盘式刀库机构分析

圆盘凸轮式刀库的原理及应用圆盘凸轮式刀库的原理及应用一,前言在现代工业加工过程中,随着劳动力密集型向技术密集型加工方式转变,普通铣床正逐渐被加工中心所替代.由于加工工件的形状,工序复杂,换刀的效率问题越来越多地被关注,而使用刀库成了解决此问题的最佳途径.在小型加工中心由于成本控制及安装位置等原因不可能使用链式刀库或大型换刀机构的背景下,斗笠式与圆盘凸轮式刀库就登上了舞台,本文将对圆盘凸轮式刀库的原理和应用作详细介绍.=,圆盘凸轮式刀库的工作原理从原理上讲,圆盘凸轮式刀库(以下简称圆盘刀库)效率有很大提高.首先,在机床处于切削工作状态下,可以正常寻找下个工序需要使用的刀具,在找到下个工序所需刀具后,刀库将等待程序命令更换刀具,而不是在得到更换命令后进行找刀动作,实现了加工找刀同时进行.其次,换刀过程中,换刀机构由安装在同一旋转体上的两端且方向相反安装的刀爪并由内置凸轮传动副完成换刀任务.由于简化了更换装置,只要换刀电机旋转一周就能完成从取新刀到放回旧刀的所有动作,刀具更换速度上有很好的提高.再次,刀具更换过程中,主轴只需一次旋转定位与上下定位,简化了进给轴运动,这也是提高效率的有效手段.以下就换刀原理作详细解释.换刀控制的概念,总体包括上位机控制,主轴定位和电气,机械传动三大部分.它主要关注系统的实时控制特性,文/薛松上海开通数控有限公司(200233)薛松(798o~)男2003年毕业于上海大学a动亿系200 至今I作于上海开通数控有限公司具体包括同步传动,准确定位,高速准确换刀笃性.根据不同的系统,评价的着眼点不同,但词任何一个系统特性时都要关注系统的最终特性,能简单地用某一部分的特性代表系统特性.上制器和驱动器电机之问的通讯速率,驱动器的能力,数学模型的准确性,传感器的精度和反傍度,机械系统的惯量等都会影响到系统性能.简单地说,换刀控制就是对机械运动部件置,速度等进行实时的控制管理,使其按照预运动轨迹和规定的运动参数进行运动.换刀动作都由PLC完成,本文所涉及的是三CNC上自带的Q4A型PLC的命令及用法.1.PLC换刀控制的基本原理ATC和ROT控制概述用以下两种方法可以控制ATC(自动换刀)(1)机械随机控制根据来自机床刀库的位置信息和T命令,按给发出的命令,控制系统决定刀库的旋转方向,53lNo.12CN…;求的步数等.每个刀具和刀套有一—一对应的关系.通常在主轴和刀库之问,以"中问刀套"提供换刀.不用ATC命令,而用ROT命令也可以进行次控制.(2)记忆模式随机控制根据来自机床刀库的旋转或位置的信息,控制系统指出储存在自动模式中的刀具号.刀库的寻址,刀库旋转的方向和步数由给出的T命令和储存在自动模式中的刀具号确定.2.术语(1)指针它指出了刀库旋转的位置.当使用以前已记录的刀具号的刀盘时,刀具不随着刀库一起旋转,而该指针作为控制刀库位置的环行计数器使用. (2)固定指针这是带有标了号的刀套的一类指针,而且如果刀库旋转,刀套和刀具号之间的关系是固定的. 当刀盘旋转时,固定指针与"浮动指针"没有功能上的差异.(3)浮动指针这是刀库上带有编了号的固定位置的一类指5,41装备机械针,而且当刀库旋转时,刀库号和刀具之间的关系发生改变.在刀具登记屏上选择浮动指针系统或刀盘旋转系统时,每次刀盘旋转,刀库和刀具之间的相应显示发生改变;而选择固定指针系统时,则不发生改变.3.ATC和ROT命令的使用在T命令或刀具改变命令期Ih]ATCfHROT命令的使用顺序如下所示:i相同数据的编号——_J△!2—}址——旋转方向一一翟曩!环形计数器删]L.步骤号等—一一旋转]._一利-————L———+指针的向前旋转,一I反向旋转1ATCK5,K61L一刀台的向前旋转,——反向旋转厂7l[互在使用刀台旋转系统或浮动指针系统事,刀具号搜索命令和旋转体转位命令之问的关系如下所示:JJ靠旋转系统浮功指针系统"i,4.ATC专用命令的基本格式(霎嚣鲁;器r龠霉蓝罱寸不同'有】l关详情请参阅甜夸说明.l 帅:::.:3R(1)命令列表●令羞辣S.盯CK1R且P,mMn刀具号搜索S.^TcIRutP-,.mMn刀^号逻辑舅I积搜囊S.^rlcK3RnR.mM_且换刀S.小IR■Rm№奠机位置抉刀S.^TCK5RnRmMn指针向村旋转SRnRmM描付反向麓转S.^:rcl(7R.nRmMn刀台向前旋转S.^Tc鬈窖ltn|m&'4刀台反翔麓糟S.