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文檔簡介
1、<p><b> 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文</b></p><p> 論文題目: 數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì) </p><p><b> 摘 要</b></p><p> 90年代以來,數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普及及發(fā)展,高速加工中心作為新
2、時(shí)代數(shù)控機(jī)床的代表,已在機(jī)床領(lǐng)域廣泛使用。</p><p> 加工中心是一種備有刀庫并能自動(dòng)換刀對工件進(jìn)行多工序加工的數(shù)控機(jī)床。它是適應(yīng)省力、省時(shí)和節(jié)能的時(shí)代要求發(fā)展起來的,它綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、拖動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測量及傳感技術(shù)以及通訊診斷、刀具和應(yīng)用編程技術(shù)為一身的高科技產(chǎn)品。而刀庫是一臺(tái)加工中心關(guān)鍵的、必不可少的組成部分,刀庫的功能是儲(chǔ)存加工工序所需的各種刀具,并按程序
3、T指令,把將要用的刀具準(zhǔn)確地送到換刀位置,并接受從主軸送來的已用刀具。刀庫的儲(chǔ)存量一般在8~64把范圍內(nèi),多的可達(dá)100~200把。加工中心刀庫的形式很多,結(jié)構(gòu)也各不相同,最常用的有圓盤式刀庫、鏈?zhǔn)降稁旌透褡雍惺降稁臁?lt;/p><p> 盤形刀庫為最常用的一種形式,每一刀座均可存放一把刀具。盤形刀庫的儲(chǔ)存量一般為15~40把。盤形刀庫的種類甚多,刀庫的刀具軸線可以按不同的方向配置。單盤式刀庫的結(jié)構(gòu)簡單,取刀也較
4、方便,因此應(yīng)用最為廣泛。</p><p> 本設(shè)計(jì)的題目是數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)。以加工中心為對象,通過分析加工中心的整體結(jié)構(gòu)和自動(dòng)換刀系統(tǒng)的特點(diǎn)、應(yīng)用條件、設(shè)計(jì)要求等,并結(jié)合在數(shù)控機(jī)床上對刀庫和換刀機(jī)械手的需要,能在數(shù)控程序的控制下靈活的實(shí)現(xiàn)換刀過程。設(shè)計(jì)的刀庫為盤式刀庫,驅(qū)動(dòng)裝置采用電機(jī)液壓驅(qū)動(dòng);設(shè)計(jì)的換刀機(jī)械手為回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手,手指采用彈簧銷壓緊式,驅(qū)動(dòng)裝置采用液壓雙作用缸。結(jié)合工廠實(shí)際,該自動(dòng)
5、換刀系統(tǒng)在數(shù)控的控制下能靈活的完成換刀程序,節(jié)省了時(shí)間、提高了效率、安全可靠。</p><p> 關(guān)鍵詞:加工中心,盤形刀庫,數(shù)控</p><p><b> 、</b></p><p><b> 、、</b></p><p><b> 目 錄</b></p&
6、gt;<p><b> 1概述8</b></p><p> 1.1數(shù)控機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀8</p><p> 1.1.1國際數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r8</p><p> 1.1.2國內(nèi)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r9</p><p> 1.1.3數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展趨勢11</p><p>
7、 1.2加工中心12</p><p> 1.2.1加工中心的組成12</p><p> 1.2.2加工中心的特點(diǎn)13</p><p> 1.2.3加工中心的分類15</p><p> 1.2.4加工中心的發(fā)展方向17</p><p> 2加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)方案確定19</p>&
8、lt;p> 2.1加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)概述19</p><p> 2.2自動(dòng)換刀系統(tǒng)方案確定19</p><p> 2.2.1刀庫方案的確定19</p><p> 2.2.2換刀機(jī)械手方案的確定23</p><p><b> 3刀庫的設(shè)計(jì)28</b></p><p>
9、3.1刀庫容量的確定28</p><p> 3.2刀庫的轉(zhuǎn)位28</p><p> 3.3刀庫的夾刀機(jī)構(gòu)30</p><p> 4換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)31</p><p> 4.1機(jī)械手的各種運(yùn)動(dòng)的分析31</p><p> 4.1.1手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)31</p><p> 4
10、.1.2手爪的開合運(yùn)動(dòng)32</p><p> 4.1.3回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)33</p><p> 4.1.4直線運(yùn)動(dòng)33</p><p> 4.2設(shè)計(jì)計(jì)算34</p><p> 4.2.1手爪夾緊力的計(jì)算34</p><p> 4.2.2齒輪的設(shè)計(jì)34</p><p> 4.2.3
11、軸的設(shè)計(jì)37</p><p><b> 5運(yùn)動(dòng)仿真41</b></p><p><b> 6結(jié)論44</b></p><p><b> 參考文獻(xiàn)45</b></p><p><b> 致謝46</b></p><p&g
12、t;<b> 1 概述</b></p><p> 數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心,是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、智能化和集成化的基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位,是衡量一個(gè)國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的重要標(biāo)志。</p><p> 機(jī)床是發(fā)展機(jī)械制造業(yè)乃至整個(gè)工業(yè)必不可少的復(fù)雜生產(chǎn)工具,既是生產(chǎn)要素,又是重要的商品。而數(shù)控機(jī)床是機(jī)電一體化現(xiàn)代機(jī)床
13、,對復(fù)雜件、難削件的加工起到重要作用,又特別適合于中小批多品種柔性生產(chǎn)。在大批大量生產(chǎn)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)之后,必須要努力發(fā)展中小批多品種柔性生產(chǎn)自動(dòng)化,以適應(yīng)社會(huì)產(chǎn)品多樣化的需求?! ?shù)控機(jī)床的發(fā)展在很大程度上取決于數(shù)控系統(tǒng)的性能和水平,而數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及其技術(shù)基礎(chǔ)離不開微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)及其軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)趨于一致化,而控制系統(tǒng)軟件的競爭日益加劇。</p><p> 1.1數(shù)
14、控機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀</p><p> 1.1.1國際數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r</p><p> 隨著商品市場的國際化,各國數(shù)控機(jī)床市場的聯(lián)系越來越緊密,相互之間的影響也越來越大。下面列舉德國、日本、和韓國等三個(gè)國家的數(shù)控機(jī)床發(fā)展?fàn)顩r,從中可一窺國際數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r。</p><p><b> 德國:創(chuàng)歷史新高</b></p><
15、;p> 2006年,德國機(jī)床業(yè)界的生產(chǎn)與服務(wù)總值高達(dá)108億歐元,增長4%。在出口方面,截至2006年,德國機(jī)床制造業(yè)已連續(xù)4年取得上好成績,僅2006年前9月的出口增幅便高達(dá)13%。來自中國市場的需求超過了美國市場,再度成為德國機(jī)床出口的最大海外市場。 與此同時(shí),德國對韓國與印度的機(jī)床出口也有出色表現(xiàn)。這標(biāo)志著亞洲市場的繁榮及其各個(gè)行業(yè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的提高。日本用戶也在增加對德國機(jī)床與技術(shù)的訂購,2006年日本首次躍居德國15大出口
