【正文】 be matched with the tool changing manipulator needs in NC program under the control of flexible implementation tool changing process every time new knife only needs to input the corresponding tool change signal can be. The analysis and control on the basis of the requirements, designs the corresponding control procedure. The control program includes: establish the library image, recording request tool number, the rotation of the turntable direction judgment and to determine the turntable is reversed, to send pulses to control the cutter disc to rotate in place, lights and tool change indicator display parts, good program structure, readability is strong, operation efficiency is high,which can meet the practical requirements. Key words: MC , ATC ， tool magazine ， PLC ， tool exchange at random?Hydraulic transmission 東華理工大學長江學院（論文） 東華理工大學長江學院（論文） 4 緒 論 國內外數(shù)控機床的發(fā)展情況 隨著數(shù)控技術的發(fā)展，帶有自動換刀系統(tǒng)的加工中心在現(xiàn)代制造起著愈來愈重要的作用，他能縮短產品的制造周期，提高產品的加工精度，適合柔性加工。通過分析刀庫的自動換刀的過程，使刀庫在加工中心上能配合換刀機械手的需要 —— 能在數(shù)控程序的控制下靈活的實現(xiàn)換刀過程每次換新刀只需輸入相應換刀號信號即可。 自動換刀裝置應當滿足換刀時間短、刀具存儲量足夠、刀具的安置空間小以及安全可靠等基本要求。 東華理工大學長江學院（論文） 東華理工大學長江學院（論文） 東華理工大學長江學院 畢 業(yè) 設 計 題 目 加工中心智能換刀系統(tǒng)設計 學生姓名： 翁 志 義 學 號： 09312124 專 業(yè)： 自動化 系 別： 機械與電子工程系 指導教師： 職稱： 講師 二零一三年六 月 東華理工大學長江學院（論文） 東華理工大學長江學院（論文） 2 摘 要 關鍵詞 ： ? 加工中心 ATC?刀庫 ?PLC?自動選刀 ?液壓傳動 機床的發(fā)展與應用 ,大大降低了零件加工的輔助時間 ,極大的提高了 生產率。加工中心的關鍵在于 CNC 對刀庫的自動選刀和刀庫、機械手與主軸間的自動換刀 ,加工中心出現(xiàn)故障 80%都在上述方面本課題就是針對現(xiàn)有的自動換刀裝置進一步減少換刀時間 ,利用 PLC 對刀庫的選刀控制和 刀庫 、 機械手與主軸間的自動換刀控制以及刀庫精確定位。 在分析控制要求的基礎上，設計出相應控制程序。自動換刀系統(tǒng)一般由刀庫，機械手和驅動裝置組成。完成此功能的機構包括送刀臂、擺刀站和換刀臂、總稱為機械手。由于數(shù)控加工中心的刀庫容量、換刀可靠性及換刀速度直接影響到加工中心的效率，而自動換刀就是進一步壓縮非切削時間，提 高生產效率，改善勞動條件。中國加入 WTO后，正式參與世界市場激烈競爭，今后如何加強機床工業(yè)實力、加速數(shù)控機床產業(yè)發(fā)展，實是緊迫而又艱巨的任務。