數(shù)控車床CA6140自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)【機(jī)械+電氣】
數(shù)控車床CA6140自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)【機(jī)械+電氣】,機(jī)械+電氣,數(shù)控車床,ca6140,自動(dòng),回轉(zhuǎn),刀架,機(jī)電,電機(jī),系統(tǒng),設(shè)計(jì),機(jī)械,電氣
外文資料翻譯
Control Machine, On The Necessity Of The Reform
1 at the necessity of reform micro
Micro, nc machine tools are prominent than traditional superiority, and these advantages are from the numerical control system contains the power of computers.
The traditional machining process of complex curves and surfaces, etc.
Because computers are excellent operation ability, can be instantaneous accurately calculate the instantaneous should coordinate each exercise, so can exercise into complex compound curve or surface.
Can realize the automatic processing, and is flexible, thus to improve efficiency than traditional machine 3-7 times.
Because computers are memory and storage capacity, can input program, then remember and storage procedures according to the order to perform automatic, so as to realize automation. If you replace a CNC program, can realize the automation of another workpiece machining, thereby piece and small batch production automation, so called "flexible".
Machining parts of high precision, small size, which makes easy dispersion, no longer need to "repair match means".
Can achieve more processes, reduce the concentration of frequent in handling.
With automatic alarm, automatic control, automatic compensation of self-discipline function, thus realizing unattended processing for a long time.
The benefits derived from above five. Such as: reduce the labor intensity, save labor (a person can watch more tool machine), reduce the tooling, shorten the cycle of new product trial production cycle, and to make rapid reaction to market demand, etc.
These advantages is unimaginable, is a very significant breakthrough. In addition, the numerical control machine tools or pushing FMC (flexible manufacturing unit), FMS (FMS) and CIMS (computer integrated manufacturing system) enterprise informationization reform. CNC manufacturing automation technology has become the core technology and basic techniques.
2 macro see the necessity of reform
Macro, industrialized countries, people of mechanical industry, in the 1970s and early 1980s has started large-scale application of numerical control machine. Its essence is to use information technology, the traditional industry (including the army, and machinery industry). Except in the manufacturing process using nc machine tools, FMC, FMS, still include in product development and implementation of CAD, CAM, CAE, virtual manufacturing and production management in the implementation of the management information system (MIS), CIMS etc. In the production of products and the increase in information technology, including the content of artificial intelligence. Because of using information technology to foreign armies, people machinery industry in-depth reform (called information), eventually making their products in the international military and civilian goods market competitiveness greatly strengthened. And we in information technology to transform traditional industries in developed countries behind than about 20 years. If our machine, CNC ownership of the proportion of numerical control (rate) to 1995 only 1.9% in 1994, while Japan has reached by 20.8%, so every year there are lots of the import of mechanical and electronic products. This is from on macroscopic illustrates the necessity of nc reform.
Second, how to reform nc
1 the rise of industry transformation, and abroad
In the United States, Japan and Germany and other developed countries, their machine reconstruction, as a new economic growth industries, is in the golden age. Due to the machine as well as technology advances, machine reconstruction is a "eternal". Our machine reconstruction from old, also with numerical control technology industry into the new industry. In the United States, Japan, Germany, using CNC machine and production technical renovation has broad market, has formed a line of nc machine tools and new industry transformation. In the United States, machine tool called transformation industry. Remanufacturing (regeneration) The famous company engaged in renewable industry: Bertsche engineering Co., ayton machine Co., Devlieg - Bullavd (depot) services group, US equipment company, etc. American companies in China to open. In Japan, machine tools modification (called transformation industry Retrofitting). Engaged in the modification of the famous company has possession: Wei engineering group, three machinery company, p.dubois chiyoda machine company worker, wild zanretsuken engineering company, waterside field engineering company, morikawa engineering company, etc.
普通車床的數(shù)控化改造
機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的必要性。
首先從微觀看改造的必要性：
微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。
可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。
可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。
由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了“柔性自動(dòng)化”。
加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。
可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。
擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人看管加工。
由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)等等。
以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突破。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。
其次宏觀看改造的必要性：
宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對(duì)國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場(chǎng)上競(jìng)爭力大為增強(qiáng)。而我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后20年。如我國機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達(dá)20.8％，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。
如何進(jìn)行機(jī)床數(shù)控化改造
國外改造業(yè)的興起
在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家，它們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個(gè)"永恒"的課題。我國的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場(chǎng)，已形成了機(jī)床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床再生（Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton機(jī)床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務(wù)集團(tuán)、US設(shè)備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。?
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
開題報(bào)告
論文題目：數(shù)控車床CA6140自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告
一、結(jié)合畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書的要求，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫1500字左右的課題綜述：
1、 選題的目的意義
數(shù)控機(jī)床是多品種小批量生產(chǎn)的高效自動(dòng)化的技術(shù)群體, 它是把多工序加工、切刀具磨損和測(cè)量等各種功能集為一體的自動(dòng)化機(jī)床。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展, 數(shù)控機(jī)床已是衡量一個(gè)國家機(jī)械制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志。其中數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床的重要部件之一， 刀架用于夾持切削用的刀具，因此其結(jié)構(gòu)直接影響機(jī)床的切削性能和切削效率。它在一定程度上標(biāo)志著數(shù)控車床的技術(shù)水平，并且與加工精度和生產(chǎn)效率密切相關(guān)。因此，國內(nèi)外都在不斷地提高數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架的重復(fù)定位精度和換刀速度，以適應(yīng)高質(zhì)量、高效率生產(chǎn)的要求。目前具有世界先進(jìn)水平的數(shù)控車床，其換刀速度已達(dá)到1s 以內(nèi)，重復(fù)定位精度可保證小于0.002mm。
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(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。德國Sauter（肖特）公司的產(chǎn)品的性能指標(biāo)較高，代表數(shù)控車床用轉(zhuǎn)塔刀架的發(fā)展前景，具體表現(xiàn)在：
（1）刀架轉(zhuǎn)位時(shí)間最短，且轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確。數(shù)控刀架作為數(shù)控機(jī)床必需的功能部件，直接影響機(jī)床的性能和可靠性，是機(jī)床的故障高發(fā)點(diǎn)。這就要求設(shè)計(jì)的刀架具有轉(zhuǎn)位快，定位精度高，切向扭矩大的特點(diǎn)。它采用蝸桿傳動(dòng)，上下齒盤嚙合，螺桿夾緊的工作原理。
（2）刀架定位精度高、動(dòng)作迅速、穩(wěn)定可靠。因?yàn)閿?shù)控機(jī)床的切削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置。由于在加工過程中刀尖位置不進(jìn)行人工調(diào)整，因此，轉(zhuǎn)塔刀架在結(jié)構(gòu)上必須有足夠的強(qiáng)度和剛性，以及合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證轉(zhuǎn)塔刀架在每一次轉(zhuǎn)位之后，都具有盡可能高的重復(fù)定位精度。 Sauter公司產(chǎn)品正是滿足了這一要求, 才使其能夠承受粗加工時(shí)的切削抗力同時(shí)滿足各種精密加工的要求。
(3）可多刀夾持，雙向轉(zhuǎn)位和任意刀位就近選刀。
(4）應(yīng)用范圍廣，維修方便等特點(diǎn)。
2、國內(nèi)外研究綜述
目前國內(nèi)數(shù)控刀架以電動(dòng)為主，分為立式和臥式兩種，主要用于簡易數(shù)控車床。臥式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋轉(zhuǎn)，就近選刀，用于全功能數(shù)控車床。另外臥式刀架還有液動(dòng)刀架和伺服驅(qū)動(dòng)刀架。電動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床重要的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，合理地選配電動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，并正確實(shí)施控制，能夠有效的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，消除人為誤差，提高加工精度等等。另外，加工工藝適應(yīng)性和連續(xù)穩(wěn)定的工作能力也明顯提高，尤其是在加工幾何形狀較復(fù)雜的零件時(shí)，除了控制系統(tǒng)能提供相應(yīng)的控制指令外，很重要的一點(diǎn)是數(shù)控車床配備了易于控制的電動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，以便一次裝夾所需的各種刀具，靈活、方便地完成各種幾何形狀的加工。
