小型加工中心數控換刀系統(tǒng)設計

1、西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文西安航空職業(yè)技術學院畢 業(yè) 設 計（論 文）論文題目： 數控加工中心刀具自動換刀系統(tǒng)設計所屬系部： 航空制造工程系學院指導老師： 張俊 職稱： 副教授學生姓名： 趙斌 班級、學號: 11106137專 業(yè)： 數控設備應用與維護西安航空職業(yè)技術學院制2013年11月20日西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計（論文）任務書題目： 小型加工中心數控換刀系統(tǒng)設計任務與要求： 數控加工中心刀具換刀系統(tǒng)要求針對plc的控制方式，通過plc控制刀盤 旋轉從而實現精準換刀，要求學生主要就換刀系統(tǒng)的組成及plc控制方面 進行設計。時間： 2013年 11 月 18 日至 2014年

2、1 月 10 日 共 8 周所屬系部： 航空制造工程學院學生姓名： 學 號：專業(yè)： 數控設備應用與維護指導單位或教研室： 數控設備應用與維護教研室指導教師：張俊 職 稱： 副教授西安航空職業(yè)技術學院制年 月 日畢業(yè)設計(論文)進度計劃表日 期工 作 內 容執(zhí) 行 情 況指導教師簽 字第一周分析題目并查詢相關資料搜集到相關資料第二周確定設計方案并起草方案完成設計的草案第三周換刀動作、流程的確定完成工作內容第四周自動換刀系統(tǒng)方案確定完成工作內容第五周fanuc系統(tǒng)pmc學習完成第五周刀具庫、換刀控制系統(tǒng)設計完成工作內容第六周pmc程序設計完成工作內容第七周撰寫設計說明書完成第八周完善論文，提交完成

3、教師對進度計劃實施情況總評 簽名 年 月 日 【摘要】本設計的題目是數控機床換刀系統(tǒng)設計。以加工中心為對象，通過分析加工中心的整體結構和自動換刀系統(tǒng)的特點、應用條件，設計要求等，并結合在數控機床上對刀庫和換刀控制的需要能在數控程序的控制下靈活的實現換刀過程。設計的刀庫為盤式刀庫，驅動裝置采用電機電氣驅動。結合工廠實際，該自動換刀系統(tǒng)在數控的控制下能靈活的完成換刀程序，節(jié)省了時間、提高了效率、安全可靠。關鍵詞 ：刀庫、自動控制、加工中心abstract本設計的題目是數控機床換刀系統(tǒng)設計。以加工中心為對象，通過分析加工中心的整體結構和自動換刀系統(tǒng)的特點、應用條件，設計要求等，并結合在數控機床上對刀

4、庫和換刀控制的需要能在數控程序的控制下靈活的實現換刀過程。設計的刀庫為盤式刀庫，驅動裝置采用電機電氣驅動。結合工廠實際，該自動換刀系統(tǒng)在數控的控制下能靈活的完成換刀程序，節(jié)省了時間、提高了效率、安全可靠。this design is a tool change system of cnc machine tool. to machining center as the object, through the analysis of the whole structure of machining center and automatic tool changing system charact

5、eristics, application conditions, design requirements, combined with the numerical control machine tool library and tool changing control needs - to tool change is flexible in control procedure. the knif. the knife design for disc knife library, driving device adopts motor drive. combined with the p

6、ractical, the automatic tool changing system can be flexibly atc completed program in nc control, saves time, improves the efficiency, safety and reliability.關鍵詞 ：刀庫、自動控制、加工中心keywords: knife, automatic control, processing center目錄【摘要】4.1概述71.1數控機床發(fā)展現狀71.1.1國內外數控機床的發(fā)展狀況71.1.2數控機床技術的發(fā)展趨勢91.2加工中心101.2.

