車刀刃磨裝置的結構設計(五)

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—絲杠螺紋中徑；

—當量摩擦角。

對于滑動絲杠：

，當f=0.1, =時，。

代入數據得=

=0.511

3驅動扭矩M計算

設所受的軸向力為P，則螺紋中徑處的圓周力Q為：

3-8

=6.9

=1.34N

驅動扭矩M為：

3-9

用代入得：= 6.9=8.6N.M

4耐磨性計算

滑動螺旋的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動速度、螺紋表面粗糙度以及潤滑狀態等因素有關。其中最主要的是螺紋工作面上的壓力，壓力越大，螺旋副間越容易形成過渡磨損。因此，滑動螺旋的耐磨性計算，主要是限制螺紋工作面上的壓力p,使其小于材料的許用壓力[p]。有耐磨性決定絲杠中徑的公式為：

≥ 3-10

式中:p—絲杠所承受的最大軸向力；

—螺母的長徑比，，L為螺母的長度（mm）

一般取1.2～4，但螺母的螺紋圈數一般不超過10。因為圈數越多，載荷分布越不均，第10圈以后的螺紋，實際上起不到分擔載荷的作用。

=16mm

故取=16mm,耐磨性核算的公式為： 3-11

代入數據得p==72.580,故滿足要求。

三蝸輪蝸桿機構選擇計算

（一）蝸輪蝸桿傳動的尺寸參數

1蝸輪蝸桿傳動的特點

蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動機構，兩軸線的夾角圍任意值，通常用的為90。這種傳動有以下的特點：

（1）當使用單頭蝸桿（相當于單線螺紋）時，蝸桿旋轉一周，蝸輪只轉過一齒距，因而能實現大的傳動比。在動力傳動中，一般傳動比i=5～80；在分度機構或手動機構中，傳動比可達300。

（2）在蝸桿傳動中，由于蝸桿齒是連續不斷的螺旋齒，它和蝸輪齒是漸漸進入嚙合及漸漸退出嚙合，同時嚙合的齒對有較多，故沖擊載荷小，傳動平穩，噪聲低。

（3）當蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當量摩擦角時，蝸桿的傳動具有自鎖性。

（4）蝸桿傳動與螺旋齒輪的嚙合相似，在嚙合處有相對的滑動。當滑動速度很大，工作條件不夠良好時，會產生嚴重的摩擦與磨損，從而引起過分發熱，使潤滑情況惡化。因此摩擦損失較大，效率低；當傳動具有自鎖性時，效率僅為0.4左右。同時由于摩擦與磨損嚴重，常需耗用有色金屬制造蝸輪，以便于鋼質蝸桿配對組成減摩擦性良好的滑動摩擦副。通常應用于減速裝置。

2蝸輪蝸桿傳動的主要參數及尺寸

（1）根據結構及設計要求選用普通圓柱蝸桿，蝸桿的的頭數k=1,模數m=1，壓力角。和齒輪傳動一樣，蝸桿傳動的幾何尺寸也以模數為主要的計算參數。蝸桿和蝸輪嚙合時在中間平面上。蝸桿的軸向模數應和蝸輪的端面模數、壓力角相等。則有：

蝸桿頭數：蝸輪齒數：傳動比：

分度圓直徑：直徑系數：蝸桿導程角：（2）蝸輪蝸桿其它的尺寸參數：

中心矩：

蝸桿軸向齒距：

蝸桿導程：

蝸桿分度圓直徑：

蝸桿齒頂圓直徑：

蝸桿齒根圓直徑：

蝸桿齒頂高：

蝸桿齒根高：

蝸桿齒高：

蝸桿導程角：

蝸輪分度圓直徑：

蝸輪齒頂圓直徑：

蝸輪齒根圓直徑：

蝸輪齒頂高：

蝸輪齒根高：

蝸輪齒高：

由于該結構承載不大，速度不高，根據蝸桿材料的選用原則，可選用45鋼，并經調質處理，硬度為220～300HBS。蝸輪材料選用鑄造錫青銅

三滑桿轉軸的設計

（一）x軸滑桿轉軸的形狀設計

滑桿轉軸是該裝置非常重要的設計，它的形狀尺寸直接影響著傳動的精度，滑桿轉軸起到支撐刀架板，螺母抬高時滑桿轉軸繞Y軸滑桿轉軸轉動，同時x軸的轉軸長度增加，因此在一端要進行緊固，防止在轉動時滑落。大概結構如圖

