小型加工中心数控换刀系统设计.doc

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1、西安航空职业技术学院 毕业设计论文西安航空职业技术学院毕 业 设 计（论 文）论文题目： 数控加工中心刀具自动换刀系统设计所属系部： 航空制造工程系学院指导老师： 张俊 职称： 副教授学生姓名： 赵斌 班级、学号: 11106137专 业： 数控设备应用与维护西安航空职业技术学院制2013年11月20日西安航空职业技术学院 毕业设计（论文）任务书题目： 小型加工中心数控换刀系统设计任务与要求： 数控加工中心刀具换刀系统要求针对PLC的控制方式，通过PLC控制刀盘 旋转从而实现精准换刀，要求学生主要就换刀系统的组成及PLC控制方面 进行设计。时间： 2013年 11 月 18 日至 2014年

2、1 月 10 日 共 8 周所属系部： 航空制造工程学院学生姓名： 学 号：专业： 数控设备应用与维护指导单位或教研室： 数控设备应用与维护教研室指导教师：张俊 职 称： 副教授西安航空职业技术学院制年 月 日毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字第一周分析题目并查询相关资料搜集到相关资料第二周确定设计方案并起草方案完成设计的草案第三周换刀动作、流程的确定完成工作内容第四周自动换刀系统方案确定完成工作内容第五周Fanuc系统PMC学习完成第五周刀具库、换刀控制系统设计完成工作内容第六周PMC程序设计完成工作内容第七周撰写设计说明书完成第八周完善论文，提交完成

3、教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 【摘要】本设计的题目是数控机床换刀系统设计。以加工中心为对象，通过分析加工中心的整体结构和自动换刀系统的特点、应用条件，设计要求等，并结合在数控机床上对刀库和换刀控制的需要能在数控程序的控制下灵活的实现换刀过程。设计的刀库为盘式刀库，驱动装置采用电机电气驱动。结合工厂实际，该自动换刀系统在数控的控制下能灵活的完成换刀程序，节省了时间、提高了效率、安全可靠。关键词 ：刀库、自动控制、加工中心Abstract本设计的题目是数控机床换刀系统设计。以加工中心为对象，通过分析加工中心的整体结构和自动换刀系统的特点、应用条件，设计要求等，并结合在数控机床上对刀

4、库和换刀控制的需要能在数控程序的控制下灵活的实现换刀过程。设计的刀库为盘式刀库，驱动装置采用电机电气驱动。结合工厂实际，该自动换刀系统在数控的控制下能灵活的完成换刀程序，节省了时间、提高了效率、安全可靠。This design is a tool change system of CNC machine tool. To machining center as the object, through the analysis of the whole structure of machining center and automatic tool changing system charact

5、eristics, application conditions, design requirements, combined with the numerical control machine tool library and tool changing control needs - to tool change is flexible in control procedure. The knif. The knife design for disc knife library, driving device adopts motor drive. Combined with the p

6、ractical, the automatic tool changing system can be flexibly ATC completed program in NC control, saves time, improves the efficiency, safety and reliability.关键词 ：刀库、自动控制、加工中心Keywords: knife, automatic control, processing center目录【摘要】4.1概述71.1数控机床发展现状71.1.1国内外数控机床的发展状况71.1.2数控机床技术的发展趋势91.2加工中心101.2.

7、1加工中心的组成101.2.2加工中心的特点112加工中心自动换刀系统方案确定132.1加工中心自动换刀系统概述132.2自动换刀系统方案确定142.1.1刀库方案的确定142.2.2控制器方案确定172.2.3自动选刀方式方案确定173刀库的设计183.1刀库容量的确定183.2刀库的转位183.3刀库的夹刀机构194自动换刀控制系统设计204.1基于PLC的自动换刀控制204.2刀库控制的程序设计214.2.1 PLC接线图214.2.2I/O配置表224.2.3梯形图234.3系统改进24总 结25致 谢26参考文献27.1概述数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔

