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1、 题 目：小型立体加工中心的换刀装置设计与控制研究摘 要本论文主要是研究设计小型立式加工中心自动换刀装置，要保证其空间利用率小、价格实惠、运行时间短。首先对小型立式加工中心的发展现状和未来发展方向做了介绍，接下来对自动换刀装置的发展意义和其应用前景做了描述，最后进一步对小型立式加工中心自动换刀装置总体结构进行分析选择，并对传动部分的零部件进行设计计算与校核。查阅相关资料。通过对各种类型的刀库、机械手结构进行分析比较，清楚的知道加工中心上大多选用圆盘型刀库，结构紧凑，定位精度高。回转式单臂双手机械爪装卸刀动作可共同进行，换刀动作少，缩短了换刀时间。在此基础上明确总体设计方案。选择圆盘式刀库和回转
2、式单臂双手机械手，并对刀库的涡轮蜗杆轴进行设计计算与校核。根据机械手及刀库的工作原理及要求，制定合理高效的可编程序控制器的控制方案，并不断对程序进行调试，保证 PLC 对自动换刀的精准控制。关键词：加工中心；自动换刀装置；蜗轮蜗杆；PLC控制 IABSTRACTThis thesis is mainly to study and design the automatic tool changer for small vertical machining centers, to ensure that the space utilization rate is small, the price
3、is affordable, and the running time is short. First, the development status and future development direction of the small vertical machining center are introduced. Next, the development significance and application prospect of the automatic tool changer are described. Finally, the overall structure
4、of the automatic tool changer of the small vertical machining center is further described. Carry out analysis and selection, and carry out design calculation and verification of the transmission parts.Check related information. Through analysis and comparison of various types of tool magazines and m
5、anipulator structures, it is clear that most of the machining centers use disc-type tool magazines, which have a compact structure and high positioning accuracy. Rotary single-arm two-handed mechanical claw loading and unloading can be carried out together, with fewer tool changes and shortened tool
6、 change time. On this basis, the overall design plan is clarified. Choose disc-type tool magazine and rotary single-arm two-handed manipulator, and design calculation and check the turbine worm shaft of the tool magazine.According to the working principles and requirements of the manipulator and the
7、 tool magazine, a reasonable and efficient programmable controller control program is formulated, and the program is continuously debugged to ensure the PLCs precise control of automatic tool change.Keywords: Processing center, Automatic tool changing device,Worm gear,PLC controlIV目 录摘 要ABSTRACT1 绪论
8、1.1 加工中心概述1.2 小型立式加工中心的发展现状及趋势1.3 自动换刀装置商业化的意义1.4 研究意义及主要完成工作1.5小结2 自动换刀装置的类型及设计特点2.1 运动方案的设计2.2 总体布局2.2.1刀库的结构设定2.2.2机械手的结构设定2.2.3驱动装置的选择2.2.4刀套2.3 单臂双手机械手的结构及工作原理2.4自动换刀装置材料的分析选择2.5自动选刀过程分析2.6 小结3 传动轴的设计3.1 蜗杆的设计与校核3.1.1 初步估计蜗杆轴各段的尺寸3.1.2 蜗杆轴3.2 蜗轮的设计与校核3.2.1 初步估计蜗轮轴各段的尺寸3.2.2 蜗轮轴4 自动换刀装置PLC控制研究4.
