《數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)（41頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì) 摘要 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展與運(yùn)用，大大降低了零件加工的輔助時(shí)間，極大的提高了生產(chǎn)率。隨著數(shù)控機(jī)床的普及運(yùn)用，加工機(jī)械的自動(dòng)化程度大大提高，數(shù)控機(jī)床發(fā)展成了當(dāng)今普遍應(yīng)用的一種更新、更先進(jìn)的制造設(shè)備即加工中心。加工中心帶有刀庫和自動(dòng)換刀裝置，能對(duì)工件按預(yù)定程序進(jìn)行多工序加工的高度自動(dòng)化的多功能的數(shù)字控制機(jī)床。 自動(dòng)換刀裝置應(yīng)當(dāng)滿足換刀時(shí)間短、刀具存儲(chǔ)量足夠、刀具的安置空間小以及安全可靠等基本要求。加工中心的關(guān)鍵在于CNC對(duì)刀庫的自動(dòng)選刀和刀庫、機(jī)械手與主軸間自動(dòng)換刀，加工中心出現(xiàn)故障80%都在上述方面。本課題就是對(duì)自動(dòng)換刀裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用PLC對(duì)刀庫的選刀控制

2、和刀庫、機(jī)械手與主軸間的自動(dòng)換刀控制。 關(guān)鍵詞：自動(dòng)換刀裝置；弧面分度凸輪；滾齒凸輪；機(jī)械手。 ABSTRACT The numerical control engine bed development and the utilization, greatly reduced the components processing non-cutting time, enormous enhancement productivity.Along with the numerical contro

3、l engine bed popularization utilization, processes the machinery the automaticity to enhance greatly, the numerical control engine bed develops now has been common the application one kind of renewal, the more advanced manufacture equipment is the processing center.The processing center has the knif

4、e storehouse and trades the knife installment automatically, can carry on the multi-working procedure processing to the work piece according to the pre-set sequence the high automation multi-purpose numerical control engine bed Trades the knife equipment to have automatically to trade the knife tim

5、e satisfiedly short, the cutting tool reserves enough, the cutting tool placement space small as well as safe reliable and so on the basic request.The processing center key lies in CNC to choose the knife and between automatically the knife storehouse, the manipulator and the main axle to the knife

6、storehouse trades the knife automatically, the processing center appears breakdown 80% all in the above aspect.This topic is to trades the knife installment to carry on the design automatically, chooses the knife control and between the knife storehouse, the manipulator and the main axle using PLC t

7、o the knife storehouse trades the knife control automatically. Keywords:Trades the knife installment automatically; Cambered surface indexing cam; Rolls the tooth cam; Manipulator. 目錄 前言 1 第1章 緒 論 2 1.1 國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的的發(fā)展情況 2 1.1.1 加工中心發(fā)展簡(jiǎn)史 2 1.1.2 加工

8、中心的主要優(yōu)點(diǎn) 3 1.1.3 加工中心的發(fā)展趨勢(shì) 3 1.2 編程控制器的特點(diǎn) 4 第2章 方案設(shè)計(jì) 6 2.1 ATC設(shè)計(jì)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求 6 2.2 自動(dòng)換刀裝置主要結(jié)構(gòu)的論證及分析 7 2.3 方案確定 7 2.3.1 刀庫選刀 9 2.3.2 機(jī)械手取刀和換刀 9 2.3.3 方案確定 9 第3章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)計(jì)算 10 3.1 機(jī)械手的裝配 10 3.1.1 機(jī)械手爪的裝配 10 3.1.2 手臂裝配圖 11 3.2 機(jī)械手手爪加緊力的計(jì)算 12 第4章 刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算 13 4.1 刀

9、庫的功能和形式 13 4.2 刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 4.2.1 刀庫的結(jié)構(gòu)及其工作原理 15 4.2.2 刀庫各零部件結(jié)構(gòu) 15 4.2.3 刀庫的裝配 17 4.3 刀庫的設(shè)計(jì)計(jì)算 18 4.3.1 刀庫驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選定 18 4.3.2 刀庫傳動(dòng)方式及計(jì)算 20 4.4 刀庫的選刀方式 20 4.5 刀套準(zhǔn)停措施 21 第5章 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)與松刀裝置設(shè)計(jì) 23 5.1 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 23 5.2 機(jī)械手松刀裝置設(shè)計(jì) 23 第6章 換刀裝置的換刀動(dòng)作及程序設(shè)計(jì) 26 6.1 換刀動(dòng)作分析 26 6.2 換刀

10、裝置的液壓機(jī)構(gòu)分析 27 6.2.1 液壓分析 27 6.2.2 換刀動(dòng)作順序表 28 6.2.3液壓泵的選擇 30 6.3 自動(dòng)換刀的程序設(shè)計(jì) 31 小結(jié) 35 參考文獻(xiàn) 36 致謝 37 附 錄 38 前言 大學(xué)四年學(xué)習(xí)即將畢業(yè)，在各位老師的辛勤指導(dǎo)和培育下，我完成了基礎(chǔ)課和機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。在這過程當(dāng)中，我本著樂群、求實(shí)、自強(qiáng)、進(jìn)取的態(tài)度嚴(yán)格按照教學(xué)要求，認(rèn)真學(xué)習(xí)課本，專心聽取老師的講解，對(duì)專業(yè)理論知識(shí)有了較為深刻的認(rèn)識(shí)和理解。我也通過參加學(xué)校組織的各種金工實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)訓(xùn)，主動(dòng)

11、思考、分析、比較，把所學(xué)的專業(yè)知識(shí)和生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，有效地鞏固了所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，真正做到了學(xué)有所用，使我學(xué)會(huì)了分析問題和解決問題的能力，而且強(qiáng)化了我的知識(shí)結(jié)構(gòu)；同時(shí)，也使自己的綜合素質(zhì)有了較好的提高，為今后走上社會(huì)打下一定的基礎(chǔ)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)作為大學(xué)學(xué)習(xí)進(jìn)程中的最后一步，也是最為關(guān)鍵的一步，它不僅是對(duì)我們四年學(xué)到的知識(shí)的全面總結(jié)，也是考核我們獨(dú)立分析和解決問題的能力。它可以比較系統(tǒng)、綜合地考察一名學(xué)生是否真正學(xué)到了知識(shí)，是否能夠把所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際問題中去。本次設(shè)計(jì)的目的是培養(yǎng)學(xué)生初步掌握獨(dú)立從事專業(yè)技術(shù)工作的能力，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)不但可以培養(yǎng)我們運(yùn)用各種工具書的方法和技巧，而且把自己實(shí)習(xí)所

12、經(jīng)歷過的結(jié)合理論使之有效的應(yīng)用在自己的設(shè)計(jì)上。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我的設(shè)計(jì)題目是《加工中心自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)》。 數(shù)控機(jī)床加工中心集機(jī)械設(shè)計(jì)、電子、液壓傳動(dòng)、控制技術(shù)、檢測(cè)裝置等技術(shù)于一身的產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械生產(chǎn)和機(jī)械加工中。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)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效果。因此具有很大的發(fā)展空間和潛力，市場(chǎng)空間也是相當(dāng)龐大的。 本設(shè)計(jì)包括：1.緒論；2.方案設(shè)計(jì)；3.機(jī)械手和刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其計(jì)算；4.機(jī)械手驅(qū)動(dòng)和松刀裝置的設(shè)計(jì)；5. 機(jī)械手的換刀動(dòng)作分析及設(shè)計(jì)要求；6.自動(dòng)換刀的程序設(shè)計(jì)六個(gè)主要章節(jié)。設(shè)計(jì)過程參考一些已有的換刀裝置圖，通過獨(dú)

