加工中心自動換刀

1、數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)設計 16 要本文主要對數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進行設計。本文主要對數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進行設計。第一，了解數(shù)控加工中心的分類，其按換刀形式的分類以及加工中心刀庫的形式；然后根據(jù)給定的參數(shù)進行刀庫類型的選擇以及電動機的確定；接著對刀庫的轉位定位機構進行了設計；最后是對于控制系統(tǒng)進行了簡單設計。關鍵字：加工中心，換刀系統(tǒng)，刀庫，PLC。目 錄1緒論32.刀庫的總體設計方案52.1課程設計的任務及要求52.2刀庫的類型選擇53.電機的選擇63.1電機的選型及相關參數(shù)63.2各部分轉動慣量的計算63.3預選電機63.4電機的校核74.機械系統(tǒng)的設計74

2、.1刀庫轉動定位機構的設計74.2滾動軸承的選擇計算94.2 軸的校核計算104.3 鍵的設計計算105.控制系統(tǒng)的設計115.1 刀庫的換刀動作如下：115.2利用PLC實現(xiàn)隨機換刀12參考文獻161緒論在現(xiàn)代數(shù)控機床中，加工中心(MC-Machining Center)能進行自動換刀、自動更換工件，實行平面、任意曲面、孔、螺紋等加工，成為一種獨特的多功能高精、高效、高自動化的機床，并迅速向高速化、復合化、環(huán)?；?、五軸聯(lián)動等方向發(fā)展，己成為當今國際機床展上最大的亮點。加工中心特別適合于箱體、框架、葉片等特殊復雜零件的柔性高效加工，能減省一些普通銑床、鉆床、鍵床，提高加工精度和效率，減少轉換時

3、間，降低生產(chǎn)成本。在當今機械工業(yè)中，產(chǎn)品不斷向個性化、精密化、小批量發(fā)展，世界對MC的市場需求在不斷增多。特別是在要求適量柔性、大批高效生產(chǎn)的汽車工業(yè)、單件、小批重切、快速生產(chǎn)的航空、模具工業(yè)以至IT高精尖工業(yè)中，MC已逐漸成為重要的高效性機種。1996年國產(chǎn)加工中心與進口加工中心的臺數(shù)比，僅為百分之幾，到2005年逐步增長到39.4%。2005年與2000年相比，進口的加工中心數(shù)量增加4.8倍。加工中心需求猛增的主要原因，大致有三:(l)整個機械工業(yè)原有工藝裝備結構陳舊、性能落后，呈“三多三少”(手動的多、自動的少;粗加工的多、精加工的少;低效的多、高效的少)，函需大量更新。能源、交通、冶金

4、、發(fā)電、工程機械、造船、模具、IT各業(yè)均需購置大、中、小各種Mc，量大面廣;(2)汽車工業(yè)迅速發(fā)展，2002-2004年汽車產(chǎn)量分別為325、444、507萬輛，發(fā)動機缸體、缸蓋、變速箱及各種汽車零部件加工，均需增添高速、高精、環(huán)保、節(jié)能的各式MC;(3)航空、國防、軍工產(chǎn)業(yè)，適應新形勢發(fā)展，均在提高生產(chǎn)能力，需要大、中型各種立式、臥式、龍門式、五軸控制的高性能MC，而且要求品種多、質(zhì)量好、供貨快。加工中心進口的快速增加，一方面反映了我國制造業(yè)對這類數(shù)控機床的需求旺盛，另一方面也反映了我國機床制造業(yè)在加工中心的生產(chǎn)能力和國產(chǎn)加工中心的競爭力上還存在差距。國產(chǎn)加工中心市場占有率低的主要原因是國產(chǎn)

5、加工中心在產(chǎn)品水平、交貨期、質(zhì)量和可靠性上與國外同類產(chǎn)品相比存在不少差距。因此研究加工中心及其控制系統(tǒng)具有現(xiàn)實和長遠的意義，掌握其中的關鍵技術是充分發(fā)揮加工中心功能和性能的先決條件，必將對我國裝備制造業(yè)的整體水平的提高起到積極的作用。圖1-1 立式數(shù)控銑床2.刀庫的總體設計方案2.1課程設計的任務及要求設計題目：數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)設計設計要求：設計一個立式數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)的刀庫裝置及其控制系統(tǒng)，主要性能指標參數(shù)如下： 刀庫載刀量：8把； 刀具形式：BT40； 刀具直徑：63mm； 刀盤最低轉速：60r/min； 刀架水平運動行程240mm；采用PLC控制。2.2刀庫的類型選擇目前

