基于PLC自动换刀系统设计【毕业论文+CAD图纸全套】

目 录 一、摘要 . 二、自动换刀系统机械设计 . 控卧式铣床的结构 .优方案设计 .刀库横移装置 .刀库分度装置 . 库结构组成 . 刀库 装置主要技术参数 . 刀库容量的确定 .库驱动转矩的计算 .库分传动设计及计算 .旋转部 件转动惯量计算 .刀库驱动转矩计算 .择电动机容量 .库驱动转矩的校核 .齿圆锥齿轮传动 设计 .齿轮疲劳强度设计 .缸设计和选择 .气缸的选择要点 .气缸初选 . 驱动力校核 .杠传动工作台总体设计方案 .工作台的尺寸设计 .导轨类型设计 .电机的选择 .减速器的选择 .联轴器和轴承的选择 .文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 作台的设计 .工作台外形尺寸及重量初步估计 .工作台简图 .轨的设计 .导轨材料 和类型选择 .导轨额定载荷的预算 .杠的设计 .、 制硬件设计 .动换刀控制系统要求 .号的选择 .统控制元件列表 . I/O 地址的分配 .序梯形图 .序的调试 .、心得体会 .、参考文献 .文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 一、摘 要 随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动刀库方向发展。电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等 . 本设计采用 电 气 组合驱动 ， 主要 完成了八 工位 卧 式刀架 的 机械 结构 设计和 利用三菱 自动换刀系统的 控制 系统进行 设计。 其自动换刀的形式为无机械手换刀，换刀过程中刀盘需要横向移动到合适的位置，使机床主轴便于与刀库交换刀具。刀库的选刀方式为任意选刀，换刀过程中，刀盘需要转动从而进行选刀，这就需要刀库分度装置对装有刀具的刀盘进行分度，并且利用接触传感器对刀具进行计数，并把所得的电信号传递给数控系统，从而实现刀具的快速准确选择。在本设计中，刀库横移装置的设计利用的是气压传动机构来实现刀库的横移运动；而刀库分度装置的设计利用的是槽轮机构对刀盘进行分度。机械设计主要包括分度机构及定位机构的选择 和刀架主轴，电机的选择，工作台和丝杆，气缸等设计。控制部分为自动换刀工作方式。 关键词： 数控刀架 ， 制，电机，横移装置，分度装置，刀库 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 二、自动换刀系统机械设计 控卧式铣床的结构 数控立卧式铣床主要由机床床身、机床数控系统，刀库装置，进给电机，单气缸等零部件组成。 从数字控制技术特点看由于效控机床采用了 伺服电机 ，应用数字技术实现了对机床执行部件工作顺 序和运动位移的直接控制，传统机床的变速箱结构被取消或部分取消了，因而机械结构也大大简化了。数字控制还要求机械系统有较高的传动刚度和无传动间隙，以确保控制指令的执行和控制品质的实现。同时由于计算机水平和控制能力的不断提高，同一台机床上允许更多功能部件同时执行所需要的各种辅助功能已成为可能，因而数控机床的机械结掏比传统机床具有更高的集成化功能要求。 优方案设计 库横移装置 利用气压传动机构。气缸类型为双作用气缸，气压缸固定安装在刀库介面支架上，活塞杆则与刀库固定连接。通过气源的供给 ，可以使刀库沿着导轨轴作往复横向移动。这种方案比较直接，而且气缸所占用的空间要比使用电机要小许多，而且通过磁环开关的控制，能够较为精准地控制刀库的横向移动。 库分度装置 通过圆锥齿轮机构来实现。其工作原理如下：刀盘与锥齿轮同轴固定连接，电动机通过联轴器与锥齿轮固定连接，这样就可以通过锥齿轮机构的传动来实现刀盘的旋转运动，完成选刀工作。这种机构可以较好的实现选到工作，锥齿轮机构可以将电动机的高转速转化成刀盘的低转速旋转运动。 本设计的 自动换刀装置 ， 其刀库横移装置采用气压传动，而刀库分度装置则采用槽轮机构来实现。 最终设计最优方案如下效果图： 图 1 整体效果图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 库结构组成： 刀库结构组成如下图所示： 图 2 结构图 库装置主要技术参数 刀库装置技术参数表 主轴鼻端 库规格 具容量 10 马达规格 具换刀时间 8缸规格 63 290行程 气压管线 8 气动压力 具最大长度 250具最大重量 8具最大外径 90刀状态 ); 150（临空刀状态 ) 库容量的确定 在确定刀库容量时，要进行大量的分析调查，同时要考虑工艺需要及使用场合。