数控镗铣床自动换刀机械手设计[含三维UG图纸].zip
沈阳理工大学学士学位论文 - 1 - 数控镗铣床换刀机械手设计 摘 要 为了更好的应用,机床工业中的对应机械手获得了广泛的研究,然而,有限的工 作空间, 比较差的灵活性,复杂对应机械手的难于设计,导致人们把目光投向于少 于6个自由度的对应机械手,本篇论文描述了几个在自由度的数量和类型上都不相同的 对应机械手,这些对应机械手可被用语对应运动机器,运动模拟器和工业机器人。 关键词关键词:对应机械手;对应运动机械;自由度;机器人 沈阳理工大学学士学位论文 - 2 - Abstract llel manipulators for the machine tool Industry have been studied extensively for various industrial applications. However, limited useful workspace areas, the poor mobility, and design difficulties of more complex parallel manipulators have led to mare interest in parallel manipulators with less than six degrees of freedom (DoFs). Several parallel mechanisms with various numbers and types of degrees of freedom are described in this paper, which can be used in parallel kinematics machines, motion simulators, and industrial robots. Key words: parallel manipulator;parallel kinematic machine; degree of freedom;robot 沈阳理工大学学士学位论文 - 3 - 目录 绪论 5 1 机械手的相关介绍 6 1.1 数控技术的发展历程 6 1.2 数控加工中心的基本功能 6 1.3 加工中心的组成部分 7 1.3.1 刀库 7 1.3.2 刀具交换装置 7 1.3.3 运刀装置 8 1.3.4 刀具编码装置 8 1.3.5 刀具识别装置9 1.4 刀库的驱动及定位 9 1.5 我国数控技术的发展状况10 1.6 数控技术的发展趋势 10 2 换刀机械手的总体方案设计 11 2.1 设计任务 11 2.2 机械手的平稳性11 2.3 机械手的运动特性分类 13 2.4 开关型机械手的速度及位置控制 13 2.5 机械传动行机械手的速度及位置控制14 2.6 机械手类型确定 14 2.7 驱动系统及电控统的选择14 3 总体结构设计 19 3.1 手爪部分设计19 3.2 机械手手臂设计 19 3.3 机械手传动结构的设计 22 4 换刀机械手的参数和计算 25 4.1 手臂的弯曲变形 25 4.2 电动机的选择 26 沈阳理工大学学士学位论文 - 4 - 5 换刀过程 27 致谢31 参考文献 32 沈阳理工大学学士学位论文 - 5 - 绪 论 随着我国工业生产的飞跃发展,自动化程度的迅速提高,实现工件的装卸、转向、 输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化,已越来越引起 人们的重视。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率;可以减轻 劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、 易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中,它代替人进行正常的工作,意义更为重大。 