加工中心自動(dòng)換刀裝置的研究和加工中心換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明書

-加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)的研究機(jī)械電子工程1前言隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的加工中心在現(xiàn)代制造業(yè)中起著愈來(lái)愈重要的作用，它能縮短產(chǎn)品的制造周期，提高產(chǎn)品的加工精度，適合柔性加工[1]。人們一直尋求各種方式，提高加工中心的加工效率。如提高進(jìn)給與移動(dòng)速度、提高主軸轉(zhuǎn)速、加大主軸電機(jī)功率、加大切削用量、采用高質(zhì)量刀具等。在高節(jié)拍多次換刀的加工過(guò)程中，縮短換刀時(shí)間，可大大提高生產(chǎn)效率。國(guó)內(nèi)外加工中心生產(chǎn)廠家都投入大量的資金和精力，研制自動(dòng)換刀裝置，以縮短換刀時(shí)間，提高工作效率和競(jìng)爭(zhēng)力。自動(dòng)換刀裝置是專門為大中型加工中心配套，實(shí)現(xiàn)其刀具儲(chǔ)備及自動(dòng)交換功能的重要功能部件，是高檔加工中心和重型加工中心的重要組成部分。其主要作用在于減少加工過(guò)程中的非切削時(shí)間，以提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，進(jìn)而提升機(jī)床乃至整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)力。自動(dòng)換刀裝置的換刀速度和可靠性，是數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)先進(jìn)與否的一個(gè)重要標(biāo)志[2]。2、自動(dòng)換刀系統(tǒng)的組成自動(dòng)換刀系統(tǒng)[2,3,5]一般由刀庫(kù)、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置組成。一般來(lái)說(shuō)，刀庫(kù)容量可大可小，其裝刀數(shù)量在20～180把之間。刀庫(kù)的功能是存儲(chǔ)刀具并把下一把即將要用的刀具準(zhǔn)確地送到換刀位置，供換刀機(jī)械手完成新舊刀具的交換。當(dāng)?shù)稁?kù)容量大時(shí)，常遠(yuǎn)離主軸配置且整體移動(dòng)不易，這就需要在主軸和刀庫(kù)之間配置換刀機(jī)構(gòu)來(lái)執(zhí)行換刀動(dòng)作。完成此功能的機(jī)構(gòu)包括送刀臂、擺刀站和換刀臂，總稱為機(jī)械手。具體來(lái)說(shuō)，它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫(kù)之間的傳遞。驅(qū)動(dòng)裝置[4]則是使刀庫(kù)和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其功能的裝置，一般由步進(jìn)電機(jī)或液壓(或氣液機(jī)構(gòu))或凸輪機(jī)構(gòu)組成。機(jī)械手完成刀庫(kù)里的刀與主軸上的刀的交換工作。由于數(shù)控加工中心的刀庫(kù)容量、換刀可靠性及換刀速度直接影響到加工中心的效率，而自動(dòng)換刀就是進(jìn)一步壓縮非切削時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件。所以數(shù)控機(jī)床為了能在工件一次裝夾中完成多道加工工序，縮短輔助時(shí)間，減少多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動(dòng)換刀裝置。2.1刀庫(kù)目前，國(guó)內(nèi)外采用的數(shù)控機(jī)床刀庫(kù)主要分為：轉(zhuǎn)塔式、圓盤式、鏈?zhǔn)降稁?kù)等形式。轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)，包括水平轉(zhuǎn)塔頭和垂直轉(zhuǎn)塔頭兩種，所有刀具固定在同一轉(zhuǎn)塔上，無(wú)換刀臂，儲(chǔ)刀數(shù)量有限，通常為6—8把。一般僅用于輕便而簡(jiǎn)單的機(jī)型，常見于車削中心和鉆削中心。圓盤式刀庫(kù)呈盤狀，刀具沿盤面垂直排列(包括徑向取刀和軸向取刀)、沿盤面徑向排列或成銳角形式的刀庫(kù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，應(yīng)用較多，但刀具單環(huán)排列，空間利用率低。若增加刀庫(kù)容量，必須使刀庫(kù)的外徑增大，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也相應(yīng)增大，選刀運(yùn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。雙盤式結(jié)構(gòu)，是兩個(gè)較小容量的刀庫(kù)分置于主軸兩側(cè)，布局較緊湊，儲(chǔ)刀數(shù)量也相應(yīng)增大，適用于中小型加工中心[5,7]。鏈?zhǔn)降稁?kù)，包括單環(huán)鏈和多環(huán)鏈，鏈環(huán)形式可有多種變化，適用于刀庫(kù)容量較大的場(chǎng)合，所占的空間小。一般適用于刀具數(shù)在30—120把。僅增加鏈條長(zhǎng)度即可增加刀具數(shù)，也可以把多個(gè)刀庫(kù)按并聯(lián)或串聯(lián)的方式排列起來(lái)，既可使刀庫(kù)容量加大，又可以不增加圓周速度，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不像盤式刀庫(kù)增加的那樣大。鏈?zhǔn)降稁?kù)的驅(qū)動(dòng)，有伺服電機(jī)或液壓分度馬達(dá)，刀庫(kù)做選刀運(yùn)動(dòng)在起始和到位時(shí)，有平穩(wěn)的加減速過(guò)程，而在相隔多個(gè)刀位選刀運(yùn)動(dòng)途中，運(yùn)動(dòng)連貫不變速，這樣就保證了較高的選刀速度和平穩(wěn)性。對(duì)于刀庫(kù)的選擇應(yīng)根據(jù)具體的需求和情況進(jìn)行選擇，比較各刀庫(kù)的優(yōu)缺點(diǎn)合理選擇。例如，在空間有限，刀具需求量大的情況下，可以選擇將刀庫(kù)設(shè)計(jì)為鏈?zhǔn)降稁?kù)。2.2機(jī)械手加工中心自動(dòng)換刀裝置有兩種形式：有機(jī)械手換刀和無(wú)機(jī)械手換刀[6]。加工中心的自動(dòng)換刀裝置大多都采用有機(jī)械手換刀方式。它是由機(jī)械手把刀庫(kù)上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過(guò)的刀具返送到刀庫(kù)上，換刀時(shí)間短，但其機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。目前，國(guó)內(nèi)外采用的執(zhí)行刀庫(kù)和主軸之間換刀動(dòng)作的機(jī)械手，主要分為以下幾種類型：?jiǎn)伪蹤C(jī)械手、雙臂機(jī)械手、帶送刀臂、擺刀站和換刀臂的機(jī)械手。單臂機(jī)械手的換刀機(jī)械手僅一個(gè)手臂，其又分為單手式和雙手式。單手式，換刀臂僅在某一端有一個(gè)抓刀手，所有動(dòng)作均由單手完成，執(zhí)行動(dòng)作多，換刀時(shí)間長(zhǎng)，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，刀庫(kù)與主軸軸線平行或垂直的情況均適用。雙手式，換刀臂兩端各有一個(gè)抓刀手，機(jī)械手同時(shí)抓取主軸和刀庫(kù)上的刀具?；剞D(zhuǎn)180°，同時(shí)放回和裝入刀具，換刀時(shí)間短，較為常用，多用于刀庫(kù)與主軸軸線平行的場(chǎng)合[]。雙臂機(jī)械手有兩個(gè)機(jī)械手臂，每個(gè)手臂端部都有一個(gè)抓刀手，其抓刀和換刀動(dòng)作類似于人手動(dòng)作，除執(zhí)行換刀動(dòng)作外，有些還可以起運(yùn)輸?shù)毒叩淖饔?。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但換刀時(shí)間短。帶送刀臂、擺刀站和換刀臂的機(jī)械手。送刀臂將刀具從刀庫(kù)中取出送到擺刀站，由擺刀站將刀具送到換刀位置，最后由換刀臂進(jìn)行換刀。其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，各部分在空間巧妙配置和組合，更具變化性，一般換刀時(shí)間較短，適用于刀庫(kù)距離主軸較遠(yuǎn)的場(chǎng)合。無(wú)機(jī)械手換刀方式是直接在刀庫(kù)與主軸（或刀架）之間換刀的自動(dòng)換刀方式。因無(wú)機(jī)械手，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，換刀時(shí)必須首先將用過(guò)的刀具送回刀庫(kù)，然后再?gòu)牡稁?kù)中取出新刀具。這兩個(gè)動(dòng)作不能同時(shí)進(jìn)行，所以換刀過(guò)程較為復(fù)雜，換刀時(shí)間較長(zhǎng)，但是刀庫(kù)回轉(zhuǎn)是在工步與工步之間，即非切削時(shí)進(jìn)行的，因此可免去刀庫(kù)回轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)對(duì)加工精度的影響。無(wú)機(jī)械手換刀方式適用于小型加工中心或換刀次數(shù)少的用重型刀具的重型機(jī)床。2.3驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)，主要有液壓(包括氣液)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械式凸輪聯(lián)動(dòng)兩種。采用液壓式驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)換刀裝置，插、拔刀動(dòng)作均由油缸完成。常見的方案是機(jī)械手裝在套筒上，活塞桿固定，缸套同套筒一起移動(dòng)，油缸左右腔進(jìn)油完成動(dòng)作。機(jī)械手的回轉(zhuǎn)既可以采用回轉(zhuǎn)油缸，也可以采用直線運(yùn)動(dòng)油缸通過(guò)齒輪齒條帶動(dòng)來(lái)完成。液壓系統(tǒng)工作平穩(wěn)可靠、易予調(diào)節(jié)、傳動(dòng)介質(zhì)為高壓力的油性介質(zhì)，因此適合大功率輸出的系統(tǒng)[7]。加工中心換刀控制液壓系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)主軸退刀控制，亦可也用于機(jī)械手的換刀控制。自動(dòng)換刀氣動(dòng)控制系統(tǒng)[8]的主要控制內(nèi)容為：刀庫(kù)刀具倒刀或回刀控制，主軸吹氣控制。該系統(tǒng)的特點(diǎn)為：氣源容易獲得、反應(yīng)速度快、動(dòng)作迅速、維護(hù)方便、管路不易堵塞、不易發(fā)生過(guò)載，還可以用于降溫。工作壓力較低，空氣壓縮比大，故輸出功率低。采用機(jī)械凸輪聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)換刀裝置，插、拔刀動(dòng)作通常由凸輪驅(qū)動(dòng)擺桿來(lái)完成。回轉(zhuǎn)動(dòng)作常通過(guò)弧面分度凸輪或平行分度凸輪，帶動(dòng)滾子盤直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，或再通過(guò)一對(duì)齒輪驅(qū)動(dòng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)。