國內(nèi)部分刀架回轉(zhuǎn)原理為電機(jī)經(jīng)彈簧理合器帶動(dòng)蝸桿，再由蝸輪帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)都苻D(zhuǎn)體時(shí)，由霍爾元件不斷檢測(cè)刀架轉(zhuǎn)體是否到位，到位后霍爾元件發(fā)出信號(hào)，然后反轉(zhuǎn)鎖緊。主要采用有銷盤、內(nèi)齒盤，外齒盤組成的三端齒定位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。其控制部分主要選用MCS-51系列單片機(jī)以及ATMEL公司的AT89等同類產(chǎn)品進(jìn)行控制。
煙臺(tái)機(jī)床附件廠是目前我國生產(chǎn)刀架水平最高的廠家，特別是可以生產(chǎn)帶刀頭的刀架。該廠家全套引進(jìn)意大利的生產(chǎn)線，產(chǎn)品屬于高檔型。
國外數(shù)控機(jī)床附件產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用比較早，經(jīng)驗(yàn)豐富，再由于技術(shù)進(jìn)步，新材料，新結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)與應(yīng)用，使得其產(chǎn)品的可靠性比較高。
國外主要分為日本和歐美兩大流派。其產(chǎn)品的特點(diǎn)是夾緊力大，采用專用電機(jī)，體積小，轉(zhuǎn)矩大，可靠性高，耐磨，可靠性較高。比如，日本日研公司部分回轉(zhuǎn)刀架的核心部件蝸桿副，蝸輪采用氮化鋼，齒部表面采用氮化處理，硬度高；蝸桿為硬質(zhì)合金蝸桿；整個(gè)蝸桿副為硬齒面接觸，耐磨。既實(shí)現(xiàn)了高速又保證了高可靠性。還有德國的肖特（SAUTER）、意大利的杜普洛馬蒂克（DUPLOMATIC）和巴魯法迪（BARUFFALDI）等，他們都有自己的系列、規(guī)格和專利。像肖特（SAUTER）的刀架，采用行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)方向均為同一方向，沒有像蝸桿副的降速機(jī)構(gòu)的交叉軸設(shè)計(jì)，易于一體化布置。采用牙嵌式齒行離合器的升起和加緊，空行程轉(zhuǎn)角、小效率高，且自鎖功能可靠。其控制部分大都與機(jī)床一起采用CNC控制，目前國際比較好的系統(tǒng)有西門子，法拉克，三菱等。
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二、本設(shè)計(jì)（論文）研究的內(nèi)容及擬采用的研究方案和技術(shù)路線：
1. 本設(shè)計(jì)（論文）的研究內(nèi)容或解決的技術(shù)問題：
（1） 研究臥式數(shù)控車床刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)問題
①讀數(shù)控自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架相關(guān)的論文和書籍，系統(tǒng)地了解數(shù)控自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架相關(guān)知識(shí)和原理。
②減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，查閱資料了解蝸桿及蝸輪副的優(yōu)缺點(diǎn)及使用場(chǎng)所，選擇最合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
（2）研究臥式數(shù)控車床刀架的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)問題
①掌握單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本原理和常用解決方面。
②掌握Auto CAD等軟件平臺(tái)的應(yīng)用和操作。
2. 本課題擬采用的研究解決方案和技術(shù)路線
①通過對(duì)數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及電氣控制進(jìn)行研究，探索數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架的組成和工作原理。
②通過所學(xué)專業(yè)知識(shí)，通過查閱相關(guān)資料和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，查閱工具書和參考書，合理的選擇設(shè)計(jì)計(jì)算公式，正確計(jì)算，并輔以圖紙完成數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架機(jī)械部分。
③電氣控制部分的設(shè)計(jì)，通過單片機(jī)編制數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架的控制部分。
3. 本設(shè)計(jì)（論文）計(jì)劃進(jìn)度：
第六周組合機(jī)床總體方案初步設(shè)計(jì)。
第七周修改、整理組合機(jī)床總體方案。
第八周繪制零件加工工序、示意圖。
第九周繪制機(jī)床聯(lián)系尺寸圖。
第十周熟悉機(jī)床刀架自動(dòng)控制相關(guān)資料。
第十一周結(jié)合零件加工要求初步設(shè)計(jì)組合機(jī)床刀架自動(dòng)控制系統(tǒng)圖。
第十二周設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)圖。
第十三周編寫設(shè)計(jì)說明書提交初稿。
第十四周修改圖紙和說明書并打印。
第十五周論文整理、裝訂和參加答辯。
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指導(dǎo)教師意見：
指導(dǎo)教師：
專業(yè)教研室(專家組)審核意見：
負(fù)責(zé)人：
系主任審批意見：
負(fù)責(zé)人：
摘 要
自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，它有效地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，消除人工誤差提高加工精度和加工精度的一致性等。但是傳統(tǒng)的普通車床換刀的速度慢、精度不高，生產(chǎn)效率低，不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。所以為了提高生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量以及改善勞動(dòng)條件必須對(duì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架進(jìn)行改進(jìn)。
本文對(duì)數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)電系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析，研究數(shù)控車床刀架的組成和工作原理，對(duì)普通機(jī)床的換刀裝置進(jìn)行改進(jìn)，使該裝置具有自動(dòng)松開、轉(zhuǎn)位、精密定位等功能。此次主要完成自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械部分和電氣部分的設(shè)計(jì)。機(jī)械部分為對(duì)其組成的各個(gè)機(jī)械部件進(jìn)行計(jì)算與選用，電氣部分為編制刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)位控制軟件。設(shè)計(jì)的數(shù)控?fù)Q刀裝置功能更強(qiáng)，換刀裝置通過刀具快速自動(dòng)定位，可以提高數(shù)控車床的效率，縮短加工時(shí)間；同時(shí)其可靠性更穩(wěn)定，結(jié)抅簡單。
關(guān)鍵詞: 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，換刀裝置，機(jī)電系統(tǒng)，電氣控制
Design of automatic turret mechanical and electrical system of CNC lathes
Abstract
The automatic turret is an important part of CNC lathe. It improved labor productivity and shorten the production time, eliminate human error, the improvement of the machining accuracy and consistency of precision. Though conventional ordinary lathe tool change slowly, low accuracy, low productivity. It cannot adapt to the needs of modern production. Therefore, we must be improved the automatic turret in order to increase productivity, improve product quality and improve working.
This rotary tool holder for CNC lathe electrical and mechanical systems related content study, study the composition and working principle of CNC lathes turret and improve the tool changerthe of general machine tools, so that the device has an automatic release, transfer, precision positioning and other functions. This time we should completion of the design of automatic turret’s the mechanical parts and electrical parts. Mechanical part is composed of various mechanical calculation and selection of parts, electrical parts is preparation of the turret automatically transfer of the control software, automatic indexing turret. Design of more powerful CNC tool changer, tool changer quickly through the automatic positioning tool can improve the efficiency of CNC lathes and shorten the processing time; while its reliability is more stable, the structure is simpler.
Keywords: Automatic turret Tool changer Electro-Mechanical Systems Electrical control
目 錄
1緒 論 1
1.1自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)背景 1
1.2自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的市場(chǎng)分析 2
1.3設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的意義 2
2自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架總體設(shè)計(jì) 3
2.1總體方案的確定 3
2.2減速機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 4
2.3刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的確定 5
2.4抬起機(jī)構(gòu)的確定 5
3自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)械部分設(shè)計(jì) 6
3.1自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 6
3.2蝸輪及蝸桿的設(shè)計(jì)及校核 8
3.2.1蝸桿的選型 9
3.2.2蝸桿副的材料 10
3.2.3按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 10
3.3蝸輪及蝸桿的主要參數(shù)與幾何尺寸 12
3.4螺桿的主要參數(shù)與幾何尺寸 14
3.4.1螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 14
3.5蝸桿軸的設(shè)計(jì) 15
3.5.1蝸桿軸的材料選擇，確定許用應(yīng)力 15
3.5.2按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步估算軸的最小直徑 15
3.5.3確定各軸段的直徑和長度 16
3.5.4蝸桿軸的校核 17
3.6蝸桿軸的軸承選用 21
4自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架電氣部分設(shè)計(jì) 22
4.1硬件電路設(shè)計(jì) 22
4.2控制軟件設(shè)計(jì) 25
4.2.180C31單片機(jī)及其引腳說明 26
4.2.2 靜態(tài)存儲(chǔ)器6264的特性 28
4.2.3 2764只讀存儲(chǔ)器的特性 28
4.2.4 可編程并行I/O接口芯片8255的特性 29
5結(jié) 論 33
6致 謝 34
7 參考文獻(xiàn) 35
附錄：轉(zhuǎn)配圖A0圖紙一張、零件圖A1、A2各五張（上刀體圖、下刀體圖上圓盤圖、下圓盤圖 、刀架電氣圖、蝸輪、蝸桿圖、螺桿圖、空心軸圖、發(fā)信盤圖）
摘 要
自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，它有效地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，消除人工誤差提高加工精度和加工精度的一致性等。但是傳統(tǒng)的普通車床換刀的速度慢、精度不高，生產(chǎn)效率低，不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。所以為了提高生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量以及改善勞動(dòng)條件必須對(duì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架進(jìn)行改進(jìn)。
本文對(duì)數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)電系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析，研究數(shù)控車床刀架的組成和工作原理，對(duì)普通機(jī)床的換刀裝置進(jìn)行改進(jìn)，使該裝置具有自動(dòng)松開、轉(zhuǎn)位、精密定位等功能。此次主要完成自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械部分和電氣部分的設(shè)計(jì)。機(jī)械部分為對(duì)其組成的各個(gè)機(jī)械部件進(jìn)行計(jì)算與選用，電氣部分為編制刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)位控制軟件。設(shè)計(jì)的數(shù)控?fù)Q刀裝置功能更強(qiáng)，換刀裝置通過刀具快速自動(dòng)定位，可以提高數(shù)控車床的效率，縮短加工時(shí)間；同時(shí)其可靠性更穩(wěn)定，結(jié)抅簡單。
關(guān)鍵詞: 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，換刀裝置，機(jī)電系統(tǒng)，電氣控制
Design of automatic turret mechanical and electrical system of CNC lathes
Abstract
The automatic turret is an important part of CNC lathe. It improved labor productivity and shorten the production time, eliminate human error, the improvement of the machining accuracy and consistency of precision. Though conventional ordinary lathe tool change slowly, low accuracy, low productivity. It cannot adapt to the needs of modern production. Therefore, we must be improved the automatic turret in order to increase productivity, improve product quality and improve working.
