換刀機械手設計帶CAD圖
換刀機械手設計帶CAD圖,機械手,設計,CAD
第 1期 (總第 140期)2007 年 2 月機 械 工 程 與 自 動 化MECHANICALENGINEERING&AU TOMATIONNo. 1Feb.文章編號: 1672- 6413(2007) 01-0124- 02加工中心自動換刀裝置的設計黃澤正, 劉沖, 陳志輝(中國地質大學 武漢研究生院, 湖北武漢430074)摘要: 介紹了加工中心自動換刀裝置結構的部分設計, 并利用單片機實現(xiàn)自動換刀過程。關鍵詞: 自動換刀裝置; 單片機; 設計中圖分類號:T G659文獻標識碼:A收稿日期: 2006-09-19作者簡介: 黃澤正( 1977-) , 男, 湖北大冶人, 碩士研究生。0引言20 世紀 90 年代以來, 數控加工技術得到迅速的普及和發(fā)展,數控機床在制造業(yè)得到了越來越廣泛的應用。帶有自動換刀系統(tǒng)的數控加工中心在現(xiàn)代先進制造業(yè)中起著愈來愈重要的作用, 它能縮短產品的制造周期, 提高產品的加工精度,適合柔性加工。加工中心是數控機床中較為復雜的加工設備,由于其具有多種加工能力而得到廣泛的應用, 其強大的加工能力和效率得益于其配置的自動換刀裝置 ( Au-tomatic T ool Changer) 。換刀裝置作為加工中心的重要組成部分,其主要作用在于減少加工過程中的非切削時間, 提高生產率,降低生產成本, 進而提升機床乃至整個生產線的生產力。加工中心自動換刀裝置是實現(xiàn)多工序連續(xù)加工的重要裝置, 其結構設計及其控制是實現(xiàn)加工中心設計制造的關鍵。加工中心的換刀過程較為復雜, 動作多, 動作間的相互協(xié)調關系多, 因而自動換刀系統(tǒng)性能的好壞直接影響加工效率的高低。1自動換刀裝置的結構設計加工中心的自動換刀裝置,能使加工中心在工件一次裝夾中完成多種甚至所有加工工序,它能縮短輔助時間, 減少多次安裝工件所引起的誤差, 提高產品的加工精度。自動換刀裝置將滿足換刀時間短、刀具重復定位精度高、刀具儲存量足夠、刀具占地面積小以及安全可靠等要求。1. 1結構設計1. 1. 1刀庫的設計刀庫結構選用旋轉刀盤方式, 根據刀庫中存儲刀具的數目和最大刀具直徑計算出輪式刀庫的最小直徑, 相鄰刀具間應留有一定間隙。刀爪的外形尺寸根據 BT 30 號刀柄設計。 刀具容量為8 把, 整個刀盤直徑為 ?= 270mm。1. 1. 2傳動部分( 1) 利用單頭蝸輪蝸桿傳動實現(xiàn)刀庫的旋轉,此傳動機構在使用中可隨時調整蝸輪蝸桿的傳動間隙,實現(xiàn)準確的轉位分度,保證刀庫工作的可靠性。蝸輪蝸桿的傳動比為 481, 8 把刀成數量級比例, 方便軟件編程控制以達到刀盤旋轉的準確定位。( 2) 利用步進電機實現(xiàn)蝸輪蝸桿的傳動。( 3) 利用液壓缸實現(xiàn)刀庫在滑體所固定的軌道上向主軸靠近, 完成換刀過程。 整個刀庫行程為130mm。自動換刀裝置結構見圖 1。2自動換刀裝置控制系統(tǒng)的設計為了實現(xiàn)自動換刀裝置與數控系統(tǒng)的連接, 我們采用單片機控制來實現(xiàn)換刀裝置的自動換刀過程。與數控系統(tǒng)實施連接的信號有兩個輸入點,即接受數控系統(tǒng)傳來的換刀信號和要求換刀以及換幾號刀信號;有兩個輸出點, 即反饋回數控系統(tǒng)的信號和換刀完成以及刀具回庫完成信號。2. 1設計思路2. 1. 1第一次換刀 ( 要求把一號刀位對準主軸)第一次接受到要求換刀及需要幾號刀的信號后,刀庫快進到主軸位置, 判斷刀盤的旋轉方向( 達到最短換刀時間) , 并以此方向旋轉刀盤到指定位置( 加速-恒速- 減速) , 判斷刀盤是否到位,到位后停止轉動,等待主軸的靠近并完成換刀。換刀完成后, 刀庫快速返回,并向數控系統(tǒng)發(fā)出換刀完成信號。2. 1. 2第二次以后的換刀( 此時主軸上有刀)當主軸上有刀時, 即第二次接受到要求換刀及需要幾號刀的信號后, 刀庫快進到主軸位置。 首先判斷此時主軸上是否有刀, 如有, 依據主軸上的刀號, 旋轉刀盤到與此刀號相對的位置( 加速- 恒速- 減速) , 然后判斷刀盤是否到位, 到位后停止轉動, 等待主軸的靠近并完成刀的回庫。