因此,在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、 交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。 在现代工业生产自动化领域中,机械加工的快速上下刀、精确的加工都使数控机 床以及数控加工中心的应用显得十分重要。据详实的资料统计,这些费用占全部加工 费用的五分之一以上。而大规模的机械加工中,时间的节省越来越成为生产者和工程 设计者(或者技术人员)的追求方向,这也是未来工业发展的趋势。 机械手已被广泛用于航空、航天以及工业生产领域中,并取得较好的效果。现今 的工业机械手可分为专用机械手和通用机械手两类。我国目前研制的工业机械手大多 还是专用机械手。该机械手的结构形式比较简单,专用性强,仅附属于某台机床。虽 然其有着通用机械手无法比拟的批量大,对某些设备(或者机加零件)的加工精确性 高的优点,但就目前来看,专用机械手存在着适应性不强的弊端。这就要对其进行必 要的改造,使其适应未来的工业发展的需要。由于通用机械手改变工作程序较方便, 特别适用于多品种、小批量的生产。通用机械手在工业生产中的应用只有三十年的历 史,但这些装置在国外得到相当重视。所以设计生产使用数控机床、数控加工中心一 类的较为高级的机加设备是迫在眉睫的。虽然目前我国的数控加工中心等大型设备还 是依赖进口,但相信不久的将来我国必然会设计研制出自己的设备,这需要我们所有 人的不懈努力。 这次设计的换刀机械手的主要任务是,完全模拟人手的换刀动作,给机床主轴提 供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。 沈阳理工大学学士学位论文 - 6 - 1 换刀机械手的相关介绍 1.1 数控技术的发展历程 回顾数控技术的发展已经经历了两个阶段,六代的发展历程。第一个阶段叫做 NC 阶段,经历了电子管、晶体管、和小规模集成电路三代。自 1970 年开始小型计算机开 始用于数控系统就进入了第二个阶段,叫做 CNC 阶段,成为第四代数控系统:从 1974 年微处理器开始用于数控系统即发展到第五代。经过十多年的发展,数控系统从 性能到可靠性都得到了根本性的提高。实际上从 20 世纪末期直到今天,在生产中使用 的数控系统大部分都是第五代数控系统。但第五代数控系统以及以前各代都是一种专 用封闭的系统,而第六代开放式数控系统将代表着数控系统的未来发展方向,将 在现代制造业中发挥越来越重要的作用。 1.2 数控加工中心的基本功能 带有自动换刀刀具交换装置(ATC Automatic Tool Change)的数控机床称为加工 中心。它通过刀具的自动交换,可以一次装夹完成多道工序的加工,实现了工序的集 中和工艺的复合,从而缩短了辅助加工时间,提高了机床的效率,减少了零件安装、 定位次数,提高了加工精度。加工中心是目前数控机床中产量最大、应用最广的数控 机床。 带有刀具自动交换装置、能一次集中完成多种工序加工的数控加工设备。数控机 床实现了中、小批量加工自动化,改善了劳动条件。此外,它还具有生产率高、加工 精度稳定、产品成本低等一系列优点。为了进一步发挥这些优点,数控机床遂向“工 序集中”,即一台数控机床在一次装夹零件后能完成多任务序加工的数控机床(即加工 中心)方面发展。 钻、镗、铣、车等单功能数控机床只能分别完成钻、镗、铣、车等作业,而在机 械制造工业中,大部分零件都是需要多任务序加工的。在单功能数控机床的整个加工 过程中,真正用于切削的时间只占 30左右,其余的大部分时间都花费在安装、调整 刀具、搬运、装卸零件和检查加工精度等辅助工作上。在零件需要进行多种工序加工 沈阳理工大学学士学位论文 - 7 - 的情况下,单功能数控机床的加工效率仍然不高。加工中心一般都具有刀具自动交换 功能,零件装夹后便能一次完成钻、镗、铣、攻丝等多种工序加工。 1.3 加工中心的组成部分 加工中心分两大部分:数控机床和刀具自动交换装置。刀具自动交换装置应能满 足以下几个方面的要求: 换刀时间短; 刀具重复定位精度高; 识刀、选刀可 靠,换刀动作简单; 刀库容量合理,占地面积小,并能与主机配合,使机床外观完 整; 刀具装卸、调整、维护方便。 