加工中心刀具库机构及控制电路设计

1、图书分类号：密 级：毕业设计(论文)加工中心刀具库机构及控制电路设计Machining center tool library institutions and control circuit design学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生

2、在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名：摘要电气时代以来，人们的生产水平有了明显的改善，对于物质的需求越来越高。老式的数控机床已经与时代脱节了。我们迫切的需要替代品来满足生产的需要。此时，新的数控加工中心（Machining Center，简称MC）应运而生。它有一个存放刀具的地方，同时可以对多把刀具进行转换，对零件采取多方面加工的

3、机床。工件在机床上完成一次性的装夹后，我们可以通过不同的需求来使用PLC控制系统指引机床进行不同的工序加工。刀具库通过变速箱的变速来实现刀库灵活的旋转。这时候主轴进行运动，与刀库的刀具进去相互切换。计算机的参与不仅能够增加操作的准确度，避免不必要的麻烦，而且最重要的就是缩短时间，降低了成本。所以说，在未来的制造业市场中，加工中心的地位将得到显著的提升，各行各业都会对加工中心的存在有一个全新的认识。关键词 刀具库 自动换刀 一次性 PLC控制AbstractThe electrical era, people have a significant improvement in the livin

4、g standard, the material demand more and more high. The old NC machine has to keep pace with the times. We urgently need alternatives to meet the needs of production. At this time, the new CNC machining center (Machining Center, referred to as MC) emerge as the times require. It is a tool has its ow

5、n library, and can realize the automatic tool change, various aspects of the machine tool on the work piece processing. The work piece on the machine to complete the one-time clamping, we can use different needs to use the PLC control system of machine tool for processing different guidelines. The t

6、ool base through the variable-speed gearbox to achieve flexible rotary knife. When the spindle motion, and tool in switch. In the computer can not only increase the accuracy of operation, to avoid unnecessary trouble, but the most important is to shorten the time, reduce the cost. So, in the future

7、of manufacturing industry, machining center's position will be significantly improved, all walks of life will be on the machining center has a new understanding.KeywordsTool library Automatic tool changer A one-time PLC control 目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 加工中心刀具库研究的背景、目的和意义11.1.1 研究的目的和意义11.2 国内外加工

8、中心的研究现状11.2.1 国外加工中心的发展历程11.2.2 国内加工中心的发展历程21.2.3 现代加工中心的发展趋势21.3 课题研究的主要任务、内容与方法21.3.1 课题的主要任务、内容21.3.2 课题的主要解决方法31.4 研究课题的技术路线32 加工中心刀具库机构的总体设计42.1 刀具库42.1.1刀库的定义42.1.2自动换刀系统42.1.3自动换刀种类42.2 刀具库的常用类型52.2.1 盘式刀库52.2.2 链式刀库62.2.3 固定型格子盒式刀库72.2.3 斗笠式刀库72.3 刀具库机构的确定82.3.1 刀具数量82.3.2 刀库形式确立82.3.3 盘式刀库的

9、优点82.4 换刀方式的选择82.4.1 无机械手换刀82.4.2 换刀过程92.5 刀具库驱动电机参数的确立92.5.1 刀库加速扭矩TJ确立92.5.2 驱动电机扭矩TD 确定93刀库减速箱的设计113.1 刀库与减速机构总的传动比113.1.1 三级减速装置各级传动比113.1.2 对应轴的转速113.1.3 四个轴对应的转矩123.1.4 各轴对应的功率123.2 各级传动齿轮的设计123.2.1 一级齿轮参数123.2.2 二级齿轮参数143.2.3 三级齿轮参数153.3 轴的选择163.3.1 轴一的设计163.3.2 轴二的设计173.3.3轴三的计算设计203.3.4轴的计算

