盘式刀库机械结构设计及plc控制(编辑修改稿)

盘式刀库机械结构设计及plc控制(编辑修改稿)内容摘要：

措大大 提高了空间 使用 率。 图 所示的 分别为多盘式和格子式刀库，虽然它 们都有前面所说的一些优点，但是由于换刀动作过于复杂，因此得到了较少的运用。 5 刀库的类型 加工中心上普遍采用的刀库是盘式刀库和链式刀库。 密集型的固定刀库目前于用于 FMS 中的集中供刀系统。 （ 1）盘式刀库 盘式刀库结构简单，应用较多，如图 所示。 因为刀具被排列成环形 ，降低了空间使用率。 所以才有了双环或者多环的盘式排列方式 ， 这大大的增加了 空间的利用率。 但 是这样做的缺点就是有过大的外径的刀盘 ， 也带来了过大的转动惯量 ，选刀时间也 延长很多，所以盘式刀库能满足刀具数量较少的场合。 图 盘式刀库的形式 a）径向取刀形式 b）轴向取刀形式 c）刀具径向安装 d）刀具斜向安装 （ 2）链式刀库 如图 ，链式 刀库有紧凑的结构和较大的刀库数量。 链环 可以根据场合不同做成不同的形状 ，也可将换刀位 翻转出来 以利换刀。 如果 链式刀库需 要 增加刀具 的数量时， 就可以通过改变链条的长度和支撑轮的数量来实现 ，在一定 要求 范围内， 就不用改变 线速度及惯量。 正是应为有这些特点及便于设计制造才使得链式刀库得到了很大程度的运用。 一 般链式刀库 刀具数量在 30~120。 图 链式刀库的形式 本文所设计的刀库 由于是使用在小 型加工中心上，所以采用的是圆盘刀库的结构形式，以下是介绍本设计的结构组成与传动过程。 换刀过程 在介绍刀库结构之前，先了解一下换刀过程。 刀库位于立柱左侧，其中刀库的安装 轴线 方向 和主轴线相垂直。 换刀的时候应该先将刀具的位置与主轴轴线平行。 等加工完成后主 轴回到换刀点时，就可以自动换刀 ，如图 所示。 （ 1）刀套下翻 换刀前，刀库 2 转动，将待换刀具 5 送到换刀位置。 换刀时，带有刀具 5 的刀套 4 下翻 90176。 ，使刀具轴线与主轴轴线平行。 （ 2）机械手抓刀 机械 手 1 由原来位置按照顺时针旋转 90 度，等到 两手爪分别抓住 主轴上的刀具和刀库下翻的刀具。 （ 3）刀具松开 主轴内的刀具 接受到传感器信号使得 自动夹紧机构松开刀具。 （ 4）机械手拔刀 机械手下降， 下降的 同时 可以同一时刻 拔出两把刀具。 （ 5）刀具位置交换 机械手抓着 两把刀具 按照 逆时针旋转 180176。 ， 完成 交换两把刀具位置。 （ 6）机械手插刀 机械手上升， 上升到特定位置时就 把刀具插入主轴锥孔和刀套中。 （ 7）刀具夹紧 主轴内 的刀具自动夹紧机构加紧刀具。 图 换到过程示意图 1— 机械手 2— 刀库 3— 主轴 4— 刀套 5— 刀具 （ 8）液压缸活塞复位 驱动机械手 按照 逆时针旋转 180度 的液压缸活塞 回到原始位置。 （ 9）机械手松刀 机械手 1 逆时针旋转 90 度 ，松开刀具 并 回到原始位置。 （ 10）刀套上翻 刀套带着刀具上翻 90176。 刀库的结构与传动 （ 1）刀库的结构组成 如图 所示， 为盘式刀库结构示意图。 它的组成部件有电动 机 和 蜗杆蜗轮、刀盘、刀套、液压缸、及拨叉。 它的 具体机构，如图 所示。 （ 2）刀库的选刀过程 首先由数控系统发出了换刀的信号 ， 通过 直流伺服电动机 1 再 经联轴器 2 及 蜗杆 蜗轮 4 来 带动刀盘 12 和安装 在它 上的 16 个刀套 11 旋转相应角度， 以实现 选刀的过程。 7 （ 3）刀套翻转过程 等到所需刀具到达了换刀位置的时候 ，刀套尾部的滚子 10 就会 转入拨叉 8 的槽内。 这是， 在 液压缸 5 的下腔注 入液压油 后 ，活塞 就会推动 拨叉上升， 此时就会自动松开行程开关 7，来断开相应电路，防止刀库、主轴 发生意外。 随着 拨叉上升， 连 带动刀套下翻90176。 ， 以使得主轴轴线 与 刀具轴线 平行， 这时行 程开关 6，发出信号使机械手抓 住 刀。 相 反，拨叉下降 后 ， 就会 带动刀套上翻 90176。 图 1— 电动机 2— 联轴器 3— 蜗杆 4— 蜗轮 5— 液压缸 7— 行程开关 8— 拨叉 9— 挡标 10— 滚子 11— 刀套 12— 刀盘 图 刀库结构图 4— 蜗杆 11— 液压缸 12— 活塞杆 16— 拨叉 40— 销轴 49— 滚子 17— 刀套 55— 蜗轮 56— 行程开关 第 2 章 刀库驱动电动机的选定 刀库的驱动大多都是用伺服电机或者是液动电机 ， 由于 我国加工中心 大多 都 采用 伺服电机驱动 的 方式， 所以 在本 论文 设计中也用伺服电动机来 作为 驱动。 按负载转矩选 施加在 伺服电动机轴上的负载转矩 LT 应比电动机额定连续转矩 ST 小。 由于盘式刀库的负载转矩 1T 主要来自刀具重量的不平衡 ，其计算方法如下： 假设 将三把最重刀具 摆放 在一起，按加工中心规格规定的最大刀具重量 maxW 计算， 并且使得 其重心则设定为离刀库回转中心半径处。 