換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)帶CAD圖

換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)帶CAD圖,機(jī)械手,設(shè)計(jì),CAD 摘要 摘要 90年代以來，數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普及和發(fā)展。加工中心作為新時(shí)代數(shù)控機(jī)床的代表，已在機(jī)床領(lǐng)域廣泛使用。自動(dòng)換刀裝置作為加工中心最重要的部分之一，它的發(fā)展也直接決定了加工中心的發(fā)展。本論文完成的是TH5640D型立式加工中心盤式刀庫的傳動(dòng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及傳動(dòng)部分的動(dòng)力設(shè)計(jì)。這種刀庫在數(shù)控加工中心上應(yīng)用非常廣泛，其換刀過程簡單，換刀時(shí)間短，定位精度高；總體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠；維護(hù)方便，成本低。本刀庫減速傳動(dòng)部分采用蝸輪蝸桿減速裝置，此種設(shè)計(jì)方案可提高輸出軸的傳動(dòng)平穩(wěn)性能，即提高刀盤的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。刀庫傳動(dòng)裝置中采用一調(diào)整套杯來消除蝸輪蝸桿的傳動(dòng)間隙。本刀庫滿載裝刀20把，采用單環(huán)排列方式放置，按就近選刀原則選刀。本次設(shè)計(jì)中的機(jī)械手采用單臂雙手式機(jī)械手，這種機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)完成插刀和拔刀動(dòng)作，結(jié)構(gòu)簡單，換刀時(shí)間短。 關(guān)鍵詞　立式加工中心；盤式刀庫；機(jī)械手；自動(dòng)換刀裝置 Ⅰ 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Abstract Since the 1990s, NC machining technology has got rapid popularization and development. As a new era of machining center, NC machine tools are widely used in the fields of machine tools. As one of the most important part of machining center, the development of Automatic Tool Changer also directly determines the development of machining center. what finished in this paper is drive design, structural design and the power transmission parts design of disc tool magazine in TH5640D vertical machining center. This tool magazine is widely applied in NC machining center. And the process of changing tools is simple, short change time , high precision, simple and compact of structure, reliable, easy maintenanced and low cost. The transmission part of this tool magazine adopts gear reducer. The design of worm gearbox device can improve the stationarity of output shaft, namely, increasing the operation stability and smooth transmission properties of tool magazine.Transmission device of tool magazine adopts a adjusting sleeve to eliminate the transmission clearance of worm.This tool magazine can load 20 cutting tools which are arranged with monocylic and according to the principle of nearby to choose the right tool. The manipulator of this design is the manipulator with one arm and pair of hands.The advantage of this manipulator is that it can complete the action of inserting tool and pulling out the tool at the same time,simple structure and short change time. Keywords　Vertical machining center; Disc tool magazine; Manipulator; Automatic Tool Changer II 目 錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1加工中心的定義 1 1.2加工中心的發(fā)展歷程 1 1.3加工中心國內(nèi)外現(xiàn)狀 2 1.4國產(chǎn)加工中心目前存在的問題及未來發(fā)展趨勢 4 1.5加工中心的分類 5 1.6本章小結(jié) 6 第2章 加工中心自動(dòng)換刀裝置概述 7 2.1加工中心自動(dòng)換刀裝置（ATC）形式、特點(diǎn)及各自應(yīng)用范圍 7 2.2刀庫及刀具交換裝置 8 2.2.1刀庫的形式 8 2.2.2刀具的選擇方式 9 2.2.3刀具(刀座)識(shí)別裝置 11 2.2.4刀具交換裝置 17 2.3本章小結(jié) 19 第3章 總體方案設(shè)計(jì) 20 3.1 TH5640D型立式加工中心及其主要參數(shù) 20 3.2 TH5640D型立式加工中心自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)參數(shù) 21 3.3確定TH5640D型立式加工中心自動(dòng)換刀裝置的形式 21 3.4本章小結(jié) 22 第4章 刀庫的設(shè)計(jì)及計(jì)算 23 4.1 確定刀庫容量 23 4.2確定刀庫形式 23 4.3 初步估計(jì)刀庫驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及選定電機(jī) 23 4.4刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普通蝸輪蝸桿的相關(guān)設(shè)計(jì) 25 4.5確定刀具的選擇方式 26 4.6刀庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26 4.7本章小結(jié) 29 第5章 刀具交換裝置的設(shè)計(jì) 30 5.1換刀機(jī)械手抓刀部分結(jié)構(gòu) 30 5.2 機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 30 5.3 自動(dòng)換刀裝置的動(dòng)作順序 34 5.4 主軸準(zhǔn)停裝置 35 5.5本章小結(jié) 36 第6章 聯(lián)軸器的選用及計(jì)算 37 6.1聯(lián)軸器 37 6.1.1聯(lián)軸器的分類 37 6.1.2聯(lián)軸器類型的選擇 37 6.2 聯(lián)軸器的選用計(jì)算 38 6.3本章小結(jié) 41 結(jié)論 42 參考文獻(xiàn) 43 致謝 45 附錄1 46 附錄2 53 附錄3 58 III 第1章 緒論 第1章 緒論 1.1加工中心的定義 加工中心（Machining Center,MC）是適應(yīng)省力、省時(shí)和節(jié)能的時(shí)代要求而迅速發(fā)展起來的自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，它是綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、拖動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測量及傳感技術(shù)以及通信診斷、刀具和編程技術(shù)的高科技產(chǎn)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(diào)整時(shí)間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)存放時(shí)間，使機(jī)床的切削利用率高于通用機(jī)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(shù)控機(jī)床中生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度最高的綜合性機(jī)床。 