盘式刀库机械结构设计及PLC控制【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 摘 要 刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具体结构对加工中心的设计有很大影响。 刀库是在小型加工中心应用最为广泛，根据使用的场合和实际运用的要求，设计了相应的刀的圆盘式刀库，并且对它的控制进行了一定的研究。 论文首先对刀刀库总体设计方案进行阐述，阐述其各部件的工作原理，然后就刀库的结构设计与控制分章节对各个部分进行计算与设计。 刀库的结构设计是本文研究的重点，传动部分为蜗杆蜗轮的一种减速装置，对于该装置中的蜗杆、蜗轮以及相关的轴都进行了详细的计算 ;控制部分为刀库送刀部分，由液压控 制和 关键词 ：，刀库，蜗杆蜗轮，液压， 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 is of of a on of 16is in is to of it of of of of of is of is a in by 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 目 录 摘 要 . 1 第 1 章 绪论 . 5 动换刀装置的定义 . 5 动换刀刀库的历程 . 5 动换刀装置在国内外发展现状 . 5 动换刀刀库形式及各自应用范围 . 6 库的类型 . 8 文所设计的刀库 . 9 第 2 章 刀库驱动电动机的选定 . 12 负载转矩选 . 12 验 . 13 配传动比 . 14 第 3 章 刀库传动机构的设计 . 15 定刀套线速度 . 15 库传动方式以及 . 15 第 4 章 传动轴的设计 . 19 的材料 . 19 杆轴的初步估算 . 19 步估算轴的最小直径 . 19 择联轴器 . 19 定滚动轴承的类型 . 20 步估计蜗杆轴各段的尺寸 . 20 轮轴的初步估算 . 21 步估算轴的最小直径 . 21 定轴伸处的最小直径 . 21 定滚动轴承的类型 . 21 步估计蜗轮轴的各段尺寸 . 21 径的设计与校核 . 22 杆轴 . 22 轮轴的计算 . 25 杆轴 . 28 轮轴 . 29 第 5 章 刀具交换装置的设计 . 30 刀机械手抓刀部分结构 . 30 械手工作原理 . 30 动换刀装置的动作顺序 . 31 零减速撞块尺寸的计算 . 31 盘与刀套的设计 . 32 刀套 . 32 刀盘 . 33 具（刀座）识别装置 . 33 第 6 章 自动换刀系统的设计 . 34 库选刀控制方式 . 34 号选择 . 34 列基本单元 . 34 制系统结构 . 35 动换刀系统控制原理 . 35 式刀库换刀过程的介绍 . 36 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 动换刀程序流程图 . 37 动换刀参数设置 . 38 程序设计 . 38 序设计 . 38 第 7 章 结论 . 39 参 考 文 献 . 40 致 谢 . 41 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 第 1章 绪论 动换刀装置的定义 自动换刀装置（ 称 指加工中心中能完成 刀具储存位置与 主轴 间的交换 刀具装置 。 其 包括 存储 刀具和 刀具 交换 两部分，前者 称为刀库（ 后者 称为换刀机构 (刀库是用来储存加工过程中使用的 刀具的 一种 装置。当 加工中 需要换刀 具 时，由换刀机构 即机械手将刀具从刀库中取出装入主轴中，在此同时主轴中的旧刀具送到刀库中储存起来 等待下次备用。二者根据主轴 与 刀库刀具 的相对位置，在比较有 限的空间里巧 妙的安装和换刀动作设计，使刀库 中 的新刀具 可以经换刀机构与主轴中的旧刀具进行刀具交换动作。它的 主要目的是为了减少机 械 加工过程中的非切削 加工 时间，以 达到 提高效率。降低上产成本 的目的 ，进 一步 提高机床在整个生产 过程中 的生产力， 因此 自动换刀刀库在加工中心中有着十分重要 的角色。