卧式加工中心换刀装置设计【毕业论文答辩资料】

需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 毕业设计说明书 卧式加工中心自动换刀装置设计 学生姓名： 三号楷体 学号： 三号楷体 学 院： 三号楷体 专 业： 三号楷体 指导教师： 只写名字，三号楷体 年 月 （小二号居中） 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 自动换刀机械手的设计 摘要 卧式加工中心在加工中用得很广泛，卧式 加工中心利用刀库实现换刀 。 而自动换刀装置是卧式加工中心的重要组成部分之一，它的功能的好坏，关系到整个卧式加工中心的功能。 自动换刀装置可分为五种基本形式，即转塔式、 180 回转式、回转插 入 式、二轴转动式和主轴直接式。 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 。 在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 。 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 后刀库中待换刀具转到待命位 置 。 主轴 将刀具插人主轴。 关键词： 卧式加工中心 自动换刀装置 刀库 机械手 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 in of is by is an of is or on be 180 of in to of in a In a be a is do in at of to be to by in by to be to Z to 要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 目 录 1 前言 . 6 加工中心简介 . 7 工中心的发展史 . 7 工中心的优点 . 7 工中心的发展动向 . 8 自动换刀装置的简介 . 8 动交换刀具的由来 . 8 动换刀的形式 . 9 库的功能和形式 . 11 套准停措施 . 13 2 机械手的设计 . 14 机械手的原理 . 14 设计方向 . 16 概要 . 17 机械手的组成与分类 . 17 机械手的手部 . 17 械手手部的设计 . 18 械手其它零件以及尺寸的确定 . 23 螺栓的确定 . 23 其它尺寸的确定 . 24 轴与机械手配合部分的直径的确定 . 24 液压泵的选择 . 26 3 驱动系统的设计 . 27 转位机构的设计 . 27 械手转过 75 度的驱动机构 . 28 机械手转过 180 度的驱动机构 . 32 动机构其它零件的设计 . 35 液压缸的选择 . 36 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 的结构设计 . 37 拟定轴上零件的装配方案 . 37 确定轴的各段直径与长度 . 38 轴的自动夹紧机构以及主轴准停装置的设计 . 39 主轴结构 . 39 刀具的自动夹紧机构 . 39 轴准停装置 . 39 刀装置的液压机构分析 . 40 压分析 . 40 刀动作顺序表 . 42 4 . 44 小结 . 48 参考文献 . 49 致谢 . 50 买文档送全套图纸 扣扣 414951605 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 1 前言 卧式加工中心的 自动换刀装置（机械手），是加工中心的重要组成部分之一，我做的这个毕业设计就是关于这方面的问题。 我的设计任务是：对卧式加工中心自动换刀机械手进行设计。它主要包括以下几方面的内容： (1)机械部分的设计 (2)液压部分的设计 (3)自动控制方面的设计（ 这个自动换刀装置是针对 过对实验室中这台机床的研究以及查阅相关资料。在老师的指导下，我很快就有了一个明确的思路。我的思路如下：首先，对机械手部分进行设计，接下来是液压部分，最后是 个机械手只有 2个方向的自由度，既： 的转动一移动，通过这 2个自由度，我可以完成整个换刀的操作。其中转动是用来交换刀具的位置，进而为拔刀与插刀做准备。而移动是用来完成拔刀与插刀的动作的。就是说整个运动过程如下：机械手转到指定的位置，然后在一系列的控制之下交换刀具以及插拔刀具。而我这个设计与实验室中的那台加工中心的自动换刀装置有一些区别，就是实验室中那台加工中心的自动换刀装置采用的是气压控制，而我在这个设计中采用的是液压控制。 在我这个设计中，我遇到了一些问题，就是力不好确定，以及许多尺寸不容易准确的确定下来，我采用了一个很笨的方法，就是直接对 得出来，我所要的尺寸。