铣加工中心换刀机构设计含proe三维及6张CAD图
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共39页)
编号：26931739
类型：共享资源
大小：12.18MB
格式：ZIP
上传时间：2019-11-26
上传人：QQ14****9609
认证信息
个人认证
郭**（实名认证）
陕西
IP属地：陕西
50
积分
- 关 键 词：
-
加工
中心
机构
设计
proe
三维
CAD
- 资源描述：
-
铣加工中心换刀机构设计含proe三维及6张CAD图,加工,中心,机构,设计,proe,三维,CAD
- 内容简介：
-
铣加工中心换刀机构设计摘要加工中心是一种配以刀具库和自动换刀系统的高自动化、高柔性的加工设备。自动换刀系统由控制系统和换刀装置组成，PLC 控制换刀机构完成自动换刀，一次能完成多种工艺。在数控机床内，加工中心运用广泛，因此对换刀机构的设计研究是很有意义的。本设计主要对主轴以及换刀机构进行设计计算。根据设计要求，参考设计手册， 进行了主轴的直径选取、扭矩校核和使用寿命验算等计算。为了有利于自动装卸刀具， 主轴内还设计有自动夹紧装置和切屑清除装置。换刀机构采用回转式单臂双手机械 手，由液压缸来完成对换刀动作的驱动。另外，本设计还研究了电气控制系统，采用PLC 对其进行控制，合理选用了单片机并设计了电气控制线路。本次设计自动换刀装置是数控铣加工中心的重要部件，完成和其它的部件装配后，可以有效提高切削功率以及加工效率，并能使得换刀时间缩短，提升刀具的是重复定位精度。关键词： 加工中心；主轴；换刀装置；PLCIABSTRACTThe machining center is a highly automated, highly flexible processing equipment with a tool magazine and automatic tool changer system. Automatic tool changer system consists of control system and tool changer. PLC makes the tool changer complete the automatic tool change.At the same time,it can complete a variety of processes. In the CNC machine tool, the processing center is widely used, so the design of the tool change is very meaningful.The paper designs and calculates the spindle and tool change mechanism. According to the design requirements, refer to the design manual, the diameter of the spindle is selected, the torque of the spindle is checked and the life of the spindle is checked. In order to facilitate to load and unload tool automatically，the spindle is also designed with automatic clamping device and chip removal device. The tool changer adopts a rotary single-arm, two-handed manipulator, and the hydraulic cylinder is used to complete the driving of the tool change. In addition, the design also the electrical control system which controlled by PLC.Whats more,it selects single chip reasonably and designes the electrical control circuit.Automatic tool changer is an important part of CNC milling machining center. After the completion of assembly with other parts, it can effectively improve the cutting power and processing efficiency. It can also shorten the time of changing tools and raise the repeatability of the tool.Key words:Machine Center ; Principle axis ;Tool Changer;PLC目录摘要 . 1ABSTRACT . 11. 绪论 . 11.1 数控机床的概述. 11.2 数控机床的特点11.3 加工中心的原理21.4 数控技术的现状和发展趋势31.5 本设计研究内容42. 