目前 刀库 市场的 类 极其繁多 ， 并且很多机型都是由厂商直接设计定型 ， 因此自动刀库既需要满足功能上的需要，又需 要成为机床的 一部分 。在 当今 激烈的市场环境中 ，由于 自动换刀装置 在缩短非 机械 加工时间 中扮演重要角色 。 所以自动换刀装置 换刀 时间 也成为衡量机床性能的一个重要指标 。 动换刀刀库的历程 从 自动 换刀 装置 发展 进程 来看， 1956 年日本富士通研究 出了 数控转塔式冲床，美国 司 也 同期 研制出 “ (刀具过程控制装置 )。 1958 年美国 K&T 公司研制成功 带 有 自动交换 刀具装置的加工中心。 继而 1967 年 研制 出了 性制造系统 )。 1978 年以后，加工中心 得到了 迅速发展， 同时 带有 置，可 以完成 多种 加工 工序 的机床，进入 了机床发展的黄金时代。 直到 1983年国际标准化组织制定 出 了数控刀具锥柄的国际 化标准，自动换刀系统从此形成了统 一 。 动换刀装置在国内外发展现状 当前 国内外数控机床自动换刀系统中，刀具、辅具 很多都是使用 锥柄结构，刀柄与机床主轴的联结、 切削刀具的夹紧放松机构以及驱动方法大多都是使用 同一种结构模式。在这种 统一结构 模式中，机床 的 主轴 大多都是 采用空心 且 带有 碟形弹簧组 、 长拉杆的结构形式，用 液压或 者是 气动装置提供 驱动 动力， 来完成 夹紧放松刀柄的动作。 使用这种机构夹持刀具进行机械加工的最大障碍 是，它 无法 同 一 时 刻 得 到较高的夹持刚度和刀具振动 精度， 并且由于 主轴结构复杂，主轴轴向尺寸 有时会很大 ， 再加之 它的液 压驱动装置和 刀具辅 具锥柄的制造成本 较高，使得自动换刀系统的成本 在机床整机中占有较大的比重。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 在刀具 使用锥柄夹头、侧压夹头或者是 弹簧夹头夹紧性能的对比实验中，采用弹簧夹头夹持刀具是唯一可 以 获得高的夹持刚度和振摆精度。 所使用 这种夹持组件，刀具或刀具辅具可 以做成圆柱形状 ， 就可以降低它的制造成本，提高制造精度 。所以 在 当今的 数控机床 中也是采用弹簧夹头作为刀具的夹持组件， 因此 机床的主轴结构 和 驱动方式仍 需要使用和 锥柄刀具完全相同的结构。在实际 的 数控 机械 加工中， 特别是 在 要求有 超高速主轴、主轴的径向、轴向尺寸都很小 的时候 、 如果 没有足够 大 的换刀 空间的微细加工场合中 很难完成 自动换刀，如果 需要来完成 自动换刀那 势必 将 提高机床成本 。如在 制磨削球面铣刀的数控磨削机床上，直接 驱动主轴的是高速电机 ，使用 的是 小直径盘形砂轮和指形砂轮 来 加工球面铣刀，换刀空间 是比较 小，在这种 条件比较差的情况 下，将 很难完成 自动换刀。国外 研制 最新的内圆磨床 中也是 采用的弹簧夹头自动换刀装置 并且 售价昂贵。 动换刀刀库形式及各自应用范围 因为加工中心的自动换刀装置是由机械手和刀库组成的，它的机械机构是比较复杂 ， 所以 自动换刀装置 的品种 繁多。 因为自动换刀频率比较高 ， 所以加 工中心对自动换刀的装置的要求就相当苛刻 如要求定位精度高动作平稳，工作可靠以及精度保持性等。这些要求都与加工中心的性能息息相关。 表 动换刀刀库的形式及应用范围 形式 类别 特点 应用范围 转塔式 垂直转塔头 根据驱动方式不同，可分为顺序选刀或任意选刀 结构紧凑简单 容纳刀具数目少 用于钻削中心 水平转塔头 刀库式 无机械手 的 换刀 方式 运用 刀库运动与主轴直接换刀 的方式 ，省 略 去机械手结构紧凑刀库运动较多 小型加工中心 机械手换刀 刀库只做选刀运动，机械手换刀 布局灵活，换刀速度快 各种加工中心 机械手和刀具运送器 刀库距 离 机床主轴 比 较远时，用刀具运送器 可以 将刀具送至机械手 大型加工中心 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 结构复杂 成套更换方式 更换转塔 的方式 