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（2）重复定位精度：
（mm）<
0.005
（3）电机功率（w）20
（4）电机转速（rpm）1250
1.4本章小结
初步了解了设计题目（电动刀架）及发展概况，设计背景，对刀架有了一些印象，对整理设计思路安排设计时间有很好的辅助作用。
对一些参数的进行了解
同时按准则要求来完成设计。
1-1第2章自动刀架电气说明书
2.1电动刀架系统
现结合图2-1来讨论电动刀架的相关问题。
图2-1电气原理图
2.1.1电动刀架及其工作原理
电动刀架的机械部分类似于蜗轮机构，实现刀具的抬升、旋转（交换刀具位置）及下降锁紧，这里着重讨论实现上述动作所必须的硬件条件和电路原理。
在图2-1中，继电器KA1,KA2实现电动刀架的动作切换控制，主要完成刀架
电机的正、反转切换。
在刀架旋转过程中，每个工位上的霍尔元件会依次切换为有效状态，系统根据T1,T2,T3及T4状态的变化，可以推断出目前的刀号，并判断是否为当前所选用刀具，一旦符合，则电机反向旋转，锁紧刀具。
电动刀架各时序的切换及间隔是系统控制的关键，反向锁紧所用时间取决于电动刀架生产厂家有推荐指标，过长会引起电机发热甚至烧毁。
为保证电动刀架安全运动，在电动刀架交流380V进线处加装快速熔断器和热继电器。
2.1.2电动刀架动作过程
数控系统调刀代码开始执行时，或行动调刀时，首先输出刀架正转信号，使刀架旋转，当接收到指定的刀具的到位信号后，关闭刀架正转信号，延迟50ms时间后，刀架开始反转而进行锁紧，并开始检查锁紧信号，当接收到该信号后，关闭刀架反转信号，延迟时间，并对电机制动。
换刀结束。
程序转入下一程序段继续执行。
如执行的刀号与现在的刀号（自动记录）一致时，则换刀指令立刻结束，并转入下一程序段执行。
我根据上述描述的换刀动作过程，做了如下动作流程图2-2
图2-2自动换刀流程图
动作流程图2-2
2.1.3技术说明
在设计过程中要求自动刀架能够按事先编定的程序动作，也能按照手动脉冲信号的给定依次动作。
这次设计的是四工位刀架，其动作如下：
1，微机要刀：
要刀信号——PLC设备响应——电机正转-刀架上升——旋转——霍尔元件发出信号——电机反转——刀架锁紧——电机过流——发出中断信号——应答——加工——ΩCP
其中应用8位单片机实现PLC的控制，其它有关技术要求，规范在其它章节有详细说明
2，手动要求
ΩCP——电机正转——刀架上升——刀架旋转——霍尔元件发出信号——电机反转——刀架下降锁紧——电机过流——发出中断信号——应答——加工——ΩCP
程序调试
1）按文字标记记在电气箱插头上电动刀架插头和接口电源插头。
所接的2根电缆管内有4根线。
3根线接车床总开关后的三相电源。
一根黄绿线接系统地线，另管内7根导线定义如下：
棕：
1#绝对要刀蓝：
2#绝对要刀
红：
3#绝对要刀黄：
4#绝对要刀
绿：
微机柜+12~24V白：
回刀信号
黑：
微机柜+12~24V5
橙：
5#绝对要刀紫：
6#绝对要刀
2）刀架电气箱固定在车床操作人员可能触及的部位，先将SA2置于手控位，按一下按钮，SB3刀架转位90度，如刀架不动，红灯长亮，表示电源反相序了，需要到正相序再次试车，用户要求将代暖气箱安装杂机床内部，参看2#电路原理图
2.1.4接口注意事项
使用绝对要刀时，如微机不具备收到回答信号再启动下道程序功能，编程信号宽度应大于最大可能运动时间
2.1.5在装调中，可能出选的异常现象及原因
1孔壳带电，烧断保险丝
原因：
火地线反。
插头松动，电机短路
2．红灯亮，不动作
三相电源反相序或缺相
3.手动或微机信号，刀架不动
检查开关位置是否准确
4.刀架定位不准
刀架发讯盘松动，移动
5刀架运转不停
开关位置错误，按钮短路，探头断线
6某刀位不动
接口烧坏或接口断线
7绿灯不亮
保险丝断或未拧紧，或插头插反
8电气控制失灵
夹刀过紧，刀台变形
霍尔元件的选取
根据工作所需要及其它方面的具体要求：
选型：
HK831
其工作电压：
4.4V~9V
截止电源电流：
〈6MA
输出低电压：
〈0.4V
高电平输出电流：
〈10A
其工作温度范围：
-20~55
如下：
图2-3微机送出信号控制手控硅二极管的控制级
图2-4电机过流时信号采集电路
表2-1元件明细表：
序号
名称
型号
图表
数量
备注
1
继电器
JQX-11F-002
KA7，KA8
2
无座
继电器
HF4098DCDV
KA1~KA6
7
3
保险管座
BH003-5
4
4
保险管
5X20MM12.5A
FU1
5
保险管
5X20MM11.0A
FU2
1
6
钮子开关