^TCl【9R.aR血M刀具数据读数S./kl"CX10I【丑Rm№刀^敦括写^S.A TcKl1R.nR.mMn自动刀具数据写入文件寄存器(R寄存器)分配(赋值)ATC控制用文件寄存器和ATC一起使用的文件寄存器如下表所示:由以上介绍可以了解,在系统建立之初,就必须建立一个刀具数据库,包括刀具名,初始刀具位置等信息都必须写入,才能保证刀库正常工作. 在介绍完PLC换刀原理后,我们来系统的介绍一下换刀流程及在三菱数控系统上的应用.(2)找换刀流程①数控系统告知下次使用的刀具名称②可编程逻辑控制器CPU根据所给刀具名称寻刀此刀具所在的位置③刀盘旋转将此刀具旋转到换刀位置并等待系统命令,此时找刀已完成④数控系统将主轴进给到换刀位置发出换刀命令⑤PLC将主轴旋转到换刀位置⑥PLC命令倒刀气缸动作,把已等待在换刀位置上的刀具连刀套旋转到垂直换刀位置⑦PLC命令换刀臂从初始位置旋转到抓刀位置,抓住新旧两把刀具⑧PLC命令打刀气缸松开主轴上的刀具⑨PLC命令换刀臂下拉并旋转l80.,等待打刀气缸驱动主轴抓住新刀具后完成更换(刀套有自卡装置,只要刀具插入就可锁住)PLC将更换记录写入刀具数据库PLC命令刀臂旋转到初始位置PLC命令倒刀气缸动作,把插有换回刀具的刀套旋转回到水平位置⑩换刀完成(3)在三菱数控系统上的应用以三菱FCUA一64SM系统为例,首先要在三菱数控系统上建立一个关于刀库的数据库,数据库内容包括:刀具号及其对应的开始刀位号,刀库的旋转体数是由PLC中的特定R寄存器确定.在有些比较系统的运用中还将包括刀具寿命管理.l榴庶囊捧∞纛存■I刀枣l罨∞霉l粤期肆3号力瘁鲁洼l1"4经册使嚣媾位{位2"4.位殂k位弘贽2.1-位(曩鼍炎蔓) AI"C控制参数R2O50刀牟梅卷警珥R29鳓R29'IR挣能=递稍糖针标惑R2O6SR2O66l咀O67二遵制主齄刀冀R297oR29为IR2螂lc29lOlI∞蠢297lR2舛I(=一卜避锄各flll刀具RT.971R2972R2981R2982BCDR2973R2983备用2乃其R29慰9置29l2IL298●IeDIc2,75KZ90备用3刀具R29l眨97bR2983R2986BCDR2977lt2987鲁用4力其曩29简疑姗R2|.黛l9j瞎l∞R2979R2哪AtⅨ(辅助)数据R.29911二进捌(9)刀摩囊蘑GI1t$090R3O∞R,2柏麓,24OI8OR3,1~BeD刀再数据矗釉o|意轮Il瀑3l.ll3∞l藏∞o2R32Il鼬2'2K14glR3抛BcD姗,纛,24}蠢辱l,柏}a6t撇l',ooI翼巍l毒4●R,鹩2IU4114曩e拳襄,∞S.IU245巍3,I,85lG柏毫3O,曩lll|l5●冀3耋l●It|3N囊,55|贴636B血鼬157R,3卵蠹3'37捌-a∞蔓王O阳II$11R33l9最土39IR,5s擘寰3'3暑BcD R3l5lR,3鲫l113639将宏程序输入数控系统,将PLC写入数控系统,并且规定数控系统内呼叫这个宏程序的入口地址,一般规定为"M06".请注意,这里的M06并不是类似M03主轴正转M04主轴反转M08冷却开M09冷却关这类辅助功能代码,而是宏程序的入口地址,所以用以上方法建立的换刀程序无法进行手动方式调用.以下是宏程序的主干.M05;主轴停M09;冷却液停G30.1;Z轴回到换刀点M19;主轴定位M16;主轴换刀M03或M04;根据主轴停之前的主轴旋转方向来确定换刀完成后的主55fNo.120(39NTP轴旋转方向.M08;打开冷却液在实际应用程序中使用机床上已装有一个24把刀的刀库,并且我们要换的是名为0101的刀具%fPROGRAMNAME—A11)rDA TE=DD—MM—YY一29—11—05TIME=HH: MM一19:15,N100G21N102G0Gl7G40G49G80G90rTO0L—lDIA.OFF..1LEN.一1DIA.一12.1N106G0G90G54X37.289y-l9.325A0.S1500M3N110Z5.Nl12G1Z一.775F600.N114Y_l5.325F2000.柏明矗刀库景卫葺性越苑主五日麓丝★瞅卫旦量发雠'Il力】~-eTBrim伯m幸|芷Ⅱ【如n衄m卫且宦∞_3∞m卫且把许置量e日'巨觉订:熏【凸妯?2'pc0?2岫c硎施州:卫翟可眶011mLflln矗玎角爱旺.T口',1s.65',,铀'卫且规格■嘣皿D棚帅Ⅱ∞Ht56I装备机械Nl16G3X33.289y-l1.325R4.Nll8G1X一33.287N120G2X一39.224y-7.I33R6.3N122X一40.452Y0.R21.321NI23T0101<一…确定要换的刀具N124X一39.224Y7.133R21_321N126X一33.287Yl1.325R6.3Nl28G1X33.289N130G2X39.226Y7.132R6-3N132X40.454y-0.R21.324'N133M06<一一进入换刀宏程序综上所述,圆盘凸轮式刀库以其维修结构简单,性价比高的特点,占踞了在经济型刀库系列中的领先位置.