斗笠式刀库的设计.docx
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斗笠式刀库的设计
设计（论文）题目
斗笠式刀库的设计
主要
研究
内容
1、分析斗笠式刀库的工作要求并确定设计方案；
2、分析斗笠式刀库工作过程，确定机械本体及传动方案；
3、确定控制过程及电机、气缸及圆导轨的型号；
4、确定PLC型号，设计电路图，编写控制程序；
主要技
术指标
或研究
目标
1．要求刀库有8个刀位。
2．刀柄标准为BT30
3.使用槽轮机构实现分度工作，保证每次换刀位置精确，换刀时刀盘固定。
4.换刀时采用气缸推动刀库在圆导轨移动到主轴旁，以减小摩擦。
5、选定刀具快转到位时，用接近开关检测，并使电机减速，PLC实现各动作控制
基本
要求
1．能够根据课题的内容、任务，要求拟定正确设计、传动及控制方案。
2．能够正确选择元器件、完成设计要求的相应功能并调试通过。
3．能够绘制出规范标准的零件图（一套）、装配图（一套）、传动系统图（一份）、控制系统原理图（一份）等；
4．能够运用所学的知识分析解决毕业设计中的疑难问题，并结合毕业设计，巩固加强所学基础理论和专业知识；
5．能够熟练的查阅有关参考文献及资料；
6．编写计算说明书（一份）；
7．编写使用说明书（一份）。
主要参
考资料
及文献
1．教科书《机械设计基础》、《电气控制》、《液压与气压传动》、《机械设计基础课程设计指导书》《公差与配合》、《数控机床》等；
2．机械零件设计手册
3．机械传动设计手册
4．机械工程材料手册
济南铁道职业技术学院
毕业设计指导书
（高职机电一体化专业08级）
一、设计题目
斗笠式刀库的设计
二、设计目的
随着科学技术和社会的发展，对机械产品的性能、精度、质量、生产率和成本提出了越来越高的要求，数控机床的出现，开创了机械加工自动化的新纪元，不仅能提高产品的质量和生产率，降低生产成本，还能改善工人劳动条件。
一个零件往往需要多道工序完成，而单功能的数控机床只能完成单工序的加工，因此在零件生产过程中，要进行多次装卸换刀工作，不仅影响劳动效率，还降低了工件精度，加工中心和普通单功能机床的区别在于有了刀库和自动换刀装置，这样，一次装夹就可完成多到工序的加工，提高了零件精度和劳动效率。
现在加工中心上刀库种类很多，有斗笠式、圆盘式等，其中斗笠式刀库结构简单，运动集中，适合与立式加工中心。
刀库成本低，工艺要求不高，但是国内生产此类刀库的企业较少，大部分需要进口，价格相对较贵，因此本课题非常有研究价值。
三、设计的技术要求
1、斗笠式刀库主要工作过程为：
斗笠式刀库换刀时，由三步组成，第一、刀库横移装置移动到主轴箱可以到达的位置；第二，刀库分度装置进行选刀，通过精确地分度、定位，将下个工序需要的刀送到指定位置；第三，主轴上自动装卸刀机构准确取刀装刀。
具体过程为：
1）、系统接收到换刀指令。
2）、气缸推动刀库移动到主轴位置，保证当前刀位上为空，准备换刀。
3）、主轴打刀缸释放，将主轴上当前刀具放置到刀库空刀位置。
4）、刀库电机转动，接近目的刀具位置时，接近开关发送指令，电机减速，转到位置停止，准备换刀。
5）、主轴完成装刀动作。
6）、刀库气缸带动刀库返回。
一个换刀动作结束。
2、机械结构的设计
通过对加工中心刀库工作目的及工作过程的了解，设计出用横移机构、分度装置及刀盘。
3、技术参数
1、机械结构
①刀库有8刀位。
②使用槽轮机构完成分度。
③刀柄标准为BT30。
④刀库在圆导轨上滑动，以减小摩擦。
2、电器控制系统
①额定输入电压：
三相四线380v
②额定输入频率：
50Hz
③额定输入电流：
不大于60A
④三相异步电动机带动刀盘的转动
⑤接近开关检测目的刀具位置
⑥工作环境温度：
0ºC~55ºC
3、控制系统
①气缸推动刀库移动到主轴位置，打刀缸完成主轴的装刀卸刀。
②将8个刀位首先定义好刀号，如：
1号、2号……8号。
③接收到换刀指令后，刀盘只朝一个方向转动。
④工作过程由PLC控制。
四、设计过程与任务
