C3025回转刀架系统数控改造设计.pdf

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1、 XX 大学 课程设计(论文)C3025 回转刀架系统数控改造设计 所 在 学 院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指 导 老 师 II 课 程 设 计 任 务 书 班级：机自 106 姓名：周宇 题目：C3025 回转刀架系统数控改造设计 时间：2013 年 12 月 16 日至 2014 年 1 月 11 日共 4 周 要求：在现有 C3025 车床的结构基础上，对刀架的回转系统进行数控改造，主传动系统保留。（换刀时要求刀架转速 30r/min，定位精度0.1）具体任务：1.确定改造总体方案，绘制系统组成框图1 张；2.机械部分设计计算，选择适当的元器件；3.绘制刀架回转系统机械部分改造装

2、配图1 张；4.设计控制系统，画出电气原理图 1 张；5.编写设计说明书 1 份（不少于 8 千字）。班级：机自 106 学生：（签名）指导教师：（签名）2013 年 11 月 III 摘 要 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品,其技术范围覆盖很多领域。经济型数控车床，对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠

3、两方面来实现：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统，由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制。所以，数控车床与卧式车床相比应具有有更好的精度以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。关键词：车床，数控，传动系统 IV 目 录 第 1 章 C3025 数控改造设计总体方案.1 1.1 总体方案设计要求.1 1.2 总体设计方案的选择.1 1.2.1 系统的运动方式与伺服系统的选择.1 1.2.2 计算机系统.1 1.2.3 机械传动方式.2 2.4 总体方案的确定.2 第 2 章 C3025 回转刀架系统结构设计.4 2.1 总体结构设计.4 2.1.1

4、减速传动机构的设计.4 2.1.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计.4 2.1.3 刀架抬起机构的设计.4 2.2 车床刀架总体方案设计与选择.4 2.2.1 刀架的整体方案设计.4 2.2.2 车床刀架的转位机构方案设计.5 2.2.3 刀架定位机构方案设计.6 2.3 车床刀架的工作原理.6 2.4 刀架的设计计算.7 2.4.1 驱动刀架的伺服电机的选择计算.7 2.4.2 蜗轮蜗杆的设计计算.10 2.4.3 刀架主轴的结构设计计算.14 第 3 章 电气原理图设计.15 3.1 硬件电路设计.15 3.1.1 数控系统的硬件结构.15 3.1.2 数控系统硬件电路的功能.16 3.2

5、关于各线路元件之间线路连接.16 3.3 关于电路原理图的一些说明.17 总 结.20 V 参考文献.21 致 谢.22 VI VII VIII 1 第 1 章 C3025 数控改造设计总体方案 1.1 总体方案设计要求 总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。（2）经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加

6、工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用 8 位微机。在 8 位微机中，MCS51 系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选 MCS51 系列单片机扩展系统。（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了 CPU 外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O 接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比

7、应满足机床所要求的分辨率。（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。1.2 总体设计方案的选择 1.2.1 系统的运动方式与伺服系统的选择 考虑到属于经济型数控机床加工精度不高，为了简化结构、降低成本容易调试和维护，经济型数控车床应选用步进电机开环控制系统。1.2.2 计算机系统 根据机床要求采用 8 位微机。由于 MCS-51 系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强性能价格比高等特点，决定采用 MCS-51 系列

8、的 80C31 2 单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘、显示器，I/O 接口及光隔离电路，步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。1.2.3 机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动给丝杠。为保证一定的传动精度和平稳性，应尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。2.4 总体方案的确定 C3025 车床数控改造设计方案的内容包括：系统运动方式的确定，伺服系统的选择，执行机构及传动方式的确定、数控系统的选择

9、等内容，应仔细考虑各种高性能、自动化等要求，也要考虑被设计机床的具备条件，是技术的先进性与经济性的合理性交好的统一。对于横向进给机构，保留原手动于调刀，原支承结构也保留。和纵向进给一样步进电机与纵向滚珠丝杠间任何需一级齿轮减速，丝杠螺母与横向施板任用一螺母座连接。施板后部开轴承孔以便滚珠丝杠的连通与支承，后接减速箱与步进电机。纵、横向进给机构减速齿轮采用双片齿轮，靠错位消除啮合间隙。丝杠外加防尘罩，溜板箱上安装急停按钮，以适应意外情况的急停。硬件方面控制系统的硬件配置是，基本系统包括单片机AT89C51、锁存器、EPROM和RAM存储器。并行接口8255用作连接开关量的输入输出和对伺服电机进行

