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【精编完整版】加工中心换刀机构毕业论文说明书论文.doc

【精编完整版】加工中心换刀机构毕业论文说明书论文

赵得道
2017-12-01 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《【精编完整版】加工中心换刀机构毕业论文说明书论文doc》,可适用于综合领域

【精编完整版】加工中心换刀机构毕业论文说明书论文(此文档为word格式下载后您可任意编辑修改~)任务分配总体方案设计:传动系统设计:动力电机系统设计:控制电路设计:软件编程:电力供电系统:附上整体效果图【图片】毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计,论文,~是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知~除文中特别加以标注和致谢的地方外~不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果~也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体~均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名:日期:指导教师签名:日期:使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计,论文,的规定~即:按照学校要求提交毕业设计,论文,的印刷本和电子版本,学校有权保存毕业设计,论文,的印刷本和电子版~并提供目录检索与阅览服务,学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文,在不以赢利为目的前提下~学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名:日期:学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外~本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名:日期:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定~同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版~允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索~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。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期:年月日导师签名:日期:年月日指导教师评阅书指导教师评价:一、撰写,设计,过程、学生在论文,设计,过程中的治学态度、工作精神优良中及格不及格、学生掌握专业知识、技能的扎实程度优良中及格不及格、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力优良中及格不及格、研究方法的科学性,技术线路的可行性,设计方案的合理性优良中及格不及格、完成毕业论文,设计,期间的出勤情况优良中及格不及格二、论文,设计,质量、论文,设计,的整体结构是否符合撰写规范,优良中及格不及格、是否完成指定的论文,设计,任务,包括装订及附件,,优良中及格不及格三、论文,设计,水平、论文,设计,的理论意义或对解决实际问题的指导意义优良中及格不及格、论文的观念是否有新意,设计是否有创意,优良中及格不及格、论文,设计说明书,所体现的整体水平优良中及格不及格建议成绩:优良中及格不及格(在所选等级前的内画“”)指导教师:(签名)单位:(盖章)年月日评阅教师评阅书评阅教师评价:一、论文,设计,质量、论文,设计,的整体结构是否符合撰写规范,优良中及格不及格、是否完成指定的论文,设计,任务,包括装订及附件,,优良中及格不及格二、论文,设计,水平、论文,设计,的理论意义或对解决实际问题的指导意义优良中及格不及格、论文的观念是否有新意,设计是否有创意,优良中及格不及格、论文,设计说明书,所体现的整体水平优良中及格不及格建议成绩:优良中及格不及格(在所选等级前的内画“”)评阅教师:(签名)单位:(盖章)年月日教研室(或答辩小组)及教学系意见教研室(或答辩小组)评价:一、答辩过程、毕业论文,设计,的基本要点和见解的叙述情况优良中及格不及格、对答辩问题的反应、理解、表达情况优良中及格不及格、学生答辩过程中的精神状态优良中及格不及格二、论文,设计,质量、论文,设计,的整体结构是否符合撰写规范,优良中及格不及格、是否完成指定的论文,设计,任务,包括装订及附件,,优良中及格不及格三、论文,设计,水平、论文,设计,的理论意义或对解决实际问题的指导意义优良中及格不及格、论文的观念是否有新意,设计是否有创意,优良中及格不及格、论文,设计说明书,所体现的整体水平优良中及格不及格评定成绩:优良中及格不及格(在所选等级前的内画“”)教研室主任(或答辩小组组长):(签名)年月日教学系意见:系主任:(签名)年月日目录任务分配第章绪论设计背景立式数控铣床第章方案设计课题内容确定其自动换刀装置的形