四工位立式回转刀架机电系统设计及仿真毕业设计论文

太原工业学院毕业MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1713486187685_3 毕业设计 四工位立式回转刀架机电系统设计及仿真 四工位立式回转刀架机电系统设计及仿真 摘要：本设计是基于Pro/E数控机床的自动回转刀架的仿真。主要的工作可以分成两部分，一部分是机构仿真，另一部分是电气控制。机构仿真是先对四工位立式回转刀架的工作原理的分析和对零件进行结构设计，其中主要的传动部件如蜗轮蜗杆、螺杆还做了强度校核，再对设计出的结构在Pro/E中建模、组装，组装的过程中需要对零件做不同的预定义约束集设置，如螺杆与螺母之间的组装需要经过圆柱、槽、平面等约束集,组装之后做机构的仿真运动；电气控制是把程序导入到8255单片机中来控制刀架电动机中的两个继电器，从而实现对刀架的正反转控制,并通过限位开关的开关信号来控制电机的停转，达到自动换刀。 关键词：自动回转刀架，蜗轮蜗杆，螺杆，仿真 Design and Simulation of vertical rotary cutter electromechanical system with four stations Abstract：This design is the simulation of automatic rotary turret of NC machine tool based on Pro/E. Its main work can be divided into two parts, one part is the mechanism simulation, and the other part is the electrical control. Firstly Mechanism simulation analyzes the working principle of the four station vertical rotary turret, then it design components in accordance with its structure. Its main transmission components, such as worm gear, screw are checked in strength. Secondly, predefined constraint are set differently in the process of molding and assembling of parts in Pro/E. For example, assembling between the screw and the nut requires constraint set beyond the cylinder, tank, and plane. After assembling, it does structural simulation motion. Electric control is to import program into 8255 MCU to control the two relays tool motor, so as to achieve positive-negative control. Whereby, through the signal of limit switch, it controls the motor stalling which helps to achieve the automatic tool change. Keywords: automatic rotary tool, worm gear and worm ,screw, simulation 目 录 1 前言 1 1.1 概述 1 1.2 数控车床自动回转刀架发展趋势 1 1.3 数控刀架的基本要求 1 1.4 本设计的目的及意义 1 2 机械设计 1 2.1 总体结构设计 1 2.1.1 减速传动机构设计 1 2.1.2 上刀体锁紧与精定位机构设计 1 2.1.3 刀架抬起机构的设计 1 2.2 自动回转刀架的工作原理 1 2.3 主要传动部件的设计 1 2.3.1 蜗杆副的设计计算 1 2.3.2 螺杆的设计计算 1 2.4 刀架体的设计 1 3 电气控制部分设计 1 3.1 收信电路 1 3.2 发信电路 1 4 基于Pro/E的零件建模及仿真 1 4.1 Pro/E的简介 1 4.1.1 参数化设计 1 4.1.2 基于特征建模 1 4.1.3 单一数据库 1 4.1.4 直观装配管理 1 4.2 零件的建模 1 4.2.1 Pro/E中常用的的命令 1 4.2.2 一些主要零件的建模 1 4.3 组装 1 4.3.1 组装过程中的预定义约束集 1 4.3.2 组装图 1 总 结 1 参考文献 1 致 谢 1 I II 1 前言 1.1 概述 自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响机床的加工性能。刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的成本造价产生直接影响。 