数控加工中心刀库传动系统设计.doc

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1、机电工程学院毕业设计数控加工中心刀库传动系统设计摘要：本文设计了数控加工中心刀库传动系统，工件在加工中心上经一次装夹后，数字控制系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，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，依次完成工件几个面上多工序的加工。并且有多种换刀或选刀功能，从而使生产效率大大提高。在参考了学校里的数控加工中心基础上，对加工中心的气动换刀系统进行分析，阐述了其刀库选刀控制方式及换刀动作过程介绍，该系统在换刀过程中实现主轴定位、主轴松刀、拔刀、向主轴锥孔吹气和插刀动作，并通过CAXA软件画出换刀系统的过程，来更清楚的描绘出气动换刀系统。关键词：加工中心；

2、气动；换刀目 录1绪 论11.1 数控加工中心气动换刀系统的概述11.2 课题的内容及意义12气动换刀系统的组成22.1刀库22.1.1盘式刀库22.1.2链式刀库32.1.3格子式刀库42.2刀具交换机构43数控加工中心气动换刀系统原理64刀库选刀控制与换刀流程84.1刀具的选择方式84.1.1顺序选择方式84.1.2任意选择方式84.2利用PLC程序来实现随机换刀84.3换刀动作流程105数控加工中心换刀时间的评定方法155.1快速换刀技术155.2换刀速度指标155.3提高换刀速度的基本原则155.4如何合理评定自动换刀装置的换刀时间156数控加工中心气动换刀系统关键部位设计176.1弹

3、簧夹头设计176.2刀柄设计187结论198谢辞209参考文献21附录22- 21 -1绪 论1.1 数控加工中心气动换刀系统的概述带有刀库和气动换刀装置的加工中心是一种高度自动化的多功能数控机床。工件在加工中心上经一次装夹后，数字控制系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，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，依次完成工件几个面上多工序的加工。并且有多种换刀或选刀功能，从而使生产效率大大提高。气动换刀系统一般由刀库和刀具交换机构组成。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，并由刀具交换装置从

4、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。能实现一次装夹完成多道工序，缩短了加工辅助时间，同时排除了多次装夹刀具所产生的定位误差，提高了加工精度，实现了高速化、智能化的加工。气动换刀系统的好坏直接影响生产加工的效率。本文将要讨论数控加工中心气动换刀系统的工作原理及机械结构。1.2 课题的内容及意义本文在参考了学校里的加工中心的基础上，利用CAXA画图软件画出数控加工中心气动换刀系统原理图和机械结构来完成本次设计。首先，参阅图书馆中有关气动书籍并通过互联网，寻找到一些相关资料，并针对学校的数控加工中心进行研究分析；其次，用CAXA画图软件画出气动换刀系统的原理

5、图及机械结构进行分析；最后，设计气动换刀系统的关键部位来完成数控加工中心气动换刀系统设计。本次设计的完成，使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，特别是对数控加工中心刀库传动系统有了更深一步的了解。我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际操作问题的能力，同时我的查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平也得到了很大的提高，为今后就业顶岗奠定了坚实的基础。2气动换刀系统的组成气动换刀系统一般由刀库和刀具交换机构组成。不同的数控加工中心，刀库和刀具交换机构可能不同，这也体现了不同数控机床间的不同特色。2.1刀库所谓刀库，顾名思

6、义，就是存放刀具的仓库，是气动换刀装置的主要部件，其容量、布局以及具体结构对数控机床的设计有很大的影响。根据刀库所需要的容量、选刀及取刀方式，可以将刀库设计成多种形式。 2.1.1盘式刀库图2.1 盘式刀库图2.1为盘式刀库，这种刀库的结构简单，刀库的容量通常为1530把，取刀比较方便，因此应用最为广泛。当需要更多数量的刀具时，可采用图e所示的鼓轮弹仓式刀库，又称刺猬式，其结构十分紧凑，在相同的空间内，它的刀库容量最大。图f为多层盘形刀库，它们虽然也具有结构紧凑的特点，但选刀和取刀的动作较多，故较少应用。2.1.2链式刀库图2.2 链式刀库图2.2为链式刀库，这种刀库是在环形链条上装有许多刀座