7、1加工中心的組成101.2.2加工中心的特點112加工中心自動換刀系統(tǒng)方案確定132.1加工中心自動換刀系統(tǒng)概述132.2自動換刀系統(tǒng)方案確定142.1.1刀庫方案的確定142.2.2控制器方案確定172.2.3自動選刀方式方案確定173刀庫的設計183.1刀庫容量的確定183.2刀庫的轉位183.3刀庫的夾刀機構194自動換刀控制系統(tǒng)設計204.1基于plc的自動換刀控制204.2刀庫控制的程序設計214.2.1 plc接線圖214.2.2i/o配置表224.2.3梯形圖234.3系統(tǒng)改進24總 結25致 謝26參考文獻27.1概述數控技術是先進制造技術的核心，是制造業(yè)實現自動化、網絡化、柔

8、性化、集成化的基礎。數控裝備的整體水平標志著一個國家工業(yè)現代化水平和綜合國力的強弱。機床是發(fā)展機械制造業(yè)乃至整個工業(yè)必不可少的復雜生產工具，既是生產要素，又是重要的商品。而數控機床是機電一體化現代機床，對復雜件、難削件的加工起到重要作用，又特別適合于中小批多品種柔性生產。在大批大量生產自動化實現之后，必須要努力發(fā)展中小批多品種柔性生產自動化，以適應社會產品多樣化的需求。數控機床的發(fā)展在很大程度上取決于數控系統(tǒng)的性能和水平，而數控系統(tǒng)的發(fā)展及其技術基礎離不開微電子技術和計算機技術。隨著計算機及其軟硬件技術的飛速發(fā)展，數控系統(tǒng)的硬件平臺趨于一致化，而控制系統(tǒng)軟件的競爭日益加劇。1.1數控機床發(fā)展現

9、狀1.1.1國內外數控機床的發(fā)展狀況隨著電子信息技術的發(fā)展，世界機床業(yè)已進入了以數字化制造技術為核心的機電一體化時代，其中數控機床就是代表產品之一。數控機床是制造業(yè)的加工母機和國民經濟的重要基礎。它為國民經濟各個部門提供裝備和手段，具有無限放大的經濟與社會效應。目前，歐、美、日等工業(yè)化國家已先后完成了數控機床產業(yè)化進程，而中國從20世紀80年代開始起步，仍處于發(fā)展階段。“十五”期間，中國數控機床行業(yè)實現了超高速發(fā)展。其產量2001年為17521臺，2002年24803臺，2003年36813臺，2004年51861臺，2004年產量是2000年的3.7倍，平均年增長39；2005年國產數控機床

10、產量59639臺，接近6萬臺大關，是“九五”末期的4.24倍?！笆濉逼陂g，中國機床行業(yè)發(fā)展迅猛的主要原因是市場需求旺盛。固定資產投資增速快、汽車和機械制造行業(yè)發(fā)展迅猛、外商投資企業(yè)增長速度加快所致。2006年，中國數控金切機床產量達到85756臺，同比增長32.8%，增幅高于金切機床產量增幅18.4個百分點，進而使金切機床產值數控化率達到37.8%，同比增加2.3個百分點。此外，數控機床在外貿出口方面亦業(yè)績驕人，全年實現出口額3.34億美元，同比增長63.14%，高于全部金屬加工機床出口額增幅18.58個百分點。2007年，中國數控金切機床產量達123,257臺，數控金屬成形機床產量達3,0

11、11臺；國產數控機床擁有量約50萬臺，進口約20萬臺。2008年10月，中國數控機床產量達105,780臺，比2007年同比增長2.96。長期以來，國產數控機床始終處于低檔迅速膨脹，中檔進展緩慢，高檔依靠進口的局面，特別是國家重點工程需要的關鍵設備主要依靠進口，技術受制于人。究其原因，國內本土數控機床企業(yè)大多處于“粗放型”階段，在產品設計水平、質量、精度、性能等方面與國外先進水平相比落后了510年；在高、精、尖技術方面的差距則達到了1015年。同時中國在應用技術及技術集成方面的能力也還比較低，相關的技術規(guī)范和標準的研究制定相對滯后，國產的數控機床還沒有形成品牌效應。同時，中國的數控機床產業(yè)目前

