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目錄 1、引言 2 2、主要工作過程 2 3、 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 3 3.2 減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3 3.3 上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3 3.4 刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 4 4、 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 4 5、主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算 6 5.1 蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算 6 5.1.1 蝸桿的選型 6 5.1.2 蝸桿的材料 7 5.1.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 7 5.1.4 蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 8 5.1.5 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 9 5.1.6 驗(yàn)算效率 10 5.1.7 精度等級公差和表面粗糙度的確定 10 5.1.8 蝸桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 5.2 螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 13 5.2.1 螺距的確定 13 5.2.2 其他參數(shù)的確定 13 5.2.3 自鎖性能校核 14 6、電氣控制部分設(shè)計(jì) 14 6.1 硬件電路設(shè)計(jì) 14 6.1.1 收信電路 14 6.1.2 發(fā)信號電路 14 6.2 控制軟件的設(shè)計(jì) 15 數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要：本設(shè)計(jì)以 C616 或 C6132 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的四位的臥式自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架為研究對象，從該刀架的總體結(jié)構(gòu)、主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主要傳動(dòng)部件、硬件電路和控制程序等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。并在文中給出了詳細(xì)的關(guān)于傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算。 關(guān)鍵詞：數(shù)控、四工位、臥式刀架、自動(dòng)回轉(zhuǎn)、定位 1、引言 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，減少多次安裝所引起的加工誤差，必須帶有自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，數(shù)控車床上的回轉(zhuǎn)刀架是一種簡單的自動(dòng)換刀裝置。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。而目前我國有大量多年積累使用的通用的機(jī)床，要在幾年內(nèi)更新?lián)Q代，不論是在資金上還是經(jīng)濟(jì)效益上都是不可行的，所以對其進(jìn)行半自動(dòng)化改造顯得重要和迫切。而普通車床的數(shù)控改造既經(jīng)濟(jì)又快捷，是符合我國國情的。 2、主要工作過程 （1）刀架抬起：當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，有 單片機(jī) 發(fā)出信號，電機(jī)正傳。電機(jī)通過連軸器帶動(dòng)蝸桿軸旋轉(zhuǎn)，蝸桿帶動(dòng)蝸輪旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，由于粗定位銷的作用，使刀架體不可能旋轉(zhuǎn)，所以刀架體沿著中軸的軸線向上抬起。當(dāng)抬到一定高度，粗定位銷從定位盤中拔出。這樣就完成了抬刀的過程。 （2）刀架轉(zhuǎn)位：當(dāng)定位銷從定位定位盤中拔出后，隨后圓頭銷的銷頭和定位套上的凹槽相互配合，用于定位套和蝸輪通過銷聯(lián)接在一起，所以定位套隨蝸輪一起旋轉(zhuǎn)，定位套就通過圓頭銷帶動(dòng)刀架體旋轉(zhuǎn)。這樣就達(dá)到了刀架轉(zhuǎn)位的目的。 （3）刀架定位：當(dāng)?shù)都苻D(zhuǎn)到相應(yīng)的位置，位置傳感器發(fā)出信號。單片機(jī)檢測到信號后， 隨即停止電機(jī)。這時(shí)粗定位銷正好又落在定位盤的相應(yīng)的凹槽中，實(shí)現(xiàn)粗定位，顯然此時(shí)的定位不可能達(dá)到定位精度。 （4）精定位和夾緊：位置傳感器發(fā)出信號，單片機(jī)立即控制電機(jī)停轉(zhuǎn)，然后反轉(zhuǎn)。由于有粗定位銷的限制，刀架體已經(jīng)完成了粗定位，所以當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)的時(shí)候，蝸輪就直接帶動(dòng)刀架體做輕微的旋轉(zhuǎn)，刀架體和底座上的鼠牙盤相互配合實(shí)現(xiàn)靜定為。電機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)壓緊。刀架體側(cè)面的應(yīng)變片檢測刀架體的應(yīng)變，并反映給單品機(jī)的模擬量模塊，當(dāng)?shù)竭_(dá)制定值時(shí)，單片機(jī)隨即發(fā)出命令，電機(jī)停轉(zhuǎn)。