小型加工中心數(shù)控?fù)Q刀系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）論文題目： 數(shù)控加工中心刀具自動換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)所屬系部： 航空制造工程系學(xué)院指導(dǎo)老師： 張俊 職稱： 副教授學(xué)生姓名： 趙斌 班級、學(xué)號: 11106137專 業(yè)： 數(shù)控設(shè)備應(yīng)用與維護(hù)西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院制2013年11月20日西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書題目： 小型加工中心數(shù)控?fù)Q刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求： 數(shù)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(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)換刀，要求學(xué)生主要就換刀系統(tǒng)的組成及plc控制方面 進(jìn)行設(shè)計(jì)。時間： 2013年 11 月 18 日至 2014年 1 月 10 日 共 8 周所屬系部： 航空制造工程學(xué)院學(xué)生姓名： 學(xué) 號：專業(yè)： 數(shù)控設(shè)備應(yīng)用與維護(hù)指導(dǎo)單位或教研室： 數(shù)控設(shè)備應(yīng)用與維護(hù)教研室指導(dǎo)教師：張俊 職 稱： 副教授西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院制年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)進(jìn)度計(jì)劃表日 期工 作 內(nèi) 容執(zhí) 行 情 況指導(dǎo)教師簽 字第一周分析題目并查詢相關(guān)資料搜集到相關(guān)資料第二周確定設(shè)計(jì)方案并起草方案完成設(shè)計(jì)的草案第三周換刀動作、流程的確定完成工作內(nèi)容第四周自動換刀系統(tǒng)方案確定完成工作內(nèi)容第五周fanuc系統(tǒng)pmc學(xué)習(xí)完成第五周刀具庫、換刀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成工作內(nèi)容第六周pmc程序設(shè)計(jì)完成工作內(nèi)容第七周撰寫設(shè)計(jì)說明書完成第八周完善論文，提交完成教師對進(jìn)度計(jì)劃實(shí)施情況總評 簽名 年 月 日 【摘要】本設(shè)計(jì)的題目是數(shù)控機(jī)床換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以加工中心為對象，通過分析加工中心的整體結(jié)構(gòu)和自動換刀系統(tǒng)的特點(diǎn)、應(yīng)用條件，設(shè)計(jì)要求等，并結(jié)合在數(shù)控機(jī)床上對刀庫和換刀控制的需要能在數(shù)控程序的控制下靈活的實(shí)現(xiàn)換刀過程。設(shè)計(jì)的刀庫為盤式刀庫，驅(qū)動裝置采用電機(jī)電氣驅(qū)動。結(jié)合工廠實(shí)際，該自動換刀系統(tǒng)在數(shù)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(guān)鍵詞 ：刀庫、自動控制、加工中心abstract本設(shè)計(jì)的題目是數(shù)控機(jī)床換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以加工中心為對象，通過分析加工中心的整體結(jié)構(gòu)和自動換刀系統(tǒng)的特點(diǎn)、應(yīng)用條件，設(shè)計(jì)要求等，并結(jié)合在數(shù)控機(jī)床上對刀庫和換刀控制的需要能在數(shù)控程序的控制下靈活的實(shí)現(xiàn)換刀過程。設(shè)計(jì)的刀庫為盤式刀庫，驅(qū)動裝置采用電機(jī)電氣驅(qū)動。結(jié)合工廠實(shí)際，該自動換刀系統(tǒng)在數(shù)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 characteristics, 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 practical, the automatic tool changing system can be flexibly atc completed program in nc control, saves time, improves the efficiency, safety and reliability.關(guān)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(shù)控機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀71.1.1國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r71.1.2數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展趨勢91.2加工中心101.2.1加工中心的組成101.2.2加工中心的特點(diǎn)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(shè)計(jì)183.1刀庫容量的確定183.2刀庫的轉(zhuǎn)位183.3刀庫的夾刀機(jī)構(gòu)194自動換刀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)204.1基于plc的自動換刀控制204.2刀庫控制的程序設(shè)計(jì)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(jìn)24總 結(jié)25致 謝26參考文獻(xiàn)27.1概述數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。數(shù)控裝備的整體水平標(biāo)志著一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的強(qiáng)弱。機(jī)床是發(fā)展機(jī)械制造業(yè)乃至整個工業(yè)必不可少的復(fù)雜生產(chǎn)工具，既是生產(chǎn)要素，又是重要的商品。而數(shù)控機(jī)床是機(jī)電一體化現(xiàn)代機(jī)床，對復(fù)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(chǎn)。