基于无机械手圆盘式刀库的卧式加工中心换刀系统的研究VIP

目录1.课题名称 12.课题来源 1 3.绪论 1 3.1 课题的意义13.2 国内外自动换刀系统的发展现状13.3 本课题的主要内容104.刀库的设计114.1 换刀系统总体布局图114.2 换刀流程114.3 刀库装配图124.4 刀库各部分技术方案125.立柱的设计155.1 立柱装配图155.2 滚动直线导轨的选型与计算165.3 滚珠丝杠的选型与计算186.主轴的设计336.1 主轴装配图336.2 主轴结构分析337.整体的三维造型458.课题设计结论469.毕业设计总结489.1 思想心路历程489.2 毕业设计体会499.3 心得与收获5010.致谢5111.参考文献 52附录156附录256附录357基于无机械手圆盘式刀库的卧式加工中心换刀系统的研究 与设计学 生：XXXX XXXX 机电与建筑工程学院教导教师：XXX XXXX 机电与建筑工程学院摘 要加工中心是数控机床出现之后，为提高加工效率，减少非切削时间，将自动换刀装置与数控机床集成而形成的具有高自动化程度和高效率的数控机床。它的发展备受世界各国关注，其发展状况是一个国家制造业发展水平的重要标志。加工中心在我国各行各业中都起着重要作用，但是我国的加工中心发展水平并不高，大部分精密加工中心依然需要进口。为努力达到发达国家的技术水平，应将发展精密加工中心置于优先战略地位。本课题主要研究无机械手圆盘式刀库的卧式加工中心换刀系统。通过对立柱、主轴、刀库三个部件设计与研究以及其中重要功能零、部件的设计、选型和计算，加深对加工中心结构了解并增强实际设计能力。关键词：数控机床、加工中心、换刀系统、部件设计与研究Abstractmachining center is one of the CNC machine appears after normal CNC machine which integrate the automatic tool changer with CNC machine tools to improve processing efficiency, reduce non-cutting time. Its development much attention around the world, and its development is an important indicator of a countrys level of development of manufacturing industry. Processing center plays an important role in all walks of life in our country , but the level of development of Chinas processing center is not high, most precision machining centers still need to import.To narrow the gap with the developed countries as soon as possible, we should place the development of precision machining centers on priority strategic position.The research main on tool changer system without horizontal machining center manipulator disc magazine.Through the column, spindle, magazine design and research the three components as well as some important functions component. deepen understanding and enhance machining center structure the actual design capacity.Keywords: CNC machine tools, machining centers, ATC systems, components, design and research.11.课题名称基于无机械手圆盘式刀库的卧式加工中心换刀系统的研究与设计2.课题来源指导老师的科研项目3.绪论3.1课题提出的意义制造业是一个国家综合实力的最直接表现，而机床作为机械制造行业中的主要设备，尤其是具有高精度加工能力的数控机床在我国重点发展的能源、汽车制造业、航天制造业等领域中占有举足轻重的地位。近年来随着高科技技术的蓬勃发展，数控机床也开始呈现出高速度、高精度、高效率、柔性制造等发展趋势。