1、熟悉设计任务书、设计指导书、设计手册，收集有关资料，了解斗笠式刀库的用途、使用要求及其驱动和控制系统。
2、分析斗笠式刀库工作流程，设计合适的传动机构及刀盘结构；并用三维CAD软件完成零件的设计和总的装配。
3、控制系统的设计：
（1）、进行工况分析，选择合理的气缸；
（2）、设计合理的控制电路。
（3）、根据控制要求及控制信号的数量，确定PLC型号；
（4）、根据工作过程绘制控制流程图。
（5）、完成梯形图的编制。
4、编写设计说明书。
五、设计进程安排
1、收集、查找资料、论证方案1周
2、机械结构设计2.5周
3、控制系统设计2.5周
4、编写说明书，答辩1.5周
六、参考资料
1．《机械设计基础》、《机械设计手册》《可编程序控制器及其应用》
2、《数控机床结构》
内容摘要------------------------------------------1
关键词--------------------------------------------1
绪论----------------------------------------------2
第一章机械结构-----------------------------------
第二章刀库检测与传感器装置-----------------------
第三章刀库控制系统-------------------------------
第四章传动系统—气压传动-------------------------
参考文献-------------------------------------------
致谢-----------------------------------------------
附表-----------------------------------------------
摘要
近年来刀库的发展已超越其为工具机配件的角色，在其特有的技术领域中发展出符合工具机高精度、高效能、高可靠度及多工复合等概念之产品。
其产品品质的优劣，关系到工具机的整体效能表现。
刀库的容量、布局，针对不同的工具机，其形式也有所不同，根据刀库的容量、外型和取刀方式可概分为以下几种：
斗笠式刀库、圆盘式刀库、链条式刀库。
自动换刀系统是CNC工具机的重要组成部分，主要是将加工所需刀具，从刀库中传送到主轴夹持机构上。
未来工具机产业的发展，均以追求高速、高精度、高效率为目标。
随着切削速度的提高，切削时间的不断缩短，对换刀时间的要求也在逐步提高；换刀的速度已成为高等级工具机的一项重要指标。
本设计主要是对斗笠式刀库（刀柄标准BT30-8）的设计。
斗笠式刀库结构简单，运动集中，适合立式加工中心。
刀库成本低，工艺要求不高，但是国内生产此类刀库的企业较少，大部分需要进口，价格相对较高，因此斗笠式刀库的研究具有重大意义。
关键词
横移机构、分度装置、刀盘、加工中心、刀库换刀、自动装卸、运动过程、刀库容量，换刀点、槽轮机构、槽数、电机驱动、刀库。
绪论
一斗笠式刀库的发展趋势
随着科学技术的不断发展进步和社会的快速发展，人们对机械产品的性能、精度、质量、生产率和生产成本提出了越来越高的要求，数控机床的出现，开创了机械加工自动化的新纪元，不仅提高了产品的质量和生产率，降低了生产成本，改变了劳动条件。
一个零件往往需要多道工序完成，而单功能的数控机床只能完成单工序的加工，因此在零件生产过程中，要进行多次装卸换刀工作，不仅影响劳动效率，还降低了工件精度，加工中心和普通单功能机床的区别在于有了刀库和自动换刀装置，这样，一次装夹就可以完成多道工序的加工，提高了零件精度和劳动效率。
现在加工中心上刀库种类很多，有斗笠式刀库、盘式刀库、链式刀库等，其中斗笠式刀库结构简单，运动集中，适合于立式加工中心。
刀库成本低，工艺要求不高，但国内生产此类刀库的企业较少，大部分需要进口，价格相对较贵，因此对斗笠式刀库的设计具有重大的意义，并且在以后的发展中，斗笠式刀库必将会占有极其重大的地位。
二斗笠式刀库设计的基本要求
斗笠式刀库换刀时要有三步组成。
