數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)設(shè)計 16
摘 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(shè)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(shè)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(zhuǎn)位定位機構(gòu)進行了設(shè)計；最后是對于控制系統(tǒng)進行了簡單設(shè)計。
關(guān)鍵字：加工中心，換刀系統(tǒng)，刀庫，PLC。
目 錄
1緒論 3
2.刀庫的總體設(shè)計方案 5
2.1課程設(shè)計的任務(wù)及要求 5
2.2刀庫的類型選擇 5
3.電機的選擇 6
3.1電機的選型及相關(guān)參數(shù) 6
3.2各部分轉(zhuǎn)動慣量的計算 6
3.3預(yù)選電機 6
3.4電機的校核 7
4.機械系統(tǒng)的設(shè)計 7
4.1刀庫轉(zhuǎn)動定位機構(gòu)的設(shè)計 7
4.2滾動軸承的選擇計算 9
4.2 軸的校核計算 10
4.3 鍵的設(shè)計計算 10
5.控制系統(tǒng)的設(shè)計 11
5.1 刀庫的換刀動作如下： 11
5.2利用PLC實現(xiàn)隨機換刀 12
參考文獻 16
1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(fù)合化、環(huán)保化、五軸聯(lián)動等方向發(fā)展，己成為當(dāng)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(fù)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(zhuǎn)換時間，降低生產(chǎn)成本。
在當(dāng)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(jié)構(gòu)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、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(yīng)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)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(guān)鍵技術(shù)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(shè)計方案
2.1課程設(shè)計的任務(wù)及要求
設(shè)計題目：數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)設(shè)計
設(shè)計要求：設(shè)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(biāo)參數(shù)如下：
刀庫載刀量：8把；
刀具形式：BT40；
刀具直徑：Φ63mm；
刀盤最低轉(zhuǎn)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
目前一般刀庫按結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dǎo)致轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fù)雜。
2）鏈?zhǔn)降稁臁?刀具儲存在鏈條環(huán)節(jié)上，再以鏈輪驅(qū)動，結(jié)構(gòu)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(dāng)鏈?zhǔn)降稁煨枰黾拥稁烊萘繒r，只需增加鏈條的長度，在一定的范圍內(nèi)，無需變更線速度及慣量，這種條件對系列刀庫的設(shè)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(zhuǎn)塔式刀庫。 刀具儲存在同一轉(zhuǎn)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，10~24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(yīng)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.電機的選擇
3.1電機的選型及相關(guān)參數(shù)
法納克公司生產(chǎn)的交流伺服電機性能
型號
3-0
2-0
1-0
輸出功率(kw)
0.1
0.2
0.4
額定轉(zhuǎn)矩(N*m)
0.49
1.0
2.0
最大轉(zhuǎn)矩(N*m)
2.2
7.8
16
最高轉(zhuǎn)速(r/min)
3000
2000
2000
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量(Kg)
7.3
3.6
6
3.2各部分轉(zhuǎn)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(yù)選電機
若選200W，則，最高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩：
（3） 電機的最大啟動轉(zhuǎn)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(shè)計
4.1刀庫轉(zhuǎn)動定位機構(gòu)的設(shè)計
自動換刀裝置為了實現(xiàn)快速可靠，應(yīng)該滿足三點要求：①運動平穩(wěn)、無沖擊，即最大加速度和最大速度要小。②各相鄰動作可重疊者，要按其規(guī)律盡量多重疊。③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(gòu)有：
（1）弧面分度凸輪機構(gòu)和圓柱分度凸輪機構(gòu)；
（2）平行凸輪機構(gòu)；
（3）槽輪機構(gòu)；
（4）改良型槽輪機構(gòu)；
（5）余擺線機構(gòu)
根據(jù)實際工作情況與目前以上幾種間歇機構(gòu)的特點，選擇機械部分結(jié)構(gòu)采用槽輪機構(gòu)，槽輪機構(gòu)是20世紀(jì)初就開始使用的間歇運動機構(gòu)，也是成本最低的結(jié)構(gòu)。槽輪機構(gòu)(又稱馬爾他機構(gòu))能把主動軸的勻速連續(xù)運動轉(zhuǎn)換為從動軸的周期性間歇運動，常用于各種分度轉(zhuǎn)位機構(gòu)中。槽輪機構(gòu)有三種基本類型：外嚙合槽輪機構(gòu)、內(nèi)嚙合槽輪機構(gòu)和球面槽輪機構(gòu)。立式加工中心斗笠式刀庫采用外嚙合槽輪機構(gòu)。
該刀庫可容納8把刀具，即槽輪的齒數(shù)為8。刀庫的回轉(zhuǎn)選刀由刀庫電機通過減速器帶動曲柄回轉(zhuǎn)，曲柄每回轉(zhuǎn)一周，槽輪轉(zhuǎn)過45°,刀庫刀盤轉(zhuǎn)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(guān)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(guān)，機床開機后，刀庫自動回轉(zhuǎn)尋找一號刀位(基準(zhǔn)刀位)，當(dāng)一號刀位上的擋鐵觸發(fā)支架上檢測開關(guān)后刀庫停止回轉(zhuǎn)，刀庫的當(dāng)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(guān)進行累計計數(shù)，曲柄每回轉(zhuǎn)一周即刀庫轉(zhuǎn)過一個刀位觸發(fā)一次。通過控制刀庫電機的旋轉(zhuǎn)方向，實現(xiàn)刀庫的雙向選刀。
綜上所述：故刀庫轉(zhuǎn)動定位機構(gòu)選擇平面單銷外槽輪機構(gòu)。
具體計算參數(shù)如下：
