自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及其PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、云南錫業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明系（部） 機(jī)電工程系 專 業(yè) 機(jī)電一體化技術(shù) 年 級(jí) 10級(jí) 姓 名 李良 指導(dǎo)教師 劉超平 2012 年 月 日云南錫業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書設(shè)計(jì)（論文）題目基于單片機(jī)的數(shù)控車床4刀位刀架的自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名李良學(xué)號(hào)10131101038班級(jí)10機(jī)電一班主要任務(wù)及目標(biāo)實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的數(shù)控車床的4刀位刀架的自動(dòng)換刀裝置的機(jī)械機(jī)構(gòu)和電氣控制的設(shè)計(jì)（帶下劃線的部分，由同學(xué)們自己選定，咱們組的八位同學(xué)相互不能有重復(fù)）主要內(nèi)容與基本要求或技術(shù)數(shù)據(jù)主要內(nèi)容：一、基于單片機(jī)的4刀位數(shù)控車床刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)1、刀架的形式2、刀位的分布形式3、刀

2、柄的規(guī)格二、基于單片機(jī)的4刀位數(shù)控車床自動(dòng)換刀裝置的電氣控制的設(shè)計(jì)1、控制原理及電路圖2、所用到的電氣元件的選用3、單片機(jī)的控制程序基本要求：(1) 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要有設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)的圖樣；（2）電氣控制部分，要有電路圖、電器元件的選用方法和必要的說明；（3）軟件控制部分，要有控制程序及對(duì)應(yīng)的文字說明進(jìn)度安排序號(hào)各階段工作安排起止日期1查找準(zhǔn)備相關(guān)的書籍、資料9月27日至10月8日2整理所要用的相關(guān)資料，列出提綱10月9日至10月10日3設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)10月11日至10月20日4設(shè)計(jì)電氣電路10月21日至10月31日5編寫控制程序11月1日至11月10日6進(jìn)行修改，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)11月11日至11

3、月20日指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日系主管領(lǐng)導(dǎo)簽字： 年 月 日摘 要數(shù)控車床的發(fā)展與應(yīng)用，大大降低了零件加工的輔助時(shí)間，極大的提高了生產(chǎn)效率。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。根據(jù)加工對(duì)象不同，有四方刀架，六角刀架和八或更多工位的圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式?；剞D(zhuǎn)刀架上分別安裝四把，六把或更多刀具，并按數(shù)控裝置的指令換刀。自動(dòng)換刀裝置應(yīng)當(dāng)滿足換刀時(shí)間短、安全可靠等基本要求。本課題主要對(duì)四工位立式自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械設(shè)計(jì)和用PLC編程對(duì)控制部分的設(shè)計(jì)。并對(duì)以上部分運(yùn)用ATUOCAD作圖，對(duì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架有更直觀的了解。目 錄第一章 引言1.1概述1.2 數(shù)控

4、車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的發(fā)展趨勢(shì)1.3 刀架的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則第二章 數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)2.1 數(shù)控車床刀架應(yīng)滿足的要求2.1.1 動(dòng)力刀架的整體方案設(shè)計(jì)2.1.2 數(shù)控機(jī)床刀架的類型選擇2.2 刀架的工作原理2.3 步進(jìn)電機(jī)的選用2.4 蝸桿及蝸輪的選用與校核2.4.1 選擇傳動(dòng)的類型2.4.2 選擇材料和確定許用應(yīng)力2.4.3 按接觸強(qiáng)度確定主要參數(shù)2.5蝸桿軸的設(shè)計(jì)2.5.1 蝸桿軸的材料選擇，確定許用應(yīng)力 2.5.2按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步估算軸的最小直徑 2.5.3確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度2.5.4蝸桿軸的校核2.5.5鍵的選取與校核2.6 蝸輪軸的設(shè)計(jì)2.6.1蝸輪軸材料的選擇，確定需用應(yīng)力2.6.

5、2按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，初步估計(jì)軸的最小直徑2.6.3確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度2.7中心軸的設(shè)計(jì)2.7.1刀架軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算2.7.2確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度2.7.3軸的校核2.8齒盤的設(shè)計(jì)2.8.1齒盤的材料選擇和精度等級(jí)2.8.2確定齒盤參數(shù)2.8.3按接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算2.9軸承的選擇2.9.1軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.9.2軸承分類與特點(diǎn)2.9.3滾動(dòng)軸承的配合2.9.4滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑2.9.5滾動(dòng)軸承的密封裝置第三章 PLC控制單元設(shè)計(jì)3.1 PLC與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）和集散控制系統(tǒng)（DSC）的比較3.1.2 刀架換刀控制方式的選定3.2 控制電路硬件接線圖3.3 PLC控制流程圖總結(jié)參考文獻(xiàn)