1.2加工中心的發(fā)展歷程 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(tái)數(shù)控機(jī)床上，通過換刀方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，成為世界上第一臺(tái)加工中心。該產(chǎn)品出現(xiàn)后，銷路驚人，引起了日、德、美、英、法、意等先進(jìn)工業(yè)國家的高度重視，競相開發(fā)生產(chǎn)，不斷擴(kuò)大和完善機(jī)床的功能，成為數(shù)控機(jī)床中發(fā)展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出現(xiàn)了立式、臥式、龍門式、落地式等各種加工中心，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，大約有1000多個(gè)品種規(guī)格。 未來加工中心的發(fā)展動(dòng)向是高速化、進(jìn)一步提高精度和愈發(fā)完善的機(jī)能。加工中心是數(shù)控機(jī)床的代表，是高新技術(shù)集成度高的典型機(jī)電一體化機(jī)械加工設(shè)備，我國的加工中心從70年代開始，已有很大發(fā)展，但技術(shù)、品種和數(shù)量上都還遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展的需要。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了模具制造業(yè)、機(jī)械加工業(yè)的巨大發(fā)展，使得數(shù)控機(jī)床的使用越來越普遍，而加工中心更是以其高自動(dòng)化程度得到廣泛應(yīng)用。然而，目前市場上生產(chǎn)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(jī)械加工業(yè)、小型模具的制造、工科院校、技工學(xué)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(jìn)一步加強(qiáng)對加工中心的研究、設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用。 1.3加工中心國內(nèi)外現(xiàn)狀 由于加工中心在機(jī)械加工中的重要作用，各個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國家都極為重視，在技術(shù)和產(chǎn)量上都發(fā)展很快。目前全球加工中心年生產(chǎn)量為50,000～55,000臺(tái)左右，并且以日本、歐盟、美國及中國臺(tái)灣、韓國等為最具代表性的生產(chǎn)基地。日本市場消費(fèi)能力強(qiáng)，年生產(chǎn)量超過10,000臺(tái)。主要機(jī)種為立式加工中心，年產(chǎn)量約5,000～6,000臺(tái)，而且不斷研發(fā)高速、高精密、五面加工、五軸聯(lián)動(dòng)加工等技術(shù)，滿足特殊與復(fù)雜曲面加工工件的要求，日本生產(chǎn)加工中心的廠家有MAZAK、大隈、莊田、三菱等公司。德國生產(chǎn)最佳品質(zhì)與高加工效益的加工中心，近年來生產(chǎn)量每年約在4,000～5,000臺(tái)左右。代表性機(jī)種為臥式加工中心，年生產(chǎn)量約1,500～2,000臺(tái)。其他加工中心年生產(chǎn)量約2,000～3,000臺(tái)左右，德國生產(chǎn)加工中心的廠家有西門子、MAKA、GEISS、科恩等公司。美國是全球機(jī)床生產(chǎn)代表性國家之一，但近年來由于其國內(nèi)消費(fèi)能力不足，再加上出口也面臨市場競爭，導(dǎo)致其生產(chǎn)有逐漸下滑的趨勢，年生產(chǎn)加工中心僅約為5,000～6,000臺(tái)左右，生產(chǎn)廠家有哈挺、MAG、Hurco等公司。臺(tái)灣是全球加工中心生產(chǎn)量最大的供貨基地，年生產(chǎn)量可達(dá)到16,000～18,000臺(tái)，其中有部分是空機(jī)臺(tái)，未加裝微機(jī)控制器等，平均單價(jià)有偏低的情形。韓國是全球加工中心主要生產(chǎn)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(jī)械工業(yè)，年生產(chǎn)加工中心在4,000～5,000臺(tái)左右。未來加工中心的生產(chǎn)基地則有可能是大陸，特別是日本、美國、德國、中國臺(tái)灣、韓國已競相到大陸設(shè)廠生產(chǎn)加工中心，再加上大陸本身的企業(yè)研發(fā)與制造，未來技術(shù)成熟、品質(zhì)穩(wěn)定、成本降低后，必將會(huì)成為全球重要供應(yīng)基地之一。 20世紀(jì)70年代我國研制的加工中心，多數(shù)因配套件和設(shè)計(jì)、制造的缺陷而不能正常使用。進(jìn)入80 年代后，由于引進(jìn)了日本FANUC、德國SIEMENS 等公司的數(shù)控系統(tǒng)、直流進(jìn)給伺服電機(jī)和主軸電機(jī)及其伺服單元之后，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。但就整機(jī)而言，可靠性還不夠高。20世紀(jì)90年代中期以來，隨著加工中心技術(shù)的進(jìn)步和配套的完善，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)注意到了采用標(biāo)準(zhǔn)功能部件來取代產(chǎn)品的某些部件，同時(shí)優(yōu)先選擇世界知名公司的名牌產(chǎn)品(如：數(shù)控系統(tǒng)、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠、軸承、ATC 裝置、液壓氣動(dòng)元件、電氣元件和檢測元件等)作為配套，提高了國產(chǎn)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(chǎn)品的差距。當(dāng)前，國產(chǎn)加工中心的可靠性與國外同類產(chǎn)品相比依然不高。除此以外，還有整機(jī)防護(hù)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(chǎn)加工中心的市場競爭力。目前國內(nèi)生產(chǎn)加工中心的有沈陽機(jī)床廠、大連機(jī)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(jī)床廠家先后開發(fā)出一批高速加工中心，其主要技術(shù)參數(shù)為： 主軸最高轉(zhuǎn)速：一般為12000～15000r/min，有的高達(dá)40000～60000r/min。坐標(biāo)軸的加工進(jìn)給最高速度：30～60m/min，快速移動(dòng)速度高達(dá)70～80m/min。換刀時(shí)間(刀-刀)普遍在1.5～3.5s，有的快到0.8～0.9s；托板交換時(shí)間普遍在6～8s。 綜上所述，高速加工中心的出現(xiàn)使得單軸加工中心的效率趕上了多軸的組合機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床。