KN6-102
SA1，SA2
按钮
AN4
SB3
8
稳压器
LM7812
IC
9
发光二极管
BT325PG
H1
绿色
10
二极管
BT225
H2
红色
11
IN4002
V9~V12
12
雪崩二极管
BZX8.2
V13
13
电容器
01F/40V
C4
14
全桥整流器
PB151M
V14~V17
400V/1A
15
WO4
VAa,Vab
16
电阻器
RX20-16T
R4
17
RJ-2W
R1~R3，R5
18
RJ114W
R6~R8
19
DC11B
C1
20
CJ-01F/16V
C3
21
CD11B
C4
22
CL
C7~C9
23
接叉件
CA-14JZ2/KA
X1
24
接叉件
CA-14JWKA
X2
25
霍尔元件
BM1~4
2.1.6PLC控制说明
（1）技术说明
在设计中要求自动刀架能够按预先编定的程序动作，也按照手动脉冲技术信号的给定而依次动作。
其控制的T功能过程可以如图来表示
图2-5过程图
其工作过程如下：
微机要刀：
要刀信号——PLC设备响应——电机正转——刀架上升——刀架旋转——旋转到霍尔元件发出信号——电机反转——刀架锁紧——电机过流——发出中断信号——应答——加工
其中应用8位单片机实现PLC的控制，其它有关技术要求，规范另详
手动要刀
手动按钮压下——电机正转——刀架上升——刀架旋转——到位霍尔元件发讯——电机反转——刀架下降锁紧——电机过流——发出中断信号——应答——加工
在设计中采用OMRON公司系列编程控制器：
C40P
表2-2I/O地址分配表：
I/O口
作用说明
0000
手动机控选择开关
0001
手动换刀按钮
0002
机控，相对绝对要刀开关
0003
1号刀位霍尔元件
0004
2号刀位霍尔元件
0005
3号刀位霍尔元件
0006
4号刀位霍尔元件
0007
1号刀位机控信号
0008
2号刀位机控信号
0009
3号刀位机控信号
0010
4号刀位机控信号
0011
过流
1000
手动1号刀保持继电器
1001
手动2号刀保持继电器
1002
手动3号刀保持继电器
1003
手动4号刀保持继电器
1004
机控刀位保持继电器
1005
机控绝对要刀保持继电器
1006
定时准备保持继电器
0500
电机正转输出
0501
电机反转输出
0502
绿色发光二极管输出
0503
红色发光二极管输出
0504
换刀完毕输出应答信号
表2-3PLC程序语句表：
地址
指令
数据
指令
LD
0016
AND
0017
0018
0019
OR-LD
0020
AND-NOT
0021
LD-NOT
0022
KEEP
0023
0024
0025
0026
0027
0012
0028
0013
0029
0014
0030
0015
0031
0032
0048
0033
0049
0034
0050
TIM
00
0035
#0010
0036
0051
0037
DIFD
0052
OR
0038
0053
0039
0054
0040
0055
0041
OR-NOT
0056
0042
0057
OUT
0043
0058
T00
0044
0059
0045
0060
0046
0061
0047
0062
0063
0064
0068
0065
0069
0066
0070
0067
2.2本章小结
介绍了电动刀架的电器控制原理及其换刀过程，了解可能出现的异常现象和原因，提出问题选取元件编写程序对刀架进行控制。
第3章电动刀架机械说明书
3.1工作原理
当微机程序发出换刀信号，通过放大线路驱动，继电器使电机正转，通过减速器机构和升降螺母机构将上刀体升起至一定位置后离合转盘起作用，带动上刀体旋转到送刀位，刀位发讯盘发出讯号，刀架控制器继电器使电机反转，通过发讯机构使上刀体下降，齿牙盘啮合，完成精定位，并通过蜗杆锁紧蜗轮，使刀架锁紧，当夹紧力达到预先调好的状态时，过流继电器动作，切断源，
电机反转停转，并向微机发出换刀信号答复信号，加工顺序开始执行。
3.2刀架动作顺序
电机——减速机构——升降机构——上刀体上升转位——信号符合——粗定位机构——上刀体下降——精定位——刀体锁紧——电机停转——换刀应答——加工顺序执行安装去掉车床小拖板，置刀架于拖板上，卸掉电机风盖，逆时针方向转动电机，活用内六角板手转动轴承处之内六角，使刀架转动到45度左右时，打压装螺孔，然后固定刀架即可根据上述描述的换刀动作过程，做了如下动作。
3.3步进电机的选用
许多机械加工需要微量进给。
要实现微量进给，步进电机、直流伺服交流伺服电机都可作为驱动元件。
对于后两者，必须使用精密的传感器并构成闭环系统，才能实现微量进给。