数控刀架是数控车床最普遍的一种辅助装置，它可使数控车床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度。因此数控机床上的刀架是安放刀具的重要部件，刀架用于夹持切削用的刀具，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架，转塔车床的转塔刀架，回轮式转塔车床的回轮刀架，自动车床的转塔刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力作用，所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。随着自动化技术的发展，机床的刀架也有了许多变化，特别是数控车床上采用电(液)换位的自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，定现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。因此，刀架的性能和结构往往直接影响到机床的切削性能、切削效率和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。其中，带刀库的数控加工中心自动换刀装置自1958年研制成功以来，其机械结构和控制方式不断得到改进和完善，形式多种多样，目前常见的有更换主轴头换刀以及带刀库的自动换刀系统。而且随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求量越来越大。在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀系统的造价在机床整机造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普遍的重要原因。如果把自动换刀系统的设计制造从现有加工中心的制造模式中分离出来，把它作为加工中心的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 件或附件组织专门化的生产，同时由于该项技术的应用简化了机床主轴结构、采用弹簧夹头和外驱动机械手等关键技术、采用圆柱柄刀具和辅具，这不仅使数控机床工作性能有所提高，而且使得由它配套构成的加工中心的总体造价大幅度下降。低造价高性能的加工中心将会被中小厂广泛接收，这样必将给自动换刀系统生产厂商和加工中心制造厂商带来巨大的经济效益 1.2 数控车床自动回转刀架发展趋势 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。其中数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。 STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75％）、加工程序编制时间（约35％）和加工时间（约50％）。  　　目前国内数控刀架以电动为主，分为立式（如图1.1）和卧式（如图1.2）两种。立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。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。 目前数控刀架所追求的目标有两个：一是高速、可靠，追求的目标是换刀时间尽量的短，以换取加工中心和车削中心的高效性；二是，简单实用、造价低、使用可靠，但换刀速度不快。 图1.1 立式回转刀架 图1.2 卧式回转刀架 1.3 数控刀架的基本要求 （1） 换刀时间短，以减少非加工时间。 （2） 减少换刀动作对加工范围的干扰。 （3） 刀具重复定位精度高。 （4） 识刀、选刀可靠，换刀动作简单可靠。 （5） 刀库刀具存储量合理。 （6） 刀库占地面积小，并能与主机配合，使机床外观协调美观。 （7） 刀具装卸、调整、维修方便，并能得到清洁的维护。 1.4 本设计的目的及意义 本次设计的要点是理解四工位立式回转刀架的工作原理，重点则是基于Pro/E对四工位立式电动回转刀架进行的仿真，在Pro/E这个三维建模软件中对那些主要的传动部件进行建模，之后再遵循传动的条件进行组装，最后进行机构动画仿真。 本次设计的意义所在就是能够让读者们更为容易地明白四工位立式电动回转刀架是如何工作的，能够进一步地了解四工位立式电动回转刀架的工作原理。 2 机械设计 2.1 总体结构设计 2.1.1 减速传动机构设计 普通的三项异步电动机因为转速太快，所以不能直接驱动刀架进行换刀，必须要经过适当的减速才行。根据立式转位刀架的结构特点，因此采用蜗杆-蜗轮副减速是最佳的选择。蜗杆-蜗轮副传动不仅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，并且也具有自锁功能，还可以实现整个装置的小型化。 2.1.2 上刀体锁紧与精定位机构设计 由于刀具是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都将直接影响工件的加工精度。