盤式刀庫(kù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及PLC控制（機(jī)械CAD圖紙）

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1、本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文CAD圖紙 QQ 401339828 摘 要 刀庫(kù)是自動(dòng)換刀裝置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具體結(jié)構(gòu)對(duì)加工中心的設(shè)計(jì)有很大影響。 刀庫(kù)是在小型加工中心應(yīng)用最為廣泛，根據(jù)使用的場(chǎng)合和實(shí)際運(yùn)用的要求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的刀的圓盤式刀庫(kù)，并且對(duì)它的控制進(jìn)行了一定的研究。 論文首先對(duì)刀刀庫(kù)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行闡述，闡述其各部件的工作原理，然后就刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制分章節(jié)對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算與設(shè)計(jì)。 刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本文研究的重點(diǎn)，傳動(dòng)部分為蝸桿蝸輪的一種減速裝置，對(duì)于該裝置中的蝸桿、蝸輪以及相關(guān)的軸都進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算;控制部分為刀庫(kù)送刀部分，由液壓控制和PLC控

2、制完成。 關(guān)鍵詞：，刀庫(kù)，蝸桿蝸輪，液壓，PLC。 ABSTRACT Tool storage is one of the main components of automatic tool changer, have a great influence on the capacity, position and structure design of machining center. 16-tool tool storage is used in the machining center is the most extensive, according to sit

3、uation and actual requirements, design tool storage accordingly, and the control of it was studied. Firstly, the overall design scheme of the tool storage, this paper presents the principle of each part, then the calculation and design of each part of structure design and control tool chapters. Th

4、e structure design of the knife is the focus of this paper, the transmission part is a worm and worm gear reducer, the worm, the worm wheel and the related device in the axis are calculated; the control part are tool storage delivering parts, controlled by the hydraulic control and PLC. Key

5、words: tool storage, worm, worm gear, hydraulic pressure, PLC 目 錄 摘 要 I 第1章 緒論 1 1.1 自動(dòng)換刀裝置的定義 1 1.2自動(dòng)換刀刀庫(kù)的歷程 1 1.3 自動(dòng)換刀裝置在國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.4 自動(dòng)換刀刀庫(kù)形式及各自應(yīng)用范圍 2 1.4.1刀庫(kù)的類型 4 1.4.2本文所設(shè)計(jì)的刀庫(kù) 5 第2章 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選定 8 2.1 按負(fù)載轉(zhuǎn)矩選 8 2.3 校驗(yàn) 9 2.4 分配傳動(dòng)比 10 第3章 刀庫(kù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 11 3.1初定刀套線速度 11 3.2刀庫(kù)傳動(dòng)方

6、式以及 11 第4章 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 15 4.1軸的材料 15 4.2蝸桿軸的初步估算 15 4.2.1初步估算軸的最小直徑 15 4.2.2選擇聯(lián)軸器 15 4.2.3確定滾動(dòng)軸承的類型 16 4.2.4初步估計(jì)蝸桿軸各段的尺寸 16 4.3 蝸輪軸的初步估算 17 4.3.1初步估算軸的最小直徑 17 4.3.2確定軸伸處的最小直徑 17 4.3.3確定滾動(dòng)軸承的類型 17 4.3.4初步估計(jì)蝸輪軸的各段尺寸 17 4.4 軸徑的設(shè)計(jì)與校核 18 4.4.1 蝸桿軸 18 4.4.2蝸輪軸的計(jì)算 21 4.5蝸桿軸 24 4.6蝸輪軸 25 第5章 刀具

7、交換裝置的設(shè)計(jì) 26 5.1換刀機(jī)械手抓刀部分結(jié)構(gòu) 26 5.2 機(jī)械手工作原理 26 5.3 自動(dòng)換刀裝置的動(dòng)作順序 27 5.4回零減速撞塊尺寸的計(jì)算 27 5.5刀盤與刀套的設(shè)計(jì) 28 5.5.1 刀套 28 5.5.2 刀盤 29 5.6刀具（刀座）識(shí)別裝置 29 第6章 自動(dòng)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 30 6.1 刀庫(kù)選刀控制方式 30 6.2 PLC型號(hào)選擇 30 6.2.1 CPU22X系列基本單元 30 6.3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 31 6.4 自動(dòng)換刀系統(tǒng)控制原理 31 6.5盤式刀庫(kù)換刀過(guò)程的介紹 32 6.5.1 自動(dòng)換刀程序流程圖 33 6.5.2

8、自動(dòng)換刀參數(shù)設(shè)置 34 6.5.3 宏程序設(shè)計(jì) 34 6.5.4 PMC程序設(shè)計(jì) 34 第7章 結(jié)論 35 參 考 文 獻(xiàn) 36 致 謝 37 41 第1章 緒論 1.1 自動(dòng)換刀裝置的定義 自動(dòng)換刀裝置（Automatic tool changer,簡(jiǎn)稱ATC）是指加工中心中能完成刀具儲(chǔ)存位置與主軸間的交換刀具裝置。其包括存儲(chǔ)刀具和刀具交換兩部分，前者稱為刀庫(kù)（Tool magazine），后者稱為換刀機(jī)構(gòu)(Tool change mechanism)。刀庫(kù)是用來(lái)儲(chǔ)存加工過(guò)程中使用的刀具的一種裝置。當(dāng)加工中需要換刀具時(shí)，由換刀機(jī)構(gòu)即機(jī)械手將刀

9、具從刀庫(kù)中取出裝入主軸中，在此同時(shí)主軸中的舊刀具送到刀庫(kù)中儲(chǔ)存起來(lái)等待下次備用。二者根據(jù)主軸與刀庫(kù)刀具的相對(duì)位置，在比較有限的空間里巧妙的安裝和換刀動(dòng)作設(shè)計(jì)，使刀庫(kù)中的新刀具可以經(jīng)換刀機(jī)構(gòu)與主軸中的舊刀具進(jìn)行刀具交換動(dòng)作。它的主要目的是為了減少機(jī)械加工過(guò)程中的非切削加工時(shí)間，以達(dá)到提高效率。降低上產(chǎn)成本的目的，進(jìn)一步提高機(jī)床在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的生產(chǎn)力，因此自動(dòng)換刀刀庫(kù)在加工中心中有著十分重要的角色。目前刀庫(kù)市場(chǎng)的ATC種類極其繁多，并且很多機(jī)型都是由廠商直接設(shè)計(jì)定型，因此自動(dòng)刀庫(kù)既需要滿足功能上的需要，又需要成為機(jī)床的一部分。在當(dāng)今激烈的市場(chǎng)環(huán)境中，由于自動(dòng)換刀裝置在縮短非機(jī)械加工時(shí)間中扮演重要

