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銑加工中心換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
總計(jì)：
摘 要
加工中心是一種配以刀具庫(kù)和自動(dòng)換刀系統(tǒng)的高自動(dòng)化、高柔性的加工設(shè)備。自動(dòng)換刀系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和換刀裝置組成，PLC 控制換刀機(jī)構(gòu)完成自動(dòng)換刀，一次能完成多種工藝。在數(shù)控機(jī)床內(nèi)，加工中心運(yùn)用廣泛，因此對(duì)換刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究是很有意義的。
本設(shè)計(jì)主要對(duì)主軸以及換刀機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，參考設(shè)計(jì)手冊(cè)， 進(jìn)行了主軸的直徑選取、扭矩校核和使用壽命驗(yàn)算等計(jì)算。為了有利于自動(dòng)裝卸刀具， 主軸內(nèi)還設(shè)計(jì)有自動(dòng)夾緊裝置和切屑清除裝置。換刀機(jī)構(gòu)采用回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械 手，由液壓缸來(lái)完成對(duì)換刀動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)。另外，本設(shè)計(jì)還研究了電氣控制系統(tǒng)，采用PLC 對(duì)其進(jìn)行控制，合理選用了單片機(jī)并設(shè)計(jì)了電氣控制線(xiàn)路。
本次設(shè)計(jì)自動(dòng)換刀裝置是數(shù)控銑加工中心的重要部件，完成和其它的部件裝配后，可以有效提高切削功率以及加工效率，并能使得換刀時(shí)間縮短，提升刀具的是重復(fù)定位精度。
關(guān)鍵詞： 加工中心；主軸；換刀裝置；PLC
I
ABSTRACT
The machining center is a highly automated, highly flexible processing equipment with a tool magazine and automatic tool changer system. Automatic tool changer system consists of control system and tool changer. PLC makes the tool changer complete the automatic tool change.At the same time,it can complete a variety of processes. In the CNC machine tool, the processing center is widely used, so the design of the tool change is very meaningful.
The paper designs and calculates the spindle and tool change mechanism. According to the design requirements, refer to the design manual, the diameter of the spindle is selected, the torque of the spindle is checked and the life of the spindle is checked. In order to facilitate to load and unload tool automatically，the spindle is also designed with automatic clamping device and chip removal device. The tool changer adopts a rotary single-arm, two-handed manipulator, and the hydraulic cylinder is used to complete the driving of the tool change. In addition, the design also the electrical control system which controlled by PLC.What's more,it selects single chip reasonably and designes the electrical control circuit.
Automatic tool changer is an important part of CNC milling machining center. After the completion of assembly with other parts, it can effectively improve the cutting power and processing efficiency. It can also shorten the time of changing tools and raise the repeatability of the tool.
Key words: Machine Center ; Principle axis ;Tool Changer;PLC
目 錄
1. 緒論 1
1.1 數(shù)控機(jī)床的概述 1
1.2 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) 1
1.3 加工中心的原理 2
1.4 數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 3
1.5 本設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容 4
2. 加工中心換刀機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 5
3. 主軸及換刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 7
3.1 主軸的性能分析 7
3.2 刀具自動(dòng)裝卸及切屑清除裝置 7
3.3 主軸準(zhǔn)停裝置 8
3.4 主軸部分零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 8
3.5 換刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13
3.6 液壓缸的計(jì)算 15
4. 加工中心硬件的選擇設(shè)計(jì) 19
4.1 CPU 的選擇 19
4.2 程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 19
4.3 I/O 接口的擴(kuò)展 19
4.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇 20
4.5 液壓缸的控制 21
5. 結(jié) 論 22
參 考 文 獻(xiàn) 23
致 謝 24
附錄 1：外文翻譯 25
附錄 2：外文原文 30
II
銑加工中心換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
1. 緒 論
1.1 數(shù)控機(jī)床的概述
作為高度一體化的產(chǎn)品，加工中心包括傳統(tǒng)車(chē)床、銑床、鉆床等，對(duì)機(jī)械加工有著較大的影響。它依靠編程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加工速度和進(jìn)給量的控制，加工后，零部件擁有很高的精度以及高的工作效率，同時(shí)對(duì)經(jīng)濟(jì)效益有良好的促進(jìn)作用。加工中心可以一次性的加工多個(gè)工序，不僅可以實(shí)現(xiàn)工序的集中而且還能實(shí)現(xiàn)工藝的復(fù)合，因此能減少加工的時(shí)間，增加效率，減少安裝次數(shù)和定位次數(shù)。就目前而言，在數(shù)控機(jī)床的范圍內(nèi)加工中心的生產(chǎn)的量是最多的，同時(shí)也是應(yīng)用最廣泛的。因此對(duì)換刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究很有研究?jī)r(jià)值。
