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1、摘 要本文主要对数控加工中心自动换刀系统及控制系统进行设计。.关键字：加工中心，换刀系统，刀库，单片机。目 录1绪论1.1. 国内外发展情况31.2. 技术性能与发展趋势31.2.1. 精度41.2.2. 运转性能41.2.3. 润滑与密封71.2.4. 负载能力与刚度81.2.5 可靠性方面81.3现代典型数控转塔刀架的结构分析91.3.1. 液压式91.3.2. 液压机械式101.3.3. 电动势101.4 控制与接口111.4.1 直接与数控系统接口111.4.2 通过可编程序控制器(PLC)与数控系统接口131.5 各种刀架简介131.5.1 简易经济型数控刀架131.5.2 高精度型
2、数控刀架142总体结构设计 2.1总体方案及原理142.2 刀架的设计参数203.主要机构的设计计算3.1 蜗杆传动的设计计算 :163.2 丝杆螺母传动的设计计算183.3 定位机构的设计1834自动换刀装置的换刀顺序204气动系统设计2141刀库气缸设计21411工况分析21412气缸的选择2242设计气动系统原理图23421确定供气方法24422控制元件的选择245控制系统设计2651控制系统硬件设计2652控制系统软件设计27参考文献301 绪论1.1. 国内外发展情况20世纪40年代末，美国开始研究数控机床，1952年，美国麻省理工学院(mit)伺服机构实验室成功研制出第一台数控铣床
3、，并于1957年投入使用。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。我国于1958年开始研制数控机床，成功试制出配有数控车床种类较多，数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。1.2. 技术性能与发展趋势数控转塔刀架的技术发展很快，现正逐步形成标准定型产品。我国数控转塔刀架标准草案中所规定的主要技术性能如下：1.2.1. 精度定位精度要求高，一般要求工位目标位置重复定位精度在。各种形位公
4、差为。因此定位机构均采用精密多齿盘。先进工艺用浮硬齿面对研,重复定位精度可高达另外,刀盘加工趋向用淬火硬磨削,以获得刀槽精度的长期保持性及高的刚度。1.2.2. 运转性能主要是转位时间和转位频率。先进水平一次转位周期0.3ls,最快己达0.lS。分度频率为6001000次/h 。双向转位就近换刀(最短路程换刀)的结构正在开发应用,如双向滚子端面凸轮机构 , 可显著缩短换到周期。为了克服刀盘高速转位引起的惯性冲击,使用恰当的缓冲元件是其发展趋势。1.2.3. 润滑与密封目前趋向于开发能终生润滑的产品,即在使用全过程中,不需要用户再采取任何润滑措施。因工作环境恶劣,对密封性能要求很高,通常规定在刀
5、架体内棋道压力105pa气路 ,浸入装有防锈液的试验箱内,在规定时间内,不得有漏气现象。1.2.4. 负载能力与刚度数控转塔刀架的负载能力与刚度,除了与有关零件的尺寸、形状、结构等有关外 , 受刀盘锁紧力影响也很大。一般小型产品锁紧力为左右,高性能产品可达 以上。对数控转塔刀架的静刚度目前尚无规范要求,有的企业标准已经提出测详见定, 但缺乏数据指示。对动刚度,动态性能,在生产实践中反映出其影响明显,但也无可靠数据指示提出,这些方面是今后研究开发中的重要方向。1.2.5 可靠性方面可靠性是产品性能的综合反映。对转塔刀架目前一般要求平均无故障时间(MTBF)为 次,高级的已经达到次以上,国内产品在
6、设方面亟待提高。1.3现代典型数控转塔刀架的结构分析1.3.1. 液压式 这类刀架用液压缸实现刀盘锁紧,低速大扭矩液压马达驱动刀盘转位。液压缸可获得很大的锁紧力,故刀架刚性很好。该机构适用于重负荷切削,且易双向转位就近换刀,大型数控车床应用较多。 近年已开发出将液压马达和滚珠式预分度机构合为一体的液压分度马达(Index Motor) 。可使刀架简化,重复定位精度可达。刀盘加速时间仅为0.1S,有较好的应用前景。1.3.2. 液压机械式这类刀架用液压缸锁紧刀盘,转位和预分度则用点电机通过机械传动装置实现, 如槽轮机构。目前趋向采用动态性能较好的间歇凸轮转位机构。1.3.3. 电动势 这类刀架以
7、电机为动力源,使用方便,应用最多。主要形式有以下几种：（1）单面凸爪锁紧式是我国自行开发的小型产品刀盘主轴上固联有单向凸爪离合器的右半。电机经蜗轮传动使主动凸爪(离合器左半)正向旋转,两个半离合器结合,两定位多齿盘觉分开啮合,刀盘转位。到位后反向旋转,刀盘转动被预分度机构的定位销阻止,由于凸爪斜面作用使离合器左右两半分离,使刀盘右移实现定位锁紧。此形式结构紧凑,但锁紧力靠机构的弹性变形产生,调整较难,主轴刚度不宜大,适用于低速低载,如仪表及床上使用。（2）双插销反靠式这类刀架以 T 形丝杠螺母机构产生锁紧力。电机正转时丝杠移动使两多齿盘分离，再由反靠盘及插销带动刀盘转动到位,检测装置发讯时电机
8、反转,插销向预分度糟反靠实现预分度。由于另一端插销斜面作用,反靠盘与之分离,电机继续反转则使丝杠连同刀盘反向位移至多齿盘啮合锁紧。该刀架转位周期为, 不能双向转位。因只用一个传动链实现动作循环 ,各动作协调由一特殊双插销机构实现,故结构紧凑,锁紧可靠,成为国内中、低档数控车床采用的主要机型。（3）双向滚子端面凸轮锁紧式这类刀架采用正反方向均可实现转位锁紧的滚子端面凸轮机构,能就近换刀。1.4 控制与接口刀位检测元件多用无触点的霍尔元件或接近开关以及光电编码器。锁紧电机一般采用三相交流电机,但开发应用体积小扭矩大,能频繁换向的专用电机对提高电动式刀架性能十分重要。动力刀具驱动用可无级调速的伺服电
9、机。数控转塔刀架与系统接口方式常有如下两种 :1.4.1 直接与数控系统接口视不同系统给出的换刀控制信号,应设计相应的接口电路。通常由如下功能 ：方式选择、刀位检测发讯、驱动功能(驱动执行器件完成转位锁紧等动作)、保护功能(以脆如机械电气故障 )其逻辑电路一般可用继电器实现。1.4.2 通过可编程序控制器(PLC)与数控系统接口用 PLC 实现接口可提高柔性和可靠性。1.5 各种刀架简介1.5.1 简易经济型数控刀架目前主要为立式四工位,通常采用双插销机构实现转位和预定位,电机采用右置式或转塔式。一般只能单向转位,采用齿轮,蜗杆传动,螺旋副加紧,多齿盘精定位。此种刀架价格便宜,适用于要求不高的
