c616改造 说明书

目 录

1绪 论 ............................................................................................................................. 1 1.1自动回转刀架的设计背景 .................................................................................... 1 1.2自动回转刀架的市场分析 .................................................................................... 2 1.3设计自动回转刀架的意义 .................................................................................... 2 2自动回转刀架总体设计 ............................................................................................... 3 2.1总体方案的确定 .................................................................................................... 3 2.2减速机传动机构的确定 ........................................................................................ 4 2.3刀体锁紧与精定位机构的确定 ............................................................................ 5 2.4抬起机构的确定 .................................................................................................... 5 3自动回转刀架机械部分设计 ....................................................................................... 6 3.1自动回转刀架的工作原理 .................................................................................... 6 3.2蜗轮及蜗杆的设计及校核 .................................................................................... 8 3.2.1蜗杆的选型 ..................................................................................................... 9 3.2.2蜗杆副的材料 ............................................................................................... 10 3.2.3按齿面接触疲劳强度进行设计 ................................................................... 10 3.3蜗轮及蜗杆的主要参数与几何尺寸 .................................................................. 12 3.4螺杆的主要参数与几何尺寸 .............................................................................. 14 3.4.1螺杆的设计计算 ........................................................................................... 14 3.5蜗杆轴的设计 ...................................................................................................... 15 3.5.1蜗杆轴的材料选择，确定许用应力 ........................................................... 15 3.5.2按扭转强度初步估算轴的最小直径 ........................................................... 15 3.5.3确定各轴段的直径和长度 ........................................................................... 16 3.5.4蜗杆轴的校核 ............................................................................................... 17 3.6蜗杆轴的轴承选用 .............................................................................................. 21 4自动回转刀架电气部分设计 ..................................................................................... 22 4.1硬件电路设计 ...................................................................................................... 22

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4.2控制软件设计 ...................................................................................................... 25 4.2.180C31单片机及其引脚说明 ........................................................................ 26 4.2.2 静态存储器62的特性 ............................................................................ 28 4.2.3 27只读存储器的特性 .............................................................................. 28 4.2.4 可编程并行I/O接口芯片8255的特性 .................................................... 29 5结 论 ........................................................................................................................... 33 6 参考文献 ...................................................................................................................... 34

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1 绪 论

1.1 自动回转刀架的设计背景

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。

数控车床为了能在工件的一次装夹中完成多工序加工，缩短辅助时间，减少多次装夹所引起的加工误差，必须带有自动回转刀架。

随着数控车床的发展，自动回转刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。

目前国内自动回转刀架以电动为主，根据安装方式的不同可分为立式和卧式两种。立式刀架有四、六工位两种形式，主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。根据机械定位方式的不同，自动回转刀架可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等。其中端齿盘定位型换刀时需要刀架抬起，换刀速度较慢且密封性较差，但其结构简单。三齿盘定位型又叫免抬型，其特点是换刀时刀架不抬起，因此换刀速度快且密封性好，但其结构较复杂。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。

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1.2 自动回转刀架的市场分析

国产数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，近年来需要量可达10000～15000台。

数控刀架的高、中、低档产品市场数控刀架作为数控机床必需的功能部件，直接影响机床的性能和可靠性，是机床的故障高发点。

这就要求设计的刀架具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的特点。它的原理采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。

1.3 设计自动回转刀架的意义

电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等等。另外，加工工艺适应性和连续稳定的工作能力也明显提高，尤其是在加工几何形状较复杂的零件时，除了控制系统能提供相应的控制指令外，很重要的一点是数控车床需配备易于控制的电动刀架，以便一次装夹所需的各种刀具灵活、方便地完成各种几何形状的加工。

自动回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力。为了保证转位之后具有高的重复定位精度，自动回转刀架还要选择可靠的定位方案和合理的定位结构。自动回转刀架的自动换刀是由控制系统和驱动电路来实现的。

在自动换刀数控机床上，自动换刀装置应满足换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具储存量，换刀安全可靠等要求。各类机床的换刀装置主要取决于机床的型式、工艺范围及刀具的数量和种类等。传统的车床如CA6140的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的自动刀架进行改进。

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2 自动回转刀架总体设计

2.1 总体方案的确定

在自动换刀数控机床上，自动换刀装置应满足换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具储存量，换刀安全可靠等要求。

目前为止应用最广的刀架为回转刀架。回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，常用于数控车床。可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令换刀。回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为0.001～0.005mm）。

图2-1 回转刀架的类型及工作原理

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一般情况下，回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位及刀架压紧等。回转刀架按其工作原理分为若干类型，如图2-1所示。