6、第一章 引言1.1 概述數(shù)控車床的刀架是機(jī)床的重要組成部分。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。在一定程度上，刀架的結(jié)構(gòu)和性能體現(xiàn)了機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平。隨著數(shù)控車床的不斷發(fā)展，刀架結(jié)構(gòu)形式也在不斷翻新。其中按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置等多種形式。其中，帶刀庫的數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀裝置自1958年研制成功以來，其機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方式不斷得到改進(jìn)和完善。自動(dòng)換刀裝置時(shí)加工中心的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的形式多種多樣，目前常見的有更換主軸頭換刀以及帶刀庫的自動(dòng)換刀系統(tǒng)。1.2 數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的發(fā)展趨勢(shì)數(shù)控刀架的

7、發(fā)展趨勢(shì)是：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。 目前國(guó)內(nèi)數(shù)控刀架以電動(dòng)為主，分為立式（如圖1-1）和臥式（如圖1-2）兩種。立式主要用于簡(jiǎn)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)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

8、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。數(shù)控刀架的市場(chǎng)分析：國(guó)產(chǎn)數(shù)控車床將向中高檔發(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。 圖 1-1 立式回轉(zhuǎn)刀架 圖1-2 臥式回轉(zhuǎn)刀架1.3 刀架的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則我們?cè)O(shè)計(jì)主過程，本著一下幾條設(shè)計(jì)準(zhǔn)則： 1） 創(chuàng)造性的利用所需要的物理性能和控制；2） 預(yù)測(cè)意外載荷； 3） 創(chuàng)造有利的載荷條件；4） 提高合理的應(yīng)力分布和剛度面；5） 辨別功能載荷及其意義；6） 重量盡量輕；7） 應(yīng)用基本公式求相稱尺寸和最佳尺寸；8） 根據(jù)性能組合選擇

9、材料；9） 在儲(chǔ)備零件與整體零件之間進(jìn)行選擇；10） 進(jìn)行功能設(shè)計(jì)以適應(yīng)制造工藝和降低成本的要求。第二章 數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)2.1 數(shù)控車床刀架應(yīng)滿足的要求1） 滿足工藝過程所提出的要求。機(jī)床依靠刀具和工件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成工件表面，而工件的表面形狀和表面位置的不同，要求刀架能夠布置足夠多的刀具，而且能夠方便而正確地加工各工件表面， 為了實(shí)現(xiàn)在工件的一次安裝中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地轉(zhuǎn)位。 2） 在刀架以要能牢固地安裝刀具，在刀架上安裝刀具進(jìn)還應(yīng)能精確地調(diào)整刀具的位置，采用自動(dòng)交換刀具時(shí)，應(yīng)能保證刀具交換前后都能處于正確位置。以保證刀具和工件間準(zhǔn)確的相對(duì)位置。刀架的運(yùn)動(dòng)精度將

10、直接反映到加工工件的幾何形狀精度和表面粗糙度上，為此，刀架的運(yùn)動(dòng)軌跡必須準(zhǔn)確，運(yùn)動(dòng)應(yīng)平穩(wěn)，刀架運(yùn)轉(zhuǎn)的終點(diǎn)到位應(yīng)準(zhǔn)確。面且這種精度保持性要好，以便長(zhǎng)期保持刀具的正確位置。 3） 刀架應(yīng)具有足夠的剛度。由于刀具的類型、尺寸各異，重量相差很大，刀具在自動(dòng)轉(zhuǎn)換過程中方向變換較復(fù)雜，而且有些刀架還直接承受切削力?？紤]到采用新型刀具材料和先進(jìn)的切削用量，所以刀架必須具有足夠的剛度，以使切削過程和換刀過程平穩(wěn)。 4） 可靠性高。由于刀架在機(jī)床工作過程中，使用次數(shù)很多，而且使用頻率也高，所以必須充分重視它的可靠性。 5） 刀架是為了提高機(jī)床自動(dòng)化而出現(xiàn)的，因而它的換刀時(shí)間應(yīng)盡可能縮短，以利于提高生產(chǎn)率。目前自

11、動(dòng)換刀裝置的換刀時(shí)間在0.86秒之間不等。而且還在進(jìn)一步縮短。 6） 操作方便和安全。刀架是工人經(jīng)常操作的機(jī)床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是評(píng)價(jià)刀架設(shè)計(jì)好壞的指標(biāo)。刀架上應(yīng)便于工人裝刀和調(diào)刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作調(diào)整刀架的手柄（或手輪）要省力，應(yīng)盡量設(shè)置在便于操作的地方。2.1.1 動(dòng)力刀架的整體方案設(shè)計(jì) 刀架是車床的重要組成部分，加工中心的動(dòng)力刀架可安裝各種非動(dòng)力輔助刀夾和動(dòng)力刀夾進(jìn)行加工，用于夾持加工用的刀具,因此其結(jié)構(gòu)直接影響到車床的加工性能和加工效率。刀架采用端齒分度，轉(zhuǎn)位由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，刀位由二進(jìn)制絕對(duì)編碼器識(shí)別，動(dòng)力刀具由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過同步齒形帶等