式加工中心自动换刀装置(ATC)形式、特点及各自应用范围刀库及刀具交换装置刀库的形式刀具的选择方式刀具(刀座)识别装置刀具交换装置第章换刀机械手结构设计确定换刀机械手形式换刀机械手的工作原理机械手的自动换刀过程的动作顺序两手相互垂直的回转式单臂双手机械手机械手回转轴上的齿轮齿条设计自动换刀装置的相关技术要求主轴准停装置换刀机械手的安装与调试确定刀库容量确定刀库形式初步估计刀库驱动转矩及选定电机刀库转位机构的普通蜗轮蜗杆的相关设计确定刀具的选择方式刀库结构设计第章PLC控制系统设计机械手控制系统PLC的选择机械手的PLC控制系统限位开关的布局示意图机械手自动换刀系统的工作流程机械手自动换刀系统的原理PLC的硬件IO接口原理图自动换刀系统PLC程序的设计编程软件PLC的控制流程图梯形图指令表课程设计心得附录附录附录参考文献第章绪论设计背景加工中心(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倍,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。年美国卡尼特雷克(KearneyTrecker)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。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:)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。)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。第章方案设计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CNC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mmY轴行程mmZ轴行程mm立柱最前端至主轴中心mm工作台加工面积(长×宽)×mm工作台承载重量kg主轴最高转速rpm快速进给速度X轴mmin快速进给速度Y轴mmin快速进给速度Z轴mmin刀库刀具数把定位精度mm重复定位精度mm加工精度mm主轴锥孔BT刀具最大直径mm换刀时间(刀对刀)秒最大进给速度mmin确定其自动换刀装置的形式由于LTCNC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。LTCNC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LTCNC数控立式升降台铣床的外观图如图所示。图数控立式升降台铣床的外观图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。表加工中心上的换刀装置形类别特点应用范围式转垂直转塔根据驱动方式不同可分为顺序用于钻削塔头选刀或任意选刀中心式水平转塔结构紧凑简单容纳刀具数目少头刀无机械手利用刀库运动与主轴直接换刀小型加工库换刀省去机械手中心式结构紧凑刀库运动较多机械手换刀库只做选刀运动机械手换刀各种加工刀布局灵活换刀速度快中心机械手和刀库距机床主轴较远时用刀具大型加工刀具运送运送器将刀具送至机械手中心器结构复杂成更换转塔利用更换转塔头增加换刀数目扩大加工套换刀时间基本不变工艺的钻更削中心换更换主轴利用更换主轴箱扩大组合机床扩大柔性方箱加工工艺范围的组合机式结构比较复杂床更换刀库扩大加工工艺更换刀库另有加工复杂刀库存储器零件需充分提高机床利用率和自动化程刀具很多度的加工中扩大加工中心的加工工艺范围心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。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。如图所示。图盘式刀库图链式刀库图格子箱式刀库图直线式刀库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:()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。()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。每把刀具(或刀座)都编上代码(自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刀库将选中的刀具送至换刀位置等待机械手来抓取。任意选择刀具法的优点是刀库中刀具的排列顺序与工件加工顺序无关。相同的刀具可重复使用故刀具数量比顺序选择法的刀具可少一些刀库也相应小一些。刀座编码式这种编码方式是对刀库中的每个刀座都预先进行编码刀具也编号并将与刀座编码对应的刀具一一放入指定的刀座中根据刀座编码选刀。换刀时刀库旋转使各个刀座依次经过刀具识别器直至找到规定的刀座刀库即刻停止旋转。刀座编码又分永久性编码和临时性编码前者刀座号是固定不变的后者又称编码钥匙即采用一种专用的编码钥匙”这种入法是按加工顺序要求事先给各刀具都缚上一“把表示法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刀座旁边的钥匙孔中。这样就把钥匙的号码转记到刀座中给刀座编上了号码。识别器可通过识别钥匙上的号码来选取该钥匙旁边刀座中的刀具编码钥匙中除导向凸起外共右个凸起和凹下的位置故有凹凸组合可区别把刀具。