[優(yōu)秀畢業(yè)論文]立式加工中心自動換刀裝置設計

1、 目 錄摘要iabstractii第1章 緒論11.1加工中心的定義11.2加工中心的發(fā)展歷程11.3加工中心國內外現狀21.4國產加工中心目前存在的問題及未來發(fā)展趨勢41.5加工中心的分類51.6本章小結6第2章 加工中心自動換刀裝置概述72.1加工中心自動換刀裝置（atc）形式、特點及各自應用范圍72.2刀庫及刀具交換裝置82.2.1刀庫的形式82.2.2刀具的選擇方式92.2.3刀具(刀座)識別裝置112.2.4刀具交換裝置172.3本章小結19第3章 總體方案設計203.1 th5640d型立式加工中心及其主要參數203.2 th5640d型立式加工中心自動換刀裝置的設計參數213.3

2、確定th5640d型立式加工中心自動換刀裝置的形式213.4本章小結22第4章 刀庫的設計及計算234.1 確定刀庫容量234.2確定刀庫形式234.3 初步估計刀庫驅動轉矩及選定電機234.4刀庫轉位機構的普通蝸輪蝸桿的相關設計254.5確定刀具的選擇方式264.6刀庫結構設計264.7本章小結29第5章 刀具交換裝置的設計305.1換刀機械手抓刀部分結構305.2 機械手傳動結構305.3 自動換刀裝置的動作順序345.4 主軸準停裝置355.5本章小結36第6章 聯(lián)軸器的選用及計算376.1聯(lián)軸器376.1.1聯(lián)軸器的分類376.1.2聯(lián)軸器類型的選擇376.2 聯(lián)軸器的選用計算386.

3、3本章小結41結論42參考文獻43致謝45附錄146附錄253附錄358第1章 緒論1.1加工中心的定義加工中心（machining center,mc）是適應省力、省時和節(jié)能的時代要求而迅速發(fā)展起來的自動換刀數控機床，它是綜合了機械技術、電子技術、計算機軟件技術、拖動技術、現代控制理論、測量及傳感技術以及通信診斷、刀具和編程技術的高科技產品。由于加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和調整時間，減少工件周轉、搬運存放時間，使機床的切削利用率高于通用機床3倍4倍，所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數控機床中生產率和自動化程度最高的綜合性機床。1.2加工中心的發(fā)展歷程

4、1958年，美國卡尼，特雷克（kearney&trecker）公司首次把銑、鉆、鏜等多種工序集中于一臺數控機床上，通過換刀方式實現連續(xù)加工，成為世界上第一臺加工中心。該產品出現后，銷路驚人，引起了日、德、美、英、法、意等先進工業(yè)國家的高度重視，競相開發(fā)生產，不斷擴大和完善機床的功能，成為數控機床中發(fā)展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出現了立式、臥式、龍門式、落地式等各種加工中心，據不完全統(tǒng)計，大約有1000多個品種規(guī)格。未來加工中心的發(fā)展動向是高速化、進一步提高精度和愈發(fā)完善的機能。加工中心是數控機床的代表，是高新技術集成度高的典型機電一體化機械加工設備，我國的加工中心從70年代開始，

5、已有很大發(fā)展，但技術、品種和數量上都還遠不能適應我國經濟、技術發(fā)展的需要。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，推動了模具制造業(yè)、機械加工業(yè)的巨大發(fā)展，使得數控機床的使用越來越普遍，而加工中心更是以其高自動化程度得到廣泛應用。然而，目前市場上生產和銷售的都是以大、中型的加工中心為主，小型加工中心幾乎是空白，而機械加工業(yè)、小型模具的制造、工科院校、技工學校等對小型加工中心存在著大量的需求。為加速我國加工中心的發(fā)展，需進一步加強對加工中心的研究、設計、制造和應用。1.3加工中心國內外現狀由于加工中心在機械加工中的重要作用，各個工業(yè)發(fā)達國家都極為重視，在技術和產量上都發(fā)展很快。目前全球加工中心年生產量為50,00

6、055,000臺左右，并且以日本、歐盟、美國及中國臺灣、韓國等為最具代表性的生產基地。日本市場消費能力強，年生產量超過10,000臺。主要機種為立式加工中心，年產量約5,0006,000臺，而且不斷研發(fā)高速、高精密、五面加工、五軸聯(lián)動加工等技術，滿足特殊與復雜曲面加工工件的要求，日本生產加工中心的廠家有mazak、大隈、莊田、三菱等公司。德國生產最佳品質與高加工效益的加工中心，近年來生產量每年約在4,0005,000臺左右。代表性機種為臥式加工中心，年生產量約1,5002,000臺。其他加工中心年生產量約2,0003,000臺左右，德國生產加工中心的廠家有西門子、maka、geiss、科恩等公

7、司。美國是全球機床生產代表性國家之一，但近年來由于其國內消費能力不足，再加上出口也面臨市場競爭，導致其生產有逐漸下滑的趨勢，年生產加工中心僅約為5,0006,000臺左右，生產廠家有哈挺、mag、hurco等公司。臺灣是全球加工中心生產量最大的供貨基地，年生產量可達到16,00018,000臺，其中有部分是空機臺，未加裝微機控制器等，平均單價有偏低的情形。韓國是全球加工中心主要生產國家之一。其加工中心主要用于韓國汽車工業(yè)、模具工業(yè)及機械工業(yè)，年生產加工中心在4,0005,000臺左右。未來加工中心的生產基地則有可能是大陸，特別是日本、美國、德國、中國臺灣、韓國已競相到大陸設廠生產加工中心，再加

