（机械制造及其自动化专业论文）高速加工中心自动换刀装置的研发.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 高速加工中心自动换刀装置是高速加工中心的重要功能部件，其主要作用在于减少加 工过程中的非切削时间和多次装夹工件引起的误差，以提高生产效率、降低生产成本，进 而提高机床乃至整个生产线的生产效率。目前主流的高速加工中心自动换刀装置中，弧面 分度凸轮是关键的组成零件。与国外成熟的技术相比，我国在弧面分度凸轮的研究上还存 在一些关键技术问题需要解决，如：优良运动曲线选择、机构运行的可靠性、换刀机构复 合凸轮的设计、凸轮的精密加工等。另外弧面分度凸轮加工困难，售价昂贵，后续的维护 费用也不容忽视。 为实现高速加工中心关键功能部件的国产化，本文以设计一种能代替弧面分度凸轮的 高速加工中心自动换刀装置为目标，开展了新型高速加工中心自动换刀装置的机构设计、 从动件运动规律的设计、建模及运动仿真分析等研究工作。 论文的主要内容如下： 首先，以理论分析为基础，提出设计方案。主要包括自动换刀装置的机构设计、运动 循环图的设计、凸轮轮廓曲线方程的分析及选择等。 其次，建模装配。使用三维软件p r o e n g i n g e e r 对自动换刀装置建模装配。 最后，对模型仿真分析，证实所设计的系统具有良好的运动性能并达到了预期的设计 目的。 关键词：高速加工中心；自动换刀装置；研发；仿真 第页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m a t i c a lt o o lc h a n g e ri s h i g l ls p e e dm a c h i n i n g c e n t e r s i m p o r t a n tf u n c t i o n a l c o m p o n e n t ，i t sm a i nf u n c t i o ni s t h a td e c r e a s e sn o - c u t t i n gt i m ew h e np r o c e s s e sa n de r r o r sb y m a i n l yt i m e sc l a m p i n g t h a tc a ni n c r e a s ep r o d u c t i v i t y , d e c r e a s ec o s to fp r o d u c t i o na n dt h e n i n c r e a s ep r o d u c t i v i t yo fh o l ep r o d u c tl i n e a tt h em o m e n t ，f a s h i o n a lh i 曲s p e e dm a c h i n i n g c e n t r e sa u t o m a t i ct o o lc h a n g e r , c o n v e xg l o b o i d a lc a mi sc r u c i a lp a r t c o m p a r ew i t hf o r e i g n t e c h n o l o g y , w eh a v en o ts o l v e ds o m ek e yt e c h n o l o g i e s ，s u c ha ss e l e c t i n gf i n em o t i o nc u r v e ， r e l i a b i l i t yo fm e c h a n i s m ，d e s i g no fc a m ，p r e c i s ep r o c e s so fc a ma n ds oo n m o r e o v e r , c o n v e x g l o b o i d a lc a m sp r o c e s si sd i f f i c u l t ，c o s ti sh i g h ，m a i n t e n a n c ec o s ti sa l s on o tt ob en e g l c t e d i no r d e rt op r o c e s sh i g l ls p e e dm a c h i n i n gc e n t r e sk e yc o m p o n e n t , t h i sp a p e ri st od e s i g na h i g l ls p e e dm a c h i n i n gc e n t r e sa u t o m a t i ct o o lc h a n g e r t h er e s e a r c hw o r ki n c l u d e so ft h e d e s i g no fn e wt y p eh i g hs p e e dm a c h i n i n gc e n t r e sa u t o m a t i ct o o lc h a n g e r , t h ed e s i g no ft h e f o l l w o e r sm o v e m e n tr u l e ，m o d e l i n ga n dm o t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i