T公司研制出帶 ATC（自 東華理工大學長江學院（論文） 東華理工大學長江學院（論文） 5 動刀具交換裝置）的加工中心。在 1958~1979年間為第一階段，從 1979 年至今未第二階段。在 20 余年間，數(shù)控機床的設計和制造技術有較大提高，主要表現(xiàn)在三大方面：培訓額一批設計、制造使用和維護的人才；通過合作生產先進數(shù)控機床，使設計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進技術的差距；通過利用國外先進零部件，數(shù)控系統(tǒng)配套，開始能自行設計及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動加工的數(shù)控機床，供應國內市場需求，但對關鍵技術的實驗、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。高速、高精度加工技術可極大地提高效率，提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭力。 2. 復合化 東華理工大學長江學院（論文） 東華理工大學長江學院（論文） 6 數(shù)控機床的功能復合化的發(fā)展以其復合加工實現(xiàn)了一次裝夾后完成各種復雜零件的全部加工，從而減少了不創(chuàng)造價值的輔助時間，提高了機床的效率和加工精度，降低了生產制造成本，提高了生產的 柔性。 可編程控制技術的現(xiàn)狀及發(fā)展狀況 可編程控制器的特點 可編程控制器，簡稱 PLC（ Programmable logic controller），是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。 PLC之所以高速發(fā)展除了工業(yè)自動化的客觀需求外，還有許多獨特的優(yōu)點。與相同功能的繼電器控制系統(tǒng)相比，具有很高的性能價格比， PLC可以通過通信聯(lián)網，實現(xiàn)分散控制，集中管理。 硬件配置確定后，可以通過修改用戶程序，方便快速地適應工藝條件的變化。 PLC采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，可以直接用于有強烈干擾的工業(yè)生產現(xiàn)場， PLC已被廣大用戶公認為最可靠的工業(yè)控制設備之一。對于復雜的控制系統(tǒng)，設計 梯形圖的時間比設計相同功能的繼電器控制系統(tǒng)電路圖的時間要少很多。 PLC 或外部的輸入裝置和執(zhí)行機構發(fā)生故障時，可以根據(jù) PLC上的發(fā)光二極管或編程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更換模式的方法可以迅速的排 除故障。數(shù)字量邏輯控制可以用于單臺設備，也可以用于自動生產線，其應用領域已遍及各行各業(yè)，甚至深入到家庭。 PLC 通過模擬量I/O模塊，實現(xiàn)模擬量（ Analog）和數(shù)字量（ Digital）之間的 A/D轉換，并對模擬量實行閉環(huán) PID（比例 積分 微分）控制。這些數(shù)據(jù)可以與儲存在存儲器中的參考值進行比較，也可以用通信功能傳送到別的智能裝置，或者將他們打印制表。 1 體積小型化。 PLC的性能主要包括 CPU性能與 I/O性能兩大方面。某些 PLC的過程控制還具有自適應，參數(shù)自整 定功能，使調試時間減少，控制精度提高。這樣， PLC與個人計算機，工業(yè)控制計算機，集散控制系統(tǒng)在功能和應用方面互相滲透，使控制系統(tǒng)的性能價格比不斷提高。刀具夾持元件的結構特性及它與機床主軸的聯(lián)絡方式，將直接影響機床的加工性能。 東華理工大學長江學院（論文） 東華理工大學長江學院（論文） 11 第二章 機械手的自動換刀裝置研究 加工中心要完成對工件的多工序加工，必須要在加工過程中自動更換刀具，為完成這項工作而設置的儲存及更換刀具的系統(tǒng)統(tǒng)稱為自動換刀系統(tǒng)。