12、還缺少完善的技術培訓、服務網絡等支撐體系，市場營銷能力和經營管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主創(chuàng)新能力，完全擁有自主知識產權的數控系統(tǒng)少之又少，制約了數控機床產業(yè)的發(fā)展。國外公司在中國數控系統(tǒng)銷量中的80以上是普及型數控系統(tǒng)。如果我們能在普及型數控系統(tǒng)產品快速產業(yè)化上取得突破，中國數控系統(tǒng)產業(yè)就有望從根本上實現戰(zhàn)略反擊。同時，還要建立起比較完備的高檔數控系統(tǒng)的自主創(chuàng)新體系，提高中國的自主設計、開發(fā)和成套生產能力，創(chuàng)建國產自主品牌產品，提高中國高檔數控系統(tǒng)總體技術水平?！笆晃濉逼陂g，中國數控機床產業(yè)將步入快速發(fā)展期，中國數控機床行業(yè)面臨千載難逢的大好發(fā)展機遇，根據中國數控車床19962005

13、年消費數量，通過模型擬合，預計2009年數控車床銷售數量將達8.9萬臺，年均增長率為16.5%。根據中國加工中心19962005年消費增長模型，預計2009年加工中心消費數量將達2.8萬臺，較2005年年均增長率為17.8%。1.1.2數控機床技術的發(fā)展趨勢高速、精密、復合、智能和綠色是數控機床技術發(fā)展的總趨勢，近幾年來，在實用化和產業(yè)化等方面取得可喜成績。主要表現在：1、機床復合技術進一步擴展隨著數控機床技術進步，復合加工技術日趨成熟，包括銑車復合、車銑復合、車鏜鉆齒輪加工等復合，車磨復合，成形復合加工、特種復合加工等，復合加工的精度和效率大大提高?！耙慌_機床就是一個加工廠”、“一次裝卡，完

14、全加工”等理念正在被更多人接受，復合加工機床發(fā)展正呈現多樣化的態(tài)勢。 2、智能化技術有新突破數控機床的智能化技術有新的突破，在數控系統(tǒng)的性能上得到了較多體現。如：自動調整干涉防碰撞功能、斷電后工件自動退出安全區(qū)斷電保護功能、加工零件檢測和自動補償學習功能、高精度加工零件智能化參數選用功能、加工過程自動消除機床震動等功能進入了實用化階段，智能化提升了機床的功能和品質。 3、機器人使柔性化組合效率更高機器人與主機的柔性化組合得到廣泛應用，使得柔性線更加靈活、功能進一步擴展、柔性線進一步縮短、效率更高。機器人與加工中心、車銑復合機床、磨床、齒輪加工機床、工具磨床、電加工機床、鋸床、沖壓機床、激光加工

15、機床、水切割機床等組成多種形式的柔性單元和柔性生產線已經開始應用。4、精密加工技術有了新進展數控金切機床的加工精度已從原來的絲級（0.01mm）提升到目前的微米級（0.001mm），有些品種已達到0.05m左右。超精密數控機床的微細切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達到0.05m左右，形狀精度可達0.01m左右。采用光、電、化學等能源的特種加工精度可達到納米級（0.001m）。通過機床結構設計優(yōu)化、機床零部件的超精加工和精密裝配、采用高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動等動態(tài)誤差補償技術，提高機床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進入亞微米、納米級超精加工時代。 5、功能部件性能不斷提高功能部

