【正文】 rctan111 ??? 蝸桿齒形角為 20176。平時(shí)，由彈簧將滾子銷壓在刀套的凹槽中，使刀座定位在水平位置。后刀具不會(huì)下落。 易操作性 PLC 有較高的易操作性，它具有編程簡(jiǎn)單，操作方便，維修容易等特點(diǎn)，一般不容易發(fā)生操作的錯(cuò)誤。機(jī)械手移動(dòng)刀具通過(guò) PLC 平控制，可以實(shí)現(xiàn)這 6 個(gè)過(guò)程全自動(dòng)依次運(yùn)行。 ④ 機(jī)械手開始向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到最上端。正常停車時(shí)，要求機(jī)械手回到初始位置時(shí)才能停車。在已度過(guò)的 三年 的時(shí)間里我們大多數(shù)接觸的是專業(yè)基礎(chǔ)課。 課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，許多計(jì)算有時(shí)不免令我感到有些心煩意亂：有2 次因?yàn)椴恍⌒奈矣?jì)算出錯(cuò)，只能毫不情意地重來(lái) 。 論文密級(jí)： □ 公開 □ 保密 （ ___年 __月至 __年 __月） (保密的學(xué)位 論文在解密后應(yīng)遵守此協(xié)議 ) 44 作者簽名： _______ 導(dǎo)師簽名： _______ _______年 _____月 _____日 _______年 _____月 _____日 45 獨(dú) 創(chuàng) 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )，是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)大概持續(xù)了半年，現(xiàn)在終于到結(jié)尾了。再次對(duì)周巍老師表示衷心的感謝。沒(méi)有他們的幫助，我將無(wú)法順利完成這次設(shè)計(jì)。 作者簽名 : 二〇 一 〇年 九 月二十 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用授權(quán)聲明 本人完全了解 濱州學(xué)院 關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定。盡我所知，除文中已經(jīng)特別注明引用的內(nèi)容和致謝的地方外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果。我們是工程師，一切都要有據(jù)可依 .有 理可尋，不切實(shí)際的構(gòu)想永遠(yuǎn)只能是構(gòu)想，永遠(yuǎn)無(wú)法升級(jí)為設(shè)計(jì)。當(dāng)我快要完成老師下達(dá)給我的任務(wù)的時(shí)候，我仿佛經(jīng)過(guò)了一次翻山越嶺，登上了高山之顛，頓感心曠神怡，眼前豁然開 朗。 ⑧ 運(yùn)行到最低位置后，機(jī)械手把工件松開，一直到放松限位開關(guān)檢測(cè)到 信號(hào)。 ③ 右移完成后，機(jī)械手開始左轉(zhuǎn)，至此，復(fù)位工作完成。編程方法的多樣性使編程簡(jiǎn)單、應(yīng)用而拓展。 圖 34 刀套結(jié)構(gòu)圖 28 第 4 章 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械手控制系統(tǒng) PLC 的選擇 在系統(tǒng)控制器的選擇上可以有多種方案，目前在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中主要有三種：?jiǎn)纹瑱C(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器（ PLC）。氣缸 28 的活塞桿帶動(dòng)撥叉 59 上升，由剖視圖中可以看到，最下面的一個(gè)刀套右尾部的滾子正好進(jìn)入撥叉 59 的缺口。這樣刀具可以任意存取，無(wú)需編碼元件，這種刀具任選方式使換刀控制大為簡(jiǎn)化?？芍短追胖冒霃綖?85 ??? ?Rmm，圓整為 245mm。整個(gè)換刀過(guò)程時(shí)間大約為4 秒。因此， 23 可在主軸上安裝電氣控制的主軸準(zhǔn)停裝置以實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)停功能。交換刀具位置， 6)將更換后的刀具裝入主軸和刀庫(kù) 7)分別夾緊主軸和刀庫(kù)上的刀具 8)機(jī)械手松開主軸和刀庫(kù)上的刀具 9)當(dāng)機(jī)械手松開具后，限位開關(guān)發(fā)出“換刀完畢”的信號(hào)，主軸自由，可以開始加工或其他程序動(dòng)作。在活動(dòng)爪中有兩個(gè)銷子，當(dāng)夾緊刀具時(shí)，插 入刀柄凸緣的孔內(nèi)，確保安全、可靠。角，安裝在殼體上，有手臂托，可由液壓缸帶動(dòng)（圖中未標(biāo)出），機(jī)械手有伸縮、回轉(zhuǎn)、抓刀、松刀等動(dòng)作。 