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1、加工中心加工中心智能换刀系统设计学位论文东华理工大学长江学院毕 业 设 计 题 目 加工中心智能换刀系统设计 学生姓名： 翁 志 义 学 号： 09312124 专 业： 自动化 系 别： 机械与电子工程系 指导教师： 职称： 讲师 二零一三年六月摘 要 机床的发展与应用,大大降低了零件加工的辅助时间,极大的提高了生产率。随着数控机床的普及应用,机械加工的自动化程度大大提高,数控机床发展成了当今普遍应用的一种更新、更先进的制造设备即加工中心。加工中心带有刀库和自动换刀装置,能对工件按预定程序进行多工序加工的高度自动化的多功能的数字控制机床。自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具存储量足够、刀具的

2、安置空间小以及安全可靠等基本要求。加工中心的关键在于CNC 对刀库的自动选刀和刀库、机械手与主轴间的自动换刀,加工中心出现故障80%都在上述方面本课题就是针对现有的自动换刀装置进一步减少换刀时间,利用PLC 对刀库的选刀控制和刀库、机械手与主轴间的自动换刀控制以及刀库精确定位。利用PLC 控制液压传动机构,使液压传动更加稳定和精确。本设计的题目是基于PLC加工中心刀库换刀控制系统的设计。通过分析刀库的自动换刀的过程，使刀库在加工中心上能配合换刀机械手的需要能在数控程序的控制下灵活的实现换刀过程每次换新刀只需输入相应换刀号信号即可。在分析控制要求的基础上，设计出相应控制程序。控制程序包含： 建立

3、当前刀具库映像、记录请求刀具号、转盘转动方向判断并确定转盘正反转、发出脉冲控制刀盘转动、到位灯及换刀指示灯显示等部分， 程序结构性好、可读性强、运行效率高，能很好地满足实用要求。 关键词： 加工中心 ATC刀库PLC自动选刀液压传动Abstract With the development of NC, the automatic tool changer system is More and more important in the modern advanced manufacture, because the ATC can shorten the cycle time of prod

4、uct manufacturing, improve the precision of product machining. The latest requirements of machine tool user comprise of diversification of control object,complexity of process, flexible of application and high reliability. The function of tool magazine is that stores the tool and moves the tool whic

5、h will be used in the next manufacturing process to the right changeover position and robot will finish the change over tool When the tool magazines capacity is so big and the distance of tool position is more far away the principal axis, there need the tool exchanging unitto implement the changeove

6、r work between the principal axis and tool magazine. The framework of this function include the robot, tools rotation station and changeover robot.PLC control the use of hydraulic transmission, made hydraulic transmission to more stable and accurate. this design topic is based on the PLC machining c

7、enter tool change control system design. Through the analysis of the knife of the automatic tool changing process, so that the cutter in machining center can be matched with the tool changing manipulator needs - in NC program under the control of flexible implementation tool changing process every t

8、ime new knife only needs to input the corresponding tool change signal can be. The analysis and control on the basis of the requirements, designs the corresponding control procedure. The control program includes: establish the library image, recording request tool number, the rotation of the turntab

9、le direction judgment and to determine the turntable is reversed, to send pulses to control the cutter disc to rotate in place, lights and tool change indicator display parts, good program structure, readability is strong, operation efficiency is high,which can meet the practical requirements.Key wo

10、rds: MC , ATC，tool magazine，PLC，tool exchange at randomHydraulic transmission绪 论1.1 国内外数控机床的发展情况随着数控技术的发展，带有自动换刀系统的加工中心在现代制造起着愈来愈重要的作用，他能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加工。自动换刀系统一般由刀库，机械手和驱动装置组成。刀库容量可大可小，其装刀数在20180把之间。刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具准确地送到换到位置，供换刀机械手完成新旧刀具的交换。当刀库容量大时，常远离主抽配置且整体移动不易，这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来

