经济型数控车床对刀自动化.docx

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经济型数控车床对刀自动化

浙江工业职业技术学院

毕业论文

（2016届）

经济型数控车床的对刀自动化改造

学生姓名

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完成日期

经济型数控车床的对刀自动化改造

摘要本文设计的就是一个能在简易数控车床上使用的自动对刀仪。

该对刀仪采用机械触发式传感器，通过控制车刀运动来触发传感器，PLC把传感器得到的信号传给数控系统，再由系统来进行相应的数据处理。

机械触发式传感器与PLC的输入扩展端的连接线简单，而且易于维护，比用其它的传感器降低了成本。

此外，本对刀仪并不要求对数控系统进行更改，只需要在对刀时调用事先输入的对刀程序，并运行它即可。

在所有刀具对完之后，刀补值会自动存入数控系统。

此外，用本对刀仪对刀过程中，只需很少的人工操作，达到了一定的自动化程度，提高了对刀的精度与效率，x轴向精度可达到O．02mm，Z向精度可达到O．025mm。

本对刀仪适用范围广，可对不同类型的车刀，四个传感器根据所对刀具的不同作了适当的角度调整，将倾斜角度设为220，这是现有的对刀仪不能实现的功能。

采用这种新型的对刀仪，在经济型数控车床上可一次对出4把车刀的位置尺寸。

在需要一次对更多把刀时，只要对对刀程序进行适当的修改即可。

本对刀仪对刀迅速简捷，一般对4把刀只需几分钟，而且对刀准确，有声光信号显示，使用非常方便，消除对刀者对刀的烦恼，提高数控车床加工效率，具有较高的实用价值。

关键词数控机床；自动对刀;刀架；plc控制电路

目录

引言1

第一章经济型数控车床的概述2

1.1数控机床的发展趋势2

1.2数控机床的组成和基本原理3

1.2.1数控机床的组成3

1.2.2数控机床的基本原理4

1.3数控机床加工的特点4

1.4数控机床安全操作规范5

第二章数控车床刀架设计6

2.1数控车床刀架应满足的要求6

2.1.1动力刀架的整体方案设计7

2.2刀架的工作原理8

第三章电动刀架PLC控制电路设计10

3.1刀架换刀控制方式的选定10

3.2PLC控制流程图10

第四章自动对刀仪11

4.1自动对刀仪方案研究11

4.2自动对刀仪工作原理13

4.2.1概念介绍与刀具位置偏差原因分析13

4.3自动对刀仪的分析和设计17

4.3.1刀具形状分析17

4.3.2斜面角度的确定17

4.3.3传感器表面保护18

4.3.4弹簧的选择与侧头压力分析计算19

4.4对刀仪的误差与精度分析19

4.4.1对刀仪的机械结构误差20

4.4.2系统误差23

4.4.3对刀仪的精度23

结论24

致谢25

参考文献26

引言

为满足用户对加工精度和效率越来越高的要求，很多数控机床生产厂家及用户都希望在其机床上配备各种加工精度监测设备，在机床上使用测量装置进行自动测量，直接对刀具位置进行测量，并根据测量结果自动修正刀具的偏置量，使同样的机床能加工出更高精度的零件。

本课题针对数控车床对刀辅助时间长，精度差这一问题，设计了数控车床用的自动对刀仪，来对经济型数控车床的对刀自动化改造。

自动对刀仪可以通过对刀尖位置的精确自动捕捉，而后运用数控系统本身的测量装置得到刀尖点的坐标数据，并经过计算将不同刀具相对于标准刀的位置偏差比较得出数据，而后再一并存入数控系统之中，实现了数控车床的自动对刀过程，有效地提高了工作人员在操作数控车床时的对刀的效率和精度，十分具有可行性和可推广性。

可为工作的生产效率的提高，制造成本的降低起到至关重要和积极的作用。

此外，本对刀仪并不要求对数控系统进行更改，只需要在对刀时调用事先输入的对刀程序，并运行它即可。

在所有刀具对完之后，刀补值会自动存入数控系统。

此外，用本对刀仪对刀过程中，只需很少的人工操作，达到了一定的自动化程度，提高了对刀的精度与效率。

第一章经济型数控车床的概述

1.1数控机床的发展趋势

1.高速、高效、；高精度；高可靠性

高速、高效：

向高速化方向发展，充分发挥现代刀具材料的性能，不但可以提高加工效率、降低加工成本，而且还可以提高零件的表面加工质量和精度。

高精度：

从精密加工发展到超精密加工，是世界各工业强国发展的方向。

其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级，其应用范围日趋广泛。

高可靠性：

是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，受性能价格比的约束。

2.模块化、专门化与个性化；智能化；柔性化和集成化

模块化、专门化与个性化：

机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。

个性化是近几年来特别明显的发展趋势。

智能化：

智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：

一是为追求加工效率和加工质量方面的智能化；二是为提高驱动性能及使用链接方便方面的智能化；三是简化编程、简化操作方面的智能化；四是智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。

柔性化和集成化：

柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。

3.开放性

4.出现新一代数控加工工艺与设备

1.2数控机床的组成和基本原理

1.2.1数控机床的组成

（1）机床主体

数控车床由于切削用量大、连续加工发热量大等因素对加工精度有一定影响，加工中又是自动控制，不能像在普通车床那样由人工进行调整、补偿，所以其设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密，采用了许多新结构，以加强刚性、减小热变形、提高加工精度。

