回转刀架论文 - 图文

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1. 自动回转刀架总体设计

1.1 概 述

数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。随着数控车床的不断发展，刀架结构形式也在不断翻新。其中按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。自1958年首次研制成功数控加工中心自动换刀装置以来，自动换刀装置的机械结构和控制方式不断得到改进和完善。自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有：回转刀架换刀，更换主轴头换刀以及带刀库的自动换刀系统。

初步了解了设计题目自动回转刀架及其发展概况，设计背景，对刀架有了一些印象，对整理设计思路 安排设计时间有很好的辅助作用。对一些参数的进行了解同时按准则要求来完成设计。

1.2 数控车床自动回转刀架的发展趋势

数控刀架的发展趋势是：随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。

目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。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。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。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。数控刀架的市场分析：国产数控车床将向中高档发展，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。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。

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1.3 自动回转刀架的工作原理

回转刀架的工作原理为机械螺母升降转位式。工作过程可分为刀架抬起、刀架转位、刀架定位并压紧等几个步骤。

图1.1为螺旋升降式四方刀架，其工作过程如下：

① 刀架抬起 当数控系统发出换刀指令后, 通过接口电路使电机正转, 经传动装置、驱动蜗杆蜗轮机构。蜗轮带动丝杆螺母机构逆时针旋转 ,此时由于齿盘处于啮合状态，在丝杆螺母机构转动时，使上刀架体产生向上的轴向力将齿盘松开并抬起,直至两定位齿盘脱离啮合状态,从而带动上刀架和齿盘产生“上抬”动作。 ② 刀架转位 当圆套逆时针转过150°时，齿盘完全脱开，此时销钉准确进入圆套中的凹槽中，带动刀架体转位。

③ 刀架定位 当上刀架转到需要到位后（旋转90°、180°或270°），数控装置发出的换刀指令使霍尔开关中的某一个选通,当磁性板与被选通的霍尔开关对齐后,霍尔开关反馈信号使电机反转,插销在弹簧力作用下进入反靠盘地槽中进行粗定位，上刀架体停止转动，电机继续反转，使其在该位置落下，通过螺母丝杆机构使上刀架移到齿盘重新啮合, 实现精确定位。

刀架压紧 刀架精确定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿盘增加到一定夹紧力时， 电机由数控装置停止反转，防止电机不停反转而过载毁坏，从而完成一次换刀过程。

图1.1 螺旋升降式四方刀架

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图1.2自动换刀流程

a b c d

图1.3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。

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2. 主要传动部件的设计计算

2.1 蜗杆副的设计计算

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

得：蜗杆副的传动比i=

n11440==48。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，n230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。

(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)。

(2)蜗杆副的材料 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ZCuSnl0P1，采用金属模铸造。

(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：

a?1)

3?ZEZPKT2???H?????2

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η

=0.8。由电动机的额定功率P1=90W，可以算得蜗轮传递的功率P2=P1η，再由蜗轮的转速n2=30r／ min求得作用在蜗轮上的转矩：

T2?9.55P290?0.8?9.55?22.92(N?m)?22920(N?m) n2302)确定载荷系数K 载荷系数K=KAKBKV，。其中KA为使用系数，由表6-3查得，

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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=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?160Mpa。

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的比值从而可查出Zp=2.9

5)确定许用接触应力[σH] 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSnl0P1、金属模铸造、蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，查表可得蜗轮的基本许用应力[σH]′ =268MPa。已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数j=1；蜗轮转速n1=30r／min；蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。

则应力循环次数： N=6Qjn2Lh=60×1×30 × 10000=1.8×10寿命系数： KHN许用接触应力：

[σH]=KHN[σH]′=0.929×268Mpa≈ 249 6) 计算中心距

710?8?0.929

N7

12d1?0.35，a160?2.92)?48(mm) a?1.39?22920?(2493查表得，取中心距a?50mm，已知蜗杆头数Z1=1，m=1.25mm，蜗杆分度圆直径d1=22.4mm。这时

d1??2.72，因为ZP??ZP，因此以?0.448，从而可查得接触系数ZPa上计算结果可用。

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MB?MBH?MBV?(1.59?103)2?586.12N?m?1.69?103N?m

22 (2-38)

MC?MCV?441N?m（2-39）

图2.7 合成弯矩图

计算危险轴的直径

3d?Me0.1[??1]

