数控加工中心刀库传动系统设计Word文档下载推荐.docx

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目录

1绪论1

1.1数控加工中心气动换刀系统的概述1

1.2课题的内容及意义1

2气动换刀系统的组成2

2.1刀库2

2.1.1盘式刀库2

2.1.2链式刀库3

2.1.3格子式刀库4

2.2刀具交换机构4

3数控加工中心气动换刀系统原理6

4刀库选刀控制与换刀流程8

4.1刀具的选择方式8

4.1.1顺序选择方式8

4.1.2任意选择方式8

4.2利用PLC程序来实现随机换刀8

4.3换刀动作流程10

5数控加工中心换刀时间的评定方法15

5.1快速换刀技术15

5.2换刀速度指标15

5.3提高换刀速度的基本原则15

5.4如何合理评定自动换刀装置的换刀时间15

6数控加工中心气动换刀系统关键部位设计17

6.1弹簧夹头设计17

6.2刀柄设计18

7结论19

8谢辞20

9参考文献21

附录22

1绪论

1.1数控加工中心气动换刀系统的概述

带有刀库和气动换刀装置的加工中心是一种高度自动化的多功能数控机床。

工件在加工中心上经一次装夹后，数字控制系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。

气动换刀系统一般由刀库和刀具交换机构组成。

全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调整后，按一定的方式放入刀库中去。

换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，在进行交换刀具之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库。

能实现一次装夹完成多道工序，缩短了加工辅助时间，同时排除了多次装夹刀具所产生的定位误差，提高了加工精度，实现了高速化、智能化的加工。

气动换刀系统的好坏直接影响生产加工的效率。

本文将要讨论数控加工中心气动换刀系统的工作原理及机械结构。

1.2课题的内容及意义

本文在参考了学校里的加工中心的基础上，利用CAXA画图软件画出数控加工中心气动换刀系统原理图和机械结构来完成本次设计。

首先，参阅图书馆中有关气动书籍并通过互联网，寻找到一些相关资料，并针对学校的数控加工中心进行研究分析；

其次，用CAXA画图软件画出气动换刀系统的原理图及机械结构进行分析；

最后，设计气动换刀系统的关键部位来完成数控加工中心气动换刀系统设计。

本次设计的完成，使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，特别是对数控加工中心刀库传动系统有了更深一步的了解。

我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际操作问题的能力，同时我的查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平也得到了很大的提高，为今后就业顶岗奠定了坚实的基础。

2气动换刀系统的组成

不同的数控加工中心，刀库和刀具交换机构可能不同，这也体现了不同数控机床间的不同特色。

2.1刀库

所谓刀库，顾名思义，就是存放刀具的仓库，是气动换刀装置的主要部件，其容量、布局以及具体结构对数控机床的设计有很大的影响。

根据刀库所需要的容量、选刀及取刀方式，可以将刀库设计成多种形式。

2.1.1盘式刀库

图2.1盘式刀库

图2.1为盘式刀库，这种刀库的结构简单，刀库的容量通常为15～30把，取刀比较方便，因此应用最为广泛。

当需要更多数量的刀具时，可采用图e所示的鼓轮弹仓式刀库，又称刺猬式，其结构十分紧凑，在相同的空间内，它的刀库容量最大。

图f为多层盘形刀库，它们虽然也具有结构紧凑的特点，但选刀和取刀的动作较多，故较少应用。

2.1.2链式刀库

图2.2链式刀库

图2.2为链式刀库，这种刀库是在环形链条上装有许多刀座，其结构有较大的灵活性，存放刀具的数量也较多，选刀和取刀动作十分简单。

当链条较长时，可以增加支撑链轮数目，使链条折叠回饶，提高空间利用率，一般刀具数量在30~120把，但是这种刀库定位精度低，因此应用也不广泛。

2.1.3格子式刀库

图2.3格子式刀库

图2.3为格子式刀库，这种刀库具有纵横排列十分整齐的很多格子，每个格子中均有一个刀座，可储存一把刀具，这种刀库可将其单独安置于机床外，由机械手进行选刀及换刀。

这种刀库选刀及取刀动作复杂，应用最少。

2.2刀具交换机构

将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库的装置叫做刀具交换机构，主要有通过刀库和主轴的相对运动实现刀具交换和通过机械手实现刀具交换两种形式。

①通过刀库和主轴的相对运动实现刀具交换：

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，换刀时间较长，换刀动作也较多。

②通过机械手实现刀具交换：

换刀时间短，因此广泛运用。

根据在换刀过程中机械手的动作不同，分为抱刀机械手、叉刀机械手、钩刀机械手。

这里以钩刀机械手为例，介绍一下机械手在换刀过程中的基本动作：

1）抓刀：

手臂旋转90°

，同时抓住刀库和主轴上的刀具；

2）拔刀：

主轴夹头松开刀具，机械手同时将刀库和主轴上的刀具拔出；

3）换刀：

手臂旋转180°

，新旧刀具交换；

4）插刀：

机械手同时将新旧刀具分别插入主轴和刀库，然后主轴夹头夹紧刀具；

5）复位：

转动手臂，回到原始位置。

（图2.4）

图2.4钩刀机械手换刀过程

3数控加工中心气动换刀系统原理

图3.1所示为数控加工中心气动换刀系统原理图，该系统在换刀过程中实现主轴定位、主轴松刀、拔刀、向主轴锥孔吹气和插刀动作。

图3.1数控加工中心气动换刀系统

1——气动三联件；

2、4、6、9——机向阀；

3、5、10、11——单向节流阀；

7、8——快速排气阀

具体工作原理如下：

当数控系统发出换刀指令时，主轴停止旋转，同时4YA通电，压缩空气经气动三联件1、换向阀4、单向节流阀5进入主轴定位缸A的右腔，缸A的活塞左移，使主轴自动定位。

定位后压下无触点开关，使6YA通电，压缩空气经换向阀6、快速排气阀8进入气液增压器B的上腔，增压器的高压油使活塞伸出，实现主轴松刀，同时使8YA通电，压缩空气经换向阀9、单向节流阀11进入缸C的上腔，缸C下腔排气，活塞下移实现拔刀。