sa n ds oo n m s p a p e rm a i n l yc o m p l e t e dt h ew o r ka sf o l l o w ： f i r s t , b a s eo nt h e o r ya n a l y s i s ，p r o s e n t i n gd e s i g ns c h e m e m a i n l yi n c l u d eo fd e s i g n i n g m e c h a n i s mo fa u t o m a t i ct o o lc h a n g e r , d e s i g n i n gm o t i o nc i r c u l a t i n gc h a r t ，a n a l y s i n ga n d s e l e c t i n gc a n l sm o v e m e n t r u l ea n ds oo n ； t h e n , m o d e l i n g ，a s s e m b l i n g u s i n gt h r e e - d i m e n s i o n a ls o f h v a r ep r o e n g i n g e e rt om o d ea n d a s s e m b l eo f a u t o m a t i ct o o lc h a n g e r l 嬲t ，s i m u l a t i n ga n da n a l y s i s i n gt ov e r i f yt h i ss y s t e m sm o t i o np e r f o r m a n c em e e t st h e r e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：h i g l ls p e e dm a c h i n i n gc e n t r e ；a u t o m a t i ct o o lc h a n g e r ；r e s e a r c h ；a n l y s i s 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 自动换刀装置概述 在实际生产中，大多数零件都要进行多道工序的加工。当用数控机床实现多工序加工 时，真正用于切削工件的时间只占整个作业时间的3 0 左右，其余大部分时间都花在安装 和调整刀具、装卸和搬运零件及检查加工精度等辅助工作上。这类多工序的数控机床在加 工过程中要使用多把刀具。为了进一步提高生产效率、改进产品质量以及改善劳动条件， 数控机床正朝着在一台机床的一次装夹中完成多道工序加工的方向发展。为此，在数控机 床上必须配备自动换刀装置( a u t o m a t i ct o o lc h a n g e r ，简称a t c ) 。 ( 1 ) 自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围 各类数控机床自动换刀装置的具体结构取决于机床的形式、工艺范围以及刀具的种类 和数量等因素。常见的自动换刀装置主要有回转刀架换刀、更换主轴头换刀、更换主轴箱 换刀和带刀库的自动换刀系统等几种形式，见表1 1 n 3 。 表1 1 自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围 类型特点适用范围 转 回转刀架多为顺序换刀，换刀时间短，结构简单、各种数控机床，车削中心机床 塔紧凑，容纳刀具少 刀 转塔式顺序换刀，换刀时间短，刀具主轴都集数控钻床、镗床、铣床 架 中在转塔头上，结构紧凑，但刚性较差， 刀具主轴数受限 刀库与主轴之间直换刀运动集中，运动部件少，但刀库运各种自动换刀数控机床，尤其是对 接换刀动多，布局不灵活，适应性差使用回转类刀具的数控镗铣，钻镗 刀 用机械手配合刀库刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运 类立式、卧式加工中心机床，要根 库 进行换刀动要比刀库作换刀运动的惯性小，速度 据工艺范围和机床特点，确定刀库 式 快容量和自动换刀装置类型，用于加 用机械手、输送装置换刀运动分散，由多个部件实现，运动 工工艺范围广的立、卧式车削中心 配合刀库换刀部件多，但布局灵活，适应性好 机床 有刀库的转塔头换刀装弥补转塔换刀头刀具数量不足的缺点，扩大工艺范围的各类转塔式数控机 置换刀时间短床 ( 2 ) 自动换刀装置应满足的要求 自动换刀装置应该满足换刀时间短且换刀可靠、刀具重复定位精度高，刀具贮存数量 足够，结构紧凑，便于制造、调整、维修，应有防屑、防尘装置，布局合理，机床总布局 美观大方等要求。同时也应具有较好的刚性，冲击、振动及噪声小，运转安全可靠等特点。 1 2 加工中心的机械手换刀方式 加工中心是在普通数控机床的基础上增加了自动换刀装置及刀库，并带有自动分度回 转工作台或主轴箱( 可自动改变角度) 及其它辅助功能，从而使工件在一次装夹后，可以 连续、自动完成多个平面或多个角度位置的钻、扩、铰、镗、攻螺纹、铣削等工序的加工， 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 工序高度集中的设备。 