基于单片机和PLC控制的自动回转刀架设计.pdf

务l 匐 似 基于单片机和P L C 控制的 自动回转刀架设计 Base d on SCM and PL C aut om at i c con t r ol des i gn of r e vol vi ng t ool 胀 晓芳 ZH ANG i a o - f a n g 武汉民政职业学院。武汉 4 3 0 0 7 9 摘要自动回转刀架可以减少加工误差，缩短辅助时间，是当前经济型数控车床的关键部件。本文 研究四工位立式自动回转刀架，从其整体结构、工作原理、主要部件计算、电路控制的硬件 设计和软件设计等方面展开。该刀架非常适合市场的需求，对数控车床影响深远，可提高其 在制造业的地位。 关键词机械制造；回转刀架；数控机床 中图分类号T G 6 5 9 文献标识码B 文章编号1 0 0 9 0 1 9 4 2 0 1 2 1 0 下 一0 1 2 4 -0 4 D o i 1 O ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 1 0 下 ． 3 8 0 引言 机 械制造业是制造业 中最主要的组成 ，为用 户设计和提供机械产品。机械制造业在整个制造 业 中占有极为重要的地位 ，它利用机器设备供应 和装备国民经济的各个 部门，并促进它们 不断发 展。国民经济 的发展在很大程度上取决于机械制 造业水平的高低和发展 速度。机械制造业属于传 统行业 ， 经过 多年 发展积 累了丰 富的经验。我 国 的机械制造业起步较晚，底子薄 ，其技 术还 受到 别 国的封锁。但 是发展速 度迅速 ，目前我国的机 械工业规模已经相当大 ，已经成为一个制造大国， 其规模仅次于美 国、 日本和德国。但是 ，我 国的 制造业还存在产 品质量不高、技术水平不够 ，自 主产品少，结构不够合理等缺点。 数控机床是制造工业 中最有前途 、最具 活力 的技术产品。它利用数字电子技术 ， 用计算机控制 高速、精 密的伺服 系统 智能化加工工件。它还能 联 网 ， 实现从 CA D到 C A M 到 C NC。在数控车床 中用到 的自动 回转刀架能够在一次装夹 中完成多 个工序 ，从而缩短时间，减 少加工误差。数 控回 转刀架是数控车床的一个关键部件 ， 其精度和可靠 性对数控车床 的影响深远。我们选好刀架后固定 在车床的横滑板上 ， 紧固好底座上的螺栓 ， 再连接 好其他的就能马上投入使用。 1 刀架整体结构和工作原理 1 ． 1结构设计 自动 回转 刀架必须有很好 的强度和刚性结构， 可以承受切削抗力。它还需要有可靠的定位 和合 理 的结构 ，保证 定位 的精度 。刀架的 自动换 刀功 能 由驱动电路和控制系统完成。 本文采用立式转位刀架结构 ，因此选择蜗 杆 副减速。蜗杆副传动 能够 改变运动 方向，获得 传 动 比大 ，确保传动的平稳性 和高精度 ，整个装置 小巧灵活。 其 上刀体 的锁进玉 定位机 构选择端 面齿盘 ， 使上下刀体 的配合面变成梯形 端面齿 。当刀架锁 紧时，上下端面齿啮合，此时上刀体无法绕刀架 轴旋转 ；进行换 刀时 电动机正 转，上 刀体抬起 ， 等到上下端 面齿脱开 ，上 刀体 围绕 中心轴转动 ， 实现转位。 本文选择螺杆 一 螺母副使上刀体抬起 ，上刀体 有内螺纹 ，电动机带 动蜗杆绕中心轴转动 时，上 刀体 当作螺母转动或者上下移动。当刀架锁紧时， 上下刀体 的端面齿啮合 ，此时上 刀体不和螺杆一 起转动 ，上刀体是 向上移动的。当端面齿脱离时， 上刀体才和螺杆一起转动 。 1 ． 2 工作原理 本文的 自动立式回转刀架如图 l 所示。 1 刀架抬起 数 控装置发 出换 刀指令 ，电机 开始正转，蜗杆轴 由联轴器带动进行转动 ，并带 动蜗轮旋转 ，键带动轴进行旋转 ，轴上有轴套 2 6 ， 它在套筒 2 4内孔中的槽内进行滑动 ，举起上刀架 2 1 和上端齿盘 2 O ，分开上端和下端齿盘 1 8 ，完成 刀 架抬起 。 2 刀架转位 刀架抬起完成后 ，轴套 2 6继续 收稿日期2 0 1 2 - 0 8 -1 5 作者简介张晓芳 1 9 6 6 一，女，副教授，硕士，研究方向为高等职业教育和计算机应用。 【 1 2 4 】 第3 4 卷第1 O 期2 0 1 2 1 0 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 注 匐 似 转动 ，同时带动上刀架 2 1 转过 9 0 。