自動(dòng)銑削機(jī)的總體方案及夾緊裝置的設(shè)計(jì)

濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)PAGE23-1前言1.1引言塑鋼門(mén)窗是以聚氯乙烯為主要原料，輔以一定比例的穩(wěn)定劑、著色劑、填充劑、紫外線吸收劑等其他化學(xué)原料，經(jīng)擠出成型，然后經(jīng)過(guò)各種加工成為各種斷面的中空型材，在其內(nèi)腔襯以型鋼，再用熱融焊接以及螺接的方式制成門(mén)窗框架，這種門(mén)窗具有較強(qiáng)的抗沖擊性，耐腐蝕性，耐候性，抗氧化，保溫防水，隔音節(jié)能絕緣效果好。因其具有諸多優(yōu)良性能。基于以上特點(diǎn)，國(guó)家建設(shè)部將其指定為綠色節(jié)能產(chǎn)品,在全國(guó)進(jìn)行推廣。近年來(lái)塑鋼門(mén)窗在我國(guó)得到了迅速的發(fā)展，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比裝備比較落后。而國(guó)外進(jìn)口的塑窗加工設(shè)備價(jià)格普遍較高。這在一定程度上制約了我國(guó)塑料門(mén)窗的發(fā)展。鑒于此，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我們小組選擇了塑窗鋸銑加工中心的自動(dòng)銑削機(jī)部分的設(shè)計(jì)，本文主要介紹自動(dòng)銑削機(jī)的總體和夾緊裝置的設(shè)計(jì)。1.2塑窗行業(yè)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀塑鋼門(mén)窗因其優(yōu)良的性能受到世界各國(guó)的普遍重視。目前英國(guó)、法國(guó)的使用率在30%左右，而德國(guó)、奧地利則在50%以上。我國(guó)自80年代初期引入塑鋼門(mén)窗以來(lái),通過(guò)對(duì)國(guó)外技術(shù)的借鑒、吸收和創(chuàng)新，塑鋼門(mén)窗行業(yè)得到了迅速的發(fā)展,其中塑窗加工設(shè)備的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新也迅猛發(fā)展。我國(guó)塑鋼門(mén)窗加工設(shè)備包括七大種類(lèi)：銑削類(lèi)、鋸切類(lèi)、清角類(lèi)、焊接類(lèi)、銑削類(lèi)、加工中心自動(dòng)線類(lèi)。其中銑削類(lèi)加工設(shè)備主要有水槽銑、仿形銑、玻璃壓條銑等多種產(chǎn)品,但總體來(lái)看，銑削類(lèi)設(shè)備還是比較落后，其基本為單工序、手動(dòng)加工，僅銑削一道工序就需要很多的設(shè)備，效率低下，成本較高。因?yàn)槲覈?guó)的塑窗行業(yè)起步較晚，與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家有著較大的差距，但是國(guó)外的設(shè)備又比較昂貴，因此我國(guó)的塑窗行業(yè)產(chǎn)能較低，效率低下，在這種情況下，我們研制了鋁塑型材鋸銑加工中心，這一加工中心有著很多優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)36種型材的識(shí)別、定位夾緊、鋸銑加工。大大提高了鋁塑型材的加工效率，提升了我國(guó)塑窗加工設(shè)備的水平。但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比我們依然要有很長(zhǎng)的一段路要走。1.3選題的背景和意義20世紀(jì)90年代以來(lái)，各國(guó)開(kāi)始注重制造業(yè)的綠色化轉(zhuǎn)型，更加注重資源節(jié)約型和環(huán)境友好型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其中塑鋼門(mén)窗在建筑門(mén)窗行業(yè)正是綠色化的新型行業(yè)，因此它必將取代傳統(tǒng)的木、鋁門(mén)窗，成為主導(dǎo)產(chǎn)品，因此在這種背景下，塑鋼加工設(shè)備的研制對(duì)我國(guó)的綠色戰(zhàn)略有著很重要的意義。本次課題涉及的鋁塑型材鋸銑加工中心有很多優(yōu)點(diǎn)，控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，可自動(dòng)完成多種型材的自動(dòng)識(shí)別、定位夾緊和銑削、鋸切加工，與傳統(tǒng)的同類(lèi)加工設(shè)備相比，環(huán)境污染少，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低。大大提高了我國(guó)塑窗行業(yè)加工的水平，自動(dòng)銑削機(jī)作為該加工中心的重要組成部分，可對(duì)36中型材進(jìn)行銑削加工，將多種工序集中在一個(gè)機(jī)器上，具有明顯的柔性加工性能。1.4本課題研究的主要內(nèi)容以及主要參數(shù)鋸銑加工中心由電腦控制臺(tái)、自動(dòng)輸料臺(tái)、送料機(jī)械手、自動(dòng)銑削機(jī)、自動(dòng)鋸切機(jī)、鋸后輸送和收塵等幾大部分組成。