16、市場之一。</p><p> 進(jìn)口方面,亞洲的機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)正不斷提升技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),著力強(qiáng)化其在德國市場中的地位。2006年前3個(gè)季度,德國的機(jī)床進(jìn)口增長率高達(dá)15%,主要增量來自中國、韓國、中國臺(tái)灣與日本。 2007年該國機(jī)床生產(chǎn)與服務(wù)總值還將繼續(xù)攀升,達(dá)115億歐元。如此一來,德國機(jī)床制造業(yè)將取得歷史以來的最好成績,并有望打破行業(yè)在2001年所創(chuàng)下的最高記錄。</p><p> 日本:細(xì)
17、水長流式的景氣復(fù)蘇</p><p> 截至2006年年底,日本機(jī)床業(yè)已連續(xù)32個(gè)月每月訂貨額超過1000億日元,超過了上世紀(jì)90年最高峰時(shí)連續(xù)22個(gè)月訂貨額超過1000億日元的記錄。其他的統(tǒng)計(jì)數(shù)字為:2006年機(jī)床工業(yè)生產(chǎn)總值達(dá)1兆2110億日元,與訂貨額基本呈現(xiàn)同樣的發(fā)展趨勢,出口額9255億日元,同比增長14%,進(jìn)口額1356億日元,同比增長26%。 回顧以2002年為谷底的本次恢復(fù)期的機(jī)床工業(yè)訂貨額情況,
18、2002年為6758億日元,同比增長14.3%;2003年為8511億日元,同比增長25.9%;2004年為1兆2362億日元,同比增長45.2%;2005年為1兆3632億日元,同比增長10.3%;2006年的訂貨額遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)初的預(yù)測值1兆1200億日元,達(dá)到1兆4370億日元,同比增長54%,創(chuàng)造了16年來的歷史新高,繼續(xù)著細(xì)水長流式的景氣復(fù)蘇。</p><p> 韓國:出口良好,內(nèi)需萎縮</p&g
19、t;<p> 2006年韓國機(jī)床產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值達(dá)到41.4億美元,估計(jì)比前年增長了18%。按階段可分為:上半年良好、下半年停滯,表現(xiàn)為出口良好、內(nèi)需萎縮的景象。 按照不同行業(yè)需求形態(tài)來看,以中小企業(yè)為主的鑄造模具行業(yè)的需求,由于內(nèi)需的不景氣呈現(xiàn)出了全面的萎縮,而電氣電子行業(yè)沒能追加大量的投資,比前年有所減少。然而對業(yè)績輝煌的造船業(yè)來講,需求十分活躍,對大型機(jī)械的需求大大增加。汽車行業(yè)雖然因受到現(xiàn)代汽車公司的罷工影響多少有所
20、萎縮,但通過汽車廠商的海外拓展及GM大宇、雷諾三星的投資相對擴(kuò)大,基本保持了前年的水平。</p><p> 1.1.2國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r</p><p> 隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展,世界機(jī)床業(yè)已進(jìn)入了以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機(jī)電一體化時(shí)代,其中數(shù)控機(jī)床就是代表產(chǎn)品之一。數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)的加工母機(jī)和國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)。它為國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門提供裝備和手段,具有無限放大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效應(yīng)。目
21、前,歐、美、日等工業(yè)化國家已先后完成了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,而中國從20世紀(jì)80年代開始起步,仍處于發(fā)展階段。</p><p> “十五”期間,中國數(shù)控機(jī)床行業(yè)實(shí)現(xiàn)了超高速發(fā)展。其產(chǎn)量2001年為17521臺(tái),2002年24803臺(tái),2003年36813臺(tái),2004年51861臺(tái),2004年產(chǎn)量是2000年的3.7倍,平均年增長39%;2005年國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量59639臺(tái),接近6萬臺(tái)大關(guān),是“九五”末期的4.2
22、4倍?!笆濉逼陂g,中國機(jī)床行業(yè)發(fā)展迅猛的主要原因是市場需求旺盛。固定資產(chǎn)投資增速快、汽車和機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展迅猛、外商投資企業(yè)增長速度加快所致。</p><p> 2006年,中國數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量達(dá)到85756臺(tái),同比增長32.8%,增幅高于金切機(jī)床產(chǎn)量增幅18.4個(gè)百分點(diǎn),進(jìn)而使金切機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化率達(dá)到37.8%,同比增加2.3個(gè)百分點(diǎn)。此外,數(shù)控機(jī)床在外貿(mào)出口方面亦業(yè)績驕人,全年實(shí)現(xiàn)出口額3.34億美元,同
23、比增長63.14%,高于全部金屬加工機(jī)床出口額增幅18.58個(gè)百分點(diǎn)。</p><p> 2007年,中國數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量達(dá)123,257臺(tái),數(shù)控金屬成形機(jī)床產(chǎn)量達(dá)3,011臺(tái);國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床擁有量約50萬臺(tái),進(jìn)口約20萬臺(tái)。</p><p> 2008年10月,中國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量達(dá)105,780臺(tái),比2007年同比增長2.96%。</p><p> 長期以來,國
24、產(chǎn)數(shù)控機(jī)床始終處于低檔迅速膨脹,中檔進(jìn)展緩慢,高檔依靠進(jìn)口的局面,特別是國家重點(diǎn)工程需要的關(guān)鍵設(shè)備主要依靠進(jìn)口,技術(shù)受制于人。究其原因,國內(nèi)本土數(shù)控機(jī)床企業(yè)大多處于“粗放型”階段,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平、質(zhì)量、精度、性能等方面與國外先進(jìn)水平相比落后了5—10年;在高、精、尖技術(shù)方面的差距則達(dá)到了10—15年。同時(shí)中國在應(yīng)用技術(shù)及技術(shù)集成方面的能力也還比較低,相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的研究制定相對滯后,國產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床還沒有形成品牌效應(yīng)。同時(shí),中國的數(shù)
25、控機(jī)床產(chǎn)業(yè)目前還缺少完善的技術(shù)培訓(xùn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系,市場營銷能力和經(jīng)營管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主創(chuàng)新能力,完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)少之又少,制約了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。</p><p> 國外公司在中國數(shù)控系統(tǒng)銷量中的80%以上是普及型數(shù)控系統(tǒng)。如果我們能在普及型數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品快速產(chǎn)業(yè)化上取得突破,中國數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)就有望從根本上實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略反擊。同時(shí),還要建立起比較完備的高檔數(shù)控系統(tǒng)的自主創(chuàng)新體系,
26、提高中國的自主設(shè)計(jì)、開發(fā)和成套生產(chǎn)能力,創(chuàng)建國產(chǎn)自主品牌產(chǎn)品,提高中國高檔數(shù)控系統(tǒng)總體技術(shù)水平。</p><p> “十一五”期間,中國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)將步入快速發(fā)展期,中國數(shù)控機(jī)床行業(yè)面臨千載難逢的大好發(fā)展機(jī)遇,根據(jù)中國數(shù)控車床1996—2005年消費(fèi)數(shù)量,通過模型擬合,預(yù)計(jì)2009年數(shù)控車床銷售數(shù)量將達(dá)8.9萬臺(tái),年均增長率為16.5%。根據(jù)中國加工中心1996—2005年消費(fèi)增長模型,預(yù)計(jì)2009年加工中心消