10、角色。所以自動(dòng)換刀裝置ATC的換刀時(shí)間也成為衡量機(jī)床性能的一個(gè)重要指標(biāo)。 1.2自動(dòng)換刀刀庫(kù)的歷程 從自動(dòng)換刀裝置發(fā)展進(jìn)程來(lái)看，1956年日本富士通研究出了數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床，美國(guó)IBM公司也同期研制出“APT''(刀具過(guò)程控制裝置)。1958年美國(guó)K&T公司研制成功帶有自動(dòng)交換刀具裝置的加工中心。繼而1967年研制出了FMS(柔性制造系統(tǒng))。1978年以后，加工中心得到了迅速發(fā)展，同時(shí)帶有ATC裝置，可以完成多種加工工序的機(jī)床，進(jìn)入了機(jī)床發(fā)展的黃金時(shí)代。直到1983年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定出了數(shù)控刀具錐柄的國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)換刀系統(tǒng)從此形成了統(tǒng)一。 1.3 自動(dòng)換刀裝置在國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)

11、狀 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀系統(tǒng)中，刀具、輔具很多都是使用錐柄結(jié)構(gòu)，刀柄與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)、切削刀具的夾緊放松機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)方法大多都是使用同一種結(jié)構(gòu)模式。在這種統(tǒng)一結(jié)構(gòu)模式中，機(jī)床的主軸大多都是采用空心且?guī)в械螐椈山M、長(zhǎng)拉桿的結(jié)構(gòu)形式，用液壓或者是氣動(dòng)裝置提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，來(lái)完成夾緊放松刀柄的動(dòng)作。使用這種機(jī)構(gòu)夾持刀具進(jìn)行機(jī)械加工的最大障礙是，它無(wú)法同一時(shí)刻得到較高的夾持剛度和刀具振動(dòng)精度，并且由于主軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主軸軸向尺寸有時(shí)會(huì)很大，再加之它的液壓驅(qū)動(dòng)裝置和刀具輔具錐柄的制造成本較高，使得自動(dòng)換刀系統(tǒng)的成本在機(jī)床整機(jī)中占有較大的比重。 在刀具使用錐柄夾頭、側(cè)壓夾頭或者是彈簧夾頭夾緊性能

12、的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，采用彈簧夾頭夾持刀具是唯一可以獲得高的夾持剛度和振擺精度。所使用這種夾持組件，刀具或刀具輔具可以做成圓柱形狀，就可以降低它的制造成本，提高制造精度。所以在當(dāng)今的數(shù)控機(jī)床中也是采用彈簧夾頭作為刀具的夾持組件，因此機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式仍需要使用和錐柄刀具完全相同的結(jié)構(gòu)。在實(shí)際的數(shù)控機(jī)械加工中，特別是在要求有超高速主軸、主軸的徑向、軸向尺寸都很小的時(shí)候、如果沒(méi)有足夠大的換刀空間的微細(xì)加工場(chǎng)合中很難完成自動(dòng)換刀，如果需要來(lái)完成自動(dòng)換刀那勢(shì)必將提高機(jī)床成本。如在CNC控制磨削球面銑刀的數(shù)控磨削機(jī)床上，直接驅(qū)動(dòng)主軸的是高速電機(jī)，使用的是小直徑盤形砂輪和指形砂輪來(lái)加工球面銑刀，換刀空間是比

13、較小，在這種條件比較差的情況下，將很難完成自動(dòng)換刀。國(guó)外研制最新的內(nèi)圓磨床中也是采用的彈簧夾頭自動(dòng)換刀裝置并且售價(jià)昂貴。 1.4 自動(dòng)換刀刀庫(kù)形式及各自應(yīng)用范圍 因?yàn)榧庸ぶ行牡淖詣?dòng)換刀裝置是由機(jī)械手和刀庫(kù)組成的，它的機(jī)械機(jī)構(gòu)是比較復(fù)雜，所以自動(dòng)換刀裝置的品種繁多。因?yàn)樽詣?dòng)換刀頻率比較高，所以加工中心對(duì)自動(dòng)換刀的裝置的要求就相當(dāng)苛刻．如要求定位精度高．動(dòng)作平穩(wěn)，工作可靠以及精度保持性等。這些要求都與加工中心的性能息息相關(guān)。 表1.1 自動(dòng)換刀刀庫(kù)的形式及應(yīng)用范圍 形式 類別 特點(diǎn) 應(yīng)用范圍 轉(zhuǎn)塔式 垂直轉(zhuǎn)塔頭 根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同，可分為順序選刀或任意選刀 結(jié)構(gòu)緊

14、湊簡(jiǎn)單 容納刀具數(shù)目少 用于鉆削中心 水平轉(zhuǎn)塔頭 刀庫(kù)式 無(wú)機(jī)械手的換刀方式 運(yùn)用刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)與主軸直接換刀的方式，省略去機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)較多 小型加工中心 機(jī)械手換刀 刀庫(kù)只做選刀運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手換刀 布局靈活，換刀速度快 各種加工中心 機(jī)械手和刀具運(yùn)送器 刀庫(kù)距離機(jī)床主軸比較遠(yuǎn)時(shí)，用刀具運(yùn)送器可以將刀具送至機(jī)械手 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 大型加工中心 成套更換方式 更換轉(zhuǎn)塔的方式 利用更換轉(zhuǎn)塔頭，增加換刀數(shù)目 換刀時(shí)間基本不變 擴(kuò)大加工工藝的鉆削中心 更換主軸箱的方式 利用替換主軸箱，來(lái)擴(kuò)展組合機(jī)床所需要的加工工藝范圍 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 擴(kuò)大柔性的組合機(jī)床 更

15、換刀庫(kù)的方式 通過(guò)擴(kuò)展加工工藝，替換刀庫(kù)，還有其他的刀庫(kù)存儲(chǔ)器 充分提高機(jī)床利用率和自動(dòng)化程度 擴(kuò)展加工中心所需的加工工藝范圍 加工比較復(fù)雜零件的時(shí)候，就需要擁有很多刀具的加工中心或組成比較高級(jí)別的自動(dòng)化的生產(chǎn)系統(tǒng) 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文CAD圖紙 QQ 401339828 1.4.1刀庫(kù)的類型 刀庫(kù)中的最關(guān)鍵的部件就是自動(dòng)換刀裝置，自動(dòng)換刀裝置的布局，容量和其機(jī)械結(jié)構(gòu)都會(huì)對(duì)加工中心的具體設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響。刀庫(kù)可以用來(lái)存放加工所需的刀具和輔助工具。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的數(shù)控中心換刀裝刀的位置都是對(duì)應(yīng)著刀庫(kù)中一個(gè)固定的刀位，所以想要保證有可靠的換刀性能就必須要有能使

16、刀具運(yùn)動(dòng)和定位機(jī)構(gòu)。如果需要的話還要有一定傳動(dòng)比減速機(jī)構(gòu)。刀庫(kù)的定位即是能使需要的每一把刀或者是其刀套停在準(zhǔn)確的位置。其控制部分可以采用十分簡(jiǎn)的易位置控制器或相類似半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的伺服位置控制，也可以采用電氣和機(jī)械相結(jié)合的銷定為方式，一般要求綜合定為精度達(dá)到。 依據(jù)不同的取刀方法及不同的刀庫(kù)容量，刀庫(kù)可以被定為很多種類。圖1.1所示為常用的幾種刀庫(kù)形式。圖1.1中的是盤式的刀庫(kù)，為了能夠滿足不同的機(jī)床布局，刀庫(kù)的刀具軸線可以配置成不同的方向，圖1.1中d所示的盤式刀庫(kù)的刀具就可以翻轉(zhuǎn)，使用取刀動(dòng)作比較簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)，取刀也較為方便，多以它得到了最廣泛的使用。但由于圓盤尺寸受限制，刀庫(kù)的容量較小（