7、，其结构有较大的灵活性，存放刀具的数量也较多，选刀和取刀动作十分简单。当链条较长时，可以增加支撑链轮数目，使链条折叠回饶，提高空间利用率，一般刀具数量在30120把，但是这种刀库定位精度低，因此应用也不广泛。2.1.3格子式刀库图2.3 格子式刀库图2.3为格子式刀库，这种刀库具有纵横排列十分整齐的很多格子，每个格子中均有一个刀座，可储存一把刀具，这种刀库可将其单独安置于机床外，由机械手进行选刀及换刀。这种刀库选刀及取刀动作复杂，应用最少。2.2刀具交换机构将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库的装置叫做刀具交换机构，主要有通过刀库和主轴的相对运动实现刀具交换和通过机械手实现刀具交换两种形式。通过

8、刀库和主轴的相对运动实现刀具交换：必须将主轴上用过的刀具送回刀库，再从刀库取出新刀但两个动作不能同时进行，换刀时间较长，换刀动作也较多。通过机械手实现刀具交换：换刀时间短，因此广泛运用。根据在换刀过程中机械手的动作不同，分为抱刀机械手、叉刀机械手、钩刀机械手。这里以钩刀机械手为例，介绍一下机械手在换刀过程中的基本动作：1）抓刀：手臂旋转90，同时抓住刀库和主轴上的刀具；2）拔刀：主轴夹头松开刀具，机械手同时将刀库和主轴上的刀具拔出；3）换刀：手臂旋转180，新旧刀具交换；4）插刀：机械手同时将新旧刀具分别插入主轴和刀库，然后主轴夹头夹紧刀具；5）复位：转动手臂，回到原始位置。（图2.4） 图2

9、.4 钩刀机械手换刀过程3数控加工中心气动换刀系统原理图3.1所示为数控加工中心气动换刀系统原理图，该系统在换刀过程中实现主轴定位、主轴松刀、拔刀、向主轴锥孔吹气和插刀动作。图3.1 数控加工中心气动换刀系统1气动三联件；2、4、6、9机向阀；3、5、10、11单向节流阀；7、8快速排气阀具体工作原理如下：当数控系统发出换刀指令时，主轴停止旋转，同时4YA通电，压缩空气经气动三联件1、换向阀4、单向节流阀5进入主轴定位缸A的右腔，缸A的活塞左移，使主轴自动定位。定位后压下无触点开关，使6YA通电，压缩空气经换向阀6、快速排气阀8进入气液增压器B的上腔，增压器的高压油使活塞伸出，实现主轴松刀，同

10、时使8YA通电，压缩空气经换向阀9、单向节流阀11进入缸C的上腔，缸C下腔排气，活塞下移实现拔刀。由回转刀库交换刀具，同时1YA通电，压缩空气经换向阀2、单向节流阀3向主轴锥孔吹气。稍后1YA断电、2YA通电，停止吹气，8YA断电、7YA通电，压缩空气经换向阀9、单向节流阀10进入缸C的下腔，活塞上移，实现插刀动作。6YA断电、5YA通电，压缩空气经阀6进入气液增压器B的下腔，使活塞退回，主轴的机械结构使刀具夹紧。4YA断电、3YA通电，缸A的活塞在弹簧力作用下复位，回复到开始状态，换刀结束。表3.1为电磁铁动作顺序表。表3.1 电磁铁动作顺序表1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA

11、主轴定位+主轴松刀+拔刀+插刀-+-吹气+夹紧+-复位+-4刀库选刀控制与换刀流程4.1刀具的选择方式按数控装置的刀具选择指令，从刀库中挑选各工序所需要的刀具的操作，称为自动换刀。目前，有顺序选择和任意选择两种方式。4.1.1顺序选择方式将刀具按加工工序的顺序，依次放人刀库的每一个刀座内。每次换刀时，刀库按顺序转动一个刀座的位置，并取出所需要的刀具。已经使用过的刀具可以放回原来的刀座内，也可以按顺序放入下一个刀座内。这种方式不需要刀具识别装置，而且驱动控制也较简单，可以直接由刀库的分度来实现。因此，刀具的顺序选择方式具有结构简单，工作可靠等优点。但更换不同工件时，须重新排列刀库中的刀具顺序。刀

12、库中的刀具在不同的工序中不能重复使用，相应地增加了刀具的数量和刀具的容量，降低了刀具和刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库，将会造成严重事故。4.1.2任意选择方式采用任意选择方式的自动换刀系统中必须有刀具识别装置。这种方式是根据程序指令的要求来选择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可任意存放。每把刀具（或刀座）都编上代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具（或刀座）都经过“刀具识别装置”接受识别。当某把刀具的代码与数控指令的代码相符合时，该把刀具被选中，并将刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。刀库中刀具的排列顺序与工件加工顺序无关，相同的刀具可重复

