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加工 中心 部分 部份 pmc 控制系统 研究 钻研 设计 优秀 优良 机械 机电 电机 毕业设计 论文 a6249

资源描述：

文档包括:

说明书一份，44页，23000字左右。

开题报告一份。

外文翻译一份。

课题申报表一份。

内容简介：

天津工程师范学院 毕业设计（论文）中期报告 系别 机械工程系 班级 机检 0301 学生 姓名 张书林 指导 教师 蒋丽 课题名称： 加工中心刀库部分 制系统研究设计 自开题以来 已经经过近 六周的毕业设计工作 了 ， 在这段时间里 查阅了大量的与设计内容有关的资料，在这期间也得到了导师的帮助和指导，并且在导师的指导下详细的学习了 组成、原理和 程方法和技巧，尤其是功能指令了应用方法。 对设计中的自动换刀系统的刀库及机械手分类及作用做了详细了研究，尤其是对链式刀库和刀库的控制方式和工作原理的研究，对不同 的换刀方式及不同的刀库及刀库的结构进行了研究，查阅了机械手的相关资料，对 凸轮式机械手的结构进行了分析，包括它的工作原理，与其他机械手的不同及优点 。 因本次设计是数控改造中的一部分，其中本设计属于对 行二次开发，所以查阅了很多关于加工中心改造中 序的设计，及随机换刀的原理与编程方法。对本次设计中的用 现随机换刀的方法进行了研究，也在设计中也详细了介绍了这种方法的原理和其他换刀方法的不同之处。在系统的学了 程和随机换刀的相关知识之后就开始了对 自动换刀系统的程序的设计，基本上完成了 序了设计工作和刀库部分相关硬件的研究。 经过这 近六 周的设计 工作中 ，我的收获很多，在收获知识的同时也锻炼了我的意志。 在剩下的一个多月的时间里，我计划把设计的梯形图加以修改，把毕业设计所撰写的内容进行整理，包括对英文翻译的修改和打印毕业设计，以及准备制作答辩时用件。 学生签字： 张书林 2008 年 5 月 10 日 指导教师的建议与要求： 指导教师签字： 年 月 日 注：本表格同毕业设计（论文）一同装订成册，由所在单位归档保存。 毕 业 设 计 开 题 报 告 加工中心 刀库部分 制系统研究设计 系 别： 机械工程系 班 级： 机检 0301 学生姓名： 张书林 指导教师： 蒋 丽 2006 年 12 月 12 日 毕业设计开题报告 课题题目 加工中心 刀库部分 制系统研究设计 课题性质 工程设计 课题来源 社会实践 成果形式 设计说明书 同组同学 无 开题报告内容 见附页 指导教师意见（课题难度是否适中、工作量是否饱满、进度安排是否合理、工作条件是否具备等） 指导教师签名： 月 日 专家组及系里意见（选题是否适宜、各项内容是否达到毕业设计（论文）大纲要求、整改意见等） 专家组成员签字： 教学主任（签章）： 月 日 附页： 加工中心刀库部分 制系统研究设计开题报告 一、 研究 设计的目的 ： 刀库和机械手，是加工中心稳定可靠 运行的关键功能部件，它的快速、准确的换刀程序是影响加工中心发挥高效、可靠的加工性能的重要因素。有资料显示刀库和机械手的故障率约占整机故障率的 25%。 刀库中的刀具与主轴上的刀具交换的动作的多少及机构的复杂程度直接影响 靠性和可维护性。许多加工中心的 分结构复杂，换刀动作多，机械手换到的准备时间长，当主轴上的刀具工作时间很短时，由于机械手的换刀准备 时间长，主轴在换刀点需要等待一段时间，影响加工中心的效率。有由于换刀的动作多，机构复杂，可靠性降低。当出现故障时，维护困难。那么本次设计的主 要目的就是，针对链式随机换刀刀库 制系统进行设计，使得换刀动作减少，机构简化。提高它的可靠性稳定性和可维护性。 二、 可编程控制器介绍 及功能 简介 ： 可编程 序控制器 是 80 年代以来在国内外 引起普遍重视并广泛应用的新型设备。它以微机控制技术为基础， 综合了计算机技术，自动花技术和通讯技术的一种新型装置。 它是由中央处理单元、输入接口、输出接口、通信接口等组成，其中 核心， I/O 部件是连接现场设备与 间的接口电路，通信接口用于编 程器与上位机连接。通过编程， 可执行诸如逻辑判断、顺序控制以及定时、记数、运算等功能，并通过数字或模拟 I/O 组件来控制机械设备。 目前， 是完全微机化的工业产品。其主要优点有： 一般编程采用梯形图语言进行编程，易于理解； 控制系统小、可靠性高；容易使用和维护，且能在工厂环境下编程；便于扩充可修改，具 有向中央数据采集系统传递信息的能力；通过接插件，所有输入端点能直接和工业现场的开关、接点相连，所有输出端点 能直接驱动继电器、电磁阀、电机启动器的线圈等。正因为如此， 自动控制领域越来越受到普遍重视。 那么 在加工中心中，除了对各坐标轴的位置 进行连续控制外，还需要对诸如主轴启动和停止、刀库及换刀机械手、工作台托板交换、气液压、冷却和润滑等辅助动作进行顺序控制。