該加工中心采用3個(gè)伺服軸，利用計(jì)算機(jī)控制，圖形界面編程，型材長(zhǎng)度優(yōu)化等技術(shù)，將鋸、銑工藝集中到統(tǒng)一的加工單元[7]，圖1為加工中心外觀照片，圖2為加工中心各組成單元配置圖。圖1加工中心外觀照片圖2加工中心各組成單元配置示意圖塑窗自動(dòng)銑削機(jī)作為鋸銑加工中心主要單元，將信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、氣動(dòng)控制技術(shù)等與制造技術(shù)相結(jié)合，由工業(yè)計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)型材銑削加工全過(guò)程的自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)編制工藝，可自動(dòng)高速加工36種不同型材，并將多種復(fù)雜的銑削工序集中在一臺(tái)設(shè)備上自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，具有良好的柔性加工性能。本次以自動(dòng)銑削機(jī)總體及夾緊裝置設(shè)計(jì)為畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容，要求實(shí)現(xiàn)多種型材的排水孔、通風(fēng)孔、鉸鏈孔、門(mén)窗鎖孔、滑輪孔以及其他各種五金件安裝孔、槽的加工，其孔、槽既可為規(guī)則形狀亦可為異形，其夾緊裝置可實(shí)現(xiàn)不同尺寸型材的定位和夾緊。具體包括自動(dòng)銑削機(jī)總體及夾緊裝置刀架的方案設(shè)計(jì)、裝配圖及支撐零件圖設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算以及關(guān)鍵零件的校核。圖3為自動(dòng)銑削機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖相關(guān)參數(shù)：（1）自動(dòng)銑床能夠?qū)崿F(xiàn)25×25mm~120×120mm截面鋁塑型材的規(guī)則及異型孔槽的銑削；（2）自動(dòng)銑床能夠?qū)崿F(xiàn)25×25mm~120×120mm截面鋁塑型材的定位和夾緊；（3）銑刀直徑為?5mm~?8mm；（4）可以銑削鋁合金及塑料門(mén)窗型材；（5）型材的夾緊采用氣動(dòng)控制，安全可靠；（6）要求設(shè)計(jì)方案合理，結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、質(zhì)量達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。圖3自動(dòng)銑削機(jī)整體結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖2自動(dòng)銑削機(jī)總體方案設(shè)計(jì)2.1總體結(jié)構(gòu)分析自動(dòng)銑削機(jī)主要由機(jī)架、自動(dòng)銑削裝置、導(dǎo)向定位夾緊裝置三部分組成。機(jī)架作為工作平臺(tái)，主要起到支撐和定位的作用；自動(dòng)銑削裝置負(fù)責(zé)對(duì)工件進(jìn)行銑削和鉆銷(xiāo)等復(fù)合加工，它通過(guò)復(fù)合導(dǎo)軌與機(jī)架相連接，在兩個(gè)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)滾珠絲杠控制其前后和豎直運(yùn)動(dòng)，再配合工件水平方向的進(jìn)給，可以調(diào)整刀具相對(duì)工件的位置，刀頭部分在微型高速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿垂直于工件的方向進(jìn)給，完成銑削等各種加工；導(dǎo)向定位夾緊裝置通過(guò)螺釘與機(jī)架相連，在加工過(guò)程中主要起到導(dǎo)向和夾緊的作用，低壓時(shí)，主要起到導(dǎo)向作用，高壓時(shí)，主要起到夾緊作用，保證加工精度和質(zhì)量。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2.1。圖2.1自動(dòng)銑削機(jī)總體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖2.2機(jī)架的設(shè)計(jì)機(jī)架是整個(gè)加工過(guò)程中的工作平臺(tái)，起到支撐和定位的作用，機(jī)架的材料全部用Q235-A，厚度為10mm的方形空腔型鋼加工焊接制作，機(jī)架立體圖見(jiàn)圖2.3所示：1.機(jī)架；2前后移動(dòng)伺服電機(jī)；3.刀頭支架；4.導(dǎo)向夾緊裝置圖2.3機(jī)架極其在整體中的布局為了能更好地調(diào)結(jié)水平，在機(jī)架的四個(gè)角上安裝地腳固定組件，該組件是采用螺栓螺母調(diào)節(jié)四腳高度以調(diào)平機(jī)床。因四個(gè)螺栓要承受機(jī)身的全部重量以及切削時(shí)的動(dòng)載荷，所以一螺栓要有足夠的強(qiáng)度，因此采用直徑為30mm的螺柱，同時(shí)地腳固定板的面積不能太小，以免地面承受大的壓強(qiáng)而出現(xiàn)不足，影響機(jī)床加工質(zhì)量。