27、費(fèi)數(shù)量將達(dá)2.8萬臺(tái),較2005年年均增長率為17.8%。</p><p> 1.1.3數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展趨勢</p><p> 高速、精密、復(fù)合、智能和綠色是數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的總趨勢,近幾年來,在實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化等方面取得可喜成績。主要表現(xiàn)在:</p><p> 1、機(jī)床復(fù)合技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展</p><p> 隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)進(jìn)步,復(fù)合
28、加工技術(shù)日趨成熟,包括銑—車復(fù)合、車銑復(fù)合、車—鏜—鉆—齒輪加工等復(fù)合,車磨復(fù)合,成形復(fù)合加工、特種復(fù)合加工等,復(fù)合加工的精度和效率大大提高?!耙慌_(tái)機(jī)床就是一個(gè)加工廠”、“一次裝卡,完全加工”等理念正在被更多人接受,復(fù)合加工機(jī)床發(fā)展正呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢。 </p><p> 2、智能化技術(shù)有新突破</p><p> 數(shù)控機(jī)床的智能化技術(shù)有新的突破,在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了較多體現(xiàn)。如:自
29、動(dòng)調(diào)整干涉防碰撞功能、斷電后工件自動(dòng)退出安全區(qū)斷電保護(hù)功能、加工零件檢測和自動(dòng)補(bǔ)償學(xué)習(xí)功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過程自動(dòng)消除機(jī)床震動(dòng)等功能進(jìn)入了實(shí)用化階段,智能化提升了機(jī)床的功能和品質(zhì)。 </p><p> 3、機(jī)器人使柔性化組合效率更高</p><p> 機(jī)器人與主機(jī)的柔性化組合得到廣泛應(yīng)用,使得柔性線更加靈活、功能進(jìn)一步擴(kuò)展、柔性線進(jìn)一步縮短、效率更高。機(jī)器人與加
30、工中心、車銑復(fù)合機(jī)床、磨床、齒輪加工機(jī)床、工具磨床、電加工機(jī)床、鋸床、沖壓機(jī)床、激光加工機(jī)床、水切割機(jī)床等組成多種形式的柔性單元和柔性生產(chǎn)線已經(jīng)開始應(yīng)用。</p><p> 4、精密加工技術(shù)有了新進(jìn)展</p><p> 數(shù)控金切機(jī)床的加工精度已從原來的絲級(0.01mm)提升到目前的微米級(0.001mm),有些品種已達(dá)到0.05μm左右。超精密數(shù)控機(jī)床的微細(xì)切削和磨削加工,精度可穩(wěn)定
31、達(dá)到0.05μm左右,形狀精度可達(dá)0.01μm左右。采用光、電、化學(xué)等能源的特種加工精度可達(dá)到納米級(0.001μm)。通過機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、機(jī)床零部件的超精加工和精密裝配、采用高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動(dòng)等動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償技術(shù),提高機(jī)床加工的幾何精度,降低形位誤差、表面粗糙度等,從而進(jìn)入亞微米、納米級超精加工時(shí)代。 </p><p> 5、功能部件性能不斷提高</p><p> 功能部
32、件不斷向高速度、高精度、大功率和智能化方向發(fā)展,并取得成熟的應(yīng)用。全數(shù)字交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置,高技術(shù)含量的電主軸、力矩電機(jī)、直線電機(jī),高性能的直線滾動(dòng)組件,高精度主軸單元等功能部件推廣應(yīng)用,極大的提高數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平。</p><p><b> 1.2加工中心</b></p><p> 加工中心是在數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上加上刀庫及自動(dòng)換刀裝置或多個(gè)工作臺(tái),集數(shù)控銑床
33、、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床的功能于一身的一種由計(jì)算機(jī)來控制的高效、高自動(dòng)化的機(jī)床。工件在一次裝夾后,數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)加工的需要,自動(dòng)選擇和更換刀具,根據(jù)粗精加工的不同要求自動(dòng)改變機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡和其他輔助功能,一次完成多工序的加工。減少了工件的裝夾、測量和機(jī)床調(diào)整等時(shí)間,使機(jī)床的切削時(shí)間達(dá)到機(jī)床開動(dòng)時(shí)間的80%左右(普通機(jī)床僅為15%~20%);同時(shí)也減少了工序之間的工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時(shí)間,縮短了生產(chǎn)周期,具有明
34、顯的經(jīng)濟(jì)效益。加工中心適用于零件形狀比較復(fù)雜、精度要求較高、產(chǎn)品更換頻繁的中小批量生產(chǎn)。</p><p> 1.2.1加工中心的組成</p><p> 加工中心自問世至今已有三十多年,世界各國出現(xiàn)了各種類型的加工中心,雖然外形結(jié)構(gòu)各異,但從總體來看主要由以下幾大部分組成。</p><p><b> 1.基礎(chǔ)部件</b></p>
35、<p> 基礎(chǔ)部件由床身、立柱和工作臺(tái)等組成,它是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),主要承受加工中心的靜載荷以及在加工時(shí)產(chǎn)生的切削負(fù)載,因此必須要有足夠的剛度。這些大件可以是鑄鐵件,也可以是焊接而成的鋼結(jié)構(gòu)件,它們是加工中心體積和質(zhì)量最大的部件。</p><p><b> 2.主軸部件</b></p><p> 主軸部件由主軸箱、主軸電動(dòng)機(jī)、主軸和主軸軸承等零件
36、組成。主軸的啟、停和變速等動(dòng)作均由數(shù)控系統(tǒng)控制,并且通過裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動(dòng),是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關(guān)鍵部件,其結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣對加工中心的性能有很大影響。</p><p><b> 3.伺服系統(tǒng)</b></p><p> 伺服系統(tǒng)主要是進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng),其作用是把來自數(shù)控裝置的信號轉(zhuǎn)換為機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng),其性能是決定機(jī)床的加工精度、表面精度、
37、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半閉環(huán)、閉環(huán)和開環(huán)三種控制方式。</p><p> 4.數(shù)控系統(tǒng)(CNC)</p><p> 加工中心的數(shù)控部分是由CNC裝置、可編程控制器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置以及操作面板等組成。它是執(zhí)行順序控制動(dòng)作和完成加工過程的控制中心。</p><p> 5.自動(dòng)換刀系統(tǒng)(ATC)</p><p>
38、自動(dòng)換刀系統(tǒng)是由刀庫、機(jī)械手等部件組成。當(dāng)需要換刀時(shí),數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令,由機(jī)械手(或通過其他方式)將刀具從刀庫內(nèi)取出裝入主軸孔中。</p><p><b> 6.輔助裝置</b></p><p> 輔助裝置包括潤滑、冷卻、排屑、防護(hù)、液壓、氣動(dòng)和檢測系統(tǒng)等部分。這些裝置雖然不直接參與切削運(yùn)動(dòng),但對加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起著保障作用,因此也是加工中心不
39、可缺少的部分。</p><p> 1.2.2加工中心的特點(diǎn)</p><p><b> 1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)</b></p><p> ?。?) 機(jī)床的剛度高、抗振性好。為了滿足加工中心高自動(dòng)化、高速度、高精度、高可靠性的要求,加工中心的靜剛度、動(dòng)剛度和機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的阻尼比都高于普通機(jī)床。</p><p> ?。?)機(jī)床的傳動(dòng)