8、上大陸本身的企業(yè)研發(fā)與制造，未來技術成熟、品質穩(wěn)定、成本降低后，必將會成為全球重要供應基地之一。20世紀70年代我國研制的加工中心，多數因配套件和設計、制造的缺陷而不能正常使用。進入80 年代后，由于引進了日本fanuc、德國siemens 等公司的數控系統(tǒng)、直流進給伺服電機和主軸電機及其伺服單元之后，數控系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。但就整機而言，可靠性還不夠高。20世紀90年代中期以來，隨著加工中心技術的進步和配套的完善，國內生產企業(yè)注意到了采用標準功能部件來取代產品的某些部件，同時優(yōu)先選擇世界知名公司的名牌產品(如：數控系統(tǒng)、滾動直線導軌、滾珠絲杠、軸承、atc 裝置、液壓氣動元件、電氣元件

9、和檢測元件等)作為配套，提高了國產加工中心的檔次和可靠性，在一定程度上縮短了與國外同類產品的差距。當前，國產加工中心的可靠性與國外同類產品相比依然不高。除此以外，還有整機防護與密封、外觀粗糙、整體造型不盡如意等缺陷，在一定程度上影響了國產加工中心的市場競爭力。目前國內生產加工中心的有沈陽機床廠、大連機床廠、上海祥裕等廠家。研究主要成果如下：90年代以來，國外一些機床廠家先后開發(fā)出一批高速加工中心，其主要技術參數為： 主軸最高轉速：一般為1200015000r/min，有的高達4000060000r/min。坐標軸的加工進給最高速度：3060m/min，快速移動速度高達7080m/min。換刀時

10、間(刀-刀)普遍在1.53.5s，有的快到0.80.9s；托板交換時間普遍在68s。綜上所述，高速加工中心的出現使得單軸加工中心的效率趕上了多軸的組合機床或專用機床。因此，高效高柔性的加工中心已開始在汽車工業(yè)中應用，并成為重要的工藝裝備。目前世界上比較有名的加工中心有：德國ex-cell-o gmbh公司xhc240臥式加工中心、德國chiron werke公司fz12w立式加工中心、日本mazak公司產品、日本新瀉鐵工所spn50、spn40加工中心、美國giddings & lewis公司ram500型、ram630型臥式加工中心和美國ingersoll銑床公司hvm600型臥式加工中心等

11、等。目前，國產加工中心的主要品種是立式加工中心和臥式加工中心。為市場提供的產品主要是立式加工中心。其規(guī)格(是指工作臺寬度，單位：mm) 一般為300、400、500、630 和800。其中，前三種屬于較小規(guī)格產量較大；后兩種屬于中大型產量較小。目前，國產立式加工中心擁有的規(guī)格基本上覆蓋了中小型立式加工中心的規(guī)格范圍。在我國，人們習慣上把數控機床按其技術水平的高低分為高、中、低三個檔次。所謂高檔數控機床是指高速度、高精度、五軸聯(lián)動和工藝高度復合化的數控機床，包括部分重型機床；而所謂低檔數控機床主要是指以步進電機驅動為主要特征的開環(huán)控制的經濟型數控車床、鉆床和銑床，其精度和速度都不高；其他數控機床

12、則屬于中檔數控機床，也就是人們常說的通用普及型數控機床。國產加工中心大多數產品的檔次屬于此范疇。1.4國產加工中心目前存在的問題及未來發(fā)展趨勢國產加工中心目前存在的問題有：(1) 技術水平上，與國外同類產品的先進水平相比大約落后1015 年，在高精尖技術方面則更大。(2) 產品開發(fā)能力上，國內生產企業(yè)缺乏對產品競爭前的數控技術的深入研究與開發(fā)，特別是對加工中心應用領域的拓展力度不強。(3) 產業(yè)化水平上，市場占有率低，品種覆蓋率小，雖然近年來國產加工中心的產量增加較快，但從總體上看，還沒有形成規(guī)模生產；國產數控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應，用戶信心不足。(4) 國產數控系統(tǒng)mtbf( 平均無故障

13、時間)大都超過1 萬小時，但國際上知名品牌如：fanuc、siemens 等先進企業(yè)的數控系統(tǒng)mtbf 已達8 萬小時。國產加工中心mtbf 雖有少數廠達500 小時，但國外加工中心的先進水平已達800 小時。(5) 刀庫和機械手的可靠性還比較低，近年來雖有改進，但用戶仍然不放心。(6) 位置精度，特別是重復定位精度還有待于進一步提高。(7) 至于外觀粗糙，漏油、漏水、漏氣等老問題仍然不同程度的存在。加工中心未來發(fā)展趨勢有：（1）高速度、高效率眾所周知，機床向高速化方向發(fā)展，不但可以大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質量和精度。是進入新世紀以來國內外機床技術發(fā)展的重要

14、趨勢。20世紀90年代以來，歐、美、日等工業(yè)發(fā)達國家爭相開發(fā)應用新一代高速數控機床，加快機床高速化發(fā)展步伐。高速主軸單元(電主軸，轉/min)、高速且高加/減速度的進給運動部件(快移速度60120m/min，切削進給速度高達60m/min)、高效率的自動換刀裝置、高性能數控裝置和伺服系統(tǒng)以及數控工具系統(tǒng)都出現了新的突破，達到了新的技術水平。（2）高精度追求加工中心的高精度，一直是世界各工業(yè)發(fā)達國家努力的方向。當前，在機械加工高精度的要求下，普通級數控機床的加工精度已由10m 提高到5m ；精密級加工中心的加工精度則從35m 提高到11.5m ，甚至更高。（3）高可靠性

15、隨著數控機床應用領域的日益普及，數控機床的高可靠性已經成為數控系統(tǒng)制造廠家和數控機床制造廠家十分注重和追求的目標。數控機床也只有首先具有較高的可靠性，才能談得上高速度、高效率和高精度。這已經是眾多的數控系統(tǒng)制造廠家和數控機床制造廠家達成的共識。當前，國外先進數控系統(tǒng)的mtbf 值已達8萬小時以上。1.5加工中心的分類按主軸加工時的空間位置分類有：臥式和立式加工中心。臥式加工中心 是指主軸軸線水平設置的加工中心。臥式加工中心有多種形式，如固定立柱式或固定工作臺式。固定立柱式的臥式加工中心的立柱不動，其主軸箱在立柱上做上下移動，而工作臺可在兩個水平方向移動；固定工作臺式的臥式加工中心的三個坐標方向