所以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，上下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴旋转；换刀时电动机正转，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。 2.1.3 刀架抬起机构的设计 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-蜗轮带动螺杆绕中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动，要么就上下移动。当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互啮合，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。当端面齿脱离啮合时，上刀体就与螺杆一起转动。 设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定的角度时，使得上刀梯与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。 如下图2.1为自动回转刀架的传动机构示意图。 图2.1 自动回转刀架的传动机构示意图 1-发信盘 2-推力轴承 3-螺杆螺母副 4-端面齿盘 5-反靠圆盘6-三相异步电动机 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 2.2 自动回转刀架的工作原理 自动回转刀架的换刀流程如下图2.2所示。 蜗杆-蜗轮减速 销连接 刀架电动机正转 上盖圆盘旋转 螺杆正转 上刀体抬起 螺杆-螺母 端面齿错开 霍尔元件触发 上刀体旋转 到位回答 圆柱销落入上盖圆 盘 反靠销反靠端面齿啮合 蜗杆-蜗轮减速 刀架电动机旋转 螺杆反转 上刀体下降，粗定位 精定位 延时锁紧 电动机停转 图2.2 自动回转刀架的换刀流程 下面的图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起着重要作用。 当刀架处于锁紧状态时，两销的情况如图2.3（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啮合状态（上下端面齿在图2.3（a）中未画出）。 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4逐渐抬起，上刀体4与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘1也随着螺杆正向转动（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2.3（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2.3（c）所示。 上刀体4带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上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2.3（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，二上盖圆盘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啮合，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。 由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可以稳定地工作。 （a） （b） （c） （d） 图2.3 刀架转位过程中销的位置 （a）换到开始时，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槽内，上盖圆盘1将带动圆柱销2以及上刀体4一起转动 （c）上刀体4连续转动时，反靠销6可从反靠圆盘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 2.3 主要传动部件的设计 2.3.1 蜗杆副的设计计算 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联，刀架转位时蜗轮与上刀体直联。已知电动机额定功率。,额定转速，上刀体设计转速，蜗杆副的传动比。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向转动，因此所受工作载荷不均匀，启动时冲击比较大，现如今要求蜗杆副的使用寿命。 （1） 蜗杆的选型 GB/T10085----1988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)。 （2） 蜗杆副的材料 刀架中的蜗杆副传动的功率不大，但蜗杆转速较高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要淬火，硬度为45～55HRC,以提高其表面耐磨行；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） 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，进行载荷计算时，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 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 (2-1) 式中 a——蜗杆副的传动中心距，单位； K——载荷系数； ——作用在蜗轮上的转矩，单位； ——弹性影响系数； ——许用接触应力，单位为。 从式（2-1）算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比， 查表2.1选择一个合适的中心距a值，以及相应的蜗杆，蜗轮参数。 表2.1 普通圆柱蜗杆基本尺寸和参数及其与蜗轮参数的匹配 中心距a/mm 模数 m/mm 分度直径/mm / 蜗杆 头数 直径 系数q 分度圆导程角 蜗轮齿数 变位系数 40 50 1 18 18 1 18.00 62 82 0 0 40 1.25 20 31.25 1 16.00 49 -0.500 50 63 22.4 35 17.92 62 82 +0.040 +0.440 50 1.6 20 51.2 1 12.50 51 -0.500 2 4 63 80 28 71.68 1 17.50 61 82 +0.1215 +0.250 40 (50) (63) 2 22.4 89.2 1 11.20 29 (39) (51) -0.100 (-0.100) (+0.400) 2 4 6 80 100 35.5 142 1 17.75 62 82 +0.125 50 (63) (80) 2.5 28 175 1 11.20 29 (39) (53) -0.100 (+0.100) (-0.100) 2 4 6 100 45 281.25 1 18.00 62 0 63 (80) (100) 3.15 35.5 352.25 1 11.27 29 (39) (53) -0.1349 (+0.100) (-0.3889) 2 4 6 125 56 555.66 1 17.778 62 -0.2063 80 (100) (125) 4 40 640 1 10.00 31 (41) (51) -0.500 (-0.500) (+0.750) 2 4 6 160 71 1136 1 17.75 62 +0.125 ① 确定作用在蜗轮上的转矩 设蜗杆头数，蜗杆副的传动效率，由电动机的额定功率，可以算出蜗轮传动的功率，再由蜗轮的转速求得作用在蜗轮上的转矩 （2-2） ② 确定载荷系数K 载荷系数。其中为使用系数，有表2.2查得，由于工作载荷不均匀，启动时冲击较大，因此取；为齿向分布系数，因工作载荷在启动和停止时有变化，故取；为动载系数，由于转数不高。冲击不大，可取。则载荷系数： （2-3） 表2.2 使用系数 工作类型 I II III 载荷性质 均匀、无冲击 不均匀、小冲击 不均匀、大冲击 每小时起动次数 <25 25-50 >50 起动载荷 小 较大 大 1 1.15 1.2 ③ 确定弹性影响系数 铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查的弹性影响系数 ； ④ 确定接触系数 先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值。查图2.4得。 图2.4 圆柱蜗杆传动的接触系数 ⑤ 确定许用接触应力 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1金属模制造蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC可查表2.3的蜗轮的基本许用应力=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；蜗轮转数=24r/min；蜗杆副的使用寿命=10000h。 则应力循环次数： （2-4） 寿命系数： 许用接触应力： （2-5） 表2.3 铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力'(MPa) 蜗轮材料 铸造 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 蜗杆螺旋面的硬度 ≤45HRC >45HRC 铸锡磷青铜 砂模铸造 150 180 金属模铸造 220 268 铸锡锌铅青铜 砂模铸造 113 135 金属模铸造 128 140 ⑥ 计算中心距 将以上各参数带入（2-1），求得中心距： 查表取，已知蜗杆头数，设模数，得蜗杆分度圆直径。这时，查表得接触系数。因为较大，所以上述计算结果可用。 （4） 蜗杆和蜗轮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，算的蜗杆和蜗轮的主要几何尺寸后，即可绘制蜗杆副的工作图。 ① 蜗杆的参数与尺寸 头数，模数，轴向齿距 轴向齿厚，分度圆直径， 直径系数， 分度圆导程角。 取齿顶高系数，径向间隙系数， 则齿顶圆直径 齿根圆直径。 ② 蜗轮参数与尺寸 齿数，模数， 分度圆直径为， 变位系数， 蜗轮喉圆直径为， 蜗轮齿根圆直径， 蜗轮咽喉母圆半径。 （5） 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 即检验下式是否成立： （2-6） 由蜗杆头数，传动比，可以计算出蜗轮齿数 则蜗轮的当量齿数： （2-7） 根据蜗轮变位系数和当量齿数，查图2.5的齿形系数 图2.5 蜗轮的齿形系数 螺旋角影响系数 根据蜗轮的材料和制造方法，查表2.4得蜗轮基本许用弯曲应力： 蜗轮的寿命系数： 蜗轮的许用弯曲应力： 将数据带入得： 可见，，蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。 表2.4 蜗轮的基本许用弯曲应力（MPa） 蜗轮材料 铸造方法 单侧工作 双侧工作 铸锡磷青铜 砂模铸造 40 29 金属模铸造 56 40 铸锡锌铅青铜 砂模铸造 26 22 金属模铸造 32 26 铸铝铁青铜 砂模铸造 80 57 金属模铸造 90 64 灰铸铁 HT150 砂模铸造 40 28 HT200 砂模铸造 48 34 2.3.2 螺杆的设计计算 （1） 螺距的确定 刀架转位时，要求螺杆在转动约 的情况下，上刀体的端面齿与下刀体的端面齿完全脱离;在锁紧的时候，要求上下端面的啮合深度达2mm。因此，螺杆的螺距P应满足，今取螺杆的螺距。 （2） 确定其他参数 采用单头梯形螺杆，头数，牙侧角，外螺纹大径（公称直径），牙顶间隙，基本牙型高度，外螺纹牙高，外螺纹中径，外螺纹小径，螺杆螺纹部分长度。 （3） 自锁性能校核 螺杆-螺母材料均用45钢，查表2.5取摩擦系数；再求得梯形螺旋副的当量摩擦角： 表2.5 滑动螺旋副材料的许用压力及摩擦因素 蜗杆-螺母的材料 滑动速度/ 许用压力/MPa 摩擦因素 钢-青铜 低速 18～25 0.08～0.10 ≤3.0 11～18 6～12 7～10 ＞15 1～2 淬火钢-青铜 6～12 10～13 0.06～0.08 钢-铸铁 <2.4 13～18 0.12～0.15 6～12 4～7 钢-钢 低速 7.5～13 0.11～0.17 而螺纹升角： 小于当量摩擦角。因此所选几何参数满足自锁条件。 2.4 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： (1) 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。 (2) 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。 (3) 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。 (4) 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。 3 电气控制部分设计 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。 3.1 收信电路 图3.1中发信盘上的4只霍尔开关（型号为UGN3120U），都有3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，当磁铁对准某一个霍尔开关时，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只霍尔开关输出的4个刀位信号T1～T4分别送到图3.2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8225的PC0～PC3。 图3.1 刀架发信盘的霍尔元件 第1脚：+12V电源 第2脚：+12V地线 第3脚：4个刀位信号输出 图3.2 刀位信号的处理 3.2 发信电路 图3.3刀架电动机正反转控制电路，I/O接口芯片8255A的PB6与PB7分别控制刀架电动机的功率只有80W，所以图3.4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-接触器控制电路，以节省成本，降低故障率。图3.3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，以防控制系统失控时导致短路现象。当KA1或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3.4中布置了3对R-C阻容用来灭弧，以抑制火花的产生。 图3.3 刀架电动机正反转控制 图3.4 刀架电动机正反转的实现 4 基于Pro/E的零件建模及仿真 4.1 Pro/E的简介 pro-e是Pro/Engineer的简称，更常用的简称是ProE或Pro/E，Pro/E是美国参数技术公司 （Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/E作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的模具和产品设计三维CAD/CAM软件之一。 从proe18版本开始引入中国市场后，PTC公司陆续推出了proe2000i、proe2000i^2、版本等版本，在2003年更是推出划时代的产品WildFire系列，从2003年开始陆续推出了WildFire、WildFire2.0、WildFire3.0、WildFire4.0，直到2009年推出WildFire5.0版本。 