一般来说，需要承担多个工件的切削任务时，需要配备的刀库容量较大。换句话来说，配备的刀具愈多，机床能加工工件的比率也越高，但它们并不是成正比例关系。图 工件的比率统计曲线。 图 3 刀具数量统计 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 刀库的刀具并不是越多越好，太大的容量会增和占地面积 和刀库的尺寸，使选刀时间增长；储存量过小，则不能满足复杂零件的加工要求。因此，刀库容量应在经济合理的条件下，力图将一组类似的零件所需的全部刀具装入刀库，以缩短每次装刀所需的装调时间。对图 35把刀可完成加工工件的 95左右的铣削工艺， 15 把孔加工刀具可完成 80的钻削工艺， 20 把刀的容量就可完成 90以上工件的钻铣工艺。本文设计的刀库如需能达到加工 90以上的工件要求，那刀库就需要有 20把刀具的容量，故可将本刀库的容量设定为 10。 库驱动转矩的计算 库分传动设计及计算 下图为刀库效果图： 图 4 刀库实物效果图 刀库在换刀前，首先需要选刀。选刀的过程，就是使刀库轮毂满足一个周向间歇运动，也就是分度盘在分度过程中，转位开始与转位结束位置上的瞬时角速度 =0。在图 了使圆柱滚子能顺利进入和脱出分度盘上的径向槽，在槽口的瞬时位置时，必须使转臂中心线 0。在圆柱滚子从进入至脱离径向槽的过程中，这位法兰的转动角度为 162，而刀盘转动的角度则为 18。设电机负 载时，法兰盘上的滚子以 1的角速度转动，转速为 时分度盘以 3的角速度转动，转速为 电机空转时以 滚子拨动分度盘一次的一个周期内的分度时间为 歇时间为 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 1 211c o s1 c o s （ ）（ ）2221s i n1 c o s （ ）（ ）图 5 刀库分度装置运动分析简图 =162 60 (360 ； = 198 60 (360 ； t 总 = ； 本设计刀库最大刀容量为 10，分度槽数量亦为 10，选刀时分度盘按最近原则选刀，选到最远处刀具所需的时间为 (令 秒）则： = 10 t 总 = 3 ； 综合以上各式并代入数据可得： = 178 r t 1 = 1 = 2 60=18.6 s ； 圆柱滚子从进入至脱离径向槽这个过程，定位法兰的转角为 2 1=162，分度盘的转角为 2 3=2 /z=18，（ 在直角三角形 据正切函数， 3= (1- ) ，式中 =a=。分度机构在转位过程中，定 位法兰以匀角速度 1 转动，分度盘以角速度反向转动，分度盘每次分度转过的角度与槽数 2 3=2 /z），分度盘的角速度 3为 3对时间的导数： 3 = 分度盘的角加速度为： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 代入数据得： 转部件转动惯量计算 刀具最大重量为 8度盘与刀库轮毂质量估计为 15盘及圆盘罩盖等总质量估计为 7刀库旋转部件的总质量 M=30整个旋转部件等效为质量均匀、半径 00其转动惯量 J = g 库驱动转矩计算 T = J = 74 择电动机容量 (1)计算电动机输出功率 常用机械传动效率简表确定各部分效率为滚动轴承效率 2=锥 齿轮传动效率 3=性联轴器效率 4=筒轴滑动效率 5=筒效率6=动装置总效率为： =223456 =0. 992 出电动机输出功率： 2） 所需的驱动功率 刀盘的转速为 = 178 r =2 n 60 ， 18 (180 )= 可得到转位过程中，分度盘的平均转速： n= 19.7 r 分度盘所需的驱动功率： 9550 1 所选电机的输出许用转矩 （ 3）确定电动机的转速 输送机卷筒转速： v100060=300 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 039550般可选用同步转速 1000r/ 1500r/电动机作为原动机。