8、性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。机床是发展机械制造业乃至整个工业必不可少的复杂生产工具，既是生产要素，又是重要的商品。而数控机床是机电一体化现代机床，对复杂件、难削件的加工起到重要作用，又特别适合于中小批多品种柔性生产。在大批大量生产自动化实现之后，必须要努力发展中小批多品种柔性生产自动化，以适应社会产品多样化的需求。数控机床的发展在很大程度上取决于数控系统的性能和水平，而数控系统的发展及其技术基础离不开微电子技术和计算机技术。随着计算机及其软硬件技术的飞速发展，数控系统的硬件平台趋于一致化，而控制系统软件的竞争日益加剧。1.1数控机床发展现

9、状1.1.1国内外数控机床的发展状况随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。“十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展。其产量2001年为17521台，2002年24803台，2003年36813台，2004年51861台，2004年产量是2000年的3.7倍，平均年增长39；2005年国产数控机床

10、产量59639台，接近6万台大关，是“九五”末期的4.24倍。“十五”期间，中国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、外商投资企业增长速度加快所致。2006年，中国数控金切机床产量达到85756台，同比增长32.8%，增幅高于金切机床产量增幅18.4个百分点，进而使金切机床产值数控化率达到37.8%，同比增加2.3个百分点。此外，数控机床在外贸出口方面亦业绩骄人，全年实现出口额3.34亿美元，同比增长63.14%，高于全部金属加工机床出口额增幅18.58个百分点。2007年，中国数控金切机床产量达123,257台，数控金属成形机床产量达3,0

11、11台；国产数控机床拥有量约50万台，进口约20万台。2008年10月，中国数控机床产量达105,780台，比2007年同比增长2.96。长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了510年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了1015年。同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前

12、还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。国外公司在中国数控系统销量中的80以上是普及型数控系统。如果我们能在普及型数控系统产品快速产业化上取得突破，中国数控系统产业就有望从根本上实现战略反击。同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高中国高档数控系统总体技术水平。“十一五”期间，中国数控机床产业将步入快速发展期，中国数控机床行业面临千载难逢的大好发展机遇，根据中国数控车床19962005

13、年消费数量，通过模型拟合，预计2009年数控车床销售数量将达8.9万台，年均增长率为16.5%。根据中国加工中心19962005年消费增长模型，预计2009年加工中心消费数量将达2.8万台，较2005年年均增长率为17.8%。1.1.2数控机床技术的发展趋势高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在：1、机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣车复合、车铣复合、车镗钻齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完

14、全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2、智能化技术有新突破数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3、机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工

15、机床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。4、精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前的微米级（0.001mm），有些品种已达到0.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m左右，形状精度可达0.01m左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001m）。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。 5、功能部件性能不断提高功能部

16、件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。1.2加工中心加工中心是在数控铣床的基础上加上刀库及自动换刀装置或多个工作台，集数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能于一身的一种由计算机来控制的高效、高自动化的机床。工件在一次装夹后，数控系统根据加工的需要，自动选择和更换刀具，根据粗精加工的不同要求自动改变机床主轴的转速、进给量和刀具相对于工件的运动轨迹和其他辅助功能，一次完成多工序的加工。减少了工件的装夹、测量和机床调整等时

17、间，使机床的切削时间达到机床开动时间的80%左右（普通机床仅为15%20%）；同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放时间，缩短了生产周期，具有明显的经济效益。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产。1.2.1加工中心的组成加工中心自问世至今已有三十多年，世界各国出现了各种类型的加工中心，虽然外形结构各异，但从总体来看主要由以下几大部分组成。（1） 基础部件。基础部件由床身、立柱和工作台等组成，它是加工中心的基础结构，主要承受加工中心的静载荷以及在加工时产生的切削负载，因此必须要有足够的刚度。这些大件可以是铸铁件，也可以是焊接而成的钢结构件，它们是加工中心体

