机械手-鼓轮式刀库及换刀装置设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 鼓轮式刀库及换刀装置设计 摘要： 90 年代以来，数控加工技术得到迅速的普及及发展，高速加工中心作为新时代数控机床的代表，已在机床领域广泛使用。自动换刀刀库的发展俨然已超越其为数控加工中心配套的角色，在其特有的技术领域中发展出符合机床高精度、高效率、高可靠度及多任务复合等概念的独特产品。刀库作为加工中心最重要的部分之一，它的发展也直接决定了加工中心的发展。本论文完成的是 鼓轮 式刀库的总体设计、传动设计、结构设计以及传动部分的运动和动力设计。这种刀库在数控加工中心上应用非常广泛，其换刀过程简单，换刀时间短，定位精 度高；总体结构简单、紧凑，动作准确可靠；维护方便，成本低。本刀库减速传动部分 采用 蜗轮蜗杆减速装置，此种设计方案可提高输出轴的传动平稳性能，即提高刀盘的运转平稳性。本刀库满载装刀 24 把，采用单环排列方式排放，按就近选刀原则选刀。 关键词： 加工中心；刀库；数控加工 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 of 990s, as a of C in of of in to C of in of to as of as a of it a on of s s of a in is is is is is We as in of of of 4 of to of to 录 1 绪论 . 1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 控加工中心自动换刀装置概述 . 5 内外自动换刀装置设计的发展情况 . 5 工中心刀库的形式及特点 . 6 轮式刀库 . 7 塔式刀库 . 8 链式刀库 . 8 换刀装置的形式 . 8 无机械手换刀 . 9 机械手换刀 . 9 2 总体方案的确定 . 10 刀库和换刀装置的功能及要求 . 10 功能 . 10 基本要求 . 10 主要设计参数 . 11 刀库和换刀装置设计方案 . 11 刀库的传动方案 . 11 换刀装置的刀具选择方式及控制方案 . 12 机械手驱动方式 . 13 电动机的初选 . 13 选择电动机类型 . 13 伺服电机参数 . 14 确定传动装置的传动比 . 14 确定各轴转速、转矩和功率 . 14 各轴转速 . 14 各轴输入功率 . 15 各轴的输入转矩 . 15 电动机的校核 . 15 计算目的 . 15 刀库参数 . 16 计算并校核伺服电机的扭矩 . 16 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 刀库的设计与校核 . 18 刀库的结构设计 . 18 刀库转位机构的设计 . 19 蜗轮蜗杆的校核 . 22 键的校核 . 23 热平衡计算 . 24 静盘轴的校核 . 25 4 刀具交换装置设计 . 27 具交换装置结构设计 . 27 换刀过程 . 28 刀库部分 . 28 机械手部分 . 29 换刀装置驱动系统及控制系统的的设计 . 30 机械手驱动系统 . 30 选刀方式 . 32 机械手主要传动计算 . 34 齿轮的几何计算 . 34 机械手轴的主要计算 . 35 自动 换刀装置的相关技术要求 . 35 5 结论 . 36 致谢 . 37 参考文献 . 38 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 绪 论 控加工中心自动换刀装置概述 机床是制造机器的机器，机床工业的技术水平决定着装备制造业乃至整个国民经济的技术水平。 当今社会，数控机床几乎已经扩展到了所有加工领域，许多工厂为了适应产品的频繁更新、提高加工精度、降低生产成本、缩短产品交货周期和减轻劳动强度，在中等批量、甚至大批量生产中应用数控机床，并取得了良好的经济效益。 数控 加工中心带有刀库和自动换刀装置， 是 能对工件按预定程序进行多工序加工的高度自动化的多功能的数字控制机床。 自动换刀装置 （ 是加工中心的重要组成单元，其设计质量的好坏，直接影 响加工中心的质量。 刀库和机械手组成，它的机构和运动复杂、性能要求高。刀库的功能是储存刀具，并且按程序指令，把即将要用的刀具迅速、准确地送到换刀位置，因此刀库的位置、体积大小能否适合加工中心的整体设计，刀库的运动机构能否使刀库平稳运转并准确地停在换刀位置，运动过程有无干涉、卡死等现象，都是设计人员非常关心的问题。机械手的功能是把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具送回刀库。