同时还包 主轴驱动和进给伺服的使能控制和机床报警处理等，现代数控机床均采用可编程序控制器来完成上述功能，数控机床的 式有两种：一种是采用单独的 成 能， 合用一个 是采用数控系统和 用一个 三 、 刀库部分 制系统 机设计思路 本次设计主要 针对 加工中心（ 控系统 ） 自动换刀系统的 计 研究，其中刀库选用 单独配用的 连 式刀库，最多容量为 60 把刀，机械手换刀装置在主轴与刀库之间， 是我们长用的单臂双爪式机械手， 刀库安装在床身上。自动换刀过程分为：选刀定位控制、 倒 刀控制、机械手 抓刀、主轴和刀库松 到 、机械手拔刀、 交换刀具、 机械手装刀、机械归位、刀杯向上转 90 度完成换刀。 在链式、盘式或箱式刀库程序设计时，通常可以将刀具交换分为两个步骤， T 命令主要完成搜索刀库中的刀具， M 命令完成刀具的交换，使主轴上更换新的刀具。因此，刀具交换实际上就是指搜索和交换目标刀具。随机换刀是一个非常复杂的逻辑控制过程 。它只对刀具进行编码而不对刀套进行 编码，刀具在刀库中的位置是随机的。理想的随机换刀控制通常包括 链 式刀库 制程序和宏程序（固定循环换刀程序）两部分组成。 制程序根据 T 码完成搜索刀库中的刀具， 程序完成刀具交换的整个过程。 本链式 刀库刀具交换的 制程序设计主要考虑搜索目标刀具在刀库上的刀套位置、大小刀具管理和判别、刀库旋转方向（目标刀套最短路径）的判别、刀具数据的刷新和管理以及可预选刀具（主要为了可以缩短换刀时间），从而完成目标刀具的搜索，为刀具交换作准备。无论是西门子（ 控系统还是发那科（ 控系统，它们接受的 T 码都是二进制数据 格式。因此在着手编制刀库 制程序时首先考虑好选用功能指令的数据格式。这样就能保证正确选用功能指令，避免功能指令数据格式的不一致性。 很多类型，如 ，要正确理解 有的回转控制 。 充分掌握合理应用数据检索指令完成对目标刀具所在刀套号的搜索；用回转控制指令解决刀库旋转最短路径的判别；用逻辑乘和变址修改指令完成刀具交换后的数据刷新；用比较指令解决大小刀具的判别，这样就可以比较容易简化一些复杂的判别和逻辑控制的程序 。同时 制程序还必须考虑一些必要的报警提示信息和必要的互锁条件：比如机械手不在原位 Z 轴必须锁住；刀套翻下时刀库不得旋转；主轴刀具未松开机械手不得交换等。随机换刀要防止杜绝发生刀具交换不正确的乱刀现象，否则会发生由于刀具选错而使加工工件报废的可能。 2 程序 程序可以进行赋值、判断、比较、跳转、各种运算和轴运动指令。 i 数控系统系列的 程序可以通过读取、运用系统变量 ( 应的变量号： #1000-#1015； )将 序中大小刀具交换的条件状态位作为换刀宏程序判断跳步执行的条件，通过用户宏程序和 间的信号应答，非常容易地实现了大小刀具的随机换刀；通过对机床数据的设定可以非常容易地使得轴移动到固定换刀点；可以定义不同的 M 辅助功能代码与 制程序有机结合激活每一步换刀动作，整个换刀执行过程之间的复杂关系就十分 简单明了。使用系统变量和机床参数不仅是一个非常有效简捷的方法，而且可以简化 制程序设计，最终共同完成复杂的刀具交换的过程。 下面是以 工中心（ 控系统）为例的随机换刀宏程序 09002 101=#4001 (存储当前 1/02/03 状态 ) ; 102=#4002 (存储当前 18/态 ) ; 103=#4003 (存储当前 1 状态 ) ; F#1001 70 ； #1001： 统变量号，对应 060 2 19 ； Z 到第一换刀点 , 参数 #1241, 主轴定位 ,参数 #4077 87 ； 进入换刀模式 80 ； 刀套倒刀 04 ； 延时 82 ； 刀 83 ； 主轴松刀 84 ； 换刀具 85 ； 主轴紧刀 86 ； 原位 81 ； 刀套回刀 F #1000 50 ； #1000： 统变量号，对应 4=#4120 ； # 4120:态信息的系统变量号 ,读入的 T 码赋给 #4 #4 ； 将赋给 #4 的 T 码再赋给 T 80 ； 刀套倒刀 04 ； 延时 82 ； 刀 83 ； 主轴松刀 ) 84 ； 换刀具 85 ； 主轴紧刀 86 ； 原位 81 ； 刀套回刀 #101 G#102 G#103 ； 恢复 G 代码 88 ； 换刀 结束 99; ； 子程序返回 3000=1 ； #3000:报警系统变量号 显示屏显示 280 ；子程序返回 根据系统变量 #1000的状态，当 #1000 时完成对小刀与小刀或大刀与大刀的一次交换；当 #1000 时完成对小刀与大刀或大刀与小刀的二次交换，因为该盘式刀库机械手拔刀到位时无检测信号装置。宏程序中的主轴准停位 置、换刀固定点无论是控系统还是 控系统都可以通过机床参数进行设定 。 