实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式 和它们的具体结构对机床的生产效率和工作可靠性有着直接的影响。刀具的交换方式很 多，一般可分为无机械手换刀和机械手换刀两大类。下面简要介绍机械手换刀方式。 加工中心采用机械手进行刀具交换的方式应用最为广泛，这是因为机械手换刀装置所 需的换刀时间短，换刀动作灵活。图1 1 所示为t h 5 6 3 2 机床自动换刀过程。 钏辅删糊 鞘 峭诗皿审 黼 ( o ( a ) 准备；( b ) 抓刀；( c ) 拔刀；( d ) 换刀；( e ) 插刀：( f ) 复位 图1 1t h 5 6 3 2 机床自动换刀过程 a 首先，刀库将准备更换的刀具转到固定的换刀位置，该位置处在刀库的最下方； b 上一工步结束后，刀库将换刀位置上的刀座逆时针转9 0 。，主轴箱上升到换刀位置后， 机械手旋转7 5 。，分别抓住主轴和刀库刀座上的刀柄； c 待主轴自动放松刀柄后，机械手下降，同时把主轴孔内核刀座内的刀柄拔出： d 机械手回转1 8 0 。； e 机械手上升，将交换位置后的两刀柄同时插入主轴孔和刀座中，并夹紧； f 机械手反方向回转7 5 。，回到初始位置，刀座带动刀具向上( 顺时针) 转动9 0 。，回 到初始水平位置，换刀过程结束。 采用机械手进行刀具交换时，由于刀库及刀具交换方式不同，换刀机械手也有单臂、 双臂等多种形式。 图1 2 为双臂机械手中最常见的几种结构：其中图( a ) 为钩手，图( b ) 为抱手，图( c ) 为伸缩手，图( d ) 为权手。这几种机械手能够完成抓刀、拔刀、回转、插刀以及复位等全 部动作。为了防止刀具掉落，各机械手的活动爪都必须带有自锁机构。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 尸蕊( 母p篙。 墨 芒 。、 t， ， l l绣粕 ki ，啊， 1 _ 夕覃 警轴 刃 艨 油 童轴 ? 磊暨 曩；沲尸! ? 两稀 f f l |夕鬻簧c。刚 ( a ) 钩手；( b ) 抱手；( c ) 伸缩手；( d ) 杈手 图1 2 双臂机械手的常见结构形式 1 3 弧面分度凸轮自动换刀装置概述 弧面分度凸轮自动换刀装置属于机械手换刀，主要由刀库、机械手和驱动装置等部分 组成。刀库的功能是存储加工中心所要用的各种刀具，并在数控系统的控制下，把即将要 用的刀具准确地送到换刀位置，供自动换刀装置完成新旧刀具的交换。刀库配置在主轴附 近，换刀机构在主轴和刀库之间执行换刀动作，完成此功能的机构称为机械手。机械手由 送刀臂、摆刀臂和换刀手臂等部分组成。机械手完成刀具装卸和在主轴头与刀库之间的传 递。而驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的机构。驱动装置一般由电机或液压或气 液机构或凸轮机构组成。它们在数控系统的控制下，驱动刀库和机械手实现刀具的选择与 交换。 1 3 1 弧面分度凸轮机构简介 弧面分度凸轮机构用于两垂直交错轴间的间歇分度步进传动。如图1 3 所示，主动凸 轮1 的基体为圆弧回转体，凸轮轮廓制成凸脊状。从动转盘2 上装有若干个沿转盘圆均匀 分布的滚子，滚子的轴线沿转盘的径向线。当凸轮旋转时，其分度段轮廓推动滚子，使转 盘分度转位，如图( a ) 和( b ) 所示。当凸轮转到其停歇段轮廓时，转盘上的两个相邻滚 子跨夹在凸轮的圆环面凸脊上，使转盘停止转动，如图( c ) 所示，所以这种机构不必附 加其它装置，就能获得很好的定位作用，并且可以通过调整中心距来消除滚子与凸轮凸脊 之间的间隙及补偿磨损。转盘在分度期的运动规律，可按转速、负荷等工作要求进行设计， 所以这种机构特别适用于高速、高精度分度的场合。弧面分度凸轮类似于具有变螺旋角的 弧面蜗杆，转盘相当于蜗轮，滚子相当于蜗轮的齿，所以弧面分度凸轮也有单头和多头及 左旋和右旋之分，凸轮和转盘问的转动方向的关系，可应用类似蜗杆蜗轮传动的方法来判 断。图1 3 所示为单头左旋弧面凸轮。弧面分度凸轮机构在国外又称为蜗旋凸轮分度机构 或滚子齿轮分度机构。这种机构中，主动凸轮一般作等速连续旋转，但有时由于需要转蔷 有较长的停歇时间，也可使凸轮作间歇性的旋转口1 。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 i u 黼 _ “) 6 k ， ( a ) 从动盘分度期开始后不久的位置；( b ) 从动盘分度期中间的位置；( c ) 从动盘停歇期间的位置 图1 3 弧面分度凸轮机构 1 3 2 弧面分度凸轮机构的特点 弧面分度凸轮机构是一种性能良好的高速间歇运动机构，其周向轮廓可以由多种运动 规律曲线组合而成，来实现各类复杂的运动控制要求。 ( 1 ) 它具有如下优点： a 结构简单，刚性好，承载能力在凸轮机构中是最大的。在设计弧面分度凸轮机构时， 为了增强和延长寿命，在其它条件允许的情况下，一般选用较小的压力角，较大的凸 轮直径，因此，支承轴、轴承尺寸也可以相应加大。另外，与凸轮径向尺寸相比，一 般弧面分度凸轮的轴向尺寸较小，因此，两端轴承间距较小，故弧面分度凸轮机构都 具有足够高的刚度； b 设计限制少，分度范围宽，分度数n = l 2 4 ，在特殊条件下，可以做到n = o 5 ( 从动盘 每转动两圈停歇一次) 。在小分度数时，其比圆柱分度凸轮机构具有明显的优越性。可 获得转位与停歇的任何时间比例。