13、立思考，在原有基礎(chǔ)上，符合機(jī)械設(shè)計(jì)和加工原理下，發(fā)揚(yáng)創(chuàng)新精神，單獨(dú)完成該設(shè)計(jì)。 在設(shè)計(jì)過程中得到了各位老師的指導(dǎo)和幫助，在此向他們表示感謝。 由于我理論水平有限，而且缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，所以在設(shè)計(jì)過程中，難免有錯(cuò)誤和不足之處， 懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。 第1章 緒 論 1.1 國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的的發(fā)展情況 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(dòng)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,

14、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(dòng)換刀裝置。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(dòng)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(dòng)作多, 動(dòng)作間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系多, 因而自動(dòng)換刀系統(tǒng)性能的好壞直接影響加工效率的高低。 自動(dòng)換刀系統(tǒng)一般由刀庫、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置組成。刀庫容量可大可小，其裝刀數(shù)在20～1

15、80把之間。刀庫的功能是存儲(chǔ)刀具并把下一把即將要用的刀具準(zhǔn)確地送到換刀位置，供換刀機(jī)械手完成新舊刀具的交換。當(dāng)?shù)稁烊萘看髸r(shí)，常遠(yuǎn)離主軸配置且整體移動(dòng)不易，這就需要在主軸和刀庫之間配置換刀機(jī)構(gòu)來執(zhí)行換刀動(dòng)作。完成此功能的機(jī)構(gòu)包括送刀臂，擺刀站和換刀臂，總稱為機(jī)械手。具體來說，它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。驅(qū)動(dòng)裝置則是使刀庫和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其功能的裝置，一般由步進(jìn)電機(jī)或液壓（或液機(jī)構(gòu)）或凸輪機(jī)構(gòu)組成。機(jī)械手完成刀庫里的刀（新刀）與主軸上的刀（舊刀）的交換工作。由于數(shù)控加工中心的刀庫容量、換刀可靠性及換刀速度直接影響到加工中心的效率，而自動(dòng)換刀就是進(jìn)一步壓縮非切削時(shí)間，提高生產(chǎn)效率

16、，改善勞動(dòng)條件。所以數(shù)控機(jī)床為了能在工件一次裝夾中完成多道加工工序，縮短輔助時(shí)間，減少多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動(dòng)換刀裝置。 1.1.1 加工中心發(fā)展簡(jiǎn)史 1952年世界上出現(xiàn)第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，使多種產(chǎn)品、中小批量的機(jī)械加工設(shè)備在柔性，自動(dòng)化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。它用易于修改的數(shù)控加工程序進(jìn)行控制，因而比大批量生產(chǎn)中使用組合機(jī)床生產(chǎn)線和凸輪、開關(guān)控制的專用機(jī)床有更大的柔性，容易適應(yīng)加工件品種的變化，進(jìn)行多品種加工。它用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的工藝功能、幾何圖形運(yùn)動(dòng)功能和輔助功能實(shí)行全自動(dòng)的數(shù)字控制，因而大大提高加工加工效率，大大改變了中小批量生產(chǎn)中普通機(jī)床戰(zhàn)整個(gè)機(jī)械加工70%～80

17、%的狀況。數(shù)控機(jī)床能實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)以上的聯(lián)動(dòng)的功能，其效率和精度比用手工和樣板控制加工復(fù)雜零件要高的多。 加工中心和車削中心是有機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成，適用復(fù)雜零件加工的高效、高精度的自動(dòng)化機(jī)床。這種機(jī)床可裝若干把刀具，能自動(dòng)更換刀具，一次裝卡中，完成銑鏜、車、鉆、擴(kuò)、鉸、攻螺紋等的加工。也是因?yàn)榧庸ぶ行暮蛙囅髦行谋纫话銛?shù)控機(jī)床多了一套自動(dòng)換刀裝置，可實(shí)現(xiàn)多工序的連續(xù)加工，因而加工效率大大提高，使其成為數(shù)控機(jī)床中發(fā)展最快、需求最大的機(jī)床。 自動(dòng)換刀裝置的形式是多種多樣的，主要的組成部分是刀庫、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等，雖然換刀過程、選刀方式、刀庫結(jié)構(gòu)、機(jī)械手類型等個(gè)不相同，但是在數(shù)控裝置及可編程控制

18、器控制下，由電動(dòng)機(jī)或液壓或氣動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)刀庫和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)刀具的選擇與交換。我們把這種為實(shí)現(xiàn)多工序的連續(xù)加工，在加工中心或車削中心，可進(jìn)行刀具的選擇與交換的裝置叫自動(dòng)換刀裝置（automatic tool change 簡(jiǎn)稱ATC）。 1.1.2 加工中心的主要優(yōu)點(diǎn) (1）提高加工質(zhì)量 工件一次裝夾，即可實(shí)現(xiàn)多工序集中加工，大大減少多次裝夾所帶來的誤差。另外，由于是數(shù)控加工，較少依賴操作者的技術(shù)水平，可得到相當(dāng)高的餓穩(wěn)定精度。 (2）縮短加工準(zhǔn)備時(shí)間 加工中心可以頂替多臺(tái)通用機(jī)床，那么加工一個(gè)零件所需準(zhǔn)備時(shí)間，是每臺(tái)加工單元所損耗的準(zhǔn)備時(shí)間之和。才這個(gè)意義上說，加工中心的準(zhǔn)備時(shí)間顯

19、然短得多。 (3）減少在制品 以往的加工方式是工件流動(dòng)于多臺(tái)通用機(jī)床之間，這就要有相當(dāng)數(shù)量的在制品，而在加工中心上加工，即可發(fā)揮其“多工序集中”的優(yōu)勢(shì)，在一臺(tái)機(jī)床上完成多個(gè)工序，就能大大減少在制品數(shù)量。 (4）減少刀具費(fèi) 不分散設(shè)置在個(gè)通用機(jī)床上的刀具，集中在加工中心刀庫上，有可能有最少量的刀具，實(shí)現(xiàn)公共有效利用。這樣既提高刀具利用率，有減少了刀具數(shù)量。 (5）最少的直接勞務(wù)費(fèi) 由NC裝置多工序加工的信息集約化和一人多臺(tái)管理，以及用工作臺(tái)自動(dòng)托盤交換裝置等輔助裝置，實(shí)現(xiàn)夜間無人運(yùn)轉(zhuǎn)。這些都可縮減直接勞務(wù)費(fèi)。 (6）最少的間接勞務(wù)費(fèi) 由于工序集中，工件搬運(yùn)和質(zhì)量檢查工作量都大為減

20、少，這就使間接勞務(wù)費(fèi)最少。 (7）設(shè)備利用率高 加工中心設(shè)備利用率為通用機(jī)床的幾倍。 1.1.3 加工中心的發(fā)展趨勢(shì) 加工中心亦同其他機(jī)床一樣，他的技術(shù)水平的提高，表現(xiàn)在其固有技術(shù)（如高速、高精度化等）的進(jìn)一步發(fā)展和新技能（如智能化技能等）的運(yùn)用上。 1.高速化 加工中心的高速化，是只主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、自動(dòng)換刀和自動(dòng)交換工作臺(tái)的高速化。 （1）主軸轉(zhuǎn)速的高速化； （2）進(jìn)給速度的高速化：是指快速移動(dòng)速度的高速化和切削進(jìn)給速度的高速化。 （3）自動(dòng)換刀（ATC）的高速化 從加工中心誕生初期起，就追求ATC的高速化。但是由于當(dāng)時(shí)尚未充分掌握ATC的內(nèi)在規(guī)律，故障效率較高