10、数控机床,在我国应用最为广泛。但是,该刀架工位少,回转空间大,易发生干涉,所以正向工序长,回转空间小的卧式刀架过渡。1.5.2 高精度型数控刀架目前一般多为卧式八工位到十二工位。分为抬起式和不抬起式。抬起式仿意大利巴罗法蒂公司的 TA 刀架,其缺点是转阻塞度不能过高,只能单向回转；不抬起式仿意大利 IOE 型刀架,采用行星齿轮机构。或仿美国的三联分齿盘精定位,转位采用平行分度凸轮(又叫共辄凸轮)或槽轮机构此种刀架目前正逐渐推广。2总体结构设计2.1总体方案及原理2.1.1减速传动机构的 设计普通的 三相异步电动机因转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必须经过适当的减速。根据立式转位刀架的结构特
11、点，采用蜗杆副减速是最佳选择。蜗杆副传动可以改变运动的 方向，获得较大的 传动比，保证传动精度和平稳性，并且具有自锁功能，还可以实现整个装置的 小型化。21.2上刀体锁紧与精定位机构的设计由于刀具直接安装在上刀体上，所以上刀体要承受全部的切削力，其锁紧与定位的 精度将直接影响工件的加工精度。本设计上刀体的锁紧与定位机构选用端面齿盘，将上刀体和下刀体的 配合面加工成梯形端面齿。当刀架处于锁紧状态时，上下端面齿相互咬合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；换刀时电动机正传，抬起机构使上刀体抬起，等上下端面齿脱开后，上刀体才可以绕刀架中心轴转动，完成转位动作。2.1.3 刀架抬起机构的设计要想使上，下
12、刀体的 两个端面齿脱离，就 必须设计合适的 机构使上刀体抬起。本设计选用螺杆-螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆-涡轮带动蜗杆绕中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动，要么上下移动。当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互咬合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，所以螺杆的转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离咬合时，上刀体就与螺杆一同转动。设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定角度时，使得上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离咬合状态。2.1.4自动回转刀架工作原理图2-1数控车床的基本组成方框图自动回转刀架换刀流程如图2-2所示，图2-3表示在换刀过程中有关销的位
13、置。当刀架处于锁紧状态时，此时反靠销落在反靠圆盘的十字槽内，上刀体的端面齿和下刀体的端面齿处于齿合状态。需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三相异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动蜗杆正向转动，与螺杆配合的上刀体逐渐抬起，上刀体与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘也随着螺杆正向转动，当转过约170时，上盖圆盘直槽的另一端转到圆柱销的正上方，由于弹簧的作用，圆柱销落入直槽内，于是上盖圆盘就通过圆柱销使得上刀体转动起来。上盖圆盘、圆柱销以及上刀体在正转的过程中，反靠销能够从反靠圆盘中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体寻找刀位时的正向转动。上刀体带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的
14、霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立刻控制刀架电动机反转，上盖圆盘通过圆柱销带动上刀体开始反转，反靠销立刻就会落入反靠圆盘的狮子槽内，至此，完成粗定位，此时，反靠销从反靠圆盘的十字槽内爬不上来，于是上刀体停止转动，开始下降，而上盖圆盘继承反转，其直槽内的左侧斜坡将圆柱销的头部压入上刀体的销孔内，之后，上盖圆盘的下表面开始与圆柱销的头部滑动。在此期间，上、下刀体的端面齿逐渐齿合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个过程结束。由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可稳定地工作。图3-2 自动回转刀架换刀流程图2-31上盖圆盘 2圆柱销 3、弹簧 4上刀片 5圆柱销 6反靠销 7反
15、靠圆盘2.2 刀架的设计参数（1） 适用机床：C620;（2） 刀架工位数：四工位;（3） 定位控制元件：霍尔元件 ;（4） 电机的选用：P1=100W,n0=1500r/min,（5） 转速n=50r/min3.主要机构的设计计算3.1 蜗杆传动的设计计算 :3.1.1 选择蜗杆传动类型 自动回转刀架的动力源时三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直连，刀架转位时涡轮与上刀体直连。已知电动机额定功率 P1=100W，额定转速n1 =1500r/min，上刀体设计转速n =50r/min，则蜗杆副的传动比i = n1 / n =1500 /50=30刀架从转位刀锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，启动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命 Lh=10000h 。蜗杆的选型 GB/T10085-1988推荐采用渐开线蜗杆（Z1蜗杆
