车刀刃磨装置的结构设计(五)

      —丝杠螺纹中径；

      —当量摩擦角。

= 

=

对于滑动丝杠：

，当f=0.1, =时，。

代入数据得=

           =0.511

3驱动扭矩M计算

设所受的轴向力为P，则螺纹中径处的圆周力Q为：

               3-8

  =6.9

  =1.34N

驱动扭矩M为：

            3-9

用代入得：= 6.9=8.6N.M

4耐磨性计算

滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大，螺旋副间越容易形成过渡磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力p,使其小于材料的许用压力[p]。有耐磨性决定丝杠中径的公式为：

≥                   3-10

式中:p—丝杠所承受的最大轴向力；

     —螺母的长径比，，L为螺母的长度（mm）

一般取1.2～4，但螺母的螺纹圈数一般不超过10。因为圈数越多，载荷分布越不均，第10圈以后的螺纹，实际上起不到分担载荷的作用。

 =16mm

故取=16mm,耐磨性核算的公式为：          3-11

代入数据得p==72.580,故满足要求。

三 蜗轮蜗杆机构选择计算

（一）蜗轮蜗杆传动的尺寸参数

1蜗轮蜗杆传动的特点

蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线的夹角围任意值，通常用的为90。这种传动有以下的特点：

（1）当使用单头蜗杆（相当于单线螺纹）时，蜗杆旋转一周，蜗轮只转过一齿距，因而能实现大的传动比。在动力传动中，一般传动比i=5～80；在分度机构或手动机构中，传动比可达300。

（2）在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是渐渐进入啮合及渐渐退出啮合，同时啮合的齿对有较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。

（3）当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆的传动具有自锁性。

（4）蜗杆传动与螺旋齿轮的啮合相似，在啮合处有相对的滑动。当滑动速度很大，工作条件不够良好时，会产生严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化。因此摩擦损失较大，效率低；当传动具有自锁性时，效率仅为0.4左右。同时由于摩擦与磨损严重，常需耗用有色金属制造蜗轮，以便于钢质蜗杆配对组成减摩擦性良好的滑动摩擦副。通常应用于减速装置。

2蜗轮蜗杆传动的主要参数及尺寸

（1）根据结构及设计要求选用普通圆柱蜗杆，蜗杆的的头数k=1,模数m=1，压力角。和齿轮传动一样，蜗杆传动的几何尺寸也以模数为主要的计算参数。蜗杆和蜗轮啮合时在中间平面上。蜗杆的轴向模数应和蜗轮的端面模数、压力角相等。则有：

蜗杆头数：     蜗轮齿数：    传动比：

分度圆直径：   直径系数：     蜗杆导程角： （2）蜗轮蜗杆其它的尺寸参数：

中心矩：        

蜗杆轴向齿距：  

蜗杆导程：      

蜗杆分度圆直径：

蜗杆齿顶圆直径：

蜗杆齿根圆直径：

蜗杆齿顶高：    

蜗杆齿根高：    

蜗杆齿高：      

蜗杆导程角：    

蜗轮分度圆直径：

蜗轮齿顶圆直径：

蜗轮齿根圆直径：

蜗轮齿顶高：    

蜗轮齿根高：    

蜗轮齿高：      

由于该结构承载不大，速度不高，根据蜗杆材料的选用原则，可选用45钢，并经调质处理，硬度为220～300HBS。蜗轮材料选用铸造锡青铜

三 滑杆转轴的设计

（一）x轴滑杆转轴的形状设计

     滑杆转轴是该装置非常重要的设计，它的形状尺寸直接影响着传动的精度，滑杆转轴起到支撑刀架板，螺母抬高时滑杆转轴绕Y轴滑杆转轴转动，同时x轴的转轴长度增加，因此在一端要进行紧固，防止在转动时滑落。大概结构如图

图3.7 滑杆转轴的大概形状图

（二）y轴滑杆转轴的形状设计

Y轴的设计与X轴是有所不同首先，转轴的设计已经确定y轴的大概形状 。其中y轴所承受力与x轴所承受的力相同，但是y轴的形状在于x轴以及转轴的连接处是不同的。在连接处y轴的轴径要变粗，以便可以在钻空后插入x轴可以承受一定的压力。其形状如图3.8

                        图3.8 Y轴的形状设计

（三）X轴和y轴滑杆转轴的力学设计

   以知这两个轴的所受力的方向和所承受力的因素，我们根据经验设计法设计滑杆转轴的直径。根据我们所总结的自行车心轴尺寸设计经验，初步定出

X轴粗径直径为12mm细径直径为8mm，采用抗弯性能好的材料硬度较高。Y轴粗径为20mm细径直径为12mm.采用与x轴相同的材料。表面光洁度为1.6Ra.选择精度等级为IT6级精度。在此不进行弯矩图和扭矩图的描述。