加工中心换刀机构方案设计53主轴及换刀机构的设计计算73.1 主轴的性能分析73.2 刀具自动装卸及切屑清除装置73.3 主轴准停装置83.4 主轴部分零件的设计计算83.5 换刀机构的设计133.6 液压缸的计算154. 加工中心硬件的选择设计194.1 CPU 的选择194.2 程序存储器和数据存储器的扩展194.3 I/O 接口的扩展194.4 步进电机驱动器的选择204.5 液压缸的控制215.结论22参 考 文 献23致谢24附录 1：外文翻译25附录 2：外文原文30II铣加工中心换刀机构设计1.绪论1.1 数控机床的概述作为高度一体化的产品，加工中心包括传统车床、铣床、钻床等，对机械加工有着较大的影响。它依靠编程来实现对加工速度和进给量的控制，加工后，零部件拥有很高的精度以及高的工作效率，同时对经济效益有良好的促进作用。加工中心可以一次性的加工多个工序，不仅可以实现工序的集中而且还能实现工艺的复合，因此能减少加工的时间，增加效率，减少安装次数和定位次数。就目前而言，在数控机床的范围内加工中心的生产的量是最多的，同时也是应用最广泛的。因此对换刀机构的设计研究很有研究价值。进入新世纪以来，我国的综合实力日益增强，加工中心市场发展愈发迅速，汽车行业，机械行业以及航天行业等方面对加工中心的依赖日益增加，我国也开始自己研发生产加工中心，对数控系统以及一些零部件进行择优选择，不仅提高了生产质量而且还提高了性价比，渐渐地在国内受到认可和肯定。伴随科技的不断进步，对机械产品的精度要求也是与日俱增。在造船、宇航、等领域需要的机械零件的要求是高精度，小批量。加工此类产品工序繁琐，复杂度高， 普通的机床已经无法完成这种复杂的加工。因此，一种新型的机床数控机床由此诞生。强适应性、高加工精度、稳定的加工质量稳定和高的生产效率是这种机床的显著特点。数控机床结合了多方位的资源，其中包括计算机、自动控制以及新型机械结构技术等，机床控制的发展也会向数控机床靠拢。广泛采用自动机床、组合机床等被大批量的自动化生产采用，能够实现多把刀具、多个工位、多个加工面同时加工，这样就提高了生产效率和自动化程度。然而这些生产并不能在小批量生产中应用，因为在小批量生产中，产品的品种经常变换，因此柔性对于生产线是十分重要的。可以说，数控机床的出现同时满足了两方面的要求，一是刚性生产线，二是柔性生产线。1.2 数控机床的特点除少数使用步进电动机驱动的简易数控机床以及作为特殊用途的数控机床外，一般来说，数控机床具有以下特点：1 加工精度高数控机床加工精度比普通机床高主要由以下几个方面体现：1）数控机床的脉冲当量小，位置分辨率高。2）数控系统具备误差自动补偿功能。3）数控机床的传动系统与机床结构设计都具有比普通机床更高的刚度和稳定性， 部件的制造和装配精度均比较高，提高了机床本身的精度和稳定性。- 24 -4)数控机床采用了自动加工方式，避免了加工过程中的人为误差。2 机床的柔性强在数控机床上，改变加工零件只需要重新编制程序，就能实现对不同零件的加工， 它为多品种，小批量生产加工以及新产品试制提供了极大的便利。同时，由于数控机床通过多轴联动，具备曲线曲面的加工能力，扩大了机床的适用范围。特别对于普通机床难以加工或无法加工的复杂零件，利用数控机床可以充分发挥功能，提高加工精度和效率。因此，对加工对象变化的适应性好，柔性比普通机床强。3 自动化程度高，劳动强度低数控机床对零件的加工是根据事先编制好的程序自动完成的。在正常加工过程中，操作者只要进行极为简单的操作，即可完成零件的自动加工，不需要进行繁杂的重复性手工操作，操作者的劳动强度可大大减轻。此外，数控机床一般具有较好的安全防护、自动排屑、自动冷却和自动润滑装置，使操作者的劳动条件也得到了很大改善。4 生产率高数控机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高，一般为普通机床的 35 倍，对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。5 良好的经济效益数控机床虽然设备价格较高，分摊到每个零件的加工费用较普通机床高，但使用数控机床加工，可以通过上述优点体现出整体效益。特别是数控机床的加工精度稳定， 减少了废品，降低了生产成本；此外，数控机床还可一机多用，节省厂房面积和投资。因此，使用数控机床，通常可以获得良好的经济效益。6.有利于现代化管理采用数控机床加工，能准确地计算零件加工工时和费用，简化了检验工、夹具， 减少了半成品的管理环节，有利于生产管理的现代化1.3 加工中心的原理在数控机床上加工零件时,首先应根据零件的形状和尺寸分段,然后根据工艺要求确定加工程序,坐标移动量,并确定相应的进给速度和主运动速度等参数,最后将程序输入微机,完成编程运行过程.伺服机构根据数控装置发出的信息指令,驱动机床有关部件,使刀具和工件严格按照程序设定的相对运动,从而使机床精确的加工出符合图纸要求的工件。加工中心一般分为以下几个组成部分:程序编制、数控装置、伺服机构、机床本件。程序编制虽然不是加工中心的一个具体部件,但是它的作用已经远远的超过了一个部件的作用。在加工复杂零件时,程序的编制是非常重要的,它是有效利用数控机床的关键。数控装置实施数控机床的计算和控制系统,它接受编制的程序之后,控制有关部件做出所需的动作,完成加工任务。伺服机构是数控机床在机床结构方面有别于别的机床的地方,属于加工中心的一个特殊的部件。机床组件包括有液压部件和机械加工的相关部件。1.4 数控技术的现状和发展趋势1.3.1 数控（NC）阶段早期的时候，计算机还没完全发展起来，运算的速度无法保证能够对机床进行实时控制。这时就需要借助数字逻辑电路来完成，将这些电路组成机床专用的计算机， 来作为数控系统，简称数控（NC）。