13、使用。因此，刀具数量比顺序选择法的刀具可少一些，刀库也相应的小一些。4.2利用PLC程序来实现随机换刀PLC程序是数控机床正常运转的软件核心，是连接CNC和机床的桥梁，也是机床电气设计人员调试机床的关键。一个完善的PLC程序不仅能使机床正常运行，还要让人看起来一目了然，既为自己调试提供方便，还能帮助维修人员查找故障和分析原因。首先简单介绍一下刀具交换装置的基本情况，刀库是可正反向旋转的链式刀库、装在刀具交换装置上的机械手用15个步骤将刀库中的刀具交换到主轴，并将主轴刀具还回刀库对应的刀套中。为尽量缩短换刀时间，我们采用刀具预选与零件加工同时进行的方式来压缩换刀时间。机械手动作顺序如下： 步骤1

14、：平移缩回，抓刀库中预选的刀具；步骤2：拔刀伸出，拔出刀套中的刀具；步骤3：平移伸出，离开刀库侧抓刀位置；步骤4：拔刀缩回，机械手缩回；步骤5：摇臂伸出，摇臂转向主轴侧；步骤6：平移伸出，抓主轴刀具；步骤7：拔刀伸出，拔出主轴中的刀具；步骤8：换刀正转或反转，刀具交换；步骤9：拔刀缩回，将预选刀具插入主轴；步骤10：平移缩回，机械手离开主轴；步骤11：摇臂缩回，摇臂转向刀库侧；步骤12：拔刀伸出，准备将主轴刀具送回刀库；步骤13：平移缩回，机械手移向刀库；步骤14：拔刀缩回，将主轴刀具插入刀库；步骤15：平移伸出，离开刀库侧抓刀位置。以上15个步骤可分为如下4个阶段： 第1阶段：抓新刀。TXX

15、（刀号，如T01）代码控制刀库按就近方向转动到编程刀具所在的位置，到位且有刀库定位I信号后启动机械手，经过步骤1步骤2步骤3步骤4，将编程刀具抓在手上等待换刀。 第2 阶段：换刀。M06启动换刀固定循环“TOOL”。“TOOL”控制各坐标移动到换刀位置，并用M90通知PLC启动换刀，PLC用M90信号请求NC “读入禁止”并启动机械手换刀步骤5步骤6步骤7步骤8步骤9步骤10步骤11，同时用步骤5的到位信号控制刀库转到主轴刀号的位置。 第3阶段：还刀。步骤5启动的刀库旋转停止且有刀库定位I信号后，启动机械手步骤12步骤13步骤14步骤15，将主轴刀具还到刀库中并将记忆主轴刀号的存储器更新。步骤

16、11完成后，取消“读入禁止”，激活刀具参数，加工程序和机械手还同时进行。 第4 阶段：抓预选新刀。在M06的下一段紧跟下道工序要用的刀具号TXX，刀库在完成还刀动作后可在零件加工的同时启动机械手步骤1步骤2步骤3步骤4，将下道工序所用的刀具预选抓到机械手上，等待M06启动后面的换刀动作，这样大大缩短了刀具交换的时间，提高了工作效率。 注意事项： 在固定循环TOOL中，所有位移程序段应加G153(段有效)取消基本偏移，三个换刀过程：装刀：主轴无刀，TXX/M06直接安装编程刀具；换刀：主轴有刀，交换编程刀具和主轴刀具；还刀：主轴有刀，编程T0，将主轴刀具还回刀库。 本编程方法的核心是将机械手动作

17、按时序分成共15个步骤。“步骤”存储在一个中间的变量中，该中间变量点占一个字节，每个“步骤”完成后将中间变量的值修改为下一个“步骤”，而整个步骤全部完成后将中间变量置为零，下一个换刀指令到来后又从步骤1开始执行。这样不仅使PLC程序简单、直观，而且由于“步骤”是唯一的，这样就能避免信号之间的互相干扰，编程人员再也不用绞尽脑汁来为每一个输出信号加各种限制条件，巧妙利用“变量”达到事半功倍的效果。加工程序和PLC程序关系见图4.1。图4.1 加工程序和PLC程序关系示意图4.3换刀动作流程下面为大家介绍一下数控加工中心盘式刀库和主轴间换刀流程。若现在主轴上刀具1号刀换刀库上刀具2号刀的过程如下：如