這種機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是換刀動(dòng)作可靠，換好時(shí)間短，缺點(diǎn)是刀柄精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聯(lián)機(jī)調(diào)整的相關(guān)精度要求高，機(jī)械手離加工區(qū)較近。由 LTCNC1000數(shù)控立式升降臺(tái)銑床的結(jié)構(gòu)特性決定難以實(shí)現(xiàn)由刀庫(kù)與機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具交換，故采用機(jī)械手交換刀具的方式。 由機(jī)械手進(jìn)行刀具交換 由于刀庫(kù)及刀具交換方式不同，換刀機(jī)械手種類繁多。 交換裝置的形式很多，一般可分為兩大類。刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)后，測(cè)得刀庫(kù)的實(shí)際位置與要求的刀庫(kù)目標(biāo)位置一致時(shí)，即識(shí)別了所要尋找的新刀具。當(dāng)?shù)稁?kù)旋轉(zhuǎn)，每個(gè)刀座通過(guò)換刀位置 (基準(zhǔn)位置 )時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)送至 PC，作為計(jì)數(shù)脈沖。刀座固定位置編號(hào)為方框內(nèi) 1 號(hào) — 8 號(hào)， 0為主軸刀位置號(hào)，由于刀具本身不附帶編碼環(huán)，故刀具編號(hào)可任意沒(méi)定，如圖 2— 10 中 (10)— (18)的刀號(hào)。選刀時(shí)，數(shù)控指令 T所指的刀具在刀具識(shí)別位置出現(xiàn)圖形時(shí)，便與記憶裝置中的圖形進(jìn)行比較，選中時(shí)發(fā)出選刀符合信號(hào)，刀具便停在換刀位置上。用靠近的兩束光導(dǎo)纖維來(lái)閱 14 讀二進(jìn)制碼的一位時(shí)，其中一束將光源投射到能反光或不能反光 (被涂黑 )的金屬表面，另一束光導(dǎo)纖維將反射光送至光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以判斷正對(duì)這兩束光導(dǎo)纖維的金屬表面有無(wú)反射光，有反射時(shí) (表面光亮 )為“ 1”，無(wú)反射時(shí) (表面涂黑 )為“ 0”．如圖 28 (b)所示。利用感應(yīng)電壓的強(qiáng)弱，就能識(shí)別刀具的號(hào)碼。 (2)非接觸式刀具識(shí)別裝置 非接觸式刀具識(shí)別裝置無(wú)機(jī)械接觸、無(wú)磨損、無(wú)噪聲、壽命長(zhǎng)、反應(yīng)速度快，適應(yīng)于高速且換刀頻繁的工作場(chǎng)合。這樣刀具可以任意取、存，無(wú)需編碼元件，這種刀具任選 12 方式使換刀控制大為簡(jiǎn)化。其缺點(diǎn)是使刀具長(zhǎng)度增加，制造田難，剛度降低，同時(shí)使機(jī)械手和刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)也復(fù)雜化。鑰匙沿著水平方向的鑰匙縫插人鑰匙孔座，然后順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn) 90176。當(dāng)某把刀具的代碼與數(shù)控指令的代碼相符合時(shí)，該把刀具被選中，刀庫(kù)將選中的刀具送至換刀位置，等待機(jī)械手來(lái)抓取。從刀庫(kù)中選擇刀具通常采用下述方式： （ 1）順序選擇方式 順序選擇方式是按零件加工的預(yù)定工序要求依次將所用刀具存入刀庫(kù)的刀座中，使用時(shí)按順序?qū)⑵滢D(zhuǎn)到取刀位置。 鏈?zhǔn)降稁?kù) 此刀庫(kù)結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫(kù)容量較大，鏈環(huán)的形狀可根據(jù)機(jī)床的布局制成各種形狀，也可將換刀位突出以便于換刀，能充分利用機(jī)床的占地空間，通常為軸向取刀，位置精度 較低，造價(jià)也較高。 在使用立式數(shù)控銑床加工工件時(shí)，只要充分利用數(shù)控銑床的各種功能，就可以加工許多普通 銑床難加工的工件。 加工精度 主軸錐孔 BT40 刀具最大直徑 ∮ 80mm 換刀時(shí)間（刀對(duì)刀） 4 秒 最大進(jìn)給速度 5000m/min 確定其自動(dòng)換刀裝置的形式 由于 LTCNC1000 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床是一種使用范圍較廣的機(jī)床，且其可加工零件的精度要求也較高，比較上章介紹的幾種換刀形式，決 定選用帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀形式。不同的機(jī)床其變速功能與范圍也不同。 