加工中心自动换刀

1、本文主要对数控加工中心自动换刀系统及控制系统进行设计。 本文主要对数 控加工中心自动换刀系统及控制系统进行设计。 第一，了解数控加工中心的分类, 其按换刀形式的分类以及加工中心刀库的形式；然后根据给定的参数进行刀库类 型的选择以及电动机的确定；接着对刀库的转位定位机构进行了设计；最后是对 于控制系统进行了简单设计。关键字：加工中心，换刀系统，刀库,PLC。61绪论2.刀库的总体设计方案2.1课程设计的任务及要求2.2刀库的类型选择3.电机的选择3.1电机的选型及相关参数3.2各部分转动惯量的计算3.3预选电机3.4电机的校核,1.0.4.机械系统的设计10.4.1刀库转动定位机构的设计104.

2、2滚动轴承的选择计算124.2轴的校核计算13.4.3键的设计计算145.控制系统的设计145.1刀库的换刀动作如下:155.2利用PLC实现随机换刀16参考文献20.1绪论在现代数控机床中，加工中心(MC-MachiningCenter)能进行自动换刀、自动更换工件，实行平面、任意 曲面、孔、螺纹等加工，成为一种独特的多功能高精、高 效、咼自动化的机床，并迅速向咼速化、复合化、环保化、 五轴联动等方向发展，己成为当今国际机床展上最大的亮 点。加工中心特别适合于箱体、框架、叶片等特殊复杂零件的柔性高效加工，能减省一些普通铣床、钻床、键床, 提高加工精度和效率，减少转换时间，降低生产成本。在当今

3、机械工业中，产品不断向个性化、精密化、小批量发展，世界对MC的市场需求在不断增多。特别是在 要求适量柔性、大批高效生产的汽车工业、单件、小批重 切、快速生产的航空、模具工业以至IT高精尖工业中，MC 已逐渐成为重要的高效性机种。1996年国产加工中心与进口加工中心的台数比，仅为 百分之几，到2005年逐步增长到39.4%。2005年与2000 年相比，进口的加工中心数量增加 4.8倍。加工中心需求 猛增的主要原因，大致有三：(1)整个机械工业原有工艺装备 结构陈旧、性能落后，呈“三多三少”(手动的多、自动的 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、发

4、电、工程机械、造船、模 具、IT各业均需购置大、中、小各种 Me，量大面广;(2)汽车工业迅速发展，2002-2004年汽车产量分别为325、444、 507万辆，发动机缸体、缸盖、变速箱及各种汽车零部件加工，均需增添高速、高精、环保、节能的各式MC;(3)航 空、国防、军工产业，适应新形势发展，均在提高生产能 力，需要大、中型各种立式、卧式、龙门式、五轴控制的 高性能MC，而且要求品种多、质量好、供货快。加工中心进口的快速增加，一方面反映了我国制造业对这类数控机床的需求旺盛，另一方面也反映了我国机床 制造业在加工中心的生产能力和国产加工中心的竞争力上 还存在差距。国产加工中心市场占有率低的主

5、要原因是国 产加工中心在产品水平、交货期、质量和可靠性上与国外 同类产品相比存在不少差距。因此研究加工中心及其控制 系统具有现实和长远的意义，掌握其中的关键技术是充分Lh发挥加工中心功能和性能的先决条件，必将对我国装备制造业的整体水平的提高起到积极的作用。=86750 (h)验算结果：合格。图1-1立式数控铣床2.刀库的总体设计方案2.1课程设计的任务及要求设计题目：数控加工中心自动换刀系统设计设计要求：设计一个立式数控加工中心自动换刀系统的刀库装置及其控制系统，主要性能指标参数如下: 刀库载刀量：8把;刀具形式：BT40;刀具直径：63mm ;刀盘最低转速：60r/min ； 刀架水平运动行