17、通常裝把刀）。 圖1.1刀庫(kù)的形式 a）軸向式 b）徑向式 c）斜向式 d）刀具翻轉(zhuǎn)式 e）鼓筒彈夾式 f）鏈?zhǔn)? g）多盤式 h）格子式 如果需要安放更多的刀具時(shí)，就可以選用圖1.1中的刀庫(kù)，它們可以在有限的空間里完成換刀的一系列動(dòng)作，并且它們沒(méi)有過(guò)大的尺寸。圖1.1e所示的是鼓筒彈夾式刀庫(kù)，由于它有很緊湊的結(jié)構(gòu)，可以在相同的空間里擁有很大的刀庫(kù)容量。但是也帶來(lái)了取選刀的動(dòng)作繁瑣的缺點(diǎn)。圖1.1f所示的是鏈?zhǔn)降稁?kù)，它擁有很好的靈活性，因此有較多的刀庫(kù)容量。并且選刀和取刀的動(dòng)作也是相當(dāng)簡(jiǎn)單。如果鏈條較長(zhǎng)時(shí)，就可以增加支撐鏈輪的數(shù)目，使鏈條折迭能夠回繞，這一舉措大大提高了空

18、間使用率。圖1.12g 1.1h所示的分別為多盤式和格子式刀庫(kù)，雖然它們都有前面所說(shuō)的一些優(yōu)點(diǎn)，但是由于換刀動(dòng)作過(guò)于復(fù)雜，因此得到了較少的運(yùn)用。。 1、 刀庫(kù)的類型 加工中心上普遍采用的刀庫(kù)是盤式刀庫(kù)和鏈?zhǔn)降稁?kù)。密集型的固定刀庫(kù)目前于用于FMS中的集中供刀系統(tǒng)。 （1）盤式刀庫(kù) 盤式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多，如圖1.2所示。因?yàn)榈毒弑慌帕谐森h(huán)形，降低了空間使用率。所以才有了雙環(huán)或者多環(huán)的盤式排列方式，這大大的增加了空間的利用率。但是這樣做的缺點(diǎn)就是有過(guò)大的外徑的刀盤，也帶來(lái)了過(guò)大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選刀時(shí)間也延長(zhǎng)很多，所以盤式刀庫(kù)能滿足刀具數(shù)量較少的場(chǎng)合。 圖1.2 盤式刀庫(kù)的形式

19、a）徑向取刀形式 b）軸向取刀形式 c）刀具徑向安裝 d）刀具斜向安裝 （2）鏈?zhǔn)降稁?kù) 如圖1.3，鏈?zhǔn)降稁?kù)有緊湊的結(jié)構(gòu)和較大的刀庫(kù)數(shù)量。鏈環(huán)可以根據(jù)場(chǎng)合不同做成不同的形狀，也可將換刀位翻轉(zhuǎn)出來(lái)以利換刀。如果鏈?zhǔn)降稁?kù)需要增加刀具的數(shù)量時(shí)，就可以通過(guò)改變鏈條的長(zhǎng)度和支撐輪的數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，在一定要求范圍內(nèi)，就不用改變線速度及慣量。正是應(yīng)為有這些特點(diǎn)及便于設(shè)計(jì)制造才使得鏈?zhǔn)降稁?kù)得到了很大程度的運(yùn)用。一般鏈?zhǔn)降稁?kù)刀具數(shù)量在30~120。 圖1.3 鏈?zhǔn)降稁?kù)的形式 1.4.2本文所設(shè)計(jì)的刀庫(kù) 由于是使用在小型加工中心上，所以采用的是圓盤刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)形式，以下是介紹本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)組成與傳動(dòng)過(guò)程

20、。 1、 換刀過(guò)程 在介紹刀庫(kù)結(jié)構(gòu)之前，先了解一下?lián)Q刀過(guò)程。刀庫(kù)位于立柱左側(cè)，其中刀庫(kù)的安裝 軸線方向和主軸線相垂直。換刀的時(shí)候應(yīng)該先將刀具的位置與主軸軸線平行。等加工完成后主軸回到換刀點(diǎn)時(shí)，就可以自動(dòng)換刀，如圖1.4所示。 （1）刀套下翻 換刀前，刀庫(kù)2轉(zhuǎn)動(dòng)，將待換刀具5送到換刀位置。換刀時(shí)，帶有刀具5的刀套4下翻，使刀具軸線與主軸軸線平行。 （2）機(jī)械手抓刀 機(jī)械手1由原來(lái)位置按照順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，等到兩手爪分別抓住主軸上的刀具和刀庫(kù)下翻的刀具。 （3）刀具松開(kāi) 主軸內(nèi)的刀具接受到傳感器信號(hào)使得自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)松開(kāi)刀具。 （4）機(jī)械手拔刀 機(jī)械

21、手下降，下降的同時(shí)可以同一時(shí)刻拔出兩把刀具。 （5）刀具位置交換 機(jī)械手抓著兩把刀具按照逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，完成交換兩把刀具位置。 （6）機(jī)械手插刀 機(jī)械手上升，上升到特定位置時(shí)就把刀具插入主軸錐孔和刀套中。 （7）刀具夾緊 主軸內(nèi)的刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)加緊刀具。 圖1.4 換到過(guò)程示意圖 1—機(jī)械手 2—刀庫(kù) 3—主軸 4—刀套 5—刀具 （8）液壓缸活塞復(fù)位 驅(qū)動(dòng)機(jī)械手按照逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)度的液壓缸活塞回到原始位置。 （9）機(jī)械手松刀 機(jī)械手1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，松開(kāi)刀具并回到原始位置。 （10）刀套上翻 刀套帶著刀具

22、上翻。 2、刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)與傳動(dòng) （1）刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)組成 如圖1.5所示，為盤式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)示意圖。它的組成部件有電動(dòng)機(jī)和蝸桿蝸輪、刀盤、刀套、液壓缸、及撥叉。它的具體機(jī)構(gòu)，如圖1.6所示。 （2）刀庫(kù)的選刀過(guò)程 首先由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出了換刀的信號(hào)，通過(guò)直流伺服電動(dòng)機(jī)1再經(jīng)聯(lián)軸器2及蝸桿3、蝸輪4來(lái)帶動(dòng)刀盤12和安裝在它上的16個(gè)刀套11旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，以實(shí)現(xiàn)選刀的過(guò)程。 （3）刀套翻轉(zhuǎn)過(guò)程 等到所需刀具到達(dá)了換刀位置的時(shí)候，刀套尾部的滾子10就會(huì)轉(zhuǎn)入撥叉8的槽內(nèi)。這是，在液壓缸5的下腔注入液壓油后，活塞就會(huì)推動(dòng)撥叉上升，此時(shí)就會(huì)自動(dòng)松開(kāi)行程開(kāi)關(guān)7，來(lái)斷開(kāi)相應(yīng)電路，防止刀庫(kù)、主軸發(fā)生意