This rotary tool holder for CNC lathe electrical and mechanical systems related content study, study the composition and working principle of CNC lathes turret and improve the tool changerthe of general machine tools, so that the device has an automatic release, transfer, precision positioning and other functions. This time we should completion of the design of automatic turret’s the mechanical parts and electrical parts. Mechanical part is composed of various mechanical calculation and selection of parts, electrical parts is preparation of the turret automatically transfer of the control software, automatic indexing turret. Design of more powerful CNC tool changer, tool changer quickly through the automatic positioning tool can improve the efficiency of CNC lathes and shorten the processing time; while its reliability is more stable, the structure is simpler.
Keywords: Automatic turret Tool changer Electro-Mechanical Systems Electrical control
目 錄
1緒 論 1
1.1自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)背景 1
1.2自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的市場(chǎng)分析 2
1.3設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的意義 2
2自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架總體設(shè)計(jì) 3
2.1總體方案的確定 3
2.2減速機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 4
2.3刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的確定 5
2.4抬起機(jī)構(gòu)的確定 5
3自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)械部分設(shè)計(jì) 6
3.1自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 6
3.2蝸輪及蝸桿的設(shè)計(jì)及校核 8
3.2.1蝸桿的選型 9
3.2.2蝸桿副的材料 10
3.2.3按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 10
3.3蝸輪及蝸桿的主要參數(shù)與幾何尺寸 12
3.4螺桿的主要參數(shù)與幾何尺寸 14
3.4.1螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 14
3.5蝸桿軸的設(shè)計(jì) 15
3.5.1蝸桿軸的材料選擇，確定許用應(yīng)力 15
3.5.2按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步估算軸的最小直徑 15
3.5.3確定各軸段的直徑和長度 16
3.5.4蝸桿軸的校核 17
3.6蝸桿軸的軸承選用 21
4自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架電氣部分設(shè)計(jì) 22
4.1硬件電路設(shè)計(jì) 22
4.2控制軟件設(shè)計(jì) 25
4.2.180C31單片機(jī)及其引腳說明 26
4.2.2 靜態(tài)存儲(chǔ)器6264的特性 28
4.2.3 2764只讀存儲(chǔ)器的特性 28
4.2.4 可編程并行I/O接口芯片8255的特性 29
5結(jié) 論 33
6致 謝 34
7 參考文獻(xiàn) 35
36
1 緒 論
1.1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)背景
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控是我國80年代科技發(fā)展的產(chǎn)物。這種數(shù)控系統(tǒng)由于功能適宜，價(jià)格便宜，用它來改造車床，投資少、見效快，成為我國“七五”、“八五”重點(diǎn)推廣的新技術(shù)之一。十幾年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控技術(shù)也在不斷進(jìn)步，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品不斷改進(jìn)完善，并且有了階段性的突破，使新的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)功能更強(qiáng)，可靠性更穩(wěn)定，功率增大，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。由于這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展增強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控的活力，根據(jù)我國國情，該技術(shù)在今后一段時(shí)間內(nèi)還將是我國機(jī)械行業(yè)老設(shè)備改造的很好途徑。對(duì)于原有老的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，特別是80年代末期改造的設(shè)備，由于種種原因閑置的很多，浪費(fèi)很大；在用的設(shè)備使用至今也十幾年了，同樣面臨進(jìn)一步改造的問題通過改造可以提高原有裝備的技術(shù)水平，大大提高生產(chǎn)效率，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。
數(shù)控車床為了能在工件的一次裝夾中完成多工序加工，縮短輔助時(shí)間，減少多次裝夾所引起的加工誤差，必須帶有自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架。
隨著數(shù)控車床的發(fā)展，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架開始向快速換刀、電液組合驅(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。?
目前國內(nèi)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架以電動(dòng)為主，根據(jù)安裝方式的不同可分為立式和臥式兩種。立式刀架有四、六工位兩種形式，主要用于簡易數(shù)控車床；臥式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋轉(zhuǎn)，就近選刀，用于全功能數(shù)控車床。根據(jù)機(jī)械定位方式的不同，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架可分為端齒盤定位型和三齒盤定位型等。其中端齒盤定位型換刀時(shí)需要刀架抬起，換刀速度較慢且密封性較差，但其結(jié)構(gòu)簡單。三齒盤定位型又叫免抬型，其特點(diǎn)是換刀時(shí)刀架不抬起，因此換刀速度快且密封性好，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。另外臥式刀架還有液動(dòng)刀架和伺服驅(qū)動(dòng)刀架。
1.2 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的市場(chǎng)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(dòng)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(dá)10000～15000臺(tái)。?
數(shù)控刀架的高、中、低檔產(chǎn)品市場(chǎng)數(shù)控刀架作為數(shù)控機(jī)床必需的功能部件，直接影響機(jī)床的性能和可靠性，是機(jī)床的故障高發(fā)點(diǎn)。
這就要求設(shè)計(jì)的刀架具有轉(zhuǎn)位快，定位精度高，切向扭矩大的特點(diǎn)。它的原理采用蝸桿傳動(dòng)，上下齒盤嚙合，螺桿夾緊的工作原理。
1.3 設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的意義
電動(dòng)刀架是數(shù)控車床重要的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，合理地選配電動(dòng)刀架，并正確實(shí)施控制，能夠有效的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，消除人為誤差，提高加工精度與加工精度的一致性等等。另外，加工工藝適應(yīng)性和連續(xù)穩(wěn)定的工作能力也明顯提高，尤其是在加工幾何形狀較復(fù)雜的零件時(shí)，除了控制系統(tǒng)能提供相應(yīng)的控制指令外，很重要的一點(diǎn)是數(shù)控車床需配備易于控制的電動(dòng)刀架，以便一次裝夾所需的各種刀具靈活、方便地完成各種幾何形狀的加工。
自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛性，以承受粗加工時(shí)的切削抗力。為了保證轉(zhuǎn)位之后具有高的重復(fù)定位精度，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架還要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的自動(dòng)換刀是由控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)的。
在自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床上，自動(dòng)換刀裝置應(yīng)滿足換刀時(shí)間短，刀具重復(fù)定位精度高，足夠的刀具儲(chǔ)存量，換刀安全可靠等要求。各類機(jī)床的換刀裝置主要取決于機(jī)床的型式、工藝范圍及刀具的數(shù)量和種類等。傳統(tǒng)的車床如CA6140的刀架上只能裝一把刀，換刀的速度慢，換刀后還須重新對(duì)刀，并且精度不高，生產(chǎn)效率低，不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，因此有必要對(duì)機(jī)床的自動(dòng)刀架進(jìn)行改進(jìn)。