9、1 PLC的发展现状4.2 系统自动换刀流程4.3 I/O点的分析与PLC选型4.3.1 I/O 点的确定4.3.2 PLC 选型4.4 控制部分的应用研究4.5 PLC程序梯形图4.6 PLC程序调试总 结致 谢参考文献1 绪论1.1 加工中心概述现代工业水平飞速发展。许多生产厂家对加工中心提出了更高的要求，加工中心已成为人们关注的焦点。数控加工中心是目前制造业中不可或缺的设备，它适用于大多数结构复杂，精度较高的零件加工。加工加工中心与普通数控机床最大的不同在于拥有自动换刀装置。自动换刀装置包含多个组成部分。刀库能够放置多把刀具，并将下一道工序所用到的刀具准确无误地送到换刀位置,使主轴上的旧
10、刀与刀库里的新刀进行交换。当刀库较大时,其与主轴的距离会增大，换刀时间会增长 ,因此需要在主轴和刀库之间配备一个换刀机构来缩小换刀时间。想要实现这一功能需添加辅助机构机械手1。它的主要作用是实现新刀具与旧刀具的装卸和主轴头与刀库之间的刀具转换。驱动装置需要控制系统发出指令，驱动刀库和机械手完成换刀，一般选择步进电机或液压(或气液机构)或凸轮机构2。每台数控加工中心设备都有自己的刀库，可以实现自主换刀，这也是和其他数控设备的根本区别。数控加工中心的切削利用率很高，工件装夹一次就可以实现多道工序的加工，缩短了加工时间，提高了生产效率，特别符合高精密零件的加工要求。大大降低了高精度零件加工过程中所会
11、产生的误差3。这是加工中心的显著特点。经济效益较高。1.2 小型立式加工中心的发展现状及趋势 加工中心至少三轴联动，最多有五轴联动，立式加工中心具有一定的立柱高度范围，无法加工大型箱体零件，但立式加工中心刀具运动轨迹明显，方便观察工件夹紧，在检测和调试中定位准确，冷却条件容易控制，切削屑容易排除和清理，所以，在现代工业中立式加工中心发展比较迅速，应用较广泛4。 在此之前，加工中心加工零件，不仅需手动拆卸刀具，而且还需拆装工件，会占用大量的时间。为了使生产效率不断提高，就不得不减少非切割时间。因此，自动换刀系统的不断改进已成为了加工中心的发展趋势。当今，生产商对于大中型立式加工中心的自动换刀装置
12、研究都趋于成熟化和商业化。为了适应工业的发展，小型自动换刀装置应运而生。采用小型自动换刀装置，可省时、省力。 数控机床的加工中心是可以一次装夹并多次加工的机床，其只需编写好程序，修改键盘按键，对关键部位进行技术测量就可以，加工完零件后，对零件进行拆卸，随时查看机床设备的运转是否正常，由于数控机床具有信息化和专业化的特点，所以我们可以准确的观察到零件的加工时长。加工中心可以分为卧式加工中心、立式加工中心和万能加工中心，其区别在于机床上主轴的位置不同。数控加工中心是一种比较系统全面的数控设备。其适合加工形状不规则、精度要求高的中小批量、多品种的产品。利用加工中心加工可以节省工件来回装夹的时间，为新
13、型加工中心的基本设计和改造节省了大量资金和时间，在企业中具有很强的竞争力。为了提高生产效率，减小空间使用，大多数加工中心的自动换刀装置都采用单臂双爪机械手换刀，其结构简单，一般情况下机械手安装在加工中心主轴与刀库中间位置，可以保证换刀的衔接。气缸为保证换刀提供动力源，驱使机械手旋转和上下移动，使换刀能够正常准确的实现。刀库采用圆盘式结构。自动换刀系统由刀库电机、刀具装夹、传动装置等组成，刀库电机为保证换刀的正常运行提供动力来源。想要精准定位刀具，轴向和径向定位都必须可靠有效。传动装置主要进行动力传动，传动装置一般包括链传动，齿轮传动，皮带传动等，以实现零件加工过程中换刀所需的动力。1.3 自动
14、换刀装置商业化的意义自动换刀系统可通过修改程序来改变机床使用的刀具，工件一次安装，转换主轴刀具，完成多道工序加工。基于此，自动换刀装置成为加工中心区别于普通数控铣床的关键标志，是提高机械加工生产效率的关键部件5。在工序较多的复合加工中，换刀时间会影响加工时长。因此，提高换刀装置换刀的准确性和快速性、换刀动作的简易性，对加工中心的生产效率具有重大意义。目前，我国加工中心的自动换刀装置大多从日本、德国等发达国家采购。主要原因如下：一是国内厂家生产的产品性能相对较差，在价格上没有优势；二是进口的产品虽然价格高，但在整机中所占份额不大，在运行状况、使用寿命等方面性价比较高。近年来国内自动换刀装置的性能
15、有很大的提高，但用户仍不愿购买。与国外成熟、先进的产品相比，国内的自动换刀装置无任何优势，其在换刀速度、换刀精准性等许多方面仍需进行突破6。因此，本设计将对国内外加工中心自动换刀装置的结构和控制系统进行较全面的分析研7究77。通过对比，选择合适、性能稳定的部件组成新的换刀装置，并优化换刀控制系统，缩短产品制造周期，适应市场需求。 1.4 研究意义及主要完成工作自动换刀装置包含很多零部件，只有各个零部件之间相互配合，才能实现准确换刀。以前的数控机床大多是加工完一道工序后，待机床停下，工人手工换刀，并进行重新装夹和定位。有了换刀装置后完全不需要人进行干预，只需编写好程序即可，并且不需要辅助的设备。用机械手替代人手，缩短换刀时间，提高换刀速度，大大节省了人力资源8。自动换刀装置在数控加工中心的整体结构设计和实际生产中起着重要的作用，其类型也越来越多。本论文研发的自动换刀装置主要适用于小型机械设备，要求体积小，结构紧凑，性价比高。主要完成以下工作： （1）深入调查企业、国内外市场的自动换刀装置生产技术。对资料进行汇总，从而使本论文具有可行性。 （2）对加工中心刀库和机械手进行方案设计，并对主要参数计算与校核。通过多种结构方案的组合，选择性价比高的设计方案，确定整体设计方案。 （3）对传动轴进行设计和计算。对比不同