6、一般刀庫按結構形式可以分為以下幾種： 1）刀具儲存在圓型鼓輪上，這種刀庫結構簡單，但刀具環(huán)形排列，空間利用率低，為了不致于刀庫外徑過大導致轉動慣量過大，一般刀庫容量在32把以下。使刀庫中處于換刀位置的刀具軸線平行于主軸軸線，以簡單的回轉式機械手對刀庫和主軸進行交換。要求刀庫容量較大的場合，可以采用空間利用率較高的多重型鼓輪式刀庫，這種刀庫的傳動裝置和控制裝置較為復雜。 2）鏈式刀庫。 刀具儲存在鏈條環(huán)節(jié)上，再以鏈輪驅(qū)動，結構緊湊，刀庫容量較大，鏈環(huán)的現(xiàn)狀可以根據(jù)機床的布局配置成各種形狀，也可以將換刀位置突出以利換刀。當鏈式刀庫需要增加刀庫容量時，只需增加鏈條的長度，在一定的范圍內(nèi)，無需變更線速

7、度及慣量，這種條件對系列刀庫的設計與制造帶來了很大的方便，可以滿足不同的使用條件。 3）盒式刀庫。 刀具儲存在縱橫排列的格子上，此種刀庫空間利用率最高，刀庫容量大。4）轉塔式刀庫。 刀具儲存在同一轉塔上，其主要特征是刀庫環(huán)繞是主軸，儲刀位置即為主軸位置，因儲存刀具數(shù)量有限，主要用于小型加工中心。 5）斗笠式刀庫。斗笠式刀庫由于其形狀像個大斗笠而得名，一般存儲刀具數(shù)量不能太多，1024把刀具為宜，具有體積小、安裝方便等特點，在立式加工中心中應用較多。加工中心的一個很大優(yōu)勢在于它有ATC裝置，使加工變得更具有柔性化。根據(jù)以上幾種刀庫的類型，立式加工中心的具體工作狀態(tài)所需，所以選擇斗笠式刀庫。3.電

8、機的選擇3.1電機的選型及相關參數(shù)法納克公司生產(chǎn)的交流伺服電機性能型號3-02-01-0輸出功率(kw)0.10.20.4額定轉矩(N*m)0.491.02.0最大轉矩(N*m)2.27.816最高轉速(r/min)300020002000轉子轉動慣量(Kg)7.33.663.2各部分轉動慣量的計算（1） 刀盤：（2） 軸：（3） 刀具：（4） 槽輪：（5） 鎖止盤：（6） 套筒：3.3預選電機若選200W，則，最高轉速為2000r/min速比 ： 可知 ：慣量比：，滿足20倍以下的要求。由此可知刀庫系統(tǒng)的轉動慣量為：3.4電機的校核（1）由摩擦引起的摩擦力矩：（2）最大加速轉矩：（3） 電機

9、的最大啟動轉矩：通過上述校核，得出電機符合要求。加速裝置采用XB1型通用諧波減速器，減速比100：3，輸出軸徑20mm。 4.機械系統(tǒng)的設計4.1刀庫轉動定位機構的設計自動換刀裝置為了實現(xiàn)快速可靠，應該滿足三點要求：運動平穩(wěn)、無沖擊，即最大加速度和最大速度要小。各相鄰動作可重疊者，要按其規(guī)律盡量多重疊。各個動作要可靠。為了實現(xiàn)自動換刀裝置的功能，可以通過電、液、氣、機聯(lián)合實現(xiàn)需要的動作。常用的間歇運動機構有： （1）弧面分度凸輪機構和圓柱分度凸輪機構； （2）平行凸輪機構； （3）槽輪機構； （4）改良型槽輪機構；（5）余擺線機構根據(jù)實際工作情況與目前以上幾種間歇機構的特點，選擇機械部分結構采

10、用槽輪機構，槽輪機構是20世紀初就開始使用的間歇運動機構，也是成本最低的結構。槽輪機構(又稱馬爾他機構)能把主動軸的勻速連續(xù)運動轉換為從動軸的周期性間歇運動，常用于各種分度轉位機構中。槽輪機構有三種基本類型：外嚙合槽輪機構、內(nèi)嚙合槽輪機構和球面槽輪機構。立式加工中心斗笠式刀庫采用外嚙合槽輪機構。該刀庫可容納8把刀具，即槽輪的齒數(shù)為8。刀庫的回轉選刀由刀庫電機通過減速器帶動曲柄回轉，曲柄每回轉一周，槽輪轉過45°,刀庫刀盤轉過一個刀位，并由鎖止盤定位。刀庫上的刀位信號由兩只開關聯(lián)合發(fā)出，在刀庫的一號刀位上安裝一只擋鐵，在支架上安裝一只檢測開關，機床開機后，刀庫自動回轉尋找一號刀位(基準