，当转过一定 角度后 ，由微动开关 3给数控装置发出信号。 3 刀架压紧微动开关 发出使 电机反转 的信 号 ，压缩弹簧 1 5推动定 位销 1 7伸 出，上刀架 2 1 不 随轴套 2 6回转 ，在重力作用下 刀架 向下移动 ， 上下端齿盘合拢。蜗杆转动轴 向位移 ，压缩开关 3 使得电机停止旋转，一次转位完成。 _ ∈ 虿 、 43 丫 l 2一 一 午二 一 lo 一 9 ／ ， ／ 7／ ／／ ／ ／／／ ／, } ／ 徊 7／ ／ 』 ， ／ ／ _ 4 ／ ／／ ／／／／ _ ∈ 图1 刀架原 理图 2 主要参数计算 2 ． 1蜗杆传动的计算 渐开线蜗杆端面齿廓是渐开线。蜗杆选择 4 5 钢 ，其 螺旋齿 面淬火 ，硬度范 围 4 5～ 5 5 HR C ， 表 面耐磨性提高 ；蜗轮转速 比较低，对耐 磨性 要求 高，选择铸锡磷青铜 Z C u S n l 0 P 1 。 设计 闭式蜗杆传动 ， 设计按照齿面接触疲劳强 度，校核齿根弯曲强 1 蜗轮上的转矩 z ， 1 ，效率 r ／ 0 ． 7 9 ． 5 5 1 0 墨 9 ．5 5 1 0 兰 兰 2 ．8 41 0 N ． mm 2 1 4 00／ 5 0 2 计算载荷 系数 K 载荷比较稳定 ， 齿向载荷分布 系数 1 选择 使用系数 1 ． 1 5 转速和冲击力不够 ， 动载荷系数 1 ． 0 5。 Kv1 ． 21 3 弹性影响系数 配合铸锡磷青铜涡轮和钢蜗杆 1 6 0 , ,／ MP 4 确定接触系数 蜗杆分度圆直径 和中心距 a的比值 a , ／a0． 32 2． 75 5 许用接触应力 [ 蜗杆硬度大于4 5 H R C ， 查得涡轮 】 2 6 8 MP a 。 应 力 循 环 次 数 N 6 0 j n z L n 寿 命 为 1 2 0 0 0 h， 每次涡轮转动一次 ， 轮齿啮合次数 N 6 0 1 1 4 0 0 1 2 0 0 01 ． 9 8 l O 寿命系数 ‰ 0 ． 9 l 8 [ k lⅣ Ⅳ [ 0 ．9 1 8 2 6 8 2 4 6 ． 1 MP a 6 中心距计算 ≥ 5 0． 7 3 mm ， i 5 0 ，取模数 m 1 ．6 mm，分度圆直径 d 】 2 0 mm， 0 ． 4 ，接触系数 ’ 2 ． 7 4 3 ． 0 ，表明计算结 果可以被用。 2 ． 2 蜗杆轴支承 蜗杆轴温度高 、跨距较大 ，热伸长量也较大 ， 采用一端 固定、另一端游动支承和两端游动支承。 工作室 电机 、有正转和反转两种情况 ，蜗杆轴能 够双 向移动 ，选择两端游动的轴 系结构。啮合传 动时 ，轴左右移动 ，要求齿受力均匀 ，允许 轴系 左右小量轴 向移动，所以选用 圆柱滚子轴承。 2 ． 3 蜗轮蜗杆几何尺寸计算 蜗杆齿顶圆直径 d a l d 1 2 h 1 d 1 2 h m 3 5 ．5 2 2 3 9 ．5 m m 第3 4 卷第1 0 期2 0 1 2 - 1 0 下 [ 1 2 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 匐 化 蜗杆齿根圆直径 d n d 1 2 h l d 1 2 h c m 3 5 ． 5 2 x 1 ． 2 x 2 3 0 ． 7 m m 蜗杆齿宽 b 1 2 ． 5 m ／ z 2 1 2 ．5 x 4 J 6 2 1 4 9 ． 6 n n 取b l 5 0 m m 蜗轮喉圆直径 d a 2 d 2 2 h 2 d 2 2 h x 2 m1 2 4 ． 5 2 2 1 1 2 8 ． 5 m m 蜗轮 齿根 圆直 径 d r 2 d 2 2 h ＆ d 2 2 h c 一X 2 m1 2 4 ． 5 2 x 2 x 1 2 1 1 9 ． 7 m m 蜗轮咽喉圆半径 ， a一 堕 8 0一1 2 4 ．5 1 7 ． 7 5 mm 2 2 蜗轮齿宽 凸 b d ， s i n 3 5 ． 5 s i n 5 0。2 7 mm 。 ‘ 2 蜗轮轮缘宽度 B d l 2 c m s in 兰 0 ．8 m r 3 9 ． 5 2 1 ． 2 2 s i n 5 0 O ．82 3 4 ． 5 mm 蜗轮顶圆直径 d 。