16、件不斷向高速度、高精度、大功率和智能化方向發(fā)展，并取得成熟的應用。全數字交流伺服電機和驅動裝置，高技術含量的電主軸、力矩電機、直線電機，高性能的直線滾動組件，高精度主軸單元等功能部件推廣應用，極大的提高數控機床的技術水平。1.2加工中心加工中心是在數控銑床的基礎上加上刀庫及自動換刀裝置或多個工作臺，集數控銑床、數控鏜床、數控鉆床的功能于一身的一種由計算機來控制的高效、高自動化的機床。工件在一次裝夾后，數控系統(tǒng)根據加工的需要，自動選擇和更換刀具，根據粗精加工的不同要求自動改變機床主軸的轉速、進給量和刀具相對于工件的運動軌跡和其他輔助功能，一次完成多工序的加工。減少了工件的裝夾、測量和機床調整等時

17、間，使機床的切削時間達到機床開動時間的80%左右（普通機床僅為15%20%）；同時也減少了工序之間的工件周轉、搬運和存放時間，縮短了生產周期，具有明顯的經濟效益。加工中心適用于零件形狀比較復雜、精度要求較高、產品更換頻繁的中小批量生產。1.2.1加工中心的組成加工中心自問世至今已有三十多年，世界各國出現了各種類型的加工中心，雖然外形結構各異，但從總體來看主要由以下幾大部分組成。（1） 基礎部件?；A部件由床身、立柱和工作臺等組成，它是加工中心的基礎結構，主要承受加工中心的靜載荷以及在加工時產生的切削負載，因此必須要有足夠的剛度。這些大件可以是鑄鐵件，也可以是焊接而成的鋼結構件，它們是加工中心體

18、積和質量最大的部件。（2） 主軸部件。主軸部件由主軸箱、主軸電動機、主軸和主軸軸承等零件組成。主軸的啟、停和變速等動作均由數控系統(tǒng)控制，并且通過裝在主軸上的刀具參與切削運動，是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關鍵部件，其結構的優(yōu)劣對加工中心的性能有很大影響。（3） 伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)主要是進給傳動系統(tǒng)，其作用是把來自數控裝置的信號轉換為機床移動部件的運動，其性能是決定機床的加工精度、表面精度、表面質量和生產效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半閉環(huán)、閉環(huán)和開環(huán)三種控制方式。（4） 數控系統(tǒng)（cnc）。 加工中心的數控部分是由cnc裝置、可編程控制器、伺服驅動裝置以及操作面板等組成。它是

19、執(zhí)行順序控制動作和完成加工過程的控制中心。（5） 自動換刀系統(tǒng)（atc）。 自動換刀系統(tǒng)是由刀庫、機械手等部件組成。當需要換刀時，數控系統(tǒng)發(fā)出指令，由機械手（或通過其他方式）將刀具從刀庫內取出裝入主軸孔中。（6） 輔助裝置。輔助裝置包括潤滑、冷卻、排屑、防護、液壓、氣動和檢測系統(tǒng)等部分。這些裝置雖然不直接參與切削運動，但對加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起著保障作用，因此也是加工中心不可缺少的部分。1.2.2加工中心的特點（1）結構特點。 機床的剛度高、抗振性好。為了滿足加工中心高自動化、高速度、高精度、高可靠性的要求，加工中心的靜剛度、動剛度和機械結構系統(tǒng)的阻尼比都高于普通機床。 機床的

20、傳動系統(tǒng)結構簡單，傳遞精度高，速度快。加工中心傳動裝置主要有三種，即滾珠絲杠副；靜壓蝸桿蝸輪條；預加載荷雙齒輪齒條。它們由伺服電機直接驅動，省去齒輪傳動機構，傳遞精度高，速度快。一般速度可達15m/min，最高可達100m/min。 主軸系統(tǒng)結構簡單，無齒輪箱變速系統(tǒng)（特殊的也只保留12級齒輪傳動）。主軸功率大，調速范圍寬，并可無級調速。目前加工中心95%以上的主軸傳動都采用交流伺服系統(tǒng)，速度可從（102000）r/min無級變速。 加工中心的導軌都采用了耐磨損材料和新的結構，能長期地保持導軌的精度，在高速切削下，保證運動部件不振動，低速進給時保證不爬行及運動中的高靈敏度。 設置有刀庫和換刀機