图2-1a所示为螺母升降转位刀架，电动机经弹簧安全离合器到蜗轮副带动螺母旋转，螺母举起刀架使上齿盘与下齿盘分离，随即带动刀架旋转到位，然后给系统发信号螺母反转锁紧。使刀架换位，进行切削加工。螺母升降式零件多，但加力可靠，精度较高，许多刀架都利用这种原理设计。

图2-1b所示为利用十字槽轮来转位及锁紧刀架（还要加定位销），销钉每转一周，刀架便转1/4转（也可设计成六工位等）。十字槽轮式体积大，零件多，目前使用较少。

图2-1c所示为凸台棘爪式刀架，蜗轮带动下凸轮台相对于上凸轮台转动，使其上、下端齿盘分离，继续旋转，则棘轮机构推动刀架转90º，然后利用一个接触开关或霍尔元件发出电动机反转信号，重新锁紧刀架。凸台棘爪式重复定位精度相对较低。

图2-1d所示为电磁式刀架，它利用了一个有10kN左右拉紧力的线圈使刀架定位锁定。电磁式目前已能实用，但多一套电路，并要有断电保护。

图2-1e所示为液压式刀架，它利用摆动液压缸来控制刀架转位，图中有摆动阀芯、拨爪、小液压缸；拨爪带动刀架转位，小液压缸向下拉紧，产生10kN以上的拉紧力。这种刀架的特点是转位可靠，拉紧力可以再加大，但其缺点是液压件难制造，还需多一套液压系统，有液压油泄漏及发热问题。

经过参考几种经典的刀架设计类型后，决定在本设计中采用螺母升降转位刀架，电动机经弹簧安全离合器到蜗轮副带动螺母旋转，螺母举起刀架使上齿盘与下齿盘分离以及利用十字槽轮来转位及锁紧刀架（还要加定位销）来实现刀架抬起和精确定位。

2.2 减速机传动机构的确定

在本设计中由于采用了三相异步电动机，三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。在普通的三相异步电动机因转速太快，

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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。蜗轮蜗杆传动有以下特点：

1、传动平稳。蜗杆传动同时啮合的齿对数多，且蜗杆为连续的螺旋曲面，啮合过程是连续的，振动、冲击和噪声较小。

2、具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合摩擦角时，蜗杆传动具有自锁性。此时，只能蜗杆带动蜗轮，反之则不能转动。

3、传动比大。单级传动可获得传动比为5-80，在分度机构中可达600或更大。和齿轮传动相比实现相同的传动比时结构较紧凑。

所以说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。使得刀架在是有过程中更加轻便，方便机床的加工作业。

2.3 刀体锁紧与精定位机构的确定

在本设计中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。

2.4 抬起机构的确定

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。

设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定角度时，使得上刀体

与下刀体的端面齿能够完全脱离咬合状态。

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3 自动回转刀架机械部分设计

3.1 自动回转刀架的工作原理

自动回转刀架的换刀流程图如图3-1所示，传动结构如图3-2所示。

图3-1 自动回转刀架换刀流程

1-发信盘 2-推力球轴承3-螺杆螺母副4-端面齿盘5-反靠圆盘 6-三相异步电机7-联轴器

8-蜗杆副 9-反靠销 10-圆柱销 11-上盖圆盘 12-上刀体

图3-2 自动回转刀架的传动结构示意图

刀架抬起：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，与螺杆配合的上刀体逐渐抬起，下刀体与

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下刀体之间的端面齿慢慢脱开；

刀架转位：当转过170度时，两端面完全脱开，圆柱销由于弹簧的作用压在螺杆上端的台阶内侧，于是螺杆带动上刀体转动起来。

刀架定位：上刀体带动磁铁转到需要的刀位时，粗定位销在弹簧的作用下进入粗定位槽，同时发信盘上对应的霍尔元件输出高电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，由于粗定位销的作用，上刀体不会随螺杆的反转而反转，所以开始下降，上下刀体的端面逐渐啮合，实现精定位。

刀架夹紧：上下刀体的端面齿紧密啮合后.螺杆不再转动，而电机继续带动蜗轮向螺杆加力，经过设定的延时时间后，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3-3 自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置

图3-3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

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向转动(上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆连接)当转过约170度时，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。经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。

3.2 蜗轮及蜗杆的设计及校核

按照设计要求对电机进行选型：要求功率为90W，转速1440r/min，经过查取有关资料，采用江西省泰隆电机有限公司生产的JW5614-90W三相异步电机。JW系列三相异步电动机，按JB1009-1012-91，GB12350-2000标准设计，具有外型匀称美观，起动转矩大，效率高，使用寿命长，运行性能良好，噪音小，结构合理，维护方便等特点。一般多用于驱动需要较大起动转矩的机械，如机床、建筑机械、农副产品加工、泵、空气压缩机、制冷压缩机、磨粉机、医疗器械、及农业机械的驱动。