在此設(shè)計(jì)成200×200×30的平板，兩者的材料均為Q235-A。刀頭支架的水平進(jìn)給由伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)，伺服電機(jī)與滾珠絲杠通過(guò)聯(lián)軸器連接，故需要設(shè)計(jì)一個(gè)箱體以保證伺服電機(jī)與滾珠絲杠的同軸度，箱體材料用HT200，箱體通過(guò)一個(gè)連接板焊接到機(jī)架上；刀頭支架的水平進(jìn)給通過(guò)絲杠螺母副與絲杠掛角的連接傳給輔助板，輔助板與刀頭支架之間由豎直導(dǎo)軌連接，在水平進(jìn)給絲杠的傳動(dòng)下，沿固定在機(jī)架上的導(dǎo)軌一起作水平進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。2.2自動(dòng)銑削裝置自動(dòng)銑削裝置見(jiàn)圖4由兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)滾珠絲杠控制其上下和左右運(yùn)動(dòng)，調(diào)整刀具相對(duì)于型材的位置。型材從銑削裝置中間空腔由送料機(jī)械手縱向輸送，刀具則在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)氣缸的作用下，快進(jìn)后進(jìn)行切削[4]。這一設(shè)計(jì)思路可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)集中控制，并且可得到高的精度和生產(chǎn)效率。自動(dòng)銑削裝置由個(gè)方向固定的工作頭和小范圍內(nèi)可手動(dòng)調(diào)整方向的多個(gè)工作頭組成，可實(shí)現(xiàn)在型材截面內(nèi)多方向的進(jìn)給。工作頭由銑刀、小型高速電動(dòng)機(jī)和氣缸組成，采用模塊化設(shè)計(jì)。切削加工采用兩種方式進(jìn)行，通過(guò)氣缸直接進(jìn)給或配合送料機(jī)械手進(jìn)行小孔及排水槽等的加工，另一方式則為送料機(jī)械手與銑削裝置支架帶動(dòng)刀具的伺服進(jìn)給實(shí)現(xiàn)較大孔或異形孔、槽的加工。圖2.2自動(dòng)銑削裝置結(jié)構(gòu)圖這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式具有明顯的柔性加工性能及其他一些優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)在：（1）在型材同一截面內(nèi)可進(jìn)行多方向的孔、槽加工，滿足用戶多方面需要；（2）自動(dòng)銑削裝置的兩個(gè)伺服軸配合送料機(jī)械手的縱向伺服進(jìn)給，可實(shí)現(xiàn)各種規(guī)則及異形孔、槽的加工；（3）滾珠絲杠及工作頭進(jìn)給氣缸較大的行程范圍配合送料機(jī)械手的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，可加工種不同規(guī)格的型材；（4）具有較高的加工精度和加工效率。因刀具位置或軌跡由伺服系統(tǒng)控制，且根據(jù)需要，某幾把刀可同時(shí)加工；（5）進(jìn)給采用帶磁性開(kāi)關(guān)的氣缸進(jìn)行控制，不污染環(huán)境，成本較低[4]。3夾緊裝置的設(shè)計(jì)3.1夾緊裝置概述在機(jī)械制造批量生產(chǎn)中，根據(jù)加工工件的工藝要求，合理使用夾具可以充分發(fā)揮通用機(jī)床的作用，縮短輔助時(shí)間，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高加工精度，降低生產(chǎn)成本，減少?gòu)U品，擴(kuò)大機(jī)床的工藝范圍以及改善操作的勞動(dòng)條件。因此，機(jī)床夾具是機(jī)械制造中的一項(xiàng)重要的工藝裝備，在機(jī)械制造行業(yè)中占有重要的地位。為提高機(jī)床的生產(chǎn)效率，保證加工質(zhì)量，機(jī)床夾具設(shè)計(jì)要遵守以下原則：(1)定位基準(zhǔn)必須與工藝基準(zhǔn)重合，并盡量與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合，這樣可以減少定位誤差，獲得最大的加工允許誤差，降低夾具的制造精度；應(yīng)選擇工件上的最大的平面，最長(zhǎng)的圓柱面或圓柱面軸線為定位基準(zhǔn)；選擇定位元件時(shí)，避免出現(xiàn)過(guò)定位現(xiàn)象。(2)夾緊過(guò)程中不得改變工件定位時(shí)所確定的位置；夾緊力方向應(yīng)垂直于主要定位件的定位平面，夾緊機(jī)構(gòu)的接觸元件只能在夾緊方向移動(dòng)；夾緊力應(yīng)保證夾具在加工過(guò)程中工件相對(duì)定位件的位置不變。(3)在大批量生產(chǎn)中，需要采用高效專(zhuān)用的夾具結(jié)構(gòu)，采用各種動(dòng)力源（如液壓、電動(dòng)、氣動(dòng)）來(lái)提高自動(dòng)化程度，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；采用聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)和多共建夾緊裝置，減少輔助時(shí)間；在小批量生產(chǎn)中，采用通用夾具、可調(diào)整夾具、成組夾具和組合夾具。