因此，高效高柔性的加工中心已開始在汽車工業(yè)中應(yīng)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(chǎn)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型臥式加工中心等等。 目前，國產(chǎn)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(chǎn)品主要是立式加工中心。其規(guī)格(是指工作臺(tái)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(chǎn)量較大；后兩種屬于中大型產(chǎn)量較小。目前，國產(chǎn)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(xí)慣上把數(shù)控機(jī)床按其技術(shù)水平的高低分為高、中、低三個(gè)檔次。所謂高檔數(shù)控機(jī)床是指高速度、高精度、五軸聯(lián)動(dòng)和工藝高度復(fù)合化的數(shù)控機(jī)床，包括部分重型機(jī)床；而所謂低檔數(shù)控機(jī)床主要是指以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主要特征的開環(huán)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、鉆床和銑床，其精度和速度都不高；其他數(shù)控機(jī)床則屬于中檔數(shù)控機(jī)床，也就是人們常說的通用普及型數(shù)控機(jī)床。國產(chǎn)加工中心大多數(shù)產(chǎn)品的檔次屬于此范疇。 1.4國產(chǎn)加工中心目前存在的問題及未來發(fā)展趨勢 國產(chǎn)加工中心目前存在的問題有： (1) 技術(shù)水平上，與國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平相比大約落后10～15 年，在高精尖技術(shù)方面則更大。 (2) 產(chǎn)品開發(fā)能力上，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)缺乏對產(chǎn)品競爭前的數(shù)控技術(shù)的深入研究與開發(fā)，特別是對加工中心應(yīng)用領(lǐng)域的拓展力度不強(qiáng)。 (3) 產(chǎn)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(chǎn)加工中心的產(chǎn)量增加較快，但從總體上看，還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)；國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應(yīng)，用戶信心不足。 (4) 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)MTBF( 平均無故障時(shí)間)大都超過1 萬小時(shí)，但國際上知名品牌如：FANUC、SIEMENS 等先進(jìn)企業(yè)的數(shù)控系統(tǒng)MTBF 已達(dá)8 萬小時(shí)。國產(chǎn)加工中心MTBF 雖有少數(shù)廠達(dá)500 小時(shí)，但國外加工中心的先進(jìn)水平已達(dá)800 小時(shí)。 (5) 刀庫和機(jī)械手的可靠性還比較低，近年來雖有改進(jìn)，但用戶仍然不放心。 (6) 位置精度，特別是重復(fù)定位精度還有待于進(jìn)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(jī)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(zhì)量和精度。是進(jìn)入新世紀(jì)以來國內(nèi)外機(jī)床技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。 20世紀(jì)90年代以來，歐、美、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國家爭相開發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床，加快機(jī)床高速化發(fā)展步伐。高速主軸單元(電主軸，轉(zhuǎn)速15000～100000r/min)、高速且高加/減速度的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件(快移速度60～120m/min，切削進(jìn)給速度高達(dá)60m/min)、高效率的自動(dòng)換刀裝置、高性能數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破，達(dá)到了新的技術(shù)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(dá)國家努力的方向。當(dāng)前，在機(jī)械加工高精度的要求下，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由±10μm 提高到±5μm ；精密級(jí)加工中心的加工精度則從±3～5μm 提高到±1～1.5μm ，甚至更高。 （3）高可靠性 隨著數(shù)控機(jī)床應(yīng)用領(lǐng)域的日益普及，數(shù)控機(jī)床的高可靠性已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)制造廠家和數(shù)控機(jī)床制造廠家十分注重和追求的目標(biāo)。數(shù)控機(jī)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(jīng)是眾多的數(shù)控系統(tǒng)制造廠家和數(shù)控機(jī)床制造廠家達(dá)成的共識(shí)。當(dāng)前，國外先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)的MTBF 值已達(dá)8萬小時(shí)以上。 1.5加工中心的分類 按主軸加工時(shí)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(shè)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(tái)式。固定立柱式的臥式加工中心的立柱不動(dòng)，其主軸箱在立柱上做上下移動(dòng)，而工作臺(tái)可在兩個(gè)水平方向移動(dòng)；固定工作臺(tái)式的臥式加工中心的三個(gè)坐標(biāo)方向的運(yùn)動(dòng)由立柱和主軸箱的移動(dòng)來定位，安裝工件的工作臺(tái)是固定不動(dòng)的(指直線運(yùn)動(dòng))。臥式加工中心一般具有3個(gè)—5個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸，常見的是三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸和一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸(回轉(zhuǎn)工作臺(tái))．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(gè)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大、質(zhì)量大、價(jià)格亦高。 立式加工中心 立式加工中心主軸的軸線為垂直設(shè)置，其結(jié)構(gòu)多為固定立柱式，工作臺(tái)為十字滑臺(tái)，適合加工盤類零件，一般具有三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸，并可在工作臺(tái)上安置一個(gè)水平軸的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)(第四軸)來加工螺旋線類零件。立式加工中心結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，價(jià)格低，配備各種附件后，可進(jìn)行大部分工件的加工。 