（四）可转动销的设计

转动销在刃磨装置中也是非常重要的传动零件之一，滑杆转轴插入转动销的孔中，而销子插入螺母中的孔中，详细装配位置可见装配图。转动销的设计为一头是圆形销子，另一端是方形中间钻孔与滑杆转轴配合，该孔与圆形销子为垂直关系。其结构如图3.9

                                图3.9 可转动销的结构

当螺母在丝杠上上下串动时，螺母带动可转动销上下运动而转动销的孔中插入滑杆转轴（滑杆转轴一端为铰链）形成一个类似于摇杆滑块机构，而滑杆转轴直接带动刀架板绕y轴转动。

第三部分 刃磨装置控制系统初步设计

在机电一体化系统中各部件不是独立存在的，而是相互联系，构成一个有机的整体。其中控制系统相当于人的“大脑”，它处理各种信息，把由传感器把机械本体的各种信号检测出来，送到控制器中进行存储、运算、变换、加工，控制器根据检测及运算结果，发出相应的指令，通过执行机构使机械本体完成规定的动作，实现产品所要求的功能。

                     图3.8 控制系统简图

在我国 ，经济型机电产品控制系统一般以MCS-51系列8位单片机为控制中心。本控制系统如图十七，控制电路主要由以下几个部分组成:8031AH最小系统，数码显示及键盘输入电路，A/D转换电路，1/O接口电路和步进电机驱动电路等几个方面。

（一）单片机控制系统的设计

图 3.8 为单片机控制系统结构框图。该电路以8031A H单片机为核心，

从键盘选择刃磨的种类，输入加工工件的参数，通过单片机判断当前系统的状态，控制步进电机按照工艺要求运动从而完成整个工件的刃磨过程。

下面 简 要 介绍一下各部分的功能:

(1) 8031A H 最小系统

它是单片机控制系统的核心部分，通过它实现外围芯片的信息交换和控制，完成机床所需要的控制功能。

(1) 数 码显 示及键盘输入电路

主要是进行加工工件参数的输入、显示，加工工作状态的指示。

(2) 传 感器 信号采集电路

主要包括 A/D转换电路和其它位置传感器输入电路。将外部的传感器信息的模拟量转换为数字量，让主芯片进行判断处理。这里主要是进行机床限、定位传感器信息的采集，工件在加工过程中所处的位置信息。

(3) I/0 接 口电路

实现 单 片 机的输入输出控制，并使单片机数字电路和其控制对象隔离开来，增强单片机的抗千扰能力。这里包括步进电机接口控制电路，传感器接口电路，照明接口电路等。

                   图3.9 系统硬件结构框图

单片机最小系统

a. 单 片机 的选择1980年Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，又推出了MCS-51系列8位单片机、MCS-96系列16位单片机、以及32位单片机等。目前使用较多的是51系列和%系列的单片机。本课题采用的是8031AH 单片机。其主要功能特点如下:

(1) 8位CPU;

(2) 片内128字节RAM;

(3) 特殊功能寄存器区;

(4) 2个优先级的5个中断源结构;

(5) 4个8位并行1/O口(P0,P1,P2,P3);

(6) 2个16位定时/计数器;

(7) 全双工串行口;

(8) 布尔处理器;

(9) 64KB外部数据存贮器地址空间，64KB外部程序存贮器地址空间;

(10 )片内振荡器及时钟电路。

该类单片机具有体积小功能全，价廉，面向控制、开发应用方便等优点，因此在我国工业界应用广泛。

b 最小系统设计单片机最小系统由CPU,锁存器、译码器、RAM,EPROM组成，采用12MHZ晶振。由于8031AH单片机内部无ROM，且考虑系统开发所需的容量，在外部扩展了一片2764EPROM,一片6264RAMo 51系列单片机采用的是地址/数据总线复用技术，因此在扩展外部1/O口设备时必须采用锁存器。由于系统是8位总线方式，故用一片74LS373将与数据总线复用的地址线锁存，以便使地址和数据分离开来。

   单片机在扩展其它一些外围1/O接口芯片时，通过将这些1/O接口设备映像于单片机的地址空间，来访问这些芯片并进行数据交换。寻址1/O接口设备常用两种方法:线选法和译码法。对于线选法，每条地址线只能寻址一个接口芯片，使得芯片占用地址不连续，且浪费资源，设备多时地址线不够用，所以它一般用于简单设备较少的系统设计中。而译码法能使外设地址连续分配，并能扩容地址线，如采用一片译码器就能将3根地址线扩展为8根地址译码线，寻址8个接口芯片。根据本系统的外设，采用译码法寻址1/O空间，即用一片74LS138产生片选信号。

