第1期(总第140期)
2007年2月机械工程与自动化
MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATIONNo.1Feb.
文章编号:1672-6413(2007)01-0124-02
加工中心自动换刀装置的设计
黄泽正,刘 冲,陈志辉
(中国地质大学武汉研究生院,湖北 武汉 430074)
摘要:介绍了加工中心自动换刀装置结构的部分设计,并利用单片机实现自动换刀过程。关键词:自动换刀装置;单片机;设计中图分类号:TG659 文献标识码:A
0 引言
20世纪90年代以来,数控加工技术得到迅速的普及和发展,数控机床在制造业得到了越来越广泛的应用。带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着愈来愈重要的作用,它能缩短产品的制造周期,提高产品的加工精度,适合柔性加工。
加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备,由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用,其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置(Au-tomaticToolChanger)。换刀装置作为加工中心的重要组成部分,其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间,提高生产率,降低生产成本,进而提升机床乃至整个生产线的生产力。加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置,其结构设计及其控制是实现加工中心设计制造的关键。加工中心的换刀过程较为复杂,动作多,动作间的相互协调关系多,因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。
1 自动换刀装置的结构设计
加工中心的自动换刀装置,能使加工中心在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序,它能缩短辅助时间,减少多次安装工件所引起的误差,提高产品的加工精度。自动换刀装置将满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、刀具占地面积小以及安全可靠等要求。1.1 结构设计
1.1.1 刀库的设计
刀库结构选用旋转刀盘方式,根据刀库中存储刀具的数目和最大刀具直径计算出轮式刀库的最小直径,相邻刀具间应留有一定间隙。刀爪的外形尺寸根
收稿日期:2006-09-19
(,,,据BT30号刀柄设计。刀具容量为8把,整个刀盘直径为 =270mm。1.1.2 传动部分
(1)利用单头蜗轮蜗杆传动实现刀库的旋转,此传动机构在使用中可随时调整蜗轮蜗杆的传动间隙,实现准确的转位分度,保证刀库工作的可靠性。蜗轮蜗杆的传动比为48∶1,8把刀成数量级比例,方便软件编程控制以达到刀盘旋转的准确定位。
(2)利用步进电机实现蜗轮蜗杆的传动。
(3)利用液压缸实现刀库在滑体所固定的轨道上向主轴靠近,完成换刀过程。整个刀库行程为130mm。
自动换刀装置结构见图1。2 自动换刀装置控制系统的设计
为了实现自动换刀装置与数控系统的连接,我们采用单片机控制来实现换刀装置的自动换刀过程。与数控系统实施连接的信号有两个输入点,即接受数控系统传来的换刀信号和要求换刀以及换几号刀信号;有两个输出点,即反馈回数控系统的信号和换刀完成以及刀具回库完成信号。2.1 设计思路
2.1.1 第一次换刀(要求把一号刀位对准主轴)
第一次接受到要求换刀及需要几号刀的信号后,刀库快进到主轴位置,判断刀盘的旋转方向(达到最短换刀时间),并以此方向旋转刀盘到指定位置(加速-恒速-减速),判断刀盘是否到位,到位后停止转动,等待主轴的靠近并完成换刀。换刀完成后,刀库快速返回,并向数控系统发出换刀完成信号。2.1.2 第二次以后的换刀(此时主轴上有刀)
当主轴上有刀时,即第二次接受到要求换刀及需要几号刀的信号后,刀库快进到主轴位置。首先判断此
2007年第1期 黄泽正,等:加工中心自动换刀装置的设计
・125・
时主轴上是否有刀,如有,依据主轴上的刀号,旋转刀盘到与此刀号相对的位置(加速-恒速-减速),然后判断刀盘是否到位,到位后停止转动,等待主轴的靠近并完成刀的回库。完成后,向数控系统发出刀具已完成回库的信号,并等待主轴的偏移,重复第一步,根
据刀号的需要再进行换刀。
进行调速;同时,该电机还能快速启动、制动、反转和自锁;此外,步进电机易于实现与计算机或其它数字元件接口,
适用于数字控制系统。
图2 硬件系统图
1——机床立柱;2——滑块;3——箱体;4——蜗轮蜗杆;
5——刀库及夹具;6——靠近主轴推力液压缸
图1 自动换刀装置结构图
2.1.3 最后一次刀具回库
整个加工完成后,主轴上的刀具需要回库。刀库快进到换刀位置,依据主轴上的刀号,旋转刀盘到与此刀号相对的位置(加速-恒速-减速),判断刀盘是否到位,到位后停止转动,等待主轴的靠近并完成刀的回库。刀入库后,整个刀库快速返回,并向数控系统发出换刀完成信号。2.2 系统组成
当决定了自动换刀装置的结构和工作原理后,应采用AT89C51单片机来控制步进电机以实现刀盘的准确移位,从而实现换刀过程。
