加工中心盘式刀库自动换刀控制系统设计

摘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 (9)4.2 轴的校核计算 (10)4.3 键的设计计算 (10)5.控制系统的设计 (11)5.1 刀库的换刀动作如下： (11)5.2利用PLC实现随机换刀 (12)参考文献 (15)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。

加工中心自动换刀装置的设计课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏加工中心自动换刀系统 1前言随着数控技术的发展，带有自动换刀系统的加工中心在现代制造业中起着愈来愈重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加[1]工。

人们一直寻求各种方式，提高加工中心的加工效率。

如提高进给与移动速度、提高主轴转速、加大主轴电机功率、加大切削用量、采用高质量刀具等。

在高节拍多次换刀的加工过程中，缩短换刀时间，可大大提高生产效率。

国内外加工中心生产厂家都投入大量的资金和精力，研制自动换刀装置，以缩短换刀时间，提高工作效率和竞争力。

自动换刀装置是专门为大中型加工中心配套，实现其刀具储备及自动交换功能的重要功能部件，是高档加工中心和重型加工中心的重要组成部分。

其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，以提高生产率，降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。

自动换刀装置的换刀速度和可[2]靠性，是数控机床系统先进与否的一个重要标志。

2、自动换刀系统的组成[2,3,5]自动换刀系统一般由刀库、机械手和驱动装置组成。

一般来说，刀库容量可大可小，其装刀数量在20,180把之间。

刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具准确地送到换刀位置，供换刀机械手完成新旧刀具的交换。

当刀库容量大时，常远离主轴配置且整体移动不易，这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。

完成此功能的机构包括送刀臂、摆刀站和换刀臂，总称为机械手。

具体来说，它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。

[4]驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压(或气液机构)或凸轮机构组成。

机械手完成刀库里的刀与主轴上的刀的交换工作。

由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高生产效率，改善劳动条件。

所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。

本科毕业设计（论文）题目加工中心自动换刀系统设计（盘式）——刀库系统学院名称机械与动力工程学院专业名称机械设计制造及其自动化年级班级学生姓名指导教师2017年5月目录前言1.加工中心概述 (1)1.1加工中心发展现状和发展趋势 (1)1.2加工中心的特点 (2)1.3加工中心的分类 (3)1.4加工中心的结构 (5)1.5加工中心刀库及自动换刀装置 (6)1.5.1加工中心刀库形式 (6)1.5.2加工中心的自动换刀装置 (8)1.5.3刀库结构及换刀过程 (9)2.刀库传动设计…………………………………………………………………2.1电动机的选择…………………………………………………………2.1.1初选电动机………………………………………………………2.1.2校核电动机………………………………………………………2.2运动和动力参数计算……………………………………………2.3蜗杆传动设计…………………………………………………………2.3.1蜗杆传动的选择…………………………………………………2.3.2蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算…………………………2.3.3校核齿根弯曲疲劳强度…………………………………………2.3.4验算蜗杆传动的效率、润滑及热平衡……………………………2.3.5蜗杆和蜗轮的结构设计…………………………………………2.4传动轴设计…………………………………………………………2.4.1轴的材料…………………………………………………………2.4.2蜗杆轴的结构设计………………………………………………2.4.3蜗轮轴的结构设计………………………………………………2.4.4轴系零、部件的校核………………………………………………3.刀库结构设计………………………………………………………………3.1刀盘设计………………………………………………………………3.2刀库设计………………………………………………………………4.液压系统的设计……………………………………………………………4.1液压缸的载荷计算…………………………………………………4.2液压缸的主要参数计算……………………………………………结论…………………………………………………………………………………致谢…………………………………………………………………………………参考文献…………………………………………………………………………前言目前机床发展的主要趋势是加工中心，其在机械制造业中得到了大规模的应用，而且加工中心还在不断地向高速化、高效率、高精度的目标发展着，在机床结构方面，多轴化、复合加工等方面的创新也日趋活跃。

加工中心自动换刀装置的结构及控制设计摘要加工中心正向着工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，这类多工序加工的加工中心在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置，也就是所说的刀库，以便选用不同刀具，完成不同工序的加工工艺。

本设计是开发设计出一种体积小、结构紧凑、价格较低、生产周期短的小型立式加工中心刀库。

首先介绍了国内外加工中心研究现状及发展趋势，阐明了本课题研究的目的、意义。

然后进一步介绍本加工中心刀库总体结构和各部件方案的选择，并在此基础上进行了加工中心刀库的机械结构和控制部分的设计计算，主要包括刀库转动定位机构设计、刀库总体机构设计、机械手部分设计以及液压、PLC的控制设计。