40、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,傳遞精度高,速度快。加工中心傳動(dòng)裝置主要有三種,即滾珠絲杠副;靜壓蝸桿——蝸輪條;預(yù)加載荷雙齒輪——齒條。它們由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng),省去齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),傳遞精度高,速度快。一般速度可達(dá)15m/min,最高可達(dá)100m/min。</p><p> ?。?) 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,無齒輪箱變速系統(tǒng)(特殊的也只保留1~2級齒輪傳動(dòng))。主軸功率大,調(diào)速范圍寬,并可無級調(diào)速。目前加工中心95%以上的主軸傳動(dòng)都采用交流
41、伺服系統(tǒng),速度可從(10~2000)r/min無級變速。</p><p> (4) 加工中心的導(dǎo)軌都采用了耐磨損材料和新的結(jié)構(gòu),能長期地保持導(dǎo)軌的精度,在高速切削下,保證運(yùn)動(dòng)部件不振動(dòng),低速進(jìn)給時(shí)保證不爬行及運(yùn)動(dòng)中的高靈敏度。</p><p> (5) 設(shè)置有刀庫和換刀機(jī)構(gòu)。具有儲(chǔ)存加工所需刀具的刀庫,它用于儲(chǔ)存刀具并根據(jù)要求將各工序所用的刀具運(yùn)送到取刀位置;具有自動(dòng)裝卸刀具的機(jī)械手。
42、這是加工中心與數(shù)控銑床和數(shù)控鏜床的主要區(qū)別,使加工中心的功能和自動(dòng)化加工的能力更強(qiáng)了。加工中心的刀庫容量少的有幾把,多的達(dá)幾百把。這些刀具通過換刀機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)用和更換,也可以通過控制系統(tǒng)對刀具壽命進(jìn)行管理。</p><p> ?。?) 具有主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)、刀桿自動(dòng)夾緊松開機(jī)構(gòu)和刀柄切屑自動(dòng)清理裝置。這是加工中心機(jī)床主軸部件中三個(gè)主要組成部分,也是加工中心機(jī)床能夠順利地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀所需具備的結(jié)構(gòu)保證。此外,還具有自動(dòng)排
43、屑、自動(dòng)潤滑、自動(dòng)報(bào)警和工作臺(tái)自動(dòng)交換的系統(tǒng)等。</p><p><b> 2.加工特點(diǎn)</b></p><p> ?。?) 全封閉防護(hù),加工精度高。加工中心同其他數(shù)控機(jī)床一樣具有加工精度高的特點(diǎn),而且加工中心由于加工工序集中,避免了長工藝流程,減少了人為干擾,故加工精度更高,加工質(zhì)量更加穩(wěn)定。</p><p> (2)能自動(dòng)進(jìn)行刀具更換,
44、加工生產(chǎn)率高。零件加工所需要的時(shí)間包括機(jī)動(dòng)時(shí)間與輔助時(shí)間兩部分。加工中心帶有刀庫和自動(dòng)換刀裝置,在一臺(tái)機(jī)床上能集中完成多種工序,因而可減少工件裝夾、測量和機(jī)床的調(diào)整時(shí)間,減少工件半成品的周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時(shí)間,使機(jī)床的切削利用率(切削時(shí)間和開動(dòng)時(shí)間之比)高于普通機(jī)床3~4倍,達(dá)80%以上。</p><p> ?。?) 工序集中,加工連續(xù)進(jìn)行。加工中心備有刀庫并能自動(dòng)更換刀具,對工件進(jìn)行多工序加工,使得工件在一次裝夾
45、后,數(shù)控系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序自動(dòng)選擇和更換刀具,自動(dòng)改變主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對工件的運(yùn)動(dòng)軌跡以及其他輔助功能,現(xiàn)代加工中心更大程度地使工件在一次裝夾后實(shí)現(xiàn)更多表面、多特征、多工位的連續(xù)、高效、高精度加工,即工序集中。這是加工中心最突出的特點(diǎn)。</p><p> ?。?)加工中心能自動(dòng)改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對工件的運(yùn)動(dòng)軌跡及其他輔助機(jī)能。</p><p> ?。?)操作者的
46、勞動(dòng)強(qiáng)度減輕。加工中心對零件的加工是按事先編好的程序自動(dòng)完成的,操作者除了操作鍵盤、裝卸零件、進(jìn)行關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機(jī)床的運(yùn)行之外,不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工操作,勞動(dòng)強(qiáng)度和緊張程度均可大為減輕,勞動(dòng)條件也得到很大的改善。</p><p> (6)功能強(qiáng)大,趨向復(fù)合加工,對加工對象的適應(yīng)性強(qiáng)。加工中心生產(chǎn)的柔性不僅體現(xiàn)在對特殊要求的快速反應(yīng)上,而且能快速實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),提高市場競爭能力。</p>
47、;<p> ?。?)經(jīng)濟(jì)效益高,有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。使用加工中心加工零件時(shí),分?jǐn)傇诿總€(gè)零件上的設(shè)備費(fèi)用是較昂貴的,但在單件、小批量生產(chǎn)的情況下,可以節(jié)省許多其他方面的費(fèi)用,因此能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。并且用加工中心加工零件,能夠準(zhǔn)確地計(jì)算零件的加工工時(shí),并有效地簡化了檢驗(yàn)和工裝夾具、半成品的管理工作。這些特點(diǎn)有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。</p><p> 由于加工中心具有上述機(jī)能,因而可以大大減少工
48、件裝夾、測量和機(jī)床調(diào)整時(shí)間,減少工件的周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時(shí)間,使機(jī)床的切削時(shí)間利用率高于普通機(jī)床3~4倍,大大提高了生產(chǎn)率,尤其是在加工形狀比較復(fù)雜、精度要求較高、品種更換頻繁的工件時(shí),更具有良好的經(jīng)濟(jì)性。</p><p> 1.2.3加工中心的分類</p><p> 1.按加工的范圍分類</p><p> 按加工的范圍可分為:車削加工中心、鉆削加工中心、鏜銑加
49、工中心、磨削加工中心、電火花加工中心等。一般鏜銑類加工中心簡稱加工中心。</p><p> 2.按加工中心布局方式分類</p><p> 按加工中心布局方式分類有以下4種。</p><p> (1)臥式加工中心。臥式加工中心是指主軸軸線為水平狀態(tài)設(shè)置的加工中心,通常都帶有可進(jìn)行分度的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的正方形分度工作臺(tái)。臥式加工中心一般具有3~5個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo),常見的是3個(gè)
50、直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)(沿X,Y,Z軸方向)加一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)(回轉(zhuǎn)工作臺(tái)),它能夠使工件在一次裝夾后完成除安裝面和頂面以外的其余4個(gè)面的加工,最適合箱體類零件的加工。</p><p> 臥式加工中心的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,占地面積大,重量大,價(jià)格也比較高。</p><p> (2)立式加工中心。立式加工中心是指主軸軸線為垂直狀態(tài)設(shè)置的加工中心,其結(jié)構(gòu)形式多為固定立柱式,工作臺(tái)為長方形,無分度回轉(zhuǎn)功能,適合
51、加工盤類零件,具有3個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)(沿X,Y,Z軸方向),如在工作臺(tái)上安裝一個(gè)水平軸的數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái),可用來加工螺旋線類零件。</p><p> 與臥式加工中心相比較,立式加工中心的結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、價(jià)格低。</p><p> ?。?)龍門式加工中心。龍門式加工中心形狀與龍門銑床相似,主軸多為垂直設(shè)置。帶有自動(dòng)換刀裝置及可更換的主軸頭附件,數(shù)控裝置的軟件功能也比較齊全,能夠一機(jī)多用。龍門