21、構。具有儲存加工所需刀具的刀庫，它用于儲存刀具并根據要求將各工序所用的刀具運送到取刀位置；具有自動裝卸刀具的機械手。這是加工中心與數控銑床和數控鏜床的主要區(qū)別，使加工中心的功能和自動化加工的能力更強了。加工中心的刀庫容量少的有幾把，多的達幾百把。這些刀具通過換刀機構自動調用和更換，也可以通過控制系統(tǒng)對刀具壽命進行管理。 具有主軸準停機構、刀桿自動夾緊松開機構和刀柄切屑自動清理裝置。這是加工中心機床主軸部件中三個主要組成部分，也是加工中心機床能夠順利地實現自動換刀所需具備的結構保證。此外，還具有自動排屑、自動潤滑、自動報警和工作臺自動交換的系統(tǒng)等。（2）加工特點 全封閉防護，加工精度高。加工中心

22、同其他數控機床一樣具有加工精度高的特點，而且加工中心由于加工工序集中，避免了長工藝流程，減少了人為干擾，故加工精度更高，加工質量更加穩(wěn)定。 能自動進行刀具更換，加工生產率高。零件加工所需要的時間包括機動時間與輔助時間兩部分。加工中心帶有刀庫和自動換刀裝置，在一臺機床上能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和機床的調整時間，減少工件半成品的周轉、搬運和存放時間，使機床的切削利用率（切削時間和開動時間之比）高于普通機床34倍，達80%以上。 工序集中，加工連續(xù)進行。加工中心備有刀庫并能自動更換刀具，對工件進行多工序加工，使得工件在一次裝夾后，數控系統(tǒng)能控制機床按不同工序自動選擇和更換刀具，自

23、動改變主軸轉速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡以及其他輔助功能，現代加工中心更大程度地使工件在一次裝夾后實現更多表面、多特征、多工位的連續(xù)、高效、高精度加工，即工序集中。這是加工中心最突出的特點。 加工中心能自動改變機床主軸轉速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡及其他輔助機能。 操作者的勞動強度減輕。加工中心對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作鍵盤、裝卸零件、進行關鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，不需要進行繁重的重復性手工操作，勞動強度和緊張程度均可大為減輕，勞動條件也得到很大的改善。 功能強大，趨向復合加工，對加工對象的適應性強。加工中心生產的柔性不僅體現在對特殊要

24、求的快速反應上，而且能快速實現批量生產，提高市場競爭能力。 經濟效益高，有利于生產管理的現代化。使用加工中心加工零件時，分攤在每個零件上的設備費用是較昂貴的，但在單件、小批量生產的情況下，可以節(jié)省許多其他方面的費用，因此能獲得良好的經濟效益。并且用加工中心加工零件，能夠準確地計算零件的加工工時，并有效地簡化了檢驗和工裝夾具、半成品的管理工作。這些特點有利于使生產管理現代化。由于加工中心具有上述機能，因而可以大大減少工件裝夾、測量和機床調整時間，減少工件的周轉、搬運和存放時間，使機床的切削時間利用率高于普通機床34倍，大大提高了生產率，尤其是在加工形狀比較復雜、精度要求較高、品種更換頻繁的工件時

25、，更具有良好的經濟性。2加工中心自動換刀系統(tǒng)方案確定2.1加工中心自動換刀系統(tǒng)概述加工中心要完成對工件的多工序加工，必須要在加工過程中自動更換刀具，為完成這項工作而設置的儲存及更換刀具的系統(tǒng)統(tǒng)稱為自動換刀系統(tǒng)。自動換刀系統(tǒng)中的刀庫，換刀的可靠性，即換刀速度直接影響到加工中心的工作效率。利用刀庫換刀，是目前加工中心中大量使用的換刀方式。由于有了刀庫，機床只要一個固定主軸夾持刀具，有利于提高主軸剛度。獨立的刀庫大大增加了刀具的儲存數量，有利于擴大機床的功能，并能較好地減少各種影響加工精度的干擾。2.2自動換刀系統(tǒng)方案確定2.1.1刀庫方案的確定刀庫式換刀裝置有一個存儲刀具的刀庫，機床只需一個夾持刀

