基于單片機(jī)和PLC控制的自動回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計(jì)

張曉芳

（武漢民政職業(yè)學(xué)院，武漢 430079）

0 引言

機(jī)械制造業(yè)是制造業(yè)中最主要的組成，為用戶設(shè)計(jì)和提供機(jī)械產(chǎn)品。機(jī)械制造業(yè)在整個制造業(yè)中占有極為重要的地位，它利用機(jī)器設(shè)備供應(yīng)和裝備國民經(jīng)濟(jì)的各個部門，并促進(jìn)它們不斷發(fā)展。國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展在很大程度上取決于機(jī)械制造業(yè)水平的高低和發(fā)展速度。機(jī)械制造業(yè)屬于傳統(tǒng)行業(yè),經(jīng)過多年發(fā)展積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。我國的機(jī)械制造業(yè)起步較晚，底子薄，其技術(shù)還受到別國的封鎖。但是發(fā)展速度迅速，目前我國的機(jī)械工業(yè)規(guī)模已經(jīng)相當(dāng)大，已經(jīng)成為一個制造大國，其規(guī)模僅次于美國、日本和德國。但是，我國的制造業(yè)還存在產(chǎn)品質(zhì)量不高、技術(shù)水平不夠，自主產(chǎn)品少，結(jié)構(gòu)不夠合理等缺點(diǎn)。

數(shù)控機(jī)床是制造工業(yè)中最有前途、最具活力的技術(shù)產(chǎn)品。它利用數(shù)字電子技術(shù),用計(jì)算機(jī)控制高速、精密的伺服系統(tǒng)智能化加工工件。它還能聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)從CAD到CAM到CNC。在數(shù)控車床中用到的自動回轉(zhuǎn)刀架能夠在一次裝夾中完成多個工序，從而縮短時間，減少加工誤差。數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床的一個關(guān)鍵部件,其精度和可靠性對數(shù)控車床的影響深遠(yuǎn)。我們選好刀架后固定在車床的橫滑板上,緊固好底座上的螺栓,再連接好其他的就能馬上投入使用。

1 刀架整體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動回轉(zhuǎn)刀架必須有很好的強(qiáng)度和剛性結(jié)構(gòu)，可以承受切削抗力。它還需要有可靠的定位和合理的結(jié)構(gòu)，保證定位的精度。刀架的自動換刀功能由驅(qū)動電路和控制系統(tǒng)完成。

本文采用立式轉(zhuǎn)位刀架結(jié)構(gòu)，因此選擇蝸桿副減速。蝸桿副傳動能夠改變運(yùn)動方向，獲得傳動比大，確保傳動的平穩(wěn)性和高精度，整個裝置小巧靈活。

其上刀體的鎖進(jìn)玉定位機(jī)構(gòu)選擇端面齒盤，使上下刀體的配合面變成梯形端面齒。當(dāng)?shù)都苕i緊時，上下端面齒嚙合，此時上刀體無法繞刀架軸旋轉(zhuǎn)；進(jìn)行換刀時電動機(jī)正轉(zhuǎn)，上刀體抬起，等到上下端面齒脫開，上刀體圍繞中心軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位。

本文選擇螺桿-螺母副使上刀體抬起，上刀體有內(nèi)螺紋，電動機(jī)帶動蝸桿繞中心軸轉(zhuǎn)動時，上刀體當(dāng)作螺母轉(zhuǎn)動或者上下移動。當(dāng)?shù)都苕i緊時，上下刀體的端面齒嚙合，此時上刀體不和螺桿一起轉(zhuǎn)動，上刀體是向上移動的。當(dāng)端面齒脫離時，上刀體才和螺桿一起轉(zhuǎn)動。

1.2 工作原理

本文的自動立式回轉(zhuǎn)刀架如圖1所示。

1)刀架抬起： 數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，蝸桿軸由聯(lián)軸器帶動進(jìn)行轉(zhuǎn)動，并帶動蝸輪旋轉(zhuǎn)，鍵帶動軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，軸上有軸套26，它在套筒24內(nèi)孔中的槽內(nèi)進(jìn)行滑動，舉起上刀架21和上端齒盤20，分開上端和下端齒盤18，完成刀架抬起。

2)刀架轉(zhuǎn)位： 刀架抬起完成后，軸套26繼續(xù)轉(zhuǎn)動，同時帶動上刀架21轉(zhuǎn)過90°，當(dāng)轉(zhuǎn)過一定角度后，由微動開關(guān)3給數(shù)控裝置發(fā)出信號。

3)刀架壓緊： 微動開關(guān)發(fā)出使電機(jī)反轉(zhuǎn)的信號，壓縮彈簧15推動定位銷17伸出，上刀架21不隨軸套26回轉(zhuǎn)，在重力作用下刀架向下移動，上下端齒盤合攏。蝸桿轉(zhuǎn)動軸向位移，壓縮開關(guān)3使得電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，一次轉(zhuǎn)位完成。