在元器件不断开发的过程中，一共走过了三个阶段，分别是 1952 年的电子管到 1959 年的晶体管再到 1959 年的小规模集成电路。1.3.2 计算机数控（CNC）阶段上世纪 70 年代，小型计算机业发展迅速，可以被通用，同时也可以大批量的生产。由于小型计算机日趋成熟，人们开始使用它成为数控系统的核心，这标志着正式进入计算机数字控制的阶段。众所周知，计算机上的两个最重要的核心部件是控制器和运算器，它们是由美国公司 INTEL 在上世纪 80 年代初融合在一块芯片上所制作完成的，人们称它为微处理器或者是中央处理单元，简称为 CPU。上世纪 90 年代末， 个人计算机（PC 机）的得到非常迅速的发展，在处理能力和处理速度上面有了很大的提升和优化，已经成为数控系统的核心部件。上世纪 50 年代末我国开始研究数控技术，到上世纪 60 年代中，我国一直处于研发阶段。之后我国开始致力于晶体管数控系统的研究与开发。1970 后，我国在数控技术的领域开始全面快速的发展，包括车床、铣床等各种车床，齿轮加工、点等各种复杂高精度要求的加工，同时我国在数控加工中心的领域内取得了很大的成果。与此同时，数控机床也在模具生产中广泛应用由于它结构简便，成本低等优点。上世纪80 年代，我国向日本学习了一些先进的数控技术，并将这些先进的数控系统和完善的伺服驱动机引入到国内，同时也向德国和美国这些技术发达的国家学习了先进的数控技术。因此我国在机床的质量和性能上有了很大的提高。上世纪 90 年代后，低档次的数控系统逐渐被淘汰，高档的机床开始稳步发展。虽然我国目前可以生产各个种类的数控机床，但总体来说，平均水平还是不高，较为先进的可以生产加工超精密的产品，而一些落后的技术就很难跟上世界的步伐。但倘若国家政府开始重视，达到领先水平也是可以期盼的。最后，计算机数控阶段也经历了三个阶段，分别是 1970 年的小型计算机，1974 年的微处理器和 1990 年的基于 PC 三个阶段。1.3.3 数控技术的发展方向伴随着科学的不断发展，技术的不断革新，人们对数控技术的性能提出了更高的要求。要求数控机床的精度要越来越高，速度越来越快，智能性和可靠性越来越高。主要在以下几个方面展现：高速度与高精度化速度和精度是展现数控机床先进程度的两个重要性能，它们不仅能影响产品的质量，也会影响生产的效率，尤其在超切削速度很高以及加工很高精度产品的条件下， 这就要求机床坐标轴有更快的位移速度以及更高的定位精度。当然，高速度和高精度也是互相牵制的，加工精度越高位移速度也就越难保证。现代数控机床的进给速度已经可以达到 l m (100 一 2 40m / min）、0 01 m (24m /min）、0.01m (400 一800mm/min)。以下几个方面的措施研究用于满足高速度以及高精度的要求: 多功能化1）为了使设备的利用率能有所提高，数控机床通常要具有多个功能。2）为了使工作效率以及利用率有所提升，前后台需要达到能同时工作的能力。3）除具有通信口、DNC 功能，现代数控机床还应该有网络功能。 智能化1）自适应控制技术的引进。在改变加工过程的时候，系统可以按照实时测出的工参数，从而去调整校正整个机器运转的工作状态，这样就能使加工的时候各组件趋于更完善的工作状态，这也是自适应控制技术的目的。2）当机器发生问题的时候能够自身进行诊断问题所在，并对其进行修复的功能主要是通过数控系统内部安置的程序来实现的，这种程序可以帮助在线的做出故障诊断，当有故障发生的时候，整个机器将自动的停止运作，并与此同时，CRT 开始工作，进行对故障发出警报，提示有故障发生，然后运用用“冗余”技术，使得发生故障的模块自动的脱离机器，使得正常的待机模块与机器相连接。3）使用红外、声发射、激光等检测手段有助于对自动的检测刀具寿命以及完成换刀时候的自动化。当发现一些如工件的质量不符合要求，刀具开始磨损等问题的时候，系统会及时的报警，并对已经产生的误差进行补偿，并对损坏的刀具进行更换从而使得产品的质量能够得到保证。1.5 本设计研究内容本毕业设计选择的题目是“铣床加工中心换刀机构设计”，本次设计主要包括主轴设计，换刀机械手设计，电器控制图。主要技术参数及技术要求： X，Y，Z 轴的行程分别是 600，300，400mm；进给精度 0.001mm；X，Y，Z 轴的移动速度分别是2.5，2，1mm/min；工作台面尺寸 3201000mm；脉冲当量 0.01mm/步；重复定位精度 0.01mm。2换刀机构的方案设计为了方便实现换刀的过程，选择了用一根轴来带动机械手的转动，其次为了稳定的实现换刀的功能，机械手臂通过螺纹联接在主轴上。在控制方式的选择上，选择液压传动，相比于其它的传动方式更有利于对换刀的自动控制。原理如图 2.1 所示。在换刀的时候，机械手主要完成以下几个动作，分别是抓住刀具，将刀具拔出，对刀具进行更换，将刀具插入，使机械手复位这几个动作。1：液压缸2：液压缸3：液压缸4：机械手抓5：挡板6：齿轮7：花键套图 2.1 换刀机构原理图8：齿轮自动换刀的过程说明：抓刀：需要抓刀时，缸 2 左腔进油。在推力的作用下，装有齿条的杆就开始向右移动。在向右移动的过程中，齿条便与齿轮 8 相啮合，前者使得后者开始旋转。齿轮8 连接一个花键套 7，它们的连接方式是销键联接，于是花键套 7 一开始转动。液压缸 2 杆上的右端和行动轨迹线上分别设有一个挡板和行程开关，当它俩接触的时候，此时主轴就旋转一定的角度，并使得主机械手 4 实现抓刀。拔刀：拔刀时缸 1 上腔进油，在推力的作用下，主轴开始向下移动，向下移动过程中，花键套 7 便和齿轮 8 分开，当行程开关和主轴上的挡板 5 相接触时，花键套 7和齿轮 6 销键联接。