換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)帶CAD圖
換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)帶CAD圖,機(jī)械手,設(shè)計(jì),CAD
第 1期 (總第 140期)2007 年 2 月機(jī) 械 工 程 與 自 動 化MECHANICALENGINEERING&AU TOMATIONNo. 1Feb.文章編號: 1672- 6413(2007) 01-0124- 02加工中心自動換刀裝置的設(shè)計(jì)黃澤正, 劉沖, 陳志輝(中國地質(zhì)大學(xué) 武漢研究生院, 湖北武漢430074)摘要: 介紹了加工中心自動換刀裝置結(jié)構(gòu)的部分設(shè)計(jì), 并利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動換刀過程。關(guān)鍵詞: 自動換刀裝置; 單片機(jī); 設(shè)計(jì)中圖分類號:T G659文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A收稿日期: 2006-09-19作者簡介: 黃澤正( 1977-) , 男, 湖北大冶人, 碩士研究生。0引言20 世紀(jì) 90 年代以來, 數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普及和發(fā)展,數(shù)控機(jī)床在制造業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。帶有自動換刀系統(tǒng)的數(shù)控加工中心在現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)中起著愈來愈重要的作用, 它能縮短產(chǎn)品的制造周期, 提高產(chǎn)品的加工精度,適合柔性加工。加工中心是數(shù)控機(jī)床中較為復(fù)雜的加工設(shè)備,由于其具有多種加工能力而得到廣泛的應(yīng)用, 其強(qiáng)大的加工能力和效率得益于其配置的自動換刀裝置 ( Au-tomatic T ool Changer) 。換刀裝置作為加工中心的重要組成部分,其主要作用在于減少加工過程中的非切削時(shí)間, 提高生產(chǎn)率,降低生產(chǎn)成本, 進(jìn)而提升機(jī)床乃至整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)力。加工中心自動換刀裝置是實(shí)現(xiàn)多工序連續(xù)加工的重要裝置, 其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其控制是實(shí)現(xiàn)加工中心設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵。加工中心的換刀過程較為復(fù)雜, 動作多, 動作間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系多, 因而自動換刀系統(tǒng)性能的好壞直接影響加工效率的高低。1自動換刀裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工中心的自動換刀裝置,能使加工中心在工件一次裝夾中完成多種甚至所有加工工序,它能縮短輔助時(shí)間, 減少多次安裝工件所引起的誤差, 提高產(chǎn)品的加工精度。自動換刀裝置將滿足換刀時(shí)間短、刀具重復(fù)定位精度高、刀具儲存量足夠、刀具占地面積小以及安全可靠等要求。1. 1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1. 1. 1刀庫的設(shè)計(jì)刀庫結(jié)構(gòu)選用旋轉(zhuǎn)刀盤方式, 根據(jù)刀庫中存儲刀具的數(shù)目和最大刀具直徑計(jì)算出輪式刀庫的最小直徑, 相鄰刀具間應(yīng)留有一定間隙。刀爪的外形尺寸根據(jù) BT 30 號刀柄設(shè)計(jì)。 刀具容量為8 把, 整個(gè)刀盤直徑為 ?= 270mm。1. 1. 2傳動部分( 1) 利用單頭蝸輪蝸桿傳動實(shí)現(xiàn)刀庫的旋轉(zhuǎn),此傳動機(jī)構(gòu)在使用中可隨時(shí)調(diào)整蝸輪蝸桿的傳動間隙,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)位分度,保證刀庫工作的可靠性。蝸輪蝸桿的傳動比為 481, 8 把刀成數(shù)量級比例, 方便軟件編程控制以達(dá)到刀盤旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確定位。( 2) 利用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)蝸輪蝸桿的傳動。( 3) 利用液壓缸實(shí)現(xiàn)刀庫在滑體所固定的軌道上向主軸靠近, 完成換刀過程。 整個(gè)刀庫行程為130mm。自動換刀裝置結(jié)構(gòu)見圖 1。2自動換刀裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)自動換刀裝置與數(shù)控系統(tǒng)的連接, 我們采用單片機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)換刀裝置的自動換刀過程。與數(shù)控系統(tǒng)實(shí)施連接的信號有兩個(gè)輸入點(diǎn),即接受數(shù)控系統(tǒng)傳來的換刀信號和要求換刀以及換幾號刀信號;有兩個(gè)輸出點(diǎn), 即反饋回?cái)?shù)控系統(tǒng)的信號和換刀完成以及刀具回庫完成信號。2. 1設(shè)計(jì)思路2. 1. 1第一次換刀 ( 要求把一號刀位對準(zhǔn)主軸)第一次接受到要求換刀及需要幾號刀的信號后,刀庫快進(jìn)到主軸位置, 判斷刀盤的旋轉(zhuǎn)方向( 達(dá)到最短換刀時(shí)間) , 并以此方向旋轉(zhuǎn)刀盤到指定位置( 加速-恒速- 減速) , 判斷刀盤是否到位,到位后停止轉(zhuǎn)動,等待主軸的靠近并完成換刀。換刀完成后, 刀庫快速返回,并向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀完成信號。2. 1. 2第二次以后的換刀( 此時(shí)主軸上有刀)當(dāng)主軸上有刀時(shí), 即第二次接受到要求換刀及需要幾號刀的信號后, 刀庫快進(jìn)到主軸位置。 