21、，所以在后來的相當(dāng)一段時(shí)間里，采用了首先保證動(dòng)作可靠性，然后才考慮速度方針，結(jié)果在這段時(shí)期，ATC速度未提高多少。但是隨著對(duì)ATC內(nèi)在規(guī)律的深入了解和用戶對(duì)ATC速度的要求迫切，有開始注意ATC速度了。 （4）自動(dòng)托盤交換裝置（APC）的高速化； 2.進(jìn)一步提高精度 加工中心的主要精度指標(biāo)是它的運(yùn)動(dòng)精度指標(biāo)。而這一精度指標(biāo)，近年來有了不小的提高，其中精密加工中心精度指標(biāo)的提高尤為明顯。所謂加工中心的運(yùn)動(dòng)精度，主要以定位精度、重復(fù)定位精度以及銑圓精度來表示。 3.機(jī)能更加完善 （1）愈來愈完美的自診斷機(jī)能 為了盡可能減少加工中心的故障，現(xiàn)代加工中心大都配備完善的自診斷機(jī)能。例如，位置

22、檢測(cè)傳感器、刀具破損檢測(cè)裝置、切削異常檢測(cè)裝置、適應(yīng)控制機(jī)能、備用刀具選擇機(jī)能、溫度傳感器、聲傳感器、電流傳感器等。這些機(jī)能和傳感器，使機(jī)床具有一定的人工智能。 （2）新式刀具破損檢測(cè)裝置 （3）加工中心復(fù)合化趨勢(shì) 自動(dòng)換刀裝置開發(fā)技術(shù)要全面注意以下五個(gè)方面： (1）自動(dòng)換刀裝置的可靠性與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。通過對(duì)自動(dòng)換刀裝置進(jìn)行可靠性分析研究，找出其薄弱環(huán)節(jié)，通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，是自動(dòng)換刀裝置故障率大大減少，保證百萬次以上正常換刀的品質(zhì)。通過對(duì)自動(dòng)換刀裝置進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其動(dòng)態(tài)性能達(dá)到最優(yōu)，進(jìn)而提高自動(dòng)換刀裝置的性能，降低其制造成本，使刀對(duì)刀換刀時(shí)間對(duì)40刀柄不大于1s，達(dá)到世界先進(jìn)水平

23、。 (2）自動(dòng)換刀裝置的系列化與CAD設(shè)計(jì)。使自動(dòng)換刀裝置使用國內(nèi)廠家的各種產(chǎn)品，，以便得到推廣和使用。即達(dá)到廠家一旦提出要求，可快速、合理的設(shè)計(jì)出針對(duì)廠家機(jī)床及其提出的參數(shù)：不同刀柄型號(hào)，刀庫容量等的自動(dòng)換刀裝置，使廠家立即投入生產(chǎn)，并且處于國內(nèi)先進(jìn)水平的。 (3）自動(dòng)換刀裝置制造技術(shù)研究。針對(duì)自動(dòng)換刀裝置中關(guān)鍵零件的制造技術(shù)研究，以提高其制造質(zhì)量和降低制造成本。 (4）自動(dòng)換刀系統(tǒng)新技術(shù)的研究。跟蹤國際加工中心和車削中心自動(dòng)換刀裝置的發(fā)展主流，研究自動(dòng)換刀裝置的新工作原理及新技術(shù)。 (5）自動(dòng)換刀裝置產(chǎn)業(yè)化研究。自動(dòng)換刀裝置由專業(yè)廠生產(chǎn)比現(xiàn)有個(gè)廠家自行生產(chǎn)可降低成本，也能保證質(zhì)量，

24、同時(shí)在我國有巨大的市場(chǎng)，因此，在技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)研究使我國的自動(dòng)換刀裝置生產(chǎn)走上產(chǎn)業(yè)化的道路，建立生產(chǎn)自動(dòng)換刀裝置的基地。 自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下基本要求： (1）換刀時(shí)間短，以減少非加工時(shí)間。 (2）減少換刀動(dòng)作對(duì)加工范圍的干擾 (3）刀具重復(fù)定位精度高。 (4）識(shí)刀、選刀可靠，換刀動(dòng)作簡(jiǎn)單可靠。 (5）刀庫刀具存儲(chǔ)量合理。 (6）刀庫占地面積小，并能與主機(jī)配合，使機(jī)床外觀協(xié)調(diào)美觀。 (7）刀具裝卸、調(diào)整、維修方便，并能的到清潔的維護(hù)。 1.2 編程控制器的特點(diǎn) 可編程控制器，簡(jiǎn)稱PLC（Programmable logic Controller）,是指以計(jì)算機(jī)

25、技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會(huì)(International Electrical Committee)頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì)PLC做了如下定義：PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置”。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。 PLC之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動(dòng)化的客觀需求外，還有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。它較好的解決了工業(yè)控制領(lǐng)域

26、中的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問題。其特點(diǎn)如下： 1.可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時(shí)間高達(dá)3萬小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時(shí)間則更長。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息 2.配備齊全，功能完善，適應(yīng)性強(qiáng) PLC發(fā)展到今天，己經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，

27、可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 3.易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。 4.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改

28、造 PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。 5.體積小，重量輕，耗能低 以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于l00mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備 第2章 方案設(shè)計(jì) 一個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)在概念設(shè)計(jì)階段，傳統(tǒng)的方法總是根據(jù)需求獲得需要的功能，隨后進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，產(chǎn)品往往缺乏創(chuàng)新性。對(duì)于加工中心自動(dòng)換刀裝置，根據(jù)其特定的功能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們提出抽象一分析一綜合的設(shè)計(jì)思

29、想。第一步：抽象。首先對(duì)現(xiàn)有換刀系統(tǒng)進(jìn)行廣泛研究和深刻了解，抽象出對(duì)象的共性特征，這是一個(gè)收斂并結(jié)合實(shí)際的過程，既可吸取和總結(jié)已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)又為創(chuàng)新設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。第二步：分析，即功能分解，從根本上說，機(jī)械系統(tǒng)總的功能要求是完成一定的工藝動(dòng)作過程。因此對(duì)于 ATC 來說，可以從它的總的功能要求出發(fā)，根據(jù)其換刀動(dòng)作特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用功能一行為一結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)分析模式找出對(duì)應(yīng)功能元的多種機(jī)構(gòu)。這時(shí)序關(guān)系，進(jìn)是一個(gè)思維發(fā)散的過程。第三步：綜合。結(jié)合機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求和約束并考慮其空間和行機(jī)構(gòu)組合，最后進(jìn)行評(píng)價(jià)選優(yōu)，從而達(dá)到創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目的。 自動(dòng)換刀裝置由刀庫、機(jī)械手及相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，作為加

30、工中心的重要組成部分，其作用在于減少加工過程中的非切削時(shí)間，以提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本，進(jìn)而提升機(jī)床乃止整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)力。所以自動(dòng)換刀裝置（簡(jiǎn)稱ATC）在加工中心扮演著及重要的角色。 針對(duì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)，主要完成自動(dòng)選刀、換刀動(dòng)作的兩道工序，與此相聯(lián)系的還有機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)、松刀裝置的設(shè)計(jì)。 2.1 ATC設(shè)計(jì)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求 在零件的制造過程中，大量的時(shí)間用于更換刀具、裝卸零件、測(cè)量和搬運(yùn)零件等非切削時(shí)間上，切削加工時(shí)間僅占整個(gè)工時(shí)中較小的比例。為了縮短非切削時(shí)間，充分發(fā)揮機(jī)床的效率，往往采用“工序集中”的原則。常見的帶有自動(dòng)換刀裝置的機(jī)床，如車削中心、鏜銑中心、鉆削中心等比

