加工中心换刀机构课程设计说明书Word文件下载.doc

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2.4.3刀具（刀座）识别装置 10

2.4.4刀具交换装置 15

第3章换刀机械手结构设计 17

3.1确定换刀机械手形式 17

3.2换刀机械手的工作原理 18

3.3机械手的自动换刀过程的动作顺序 18

3.4两手相互垂直的回转式单臂双手机械手 19

3.5机械手回转轴4上的齿轮齿条设计 20

3.6自动换刀装置的相关技术要求 20

3.6.1主轴准停装置 20

3.6.2换刀机械手的安装与调试 21

3.7确定刀库容量 21

3.7.1确定刀库形式 21

3.7.2初步估计刀库驱动转矩及选定电机 21

3.7.3刀库转位机构的普通蜗轮蜗杆的相关设计 23

3.7.4确定刀具的选择方式 24

3.7.5刀库结构设计 24

第4章PLC控制系统设计 26

4.1机械手控制系统PLC的选择 26

4.2机械手的PLC控制系统限位开关的布局示意图 27

4.3机械手自动换刀系统的工作流程 27

4.4机械手自动换刀系统的原理 29

4.5PLC的硬件I/O接口原理图 30

4.6自动换刀系统PLC程序的设计 30

4.6.1编程软件 30

4.6.2PLC的控制流程图 32

4.6.3梯形图 33

4.6.4指令表 34

课程设计心得 35

附录1 36

附录2 37

附录3 38

参考文献 39

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第1章绪论

1.1设计背景

加工中心（MachiningCenter,MC）是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。

由于加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床3倍～4倍，所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。

1958年，美国卡尼，特雷克（Kearney&

Trecker）公司首次把铣、钻、镗等多种工序集中于一台数控机床上，通过换刀方式实现连续加工，成为世界上第一台加工中心。

该产品出现后，销路惊人，引起了日、德、美、英、法、意等先进工业国家的高度重视，竞相开发生产，不断扩大和完善机床的功能，成为数控机床中发展最快、需求量最大的商品之一。

如今，世界上出现了立式、卧式、龙门式、落地式等各种加工中心，据不完全统计，大约有1000多个品种规格。

未来加工中心的发展动向是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能。

加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，我国的加工中心从70年代开始，已有很大发展，但技术、品种和数量上都还远不能适应我国经济、技术发展的需要。

随着我国工业的不断发展，推动了模具制造业、机械加工业的巨大发展，使得数控机床的使用越来越普遍，而加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。

然而，目前市场上生产和销售的都是以大、中型的加工中心为主，小型加工中心几乎是空白，而机械加工业、小型模具的制造、工科院校、技工学校等对小型加工中心存在着大量的需求。

为加速我国加工中心的发展，需进一步加强对加工中心的研究、设计、制造和应用。

1.2立式数控铣床

立式数控铣床的主轴轴线与工作台面垂直，是数控铣床中最常见的一种布局形式。

立式数控铣床一般为三坐标（X、Y、Z）联动,其各坐标的控制方式主要有以下两种：

1）工作台纵、横向移动并升降，主轴只完成主运动。

目前小型数控铣床一般采用这种方式。

2）工作台纵、横向移动，主轴升降。

这种方式一般运用在中型数控铣床中。

立式数控铣床的功能分为一般功能和特殊功能。

一般功能是指各类数控铣床普遍所具有的功能。

如点位控制功能、刀具半径自动补偿功能、镜象加工功能、固定循环功能等。

特殊功能是指数控铣床在增加了某些特殊装置或附件后，分别具有或兼备的一些特殊功能。

如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自动变换工作台功能、自适应功能、数控采集功能等。

数控铣床的主轴开启与停止，主轴正反转与主轴变速等都可以按输入介质上编入的程序自动执行。

不同的机床其变速功能与范围也不同。

有的采用变频机组，固定几种转速，可自选一种编入程序，但不能在运转时改变。

有的采用变频器调整，将转速分为几档，编程时可任选一档，在运转中可通过控制面板上的旋钮，在本档范围内自由调节；

有的则不分档,编程时可在整个范围内无级调速。

但是在实际操作中，调速不能有大起大落的突变，只能在允许的范围内调高或调低，只能在允许的范围内一般都设有自动拉、退刀装置，能在数秒内完成装刀与卸刀，换刀比较方便。

此外，多坐标数控铣床的主轴可以绕X、Y或Z轴作数控摆动，扩大了主轴自身的运动范围，但是主轴结构更加复杂。

第2章方案设计

2.1课题内容

依据设计任务书，我们的任务是给数控立式铣床设计安装合适的自动换刀装置，以力涛-CNC1000数控立式升降台铣床为例。

主要技术参数为：

工作范围X轴行程1050mm

Y轴行程650mm

Z轴行程500mm

立柱最前端至主轴中心650mm

工作台加工面积（长×

宽）1400×

320mm

工作台承载重量800kg

主轴最高转速8000rpm

快速进给速度X轴5m/min

快速进给速度Y轴5m/min

快速进给速度Z轴5m/min

刀库刀具数20把

定位精度±

0.005/300mm

重复定位精度±

0.003mm

加工精度0.008mm

主轴锥孔BT40

刀具最大直径∮80mm

换刀时间（刀对刀）4秒

最大进给速度5000m/min

2.2确定其自动换刀装置的形式

由于LT-CNC1000数控立式升降台铣床是一种使用范围较广的机床，且其可加工零件的精度要求也较高，比较上章介绍的几种换刀形式，决定选用带刀库的自动换刀形式。

LT-CNC1000数控立式升降台铣床主轴箱上方没有好的安装位置，安装在机床外又要增加刀具运输时间，降低效率，所以安装在机床侧面最合适，有些部件交错的地方，作适当的调整。