26、具進行切削的刀具主軸（鉆，膛，銑類機床）或刀架（車床類機床）。當需要某一刀具進行切削加工時，將該刀具自動地從刀庫轉置至機床主軸或刀架中；在切削完畢后，又將用過的刀具自動的從機床主軸或刀架移回刀庫中。由于在換刀過程中刀具需要在多個部件之間進行轉換，所以各部件的動作必需準確協(xié)調。刀庫中刀具的數目可根據工藝要求與機床的結構布局而定，數量可較多。刀庫的儲存量一般在864把范圍內，多的可達10200把。刀庫不承受切削加工的作用力，它的工作條件比較好。機床的主軸或刀架的尺寸不像刀塔那樣的受限制，這樣就有可能提高主軸或刀架的剛度。從而有利于提高機床的加工精度。采用這種自動換刀方式的刀具主軸或刀架，需要自動夾

27、緊、放松刀具的機構及其驅動傳力機構。另外，還常需要清潔刀柄及刀孔、刀座的裝置，因而結構復雜，換刀時間一般也比較長。“自動換刀過程時間”包括下述動作的時間：一個工序加工完畢后，刀具快速退離工件，從加工位置退到換刀位置（同時主軸準停）；進行新舊刀具的交換；然后松開主軸（消除準停）、變速、主軸啟動旋轉并快速趨近加工位置，用更新的新刀具開始下一工序的加工。由于這種自動換刀裝置是用于多工序零件加工，換刀頻繁，如果每一次的“自動換刀過程時間”稍長一點，多次換刀所積累的結果就會相當可觀，就不能顯著提高生產效率，因此，在設計條件允許的情況下，應盡可能縮短“自動換刀過程時間”。鏈式刀庫包括單環(huán)鏈和多環(huán)鏈 , 鏈

28、環(huán)形式可有多種變化，如圖21（a）、（b）、（c） （a） （b） （c） 圖21 圖22是方形刀庫的典型結構示意圖。主動鏈輪由伺服電動機通過蝸輪減速裝置驅動（根據需要，還可以經過齒輪副傳動）。這種傳動方式，不僅在鏈式刀庫中采用，在其他形式的刀庫傳動中，也多采用。圖22 方形鏈式刀庫示意圖導向輪一般做成光輪，圓周表面硬化處理。兼起張緊輪作用的左側兩個導論，其輪座必須帶有導向槽（或導向鍵），以免松開安裝螺釘時，輪座位置歪扭，對張緊調節(jié)帶來麻煩?；亓阕矇K可以裝在鏈條的任意位置上，而回零開關則安裝在便于調整的位置上。這時處于機械手抓刀位置的刀套，編號為1好，然后依次編上其他刀號。刀庫回零時，只能從一

29、個方向回零，至于是順時針回轉回零，還是逆時針回轉回零，可由機電設計人員商定。如果刀套不能準確地停在換刀位置上，將會使換刀機械手抓刀不準，以致在換刀時容易發(fā)生掉刀現象。因此，刀套的準停問題將是影響換刀動作可靠性的重要因素之一。為了確保刀套準確地停在換刀位置上，需要采取如下措施：（1） 定位盤準停方式，由液壓缸推動的定位銷插入定位盤的定位槽內，以實現刀套的準停，或采取定位塊進行快速定位。刀位盤上的每個定位槽（或定位孔），對應于一個相應的刀套，而且定位槽（或定位孔）的節(jié)距要一致。這種準停方式的優(yōu)點是能有效地消除傳動鏈反向間隙的影響，保護傳動鏈，使其免受換刀撞擊力，驅動電動機可不用制動自鎖裝置。（2）