四 、 课题的准备情况及进度计划： 序 号 毕业设计阶段性工作及成果 时间安排 1 查阅相关技术资料 ,完成相关英文文献的翻译 ,了解链式刀库机械部分 原理及制方式 ,进行初步方案设计。 早期进入阶段 2 确定 加工中心刀库部分 制 系统研究设计 方案 .。 第 1 3 完成 随机换刀的程序设计 。 第 3 4 编写加工中心刀库部分 制系统程序和 程序 。 第 6 5 整理设计资料 ,撰写毕 业设计说明书并进行答辩准备工作。 第 10 (六 )参考文献 1 吴祖育，秦鹏飞主编 上海： 上海科技出版社 ,2000 2 毕飞 . 大型数控机床改造方案的选择 . 数控设备网 3 范四立， 叶静 . 浅谈旧机床数控改造 . 中国设备工程， 2003（ 6） 4 夏粉玲 . 关于立卧两用换刀机械手的设计 . 西北轻工业学院学报 2002（ 5） 5 余英良 . 机床数控改造设计与实例 . 北京： 机械工业出版社 ， 2002 6 刘 炜 . 数控加工中心自动换刀系统 . 广州： 华南理工大学出版 社 7 张运波 . 形图设计中的关键技术 . 长春工程学院学报 ， 2005（ 3） 8 刘永生 . 数控机床故障诊断与维修技术 . 北京： 机械工业出版社 9 薛定宇 . 控制系统计算机辅助设计 . 北京： 清华大学出版社 ， 1999 10 高钦和 . 可编程控制器应用技术与设计实例 . 北京： 人民邮电出版社 ， 2004 11 杜君文 ， 邓广敏 . 数控技术 . 天津 ： 天津大学出版社 ， 2002 12 任改翠 . 150 型镗床电气系统的 造 . 西安交通大学报 ， 2002（ 5） 13 李诚人 . 数控化改 造 . 北京： 清华大学出版社 ， 2006 14 钟峰新 . 可编程序控制器及应用 . 广州： 华南理工大学出版社 ， 2002 15 朱学宾 . 数控机床中的应用 . 北京： 国防工业出版社 ， 2003 天津工程师范学院 毕业设计（论文）指导检查工作记录表 系别 机械系 班级 机检 0301 学生姓名 张书林 指导教师 蒋丽 课题名称 加工中心刀库部分 制系统研究设计 时间 内容及指导记录 指导教师 签字 导设计研究的要求及任务书中要求的内容，并修改开题报告。 过实训深刻理解毕业设计的内容完成初期设计。 集收集资料，英文翻译发至老师邮箱等待检查。 订设计方案，并征求老师的意见。 写毕业设计中期 报告，并发送到老师的邮箱。 导 能指令的用法，及编程技巧。 中期撰写的设计内容发至老师邮箱等待指导。 导刀库部分自动换刀的原理，查看设计进展工作。 定毕业设计大纲，整理完善收集的资料。 机换刀的实现方法的辅导。 写好的随机换刀程序发至老师的邮箱修改。 个论文结束，修改格式方面的错误，并发至老师的邮箱。 业设计 制作， 接受老师回复的邮件。 成毕业设计全部工作，打印毕业设计。 注：本表格同毕业设计（论文）一同装订成册，由所在单位归档保存。 业 设 计 专 业 ： 机械维修及检测技术教育 班级 学号 ： 机 检 0301 学生姓名： 张书林 指导教师： 蒋丽 副 教授 二 八 年 六 月 天津工程师范学院本科生毕业设计 加工中心 刀库 部分 制系统 研究设计 业班级： 机 检 0301 学生姓名： 张书林 指导教师： 蒋丽 副 教授 系 别： 机械工程 学院 二 八 年 六 月 摘 要 数控机床的发展与应用 极大的提高 了生产率。随着数控机床的普及 ，机械加工的自动化程度大大提高。 加工中心带有 自动换刀装置，能对工件按预定 的 程序进行多工序加工 ， 从而缩短了零件 加工 的辅助时间。 自动换刀装置应当满足换刀时间短 和 刀具存储量 足够 ， 加工中心的关键在于 动换刀 的控制 。 本 次 研究对象 为 控 加工中心 刀库部分 计 。 该机床刀库容量为 60把 刀 的链式刀库 ， 刀库驱动采用 带抱闸的三相异步电机 ， 设计 和 研究的内容 主要 包括 以下几点： 刀方式 和 刀 的方法 ； 统 的 随机换刀程序 设计 。 通过本设计完成对该机床刀库部分 使数控装置和 调共同完成 随机自 动换刀 。 关键词 ： 机械手 ； 刀库 ； 随机 换 刀 ； of of is of to to of to of to NC of to of is of MC A of of of is of 0 of 1. a of of 2. of 3. of MC of at 4. of a of at of of MC of of to be MC at 目 录 1 绪论 . 1 工中心和自动换刀装置概述 . 1 i 系统中的 述 . 2 述 . 2 文的主要研究内容 . 5 2 加工中心自动换刀装置的研究 . 6、 工中心自动换刀装置的主要类型和特点 . 6 塔头式自动换刀装置 . 6 刀库的转塔头式换刀装置 . 6 库式自动装置 . 7 库式自动换刀装置的作用及其组成 . 