2 ） 工作臺(tái)縱、橫向移動(dòng)，主軸升降。 未來(lái)加工中心的發(fā)展動(dòng)向是高速化、進(jìn)一步提高精度和愈發(fā)完善的機(jī)能。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。Trecker）公司首次把銑、鉆、鏜等多種工序集中于一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上，通過(guò)換刀方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，成為世界上第一臺(tái)加工中心 。 立式數(shù)控銑床 立式數(shù)控銑床的主軸軸線與工作臺(tái)面垂直，是數(shù)控銑床中最常見(jiàn)的一種布局形式。特殊功能是指數(shù)控銑床在增加了某些特殊裝置或附件后，分別具有或兼?zhèn)涞囊恍┨厥夤δ堋? 6 第 2章 方案設(shè)計(jì) 課題內(nèi)容 依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，我們的任務(wù)是給數(shù)控立式銑床設(shè)計(jì)安裝合適的自動(dòng)換刀裝置，以力濤 CNC1000 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床為例。加工中心上所需更換的刀具較多，從十幾把到幾十把．甚至上百把，故通常采用刀庫(kù)形式，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，自動(dòng)換刀裝置種類繁多。目前常見(jiàn)的刀庫(kù)類型如下： 盤式刀庫(kù) 此刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多。 直線式刀庫(kù) 刀庫(kù)容量少，一般在十幾把左右，多用于自動(dòng)換刀數(shù)控車床，鉆床上也有采用。另外，在裝刀時(shí)必要認(rèn)真謹(jǐn)慎對(duì)號(hào)入座，否則將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。刀座編碼又分永久性編碼和臨時(shí)性編碼，前者刀座號(hào)是固定不變的；后者又稱編碼鑰匙，即采用一種專用的編碼鑰匙”這種入法是按加工順序要求事先給各刀具都縛上一“把表示法刀具號(hào)的編碼鑰匙，當(dāng)把各刀具存放到刀庫(kù)的刀座中時(shí)，將編碼鑰匙插進(jìn)刀座旁邊的鑰匙孔中。這樣刀庫(kù)中的刀具在不同的工序中也就可重復(fù)使用，用過(guò)的刀具也 不一定放回原刀座中。 以上選刀方式都結(jié)換刀系統(tǒng)帶來(lái)很多不便，所以近年來(lái)在加工中心應(yīng)用得很少。每個(gè)觸針連一個(gè)繼電器，當(dāng)大直徑的編碼環(huán)與觸針接觸，繼電器通電，其數(shù)碼為“ 1”。圖中刀柄 1 上裝有非導(dǎo)磁材料編碼環(huán) 4 和導(dǎo)磁材料編碼 環(huán) 與編碼環(huán)對(duì)應(yīng)的有一組檢測(cè)線圈 6 組成非接觸式識(shí)別裝置3。圖中延時(shí)清零電路用來(lái)等待識(shí)刀器讀完一個(gè)編碼號(hào)后再進(jìn)行比較識(shí)別，以免因讀出信號(hào)時(shí)間上的不一致造成失誤。光導(dǎo)纖維可任意彎曲，這給機(jī)械設(shè)計(jì)、光源及光電轉(zhuǎn)換元件的安裝都帶來(lái)很大的方便。隨機(jī)換刀控制方式需要在 Pc 內(nèi)部設(shè)量一個(gè)模擬刀庫(kù)的數(shù)據(jù)表，其長(zhǎng)度和表內(nèi)設(shè)置的數(shù)據(jù)與刀庫(kù)的位置數(shù)和刀具號(hào)相對(duì)應(yīng)。圖中刀號(hào)表首地址 TAB 單元固定存放主軸上的刀具號(hào)數(shù)， TAB+1— TAR+8 存放刀庫(kù)上的刀具號(hào)。目前小型數(shù)控銑床一般采用這種方式 。與此同時(shí)，應(yīng)通過(guò)軟件修改 PC 內(nèi)部的刀號(hào)數(shù)據(jù)表，使相應(yīng)的刀號(hào)表單元中的刀號(hào)與交換后的刀號(hào)相對(duì)應(yīng)。圓盤式刀庫(kù)可設(shè)在立柱頂上、立柱主軸箱的側(cè)面，也可以設(shè)在橫梁一 18 端。無(wú)機(jī)械手交換 刀具方式：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，換刀的可靠性較高；刀庫(kù)因結(jié)構(gòu)所限容量不多。的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手； 圖 31 機(jī)械手臂和手爪 2)兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手 3)兩手平行的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手； 4)雙手交叉式機(jī)械手； 20 由于不同的數(shù)控機(jī)床（加工中心）的刀庫(kù)與主軸的相對(duì)位置不同。