加工中心刀杯转位机构设计

1第一章 绪 论1 课题的研究背景和意义数字控制是 20 世纪中期发展起来的一种自动控制技术，是用数字化信号进行控制的一种方法。采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床。加工中心（Machining Center,简称 MC）是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床，如图 1 所示。它是适应省力、省时和节能的时代要求而发展起来的，它综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现在控制理论、测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和应用编程技术的高技术产品，将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装置和刀库，可以在一次安装工件后，数控系统控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、内外倒角、环形槽及攻螺纹等加工。图 1 加工中心随着电子技术的迅速发展，以及各种性能良好的传感器的出现和运用，加工中心的功能日趋完善，这些功能包括：刀具寿命的监视功能，刀具磨损和损伤的监视功能，切削状态的监视功能，切削异常的监视、报警和自动停机功能，自动检测和自我诊断功能及自适应控制功能等，如图 2 所示。加工中心还与载有随行夹具的自动托板进行有机连接，并能进行切屑自动处理，使得加工中心成为柔性制造系统、计算机集成制造系统合自动化工厂的关键设备和基本单元。2图 2 刀具寿命的监视功能和切削状态的监视功能1.2 加工中心的主要加工对象加工中心适宜于加工复杂、工序多、要求较高、需用多种类型的普通机床和众多刀具夹具，且经多次装夹和调整才能完成加工的零件。其加工的主要对象有箱体类零件、复杂曲面、异形件、盘套板类零件和特殊加工等五类。1.2.1 箱体类零件箱体类零件一般是指具有一个以上孔系，内部有型腔，在长、宽、高方向有一定比例的零件。这类零件在机床、汽车、飞机制造等行业用的较多。箱体类零件一般都需要进行多工位孔系及平面加工，公差要求较高，特别是形位公差要求较为严格，通常要经过铣、钻、扩、镗、铰、锪，攻丝等工序，需要刀具较多，在普通机床上加工难度大，工装套数多，费用高，加工周期长，需多次装夹、找正，手工测量次数多，加工时必须频繁地更换刀具，工艺难以制定，更重要的是精度难以保证，如图 3 所示。3图 3 箱体类零件加工箱体类零件的加工中心，当加工工位较多，需工作台多次旋转角度才能完成的零件，一般选卧式镗铣类加工中心。当加工的工位较少，且跨距不大时，可选立式加工中心，从一端进行加工。1.2.2 复杂曲面复杂曲面在机械制造业，特别是航天航空工业中占有特殊重要的地位。复杂曲面采用普通机加工方法是难以甚至无法完成的。在我国，传统的方法是采用精密铸造，可想而知其精度是低的。复杂曲面类零件如：各种叶轮，导风轮，球面，各种曲面成形模具，螺旋桨以及水下航行器的推进器，以及一些其它形状的自由曲面。这类零件均可用加工中心进行加工，如图 4 所示。铣刀作包络面来逼近球面。复杂曲面用加工中心加工时，编程工作量较大，大多数要有自动编程技术。图 4 复杂曲面1.2.3 异形件异形件是外形不规则的零件，大都需要点、线、面多工位混合加工。异形件的刚性一般较差，夹压变形难以控制，加工精度也难以保证，甚至某些零件的有的加工部位用普通机床难以完成，如图 5 所示。用加工中心加工时应采用合理的工艺措施，一次或二次装夹，利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点，完成多道工序或全部的工序内容。4图 5 异形件1.2.4 盘、套、板类零件带有键槽，或径向孔，或端面有分布的孔系，曲面的盘套或轴类零件，如带法兰的轴套，带键槽或方头的轴类零件等，还有具有较多孔加工的板类零件，如各种电机盖等。