转停时间可以根据工艺需要，在弧面分度凸轮轮廓 上按不同转位角设计，制造出不同的停歇曲线； c 通过调整凸轮轴和从动轴的中心距，可实现机构在停留和分度期间都保持预紧，从而 消除了间隙，使得该机构可获得较高的精度、较好的动力特性和运动特性，冲击振动 小、运转平稳。因此，它可用于高、中、低速各种场合； d 分度盘停歇时，分度盘上相邻两个滚子卡在凸轮的凸脊上，定位准确、可靠，同时该 机构兼有分度、定位、自锁三个功能； e 可使从动件获得任何给定的运动规律。恰当地选择运动规律，就可以保证凸轮在开始 转动和终止转动的瞬间角速度为零，保证加速度曲线连续变化无中断，限制最大加速 度a i i l 值，降低最大速度v m 值到允许范围内，可以实现平稳运转，无刚性冲击，保证 加工质量； f 弧面分度凸轮的连续运动直接由电动机经带轮、凸轮副输入，再经滚子带动转位盘使 自动机获得间歇的转停运动。因此，这种机构的传动链较短、精度高、运转可靠h 3 。 ( 2 ) 它具有以下缺点： a 弧面分度凸轮轮廓面为复杂的不可展空间曲面，很难用常规的机械制图方法进行测绘， 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 也不能用展成平面廓线的方法设计，而凸轮的轮廓面质量直接影响到机构的工作性能； b 弧面分度凸轮的设计存在先天的难题：弧面分度凸轮与分度盘之间高精度无侧隙啮合 与磨损、接触变形之间的矛盾。因为这样不但破坏了共轭条件，而且降低了凸轮轮齿 与滚子之间的啮合刚度，影响系统动态性能； c 弧面分度凸轮机构加工比较困难，成本高。这主要是由于弧面分度凸轮的转位曲线精 度要求较高，形状复杂，最少须用0 一t2 轴加工，不能换成直角坐标加工，所以必须 采用专用的数控机床或5 轴联动的加工中心进行加工。转位盘的滚子等分精度也要求 较高，必须使用坐标镗床或加工中心加工； d 弧面分度凸轮对表面质量和加工精度的要求非常高，在装配过程中，弧面分度凸轮机 构对加工误差特别敏感，容易出现装配干涉； e 若分度数超过2 4 ，预紧易卡死，该机构优势变得不明显h 刊。 1 4 国内外研究动态 自动换刀装置的研究始于1 9 5 6 年，标志是日本富士通株式会社成功开发出数控转塔式 冲床口10 l ，美国i b m 公司同期也研制成功了“a p t ( 刀具程序控制装置) 。1 9 5 8 年美国k & t 公司研制出带自动换刀装置的加工中心。同年，美国u t 公司首次把铣钻等多种工序集中 于一台数控铣床中，通过自动换刀方式实现连续加工，成为世界上第一台加工中心。1 9 6 7 年出现了f m s ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ，柔性制造系统) 。1 9 7 8 年以后，对加工 中心的研发迅速展开，带有自动换刀装置可实现多种工序加工的机床，步入了发展的黄金 时代。1 9 8 3 年，国际标准化组织( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z a t i o n ，简称 i s o ) 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n 卜1 3 1 。 国际机床制造业十分重视刀库及自动换刀装置的研发和生产，现已形成专业化的生产 厂商和产业布局。国外生产自动换刀装置的主要厂家有：德国k t c 刀库系统有限公司、德 国m i k s c h 公司、德国a l f i n g - k e s s l e r 公司、德国h o m s b e r g l a m b 公司、德国c h i r o n 公 司、奥地利a n g e r g 公司、意大利m c m c l o c k 公司、新加坡s u g i n o 公司、日本s o d i c 公司、 日本f a n u c 公司等“。2 引。 近3 0 年来，中国台湾机床制造行业迅速崛起，特别是机床功能部件的研发得到了高度 重视。以德士、谭子、首轮、吉埔等公司为核心骨干，台湾已经成为刀库和凸轮式自动换 刀装置的专业化生产基地，不仅满足了台湾机床行业自身的需求，而且走向了欧美市场， 近年来大举进入中国大陆市场，占有较大的市场份额。 弧面分度凸轮机构是由美国人c n n e k l u t i n 于2 0 世纪2 0 年代发明的，并由其所创 建的f e r g u s o n 公司首先进行了系列化标准化生产。之后，前苏联、英国、匈牙利、瑞士、 日本等国也相继对弧面分度凸轮机构进行研究，并成立有专门的生产厂家和研究机构。在 弧面分度凸轮的几何学与运动学方面，英国的c j b a c k h o u s e 首次采用微分几何与包络 原理等方法对弧面分度凸轮的几何学进行了深入研究。目前，在日本、德国、俄罗斯和瑞 士等国家已经实现了弧面分度凸轮的标准化系列化生产。由于弧面分度机构具有传动速度 高、分度精度和动力学性能好、承载能力大、可靠性好等优点，其广泛应用于各种自动化 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 机械，如烟草机械、包装机械、加工中心自动换刀装置等。 随着世界制造业中心向中国的转移，国内机床制造行业正蓬勃发展，机床制造水平逐 步提高，数控机床已成为机床生产厂家的主流产品，近年来举办的数控机床展览会充分展 示了我国数控装备制造的最新成果。 