52、型布局具有結(jié)構(gòu)剛性好,容易實(shí)現(xiàn)熱對稱性設(shè)計(jì),尤其適用于大型或形狀復(fù)雜的工件,如航天工業(yè)及大型汽輪機(jī)上的某些零件的加工。</p><p> (4)萬能加工中心(復(fù)合加工中心)。具有立式和臥式加工中心的功能,工件一次裝夾后能完成除安裝面外的所有側(cè)面和頂面(5個(gè)面)的加工,也稱五面加工中心。常見的五面加工中心有兩種形式,一種是主軸可實(shí)現(xiàn)立、臥轉(zhuǎn)換;另一種是主軸不改變方向,工作臺(tái)帶著工件旋轉(zhuǎn)90°完成對工件5
53、個(gè)表面的加工。</p><p> 由于五面加工中心結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大、造價(jià)高,因此它的使用和生產(chǎn)在數(shù)量上遠(yuǎn)不如其他類型的加工中心。</p><p><b> 3.按換刀形式分類</b></p><p> 按換刀形式分類有以下2種。</p><p> ?。?)帶刀庫機(jī)械手的加工中心。加工中心的換刀裝置(ATC)是由
54、刀庫和機(jī)械手組成的,機(jī)械手完成換刀工作。這是加工中心最普遍的形式。</p><p> ?。?)無機(jī)械手的加工中心。加工中心的換刀是通過刀庫和主軸箱的配合動(dòng)作來完成的,刀庫中刀具存放的位置方向與主軸裝刀方向一致。換刀時(shí),主軸運(yùn)動(dòng)到刀位上的換刀位置,由主軸直接取走或放回刀具,多采用40號以下刀柄的小型加工中心。</p><p><b> 4.按數(shù)控系統(tǒng)分類</b><
55、;/p><p> 按數(shù)控系統(tǒng)分類,有2坐標(biāo)加工中心、3坐標(biāo)加工中心和多坐標(biāo)加工中心;有半閉環(huán)加工中心和全閉環(huán)加工中心。</p><p> 1.2.4加工中心的發(fā)展方向</p><p> 加工中心目前發(fā)展的方向主要有高速化、進(jìn)一步提高精度和功能完善等方向。</p><p><b> 1.高速化</b></p>
56、;<p> 加工中心的高速化,主要是指主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、自動(dòng)換刀和自動(dòng)交換工作的高速化。</p><p><b> 2.進(jìn)一步提高精度</b></p><p> 使工件加工精度逐漸接近坐標(biāo)鏜床。</p><p><b> 3.功能越來越完善</b></p><p> 加工中
57、心功能的完善首先表現(xiàn)在愈來愈完善的自診斷功能。為了盡可能減少加工中的故障,現(xiàn)代加工中心大多配備完善的自診斷功能。例如,位置檢測傳感器、刀具破損檢測裝置、切削異常檢測功能、適應(yīng)控制功能、備用刀具選擇功能、溫度傳感器、聲傳感器和電流傳感器等。這些功能和傳感器,使機(jī)床具有一定的人工智能。</p><p><b> 4.控制智能化</b></p><p> ?。?)加工過程
58、自適應(yīng)控制技術(shù)。</p><p> ?。?)加工參數(shù)智能化與選擇。</p><p> ?。?)智能故障自診斷和自修復(fù)技術(shù)。</p><p><b> 5.體系開放化</b></p><p> ?。?)向未來技術(shù)開放。</p><p> (2)向用戶特殊要求開放。</p><
59、p> ?。?)數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)的建立。</p><p><b> 6.驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化</b></p><p> 7.極端化(大型化和微型化)</p><p><b> 8.信息交互網(wǎng)絡(luò)化</b></p><p> 9.新型功能部件的研制</p><p><b>
60、 10.高可靠性</b></p><p> 11.加工過程的綠色化</p><p> 12.多媒體技術(shù)的應(yīng)用</p><p> 2 加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)方案確定</p><p> 2.1加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)概述</p><p> 加工中心要完成對工件的多工序加工,必須要在加工過程中自動(dòng)更換刀具,為
61、完成這項(xiàng)工作而設(shè)置的儲(chǔ)存及更換刀具的系統(tǒng)統(tǒng)稱為自動(dòng)換刀系統(tǒng)。自動(dòng)換刀系統(tǒng)中的刀庫,換刀的可靠性,即換刀速度直接影響到加工中心的工作效率。</p><p> 利用刀庫換刀,是目前加工中心中大量使用的換刀方式。由于有了刀庫,機(jī)床只要一個(gè)固定主軸夾持刀具,有利于提高主軸剛度。獨(dú)立的刀庫大大增加了刀具的儲(chǔ)存數(shù)量,有利于擴(kuò)大機(jī)床的功能,并能較好地減少各種影響加工精度的干擾。</p><p> 2
62、.2自動(dòng)換刀系統(tǒng)方案確定</p><p> 2.2.1刀庫方案的確定</p><p> 刀庫式換刀裝置有一個(gè)存儲(chǔ)刀具的刀庫,機(jī)床只需一個(gè)夾持刀具進(jìn)行切削的刀具主軸(鉆,膛,銑類機(jī)床)或刀架(車床類機(jī)床)。當(dāng)需要某一刀具進(jìn)行切削加工時(shí),將該刀具自動(dòng)地從刀庫轉(zhuǎn)置至機(jī)床主軸或刀架中;在切削完畢后,又將用過的刀具自動(dòng)的從機(jī)床主軸或刀架移回刀庫中。由于在換刀過程中刀具需要在多個(gè)部件之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,
63、所以各部件的動(dòng)作必需準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。</p><p> 刀庫中刀具的數(shù)目可根據(jù)工藝要求與機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局而定,數(shù)量可較多。刀庫的儲(chǔ)存量一般在8~64把范圍內(nèi),多的可達(dá)10~200把。</p><p> 刀庫可布置在遠(yuǎn)離加工區(qū)的地方,從而消除了它與工件發(fā)生干涉的可能性。</p><p> 刀庫不承受切削加工的作用力,它的工作條件比較好。</p><p
64、> 機(jī)床的主軸或刀架的尺寸不象刀塔那樣的受限制,這樣就有可能提高主軸或刀架的剛度。從而有利于提高機(jī)床的加工精度。</p><p> 采用這種自動(dòng)換刀方式的刀具主軸或刀架,需要自動(dòng)夾緊、放松刀具的機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)傳力機(jī)構(gòu)。另外,還常需要清潔刀柄及刀孔、刀座的裝置,因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜,換刀時(shí)間一般也比較長。</p><p> “自動(dòng)換刀過程時(shí)間”包括下述動(dòng)作的時(shí)間:一個(gè)工序加工完畢后,刀具快
65、速退離工件,從加工位置退到換刀位置(同時(shí)主軸準(zhǔn)停);進(jìn)行新舊刀具的交換;然后松開主軸(消除準(zhǔn)停)、變速、主軸啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)并快速趨近加工位置,用更新的新刀具開始下一工序的加工。</p><p> 由于這種自動(dòng)換刀裝置是用于多工序零件加工,換刀頻繁,如果每一次的“自動(dòng)換刀過程時(shí)間”稍長一點(diǎn),多次換刀所積累的結(jié)果就會(huì)相當(dāng)可觀,就不能顯著提高生產(chǎn)效率,因此,在設(shè)計(jì)條件允許的情況下,應(yīng)盡可能縮短“自動(dòng)換刀過程時(shí)間”。中型機(jī)床
66、,每次換刀時(shí)間一般在10秒左右,當(dāng)然,在自動(dòng)換刀過程的各個(gè)動(dòng)作中,有些動(dòng)作如刀具快速退離和快速接近工件所需時(shí)間,尚與工件加工面具體位置有關(guān),不完全決定于設(shè)計(jì)者。但有些動(dòng)作如進(jìn)行新舊刀具交換所需要的“換刀時(shí)間”,則可基本上由機(jī)床設(shè)計(jì)者所決定。這種“換刀時(shí)間”有的已降低至2.5秒或更少,一般約為5秒。</p><p> 2.2.1.1鏈?zhǔn)降稁?lt;/p><p> 鏈?zhǔn)降稁彀▎苇h(huán)鏈和多環(huán)鏈
67、, 鏈環(huán)形式可有多種變化,如圖2—1(a)、(b)、(c)</p><p> ?。╝) (b) (c) </p><p><b> 圖2—1 </b></p><p> 圖2—2是方形刀庫的典型結(jié)構(gòu)示意圖。主動(dòng)鏈輪由伺服電動(dòng)機(jī)通過蝸輪減速裝置驅(qū)動(dòng)(根據(jù)需要,還可以經(jīng)過齒輪副傳動(dòng)
68、)。這種傳動(dòng)方式,不僅在鏈?zhǔn)降稁熘胁捎?,在其他形式的刀庫傳?dòng)中,也多采用。</p><p> 導(dǎo)向輪一般做成光輪,圓周表面硬化處理。兼起張緊輪作用的左側(cè)兩個(gè)導(dǎo)輪,其輪座必須帶有導(dǎo)向槽(或?qū)蜴I),以免松開安裝螺釘時(shí),輪座位置歪扭,對張緊調(diào)節(jié)帶來麻煩?;亓阕矇K可以裝在鏈條的任意位置上,而回零開關(guān)則安裝在便于調(diào)整的位置上。這時(shí)處于機(jī)械手抓刀位置的刀套,編號為1號,然后依次編上其他刀號。刀庫回零時(shí),只能從一個(gè)方向回零