端面有分布孔系、曲面的盘类零件宜选择立式加工中心，有径向孔的可选卧式加工中心，如图 6 所示。图 6 盘零件和套筒1.2.5 特殊加工在熟练掌握了加工中心的功能之后，配合一定的工装和专用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工艺工作，如在金属表面上刻字、刻线、刻图案，如图 7 所示；在加工中心的主轴上装上高频电火花电源，可对金属表面进行线扫描表面淬火；用加工中心装上高速磨头，可实现小模数渐开线圆锥齿轮磨削及各种曲线、曲面的磨削等。5图 7 工件表面刻图案1.3 数控加工中心的分类1.3.1 按照机床形态分类（1）卧式加工中心。指主轴轴线为水平状态设置的加工中心，如图 8 所示，卧式加工中心一般具有 3-5 个运动坐标。常见的有三个直线运动坐标(沿X、Y、Z 轴方向 )加一个回转坐标 (工作台) ，它能够使工件一次装夹完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工。卧式加工中心较立式加工中心应用范围广，适宜复杂的箱体类零件、泵体、阀体等零件的加工。但卧式加工中心占地面积大，重量大；结构复杂，价格较高。 图 8 卧式加工中心6（2）立式加工中心 指主轴轴心线为垂直状态设置的加工中心 9 所示，如图立式加工中心一般具有三个直线运动坐标，工作台具有分度和旋转功能，可在工作台上安装个水平轴的数控转台用以加工螺旋线零件。立式加工中心多用于加工筒单箱体、箱盖、板类零件和平面凸轮的加工。立式加工中心具有结构简单、占地面积小、价格低的优点。图 9 立式加工中心（3）龙门加工中心 与龙门铣床类似，适应于大型或形状复杂的工件加工，如图 10 所示。7图 10 龙门加工中心（4）万能加工中心 万能加工中心也称五面加工中心小工件装夹能完成除安装面外的所有面的加工；具有立式和卧式加工中心的功能，如图 11 所示。常见的万能加工中心有两种形式：一种是主轴可以旋转 900 既可象立式加工中心一样，也可象卧式加工中心一样；另一种是主轴不改变方向，而工作台带着工件旋转 900 完成对工件五个面的加工。在万能加工中心安装工件避免了由于二次装夹带来的安装误差，所以效率和精度高，但结构复杂、造价也高。图 11 万能加工中心1.3.2 按换刀形式分类（1）带刀库机械手的加工中心。加工中心换刀装置由刀库、机械手级组成，换刀动作由机械手完成。（2）机械手的加工中心。这种加工中心的换刀通过刀库和主轴箱配合动作来完成换刀过程。（3）转塔刀库式加工中心。一般应用于小型加工中心，主要以加工孔为主。加工中心常按主轴在空间所处的状态分为立式加工中心和卧式加工中心，加工中心的主轴在空间处于垂直状态的称为立式加工中心，主轴在空间处于水平状态的称为卧式加工中心。主轴可作垂直和水平转换的，称为立卧式加工中心或五面加工中心，也称复合加工中心。按加工中心立柱的数量分；有单柱式和双柱式（龙门式）。1.3.3 按数控系统功能分类8加工中心根据数控系统控制功能的不同分：有三轴二联动、三轴三联动、四轴三联动、五轴四联动、六轴五联动等。三轴、四轴是指加工中心具有的运动坐标数，联动是指控制系统可以同时控制运动的坐标数，从而实现刀具相对工件的位置和速度控制。 1.3.4 按工作台的数量和功能分类有单工作台加工中心、双工作台加工中心，和多工作台加工中心。1.3.5 按加工精度分类（1）普通加工中心 普通加工中心，分辨率为 1m，最大进给速度1525m/min，定位精度 l0 m 左右。（2）高精度加工中心 高精度加工中心，分辨率为 0.1m，最大进给速度为 15100m/min，定位精度为 2m 左右。介于 2l0 m 之间的，以5 m 较多，可称精密级3。1.4 加工中心的特点加工中心（Machining Center）是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。如今，加工中心已成为现代机床发展的主流方向，加工广泛应用于机械制造中。