毕业论文数控车床自动回转刀架设计18352.doc
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1、高等教育自学考试毕业设计(论文)题目 数控车床自动回转刀架设计 专业班级 机电一体化 姓名 指导教师姓名、职称 所属助学单位 2010年 3月20日目录1 概论11.1 数控车床的组成11.2 数控车床的工作原理11.3 数控车床的发展趋势11.4 本章小结12 数控车床自动换刀装置12.1 自动换刀装置的形式12.1.1 更换主轴头换刀.22.1.2 带刀库的自动换刀系统22.1.3 自动回转刀架换刀22.2 自动回转刀架换刀的优点22.3 自动回转刀架的分类22.4 自动回转刀架换刀的技术要求22.5 自动回转刀架的四个基本动作32.6 本章小结33 自动回转刀架的PLC系统设计33.1
2、自动回转刀架的PLC程序的作用33.2 电动回转刀架具体工作过程33.3 控制系统设计33.3.1 控制系统电路硬件接线图43.3.2 PLC控制流程图43.3.3 PLC软件设计53.4 本章小结64 刀架进给运动伺服系统的设计64.1 刀架进给伺服系统各组成部分的功能64.1.1 伺服驱动装置的作用64.1.2 伺服电机的作用64.1.3 检测装置的作用64.2 刀架运动执行装置74.3 本章小结75 自动回转刀架的机械结构与电气设计75.1 总体结构设计75.1.1 减速传动机构的设计75.1.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计85.1.3 刀架抬起机构的设计85.2 自动回转刀架的机械结
3、构设计85.2.1 液压原理85.2.2 机械结构95.2.3 刀架主要零件设计95.2.3.1动齿盘与静齿盘95.2.3.2 刀架定位精度及重复定位精度95.2.3.3 花键轴105.2.3.4 防水、防尘设计105.2.3.5 控制方式105.2.3.6 活塞105.2.4 刀架驱动形式105.3 自动回转刀架主要传动部件的设计计算105.3.1 蜗杆副的设计计算115.3.1.1 蜗杆的选型115.3.1.2 蜗杆副的材料115.3.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计115.3.1.4 蜗杆和涡轮的主要计算参数和几何尺寸135.3.1.5 校核涡轮齿根弯曲疲劳强度135.3.2 蜗杆的设
4、计计算145.3.2.1 涡距的确定145.3.2.2 其它参数的确定155.3.2.3 自锁性能校核155.4 自动回转刀架电气控制设计155.4.1 硬件收信电路155.4.2 硬件发信电路175.5 本章小结176 总结与展望18致谢18参考文献19摘 要数控车床的出现对提高生产率、改善产品质量以及改善劳动条件等发挥了重要的作用,为了进一步压缩非切削时间,数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的发展方向。在这类多工序的数控机床中必须带有自动换刀装置,在多工序数控机床出现之后,又逐步发展和完善了各类回转刀具的自动更换装置,扩大了换刀数量,快速准确的实现了换刀操作。数控车床上使用的
5、自动回转刀架是一种在一定的空间范围内,能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。本设计主要论述一种多工位液压数控自动回转刀架的设计原理、机械结构及自动控制方式。关键词:数控车床、换刀、PLC、伺服系统、刀架Abstract The emergence of CNC lathe to increase productivity, improve product quality and improve working conditions play an important role, in order to further reduce non-cutting time, numer
6、ical control machine tool is moving in a machine during a setup process to complete multi-processing development. In such multi-procedure must be of CNC machine tools with automatic tool change device, the advent of multi-process CNC machine tools, but also the progressive development and perfection
7、 of the various types of rotary automatic tool changer, expanding the number of tool changing, fast and accurate implementation of the tool change operation. CNC lathe turret used in auto-rotation is a certain spatial scale, can perform automatic release, translocation, precision positioning and a s