查表15—1，材料为38CrM0AIA调质的许用弯曲应力[??1]?75，则

3dB? 所以该轴符合要求。 （5）键的选取与校核

1.69?106mm?60.8mm

0.1?75 考虑到d5=105%×15.14=15.89mm, 实际直径为17mm，所以强度足够

由GB1095-79查得，尺寸b×h=5×5，l=20mm的A型普通平键。

2T?103 按公式?p?进行校核

kld T?2070N?m，k?0.5h?0.5?14mm?7mm，l?110mm，d?92mm。查表6—2，取[?p]?130MPa则

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2T?1032?2070?p???58.44MPa?70MPa

kld7?110?92该键符合要求。

由普通平键标准查得轴槽深t=3mm,毂槽深t1=2.3mm。

2.3 蜗轮轴的设计

（1） 蜗轮轴材料的选择，确定需用应力

考虑到轴主要传递蜗轮转矩，为普通中小功率减速传动装置 故材料选用45号钢，正火处理，

??b??600Mpa，??b??1?55Mpa

（2） 按扭转强度，初步估计轴的最小直径

3d?

Me0.1[??1]

查表15—1，取45号调质刚的许用弯曲应力???1??60Mpa，则

3dB?3676.3?103mm?48.3mm0.1?60

dC?596?103mm?46.3mm0.1?60

由于轴的平均直径为34mm，因此该轴安全。 （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

d1即蜗轮轮芯为68mm；d2为蜗轮轴轴径最小部分取34mm；

d3轴段与上刀架体有螺纹联接，牙形选梯形螺纹，根据表8-45

取公称直径为d3=44mm，螺距P=12mm，H=6.5mm；

查表8-46得，外螺纹小径为31mm； 内、外螺纹中径为38mm；

内螺纹大径为45mm； 内螺纹小径为32mm； 旋合长度取55mm。 L2尺寸长度为34mm，蜗轮齿宽b2 当z1≤3时，b2≤0.75da1=15.6mm 取b2=15mm

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2.4 中心轴的设计

（1） 中轴的材料选择,确定许用应力

考虑到轴主要起定位作用，只承受部分弯矩，为空心轴，因此只需校核轴的刚度即可。

选用45号钢，正火处理，??b??600Mpa，（2） 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 d1=15mm,

d2与轴承配合，轴承类型为推力球轴承，型号为51203， d=17mm,d1=19,T=12mm,D=35mm 所以d2=17mm

d3与轴承配合，轴承类型为推力球轴承，型号为51204， d=25mm,d1=27mm,T=15mm,D=47mm 分配各轴段的长度L1=80mm,L2=93mm,L3=20mm （3） 轴的校核

轴横截面的惯性矩：

??b??1?55Mpa

I??64(D4?d4)?1993.16mm

车床切削力F=2KN,E=210GPa

ql32?103?1953?4????5.9?10 ?B?? 36EI6?210?10?1993.16qa32?10?1453y??(4l?a)??(4?195?145)??8.44?103mm

24EI24?210?1993.16因此：

?B＜［?B］ y＜［y］

中心轴满足刚度条件。

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2.5 齿盘的设计

（1） 齿盘的材料选择和精度等级

上下齿盘均选用45号钢，淬火，180HBS。初选7级精度等级 （2） 确定齿盘参数

考虑齿盘主要用于精确定位和夹紧，齿形选用三角齿形，上下齿盘由于需相互啮合，参数可相同。

当蜗轮轴旋转150°时，上刀架上升5mm，齿盘的齿高取4mm

?c*)m由 h?(2ha*

得算式 4=（2×1+0.25）m，标准值ha*=1.0, c*=0.25。求出m=1.78mm,取标准值m=2mm。故齿盘齿全高h=（2ha*+c*）m=(2×1+0.25)×2=4.5mm。

取齿盘内圆直径d为120mm，外圆直径为140mm，齿顶高 ha=ha*m=1×2=2m 齿根高 hf=(ha*+c*)m=2.5mm

齿数z=38，齿宽b=10mm，齿厚s??m2?3.14mm，齿盘高为5mm。 （3） 按接触疲劳强度进行计算

1）确定有关计算参数和许用应力

?3p1?660?10?0.75?9.55?10?17906.25N?mm T?9.55?10n2462）取载荷系数kt=1.5

3）由文献表9-12取齿宽系数Фd=1.0

4）由表9-10查得材料的弹性影响系数Ze=189.8mpa，取ａ=20°，故ZH=2.5 5）查表取бHlim1=380，取бHlim2=380

6）Lh=60×24×1×(8×300×15)。N2=5.18×107 7）由图9-35查得接触疲劳寿命系数ZN1=1.1 ，ZN2=1.1 8）计算接触疲劳需用应力 取安全系数SH=1。

??H1? ??H2?