2 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架總體設(shè)計(jì)
2.1 總體方案的確定
在自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床上，自動(dòng)換刀裝置應(yīng)滿足換刀時(shí)間短，刀具重復(fù)定位精度高，足夠的刀具儲(chǔ)存量，換刀安全可靠等要求。
目前為止應(yīng)用最廣的刀架為回轉(zhuǎn)刀架?；剞D(zhuǎn)刀架是一種最簡單的自動(dòng)換刀裝置，常用于數(shù)控車床。可以設(shè)計(jì)成四方刀架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式。回轉(zhuǎn)刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，并按數(shù)控裝置的指令換刀。回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛度，以承受粗加工時(shí)的切削抗力。由于車削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，對(duì)于數(shù)控車床來說，加工過程中刀具位置不進(jìn)行人工調(diào)整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證回轉(zhuǎn)刀架在每次轉(zhuǎn)位之后，具有盡可能高的重復(fù)定位精度（一般為0.001～0.005mm）。
圖2-1 回轉(zhuǎn)刀架的類型及工作原理
一般情況下，回轉(zhuǎn)刀架的換刀動(dòng)作包括刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位及刀架壓緊等?；剞D(zhuǎn)刀架按其工作原理分為若干類型，如圖2-1所示。
圖2-1a所示為螺母升降轉(zhuǎn)位刀架，電動(dòng)機(jī)經(jīng)彈簧安全離合器到蝸輪副帶動(dòng)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(dòng)刀架旋轉(zhuǎn)到位，然后給系統(tǒng)發(fā)信號(hào)螺母反轉(zhuǎn)鎖緊。使刀架換位，進(jìn)行切削加工。螺母升降式零件多，但加力可靠，精度較高，許多刀架都利用這種原理設(shè)計(jì)。
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(shè)計(jì)成六工位等）。十字槽輪式體積大，零件多，目前使用較少。
圖2-1c所示為凸臺(tái)棘爪式刀架，蝸輪帶動(dòng)下凸輪臺(tái)相對(duì)于上凸輪臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，使其上、下端齒盤分離，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，則棘輪機(jī)構(gòu)推動(dòng)刀架轉(zhuǎn)90o，然后利用一個(gè)接觸開關(guān)或霍爾元件發(fā)出電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)信號(hào)，重新鎖緊刀架。凸臺(tái)棘爪式重復(fù)定位精度相對(duì)較低。
圖2-1d所示為電磁式刀架，它利用了一個(gè)有10kN左右拉緊力的線圈使刀架定位鎖定。電磁式目前已能實(shí)用，但多一套電路，并要有斷電保護(hù)。
圖2-1e所示為液壓式刀架，它利用擺動(dòng)液壓缸來控制刀架轉(zhuǎn)位，圖中有擺動(dòng)閥芯、撥爪、小液壓缸；撥爪帶動(dòng)刀架轉(zhuǎn)位，小液壓缸向下拉緊，產(chǎn)生10kN以上的拉緊力。這種刀架的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)位可靠，拉緊力可以再加大，但其缺點(diǎn)是液壓件難制造，還需多一套液壓系統(tǒng)，有液壓油泄漏及發(fā)熱問題。
經(jīng)過參考幾種經(jīng)典的刀架設(shè)計(jì)類型后，決定在本設(shè)計(jì)中采用螺母升降轉(zhuǎn)位刀架，電動(dòng)機(jī)經(jīng)彈簧安全離合器到蝸輪副帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，螺母舉起刀架使上齒盤與下齒盤分離以及利用十字槽輪來轉(zhuǎn)位及鎖緊刀架（還要加定位銷）來實(shí)現(xiàn)刀架抬起和精確定位。
2.2 減速機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定
在本設(shè)計(jì)中由于采用了三相異步電動(dòng)機(jī)，三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組因與磁場(chǎng)間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)而感生電動(dòng)勢(shì)和電流，并與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)能量變換。與單相異步電動(dòng)機(jī)相比，三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能好，并可節(jié)省各種材料。在普通的三相異步電動(dòng)機(jī)因轉(zhuǎn)速太快，不能直接驅(qū)動(dòng)刀架進(jìn)行換刀，必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)臏p速。根據(jù)立式轉(zhuǎn)位刀架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用蝸桿副減速是最佳選擇。蝸輪蝸桿傳動(dòng)有以下特點(diǎn)：
1、傳動(dòng)平穩(wěn)。蝸桿傳動(dòng)同時(shí)嚙合的齒對(duì)數(shù)多，且蝸桿為連續(xù)的螺旋曲面，嚙合過程是連續(xù)的，振動(dòng)、沖擊和噪聲較小。
2、具有自鎖性。當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于嚙合摩擦角時(shí)，蝸桿傳動(dòng)具有自鎖性。此時(shí)，只能蝸桿帶動(dòng)蝸輪，反之則不能轉(zhuǎn)動(dòng)。
3、傳動(dòng)比大。單級(jí)傳動(dòng)可獲得傳動(dòng)比為5-80，在分度機(jī)構(gòu)中可達(dá)600或更大。和齒輪傳動(dòng)相比實(shí)現(xiàn)相同的傳動(dòng)比時(shí)結(jié)構(gòu)較緊湊。
所以說蝸桿副傳動(dòng)可以改變運(yùn)動(dòng)的方向，獲得較大的傳動(dòng)比，保證傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，并且具有自鎖功能，還可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的小型化。使得刀架在是有過程中更加輕便，方便機(jī)床的加工作業(yè)。
2.3 刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的確定
在本設(shè)計(jì)中由于刀具直接安裝在上刀體上，所以上刀體要承受全部的切削力，其鎖緊與定位的精度將直接影響工件的加工精度。本設(shè)計(jì)上刀體的鎖緊與定位機(jī)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(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，上下端面齒相互咬合，這時(shí)上刀體不能繞刀架的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)；換刀時(shí)電動(dòng)機(jī)正傳，抬起機(jī)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(dòng)，完成轉(zhuǎn)位動(dòng)作。
2.4 抬起機(jī)構(gòu)的確定
要想使上、下刀體的兩個(gè)端面齒脫離，就必須設(shè)計(jì)合適的機(jī)構(gòu)使上刀體抬起。本設(shè)計(jì)選用螺桿-螺母副，在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當(dāng)電動(dòng)機(jī)通過蝸桿-蝸輪帶動(dòng)蝸桿繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動(dòng)，要么上下移動(dòng)。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，上刀體與下刀體的端面齒相互咬合，因?yàn)檫@時(shí)上刀體不能與螺桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，所以螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使上刀體向上移動(dòng)。當(dāng)端面齒脫離咬合時(shí)，上刀體就與螺桿一同轉(zhuǎn)動(dòng)。
設(shè)計(jì)螺桿時(shí)要求選擇適當(dāng)?shù)穆菥?，以便?dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，使得上刀體與下刀體的端面齒能夠完全脫離咬合狀態(tài)。
3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)械部分設(shè)計(jì)
3.1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理
自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程圖如圖3-1所示，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。
圖3-1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架換刀流程
1-發(fā)信盤 2-推力球軸承3-螺桿螺母副4-端面齒盤5-反靠圓盤 6-三相異步電機(jī)7-聯(lián)軸器 8-蝸桿副 9-反靠銷 10-圓柱銷 11-上蓋圓盤 12-上刀體 圖3-2 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖
刀架抬起：需要換刀時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號(hào)，三相異步電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，通過蝸桿副帶動(dòng)螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)，與螺桿配合的上刀體逐漸抬起，下刀體與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；
