刀库组成及槽轮计算参数

1、摘要本设计是斗笠式BT 4016刀库。结构简单，性能可靠。关键字：刀库 ,气压回路 目录1绪论.11.1自动换刀系统产品化的意义.11.2自动换刀系统产品化的技术问题.21.3 自动换刀系统产品化的前景.32刀库各部件的结构及功能. 52.1机械部分.52.1.1刀库容量.52.1.2 刀座夹刀机构.62.1.3刀盘转动、定位装置.62.1.4刀库滑动导轨.72.2 气压回路.82.2.1 气压传动的特点.82.2.2气缸的选择.92.2.3流量的计算与通径的选择.102.2.4空气压缩机的选择及参数.112.2.5气压回路图.112.3刀座编号.122.4步进电机驱动器.132.4.1步进电

2、机驱动器的作用.132.4.2步进电机驱动器的连接.142.5步进电机.152.6 PLC.162.6.1 PLC的概述.162.6.2 PLC的主要功能及特点.163程序编制.183.1 斗笠式刀库控制流程图.183.2 PLC接线图.193.3 梯形图.203.4 工作过程.25总结.29致谢.30参考文献.311 绪论12 刀库各部分的结构及功能本刀库属于鼓轮式刀库中的斗笠式。刀具轴线，刀盘轴线与主轴轴线平行；采用步进电机驱动，刀座编码式选刀，刀盘旋转采用槽轮式，气压推动刀盘移动；PLC控制，实现自动换刀。2.1、机械部分2.1.1、刀库的容量 决定刀库容量时，首先要考虑用户加工工艺的需

3、要，同时还需要调查分析同类型、相近规格的自动换刀机床的刀库容量极其发展趋势。由于带自动换刀扎的数控机床主要是在多品种、单件小批生产时使用，因而应根据广泛的工艺统计。依大多数工件加工时需要的刀具数量来确定刀库容量，当有数量较少的加工件需要较多的刀具时，可考虑使刀库设计成在机床加工过程中能方便地更换个别或少量刀具的办法老加以解决，而不再增大到刀库容量。用成组技术法对1500种工件进行分组，并统计了各种切削加工所必需加工的刀具数之后，根据统计的结果，制成了图2.1。从图2.1可以看出，经常使用的刀具种数并不多。如铣削加工，约占整个工作量的90%是仅用四种铣刀加工的。在即需铣又需要钻的工件中，有708

4、0%只需要14把刀具也就够了（3把铣刀，11把孔加工刀具）。有根据另一种工艺统计，加工中等尺寸，一般复杂程度的工件，完成全部加工任务所需要的刀具种数，有80%是在1040种之间，只有极少数复杂零件所需要的刀具数在200把以上。从图2.1可以看出，目前实际生产的刀库，其容量也是在1540这个范围内居多。本设计采用BT-4016T刀库，可以满足80%以上的加工需要。2.1.2、刀座夹刀机构刀座夹刀机构的作用：（1） 防止刀具在刀座中松脱。（如图2.2）（2） 按一定方位存放刀具。如刀具在主轴上用单键传递扭矩，或精镗孔时镗刀刀尖需要按特定方位进出工件加工孔，或为了避免装在刀库刀座中的镗刀刀尖与相邻刀

5、座中大直径铣刀刀盘相撞，刀具需要按一定方位存放在刀座中。1、刀盘 2、刀座 3、弹簧夹图2.2 弹簧夹式夹刀机构2.1.3、刀盘转动、定位装置本刀库刀盘驱动采用步进电机带动槽轮机构（如图2.3）。图2.3 槽轮机构步进电机与主动拨盘3刚性连接，当拨盘上的圆销2未进入槽轮2的径向槽时，由于槽轮的内凹锁止弧被拨盘1的外凸锁止弧4卡住，所以槽轮不动。图示为圆销2刚进入槽轮径向槽时的位置，此时锁止弧也刚被松开。此后，槽轮受圆销2的驱使而转动。当圆销2在另一边离开径向槽时，锁止弧又被卡住，槽轮又静止不动。直至圆销2再次进入槽轮1的另一个径向槽时，又重复上述运动。所以槽轮作时动时停的间歇运动。槽轮传动准确

