畢業(yè)設(shè)計 數(shù)控機床的自動換刀裝置設(shè)計

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計論文</b></p><p>　　論文題目： 數(shù)控機床的自動換刀裝置設(shè)計 </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、時代數(shù)控機床的代表，已在機床領(lǐng)域廣泛使用。</p><p>　　加工中心是一種備有刀庫并能自動換刀對工件進行多工序加工的數(shù)控機床。它是適應(yīng)省力、省時和節(jié)能的時代要求發(fā)展起來的，它綜合了機械技術(shù)、電子技術(shù)、計算機軟件技術(shù)、氣動技術(shù)、拖動技術(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。而刀庫是一臺加工中心關(guān)鍵的、必不可少的組成部分，刀庫的功能是儲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。刀庫的儲存量一般在8～64把范圍內(nèi)，多的可達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)計的題目是數(shù)控機床的自動換刀裝置設(shè)計。以加工中心為對象，通過分析加工中心的整體結(jié)構(gòu)和自動換刀系統(tǒng)的特點、應(yīng)用條件、設(shè)計要求等，并結(jié)合在數(shù)控機床上對刀庫和換刀機械手的需要，能在數(shù)控程序的控制下靈活的實現(xiàn)換刀過程。設(shè)計的刀庫為盤式刀庫，驅(qū)動裝置采用電機液壓驅(qū)動；設(shè)計的換刀機械手為回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手，手指采用彈簧銷壓緊式，驅(qū)動裝置采用液壓雙作用缸。結(jié)合工廠實際，該自動

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)控機床發(fā)展現(xiàn)狀8</p><p>　　1.1.1國際數(shù)控機床的發(fā)展?fàn)顩r8</p><p>　　1.1.2國內(nèi)控機床的發(fā)展?fàn)顩r9</p><p>　　1.1.3數(shù)控機床技術(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加工中心自動換刀系統(tǒng)方案確定19</p>&

8、lt;p>　　2.1加工中心自動換刀系統(tǒng)概述19</p><p>　　2.2自動換刀系統(tǒng)方案確定19</p><p>　　2.2.1刀庫方案的確定19</p><p>　　2.2.2換刀機械手方案的確定23</p><p><b>　　3刀庫的設(shè)計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刀庫的夾刀機構(gòu)30</p><p>　　4換刀機械手的設(shè)計31</p><p>　　4.1機械手的各種運動的分析31</p><p>　　4.1.1手臂的伸縮運動31</p><p>　　4

10、.1.2手爪的開合運動32</p><p>　　4.1.3回轉(zhuǎn)運動33</p><p>　　4.1.4直線運動33</p><p>　　4.2設(shè)計計算34</p><p>　　4.2.1手爪夾緊力的計算34</p><p>　　4.2.2齒輪的設(shè)計34</p><p>　　4.2.3

11、軸的設(shè)計37</p><p><b>　　5運動仿真41</b></p><p><b>　　6結(jié)論44</b></p><p><b>　　參考文獻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)是先進制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、智能化和集成化的基礎(chǔ)。數(shù)控機床工業(yè)在國民經(jīng)濟中占有重要的地位，是衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的重要標(biāo)志。</p><p>　　機床是發(fā)展機械制造業(yè)乃至整個工業(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)控機床是機電一體化現(xiàn)代機床

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)自動化實現(xiàn)之后，必須要努力發(fā)展中小批多品種柔性生產(chǎn)自動化，以適應(yīng)社會產(chǎn)品多樣化的需求?！　?shù)控機床的發(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)和計算機技術(shù)。隨著計算機及其軟硬件技術(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、控機床發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1.1.1國際數(shù)控機床的發(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、和韓國等三個國家的數(shù)控機床發(fā)展?fàn)顩r，從中可一窺國際數(shù)控機床的發(fā)展?fàn)顩r。</p><p><b>　　德國：創(chuàng)歷史新高</b></p><

15、;p>　　2006年，德國機床業(yè)界的生產(chǎn)與服務(wù)總值高達108億歐元，增長4%。在出口方面，截至2006年，德國機床制造業(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13%。來自中國市場的需求超過了美國市場，再度成為德國機床出口的最大海外市場。 與此同時，德國對韓國與印度的機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>　　進口方面，亞洲的機床生產(chǎn)企業(yè)正不斷提升技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，著力強化其在德國市場中的地位。2006年前3個季度，德國的機床進口增長率高達15%，主要增量來自中國、韓國、中國臺灣與日本。 2007年該國機床生產(chǎn)與服務(wù)總值還將繼續(xù)攀升，達115億歐元。如此一來，德國機床制造業(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

