畢業(yè)設(shè)計(jì)：盤式刀庫及其自動換刀裝置的設(shè)計(jì)說明書.doc

鼓輪式刀庫及換刀裝置設(shè)計(jì)11緒論1.1數(shù)控加工中心自動換刀裝置概述機(jī)床是制造機(jī)器的機(jī)器，機(jī)床工業(yè)的技術(shù)水平?jīng)Q定著裝備制造業(yè)乃至整個國民經(jīng)濟(jì)的技術(shù)水平。當(dāng)今社會，數(shù)控機(jī)床幾乎已經(jīng)擴(kuò)展到了所有加工領(lǐng)域，許多工廠為了適應(yīng)產(chǎn)品的頻繁更新、提高加工精度、降低生產(chǎn)成本、縮短產(chǎn)品交貨周期和減輕勞動強(qiáng)度，在中等批量、甚至大批量生產(chǎn)中應(yīng)用數(shù)控機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)控加工中心帶有刀庫和自動換刀裝置，是能對工件按預(yù)定程序進(jìn)行多工序加工的高度自動化的多功能的數(shù)字控制機(jī)床。自動換刀裝置（ATC）是加工中心的重要組成單元，其設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞，直接影響加工中心的質(zhì)量。ATC由刀庫和機(jī)械手組成，它的機(jī)構(gòu)和運(yùn)動復(fù)雜、性能要求高。刀庫的功能是儲存刀具，并且按程序指令，把即將要用的刀具迅速、準(zhǔn)確地送到換刀位置，因此刀庫的位置、體積大小能否適合加工中心的整體設(shè)計(jì)，刀庫的運(yùn)動機(jī)構(gòu)能否使刀庫平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)并準(zhǔn)確地停在換刀位置，運(yùn)動過程有無干涉、卡死等現(xiàn)象，都是設(shè)計(jì)人員非常關(guān)心的問題。機(jī)械手的功能是把刀庫上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過的刀具送回刀庫。它的動作要求迅速而準(zhǔn)確，所以對機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、定位、運(yùn)動、夾持力的大小等都有很高的要求，一旦有運(yùn)動故障或定位、運(yùn)動誤差過大，都會造成換刀動作失敗，掉刀。當(dāng)今時代，高速加工中心已成為加工行業(yè)未來的發(fā)展趨勢。高速功能部件如電主軸、高速絲杠和直線電動機(jī)的發(fā)展應(yīng)用極大地提高了切削效率。為了配合機(jī)床的高效率，作為加工中心的重要部件之一的自動換刀裝置的高速化也相應(yīng)成為高速加工中心的重要技術(shù)內(nèi)容。未來機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，均以追求高速、高精度、高效率為目標(biāo)。隨著切削速度的提高，切削時間的不斷縮短，對換刀時間的要求也在逐步提高；換刀的速度已成為高等級機(jī)床的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此，對數(shù)控機(jī)床的刀庫及其自動換刀裝置的研究和發(fā)展有著重要的意義。1.2國內(nèi)外自動換刀裝置設(shè)計(jì)的發(fā)展情況自動換刀系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。刀具夾持元件的結(jié)構(gòu)特性及它與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)方式，將直接影響機(jī)床的加工性能。刀庫結(jié)構(gòu)形式及刀具交換裝置的工作方式，則會影響機(jī)床的換刀效率。自動換刀系統(tǒng)本身及相關(guān)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，又會對整機(jī)的成本造價產(chǎn)生直接影響。從換刀系統(tǒng)發(fā)展的歷史來看，1956年日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床，美國IBM公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制裝置)。1958年美國K&T公司研制出帶ATC(自動刀具交換裝置)的加工中心。1967年出現(xiàn)了FMS(柔性制造系統(tǒng))。1978年以后，鼓輪式刀庫及換刀裝置設(shè)計(jì)2加工中心迅速發(fā)展，帶有ATC裝置，可實(shí)現(xiàn)多種工序加工的機(jī)床，步入了機(jī)床發(fā)展的黃金時代。1983年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了數(shù)控刀具錐柄的國際標(biāo)準(zhǔn)，自動換刀系統(tǒng)便形成了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模式。隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對于帶有自動換刀系統(tǒng)的高效高性能加工中心的需求量越來越大，在現(xiàn)有的各種類型的加工中心中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自動換刀系統(tǒng)的造價在機(jī)床整機(jī)造價中總是占著很大比重，這是加工中心價格居高不下、應(yīng)用不普遍的重要原因。目前國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床自動換刀系統(tǒng)中，刀具、輔具多采用錐柄結(jié)構(gòu)，刀柄與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)、刀具的夾緊放松機(jī)構(gòu)及驅(qū)動方式幾乎都采用同一種結(jié)構(gòu)模式。在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上亦有采用彈簧夾頭作為刀具的夾持元件，但機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式仍然采用與上述錐柄刀具完全相同的結(jié)構(gòu)形式。采用這種結(jié)構(gòu)模式，在實(shí)際數(shù)控加工中，尤其是在需要超高速主軸、主軸的徑向、軸向尺寸都很小、沒有足夠的換刀空間的微細(xì)加工場合中實(shí)現(xiàn)自動換刀將會是很困難的，如果實(shí)施自動換刀將使機(jī)床成本大幅度提高。金屬切削機(jī)床的高速化已成為機(jī)床發(fā)展的重要方向之一，因此，快速換刀技術(shù)已經(jīng)成為高速加工中心技術(shù)的重要組成部分。新技術(shù)和新方法在不斷地出現(xiàn)和改進(jìn)，其目的只有一個，即在準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)上，縮短換刀時間，全面提高高速加工中心的切削效率。我國數(shù)控機(jī)床制造業(yè)起步較晚，而如今，各機(jī)床廠家正力圖尋求走具有自主知識產(chǎn)權(quán)的發(fā)展道路，在引進(jìn)與國外機(jī)床廠商合資合作的形式中，消化吸收，逐步掌握國外的先進(jìn)技術(shù)，并把它融人到自己設(shè)計(jì)開發(fā)的思維中。經(jīng)過多年的努力，我國機(jī)床制造業(yè)通過與國外合作，技術(shù)引進(jìn)以及國家組織攻關(guān)等方式，解決了一大批關(guān)鍵性技術(shù)，掌握了許多先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段與制造工藝，機(jī)床整體水平進(jìn)步很大，與國外先進(jìn)制造水平的差距正在縮小。數(shù)控機(jī)床是主導(dǎo)性的機(jī)床產(chǎn)品，其發(fā)展受到國內(nèi)外有關(guān)政府和工業(yè)企業(yè)界的高度重視，從而得以迅速發(fā)展。1.3加工中心刀庫的形式及特點(diǎn)刀庫系統(tǒng)是提供自動化加工過程中所需的儲刀及換刀需求的一種裝置，其自動換刀機(jī)構(gòu)可以儲放多把刀具的刀庫，從而大幅縮短加工時程，降低生產(chǎn)成本。加工中心刀庫的形式很多，結(jié)構(gòu)各異，刀庫的容量、布局，針對不同的機(jī)床，其形式也有所不同和結(jié)構(gòu)也各不相同，最常用的有鼓輪式刀庫、鏈?zhǔn)降稁臁?.3.1鼓輪式刀庫鼓輪式刀庫及換刀裝置設(shè)計(jì)3圖1.1鼓輪式刀庫鼓輪式刀庫也稱圓盤式刀庫，其刀具環(huán)形排列，呈盤狀，這種刀庫結(jié)構(gòu)簡單，適用于刀庫容量較少的中小型加工中心，一般不超過32把刀具。為了增加刀庫空間利用率，可采用雙環(huán)或多環(huán)排列的刀具的形式。但鼓直徑越大，轉(zhuǎn)動慣量就增加，選刀時間也就越長。圖1.2鼓輪式刀庫的取刀方式徑向取刀形式(a)多用于使用斗笠式刀庫的立式加工中心和使用角度布置的機(jī)械手換刀裝置的加工中心；形式(b)應(yīng)用比較廣泛，可用于立式和臥式加工中心，換刀可用機(jī)械手或直接主軸移動式換刀。由于從布局設(shè)計(jì)方面的考慮，鼓輪式刀庫一般都采用側(cè)向安裝的結(jié)構(gòu)形式，若用于機(jī)械手平行布置的加工中心時，刀庫中的刀袋（座）通常在換刀工作位可作90翻轉(zhuǎn)。形式(c)適用于小型加工中心，但占有面積較大，刀庫安裝位置及刀庫容量受限制，應(yīng)用較少，但應(yīng)用這種刀庫可以減少機(jī)械手換刀動作，簡化機(jī)械手結(jié)構(gòu)；形式(d)為刀具軸線與鼓盤軸線成夾角為銳角的鼓輪式刀庫，一般用于專用加工中心。1.3.2轉(zhuǎn)塔式刀庫鼓輪式刀庫及換刀裝置設(shè)計(jì)4圖1.3轉(zhuǎn)塔式刀庫如圖1.3a、b所示。包括水平轉(zhuǎn)塔頭和垂直轉(zhuǎn)塔頭兩種。所有刀具固定在同一轉(zhuǎn)塔上，無換刀臂，儲刀數(shù)量有限，通常為68把。一般僅用于輕便而簡單的機(jī)型。常見于車削中心和鉆削中心。在鉆削中心儲刀位置即主軸，其外部結(jié)構(gòu)緊湊但內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，精度要求高。1.3.3鏈?zhǔn)降稁靾D1.4鏈?zhǔn)降稁烊鐖D1.4所示，包括單環(huán)鏈和多環(huán)鏈，鏈環(huán)形式可有多種變化，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30120把。