第一，刀库横移装置移动到主轴箱可以达到的位置；第二刀库分度装置进行选刀，通过精确的分度、定位，将下个工序需要的刀送到指定位置；第三，主轴上的自动装卸刀机构准确取刀装刀。
具体过程：
（1）系统接到换刀指令。
（2）气缸推动刀库移动到主轴位置，保证当前刀位为空，准备换刀。
（3）主轴打刀缸释放，将主轴上当前道具放置到刀库空位上。
（4）刀库电动机转动，接近目的刀位时，接近开关发送指令，电机减速，转到位置停止，准备换刀。
（5）主轴完成换刀动作。
（6）刀库汽缸带动刀库返回，一个换刀动作结束。
三确定斗笠式刀库的设计方案
1、在斗笠式刀库工作过程的基础上，确定机械本体及传动，利用三维CAD软件进行刀库的设计及装配；
2、确定控制过程及电机、气缸；
3、完成PLC控制系统，设计电路图，编程控制程序。
第一章机械结构
第一节加工中心刀库
1-1-1刀库
近年来刀库的发展已超越其为工具机配件的角色，在其特有的技术领域中发展出符合工具机高精度、高效能、高可靠度及多工复合等概念之产品。
其产品品质的优劣，关系到工具机的整体效能表现。
刀库的容量、布局，针对不同的工具机，其形式也有所不同，根据刀库的容量、外型和取刀方式可概分为以下几种：
（一）斗笠式刀库
一般只能存8~24把刀具，斗笠式刀库在换刀时整个刀库向主轴移动。
当主轴上的刀具进入刀库的卡槽时，主轴向上移动脱离刀具，这时刀库转动。
当要换的刀具对正主轴正下方时主轴下移，使刀具进入主轴锥孔内，夹紧刀具后，刀库退回原来的位置。
（二）圆盘式刀库
圆盘式刀库通常应用在小型立式综合加工机上。
"圆盘刀库"一般俗称"盘式刀库"，以便和"斗笠式刀库"、"链条式刀库"相区分。
圆盘式的刀库容量不大，顶多二、三十把刀。
需搭配自动换刀机构ATC（AutoToolsChange）进行刀具交换。
（三）链条式刀库
链条式刀库的特点是可储放较多数量之刀具，一般都在20把以上，有些可储放120把以上。
它是藉由链条将要换的刀具传到指定位置，由机械手将刀具装到主轴上。
换刀动作均采用马达加机械凸轮的结构，此设计之结构简单、动作快速、确实、可靠，但是价格较高，通常为客制化产品。
1-1-2自动换刀系统
自动换刀系统是CNC工具机的重要组成部分，主要是将加工所需刀具，从刀库中传送到主轴夹持机构上。
刀具夹持元件的结构特性及其与工具机主轴的联结方式，将直接影响工具机的加工性能。
刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响工具机的换刀效率。
自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的成本产生直接影响。
数控工具机的自动换刀系统大概分为1.油压机构2.气压机构3.电气式凸轮机构。
在不断追求速度及可靠性提升的数控工具机市场，凸轮式换刀机构就广泛的被采用。
此设计只用一个驱动马达就可完成复杂的换刀动作，快速确实，除了换油外没有其他消耗零件及保养需求，故障率最少，寿命超过百万次以上。
一般具有ATC装置者都有ATC臂。
换刀时若是需要在刀具库与主轴两处更换，则需要ATC臂来补助。
但有些工具机并不需要ATC臂即可完成换刀动作。
编辑本段刀库技术发展趋势
未来工具机产业的发展，均以追求高速、高精度、高效率为目标。
随着切削速度的提高，切削时间的不断缩短，对换刀时间的要求也在逐步提高；换刀的速度已成为高等级工具机的一项重要指标。
快速自动换刀技术是以减少辅助加工时间为主要目的，综合考虑工具机的各方面因素，在尽可能短的时间内完成刀具交换的技术方法。
一般强调换刀速度快的卧式机台，皆有几个特点：
1.刀臂短2.刀臂不一定成直线3.两刀可能互相垂直4.凸轮箱小且可移动。
其主要目的是要让换刀时，可动件之转动惯量小，以达到快速换刀之目的。
该技术包括刀库的设置、换刀方式、换刀执行机构和适应高速工具机的结构特点等。
换刀速度指标
衡量换刀速度的方法主要有二种：
1.刀到刀换刀时间（TtoT）2.切屑到切屑换刀时间（CtoC）。