17、水長流式的景氣復(fù)蘇</p><p>　　截至2006年年底，日本機床業(yè)已連續(xù)32個月每月訂貨額超過1000億日元，超過了上世紀(jì)90年最高峰時連續(xù)22個月訂貨額超過1000億日元的記錄。其他的統(tǒng)計數(shù)字為:2006年機床工業(yè)生產(chǎn)總值達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年的訂貨額遠遠超出了當(dāng)初的預(yù)測值1兆1200億日元，達到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年韓國機床產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值達到41.4億美元，估計比前年增長了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大，基本保持了前年的水平。</p><p>　　1.1.2國內(nèi)數(shù)控機床的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，世界機床業(yè)已進入了以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機電一體化時代，其中數(shù)控機床就是代表產(chǎn)品之一。數(shù)控機床是制造業(yè)的加工母機和國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)。它為國民經(jīng)濟各個部門提供裝備和手段，具有無限放大的經(jīng)濟與社會效應(yīng)。目

21、前，歐、美、日等工業(yè)化國家已先后完成了數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化進程，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)控機床行業(yè)實現(xiàn)了超高速發(fā)展。其產(chǎn)量2001年為17521臺，2002年24803臺，2003年36813臺，2004年51861臺，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)控機床產(chǎn)量59639臺，接近6萬臺大關(guān)，是“九五”末期的4.2

22、4倍?！笆濉逼陂g，中國機床行業(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)控金切機床產(chǎn)量達到85756臺，同比增長32.8%，增幅高于金切機床產(chǎn)量增幅18.4個百分點，進而使金切機床產(chǎn)值數(shù)控化率達到37.8%，同比增加2.3個百分點。此外，數(shù)控機床在外貿(mào)出口方面亦業(yè)績驕人，全年實現(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床出口額增幅18.58個百分點。</p><p>　　2007年，中國數(shù)控金切機床產(chǎn)量達123,257臺，數(shù)控金屬成形機床產(chǎn)量達3,011臺；國產(chǎn)數(shù)控機床擁有量約50萬臺，進口約20萬臺。</p><p>　　2008年10月，中國數(shù)控機床產(chǎn)量達105,780臺，比2007年同比增長2.96％。</p><p>　　長期以來，國

24、產(chǎn)數(shù)控機床始終處于低檔迅速膨脹，中檔進展緩慢，高檔依靠進口的局面，特別是國家重點工程需要的關(guān)鍵設(shè)備主要依靠進口，技術(shù)受制于人。究其原因，國內(nèi)本土數(shù)控機床企業(yè)大多處于“粗放型”階段，在產(chǎn)品設(shè)計水平、質(zhì)量、精度、性能等方面與國外先進水平相比落后了5—10年；在高、精、尖技術(shù)方面的差距則達到了10—15年。同時中國在應(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)控機床還沒有形成品牌效應(yīng)。同時，中國的數(shù)

25、控機床產(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)就有望從根本上實現(xiàn)戰(zhàn)略反擊。同時，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、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)控機床產(chǎn)業(yè)將步入快速發(fā)展期，中國數(shù)控機床行業(yè)面臨千載難逢的大好發(fā)展機遇，根據(jù)中國數(shù)控車床1996—2005年消費數(shù)量，通過模型擬合，預(yù)計2009年數(shù)控車床銷售數(shù)量將達8.9萬臺，年均增長率為16.5%。根據(jù)中國加工中心1996—2005年消費增長模型，預(yù)計2009年加工中心消

27、費數(shù)量將達2.8萬臺，較2005年年均增長率為17.8%。</p><p>　　1.1.3數(shù)控機床技術(shù)的發(fā)展趨勢</p><p>　　高速、精密、復(fù)合、智能和綠色是數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展的總趨勢，近幾年來，在實用化和產(chǎn)業(yè)化等方面取得可喜成績。主要表現(xiàn)在：</p><p>　　1、機床復(fù)合技術(shù)進一步擴展</p><p>　　隨著數(shù)控機床技術(shù)進步，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_機床就是一個加工廠”、“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、動調(diào)整干涉防碰撞功能、斷電后工件自動退出安全區(qū)斷電保護功能、加工零件檢測和自動補償學(xué)習(xí)功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過程自動消除機床震動等功能進入了實用化階段，智能化提升了機床的功能和品質(zhì)。 </p><p>　　3、機器人使柔性化組合效率更高</p><p>　　機器人與主機的柔性化組合得到廣泛應(yīng)用，使得柔性線更加靈活、功能進一步擴展、柔性線進一步縮短、效率更高。機器人與加