16、的運動由立柱和主軸箱的移動來定位，安裝工件的工作臺是固定不動的(指直線運動)。臥式加工中心一般具有3個5個運動坐標軸，常見的是三個直線運動坐標軸和一個回轉運動坐標軸(回轉工作臺)它能在工件一次裝夾后完成除安裝面和頂面以外的其余四個面的加工，最適合加工箱體類工件。它與立式加工中心相比，結構復雜、占地面積大、質量大、價格亦高。 立式加工中心 立式加工中心主軸的軸線為垂直設置，其結構多為固定立柱式，工作臺為十字滑臺，適合加工盤類零件，一般具有三個直線運動坐標軸，并可在工作臺上安置一個水平軸的數控轉臺(第四軸)來加工螺旋線類零件。立式加工中心結構簡單，占地面積小，價格低，配備各種附件后，可進行大部分工

17、件的加工。 大型龍門式加工中心 主軸多為垂直設置，尤其適用于大型或形狀復雜的工件，像航空、航天工業(yè)及大型汽輪機上的某些零件的加工都需要用這類多坐標龍門式加工中心。五面加工中心 這種加工中心具有立式和臥式加工中心的功能，在工件一次裝夾后，能完成除安裝面外的所有五個面的加工，這種加工方式可以使工件的形狀誤差降到最低；省去二次裝夾工件，從而提高生產效率，降低加工成本。1.6本章小結本章主要介紹了加工中心的定義，發(fā)展歷程以及加工中心的國內外現狀，并介紹了當今加工中心存在的一些問題及其未來的發(fā)展趨勢。第2章 加工中心自動換刀裝置概述2.1加工中心自動換刀裝置（atc）形式、特點及各自應用范圍由刀庫和機械

18、手組成的自動換刀裝置(automatic tool changer,atc)是加工中心的重要組成部分。加工中心上所需更換的刀具較多，從十幾把到幾十把甚至上百把，故通常采用刀庫形式，其結構比較復雜，自動換刀裝置種類繁多。由于加工中心上自動換刀次數比較頻繁，故對自動換刀裝置的技術要求十分嚴格如要求定位精度高動作平穩(wěn)，工作可靠以及精度保持性等。這些要求都與加工中心的性能息息相關。表2-1 加工中心上的換刀裝置形式類別特點應用范圍轉塔式垂直轉塔頭1. 根據驅動方式不同，可分為順序選刀或任意選刀2. 結構緊湊簡單3. 容納刀具數目少用于鉆削中心水平轉塔頭刀庫式無機械手換刀1. 利用刀庫運動與主軸直接換刀

19、，省去機械手2. 結構緊湊3. 刀庫運動較多小型加工中心機械手換刀1. 刀庫只做選刀運動，機械手換刀2. 布局靈活，換刀速度快各種加工中心機械手和刀具運送器1. 刀庫距機床主軸較遠時，用刀具運送器將刀具送至機械手2. 結構復雜大型加工中心成套更換方式更換轉塔1. 利用更換轉塔頭，增加換刀數目2. 換刀時間基本不變擴大加工工藝的鉆削中心更換主軸箱1. 利用更換主軸箱，擴大組合機床加工工藝范圍2. 結構比較復雜擴大柔性的組合機床更換刀庫1. 擴大加工工藝，更換刀庫，另有刀庫存儲器2. 充分提高機床利用率和自動化程度3. 擴大加工中心的加工工藝范圍加工復雜零件，需刀具很多的加工中心或組成高度自動化的

20、生產系統(tǒng)2.2刀庫及刀具交換裝置刀庫的功能是儲存加工工序所需的各種刀具，并按程序指令，把即將要用的刀具迅速、準確地送到換刀位置，并接受從主軸送回的已用刀具。所以說它是自動換刀裝置中主要部件之一。2.2.1刀庫的形式根據刀庫的容量和存取刀具的方式，刀庫可設計成多種形式。目前常見的刀庫類型如下：（1） 盤式刀庫 此刀庫結構簡單，應用較多。此換刀裝置的優(yōu)點是結構簡單，成本較低，換刀可靠性較好，缺點是換刀時間長，適用于刀庫容量較小的加工中心上采用。如圖2-1所示。（2） 鏈式刀庫 此刀庫結構緊湊，刀庫容量較大，鏈環(huán)的形狀可根據機床的布局制成各種形狀，也可將換刀位突出以便于換刀，能充分利用機床的占地空間

21、，通常為軸向取刀，位置精度較低，造價也較高。如圖2-2所示。（3） 格子箱式刀庫 結構緊湊，刀庫空間利用率高，換刀時間較長。布局不靈活，通常刀庫安裝在工作臺上，應用者較少。如圖2-3所示。（4） 直線式刀庫 刀庫容量少，一般在十幾把左右，多用于自動換刀數控車床，鉆床上也有采用。如圖2-4所示。 圖2-1 盤式刀庫 圖2-2 鏈式刀庫 圖2-3 格子箱式刀庫 圖2-4 直線式刀庫2.2.2刀具的選擇方式在自動換刀裝置換刀時，按數控裝置的刀具選擇指令，從刀庫中將所需要的刀具準確地自動地選出，并轉換到取刀位置稱為自動選刀。從刀庫中選擇刀具通常采用下述方式：（1）順序選擇方式 順序選擇方式是按零件加工

22、的預定工序要求依次將所用刀具存入刀庫的刀座中，使用時按順序將其轉到取刀位置。用過的刀具放回原來的刀座中，亦可以按加工順序故入下一個刀座中。這種方法不需要刀具識別裝置，驅動控制也較簡單，工作可靠，但刀具不能重復使用。即工藝相同的不同工序，也要重新安排刀具，故增加了刀具數量和刀庫容量。一般用于刀具較少的中小型加工中心、加工批量較大但工件品種較少的加工中心、刀庫與主抽之間直接換刀的加工中心、有自動換刀庫的數控機床(當加工小批量零件時)。另外，在裝刀時必要認真謹慎對號入座，否則將會產生嚴重后果。（2）任意選擇刀具方式 這種方法根據程序指令的要求任意選擇所需要的刀具，刀具在刀庫中不必按照工件的加工順序排