截至2010年的市场应用中，不同的公司还在使用Proe2001到WildFire5.0的各中版本，WildFire3.0和WildFire是目前的主流应用版本。Pro/Engineer软件系列都支持向下兼容但不兼容向上兼容，也就是新的版本可以打开旧版本的文件，但旧版本默认是无法直接打开新版本文件。虽然PTC提供了相应的插件以实现旧版本打开新版本文件的功能，但在很多情况下支持并不理想容易造成软件的操作过程中直接跳出。 在Pro/Engineer软件版本中，除了使用proe2001、Wildfire、WildFire2.0、WildFire3.0、WildFire4.0和WildFire5.0等主版本外在每一个主版本中还有日期代码的小版本区别，不同的日期代码代表主版本的发行日期顺序。通常每一个主版本中都会有C000、F000和Mxxx三个不同系列的日期代码，C000版代表的是测试版，F000是第一次正式版，而类似M010，M020...M200等属于成熟的正式发行版系列。M系列的版本可以打开C000和F000系列版本的文件，而C000版本则无法打开相同主版本的F000和Mxxx版本的Pro/Engineer文件，比如WildFire4.0 C000版本的Pro/Engineer将无法打开WildFire4.0 M060版本Pro/Engineer所创建的文件，但反过来则可以。 本次设计仿真中使用的软件是ProeWildfire 5.0。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。 Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。 4.1.1 参数化设计 相对于产品而言，可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。 4.1.2 基于特征建模 Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活，特别是在设计系列化产品上更是有得天独到的优势。 4.1.3 单一数据库 Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。 4.1.4 直观装配管理 Pro/Engineer的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“贴合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。 4.2 零件的建模 根据之前所进行的机械结构设计以及对一些参数的校核之后，就可以在Pro/E Wildfire 5.0之中进行建模。建模之前必须熟悉Pro/E Wildfire 5.0中的一些基本命令，在这我简单介绍几个命令。 4.2.1 Pro/E中常用的的命令 （1）基准命令 基准是指确定点、线、面所依据的哪些点、线、面，它们在建模过程中是确定其他点、线、面的依据。 基准是建模过程中不可或缺的、必须的特征。可以说，基准的正确、合理地建立是快速、准确建模的关键，每一位读者都必须熟练掌握各种基准的使用。而在基准命令中则包括基准面、基准轴、基准曲线、草绘基准曲线、基准点、坐标系统。 （2）拉伸命令 将绘制的截面沿给定方向和给定深度生成的三维特征称为拉伸特征。它适于构造等截面的实体特征。 操作方法： 拉伸图标---选择草绘基准面---绘制截面图---选择拉伸模式---选择加材料或减材料及其方向---输入深度---确定（提示：截面图应为一封闭图形）。 （3）旋转命令 旋转特征是由特征截面绕旋转中心线旋转而成的一类特征，它适合于构建回转体零件。 草绘旋转特征截面时，其截面必须全部位于中心线的一侧，倘若要生成实体特征，其截面必须是封闭的。 操作方法： 旋转图标---选择草绘面---选择参照面---作截面图---选择旋转模式---选择加材料或减材料---输入旋转角度---确定。 （4）扫描命令 扫描是将二维截面沿着指定的轨迹线扫描生成三维实体特征，使用扫描建立增料或减料特征时首先要有一条轨迹线，然后再建立沿轨迹线扫描的特征截面。 操作方法： 插入---扫描---伸出项（或切口）---绘制扫描轨迹（或选择扫描轨迹）---草绘扫描截面---确定。 （5）倒角命令 Pro/E提供两种方式的倒角，即边倒角和拐角倒角，并可对多边构成的倒角接头进行过渡设置。建立倒角的基本原则同倒圆角。 边倒角包括4种倒角类型： ① 45D：在距选择的边尺寸为D的位置建立45°的倒角，此选项仅适用于在两个垂直平面相交的边上建立倒角。 ② DD：距离选择边尺寸都为D的位置建立一倒角。 ③ D1D2：距离选择边尺寸分别为D1与D2的位置建立一倒角。 ④角度D：距离所选择边为D的位置，建立一个可自行设置角度的倒角。 （6）孔命令 在Pro/E中把孔分为“简单孔”、“草绘孔”和“标准孔”。除使用前面讲述的减料功能制作孔外，还可直接使用Pro/E提供的【孔】命令，从而更方便、快捷地制作孔特征。 在使用孔命令制作孔特征时，只需指定孔的放置平面并给定孔的定位尺寸及孔的直径、深度即可。 