6、并且能有效的定位，驱动电机转动一周，槽轮转动一个刀位。2.1.4、刀库滑动导轨采用双平行导轨，承受力平均，刀库移动顺畅，平稳。1、气缸 2、导轨 3、滑块 4、轴套图2.4 双平行导轨在换刀工作开始，气缸推动滑块在导轨上滑动，导轨与滑块之间的轴套采用锡青铜，导轨材料Q235，所以滑动顺畅。2.2、气压回路2.2.1、气压传动的特点优点：1） 以空气为工作介质，工作介质获得比较容易，用后的空气排到大气中，处理方便，与液压传动相比不必设置回收的油箱和管道。2） 因空气的粘度很小（约为液压油动力粘度的万分之一），其损失也很小，所以便于集中供气、远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样严重污染环境。3）

7、与液压传动相比，气压传动动作迅速、反应快、维护简单、工作介质清洁，不存在介质变质等问题。4） 工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中，比液压、电子、电气控制优越。5） 成本低，过载能自动保护。缺点：1） 由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性稍差。但采用气液联动装置会得到较满意的效果。2） 因工作压力低（一般为0.31.0MPa），又因结构尺寸不宜过大，总输出力不宜大于1040kN。3） 噪声较大，在高速排气时要加消声器。4） 气动装置中的气信号传递速度在声速以内比电子及光速慢，因此，气动控制系统不宜用于元件级数过多的复杂回路。5） 气压传动工作介质本身

8、没有润滑性，如不采用无给油气压传动元件，需另加油雾器装置润滑，而液压系统无此问题。2.2.2、气缸的选择刀库最大重量 120kg滑块、防尘罩、电机重量10kg刀库移动速度0.5m/s （2-1）其中工作P工作压力 效率查表2.1取=63mm根据 d/D=0.2 d=12.6mm取活塞杆 d=12mm表2.1图2.5 气缸2.2.3、流量的计算与通经的选择气缸内径 D=63mm额定速度 v=0.5m/s流量V= （2-2）V=V=1557.8根据表2.2查得，选通经10mm。表2.2 标准控制阀各种通径对应的额定流量公称通径MM6810152025324050立方厘米/秒696139219442

9、78355668350139201944427830立方米/小时2.5571020305070100升/分41.6783.34116.7166.7213.4500883.411671666.82.2.4、空气压缩机的选择及参数选用V型空气压缩机2V0.4/10型。额定排气量 0.4额定排气压力1MP电动机功率4.0kw额定转速840r/min气缸数气缸直径 290mm压气机储气罐容积0.26总重：158kg外形尺寸：LWH=1250510928生产厂：北京小型压缩机厂2.2.5、气压回路图图2.6 气压回路图图中1为空气压缩机，其中包括马达、气泵、单向阀、储气罐。2为带触点的压力表，当储气罐中

10、的压力大于一定值时使马达短电停止工作，在储气罐压力小于一定值时马达工作。3空气过滤器。4是减压阀是从储气罐出来的气体达到气缸的额定工作压力。5压力表，6空气油雾气，7安全阀过载保护装置，8三位五通电磁阀，9气缸。在当8电磁阀YA1通电时，电磁阀处于左位，气缸左侧进气，活塞右移YA1失天点以后电磁阀处于中位，气缸不动。YA2通电时气缸左移退回。2.3、刀座编码刀座编码式是对刀库中各刀座预先进行固定的编码，而插入刀座的刀具则没有任何标记，但当刀具插入刀座之后，它就具有该刀座的编码。采用这种选刀方式，则变成人员为工件编制加工程序时，不但要指出每一工序所需使用的刀具，而且还需要列出该刀具将要插入的刀库

11、刀座编码，这样，加工时才能靠刀座编码识别装置选出所需要的刀具，因此编制程序教复杂。此外，机床财政仪人员也必须按程遍文件的规定把各个刀具插入刀库的刀座，否则就会发生事故。采用刀座编码式选刀时，根据选刀指令所指定的刀库刀座编码，从刀库中选取刀具；刀具还回刀库时，必须还入其原来所占的刀座。因此，与顺序选刀相比，选，还刀时间较长，运动也较复杂。与刀具编码选刀方式相比，刀座编码的识别装置比较简单，其位置安排也较灵活。刀座编码式选刀多用于中间传递换刀位置的、刀库容量不太大的自动换刀装置。由于这种方式结构简单，控制系统也不复杂，因此应用较广泛。但不宜在刀库与主轴之间直接进行换刀的装置中采用。刀座编码的方法一