根据图十八，扩展的存储空间的顺序为EPROM-RAM-1/0芯片，单片机地址资源进行分配后，CPU运行根据外围1/O设备的地址查找该设备，进行输入、输出操作，即CPU对1/O空间的寻址。相对应于单片机1/O接口芯片地址译码列表如图十九

                    图3.10  系统地址分配表

I/O接口电路

单片机与被控制对象的联系是通过接口电路来实现的。接口电路的设计主要是起到隔离和驱动作用。主要包括单片机与步进电机驱动电路的接口和与继电器接口等。8031A H有四个8位UO口，其中PO作地址/数据复用总线用，P2作为

地址总线的高八位使用，P3口是双功能口，主要是用于系统的控制功能。这样就只剩下一个P1口，P1口是准双向口，即用作输入时，口锁存器必须先写“1"。因此在控制步进电机时，扩展一片8255用它的PA. PC口控制几路步进电机。其接口电路如图3-11 8255芯片的端口设置为输出方式，从信号端输入所需的脉冲信号，经过光电祸合器，至驱动器来驱动步进电机。

                           图3.11 p1接口的电路

外部执行装置不但要求单片机输出一定的电压，而且要求输出一定的电流，以便带动执行装置动作。设计的主要问题是执行装置功率与单片机输入的电信号相匹配。上图是通过单片机的P1口接74LS04反向器控制三极管C9013来驱动5V的继电器来控制外部的220V电压通断。

键盘与显示电路

显示器和键盘是单片机应用系统人一机交互界面设备之一。车刀刃磨时的工艺参数，主要是车刀(工件)的几何参数，车刀切削刃的角度，车刀的前角，车刀的后角，刃傾等。还有选择刃磨的方式不同，机床调整的参数不一样。该部分电路控制如下图二十一

显示 器 接口与布局发光二极管(LED)是一种简单而常用的输出设备，通常用来指示机器的状态或其它信息，它的优点是价格低、寿命长、对电流、电压的要求低及容易实现多路控制等;LED适宜于脉冲工作状态，在平均电流相同的情况下，脉冲工作状态可产生比直流工作状态较强的亮度。LED有单个、七段及点阵等类型

　　本硬件系统中，主要采用单个LED作为状态指示，由于系统显示的内容简单，显示量少，所以采用八位共阴七段LED作为显示器，这样既经济又方便。    

图3.12　显示键盘控制电路图

在显示器部分中，左边的三位用作整个系统的操作指示部分，其余的五位用作数据显示部分，则数据输入的范围为(0-999.99mm )。其布置如下图二十三所示。

b.键盘接口与布局所用的键盘可分为两种基本类型:全编码键盘和非编码键盘。全编码键盘由硬件系统实现对键的编码，键盘编码器自动提供按键的编码，在有新的按键按下之前，保持被按键的编码，同时产生一个中断信号通知CPU产生相应的操作。全编码键盘主要是在硬件上处理方便，软件简单，但价格昂贵，故应用较少。而非编码键盘的硬件无编码逻辑，仅提供行列矩阵按键。键的识别、键的代码、消除抖动等按键保护均由软件完成，由于非编码键盘所需硬件少，价格便宜，故应用较广泛。由上述的原因，本系统选用了非编码键盘，并采用了专门管理键盘和LED显示的8279芯片。在实 验 平 台进行开发时，键盘采用标准的4x4系列键盘如图二十四所示。16个键值是按16进制编写的，每个键可以根据用户系统的功能来进行编程自定义。

图3.13 显示器构造图

C．键盘显示电路设计系统的键盘、显示电路采用美国Intel公司生产的8279芯片作为控制核心，它具有16x8位显示RAM和8x8先进先出(FIFO)键盘缓冲区，可自动提供键盘和显示的扫描信号，识别按键，产生键码，并为键盘提供抖动消除和多键保护功能。其实现键盘显示的接口框图如图二十四图中的SLO-SL3为扫描输出线，用来扫描键盘和显示器;RLO-RL7为键盘矩阵的信号检测输入端。

图3.14  键盘布局接线和编码

8279的键盘扫描工作方式分编码扫描和译码扫描两种。译码扫描即为内部扫描，SLO^-SL3在同一时刻，只有一个输出为低电平，所以这时只能接4位显示器和4x8键盘。选择编码扫描即为外部译码SLO-SL3呈分频时波形输出，当外接4-16译码器时可扫描显示16为显示器。根据本系统的人机界面要求，将其外部扫描线连接为编码扫描方式，最多可外接64键和16个数码显示器。