在大批大量生產(chǎn)自動化實(shí)現(xiàn)之后，必須要努力發(fā)展中小批多品種柔性生產(chǎn)自動化，以適應(yīng)社會產(chǎn)品多樣化的需求。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展在很大程度上取決于數(shù)控系統(tǒng)的性能和水平，而數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及其技術(shù)基礎(chǔ)離不開微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)及其軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)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(shù)控機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀1.1.1國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，世界機(jī)床業(yè)已進(jìn)入了以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機(jī)電一體化時代，其中數(shù)控機(jī)床就是代表產(chǎn)品之一。數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)的加工母機(jī)和國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)。它為國民經(jīng)濟(jì)各個部門提供裝備和手段，具有無限放大的經(jīng)濟(jì)與社會效應(yīng)。目前，歐、美、日等工業(yè)化國家已先后完成了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，而中國從20世紀(jì)80年代開始起步，仍處于發(fā)展階段。“十五”期間，中國數(shù)控機(jī)床行業(yè)實(shí)現(xiàn)了超高速發(fā)展。其產(chǎn)量2001年為17521臺，2002年24803臺，2003年36813臺，2004年51861臺，2004年產(chǎn)量是2000年的3.7倍，平均年增長39；2005年國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量59639臺，接近6萬臺大關(guān)，是“九五”末期的4.24倍?！笆濉逼陂g，中國機(jī)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(chǎn)投資增速快、汽車和機(jī)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(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量達(dá)到85756臺，同比增長32.8%，增幅高于金切機(jī)床產(chǎn)量增幅18.4個百分點(diǎn)，進(jìn)而使金切機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化率達(dá)到37.8%，同比增加2.3個百分點(diǎn)。此外，數(shù)控機(jī)床在外貿(mào)出口方面亦業(yè)績驕人，全年實(shí)現(xiàn)出口額3.34億美元，同比增長63.14%，高于全部金屬加工機(jī)床出口額增幅18.58個百分點(diǎn)。2007年，中國數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量達(dá)123,257臺，數(shù)控金屬成形機(jī)床產(chǎn)量達(dá)3,011臺；國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床擁有量約50萬臺，進(jìn)口約20萬臺。2008年10月，中國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量達(dá)105,780臺，比2007年同比增長2.96。長期以來，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床始終處于低檔迅速膨脹，中檔進(jìn)展緩慢，高檔依靠進(jìn)口的局面，特別是國家重點(diǎn)工程需要的關(guān)鍵設(shè)備主要依靠進(jìn)口，技術(shù)受制于人。究其原因，國內(nèi)本土數(shù)控機(jī)床企業(yè)大多處于“粗放型”階段，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平、質(zhì)量、精度、性能等方面與國外先進(jìn)水平相比落后了510年；在高、精、尖技術(shù)方面的差距則達(dá)到了1015年。同時中國在應(yīng)用技術(shù)及技術(shù)集成方面的能力也還比較低，相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的研究制定相對滯后，國產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床還沒有形成品牌效應(yīng)。同時，中國的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)目前還缺少完善的技術(shù)培訓(xùn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系，市場營銷能力和經(jīng)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(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)少之又少，制約了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國外公司在中國數(shù)控系統(tǒng)銷量中的80以上是普及型數(shù)控系統(tǒng)。如果我們能在普及型數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品快速產(chǎn)業(yè)化上取得突破，中國數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)就有望從根本上實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略反擊。同時，還要建立起比較完備的高檔數(shù)控系統(tǒng)的自主創(chuàng)新體系，提高中國的自主設(shè)計(jì)、開發(fā)和成套生產(chǎn)能力，創(chuàng)建國產(chǎn)自主品牌產(chǎn)品，提高中國高檔數(shù)控系統(tǒng)總體技術(shù)水平。