单级缘锥齿轮的传动比范围 3，则电动机转速可选范围为 =nw (2 2 4 3)=合这一同步转速范围的有 750r/000r/500r/用 750r/步转速电机，则电机重量大、价格昂贵； 1000r/500r/机从重量、价格及传动比等方面考虑，选用 相关参数如下： （ 4）计算传动装置总传动比 i 总 = 库驱动转矩的校核 刀库驱动转矩最小应为 T = 74 机空转转速为 00 r 设传动效率为 90%，则负载时电机输出转速为： 00 90 r 80 r 一个周期内的转位时间为： 62 60 (360 = 一个周期内的电机空转时间 ; = 198 60 (360 = 又 3=2 60 ， 18 180 ； 故此时分度盘的转速为 : 20 r 减速电机传递到分度盘上的功率为 : 9000 =w； 减速电机传递到分度盘上的转矩 : = = =8674 所以，刀库的驱动转矩满足要求。 型号 额定功率 满载转速 额定转矩起动转矩额定转矩最大转矩轴径 中心 高 500r/260文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 齿圆锥齿轮传动设计 锥 齿轮 是圆锥齿轮的简称，它 用来实现两相交轴之间的传动 ,两轴交角 值可根据传动需要确定，一般多采用 90。如下图： 图 6 锥齿轮啮合图 轮疲劳强度设计 查表，取载荷系数 K=荐齿宽系数 R= R= 小齿轮上的转矩 : 3109550 =105N 1）计算分度圆锥角 1= 2=90 =90 = （ 2）计算当量齿数 1 =2 = 3）计算模数 查的 为 11 22 11 22 故将 11入计算 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 1)21213 =1 2 1(7 2 9 = 4）计算大端模数 m = =表取 m= 5）计算分度圆直径： d1=17=d2=46=6)计算外锥距 R= 12 21 =7)计算齿宽： b= b1=58)计算齿轮的圆周速度 齿宽中点处直径： )=(圆周速度 ： v =100060 11= =s 由表可知，选择 8级精度合适。 （ 9）验算轮齿弯曲疲劳强度 2112 = 9 5 =129故安全。 缸设计和选择 缸的选择要点 根据工件机构所需力的大小，考虑气缸载荷率确定活塞杆上的推力与压力，从而确定气缸内径。气缸由于其工作压力 较小（ 一般在 10000出力过大其体积会太大，因此在 气动设备上，应尽量采用扩力机构，以减小气缸尺寸。 缸初选 初选气缸类型为 10缸内径 D= 63 ，活塞杆直径 d= 25 ，气缸行程 L=290，气源气压 p=作频率较高，载荷率取 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 4动力校核 向左推力 P = p =4 632 = 467N 向右拉力 Q =4（ p =394N 估计刀库总重量 M=70横向往复运动所需的驱动力 F = M g =70 10N=70N 其中，是导轨摩擦系数，取 10N PF，所以驱动力方面满足设计要求 杠传动工作台总体设计方案 丝杠传动工作台总体设计方案的内容包 括工作台尺寸设计、导轨设计、减速器的选择、联轴器和轴承的选择以及直流电机的选择。 图 7 丝杠传动工作台图 作台的尺寸设计 由于所要承受的负载的重量较小，并且导轨的行程比较小，所以根据负载的重量可设计矩形工作台。 轨类型设计 由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故设计滑动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动稳定性。 机的选择 根据负载和工作台及零部件的重量较小，所以选用的电机的功率较小，可选用普通的直流电机，结合丝杠的转矩可选择所需的电机 。 速器的选择 因为工作台的水平行程比较小，丝杠的转速比较小，结合电机的转速较大，需选买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 择传动比较大的减速器，又因为所需功率较小，则可选用同轴圆柱齿轮减速器。 轴器和轴承的选择 根据所选用的电机的转轴的尺寸和减速器的蜗轮和蜗杆的尺寸，可以选择合适的联轴器。由于在转动过程中，所受的轴向力比较小，主要承受径向力，所以可选择角接触轴承。 