（2）数控装置

数控装置是数控系统的核心，主要包括微处理器CPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与数控系统的其他组成部分联系的各种接口等。

数控机床的数控系统完全由软件处理输入信息，可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。

（3）输入/输出设备

键盘、磁盘机等是数控机床的典型输入设备。

除此以外，还可以用串行通信的方式输入。

（4）伺服单元

伺服单元是数控装置和机床本体的联系环节，它将来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。

根据接收指令的不同，伺服单元有数字式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类又可分为直流伺服单元和交流伺服单元。

（5）驱动装置

驱动装置把经放大的指令信号转变为机械运动，通过机械传动部件驱动机床主轴、刀架、工作台等精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出图纸所要求的零件。

和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。

1.2.2数控机床的基本原理

数控机床与普通机床相比，其原理的不同之处在于数控机床是按数字形式给出的指令进行加工的。

数控机床加工零件，首先要将被加工零件的图样及工艺信息数字化，用规定的代码和程序格式编写加工程序；然后将所编写程序指令输入到机床的数控装置中；再后数控装置将程序（代码）进行译码、运算后，向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床各运动部件，控制所需要的辅助运动，最后加工出合格零件。

1.3数控机床加工的特点

1、适应性强，适合加工单件或小批量复杂工件

2、加工精度高，产品质量稳定

3、自动化程度高，劳动强度低

4、生产效率高

5、良好的经济效益

6、有利于生产管理的现代化

1.4数控机床安全操作规范

1、遵守机床工一般安全操作规程，按规定穿戴好劳动防护用品。

2、开车前检查刀具补偿数字是否正确。

3、各手柄相对位置应符合对刀图的要求。

　　4.工具或其他物品不许放在电钮盘，阅读器附近。

　　5、各部电路要有良好绝缘，控制卡紧装置的继电器应经常检查，防止工件甩出。

　　6、原有机床上附加数控装置,应把原有手柄拆掉或加保险弹簧，避免在程控和手动并存情况下，运动机件突然转动伤人。

　　7、打开强电箱，接通稳压器电源，并检查个电源电压是否正常。

　　8、启动油泵，空运行2～3次，观察显示的数字是否符合程序的要求。

　　9、按下预清及环行预清按钮，然后启动驱动箱。

　　10、检查油压卡盘，工件安装是否可靠。

　　11、有手动对原点位置，放好百分表后工作。

　　12、工作后依次关闭驱动数控箱、稳压电源，最后关闭驱动箱和强电源。

第二章数控车床刀架设计

2.1数控车床刀架应满足的要求

1.满足工艺过程所提出的要求。

机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀架能够布置足够多的刀具，而且能够方便而正确地加工各工件表面，为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地转位。

2.在刀架以要能牢固地安装刀具，在刀架上安装刀具进还应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。

以保证刀具和工件间准确的相对位置。

刀架的运动精度将直接反映到加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上，为此，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀架运转的终点到位应准确。

面且这种精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。

3.刀架应具有足够的刚度。

由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较复杂，而且有些刀架还直接承受切削力。

考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀架必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。

4.可靠性高。

由于刀架在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也高，所以必须充分重视它的可靠性。

5.刀架是为了提高机床自动化而出现的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以利于提高生产率。

目前自动换刀装置的换刀时间在0.8—6秒之间不等。

而且还在进一步缩短。

6.操作方便和安全。

刀架是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀架设计好坏的指标。

刀架上应便于工人装刀和调刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整刀架的手柄（或手轮）要省力。

2.1.1动力刀架的整体方案设计

刀架是车床的重要组成部分，加工中心的动力刀架可安装各种非动力辅助刀夹和动力刀夹进行加工，用于夹持加工用的刀具,因此其结构直接影响到车床的加工性能和加工效率。

刀架采用端齿分度，转位由步进电动机驱动，刀位由二进制绝对编码器识别，动力刀具由变频电机驱动，通过同步齿形带等将动力传递到刀夹。

各类数控机床的自动换到装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量。

数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适用范围

类别型式

特点

适用范围

转塔式

回转刀架

多为顺序换刀，换刀时间短、结构简单紧凑、容纳刀具较少

各种数控车床，数控车削加工中心

转塔头

顺序换刀，换刀时间短，刀具主轴都集中在转塔头上，结构紧凑。

但刚性较差，刀具主轴数受限制

数控钻、镗、铣床

刀库式

刀具与主轴之间直接换刀

换刀运动集中，运动不见少。

但刀库容量受限

各种类型的自动换刀数控机床。

尤其是对使用回转类刀具的数控镗、铣床类立式、卧式加工中心机床

要根据工艺范围和机床特点，确定刀库容量和自动换刀装置类型

用机械手配合刀库进行换刀

刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，刀库容量大

2.2刀架的工作原理

回转刀架的工作原理为机械螺纹升降转位式。

工作过程可分为刀架抬起、刀架转位、刀架定位并压紧等几个步骤。

1、刀架抬起当数控系统发出换刀指令后,通过接口电路使电机正转,经传动装置驱动蜗杆蜗轮机构蜗轮螺纹即螺母机构延逆时针旋转,此时由于上下齿盘处于啮合状态，在丝杆螺母机构转动时，使上刀架体产生向上的轴向力将上齿盘松开并抬起,直至两定位齿盘脱离啮合状态,从而带动上刀架和齿盘产生“上台”动作。

2、刀架转位当圆套逆