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

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3.2.1 蜗杆的选型

按蜗杆形状，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥蜗杆传动。圆柱蜗杆设计制造简单，应用十分广泛；环面蜗杆润滑性能较好，效率高，承载能力高，为普通蜗杆的2-4倍，但制造安装复杂，用在大功率的场合；锥蜗杆制造安装复杂，应用较少。

圆柱蜗杆传动包括普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动。根据螺旋线的不同，圆柱蜗杆可分为阿基米德圆柱蜗杆（ZA蜗杆）、法向直廓圆柱蜗杆（ZN蜗杆）、渐开线圆柱蜗杆（ZI蜗杆）和锥面包络线圆柱蜗杆（ZK蜗杆）。

阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）的特点是在轴向齿廓呈齿条形状，法向齿廓为外凸曲线，在端平面上的齿廓为阿基米德螺旋线。这种蜗杆可以在车床上用于直线刀刃的单刀(当导程角γ≤3°时)或双刀(当γ>3°时)的车削加工，制造方便，应用广泛。一般用于头数较少、载荷较小、低速或不太重要的传动。

法向直廓圆柱蜗杆（ZN蜗杆）磨削起来难度较大，所以不推荐采用。 渐开线蜗杆（ZI蜗杆）如图（3-4）所示，这种蜗杆的端面齿廓位渐开线，所以相当于一个少数、大螺旋角的渐开线圆柱斜齿轮，ZI螺杆可用两把直线刀刃的车刀在车床上车削。

圆弧圆柱蜗杆传动（ZC蜗杆）。在轴向平面内具有凹圆弧齿廓，与蜗轮组成凹凸啮合传动型式，承载能力大、效率高、耐磨，在冶金、建筑、化工等机械中应用广泛。

图3-4渐开线蜗杆

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在GB/T10085——1988中推荐采用渐开线蜗杆（Z1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(Z1型)。在机械设计中，越是简单的结构越稳定。在考虑稳定性以及小型化的因素上所以采用渐开线型圆柱蜗杆。 3.2.2 蜗杆副的材料

蜗杆一般是用碳钢或合金钢制成。高速重载蜗杆常用15Cr或20Cr，并经渗碳淬火；也有用40、45号钢或40Cr并经淬火。这样可以提高表面硬度，增加耐磨性。通常要求蜗杆淬火后的硬度为40～55HRC，经氮化处理后的硬度为55～62HRC。一般不太重要的低速中载的蜗杆，可采用40或45号钢，并经调质处理，其硬度为220～300HBS。

常用的蜗轮材料为铸造锡青铜（ZCuSn10P1，ZCuSn5Pb5Zn5）、铸造铝铁青铜（ZcuAl10Fe3）及灰铸铁（HT150、HT200）等。锡青铜耐磨性最好，但价格较高，用滑动速度v3m/s的重要传动；铝铁青铜的耐磨性较锡青铜差一些，但价格便宜，一般用于滑动速度v 4m/s的传动；如果滑动速度不高(vS2m/s），对效率要求也不高时，可采用灰铸铁。为了防止变形，常对蜗轮进行时效处理。

设计要求电机功率为90W，刀架中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此蜗杆的材料选择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。 3.2.3 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，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。

按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为：

ZEZ3 aKT2H上式中：a——蜗杆副的传动中心距，单位为mm；

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K——载荷系数；

T2——作用在蜗轮上的转矩T ，单位N.mm；

ZE——弹性影响系数，单位为MPa； Z——接触系数；

H——许用接触应力，单位为MPa；

由上式算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比i=48，可以选择合适的中心距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T

设蜗杆头数z1=1，蜗杆副的传动效率取=0.8。由电动机的额定功率P1 =90W，可以算出蜗轮传递的功率P2 =P1，再由蜗轮的转速n2=30r/min，求得作用在蜗轮上的转矩：T2=9.55P2/n2=9.55P1/n2=22920N.mm

2. 确定载荷系数K

载荷系数KKAKKv。其中KA为使用系数，由于工作载荷分布步均匀，启动时冲击较大，因此取KA=1.15；K为齿向载荷分布系数，因工作载荷在启动和停止时有变化，故取K=1.15；Kv为动载系数，由于转速不高，冲击不大，可取

Kv=1.05，则载荷系数：

KKAKKv1.39 3. 确定弹性影响系数

铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从参考文献2表3-2-9查得弹性影响系数

ZE =160MPa。

4. 确定接触系数Z

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，由参考文献1图

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11-18查得系数Z=2.9。

5. 确定许用接触力H

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，从参考文献1表11-7查得蜗轮的基本许用力[H]=268MPa，已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿咬合的次数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=1.8107 寿命系数： KHN=0.929