12、將動(dòng)力傳遞到刀夾。 各類數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換到裝置的結(jié)構(gòu)取決于機(jī)床的類型、工藝范圍、使用刀具種類和數(shù)量。數(shù)控機(jī)床常用的自動(dòng)換刀裝置的類型、特點(diǎn)、適用范圍見表2-1類別型式特點(diǎn)適用范圍轉(zhuǎn)塔式回轉(zhuǎn)刀架多為順序換刀，換刀時(shí)間短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、容納刀具較少各種數(shù)控車床，數(shù)控車削加工中心轉(zhuǎn)塔頭順序換刀，換刀時(shí)間短，刀具主軸都集中在轉(zhuǎn)塔頭上，結(jié)構(gòu)緊湊。但剛性較差，刀具主軸數(shù)受限制數(shù)控鉆、鏜、銑床刀庫式刀具與主軸之間直接換刀換刀運(yùn)動(dòng)集中，運(yùn)動(dòng)不見少。但刀庫容量受限各種類型的自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床。尤其是對(duì)使用回轉(zhuǎn)類刀具的數(shù)控鏜、銑床類立式、臥式加工中心機(jī)床要根據(jù)工藝范圍和機(jī)床特點(diǎn)，確定刀庫容量和自動(dòng)換刀裝置類型用機(jī)械

13、手配合刀庫進(jìn)行換刀刀庫只有選刀運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手進(jìn)行換刀運(yùn)動(dòng)，刀庫容量大 表2-12.1.2 數(shù)控機(jī)床刀架的類型選擇按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置等多種形式，下面對(duì)這三種形式的刀架作簡(jiǎn)單的介紹。 1）排式刀架：排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主。其結(jié)構(gòu)形式為：夾持著各種不同用途刀具的刀夾沿著機(jī)床的X坐標(biāo)軸方向排列在橫向滑板上。刀具的典型布置方式如下圖所示。這種刀架在刀具布置和機(jī)床調(diào)整等方面都較為方便，可以根據(jù)具體工件的車削工藝要求，任意組合各種不同用途的刀具，一把刀具完成車削任務(wù)后，橫向滑板只要按程序沿X軸移動(dòng)預(yù)先設(shè)定的距離后

14、，第二把刀就到達(dá)加工位置，這樣就完成了機(jī)床的換刀動(dòng)作。這種換刀方式迅速省時(shí)，有利于提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。寶雞機(jī)床廠生產(chǎn)的CK7620P全功能數(shù)控車床配置的就是排式刀架。2）回轉(zhuǎn)刀架：回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，一般通過液壓系統(tǒng)或電氣來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)換刀動(dòng)作，根據(jù)加工要求可設(shè)計(jì)成四方、六方刀架或圓盤式刀架，并相應(yīng)地安裝4把、6把或更多的刀具?；剞D(zhuǎn)刀架的換刀動(dòng)作可分為刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位和刀架鎖緊等幾個(gè)步驟。它的動(dòng)作是由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令完成的。回轉(zhuǎn)刀架根據(jù)刀架回轉(zhuǎn)軸與安裝底面的相對(duì)位置，分為立式刀架和臥式刀架兩種。3）帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置：上述排式刀架和回轉(zhuǎn)刀架所安裝的刀具都不可能太多

15、，即使是裝備兩個(gè)刀架，對(duì)刀具的數(shù)目也有一定限制。當(dāng)由于某種原因需要數(shù)量較多的刀具時(shí)，應(yīng)采用帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置。帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置由刀庫和刀具交換機(jī)構(gòu)組成。 排式刀架 回轉(zhuǎn)刀架本次設(shè)計(jì)的刀架是四工位刀架，刀位較少，且要求精度較高，所以可以選擇回轉(zhuǎn)刀架和排式刀架，且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保證轉(zhuǎn)位具有高的重復(fù)定位精度具有轉(zhuǎn)位快，定位精度高，切向扭矩大的特點(diǎn)。而電動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速為35r/min，最高轉(zhuǎn)速為4000r/min，額定轉(zhuǎn)速為ne=2000 r/min刀具順利換刀，因此需要很高的穩(wěn)定性。對(duì)于以上三種刀架，排式刀架加工棒料或盤類零件為主，局限性較大