18、积和质量最大的部件。（2） 主轴部件。主轴部件由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零件组成。主轴的启、停和变速等动作均由数控系统控制，并且通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构的优劣对加工中心的性能有很大影响。（3） 伺服系统。伺服系统主要是进给传动系统，其作用是把来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动，其性能是决定机床的加工精度、表面精度、表面质量和生产效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半闭环、闭环和开环三种控制方式。（4） 数控系统（CNC）。 加工中心的数控部分是由CNC装置、可编程控制器、伺服驱动装置以及操作面板等组成。它是

19、执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。（5） 自动换刀系统（ATC）。 自动换刀系统是由刀库、机械手等部件组成。当需要换刀时，数控系统发出指令，由机械手（或通过其他方式）将刀具从刀库内取出装入主轴孔中。（6） 辅助装置。辅助装置包括润滑、冷却、排屑、防护、液压、气动和检测系统等部分。这些装置虽然不直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起着保障作用，因此也是加工中心不可缺少的部分。1.2.2加工中心的特点（1）结构特点。 机床的刚度高、抗振性好。为了满足加工中心高自动化、高速度、高精度、高可靠性的要求，加工中心的静刚度、动刚度和机械结构系统的阻尼比都高于普通机床。 机床的

20、传动系统结构简单，传递精度高，速度快。加工中心传动装置主要有三种，即滚珠丝杠副；静压蜗杆蜗轮条；预加载荷双齿轮齿条。它们由伺服电机直接驱动，省去齿轮传动机构，传递精度高，速度快。一般速度可达15m/min，最高可达100m/min。 主轴系统结构简单，无齿轮箱变速系统（特殊的也只保留12级齿轮传动）。主轴功率大，调速范围宽，并可无级调速。目前加工中心95%以上的主轴传动都采用交流伺服系统，速度可从（102000）r/min无级变速。 加工中心的导轨都采用了耐磨损材料和新的结构，能长期地保持导轨的精度，在高速切削下，保证运动部件不振动，低速进给时保证不爬行及运动中的高灵敏度。 设置有刀库和换刀机

21、构。具有储存加工所需刀具的刀库，它用于储存刀具并根据要求将各工序所用的刀具运送到取刀位置；具有自动装卸刀具的机械手。这是加工中心与数控铣床和数控镗床的主要区别，使加工中心的功能和自动化加工的能力更强了。加工中心的刀库容量少的有几把，多的达几百把。这些刀具通过换刀机构自动调用和更换，也可以通过控制系统对刀具寿命进行管理。 具有主轴准停机构、刀杆自动夹紧松开机构和刀柄切屑自动清理装置。这是加工中心机床主轴部件中三个主要组成部分，也是加工中心机床能够顺利地实现自动换刀所需具备的结构保证。此外，还具有自动排屑、自动润滑、自动报警和工作台自动交换的系统等。（2）加工特点 全封闭防护，加工精度高。加工中心

22、同其他数控机床一样具有加工精度高的特点，而且加工中心由于加工工序集中，避免了长工艺流程，减少了人为干扰，故加工精度更高，加工质量更加稳定。 能自动进行刀具更换，加工生产率高。零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。加工中心带有刀库和自动换刀装置，在一台机床上能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件半成品的周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率（切削时间和开动时间之比）高于普通机床34倍，达80%以上。 工序集中，加工连续进行。加工中心备有刀库并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工，使得工件在一次装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自

23、动改变主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹以及其他辅助功能，现代加工中心更大程度地使工件在一次装夹后实现更多表面、多特征、多工位的连续、高效、高精度加工，即工序集中。这是加工中心最突出的特点。 加工中心能自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能。 操作者的劳动强度减轻。加工中心对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸零件、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度和紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到很大的改善。 功能强大，趋向复合加工，对加工对象的适应性强。加工中心生产的柔性不仅体现在对特殊要