31、較典型。這類多工序的加工中心，還有些采用自動(dòng)上下料和自動(dòng)裝卸工件系統(tǒng)，以便提高機(jī)床的數(shù)控化程度，完成零件的零件的多工序加工。 根據(jù)各加工中心參考資料介紹，可以得出ATC 的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求如下： 特點(diǎn)： ( l )屬于典型的開鏈機(jī)構(gòu)； ( 2 ) ATC各個(gè)組成部分的功能具有相對(duì)的獨(dú)立性； ( 3 )組成結(jié)構(gòu)與刀庫、主軸之間的相對(duì)位置關(guān)系密切相關(guān)； ( 4 ) ATC 的設(shè)計(jì)必須考慮機(jī)床三軸運(yùn)動(dòng)的參與。 要求： ( l )滿足工藝要求 機(jī)床依靠刀具和工件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成工作表面，而加工工件的表面形狀和表面位置多種多樣，要求刀庫能夠布置足夠的刀具，換刀時(shí)間短能夠方便而正確地加

32、工個(gè)工件的表面。為了實(shí)現(xiàn)在工件的一次安裝中完成多工序加工，要求刀庫可以方便轉(zhuǎn)位。 ( 2 )保證足夠的重復(fù)定位精度 在刀架上安裝刀具時(shí)，應(yīng)能精確地調(diào)整刀具的位置，采用自動(dòng)交換刀具時(shí)，應(yīng)能保證刀具交換前后都能處于正確位置。而且精度保持較好，以便長期保持刀具處于正確位置。 ( 3 )具有足夠的剛度 由于刀具的類型、尺寸各異，重量相差很大，刀具在自動(dòng)轉(zhuǎn)換過程中方向變換較為復(fù)雜，而且有些刀架直接承受切削力。考慮到采用新型刀具材料和先進(jìn)的切削用量，刀庫和機(jī)械手都必須有足夠的剛度，以便換刀過程和切削過程平穩(wěn)。 ( 4 )提高可靠性 由于刀庫和自動(dòng)換刀裝置在機(jī)床工作過程中，使用頻率很高，所

33、以必須充分重視他的可靠性。 ( 5 )縮短換刀時(shí)間 刀庫和換刀裝置是為了提高機(jī)床的自動(dòng)化而設(shè)置的，因而它的換刀時(shí)間應(yīng)盡可能縮短，以便提高生產(chǎn)率。目前，自動(dòng)換刀裝置換刀時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2-1，而且隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，換到時(shí)間還在進(jìn)一步縮短。 2.2 自動(dòng)換刀裝置主要結(jié)構(gòu)的論證及分析 自從1958年第一臺(tái)加工中心在美國Kearney＆Trecker公司問世以來，作為加工中心象征的自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)就出現(xiàn)了“百花齊放”的狀態(tài)，各加工中心制造廠家都在下大力研制動(dòng)作迅速、可靠性高的自動(dòng)換刀裝置，以求在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中取得好的效益。自動(dòng)換刀裝置的獨(dú)特設(shè)計(jì)，使各式各樣的自動(dòng)換刀裝置不僅可滿

34、足功能上的要求，也成為各廠家加工中心的 主要特色。 自動(dòng)換刀裝置的應(yīng)用，從一開始就追求高速化。但是由于當(dāng)時(shí)尚未充分掌握自動(dòng)換刀裝置的內(nèi)在規(guī)律，故障效率較高，所以，在后來的相當(dāng)一段時(shí)間里，采用了首先保證動(dòng)作可靠，然后才考慮速度的方針，在這段時(shí)間里，自動(dòng)換刀裝置的速度未提高多少。但是隨著對(duì)自動(dòng)換刀裝置內(nèi)在規(guī)律的深入了解和用戶對(duì)自動(dòng)換刀裝置速度的迫切要求，又開始注意自動(dòng)換刀裝置的速度了。 在加工中心加工零件的過程中換刀動(dòng)作是由自動(dòng)換刀裝置完成的。自動(dòng)換刀裝置應(yīng)該滿足換刀時(shí)間短，刀具重復(fù)定位精度高，刀具儲(chǔ)存數(shù)量足夠，結(jié)構(gòu)緊湊，便于制造、維修、調(diào)整，應(yīng)有防屑、防塵裝置，布局應(yīng)合理等要求。同時(shí)也應(yīng)具有

35、較好的剛性，沖擊、振動(dòng)及噪聲小，運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠等特點(diǎn)。自動(dòng)換刀系統(tǒng)由刀庫、選刀機(jī)構(gòu)、刀具交換機(jī)構(gòu)(如機(jī)械手)、刀具在主軸上的自動(dòng)裝卸機(jī)構(gòu)等部分組成。 傳統(tǒng)的加工中心大多采用液壓式ATC，國內(nèi)廠家目前基本上還采用和生產(chǎn)這種ATC。根據(jù)〈〈加工中心應(yīng)用與維修〉〉列出的技術(shù)參數(shù)顯示，其換刀時(shí)間大多為5～20s，換刀時(shí)間較長，大大降低了生產(chǎn)效益。 凸輪式ATC的刀具交換時(shí)間已達(dá)到2s以內(nèi)。如日本濱井產(chǎn)業(yè)的DZ-16型立式加工中心的換刀時(shí)間為1s，日本豐和工業(yè)的MMN-400CJ型超小型高速加工中心的換刀時(shí)間為0.8s。 與液壓式ATC相比，凸輪式ATC由于動(dòng)作可重疊、運(yùn)動(dòng)規(guī)律可選擇、幾乎無定位誤差

36、以及沒有中間環(huán)節(jié)的控制，具有更高的可靠性與較高的自動(dòng)換刀速度，因而成為目前最為理想的ATC。 表2-2-1給出目前加工中心的自動(dòng)換刀裝置的平均換刀時(shí)間和換刀時(shí)間的最短記錄。 表2-2-1 換 刀 時(shí) 間 （單位：s） 刀具刀柄型號(hào) 刀具到刀具 平均換刀時(shí)間 換刀時(shí)間 最短時(shí)間 立式加工中心 臥式加工中心 30 — 0.6 0.5 40 2～2.5 4～5 0.6 50 2.5～4 4～6 1.5 2.3 方案確定 在認(rèn)識(shí)了刀庫和機(jī)械手的工作原理基礎(chǔ)下, 結(jié)合設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，擬訂該裝置的加工工序?yàn)椋旱稁爝x刀——機(jī)械手取刀——機(jī)

37、械手換刀——重新加工。 圖2-1 JCS-018刀庫 1——驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；2——浮動(dòng)聯(lián)軸器；3——蝸桿；4——?dú)飧祝? 5——撥叉；6——刀套；7——刀庫體；8——蝸輪 其工作原理:當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，直流伺服電動(dòng)機(jī)1接通，經(jīng)過浮動(dòng)聯(lián)軸器2，傳到蝸桿3、蝸輪8，再傳到刀盤上。刀盤帶動(dòng)其上面的24個(gè)刀套6轉(zhuǎn)動(dòng)，完成選刀過程。 每個(gè)刀套尾部有一個(gè)滾子，當(dāng)待換刀具轉(zhuǎn)到換刀位置時(shí)，滾子進(jìn)入撥叉5的糟內(nèi)。同時(shí)氣缸4的下腔通壓縮空氣，活塞桿帶動(dòng)撥叉5上升，放開位置開關(guān)來斷開相關(guān)的電路，防止刀庫、主軸等有誤動(dòng)作。撥叉5在上升的過程中，帶動(dòng)刀套繞著銷軸逆時(shí)針向下翻轉(zhuǎn)90°，從而使刀具軸線與主軸