现在国内以台湾省品牌为主,正被各个数控制造商使用在各个规格的加工中心上. ,z冉自癣It蓝炜,I叼'叩:2擤)转强豫:十y鼬,鞋觇}城.{键:1缸聍转诅:搬瓠l1#{'1舟l0l=】3辅竹。

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。

关键词：盾构；刀盘；结构设计；发展
中图分类号：U455.43
文献标识码：A
doi：10.13244/ki.jiwhr.20190158
1 研究背景
盾 构 是 以 土 质 为 主 地 质 条 件 下 ， 隧 洞（道）全 断 面 开 挖 的 地 下 施 工 机 械 装 备 ， 广 泛 用 于 水 利 水 电 隧洞、铁路公路隧道、城市地铁、市政等工程的施工。盾构刀盘属于钢结构焊接件，安装在盾构最 前端，是掘削刀具安装的载体。在盾构施工中，盾构刀盘连同其上的刀具一起推进并旋转，刀盘将 推力和转矩传递给每把刀具，使刀具对掌子面土体产生切削力并进行切削作业。刀盘刀具在地下施 工过程中会遇到不同种类的地质，如黏土、砂土、淤泥、卵砾石等多种地质的混合土体，作业条件 复杂恶劣，从而给盾构刀盘及刀具提出了严苛要求。由于盾构施工隧道地质地层的不同、隧道断面 形状和不同生产厂商秉承设计理念的不同等，出现了各式各样的盾构刀盘结构。因此，分析盾构刀 盘结构、刀具刀座、刀具布置和其它刀盘功能结构等的发展和面临的挑战，为盾构刀盘结构设计创 新发展提供借鉴就显得非常必要。
2 刀盘结构分析
2.1 刀盘三大功能 目前隧道施工使用的盾构刀盘主要包括三大功能：开挖功能、稳定功能和搅拌 功 能［1］。 刀 盘 结 构 设 计 过 程 中 ， 前 两 大 功 能 是 刀 盘 设 计 需 重 点 考 虑 的 首 要 因 素 ， 对 刀 盘 结 构 设 计 也 有 非常大的影响，而搅拌功能则是刀盘旋转切削地层时的附加功能，对结构设计影响较小。盾构刀盘 结构设计合理与否直接影响着盾构的开挖效果和掌子面稳定情况，三大功能也成为刀盘结构设计的 出发点。刀盘结构形式与隧道地质状况密切相关，为了实现刀盘的三大功能，不同地层应采用不同 的且与之相适应的刀盘结构设计形式。

• 斗笠刀库的优缺点 • 1、“斗笠式刀库”一般在主轴头附近,换刀时需要主轴 方向的上下动作,占用工作时间,降低了工作效率.也影 响主轴方向的工作行程范围。 • 2、机构比较复杂。 • 3、不适合多刀的情况下。
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加工中心刀库--气动与电动
2012/09/01
1 English email workshop
内容大纲 一、刀库的基本工作原理 二、圆盘刀库的控制
三、斗笠式刀库的控制
四、刀库的换刀过程 五、不同类型刀库的优缺点
2 English email workshop
一、刀库的基本工作原理
• 数控机床尤其是加工中心的PLC控制程序设计是比较复杂的。 因为加工中心自动换刀的控制程序是一个比较复杂的控制过程。 按自动换刀方式通常可以分为 随机换刀和固定换刀两种方式。 如图1，圆盘式刀库是ATC随机换刀典型的形式之一。其换刀机构 （ATC）通过凸轮机构来完成整个换刀过程。换刀的动作过程 准 确可靠，是一种被经常采用的刀库。 • 图二，斗笠式刀库，加工中心斗笠式刀库由刀库横移装置、刀 库分度选刀装置以及主轴上的刀具自动装卸机构组成。横移装置 使刀库以直线运动的方式,从起始位置运动到换刀点进行换刀。 在运动过程中速度表现为正弦曲线的运动规律,减小了刀库的运 动冲击,保证刀库准确定位,满足换刀的技术指标要求。刀库分度 装置采用电机驱动,定位法兰每回转一圈,分度盘反向转过一个刀 位,从而使刀库轮毂得到周期性间歇运动,起到刀库的转位分度作 用。其分度槽槽数(容刀量)越多,刀库转位越平稳,另一方面,槽 数的增加会导致刀库尺寸的增加。因此,正确合理地选择刀库容 量就显得尤为重要。
圆盘刀库的气动控制