23、列，可任意存放。每把刀具(或刀座)都編上代碼自動換刀時，刀庫旋轉，每把刀具(或刀座)都經過“刀具識別裝置”接受識別。當某把刀具的代碼與數控指令的代碼相符合時，該把刀具被選中，刀庫將選中的刀具送至換刀位置，等待機械手來抓取。任意選擇刀具法的優(yōu)點是刀庫中刀具的排列順序與工件加工順序無關。相同的刀具可重復使用，故刀具數量比順序選擇法的刀具可少一些，刀庫也相應小一些。刀座編碼式 這種編碼方式是對刀庫中的每個刀座都預先進行編碼，刀具也編號，并將與刀座編碼對應的刀具一一放入指定的刀座中，根據刀座編碼選刀。換刀時刀庫旋轉，使各個刀座依次經過刀具識別器，直至找到規(guī)定的刀座，刀庫即刻停止旋轉。刀座編碼又分永久性

24、編碼和臨時性編碼，前者刀座號是固定不變的；后者又稱編碼鑰匙，即采用一種專用的編碼鑰匙”這種入法是按加工順序要求事先給各刀具都縛上一“把表示法刀具號的編碼鑰匙，當把各刀具存放到刀庫的刀座中時，將編碼鑰匙插進刀座旁邊的鑰匙孔中。這樣就把鑰匙的號碼轉記到刀座中，給刀座編上了號碼。識別器可通過識別鑰匙上的號碼來選取該鑰匙旁邊刀座中的刀具；編碼鑰匙中除導向凸起外，共右16個凸起和凹下的位置，故有65535凹凸組合，可區(qū)別65535把刀具。鑰匙沿著水平方向的鑰匙縫插人鑰匙孔座，然后順時針方向旋轉90，處于鑰匙代碼凸起的第一彈簧接觸片被撐起，表承代碼“1”，處于代碼凹處的第二彈簧接觸片保持原狀，表示代碼“0

25、”。由于鑰匙上每個凸凹部分旁邊均有相應的碳刷，故可將鑰匙各個凸凹部分均識別出來，即識別出相應的刀具。當取出刀具時，鑰匙也隨之取出，刀座碼立即消失，調換鑰匙可任意改變刀具編碼，使用具有更大的靈活性。刀具編碼式 這種萬式是直接對每把刀具進行編碼，由換刀裝置識別刀具上的編碼進行選刀，出于每把刀只都有自己的代碼，故可存放于刀庫的任一刀座中。這樣刀庫中的刀具在不同的工序中也就可重復使用，用過的刀具也不一定放回原刀座中。避免了因刀具存放在刀庫中的順序差錯而造成的事故；同時也縮短了刀庫的運轉時間，簡化了自動換刀控制線路。它還可直接在刀庫與刀具主軸之間進行換刀而不致增加換刀時間。其缺點是使刀具長度增加，制造田

26、難，剛度降低，同時使機械手和刀庫的結構也復雜化。編碼附件法 這種選刀方式介于刀具編碼與刀座編碼之間。刀庫的刀座與刀具均無需編碼。只利用一種帶有編碼附件(如鑰匙、卡片、編碼桿、編碼盤)與刀具合在起，這樣刀具就具有與編碼附件相同的編號。當帶編碼附件的刀具插人刀庫中某一刀座時，該刀座便具有編碼附件指定的編碼。以上選刀方式都結換刀系統(tǒng)帶來很多不便，所以近年來在加工中心應用得很少。計算機記憶式 高檔的數控加工中心，可將刀具號和刀庫上存刀地址對應地記憶在計算機存儲器內或可編程控制器內。不論刀具放入哪個地址，均可跟蹤記憶；利用刀庫上裝刀位置檢測裝置，可測得每一地址。這樣刀具可以任意取、存，無需編碼元件，這種

27、刀具任選方式使換刀控制大為簡化。故目前的加上中心絕大多數都采用這種方式。2.2.3刀具(刀座)識別裝置刀具(刀座)識別裝置是自動換刀系統(tǒng)中的重要組成部分，常用的有下列幾種。 (1)接觸式刀具識別裝置 接觸式刀具識別裝置應用廣泛，特別適應于空間位置較小的刀具編碼，其原理如圖25所示。在刀柄1上裝有兩種直徑不同的編碼環(huán)，規(guī)定大直徑的環(huán)表示二進制的“1”，小直徑的環(huán)為“0”，圖中有5個編碼環(huán)4，在刀庫附近固定一刀具識別裝置2，從中伸出幾個觸針3，觸針數量與刀柄上的編碼環(huán)個數相等。每個觸針連一個繼電器，當大直徑的編碼環(huán)與觸針接觸，繼電器通電，其數碼為“1”。當各繼電器讀出的數碼與所需刀具的編碼一致時，

28、由控制裝置發(fā)出信號，使刀庫停轉，等待換刀。接觸式刀具識別裝置結構簡單，但由于使用中觸針有磨損，故壽命較短，可靠性較差，且難于快速換刀。 (2)非接觸式刀具識別裝置 非接觸式刀具識別裝置無機械接觸、無磨損、無噪聲、壽命長、反應速度快，適應于高速且換刀頻繁的工作場合。常用的有磁性識別法和光電識別法。非接觸式磁性識別法 磁性識別法是利用磁性材料和非磁性材料磁感應強弱不同，通過感應線圈讀取代碼。編碼環(huán)的直徑相等，分別由導磁材料(如軟鋼)和非導磁材料(如黃銅、塑料等)制成，規(guī)定前者編碼為“1”，后者編碼為“0”。圖2-6所示為一種用于刀具編碼的磁性識別裝置。圖中刀柄1上裝有非導磁材料編碼環(huán)4和導磁材料編