由于有粗定位銷的作用，此時(shí)刀架體在收到到切削力的時(shí)候已經(jīng)無法旋轉(zhuǎn)，從而起到夾緊的目的。 3、 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 電動(dòng)機(jī)選擇三相異步電動(dòng)機(jī)，額定功率為90W，額定轉(zhuǎn)速為1400r/min。查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》選擇電機(jī)型號為YS562-4 ，YS562-4 電機(jī)的相關(guān)參數(shù)如下： 額定功率 電流 電壓 轉(zhuǎn)速 效率 功率因數(shù) 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩 堵轉(zhuǎn)電流/額定電流 最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩 90W 0.38A 380V 1400r/min 0.56 0.61 2.4 6.0 2.4 電機(jī)軸直徑為9mm。 3.2 減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 由于三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(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。 傳動(dòng)比i=1400/30=46.7，取傳動(dòng)比為47。 3.3 上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 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，其鎖緊與定位珠精度將直接影響到工件的加工精度。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)，上下端面齒相互嚙合，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)正轉(zhuǎn)，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)位工作。 3.4 刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 要想使上、下刀體的兩個(gè)端面脫離，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)螺桿中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動(dòng)，要第上下移動(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嚙合，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)會使上刀體向上移動(dòng)。當(dāng)端面齒脫離嚙合時(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嚙合狀態(tài)。 圖3.1為自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖。 圖3.1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖 1—發(fā)信盤 2—推力軸承 3—螺桿螺母副 4—端面齒盤 5—發(fā)靠圓盤 6—三相異步電動(dòng)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 4、 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程如圖4.1所示。 圖4.2表示自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在換刀過程中有關(guān)的銷的位置。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的端面齒和下刀的端面齒處于嚙合狀態(tài)（上下端面齒在圖a中未畫出）。 需要換刀時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架的轉(zhuǎn)位信號，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4逐漸抬起，上刀體4與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；與此同時(shí)，上蓋圓盤1也隨著螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)（上蓋圓盤1通過圓柱銷與螺桿聯(lián)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)信盤上對應(yīng)的霍爾元件輸出低電平信號，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)上刀體4開始反轉(zhuǎn)，反靠銷6馬上就會落入反靠圓盤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)。在些期間，上、下刀本的端面齒逐漸嚙合，實(shí)現(xiàn)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)換刀過和結(jié)束。 由于蝸桿副具有自銷功能，所以刀架可穩(wěn)定的工作。 