加工中心自动换刀

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。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。第一，了解数控加工中心的分类，其按换刀形式的分类以及加工中心刀库的形式；然后根据给定的参数进行刀库类型的选择以及电动机的确定；接着对刀库的转位定位机构进行了设计；最后是对于控制系统进行了简单设计。

关键字：加工中心，换刀系统，刀库，PLC。

目录

1绪论 (3)

2.刀库的总体设计方案 (5)

2.1课程设计的任务及要求 (5)

2.2刀库的类型选择 (5)

3.电机的选择 (6)

3.1电机的选型及相关参数 (6)

3.2各部分转动惯量的计算 (6)

3.3预选电机 (6)

3.4电机的校核 (7)

4.机械系统的设计 (7)

4.1刀库转动定位机构的设计 (7)

4.2滚动轴承的选择计算 (8)

4.2 轴的校核计算 (9)

4.3 键的设计计算 (9)

5.控制系统的设计 (10)

5.1 刀库的换刀动作如下： (10)

5.2利用PLC实现随机换刀 (11)

参考文献 (14)

1绪论

在现代数控机床中，加工中心(MC-Machining Center)能进行自动换刀、自动更换工件，实行平面、任意曲面、孔、螺纹等加工，成为一种独特的多功能高精、高效、高自动化的机床，并迅速向高速化、复合化、环保化、五轴联动等方向发展，己成为当今国际机床展上最大的亮点。

加工中心特别适合于箱体、框架、叶片等特殊复杂零件的柔性高效加工，能减省一些普通铣床、钻床、键床，提高加工精度和效率，减少转换时间，降低生产成本。

在当今机械工业中，产品不断向个性化、精密化、小批量发展，世界对MC的市场需求在不断增多。特别是在要求适量柔性、大批高效生产的汽车工业、单件、小批重切、快速生产的航空、模具工业以至IT高精尖工业中，MC已逐渐成为重要的高效性机种。

1996年国产加工中心与进口加工中心的台数比，仅为百分之几，到2005年逐步增长到39.4%。2005年与2000年相比，进口的加工中心数量增加4.8倍。加工中心需求猛增的主要原因，大致有三:(l)整个机械工业原有工艺装备结构旧、性能落后，呈“三多三少”(手动的多、自动的少;粗加工的多、精加工的少;低效的多、高效的少)，函需大量更新。能源、交通、冶金、发电、工程机械、造船、模具、IT各业均需购置大、中、小各种Mc，量大面广;(2)汽车工业迅速发展，2002-2004年汽车产量分别为325、444、

507万辆，发动机缸体、缸盖、变速箱及各种汽车零部件加工，均需增添高速、高精、环保、节能的各式MC;(3)航空、国防、军工产业，适应新形势发展，均在提高生产能力，需要大、中型各种立式、卧式、龙门式、五轴控制的高性能MC，而且要求品种多、质量好、供货快。

加工中心进口的快速增加，一方面反映了我国制造业对这类数控机床的需求旺盛，另一方面也反映了我国机床制造业在加工中心的生产能力和国产加工中心的竞争力上还存在差距。国产加工中心市场占有率低的主要原因是国产加工中心在产品水平、交货期、质量和可靠性上与国外

h

L

=86750 (h)

验算结果：合格。

同类产品相比存在不少差距。因此研究加工中心及其控制系统具有现实和长远的意义，掌握其中的关键技术是充分发挥加工中心功能和性能的先决条件，必将对我国装备制造业的整体水平的提高起到积极的作用。

图1-1 立式数控铣床

2.刀库的总体设计方案

2.1课程设计的任务及要求

设计题目：数控加工中心自动换刀系统设计

设计要求：设计一个立式数控加工中心自动换刀系统的刀库装置及其控制系统，主要性能指标参数如下：

刀库载刀量：8把；

刀具形式：BT40；

刀具直径：Φ63mm；

刀盘最低转速：60r/min；

刀架水平运动行程240mm；

采用PLC控制。

2.2刀库的类型选择

目前一般刀库按结构形式可以分为以下几种：

1）刀具储存在圆型鼓轮上，这种刀库结构简单，但刀具环形排列，空间利用率低，为了不致于刀库外径过大导致转动惯量过大，一般刀库容量在32把以下。使刀库中处于换刀位置的刀具轴线平行于主轴轴线，以简单的回转式机械手对刀库和主轴进行交换。要求刀库容量较大的场合，可以采用空间利用率较高的多重型鼓轮式刀库，这种刀库的传动装置和控制装置较为复杂。

2）链式刀库。刀具储存在链条环节上，再以链轮驱动，结构紧凑，刀库容量较大，链环的现状可以根据机床的布局配置成各种形状，也可以将换刀位置突出以利换刀。当链式刀库需要增加刀库容量时，只需增加链条的长度，在一定的围，无需变更线速度及惯量，这种条件对系列刀库的设计与制造带来了很大的方便，可以满足不同的使用条件。

3）盒式刀库。刀具储存在纵横排列的格子上，此种刀库空间利用率最高，刀库容量大。

4）转塔式刀库。刀具储存在同一转塔上，其主要特征是刀库环绕是主轴，储刀位置即为主轴位置，因储存刀具数量有限，主要用于小型加工中心。

5）斗笠式刀库。斗笠式刀库由于其形状像个大斗笠而得名，一般存储刀具数量不能太多，10~24把刀具为宜，具有体积小、安装方便等特点，在立式加工中心中应用较多。加工中心的一个很大优势在于它有ATC装置，使加工变得更

200W

惯量比：，满足20倍以下的要求。

由此可知刀库系统的转动惯量为：

3

3310807.01036.010447.0---⨯=⨯+⨯=+=LC mC C J J J 3.4电机的校核 （1）由摩擦引起的摩擦力矩： 0.1392.00678.059.3815.0<=⨯⨯=≈SP C FC R G T μ （2）最大加速转矩：

845.02

.0602000210807.06023

max =⨯•⨯⨯==-ππCa C C Cam t n J T （3）电机的最大启动转矩： 8.7652.10807.0845.0<=+=+=FC Cr T Tcam T 通过上述校核，得出电机符合要求。

加速装置采用XB1型通用谐波减速器，减速比100：3，输

出轴径20mm 。

4.机械系统的设计 4.1刀库转动定位机构的设计 自动换刀装置为了实现快速可靠，应该满足三点要求：①运动平稳、无冲击，即最大加速度和最大速度要小。②各相邻动作可重叠者，要按其规律尽量多重叠。③各个动作要可靠。为了实现自动换刀装置的功能，可以通过电、

液、气、机联合实现需要的动作。 常用的间歇运动机构有： （1）弧面分度凸轮机构和圆柱分度凸轮机构；

（2）平行凸轮机构；

（3）槽轮机构；

（4）改良型槽轮机构； （5）余摆线机构 根据实际工作情况与目前以上几种间歇机构的特点，选择机械部分结构采用槽轮机构，槽轮机构是20世纪初就开始使用的间歇运动机构，也是成本最低的结构。槽轮机

构(又称马尔他机构)能把主动轴的匀速连续运动转换为从动轴的周期性间歇运动，常用于各种分度转位机构中。槽轮机构有三种基本类型：外啮合槽轮机构、啮合槽轮机构和球面槽轮机构。立式加工中心斗笠式刀库采用外啮合槽轮机构。

该刀库可容纳8把刀具，即槽轮的齿数为8。刀库的回

折算到电机上的负载惯量

惯量比在20倍

以，满足要求

刀库系统的转动惯量

所以电机符合要

求

选用XB1型谐波

齿轮，减速比100:3

选用槽轮机构