钥匙沿着水平方向的钥匙缝插人钥匙孔座然后顺时针方向旋转处于钥匙代码凸起的第一弹簧接触片被撑起表承代码“”处于代码凹处的第二弹簧接触片保持原状表示代码“”。由于钥匙上每个凸凹部分旁边均有相应的碳刷故可将钥匙各个凸凹部分均识别出来即识别出相应的刀具。当取出刀具时钥匙也随之取出刀座码立即消失调换钥匙可任意改变刀具编码使用具有更大的灵活性。刀具编码式这种万式是直接对每把刀具进行编码由换刀装置识别刀具上的编码进行选刀出于每把刀只都有自己的代码故可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。避免了因刀具存放在刀库中的顺序差错而造成的事故同时也缩短了刀库的运转时间简化了自动换刀控制线路。它还可直接在刀库与刀具主轴之间进行换刀而不致增加换刀时间。其缺点是使刀具长度增加制造田难刚度降低同时使机械手和刀库的结构也复杂化。编码附件法这种选刀方式介于刀具编码与刀座编码之间。刀库的刀座与刀具均无需编码。只利用一种带有编码附件(如钥匙、卡片、编码杆、编码盘)与刀具合在起这样刀具就具有与编码附件相同的编号。当带编码附件的刀具插人刀库中某一刀座时该刀座便具有编码附件指定的编码。以上选刀方式都结换刀系统带来很多不便所以近年来在加工中心应用得很少。计算机记忆式高档的数控加工中心可将刀具号和刀库上存刀地址对应地记忆在计算机存储器内或可编程控制器内。不论刀具放入哪个地址均可跟踪记忆利用刀库上装刀位置检测装置可测得每一地址。这样刀具可以任意取、存无需编码元件这种刀具任选方式使换刀控制大为简化。故目前的加上中心绝大多数都采用这种方式。刀具(刀座)识别装置刀具(刀座)识别装置是自动换刀系统中的重要组成部分常用的有下列几种。()接触式刀具识别装置接触式刀具识别装置应用广泛特别适应于空间位置较小的刀具编码其原理如图所示。在刀柄上装有两种直径不同的编码环规定大直径的环表示二进制的“”小直径的环为“”图中有个编码环在刀库附近固定一刀具识别装置从中伸出几个触针触针数量与刀柄上的编码环个数相等。每个触针连一个继电器当大直径的编码环与触针接触继电器通电其数码为“”。当各继电器读出的数码与所需刀具的编码一致时由控制装置发出信号使刀库停转等待换刀。接触式刀具识别装置结构简单但由于使用中触针有磨损故寿命较短可靠性较差且难于快速换刀。()非接触式刀具识别装置非接触式刀具识别装置无机械接触、无磨损、无噪声、寿命长、反应速度快适应于高速且换刀频繁的工作场合。常用的有磁性识别法和光电识别法。非接触式磁性识别法磁性识别法是利用磁性材料和非磁性材料磁感应强弱不同通过感应线圈读取代码。编码环的直径相等分别由导磁材料(如软钢)和非导磁材料(如黄铜、塑料等)制成规定前者编码为“”后者编码为“”。图所示为一种用于刀具编码的磁性识别装置。图中刀柄上装有非导磁材料编码环和导磁材料编码环、与编码环对应的有一组检测线圈组成非接触式识别装置。在检测线圈的一次线圈中输入交流电压时如编码环为导磁材料则磁感应较强在二次线圈中产生较大的感应电压。如编码环为非导磁材料则磁感应较弱在二次线圈中感应的电压较弱。利用感应电压的强弱就能识别刀具的号码。当编码环的号码与指令刀号相等时控制电路便发出信号使刀库停止运转等待换刀。刀具编码的识别装置原理如图所示。当数控装置接受穿孔纸带给出的选刀号T代码由选刀控制电路使刀库快速转动刀具依次通过识刀器对应每个刀具的编码环感应出不同的信号经刀号读出电路将编码环所表示的号码读出通过输入控制门存入刀号寄存器内然后送入比较符合电路与数控装置对已接收的T代码进行比较。若与给定的T代码不一样则刀库仍继续转动直到识刀器读出的刀具或刀座编码与T代码一致时发出选刀符合信号说明已选中刀具此时刀库减速、定位、停止所选刀具停在等待换刀位置。图中延时清零电路用来等待识刀器读完一个编码号后再进行比较识别以免因读出信号时间上的不一致造成失误。每读完一次编码延时清零电路经一定延时发出一次消零信号使刀号寄存器清零复位以便寄存下一个刀号。图接触式刀具识别装置图磁性识别装置图识刀装置原理框图光学纤维刀具识别装置这种装置利用光导纤维很好的光传导特性采用多束光导纤维构成阅读头。用靠近的两束光导纤维来阅读二进制码的一位时其中一束将光源投射到能反光或不能反光(被涂黑)的金属表面另一束光导纤维将反射光送至光电转换元件转换成电信号以判断正对这两束光导纤维的金属表面有无反射光有反射时(表面光亮)为“”无反射时(表面涂黑)为“”(如图(b)所示。在刀具的某个磨光部位按二进制规律涂黑或不涂黑就可以给刀具编上号码。正当中的一小块反光部分用来发出同步信号。阅读头的端面如图(a)所示共用的投光射出面为一矩形框中间嵌进一排共个圆形受光入射面、当阅读头端面正对刀具编码部位沿箭头方向相对运动时在同步信号作用下可将刀具编码读入并与给定的刀具号进行比较而选刀。在光导纤维中传播的光信号比在导体中传播的电信号具有更高的抗干扰能力。光导纤维可任意弯曲这给机械设计、光源及光电转换元件的安装都带来很大的方便。因此这种识别方法很有发展前途。近年来“图像识别”技术也开始用于刀具识别刀具不必编码而在刀具识别位置上利用光学系统将刀具的形状投影到许多光电元件组成的屏板上从而将刀具的形状变为光电信号经信息处理后存人记忆装置中。选刀时数控指令T所指的刀具在刀具识别位置出现图形时便与记忆装置中的图形进行比较选中时发出选刀符合信号刀具便停在换刀位置上。这种识别方法虽有很多优点但由于该系统价格昂贵而限制了它的使用。