大型龍門式加工中心 主軸多為垂直設(shè)置，尤其適用于大型或形狀復(fù)雜的工件，像航空、航天工業(yè)及大型汽輪機(jī)上的某些零件的加工都需要用這類多坐標(biāo)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(gè)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(chǎn)效率，降低加工成本。 1.6本章小結(jié) 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(nèi)外現(xiàn)狀，并介紹了當(dāng)今加工中心存在的一些問題及其未來的發(fā)展趨勢。 7 第2章 加工中心自動(dòng)換刀裝置概述 第2章 加工中心自動(dòng)換刀裝置概述 2.1加工中心自動(dòng)換刀裝置（ATC）形式、特點(diǎn)及各自應(yīng)用范圍 由刀庫和機(jī)械手組成的自動(dòng)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，自動(dòng)換刀裝置種類繁多。由于加工中心上自動(dòng)換刀次數(shù)比較頻繁，故對自動(dòng)換刀裝置的技術(shù)要求十分嚴(yán)格．如要求定位精度高．動(dòng)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(guān)。 表2-1 加工中心上的換刀裝置 形式 類別 特點(diǎn) 應(yīng)用范圍 轉(zhuǎn)塔式 垂直轉(zhuǎn)塔頭 1. 根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同，可分為順序選刀或任意選刀 2. 結(jié)構(gòu)緊湊簡單 3. 容納刀具數(shù)目少 用于鉆削中心 水平轉(zhuǎn)塔頭 刀庫式 無機(jī)械手換刀 1. 利用刀庫運(yùn)動(dòng)與主軸直接換刀，省去機(jī)械手 2. 結(jié)構(gòu)緊湊 3. 刀庫運(yùn)動(dòng)較多 小型加工中心 機(jī)械手換刀 1. 刀庫只做選刀運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手換刀 2. 布局靈活，換刀速度快 各種加工中心 機(jī)械手和刀具運(yùn)送器 1. 刀庫距機(jī)床主軸較遠(yuǎn)時(shí)，用刀具運(yùn)送器將刀具送至機(jī)械手 2. 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 大型加工中心 成套更換方式 更換轉(zhuǎn)塔 1. 利用更換轉(zhuǎn)塔頭，增加換刀數(shù)目 2. 換刀時(shí)間基本不變 擴(kuò)大加工工藝的鉆削中心 更換主軸箱 1. 利用更換主軸箱，擴(kuò)大組合機(jī)床加工工藝范圍 2. 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 擴(kuò)大柔性的組合機(jī)床 更換刀庫 1. 擴(kuò)大加工工藝，更換刀庫，另有刀庫存儲(chǔ)器 2. 充分提高機(jī)床利用率和自動(dòng)化程度 3. 擴(kuò)大加工中心的加工工藝范圍 加工復(fù)雜零件，需刀具很多的加工中心或組成高度自動(dòng)化的生產(chǎn)系統(tǒng) 2.2刀庫及刀具交換裝置 刀庫的功能是儲(chǔ)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(zhǔn)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(dòng)換刀裝置中主要部件之一。 2.2.1刀庫的形式 根據(jù)刀庫的容量和存取刀具的方式，刀庫可設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用較多。此換刀裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，換刀可靠性較好，缺點(diǎn)是換刀時(shí)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?zhǔn)降稁? 此刀庫結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫容量較大，鏈環(huán)的形狀可根據(jù)機(jī)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(jī)床的占地空間，通常為軸向取刀，位置精度較低，造價(jià)也較高。如圖2-2所示。 （3） 格子箱式刀庫 結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫空間利用率高，換刀時(shí)間較長。布局不靈活，通常刀庫安裝在工作臺(tái)上，應(yīng)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(dòng)換刀數(shù)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?zhǔn)降稁? 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(dòng)換刀裝置換刀時(shí)，按數(shù)控裝置的刀具選擇指令，從刀庫中將所需要的刀具準(zhǔn)確地自動(dòng)地選出，并轉(zhuǎn)換到取刀位置．稱為自動(dòng)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的預(yù)定工序要求依次將所用刀具存入刀庫的刀座中，使用時(shí)按順序?qū)⑵滢D(zhuǎn)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(gè)刀座中。這種方法不需要刀具識(shí)別裝置，驅(qū)動(dòng)控制也較簡單，工作可靠，但刀具不能重復(fù)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(shù)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(dòng)換刀庫的數(shù)控機(jī)床(當(dāng)加工小批量零件時(shí))。另外，在裝刀時(shí)必要認(rèn)真謹(jǐn)慎對號(hào)入座，否則將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。 （2）任意選擇刀具方式 這種方法根據(jù)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列，可任意存放。每把刀具(或刀座)都編上代碼．自動(dòng)換刀時(shí)，刀庫旋轉(zhuǎn)，每把刀具(或刀座)都經(jīng)過“刀具識(shí)別裝置”接受識(shí)別。當(dāng)某把刀具的代碼與數(shù)控指令的代碼相符合時(shí)，該把刀具被選中，刀庫將選中的刀具送至換刀位置，等待機(jī)械手來抓取。任意選擇刀具法的優(yōu)點(diǎn)是刀庫中刀具的排列順序與工件加工順序無關(guān)。相同的刀具可重復(fù)使用，故刀具數(shù)量比順序選擇法的刀具可少一些，刀庫也相應(yīng)小一些。 ①刀座編碼式 這種編碼方式是對刀庫中的每個(gè)刀座都預(yù)先進(jìn)行編碼，刀具也編號(hào)，并將與刀座編碼對應(yīng)的刀具一一放入指定的刀座中，根據(jù)刀座編碼選刀。換刀時(shí)刀庫旋轉(zhuǎn)，使各個(gè)刀座依次經(jīng)過刀具識(shí)別器，直至找到規(guī)定的刀座，刀庫即刻停止旋轉(zhuǎn)。刀座編碼又分永久性編碼和臨時(shí)性編碼，前者刀座號(hào)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(hào)的編碼鑰匙，當(dāng)把各刀具存放到刀庫的刀座中時(shí)，將編碼鑰匙插進(jìn)刀座旁邊的鑰匙孔中。這樣就把鑰匙的號(hào)碼轉(zhuǎn)記到刀座中，給刀座編上了號(hào)碼。識(shí)別器可通過識(shí)別鑰匙上的號(hào)碼來選取該鑰匙旁邊刀座中的刀具；編碼鑰匙中除導(dǎo)向 凸起外，共右16個(gè)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(shí)針方向旋轉(zhuǎn)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”。由于鑰匙上每個(gè)凸凹部分旁邊均有相應(yīng)的碳刷，故可將鑰匙各個(gè)凸凹部分均識(shí)別出來，即識(shí)別出相應(yīng)的刀具。