的斜殼體組成。 抓刀、松刀動(dòng)作：機(jī)械手對(duì)刀具的夾緊和松開是通過(guò)液壓缸。 2)機(jī)械手抓住主軸和刀庫(kù)上的刀具。同時(shí)，由于工藝上的需要，也必須使主軸準(zhǔn)停在固定位置上。 確定刀庫(kù)形式 刀庫(kù)容量為 20,容量不大，并且用于小型立式加工中心，因此決定采用盤式刀庫(kù)。 刀庫(kù)加速扭矩JT的計(jì)算 mNJJtnT mJmJ ??? )(602 1? 式中 mn刀庫(kù)選刀時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（ r/min）； 24 Jt加速時(shí)間，通常取 150~200ms； m電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量（2mkg?），可查樣本； 1負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量（2mkg?） （ a）刀具插滿圓盤的半個(gè)圓 （ b）三把最重的刀具插在一起 圖 33 刀庫(kù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出扭矩DT計(jì)算 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩 應(yīng)同時(shí)滿足刀庫(kù)負(fù)載扭矩FT和加速扭矩JT之和，將以上計(jì)算的刀庫(kù)負(fù)載扭矩和加速扭矩轉(zhuǎn) 換為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸上的輸出扭矩 的公式為mNi TT JFD ??? ? 式中 i電動(dòng)機(jī)軸至刀庫(kù)軸的速比； ?傳動(dòng)效率。 蝸桿軸向齒距積累誤差pxLf= 蝸桿軸向齒距極限偏差px=177。由于主軸是立式的，故應(yīng)將處于刀庫(kù)刀盤最下位置的刀套旋轉(zhuǎn) 90176。刀套頂部的滾子用以在刀套處于水平位置時(shí)支撐刀套。 PLC 是為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制而專門設(shè)計(jì)的控制裝置，它具有比通用計(jì)算機(jī)控制更簡(jiǎn)單的編程語(yǔ)言和更可靠的硬件。如下圖所示單個(gè)工作流程示意圖： 30 圖 42 自動(dòng)控制原理圖 31 機(jī)械手自動(dòng)換刀系統(tǒng)的原理 該控制系統(tǒng)的基本控制原理如下： (1)按下啟 動(dòng)按鈕，系統(tǒng)進(jìn)行自檢查機(jī)械是否在初始位置，不是的話先進(jìn)行復(fù)位工作，然后進(jìn)行正式工作。 ⑤ 上移后，機(jī)械手開始右移。急停時(shí)，切斷所有電源，系統(tǒng)停止運(yùn)行。我們?cè)谡n堂上掌握的僅僅是專業(yè)基礎(chǔ)課的理論面，如何去鍛煉我們的實(shí)踐面？如何把我們所學(xué)到的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)用到實(shí)踐中去呢？我想做類似的大作業(yè)就為我們提供了良 好的實(shí)踐平臺(tái)。 但一想起周偉平教授，黃焊?jìng)タ倷z平時(shí)對(duì)我們耐心的教導(dǎo)，想到今后自己應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任，想到世界上因?yàn)槟承┘?xì)小失誤而出現(xiàn)的令世人無(wú)比震驚的事故，我不禁時(shí)刻提示自己，一定呀養(yǎng)成一種高 度負(fù)責(zé)，認(rèn)真對(duì)待的良好習(xí)慣 。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設(shè)計(jì)（論文）不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品成果。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我大學(xué)四年學(xué)習(xí)下來(lái)最好的檢驗(yàn)。 其次，我要感謝大學(xué)四年中所有的任課老師和輔導(dǎo)員在學(xué)習(xí)期間對(duì)我的嚴(yán)格要求，感謝他們對(duì)我學(xué)習(xí)上和生活上的幫助。這期間凝聚了很多人 的心血，在此我表示由衷的感謝。 本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 38 附錄 1 結(jié)構(gòu)圖紙（ A4 時(shí)放在此附錄中，其他均單獨(dú)打?。? 39 附錄 2 硬件電路圖（或 接線圖） 40 附錄 3 軟件控制程序 41 參考文