自動換刀裝置設(shè)計(jì) -劉曉峰

1、 自動換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)劉曉峰 08機(jī)械（3）班 2011年6月11日第1章 緒 論1.1 加工中心發(fā)展簡史1952年世界上出現(xiàn)第一臺數(shù)控機(jī)床，使多種產(chǎn)品、中小批量的機(jī)械加工設(shè)備在柔性，自動化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。它用易于修改的數(shù)控加工程序進(jìn)行控制，因而比大批量生產(chǎn)中使用組合機(jī)床生產(chǎn)線和凸輪、開關(guān)控制的專用機(jī)床有更大的柔性，容易適應(yīng)加工件品種的變化，進(jìn)行多品種加工。加工中心和車削中心是有機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成，適用復(fù)雜零件加工的高效、高精度的自動化機(jī)床。這種機(jī)床可裝若干把刀具，能自動更換刀具，一次裝卡中，完成銑鏜、車、鉆、擴(kuò)、鉸、攻螺紋等的加工。也是因?yàn)榧庸ぶ行暮蛙囅髦行谋纫话銛?shù)控機(jī)床多了一套自動

2、換刀裝置，可實(shí)現(xiàn)多工序的連續(xù)加工，因而加工效率大大提高，使其成為數(shù)控機(jī)床中發(fā)展最快、需求最大的機(jī)床。1.2 加工中心的主要優(yōu)點(diǎn)1）提高加工質(zhì)量工件一次裝夾，即可實(shí)現(xiàn)多工序集中加工，大大減少多次裝夾所帶來的誤差。另外，由于是數(shù)控加工，較少依賴操作者的技術(shù)水平，可得到相當(dāng)高的餓穩(wěn)定精度。2）縮短加工準(zhǔn)備時間加工中心可以頂替多臺通用機(jī)床，那么加工一個零件所需準(zhǔn)備時間，是每臺加工單元所損耗的準(zhǔn)備時間之和。才這個意義上說，加工中心的準(zhǔn)備時間顯然短得多。3）減少在制品以往的加工方式是工件流動于多臺通用機(jī)床之間，這就要有相當(dāng)數(shù)量的在制品，而在加工中心上加工，即可發(fā)揮其“多工序集中”的優(yōu)勢，在一臺機(jī)床上完成多

3、個工序，就能大大減少在制品數(shù)量。4）減少刀具費(fèi)不分散設(shè)置在個通用機(jī)床上的刀具，集中在加工中心刀庫上，有可能有最少量的刀具，實(shí)現(xiàn)公共有效利用。這樣既提高刀具利用率，有減少了刀具數(shù)量。5）最少的直接勞務(wù)費(fèi)由NC裝置多工序加工的信息集約化和一人多臺管理，以及用工作臺自動托盤交換裝置等輔助裝置，實(shí)現(xiàn)夜間無人運(yùn)轉(zhuǎn)。這些都可縮減直接勞務(wù)費(fèi)。6）最少的間接勞務(wù)費(fèi)由于工序集中，工件搬運(yùn)和質(zhì)量檢查工作量都大為減少，這就使間接勞務(wù)費(fèi)最少。7）設(shè)備利用率高加工中心設(shè)備利用率為通用機(jī)床的幾倍。第2章 初步方案2.1 要求與初步方案本次設(shè)計(jì)的對象為立式加工中心XH716的自動換刀裝置。自動換刀裝置的主要性能指標(biāo)為：1）

4、 刀庫容量：20把。2） 刀柄型號：ISO50。3） 最大刀具質(zhì)量：16kg。4） 最大刀具直徑:mm。5） 最大刀具長度：400mm。6） 最大刀具（相鄰是空位）：mm。7） 刀庫選刀的時間：s。8） 換刀時間（刀對刀）：s。2.2 自動換刀裝置的主要結(jié)構(gòu)自動換刀裝置的應(yīng)用，從一開始就追求高速化。但是由于當(dāng)時尚未充分掌握自動換刀裝置的內(nèi)在規(guī)律，故障效率較高，所以，在后來的相當(dāng)一段時間里，采用了首先保證動作可靠，然后才考慮速度的方針，在這段時間里，自動換刀裝置的速度未提高多少。但是隨著對自動換刀裝置內(nèi)在規(guī)律的深入了解和用戶對自動換刀裝置速度的迫切要求，又開始注意自動換刀裝置的速度了。在加工中心