由回转刀库交换刀具，同时1YA通电，压缩空气经换向阀2、单向节流阀3向主轴锥孔吹气。

稍后1YA断电、2YA通电，停止吹气，8YA断电、7YA通电，压缩空气经换向阀9、单向节流阀10进入缸C的下腔，活塞上移，实现插刀动作。

6YA断电、5YA通电，压缩空气经阀6进入气液增压器B的下腔，使活塞退回，主轴的机械结构使刀具夹紧。

4YA断电、3YA通电，缸A的活塞在弹簧力作用下复位，回复到开始状态，换刀结束。

表3.1为电磁铁动作顺序表。

表3.1电磁铁动作顺序表

1YA

2YA

3YA

4YA

5YA

6YA

7YA

8YA

主轴定位

+

主轴松刀

拔刀

插刀

-

吹气

夹紧

复位

4刀库选刀控制与换刀流程

4.1刀具的选择方式

按数控装置的刀具选择指令，从刀库中挑选各工序所需要的刀具的操作，称为自动换刀。

目前，有顺序选择和任意选择两种方式。

4.1.1顺序选择方式

将刀具按加工工序的顺序，依次放人刀库的每一个刀座内。

每次换刀时，刀库按顺序转动一个刀座的位置，并取出所需要的刀具。

已经使用过的刀具可以放回原来的刀座内，也可以按顺序放入下一个刀座内。

这种方式不需要刀具识别装置，而且驱动控制也较简单，可以直接由刀库的分度来实现。

因此，刀具的顺序选择方式具有结构简单，工作可靠等优点。

但更换不同工件时，须重新排列刀库中的刀具顺序。

刀库中的刀具在不同的工序中不能重复使用，相应地增加了刀具的数量和刀具的容量，降低了刀具和刀库的利用率。

此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库，将会造成严重事故。

4.1.2任意选择方式

采用任意选择方式的自动换刀系统中必须有刀具识别装置。

这种方式是根据程序指令的要求来选择所需要的刀具，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，并将刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。

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。

因此，刀具数量比顺序选择法的刀具可少一些，刀库也相应的小一些。

4.2利用PLC程序来实现随机换刀

PLC程序是数控机床正常运转的软件核心，是连接CNC和机床的桥梁，也是机床电气设计人员调试机床的关键。

一个完善的PLC程序不仅能使机床正常运行，还要让人看起来一目了然，既为自己调试提供方便，还能帮助维修人员查找故障和分析原因。

首先简单介绍一下刀具交换装置的基本情况，刀库是可正反向旋转的链式刀库、装在刀具交换装置上的机械手用15个步骤将刀库中的刀具交换到主轴，并将主轴刀具还回刀库对应的刀套中。

为尽量缩短换刀时间，我们采用刀具预选与零件加工同时进行的方式来压缩换刀时间。

机械手动作顺序如下：

步骤1：

平移缩回，抓刀库中预选的刀具；

步骤2：

拔刀伸出，拔出刀套中的刀具；

步骤3：

平移伸出，离开刀库侧抓刀位置；

步骤4：

拔刀缩回，机械手缩回；

步骤5：

摇臂伸出，摇臂转向主轴侧；

步骤6：

平移伸出，抓主轴刀具；

步骤7：

拔刀伸出，拔出主轴中的刀具；

步骤8：

换刀正转或反转，刀具交换；

步骤9：

拔刀缩回，将预选刀具插入主轴；

步骤10：

平移缩回，机械手离开主轴；

步骤11：

摇臂缩回，摇臂转向刀库侧；

步骤12：

拔刀伸出，准备将主轴刀具送回刀库；

步骤13：

平移缩回，机械手移向刀库；

步骤14：

拔刀缩回，将主轴刀具插入刀库；

步骤15：

平移伸出，离开刀库侧抓刀位置。

以上15个步骤可分为如下4个阶段：

第1阶段：

抓新刀。

TXX（刀号，如T01）代码控制刀库按就近方向转动到编程刀具所在的位置，到位且有刀库定位I信号后启动机械手，经过步骤1→步骤2→步骤3→步骤4，将编程刀具抓在手上等待换刀。

第2阶段：

换刀。

M06启动换刀固定循环“TOOL”。

“TOOL”控制各坐标移动到换刀位置，并用M90通知PLC启动换刀，PLC用M90信号请求NC“读入禁止”并启动机械手换刀步骤5→步骤6→步骤7→步骤8→步骤9→步骤10→步骤11，同时用步骤5的到位信号控制刀库转到主轴刀号的位置。

第3阶段：

还刀。

步骤5启动的刀库旋转停止且有刀库定位I信号后，启动机械手步骤12→步骤1