數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16
摘 要
本文主要對(duì)數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文主要對(duì)數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jìn)行刀庫類型的選擇以及電動(dòng)機(jī)的確定；接著對(duì)刀庫的轉(zhuǎn)位定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；最后是對(duì)于控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡單設(shè)計(jì)。
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(jì)方案 5
2.1課程設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求 5
2.2刀庫的類型選擇 5
3.電機(jī)的選擇 6
3.1電機(jī)的選型及相關(guān)參數(shù) 6
3.2各部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 6
3.3預(yù)選電機(jī) 6
3.4電機(jī)的校核 7
4.機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7
4.1刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 7
4.2滾動(dòng)軸承的選擇計(jì)算 9
4.2 軸的校核計(jì)算 10
4.3 鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算 10
5.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11
5.1 刀庫的換刀動(dòng)作如下： 11
5.2利用PLC實(shí)現(xiàn)隨機(jī)換刀 12
參考文獻(xiàn) 16
1緒論
在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中，加工中心(MC-Machining Center)能進(jìn)行自動(dòng)換刀、自動(dòng)更換工件，實(shí)行平面、任意曲面、孔、螺紋等加工，成為一種獨(dú)特的多功能高精、高效、高自動(dòng)化的機(jī)床，并迅速向高速化、復(fù)合化、環(huán)?；?、五軸聯(lián)動(dòng)等方向發(fā)展，己成為當(dāng)今國際機(jī)床展上最大的亮點(diǎn)。
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(shí)間，降低生產(chǎn)成本。
在當(dāng)今機(jī)械工業(yè)中，產(chǎn)品不斷向個(gè)性化、精密化、小批量發(fā)展，世界對(duì)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(jī)種。
1996年國產(chǎn)加工中心與進(jìn)口加工中心的臺(tái)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(jìn)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(gè)機(jī)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(dòng)的多、自動(dòng)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(jī)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(dòng)機(jī)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(jìn)口的快速增加，一方面反映了我國制造業(yè)對(duì)這類數(shù)控機(jī)床的需求旺盛，另一方面也反映了我國機(jī)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(shí)和長遠(yuǎn)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(duì)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(jì)方案
2.1課程設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求
設(shè)計(jì)題目：數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一個(gè)立式數(shù)控加工中心自動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(chǔ)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(dòng)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(jī)械手對(duì)刀庫和主軸進(jìn)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(dòng)裝置和控制裝置較為復(fù)雜。
2）鏈?zhǔn)降稁臁?刀具儲(chǔ)存在鏈條環(huán)節(jié)上，再以鏈輪驅(qū)動(dòng)，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(jī)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(shí)，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(duì)系列刀庫的設(shè)計(jì)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(chǔ)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(chǔ)存在同一轉(zhuǎn)塔上，其主要特征是刀庫環(huán)繞是主軸，儲(chǔ)刀位置即為主軸位置，因儲(chǔ)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(gè)大斗笠而得名，一般存儲(chǔ)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(diǎn)，在立式加工中心中應(yīng)用較多。
加工中心的一個(gè)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(jī)的選擇
3.1電機(jī)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(jī)性能
型號(hào)