(4)在設(shè)計(jì)專(zhuān)用夾具時(shí)，盡量采用通用部件和標(biāo)準(zhǔn)元件，減少非標(biāo)準(zhǔn)零件，提高標(biāo)準(zhǔn)化程度，縮短設(shè)計(jì)和制造周期；夾具的零件和部件既要重量輕，又要有足夠的剛度和強(qiáng)度，保證在加工過(guò)程中不發(fā)生振動(dòng)，保證加工精度。(5)夾具應(yīng)具有足夠的穩(wěn)定性；其在機(jī)床上的安裝位置和連接要正確可靠；夾具和刀桿或刀夾在安裝和加工過(guò)程中不應(yīng)發(fā)生干涉；夾具安裝于機(jī)床后，應(yīng)能使刀具裝卸方便；保證夾具零件在加工過(guò)程和裝配時(shí)便于加工、測(cè)量和調(diào)整。3.2夾緊裝置的基本要求機(jī)床夾具作為機(jī)床的輔助裝置，其設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞對(duì)零件的加工質(zhì)量、效率、成本、以及公人的勞動(dòng)強(qiáng)度均有直接的影響，因此在進(jìn)行機(jī)床夾具設(shè)計(jì)時(shí)，必須使加工質(zhì)量、生產(chǎn)率、勞動(dòng)條件和經(jīng)濟(jì)性等幾方面達(dá)到統(tǒng)一，其中保證加工質(zhì)量是最基本的要求。在考慮這四方面要求時(shí)，應(yīng)在滿足加工要求的前提下，根據(jù)具體情況處理好生產(chǎn)效率與勞動(dòng)條件、生產(chǎn)率與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系。夾具基本要求如下：

(1)夾緊既不應(yīng)破壞工件的定位，或產(chǎn)生過(guò)大的夾緊變形，又要有足夠的夾緊力，防止工件在加工中產(chǎn)生振動(dòng)；

(2)夾緊裝置要有足夠的夾緊行程，夾緊動(dòng)作迅速，操縱方便、安全省力；

(3)手動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)要有可靠的自鎖性，機(jī)動(dòng)夾緊裝置要統(tǒng)籌考慮夾緊的自鎖性和原動(dòng)力的穩(wěn)定性；

(4)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單緊湊，制造、維修方便；(5)夾緊時(shí)應(yīng)保持工件定位后所占據(jù)的正確位置。3.3夾緊裝置設(shè)計(jì)的基本步驟夾具設(shè)計(jì)的基本步驟如下：(1)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作，明確設(shè)計(jì)任務(wù)為了明確設(shè)計(jì)任務(wù)，首先根據(jù)研究工作的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料、生產(chǎn)規(guī)模和零件的加工規(guī)程、零件圖以及工序圖、本工序加工點(diǎn)的技術(shù)要求以及前后工序的聯(lián)系；然后了解加工所用設(shè)備、工具車(chē)間的技術(shù)水平等。手機(jī)典型夾具結(jié)構(gòu)圖冊(cè)和有關(guān)夾具零件，了解同類(lèi)工件加工及夾具使用情況，以備參考[16]。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，主要是針對(duì)塑鋼型材進(jìn)行加工，結(jié)構(gòu)為細(xì)長(zhǎng)型25×25mm~120×120mm截面鋁塑型材，，生產(chǎn)規(guī)模應(yīng)為大批量生產(chǎn)，主要是對(duì)排水孔、通風(fēng)孔、鉸鏈孔、門(mén)窗鎖孔、滑輪孔以及其他各種五金件安裝孔、槽進(jìn)行加工，其孔、槽既可為規(guī)則形狀亦可為異形。夾具的主要任務(wù)是對(duì)該型材進(jìn)行夾緊，以便對(duì)型材進(jìn)行上述加工。(2)確定夾具的總體方案根據(jù)六點(diǎn)定位原理確定工件的定位方式，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的定位元件，驗(yàn)算定位誤差；確定工件的夾緊方案并選擇合適的夾緊裝置，確定夾緊力方向、作用點(diǎn)及其大?。淮_定刀具的導(dǎo)引方法，并設(shè)置引導(dǎo)原件和對(duì)刀裝置；確定其他元件或裝置的結(jié)構(gòu)形式，如定向元件、分度裝置等；考慮各種裝置與元件的布局，確定夾具的總體結(jié)構(gòu)；最好考慮幾個(gè)方案，經(jīng)過(guò)分析比較，從中選取比較合理的方案[16]。在設(shè)計(jì)初期，我確定了兩種主要的設(shè)計(jì)方案，第一種是用一個(gè)動(dòng)力源（氣缸）同時(shí)控制水平和豎直方向的夾緊板，這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于可以節(jié)省動(dòng)力源，減低成本，缺點(diǎn)在于不便于安裝導(dǎo)向裝置并且?jiàn)A緊力不以確定。