8、eries of actions of an institution. This paper discusses the design of a multi-station automatic rotary hydraulic CNC turret design principle, mechanical structure and automatic control methods. Keywords: CNC lathe, tool changer, PLC, servo system, turret 数控车床的自动回转刀架设计1 概论1.1 数控车床的组成数控车床主要由主轴箱、床鞍、尾架
9、、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动系统及数控装置组成。1.2 数控车床的工作原理在数控加工中,编程人员首先按照零件加工的技术要求和工艺要求,编写零件的加工程序,并将加工程序输入到数控装置,数控装置对加工程序进行相应译码和运算,并将处理结果送到机床各个坐标的伺服系统,伺服系统接收来自数控装置输出的指令信息并且经过功率放大后,带动机床移动部件按照规定的轨迹和速度运动,从而使机床自动加工出符合图纸要求的零件。1.3 数控车床的发展趋势数控车床的出现对提高生产率改善产品质量以及改善劳动条件等发挥了重要的作用,为了进一步压缩非切削时间,数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的发展方向。在
10、这类多工序的数控机床中必须带有自动换刀装置,在多工序数控机床出现之后,逐步发展和完善了各类回转刀具的自动更换装置,扩大了换刀数量,以便有可能实现更复杂的换刀操作。1.4 本章小结数控车床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品,是提高制造业的产品质量和劳动生产率必不可少的重要手段,数控车床为了能在工件的一次装夹中完成多工序加工,缩短辅助时间,减少多次安装所引起的加工误差,必须带有自动回转刀架。2 数控车床自动换刀装置2.1 自动换刀装置的形式自动换刀装置是加工中心的重要执行机构,它的形式多种多样,目前常见的有以下三种:更换主轴头换刀、带刀库的自动换刀系统、自动回
11、转刀架换刀。2.1.1 更换主轴头换刀更换主轴头换刀在带有旋转刀具的数控机床中,更换主轴头是一种简单换刀方式。主轴头通常有卧式和立式两种,而且常用转塔的转位来更换主轴头,以实现自动换刀。在转塔的各个主轴头上,预先安装有各工序所需的旋转刀具。当发出换刀指令时,各主轴头依次地转到加工位置,并接通主轴运动,使相应的主轴带动刀具旋转,而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。2.1.2 带刀库的自动换刀系统带刀库的自动换刀系统带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成。首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上,在机外进行尺寸预调整后,按一定的方式放入刀库中去。换刀时先在刀库中进行选刀
12、,并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具,在进行交换刀具之后,将新刀具装入主轴,把旧刀具放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量,它既可以安装在主轴箱的侧面或上方,也可作为单独部件安装到机床以外,并由搬运装置运送刀具。2.1.3 自动回转刀架换刀自动回转刀架换刀数控车床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置,有四方刀架、六角刀架,即在其上装有四把、六把或更多的刀具,自动回转刀架的换刀动作是由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制的。2.2 自动回转刀架换刀的优点传统的车床例如CA6140的刀架上只能装一把刀,换刀的速度慢,换刀后还须重新对刀,并且精度不高,生产效率效率低,不能适应现代化生产的需要,
13、因此有必要对机床的换刀装置进行改进,数控车床上使用的自动回转刀架是一种最简单的换刀装置,自动回转刀架是在一定的空间范围内能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构,使数控车床能在工件的一次装夹中完成多工序加工,缩短辅助时间,减少多次安装所引起的加工误差。 2.3 自动回转刀架的分类根据装刀数量的不同,自动回转刀架分有四工位六工位和八工位等多种形式。根据安装方式的不同,自动回转刀架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定位型等。2.4 自动回转刀架换刀的技术要求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