刀具自动交换系统由刀库、刀具交换装置、刀具传送装置、刀具编码装置、识刀 器等五个部分组成。 1.3.1 刀库 刀库是存贮加工所需各种类型刀具的仓库。它是刀具自动交换系统中的重要组成 部分,具有接受刀具传送装置送来的刀具和将刀具给予刀具传送装置的功能。它的容 量、布局和具体结构对整个加工中心的总体布局和性能有很大的影响,按其结构、形 状可分为以下六种: 圆盘式刀库,又分为轴向式(刀具中心线与圆盘中心线平行)、 径向式(刀具中心线与圆盘中心线垂直)和多盘式(在一根旋转轴上分设几层圆盘刀库)。 转塔式刀库,又分倾斜式和水平式。 鼓轮式刀库。 链式刀库。 格子式刀库。 直线式刀库。 应当根据被加工零件的工艺要求合理的确定刀库的存储量。根据对 车床、铣床和钻床的所需刀具的数的统计表明,在加工过程中经常使用的刀具数目并 不很多,对于钻削加工,用 14 把不同的规格的刀具就可以完成约 80%的加工,即使要 求完成 90%的工件加工,用 20 把刀具也就足够了。对于铣削加工,需要的刀具更少, 用 4 把不同规格的铣刀就能完成约 90%加工,用 5 把不同规格的铣刀可以加工 95%的 工件。因此从使用角度来看,刀库的存储量一般为 2040 把较为合适,多的可达 60 把 刀,超过 60 把刀的很少。 1.3.2 刀具交换装置(机械手) 沈阳理工大学学士学位论文 - 8 - 它的职能是将机床主轴上的刀具与刀库或刀具传送装置上的刀具进行交换,其动 作循环为:拔刀新旧刀具交换装刀。换刀机械手种类繁多,可以说每个厂家都可 以推出自己的机械手,基本上换刀装置按交换方式又分为两类。 无机械手换刀:由刀库与机床主轴的相对运动实现换刀。在这类装置中,刀库一 般为格子式,装在工作台上。换刀时,先使工作台与主轴相对运动,将使用过的旧刀 送回刀库,然后再使工作台与主轴相对运动一次,从刀库中取出新刀。这种换刀方式 的换刀时间长,另外刀库设置在工作台上,减少了工作台的有效使用面积。 采用机械手换刀:机械手刀具交换装置,有单臂单手式机械手、回转式单臂双机 械手、双臂机械手、多手式机械手。特别是双臂机械手刀具交换装置具有换刀时间短、 动作灵活可靠等优点,应用最为广泛。双臂机械手中最常用的几种结构有:钩手;抱 手;伸缩手;叉手。双臂机械手进行一次换刀循环的基本动作为:抓刀(手臂旋转或伸 出,同时抓住主轴和刀库里的刀具);拔刀(主轴松开,机械手同时将主轴和刀库中的刀 具拔出);换刀(手臂转 180,新、旧刀交换);插刀(同时将新刀插入主轴,旧刀插入 刀库,然后主轴夹紧刀具);缩回(手臂缩回到原始位置)。机械手的手爪,大都采用机 械锁刀的方式,有些大型的加工中心,也有采用机械加液压的锁刀方式,以保证大而 重的刀具在换刀中不被甩出。 1.3.3 运刀装置 当刀库容量较大、布置得离机床较远时,就需要安排两只机械手来完成新旧刀的 交换动作,一只靠近刀库,称为后机械手,完成拔新刀、插旧刀的动作;一只靠近主 轴,称为前机械手,完成拔旧刀、插新刀的动作。在前后机械手之间则设有运刀装置。 它一方面将前机械手从主轴上拔出的旧刀运回刀库旁,以便后机械手将该旧刀拔出并 插回刀库;另一方面则将后机械手从刀库中拔出的新刀运到主轴旁,以便前机械手将 该新刀拔出并插入主轴。运刀器的职能就是在前后机械手之间来回运送新、旧刀具。 1.3.4 刀具编码装置 将加工所需的刀具自动地从刀库中选择出来称为自动选刀,有顺序选择和编码选 择两种方式。 沈阳理工大学学士学位论文 - 9 - 顺序选择方式: 将在加工中心上加工某一零件所需的全部刀具按工序先后依次插 入刀库中。加工时按加工顺序一一取用。采用这种选刀方式不需要识刀器,刀库结构 及其驱动装置都非常简单,每次换刀时控制刀库转位一次即可。采用顺序选刀方式时, 为某一个工件准备的刀具,不能在其他工件中重复使用,这在一定程度上限制了机床 的加工能力。 固定地址选择方式:这是一种对号入座的方式,又称为刀座编码方式。这种方式 是对刀库的刀座进行编码,并将与刀座编码相对应的刀具一一放入指定的刀座中。然 后根据刀座的编码选取刀具。该方式使刀