進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的綜合實(shí)力日益增強(qiáng)，加工中心市場(chǎng)發(fā)展愈發(fā)迅速，汽車(chē)行業(yè)，機(jī)械行業(yè)以及航天行業(yè)等方面對(duì)加工中心的依賴(lài)日益增加，我國(guó)也開(kāi)始自己研發(fā)生產(chǎn)加工中心，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)以及一些零部件進(jìn)行擇優(yōu)選擇，不僅提高了生產(chǎn)質(zhì)量而且還提高了性?xún)r(jià)比，漸漸地在國(guó)內(nèi)受到認(rèn)可和肯定。
伴隨科技的不斷進(jìn)步，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的精度要求也是與日俱增。在造船、宇航、等領(lǐng)域需要的機(jī)械零件的要求是高精度，小批量。加工此類(lèi)產(chǎn)品工序繁瑣，復(fù)雜度高， 普通的機(jī)床已經(jīng)無(wú)法完成這種復(fù)雜的加工。因此，一種新型的機(jī)床—數(shù)控機(jī)床由此誕生。強(qiáng)適應(yīng)性、高加工精度、穩(wěn)定的加工質(zhì)量穩(wěn)定和高的生產(chǎn)效率是這種機(jī)床的顯著特點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床結(jié)合了多方位的資源，其中包括計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制以及新型機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)等，機(jī)床控制的發(fā)展也會(huì)向數(shù)控機(jī)床靠攏。
廣泛采用自動(dòng)機(jī)床、組合機(jī)床等被大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)采用，能夠?qū)崿F(xiàn)多把刀具、多個(gè)工位、多個(gè)加工面同時(shí)加工，這樣就提高了生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度。然而這些生產(chǎn)并不能在小批量生產(chǎn)中應(yīng)用，因?yàn)樵谛∨可a(chǎn)中，產(chǎn)品的品種經(jīng)常變換，因此柔性對(duì)于生產(chǎn)線(xiàn)是十分重要的?？梢哉f(shuō)，數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)同時(shí)滿(mǎn)足了兩方面的要求，一是剛性生產(chǎn)線(xiàn)，二是柔性生產(chǎn)線(xiàn)。
1.2 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)
除少數(shù)使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床以及作為特殊用途的數(shù)控機(jī)床外，一般來(lái)說(shuō)，數(shù)控機(jī)床具有以下特點(diǎn)：
1 加工精度高
數(shù)控機(jī)床加工精度比普通機(jī)床高主要由以下幾個(gè)方面體現(xiàn)：
1） 數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量小，位置分辨率高。
2） 數(shù)控系統(tǒng)具備誤差自動(dòng)補(bǔ)償功能。
3） 數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都具有比普通機(jī)床更高的剛度和穩(wěn)定性，部件的制造和裝配精度均比較高，提高了機(jī)床本身的精度和穩(wěn)定性。
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4)數(shù)控機(jī)床采用了自動(dòng)加工方式，避免了加工過(guò)程中的人為誤差。
2 機(jī)床的柔性強(qiáng)
在數(shù)控機(jī)床上，改變加工零件只需要重新編制程序，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同零件的加工， 它為多品種，小批量生產(chǎn)加工以及新產(chǎn)品試制提供了極大的便利。同時(shí)，由于數(shù)控機(jī)床通過(guò)多軸聯(lián)動(dòng)，具備曲線(xiàn)曲面的加工能力，擴(kuò)大了機(jī)床的適用范圍。特別對(duì)于普通機(jī)床難以加工或無(wú)法加工的復(fù)雜零件，利用數(shù)控機(jī)床可以充分發(fā)揮功能，提高加工精度和效率。因此，對(duì)加工對(duì)象變化的適應(yīng)性好，柔性比普通機(jī)床強(qiáng)。
3 自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低
數(shù)控機(jī)床對(duì)零件的加工是根據(jù)事先編制好的程序自動(dòng)完成的。在正常加工過(guò)程中，操作者只要進(jìn)行極為簡(jiǎn)單的操作，即可完成零件的自動(dòng)加工，不需要進(jìn)行繁雜的重復(fù)性手工操作，操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度可大大減輕。此外，數(shù)控機(jī)床一般具有較好的安全防護(hù)、自動(dòng)排屑、自動(dòng)冷卻和自動(dòng)潤(rùn)滑裝置，使操作者的勞動(dòng)條件也得到了很大改善。
4 生產(chǎn)率高
數(shù)控機(jī)床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高，一般為普通機(jī)床的 3～5 倍，對(duì)某些復(fù)雜零件的加工，生產(chǎn)效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。
5 良好的經(jīng)濟(jì)效益
數(shù)控機(jī)床雖然設(shè)備價(jià)格較高，分?jǐn)偟矫總€(gè)零件的加工費(fèi)用較普通機(jī)床高，但使用數(shù)控機(jī)床加工，可以通過(guò)上述優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)出整體效益。特別是數(shù)控機(jī)床的加工精度穩(wěn)定， 減少了廢品，降低了生產(chǎn)成本；此外，數(shù)控機(jī)床還可一機(jī)多用，節(jié)省廠房面積和投資。因此，使用數(shù)控機(jī)床，通?？梢垣@得良好的經(jīng)濟(jì)效益。
6.有利于現(xiàn)代化管理
采用數(shù)控機(jī)床加工，能準(zhǔn)確地計(jì)算零件加工工時(shí)和費(fèi)用，簡(jiǎn)化了檢驗(yàn)工、夾具， 減少了半成品的管理環(huán)節(jié)，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化
1.3 加工中心的原理
在數(shù)控機(jī)床上加工零件時(shí),首先應(yīng)根據(jù)零件的形狀和尺寸分段,然后根據(jù)工藝要求確定加工程序,坐標(biāo)移動(dòng)量,并確定相應(yīng)的進(jìn)給速度和主運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù),最后將程序輸入微機(jī),完成編程運(yùn)行過(guò)程.伺服機(jī)構(gòu)根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出的信息指令,驅(qū)動(dòng)機(jī)床有關(guān)部件,使刀具和工件嚴(yán)格按照程序設(shè)定的相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而使機(jī)床精確的加工出符合圖紙要求的工件。