30、工中心、車銑復(fù)合機床、磨床、齒輪加工機床、工具磨床、電加工機床、鋸床、沖壓機床、激光加工機床、水切割機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)有了新進展</p><p>　　數(shù)控金切機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），有些品種已達到0.05μm左右。超精密數(shù)控機床的微細切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定

31、達到0.05μm左右，形狀精度可達0.01μm左右。采用光、電、化學(xué)等能源的特種加工精度可達到納米級（0.001μm）。通過機床結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、機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、振動等動態(tài)誤差補償技術(shù)，提高機床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進入亞微米、納米級超精加工時代。 </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)字交流伺服電機和驅(qū)動裝置，高技術(shù)含量的電主軸、力矩電機、直線電機，高性能的直線滾動組件，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)上加上刀庫及自動換刀裝置或多個工作臺，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算機來控制的高效、高自動化的機床。工件在一次裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)加工的需要，自動選擇和更換刀具，根據(jù)粗精加工的不同要求自動改變機床主軸的轉(zhuǎn)速、進給量和刀具相對于工件的運動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、測量和機床調(diào)整等時間，使機床的切削時間達到機床開動時間的80%左右（普通機床僅為15%～20%）；同時也減少了工序之間的工件周轉(zhuǎn)、搬運和存放時間，縮短了生產(chǎn)周期，具有明

34、顯的經(jīng)濟效益。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產(chǎn)生的切削負載，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、主軸電動機、主軸和主軸軸承等零件

36、組成。主軸的啟、停和變速等動作均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并且通過裝在主軸上的刀具參與切削運動，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)主要是進給傳動系統(tǒng)，其作用是把來自數(shù)控裝置的信號轉(zhuǎn)換為機床移動部件的運動，其性能是決定機床的加工精度、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)動裝置以及操作面板等組成。它是執(zhí)行順序控制動作和完成加工過程的控制中心。</p><p>　　5.自動換刀系統(tǒng)（ATC）</p><p>　　

38、自動換刀系統(tǒng)是由刀庫、機械手等部件組成。當(dāng)需要換刀時，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，由機械手（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、液壓、氣動和檢測系統(tǒng)等部分。這些裝置雖然不直接參與切削運動，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</p><p><b>　　1.結(jié)構(gòu)特點</b></p><p>　?。?） 機床的剛度高、抗振性好。為了滿足加工中心高自動化、高速度、高精度、高可靠性的要求，加工中心的靜剛度、動剛度和機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的阻尼比都高于普通機床。</p><p>　?。?）機床的傳動

40、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，傳遞精度高，速度快。加工中心傳動裝置主要有三種，即滾珠絲杠副；靜壓蝸桿——蝸輪條；預(yù)加載荷雙齒輪——齒條。它們由伺服電機直接驅(qū)動，省去齒輪傳動機構(gòu)，傳遞精度高，速度快。一般速度可達15m/min，最高可達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）。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>　?。?） 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，保證運動部件不振動，低速進給時保證不爬行及運動中的高靈敏度。</p><p>　?。?） 設(shè)置有刀庫和換刀機構(gòu)。具有儲存加工所需刀具的刀庫，它用于儲存刀具并根據(jù)要求將各工序所用的刀具運送到取刀位置；具有自動裝卸刀具的機械手。

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化加工的能力更強了。加工中心的刀庫容量少的有幾把，多的達幾百把。這些刀具通過換刀機構(gòu)自動調(diào)用和更換，也可以通過控制系統(tǒng)對刀具壽命進行管理。</p><p>　?。?） 具有主軸準(zhǔn)停機構(gòu)、刀桿自動夾緊松開機構(gòu)和刀柄切屑自動清理裝置。這是加工中心機床主軸部件中三個主要組成部分，也是加工中心機床能夠順利地實現(xiàn)自動換刀所需具備的結(jié)構(gòu)保證。此外，還具有自動排