2 d 2 2 r g 2 1 一 c o s 1 2 8 ．5 2 1 7 ．5 1 一 c o s 5 0 1 3 4． 8 mm 取 d。 21 3 5 mm 3 电器控制设计 3 ． 1硬件设计 3 ． 1 ． 1 收信 电路 发信盘上 有 4个开关 ， 3个引脚 ，第 1 脚接电 源 - I- 1 2 V，第 2脚接地线 ，第 3脚为 4刀位输出。 转位 开始时刀台旋转带动磁铁也跟着旋转 ，转到 磁铁 对准一个开关 的时候 ，第 3脚输 出端输 出低 电平 ；离开时输出高电平。4个开关输 出的 4个刀 位 T 1～ T 4分 别 送 至 4只光 耦 合 处 理 ，通 过 光 电 隔离信号再送至 I ／ O接 口芯片的 P C 4～P C 7 。 3 ． 1 ． 2发信电路 采用 P L C控制的输入输出配置 。图 2为 P L C 控制输入输 出接线 ，图 3为梯形 图。利 用 P L C的 继 电器 X4 0 1 和 X 4 0 2的常闭接点 ，达到双重互锁 的 目的 按下 正 向按钮 S B1 ，继 电器 X 4 0 1的常 开 触点 闭合 ，输 出继 电器 Y 4 3 1 线 圈被接通并 且 自锁 ，接触器 K M1 吸合 ，同时 Y4 3 1闭合 ，输 出 继 电器 Y4 3 0接通 ，得电吸 合，电动机 正 向稳定 运行。按下反转按钮 S B 2 ，输入继 电器 X4 0 2常 闭 [ 1 2 6 1 第3 4 卷第1 O 期2 0 1 2 1 0 下 触点断开 ， K M 失 电释放 ，Y 4 3 1 的常开触点断开 Y 4 3 0线圈 ，KM 失 电释放，有效熄灭电弧 ，防止 反转换接时相间短路。输入继 电器 X4 0 2的另一触 点闭合 ，接通 Y 4 3 2的线圈， KM2得电吸合，电动 机得到反 向运行。 电动机停机时 ，按下按钮 S B 3 ，X4 0 0触点断 开 M1 0 0；过 载 时热继 电器 触点 F R动作 ，X 4 0 3 断开M1 0 0 。以上两种情况都能使电动机停止工作。 X4 0 0 KM ＼ 、厂 一 K M 2 一几⋯ ～ X4 0 1 Lj 一 KM 2 厂 ] - _ 1 r 一 X4 0 2 厂、 X4 0 3 KM 2 ，户 一 J乙 C0M 图2 P L C 控制输入输 出接线 4 0 3 M 1 0 0 l X4 0 2 Y431 MCR I MCR 图3 梯形 图 3 ．2软件设计 本文控制 系统的 C P U选 用单片机 A T 8 9 C5 1 ， 作为 自动回转刀架的收信和发信控制选择 8 2 5 5芯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 骞、l 訇 化 片，现 在 已知 8 2 5 5芯 片 的 控制 口 2 F F F H。P A6 、 P A7口控制正转和反转 ，程序段 T 0 1 MO V DP T R， 2 F F F I - I ；控制芯片 8 2 5 5的 P C 口 MOV X A，DP T R l读取 P C端 口内容 J N B AC C ． 4 ，T E ND； 测 试 P C 4 0 7 是 ， 说明 1 刀处于工作位置 ，转到 T E ND MO V D P T R， 2 F F F H；指到 8 2 5 5的 P A 口 MOV X A ，D P T R；读 P A 6 0 ，电动机 正转有效 C L R A CC ． 6 ；令 P A 6 0 ，刀架正转有效 S E T B AC C． 7；令 P A 7 1 ，刀架无效 MoV x DP T R，A ；电动机正转 C A L L DE 2 0 ms ；延 时 2 0 ms Y T 0 1 M0VX DP T R， 2 F F E H； 指向 8 2 5 5的 PC 口 MOVx A，DP T R；二次读取 P C口 J B ACC． 4 ，YT2 1； P C4 0 7 C AL L DE 2 0 ms ；延时 2 0 ms Y Tl l MO V DP 1 R， F F F H；指向 8 2 5 5的 P C口 MO V X A， D P 1 R ；第三次读取 P C口内容 J B ACC． 4，YT 2 1； P C4 0 7 C A L L DE 2 0 ms ；延 时 2 0 ms 4 结束语 经 济型数 控机 床价格 低适 合我 国市场 需要 ， 是 当前 的主流 产品。