与普通数控机床相比，它具有以下几个突出特点：1.4.1 工序集中加工中心备有刀库并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工，使得工件在一次装夹后，数控系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹，以及其他辅助功能，现代加工中心更大程度地使工件在一次装夹后实现多表面、多特征、多工位的连续、高效、高精度加 工，即工序集中，这是加工中心最突出的特点。1.4.2 对加工对象的适应性强加工中心生产的柔性不仅体现在对特殊要求的快速反应上而且可以快速实现批量生产，提高市场竞争能力。1.4.3 加工精度高9加工中心同其他数控机床一样具有加工精度高的特点，而且加工中心由于加工工序集中，避免了长工艺流程，减少了人为千扰，故加工精度更高，加工质量更加稳定。1.4.4 加工生产率高零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。加工中心带有刀库和自动换刀装置，在一台机床上能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件半成品的周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率（切削时间和开动时间之比）高于普通机床 34 倍，达 80以上。1.4.5 操作者的劳动强度减轻加工中心对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸零件、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度和紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到很大的改善。1.4.6 经济效益高使用加工中心加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的，但在单件、小批生产的情况下，可以节省许多其他方面的费用，因此能获得良好的经济效益。例如，在加工之前节省了划线工时，在零件安装到机床上之后可以减少调整、加工和检验时间，减少了直接生产费用。另外，由于加工中心加工零件不需手工制作模型、凸轮、钻模板及其他工夹具，省去了许多工艺装备，减少了硬件投资还由于加工中心的加工稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降。1.4.7 有利于生产管理的现代化用加工中心加工零件，能够准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点有利于使生产管理现代化。当前有许多大型 CAD/CAM 集成软件已经开发了生产管理模块，实现了计算机辅助生产管理。1.5 加工中心刀库的形式10加工中心使用的刀库最常见的形式是圆盘式刀库和机械手换刀刀库。1.5.1 圆盘式刀库圆盘式刀库应该称之为固定地址换刀刀库，即每个刀位上都有编号，一般从 1 编到 12、18、20、24 等，即为刀号地址。操作者把一把刀具安装进某一刀位后，不管该刀具更换多少次，总是在该刀位内。（1）制造成本低。主要部件是刀库体及分度盘，只要这两样零件加工精度得到保证即可，运动部件中刀库的分度使用的是非常经典的“马氏机构” ，前后、上下运动主要选用气缸。装配调整比较方便，维护简单。一般机床制造厂家都能自制。（2）刀号的计数原理。一般在换刀位安装一个无触点开关，1 号刀位上安装挡板。每次机床开机后刀库必须“回零” ，刀库在旋转时，只要挡板靠近（距离为 0.3mm 左右）无触点开关，数控系统就默认为 1 号刀。并以此为计数基准，“马氏机构”转过几次，当前就是几号刀。只要机床不关机，当前刀号就被记忆。刀具更换时，一般按最近距离旋转原则，刀号编号按逆时针方向，如果刀库数量是 18，当前刀号位 8，要换 6 号刀，按最近距离换刀原则，刀库是逆时针转。