它的动作要求迅速而准确，所以对机构的结构、定位、运动、夹持力的大小等都有很高的要求，一旦有运动故障或定位、运动误差过大， 都会造成换刀动作失败，掉刀。 当今时代，高速加工中心已成为加工行业未来的发展趋势。 高速功能部件如电主轴、高速丝杠和直线电动机的发展应用极大地提高了切削效率。为了配合机床的高效率，作为加工中心的重要部件之一的自动换刀装置的高速化也相应成为高速加工中心的重要技术内容。 未来 机床 产业的发展，均以追求高速、高精度、高效率为目标。随着切削速度的提高，切削时间的不断缩短，对换刀时间的要求也在逐步提高；换刀的速度已成为高等级 机床 的一项重要指标 。因此，对数控机床的刀库及其自动换刀装置的研究和发展有着重要的意义。 内 外自动换刀装置设计的发展情况 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响机床的加工性能。刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的成本造价产生直接影响。 从换刀系统发展的历史来看， 1956 年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国 刀具程序控制装置 )。 1958 年美国 K&T 公司研制出带动刀具交换装置 )的加工中心。 1967 年出现了 性制造 系统 )。 1978 年以后，加工中心迅速发展，带有 置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。 1983 年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。 随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求量越来越大， 在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀系统的造价在机床整机造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普遍的重要原因 。 目前国内外数控机床自动换刀系统中，刀具、辅具多采用锥柄结构，刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。在现代数控机床上亦有采用弹簧夹头作为刀具的夹持元件，但机床的主轴结构、驱动方式仍然采用与上述锥柄刀具完全相同的结构形式。采用这种结构模式，在实际数控加工中，尤其是在需要超高速主轴、主轴的径向、轴向尺寸都很小、没有足够的换刀空间的微细加工场合中实现自动换刀将会是很困难的，如果实施自动换刀将使机床成本大幅度提高 。 金属切削机床的高速化已成为机床发展的重要方向之一，因此，快速换刀技术已经成为高速加工中心技术的重要组成部分。新技术和新方法在不断地出现和改进，其目的 只有一个，即在准确可靠的基础上，缩短换刀时间，全面提高高速加工中心的切削效率。 我国数控机床制造业起步较晚，而如今 ， 各机床厂家正力图寻求走具有自主知识产权的发展道路，在引进与国外机床厂商合资合作的形式中，消化吸收，逐步掌握国外的先进技术，并把它融人到自己设计开发的思维中。 经过多年的努力，我国机床制造业通过与国外合作，技术引进以及国家组织攻关等方式，解决了一大批关键性技术，掌握了许多先进的设计手段与制造工艺，机床整体水平进步很大，与国外先进制造水平的差距正在缩小。数控机床是主导性的机床产品，其发展受到国内外有 关政府和工业企业界的高度重视，从而得以迅速发展。 工中心刀库的形式及特点 刀库系统是提供自动化加工过程中所需 的 储刀及换刀需求的一种装置 ， 其自动换刀机构可以储放多把刀具的刀库 ，从而 大幅缩短加工时程，降低生产成本 。 加工中心刀库的形式很多，结构各异 ， 刀库的容量、布局，针对不同的 机床 ，其形式也有所不同 和结构 也各不相同，最常用的有鼓轮式刀库、链式刀库。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 轮式刀库 图 轮式刀库 鼓轮式刀库也称圆盘式刀库，其 刀具环形排列，呈盘状，这种刀库结构简单，适用于刀库容量较少的中小型加工中心， 一 般不超过 32 把刀具。 为了增加刀库空间利用率，可采用双环或多环排列的刀具的形式。但鼓直径越大，转动惯量就增加，选刀时间也就越 长 。 图 轮式刀库的取刀方式 径向取刀形式 ( a )多用于使用斗笠式刀库的立式加工中心和使用角度布置的机械手换刀装置的加工中心；形式 ( b )应用比较广泛，可用于立式和卧式加工中心，换刀可用机械手或直接主轴移动式换刀。