利用更换转塔头，增加换刀数目 换刀时间基本不变 扩大加工工艺的钻削中心 更换主轴箱 的方式 利用 替换 主轴箱， 来扩展 组合机床 所需要的 加工工艺范围 结构比较复杂 扩大柔性的组合机床 更换刀库 的方式 通过扩展加工工艺，替换刀库，还 有 其他的 刀库存储器 充分提高机床利用率和自动化程度 扩展 加工中心所需 的加工工艺范围 加工 比较 复杂零件 的时候 ，就 需 要拥有很多 刀具的 加工中心或组成 比较高级别的 自动化的生产系统 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 库的类型 刀库中的最关键的部件就是自动换刀装置 ， 自动换刀装置 的 布局，容量和其机械结构都会对加工中心的具体设计产生重要影响 。 刀库可以用来存放加工所需的刀具和辅助工具 。 因为大多数的数控中心换刀装刀的位置都是对应着刀库中一个固定的刀位 ， 所以想要保证有可靠的换刀性能就必须要有能使刀具运动和定位机构。 如果需要 的话 还要有 一定传动比 减速机构。刀库的定 位即是能使需要的每一把刀或者是其刀套停在准确的位置 。其控制部分可以采用 十分 简 的易位置控制器或 相 类似半闭环 进给系统的伺服位置控制，也可以采用电气和机械相结合的销定为方式，一般要求综合定为精度达到 依据不同的取刀方法及不同的刀库容量 ， 刀库可以被定为很多种类 。图 示为 常用的几种刀库 形式 。图 的 式 的 刀库，为 了能够满足不同的机床布局 ，刀库的刀具轴线 可以配置成不同的方向 ，图 d 所示的盘式刀库的刀具就可以 90 翻转， 使用取刀动作比较简化的结构 ，取 刀也较为方便， 多以它得到了最广泛的使用 。但由于圆盘尺寸受限制，刀库的容量较小（通常装 1530 把刀）。 图 库的形式 a）轴向式 b）径向式 c）斜向式 d）刀具翻转式 e）鼓筒弹夹式 f）链式 g）多盘式 h）格子式 如果需要安放更多的刀具时 ， 就可以选用 图 的 们 可以 在有限的空间里完成换刀的一系列动作 ， 并 且 它们没有过大的尺寸。 图 示的 是鼓筒弹夹式刀库， 由于它有很紧凑的 结构，可以在相同的空间里拥有很大的刀库容量。 但 是也带来了取选刀的动作繁琐的缺点 。图 示的 是链式刀库， 它拥有很好的灵活性，因此有较多的刀库容量。并且 选刀和取刀 的 动作 也是相当 简单。 如果 链条较长时， 就 可以增加支撑链轮的数目，使链条折迭 能够回绕， 这一举措大大 提高了空间 使用 率。图 示的 分别为多盘式和格子式刀库，虽然它们都有前面所说的一些优点，但是由于换刀动作过于复杂，因此得到了较少的运用。 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 1、 刀库的类型 加工中心上普遍采用的刀库是盘式刀库和链式刀库。密集型的固定刀库目前于用于 的集中 供刀系统。 （ 1）盘式刀库 盘式刀库结构简单，应用较多，如图 示。 因为刀具被排列成环形 ，降低了空间使用率 。 所以才有了双环或者多环的盘式排列方式 ， 这大大的增加了 空间的利用率。但 是这样做的缺点就是有过大的外径的刀盘 ， 也带来了过大的转动惯量 ，选刀时间也 延长很多，所以盘式刀库能满足刀具数量较少的场合。 图 式刀库的形式 a）径向取刀形式 b）轴向取刀形式 c）刀具径向安装 d）刀具斜向安装 （ 2）链式刀库 如图 式 刀库有紧凑的结构和较大的刀库数量。 链环 可以根据场合不同做成不同的 形状 ，也可将换刀位 翻转出来 以利换刀。 如果 链式刀库需 要 增加刀具 的数量时， 就可以通过改变链条的长度和支撑轮的数量来实现 ，在一定 要求 范围内， 就不用改变 线速度及惯量。 正是应为有这些特点及便于设计制造才使得链式刀库得到了很大程度的运用。一 般链式刀库 刀具数量在 30120。 图 式刀库的形式 文所设计的刀库 由于是使用在小型加工中心上，所以采用的是圆盘刀库的结构形式，以下是介绍本设计的结构组成与传动过程。 1、 换刀过程 在介绍刀库结构之前，先了解一下换刀过程。刀库位于立柱左侧，其中刀库的安装 轴线 方 向 和主轴线相垂直。