30、 鏈式刀庫要選用節(jié)距精確度較高的套筒滾子鏈和鏈輪，而且在把套筒裝在鏈條上時，要用專用夾具來定位，以保證刀套節(jié)距一致。（3） 傳動時要消除傳動間隙。消除反向間隙方法有以下幾種：電氣系統(tǒng)自動補償方式，在鏈輪軸上安裝編碼器，單頭雙導程蝸桿傳動方式，使刀套單方向運行、單方向定位以及使刀套雙向運行、單向定位方式等。鏈式刀庫有如下特點：適用于刀庫容量較大的場合，所占的空間小。一般適用于刀具數在30120把的刀庫。僅增加鏈條長度即可增加刀具數，可以不增加圓周速度，其轉動慣量不像盤式刀庫增加的那樣大。盤式刀庫結構中，刀具可以沿主軸徑向、軸向、斜向安放，如圖23（a）、（b）、（c）。刀具軸向安裝的結構最為緊湊

31、，但為了換刀時刀具與主軸同向，有的刀庫中的刀具需要在換刀位置作翻轉。在刀庫容量較大時，為在存取方便的同時保持結構緊湊，可采取彈倉式結構，但是較其他形式復雜。目前大量的刀庫安裝在機床立柱的頂面或側面。在刀庫容量較大時，也有安裝在單獨的地基上的，以隔離刀庫轉動造成的振動。盤式刀庫的刀具軸線也圓盤軸線平行，刀具環(huán)形排列，分徑向、軸向兩種取刀方式，其刀座結構不同。這種盤式刀庫結構簡單，應用較多，適用于刀庫容量較小的情況。為增加刀庫空間利用率，可采用雙環(huán)或多環(huán)排列刀具的形式，但圓盤直徑增大，轉動慣量就增加，選刀時間也較長。 （a） （b） （c）圖 23經過對上述兩種刀庫形式的比較，以及結合的實際情況，

32、在本設計中采用盤式刀庫這種結構。2.2.2控制器方案確定作為數控機床控制器是必須不可少的部分，當今應用最廣泛的控制器有51系列單片機plc單片機plc(可編程控制器)。單片機：單片機控制器使用方便；可靠性高，可工作到106 107小時無故障；處理功能強，速度快、低電壓、低功耗、控制功能強環(huán)境適應能力強。plc控制器：plc可編成控制器操作方便，改變控制程序靈活；通用性和靈活性高，應用范圍廣；系統(tǒng)組成靈活；編制程序簡單容易；維護方便；可靠性高；體積小；可將數據直接傳入管理計算機；在成本上可以與繼電器控制柜競爭綜合各種控制器特點，本設計選用plc可編程控制器進行控制。2.2.3自動選刀方式方案確定

33、目前刀具選擇一般有四種控制方式：刀套編碼方式、順序選刀方式、刀具編碼方式以及隨機選刀方式。刀套編碼方式是對刀庫各刀座預先編碼，沒把刀具放入相應刀座之后就具有了相應刀座編碼，即刀具在刀庫中的位置是固定的。順序選刀方式是將刀具按加工工序順序依次放入刀庫的每一個刀座中。每次換刀時，先把已經使用過的刀具放回原來的刀座中，然后刀庫順序轉過一個刀座位置，并取出所需要的刀具，這種方法有利于換刀過程的控制，但是，由于刀具在不同的工序中不能重復使用，如果刀具不按順序放入刀庫中，將會產生嚴重的后果。這樣就必須增加刀庫的容量和刀具的數量，降低了刀庫和刀具的利用率。刀具編碼方式是指刀具在刀庫中不必按照工件順序排列，可