11、执行换刀动作。完成此功能的机构包括送刀臂、摆刀站和换刀臂、总称为机械手。具体来说，它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压（或气压机构）或凸轮机构组成。机械手完成刀库里的刀（新刀）与主轴上的刀（旧刀）的交换工作。由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高生产效率，改善劳动条件。所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。1.1.1国内外数控机床的现状当今世界，工业发达国家对机

12、床工业高度重视，竞相发展机电一体化，高精、高效、自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上互相展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随着电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多要求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中国加入WTO后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务。自从1052年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无

13、论在硬件和软件方面都有飞速发展。1956年，日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期研制成功了“APT”（刀具程序控制装置）的加工中心。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年出现了FMS，1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置。可实现多工序加工的机床步入了机床发展的黄金时代。中国1958年研制出第一台数控机床以来，发展过程大致可分为两大阶段。在19581979年间为第一阶段，从1979年至今未第二阶段。第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情况下，无法用于生产而停顿。主要存在的问题时盲目

14、性大，缺乏实事求是的科学精神。在第二阶段从日本、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从美、日、德等引进数控机床先进技术和合作，合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。在20余年间，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训额一批设计、制造使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进零部件，数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场需求，但对关键技术的实验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件，自动化刀具，数

15、控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床水平差距很大。存在的主要问题包括：缺乏各方面专家人才和熟练技术工；缺少深入的科研工作；零部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军奋战，虽然厂多人众但形成不了合力。1.1.2 数控机床发展趋势1. 搞速化、高精度化、高可靠性质量、效率是先进制造技术的主体。高速、高精度加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争力。高速化：提高进给速度，采用直线滚珠式导轨等；提高主轴转速，采用直线电机技术，直接将电机与主轴连接成一体后，装入轴部件，可以在1.8秒从0到15000r/mi

16、n。高精度化：精密化是为了适应高新技术发展的需要，随着高新技术的发展对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高，数控加工机床的加工精度提高了一倍，达到15微米。高可靠性：一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上。2. 复合化数控机床的功能复合化的发展以其复合加工实现了一次装夹后完成各种复杂零件的全部加工，从而减少了不创造价值的辅助时间，提高了机床的效率和加工精度，降低了生产制造成本，提高了生产的柔性。复合功能的机床是今年来发展快的机种，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、攻丝、铰孔和扩孔等多种操作工序。3. 智能化智能化的内容包括在数控系统中各个

17、方面：为追求加工效率和加工质量的智能化，如自适应控制、工艺参数自动生成等；为提高驱动性能的智能化，如前馈控制、电机参数的自适用控制、自动识别负载、自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的扥智能化；智能化的自动编程、智能化的人机界面等，及智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。4. 柔性化、集成化为适应制造自动化的发展，向FMC、FMS、CIMS提供基础设备，要求数控系统不仅能完成通常的加工功能，而且还能够具备自动测量，自动上下料，自动换刀，自动误差补偿，自动诊断，进线和联网功能，一句用户的不同要求，可方便地灵活配置及集成。1.2 可编程控制技术的现状及发展状况1.2.1

18、可编程控制器的特点可编程控制器，简称PLC（Programmable logic controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字操作的电子装置”。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原

19、理而设计。PLC之所以高速发展除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。它较好的解决了工业控制领域中的可靠、安全、灵活、方便经济等问题。其特点如下：1. 编程方法简单易学梯形图是使用最多的PLC的编程语言，其电路符号和表达式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电器技术人员只要花几天时间就能可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户语言。2. 性能强，性能价格比高一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器控制系统相比，具有很高的性能价格比，PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。3.

