畢業(yè)設(shè)計(jì)：盤式刀庫(kù)及其自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)說明書.doc

鼓輪式刀庫(kù)及換刀裝置設(shè)計(jì)11緒論1.1數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀裝置概述機(jī)床是制造機(jī)器的機(jī)器，機(jī)床工業(yè)的技術(shù)水平?jīng)Q定著裝備制造業(yè)乃至整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的技術(shù)水平。當(dāng)今社會(huì)，數(shù)控機(jī)床幾乎已經(jīng)擴(kuò)展到了所有加工領(lǐng)域，許多工廠為了適應(yīng)產(chǎn)品的頻繁更新、提高加工精度、降低生產(chǎn)成本、縮短產(chǎn)品交貨周期和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，在中等批量、甚至大批量生產(chǎn)中應(yīng)用數(shù)控機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)控加工中心帶有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置，是能對(duì)工件按預(yù)定程序進(jìn)行多工序加工的高度自動(dòng)化的多功能的數(shù)字控制機(jī)床。自動(dòng)換刀裝置（ATC）是加工中心的重要組成單元，其設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞，直接影響加工中心的質(zhì)量。ATC由刀庫(kù)和機(jī)械手組成，它的機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、性能要求高。刀庫(kù)的功能是儲(chǔ)存刀具，并且按程序指令，把即將要用的刀具迅速、準(zhǔn)確地送到換刀位置，因此刀庫(kù)的位置、體積大小能否適合加工中心的整體設(shè)計(jì)，刀庫(kù)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能否使刀庫(kù)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)并準(zhǔn)確地停在換刀位置，運(yùn)動(dòng)過程有無干涉、卡死等現(xiàn)象，都是設(shè)計(jì)人員非常關(guān)心的問題。機(jī)械手的功能是把刀庫(kù)上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過的刀具送回刀庫(kù)。它的動(dòng)作要求迅速而準(zhǔn)確，所以對(duì)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、定位、運(yùn)動(dòng)、夾持力的大小等都有很高的要求，一旦有運(yùn)動(dòng)故障或定位、運(yùn)動(dòng)誤差過大，都會(huì)造成換刀動(dòng)作失敗，掉刀。當(dāng)今時(shí)代，高速加工中心已成為加工行業(yè)未來的發(fā)展趨勢(shì)。高速功能部件如電主軸、高速絲杠和直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展應(yīng)用極大地提高了切削效率。為了配合機(jī)床的高效率，作為加工中心的重要部件之一的自動(dòng)換刀裝置的高速化也相應(yīng)成為高速加工中心的重要技術(shù)內(nèi)容。未來機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，均以追求高速、高精度、高效率為目標(biāo)。隨著切削速度的提高，切削時(shí)間的不斷縮短，對(duì)換刀時(shí)間的要求也在逐步提高；換刀的速度已成為高等級(jí)機(jī)床的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此，對(duì)數(shù)控機(jī)床的刀庫(kù)及其自動(dòng)換刀裝置的研究和發(fā)展有著重要的意義。1.2國(guó)內(nèi)外自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的發(fā)展情況自動(dòng)換刀系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。刀具夾持元件的結(jié)構(gòu)特性及它與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)方式，將直接影響機(jī)床的加工性能。刀庫(kù)結(jié)構(gòu)形式及刀具交換裝置的工作方式，則會(huì)影響機(jī)床的換刀效率。自動(dòng)換刀系統(tǒng)本身及相關(guān)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，又會(huì)對(duì)整機(jī)的成本造價(jià)產(chǎn)生直接影響。