5、加工零件的過程中換刀動作是由自動換刀裝置完成的。自動換刀裝置應(yīng)該滿足換刀時間短，刀具重復(fù)定位精度高，刀具儲存數(shù)量足夠，結(jié)構(gòu)緊湊，便于制造、維修、調(diào)整，應(yīng)有防屑、防塵裝置，布局應(yīng)合理等要求。同時也應(yīng)具有較好的剛性，沖擊、振動及噪聲小，運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠等特點(diǎn)。自動換刀系統(tǒng)由刀庫、選刀機(jī)構(gòu)、刀具交換機(jī)構(gòu)(如機(jī)械手)、刀具在主軸上的自動裝卸機(jī)構(gòu)等部分組成。5第3章 確定自動換刀裝置的換刀順序3.1 自動換刀裝置的換刀順序3.1.1 自動換刀裝置概述在加工中心加工零件的過程中換刀動作是由自動換刀裝置完成的。自動換刀裝置應(yīng)該滿足換刀時間短，刀具重復(fù)定位精度高，刀具儲存數(shù)量足夠，結(jié)構(gòu)緊湊，便于制造、維修、調(diào)整，

6、應(yīng)有防屑、防塵裝置，布局應(yīng)合理等要求。同時也應(yīng)具有較好的剛性，沖擊、振動及噪聲小，運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠等特點(diǎn)。自動換刀系統(tǒng)由刀庫、選刀機(jī)構(gòu)、刀具交換機(jī)構(gòu)(如機(jī)械手)、刀具在主軸上的自動裝卸機(jī)構(gòu)等部分組成。自動換刀方式分為兩大類：一是由刀庫和主軸的相對運(yùn)動實(shí)現(xiàn)刀具交換。用這種形式交換刀具時，主軸上用過的刀具送回刀庫和從刀庫中取出新刀，這兩個動作不能同時進(jìn)行，選刀和換刀由數(shù)控定位系統(tǒng)來完成，因此換刀時間長，換刀動作也較多。二是由機(jī)械手進(jìn)行刀具交換。3.1.2 刀具的夾持形式 機(jī)械手對刀具的夾持方式主要有兩種：1）柄式夾持：刀柄前端有V形槽，供機(jī)械手夾持用，目前我國數(shù)控機(jī)床較多采用這種夾持方式。如圖3-1所

7、示為機(jī)械手手掌結(jié)構(gòu)示意圖。由固定爪7及活動爪1組成，活動爪1可繞軸2回轉(zhuǎn)，其一端在彈簧柱塞6的作用下，支靠在擋銷3上，調(diào)整螺栓5以保持手掌適當(dāng)?shù)膴A緊力，鎖緊銷4使活動爪1牢固夾持刀柄，防止刀具在交換過程中松脫。鎖緊銷4要軸向壓進(jìn)，放松活動爪1，以便抓刀或松刀時手爪從刀柄V形槽中退出。圖3-1柄式夾持 圖3-2法蘭盤式夾持2）法蘭盤式夾持：也稱徑向夾持或碟式夾持，如圖3-2所示在刀柄的前端有供機(jī)械手夾持用的法蘭盤，圖中所示為采用帶洼形肩面的法蘭盤供機(jī)械手夾持用。圖a）上圖為松開狀態(tài)，下圖為夾持狀態(tài)。采用法蘭盤式夾持的突出優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)采用中間搬運(yùn)裝置時，可以很方便地從一個機(jī)械手過渡到另一個輔助機(jī)械手

8、上去，如圖b）所示。法蘭盤式夾持方式、換刀動作較多，不如柄式夾持方式應(yīng)用廣泛。3.1.3自動換刀的工作原理下面以EV-810A立式加工中心為例，來說明自動換刀系統(tǒng)的工作原理。該自動換刀系統(tǒng)由盤式刀庫和刀具交換裝置組成。刀庫安裝在機(jī)床立柱的左側(cè)，刀庫容量為24把刀具，換刀機(jī)械手安裝在刀庫和主軸之間。機(jī)械手將刀具從刀庫中取出送至機(jī)床主軸上，然后將用過的刀具送回刀庫。其自動換刀動作過程簡述如下：1）刀套下轉(zhuǎn)90：如圖所示3-3，刀庫位于立柱左側(cè)，刀具軸線在刀庫中的安裝方向在換刀前與主軸垂直，刀庫將待換刀具5送到換刀位置，刀套4連同刀具5向下翻轉(zhuǎn)90，使刀具軸線與主軸軸線平行。圖3-3自動換刀的工作原