目前應(yīng)用較多的是液壓驅(qū)動(dòng)的方式，在液壓的驅(qū)動(dòng)下可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)工作且輸出的功率比較大，也沒(méi)有凸輪的磨損問(wèn)題。3、自動(dòng)換刀過(guò)程這里以日本牧野MAKINO1210臥式加工中心換刀過(guò)程[9]為例，簡(jiǎn)述自動(dòng)換刀過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。MAKINO1210采用盤式刀庫(kù)，刀庫(kù)容量為60把刀具，刀庫(kù)刀套采用傳統(tǒng)的炮筒式結(jié)構(gòu)，機(jī)械手采用回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，換刀示意圖如圖1所示。P1為送刀機(jī)構(gòu)取送刀的工位。假設(shè)現(xiàn)在主軸上正工作的刀具是T01，而要被換上的下一把刀具是T02，繼T02之后要被換上的刀具是T03。圖1日本牧野MAKINO1210臥式加工中心換刀示意圖[9]換刀過(guò)程：1、刀庫(kù)取刀：主軸正常工作，刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)，將T02所在的滑板由刀庫(kù)沿滑道上移，并將T02所在的刀座中心與P1重合，等待換刀。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，送刀機(jī)構(gòu)將刀具T02及其刀座一起沿軌道移動(dòng)到P2，等待換刀機(jī)械手換刀，在送刀機(jī)構(gòu)工作的同時(shí)，主軸快速停轉(zhuǎn)并回到主軸換刀點(diǎn)，主軸應(yīng)離開被加工工件一段距離，為換刀留出一個(gè)足夠的空間，避免換刀被工件干涉。2、主軸換刀：主軸回到換刀點(diǎn)，刀具T02在P2。機(jī)械手旋轉(zhuǎn)抓刀，外伸拔刀。旋轉(zhuǎn)180°換刀，機(jī)械手裝刀，機(jī)械手復(fù)位。主軸開始工作，送刀機(jī)構(gòu)要將剛換下的刀具T01放回刀庫(kù)中。刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)選刀刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)選刀滑道、導(dǎo)軌送刀機(jī)械手旋轉(zhuǎn)抓刀一手抓待換刀具T02一手抓主軸刀具T01機(jī)械手外伸拔刀機(jī)械手旋轉(zhuǎn)180°換刀一手抓T02送到主軸位置一手將T01送到P2位置機(jī)械手回縮裝刀主軸急?；氐綋Q刀點(diǎn)機(jī)械手復(fù)位、主軸工作導(dǎo)軌、滑道送刀刀回刀庫(kù)準(zhǔn)備下次換刀圖2自動(dòng)換刀流程圖3、刀庫(kù)裝刀：送刀機(jī)構(gòu)將剛才換下的刀具T01沿軌道送到P1處的滑板里，滑板沿軌道下移回到刀庫(kù)中，刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)，將T03所在的滑板由刀庫(kù)沿軌道上移，并將T03所在的刀座中心與P1重合，等待下次換刀。換刀過(guò)程就是這樣，由刀庫(kù)取刀→送刀→機(jī)械手換刀→刀庫(kù)裝刀→刀庫(kù)取刀循環(huán)，直到工件加工完成，其流程圖如圖2所示。當(dāng)然換刀過(guò)程并不唯一，考慮到上述刀庫(kù)容量大，加上采用盤式刀庫(kù)引起刀庫(kù)所占的空間較大，刀具由刀具到換刀點(diǎn)P2，并最終完成換刀和刀庫(kù)裝刀的操作臺(tái)復(fù)雜。特別是刀具在換刀和退刀的過(guò)程中要經(jīng)過(guò)兩次移動(dòng)，這樣就容易帶來(lái)誤差。如果在換刀過(guò)程中其中一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都可能無(wú)法正常工作，降低了效率，甚至發(fā)生事故?？梢钥紤]將盤式刀庫(kù)改為鏈?zhǔn)降稁?kù)，這樣可以使刀庫(kù)占用的空間減小。再通過(guò)刀庫(kù)與主軸的合理布置，機(jī)械手類型的選擇，特殊刀座的應(yīng)用來(lái)簡(jiǎn)化換刀過(guò)程，使得在換刀的過(guò)程中無(wú)移動(dòng)環(huán)節(jié)。將機(jī)械手設(shè)計(jì)為直抓式，利用特殊刀座，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化目的。改進(jìn)后機(jī)械手可以安全、快速的完成換刀，動(dòng)作也少，實(shí)現(xiàn)較容易。回轉(zhuǎn)式機(jī)械手與刀庫(kù)中刀具間有干涉，而直抓式機(jī)械手與刀庫(kù)沒(méi)有干涉，這樣就保證換刀的準(zhǔn)確性，也可以大大降低發(fā)生事故的概率。4、自動(dòng)換刀過(guò)程的控制機(jī)器畢竟是機(jī)器，要使它聽命于人就必須對(duì)其進(jìn)行控制，目前常用可編程邏輯控制器[10,11]（PLC）進(jìn)行編程控制。利用PLC可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)角位移，也可以控制電磁閥的通斷[11]。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂的左右旋轉(zhuǎn)或驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn)。電磁閥驅(qū)動(dòng)液缸（氣缸）的升降和伸縮，升降運(yùn)動(dòng)來(lái)控制機(jī)械手手臂的上升和下降，伸縮運(yùn)動(dòng)來(lái)控制機(jī)械手手臂的伸長(zhǎng)和收縮。4.1自動(dòng)選刀方式目前刀具選擇一般有四種控制方式：刀套編碼方式、順序選刀方式、刀具編碼方式以及隨機(jī)換刀方式。刀套編碼方式是對(duì)刀庫(kù)各刀座預(yù)先編碼，每把刀具放入相應(yīng)刀座之后就具有了相應(yīng)刀座的編碼，即刀具在刀庫(kù)中的位置是固定的。順序選刀方式是將刀具按加工工序順序依次放入刀庫(kù)的每一個(gè)刀座中。每次換刀時(shí)，先把已經(jīng)使用過(guò)的刀具放回原來(lái)的刀座中，然后刀庫(kù)順序轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)刀座位置，并取出所需要的刀具。這種方法有利于換刀過(guò)程的控制，但是，由于刀具在不同的工序中不能重復(fù)使用，如果刀具不按順序放在刀庫(kù)中，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。這樣就必須增加刀庫(kù)的容量和刀具的數(shù)量，降低了刀庫(kù)和刀具的利用率。刀具編碼方式是指刀具在刀庫(kù)中不必按照工件的加工順序排列，可以任意排放的。每把刀具均編上代碼，自動(dòng)換刀時(shí)，刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)，每把刀具都要經(jīng)過(guò)“刀具識(shí)別器”接受識(shí)別[5]。當(dāng)?shù)毒叽a與數(shù)控機(jī)床發(fā)出的請(qǐng)求代碼相符時(shí)，刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)到換刀位置，等待機(jī)械手取刀。隨機(jī)選刀方式主要由軟件完成選刀,根據(jù)指令要求任意選擇所需要的刀具。刀具在刀庫(kù)中不必按照工件的加工順序排列，可任意存放，且相同的刀具可以重復(fù)使用。消除了由于識(shí)別裝置的移動(dòng)性和可靠性所帶來(lái)的選刀誤差,大大提高了選刀精度并簡(jiǎn)化了控制裝置。刀具數(shù)量比較少，刀庫(kù)也相應(yīng)的較小。目前該種選刀方式正被越來(lái)越多的各類數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置采用。4.2基于PLC的自動(dòng)換刀控制開始PLC接到請(qǐng)求刀號(hào)信息PLC根據(jù)目標(biāo)位置和現(xiàn)在位置確定刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)的最短路徑驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)到位NY刀庫(kù)停止旋轉(zhuǎn)，主軸停止工作機(jī)械手開始工作、換刀PLC接收到計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（CNC)發(fā)來(lái)的刀號(hào)指令,即進(jìn)行選刀工作,刀庫(kù)在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng),一旦選刀成功,就將該刀送至指定的刀具交換位置上,等待換刀。在這個(gè)過(guò)程中,需要應(yīng)用PLC完成的自動(dòng)控制主要包括接收新刀號(hào)、計(jì)算目標(biāo)地址、開始PLC接到請(qǐng)求刀號(hào)信息PLC根據(jù)目標(biāo)位置和現(xiàn)在位置確定刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)的最短路徑驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)到位NY刀庫(kù)停止旋轉(zhuǎn)，主軸停止工作機(jī)械手開始工作、換刀或裝刀動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)換刀，流程圖如圖3所示。5、總結(jié)自動(dòng)換刀裝置，將根據(jù)不同的工作需要，進(jìn)行多元化發(fā)展。自動(dòng)換刀裝置所追求的換刀時(shí)間將越來(lái)越短，通用性和可靠性越來(lái)越強(qiáng)。傳統(tǒng)裝置將會(huì)采用動(dòng)作速度更快的機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)元件，凸輪結(jié)構(gòu)近年來(lái)已被大量采用[12]。同時(shí)新的材料和加工工藝，彌補(bǔ)凸輪機(jī)構(gòu)磨損后可靠性降低的缺點(diǎn)。新的換刀方式的出現(xiàn)，也為自動(dòng)換刀裝置的進(jìn)一步發(fā)展提出了新的思路。雙主軸和多主軸換刀技術(shù)，把機(jī)床的換刀速度提高到了新的水平。多主軸換刀方式，可以使安裝在夾具上的工件快速在各主軸之間移動(dòng)。在通用性方面，立臥式兩用自動(dòng)換刀裝置將會(huì)成為另一個(gè)發(fā)展方向?；赑LC的自動(dòng)換刀系統(tǒng)將充分發(fā)揮現(xiàn)有數(shù)控設(shè)備的功能，節(jié)省人工換刀時(shí)所需要的時(shí)間，提高車間的生產(chǎn)效率，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾完成多道工序，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。6參考文獻(xiàn)[1]黃澤正，劉沖，陳志輝.加工中心自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2007,(1):124-125.[2]韓越梅.加工中心自動(dòng)換刀裝置的研究進(jìn)展[J].裝備制造技術(shù)，2010,(5):128-129.[3]Y.H.Jeong,H.Tae,B.K.Min,D.W.Cho.Virtualautomatictoolchangerofamachiningcentrewithareal-timesimulation[J].InternationalJournalofComputerIntegratedManufacturing,2008,21(8).