本系统采用110BF反应式步进电机为执行元件,其步距角为每步0.75o,整个控制系统硬件组成见图2。
步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件,广泛应用于工业控制系统中。其机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成比例,通过改变电脉冲频率可在大范围内
2.3 步进电机通电相序的方向控制
以软件代替环形脉冲分配器,实现对相序的直接控制,各相脉冲输出由并行口直接控制,将控制字(步进电机各相通断电顺序)从内存中读出,然后送到单片机并行口中输出,从而实现步进电机的正、反转。使用这种方案不仅简化了系统的硬件线路,降低了成本,而且还可以根据控制系统的需要,灵活地改变步进电机的运行方式。
采用三相六拍步进电机,电机正转时通电顺序为:A-AB-B-BC-C-CA-A;反转时的通电顺序为:
此外,控制进给脉冲的A-AC-C-CB-B-BA-A。
频率,改变单片机输出端口状态代码(输出字)之间的间隔时间,即可调整电机的转速,实现刀盘的加速-恒速-减速之间的转换,从而缩短换刀时间,提高换刀效率。3 结束语
本文介绍了加工中心自动换刀装置的结构及控制设计,它具有结构简单、成本低以及工作稳定可靠等特点,适用于配置各式加工中心,应用于实际加工生产以及各大中院校数控加工实习和教学培训中。
参考文献:
[1] 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与
接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999.[2] 邱映辉.机械设计[M].北京:清华大学出版社,2004.[3] 李佳.数控机床及应用[M].北京:清华大学出版社,2001.
DesignofAutomaticToolChangerforMachineCenter
HUANGZe-zheng,LIUChong,CHENZhi-hui
(GraduateDepartmentofChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)
Abstract:ThispaperintroducesthestructureofAutomaticToolChanger,andthesinglechipmicrocomputerisusedtoachievetheprocessofautomatictoolchanging.
Keywords:automatictoolchanger;singlechipmicrocomputer;design
第1期(总第140期)
2007年2月机械工程与自动化
MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATIONNo.1Feb.
文章编号:1672-6413(2007)01-0124-02
加工中心自动换刀装置的设计
黄泽正,刘 冲,陈志辉
(中国地质大学武汉研究生院,湖北 武汉 430074)
摘要:介绍了加工中心自动换刀装置结构的部分设计,并利用单片机实现自动换刀过程。关键词:自动换刀装置;单片机;设计中图分类号:TG659 文献标识码:A
0 引言
20世纪90年代以来,数控加工技术得到迅速的普及和发展,数控机床在制造业得到了越来越广泛的应用。带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着愈来愈重要的作用,它能缩短产品的制造周期,提高产品的加工精度,适合柔性加工。
加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备,由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用,其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置(Au-tomaticToolChanger)。换刀装置作为加工中心的重要组成部分,其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间,提高生产率,降低生产成本,进而提升机床乃至整个生产线的生产力。加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置,其结构设计及其控制是实现加工中心设计制造的关键。加工中心的换刀过程较为复杂,动作多,动作间的相互协调关系多,因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。
1 自动换刀装置的结构设计
加工中心的自动换刀装置,能使加工中心在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序,它能缩短辅助时间,减少多次安装工件所引起的误差,提高产品的加工精度。自动换刀装置将满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、刀具占地面积小以及安全可靠等要求。1.1 结构设计
1.1.1 刀库的设计
刀库结构选用旋转刀盘方式,根据刀库中存储刀具的数目和最大刀具直径计算出轮式刀库的最小直径,相邻刀具间应留有一定间隙。刀爪的外形尺寸根