图光学纤维刀具识别装置()利用Pc实现随机换刀随着计算机技术的发展利用软件选刀以代替传统的编码环和识刀器。在这种选刀和换刀的方式中刀库上的刀具能与主轴上的刀具任意地直接交换即随机换刀。主轴上换来的新刀号及还回刀库的刀具号均在Pc内部相应地存储单元记忆。随机换刀控制方式需要在Pc内部设量一个模拟刀库的数据表其长度和表内设置的数据与刀库的位置数和刀具号相对应。这种方法主要由软件完成选刀从而消除了内于识刀装置的稳定性、可靠性所带来的选刀失误。ATC(自动换刀)控制和刀号数据表如图所示刀库有个刀座可存放把刀具。刀座固定位置编号为方框内号号为主轴刀位置号由于刀具本身不附带编码环故刀具编号可任意没定如图中()()的刀号。一旦给某刀编号后(该编号不应随意改变。为了使用方使(刀号也采用BCD码编写。在PC内部建立一个模拟刀库的刀号数据表如图所示。数据表的表序号与刀库刀座编号相对应每个表序号中的内容就是对应刀座中所插入的刀具号。图中刀号表首地址TAB单元固定存放主轴上的刀具号数TABTAR存放刀库上的刀具号。由于刀号数据表实际上是刀库中存放刀具位置的一种映像所以刀号表与刀库中刀具的位置应始终保持一致。图刀库中刀具位置编号图刀库的刀号数据表刀具的识别虽然刀具不附带任何编码装置且采用任意换刀方式但是由于在PC内部设置的刀号数据表始终与刀具在刀库中的实际位置相对应所以对刀具的识别实质上转变为对刀库位置的识别。当刀库旋转每个刀座通过换刀位置(基准位置)时产生一个脉冲信号送至PC作为计数脉冲。同时(在PC内部设置一个刀库位置计数器当刀库正转(cw)时每发一个计数脉冲使该计数器递增计数当刀库反转(ccw)时(每发一个计数脉冲则计数器递减计数。于是计数器的计数值始终在之间循环而通过换刀位置时的计数值(当前值)总是指示刀库的现在位置。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:)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。)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当PC接到新刀具的指令(TXX)后在模拟刀库的刀号数据表中进行数据检索检索到T代码给定的刀号将该刀具号所在数据表中的表号数存放在一个缓冲存储单元中这个表序号数就是新刀具在刀库中的目标位置。刀库旋转后测得刀库的实际位置与要求的刀库目标位置一致时即识别了所要寻找的新刀具。刀库停转并定位等待换刀。识别刀具的PC程序流程团如图所示。刀具的交换及刀号数据表的修改当前一工序加工结束后需要更换新刀加工时NC系统发出自动换刀指令M控制机床主轴准停。机械手执行换刀动作将主轴上用过的旧刀和刀库上选好的新刀进行交换。与此同时应通过软件修改PC内部的刀号数据表使相应的刀号表单元中的刀号与交换后的刀号相对应。图识别刀具的PC程序流程框图刀具交换装置实现刀库与机床主轴之间装卸和传递刀具的装置称为刀具交换装置。交换装置的形式和具体结构对数控机床的整体布局、生产率和工作可靠性都有直接影响。交换装置的形式很多一般可分为两大类。由刀库和主轴的相对运动实现刀具交换用这种形式交换刀具时必须将主轴上用过的刀具送回刀库再从刀库取出新刀但两个动作不能同时进行。它适用采用号以下刀柄的小型加工中心或换刀次数少的用重型刀具的重型机床。这种换刀方式没有机械手因而结构简单刀库回转是在工步与工步之间故换刀时间长换刀动作也较多但却免去了刀库回转时的振动对加工精度的影响。在这种换刀方式中刀库可以是圆盘型、直线排列式、也可以是格子箱式等。圆盘式刀库可设在立柱顶上、立柱主轴箱的侧面也可以设在横梁一端。直线排列式刀库可设在工作台上方也可设在工作台的一端或两端。格子箱式刀库可设在双工作台的中间。由机械手进行刀具交换由于刀库及刀具交换方式不同换刀机械手种类繁多。机械手的类型如表所示。表换刀机械手的结构及特点类型形式应用特点单臂单手机械手作往复直线运用于刀具主轴与结构较简式动刀库刀座轴线平单换刀行的场合时间较长机械手摆动其轴线与用于刀库刀座轴刀具主轴平行线与主轴轴线平行的场合机械手摆动其轴线与用于刀库刀座轴刀具主轴垂直线与主轴轴线垂直的场合单臂双手固定双手式用于刀库刀座轴可同时抓式线与主轴轴线平住主轴和可伸缩双手式行的场合广泛用刀库中的剪式双手式于加工中心刀具并双手不成进行拔出、插入换刀时间短双手式双手平行式这种机械手还起换到时间双手交叉式运输作用较短结双手有回转运动构较复杂第章换刀机械手结构设计数控机床的自动换刀装置中,实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式通常分为两种:一种是采用机械手交换刀具,另一种是由刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换即无机械手交换刀具。无机械手交换刀具方式:结构简单成本低换刀的可靠性较高刀库因结构所限容量不多。这种换刀系统多为中、小型加工中心采用。刀具的交换方式及它们的具体结构对机床的工作效率和工作可靠性有直接的影响。由LTCNC数控立式升降台铣床的结构特性决定难以实现由刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换故采用机械手交换刀具的方式。机械手是当主轴上的刀具完成一个工步后把这一工步的刀具送回刀库并把下一道工步的所需要的刀具从刀库中取出并装入主轴继续进行加工的功能部件。对机械手的具体要求是迅速可靠准确协调。