16、，同時(shí)定位精度不高，況且排式刀架往復(fù)運(yùn)動(dòng)幅度較大，占用空間多。綜上，本次設(shè)計(jì)選用回轉(zhuǎn)刀架作為設(shè)計(jì)對(duì)象，其具有換刀時(shí)間短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、容納刀具較少的特點(diǎn)，所以較為合適，對(duì)于回轉(zhuǎn)刀架根據(jù)安裝方式的 不同可分為立式和 臥式兩種根據(jù)機(jī)械定位方式的 不同，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架又可分為端齒盤定位型和三齒盤定位型等。其中斷齒盤定位型換刀時(shí)刀架需抬起，換刀速度較慢且密封性較差，但其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)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，因此換刀時(shí)速度快且密封性好，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。由于本人初次設(shè)計(jì)數(shù)控刀架，所以選擇較為簡(jiǎn)單的端齒盤定位，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。同時(shí)，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

17、時(shí)的 切削抗力。為了保證轉(zhuǎn)位具有高的重復(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)換刀時(shí)由控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)的 。發(fā)信轉(zhuǎn)位采用霍爾元件，使用壽命長(zhǎng)。根據(jù)以上對(duì)機(jī)床刀架類型、性能及其使用場(chǎng)合的綜合比較，并結(jié)合現(xiàn)有數(shù)控車床的實(shí)例，本次設(shè)計(jì)的動(dòng)力刀架為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)塔式自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架。2.2 刀架的工作原理回轉(zhuǎn)刀架的工作原理為機(jī)械螺紋升降轉(zhuǎn)位式。工作過程可分為刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位、刀架定位并壓緊等幾個(gè)步驟。圖2.1為自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，其工作過程如下：1) 刀架抬起 當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后, 通過接口電路使電機(jī)正轉(zhuǎn), 經(jīng)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)3、蝸輪螺紋即螺

18、母機(jī)構(gòu)延逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) ,此時(shí)由于上下齒盤40、6處于嚙合狀態(tài)，在絲桿螺母機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使上刀架體產(chǎn)生向上的軸向力將上齒盤40松開并抬起,直至兩定位齒盤40、6脫離嚙合狀態(tài),從而帶動(dòng)上刀架和齒盤產(chǎn)生“上臺(tái)”動(dòng)作。2) 刀架轉(zhuǎn)位 當(dāng)圓套13逆時(shí)針轉(zhuǎn)過150°時(shí)，齒盤40、6完全脫開，此時(shí)銷釘準(zhǔn)確進(jìn)入圓套13中的凹槽中，帶動(dòng)刀架體轉(zhuǎn)位。3) 刀架定位 當(dāng)上刀架轉(zhuǎn)到需要到位后（旋轉(zhuǎn)90°、180°或270°），數(shù)控裝置發(fā)出的換刀指令使霍爾開關(guān)19中的某一個(gè)選通,當(dāng)磁性板18 與被選通的霍爾開關(guān)對(duì)齊后,霍爾開關(guān)反饋信號(hào)使電機(jī)反轉(zhuǎn),插銷39在彈簧力作用下進(jìn)入反靠盤7地槽

19、中進(jìn)行粗定位，上刀架體停止轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)，使其在該位置落下，通過螺母絲桿機(jī)構(gòu)使上刀架移到齒盤40、6 重新嚙合, 實(shí)現(xiàn)精確定位。4) 刀架壓緊 刀架精確定位后，電機(jī)及許反轉(zhuǎn)，夾緊刀架，當(dāng)兩齒盤增加到一定夾緊力時(shí)， 電機(jī)由數(shù)控裝置停止反轉(zhuǎn)，防止電機(jī)不停反轉(zhuǎn)而過載毀壞，從而完成一次換刀過程。圖2.12.3 步進(jìn)電機(jī)的選用 動(dòng)力刀架的轉(zhuǎn)位需要渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，而驅(qū)動(dòng)蝸輪軸旋轉(zhuǎn)是由電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，電機(jī)的選擇要滿足所需負(fù)載和轉(zhuǎn)矩。從而需要我們對(duì)電機(jī)進(jìn)一步的選擇。許多機(jī)械加工需要微量進(jìn)給。要實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給，步進(jìn)電機(jī)、直流伺服交流伺服電機(jī)都可作為驅(qū)動(dòng)元件。對(duì)于后兩者，必須使用精密的傳感器并構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，才