由于从布局设计方面的考虑，鼓轮式刀库一般都采用侧向安装的结构形式，若用于机械手平行布置的加工中心时，刀库中的刀袋（座）通常在换刀工作位可作 90 翻转。形式 ( c )适用于小型加工中心，但占有面积较大，刀库安装位置及刀库容量受限制，应用较少，但应用这种刀库可以减少机械手换刀动作，简化机械手结构 ；形式 ( d )为刀具轴线与鼓盘轴线成夹角为锐角的鼓轮式刀库， 一般用于专用加工中心 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 塔式刀库 图 塔式刀库 如图 1.3 a、 b 所示。包括水平转塔头和垂直转塔头两种。所有刀具固定在同一转塔上，无换刀臂，储刀数量有限，通常为 6 8 把。一般仅用于轻便而简单的机型。常见于车削中心和钻削中心。在钻削中心储刀位置即主轴，其外部结构紧凑但内部构造复杂，精度 要求高。 链式刀库 图 式刀库 如图 示，包括单环链和多环链，链环形式可有多种变化，适用于刀库容量较大的场合，所占的空间小。一般适用于刀具数在 30 120 把。仅增加链条长度即可增加刀具数，可以不增加圆周速度，其转动惯量不像盘式刀库增加的那样大。 换刀装置的形式 数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为换刀装置。 刀库换刀，按照换刀过程有无机械手参与，分成有机械手换刀和无机械手换刀两种情况。有机械手的系统在刀库配置、与主轴的相对位置及刀 具数量上都比较灵活，换刀买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 时间短。无机械手方式结构简单，只是换刀时间要长。 无机械手换刀 无机械手换刀时，刀库中刀具存放方向与主轴平行，刀具放在主轴可到达位置换刀时，主轴箱移到刀库换刀位置上方，利用主轴 Z 向运动将加工用毕刀具插入刀库中要求的空位处，然后刀库中待换刀具转到待命位置。主轴 Z 向运动将待用刀具从刀库中取出，并将刀具插人主轴。由此可看出， 必须首先将用过的刀具送回刀库，再从刀库中取出新刀具，这两个动作不能同时进行，因此换到时间较长。 机械手换刀 有机械手换刀的过程中，使用一个机 械手将加工完毕的刀具从主轴中拔出，与此同时，另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出，然后两者交换位置完成换刀过程。 采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换到时间。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 总体方案的确定 刀库和换刀装置的功能及要求 功能 刀库用来储存加工所需的刀具，而换刀装置用来从刀库调换加工过程中不同工序所需要的不同刀具。随着自动化技术的发展，逐步发展和完善了各类刀具的自动更换装置，数控车床上采用电（液）换位自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加 工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，实现了大容量储存道具和自动交换道具的功能，这种刀库存放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换道具的时间从几十秒减少到几秒甚至零点几秒。使用这种刀库和换刀机械手组成的自动换刀装置，就成为加工中心的主要特征。 基本要求 （ 1）满足工艺要求。 机床依靠刀具和工件间相对运动形成工作表面，而加工工件表面、形状和表面位置多种多样，要求刀库上能够布置足够多的刀具，换到时间短，能够方便而正确地加工个工件表面。为了实现在工件上一次安装中完成多工序加工，要求刀库可以方便地转位。 （ 2）保证足够的重复定位精度。 在刀库上安装刀具是还应能精确地调整刀具的位置，采用自动换刀装置时，应能保证刀具交换前后都能处于正确的位置，以保证刀具和工件间准确的相对位置。而且精度保持性良好，以便长期保持刀具的正确位置。 （ 3）具有足够的刚度。 由于刀具的类型、尺寸各异，刀具在自动交换过程中方向变换较为复杂，因此刀库和换刀机械手都必须有足够的刚度，以使换刀过程平稳。 （ 4）提高可靠性。 由于自动换刀装置在机床工作过程中，使用频繁，所以必须充分重视它的可靠性。 （ 5）缩短换到时间。 刀库及其自动换刀装置是为 了提高机床的自动化而设置的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以利于提高生产率。