确定换刀机械手形式在自动换刀数控机床中换刀机械手的形式是多种多样的常见的有以下几种。)两手呈的回转式单臂双手机械手图机械手臂和手爪手爪锥销手臂弹簧活动销长销锁紧销)两手互相垂直的回转式单臂双手机械手)两手平行的回转式单臂双手机械手)双手交叉式机械手由于不同的数控机床(加工中心)的刀库与主轴的相对位置不同。所以各种数控机床所使用的换刀机械手也不尽相同。这次设计我选用两手互相垂直的回转式单臂双手机械手。这种机械手的优点是换刀动作可靠换好时间短缺点是刀柄精度要求高结构复杂联机调整的相关精度要求高机械手离加工区较近。一般来说这种机械手用于刀库刀座轴线与机床主轴轴线垂直刀库为径向存取刀具形式的自动换刀装置因此在LTCNC数控立式升降铣床的自动换刀装置中可采用这种机械手形式。换刀机械手的工作原理下面是以在LTCNC数控立式升降台铣床的自动换刀装置中采用这种上机械手换刀的工作原理。该机械手安装在主轴的左侧面随同主轴箱一起运动。机械手由机械手臂与的斜壳体组成。机械手臂形状对称。固定在回转轴上回转轴与主轴成角安装在壳体上有手臂托可由液压缸带动(图中未标出)机械手有伸缩、回转、抓刀、松刀等动作。伸缩动作:液压缸(图中未标出)带动手臂托架沿主轴轴向移动。回转动作:液压缸中的齿条轮通过齿轮带动回转轴转动。从而实现手臂正向和反向的旋转运动。抓刀、松刀动作:机械手对刀具的夹紧和松开是通过液压缸。碟形弹簧及拉杆、杠杆、活动爪来实现。碟形弹簧实现夹紧液压缸实现松开。在活动爪中有两个销子当夹紧刀具时插入刀柄凸缘的孔内确保安全、可靠。机械手的自动换刀过程的动作顺序(a)(b)(c)(d)图换刀机械手的换刀过程自动换刀装置的换刀过程由选刀和换刀两部分组成。选刀即刀库按照选刀命令(或信息)自动将要用的刀具移动到换刀位置完成选刀过程为下面换刀做好准备换刀即是机械手把主轴上用过的刀具取下将选好的刀具安装在主轴之上。换刀动作的大致过程为:)主轴箱回到最高处(z坐标零点)同时实现“主轴准停”。即主轴停止回转并准确停止在一个固定不变的角度方位上保证主轴端面的键也在一个固定的方位使刀柄上的键槽能恰好对正端面键。)机械手抓住主轴和刀库上的刀具。如(a)所示。)把卡紧在主轴和发库上的刀具松开)活塞杆推动机械手下行从主轴和刀库上取出刀具)机械手回转交换刀具位置)将更换后的刀具装入主轴和刀库)分别夹紧主轴和刀库上的刀具)机械手松开主轴和刀库上的刀具)当机械手松开具后限位开关发出“换刀完毕”的信号主轴自由可以开始加工或其他程序动作。在自动换刀的整个过程中各项运动均由限位开关控制只有前一个动作完成后才能进行下一个动作从而保证了运动的可靠性。两手相互垂直的回转式单臂双手机械手机械手回转轴上的齿轮齿条设计)回转轴上齿轮采用渐开线标准直齿圆柱齿轮形式)取模数M=。初取齿数z=)下表为齿轮几何尺寸设计的基本参数:名称代号计算公式模数m压力角分度圆直径dD=mz==齿顶高,,h(h)(),,,cm齿根高fahhh,,,齿全高haf,d(z)(),,,hm齿顶圆直径aa,,d(h),,,,zcm齿根圆直径fa齿距p齿厚s顶隙c)齿条的基本尺寸按外齿轮几何尺寸的计算公式进行计算自动换刀装置的相关技术要求主轴准停装置为了传递扭矩在主轴的前端装有端键当刀具刀柄装入锥孔时刀柄上的键槽位置必须与该键对准才能装入。当机械手从刀库取刀时为了确保刀具其后能顺利地装入主轴锥孔中必须使主轴准确地停在刀具交换位置上。同时由于工艺上的需要也必须使主轴准停在固定位置上。这种使主轴端在定位键停在固定位置的技术要求称为主轴准停。LTCNC数控立式升降台铣床的自动换刀装置在每次自动装卸刀具时都必须要求主轴准确地停止在固定的周向位置上。因此可在主轴上安装电气控制的主轴准停装置以实现主轴准停功能。换刀机械手的安装与调试)换刀机械手安装在主轴箱的左侧面加工零件时换刀机械手随主轴箱一起上下运动。)当初装上换刀机械手后必须进行调试:用手动操纵主式调整换刀机械手相对于主轴的位置使用调整心棒有误差时可调整机械手行程、刀库位置、机械手支座、修正主轴坐标原点等。安装最大重量刀具时要进行多次刀库到主轴位置的自动交换使机械手换刀时做到准确无误无撞击。确定刀库容量刀库容量设为把。确定刀库形式刀库容量为,容量不大并且用于小型立式加工中心因此决定采用盘式刀库。盘式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。整个换刀过程时间大约为秒。初步估计刀库驱动转矩及选定电机刀库驱动电动机的选择应同时满足刀库运转时的负载扭矩和启动时的加速扭矩的要求。刀库负载扭矩的计算圆盘式刀库负载扭矩估算方法:这种刀库的负载扭矩主要用来克服刀具质量的不平衡估算按如下两种情况进行:第一用平均重量的刀具插满圆盘的半个圆如图(a)所示根据工艺要求所需的各种刀具确定每个刀具的(包括刀柄)平均重量而其重心则设定为离刀库回转中心半径处。第二把三把最重的刀具放在一起如图(b)所示。按加工中心规格规定的最大刀具质量算而其重心则设定为离刀库回转中心半径处。刀库加速扭矩的计算式中刀库选刀时的电动机转速(rmin)加速时间通常取~ms电动机转子惯量()可查样本负载惯量折算到电动机轴上的惯量()(a)刀具插满圆盘的半个圆(b)三把最重的刀具插在一起图刀库负载转矩计算方法驱动电动机输出扭矩计算驱动电动机的输出扭矩应同时满足刀库负载扭矩和加速扭矩之和将以上计算的刀库负载扭矩和加速扭矩转换为驱动电动机轴上的输出扭矩的公式为式中i电动机轴至刀库轴的速比传动效率。考虑到实际情况比计算时所设定的条件复杂电动机额定转矩应为负载扭矩的~倍。