许用接触应力：H=KHNH=249MPa 计算中心距

ZZ将以上各参数代入式 a3KT2E H2ZEZ1602.9求得中心距：a3KT2=31.3922920=48mm 249H22查参考文献1表11-2，取中心距a=50mm，已知蜗杆头数z1=1，设模数m=1.6mm，得直径d1=20mm，这时d1/a=0.4，由参考文献1图11-19可得接触系数Z=2.74。因为Z'Z，所以上述计算结构可用。

3.3 蜗轮及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. 蜗杆参数及尺寸

头数z1=1，模数m=1.6mm，轴向齿距Pa=3.14m=5.027mm，轴向齿厚

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sa=0.5，分度圆直径d1=20mm，直径系数q=d1/m=12.5，分度圆导程脚 Zr=arctan1=43426。

q2. 蜗轮参数与尺寸

齿数z2=48，模数m=1.6mm，分度圆直径为d2=mz2=1.648mm=76.8mm，变位系数x2=[a-(d1+d2)/2]/m=[50-(20+76.8)/2]/1.6=1，蜗轮喉圆直径为 da2=d2+2m(h*a+x2)=83 .2mm，蜗轮齿根圆直径df2=d2-2m(h*ax2+c)=76.16mm。

3. 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度

1.53KT2即校验下式是否成立：FYFa2YF

d1d2式中： F——蜗轮齿根弯曲应力，单位为MPa； YFa2——蜗轮齿形系数； Y——螺旋角影响系数；

F——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=iz1=48 则蜗轮的当量齿数：zv2z248.46 3cos根据蜗轮变位系数x2=1和当量齿数zv2=48.46，得齿形系数YFa2=1.95。 旋转角影响系数：Y=1-

=0.967； 140根据蜗轮的材料和制造方法，由参考文献1表11-8可得蜗轮基本许用弯曲应力：F=56MPa；

蜗轮的寿命系数：KFN=910=0.725； 71.81013

蜗轮的许用弯曲应力：F=FKFN=40.6MPa； 将以上参数代入式：F1.53KT2YFa2YF； d1d2得蜗轮齿根弯曲应力：F=37.4；

可见，FF，蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。

3.4 螺杆的主要参数与几何尺寸

3.4.1 螺杆的设计计算

1. 螺距的确定

刀架转位时，要求蜗杆在转到约170°的情况下，上刀体的断面齿与下刀体的断面齿完全脱离；在锁紧的时候，要求上下端面齿的咬合深度达2mm.因此，螺杆的螺距P应满足P170/360>2mm，即P>4.24mm。今取螺杆的螺距P=8mm。

2. 其它参数的确定

采用单头梯形螺杆，头数n=1，牙侧角b=15，外螺纹大径d1=50mm，牙顶间隙ac=0.5mm，基本牙形高度H1=0.5P=3mm，外螺纹牙高h1=3.5mm，外螺纹中经d2=46mm，外螺纹小径d3=42mm，螺杆螺纹部分长度H=50mm。

3. 自锁性能校核

螺杆——螺母材料均用45钢，查参考文献1表5-12，取二者的摩擦因数f=0.11；再求得梯形螺旋副的当量摩擦角约为6.5，而螺纹升角约为2.33，小于当量摩擦角。因此，所选几何参数满足自锁条件。

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3.5 蜗杆轴的设计

3.5.1 蜗杆轴的材料选择，确定许用应力

考虑轴主要传递蜗轮的转矩，为普通用途中小功率减速传动装置。选择轴的材料为45号钢，经调质处理。由参考文献1表15-1查得B=0Mpa，

S=355Mpa，1=275Mpa，1=155Mpa，1=60Mpa。

3.5.2 按扭转强度初步估算轴的最小直径

轴的扭转强度条件为: T=

TWT95500000.3d3Pn

r式中 T——扭转切应力，MPa； T一一轴所受的扭矩，NM； WT——轴的抗扭截面系数，mm3； n ——轴的转速，r/min； P——轴传递的功率，kW； d一一计算截面处轴的直径，mm；

r——许用扭转切应力，MPa；

T由式T=

WT95500000.3d3Pnr可得轴的直径d395500003PPA03 0.2rnn 当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱。对于直径d100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大5%~7%。由参考文献1表15-3查得A0=112，代入式中，取dmin=6.1345mm，同时查表得到所用电动机(YS5624型)输出轴直径为9mm，所以在空间充裕的情况下取输入轴最小直径为9mm，伸出长度为50mm。