20、能實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給。在開環(huán)系統(tǒng)中，廣泛采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行單元。這是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）直接采用數(shù)字量進(jìn)行控制;2）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，啟動(dòng)、停止方便；3）成本低；4）無誤差積累；5）定位準(zhǔn)確；6）低頻率特性比較好；7）調(diào)速范圍較寬；采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)單元，其機(jī)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，主要是變速齒輪副、滾珠絲杠副，以克服爬行和間隙等不足。通常步進(jìn)電機(jī)每加一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)過一個(gè)脈沖當(dāng)量；但由于其脈沖當(dāng)量一般較大，如0.01mm，在數(shù)控系統(tǒng)中為了保證加工精度，廣泛采用步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)。由于課題要求電動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速為35r/min，最高轉(zhuǎn)速為4000r/min，額定轉(zhuǎn)速為ne=2000 r/min。要求4把刀更

21、換。因?yàn)榈都苌仙?、下降各轉(zhuǎn)150°，刀架轉(zhuǎn)位至少需90°，所以蝸輪轉(zhuǎn)的角度=390°考慮刀架只需小功率驅(qū)動(dòng)，為減少生產(chǎn)成本，選用JD60電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速為1400r/min,額定功率為60W。2.4 蝸桿及蝸輪的選用與校核2.4.1 選擇傳動(dòng)的類型考慮到傳遞的功率不大，轉(zhuǎn)速較低，選用2A蝸桿，精度8級(jí)，GB10089-882.4.2 選擇材料和確定許用應(yīng)力由機(jī)械設(shè)計(jì)表6-7查得蝸桿選用45鋼，表面淬火，硬度為4555HRC，蝸輪齒圈用ZCuSn10P1 砂模鑄造，為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT150制造。得到 ðH=200MP

22、a， ðf=500MPa2.4.3 按接觸強(qiáng)度確定主要參數(shù)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)，在校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。傳動(dòng)中心距： (2-1)1）確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)距T2按Z1=2，取效率=0.8， 則 T2=T*i=3.5382N.M (2-2)2）確定載荷系數(shù)K因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)K=1；由使用系數(shù)KA表從而選取KA=1.15；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載系數(shù)KV=1.1；則 K=KA*K*KV=1*1.15*1.1=1.2651.27 (2-3)3）確定彈性影響系數(shù)ZE因選用的鑄錫磷青銅蝸輪和蝸桿相配，故 4）確定接觸系數(shù)Z先假設(shè)蝸

23、桿分度圓直徑d1和傳動(dòng)中心距a的比值d1/a=0.30，從而可查出Z=3.12。5）確定許用應(yīng)力H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45HRC，從而可查機(jī)械設(shè)計(jì)6-7得蝸輪的基本許用應(yīng)力H=268MPA。因?yàn)殡妱?dòng)刀架中蝸輪蝸桿的傳動(dòng)為間隙性的，故初步定位、其壽命系數(shù)為KHN=0.92，則 H= KHNH=0.92×268=246.56247MPA (2-4)6）計(jì)算中心距 (2-5)取中心距a=50mm，m=1.6mm，蝸桿分度圓直徑d1=29mm，這時(shí)d 1/a =0.448，從而可查得接觸系數(shù)=2.72，因?yàn)閆，因此以上計(jì)算結(jié)果可用。蝸桿和蝸

24、輪主要幾何尺寸計(jì)算1）蝸桿 分度圓直徑：d1=29mm 直徑系數(shù)：q= d1 /m =18.125， 蝸桿頭數(shù)：Z1=1 分度圓導(dǎo)程角：=3°1138 蝸桿軸向齒距：PA=5.024mm； (2-6) 蝸桿齒頂圓直徑： (2-7)蝸桿齒根圓直徑： （2-8）蝸桿軸向齒厚：=2.512mm (2-9)蝸桿軸向齒距： （2-10）2）蝸輪 蝸輪齒數(shù)：Z2 =45 變位系數(shù)=0 驗(yàn)算傳動(dòng)比：i=/=45/1=45 (2-11) 蝸輪分度圓直徑：d2=mz2=72mm (2-12) 蝸輪喉圓直徑：da2=d2+2ha2=75.2 (2-13) 蝸輪喉母圓直徑： =50-1/275.2=12.

25、4 (2-14) 蝸輪齒頂圓直徑： （2-15） 蝸輪齒根圓直徑： （2-16） 蝸輪外圓直徑：當(dāng)在z=1時(shí)， （2-17）2.5蝸桿軸的設(shè)計(jì)2.5.1 蝸桿軸的材料選擇，確定許用應(yīng)力考慮蝸桿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。選用45號(hào)鋼，正火處理，2.5.2 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步估算軸的最小直徑 （2-18）扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取=0.6，抗彎截面系數(shù)W=0.1 取 =15.5 mm2.5.3確定各軸段的直徑和長(zhǎng)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(zhǎng)度。圖2.2 蝸桿軸結(jié)構(gòu)d1=d5 同一軸上的軸承選用同一型號(hào)，以便于軸承座孔鏜制和減少軸承類型。d5