收稿日期:2006-09-19
(,,,据BT30号刀柄设计。刀具容量为8把,整个刀盘直径为 =270mm。1.1.2 传动部分
(1)利用单头蜗轮蜗杆传动实现刀库的旋转,此传动机构在使用中可随时调整蜗轮蜗杆的传动间隙,实现准确的转位分度,保证刀库工作的可靠性。蜗轮蜗杆的传动比为48∶1,8把刀成数量级比例,方便软件编程控制以达到刀盘旋转的准确定位。
(2)利用步进电机实现蜗轮蜗杆的传动。
(3)利用液压缸实现刀库在滑体所固定的轨道上向主轴靠近,完成换刀过程。整个刀库行程为130mm。
自动换刀装置结构见图1。2 自动换刀装置控制系统的设计
为了实现自动换刀装置与数控系统的连接,我们采用单片机控制来实现换刀装置的自动换刀过程。与数控系统实施连接的信号有两个输入点,即接受数控系统传来的换刀信号和要求换刀以及换几号刀信号;有两个输出点,即反馈回数控系统的信号和换刀完成以及刀具回库完成信号。2.1 设计思路
2.1.1 第一次换刀(要求把一号刀位对准主轴)
第一次接受到要求换刀及需要几号刀的信号后,刀库快进到主轴位置,判断刀盘的旋转方向(达到最短换刀时间),并以此方向旋转刀盘到指定位置(加速-恒速-减速),判断刀盘是否到位,到位后停止转动,等待主轴的靠近并完成换刀。换刀完成后,刀库快速返回,并向数控系统发出换刀完成信号。2.1.2 第二次以后的换刀(此时主轴上有刀)
当主轴上有刀时,即第二次接受到要求换刀及需要几号刀的信号后,刀库快进到主轴位置。首先判断此
2007年第1期 黄泽正,等:加工中心自动换刀装置的设计
・125・
时主轴上是否有刀,如有,依据主轴上的刀号,旋转刀盘到与此刀号相对的位置(加速-恒速-减速),然后判断刀盘是否到位,到位后停止转动,等待主轴的靠近并完成刀的回库。完成后,向数控系统发出刀具已完成回库的信号,并等待主轴的偏移,重复第一步,根
据刀号的需要再进行换刀。
进行调速;同时,该电机还能快速启动、制动、反转和自锁;此外,步进电机易于实现与计算机或其它数字元件接口,
适用于数字控制系统。
图2 硬件系统图
1——机床立柱;2——滑块;3——箱体;4——蜗轮蜗杆;
5——刀库及夹具;6——靠近主轴推力液压缸
图1 自动换刀装置结构图
2.1.3 最后一次刀具回库
整个加工完成后,主轴上的刀具需要回库。刀库快进到换刀位置,依据主轴上的刀号,旋转刀盘到与此刀号相对的位置(加速-恒速-减速),判断刀盘是否到位,到位后停止转动,等待主轴的靠近并完成刀的回库。刀入库后,整个刀库快速返回,并向数控系统发出换刀完成信号。2.2 系统组成
当决定了自动换刀装置的结构和工作原理后,应采用AT89C51单片机来控制步进电机以实现刀盘的准确移位,从而实现换刀过程。
本系统采用110BF反应式步进电机为执行元件,其步距角为每步0.75o,整个控制系统硬件组成见图2。
步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件,广泛应用于工业控制系统中。其机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成比例,通过改变电脉冲频率可在大范围内
2.3 步进电机通电相序的方向控制
以软件代替环形脉冲分配器,实现对相序的直接控制,各相脉冲输出由并行口直接控制,将控制字(步进电机各相通断电顺序)从内存中读出,然后送到单片机并行口中输出,从而实现步进电机的正、反转。使用这种方案不仅简化了系统的硬件线路,降低了成本,而且还可以根据控制系统的需要,灵活地改变步进电机的运行方式。
采用三相六拍步进电机,电机正转时通电顺序为:A-AB-B-BC-C-CA-A;反转时的通电顺序为:
此外,控制进给脉冲的A-AC-C-CB-B-BA-A。
频率,改变单片机输出端口状态代码(输出字)之间的间隔时间,即可调整电机的转速,实现刀盘的加速-恒速-减速之间的转换,从而缩短换刀时间,提高换刀效率。3 结束语
本文介绍了加工中心自动换刀装置的结构及控制设计,它具有结构简单、成本低以及工作稳定可靠等特点,适用于配置各式加工中心,应用于实际加工生产以及各大中院校数控加工实习和教学培训中。
参考文献:
[1] 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与
接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999.[2] 邱映辉.机械设计[M].北京:清华大学出版社,2004.[3] 李佳.数控机床及应用[M].北京:清华大学出版社,2001.
DesignofAutomaticToolChangerforMachineCenter
HUANGZe-zheng,LIUChong,CHENZhi-hui
(GraduateDepartmentofChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)
Abstract:ThispaperintroducesthestructureofAutomaticToolChanger,andthesinglechipmicrocomputerisusedtoachievetheprocessofautomatictoolchanging.
Keywords:automatictoolchanger;singlechipmicrocomputer;design