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3.5.3 确定各轴段的直径和长度

根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及直径和长度。初步确定蜗杆轴如图3-5所示：

图3-5蜗杆轴

d1=d5同一轴上的轴承选用同一型号，以便于轴承座孔的镗制和减少轴承类型。d5段轴上有一个键槽，故槽径增大5%。

d1=d5=(1+5%) dmin=6.44 mm，圆整d1=d5=12 mm。

所选轴承类型为深沟球轴承，型号为6301。B=12mm，D=37mm。

d2段起固定作用，d2取18rnm。

d3段为蜗杆与蜗轮啮合部分，故d3=23.2mm。 d2=d4=18mm，便于加工和安装。

L1段为与轴承配合的轴段，查轴承宽度为12mm，则L1=12mm。

L2段尺寸长度与刀架体的设计有关，蜗杆端面到刀架端面距离为67rnm。端盖宽度为10mm，故L2=45rnm。

L3段为蜗杆部分长度，当Z1=1~2时，X2=1，B1(12+0.1Z2)m=26.88rnm，圆整L3取30mm。

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L2=L4=45mm。

L5段长度为12rnm，轴的总长为1rnm。

3.5.4 蜗杆轴的校核

1. 计算轴上的作用力

P蜗杆T1=95501=614N.mm

n1 Ft1=T1/d1=2614/20 =61.4N.mm

Fa1=2 T2/d2=Ft2=522.3N Fr1=Ft2tana=190.1N 2. 计算支反力

垂直面支反力：A，B两点分为左，右深沟球轴承中心。C点为蜗杆中心。设A点到C点距离为L1，C点到B点距离为L2。两轴承间距离a=152mm，以蜗杆副为中心对称布置所以L1=L2=76mm。

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图3-6 轴的载荷分析图

（a）受力简图 （b）（X—Y）平面弯矩图 （c）（X—Z）平面弯矩图 （d）合成弯矩图

（e）转矩图 （f）当量弯矩图

由绕支点B的力矩MBV=0得：FRAVL1L2Fad/2FrF2=0

FRAV=60.69N方向向上；同理，由绕支点A的力矩和MBV=0得：

FRBVL1L2Fad/2FrF2=0，FRBV=129.41N方向向上，由轴上的合力

FV=0校核FRBV+FRAV+Fr=0计算无误。

水平支反力：由绕支点B的力矩MBH=0得：FRAHL1L2=FtL1

FRAH=30.7N放心向上。

同理，由绕支点A的力矩和MAH得：FRBH=30. 7N方向向上，由轴上的合力校核：Fr+FRBH+FRAH=0计算无误。

A点支反总力

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A点支反总力FRA=FRAH2FRAV2=68.01N B点支反总力FRB=FRBH2FRBV2=133N 绘制转、弯矩图垂直而内的弯矩图，如图3-6b。 C处弯矩：MCV左=FRAVL1=60.6976=4612.44N.mm

MCV右=FRAVL1Fad/2=9835.44N.mm 水平面内的弯矩图，如图3-6c。

C处弯矩：MCH=FRAHL1=2333.2N.mm 合成弯矩图，如图3-6d。

C处：MC左=MCV2MCH2=5168.99N.mm MC右=MCV2MCH2=10108.4N.mm 转矩图，如图3-6e。T=614N.mm 当量弯矩图，如图3-6f。