这时机械手 4 就将刀具同时拔出。换刀：换刀时，缸 3 左腔进油。在推力的作用下，装有齿条的杆就开始向右移动。向右移动的过程中，齿条与齿轮 6 相互啮和，前者使得后者开始转动。齿轮 6 连接一个花键套 7，它们的连接方式是销键联接动，主轴开始旋转。当杆上的挡板接触到行程开关时，这时主轴转过的角度为 180 度，于是就完成是换刀的动作。插刀：插刀的时候，缸 1 下腔进油。在推力的作用下，主轴开始向上移动，这时花花键套 7 便和齿轮 6 分开，当主轴上的挡板 5 接触到行程开关的时候， 7 与 8 开始联接。这时机械手 4 就在主轴的孔中插入刀具，同时将刀具插入刀套的孔中，这样就实现了插刀。复位：复位的时候缸 2 右腔进油。在推力的作用下，装有齿条的杆就开始向左，移动。齿轮 8 开始转动，齿轮 8 与花键套 7 连接，前者的转动就能带动后者的转动，从而带动主轴的转动。液压缸 2 杆上的右端有一个挡块，当它碰到右边的行程快关的时候，主轴转过的角度是 75 度，同时机械手 4 松刀。此时缸 3 右腔进油，在推力的作用下，杆向左移动，液压缸 2 活塞杆上的右端有一个挡块，当它碰到左边的行程快关的时候停止进油，这样就实现了复位。铣加工中心换刀机构设计3 主轴及换刀机构的设计计算3.1 主轴的性能分析主轴是机床上很重要的部件。它的性能往往可以影响整个机床的性能。由于主轴的转速范围很大且主要的切削力由主轴来承受，因此主轴组件需要满足以下几点要求：（1）旋转精度高（2）刚度强。（3）温升和热变形小。（4）抗振性好（5）精度保持性好。当然，以上这些要求有时候不能同时达到，比如旋转精度越高，刚度就很难有所保证；旋转的速度越快，温升也会随之加速等。所以具体要满足哪些要求要看具体情况进行分析。3.2 刀具自动装卸及切屑清除装置主轴的性能除了要满足高精度以及高刚度外，还需要安装一些装置使得刀具可以实现自动的安装卸下，同时能使得主轴孔内的切屑能够得到有效的清除。实现装夹锥柄刀具的 7：24 的锥孔安装在主轴的前端。端面键有两个作用，一是可以用于刀具定位，二是可以传递扭矩，刀具自动夹紧装置安装在主轴内，它的目的是完成刀具的自动装卸。该机床设有拉紧机构可以实现对刀具的自动夹紧。当刀具被固定时，液压缸上腔进油，弹簧被向上推并且活塞被锁定，杆运动轨迹是向上。拉杆的径向孔中有四个钢球，它们开始进入拉钉的环形凹槽。使得心轴被拉杆紧固，并且固定在轴上通过摩擦力的方式。在刀具更换时，刀具被释放，液压缸的上部腔室与油接触，活塞将杆向下推，使它向下，从而使得压缩弹簧;当钢球随着杆向下移动到较大的直径进入主轴孔时。不能够对拉定头部有约束限制作用，然后刀夹开始松动，紧接着机械手收到信号便把刀取下。同时，压缩空气管从管道通过活塞和杆孔进入主轴装刀孔，移除屑或碎屑，这样刀具夹紧的精度就可以被保证。新刀被安放在主轴上后，液压缸被接通， 液压油进入液压缸，与此同时，刀夹被弹簧拉紧。当刀具拧紧时，信号将由行程开关被发出。在换刀的时候，主轴孔中的碎屑能被及时的清除是很重要的。3.3 主轴准停装置为了使主轴可以精确在固定的轴向位置上停止，准停装置将被安装在机床的主轴部件上。这种装置可以使得在换刀的时候主轴上的端面键的母线与刀夹上键槽的母线相对齐，也可以保证在装刀的时候，刀夹相对于主轴的位置不会发生变化。这样有利于安装精度的提高，并对孔的加工有促进作用。在本设计中，电气准停装置安装于主轴部件上，图 3.1 展示了它的工作原理，多楔带轮和主轴连接，前者能带动后者一起转动，厚垫片起固定作用，将它安放在带轮的端面上，并将一个小体积的永久磁铁安装在厚垫片上。磁传感器安装在需要主轴准确停止的相应位置上。当机器要停止换刀时，CNC 系统发出信号，这时主轴电动机将立刻减速，当主轴转动的速度减少到最低，这时厚垫片上的永久磁铁便与磁传感器相对准，磁传感器将会发出指令，使得主轴停止在准确的位置上。这个信号经过放大器然后被放大，被放大后的信号经过定向电路，定向电路得到信号并执行它便开始控制主轴电动机，前者使后者可以准确的在规定的轴向位置上停止。这种装置可以大大提高重复精度，并能控制在1 范围的范围内。1.多楔带轮2.磁传感器3.永久磁铁4.垫片5.主轴图 3.1 电气准停装置工作原理图3.4 主轴部分零件的设计计算3.4.1 主轴电机的选取（1）铣削力 Fc 的计算FzFc =C t0.86 Bz f D-0.86由机床数控技术表 13-1 查得CF = 637FzFc =C t0.86 Bz f D-0.86= 637 200.86 5 4 0.10.72 40-0.86= 1337（2）铣削功率 Pc 的计算（3.1）铣加工中心换刀机构设计FzP = C 10-5 t 0.86nBzf D-0.86由表 13-1 查得CF = 3.5FzP = C 10-5 t 0.86nBzf D-0.86= 3.510-5 200.86 30005 4 0.10.72 400.14= 8.8KW（3.2）主电动机的功率EP = 1.15PChm= 8.80.75= 11.7KW（3.3）选功率为P = 12KW 的 FANUC 12 型交流电机3.4.2 带传动的计算（1）求Pca查得工作情况系数 K A = 1.2 ，故（3.4）Pca = KP = 1.212 = 14.4KWA（2）选窄 V 带带型根据 Pca、n1 选SPA 型（3） 确定带轮基准直径由表8 - 7 以及表8 - 9 进行选取， D1 = 110mm从动轮基准直径 D2验算带的速度D2 = iD1 = 1.9 110 = 209mmD2取210mmV =pD1n160 1000= p 110 1440 60 1000= 8.29 35m/s由计算得，带的速度合适。