圖3.7 滑桿轉軸的大概形狀圖

（二）y軸滑桿轉軸的形狀設計

Y軸的設計與X軸是有所不同首先，轉軸的設計已經確定y軸的大概形狀。其中y軸所承受力與x軸所承受的力相同，但是y軸的形狀在于x軸以及轉軸的連接處是不同的。在連接處y軸的軸徑要變粗，以便可以在鉆空后插入x軸可以承受一定的壓力。其形狀如圖3.8

圖3.8 Y軸的形狀設計

（三）X軸和y軸滑桿轉軸的力學設計

以知這兩個軸的所受力的方向和所承受力的因素，我們根據經驗設計法設計滑桿轉軸的直徑。根據我們所總結的自行車心軸尺寸設計經驗，初步定出

X軸粗徑直徑為12mm細徑直徑為8mm，采用抗彎性能好的材料硬度較高。Y軸粗徑為20mm細徑直徑為12mm.采用與x軸相同的材料。表面光潔度為1.6Ra.選擇精度等級為IT6級精度。在此不進行彎矩圖和扭矩圖的描述。

（四）可轉動銷的設計

轉動銷在刃磨裝置中也是非常重要的傳動零件之一，滑桿轉軸插入轉動銷的孔中，而銷子插入螺母中的孔中，詳細裝配位置可見裝配圖。轉動銷的設計為一頭是圓形銷子，另一端是方形中間鉆孔與滑桿轉軸配合，該孔與圓形銷子為垂直關系。其結構如圖3.9

圖3.9 可轉動銷的結構

當螺母在絲杠上上下串動時，螺母帶動可轉動銷上下運動而轉動銷的孔中插入滑桿轉軸（滑桿轉軸一端為鉸鏈）形成一個類似于搖桿滑塊機構，而滑桿轉軸直接帶動刀架板繞y軸轉動。

第三部分刃磨裝置控制系統初步設計

在機電一體化系統中各部件不是獨立存在的，而是相互聯系，構成一個有機的整體。其中控制系統相當于人的“大腦”，它處理各種信息，把由傳感器把機械本體的各種信號檢測出來，送到控制器中進行存儲、運算、變換、加工，控制器根據檢測及運算結果，發出相應的指令，通過執行機構使機械本體完成規定的動作，實現產品所要求的功能。

圖3.8 控制系統簡圖

在我國，經濟型機電產品控制系統一般以MCS-51系列8位單片機為控制中心。本控制系統如圖十七，控制電路主要由以下幾個部分組成:8031AH最小系統，數碼顯示及鍵盤輸入電路，A/D轉換電路，1/O接口電路和步進電機驅動電路等幾個方面。

（一）單片機控制系統的設計

圖 3.8 為單片機控制系統結構框圖。該電路以8031A H單片機為核心，

從鍵盤選擇刃磨的種類，輸入加工工件的參數，通過單片機判斷當前系統的狀態，控制步進電機按照工藝要求運動從而完成整個工件的刃磨過程。

下面簡要介紹一下各部分的功能:

(1) 8031A H 最小系統

它是單片機控制系統的核心部分，通過它實現外圍芯片的信息交換和控制，完成機床所需要的控制功能。

(1) 數碼顯示及鍵盤輸入電路

主要是進行加工工件參數的輸入、顯示，加工工作狀態的指示。

(2) 傳感器信號采集電路

主要包括 A/D轉換電路和其它位置傳感器輸入電路。將外部的傳感器信息的模擬量轉換為數字量，讓主芯片進行判斷處理。這里主要是進行機床限、定位傳感器信息的采集，工件在加工過程中所處的位置信息。