如要换 10 号刀，刀库是顺时针转。机床关机后刀具记忆清零。（3）固定地址换刀刀库换刀时间比较长国内的机床一般要 8 秒以上（从一次切削到另一次切削）。（4）圆盘式刀库的总刀具数量受限制，不宜过多，一般 40#刀柄的不超过24 把，50#的不超过 20 把，大型龙门机床也有把圆盘转变为链式结构，刀具数量多达 60 把。1.5.2 机械手刀库机械手刀库换刀是随机地址换刀。每个刀套上无编号，它最大的优点是换刀迅速、可靠。（1）制造成本高。刀库有一个个刀套链式组合起来，机械手换刀的动作有凸轮机构控制，零件的加工比较复杂。装配调试也比较复杂，一般由专业厂家生产，机床制造商一般不自制。（2）刀号的计数原理。与固定地址选刀一样，它也有基准刀号：1 号刀。但我们只能理解为 1 号刀套，而不是零件程序中的 1 号刀：T1。系统中有一张11刀具表。它有两栏。一栏是刀套号，一栏是对应刀套号的当前程序刀号。假如我们编一个三把刀具的加工程序，刀具的放置起始是 1 号刀套装 T1（1 号刀），2 号刀套装 T2，3 号刀套装 T3，我们知道当主轴上 T1 在加工时，T2 刀即准备好，换刀后，T1 换进 2 号刀套，同理，在 T3 加工时，T2 就装在 3 号刀套里。一个循环后，前一把刀具就安装到后一把刀具的刀套里。数控系统对刀套号及刀具号的记忆是永久的，关机后再开机刀库不用“回零” 即可恢复关机前的状态。如果“回零”，那必须在刀具表中修改刀套号中相对应的刀具号。（3）机械手刀库换刀时间一般为 4 秒（从一次切削到另一次切削）。（4）刀具数量一般比圆盘刀库多，常规有 18、20、30、40、60 等（5）刀库的凸轮箱要定期更换起润滑、冷却作用的齿轮油。1.6 换刀装置的形式换刀装置的形式有回转刀架换刀、更换主轴换刀、更换主轴箱换刀、带刀库的自动换刀系统。12第二章 刀杯转位机构方案设计1 刀杯转位机构和刀库概述刀杯转位机构的具体结构方案受到刀具库结构方案的影响，转位机构与刀具库回转机构共同完成刀具库的功能要求。此外这两部分与换刀机械手根据总体设计的要求，这几部分共同安装在支架上，再将支架安装在机床立柱上。因此需要对刀具库的结构方案进行分析，进而分析刀杯转位机构实现刀杯转位的方案以及转位机构相对于刀具库和支架的相对位置。2 刀具库在加工中心上的配置方案设计根据现代数控机床的有关理论，对刀具库在加工中心上的配置方案进行设计。如图 1 所示，刀具库在加工中心上的配置方案有如下几种：图 1 刀具库在加工中心上的配置方案在设计刀库的配置方案时，需要考虑刀库的的形式。如图 2 和图 3 所示，13刀库安装的形式以及各种刀库的结构图有如下几种：图 2 刀库的形式示意图14图 3 鼓轮式刀库的结构图15图 4 链式刀库换刀换刀装置根据上述研究，了解立式加工中心刀具库配置的各种基本形式。由此确定，本设计中刀具库相对加工中心主轴箱、立柱及换刀机械手各部件的相对运动和相对位置关系，进而可以确定刀具库相对机床的总体布局，如下文所述。3 刀库支承架的形式与布局确定刀具库的整体结构通过支承架如图 5 所示，支架 3 固定在加工中心的立柱上，为了减少设计和制造难度，结构设计上需要有调整环节如图 5 所示，调整螺钉 1 用于整个刀具库的 Y 向距离的精确调整，调整螺钉 8 用于刀具库整体安装在 X 方向的精确调整。刀具库回转驱动机构由驱凸轮箱 10 作为组件通过螺钉 9 安装在刀具库支架上，回转盘安装在心轴 11 上，并通过法兰盘装在刀具库支架上。刀杯转位后的位置如图中件 12 所示，转位驱动初步采用油缸驱动，驱动油缸 14 为直动油缸安装通过螺钉 13 在刀库支架上。换刀机械手部件通过固定螺钉 15 安装在刀库支架上。为了便于制造，刀库支架也设计为两部分通过螺钉 4 固定在一起。刀杯转位机构要完成刀杯在刀具库上的刀杯轴线水平位置到刀杯轴线处于16垂直位置的转位。图 5 刀具库的布局示意图4 刀杯转位方案设计刀杯绕支座转动，可以通过多种方案实现，考虑到结构简单紧凑采用油缸驱动如图 6 所示，刀杯（也称刀座）支承固定在刀库回转盘上，滑块在直动油缸驱动下拉动刀杯尾钉带动刀杯转动，由于刀库在回转时，刀杯通过导向辊在导向槽（图中未画出）中滚动，以保持刀杯的刀柄轴线为水平位置，所以，刀杯转位前后都应当有精确的定位，结构上可以通过调整环节实现。