26、軸上有一個(gè)鍵槽，故槽徑增大5%d1=d5=d1×(1+5%)=15.89mm ,圓整d1=d5=17mm所選軸承類型為深溝球軸承，型號(hào)為6203，B=12mm，D=40mm，d2起固定作用，定位載荷高度可在（0.070.1）d1范圍內(nèi)，d2=d1+2a=19.3820.04mm，故d2取20mmd3為蝸桿與蝸輪嚙合部分，故d3=24mmd4=d2=20mm,便于加工和安裝L1為與軸承配合的軸段，查軸承寬度為12mm，端蓋寬度為10mm，則L1=22mmL2尺寸長(zhǎng)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65mm，故L2=43mmL3為蝸桿部分長(zhǎng)度L3（11+0.06z2）m=21

27、.92mm圓整L3取30mmL4取55mm，L5在刀架體部分長(zhǎng)度為（12+8）mm，伸出刀架部分通過聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)相連長(zhǎng)度為50mm，故L5=70mm兩軸承的中心跨度為128mm，軸的總長(zhǎng)為220mm2.5.4蝸桿軸的校核作用在蝸桿軸上的圓周力 (2-19) 其中d1=28mm則 徑向力 (2-20)切向力 (2-21)圖2.3 軸向受力分析 (2-22) (2-23)求水平方向上的支承反力 圖2.4 水平方向支承力 (2-24) (2-25)求水平彎矩,并繪制彎矩圖 圖2.5 水平彎矩圖求垂直方向的支承反力 (2-26) 查文獻(xiàn)9表2.24，其中，(2-27) 圖2.6 垂直方向支承反力 求

28、垂直方向彎矩，繪制彎矩圖圖2.7 垂直彎矩圖求合成彎矩圖，按最不利的情況考慮 (2-28)圖2.8 合成彎矩圖計(jì)算危險(xiǎn)軸的直徑 (2-29) 查文獻(xiàn)9表151，材料為調(diào)質(zhì)的許用彎曲應(yīng)力，則 所以該軸符合要求。2.5.5鍵的選取與校核考慮到d5=105%×15.14=15.89mm, 實(shí)際直徑為17mm，所以強(qiáng)度足夠由GB1095-79查得，尺寸b×h=5×5，l=20mm的A型普通平鍵。 按公式進(jìn)行校核 ，。查文獻(xiàn)9表62，取則 (2-30)該鍵符合要求。由普通平鍵標(biāo)準(zhǔn)查得軸槽深t=30mm,轂槽深t1=2.3mm2.6 蝸輪軸的設(shè)計(jì)2.6.1蝸輪軸材料的選擇，確

29、定需用應(yīng)力考慮到軸主要傳遞蝸輪轉(zhuǎn)矩，為普通中小功率減速傳動(dòng)裝置選用45號(hào)鋼，正火處理， ð-1=55MPa2.6.2按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，初步估計(jì)軸的最小直徑由公式 查文獻(xiàn)9表151，取45號(hào)調(diào)質(zhì)剛的許用彎曲應(yīng)力，則由于軸的平均直徑為34mm，因此該軸安全。2.6.3確定各軸段的直徑和長(zhǎng)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(zhǎng)度，d1即蝸輪輪芯為68mmd2為蝸輪軸軸徑最小部分取34mmd3軸段與上刀架體有螺紋聯(lián)接，牙形選梯形螺紋，根據(jù)文獻(xiàn)表8-45取公稱直徑為d3=44mm，螺距P=12mm，H=6.5mm查表8-46得，外螺紋小徑為31mm 內(nèi)、外螺紋中徑為38mm 內(nèi)螺

30、紋大徑為45mm 內(nèi)螺紋小徑為32mm 旋合長(zhǎng)度取55mmL2尺寸長(zhǎng)度為34mm，蝸輪齒寬b2 當(dāng)z13時(shí)，b20.75da1=15.6mm取b2=15mm2.7中心軸的設(shè)計(jì)通過計(jì)算來確定刀架軸各段的尺寸與受力情況。2.7.1刀架軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算軸是組成刀架的重要零部件之一，在設(shè)計(jì)當(dāng)中主要考慮的是軸的剛度，而碳鋼與合金鋼的彈性模數(shù)相差很小，所以通常選用軸的材料35和45鋼，這里選用的是45鋼，正火處理， ð-1=55MPa，以改善裝配工藝和保證裝配的精度。2.7.2確定各軸段的直徑和長(zhǎng)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(zhǎng)度d1=15mm,d2與軸承配合，軸承類