69、,至于是順時(shí)針回轉(zhuǎn)回零,還是逆時(shí)針回轉(zhuǎn)回零,可由機(jī)電設(shè)計(jì)人員商定。</p><p> 圖2—2 方形鏈?zhǔn)降稁焓疽鈭D</p><p> 如果刀套不能準(zhǔn)確地停在換刀位置上,將會(huì)使換刀機(jī)械手抓刀不準(zhǔn),以致在換刀時(shí)容易發(fā)生掉刀現(xiàn)象。因此,刀套的準(zhǔn)停問題將是影響換刀動(dòng)作可靠性的重要因素之一。為了確保刀套準(zhǔn)確地停在換刀位置上,需要采取如下措施:</p><p> 定位盤
70、準(zhǔn)停方式,由液壓缸推動(dòng)的定位銷插入定位盤的定位槽內(nèi),以實(shí)現(xiàn)刀套的準(zhǔn)停,或采取定位塊進(jìn)行快速定位。刀位盤上的每個(gè)定位槽(或定位孔),對應(yīng)于一個(gè)相應(yīng)的刀套,而且定位槽(或定位孔)的節(jié)距要一致。這種準(zhǔn)停方式的優(yōu)點(diǎn)是能有效地消除傳動(dòng)鏈反向間隙的影響,保護(hù)傳動(dòng)鏈,使其免受換刀撞擊力,驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)可不用制動(dòng)自鎖裝置。</p><p> 鏈?zhǔn)降稁煲x用節(jié)距精確度較高的套筒滾子鏈和鏈輪,而且在把套筒裝在鏈條上時(shí),要用專用夾具來定
71、位,以保證刀套節(jié)距一致。</p><p> 傳動(dòng)時(shí)要消除傳動(dòng)間隙。消除反向間隙方法有以下幾種:電氣系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償方式,在鏈輪軸上安裝編碼器,單頭雙導(dǎo)程蝸桿傳動(dòng)方式,使刀套單方向運(yùn)行、單方向定位以及使刀套雙向運(yùn)行、單向定位方式等。</p><p> 鏈?zhǔn)降稁煊腥缦绿攸c(diǎn):適用于刀庫容量較大的場合,所占的空間小。一般適用于刀具數(shù)在30~120把的刀庫。僅增加鏈條長度即可增加刀具數(shù),可以不增加圓
72、周速度,其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不像盤式刀庫增加的那樣大。</p><p> 2.2.1.2盤式刀庫</p><p> 在盤式刀庫結(jié)構(gòu)中,刀具可以沿主軸徑向、軸向、斜向安放,如圖2—3(a)、(b)、(c)。刀具軸向安裝的結(jié)構(gòu)最為緊湊,但為了換刀時(shí)刀具與主軸同向,有的刀庫中的刀具需要在換刀位置作90°翻轉(zhuǎn)。在刀庫容量較大時(shí),為在存取方便的同時(shí)保持結(jié)構(gòu)緊湊,可采取彈倉式結(jié)構(gòu),但是較其他形式復(fù)
73、雜。目前大量的刀庫安裝在機(jī)床立柱的頂面或側(cè)面。在刀庫容量較大時(shí),也有安裝在單獨(dú)的地基上的,以隔離刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)造成的振動(dòng)。</p><p> 盤式刀庫的刀具軸線也與圓盤軸線平行,刀具環(huán)形排列,分徑向、軸向兩種取刀方式,其刀座結(jié)構(gòu)不同。這種盤式刀庫結(jié)構(gòu)簡單,應(yīng)用較多,適用于刀庫容量較小的情況。為增加刀庫空間利用率,可采用雙環(huán)或多環(huán)排列刀具的形式,但圓盤直徑增大,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就增加,選刀時(shí)間也較長。</p>&
74、lt;p> ?。╝) (b) (c)</p><p><b> 圖 2—3</b></p><p> 其他的刀庫形式還有格子盒式刀庫,由于篇幅的限制這里就不再詳細(xì)介紹了。經(jīng)過對上述兩種刀庫形式的比較,以及結(jié)合的實(shí)際情況,在本設(shè)計(jì)中采用盤式刀庫這種結(jié)構(gòu)。</p>
75、<p> 2.2.2換刀機(jī)械手方案的確定</p><p> 采用機(jī)械手進(jìn)行刀具交換的方式應(yīng)用的最為廣泛,這是因?yàn)闄C(jī)械手換刀有很大的靈活性,而且可以減少換刀時(shí)間。</p><p> 2.2.2.1機(jī)械手的種類</p><p> 加工中心換刀機(jī)械手的種類繁多,可以說每個(gè)廠家都推出自己的獨(dú)特的換刀機(jī)械手,在加工中心的自動(dòng)換刀系統(tǒng)中,是機(jī)械手具體執(zhí)行刀
76、具的自動(dòng)更換,對其要求是迅速可靠、準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。由于加工中心機(jī)床的刀庫和主軸,其相對位置距離不同,相應(yīng)的換刀機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過程也不盡相同,它們由各種形式的機(jī)械手來完成。常見的機(jī)械手有:</p><p> 1.單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手</p><p> 機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)的軸線與刀具主軸平行,機(jī)械手的手臂可以回轉(zhuǎn)不同的角度來進(jìn)行自動(dòng)換刀,換刀具的所花費(fèi)的時(shí)間長。用于刀庫換刀位置的刀座的軸線相平行的場合,如
77、圖2—4所示:</p><p> 圖2—4 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手</p><p> 2.單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手</p><p> 圖2—5 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手</p><p> 這種機(jī)械手的手臂上有兩個(gè)卡爪,兩個(gè)卡爪有所分工,一個(gè)卡爪只執(zhí)行從主軸上取下“舊刀”送回刀庫的任務(wù),另一個(gè)卡爪則執(zhí)行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務(wù),其換刀時(shí)間
78、較上述單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手要短,如圖2—5所示。</p><p> 3.雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手</p><p> 這種機(jī)械手的兩臂各有一個(gè)卡爪,可同時(shí)抓取刀庫及主軸上的刀具,在回轉(zhuǎn)180°之后有同時(shí)將刀具歸回刀庫及裝入主軸,是目前加工中心機(jī)床上最為常用的一種形式,換刀時(shí)間要比前兩種都短,如圖2—6所示:</p><p> 圖2—6 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手</p
79、><p> 這種機(jī)械手在有的設(shè)計(jì)中還采用了可伸縮的手臂,如圖2—7所示:</p><p> 圖2—7 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手(手臂可伸縮式)</p><p><b> 4.雙機(jī)械手</b></p><p> 這種機(jī)械手相當(dāng)與兩個(gè)單臂單爪機(jī)械手,相互配合起來進(jìn)行自動(dòng)換刀。其中一個(gè)機(jī)械手執(zhí)行拔“舊刀”歸回刀庫,另一個(gè)機(jī)械手執(zhí)行
80、從刀庫取“新刀”插入機(jī)床主軸上,如圖2—8所示:</p><p><b> 圖2—8 雙機(jī)械手</b></p><p> 5.雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手</p><p> 這種機(jī)械手兩臂可往復(fù)運(yùn)動(dòng),并交叉成一定角度。兩個(gè)手臂分別稱作裝刀手和卸刀手。卸刀手完成往主軸上取下“舊刀”歸回刀庫,裝刀機(jī)械手執(zhí)行從刀庫取出“新刀”裝入主軸。整個(gè)機(jī)械手可沿導(dǎo)
81、軌或絲杠作直線移動(dòng)或</p><p> 繞某個(gè)轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn),以實(shí)現(xiàn)刀庫與主軸之間的運(yùn)送刀具工作,如圖2—9所示:</p><p> 圖2—9 雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手</p><p> 6.雙臂端面夾緊式機(jī)械手</p><p> 這種機(jī)械手只是在夾緊部位上和前幾種不同,上述幾種機(jī)械手均靠夾緊刀柄的外圓表面來抓住刀具,而此種機(jī)械手則是夾緊刀柄的
82、兩個(gè)端面,如圖2—10所示:</p><p> 圖2—10 雙臂端面夾緊式機(jī)械手</p><p> 由于雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的動(dòng)作比較簡單,而且能夠同時(shí)抓取和裝卸機(jī)床主軸和刀庫上的刀具,換刀時(shí)間較短,故我們選用雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手。</p><p> 如果我們采用不能伸縮的機(jī)械手,由于機(jī)械手回轉(zhuǎn)時(shí)其手部回轉(zhuǎn)半徑較大,如刀庫中刀具排得較密,可能碰撞刀具,且用這種類型的機(jī)
83、械手直接在刀庫與主軸之間換刀,只宜采用順序換刀或刀具編碼式任意選刀,不然,換刀時(shí)間將增加。故我們采用手臂可伸縮式的雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手。</p><p> 2.2.2.2手爪的選擇</p><p> 機(jī)械手的手爪,大都采用機(jī)械鎖刀方式,有些大型加工中心,亦有采用機(jī)械加液壓鎖刀方式,以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出。現(xiàn)有的手爪形式可分為以下幾種:</p><p>