18、图4.2所示，首先刀库将当前位置旋转至1号刀所在的刀座。图4.2 刀库旋转如图4.3所示，主轴下降至Z轴换刀点。同时主轴准停。 图4.3主轴下降如图4.4所示，刀库前进，使1号刀具进入刀库的1号刀库。图4.4刀库前进 如图4.5所示，主轴松刀，1号刀具落入刀库原位，然后主轴上升。图4.5主轴松刀如图4.6所示，刀库旋转，将新刀2号刀旋转到刀库当前位置图4.6刀库旋转如图4.7所示，主轴下降到2号刀所在位置，同时主轴上的刀具夹紧装置把2号刀具夹紧。图4.7主轴下降如图4.8所示，刀库退回到原位。换刀过程结束。图4.8刀库退回5数控加工中心换刀时间的评定方法5.1快速换刀技术快速自动换刀技术是以减

19、少辅助加工时间为主要目的，综合考虑机床的各方面因素，在尽可能短的时间内完成刀具交换的技术方法。该技术包括刀库的设置、换刀方式、换刀执行机构和适应高速机床的结构特点等。5.2换刀速度指标 衡量换刀速度的方法主要有三种：刀到刀换刀时间；切削到切削换刀时间；切屑到切屑换刀时间。由于切屑到切屑换刀时间基本上就是加工中心两次切削之间的时间，反映了加工中心换刀所占用的辅助时间，因此切屑到切屑换刀时间应是衡量加工中心效率高低的最直接指标。而刀到刀换刀时间则主要反映自动换刀装置本身性能的好坏，更适合作为机床自动换刀装置的性能指标。这两种方法通常用来评价换刀速度。至于换刀时间多少才是高速机床的快速自动换刀装置并

20、没有确定的指标，在技术条件可能的情况下，应尽可能提高换刀速度。5.3提高换刀速度的基本原则加工中心自动刀具交换的基本出发点是在多种刀具参与的加工过程中，通过自动换刀，减少辅助加工时间。在高速加工中心上，由于切削速度的大幅度提高，自动换刀装置和刀库的配置要考虑尽可能缩短换刀时间，从而和高速切削的机床相配合。加工中心的换刀装置通常由刀库和刀具交换机构组成，常用的有机械手式和无机械手式等方式。刀库的形式和摆放位置也不一样。为了适合高速运动的需要，高速加工中心在结构上已和传统的加工中心不同，以刀具运动进给为主，减小运动件的质量已成为高速加工中心设计的主流。因此，设计换刀装置时，要充分考虑到高速机床的新

21、结构特征。在设置高速加工中心上的换刀装置时，时间并不是唯一的考虑因素。首先，应在换刀动作准确、可靠的基础上提高换刀速度。特别是自动换刀系统是加工中心功能部件中故障率相对比较高的部分，这一点尤其重要：其次，要根据应用对象和性能价格比选配自动换刀系统。在换刀时间对生产过程影响大的应用场合，要尽可能提高换刀速度。例如，在汽车等生产线上，换刀时间和换刀次数要计入零件生产节拍。而在另外一些地方，如模具型腔加工，换刀速度的选择就可以放宽一些。5.4如何合理评定自动换刀装置的换刀时间 众所周知，评定自动换刀装置换刀时间的根本目的在于考察换刀装置的换刀速度并用于计算加工零件的生产节拍。合理的评定方法应该是与机

22、床的具体使用状态吻合，使加工中心主机生产厂、自动换刀装置生产厂及加工中心用户均可接受，不偏向任何一方，要做到这些，就要围绕自动换刀装置是为主机服务这个中心和在计算零件生产节拍时，区分哪些时间涉及自动换刀装置的性能，哪些时间涉及主机的性能，哪些时间影响生产节拍，哪些时间自动换刀装置动作而主机停在换刀位置。为此，引“自动换刀点”的概念。所谓“自动换刀点”，就是自动换刀装置处于为自动换刀所必需的准备过程中主机刚刚到达换刀位置的状态点。 有了自动换刀点的概念后，就可将自动换刀装置的换刀时间定义为一把刀具从自动换刀点经自动换刀后下一把刀具第一次到达同一状态点之间的时间间隔。 评定自动换刀时间具有以下特点