设刀库半径为 300mm，刀具最大重量为 8kg。 所以 1 8 9 . 8 / 3 0 0 2 3 . 5 2T k g N k g m m N m m    通过公式把上面的负载转矩转化为电机主轴上的转矩 LT 式中： i —— 传动比； —— 传动效率。 本设计中，为了降低传动速度，所以传动比定为 =20i。 传动效率为： 式中： 1 —— 联轴器的传动功率； 2 —— 蜗杆的传动功率； 3 —— 轴承的传动功率。 考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂，电机额定转矩 ST 应为负载转矩的 ~ 倍，亦即： 1 1. 68 .20 0. 69 9L TT N m mi   9 按加速时的最大转矩选 加速时的最大转矩 T ,包括加速转矩 aT 和负载转矩 LT ，即： 加速转矩 aT 按下式计算： 式中： mn —— 刀库选刀时的电动机转速 ( /min)r ； at —— 加速时间，通常取 150~200（ ms）； mJ —— 电动机转子惯量； LJ —— 负载惯量折算到电动机轴上的惯量。 设计中，初选 ， ， ，。 + 加速时的最大转矩 T 应小于电机的最大转矩 maxT ，即： 校验 20 016 . .LJ N M S=. . .MJ N M S= 因为 所以该结果满足条件。 根据以上计算结果，所选电机型号如下： 2 ( ) ( )60a m LanmT J J N mt   表 所选电机型号 型 号 输入功率 ()Pkw 额定转矩 ST （ NS） 最大转矩maxT ()Nm 最高转速 max( / min)nr 转子惯量 2()mJ N ms FB25 309 1000 分配传动比 在前一章中以介绍为了降低传动的速度，传动比选为 20. 各轴转速 Ⅰ轴 12= =10 00 r/m innn Ⅱ轴 各轴的输入功率 Ⅰ轴 Ⅱ轴 各轴的输入转矩 电动机的输入转矩 dT 为 : 故 : Ⅰ轴 Ⅱ轴 表 分配传动比 轴名 功率 ()Pkw 转矩 T（ Nmm） 转速 ( /min)nr 传动比 i 效率  电机轴 23875 1000 1 Ⅰ轴 1000 20 Ⅱ轴 50 20 111000= = = 5 0 r/m in20nn i 11 第 3章 刀库传动机构的设计 刀套线速度影响选刀效率，但是过快的线速度又影响刀库工作可靠性。 一般推荐为22~30m/min，在本次设计中，刀套线速度初定为 25m/min。 为了能 够让伺服电机能保持最好的工作性能 ， 大多数情况下都是不采用低速段的伺服电机。 这就 使得必须 要采用蜗轮减速装置了。 以下为蜗杆传动的设计计算： 蜗杆 材料一般都是 采用 45钢，表面硬度 45HRC， 砂型铸造， 蜗杆材料采用 ZCuSn10P1，计算步骤如下： 计算项目 计算内容 计算结果 （一）初选【 1/da】值 当量摩擦系数 设 = 4 / ~ 7 /sv m s m s，查《机械设计》 表 ，取大值； 选【 1/da】值 在《机械设计》图 的 20i= 线上 任选一点，查得 ， （传动啮合效率）。 （二）中心距计算 蜗轮转矩 使用系数 按题意查《机械设计》表 转速系数 弹性系数 由《机械设计》查表 得 第四章 传动轴的设计 寿命系数 接触系数 由《机械设计》图 Ⅰ线查出 接触疲劳极限 由《机械设计》表 得 lim 265H MPas = 接触疲劳最小安全系数 由《机械设计手册》查得 = 中心距 2l im3 2l im()EHAn h HZ Z Sa k T ZZ   23 1 4 7 2 . 8 5 1 . 31 . 1 4 1 5 9 9 8 ( )0 . 7 2 1 . 1 3 2 6 51 4 2 . 9    取 160a mm= 中心距 可以通过 由《机械设计手册第三册》 的 23211 表 2554（ GB1008588）选取而得。 （三）传动基本尺寸 蜗杆头数 由《机械设计》图 查得 113 , 2zg=? ，也可用式 计算 1 ( 7 2 .4 ) /z a u=+ (7 2 .4 1 6 0 ) / 2 01 .8 6=+= 取 1 2z = 蜗轮系数 2 2 2 1 6 0 6 . 3 1 04 0 . 7 96 . 3a m qz m      取 2 41z = 模数 2( ~ ) /m a z= (1. 4 ~ 1. 7 ) 16 0 / 415. 4 ~ 6. 63 取 = 蜗杆分度圆直径 11[ / ]d d a a= 0 . 3 5 5 1 6 0 5 6 . 8或=? = 0 . 8 7 50 . 6 8 1 6 0 5 7 . 6 9  取 标 准 值 （ 《 机 械 设 计 》 表 ） 取 1 63d mm=。