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沈阳理工大学学士学位论文 - 1 - 数控镗铣床换刀机械手设计 摘 要 为了更好的应用,机床工业中的对应机械手获得了广泛的研究,然而,有限的工 作空间, 比较差的灵活性,复杂对应机械手的难于设计,导致人们把目光投向于少 于6个自由度的对应机械手,本篇论文描述了几个在自由度的数量和类型上都不相同的 对应机械手,这些对应机械手可被用语对应运动机器,运动模拟器和工业机器人。 关键词关键词:对应机械手;对应运动机械;自由度;机器人 沈阳理工大学学士学位论文 - 2 - Abstract llel manipulators for the machine tool Industry have been studied extensively for various industrial applications. However, limited useful workspace areas, the poor mobility, and design difficulties of more complex parallel manipulators have led to mare interest in parallel manipulators with less than six degrees of freedom (DoFs). Several parallel mechanisms with various numbers and types of degrees of freedom are described in this paper, which can be used in parallel kinematics machines, motion simulators, and industrial robots. Key words: parallel manipulator;parallel kinematic machine; degree of freedom;robot 沈阳理工大学学士学位论文 - 3 - 目录 绪论 5 1 机械手的相关介绍 6 1.1 数控技术的发展历程 6 1.2 数控加工中心的基本功能 6 1.3 加工中心的组成部分 7 1.3.1 刀库 7 1.3.2 刀具交换装置 7 1.3.3 运刀装置 8 1.3.4 刀具编码装置 8 1.3.5 刀具识别装置9 1.4 刀库的驱动及定位 9 1.5 我国数控技术的发展状况10 1.6 数控技术的发展趋势 10 2 换刀机械手的总体方案设计 11 2.1 设计任务 11 2.2 机械手的平稳性11 2.3 机械手的运动特性分类 13 2.4 开关型机械手的速度及位置控制 13 2.5 机械传动行机械手的速度及位置控制14 2.6 机械手类型确定 14 2.7 驱动系统及电控统的选择14 3 总体结构设计 19 3.1 手爪部分设计19 3.2 机械手手臂设计 19 3.3 机械手传动结构的设计 22 4 换刀机械手的参数和计算 25 4.1 手臂的弯曲变形 25 4.2 电动机的选择 26 沈阳理工大学学士学位论文 - 4 - 5 换刀过程 27 致谢31 参考文献 32 沈阳理工大学学士学位论文 - 5 - 绪 论 随着我国工业生产的飞跃发展,自动化程度的迅速提高,实现工件的装卸、转向、 输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化,已越来越引起 人们的重视。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率;可以减轻 劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、 易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中,它代替人进行正常的工作,意义更为重大。 因此,在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、 交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。 