[4]Beom-SahngRyuh,SangMinPark,GordonR.Pennock.Anautomatictoolchangerandintegratedsoftwareforaroboticdiepolishingstation[J].MechanismandMachineTheory,

2006,41(4).

[5]戚洪利.自動(dòng)換刀裝置及其控制的研究[D].蘭州理工大學(xué),2007.[6]曹秋霞.小型立式加工中心無(wú)機(jī)械手自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2006，(9):54-56.[7]譚光恒.大型刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置的研制[J].機(jī)械工程師,2010,(7)：40-41.[8]朱文藝,張慶樂(lè).數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程及控制原理研究[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2009，21(1):5-9.[9]張俊勇,趙小剛.刀庫(kù)合理布置在加工中心的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2009,(6):147-148.[10]牛軍燕，顧寄南.基于PLC的自動(dòng)換刀系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2010，32(6):35-36.[11]JianboLiu,DraganDjurdjanovic,JunNi.IDENTIFICATIONANDANOMALYDETECTIONFORPLCCONTROLLEDAUTOMATICTOOLCHANGERUSINGTIMEDPETRINET[Z].InternationalManufacturingScienceAndEngineeringConference,Atlanta,Georgia,USA,2007.[12]MingCong,JingLiu,QuanpuLi.ANovelDual-CamLinkageDriveAutomaticToolChangerforHorizontalMachiningCenter[Z].InternationalConferenceonIntelligentRoboticsandApplications,Wuhan,附：ABSTRACTInthispaper,anewmethodisproposedforincrementalidentificationofProgrammableLogicController(PLC)controlledtoolchangingprocessusingavailablebinaryeventlogsobtainedfromthePLC.TheidentifieddiscreteeventmodelidentifiedtakestheformofamodifiedTimedPetriNet(TPN).ArealtimeanomalydetectionsystemisthenconstructedbysynchronizingtheidentifiedTPNmodelwiththeactualtoolchangingprocessthroughtheeventsequence.Anydiscrepanciesbetweenthemodelandactualsystemarerecognizedasanomalies.Thetestresultsshowthatthediagnosticsystemautomaticallyconstructedusingthenewlyproposedprocedureisabletodetectanomalies,suchasincorrecttimingandillegaleventsequence.ThesameprocedurehasbeensuccessfullyappliedtomonitorotherPLCcontrolledautomationprocesses.摘要在此，提出了一種新方法，即利用從PLC獲得的可用的二進(jìn)制記錄，控制識(shí)別換刀過(guò)程的PLC增量。為確定已識(shí)別的離散事件模型需要修改計(jì)時(shí)Petri網(wǎng)。根據(jù)事件序列，使已確定的計(jì)時(shí)Petri網(wǎng)模型與實(shí)際的換刀過(guò)程同步，從而建立實(shí)時(shí)異常檢測(cè)系統(tǒng)。模型和實(shí)際系統(tǒng)之間的任何差異都將被認(rèn)為是異常。試驗(yàn)結(jié)果表明，診斷系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)使用新構(gòu)建的方法檢測(cè)到異?，F(xiàn)象，例如不正確的時(shí)序或非法的事件序列。同樣的程序已成功地應(yīng)用于其他監(jiān)控PLC控制的自動(dòng)化程序。AbstractInthispaper,anovelautomatictoolchangerforhorizontalmachiningcenterispresented.Themechanismandworkingprincipleoftheautomatictoolchangerareintroduced.Push-pullrodandtoolchangerrunsynchronouslydrivenbydual-camlinkage.Thekeystructure,dual-camlinkage,isanalyzedanddesignedindetails.Camcurvesoftwosetsofcams,oneofwhichdrivespush-pullrodandanotherdrivestoolchanger,areselectedbywayofcomprehensiveevaluation.Thetransmissionunitisdesigned.AnapplicationexampleofthisnovelautomatictoolchangerinMDH65HorizontalMachiningCenterispresentedandmotionsimulationiscarriedout.Theresultshowsthatthenoveldual-camlinkageautomatictoolchangerworksmoreefficientlyandreliablythangeneralwithrationalmatchingdesignoftwosetsofcams.摘要在本文中，描述了一種全新的自動(dòng)換刀系統(tǒng)在臥式加工中心的應(yīng)用。介紹了該自動(dòng)換刀裝置的機(jī)構(gòu)和工作原理。推拉桿及換刀裝置在雙凸輪連桿的驅(qū)動(dòng)下同步運(yùn)行。對(duì)雙凸輪連桿的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。通過(guò)綜合評(píng)價(jià)的方法設(shè)計(jì)兩個(gè)凸輪的輪廓線，使得其中一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)推拉桿而另一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)換刀裝置。傳輸裝置的設(shè)計(jì)。在MDH65臥式加工中心上，這種新型的自動(dòng)換刀裝置得以實(shí)際應(yīng)用，并且進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真。結(jié)果表明，這種新型雙凸輪連桿自動(dòng)換刀裝置比一般的兩凸輪配套設(shè)計(jì)工作效率高且更可靠。任務(wù)分配總體方案設(shè)計(jì)：傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：動(dòng)力電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：控制電路設(shè)計(jì)：軟件編程：電力供電系統(tǒng)：附上整體效果圖【圖片】目錄任務(wù)分配 緒論設(shè)計(jì)背景加工中心（MachiningCenter,MC）是適應(yīng)省力、省時(shí)和節(jié)能的時(shí)代要求而迅速發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，它是綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、拖動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測(cè)量及傳感技術(shù)以及通信診斷、刀具和編程技術(shù)的高科技產(chǎn)品。由于加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測(cè)量和調(diào)整時(shí)間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)存放時(shí)間，使機(jī)床的切削利用率高于通用機(jī)床3倍～4倍，所以說(shuō)，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數(shù)控機(jī)床中生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度最高的綜合性機(jī)床。1958年，美國(guó)卡尼，特雷克（Kearney&Trecker）公司首次把銑、鉆、鏜等多種工序集中于一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上，通過(guò)換刀方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，成為世界上第一臺(tái)加工中心。該產(chǎn)品出現(xiàn)后，銷路驚人，引起了日、德、美、英、法、意等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的高度重視，競(jìng)相開發(fā)生產(chǎn)，不斷擴(kuò)大和完善機(jī)床的功能，成為數(shù)控機(jī)床中發(fā)展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出現(xiàn)了立式、臥式、龍門式、落地式等各種加工中心，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，大約有1000多個(gè)品種規(guī)格。未來(lái)加工中心的發(fā)展動(dòng)向是高速化、進(jìn)一步提高精度和愈發(fā)完善的機(jī)能。加工中心是數(shù)控機(jī)床的代表，是高新技術(shù)集成度高的典型機(jī)電一體化機(jī)械加工設(shè)備，我國(guó)的加工中心從70年代開始，已有很大發(fā)展，但技術(shù)、品種和數(shù)量上都還遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展的需要。隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了模具制造業(yè)、機(jī)械加工業(yè)的巨大發(fā)展，使得數(shù)控機(jī)床的使用越來(lái)越普遍，而加工中心更是以其高自動(dòng)化程度得到廣泛應(yīng)用。然而，目前市場(chǎng)上生產(chǎn)和銷售的都是以大、中型的加工中心為主，小型加工中心幾乎是空白，而機(jī)械加工業(yè)、小型模具的制造、工科院校、技工學(xué)校等對(duì)小型加工中心存在著大量的需求。為加速我國(guó)加工中心的發(fā)展，需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)加工中心的研究、設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用。立式數(shù)控銑床立式數(shù)控銑床的主軸軸線與工作臺(tái)面垂直，是數(shù)控銑床中最常見的一種布局形式。立式數(shù)控銑床一般為三坐標(biāo)（X、Y、Z）聯(lián)動(dòng),其各坐標(biāo)的控制方式主要有以下兩種：1）工作臺(tái)縱、橫向移動(dòng)并升降，主軸只完成主運(yùn)動(dòng)。目前小型數(shù)控銑床一般采用這種方式。2）工作臺(tái)縱、橫向移動(dòng)，主軸升降。這種方式一般運(yùn)用在中型數(shù)控銑床中。立式數(shù)控銑床的功能分為一般功能和特殊功能。一般功能是指各類數(shù)控銑床普遍所具有的功能。如點(diǎn)位控制功能、刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償功能、鏡象加工功能、固定循環(huán)功能等。特殊功能是指數(shù)控銑床在增加了某些特殊裝置或附件后，分別具有或兼?zhèn)涞囊恍┨厥夤δ?。如刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能、靠模加工功能、自動(dòng)變換工作臺(tái)功能、自適應(yīng)功能、數(shù)控采集功能等。數(shù)控銑床的主軸開啟與停止，主軸正反轉(zhuǎn)與主軸變速等都可以按輸入介質(zhì)上編入的程序自動(dòng)執(zhí)行。不同的機(jī)床其變速功能與范圍也不同。有的采用變頻機(jī)組，固定幾種轉(zhuǎn)速，可自選一種編入程序，但不能在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)改變。有的采用變頻器調(diào)整，將轉(zhuǎn)速分為幾檔，編程時(shí)可任選一檔，在運(yùn)轉(zhuǎn)中可通過(guò)控制面板上的旋鈕，在本檔范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)；有的則不分檔,編程時(shí)可在整個(gè)范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速。但是在實(shí)際操作中，調(diào)速不能有大起大落的突變，只能在允許的范圍內(nèi)調(diào)高或調(diào)低，只能在允許的范圍內(nèi)一般都設(shè)有自動(dòng)拉、退刀裝置，能在數(shù)秒內(nèi)完成裝刀與卸刀，換刀比較方便。此外，多坐標(biāo)數(shù)控銑床的主軸可以繞X、Y或Z軸作數(shù)控?cái)[動(dòng)，擴(kuò)大了主軸自身的運(yùn)動(dòng)范圍，但是主軸結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。方案設(shè)計(jì)2.1課題內(nèi)容依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，我們的任務(wù)是給數(shù)控立式銑床設(shè)計(jì)安裝合適的自動(dòng)換刀裝置，以力濤-CNC1000數(shù)控立式升降臺(tái)銑床為例。主要技術(shù)參數(shù)為：工作范圍X軸行程1050mmY軸行程650mmZ軸行程500mm立柱最前端至主軸中心650mm工作臺(tái)加工面積（長(zhǎng)×寬）1400×320mm工作臺(tái)承載重量800kg主軸最高轉(zhuǎn)速8000rpm快速進(jìn)給速度X軸5m/min快速進(jìn)給速度Y軸5m/min快速進(jìn)給速度Z軸5m/min刀庫(kù)刀具數(shù)20把定位精度±0.005/300mm重復(fù)定位精度±0.003mm加工精度0.008mm主軸錐孔BT40刀具最大直徑∮80mm換刀時(shí)間（刀對(duì)刀）4秒最大進(jìn)給速度5000m/min2.2確定其自動(dòng)換刀裝置的形式由于LT-CNC1000數(shù)控立式升降臺(tái)銑床是一種使用范圍較廣的機(jī)床，且其可加工零件的精度要求也較高，比較上章介紹的幾種換刀形式，決定選用帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀形式。LT-CNC1000數(shù)控立式升降臺(tái)銑床主軸箱上方?jīng)]有好的安裝位置，安裝在機(jī)床外又要增加刀具運(yùn)輸時(shí)間，降低效率，所以安裝在機(jī)床側(cè)面最合適，有些部件交錯(cuò)的地方，作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。設(shè)計(jì)成由由盤式刀庫(kù)和回轉(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手組成。設(shè)計(jì)增加自動(dòng)換刀裝置后的LT-CNC1000數(shù)控立式升降臺(tái)銑床的外觀圖如圖2-1所示。圖2-1數(shù)控立式升降臺(tái)銑床的外觀圖2.3加工中心自動(dòng)換刀裝置（ATC）形式、特點(diǎn)及各自應(yīng)用范圍由刀庫(kù)和機(jī)械手組成的自動(dòng)換刀裝置(AutomaticToolChanger,ATC)是加工中心的重要組成部分。加工中心上所需更換的刀具較多，從十幾把到幾十把．甚至上百把，故通常采用刀庫(kù)形式，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，自動(dòng)換刀裝置種類繁多。由于加工中心上自動(dòng)換刀次數(shù)比較頻繁，故對(duì)自動(dòng)換刀裝置的技術(shù)要求十分嚴(yán)格．如要求定位精度高．動(dòng)作平穩(wěn)，工作可靠以及精度保持性等。這些要求都與加工中心的性能息息相關(guān)。在使用立式數(shù)控銑床加工工件時(shí)，只要充分利用數(shù)控銑床的各種功能，就可以加工許多普通銑床難加工的工件。數(shù)控銑床的主要加工對(duì)象有：平面類零件；變斜角類零件；曲面類（立體類）零件。表2-1加工中心上的換刀裝置形式類別特點(diǎn)應(yīng)用范圍轉(zhuǎn)塔式垂直轉(zhuǎn)塔頭根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同，可分為順序選刀或任意選刀結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單容納刀具數(shù)目少用于鉆削中心水平轉(zhuǎn)塔頭刀庫(kù)式無(wú)機(jī)械手換刀利用刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)與主軸直接換刀，省去機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)較多小型加工中心機(jī)械手換刀刀庫(kù)只做選刀運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手換刀布局靈活，換刀速度快各種加工中心機(jī)械手和刀具運(yùn)送器刀庫(kù)距機(jī)床主軸較遠(yuǎn)時(shí)，用刀具運(yùn)送器將刀具送至機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜大型加工中心成套更換方式更換轉(zhuǎn)塔利用更換轉(zhuǎn)塔頭，增加換刀數(shù)目換刀時(shí)間基本不變擴(kuò)大加工工藝的鉆削中心更換主軸箱利用更換主軸箱，擴(kuò)大組合機(jī)床加工工藝范圍結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜擴(kuò)大柔性的組合機(jī)床更換刀庫(kù)擴(kuò)大加工工藝，更換刀庫(kù)，另有刀庫(kù)存儲(chǔ)器充分提高機(jī)床利用率和自動(dòng)化程度擴(kuò)大加工中心的加工工藝范圍加工復(fù)雜零件，需刀具很多的加工中心2.4刀庫(kù)及刀具交換裝置刀庫(kù)的功能是儲(chǔ)存加工工序所需的各種刀具，并按程序指令，把即將要用的刀具迅速、準(zhǔn)確地送到換刀位置，并接受從主軸送回的已用刀具。所以說(shuō)它是自動(dòng)換刀裝置中主要部件之一。2.4.1刀庫(kù)的形式根據(jù)刀庫(kù)的容量和存取刀具的方式，刀庫(kù)可設(shè)計(jì)成多種形式。目前常見的刀庫(kù)類型如下：盤式刀庫(kù)此刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多。此換刀裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，換刀可靠性較好，缺點(diǎn)是換刀時(shí)間長(zhǎng)，適用于刀庫(kù)容量較小的加工中心上采用。如圖2-2所示。鏈?zhǔn)降稁?kù)此刀庫(kù)結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫(kù)容量較大，鏈環(huán)的形狀可根據(jù)機(jī)床的布局制成各種形狀，也可將換刀位突出以便于換刀，能充分利用機(jī)床的占地空間，通常為軸向取刀，位置精度較低，造價(jià)也較高。如圖2-3所示。格子箱式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫(kù)空間利用率高，換刀時(shí)間較長(zhǎng)。布局不靈活，通常刀庫(kù)安裝在工作臺(tái)上，應(yīng)用者較少。如圖2-4所示。直線式刀庫(kù)刀庫(kù)容量少，一般在十幾把左右，多用于自動(dòng)換刀數(shù)控車床，鉆床上也有采用。如圖2-5所示。圖2-2盤式刀庫(kù)圖2-3鏈?zhǔn)降稁?kù)圖2-4格子箱式刀庫(kù)圖2-5直線式刀庫(kù)2.4.2刀具的選擇方式在自動(dòng)換刀裝置換刀時(shí)，按數(shù)控裝置的刀具選擇指令，從刀庫(kù)中將所需要的刀具準(zhǔn)確地自動(dòng)地選出，并轉(zhuǎn)換到取刀位置．稱為自動(dòng)選刀。