四工位立式回转刀架.docx

四工位立式回转刀架.docx

《四工位立式回转刀架.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《四工位立式回转刀架.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

四工位立式回转刀架

第1章设计任务···············································3

1.1设计总体任务·············································3

1.2设计参数·················································3

1.3设计内容·················································3

1.4设计任务·················································3

第2章概述····················································4

第3章总体设计方案············································5

3.1减速传动机构的设计········································5

3.2上刀锁紧与精定位机构的设计································5

3.3刀架抬起机构的设··········································5

3.4自动回转刀架的工作原理······································5

第4章数控车床回转刀架机械部分设计························8

4.1蜗杆副的设计计算···········································8

4.1.1蜗杆的选型··············································8

4.1.2蜗杆副的材料···········································8

4.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计·····························8

4.2滚动轴承的选项·············································10

4.2.1概述··················································10

4.2.2滚动轴承的选型········································11

4.2.3滚动轴承的配合········································11

4.2.4滚动轴承的密封········································11

第5章电气控制部分设计·····································12

5.1中央处理单元MS-89C51·····································12

5.1.1MCS-51单片机的结构和工作原理·······················12

5.1.2MCS-51单片机的工作方式·······························15

5.2端口扩展单元8255的介绍···································17

5.3键盘显示接口8279介绍····································24

5.4硬件电路设计·············································25

5.5控制软件设计·············································27

第6章总结···················································29

第7章参考文献···············································30

第1章设计任务

一．设计任务

题目：

数控车床自动回转刀架机电系统设计

任务：

设计一台四工位的卧式自动回转刀架，适用于C616或C6132经济型数控车床。

二．设计参数

推荐刀架所用电机的额定功率为90W，额定转速为1440r/min,换刀时要求刀架转动的速度为30r/min。

三．设计内容

1.总体结构设计

2.主要传动部件的设计计算

3.电气控制部分设计

1）硬件电路设计

2）控制软件设计

4.编写设计说明书

四．设计任务

1.模拟整体设计方案

2.机械结构装配图一张（A0图）

3.控制系统设计

要求完成一张A1图纸的硬件电路设计工作，设计控制系统的主要软件流程，对RAM和I/O接口芯片进行详细编程。

4.设计说明书

要求清楚地叙述整个设计过程和详细的设计内容，包括总体方案的分析，比较和确定机械系统的结构设计，主要零部件的计算与选型，控制系统的电路原理分析，软件设计的流程图以及相关程序等。

撰写的内容不少于7000字符，要求内容丰富，条理清晰图文并茂，符合国标。

该题目由多人合作完成每个人要适当分工，每个人的工作内容都要有不同的侧重点并在设计说明书中注明，对于自己侧重的部分要详细的进行论述。

五．时间分配

1.分析研究设计任务，总体方案论证设计：

2-3天；

2.机械系统设计：

5-6天；

3.控制系统设计：

4-5天；

4.软件设计：

1-2天；

5.编写设计说明书：

2-3天;

6.整理资料及答辩：

1天。

第2章概述

设计一台四工位的卧式自动回转刀架，适用于C616或C6132经济型数控车床。

要求绘制自动回转刀架的机械结构图，设计控制刀架自动转位的硬件电路，编写刀架的控制软件，推荐刀架所用的电动机的额定功率为90W，额定转速为1440r/min，换刀时要求刀架转动的速度为30r/min。

经济型数控是我国80年代科技发展的产物。

这种数控系统由于功能适宜，价格便宜，用它来改造车床，投资少、见效快，成为我国“七五”、“八五”重点推广的新技术之一。

十几年来，随着科学技术的发展，经济型数控技术也在不断进步，数控系统产品不断改进完善，并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。

由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。

对于原有老的经济型数控车床，特别是80年代末期改造的设备，由于种种原因闲置的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高生产效率，创造更大的经济效益。

第3章总体方案设计

3.1传动机构的减速设计

普通的三相异同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，获得教大的传动比，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。