當(dāng)取出刀具時(shí)，鑰匙也隨之取出，刀座碼立即消失，調(diào)換鑰匙可任意改變刀具編碼，使用具有更大的靈活性。 ②刀具編碼式 這種萬式是直接對每把刀具進(jìn)行編碼，由換刀裝置識(shí)別刀具上的編碼進(jìn)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(fù)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(cuò)而造成的事故；同時(shí)也縮短了刀庫的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，簡化了自動(dòng)換刀控制線路。它還可直接在刀庫與刀具主軸之間進(jìn)行換刀而不致增加換刀時(shí)間。其缺點(diǎn)是使刀具長度增加，制造田難，剛度降低，同時(shí)使機(jī)械手和刀庫的結(jié)構(gòu)也復(fù)雜化。 ③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(hào)。當(dāng)帶編碼附件的刀具插人刀庫中某一刀座時(shí)，該刀座便具有編碼附件指定的編碼。 以上選刀方式都結(jié)換刀系統(tǒng)帶來很多不便，所以近年來在加工中心應(yīng)用得很少。 ④計(jì)算機(jī)記憶式 高檔的數(shù)控加工中心，可將刀具號(hào)和刀庫上存刀地址對應(yīng)地記憶在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)或可編程控制器內(nèi)。不論刀具放入哪個(gè)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(shù)都采用這種方式。 2.2.3刀具(刀座)識(shí)別裝置 刀具(刀座)識(shí)別裝置是自動(dòng)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(shí)別裝置 接觸式刀具識(shí)別裝置應(yīng)用廣泛，特別適應(yīng)于空間位置較小的刀具編碼，其原理如圖2—5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(jìn)制的“1”，小直徑的環(huán)為“0”，圖中有5個(gè)編碼環(huán)4，在刀庫附近固定一刀具識(shí)別裝置2，從中伸出幾個(gè)觸針3，觸針數(shù)量與刀柄上的編碼環(huán)個(gè)數(shù)相等。每個(gè)觸針連一個(gè)繼電器，當(dāng)大直徑的編碼環(huán)與觸針接觸，繼電器通電，其數(shù)碼為“1”。當(dāng)各繼電器讀出的 數(shù)碼與所需刀具的編碼一致時(shí)，由控制裝置發(fā)出信號(hào)，使刀庫停轉(zhuǎn)，等待換刀。接觸式刀具識(shí)別裝置結(jié)構(gòu)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(shí)別裝置 非接觸式刀具識(shí)別裝置無機(jī)械接觸、無磨損、無噪聲、壽命長、反應(yīng)速度快，適應(yīng)于高速且換刀頻繁的工作場合。常用的有磁性識(shí)別法和光電識(shí)別法。 ①非接觸式磁性識(shí)別法 磁性識(shí)別法是利用磁性材料和非磁性材料磁感應(yīng)強(qiáng)弱不同，通過感應(yīng)線圈讀取代碼。編碼環(huán)的直徑相等，分別由導(dǎo)磁材料(如軟鋼)和非導(dǎo)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(shí)別裝置。圖中刀柄1上裝有非導(dǎo)磁材料編碼環(huán)4和導(dǎo)磁材料編碼環(huán)2、與編碼環(huán)對應(yīng)的有一組檢測線圈6組成非接觸式識(shí)別裝置3。在檢測線圈6的一次線圈5中輸入交流電壓時(shí)，如編碼環(huán)為導(dǎo)磁材料，則磁感應(yīng)較強(qiáng)，在二次線圈7中產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓。如編碼環(huán)為非導(dǎo)磁材料，則磁感應(yīng)較弱，在二次線圈中感應(yīng)的電壓較弱。利用感應(yīng)電壓的強(qiáng)弱，就能識(shí)別刀具的號(hào)碼。當(dāng)編碼環(huán)的號(hào)碼與指令刀號(hào)相等時(shí)，控制電路便發(fā)出信號(hào)，使刀庫停止運(yùn)轉(zhuǎn)，等待換刀。 刀具編碼的識(shí)別裝置原理如圖2-7所示。當(dāng)數(shù)控裝置接受穿孔紙帶給出的選刀號(hào)T代碼，由選刀控制電路使刀庫快速轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具依次通過識(shí)刀器，對應(yīng)每個(gè)刀具的編碼環(huán)感應(yīng)出不同的信號(hào)，經(jīng)刀號(hào)讀出電路將編碼環(huán)所表示的號(hào)碼讀出，通過輸入控制門存入刀號(hào)寄存器內(nèi)，然后送入比較符合電路與數(shù)控裝置，對已接收的T代碼進(jìn)行比較。若與給定的T代碼不一樣，則刀庫仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到識(shí)刀器讀出的刀具或刀座編碼與T代碼一致時(shí)，發(fā)出選刀符合信號(hào)，說明已選中刀具；此時(shí)刀庫減速、定位、停止，所選刀具停在等待換刀位置。圖中延時(shí)清零電路用來等待識(shí)刀器讀完一個(gè)編碼號(hào)后再進(jìn)行比較識(shí)別，以免因讀出信號(hào)時(shí)間上的不一致造成失誤。每讀完一次編碼，延時(shí)清零電路經(jīng)一定延時(shí)發(fā)出一次消零信號(hào)，使刀號(hào)寄存器清零復(fù)位，以便寄存下一個(gè)刀號(hào)。 圖2-5接觸式刀具識(shí)別裝置 圖2-6 磁性識(shí)別裝置 圖2-7 識(shí)刀裝置原理框圖 ②光學(xué)纖維刀具識(shí)別裝置 這種裝置利用光導(dǎo)纖維很好的光傳導(dǎo)特性，采用多束光導(dǎo)纖維構(gòu)成閱讀頭。用靠近的兩束光導(dǎo)纖維來閱讀二進(jìn)制碼的一位時(shí)，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(dǎo)纖維將反射光送至光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以判斷正對這兩束光導(dǎo)纖維的金屬表面有無反射光，有反射時(shí)(表面光亮)為“1”，無反射時(shí)(表面涂黑)為“0”．如圖2-8 (b)所示。在刀具的某個(gè)磨光部位按二進(jìn)制規(guī)律涂黑或不涂黑，就可以給刀具編上號(hào)碼。正當(dāng)中的一小塊反光部分用來發(fā)出同步信號(hào)。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(jìn)一排共9個(gè)圓形受光入射面、當(dāng)閱讀頭端面正對刀具編碼部位，沿箭頭方向相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，在同步信號(hào)作用下，可將刀具編碼讀入，并與給定的刀具號(hào)進(jìn)行比較而選刀。 在光導(dǎo)纖維中傳播的光信號(hào)比在導(dǎo)體中傳播的電信號(hào)具有更高的抗干擾能力。光導(dǎo)纖維可任意彎曲，這給機(jī)械設(shè)計(jì)、光源及光電轉(zhuǎn)換元件的安裝都帶來很大的方便。因此，這種識(shí)別方法很有發(fā)展前途。 近年來，“圖像識(shí)別”技術(shù)也開始用于刀具識(shí)別，刀具不必編碼，而在刀具識(shí)別位置上利用光學(xué)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?hào)，經(jīng)信息處理后存人記憶裝置中。選刀時(shí)，數(shù)控指令T所指的刀具在刀具識(shí)別位置出現(xiàn)圖形時(shí)，便與記憶裝置中的圖形進(jìn)行比較，選中時(shí)發(fā)出選刀符合信號(hào)，刀具便停在換刀位置上。這種識(shí)別方法雖有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于該系統(tǒng)價(jià)格昂貴而限制了它的使用。 