10、控制。8279为键盘显示器接口。软件方面，软包装件设计采用模块化结构，以便于系统功能的扩展。分为三块：手动操作、加工、编辑。3 图 2-1 机床的操作模式图 根据设计任务，系统采用轮廓控制形式，控制系统硬件由微机控制部分、键盘及显示器、I/O 接口及光电隔离器、步进电机、功率放大器等组成。刀架更换为位回转刀架。设计后的机床传动系统图如图所示：图 2-2 车床系统组成框图 4 第 2 章 C3025 回转刀架系统结构设计 2.1 总体结构设计 设计 C3025回转刀架系统，使自动回转刀架在结构上具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力，同时具有换刀时的快速性、稳定性和高定位精度的重复性。换

11、刀时要求刀架转速 30r/min，定位精度0.1 2.1.1减速传动机构的设计 普通的三相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，采用蜗杆副减速是最佳选择。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。2.1.2 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。本设计上刀体的锁紧与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，上下端面齿相互咬合，这

12、时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；换刀时电动机正传，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。2.1.3 刀架抬起机构的设计 要想使上，下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计合适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，当电动机通过蜗杆-蜗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咬合，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。当端面齿脱离咬合时，上刀体就与螺杆一同转动。2.2 车床刀架总体方案设计与选择 2.2.1 刀架的整体方案

13、设计 刀架是车床的重要组成部分，用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响到车床的切削性能和切削效率。根据前部分对机床刀架类型、性能及其使用场合的综合比较，5 并结合现有数控车床的实例，本次设计的数控车床 C3025 拟采用回转刀架中的六工位六方刀架。该刀架的换刀动作分为刀盘抬起、刀盘分度转位和刀盘锁紧三个步骤，其中刀盘抬起和刀盘锁紧定位由液压来实现，而刀盘的分度转位于伺服电机驱动。2.2.2 车床刀架的转位机构方案设计 一般来说，机床刀架的转位机构主要有以下几种：1，液压（或气动）驱动的活塞齿条齿轮转位机构 这种由液动机驱动的转位机构调速范围大、缓冲制动容易，转位速度可调，运动平稳，结构尺寸较

14、小，制造容易，因而应用较广泛。而转位角度大小可由活塞杆上的限位档块来调整。也有采用气动的，气动的优点是结构简单，速度可调，但运动不平稳，有冲击，结构尺寸大，驱动力小。故一般多用于非金属切削的自动化机械和自动线的转位机构中。2，圆柱凸轮步进式转位机构 这种转位机构依靠凸轮轮廓强制刀架作转位运动，运动规律完全取决于凸轮轮廓形状。圆柱凸轮是在圆周面上加工出一条两端有头的凸起=轮廓，从动回转盘（相当于刀架体）端面有多个柱销，销子数量与工位数相等。当圆柱凸轮按固定的旋转方向运动时，有的柱销会进入凸轮轮廓的曲线段，使凸轮开始驱动回转盘转位，与此同时有的圆柱销会与凸轮轮廓脱离，当柱销接触的凸轮轮廓由曲线段过

15、渡到直线段时，即使凸轮继续旋转，回转盘也不会转动，即完成了一次刀盘分度转位动作。如此反复下去，就能实现多次的刀架换刀操作。由于凸轮是一个两端开口的非闭合曲线轮廓，所以当凸轮正反转进均可带动刀盘正反两个方向的旋转。这种转位机构转位速度高、精度较低，运动特性可以自由设计选取但制造较困难、成本较高、结构尺寸较大。这种转位机构可以通过控制系统中的逻辑电路或 PC 程序来自动选择回转方向，以缩短转位辅助时间。3，伺服电机驱动的刀架转位 随着现代技术的发展，可以采用直流（或交流）伺服电机驱动蜗杆、蜗轮（消除间隙）实现刀架转位，转位的速度和角位移均可通过半闭环反馈进行精确控制加以实现，因而这种转位机构转位速