3.2上刀锁紧与精定位机构的设计

由于刀具直接安装在刀体上，所以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，将上刀体与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，上下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；换刀时电动机正转，抬起机构使上刀体抬起,等上下断面齿脱开后，上刀体才可以绕刀架中心轴转动，完成转位动作。

3.3刀架抬起机构的设计

要想使上下刀体的两个断面齿脱离，就必须设计合适的机构使刀体抬起。

本设计选用螺杆－螺母副，在齿盘轴内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆－蜗轮带动齿盘轴绕中心轴转动时，作为螺母的齿盘轴要么转动，要么上下移动。

当刀体处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的断面相互啮合，因为这时齿盘轴不能与蜗轮一起转动，所以蜗轮的转动会使上刀体向上移动，当端面齿脱离啮合时，齿盘轴就与蜗轮一起转动。

设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当蜗轮转动一定角度时，使得上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。

3.4自动回转刀架的工作原理

自动回转刀架的换刀流程图如下图1所示

图2表示自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置。

其中上部的圆柱销2和下部的反靠销6起着重要的作用。

当刀架处于锁紧状态时，两销的情况如图a所示，此时反靠销6落在反靠圆盘7的十字槽内，上刀体4的端面齿和下刀体的端面齿处于咬合状态

需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三相异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动螺杆正向转动，与蜗杆配合的上刀体4逐渐抬起，上刀体4与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；于此同时，上盖圆盘1也随着螺杆正向转动（上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆连接）当转过约170时，上盖圆盘1直槽的另一端转到圆柱销2的正上方，由于弹簧3的作用，圆柱销2落入直槽内，于是上盖圆盘1就通过圆柱销2使得上刀体4转动起来（此时端面齿已经完全脱开）如图b所示

上盖圆盘1，圆柱销2以及上刀体4在正转的过程中，反靠销6能够从反靠圆盘7中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体4寻找刀位时的正向转动，如图c所示

上刀体4带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘1通过圆柱销2带动上上刀体4开始反转，反靠销6马上就会落入反靠圆盘7的十字槽内，至此。

完成粗定位，如图d所示。

此时，反靠销6从反靠圆盘7的十字槽内爬不上来，于是上刀体4停止转动，开始下降，而上盖圆盘1继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销2的头部压入上刀体4的销孔内，之后，上盖圆盘1的下表面开始与圆柱销2的头部滑动。

在此期间，上，下刀体的端面齿逐渐咬合，实现精定位。

当蜗杆转动产生轴向位移，压缩弹簧，套筒的外圆压缩开关使刀架电动机停转，整个换刀过程结束。

由于蜗杆副有自锁功能，所以刀架可以稳定的工作。

 图1自动换刀流程

ab

cd

图2刀架转位过程中销的位置

a）换刀开始时，圆柱销2与上盖圆盘1可以相对滑动。

b）上刀体4完全抬起后，圆柱销2落入上盖圆盘1的槽内，上盖圆盘1将带动圆柱销2及上刀体一起转动。

c）上刀体4连续转动时，反靠销6可以从反靠圆盘7的槽左侧斜坡滑出。

d）找到刀位时，刀架电动机反转反靠销6反靠，上刀体停转，实现粗定位。

1.上盖圆盘2.圆柱销3.弹簧4.上刀体5.圆柱销6.反靠销

7.反靠圆盘

第4章数控车床自动回转刀架机械部分设计

4.1蜗杆副的设计计算

自动回转刀架的动力源是三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直连，刀架转位时蜗轮与上刀体直连。

已知电动机的额定功率P1＝90W，额定转速n1＝1440r/min，上刀体设计转速n2＝30r/min，则蜗杆副的传动比i=n1/n2＝1440/30=48。

刀架从转为到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，起动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命Lh＝10000h。

4.1.1蜗杆的选型

GB/T10085—1988推荐采用渐开线蜗杆（ZI蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。

本设计采用结构简单，制造方便的渐开线型圆柱蜗杆（ZI型）。

4.1.2蜗杆副的材料

刀架的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为45～55HRC，以提高表面耐磨性；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZCUSN10P1，采用金属模铸造。