10、设计233.4 轴承的选用244PLC控制电路的设计254.1PLC的发展与运用254.2PLC的控制要求254.2.1 刀具编号254.2.2 刀库旋转方式254.3 PLC在实现刀库换刀时的输入，输出信号254.4 所需元器件264.5 PLC控制梯形图274.5.1 梯形图274.5.2 程序讲解274.6 PLC指令表284.7 PLC控制接线图28结论29致谢30参考文献31附录32附录1 换刀过程示意图32附录2减速箱齿轮轴一33附录3减速箱齿轮轴二34附录4减速箱齿轮轴三35附录5减速箱齿轮轴四36附录6接线图37附录7 梯形图381 绪论电气时代变革以来，传统加工制造行业受到了

11、质疑。人们在加工方面开始寻找新的发展。一些欧美发达国家开始投入大量资金，开始对于高科技制造技术进行研究开发，并且提出了新一轮的制造工艺规则。为了适应新的市场变化，数控加工适时的出现了，它的诞生解决了传统加工难以完成的复杂表面，同时大大缩短了同一工件的加工时间。数控加工中心在管理和使用以及维护方面有着许多自身的特点。在以后发展阶段，数控加工中心将逐渐取代传统制造方法，向着更高的方面去迈进。1.1 加工中心刀具库研究的背景、目的和意义目前的加工中心（简称MC）都在向着智能化方向迈进。它们拥有自己的刀具库；能够实现自动换刀；它是为了满足时代变化的需要发展起来的高精度机床。它能够根据人们的需要，在工件

12、只采取一次固定的状态下，实现多方面复杂的操作。它专门增设了换刀系统。这样的话，计算机就可以通过工作者对于加工的不同的需求来改变电机的转速，从而起到控制刀具对于工件表面进行加工。由于众多技术的结合，加工中心能够轻松加工中一般机床加工不了的复杂平面、倒角、环形槽、孔隙、攻螺纹，缩短了工件的加工时间，因此来说，加工中心逐渐成为加工制造业的主流产品。零件的加工精准度从此有了很大的提升，而且其自动化程度的提高解放了一线操作人员。1.1.1 研究的目的和意义为了适应时代的变化，为了解决当代加工工艺与人们对于加工需求之间的矛盾。我们必须在刀具库；换刀系统之间做一些调整，对以往的加工中心进行一些改进。要做到什

13、么样的加工场合对应什么样的刀具库和换刀系统。结合计算机控制原理使用PLC技术对刀具库控制系统进行改造。能够实现刀具的快速切换，降低用时，减少一定的成本，同时提高加工精度，而且相对于手动换刀来讲，其安全性能也有了较高的改善1。1.2 国内外加工中心的研究现状1.2.1 国外加工中心的发展历程 1952年，帕森斯公司（Parsons Co.）与麻省理工学院实验室开展合作，实验并制造出了当时上第一台数控机床。1958年，美国(K&T Co.）成功研发了能够自动换刀的数控机床。数控机床从涉足航空航天工业特殊零件的加工开始，已经走过了50多个年头。由于数控机床比普通机床大大提高了加工精度和速度，

14、所以成为柔性制造技术发展的基础，并以它为基本设备组成了柔性制造单元和柔性制造系统。由于其所具有的柔性、高速、高精度的特性，并且加工出的零件产品具有较好的一致性和互换性。因此大批量的制造行业，列如汽车行业、摩托车行业等得以很快普及；更由于其能够加工出高精度的复杂三维曲线及曲面零件的特点，成为了航空企业的必备设备，也成为了模具行业基本的看家设备。每个国家加工环境不一样，所以制造的数控机床有一定的差别。20世纪90年代，德国一家公司制造出了世界第一台立式数控车床。该机床能同时完成多种工序。如车、铰、铣等，同时可以根据需要对工件进行特殊的加工。亚洲日本三菱公司生产的数控机床在世界发展舞台上也有较大的影

15、响。1.2.2 国内加工中心的发展历程近些年，我国的数控加工中心发展较快，国产的数控加工中心的种类基本齐全。各类型的加工中心都有成功的的案例，数控机床的加工方式也逐渐成熟。特别是北京机床厂生产的加工中心。还有一个就是北一大隈机床厂生产的卧式加工中心。它们两个厂生产的加工中心就是最好的例子。数控加工中心一般分为2类：一类是立式加工中心，一类是卧式加工中心2。卧式加工中心加工样式多样，上个世纪80年代开始发展起来的3。T型结构的设计使得零件在加工过程中工作台能够承受不同的变力，保证加工的稳定性。加工制造业是现代化建设中的核心，它的重要性决定国家在世界这个大舞台里的威望。更重要的一点就是，加工产业是