ZN1?Hlin1?362MPa SHZN1?Hlin1?362MPa SH14

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（4）按齿根抗弯强度设计

抗弯强度的设计公式为 m?32kT1YFaYSa() 2?dZ1??F?确定公式内的各参数数值。

1）由文献图9-37查得，抗弯疲劳强度极限

?Flim1??Flim2?160MPa

YFa1?2.63,YFa2?2.63YSa1?1.65,YSa2?1.652）由文献图9-38查得，抗弯疲劳寿命系数YN1=1.0，YN2=1.0 3）查图取：

4）计算抗弯疲劳许用应力，取抗弯疲劳安全系数SF=1.4

??F1????F2??YN1?FLIM1?256MPa SF5）弯曲疲劳强度验算

?F1??F2?2k?2?1.5?17906.25?YFa1?YSa1??2.63?1.65?46MPa???F1?。 bd1m10?120?2故满足弯曲疲劳强度要求

2.6 轴承的选用

圆锥滚子轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。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，只要根据具体工作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。 （1） 轴承的类型

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，因此选用调心性能比较好的深沟球轴承。此类轴承可以同时承受径向载荷及轴向载荷，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为：6203 （2）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

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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。 （3）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。

3.电气控制部分设计

3.1 中央处理单元MS-89C51

（1）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。

（2）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

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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。 4) 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。

3.2 MCS-51单片机的工作方式

MCS-51系列单片机共有复位、程序执行、低功耗、编程和校验四种工作方式，下面介绍前三种.

1)复位方式:单片机对复位信号的要求：一是复位信号为高电平，二是复位信号有效持续时间不少于24个振荡脉冲（两个机器周期）以上。在这里特别要提醒的是，在一个应用系统中，如果有几片单片机同时工作，在程序上有连接关系，系统复位时，应确保每一片单片机同时复位。复位信号由单片机的RST引脚输入，复位操作有上电自动复位、按键复位和外部脉冲复位三种方式，见图2.5所示。随着单片机技术的发展，目前有些单片机内部带有看门狗电路，当程序进行出错或进入了无休止循环时，看门狗电路将利用软件强行使系统复位。

2)程序执行方式:程序执行方式是单片机的基本工作方式。系统复位PC=0000H，程序从0000H开始执行，考虑到单片机存储器结构的特殊性（0003H-0002BH共四十个单元，预留用于中断程序），在0000H-0002H中放一条无条件转移指令，程序从指定的

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地址开始执行。配合程序调试，程序又可运行在单步、跟踪、全速运行三种执行方式。随着科学技术的发展，在线可编程（ISP）单片机已经走向应用，如STT89C58、AT89S51、AT89S52芯片，都具有在线可编程功能。 3)低功耗工作方式

MCS-51单片机有待机和掉电保护两种低功耗工作方式，单片机低功耗方式的设置是通过电源控制寄存器（PCON）的相关位来实现的。电源控制寄存器如下：

SMOD 波特率培增位，在串行通信时使用，用来辅助设置通信速度。 GF1 通用标志位1。 GF0 通用标志位0。

PD 掉电方式设置位，PD=1，进入掉电工作方式。 IDL 待机方式设置位，IDL=1，进入待机工作方式。

PCON是一个8位的寄存器，不具备位寻址功能，设置任意一位都要通过字节寻址命令。

如：进入掉电工作方式：MOV PCON，#02H

进入待机工作方式：MOV PCON，#01H

4)待机工作方式

(1）待机工作方式特征:系统进入待机工作方式，CPU停止工作，与CPU相关的特殊功能寄存器和全部通用寄存器被“冻结”在原状态，此时振荡器仍在工作，中断功能继续存在。