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 （ 6）操作方便和安全。 换刀装置是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀库设计好坏的指标。 主要设计参数 安装形式：侧挂式刀库 刀具刀座数： 24 把 最大刀具直径： 40 到时间： （刀具到刀具） 平均重量： 7 盘最低转速： 60 r/轴鼻端刀具形式： 据刀具形式及最大刀具直径， 采用单环排列方式排放 ，每把刀之间间隔 10 初选刀库直径为 618 刀库和换刀装置设计方案 加工中心与一般数控机床的显著区别是具有对零件进行多工序加工的能力 ,即能在一次装夹中自动完成铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹和内槽加工等。其之所以有这种加工能力 ,就是因为它有一套自动换刀装置。自动换刀装置是指能够自动完成主轴与刀具储存位置之间刀具交换的装置。自动换刀装置的主要组成部分是刀库、机械手和驱动装置。刀库的功能是存储刀并把下一把即将要用的刀具准确地送到换刀位置 ,供换刀机械手完成新旧刀具的交换。当刀库容量大时 ,常远离主轴配置且整体移动不易 ,这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构 来执行换刀动作。完成此功能的机构包括送刀臂、摆刀站和换刀臂 ,总称为机械手。具体来说 ,它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置 ,一般由步进电机或液压 (或气液机构 ) 或凸轮机构组成。 刀库的传动方案 刀盘采用轮辐式结构，仅仅决定这个是不够的，最重要的是刀盘直径、刀爪尺寸和夹块的设计。刀库转动定位机构主要是用来驱动刀库的分度回转运动，保证刀库的可靠性。通过查阅资料及认真分析、讨论，决定采用蜗轮蜗杆机构。 刀库容量为 24 把刀， 刀库的回转驱动电机的选择 时 ,考虑由摩擦引起的负载转矩和各负载的转动惯量，蜗轮蜗杆机构的定位精度不高，而且 在运行过程中不需要调速 所以决定采用交流伺服电机 进行驱动 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 刀库传动示意图 这种设计方案 此种设计方案 不仅结构简单，而且 可 以 提高输出轴的传动平稳性能，即提高刀盘的运转平稳性。 换刀装置的刀具选择方式及控制方案 根据设计参数要求，采用机械手进行道具交换，并且采用单臂双爪机械手。 目前在数控机床上用得较多的就是单臂双爪式机械手，也叫扁担式机械手。这种类型的机械手换刀特点是机械手同时抓取主轴和刀库上的刀具，回转 180 度，同时放回和装入刀具，换刀时间短，较为常用，多用于刀座与主轴轴线平行的场合。 图 单臂双爪机械手 考虑到刀具刀座数较少，选刀方式根据就近选刀原则，利用可编程控制器实现就近选刀换刀的控制，以追求最短的换刀时间。主轴上换来的新刀号及换回刀库上的刀具号，均在 种控制方式需要在 长度和表内设置的数据与刀库的位置数和刀具号相对应，从而消除了由于识刀装置的稳定性、可靠性带来的选刀失误。 首先通过程序检测当前位置的刀号，其次检测系统需要 调取的刀号，将两者相比较，通过所编的 序来决定电动机的正、反转，以实现就近选刀这一方法。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 机械手驱动方式 通常单臂双爪式机械手的拔刀、插刀动作由液压缸动作来完成。这种驱动方式的重点是要保证液压缸的密封性和缓冲性能，液压缸活塞的密封松紧要适当，太紧了往往影响机械手的正常工作，要保证既不漏油又使机械手能灵活动作。液压缸活塞驱动的机械手，每个动作结束之前均需要设置缓冲机构，以保证机械手的工作平稳、可靠。缓冲机构可以是小孔节流，可以是针阀，可以使楔形斜槽，也可以是外接节流阀或缓冲阀。这里我们选用缓冲阀。为了使机械手工作平稳可靠，除了需要设置缓冲机构外，还要考虑尽可能要减小机构的转动惯量。惯量与物体的质量、旋转半径的平方成正比，因此要尽可能采用密度小、质量轻的材料制造有关零件，并尽可能减小机械手的回转半径。监狱液压缸驱动的机械手需要采用严格的密封和复杂的缓冲机构，而且控制机械手动作的电磁阀都有一定的时间常数，因此换刀速度较慢。 近年来，出现了凸轮联动式单臂双爪机械手。这种机械手的优点是由电动机驱动，不需要复杂的液压系统和其密封、缓冲机构，没有漏油现象，结构简单、 工作可靠。同时机械手的手臂回转和插 刀、拔刀的分解动作是联动的，部分时间常数可以重叠，从而大大缩短了换到时间，以便不超过 。 