通过这个设计中，我对自己的知识有了很明确的认识，看到了自己的许多缺点，对自己起到了一个查漏补缺的作用。 同时，我得到了程老师的很多指导，如果不是程老师的话，我根本不知道从那里入手。在做论文的过程中，我出了很多错误，因为这，得到及时的更正。谢谢老师。 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 从这次做毕业设计中，我对 后，我对再复杂的图，都不会有恐惧感，在液压方面也温习了以前学到的知识。 虽然这样，我做的这个毕业设计，肯定还有很多的错误，希望老师们指 正。 加工中心简介 工中心的发展史 加工中心的发展已有 50年历史，自从 1952年世界上出现第一台上数控机床后，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。 它用易于修改的数控加工程序进行控制，因而比大批量生产中使用组合机床生产线的凸轮、开关控制的专用机床有更大的柔性，容易适应加工关键品种的变化，进行多品种加工。 所谓加工中心，普遍上指在工件一次装卡中，能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。更为明确的说法是：加工中心就是自动换刀数控镗铣床 。 现代加工中心的内容包括：它是在数控镗床或数控铣床的基础上增加自动换刀装置，可使工件在一次装卡中，能够自动更换刀具，自动完成工件上的铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等工序的数控机床。加工中心上如果带有自动分度回转工作台或自动转角度的主轴箱，可使工件在一次装卡中，自动完成多个平面和多个角度位置的多工序加工。加工中心上如果带有交换工作台，工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，另外的工件在装卸为止的工作台上进行装卸，不影响加工的进行。 工中心的优点 加工中心的优点很多，主要有以下几点： 提 高加工质量 工件一次装夹，即可实现多工序集中加工，大大减少多次装夹所带来的误差。而且，由于是数控加工，较少依赖操作者的技术水平，可得到相当高的稳定精度。 缩短加工准备时间 减少在制品 减少刀具费用 最少的直接劳务费 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 最少的间接劳务费 设备利用率高 加工中心设备利用率为通用机床的几倍。另外，由于工序集中，容易适应多品种、中小批量生产。 工中心的发展动向 总的来说，加工中心是向高速化、进一步提高精度和愈发完善的方向发展。 （ 1）高速化 加工中心的高速化，是指主轴转速 、进给速度、自动换刀和自动交换工作台的高速化。 （ 2）进一步提高精度 加工中心的主要精度指标是它的运动精度指标。而运动精度主要以坐标定位精度、重复定位精度以及铣圆精度来表示。 自动换刀装置的简介 动交换刀具的由来 自动交换刀具系统（ 称 统是由刀库、机械手及相应的控制系统组成。具有钻、镗、铣功能的数控、铣床，一般刀具都安装在机床的主轴上，工件安装于工作台上。为了使工序能够高度集中，尽量节省辅助时间，于是在数控铣床上增加自动交换刀具系 统（含刀库、机械手及其控制）便形成了加工中心（ 初期曾采用转塔头式的换刀方式，它的电动机、变速箱、转塔头做成一体，结构紧凑：但变速箱工作时的振动和热量都直接传到转塔上来，而且每把刀都需要一个主轴所以它的刀具数量、尺寸、结构都受到很多限制。 采用单独存储刀具的刀库，刀具数量可以增多，以满足加工复杂零件的需要，这时的加工中心只需一个夹持刀具进行切削的主轴，所以制造难度也比转塔刀架低。 动换刀的形式 （ 1）无机械手的换刀方式 小型加工中心有采用无机械手换刀的方式，如图 1的刀库在立柱的 正前方上部，刀库中刀具的存放方向与主轴方向一致。换刀时主轴箱带着主轴在立柱导轨上上升至换刀位置，主轴上的刀具正好进入刀库的某一个刀具存放位置，随即主需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 轴内夹刀机构松开，主轴刀库顺着主轴方向向前移动，从主轴中拔出刀具，然后刀库回转，将下一步所需的刀具转到与主轴对齐的位置；刀库退回，将新刀具插入主轴中刀具随即被夹紧，主轴箱下移，开始新的加工。这种自动换刀系统，刀库整体前后移动不仅刀具数量少，而且刀具尺寸也较小。这种刀库旋转是在工步之间进行的，即旋转所需的辅助时间与加工时间不重合。 （ 2）机械手的换刀方式 这是加工 中心普遍采用的一种方式。它的种类很多，可分为单臂单手式机械手、回转式单臂双手机械手、双手式机械手、多手式机械手四类。 