第二種方案時(shí)在豎直和和水平方向用兩個(gè)氣缸驅(qū)動(dòng)滾輪對(duì)工件進(jìn)定位和夾緊，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，便于導(dǎo)軌的安裝和夾緊力的確定；通過(guò)最終的比較，我選擇了第二種方案。(3)繪制夾具總圖夾具的裝配圖盡量1:1表達(dá)，在清楚表達(dá)家具內(nèi)部結(jié)構(gòu)和元件、位置關(guān)系的前提下，總圖的視圖應(yīng)盡可能的少。主視圖應(yīng)選取操作者實(shí)際工作時(shí)的位置，繪制總裝圖的順序如下：先用雙點(diǎn)畫(huà)線畫(huà)出工件的輪廓外形，是一處定位基準(zhǔn)面和加工面的位置，然后把工件視為透明體，按照工件的形狀和位置依次繪出定位、夾緊、導(dǎo)向及其他元件和裝置的具體結(jié)構(gòu)，最后繪制成夾具體，形成一個(gè)夾具整體[16]。由于夾具的總體尺寸較大，我選擇了1:2的比例進(jìn)行表達(dá)，主要畫(huà)了兩個(gè)視圖。夾緊裝置的主視圖如下：夾緊裝置俯視圖如下：(4)確定并標(biāo)注有關(guān)尺寸和技術(shù)要求，在夾具總圖上應(yīng)標(biāo)注外形尺寸，以及一些必要的轉(zhuǎn)配、檢驗(yàn)尺寸及公差，制定主要原件、裝置之間的相互位置精度要求等。具體包括五類(lèi)尺寸和四類(lèi)技術(shù)要求。五類(lèi)尺寸包括：夾具外的廓尺寸、夾具內(nèi)部的配合尺寸、家具與機(jī)床的聯(lián)系尺寸、夾具與刀具的聯(lián)系尺寸、夾具與導(dǎo)向件的聯(lián)系尺寸。四類(lèi)技術(shù)條件如下：定位元件之間或定位元件與夾具底面間的位置要求、定位元件與連接元件間的位置要求、對(duì)刀元件同連接元件的位置要求、定定位元件與導(dǎo)引元件間的位置要求[16]。(5)繪制夾具零件圖夾具中設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)零件必須繪制相應(yīng)的零件圖。在確定這些零件的尺寸、形狀、配合、位置、表面粗糙組、公差和技術(shù)條件時(shí)，要使它與夾具總圖相一致。3.4夾緊裝置方案的確定綜合考慮上述設(shè)計(jì)原則和基本步驟，結(jié)合本設(shè)計(jì)中加工型材的特點(diǎn)，因?yàn)樾筒臑榧?xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，加工過(guò)程中易變形且銑削后需繼續(xù)輸送至鋸切機(jī)的特點(diǎn)，分別采用一長(zhǎng)排滾子形成水平面和側(cè)平面定位，限制5個(gè)自由度，夾緊機(jī)構(gòu)采用氣壓驅(qū)動(dòng)的滾子進(jìn)行夾緊。氣缸行程范圍較大，可以保證截面尺寸為25×25mm～120×120mm多種型材的夾緊，并且由氣體壓力差?yuàn)A緊系統(tǒng)控制，采用在輸送過(guò)程中水平、垂直方向低壓夾緊，確保細(xì)長(zhǎng)型材的位置，在切削過(guò)程中采用高壓夾緊的方式，以保證加工質(zhì)量[4]。夾緊裝置的結(jié)構(gòu)總圖如上圖3.1所示。圖3.1定位夾緊裝置3.5夾緊裝置中的氣動(dòng)控制與氣缸的選取氣缸在機(jī)械工業(yè)中已得到廣泛的應(yīng)用，在本設(shè)計(jì)中，也大量的采用了氣缸，主要是因?yàn)樗芯哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：（1）以空氣為工作介質(zhì)，工作介質(zhì)獲得比較容易，用后的空氣排放的大氣中，方便處理，不必設(shè)置回首空氣的容器和管道；（2）因空氣的黏度很?。s為液壓油動(dòng)力黏度的萬(wàn)分之一），其流動(dòng)阻力損失也很小，所以便于集中供氣、遠(yuǎn)距離輸送，外泄不會(huì)像液壓傳動(dòng)那樣嚴(yán)重污染環(huán)境；（3）與液壓傳動(dòng)相比，氣壓傳動(dòng)動(dòng)作迅速、反應(yīng)快、維護(hù)簡(jiǎn)單、工作介質(zhì)清潔，不存在介質(zhì)變質(zhì)等問(wèn)題；（4）工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別在易燃易爆多塵埃、強(qiáng)磁、輻射、振動(dòng)等惡劣工作環(huán)境中，比液壓、電子、電器控制優(yōu)越；（5）成本低，過(guò)載能自動(dòng)保護(hù)。在本次設(shè)計(jì)中采用氣動(dòng)控制的方式夾緊主要是基于以下幾方面的考慮：(1)氣動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，壓力等級(jí)低、使用安全；工作介質(zhì)是取之不盡的空氣、空氣本身不花錢(qián)。排氣處理簡(jiǎn)單，不污染環(huán)境，成本低；(2)塑鋼門(mén)窗應(yīng)在清潔的環(huán)境中生產(chǎn)，而氣動(dòng)控制相對(duì)液壓控又許多優(yōu)點(diǎn)，首先對(duì)環(huán)境影響很小，在設(shè)備使用過(guò)程中，可以保證在清潔的環(huán)境中生產(chǎn)出清潔的產(chǎn)品；其次空氣取之不盡，經(jīng)濟(jì)便利。(3)切削PVC塑料切削力較小，故夾緊和切削進(jìn)給均采用了壓力等級(jí)較低的氣動(dòng)控制，既可以保證所需壓力，又可以降低成本。