16、和国家的军工是相挂钩的。当国家的加工制造业达到一定的高度后，本国的军事产业也将会进行大的迈进。所以我们必须重视本国的加工制造行业。但是由于历史原因，我们国家的工业发展时间较短。我国加工制造业与国外先进国家还是存在一定的差距，特别是在特种加工方面仍是我们的薄弱环节。我们只有大力发展和学习新的加工方法，才能让我们的国家在国际竞争中占有一席之地。1.2.3 现代加工中心的发展趋势 今后的加工中心将向着高精度、智能化、操作简便、安全可靠等方向迈进。电动机技术的提高带动了加工中心在主轴转速方向上面的快速跃进。因为较高的转速可以适当的提高准确度。自从计算机技术融入到加工中心以后，人们逐渐摆脱了体力劳动。优

17、化的人机界面使得操作变得简单。系统趋于稳定，操作性明显增强。在以后的生活中，加工中心将得到广泛普及。以目前加工环境来看，加工中心主要还是以生产零件为主。逐渐开始向着航天，医疗方向涉足。飞机零件多为复杂单一产品，所以这时候综合加工中心将有很大的发展潜力。1.3课题研究的主要任务、内容与方法1.3.1 课题的主要任务、内容对于数控加工中心的发展历史与现状有一个全新的认识。确定数控加工中心刀具库的几何机构、换刀方式、减速装置内部结构的认识。以及自动换刀系统以及换刀控制电路的主要程序，同时提供适当的刀具库的结构零件图，换刀方式图，自动换系统PLC编程图以及梯形图。1.3.2 课题的主要解决方法查阅相关

18、资料理解加工中心刀具库机构及控制电路的工作原理，初步构建系统的结构框图。确定系统设计方案并完成刀具库以及刀具数量的选型并绘制相关零件图纸。设计刀库的减速机构，内部传送齿轮的确立，轴的受力分析。熟悉换刀系统工艺流程，编写PLC程序连接图与梯形图设计。初步设计之后，调试运行，优化设计，完善设计使得系统能够安全、可靠、经济地投入日常生活使用。1.4 研究课题的技术路线分析课题所给的内容要求，请教老师、同学，上网查找资料信息。通过学校图书馆借阅相关的书籍。掌握好当前刀库的几种形式。自动换刀的方式，刀库减速装置的设计问题。掌握PLC换刀编程的要点，编写PLC梯形图，转换指令表。并做一些文字说明。适当的零

19、件图纸以及说明书的撰写。2 加工中心刀具库机构的总体设计2.1 刀具库2.1.1刀库的定义刀具库在是为了方便数控加工过程中对不同种类刀具来回切换而诞生的一种装置。它存储的多把刀具为机床的生产加工带来了许多的便捷。刀具库的出现改变了老式的加工工艺，使得生产能力得到进一步加强。同时种类繁多的刀具可以满足不同工序的需要。刀具库能够根据不同的需求，经由PLC控制系统，自由切换刀具。2.1.2自动换刀系统如果刀具库没有换刀系统的存在，那么加工中心就没法正常工作，没有任何实际的价值和意义。自动换刀系统对于加工中心中来讲就是一个阶梯，它是在加工生产中将机床所需要的刀具从刀库中取出并运输到刀具夹紧机构中，从而