(2）进入待机工作方式设置:要使系统进入待机工作方式，只要寄存器PCON中的IDL=1即可。指令 MOV PCON，#01H 实现待机工作方式设置。

(3)退出待机工作方式:在待机工作方式下，通过引入外中断信号的方法，使待机工作方式退出。单片机在响应外部中断时，PCON．0位（IDL）被硬件自动清“0”。这样在中继服务程序中只要用返回指令（RETI）即可使系统恢复正常工作。 5)掉电工作方式

(1）掉电工作方式的特征:单片机进入掉电工作方式，只有内部RAM单元的内容被保存，其它一切工作都停止。

(2）掉电工作方式设置:要使系统进入掉电工作方式，只要寄存器PCON中的PD=1即可。指令 MOV PCON，#02H 实现掉电工作方式设置。

(3）掉电工作方式退出:当电源恢复正常后，只要硬件复位信号维持10ms以上，即能使单片退出掉电保护工作方式。

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3.3端口扩展单元8255的介绍

8255可编程并行输入/输出接口芯片是Intel公司生产的标准外围接口电路。它采用NMOS工艺制造,用单一＋5V电源供电,具有40条引脚,采用双列直插式封装。它有A、B、C3个端口共24条I/O线，可以通过编程的方法来设定端口的各种I/O功能。由于它功能强,又能方便地与各种微机系统相接,而且在连接外部设备时,通常不需要再附加外部电路,所以得到了广泛的应用。 8255的内部结构:

8255的内部结构如图5―1所示,由以下几部分组成。

数据端口A、B、C 8255有3个8位数据端口,即端口A、端口B和端口C。编程人员可以通过软件将它们分别作为输入端口或输出端口，不过这3个端口在不同的工作方式下有不同的功能及特点，如表3-1所示。

图3-1 8255 的内部结构图

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A组和B组控制电路:

这是两组根据CPU的命令字控制8255工作方式的电路。它们的控制寄存器先接受CPU送出的命令字,然后根据命令字分别决定两组的工作方式,也可根据CPU的命令字对端口C的每1位实现按位“复位”或“置位”。 A组控制电路控制端口A和端口C的上半部(PC7~PC4)。 B组控制电路控制端口B和端口C的下半部(PC3~PC0)。

表3-1 8255 端口功能表

8255的芯片引脚

8255是一种有40个引脚的双列直插式标准芯片,其引脚排列如图5―2所示。除电源(＋5V)和地址以外,其它信号可以分为两组： (1)与外设相连接的有： PA7~PA0：A口数据线 PB7~PB0：B口数据线 PC7~PC0：C口数据线 (2)与CPU相连接的有：

D7~D0：8255的数据线,和系统数据总线相连。

RESET:复位信号,高电平有效。当RESET有效时,所有内部寄存器都被清除,同时,3个数据端口被自动设为输入方式。

片选信号,低电平有效。只有当有效时,芯片才被选中,允许8255与CPU交换信息。 读信号,低电平有效。当有效时,CPU可以从8255中读取输入数据 8255 的工作方式

8255有3种工作方式,即方式0、方式1和方式2,这些工作方式可用软件编程来指定。

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3种工作方式的传送示意图如图3-3所示。

图3-2 8255 的芯片引脚图

图3-3 8255 的3种工作方式

(a)方式0； (b)方式1； (c)方式2

方式0(基本输入/输出方式) 方式1(选通输入/输出方式)

方式1下A口、B口均为输入,在方式1下,A口和B口均工作在输入状态时,需利用C口的6条线

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机电一体化课程设计计算说明书 作为控制和状态信号线,其定义如图3-4(a)所示。 C口所提供的用于输入的联络信号有：

① (Strobe)：选通脉冲信号(输入),低电平有效。当外设送来信号时,输入的数据被装入8255的输入锁存器中。

②IBF(InputBufferFull)：输入缓冲器满信号(输出),高电平有效。此信号有效时,表示已有一个有效的外设数据锁存于8255的口锁存器中,尚未被CPU取走,暂不能向接口输入数据,它是一个状态信号

③INTR(InterruptRequest)：中断请求信号(输出),高电平有效。当IBF为高、信号由低变高(后沿)时,该信号有效,向CPU发出中断请求。

方式1 数据输入过程如下：当外设的数据准备好后,发出信号,输入的数据被装入锁存器中，然后IBF信号有效(变为高电平)。 数据输入操作的时序关系如图3-4所示。

图3-4方式1下的信号定义

(a)A口、B口均为输入时；(b)A口、B口均为输出时

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机电一体化课程设计计算说明书 图3-5 方式1下的输入时序