38、軸線平行。 刀套下轉(zhuǎn)90°后，，撥叉上升到終點(diǎn)，壓住定位開關(guān)，發(fā)出信號(hào)使機(jī)械手抓刀。通過螺桿可以調(diào)整撥叉的行程。而且撥叉的行程又決定刀具軸線相對(duì)主軸軸線的位置。 機(jī)械手手臂和手爪結(jié)構(gòu)如圖2.2 圖2.2機(jī)械手手臂和手爪結(jié)構(gòu)圖 1—手臂 2、4—彈簧 3—鎖緊銷 5—活動(dòng)銷 6—推銷 7—手爪 8—長銷 其工作原理：圖為機(jī)械手抓刀部分結(jié)構(gòu)。它主要由手臂1和固定于其兩端的結(jié)構(gòu)完全相同的兩個(gè)手爪7組成。手爪7，握刀的圓弧部分有一錐銷6，機(jī)械手抓刀時(shí)，該錐銷插入刀柄的鍵槽中。當(dāng)機(jī)械手由原位轉(zhuǎn)75°抓住刀具時(shí)，兩手爪上的長銷8分別被主軸前端面和刀庫上的擋塊壓下，使軸向

39、開有長槽的活動(dòng)銷5在彈簧2的作用下右移頂住刀具。機(jī)械手拔刀具時(shí)，長銷8與擋決脫離接觸，鎖緊銷3被彈簧4彈起，使活動(dòng)銷頂住刀具不能后退，這樣機(jī)械手在回轉(zhuǎn)180°時(shí)，刀具不會(huì)被甩出。當(dāng)機(jī)械于上升插刀時(shí)，兩長銷8又分別被兩擋塊壓下，鎖緊銷從活動(dòng)銷孔徑退出，松開刀具，機(jī)械于是可反轉(zhuǎn)75°復(fù)位。 2.3.1 刀庫選刀 現(xiàn)代加工中心刀庫，已不用刀套編碼或刀具編碼方式，而是由控制系統(tǒng)，根據(jù)最初輸入的刀套號(hào)與刀具號(hào)，跟蹤記憶刀套與刀具的對(duì)應(yīng)號(hào)，并按程序指令準(zhǔn)確地調(diào)用所需刀具。 目前使用的刀庫的選刀方式，有如下二種： （1）刀套號(hào)與刀具號(hào)隨機(jī)變換方式 這是目前用的最普遍的方式。在第一次給刀庫裝刀

40、時(shí)，告訴控制系統(tǒng)刀套號(hào)和在在該刀套上的刀具號(hào)（T××）的對(duì)應(yīng)關(guān)系，那么控制系統(tǒng)就記住這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，而以后該刀具在使用中，不一定送還到原刀套上，但是控制系統(tǒng)仍能記住該刀具號(hào)所在的新刀套號(hào)，這種方式有利于縮短換刀時(shí)間、選刀時(shí)間。由于這種方式經(jīng)常改變刀具號(hào)和刀套號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以在重新啟動(dòng)機(jī)床時(shí)，必須使刀庫回零，校驗(yàn)一下CRT（陰極射線管）上顯示的內(nèi)容于實(shí)際刀具插存情況。 （2）刀具號(hào)與刀套號(hào)固定對(duì)應(yīng)方式 在這種選刀方式中，插在刀套上的刀具，使用后仍送還刀原來刀套上，亦即刀具號(hào)和刀套號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系始終不變。這種方式的好處在于，易于掌握刀具情況，一看刀套就知道是什么樣的刀具。另一個(gè)好處是可以安

41、放大直徑刀具，只要有意選擇相鄰刀套上無刀即可。正是這一方便性，根據(jù)有些用戶的要求，至今仍有選擇這種選刀方式。但是，這種方式因?yàn)橛猛甑牡毒弑仨毸瓦€給原來的刀套上后，才能移動(dòng)下一個(gè)要用的刀具刀換刀位置，因此勢(shì)必會(huì)增加換刀時(shí)間。 根據(jù)“近路”移動(dòng)原則。即無論上述哪種選刀方式，根據(jù)程序指令，把下序要用的刀具移到換刀位置時(shí)，都向小于刀庫半圓的方向移動(dòng)，以節(jié)省選刀時(shí)間。 隨機(jī)變換方式的優(yōu)點(diǎn)是刀庫中刀具的排列順序與加工順序無關(guān)，相同的刀具可重復(fù)使用。因此，刀具數(shù)量比順序選擇法的刀具可少一些，刀庫也相應(yīng)的小一些。 因此，選擇刀套號(hào)與刀具號(hào)隨機(jī)變換方式。 2.3.2 機(jī)械手取刀和換刀 上一工序加工

42、完畢，主軸在“準(zhǔn)?！蔽恢谩Ｗ詣?dòng)換刀裝置開始進(jìn)行換刀，（1）刀套下轉(zhuǎn)90°（2）機(jī)械手轉(zhuǎn)75°（3）刀具松開（4）機(jī)械手拔刀（5）交換兩把刀具位置 （6）機(jī)械手插刀 （7）刀具夾緊 （8）機(jī)械手轉(zhuǎn)180°（9）機(jī)械手反轉(zhuǎn)75°（10）刀套上轉(zhuǎn)90° 2.3.3 方案確定 現(xiàn)確定方案如下：機(jī)械手和刀庫基本采用JCS-018機(jī)械手和刀庫結(jié)構(gòu)及原理，在它基礎(chǔ)上對(duì)手爪部分的結(jié)構(gòu)和活動(dòng)銷進(jìn)行改造創(chuàng)新。刀庫體的結(jié)構(gòu)會(huì)改成輪輻式，以減輕刀庫重量，提高靈活性。最后把機(jī)械手、刀庫、主軸等零部件連在一起，組成一整套換刀裝置。 第3章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 機(jī)械手的裝配

43、圖3.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖 1-手爪 2-手臂 3-接手臂 4-圓錐銷 5-螺釘 3.1.1 機(jī)械手爪的裝配 機(jī)械手的手爪、手臂、和接手臂通過同一型號(hào)的內(nèi)六角圓柱頭螺釘和圓錐銷連接，以提高互換性和裝配。其整體裝配圖的尺寸和技術(shù)要求詳見工程圖。 圖3.2機(jī)械手爪裝配圖 1-長銷 2-手爪 3 -活動(dòng)銷 4-彈簧 5-底蓋裝配體 另外，底蓋與手爪的裝配有螺釘固定，圖上未表示。螺釘?shù)奈恢媒佑|到底蓋裝配體的低頂?shù)牟糠?，以此可以同時(shí)固定低頂?shù)奈恢?，使其周向位置固定。彈?和手爪2及活動(dòng)銷3兩端連接固定。 圖3.3底蓋裝配體示意圖 1-底頂 2-彈簧 3-底蓋體

44、其中彈簧2和上下零件連接固定，底頂1的位置有周向螺釘限制。 3.1.2 手臂裝配圖 其中手臂的結(jié)構(gòu) 圖3.4手臂裝配圖示意圖 1-接手臂 2-手臂 3-螺釘 4-圓錐銷 3.2 機(jī)械手手爪加緊力的計(jì)算 根據(jù)機(jī)械手抓刀時(shí)的受力分析，無潤滑時(shí)鋼-鋼摩擦系數(shù) ，刀具的最大重量G=98N，摩擦力，故機(jī)械手手爪抓緊力 第4章 刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算 4.1 刀庫的功能和形式 一、刀庫的功能 在加工中心中，刀庫和機(jī)械手組成自動(dòng)換刀裝置（ATC），而這個(gè)自