圖2-8 光學(xué)纖維刀具識(shí)別裝置 (3)利用Pc實(shí)現(xiàn)隨機(jī)換刀 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用軟件選刀以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的編碼環(huán)和識(shí)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(jī)換刀。主軸上換來的新刀號(hào)及還回刀庫的刀具號(hào)，均在Pc內(nèi)部相應(yīng)地存儲(chǔ)單元記憶。隨機(jī)換刀控制方式需要在Pc內(nèi)部設(shè)量一個(gè)模擬刀庫的數(shù)據(jù)表，其長度和表內(nèi)設(shè)置的數(shù)據(jù)與刀庫的位置數(shù)和刀具號(hào)相對應(yīng)。這種方法主要由軟件完成選刀，從而消除了內(nèi)于識(shí)刀裝置的穩(wěn)定性、可靠性所帶來的選刀失誤。 ①ATC(自動(dòng)換刀)控制和刀號(hào)數(shù)據(jù)表 如圖2—9所示，刀庫有8個(gè)刀座，可存放8把刀具。刀座固定位置編號(hào)為方框內(nèi)1號(hào)—8號(hào)，0為主軸刀位置號(hào)，由于刀具本身不附帶編碼環(huán)，故刀具編號(hào)可任意沒定，如圖2—94中(10)—(18)的刀號(hào)。一旦給某刀編號(hào)后．該編號(hào)不應(yīng)隨意改變。為了使用方使．刀號(hào)也采用BCD碼編寫。 在PC內(nèi)部建立一個(gè)模擬刀庫的刀號(hào)數(shù)據(jù)表，如圖2-10所示。數(shù)據(jù)表的表序號(hào)與刀庫刀座編號(hào)相對應(yīng)，每個(gè)表序號(hào)中的內(nèi)容就是對應(yīng)刀座中所插入的刀具號(hào)。圖中刀號(hào)表首地址TAB單元固定存放主軸上的刀具號(hào)數(shù)，TAB+1—TAR+8存放刀庫上的刀具號(hào)。由于刀號(hào)數(shù)據(jù)表實(shí)際上是刀庫中存放刀具位置的一種映像，所以刀號(hào)表與刀庫中刀具的位置應(yīng)始終保持一致。 圖2-9刀庫中刀具位置編號(hào) 圖2-10刀庫的刀號(hào)數(shù)據(jù)表 ②刀具的識(shí)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(nèi)部設(shè)置的刀號(hào)數(shù)據(jù)表始終與刀具在刀庫中的實(shí)際位置相對應(yīng)，所以對刀具的識(shí)別實(shí)質(zhì)上轉(zhuǎn)變?yōu)閷Φ稁煳恢玫淖R(shí)別。當(dāng)?shù)稁煨D(zhuǎn)，每個(gè)刀座通過換刀位置(基準(zhǔn)位置)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)送至PC，作為計(jì)數(shù)脈沖。同時(shí)．在PC內(nèi)部設(shè)置一個(gè)刀庫位置計(jì)數(shù)器，當(dāng)?shù)稁煺D(zhuǎn)(cw)時(shí)，每發(fā)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，使該計(jì)數(shù)器遞增計(jì)數(shù)；當(dāng)?shù)稁旆崔D(zhuǎn)(ccw)時(shí)．每發(fā)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，則計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)。于是計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值始終在1—8之間循環(huán)，而通過換刀位置時(shí)的計(jì)數(shù)值(當(dāng)前值)總是指示刀庫的現(xiàn)在位置。 當(dāng)PC接到新刀具的指令(TXX)后，在模擬刀庫的刀號(hào)數(shù)據(jù)表中進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索，檢索到T代碼給定的刀號(hào)，將該刀具號(hào)所在數(shù)據(jù)表中的表號(hào)數(shù)存放在一個(gè)緩沖存儲(chǔ)單元中，這個(gè)表序號(hào)數(shù)就是新刀具在刀庫中的目標(biāo)位置。刀庫旋轉(zhuǎn)后，測得刀庫的實(shí)際位置與要求的刀庫目標(biāo)位置一致時(shí)，即識(shí)別了所要尋找的新刀具。刀庫停轉(zhuǎn)并定位，等待換刀。識(shí)別刀具的PC程序流程團(tuán)如圖2-11所示。 ③刀具的交換及刀號(hào)數(shù)據(jù)表的修改 當(dāng)前一工序加工結(jié)束后需要更換新刀加工時(shí)，NC系統(tǒng)發(fā)出自動(dòng)換刀指令M06控制機(jī)床主軸準(zhǔn)停。機(jī)械手執(zhí)行換刀動(dòng)作，將主軸上用過的舊刀和刀庫上選好的新刀進(jìn)行交換。與此同時(shí)，應(yīng)通過軟件修改PC內(nèi)部的刀號(hào)數(shù)據(jù)表，使相應(yīng)的刀號(hào)表單元中的刀號(hào)與交換后的刀號(hào)相對應(yīng)。 圖2-11 識(shí)別刀具的PC程序流程框圖 2.2.4刀具交換裝置 實(shí)現(xiàn)刀庫與機(jī)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(jié)構(gòu)對數(shù)控機(jī)床的整體布局、生產(chǎn)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。 ① 由刀庫和主軸的相對運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具交換 用這種形式交換刀具時(shí)，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(gè)動(dòng)作不能同時(shí)進(jìn)行。它適用采用40號(hào)以下刀柄的小型加工中心或換刀次數(shù)少的用重型刀具的重型機(jī)床。這種換刀方式?jīng)]有機(jī)械手，因而結(jié)構(gòu)簡單；刀庫回轉(zhuǎn)是在工步與工步之間，故換刀時(shí)間長，換刀動(dòng)作也較多，但卻免去了刀庫回轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)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(shè)在立柱頂上、立柱主軸箱的側(cè)面，也可以設(shè)在橫梁一端。直線排列式刀庫可設(shè)在工作臺(tái)上方，也可設(shè)在工作臺(tái)的一端或兩端。格子箱式刀庫可設(shè)在雙工作臺(tái)的中間。 ② 由機(jī)械手進(jìn)行刀具交換 由于刀庫及刀具交換方式不同，換刀機(jī)械手種類繁多。機(jī)械手的類型如表2-2所示。 表2-2 換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 類型 形式 應(yīng)用 特點(diǎn) 單臂單手式 機(jī)械手作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng) 用于刀具主軸與刀庫刀座軸線平行的場合 結(jié)構(gòu)較簡單，換刀時(shí)間較長 機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)，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(jī)械手?jǐn)[動(dòng)，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(shí)抓住主軸和刀庫中的刀具，并進(jìn)行拔出、插入，換刀時(shí)間短 可伸縮雙手式 剪式雙手式 雙手不成180° 雙手式 雙手平行式 這種機(jī)械手還起運(yùn)輸作用 換到時(shí)間較短，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 雙手交叉式 雙手有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 2.3本章小結(jié) 本章主要介紹了加工中心自動(dòng)換刀裝置（ATC）形式、特點(diǎn)及各自應(yīng)用范圍，另外介紹了加工中心中刀具識(shí)別與選擇的各種方式，最后介紹了換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。 