4.2.2 一些主要零件的建模 （1）螺杆的建模 ①零件的创建 在工具栏中单击文件/新建，在名称内输入luogan.prt, 取消 使用缺省模板 的选中记号，选择公制单位mmns_part_solid后单击； ②草绘的创建 在工具栏中单击按钮，弹出草绘对话框，如图4.1，选择“FRONT”面作为草绘平面，选取“RIGHT”面作为参考平面，参考方向为向“右”，单击【草绘】进入草绘环境； 图4.1 草绘框图 ③创建一个光轴 在草绘平面中画一个直径为40的圆，如图4.2， 图4.2 草绘圆 单击按钮，再在工具栏中单击按钮，拉伸长度为80，如图4.3，单击就行； 图4.3 拉伸轴 ④螺纹的创建 插入—螺旋扫描—伸出项，如图4.4 图4.4 螺旋扫描选项 弹出菜单管理器，如图4.5，单击完成， 图4.5 菜单管理器 选择TOP平面作为基准面，单击确定，选择缺省，如图4.6 图4.6 缺省图 单击上面工具栏的 草绘—参照，选择 侧影投影曲面F6（拉伸-1）作为参照，然后画出如下图4.7中的图形，之后点击按钮， 图4.7 螺旋收尾线 下图4.8是对图4.7中两端的圆弧放大的图形， 图4.8 圆弧放大图 输入节距值为10，如图4.9，再单击按钮； 图4.9 节距图 再画出如图4.10中的图形 图4.10 梯形图 再单击按钮，单击伸出项：螺旋扫描中的确定，就能看到下图4.11的图形 图4.11 螺纹图 ⑤螺纹的修改 再单击按钮，选择曲面：F6（拉伸-1），如图4.12，单击草绘 图4.12 草绘框图 接着绘画一个直径为50的圆，单击------ ，就把螺旋突出去的那部分给去掉了 ⑥键槽的创建 单击按钮，选择Right平面，平移距离为20，单击确定，得到基准平面DTM1，再单击按钮，选择DTM1作为草绘平面，单击确定，在绘画出图4.13中的图形 图4.13 矩形图 单击 -- --，把数值改为3，单击按钮，就得图4.14中的图形 图4.14 键槽 ⑦孔的创建 单击 按钮，选择螺杆任意其中一个端面，单击草绘，绘制一个直径为25的圆，单击-- -- ，将数值改为80，将方向改为朝螺杆的内部，单击就行，就能得到图4.15中的图形 图4.15 螺杆孔 ⑧着色--，选中螺杆的全部，单击确定，就能得到图4.16中的图形 图4.16 螺杆 （2）蜗杆的建模 图4.17 蜗杆 （2）蜗轮的建模 图4.18 蜗轮 （4）下刀体的建模 图4.19 下刀体 （5）上刀体的建模 图4.20 上刀体 4.3 组装 4.3.1 组装过程中的预定义约束集 预定义约束集定义了元件在组件中的运动。预定义的约束集包含用于定义连接类型（有或无运动轴）的约束。连接定义特定类型的运动。下面就是几种集的类型。 （1）刚性(Rigid) 连接两个元件，使其无法相对移动。可使用任意有效的约束集约束它们。如此连接的元件将变为单个主体。刚性连接集约束类似于用户定义的约束集。 （2）销钉(Rigid) 将元件连接至参照轴，以使元件以一个自由度沿此轴旋转或移动。选取轴、边、曲线或曲面作为轴参照。选取基准点、顶点或曲面作为平移参照。销钉连接集有两种约束：轴对齐和平面配对或对齐或点对齐。 （3）滑块(Slider) 将元件连接至参照轴，以使元件以一个自由度沿此轴移动。选取边或对齐轴作为对齐参照。选择曲面作为旋转参照。"滑块"(Slider) 连接集有两种约束：轴对齐和平面配对/对齐以限制沿轴旋转。 （4）圆柱(Cylinder) 连接元件，以使其以两个自由度沿着指定轴移动并绕其旋转。选取轴、边或曲线作为轴对齐参照。"圆柱"(Cylinder） 连接集有一个约束。 （5）平面(Planar) 连接元件，以使其在一个平面内彼此相对移动，在该平面内有两个自由度，围绕与其正交的轴有一个自由度。选取"配对"或"对齐"曲面参照。"平面"(Planar) 连接集具有单个平面配对或对齐约束。配对或对齐约束可被反转或偏移。 （6）球(Ball) 连接元件，使其可以三个自由度在任意方向上旋转 (360° 旋转)。选取点、顶点或曲线端点作为对齐参照。"球"(Ball) 连接集具有一个点对点对齐约束。 （7）焊接(Weld) 将一个元件连接到另一个元件，使它们无法相对移动。通过将元件的坐标系与组件中的坐标系对齐而将元件放置在组件中。可在组件中用开放的自由度调整元件。"焊接"(Weld) 连接有一个坐标系对齐约束。 （8）轴承(Bearing) "球"(Ball) 和"滑块"(Slider) 连接的组合，具有四个自由度。具有三个自由度(360°旋转) 和沿参照轴移动。对于第一个参照，在元件或组件上选择一点。对于第二个参照，在组件或元件上选择边、轴或曲线。点参照可以自由地绕边旋转并沿其长度移动。"轴承"(Bearing) 连接有一个"边上的点"对齐约束。 （9）一般 (General) 有一个或两个可配置约束，这些约束和用户定义集中的约束相同。相切、"曲线上的点"和"非平面曲面上的点"不能用于"一般"(General) 连接。 （10）6DOF 不影响元件与组件相关的运动，因为未应用任何约束。元件的坐标系与组件中的坐标系对齐。X、Y 和 Z 组件轴是允许旋转和平移的运动轴。 （11）槽(Slot) 非直轨迹上的点。此连接有四个自由度，其中点在三个方向上遵循轨迹。对于第一个参照，在元件或组件上选择一点。所参照的点遵循非直参照轨迹。