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(dòng)慣量(Kg)
7.3
3.6
6
3.2各部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)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(jī)
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(dòng)慣量為：
3.4電機(jī)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(jī)的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：
通過上述校核，得出電機(jī)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(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
自動(dòng)換刀裝置為了實(shí)現(xiàn)快速可靠，應(yīng)該滿足三點(diǎn)要求：①運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無沖擊，即最大加速度和最大速度要小。②各相鄰動(dòng)作可重疊者，要按其規(guī)律盡量多重疊。③各個(gè)動(dòng)作要可靠。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀裝置的功能，可以通過電、液、氣、機(jī)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)需要的動(dòng)作。
常用的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有：
（1）弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)和圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)；
（2）平行凸輪機(jī)構(gòu)；
（3）槽輪機(jī)構(gòu)；
（4）改良型槽輪機(jī)構(gòu)；
（5）余擺線機(jī)構(gòu)
根據(jù)實(shí)際工作情況與目前以上幾種間歇機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，選擇機(jī)械部分結(jié)構(gòu)采用槽輪機(jī)構(gòu)，槽輪機(jī)構(gòu)是20世紀(jì)初就開始使用的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，也是成本最低的結(jié)構(gòu)。槽輪機(jī)構(gòu)(又稱馬爾他機(jī)構(gòu))能把主動(dòng)軸的勻速連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為從動(dòng)軸的周期性間歇運(yùn)動(dòng)，常用于各種分度轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)中。槽輪機(jī)構(gòu)有三種基本類型：外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)、內(nèi)嚙合槽輪機(jī)構(gòu)和球面槽輪機(jī)構(gòu)。立式加工中心斗笠式刀庫采用外嚙合槽輪機(jī)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(jī)通過減速器帶動(dòng)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(gè)刀位，并由鎖止盤定位。刀庫上的刀位信號(hào)由兩只開關(guān)聯(lián)合發(fā)出，在刀庫的一號(hào)刀位上安裝一只擋鐵，在支架上安裝一只檢測開關(guān)，機(jī)床開機(jī)后，刀庫自動(dòng)回轉(zhuǎn)尋找一號(hào)刀位(基準(zhǔn)刀位)，當(dāng)一號(hào)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(hào)刀位，刀庫處于初始狀態(tài)。其余刀位信號(hào)由安裝在曲柄上的擋鐵觸發(fā)刀位檢測開關(guān)進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)，曲柄每回轉(zhuǎn)一周即刀庫轉(zhuǎn)過一個(gè)刀位觸發(fā)一次。通過控制刀庫電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)刀庫的雙向選刀。
綜上所述：故刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)選擇平面單銷外槽輪機(jī)構(gòu)。
具體計(jì)算參數(shù)如下：
槽間角：
槽輪每次轉(zhuǎn)位時(shí)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(dòng)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(shí)，會(huì)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(jìn)入槽時(shí)的間隙，應(yīng)使槽輪的實(shí)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(dòng)軸承的選擇計(jì)算
滾動(dòng)軸承的基本額定動(dòng)負(fù)荷在條件是：
1）軸承材料為高質(zhì)量淬硬鋼
2）時(shí)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(jì)參數(shù)：
軸向力
徑向力，很小忽略不計(jì)。
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(hào) 30210
軸承參數(shù)：
基本額定動(dòng)載荷：
基本額定靜載荷：
根據(jù)
公式中：P ——?jiǎng)虞d荷（N）；
——徑向載荷（N）；
——軸向載荷（N）；
X ——徑向動(dòng)載荷系數(shù)； Y ——軸向動(dòng)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(duì)于球軸承ε= 3
得：
故型號(hào)為30210的圓錐滾子軸承符合要求。
4.2 軸的校核計(jì)算
按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算：
，滿足要求。
4.3 鍵的設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)
換刀控制是數(shù)控加工中心控制中較為復(fù)雜的一個(gè)內(nèi)容，涉及刀庫的選刀及機(jī)械手的換刀控制。本系統(tǒng)采用主軸向上下運(yùn)動(dòng)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(dòng)作如下：