9、理2）機(jī)械手轉(zhuǎn)75：下圖所示K向視圖為機(jī)械手的原始位置，換刀時機(jī)械手順時針轉(zhuǎn)75，兩手爪分別抓住刀庫上和主軸3上的刀柄。3）機(jī)械手拔刀：待主軸上自動夾緊機(jī)構(gòu)松開刀具后，機(jī)械手下降，同時拔出主軸上和刀庫上的刀具。4）刀具位置交換：機(jī)械手順時針轉(zhuǎn)180，使主軸刀具與刀庫刀具交換位置。5）機(jī)械手插刀：機(jī)械手上升，分別將刀具插入主軸錐孔和刀庫刀套中。6）機(jī)械手逆時針轉(zhuǎn)75：待主軸上自動夾緊機(jī)構(gòu)夾緊刀具后，機(jī)械手逆時針轉(zhuǎn)，回到原始位置。7）刀套上轉(zhuǎn)90：刀套帶著換回的舊刀具向上翻轉(zhuǎn)90，準(zhǔn)備下一次選刀。該機(jī)床使用回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手換刀。在自動換刀過程中，機(jī)械手要完成抓刀、拔刀、交換主軸上和刀庫上的刀具

10、、插刀和復(fù)位等動作，這些動作由氣壓系統(tǒng)來控制完成。這種自動換刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，換刀可靠，換刀動作也少，得到了廣泛應(yīng)用。3.2 凸輪聯(lián)動驅(qū)動機(jī)械手工作循環(huán)圖的確定在自動換刀裝置工作過程中，松、夾刀動作和刀套翻轉(zhuǎn)動作由主機(jī)控制完成，其余各個動作的匹配關(guān)系，如圖3-4所示。這些動作由凸輪聯(lián)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。圖3-4 凸輪聯(lián)動驅(qū)動機(jī)械手工作循環(huán)圖a)弧面分度凸輪運(yùn)動線圖 b)拔插刀凸輪運(yùn)動線圖c）松緊刀凸輪運(yùn)動線圖 d）停轉(zhuǎn)凸輪運(yùn)動線圖3.3 凸輪曲線特性值及運(yùn)動規(guī)律的選擇評價各種運(yùn)動規(guī)律，常常按照一些與運(yùn)動學(xué)或動力學(xué)有關(guān)的特性值。通過這些特性值的比較，可以大體分析出凸輪機(jī)構(gòu)選用這種運(yùn)動規(guī)律的運(yùn)動或動力特性，

11、甚至可以反映出工作行為、結(jié)構(gòu)或壽命等方面的基本趨勢。運(yùn)與動規(guī)律常用的特性值有以下幾種：1）最大速度凸輪曲線的特性值。眾所周知，凸輪機(jī)構(gòu)的輪廓壓力角一般隨速度的增大而增加。壓力角過大，會導(dǎo)致磨損加劇，效率下降，甚至自鎖咬死。為了減小壓力角，應(yīng)選用較小的運(yùn)動規(guī)律。如果壓力角選定時，較小的，可以得到較小的基圓半徑，因而能減小凸輪機(jī)構(gòu)的尺寸。低速機(jī)構(gòu)一般按較小的原則選用運(yùn)動規(guī)律。2）無因次最大加速度。在高速凸輪機(jī)構(gòu)中，與加速度成正比的慣性力是載荷的主要組成部分。較大的慣性力不但使構(gòu)件受力增加，構(gòu)件之間磨損加劇，由于振動分量的存在，還導(dǎo)致從動件的振動加大，嚴(yán)重影響工作精度。因此，是選用運(yùn)動規(guī)律時必須考慮

12、的主要特性，特別是在中、高速機(jī)構(gòu)中，更要選用較小的。速度與加速度的增加還導(dǎo)致輪廓曲率半徑的減小，使接觸應(yīng)力增加。3）動載轉(zhuǎn)矩特性值。經(jīng)證明，與動載慣性力對應(yīng)的凸輪軸轉(zhuǎn)矩正比與，它的最大值決定動載轉(zhuǎn)矩的最大值。為了減少凸輪軸轉(zhuǎn)矩，降低電動機(jī)功率，應(yīng)選用較小的運(yùn)動規(guī)律。4）最大躍度和最大跳度。在高速機(jī)構(gòu)中，要求高階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，而且絕對值盡量小，以便減少機(jī)構(gòu)的振動，提高工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度。作為位移三階導(dǎo)數(shù)的躍度J和四階導(dǎo)數(shù)的跳度Q,通常要求控制其最大值或不要超過某一數(shù)值。3.4 提高換刀速度的措施這種凸輪聯(lián)動ATC，一般凸輪每轉(zhuǎn)一圈完成一次換刀動作。因此，提高ATC的換刀速度就必須提高凸輪的轉(zhuǎn)速。但由