23、外。隨著撥叉上升，連帶動(dòng)刀套下翻，以使得主軸軸線與刀具軸線平行，這時(shí)行程開(kāi)關(guān)6，發(fā)出信號(hào)使機(jī)械手抓住刀。相反，撥叉下降后，就會(huì)帶動(dòng)刀套上翻。 圖1.5刀庫(kù)結(jié)構(gòu)示意圖 1—電動(dòng)機(jī) 2—聯(lián)軸器 3—蝸桿 4—蝸輪 5—液壓缸 6、7—行程開(kāi)關(guān) 8—撥叉 9—擋標(biāo) 10—滾子 11—刀套 12—刀盤 圖1.6 刀庫(kù)結(jié)構(gòu)圖 4—蝸桿11—液壓缸 12—活塞桿 16—撥叉 40—銷軸 49—滾子17—刀套55—蝸輪56—行程開(kāi)關(guān) 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文CAD圖紙 QQ 401339828 第2章 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選定 刀庫(kù)的驅(qū)

24、動(dòng)大多都是用伺服電機(jī)或者是液動(dòng)電機(jī)，由于我國(guó)加工中心大多都采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，所以在本論文設(shè)計(jì)中也用伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)作為驅(qū)動(dòng)。 2.1 按負(fù)載轉(zhuǎn)矩選 施加在伺服電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)比電動(dòng)機(jī)額定連續(xù)轉(zhuǎn)矩小。 由于盤式刀庫(kù)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要來(lái)自刀具重量的不平衡，其計(jì)算方法如下： 假設(shè)將三把最重刀具擺放在一起，按加工中心規(guī)格規(guī)定的最大刀具重量計(jì)算，并且使得其重心則設(shè)定為離刀庫(kù)回轉(zhuǎn)中心半徑處。 設(shè)刀庫(kù)半徑為300mm，刀具最大重量為8kg。 所以 通過(guò)公式把上面的負(fù)載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為電機(jī)主軸上的轉(zhuǎn)矩 式中：——傳動(dòng)比

25、； ——傳動(dòng)效率。 本設(shè)計(jì)中，為了降低傳動(dòng)速度，所以傳動(dòng)比定為。 傳動(dòng)效率為： 式中：——聯(lián)軸器的傳動(dòng)功率； ——蝸桿的傳動(dòng)功率； ——軸承的傳動(dòng)功率。 考慮到實(shí)際情況比計(jì)算時(shí)所設(shè)定條件復(fù)雜，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩的1.2~1.5倍，亦即： 2.2按加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩選 加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩,包括加速轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即： 加速轉(zhuǎn)矩按下式計(jì)算

26、： 式中：——刀庫(kù)選刀時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速； ——加速時(shí)間，通常取150~200（ms）； ——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量； ——負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量。 設(shè)計(jì)中，初選，，，。 加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，即： 2.3 校驗(yàn) 因?yàn)?

27、 所以該結(jié)果滿足條件。 根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，所選電機(jī)型號(hào)如下： 表2.1 所選電機(jī)型號(hào) 型 號(hào) 輸入功率 額定轉(zhuǎn)矩 （） 最大轉(zhuǎn)矩 最高轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子慣量 FB25 2.5 34.3 309 1000 0.032 2.4 分配傳動(dòng)比 在前一章中以介紹為了降低傳動(dòng)的速度，傳動(dòng)比選為20. 各軸轉(zhuǎn)速 Ⅰ軸 Ⅱ軸 各軸的輸入功率 Ⅰ軸 Ⅱ軸 各軸的輸入轉(zhuǎn)矩 電動(dòng)機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩為: 故: Ⅰ軸 Ⅱ軸 表2.2 分配傳動(dòng)比

28、 軸名 功率 轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速 傳動(dòng)比 效率 電機(jī)軸 2.5 23875 1000 1 0.99 Ⅰ軸 2.475 23636.25 1000 20 0.99 Ⅱ軸 1.764 336958.38 50 20 0.72 第3章 刀庫(kù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3.1初定刀套線速度 刀套線速度影響選刀效率，但是過(guò)快的線速度又影響刀庫(kù)工作可靠性。一般推薦為22~30m/min，在本次設(shè)計(jì)中，刀套線速度初定為25m/min。 3.2刀庫(kù)傳動(dòng)方式以及 為了能夠讓伺服電機(jī)能保持最好的工作性能，大多數(shù)情

29、況下都是不采用低速段的伺服電機(jī)。這就使得必須要采用蝸輪減速裝置了。 以下為蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算： 蝸桿材料一般都是采用45#鋼，表面硬度>45HRC，砂型鑄造，蝸桿材料采用ZCuSn10P1，計(jì)算步驟如下： 計(jì)算項(xiàng)目 計(jì)算內(nèi)容 計(jì)算結(jié)果 （一）初選【】值 1、當(dāng)量摩擦系數(shù) 設(shè)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》 表13.6，取大值； 2、選【】值 在《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖13.11的線上 任選一點(diǎn)，查得， （傳動(dòng)嚙合

30、效率）。 （二）中心距計(jì)算 1、蝸輪轉(zhuǎn)矩 2、使用系數(shù) 按題意查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.9 3、轉(zhuǎn)速系數(shù) 4、彈性系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》查表13.2得 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文CAD圖紙 QQ 401339828 5、壽命系數(shù)

31、 6、接觸系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖13.12Ⅰ線查出 7、接觸疲勞極限 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13.2得 8、接觸疲勞最小安全系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得 9、中心距 取 中心距可以通過(guò)由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第三冊(cè)》的23-211表25-5-4（GB10085-88）選取而得。 （三）傳動(dòng)基本尺寸 1、蝸桿頭數(shù)

32、 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖13.11查得 ，也可用式13.22計(jì)算 取 2、蝸輪系數(shù) 取 3、模數(shù) 取 4、蝸桿分度圓直徑

33、 取 5、蝸輪分度圓直徑 6、蝸桿導(dǎo)程角 7、蝸輪寬度 取 8、蝸桿圓周速度 9、相對(duì)滑動(dòng)速度 10、當(dāng)量摩擦系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13.

34、6查得 （四）齒面解除疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 1、許用接觸應(yīng)力 2、最大接觸應(yīng)力 （五）輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 1、齒根彎曲疲勞極限 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13.2查出 2、彎曲疲勞最小安全系數(shù) 通過(guò)題目要求和《機(jī)械設(shè) 計(jì)手冊(cè)》查出 3、許用彎曲疲勞應(yīng)力

35、 4、輪齒最大彎曲應(yīng)力 （六）蝸桿軸擾度驗(yàn)算 1、軸慣性矩 2、允許蝸桿擾度 3、蝸桿軸擾度 （此處?。? 合

36、格 （七）溫度計(jì)算 1、傳動(dòng)嚙合效率 2、攪油效率 根據(jù)蝸桿的潤(rùn)滑條件，查 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得： 3、軸承效率 根據(jù)蝸桿傳動(dòng)要求，查 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得： 4、總效率 5、散熱面積估算 6、箱體工作溫度

