1、数控加工中心自动换刀系统设计 1 要 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。 数控加工中心自动换刀系统设计 2 目 录 1 绪论 .3 2.刀库的总体设计方案 .5 2.1 课程设计的任务及要求 .5 2.2 刀库的类型选择 .5 3.电机的选择 .6 3.1 电机的选型及相关参数
2、 .6 3.2 各部分转动惯量的计算 .6 3.3 预选电机 .6 3.4 电机的校核 7 4.机械系统的设计 7 4.1 刀库转动定位机构的设计 .7 4.2 滚动轴承的选择计算 .9 4.2 轴的校核计算 .10 4.3 键的设计计算 .10 5.控制系统的设计 .11 5.1 刀库的换刀动作如下： .11 5.2 利用 PLC 实现随机换刀 .12 参考文献 16 数控加工中心自动换刀系统设计 3 1 绪论 在现代数控机床中，加工中心(MC-Machining Center)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、高自动化的机
3、床，并迅速向高速化、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%。2
4、005 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:(l)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、发电、工程机械、造 船、模具、IT 各业均需购置大、中、小各种 Mc，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
5、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 hL =86750 (h) 验算结果：合 格。 数控加工中心自动换刀系统设计 4 还存在差距。国产加工中心市场占有率低的主要原因是国 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 发挥加工中心功能和性能的先决条件，必将对我国装备制
6、造业的整体水平的提高起到积极的作用。 图 1-1 立式数控铣床 数控加工中心自动换刀系统设计 5 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
7、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
8、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 数控加工中心自动换刀系统设计 6 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
9、服电机性能 型号 3-0 2-0 1-0 输出功率(kw) 0.1 0.2 0.4 额定转矩(N*m) 0.49 1.0 2.0 最大转矩(N*m) 2.2 7.8 16 最高转速(r/min) 3000 2000 2000 转子转动惯量(Kg 2m) 7.3 5103.6 46 410 3.2 各部分转动惯量的计算 （1）刀盘： 28DJDP 3.25.638 （2）轴： 04.1.5432mL （3）刀具： 3192.0).35.(8)( 2222 rRJD （4）槽轮： .)0.1(.4)( 22CL （5）锁止盘： 322 1048.9).(63.)( rRmJSZP （6）套筒： 4
10、222 .05.1.05.8. T 3.3 预选电机 若选 200W，则 46.3MJ，最高转速为 2000r/min 速比 ： 预选电机 200W 数控加工中心自动换刀系统设计 7 3 1062mcn 可知 ： 3221047.)310(.095. 03.92.6 mciLCJ 惯量比： 24.633MLJ ，满足 20 倍以 下的要求。 由此可知刀库系统的转动惯量为： 3331087.10.47.0LCmCJ 3.4 电机的校核 （1）由摩擦引起的摩擦力矩： .92.6.5981. SPCFRGT （2）最大加速转矩： 845.0.07.603maxCamtnJ （3）电机的最大启动转矩：
11、 .762.18.45. FCrTc 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： （1）弧面分度凸轮机构和圆柱分度凸轮机构； （2）平行凸轮机构； （3）槽轮机构； （4）改良型槽轮机构； （5）余摆线机构 折算到电机
12、上的 负载惯量 231047.mkgJLC 惯量比在 20 倍 以内，满足要求 刀库系统的转动 惯量 231087.mkgJC额 定TF最 大Cam 所以电机符合要 求 选用 XB1 型谐 波齿轮，减速比 100:3 选用槽轮机构 数控加工中心自动换刀系统设计 8 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
13、加工中心斗笠式刀库采用外啮合 槽轮机构。 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