13、于制造誤差的存在，速度提高也會使整個系統(tǒng)的動態(tài)特性變差。因此，應(yīng)該綜合考慮，采取如下的措施： 1.提高驅(qū)動電動機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)速及驅(qū)動力矩。 2.合理選擇、設(shè)計(jì)凸輪曲線，提高凸輪制造精度。 3.減小凸輪曲線的壓力角。例如，改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，加大凸輪與滾子盤之間的中心距：縮短或去除主軸的松拉刀時間，使主軸松刀在換刀之前動作，拉刀在換刀之后動作：加大ATC在抓刀、180換刀、回零時的凸輪轉(zhuǎn)位角：減小拔、插刀行程，采用HSK刀柄等。4.改善潤滑條件，減小摩擦力矩。5.改變凸輪聯(lián)動的動作結(jié)構(gòu)，如把180換刀改為20換刀等?？傊?，凸輪聯(lián)動ATC的設(shè)計(jì)，要把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動力學(xué)分析計(jì)算以及ATC的動作聯(lián)動關(guān)系進(jìn)行綜合考

14、慮、反復(fù)計(jì)算，以取得較好的設(shè)計(jì)結(jié)果，保證ATC的換刀運(yùn)動連續(xù)、高速、平穩(wěn)、可靠。3.5 主要計(jì)算公式1）滾子數(shù)的選定=360，一般取Z=616，在這里取=6。2）凸輪頭數(shù)當(dāng)n取整數(shù)值且值越小，凸輪曲線條數(shù)就越少，凸輪結(jié)構(gòu)也就越簡單。最理想的值是1，于是取=1。3）分度數(shù)n一般取n=424，這里取n=6。4）滾子盤分度角，大可提高承載能力，過大會使預(yù)緊困難。一般取取=。5）凸輪分度角根據(jù)實(shí)際情況確定。6）凸輪壓力角 （31）7）滾子盤分度圓半徑 （32）8）中心距即從動盤與凸輪回轉(zhuǎn)中心的距離，我國規(guī)定中心距為(40-450)mm。，其公比為1.25。常用的中心距有(40、50、63、80、100

15、、125、150、180、200)mm等。選取的中心距不同，對應(yīng)的箱體尺寸不同，可以滿足不同功率需求。根據(jù)機(jī)床布局，刀庫與主軸箱間空間尺寸定中心距a,在結(jié)構(gòu)允許時，a值盡量選大點(diǎn)，這樣可使凸輪曲線平緩，在本設(shè)計(jì)中取a=100mm。 9）計(jì)算滾子盤分度圓半徑 （32）式中 取= 許用壓力角，一般取，取 從動件運(yùn)動規(guī)律的無量綱最大速度 10）凸輪壓力角 （31）由此可知凸輪壓力角滿足條件。11第4章 確定自動換刀裝置的傳動方案4.1 傳動方案的確定 考慮凸輪式自動換刀裝置較之他方式的換刀裝置，具有換刀速度快、可靠性好、控制簡單、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，選用機(jī)械手的動作由聯(lián)動的凸輪驅(qū)動，刀庫的選刀分度也采用

16、弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)，可提高定位精度和可靠度，也使控制簡單。4.2 驅(qū)動電機(jī)的選擇驅(qū)動刀庫的電動機(jī)為普通電動機(jī)。刀庫的轉(zhuǎn)位分度由步進(jìn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，并且也可由步進(jìn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)停定位。因此，要求間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)以后的齒輪傳動必須消隙預(yù)緊。對于刀庫容量大的鏈?zhǔn)降稁?，一般還需加準(zhǔn)停裝置，此時的齒輪傳動就不用消隙預(yù)緊。普通電動機(jī)一般需變頻器驅(qū)動，用以實(shí)現(xiàn)調(diào)速、制動及安全保護(hù)。這里選用普通電動機(jī)。1.主要計(jì)算公式 1）弧面分度凸輪傳動箱輸入軸轉(zhuǎn)速（r/mm） （41）式中 刀庫容量，這里取=32把； 刀庫最長選刀時間（s），這里取=20s。2）減速裝置的傳動比 （42）式中 電動機(jī)斷電后所能轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，對