獨立的 刀庫大大增加了刀具的儲存數(shù)量，有利于擴大機床的功能，并能較好地減少各種影響加工精度的干擾。 刀庫中刀具的數(shù)目可根據(jù)工藝要求與機床的結 構布局而定，數(shù)量可較多。 機床的主軸或刀架的尺寸不象刀塔那樣的受限制，這樣就有可能提高主軸或刀架的剛度。 “自動換刀過程時間”包括下述動作的 時間：一個工序加工完畢后，刀具快速退離工件，從加工位置退到換刀位置（同時主軸準停）；進行新舊刀具的交換；然后松開主軸（消除準停）、變速、主軸啟動旋轉并快速趨近加工位置，用更新的新刀具開始下一工序的加工。這種“換刀時間”有的已降低至 ，一般約為 5秒。 東華理工大學長江學院（論文） 東華理工大學長江學院（論文） 13 導向輪（張緊輪）回零撞塊 回 零開關（左右可移動） 導向輪主動鏈輪鏈條刀套圖 2— 2 方形鏈式刀庫示意圖 導向輪一般做成光輪，圓周表面硬化處理。刀 庫回零時，只能從一個方向回零，至于是順時針回轉回零，還是逆時針回轉回零，可由機電設計人員商定。刀位盤上的每個定位槽（或定位孔），對應于一個相應的刀套，而且定位槽（或定位孔）的節(jié)距要一致。消除反向間隙方法有以下幾種：電氣系統(tǒng)自動補償方式，在鏈輪軸上安裝編碼器，單頭雙導程蝸桿傳動方式，使刀套單方向運行、單方向定位以及使刀套雙向運行、單向定位方式等。 盤式刀庫 在盤式刀庫結構中，刀具可以沿主軸徑向、軸向、斜向安放，如圖 2— 3（ a）、（ b）、（ c）。在刀庫容量較大時，也有安裝在單獨的地 基上的，以隔離刀庫轉動造成的振動。 （ a） （ b） （ c） 其他的刀庫形式還有格子盒式刀庫，由于篇幅的限制這里就不再詳細介紹了。由于加工中心機床的刀庫和主軸，其相對位置距離不同，相應的換刀機械手的運動過程也不盡相同，它們由各種形式的機械手來完成。之后有同時將刀具歸回刀庫及裝入主軸，是目前加工中心機床上最為常用的一種形式，換刀時間要比前兩種都短，如圖 2— 6所示： 東華理工大學長江學院（論文） 東華理工大學長江學院（論文） 17 圖 2— 6 雙臂回轉式機械手 這種機械手在有的設計中還采用了可伸縮的手臂，如圖 2— 7所示： 圖 2— 7 雙臂回轉式機械手（手臂可伸縮式） 雙機械手 這種機械手相當與兩個單臂單爪機械手，相互配合起來進行自動換刀。整個機械手可沿導軌或絲杠作直線移動或繞某個轉軸回轉，以實現(xiàn)刀庫與主軸之間的運送刀具工作，如圖 2— 9所示： 東華理工大學長江學院（論文） 東華理工大學長江學院（論文） 19 圖 2— 9 雙臂往復交叉式機械手 雙臂端面夾緊式機械手 這種機械手只是在夾緊部位上和前幾種不同，上述幾種機械手均靠夾緊刀柄的外圓表面來抓住刀具，而此種機械手則是夾緊刀柄的兩個端面 ，如圖 2— 10所示： 圖 2— 10 雙臂端面夾緊式機械手 由于雙臂回轉式機械手的動作比較簡單，而且能夠同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫上的刀具，換刀時間較短，故我們選用雙臂回轉式機械手。 自動換刀裝置是指能夠自動完成主軸與刀具儲存位置之間刀具交換的裝置。當?shù)稁烊萘看髸r，常遠離主軸配置且整體移動不易，這就需要在主軸和刀庫之間配置換刀機構來執(zhí)行換刀動作。 ATC 的組成 刀庫 1. 刀庫的功能 刀庫的作用是儲備一定數(shù)量的刀具，機械手實現(xiàn)主軸上刀具的互換。每次換刀時，刀庫順序轉動一個刀座位置，并取出所需要的刀具，已經使用過的刀具可以放回原來的刀座內，也可以順序放入下一個刀座內。刀具編碼選刀方式 采用了一種特殊的刀柄結構，并對每把刀具編碼。這樣刀具就可以任意取出并送回。刀庫的容量、旋轉速度、加 /減速時間等均可在系統(tǒng)參數(shù)中設定，此種方式不受外界因素影響定位準確、可靠但成本較高。但使用一段時間后可能胡因為油質、油壓、油溫及環(huán)境因素的變化而影響運動速度和準確性。 東華理工大學長江學院（論文） 東華理工大學長江學院（論文） 22 2. 機械手的機械動作 機械動作一般包含：拐臂旋轉、手臂伸縮、手臂 18