刀架轉(zhuǎn)位：當(dāng)轉(zhuǎn)過170度時(shí)，兩端面完全脫開，圓柱銷由于彈簧的作用壓在螺桿上端的臺(tái)階內(nèi)側(cè)，于是螺桿帶動(dòng)上刀體轉(zhuǎn)動(dòng)起來。
刀架定位：上刀體帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時(shí)，粗定位銷在彈簧的作用下進(jìn)入粗定位槽，同時(shí)發(fā)信盤上對(duì)應(yīng)的霍爾元件輸出高電平信號(hào)，控制系統(tǒng)收到后，立即控制刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，由于粗定位銷的作用，上刀體不會(huì)隨螺桿的反轉(zhuǎn)而反轉(zhuǎn)，所以開始下降，上下刀體的端面逐漸嚙合，實(shí)現(xiàn)精定位。
刀架夾緊：上下刀體的端面齒緊密嚙合后.螺桿不再轉(zhuǎn)動(dòng)，而電機(jī)繼續(xù)帶動(dòng)蝸輪向螺桿加力，經(jīng)過設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后，刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，整個(gè)換刀過程結(jié)束。由于蝸桿副有自鎖功能，所以刀架可以穩(wěn)定的工作。
圖3-3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在換刀過程中有關(guān)銷的位置
圖3-3表示自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在換刀過程中有關(guān)銷的位置。其中上部的圓柱銷2和下部的反靠銷6起著重要的作用。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，兩銷的情況如圖a所示，此時(shí)反靠銷6落在反靠圓盤7的十字槽內(nèi)，上刀體4的端面齒和下刀體的端面齒處于咬合狀態(tài)。需要換刀時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號(hào)，三相異步電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，通過蝸桿副帶動(dòng)螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)，與蝸桿配合的上刀體4逐漸抬起，上刀體4與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；于此同時(shí)，上蓋圓盤1也隨著螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)(上蓋圓盤1通過圓柱銷與螺桿連接)當(dāng)轉(zhuǎn)過約170度時(shí)，上蓋圓盤1直槽的另一端轉(zhuǎn)到圓柱銷2的正上方，由于彈簧3的作用，圓柱銷2落入直槽內(nèi)，于是上蓋圓盤1就通過圓柱銷2使得上刀體4轉(zhuǎn)動(dòng)起來（此時(shí)端面齒已經(jīng)完全脫開）如圖b所示。上蓋圓盤1，圓柱銷2以及上刀體4在正轉(zhuǎn)的過程中，反靠銷6能夠從反靠圓盤7中十字槽的左側(cè)斜坡滑出，而不影響上刀體4尋找刀位時(shí)的正向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖c所示。上刀體4帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時(shí)，發(fā)信盤上對(duì)應(yīng)的霍爾元件輸出低電平信號(hào)，控制系統(tǒng)收到后，立即控制刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，上蓋圓盤1通過圓柱銷2帶動(dòng)上上刀體4開始反轉(zhuǎn)，反靠銷6馬上就會(huì)落入反靠圓盤7的十字槽內(nèi)，至此。完成粗定位，如圖d所示。此時(shí)，反靠銷6從反靠圓盤7的十字槽內(nèi)爬不上來，于是上刀體4停止轉(zhuǎn)動(dòng)，開始下降，而上蓋圓盤1繼續(xù)反轉(zhuǎn)，其直槽的左側(cè)斜坡將圓柱銷2的頭部壓入上刀體4的銷孔內(nèi)，之后，上蓋圓盤1的下表面開始與圓柱銷2的頭部滑動(dòng)。在此期間，上、下刀體的端面齒逐漸咬合，實(shí)現(xiàn)精定位。經(jīng)過設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后，刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，整個(gè)換刀過程結(jié)束。
3.2 蝸輪及蝸桿的設(shè)計(jì)及校核
按照設(shè)計(jì)要求對(duì)電機(jī)進(jìn)行選型：要求功率為90W，轉(zhuǎn)速1440r/min，經(jīng)過查取有關(guān)資料，采用江西省泰隆電機(jī)有限公司生產(chǎn)的JW5614-90W三相異步電機(jī)。JW系列三相異步電動(dòng)機(jī)，按JB1009-1012-91，GB12350-2000標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，具有外型勻稱美觀，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，效率高，使用壽命長，運(yùn)行性能良好，噪音小，結(jié)構(gòu)合理，維護(hù)方便等特點(diǎn)。一般多用于驅(qū)動(dòng)需要較大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的機(jī)械，如機(jī)床、建筑機(jī)械、農(nóng)副產(chǎn)品加工、泵、空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)、磨粉機(jī)、醫(yī)療器械、及農(nóng)業(yè)機(jī)械的驅(qū)動(dòng)。
自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的動(dòng)力源是三相異步電動(dòng)機(jī)，其中蝸桿與電動(dòng)機(jī)直連，刀架轉(zhuǎn)位時(shí)蝸輪與上刀體直連。已知電動(dòng)機(jī)額定功率=90W，額定轉(zhuǎn)速=1440r/min，上刀體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速=30r/min，則蝸桿副的傳動(dòng)比i =/=1440 /30=48。刀架從轉(zhuǎn)位到鎖緊時(shí)，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，啟動(dòng)時(shí)沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命=10000h。
3.2.1 蝸桿的選型
按蝸桿形狀，蝸桿傳動(dòng)可分為圓柱蝸桿傳動(dòng)、環(huán)面蝸桿傳動(dòng)和錐蝸桿傳動(dòng)。圓柱蝸桿設(shè)計(jì)制造簡單，應(yīng)用十分廣泛；環(huán)面蝸桿潤滑性能較好，效率高，承載能力高，為普通蝸桿的2-4倍，但制造安裝復(fù)雜，用在大功率的場(chǎng)合；錐蝸桿制造安裝復(fù)雜，應(yīng)用較少。
圓柱蝸桿傳動(dòng)包括普通圓柱蝸桿傳動(dòng)和圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)。根據(jù)螺旋線的不同，圓柱蝸桿可分為阿基米德圓柱蝸桿（ZA蝸桿）、法向直廓圓柱蝸桿（ZN蝸桿）、漸開線圓柱蝸桿（ZI蝸桿）和錐面包絡(luò)線圓柱蝸桿（ZK蝸桿）。
阿基米德蝸桿（ZA蝸桿）的特點(diǎn)是在軸向齒廓呈齒條形狀，法向齒廓為外凸曲線，在端平面上的齒廓為阿基米德螺旋線。這種蝸桿可以在車床上用于直線刀刃的單刀(當(dāng)導(dǎo)程角γ≤3°時(shí))或雙刀(當(dāng)γ>3°時(shí))的車削加工，制造方便，應(yīng)用廣泛。一般用于頭數(shù)較少、載荷較小、低速或不太重要的傳動(dòng)。
法向直廓圓柱蝸桿（ZN蝸桿）磨削起來難度較大，所以不推薦采用?！?
漸開線蝸桿（ZI蝸桿）如圖（3-4）所示，這種蝸桿的端面齒廓位漸開線，所以相當(dāng)于一個(gè)少數(shù)、大螺旋角的漸開線圓柱斜齒輪，ZI螺桿可用兩把直線刀刃的車刀在車床上車削。
圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)（ZC蝸桿）。在軸向平面內(nèi)具有凹圓弧齒廓，與蝸輪組成凹凸嚙合傳動(dòng)型式，承載能力大、效率高、耐磨，在冶金、建筑、化工等機(jī)械中應(yīng)用廣泛。
圖3-4漸開線蝸桿
在GB/T10085——1988中推薦采用漸開線蝸桿（Z1蝸桿）和錐面包絡(luò)蝸桿（ZK蝸桿）。本設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)簡單，制造方便的漸開線型圓柱蝸桿(Z1型)。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，越是簡單的結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。在考慮穩(wěn)定性以及小型化的因素上所以采用漸開線型圓柱蝸桿。
3.2.2 蝸桿副的材料
蝸桿一般是用碳鋼或合金鋼制成。高速重載蝸桿常用15Cr或20Cr，并經(jīng)滲碳淬火；也有用40、45號(hào)鋼或40Cr并經(jīng)淬火。這樣可以提高表面硬度，增加耐磨性。通常要求蝸桿淬火后的硬度為40～55HRC，經(jīng)氮化處理后的硬度為55～62HRC。一般不太重要的低速中載的蝸桿，可采用40或45號(hào)鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，其硬度為220～300HBS。
常用的蝸輪材料為鑄造錫青銅（ZCuSn10P1，ZCuSn5Pb5Zn5）、鑄造鋁鐵青銅（ZcuAl10Fe3）及灰鑄鐵（HT150、HT200）等。錫青銅耐磨性最好，但價(jià)格較高，用滑動(dòng)速度v3m/s的重要傳動(dòng)；鋁鐵青銅的耐磨性較錫青銅差一些，但價(jià)格便宜，一般用于滑動(dòng)速度v 4m/s的傳動(dòng)；如果滑動(dòng)速度不高(2m/s），對(duì)效率要求也不高時(shí)，可采用灰鑄鐵。為了防止變形，常對(duì)蝸輪進(jìn)行時(shí)效處理。
設(shè)計(jì)要求電機(jī)功率為90W，刀架中的蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速較高，因此蝸桿的材料選擇45鋼，其螺旋齒面要求淬火，硬度為45~55HRC，以提高表面耐磨性；蝸輪的轉(zhuǎn)速較低，其材料主要考慮耐磨性，選用鑄錫磷青銅ZcuSn10P1，采用金屬模鑄造。
3.2.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
刀架中的蝸桿副采用閉式傳動(dòng)，多因齒面膠合或點(diǎn)蝕而失效。因此，在進(jìn)行承載能力計(jì)算時(shí)，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。
按蝸輪接觸疲勞強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)計(jì)算的公式為：
上式中：——蝸桿副的傳動(dòng)中心距，單位為mm；
K——載荷系數(shù)；