（4）窄V带基准长度和传动中心距的确定。（3.5）根据0.（7D1 +D2） a0 1200所以包角合适（3.8）z =Pca(P0 + DP0）Ka K L（3.9）由n1 = 1440r / min 、 p1 = 110 、i=1.9,查表 8-4 和表 8-5 得P0 = 1.6012KW 、 DP0 = 0.02KW由机械设计表 8-1 得 Ka = 0.89 表 8-10 得 KL = 0.96 则z =3.9(1.6012 + 0.02) 0.89 0.96（3.10）取 z=3 根（7）计算预紧力 F0= 2.80F = 500 pca ( 2.5 -1）+ qV 2 0vzKa（3.11）由机械设计表 8-3 得 q=0.07Kg/m,故F0 = 50014.48.44 3 ( 2.50.89-1）+ 0.07 8.442 = 519.39N（8）计算作用在轴上的压轴力 QQ = 2zF0sin a12160.30= 2 3 519.39 sin= 3078N3.4.3 轴的强度刚度校核计算（1）主轴整体结构强度校核：d1 = 100mmd3 = 272mm2d2 = 153mmd4 = 140mm（3.12）各截面弯矩计算弯矩M z = 37 /1127 163.21 = 5.36N.m M z = 109 163.21/1127 = 15.79N.m M Z = 163.21M Z = 76 163.21/1094 = 11.34M ca =校核轴的强度= 165.07N.m（3.13）s ca= M ca / w/ w s -1 MPa（3.14）根据机械设计轴的类型表 15-4 得：w = 0.1d 3 = 0.1 (100 10-3 )3 = 0.110-3s ca= M ca/ w = 165.07 / 0.110-3 = 1.65MPas -1 = 0.43s b = 0.43 637 = 273.91MPa轴的材为 45 号钢，查表得s b = 637MPasca s-1 ：轴的弯曲强度符合要求。（2）轴的弯曲刚度校核计算：根据公式计算：铣加工中心换刀机构设计dV = 56mm轴的扭转刚度校核计算：a 扭角的计算：参照（机械设计公式 15-15 可以得到轴的扭转变形：（3.15）j = 5.73104其中T: 轴所受的扭矩，N.mm;T GIPG; 轴的材料得到剪切弹性模量，Mpa,对于钢材G = 8.1104 Mpapd 4I P = 32j = 5.73104T GIP= 5.73104 17.944604（3.16）8.110 32b. 计算轴的弯曲刚度计算截面I处的挠度：= 0.0003130 j = 0.30y轴的刚度满足要求= -Pbl(x - a)3 / b + (l 2 + b2 )x - x3 / 6EIl= -0.2 294 64 (0.422 + 0.22 ) 0.22 - 0.223 /6 2.15103 3.14 （56 10-3） 0.42= 0.00263mm P2所以按轴承 A 的寿命计算寿命计算公式：3.5 换刀机构的设计L = 106 (c / P)e / 60nh= 106 (48810 / 94.09)3 / 60 3000= 774 106 (h)(3.18)3.5.1 换刀机构的结构设计:本设计中，选用的换刀机械手是回转式单臂双使机械手，换刀手如图 3.1，它的三维实体图如图 3.2 所示。图 3.1 换刀手铣加工中心换刀机构设计图 3.2 回转式单臂双手机械手三维实体图图 3.3 换刀机构三维实体图换刀几个号三维实体图如图 3.3 所示，机械手臂通过螺纹来连接在主轴上，这样主轴的转动就可以带动手臂的转动，为了保证转动的平稳性，使用圆柱销来定位，并用螺母来使它固定。手抓和手臂通过两个螺钉来固定连接。3.5.2 控制方式的选择:本设计中，选用的控制方式是液压传动，目的是这样有利于完成对换刀过程的自动控制。主要由四个部分构成液压系统，具体如下：(1) 液压泵：它的功能是把机械能转化成液压能。(2)执行元件：它的功能是把液压能转化成机械能。 (3)控制元件：凭借控制液体的压力，流量以及方向去控制执行元件的运动速度，控制元件的方向以及作用力等。(4)辅助元件：除了液压泵，执行元件，控制元件以外的其它元件，如：管道， 管接头，油箱等。液压传动的优点：比起机械传动以及电气传动有如下的优点：(1)液压传动中的各类元件构造简单，有利于布置其位置。(2)易于控制，其调速的变动范围较大。(3)当元件的负荷超载的时候，可以自动保护。(4)由于采用的介质是矿物油，这样就能起到润滑的作用，可以延长使用寿命。(5)有利于完成直线运动。3.6 液压缸的计算1 液压缸工作压力的确定液压缸主要承受的三个方面的负载如实际的工作负载、运动时的受到的摩擦力以及惯性力等。液压设备根据用途的不同，工作条件的不同以及不同的压力范围来确定工作负载。液压缸的公称压力由液压传动系统及设计表 95 可知，有如下几种标准；1.01.62.54.06.3101625单位： MPa在本次设计中拟选用 Pn = 4.0MPa2 计算液压缸活塞以及活塞杆的直径液压缸的负载率y = 实际使用推力理论额定推力 通常的取值范围是 0.50.7，本设计选用的值是 0.6。（3.19）2j = A = V =D速比选取j = 1.32 1 2 21AVD2 - d 2(3.20)于是经转换得d = 0.5D2D1.32 = D2 - d 2当液压缸返回的时候，这时作用在活塞上的力 F:F = Fa + Fb + Fc + Fd其中 Fa 是外负载力，取 Fa = 1000NFb是回油阻力， DP 取 0.5MPa。