34、以任意排放。沒把刀具均編上代碼，自動換到時，刀庫旋轉，沒把刀具都要經過“刀具識別器”接受識別。當刀具代碼與機床發(fā)出請求一致時，刀具庫旋轉至換到位置，等待換刀。隨機選刀方式主要是由控制軟件完成選刀，根據指令要求任意選擇所需刀具。刀具在刀庫中不必按照工件的加工順序排列，可任意存放，且相同的刀具可以重復使用。清除了由于識別裝置的移動性和可靠性所帶來的選刀失誤，大大提高了選刀精度并簡化了控制裝置。綜合上述各選刀方式的優(yōu)卻點與加工中心的實際情況，本設計選用隨機選刀方式進行選刀。3刀庫的設計本章將具體設計本設計中有關刀庫部分的具體內容，包括刀庫的容量、轉位、刀具夾緊機構。3.1刀庫容量的確定 刀庫的容量首

35、先要考慮加工工藝的需要。例如，立式加工中心的主要工藝為鉆、銑。有資料顯示，在統(tǒng)計了15000種工件，按成組技術分析，各種加工所必需的刀具數的結果是：4把銑刀可完成工件95%左右的銑削工藝，10把孔加工刀具可完成70%的鉆削工藝，因此，14把刀的容量就可完成70%以上的工件鉆銑工藝。如果從完成工件的全部加工所需的刀具數目統(tǒng)計，所得結果是80%的工件（中等尺寸，復雜程度一般）完成全部加工任務所需的刀具數在四十種一下，所以一般的中、小型立式加工中心配有612把刀具的刀庫就能夠滿足70%95%的工件加工需要。根據以上分析，結合本設計的要求，在本設計方案中設定刀庫的容量為8把刀。3.2刀庫的轉位刀庫的轉

36、位機構由伺服電機通過消隙齒輪1、2帶動蝸桿3，通過蝸輪4使刀庫轉動，如圖31所示。蝸桿為右旋雙導程蝸桿，可以用軸向移動到方法來調整蝸輪副的間隙。壓蓋5內孔螺紋與套6相配合，轉動套6即可調整蝸桿的軸向位置，也就調整了蝸輪副的間隙。調整好后用螺母7鎖緊。圖31 刀庫轉位機構1、2齒輪；3蝸桿；4蝸輪；5壓蓋；6套；7螺母刀庫的最大轉角為，根據所換刀具的位置決定正轉或反轉、由控制系統(tǒng)自動判別，以使找刀路徑最短。每次轉角大小由位置控制系統(tǒng)控制，進行粗定位，最后由定位銷精確定位。3.3刀庫的夾刀機構刀庫的夾刀機構，即刀庫夾爪，既起著刀套作用，又起著手爪作用。由于刀具在刀庫中大部分時間是出于相對靜止狀態(tài)（

37、只有在刀庫轉位時隨刀庫一起運動），所以刀庫的夾刀機構的結構都比較簡單，其夾緊力也較小，只需承受刀具本身的自重就可以了。其結構示意圖如圖32所示。圖32 刀庫夾爪1 鎖銷；2頂銷；3彈簧；4支點軸；5手爪；6擋銷4自動換刀控制系統(tǒng)設計換刀控制是加工中心控制中較為復雜的一個內容，涉及刀具的選擇控制與刀庫的換刀動作控制等4.1基于plc的自動換刀控制plc接收到計算機數控裝置（cnc）發(fā)來的換刀指令，即進行換刀工作，刀庫在步進電機的帶動下轉動，一旦完成選刀，就將該刀送至指定的刀具交換位置上，等待換刀。在這個過程中，需要應用plc完成自動控制，主要包括接收信號、計算目標地址、確定刀庫回轉方向及回轉角度等，在刀庫刀具的安裝位置上裝有傳感器，刀庫回轉經過時，會產生一個脈沖信號至plc，來確定是否到達目的位置。然后再plc的控制下，步進電機作用控制刀庫橫向移動完成刀具換取，流程圖如圖4-1所示 圖4-1自動換刀控制流程圖4.2刀庫控制的程序設計本節(jié)主要設計了plc控制的接線示意圖、i/o配置表與plc梯形圖，