4.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计

刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面胶合或点蚀而失效。

因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触强度进行设计，在按齿根弯曲疲劳程度校核。

按蜗轮的接触疲劳强度条件设计计算公式为

a≥

式中a-----蜗杆副的传动中心距，单位为mm;

K------载荷系数；

　　　　　　　　　　T2-------作用在蜗轮上的转矩T2，单位N•mm；

ZE-------弹性影响系数，单位Mpa1/2

ZP-------接触系数；

-------需用接触应力，单位为MPa

从式中算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比i=48，从表中选择一个合适的中心距a值，以及相应的蜗杆蜗轮参数。

（1）确定作用在蜗轮上的转矩T2设蜗杆头数Z1＝1，蜗杆副的传动效率取

=0.8。

有电动机的额定功率P1=90W，可以算得蜗轮的传递功率P2＝P1

再由蜗轮的转速n2＝30r/min求得作用在蜗轮上的转矩：

T2＝9.55

＝9.55

＝9.55×

N•m=22.92N•m

（2）确定载荷系数K载荷系数K＝KAKBKV.其中的KA为使用系数，由查表1得出，由于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取KA＝1.15；KB为齿向载荷分布系数，因工作载荷在起动和停止时有变化，故取KB＝1.15；KV为运动系数，由于转速不高，冲击不大。

可取KV＝1.05。

则载荷系数：

K＝KAKBKV＝1.15×1.15×1.05≈1.39

（3）确定弹性影响系数ZE铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查得弹性影响系数ZE＝160Mpa1/2。

（4）确定接触系数Zp先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值d1/a=0.35，从图1中可差得接触系数Zp＝2.9。

图-1-圆柱蜗杆传动接触系数Zp

（5）确定需用接触应力

根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCUSN10P1金属模铸造、蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，可从表2中差得蜗轮的基本需用应力

＝268Mpa。

已知蜗杆为单头，蜗轮每转以转时每个轮齿啮合的次数j=1；蜗轮转速n2＝30r/min;蜗杆副的使用寿命Lh=10000h.

则应力循环次数:

N=60jn2Lh=60×1×30×10000=1.8×107

寿命系数:

KHN=

=0.929

需用接触应力

=KHN×

=0.929×268Mpa≈249Mpa

表-2-铸造锡青铜蜗轮的许用应力

（6）计算中心距将以上各参数代入式a≥

求得中心距:

a≈48mm

查表3可知,取中心距a=50mm,已知蜗杆头数z1=1,设模数m=1.6mm,得蜗杆分度圆直径d1=20mm.这时d1/a=0.4,由图1得接触系数ZP1=2.74.因为ZP1

表-3-普通圆柱蜗杆基本尺寸和参数及其蜗轮参数的匹配

（7）蜗轮蜗杆的主要参数与几何尺寸

由蜗杆和蜗轮的基本尺寸和主要参数,

算得蜗杆和蜗轮的主要几何尺寸后,即可绘制蜗杆副的工作图了.

1）蜗杆参数与尺寸头数Z1=1，模数m=1.6mm,轴向齿距Pa=∏m=5.027mm,轴向齿厚Sa=0.5∏m=2.514mm,分度圆直径d1=20mm,直径系数q=d1/m=12.5,分度圆导向角Y=arctan（z1/q）=4°34ˊ26ˊˊ.取齿顶高系数ha=1,径向间隙系数c=0.2,则齿顶圆直径da1=d1+2ha*m=20mm+2*1*1.6mm=23.2mm,齿根圆直径df1=d1-2m（ha+c）=d1-2m（ha+c）=[20-2*1.6*（1+0.2）]mm=16.16mm

2）蜗轮参数与尺寸齿数Z2=48,模数m=1.6mm,分度圆d2=mz2=1.6*48mm=76.8mm,变位系数x2=[a-（d1+d2）/2]/m=1,蜗轮喉圆直径为da2=d2+2m（ha+x2）=83.2mm,蜗轮齿根圆直径df2=d2-2m（ha-x2+c）=76.16mm,蜗轮咽喉母圆半径rg2=a-da2/2=8.4mm.