僅增加鏈條長度即可增加刀具數(shù)，可以不增加圓周速度，其轉(zhuǎn)動慣量不像盤式刀庫增加的那樣大。1.4換刀裝置的形式數(shù)控機(jī)床的自動換刀裝置中，實(shí)現(xiàn)刀庫與機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為換刀裝置。刀庫換刀，按照換刀過程有無機(jī)械手參與，分成有機(jī)械手換刀和無機(jī)械手換刀兩種情況。有機(jī)械手的系統(tǒng)在刀庫配置、與主軸的相對位置及刀具數(shù)量上都比較靈活，換刀鼓輪式刀庫及換刀裝置設(shè)計(jì)5時間短。無機(jī)械手方式結(jié)構(gòu)簡單，只是換刀時間要長。1.4.1無機(jī)械手換刀無機(jī)械手換刀時，刀庫中刀具存放方向與主軸平行，刀具放在主軸可到達(dá)位置換刀時，主軸箱移到刀庫換刀位置上方，利用主軸Z向運(yùn)動將加工用畢刀具插入刀庫中要求的空位處，然后刀庫中待換刀具轉(zhuǎn)到待命位置。主軸Z向運(yùn)動將待用刀具從刀庫中取出，并將刀具插人主軸。由此可看出，必須首先將用過的刀具送回刀庫，再從刀庫中取出新刀具，這兩個動作不能同時進(jìn)行，因此換到時間較長。1.4.2機(jī)械手換刀有機(jī)械手換刀的過程中，使用一個機(jī)械手將加工完畢的刀具從主軸中拔出，與此同時，另一機(jī)械手將在刀庫中待命的刀具從刀庫拔出，然后兩者交換位置完成換刀過程。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，而且可以減少換到時間。鼓輪式刀庫及換刀裝置設(shè)計(jì)62總體方案的確定2.1刀庫和換刀裝置的功能及要求2.1.1功能刀庫用來儲存加工所需的刀具，而換刀裝置用來從刀庫調(diào)換加工過程中不同工序所需要的不同刀具。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，逐步發(fā)展和完善了各類刀具的自動更換裝置，數(shù)控車床上采用電（液）換位自動刀架，有的還使用兩個回轉(zhuǎn)刀盤。加工中心則進(jìn)一步采用了刀庫和換刀機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)了大容量儲存道具和自動交換道具的功能，這種刀庫存放刀具的數(shù)量從幾十把到上百把，自動交換道具的時間從幾十秒減少到幾秒甚至零點(diǎn)幾秒。使用這種刀庫和換刀機(jī)械手組成的自動換刀裝置，就成為加工中心的主要特征。2.1.2基本要求（1）滿足工藝要求。機(jī)床依靠刀具和工件間相對運(yùn)動形成工作表面，而加工工件表面、形狀和表面位置多種多樣，要求刀庫上能夠布置足夠多的刀具，換到時間短，能夠方便而正確地加工個工件表面。為了實(shí)現(xiàn)在工件上一次安裝中完成多工序加工，要求刀庫可以方便地轉(zhuǎn)位。（2）保證足夠的重復(fù)定位精度。在刀庫上安裝刀具是還應(yīng)能精確地調(diào)整刀具的位置，采用自動換刀裝置時，應(yīng)能保證刀具交換前后都能處于正確的位置，以保證刀具和工件間準(zhǔn)確的相對位置。而且精度保持性良好，以便長期保持刀具的正確位置。（3）具有足夠的剛度。由于刀具的類型、尺寸各異，刀具在自動交換過程中方向變換較為復(fù)雜，因此刀庫和換刀機(jī)械手都必須有足夠的剛度，以使換刀過程平穩(wěn)。（4）提高可靠性。由于自動換刀裝置在機(jī)床工作過程中，使用頻繁，所以必須充分重視它的可靠性。（5）縮短換到時間。刀庫及其自動換刀裝置是為了提高機(jī)床的自動化而設(shè)置的，因而它的換刀時間應(yīng)盡可能縮短，以利于提高生產(chǎn)率。鼓輪式刀庫及換刀裝置設(shè)計(jì)7（6）操作方便和安全。換刀裝置是工人經(jīng)常操作的機(jī)床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是評價刀庫設(shè)計(jì)好壞的指標(biāo)。2.2主要設(shè)計(jì)參數(shù)安裝形式：側(cè)掛式刀庫刀具刀座數(shù)：24把最大刀具直徑：40mm換到時間：2.8秒（刀具到刀具）平均重量：7kg刀盤最低轉(zhuǎn)速：60r/min主軸鼻端刀具形式：BT40根據(jù)刀具形式及最大刀具直徑，采用單環(huán)排列方式排放，每把刀之間間隔10mm，初選刀庫直徑為618mm。2.3刀庫和換刀裝置設(shè)計(jì)方案加工中心與一般數(shù)控機(jī)床的顯著區(qū)別是具有對零件進(jìn)行多工序加工的能力,即能在一次裝夾中自動完成銑、鏜、鉆、擴(kuò)、鉸、攻螺紋和內(nèi)槽加工等。其之所以有這種加工能力,就是因?yàn)樗幸惶鬃詣訐Q刀裝置。自動換刀裝置是指能夠自動完成主軸與刀具儲存位置之間刀具交換的裝置。自動換刀裝置的主要組成部分是刀庫、機(jī)械手和驅(qū)動裝置。刀庫的功能是存儲刀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,常遠(yuǎn)離主軸配置且整體移動不易,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)動裝置則是使刀庫和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其功能的