加工中心一般分為以下幾個(gè)組成部分:程序編制、數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)、機(jī)床本件。程序編制雖然不是加工中心的一個(gè)具體部件,但是它的作用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過(guò)了一個(gè)部件的作用。在加工復(fù)雜零件時(shí),程序的編制是非常重要的,它是有效利用數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵。數(shù)控裝置實(shí)施數(shù)控機(jī)床的計(jì)算和控制系統(tǒng),它接受編制的程序之后,控制有關(guān)部件做出所需的動(dòng)作,完成加工任務(wù)。伺服機(jī)構(gòu)是數(shù)控機(jī)床在機(jī)床結(jié)構(gòu)方面有別于別
的機(jī)床的地方,屬于加工中心的一個(gè)特殊的部件。機(jī)床組件包括有液壓部件和機(jī)械加工的相關(guān)部件。
1.4 數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
1.3.1 數(shù)控（NC）階段
早期的時(shí)候，計(jì)算機(jī)還沒(méi)完全發(fā)展起來(lái)，運(yùn)算的速度無(wú)法保證能夠?qū)C(jī)床進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。這時(shí)就需要借助數(shù)字邏輯電路來(lái)完成，將這些電路組成機(jī)床專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)， 來(lái)作為數(shù)控系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)控（NC）。在元器件不斷開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，一共走過(guò)了三個(gè)階段，分別是 1952 年的電子管到 1959 年的晶體管再到 1959 年的小規(guī)模集成電路。
1.3.2 計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段
上世紀(jì) 70 年代，小型計(jì)算機(jī)業(yè)發(fā)展迅速，可以被通用，同時(shí)也可以大批量的生產(chǎn)。由于小型計(jì)算機(jī)日趨成熟，人們開(kāi)始使用它成為數(shù)控系統(tǒng)的核心，這標(biāo)志著正式進(jìn)入計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的階段。眾所周知，計(jì)算機(jī)上的兩個(gè)最重要的核心部件是控制器和運(yùn)算器，它們是由美國(guó)公司 INTEL 在上世紀(jì) 80 年代初融合在一塊芯片上所制作完成的，人們稱(chēng)它為微處理器或者是中央處理單元，簡(jiǎn)稱(chēng)為 CPU。上世紀(jì) 90 年代末， 個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC 機(jī)）的得到非常迅速的發(fā)展，在處理能力和處理速度上面有了很大的提升和優(yōu)化，已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件。
上世紀(jì) 50 年代末我國(guó)開(kāi)始研究數(shù)控技術(shù)，到上世紀(jì) 60 年代中，我國(guó)一直處于研發(fā)階段。之后我國(guó)開(kāi)始致力于晶體管數(shù)控系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)。1970 后，我國(guó)在數(shù)控技術(shù)的領(lǐng)域開(kāi)始全面快速的發(fā)展，包括車(chē)床、銑床等各種車(chē)床，齒輪加工、點(diǎn)等各種復(fù)雜高精度要求的加工，同時(shí)我國(guó)在數(shù)控加工中心的領(lǐng)域內(nèi)取得了很大的成果。與此同時(shí)，數(shù)控機(jī)床也在模具生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，成本低等優(yōu)點(diǎn)。上世紀(jì)80 年代，我國(guó)向日本學(xué)習(xí)了一些先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，并將這些先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)和完善的伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)引入到國(guó)內(nèi)，同時(shí)也向德國(guó)和美國(guó)這些技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家學(xué)習(xí)了先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)。因此我國(guó)在機(jī)床的質(zhì)量和性能上有了很大的提高。上世紀(jì) 90 年代后，低檔次的數(shù)控系統(tǒng)逐漸被淘汰，高檔的機(jī)床開(kāi)始穩(wěn)步發(fā)展。雖然我國(guó)目前可以生產(chǎn)各個(gè)種類(lèi)的數(shù)控機(jī)床，但總體來(lái)說(shuō)，平均水平還是不高，較為先進(jìn)的可以生產(chǎn)加工超精密的產(chǎn)品，而一些落后的技術(shù)就很難跟上世界的步伐。但倘若國(guó)家政府開(kāi)始重視，達(dá)到領(lǐng)先水平也是可以期盼的。最后，計(jì)算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三個(gè)階段，分別是 1970 年的小型計(jì)算機(jī)，1974 年的微處理器和 1990 年的基于 PC 三個(gè)階段。
1.3.3 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向
伴隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，技術(shù)的不斷革新，人們對(duì)數(shù)控技術(shù)的性能提出了更高的要求。要求數(shù)控機(jī)床的精度要越來(lái)越高，速度越來(lái)越快，智能性和可靠性越來(lái)越高。主要在以下幾個(gè)方面展現(xiàn)：
⑴ 高速度與高精度化
速度和精度是展現(xiàn)數(shù)控機(jī)床先進(jìn)程度的兩個(gè)重要性能，它們不僅能影響產(chǎn)品的質(zhì)量，也會(huì)影響生產(chǎn)的效率，尤其在超切削速度很高以及加工很高精度產(chǎn)品的條件下， 這就要求機(jī)床坐標(biāo)軸有更快的位移速度以及更高的定位精度。當(dāng)然，高速度和高精度也是互相牽制的，加工精度越高位移速度也就越難保證。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度已經(jīng)可以達(dá)到 lμ m (100 一 2 40m / min）、0 01μ m (24m /min）、0.01m (400 一800mm/min)。以下幾個(gè)方面的措施研究用于滿(mǎn)足高速度以及高精度的要求:
⑵ 多功能化
1） 為了使設(shè)備的利用率能有所提高，數(shù)控機(jī)床通常要具有多個(gè)功能。
2） 為了使工作效率以及利用率有所提升，前后臺(tái)需要達(dá)到能同時(shí)工作的能力。
3） 除具有通信口、DNC 功能，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床還應(yīng)該有網(wǎng)絡(luò)功能。
⑶ 智能化
1） 自適應(yīng)控制技術(shù)的引進(jìn)。在改變加工過(guò)程的時(shí)候，系統(tǒng)可以按照實(shí)時(shí)測(cè)出的工參數(shù)，從而去調(diào)整校正整個(gè)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)，這樣就能使加工的時(shí)候各組件趨于更完善的工作狀態(tài)，這也是自適應(yīng)控制技術(shù)的目的。