37、 （八）潤(rùn)滑油粘度和潤(rùn)滑方法 1、潤(rùn)滑油粘度 2、潤(rùn)滑方法 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13.7，可采用浸油潤(rùn)滑 所有計(jì)算結(jié)果如表2-3所示： 表3-1 蝸輪蝸桿的幾何尺寸 名稱 符號(hào) 計(jì)算結(jié)果 蝸桿頭數(shù) 模數(shù) 蝸桿分度圓直徑 中心距 蝸輪齒數(shù) 蝸輪分度圓直徑 · 蝸輪寬度 蝸桿軸向齒距 蝸桿導(dǎo)程 蝸桿齒頂圓直徑 蝸桿齒根圓直徑 節(jié)圓直徑 中圓導(dǎo)程角 蝸輪喉圓直徑

38、 蝸輪齒根圓直徑 蝸輪外徑 注：取齒頂高，徑向間隙，。 第4章 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 蝸桿渦輪常常是作為一種重要的減速裝置，在減速裝置中軸它既要收彎矩又要受扭矩。 軸的設(shè)計(jì)過(guò)程中通常包括如下內(nèi)容：材料選擇，初步估算軸徑，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)彎扭的合成來(lái)進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核，軸的公差與配合的確定，軸的工作圖的繪制。 4.1軸的材料 軸的材料用碳鋼及合金鋼，減速裝置的軸以45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理應(yīng)用最為廣泛，硬度217HB~255HB，，，，。 4.2蝸桿軸的初步估算 4.2.1初步估算軸的最小直徑 軸的直徑，可根據(jù)軸所傳遞的功率及軸的轉(zhuǎn)速

39、,按下式進(jìn)行估算： 該段軸上有一鍵槽將計(jì)算值加大3%，應(yīng)為16.07 式中：C——與軸材料有關(guān)的系數(shù)，通過(guò)《機(jī)械設(shè)計(jì)》表16.2查得，根據(jù)軸的材料取115。 4.2.2選擇聯(lián)軸器 一、根據(jù)傳動(dòng)裝置的工作條件擬選用YL,YLD型凸緣聯(lián)軸器（GB5843-86摘錄）。 計(jì)算轉(zhuǎn)矩為： 式中：T——聯(lián)軸器所傳遞的名義轉(zhuǎn)矩； k——工作情況系數(shù)，； 根據(jù)，通過(guò)查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》YLD4, YL4型凸緣聯(lián)軸器就可以滿足傳遞轉(zhuǎn)矩的要求,其軸孔直徑范圍為。 二、最后確定蝸桿軸軸伸處的直徑為，型軸孔長(zhǎng)度，螺栓數(shù)量為4，直徑M8，型。 4.2.3確定滾動(dòng)軸承

40、的類型 由于采用的是蝸桿蝸輪傳動(dòng)，既受徑向力，也受軸向力，所以采用角接觸球軸承（GB292-94）. 表4.1 所選軸承型號(hào) 軸承代號(hào) 基本尺寸/mm 安裝尺寸 70000C 70000AC 極限轉(zhuǎn)速 d D B min 基本額定 基本額定 脂 潤(rùn) 滑 油 潤(rùn) 滑 動(dòng)載荷 靜 載 荷 動(dòng)載荷 靜 載 荷 min max KN KN 7007C 35 62 14 1 0.3 41 56 1 13.5 19.5 14.2 18.3 18.5

41、13.5 8500 12000 4.2.4初步估計(jì)蝸桿軸各段的尺寸 根據(jù)軸上零件的受力大小情況不同，滿足固定和定位，來(lái)初步確定軸的階梯段。 圖4.1 蝸桿軸 估計(jì)各段尺寸： 1、3段 通過(guò)1、3段軸上安裝的是軸承，然而軸承的直徑約為，所以可以確定1,3段軸的直徑為，長(zhǎng)度為25mm。 2段 由于蝸桿的齒根圓直徑為，所以確定這段軸的直徑為，長(zhǎng)度為250mm。 4段 選用直徑為，長(zhǎng)度為50mm。 5段 直徑為，長(zhǎng)度為100mm，鍵，。 4.3 蝸輪軸的初步估算 4.3.1初步估算軸的最小直徑 初步估計(jì)軸直徑，可以根據(jù)軸上所傳遞的

42、功率大小及軸的轉(zhuǎn)速,高低進(jìn)行估算： 該段軸上有一鍵槽將計(jì)算值加大3%，應(yīng)為38.85mm 公式中：C——與軸材料有關(guān)的系數(shù)，通過(guò)《機(jī)械設(shè)計(jì)》表16.2查得，根據(jù)軸的材料取115。 4.3.2確定軸伸處的最小直徑 通過(guò)對(duì)刀盤的大概設(shè)計(jì)要求，最后確定了蝸輪軸軸伸處的直徑是。 4.3.3確定滾動(dòng)軸承的類型 與蝸桿一樣，采用角接觸球軸承（GB292-94） 表4.2 所選軸承型號(hào) 軸承代號(hào) 基本尺寸/mm 安裝尺寸 70000C 70000AC 極限轉(zhuǎn)速 d D B min 基本額定 基本額定 脂 潤(rùn)

43、滑 油 潤(rùn) 滑 動(dòng)載荷 靜載荷 動(dòng)載荷 靜 載 荷 min max KN KN 7010C 50 80 16 1 0.3 56 74 1 16.7 26.5 22.0 23.2 21.0 6700 6700 9000 4.3.4初步估計(jì)蝸輪軸的各段尺寸 通過(guò)對(duì)軸上零件的受力情況不同，固定和定位的要求不同，初步確定軸的階梯段。 圖4.2 蝸輪軸 估計(jì)各段尺寸： 2、6段 由于2 ，6段軸上安裝的是軸承，軸承的直徑，所以可以確定兩端軸的直徑為，長(zhǎng)度為； 1段 直徑為，長(zhǎng)度為，； 3段 直徑為，長(zhǎng)為50mm； 4段

44、直徑為，長(zhǎng)為10mm； 5段 直徑為，長(zhǎng)為60mm，。 4.4 軸徑的設(shè)計(jì)與校核 4.4.1 蝸桿軸 一、計(jì)算蝸桿受力： 二、蝸桿受力： (a) 垂直面受力圖： 解得： (b) 垂直面彎矩圖： （c）水平面受力圖： （d）水平面彎矩圖： (e) 合成彎矩圖： (f) 轉(zhuǎn)矩圖： (g) 當(dāng)量彎矩圖： 三、許用應(yīng)力 1、許用應(yīng)力值 用插入法由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表16.3查得：， 2、應(yīng)力校正系數(shù) 3、畫當(dāng)量彎矩圖

45、 4、當(dāng)量彎矩 在蝸桿中間截面處： 在左軸頸中間截面處： 當(dāng)量彎矩圖如圖（g）所示。 四、校核軸徑 1、齒根圓直徑 2、軸徑 五、用安全系數(shù)法校核轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度 （一）、 判斷危險(xiǎn)截面 初步估計(jì)分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)截面上都有較大的應(yīng)力集中，一下是以截面Ⅰ為例進(jìn)