“十一五”期間，中國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)將步入快速發(fā)展期，中國數(shù)控機(jī)床行業(yè)面臨千載難逢的大好發(fā)展機(jī)遇，根據(jù)中國數(shù)控車床19962005年消費(fèi)數(shù)量，通過模型擬合，預(yù)計(jì)2009年數(shù)控車床銷售數(shù)量將達(dá)8.9萬臺，年均增長率為16.5%。根據(jù)中國加工中心19962005年消費(fèi)增長模型，預(yù)計(jì)2009年加工中心消費(fèi)數(shù)量將達(dá)2.8萬臺，較2005年年均增長率為17.8%。1.1.2數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展趨勢高速、精密、復(fù)合、智能和綠色是數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的總趨勢，近幾年來，在實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化等方面取得可喜成績。主要表現(xiàn)在：1、機(jī)床復(fù)合技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)進(jìn)步，復(fù)合加工技術(shù)日趨成熟，包括銑車復(fù)合、車銑復(fù)合、車鏜鉆齒輪加工等復(fù)合，車磨復(fù)合，成形復(fù)合加工、特種復(fù)合加工等，復(fù)合加工的精度和效率大大提高?！耙慌_機(jī)床就是一個加工廠”、“一次裝卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，復(fù)合加工機(jī)床發(fā)展正呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢。 2、智能化技術(shù)有新突破數(shù)控機(jī)床的智能化技術(shù)有新的突破，在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了較多體現(xiàn)。如：自動調(diào)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(hù)功能、加工零件檢測和自動補(bǔ)償學(xué)習(xí)功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過程自動消除機(jī)床震動等功能進(jìn)入了實(shí)用化階段，智能化提升了機(jī)床的功能和品質(zhì)。 3、機(jī)器人使柔性化組合效率更高機(jī)器人與主機(jī)的柔性化組合得到廣泛應(yīng)用，使得柔性線更加靈活、功能進(jìn)一步擴(kuò)展、柔性線進(jìn)一步縮短、效率更高。機(jī)器人與加工中心、車銑復(fù)合機(jī)床、磨床、齒輪加工機(jī)床、工具磨床、電加工機(jī)床、鋸床、沖壓機(jī)床、激光加工機(jī)床、水切割機(jī)床等組成多種形式的柔性單元和柔性生產(chǎn)線已經(jīng)開始應(yīng)用。4、精密加工技術(shù)有了新進(jìn)展數(shù)控金切機(jī)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(dá)到0.05m左右。超精密數(shù)控機(jī)床的微細(xì)切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達(dá)到0.05m左右，形狀精度可達(dá)0.01m左右。采用光、電、化學(xué)等能源的特種加工精度可達(dá)到納米級（0.001m）。通過機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、機(jī)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(bǔ)償技術(shù)，提高機(jī)床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進(jìn)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(yīng)用。全數(shù)字交流伺服電機(jī)和驅(qū)動裝置，高技術(shù)含量的電主軸、力矩電機(jī)、直線電機(jī)，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(yīng)用，極大的提高數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平。1.2加工中心加工中心是在數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上加上刀庫及自動換刀裝置或多個工作臺，集數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床的功能于一身的一種由計(jì)算機(jī)來控制的高效、高自動化的機(jī)床。工件在一次裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)加工的需要，自動選擇和更換刀具，根據(jù)粗精加工的不同要求自動改變機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對于工件的運(yùn)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(jī)床調(diào)整等時間，使機(jī)床的切削時間達(dá)到機(jī)床開動時間的80%左右（普通機(jī)床僅為15%20%）；同時也減少了工序之間的工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時間，縮短了生產(chǎn)周期，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。加工中心適用于零件形狀比較復(fù)雜、精度要求較高、產(chǎn)品更換頻繁的中小批量生產(chǎn)。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(xiàn)了各種類型的加工中心，雖然外形結(jié)構(gòu)各異，但從總體來看主要由以下幾大部分組成。（1） 基礎(chǔ)部件?；A(chǔ)部件由床身、立柱和工作臺等組成，它是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，主要承受加工中心的靜載荷以及在加工時產(chǎn)生的切削負(fù)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(jié)構(gòu)件，它們是加工中心體積和質(zhì)量最大的部件。（2） 主軸部件。