圖4.1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程 圖4.2 刀架轉(zhuǎn)位過程中銷的位置 a)換刀開始時(shí)，圓柱銷2與上蓋圓盤1可以相對滑動(dòng)； 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(dòng)圓柱銷2及上刀體4一起轉(zhuǎn)動(dòng)； c)上刀體4連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反銷6可從反靠圓盤7的槽左側(cè)斜坡滑出； d)找到刀位后，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，反靠銷6反靠，上刀體停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)粗定位。 1—上蓋圓盤 2—圓柱銷 3—彈簧 4—上刀體 5—圓柱銷 6—反靠銷 7—反靠圓盤 5、主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算 5.1 蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算 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)直聯(lián)，刀架轉(zhuǎn)位時(shí)蝸桿與上刀體直聯(lián)。已知電動(dòng)機(jī)額定功率P1=90W，額定轉(zhuǎn)速n1=1400r/min，上刀體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n2=30r/min，則蝸桿副的傳動(dòng)比i=1400/30=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，起動(dòng)時(shí)沖擊較大，今要求蝸桿的使用壽命Lh=10000h，因此對蝸桿的型號材料的選擇以及齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算相當(dāng)重要。 5.1.1 蝸桿的選型 GB/T10085-1988推薦采用漸開線（ZI蝸桿）。 5.1.2 蝸桿的材料 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，其螺旋齒面要求淬火，硬度為45～55HRC，以提高表面耐磨性，選用錫磷青銅ZCuSn10P1，采用金屬模鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅僅齒圈用青銅制造，而輪芯用HT100制造。 5.1.3 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)，根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，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。傳動(dòng)中心距： （5.1） 式中 a—蝸桿副的傳動(dòng)中心距，單位為mm； K—載荷系數(shù)； T2—作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T2，單位為Nmm； —彈性影響系數(shù)，單位為MP1/2； —接觸系數(shù)； —許用接觸應(yīng)力，單位為MPa。 從式（4.1）算出蝸桿副的中心距a之后，根據(jù)已知的傳動(dòng)比i=47，選擇一個(gè)合適的中心距a值，以及相應(yīng)的蝸桿、蝸輪參數(shù)。 5.1.3.1 確定作用在蝸桿上的轉(zhuǎn)矩T2 設(shè)蝸桿頭數(shù)Z1=1，蝸桿的傳動(dòng)效率取η=0.6。由電動(dòng)機(jī)的額定功率P1=90W，可以算得蝸輪傳遞的功率P2=P1η，再由蝸輪的輪轉(zhuǎn)速n2=30r/min 求得作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩： T2=9.55P2/n2=9.55P1η/n2=9.55900.6/30Nm≈17.19Nm=17190Nmm 5.1.3.2 確定載荷系數(shù)K 載荷系數(shù)K=KAKβKv。其中KA為使用系數(shù)，查得，由于工作載荷不均勻，起動(dòng)時(shí)沖擊較大，因此取KA=1.15；Kβ為齒向載荷分布系數(shù)，因工作載荷在起動(dòng)和停止時(shí)有變化，故取Kβ=1.15；Kv為動(dòng)載系數(shù)，由于轉(zhuǎn)速不高、沖擊不大，可取Kv=1.05。剛載荷系數(shù)： K=KAKβKv=1.151.151.05≈1.39 5.1.3.3 確定彈性影響系數(shù)ZE 鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配時(shí)，從有關(guān)手冊查得彈性影響系數(shù)ZE=160MPa1/2。 5.1.3.4 確定接觸系數(shù) 先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d1和傳動(dòng)中心距a的比值d1/a=0.35，可查得接觸系數(shù)=2.9。 5.1.3.5 確定許用接觸應(yīng)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，查得蝸輪的基本許用應(yīng)力＇=268MPa。已知蝸桿為單頭，蝸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)每個(gè) 輪齒嚙合的次數(shù)J=1；蝸輪轉(zhuǎn)速n2=30r/min;蝸桿副的使用壽命Lh=10000h。 則應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N=60Jn2Lh=6013010000=1.8107 壽命系數(shù)： KHN==0.929 許用應(yīng)力： =KHN′=0.929268MPa=249MPa 5.1.3.6 計(jì)算中心距 將以上各參數(shù)代入式（4.1），求得中心距： a≥mm=43.62mm 取中心距a=50mm，已知蝸桿頭數(shù)Z1=1，設(shè)模數(shù)m=1.6mm，得蝸桿分度圓直徑d1=20mm。此時(shí)d1/a=0.4，查得接觸系數(shù)Z′ρ=2.74。因?yàn)閆′ρ＜Zρ，所以上述計(jì)算結(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。 