84、 1.機(jī)械鎖刀手爪——彈簧銷式手爪。使用這種形式的抓持機(jī)構(gòu),手爪不需要設(shè)置專門的傳遞裝置,因而結(jié)構(gòu)簡單,使用廣泛。但在機(jī)械手有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),為避免刀具甩脫,手爪就必須有自鎖機(jī)構(gòu)。</p><p> 2.鉗形機(jī)械手手爪。這種手爪的張合需要?jiǎng)恿鬟f裝置,傳動(dòng)較復(fù)雜,但手爪的結(jié)構(gòu)可較簡單,使用也較普遍。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2—11所示。</p><p> 3.虎鉗形指。在手爪中設(shè)有定位銷,使刀具在
85、手爪中定位。用這種形式的夾持機(jī)構(gòu)時(shí),刀具需經(jīng)特殊補(bǔ)充加工,不能使用標(biāo)準(zhǔn)刀具,所以使用者較少。</p><p> 圖2—11鉗形機(jī)械手手爪</p><p> 手臂;2—鎖銷;3—止退銷;4—彈簧</p><p> 5—支點(diǎn)軸;6—手爪;7—鍵;8—螺釘</p><p> 經(jīng)對比分析,在本設(shè)計(jì)中采用第一種手爪形式。</p>
86、<p> 至此,本設(shè)計(jì)中的刀庫、機(jī)械手以及手爪形式都已確定,即刀庫采用盤式刀庫,機(jī)械手采用手臂可伸縮式的雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手,手爪形式采用彈簧銷式手爪。</p><p><b> 3 刀庫的設(shè)計(jì)</b></p><p> 本章將具體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中有關(guān)刀庫部分的具體內(nèi)容,包括刀庫的容量、轉(zhuǎn)位、夾刀機(jī)構(gòu)等。</p><p> 3.1刀庫
87、容量的確定</p><p> 刀庫的容量首先要考慮加工工藝的需要。例如,立式加工中心的主要工藝為鉆、銑。有資料顯示,在統(tǒng)計(jì)了15000種工件,按成組技術(shù)分析,各種加工所必需的刀具數(shù)的結(jié)果是:4把銑刀可完成工件95%左右的銑削工藝,10把孔加工刀具可完成70%的鉆削工藝,因此,14把刀的容量就可完成70%以上的工件鉆銑工藝。如果從完成工件的全部加工所需的刀具數(shù)目統(tǒng)計(jì),所得結(jié)果是80%的工件(中等尺寸,復(fù)雜程度一般
88、)完成全部加工任務(wù)所需的刀具數(shù)在四十種以下,所以一般的中、小型立式加工中心配有14~30把刀具的刀庫就能夠滿足70%~95%的工件加工需要。</p><p> 根據(jù)以上分析,結(jié)合本設(shè)計(jì)的要求,在本設(shè)計(jì)方案中設(shè)定刀庫的容量為24把刀。</p><p><b> 3.2刀庫的轉(zhuǎn)位</b></p><p> 刀庫的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)通過消隙齒輪
89、1、2帶動(dòng)蝸桿3,通過蝸輪4使刀庫轉(zhuǎn)動(dòng),如圖3—1所示。蝸桿為右旋雙導(dǎo)程蝸桿,可以用軸向移動(dòng)到方法來調(diào)整蝸輪副的間隙。壓蓋5內(nèi)孔螺紋與套6相配合,轉(zhuǎn)動(dòng)套6即可調(diào)整蝸桿的軸向位置,也就調(diào)整了蝸輪副的間隙。調(diào)整好后用螺母7鎖緊。</p><p> 圖3—1 刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)</p><p> 1、2—齒輪;3—蝸桿;4—蝸輪;5—壓蓋;6—套;7—螺母</p><p>
90、 刀庫的最大轉(zhuǎn)角為180°,根據(jù)所換刀具的位置決定正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)、由控制系統(tǒng)自動(dòng)判別,以使找刀路徑最短。每次轉(zhuǎn)角大小由位置控制系統(tǒng)控制,進(jìn)行粗定位,最后由定位銷精確定位。</p><p> 3.3刀庫的夾刀機(jī)構(gòu)</p><p> 刀庫的夾刀機(jī)構(gòu),即刀庫夾爪,既起著刀套作用,又起著手爪作用。由于刀具在刀庫中大部分時(shí)間是出于相對靜止?fàn)顟B(tài)(只有在刀庫轉(zhuǎn)位時(shí)隨刀庫一起運(yùn)動(dòng)),所以刀庫的
91、夾刀機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)都比較簡單,其夾緊力也較小,只需承受刀具本身的自重就可以了。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3—2所示。</p><p><b> 圖3—2 刀庫夾爪</b></p><p> 鎖銷;2—頂銷;3—彈簧;4—支點(diǎn)軸;5—手爪;6擋銷</p><p> 至此,本設(shè)計(jì)中刀庫部分已完成。由于刀庫的設(shè)計(jì)不是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn),所以上述各部分的設(shè)計(jì)都以論述
92、為主。</p><p> 4 換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)</p><p> 本章是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容,將具體設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)械手的一些零部件,以及具體分析標(biāo)準(zhǔn)件的選用。</p><p> 4.1機(jī)械手的各種運(yùn)動(dòng)的分析</p><p> 在加工中心換刀的過程中,由機(jī)械手完成的動(dòng)作是最多的,下表是機(jī)械手的換刀動(dòng)作表:</p><p>
93、; 表4—1 機(jī)械手的換刀動(dòng)作</p><p> 從表中可以看出,在整個(gè)換刀過程中由機(jī)械手完成的動(dòng)作有:手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)、手爪的開合運(yùn)動(dòng)、新舊刀具對換的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、機(jī)械手的上下直線運(yùn)動(dòng)。下面將具體介紹各個(gè)運(yùn)動(dòng)。</p><p> 4.1.1手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)</p><p> 手臂伸縮機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)液壓缸1(見機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置外形圖),輸出軸47,齒輪44以及齒條39和4
94、5組成(見換刀機(jī)械手圖)。當(dāng)壓力油通過支架28和貫穿花鍵軸30的通孔(見機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置圖)進(jìn)入回轉(zhuǎn)液壓缸1時(shí),推動(dòng)輸出軸47轉(zhuǎn)動(dòng),軸上的齒輪44便帶動(dòng)齒條39和44作直線運(yùn)動(dòng),使兩只機(jī)械臂同時(shí)伸出,通過齒條39及44上的擋塊52壓向調(diào)整螺釘53來限制終點(diǎn)位置。同時(shí)由微動(dòng)開關(guān)30發(fā)出信號,以進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作。當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸改變油路時(shí),手臂便縮回。</p><p> 4.1.2手爪的開合運(yùn)動(dòng)</p>&l
95、t;p> 見換刀機(jī)械手圖。機(jī)械手手臂的頭部帶有固定手爪14與活動(dòng)手爪18,用來夾持刀柄?;顒?dòng)手爪18可繞小軸15轉(zhuǎn)動(dòng),其一端由彈簧桿19作用支靠在小軸20上。當(dāng)彈簧頂桿3未碰到擋塊13而自由伸出時(shí),擋桿22在彈簧作用下,其一端的斜面與活動(dòng)手爪18的端部斜面臺(tái)階相靠,從而將活動(dòng)手爪18鎖死。當(dāng)擋塊13左移,將彈簧頂桿3壓入時(shí),頂桿3的一端迫使杠桿21順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),這樣,杠桿21的一端將擋桿22的斜面自活動(dòng)手爪18的端部斜面滑開。因此
96、,當(dāng)活動(dòng)手爪18伸向刀柄拔刀或插刀后收回時(shí),刀柄表面可使活動(dòng)手爪18壓縮彈簧而稍微張開,這樣機(jī)械爪即可將刀柄抱住或退出。與此同時(shí),齒條44(或39)上的擋桿壓于調(diào)整螺釘而限位,同時(shí)微動(dòng)行程開關(guān)動(dòng)作發(fā)出下一動(dòng)作的信號。由于機(jī)械爪伸向刀柄拔刀,或插刀后收回,都是當(dāng)機(jī)械手處于軸向向下移動(dòng)后的位置上進(jìn)行的。為了使機(jī)械手的活動(dòng)手爪18在這時(shí)能從自鎖狀態(tài)下松開,在機(jī)床床身立柱上設(shè)有固定桿35,在機(jī)械臂的一側(cè)有擋塊裝置。擋塊13、錐孔盤4(在端面上周