19 第3章 總體方案設(shè)計(jì) 第3章 總體方案設(shè)計(jì) 3.1 TH5640D型立式加工中心及其主要參數(shù) TH5640D是一臺(tái)小型立式加工中心，工件在一次裝夾后可自動(dòng)連續(xù)地完成銑、鉆、鏜、鉸、锪、攻絲等多種工序的加工，該機(jī)床適用于小型板件、盤件、殼體等復(fù)雜零件的多品種中小批量加工。 其基本規(guī)格為： 工作臺(tái)工作面尺寸（外形尺寸） （毫米）1000×400（1200×520） 工作臺(tái)T型槽寬×槽數(shù) （毫米）18×3 工作臺(tái)左右行程（X軸） （毫米）1000 工作臺(tái)前后行程（Y軸） （毫米）500 工作臺(tái)上下行程（Z軸） （毫米）470 主軸端面至工作臺(tái)面 （毫米）150～620 主軸錐孔 BT40 主軸轉(zhuǎn)速（標(biāo)準(zhǔn)型/高速型） （轉(zhuǎn)/分）22.5～2250/45～4500 主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī) （千瓦）交流主軸電機(jī)5.5/7.5（額定/30分鐘） 快速移動(dòng)速度（X、Y軸） （米/分）15 （Z軸） （米/分）10 進(jìn)給速度 （X、Y、Z軸） （毫米/分）1~4000 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī) （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）φ80×300 最大刀具重量 （公斤）8 刀庫電機(jī) （千瓦）交流伺服1.4 工作臺(tái)容許負(fù)載 （公斤）500 滾珠絲杠尺寸（X、Y、Z軸） （毫米）φ40×10 鉆孔能力 （毫米）φ32 攻絲能力 M24 鏜孔能力 （自動(dòng)換刀時(shí)）（毫米）φ80 銑削能力 （厘米/分）100 氣源 （巴）5～7（250升/分） 機(jī)床重量 （公斤）6500 占地面積 （毫米）2756×2695 3.2 TH5640D型立式加工中心自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)參數(shù) 刀庫容量 20 選刀方式 任選 刀套尺寸 （毫米）φ60×120 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(shù)=1，初定傳動(dòng)比為i=48，模數(shù)m=3.15 3.3確定TH5640D型立式加工中心自動(dòng)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(dòng)機(jī)通過撓性聯(lián)軸器帶動(dòng)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，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(zhuǎn)帶動(dòng)刀庫的旋轉(zhuǎn)，如圖2-1所示。另外，盤型刀庫裝在立柱左側(cè)，因此刀套應(yīng)該能向下轉(zhuǎn)動(dòng)90°，便于換刀。 圖3-1 刀庫驅(qū)動(dòng)原理圖 機(jī)械手的形式暫時(shí)采用單臂雙手式機(jī)械手。 3.4本章小結(jié) 本章主要介紹了TH5640D型立式加工中心及其主要參數(shù)。另外介紹了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所給的參數(shù)，確定了該加工中心刀庫基本的傳動(dòng)原理以及所選機(jī)械手的形式。 21 第4章 刀庫的設(shè)計(jì)及計(jì)算 第4章 刀庫的設(shè)計(jì)及計(jì)算 4.1 確定刀庫容量 刀庫容量設(shè)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(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用較多。此換刀裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，換刀可靠性較好。整個(gè)換刀過程時(shí)間大約為4秒。 4.3 初步估計(jì)刀庫驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及選定電機(jī) 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)載扭矩和啟動(dòng)時(shí)的加速扭矩的要求。 （1） 刀庫負(fù)載扭矩的計(jì)算 圓盤式刀庫負(fù)載扭矩估算方法：這種刀庫的負(fù)載扭矩主要用來克服刀具質(zhì)量的不平衡，估算按如下兩種情況進(jìn)行：第一，用平均重量的刀具插滿圓盤的半個(gè)圓，如圖4-1（a）所示，根據(jù)工藝要求所需的各種刀具，確定每個(gè)刀具的（包括刀柄）平均重量，而其重心則設(shè)定為離刀庫回轉(zhuǎn)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(zhì)量算，而其重心則設(shè)定為離刀庫回轉(zhuǎn)中心半徑處。 （2） 刀庫加速扭矩的計(jì)算 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)子慣量（），可查樣本； -負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量（） （a）刀具插滿圓盤的半個(gè)圓 （b）三把最重的刀具插在一起 圖4-1 刀庫負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法 （3） 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出扭矩計(jì)算 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩應(yīng)同時(shí)滿足刀庫負(fù)載扭矩和加速扭矩之和，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)軸上的輸出扭矩的公式為 式中i-電動(dòng)機(jī)軸至刀庫軸的速比； -傳動(dòng)效率。 考慮到實(shí)際情況比計(jì)算時(shí)所設(shè)定的條件復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)為負(fù)載扭矩的1.2~1.5倍。 設(shè)定當(dāng)兩個(gè)最大刀具相鄰放置時(shí)，其間距為5毫米，則相鄰刀套中心距為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(fù)載扭矩的計(jì)算 按方法二進(jìn)行估算，即將三把最重的刀放在一起，則負(fù)載扭矩==389.8245=57.624 2） 加速扭矩的計(jì)算 設(shè)刀具最大運(yùn)動(dòng)線速度為24m/min，則可確定刀庫選刀轉(zhuǎn)速為=15.6r/min，加速時(shí)間暫定為=200ms，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量可查相關(guān)樣本=2.14， 負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量=30.01 則可求得=0.26 3） 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩應(yīng)同時(shí)滿足刀庫負(fù)載扭矩和加速扭矩之和 電動(dòng)機(jī)軸到刀庫軸的速比為i=48,蝸輪蝸桿的傳動(dòng)效率=0.7, 則可求得==1.72 電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩>(1.2~1.5) =(2.06~2.58) 而所選電機(jī)轉(zhuǎn)矩為10 確定伺服電機(jī)型號(hào)為SM130-10N1500，其主要技術(shù)參數(shù)為： 額定功率 1.5Kw 額定轉(zhuǎn)速 1500r/min 額定電流 6A 轉(zhuǎn)子慣量 0.00214 機(jī)械時(shí)間常數(shù) 2.11ms 工作電壓 220V 4.4刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普通蝸輪蝸桿的相關(guān)設(shè)計(jì) 蝸桿頭數(shù)=1，初定傳動(dòng)比為i=48，則蝸輪齒數(shù)=i=48，模數(shù)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(shù)=（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=(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(zhuǎn)速較低，選用ZA蝸桿傳動(dòng)，精度為5fGB10089-1988。