实物图如下图 8所示： 结构件图如图 9所示： 作台的设计 作台外形尺寸及重量初步估计 工作台的相关 参数设定为： 材料：灰铸铁 度 =度 宽度 厚度： 50 60 10+50 35 10 2=30000+35000=65000作台质量： m= V=65000 10 G=作台最大载荷： F=15N 作台简图 根据给定的有效行程，画出工作台简图。取两道轨的中心距为 50计工作台简图如下： 图 10 工作台简图 轨的设计 轨材料和类型选择 滑动摩擦导轨的运动件与承导件直接接 触，优点：结构简单、接触刚度大，缺点：摩擦阻力大、磨损快、低速时易产生爬行现象。在此我们选择滑动三角形导轨。导轨买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 简图如图 2图 11 导轨简图 材料： 用于导轨的材料，应具有耐磨性好，摩擦因数小，并具有良好的加工和热处理性质。本设计导轨材料应选用 具有较好的耐磨性，灰铸铁密度为=灰铸铁导轨的硬度一般为 180200了提高导轨表面硬度，采用表明淬火工艺，表面硬度可达 55轨的耐磨性可提高 13倍。 轨额定载荷的预算 工作台重量 G=作台最大载荷 F=15N，因此导轨额定静载荷为 F 静=F+G=5=杠的设计 滚珠螺旋的特点：摩擦阻力小，传动效率高；磨损小、寿命长、工作可靠性好；具有运动的可逆性，应设防逆动装置；轴向刚度较高，抗冲击性能较差；结构复杂，加工制造较难；预紧后得到很高的定位精度（约达 500 ）和重复定位精度（可达 12 参照设计要求发现，滑动螺旋和滚动螺旋均可满足要求。拟选定滚动螺旋传动方式。 滚动螺旋的工 作原理如图 2示，丝杠 4 和螺母 1 的 螺纹滚道间置有滚珠 2，当丝杠或螺母转动时，滚珠 2沿螺纹滚道滚动，则丝杠与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置 3，如图2示的反向器和图 2示的挡珠器，它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。 图 12 滚珠丝杠副 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 (1)滚珠丝杆副的选用与校核计算 导轨摩擦力 Fu=u(m1+m2)g=；其中 移动负载； 工作台质量和滑块质量； u= 导轨与支 撑之间的摩擦系数 常用材料的滑动摩擦系数 摩擦副材料 静摩擦系数 摩擦系数 u 无润滑 有润滑 无润滑 有润滑 钢 2)轴向载荷 u()+( m2)a=其中负载移动阻力系数 k= 负载移动阻力； G= m1 g; a=v/t=5mm/ m=(3)预设滚动丝杆基本参数 螺纹公称直径 0 ； 导程 ； 钢球直径 圈数列数 i k=1； 螺杆滚道曲率 w; 转速 n=V/20r/(4)计算动载荷 =Fm/ 寿命系数 (00)1/3 由于是普通丝杆传动，选 15000h； 由知： 载荷系数 载荷硬度系数 转速系数 33.3/n） 1/3,其中 短行程系数 (5)螺旋导程角 =h/ 6） 基本额定载荷校核 a= 中 与滚珠丝杆副滚道的几何形状制造精度和材料有关的系数一圈螺纹滚道内的钢球数量 Z= w； 钢球滚到便面在接触点处的 公法线与螺纹轴线的垂直线间的夹角 a=45 o 由上可知： a （ 7） 基本静载荷 计算 = F= 轴向载荷 取 F=基本额定静载荷 261N 当 a=45 小于 以符合要求。 （ 8） 驱动转矩 T T=(F* ) + ） =* + ） =量摩擦角 ； 由旋动运动变为直线运动时 =文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 三、 制硬件设计 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算 ,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 /输出控制各种类型的机械或生产过程。 动换刀控制系统要求 针对自动换刀系统， 后检测当前所在的刀位与 体要求如下： 换刀系统可以实现手动和自动换刀功能： 手动换刀 当转换开关旋到手动档时，按一下点动换刀开关，刀盘就转一个刀位； 自动换刀 1）当转换开关旋到自动档时，换刀系统接受来自数控系统的换刀指令进行自动换刀。设当前的刀号为 时 n 号刀，如果 m与 2）如果 m与 号的选择 兼顾系统中应用到的能信功能，在众多市面上的 品中 列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的微 型 设置通信功能，扩大了 应用领域。