因为是单向回转轴，所以扭转切应力视为脉动循环变应力，这算系数c=0.6 c×T=0.6614=368.4N.mm

左=MC左=5168.99N.mm C处：MC右=MC2cT=10115.1N.mm MC3. 弯扭合成强度校核

进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和转矩的截面（即危险截面C）的强度。

2caM2aTW210115.1=12.MPa。 30.120根据选定的轴的材料45钢，调质处理。由参考文献1表15-1查得

1=60MPa，因ca1，故强度足够。

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4. 安全系数法疲劳强度校核

对一般减速器的转轴仅试用弯扭合成强度校核即可，而不必进行安全系数法校核。在此试用此法。

5. 判定校核的危险截面

对照弯矩图、转矩图的结构图，从强度、应力集中方面分析，C截面是危险截面。需对C截面进行校核。

6. 轴的材料的机械性能

根据选定的轴的材料45钢，调质处理由参考文献1表15-1查得：

b=0MPa，1=275MPa，1=155MPa，取=0.2，=0.5=0.50.2=0.1 C

截面上的应力W=d3/32=785mm3，WT=d3/16=1570mm3，

a=Mc左/W=4270.65/785=5.4MPa弯曲切应力幅m=0，扭转切应力幅：

a=T/(2WT)=597/(21570)=0.19MPa平均切应力a=m=0.19MPa影响系数C截面

为危险截面，由差值法求出：k/=3.16，取kr/r=0.8k/=0.83.16=2.53轴按磨削加工，求出表面质量系数：=r=0.92故得综合影响系数：

K=K/+1/1=3.16+1/0.921=3.25

Kr=kr/r+1/r1=2.53+1/0.921=2.62 7. 疲劳强度校核

所以轴在C截面的安全系数为：

S=1/Kam=275/(3.255.44+0)=15.5；

Sr=1/Kam=155/(2.620.19+0.10.9)=310； Sca=SS/S2Sb2=19.7；

取许用安全系数S=1.8，有Sca>S，故C截面强度足够。

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3.6 蜗杆轴的轴承选用

从参考文献2表6-2-21中查得12mm内径的推力球轴承，型号为6301,基本尺寸：d=12mm；D=37mm；B=12；安装尺寸：da(min) =18mm；Da(max)=32mm

ra (max)=1基本额定载荷：Cr=9.72kN；Cor=5.08kN。润滑方式：脂润滑。

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4 自动回转刀架电气部分设计

自动回转刀架的自动控制主要取决于电气控制部分，电气控制部分主要分两个方面1、硬件电路设计；2、控制软件设计。

4.1 硬件电路设计

自动回转刀架的电气控制部分主要包括收信电路和发信电路两大块，如图4-1。在传感器的选择上选用了霍尔元件，是一种基于霍尔效应的磁传感器。所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。而霍尔元件就是利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为：

UH=RHIB/d ； 式中：RH=1/nq（金属）；

n——单位体积内载流子或自由电子的个数； q——电子电量； I——通过的电流；

B——垂直于I的磁感应强度； d——导体的厚度。

由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中，则在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度E成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH确定。利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉

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冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。霍尔元件就是应用霍尔效应的半导体。

(a)

(b)

（c）

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（d）

图4-1自动回转刀架电气控制原理图 a 发信盘上的霍尔元件 b 刀位信号的处理 c 刀架电动机正反转控制 d 刀架电动机正反转的实现

（1）收信电路 图a中，发信盘上的4只霍尔开关（型号为UGN3120U），都有3个引脚，第1角接+12V电源，第2角接+12V地，第3角输出。转位时刀体带动磁铁旋转，当磁铁对准某一个霍尔开关时，其输出端第3角输出低电平；当磁铁离开时，第3角输出高电平。4只霍尔开关输出的4个刀位信号T1~T4分别送到图b的4只光耦合器进行处理，经过光电隔离的信号再送给I/O接口芯片8255的PC4~PC7。

（2）发信电路 图c为刀架电动机正反转控制电路，I/O接口芯片8255的PA6与PA7分别控制刀架电动机的正转与反转。其中KA1为正转继电器的线圈，KA2的反转继电器的线圈。刀架电动机的功率只有90W，所以图d中刀架电动机与380V市电的接通可以选用大功率直流继电器，而不必采用继电器接触器电路，以节省成本，降低故障率。图c中，正转继电器的线圈KA1与反转继电器的一组常闭触点串联，而反转继电器的线圈KA2又与正转继电器的一组常闭触点串联，这样就构成了正转与反转的互锁电路，以防止系统失控时导致短路现象。当KA1或KA2的触点接通80V电压时，会产生较强的火花，并通过电网影响控制系统的正常工作，为此，在图d中布置了3对R-C阻容用来灭弧，以抑制火花的产生。

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4.2 控制软件设计

在清楚了自动回转刀架的机械结构和电气控制电路后，就可以着手编制刀架自动转位的控制软件了。对于四工位自动回转刀架来说，它最多装有4把刀具，设计控制软件的任务，就是选中任意一把刀具，让其回转到工作位置。 图4-2 表示让1#刀转到工作位置的程序流程，2#~4#刀的转位流程与1#刀相似。

图4-2 1#刀转到工作位置的程序流程

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4.2.1 80C31单片机及其引脚说明

80C31单片机，它是8位高性能单片机。属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，标准MCS-51单片机的体系结构和指令系统。 80C31内置处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。但80C31片内并无程序存储器，需外接ROM。 此外，80C31还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。80C31有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。8031芯片具有40根引脚，其引脚图如图4-3所示：

图 4-3 80C31单片机

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40根引脚按其功能可分为三类： 1. 电源线2根：

Vcc：编程和正常操作时的电源电压，接+5V。 Vss：地电平。 2. 晶振：2根

XTAL1：振荡器的反相放大器输入。使用外部震荡器是必须接地。 XTAL2：振荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入。当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。