蝸桿材料選用35CrMo，表面淬火硬度45~55HRC,表面粗糙度Ra≤1.6μm。蝸輪材料選用ZCuAl10Fe3，表面淬火硬度45~55HRC,表面粗糙度Ra≤1.6μm。 蝸輪蝸桿其他計(jì)算參數(shù)： 蝸桿導(dǎo)程角r=arctan 蝸桿齒形角為20° 蝸桿軸向齒距積累誤差=0.0085mm 蝸桿軸向齒距極限偏差=±0.0048mm 蝸輪齒形誤差=0.0071mm 4.5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(jì)算機(jī)記憶式，可將刀具號(hào)和刀庫上存刀地址對應(yīng)地記憶在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)或可編程控制器內(nèi)。不論刀具放入那個(gè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圓盤式刀庫由專用的交流伺服電機(jī)14經(jīng)撓性聯(lián)軸器15、蝸桿24、蝸輪25，帶動(dòng)刀盤和盤上的20個(gè)刀套旋轉(zhuǎn)，如圖4-2所示。刀座的滾子在不旋轉(zhuǎn)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(gè)缺口。刀座以鉸鏈形式與支撐板相連。平時(shí)，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(yīng)將處于刀庫刀盤最下位置的刀套旋轉(zhuǎn)90°，使刀頭朝下。實(shí)現(xiàn)這個(gè)動(dòng)作靠氣缸28。氣缸28的活塞桿帶動(dòng)撥叉59上升，由剖視圖中可以看到，最下面的一個(gè)刀套右尾部的滾子正好進(jìn)入撥叉59的缺口。撥叉上升使刀套連同刀具逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)90°，滾子銷退出支撐板的凹槽，刀座轉(zhuǎn)至垂直位置，等待機(jī)械手換刀。 圖4-2 圖4-3 刀套的構(gòu)造如圖4-4所示，由圖中可以看到錐孔尾部有兩個(gè)球頭銷釘，后有彈簧用以夾住刀具，故當(dāng)?shù)短仔D(zhuǎn)90°后刀具不會(huì)下落。刀套頂部的滾子用以在刀套處于水平位置時(shí)支撐刀套。當(dāng)?shù)毒吒鼡Q完畢，該刀座插入從主軸換下的刀具夾頭。通過氣缸作用，與上述動(dòng)作相反，刀座帶動(dòng)刀具夾頭順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直到水平位置為止，此時(shí)滾子銷重新處于支撐板的凹槽中。 圖4-4 刀套結(jié)構(gòu)圖 4.7本章小結(jié) 本章主要是根據(jù)所給參數(shù)進(jìn)行刀庫電機(jī)的計(jì)算與選擇，以及刀庫傳動(dòng)時(shí)所用蝸輪蝸桿相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，確定了刀具的選擇方式。另外對刀庫工作原理進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。 29 第5章 刀具交換裝置的設(shè)計(jì) 第5章 刀具交換裝置的設(shè)計(jì) 5.1換刀機(jī)械手抓刀部分結(jié)構(gòu) 圖5-1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖 本機(jī)床上使用的換刀機(jī)械手為回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手。在自動(dòng)換刀過程中，機(jī)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(fù)位等動(dòng)作。 單臂單手式機(jī)械手主要由手臂9和固定于其兩端的結(jié)構(gòu)完全相同的兩個(gè)手爪6組成。手爪6上握刀的圓弧部分有一個(gè)錐銷4，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(dòng)銷14在彈簧的作用下右移頂住刀具。機(jī)械手拔刀時(shí)，長銷與擋塊脫離接觸，鎖緊銷被彈簧彈起，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)械手上升插刀時(shí)，兩長銷又分別被兩擋塊壓下，鎖緊銷從活動(dòng)銷孔中退出，松開刀具，機(jī)械手便可反轉(zhuǎn)75°復(fù)位。 5.2 機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 如前述刀庫結(jié)構(gòu)，刀套向下轉(zhuǎn)90°后，壓下行程開關(guān)，發(fā)出機(jī)械手抓刀信號(hào)。此時(shí)，機(jī)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(dòng)齒條17向左移動(dòng)帶動(dòng)齒輪11轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jī)械手臂軸16。連接盤3與齒輪1用螺栓連接，它們空套在機(jī)械手臂軸2上，傳動(dòng)盤5與機(jī)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(zhuǎn)動(dòng)時(shí)便帶動(dòng)機(jī)械手臂軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)械手回轉(zhuǎn)75°抓刀。抓刀動(dòng)作結(jié)束時(shí)，齒條17上的擋環(huán)12壓下行程開關(guān)14，發(fā)出拔刀信號(hào)，于是升降液壓缸15的上腔通壓力油，活塞桿推動(dòng)機(jī)械手臂軸16下降拔刀。在軸16下降時(shí)，傳動(dòng)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(dāng)拔刀動(dòng)作完成后，軸16上的擋環(huán)2壓下行程開關(guān)1，發(fā)出換刀信號(hào)。這時(shí)轉(zhuǎn)位液壓缸20的右腔通壓力油，活塞桿推動(dòng)齒條19向左移動(dòng)，帶動(dòng)齒輪和連接盤5轉(zhuǎn)動(dòng)，通過銷子8，由傳動(dòng)盤帶動(dòng)機(jī)械手轉(zhuǎn)180°，交換位于位于主軸和刀庫上的刀具位置。換刀動(dòng)作完成后，齒條19上的擋環(huán)6壓下行程開關(guān)9，發(fā)出插刀信號(hào)，使升降液壓缸下腔通壓力油，活塞桿帶著機(jī)械手臂軸上升插刀，同時(shí)傳動(dòng)下面的銷子8從連接盤5的銷孔中移出。插刀動(dòng)作完成后，軸16上的擋環(huán)壓下行程開關(guān)3，使轉(zhuǎn)位油缸20的左腔通壓力油，活塞桿帶著齒條19向右移動(dòng)復(fù)位，齒輪4空轉(zhuǎn)，機(jī)械手無動(dòng)作。齒條19復(fù)位后，其上擋環(huán)壓下行程開關(guān)7，使液壓缸18的左腔通壓力油，活塞桿帶著齒條17向右移動(dòng)，通過齒輪11使機(jī)械手反轉(zhuǎn)75°復(fù)位。機(jī)械手復(fù)位后，齒條17上的擋環(huán)壓下行程開關(guān)13，發(fā)出換刀完成信號(hào)，使刀套向上翻轉(zhuǎn)90°，為下次選刀做好準(zhǔn)備。 注：圖5-2中的氣缸15、機(jī)械手臂軸16、齒輪11、齒條17、銷子、擋環(huán)2分別相當(dāng)于圖5-3中的氣缸38、機(jī)械手臂軸2、齒輪43、齒條37、銷子48、擋環(huán)51。