本文主要对数控加工中心自动换刀系统及控制系统进行设计。
本文主要对数控加工中心自动换刀系统及控制系统进行设计。
第一，了解数控加工中心的分类，其按换刀形式的分类以及加工中心刀库的形式；然后根据给定的参数进行刀库类型的选择以及电动机的确定；接着对刀库的转位定位机构进行了设计；最后是对于控制系统进行了简单设计。
关键字：加工中心，换刀系统，刀库，PLC。
目录1 绪论 (3)2.................................................................................................... 刀库的总体设计方案 (5)2.1课程设计的任务及要求 (5)2.2刀库的类型选择 (5)3...................................................................................................... 电机的选择. (6)3.1电机的选型及相关参数 (6)3.2各部分转动惯量的计算 (6)3.3预选电机 (6)3.4电机的校核 (7)4.................................................................................................... 机械系统的设计 . (7)4.1刀库转动定位机构的设计 (7)4.2滚动轴承的选择计算 (9)4.2轴的校核计算 (10)4.3键的设计计算 (10)5.................................................................................................... 控制系统的设计 . (11)5.1 刀库的换刀动作如下： (11)5.2 利用PLC 实现随机换刀 (12)参考文献 (15)1 绪论在现代数控机床中，加工中心(MC-Machining Center) 能进行自动换刀、自动更换工件，实行平面、任意曲面、 孔、螺纹等加工，成为一种独特的多功能高精、高效、高 自动化的机床，并迅速向高速化、复合化、环保化、五轴 联动等方向发展，己成为当今国际机床展上最大的亮点。
加工中心特别适合于箱体、框架、叶片等特殊复杂零 件的柔性高效加工，能减省一些普通铣床、钻床、键床， 提高加工精度和效率，减少转换时间，降低生产成本。
在当今机械工业中，产品不断向个性化、精密化、小 批量发展，世界对 MC 的市场需求在不断增多。
特别是在要 求适量柔性、大批高效生产的汽车工业、单件、小批重切、 快速生产的航空、模具工业以至 IT 高精尖工业中，MC 已逐 渐成为重要的高效性机种。
1996 年国产加工中心与进口加工中心的台数比，仅为 百分之几，到 2005 年逐步增长到 39.4%。
2005 年与 2000 年相比，进口的加工中心数量增加 4.8 倍。
加工中心需求 猛增的主要原因，大致有三:(l)整个机械工业原有工艺装 备结构陈旧、性能落后，呈“三多三少”(手动的多、自动 的少;粗加工的多、精加工的少;低效的多、高效的少)，函 需大量更新。
能源、交通、冶金、发电、工程机械、造船、 模具、IT 各业均需购置大、中、小各种 Mc ，量大面广;(2) 汽车工业迅速发展，2002-2004 年汽车产量分别为 325、444、 507 万辆，发动机缸体、缸盖、变速箱及各种汽车零部件加 工，均需增添高速、高精、环保、节能的各式 MC;(3)航空、 国防、军工产业，适应新形势发展，均在提高生产能力， 需要大、中型各种立式、卧式、龙门式、五轴控制的高性 能 MC ，而且要求品种多、质量好、供货快。
加工中心进口的快速增加，一方面反映了我国制造业 对这类数控机床的需求旺盛，另一方面也反映了我国机床 制造业在加工中心的生产能力和国产加工中心的竞争力上 还存在差距。
国产加工中心市场占有率低的主要原因是国 产加工中心在产品水平、交货期、质量和可靠性上与国外L h =86750 (h) 验算结果：合格。
同类产品相比存在不少差距。
因此研究加工中心及其控制系统具有现实和长远的意义，掌握其中的关键技术是充分发挥加工中心功能和性能的先决条件，必将对我国装备制造业的整体水平的提高起到积极的作用。
图 1-1 立式数控铣床2.刀库的总体设计方案2.1课程设计的任务及要求设计题目：数控加工中心自动换刀系统设计设计要求：设计一个立式数控加工中心自动换刀系统的刀库装置及其控制系统，主要性能指标参数如下：刀库载刀量：8 把；刀具形式：BT40 ；刀具直径：Φ 63mm ；刀盘最低转速：60r/min ；刀架水平运动行程240mm ；采用PLC控制。
2.2刀库的类型选择目前一般刀库按结构形式可以分为以下几种：1）刀具储存在圆型鼓轮上，这种刀库结构简单，但刀具环形排列，空间利用率低，为了不致于刀库外径过大导致转动惯量过大，一般刀库容量在32把以下。
使刀库中处于换刀位置的刀具轴线平行于主轴轴线，以简单的回转式机械手对刀库和主轴进行交换。
要求刀库容量较大的场合，可以采用空间利用率较高的多重型鼓轮式刀库，这种刀库的传动装置和控制装置较为复杂。
2）链式刀库。
刀具储存在链条环节上，再以链轮驱动，结构紧凑，刀库容量较大，链环的现状可以根据机床的布局配置成各种形状，也可以将换刀位置突出以利换刀。
当链式刀库需要增加刀库容量时，只需增加链条的长度，在一定的范围内，无需变更线速度及惯量，这种条件对系列刀库的设计与制造带来了很大的方便，可以满足不同的使用条件。