由上图可知，8279的映像在外部地址空间的地址4000H-5FFFH，地址线A8接8279的AO脚，决定它的口地址。当AO=1时写入的是控制字，读出的是8279的状态字;AO=0时写入读出的都是数据。因此结合上述的I/O设备地址分配可知8279控制肤态口地址是4000H，数据输入/输出口地址是4100H.非编 码 键 盘的连接见上图二十三,SL O-SL2通过74LS138译码器将YO-Y3作为键盘的列扫描线，RLO-RL2作为键盘的行扫描回馈信号线。根据键盘数据存储格式，以及图上扫描线的编码值，可知图中键值对应的键码。

d. 其它LED显示接口除上述的LED数码管外，系统在状态显示部分还使用了单个发光二极管(LED)用作系统的状态指示。由上图二十二可知，系统扩展了一片8255芯片来控制系统状态指示灯，8255的PB控制10位发光二极管，PC口控制8位发光二极管。8255芯片的地址线A0,A l分别与CPU的AO和Al相连接，则由图二十一可知该芯片口地址为:PA口地址为AOOOH, PB口地址为AOOIH, PC口地A002H，控制口地址为A003H。设置8255芯片各口为输出方式，由图二十五的LED接口示意图，当控制口输出高电平“1”时灯亮，输出低电平“0”时灯灭。

图3.15LED接口示意图

第四章总结

随着制造业的发展和数控加工技术的普及，对刀具刃磨质量要求也越来越高，刃磨质量良好的刀具可以提高刀具耐用度，提高加工质量，产生经济效益。

我国对于车刀类刀具的刃磨，主要还是通过刃磨工人在工具磨床上手工刃磨，这种方法不但刃磨效率低，刃磨精度低，而且工人劳动强度大，不能满足机械制造加工的需求。而国外对刀具的制造发展很快，有许多功能强大的相关产品用于刀具的刃磨和制造。该类机床集成化高、设备昂贵。因此本设计针对现今刀具的刃磨现状，顺应机械制造向自动化、柔性化、智能化发展的趋势，提出了一种经济型的车刀刃磨设备的方案，并进行相应的研究开发。

  刀具制造自动化是制造业进一步发展的必然要求。本次设计从车刀几何角度参数原理和车刀刃磨方法出发，结合自己在工厂实习的实践，设计出该装置的结构设计，并研究了以下几个方面：

 根据车刀车削原理，总结出车刀的类型，车刀的结构，以及车刀的刃磨方法。

从刀具角度理论，总结出车刀角度方程。在此基础上建立了机构大致模型。

以上方面，完成了车刀刃磨装置的初步结构设计，以及部分传动机构的具体设计选用。

 根据控制系统要求，确定了控制系统的功能，进行了控制系统硬件的测试实验，以及相关的初级设计。

通过该毕业设计，本人受益匪浅，既丰富了微机和单片机的软件编程知识，又掌握机构设计的方法，积累了不少的实际工作经验，为今后工作打下了坚实的基础。此说明是本人近三年工作和学习的总结，由于时间和水平有限，设计中的不足和文中错误在所难免，恳切希望各位老师、同学指正。

感谢

本设计从选题、调查、试验、设计、开发直到最后攥写说明书，都是在戴俊平教授悉心指导下完成的。戴老师严谨的治学态度、一丝不苟的敬业精神、诲人不倦的工作作风给我留下了深刻的印象。在三年的学习和生活中，他们不但教会了我许多专业知识和做人道理，还培养了我勤奋、务实的治学态度。值此论文完成之际，谨向他们表示崇高的敬意和衷心的感谢。

感谢陕西理工学院机械工程学院训练中心书记戴俊平教授和训练中心的各位师傅对我的关心和帮助，同时还要感谢机自本科的王继南，邵忠义同学和西安工业学院的在读研究生朱小海在设计研究和说明书写作过程中给予我的极大帮助。

在我三年的大专学习生活期间，除了感谢那些给予我帮助的同学和朋友外，更要感谢我的父母，是他们每时每刻在精神上、物质上给予我的关心、爱护和支持，才能使我安心学习，顺利完成学业。

最后，再次向所有关心和帮助过我的师长、同学表示诚挚的谢意。

                                              

参考文献

《刀具制造工艺学》 机械工业出版社    宋增平编著 

《刀具刃磨技术》 中国农业机械出版社  杨洁淑主编

《步进电机应用技术》 机械工业出版社  李忠杰 宁守信编著

《机电一体化技术基础与产品设计》 机械工业出版社 刘杰 赵春雨 主编

《机电一体化技术手册》 机械工业出版社 机电一体化技术手册编委会编著

《机电一体化应用实例》 机械工业出版社 应用实例编委会编著

《使用微电机手册》 辽宁科技出版社 国家机械工业局 西安微电机研究所编著

《单片机应用技术》 机械工业出版社 吴国经主编

《微机原理与接口技术》 清华大学出版社 

《机械设计基础》 高等教育出版社  黄华梁、澎文生主编