6、程240mm ;采用PLC控制。2.2刀库的类型选择目前一般刀库按结构形式可以分为以下几种:1 ）刀具储存在圆型鼓轮上，这种刀库结构简单，但刀具环形排列，空间利用率低，为了不致于刀库外径过大导致转动惯量过大，一般刀库容量在32把以下。使刀库中处于换刀位置的刀具轴线平行于主轴轴线，以简单的回转式机械手对刀库和主轴进行交换。要求刀库容量较大的场合,可以采用空间利用率较高的多重型鼓轮式刀库，这种刀库的传动装置和控制装置较为复杂。2）链式刀库。 刀具储存在链条环节上，再以链轮驱动，结构紧凑，刀库容量较大，链环的现状可以根据机床的布局配置成各种形状，也可以将换刀位置突出以利换刀。当链式刀库需要增加刀库容

7、量时，只需增加链条的长度,在一定的范围内，无需变更线速度及惯量，这种条件对系列刀库的设计与制造带来了很大的方便，可以满足不同的使用条件。3）盒式刀库。刀具储存在纵横排列的格子上，此种刀库空间利用率最高,刀库容量大。4）转塔式刀库。刀具储存在同一转塔上，其主要特征是刀库环绕是主轴,储刀位置即为主轴位置，因储存刀具数量有限，主要用于小型加工中心。5）斗笠式刀库。斗笠式刀库由于其形状像个大斗笠而得名，一般存储刀具数量不能太多，1024把刀具为宜,具有体积小、安装方便等特点，在立式加工中心中应用较多。加工中心的一个很大优势在于它有 ATC装置，使加工变得更具有柔性化。根据以上几种刀库的类型，立式加工中

8、心的具体工作状态所需，所以选择斗笠式刀库。3.电机的选择3.1电机的选型及相关参数法纳克公司生产的交流伺服电机性能型号3-02-01-0输出功率（kw）0.10.20.4额定转矩（N*m）0.491.02.0最大转矩（N*m）2.27.816最高转速（r/min）3000200020002转子转动惯量（Kg m ）7.3 1053.6 1046 1043.2各部分转动惯量的计算J DP% mD2% 3.56 0.2520.1113（2）轴：%mL2 %4.350.13520.0264（3）刀具：J DJm(R2%)8 3(0.1152 %0.012)0.3192（4）槽轮：JcL%R2r2)4

9、.852(0.120.052)0.0303（5）锁止盘:JSZ P%(R2r2)1.6342(0.120.042)9.4810 3（6）套筒：JT2 2mr 0.068 0.0250.12920.02541.23 103.3预选电机若选200W，则JM3.610 4最高转速为2000r/min速比:nc2000100（1）刀盘:603me可知：J LCnc 2JiT2nmc(0.11130.0264 0.3192 0.03030.00950.0001)(迴)20.447 10 33惯量比:0.447 10 /3/0.36 10 31.24，满足20倍以下的要求。由此可知刀库系统的转动惯量为:J

10、CJmC Jlc 0.447 10 3 0.36 10 30.807 10 33.4电机的校核(1)由摩擦引起的摩擦力矩:GcRsP 0.15 38.59 0.06780.3921.0最大加速转矩:TCamJc 0.807 10 3 歸詈 0.845电机的最大启动转矩:TCr Team TFC 0.845 0.0807 1.652 7.8 通过上述校核，得出电机符合要求。加速装置采用XB1型通用谐波减速器，减速比100 : 3， 输出轴径20mm。4.机械系统的设计4.1刀库转动定位机构的设计自动换刀装置为了实现快速可靠，应该满足三点要求: 运动平稳、无冲击，即最大加速度和最大速度要小。 各相

11、邻动作可重叠者，要按其规律尽量多重叠。各个动 作要可靠。为了实现自动换刀装置的功能，可以通过电、 液、气、机联合实现需要的动作。常用的间歇运动机构有:弧面分度凸轮机构和圆柱分度凸轮机构;平行凸轮机构;槽轮机构;改良型槽轮机构;余摆线机构根据实际工作情况与目前以上几种间歇机构的特点,选择机械部分结构采用槽轮机构，槽轮机构是 20世纪初就开始使用的间歇运动机构，也是成本最低的结构。槽轮机 构（又称马尔他机构）能把主动轴的匀速连续运动转换为从 动轴的周期性间歇运动，常用于各种分度转位机构中。槽 轮机构有三种基本类型：外啮合槽轮机构、内啮合槽轮机 构和球面槽轮机构。立式加工中心斗笠式刀库采用外啮合 槽

