自动换刀系统设计.docx
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自动换刀系统设计
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自动换刀系统设计
摘要
数控车床将向中高档发展，对数控刀架需求量将大大增加。
随着数控车床的发展，数控刀架也向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。
本设计采用电液组合驱动，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。
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的设计等。
控制部分为自动和手动换刀两种工作方式。
关键词数控刀架，PLC控制，液压控制
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本论文附有刀架主轴、箱体零件图纸和装配图图纸共3张CAD图纸，凡下载了本文的读者请留下你的联系方式（邮箱），我把图纸发给他，纯免费的。
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ABSTRACT
NumericalControllathewillbedevelopedtomiddleandseniorgradeinthefuture.ItisestimatedthatthedemandforNCtoolcarrierwillbemuchgreater.NCtoolstarttotherapidtoolchange,electrohydraulicservodrivingandportfolio-drivendirectionwiththedevelopmentofNClathes.
Thepapertakeselectrohydraulicdriving.ItwasdiscussedthatmechanicaldesignandcontrolsystemdesignbyMitsubishiFX2Nprogrammablelogiccontroller（PLC）oftheeightengineeringautomatictoolchange.Machinerypartincludesthepositioningtoolsandthedegreeofpositioningchoicesandtoolspindledesign.Controlpartisdividedintoautocontrolandmanualcontrol.
KeywordsATC，PLCcontrol，Hydrauliccontrol
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摘要...........................................................................................................................
ABSTRACT................................................................................................................
1绪论.........................................................................................................................1
1.1课题背景............................................................................................................1
1.2研究的主要内容..................................................................................................1
2自动换刀系统机械部分设计................................................................................3
2.1刀座的设计.........................................................................................................3
2.1.1刀座基本形状及尺寸的确定.......................................................................3
2.1.2刀座强度的校核...........................................................................................6
2.2刀盘主要尺寸的确定.........................................................................................7
2.3传动齿轮的设计................................................................................................8
2.4刀架主轴的设计................................................................................................8
2.4.1初步确定轴的最小直径.................................................................................8
2.4.2轴的结构设计...............................................................................................9
2.4.3校核键的强度.............................................................................................11
2.5共轭分度凸轮机构基本参数的确定..................................................................11
2.5.1共轭分度凸轮的介绍..................................................................................11
2.5.2主要运动参数的选择..................................................................................12
2.5.3主要几何尺寸的确定..................................................................................12
2.6端齿盘的选择.................................................................................................12
2.6.1端齿盘的介绍............................................................................................13
2.6.2端齿盘的特点............................................................................................13
2.6.3端齿盘主要参数的设计计算.......................................................................13
2.6.4螺栓组强度校核.........................................................................................17
2.7液压缸的结构及主要尺寸的设计.....................................................................18
2.8箱体的基本形状及尺寸确定.............................................................................19
2.9液压马达及接近开关的选择.............................................................................19
2.9.1液压马达的选择.........................................................................................19
2.9.2接近开关的选择.........................................................................................19
2.10润滑剂的选择..................................................................................................20
2.11对压力油的要求..............................................................................................20
3PLC控制的硬件设计............................................................................................21
3.1换刀系统的工作原理.......................................................................................21
3.2PLC简介........................................................................................................................22
3.2.1PLC的分类.............................................................................................................22
3．2．2PLC的特点及主要功能.........................................................................................23
3.3PLC控制系统的硬件选择和资源配置.......................................................................25