——作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T ，單位N.mm；
——彈性影響系數(shù)，單位為MPa；
——接觸系數(shù)；
——許用接觸應(yīng)力，單位為MPa；
由上式算出蝸桿副的中心距a之后，根據(jù)已知的傳動(dòng)比i=48，可以選擇合適的中心距a值，以及相應(yīng)的蝸桿，蝸輪參數(shù)。
1. 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T
設(shè)蝸桿頭數(shù)=1，蝸桿副的傳動(dòng)效率取=0.8。由電動(dòng)機(jī)的額定功率 =90W，可以算出蝸輪傳遞的功率 =，再由蝸輪的轉(zhuǎn)速=30r/min，求得作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩：=9.55/=9.55/=22920N.mm
2. 確定載荷系數(shù)K
載荷系數(shù)。其中為使用系數(shù)，由于工作載荷分布步均勻，啟動(dòng)時(shí)沖擊較大，因此取=1.15；K為齒向載荷分布系數(shù)，因工作載荷在啟動(dòng)和停止時(shí)有變化，故取=1.15；為動(dòng)載系數(shù)，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取=1.05，則載荷系數(shù)：
3. 確定彈性影響系數(shù)
鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配時(shí)，從參考文獻(xiàn)表3-2-9查得彈性影響系數(shù) =160MPa。
4. 確定接觸系數(shù)
先假設(shè)蝸桿分度圓直徑和傳動(dòng)中心距a的比值/a=0.35，由參考文獻(xiàn)圖11-18查得系數(shù)=2.9。
5. 確定許用接觸力
根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC，從參考文獻(xiàn)表11-7查得蝸輪的基本許用力=268MPa，已知蝸桿為單頭，蝸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)每個(gè)輪齒咬合的次數(shù)j=1；蝸輪轉(zhuǎn)速=30r/min；蝸桿副的使用壽命=10000h。則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
N=60j=1.8107
壽命系數(shù)： KHN=0.929
許用接觸應(yīng)力：==249MPa
計(jì)算中心距
將以上各參數(shù)代入式
求得中心距：==48mm
查參考文獻(xiàn)表11-2，取中心距a=50mm，已知蝸桿頭數(shù)=1，設(shè)模數(shù)m=1.6mm，得直徑=20mm，這時(shí)/a=0.4，由參考文獻(xiàn)圖11-19可得接觸系數(shù)=2.74。因?yàn)?，所以上述?jì)算結(jié)構(gòu)可用。
3.3 蝸輪及蝸桿的主要參數(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。
1. 蝸桿參數(shù)及尺寸
頭數(shù)=1，模數(shù)m=1.6mm，軸向齒距=3.14m=5.027mm，軸向齒厚 =0.5，分度圓直徑=20mm，直徑系數(shù)q=/m=12.5，分度圓導(dǎo)程腳 r==。
2. 蝸輪參數(shù)與尺寸
齒數(shù)=48，模數(shù)m=1.6mm，分度圓直徑為=m=1.648mm=76.8mm，變位系數(shù)=[a-(+)/2]/m=[50-(20+76.8)/2]/1.6=1，蝸輪喉圓直徑為 =+2m(+)=83 .2mm，蝸輪齒根圓直徑=-2m(+c)=76.16mm。
3. 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
即校驗(yàn)下式是否成立：
式中： ——蝸輪齒根彎曲應(yīng)力，單位為MPa；
——蝸輪齒形系數(shù)；
——螺旋角影響系數(shù)；
——蝸輪的許用彎曲應(yīng)力，單位為MPa；
由蝸桿頭數(shù)=1，傳動(dòng)比i=48，可以算出蝸輪齒數(shù)=i=48
則蝸輪的當(dāng)量齒數(shù)：
根據(jù)蝸輪變位系數(shù)=1和當(dāng)量齒數(shù)=48.46，得齒形系數(shù)=1.95。
旋轉(zhuǎn)角影響系數(shù)：=1-=0.967；
根據(jù)蝸輪的材料和制造方法，由參考文獻(xiàn)表11-8可得蝸輪基本許用彎曲應(yīng)力：=56MPa；
蝸輪的壽命系數(shù)：==0.725；
蝸輪的許用彎曲應(yīng)力：==40.6MPa；
將以上參數(shù)代入式：；
得蝸輪齒根彎曲應(yīng)力：=37.4；
可見，，蝸輪齒根的彎曲強(qiáng)度滿足要求。
3.4 螺桿的主要參數(shù)與幾何尺寸
3.4.1 螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算
1. 螺距的確定
刀架轉(zhuǎn)位時(shí)，要求蝸桿在轉(zhuǎn)到約170°的情況下，上刀體的斷面齒與下刀體的斷面齒完全脫離；在鎖緊的時(shí)候，要求上下端面齒的咬合深度達(dá)2mm.因此，螺桿的螺距P應(yīng)滿足P170/360>2mm，即P>4.24mm。今取螺桿的螺距P=8mm。
2. 其它參數(shù)的確定
采用單頭梯形螺桿，頭數(shù)n=1，牙側(cè)角b=，外螺紋大徑=50mm，牙頂間隙=0.5mm，基本牙形高度=0.5P=3mm，外螺紋牙高=3.5mm，外螺紋中經(jīng)=46mm，外螺紋小徑=42mm，螺桿螺紋部分長度H=50mm。
3. 自鎖性能校核
螺桿——螺母材料均用45鋼，查參考文獻(xiàn)表5-12，取二者的摩擦因數(shù)f=0.11；再求得梯形螺旋副的當(dāng)量摩擦角約為6.5，而螺紋升角約為2.33，小于當(dāng)量摩擦角。因此，所選幾何參數(shù)滿足自鎖條件。
3.5 蝸桿軸的設(shè)計(jì)
3.5.1 蝸桿軸的材料選擇，確定許用應(yīng)力
考慮軸主要傳遞蝸輪的轉(zhuǎn)矩，為普通用途中小功率減速傳動(dòng)裝置。選擇軸的材料為45號(hào)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。由參考文獻(xiàn)表15-1查得=640Mpa， =355Mpa，=275Mpa，=155Mpa，=60Mpa。
3.5.2 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步估算軸的最小直徑
軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為: =
式中 ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；
T一一軸所受的扭矩，NM；
——軸的抗扭截面系數(shù)，；
n ——軸的轉(zhuǎn)速，r/min；
P——軸傳遞的功率，kW；
d一一計(jì)算截面處軸的直徑，mm；
——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；
由式=可得軸的直徑
當(dāng)軸截面上開有鍵槽時(shí)，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的削弱。對(duì)于直徑d100mm的軸，有一個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑增大5%~7%。由參考文獻(xiàn)表15-3查得=112，代入式中，取=6.1345mm，同時(shí)查表得到所用電動(dòng)機(jī)(YS5624型)輸出軸直徑為9mm，所以在空間充裕的情況下取輸入軸最小直徑為9mm，伸出長度為50mm。
3.5.3 確定各軸段的直徑和長度
根據(jù)各個(gè)零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長度。初步確定蝸桿軸如圖3-5所示：
圖3-5蝸桿軸
=同一軸上的軸承選用同一型號(hào)，以便于軸承座孔的鏜制和減少軸承類型。段軸上有一個(gè)鍵槽，故槽徑增大5%。
==(1+5%) =6.44 mm，圓整==12 mm。
所選軸承類型為深溝球軸承，型號(hào)為6301。B=12mm，D=37mm。
段起固定作用，取18rnm。
段為蝸桿與蝸輪嚙合部分，故=23.2mm。
==18mm，便于加工和安裝。
段為與軸承配合的軸段，查軸承寬度為12mm，則=12mm。
段尺寸長度與刀架體的設(shè)計(jì)有關(guān)，蝸桿端面到刀架端面距離為67rnm。端蓋寬度為10mm，故=45rnm。
段為蝸桿部分長度，當(dāng)=1~2時(shí)，=1，(12+0.1)m=26.88rnm，圓整取30mm。
==45mm。
段長度為12rnm，軸的總長為164rnm。
3.5.4 蝸桿軸的校核
1. 計(jì)算軸上的作用力
蝸桿=9550=614N.mm
=/=2614/20 =61.4N.mm
=2 /==522.3N
==190.1N
2. 計(jì)算支反力
垂直面支反力：A，B兩點(diǎn)分為左，右深溝球軸承中心。C點(diǎn)為蝸桿中心。設(shè)A點(diǎn)到C點(diǎn)距離為，C點(diǎn)到B點(diǎn)距離為。兩軸承間距離a=152mm，以蝸桿副為中心對(duì)稱布置所以==76mm。
圖3-6 軸的載荷分析圖
（a）受力簡圖 （b）（X—Y）平面彎矩圖 （c）（X—Z）平面彎矩圖 （d）合成彎矩圖 （e）轉(zhuǎn)矩圖 （f）當(dāng)量彎矩圖
由繞支點(diǎn)B的力矩=0得：=0 =60.69N方向向上；同理，由繞支點(diǎn)A的力矩和=0得：=0，=129.41N方向向上，由軸上的合力=0校核++=0計(jì)算無誤。
水平支反力：由繞支點(diǎn)B的力矩=0得：= =30.7N放心向上。
同理，由繞支點(diǎn)A的力矩和得：=30. 7N方向向上，由軸上的合力校核：++=0計(jì)算無誤。
A點(diǎn)支反總力
A點(diǎn)支反總力==68.01N
B點(diǎn)支反總力==133N
繪制轉(zhuǎn)、彎矩圖垂直而內(nèi)的彎矩圖，如圖3-6b。
C處彎矩：左==60.6976=4612.44N.mm
右==9835.44N.mm
水平面內(nèi)的彎矩圖，如圖3-6c。
C處彎矩：==2333.2N.mm
合成彎矩圖，如圖3-6d。
C處：左==5168.99N.mm
右==10108.4N.mm
轉(zhuǎn)矩圖，如圖3-6e。T=614N.mm
當(dāng)量彎矩圖，如圖3-6f。
因?yàn)槭菃蜗蚧剞D(zhuǎn)軸，所以扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力視為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，這算系數(shù)c=0.6 c×T=0.6614=368.4N.mm
C處：左=左=5168.99N.mm
右==10115.1N.mm
3. 彎扭合成強(qiáng)度校核
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和轉(zhuǎn)矩的截面（即危險(xiǎn)截面C）的強(qiáng)度。
=12.64MPa。
根據(jù)選定的軸的材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由參考文獻(xiàn)表15-1查得=60MPa，因，故強(qiáng)度足夠。
4. 安全系數(shù)法疲勞強(qiáng)度校核