设定当两个最大刀具相邻放置时其间距为毫米则相邻刀套中心距为毫米夹角为度。可知刀套放置半径为mm圆整为mm。刀库负载扭矩的计算按方法二进行估算即将三把最重的刀放在一起则负载扭矩===加速扭矩的计算设刀具最大运动线速度为mmin则可确定刀库选刀转速为=rmin加速时间暂定为=ms电动机的转子惯量可查相关样本=负载惯量折算到电动机轴上的惯量=则可求得=驱动电动机的输出扭矩应同时满足刀库负载扭矩和加速扭矩之和电动机轴到刀库轴的速比为i=,蜗轮蜗杆的传动效率=,则可求得==电动机的额定转矩>(~)=(~)而所选电机转矩为确定伺服电机型号为SMN其主要技术参数为:额定功率Kw额定转速rmin额定电流A转子惯量机械时间常数ms工作电压V刀库转位机构的普通蜗轮蜗杆的相关设计蜗杆头数=初定传动比为i=则蜗轮齿数=i=模数m=蜗杆分度圆直径=mm蜗轮分度圆直径=m=mm中心距a=()=mm,圆整中心距取=mm蜗轮变位系数=(a)m=属于>=x>=的要求蜗轮齿顶高=()=mm蜗轮齿根高=()=mm蜗轮齿根圆直径==mm蜗轮齿顶圆直径==mm蜗杆齿顶圆直径==mm蜗杆齿根圆直径=()=mm考虑到传递的功率不大转速较低选用ZA蜗杆传动精度为面粗糙度Raμm。蜗轮材料选用ZCuAlFe表面淬火硬度~HRC,表面粗糙度Raμm。蜗轮蜗杆其他计算参数:蜗杆导程角r=arctan蜗杆齿形角为蜗杆轴向齿距积累误差=mm蜗杆轴向齿距极限偏差=mm蜗轮齿形误差=mm确定刀具的选择方式刀具的选择方式为任意选择方式中的计算机记忆式可将刀具号和刀库上存刀地址对应地记忆在计算机存储器内或可编程控制器内。不论刀具放入那个地址均可跟踪记忆利用刀库上装刀位置检测装置可测得每一地址。这样刀具可以任意存取无需编码元件这种刀具任选方式使换刀控制大为简化。刀库结构设计圆盘式刀库由专用的交流伺服电机经挠性联轴器、蜗杆、蜗轮带动刀盘和盘上的个刀套旋转如图所示。刀座的滚子在不旋转的刀盘的槽中受到限位刀盘在最下端的换刀位置开了一个缺口。刀座以铰链形式与支撑板相连。平时由弹簧将滚子销压在刀套的凹槽中使刀座定位在水平位置。由于主轴是立式的故应将处于刀库刀盘最下位置的刀套旋转使刀头朝下。实现这个动作靠气缸。气缸的活塞杆带动拨叉上升由剖视图中可以看到最下面的一个刀套右尾部的滚子正好进入拨叉的缺口。拨叉上升使刀套连同刀具逆时针方向旋转滚子销退出支撑板的凹槽刀座转至垂直位置等待机械手换刀。刀套的构造锥孔尾部有两个球头销钉后有弹簧用以夹住刀具故当刀套旋转后刀具不会下落。刀套顶部的滚子用以在刀套处于水平位置时支撑刀套。当刀具更换完毕该刀座插入从主轴换下的刀具夹头。通过气缸作用与上述动作相反刀座带动刀具夹头顺时针转动直到水平位置为止此时滚子销重新处于支撑板的凹槽中。图刀套结构图第章PLC控制系统设计机械手控制系统PLC的选择在系统控制器的选择上可以有多种方案目前在机电一体化设计中主要有三种:单片机、工业控制计算机、可编程控制器(PLC)。随着计算机系统的不断发展PLC控制系统得到了广泛的应用。PLC控制有以下优点:、可靠性高PLC不需要大量的活动元件和连接电子元件它的连线大大减少。与此同时系统的维修简单维修时间短采用了一系列可靠性设计的方法进行设计如:冗余的设计、断电保护、故障诊断和信息保护及恢复等。、易操作性PLC有较高的易操作性它具有编程简单操作方便维修容易等特点一般不容易发生操作的错误。PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言编程出错率大大降低。、灵活性PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能图、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程简单、应用而拓展。操作十分灵活方便监视和控制变量十分容易。经过各方面分析比较本课题采用三菱FXN系列PLC作为控制器并配有相应的控制模块来实现整个机械手的控制功能。机械手的PLC控制系统限位开关的布局示意图图限位开关的布局示意图机械手自动换刀系统的工作流程机械手移动刀具的单个工作流程由复位到初始位置、将机械手移动到刀库处、夹紧刀具、将刀具移动到目标位置、放下刀具和移动到初始位置个过程组成。机械手移动刀具通过PLC平控制可以实现这个过程全自动依次运行。如下图所示单个工作流程示意图:图自动控制原理图机械手自动换刀系统的原理该控制系统的基本控制原理如下:()按下启动按钮系统进行自检查机械是否在初始位置不是的话先进行复位工作然后进行正式工作。()复位工作控制原理如下:机械手首先上移直到运动到最上端。上移后机械手开始右移。右移完成后机械手开始左转至此复位工作完成。()正式工作控制原理如下:机械手开始左移一直运动到最左端。运行到最左端后机械手开始向下运动。到达最下端后机械手开始夹紧工件一直到把工件夹紧为止时间由定时器控制定时为秒。机械手开始向上运动运动到最上端。上移后机械手开始右移。右移完成后机械手开始右转直到右转限位开关检测到信号。右转完成后机械手下移。运行到最低位置后机械手把工件松开一直到放松限位开关检测到信号。工件松开后机械手开始向上运动。到达最上端后机械手开始左转真到左转限位开关检测到信号此时机械手已加到初始位置。该系统进行自动连续循环工作。正常停车时要求机械手回到初始位置时才能停车。急停时切断所有电源系统停止运行。重新启动后由于急停时机械手位置的不确定性要进行复位工作。