46、行安全系數(shù)校核。 1、對(duì)稱循環(huán)疲勞極限 軸材料采用45#鋼調(diào)質(zhì)，，，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表3.2的公式可求得疲勞極限； 2、脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限 3、等效系數(shù) （二）、截面Ⅰ上的應(yīng)力 1、彎矩（截面Ⅰ） 2、彎曲應(yīng)力幅 3、彎曲平均應(yīng)力 4、扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 5、扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅和平均切應(yīng)力 （三）

47、、應(yīng)力集中系數(shù) 1、有效應(yīng)力集中系數(shù) 因在此截面處，有軸直徑變化，過(guò)渡圓角半徑，由，和，從《機(jī)械設(shè)計(jì)》附錄表1中查出（用插值法）， 2、表面狀態(tài)系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》附錄表5查得， 3、尺寸系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》附錄表6查得（按靠近應(yīng)力集中處的最小直徑查得） （四）安全系數(shù) 1、彎曲安全系數(shù) 設(shè)為無(wú)限壽命，，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式16.5得： 2、扭轉(zhuǎn)安全系數(shù) 3、復(fù)合安全系數(shù) 結(jié)論：根據(jù)校核，截面Ⅰ足夠安全。

48、 4.4.2蝸輪軸的計(jì)算 一、 計(jì)算蝸輪受力 圓周力： 徑向力： 軸向力： （a） 垂直面受力圖： （b） 垂直面彎矩圖： （c） 水平面受力圖： （d） 水平面彎矩圖： （e） 合成彎矩圖： （f） 轉(zhuǎn)矩圖： （g） 當(dāng)量彎矩圖： 二、 許用應(yīng)力 1、許用應(yīng)力值 用插入法由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表16.3查得：， 2、應(yīng)力校正系數(shù) 三、畫當(dāng)量彎矩圖 1、當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 ，見(jiàn)圖（f） 2、當(dāng)量彎矩 在蝸輪軸的中間截面處；

49、 在左軸頸中間截面處； 三、 校核軸徑 1、軸徑 四、 用安全系數(shù)法校核軸的強(qiáng)度 （一）、判斷危險(xiǎn)截面 初步估計(jì)分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)截面都有較大的應(yīng)力集中，下面以截面Ⅰ為例進(jìn)行安全系數(shù)校核。 1、對(duì)稱循環(huán)疲勞極限 軸的材料選用45鋼調(diào)質(zhì)，，，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表3.2所列公式可求得疲勞極限： 2、脈動(dòng)循環(huán)

50、疲勞極限 3、等效系數(shù) （二）、截面Ⅰ上的應(yīng)力 1、彎矩（截面Ⅰ） 2、彎曲應(yīng)力幅 3、彎曲平均應(yīng)力 4、扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 5、扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅和平均切應(yīng)力 （三）、應(yīng)力集中系數(shù) 1、有效應(yīng)力集中系數(shù) 在這個(gè)截面處，有軸直徑的變化，過(guò)渡圓角半徑，由，和，《機(jī)械設(shè)計(jì)》附錄表1中查出（用插值法）， 2、表面狀態(tài)系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》附錄表5查得：

51、 3、尺寸系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》附錄表6查得：，（按靠近應(yīng)力集中處的最小直徑查得） （四）、安全系數(shù) 1、彎曲安全系數(shù) 設(shè)為無(wú)限壽命，,由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式16.5得： 2、扭轉(zhuǎn)安全系數(shù) 3、復(fù)合安全系數(shù) 結(jié)論：根據(jù)校核，截面Ⅰ足夠安全。 4.5蝸桿軸 查手冊(cè)7007C軸承主要性能參數(shù)如下： , , ； 用插入法查得：， 查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》, 計(jì)算額定動(dòng)載荷： 4.6蝸輪軸

52、 查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》7010C軸承主要性能參數(shù)如下： ，，； 用插入法查得：， 查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》， 計(jì)算額定動(dòng)載荷： 第5章 刀具交換裝置的設(shè)計(jì) 5.1換刀機(jī)械手抓刀部分結(jié)構(gòu) 圖5.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖 1.手爪 2.錐銷 3.手臂 4.5.彈簧 6.活動(dòng)銷 7.長(zhǎng)銷 8.鎖緊銷 本機(jī)床上使用的換刀機(jī)械手都是回轉(zhuǎn)式單臂雙手式。在完成換刀過(guò)程中，機(jī)械手必須按順序完成抓刀，拔刀，然后是交換刀具，后一步就是插

53、刀，復(fù)位動(dòng)作。 本文中的機(jī)械手主要是通過(guò)機(jī)械臂9和固定在其兩端的完全一樣的兩個(gè)手爪6組成。手爪6上的圓弧都有一個(gè)錐銷4，當(dāng)機(jī)械手抓刀的時(shí)侯，該錐銷即會(huì)插入刀柄的鍵槽中。在機(jī)械手從原位的位置旋轉(zhuǎn)90°后抓住刀具時(shí)，兩手爪上的長(zhǎng)銷釘12就會(huì)分別被主軸前端面和刀庫(kù)上的擋塊壓下，這樣就會(huì)使地軸向開(kāi)有長(zhǎng)槽的活動(dòng)銷14在彈簧的作用下向右端移動(dòng)頂住刀具錐柄。當(dāng)機(jī)械手拔刀時(shí)侯，長(zhǎng)銷就會(huì)與擋塊脫離接觸，鎖緊銷就會(huì)被彈簧彈起，使的活動(dòng)銷頂住刀具刀柄不能后移，這種結(jié)構(gòu)的好處在于機(jī)械手做回轉(zhuǎn)180°時(shí)，刀具就不會(huì)被甩出。當(dāng)機(jī)械手上升插刀的過(guò)程中時(shí)，兩長(zhǎng)銷又會(huì)被兩擋塊壓下，鎖緊銷就會(huì)從活動(dòng)銷孔中退出，松開(kāi)刀具，機(jī)械手

54、便可反轉(zhuǎn)90°復(fù)位。 5.2 機(jī)械手工作原理 大多數(shù)機(jī)械手安裝在主軸的左側(cè)面，隨同主軸箱一起運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手由機(jī)械手臂與45°的斜殼體組成。機(jī)械手臂1形狀對(duì)稱。固定在回轉(zhuǎn)軸4上，回轉(zhuǎn)軸與主軸成45°角，安裝在殼體3上，5為手臂托，可由液壓缸帶動(dòng)（圖中未標(biāo)出），機(jī)械手有伸縮、回轉(zhuǎn)、抓刀、松刀等動(dòng)作。 伸縮動(dòng)作：液壓缸（圖中未標(biāo)出）帶動(dòng)手臂托架5沿主軸軸向移動(dòng)。 回轉(zhuǎn)動(dòng)作：液壓缸2中的齒條輪經(jīng)過(guò)齒輪帶動(dòng)回轉(zhuǎn)軸4一起轉(zhuǎn)動(dòng)。從而完成手臂正向和反向180°的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 抓刀、松刀動(dòng)作：機(jī)械手對(duì)刀具的夾緊和松開(kāi)是被液壓缸6控制。碟形彈簧7及拉桿8、杠桿9、活動(dòng)爪10來(lái)完成。碟形彈簧實(shí)現(xiàn)夾