31、型為推力球軸承，型號(hào)為51203，d=17mm,d1=19,T=12mm,D=35mm所以d2=17mmd3與軸承配合，軸承類型為推力球軸承，型號(hào)為51204，d=25mm,d1=27mm,T=15mm,D=47mm圖2.9中心軸受力圖圖2.9刀架軸示意圖分配各軸段的長(zhǎng)度L1=80mm,L2=93mm,L3=20mm2.7.3軸的校核軸橫截面的慣性矩 車床切削力F=2KN,E=210GPa (4-31) (4-32) yy 因此中心軸滿足剛度條件2.8齒盤的設(shè)計(jì)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

32、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。目前在刀架的定位機(jī)構(gòu)中多采用錐銷定位和端面齒盤定位。由于圓柱銷和斜面銷定位時(shí)容易出現(xiàn)間隙，圓錐銷定位精度較高，它進(jìn)入定位孔時(shí)一般靠彈簧力或液壓力、氣動(dòng)力，圓錐銷磨損后仍可以消除間隙，以獲得較高的定位精度。端齒盤定位由兩個(gè)齒形相同的端面齒盤相嚙合而成，由于嚙合時(shí)各個(gè)齒的誤差相互抵償，起著誤差均化的作用，定位精度高。2.8.1齒盤的材料選擇和精度等級(jí)上、下齒盤均選用45號(hào)鋼，淬火，180HBS 初選7級(jí)精度等級(jí)2.8.2確定齒盤參數(shù)考慮齒盤主要用于精確定位和夾緊，齒形

33、選用三角齒形，上下齒盤由于需相互嚙合，參數(shù)可相同當(dāng)蝸輪軸旋轉(zhuǎn)150°時(shí)，上刀架上升5mm，齒盤的齒高取4mm由 (2-33)得算式 4=（2×1+0.25）m標(biāo)準(zhǔn)值ha*=1.0, c*=0.25求出m=1.78mm,取標(biāo)準(zhǔn)值m=2mm故齒盤齒全高h(yuǎn)=（2ha*+c*）m=(2×1+0.25)×2=4.5mm取齒盤內(nèi)圓直徑d為120mm，外圓直徑為140mm齒頂高 ha=ha*m=1×2=2mm齒根高 hf=(ha*+c*)m=2.5mm 齒數(shù)z=38齒寬b=10mm齒厚 (2-34)齒盤高為5mm2.8.3按接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算確定有關(guān)計(jì)算參

34、數(shù)和許用應(yīng)力 (2-35)取載荷系數(shù)kt=1.5由文獻(xiàn)表9-12取齒寬系數(shù)d=1.0由表9-10查得材料的彈性影響系數(shù)Ze=189.8， 取=20°，故ZH=2.5查圖9-34取Hlim1=380 取Hlim2=380Lh=60×24×1×(8×300×15) N2=5.18×107由圖9-35查得接觸疲勞壽命系數(shù)ZN1=1.1 ，ZN2=1.1計(jì)算接觸疲勞需用應(yīng)力 取安全系數(shù)SH=1，由式（9-44）得 (2-36) 按齒根抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)由式（9-46）得抗彎強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 (2-37)確定公式內(nèi)的各參數(shù)數(shù)值1）由文獻(xiàn)圖9

35、-37查得，抗彎疲勞強(qiáng)度極限2）由文獻(xiàn)圖9-38查得，抗彎疲勞壽命系數(shù)YN1=1.0，YN2=1.03）查圖取4）計(jì)算抗彎疲勞許用應(yīng)力，取抗彎疲勞安全系數(shù)SF=1.4由式（9-47）得 (2-38)5）彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 (2-39)故滿足彎曲疲勞強(qiáng)度要求 圖2.10齒盤示意圖 2.9軸承的選擇軸承一般都為標(biāo)準(zhǔn)件，要根據(jù)所設(shè)計(jì)軸的特點(diǎn)合理選擇軸承。2.9.1軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu) 軸承內(nèi)部一般由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架組成-通常稱為四大件。對(duì)于密封軸承，再加上潤(rùn)滑劑和密封圈（或防塵蓋）-又稱六大件。2.9.2軸承分類與特點(diǎn) 總的可以分為球軸承和滾子軸承兩大類。球軸承分為深溝球軸承、角接觸球軸承、調(diào)心球軸

36、承、推力球軸承、推力角接觸球軸承。滾子軸承分為圓柱滾子軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承、調(diào)心滾子軸承、推力圓柱滾子軸承、推力滾子軸承、推力圓錐滾子軸承、推力調(diào)心滾子軸承。 深溝球軸承1.轉(zhuǎn)速高2.精度高3.噪聲、振動(dòng)小4.主要承受徑向載荷5.也能承受一定軸向載荷6.制造簡(jiǎn)單，成本低 滾針軸承1.轉(zhuǎn)速較高2.能承受較高的徑向載荷（比徑向尺寸相同的其他軸承承受的徑向載荷大）3.不能承受軸向載荷4.剛性較高 推力球軸承1.轉(zhuǎn)速低2.只能承受單面軸向載荷3.軸圈和座圈不能傾斜表2-2刀架軸向所選軸承的特點(diǎn)考慮到軸各個(gè)方面的誤差會(huì)直接傳遞給加工工件時(shí)的加工誤差，因此選用調(diào)心性能比較好的深溝球軸承。此類軸承可