主軸部件由主軸箱、主軸電動機(jī)、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(shù)控系統(tǒng)控制，并且通過裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動，是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)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(jìn)給傳動系統(tǒng)，其作用是把來自數(shù)控裝置的信號轉(zhuǎn)換為機(jī)床移動部件的運(yùn)動，其性能是決定機(jī)床的加工精度、表面精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)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(shù)控系統(tǒng)（cnc）。 加工中心的數(shù)控部分是由cnc裝置、可編程控制器、伺服驅(qū)動裝置以及操作面板等組成。它是執(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(jī)械手等部件組成。當(dāng)需要換刀時，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，由機(jī)械手（或通過其他方式）將刀具從刀庫內(nèi)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(hù)、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(yùn)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(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的阻尼比都高于普通機(jī)床。 機(jī)床的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(yù)加載荷雙齒輪齒條。它們由伺服電機(jī)直接驅(qū)動，省去齒輪傳動機(jī)構(gòu)，傳遞精度高，速度快。一般速度可達(dá)15m/min，最高可達(dá)100m/min。 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(diào)速范圍寬，并可無級調(diào)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(dǎo)軌都采用了耐磨損材料和新的結(jié)構(gòu)，能長期地保持導(dǎo)軌的精度，在高速切削下，保證運(yùn)動部件不振動，低速進(jìn)給時保證不爬行及運(yùn)動中的高靈敏度。 設(shè)置有刀庫和換刀機(jī)構(gòu)。具有儲存加工所需刀具的刀庫，它用于儲存刀具并根據(jù)要求將各工序所用的刀具運(yùn)送到取刀位置；具有自動裝卸刀具的機(jī)械手。這是加工中心與數(shù)控銑床和數(shù)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(qiáng)了。加工中心的刀庫容量少的有幾把，多的達(dá)幾百把。這些刀具通過換刀機(jī)構(gòu)自動調(diào)用和更換，也可以通過控制系統(tǒng)對刀具壽命進(jìn)行管理。 具有主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)、刀桿自動夾緊松開機(jī)構(gòu)和刀柄切屑自動清理裝置。這是加工中心機(jī)床主軸部件中三個主要組成部分，也是加工中心機(jī)床能夠順利地實(shí)現(xiàn)自動換刀所需具備的結(jié)構(gòu)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(diǎn) 全封閉防護(hù)，加工精度高。加工中心同其他數(shù)控機(jī)床一樣具有加工精度高的特點(diǎn)，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(zhì)量更加穩(wěn)定。 能自動進(jìn)行刀具更換，加工生產(chǎn)率高。零件加工所需要的時間包括機(jī)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(jī)床上能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和機(jī)床的調(diào)整時間，減少工件半成品的周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時間，使機(jī)床的切削利用率（切削時間和開動時間之比）高于普通機(jī)床34倍，達(dá)80%以上。 工序集中，加工連續(xù)進(jìn)行。加工中心備有刀庫并能自動更換刀具，對工件進(jìn)行多工序加工，使得工件在一次裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序自動選擇和更換刀具，自動改變主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對工件的運(yùn)動軌跡以及其他輔助功能，現(xiàn)代加工中心更大程度地使工件在一次裝夾后實(shí)現(xiàn)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(diǎn)。 加工中心能自動改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對工件的運(yùn)動軌跡及其他輔助機(jī)能。 操作者的勞動強(qiáng)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(jìn)行關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機(jī)床的運(yùn)行之外，不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動強(qiáng)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(qiáng)大，趨向復(fù)合加工，對加工對象的適應(yīng)性強(qiáng)。加工中心生產(chǎn)的柔性不僅體現(xiàn)在對特殊要求的快速反應(yīng)上，而且能快速實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，提高市場競爭能力。 經(jīng)濟(jì)效益高，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。使用加工中心加工零件時，分?jǐn)傇诿總€零件上的設(shè)備費(fèi)用是較昂貴的，但在單件、小批量生產(chǎn)的情況下，可以節(jié)省許多其他方面的費(fèi)用，因此能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。并且用加工中心加工零件，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算零件的加工工時，并有效地簡化了檢驗(yàn)和工裝夾具、半成品的管理工作。