24、求的快速反应上，而且能快速实现批量生产，提高市场竞争能力。 经济效益高，有利于生产管理的现代化。使用加工中心加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的，但在单件、小批量生产的情况下，可以节省许多其他方面的费用，因此能获得良好的经济效益。并且用加工中心加工零件，能够准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工装夹具、半成品的管理工作。这些特点有利于使生产管理现代化。由于加工中心具有上述机能，因而可以大大减少工件装夹、测量和机床调整时间，减少工件的周转、搬运和存放时间，使机床的切削时间利用率高于普通机床34倍，大大提高了生产率，尤其是在加工形状比较复杂、精度要求较高、品种更换频繁的工件时

25、，更具有良好的经济性。2加工中心自动换刀系统方案确定2.1加工中心自动换刀系统概述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。2.2自动换刀系统方案确定2.1.1刀库方案的确定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

26、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像刀塔那样的受限制，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

27、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”。链式刀库包括单环链和多环链 , 链

28、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

29、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停在换刀位置上，将会使换刀机械手抓刀不准，以致在换刀时容易发生掉刀现象。因此，刀套的准停问题将是影响换刀动作可靠性的重要因素之一。为了确保刀套准确地停在换刀位置上，需要采取如下措施：（1） 定位盘准停方式，由液压缸推动的定位销插入定位盘的定位槽内，以实现刀套的准停，或采取定位块进行快速定位。刀位盘上的每个定位槽（或定位孔），对应于一个相应的刀套，而且定位槽（或定位孔）的节距要一致。这种准停方式的优点是能有效地消除传动链反向间隙的影响，保护传动链，使其免受换刀撞击力，驱动电动机可不用制动自锁装置。（2）

30、 链式刀库要选用节距精确度较高的套筒滚子链和链轮，而且在把套筒装在链条上时，要用专用夹具来定位，以保证刀套节距一致。（3） 传动时要消除传动间隙。消除反向间隙方法有以下几种：电气系统自动补偿方式，在链轮轴上安装编码器，单头双导程蜗杆传动方式，使刀套单方向运行、单方向定位以及使刀套双向运行、单向定位方式等。链式刀库有如下特点：适用于刀库容量较大的场合，所占的空间小。一般适用于刀具数在30120把的刀库。仅增加链条长度即可增加刀具数，可以不增加圆周速度，其转动惯量不像盘式刀库增加的那样大。盘式刀库结构中，刀具可以沿主轴径向、轴向、斜向安放，如图23（a）、（b）、（c）。刀具轴向安装的结构最为紧凑

31、，但为了换刀时刀具与主轴同向，有的刀库中的刀具需要在换刀位置作翻转。在刀库容量较大时，为在存取方便的同时保持结构紧凑，可采取弹仓式结构，但是较其他形式复杂。目前大量的刀库安装在机床立柱的顶面或侧面。在刀库容量较大时，也有安装在单独的地基上的，以隔离刀库转动造成的振动。盘式刀库的刀具轴线也圆盘轴线平行，刀具环形排列，分径向、轴向两种取刀方式，其刀座结构不同。这种盘式刀库结构简单，应用较多，适用于刀库容量较小的情况。为增加刀库空间利用率，可采用双环或多环排列刀具的形式，但圆盘直径增大，转动惯量就增加，选刀时间也较长。 （a） （b） （c）图 23经过对上述两种刀库形式的比较，以及结合的实际情况，

32、在本设计中采用盘式刀库这种结构。2.2.2控制器方案确定作为数控机床控制器是必须不可少的部分，当今应用最广泛的控制器有51系列单片机PLC单片机PLC(可编程控制器)。单片机：单片机控制器使用方便；可靠性高，可工作到106 107小时无故障；处理功能强，速度快、低电压、低功耗、控制功能强环境适应能力强。PLC控制器：PLC可编成控制器操作方便，改变控制程序灵活；通用性和灵活性高，应用范围广；系统组成灵活；编制程序简单容易；维护方便；可靠性高；体积小；可将数据直接传入管理计算机；在成本上可以与继电器控制柜竞争综合各种控制器特点，本设计选用PLC可编程控制器进行控制。2.2.3自动选刀方式方案确定