我国数控机床行业现状：从“六五”到“十五”，对数控技术的引进、吸收、自主研发、 产业化攻关，数控系统产业从无到有，近十年是国产数控机床行业的爆发期。国产数控机 床的特点是：己具备自主品牌的数控系统；数控系统水平相对较低；价格相对便宜，但可 靠性较低；机床行业数控化率较低，发展空间大。主要的数控系统生产企业有2 0 余家： 东( 上海开通、南京华兴、南京四开等) 、南( 广州数控) 、西( 成都广泰、西南自动化所) 、 北( 北京凯恩帝、沈阳高精、大连光洋等) 、中( 华中数控) 。还有：航天数控、蓝天数控、 大森、浙大中控、数控、凯奇数控等。 同时，对加工中心功能部件的研究也引起了部分科研机构和机床生产厂家的高度重视。 目前，国内致力于自动换刀装置研制的单位有：北京机床研究所、大连组合机床研究所、 北京发那科机电有限公司( 由北京机床研究所与日本f a n u c 公司于1 9 9 2 年共同组建的合资 公司) 、北京第一机床厂、齐齐哈尔二机床( 集团) 有限责任公司、宁夏小巨人机床有限公 司( 宁夏共享集团与日本山崎马扎克公司合资) 、株洲金航凸轮精机有限公司等3 。 国产自动换刀装置相与外国产品相比，在换刀精度、换刀速度和工作的可靠性等方面 还存在有较大的差距，迄今为止，国产数控机床所配备的自动换刀装置主要依赖进口，进 口地相对集中在台湾n 4 舢7 1 。 1 5 课题研究意义 东风汽车公司设备制造厂是汽车生产自动线的专业生产厂家。近年来，由专用组合机 床构成的汽车专用生产线正逐步被高速加工中心为代表的柔性生产线所取代。高速加工中 心是柔性生产线的关键设备，由该厂自主研发生产的高速加工中心已经形成了批量生产规 模，在国内市场上己占有一席之地。高速加工中心自动换刀装置是高速加工中心的重要功 能部件，目前，国内生产的高速加工中心自动换刀装置质量差、可靠性低，不能达到与该 厂自主研发生产的高速加工中心配套使用的要求。因此，该厂是从台湾进口的自动换刀装 置，但是从台湾进口自动换刀装置成本高、供货期长、生产活动受制于人，极大地影响到 自主研发的高速加工中心的市场竞争力。 在现有的高速加工中心自动换刀装置中，弧面分度凸轮是关键的组成零件。与国外成 熟的技术相比，我国在弧面分度凸轮的研究上还存在一些关键技术问题需要解决，如：优 良运动曲线的选择、机构运行的可靠性、换刀机构复合凸轮的设计、凸轮的精密加工等。 另外弧面分度凸轮的加工存在诸多难点，且弧面分度凸轮售价昂贵，后续的维护费用也不 容忽视。 除此之外，高速加工中心自动换刀装置由于换刀速度快、冲击力大，受弧面分度凸轮 尺寸的限制，与其配套的轴承尺寸不可能很大，因此轴承的寿命较短，通常一个月左右就 得更换轴承，严重影响购买厂家的生产进度和到销售厂家的产品品牌形象。 武汉羽披大学硕士学位论文第7 页 基于上述原因，东风汽车公司设备制造厂准备与湖北汽车工业学院合作研发一种换刀 时间短、刀具重复定位精度高、安全可靠、价格合理、有自主知识产权的高速加工中心自 动换刀装置来代替现有的弧面分度凸轮自动换刀装置。 高速加工中心是一种典型的高档数控机床，数控机床行业是关系到国家战略地位和体 现综合国力水平的重要基础性产业，其性能水平高低和拥有量多少是衡量一个国家工业现 代化水平的重要标志，在国防建设上更是具有战略意义的重要基础性产业。为此，发展数 控机床的重要性是不言而喻的n 钔。 自动换刀装置作为高速加工中心的重要组成部分，其主要作用在于减少加工过程中的 非切削时间和减少多次装夹工件引起的误差，以提高生产效率、降低生产成本，进而提高 机床乃至整个生产线的生产效率，所以自动换刀装置在高速加工中心中扮演着极其重要的 角色。机械结构的自动换刀装置以其优良的动力学性能、快速的响应性和稳定性、良好的 运动可靠性，在数控加工中心中占有不可替代的重要作用。 随着我国装备制造业的蓬勃发展，以高速加工中心为代表的高档数控机床的市场需求 量与日俱增。为促进国产高档数控机床的发展，国家不断增加科技投入。2 0 0 7 年5 月国家 发布了高档数控机床与基础制造装备重大专项，其中将“大型刀库及自动换刀装置 列入国家“十一五”发展规划和国家中长期科技发展规划纲要。由此可见，高档数控机床 中的关键部件自动换刀装置的国产化问题已得到国家的高度重视。因此，开展自动换 刀装置的研究，有利于促进国产数控机床的发展，带动机床产业链的延伸，振兴民族工业。 1 6 研究目标 研发一种位置对位置啪3 换刀时间在2 s 以内、结构简单、加工方便、价格合理、有自 主知识产权、能代替弧面分度凸轮自动换刀装置的高速加工中心自动换刀装置。 1 7 主要研究内容和章节安排 为实现高档加工中心功能部件的国产化，本文主要开展了新型高速加工中心自动换刀 装置的机构设计、从动件运动规律的设计、建模及运动仿真分析等研究工作。 各章节安排如下： ( 1 ) 第一章为绪论。简要介绍数控机床、加工中心、自动换刀装置和弧面分度凸轮机构， 还有国内外研究现状、本课题的研究意义以及研究目标； ( 2 ) 第二章为自动换刀装置的设计要求分析。现场调研，分析换刀装置的设计要求并查 阅相关资料，为设计自动换刀装置做准备； ( 3 ) 第三章为自动换刀装置的设计。设计自动换刀装置的驱动装置，并详细阐述自动换 刀的换刀过程： ( 4 ) 第四章为机构建模。运用三维建模软件对复杂零件建模； ( 5 ) 第五章为装配和运动仿真分析。