(3) I/0 接口電路

實現單片機的輸入輸出控制，并使單片機數字電路和其控制對象隔離開來，增強單片機的抗千擾能力。這里包括步進電機接口控制電路，傳感器接口電路，照明接口電路等。

圖3.9 系統硬件結構框圖

單片機最小系統

a. 單片機的選擇1980年Intel公司在MCS-48系列單片機的基礎上，又推出了MCS-51系列8位單片機、MCS-96系列16位單片機、以及32位單片機等。目前使用較多的是51系列和%系列的單片機。本課題采用的是8031AH 單片機。其主要功能特點如下:

(1) 8位CPU;

(2) 片內128字節RAM;

(3) 特殊功能寄存器區;

(4) 2個優先級的5個中斷源結構;

(5) 4個8位并行1/O口(P0,P1,P2,P3);

(6) 2個16位定時/計數器;

(7) 全雙工串行口;

(8) 布爾處理器;

(9) 64KB外部數據存貯器地址空間，64KB外部程序存貯器地址空間;

(10 )片內振蕩器及時鐘電路。

該類單片機具有體積小功能全，價廉，面向控制、開發應用方便等優點，因此在我國工業界應用廣泛。

b 最小系統設計單片機最小系統由CPU,鎖存器、譯碼器、RAM,EPROM組成，采用12MHZ晶振。由于8031AH單片機內部無ROM，且考慮系統開發所需的容量，在外部擴展了一片2764EPROM,一片6264RAMo 51系列單片機采用的是地址/數據總線復用技術，因此在擴展外部1/O口設備時必須采用鎖存器。由于系統是8位總線方式，故用一片74LS373將與數據總線復用的地址線鎖存，以便使地址和數據分離開來。

單片機在擴展其它一些外圍1/O接口芯片時，通過將這些1/O接口設備映像于單片機的地址空間，來訪問這些芯片并進行數據交換。尋址1/O接口設備常用兩種方法:線選法和譯碼法。對于線選法，每條地址線只能尋址一個接口芯片，使得芯片占用地址不連續，且浪費資源，設備多時地址線不夠用，所以它一般用于簡單設備較少的系統設計中。而譯碼法能使外設地址連續分配，并能擴容地址線，如采用一片譯碼器就能將3根地址線擴展為8根地址譯碼線，尋址8個接口芯片。根據本系統的外設，采用譯碼法尋址1/O空間，即用一片74LS138產生片選信號。

根據圖十八，擴展的存儲空間的順序為EPROM-RAM-1/0芯片，單片機地址資源進行分配后，CPU運行根據外圍1/O設備的地址查找該設備，進行輸入、輸出操作，即CPU對1/O空間的尋址。相對應于單片機1/O接口芯片地址譯碼列表如圖十九

圖3.10 系統地址分配表

I/O接口電路

單片機與被控制對象的聯系是通過接口電路來實現的。接口電路的設計主要是起到隔離和驅動作用。主要包括單片機與步進電機驅動電路的接口和與繼電器接口等。8031A H有四個8位UO口，其中PO作地址/數據復用總線用，P2作為

地址總線的高八位使用，P3口是雙功能口，主要是用于系統的控制功能。這樣就只剩下一個P1口，P1口是準雙向口，即用作輸入時，口鎖存器必須先寫“1"。因此在控制步進電機時，擴展一片8255用它的PA. PC口控制幾路步進電機。其接口電路如圖3-11 8255芯片的端口設置為輸出方式，從信號端輸入所需的脈沖信號，經過光電禍合器，至驅動器來驅動步進電機。

圖3.11 p1接口的電路

外部執行裝置不但要求單片機輸出一定的電壓，而且要求輸出一定的電流，以便帶動執行裝置動作。設計的主要問題是執行裝置功率與單片機輸入的電信號相匹配。上圖是通過單片機的P1口接74LS04反向器控制三極管C9013來驅動5V的繼電器來控制外部的220V電壓通斷。

鍵盤與顯示電路

顯示器和鍵盤是單片機應用系統人一機交互界面設備之一。車刀刃磨時的工藝參數，主要是車刀(工件)的幾何參數，車刀切削刃的角度，車刀的前角，車刀的后角，刃傾等。還有選擇刃磨的方式不同，機床調整的參數不一樣。該部分電路控制如下圖二十一