45、動(dòng)換刀裝置，正式加工中心的區(qū)別于NC鏜床和NC銑床的本質(zhì)所在，而且自動(dòng)換刀裝置的好壞，將直接影響加工中心的好壞。從目前情況看，加工中心的主機(jī)部分基本定型，變化不大，但自定換刀裝置的種類繁多，五花八門，是最難稿好的部分。 刀庫的功能是儲(chǔ)存加工工序所需的各種刀具，并且按照程序指令，把即將要用的刀具迅速、準(zhǔn)確地送刀換刀裝置，并接受從主軸送來的以用刀具。 設(shè)計(jì)刀庫時(shí)應(yīng)考慮以下因素： （1）存刀數(shù)。 （2）刀具最大直徑。 （3）刀具最大長度。 （4）刀具最大重量。 （5）刀庫安置空間。 （6）刀具最大運(yùn)動(dòng)線速度。 （7）刀庫工作的可靠性（即不能掉刀，各刀具能準(zhǔn)確停在換刀位

46、置上）。 確定這些因素，沒有現(xiàn)成的模式。一般根據(jù)用戶調(diào)查和國內(nèi)外同類型號(hào)加工中心的刀具規(guī)格和刀庫容量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，確定刀庫容量和刀具規(guī)格。其中刀庫容量和刀具最大直徑是影響加工中心使用效率的主要因素，又是影響刀庫尺寸的主要因素。 二、刀庫的形式 刀庫的種類很多，圖4—1所示僅僅是其中典型的幾種。 (1)按結(jié)構(gòu)形式分類 1)轉(zhuǎn)塔式刀庫 如圖4—1a所示用于小型立式加工中心。轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)位方式有二：其一為借助機(jī)械方式轉(zhuǎn)位，此種方式的選刀，均為順序選刀；其二為由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)位，此種刀庫可以實(shí)現(xiàn)任選刀具方式。 2）圓盤式刀庫 如圖4-1b、c、d所示臥式、立式加工中心均可采用。

47、圓盤式（側(cè)掛型）一般是掛在立式加工中心的立柱的側(cè)面或掛在無機(jī)械手換刀的臥式加工中心的立柱的正面；圓盤式（頂端型）一、二則把刀庫設(shè)在立柱頂上。圓盤式（頂端型）二亦由刀庫傾斜朝上，通過轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)放平后，由機(jī)械手換刀。 3）鏈?zhǔn)降稁? 如圖4-1e所示，這種刀庫是目前用的最多的一種形式。由一個(gè)主動(dòng)鏈輪，帶動(dòng)裝有刀套的鏈條。 4）格子式刀庫 如圖4-1f所示，裝有刀套的格子架固定不動(dòng)，在它的前面由抓刀器在上下、左右移動(dòng)（實(shí)則為2軸控制），根據(jù)指令把需要的刀具抓到與主軸換刀的位置上。換刀后再把已用刀具送回原位，然后把下道工序?qū)⒁玫牡毒咚偷綋Q刀位置。這種刀庫的容量大，適合于作為加工單

48、元使用的加工中心上。 圖4-1 刀庫種類 a)轉(zhuǎn)塔式 b)圓盤式（側(cè)掛式） c)圓盤式（頂端式）一 d) 圓盤式（頂端式）二 e)鏈?zhǔn)? f)格子式 4.2 刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.2.1 刀庫的結(jié)構(gòu)及其工作原理 圖4.2 刀庫結(jié)構(gòu) 1－伺服電機(jī) 2－十字聯(lián)軸節(jié) 3－蝸桿 4－蝸輪 5－氣缸 6 、7－行程開關(guān)8－撥叉 9－擋塊 10－滾子 11－刀套 12－圓盤 其工作原理： 這里采用20個(gè)刀位的圓盤式刀庫，（刀庫結(jié)構(gòu)圖參看圖6）系統(tǒng)發(fā)出的選刀指令后，直流伺服電動(dòng)機(jī)1接通，經(jīng)過十字聯(lián)軸器2，傳到蝸

49、桿3、蝸輪4，再傳到刀盤上12和安裝在圓盤上的20個(gè)刀套旋轉(zhuǎn)（這里只畫出一個(gè)刀套）。 每個(gè)刀套尾部有一個(gè)滾子10，待換刀具到達(dá)換刀位置時(shí)，使刀具向下轉(zhuǎn)到與主軸線平行的動(dòng)作由氣缸5來完成。待換刀具所在刀套的尾部有一個(gè)滾子10，在撥叉8的槽內(nèi)，當(dāng)活塞桿帶動(dòng)撥叉上升時(shí)，放開行程開關(guān)7，斷開有關(guān)電路防止誤動(dòng)作，并使得刀套11逆時(shí)針轉(zhuǎn)90度，刀頭朝下，刀具軸線與主軸平行。其位置有由擋塊9來調(diào)整。 刀套下轉(zhuǎn)90°后，撥叉上升到終點(diǎn)，壓住定位開關(guān)，發(fā)出信號(hào)使機(jī)械手抓刀。通過螺桿可以調(diào)整撥叉的行程。而且撥叉的行程又決定刀具軸線相對(duì)主軸軸線的位置。 4.2.2 刀庫各零部件結(jié)構(gòu) （1）刀庫體如圖4.

50、3所示 圖4.3刀庫體結(jié)構(gòu)示意圖 （2）刀架如圖4.4所示 圖4.4刀架結(jié)構(gòu)示意圖 （3）刀套如圖4.5所示 圖4.5刀套結(jié)構(gòu)示意圖 4.2.3 刀庫的裝配 刀庫裝配體主要有刀庫體，刀套裝配體（包括刀夾，刀套，刀具），刀庫手臂和一些聯(lián)接件組成。由于整個(gè)設(shè)備的精度要求高，需要耐磨和抗疲勞強(qiáng)度高的材料，所以各零部件的選材都是不銹鋼。以下所示圖形都為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 圖4.6刀庫的裝配結(jié)構(gòu)圖 1-刀庫手臂 2-刀庫體 3、4-螺釘 5-銷 6-刀套裝配體 圖4.7刀套和刀架裝配示意圖 1-刀夾 2-插銷 3-刀套 4.3 刀庫的

51、設(shè)計(jì)計(jì)算 刀庫存刀24把，刀具最大重量10kg,即重98 N。 4.3.1 刀庫驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選定 驅(qū)動(dòng)刀庫，目前常見的方式有伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和液動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種。我國的加工中心多選用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，故這里選定刀庫驅(qū)動(dòng)用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 刀庫驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇應(yīng)同時(shí)滿足刀庫運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)載扭矩TF和啟動(dòng)時(shí)的加速扭矩TJ的要求。 （1）按刀庫負(fù)載扭矩TF 計(jì)算 圓盤式刀庫負(fù)載扭矩主要用來克服刀具重量的不平衡。估算是將三把最重的刀具挨在一起，如圖4.8所示。按加工中心規(guī)格規(guī)定的最大刀具重量Wmax計(jì)算，而其重心則設(shè)定為離刀庫回轉(zhuǎn)中心半徑處。蝸桿傳動(dòng)受力分析圖如4.9所示。其中d1、d2分別為