关键词：刀库；机械手；液压控制；PLC控制AbstractWith the direction of One machining center can manufacture several process only by one fixing .These manufacture needs different toolings , so it have to have automatic switching system. It means the machine have to own a tooling storeroom. Then it can select different tooling to finish different process during manufacture.This design is to develop design a small volume, compact structure, low price, short production cycle of small vertical machining center tool library. First introduced the processing center research status and development trend at home and abroad, illustrates the this topic research purpose and meaning. Then further introduces theoverall structure and parts machining center tool storage scheme choice, on the basis of the machining center tool library of mechanical structure and control part of the design and calculation, mainly including library rotational positioning design, knife library overall organization design, mechanical parts and hydraulic design, PLC control design.Keywords: Knife library, Mechanical, Hydraulic control, PLC control.目录摘要 (1)Abstract (1)目录 (2)第1章绪论 (5)1.1国内外的研究现状和发展趋势 (6)1.1.1当前世界NC机床的研究现状 (6)1.1.2我国数控机床产业的发展状况 (7)1.1.3我国数控机床研究存在的问题 (13)1.2加工中心简介 (9)1.2.1加工中心的发展简史 (9)1.2.2加工中心的结构组成 (10)1.2.3加工中心的分类 (11)1.2.4加工中心的功能及特点 (17)1.2.5加工中心的发展动向 (19)1.3自动换刀系统产品化的意义和前景 (22)1.4本设计研究的目的和意义 (25)1.5本设计完成的主要工作 (25)第2章总体方案的设计 (26)2.1运动方案的设计 (26)2.1.1运动数目的确定 (26)2.1.2运动方案的确定 (26)2.2功能部件的设计方案 (23)2.2.1主传动系统 (23)2.2.2进给伺服系统 (30)2.2.3自动换刀系统 (28)2.2.4基础部件 (30)2.2.5数控系统 (30)2.2.6辅助装置 (31)2.3方案的分析论证及确定 (31)2.3.1 机械结构方案的提出 (31)2.3.2传动方案的提出 (31)2.3.3机械结构方案的可行性分析 (32)2.3.4传动方案的可行性分析 (32)2.3.5机械结构方案的确定 (33)2.3.6传动方案的确定 (33)2.4总体布局 (34)2.5主要技术参数 (34)第3章刀库的设计 (40)3.1刀库简介 (40)3.1.1 刀库的类型 (40)3.2刀库的结构设计 (42)3.2.1刀库主要参数的确定 (42)3.2.2刀库转动定位机构的设计 (39)3.2.3刀库主轴的设计 (41)3.2.4刀库转动电机的选择计算 (45)3.2.5滚动轴承的选择计算 (51)3.2.6键的选用与计算 (53)3.2.7刀库的支承部分的设计 (53)第4章机械手的设计 (51)4.1确定换刀机械手形式 (51)4.1.1单臂双爪机械手的结构及工作原理 (52)4.2机械手的结构设计 (54)4.2.1齿轮的设计计算 (54)4.2.2机械手轴的设计计算 (57)4.2.3滑动轴承的选型计算 (61)第5章自动换刀装置的液压控制设计 (62)5.1液压传动系统简介 (63)5.1.1液压传动系统的组成 (63)5.1.2液压传动系统的结构 (63)5.1.3液压传动系统的控制原理 (64)5.2自动换刀装置的液压系统原理图 (64)5.2.1自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程 (65)5.3 执行元件的选型计算 (65)5.3.1液压缸的计算 (65)5.4动力元件的选型 (72)5.4.1液压泵的选型 (72)5.5 控制元件的选型 (72)5.5.1方向控制阀的选型 (73)5.5.2流量控制阀的选型 (73)5.5.3控制元件的计算结果 (73)5.6 辅助元件的选型 (73)5.6.1管道的选型计算 (73)5.6.2管接头的选型 (70)5.6.3 过滤器的选型 (70)5.6.4 油箱的选型 (70)5.7 工作介质的选择 (71)5.7.1 液压油的选择 (71)第6章自动换刀装置的PLC控制设计 (72)6.1 PLC概述 (72)6.1.1 PLC简介 (72)6.1.2 PLC的主要特点 (72)6.2 PLC控制设计 (72)6.2.1 机械手控制系统PLC的选择 (72)6.2.2 机械手的工作流程 (73)6.2.3 机械手自动换刀系统的原理 (73)6.2.4 工步时间分配 (74)6.2.5 PLC的硬件I/O单元 (74)6.2.6 PLC的硬件I/O接口原理图 (75)6.2.7 PLC的控制流程图 (76)6.2.7 PLC的梯形图 (81)6.2.8 指令表 (82)结论............................................. 错误！未定义书签。