從換刀系統(tǒng)發(fā)展的歷史來看，1956年日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床，美國(guó)IBM公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制裝置)。1958年美國(guó)K&T公司研制出帶ATC(自動(dòng)刀具交換裝置)的加工中心。1967年出現(xiàn)了FMS(柔性制造系統(tǒng))。1978年以后，鼓輪式刀庫(kù)及換刀裝置設(shè)計(jì)2加工中心迅速發(fā)展，帶有ATC裝置，可實(shí)現(xiàn)多種工序加工的機(jī)床，步入了機(jī)床發(fā)展的黃金時(shí)代。1983年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了數(shù)控刀具錐柄的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)換刀系統(tǒng)便形成了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模式。隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對(duì)于帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的高效高性能加工中心的需求量越來越大，在現(xiàn)有的各種類型的加工中心中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)的造價(jià)在機(jī)床整機(jī)造價(jià)中總是占著很大比重，這是加工中心價(jià)格居高不下、應(yīng)用不普遍的重要原因。目前國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀系統(tǒng)中，刀具、輔具多采用錐柄結(jié)構(gòu)，刀柄與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)、刀具的夾緊放松機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式幾乎都采用同一種結(jié)構(gòu)模式。在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上亦有采用彈簧夾頭作為刀具的夾持元件，但機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式仍然采用與上述錐柄刀具完全相同的結(jié)構(gòu)形式。采用這種結(jié)構(gòu)模式，在實(shí)際數(shù)控加工中，尤其是在需要超高速主軸、主軸的徑向、軸向尺寸都很小、沒有足夠的換刀空間的微細(xì)加工場(chǎng)合中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀將會(huì)是很困難的，如果實(shí)施自動(dòng)換刀將使機(jī)床成本大幅度提高。金屬切削機(jī)床的高速化已成為機(jī)床發(fā)展的重要方向之一，因此，快速換刀技術(shù)已經(jīng)成為高速加工中心技術(shù)的重要組成部分。新技術(shù)和新方法在不斷地出現(xiàn)和改進(jìn)，其目的只有一個(gè)，即在準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)上，縮短換刀時(shí)間，全面提高高速加工中心的切削效率。我國(guó)數(shù)控機(jī)床制造業(yè)起步較晚，而如今，各機(jī)床廠家正力圖尋求走具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的發(fā)展道路，在引進(jìn)與國(guó)外機(jī)床廠商合資合作的形式中，消化吸收，逐步掌握國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，并把它融人到自己設(shè)計(jì)開發(fā)的思維中。經(jīng)過多年的努力，我國(guó)機(jī)床制造業(yè)通過與國(guó)外合作，技術(shù)引進(jìn)以及國(guó)家組織攻關(guān)等方式，解決了一大批關(guān)鍵性技術(shù)，掌握了許多先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段與制造工藝，機(jī)床整體水平進(jìn)步很大，與國(guó)外先進(jìn)制造水平的差距正在縮小。數(shù)控機(jī)床是主導(dǎo)性的機(jī)床產(chǎn)品，其發(fā)展受到國(guó)內(nèi)外有關(guān)政府和工業(yè)企業(yè)界的高度重視，從而得以迅速發(fā)展。