52、蝸桿與蝸輪的分度圓直徑。由于篇幅與時(shí)間所限，蝸桿與蝸輪的設(shè)計(jì)計(jì)算省略，參考資料數(shù)據(jù)，取d1=75mm,d2=185mm 刀具的重量 刀庫所受的負(fù)載扭矩 圖 4.8 圓盤式刀庫力的分布 圖4.9 蝸桿傳動(dòng)受力分析 （2）刀庫加速扭矩Ta（N.m）計(jì)算 （4-1） 式中—— 刀庫選刀時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）； —— 加速時(shí)間，通常取150—200ms； —— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣性kg.m2,可查樣本； —— 負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量。 取 =750r/min,取加

53、速時(shí)間150ms，=，因?yàn)樨?fù)載慣量要小于電動(dòng)機(jī)本身慣量的3倍（Mitsubishi推薦為2.5倍） 即= 所以， （3）驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出扭矩TD 計(jì)算 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出扭矩TD應(yīng)同時(shí)滿足負(fù)載扭矩TF和加速扭矩TJ之和。將以上計(jì)算的刀庫負(fù)載扭矩和加速扭矩轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸上的輸出扭矩TD的公式為 （4-2） 式中 i——電動(dòng)機(jī)軸至刀庫軸的速比； ——傳動(dòng)效率。 在圓盤式刀庫上，為了提高刀庫的轉(zhuǎn)位分度精度，采用單頭雙導(dǎo)程。 即選定蝸桿頭數(shù)：=1 根據(jù)蝸桿頭數(shù)，取蝸桿的傳動(dòng)效率[4]：

54、查機(jī)械手冊(cè),取十字聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率[3]: 傳動(dòng)裝置總的傳動(dòng)比為 所以, 考慮到實(shí)際情況比計(jì)算時(shí)所設(shè)定條件復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)額定扭矩TS應(yīng)為負(fù)載扭矩TD的1.2-1.5倍,即 （4-3） 而且加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩T應(yīng)小于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Tmax,即 （4-4） 最后再校驗(yàn)結(jié)果是否滿足下列關(guān)系式 （4-5） 選用能滿足以上三項(xiàng)條件的伺服電動(dòng)機(jī)即可。 4.3.2 刀庫傳動(dòng)方式及計(jì)算 （1）刀套線

55、速度 刀套線速度影響選刀效率，但是過快的線速度又影響刀庫工作可靠性。因此，選刀套線速度 v=22—30 m/min，計(jì)算是選v=25m/min. （2）刀套傳動(dòng)方式 為使伺服電機(jī)在最佳狀態(tài)下工作，不采用伺服電機(jī)的低速段。在圓盤式刀庫上，為了提高刀庫的轉(zhuǎn)位分度精度，采用單頭雙導(dǎo)程蝸桿。這樣可以在使用中隨時(shí)調(diào)整蝸輪副的傳動(dòng)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。 4.4 刀庫的選刀方式 現(xiàn)代加工中心刀庫，已不用刀套編碼或刀具編碼方式，而是由控制系統(tǒng)，根據(jù)最初輸入的刀套號(hào)與刀具號(hào)，跟蹤記憶刀套與刀具的對(duì)應(yīng)號(hào)，并按程序指令準(zhǔn)確地調(diào)用所需刀具。 目前使用的刀庫的選刀方

56、式，有如下二種： （1）刀套號(hào)與刀具號(hào)隨機(jī)變換方式 這是目前用得最普遍的方式。在第一次給刀庫裝刀時(shí)，告訴控制系統(tǒng)刀套號(hào)和在該刀套上的刀具號(hào)（T）的對(duì)應(yīng)關(guān)系，那么控制系統(tǒng)就記住這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，而以后該刀具在使用 ，不一定送還到原來的刀套上，但是控制系統(tǒng)仍能記住該刀具號(hào)所在的新刀套號(hào)。這種方式有利于縮短換刀、選刀時(shí)間。由于這種方式經(jīng)常改變刀具號(hào)與刀套浩的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以在重新起機(jī)床時(shí)，必須使刀庫回零，校驗(yàn)一下CRT上顯示的內(nèi)容與實(shí)際刀具插寸刀具插存情況。 （2）刀具號(hào)與刀套號(hào)固定對(duì)應(yīng)方式 在這種選刀方式中，插在刀套上的刀具，使用后仍送還到原來的刀套上，亦即刀具號(hào)與刀套號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系始終不變。

57、這種方式的好處在于，易于掌握刀具情況，一看刀套號(hào)就能知道是什么樣的刀具。另一好處是可以安放的直徑刀具，只要有意選擇相鄰刀套上無刀即可。但是，這種方式因?yàn)橛猛甑牡毒弑仨毸瓦€給原來的刀套上后，才能移動(dòng)下一個(gè)要用的刀具到換刀位置，因此勢(shì)必會(huì)增加換刀時(shí)間。 根據(jù)“近路”移動(dòng)原則。即無論上述哪種選刀方式，根據(jù)程序指令，把下序要用的刀具移到換刀位置時(shí)，都向小于刀庫半圓的方向移動(dòng)，以節(jié)省選刀時(shí)間。 隨機(jī)變換方式的優(yōu)點(diǎn)是刀庫中刀具的排列順序與加工順序無關(guān)，相同的刀具可重復(fù)使用。因此，刀具數(shù)量比順序選擇法的刀具可少一些，刀庫也相應(yīng)的小一些。 因此，選擇刀套號(hào)與刀具號(hào)隨機(jī)變換方式。 4.5 刀套準(zhǔn)停措

58、施 如果刀套不能準(zhǔn)確地停在換刀位置上。將會(huì)使刀機(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： 1）定位盤準(zhǔn)停方式——由液壓油缸推動(dòng)的定位銷，插入定位盤的定位糟內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)刀套的準(zhǔn)停。定位盤上的每個(gè)定位糟（或定位孔），都對(duì)應(yīng)于一個(gè)相應(yīng)的刀套，而且定位糟（或定位孔）的節(jié)距要一致。 這種準(zhǔn)停方式的優(yōu)點(diǎn)是： ① 能有效地消除傳動(dòng)鏈反向間隙的影響。 ② 保護(hù)傳動(dòng)鏈，使其免受換刀撞擊力。 ③ 驅(qū)動(dòng)電機(jī)可不用制動(dòng)自鎖裝置。 3）圓盤式刀庫宜采用單頭雙導(dǎo)程蝸桿傳動(dòng)。此外還應(yīng)盡可能提高

59、刀套在圓盤上沿圓周安裝的等分精度和徑向位置精度。刀套需要翻轉(zhuǎn)的刀庫，還要保證每個(gè)刀套翻轉(zhuǎn)的角度一致。 4）盡量減小刀套孔徑和軸向尺寸的分散度，以保證刀柄糟在換刀位置上的粥向位置精度。 5）要消除反向間隙的影響。刀庫驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈，必然會(huì)有傳動(dòng)間隙，且這種間隙還隨機(jī)械磨損而增大，這將影響刀套準(zhǔn)停精度。而對(duì)有定位盤的刀庫來說，過大的間隙會(huì)影響定位盤的正常工作，因此都必須設(shè)法消除反向間隙，其方法有以下幾種： ①電氣系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償方式。其原理同伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的“反向間隙補(bǔ)償”一樣，這種方式能保證雙向任意選刀和雙向準(zhǔn)停。 ②在鏈輪軸上裝編碼器，對(duì)鏈輪傳動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)準(zhǔn)停。 ③單頭雙導(dǎo)程蝸桿傳