16、度可以进行精确控制、精度高，结构简单、实现容易。所以在现代数控机床中被广泛采用6。结合上述三种转位机构的转位机理和特点，并结合实际情况，本次设计的数控车床 C3025 决定采用第三种转位机构-伺服电机驱动的刀架转位。6 2.2.3刀架定位机构方案设计 目前在刀架的定位机构中多采用锥销定位和端面齿盘定位。由于圆柱销和斜面销定位时容易出现间隙，圆锥销定位精度较高，它进入定位孔时一般靠弹簧力或液压力、气动力，圆锥销磨损后仍可以消除间隙，以获得较高的定位精度。端齿盘定位由两个齿形相同的端面齿盘相啮合而成，由于齿合时各个齿的误差相互抵偿，起着误差均化的作用，定位精度高。端齿盘定位的特点：（1）定位精度高

17、 由于端齿盘定位齿数多，且沿圆周均布，向心多齿结构，经过研齿的齿盘其分度精度一般可达 3左右，最高可过 4.0以上，一对齿盘啮合时具有自动定心作用。所以中心轴的回转精度、间隙及磨损对定心精度几乎没有影响，对中心轴的精度要求低，装置容易。（2）重复定位精度好 由于多齿啮合相当于上下齿盘的反复磨合对研，越磨合精度越高，重复定位精度也越好。（3）定位刚性好，承载能力大，两齿盘多齿啮合。由于齿盘齿部强度高，并且一般齿数啮合率不少于90%，齿面啮合长度不少于60%，故定位刚性好，承载能力大。考虑到端面齿盘具有以上的各种优点，因而本次设计的刀架采用端面齿盘定位6。2.3 车床刀架的工作原理 回转刀架的结构

18、图刀架的松开和夹紧以及刀盘的分度转位分别由液压系统和直流伺服电机来实现。5 为安装刀具的刀盘，它与轴6 固定连接，当刀架主轴6 带动刀盘旋转时，其上的端齿盘 4 和固定在刀盘上的端齿盘 3 脱开，旋转指定刀位后，刀盘的定位由端齿盘的啮合来完成。活塞 1 支承在一对推力球轴承上，它们可以通过推力球轴承带动刀架主轴来移动。当车床数控系统发出换刀指令后，刀架上的液压缸右腔通入压力油，活塞 1 及轴 6 在压力油推动下向左移动，通过刀架主轴使端齿盘 3 和 4 脱开啮合，实现刀盘抬起动作。随后伺服电机启动，带动蜗杆 2 和蜗轮 7 转动，经刀架主轴 6 带动刀架的刀盘旋转，实现刀架换刀动作，转位的速度

19、和角位移均通过半闭环反馈系统进行精确控制。当刀盘旋转到指定的刀位后，数控系统发出信号，指令伺服电机停转，这时，压力油进入液压缸的左腔，推动活塞 1 和刀架主轴 6 向右移动，使端齿盘 3 和 4 重新啮合，实现刀盘锁动作。刀盘被定位夹紧并向数控系统发出信号，于是刀架的转位、换刀循环完成。在车床自动工作状态下，当指定换刀的刀号后，数控系统可以通过内部的运算判 7 断，实行刀盘就近转位换刀，即刀盘既可正转也可以反转。但当手动操作车床时，从刀盘方向观察，只充许刀盘顺时针转动换刀。2.4 刀架的设计计算 2.4.1 驱动刀架的伺服电机的选择计算 刀架驱动电动机的选择应同时满足刀架运转的负载扭矩FT和起

20、动时的加速扭矩JT 的要求。1)刀架负载扭矩FT的计算 回转刀架负载扭矩FT估算方法如下：由于这种刀架的负载扭矩主要用来克服刀具质量的不平衡，估算按如下的情况进行：用平均重力的刀具插满刀盘的半个圆，根据工艺要求所需的各种刀具，确定每个刀具的（包括刀柄）平均重力cpW，而其重心则设定为离刀架回转中心 2/3 半径处。由以上的方法可知，由于该数控车床采用的是电和液换位的 6 工位六方自动回转刀架，因而插满刀盘的半个圆需要 3 把刀具。设工艺要求所需的每个刀具的平均重力cpW=4.9N；刀盘的回转中心直径270Dmm。则有 12423FPTWD123 4.90.271.76423Nmm 2)刀架加速