在开环系统中，广泛采用步进电机作为执行单元。
这是因为步进电机具有以下优点：
●直接采用数字量进行控制;
●转动惯量小，启动、停止方便；
●成本低；
●无误差积累；
●定位准确；
●低频率特性比较好；
●调速范围较宽；
采用步进电机作为驱动单元，其机构也比较简单，主要是变速齿轮副、滚珠丝杠副，以克服爬行和间隙等不足。
通常步进电机每加一个脉冲转过一个脉冲当量；
但由于其脉冲当量一般较大，如0.01mm，在数控系统中为了保证加工精度，广泛采用步进电机的细分驱动技术。
步进电机的选用一般通过估算负载转距来选用：
负载转距的估算公式为：
（3-1）
根据电机所带负载的具体情况：
F——蜗杆轴向力
——蜗杆径向力
P——蜗杆的导程i——减速比
——摩擦系数
——传动效率
参数的具体计算：
代入数值计算得：
根据
查手册《机械产品目录》选出伺服电机的型号：
4IK25RGN-A
3.4蜗轮及蜗杆的选用与校核
由于前述所选电机可知T=0.1472N.M传动比设定为i=60，效率η=0.4工作日安排每年300工作日计，寿命为7年。
3.4.1选择蜗杆传动类型
根据GB/T10085—1988的推荐，采用渐开线蜗杆。
3.4.2选择材料
开率到蜗杆传动效率不大，速度只是中等，故蜗杆用45号钢；
为达到更高的效率和更好的耐磨性，要求蜗杆螺旋齿面淬火，硬度为45~55HRC。
蜗轮用铸锡磷青铜Zcusn10p1，金属铸造。
为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。
3.4.3按齿面接触疲劳强度设计
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，在校核齿根弯曲疲劳强度。
传动中心距：
（3-2）
（1）确定作用在蜗轮上的转距T2
按Z1=2，估取效率η=0.8，则
T2=T*η*i=3.5382N.M（3-3）
（2）确定载荷系数K
因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数Kβ=1；
由使用系数KA表从而选取KA=1.15；
由于转速不高，冲击不大，可取动载系数KV=1.1；
则
K=KA*Kβ*KV=1*1.15*1.1=1.265≈1.27（3-4）
（3）确定弹性影响系数ZE
因选用的铸锡磷青铜蜗轮和蜗杆相配，故
（4）确定接触系数Zρ
先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值
=0.30，从而可查出Zρ=3.12。
（5）确定许用应力[σH]
根据蜗轮材料为铸锡磷青铜zcusn10p1，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度＞45HRC，从而可查得蜗轮的基本许用应力[σH]‘=268MPA。
因为电动刀架中蜗轮蜗杆的传动为间隙性的，故初步定位、其寿命系数为KHN=0.92，则
[σH]=KHN[σH]‘=0.92×
268=246.56≈247MPA（3-5）
（6）计算中心距
（3-6）
取中心距a=50mm，m=1.25mm，蜗杆分度圆直径d1=22.4mm，这时
=0.448，从而可查得接触系数
=2.72，因为
＜Zρ，因此以上计算结果可用。
3.5蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸
3.5.1蜗杆
直径系数q=17.92；
分度圆直径d1=22.4mm，蜗杆头数Z1=1；
分度圆导程角γ=3°
11′38″
蜗杆轴向齿距：
PA=
=3.94mm；
（3-7）
蜗杆齿顶圆直径：
（3-8）
蜗杆齿根圆直径：
=16.4mm（3-9）
蜗杆轴向齿厚：
=1.97mm（3-10）
3.5.2蜗轮
蜗轮齿数：
Z2=62，变位系数Χ=0
验算传动比：
i=
/
=62/1=62（3-11）
这是传动比误差为：
（60-62）/60=2/60=0.033=3.3%（3-12）
蜗轮分度圆直径：
d2=mz2=
（3-13）
蜗轮喉圆直径：
da2=d2+2ha2=93.5
（3-14）
蜗轮齿根圆直径：
df2=d2-2hf2=58.3
（3-15）（3-16）
蜗轮喉母圆直径rg2=a-1/2da2=50-1/2
93.5=3.25
（3-17）
3.5.3校核齿根弯曲疲劳强度
（3-18）
当量齿数
（3-19）
根据Χ2=0，ZV2=62，可查得齿形系数
=2.31，螺
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