加工中心自动换刀系统设计摘要本次毕业设计的题目是加工中心自动换刀系统设计，加工中心作为新时代数控机床的代表，已在机床领域广泛使用，自动换刀系统作为加工和中心最重要的部分之一，它的发展也直接决定了加工中心的发展。

自动换刀系统解决了工件一次装夹后多工序连续加工中，工序与工序间的刀具自动更换任务，实现了一次装夹完成多种加工。

本论文主要介绍的是加工中心自动换刀系统的整体设计过程，设计过程共分为以下几大部分：一、机械结构部分。

自动换刀系统机械结构的设计与计算，主要分为两大部分，刀库部分和机械手部分。

这一部分分别介绍了传动机构的工作原理、选型计算、校核等，如轴类零件、蜗轮蜗杆副、齿轮、花键、电机等。

二、气压部分。

气压部分主要包括气压系统的整体设计与气压元件的选用和计算。

整体设计包括气压系统原理图的绘制，气压回路的构成；气压原件的选择主要为气压缸、气压泵和各种阀类元件。

三、控制部分。

其中包括了控制器的选用、控制流程图的绘制、硬件电路图的绘制、控制程序的编写。

通过分析加工中心的整体结构和自动换刀系统的特点、应用条件，设计要求等，并结合在数控机床上对刀库和换刀机械手的需要，实现了自动换刀系统灵活换刀、快速换刀的目的。

关键词：加工，中心刀库，机械手AbstractThe graduation design topic is processing center for ATC system design.As the new times representative of numerical control machines, automatic processing center had been widely used in the fields all over the world. As the most important parts of processing center, the development of ATC system had point out the development direction of the center.The ATC system had solved the program of milling cutter change between procedure. The system realize many kinds of machining one time.This thesis mainly introduces the design process of processing center for ATC systemThe design process is divided into the following sectionPart 1 Mechanism systemThe mechanical design and structure of ATC system had been is divided into two point: magazine tool and manipulator. This part had introduced the principle, model selection ,checking and so on .For instance ,the component of axle, turbine, spline and the dynamo.Part 2 Pressure systemThis part contain the overall design, and pneumatic components of the selection and calculation,the overall design contain how to drawn up the diagram of Pressure system ,the compose of Pressure system and choice of air lift pump , pneumatic cylinder and many kinds of elementPart 3 Control systemThis part account for the choice of controller , how to drawn up the flow chart , how to drawn up diagram and write scriptBy analyzing the overall of processing center of ATC system structure, automatic system features and conditions, the design demands magazine tool , numerical control and manipulator And make it change magazine tool one to another system automatically quickly and flexible.Keywords: processing center, magazine tool , manipulator.目录第1章绪论 (1)1.1 加工中心用途和特点 (1)1.2 加工中心自动换刀系统概述 (2)1.3 题目的来源及意义 (3)1.4 设计内容 (4)1.5 加工中心自动换刀系统方案设计 (4)1.5.1 刀具的选择方式 (4)1.5.2 刀库的选择 (5)1.5.3 换刀形式的选择 (5)1.5.4 机械手结构形式的选择 (6)1.5.5 自动换刀系统的工作过程 (6)1.5.6 加工中心自动换刀系统外形图 (7)第2章机械结构的设计 (9)2.1 刀库结构的设计 (9)2.1.1 刀库总体传动方案的设计 (9)2.1.2 刀库中刀座处结构的设计 (10)2.1.3 刀具系统 (11)2.1.4 刀库主要设计参数 (12)2.1.5 电动机的初选 (13)2.1.6 确定传动装置的传动比 (14)2.1.7 确定各轴转速、转矩和功率 (14)2.1.8 电动机的校核 (16)2.1.9 刀库转位机构的设计 (17)2.1.10 蜗轮轴的校核 (22)2.1.11 键的选择及校核 (28)2.1.12 联轴器的选择 (29)2.1.13 轴承的选择 (29)2.2 机械手结构的设计 (29)2.2.1 机械手总体传动方案的设计 (29)2.2.2 齿轮齿条的设计计算 (32)2.2.3 机械手上的花键选择及校核 (34)第3章气压系统的设计 (36)3.1 气压系统原理图 (36)3.2 气压原件的选择 (37)3.2.1 气缸的选择 (37)3.2.2 气压阀类元件的选用 (40)3.2.3 气源装置及气动辅助元件的选用 (41)第4章控制系统的设计 (44)4.1 控制器的选择 (44)4.2 控制流程图 (45)4.3 利用PLC实现随机换刀 (45)4.4 硬件电路的设计 (49)4.5 电器元件介绍 (50)第5章总结 (51)参考文献 (52)致谢 (53)附录 (54)第1章绪论1.1加工中心用途和特点数控机床的发展与应用，大大降低了零件加工的辅助时间，极大的提高了生产率。