21、扭矩Tj的估算 260mjmLjnTJJt Nm6 式中 mn-刀架换刀时的电动机转速(r/min);jt-加速时间,通常取 150200ms;mJ-电动机转子惯量(2kg m),可查样本;LJ-负载惯量折算到电动机轴上的惯量(2kgm).3)负载惯量折算到电动机轴上的惯量LJ的估算 22hiLhiKiJJm 2k g m 式中 hJ-各旋转件的转动惯量(2kg m);h-各旋转件的角速度(/rad s);im-各直线运动件的质量(kg);i-各直线运动件的速度(/m s);8 -伺服电机的角速度(/rad s)6.4)各旋转件的转动惯量hJ的估算 由刀架的结构简图可知,刀架在完成换刀动作时,

22、伺服电机带动其旋转的部件共3 个,它们分别是蜗轮蜗杆副,刀架主轴和刀盘。因而只需估算这三者的传动惯量即可。(1)刀盘转动惯量的计算 刀盘采用烟台环球公司生产的 AK31 系列数控转塔刀架的配套产品，其主要尺寸如下：刀盘外径1320Dmm；盘也刀架主轴相连的孔径140dmm；刀盘宽56Pmm。则刀盘的转动惯量221111222hDdJm 22221111122222DdDdP 2222310.3 20.0 40.3 20.0 47.8 51 03.1 40.0 5 622222=0.452kg m(2)刀架主轴转动惯量的计算 刀架主轴的转动惯量2hJ按如下的方法估算：刀架主轴的最大直径max40

23、dmm；最小直径min25dmm；刀架主轴长度取390lmm。则刀架主轴的转动惯量2maxmin2122hddJm7 22maxminmaxmin1222ddddl 22310.040.0250.040.0257.85 103.140.39222=0.0048 2kg m(3)蜗轮蜗杆转动惯量的计算 蜗轮蜗杆的转动惯量3hJ的估算方法如下：设蜗轮的分度圆直径3124hDmm；其与刀架主轴相连的孔径332.5hdmm；蜗轮齿宽310hbmm.9 则蜗轮的转动惯量233311222hhhDdJM 22223333122222hhhhDdDdb 2222310.1 2 40.0 3 2 50.0 1

24、 2 40.0 3 2 57.8 51 03.1 40.0 122222 =0.002 2kg m7 设蜗杆的分度圆直径3235.5hDmm;蜗杆长200lmm.则蜗杆的转动惯量23232122khDJM 2232321222kkDDl 22310.03550.03557.85 103.140.2222 =0.00024 2kg m(4)连轴器转动惯量的计算 由于连轴器已标准化，查表取连轴器的转动惯量40.0003hJ 2kg m(5)对各旋转件的角速度作如下设定：伺服电机的角速度 1 4 0 02/6 01 4 6.5r a ds；蜗杆的角速度 3214002/60146.5/hrads；蜗

25、轮的角速度 3114002/602.44/60hrad s；刀架主轴的角速 214002/602.44/60hrad s；刀盘转位时的角速度 114002/602.44/60hrad s。则将以上计算所得的数据代入下式：得负载惯量折算到电动机轴上的惯量 10 22hiLhiKiJJm 2k g m 222222.4 42.4 42.4 41 4 6.51 4 6.50.4 50.0 0 4 80.0 0 20.0 0 0 2 40.0 0 0 31 4 6.51 4 6.51 4 6.51 4 6.51 4 6.5=0.0 0 0 6 7 2kg m 取1600.16jtmss；刀架换刀时伺服

26、电机的转速1400/minmnr；伺服电动机转子转动惯量20.00003mJkg m。则刀架加速扭矩 260mjmLjnTJJt N m 23.1 41 4 0 00.0 0 0 0 30.0 0 0 6 76 00.1 6 =0.32 N m 5)驱动电动机输出扭矩DT的估算7 驱动电动机的输出扭矩DT应同时满足刀架负载扭矩FT和加速扭矩JT之和，将以上计算的刀架负载扭矩和加速扭矩换为驱动电动机轴上的输出扭矩DT的公式为：FFDTTT N m 式中 -传动效率 取 0.75。则有 FFDTTT1.7 6 40.3 22.7 80.7 5 N m 考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂，电动机额