20、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强PLC产品已经标准化、系列化、模块化、配备有品种齐全的各种硬件装置供用户使用用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同的功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。4. 可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器，时间继电器。由于触电接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，PLC外部仅剩下与输入和输出的有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系

21、统的1/101/100，因触电接触不良造成的故障大为减少。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。5. 系统的设计、安装、调试工作量小PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等期间，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器控制系统电路图的时间要少很多。PLC的用户程序可以在实验实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟

22、，通过PLC上的发光二极管可观察出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少很多。6. 维修工作量小，维修方便PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模式的方法可以迅速的排除故障。7. 体积小，能耗低复杂的控制系统使用PLC后，可以减少大量的中间继电器盒时间继电器，小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。PLC的配线比继电器控制系统的的配线少

23、很多，股可以节省大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。1.2.2 可编程控制器的应用领域PLC已经已经广泛地应用在很多的工业部门，随着其性能的价格比的不断提高，PLC的应用范围不断扩大，主要有一下几个方面：1. 数字量逻辑控制PLC用“与”、“或”、“非”等逻辑控制指令来实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制欲顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已遍及各行各业，甚至深入到家庭。2. 运动控制PLC使用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加工控制，可以实现单轴、双轴、

24、三轴和多轴位置控制，是运动控制欲顺序控制有机地结合在一起。PLC的运动控制功能广泛地用与各种机械，例如金属切削机床、金属成形机械、装配机器、机器人、电梯等场合。3. 闭环过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换，并对模拟量实行闭环PID（比例-积分-微分）控制。小型PLC用PID指令实现PID闭环控制。PID闭环控制功能已经广泛地应用于塑料挤压成形机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。4. 数据处理现代的PLC具有数学运算（包括整

25、数运算、浮点数运算、函数运算、字逻辑运算，以及求反、求补、循环和移位等）、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与储存在存储器中的参考值进行比较，也可以用通信功能传送到别的智能装置，或者将他们打印制表。5. 通信联网PLC的通信包括PLC与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能控制设备（例如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。1.2.3 可编程逻辑控制器的发展趋势从当前产品技术性能来看，PLC发展趋势仍然主要体现在体积的缩小与性能的提高两大方面。

26、1 体积小型化。电子产品体积的小型化是微电子技术发展的必然结果。现代PLC无论从内部元件组成还是硬件、软件结构都已经于早期的PLC有了很大的不同，PLC体积被大幅度缩小。2 性能的提高。PLC的性能主要包括CPU性能与I/O性能两大方面。智能I/O模块式以微处理器为基础的功能部件。他们的CPU与PLC主PLC并行工作，占用主机CPU的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度。智能模块要有模拟量I/O，PID回路控制，智能I/O的应用，使过程控制功能增强。某些PLC的过程控制还具有自适应，参数自整定功能，使调试时间减少，控制精度提高。另外，PLC不断与计算机相结合。个人计算主要用作PLC的编程器、操

27、作站或人/机接口终端，其发展是使PLC具备计算机的功能。大型PLC采用功能很强的微处理器和大容量存储器，将逻辑控制，模拟量控制，数字运算和通讯功能紧密结合在一起。这样，PLC与个人计算机，工业控制计算机，集散控制系统在功能和应用方面互相渗透，使控制系统的性能价格比不断提高。改善和发展新的编程语言、高性能的外部设备和图形监控技术构成的人/及对话技术，除梯形图、流程图、专用语言指令外，还增加了BASIC、C语言的编程功能和容错功能。如：双机热备、自动切换I/O、双机表决（当出入状态与PLC逻辑状态比较出错时，自动断开改输出）、I/O三重表决（I/O状态进行软硬件表决，取两台相同的）等，以满足极高可

28、靠性要求。1.3. 课题的研究意义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络方式，将直接影响机床的加工性能。刀库结构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。自动换刀系统本省及相关结构的复杂程度又会对机床的成本造价产生直接影响。本文对数控机床自动换刀装置进行研究，不仅提升数控机床的工作效率，而且通过对其结构的研究，使得在可行的范围内降低整机的成为可能，对实践具有重要的指导意义。第二章 机械手的自动换刀装置研究加工中心要完成对工件的多工序加工，必须要在加工过程中自动更换刀具，为完成这项工作而设置的储存及更换刀具的系统统称为自动换刀系统。自动换