12、般是根据二进制编码原理编码的。如图2.7所示，这是一组有32个编码号的编码元件。刀座编码元件的数量与安置，根据刀库形式的不同可以有所不同。对于刀座在刀库中呈单环排列的，可在适当的位置相对于没一刀座设置一个编码元件。在多环链式、行星式，弹簧夹式等一类的刀库中，由于刀座在刀库中是分组排列的，故也可以采用分组式编码。例如刀库容量60把刀具，采用5排同步运动的刀座链条的刀库，可以只在一排刀座链条中安置12个刀具编码，而其他四排刀座链条均不在设刀座编码。但是每一排刀座链条均设有一分组编码，这样就可以识别60个刀座，既减少了编码元件有简化了识别控制装置。2.4、步进电机驱动器2.4.1、步进电机驱动器的作

13、用步进电机是一种作为控制用的特种电机, 它的旋转是以固定的角度(称为“步距角”)一步一步运行的, 其特点是没有积累误差, 所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动, 这种装置就是步进电机驱动器, 它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移, 或者说: 控制系统每发一个脉冲信号, 通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位目的。优点：1） 完全消除了电机的低频振荡。低频振荡是步进电机（尤其是反应式电机）的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如

14、果您的步进电机有时要在共振区工作（如走圆弧），选择细分驱动器是唯一的选择。2） 提高了电机的输出转矩。细分比不细分，输出转矩对各种电机都有不同程度的提升提高了电机的分辨率。3） 减小了步距角，提高了步距的均匀度。步进电机驱动器分为：混合式、反应式。混合式与反应式之间的区别：1） 在结构和材料上不同，反应式电机不象混合式电机那样内部具有永久磁性材料，混合式电机具有一定的自锁转矩。2） 在运行性能上有差别，混合式电机运行时相对较平稳，输出力矩相对较大，运行声音小。3） 两种电机在价格上有差别，反应式电机比混合式电机相对便宜，但并不明显。端子标记功能说明CP步进脉冲信号输入端光耦开通沿有效，最小脉冲

15、10CW/CCW方向控制信号输入端光耦关断时为正转，接通时为反转COM信号公共端CP，CW/CCW，内部光耦的公共地AA相头输出AA相尾输出BB相头输出BB相尾输出CC相头输出CC相尾输出AC220V电源输入额定电压AC220V，10A2.4.2、步进电机驱动器的连接表图2.8 步进电机的硬件连接2.5、步进电机步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1、 步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电

16、机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。2、 静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）3、 电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性

17、曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）2.6、PLC2.6.1、PLC的概述可编程序控制器PLC在现代工业自动化中是最值得重视的先进控制技术。PLC现已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBAT）之一，以其可靠性高、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速记数等功能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、记数继电器等组成的断电接触控制系统，在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业得到广泛应用。PLC的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。2.6.2、P

18、LC的主要功能及特点功能：1） 条件控制PLC具有逻辑运算功能，可以替代继电器进行开关量控制；2） 限时控制PLC具有计时功能，为用户提供指令设置的若干个电子计时器进行限时控制和延时控制；3） 记数控制PLC具有记数控制功能，它为用户提供了可用指令设置记数值得若干个计数器。记数值可在运行中读出和修改；4） 步进控制PLC具有步进控制功能，只是在前到工序完成后才能转入下道工序，实现步进控制；5） 模数（A/D）、数模（D/A）转换完成对模拟量的控制和 PID回路调节；6） 数据处理PLC具有数据处理功能。如并行运算、并行数据传送、BCD码的算术运算等；7） 通信和联网PLC采用通信技术、进行远程