3. I/O口共有p0、p1、p2、p3四个8位口，32根I/O线，其功能如下： P0.0～P0.7 （AD0～AD7）

是I/O端口O的引脚，端口O是一个8位漏极开路的双向I/O端口。在存取外部存储器时，该端口分时地用作低8位的地址线和8位双向的数据端口。（在此时内部上拉电阻有效）

1) P1.0～P1.7

端口1的引脚，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O通道，专供用户使用。

2) P2.0～P2.7 （A8～A15）

端口2的引脚。端口2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址A8～A15

3) P3.0～P3.7

端口3的引脚。端口3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口，该口的每一位均可地定义第一I/O口功能或第二I/O口功能。作为第一功能使用时，口的结构与操作与P1口完全相同，第二功能如下所示：

P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 （外部中断） P3.3 （外部中断）

P3.4 T0（定时器0外部输入） P3.5 T1（定时器1外部输入） P3.6 （外部数据存储器写选通）

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4.2.2 静态存储器62的特性

62是一种8K×8的静态存储器，其内部组成，主要包括512×128的存储器矩阵、行／列地址译码器以及数据输入输出控制逻辑电路。地址线13位，其中A12～A3用于行地址译码，A2～A0和A10用于列地址译码。在存储器读周期，选中单元的8位数据经列I/O控制电路输出；在存储器写周期，外部8位数据经输入数据控制电路和列I／O控制电路，写入到所选中的单元中。62有28个引脚，采用双列直插式结构，使用单一＋5 V电源。其引脚功能如下：

A12～A0（address inputs）：地址线，可寻址8KB的存储空间。 D7～D0（data bus）：数据线，双向，三态。

OE（output enable）：读出允许信号，输入，低电平有效。 WE（write enable）：写允许信号，输入，低电平有效。

CE1（chip enable）：片选信号1，输入，在读/写方式时为低电平。 CE2（chip enable）：片选信号2，输入，在读/写方式时为高电平。 VCC：+5V工作电压。 GND：信号地。

其操作方式由OE，WE， CE1 ， CE2共同作用决定：

写入：当WE和CE1为低电平，且OE和CE2为高电平时，数据输入缓冲器打开，数据由数据线D7～D0写入被选中的存储单元。

读出：当OE和CE1为低电平，且WE和CE2为高电平时，数据输出缓冲器选通，被选中单元的数据送到数据线D7～D0上。

保持：当CE1为高电平，CE2为任意时，芯片未被选中，处于保持状态，数据线呈现高阻状态。

4.2.3 27只读存储器的特性

27是8K*8字节的紫外线镲除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250nS，28脚双列直插式封装。各引脚的含义为：

1) A0一A12：13根地址输入线。用于寻址片内的8K个存储单元。 2) D0～D7：8根双向数据线，正常工作时为数据输出线。编程时为数据输

入线。

3) OE：输出允许信号。低电平有效。当该信号为0时，芯片中的数据可由

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D0～D7端输出。

4) CE：选片信号。低电平有效。当该信号为0时表示选中此芯片。． 5) PGM:编程脉冲输入端。对EPROM编程时，在该端加上编程脉冲。读操

作时该信号为1。

6) VPP：编程电压输入端。编程时应在该端加上编程高电压，不同的芯片对

VPP的值要求的不一样，可以是+12.5V，+15V，+21V，+25V等。 说明：

EPROM的一个重要优点是可以擦除重写，而且允许擦除的次数超过上万次。一片新的或擦除干净EPROM芯片，其每一个存储单元的内容都是FFH。要对一个使用过的EPROM进行编程，则首先应将其放到专门的擦除器上进行擦除操作。擦除器利用紫外线光照射EPROM的窗口，一般经过15-20min即可擦除干净。擦除完毕后可读一下EPROM的每个单元，若其内容均为FFH，就认为擦除干净了。 4.2.4 可编程并行I/O接口芯片8255的特性

8255是一个并行输入/输出的LSI芯片，多功能的I/O器件，可作为CPU总线与外围的接口。

具有24个可编程设置的I/O口，即使3组8位的I/O口为PA口，PB口和PC口。它们又可分为两组12位的I/O口，A组包括A口及C口(高4位，PC4~PC7)，B组包括B口及C口(低4位，PC0~PC3)。A组可设置为基本的I/O口，闪控(STROBE)的I/O闪控式，双向I/O3种模式；B组只能设置为基本I/O或闪控式I/O两种模式，而这些操作模式完全由控制寄存器的控制字决定。

8255引脚功能：

RESET：复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。

CS：芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时，即/CS=0时，表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯；/CS=1时，8255无法与CPU做数据传输。