3）盒式刀库。
刀具储存在纵横排列的格子上，此种刀库空间利用率最高，刀库容量大。
4）转塔式刀库。
刀具储存在同一转塔上，其主要特征是刀库环绕是主轴，储刀位置即为主轴位置，因储存刀具数量有限，主要用于小型加工中心。
5）斗笠式刀库。
斗笠式刀库由于其形状像个大斗笠而得名，一般存储刀具数量不能太多，10~24把刀具为宜，具有体积小、安装方便等特点，在立式加工中心中应用较多。
加工中心的一个很大优势在于它有ATC装置，使加工变得更具有柔性化。
根据以上几种刀库的类型，立式加工中心的具体工作状态所需，所以选择斗笠式刀库。
3.电机的选择3.1 电机的选型及相关参数最大转矩(N*m) 2.2 7.8 16最高转速(r/min) 3000 2000 20002转子转动惯量(Kg m2) 7.310-5 3.610-4610-4(1)刀盘：J = 1m D 2= 1 3.560.252= 0.1113(2)轴：1mL2= 1 4.350.1352= 0.0264(3)刀具：J =m(R2+3r2)=83(0.1152+30.012) = 0.3192(4)槽轮：J =m (R2+r2)= 4.85(0.12+0.052)=0.0303(5)锁止盘：J =m (R2+r2)=1.634(0.12+0.042)=9.4810-3(6)套筒：J =mr2=0.0680.0252+0.1290.0252=1.2310-4 3.3 预选电机若选 200W，则J M= 3.610，最高转速为2000r/min 速比：预选电机200W n 2000 100n mc 60 3 可知：nJ =J ( nc)2 =(0.1113+0.0264+0.3192+0.0303+nmc1000.0095+0.0001)(100)2= 0.44710-33）电机的最大启动转矩：T =Tcam +T = 0.845 + 0.0807 =1.652 7.8 通过上述校核，得出电机符合要求。
加速装置采用XB1型通用谐波减速器，减速比 100：3，输 出轴径 20mm 。
4.1 刀库转动定位机构的设计自动换刀装置为了实现快速可靠，应该满足三点要求：①运动平稳、无冲击，即最大加速度和最大速度要小。
② 各相邻动作可重叠者，要按其规律尽量多重叠。
③各个动 作要可靠。
为了实现自动换刀装置的功能，可以通过电、 液、气、机联合实现需要的动作。
常用的间歇运动机构有：1）弧面分度凸轮机构和圆柱分度凸轮机构； 2）平行凸轮机构； 3）槽轮机构； 4）改良型槽轮机构； 5）余摆线机构根据实际工作情况与目前以上几种间歇机构的特点，选择机械部分结构采用槽轮机构，槽轮机构是20世纪初就 开始使用的间歇运动机构，也是成本最低的结构。
槽轮机 选用槽轮机构折算到电机上的 负载惯量J = 0.44710-3kg •m 2JL= 0.44710-3 =1.24惯量比： J M0.3610-3，满足 20 倍以下的要求。
由此可知刀库系统的转动惯量为：J =J +J = 0.44710-3+ 0.3610-3 = 0.80710-33.4 电机的校核（1）由摩擦引起的摩擦力矩：T G R = 0.1538.590.0678= 0.392 1.0 （2）最大加速转矩：惯量比在20倍以 内，满足要求 刀库系统的转动 惯量J = 0.80710-3kg •m 22nC max60t Ca= 0.80710-3 2• 2000 600.2= 0.845 T FC T额定T Cam T最大所以电机符合要 求 选用XB1 型谐波 齿轮，减速比 100:34.机械系统的设计构（又称马尔他机构）能把主动轴的匀速连续运动转换为从 动轴的周期性间歇运动，常用于各种分度转位机构中。
槽 轮机构有三种基本类型：外啮合槽轮机构、内啮合槽轮机 构和球面槽轮机构。
立式加工中心斗笠式刀库采用外啮合 槽轮机构。
该刀库可容纳8 把刀具，即槽轮的齿数为 8。
刀库的回 转选刀由刀库电机通过减速器带动曲柄回转，曲柄每回转 一周，槽轮转过 45°,刀库刀盘转过一个刀位，并由锁止盘 定位。
刀库上的刀位信号由两只开关联合发出，在刀库的 一号刀位上安装一只挡铁，在支架上安装一只检测开关， 机床开机后，刀库自动回转寻找一号刀位（基准刀位），当 一号刀位上的挡铁触发支架上检测开关后刀库停止回转， 刀库的当前刀位为一号刀位，刀库处于初始状态。
其余刀 位信号由安装在曲柄上的挡铁触发刀位检测开关进行累计 计数，曲柄每回转一周即刀库转过一个刀位触发一次。
通 过控制刀库电机的旋转方向，实现刀库的双向选刀。
综上所述：故刀库转动定位机构选择平面单销外槽轮 机构。
具体计算参数如下：锁止弧半径：R x = R 1 - r - e = 61.6 -8.6 2 = 44.4考虑具体装配要求，取20.1 由于槽轮的角加速度变化较大，且在转位过程的前半360槽间角：22 =8= 45槽轮每次转位时曲柄的转角：21=180-22=135槽数：z=8； 槽轮与锁止盘间的中心距:L=100.54mm ； 主动曲柄长度：R 1 = L sin2=100.54sin 22.5 = 38.47 根据装配要求，取61.6槽轮半径：R 2 = L cos2=100.54cos22.5 = 93 ，取100圆销半径： 槽底高：= 61.6 6 =10.27，取8.6b = L -(R +r )-(3~5)=100.54-(61.6+8.6)-4=26.34槽间角45槽数 8中心距 100.54 曲柄长 61.6槽轮半径 100圆销半径 8.6锁止弧半径 20.1阶段与后半阶段的角加速度方向不同，因此当槽与滚子之间存在间隙时，会产生冲击。