33、目前刀具选择一般有四种控制方式：刀套编码方式、顺序选刀方式、刀具编码方式以及随机选刀方式。刀套编码方式是对刀库各刀座预先编码，没把刀具放入相应刀座之后就具有了相应刀座编码，即刀具在刀库中的位置是固定的。顺序选刀方式是将刀具按加工工序顺序依次放入刀库的每一个刀座中。每次换刀时，先把已经使用过的刀具放回原来的刀座中，然后刀库顺序转过一个刀座位置，并取出所需要的刀具，这种方法有利于换刀过程的控制，但是，由于刀具在不同的工序中不能重复使用，如果刀具不按顺序放入刀库中，将会产生严重的后果。这样就必须增加刀库的容量和刀具的数量，降低了刀库和刀具的利用率。刀具编码方式是指刀具在刀库中不必按照工件顺序排列，可

34、以任意排放。没把刀具均编上代码，自动换到时，刀库旋转，没把刀具都要经过“刀具识别器”接受识别。当刀具代码与机床发出请求一致时，刀具库旋转至换到位置，等待换刀。随机选刀方式主要是由控制软件完成选刀，根据指令要求任意选择所需刀具。刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可任意存放，且相同的刀具可以重复使用。清除了由于识别装置的移动性和可靠性所带来的选刀失误，大大提高了选刀精度并简化了控制装置。综合上述各选刀方式的优却点与加工中心的实际情况，本设计选用随机选刀方式进行选刀。3刀库的设计本章将具体设计本设计中有关刀库部分的具体内容，包括刀库的容量、转位、刀具夹紧机构。3.1刀库容量的确定 刀库的容量首

35、先要考虑加工工艺的需要。例如，立式加工中心的主要工艺为钻、铣。有资料显示，在统计了15000种工件，按成组技术分析，各种加工所必需的刀具数的结果是：4把铣刀可完成工件95%左右的铣削工艺，10把孔加工刀具可完成70%的钻削工艺，因此，14把刀的容量就可完成70%以上的工件钻铣工艺。如果从完成工件的全部加工所需的刀具数目统计，所得结果是80%的工件（中等尺寸，复杂程度一般）完成全部加工任务所需的刀具数在四十种一下，所以一般的中、小型立式加工中心配有612把刀具的刀库就能够满足70%95%的工件加工需要。根据以上分析，结合本设计的要求，在本设计方案中设定刀库的容量为8把刀。3.2刀库的转位刀库的转

36、位机构由伺服电机通过消隙齿轮1、2带动蜗杆3，通过蜗轮4使刀库转动，如图31所示。蜗杆为右旋双导程蜗杆，可以用轴向移动到方法来调整蜗轮副的间隙。压盖5内孔螺纹与套6相配合，转动套6即可调整蜗杆的轴向位置，也就调整了蜗轮副的间隙。调整好后用螺母7锁紧。图31 刀库转位机构1、2齿轮；3蜗杆；4蜗轮；5压盖；6套；7螺母刀库的最大转角为，根据所换刀具的位置决定正转或反转、由控制系统自动判别，以使找刀路径最短。每次转角大小由位置控制系统控制，进行粗定位，最后由定位销精确定位。3.3刀库的夹刀机构刀库的夹刀机构，即刀库夹爪，既起着刀套作用，又起着手爪作用。由于刀具在刀库中大部分时间是出于相对静止状态（