RD：读信号线，当这个输入引脚为低跳变延时，即/RD产生一个低脉冲且/CS=0时，允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。

WR：写入信号，当这个输入引脚为低跳变延时，即/WR产生一个低脉冲且

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/CS=0时，允许CPU将数据或控制字写入8255。

D0～D7：三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。

8255具有3个相互的输入/输出通道端口，用+5V单电源供电，能在以下三种方式下工作。

方式0——基本输入输出方式； 方式1——选通输入/出方式； 方式2——双向选通输入/输出方式；

PA0～PA7:端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入锁存器。工作于三种方式中的任何一种；PB0～PB7：端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器，一个8位的输入输出缓冲器。 不能工作于方式二；PC0～PC7:端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。不能工作于方式一或二。

A1、A0：地址选择线，用来选择8255的PA口、PB口、PC口和控制寄存器。当A1=0、A0=0时，PA口被选择；当A1=0、A0=1时，PB口被选择；当A1=1、A0=0时，PC口被选择；当A1=1、A0=1时，控制寄存器被选择。

设控制系统的CPU为80C31单片机，扩展8255芯片作为回转刀架的收信与发信控制，设计电路图如图4-4所示。

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图4-4 设计电路图

已知8255芯片的控制口地址为2FFFH，则基于流程图的汇编程序清单如下： T01： MOV DPTR， #2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A， @DPTR ；读取PC口的内容 JNB ACC.4， TEND ；测试PC4=0？若是，则说明1#已在工作位置，程序转到TEND

MOV DPTR， #2FFCH ；指向8255的PA口地址 MOVX A， @DPTR ；读取PA口锁存器的内容 CLR ACC.6 ；令PA6=0，刀架电动机正转有效 SETB ACC.7 ；令PA7=1，刀架电动机无效 MOVX @DPTR， A ；刀架电动机开始正转 CALL DE20MS ；延时20ms YT01：MOVX DPTR， #2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A， @DPTR ；第二次读取PC口内容 JB ACC.4， YT11 ；PC4=0？ CALL DE20MS ；延时20ms

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YT21：MOV DPTR， #2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A， @DPTR ；第三次读取PC口内容 JB ACC.4， YT21 ；PC4=0？ MOV DPTR， #2FFCH ；指向PC口

MOVX A，@DPTR ；读取PA口锁存器内容 SETB ACC.6 ；令PA6=1，刀架电动机正转无效 SETB ACC.7 MOVX @DPTR，A CALL DE150MS CLR ACC.7 SETB ACC.6 MOVX @DPTR，A CALL DELAY SETB ACC.6 SETB ACC.7 MOVX @DPTR， A TEND： RET

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；令PA7=1，刀架电动机反转无效 ；刀架电动机停转 ；延时150ms

；令PA7=0，刀架电动机反转无效 ；令PA6=1，刀架电动机正转无效 ；刀架电动机开始反转 ；延时设定的反转锁紧时间 ；令PA6=1，刀架电动机正转无效 ；令PA7=1，刀架电动机反转无效 ；刀架电动机停转 ；换1#刀结束

5 结 论

本次设计为了能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发挥数控机床的效率，采用“工序集中”的原则，采用自动回转刀架。通过对四工位刀架的设计，分别对其组成部分即机械总体结构、工作原理、主传动部件以及电气控制部分进行研究、改善。文中减速机构选用三相异步电机和蜗杆副，能获的大的传动比，保证传动精度平稳，能实现整个装置的小型化；考虑所受载荷和加工精度选取端面齿盘，在刀架抬起机构中釆用丝杆螺母机构。主传动部件设计中蜗杆采用渐开线型圆柱蜗杆(Z1型)，材料采用45钢，蜗轮用耐磨性大的铸锡磷青铜ZCuSn10P1，并通过假定参数对其疲劳强度进行设计，并依次算出蜗杆蜗轮的主要参数和尺寸，再通过查表计算确定了中心轴、齿盘、轴承等其他部件的型号、选材及其主要参数和尺寸。电气部分分别对硬件和软件进行设计。硬件电路设计中发信采用芯片8255的PA6、PA7控制正反转，接收端采用霍尔元件控制其转位，软件设计CPU中釆用80C31单片机，扩展8255芯片控制刀架的收信与发信，并编辑汇编程序控制刀架转位。设计从经济适用出发在材料选择和参数选择都做到优化选择。克服老车床辅助加工时间长的缺点，提髙了工作效率。

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6 参考文献

[1] 普通机床图册 [2] 机床设计手册 [3] 机电一体化系统设计 [4] 机床伺服系统原理与应用 [5] 单片机原理与应用

[6] 机械工程及自动化简明设计手册（上、下册）.

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