60、動(dòng)方式。這種傳動(dòng)方式，通過調(diào)節(jié)蝸桿的軸向位置，把傳動(dòng)間隙調(diào)到理想程度。在這種傳動(dòng)方式中，如果和加用定位銷準(zhǔn)停方式，就容易出現(xiàn)“過定位”現(xiàn)象。 ④使刀套單方向運(yùn)行、單方向定位方式。這是消除反向間隙影響的一個(gè)“苯方法”。這是，刀庫單向運(yùn)行方向，必須與機(jī)械手抓刀方法相反，否則機(jī)械手抓刀時(shí)，會(huì)使刀套“挪位”。這種運(yùn)行方式雖然能夠消除傳動(dòng)間隙的影響，但卻增加了選刀時(shí)間。因次這種方式已很少用，一般只用于小容量刀庫或順序選刀的刀庫上。 ⑤使刀套雙向運(yùn)行，單向定位方式。這種方式可進(jìn)行任意方向選刀，但當(dāng)?shù)短走x刀方向與設(shè)定的定位方向相反時(shí)，要讓刀套在選刀方向上多轉(zhuǎn)過一個(gè)刀套位，然后再向設(shè)定定位方向運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)刀套

61、位進(jìn)行定位，以次來消除反向間隙的影響，這種方式中的刀套定位運(yùn)行方向，必須與機(jī)械手抓刀時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向相反，以避免機(jī)械手抓刀時(shí)刀套“挪位”。這種運(yùn)行方式，目前仍有使用實(shí)例 第5章 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)與松刀裝置設(shè)計(jì) 5.1 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 機(jī)械手的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。而驅(qū)動(dòng)裝置則是使刀庫和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其功能的機(jī)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)一般有電機(jī)或液壓或氣壓機(jī)構(gòu)或凸輪機(jī)構(gòu)組成。他們?cè)? 數(shù)控系統(tǒng)控制下，驅(qū)動(dòng)刀庫和機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)刀具的選擇和交換。

62、就立式加工中心來說，目前主要用于機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)構(gòu)有液壓（包括氣液）和機(jī)械式凸輪聯(lián)動(dòng)兩種。通過這些驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的抓刀、拔刀、插刀、復(fù)位動(dòng)作。 鑒于液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手需要采用嚴(yán)格的密封和復(fù)雜的緩沖機(jī)構(gòu)，且控制機(jī)械手動(dòng)作的電磁閥多有一定的時(shí)間常數(shù)，應(yīng)而換刀速度較慢。故近年來出現(xiàn)了凸輪聯(lián)動(dòng)式單臂雙爪機(jī)械手。其工作原理如圖所示。這種機(jī)械手的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，不需要復(fù)雜的液壓系統(tǒng)及其密封、緩沖機(jī)構(gòu)，沒有漏油印象，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠。同時(shí)機(jī)械手的手臂回轉(zhuǎn)和插刀、的分解動(dòng)作是聯(lián)動(dòng)的，部分時(shí)間常數(shù)可重疊，從而大大縮短了換刀時(shí)間，一般約為2.5s. 圖 5-1 JCS-018換刀機(jī)械手驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。換刀時(shí)

63、主軸箱上升至換刀位置，機(jī)械手由油缸活塞齒條2、齒輪3、傳動(dòng)盤4、桿5帶動(dòng)回轉(zhuǎn)75°.兩手分別抓住主軸和刀套中的刀具拔出。在氣缸活塞齒條7、齒輪6、傳動(dòng)盤4、桿5的帶動(dòng)下手臂回轉(zhuǎn)180°。氣缸1使刀臂上升，將新刀具插入主軸，舊刀具插入刀套中。主軸內(nèi)的夾緊機(jī)構(gòu)自動(dòng)夾緊刀具，在油缸活塞齒條2的作用下，手臂反方向回轉(zhuǎn)75°回原位。在第2章中圖2.1中氣缸4作用下，刀套向上轉(zhuǎn)90°，與刀庫同向。整個(gè)換刀過程約為6～10s。 5.2 機(jī)械手松刀裝置設(shè)計(jì) 自動(dòng)換刀系統(tǒng)是加工中心極其重要的一個(gè)部分，其主要性能要求就是快速、可靠?，F(xiàn)代加工中心對(duì)換刀 時(shí)間這一主要技術(shù)指標(biāo)要求越來越高，松刀裝置作為自動(dòng)

64、換刀系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，有必要對(duì)其進(jìn)行深一步研究． TH45 臥式加土中心刀柄夾緊采用典型的碟簧拉桿拉緊方案，其拉緊力約達(dá)8000N ，以保證刀柄在上軸孔中有足夠的裝夾剛性。這樣，考慮到松刀行程等因素，要推動(dòng)拉桿實(shí)現(xiàn)松刀，必須提供l 000N以上的推力。 首臺(tái)樣機(jī)試制中，由于受主軸箱安裝部位空問的限制，采用了傳統(tǒng)的單作用油缸作為松刀執(zhí)行元件，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)性，省去了專用液壓站，而利用壓縮空氣作為動(dòng)力源進(jìn)行氣液增壓以獲得所需的壓力油源，如圖5.1 所示，結(jié)果出現(xiàn)了以下問題：

65、 圖5.1 首臺(tái)樣機(jī)液壓系統(tǒng)示意圖 首先，氣液增壓系統(tǒng)自身響應(yīng)性能跟不上松刀要求，動(dòng)作反應(yīng)很慢，因而影響了松刀速度。 其次，松刀后油缸依靠彈簧力克服各種阻力返回 ，動(dòng)作慢，復(fù)位遲緩，影響總的換刀時(shí)間。 針對(duì)上述存在問題，采取如下改進(jìn)設(shè)計(jì)方案： 其一：取消氣液增壓系統(tǒng)，簡(jiǎn)化傳動(dòng)環(huán)節(jié)以消除不利因素。 其二：執(zhí)行元件改用專用串聯(lián)雙作用增球氣缸，以補(bǔ)償取消增壓系統(tǒng)后帶來的推力不足問題二氣缸直徑取125mm ，當(dāng)氣壓為0.5Mpa時(shí)，約可輸出推力11500N,足以滿足松刀要求，其控制氣路系統(tǒng)見圖5.2 圖5.2控制氣路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 這樣，由于不

66、存在氣液轉(zhuǎn)換過程，而目，松刀時(shí)不必克服彈簧力，原來氣液轉(zhuǎn)換裝置的響應(yīng)滯后問題就不復(fù)存在，性能上得到提高，滿足了換刀要求，而且不需要專門的液壓站或氣液增壓系統(tǒng)，僅以氣源作動(dòng)力。而加工中心本需提供氣源作為吹氣凈刀用，只需分出一路來給松刀即可，因而其成木極低，約為改進(jìn)前的六分之一，而且由于沒有油介質(zhì)，也就不存漏油引起的環(huán)境等問題，從而實(shí)現(xiàn)整機(jī)性能價(jià)格比的進(jìn)一步提高。 第6章 換刀裝置的換刀動(dòng)作及程序設(shè)計(jì) 6.1 換刀動(dòng)作分析 上一工序加工完畢，主軸在“準(zhǔn)?！蔽恢?。自動(dòng)換刀裝置開始進(jìn)行換刀，其過程如下圖 圖 6.1自動(dòng)換刀過程示意圖 首先整個(gè)換刀過程是一個(gè)順序控制的過程。其主要的控制動(dòng)作就是對(duì)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置的控制，而刀庫和主軸的動(dòng)作只是配合它而已。這里先來講一下整個(gè)換刀機(jī)構(gòu)在得到換刀命令時(shí)的動(dòng)作過程：當(dāng)換刀指令發(fā)出后，主軸立即停止旋轉(zhuǎn)并開始自動(dòng)定向，主軸箱同時(shí)回零；刀庫中處在換刀位置的刀