這些特點(diǎn)有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。由于加工中心具有上述機(jī)能，因而可以大大減少工件裝夾、測量和機(jī)床調(diào)整時間，減少工件的周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時間，使機(jī)床的切削時間利用率高于普通機(jī)床34倍，大大提高了生產(chǎn)率，尤其是在加工形狀比較復(fù)雜、精度要求較高、品種更換頻繁的工件時，更具有良好的經(jīng)濟(jì)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(xiàng)工作而設(shè)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(jī)床只要一個固定主軸夾持刀具，有利于提高主軸剛度。獨(dú)立的刀庫大大增加了刀具的儲存數(shù)量，有利于擴(kuò)大機(jī)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(jī)床只需一個夾持刀具進(jìn)行切削的刀具主軸（鉆，膛，銑類機(jī)床）或刀架（車床類機(jī)床）。當(dāng)需要某一刀具進(jìn)行切削加工時，將該刀具自動地從刀庫轉(zhuǎn)置至機(jī)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(jī)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以各部件的動作必需準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。刀庫中刀具的數(shù)目可根據(jù)工藝要求與機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局而定，數(shù)量可較多。刀庫的儲存量一般在864把范圍內(nèi)，多的可達(dá)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(jī)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(jī)床的加工精度。采用這種自動換刀方式的刀具主軸或刀架，需要自動夾緊、放松刀具的機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動傳力機(jī)構(gòu)。另外，還常需要清潔刀柄及刀孔、刀座的裝置，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換刀時間一般也比較長?！白詣訐Q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(zhǔn)停）；進(jìn)行新舊刀具的交換；然后松開主軸（消除準(zhǔn)停）、變速、主軸啟動旋轉(zhuǎn)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(diǎn)，多次換刀所積累的結(jié)果就會相當(dāng)可觀，就不能顯著提高生產(chǎn)效率，因此，在設(shè)計(jì)條件允許的情況下，應(yīng)盡可能縮短“自動換刀過程時間”。鏈?zhǔn)降稁彀▎苇h(huán)鏈和多環(huán)鏈 , 鏈環(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(jié)構(gòu)示意圖。主動鏈輪由伺服電動機(jī)通過蝸輪減速裝置驅(qū)動（根據(jù)需要，還可以經(jīng)過齒輪副傳動）。這種傳動方式，不僅在鏈?zhǔn)降稁熘胁捎?，在其他形式的刀庫傳動中，也多采用。圖22 方形鏈?zhǔn)降稁焓疽鈭D導(dǎo)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(cè)兩個導(dǎo)論，其輪座必須帶有導(dǎo)向槽（或?qū)蜴I），以免松開安裝螺釘時，輪座位置歪扭，對張緊調(diào)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(guān)則安裝在便于調(diào)整的位置上。這時處于機(jī)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，只能從一個方向回零，至于是順時針回轉(zhuǎn)回零，還是逆時針回轉(zhuǎn)回零，可由機(jī)電設(shè)計(jì)人員商定。如果刀套不能準(zhǔn)確地停在換刀位置上，將會使換刀機(jī)械手抓刀不準(zhǔn)，以致在換刀時容易發(fā)生掉刀現(xiàn)象。因此，刀套的準(zhǔn)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(zhǔn)確地停在換刀位置上，需要采取如下措施：（1） 定位盤準(zhǔn)停方式，由液壓缸推動的定位銷插入定位盤的定位槽內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)刀套的準(zhǔn)停，或采取定位塊進(jìn)行快速定位。刀位盤上的每個定位槽（或定位孔），對應(yīng)于一個相應(yīng)的刀套，而且定位槽（或定位孔）的節(jié)距要一致。這種準(zhǔn)停方式的優(yōu)點(diǎn)是能有效地消除傳動鏈反向間隙的影響，保護(hù)傳動鏈，使其免受換刀撞擊力，驅(qū)動電動機(jī)可不用制動自鎖裝置。（2） 鏈?zhǔn)降稁煲x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(bǔ)償方式，在鏈輪軸上安裝編碼器，單頭雙導(dǎo)程蝸桿傳動方式，使刀套單方向運(yùn)行、單方向定位以及使刀套雙向運(yùn)行、單向定位方式等。鏈?zhǔn)降稁煊腥缦绿攸c(diǎn)：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(shù)在30120把的刀庫。僅增加鏈條長度即可增加刀具數(shù)，可以不增加圓周速度，其轉(zhuǎn)動慣量不像盤式刀庫增加的那樣大。盤式刀庫結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)最為緊湊，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(zhuǎn)。在刀庫容量較大時，為在存取方便的同時保持結(jié)構(gòu)緊湊，可采取彈倉式結(jié)構(gòu)，但是較其他形式復(fù)雜。目前大量的刀庫安裝在機(jī)床立柱的頂面或側(cè)面。在刀庫容量較大時，也有安裝在單獨(dú)的地基上的，以隔離刀庫轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)不同。這種盤式刀庫結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)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(zhuǎn)動慣量就增加，選刀時間也較長。 （a） （b） （c）圖 23經(jīng)過對上述兩種刀庫形式的比較，以及結(jié)合的實(shí)際情況，在本設(shè)計(jì)中采用盤式刀庫這種結(jié)構(gòu)。2.2.2控制器方案確定作為數(shù)控機(jī)床控制器是必須不可少的部分，當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的控制器有51系列單片機(jī)plc單片機(jī)plc(可編程控制器)。單片機(jī)：單片機(jī)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(qiáng)，速度快、低電壓、低功耗、控制功能強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。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(yīng)用范圍廣；系統(tǒng)組成靈活；編制程序簡單容易；維護(hù)方便；可靠性高；體積??；可將數(shù)據(jù)直接傳入管理計(jì)算機(jī)；在成本上可以與繼電器控制柜競爭綜合各種控制器特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用plc可編程控制器進(jìn)行控制。2.2.3自動選刀方式方案確定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(jī)選刀方式。刀套編碼方式是對刀庫各刀座預(yù)先編碼，沒把刀具放入相應(yīng)刀座之后就具有了相應(yīng)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(jīng)使用過的刀具放回原來的刀座中，然后刀庫順序轉(zhuǎn)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(fù)使用，如果刀具不按順序放入刀庫中，將會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。這樣就必須增加刀庫的容量和刀具的數(shù)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，可以任意排放。沒把刀具均編上代碼，自動換到時，刀庫旋轉(zhuǎn)，沒把刀具都要經(jīng)過“刀具識別器”接受識別。當(dāng)?shù)毒叽a與機(jī)床發(fā)出請求一致時，刀具庫旋轉(zhuǎn)至換到位置，等待換刀。隨機(jī)選刀方式主要是由控制軟件完成選刀，根據(jù)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(fù)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(diǎn)與加工中心的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)選用隨機(jī)選刀方式進(jìn)行選刀。3刀庫的設(shè)計(jì)本章將具體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中有關(guān)刀庫部分的具體內(nèi)容，包括刀庫的容量、轉(zhuǎn)位、刀具夾緊機(jī)構(gòu)。3.1刀庫容量的確定 刀庫的容量首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(jì)了15000種工件，按成組技術(shù)分析，各種加工所必需的刀具數(shù)的結(jié)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(shù)目統(tǒng)計(jì)，所得結(jié)果是80%的工件（中等尺寸，復(fù)雜程度一般）完成全部加工任務(wù)所需的刀具數(shù)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(jù)以上分析，結(jié)合本設(shè)計(jì)的要求，在本設(shè)計(jì)方案中設(shè)定刀庫的容量為8把刀。3.2刀庫的轉(zhuǎn)位刀庫的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)通過消隙齒輪1、2帶動蝸桿3，通過蝸輪4使刀庫轉(zhuǎn)動，如圖31所示。蝸桿為右旋雙導(dǎo)程蝸桿，可以用軸向移動到方法來調(diào)整蝸輪副的間隙。壓蓋5內(nèi)孔螺紋與套6相配合，轉(zhuǎn)動套6即可調(diào)整蝸桿的軸向位置，也就調(diào)整了蝸輪副的間隙。調(diào)整好后用螺母7鎖緊。圖31 刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)1、2齒輪；3蝸桿；4蝸輪；5壓蓋；6套；7螺母刀庫的最大轉(zhuǎn)角為，根據(jù)所換刀具的位置決定正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)、由控制系統(tǒng)自動判別，以使找刀路徑最短。每次轉(zhuǎn)角大小由位置控制系統(tǒng)控制，進(jìn)行粗定位，最后由定位銷精確定位。3.3刀庫的夾刀機(jī)構(gòu)刀庫的夾刀機(jī)構(gòu)，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?fàn)顟B(tài)（只有在刀庫轉(zhuǎn)位時隨刀庫一起運(yùn)動），所以刀庫的夾刀機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(diǎn)軸；5手爪；6擋銷4自動換刀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)換刀控制是加工中心控制中較為復(fù)雜的一個內(nèi)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(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（cnc）發(fā)來的換刀指令，即進(jìn)行換刀工作，刀庫在步進(jìn)電機(jī)的帶動下轉(zhuǎn)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(yīng)用plc完成自動控制，主要包括接收信號、計(jì)算目標(biāo)地址、確定刀庫回轉(zhuǎn)方向及回轉(zhuǎn)角度等，在刀庫刀具的安裝位置上裝有傳感器，刀庫回轉(zhuǎn)經(jīng)過時，會產(chǎn)生一個脈沖信號至plc，來確定是否到達(dá)目的位置。然后再plc的控制下，步進(jìn)電機(jī)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(shè)計(jì)本節(jié)主要設(shè)計(jì)了plc控制的接線示意圖、i/o配置表與plc梯形圖，