由于切屑到切屑换刀时间基本上就是综合加工机两次切削之间的时间，反映了综合加工机换刀所需的辅助时间，因此切屑到切屑换刀时间应是衡量综合加工机效率高低的最直接指标。
而刀到刀换刀时间则主要反映自动换刀装置本身性能的好坏，适合作为工具机自动换刀装置的性能指标，这两种方法通常用来评价换刀速度。
至于换刀时间多少才算得上是高速工具机，并没有确定的指标，在技术条件可能的情况下，应尽可能提高换刀速度。
第二节斗笠式刀库———横移机构
三维绘图如图
横移机构
第三节斗笠式刀库——分度装置
槽轮机构
由槽轮和圆柱销组成的单向间歇运动机构?
又称马尔它机构。
它常被用来将主动件的连续转动转换成从动件的带有停歇的单向期性转动。
槽轮机单臂外，由带圆柱销的转臂，具有4条径向槽的槽轮和机架组成。
当连续转动的转臂上的圆柱销进入径向槽时，拨动槽轮转过2角，当圆柱销转出径向槽后，槽轮停止转动。
转臂转一周，槽轮完成一次转停运动。
为了保证槽轮停歇，可在转臂上固接一缺口圆盘，其圆周边与槽轮上的凹周边相配。
这样，既不影响转臂转动，又能锁住槽轮不动。
为了使槽轮能完成，期性的转停运动，槽轮上的径向槽数不能少於3。
为了避免撞击圆柱销应切向进出槽轮，即径向槽与转臂在此瞬间位置要互相垂直。
在满足不同间停的要求时可要求间歇地转过一定角度的分度装置中如转塔车床上的刀具转位机构。
它还常在电影放映机中用以间歇移动胶片等。
电影放映机中的槽轮机构
六角车床上的槽轮机构
三维绘图如图
第四节斗笠式刀库——刀盘
三维绘图如图
第五节斗笠式刀库图
1-5-1重要零部件图
1悬吊支承轴
2支架一与气缸导轨
3支架二与电机
4轴承
5刀盘工程图
1-5-2斗笠式刀库总装配图
第二章刀库检测与传感器装置
为提高数控机床的加工精度，必须提高测量元件和测量系统的精度。
检测装置是CNC系统的重要组成部分，其主要作用
第一节传感器组成与分类
一传感器的组成
二传感器的分类
第二节接近传感器
一接近传感器
二接近传感器的基本形式
三工业检测控制中的应用举例
第四节刀库中的传感器
一、
第三章刀库控制系统
由于加工中心所带刀库和自动换刀装置的缘故，往往使零件在一次装夹后完成多道工序的加工，因此，刀库的控制系统应具有较强的控制功能。
第一节可编程序控制器概述
可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上，以微处理器为核心，引入微电子技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置。
可编程序控制器在系统结构、硬件组成、软件结构、输入/输出（I/O）接口以及用户界面等方面都具有独特性。
目前还可以进行数据处理模拟量控制、远程控制、过程控制、通信联网等功能。
一可编程控制器的特点
可编程控制器的种类虽然多，但在现代工业自动化生产中却有着许多共同点。
1抗干扰性强，可靠性高
工业生产对电气控制系统的可靠性要求是非常高的。
可编程序控制器由于采用了现代大规模集成电路技术，它的工作可靠程度是使用机械触电的继电器无法比拟的。
此外，为了保证可编程序控制器能够适应恶劣的工作环境，它在硬件和软件的设计与制造过程中均采取了一些抗干扰的措施。
（1）可编程序控制器一般都采用光电耦合器来传递信号，有效抑制了外部电路与可编程序控制器内部之间的电磁干扰。
（2）主机的输入输出电路采用独立电源供电，避免了电源之间的干扰。
（3）在可编程序控制器的电源和输入、输出电路中设置多种滤波电路，避免了高频信号的干扰。
（4）可编程序控制器内部设置连锁、故障检测和诊断电路，出现问题可及时发出警报信息，保证其工作安全性。
2功能完善吗，适应性强
目前的可编程序控制器已标准化、系列化、和模块化，不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，还具有A/D,D/A转换、算术运算及数据处理、通信联网和生产过程监控等功能。
他能根据实际要求，方便灵活的组装成大小各异、功能不一的控制系统：
可以控制一台单机、一条生产线，也可以控制一组机器、多条生产线；可以进行现场控制，也可以实现远程控制。