27、定转矩sT应为DT的1.21.5倍。所以取 1.31.32.7 8sDTT N m 经查阅西门子电机手册，选项用西门子 1FT6 交流伺服电动机。该电机的额定转速为1500r/min，额定输出转矩为5N m，额定功率为0.4kW。2.4.2 蜗轮蜗杆的设计计算 2.4.2.1 各参数的取定 本刀架的转位机构是采用直流伺服电机驱动蜗杆、蜗轮（消除间隙）实现刀架的转位，其中蜗轮蜗杆副的传动比取i 60，伺服电机的转速取n 1800/minr；刀架的转位 11 速度设计为130/minnr，由于刀盘为 6 工位刀盘，则该刀架换一次刀的最大耗时不到1s9。换刀时要求刀架转速 30r/min，定位精度0

28、.1 2.4.2.2 蜗轮蜗杆副的设计计算 设计的普通圆柱蜗杆传动的功率为0.3pkw，蜗杆的转速为11400/minnr，传动比为1260i，传动反向，工作载荷稳定，但有不大的冲击，要求设计寿命为12000hLh。对蜗轮蜗杆的设计计算如下；(1).选择蜗杆传动类型 根据/10081988GB T的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）。(2).选择材料 根据库存材料的情况，并考虑到蜗杆传递的功率不大，速度只是中等，故蜗杆用 45钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为 40-45 HRC。蜗轮用铸锡磷青铜10 1ZCuSnP，金属模铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，

29、而轮芯用灰铸铁 HT100 制造。(3).按齿面接触疲劳强度进行设计 根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。232EHZ ZaKT 3、确定作用在蜗轮上的转矩2T 按11Z，估取效率0.8，则 2T=61129.55 10/Pni=60.3 0.89.55 101400/60N mm=98369.1Nmm 4、确定载荷系数K 因为工作载荷稳定，故取载荷分布不均系数为1K；由西北工业大学机械原理及机械零件教研室编著的机械设计教材表 11-5 选取使用系数1.15AK；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数1.05VK；则 AVKK K K=1.15 1

30、1.051.2 5、确定弹性影响系数EZ 因选用的是铸锡青铜轮和钢蜗杆相配，故12160EaZMP。12 6、确定接触系数Z 先假设蜗杆分度圆直径1d和传动中心距 a 的比值1/0.35da，从图 11-18 中可查得Z=2.9。7、确定许用接触应力H 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜10 1ZCuSnP，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，可从表 11-7 中查得蜗轮的基本许用应力为268HaMP。应力循环次数 7214006060 1120001.7 1060hNjn L 寿命系数 787100.941.7 10HNK 则 0.9 42 6 82 5 0.8H NHaHKM P 6)计算中心距

31、 231 6 02.91.29 8 3 6 9.17 3.9 32 5 0.8am m 取中心距 a=80mm，因60,i 故从表 11-2 中取模数为 m=2mm，蜗杆分度圆直径135.5dmm。这时1/35.5/800.44da，从图 11-18 中可查得接触系数2.70Z，因为2.70ZZ，因此以上计算的结果可用。(2)蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 1)蜗杆 轴向齿距 3.1426.28apmmm 直径系数 1/3 5.5/21 7.7 5qdmm m 齿 顶 圆 直 径 *11235.52 239.5aaddh mmm 齿根圆直径 *112()35.52 231.5faddh mcm

32、m 分度圆导程角 1101tan(/)tan(1/17.75)3.22zq 蜗杆轴向齿厚 113.1423.1422asmmm 13 图 2.3 蜗杆的结构图 1)蜗轮 蜗轮齿数 262z；变位系数 20.125x 验算传动比1262621ziz，这时传动比误差为62600.033333.3%60，是允许的。蜗轮分度圆直径 22262124dmzmm 蜗轮喉圆直径 *2222()1 2 422(10.1 2 5)1 2 8.5aaddm hxmm 蜗轮齿根圆直 *2222()1242 2(10.1251)115.5faddm hxcmm 蜗轮咽喉母圆半径 221180128.515.7522g