97、向均勻分布有4個(gè)錐孔)和軸9固定相連,軸9裝于支架12內(nèi),其右端又與一端蓋10用螺紋固定。當(dāng)擋塊13未與固定桿35相碰時(shí),錐孔盤4處于與鋼</p><p> 當(dāng)機(jī)械爪伸出抓住刀柄后,機(jī)械手軸向向下伸出,此時(shí)擋塊13亦同時(shí)離開固定桿35,借彈簧1的作用,將擋塊13拉回原來的錐孔盤4上錐孔與鋼球5相對的原始位置,由彈簧銷11的作用,使擋塊13又移動(dòng)至錐孔盤4與支架12端面壓緊的位置。這時(shí)機(jī)械臂上的彈簧頂桿3又自由伸
98、出,將活動(dòng)手爪18鎖死,保證機(jī)械手將刀具拔出后,機(jī)械手能將刀具可靠地夾緊。</p><p><b> 4.1.3回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)</b></p><p> 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用來實(shí)現(xiàn)新舊刀具位置的交換。由機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置外形圖可見它由手臂14,回轉(zhuǎn)座59組成的。手臂14與花鍵軸58固定連接,花鍵軸與兩個(gè)花鍵套筒31相連,后者則由固定在機(jī)床立柱上回轉(zhuǎn)座59上的兩個(gè)滾動(dòng)軸
99、承支撐。齒輪41通過花鍵軸套筒安裝在花鍵軸的右端。從回轉(zhuǎn)液壓缸圖可以看到,回轉(zhuǎn)液壓缸缸體8和上端蓋15、下端蓋3、定片28間均用螺釘聯(lián)接,并將它們作為一個(gè)整體通過上端蓋固定在立柱上?;剞D(zhuǎn)軸23支承在上、下端蓋上,與動(dòng)片26固定聯(lián)接,其伸出端通過花鍵軸部分與中間座的齒輪聯(lián)接,向手臂傳遞運(yùn)動(dòng),當(dāng)液壓缸通入高壓油而使回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),通過傳動(dòng)齒輪20帶動(dòng)齒輪41(見機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置圖)回轉(zhuǎn),這樣,由花鍵軸58帶動(dòng)手臂14轉(zhuǎn)動(dòng),其轉(zhuǎn)角相對180
100、76;的兩極限位置,可由螺釘34及39限定,同時(shí)由螺栓35及33壓下微動(dòng)開關(guān)40發(fā)出到位信號,以進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作。</p><p><b> 4.1.4直線運(yùn)動(dòng)</b></p><p> 這里的直線運(yùn)動(dòng)是指機(jī)械手向下和向上的拔、插刀的運(yùn)動(dòng)。這一運(yùn)動(dòng)由液壓缸(見機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置外形圖)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。液壓缸固定于機(jī)床上,活塞桿端部有聯(lián)接件與花鍵軸相連。當(dāng)活塞桿因液壓缸進(jìn)入
101、高壓油而向下或向上運(yùn)動(dòng)時(shí),通過聯(lián)接件即可帶動(dòng)花鍵軸作直線運(yùn)動(dòng),從而帶動(dòng)回轉(zhuǎn)頭及機(jī)械手臂作向下或向上運(yùn)動(dòng)。在液壓缸兩端設(shè)有緩沖裝置,可防止活塞與液壓缸端面的撞擊。當(dāng)活塞在上下兩極限位置時(shí),都設(shè)有可調(diào)擋塊,由微動(dòng)開關(guān)作用發(fā)出到位信號。</p><p> 這種液壓缸活塞驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手,每個(gè)動(dòng)作結(jié)束之前均需設(shè)置緩沖機(jī)構(gòu),以保證機(jī)械手的工作平穩(wěn)、可靠。緩沖結(jié)構(gòu)可以是小孔節(jié)流,可以外接節(jié)流閥或是緩沖閥等。</p>
102、<p> 為了使機(jī)械手工作平穩(wěn)可靠,除了要設(shè)有緩沖機(jī)構(gòu)外,還要考慮盡可能減小機(jī)械手的慣量。圓柱體圍繞旋轉(zhuǎn)中心的運(yùn)動(dòng)慣量可由下式確定:</p><p> 式中 ——圓柱體繞其自身中心的慣量();——圓柱體的重量(N);——旋轉(zhuǎn)半徑(m)</p><p> 由上式可見,慣量與物體重量成正比,與旋轉(zhuǎn)半徑的平方成正比。因此要盡可能采用密度小質(zhì)量輕的材料制造有關(guān)的零件,以減小機(jī)
103、械手的回轉(zhuǎn)半徑。</p><p><b> 4.2設(shè)計(jì)計(jì)算</b></p><p> 本部分內(nèi)容將具體介紹相關(guān)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算過程,具體包括手爪夾緊力的計(jì)算、齒輪的設(shè)計(jì)及軸的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。下面一一進(jìn)行介紹。</p><p> 4.2.1手爪夾緊力的計(jì)算</p><p> 手爪對工件的夾緊力可按下式計(jì)算:</p&
104、gt;<p> N≥k1k2k3G kg·f</p><p> 式中k1——安全系數(shù),通常取1.2~2,我們?nèi)1=1.8;</p><p> k2——?jiǎng)虞d系數(shù),主要考慮慣性力的影響,可按k2=1+a/g估算;a為機(jī)械手在搬運(yùn)過程中的加速度,單位為m/s2,a=9.8m/s2,g為重力加速度,所以這里k2=1;</p><p> k
105、3——方位系數(shù),按《機(jī)械工程手冊》(第10卷)表56.2-3選取k3=0.9~1.1,我們?nèi)3=1.0;</p><p> G——被夾持刀具的重量,單位kg,這里取G=11kg。</p><p> 則我們設(shè)計(jì)的機(jī)械手手爪的夾緊力為:</p><p> N≥1.8×1×1.0×11 kg·f = 19.8 kg
106、3;f</p><p> 4.2.2齒輪的設(shè)計(jì)</p><p> 4.2.2.1齒輪傳動(dòng)的主要特點(diǎn)</p><p> 1.效率高 在常用的機(jī)械傳動(dòng)中,以齒輪傳動(dòng)的效率為最高。如一級圓柱齒輪的效率可達(dá)99%。這對大功率傳動(dòng)十分重要,因?yàn)榧词剐手惶岣?%,也有很大的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p> 2.結(jié)構(gòu)緊湊 在相同的使用條件下,齒輪
107、傳動(dòng)所需的空間尺寸一般較小。</p><p> 3.工作可靠,壽命長 設(shè)計(jì)制造正確合理、使用維護(hù)良好的齒輪,工作十分可靠,壽命可長達(dá)一、二十年,這也是其它機(jī)械傳動(dòng)所不能比擬的。這對車輛及礦井內(nèi)工作的機(jī)器尤為重要。</p><p> 4.傳動(dòng)比穩(wěn)定 傳動(dòng)比穩(wěn)定往往是對傳動(dòng)性能的基本要求。齒輪傳動(dòng)獲得廣泛應(yīng)用,也就是由于這一特點(diǎn)。</p><p> 但是齒輪傳
108、動(dòng)的制造及安裝精度要求高,價(jià)格較貴,且不宜用于傳動(dòng)距離大的場合。</p><p> 4.2.2.2設(shè)計(jì)原則</p><p> 所設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)在具體的工作情況下,必須具有足夠的、相應(yīng)的工作能力,以保證在整個(gè)工作壽命期間不致失效。目前設(shè)計(jì)一般使用的齒輪傳動(dòng)時(shí),通常按保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度及保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度兩準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。</p><p> 設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí),應(yīng)使
109、齒面具有較高的抗磨損、抗點(diǎn)蝕、抗膠合及抗塑性變形的能力,而齒根要有較高的抗折斷的能力。因此,對齒輪材料性能的基本要求為:齒面要硬,齒芯要韌。常用的齒輪材料有鋼、鑄鐵和一些非金屬材料。</p><p> 4.2.2.3設(shè)計(jì)步驟</p><p> 在換刀的過程中,整個(gè)機(jī)械手的轉(zhuǎn)角為180°,且只經(jīng)過一級齒輪傳動(dòng)就滿足我們的傳動(dòng)要求,所以可以直接計(jì)算出此處的傳動(dòng)比,所用公式為:&l
110、t;/p><p> φ1/φ2=Z2/(Z1+Z2)</p><p> 式中 φ1——機(jī)械手的回轉(zhuǎn)角度</p><p> φ2——回轉(zhuǎn)液壓缸動(dòng)片的轉(zhuǎn)角</p><p><b> Z1——從動(dòng)輪齒數(shù)</b></p><p><b> Z2——主動(dòng)輪齒數(shù)</b></p
111、><p> 由于在這里φ1= 180°,φ99=280°,即:</p><p> 180°/280°= Z2/(Z1+Z2)</p><p> 解得:兩齒輪的齒數(shù)比μ= Z2/Z1=1.8</p><p> 一、選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)</p><p> 1.選用
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