顯示器接口與布局發光二極管(LED)是一種簡單而常用的輸出設備，通常用來指示機器的狀態或其它信息，它的優點是價格低、壽命長、對電流、電壓的要求低及容易實現多路控制等;LED適宜于脈沖工作狀態，在平均電流相同的情況下，脈沖工作狀態可產生比直流工作狀態較強的亮度。LED有單個、七段及點陣等類型

　　本硬件系統中，主要采用單個LED作為狀態指示，由于系統顯示的內容簡單，顯示量少，所以采用八位共陰七段LED作為顯示器，這樣既經濟又方便。

圖3.12　顯示鍵盤控制電路圖

在顯示器部分中，左邊的三位用作整個系統的操作指示部分，其余的五位用作數據顯示部分，則數據輸入的范圍為(0-999.99mm )。其布置如下圖二十三所示。

b.鍵盤接口與布局所用的鍵盤可分為兩種基本類型:全編碼鍵盤和非編碼鍵盤。全編碼鍵盤由硬件系統實現對鍵的編碼，鍵盤編碼器自動提供按鍵的編碼，在有新的按鍵按下之前，保持被按鍵的編碼，同時產生一個中斷信號通知CPU產生相應的操作。全編碼鍵盤主要是在硬件上處理方便，軟件簡單，但價格昂貴，故應用較少。而非編碼鍵盤的硬件無編碼邏輯，僅提供行列矩陣按鍵。鍵的識別、鍵的代碼、消除抖動等按鍵保護均由軟件完成，由于非編碼鍵盤所需硬件少，價格便宜，故應用較廣泛。由上述的原因，本系統選用了非編碼鍵盤，并采用了專門管理鍵盤和LED顯示的8279芯片。在實驗平臺進行開發時，鍵盤采用標準的4x4系列鍵盤如圖二十四所示。16個鍵值是按16進制編寫的，每個鍵可以根據用戶系統的功能來進行編程自定義。

圖3.13 顯示器構造圖

C．鍵盤顯示電路設計系統的鍵盤、顯示電路采用美國Intel公司生產的8279芯片作為控制核心，它具有16x8位顯示RAM和8x8先進先出(FIFO)鍵盤緩沖區，可自動提供鍵盤和顯示的掃描信號，識別按鍵，產生鍵碼，并為鍵盤提供抖動消除和多鍵保護功能。其實現鍵盤顯示的接口框圖如圖二十四圖中的SLO-SL3為掃描輸出線，用來掃描鍵盤和顯示器;RLO-RL7為鍵盤矩陣的信號檢測輸入端。

圖3.14 鍵盤布局接線和編碼

8279的鍵盤掃描工作方式分編碼掃描和譯碼掃描兩種。譯碼掃描即為內部掃描，SLO^-SL3在同一時刻，只有一個輸出為低電平，所以這時只能接4位顯示器和4x8鍵盤。選擇編碼掃描即為外部譯碼SLO-SL3呈分頻時波形輸出，當外接4-16譯碼器時可掃描顯示16為顯示器。根據本系統的人機界面要求，將其外部掃描線連接為編碼掃描方式，最多可外接64鍵和16個數碼顯示器。

由上圖可知，8279的映像在外部地址空間的地址4000H-5FFFH，地址線A8接8279的AO腳，決定它的口地址。當AO=1時寫入的是控制字，讀出的是8279的狀態字;AO=0時寫入讀出的都是數據。因此結合上述的I/O設備地址分配可知8279控制膚態口地址是4000H，數據輸入/輸出口地址是4100H.非編碼鍵盤的連接見上圖二十三,SL O-SL2通過74LS138譯碼器將YO-Y3作為鍵盤的列掃描線，RLO-RL2作為鍵盤的行掃描回饋信號線。根據鍵盤數據存儲格式，以及圖上掃描線的編碼值，可知圖中鍵值對應的鍵碼。

d. 其它LED顯示接口除上述的LED數碼管外，系統在狀態顯示部分還使用了單個發光二極管(LED)用作系統的狀態指示。由上圖二十二可知，系統擴展了一片8255芯片來控制系統狀態指示燈，8255的PB控制10位發光二極管，PC口控制8位發光二極管。8255芯片的地址線A0,A l分別與CPU的AO和Al相連接，則由圖二十一可知該芯片口地址為:PA口地址為AOOOH, PB口地址為AOOIH, PC口地A002H，控制口地址為A003H。設置8255芯片各口為輸出方式，由圖二十五的LED接口示意圖，當控制口輸出高電平“1”時燈亮，輸出低電平“0”時燈滅。

