基于PLC自动换刀系统设计说明书.docx
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基于PLC自动换刀系统设计说明书
华东交通大学理工学院
课程设计
说
明
书
题目:
基于PLC自动换刀系统设计
姓名:
刘刚李省吴芸高峰
学号:
306312314302
班级:
09机电(3)班
专业:
机械电子工程
指导教师:
余宏涛
一、摘要...............................................................3
二、自动换刀系统机械设计...............................................4
2.1数控卧式铣床的结构.................................................4
2.2最优方案设计.......................................................4
2.3刀库结构组成.......................................................5
2.3.1刀库装置主要技术参数...........................................5
2.3.2刀库容量的确定.................................................5
2.4刀库驱动转矩的计算.................................................6
2.4.1刀库分传动设计及计算...........................................6
2.5选择电动机容量.....................................................8
2.6刀库驱动转矩的校核.................................................9
2.7直齿圆锥齿轮传动设计..............................................10
2.8气缸设计和选择....................................................11
2.8.3驱动力校核....................................................12
2.9丝杠传动工作台总体设计方案........................................12
2.10工作台的设计....................................................13
2.11导轨的设计......................................................13
........................................14
2.12丝杠的设计......................................................14
三、PLC控制硬件设计.................................................16
3.1PLC简介..........................................................16
3.2自动换刀控制系统要求.............................................16
3.3PLC型号的选择....................................................16
3.4系统控制元件列表..................................................17
3.5PLC的I/O地址的分配..............................................18
3.6PLC程序梯形图....................................................18
3.7程序的调试........................................................19