换刀的时候应该先将刀具的位置与主轴轴线平行。等加工完成后主买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 轴回到换刀点时，就可以自动换刀 ，如图 示。 （ 1）刀套下翻 换刀前，刀库 2 转动，将待换刀具 5 送到换刀位置。换刀时，带有刀具 5 的刀套 4 下翻 90 ，使刀具轴线与主轴轴线平行。 （ 2）机械手抓刀 机械手 1 由原来位置按照顺时针旋转 90 度，等到 两手爪分别抓住 主轴上的刀具和刀库下翻的刀具 。 （ 3）刀具松开 主轴内的刀具 接受到传感器信号使得 自动夹紧机构松开刀具。 （ 4）机械手拔刀 机械手下降， 下降的 同时 可以同一时刻 拔出两把刀具。 （ 5）刀具位置交换 机械手抓着 两把刀具 按照 逆时针旋转 180 ， 完成 交换两把刀具位置。 （ 6）机械手插刀 机械手上升， 上升到特定位置时就 把刀具插入主轴锥孔和刀套中。 （ 7）刀具夹紧 主轴内的刀具自动夹紧机构加紧刀具。 图 到过程示意图 1 机械手 2 刀库 3 主轴 4 刀套 5 刀具 （ 8）液压缸活塞复位 驱动机械手 按照 逆时针旋转 180度 的液压缸活塞 回到原始位置 。 （ 9）机械手松刀 机械手 1 逆时针旋转 90 度 ，松开刀具 并 回到原始位置。 （ 10）刀套上翻 刀套带着刀具上翻 90 。 2、刀库的结构与传动 （ 1）刀库的结构组成 如图 示，为盘式刀库结构示意图。 它的组成部件有电动 机 和 蜗杆蜗轮、刀盘、刀套、液压缸、及拨叉 。它的 具体机构，如图 示。 （ 2）刀库的选刀过程 首先由数控系统发出了换刀的信号 ， 通过 直流伺服电动机 1 再 经联轴器 2 及 蜗杆 3、蜗轮 4 来 带动刀盘 12 和安装 在它 上的 16 个刀套 11 旋转相应角度， 以实现 选刀的过程。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 （ 3）刀套翻转过程 等到所需刀具到达了换刀位置的时候 ，刀套尾部的滚子 10 就会 转入拨叉 8 的槽内。这是， 在 液压缸 5 的下腔注 入液压油 后 ，活塞 就会推动 拨叉上升， 此时就会自动松开行程开关 7，来断开相应电路，防止刀库、主轴发生意外 。 随着 拨叉上升， 连 带动刀套下翻90 ， 以使得主轴轴线 与 刀具轴线 平行， 这时行 程开关 6，发出信号使机械手抓 住 刀。 相 反，拨叉下 降 后 ， 就会 带动刀套上翻 90 。 图 库结构示意图 1 电动机 2 联轴器 3 蜗杆 4 蜗轮 5 液压缸 6、 7 行程开关 8 拨叉 9 挡标 10 滚子 11 刀套 12 刀盘 图 库结构图 4 蜗杆 11 液压缸 12 活塞杆 16 拨叉 40 销轴 49 滚子 17 刀套 55 蜗轮 56 行程开关 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 2 章 刀库驱动电动机的选定 刀库的驱动大多都是用伺服电机或者是液动电机 ， 由于 我国加工中心 大多 都 采用 伺服电 机驱动 的 方式， 所以 在本 论文 设计中也用伺服电动机来 作为 驱动。 负载转矩选 施加在 伺服电动机轴上的负载转矩 比电动机额定连续转矩 。 由于盘式刀库的负载转矩 1T 主要来自刀具重量的不平衡 ，其计算方法如下： 假设 将三把最重刀具 摆放 在一起，按加工中心规格规定的最大刀具重量 算， 并且使得 其重心则设定为离刀库回转中心半径处。 设刀库半径为 300具最大重量为 8 所以 1 8 9 . 8 / 3 0 0 2 3 . 5 2T k g N k g m m N m m 通过公式把上面的负载转矩转化为电机主轴上的转矩 式中： i 传动比； 传动效率。 本设计中，为了降低传动速度，所以传动比定为 =20i 。 传动效率为： 式中： 1 联轴器的传动功率； 2 蜗杆的传动功率； 3 轴承的传动功率。 考虑到实际情况比计算时 所设定条件复杂，电机额定转矩 为负载转矩的 ，亦即： 1 2 3 . 5 2 1 . 6 8 0 . 