33、aradmm 图 2.4 蜗轮的结构图(4)校核齿根弯曲疲劳强度 22121.53FFaFKTYYd d m 当量齿数 22336262.29coscos 3.22vzzr 根据20.125x，262.29vz，从图 11-19 中可查得齿形系数22.25FaY。螺旋角系数 03.22110.977140140rY 许用弯曲应力 FFF NK 14 从表 11-8 中查得由10 1ZCuSnP制造的蜗轮的基本许用弯曲应力56FaMP 寿命系数 697100.5651.7 10FNK 56 0.56531.64FaMP 1.53 1.2 98369.12.25 0.97726.5735.5 12

34、42FaMP 弯曲强度满足要求。(6)精度等级公差和表面粗糙度的确定 考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从 GB/T100891988圆柱蜗杆、蜗轮精度中选择 8 级精度，侧隙种类为 f，标注为 8f GB/T100891988。然后由有关手册查得要求的公差项目及表面粗糙度，此处从略9。2.4.3 刀架主轴的结构设计计算 由刀架装配图可知，刀架主轴的支承方式为两端游动支承，其一端与刀盘固连，另一端与液压缸的活塞间隙配合，同时起到左端支承作用。而轴的中间部位由刀盘至液压缸的方向分别与圆柱滚子轴承和蜗轮相连，圆柱滚子轴承起右支承作用。已知伺服电机的功率为 0.3kW，电机转速1

35、1400/minnr，取经蜗轮蜗杆副传动的效率0.96，蜗轮蜗杆副的传动比60i。1)先求出刀架主轴上的传递功率2P、转速3n和转矩3T 20.30.9 60.2 8 8PPk W 3111400/6023.3/minnnri 于是 3330.2 8 89 5 5 0 0 0 09 5 5 0 0 0 01 1 8 0 4 2.92 3.3PTN m mn 2)初步确定轴的最小直径 由式 03PdAn 可初步估算设计轴的最小直径。式中：0A为系数，轴的材料不同，则0A的值会不同；P为轴传递的功率，单位为kW；d为计算截面处轴的直径，单位为mm；n为轴的转速，单位为/minr；15 选取轴的材料

36、为 45 钢，调质处理。根据表 153，取0105A，于是得 3m i n030.2 8 83310524.2723.3PdAmmn 从而取轴的最小直径为min25dmm；轴的最大直径为max40dmm9。图 2.5 刀架主轴结构图 第 3 章 电气原理图设计 数控系统最核心的控制是位置控制，最重要的运算是插补运算，最主要的数据处理是刀具补偿。位置控制的实质就是位置负反馈，即指令位置和实际位置进行比较，用位置偏差进行控制；插补运算就是根据加工程序所确定的坐标点，通过一定的运算法则实时获得位置指令；刀具补偿就是要解决编程轨迹和刀具中心不相符的矛盾。3.1 硬件电路设计 3.1.1 数控系统的硬件

37、结构 数控系统根据其使用单片机结构的划分，一般可分为单微处理器和多微处理器结构两大类。单微处理器数控系统由于结构简单，价格便宜，在一些标准型数控系统中应用广泛。多微处理器数控系统可以满足当今数控机床高速度、高精度和许多复杂功能的要求，代表当今数控发展的水平。根据设计任务要求，本设计将采用较经济的单微处理器数控结构，对于一般切削加工而言，其速度和精度已能满足实际要求。数控机床单微处理器硬件结构电路概括起来有以下几个部分组成：（1）中央处理单元 CPU；（2）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；16（3）存储器，包括只读可编程存储器和随机读写存储器；（4）输入输出接口电路；（5）外围设备，如键

38、盘、显示器及光电编码器等。3.1.2 数控系统硬件电路的功能 根据设计要求，确定数控系统应具有以下功能：读取键盘输入数据；读取操作面板开关及按钮信号；读取螺纹/光电编码器信号；读取电动刀架刀位信号；接受车床行程开关信号；控制 LED 显示；控制电动刀架自动选刀；控制纵向、横向电动机驱动；控制主轴正转、反转与停止；(10)控制交流变频器；(11)控制冷却泵启停；(12)可与 PC 进行串行通信。本次设计在采用 8031 作为主控芯片,采用两片 2764 程序存储器之外还扩展了一片6264数据存储器,用一片74LS373锁存P0口传递低8位地址,地址译码采用74LS138C38译码器;采用全地址码