（3.21）F = p D2 DP = 3.14 0.5 106 D2 = 4 105 D2b44（3.22）Fc 是密封圈在受到摩擦的情况下所遇到的阻力，公式如下Fc =fDPp (DbD KD + dbd Kd )（3.23）f 的取值范围为 0.050.2aDP 是密封圈两侧的压力差DP = P - P0= 4MPa- 0.5MPa= 3.5MPa= 3.5106 P（3.24）根据书本取bD = bd = 0.006 ， KD = Kd = 0.25这样带入公式 Fc = f DPp (DbD KD + dbd Kd )= 0.15 3.5106 3.14 (D 0.006 0.25 + 0.5D 0.006 0.25)= 3700D取 Fd =50Kg，a=1m/sFd = mg + ma = m(g + a)（3.25）这样就有= 50 (10 + 1)= 550NF = Fa + Fb + Fc + Fd= 1000 + 0.39 106 D2 + 3700D + 550= 0.39 106 D2 + 3700D +1550（3.26）（3.27）当液压油进入到有杆的那个腔内的时候，活塞所受到的力为；F = ( A P - A P )h= p D2 (P - P ) - d 2 Ph221 0m40m（3.28）mhm 是液压缸的机械效率，取h = 0.92把上述值带入公式 F = p D2 (P - P ) - d 2 Ph240m= 3.14 D2 (4MP - 0.5MP ) - (0.5D)2 4MP 0.924aaa= 3.14 2.5 106 D2 0.92 = 1.8 106 D24（3.29）2根据公式 F = j F 即0.39 106 D2 + 3700D +1550 = 0.6 1.8106 D2这样就得到关于 D 的方程0.71106 D2 - 3700D -1550 = 0解方程可得到D =将其圆整得 D=50mm2 0.71106= 0.0494m = 49.4mm（3.30）于是活塞杆的直径为d = 0.5D = 0.5 50 = 25mm3、缸筒壁厚根据公式:选用 Pmax = 32MPad Pmax D2.3s P - 3Pmax（3.31）s= 缸筒材料的屈服强度 = s sP安全系数n(3.32)查表可知，45 号钢s s = 600MPa ，n 是安全系数，拟取 n=4所以s = s s= 600MPa= 150MPpn4ad Pmax D2.3s P - 3Pmax=32 0.052.3 150 - 3 32= 1.6249= 6.5mm考虑到安全带因素，取 = 8mm 。（3）液压缸的验算液压缸的额定压力 Pn：（3.34）s (D 2 - D 2 )D2nP 0.35 s11=600(0.0662 - 0.052 )0.35= 89.47MPa0.0662(3.35)其中 D1 是液压缸的外径 D1 = D + 2d = 0.05 + 2 0.008 = 0.066mPn = 4MPa 89.47MPa4 液压缸的验算所以符合要求。液压缸的额定压力 Pn 不能超过极限值s (D 2 - D 2 )D2nP 0.35 s11=600(0.0662 - 0.052 )0.35= 89.47MPa0.0662(3.24)D1 ;液压缸的外径 D1 = D + 2d = 0.05 + 2 0.008 = 0.066m在本次设计中取值Pn = 4MPa 89.47MPa所以满足要求Pn 和塑性变形压力之间的关系：Pn 0.35 - 0.42PPL（3.25）其中 Ppl 是液压缸的塑性变形压力P 2.3slog D1= 2.3 600 log 0.066 = 166.4MPPLsD0.05a（3.26）这样就有Pn 0.35 - 0.42PPL= 0.35166.4 = 58.24MPa（3.27）由于 Pn = 4MPa 58.24MPa，故满足设计要求。铣加工中心换刀机构设计4加工中心硬件的选择设计4.1 CPU 的选择在主控制器的选择上，结合性价比考虑，本设计中选用单片机是 8031。8031 有很强的功能，这个系列的产品将 CPU、I/O 端口和部分 RAM 等集中在一起。在些许外设器件的辅助下就能形成一个完整的微型计算机控制。此外开发手段具有多样性，指令系统有很强大的功能，同时具有灵活性以及许多的硬件资料。8031 在工业控制中有很大的优势，有着相当普遍的应用。4.2 程序，数据存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片，其型号分别为：2716、2732、2764、27128、27256 等，其容量分别位 2k、4k、8k、16k、32k。在选择芯片时， 要考虑 CPU 与 EPROM 时序的匹配。即 8031 所能读取的时间必须大于 EPROM 要求的读取时间。此外，还要考虑最大读出速度、存储器的容量。在满足容量要求应尽量选择大容量芯片、以减少芯片数量，使系统简化。在本系统中，我们拟采用 2764 作为扩展芯片。2764 与 8031 主要是三总线的联接。2764 中的低 8 位地址线通过地址寄存器74LS373 与 8031P0 口相联。当地址寄存允许信号 ALE 位高电平，则 P0 口输出地址有效。