8 库 . 8 具交换装置 . 10 械手的驱动与控制方式： . 12 3 制的随机换刀方式的研究 . 13 见的自动选刀方式 . 13 序 选 刀 . 13 机选刀 . 13 随机换刀 . 14 算机记忆式选刀方式的方法 . 14 算机记忆式选刀的软件设计 . 15 选择与 统内装式 . 17 编程控制器机型选择的一般原则 . 17 i 系统内装式 绍 . 19 制程序数据区地址的分布 . 22 4 刀库、机械手与主轴间的自动换刀 . 24 动换刀程序示意图及整个实现过程 . 24 库工作原理 . 24 库机械手换刀过程 . 25 械手工作程序及对电气系统的要求 . 26 库部分 制系统设计 . 27 4 2 1 用 现随机换刀的方法 . 27 机换刀程序设计 . 29 库、机械手与主轴间换刀程序设计 . 34 结 论 . 36 参考文献 . 37 附录 1： 中英文资料翻译 . 38 附录 2： 自动换刀程序 . 68 致 谢 . 75 天津工程师范学院 2008届本科生毕业设计 1 1 绪论 工中心和自动换刀装置概述 加工中心是备有刀库，并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工的 图 图 本牧野公司 工件经一次装夹后，计算机控制系统能控制机床按不同工序 ，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。 加工中心由于工序的集中和自动换刀，减少了工件的装、夹、测量和机床调整等时间，使机床的切削时间达到机床开动时间的 80%左右 (普通机床仅为 15 20%);同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放时间，缩短了生产周期，具有明显的经济效果。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产。 二十世纪 70年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有 多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。这种多工序集中加工的形式也扩展到了其他类型数控机床，例如车削中心，它是在数控车床上配置多个自动换刀装置，能控制三个以上的坐标，除车削外，主轴可以停转或分度，而由刀具旋转进行铣削、钻削、铰孔和攻丝等工序，适于加工复杂的旋转体零件。 加工中心按主轴的布置 方式分为立式和卧式两类。卧式加工中心一般具有分度转台或数控转台 。可加工工件的各个侧面 ； 也可作多个坐标的联合运动，以便加工复杂的空间曲面。立式加工中 心 是刀具主轴垂直设置，其传统的布局方式是工作台作 X,008届本科生毕业设计 2 方向运动，主轴箱在立柱上作 库可以装在立柱的一侧。此外，还有带立、卧两个主轴的复合式加工中心，和主轴能调整成卧轴或立轴的立卧可调式加工中心，它们能对工件进行五个面的加工。 自动换刀装置主要由刀库、换刀装置和驱动装置几部分组成。刀库种类很多，常见的有盘式和链式两类。链式刀库的特点是存刀量多、扩展性好、在加工中心上的配置位置灵活，但结构复杂。 盘式刀库结构简单紧凑，应用较多， 适用于中小型加工中心。 从统计数据来看卧式加工中心刀库容量有 30, 40、 60、 90、 120等，立式加工中心有 16、 24、 32把容量的刀库。用于柔性制造单元 (柔性制造系统 (加工中心机床，其刀库容量应选大容量刀库，甚至配置可交换刀库。 换刀 装置 在机床主轴与刀库之间交换刀具，常见的为机械手；也有不带机械 手而由主轴直接与刀库交换刀具的，称无臂式换刀装置。 换刀机械手具有多种形式： 单臂式、双臂式、轨道式等等，其中使用等较广泛的是回转式单臂双手的机械手，这种机械手转动角度士 180即可抓取刀的需要，其运动过程靠 步进电机或液压（或气液机构）或凸轮机构 来完 成。机械手能够完成抓刀、拔刀、回转、换刀以及返回等全部动作过程。 现代的一 些加工中心，为提高换刀速度，不采用机械手来完成换刀作业，而是直接利用工作主轴和机床刀具库的相对运动来实现自动换刀。为了进一步缩短非切削时间，有的加工中心配有两个自动交换工件的托盘 (一个装着工件在工作台上加工另一个则在工作台外装卸工件。机床完成加工循环后自动交换托盘，使装卸工件与切削加工的时间相重合。 加工中心的 换刀过程较为复杂，动作多，动作间的相互协调关系多，因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低 。 随着计算机技术和可编程控制器 (术的发展和广泛应用，现代加工中心逐渐采用软件选刀方 式，即利用 样刀库上的刀具与主轴上的刀具可任意交换，即随机换刀。