单臂单手式机械手包括机械手只作往复直线运动的机械手和只作往复摆动的机械手。前者用于刀具主轴与刀库刀座的轴线平行的场合。它的特点是机械手的插、拔刀运动和传递刀具的运动都是直线运动，因而无回转运动所产生的离心力，所以机械手的握刀部分可以比较简单，只需两个弹簧卡销卡住刀柄。而后者，如果是机械手摆动轴线与刀具主轴平行，它主要用于刀库换刀位置的刀座的轴线与主轴轴线相平行的场合。如果是机械手摆动轴线 与刀具主轴垂直，它用于刀库换刀位置的刀座和轴线相垂直的场合。总之，这种单臂单手式机械手结构简单。在转塔头带刀库的换刀系统中，不与主轴的换刀时间重合，故可用这类机械手。它也可在刀库与主轴头上的换刀机械手之间传递刀具。但是，这类机械手换刀动作均需顺序进行，时间不能重合，从而换刀时间较长。 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 图 1无机械手的换刀顺序 回转式单臂双手式机械手包括两手部成 180和两手部不成 180两种。两手部成 180的又可分为固定式双手、可伸缩式双手和剪式双手三类。这类机械手可以同 时抓住和拔、插位于主轴和刀库里的刀具，与单臂单手式机械手相比，可以缩短换刀时间。 双手式机械手可分为机械化只作往复直线运动的机械手和有回转运动的机械手两大类。前者包括双手平行式和双手交叉式，这种机械手适用于容量较大的、距主轴较远的，特别是分置式的刀库的换刀。机械手有回转运动的，在主轴处换刀时转角为 180，可用于刀库距主轴较远者；在主轴处换刀时转角为 90，适用于刀库距主轴较近者；在主轴处换刀时转角 G (2即： NG/u=7*72N 从上式我们可以得到活动销对刀具的压力大于 572牛 又由于活动销对刀具的力是由于弹簧压缩所产生的，所以 P=N572N (2联立（ 1）（ 4）二式可以得到 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 P=N=72N 所以 k=N/72/ k=21N/ 4）活动销的选取与验证 由于活动销承受的压力较 大，所以选用 45 钢（调质） 活动销的受力图如下 如图： N 是刀具对活动销的支撑反力 N =P=1N/f 是由于摩擦的结果 是由于活动销阻止刀具下掉掉力的作用反力，与 方向向上 大小为： f =f= 为弹簧对活动销的作用力 F =1 是由固定活动销的外壁产生的，用来限制活动销向下的运动、向上的运动、转动等 5个自由度的。 由于这个物体（活动销）在力的作用下平衡，根据力的作用力与反作 用原理，可得： F =N F1=f 所以得到： F1=f =要与 f 的方向相反，因此方向向上。 对 ，活动销受到 F 与 N 这对力的同时作用 所以产生的内部应力为 所以2需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 确定上式中各个参数值： 1） 由于材料为 45钢 ，所一许用应力为 58） =f =以（ 2中 又因为42 （ 2 所以 24 N （ 2 即： 所以取 d=12由于活动销还受到剪的作用，所以： F （ 2 由（ 6）（ 8）二式我们可以得到如下的公式： 4 （ 2 确定上式中的各个参数值： 1） 45钢的许用剪应力为 02） 剪切力 f =以（ 9）式可以计算为： M p 0 844 （ 2 由（ 7）与（ 10）得到的 取 d=12要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 下面来确定销的长度 由于在 f 的作用下会产生一个力距 M 大小为 M= （ 2 上式中的 度 在 它的 2个端点弯距最大为 M=以 弯曲应力为（ 2 上式中 由于截面为圆形所以 W=322/ 64/2/34 z 所以333232 （ 2 由于 45钢的弯曲应力为 40以 （ 2 即 M p 3 所以 ,由上式得 l 145据销的系列与上式所计算的长度，取 l=112以活动销就确定了 为 （ 5）锁紧销的选取与验证 由于锁紧销的要求没有活动销高，联想到它的 使用状况，所以选用 20钢 它的剪应力 5 所以（ 2 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 42 （ 2 （ 2 由（ 15）（ 16）（ 17）式可以得到 取 d=7据销的系列选取长度为 40所以销的类别为 7*40 械手其它零件以及尺寸的确定 机械手的手部是通过螺栓连接在手腕上面的，又因为手部与手腕的结合要能精确的固定相对位置，所以选用普通螺栓来连 接。