PLC的硬件IO接口原理图图三菱FXNPLC接口电路图自动换刀系统PLC程序的设计编程软件采用三菱公司编程软件FXGPWINC,其界面如下所示图编程软件界面图PLC的控制流程图图自动控制流程框图梯形图图梯形图指令表图指令表课程设计心得紧张而又辛苦的两周课程设计结束了。当我快要完成老师下达给我的任务的时候我仿佛经过了一次翻山越岭登上了高山之颠顿感心旷神怡眼前豁然开朗。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练这是我们迈向社会从事职业工作前一个必不可少的过程。“千里之行始于足下”通过这次课程设计学会脚踏实地地迈开这一步就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。作为一名机械电子工程专业的学生我觉得能做类似的课程设计是十分有意义而且是十分必要的。在已度过的三年的时间里我们大多数接触的是专业基础课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面如何去锻炼我们的实践面,如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢,我想做类似的大作业就为我们提供了良好的实践平台。在做本次课程设计的过程中我感触最深的当数查阅大量的设计手册了。为了让自己的设计更加完善更加符合工程标准一次次翻阅参考文献是十分必要的同时也是必不可少的。我们是工程师一切都要有据可依有理可寻不切实际的构想永远只能是构想永远无法升级为设计。说实话课程设计真的有点累。然而当我一着手清理自己的设计成果漫漫回味这周的心路历程一种少有的成功喜悦即刻使倦意顿消(虽然这是我刚学会走完的第一步也是人生的一点小小的胜利然而它令我感到自己成熟的许多另我有了一中”春眠不知晓”的感悟。通过课程设计使我深深体会到干任何事都必须耐心细致。课程设计过程中许多计算有时不免令我感到有些心烦意乱:有次因为不小心我计算出错只能毫不情意地重来。但一想起周伟平教授黄焊伟总检平时对我们耐心的教导想到今后自己应当承担的社会责任想到世界上因为某些细小失误而出现的令世人无比震惊的事故我不禁时刻提示自己一定呀养成一种高度负责认真对待的良好习惯。这次课程设计使我在工作作风上得到了一次难得的磨练。附录结构图纸(A时放在此附录中其他均单独打印)附录硬件电路图(或接线图)附录软件控制程序参考文献机床设计手册编写组机床设计手册(第三册)北京:机械工业出版社王爱玲主编现代数控机床北京:国防工业出版社林宋田建君编现代数控机床北京:化学工业出版社沙杰编加工中心结构、调试与维护北京:机械工业出版社廉元国张永洪编加工中心设计与应用北京:机械工业出版社向金林TH立式加工中心自动换刀系统的设计装备制造技术陈芳李继中盘式刀库加工中心自动换刀系统控制机械设计与制造黄泽正刘冲陈志辉加工中心自动换刀装置的设计机械工程与自动化曹秋霞马国亮小型立式加工中心圆盘式刀库的设计机电产品开发与创新依兰欧克拉比京克数控平面加工中心轮式刀库自动换刀装置的设计成都纺织高等专科学校学报谢红数控机床机器人机械系统设计指导上海:同济大学出版社加工中心应用与维修编委会加工中心应用与维修北京:机械工业出版社李佳数控机床及应用北京:清华大学出版社朱龙根简明机械零件设计手册M北京:机械工业出版社,辽宁科学技术出版社,王可实用机床设计手册M辽宁:MBKoDesignofautomatictoolchangerforCNCmachinesMScthesis,MechanicalEngineeringDepartmet,METU,Ankara,TurkeyHSYanAmethodologyforcreativemechanismdesignmechansismandmachine,BeomSahngRyuh,SangMinPark,GordonRPennockAnautomatictoolchangerandintegratedsoftwareforaroboticdiepolishingstationMechanismandMachineTheory,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进行的研究工作所取得的成果。尽我所知~除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外~本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。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注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者,本人签名,:年月日学位论文出版授权书本人及导师完全同意《中国博士学位论文全文数据库出版章程》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程》(以下简称“章程”)~愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊,光盘版,电子杂志社”在《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》中全文发表和以电子、网络形式公开出版~并同意编入CNKI《中国知识资源总库》~在《中国博硕士学位论文评价数据库》中使用和在互联网上传播~同意按“章程”规定享受相关权益。