圖3.15LED接口示意圖

第四章總結

隨著制造業的發展和數控加工技術的普及，對刀具刃磨質量要求也越來越高，刃磨質量良好的刀具可以提高刀具耐用度，提高加工質量，產生經濟效益。

我國對于車刀類刀具的刃磨，主要還是通過刃磨工人在工具磨床上手工刃磨，這種方法不但刃磨效率低，刃磨精度低，而且工人勞動強度大，不能滿足機械制造加工的需求。而國外對刀具的制造發展很快，有許多功能強大的相關產品用于刀具的刃磨和制造。該類機床集成化高、設備昂貴。因此本設計針對現今刀具的刃磨現狀，順應機械制造向自動化、柔性化、智能化發展的趨勢，提出了一種經濟型的車刀刃磨設備的方案，并進行相應的研究開發。

刀具制造自動化是制造業進一步發展的必然要求。本次設計從車刀幾何角度參數原理和車刀刃磨方法出發，結合自己在工廠實習的實踐，設計出該裝置的結構設計，并研究了以下幾個方面：

根據車刀車削原理，總結出車刀的類型，車刀的結構，以及車刀的刃磨方法。

從刀具角度理論，總結出車刀角度方程。在此基礎上建立了機構大致模型。

以上方面，完成了車刀刃磨裝置的初步結構設計，以及部分傳動機構的具體設計選用。

根據控制系統要求，確定了控制系統的功能，進行了控制系統硬件的測試實驗，以及相關的初級設計。

通過該畢業設計，本人受益匪淺，既豐富了微機和單片機的軟件編程知識，又掌握機構設計的方法，積累了不少的實際工作經驗，為今后工作打下了堅實的基礎。此說明是本人近三年工作和學習的總結，由于時間和水平有限，設計中的不足和文中錯誤在所難免，懇切希望各位老師、同學指正。

感謝

本設計從選題、調查、試驗、設計、開發直到最后攥寫說明書，都是在戴俊平教授悉心指導下完成的。戴老師嚴謹的治學態度、一絲不茍的敬業精神、誨人不倦的工作作風給我留下了深刻的印象。在三年的學習和生活中，他們不但教會了我許多專業知識和做人道理，還培養了我勤奮、務實的治學態度。值此論文完成之際，謹向他們表示崇高的敬意和衷心的感謝。

感謝陜西理工學院機械工程學院訓練中心書記戴俊平教授和訓練中心的各位師傅對我的關心和幫助，同時還要感謝機自本科的王繼南，邵忠義同學和西安工業學院的在讀研究生朱小海在設計研究和說明書寫作過程中給予我的極大幫助。

在我三年的大專學習生活期間，除了感謝那些給予我幫助的同學和朋友外，更要感謝我的父母，是他們每時每刻在精神上、物質上給予我的關心、愛護和支持，才能使我安心學習，順利完成學業。

最后，再次向所有關心和幫助過我的師長、同學表示誠摯的謝意。

參考文獻

《刀具制造工藝學》機械工業出版社宋增平編著

《刀具刃磨技術》中國農業機械出版社楊潔淑主編

《步進電機應用技術》機械工業出版社李忠杰寧守信編著

《機電一體化技術基礎與產品設計》機械工業出版社劉杰趙春雨主編

《機電一體化技術手冊》機械工業出版社機電一體化技術手冊編委會編著

《機電一體化應用實例》機械工業出版社應用實例編委會編著

《使用微電機手冊》遼寧科技出版社國家機械工業局西安微電機研究所編著

《單片機應用技術》機械工業出版社吳國經主編