圖1 刀架原理圖

2 主要參數(shù)計(jì)算

2.1 蝸桿傳動的計(jì)算

漸開線蝸桿端面齒廓是漸開線。蝸桿選擇45鋼，其螺旋齒面淬火，硬度范圍45～55HRC,表面耐磨性提高；蝸輪轉(zhuǎn)速比較低，對耐磨性要求高，選擇鑄錫磷青銅ZCuSn10P1。

設(shè)計(jì)閉式蝸桿傳動, 設(shè)計(jì)按照齒面接觸疲勞強(qiáng)度，校核齒根彎曲強(qiáng)：

1）蝸輪上的轉(zhuǎn)矩： T2

2）計(jì)算載荷系數(shù)K

3）彈性影響系數(shù)： ZE

配合鑄錫磷青銅渦輪和鋼蝸桿：

4）確定接觸系數(shù): Zp

蝸桿分度圓直徑d1和中心距a的比值：

應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=60jn2Ln壽命為 12000h ，每次渦輪轉(zhuǎn)動一次,輪齒嚙合次數(shù)：

i=50，取模數(shù)m=1.6mm，分度圓直徑d1=20mm，接觸系數(shù)，表明計(jì)算結(jié)果可以被用。

2.2 蝸桿軸支承

蝸桿軸溫度高、跨距較大，熱伸長量也較大，采用一端固定、另一端游動支承和兩端游動支承。工作室電機(jī)、有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種情況，蝸桿軸能夠雙向移動，選擇兩端游動的軸系結(jié)構(gòu)。嚙合傳動時，軸左右移動，要求齒受力均勻，允許軸系左右小量軸向移動，所以選用圓柱滾子軸承。

2.3 蝸輪蝸桿幾何尺寸計(jì)算

蝸桿齒頂圓直徑：

蝸桿齒根圓直徑：

蝸桿齒寬：

1852年9月至11月，太平天國大軍攻打長沙，南城墻及天心閣、妙高峰下的城南書院（湖南第一師范前身）、河西的岳麓書院,均遭到嚴(yán)重破壞。劉崐上任后，首先就修復(fù)了當(dāng)時的南城門天心閣及一段古城墻，設(shè)炮臺九座，增建月城，使古城墻成半環(huán)拱式內(nèi)雙城格局,天心閣至今仍是長沙的古城標(biāo)志。

蝸輪喉圓直徑：

蝸輪齒根圓直徑：

蝸輪咽喉圓半徑：

蝸輪齒寬：

蝸輪輪緣寬度：

蝸輪頂圓直徑

3 電器控制設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 收信電路

發(fā)信盤上有4個開關(guān)， 3個引腳，第1腳接電源+ 12V，第2腳接地線，第3腳為4刀位輸出。轉(zhuǎn)位開始時刀臺旋轉(zhuǎn)帶動磁鐵也跟著旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到磁鐵對準(zhǔn)一個開關(guān)的時候，第3腳輸出端輸出低電平；離開時輸出高電平。4個開關(guān)輸出的4個刀位T1!T4分別送至4只光耦合處理，通過光電隔離信號再送至I/O接口芯片的PC4! PC7。

3.1.2 發(fā)信電路

采用PLC控制的輸入輸出配置。圖2為 PLC控制輸入輸出接線，圖3為梯形圖。利用PLC的繼電器X401和X402的常閉接點(diǎn)，達(dá)到雙重互鎖的目的。按下正向按鈕SB1，繼電器X401的常開觸點(diǎn)閉合，輸出繼電器Y431線圈被接通并且自鎖，接觸器KM1吸合，同時Y431閉合，輸出繼電器Y430接通，得電吸合，電動機(jī)正向穩(wěn)定運(yùn)行。按下反轉(zhuǎn)按鈕SB2，輸入繼電器X402常閉觸點(diǎn)斷開， KM失電釋放，Y431的常開觸點(diǎn)斷開Y430線圈，KM失電釋放，有效熄滅電弧，防止反轉(zhuǎn)換接時相間短路。輸入繼電器X402的另一觸點(diǎn)閉合，接通Y432的線圈， KM2得電吸合，電動機(jī)得到反向運(yùn)行。

電動機(jī)停機(jī)時，按下按鈕SB3，X400觸點(diǎn)斷開M100；過載時熱繼電器觸點(diǎn)FR動作，X403斷開M100。以上兩種情況都能使電動機(jī)停止工作。

圖2 PLC控制輸入輸出接線

圖3 梯形圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

本文控制系統(tǒng)的CPU選用單片機(jī)AT89C51，作為自動回轉(zhuǎn)刀架的收信和發(fā)信控制選擇8255芯片，現(xiàn)在已知8255芯片的控制口2FFFH。PA6、PA7口控制正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，程序段：

4 結(jié)束語

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床價(jià)格低適合我國市場需要，是當(dāng)前的主流產(chǎn)品。數(shù)控車床在工件一次裝夾中實(shí)現(xiàn)多工序加工，以減少誤差、縮短時間，而帶有自動回轉(zhuǎn)刀架。刀架要求具備很好的剛度和堅(jiān)硬的強(qiáng)度、合理的結(jié)構(gòu)等使其能高精度重復(fù)定位。它通過驅(qū)動電路和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能。自動回轉(zhuǎn)刀架在數(shù)控車床中占有極其重要的地位。

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