從刀庫(kù)中選擇刀具通常采用下述方式：（1）順序選擇方式順序選擇方式是按零件加工的預(yù)定工序要求依次將所用刀具存入刀庫(kù)的刀座中，使用時(shí)按順序?qū)⑵滢D(zhuǎn)到取刀位置。用過(guò)的刀具放回原來(lái)的刀座中，亦可以按加工順序故入下一個(gè)刀座中。這種方法不需要刀具識(shí)別裝置，驅(qū)動(dòng)控制也較簡(jiǎn)單，工作可靠，但刀具不能重復(fù)使用。即工藝相同的不同工序，也要重新安排刀具，故增加了刀具數(shù)量和刀庫(kù)容量。一般用于刀具較少的中小型加工中心、加工批量較大但工件品種較少的加工中心、刀庫(kù)與主抽之間直接換刀的加工中心、有自動(dòng)換刀庫(kù)的數(shù)控機(jī)床(當(dāng)加工小批量零件時(shí))。另外，在裝刀時(shí)必要認(rèn)真謹(jǐn)慎對(duì)號(hào)入座，否則將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。（2）任意選擇刀具方式這種方法根據(jù)程序指令的要求任意選擇所需要的刀具，刀具在刀庫(kù)中不必按照工件的加工順序排列，可任意存放。每把刀具(或刀座)都編上代碼．自動(dòng)換刀時(shí)，刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)，每把刀具(或刀座)都經(jīng)過(guò)“刀具識(shí)別裝置”接受識(shí)別。當(dāng)某把刀具的代碼與數(shù)控指令的代碼相符合時(shí)，該把刀具被選中，刀庫(kù)將選中的刀具送至換刀位置，等待機(jī)械手來(lái)抓取。任意選擇刀具法的優(yōu)點(diǎn)是刀庫(kù)中刀具的排列順序與工件加工順序無(wú)關(guān)。相同的刀具可重復(fù)使用，故刀具數(shù)量比順序選擇法的刀具可少一些，刀庫(kù)也相應(yīng)小一些。①刀座編碼式這種編碼方式是對(duì)刀庫(kù)中的每個(gè)刀座都預(yù)先進(jìn)行編碼，刀具也編號(hào)，并將與刀座編碼對(duì)應(yīng)的刀具一一放入指定的刀座中，根據(jù)刀座編碼選刀。換刀時(shí)刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)，使各個(gè)刀座依次經(jīng)過(guò)刀具識(shí)別器，直至找到規(guī)定的刀座，刀庫(kù)即刻停止旋轉(zhuǎn)。刀座編碼又分永久性編碼和臨時(shí)性編碼，前者刀座號(hào)是固定不變的；后者又稱編碼鑰匙，即采用一種專用的編碼鑰匙”這種入法是按加工順序要求事先給各刀具都縛上一“把表示法刀具號(hào)的編碼鑰匙，當(dāng)把各刀具存放到刀庫(kù)的刀座中時(shí)，將編碼鑰匙插進(jìn)刀座旁邊的鑰匙孔中。這樣就把鑰匙的號(hào)碼轉(zhuǎn)記到刀座中，給刀座編上了號(hào)碼。識(shí)別器可通過(guò)識(shí)別鑰匙上的號(hào)碼來(lái)選取該鑰匙旁邊刀座中的刀具；編碼鑰匙中除導(dǎo)向凸起外，共右16個(gè)凸起和凹下的位置，故有65535凹凸組合，可區(qū)別65535把刀具。鑰匙沿著水平方向的鑰匙縫插人鑰匙孔座，然后順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)90°，處于鑰匙代碼凸起的第一彈簧接觸片被撐起，表承代碼“1”，處于代碼凹處的第二彈簧接觸片保持原狀，表示代碼“0”。由于鑰匙上每個(gè)凸凹部分旁邊均有相應(yīng)的碳刷，故可將鑰匙各個(gè)凸凹部分均識(shí)別出來(lái)，即識(shí)別出相應(yīng)的刀具。當(dāng)取出刀具時(shí)，鑰匙也隨之取出，刀座碼立即消失，調(diào)換鑰匙可任意改變刀具編碼，使用具有更大的靈活性。②刀具編碼式這種萬(wàn)式是直接對(duì)每把刀具進(jìn)行編碼，由換刀裝置識(shí)別刀具上的編碼進(jìn)行選刀，出于每把刀只都有自己的代碼，故可存放于刀庫(kù)的任一刀座中。這樣刀庫(kù)中的刀具在不同的工序中也就可重復(fù)使用，用過(guò)的刀具也不一定放回原刀座中。避免了因刀具存放在刀庫(kù)中的順序差錯(cuò)而造成的事故；同時(shí)也縮短了刀庫(kù)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，簡(jiǎn)化了自動(dòng)換刀控制線路。它還可直接在刀庫(kù)與刀具主軸之間進(jìn)行換刀而不致增加換刀時(shí)間。其缺點(diǎn)是使刀具長(zhǎng)度增加，制造田難，剛度降低，同時(shí)使機(jī)械手和刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)也復(fù)雜化。③編碼附件法這種選刀方式介于刀具編碼與刀座編碼之間。刀庫(kù)的刀座與刀具均無(wú)需編碼。只利用一種帶有編碼附件(如鑰匙、卡片、編碼桿、編碼盤)與刀具合在—起，這樣刀具就具有與編碼附件相同的編號(hào)。當(dāng)帶編碼附件的刀具插人刀庫(kù)中某一刀座時(shí)，該刀座便具有編碼附件指定的編碼。以上選刀方式都結(jié)換刀系統(tǒng)帶來(lái)很多不便，所以近年來(lái)在加工中心應(yīng)用得很少。④計(jì)算機(jī)記憶式高檔的數(shù)控加工中心，可將刀具號(hào)和刀庫(kù)上存刀地址對(duì)應(yīng)地記憶在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)或可編程控制器內(nèi)。不論刀具放入哪個(gè)地址，均可跟蹤記憶；利用刀庫(kù)上裝刀位置檢測(cè)裝置，可測(cè)得每一地址。這樣刀具可以任意取、存，無(wú)需編碼元件，這種刀具任選方式使換刀控制大為簡(jiǎn)化。故目前的加上中心絕大多數(shù)都采用這種方式。2.4.3刀具(刀座)識(shí)別裝置刀具(刀座)識(shí)別裝置是自動(dòng)換刀系統(tǒng)中的重要組成部分，常用的有下列幾種。(1)接觸式刀具識(shí)別裝置接觸式刀具識(shí)別裝置應(yīng)用廣泛，特別適應(yīng)于空間位置較小的刀具編碼，其原理如圖2—6所示。在刀柄1上裝有兩種直徑不同的編碼環(huán)，規(guī)定大直徑的環(huán)表示二進(jìn)制的“1”，小直徑的環(huán)為“0”，圖中有5個(gè)編碼環(huán)4，在刀庫(kù)附近固定一刀具識(shí)別裝置2，從中伸出幾個(gè)觸針3，觸針數(shù)量與刀柄上的編碼環(huán)個(gè)數(shù)相等。每個(gè)觸針連一個(gè)繼電器，當(dāng)大直徑的編碼環(huán)與觸針接觸，繼電器通電，其數(shù)碼為“數(shù)碼與所需刀具的編碼一致時(shí)，由控制裝置發(fā)出信號(hào)，使刀庫(kù)停轉(zhuǎn)，等待換刀。接觸式刀具識(shí)別裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于使用中觸針有磨損，故壽命較短，可靠性較差，且難于快速換刀。(2)非接觸式刀具識(shí)別裝置非接觸式刀具識(shí)別裝置無(wú)機(jī)械接觸、無(wú)磨損、無(wú)噪聲、壽命長(zhǎng)、反應(yīng)速度快，適應(yīng)于高速且換刀頻繁的工作場(chǎng)合。常用的有磁性識(shí)別法和光電識(shí)別法。①非接觸式磁性識(shí)別法磁性識(shí)別法是利用磁性材料和非磁性材料磁感應(yīng)強(qiáng)弱不同，通過(guò)感應(yīng)線圈讀取代碼。編碼環(huán)的直徑相等，分別由導(dǎo)磁材料(如軟鋼)和非導(dǎo)磁材料(如黃銅、塑料等)制成，規(guī)定前者編碼為“1”，后者編碼為“0”。圖2-7所示為一種用于刀具編碼的磁性識(shí)別裝置。圖中刀柄1上裝有非導(dǎo)磁材料編碼環(huán)4和導(dǎo)磁材料編碼環(huán)2、與編碼環(huán)對(duì)應(yīng)的有一組檢測(cè)線圈6組成非接觸式識(shí)別裝置3。在檢測(cè)線圈6的一次線圈5中輸入交流電壓時(shí)，如編碼環(huán)為導(dǎo)磁材料，則磁感應(yīng)較強(qiáng)，在二次線圈7中產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓。如編碼環(huán)為非導(dǎo)磁材料，則磁感應(yīng)較弱，在二次線圈中感應(yīng)的電壓較弱。利用感應(yīng)電壓的強(qiáng)弱，就能識(shí)別刀具的號(hào)碼。當(dāng)編碼環(huán)的號(hào)碼與指令刀號(hào)相等時(shí)，控制電路便發(fā)出信號(hào)，使刀庫(kù)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，等待換刀。刀具編碼的識(shí)別裝置原理如圖2-8所示。當(dāng)數(shù)控裝置接受穿孔紙帶給出的選刀號(hào)T代碼，由選刀控制電路使刀庫(kù)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具依次通過(guò)識(shí)刀器，對(duì)應(yīng)每個(gè)刀具的編碼環(huán)感應(yīng)出不同的信號(hào)，經(jīng)刀號(hào)讀出電路將編碼環(huán)所表示的號(hào)碼讀出，通過(guò)輸入控制門存入刀號(hào)寄存器內(nèi)，然后送入比較符合電路與數(shù)控裝置，對(duì)已接收的T代碼進(jìn)行比較。若與給定的T代碼不一樣，則刀庫(kù)仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到識(shí)刀器讀出的刀具或刀座編碼與T代碼一致時(shí)，發(fā)出選刀符合信號(hào)，說(shuō)明已選中刀具；此時(shí)刀庫(kù)減速、定位、停止，所選刀具停在等待換刀位置。圖中延時(shí)清零電路用來(lái)等待識(shí)刀器讀完一個(gè)編碼號(hào)后再進(jìn)行比較識(shí)別，以免因讀出信號(hào)時(shí)間上的不一致造成失誤。每讀完一次編碼，延時(shí)清零電路經(jīng)一定延時(shí)發(fā)出一次消零信號(hào)，使刀號(hào)寄存器清零復(fù)位，以便寄存下一個(gè)刀號(hào)。圖2-6接觸式刀具識(shí)別裝置圖2-7磁性識(shí)別裝置圖2-8識(shí)刀裝置原理框圖②光學(xué)纖維刀具識(shí)別裝置這種裝置利用光導(dǎo)纖維很好的光傳導(dǎo)特性，采用多束光導(dǎo)纖維構(gòu)成閱讀頭。用靠近的兩束光導(dǎo)纖維來(lái)閱讀二進(jìn)制碼的一位時(shí)，其中一束將光源投射到能反光或不能反光(被涂黑)的金屬表面，另一束光導(dǎo)纖維將反射光送至光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以判斷正對(duì)這兩束光導(dǎo)纖維的金屬表面有無(wú)反射光，有反射時(shí)(表面光亮)為“1”，無(wú)反射時(shí)(表面涂黑)為“0”．如圖2-8(b)所示。在刀具的某個(gè)磨光部位按二進(jìn)制規(guī)律涂黑或不涂黑，就可以給刀具編上號(hào)碼。正當(dāng)中的一小塊反光部分用來(lái)發(fā)出同步信號(hào)。