5.1.4.1 蝸桿參數(shù)與尺寸 頭數(shù)Z1=1，模數(shù)m=1.6mm，軸向齒距Pa=πm=5.027mm，軸向齒厚Sa=0.4πm=2.010mm，分度圓直徑d1=20mm，直徑系數(shù)q=d1/m=12.5，分度圓導(dǎo)程角γ=arctan(z1/q)= 。 取齒頂高系數(shù)ha*=1，徑向間隙系數(shù)c*=0.2， 則齒頂圓直徑da1=d1+2ha*m=20mm+211.6mm=23.2mm， 齒根圓直徑df1=d1-2m(ha*+c*)=[20-21.6(1+0.2)]mm=16.16mm。 5.1.4.2 蝸輪參數(shù)與尺寸 齒數(shù)Z2= 47，模數(shù)m=1.6mm，分度圓直徑d2=mZ2=1.647mm=75.2mm 變位系數(shù)x2=[a-(d1+d2)/2]/m=[50-(20+75.2)/2]/1.6=1.5 蝸輪喉圓直徑da2=d2+2m(ha﹡+x2)=[76.8+21.6(1+1.5)]mm=84.8mm 蝸輪齒根圓直徑df2=d2-2m(ha﹡-x2+c﹡)=[76.8-21.6(1-1.5+0.2)]mm=77.76mm 蝸輪咽喉母圓半徑rg2=a-da2/2=(50-84.8/2)mm=7.6mm。 5.1.5 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 即檢驗(yàn)下式是否成立： =（1.53KT2/d1d2m）YFa2Yβ≦ 式中—蝸輪齒根彎曲應(yīng)力，單位為MPa； YFa2—蝸輪齒形系數(shù)； Yβ—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)Z1=1，傳動(dòng)比i=47，可以算出蝸輪齒數(shù)Z2=iZ1=47。 則蝸輪的當(dāng)量齒數(shù) Zv2=Z2/cos3γ=47.45 根據(jù)蝸輪變位系數(shù)x2=1.5和當(dāng)量齒數(shù)ZV2=47.45，查得齒形系數(shù)： YFa2=1.95 螺旋角影響系數(shù)： Yβ=1-γ/140=0.967 根據(jù)蝸輪的材料和制造方法，查得蝸輪基本許用彎曲應(yīng)力： ＇=56MPa 蝸輪的壽命系數(shù)： KFN===0.725 蝸輪的許用彎曲應(yīng)力： =＇KFN=560.725MPa=40.6MPa 將以上參數(shù)代入（4.2），得蝸輪齒根彎曲應(yīng)力： =1.950.967MPa≈37.35MPa 可見＜，蝸輪齒根的彎曲強(qiáng)度滿足要求。 5.1.6 驗(yàn)算效率 η=（0.95~0.96） 已知γ=434′26″，=，與相對滑動(dòng)速度v有關(guān)。 v===1.47m/s 查的=0.042，=2.405，代入式中得：η=0.634，大于原估計(jì)值，因此不用重算。 5.1.7 精度等級公差和表面粗糙度的確定 考慮到所設(shè)計(jì)的蝸輪蝸桿為動(dòng)力傳動(dòng)，從GB/T10089-1988圓柱蝸桿、蝸輪精度中選擇8級精度，側(cè)隙種類為f，標(biāo)注為8f GB/T10089-1988。 5.1.8 蝸桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5.1.8.1 聯(lián)軸器的選擇 為了隔離振動(dòng)和沖擊，選擇彈性套柱銷聯(lián)軸器。 工稱轉(zhuǎn)矩T= 選擇工作情況系數(shù)=1.3，得計(jì)算轉(zhuǎn)矩 從GB4323-84中查得TL1型彈性套柱銷聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩為6.3，許用最大轉(zhuǎn)速為8800r/min，軸徑為9-14mm之間，故合用。并且選擇軸徑為9mm與9mm直徑的電機(jī)軸連接。由于直徑過小，采用H7/j6的過盈連接。 5.1.8.2 蝸桿軸承的選擇 5.1.8.2.1 軸承選型 根據(jù)GB/T 292-1994，初選型號為7201C的角接觸球軸承。其基本額定動(dòng)載荷為C=7350N，基本額定靜載荷 =3520N。 5.1.8.2.2 徑向載荷的計(jì)算 蝸桿所受的圓周力 軸向力 徑向力N 公式中： 、——分別為蝸桿和蝸輪上的公稱轉(zhuǎn)矩； 、——分別為蝸桿和蝸輪上的分度圓直徑。 蝸桿部分在兩軸承的中間，所以： 859.5N =83.21N =863.52N 5.1.8.2.3 軸向載荷的計(jì)算 對于7201C型軸承，軸向派生力，其中e為判斷系數(shù)，其值由的大小來確定，但現(xiàn)在軸向力未知，故先初取e=0.4，因此可估算 =345.41N =457.2+345.41=802.61N =345.41N =0.2280 =0.0981 進(jìn)行插值計(jì)算得，。再計(jì)算： =452.66N =400.16N =457.2+452.66=909.86N =400.16N =0.2584 =0.1137 兩次計(jì)算的值相差不大，因此確定，，=457.2+452.66=909.86N，=400.16N 5.1.8.2.4 求軸承當(dāng)量動(dòng)載荷和 因?yàn)? 查表得徑向載荷系數(shù)和軸向載荷系數(shù) 對軸承1有： 對軸承2有： 因沖擊比較小，選擇。則： =1766.14N =1036.22N 5.1.8.2.5 驗(yàn)算軸承壽命 按軸承1的受力大小驗(yàn)算 所選軸承完全符合要求。 軸承和采用k6過盈連接。 5.1.8.3 蝸桿軸各段長度和直徑的確定 蝸桿螺紋部分的長度（11+0.06）m=22.122，考慮到蝸輪的分度圓直徑為75.2mm，選擇==50mm。 根據(jù)選擇聯(lián)軸器，選擇聯(lián)軸器部分的長度=20mm ，=9mm。 根據(jù)選擇的軸承，選擇軸承部分的長度= 10mm， =12mm，軸承蓋部分的長度=15mm，=10mm。 軸承軸肩部分長度=50mm ，=15mm。 5.2 螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 5.2.1 螺距的確定 刀架轉(zhuǎn)位時(shí)，要求螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)約170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(shí)候，要求上下端面齒的嚙合深度達(dá)2mm。