（8）校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度即检验下式是否成立:

≤[

]

式中

蜗轮齿根弯曲应力,单位为Mpa;

蜗轮齿形系数;

螺旋角影响系数;

[

]蜗轮的许用弯曲应力,单位为Mpa.

由蜗杆头数z1=1,传动比i=48,可以算出蜗轮齿数z2=iz1=48.

则蜗轮的当量齿数Zv2=

=48.46

根据蜗轮变位系数x2=1和当量齿数zv2=48.46,查图2可得齿形系数

=1.95

图-2-蜗杆齿轮系数

螺旋角影响系数:

=1-

=0.967

根据蜗轮的材料和制造方法,查表4可得蜗轮基本许用弯曲应力;

[

]’=56MPa

表-4-蜗轮的基本许用弯曲应力

蜗轮的寿命系数:

KFN=

=1.725

蜗轮的许用弯曲应力:

[

]=[

]’KFN=40.6Mpa

将以上参数代入式

≤[

],得蜗轮齿根弯曲应力:

≈37.4Mpa

可见

<[

],蜗轮齿根的弯曲强度满足要求.

4.2滚动轴承的选项

4.2.1概述

滚动轴承是现代机器中广泛应用过的部件之一。

它是依靠主要元件的滚动接触来支撑转动零件的。

与滑动轴承相比，滚动轴承摩擦力小，功率消耗少，启动容易等优点。

并且常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，因此使用滚动轴承时，只要根据具体工件条件正确选择轴承的类型和尺寸。