29、碼環(huán)2、與編碼環(huán)對應的有一組檢測線圈6組成非接觸式識別裝置3。在檢測線圈6的一次線圈5中輸入交流電壓時，如編碼環(huán)為導磁材料，則磁感應較強，在二次線圈7中產生較大的感應電壓。如編碼環(huán)為非導磁材料，則磁感應較弱，在二次線圈中感應的電壓較弱。利用感應電壓的強弱，就能識別刀具的號碼。當編碼環(huán)的號碼與指令刀號相等時，控制電路便發(fā)出信號，使刀庫停止運轉，等待換刀。刀具編碼的識別裝置原理如圖2-7所示。當數控裝置接受穿孔紙帶給出的選刀號t代碼，由選刀控制電路使刀庫快速轉動，刀具依次通過識刀器，對應每個刀具的編碼環(huán)感應出不同的信號，經刀號讀出電路將編碼環(huán)所表示的號碼讀出，通過輸入控制門存入刀號寄存器內，然后送

30、入比較符合電路與數控裝置，對已接收的t代碼進行比較。若與給定的t代碼不一樣，則刀庫仍繼續(xù)轉動，直到識刀器讀出的刀具或刀座編碼與t代碼一致時，發(fā)出選刀符合信號，說明已選中刀具；此時刀庫減速、定位、停止，所選刀具停在等待換刀位置。圖中延時清零電路用來等待識刀器讀完一個編碼號后再進行比較識別，以免因讀出信號時間上的不一致造成失誤。每讀完一次編碼，延時清零電路經一定延時發(fā)出一次消零信號，使刀號寄存器清零復位，以便寄存下一個刀號。圖2-5接觸式刀具識別裝置 圖2-6 磁性識別裝置圖2-7 識刀裝置原理框圖光學纖維刀具識別裝置 這種裝置利用光導纖維很好的光傳導特性，采用多束光導纖維構成閱讀頭。用靠近的兩束

31、光導纖維來閱讀二進制碼的一位時，其中一束將光源投射到能反光或不能反光(被涂黑)的金屬表面，另一束光導纖維將反射光送至光電轉換元件轉換成電信號，以判斷正對這兩束光導纖維的金屬表面有無反射光，有反射時(表面光亮)為“1”，無反射時(表面涂黑)為“0”如圖2-8 (b)所示。在刀具的某個磨光部位按二進制規(guī)律涂黑或不涂黑，就可以給刀具編上號碼。正當中的一小塊反光部分用來發(fā)出同步信號。閱讀頭的端面如圖2-8(a)所示，共用的投光射出面為一矩形框，中間嵌進一排共9個圓形受光入射面、當閱讀頭端面正對刀具編碼部位，沿箭頭方向相對運動時，在同步信號作用下，可將刀具編碼讀入，并與給定的刀具號進行比較而選刀。在光導

32、纖維中傳播的光信號比在導體中傳播的電信號具有更高的抗干擾能力。光導纖維可任意彎曲，這給機械設計、光源及光電轉換元件的安裝都帶來很大的方便。因此，這種識別方法很有發(fā)展前途。近年來，“圖像識別”技術也開始用于刀具識別，刀具不必編碼，而在刀具識別位置上利用光學系統(tǒng)將刀具的形狀投影到許多光電元件組成的屏板上，從而將刀具的形狀變?yōu)楣怆娦盘?，經信息處理后存人記憶裝置中。選刀時，數控指令t所指的刀具在刀具識別位置出現圖形時，便與記憶裝置中的圖形進行比較，選中時發(fā)出選刀符合信號，刀具便停在換刀位置上。這種識別方法雖有很多優(yōu)點，但由于該系統(tǒng)價格昂貴而限制了它的使用。圖2-8 光學纖維刀具識別裝置(3)利用pc實

33、現隨機換刀 隨著計算機技術的發(fā)展，利用軟件選刀以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的編碼環(huán)和識刀器。在這種選刀和換刀的方式中，刀庫上的刀具能與主軸上的刀具任意地直接交換，即隨機換刀。主軸上換來的新刀號及還回刀庫的刀具號，均在pc內部相應地存儲單元記憶。隨機換刀控制方式需要在pc內部設量一個模擬刀庫的數據表，其長度和表內設置的數據與刀庫的位置數和刀具號相對應。這種方法主要由軟件完成選刀，從而消除了內于識刀裝置的穩(wěn)定性、可靠性所帶來的選刀失誤。atc(自動換刀)控制和刀號數據表 如圖29所示，刀庫有8個刀座，可存放8把刀具。刀座固定位置編號為方框內1號8號，0為主軸刀位置號，由于刀具本身不附帶編碼環(huán)，故刀具編號可任意沒定，

34、如圖294中(10)(18)的刀號。一旦給某刀編號后該編號不應隨意改變。為了使用方使刀號也采用bcd碼編寫。在pc內部建立一個模擬刀庫的刀號數據表，如圖2-10所示。數據表的表序號與刀庫刀座編號相對應，每個表序號中的內容就是對應刀座中所插入的刀具號。圖中刀號表首地址tab單元固定存放主軸上的刀具號數，tab+1tar+8存放刀庫上的刀具號。由于刀號數據表實際上是刀庫中存放刀具位置的一種映像，所以刀號表與刀庫中刀具的位置應始終保持一致。 圖2-9刀庫中刀具位置編號 圖2-10刀庫的刀號數據表刀具的識別 雖然刀具不附帶任何編碼裝置，且采用任意換刀方式，但是，由于在pc內部設置的刀號數據表始終與刀具