这种方式主要由软件完成选刀，消除了由于识别装置的移动性和可靠性所带来的选刀误差，大大提高了选刀精度并简化了控制装置。目前该种选刀方式正被越来越多的各类数控机床自动换刀装置采用。 i 系统中的 述 述 可编程控制器 ( 20世纪 60年代末发展起来的一种新兴自动化控制器。最早在美国通用汽车公司的自动装配线上使用并获得成功 。由于该控制器当时只是为了解决生产设备在运行中的开关量信号和逻辑控制问题，即用于替代传统的继电器控制装置，且只有逻辑运算、定时、计数及顺序控制等功能，因此把这种装置称为“可编程逻辑控制器” (简称 在数天津工程师范学院 2008届本科生毕业设计 3 控领域中，人们习惯称之为可编程逻辑控制器 (可编程机器控制器 ( 目前多见的 长期以来，数控机床的辅助动作机械的顺序控制一直是由“继电器逻辑电路 ” (简称 完成。实际应用中， :只能解决开关量的简单逻辑运算，以及定时、计数等有限的几种控制功能，难以实现复杂的逻辑运算、算术运算、数据处理，以及数控机床所需要的许多特殊功能 ;继电器、接触器等器件体积较大，每个器件工作触点有限。当机床受控对象较多、或控制动作顺序较复杂时，需要大量的器件，使整个 耗高，可靠性差。而且 功能便固定不变，即柔性很差。随着现代数控技术的发展，一台数控机床有很多个控制对象，如 :机床操作面板上的各个按键、旋钮及指示灯 ； M, S, 液压系统的启停、刀库、机械手等的控制等，这些就要求控制系统具有更大的容量和计算速度。同时现代数控系统要求有更大的柔性以适应不断发展的个性化设计要求，而这些依靠传统的 使用 用 顺序控制的控制功能、响应速度和可靠性大大提高，而且柔性好， 型、大型三类，实际应用中，一般是根据输入输出的点数多少和 程序存储器容量的大小来区分。数控铣床 /加工中心、机器人等单机数控设备所使用的 型数控设备、 型规模的可编程逻辑控制器。数控 机 床 用 内装型和独立型。内装型 内装型” 靠性好、操作方便等优点外，与“通用型” 在性能、价格方面也具有明显的优势 具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定的控制任务，以满足数控机床或其它顺序控制领域的要求，属于“通用型” 课题所研究的是前者。 出端口是数控机床和 ,S , S, 及机床运动部件状态和故 障的显示。机床 钮等信息，以及各部位的限位开关等保护装置的状态等。 天津工程师范学院 2008届本科生毕业设计 4 图 装型 加工中心是功能最完备的数控机床，是机电液 (气 )一体化的高新技术密集投备，完成其控制需要综合机械制造、计算机、自动控制和传感检测等多种技术，对完成控制所采用的 界面开放功能化、网络功能等，因此加工中心电气控制系统在完成硬件电路设计和 ，还要投人更多的时间来完成实现加工中心逻辑控制的 种开发是建立在 对具体数按机床的控制功能和动作要求进行的 称之为数控系统二次开发。 一般来讲，一套 论是传统的封闭式体系结构系统还是目前正在广泛运用的开放式体系结构系统，在软件上均由 数控系统出厂时， 用来完成主轴运动控制、伺服轴进给控制、第一操作面板的管理、手轮信号的处理、 工程序传输与网络控制等、数控系统通用功能。而 统生产厂留给用户 (数控机床制造厂 )根据其特别用途开发的，用来使通用的 第二操作面板的设置及管理，工作方式的选择及方式之间的联锁，自动换刀的分解动作及与动作相配合的进给坐标移动，用户设置的 特点是形象直观、可读性强，但编制具有运算功能的程序时结构复杂、编程难度较大。开放式体系结构数控系系统则可以提供功能更强、更灵活高效的高级语言，如 +语言用户利用其强大而又简单的运算功能，灵活高 效的开发出 天津工程师范学院 2008届本科生毕业设计 5 文的主要研究内容 本 课题 研究对象为 加工中心 刀库部分 中包括对刀库和机械手的研究； 加工中心 换刀方式的研究； 以 及对该机床自动换刀 该机床本身配置的是 其 号为 库安装在机床的右侧，容量为 60把刀的链式刀库，刀柄规格为 4大刀具长度 为 400对刀换刀时间为 2s，机床占地空间 47904600 机械手是采用单臂双爪式机械手，其 驱动装置是 采用液压缸来完成机械手的动作。 换刀方式 采用目前较为先进的随机换刀方式。对 其换刀过程大致如下 :刀库在主轴加工过程中完成转动到固定换刀位的动作，并使刀套翻转 90。主轴完成加工动作后， 使其主轴线与换刀机械手的轴线在同一水平线上 .机械手顺时针转动 90，同时抓新刀、取旧刀。机械手向外移动拔刀机械手顺时针转动 180 ，向内移动还旧刀，插新刀， 机械手退回原位 天津工程师范学院 2008届本科生毕业设计 6 2 加工中心自动换刀装置的研究 工中心自动换刀装置的主要类型和特点 加工 中心自动换刀装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具和数量。