加工中心作为数控机床和自动换刀装置融合的产物，能一次完成零件装夹中的铣、镗、钻、扩等多道工序，更是成为数控机床发展的重中之重，直接影响着现代高新制造业的发展。自动换刀系统作为加工中心的重要组成部件，是保证加工中心能完成多道加工工序的基本条件，其性能的好坏对加工效率和产品质量有着至关重要的影响，自动换刀系统主要由刀库、主轴和立柱组成。它应当满足换刀时间短、精确定位、储存所需全部刀具、结构紧凑等要求。本课题就是要对加工中心中无机械手圆盘式刀库换刀的自动换刀系统的研究与设计。3.2当代自动换刀系统的发展现状3.2.1几种典型的换刀装置1.回转刀架换刀回转刀架换刀作为一种比较简便实用的自动换刀方式，在数控机床的设计中使用广泛。根据不同的需求，它可以相应的设计成四方刀架或者六角刀架等多种形式。这些回转刀架上也就储存着相同数量的的刀具，并根据数控装置的程序换刀。回转刀架在结构上应能保持较高的刚度和强度，能抵抗粗加工时的切削抗力。由于刀尖位置将对加工精度有很大影响，故于数控车床而言，进行加工时刀具位置将不会人工调整，所以说确定完善的定位方案以及合理的定位结构是必须的，用来确保回转刀架每次转位之后，具有比较高的重复定位精度。回转刀架按照工作原理的不同分为若干不2同种类。2.更换主轴换刀至于更换主轴换刀则是携带旋转刀具的加工中心的一种常用的换刀方式。主轴头分为卧式和立式两种形式，采取旋转转塔头的方式来更换主轴头，达到自动换刀的目的。在转塔的每一个主轴上，提前安装有每道加工所需要的刀具，发出换刀指令后，每个主轴头按照程序指令依次旋转到加工位，并联通主运动，让对应的主轴带着刀具旋转，其他在不加工位置上的主轴都不会接通主运动。转塔头每次转位包括下列动作：脱离开主传动；转塔头脱开；转塔头转位；转塔头定位压紧；联通主轴传动；这种换刀方式，精简了自动松夹、卸刀、装刀以及刀具运输等许多的操作步骤，从而减少了换刀时间，提高换刀效率，同时也增加了换刀的稳定性。这种换刀方式受到空间位置的制约，主轴部件结构尺寸一般较小，在一定程度上影响了主轴系统的刚性。为了确保主轴的刚性，必须对主轴的数目进行限制。所以这种换刀方式普遍适用于工序较少、精度要求不高的机床，如数控钻、铣床等。3.更换主轴箱换刀有的加工中心和组合机床一样，选用具有多个主轴的主轴箱，通过更换主轴箱来实现换刀的目的。主轴箱库里悬挂备用主轴箱。在主轴箱两端的导轨上，安装同步运动的小车，通过它们进行对主轴箱库与机床动力头之间主轴箱的运送。依照根据加工需要，选定所需的主轴箱，等到两小车运行到所需主轴箱的地方时，把主轴箱推到小车上，两只小车同时运动到机床动力头两边互换位置。等上一道工序加工完成后，动力头携带使用完后的主轴箱上升到更换位置，夹紧机构松开这只主轴箱，在定位孔中拔出定位销，推杆机构会把使用完的主轴箱推上小车。同时，又将另一个待用主轴箱推到机床动力头上，同时定位并夹紧。然后，两小车同时返回主轴箱库，停在下道工序所需的主轴箱旁。推杆机构把下道工序所需的主轴箱装到小车上，同时把用过的主轴箱从小车上卸下并放入主轴箱库里面的空位中。机械手也可以用于刀库和主轴箱之间进行刀具交换。这种换刀形式，特别有利于箱体类零件的加工，提高生产效率。4.带刀库的自动换刀系统带刀库的换刀系统由刀库、选刀机构、刀具自动装卸装置和刀具交换机构等部分组成，在以上几种换刀方式中采用最多。3刀库-机械手自动换刀系统，换刀流程非常复杂。开始要把加工过程中所需的每一把刀具安装装在各自相应规格刀柄上，在未插进刀库之前进行尺寸预调整，然后放入刀库中。换刀时根据发出的选刀程序在刀库里选刀，由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，进行拉刀和松刀，然后将下道工序所需的刀具装入主轴，将加工完成的刀具放回刀库。这种换刀装置和之前几种换刀方式相比，机床主轴箱内只有一根主轴，在结构上可以提高主轴的刚性，适合用于精密加工和切削。刀库中刀具可根据加工需要和机床结构布局来选用，刀具数目可多可少，来实现复杂加工面的多工序加工，从而增强了机床的适应性和提高切削效率。此外，刀库应放置在远离加工区的地方，消除刀库对工件加工产生干扰的可能性。然而使用这种自动换刀系统，需要添加刀具自动夹紧、放松机构、刀库运动和定位机构，同时也需要设置清洁刀柄及刀孔、刀座的装置，导致结构较复杂。有换刀过程繁多、时间长的缺点。存在较多因素影响换刀工作可靠性。为减少换刀时间，可选择带刀库的双主轴或多主轴换刀系统。当水平方向的主轴在进行切削加工时，需要更换刀具的主轴转换到换刀位，由刀具交换装置进行提前换刀，等到上一道工序加工完成，转塔头旋转实现交换主轴（即换刀） ，这种换刀方式，换刀时间和机械加工时间大部分重合，只消耗转塔头转位的时间，故换刀所需时间少，转塔头上的主轴数目少，有利于提高主轴的结构刚度，刀库中刀具的数目也可增加，对多工序连续加工加工有利。