6 9 9L m 买 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 加速时的最大转矩选 加速时的最大转矩 T ,包括加速转矩 负载转矩 即： 加速转矩 下式计算： 式中： 刀库选刀时的电动机转速 ( /r ； 加速时间，通常取 150200（ 电动机转子惯量； 负载惯量折算到电动机轴上的惯量。 设计中，初选 ， ， ， 。 2 1 T + 加速时的最大转矩 T 应小于电机的最大转矩 即： 验 20 0 1 6 . M S=. 20 . 0 3 2 . M S= 因为 所以该结果满足条件。 根据以上计算结果，所选电机型号如下： 2 ( ) ( )60a m J N 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 表 选电机型号 型 号 输入功率 ()额定转矩 最大转矩)最高转速 / m in)转子惯量 2() m s 09 1000 配传动比 在前一章中以介绍为了降低传动的速度，传动比选为 20. 各轴转速 轴 12= = 1 0 0 0 r / m i 各轴的输入功率 轴 轴 各轴的输入转矩 电动机的输入转矩 : 故 : 轴 轴 表 配传动比 轴名 功率 ()转矩 T（ N 转速 ( / 传动比 i 效率 电机轴 3875 1000 1 轴 000 20 轴 0 20 11000= = = 5 0 r / m i 档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 第 3章 刀库传动机构的设计 定刀套线速度 刀套线速度影响选刀效率，但是过快的线速度又影响刀库工作可靠性。一般推荐为2230m/本次设计中，刀套线速度初定为 25m/ 库传动方式以及 为了能够让伺服电机能保持最好的工作性能 ， 大多数情况下都是不采用低速段的伺服电机 。这就 使得必须 要采用蜗轮减速装置了。 以下为蜗杆传动的设计计算： 蜗杆 材料一般都是 采用 45#钢，表面硬度 45砂型铸造， 蜗杆材料采用 算步骤如下： 计算项目 计算内容 计算结果 （一）初选【 1/ 1、当量摩擦系数 设 = 4 / 7 /sv m s m s，查机械设计 表 大值； 2、选【 1/ 在机械设计图 20i = 线上 任选一点，查得 ， （传动啮合效率）。 （二）中心距计算 1、蜗轮转矩 2、使用系数 按题意查机械设计表 3、转速系数 4、弹性系数 由机械设计查表 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5、寿命系数 6、接触系数 由机械设计图 查出 7、接触疲劳极限 由机械设计表 l i m 265H M 8、接触疲劳最小安全系数 由机械设计手册查得 9、中心距 2l i l i m()h Sa k 23 1 4 7 2 . 8 5 1 . 31 . 1 4 1 5 9 9 8 ( )0 . 7 2 1 . 1 3 2 6 51 4 2 . 9 取 160a 中心距 可以通过 由机械设计手册第三册 的 23 25取而得。 （三）传动基本尺寸 1、蜗杆头数 由机械设计 图 得 113 , 2?，也可用式 算 1 ( 7 2 . 4 ) /z a u=+( 7 2 . 4 1 6 0 ) / 2 01 . 8 6=+=取1 2z =2、蜗轮系数 2 2 2 1 6 0 6 . 3 1 04 0 . 7 96 . 3a m qz m 取2 41z =3、模数 2( 1 . 4 1 . 7 ) /m a z=( 1 . 4 1 . 7 ) 1 6 0 / 4 15 . 4 6 . 6 3取 4、蜗杆分度圆直径 11 / d d a a=0 . 3 5 5 1 6 0 5 6 . 8或=? . 8 7 50 . 6 8 1 6 0 5 7 . 6 9 取 标 准 值 （ 机 械 设 计 表 取1 63d 、蜗轮分度圆直径 21222 1 6 0 6 3 2 ( 0 . 6 5 ) 6 . 3d a d x m= - -= ? - ? ?2 2 6