39、,采用二个 8155 芯片,完成对执行元件的控制。此外,还设有越界报警急停处理电路.3.2 关于各线路元件之间线路连接 8031 芯片的 P0 和 P2用来传送外部存储器的地址和数据,P2口送的是8 位地址,P0口传送低八位地址和数据,故采用 74LS373 地址锁存器,锁存低八位地址,ALE 作为首选通信号,当 ALE 为高电位,锁存器的输入输出速度,即输入的低八位地址在输出端出现,此时不需锁存,当 ALE 从高电平变为低电平,出现下降沿时,低八位地址在输出端出现,此时不需锁存,当 ACE 这样 POD 共组成 16 位地址,2764 和 6264 芯片都是 8KB,需要 13 根地址线,A

40、0A7低 8 位安 74L373 芯片的输出,A8A12按 8031 芯片的 P2.0P4.2系统采用全 17 地址译码,两片 2764 新片选信号 CE 分别按 74LS138 译码器的0Y和1Y,系统复位以后程序从 0000H开始执行,6264 芯片的片选信号 CE 地址按 74LS138 的2Y,单片机的扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址,8031 芯片控制信号 PSEN按 2764的 OE引脚,读写控制信号 WR 和 RD 分别按 6264 芯片内部沿有 ROM,始终要选片外程序存储器,故按 EA 地址 由于8031只有P1口和P3口的部分能提供用户作I/O接口使用,不能满足输

41、入输出口的需要,因此比喻扩展输入输出扩展电路.系统扩展3片8155可编程I/O接口芯片,8155(1)的片选信号CE按 74LS138 的4Y端 74LS138 译码器有 3 个输入 A B C 分别按 8031的 P5.2 P6.2 P7.28 个输出,低电平有效.70YY对应输出 A B C DE 000 至 111 8 种现合.其中0Y对应 A B C 为 111.74LS138 有 3 个使能端,其中 2 个为低电平使能端,另一个为高电平使能端.只有当使能端均处于有效电平是,输出才能产生,否则输出才能处在高电平无效.I/O 接口芯片与外设的联接是这样安排的.8155芯片PA70PA作为

42、显示器段选信号,输出PAP 为显示器的位选信号,输出 PC0PC4 5 根线是键盘输入.8155 芯片的 20 个引脚按 8031 芯片的 P2.0,因此使用 8155 的 I/O 口时 P2.0 为高电平.8155(2),按 X Z 向直流电机硬件环形分配器为输出,系统各芯片采用全地址译码,各存储器及 I/O 接口芯片.X向Z向直流电机硬件环形分配器采用YB0153-2相5相10拍方式工作,故0A 1A 均按+5V,时钟输入端 CP 按 8155芯片的 TIME007 用以决定脉冲分配器是如脉冲的频率,为实现插补时不同的进给的速度,可给 8155 芯片定时/计数器中设置不同的常数.3.3 关

43、于电路原理图的一些说明 在此电路图中,还有其他功能电路,如报警电路,急停电路,复位电路,隔离电路,功效电路等,此外还有对自动回转刀架,螺纹加工进行控制.1、复位电路 通常 8031的复位有自动复位,和人工按钮复位两种,下面将分别显示电路结构 18 ssCC （A）(A)上电复位电路 （B）开关复位电路 2、时钟电路 时钟电路如图所示,XTAL和XTAL2为内振荡电路输入线,这两个端口用来外接石英晶体和微调电器,用来联接 8031 片内 OSC 的定时反馈回路.3、光电隔离电路 在直流电机驱动电路,脉冲分配器输出的信号经过放大后,控制直流电机的励磁绕组.由于直流电机需要的驱动电压数高,电流也较大

44、,如果将 I/O 口输出信号直接与功率放大电路相连,将引起电路干扰,轻则影响计数机程序的正常运行,重则导致接口电路的破坏.因此一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路,实行数控隔离使用最多的是光电耦合器.如下图 光电耦合器是以发光二级管和光敏二级管组成,为输入信号的输入端时,发光二级管导通激发红外光,受光三极管照射后,由于光敏效应产生光电流。通过输出端输出，从而实现了以光为信号的输出，输入端与输出端在电器绘出一种光隔离输出电路，当开关断开，发光二级管不通，光敏三级管截止，输出+5V 高电平，当闭合，发光二级管导通，激励输出三级管导通。适当选择电阻 RC，可使输出三级管饱和，输出 0.3