2） 當(dāng)機(jī)器發(fā)生問(wèn)題的時(shí)候能夠自身進(jìn)行診斷問(wèn)題所在，并對(duì)其進(jìn)行修復(fù)的功能主要是通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部安置的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種程序可以幫助在線(xiàn)的做出故障診斷，當(dāng)有故障發(fā)生的時(shí)候，整個(gè)機(jī)器將自動(dòng)的停止運(yùn)作，并與此同時(shí)，CRT 開(kāi)始工作，進(jìn)行對(duì)故障發(fā)出警報(bào)，提示有故障發(fā)生，然后運(yùn)用用“冗余”技術(shù)，使得發(fā)生故障的模塊自動(dòng)的脫離機(jī)器，使得正常的待機(jī)模塊與機(jī)器相連接。
3） 使用紅外、聲發(fā)射、激光等檢測(cè)手段有助于對(duì)自動(dòng)的檢測(cè)刀具壽命以及完成換刀時(shí)候的自動(dòng)化。當(dāng)發(fā)現(xiàn)一些如工件的質(zhì)量不符合要求，刀具開(kāi)始磨損等問(wèn)題的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)的報(bào)警，并對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，并對(duì)損壞的刀具進(jìn)行更換從而使得產(chǎn)品的質(zhì)量能夠得到保證。
1.5 本設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容
本畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇的題目是“銑床加工中心換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)”，本次設(shè)計(jì)主要包括主軸設(shè)計(jì)，換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)，電器控制圖。主要技術(shù)參數(shù)及技術(shù)要求： X，Y，Z 軸的行程分別是 600，300，400mm；進(jìn)給精度 0.001mm；X，Y，Z 軸的移動(dòng)速度分別是2.5，2，1mm/min；工作臺(tái)面尺寸 320×1000mm；脈沖當(dāng)量 0.01mm/步；重復(fù)定位精度 0.01mm。
2. 換刀機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)
為了方便實(shí)現(xiàn)換刀的過(guò)程，選擇了用一根軸來(lái)帶動(dòng)機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)，其次為了穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)換刀的功能，機(jī)械手臂通過(guò)螺紋聯(lián)接在主軸上。在控制方式的選擇上，選擇液壓傳動(dòng)，相比于其它的傳動(dòng)方式更有利于對(duì)換刀的自動(dòng)控制。
原理如圖 2.1 所示。在換刀的時(shí)候，機(jī)械手主要完成以下幾個(gè)動(dòng)作，分別是抓住刀具，將刀具拔出，對(duì)刀具進(jìn)行更換，將刀具插入，使機(jī)械手復(fù)位這幾個(gè)動(dòng)作。
1：液壓缸
2：液壓缸
3：液壓缸
4：機(jī)械手抓
5：擋板
6：齒輪
7：花鍵套
圖 2.1 換刀機(jī)構(gòu)原理圖
8：齒輪
自動(dòng)換刀的過(guò)程說(shuō)明：
抓刀：需要抓刀時(shí)，缸 2 左腔進(jìn)油。在推力的作用下，裝有齒條的桿就開(kāi)始向右
移動(dòng)。在向右移動(dòng)的過(guò)程中，齒條便與齒輪 8 相嚙合，前者使得后者開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。齒輪
8 連接一個(gè)花鍵套 7，它們的連接方式是銷(xiāo)鍵聯(lián)接，于是花鍵套 7 一開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓
缸 2 桿上的右端和行動(dòng)軌跡線(xiàn)上分別設(shè)有一個(gè)擋板和行程開(kāi)關(guān)，當(dāng)它倆接觸的時(shí)候，
此時(shí)主軸就旋轉(zhuǎn)一定的角度，并使得主機(jī)械手 4 實(shí)現(xiàn)抓刀。
拔刀：拔刀時(shí)缸 1 上腔進(jìn)油，在推力的作用下，主軸開(kāi)始向下移動(dòng)，向下移動(dòng)過(guò)
程中，花鍵套 7 便和齒輪 8 分開(kāi)，當(dāng)行程開(kāi)關(guān)和主軸上的擋板 5 相接觸時(shí)，花鍵套 7
和齒輪 6 銷(xiāo)鍵聯(lián)接。這時(shí)機(jī)械手 4 就將刀具同時(shí)拔出。
換刀：換刀時(shí)，缸 3 左腔進(jìn)油。在推力的作用下，裝有齒條的桿就開(kāi)始向右移動(dòng)。
向右移動(dòng)的過(guò)程中，齒條與齒輪 6 相互嚙和，前者使得后者開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪 6 連接一個(gè)花鍵套 7，它們的連接方式是銷(xiāo)鍵聯(lián)接動(dòng)，主軸開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。當(dāng)桿上的擋板接觸到行程開(kāi)關(guān)時(shí)，這時(shí)主軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度為 180 度，于是就完成是換刀的動(dòng)作。
插刀：插刀的時(shí)候，缸 1 下腔進(jìn)油。在推力的作用下，主軸開(kāi)始向上移動(dòng)，這時(shí)
花花鍵套 7 便和齒輪 6 分開(kāi)，當(dāng)主軸上的擋板 5 接觸到行程開(kāi)關(guān)的時(shí)候， 7 與 8 開(kāi)
始聯(lián)接。這時(shí)機(jī)械手 4 就在主軸的孔中插入刀具，同時(shí)將刀具插入刀套的孔中，這樣就實(shí)現(xiàn)了插刀。
復(fù)位：復(fù)位的時(shí)候缸 2 右腔進(jìn)油。在推力的作用下，裝有齒條的桿就開(kāi)始向左，
移動(dòng)。齒輪 8 開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪 8 與花鍵套 7 連接，前者的轉(zhuǎn)動(dòng)就能帶動(dòng)后者的轉(zhuǎn)動(dòng)，
從而帶動(dòng)主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓缸 2 桿上的右端有一個(gè)擋塊，當(dāng)它碰到右邊的行程快關(guān)的
時(shí)候，主軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度是 75 度，同時(shí)機(jī)械手 4 松刀。此時(shí)缸 3 右腔進(jìn)油，在推力的
作用下，桿向左移動(dòng)，液壓缸 2 活塞桿上的右端有一個(gè)擋塊，當(dāng)它碰到左邊的行程快關(guān)的時(shí)候停止進(jìn)油，這樣就實(shí)現(xiàn)了復(fù)位。
銑加工中心換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3 主軸及換刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 主軸的性能分析
主軸是機(jī)床上很重要的部件。它的性能往往可以影響整個(gè)機(jī)床的性能。由于主軸的轉(zhuǎn)速范圍很大且主要的切削力由主軸來(lái)承受，因此主軸組件需要滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)要求：
（1） 旋轉(zhuǎn)精度高
（2） 剛度強(qiáng)。
（3） 溫升和熱變形小。
（4） 抗振性好
（5） 精度保持性好。