3编程语言易学易用
作为通用工业控制装置，可编程序控制器的编程语言简单易学，梯形图语言的图形符号、表达方式与继电器电路图相呈接近，是不懂计算机原理和汇编语言的技术人员也能较快掌握。
4调试使用维修方便
可编程序控制器用软件编程代替传统控制装置的硬件接线，大大地减少了控制系统设计及建造周期，使得系统构成十分灵活。
可编程序控制其的故障率很低，一旦发生故障可以依靠系统的自诊断能力和指示灯的状态迅速查明原因排除故障。
5易于实现机电一体化
由于小型的可编程序控制其体积小，很容易装入机器内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
二可编程控制器的分类及应用领域
1根据结构形式分类
（1）整体式整体式结构可编程控制器是将中央处理器、电源部件、输入/输出接口电路集中配置在一起,使其结构紧凑、体积小、质量轻、价格低、容易装配在控制设备的内部。
（2）模块式这种结构的可编程序控制器将给部分以单独的模块分开设置，如中央处理器模块、电源模块、输入/输出模块等，使用时，将各模块直接接入机架底板上得插座内即可。
2根据用途和应用场合分类
目前，可编程系控制器在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，根据使用情况大致可归纳为以下几类：
（1）开关的逻辑控制可编程系控制器取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，即可用于单台设备控制，也可用于多机群控制及自动化流水线。
（2）模拟量控制在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量
液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程序控制器处理模拟量，必须实现A/D转换和D/A转换。
（3）运动控制可编程序控制器一般使用专用的运动模块实现圆周运动或直线运动的控制。
可编程序控制器运动控制功能，广泛用于机床、机器人、电梯等机电设备控制场合。
（4）过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
可编程序控制器支持编制各种控制算法程序，完成闭环控制。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
第二节PLC的系统组成及编程语言
一PLC系统组成
可编程序控制器种类繁多，产品型号各有不同，但基本结构和工作原理基本相同。
1中央处理器（CPU）
中央处理器是可编程序控制器的核心部件，起着运算和控制作用，一般由控制电路、运算器和寄存器组成。
CPU速度和内存容量是可编程序控制器的重要参数，它们决定着可编程序控制器的工作速度、I/O数量及软件容量等，同时决定了可编程序控制器控制规模
2存储器
存储器是具有记忆功能的半导体电路。
存储器包括系统程序存储器和用户程序存储器。
3输入/输出接口电路
（1）开关量按电压水平，有220VAC，110VAC，24VDC；按隔离方式，有继电器隔离和晶体管隔离。
（2）模拟量按信号类型有电流型（4~20mA，0~20mA）电压型（0~10V，0~5V，-10~10V）等，按精度，有12bit，14bit，16bit，等。
4、电源部件
电源用于为可编程序控制器各模块的集成电路提供工作电源,如中央处理器,存储器,和输入输出接口电路工作时用的直流电源．
5编程器
编程器是可编程序控制器最重要的外部设备，也是开发应用，检测运行，检查维护不可缺少的部件，用于编程，设定，监控系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行．
二可编程序控制器编程语言
可编程序控制器作为一种工业控制计算机,包括硬件和软件两部分.不同厂家,不同类型的可编程序控制器有自己的编程软件和编程语言.下面简要介绍2种编程语言.