3．3．1自动换刀控制系统要求..........................................................................................25
3．3．2PLC型号的选择...................................................................................................26
3.4控制系统元件列表........................................................................................................27
3.5PLCI/O地址的分配....................................................................................................28
3.6PLC外围接线图.............................................................................................................29
4控制系统PLC程序设计........................................................................................29
4.1系统流程图的确设计.......................................................................................30
4.2PLC程序设计..................................................................................................31
4.2.1程序结构设计.........................................................................................31
4.2.2自动换刀的程序设计..................................................................................31
4.2.3手动换刀程序设计.....................................................................................35
4.2.4数据传送程序的设计..................................................................................37
4.3程序的调试.....................................................................................................38
5结论.......................................................................................................................39
参考文献....................................................................................................................40
致谢............................................................................................................................41
1绪论
1.1课题背景
从自动换刀系统发展的历史来看，1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期也研制成功了“APT”（刀具程序控制装置）。
1958年美国K&T公司研制出带ATC（自动刀具交换装置）的加工中心。
1967年出现FMS（柔性制造系统）。
1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。
1983年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。
自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。
刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响机床的加工性能。
刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。
自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的成本造价产生直接影响。
我们应该使数控机床工作性能有所提高，而且使其总体造价大幅度下降。
低造价高性能的数控机床将会被中小厂广泛接收。
数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，预计近年来对数控刀架需求量将大大增加。
数控刀架的发展趋势是：
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方向发展。
1.2研究的主要内容
本课题主要考虑以下几方面的问题。
第一、刀架形式，中小型车床刀架的形式主要有排式刀架和回转刀架两种。
排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。
回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，通过刀架的旋转分度定位来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架，并相应地安装4把、6把或更多的刀架。
根据本课题要求的换刀数为8把刀，所以选择圆盘式刀架。
第二、刀具的安装方式，选择刀座安装刀具的方式，因为刀座安装方式既可以方便的安装车刀又可以将钻头或丝锥等其它刀具安装在上面从而扩大了车床的用途。
第三、定位装置的选择，定位装置是保证自动换刀系统加工精度的重要零件，所以选用定位精度相对较高的端齿盘进行重复定位，进而保证其重复定位精度。
第四、分度装置的确定，传统的圆柱分度装置精度低、换刀速度不能太快，解决方案采用分度精度较高的平板凸轮机构，可以很好解决这个问题。
第五、检测装置，使用检测精度较高的接近开关组。
接近开关价格比较便宜，并且容易更换，从而降低自动换刀系统的造价。
控制系统选择PLC进行控制，因为可编程序控制器是一种面向生产过程控制的数字电子装置，它具有控制能力强、操作方便灵活、价格便宜、可靠性高等特点。
它不仅可以取代传统的继电器控制系统，还可构成复杂的工业过程控制网络，是一种适应现代工业发展的新型控制器。
2自动换刀系统机械部分设计
2.1刀座的设计
2.1.1刀座基本形状及尺寸的确定
①根据所选机床的型号，查刀具手册选择刀具的尺寸，从而确定刀座的尺寸。
由于本设计选择的车床型号为CK6136。
其主要参数如下：
车床型号CK6136
最大加工直径360
主轴转速
主电机功率5.5
Z轴最大行程750
Z向快速移运速度
X轴最大行程200
X向快速移运速度
最大刀具尺寸
②为了满足刀座的的刚度要求，所以选择合金钢作为刀座材料。
由以上参数可知此型号车床为中小型车床，其切削力及最大加工直径均不大，所以选择刀具材料为硬质合金，其基本尺寸为：
刀具宽度和高度均为20，其长刀杆的长度为125，短刀杆的长度为80。
根据刀具安装及其尺寸确定刀座的基本形状尺寸如下：
图2.1刀具的结构示意图
2.1.2刀座强度的校核
①切削力的计算
要进行刀具强度的计算必须先计算出切削力，要计算切削力就要先确定工件的材料、刀具的几何参数及切削要素。
由于车床在切削时主要加工的是钢件和铸铁，所以在计算切削力时选择具有代表性的45钢作为计算的依据。
在计算最大切削力时，应以粗加工时作为计算依据。
粗加工时主要影响切削力的刀具几何参数根据[13]查得如下：
主偏角
前角
刃倾角
切削要素的确定，根据[13]及所选车床的主要性能确定粗加工的切削要素。
切削要素如下：
背吃刀量
进给量
切削速度
②由切削力的计算公式
[5]式（2.1）
[5]式（2.2）
[5]式（2.3）
根据以上参数查得相应的系数代入公式得
③对刀座进行受力分析
对刀座进行受力分析，切削力最大且对刀座的影响最大，所以在对刀座进行受力分析时主要考虑切削力。
受力分析如下：
图2.2刀座受力分析图
根据材料力学可知其受力可以简化如下：
图2.3刀座受力简图
根据上图计算如下：
根据计算刀座上线性分布的载荷如下：
④强度计算
根据计算刀座强度，由刀座的尺寸及受力可知刀座的下部是危险截面，所以只需对下部进行强度校核。
由于在进行受力分析的时候只考虑了切削力，所以受力分析不够准确，为此在计算刀座强度时取一安全系数。
强度计算如下：
所以刀座强度服合要求
对刀座安装在刀盘上的圆柱形齿条进行强度校核
[8]式（2.4）
强度服合要求
2.2刀盘的主要尺寸的确定
根据所选机床的型号，查[3]选择刀具的尺寸，从而确定刀盘的尺寸。
由于本设计选择的车床型号为CK6136，此型号车床为中小型车床，其切削力及最大加工直径均不大，所以选择刀具的基本尺寸为：
刀具宽度和高度均为20，其长刀杆的长度为125，短刀杆的长度为80。
由于本设计的刀具数量为8把刀，所以选择卧式的自动换刀结构，采用刀盘夹持刀具。
由于是选用刀座安装刀具，考虑到刀具安装时不发生干涉，确定刀盘的直径为300，考虑刀盘的强度及安装刀座的情况，确定刀盘的厚度为60。
刀座是通过刀座上面的齿条由螺栓和锥形圆柱齿安装在刀盘上面。
由于圆柱型齿条直径为30，所以必须在刀盘上设计相应的安装刀座的圆孔，根据经验确定圆孔中心所在的直径为240，其上均布8个圆孔用于安装刀座。
固定刀座的锥形圆柱齿的直径略小于齿条为28，锥形圆柱齿用沉头螺钉紧固在刀盘上，根据经验选择M8的螺钉，所以需要在刀盘上钻相应螺纹孔，为了保证在装刀的时候每次锥形圆柱齿都能与刀座很好的配合，在打螺纹联结孔时形成一个偏心，偏心距为3，这样就可以保证每次装刀的时候锥形圆柱齿都能安装在固定的位置，从而保证刀具的安装精度。
图2.4刀盘结构示意图
2.3传动齿轮基本参数的确定
①选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数
按传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。
自动换刀系统是精密的工作部件、是数控机床加工精度的重保证，速度较高，故选用6级精度。
查[3]中189页表10-1。
小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS,大齿轮的材料选用45钢（调质）硬度为240HBS，其材料硬度相差40HBS。
由于较多的齿数有利于传动的平稳性、并且充分考虑自动换刀系统的体积，所以取小齿轮齿数=40，大齿轮齿数。
②由于本传动齿轮主要是传递的运动而承受的载荷比较小，所以选择齿轮的模数为标准模数。
所以小齿轮的主要参
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