槽間角：
槽輪每次轉(zhuǎn)位時曲柄的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)位過程的前半階段與后半階段的角加速度方向不同，因此當(dāng)槽與滾子之間存在間隙
時，會產(chǎn)生沖擊。為了減小沖擊應(yīng)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(yīng)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(shè)計參數(shù)：
軸向力
徑向力，很小忽略不計。
軸頸直徑
轉(zhuǎn)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 ——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(zhuǎn)速（）；
ε ——指數(shù)，對于球軸承ε= 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(zhuǎn)強度條件計算：
，滿足要求。
4.3 鍵的設(shè)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(shè)計
換刀控制是數(shù)控加工中心控制中較為復(fù)雜的一個內(nèi)容，涉及刀庫的選刀及機械手的換刀控制。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5-1
5.1 刀庫的換刀動作如下：
1)軸移動至換刀坐標(biāo)處．見圖6-1a
2)主軸準(zhǔn)停
3)刀庫前進(抓舊刀)。見圖6-1b
4)主軸松刀
5)z軸向上移動(讓出刀庫旋轉(zhuǎn)尺寸)，見圖6-1c
6)刀庫旋轉(zhuǎn)(選刀)。見圖6-1d
7)z軸向下移動(移動至換刀位置)，見圖6-1e
8)主軸緊刀(抓新刀)
9)刀庫后退(換刀結(jié)束)
圖5-2
5.2利用PLC實現(xiàn)隨機換刀
隨著計算機技術(shù)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刀具號，均在Pc內(nèi)部相應(yīng)地存儲單元記憶。隨機換刀控制方式需要在Pc內(nèi)部設(shè)量一個模擬刀庫的數(shù)據(jù)表，其長度和表內(nèi)設(shè)置的數(shù)據(jù)與刀庫的位置數(shù)和刀具號相對應(yīng)。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。
①ATC(自動換刀)控制和刀號數(shù)據(jù)表 如圖2—9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2—94中(10)—(18)的刀號。一旦給某刀編號后．該編號不應(yīng)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)表的表序號與刀庫刀座編號相對應(yīng)，每個表序號中的內(nèi)容就是對應(yīng)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+1—TAR+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(yīng)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
②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(shè)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(yīng)，所以對刀具的識別實質(zhì)上轉(zhuǎn)變?yōu)閷Φ稁煳恢玫淖R別。當(dāng)?shù)稁煨D(zhuǎn)，每個刀座通過換刀位置(基準(zhǔn)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(shè)置一個刀庫位置計數(shù)器，當(dāng)?shù)稁煺D(zhuǎn)(cw)時，每發(fā)一個計數(shù)脈沖，使該計數(shù)器遞增計數(shù)；當(dāng)?shù)稁旆崔D(zhuǎn)(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1—8之間循環(huán)，而通過換刀位置時的計數(shù)值(當(dāng)前值)總是指示刀庫的現(xiàn)在位置。
當(dāng)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(biāo)位置。刀庫旋轉(zhuǎn)后，測得刀庫的實際位置與要求的刀庫目標(biāo)位置一致時，即識別了所要尋找的新刀具。刀庫停轉(zhuǎn)并定位，等待換刀。識別刀具的PC程序流程團如圖2-11所示。
③刀具的交換及刀號數(shù)據(jù)表的修改 當(dāng)前一工序加工結(jié)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(zhǔn)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(yīng)通過軟件修改PC內(nèi)部的刀號數(shù)據(jù)表，使相應(yīng)的刀號表單元中的刀號與交換后的刀號相對應(yīng)。
參考文獻
[1] 尹志強. 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)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(xué)出版社，2005
[4] 龔仲華，孫毅，史建成. 數(shù)控機床維修技術(shù)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(xué)工業(yè)出版社，2003
[6] 王愛玲. 現(xiàn)代數(shù)控原理及數(shù)控技術(shù). 北京：國防工業(yè)出版社，2005.
[7] 夏田. 數(shù)控加工中心設(shè)計. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006
[8] 王侃夫. 數(shù)控機床控制技術(shù)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(shè)計手冊：第二卷. 第四版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.
[11] 成大先. 機械設(shè)計手冊：第三卷. 第四版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.
[12] 成大先. 機械設(shè)計手冊：第五卷. 第四版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.
[13] 濮良貴. 機械設(shè)計. 北京：高等教育出版社，2006.
[14] 張毅剛. 單片機原理及應(yīng)用. 北京：高等教育出版社，2008.
[15] 張建民. 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計. 北京：高等教育出版社，2004.
[16] 吳宗澤. 機械設(shè)計簡明手冊. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.
=86750 (h)
驗算結(jié)果：合格。
預(yù)選電機200W
折算到電機上的負載慣量
慣量比在20倍以內(nèi)，滿足要求
刀庫系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量
所以電機符合要求
選用XB1型諧波齒輪，減速比100:3
選用槽輪機構(gòu)
槽間角
槽數(shù)8
中心距100.54
曲柄長61.6
槽輪半徑100
圓銷半徑8.6
鎖止弧半徑20.1
初選圓錐滾子軸承
型號30210
滿足要求
滿足要求
鍵1滿足要求
鍵2滿足要求