运用三维软件建立自动换刀装置的驱动装置的数字 化模型，然后使用相关模块进行运动仿真，观察机构的运动过程以及速度、加速度、 跃度等是否复合设计要求，并加以优化改善； ( 6 ) 第六章为总结与展望。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章弧面分度凸轮自动换刀装置 在东风汽车公司设备制造厂现场调研，研究某型自动换刀装置，其驱动装置采用弧面 分度凸轮机构。 2 1 自动换刀装置换刀过程 在工作现场观察自动换刀装置的换刀手臂的动作过程，收集现场资料并查阅相关文 献，如图2 1 所示，总结出自动换刀装置的换刀手臂进行一次换刀循环的最基本动作可分 为如下五个： a 抓刀：换刀手臂从等待位置旋转一预定角度6 ( 一般取3 0 。 6 9 0 。) 而到达抓刀位 置，使换刀手臂两端上的卡爪抓取安装在加工中心主轴上的旧刀具和刀库内的一把新 刀具的刀柄，刀具锁紧机构锁紧两刀具； b 拔刀：拔插刀机构将刀具沿主轴轴向拔出离开抓刀位置一预定距离； c 换刀：刀具换位机构使换刀手臂继续旋转1 8 0 。，两刀具相互交换位置； d 插刀：拔插刀机构再使换刀手臂沿主轴轴向返回到抓刀位置，以使换刀手臂将新刀具 插入主轴，同时旧刀具插入刀库内。然后刀具锁紧机构松开刀具； e 复位：换刀手臂反向旋转6 返回到等待位置，换刀完成口9 l 。 卵 吁，| 卣j 上 固 i 一 一 二 7r j 一歹 二= 爪f 蚶 占 甲 n1 ) 亍吁 _ _ 7 _ j _ 气户 亍 哥 - l 苛 【c )( d ) ( e ) ( a ) 抓刀；( b ) 拔刀；( c ) 换刀；( d ) 插刀；( e ) 复位 图2 1 换刀过程 2 2 弧面分度凸轮自动换刀装置的结构与原理 打开自动换刀装置的箱体，一种弧面分度凸轮自动换刀装置，其结构主要由动力传动 机构、刀具换位机构、拔插刀机构、刀具锁紧机构等组成。 2 2 1 机构组成和装配关系 ( 1 ) 动力传动机构，如图2 2 、2 3 所示，电动机3 提供动力，经减速器2 和齿轮1 、4 、 5 传递给复合凸轮6 。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 1 4 5 齿轮；2 减速器；3 电动机；6 复合凸轮( 6 a 弧面分度凸轮轮廓；6 b 拔插刀凸轮轮廓；6 c 锁 紧凸轮轮廓) ；7 滚轮；8 顶杆；9 刀臂主轴；1 0 推杆：1 1 分度盘；1 2 拨叉；1 3 换刀手臂；1 4 锁 刀头；1 5 轴套；1 6 轴承；1 7 拔插刀摆杆；1 8 箱体 图2 2 弧面分度凸轮自动换刀装置主视图 ( 2 ) 刀具换位机构如图2 2 所示，主要由复合凸轮6 、分度轮1 1 等组成。复合凸轮6 的 轮廓6 a 为弧面分度凸轮轮廓，其与分度轮1 l 组成弧面分度凸轮机构；分度轮1 1 安装在 刀臂主轴9 上，花键联接。复合凸轮6 旋转，通过轮廓6 a 使分度轮1 1 正转、反转和停止。 分度盘1 1 的转动带动换刀手臂相应地转动，实现刀具位置交换。刀臂主轴9 的运动特性 是由复合凸轮6 的轮廓曲线6 a 控制的。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 a a 1 6 b b 1 9 销轴；2 0 轴承 图2 3 动力传动机构图2 4 拔插刀机构 ( 3 ) 拔插刀机构如图2 2 、2 4 所示，主要由复合凸轮6 、拔插刀摆杆1 7 、拨叉1 2 、刀臂 主轴9 等组成。复合凸轮6 与拔插刀摆杆1 7 的中部通过轴承1 7 联接，轴承1 6 在复合凸 轮6 的沟槽内滚动：拔插刀摆杆1 7 的上端用销轴1 9 固定在箱体1 8 上；拔插刀摆杆1 7 的 下端通过拨叉1 2 与刀臂主轴9 联接。拔插刀机构的动力由复合凸轮6 提供，复合凸轮6 推动拔插刀摆杆1 7 摆动，拔插刀摆杆1 7 带动刀臂主轴9 做轴向往复运动；刀臂主轴9 的 运动特性是由复合凸轮6 的轮廓曲线6 b 控制的；使安装在刀臂主轴9 端部的换刀手臂1 3 伸出或缩回，实现拔刀或插刀。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 c _ 2 1 螺钉：2 2 摇杆；2 3 2 6 2 8 弹簧；2 4 支架；2 5 套筒；2 7 锁紧滑块；2 9 导向滑块 图2 5 位移放大机构图2 6 换刀手臂 ( 4 ) 刀具锁紧机构如图2 2 、2 5 、2 6 所示，主要由复合凸轮6 、顶杆8 、摇杆2 2 、弹簧 2 6 和2 8 、推杆1 0 、锁刀头1 4 、换刀手臂1 3 、两个锁紧滑块2 7 、两个导向滑块2 9 等组成。 复合凸轮6 与滚轮7 接触，滚轮7 用销钉安装在顶杆8 的右端；顶杆8 的左端与摇杆2 2 的上端通过销钉联接；摇杆2 2 的中部用支架2 4 固定在箱体1 8 的外侧壁上；摇杆2 2 的下 端通过套筒2 5 与推杆1 0 左端的弹簧2 6 接触；弹簧2 6 的右端由刀臂主轴9 的左端挡住： 刀臂主轴9 是空心的，推杆1 0 的右端插入刀臂主轴9 内，与锁刀头1 4 的锥面端通过螺钉 固定联接；锁刀头1 4 的锥面端角度特定，通过挤压导向滑块2 9 来锁紧刀具；推杆1 0 、锁 刀头1 4 可以随刀臂主轴9 一起轴向运动而与套筒2 5 、摇杆2 2 脱离接触；轴套1 5 套在锁 刀头1 4 上，轴套1 5 、换刀手臂1 3 、刀臂主轴9 三者用螺钉固定联接：换刀手臂1 3 两端 是开口相反的卡爪，换刀手臂1 3 手臂内安装有锁紧滑块2 7 、弹簧2 8 、导向滑块2 9 。