方式1下A口、B口均为输出

与输入时一样,要利用C口的6根信号线,其定义如图5―4(b)所示。用于输出的联络信号有：

(1)(Acknowledge)：外设响应信号(输入),低电平有效。 (2)(OutputBuffeFull)：输出缓冲器满信号(输出),低电平有效。 (3)INTR：中断请求信号(输出),高电平有效。 方式1下数据输出过程如下：

当外设接收并处理完1组数据后,发回响应信号。

数据输出操作的时序关系如图3-6所示。应当指出,当8255的A口与B口同时为方式1的输入或输出时,需使用C口的6条线,C口剩下的2条线还可以用程序来指定数据的传送方向是输入还是输出,而且也可以对它们实现置位或复位操作。当一个口工作在方式1时,则C口剩下的5条线也可按照上述情况工作。

图3-6 方式1下的输出时序

方式2

8255只有A口具有这种双向输入输出工作方式,实际上是在方式1下A口输入输出的结合。在这种方式下,A口为8位双向传输口,C口的PC7~PC3用来作为输入/输出的同步控制信号。在这种情况下,B口和PC2~PC0只能编程为方式0或方式1工作,而C口剩下的3条线可作为输入或输出线使用或用作B口方式1之下的控制线。

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图3-7 方式2下的信号定义

在方式2时,其输入输出的操作时序如图3-8所示。 1) 输入操作

当外设向8255 送数据时,选通信号STBA[TX-]也同时送到,选通信号将数据锁存到8255A的输入锁存器中,从而使输入缓冲器满信号IBFA成为高电平(有效),告诉外设,A口已收到数据。选通信号结束时,使中断请求信号为高,向CPU请求中断。 2)输出操作

CPU响应中断,当用输出指令向8255的A端口中写入一个数据时,会发出写脉冲信号。

图3-8 方式2下的时序图

8255与系统的连接

由于8255是Intel公司专为其主机配套设计制造的标准化外围接口芯片,因此它与MCS-51单片机的连接是比较简单方便的。

一般来说,MCS-51单片机扩展的I/O接口均与片外RAM统一编址。由于单片机系统片外RAM的实际容量一般均不太大,远远达不到64KB的范围,因此I/O接口芯片大多采用部分译码的方法,而用得比较多的则是直接利用地址线的线选法。这种方法虽然要浪费大量的地址号,但译码电路比较简单。图3-9就是一种较常用的连接实例。

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图3-9 8255 与8031的连接

图3-9中,P0口为地址/数据复用口。数据通过P0口直接传送,地址的低8位是需通过锁存器74LS373得到的,而地址的高8位则由P2口传送。

现采用线选法,利用高8位地址线的P2.7作为线选信号,直接与8255A的片选端 相连,而A1、A0则与地址的最末2位相连。由图5―10所示接法,可得到8255A各个端口的地址,如表3-3所示。

表3-3 8255A各端口的地址

3.4 硬件电路设计

（1）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,如图示收信电路 图a中,发信盘上的4只霍尔开关,都有三个引脚,第1脚接+12V电源,第2脚接+12V地,第3脚为输出.转位时刀台带动磁铁旋转,当磁铁对准某以个霍尔开关时,其输出端第3脚输出低电平;当磁铁离开时,第3脚输出高电平.4只霍尔开光输出的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为刀架电动机正反控制电路,I/O接口芯片8255的PA6A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 为反转继电器的线圈.因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

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可以选用大功率直流继电器，而不必采用继电器-接触器控制电路，以节约成本,较低故障率。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,以防操作系统失控时导致短路现象。KA1与KA2的触点接通380V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,以抑制火花产生。