35、在刀庫中的實際位置相對應，所以對刀具的識別實質上轉變?yōu)閷Φ稁煳恢玫淖R別。當刀庫旋轉，每個刀座通過換刀位置(基準位置)時，產生一個脈沖信號送至pc，作為計數脈沖。同時在pc內部設置一個刀庫位置計數器，當刀庫正轉(cw)時，每發(fā)一個計數脈沖，使該計數器遞增計數；當刀庫反轉(ccw)時每發(fā)一個計數脈沖，則計數器遞減計數。于是計數器的計數值始終在18之間循環(huán)，而通過換刀位置時的計數值(當前值)總是指示刀庫的現在位置。當pc接到新刀具的指令(txx)后，在模擬刀庫的刀號數據表中進行數據檢索，檢索到t代碼給定的刀號，將該刀具號所在數據表中的表號數存放在一個緩沖存儲單元中，這個表序號數就是新刀具在刀庫中的目

36、標位置。刀庫旋轉后，測得刀庫的實際位置與要求的刀庫目標位置一致時，即識別了所要尋找的新刀具。刀庫停轉并定位，等待換刀。識別刀具的pc程序流程團如圖2-11所示。刀具的交換及刀號數據表的修改 當前一工序加工結束后需要更換新刀加工時，nc系統(tǒng)發(fā)出自動換刀指令m06控制機床主軸準停。機械手執(zhí)行換刀動作，將主軸上用過的舊刀和刀庫上選好的新刀進行交換。與此同時，應通過軟件修改pc內部的刀號數據表，使相應的刀號表單元中的刀號與交換后的刀號相對應。圖2-11 識別刀具的pc程序流程框圖2.2.4刀具交換裝置實現刀庫與機床主軸之間裝卸和傳遞刀具的裝置稱為刀具交換裝置。交換裝置的形式和具體結構對數控機床的整體布

37、局、生產率和工作可靠性都有直接影響。交換裝置的形式很多，一般可分為兩大類。 由刀庫和主軸的相對運動實現刀具交換 用這種形式交換刀具時，必須將主軸上用過的刀具送回刀庫，再從刀庫取出新刀，但兩個動作不能同時進行。它適用采用40號以下刀柄的小型加工中心或換刀次數少的用重型刀具的重型機床。這種換刀方式沒有機械手，因而結構簡單；刀庫回轉是在工步與工步之間，故換刀時間長，換刀動作也較多，但卻免去了刀庫回轉時的振動對加工精度的影響。在這種換刀方式中，刀庫可以是圓盤型、直線排列式、也可以是格子箱式等。圓盤式刀庫可設在立柱頂上、立柱主軸箱的側面，也可以設在橫梁一端。直線排列式刀庫可設在工作臺上方，也可設在工作臺

38、的一端或兩端。格子箱式刀庫可設在雙工作臺的中間。 由機械手進行刀具交換 由于刀庫及刀具交換方式不同，換刀機械手種類繁多。機械手的類型如表2-2所示。表2-2 換刀機械手的結構及特點類型形式應用特點單臂單手式機械手作往復直線運動用于刀具主軸與刀庫刀座軸線平行的場合結構較簡單，換刀時間較長機械手擺動，其軸線與刀具主軸平行用于刀庫刀座軸線與主軸軸線平行的場合機械手擺動，其軸線與刀具主軸垂直用于刀庫刀座軸線與主軸軸線垂直的場合單臂雙手式固定雙手式用于刀庫刀座軸線與主軸軸線平行的場合，廣泛用于加工中心可同時抓住主軸和刀庫中的刀具，并進行拔出、插入，換刀時間短可伸縮雙手式剪式雙手式雙手不成180雙手式雙手

39、平行式這種機械手還起運輸作用換到時間較短，結構較復雜雙手交叉式雙手有回轉運動2.3本章小結本章主要介紹了加工中心自動換刀裝置（atc）形式、特點及各自應用范圍，另外介紹了加工中心中刀具識別與選擇的各種方式，最后介紹了換刀機械手的結構及其特點。第3章 總體方案設計3.1 th5640d型立式加工中心及其主要參數th5640d是一臺小型立式加工中心，工件在一次裝夾后可自動連續(xù)地完成銑、鉆、鏜、鉸、锪、攻絲等多種工序的加工，該機床適用于小型板件、盤件、殼體等復雜零件的多品種中小批量加工。其基本規(guī)格為：工作臺工作面尺寸（外形尺寸） （毫米）1000400（1200520）工作臺t型槽寬槽數 （毫米）1

40、83工作臺左右行程（x軸） （毫米）1000工作臺前后行程（y軸） （毫米）500工作臺上下行程（z軸） （毫米）470主軸端面至工作臺面 （毫米）150620主軸錐孔 bt40主軸轉速（標準型/高速型） （轉/分）22.52250/454500主軸驅動電機 （千瓦）交流主軸電機5.5/7.5（額定/30分鐘）快速移動速度（x、y軸） （米/分）15 （z軸） （米/分）10進給速度 （x、y、z軸） （毫米/分）14000進給驅動電機 （千瓦）交流1.4刀庫容量 20選刀方式 任選最大刀具尺寸 （毫米）80300最大刀具重量 （公斤）8刀庫電機 （千瓦）交流伺服1.4工作臺容許負載 （公斤）

41、500滾珠絲杠尺寸（x、y、z軸） （毫米）4010鉆孔能力 （毫米）32攻絲能力 m24鏜孔能力 （自動換刀時）（毫米）80銑削能力 （厘米/分）100氣源 （巴）57（250升/分）機床重量 （公斤）6500占地面積 （毫米）275626953.2 th5640d型立式加工中心自動換刀裝置的設計參數刀庫容量 20選刀方式 任選刀套尺寸 （毫米）60120最大刀具重量 （公斤）8相鄰刀套中心距離為85毫米刀柄為bt40刀柄蝸桿頭數=1，初定傳動比為i=48，模數m=3.153.3確定th5640d型立式加工中心自動換刀裝置的形式初步確定該立式加工中心刀庫的工作原理為：交流伺服電動機通過撓性聯(lián)