此外充分考慮環(huán)境因素，為降低噪聲影響，在防護(hù)板內(nèi)側(cè)粘貼上一層20mm厚的消音棉；為保證有一個(gè)清潔的環(huán)境，還設(shè)計(jì)有吸塵設(shè)備。夾緊裝置的氣缸選型是通過(guò)刀具的切削力來(lái)確定的，如下分析：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)多種型材的排水孔、通風(fēng)孔、鉸鏈孔、門(mén)窗鎖孔、滑輪孔以及其他各種五金件安裝孔、槽的加工，其孔、槽既可為規(guī)則形狀亦可為異形，從要求我們可以知道主要是銑削溝槽與工件上各種形狀的孔，能滿足要求的銑刀是立銑刀。由于本課題中鋁塑型材鋸銑加工中心的切削材料主要是鋁塑型材，對(duì)加工刀具的要求不高，可以用高速鋼，所選銑刀如圖3.1。圖3.1直柄立銑刀名稱(chēng)基本尺寸d1（mm）基本尺寸d2（mm）基準(zhǔn)型L1（mm）長(zhǎng)型L1（mm）基準(zhǔn)型L2（mm）長(zhǎng)型L2（mm）齒數(shù)高速鋼直柄立銑刀556475558631324466657576868132447810605774681630488106366828019384表3.1所選銑刀的參數(shù)高速鋼直柄立銑刀的螺旋角30°～40°，主前角20°，主后角20°～25°，副后角8°。銑削速度在該刀具材料下銑削硬度比較低的材料一般的銑削速度為：15~35(m/min)，因?yàn)槲覀円_(dá)到一個(gè)比較高的加工表面的粗糙度，所以我們選擇比較高的的一個(gè)速度，暫定為35(m/min)。(b)進(jìn)給量f(3.1)：銑刀每分鐘進(jìn)給量（毫米/分）；z：銑刀齒數(shù)；一般fz的范圍是：0.05~0.15（mm/z）。所以進(jìn)給量f的范圍是：0.2～0.6（mm/z）。(c)銑削深度半精加工銑削深度ap的范圍是：0.5～2（mm）,對(duì)于硬度比較低的鋁合金材料銑削深度ap的范圍可以取為：0.5～4（mm）。(d)高速鋼直柄立銑刀銑削鋁合金切削力的計(jì)算(3.2)表3.2各種銑刀加工不同材料的CF值銑刀名稱(chēng)切削系數(shù)Cf值鋼料可鍛鑄鐵青銅灰鑄鐵鋁鎂合金端銑刀808490368490177立銑刀669294222294167三面刃銑刀670294221294167表3.3高速鋼銑刀切削力修正系數(shù)kF值前角γ05ο10ο15ο20οkF1.081.00.920.85表3.3銑削時(shí)各分力與圓周力的比值銑削條件比值不對(duì)稱(chēng)銑立銑ae=0.05d0(mm)af=0.1~0.2(mm/z)逆銑順銑FH/FZFV/FZFa/FZ1.0~1.20.2~0.30.35~0.40.8~0.90.75~0.80.35~0.4由以上表我們可以知道CF=167，kF=0.85，因?yàn)閐0=5~8，所以我們?nèi)0=8，那么ae=0.05d0=0.4，af=fz=0.2，Z=4,ap=4,將以上各值代入式3.2中，我們可得最大銑削力為：(N)(e)氣缸的選擇選擇氣缸好壞直接決定切削的質(zhì)量，所以必須嚴(yán)格選擇氣缸，氣缸的輸出力、缸徑和使用壓力的關(guān)系有F1=η×A1×P(4.1)式中F1—?dú)飧椎妮敵隽Γ?N)；η—負(fù)載率；A1—受壓面積，(mm2)；P—使用壓力，(MPa)。根據(jù)查表可知，靜止工況時(shí)η<0.7，P在0.15~1之間，假設(shè)先選個(gè)缸徑為32mm的，它的受壓面積是804mm2，取η=0.5，P=0.15,A1=804代入式4.1可得F1=0.5×804×0.15=60.3>54.2，所以此氣缸合理可用。表4.2氣缸型號(hào)缸徑(mm)行程(mm)MBB32-12532125同理選擇上夾緊氣缸下半部分時(shí)，取缸徑為40mm的氣缸，它的受力面積為為1260mm2，其它參數(shù)與上面的保持一致代入式4.1可得F1=0.5×1260×0.15=94.5>54.2，所以此氣缸合理可用表4.2氣缸型號(hào)缸徑(mm)行程(mm)CDQ2A40-754075據(jù)上面的得到的切削力確定了滾輪所需要的夾緊力，另外根據(jù)要加工型材的尺寸確定汽缸的行程，選擇SMC型號(hào)的汽缸，上夾緊氣缸的上半部分汽缸和左右?jiàn)A緊汽缸和采用MBB32-125，上夾緊氣缸的下半部分采用CDQ2A40-75，氣動(dòng)系統(tǒng)主要由電磁閥、氣缸、氣源處理器、壓力繼電器、調(diào)速接頭等部分組成，低壓夾緊時(shí)用0.3MPa的氣壓。當(dāng)機(jī)械手帶動(dòng)型材完成定位后，再采用0.4MPa的氣壓完成高壓夾緊，然后進(jìn)行銑削加工。其原理圖見(jiàn)圖3.2。垂直夾緊上氣缸5的氣缸桿與垂直夾緊氣缸6的缸體連接，輸送型材時(shí)由減壓閥2調(diào)整的較低的氣壓控制氣缸5移動(dòng)，氣缸6整體隨之移動(dòng)，這樣既可保證型材的位置，又便于輸送；型材輸送到位后，由減壓閥1調(diào)整的較高的氣壓控制夾緊氣缸5、6動(dòng)作，以提供較大的夾緊力，水平方向則由夾緊氣缸7夾緊[8]。1、2.減壓閥3.刀具進(jìn)給氣缸4.調(diào)速接頭5.垂直夾緊上氣缸6.垂直夾緊氣缸7.