29、刀系统中的刀库，换刀的可靠性，即换刀速度直接影响到加工中心的工作效率。利用刀库换刀，是目前加工中心中大量使用的换刀方式。由于有了刀库，机床只要一个固定主轴夹持刀具，有利于提高主轴刚度。独立的刀库大大增加了刀具的储存数量，有利于扩大机床的功能，并能较好地减少各种影响加工精度的干扰。2.1 自动换刀系统研究2.1.1 刀库介绍刀库式换刀装置有一个存储刀具的刀库，机床只需一个夹持刀具进行切削的刀具主轴（钻，膛，铣类机床）或刀架（车床类机床）。当需要某一刀具进行切削加工时，将该刀具自动地从刀库转置至机床主轴或刀架中；在切削完毕后，又将用过的刀具自动的从机床主轴或刀架移回刀库中。由于在换刀过程中刀具需要

30、在多个部件之间进行转换，所以各部件的动作必需准确协调。刀库中刀具的数目可根据工艺要求与机床的结构布局而定，数量可较多。刀库的储存量一般在864把范围内，多的可达10200把。刀库可布置在远离加工区的地方，从而消除了它与工件发生干涉的可能性。刀库不承受切削加工的作用力，它的工作条件比较好。机床的主轴或刀架的尺寸不象刀塔那样的受限制，这样就有可能提高主轴或刀架的刚度。从而有利于提高机床的加工精度。采用这种自动换刀方式的刀具主轴或刀架，需要自动夹紧、放松刀具的机构及其驱动传力机构。另外，还常需要清洁刀柄及刀孔、刀座的装置，因而结构复杂，换刀时间一般也比较长。“自动换刀过程时间”包括下述动作的时间：一

31、个工序加工完毕后，刀具快速退离工件，从加工位置退到换刀位置（同时主轴准停）；进行新旧刀具的交换；然后松开主轴（消除准停）、变速、主轴启动旋转并快速趋近加工位置，用更新的新刀具开始下一工序的加工。由于这种自动换刀装置是用于多工序零件加工，换刀频繁，如果每一次的“自动换刀过程时间”稍长一点，多次换刀所积累的结果就会相当可观，就不能显著提高生产效率，因此，在设计条件允许的情况下，应尽可能缩短“自动换刀过程时间”。中型机床，每次换刀时间一般在10秒左右，当然，在自动换刀过程的各个动作中，有些动作如刀具快速退离和快速接近工件所需时间，尚与工件加工面具体位置有关，不完全决定于设计者。但有些动作如进行新旧刀

32、具交换所需要的“换刀时间”，则可基本上由机床设计者所决定。这种“换刀时间”有的已降低至2.5秒或更少，一般约为5秒。2.1.1.1 链式刀库链式刀库包括单环链和多环链 , 链环形式可有多种变化，如图21（a）、（b）、（c） （a） （b） （c） 图21 图22是方形刀库的典型结构示意图。主动链轮由伺服电动机通过蜗轮减速装置驱动（根据需要，还可以经过齿轮副传动）。这种传动方式，不仅在链式刀库中采用，在其他形式的刀库传动中，也多采用。图22 方形链式刀库示意图导向轮一般做成光轮，圆周表面硬化处理。兼起张紧轮作用的左侧两个导论，其轮座必须带有导向槽（或导向键），以免松开安装螺钉时，轮座位置歪扭，对张紧调节带来麻烦。回零撞块可以装在链条的任意位置上，而回零开关则安装在便于调整的位置上。这时处于机械手抓刀位置的刀套，编号为1好，然后依次编上其他刀号。刀库回零时，只能从一个方向回零，至于是顺时针回转回零，还是逆时针回转回零，可由机电设计人员商定。如果刀套不能准确地