8 位数据线直接与 8031 P0 口相联；高 5 位地址线分别与 P2.0P2.4 相联， OE 引脚直接同 8031PSEN 引脚相联，片选信号 CE 接地，以便总能选中。由于 8031 只能选通外部程序存储器，因而其 EA 引脚接地。由于 8031 内部 RAM 只有 128 字节，远远不能满足系统的要求，须扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用 6116 和 6264 静态 RAM 数据存储器，其选用的规则与 EPROM 程序存储器的要求相同。本系统拟采用 6264 芯片作为数据存储器的外扩芯片。6264 低 8 位地址线通过地址锁存器 74LS373 与 8031 P0 口相接，高 5 位地址线分别与 P2.0P2.4 相联，8 位数据线直接接至 8031 P0 口，读写控制引脚OE、WR 与 8031 的读写控制引脚 RD、WR 直接相联，片选端 CE1 通过译码电路与 8031 相联。4.3I/O 接口的扩展8031 单片机共有四个 8 位并行 I/O 口，但可供用户使用的只有 P1 口及部分 P3 口线。因此在大部分应用系统中都不可避免地要进行 I/O 口的扩展。通用可编程接口芯片 8255 具有 2k 位的静态 RAM，3 个 8 位可编程并行 I/O 口、一个 14 位的计数器。由于 8255 与单片机的接口简单，是单片机系统广泛使用的芯片。8255 与 8031 的联接可归结为三总线的联接。8255 本身具有地址锁存信号控制线和地址锁存器，故可直接将地址、数据线 AD0AD7 直接与 8031 口线对应的相联，8255的 ALE 与 8031 的 ALE 直接相联，高 8 位地址的 P2.5P2.7 经译码器 74LS138 提供8255 的片选信号 CE,A 0 和 A 1 分别和 8031 的 A 0 和 A 1 相连，其它读写信号 WR、RD 也都对应相联。8255 的地址与 8031 统一编址。4.4步进电机驱动器的选择图 4.4 步进电机算机和接口电路的损坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔步进电机是一种用脉冲信号控制的电动机。在负载能力及动态特性范围内，电动机的角位移仅与控制脉冲成正比。在多数情况下，用步进电机作为执行元件的数控系统不需要A/D 或 D/A 转换，可采用较为简单的开环控制，因而成为经济性数控机床最主要的一种伺服驱动元件。在该控制系统中拟选用的是集成的步进电机驱动器，它的内部包括环行脉冲分配器，光电隔离保护电路和功率放大电路。这样就简化了硬件之间的连接， 使线路简单，连接可靠。脉冲分配器又叫做环形分配器，是驱动步进电机必不可少的环节。步进电机的控制方式由环形分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列脉冲指令按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各项绕组，实现电机的正转或反转。在数控系统中使用较多的是集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。而在本系统中使用的是软件脉冲分配， 通过编程来达到脉冲分配的目的，从而控制步进电机的各项绕组。隔离和放大电路：在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高（几十伏），电流也较大， 如果将输出信号直接与功率放大器相联，将会引起强电器干扰，轻则影响计算机程序的正常进行，重则导致计离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是 4.4 功率放大器脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，必须将输出的信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。驱动器的型号由选择的步进电机的类型和型号决定。4.4液压缸的控制为了能实现换刀过程的自动化，就需要把行程开关的状态读进计算机内部，通过程序判断，输出指令，来控制电磁换向阀的线圈，进而控制阀芯的位置，来决定液压油的流向和活塞的运动方向。因为扩展后的 8255 的 I/O 口还不能满足要求，就需要在扩展一片 8255，它的接线方式和上一片 8255 的接线方式大致相同。PB 口的 8 个I/O 分别接 8 个行程开关的状态，为输入口。PC 口其中的四个口接液压缸的电磁换向阀线圈，为输出口。5 结论本次设计介绍了数控机床出现的背景，它的产生以及现状，然后介绍了数控机床的特点，分析了数控技术的发展趋势。通过对刀具切削力的计算，选取主轴电机为 FANUC 12 型交流电机 P=12KW； 通过带传动的计算，确定了带轮的各种基本参数；通过主轴性能的分析去对部分零件进行设计计算，计算主轴各个截面的弯曲扭矩去选用何时主轴工件的部件；接着校核主轴的刚度强度并进行选材；换刀机构最终的三维示图如图 5.1 所示，机械手通过螺纹连接在主轴上，液压缸推动齿条移动，后者与齿轮啮合，齿轮随之转动，于是带动花键套与主轴一起转动。它完成一系列换刀动作是通过三个液压缸和一些必要的控制设备来完成，先设计计算了液压缸的参数；然后设计选择程序控制的 CPU，选用的单片机型号是 8031，选用 PLC 程序来完成对各个部件的控制。参考文献1 邵俊鹏,懂玉红.机床数控技术M .哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1996 年2 陈国新.