1.5kΩ×4TLP521-1×4

3#刀台旋转方向1#刀位信号

4#2#NS磁铁 2#刀位信号

1#4只霍尔开关3#刀位信号（UGN3120U） 1 2 3第1脚：+12V电源第2脚：+12V地线 第3脚：4个刀位信号输出4#刀位信号 （T1-T4）

a b (~380V)L1 L2 L3

TLP521-1560Ω KA1正转8225-PA6 560ΩTLP521-1 8225-PA7d

c

电气化原理图

a)发信盘上的霍尔元件 b）刀位信号的处理 c)刀架电机正反转控制 d）刀架电动机正反转

电动刀架发信盘2.2kΩ×48225-PC48225-PC58225-PC68225-PC7KA2反转灭弧阻容参数：R=100Ω/3wc=0.1μF/100V

3.5 控制软件设计

对于四工位自动回转刀架来说,它最多装4把刀具,设计控制软件,使其选中任意以把刀具 ,让其转到工作位置, 设控制系统的 CPU为AT89C51单片机,扩展8255芯片作为自动回转刀架的收信与发信控制,已知8255芯片的控制地址2FFFH，则汇编程序清单如下

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换1#刀的流程图

设控制系统的CPU为AT89C51单片机，扩展8255芯片作为自动回转刀架的收信与控制，已知8255芯片的控制口地址为2FFEH,汇编程序清单如下： ORG 2FFFH

MOV DPTR,#2FFEH ;指向8255的PC口 MOVX A,@DPTR ；读取PC口的内容

CJNE @R1,#4,TY1 ;R1里为想换的刀号，要不与#4相等则转移到TY1

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 AJMP TY4

TEND: LJMP T ;无条件调转到T处

TY1: CJNE @R1,#5,TY2 JNB ACC.5,TEND

AJMP TY4

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TY2: CJNE @R1,#6,TY3

JNB ACC.6,TEND AJMP TY4

TY3: JNB ACC.7,TEND

TY4: 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 ; MOVX @DPTR,A ; CALL DE ;TY01: MOV DPTR,#2FFEH ; MOVX A,@DPTR CJNE @R1,#4,T21 JNB ACC.4,TY21 AJMP T24

T21: CJNE @R1,#5,T22

JNB ACC.5,TY21 AJMP T24

T22: CJNE @R1,#6,T23

JNB ACC.6,TY21 AJMP T24

T23: JNB ACC.7,TY21

T24: CALL DE ;TY10: MOV DPTR,#2FFEH ;MOVX A,@DPTR CJNE @R1,#4,T31 JNB ACC.4,TY21 AJMP T34

T31: CJNE @R1,#5,T32

JNB ACC.5,TY21 AJMP T34

令PA7=0,刀架电动机反转无效

刀架电动机开始正转 延时20ms

第一次读取8255的PC口 PC口的内容

延时20ms

第二次读取8255的PC口

；读取PC口的内容 ；刀号判断 28

；读取；刀号判断 机电一体化课程设计计算说明书

T32: CJNE @R1,#6,T33

JNB ACC.6,TY21 AJMP T34

T33: JNB ACC.7,TY21

T34: CALL DE ;延时20ms

TY11: MOV DPTR,#2FFEH ;第三次读取8255的PC口

MOVX A,@DPTR ；读取PC口的内容 CJNE @R1,#4,T41 JNB ACC.4,TY21 AJMP TY21

T41: CJNE @R1,#5,T42

JNB ACC.5,TY21 AJMP TY21

T42: CJNE @R1,#6,T43

JNB ACC.6,TY21 AJMP TY21

T43: JNB ACC.7,TY21

TY21: MOV DPTR,#2FFCH ;MOVX A,@DPTR ; SETB ACC.6 ; SETB ACC.7 ;MOVX @DPTR,A ;CALL DE1 ;CLR ACC.7 ;SETB ACC.6 ;MOVX @DPTR,A ; CALL DE1 ; SETB ACC.6 ; SETB ACC.7 ; MOVX @DPTR,A ;T: RET ；刀号判断 指向PA口

读取PA口锁存器内容

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 延时150ms

令PA7=0,刀架电动机反转有效 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150ms 令PA6=1,刀架电动机正转无效 令PA6=1,刀架电动机反转无效 刀架电动机停转 ；换刀结束

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DE: MOV R7,#200 ；定时程序20ms DEL1: MOV R6,#125 DEL2: DJNZ R6,DEL2