首先判斷此時(shí)主軸上是否有刀, 如有, 依據(jù)主軸上的刀號, 旋轉(zhuǎn)刀盤到與此刀號相對的位置( 加速- 恒速- 減速) , 然后判斷刀盤是否到位, 到位后停止轉(zhuǎn)動, 等待主軸的靠近并完成刀的回庫。完成后, 向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀具已完成回庫的信號, 并等待主軸的偏移, 重復(fù)第一步, 根據(jù)刀號的需要再進(jìn)行換刀。1機(jī)床立柱; 2滑塊; 3箱體; 4 蝸輪蝸桿;5刀庫及夾具; 6靠近主軸推力液壓缸圖 1自動換刀裝置結(jié)構(gòu)圖2. 1. 3最后一次刀具回庫整個(gè)加工完成后,主軸上的刀具需要回庫。刀庫快進(jìn)到換刀位置,依據(jù)主軸上的刀號, 旋轉(zhuǎn)刀盤到與此刀號相對的位置 ( 加速- 恒速- 減速) , 判斷刀盤是否到位, 到位后停止轉(zhuǎn)動,等待主軸的靠近并完成刀的回庫。刀入庫后, 整個(gè)刀庫快速返回,并向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀完成信號。2. 2系統(tǒng)組成當(dāng)決定了自動換刀裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理后,應(yīng)采用 AT 89C51 單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)刀盤的準(zhǔn)確移位, 從而實(shí)現(xiàn)換刀過程。本系統(tǒng)采用110BF 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件, 其步距角為每步0. 75o,整個(gè)控制系統(tǒng)硬件組成見圖2。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件,廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。其機(jī)械角位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機(jī)繞組的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率成比例,通過改變電脈沖頻率可在大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速; 同時(shí),該電機(jī)還能快速啟動、制動、反轉(zhuǎn)和自鎖; 此外, 步進(jìn)電機(jī)易于實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)或其它數(shù)字元件接口,適用于數(shù)字控制系統(tǒng)。圖 2硬件系統(tǒng)圖2. 3步進(jìn)電機(jī)通電相序的方向控制以軟件代替環(huán)形脈沖分配器, 實(shí)現(xiàn)對相序的直接控制, 各相脈沖輸出由并行口直接控制, 將控制字( 步進(jìn)電機(jī)各相通斷電順序) 從內(nèi)存中讀出, 然后送到單片機(jī)并行口中輸出,從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。使用這種方案不僅簡化了系統(tǒng)的硬件線路, 降低了成本,而且還可以根據(jù)控制系統(tǒng)的需要, 靈活地改變步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式。采用三相六拍步進(jìn)電機(jī), 電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)通電順序?yàn)?A- AB- B- BC- C- CA- A; 反轉(zhuǎn)時(shí)的通電順序?yàn)?A- AC- C- CB- B- BA- A。 此外, 控制進(jìn)給脈沖的頻率,改變單片機(jī)輸出端口狀態(tài)代碼( 輸出字) 之間的間隔時(shí)間, 即可調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速, 實(shí)現(xiàn)刀盤的加速-恒速- 減速之間的轉(zhuǎn)換, 從而縮短換刀時(shí)間,提高換刀效率。3結(jié)束語本文介紹了加工中心自動換刀裝置的結(jié)構(gòu)及控制設(shè)計(jì),它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低以及工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn),適用于配置各式加工中心, 應(yīng)用于實(shí)際加工生產(chǎn)以及各大中院校數(shù)控加工實(shí)習(xí)和教學(xué)培訓(xùn)中。參考文獻(xiàn): 1 何立民. MCS- 51 系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)M . 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 1999. 2邱映輝. 機(jī)械設(shè)計(jì)M . 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004. 3李佳. 數(shù)控機(jī)床及應(yīng)用M . 北京: 清華大學(xué)出版社, 2001.Design of Automatic Tool Changer for Machine CenterHUANG Ze-zheng,LIU Chong,CHEN Zhi-hui( Graduate Department of China U niversity of Geosciences, Wuhan 430074,China)Abstract:This paper introduces the structure of Automatic T ool Changer,and the single chip microcomputer is used to achieve theprocess of automatic tool changing.Key words: automatic tool changer; single chip microcomputer; design1252007年第 1 期黃澤正, 等: 加工中心自動換刀裝置的設(shè)計(jì)
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