摘要刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具体结构对加工中心的设计有很大影响。

16刀刀库是在小型加工中心应用最为广泛，根据使用的场合和实际运用的要求，设计了相应的16刀的圆盘式刀库，并且对它的控制进行了一定的研究。

论文首先对16刀刀库总体设计方案进行阐述，阐述其各部件的工作原理，然后就刀库的结构设计与控制分章节对各个部分进行计算与设计。

刀库的结构设计是本文研究的重点，传动部分为蜗杆蜗轮的一种减速装置，对于该装置中的蜗杆、蜗轮以及相关的轴都进行了详细的计算;控制部分为刀库送刀部分，由液压控制和PLC控制完成。

关键词：加工中心，刀库，蜗杆蜗轮，液压，PLC。

ABSTRACTTool storage is one of the main components of the automatically-trading-knife installment. Its capacity, position and structure have great influence to the design of the machining centre.16-tool tool storage is widely used in the machining centre. Based on the situation and requirement the 16-tool used, the disc-style tool storage of the 16-tool is designed and some research about its control is made in this paper. The paper illustrates the design project of the 16-tool tool storage firstly, and then explains its operation principle, and at last calculates and designs the structure and control of the tool storage separately by chapters.The design of the structure of the tool storage is the key point of this research. Driving part is a decelerating set of the worm and worm gear. The sizes of the worm, worm gear and axis are calculated. The control parts are tool storage delivering parts, which is completed by the hydraulic pressure and PLC control.Key words: machining centre, Magazine, worm, worm gear, hydraulic pressure, PLC目录摘要 (1)绪论 (3)1引言 (3)1.1加工中心简介 (4)1.1.1加工中心的发展简史 (4)1.1.2加工中心的结构组成 (6)1.1.3加工中心的分类 (7)1.1.4加工中心的发展趋势 (10)2刀库的类型 (13)2.1刀库的类型 (14)2.2刀库的结构与传动 (17)2.3刀库驱动电动机的选定 (20)2.3.1按负载转矩选 (20)2.3.2按加速时的最大转矩选 (22)2.3.3校验 (23)2.3.4分配传动比 (23)3刀库传动机构的设计 (24)3.1初定刀套线速度 (24)3.2刀库传动方式 (24)4.1轴的材料 (32)4.2蜗杆轴的初步估算 (32)4.2.1初步估算轴的最小直径 (32)4.2.2选择联轴器 (32)4.2.3确定滚动轴承的类型 (34)4.2.4初步估计蜗杆轴各段的尺寸 (34)4.3蜗轮轴的初步估算 (35)4.3.1初步估算轴的最小直径 (35)4.3.2确定轴伸处的最小直径 (36)4.3.3确定滚动轴承的类型 (36)4.3.4初步估计蜗轮轴的各段尺寸 (36)4.4轴径的设计与校核 (37)4.4.1 蜗杆轴 (37)4.4.2蜗轮轴的计算 (43)5轴承的校核 (49)5.1蜗杆轴 (49)5.2蜗轮轴 (49)6其它零部件尺寸的设计与计算 (51)6.1回零减速撞块尺寸的计算 (51)6.2刀盘与刀套的设计 (52)6.2.1 刀套 (52)6.2.2 刀盘 (53)6.3刀具（刀座）识别装置 (53)7液压系统的设计 (55)7.1液压缸的载荷组成和计算 (55)7.2液压缸内径以及其它尺寸的确定 (55)7.2.1计算液压缸的主要结构尺寸 (56)7.2.2 油缸壁厚的计算 (57)7.2.3 缸底厚度计算 (58)7.3油缸长度L的确定 (59)7.4液压系统初步设计 (59)8 PLC控制 (61)9结论 (64)10致谢 (66)参考文献 (67)本章首先从数控机床的发展历程引出加工中心的发展趋势，再具体到本次设计针对的刀库的任务要求，明确了本设计任务的主要内容。