43、屑、自動潤滑、自動報警和工作臺自動交換的系統(tǒng)等。</p><p><b>　　2.加工特點</b></p><p>　　（1） 全封閉防護，加工精度高。加工中心同其他數(shù)控機床一樣具有加工精度高的特點，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>　?。?）能自動進行刀具更換，

44、加工生產(chǎn)率高。零件加工所需要的時間包括機動時間與輔助時間兩部分。加工中心帶有刀庫和自動換刀裝置，在一臺機床上能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和機床的調(diào)整時間，減少工件半成品的周轉(zhuǎn)、搬運和存放時間，使機床的切削利用率（切削時間和開動時間之比）高于普通機床3～4倍，達80%以上。</p><p>　?。?） 工序集中，加工連續(xù)進行。加工中心備有刀庫并能自動更換刀具，對工件進行多工序加工，使得工件在一次裝夾

45、后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機床按不同工序自動選擇和更換刀具，自動改變主軸轉(zhuǎn)速、進給量和刀具相對工件的運動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。</p><p>　?。?）加工中心能自動改變機床主軸轉(zhuǎn)速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡及其他輔助機能。</p><p>　?。?）操作者的

46、勞動強度減輕。加工中心對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作鍵盤、裝卸零件、進行關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，不需要進行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動強度和緊張程度均可大為減輕，勞動條件也得到很大的改善。</p><p>　?。?）功能強大，趨向復(fù)合加工，對加工對象的適應(yīng)性強。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，而且能快速實現(xiàn)批量生產(chǎn)，提高市場競爭能力。</p>

47、;<p>　?。?）經(jīng)濟效益高，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。使用加工中心加工零件時，分?jǐn)傇诿總€零件上的設(shè)備費用是較昂貴的，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用，因此能獲得良好的經(jīng)濟效益。并且用加工中心加工零件，能夠準(zhǔn)確地計算零件的加工工時，并有效地簡化了檢驗和工裝夾具、半成品的管理工作。這些特點有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。</p><p>　　由于加工中心具有上述機能，因而可以大大減少工

48、件裝夾、測量和機床調(diào)整時間，減少工件的周轉(zhuǎn)、搬運和存放時間，使機床的切削時間利用率高于普通機床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，更具有良好的經(jīng)濟性。</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>　?。?）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，通常都帶有可進行分度的回轉(zhuǎn)運動的正方形分度工作臺。臥式加工中心一般具有3～5個運動坐標(biāo)，常見的是3個

50、直線運動坐標(biāo)（沿X,Y,Z軸方向）加一個回轉(zhuǎn)運動坐標(biāo)（回轉(zhuǎn)工作臺），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個直線運動坐標(biāo)（沿X,Y,Z軸方向），如在工作臺上安裝一個水平軸的數(shù)控回轉(zhuǎn)臺，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，能夠一機多用。龍門

52、型布局具有結(jié)構(gòu)剛性好，容易實現(xiàn)熱對稱性設(shè)計,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，一種是主軸可實現(xiàn)立、臥轉(zhuǎn)換；另一種是主軸不改變方向，工作臺帶著工件旋轉(zhuǎn)90°完成對工件5

53、個表面的加工。</p><p>　　由于五面加工中心結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大、造價高，因此它的使用和生產(chǎn)在數(shù)量上遠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>　?。?）帶刀庫機械手的加工中心。加工中心的換刀裝置（ATC）是由

54、刀庫和機械手組成的，機械手完成換刀工作。這是加工中心最普遍的形式。</p><p>　?。?）無機械手的加工中心。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，主軸運動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、進給速度、自動換刀和自動交換工作的高速化。</p><p><b>　　2.進一步提高精度</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>　?。?）向用戶特殊要求開放。</p><

59、p>　　（3）數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)的建立。</p><p><b>　　6.驅(qū)動并聯(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 加工中心自動換刀系統(tǒng)方案確定</p><p>　　2.1加工中心自動換刀系統(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更換刀具，為

61、完成這項工作而設(shè)置的儲存及更換刀具的系統(tǒng)統(tǒng)稱為自動換刀系統(tǒng)。自動換刀系統(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，機床只要一個固定主軸夾持刀具，有利于提高主軸剛度。獨立的刀庫大大增加了刀具的儲存數(shù)量，有利于擴大機床的功能，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存儲刀具的刀庫，機床只需一個夾持刀具進行切削的刀具主軸（鉆，膛，銑類機床）或刀架（車床類機床）。當(dāng)需要某一刀具進行切削加工時，將該刀具自動地從刀庫轉(zhuǎn)置至機床主軸或刀架中；在切削完畢后，又將用過的刀具自動的從機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部件之間進行轉(zhuǎn)換，