14、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。2.5 自动回转刀架的四个基本动作回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制,它的动作分为四个步骤:刀架抬起、刀架转位、刀架压紧、转位液压缸复位。2.6 本章小结刀架是直接完成切削加工的执行部件,刀架进给运动采用伺服电动机驱动滚珠丝杠来实现,所以,刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度,以承受粗加工时的切削抗力。由于切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置,所以要求数控车床选择可靠的定位方案和合理的定位结构,以保证有较高的重复定位精度。此外,刀架的设
15、计还应满足换刀时间短、结构紧凑和安全可靠等要求。数控车床是一种高度自动化的机床,它的刀架一般都采用自动(电气或液压)的转位方式。按换刀方式的不同,数控车床的刀架系统主要有更换主轴头换刀、带刀库的自动换刀系统、自动回转刀架换刀等多种形式。 由于自动回转刀架具有刚度大、重复定位精度高、结构简单等一系列优点,所以自动回转刀架在生产工业中被广泛的使用着。3 自动回转刀架的PLC系统设计3.1 自动回转刀架的PLC程序的作用经济型数控车床都配有电动回转刀架,回转刀架除了必须具有良好的强度和刚度,以承受粗加工的切削力和定位精度外,同时通过数控系统内置PLC或独立PLC和控制电路完成回转刀架的自动回转及找刀
16、定位的全部动作,所以自动回转刀架的PLC程序设计对刀架的运行效率和稳定性具有重要的作用。3.2 电动回转刀架具体工作过程电动刀架一般有四工位或六工位,由电动机、机械换刀机构、发讯盘等组成,当系统发出换刀信号,刀架电机正转,通过减速机构和升降机构将上刀体上升至一定位置,离合盘起作用,带动上刀体旋转到所选择刀位,发讯盘发出刀位到位信号,刀架电机反转,完成初定位后上刀体下降,齿牙盘啮合,完成精确定位,并通过升降机构锁紧刀架。3.3 控制系统设计刀架的换刀过程通过PLC对控制刀架的所有IO信号进行逻辑处理及计算,实现刀架的顺序控制,另外为了保证换刀能够正确进行,系统还要设置一些相应的系统参数来对换刀过
17、程进行调整。本设计采用西门子S7200编程软件进行程序设计。3.3.1 控制系统电路硬件接线图刀架电气控制部分如图1所示。图1中的(a)是刀架控制的主电路,主要是通过控制刀架电机的正转和反转来控制刀架的正转和反转;图(b)是刀架控制的PLC输入输出控制回路。每把刀具都有一固定刀号,通过霍尔开关(一般为NPN型,因此我们在接入PNP型PLC时要并接一电阻)进行到位检测。 a b图1 刀架控制原理图3.3.2 PLC控制流程图数控刀架换刀有两种模式,一种是手动换刀,另一种是通过T指令进行自动换刀。手动换刀是指将机床调至手动状态,通过刀位选择按键进行目的刀位选择,有的系统是利用波段开关的形式进行实现
18、,有的系统是利用记数的形式来实现,比如说通过检测刀位选择信号的状态,如果按下刀位选择按键,计数器的数值会发生改变,系统选择也会发生相应的改变。也可以采用单键换刀,一个短促的按键可以换下一个刀位。T指令换刀是直接通过编程刀号作为目的刀位进行换刀。刀架电机顺时针旋转时为选刀过程,逆时针旋转时为锁紧过程,选刀监控时间和锁紧监控时间由PLC定时器决定。其控制流程如图2。 图2 换刀程序流程图3.3.3 PLC软件设计PLC程序部分包括换刀刀号或编程刀号的读入、刀位判断比较、正转寻刀监控及反转锁紧延时监控等,自动换刀部分梯形图如图3。图3是自动换刀控制的PLC梯形图,在梯形图中,用字节传送指令将当前刀位
19、开关信号I0.0一l0.3转换成当前刀号存放到Tc中,在T选通信号的作用下,将指令刀号Tp和当前刀号Tc进行比较,如果不相等则置位Q0.0,复位Q0.1,KM1吸合,刀架电机正转架开始旋转;刀架在正向旋转的过程中不停的对刀位输入信号进行检测,每把刀具各有一个霍尔位置检测开关,各刀具按顺序依次经过发磁体位置产生相应的刀位信号。当产生的刀位信号和指令刀号相一致的时候,PLC认为所选刀具已经到位。刀具到位以后,刀架仍继续正向旋转一段时间,这一时间由时间继电器T7设定,不能过长,过长会造成手动或自动换刀时目的刀位不正确,过短对有些刀架会造成换不到位,特别是手动换刀时会找不到下一个刀位而在原位转换,这个
20、时间的设定在调试时具体调定。自动换刀时延时一段时间以后,Q0.0复位,Q0.1置位,电机停止正向旋转,架开始反转,反转过程其实就是刀架锁紧的过程,此过程延续一段时间,直到刀架锁紧到位,但反转时间不宜过长或过短。过长就有可能烧坏电机或造成电机过热空开跳闸,时间过短有可能造成刀架不能够锁紧。刀架锁紧以后,整个换刀过程结束。当然,在梯形图的设计中还要考虑一些保护和安全因素,如刀架电动机长时间旋转,而检测不到刀位信号,则认为刀架出现故障,立即停止刀架电动机,以防止将其损坏并报警提示;刀架电动机过热报警时,停止换刀过程,并禁止自动加工等。 图3 自动换刀梯形图3.4 本章小结自动换刀控制的PLC程序在实
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