目前加工中心使用的自动换刀装置主要有转塔式自动换刀和刀库式自动换刀两种。 塔头式自动换刀装置 一般数控车床的转塔刀架，数控钻锉床的多轴转塔头等常采用转塔头式换刀装置。在转塔的各个主轴头上，预先安装有各工序所需要的旋转刀具，当数控系统发出换刀指令时，各种主轴头依次地转到加工位置，并接通主运动，使相应的主轴带动刀具旋转，而其它处于不同加工位置的主轴都与主运动脱开。转塔头式换刀方式的主要优点在于省去了自动松夹、卸刀、装刀、夹紧以及刀具 搬运等一系列复杂的操作，缩短了换刀时间，提高了换刀可靠性，它适用于工序较少、精度要求不高的数控机床。如图 2水平砖塔头和垂直砖塔头。 图 2直转塔头和水平转塔头 它的 特点是所有刀具固定在同一转塔上，无换 需机械手换刀 ，储刀数量有限，通常为 6般仅用于轻便而简单的机型 ，常见于车削中心和钻削中心，在钻削中心储刀位置即主轴，其外部结构紧凑，但内部构造复杂，精度要求高。这种装置的缺点实要使用数量多于主轴数的刀具时，操作者必须卸下已用过的刀具，并娤上 后续程序所要用的刀具。砖塔式刀并不是拆卸刀具，而且是将刀具和刀夹一起换下，目前 刀库的转塔头式换刀装置 带有旋转刀具的数控机床常采用此种换刀装置，转塔头上装有几个主轴，每个主轴上均装一把刀具，加工过程中转塔头可自动转位实现换刀。其优点是结构简单，换刀时间短，仅为 25 左右。但由于受空间位置的限制，主轴数目不能太多，通常只适用于工序较少、精度要就不高的机床，如数控钻床、数控铣床等。近年来出现了一种天津工程师范学院 2008届本科生毕业设计 7 用机械手和转塔头配合刀库进行换刀的自动换刀装置，如图 2实际上是转塔头换刀装置和刀库式换刀装置的结合。其原理如下 : 3、 图 2转塔头 5上有两个刀具主轴 3和 4，当用刀具主轴 4上的刀具进行加工时，可由机械手 2将下一步需要的刀具换至不工作的刀具主轴 3上，待本工序完成后，转塔头回转180 完成换刀。因其换刀时间大部分和加工时间重合，真正换刀时间只需转塔头转位的时间，这种换刀方式主要用于数控钻床和数控 镗 床等。 库 式 自动 装置 在自动换刀装置中利用刀库实 现自动换刀圈是目前多工序数控机床上应用最广泛的换刀方法。刀库式自动换刀装置是由刀库和刀具交换装置组成。刀刀库可装在主轴箱、工作台或机床的其他部件上，也可作为单独部件安装在机床以外。选刀时，刀具交换装置根据数控指令从刀库中选出所指定的刀具，然后从刀库和主轴 (或刀架 )取出刀具，并进行交换。将新刀装入主轴 (或刀架 )，把用过的旧刀放回刀库。由于刀库可以存放数量很大的刀具 (可以多达 100把以上 )，因而能够进行复杂零件的多工序加工，这样就明显地提高了数控机床的适应性和加工效率，所以带刀库的自动换刀装置适用于数控钻床、数 控锉床和加工中心。 这种换刀装置和转塔主轴头相比，由于机床主轴箱内只有一根主轴，在结构上可以增强主轴的刚性，有利于精密加工和重切削加工。刀库中刀具的数目可根据工艺要求和机床的结构布局而定，数量可较多，以实现复杂零件的多工序加工，从而提高了数控机床的加工效率。此外，刀库可布置在远离加工区的地方，从而消除了刀库与工件相干扰的可能性。但采用刀库式自动换刀装置，需要增加刀具的自动夹紧、放松机构、刀具运动及定位机构，常常还需要有清洁刀柄、刀孔及刀座的装置，因而结构较复杂，换刀过程动作多、换刀时间长，影响换刀工作可靠性 的因素也较多。 天津工程师范学院 2008届本科生毕业设计 8 由刀库式自动换刀装置的广泛使用，因此在本 课题设计 中设计 研究对像 50卧式加工中心上就采用 链式 刀库式自动换刀 系统 。 见图 2刀库式自动换刀装置又分无机械手换刀和机械手换刀两大类，其结构和换刀过程将在下节详细阐述 。 库式自动换刀装置的作用及其组成 刀库式自动换刀装置主要是由 机械手和驱动装置 刀库、选刀机构和刀具交换装置等组成。它是目前加工中心机床上大量使用的换刀方法。下面将对刀库的形式、刀具的选择及刀具交换装置进行介绍。 库 刀库是用来储存加工刀具及辅助工具的 装置。在自动换刀装置中，刀库是最主要的部件之一，其容量、布局以及具体结构对数控机床的设计有很大影响。 盘式 刀库 盘式刀库 中刀又称为鼓轮式刀库，刀库呈盘状，是刀库中最常用的刀库之一。 其特点 是 盘形刀库的储存量一般为 15 40把刀具，若增加刀库容量 必须使刀库的外径增大，转动惯量也相应增大，使选刀运动时间增长。 盘形刀库的种类较多 ，其中有刀具沿盘面垂直排列（包括径向取刀和轴向取刀）、沿盘面径向排列或成锐角排列的刀库。 见图 图 1、图 4)是单盘式刀库，为适应机床主轴的布局，刀库的刀具轴线可 以按不同的方向配置， 图 0翻转的圆盘刀库，采用这种结构能简化取刀动作。单盘式刀库的结构简单，取刀也较为方便，因 此应用最为广泛。 