DJNZ R7,DEL1

DE1: MOV R7,#200 ;定时程序150ms

MOV R5,#3

DEL11: MOV R6,#100 DEL12: DJNZ R6,DEL12

DJNZ R7,DEL11 DJNZ R5,DEL11 END

在清楚了自动回转刀架的机械结构、电气控制电路，并完善编制刀架自动转位的控制软件后，自动回转刀架的换刀就可由控制电路和驱动系统来实现。

4. 刀架体的设计

刀架体设计首先要考虑刀架体内零件的布置及与刀架体外部零件的关系，应考虑以下问题：

(a) 满足强度和刚度要求。因为刀架体的刚度不仅影响传动零件的正常工作，而且还影响部件的工作精度。

(b) 结构设计合理。如支点的安排、开孔位置和连接结构的设计等均要有利于提高刀架体的强度和刚度。

(c) 工艺性好。包括毛坯制造、机械加工及热处理、装配调整、安装固定、吊装运输、维护修理等各方面的工艺性。

(d) 造型好、质量小。 刀架体的常用材料有：

铸铁，多数刀架体的材料为铸铁，铸铁流动性好，收缩较小，容易获得形状和结构复杂的箱体。铸铁的阻尼作用强，动态刚性和机加工性能好，价格适度。加入合金元素还可以提高耐磨性。 铸造铝合金，用于要求减小质量且载荷不太大的箱体。多数可通过热处理进行强化，有足够的强度和较好的塑性。 我所设计的下刀架体采用HT150铸造。

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总 结

本次设计采用了四工位刀架，通过电机驱动，涡轮蜗杆的传动，有效的实现了缩短辅助时间,减少多次安装零件引起的误差。本次设计的四工位自动回转刀架结构比较简单，满足时间短,刀具重复定位精度够,足够的刀具存储以及安全可靠等基本要求。

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和减少刀架在切削力作用下的位移变形，提高加工精度。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，加工过程中刀架部位要进行人工调整，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高的重复定位精度（一般为0.001～0.005mm)。

设计过程中所涉及的内容有机械设计、传动和电器控制三个方面的知识，也遇到许多难点如下：

一、机械部分难点 1、齿盘的加工

齿盘是用于精定位的一部分，如果齿盘加工不准确，就不能准确定位。 解决方法是：先加工齿盘后加工夹刀体，就能准确定位。 2、反靠盘

反靠盘是用于精定位的另一部分，反靠盘与齿盘完成精定位，如果反靠盘与 齿盘的位置不能保证，就不能完成精定位。 解决方法：用螺钉来定位反靠盘。 3、涡轮蜗杆

涡轮蜗杆是传递动力的，如果选择尺寸过大占地面积大，如果选择尺寸过小 传递力就小选择电机功率就大，所以要经过计算选择合理值。 4、螺杆与螺母

要正确选择螺纹升角，再转过一定角度时应能使上下盘齿分开，实现换刀旋 转。

5、上盖圆柱销

倒角的大小设计应合理，如果设计过大会使上盖圆盘带动夹刀体的力量减小 如果设计过小使圆柱销不能有效的脱离上盖圆盘而损坏零件。 6、上盖圆盘

上盖圆盘要与螺杆同步，所以要用圆柱销定位，来完成动力的传递达到同步。 7、霍尔元件的安装

如果安装位置不对，就不能正确检测到信号，无法判断刀具位置，所以要用 磁铁架底座来固定。 二、电气部分的难点 1、霍尔元件的选择

元件的工作电压选择，机床的供电电压是12伏，还有尺寸的选择要合理。

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2、电压波动带来的干扰

如果将霍尔元件测量的信号直接连到机床就会产生错误信号。 解决方法：使用光电耦合器将霍尔元件与接收起隔离，防止干扰。 3、电动机的选择

选择的是三相异步电动机，旋转刀架的作用是转过一定角度达到换刀的作用 在尺寸小的前提下要有一定的输出力矩，所以不用同步电机而选择异步电机。 4、控制部分的选择

刀架靠旋转来达到换刀，所以只要能控制刀位的判断就能控制刀架旋转，所以 我选择中央处理单元MS-89C51扩展单元8255来控制。 5、换到的控制过程

选择合理的换刀程序，可以减少换刀时间，所以选择:刀具位置判断、刀架电 机旋转、刀具是否到位、电机停转、延时、电机反转、延时铺紧定位、结束。 6、防止产生电弧

所采有的是RC灭弧，就是在通和断的瞬间减少电弧。 7、三极管的保护

三极管是用于控制继电器，继电器在断电的时候会产生反向电压与电源电压相 叠加会使三极管反向电压过高击穿而损坏。

解决方法：采用续流二极管并联在继电器线圈两端，防止三极管损坏。

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参考文献

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