42、軸器帶動蝸輪蝸桿轉動，刀庫形式采用盤型刀庫，該刀庫裝在蝸輪上通過蝸輪的旋轉帶動刀庫的旋轉，如圖2-1所示。另外，盤型刀庫裝在立柱左側，因此刀套應該能向下轉動90，便于換刀。圖3-1 刀庫驅動原理圖機械手的形式暫時采用單臂雙手式機械手。3.4本章小結本章主要介紹了th5640d型立式加工中心及其主要參數。另外介紹了本次畢業(yè)設計所給的參數，確定了該加工中心刀庫基本的傳動原理以及所選機械手的形式。第4章 刀庫的設計及計算4.1 確定刀庫容量刀庫容量設為20把。4.2確定刀庫形式刀庫容量為20,容量不大，并且用于小型立式加工中心，因此決定采用盤式刀庫。盤式刀庫結構簡單，應用較多。此換刀裝置的優(yōu)點是結構

43、簡單，成本較低，換刀可靠性較好。整個換刀過程時間大約為4秒。4.3 初步估計刀庫驅動轉矩及選定電機刀庫驅動電動機的選擇應同時滿足刀庫運轉時的負載扭矩和啟動時的加速扭矩的要求。（1） 刀庫負載扭矩的計算圓盤式刀庫負載扭矩估算方法：這種刀庫的負載扭矩主要用來克服刀具質量的不平衡，估算按如下兩種情況進行：第一，用平均重量的刀具插滿圓盤的半個圓，如圖4-1（a）所示，根據工藝要求所需的各種刀具，確定每個刀具的（包括刀柄）平均重量，而其重心則設定為離刀庫回轉中心2/3半徑處。第二，把三把最重的刀具放在一起，如圖4-1（b）所示。按加工中心規(guī)格規(guī)定的最大刀具質量算，而其重心則設定為離刀庫回轉中心半徑處。（

44、2） 刀庫加速扭矩的計算式中 -刀庫選刀時的電動機轉速（r/min）；-加速時間，通常取150200ms；-電動機轉子慣量（），可查樣本；-負載慣量折算到電動機軸上的慣量（）（a）刀具插滿圓盤的半個圓 （b）三把最重的刀具插在一起圖4-1 刀庫負載轉矩計算方法（3） 驅動電動機輸出扭矩計算驅動電動機的輸出扭矩應同時滿足刀庫負載扭矩和加速扭矩之和，將以上計算的刀庫負載扭矩和加速扭矩轉換為驅動電動機軸上的輸出扭矩的公式為式中i-電動機軸至刀庫軸的速比；-傳動效率?？紤]到實際情況比計算時所設定的條件復雜，電動機額定轉矩應為負載扭矩的1.21.5倍。設定當兩個最大刀具相鄰放置時，其間距為5毫米，則相鄰

45、刀套中心距為85毫米，夾角為20度?？芍短追胖冒霃綖閙m，圓整為245mm。1） 刀庫負載扭矩的計算按方法二進行估算，即將三把最重的刀放在一起，則負載扭矩=389.8245=57.6242） 加速扭矩的計算設刀具最大運動線速度為24m/min，則可確定刀庫選刀轉速為=15.6r/min，加速時間暫定為=200ms，電動機的轉子慣量可查相關樣本=2.14，負載慣量折算到電動機軸上的慣量=30.01則可求得=0.263） 驅動電動機的輸出扭矩應同時滿足刀庫負載扭矩和加速扭矩之和電動機軸到刀庫軸的速比為i=48,蝸輪蝸桿的傳動效率=0.7,則可求得=1.72電動機的額定轉矩(1.21.5) =(2

46、.062.58) 而所選電機轉矩為10確定伺服電機型號為sm130-10n1500，其主要技術參數為：額定功率 1.5kw額定轉速 1500r/min額定電流 6a轉子慣量 0.00214機械時間常數 2.11ms工作電壓 220v4.4刀庫轉位機構的普通蝸輪蝸桿的相關設計蝸桿頭數=1，初定傳動比為i=48，則蝸輪齒數=i=48，模數m=3.15，蝸桿分度圓直徑=48mm，蝸輪分度圓直徑=m=151.2mm中心距a=(+)/2=99.6mm,圓整中心距取=100mm，蝸輪變位系數=（a-）/m=-0.127，屬于1=x=-1的要求蝸輪齒頂高=(1-0.127) 3.15=2.75mm蝸輪齒根高

47、=(1+0.2+0.127) 3.15=4.18mm蝸輪齒根圓直徑=151.2-24.18=142.84mm蝸輪齒頂圓直徑=151.2+22.75=156.7mm蝸桿齒頂圓直徑=48+213.15=54.3mm蝸桿齒根圓直徑=48-23.15(1+0.2)=40.44mm考慮到傳遞的功率不大，轉速較低，選用za蝸桿傳動，精度為5fgb10089-1988。蝸桿材料選用35crmo，表面淬火硬度4555hrc,表面粗糙度ra1.6m。蝸輪材料選用zcual10fe3，表面淬火硬度4555hrc,表面粗糙度ra1.6m。蝸輪蝸桿其他計算參數：蝸桿導程角r=arctan蝸桿齒形角為20蝸桿軸向齒距積

48、累誤差=0.0085mm蝸桿軸向齒距極限偏差=0.0048mm蝸輪齒形誤差=0.0071mm4.5確定刀具的選擇方式刀具的選擇方式為任意選擇方式中的計算機記憶式，可將刀具號和刀庫上存刀地址對應地記憶在計算機存儲器內或可編程控制器內。不論刀具放入那個地址，均可跟蹤記憶；利用刀庫上裝刀位置檢測裝置，可測得每一地址。這樣刀具可以任意存取，無需編碼元件，這種刀具任選方式使換刀控制大為簡化。4.6刀庫結構設計圓盤式刀庫由專用的交流伺服電機14經撓性聯(lián)軸器15、蝸桿24、蝸輪25，帶動刀盤和盤上的20個刀套旋轉，如圖4-2所示。刀座的滾子在不旋轉的刀盤的槽中受到限位，刀盤在最下端的換刀位置開了一個缺口。刀