63、所以各部件的動作必需準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。</p><p>　　刀庫中刀具的數(shù)目可根據(jù)工藝要求與機床的結(jié)構(gòu)布局而定，數(shù)量可較多。刀庫的儲存量一般在8～64把范圍內(nèi)，多的可達10～200把。</p><p>　　刀庫可布置在遠離加工區(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。從而有利于提高機床的加工精度。</p><p>　　采用這種自動換刀方式的刀具主軸或刀架，需要自動夾緊、放松刀具的機構(gòu)及其驅(qū)動傳力機構(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，換刀時間一般也比較長。</p><p>　　“自動換刀過程時間”包括下述動作的時間：一個工序加工完畢后，刀具快

65、速退離工件，從加工位置退到換刀位置（同時主軸準(zhǔn)停）；進行新舊刀具的交換；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“自動換刀過程時間”稍長一點，多次換刀所積累的結(jié)果就會相當(dāng)可觀，就不能顯著提高生產(chǎn)效率，因此，在設(shè)計條件允許的情況下，應(yīng)盡可能縮短“自動換刀過程時間”。中型機床

66、，每次換刀時間一般在10秒左右，當(dāng)然，在自動換刀過程的各個動作中，有些動作如刀具快速退離和快速接近工件所需時間，尚與工件加工面具體位置有關(guān)，不完全決定于設(shè)計者。但有些動作如進行新舊刀具交換所需要的“換刀時間”，則可基本上由機床設(shè)計者所決定。這種“換刀時間”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。主動鏈輪由伺服電動機通過蝸輪減速裝置驅(qū)動（根據(jù)需要，還可以經(jīng)過齒輪副傳動

68、）。這種傳動方式，不僅在鏈?zhǔn)降稁熘胁捎?，在其他形式的刀庫傳動中，也多采用?lt;/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，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。這時處于機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，只能從一個方向回零

69、，至于是順時針回轉(zhuǎn)回零，還是逆時針回轉(zhuǎn)回零，可由機電設(shè)計人員商定。</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，將會使換刀機械手抓刀不準(zhǔn)，以致在換刀時容易發(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，由液壓缸推動的定位銷插入定位盤的定位槽內(nèi)，以實現(xiàn)刀套的準(zhǔn)停，或采取定位塊進行快速定位。刀位盤上的每個定位槽（或定位孔），對應(yīng)于一個相應(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)點是能有效地消除傳動鏈反向間隙的影響，保護傳動鏈，使其免受換刀撞擊力，驅(qū)動電動機可不用制動自鎖裝置。</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，要用專用夾具來定

71、位，以保證刀套節(jié)距一致。</p><p>　　傳動時要消除傳動間隙。消除反向間隙方法有以下幾種：電氣系統(tǒng)自動補償方式，在鏈輪軸上安裝編碼器，單頭雙導(dǎo)程蝸桿傳動方式，使刀套單方向運行、單方向定位以及使刀套雙向運行、單向定位方式等。</p><p>　　鏈?zhǔn)降稁煊腥缦绿攸c：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，為在存取方便的同時保持結(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床立柱的頂面或側(cè)面。在刀庫容量較大時，也有安裝在單獨的地基上的，以隔離刀庫轉(zhuǎn)動造成的振動。</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)動慣量就增加，選刀時間也較長。</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)合的實際情況，在本設(shè)計中采用盤式刀庫這種結(jié)構(gòu)。</p>

75、<p>　　2.2.2換刀機械手方案的確定</p><p>　　采用機械手進行刀具交換的方式應(yīng)用的最為廣泛，這是因為機械手換刀有很大的靈活性，而且可以減少換刀時間。</p><p>　　2.2.2.1機械手的種類</p><p>　　加工中心換刀機械手的種類繁多，可以說每個廠家都推出自己的獨特的換刀機械手，在加工中心的自動換刀系統(tǒng)中，是機械手具體執(zhí)行刀