14、现刀库的双向选刀。 综上所述：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： 槽间角： 4583602 槽轮每次转位时曲柄的转角： 1352801 槽数：z=8； 槽轮与锁止盘间的中心距:L=100.54mm； 主动曲柄长度： 47.385.2sin4.10sin21 LR ，根据装配要求，取 61.6 槽轮半径： 935.2cos.10co22 LR，取 100 圆销半径： 7.6 .1r ，取8.6 槽底高： 槽间角 45 槽数 8 中心距 100.54 曲柄长 61.6 槽轮半径 100 圆销半径 8.6 锁止弧半径 20.1 数控加工中心自动换刀系统设计 934.26
15、).861(54.0)3(1 rRLb 锁止弧半径： 1erRx 考虑具 体装配要求，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 式中 为滚子半径。2ARr 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 610L 根据轴承所受载荷的大小和方向，初选圆锥滚子轴承。 设计参
16、数： 轴向力 )(248.360.9)85.423.56( NgmFia 径向力 ，很小忽略不计。r 轴颈直径 01d 转速 (/in) 要求寿命 5hL 温度系数 tf 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： kNCr2.73 基本额定静载荷： ro09 根据 ()praPfXFY 公式中：P 动载荷（N）； 径向载荷（N）； rF 初选圆锥滚子轴 承 型号 30210 数控加工中心自动换刀系统设计 10 轴向载荷（N）； aF X 径向动载荷系数； Y 轴向动载荷系数； 轴承寿命的校核： 轴承基本额定寿命为： 610()rhCLnP 公式中：
17、 n 轴承转速（ ）； /mi 指数，对于球轴承= 3 得： hLh 1037., 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： MPadnPWT87.14.026515.92.0159336 MaT ，满足要求。 4.3 键的设计计算 选择A型平键 键1的基本数据，12*8，L取40mm， MPap906，取 75MPa。 工作长度 mbl28140 键与轮毂键槽的接触高度 hk45.0. 则 PakldTp 19.69.5233p ，满足要求。 键2的基本数据，14*9，L取35mm， ， Map906， 取75MPa。 工作长度 mbl21435
18、 键与轮毂键槽的接触高度 hk35.0. 则 PakldTp .7.89610233 ,hL 满足要求 T 满足要求 p 键 1 满足要求 p 数控加工中心自动换刀系统设计 11p ，满足要求。 5.控制系统的设计 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。 图 5-1 5.1 刀库的换刀动作如下： 1)轴移动至换刀坐标处见图6-1a 2)主轴准停 3)刀库前进(抓旧刀)。见图6-1b 4)主轴松刀 5)z轴向上移动(让出刀库旋转尺寸)，见图6-1c 6)刀库旋转(选刀)。见图
19、6-1d 7)z轴向下移动(移动至换刀位置)，见图6-1e 8)主轴紧刀(抓新刀) 9)刀库后退(换刀结束) 键 2 满足要求 数控加工中心自动换刀系统设计 12 图 5-2 5.2 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 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
20、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 29 所示， 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 294 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 T
21、AR+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。 数控加工中心自动换刀系统设计 13 图 5-3 刀库中刀具位置编号 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，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
22、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。 当 PC 接到新刀具的指令 (TXX)后，在模拟刀库的刀 数控加工中心自动换刀系统设计 14 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。识别刀具的 PC 程序流程团如图 2-11 所示。
23、刀具的交换及刀号数据表的修改 当前一工序加工 结束后需要更换新刀加工时，NC 系统发出自动换刀指令 M06 控制机床主轴准停。机械手执行换刀动作，将主轴上 用过的旧刀和刀库上选好的新刀进行交换。与此同时，应 通过软件修改 PC 内部的刀号数据表，使相应的刀号表单 元中的刀号与交换后的刀号相对应。 数控加工中心自动换刀系统设计 15 参考文献 1 尹志强. 机电一体化系统设计课程设计指导书. 北京： 数控加工中心自动换刀系统设计 16 机械工业出版社，2007. 2 李宏胜. 数控原理与系统. 北京： 机械工业出版社， 2003. 3 雷才洪，陈志雄 . 数控机床. 北京：科学出版社，2005
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