17、于裝于刀庫的電動機(jī)來說，可取=46； 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)弧面分度凸輪傳動箱中凸輪的轉(zhuǎn)位角，一般取=3）刀套的最大加速度 （43）式中 P刀具的間距(m)。 凸輪一個刀位的轉(zhuǎn)位時間（s）。4)動載荷驅(qū)動刀庫需要的功率 （44）式中 刀套的平均速度（m/s）13第5章 自動換刀裝置的控制5.1 自動換刀裝置的控制自動換刀裝置由刀庫、翻刀機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、刀庫手動裝卸刀機(jī)構(gòu)四個主要部分組成。自動換刀裝置的工作由數(shù)控系統(tǒng)通過PLC控制。加工程序和PLC程序關(guān)系示意圖PLC程序是數(shù)控機(jī)床正常運(yùn)轉(zhuǎn)的軟件核心，是連接NC和機(jī)床的橋梁，也是機(jī)床電氣設(shè)計(jì)人員調(diào)試機(jī)床的關(guān)鍵。一個完善的PLC程序不僅能使機(jī)床正常運(yùn)行，還要讓

18、人看起來一目了然，既為自己調(diào)試提供方便，還能幫助維修人員查找故障和分析原因。 1.開關(guān)量的邏輯控制這是PLC最基本最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。PLC取代繼電器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)邏輯控制。例如:機(jī)床刀庫換刀控制、汽車配裝線、電視機(jī)和收音機(jī)的生產(chǎn)線控制等。 2.運(yùn)動控制PLC可用于對直線運(yùn)動或圓周運(yùn)動的控制。早期直接用開關(guān)量I/0模塊連接位置傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動控制模塊。這類模塊一般帶有微處理器，用來控制運(yùn)動物體的位置、速度和加速度，它可以控制直線運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、單軸或多軸運(yùn)動。它們使運(yùn)動控制與可編程控制器的順序控制功能有機(jī)地結(jié)合在一起，被廣泛地應(yīng)用在機(jī)床、裝配機(jī)械等場合。 3.閉環(huán)過程控制

19、在工業(yè)生產(chǎn)中，一般用閉環(huán)控制方法來控制溫度、壓力、流量、速度這一類連續(xù)變化的模擬量，無論是使用模擬調(diào)節(jié)器的模擬控制系統(tǒng)還是使用計(jì)算機(jī)(包括PLC)的控制系統(tǒng)，PID(Proportional Integral Differential，即比例-積分一微分調(diào)節(jié))都因其良好的控制效果，得到了廣泛的應(yīng)用。PLC通過模擬量I/0模塊實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的A/D，D/A轉(zhuǎn)換，并對模擬量進(jìn)行環(huán)PID控制，可用PID子程序來實(shí)現(xiàn)，也可使用專用的PID模塊。PLC的模擬量控制功能已經(jīng)廣泛用于塑料擠壓成型機(jī)、加熱爐、熱處理爐、鍋爐等設(shè)備，還廣泛地應(yīng)用于輕工、化工、機(jī)械、冶金電力和建材等行業(yè)。 4.數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代

20、的PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳遞、轉(zhuǎn)換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與存貯在存儲器中的參考值比較，也可以用通訊功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑵浯蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用在大、中型控制系統(tǒng)，如柔性制造系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)等。 5.機(jī)器人控制機(jī)器人作為工業(yè)過程自動生產(chǎn)線中的重要設(shè)備，已成為未來工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大支柱之一?，F(xiàn)在許多機(jī)器人制造公司，選用PLC作為機(jī)器人控制器來控制各種機(jī)械動作。隨著PLC體積進(jìn)一步縮小，功能進(jìn)一步增強(qiáng)，PLC在機(jī)器人控制中的應(yīng)用必將更加普遍。 6.通訊聯(lián)網(wǎng)PLC的通訊包括PLC之間的通訊、PLC與上位計(jì)算機(jī)和其它智能設(shè)備之間的通訊。P

21、LC和計(jì)算機(jī)具有接口，用雙絞線、同軸電纜或光纜將其聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)信息的交換，并可構(gòu)成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。目前PLC與PLC的通訊網(wǎng)絡(luò)是各廠家專用的。PLC與計(jì)算機(jī)之間的通訊，一些PLC生產(chǎn)廠家采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，并向標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議靠攏。PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng),專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī),采用面向用戶的指令,編程方便。近年來,PLC在傳統(tǒng)的對開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上,又增加了數(shù)字運(yùn)算及對模擬信號處理的能力。這給PLC的應(yīng)用帶來了巨大的發(fā)展前景,PLC驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制,硬件電路設(shè)計(jì)簡單、方便、快捷。編程時只要熟悉PLC的指令即可。15參 考 文 獻(xiàn)1吳宗澤 羅圣國.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊M.北京:高等教育出版社,2006.5；2邱宣懷 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)(第四版)M.北京:高等教育出版社,2006.5；3廉元國 張永紅 加工中心設(shè)計(jì)與應(yīng)用M 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.12；4張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)(第二版)M. 北