當(dāng)然，以上這些要求有時(shí)候不能同時(shí)達(dá)到，比如旋轉(zhuǎn)精度越高，剛度就很難有所保證；旋轉(zhuǎn)的速度越快，溫升也會(huì)隨之加速等。所以具體要滿(mǎn)足哪些要求要看具體情況進(jìn)行分析。
3.2 刀具自動(dòng)裝卸及切屑清除裝置
主軸的性能除了要滿(mǎn)足高精度以及高剛度外，還需要安裝一些裝置使得刀具可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的安裝卸下，同時(shí)能使得主軸孔內(nèi)的切屑能夠得到有效的清除。實(shí)現(xiàn)裝夾錐柄刀具的 7：24 的錐孔安裝在主軸的前端。端面鍵有兩個(gè)作用，一是可以用于刀具定位，二是可以傳遞扭矩，刀具自動(dòng)夾緊裝置安裝在主軸內(nèi)，它的目的是完成刀具的自動(dòng)裝卸。該機(jī)床設(shè)有拉緊機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的自動(dòng)夾緊。當(dāng)?shù)毒弑还潭〞r(shí)，液壓缸上腔進(jìn)油，彈簧被向上推并且活塞被鎖定，桿運(yùn)動(dòng)軌跡是向上。拉桿的徑向孔中有四個(gè)鋼球，它們開(kāi)始進(jìn)入拉釘?shù)沫h(huán)形凹槽。使得心軸被拉桿緊固，并且固定在軸上通過(guò)摩擦力的方式。在刀具更換時(shí)，刀具被釋放，液壓缸的上部腔室與油接觸，活塞將桿向下推，使它向下，從而使得壓縮彈簧;當(dāng)鋼球隨著桿向下移動(dòng)到較大的直徑進(jìn)入主軸孔時(shí)。不能夠?qū)^部有約束限制作用，然后刀夾開(kāi)始松動(dòng)，緊接著機(jī)械手收到信號(hào)便把刀取下。同時(shí)，壓縮空氣管從管道通過(guò)活塞和桿孔進(jìn)入主軸裝刀孔，移除屑或碎屑，這樣刀具夾緊的精度就可以被保證。新刀被安放在主軸上后，液壓缸被接通， 液壓油進(jìn)入液壓缸，與此同時(shí)，刀夾被彈簧拉緊。當(dāng)?shù)毒邤Q緊時(shí)，信號(hào)將由行程開(kāi)關(guān)被發(fā)出。在換刀的時(shí)候，主軸孔中的碎屑能被及時(shí)的清除是很重要的。
3.3 主軸準(zhǔn)停裝置
為了使主軸可以精確在固定的軸向位置上停止，準(zhǔn)停裝置將被安裝在機(jī)床的主軸部件上。這種裝置可以使得在換刀的時(shí)候主軸上的端面鍵的母線(xiàn)與刀夾上鍵槽的
母線(xiàn)相對(duì)齊，也可以保證在裝刀的時(shí)候，刀夾相對(duì)于主軸的位置不會(huì)發(fā)生變化。這樣有利于安裝精度的提高，并對(duì)孔的加工有促進(jìn)作用。在本設(shè)計(jì)中，電氣準(zhǔn)停裝置安裝于主軸部件上，圖 3.1 展示了它的工作原理，多楔帶輪和主軸連接，前者能帶動(dòng)后者一起轉(zhuǎn)動(dòng)，厚墊片起固定作用，將它安放在帶輪的端面上，并將一個(gè)小體積的永久磁鐵安裝在厚墊片上。磁傳感器安裝在需要主軸準(zhǔn)確停止的相應(yīng)位置上。當(dāng)機(jī)器要停止換刀時(shí)，CNC 系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，這時(shí)主軸電動(dòng)機(jī)將立刻減速，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的速度減少到最低，這時(shí)厚墊片上的永久磁鐵便與磁傳感器相對(duì)準(zhǔn)，磁傳感器將會(huì)發(fā)出指令，使得主軸停止在準(zhǔn)確的位置上。這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器然后被放大，被放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)定向電路，定向電路得到信號(hào)并執(zhí)行它便開(kāi)始控制主軸電動(dòng)機(jī)，
前者使后者可以準(zhǔn)確的在規(guī)定的軸向位置上停止。這種裝置可以大大提高重復(fù)精度，并能控制在±1°范圍的范圍內(nèi)。
1. 多楔帶輪
2. 磁傳感器
3. 永久磁鐵
4. 墊片
5. 主軸
圖 3.1 電氣準(zhǔn)停裝置工作原理圖
3.4 主軸部分零件的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.4.1 主軸電機(jī)的選取
（1） 銑削力 Fc 的計(jì)算
F z
Fc =C t0.86 Bz f D-0.86
由機(jī)床數(shù)控技術(shù)表 13-1 查得CF = 637
0.86 -0.86
Fc =CF t Bz fz D
（3.1）
= 637′ 200.86 ′5′ 4′ 0.10.72 ′ 40-0.86
= 1337
（2） 銑削功率 Pc 的計(jì)算
銑加工中心換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
F z
P = C ·10-5 · t 0.86nBzf D-0.86
由表 13-1 查得CF = 3.5
F z
P = C ·10-5 · t 0.86nBzf D-0.86
= 3.5′10-5 ′ 200.86 ′3000′5′ 4′ 0.10.72 ′ 400.14
= 8.8KW
（3.2）
主電動(dòng)機(jī)的功率
E
P = 1.15PC
hm
= 8.8
0.75
= 11.7KW
（3.3）
選功率為P = 12KW的 FANUCα 12 型交流電機(jī)
3.4.2 帶傳動(dòng)的計(jì)算
（1） 求Pca
查得工作情況系數(shù) KA = 1.2 ，故
（3.4）
Pca = K
P = 1.2′12 = 14.4KW
A
（2） 選窄 V 帶帶型
根據(jù) Pca、n1 選SPA 型
（3） 確定帶輪基準(zhǔn)直徑
由表8 - 7 以及表8 - 9 進(jìn)行選取， D1 = 110mm
從動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑 D2
驗(yàn)算帶的速度
D2 = iD1 = 1.9 ′110 = 209mm
D2取210mm
V = pD1n1
60 ′1000
= p ′110 ′1440 60 ′1000
= 8.29 < 35m/s
由計(jì)算得，帶的速度合適。
（4） 窄V帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度和傳動(dòng)中心距的確定。
（3.5）
根據(jù)0.（7
D1 +D2）< a0 < 2(D1 +D2 )
初步確定中心距a0 = 300mm
計(jì)算帶所需的基準(zhǔn)長(zhǎng)度
p (D - D )2
L' d
= 2a + (D + D ) + ?2 1
0 2 2 1
4a0
2
= 2′ 300 + p (210 +110) + (210-100) = 1111mm 2 4′ 300
（3.6）
基準(zhǔn)長(zhǎng)度 Ld = 1120mm 可以參照機(jī)械設(shè)計(jì)表 8-3 選取由機(jī)械設(shè)計(jì)式 8-21 計(jì)算實(shí)際中心距 a
L - L' d
a = a0
+ d
2
= 300 + 1120 - 1111
2
= 304.5mm
（5） 驗(yàn)算主動(dòng)輪上的包角 a1
（3.7）
a = 1800 - D2 - D1 ′ 600
1 a
（6） 計(jì)算V帶根數(shù)z
= 1800 - 210 - 110 ′ 600
304.5
= 160.30 > 1200
所以包角合適
（3.8）
z = Pca
(P0 + DP0）Ka KL
（3.9）
由n1 = 1440r / min 、 p1 = 110 、i=1.9,查表 8-4 和表 8-5 得
P0 = 1.6012KW 、 DP0 = 0.02KW
由機(jī)械設(shè)計(jì)表 8-1 得 Ka = 0.89 表 8-10 得 KL = 0.96 則
z =?3.9
(1.6012 + 0.02) ′ 0.89 ′ 0.96
（3.10）
取 z=3 根
（7） 計(jì)算預(yù)緊力 F0
= 2.80
F = 500 pca ( 2.5 -1）+ qV 2
0 vz
Ka （3.11）
由機(jī)械設(shè)計(jì)表 8-3 得 q=0.07Kg/m,故
F0 = 500
14.4
8.44 ′ 3
′ ( 2.5
0.89
-1）+ 0.07 ′ 8.442 = 519.39N
（8） 計(jì)算作用在軸上的壓軸力 Q
Q = 2zF0
sin a1
2
160.30