当复 合凸轮6 的轮廓6 c 处于升程阶段时，推动顶杆8 向左运动，顶杆8 推动摇杆2 2 摆动，使 推杆1 0 运动，其运动特性是由复合凸轮6 的轮廓曲线6 c 控制的；推杆1 0 左端的弹簧2 6 被压缩、锁刀头1 4 远离导向滑块2 9 ，解除对导向滑块2 9 的挤压，换刀手臂1 3 手臂内的 弹簧2 8 复位，解除对锁紧滑块2 7 的挤压，刀具松开；当复合凸轮6 的轮廓6 c 处于回程 阶段时，解除对顶杆8 的挤压，推杆1 0 左端的弹簧2 6 复位，带动锁刀头1 4 挤压导向滑 块2 9 使其压缩换刀手臂1 3 手臂内的弹簧2 8 ，推动锁紧滑块2 7 配合卡爪来锁紧刀具。 2 2 2 机构工作过程 电动机3 的动力通过动力传动机构驱复合凸轮6 转动，复合凸轮6 上有三种轮廓曲线 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 6 a 、6 b 和6 c ，它们分别控制刀具换位机构、拔插刀机构、刀具锁紧机构；复合凸轮6 通 过刀具换位机构使换刀手臂1 3 从换刀手臂等待位置正向转动一预定角度9 0 。而到达抓刀 位置，使换刀手臂1 3 两端的卡爪抓取安装在加工中心主轴上的旧刀具和刀库内的新刀具。 刀具锁紧机构锁紧两刀具后，拔插刀机构将刀具沿主轴轴向拔出1 6 5 毫米，刀具换位机构 使换刀手臂1 3 继续正向旋转1 8 0 。，两刀具位置相互交换。然后拔插刀机构再使换刀手臂 1 3 沿主轴轴向返回到抓刀位置，以使换刀手臂1 3 将新刀具插入主轴，同时旧刀具插入刀 库内。接着刀具锁紧机构松开刀具，刀具换位机构使换刀手臂1 3 反向旋转角度9 0 。，使 其返回到换刀手臂等待位置。复合凸轮6 转回到初始位置，换刀结束。 2 2 3 自动换刀装置的运动循环图 运动循环图是将机器各执行机构的运动循环按同一时间( 或转角) 比例尺绘出的，并 且以某一主要执行机构的工作起点为基准来表示各执行机构的运动循环相对于该主要执 行机构动作的先后次序，以达到相互协调的目的，也称为工作循环图。设计机器时，首先 确定各执行机构，再根据工作要求，使这些机构按动作的先后和构件工作时互不干涉以及 尽可能提高工作效率的原则相互协调配合，以便能正常工作n 们口9 1 。 ，、 ( r 1 4 5 ) l a j s - 7 ( r 1 3 8 ) 口 ( b ) ( b ) ( a ) 2 7 盯 1 8 叮 ( c ) 9 盯 盯 4 7 - 6 2 2 9 了3 0 f 一 i 8 f1 5 1 2 2 1 2 8 f c w 吒蚴 ： ： 少： 汉彳 ( a ) 锁紧机构：( b ) 拔插刀机构：( c ) 刀具换位机构 图2 7 弧面分度凸轮自动换刀装置的运动循环图 通过现场调研并结合以上动作的分解，绘制了弧面分度凸轮自动换刀装置的运动循环 图m 3 ，如上图2 7 所示，描述了弧面分度凸轮自动换刀装置中的复合凸轮6 的转角与换刀 动作的关系。换刀动作包括刀具位置交换、拔刀和插刀、刀具锁紧三个动作。 表2 1 弧面分度凸轮自动换刀装置的运动循环动作过程 起始角度终止角度动作过程 ( 。)( 。) 05 0 复合凸轮从起始位置开始转动，换刀手臂逆时针旋转，从4 7 。开始刀具锁紧机 构开始锁刀。 5 01 2 2 5 0 。时，换刀手臂正好旋转了9 0 。到达抓刀位置，刀具锁紧机构接触两刀具的 刀柄，继续锁紧刀具，到6 2 。时完成锁刀。从8 6 。开始，拔插刀机构开始动作， 将换刀手臂往外拔；到1 2 2 。时，换刀手臂被拔出一段距离，使被夹紧在换刀手 臂两端的刀具脱离刀库。 1 2 21 5 1 换刀手臂继续被向外拔；同时，从1 2 2 。开始，换刀手臂顺时针旋转。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 1 5 12 2 l 1 5 1 。时，换刀手臂外伸到位，不再拔刀。但是换刀手臂继续顺时针旋转。 2 2 12 5 0 2 5 0 。时，换刀手臂正好旋转了1 8 0 。，两刀具相互交换位置。从2 2 1 。开始， 拔插刀机构开始动作，将换刀手臂拉回，开始插刀。 2 5 02 8 6 拔插刀机构继续动作，到2 8 6 。时完成插刀。 2 8 63 0 5 从2 9 3 。开始刀具锁紧机构开始松开刀具，到3 0 5 。时刀具与锁紧机构脱离接触。 3 0 53 5 5刀具锁紧机构继续动作，3 0 8 。时复位。从3 0 5 。到3 5 5 。换刀手臂顺时针旋转 9 0 。换刀手臂旋转到起始位置。 3 5 53 6 0 复合凸轮继续旋转到起始位置并被锁紧定位，机构停止运转。 通过对弧面分度凸轮自动换刀装置的分析，可以得到下述结论：( 1 ) 在刀具完全夹紧 之后，才可以拔刀；( 2 ) 刀具完全插入刀库后，才可以松刀；( 3 ) 换刀手臂转到相应角度， 才能拔刀和插刀；( 4 ) 为了节约换刀时间，旋转刀具、拔插刀刀具以及锁紧刀具的动作过 程有一定的重叠角度。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章新型自动换刀装置的设计 由于自动换刀装置是加工中心的附属功能部件，其驱动方式、传动系统、尺寸结构等 的设计必须符合加工中心的要求。