1.3加工中心刀庫(kù)的形式及特點(diǎn)刀庫(kù)系統(tǒng)是提供自動(dòng)化加工過程中所需的儲(chǔ)刀及換刀需求的一種裝置，其自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)可以儲(chǔ)放多把刀具的刀庫(kù)，從而大幅縮短加工時(shí)程，降低生產(chǎn)成本。加工中心刀庫(kù)的形式很多，結(jié)構(gòu)各異，刀庫(kù)的容量、布局，針對(duì)不同的機(jī)床，其形式也有所不同和結(jié)構(gòu)也各不相同，最常用的有鼓輪式刀庫(kù)、鏈?zhǔn)降稁?kù)。1.3.1鼓輪式刀庫(kù)鼓輪式刀庫(kù)及換刀裝置設(shè)計(jì)3圖1.1鼓輪式刀庫(kù)鼓輪式刀庫(kù)也稱圓盤式刀庫(kù)，其刀具環(huán)形排列，呈盤狀，這種刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于刀庫(kù)容量較少的中小型加工中心，一般不超過32把刀具。為了增加刀庫(kù)空間利用率，可采用雙環(huán)或多環(huán)排列的刀具的形式。但鼓直徑越大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就增加，選刀時(shí)間也就越長(zhǎng)。圖1.2鼓輪式刀庫(kù)的取刀方式徑向取刀形式(a)多用于使用斗笠式刀庫(kù)的立式加工中心和使用角度布置的機(jī)械手換刀裝置的加工中心；形式(b)應(yīng)用比較廣泛，可用于立式和臥式加工中心，換刀可用機(jī)械手或直接主軸移動(dòng)式換刀。由于從布局設(shè)計(jì)方面的考慮，鼓輪式刀庫(kù)一般都采用側(cè)向安裝的結(jié)構(gòu)形式，若用于機(jī)械手平行布置的加工中心時(shí)，刀庫(kù)中的刀袋（座）通常在換刀工作位可作90翻轉(zhuǎn)。形式(c)適用于小型加工中心，但占有面積較大，刀庫(kù)安裝位置及刀庫(kù)容量受限制，應(yīng)用較少，但應(yīng)用這種刀庫(kù)可以減少機(jī)械手換刀動(dòng)作，簡(jiǎn)化機(jī)械手結(jié)構(gòu)；形式(d)為刀具軸線與鼓盤軸線成夾角為銳角的鼓輪式刀庫(kù)，一般用于專用加工中心。1.3.2轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)鼓輪式刀庫(kù)及換刀裝置設(shè)計(jì)4圖1.3轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)如圖1.3a、b所示。包括水平轉(zhuǎn)塔頭和垂直轉(zhuǎn)塔頭兩種。所有刀具固定在同一轉(zhuǎn)塔上，無換刀臂，儲(chǔ)刀數(shù)量有限，通常為68把。一般僅用于輕便而簡(jiǎn)單的機(jī)型。常見于車削中心和鉆削中心。在鉆削中心儲(chǔ)刀位置即主軸，其外部結(jié)構(gòu)緊湊但內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，精度要求高。1.3.3鏈?zhǔn)降稁?kù)圖1.4鏈?zhǔn)降稁?kù)如圖1.4所示，包括單環(huán)鏈和多環(huán)鏈，鏈環(huán)形式可有多種變化，適用于刀庫(kù)容量較大的場(chǎng)合，所占的空間小。一般適用于刀具數(shù)在30120把。僅增加鏈條長(zhǎng)度即可增加刀具數(shù)，可以不增加圓周速度，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不像盤式刀庫(kù)增加的那樣大。1.4換刀裝置的形式數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置中，實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)與機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為換刀裝置。刀庫(kù)換刀，按照換刀過程有無機(jī)械手參與，分成有機(jī)械手換刀和無機(jī)械手換刀兩種情況。有機(jī)械手的系統(tǒng)在刀庫(kù)配置、與主軸的相對(duì)位置及刀具數(shù)量上都比較靈活，換刀鼓輪式刀庫(kù)及換刀裝置設(shè)計(jì)5時(shí)間短。無機(jī)械手方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只是換刀時(shí)間要長(zhǎng)。1.4.1無機(jī)械手換刀無機(jī)械手換刀時(shí)，刀庫(kù)中刀具存放方向與主軸平行，刀具放在主軸可到達(dá)位置換刀時(shí)，主軸箱移到刀庫(kù)換刀位置上方，利用主軸Z向運(yùn)動(dòng)將加工用畢刀具插入刀庫(kù)中要求的空位處，然后刀庫(kù)中待換刀具轉(zhuǎn)到待命位置。主軸Z向運(yùn)動(dòng)將待用刀具從刀庫(kù)中取出，并將刀具插人主軸。由此可看出，必須首先將用過的刀具送回刀庫(kù)，再?gòu)牡稁?kù)中取出新刀具，這兩個(gè)動(dòng)作不能同時(shí)進(jìn)行，因此換到時(shí)間較長(zhǎng)。