= 2 ′ 3 ′ 519.39 sin
= 3078N
3.4.3 軸的強(qiáng)度剛度校核計(jì)算
（1） 主軸整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核：
d1 = 100mm
d3 = 272mm
2
d2 = 153mm
d4 = 140mm
（3.12）
各截面彎矩
計(jì)算彎矩
M zⅠ = 37 /1127 ′163.21 = 5.36N.m M zⅡ = 109 ′163.21/1127 = 15.79N.m M ZⅢ = 163.21
M ZⅣ = 76 ′163.21/1094 = 11.34
M ca =
=
校核軸的強(qiáng)度
= 165.07N.m
（3.13）
s ca
=
= M ca / w
/ w ￡ [s -1 ]MPa
（3.14）
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)軸的類(lèi)型表 15-4 得：
w = 0.1d 3 = 0.1′ (100 ′10-3 )3 = 0.1′10-3
s ca
= M ca
/ w = 165.07 / 0.1′10-3 = 1.65MPa
[s -1 ] = 0.43s b = 0.43′ 637 = 273.91MPa
軸的材為 45 號(hào)鋼，查表得
s b = 637MPa
sca < [s-1 ] ：軸的彎曲強(qiáng)度符合要求。
（2） 軸的彎曲剛度校核計(jì)算：
①根據(jù)公式計(jì)算：
銑加工中心換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
dV =
=
= 56mm
②軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核計(jì)算：
a. 扭角的計(jì)算：
參照（機(jī)械設(shè)計(jì)》公式 15-15 可以得到軸的扭轉(zhuǎn)變形：
（3.15）
j = 5.73′104
其中 T: 軸所受的扭矩，N.mm;
T GIP
G; 軸的材料得到剪切彈性模量，Mpa,對(duì)于鋼材
G = 8.1′104 Mpa
pd 4
IP = 32
j = 5.73′104
T GIP
= 5.73′104 ′
17.94
4
604
（3.16）
8.1′10 ′
32
b. 計(jì)算軸的彎曲剛度
計(jì)算截面I處的撓度：
= 0.0003130 < [j ]= 0.30
yⅠ
軸的剛度滿(mǎn)足要求
= -Pb[l(x - a)3 / b + (l 2 + b2 )x - x3 ] / 6EIl
= -0.2′ 294′ 64 ′[(0.422 + 0.22 ) ′ 0.22 - 0.223 ] /
6′ 2.15′103 ′ 3.14 ′（56 ±′10-3）′ 0.42
= 0.00263mm < 0.1d = 0.1′ 0.5 = 0.05
（3.17）
3.4.4 軸承的壽命計(jì)算：
（1） 軸承的受力分析：
① 徑向力
由于是雙支撐軸承
R1V R2V
②兩軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷:
= RA / 2 = 188.17 / 2 = 94.09N
= RB / 2 = 141.13 / 2 = 70.57N
由于軸承不受軸向力
徑向動(dòng)荷系數(shù)
X 1 = 1
X 2 = 1
Y1 = 0
Y2 = 0
因?yàn)樵谳S承運(yùn)動(dòng)的時(shí)候不受到?jīng)_擊或受到的沖擊很小,那么就可以按照按表 13-6
選取得 f p = 1.1
（2） 壽命計(jì)算：
P1 =
P2 =
f P (x1 R1 + Y1 A1 ) = 1.1′ 94.09 = 103.50
P
f (x2 R2 + Y2 A2 ) = 1.1′ 70.57 = 77.63
P1 > P2
所以按軸承 A 的壽命計(jì)算
壽命計(jì)算公式：
3.5 換刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
L = 106 (c / P)e / 60n
h
= 106 (48810 / 94.09)3 / 60 ′ 3000
= 774 ′106 (h)
(3.18)
3.5.1 換刀機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):
本設(shè)計(jì)中，選用的換刀機(jī)械手是回轉(zhuǎn)式單臂雙使機(jī)械手，換刀手如圖 3.1，它的三維實(shí)體圖如圖 3.2 所示。
圖 3.1 換刀手
銑加工中心換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖 3.2 回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手三維實(shí)體圖
圖 3.3 換刀機(jī)構(gòu)三維實(shí)體圖
換刀幾個(gè)號(hào)三維實(shí)體圖如圖 3.3 所示，機(jī)械手臂通過(guò)螺紋來(lái)連接在主軸上，這樣主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)就可以帶動(dòng)手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，為了保證轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性，使用圓柱銷(xiāo)來(lái)定位，并用螺母來(lái)使它固定。手抓和手臂通過(guò)兩個(gè)螺釘來(lái)固定連接。
3.5.2 控制方式的選擇:
本設(shè)計(jì)中，選用的控制方式是液壓傳動(dòng)，目的是這樣有利于完成對(duì)換刀過(guò)程的自動(dòng)控制。主要由四個(gè)部分構(gòu)成液壓系統(tǒng)，具體如下：
(1) 液壓泵：它的功能是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成液壓能。
(2) 執(zhí)行元件：它的功能是把液壓能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。
(3) 控制元件：憑借控制液體的壓力，流量以及方向去控制執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度，控制元件的方向以及作用力等。
(4) 輔助元件：除了液壓泵，執(zhí)行元件，控制元件以外的其它元件，如：管道， 管接頭，油箱等。
液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：比起機(jī)械傳動(dòng)以及電氣傳動(dòng)有如下的優(yōu)點(diǎn)： (1)液壓傳動(dòng)中的各類(lèi)元件構(gòu)造簡(jiǎn)單，有利于布置其位置。 (2)易于控制，其調(diào)速的變動(dòng)范圍較大。
(3) 當(dāng)元件的負(fù)荷超載的時(shí)候，可以自動(dòng)保護(hù)。
(4) 由于采用的介質(zhì)是礦物油，這樣就能起到潤(rùn)滑的作用，可以延長(zhǎng)使用壽命。(5)有利于完成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。
3.6 液壓缸的計(jì)算
1 液壓缸工作壓力的確定
液壓缸主要承受的三個(gè)方面的負(fù)載如實(shí)際的工作負(fù)載、運(yùn)動(dòng)時(shí)的受到的摩擦力以及慣性力等。液壓設(shè)備根據(jù)用途的不同，工作條件的不同以及不同的壓力范圍來(lái)確定工作負(fù)載。液壓缸的公稱(chēng)壓力由《液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)》表 9—5 可知，有如下幾種標(biāo)準(zhǔn)；
1.0
1.6
2.5
4.0
6.3
10
16
25
單位： MPa
在本次設(shè)計(jì)中擬選用 Pn = 4.0MPa
2 計(jì)算液壓缸活塞以及活塞桿的直徑
液壓缸的負(fù)載率 y = 實(shí)際使用推力
理論額定推力
ψ 通常的取值范圍是 0.5～0.7，本設(shè)計(jì)選用的值是 0.6。
（3.19）
2
j = A = V = D
速比
選取j = 1.32
1 2
2 1
A V D2 - d 2
(3.20)
于是
經(jīng)轉(zhuǎn)換得
d = 0.5D