1)軸移動(dòng)至換刀坐標(biāo)處．見圖6-1a
2)主軸準(zhǔn)停
3)刀庫前進(jìn)(抓舊刀)。見圖6-1b
4)主軸松刀
5)z軸向上移動(dòng)(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(dòng)(移動(dòng)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(shí)現(xiàn)隨機(jī)換刀
隨著計(jì)算機(jī)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(shí)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(jī)換刀。主軸上換來的新刀號(hào)及還回刀庫的刀具號(hào)，均在Pc內(nèi)部相應(yīng)地存儲(chǔ)單元記憶。隨機(jī)換刀控制方式需要在Pc內(nèi)部設(shè)量一個(gè)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(hào)相對(duì)應(yīng)。這種方法主要由軟件完成選刀，從而消除了內(nèi)于識(shí)刀裝置的穩(wěn)定性、可靠性所帶來的選刀失誤。
①ATC(自動(dòng)換刀)控制和刀號(hào)數(shù)據(jù)表 如圖2—9所示，刀庫有8個(gè)刀座，可存放8把刀具。刀座固定位置編號(hào)為方框內(nèi)1號(hào)—8號(hào)，0為主軸刀位置號(hào)，由于刀具本身不附帶編碼環(huán)，故刀具編號(hào)可任意沒定，如圖2—94中(10)—(18)的刀號(hào)。一旦給某刀編號(hào)后．該編號(hào)不應(yīng)隨意改變。為了使用方使．刀號(hào)也采用BCD碼編寫。
在PC內(nèi)部建立一個(gè)模擬刀庫的刀號(hào)數(shù)據(jù)表，如圖2-10所示。數(shù)據(jù)表的表序號(hào)與刀庫刀座編號(hào)相對(duì)應(yīng)，每個(gè)表序號(hào)中的內(nèi)容就是對(duì)應(yīng)刀座中所插入的刀具號(hào)。圖中刀號(hào)表首地址TAB單元固定存放主軸上的刀具號(hào)數(shù)，TAB+1—TAR+8存放刀庫上的刀具號(hào)。由于刀號(hào)數(shù)據(jù)表實(shí)際上是刀庫中存放刀具位置的一種映像，所以刀號(hào)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(hào)
圖5-4刀庫的刀號(hào)數(shù)據(jù)表
②刀具的識(shí)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(hào)數(shù)據(jù)表始終與刀具在刀庫中的實(shí)際位置相對(duì)應(yīng)，所以對(duì)刀具的識(shí)別實(shí)質(zhì)上轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)刀庫位置的識(shí)別。當(dāng)?shù)稁煨D(zhuǎn)，每個(gè)刀座通過換刀位置(基準(zhǔn)位置)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)送至PC，作為計(jì)數(shù)脈沖。同時(shí)．在PC內(nèi)部設(shè)置一個(gè)刀庫位置計(jì)數(shù)器，當(dāng)?shù)稁煺D(zhuǎn)(cw)時(shí)，每發(fā)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，使該計(jì)數(shù)器遞增計(jì)數(shù)；當(dāng)?shù)稁旆崔D(zhuǎn)(ccw)時(shí)．每發(fā)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，則計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)。于是計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值始終在1—8之間循環(huán)，而通過換刀位置時(shí)的計(jì)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(hào)數(shù)據(jù)表中進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索，檢索到T代碼給定的刀號(hào)，將該刀具號(hào)所在數(shù)據(jù)表中的表號(hào)數(shù)存放在一個(gè)緩沖存儲(chǔ)單元中，這個(gè)表序號(hào)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(shí)際位置與要求的刀庫目標(biāo)位置一致時(shí)，即識(shí)別了所要尋找的新刀具。刀庫停轉(zhuǎn)并定位，等待換刀。識(shí)別刀具的PC程序流程團(tuán)如圖2-11所示。
③刀具的交換及刀號(hào)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(shí)，NC系統(tǒng)發(fā)出自動(dòng)換刀指令M06控制機(jī)床主軸準(zhǔn)停。機(jī)械手執(zhí)行換刀動(dòng)作，將主軸上用過的舊刀和刀庫上選好的新刀進(jìn)行交換。與此同時(shí)，應(yīng)通過軟件修改PC內(nèi)部的刀號(hào)數(shù)據(jù)表，使相應(yīng)的刀號(hào)表單元中的刀號(hào)與交換后的刀號(hào)相對(duì)應(yīng)。
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[10] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì). 北京：高等教育出版社，2006.
[14] 張毅剛. 單片機(jī)原理及應(yīng)用. 北京：高等教育出版社，2008.
[15] 張建民. 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京：高等教育出版社，2004.
[16] 吳宗澤. 機(jī)械設(shè)計(jì)簡明手冊. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.
=86750 (h)
驗(yàn)算結(jié)果：合格。
預(yù)選電機(jī)200W
折算到電機(jī)上的負(fù)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(dòng)慣量
所以電機(jī)符合要求
選用XB1型諧波齒輪，減速比100:3
選用槽輪機(jī)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(hào)30210
滿足要求
滿足要求
鍵1滿足要求
鍵2滿足要求