23、：游离于具体的机床结构之上，不涉及具体的机床结构，适用于任何结构的加工中心。不同类型的加工中心，其自动换刀点不同。引用“自动换刀点”计算或测出的自动换刀时间，只考虑了自动换刀装置为自动换刀所作准备及自动换刀装置换刀后恢复原位过程中主机无动作的时间段，不考虑主机动作时自动换刀装置为自动换刀所需的准备时间及主机动作时自动换刀装置换刀后的回复时间。即自动换刀时间这个集合与主机动作时间这个集合之间没有交集。这样评定的自动换刀时间正确地考察了自动换刀装置的换刀速度，而不考察自动换刀装置的换刀准备速度和换刀后的回复速度。用这样评定的自动换刀时间计算零件的生产节拍准确可靠。这样评定的换刀时间具有普遍性、广义

24、性和前檐性。6数控加工中心气动换刀系统关键部位设计6.1弹簧夹头设计通过第一代小型弹簧夹头自动换刀系统样机的研究表面，要进一步提高机床主轴的工作性能，并满足数控机床自动换刀的要求，设计研制的机床主轴轴端弹簧夹头必须能够很好地解决以下关键问题：圆柱刀炳与弹簧夹头接触面之间，在夹紧状态下应有足够的接触刚度。弹簧夹头中的弹簧套与机床主轴轴端锥孔接触面之间，在夹紧状态下也应有足够的接触刚度；在加工过程中机床主轴必须给刀具传递足够的切削扭矩；弹簧夹头采用螺旋夹紧机构，在夹紧刀具时除向刀具提高足够大的径向夹紧力外，还必须具备可靠的自锁性能；刀具交换装置和弹簧夹头在每次更换刀具后，应使刀具具有较高的重复定位

25、精度；在换刀过程中具有自动清理刀炳和弹簧夹头型腔内铁屑尘渣的功能；机床主轴轴端应结构简单和工艺性好，便于主轴自身的优化的设计。图6.1弹簧夹头 1.主轴轴端结构 2.弹簧套 3.齿数螺母套 4.V型槽挡圈 5.滚动替 6.孔底双侧半圆键 7.喷气口 8.圆柱形刀炳6.2刀柄设计在主轴+刀柄+刀具这样的一个系统中，刀柄是影响同心度和动平衡一个关键环节，千万不能将它当成一般的部件来看待。随着主轴转速的增加，刀柄的设计对于加工的影响将显得越来越重要。对于仅仅是锥度连接的刀夹系统来说，当主轴在高速旋转的情况下，因为主轴本身锥孔的膨胀，而主轴和刀柄的连接又仅仅是通过锥度面连接，此时刀柄受到拉力的影响会有

26、一个回缩。两面接触的连接方式有助于解决该问题。普通的刀柄连接在主轴法兰面留有一个间隙，有一些的刀柄采取封闭这段间隙的方法来达到两面接触的目的。但是，这样的设计，在刀柄与主轴紧密配合时会因为变形在主轴法兰连接面之间产生材料的挤压。使用带弹性锥面接触的刀柄，其中的垫片可以封闭主轴法兰的间隙。图6.2刀柄1.拉杆 2.拉钉 3.锥度面 4.止动螺钉5.刀柄 6.法兰面 7.洼形肩面 8.刀具7结论毕业设计是本专业学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的给数控加工中心气动换刀系统设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际

27、操作问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。和老师的沟通交流更使我从经济的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求。提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的

28、被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心，无论是对数控加工中心的操作，我都采用了一些新的技术和设备他们有着很多的优越性但也存在一定的不足，这新不足在一定程度上限制了我们的创造力。在这个能源紧缺节能被高度重视的社会中，这无疑是很让我自身感到遗憾的，可这些不足正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力，只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更

29、好的为祖国的四化服务。8谢辞本论文的顺利完成，得益于我的指导老师XX老师从选题的确定、论文资料的收集、论文框架的确定、开题报告准备及论文初稿与定稿中对字句的斟酌倾注的大量心血，在此对我的指导黄仕彪老师表示衷心感谢！9参考文献1 朱洪涛.液压与气动传动M.北京：清华大学出版社，20052 袁万宏.加工中心操作指南M.北京:机械工业出版社，20053 赵国增.计算机辅助绘图与设计M.北京：机械工业出版社，20024 陈洪涛.数控加工工艺与编程M.北京：高等教育出版社，20025 马振幅.液压与气压传动M.北京：机械工业出版社，20046 徐永生.气压传动M.北京：机械工业出版社，1999附录加工中心主要技术参数表单位主轴最高转速r/min8000快速移动速度（X、Y）m/min24快速移动速度Zm/min15最大进给速度mm/min5000刀饼容量16/20/24换刀时间（机械手）S4.5刀具最大直径Mm80刀具最大长度Mm300气源L/min60