1梯形图编程语言
梯形图编程语言沿袭了继电器控制电路的形式,形象,直观,实用,电器技术人员易于接受,是目前应用最多的一种编程语言,其画法如图
附件一,见打印部分
可编程控制器的梯形图是形象化的编程语言,梯形图左右两端的图线是不接任何电源的.梯形图中并没有真实的物理电流或能量在流动,但是为了便于理解和分析,我们通常假设在可编程序控制器梯形图中存在一种所谓的''电流''或'能量'',这仅仅是虚拟化的概念电流.
2指令语句表编程语言
指令语句表编程语言是一种与计算机汇编语言类似的助记符编程语言,用一系列操作指令组成的语句将控制流程描述出来,并通过编程器输入到可编程序控制器中.需要指出的是,厂家不同,编程指令也并不相同.下面以三菱FX2N系列的语句简单说明该语言的用法.
LDX1逻辑行开始,输入ｘ1常开触点
ORY1串联ｙ1的常开触点
ANIX2串联ｘ2的常闭触点
OUTY1输出ｙ1，逻辑行结束
LDY1逻辑行开始，输入ｙ1常开触点
OUTY2输出ｙ2，逻辑行结束
指令语句表是由若干条语句组成的程序。
语句是程序的最小独立单元。
每个操作系统由一条或几条语句执行。
Plc语句表达形式与一般微机编程语言语句表达形式类似，也是有操作码和操作数两部分组成。
操作码用助记符表示，用来说明要执行的功能。
操作数一般由标识符和参数组成。
第三节三菱fx系列可编程序控制器
三菱公司是日本生产可编程序控制器的主要厂家之一。
先后推出ff1f2fx2fx1fx2cfx0fx0nfx0sfx2nfx2nc系列等小型和微型plc.fx2n系列plc是三菱公司的近期产品，是一种叠装式配置的微型plc,在fx系列中功能最强速度最快。
下面以fx2n系列plc为例介绍其内部继电器编程指令和编程方法
一FX2n系列plc的型号表示及结构
1型号表示FX2n—XXXX—X
2输入输出总点数：
4~128点
3单元类型：
m—基本单元
4E—输入输出混合单元与扩展单元
EX—输入专用扩展模块
EY—输出专用扩展模块
5输出形式：
R—继电器输出
T—晶体管输出
S—双向可控硅输出
6特殊品种的区别：
D—DC（直流）电源，DC输出；
AI—AC（交流）电源，AC输入CA（100~120v）或AC输出模块
H—大电流输出扩展模块（1A/1点）；
V—立式端子排的扩展模块；
7若无符号，则为AC电流DC输入横式端子排标准输出（继电器输出为2A/1点，晶体管输出为0.5A/1点，双向可控硅输出为0.3/1点）
二、FX2N系列PLC内部编程继电器
FX2N微型可编程序控制器的各种编程元件的功能是相互独立的，它们均用字母表示，其中输入继电器用X表示，输出继电器用Y表示。
在FX型PLC中，输入继电器和输出继电器的地址编号用八进制表示，其它元件均用十进制编码表示。
（1）输入继电器X
输入继电器与PLC的输入端相连，是PLC接受外部开关信号的接口。
与输入端子连接可编程序连锁的输入继电器是光电隔离的电子继电器，其常开触点、常闭触点在编程时可无限次使用。
FX2N系列PLC输入继电器地址编号范围为X0~X267，最多可达184点。
（2）输出继电器Y
输出继电器的输出端是PLC向外站传输信号的接口。
只能在程序内部由指令驱动，输出触点接到PLC的输出端子，输出触点的通和断取决于输出线圈的通和断状态。
输出继电器的地址编号范
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