37、以同時(shí)承受徑向載荷及軸向載荷，安裝時(shí)可調(diào)整軸承的游隙。然后根據(jù)安裝尺寸和使用壽命選出軸承的型號(hào)為：62032.9.3滾動(dòng)軸承的配合滾動(dòng)軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，為使軸承便于互換和大量生產(chǎn)，軸承內(nèi)孔于軸的配合采用基孔制，即以軸承內(nèi)孔的尺寸為基準(zhǔn)；軸承外徑與外殼的配合采用基軸制，即以軸承的外徑尺寸為基準(zhǔn)。2.9.4滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑考慮到電動(dòng)刀架工作時(shí)轉(zhuǎn)速很高，并且是不間斷工作，溫度也很高。故采用油潤(rùn)滑，轉(zhuǎn)速越高，應(yīng)采用粘度越低的潤(rùn)滑油；載荷越大，應(yīng)選用粘度越高的。2.9.5滾動(dòng)軸承的密封裝置軸承的密封裝置是為了阻止灰塵，水，酸氣和其他雜物進(jìn)入軸承，并阻止?jié)櫥瑒┝魇ФO(shè)置的。密封裝置可分為接觸式及非接觸式兩大類。

38、 唇形密封圈靠彎折了的橡膠的彈性力和附加的環(huán)行螺旋彈簧的緊扣作用而套緊在軸上，以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要緊密封的部位。即如果是為了油封，密封唇應(yīng)朝內(nèi)；如果主要是為了防止外物浸入，密封唇應(yīng)朝外。 第三章 PLC控制單元設(shè)計(jì)3.1 PLC與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）和集散控制系統(tǒng)（DSC）的比較各自技術(shù)發(fā)展的起源計(jì)算機(jī)是為了滿足快速大量數(shù)據(jù)處理要求的設(shè)備。硬件結(jié)構(gòu)方面，總線標(biāo)準(zhǔn)化程度高，兼容性強(qiáng)，軟件資源豐富，特別是有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，故對(duì)要求快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、模型復(fù)雜和計(jì)算工作量大的工業(yè)對(duì)象的控制占有優(yōu)勢(shì)。 集散系統(tǒng)從工業(yè)自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)發(fā)展到以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為中心的集散系統(tǒng)，所以其

39、在模擬量處理、回路調(diào)節(jié)方面具有一定優(yōu)勢(shì)，初期主要用在連續(xù)過程控制，側(cè)重回路調(diào)節(jié)功能。 PLC是由繼電器邏輯系統(tǒng)發(fā)展而來，主要用在離散制造、工序控制，初期主要是代替繼電器控制系統(tǒng)，側(cè)重于開關(guān)量順序控制方面。 近年來隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等的發(fā)展，PLC在技術(shù)和功能上發(fā)生了飛躍。在初期邏輯運(yùn)算的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值運(yùn)算、閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能，增加了模擬量和PID調(diào)節(jié)等功能模塊；運(yùn)算速度提高，CPU的能力趕上了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；通信能力的提高發(fā)展了多種局部總線和網(wǎng)絡(luò)(LAN)，因而也可構(gòu)成為一個(gè)集散系統(tǒng)。特別是個(gè)人計(jì)算機(jī)也被吸收到PLC系統(tǒng)中。 PLC在過程控制的發(fā)展將是一智能變送器和現(xiàn)場(chǎng)總線，暨向下拓展功能，開放總線。 相同點(diǎn)在微電子技術(shù)發(fā)展的背景下，從硬件的角度來看，PLC、工業(yè)計(jì)算機(jī)、集散系統(tǒng)(DCS)之間的差別正在縮小，都將由類似的一些微電子元件、微處理器、大容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和I/O模件組成。編程方面也有很多相同點(diǎn)。 區(qū)別點(diǎn)由于PLC和計(jì)算機(jī)屬于兩類產(chǎn)品，經(jīng)過幾十年的發(fā)展都形成了自身的裝置特點(diǎn)和軟件工具。實(shí)際上的區(qū)別繼續(xù)存在。 PLC用編程器或計(jì)算機(jī)編程，編程語言是梯形圖、功能塊圖、順序功能表圖和指令表等。集散系統(tǒng)自身或用計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)形成組態(tài)構(gòu)成開發(fā)系統(tǒng)