閱讀頭的端面如圖2-9(a)所示，共用的投光射出面為一矩形框，中間嵌進(jìn)一排共9個(gè)圓形受光入射面、當(dāng)閱讀頭端面正對(duì)刀具編碼部位，沿箭頭方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在同步信號(hào)作用下，可將刀具編碼讀入，并與給定的刀具號(hào)進(jìn)行比較而選刀。在光導(dǎo)纖維中傳播的光信號(hào)比在導(dǎo)體中傳播的電信號(hào)具有更高的抗干擾能力。光導(dǎo)纖維可任意彎曲，這給機(jī)械設(shè)計(jì)、光源及光電轉(zhuǎn)換元件的安裝都帶來(lái)很大的方便。因此，這種識(shí)別方法很有發(fā)展前途。近年來(lái)，“圖像識(shí)別”技術(shù)也開始用于刀具識(shí)別，刀具不必編碼，而在刀具識(shí)別位置上利用光學(xué)系統(tǒng)將刀具的形狀投影到許多光電元件組成的屏板上，從而將刀具的形狀變?yōu)楣怆娦盘?hào)，經(jīng)信息處理后存人記憶裝置中。選刀時(shí)，數(shù)控指令T所指的刀具在刀具識(shí)別位置出現(xiàn)圖形時(shí)，便與記憶裝置中的圖形進(jìn)行比較，選中時(shí)發(fā)出選刀符合信號(hào)，刀具便停在換刀位置上。這種識(shí)別方法雖有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于該系統(tǒng)價(jià)格昂貴而限制了它的使用。圖2-9光學(xué)纖維刀具識(shí)別裝置(3)利用Pc實(shí)現(xiàn)隨機(jī)換刀隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用軟件選刀以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的編碼環(huán)和識(shí)刀器。在這種選刀和換刀的方式中，刀庫(kù)上的刀具能與主軸上的刀具任意地直接交換，即隨機(jī)換刀。主軸上換來(lái)的新刀號(hào)及還回刀庫(kù)的刀具號(hào)，均在Pc內(nèi)部相應(yīng)地存儲(chǔ)單元記憶。隨機(jī)換刀控制方式需要在Pc內(nèi)部設(shè)量一個(gè)模擬刀庫(kù)的數(shù)據(jù)表，其長(zhǎng)度和表內(nèi)設(shè)置的數(shù)據(jù)與刀庫(kù)的位置數(shù)和刀具號(hào)相對(duì)應(yīng)。這種方法主要由軟件完成選刀，從而消除了內(nèi)于識(shí)刀裝置的穩(wěn)定性、可靠性所帶來(lái)的選刀失誤。①ATC(自動(dòng)換刀)控制和刀號(hào)數(shù)據(jù)表如圖2—9所示，刀庫(kù)有8個(gè)刀座，可存放8把刀具。刀座固定位置編號(hào)為方框內(nèi)1號(hào)—8號(hào)，0為主軸刀位置號(hào)，由于刀具本身不附帶編碼環(huán)，故刀具編號(hào)可任意沒(méi)定，如圖2—10中(10)—(18)的刀號(hào)。一旦給某刀編號(hào)后．該編號(hào)不應(yīng)隨意改變。為了使用方使．刀號(hào)也采用BCD碼編寫。在PC內(nèi)部建立一個(gè)模擬刀庫(kù)的刀號(hào)數(shù)據(jù)表，如圖2-11所示。數(shù)據(jù)表的表序號(hào)與刀庫(kù)刀座編號(hào)相對(duì)應(yīng)，每個(gè)表序號(hào)中的內(nèi)容就是對(duì)應(yīng)刀座中所插入的刀具號(hào)。圖中刀號(hào)表首地址TAB單元固定存放主軸上的刀具號(hào)數(shù)，TAB+1—TAR+8存放刀庫(kù)上的刀具號(hào)。由于刀號(hào)數(shù)據(jù)表實(shí)際上是刀庫(kù)中存放刀具位置的一種映像，所以刀號(hào)表與刀庫(kù)中刀具的位置應(yīng)始終保持一致。圖2-10刀庫(kù)中刀具位置編號(hào)圖2-11刀庫(kù)的刀號(hào)數(shù)據(jù)表②刀具的識(shí)別雖然刀具不附帶任何編碼裝置，且采用任意換刀方式，但是，由于在PC內(nèi)部設(shè)置的刀號(hào)數(shù)據(jù)表始終與刀具在刀庫(kù)中的實(shí)際位置相對(duì)應(yīng)，所以對(duì)刀具的識(shí)別實(shí)質(zhì)上轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)刀庫(kù)位置的識(shí)別。當(dāng)?shù)稁?kù)旋轉(zhuǎn)，每個(gè)刀座通過(guò)換刀位置(基準(zhǔn)位置)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)送至PC，作為計(jì)數(shù)脈沖。同時(shí)．在PC內(nèi)部設(shè)置一個(gè)刀庫(kù)位置計(jì)數(shù)器，當(dāng)?shù)稁?kù)正轉(zhuǎn)(cw)時(shí)，每發(fā)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，使該計(jì)數(shù)器遞增計(jì)數(shù)；當(dāng)?shù)稁?kù)反轉(zhuǎn)(ccw)時(shí)．每發(fā)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，則計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)。于是計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值始終在1—8之間循環(huán)，而通過(guò)換刀位置時(shí)的計(jì)數(shù)值(當(dāng)前值)總是指示刀庫(kù)的現(xiàn)在位置。立式數(shù)控銑床的主軸軸線與工作臺(tái)面垂直，是數(shù)控銑床中最常見的一種布局形式。立式數(shù)控銑床一般為三坐標(biāo)（X、Y、Z）聯(lián)動(dòng),其各坐標(biāo)的控制方式主要有以下兩種：1）工作臺(tái)縱、橫向移動(dòng)并升降，主軸只完成主運(yùn)動(dòng)。目前小型數(shù)控銑床一般采用這種方式。2）工作臺(tái)縱、橫向移動(dòng)，主軸升降。這種方式一般運(yùn)用在中型數(shù)控銑床中當(dāng)PC接到新刀具的指令(TXX)后，在模擬刀庫(kù)的刀號(hào)數(shù)據(jù)表中進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索，檢索到T代碼給定的刀號(hào)，將該刀具號(hào)所在數(shù)據(jù)表中的表號(hào)數(shù)存放在一個(gè)緩沖存儲(chǔ)單元中，這個(gè)表序號(hào)數(shù)就是新刀具在刀庫(kù)中的目標(biāo)位置。刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)后，測(cè)得刀庫(kù)的實(shí)際位置與要求的刀庫(kù)目標(biāo)位置一致時(shí)，即識(shí)別了所要尋找的新刀具。刀庫(kù)停轉(zhuǎn)并定位，等待換刀。識(shí)別刀具的PC程序流程團(tuán)如圖2-12所示。③刀具的交換及刀號(hào)數(shù)據(jù)表的修改當(dāng)前一工序加工結(jié)束后需要更換新刀加工時(shí)，NC系統(tǒng)發(fā)出自動(dòng)換刀指令M06控制機(jī)床主軸準(zhǔn)停。機(jī)械手執(zhí)行換刀動(dòng)作，將主軸上用過(guò)的舊刀和刀庫(kù)上選好的新刀進(jìn)行交換。與此同時(shí)，應(yīng)通過(guò)軟件修改PC內(nèi)部的刀號(hào)數(shù)據(jù)表，使相應(yīng)的刀號(hào)表單元中的刀號(hào)與交換后的刀號(hào)相對(duì)應(yīng)。圖2-12識(shí)別刀具的PC程序流程框圖2.4.4刀具交換裝置實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)與機(jī)床主軸之間裝卸和傳遞刀具的裝置稱為刀具交換裝置。交換裝置的形式和具體結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)控機(jī)床的整體布局、生產(chǎn)率和工作可靠性都有直接影響。交換裝置的形式很多，一般可分為兩大類。由刀庫(kù)和主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具交換用這種形式交換刀具時(shí)，必須將主軸上用過(guò)的刀具送回刀庫(kù)，再?gòu)牡稁?kù)取出新刀，但兩個(gè)動(dòng)作不能同時(shí)進(jìn)行。它適用采用40號(hào)以下刀柄的小型加工中心或換刀次數(shù)少的用重型刀具的重型機(jī)床。這種換刀方式?jīng)]有機(jī)械手，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；刀庫(kù)回轉(zhuǎn)是在工步與工步之間，故換刀時(shí)間長(zhǎng)，換刀動(dòng)作也較多，但卻免去了刀庫(kù)回轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)對(duì)加工精度的影響。在這種換刀方式中，刀庫(kù)可以是圓盤型、直線排列式、也可以是格子箱式等。圓盤式刀庫(kù)可設(shè)在立柱頂上、立柱主軸箱的側(cè)面，也可以設(shè)在橫梁一端。直線排列式刀庫(kù)可設(shè)在工作臺(tái)上方，也可設(shè)在工作臺(tái)的一端或兩端。格子箱式刀庫(kù)可設(shè)在雙工作臺(tái)的中間。由機(jī)械手進(jìn)行刀具交換由于刀庫(kù)及刀具交換方式不同，換刀機(jī)械手種類繁多。機(jī)械手的類型如表2-2所示。表2-2換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)類型形式應(yīng)用特點(diǎn)單臂單手式機(jī)械手作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)用于刀具主軸與刀庫(kù)刀座軸線平行的場(chǎng)合結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，換刀時(shí)間較長(zhǎng)機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)，其軸線與刀具主軸平行用于刀庫(kù)刀座軸線與主軸軸線平行的場(chǎng)合機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)，其軸線與刀具主軸垂直用于刀庫(kù)刀座軸線與主軸軸線垂直的場(chǎng)合單臂雙手式固定雙手式用于刀庫(kù)刀座軸線與主軸軸線平行的場(chǎng)合，廣泛用于加工中心可同時(shí)抓住主軸和刀庫(kù)中的刀具，并進(jìn)行拔出、插入，換刀時(shí)間短可伸縮雙手式剪式雙手式雙手不成180°雙手式雙手平行式這種機(jī)械手還起運(yùn)輸作用換到時(shí)間較短，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜雙手交叉式雙手有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)第3章?lián)Q刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置中,實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)與機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式通常分為兩種:一種是采用機(jī)械手交換刀具,另一種是由刀庫(kù)與機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具交換即無(wú)機(jī)械手交換刀具。