设计成由由盘式刀库和回转式双臂机械手组成。

设计增加自动换刀装置后的LT-CNC1000数控立式升降台铣床的外观图如图2-1所示。

图2-1数控立式升降台铣床的外观图

2.3加工中心自动换刀装置（ATC）形式、特点及各自应用范围

由刀库和机械手组成的自动换刀装置（AutomaticToolChanger,ATC）是加工中心的重要组成部分。

加工中心上所需更换的刀具较多，从十几把到几十把．甚至上百把，故通常采用刀库形式，其结构比较复杂，自动换刀装置种类繁多。

由于加工中心上自动换刀次数比较频繁，故对自动换刀装置的技术要求十分严格．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。

在使用立式数控铣床加工工件时，只要充分利用数控铣床的各种功能，就可以加工许多普通铣床难加工的工件。

数控铣床的主要加工对象有：

平面类零件；

变斜角类零件；

曲面类（立体类）零件。

表2-1加工中心上的换刀装置

形式

类别

特点

应用范围

转塔式

垂直转塔头

1.根据驱动方式不同，可分为顺序选刀或任意选刀

2.结构紧凑简单

3.容纳刀具数目少

用于钻削中心

水平转塔头

刀库式

无机械手换刀

1.利用刀库运动与主轴直接换刀，省去机械手

2.结构紧凑

3.刀库运动较多

小型加工中心

机械手换刀

1.刀库只做选刀运动，机械手换刀

2.布局灵活，换刀速度快

各种加工中心

机械手和刀具运送器

1.刀库距机床主轴较远时，用刀具运送器将刀具送至机械手

2.结构复杂

大型加工中心

成套更换方式

更换转塔

1.利用更换转塔头，增加换刀数目

2.换刀时间基本不变

扩大加工工艺的钻削中心

更换主轴箱

1.利用更换主轴箱，扩大组合机床加工工艺范围

2.结构比较复杂

扩大柔性的组合机床

更换刀库

1.扩大加工工艺，更换刀库，另有刀库存储器

2.充分提高机床利用率和自动化程度

3.扩大加工中心的加工工艺范围

加工复杂零件，需刀具很多的加工中心

2.4刀库及刀具交换装置

刀库的功能是储存加工工序所需的各种刀具，并按程序指令，把即将要用的刀具迅速、准确地送到换刀位置，并接受从主轴送回的已用刀具。

所以说它是自动换刀装置中主要部件之一。

2.4.1刀库的形式

根据刀库的容量和存取刀具的方式，刀库可设计成多种形式。

目前常见的刀库类型如下：

盘式刀库此刀库结构简单，应用较多。

此换刀装置的优点是结构简单，成本较低，换刀可靠性较好，缺点是换刀时间长，适用于刀库容量较小的加工中心上采用。

如图2-2所示。

链式刀库此刀库结构紧凑，刀库容量较大，链环的形状可根据机床的布局制成各种形状，也可将换刀位突出以便于换刀，能充分利用机床的占地空间，通常为轴向取刀，位置精度较低，造价也较高。

如图2-3所示。

格子箱式刀库结构紧凑，刀库空间利用率高，换刀时间较长。

布局不灵活，通常刀库安装在工作台上，应用者较少。

如图2-4所示。

直线式刀库刀库容量少，一般在十几把左右，多用于自动换刀数控车床，钻床上也有采用。

如图2-5所示。

图2-2盘式刀库图2-3链式刀库

图2-4格子箱式刀库图2-5直线式刀库

2.4.2刀具的选择方式

在自动换刀装置换刀时，按数控装置的刀具选择指令，从刀库中将所需要的刀具准确地自动地选出，并转换到取刀位置．称为自动选刀。

从刀库中选择刀具通常采用下述方式：

（1）顺序选择方式顺序选择方式是按零件加工的预定工序要求依次将所用刀具存入刀库的刀座中，使用时按顺序将其转到取刀位置。

用过的刀具放回原来的刀座中，亦可以按加工顺序故入下一个刀座中。

这种方法不需要刀具识别装置，驱动控制也较简单，工作可靠，但刀具不能重复使用。

即工艺相同的不同工序，也要重新安排刀具，故增加了刀具数量和刀库容量。

一般用于刀具较少的中小型加工中心、加工批量较大但工件品种较少的加工中心、刀库与主抽之间直接换刀的加工中心、有自动换刀库的数控机床（当加工小批量零件时）。

另外，在装刀时必要认真谨慎对号入座，否则将会产生严重后果。

（2）任意选择刀具方式这种方法根据程序指令的要求任意选择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可任意存放。

每把刀