2
D
1.32 = D2 - d 2
當(dāng)液壓缸返回的時(shí)候，這時(shí)作用在活塞上的力 F:
F = Fa + Fb + Fc + Fd
其中 Fa 是外負(fù)載力，取 Fa = 1000N
Fb是回油阻力， DP 取 0.5MPa。
（3.21）
F = p D2 DP = 3.14 ′ 0.5 ′106 D2 = 4 ′105 D2
b 4 4
（3.22）
Fc 是密封圈在受到摩擦的情況下所遇到的阻力，公式如下
Fc =
fDPp (DbD KD + dbd Kd )
（3.23）
f 的取值范圍為 0.05～0.2
a
DP 是密封圈兩側(cè)的壓力差
DP = P - P0
= 4MPa
- 0.5MPa
= 3.5MPa
= 3.5′106 P
（3.24）
根據(jù)書(shū)本取bD = bd = 0.006 ， KD = Kd = 0.25
這樣帶入公式 Fc = f DPp (DbDKD + dbd Kd )
= 0.15′ 3.5′106 ′ 3.14 ′(D ′ 0.006 ′ 0.25 + 0.5D ′ 0.006 ′ 0.25)
= 3700D
取 Fd =50Kg，a=1m/s
Fd = mg + ma = m(g + a)
（3.25）
這樣就有
= 50 ′ (10 + 1)
= 550N
F = Fa + Fb + Fc + Fd
= 1000 + 0.39 ′106 D2 + 3700D + 550
= 0.39 ′106 D2 + 3700D +1550
（3.26）
（3.27）
當(dāng)液壓油進(jìn)入到有桿的那個(gè)腔內(nèi)的時(shí)候，活塞所受到的力為；
F = ( A P - A P )h = p [D2 (P - P ) - d 2 P]h
2 2 1 0 m 4 0 m
（3.28）
m
hm 是液壓缸的機(jī)械效率，取h = 0.92
把上述值帶入公式 F = p [D2 (P - P ) - d 2 P]h
2 4 0 m
= 3.14 [D2 (4MP - 0.5MP ) - (0.5D)2 4MP ]′ 0.92
4 a a a
= 3.14 ′ 2.5 ′106 D2 ′ 0.92 = 1.8 ′106 D2
4
（3.29）
2
根據(jù)公式 F = j F 即0.39 ′106 D2 + 3700D +1550 = 0.6 ′1.8′106 D2
這樣就得到關(guān)于 D 的方程0.71′106 D2 - 3700D -1550 = 0
解方程可得到
D =
將其圓整得 D=50mm
2 ′ 0.71′106
= 0.0494m = 49.4mm
（3.30）
于是活塞桿的直徑為d = 0.5D = 0.5′ 50 = 25mm
3、缸筒壁厚根據(jù)公式:
選用 Pmax = 32MPa
d 3 Pmax D
2.3s P - 3Pmax
（3.31）
s = 缸筒材料的屈服強(qiáng)度 = s s
P 安全系數(shù) n
(3.32)
查表可知，45 號(hào)鋼s s = 600MPa ，n 是安全系數(shù)，擬取 n=4
所以 s = s s
= 600MPa
= 150MP
p n 4 a
d 3 Pmax D
2.3s P - 3Pmax
= 32 ′ 0.05
2.3 ′150 - 3 ′ 32
= 1.6
249
= 6.5mm
考慮到安全帶因素，取δ = 8mm 。
（3） 液壓缸的驗(yàn)算
①液壓缸的額定壓力 Pn：
（3.34）
s (D 2 - D 2 )
D
2
n
P ￡ 0.35 s 1
1
= 600(0.0662 - 0.052 )
0.35
= 89.47MPa
0.0662
(3.35)
其中 D1 是液壓缸的外徑 D1 = D + 2d = 0.05 + 2′ 0.008 = 0.066m
Pn = 4MPa < 89.47MPa
4 液壓缸的驗(yàn)算
所以符合要求。
① 液壓缸的額定壓力 Pn 不能超過(guò)極限值
s (D 2 - D 2 )
D
2
n
P ￡ 0.35 s 1
1
= 600(0.0662 - 0.052 )
0.35
= 89.47MPa
0.0662
(3.24)
D1 ;液壓缸的外徑 D1 = D + 2d = 0.05 + 2′ 0.008 = 0.066m
在本次設(shè)計(jì)中取值
Pn = 4MPa < 89.47MPa
所以滿(mǎn)足要求
②Pn 和塑性變形壓力之間的關(guān)系：：
Pn ￡ 0.35 - 0.42PPL
（3.25）
其中 Ppl 是液壓缸的塑性變形壓力
P ￡ 2.3s
log D1
= 2.3′ 600 log 0.066 = 166.4MP
PL s D
0.05
a
（3.26）
這樣就有
Pn ￡ 0.35 - 0.42PPL
= 0.35′166.4 = 58.24MPa
（3.27）
由于 Pn = 4MPa < 58.24MPa
，故滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
銑加工中心換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
4. 加工中心硬件的選擇設(shè)計(jì)
4.1 CPU 的選擇
在主控制器的選擇上，結(jié)合性?xún)r(jià)比考慮，本設(shè)計(jì)中選用單片機(jī)是 8031。8031 有很強(qiáng)的功能，這個(gè)系列的產(chǎn)品將 CPU、I/O 端口和部分 RAM 等集中在一起。在些許外設(shè)器件的輔助下就能形成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)控制。此外開(kāi)發(fā)手段具有多樣性，指令系統(tǒng)有很強(qiáng)大的功能，同時(shí)具有靈活性以及許多的硬件資料。8031 在工業(yè)控制中有很大的優(yōu)勢(shì)，有著相當(dāng)普遍的應(yīng)用。
4.2 程序，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片，其型號(hào)分別為：2716、2732、2764、27128、27256 等，其容量分別位 2k、4k、8k、16k、32k。在選擇芯片時(shí)， 要考慮 CPU 與 EPROM 時(shí)序的匹配。即 8031 所能讀取的時(shí)間必須大于 EPROM 要求的讀取時(shí)間。此外，還要考慮最大讀出速度、存儲(chǔ)器的容量。在滿(mǎn)足容量要求應(yīng)盡量選擇大容量芯片、以減少芯片數(shù)量，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化。在本系統(tǒng)中，我們擬采用 2764 作為擴(kuò)展芯片。
2764 與 8031 主要是三總線(xiàn)的聯(lián)接。2764 中的低 8 位地址線(xiàn)通過(guò)地址寄存器
74LS373 與 8031P0 口相聯(lián)。當(dāng)?shù)刂芳拇嬖试S信號(hào) ALE 位高電平，則 P0 口輸出地址有效。8 位數(shù)據(jù)線(xiàn)直接與 8031 P0 口相聯(lián)；高 5 位地址線(xiàn)分別與 P2.0～P2.4 相聯(lián)， OE 引腳直接同 8031PSEN 引腳相聯(lián)，片選信號(hào) CE 接地，以便總能選中。由于 8031 只能選通外部程序存儲(chǔ)器，因而其 EA 引腳接地。
由于 8031 內(nèi)部 RAM 只有 128 字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求，須擴(kuò)展片
外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路一般采用 6116 和 6264 靜態(tài) RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其選用的規(guī)則與 EPROM 程序存儲(chǔ)器的要求相同。本系統(tǒng)擬采用 6264 芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的外擴(kuò)芯片。
6264 低 8 位地址線(xiàn)通過(guò)地址鎖存器 74LS373 與 8031 P0 口相接，高 5 位地
址線(xiàn)分別與 P2.0～P2.4 相聯(lián)，8 位數(shù)據(jù)線(xiàn)直接接至 8031 P0 口，讀寫(xiě)控制引腳OE、WR 與 8031 的讀寫(xiě)控制引腳 RD、WR 直接相聯(lián)，片選端 CE1 通過(guò)譯碼電路與 8031 相聯(lián)。