12、轮机构。该刀库可容纳8把刀具，即槽轮的齿数为 8。刀库的 回转选刀由刀库电机通过减速器带动曲柄回转，曲柄每回 转一周，槽轮转过45。，刀库刀盘转过一个刀位，并由锁止 盘定位。刀库上的刀位信号由两只开关联合发出，在刀库 的一号刀位上安装一只挡铁，在支架上安装一只检测开关, 机床开机后，刀库自动回转寻找一号刀位（基准刀位），当一 号刀位上的挡铁触发支架上检测开关后刀库停止回转，刀 库的当前刀位为一号刀位，刀库处于初始状态。其余刀位 信号由安装在曲柄上的挡铁触发刀位检测开关进行累计计数，曲柄每回转一周即刀库转过一个刀位触发一次。通过控制刀库电机的旋转方向，实现刀库的双向选刀。预选电机200W综上所述

13、：故刀库转动定位机构选择平面单销外槽轮机构。具体计算参数如下:2 2槽间角：36458槽轮每次转位时曲柄的转角：2 1 180 2 2 135槽数：z=8 ；槽轮与锁止盘间的中心距：L=100.54mm ；折算到电机上的根据装配要求,取 61.6负载惯量槽轮半径:R2 Leos 2100.54 cos22.593，取 100Jlc 0.447 10 3kg?m2圆销半径:r % 61% 10.27，取8.6槽底高:惯量比在 20倍b L (Ri r)(35)100.54 (61.6 8.6) 426.34以内，满足要求锁止弧半径：Rx R1 r e 61.6 8.6 244 444.4考虑具体

14、装配要求，取20.1由于槽轮的角加速度变化较大，且在转位过程的前半阶段与后半阶段的角加速度方向不同，因此当槽与滚子之间存在间隙时，会产生冲击。为了减小冲击应采取以下措施：减小或消除滚子与槽之间的间隙；消除销开始进入槽时的间隙,应使槽轮的实际外圆半径Ra略大于槽轮名义外圆半径R,取R尺 诘式中5为滚子半径。刀库系统的转动惯量JC 0.807 10 3kg?m2TfcT额定TCamT最大主动曲柄长度：R1Lsin 2 100.54 sin22.538.47所以电机符合要4.2滚动轴承的选择计算 滚动轴承的基本额定动负荷在条件是: 1）轴承材料为高质量淬硬钢 2）时效概率为10%3 ）基本额定寿命为

15、L10 106根据轴承所受载荷的大小和方向，初选圆锥滚子轴承。选用XB1型谐波齿轮，减速比设计参数:100:3轴向力Famg (3.56 4.35 24 4.85) 9.8 360.248( N) 径向力Fr，很小忽略不计。轴颈直径d1 50 转速 n 60(r / min)要求寿命Lh 105（h） 温度系数ft 1 润滑方式：脂润滑。被选轴承信息：轴承型号 30210 轴承参数: 基本额定动载荷：Cr 73.2kN 基本额定静载荷：Cro 92.0kN根据 Pfp (XFr YFa)公式中：P 动载荷（N）;Fr径向载荷（N）;Fa轴向载荷（N）;X 径向动载荷系数;丫 一一轴向动载荷系数

16、;轴承寿命的校核:轴承基本额定寿命为：Lh公式中:n轴承转速(r /min)；指数，对于球轴承 = 3得: Lh1.37 1010h选用槽轮机构LhLh故型号为30210的圆锥滚子轴承符合要求。4.2轴的校核计算按扭转强度条件计算:4.3T 9.55 106 P 9.55 106 0.2 0.75Tn60330.2d0.2 0.4WTT 25M Pa，满足要求。键的设计计算1.87M Pa选择A型平键键1的基本数据，12*8 , L取40mm ,60 - 90MPa取75MPa 。工作长度1 L b 40 1228mm键与轮毂键槽的接触高度k0.5h0.54mm2T 1032 154.98则p

