加工中心自動換刀答案

1、數控加工中心自動換刀系統(tǒng)設計17要本文主要對數控加工中心自動換刀系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進行設計。本文主要對數控加工中心自動換刀系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進行設計。第一，了解數控加工中心的分類，其按換刀形式的分類以及加工中心刀庫的形式；然后根據給定的參數進行刀庫類型的選擇以及電動機的確定；接著對刀庫的轉位定位機構進行了設計；最后是對于控制系統(tǒng)進行了簡單設計。關鍵字：加工中心，換刀系統(tǒng)，刀庫，PLC。目錄1緒論3.2 .刀庫的總體設計方案5.2.1 課程設計的任務及要求5.2.2 刀庫的類型選擇5.3 .電機的選擇6.3.1 電機的選型及相關參數6.3.2 各部分轉動慣量的計算6.3.3 預選電機6.3.4 電機的校

2、核7.4 .機械系統(tǒng)的設計7.4.1 刀庫轉動定位機構的設計7.4.2 滾動軸承的選擇計算9.4.3 軸的校核計算104.4 鍵的設計計算.105 .控制系統(tǒng)的設計1.15.1 刀庫的換刀動作如下：1.15.2 利用PLC實現隨機換刀1.2參考文獻.151緒論在現代數控機床中，加工中心(MC-MachiningCenter)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、復合化、環(huán)?；?、五軸聯動等方向發(fā)展，己成為當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、葉片等特殊復雜零件的柔性高效加工，能減省一些

3、普通銃床、鉆床、鍵床，提高加工精度和效率，減少轉換時間，降低生產成本。在當今機械工業(yè)中，產品不斷向個性化、精密化、小批量發(fā)展，世界對MC勺市場需求在不斷增多。特別是在要求適量柔性、大批高效生產的汽車工業(yè)、單件、小批重切、快速生產的航空、模具工業(yè)以至IT高精尖工業(yè)中，MCS逐漸成為重要的高效性機種。Lh=86750 (h)驗算結果：合格。1996年國產加工中心與進口加工中心的臺數比，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)原有工藝裝備結構陳舊、性能落后，呈“三多三少”(手動

4、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MG量大面廣；(2)汽車工業(yè)迅速發(fā)展，2002-2004年汽車產量分別為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、軍工產業(yè)，適應新形勢發(fā)展，均在提高生產能力，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

5、心的生產能力和國產加工中心的競爭力上還存在差距。國產加工中心市場占有率低的主要原因是國產加工中心在產品水平、交貨期、質量和可靠性上與國外同類產品相比存在不少差距。因此研究加工中心及其控制系統(tǒng)具有現實和長遠的意義，掌握其中的關鍵技術是充分發(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立式數控銃床2 .刀庫的總體設計方案2.1 課程設計的任務及要求設計題目：數控加工中心自動換刀系統(tǒng)設計設計要求：設計一個立式數控加工中心自動換刀系統(tǒng)的刀庫裝置及其控制系統(tǒng)，主要性能指標參數如下：刀庫載刀量：8把；刀具形式：BT40;刀具直徑：63mm刀盤最低轉速：60r

6、/min;刀架水平運動行程240mm采用PLC空制。2.2 刀庫的類型選擇目前一般刀庫按結構形式可以分為以下幾種：1）刀具儲存在圓型鼓輪上，這種刀庫結構簡單，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致轉動慣量過大，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雜。2）鏈式刀庫。刀具儲存在鏈條環(huán)節(jié)上，再以鏈輪驅動，結構緊湊，刀庫容量較大，鏈環(huán)的現狀可以根據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。當鏈式

7、刀庫需要增加刀庫容量時，只需增加鏈條的長度，在一定的范圍內，無需變更線速度及慣量，這種條件對系列刀庫的設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）轉塔式刀庫。刀具儲存在同一轉塔上，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，一般存儲刀具數量不能太多，102干巴刀具為宜，具有體積小、安裝方便等特點，在立式加工中心中應用較多。加工中心的一個很大優(yōu)勢在于它有ATCI置，使加工變得更具有柔性化。根據以上幾種刀庫的

8、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 電機的選型及相關參數法納克公司生產的交流伺服電機性能型號3-02-01-0輸出功率（kw）0.10.20.4額定轉矩（N*m）0.491.02.0最大轉矩（N*m）2.27.816最高轉速（r/min）300020002000,2轉亍轉動慣量（Kgmm）7.3父103.6父10"6M10”3.2各部分轉動慣量的計算(1)刀盤：JDP=18mD2-J83.560.252=0.1113軸：13mL2=134.350.1352=0.0264(3)刀具：Jdj=m(R234r2)=83(0.1152340.01