本设计要求刀具到刀具换刀时间为 ，因此采用液压缸进行机械手的驱动即可达到设计要求。 电动机的初选 选择电动机类型 刀库驱动所需要的电机需要频繁启动以及较高的控制精度，因此根据刀库的工作条件和要求，选择交流伺服电动机。 交流伺服电动机的优点是： （ 1）由于采用交流伺服电机驱动刀库传动，大幅度简化了结构，提高了机械部分的易维修性和可靠性。 （ 2） 由于伺服电机速度通过参数设定，可人为控制分 度启动时的加速曲线特性和停止时的减速曲线特性，使分度速度提高的同时，动作更平滑、稳定、刀盘定位精度更高。 （ 3）由于伺服电机具有优良的过载特性，在刀具重量大或者刀具安装偏载的极端情况下，也能胜任正常的工作。 （ 4）伺服电机有着 高性能的实时自动调整增益。 根据负载惯重的变化，与自适应滤波器配合，从低刚性到高刚性都可以自动调整增益。因旋转方向不同而产生不同负载转矩图 凸轮联动式单臂双爪机械手 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 的垂直轴情况下，也可以自动进行调整。具备异常速度检测功能，因此可以将增益调整过程中产生的异常速度调整到正常。通过显示面板操作，可以在监控实时调整情况的同 时，进行设置和确认。 伺服电机参数 根据刀库规格初步选定伺服电机： 型号： 15 功率 w 额定扭矩 6 N m 最大输出扭矩 18 N m 满载转速 1600 r/动惯量 J： 900 盘转速 N： 60 r/确定传动装置的传动比 由选定电动机满载转速 库 主动轴转速 n,可得传动装置总传动比为 ： 2 电机满载转速 600r/传动比 式 (1)得： = 据机械设计手册选取蜗轮蜗杆的标准传动比 此刀库输出转速=r/确定各轴转速、转矩和功率 各轴转速 电动机初轴与蜗杆通过联轴器连接，因此蜗杆转速 电动机转速 同，即 1600 r/r/ （ 2 式中： 电动机满载转速； 电动机至 蜗杆 的传动比。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 蜗轮转速 由式 （ 2得 蜗轮转速 r/ 各轴输入功率 1 22 （ 2 1212 1212 （ 2 式中 1、 2 分别为轴承、齿轮传动的传动效率。 在此论文中、分别为轴承、蜗轮蜗杆的传动效率。 取 2 =承 ), 1 =轮精度为 8 级 ,不包括轴承效率 )。 由式 （ 2及 （ 2得 蜗杆 1 2 2 =w 蜗轮 1212 1 =w 各 轴的输出功率则分别为 各轴的 输入功率乘轴承效率 则 蜗杆的输出功率 = w 蜗轮的输出功率 w 各轴的输入转矩 221d1 N m （ 2 1212 N m （ 2 蜗杆的输入转矩 221d1 = 6 1 m 蜗轮的输入转矩 1212 = m 各轴的 输出转矩则分别为各轴的输入转矩乘轴承效率 蜗杆的输出转矩 = m 蜗轮的输出转矩 m 电动机的校核 计算目的 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 所选用的伺服电机在最大不平衡扭矩下进行加速启动时，电机输出的最大扭矩时期额定扭矩的 3 倍以内。 刀库参数 （ 1） 刀盘尺寸（直径厚度） ： 618 100 2） 刀盘重量： 22/ 4 / 4 7 . 81000D H d (钢的比重 7.8 g/223 . 1 4 6 1 . 8 / 4 1 0 3 . 1 4 4 8 . 8 / 4 5 . 7 7 . 81000 = 118 （ 3）转位加速时间： t = 0.2 s 计算并校核伺服电机的扭矩 T：计算伺服电机必须的扭矩 T = (m) (2式中： 传动链摩擦扭矩 (m) 不平衡扭矩（必要的扭矩） (m) 启动扭矩（加速扭矩） (m) （ 1） 计算 W R / i (2式中： W 工件的重量 (m) R 工件回转半径 (m) 所有轴承的摩擦系数（取 则 118 kgm （ 2） 计算 (23 )/ i (2极端情况一般不可能出现，故重量可减少计算。取 W = 7 则 = (+) / m) （ 3） 计算 23 375G D (2则 2231 1 8 0 . 3 0 9 63 7 5 3 7 5 0 . 2 2 0 . 5G D = kgm 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 因 由工件的重量 工件的回转直径得来，由于最大的 源于刀库刀盘，而其计算值仅有 kgm，故其他的如轴、蜗轮蜗杆等的 忽略不计，仅将刀盘的量取大值就可以。（取 m） （ 4）计算伺服电机 必须的扭矩： T = kgm = m （ 5）