20、适应不同制造工序的需求。以目前的情况来说，一般加工中心的刀库装置多数采用凸轮结构。凸轮在制造产业方面的应用已经获得了一个新的高度。通过凸轮的设计，那么此自动换刀系统只需要一个电机驱动就可以满足需求。去掉繁琐的操作就能快速响应实，增加生产效率，这是目前最普及的方法。换刀系统应该满足以下五点。第一，工艺方面，工件种类繁多，表面复杂程度不一。此时我们需要多种不同的刀具来满足加工需求。第二，要确保工件的定位精度。刀具在固定的时候，要精确位置，不能造成误差。这样工件和刀具才能正确的配合加工。第三，由于工件和刀具存在一定的刚度。这时候对于自动换刀系统也是一个大的考验。它必须保证一定的刚度才能维持平衡。第四

21、，换刀系统操作频繁，必要要确保其运行稳定。第五，就目前的状况来说，时间就是金钱。我们要尽量降低刀具转换操作的耗时。2.1.3自动换刀种类(1) 转塔式换刀转塔式换刀装置它是将电机，变速箱还有转塔头放在一起，节省了空间。不同的刀具采用单独的控制源是控制。可以看出，如果每个刀具都需要不同的控制电机去操控的话，增加了成本不说，还造成了刀具转换的迟钝。这种转塔式换刀装置一般只适合加工精度低的场合。图21 转塔式换刀(2)无机械手换刀无机械手换刀需要独立的刀库与之配合，这样衍生出来的刀库使机床的存刀量大大增加。机床刀具库刀具数量的多少是衡量机床加工复杂表面的水平一个重要指标。采取无机械手操作减轻了生产压

22、力，控制了的成本。通常换刀装置是设计在主轴的附近，当主轴运动在刀库附近时，就可以迅速的实现换刀。(3)机械手换刀机械手换刀装置一般配有两个机械手参与运行，并且得有一个专用刀具库。通过PLC的控制，其中一只机械手负责将主轴或者刀架上的刀具送回刀库4。另一只机械手从刀具库中选取要使用的刀具送往主轴固定刀具的地方或者刀架上。此结构对于换刀的请求比较高。还有就是匹配的的刀库受外在环境影响较小。图22 双臂机械手常用结构2.2刀具库的常用类型2.2.1 盘式刀库盘式刀库按名称来将是因为刀具在圆盘上成环形排列，盘式刀库大体上可分为2种取刀方式。第一种就是轴向取刀。而第二种是径向取刀。可以通过判断来选择不同

23、的方法。不过由于直径方面的限制，盘式刀库的容量不是很大。为此我们采用双排或者多排的形式来弥补这个差距。刀具数量的限制给以了盘式刀库一个很大的优势，那就是在取刀用时方面更胜一筹。图23 盘式刀库2.2.2 链式刀库链式刀库拥有更多的加工用刀。刀具在排序方面来说相对比较紧密，我们一般对于链式刀库来说常采用轴向取刀。链式刀库通常会根据加工中心的需求来安排自己的刀库框架。链式刀库会根据刀具数量的多少来决定是否可以适合当下的数控机床。当数控机床在零件生产中所需要的刀具数量在30把以上时，这时该机床就可以选取链式刀库。图2-4 链式刀库2.2.3 固定型格子盒式刀库传统的固定型格子盒式刀库上面的刀具一般成

24、直线形状排列，通过机械手的往复运动实现选刀和换刀。如图所示的空间排列较为紧凑，这样就可以降低不必要的空间浪费，缩减成本。但是由于刀具众多，在刀具切换途中需要消耗许多时间，使生产效率降低，存在一定的局限性。图2-5 固定型格子盒式刀库2.2.3 斗笠式刀库一般可以储存25把刀具，机床靠着主轴的运动来实现刀具的转换。当加工途中机器需要更换刀具时，主轴会运动到存储刀具的卡槽处。主轴上的刀具与卡槽接触，主轴向外运动，刀具从而摆脱主轴5。然后刀具库动作，主轴对应到要取的刀具槽，向内运动取走刀具。刀库在完成刀具进入主轴的转换时，刀库归位，等待下一次工序的换刀。图2-6 斗笠式刀库2.3 刀具库机构的确定2