因此，螺桿的螺距P應(yīng)滿足P170/360＞2mm，即P＞4.24mm，取螺桿的螺距P=6mm。 5.2.2 其他參數(shù)的確定 采用單頭梯形螺桿，頭數(shù)n=1，側(cè)角β=15，外螺紋大徑（公稱直徑）d1=50mm，牙頂間隙ac=0.5mm，基本牙型高度H1=0.5P=3mm，外螺紋牙高h(yuǎn)3=H1+ac=3.5mm，外螺紋中徑d2=47mm，外螺紋小徑d3=43mm，螺桿螺紋部分長度H=50mm。 5.2.3 自鎖性能校核 螺桿-螺母材料均用45鋼，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； φv=≈6.5 而螺紋升角： ψ=arctan（nP/πd2）=arctan(16/3.1447)=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。 6、電氣控制部分設(shè)計(jì) 6.1 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7.1所示。 6.1.1 收信電路 圖a中發(fā)信盤上的4只霍爾開關(guān)（型號為UGN3120U），都有3個(gè)引腳，第1腳接+12V電源，第2腳接+12V地，第3腳為輸出。轉(zhuǎn)位時(shí)刀臺帶動(dòng)磁鐵旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁鐵對準(zhǔn)某一個(gè)霍爾開關(guān)時(shí)，其輸出端第3腳輸出低電平；當(dāng)磁鐵離開時(shí)，第3腳輸出高電平。4只霍爾開關(guān)輸出的4個(gè)刀位信號T1～T4分別送到圖b的4只光耦合器進(jìn)行處理，經(jīng)過光電隔離的信號再送給I/O接口芯片8225的PC4～PC7。 6.1.2 發(fā)信號電路 圖c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)的功率只有80W，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，以防控制系統(tǒng)失控時(shí)導(dǎo)致短路現(xiàn)象。當(dāng)KA1或KA2的觸點(diǎn)接通380V電壓時(shí)，會產(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R-C阻容用來滅弧，以抑制火花的產(chǎn)生。 a) b) c) d) 圖7.1 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) 6.2 控制軟件的設(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)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位的控制軟件了。對于四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架來說，它最多裝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，讓其轉(zhuǎn)到工作位置。設(shè)控制系統(tǒng)的CPU為AT89C51單片機(jī)，擴(kuò)展8255芯片作為自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的收信與發(fā)信控制，已知8255芯片的控制口地址為2FFFH，A口地址為2FFCH，B口地址為2FFDH，C口地址為2FFEH。A口為電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制信號，當(dāng)PA6有效，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)PA7有效，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，兩都沒效，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。B口為刀具選擇信號輸入，當(dāng)PB4有效，選擇1#刀，當(dāng)PB5有效，選擇2#刀，當(dāng)PB6有效，選擇3#刀，當(dāng)PB7有效，選擇4#刀。C口為刀位控制信號輸入，當(dāng)PC4有效，1#刀在工作位置，當(dāng)PC5有效，2#刀在工作位置，當(dāng)PC6有效，3#刀在工作位置，當(dāng)PC7有效，4#刀在工作位置。 單片機(jī)程序如下： MOV DPRT，#2FFFH MOV A， #0AFH ；設(shè)定A、B、C均為工作方式1，A口為輸出方式，B、C口為輸入方式 MOVX DPTR，A MOV DPRT，#2FFDH ；指向8255的PB口 MOVX A，@DPTR ；讀取PB內(nèi)容 JNB ACC.4，TO1 ；是要選擇1#刀嗎？是則轉(zhuǎn)移到TO1，否則繼續(xù)執(zhí)行 JNB ACC.5，TO2 ；是要選擇2#刀嗎？是則轉(zhuǎn)移到TO2，否則繼續(xù)執(zhí)行 JNB ACC.6，TO3 ；是要選擇3#刀嗎？是則轉(zhuǎn)移到TO3，否則繼續(xù)執(zhí)行 AJMP TO4 ；不是前面3把刀，肯定選擇4#刀 TO1: MOV DPRT，#2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A，@DPTR ；讀取PC內(nèi)容 JNB ACC.4，TEND1 ；測試PC4=0？若是，則說明1#已在工作位置，程序轉(zhuǎn)到TEND1 MOV DPTR，#2FFCH ；指向8255的PA口地址 MOVX A，@DPTR ；讀取PA口鎖存器內(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)反轉(zhuǎn)無效 MOVX @DPTR，A ；刀架電動(dòng)機(jī)開始正轉(zhuǎn) CALL DE20MS ；延時(shí)20ms YT01：MOV DPTR，#2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A，@DPTR ；讀取PC口內(nèi)容 JB ACC.4，YT01 ；PC4=0嗎？