4..3 I/O 接口的擴(kuò)展
8031 單片機(jī)共有四個(gè) 8 位并行 I/O 口，但可供用戶(hù)使用的只有 P1 口及部
分 P3 口線(xiàn)。因此在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都不可避免地要進(jìn)行 I/O 口的擴(kuò)展。通用可編程接口芯片 8255 具有 2k 位的靜態(tài) RAM，3 個(gè) 8 位可編程并行 I/O 口、一個(gè) 14 位的計(jì)數(shù)器。由于 8255 與單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單，是單片機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的芯片。
8255 與 8031 的聯(lián)接可歸結(jié)為三總線(xiàn)的聯(lián)接。8255 本身具有地址鎖存信號(hào)控制線(xiàn)和地址鎖存器，故可直接將地址、數(shù)據(jù)線(xiàn) AD0～AD7 直接與 8031 口線(xiàn)對(duì)應(yīng)的相聯(lián)，8255的 ALE 與 8031 的 ALE 直接相聯(lián)，高 8 位地址的 P2.5～P2.7 經(jīng)譯碼器 74LS138 提供8255 的片選信號(hào) CE,A 0 和 A 1 分別和 8031 的 A 0 和 A 1 相連，其它讀寫(xiě)信號(hào) WR、RD 也都對(duì)應(yīng)相聯(lián)。8255 的地址與 8031 統(tǒng)一編址。
4.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇
圖 4.4 步進(jìn)電機(jī)
算機(jī)和接口電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔步進(jìn)電機(jī)是一種用脈沖信號(hào)控制的電動(dòng)機(jī)。在負(fù)載能力及動(dòng)態(tài)特性范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的角位移僅與控制脈沖成正比。在多數(shù)情況下，用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)不需要A/D 或 D/A 轉(zhuǎn)換，可采用較為簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制，因而成為經(jīng)濟(jì)性數(shù)控機(jī)床最主要的一種伺服驅(qū)動(dòng)元件。
在該控制系統(tǒng)中擬選用的是集成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它的內(nèi)部包括環(huán)行脈
沖分配器，光電隔離保護(hù)電路和功率放大電路。這樣就簡(jiǎn)化了硬件之間的連接， 使線(xiàn)路簡(jiǎn)單，連接可靠。
脈沖分配器又叫做環(huán)形分配器，是驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)必不可少的環(huán)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)的控制方式由環(huán)形分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列脈沖指令按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。在數(shù)控系統(tǒng)中使用較多的是集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。而在本系統(tǒng)中使用的是軟件脈沖分配， 通過(guò)編程來(lái)達(dá)到脈沖分配的目的，從而控制步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)繞組。
隔離和放大電路：在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高（幾十伏），電流也較大， 如果將輸出信號(hào)直接與功率放大器相聯(lián)，將會(huì)引起強(qiáng)電器干擾，輕則影響計(jì)算機(jī)程序的正常進(jìn)行，重則導(dǎo)致計(jì)離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是 4.4 功率放大器
脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足步進(jìn)電機(jī)的需要，必須將輸出的信號(hào)放大產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)由選擇的步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型和型號(hào)決定。
4.4 液壓缸的控制
為了能實(shí)現(xiàn)換刀過(guò)程的自動(dòng)化，就需要把行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)讀進(jìn)計(jì)算機(jī)內(nèi)部，通過(guò)程序判斷，輸出指令，來(lái)控制電磁換向閥的線(xiàn)圈，進(jìn)而控制閥芯的位置，來(lái)決定液壓油的流向和活塞的運(yùn)動(dòng)方向。因?yàn)閿U(kuò)展后的 8255 的 I/O 口還不能滿(mǎn)足要求，就需要在擴(kuò)展一片 8255，它的接線(xiàn)方式和上一片 8255 的接線(xiàn)方式大致相同。PB 口的 8 個(gè)I/O 分別接 8 個(gè)行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，為輸入口。PC 口其中的四個(gè)口接液壓缸的電磁換向閥線(xiàn)圈，為輸出口。
5 結(jié) 論
本次設(shè)計(jì)介紹了數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)的背景，它的產(chǎn)生以及現(xiàn)狀，然后介紹了數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)，分析了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
通過(guò)對(duì)刀具切削力的計(jì)算，選取主軸電機(jī)為 FANUCα 12 型交流電機(jī) P=12KW； 通過(guò)帶傳動(dòng)的計(jì)算，確定了帶輪的各種基本參數(shù)；通過(guò)主軸性能的分析去對(duì)部分零件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，計(jì)算主軸各個(gè)截面的彎曲扭矩去選用何時(shí)主軸工件的部件；接著校核主軸的剛度強(qiáng)度并進(jìn)行選材；換刀機(jī)構(gòu)最終的三維示圖如圖 5.1 所示，機(jī)械手通過(guò)螺紋連接在主軸上，液壓缸推動(dòng)齒條移動(dòng)，后者與齒輪嚙合，齒輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，于是帶動(dòng)花鍵套與主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。
它完成一系列換刀動(dòng)作是通過(guò)三個(gè)液壓缸和一些必要的控制設(shè)備來(lái)完成，先設(shè)計(jì)計(jì)算了液壓缸的參數(shù)；然后設(shè)計(jì)選擇程序控制的 CPU，選用的單片機(jī)型號(hào)是 8031，選用 PLC 程序來(lái)完成對(duì)各個(gè)部件的控制。
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致 謝
通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我對(duì)課堂的理論知識(shí)有了更深層次的理解，并將其連貫起來(lái)運(yùn)用到實(shí)際中去，學(xué)會(huì)融會(huì)貫通