9、2)=0.3192(4)槽輪：JCL=m2(R2r2)=4；5(0.120.052)-0.0303(5)鎖止盤：JSZP=m2(R2/)=1.634(0.120.042)=9.4810飛(6)套筒：2224JT=mr2=0.0680.02520.1290.0252=1.23101.3 預選電機預選電機200W若選200W則JM=3.6父10:最高轉速為2000r/min速比：nc=2000=100nmc一60一3可知：n.9JLC=Ji(上)2=(0.11130.02640.31920.0303nmc100230.00950.0001)()=0.44710一JL/=0.447x10V124慣量

10、比：/JM/0.36M10"，滿足20倍以下的要求。由此可知刀庫系統(tǒng)的轉動慣量為：_3_3_3Jc=JmcJlc=0.447100.3610=0.807101.4 電機的校核(1)由摩擦引起的摩擦力矩：TfcGcRsp=0.1538.590.0678=0.392二1.0(2)最大加速轉矩：TCam2 展 nc maxC60tca工2*2000=0.80710=0.845600.2(3)電機的最大啟動轉矩:TCr=TcamTFC=0.8450.0807=1.652二7.8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

11、統(tǒng)的設計4.1 刀庫轉動定位機構的設計自動換刀裝置為了實現快速可靠，應該滿足三點要求：運動平穩(wěn)、無沖擊，即最大加速度和最大速度要小。各相鄰動作可重疊者，要按其規(guī)律盡量多重疊。各個動作要可靠。為了實現自動換刀裝置的功能，可以通過電、液、氣、機聯合實現需要的動作。常用的間歇運動機構有：(1)弧面分度凸輪機構和圓柱分度凸輪機構；(2)平行凸輪機構；(3)槽輪機構；(4)改良型槽輪機構；(5)余擺線機構折算到電機上的負載慣量Jlc =0.447 10dg .m2慣量比在20倍以 內，滿足要求刀庫系統(tǒng)的轉動 慣量JC -0.807 102kg .m2Tfc ：二T額定Team ,二 T最大所以電機符合要

12、 求選用XB1型諧波 齒輪，減速比 100:3選用槽輪機構根據實際工作情況與目前以上幾種間歇機構的特點，選擇機械部分結構采用槽輪機構，槽輪機構是20世紀初就開始使用的間歇運動機構，也是成本最低的結構。槽輪機構（又稱馬爾他機構）能把主動軸的勻速連續(xù)運動轉換為從動軸的周期性間歇運動，常用于各種分度轉位機構中。槽輪機構有三種基本類型：外嚙合槽輪機構、內嚙合槽輪機構和球面槽輪機構。立式加工中心斗笠式刀庫采用外嚙合槽輪機構。該刀庫可容納8把刀具，即槽輪的齒數為8。刀庫的回轉選刀由刀庫電機通過減速器帶動曲柄回轉，曲柄每回轉一周，槽輪轉過450,刀庫刀盤轉過一個刀位，并由鎖止盤定位。刀庫上的刀位信號由兩只開

13、關聯合發(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，機床開機后，刀庫自動回轉尋找一號刀位（基準刀位），當一號刀位上的擋鐵觸發(fā)支架上檢測開關后刀庫停止回轉，刀庫的當前刀位為一號刀位，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)刀位檢測開關進行累計計數，曲柄每回轉一周即刀庫轉過一個刀位觸發(fā)一次。通過控制刀庫電機的旋轉方向，實現刀庫的雙向選刀。綜上所述：故刀庫轉動定位機構選擇平面單銷外槽輪機構。具體計算參數如下：槽問角:四二458槽輪每次轉位時曲柄的轉角：2；=180-22=135槽數：z=8;槽輪與鎖止盤問的中心距：L=100.54mm；主動曲柄長度：R=Lsin2=1

14、00.54sin22.5=38.47根據裝配要求，取61.6槽輪半徑.R2=Leos/=10。.54Mcos22.5=93取100圓銷半徑：二%槽底高：=61.% =10.27 可/6,取8.6b=L-(Rir)-(35)=100.54-(61.68.6)-4=26.34槽間角45槽數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鎖止弧半徑：Rx=R1-r一e=61.68.6父2=44.4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，因此當槽與滾子之問存在間隙時，會產生沖擊。為了減小沖擊應采取以下措

15、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，應使槽輪的實際外圓半徑Ra略大于槽輪名義外圓半徑R,取R=河+式中a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）軸承材料為高質量淬硬鋼2）時效概率為10%初選圓錐滾子軸 承型號302103）基本額定壽命為L10=106根據軸承所受載荷的大小和方向，初選圓錐滾子軸承。設計參數：軸向力Fa=5g-（3.564.35244.85）9.8=360.248（N）徑向力Fr,很小忽略不計。軸頸直徑di=50轉速n=60（r/min）要求壽命Lh=105（h）溫度系數ft=1潤滑方式：脂潤滑。被選軸承信息：軸承型號3