即1#刀轉(zhuǎn)到工作位置了嗎？ CALL DE20MS ；延時(shí)20ms YT11：MOV 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PA口 MOVX A，@DPTR ；讀取PA口鎖存器內(nèi)容 SETB ACC.6 ；令PA6=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無效 SETB ACC.7 ；令PA7=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無效 MOVX @DPTR，A ;刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn) CALL DE150MS ;延時(shí)150ms CLR ACC.7 ;令PA7=0，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)有效 SETB ACC.6 ;令PA6=1，刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)無效 MOV @DPTR，A ;刀架電動(dòng)機(jī)開始反轉(zhuǎn) CALL DELAY ;延時(shí)設(shè)定的反轉(zhuǎn)鎖緊時(shí)間 SETB ACC.6 ;令PA6=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無效 SETB ACC.7 ；令PA7=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無效 MOVX @DPTR，A ;刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn) TEND1: REL ；換1#刀結(jié)束 TO2: MOV DPRT，#2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A，@DPTR ；讀取PC內(nèi)容 JNB ACC.5，TEND2 ；測試PC5=0？若是，則說明2#已在工作位置，程序轉(zhuǎn)到TEND2 MOV DPTR，#2FFCH ；指向8255的PA口地址 MOVX A，@DPTR ；讀取PA口鎖存器內(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)反轉(zhuǎn)無效 MOVX @DPTR，A ；刀架電動(dòng)機(jī)開始正轉(zhuǎn) CALL DE20MS ；延時(shí)20ms YT02：MOV DPTR，#2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A，@DPTR ；讀取PC口內(nèi)容 JB ACC.5，YT02 ；PC5=0嗎？即2#刀轉(zhuǎn)到工作位置了嗎？ CALL DE20MS ；延時(shí)20ms YT12：MOV DPTR，#2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A，@DPTR ；第二次讀取PC口內(nèi)容 JB ACC.5，YT12 ；PC5=0？ CALL DE20MS ；延時(shí)20ms YT22：MOV DPTR，#2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A，@DPTR ；第三次讀取PC口內(nèi)容 JB ACC.5，YT22 ；PC5=0？ MOV DPTR，#2FFCH ；指向PA口 MOVX A，@DPTR ；讀取PA口鎖存器內(nèi)容 SETB ACC.6 ；令PA6=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無效 SETB ACC.7 ；令PA7=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無效 MOVX @DPTR，A ；刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn) CALL DE150MS ；延時(shí)150ms CLR ACC.7 ；令PA7=0，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)有效 SETB ACC.6 ；令PA6=1，刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)無效 MOV @DPTR，A ；刀架電動(dòng)機(jī)開始反轉(zhuǎn) CALL DELAY ；延時(shí)設(shè)定的反轉(zhuǎn)鎖緊時(shí)間 SETB ACC.6 ；令PA6=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無效 SETB ACC.7 ；令PA7=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無效 MOVX @DPTR，A ；刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn) TEND2: REL ；換2#刀結(jié)束 TO3: MOV DPRT，#2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A，@DPTR ；讀取PC內(nèi)容 JNB ACC.6，TEND3 ；測試PC6=0？若是，則說明3#已在工作位置，程序轉(zhuǎn)到TEND3 MOV DPTR，#2FFCH ；指向8255的PA口地址 MOVX A，@DPTR ；讀取PA口鎖存器內(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)反轉(zhuǎn)無效 MOVX @DPTR，A ；刀架電動(dòng)機(jī)開始正轉(zhuǎn) CALL DE20MS ；延時(shí)20ms YT03：MOV DPTR，#2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A，@DPTR ；讀取PC口內(nèi)容 JB ACC.6，YT03 ；PC6=0嗎？