76、具的自動更換，對其要求是迅速可靠、準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。由于加工中心機床的刀庫和主軸，其相對位置距離不同，相應(yīng)的換刀機械手的運動過程也不盡相同，它們由各種形式的機械手來完成。常見的機械手有：</p><p>　　1.單臂單爪回轉(zhuǎn)式機械手</p><p>　　機械手?jǐn)[動的軸線與刀具主軸平行，機械手的手臂可以回轉(zhuǎn)不同的角度來進行自動換刀，換刀具的所花費的時間長。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)式機械手</p><p>　　2.單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機械手</p><p>　　圖2—5 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機械手</p><p>　　這種機械手的手臂上有兩個卡爪，兩個卡爪有所分工，一個卡爪只執(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)，其換刀時間

78、較上述單爪回轉(zhuǎn)式機械手要短，如圖2—5所示。</p><p>　　3.雙臂回轉(zhuǎn)式機械手</p><p>　　這種機械手的兩臂各有一個卡爪，可同時抓取刀庫及主軸上的刀具，在回轉(zhuǎn)180°之后有同時將刀具歸回刀庫及裝入主軸，是目前加工中心機床上最為常用的一種形式，換刀時間要比前兩種都短，如圖2—6所示：</p><p>　　圖2—6 雙臂回轉(zhuǎn)式機械手</p

79、><p>　　這種機械手在有的設(shè)計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)式機械手（手臂可伸縮式）</p><p><b>　　4.雙機械手</b></p><p>　　這種機械手相當(dāng)與兩個單臂單爪機械手，相互配合起來進行自動換刀。其中一個機械手執(zhí)行拔“舊刀”歸回刀庫，另一個機械手執(zhí)行

80、從刀庫取“新刀”插入機床主軸上，如圖2—8所示：</p><p><b>　　圖2—8 雙機械手</b></p><p>　　5.雙臂往復(fù)交叉式機械手</p><p>　　這種機械手兩臂可往復(fù)運動，并交叉成一定角度。兩個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，裝刀機械手執(zhí)行從刀庫取出“新刀”裝入主軸。整個機械手可沿導(dǎo)

81、軌或絲杠作直線移動或</p><p>　　繞某個轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)刀庫與主軸之間的運送刀具工作，如圖2—9所示：</p><p>　　圖2—9 雙臂往復(fù)交叉式機械手</p><p>　　6.雙臂端面夾緊式機械手</p><p>　　這種機械手只是在夾緊部位上和前幾種不同，上述幾種機械手均靠夾緊刀柄的外圓表面來抓住刀具，而此種機械手則是夾緊刀柄的

82、兩個端面，如圖2—10所示：</p><p>　　圖2—10 雙臂端面夾緊式機械手</p><p>　　由于雙臂回轉(zhuǎn)式機械手的動作比較簡單，而且能夠同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫上的刀具，換刀時間較短，故我們選用雙臂回轉(zhuǎn)式機械手。</p><p>　　如果我們采用不能伸縮的機械手，由于機械手回轉(zhuǎn)時其手部回轉(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

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，換刀時間將增加。故我們采用手臂可伸縮式的雙臂回轉(zhuǎn)式機械手。</p><p>　　2.2.2.2手爪的選擇</p><p>　　機械手的手爪，大都采用機械鎖刀方式，有些大型加工中心，亦有采用機械加液壓鎖刀方式，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.機械鎖刀手爪——彈簧銷式手爪。使用這種形式的抓持機構(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。但在機械手有旋轉(zhuǎn)運動時，為避免刀具甩脫，手爪就必須有自鎖機構(gòu)。</p><p>　　2.鉗形機械手手爪。這種手爪的張合需要動力傳遞裝置，傳動較復(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構(gòu)時，刀具需經(jīng)特殊補充加工，不能使用標(biāo)準(zhǔn)刀具，所以使用者較少。</p><p>　　圖2—11鉗形機械手手爪</p><p>　　手臂；2—鎖銷；3—止退銷；4—彈簧</p><p>　　5—支點軸；6—手爪；7—鍵；8—螺釘</p><p>　　經(jīng)對比分析，在本設(shè)計中采用第一種手爪形式。</p>

86、<p>　　至此，本設(shè)計中的刀庫、機械手以及手爪形式都已確定，即刀庫采用盤式刀庫，機械手采用手臂可伸縮式的雙臂回轉(zhuǎn)式機械手，手爪形式采用彈簧銷式手爪。</p><p><b>　　3 刀庫的設(shè)計</b></p><p>　　本章將具體設(shè)計本設(shè)計中有關(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，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)計的要求，在本設(shè)計方案中設(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)位機構(gòu)由伺服電機通過消隙齒輪

