数控车床自动回转刀架及其PLC控制设计.doc
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1、 目 录摘 要4ABSTACT5第一章 引言6第一节 概述6第二节 数控车床自动回转刀架的发展趋势6第三节 本设计的主要内容7第二章 回转刀架方案选择8第一节 数控车床回转刀架的基本要求8第二节数控车床立式回转刀架的结构特点8第三节 刀架参数的确定9第四节 动力源的选择及方案选择结果9第三章 回转刀架的工作原理及过程11第一节回转刀架的构成11第二节回转刀架的工作过程11第四章 传动机构的设计和标准件的选取13第一节初拟传动方案13第二节 选择步进电动机13第三节 蜗杆蜗轮的设计14第四节 蜗杆轴的设计17第五节 中心轴的设计22第六节 齿盘的设计23第七节 联轴器的选择26第五章 安装调试和
2、精度检验27第一节安装调试27第二节精度检验27第三节 维护与保养29第四节 故障及排除29第六章 总 结31致 谢32参 考 文 献33摘 要数控车床的发展与应用,大大降低了零件加工的辅助时间,极大的提高了生产效率。随着数控车床的发展,数控刀架开始向快速换刀,电液组合驱动和伺服驱动方向发展。根据加工对象不同,有四方刀架,六角刀架和八或更多工位的圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。回转刀架上分别安装四把,六把或更多刀具,并按数控装置的指令换刀。自动换刀装置应当满足换刀时间短、安全可靠等基本要求。本课题主要对四工位立式自动回转刀架的机械设计和用PLC编程对控制部分的设计。并对以上部分运用ATUOCAD
3、作图,对自动回转刀架有更直观的了解。关键词: 数控车床 自动回转 PLC AUTOCAD AbstractWith the development of CNC lathes,the automatic tool changer system is more and more important in the modern advanced manufacture;because the automatically circumrotating tool can shorten the cycle time of product manufacturing,improve the precis
4、ion of product machining.CNC turret began to fasten tool change,electro-hydraulic combination of drive and servo drive direction.According to processing,there are four knife,hexagonal turret,and eight or more station of the disc cutter knife and other forms of axial loading.Were installed on the rot
5、ary turret 4,6 or more tools,numerical control device in according with ATC instructions.Automatic tool changer in order to meet the changing time should be short,safe and reliable basic requirements.This issue mainly four-station vertical automatically circumrotating turret for mechanical design an
6、d application of relay-access control system for the design of control section.Some of the above as well as the use of AUTOCAD to do maps.electric tool has a more intuitive understanding.Keywords:CNC lathe automatically circumrotating PLC AutoCAD第一章 引言1.1 概述数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具,因此其结构直接影响机床