11、刀位)，當一號刀位上的擋鐵觸發(fā)支架上檢測開關后刀庫停止回轉，刀庫的當前刀位為一號刀位，刀庫處于初始狀態(tài)。其余刀位信號由安裝在曲柄上的擋鐵觸發(fā)刀位檢測開關進行累計計數(shù)，曲柄每回轉一周即刀庫轉過一個刀位觸發(fā)一次。通過控制刀庫電機的旋轉方向，實現(xiàn)刀庫的雙向選刀。綜上所述：故刀庫轉動定位機構選擇平面單銷外槽輪機構。具體計算參數(shù)如下：槽間角：槽輪每次轉位時曲柄的轉角：槽數(shù)：z=8； 槽輪與鎖止盤間的中心距:L=100.54mm；主動曲柄長度：，根據(jù)裝配要求，取61.6槽輪半徑：，取100圓銷半徑：，取8.6槽底高：鎖止弧半徑：考慮具體裝配要求，取20.1由于槽輪的角加速度變化較大，且在轉位過程的前半階段

12、與后半階段的角加速度方向不同，因此當槽與滾子之間存在間隙時，會產(chǎn)生沖擊。為了減小沖擊應采取以下措施：減小或消除滾子與槽之間的間隙；消除銷開始進入槽時的間隙，應使槽輪的實際外圓半徑Ra略大于槽輪名義外圓半徑R，取式中為滾子半徑。4.2滾動軸承的選擇計算 滾動軸承的基本額定動負荷在條件是： 1）軸承材料為高質(zhì)量淬硬鋼 2）時效概率為10% 3）基本額定壽命為 根據(jù)軸承所受載荷的大小和方向，初選圓錐滾子軸承。 設計參數(shù)： 軸向力 徑向力，很小忽略不計。軸頸直徑 轉速 要求壽命 溫度系數(shù)潤滑方式 ：脂潤滑。 被選軸承信息：軸承型號 30210 軸承參數(shù)： 基本額定動載荷：基本額定靜載荷：根據(jù)公式中：P

13、 動載荷（N）；徑向載荷（N）； 軸向載荷（N）； X 徑向動載荷系數(shù)； Y 軸向動載荷系數(shù)； 軸承壽命的校核：軸承基本額定壽命為：公式中： n 軸承轉速（）； 指數(shù)，對于球軸承= 3得：故型號為30210的圓錐滾子軸承符合要求。4.2 軸的校核計算按扭轉強度條件計算：，滿足要求。4.3 鍵的設計計算選擇A型平鍵鍵1的基本數(shù)據(jù)，12*8，L取40mm，取75MPa。工作長度鍵與輪轂鍵槽的接觸高度則，滿足要求。鍵2的基本數(shù)據(jù)，14*9，L取35mm，取75MPa。工作長度鍵與輪轂鍵槽的接觸高度則，滿足要求。5.控制系統(tǒng)的設計換刀控制是數(shù)控加工中心控制中較為復雜的一個內(nèi)容，涉及刀庫的選刀及機械手的

14、換刀控制。本系統(tǒng)采用主軸向上下運動的自卸式換刀方式。刀庫為斗笠式刀庫。如下圖所示。圖5-15.1 刀庫的換刀動作如下：1)軸移動至換刀坐標處見圖6-1a2)主軸準停3)刀庫前進(抓舊刀)。見圖6-1b4)主軸松刀5)z軸向上移動(讓出刀庫旋轉尺寸)，見圖6-1c6)刀庫旋轉(選刀)。見圖6-1d7)z軸向下移動(移動至換刀位置)，見圖6-1e8)主軸緊刀(抓新刀)9)刀庫后退(換刀結束)圖5-25.2利用PLC實現(xiàn)隨機換刀隨著計算機技術的發(fā)展，利用軟件選刀以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的編碼環(huán)和識刀器。在這種選刀和換刀的方式中，刀庫上的刀具能與主軸上的刀具任意地直接交換，即隨機換刀。主軸上換來的新刀號及還回刀庫的