数控机床技术发展趋势分析J.当代经济.2004(7),p23-273吴军,王跃宏,马庆鑫.数控机床的发展方向和趋势J.数控机床市场,2005(3),p68-724许石.数控加工中心双刀库自动换刀的控制方法与实现J. 现代制造,2007.6,p43-475黄泽正,刘冲,陈志辉.加工中心自动换刀装置的设计J.机械工程与自动化,2007（1）6戴曙.数控机床主轴组件设计J.制造技术与机床.1995(1),p52-547唐佩琪.加工中心维修实例四则M.机电一体化 1996 年 06 期8 刘炜.数控加工中心自动换刀系统J .机床与液压,2005（5），p32369周泽华主编.金属切削原理M.上海:上海科学技术出版社,1993 年10叶允文、叶庆泰主编.谐波齿轮传动的理论和设计M.北京:机械工业出版社.1985.911濮良贵、纪名刚主编.机械设计(第六版)M.北京:高等教育出版社.1996 年12杨黎明主编.机电一体化系统设计手册M.北京:国防工业出版社,1997 年 1 月13陈榕林,陆同理主编.新编机械工程师手册M.北京:中国轻工业出版社,1994 年 7 月14陈剑鹤,朱江主编.机电一体化系统设计M.武汉:华中理工大学出版社,1999 年 1 月15工程制图手册 1-6 册M. 北京:机械工业出版社16黄遵熹主编.MCS-51 单片机原理与应用M.西安:西北工业大学出版社.1997.517石如庚.数控木工铣床的运动分配和加工中心简介J.木工机床 1996 年 01 期18 Mutellip Ahmat,Iliham Abduruyim.THE MODELING AND ANALYSIS OFGEOMETRIC ERRORFOR MACHINING CENTER BY HOMOGENEOUSCOORDINATE TRANSFORMATION METHOD J University,21， 2006致谢通过本次毕业设计让我对课堂的理论知识有了更深层次的理解，并将其连贯起来运用到实际中去，学会融会贯通，灵活使用是毕业设计的宗旨所在。虽然在本设计中查阅了大量书籍文献，但毕竟缺乏实际的经验以及理论知识的有所欠缺，可能会有一些不足之处，但我会在日后的实际工作中继续探索继续学习，使自己不断进步。感谢贾卫平副教授悉心指导，在老师精益求精的科研工作作风的影响下，让我在此设计中能够学到许多课堂之中无法学到的知识，增加了我的见识，拓宽了我的眼界。衷心的谢谢老师！铣加工中心换刀机构设计附录 1：外文翻译基于 CAXA 的数控加工刀具选择的研究阮晓光；袁思聪；蔡安江；张当飞，西安建筑技术大学机械工程学院，西安 710055，中国摘要：文章介绍了相比于传统加工中心刀具的数控加工中心刀具的特点，分析了数控加工刀具的选择和选择的因素。与此同时，被制造软件 CAXA2004 证明的例子，数控加工中心刀具的正确选择能充分发挥数控加工的优势,提高企业的经济效率和生产水平。关键词: 数控加工；铣刀；CAXA1 引言近年来，随着经济的高速发展，为了提高竞争力,新技术被企业有意识地应用于改造传统产业，数控机床在机械加工行业被使用得越来越广泛。在加工中心中，因为其功能齐全以及没有刀库和自动刀具改变设备，它成为了现如今在世界上被广泛生产和使用的数控机床之一1。刀具的选择在数控加工过程中是一项重要的内容，它不仅会影响数控机床的加工效率,也会直接影响加工的质量。CAD / CAM 技术的发展,可以直接在数控加工中使用 CAD 设计数据,尤其是计算机与数控机床的连接，它使整个设计过程、工艺设计和编程能在电脑上完成,不需要输出特殊工艺。现在,自动编程功能被许多 CAD / CAM 软件提供，工艺设计的相关问题通过这些软件在编程接口被提示，列如如刀具的选择,加工路径规划,切削参数的决定,编程人员，数控程序能被自动的生成以及被传送到数控机床去完成加工只要相关参数被编程人员设置2。所以，数控机床上的数控刀具的选择在人机交互状态下被完成，数控机床与传统机床形成鲜明的对比，还需要编程人员必须精通刀具选择的基本原则，在加工过程中数控机床的特性必须被充分考虑已确保刀具的选择是正确的。2 数控加工刀具的特点21 数控刀具的定义和需求数控刀具指的是与先进和高效的数控机床相匹配的各种切削刀具的总称, 它是不可或缺的关键的配套产品,传统的刀具被数控机床刀具所取代由于数控机床刀具的高效率、高精度、高速度、耐磨、高耐用性和良好的综合切削性能。数控机床刀具必须适应数控机床的高速度,高效率和高自动化程度，它一般包括通用刀具,常见的连接刀柄和一些特别的刀柄。刀柄必须连接在刀和机床电源之间，因此它能逐渐地标准化和序列化。22 数控机床刀具与传统机床刀具之间的比较与传统的机床相比,数控刀具有许多不同的需求,主要特点如下2、3:- 36 -1）高刚度、精度高、抗振和热变形小。2）快速改变刀具的互换性好。3）刀具坚固,切削性能稳定可靠。4 刀具的尺寸对于调整刀具转换的时间有所减少。5）刀具能够卷起碎片并破坏碎片以便有利于切削的消除。6）序列化、标准化有利于编程和刀具管理。7）刀具的切削效率高。8）数控刀具的加工精度高，重复定位精度高。9）刀具的在线监测和尺寸补偿系统能相应的配备。3 数控加工刀具的选择和选择时应考虑的因素3.1 数控刀具的选择工作效率能被提高，数控刀具具的正确选择数控刀具资源的合理配置能被保证, 这样不仅避免了由于个单独的刀具闲置引起的资源浪费，也避免由于频繁使用单独的刀具引起的加工精度无法被保证已经相互包含。刀具
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号