验算轴承的承载能力。

以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置设计”问题。

4.2.2滚动轴承的选型

考虑到轴各个方面的误差会直接传递给加工工件时的加工误差，因此选用可以同时承受径向载荷及轴向载荷的角接触球轴承，安装时可调整轴承的游隙。

然后根据安装尺寸和使用寿命选出轴承的型号分别为：

7204C、51106、51107。

轴承的游隙和预紧时靠端盖下的垫片来调整的，这样比较方便。

4.2.3滚动轴承的配合

滚动轴承是标准件，为使轴承便于互换和大量生产，轴承内孔于轴的配合采用基孔制，即以轴承内孔的尺寸为基准；轴承外径与外壳的配合采用基轴制，即以轴承的外径尺寸为基准。

4.2.4滚动轴承的密封

轴承的密封装置是为了阻止灰尘，水，酸气和其他杂物进入轴承，并阻止润滑剂流失而设置的。

密封装置可分为接触式和非接触式两大类。

唇形密封圈靠弯折了的橡胶的弹性力和附加的环形螺旋弹簧的紧扣作用而紧套在轴上，以便起密封作用。

唇形密封圈封唇的方向要紧密封的部位。

即如果是为了油封，密封唇应朝内；如果主要是为了防止外物浸入，密封唇应朝外。

第5章电气控制部分设计

5.1中央处理单元MS-89C51

5.1.1MCS-51单片机的结构和工作原理

（1）MCS-51内部资源及特点

1、内部资源

MCS-51系列单片机的各种型号均是以8051为核心电路发展起来的。

因此具有MCS-51的基本结构与软件特征。

8051内包括：

适于控制应用的8位CPU；

具有布尔处理（位处理）能力；

4KB程序存储器；

128B数据存储器

32根双向并可以按位寻址的I/O线

1个全双工串行口I/O线；

2个16位定时计数器器；

6源/5向量中断结构，具有两个优先级；

片内时钟振荡器

2、性能特点

单片机为哈佛结构的计算机，除上述基本资源外，还具

有如下特点：

外部程序存储器：

可扩展到64KB；

外部数据存储器：

可扩展到64KB；

堆栈：

最深128B/256B；

输入/输出口线：

32根；

寄存器区：

划出RAM中32B作为通用寄存器；

具有位寻址功能；

单一“+5V”电源；

系统时钟1~12MHz，常用12MHz、11.0592MHz和6MHz。

（2）MCS-51单片机基本结构

内部结构简图如图2-1所示包括：

CPU、存储器（ROM、RAM）、I/O接口等计算机的基本组成。

（3）MCS-51外部引脚及功能、I/O接口电路

1、外部引脚

MCS-51共40个引脚，大致可分为四类，其管脚分布如图2-2所示。

1）电源引脚VCC和VSS

VCC：

40脚，电源端，+5V

VSS：

20脚，接地端（GND）

 2）时钟电路引脚

XTAL1：

19脚，外接晶振输入引脚。

XTAL2：

18脚，外接晶振输出引脚。

 3）控制线引脚

共4根，其中3根为双功能

RST/VPD：

9脚，复位/备用电源。

RST---通过外接复位电路实现上电复位或按键复位。

VPD---可外接备用电源，在VCC掉电时向RAM供电。

/VPP：

31脚，内外ROM的选择/EPROM编程电源。

=0：

访问外部ROM；

=1：

访问内部ROM；

PC值超过0FFFH（4KB）时，自动转向外ROM。

VPP---在8751片内EPROM编程期间，为21V编程电源输入端。

ALE/：

30脚，地址锁存允许/编程脉冲。

ALE---访问外ROM或RAM时，用来驱动地址锁存器锁存P0口分时送出的低8位地址（下降沿有效）。

不访问外存储器时，该端以1/6时钟频率输出正脉冲，可用作为外部时钟。

带8个LS型TTL门电路。

---8751片内EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

第29脚，读外部ROM选通信号，即该脚有效时（上升沿），外ROM允许输出。

每个机器周期2次有效。

从内部ROM取指时不产生。

可带8个LS型TTL门电路。

5）I/O引脚

P0口：

P0.0~P0.7，39~32脚，外接存储器时作地址/数据分时

使用口线；不接外部存储器时，可用作为8位准双向I/O口。

P1口：

P1.0~P1.7，1~8脚，8位准双向I/O口。

P2口：

P2.0~P2.7，21~28脚，8位准双向I/O口。

外接存储器时，作为高8位地址总线。

P3口：

P3.0~P3.7，10~17脚，8位准双向I/O口，出于芯片引脚数的限制，P3口具有第二输出、输入功能。

2I/O接口电路

MCS-51单片机有4个8位并行I/O口，P0～P3，共32根口线。

每个端口都包括锁存器（即SFR：

P0-P3）、输出驱动器、两个三态缓冲器以及控制电路

系统总线：

地址总线（16位）：

P0（地址低8位）、P2口（地址高8位）数据总线（8位）：

P0口（地址/数据分时使用）；控制总线（6根）：

P3口的第二功能、和9、29、30、31脚；供用户使用的端口：

P1口、部分未作第二功能的P3口；P0口作地址/数据时，是真正的双向口，三态，负载能力为8个LSTTL电路；P1～P3是准双向口，负载能力为4个LSTTL电路。

P0～P3在用作输入之前必须先写“1”，即：

（P0）=FFH~（P3）=FFH。

（4）MCS-51单片机存储器结构

MCS-51存储器可分为五类：

程序存储器、内部数据存储器、特殊功能存储器位寻址区、外部扩展的数据存储器和扩展I/O口.

1）程序存储器ROM

1、程序存储器作用及寻址范围

作用：

存放指令（程序）的存储器，用PC作地址指针。

寻址范围：

0000～FFFFH，共64KB；片内、片外统一编址。

片内：

PC=0000～0FFFH；

片外：

PC=1000～FFFFH；

2、ROM低端的几个特殊入口地址

0000H：

CPU开始执行指令时的第一个取指单元，每次执行时PC的内容总是0000H；

0003H~002B：

中断专用固定入口地址（系统规定）；

一般：

我们总是从ROM的0030H单元开始存放用户指令。

3、8031内部无程序存储器由