45、左右的 TTL低电平。随着运行频率的增高，直流电机输出力矩 C 带动负载的能力，这一产生的原因，作为功率放大器负载的直流电机是电感负载。当改变通电时，电流从零逐渐增大，产生感应电动势使电流按指数规律上升。4、键盘显示 19 本次设计中，采用 PC0PC5 作为扫描口信号反向放大器按显示器公共级，8031P1口作为片选数据口。8155 的 PB0PB3作为行线输入。基本工作原理如下：控制信号键盘显示口电路图 当键松开时，测试信号为 1，键闭合，测试信号为 0，当测试信号为 1 则禁止，不能对键进行识别。键盘是由若干个按键组成的开关阵列，图中行线通过电阻接+5V，当键盘上沿有闭和时，所有行线和列线

46、都以断开，行线PC0PCX4是 4 根行线，PA0PA7Ss 是 6 根列线，在行线与列线交叉点上安装有键，PA 口的 6 根列线按一定的时间间隔轮流输出低电平。当扫描到某一列线上时，若无键按下，则行线都是高电平；若有一键按下时，交叉点上对应的行线变为低电平。这个低电平信号被计算机捕获后，根据此间对应的行线和列线的位置，计算机可以判断出键值，完成控制。5、越界报警电路 X，Z 方向的越界和急停信号经过门引入 8031 的 P2.3中断原 LNT0，采用硬件申请中断软件查询的方法。这样无论哪个方向都能引起中断，当X，Z 等一越界，则相应的红灯亮报警。20 总 结 这次课题设计总计费时三周，刚开始

47、时不知从何下手，在老师的指导下到图书馆查阅相关资料。有关数控上的资料翻了数次，有参考了相关设计资料，终于知道了该怎么做。接下来塞选出一系列有价值的资料，与同组同学不断的讨论、向老师请教，终于完成了设计。在做设计的过程中，不但复习了所学过的知识点，还学到了新的知识，同时将所学到的知识充分的运用起来，做到了学以致用，还学会了查资料，除此之外，我还懂得了团结合作的重要性，知道了集体的力量！当然，在此过程中也有许多不足之处，例如：知识的不全面，所学的还没有全部掌握，思维的狭隘等，让我在毕业前上了生动形象的一课。同时，做设计也是磨练决心与毅力的过程，面对复杂冗长的数据，打印长篇的论文，我也想过放弃，但想

48、到它的意义我就又坚持了下来。做完了后，有一种豁然开朗的感觉，内心激动无比，经过了这次设计以后，我有信心，我也坚信只要努力、坚持，我们就能走好人生的每一步。21 参考文献 1.吴振彪主编.机电综合设计指导.中国人民大学社.2000.2.余英良主编.机床数控设计设计与实例.机械工业出版社.1997 3.机床设计手册编写组编.机床设计手册第一，三，四册.械工业出版社.1998.4.明兴祖主编.数控加工技术.化学工业出版社.2001.5.胡占齐，杨莉主编.机床数控技术.机械工业出版社.1999.6.王先逵主编.机械制造工艺学.机械工业出版社.2002.7.邱宣怀主编.机械设计.高等教育出版社.2002

49、 8.黄调，赵松年主编.机电一体化技术基础及应用.机械工业出版社.1999.9 唐保宁.机械设计与制造简明手册M.同济大学出版社，1998.2 10 戴曙.金属切削机床M.北京：机械工业出版社，1993.5 11 陈婵娟.数控车床设计M.北京：化学工业出版社，2006.3 12 王爱玲.现代数控机床M.北京：国防工业出版社，2003.3 13 郭荣第.金属切削原理与刀具M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007.7 22 致 谢 本论文的研究工作是在导师 XX 老师的悉心指导下完成的。在三周月来的生活中，XX 老师在学习上对我谆谆教诲，严格要求，在思想上对我深刻指导，我将终生铭记。XX老师渊博的知识，严谨的作风，平易近人的性格都给了我十分深刻的印象。在此要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。在大学求学期间得到了各位老师热心的帮助,在此向我的所以的老师表示我深深的谢意；同时还要感谢给在毕业设计过程中给予我帮助的同学，有了他们的帮助，我才能够顺利地完成了毕业设计。最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参与答辩的各位专家、教授！