對(duì)一般減速器的轉(zhuǎn)軸僅試用彎扭合成強(qiáng)度校核即可，而不必進(jìn)行安全系數(shù)法校核。在此試用此法。
5. 判定校核的危險(xiǎn)截面
對(duì)照彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖的結(jié)構(gòu)圖，從強(qiáng)度、應(yīng)力集中方面分析，C截面是危險(xiǎn)截面。需對(duì)C截面進(jìn)行校核。
6. 軸的材料的機(jī)械性能
根據(jù)選定的軸的材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理由參考文獻(xiàn)表15-1查得：=640MPa，=275MPa，=155MPa，取=0.2，=0.5=0.50.2=0.1 C截面上的應(yīng)力W=/32=785，=/16=1570， =左/W=4270.65/785=5.4MPa彎曲切應(yīng)力幅=0，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅：=T/(2)=597/(21570)=0.19MPa平均切應(yīng)力==0.19MPa影響系數(shù)C截面為危險(xiǎn)截面，由差值法求出：/=3.16，取/=0.8/=0.83.16=2.53軸按磨削加工，求出表面質(zhì)量系數(shù)：==0.92故得綜合影響系數(shù)：=/+1/1=3.16+1/0.921=3.25
=/+1/1=2.53+1/0.921=2.62
7. 疲勞強(qiáng)度校核
所以軸在C截面的安全系數(shù)為：
=/=275/(3.255.44+0)=15.554；
=/=155/(2.620.19+0.10.9)=310；
=/=19.7；
取許用安全系數(shù)S=1.8，有>S，故C截面強(qiáng)度足夠。
3.6 蝸桿軸的軸承選用
從參考文獻(xiàn)表6-2-21中查得12mm內(nèi)徑的推力球軸承，型號(hào)為6301,基本尺寸：d=12mm；D=37mm；B=12；安裝尺寸：(min) =18mm；(max)=32mm (max)=1基本額定載荷：=9.72kN；=5.08kN。潤滑方式：脂潤滑。
4 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架電氣部分設(shè)計(jì)
自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的自動(dòng)控制主要取決于電氣控制部分，電氣控制部分主要分兩個(gè)方面1、硬件電路設(shè)計(jì)；2、控制軟件設(shè)計(jì)。
4.1 硬件電路設(shè)計(jì)
自動(dòng)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4-1。在傳感器的選擇上選用了霍爾元件，是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器。所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí)，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。金屬的霍爾效應(yīng)是1879年被美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流通過金屬箔片時(shí)，若在垂直于電流的方向施加磁場(chǎng)，則金屬箔片兩側(cè)面會(huì)出現(xiàn)橫向電位差。半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)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(qiáng)的霍爾效應(yīng)。而霍爾元件就是利用霍爾效應(yīng)可以設(shè)計(jì)制成多種傳感器?；魻栯娢徊頤H的基本關(guān)系為：
UH=RHIB/d ；
式中：RH=1/nq（金屬）；
n——單位體積內(nèi)載流子或自由電子的個(gè)數(shù)；
q——電子電量；
I——通過的電流；
B——垂直于I的磁感應(yīng)強(qiáng)度；
d——導(dǎo)體的厚度。
由于通電導(dǎo)線周圍存在磁場(chǎng)，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾元件測(cè)量出磁場(chǎng)，就可確定導(dǎo)線電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)電源的功率，特別適合于大電流傳感。
若把霍爾元件置于電場(chǎng)強(qiáng)度為E、磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的電磁場(chǎng)中，則在該元件中將產(chǎn)生電流I，元件上同時(shí)產(chǎn)生的霍爾電位差與電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比，如果再測(cè)出該電磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，則電磁場(chǎng)的功率密度瞬時(shí)值P可由P=EH確定。利用這種方法可以構(gòu)成霍爾功率傳感器。如果把霍爾元件集成的開關(guān)按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在物體上，當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)物體上的永磁體經(jīng)過它時(shí)，可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)列可以傳感出該運(yùn)動(dòng)物體的位移。若測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，則可以確定其運(yùn)動(dòng)速度?；魻栐褪菓?yīng)用霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體。
(a)
(b)
（c）
（d）
圖4-1自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架電氣控制原理圖 a 發(fā)信盤上的霍爾元件 b 刀位信號(hào)的處理 c 刀架電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制 d 刀架電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)
（1）收信電路 圖a中，發(fā)信盤上的4只霍爾開關(guān)（型號(hào)為UGN3120U），都有3個(gè)引腳，第1角接+12V電源，第2角接+12V地，第3角輸出。轉(zhuǎn)位時(shí)刀體帶動(dòng)磁鐵旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁鐵對(duì)準(zhǔn)某一個(gè)霍爾開關(guān)時(shí)，其輸出端第3角輸出低電平；當(dāng)磁鐵離開時(shí)，第3角輸出高電平。4只霍爾開關(guān)輸出的4個(gè)刀位信號(hào)T1~T4分別送到圖b的4只光耦合器進(jìn)行處理，經(jīng)過光電隔離的信號(hào)再送給I/O接口芯片8255的PC4~PC7。
（2）發(fā)信電路 圖c為刀架電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。其中KA1為正轉(zhuǎn)繼電器的線圈，KA2的反轉(zhuǎn)繼電器的線圈。刀架電動(dòng)機(jī)的功率只有90W，所以圖d中刀架電動(dòng)機(jī)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)繼電器的一組常閉觸點(diǎn)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(diǎn)串聯(lián)，這樣就構(gòu)成了正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的互鎖電路，以防止系統(tǒng)失控時(shí)導(dǎo)致短路現(xiàn)象。當(dāng)KA1或KA2的觸點(diǎn)接通80V電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)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(duì)R-C阻容用來滅弧，以抑制火花的產(chǎn)生。
4.2 控制軟件設(shè)計(jì)
在清楚了自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制電路后，就可以著手編制刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)位的控制軟件了。對(duì)于四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架來說，它最多裝有4把刀具，設(shè)計(jì)控制軟件的任務(wù)，就是選中任意一把刀具，讓其回轉(zhuǎn)到工作位置。 圖4-2 表示讓1#刀轉(zhuǎn)到工作位置的程序流程，2#~4#刀的轉(zhuǎn)位流程與1#刀相似。
圖4-2 1#刀轉(zhuǎn)到工作位置的程序流程
4.2.1 80C31單片機(jī)及其引腳說明
80C31單片機(jī)，它是8位高性能單片機(jī)。屬于標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51的HCMOS產(chǎn)品。它結(jié)合了HMOS的高速和高密度技術(shù)及CHMOS的低功耗特征，標(biāo)準(zhǔn)MCS-51單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。 80C31內(nèi)置中央處理單元、128字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、32個(gè)雙向輸入/輸出(I/O)口、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和5個(gè)兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路。但80C31片內(nèi)并無程序存儲(chǔ)器，需外接ROM。 此外，80C31還可工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)CPU而RAM定時(shí)器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存RAM數(shù)據(jù)，時(shí)鐘振蕩停止，同時(shí)停止芯片內(nèi)其它功能。80C31有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)兩種封裝形式。8031芯片具有40根引腳，其引腳圖如圖4-3所示：
圖 4-3 80C31單片機(jī)
40根引腳按其功能可分為三類：
1. 電源線2根：
Vcc：編程和正常操作時(shí)的電源電壓，接+5V。
Vss：地電平。
2. 晶振：2根
XTAL1：振蕩器的反相放大器輸入。使用外部震蕩器是必須接地。
XTAL2：振蕩器的反相放大器輸出和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)用于輸入外部振蕩信號(hào)。