论文密级:公开保密(年月至年月)(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)作者签名:导师签名:年月日年月日独创声明本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文)是本人在指导老师的指导下独立进行研究工作所取得的成果成果不存在知识产权争议。尽我所知除文中已经注明引用的内容外本设计(论文)不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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明。本声明的法律后果由本人承担。作者签名:二〇一〇年九月二十日毕业设计(论文)使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版同意学校保存学位论文的印刷本和电子版或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计(论文)同意学校在不以营利为目的的前提下建立目录检索与阅览服务系统公布设计(论文)的部分或全部内容允许他人依法合理使用。(保密论文在解密后遵守此规定)作者签名:二〇一〇年九月二十日致谢时间飞逝~大学的学习生活很快就要过去~在这四年的学习生活中~收获了很多~而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。首先非常感谢学校开设这个课题~为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验~奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年~现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计~我的能力有了很大的提高~比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血~在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助~我将无法顺利完成这次设计。首先~我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导~在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导~为我理清了设计思路和操作方法~并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上~我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。其次~我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求~感谢他们对我学习上和生活上的帮助~使我了解了许多专业知识和为人的道理~能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。另外~我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持~与他们一起学习、生活~让我在大学期间生活的很充实~给我留下了很多难忘的回忆。最后~我要感谢我的父母对我的关系和理解~如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持~我将无法顺利完成今天的学业。四年的大学生活就快走入尾声~我们的校园生活就要划上句号~心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出~对我的人生来说~将是踏上一个新的征程~要把所学的知识应用到实际工作中去。回首四年~取得了些许成绩~生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲~对我成长的关心和爱护。学友情深~情同兄妹。四年的风风雨雨~我们一同走过~充满着关爱~给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。在我的十几年求学历程里~离不开父母的鼓励和支持~是他们辛勤的劳作~无私的付出~为我创造良好的学习条件~我才能顺利完成完成学业~感激他们一直以来对我的抚养与培育。最后~我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励~给了我很多解决问题的思路~在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度~严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中~都给与我很大的帮助~使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助~感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助~帮助解决了不少的难点~使得论文能够及时完成~这里一并表示真诚的感谢。

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