55、緊，液壓缸實(shí)現(xiàn)松開(kāi)。在活動(dòng)爪中有兩個(gè)銷子11，當(dāng)夾緊刀具時(shí)，插入刀柄凸緣的孔內(nèi)，確保安全、可靠。 5.3 自動(dòng)換刀裝置的動(dòng)作順序 換刀動(dòng)作的大致過(guò)程為： 1)主軸箱回到最高處（z坐標(biāo)零點(diǎn)），同時(shí)實(shí)現(xiàn)“主軸準(zhǔn)?！?。 保證二者鍵槽始終正對(duì) 2)機(jī)械手抓住主軸和刀庫(kù)上的刀具。如圖6.2所示。 3)把卡緊在主軸和發(fā)庫(kù)上的刀具松開(kāi) 4)活塞桿推動(dòng)機(jī)械手做下行運(yùn)動(dòng)時(shí)，從主軸和刀庫(kù)中取出刀具 5)機(jī)械手回轉(zhuǎn)180°，交換刀具位置， 6)將更換后的刀具裝入主軸和刀庫(kù) 7)分別夾緊主軸和刀庫(kù)上的刀具 8)機(jī)械手松開(kāi)主軸和刀庫(kù)上的刀具 9)當(dāng)機(jī)械手松開(kāi)刀具后，同時(shí)限位開(kāi)關(guān)就會(huì)發(fā)出“換

56、刀完畢”的信號(hào)，主軸就可以開(kāi)始加工或其他程序動(dòng)作。 在整個(gè)換刀過(guò)程中，各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)都必須由限位開(kāi)關(guān)來(lái)控制，只有上一個(gè)動(dòng)作完成后，才可以進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作，繼而才能確保了運(yùn)動(dòng)的可靠性 圖5.2自動(dòng)換刀的順序 5.4回零減速撞塊尺寸的計(jì)算 為了使刀套準(zhǔn)確地回到坐標(biāo)零點(diǎn)，在零點(diǎn)前面設(shè)置減速行程開(kāi)關(guān)，其回零減速撞塊尺寸如圖5.3所示，按下列公式計(jì)算： 圖5.3 回零減速撞塊尺寸計(jì)算 減速撞塊長(zhǎng)度: 式中：——快速移動(dòng)速度（）； ——快速移動(dòng)時(shí)間常熟（），通常取； ——伺服時(shí)間常熟（），； ——減速后速度（），可在范圍內(nèi)設(shè)定，一般設(shè)

57、在30左右為好，在該設(shè)計(jì)中，?。? 。 。 5.5刀盤與刀套的設(shè)計(jì) 5.5.1 刀套 參考《數(shù)控機(jī)床與機(jī)械結(jié)構(gòu)》中對(duì)刀套結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，所以采用40號(hào)刀柄的進(jìn)行設(shè)計(jì)，草圖如圖5.4所示，尺寸參照零件圖； 圖5.4 刀套結(jié)構(gòu)圖 1—彈簧 2—螺紋套 3—球頭銷釘 4—刀套體 5—滾套 6—銷軸 7—滾子 5.5.2 刀盤 刀盤尺寸由裝配圖可知。 5.6刀具（刀座）識(shí)別裝置 刀具的識(shí)別是組成自動(dòng)換刀系統(tǒng)的重要部分。在本論文中也同樣采用接觸式刀具識(shí)別。。 接觸式刀具識(shí)別相對(duì)于其它裝置應(yīng)用較少，尤其能夠滿足在較小空間位置的刀具編

58、碼。其識(shí)別原理如圖5.5所示。在刀柄1上裝有兩種直徑大小不同的編碼圓環(huán)，按照通用規(guī)定大直徑的環(huán)代表著二進(jìn)制的“1”，小直徑的環(huán)代表著“0”，圖中有5個(gè)編碼環(huán)4，在刀庫(kù)附近固定的一個(gè)刀具識(shí)別裝置2，從中伸出幾個(gè)觸針3，觸針數(shù)量與刀柄上的編碼環(huán)個(gè)數(shù)相等。在其上面的每個(gè)觸針都會(huì)與一個(gè)繼電器相聯(lián)，當(dāng)編碼環(huán)是大直徑時(shí)與觸針接觸，繼電器就會(huì)導(dǎo)通通電，其數(shù)碼為“1”。當(dāng)編碼環(huán)是小直徑時(shí)與觸針不接觸，繼電器不通電，其數(shù)碼為“0”。由于各繼電器讀出的數(shù)碼與所需刀具的編碼一致，由控制裝置發(fā)出信號(hào)，使刀庫(kù)停轉(zhuǎn)，等待換刀。 圖5.5 刀柄編碼示意圖 1——刀柄 2——刀具識(shí)別裝置 3——觸針 4——編碼環(huán)

59、 第6章 自動(dòng)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6.1 刀庫(kù)選刀控制方式 換刀方式主要有固定換刀和隨機(jī)換刀。前一種方式刀庫(kù)的刀套號(hào)和刀具號(hào)始終一致; 而后一種方式,刀套號(hào)和刀具號(hào)在換刀過(guò)程中不一致。 ⑴固定的換刀方式它沒(méi)有預(yù)選功能。不管換刀的次數(shù)頻率多少，刀套號(hào)與刀具號(hào)始終對(duì)應(yīng)。這種換刀方式的弊端就在于換刀時(shí)間較長(zhǎng)，只能滿足刀具容量較小的場(chǎng)合。由于它沒(méi)有預(yù)選功能,每次加工完都必須先歸還舊刀再換新刀, 刀庫(kù)是不帶機(jī)械手, 用Z 軸運(yùn)動(dòng)進(jìn)給, 換刀時(shí)間較長(zhǎng)。 ⑵隨機(jī)換刀是帶有機(jī)械手臂,能夠完成預(yù)選刀具。刀具號(hào)與刀套號(hào)不對(duì)應(yīng), 其自帶的系統(tǒng)有相應(yīng)的刀具表，這個(gè)表會(huì)自動(dòng)記憶刀具使用情況,

60、刀具表中刀套號(hào)是固定不變的, 然而刀具號(hào)是會(huì)隨時(shí)隨刀具交換發(fā)生變化的。 只要產(chǎn)生刀具交換,則刀具表也會(huì)立馬進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過(guò)這種方式換刀優(yōu)點(diǎn)在于換刀時(shí)間短，適用于多種換刀系統(tǒng)。 6.2 PLC型號(hào)選擇 由西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列PLC大多數(shù)情況下可以滿足多種自動(dòng)化控制的需要。它設(shè)計(jì)緊湊，擴(kuò)展性好，價(jià)格低廉，指令系統(tǒng)強(qiáng)大，多以在市場(chǎng)上深受消費(fèi)者好評(píng)。這些特點(diǎn)使得S7-200可以近乎完美地滿足小規(guī)模的控制要求。此外，多種多樣的CPU類型和電壓等級(jí)讓它在工業(yè)控制問(wèn)題中能很好的解決問(wèn)題。同時(shí)也具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和可選擇性。 圖6.