滑块在导轨上滑动，导轨可以与支架设计成整体，也可以作为单独的零件通过螺钉固定在刀库支架上。图 6 刀杯转位结构原理图175 刀杯转位机构在刀库支架上的布局方案设计刀具库支架由于要承载多个部件，因此支架的结构比较复杂。考虑到换刀时选中刀杯应当处于刀库中垂线的底部如图 7 所示，为了结构简单，设计上采用转位机构相对刀库中垂线为对称的布局方式，这样需要刀库支架采用到 U 型的结构，带法兰的刀库心轴通过螺钉固定在倒 U 型支架的左部，滑块及滑块导轨位于倒 U 型的支架右下部；驱动油缸 17 通过固定螺钉 18 安置在支架的顶部。1.定位螺钉 2.刀杯 3.滑块导轨 4.滑块 5.锁紧螺母 6.拉杆 7.固定螺钉8.端盖 9.端盖固定螺钉 10.套 11.轴承 12.转盘 13.带法兰心轴 14.固定盘 15.面板 16.面板固定螺钉 17.油缸 18.螺钉 19.换刀机械手支座图 7 刀杯转位机构布局结构示意图6 刀具库主要参数和尺寸参数的分析18由设计任务书以及根据调研分析，根据对机床总体设计的要求，刀具库相关参数如下：1) 旋转工作盘的直径 D=1200，圆周装夹刀具。2) 刀座数量：24 工位（即工作盘转一周的工位数为 24）。3) 转位时间： 1.52 秒。4) 定位精度：0.2mm5) 控制方式：主轴凸轮蜗杆控制轮盘和定位销，来完成转位和定位。6）单只刀具最大重量（含刀柄重量）：6 公斤7）最大刀具尺寸：100mm*300mm8）配置标准刀具的刀座孔号确定：ISO 407 刀杯转位驱动负载分析1、主要负载形式及影响因素分析刀杯转位装置驱动负载有：刀杯的的转动惯性力、刀杯的重力、滑轨的摩擦力、滑块的重力等。2、刀杯转位驱动力的初步确定根据设计对换刀速度的要求，初定刀具库转盘旋转速度为每分钟 1 转，则分度凸轮转速为 24r/min。考虑到总体换刀时间的要求，初步确定刀杯转位所需时间为 0.51 秒。19第三章 刀杯转位机构驱动力计算和零部件校核1 刀杯转位驱动力计算刀杯所受的力如下图 1 所示：图中 F1 为滑块作用在刀杯端辊中心的作用力，F2 为刀杯重力， F3 为刀具重力， F4 为摆动中心 O 点的支撑心轴对刀杯的作用力。图 1 刀杯结构受力图F1F2F3F4L3 L2L1O图 1 刀杯受力分析简图F2 、F 3 均为已知量，根据力的平衡原理可以得到以下方程：20F4=F1+F2+F3将所有力对 O 点取矩，可以求得 F1：根据上述分析，即可求得 F1、F4 。不妨设 F2=650N，F 3=800N，L 1=300mm，L 2=750mm，L 3=1000mm，代入上式即可求得： 4123 123650N8FFLF=06570+87501 （解得： 14F920N2 主要零件的校核计算刀杯尾部心轴 7 校核计算，本处可以仅按照刀杯被下压到呈水平位置时的受力进行计算，即按照图 1 求解出的作用力 F1 进行校核计算，如图 2 所示，为刀杯心轴的受力分析图。F6F5F1L4 L3图 2 刀杯心轴的受力分析图根据受力分析图，可求得下式： 15643F+0L将数据代入上式：2156F+=37010N即可解得： 56F2810N如图 3 所示，为刀杯心轴的弯矩分析图，通过弯矩分析图可以对轴进行强度校核。图 3 轴的弯矩图按弯曲扭转合成应力校核轴的强度，由于轴不受扭矩，所以只需校核弯矩，取 =0.6，轴的计算应力= =ca22max1()MTW0.9MPa选定轴的材料为 45，调质处理，查表得 =60MPa，因此 7推荐活塞杆直径 d (0.50.55)D (0.60.7)D 0.7D计算过程：1、根据工作条件，液压缸需来回运动，因此可选择普通双作用液压缸，安装形式为切向支座式。2、活塞杆上输出力和缸径的计算。单活塞杆双作用液压缸缸是使用最为广泛的一种普通液压缸缸，根据力平衡原理，活塞杆上的输出力必须