完成后, 向數控系統(tǒng)發(fā)出刀具已完成回庫的信號, 并等待主軸的偏移, 重復第一步, 根據刀號的需要再進行換刀。1機床立柱; 2滑塊; 3箱體; 4 蝸輪蝸桿;5刀庫及夾具; 6靠近主軸推力液壓缸圖 1自動換刀裝置結構圖2. 1. 3最后一次刀具回庫整個加工完成后,主軸上的刀具需要回庫。刀庫快進到換刀位置,依據主軸上的刀號, 旋轉刀盤到與此刀號相對的位置 ( 加速- 恒速- 減速) , 判斷刀盤是否到位, 到位后停止轉動,等待主軸的靠近并完成刀的回庫。刀入庫后, 整個刀庫快速返回,并向數控系統(tǒng)發(fā)出換刀完成信號。2. 2系統(tǒng)組成當決定了自動換刀裝置的結構和工作原理后,應采用 AT 89C51 單片機來控制步進電機以實現(xiàn)刀盤的準確移位, 從而實現(xiàn)換刀過程。本系統(tǒng)采用110BF 反應式步進電機為執(zhí)行元件, 其步距角為每步0. 75o,整個控制系統(tǒng)硬件組成見圖2。步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件,廣泛應用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。其機械角位移和轉速分別與輸入電機繞組的脈沖個數和脈沖頻率成比例,通過改變電脈沖頻率可在大范圍內進行調速; 同時,該電機還能快速啟動、制動、反轉和自鎖; 此外, 步進電機易于實現(xiàn)與計算機或其它數字元件接口,適用于數字控制系統(tǒng)。圖 2硬件系統(tǒng)圖2. 3步進電機通電相序的方向控制以軟件代替環(huán)形脈沖分配器, 實現(xiàn)對相序的直接控制, 各相脈沖輸出由并行口直接控制, 將控制字( 步進電機各相通斷電順序) 從內存中讀出, 然后送到單片機并行口中輸出,從而實現(xiàn)步進電機的正、反轉。使用這種方案不僅簡化了系統(tǒng)的硬件線路, 降低了成本,而且還可以根據控制系統(tǒng)的需要, 靈活地改變步進電機的運行方式。采用三相六拍步進電機, 電機正轉時通電順序為:A- AB- B- BC- C- CA- A; 反轉時的通電順序為:A- AC- C- CB- B- BA- A。 此外, 控制進給脈沖的頻率,改變單片機輸出端口狀態(tài)代碼( 輸出字) 之間的間隔時間, 即可調整電機的轉速, 實現(xiàn)刀盤的加速-恒速- 減速之間的轉換, 從而縮短換刀時間,提高換刀效率。3結束語本文介紹了加工中心自動換刀裝置的結構及控制設計,它具有結構簡單、成本低以及工作穩(wěn)定可靠等特點,適用于配置各式加工中心, 應用于實際加工生產以及各大中院校數控加工實習和教學培訓中。參考文獻: 1 何立民. MCS- 51 系列單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口技術M . 北京: 北京航空航天大學出版社, 1999. 2邱映輝. 機械設計M . 北京: 清華大學出版社, 2004. 3李佳. 數控機床及應用M . 北京: 清華大學出版社, 2001.Design of Automatic Tool Changer for Machine CenterHUANG Ze-zheng,LIU Chong,CHEN Zhi-hui( Graduate Department of China U niversity of Geosciences, Wuhan 430074,China)Abstract:This paper introduces the structure of Automatic T ool Changer,and the single chip microcomputer is used to achieve theprocess of automatic tool changing.Key words: automatic tool changer; single chip microcomputer; design1252007年第 1 期黃澤正, 等: 加工中心自動換刀裝置的設計
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