3. I/O口共有p0、p1、p2、p3四個(gè)8位口，32根I/O線，其功能如下：
P0.0～P0.7 （AD0～AD7）
是I/O端口O的引腳，端口O是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O端口。在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，該端口分時(shí)地用作低8位的地址線和8位雙向的數(shù)據(jù)端口。（在此時(shí)內(nèi)部上拉電阻有效）
1) P1.0～P1.7
端口1的引腳，是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O通道，專供用戶使用。
2) P2.0～P2.7 （A8～A15）
端口2的引腳。端口2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它輸出高8位地址A8～A15
3) P3.0～P3.7
端口3的引腳。端口3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口，該口的每一位均可獨(dú)立地定義第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時(shí)，口的結(jié)構(gòu)與操作與P1口完全相同，第二功能如下所示：
P3.0 RXD（串行輸入口）
P3.1 TXD（串行輸出口）
P3.2 （外部中斷）
P3.3 （外部中斷）
P3.4 T0（定時(shí)器0外部輸入）
P3.5 T1（定時(shí)器1外部輸入）
P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）
4.2.2 靜態(tài)存儲(chǔ)器6264的特性
6264是一種8K×8的靜態(tài)存儲(chǔ)器，其內(nèi)部組成，主要包括512×128的存儲(chǔ)器矩陣、行／列地址譯碼器以及數(shù)據(jù)輸入輸出控制邏輯電路。地址線13位，其中A12～A3用于行地址譯碼，A2～A0和A10用于列地址譯碼。在存儲(chǔ)器讀周期，選中單元的8位數(shù)據(jù)經(jīng)列I/O控制電路輸出；在存儲(chǔ)器寫周期，外部8位數(shù)據(jù)經(jīng)輸入數(shù)據(jù)控制電路和列I／O控制電路，寫入到所選中的單元中。6264有28個(gè)引腳，采用雙列直插式結(jié)構(gòu)，使用單一＋5 V電源。其引腳功能如下：
A12～A0（address inputs）：地址線，可尋址8KB的存儲(chǔ)空間。
D7～D0（data bus）：數(shù)據(jù)線，雙向，三態(tài)。
OE（output enable）：讀出允許信號(hào)，輸入，低電平有效。
WE（write enable）：寫允許信號(hào)，輸入，低電平有效。
CE1（chip enable）：片選信號(hào)1，輸入，在讀/寫方式時(shí)為低電平。
CE2（chip enable）：片選信號(hào)2，輸入，在讀/寫方式時(shí)為高電平。
VCC：+5V工作電壓。
GND：信號(hào)地。
其操作方式由OE，WE， CE1 ， CE2共同作用決定：
寫入：當(dāng)WE和CE1為低電平，且OE和CE2為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)輸入緩沖器打開，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線D7～D0寫入被選中的存儲(chǔ)單元。
讀出：當(dāng)OE和CE1為低電平，且WE和CE2為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)輸出緩沖器選通，被選中單元的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線D7～D0上。
保持：當(dāng)CE1為高電平，CE2為任意時(shí)，芯片未被選中，處于保持狀態(tài)，數(shù)據(jù)線呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。
4.2.3 2764只讀存儲(chǔ)器的特性
?2764是8K*8字節(jié)的紫外線镲除、電可編程只讀存儲(chǔ)器，單一+5V供電，工作電流為75mA，維持電流為35mA，讀出時(shí)間最大為250nS，28腳雙列直插式封裝。各引腳的含義為：
1) A0一A12：13根地址輸入線。用于尋址片內(nèi)的8K個(gè)存儲(chǔ)單元。
2) D0～D7：8根雙向數(shù)據(jù)線，正常工作時(shí)為數(shù)據(jù)輸出線。編程時(shí)為數(shù)據(jù)輸入線。
3) OE：輸出允許信號(hào)。低電平有效。當(dāng)該信號(hào)為0時(shí)，芯片中的數(shù)據(jù)可由D0～D7端輸出。
4) CE：選片信號(hào)。低電平有效。當(dāng)該信號(hào)為0時(shí)表示選中此芯片。．
5) PGM:編程脈沖輸入端。對(duì)EPROM編程時(shí)，在該端加上編程脈沖。讀操作時(shí)該信號(hào)為1。
6) VPP：編程電壓輸入端。編程時(shí)應(yīng)在該端加上編程高電壓，不同的芯片對(duì)VPP的值要求的不一樣，可以是+12.5V，+15V，+21V，+25V等。
說明：
EPROM的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以擦除重寫，而且允許擦除的次數(shù)超過上萬次。一片新的或擦除干凈EPROM芯片，其每一個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都是FFH。要對(duì)一個(gè)使用過的EPROM進(jìn)行編程，則首先應(yīng)將其放到專門的擦除器上進(jìn)行擦除操作。擦除器利用紫外線光照射EPROM的窗口，一般經(jīng)過15-20min即可擦除干凈。擦除完畢后可讀一下EPROM的每個(gè)單元，若其內(nèi)容均為FFH，就認(rèn)為擦除干凈了。
4.2.4 可編程并行I/O接口芯片8255的特性
8255是一個(gè)并行輸入/輸出的LSI芯片，多功能的I/O器件，可作為CPU總線與外圍的接口。
具有24個(gè)可編程設(shè)置的I/O口，即使3組8位的I/O口為PA口，PB口和PC口。它們又可分為兩組12位的I/O口，A組包括A口及C口(高4位，PC4~PC7)，B組包括B口及C口(低4位，PC0~PC3)。A組可設(shè)置為基本的I/O口，閃控(STROBE)的I/O閃控式，雙向I/O3種模式；B組只能設(shè)置為基本I/O或閃控式I/O兩種模式，而這些操作模式完全由控制寄存器的控制字決定。
8255引腳功能：
RESET：復(fù)位輸入線，當(dāng)該輸入端處于高電平時(shí)，所有內(nèi)部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成輸入方式。
CS：芯片選擇信號(hào)線，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí)，即/CS=0時(shí)，表示芯片被選中，允許8255與CPU進(jìn)行通訊；/CS=1時(shí)，8255無法與CPU做數(shù)據(jù)傳輸。
RD：讀信號(hào)線，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低跳變延時(shí)，即/RD產(chǎn)生一個(gè)低脈沖且/CS=0時(shí)，允許8255通過數(shù)據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數(shù)據(jù)。
WR：寫入信號(hào)，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低跳變延時(shí)，即/WR產(chǎn)生一個(gè)低脈沖且/CS=0時(shí)，允許CPU將數(shù)據(jù)或控制字寫入8255。
D0～D7：三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255與CPU數(shù)據(jù)傳送的通道，當(dāng)CPU 執(zhí)行輸入輸出指令時(shí)，通過它實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送。
8255具有3個(gè)相互獨(dú)立的輸入/輸出通道端口，用+5V單電源供電，能在以下三種方式下工作。
方式0——基本輸入輸出方式；
方式1——選通輸入/出方式；
方式2——雙向選通輸入/輸出方式；
PA0～PA7:端口A輸入輸出線，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器。工作于三種方式中的任何一種；PB0～PB7：端口B輸入輸出線，一個(gè)8位的I/O鎖存器，一個(gè)8位的輸入輸出緩沖器。 不能工作于方式二；PC0～PC7:端口C輸入輸出線，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器。端口C可以通過工作方式設(shè)定而分成2個(gè)4位的端口，每個(gè)4位的端口包含一個(gè)4位的鎖存器，分別與端口A和端口B配合使用，可作為控制信號(hào)輸出或狀態(tài)信號(hào)輸入端口。不能工作于方式一或二。
A1、A0：地址選擇線，用來選擇8255的PA口、PB口、PC口和控制寄存器。當(dāng)A1=0、A0=0時(shí)，PA口被選擇；當(dāng)A1=0、A0=1時(shí)，PB口被選擇；當(dāng)A1=1、A0=0時(shí)，PC口被選擇；當(dāng)A1=1、A0=1時(shí)，控制寄存器被選擇。
設(shè)控制系統(tǒng)的CPU為80C31單片機(jī)，擴(kuò)展8255芯片作為回轉(zhuǎn)刀架的收信與發(fā)信控制，設(shè)計(jì)電路圖如圖4-4所示。
圖4-4 設(shè)計(jì)電路圖
已知8255芯片的控制口地址為2FFFH，則基于流程圖的匯編程序清單如下：
T01： MOV DPTR， #2FFEH ；指向8255的PC口
MOVX A， @DPTR ；讀取PC口的內(nèi)容
JNB ACC.4， TEND ；測(cè)試PC4=0？若是，則說明1#已在工作位置，程序轉(zhuǎn)到TEND
MOV DPTR， #2FFCH ；指向8255的PA口地址
MOVX A， @DPTR ；讀取PA口鎖存器的內(nèi)容
CLR ACC.6 ；令PA6=0，刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)有效
SETB ACC.7 ；令PA7=1，刀架電動(dòng)機(jī)無效
MOVX @DPTR， A ；刀架電動(dòng)機(jī)開始正轉(zhuǎn)
CALL DE20MS ；延時(shí)20ms
YT01：MOVX DPTR， #2FFEH ；指向8255的PC口
MOVX A， @DPTR ；第二次讀取PC口內(nèi)容
JB ACC.4， YT11 ；PC4=0？
CALL DE20MS ；延時(shí)20ms
YT21：MOV DPTR， #2FFEH ；指向8255的PC口
MOVX A， @DPTR ；第三次讀取PC口內(nèi)容
JB ACC.4， YT21 ；PC4=0？
MOV DPTR， #2FFCH ；指向PC口
MOVX A，@DPTR ；讀取PA口鎖存器內(nèi)容
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