15、刀具號，均在Pc內(nèi)部相應地存儲單元記憶。隨機換刀控制方式需要在Pc內(nèi)部設量一個模擬刀庫的數(shù)據(jù)表，其長度和表內(nèi)設置的數(shù)據(jù)與刀庫的位置數(shù)和刀具號相對應。這種方法主要由軟件完成選刀，從而消除了內(nèi)于識刀裝置的穩(wěn)定性、可靠性所帶來的選刀失誤。ATC(自動換刀)控制和刀號數(shù)據(jù)表 如圖29所示，刀庫有8個刀座，可存放8把刀具。刀座固定位置編號為方框內(nèi)1號8號，0為主軸刀位置號，由于刀具本身不附帶編碼環(huán)，故刀具編號可任意沒定，如圖294中(10)(18)的刀號。一旦給某刀編號后該編號不應隨意改變。為了使用方使刀號也采用BCD碼編寫。在PC內(nèi)部建立一個模擬刀庫的刀號數(shù)據(jù)表，如圖2-10所示。數(shù)據(jù)表的表序號與刀庫

16、刀座編號相對應，每個表序號中的內(nèi)容就是對應刀座中所插入的刀具號。圖中刀號表首地址TAB單元固定存放主軸上的刀具號數(shù)，TAB+1TAR+8存放刀庫上的刀具號。由于刀號數(shù)據(jù)表實際上是刀庫中存放刀具位置的一種映像，所以刀號表與刀庫中刀具的位置應始終保持一致。圖5-3刀庫中刀具位置編號圖5-4刀庫的刀號數(shù)據(jù)表刀具的識別 雖然刀具不附帶任何編碼裝置，且采用任意換刀方式，但是，由于在PC內(nèi)部設置的刀號數(shù)據(jù)表始終與刀具在刀庫中的實際位置相對應，所以對刀具的識別實質(zhì)上轉變?yōu)閷Φ稁煳恢玫淖R別。當?shù)稁煨D，每個刀座通過換刀位置(基準位置)時，產(chǎn)生一個脈沖信號送至PC，作為計數(shù)脈沖。同時在PC內(nèi)部設置一個刀庫位置計

17、數(shù)器，當?shù)稁煺D(cw)時，每發(fā)一個計數(shù)脈沖，使該計數(shù)器遞增計數(shù)；當?shù)稁旆崔D(ccw)時每發(fā)一個計數(shù)脈沖，則計數(shù)器遞減計數(shù)。于是計數(shù)器的計數(shù)值始終在18之間循環(huán)，而通過換刀位置時的計數(shù)值(當前值)總是指示刀庫的現(xiàn)在位置。當PC接到新刀具的指令(TXX)后，在模擬刀庫的刀號數(shù)據(jù)表中進行數(shù)據(jù)檢索，檢索到T代碼給定的刀號，將該刀具號所在數(shù)據(jù)表中的表號數(shù)存放在一個緩沖存儲單元中，這個表序號數(shù)就是新刀具在刀庫中的目標位置。刀庫旋轉后，測得刀庫的實際位置與要求的刀庫目標位置一致時，即識別了所要尋找的新刀具。刀庫停轉并定位，等待換刀。識別刀具的PC程序流程團如圖2-11所示。刀具的交換及刀號數(shù)據(jù)表的修改 當

18、前一工序加工結束后需要更換新刀加工時，NC系統(tǒng)發(fā)出自動換刀指令M06控制機床主軸準停。機械手執(zhí)行換刀動作，將主軸上用過的舊刀和刀庫上選好的新刀進行交換。與此同時，應通過軟件修改PC內(nèi)部的刀號數(shù)據(jù)表，使相應的刀號表單元中的刀號與交換后的刀號相對應。參考文獻1 尹志強. 機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書. 北京：機械工業(yè)出版社，2007.2 李宏勝. 數(shù)控原理與系統(tǒng). 北京： 機械工業(yè)出版社，2003.3 雷才洪，陳志雄. 數(shù)控機床. 北京：科學出版社，20054 龔仲華，孫毅，史建成. 數(shù)控機床維修技術與典型實例. 北京：人民郵電出版社，2006.5 高德文. 數(shù)控加工中心. 北京：化學工業(yè)出版社，20036 王愛玲. 現(xiàn)代數(shù)控原理及數(shù)控技術. 北京：國防工業(yè)出版社，2005.7 夏田. 數(shù)控加工中心設計. 北京：化學工業(yè)出版社，20068 王侃夫. 數(shù)控機床控制技術與系統(tǒng). 北京：機械工業(yè)出版社，2007.9 王知行，鄧宗全. 機械原理. 北京：高等教育出版社，2006.10 成大先. 機械設計手冊：第二卷. 第四版. 北京：化學工業(yè)出版社，2002.11 成大先. 機械設計手冊：第三卷. 第四版. 北京：化學工業(yè)出版社，2002.12 成大先. 機械設計手冊：第五卷. 第四版. 北京：化學工業(yè)出版社，2002.13 濮良貴.