19、I/O控制和PLC之间的同位连接，以及与上位计算机进行上位连接，构成一台计算机与多台PLC的“集中控制、分散控制”的分布控制网络，以完成大规模的复杂控制；8） 对控制系统进行监控操作人员可以监控有关部分的运行状态，调速定时、记数等设定值；9） 自诊断功能PLC可以在线诊断本系统的软硬件状况，诊断机器和生产过程的状况。特点：1） 工作可靠工作可靠是PLC最突出的特点之一。一般PLC都采用单片机为核心，少数采用单片PLC的故障率（据统计，PLC控制装置的故障70%为连接故障）。此外，PLC还具有断电保护和自诊断功能，以应付故障的发生。2） 可与工业现场信号直接输入输出连接PLC最大的特点之一是针对

20、不同的现场信号（如直流和交流，开关量与模拟量，电压与电流，脉冲或电平，电或弱电等），有相应的输入输出模件可与工业现场的器件（如按钮、行程开关、传感器及变换器、电磁阀、马达启动或控制阀等）直接连接，并通过数据总路线与处理器模件连接。3） 组合灵活PLC通常采用积木式结构，便于将PLC与数据总线连接，组合成灵活的控制系统。4） 编程容易PLC的编程多采用梯形图编程方式及命令语句的方式。由于简单、形象、易于现场人员理解与掌握，而无需具备计算机专门知识。5） 安装简单、维修方便PLC对现场环境要求不高，使用时只需将检测器及直性设备与PLC的I/O子连接无误，系统便可工作。各模块均有状态指示，故障指示。

21、用户可通过更换模块迅速恢复生产，压缩故障停机时间。6） 运行迅速PLC的特点是工作快节奏、高速度，为继电器逻辑控制所望尘莫及。3 程序编制3.1斗笠式刀库控制流程图开始读入当前刀具号存放在C11中，输入预选刀号存放在C112中C11-C12是否有为零 是 电磁铁YA1通电，气缸推动刀库向主轴方向移动 否 触动 行程开关 ST1电磁铁YA1断电气缸停止运动。 延时5秒C11C12 否 是 C11-C12-80C12-C11-80 是 否 否 是步进电机正转步进电机反转步进电机正转C11-C12 不为零 为零 延时5秒电磁铁YA2通电气缸返回 触动 行程 开关 ST2电磁铁YA2断电气缸停止结束图

22、3.1 控制流程图3.2PLC接线图图3.2 PLC接线图3.3梯形图表3.1 寄存器作用序 号功 能C11存放当前刀具代码C12存放有串行口输入的预选刀具代码C13存放C11-C12的数值C14存放C11与C12的差值T0计时器，延时5秒用来取刀T1计时器，延时5秒用来装刀T2计时器，延时0.03秒，每次发出脉冲时间的间隔R0辅助电磁线圈R1辅助电磁线圈R31专门存放运算溢出或错误标志。在减法时判断2个数的大小3.4 工作过程1、自动刀库在起始位置时行程开关X5接通，由串行口输入一个预选刀号，将其存放在C12中；比较C12与从读码器传来的当前刀座编号，比较结果不为0时，输出Y0，气缸向主轴方

23、向移动；当气缸达到换刀位置触动行程开关X6，Y0断电，气缸停止移动，并延时5秒钟从主轴上取刀。然后判断当前刀座编号C11与C12的大小：1、C11大于C12时，C11C12没有溢出，继续判断C11C128的结果是否有溢出（溢出存放在R31中），如果有给步进电机驱动器一反转信号。如果有溢出不给信号，步进电机驱动器默认为正转。2、C11小于C12时，C11C12有溢出，继续判断C12C118如果没有溢出给出驱动器一个反转信号；步进电机正反转确定以后判断当前刀座号与预选刀座号是否一样，如果不一样给出驱动器一个脉冲，步进电机旋转一个角度。然后重复上述运动，直到当前刀座号与预选刀座号相等既C11等于C12时，停止给驱动器发脉冲信号并且延时5秒钟用来装刀具。最后Y1得电气缸重新回到起始位置出动行程开关X5气缸停止移动，结束工作。2、手动旋转手动、自动选择按钮，调至手动后，按钮X7、X8、X9、X10分别控制刀库右移、刀库左移，刀库正转和刀库反转。论 结这次设计通过分析自动换刀装置的作用、功能、及