四、心得体会..........................................................20
五、参考文献..........................................................21
一、摘要
随着数控车床的发展,数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动刀库方向发展。
电动刀架是数控车床重要的传统结构,合理地选配电动刀架,并正确实施控制,能够有效的提高劳动生产率,缩短生产准备时间,消除人为误差,提高加工精度与加工精度的一致性等.
本设计采用电气组合驱动,主要完成了八工位卧式刀架的机械结构设计和利用三菱FX2N可编程控制器(PLC)对自动换刀系统的控制系统进行设计。
其自动换刀的形式为无机械手换刀,换刀过程中刀盘需要横向移动到合适的位置,使机床主轴便于与刀库交换刀具。
刀库的选刀方式为任意选刀,换刀过程中,刀盘需要转动从而进行选刀,这就需要刀库分度装置对装有刀具的刀盘进行分度,并且利用接触传感器对刀具进行计数,并把所得的电信号传递给数控系统,从而实现刀具的快速准确选择。
在本设计中,刀库横移装置的设计利用的是气压传动机构来实现刀库的横移运动;而刀库分度装置的设计利用的是槽轮机构对刀盘进行分度。
机械设计主要包括分度机构及定位机构的选择和刀架主轴,电机的选择,工作台和丝杆,气缸等设计。
控制部分为自动换刀工作方式。
关键词:
数控刀架,PLC控制,电机,横移装置,分度装置,刀库
二、自动换刀系统机械设计
2.1数控卧式铣床的结构
数控立卧式铣床主要由机床床身、机床数控系统,刀库装置,进给电机,单气缸等零部件组成。
从数字控制技术特点看.由于效控机床采用了伺服电机,应用数字技术实现了对机床执行部件工作顺序和运动位移的直接控制,传统机床的变速箱结构被取消或部分取消了,因而机械结构也大大简化了。
数字控制还要求机械系统有较高的传动刚度和无传动间隙,以确保控制指令的执行和控制品质的实现。
同时.由于计算机水平和控制能力的不断提高,同一台机床上允许更多功能部件同时执行所需要的各种辅助功能已成为可能,因而数控机床的机械结掏比传统机床具有更高的集成化功能要求。
2.2最优方案设计
利用气压传动机构。
气缸类型为双作用气缸,气压缸固定安装在刀库介面支架上,活塞杆则与刀库固定连接。
通过气源的供给,可以使刀库沿着导轨轴作往复横向移动。
这种方案比较直接,而且气缸所占用的空间要比使用电机要小许多,而且通过磁环开关的控制,能够较为精准地控制刀库的横向移动。
通过圆锥齿轮机构来实现。
其工作原理如下:
刀盘与锥齿轮同轴固定连接,电动机通过联轴器与锥齿轮固定连接,这样就可以通过锥齿轮机构的传动来实现刀盘的旋转运动,完成选刀工作。
这种机构可以较好的实现选到工作,锥齿轮机构可以将电动机的高转速转化成刀盘的低转速旋转运动。
本设计的自动换刀装置,其刀库横移装置采用气压传动,而刀库分度装置则采用槽轮机构来实现。
最终设计最优方案如下效果图:
图1整体效果图
2.3刀库结构组成:
刀库结构组成如下图所示:
图2结构图
2.3.1刀库装置主要技术参数
刀库装置技术参数表
主轴鼻端
BT40
刀库规格
BT40-T10
刀具容量
10
马达规格
M6IK200-A
刀具换刀时间
8Sec
气缸规格
Φ63×290行程
气压管线
Φ8
气动压力
0.5~0.6Mpa
刀具最大长度
250mm
刀具最大重量
8Kg
刀具最大外径
Φ90mm(满刀状态);φ150(临空刀状态)
2.3.2刀库容量的确定
在确定刀库容量时,要进行大量的分析调查,同时要考虑工艺需要及使用场合。
一般来说,需要承担多个工件的切削任务时,需要配备的刀库容量较大。
换句话来说,配备的刀具愈多,机床能加工工件的比率也越高,但它们并不是成正比例关系。
图3.1为刀库容量与机床能加工工件的比率统计曲线。
图3刀具数量统计
刀库的刀具并不是越多越好,太大的容量会增和占地面积和刀库的尺寸,使选刀时间增长;储存量过小,则不能满足复杂零件的加工要求。
因此,刀库容量应在经济合理的条件下,力图将一组类似的零件所需的全部刀具装入刀库,以缩短每次装刀所需的装调时间。
对图3-1进行分析可知,5把刀可完成加工工件的95%左右的铣削工艺,15把孔加工刀具可完成80%的钻削工艺,20把刀的容量就可完成90%以上工件的钻铣工艺。
本文设计的刀库如需能达到加工90%以上的工件要求,那刀库就需要有20把刀具的容量,故可将本刀库的容量设定为10。
2.4刀库驱动转矩的计算