水平夾緊氣缸圖3.2刀具進(jìn)給及夾緊機(jī)構(gòu)氣動(dòng)控制系統(tǒng)4典型零件的選型4.1伺服電機(jī)的選型伺服進(jìn)給系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，其主要功能是從數(shù)控裝置接受微小的電控制信號(hào)，放大成強(qiáng)電信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件—伺服電機(jī)，將電控信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換成伺服電機(jī)輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動(dòng)機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)作為伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件要能滿足一下要求：調(diào)速范圍廣，而且有良好的穩(wěn)定性，低速時(shí)要求速度平穩(wěn)，負(fù)載特性硬，即使在低速時(shí)也有足夠的負(fù)載能力，反應(yīng)速度快，可頻繁起、停及換向等[16]。綜上所述，自動(dòng)銑削機(jī)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)部分都用伺服電機(jī)帶動(dòng)刀頭支架的水平、豎直移動(dòng)，定位是是由伺服電機(jī)帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)。這樣既符合塑窗加工潔凈的工作特點(diǎn)，又能更好地滿足其工作要求。具體的選擇過(guò)成如下：假設(shè)電機(jī)的額定功率為2KW、額定轉(zhuǎn)速為1000r/min，絲杠的螺距是6mm,那么絲杠的進(jìn)給速度V1=1000×6=6m/min,絲杠主軸受力有以下公式：(3.5)(3.6)(3.7)根據(jù)式3.6=9550×=19100(N·mm)根據(jù)式3.7Fx=Fz÷4=54.2÷4=13.55式3.5中f=0.15、dz=35把以上數(shù)據(jù)代入式3.5中，可得：絲杠功率P1=Fm×V1=177.26×6=1.06(KW)彈性聯(lián)軸器的效率η=0.99～0.995，角接觸球軸承的效率η=0.99，用兩個(gè)角接觸球軸承，所以電機(jī)最大功率：=1.09因?yàn)镻2=1.09<2，所以電機(jī)的額定功率為2KW，額定轉(zhuǎn)速為1000r/min是符合的。表3.9電機(jī)性能參數(shù)型號(hào)相數(shù)及線電壓(V)額定功率(KW)額定轉(zhuǎn)速(RPM)最高轉(zhuǎn)速(RPM)額定轉(zhuǎn)矩(N·m)最大轉(zhuǎn)矩(N·m)額定電流(A)轉(zhuǎn)子慣量(Kg·cm2)電機(jī)長(zhǎng)度L(mm)130L2M19N3-2202.01000130019579.344313圖3.8電機(jī)尺寸圖4.2滾珠絲杠螺母副及滾動(dòng)導(dǎo)軌的選型與普通機(jī)床相比，數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求除了具有較高的定位精度以外，還應(yīng)具備良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。為了確保數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)度，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，通常還提出無(wú)間隙，地摩擦、低慣性、高強(qiáng)度以及有適應(yīng)性的阻尼比要求等。為了達(dá)到這些要求，盡量采用地摩擦的傳動(dòng)副，如采用靜壓導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和絲杠螺母副等，以減小摩擦力[17]。滾珠絲杠螺母副是一種新的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在具有螺旋槽的絲杠螺母之間裝有滾珠作為中間傳動(dòng)元件，當(dāng)絲杠螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿絲杠螺旋槽滾動(dòng)，故相當(dāng)于滾珠與絲杠之間為滾動(dòng)摩擦，它與普通滑動(dòng)絲杠螺母副相比有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）傳動(dòng)效率高，可達(dá)%90~%95，是普通絲杠的2~4倍；（2）因摩擦系數(shù)小，無(wú)自鎖現(xiàn)象，即運(yùn)動(dòng)具有可逆性，一般需要制動(dòng)裝置；（3）摩擦力小，因靜、動(dòng)摩擦系數(shù)相對(duì)較小，因而傳動(dòng)平穩(wěn)，不易產(chǎn)生爬行，隨動(dòng)精度和定位精度高；（4）滾珠絲杠螺母副中，主要零件均受過(guò)熱處理，其滾道表面的硬度值可達(dá)60-62HRC，因而耐磨性好、壽命長(zhǎng)、精度高、穩(wěn)定性好；（5）可消除軸向間隙及預(yù)緊，提高軸向剛度?；跐L珠絲杠螺母副的以上優(yōu)點(diǎn)，刀架的水平、豎直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均采用滾珠絲杠螺母副。