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1、. . . . 数控机床刀架进给伺服系统设计目 录前言.1 1.1数控刀架整体方案设计22.1自动回转刀架自动换刀装置113.1可编程逻辑控制器的概述184.1 数控车床刀架的PLC控制梯形图编程205.1数控车床刀架故障与诊断24 6.1数控机床进给系统概述25 7.1运动设计32 总 结.39前言制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力与机械制造装备的竞争。自从20世纪60年代世界上第一台数控机床问世以来，随着计算机技术、微电子技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通
2、信技术和机械制造技术等各相关领域的发展，数控技术已成为现代先进制造系统(FMS，CIMS等)中不可缺少的基础技术。由于机床数控系统技术复杂，种类繁多。现在数控机床的“使用难、维修难”问题，已经是影响数控机床有效利用的首要问题。 工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性”强,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“一个工人，一把刀，一台机床”，
3、导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。 因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重。 本课题数控机床刀架设计与运动控制，该刀架能够在一次装夹中完成多道工序，使加工围扩大，大大提高了加工精度和生产效率。本次设计的主要容为：1）数控机床动力转塔刀架总体布局设计；2）动力刀架传动部分设计；3）动力刀架分度机构设计；4）动力刀架运动控制； 刀架整体设计和刀架运动控制部分设计是这次设计中的重点容，同时也是难点。通过广泛查阅文献资料，参观数控车床实物样机以与与指导老师相互讨论等途径，拟定了如下的研究手段：回转刀架的换刀
4、分为刀盘抬起、刀架锁紧和刀盘转位三个动作，刀架转位则由伺服电机来驱动。刀盘转位动作的实现顺经以下步骤：数控系统发出刀盘转位的命令伺服电机启动涡轮蜗杆转动刀架主轴转动实现刀盘转位。摘要：本文介绍了80C51单片机在两轴联动数控车床控制中的系统结构框图、CNC软件设计思想与流程图，步进电机的选型和驱动放大电路。 关键词：80C51单片机 数控车床 步进电机 驱动电路Abstract:The essay mainly conveys the following: the block diagram if the systematic architecture which 80c51 singlech
5、ip computer work in the 2axis numerical lathe ;The design thought and diagramOf the CNC software ,the choosing of the step motor and driveMagnify circuit.数控机床是一种典型的机电一体化产品，它综合了电子计算机、自动控制、自动检测、液压与气动与精密机械等方面的技术，该系统能逻辑的处理具有使用数字或者其它符号编码指令规定的程序，可以自动完成信息的输入、译码、运算，从而控制机床的运动和加工过程。数控车床是数控机床中的一种，它与普通车床一样主要用来加
6、工轴类或盘类转体零件，如车削圆柱、圆锥、圆弧和各种螺纹等。与普通车床相比，数控车床的加工精度高、加工质量稳定、效率高、适应性强、操作劳动强度低，是目前使用较为广泛的一种数控机床。1.1数控刀架整体方案设计1.1.1数控机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，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
7、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
8、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0.86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，应尽量设置在便于操作的地方。1.1.2 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
9、，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、适用围见表1-1表1-1 自动换刀装置类型Table 1-1 trade the knife installment type automatically类别型式特点适用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
10、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1.1.3 数控机床刀架的类型按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式，下面对这三种形式的刀架作简单的介绍。 1）排式刀架：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。其结构形式为：夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的X坐标轴方向排列在横向滑板上。刀具的典型布置方式如
11、图2.1所示。这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率。机床厂生产的CK7620P全功能数控车床配置的就是排式刀架。 2）回转刀架：回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，一般通过液压系统或电气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把或更多的刀具。回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个
12、步骤。它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀架根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，分为立式刀架和卧式刀架两种。3）带刀库的自动换刀装置：上述排式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定限制。当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。 (a)回转刀架 (b) 排式刀架图1.1 机床刀架类型结构图Figure 1.1 types of machine tool structure本次设计的刀架是四工位刀架，刀位较少，且要求精度较高，所以可以选择回转刀架和排式刀架，且一次装夹中完成多工序加
13、工，缩短辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差保证转位具有高的重复定位精度具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的特点。而电动机最低转速为35r/min，最高转速为4000r/min，额定转速为ne=2000 r/min刀具顺利换刀，因此需要很高的稳定性。对于以上三种刀架，排式刀架加工棒料或盘类零件为主，局限性较大，同时定位精度不高，况且排式刀架往复运动幅度较大，占用空间多。综上，本次设计选用回转刀架作为设计对象，其具有换刀时间短、结构简单紧凑、容纳刀具较少的特点，所以较为合适，对于回转刀架根据安装方式的 不同可分为立式和 卧式两种根据机械定位方式的 不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘
14、定位型等。其中断齿盘定位型换刀时刀架需抬起，换刀速度较慢且密封性较差，但其结构较简单。三齿盘定位型又叫免抬型，其特点是换刀时刀架不抬起，因此换刀时速度快且密封性好，但其结构较复杂。由于本人初次设计数控刀架，所以选择较为简单的端齿盘定位，结构简单。同时，自动回转刀架在结构上必须具有良好的 强度和刚性，以承受粗加工时的 切削抗力。为了保证转位具有高的重复定位精度，自动回转刀架还 要选择可靠的定位方案和合理的定位结构。自动回转刀架的自动换刀时由控制系统和驱动电路来实现的 。发信转位采用霍尔元件，使用寿命长。根据以上对机床刀架类型、性能与其使用场合的综合比较，并结合现有数控车床的实例，本次设计的动力刀
15、架为伺服电机驱动的转塔式自动回转刀架。1.1.4 数控转塔刀架的开发应用数控转塔刀架是加工中心、数控车床必备的机床附件，尤其适用全功能数控车床。当前，数控机床发展迅猛，一方面向高速、高效、高精度方面发展，同时，在制造行业中广泛存在原有设备的数控改造和系统升级问题。作为关键附件，高性能的数控转塔刀架对于提高机床整体运行的可靠性、稳定性和效率有着重要意义，数控转塔刀架是由数控系统来控制的，因此，在转塔刀架本身性能提高的情况下，如何实现控制任务就显得十分重要了。数控转塔刀架是以回转分度实现刀具自动交换与回转动力刀具的传动。因此技术含量高，已趋向专业化开发生产。所以对数控转塔刀架的研究开发与应用已引起数控机床行业重