轨迹具有在配置连接时所设置的端点。"槽"(Slot) 连接具有单个"点与多条边或曲线对齐"约束。 4.3.2 组装图 图4.21 组装图 总 结 在本次对四工位立式回转刀架设计的过程中，明白了自动回转刀架的工作原理，在建模的过程也对机构有了更深的认识，其中主要做了如下的工作： 机械方面： （1）主要是对刀架的每个零件的结构设计，并对承受切削力较大的传动部件如蜗轮 蜗杆和螺杆做了强度校核。同时也对传动机构有了更深的认识，如蜗轮蜗杆，不光能 提供较大的传动比还能改变传动方向，并且传动平稳。 （2）根据之前设计出的零件，在Pro/E建模，如蜗轮蜗杆、螺杆，上刀架体、下刀架体等等。建完模型后，就开始进行组装，依照零件的运动情况需要来设定相对应的约束集，使得零件能够有正确的运动。最后就是对组装完的自动回转刀架做了一个机构的仿真。 电气方面：主要是控制系统的设计，控制系统以8255单片机为核心，将程序导入单片机中就能控制继电器，从而实现对刀架的正反转控制,并且通过限位开关的开关信号来控制电机的停转达到自动换刀。同时也绘制了电动机正反转的电路图和刀位信号处理的电路图。 由于工作重点在机构的仿真，所以在电气控制系统的有些部分有些不足。 参考文献 [1]李洪.实用机床设计手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社,1999. [2]吴宗泽.机械设计实用手册[M].北京：化学工业出版社,1999. [3]徐起贺.机械设计基础[M].北京：科学出版社，2007. [4]王志伟,孟玲琴.机械设计基础课程设计[M].北京：北京理工大学出版社,2007. [5]韩鸿鸾,吴海燕.数控机床机械维修[M].北京：中国电力出版社,2008. [6]王永章,杜君文.程国全.数控技术[M].北京：高等教育出版社,2001. [7]尹志强,机械系统设计课程设计指导书[M]机械工业出版社,2006. [8]王爱玲.现代数控车床[M]北京:国防工业出版社,2012. [9]M.L. Smith, Sensor appliance control and fuzzy logic, IEEE. [10]苟琪.数控车床自动换刀装置研究[J].机械制造,1998(6). [11]林巨广,郑彩霞,刘琼,王玉琳.四工位立式回转刀架的控制器的设计[J],2006(6). [12]张继春,杨建国.装配设计与运动仿真及Pro/E实现[M]国防工业出版社,2005. [13]James V.Valentino, Joseph Goldenberg. Introduction to Computer Numerical Control.2nded. R.R.Donnelley&Sons Company,2000.459. [14]M.G. Safonov. Stability Margins of Diagonally Perturbed Multivariable Feedback Systems. Proc. IEEE Conf. on Decision and Control, San Diego, CADecember16-18,1981. [15]支保军,胡静,李绍勇.proe入门与提高[M].清华大学出版社,2011. [16]林清安.PRO/ENGINEER野火310中文版零件设计应用实例[M].北京：电子工业出版社,2007. 致 谢 历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了许多的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。 在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。也让我明白毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，更是对自己动手解决问题能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来所学的知识还比较欠缺，自己需要学习的东西还太多，我更加明白学习是一个长期积累的过程，无论是在以后的工作还是生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。 虽然在完成毕业设计的过程中有过失落，有过烦恼，有过悲伤，但在这次毕业设计中也使我们的同学间的关系更进一步，在此期间同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，一起讨论，听听不同的看法不同的意见，这使我们能更好的理解知识，透彻知识，运用知识，因此在这里我要非常感谢帮助我的同学，当然更加要感谢我的指导老师，谢谢你们给予我的帮助！ 毕业设计终于完成了，这让我不由有一种如释重负的感觉，总之我明白了：知识必须通过应用才能实现其价值!有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。 感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。 由于本人学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！ 38