7、的切削性能和切削效率。在一定程度上,刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。随着数控车床的不断发展,刀架结构形式也在不断翻新。其中按换刀方式的不同,数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。其中,带刀库的数控加工中心自动换刀装置自1958年研制成功以来,其机械结构和控制方式不断得到改进和完善。自动换刀装置时加工中心的重要执行机构,它的形式多种多样,目前常见的有更换主轴头换刀以及带刀库的自动换刀系统。1.2 数控车床自动回转刀架的发展趋势数控刀架的发展趋势是:随着数控车床的发展,数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。目前国内数控刀架以电
8、动为主,分为立式(如图1-1)和卧式(如图1-2)两种。立式主要用于简易数控车床;卧式刀架有八、十、十二等工位,可正、反方向旋转,就近选刀,用于全功能数控车床。另外,卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。电动刀架是数控车床重要的传统结构,合理地选配电动刀架,并正确实施控制,能够有效的提高劳动生产率,缩短生产准备时间,消除人为误差,提高加工精度与加工精度的一致性等等。另外,加工工艺适应性和连续稳定的工作能力也明显提高:尤其是在加工几何形状较复杂的零件时,除了控制系统能提供相应的控制指令外,很重要的一点是数控车床需配备易于控制的电动刀架,以便一次装夹所需的各种刀具,灵活方便地完成各种几何形状的加工。
9、数控刀架的市场分析:国产数控车床将向中高档发展,中档采用普及型数控刀架配套,高档采用动力型刀架,兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种。 图 1-1 立式回转刀架 图1-2 卧式回转刀架1.3 刀架的设计准则我们设计主过程,本着一下几条设计准则: 1) 创造性的利用所需要的物理性能和控制;2) 预测意外载荷; 3) 创造有利的载荷条件;4) 提高合理的应力分布和刚度面;5) 辨别功能载荷及其意义;6) 重量尽量轻;7) 应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸;8) 根据性能组合选择材料;9) 在储备零件与整体零件之间进行选择;10) 进行功能设计以适应制造工艺和降低成本的要求。第二章 数控车床自动回
10、转刀架的设计2.1 数控车床刀架应满足的要求1) 满足工艺过程所提出的要求。机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面,而工件的表面形状和表面位置的不同,要求刀架能够布置足够多的刀具,而且能够方便而正确地加工各工件表面, 为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工,所以要求刀架可以方便地转位。 2) 在刀架以要能牢固地安装刀具,在刀架上安装刀具进还应能精确地调整刀具的位置,采用自动交换刀具时,应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。以保证刀具和工件间准确的相对位置。刀架的运动精度将直接反映到加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上,为此,刀架的运动轨迹必须准确,运动应平稳,刀架运转的终点到位应准确。面且
11、这种精度保持性要好,以便长期保持刀具的正确位置。 3) 刀架应具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异,重量相差很大,刀具在自动转换过程中方向变换较复杂,而且有些刀架还直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量,所以刀架必须具有足够的刚度,以使切削过程和换刀过程平稳。 4) 可靠性高。由于刀架在机床工作过程中,使用次数很多,而且使用频率也高,所以必须充分重视它的可靠性。 5) 刀架是为了提高机床自动化而出现的,因而它的换刀时间应尽可能缩短,以利于提高生产率。目前自动换刀装置的换刀时间在0.86秒之间不等。而且还在进一步缩短。 6) 操作方便和安全。刀架是工人经常操作的机床部件之一,
12、因此它的操作是否方便和安全,往往是评价刀架设计好坏的指标。刀架上应便于工人装刀和调刀,切屑流出方向不能朝向工人,而且操作调整刀架的手柄(或手轮)要省力,应尽量设置在便于操作的地方。2.1.1 动力刀架的整体方案设计 刀架是车床的重要组成部分,加工中心的动力刀架可安装各种非动力辅助刀夹和动力刀夹进行加工,用于夹持加工用的刀具,因此其结构直接影响到车床的加工性能和加工效率。刀架采用端齿分度,转位由步进电动机驱动,刀位由二进制绝对编码器识别,动力刀具由变频电机驱动,通过同步齿形带等将动力传递到刀夹。 各类数控机床的自动换到装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量。数控机床常用的自动换
