib ,其中k為霍爾系數(shù)，i為薄片中通過的電流，b為外加磁場（洛倫慈力lorrentz）的磁感應強度，d是薄片的厚度。由此可見，霍爾開關(guān)的靈敏度高低與外加磁場的磁感應強度

34、成正比的關(guān)系?；魻栭_關(guān)就屬于這種有源磁電轉(zhuǎn)換器件，它是在霍爾效應原理的基礎(chǔ)上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，它可方便的把磁輸入信號轉(zhuǎn)換成實際應用中的電信號，同時又具備工業(yè)場合實際應用易操作和可靠性的要求。7.3.3 光電耦合器的工作原理單片機控制系統(tǒng)屬于弱電控制部分，說它是干擾源是因為它的主電路部分屬于強電控制部分，因此，為了保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在弱電和強電之間采用一定的隔離措施是非常必要的。常用的隔離方式有光電隔離、繼電器隔離、變壓器隔離。在本設計中，采用了光電隔離保護措施。信號的隔離目的之一是從電路上把干擾源和易被干擾的部分隔離開來，使測控裝置與現(xiàn)場僅保持信號聯(lián)系，但不直接發(fā)生電的聯(lián)系。為

35、了抗干擾，本設計采用的是光電耦合器進行隔離的措施來抑制此種干擾，光電耦合器使被隔離兩者之間只有光的聯(lián)系，而不直接發(fā)生電的聯(lián)系。7.3.4 8255芯片的工作原理8255芯片是一個典型的可編程通用并行接口芯片,用來擴展單片機的端口，對8255輸入不同的指令可改變io口的工作方式。8255與單片機系統(tǒng)連接方式簡單，工作方式由程序設定，8255內(nèi)部有4個寄存器：分別為寄存器a、b、c和控制寄存器。a、b、c寄存器的數(shù)據(jù)就是引腳pa7pa0、pb7pb0、pc7pc0上輸入或輸出的數(shù)據(jù)。而控制寄存器的數(shù)據(jù)則表明pa、pb、pc的工作方式。通過cs、a0、a1、rd和wr對4個寄存器進行操作。實現(xiàn)方式：cs為低電平時選通8255； a1、a0-為地址選通； rd、wr-為讀、寫信號：rd為低、wr為高時為讀方式，rd為高、wr為低時為寫方式。d0d7為數(shù)據(jù)口。 向控制寄存器寫入不同的數(shù)據(jù)可以使8255工作在三種不同的方式下。這里只介紹應用最多的方式0。方式0下8255的pa、pb及pc口上半部分（pc7pc4）和下半部分（pc3pc0）中任何一個端口都可以設定為輸入或輸出，pc口還可以進行位操作。它具有3個8位的并行口,有三種工作方式,可作為單片機與各種外部設備連接的接口電路,且初始化很簡單，8255的使用說明上都有，地址分配要看實際的連