即3#刀轉(zhuǎn)到工作位置了嗎？ CALL DE20MS ；延時(shí)20ms YT13：MOV DPTR，#2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A，@DPTR ；第二次讀取PC口內(nèi)容 JB ACC.6，YT13 ；PC6=0？ CALL DE20MS ；延時(shí)20ms YT23：MOV DPTR，#2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A，@DPTR ；第三次讀取PC口內(nèi)容 JB ACC.6，YT23 ；PC6=0？ MOV DPTR，#2FFCH ；指向PA口 MOVX A，@DPTR ；讀取PA口鎖存器內(nèi)容 SETB ACC.6 ；令PA6=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無效 SETB ACC.7 ；令PA7=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無效 MOVX @DPTR，A ；刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn) CALL DE150MS ；延時(shí)150ms CLR ACC.7 ；令PA7=0，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)有效 SETB ACC.6 ；令PA6=1，刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)無效 MOV @DPTR，A ；刀架電動(dòng)機(jī)開始反轉(zhuǎn) CALL DELAY ；延時(shí)設(shè)定的反轉(zhuǎn)鎖緊時(shí)間 SETB ACC.6 ；令PA6=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無效 SETB ACC.7 ；令PA7=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無效 MOVX @DPTR，A ；刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn) TEND3: REL ；換3#刀結(jié)束 TO4: MOV DPRT，#2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A，@DPTR ；讀取PC內(nèi)容 JNB ACC.7，TEND4 ；測試PC7=0？若是，則說明4#已在工作位置，程序轉(zhuǎn)到TEND4 MOV DPTR，#2FFCH ；指向8255的PA口地址 MOVX A，@DPTR ；讀取PA口鎖存器內(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)反轉(zhuǎn)無效 MOVX @DPTR，A ；刀架電動(dòng)機(jī)開始正轉(zhuǎn) CALL DE20MS ；延時(shí)20ms YT04：MOV DPTR，#2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A，@DPTR ；讀取PC口內(nèi)容 JB ACC.7，YT04 ；PC7=0嗎？即4#刀轉(zhuǎn)到工作位置了嗎？ CALL DE20MS ；延時(shí)20ms YT14：MOV DPTR，#2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A，@DPTR ；第二次讀取PC口內(nèi)容 JB ACC.7 YT14 ；PC7=0？ CALL DE20MS ；延時(shí)20ms YT24：MOV DPTR，#2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A，@DPTR ；第三次讀取PC口內(nèi)容 JB ACC.7，YT24 ；PC7=0？ MOV DPTR，#2FFCH ；指向PA口 MOVX A，@DPTR ；讀取PA口鎖存器內(nèi)容 SETB ACC.6 ；令PA6=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無效 SETB ACC.7 ；令PA7=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無效 MOVX @DPTR，A ；刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn) CALL DE150MS ；延時(shí)150ms CLR ACC.7 ；令PA7=0，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)有效 SETB ACC.6 ；令PA6=1，刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)無效 MOV @DPTR，A ；刀架電動(dòng)機(jī)開始反轉(zhuǎn) CALL DELAY ；延時(shí)設(shè)定的反轉(zhuǎn)鎖緊時(shí)間 SETB ACC.6 ；令PA6=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無效 SETB ACC.7 ；令PA7=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無效 MOVX @DPTR，A ；刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn) TEND4: REL ；換4#刀結(jié)束 參考文獻(xiàn)： [1]于惠力等.機(jī)械零部件設(shè)計(jì)入門與提高[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2011. 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