13、刀装置的类型、特点、适用范围见表1-1第三节 刀架参数的确定刀尖高是数控车床回转刀架的主要参数。国内生产的立式数控车床回转刀架的中心高一般有51245mm共计八个规格(具体参见参考文献1表3.15-4)。因此,参照烟台机床附件厂生产的AK21110-4M型回转刀架,初选刀尖高为110mm。其型号及具体规格如表2-1:表2-1 刀架参数型 号中心高mm工位数单工位时 间s刀 架转速r/min最大切力 矩Nm电动机功 率W电动机转 速r/min最大载重Kg重复定位精度mm外形尺寸mmAK21110-4M11042.525.44501201400282第四节 动力源的选择及方案选择结果驱动回转刀架的
14、动力可分为电动机传动和液压传动两大类。一般情况下只在卧式数控机床回转刀架中使用液压传动,而其余均为电动刀架,故对CK6140在选用时应取电动机作为回转刀架的动力源。通过对数控车床回转刀架的基本要求,结构特点,动力源及基本参数的分析,可以得出CK6140回转刀架的设计方案如下: 立式简易型; 伺服电动机直接驱动; 刀尖高为110mm,工位数为4; 外形尺寸为200200252(长宽高); 采用霍尔开关作为信号传输控制元件; 转位时刀架需要抬起,高度为5mm。第三章 回转刀架的工作原理及过程第一节 回转刀架的构成立式数控车床回转刀架由固定部分(刀架基座或下刀体),转动部分(刀架座或上刀体)和驱动电
15、动机三部分组成,并采用了卧轴外露式电动机布局。第二节 回转刀架的工作过程本设计回转刀架的工作原理为机械螺母升降转位式。工作过程可分为刀架抬起、刀架转位、刀架定位并压紧等几个步骤,如图3-1所示,其工作过程如下: 刀架抬起当数控系统发出换刀指令后, 通过接口电路使电机正转, 经传动装置2、驱动蜗杆蜗轮机构1、蜗轮带动丝杆螺母机构8逆时针旋转 ,此时由于齿盘3、4处于啮合状态,在丝杆螺母机构8转动时,使上刀架体产生向上的轴向力将齿盘松开并抬起,直至两定位齿盘3、4 脱离啮合状态,从而带动上刀架和齿盘产生“上台”动作。 刀架转位当圆套8逆时针转过150时,齿盘3、4完全脱开,此时销钉准确进入圆套8中
16、的凹槽中,带动刀架体转位。 刀架定位 当上刀架转到需要到位后(旋转90、180或270),数控装置发出的换刀指令使霍尔开关9 中的某一个选通,当磁性板10 与被选通的霍尔开关对齐后,霍尔开关反馈信号使电机反转,插销7在弹簧力作用下进入反靠盘 5地槽中进行粗定位,上刀架体停止转动,电机继续反转,使其在该位置落下,通过螺母丝杆机构7使上刀架移到齿盘3、4 重新啮合, 实现精确定位。 刀架压紧刀架精确定位后,电机及许反转,夹紧刀架,当两齿盘增加到一定夹紧力时, 电机由数控装置停止反转,防止电机不停反转而过载毁坏,从而完成一次换刀过程。图3-1 回转刀架第四章 传动机构的设计和标准件的选取第一节 初拟
17、传动方案参考烟台机床附件厂生产的AK21110-4M电动回转刀架的刀架转速n=25.4r/min,电动机的转速为1400r/min,初步确定传动比。故选用具有较大传动比的蜗轮蜗杆传动。第二节 选择步进电动机一、电动机所需要的功率查参考文献1表3.15-4的AK21110-4M电动回转刀架的电动机功率P=120W,转速n=1400r/min。二、确定步进电动机由P=120W可查参考文献1表4.8-16,可得以下几种型号电动机的主要指标,如下表4-1所示。表4-1 电动机主要技术指标型号主要技术数据外型尺寸(mm)重量齿距角最大静转 矩最高空载启动频 率(步/秒)运行频率(步/秒)相数电压v电流A
18、外径长度轴径45BF0033/62310012003602458240.3870BF0011.5/34400016005603.5709061.690BF0031.5/3201500800036059012594.2考虑到步进电动机与联轴器的配合及合理的安装尺寸,在其满足功率的前提下优先选择尺寸较小便于安装、拆卸、清理、维护的型号,比较三个型号的功率如下:45BF003,P=120W;70BF001,P=210W;90BF003,P=300W,考虑三者的外径和安装尺寸45BF003型步进电动机明显优越于后者,故综合考虑选择45BF003型步进电动机比较合适,查参考文献1表4.8-17选取45B
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- 数控车床 自动 回转 刀架 及其 PLC 控制 设计