無(wú)機(jī)械手交換刀具方式：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，換刀的可靠性較高；刀庫(kù)因結(jié)構(gòu)所限容量不多。這種換刀系統(tǒng)多為中、小型加工中心采用。刀具的交換方式及它們的具體結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)床的工作效率和工作可靠性有直接的影響。由LT-CNC1000數(shù)控立式升降臺(tái)銑床的結(jié)構(gòu)特性決定難以實(shí)現(xiàn)由刀庫(kù)與機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具交換，故采用機(jī)械手交換刀具的方式。機(jī)械手是當(dāng)主軸上的刀具完成一個(gè)工步后，把這一工步的刀具送回刀庫(kù)，并把下一道工步的所需要的刀具從刀庫(kù)中取出并裝入主軸繼續(xù)進(jìn)行加工的功能部件。對(duì)機(jī)械手的具體要求是迅速可靠，準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。3.1確定換刀機(jī)械手形式在自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床中，換刀機(jī)械手的形式是多種多樣的，常見的有以下幾種。1)兩手呈180°的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手；圖3-1機(jī)械手臂和手爪1.手爪2.錐銷3.手臂4.5.彈簧6.活動(dòng)銷7.長(zhǎng)銷8.鎖緊銷2)兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手3)兩手平行的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手；4)雙手交叉式機(jī)械手；由于不同的數(shù)控機(jī)床（加工中心）的刀庫(kù)與主軸的相對(duì)位置不同。所以各種數(shù)控機(jī)床所使用的換刀機(jī)械手也不盡相同。這次設(shè)計(jì)我選用兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手。這種機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是換刀動(dòng)作可靠，換好時(shí)間短，缺點(diǎn)是刀柄精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聯(lián)機(jī)調(diào)整的相關(guān)精度要求高，機(jī)械手離加工區(qū)較近。一般來(lái)說(shuō)，這種機(jī)械手用于刀庫(kù)刀座軸線與機(jī)床主軸軸線垂直，刀庫(kù)為徑向存取刀具形式的自動(dòng)換刀裝置，因此，在LT-CNC1000數(shù)控立式升降銑床的自動(dòng)換刀裝置中可采用這種機(jī)械手形式。3.2換刀機(jī)械手的工作原理下面是以在LT-CNC1000數(shù)控立式升降臺(tái)銑床的自動(dòng)換刀裝置中采用這種上機(jī)械手換刀的工作原理。該機(jī)械手安裝在主軸的左側(cè)面，隨同主軸箱一起運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手由機(jī)械手臂與45°的斜殼體組成。機(jī)械手臂形狀對(duì)稱。固定在回轉(zhuǎn)軸上，回轉(zhuǎn)軸與主軸成45°角，安裝在殼體上，有手臂托，可由液壓缸帶動(dòng)（圖中未標(biāo)出），機(jī)械手有伸縮、回轉(zhuǎn)、抓刀、松刀等動(dòng)作。伸縮動(dòng)作：液壓缸（圖中未標(biāo)出）帶動(dòng)手臂托架沿主軸軸向移動(dòng)。回轉(zhuǎn)動(dòng)作：液壓缸中的齒條輪通過(guò)齒輪帶動(dòng)回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)手臂正向和反向180°的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。抓刀、松刀動(dòng)作：機(jī)械手對(duì)刀具的夾緊和松開是通過(guò)液壓缸。碟形彈簧及拉桿、杠桿、活動(dòng)爪來(lái)實(shí)現(xiàn)。碟形彈簧實(shí)現(xiàn)夾緊，液壓缸實(shí)現(xiàn)松開。在活動(dòng)爪中有兩個(gè)銷子，當(dāng)夾緊刀具時(shí)，插入刀柄凸緣的孔內(nèi)，確保安全、可靠。3.3機(jī)械手的自動(dòng)換刀過(guò)程的動(dòng)作順序（a）（b）（c）（d）圖3-2換刀機(jī)械手的換刀過(guò)程自動(dòng)換刀裝置的換刀過(guò)程由選刀和換刀兩部分組成。選刀即刀庫(kù)按照選刀命令（或信息）自動(dòng)將要用的刀具移動(dòng)到換刀位置，完成選刀過(guò)程，為下面換刀做好準(zhǔn)備，換刀即是機(jī)械手把主軸上用過(guò)的刀具取下，將選好的刀具安裝在主軸之上。換刀動(dòng)作的大致過(guò)程為：1)主軸箱回到最高處（z坐標(biāo)零點(diǎn)），同時(shí)實(shí)現(xiàn)“主軸準(zhǔn)停”。即主軸停止回轉(zhuǎn)并準(zhǔn)確停止在一個(gè)固定不變的角度方位上，保證主軸端面的鍵也在一個(gè)固定的方位，使刀柄上的鍵槽能恰好對(duì)正端面鍵。2)機(jī)械手抓住主軸和刀庫(kù)上的刀具。如3-2（a）所示。3)把卡緊在主軸和發(fā)庫(kù)上的刀具松開4)活塞桿推動(dòng)機(jī)械手下行，從主軸和刀庫(kù)上取出刀具5)機(jī)械手回轉(zhuǎn)180°，交換刀具位置，6)將更換后的刀具裝入主軸和刀庫(kù)7)分別夾緊主軸和刀庫(kù)上的刀具8)機(jī)械手松開主軸和刀庫(kù)上的刀具9)當(dāng)機(jī)械手松開具后，限位開關(guān)發(fā)出“換刀完畢”的信號(hào)，主軸自由，可以開始加工或其他程序動(dòng)作。在自動(dòng)換刀的整個(gè)過(guò)程中，各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)均由限位開關(guān)控制，只有前一個(gè)動(dòng)作完成后，才能進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作，從而保證了運(yùn)動(dòng)的可靠性。3.4兩手相互垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手3.5機(jī)械手回轉(zhuǎn)軸4上的齒輪齒條設(shè)計(jì)1)回轉(zhuǎn)軸上齒輪采用漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪形式2)取模數(shù)M=1.5。初取齒數(shù)z=303)下表為齒輪幾何尺寸設(shè)計(jì)的基本參數(shù)：名稱代號(hào)計(jì)算公式模數(shù)m壓力角分度圓直徑dD=mz=1.530=45齒頂高齒根高齒全高h(yuǎn)齒頂圓直徑齒根圓直徑齒距p齒厚s頂隙c齒條的基本尺寸，按外齒輪幾何尺寸的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算3.6自動(dòng)換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求3.6.1主軸準(zhǔn)停裝置為了傳遞扭矩，在主軸的前端裝有端鍵，當(dāng)?shù)毒叩侗b入錐孔時(shí)，刀柄上的鍵槽位置必須與該鍵對(duì)準(zhǔn)才能裝入。當(dāng)機(jī)械手從刀庫(kù)取刀時(shí)，為了確保刀具其后能順利地裝入主軸錐孔中，必須使主軸準(zhǔn)確地停在刀具交換位置上。同時(shí)，由于工藝上的需要，也必須使主軸準(zhǔn)停在固定位置上。這種使主軸端在定位鍵停在固定位置的技術(shù)要求稱為主軸準(zhǔn)停。LT-CNC1000數(shù)控立式升降臺(tái)銑床的自動(dòng)換刀裝置，在每次自動(dòng)裝卸刀具時(shí)，都必須要求主軸準(zhǔn)確地停止在固定的周向位置上。因此，可在主軸上安裝電氣控制的主軸準(zhǔn)停裝置以實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)停功能。3.6.2換刀機(jī)械手的安裝與調(diào)試1)換刀機(jī)械手安裝在主軸箱的左側(cè)面，加工零件時(shí)，換刀機(jī)械手隨主軸箱一起上下運(yùn)動(dòng)。2)當(dāng)初裝上換刀機(jī)械手后，必須進(jìn)行調(diào)試：用手動(dòng)操縱主式調(diào)整換刀機(jī)械手相對(duì)于主軸的位置，使用調(diào)整心棒，有誤差時(shí)可調(diào)整機(jī)械手行程、刀庫(kù)位置、機(jī)械手支座、修正主軸坐標(biāo)原點(diǎn)等。安裝最大重量刀具時(shí)，要進(jìn)行多次刀庫(kù)到主軸位置的自動(dòng)交換，使機(jī)械手換刀時(shí)做到準(zhǔn)確無(wú)誤，無(wú)撞擊。3.7確定刀庫(kù)容量刀庫(kù)容量設(shè)為20把。3.7.1確定刀庫(kù)形式刀庫(kù)容量為20,容量不大，并且用于小型立式加工中心，因此決定采用盤式刀庫(kù)。盤式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多。此換刀裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，換刀可靠性較好。整個(gè)換刀過(guò)程時(shí)間大約為4秒。3.7.2初步估計(jì)刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及選定電機(jī)刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇應(yīng)同時(shí)滿足刀庫(kù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)載扭矩和啟動(dòng)時(shí)的加速扭矩的要求。