2.4.1刀库分传动设计及计算
下图为刀库效果图:
图4刀库实物效果图
刀库在换刀前,首先需要选刀。
选刀的过程,就是使刀库轮毂满足一个周向间歇运动,也就是分度盘在分度过程中,转位开始与转位结束位置上的瞬时角速度ω=0。
在图3.3中得出,为了使圆柱滚子能顺利进入和脱出分度盘上的径向槽,在槽口的瞬时位置时,必须使转臂中心线PQ与分度槽的中心线OQ相垂直,即∠OQP=90°。
在圆柱滚子从进入至脱离径向槽的过程中,这位法兰的转动角度为162°,而刀盘转动的角度则为18°。
设电机负载时,法兰盘上的滚子以ω1的角速度转动,转速为n1,此时分度盘以ω3的角速度转动,转速为n3;而电机空转时以n2=1.25n1转动,在滚子拨动分度盘一次的一个周期内的分度时间为t1,间歇时间为t2。
图5刀库分度装置运动分析简图
t1=162°×60/(360°×n1);
t2=198°×60/(360°×n2);
t总=t1+t2;
本设计刀库最大刀容量为10,分度槽数量亦为10,选刀时分度盘按最近原则选刀,选到最远处刀具所需的时间为T2(令T2为3秒)则:
T2=10t总=3Sec;
综合以上各式并代入数据可得:
n1=178r/min,t1=0.152;
ω1=2πn1/60=18.6rad/s;
圆柱滚子从进入至脱离径向槽这个过程,定位法兰的转角为2φ1=162°,分度盘的转角为2φ3=2π/z=18°,(z为分度盘的槽数)。
在直角三角形PQO中,根据正切函数,φ3=arctanλsinφ1/(1-λcosφ1),式中λ=R1/a=sinφ3。
分度机构在转位过程中,定位法兰以匀角速度ω1转动,分度盘以角速度反向转动,分度盘每次分度转过的角度与槽数z有严格的对应关系(2φ3=2π/z),分度盘的角速度ω3为φ3对时间的导数:
ω3=
=
分度盘的角加速度为:
α=
=
代入数据得:
α=-54.8rad/s2。
刀具最大重量为8Kg;分度盘与刀库轮毂质量估计为15Kg;刀盘及圆盘罩盖等总质量估计为7Kg;故刀库旋转部件的总质量M=30Kg;将整个旋转部件等效为质量均匀、半径R为300mm的圆盘,则其转动惯量
J=0.5MR2=1.35Kg·m2;
T=J×α=1.35×54.8Nm≈74Nm
2.5选择电动机容量
(1)计算电动机输出功率Pd
按《常用机械传动效率简表》确定各部分效率为滚动轴承效率η2=0.99,圆锥齿轮传动效率η3=0.95,弹性联轴器效率η4=0.99,卷筒轴滑动效率η5=0.96,卷筒效率η6=0.96。
传动装置总效率为:
η=η22η3η4η5η6=0.992×0.95×0.99×0.96×0.96=0.85
得出电动机输出功率:
Pd=1.1×0.85≈0.93KW
(2)所需的驱动功率
刀盘的转速为n1=178r/min均角速度:
ω=2πn/60,t1=18°×π/(180°×ω)=0.152;
可得到转位过程中,分度盘的平均转速:
n=19.7r/min;
分度盘所需的驱动功率:
Tmi=
=50.136Nm;
所选电机的输出许用转矩T应该大于Tmiin.
(3)确定电动机的转速
输送机卷筒转速:
nw=
=
≈121.02r/min
一般可选用同步转速1000r/min或1500r/min的电动机作为原动机。
单级缘锥齿轮的传动比范围i2=2~3,则电动机转速可选范围为
nd’=nwi1’i2’=121.02×(2×2~4×3)=484.08~1452.24r/min
符合这一同步转速范围的有750r/min,1000r/min,1500r/min。
选用750r/min同步转速电机,则电机重量大、价格昂贵;1000r/min,1500r/min电机从重量、价格及传动比等方面考虑,选用TY90S-4型电动机。
其相关参数如下:
型号
额定功率
满载转速
轴径
中心高
TY90S-4
1.1KW
1500r/min
3.0
3.0
42mm
160mm
(4)计算传动装置总传动比
i总=
=
=12.39
2.6刀库驱动转矩的校核
刀库驱动转矩最小应为T=74Nm;电机空转转速为n2=200r/min;假设传动效率为90%,则负载时电机输出转速为:
n1=200×90%r/min=180r/min;
一个周期内的转位时间为:
t1=162°×60/(360°×n1)=0.15Sec;
一个周期内的电机空转时间;'
t2=198°×60/(360°×n2)=0.165Sec;
又ω3=2πn3/60,t1=18°/180°×π/ω;
故此时分度盘的转速为:
n3=20r/min;
减速电机传递到分度盘上的功率为:
P1=0.2
90
=0.18Kw;
减速电机传递到分度盘上的转矩:
T1===86Nm>74Nm;
所以,刀库的驱动转矩满足要求。
2.7直齿圆锥齿轮传动设计
锥齿轮是圆锥齿轮的简称,它用来实现两相交轴之间的传动,两轴交角S称为轴角,其值可根据传动需要确定,一般多采用90°。
如下图:
图6锥齿轮啮合图
查表,取载荷系数K=1.1,推荐齿宽系数ΨR=0.25—0.3,取ΨR=0.3。
小齿轮上的转矩:
T1=
=
=1.7297×105N·mm
(1)计算分度圆锥角
δ1=arctan
=arctan
=69.72°
δ2=90°-δ1=90°-69.72°=20.28°
(2)计算当量齿数
Zv1=
=
=18.12
Zv2=
=
=132.71
(3)计算模数
查的YF1=3.02,YF2=2.16因为
=
=0.023,
=
=0.011
>
,故将
代入计算。
mm≥
=
=3.43
(4)计算大端模数
m=
=
=4.04
查表取m=4.5
(5)计算分度圆直径:
d1=mZ1=4.5×17=76.50mm
d2=mZ2=4.5×46=207.00mm
(6)计算外锥距
R=
=
=109.16mm
(7)计算齿宽:
b=ΨRR=0.3×109.16=32.75mm
取b1=b2=35mm
(8)计算齿轮的圆周速度
齿宽中点处直径:
dm1=d1(1-ΨR)=76.50×(1-0.5×0.3)=65.025mm
则圆周速度:
v=
=
=1.10m/s
由表可知,选择8级精度合适。
(9)验算轮齿弯曲疲劳强度
σF1=
=
=95.38Mpa
[σF1]=129Mpa,σF1<[σF1],故安全。
2.8气缸设计和选择
根据工件机构所需力的大小,考虑气缸载荷率确定活塞杆上的推力与压力,从而确定气缸内径。
气缸由于其工作压力较小(0.5~0.6Mpa),一般在10000N以内,输出力过大其体积会太大,因此在气动设备上,应尽量采用扩力机构,以减小气缸尺寸。
初选气缸类型为10A-5系列气缸,气缸内径D=
,活塞杆直径d=
,气缸行程L=290,气源气压p=0.5Mpa,工作频率较高,载荷率η取0.3。
2.8.3驱动力校核
向左推力P=×d2×p×η
=
×632×0.5×0.3=467N
向右拉力Q=
×(D2-d2)×p×η=394N
估计刀库总重量M=70Kg,则横向往复运动所需的驱动力
F=μ×M×g=0.1×70×10N=70N
其中,μ是导轨摩擦系数,取0.1;g是重力加速度,取10N/Kg。
P>F且Q>F,所以驱动力方面满足设计要求
2.9丝杠传动工作台总体设计方案
丝杠传动工作台总体设计方案的内容包括工作台尺寸设计、导轨设计、减速器的选择、联轴器和轴承的选择以及直流电机的选择。
图7丝杠传动工作台图
由于所要承受的负载的重量较小,并且导轨的行程比较小,所以根据负载的重量可设计矩形工作台。
由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大,故设计滑动直线导轨副,从而减小工作台的摩擦系数,提高运动稳定性。
根据负载和工作台及零部件的重量较小,所以选用的电机的功率较小,可选用普通的直流电机,结合丝杠的转矩可选择所需的电机。
因为工作台的水平行程比较小,丝杠的转速比较小,结合电机的转速较大,需选择传动比较大的减速器,又因为所需功率较小,则可选用同轴圆柱齿轮减速器。
根据所选用的电机的转轴的尺寸和减速器的蜗轮和蜗杆的尺寸,可以选择合适的联轴器。
由于在转动过程中,所受的轴向力比较小,主要承受径向力,所以可选择角接触轴承。
实物图如下图8所示:
结构件图如图9所示:
2.10工作台的设计
工作台的相关参数设定为:
材料:
灰铸铁HT200,密度ρ=7.0g/cm3
长度╳宽度╳厚度:
50╳60╳10+50╳35╳10╳2=30000+35000=65000mm3
工作台质量:
m=ρV=7.0╳65000╳10-6=0.455kgG=4.55N
工作台最大载荷:
F=15N
根据给定的有效行程,画出工作台简图。
取两道轨的中心距为50mm,设计工作台简图如下:
图10工作台简图
2.11导轨的设计
滑动摩擦导轨的运动件与承导件直接接触,优点:
结构简单、接触刚度大,缺点:
摩擦阻力大、磨损快、低速时易产生爬行现象。
在此我们选择滑动三角形导轨。
导轨简图如图2-4所示
图11导轨简图
材料:
用于导轨的材料,应具有耐磨性好,摩擦因数小,并具有良好的加工和热处理性质。