我这里采用了 3螺栓组成螺栓组来连接的 现在对这 3螺栓进行受力分析 这 3个螺栓同时受到力 F=由于这些螺栓都采用的是普通螺栓 所以各个螺栓的受力分别为 F = 1）下面我对其中的一个螺栓进行验证 000（ 2 上式中 ，这里接合面数为 2，所以 i=2 防滑系数 1.1里取于接触表面的表面状况为干燥的表面，所以取 f=以（ 18）式可以如下计算 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 s 9 90 又因为螺栓危险截面的拉伸条件公式： 20 2 由于螺栓的材料为中碳钢，所以 它 的许用拉伸应 =43以（ 19）式可以如下计算： =于我只是大概的计算，所以实际取螺栓值的时候取大一点 我们取 d=14以采用 关于螺栓的排布，我采用如下的方式： 图 2螺栓的排列 下面，我们来确定这些螺栓在机械手中的位置 右边第一个螺栓它离下底面的距离为 301 y 到右端面的距离 101 x 右 边第二个螺栓它离下底面的距离为 102 y 到右端面的距离 302 x 右边第三个螺栓它离下底面的距离为 103 y 到右端面的距离 553 x 其它尺寸的确定 机械手的手腕部分我选用 20碳钢它的厚度为 30的宽度为 80的整个长度为 64059 与机械手配合部分的直径的确定 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 1）材料的确定 由于轴是重要的零件所以选用 45钢 2）按扭转强度来计算轴径 在轴的结构设计时，通常用下面的这个公式来初步估算轴径 上式中 T 为扭转切应力，单位为 为轴所承受的扭距，单位为 W 为轴的抗扭截面系数 ,单位为 3 单 位为 为计算截面处的直径 ,单位为 T 为许用扭转应力 ,单位为 上式可以得到轴的直径为 : 30333 00 00 0 T (2确定上式的值 : (1) 确定 0A 查表得 0A =126里取 0A =110 (2) 确定转速 n 因为在 中 ,换刀时间为 个过程有 10 个动作 ,按每个动作的时间相等来计算 所以每个动作的时间 Tt s 而机械手在交换刀具的时候转过 180 度的时间也为 以在这个时候 ,它的转速最大 ,我们只要用最大转速去计算轴径就好了 因为轴转过 180度的时间为 以转过一 周所用的时间为 要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 所转速就为 m (3) 由于所产生的功主要是用来使机械手转动 在转 180度的时候 p=M 其中 M=们取 20以 M= 而 4 s 所以 p=M =192.5 1 74 所以 (21)式可以表示为 : 我们取 d=30 根据花键系列选择： d=28于轴与 机械手的连接 : 轴与机械手连接采用花键 压泵的选择 根据实践，主轴夹紧松开所用的液压缸所需的流量最大，因此，这里只需计算主轴夹紧松开的液压缸的流量即可。 主轴夹紧松开： 自动换刀装置的整个换刀过程所需的时间 ,共有 10个动作， 则每个动作的时间平均为 t = 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 即主轴松开刀具的时间为 手册得每个碟形弹簧厚度 9.0 ，自由高度 H= 根据设计共有 22 个弹簧组成 每个蝶形弹簧的极限行程 0h h 速度 )/(3 （ 1）拉钉松开刀具： 进油口油腔的面积： )(4 22 = )03 22 )(3 m 油缸的容积效率 97.0v 则此时液压缸的流量为 11432 )/( 3 （ 2）拉钉夹紧刀具： 进油口油腔的面积： )(3222 则此时液压缸的流量为 )/(43222 比较（ 1）、（ 2）两者的计算结果，取 3 齿轮液压泵的容积效率 v，总效率 刀盘的转速为 m ( 0 电螺杆液压泵的排量 vB 310 )/(3 3 驱动系统的设计 转位机构的设计 在整个运动的过程中 ,转位有 3次 ,第一是机械手转过 75度 ,第二次是机械手转过 180度 ,第三次是机械手反向到原来的位置 . 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 这些转位机构主要是由齿轮齿条机构来实现的 ,它们的动力源来自于液压缸 ,对液压港通入一定的压力油 ,使活塞向预定的方向运动齿轮条是与活塞杆是做成一体的 械手转过 75 度的驱动机构 这个机构由一般个液压缸、齿轮条、齿轮以及连接盘、连杆组成的，当发出机械手抓刀的信号时，液压缸的后腔就通入压力油，活塞杆推动着齿轮条向前移动，使得齿轮转动，齿轮转动的时候，带动连接盘与连杆转动，而连杆通过花键连在机械手上，所以当活塞通入压力油的时候，机械手就相应的转动。 （ 1）下面我们首先来选择与计算液压缸 由于机械手的整个换刀时间为 个过程有 10 个动作 ,按每个动作的时间相等来计算 所以每个动作的时间 Tt s 即：机械手转过 75度的时间为 齿轮的齿数为 60，模数为 料为 60么齿轮的分度圆直径为 d=0 齿轮的分度圆周长为 S= 所以齿轮转过 75 度走过的距离 L= 7 23 6 0753 6 075 0000 因为齿轮齿条是配合的所以 齿轮条在这个运动中也走过 塞杆的速度为 设液压缸的溶积效鱼为 ，这 里取 设液压缸的额定流量为 q 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 所以 2 又 42（ 2 由上 2式可以得到 （ 2 因为 q=10 m/s 所以（ 24）可以如下计算 所以选择 d=35以选择液压缸，它的 行程为 塞的直径为 35 （ 2）确定齿轮齿条机构其它尺寸 首先确定齿宽系数 d 由于齿轮的二支承相对齿轮做对称布置，所以取 d =1。 由于 * （ 2 由于我都采用的是标准直齿轮（压力角为 20度） 所以 1*所以 *22 =90+2 因为 a 160 所以齿轮做成实心 由于这个齿轮通过连杆与连接盘来传递运动的，所以齿轮做成如下的结构： 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 图 3大齿轮的结构 其中取 0么 11以与活塞杆连接在一起的齿轮条的直径就为 35齿轮条固定在一个滑槽中，滑槽的结构如下： 0 0 H=8 L=80 图 3固定与大齿轮配对的齿轮条的滑槽 齿轮的齿距（分度圆） 由于齿轮与齿轮条是配合一起运动的 所以齿轮的齿距（分度圆）就是齿轮条的齿距（分度圆） 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 即： 齿轮齿条 由于液压缸的行程 l=以齿轮条的齿 轮数 因为要留一些距离，还有齿轮与齿轮条的齿轮数互为质数，所以取齿轮条的齿轮数为 z=15。 （ 3）与齿轮齿条一起运动的零件以及尺寸的确定 1）连接盘的尺寸的确定 02=703=904=1301=202=403=614=11mm d=6接盘是空套在齿轮上面的， 2）传动盘以及尺寸的确定 02=603=701=102=30的直径 要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 图 3传动盘 3) 把传动盘与连杆（轴）连接起来的花键的确定 02=26=10 3花键 械手转过 180 度的驱动机构 这个机构由一般个液压缸、齿轮条、齿轮以及连杆组成的，当发出机械手交换刀具的信号时，液压缸的后腔就通入压力油，活塞杆推动着齿轮条向前移动，使得齿轮转动，齿轮转动的时候，带动连杆转动，而连杆通过花键连在机械手上，所以当活塞通入压力油的时候，机械手就相应的转动。 （ 1）下面我们首 先来选择与计算液压缸 由于机械手的整个换刀时间为 个过程有 10 个动作 ,按每个动作的时间相等来计算 所以每个动作的时间 Tt s 即：机械手转过 180间为 要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 取齿轮的齿数为 48,模数为 料为 60么齿轮的分度员直径为 d= 齿轮的分度圆周长为 S= 所以齿轮转过 180 度所走的距离 L= 000 因为齿轮齿条是 配合的所以 齿轮条在这个运动中也走过 塞杆的速度为 45 设液压缸的溶积效鱼为 ，这里取 设液压缸的额定流量为 q 所以 2 又 42（ 2 由上 2式可以得到 （ 2 因为 q=10 m/s 所以（ 28）式如下计算 0 2 2 0 所以选择 d=30m 所以选择液压缸，它的 行程为 径为 30 （ 2）确定齿轮齿条机构其它尺寸 首先确定齿宽系数 d 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 由于齿轮的二支承相对齿轮做对称布置，所以取 d =1。 由于 * （ 2 由于我都采用的是标准直齿轮（压力角为 20度） 所以 1*所以 * =72+ 因为 a 160 所以齿轮做成实心 由于这个齿轮通过连杆与连接盘来传递运动的，所以齿轮做成如下的结构： 图 3小齿轮 其中取 5么 27以与活塞杆连接在一起的齿轮条的直径就为 30齿轮条固定在一个滑槽中，滑槽的结构如下： 0 0 0 0 25 0 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 图 3 固定与小齿轮一起配对的齿轮条 齿轮的齿距（分度圆） 由于齿轮与齿轮条是配合一起运动的 所以齿轮的齿距（分度圆）就是齿轮条的齿距（分度圆） 即： 齿轮齿条 由于液压缸的行程 l=以齿轮条的齿数 因为要留一些距离，还有齿轮与齿轮条的齿轮数互为质数，所以 取齿轮条的齿轮数为 z=27