89、1、2帶動蝸桿3，通過蝸輪4使刀庫轉(zhuǎn)動，如圖3—1所示。蝸桿為右旋雙導(dǎo)程蝸桿，可以用軸向移動到方法來調(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，進行粗定位，最后由定位銷精確定位。</p><p>　　3.3刀庫的夾刀機構(gòu)</p><p>　　刀庫的夾刀機構(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間是出于相對靜止?fàn)顟B(tài)（只有在刀庫轉(zhuǎn)位時隨刀庫一起運動），所以刀庫的

91、夾刀機構(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—支點軸；5—手爪；6擋銷</p><p>　　至此，本設(shè)計中刀庫部分已完成。由于刀庫的設(shè)計不是本設(shè)計的重點，所以上述各部分的設(shè)計都以論述

92、為主。</p><p>　　4 換刀機械手的設(shè)計</p><p>　　本章是本設(shè)計的重點內(nèi)容，將具體設(shè)計計算機械手的一些零部件，以及具體分析標(biāo)準(zhǔn)件的選用。</p><p>　　4.1機械手的各種運動的分析</p><p>　　在加工中心換刀的過程中，由機械手完成的動作是最多的，下表是機械手的換刀動作表：</p><p>

93、;　　表4—1 機械手的換刀動作</p><p>　　從表中可以看出，在整個換刀過程中由機械手完成的動作有：手臂的伸縮運動、手爪的開合運動、新舊刀具對換的回轉(zhuǎn)運動、機械手的上下直線運動。下面將具體介紹各個運動。</p><p>　　4.1.1手臂的伸縮運動</p><p>　　手臂伸縮機構(gòu)由回轉(zhuǎn)液壓缸1（見機械手驅(qū)動裝置外形圖），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（見機械手驅(qū)動裝置圖）進入回轉(zhuǎn)液壓缸1時，推動輸出軸47轉(zhuǎn)動，軸上的齒輪44便帶動齒條39和44作直線運動，使兩只機械臂同時伸出，通過齒條39及44上的擋塊52壓向調(diào)整螺釘53來限制終點位置。同時由微動開關(guān)30發(fā)出信號，以進行下一個動作。當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸改變油路時，手臂便縮回。</p><p>　　4.1.2手爪的開合運動</p>&l

95、t;p>　　見換刀機械手圖。機械手手臂的頭部帶有固定手爪14與活動手爪18，用來夾持刀柄?；顒邮肿?8可繞小軸15轉(zhuǎn)動，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，擋桿22在彈簧作用下，其一端的斜面與活動手爪18的端部斜面臺階相靠，從而將活動手爪18鎖死。當(dāng)擋塊13左移，將彈簧頂桿3壓入時，頂桿3的一端迫使杠桿21順時針轉(zhuǎn)動，這樣，杠桿21的一端將擋桿22的斜面自活動手爪18的端部斜面滑開。因此

96、，當(dāng)活動手爪18伸向刀柄拔刀或插刀后收回時，刀柄表面可使活動手爪18壓縮彈簧而稍微張開，這樣機械爪即可將刀柄抱住或退出。與此同時，齒條44（或39）上的擋桿壓于調(diào)整螺釘而限位，同時微動行程開關(guān)動作發(fā)出下一動作的信號。由于機械爪伸向刀柄拔刀，或插刀后收回，都是當(dāng)機械手處于軸向向下移動后的位置上進行的。為了使機械手的活動手爪18在這時能從自鎖狀態(tài)下松開，在機床床身立柱上設(shè)有固定桿35，在機械臂的一側(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，錐孔盤4處于與鋼</p><p>　　當(dāng)機械爪伸出抓住刀柄后，機械手軸向向下伸出，此時擋塊13亦同時離開固定桿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又移動至錐孔盤4與支架12端面壓緊的位置。這時機械臂上的彈簧頂桿3又自由伸

98、出，將活動手爪18鎖死，保證機械手將刀具拔出后，機械手能將刀具可靠地夾緊。</p><p><b>　　4.1.3回轉(zhuǎn)運動</b></p><p>　　回轉(zhuǎn)運動用來實現(xiàn)新舊刀具位置的交換。由機械手驅(qū)動裝置和機械手驅(qū)動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，花鍵軸與兩個花鍵套筒31相連，后者則由固定在機床立柱上回轉(zhuǎn)座59上的兩個滾動軸