天津工程师范学院 2008届本科生毕业设计 9 链式刀库 链环形式可有多种变化，包括单链结构、回转式链带结构和多链结构如图 式刀库 (的特点是 这种刀库是在环形链条上装有许多刀座，其结构有较大的灵活性，存放刀具的数量也较多，选刀和取刀动作十分简单。当链条较长时，可以增加支承链轮数目，使链条折叠回绕，提高空间利用率。适用于刀库容量较大的场合，所占空间小，一般存刀具数在 30120把，仅增加链条长度即可增加刀具数， 可以不增加圆周速度，其转动惯量不像盘式刀库增加的那样大。 （ a） (b) (c) 直线式刀库和组合刀库 直线式到苦苦结构简单如图，刀具单行排列，刀库容量小，多用于数控车床和钻床上。 由于刀库位置固定，换到动作由主轴完成，无需机械手。组合刀库一般式砖塔式刀库的组合、砖塔式于盘式刀库的组合及链式刀库的组合。每单个刀库的储刀量较小，换刀速度快。另外还有一些密集型的鼓轮式、弹匣和格子式刀库，这些密集型刀库虽然占地面积小，但由于结构限制基本上不 用单机加工中心，多用于 天津工程师范学院 2008届本科生毕业设计 10 直线式刀库外观图 2刀库的容量 刀库的容量首先考虑加工工艺的需要，从使用角度出发， 一般为 10 40把饱，刀库的利用率会高，而结构比较紧凑。 3刀具的选择方式 顺序选择 将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的每一个刀座内。每次换刀时刀库顺序转动一个刀座位置，并取出所需要的刀具，已经使用过的刀具可以放会原来的刀座内，也可以顺序放入下一个刀座内，但是由于刀库中刀具在不同的工序中不能重复使用。 任意选择 目前大多数的 数控系统都采用任意选择刀的方式，其分为刀套和刀具编码和记忆式等三种。刀具编码或刀套编码需要在刀具或刀套上安装用于识别的编码条，对每一把刀具进行编码。因而刀具可在不同的工序中重复使用，换下的刀具不用放回原刀座内。另外的一种是记忆式选刀，是目前用运最多的选刀方式，这种选刀是能将刀具号和刀库中的刀套位置对应地记忆在数控系统的 论刀具放在哪个刀套内，刀具信息都始终记忆在 库上装有位置检测装置，可获得每个刀套的位置。刀库上换设有机械原点，使每次选刀时就近选取，这样刀具就可以任意地取出和送回。 4 刀库的控制方式 刀库作为系统的定位轴来控制。在梯形图中根据指令的 库的容量、旋转速度、加 /减速时间等均可在系统参数中设定，此种方式不受外界因素影响定位准确、可靠但成本较高。 刀库有液压马达驱动，有快 /慢速之分，用接近开关计数并定位。在梯形图中比较系统存储的当前刀号和目标刀号并运算，再输出旋转指令，同时判断按最短路径旋转到位。这种方式需要足够的液压动力和电磁阀刀库旋转速度可通过节流阀调整。但使用一段时间后可能会因为油质、油压、油温及环境因 素的变化而影响运动速度和准确性。一般用于不需频繁换刀的大中型机床。 刀库由交流异步电动机驱动凸轮机构（马氏机构）， 是利 用接近开关计数，这种方式运行稳定，定位准确可靠一般与凸轮机械手配合使用，换刀速 度快，定位准。主要用于中小型的加工中 具 交换装置 刀 具 交换装置是 式执行刀库和主轴之间刀 具的交换 ， 刀具交换方式和具体结构对天津工程师范学院 2008届本科生毕业设计 11 机床的生产率和工作可靠性有着直接的影响。刀具的交换方式通常分为无机械手换刀和有机械手换刀两类。 无机械手换刀方式是利用刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换。 一般都为径向取刀。 此装置在换刀时必须首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不可能同时进行，结构简单、紧凑，换刀可靠，由于交换刀具时机床不工作， 但换刀时间长， 刀库容量不大 ， 该装置适合于中、小型加工中心采用 。生产中最常见的一种是刀库到库移动直接换刀。图 立式加工中心换刀过程。 斗笠式刀库 主轴图 库移动换刀过程 采用机械手进行刀具交换的方式应用最为广泛，因为机械手换刀灵活、动作快，而且结构简单。由于刀库和 刀具交换方式的不同，换刀机械手 的形式也是多种多样的 ，按手臂的类型 常用的 可分为单臂机械手和双臂机械手 。通常用在盘式刀库和链式刀库自动换刀装置上。 (1)单臂单爪回转式机械手 这种机械手的手臂可以回转不同的角度进行自动换刀， 如 a 有动作均由单手完成，执行动作多 ，换刀时间长，但结构简单，刀库与主轴轴线平行 。 (2)单臂双爪回转式机械手 本课题当中的 加工中心上就配置的这种机械手，如图 械手同时抓取主轴和刀库上的刀具，回转 180，又同时放回刀库及装入主 轴。换刀时间短较是最常用的一种形式。多用于刀座与主轴轴线平行的场合，入图 b.图 换刀时两臂可以伸缩。 (3)双臂机械手 天津工程师范学院 2008届本科生毕业设计 12 双臂机械手指的是两个机械手臂每个手臂端部都有一个抓刀手，其抓刀和换刀动作类似于人手动作，除执行换刀动作外有些还可以起运输刀具的作用，这种机械手结构复杂，但换刀时间短，如图 c 。 ( a ) ( b ) ( c )( d )( e )(4)双臂往复交叉 式机械手 这种机械手的两臂可以往复运动，并交叉成一定的角度。如图 f,一个手臂从主轴上取下旧刀送 回刀库；另一个手臂由刀库取出新刀装入主轴。整个机械手可以沿某导轨直线移动或饶某个转轴回转，以实现刀库与主轴间的运动。 3夹爪的类型 根据抓刀柄在换刀机构刀臂上的夹持方式可分为固定爪 、活动爪、单夹爪、双夹爪、弹簧爪、动力爪等类。固定爪是指刀臂夹持部能吻合刀柄 圆形夹持部的一端或两端有弹簧扣，即所谓单夹爪、双夹爪；由两个可张开的夹指所组成即活动爪，其夹紧力由弹簧产生的即弹簧爪，通常以直进方式抓刀松刀；由液压缸等动力源控制其张合的为动力爪。 械手的驱动与控制方式： 机械手用液 压驱动，靠接近开关检测装置。如手的平移 /抓刀 /拔刀 /换刀 /插刀等动作分别由不同的电磁阀驱动；但这种方式传动机构较多，且易受液压系统稳定性或检测元件灵敏度等外界因素的影响。常用于不需要频繁换刀的大型卧式加工中心。 机械手由交流异步电动机带动凸轮机构旋转，整个换刀过程机械手仅在主轴松 /拉刀时起动 /停止 3次，整个换刀动作连贯稳定，运行可靠，刀对刀换刀时间一般在 2对主轴拉 /松刀及抓刀位置的准确性要求较高，常用于需频繁换刀的中小型加工中心。 机械手由伺服电机驱动，定位精度高，换刀速度快，稳定，但成本 较高。 天津工程师范学院 2008届本科生毕业设计 13 3 制的随机 换 刀方式的研究 见的自动 选 刀方式 刀库的自动控制指 括程序找刀和自动换刀。加工中心的计算机数控装置 (出的 选 刀指令，将刀库转到所需刀具号的取刀位置，称自动 选 刀 。 自动 选 刀有两种方法 :顺序 选 刀和随机 选 刀方法。 序 选 刀 将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的每一个刀座内。每次换刀时，刀库顺序转动一个刀座位置，并取出所需要的刀具，已经使用过的刀具可以放回原来的刀座内，也可以顺序放入下一个刀座内。 这 种方式不需要刀具识另 装置，而且驱动控制比较简单，可以直接由刀库的分度机构来实现。 但由于刀库中刀具在不同的工序中不能重复使用， 必须增加刀库的容量，降低了利用率。 机 选 刀 目前大多数的数控系统都采用 随机 选刀的方式，其分为刀套编码、刀具编码和记忆式等三种。自动换刀装置中必须有刀具识别装置，刀具编码或刀套编码需要在刀具或刀套上安装用于识别的编码条，一般都是根据二进制编码的原理进行编码。动换刀时刀库旋转，每把刀具 (或刀座 )都经过“刀具识别装置”接受识别。当某把刀具的代码与数控指令的代码相符合时，该把刀 具被选中，并将刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。因此，刀具可在不同的工序中多次重复使用，换下的刀具不用放回原刀座，刀库的容量也可相应减少。 随机选刀必须对刀具编码，以便识别。编码主要有以下三种。 1 刀具编码方式 这种方式是采用特殊的刀柄结构进行编码。由于每把刀具都有自己的代码，因此，可以存放于刀库的任一刀座中。这样刀库中的刀具在不同的工序中也就可重复使用，用过的刀具也不一定放回原刀座中，这对装刀和选刀都十分有利，刀库的容量也可相应地减小，而且还可避免由于刀具存放在刀库中顺序差错而造成的事故。 2 刀座 编码方式 这种编码方式对刀库中的每个刀座都进行编码，刀具也编号，并将刀具放到与其号码相符的刀座中。换刀时刀库旋转，使各个刀座依次经过识刀器，直至找到规定的刀座，刀库便停止旋转。由于这种编码方式取消了刀柄中的编码环，使刀柄结构大为简化。因此，刀具识别装置的结构不受刀柄尺寸的限制，而且可以放在较适当的位置。与顺序选择刀具的方式相比，刀座编码的突出优点是刀具在加工过天津工程师范学院 2008届本科生毕业设计 14 程中可以重复使用。刀座编码方式在自动换刀过程中必须将用过的刀具放回原来的刀座中，增加了换刀动作。 3 编码附件方式 这种方式有编码钥匙、编码卡片、编 码杆和编码盘等，其中应用最多的编码钥匙。先给刀具都附上一把表示该刀具号的编码钥匙，当把各刀具存放到刀库的刀座中时，将编码钥匙插进到座旁边的钥匙孔中，这样就把钥匙的号码转记道刀座中，给刀座编上了号码。 随机 换 刀 在找刀选刀之前，主机坐标轴定位到换刀点 :用 60完成，是单纯的坐标轴控制，不需要 而找刀和刀库刀套定位的过程是 :运行后， 到需要的刀具号后读出其所在刀套位置，然后命令刀库旋转，直到目标刀套位于换刀位置。 在许多数控加工中心的自动换刀装置