25、.3.1 刀具数量鉴于第一次设计，刀具数目确定为62.3.2 刀库形式确立因为刀具数量有限，考虑到成本、换刀时间、生产效率等一系列问题，并结合生产实际，我决定使用盘式刀库。目前盘式刀库发展比较成熟，对于一些刀具需求少的机床来说一个比较好的选择。2.3.3 盘式刀库的优点从这几年的发展来看，盘式刀库变得日渐成熟，在加工中心中取得较大的成效。盘式刀库在自动换刀方面有着其它刀库不能比拟的速度。通过自身刀库的运动加上主轴的运动来实现刀具的切换。各个刀具都有自己特定的编号，这样在加工过程中准备换刀的时候，计算机就能快速切换刀库送往主轴，节约时间。2.4 换刀方式的选择2.4.1 无机械手换刀无机械手换刀

26、方式制造容易，价格低于其它换刀系统。在当今的制造环境下，拥有很大的优势。无机械手换刀装置操作简单，不需要过硬的专业知识，适应绝大数加工企业。在人才引进方面，可以节约一些成本。2.4.2 换刀过程换刀过程示意图见图纸。当计算机给予主轴停止信号时，如图(a）所示，刀库停在空刀位置2上，主轴开始向刀库方向运动，如图（b）6。直到主轴上的刀具1完全被刀库上的空刀位2接受。主轴内固定刀具的设备放开1号刀具，此时2号空刀位里面的夹紧装置收回1号刀具，如图（c）。刀库进行转动将3号刀具送到指定位置,如图(d)7。根据计算机指令装刀，刀具库夹紧装置松开3号刀具，主轴装置接受3号刀具，如图(e)。最后，主轴脱离

27、刀库，向下移动，此时，刀具库停止在3号刀具的空刀位置上等候主轴下次进刀换刀环节。这种换刀机构没有机械手的参与，换刀时间有所缩减，空间分布合理。刀具切换的时候机床不工作，这样就确保了加工精度8。2.5 刀具库驱动电机参数的确立。4.7 PLC控制接线图PLC接线图详情见图纸结论通过一段时间的的撰写实验，毕业设计开始走向完善。加工中心刀具库机构及控制电路设计使这个课题使我对加工中心有了一个全新的认识。加工中心不仅是科技发展的产物，更是当代人智慧的结晶。本次毕业设计，先大体讲述了加工中心的发展历程，同时比较了国内外加工中心的发展方向。课题开始介绍了目前市场上的加工中心刀库形式。从而确定了课题的主体方

28、向。选择了盘式刀库和无机械手换刀。这样设计是为了降低生产成本，适合广大的小型加工企业。后面确定了刀库驱动电机的参数，来确保刀库换刀的平稳。主要设计就是变速箱减速装置和PLC换刀程序的设计。因为电机转速与刀库所需要的转速存在一定的差距，所以需采用减速机构与电机配合才能精准的实现刀库的运转，这样主轴才能准确的与刀库配合。减速机构采用三级直齿齿轮传动，通过借阅工具书和查设计手册。确定了三个齿轮组的初始参数，进行了一定的校验核算，最终确定了三个齿轮的尺寸参数。由于加工生产时外力的影响，有必要对齿轮的支撑轴进行选型。通过对轴受力分析，以及各个截面弯矩的计算，确保了轴在工作中能够担负重任。最后选用了市面上

29、常用的62系列深沟球轴承来配合轴。PLC程序的设计我是通过三菱FX0N-40MR型号的编程器来完成的。本次课题涉及了6把刀具，通过计算机判断刀位相对于主轴位置来实现刀库正反转。这样就能减少刀库旋转时间，从而使主轴能够快速换刀，完成加工动作。综上所述，本次毕业设计的主要内容分为部分机械结构的设计以及PLC控制程序的设计。此课题满足了小型企业对于零件加工的需要。减少了不必要的成本，同时提高了小型企业的生产效率。致谢参考文献1毛国平,黄维亚. 加工中心刀具配套方案设计J. 重庆工学院学报,2004,03:54-56.2王解法,冯祖仁,李世敬,李渤. 加工中心刀具选配问题的研究J. 机械科学与技术,2

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