1.4.2機(jī)械手換刀有機(jī)械手換刀的過程中，使用一個(gè)機(jī)械手將加工完畢的刀具從主軸中拔出，與此同時(shí)，另一機(jī)械手將在刀庫(kù)中待命的刀具從刀庫(kù)拔出，然后兩者交換位置完成換刀過程。采用機(jī)械手進(jìn)行刀具交換的方式應(yīng)用的最為廣泛，這是因?yàn)闄C(jī)械手換刀有很大的靈活性，而且可以減少換到時(shí)間。鼓輪式刀庫(kù)及換刀裝置設(shè)計(jì)62總體方案的確定2.1刀庫(kù)和換刀裝置的功能及要求2.1.1功能刀庫(kù)用來儲(chǔ)存加工所需的刀具，而換刀裝置用來從刀庫(kù)調(diào)換加工過程中不同工序所需要的不同刀具。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，逐步發(fā)展和完善了各類刀具的自動(dòng)更換裝置，數(shù)控車床上采用電（液）換位自動(dòng)刀架，有的還使用兩個(gè)回轉(zhuǎn)刀盤。加工中心則進(jìn)一步采用了刀庫(kù)和換刀機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)了大容量?jī)?chǔ)存道具和自動(dòng)交換道具的功能，這種刀庫(kù)存放刀具的數(shù)量從幾十把到上百把，自動(dòng)交換道具的時(shí)間從幾十秒減少到幾秒甚至零點(diǎn)幾秒。使用這種刀庫(kù)和換刀機(jī)械手組成的自動(dòng)換刀裝置，就成為加工中心的主要特征。2.1.2基本要求（1）滿足工藝要求。機(jī)床依靠刀具和工件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成工作表面，而加工工件表面、形狀和表面位置多種多樣，要求刀庫(kù)上能夠布置足夠多的刀具，換到時(shí)間短，能夠方便而正確地加工個(gè)工件表面。為了實(shí)現(xiàn)在工件上一次安裝中完成多工序加工，要求刀庫(kù)可以方便地轉(zhuǎn)位。（2）保證足夠的重復(fù)定位精度。在刀庫(kù)上安裝刀具是還應(yīng)能精確地調(diào)整刀具的位置，采用自動(dòng)換刀裝置時(shí)，應(yīng)能保證刀具交換前后都能處于正確的位置，以保證刀具和工件間準(zhǔn)確的相對(duì)位置。而且精度保持性良好，以便長(zhǎng)期保持刀具的正確位置。（3）具有足夠的剛度。由于刀具的類型、尺寸各異，刀具在自動(dòng)交換過程中方向變換較為復(fù)雜，因此刀庫(kù)和換刀機(jī)械手都必須有足夠的剛度，以使換刀過程平穩(wěn)。（4）提高可靠性。由于自動(dòng)換刀裝置在機(jī)床工作過程中，使用頻繁，所以必須充分重視它的可靠性。（5）縮短換到時(shí)間。刀庫(kù)及其自動(dòng)換刀裝置是為了提高機(jī)床的自動(dòng)化而設(shè)置的，因而它的換刀時(shí)間應(yīng)盡可能縮短，以利于提高生產(chǎn)率。鼓輪式刀庫(kù)及換刀裝置設(shè)計(jì)7（6）操作方便和安全。換刀裝置是工人經(jīng)常操作的機(jī)床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是評(píng)價(jià)刀庫(kù)設(shè)計(jì)好壞的指標(biāo)。2.2主要設(shè)計(jì)參數(shù)安裝形式：側(cè)掛式刀庫(kù)刀具刀座數(shù)：24把最大刀具直徑：40mm換到時(shí)間：2.8秒（刀具到刀具）平均重量：7kg刀盤最低轉(zhuǎn)速：60r/min主軸鼻端刀具形式：BT40根據(jù)刀具形式及最大刀具直徑，采用單環(huán)排列方式排放，每把刀之間間隔10mm，初選刀庫(kù)直徑為618mm。2.3刀庫(kù)和換刀裝置設(shè)計(jì)方案加工中心與一般數(shù)控機(jī)床的顯著區(qū)別是具有對(duì)零件進(jìn)行多工序加工的能力,即能在一次裝夾中自動(dòng)完成銑、鏜、鉆、擴(kuò)、鉸、攻螺紋和內(nèi)槽加工等。其之所以有這種加工能力,就是因?yàn)樗幸惶鬃詣?dòng)換刀裝置。自動(dòng)換刀裝置是指能夠自動(dòng)完成主軸與刀具儲(chǔ)存位置之間刀具交換的裝置。自動(dòng)換刀裝置的主要組成部分是刀庫(kù)、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置。刀庫(kù)的功能是存儲(chǔ)刀并把下一把即將要用的刀具準(zhǔn)確地送到換刀位置,供換刀機(jī)械手完成新舊刀具的交換。當(dāng)?shù)稁?kù)容量大時(shí),常遠(yuǎn)離主軸配置且整體移動(dòng)不易,這就需要在主軸和刀庫(kù)之間配置換刀機(jī)構(gòu)來執(zhí)行換刀動(dòng)作。完成此功能的機(jī)構(gòu)包括送刀臂、擺刀站和換刀臂,總稱為機(jī)械手。具體來說,它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫(kù)之間的傳遞。驅(qū)動(dòng)裝置則是使刀庫(kù)和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其功能的