但这种换刀方式不易保持较高主轴精度来进行精镗加工。所以，这种换刀方式主要用于钻床，也适用于铣镗类和数控组合机床。3.2.2 自动换刀系统中关键技术1.滚动直线导轨滚动导轨具有较长的历史，伴随着数控机床朝着高速化趋势不断发展而被应用得愈发广泛。与滑动导轨区别的是，滚动直线导轨采用了钢球或滚柱做为滚动体，其与导轨的接触特点为点接触或线接触，拥有摩擦系数小的特点。而且滚动导轨在安装过程中施加了一定的负荷，阻尼特性较好，但这种阻尼特性相比于传统滑动导轨的阻尼特性存在一定差距。滚动导轨相比于滑动导轨所具有的较大的接触面积而言，具有“最小的接触面积”的特点，能极大地减小摩擦，从而使机床的响应更迅速，快移速度更高，非常适合于复杂外形的精密零件加工。4根据滚子在导轨与滑块之间的接触形式，滚动导轨可以分为歌德式牙型滚动导轨和圆弧式牙型滚动导轨。如图 5 所示，这两种滚动导轨相比，承受切向力时，歌德式滚动导轨由于滚珠完全被约束住，故无侧向偏移，切向刚性非常稳定；而圆弧式滚动导轨在切向力的垂直方向无完全约束，且接触形式为圆弧型，会产生一定的偏移，致使接触角发生改变影响导轨的性能。而歌德式牙型其接触角能保持不变，刚性亦较稳定。图 3-1 导轨样式图2.滚珠丝杠滚珠丝杠可以作为滚动轴承的一种变形，由于使用场合的不同，有单螺母或双螺母，可以是单插管、双插管或三插管；也可以是插管外循环或塞块内循环。其主要的受力摩擦点都在滚道的 45方位上，淬硬加工后必须保证 45。存在以下几大特点：（1）高效率：利用滚动摩擦，所以静态和动态的摩擦系数都很小，一般是在00030005。其作功效率都在 90gb 上。与滑动摩擦的梯形丝杠相比，效率提高 1一 3 倍。（2）高寿命：滚珠丝杠一般淬硬至 HRC56 以上，在滚动回转下，工作载荷不大，一般都能保证运转 200 万次以上，比梯形丝杠寿命提高 510 倍。在正常的机械上工作810 年，精度可以基本不变，磨损量不到 001mm。正常工作寿命可达到 1020 年。（3）高精度：精密滚珠丝杠经过淬硬和精密螺纹磨削及研磨或珩磨后，能达到很高的精度，可以作为长度基准，用于数控机床及其他机械。滚珠丝杠的预紧方式：（1）双螺母调整间隙实现预紧结构。滚珠丝杠两螺母副通过平键与外套相联，用两个锁紧螺母调整丝杠螺母的预紧量。简单易实现，但是精度很低。（2）通过改变垫片厚度，使滚珠丝杠的左右螺母无相对旋转，作轴向位移，实现预紧。这种结构简单，有利于提高刚性。加工过程中需卸调整垫片进行修磨，为易于实现，调整垫片做成半环。5（3）齿差式预紧结构。在左右螺母的的端部做成外齿轮，齿数Z1比Z2少一个。两个齿轮分别与两端对应内齿圈啮合。内齿圈固定在螺母座上，预紧时脱开内齿圈，两螺母向同一方向进给一样的齿数，合上内齿圈，两螺母的轴向位置发生变化达到调整间隙和施加预紧力的目的。滚珠丝杠的支承方式：(1)两端固定目前大部分的普通数控机床的滚珠丝杠副采用两端固定的支承方式，丝杠两端通过配对好的角接触推力球轴承进行支承，丝杠两端均为固定，不能自由伸缩。通过结构设计，增加调整垫片可以实现对丝杠的准确预拉伸，以提高丝杠刚性和消除部分热变形误差。(2)一端固定一端游动该支撑方式与前一种支撑方式不同之处在于，丝杠一端固定一端游动，该方式通过结构设计，让丝杠一端（一般为电机轴端）固定，另一端能游动，丝杠可以自由伸长；由于没有预拉伸轴承的轴向载荷不大，可以支承丝杠高速运转，提高进给速度。3.驱动电机及连接方式电机作为驱动装置，需要为整个系统提供动力，所以电机的选择至关重要，电机的动力需要靠连接装置来将动力传动到主轴上，所以连接装置的选择也同样重要。（1）步进电机步进电机是一种将电脉冲转换成相应的机械角位移或直线位移的控制电动机。步进电机也成脉冲电动机或电脉冲马达。对步进电机输入一个控制脉冲，则输出一个位移（角位移或直线位移）称为一步。脉冲数增加，位移量随之增加；脉冲频率增高，则位移变化的速度增高。脉冲的相序反向，则位移的方向反向。由于其没有积累误差( 精度为100%) 的特点, 它被广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机( VR) 、永磁式步进电机( PM) 、混合式步进电机( H B)和单相式步进电机。(2)伺服电机伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。广泛应用于对精度有较高要求的机械设备，如机床和CNC 数控设备、装配线和材料夹持自动生产、激光加工设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备。6数控机床进给驱动对位置精度、快速响应特性、调速范围等有较高要求。电动机与丝杠间的连接主要有三种方式：(1)带有齿轮传动的进给运动采