17、 Fd28 4069.19M PaP P，满足要求。键2的基本数据，14*9，L取35mm , p60 90MPa取75MPa。工作长度1 L b 351421mm键与轮毂键槽的接触高度k0.5h0.5 9 3mm32T 1032 165.89kid4.5 21 50俚 70.21M Pa，满足要求。5.控制系统的设计槽间角45换刀控制是数控加工中心控制中较为复杂的一个内容,涉及刀库的选刀及机械手的换刀控制。本系统采用主槽数8轴向上下运动的自卸式换刀方式。刀库为斗笠式刀库。如下图所示。中心距100.54、图5-1a E曲柄长61.6槽轮半径1005.1刀库的换刀动作如下:圆销半径8.61）轴移

18、动至换刀坐标处.见图6-1a2）主轴准停3）刀库前进（抓旧刀）。见图6-1b4）主轴松刀5）z轴向上移动（让出刀库旋转尺寸），见图6-1c6）刀库旋转（选刀）。见图6-1d7）z轴向下移动（移动至换刀位置），见图6-1e8）主轴紧刀（抓新刀）9）刀库后退（换刀结束）斗笠亦亍广标锁止弧半径20.1a）(d)T(e)图5-25.2利用PLC实现随机换刀随着计算机技术的发展，利用软件选刀以代替传统的 编码环和识刀器。在这种选刀和换刀的方式中，刀库上的 刀具能与主轴上的刀具任意地直接交换，即随机换刀。主 轴上换来的新刀号及还回刀库的刀具号， 均在Pc内部相应 地存储单元记忆。随机换刀控制方式需要在Pc

19、内部设量一 个模拟刀库的数据表，其长度和表内设置的数据与刀库的 位置数和刀具号相对应。这种方法主要由软件完成选刀， 从而消除了内于识刀装置的稳定性、可靠性所带来的选刀 失误。 ATC(自动换刀)控制和刀号数据表如图2 9所初选圆锥滚子轴示，刀库有8个刀座，可存放8把刀具。刀座固定位置编 号为方框内1号一8号，0为主轴刀位置号，由于刀具本身 不附带编码环，故刀具编号可任意没定，如图2 94中(10) (18)的刀号。一旦给某刀编号后.该编号不应随意改变。 为了使用方使.刀号也采用BCD码编写。在PC内部建立一个模拟刀库的刀号数据表，如图2-10 所示。数据表的表序号与刀库刀座编号相对应，每个表序

20、 号中的内容就是对应刀座中所插入的刀具号。图中刀号表 首地址TAB单元固定存放主轴上的刀具号数，TAB+1 TAR+8存放刀库上的刀具号。由于刀号数据表实际上是刀 库中存放刀具位置的一种映像，所以刀号表与刀库中刀具 的位置应始终保持一致。型号30210图5-3刀库中刀具位置编号1112J3141516I187AHTAB*TAB 19）： 号图5-4刀库的刀号数据表 刀具的识别虽然刀具不附带任何编码装置，且采 用任意换刀方式，但是，由于在PC内部设置的刀号数据表 始终与刀具在刀库中的实际位置相对应，所以对刀具的识 别实质上转变为对刀库位置的识别。当刀库旋转，每个刀 座通过换刀位置（基准位置）时，

21、产生一个脉冲信号送至PC, 作为计数脉冲。同时.在PC内部设置一个刀库位置计数器， 当刀库正转（CW）时，每发一个计数脉冲，使该计数器递增 计数；当刀库反转（ccw）时.每发一个计数脉冲，则计数器 递减计数。于是计数器的计数值始终在18之间循环，而 通过换刀位置时的计数值（当前值）总是指示刀库的现在位 置。LhLh满足要求当PC接到新刀具的指令（TXX）后，在模拟刀库的刀号 数据表中进行数据检索，检索到 T代码给定的刀号，将该 刀具号所在数据表中的表号数存放在一个缓冲存储单元 中，这个表序号数就是新刀具在刀库中的目标位置。刀库旋转后，测得刀库的实际位置与要求的刀库目标位置一致 时，即识别了所要寻找的新刀具。刀库停转并定位，等待 换刀。识别刀