因为机械手和刀库的结构主要由刀具刀柄的尺寸和数量 以及一些标准化了的结构决定，故已有较成熟的典型结构，又由于换刀手臂的动力学参数 和运动轨迹由驱动装置决定，故只需要重点分析自动换刀装置的驱动装置n 钔m 3 。 3 1 驱动装置的设计方案 参照第二章所述的弧面分度凸轮自动换刀装置，这里电动机的旋转动力由传动机构传 递到驱动装置，然后由驱动装置来驱动执行机构，即换刀手臂，使其间歇性正反向旋转和 沿自身轴线往复移动，完成主轴上的旧刀具与刀库内的新刀具的相互交换。为了更好地设 计驱动装置，下面介绍几种常用的机构。 3 1 1 连杆机构概述 连杆机构是由若干构件用低副( 转动副、移动副、球面副、球销副、圆柱副及螺旋副 等) 联接而成，故又称为低副机构。连杆机构常用于导引、实现已知运动规律或已知轨迹。 根据机构中构件数目的多少分为四杆机构、五杆机构、六杆机构等，一般将五杆及五杆以 上的连杆机构称为多杆机构。 ( 1 ) 平面连杆机构的特点 优点： a 运动副形状简单，易制造： b 面接触，承载能力大，可承受冲击力，应用实例：冲床； c 实现远距离传动或操纵，应用实例：自行车手闸； d 实现多样的运动轨迹； e 构件运动形式多样性。连杆机构可以实现往复摆动、连续转动与往复移动之间的相互 转换，构件具有多种运动形式； f 改变构件相对长度，可实现不同的运动规律和运动要求。 缺点： a 连杆机构不适用于高速场合； b 连杆机构中运动的传递要经过中间构件，运动传递的积累误差较大。 ( 2 ) 平面连杆机构的功能 a 实现有轨迹、位置或运动规律的运动； b 实现从动件运动形式及运动特性的改变； c 实现较远距离的传动； d 调节、扩大从动件行程； e 获得较大的机械增益。 3 1 2 凸轮机构概述 低副机构一般只能近似地实现给定运动规律。当从动件的位移、速度和加速度必须严 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 格地按照预定规律变化，尤其当原动件作连续运动而从动件必须作间歇运动时，则以采用 凸轮机构最为简便。凸轮机构是含有凸轮的一种高幅机构，在自动机械和半自动机械中得 到了广泛的应用。 ( 1 ) 凸轮机构的功能及特点 凸轮机构之所以能够得到如此广泛的应用，是因为它具有传动、导向和控制等功能。 当它作为传动机构时，可以产生复杂的运动规律，包括变速范围较大的非等速机构，乃至 暂时停留或各种步进运动；当它作为导向机构时，可使工作机械的动作端产生复杂的运动 轨迹；当它作为控制机构时，可控制执行机构的工作循环，或作为函数发生器。凸轮机构 作为机械式运动传递与信息存储的基本元件时，具有构件数少和空间体积小等固有的特 点。 凸轮机构还具有以下优点：高速时平稳性好，重复精度高，运动特性好，机构的构件 少，体积小，刚性大，周期控制简单，可靠性好，寿命长。 ( 2 ) 凸轮的分类 按照凸轮与从动件维持接触的方式分为：外力锁合的凸轮机构与几何锁合的凸轮机 构。 a 外力锁合的凸轮机构 外力锁合的优点是凸轮轮廓制造比较方便，机构运动过程中两接触元素间可以实现无 间隙传动。但是由于从动件系统的惯性作用而可能全部抵消锁合的外力，发生从动件与凸 轮脱离接触的现象，使运动失去控制。锁合外力对机构增加额外的负荷也是一项不利因素。 如图3 1 所示。 a b a 弹簧力锁合；b 重力锁合 图3 1 外力锁合的凸轮机构 b 几何形状锁合的凸轮机构 这种凸轮机构有许多不同的型式，可归纳为如下五种主要类型： 1 ) 槽型凸轮图3 2 a 和b 是两种槽型凸轮。凸轮的工作轮廓是一条等宽的曲线槽，通常 采用滚子从动件。凸轮槽的法向宽度与滚子直径的名义尺寸相等，用控制制造公差的方法 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 使滚子与曲线槽之间留有适当间隙。该类凸轮机构的设计和制造均比较方便，应用很广。 2 ) 凸缘型凸轮。 3 ) 等宽凸轮。 4 ) 等径凸轮。 5 ) 共轭凸轮3 钔。 诊午。，盼蔷 上 。 厶 溯， 舟 嘲 蜓争书 a b 槽型凸轮：c d 凸缘凸轮；e 等宽凸轮：f 等径凸轮：g h 共轭凸轮 图3 2 几何形状锁合的凸轮机构 为达到结构简单、加工方便、价格合理的设计要求，这里选择槽型凸轮。 3 1 3 齿轮机构概述 齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一种传动机构，它是通过一对对齿面的依次啮合 来传递两轴之间的运动和动力的。 ( 1 ) 特点 优点： a 齿轮传动用来传递空间任意轴间的运动及动力； b 传递功率范围大； c 传动比准确； d 效率高、寿命长、安全可靠。 缺点：制造成本较高。 ( 2 ) 分类 根据两传动轴线的相对位置，可分为三类： a 平行轴间的传动：直齿轮传动、斜齿轮传动、人字齿轮传动； b 相交轴间的传动：直齿圆锥齿轮传动、斜齿圆锥齿轮传动、曲线齿圆锥齿轮传动； c 交错轴间的传动：交错轴斜齿轮传动、蜗杆传动、准双曲面齿轮传动。 3 2 自动换刀装置的结构设计 如2 1 节所述，换刀手臂进行一次换刀循环的最基本动作依次为：抓刀、拔刀、换刀、 插刀、复位。 3 2 1 刀具换位机构 抓刀、换刀和复位三个运动都通过换刀手臂的旋转来完成，这里把实现换刀手臂旋转 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 的机构叫做刀具换位机构。 ( 1 ) 方案一 选用伺服电机，