滾動(dòng)導(dǎo)軌較滑動(dòng)導(dǎo)軌同樣有以上類(lèi)似的優(yōu)點(diǎn)，所以刀頭支架的水平和豎直方向的進(jìn)給同樣選用滾動(dòng)導(dǎo)軌。滾珠絲杠的型號(hào)為W3506：表4.1滾珠絲杠單位：mm型號(hào)直徑D0螺距l(xiāng)D1D2D3D4TL額定動(dòng)載荷(N)額定靜載荷(N)W35063565565968212602500116004.3導(dǎo)軌及導(dǎo)軌滑塊的選型這里我們選線性導(dǎo)軌，他的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便。線性導(dǎo)軌又稱(chēng)滑軌、線性滑軌，用于直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和，擁有比直線軸承更高的額定負(fù)載，同時(shí)可承擔(dān)一定的扭矩，可以在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高進(jìn)度的直線運(yùn)動(dòng)。圖4.2線性滑軌表4.3線性導(dǎo)軌單位：mm型號(hào)H1D×h×dEPW1H2MSA25LS2211×9×72060236.5MSA20LS189.5×8.5×62060205MSA15S157.5×5.3×4.52060154.2導(dǎo)軌滑塊與導(dǎo)軌是配合的，導(dǎo)軌確定了導(dǎo)軌滑塊也就確定了，如圖4.2：表4.4導(dǎo)軌滑塊單位：mm型號(hào)Hd1TBCWKW2LL1NGS×lMSA25LS403.3103550485.812.5100.6781012M6×8MSA20LS303.383250445.81288.867.2512M5×6MSA15S283.37.22626343.29.556.339.38.37M4×56結(jié)論本次主要對(duì)塑窗加工中心—自動(dòng)銑削機(jī)部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，自動(dòng)銑削機(jī)的主要對(duì)塑窗型材進(jìn)行各種孔槽的加工，大體包括：通風(fēng)孔、排水孔、鉸鏈孔、密封壓條槽、門(mén)窗鎖孔、滑輪孔以及其他各種五金件安裝孔。它既可以加工形狀比較規(guī)則的孔槽，也可加工異形孔槽。具體的性能指數(shù)如下：（1）可以實(shí)現(xiàn)25×25mm~120×120mm不同截面鋁塑型材的定位、夾緊及銑削；（2）銑刀可加工直徑為?5mm~?8mm的孔；（3）定位精度可達(dá)0.01mm本次自動(dòng)銑削機(jī)的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)銑削機(jī)相比主要有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）在控制系統(tǒng)方面，我們采用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)；（2）在結(jié)構(gòu)方面，采用模塊化設(shè)計(jì)，如銑削頭部，其呈輻射狀圓周布局，美觀、有序、大方；（3）在考慮環(huán)境因素方面，夾緊裝置以及刀頭的進(jìn)給都采用氣動(dòng)控制，對(duì)環(huán)境的影響更小，符合綠色設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；（4）在零件材料選擇方面，主要采用了三類(lèi)材料，鑄鋁ZL102、硬鋁合金LY12以及Q235-A，減少了材料的種類(lèi)，降低了成本。自動(dòng)銑削機(jī)作為塑窗加工中心的重要組成部分，可對(duì)36種型材進(jìn)行自動(dòng)的定位、夾緊、銑削，它的成功的研制填補(bǔ)了我國(guó)塑鋼門(mén)窗行業(yè)同類(lèi)加工設(shè)備的空白，提高了我國(guó)塑鋼門(mén)窗加工的水平，但是它還存在著很大的不足，需要企業(yè)和科研單位密切合作，進(jìn)一步提高我國(guó)塑窗加工設(shè)備的水平。參考文獻(xiàn)[1]蘇明.塑鋼門(mén)窗國(guó)內(nèi)外應(yīng)用概況[J].機(jī)械開(kāi)發(fā),1995(1):5-7[2]韓紫霞.論塑鋼門(mén)窗的發(fā)展[J].中國(guó)建材,1999(7):60-62[3]王娜，李國(guó)平，趙方，昃向博，艾長(zhǎng)勝.鋁塑型材鋸銑加工中心鋸切機(jī)的氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2006(8):18-20[4]王慧,侯志堅(jiān),王洪增,尺向博,趙方.基于柔性化的塑窗自動(dòng)銑削機(jī)的研制[J].濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,2004,1(9):67-69[5]王慧,昃向博等.基于綠色設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的塑料門(mén)窗銑削機(jī)設(shè)計(jì)[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào),2002,16(2):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