49、座以鉸鏈形式與支撐板相連。平時，由彈簧將滾子銷壓在刀套的凹槽中，使刀座定位在水平位置。由于主軸是立式的，故應將處于刀庫刀盤最下位置的刀套旋轉90，使刀頭朝下。實現這個動作靠氣缸28。氣缸28的活塞桿帶動撥叉59上升，由剖視圖中可以看到，最下面的一個刀套右尾部的滾子正好進入撥叉59的缺口。撥叉上升使刀套連同刀具逆時針方向旋轉90，滾子銷退出支撐板的凹槽，刀座轉至垂直位置，等待機械手換刀。圖4-2圖4-3刀套的構造如圖4-4所示，由圖中可以看到錐孔尾部有兩個球頭銷釘，后有彈簧用以夾住刀具，故當刀套旋轉90后刀具不會下落。刀套頂部的滾子用以在刀套處于水平位置時支撐刀套。當刀具更換完畢，該刀座插入從主

50、軸換下的刀具夾頭。通過氣缸作用，與上述動作相反，刀座帶動刀具夾頭順時針轉動，直到水平位置為止，此時滾子銷重新處于支撐板的凹槽中。圖4-4 刀套結構圖4.7本章小結本章主要是根據所給參數進行刀庫電機的計算與選擇，以及刀庫傳動時所用蝸輪蝸桿相關參數的計算，確定了刀具的選擇方式。另外對刀庫工作原理進行了總體設計。第5章 刀具交換裝置的設計5.1換刀機械手抓刀部分結構圖5-1 機械手結構圖本機床上使用的換刀機械手為回轉式單臂雙手機械手。在自動換刀過程中，機械手要完成抓刀、拔刀、交換主軸上和刀庫上的刀具位置、插刀、復位等動作。單臂單手式機械手主要由手臂9和固定于其兩端的結構完全相同的兩個手爪6組成。手爪

51、6上握刀的圓弧部分有一個錐銷4，機械手抓刀時，該錐銷插入刀柄的鍵槽中。當機械手由原位轉75抓住刀具時，兩手爪上的長銷12分別被主軸前端面和刀庫上的擋塊壓下，使軸向開有長槽的活動銷14在彈簧的作用下右移頂住刀具。機械手拔刀時，長銷與擋塊脫離接觸，鎖緊銷被彈簧彈起，使活動銷頂住刀具不能后退，這樣機械手在回轉180時，刀具不會被甩出。當機械手上升插刀時，兩長銷又分別被兩擋塊壓下，鎖緊銷從活動銷孔中退出，松開刀具，機械手便可反轉75復位。5.2 機械手傳動結構如前述刀庫結構，刀套向下轉90后，壓下行程開關，發(fā)出機械手抓刀信號。此時，機械手21正處在圖中所示的上面位置，液壓缸18右腔通壓力油，活塞桿推動

52、齒條17向左移動帶動齒輪11轉動。圖中5-2所示，8為升降液壓缸的活塞桿，齒輪1、齒條7和軸2為圖4-3中的齒輪11、齒條17和機械手臂軸16。連接盤3與齒輪1用螺栓連接，它們空套在機械手臂軸2上，傳動盤5與機械手臂軸2用花鍵連接，它上端的銷子4插入連接盤3的銷孔中，故齒輪轉動時便帶動機械手臂軸轉動，使機械手回轉75抓刀。抓刀動作結束時，齒條17上的擋環(huán)12壓下行程開關14，發(fā)出拔刀信號，于是升降液壓缸15的上腔通壓力油，活塞桿推動機械手臂軸16下降拔刀。在軸16下降時，傳動盤10隨之下降，其下端的銷子8插入連接盤5的銷孔中，連接盤5和其下面的齒輪4也是用螺栓連接的，它們空套在軸16上。當拔刀

53、動作完成后，軸16上的擋環(huán)2壓下行程開關1，發(fā)出換刀信號。這時轉位液壓缸20的右腔通壓力油，活塞桿推動齒條19向左移動，帶動齒輪和連接盤5轉動，通過銷子8，由傳動盤帶動機械手轉180，交換位于位于主軸和刀庫上的刀具位置。換刀動作完成后，齒條19上的擋環(huán)6壓下行程開關9，發(fā)出插刀信號，使升降液壓缸下腔通壓力油，活塞桿帶著機械手臂軸上升插刀，同時傳動下面的銷子8從連接盤5的銷孔中移出。插刀動作完成后，軸16上的擋環(huán)壓下行程開關3，使轉位油缸20的左腔通壓力油，活塞桿帶著齒條19向右移動復位，齒輪4空轉，機械手無動作。齒條19復位后，其上擋環(huán)壓下行程開關7，使液壓缸18的左腔通壓力油，活塞桿帶著齒條

54、17向右移動，通過齒輪11使機械手反轉75復位。機械手復位后，齒條17上的擋環(huán)壓下行程開關13，發(fā)出換刀完成信號，使刀套向上翻轉90，為下次選刀做好準備。注：圖5-2中的氣缸15、機械手臂軸16、齒輪11、齒條17、銷子、擋環(huán)2分別相當于圖5-3中的氣缸38、機械手臂軸2、齒輪43、齒條37、銷子48、擋環(huán)51。 圖5-2 機械手傳動結構示意圖圖5-3 機械手傳動結構5.3 自動換刀裝置的動作順序自動換刀的大致順序如圖5-4所示：第一， 見圖5-4（b），工件上某一表面加工完畢后，主軸停轉，主軸箱返回原點準備換刀，此時刀庫早已根據指令將“新刀”轉到換刀位置上(即向下旋轉90),等待機械手抓取。第二， 見圖5-4（c），機械手由原始水平位置逆時針旋轉75，機械手的兩夾爪同時抓住刀庫中的“新刀”與主軸中的“舊刀”。第三， 見圖5-4（d），機械手沿軸向將刀具同時從主軸及刀庫中拔出。第四， 見圖