在现代工业生产自动化领域中,机械加工的快速上下刀、精确的加工都使数控机 床以及数控加工中心的应用显得十分重要。据详实的资料统计,这些费用占全部加工 费用的五分之一以上。而大规模的机械加工中,时间的节省越来越成为生产者和工程 设计者(或者技术人员)的追求方向,这也是未来工业发展的趋势。 机械手已被广泛用于航空、航天以及工业生产领域中,并取得较好的效果。现今 的工业机械手可分为专用机械手和通用机械手两类。我国目前研制的工业机械手大多 还是专用机械手。该机械手的结构形式比较简单,专用性强,仅附属于某台机床。虽 然其有着通用机械手无法比拟的批量大,对某些设备(或者机加零件)的加工精确性 高的优点,但就目前来看,专用机械手存在着适应性不强的弊端。这就要对其进行必 要的改造,使其适应未来的工业发展的需要。由于通用机械手改变工作程序较方便, 特别适用于多品种、小批量的生产。通用机械手在工业生产中的应用只有三十年的历 史,但这些装置在国外得到相当重视。所以设计生产使用数控机床、数控加工中心一 类的较为高级的机加设备是迫在眉睫的。虽然目前我国的数控加工中心等大型设备还 是依赖进口,但相信不久的将来我国必然会设计研制出自己的设备,这需要我们所有 人的不懈努力。 这次设计的换刀机械手的主要任务是,完全模拟人手的换刀动作,给机床主轴提 供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。 沈阳理工大学学士学位论文 - 6 - 1 换刀机械手的相关介绍 1.1 数控技术的发展历程 回顾数控技术的发展已经经历了两个阶段,六代的发展历程。第一个阶段叫做 NC 阶段,经历了电子管、晶体管、和小规模集成电路三代。自 1970 年开始小型计算机开 始用于数控系统就进入了第二个阶段,叫做 CNC 阶段,成为第四代数控系统:从 1974 年微处理器开始用于数控系统即发展到第五代。经过十多年的发展,数控系统从 性能到可靠性都得到了根本性的提高。实际上从 20 世纪末期直到今天,在生产中使用 的数控系统大部分都是第五代数控系统。但第五代数控系统以及以前各代都是一种专 用封闭的系统,而第六代开放式数控系统将代表着数控系统的未来发展方向,将 在现代制造业中发挥越来越重要的作用。 1.2 数控加工中心的基本功能 带有自动换刀刀具交换装置(ATC Automatic Tool Change)的数控机床称为加工 中心。它通过刀具的自动交换,可以一次装夹完成多道工序的加工,实现了工序的集 中和工艺的复合,从而缩短了辅助加工时间,提高了机床的效率,减少了零件安装、 定位次数,提高了加工精度。加工中心是目前数控机床中产量最大、应用最广的数控 机床。 带有刀具自动交换装置、能一次集中完成多种工序加工的数控加工设备。数控机 床实现了中、小批量加工自动化,改善了劳动条件。此外,它还具有生产率高、加工 精度稳定、产品成本低等一系列优点。为了进一步发挥这些优点,数控机床遂向“工 序集中”,即一台数控机床在一次装夹零件后能完成多任务序加工的数控机床(即加工 中心)方面发展。 钻、镗、铣、车等单功能数控机床只能分别完成钻、镗、铣、车等作业,而在机 械制造工业中,大部分零件都是需要多任务序加工的。在单功能数控机床的整个加工 过程中,真正用于切削的时间只占 30左右,其余的大部分时间都花费在安装、调整 刀具、搬运、装卸零件和检查加工精度等辅助工作上。在零件需要进行多种工序加工 沈阳理工大学学士学位论文 - 7 - 的情况下,单功能数控机床的加工效率仍然不高。加工中心一般都具有刀具自动交换 功能,零件装夹后便能一次完成钻、镗、铣、攻丝等多种工序加工。 1.3 加工中心的组成部分 加工中心分两大部分:数控机床和刀具自动交换装置。刀具自动交换装置应能满 足以下几个方面的要求: 换刀时间短; 刀具重复定位精度高; 识刀、选刀可 靠,换刀动作简单; 刀库容量合理,占地面积小,并能与主机配合,使机床外观完 整; 刀具装卸、调整、维护方便。 