本设计导轨材料应选用HT200,它具有较好的耐磨性,灰铸铁密度为ρ=7.0g/cm3。
此灰铸铁导轨的硬度一般为180~200HBW。
为了提高导轨表面硬度,采用表明淬火工艺,表面硬度可达55HRC,导轨的耐磨性可提高1~3倍。
工作台重量G=4.55N,工作台最大载荷F=15N,因此导轨额定静载荷为F静=F+G=4.55+15=19.55N
2.12丝杠的设计
滚珠螺旋的特点:
①摩擦阻力小,传动效率高;②磨损小、寿命长、工作可靠性好;③具有运动的可逆性,应设防逆动装置;④轴向刚度较高,抗冲击性能较差;⑤结构复杂,加工制造较难;⑥预紧后得到很高的定位精度(约达5um/300㎜)和重复定位精度(可达1~2um)。
参照设计要求发现,滑动螺旋和滚动螺旋均可满足要求。
拟选定滚动螺旋传动方式。
滚动螺旋的工作原理如图2-5所示,丝杠4和螺母1的螺纹滚道间置有滚珠2,当丝杠或螺母转动时,滚珠2沿螺纹滚道滚动,则丝杠与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦,为防止滚珠从滚道中滚出,在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置3,如图2-5a所示的反向器和图2-5b所示的挡珠器,它们与螺纹滚道形成循环回路,使滚珠在螺母滚道内循环。
图12滚珠丝杠副
(1)滚珠丝杆副的选用与校核计算
导轨摩擦力Fu=u(m1+m2)g=2.874N;其中m1=1.5㎏——移动负载;
m2=0.455㎏——工作台质量和滑块质量;u=0.15——导轨与支撑之间的摩擦系数u查下表:
常用材料的滑动摩擦系数
摩擦副材料
静摩擦系数us
动摩擦系数u
无润滑
有润滑
无润滑
有润滑
钢-钢
0.15
0.1~0.12
0.1
0.05~0.1
钢-青铜
0.1~0.15
0.15~0.18
0.07
(2)轴向载荷Fxmax和等效轴向载荷Fm的计算
Fxmax=kFx+u(Fz+G)+(m1+m2)a=12.08N其中负载移动阻力系数k=1.15;
Fx——负载移动阻力;Fz=m2g;G=m1g;a=v/t=5mm/s2;
Fxmax=Fm=12.08N;
(3)预设滚动丝杆基本参数
螺纹公称直径——d0=10㎜;导程——Ph=2.5㎜;
钢球直径——Dw=1.488mm;圈数×列数——i×k=2.5×1;
螺杆滚道曲率——rs=0.52Dw;转速n=V/Ph=120r/min;
(4)计算动载荷Ca’
Ca’=kh·KF·KH·Kl·Fm/kn=69.54N寿命系数Kh=(Ln/500)1/3
由于是普通丝杆传动,选Lh=15000h;
由知:
载荷系数KF=1.2;动载荷硬度系数KH=1.0;
转速系数Kn=(33.3/n)1/3,其中n是丝杆转速;短行程系数KL=1.0。
(5)螺旋导程角λ
λ=arctanPh/лd0=arctan0.417=4.6o
(6)基本额定载荷校核Ca
Ca=fc(icosa)0.7Z2/3Dwwtana=281.8N
fc=KF·KH·KA·Fm=14.533
其中fc:
与滚珠丝杆副滚道的几何形状制造精度和材料有关的系数一圈螺纹滚道内的钢球数量Z=лd0/Dw;钢球滚到便面在接触点处的公法线与螺纹轴线的垂直线间的夹角a=45o
由上可知:
Ca大于Ca′
(7)基本静载荷Coa′计算Coa′=KF·KH′·F=6.6N*1.2=7.92N
F——轴向载荷取F=6.6N;
基本额定静载荷Coa=focizDw2sina=5261N
当a=45o时,rs/Dw=0.52,foc=63.7
Coa′小于Coa,所以符合要求。
(8)驱动转矩T
T=(F*d0/2)tan(λ+ρ′)=6.6*5*tan(λ+ρ′)
=13.8N*mm
当量摩擦角——ρ′;由旋动运动变为直线运动时tanρ′=0.0025
三、PLC控制硬件设计
3.1PLC简介
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
3.2自动换刀控制系统要求
针对自动换刀系统,PLC控制系统的重点和关键是接受来自数控系统的换刀指令即T指令,然后检测当前所在的刀位与T指令进行比较。
具体要求如下:
换刀系统可以实现手动和自动换刀功能:
①手动换刀
当转换开关旋到手动档时,按一下点动换刀开关,刀盘就转一个刀
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