数控车床在工件一次装 夹中 实现 多工序加 工 ，以减 少误 差、缩短 时间，而带 有 自动 回转 刀架 。刀架要求具备很好 的刚度和坚 硬的强度、合理 的结构等使其能高精度重复定位。 它通过驱动 电路 和控制 系统 实现其 功能。 自动 回 转刀架在数控车床中占有极其重要的地位。 参考文献 [ 1 ]于骏一， 邹青． 机械制造技术基础[ M】 ． 北京 机械工业出 版社． 2 0 0 3 ． 【 2 】张建 民， 等． 机 电一体化 系统设计 [ M】 ． 北京 高等教育 出 版社【 M】 ， 2 0 0 9 ． 【 3 】宋德玉， 等． 可编程序控制器原理及应用系统设计技术 [ M】 ． 北京 冶金工业出版社， 2 0 0 6． [ 4 】应雷．浅谈我国机械制造业的困境和发展战略对策【 J 1 ． 科技资讯， 2 0 1 0 ， 2 7 1 1 2 ． [ 5 1 J a me s V Va l e n t i n o ．J o s e p h Go l d e n b e r g ．I n t r o d u c t i o n t o Co mp u t e r Nu me r i c a l Co n t r o 1 ． 2 n d e d ． R． R． Do n n e l l e y S o n s Co mp a n y , 2 0 0 0 ． 4 5 9 ． {矗I {重 ●童-出 蠡‘ {出‘ 出‘ ． 蠡‘ {曲‘ ．出． {重●出， {瞳‘出． 盘‘ 童● ． ．{南‘ 盘‘ {出‘ ＆‘ 蠡‘ 【 上接第1 1 9 页】 另外齿板 安全系数 明显提高 ，这样就 能延长齿板 的使用寿命 ，降低破碎机破碎成本 。 5 改进齿板结构参数 在实际 中设计齿板 时 ，为了方便 ，通 常从齿 板 高度的中间位置分成两部分。我们 为动颚齿板 进行如下修改 将 一块齿板修改为两 块相同的组合齿板 ；凸 台高 度从 3 0 mm 变 为 1 5 mm；厚度 从 2 0 mm 变 成 1 5 mm；在保持齿顶和齿底间距 以及齿根不变，将 其 高 度从 3 0 m m 改 为 3 5 mm，齿 顶 宽从 1 5 ram 改 为 1 2 mm；修 改 后 的 两 块 齿 板 重 量 之 和 减 少 了 1 8 ． 2 6 k g ，这样节约了生产 和使 用成本 ；有限元分 析 结果 表明 ，修 改后齿板 的应 力分布 改善很 大， 应力分布也比较均匀。 6 结束语 本文针对 P E 2 5 0 X 4 0 0颚式破碎机的齿板在物 料加工过 程中受损严重，寿命较短 的情况展开研 究，采用模糊 随机理论加载 齿板受力状态 ，并 计 算 了齿板的应力分布 ，进行了有限元分析。通过 改变 齿板 结构参数 ，改进齿板应力分布 ，保 证在 节 约材 料的前 提下降低了能耗 ，延 长齿板 的使用 寿命 ，提供了可靠的理论基础。 参考文献 【 1 】傅彩 明， 饶绮麟 ． 模糊 随机理论 在齿板 类零件有 限元仿 真 中的应用研 究[ J ] ． 湖南科技大学学报 ， 2 0 0 6 ， 2 l 1 3 3 3 51 ． 【 2 ]张胜 民． 基 于有限元软件ANS YS 7 ． 0 的结构 分析[ M】 ． 北 京 清华大学出版社， 2 0 0 3 ． 【 3 ]G e r ma n o v i c h ， L ． N，Dy s k i n ， A． V F r a c t u r e me c h a n i s ms a n d i n s t a b i l i t y o f o p e n i n g s i n c o mp r e s s i o n ， 2 0 0 0 ， 3 7 1 3 3 4 3 4 0 ． [ 4 ]4 廖汉元， 孔建益， 钮国辉． 颚式破碎机 f M】 ． 北京 机械工 业 出版社 ， 2 0 0 8 ， 1 5 0． 【 5 】孙成林 ． 破碎机 械回顾与展望 [ J l1 ． 有色矿 冶， 2 0 0 5 ， 2 1 1 34 ． 】 3 7． 第3 4 卷第1 O 期2 0 1 2 1 0 下 [ 1 2 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m