刀具自动交换系统由刀库、刀具交换装置、刀具传送装置、刀具编码装置、识刀 器等五个部分组成。 1.3.1 刀库 刀库是存贮加工所需各种类型刀具的仓库。它是刀具自动交换系统中的重要组成 部分,具有接受刀具传送装置送来的刀具和将刀具给予刀具传送装置的功能。它的容 量、布局和具体结构对整个加工中心的总体布局和性能有很大的影响,按其结构、形 状可分为以下六种: 圆盘式刀库,又分为轴向式(刀具中心线与圆盘中心线平行)、 径向式(刀具中心线与圆盘中心线垂直)和多盘式(在一根旋转轴上分设几层圆盘刀库)。 转塔式刀库,又分倾斜式和水平式。 鼓轮式刀库。 链式刀库。 格子式刀库。 直线式刀库。 应当根据被加工零件的工艺要求合理的确定刀库的存储量。根据对 车床、铣床和钻床的所需刀具的数的统计表明,在加工过程中经常使用的刀具数目并 不很多,对于钻削加工,用 14 把不同的规格的刀具就可以完成约 80%的加工,即使要 求完成 90%的工件加工,用 20 把刀具也就足够了。对于铣削加工,需要的刀具更少, 用 4 把不同规格的铣刀就能完成约 90%加工,用 5 把不同规格的铣刀可以加工 95%的 工件。因此从使用角度来看,刀库的存储量一般为 2040 把较为合适,多的可达 60 把 刀,超过 60 把刀的很少。 1.3.2 刀具交换装置(机械手) 沈阳理工大学学士学位论文 - 8 - 它的职能是将机床主轴上的刀具与刀库或刀具传送装置上的刀具进行交换,其动 作循环为:拔刀新旧刀具交换装刀。换刀机械手种类繁多,可以说每个厂家都可 以推出自己的机械手,基本上换刀装置按交换方式又分为两类。 无机械手换刀:由刀库与机床主轴的相对运动实现换刀。在这类装置中,刀库一 般为格子式,装在工作台上。换刀时,先使工作台与主轴相对运动,将使用过的旧刀 送回刀库,然后再使工作台与主轴相对运动一次,从刀库中取出新刀。这种换刀方式 的换刀时间长,另外刀库设置在工作台上,减少了工作台的有效使用面积。 采用机械手换刀:机械手刀具交换装置,有单臂单手式机械手、回转式单臂双机 械手、双臂机械手、多手式机械手。特别是双臂机械手刀具交换装置具有换刀时间短、 动作灵活可靠等优点,应用最为广泛。双臂机械手中最常用的几种结构有:钩手;抱 手;伸缩手;叉手。双臂机械手进行一次换刀循环的基本动作为:抓刀(手臂旋转或伸 出,同时抓住主轴和刀库里的刀具);拔刀(主轴松开,机械手同时将主轴和刀库中的刀 具拔出);换刀(手臂转 180,新、旧刀交换);插刀(同时将新刀插入主轴,旧刀插入 刀库,然后主轴夹紧刀具);缩回(手臂缩回到原始位置)。机械手的手爪,大都采用机 械锁刀的方式,有些大型的加工中心,也有采用机械加液压的锁刀方式,以保证大而 重的刀具在换刀中不被甩出。 1.3.3 运刀装置 当刀库容量较大、布置得离机床较远时,就需要安排两只机械手来完成新旧刀的 交换动作,一只靠近刀库,称为后机械手,完成拔新刀、插旧刀的动作;一只靠近主 轴,称为前机械手,完成拔旧刀、插新刀的动作。在前后机械手之间则设有运刀装置。 它一方面将前机械手从主轴上拔出的旧刀运回刀库旁,以便后机械手将该旧刀拔出并 插回刀库;另一方面则将后机械手从刀库中拔出的新刀运到主轴旁,以便前机械手将 该新刀拔出并插入主轴。运刀器的职能就是在前后机械手之间来回运送新、旧刀具。 1.3.4 刀具编码装置 将加工所需的刀具自动地从刀库中选择出来称为自动选刀,有顺序选择和编码选 择两种方式。 沈阳理工大学学士学位论文 - 9 - 顺序选择方式: 将在加工中心上加工某一零件所需的全部刀具按工序先后依次插 入刀库中。加工时按加工顺序一一取用。采用这种选刀方式不需要识刀器,刀库结构 及其驱动装置都非常简单,每次换刀时控制刀库转位一次即可。采用顺序选刀方式时, 为某一个工件准备的刀具,不能在其他工件中重复使用,这在一定程度上限制了机床 的加工能力。 固定地址选择方式:这是一种对号入座的方式,又称为刀座编码方式。这种方式 是对刀库的刀座进行编码,并将与刀座编码相对应的刀具一一放入指定的刀座中。然 后根据刀座的编码选取刀具。该方式使刀
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