61、1 主機(jī)與計(jì)算機(jī)連接 S7-200 CPU22X系列的PLC，由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面可供選擇，因此很容易組成PLC網(wǎng)絡(luò)。 6.2.1 CPU22X系列基本單元 近幾年西門子公司推出的S7-200 CPU22X系列產(chǎn)品有：CPU221模塊、CPU222模塊、CPU224模塊、CPU226模塊、CPU226XM模塊。S7-200 CPU22X系列產(chǎn)品的主要性能如表4.1所示，供用戶在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)查詢。CPU22X系列產(chǎn)品指令豐富、速度快、具有較強(qiáng)的通信能力。例如，CPU226模塊的I/O總數(shù)為40點(diǎn)，其中輸入點(diǎn)24點(diǎn)，輸出點(diǎn)16點(diǎn)；可帶7個(gè)擴(kuò)展模塊；用戶程序存儲(chǔ)器容量為8

62、KB；內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器，具有PID控制器的功能；有2個(gè)高速脈沖輸出端和2個(gè)RS-485通信口；具有PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由口協(xié)議的通信能力；運(yùn)行速度快、功能強(qiáng)，適用于要求較高的中小型控制系統(tǒng)。 6.3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 該換刀裝置屬于大型的換刀系統(tǒng)，單臂抓刀量達(dá)到65kg，容量為16把刀，所以注定了其機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。該刀庫(kù)采用油壓為動(dòng)力源，因此由油壓系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)部件兩部分組成。運(yùn)動(dòng)部件包括刀庫(kù)體(即刀套承載體)和機(jī)械手(負(fù)責(zé)抓刀、換刀)兩部分。刀庫(kù)體的轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)械手的整體旋轉(zhuǎn)和刀號(hào)的轉(zhuǎn)換都是通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)控制，以保證其能夠得到較高的精度。運(yùn)用電磁閥來(lái)控制機(jī)械手的動(dòng)作，比如張開(kāi)

63、、閉合、等?？刂葡到y(tǒng)采用了S7-200PLC。運(yùn)用位置控制單元通過(guò)脈沖輸出來(lái)帶動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，達(dá)到了較高的定位精度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8.2所示。 圖6.2 大型刀庫(kù)的控制系統(tǒng) 6.4 自動(dòng)換刀系統(tǒng)控制原理 圓盤式刀庫(kù)是ATC 隨機(jī)換刀的典型形式之一,通過(guò)機(jī)構(gòu)來(lái)完成整個(gè)換刀過(guò)程。換刀的動(dòng)作能夠做到快速準(zhǔn)確可靠,所以是一種常采用的刀庫(kù)形式。 在換刀控制時(shí), 一般情況下將刀具交換分大致為兩個(gè)步驟, 先調(diào)用T 指令來(lái)完成搜索刀庫(kù)中的刀具, 再使用M06指令來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具的交換動(dòng)作, 使主軸上更換新的刀具。因此, 刀具交換實(shí)際上就是指搜索刀具和交換目標(biāo)刀具兩個(gè)動(dòng)作節(jié)拍。 隨機(jī)換刀即指刀具在刀

64、庫(kù)中的位置時(shí)隨機(jī)的，這需要對(duì)刀具進(jìn)行編碼。理想的隨機(jī)換刀控制一般都是通過(guò)盤式刀庫(kù)的PMC 用戶程序和NC宏程序兩部分來(lái)共同完成的。PMC 用戶程序和NC宏程序共同根據(jù)T 碼來(lái)完成搜索刀庫(kù)中的刀具、進(jìn)而再進(jìn)行刀具的交換。 西門子數(shù)控系統(tǒng)的NC宏程序是可以讀取、使用系統(tǒng)產(chǎn)生的變量將宏程序中大小直徑刀具的交換狀態(tài)位作為換刀宏程序判斷跳步執(zhí)行的條件, 通過(guò)宏程序及PMC之間的信號(hào)應(yīng)答, 可以非常容易地實(shí)現(xiàn)大小直徑刀具的隨機(jī)換刀與固定換刀方式選擇。 自動(dòng)換刀系統(tǒng)的總體控制思路：運(yùn)行M06加工程序代碼時(shí)自動(dòng)調(diào)用宏程序 。宏程序?qū)崿F(xiàn)一系列換刀動(dòng)作過(guò)程控制。宏程序中的會(huì)有很多輔助指令功能則是需要通過(guò)PLC

65、程序?qū)崿F(xiàn)。同時(shí)要設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)使以上過(guò)程生效。加工程序，宏程序和PLC程序之間的關(guān)系如圖6.3所示。 圖6.3 加工程序，宏程序和PLC程序關(guān)系示意圖 6.5盤式刀庫(kù)換刀過(guò)程的介紹 選刀 根據(jù)T代碼選取相應(yīng)刀具號(hào)，梯形圖控制刀庫(kù)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。每旋轉(zhuǎn)一個(gè)位置，刀庫(kù)給出一個(gè)脈沖信號(hào)。 倒刀 刀庫(kù)當(dāng)前位置的刀套旋轉(zhuǎn)90°，處于換刀位置。通常氣動(dòng)或液壓電磁閥控制。刀套到位后，給出到位反饋信號(hào)。 機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)90°，扣刀 同時(shí)抓住刀庫(kù)和主軸上的刀具，并由機(jī)械手臂傳感器給出扣刀反饋信號(hào)。 從主軸和刀庫(kù)中向下拉刀 主軸松刀、吹氣，機(jī)械手臂向下拉刀。此時(shí)，機(jī)械手臂兩端分別夾

66、持主軸上的刀具和待換目標(biāo)刀具。主軸端和刀庫(kù)端同時(shí)完成動(dòng)作。 機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)180°，換刀 機(jī)械手臂拉刀到位后，旋轉(zhuǎn)180°，主軸上刀具和待換目標(biāo)刀具交換，旋轉(zhuǎn)到位后，機(jī)械手臂給出到位信號(hào)。 刀具向上插入主軸和刀庫(kù) 機(jī)械手臂向上，將刀具同時(shí)插入主軸和當(dāng)前刀套，主軸將刀具卡緊。主軸端和刀庫(kù)端同時(shí)完成動(dòng)作。 反向旋轉(zhuǎn)90° 機(jī)械手臂反向旋轉(zhuǎn)回原位，完成一個(gè)換刀動(dòng)作。更新數(shù)據(jù)表。 6.5.1 自動(dòng)換刀程序流程圖 6.5.2自動(dòng)換刀參數(shù)設(shè)置 I1.0 機(jī)械手臂位置傳感器1 Q2.0 主軸松/拉刀開(kāi)關(guān) I1.1 機(jī)械手臂位置傳感器2 Q2.1 主軸吹氣開(kāi)關(guān) I2.1 刀具松開(kāi)傳感器 Q2.2 刀庫(kù)正轉(zhuǎn) I2.2 刀套放下傳感器 Q2.3 刀庫(kù)反轉(zhuǎn) I2.3 刀具夾緊傳感器 Q2.4 刀套抬起 I2.5 刀套抬起傳感器 Q2.5 刀套放下 I2.7 刀盤旋轉(zhuǎn)一格位置/計(jì)數(shù)傳感器 Q2.6 機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)電機(jī) I3.3 手動(dòng)主軸松/拉刀按鈕 I3.4 機(jī)械手臂位置傳感器3