37、只有在刀库转位时随刀库一起运动），所以刀库的夹刀机构的结构都比较简单，其夹紧力也较小，只需承受刀具本身的自重就可以了。其结构示意图如图32所示。图32 刀库夹爪1 锁销；2顶销；3弹簧；4支点轴；5手爪；6挡销4自动换刀控制系统设计换刀控制是加工中心控制中较为复杂的一个内容，涉及刀具的选择控制与刀库的换刀动作控制等4.1基于PLC的自动换刀控制PLC接收到计算机数控装置（CNC）发来的换刀指令，即进行换刀工作，刀库在步进电机的带动下转动，一旦完成选刀，就将该刀送至指定的刀具交换位置上，等待换刀。在这个过程中，需要应用PLC完成自动控制，主要包括接收信号、计算目标地址、确定刀库回转方向及回转角度

38、等，在刀库刀具的安装位置上装有传感器，刀库回转经过时，会产生一个脉冲信号至PLC，来确定是否到达目的位置。然后再PLC的控制下，步进电机作用控制刀库横向移动完成刀具换取，流程图如图4-1所示 图4-1自动换刀控制流程图4.2刀库控制的程序设计本节主要设计了PLC控制的接线示意图、I/O配置表与PLC梯形图，属于自动换刀控制系统设计的主要部分。4.2.1 PLC接线图4.2.2I/O配置表节点类型节点名称节点作用 输 入X001机械手位置检测X002机械手位置检测X003机械手位置检测X004机械手位置检测X005机械手位置检测X006机械手位置检测X0011刀具号选择X0012刀具号选择X00

39、13刀具号选择X0014刀具号选择X0015刀具号选择X0016刀具号选择 输 出Y000刀具到位指示Y001刀盘旋转指示Y002刀盘顺转Y003刀盘逆转Y004换刀闪烁4.2.3梯形图4.3系统改进在加工中心上使用的刀库主要有两种，一种盘式刀库，一种是链式刀库。盘式刀库容量相对较小，一般在1-24把刀具，主要适应小型加工中心；链式刀库装刀容量大，一般在1-100把刀具，主要适用于大中型加工中心。本设计主要是小型加工中心，所以在刀库选择上选用了盘式刀库，刀库容量设置在八把刀，减小了刀库体积，缩短了换刀过程中刀库旋转时间。在选刀方式上选用任意选刀方式，使得选刀更加方便快速，大大的节约了换刀所需的

40、时间。总 结本次设计的题目是加工中心自动换刀装置的设计。关于盘式刀库的自动换刀。刚拿到题目对于刀库换刀不是很了解，通过查阅资料对于自动换刀有了初步的了解。自动刀库作为加工中心的重要部分应用广泛。设计主要针对自动换刀PLC的程序设计，程序由功能指令编写更加简单。其中用到的传送指令，运算指令等功能指令是这次实习的主要内容。要正确分析控制要求，绘制程序控制流程图，写出IO分配表，并进行PLC电气控制的元器件选型。最后分析调试程序。课程设计是让我对于课题不断深入了解，进行自主的学习掌握知识。自动换刀的换刀取存是整个设计过程中困扰我的问题。在自己冥思苦想而不得法，后来有老师给我的帮助。给了我很大的启发，

41、在以后的日子里循序渐进抽丝剥茧的慢慢完成程序。只有发现问题面对问题才有可能解决问题，以后自己在这些方面一定要努力学习去克服。致 谢在整个毕业设计中，我遇到了无数的困难和障碍，但都在我的指导老师张老师的悉心指导与帮助下度过了，张老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿论文的修改和改进方面，我都得到了张老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益。在此向帮我的所有人表示由衷的感谢，感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中提供热情帮助。由于我的学习水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请老师批评指正。 最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师参考文献1李继中.盘式刀库加工中心自动换刀系统控制.机械设计与制造，20072黄泽正.加工中心自动换刀装置的设计.机械工程与自动化，20073曹秋霞.小型立式加工中心圆盘式刀库的设计.机电产品开发与创新，20054廖常初.PLC基础及应用. 机械工业出版社,20115汤自春.PLC原理及应用技术. 高等教育出版社,2011