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，向手臂傳遞運動，當(dāng)液壓缸通入高壓油而使回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，通過傳動齒輪20帶動齒輪41（見機械手驅(qū)動裝置圖）回轉(zhuǎn)，這樣，由花鍵軸58帶動手臂14轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)角相對180

100、76;的兩極限位置，可由螺釘34及39限定，同時由螺栓35及33壓下微動開關(guān)40發(fā)出到位信號，以進行下一個動作。</p><p><b>　　4.1.4直線運動</b></p><p>　　這里的直線運動是指機械手向下和向上的拔、插刀的運動。這一運動由液壓缸（見機械手驅(qū)動裝置外形圖）驅(qū)動來實現(xiàn)的。液壓缸固定于機床上，活塞桿端部有聯(lián)接件與花鍵軸相連。當(dāng)活塞桿因液壓缸進入

101、高壓油而向下或向上運動時，通過聯(lián)接件即可帶動花鍵軸作直線運動，從而帶動回轉(zhuǎn)頭及機械手臂作向下或向上運動。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，都設(shè)有可調(diào)擋塊，由微動開關(guān)作用發(fā)出到位信號。</p><p>　　這種液壓缸活塞驅(qū)動的機械手，每個動作結(jié)束之前均需設(shè)置緩沖機構(gòu)，以保證機械手的工作平穩(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>　　為了使機械手工作平穩(wěn)可靠，除了要設(shè)有緩沖機構(gòu)外，還要考慮盡可能減小機械手的慣量。圓柱體圍繞旋轉(zhuǎn)中心的運動慣量可由下式確定：</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

103、械手的回轉(zhuǎn)半徑。</p><p><b>　　4.2設(shè)計計算</b></p><p>　　本部分內(nèi)容將具體介紹相關(guān)零件的設(shè)計計算過程，具體包括手爪夾緊力的計算、齒輪的設(shè)計及軸的設(shè)計等內(nèi)容。下面一一進行介紹。</p><p>　　4.2.1手爪夾緊力的計算</p><p>　　手爪對工件的夾緊力可按下式計算：</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——動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按k2＝1＋a/g估算；a為機械手在搬運過程中的加速度，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)計的機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</p><p>　　4.2.2.1齒輪傳動的主要特點</p><p>　　1.效率高 在常用的機械傳動中，以齒輪傳動的效率為最高。如一級圓柱齒輪的效率可達99%。這對大功率傳動十分重要，因為即使效率只提高1%，也有很大的經(jīng)濟效益。</p><p>　　2.結(jié)構(gòu)緊湊 在相同的使用條件下，齒輪

107、傳動所需的空間尺寸一般較小。</p><p>　　3.工作可靠，壽命長 設(shè)計制造正確合理、使用維護良好的齒輪，工作十分可靠，壽命可長達一、二十年，這也是其它機械傳動所不能比擬的。這對車輛及礦井內(nèi)工作的機器尤為重要。</p><p>　　4.傳動比穩(wěn)定 傳動比穩(wěn)定往往是對傳動性能的基本要求。齒輪傳動獲得廣泛應(yīng)用，也就是由于這一特點。</p><p>　　但是齒輪傳

108、動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離大的場合。</p><p>　　4.2.2.2設(shè)計原則</p><p>　　所設(shè)計的齒輪傳動在具體的工作情況下，必須具有足夠的、相應(yīng)的工作能力，以保證在整個工作壽命期間不致失效。目前設(shè)計一般使用的齒輪傳動時，通常按保證齒根彎曲疲勞強度及保證齒面接觸疲勞強度兩準(zhǔn)則進行計算。</p><p>　　設(shè)計齒輪傳動時，應(yīng)使

109、齒面具有較高的抗磨損、抗點蝕、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)計步驟</p><p>　　在換刀的過程中，整個機械手的轉(zhuǎn)角為180°，且只經(jīng)過一級齒輪傳動就滿足我們的傳動要求，所以可以直接計算出此處的傳動比，所用公式為：&l

110、t;/p><p>　　φ1/φ2=Z2/（Z1+Z2）</p><p>　　式中 φ1——機械手的回轉(zhuǎn)角度</p><p>　　φ2——回轉(zhuǎn)液壓缸動片的轉(zhuǎn)角</p><p><b>　　Z1——從動輪齒數(shù)</b></p><p><b>　　Z2——主動輪齒數(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