16、0210軸承參數：基本額定動載荷：Cr=73.2kN基本額定靜載荷：Cro=92.0kN根據P=fp（XFYFa）公式中：P動載荷（N）;Fr徑向載荷（N）;Fa軸向載荷（N）；X徑向動載荷系數；Y軸向動載荷系數；軸承壽命的校核：軸承基本額定壽命為：累（Q;公式中：n軸承轉速（r/min）;& 一指數，對于球軸承& =3得：Lh =37 1010hLh,Lh滿足要求Lh L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強度條件計算：TWt6 P9.55 10 一9.55 106 0.2 0.75n 0.2d360一一 一 30.2 0.43= 1.87MPa%

17、 <】=25Mpa ,滿足要求。4.3鍵的設計計算選擇A型平鍵鍵1的基本數據，12*8, L取40mm,1p】=60 90Mpa ,取. T ：:： !.丁 1滿足要求75MPa。工作長度 l = L -b =40 -12 =28mm鍵與輪轂鍵槽的接觸高度k=0.5h=0.5 8 = 4mm_332T 102 154.98 10=69.19MPakld4 28 40鍵1滿足要求鍵2的基本數據，14*9, L取35mm, bp=6090MPa取 75MPa。工作長度 l = L-b =35-14 = 21mm鍵與輪轂鍵槽的接觸高度k=0.5h=0.5 9= 3mm2T 1032 165.8

18、9 103=70.21MPakld4.5 21 50cr < b 一 .p p ,滿足要求。鍵2滿足要求5 .控制系統(tǒng)的設計換刀控制是數控加工中心控制中較為復雜的一個內容，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5-15.1 刀庫的換刀動作如下：1）軸移動至換刀坐標處.見圖6-1a2）主軸準停3）刀庫前進（抓舊刀）。見圖6-1b4）主軸松刀5）z軸向上移動（讓出刀庫旋轉尺寸），見圖6-1c6）刀庫旋轉（選刀）。見圖6-1d7）z軸向下移動（移動至換刀位置），見圖6-1e8）主軸緊刀（抓新刀）9）刀庫后退（換刀結束）(d)

19、(e)圖5-25.2 利用PLC實現隨機換刀隨著計算機技術的發(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內部相應地存儲單元記憶。隨機換刀控制方式需要在Pc內部設量一個模擬刀庫的數據表，其長度和表內設置的數據與刀庫的位置數和刀具號相對應。這種方法主要由軟件完成選刀，從而消除了內于識刀裝置的穩(wěn)定性、可靠性所帶來的選刀失誤。ATC(g動換刀)控制和刀號數據表如圖29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1號一8號，0為主軸刀位置號，由于刀具本身不附

20、帶編碼環(huán)，故刀具編號可任意沒定，如圖294中(10)(18)的刀號。一旦給某刀編號后.該編號不應隨意改變。為了使用方使.刀號也采用BCM編寫。在PC內部建立一個模擬刀庫的刀號數據表，如圖2-10所示。數據表的表序號與刀庫刀座編號相對應，每個表序號中的內容就是對應刀座中所插入的刀具號。圖中刀號表首地址TAB11元固定存放主軸上的刀具號數，TAB+卜TAR+8存放刀庫上的刀具號。由于刀號數據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始終保持一致。(10)圖5-3刀庫中刀具位置編號圖5-4刀庫的刀號數據表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

21、在PC內部設置的刀號數據表始終與刀具在刀庫中的實際位置相對應，所以對刀具的識別實質上轉變?yōu)閷Φ稁煳恢玫淖R別。當刀庫旋轉，每個刀座通過換刀位置（基準位置）時,產生一個脈沖信號送至PC,作為計數脈沖。同時.在PC內部設置一個刀庫位置計數器，當刀庫正轉（CW）時，每發(fā)一個計數脈沖，使該計數器遞增計數；當刀庫反轉（CCW）時.每發(fā)一個計數脈沖，則計數器遞減計數。于是計數器的計數值始終在18之間循環(huán)，而通過換刀位置時的計數值（當前值）總是指示刀庫的現在位置。當PC接到新刀具的指令（TXX）后，在模擬刀庫的刀號數據表中進行數據檢索，檢索到T代碼給定的刀號，將該刀具號所在數據表中的表號數存放在一個緩沖存儲單元中，這個表序號數就是新刀具在刀庫中的目標位置。刀庫旋轉后，測得刀庫的實際位置與要求的刀庫目標位置一致時，即識別了所要尋找的新刀具。刀庫停