本系统选择了 32001 型 入为 16点，输出为 16点）。 由 C（ 100 240） V；输入端参数为电压 流 5/7电器输出端电压 系统选用直流输出方式。 1）开关的选择 本控制系统为 制，各种开关的容量要求不高，普通的开关足已，主要考虑输入参数要求。对手动和停止开关，选择普通按钮开关 动开关 为 色），停 止开关为 色）。本控制系统还要求有自动和手动控制之分，所以还要选择一个 转换开关 2）熔断器的选择 对于经济型控制系统，对 U。对应于所选的 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 最大输入电流 3A，选择型号 3 的熔断器。该熔断器额定电流为 3A。 电器输出时，每一个输出点为 2A，输出点控制为 5点，所以选额定电流为 3A，型号为 10的熔断器。 3）整流器的选择 为降低电压的波动对控制系统的不良影响，选择把交流变为低压直流供电。因此，选择型号为 4型整流器，它的输入电压为交流 220V，输出电压为直流 0 24V，额定电流 10A。 4）对输入输出口保护选择 对 带电阻为 3对于 输入口保护不需做特别处理。输出为直流感性负载时，需在负载两端并联续流二极管或齐纳二极管加以抑制。查有关资料时，在直流感性负载输出时可选电流为 1A 左右的二极管，电阻约为 50欧左右。本系统中选二极管为 2 5）抗电气噪声干扰的措施 不正确的接地和电气控制柜走线不合理，均会导致 避 免此类故障的发生，要注意以下几点： a. 系统应正确、良好地接地； b. 低电压信号电缆与高压电动力电缆应独立走线； c. 将 4感电源的负端接地； d. I/止输出信号对输入信号的干扰，并做到便于布线； e. 当对输入信号检测频率要求不高时，可以将输入点的输入信号滤波时间延长； 统控制元件列表 自动换刀系统控制元件列表如下： 表 系统控制元件表 序号 符号 名称 型号 规格 1 动开头 色 2 止开关 色 3 近开关 5 4 换开关 表 回路熔断器 10 6 14 7 出端整流器 4 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 8 号 32001 9 马达 10 三位四通换向阀 411 流二极管 2A I/O 地址 的分配 通过对 择时对输入输出信号分析。已知输入信号有手动开关、停止开关、接近开关、压力继电器等，输出信号控制对象是换向阀。其 I/ 表 输入口地址分配 输入地址 对应的外部设配 动按钮 止按钮 序梯形图 在选择用三菱 32001 型 况下，我们自然是选择三菱公司 为其生产的 结合以上的程序段和控制各种要求，对控制对象进行综合分析，得到梯形图： 输出地址 对应的外部设配 盘（刀库转动 45度 ) 盘（刀库转动 90度） 磁阀 库装置前移到位） 磁阀 库装置后移到位） 磁阀 开刀动作） 磁阀 紧刀动作） 作台后移到位 作台前移到位 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 指令表： 序的调试 控制程序是控制整个系统工作的软件，是保 证系统工作正常、安全、可靠的关键。买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 因此，控制系统的设计必须经过反复调试、修改。 程序一般在实验室进行模拟调试，实际的输入信号可采用三菱专用编程软件根据流程图将程序编制好编译无误后再传入 输出量的通断状态用发光二极管来显示，一般不用接 电磁阀器等），实际的反馈信号（如接近开关的接通等）。 在调试时应充分考虑各种可能的情况。系统和各种不同的工作方式，选择流程图中的每一条支路，各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后及时修改程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关 系完全符合要求 四、心得体会 和学别的学科一样，在学完 次设计以分组的方式进行，每组有一个题目。我们做的是自动换刀的 于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。但通过各方面的查资料并学习。