刀庫(kù)負(fù)載扭矩的計(jì)算圓盤式刀庫(kù)負(fù)載扭矩估算方法：這種刀庫(kù)的負(fù)載扭矩主要用來(lái)克服刀具質(zhì)量的不平衡，估算按如下兩種情況進(jìn)行：第一，用平均重量的刀具插滿圓盤的半個(gè)圓，如圖4-1（a）所示，根據(jù)工藝要求所需的各種刀具，確定每個(gè)刀具的（包括刀柄）平均重量，而其重心則設(shè)定為離刀庫(kù)回轉(zhuǎn)中心2/3半徑處。第二，把三把最重的刀具放在一起，如圖3-3（b）所示。按加工中心規(guī)格規(guī)定的最大刀具質(zhì)量算，而其重心則設(shè)定為離刀庫(kù)回轉(zhuǎn)中心半徑處。刀庫(kù)加速扭矩的計(jì)算式中-刀庫(kù)選刀時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；-加速時(shí)間，通常取150~200ms；-電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量（），可查樣本；-負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量（）（a）刀具插滿圓盤的半個(gè)圓（b）三把最重的刀具插在一起圖3-3刀庫(kù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出扭矩計(jì)算驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩應(yīng)同時(shí)滿足刀庫(kù)負(fù)載扭矩和加速扭矩之和，將以上計(jì)算的刀庫(kù)負(fù)載扭矩和加速扭矩轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸上的輸出扭矩的公式為式中i-電動(dòng)機(jī)軸至刀庫(kù)軸的速比；-傳動(dòng)效率。考慮到實(shí)際情況比計(jì)算時(shí)所設(shè)定的條件復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)為負(fù)載扭矩的1.2~1.5倍。設(shè)定當(dāng)兩個(gè)最大刀具相鄰放置時(shí)，其間距為5毫米，則相鄰刀套中心距為85毫米，夾角為20度?？芍短追胖冒霃綖閙m，圓整為245mm。刀庫(kù)負(fù)載扭矩的計(jì)算按方法二進(jìn)行估算，即將三把最重的刀放在一起，則負(fù)載扭矩==389.8245=57.624加速扭矩的計(jì)算設(shè)刀具最大運(yùn)動(dòng)線速度為24m/min，則可確定刀庫(kù)選刀轉(zhuǎn)速為=15.6r/min，加速時(shí)間暫定為=200ms，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量可查相關(guān)樣本=2.14，負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量=30.01則可求得=0.26驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩應(yīng)同時(shí)滿足刀庫(kù)負(fù)載扭矩和加速扭矩之和電動(dòng)機(jī)軸到刀庫(kù)軸的速比為i=48,蝸輪蝸桿的傳動(dòng)效率=0.7,則可求得==1.72電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩>(1.2~1.5)=(2.06~2.58)而所選電機(jī)轉(zhuǎn)矩為10確定伺服電機(jī)型號(hào)為SM130-10N1500，其主要技術(shù)參數(shù)為：額定功率1.5Kw額定轉(zhuǎn)速1500r/min額定電流6A轉(zhuǎn)子慣量0.00214機(jī)械時(shí)間常數(shù)2.11ms工作電壓220V3.7.3刀庫(kù)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普通蝸輪蝸桿的相關(guān)設(shè)計(jì)蝸桿頭數(shù)=1，初定傳動(dòng)比為i=48，則蝸輪齒數(shù)=i=48，模數(shù)m=3.15，蝸桿分度圓直徑=48mm，蝸輪分度圓直徑=m=151.2mm中心距a=(+)/2=99.6mm,圓整中心距取=100mm，蝸輪變位系數(shù)=（a-）/m=-0.127，屬于1>=x>=-1的要求蝸輪齒頂高=(1-0.127)3.15=2.75mm蝸輪齒根高=(1+0.2+0.127)3.15=4.18mm蝸輪齒根圓直徑=151.2-24.18=142.84mm蝸輪齒頂圓直徑=151.2+22.75=156.7mm蝸桿齒頂圓直徑=48+213.15=54.3mm蝸桿齒根圓直徑=48-23.15(1+0.2)=40.44mm考慮到傳遞的功率不大，轉(zhuǎn)速較低，選用ZA蝸桿傳動(dòng)，精度為5fGB10089-1988。蝸桿材料選用35CrMo，表面淬火硬度45~55HRC,表面粗糙度Ra≤1.6μm。蝸輪材料選用ZCuAl10Fe3，表面淬火硬度45~55HRC,表面粗糙度Ra≤1.6μm。蝸輪蝸桿其他計(jì)算參數(shù)：蝸桿導(dǎo)程角r=arctan蝸桿齒形角為20°蝸桿軸向齒距積累誤差=0.0085mm蝸桿軸向齒距極限偏差=±0.0048mm蝸輪齒形誤差=0.0071mm3.7.4確定刀具的選擇方式刀具的選擇方式為任意選擇方式中的計(jì)算機(jī)記憶式，可將刀具號(hào)和刀庫(kù)上存刀地址對(duì)應(yīng)地記憶在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)或可編程控制器內(nèi)。不論刀具放入那個(gè)地址，均可跟蹤記憶；利用刀庫(kù)上裝刀位置檢測(cè)裝置，可測(cè)得每一地址。這樣刀具可以任意存取，無(wú)需編碼元件，這種刀具任選方式使換刀控制大為簡(jiǎn)化。3.7.5刀庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圓盤式刀庫(kù)由專用的交流伺服電機(jī)14經(jīng)撓性聯(lián)軸器15、蝸桿24、蝸輪25，帶動(dòng)刀盤和盤上的20個(gè)刀套旋轉(zhuǎn)，如圖3-4所示。刀座的滾子在不旋轉(zhuǎn)的刀盤的槽中受到限位，刀盤在最下端的換刀位置開了一個(gè)缺口。刀座以鉸鏈形式與支撐板相連。平時(shí)，由彈簧將滾子銷壓在刀套的凹槽中，使刀座定位在水平位置。由于主軸是立式的，故應(yīng)將處于刀庫(kù)刀盤最下位置的刀套旋轉(zhuǎn)90°，使刀頭朝下。實(shí)現(xiàn)這個(gè)動(dòng)作靠氣缸28。氣缸28的活塞桿帶動(dòng)撥叉59上升，由剖視圖中可以看到，最下面的一個(gè)刀套右尾部的滾子正好進(jìn)入撥叉59的缺口。撥叉上升使刀套連同刀具逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)90°，滾子銷退出支撐板的凹槽，刀座轉(zhuǎn)至垂直位置，等待機(jī)械手換刀。刀套的構(gòu)造錐孔尾部有兩個(gè)球頭銷釘，后有彈簧用以?shī)A住刀具，故當(dāng)?shù)短仔D(zhuǎn)90°后刀具不會(huì)下落。刀套頂部的滾子用以在刀套處于水平位置時(shí)支撐刀套。當(dāng)?shù)毒吒鼡Q完畢，該刀座插入從主軸換下的刀具夾頭。通過(guò)氣缸作用，與上述動(dòng)作相反，刀座帶動(dòng)刀具夾頭順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直到水平位置為止，此時(shí)滾子銷重新處于支撐板的凹槽中。圖3-4刀套結(jié)構(gòu)圖第4章PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1機(jī)械手控制系統(tǒng)PLC的選擇在系統(tǒng)控制器的選擇上可以有多種方案，目前在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中主要有三種：?jiǎn)纹瑱C(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器（PLC）。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，PLC控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。PLC控制有以下優(yōu)點(diǎn)：1、可靠性高PLC不需要大量的活動(dòng)元件和連接電子元件，它的連線大大減少。與此同時(shí)，系統(tǒng)的維修簡(jiǎn)單，維修時(shí)間短，采用了一系列可靠性設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，如：冗余的設(shè)計(jì)、斷電保護(hù)、故障診斷和信息保護(hù)及恢復(fù)等。2、易操作性PLC有較高的易操作性，它具有編程簡(jiǎn)單，操作方便，維修容易等特點(diǎn)，一般不容易發(fā)生操作的錯(cuò)誤。PLC是為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制而專門設(shè)計(jì)的控制裝置，它具有比通用計(jì)算機(jī)控制更簡(jiǎn)單的編程語(yǔ)言和更可靠的硬件。采用了精簡(jiǎn)化的編程語(yǔ)言，編程出錯(cuò)率大大降低。3、靈活性PLC采用的編程語(yǔ)言有梯形圖、布爾助記符、功能圖、功能模塊和語(yǔ)句描述編程語(yǔ)言。編程方法的多樣性使編程簡(jiǎn)單、應(yīng)用而拓展。操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變量十分容易。經(jīng)過(guò)各方面分析比較，本課題采用三菱FX2N系列PLC作為控制器，并配有相應(yīng)的控制模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械手的控制功能。4.2機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)限位開關(guān)的布局示意圖圖4-1限位開關(guān)的布局示意圖4.3機(jī)械手自動(dòng)換刀系統(tǒng)的工作流程機(jī)械手移動(dòng)刀具的單個(gè)工作流程由復(fù)位到初始位置、將機(jī)械手移動(dòng)到刀庫(kù)處、夾緊刀具、將刀具移動(dòng)到目標(biāo)位置、放下刀具和移動(dòng)到初始位置6個(gè)過(guò)程組成。機(jī)械手移動(dòng)刀具通過(guò)PLC平控制，可以實(shí)現(xiàn)這6個(gè)過(guò)程全自動(dòng)依次運(yùn)行。如下圖所示單個(gè)工作流程示意圖：圖4-2自